JP4669567B1 - 配線基板及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】小型化を維持しつつ、放熱性を向上させることができる配線基板及びその製造方法を提供する。
【解決手段】本実施形態の配線基板１は、金属コア基板１１と、金属コア基板１１の少なくとも一部を被覆するように形成され、相変化材料又は電気熱量効果を有する材料を含むバッファ層１２，１３と、金属コア基板１１及びバッファ層１２，１３を含む基体１０の表面又は内部に搭載された電子素子４０と、電子素子４０とバッファ層１２，１３との間に形成されたサーマルビア２３とを備える。
【選択図】図１
【解決手段】本実施形態の配線基板１は、金属コア基板１１と、金属コア基板１１の少なくとも一部を被覆するように形成され、相変化材料又は電気熱量効果を有する材料を含むバッファ層１２，１３と、金属コア基板１１及びバッファ層１２，１３を含む基体１０の表面又は内部に搭載された電子素子４０と、電子素子４０とバッファ層１２，１３との間に形成されたサーマルビア２３とを備える。
【選択図】図１
Description
本開示は、配線基板及びその製造方法に関する。
携帯電話、パーソナルコンピュータ等の各種の電子機器の性能が高くなる一方で、これらの電子機器の微細化がますます進展している。このような技術の進展に伴い、電子素子からの発熱量がますます大きくなることから、小型で高性能な機器を実現するための新しい冷却技術が望まれている。
電子機器の小型化を阻害することなく、放熱性を向上させるため、ヒートシンクの代わりに、熱伝導性の高い金属を含む金属コア基板を用いた技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。金属コア基板は、通常、配線基板の外縁において露出しており、この金属コア基板の熱はこの露出部から外部へと放散される。
しかしながら、特に発熱量の多い小型の電子機器に適用するには、金属コア基板の放熱能力（熱拡散能力）が未だ十分ではない。このため、配線基板の外縁に露出した金属コア基板に比較的大型のヒートシンク、ヒートパイプ等を接続せざるを得ず、電子機器の小型化が阻害されてしまうという問題がある。
そこで、小型化を維持しつつ、放熱性を向上させることができる配線基板及びその製造方法を提供することが望まれる。
本開示による配線基板は、金属コアと、金属コアの少なくとも一部を被覆するように形成され、相変化材料又は電気熱量効果を有する材料を含むバッファ層と、金属コア及びバッファ層を含む基体の表面又は内部に搭載された電子素子とを有する。
上記構成では、電子素子からの発熱は、金属コアに伝達され、当該金属コアにより拡散される。このとき、金属コア自体では拡散しきれない熱は、相変化材料又は電気熱量効果を有する材料を含むバッファ層により一時的に熱が蓄熱される。相変化材料とは、熱の吸収に伴い物質の状態が変化する材料を含み、熱の吸収に伴って、固相から液相に変化する材料の他、塑性変形又は流動化する材料を含む。ＰＣ材料は、融点を軸に熱の吸放出を繰り返し、蓄熱効果を発揮することができる。電気熱量効果を有する材料は、電圧の印加によって温度が変化する材料を含む。電気熱量効果を有する材料は、例えば、電圧の印加により吸熱し、電圧の印加を停止することにより発熱する。従って、電気熱量効果を有する材料も、電圧の印加の有無に応じて熱の吸放出を繰り返し、蓄熱効果を発揮することができる。電子素子からの発熱量が金属コア基板では吸収ないし拡散しきれない熱量の場合であっても、一時的にバッファ層により吸収することができることから、金属コアの放熱性（熱の拡散能力）を向上させることができる。
例えば、バッファ層は、金属コアに接するように形成されている。これにより、金属コアとバッファ層との間の熱抵抗が少なくなることから、金属コアからバッファ層へ効率よく熱が伝達される。
金属コアは、配線基板の放熱を担う金属層であれば特に限定はないが、例えば、金属コア基板である。これにより、配線基板と同等の面積をもつ金属コアを形成することができ、金属コアの熱拡散能力を高めることができる。
例えば、電子素子とバッファ層との間に形成されたサーマルビアをさらに有する。これにより、電子素子からの熱が効率良くバッファ層を介して金属コアへと伝達される。
また、本開示による配線基板は、金属コア基板と、金属コア基板の少なくとも一部を被覆するように形成され、相変化材料又は電気熱量効果を有する材料を含むバッファ層と、金属コア基板及びバッファ層を含む基体の表面又は内部に搭載された電子素子と、電子素子とバッファ層との間に形成されたサーマルビアとを有する。
さらに、本開示による配線基板の製造方法は、金属コアの少なくとも一部を被覆するように、相変化材料又は電気熱量効果を有する材料を含むバッファ層を形成すること、金属コア及びバッファ層を含む基体の表面又は内部に電子素子を搭載することを有する。
以下、本開示の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、図面中、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、上下左右などの位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。さらに、図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。また、以下の実施の形態は、本開示を説明するための例示であり、本開示をその実施の形態のみに限定する趣旨ではない。さらに、本開示は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る配線基板１を示す断面図である。配線基板１は、基体１０と、基体１０の表面に搭載された電子素子４０とを備える。
図１は、第１実施形態に係る配線基板１を示す断面図である。配線基板１は、基体１０と、基体１０の表面に搭載された電子素子４０とを備える。
基体１０は、金属コア基板１１と、金属コア基板１１の表面及び裏面を被覆するように形成されたバッファ層１２，１３とを有する。金属コア基板１１及びバッファ層１２，１３を貫通するビア１６が形成されている。ビア１６と金属コア基板１１との間、及びバッファ層１２，１３の表面には絶縁層１５が形成されている。金属コア基板１１の一方面側における絶縁層１５上には、配線１７が形成されている。また、金属コア基板１１の他方面側における絶縁層１５上には、配線１８が形成されている。配線１７上には、絶縁層２１が形成されており、絶縁層２１にはビア２２，２２ａ，２２ｂ及びサーマルビア２３が形成されている。絶縁層２１上には、配線２４が形成されており、配線２４の一部は、ビア２２，２２ａ，２２ｂ及びサーマルビア２３に接続されている。配線１８上には、絶縁層３１が形成されており、絶縁層３１にはビア３２，３２ａが形成されている。絶縁層３１上には、配線３４が形成されており、配線３４の一部は、ビア３２，３２ａに接続されている。以下、各層について詳細に説明する。
金属コア基板１１は、電子素子４０から発せられた熱を拡散することを目的とした基板であり、熱伝導性の高い金属材料を含む。金属コア基板１１は、配線基板１の外縁において露出しており、金属コア基板１１の熱は当該露出部から外部へと放散される。金属コア基板１１は、例えば、Ｃｕ、Ａｌ、Ｃｕ−Ｆｅ−Ｐ合金、Ｆｅ−Ｎｉ合金などからなる。また、金属コア基板１１は、電極電位や接地電位としても利用される。金属コア基板１１の厚さは、特に限定はないが、例えば数百μｍである。
バッファ層１２，１３は、金属コア基板１１の表面及び裏面を被覆するように形成されているが、金属コア基板１１の少なくとも一部を被覆していればよい。バッファ層１２，１３は、金属コア基板１１に直接接するように形成されているが、金属コア基板１１上に絶縁層を介して形成されていてもよい。バッファ層１２，１３は、相変化材料（フェイズチェンジマテリアル：Phase Change Material、以下、単にＰＣ材料と称する。）又は電気熱量効果（Electrocaloric Effect）を有する材料（以下、単にＥＣ材料と称する。）を含む。
ＰＣ材料とは、熱の吸収に伴い物質の状態が変化する材料であり、熱の吸収に伴って、固相から液相に変化する材料の他、塑性変形又は流動化する材料を含む。ＰＣ材料は、その状態の変化とともに、優れた蓄熱性を発揮する。すなわち、ＰＣ材料は加熱されると液状に変化して周囲の熱を奪い、冷却されると固体状に変化して、熱を放出する。この原理により、ＰＣ材料は、融点を軸に熱の吸放出を繰り返し、蓄熱効果を発揮することができる。ＰＣ材料として、例えば、信越シリコーン社製のＰＣＳ−ＬＴ−３０を用いることができる。表１に、ＰＣＳ−ＬＴ−３０の特性を示す。その他にも、ＰＣ材料として、例えば、ＮａＣＨ3ＣＯＯ・３Ｈ2Ｏ（融点５８℃、融解熱量２６４ｋＪ／ｋｇ）、ステアリン酸（融点７１℃、融解熱量２０３ｋＪ／ｋｇ）、セチルアルコール（融点５１℃、融解熱量２２４ｋＪ／ｋｇ）が挙げられる。
ＥＣ材料は、電圧の印加によって温度が変化する材料である。本実施形態では、特に、電圧の印加によって温度が低下する材料を使用する。ＥＣ材料は、電圧の印加により吸熱し、電圧の印加を停止することにより発熱する。ＥＣ材料の例として、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）、ＢＳＴ（Ｂａ0.8Ｓｒ0.2ＴｉＯ3）等の無機材料系、ポリフッ化ビニリデン等の有機材料系が挙げられる。
絶縁層１５は、ビア１６と金属コア基板１１とを絶縁する目的で形成されており、例えば樹脂絶縁材又は無機絶縁材からなる。ただし、一部の絶縁層１５を除去して、一部のビア１６が金属コア基板１１に電気的に接続されてもよい。樹脂絶縁材として、例えばガラスエポキシ樹脂、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂、ポリウレタン、ポリ塩化ビニリデン、ポリ塩化ビニール、ポリエチレン、アミラン又はポリプロピレン等を用いることができる。また、無機絶縁材として、窒化珪素、二酸化ケイ素等を用いることができる。
ビア１６は、金属コア基板１１及びバッファ層１２，１３を貫通するように形成されている。ビア１６は、金属又は合金であればよく、例えば銅が使用される。ただし、銅以外にも、アルミニウム、白金、金、銀、パラジウム、スズ、ニッケル、クロム等を用いてもよい。
配線１７，１８は、金属コア基板１１の両面側における絶縁層１５上にパターン形成されている。配線１７，１８は、金属又は合金であればよく、例えば銅が使用される。ただし、銅以外にも、アルミニウム、白金、金、銀、パラジウム、スズ、ニッケル、クロム等を用いてもよい。
絶縁層２１は、例えば樹脂絶縁材又は無機絶縁材からなる。樹脂絶縁材として、例えばガラスエポキシ樹脂、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂、ポリウレタン、ポリ塩化ビニリデン、ポリ塩化ビニール、ポリエチレン、アミラン又はポリプロピレン等を用いることができる。また、無機絶縁材として、窒化珪素、二酸化ケイ素等を用いることができる。
ビア２２は、配線２４を配線１７に接続するためのビアと、配線２４をビア１６に接続するためのビアを含む。また、本実施形態では、配線２４とバッファ層１２とを接続するためのビア２２ａ、及び配線２４と金属コア基板１１とを接続するためのビア２２ｂが形成されている。ビア２２ｂにより、金属コア基板１１を接地電位等の所定の電位に固定することができる。また、ビア２２ａにより、例えばバッファ層１２がＥＣ材料からなる場合に、バッファ層１２に電圧を印加することができ、バッファ層１２の蓄熱動作（吸熱及び発熱動作）が制御可能となる。ただし、バッファ層１２がＰＣ材料からなる場合には、ビア２２ａを形成しなくてもよい。ビア２２，２２ａ，２２ｂは、ビア１６と同様の材料からなる。
サーマルビア２３は、電子素子４０からの発熱を効率良く金属コア基板１１に伝達させるために設けられている。サーマルビア２３は、例えば、ビア２２，２２ａ，２２ｂと同様の材料からなる。本実施形態では、サーマルビア２３の一端が、バッファ層１２に到達しており、これにより、電子素子４０から発せられた熱は、バッファ層１２を介して金属コア基板１１に効率良く伝達される。なお、サーマルビア２３の一端が、バッファ層１２を貫通して金属コア基板１１に到達していてもよい。この場合には、電子素子４０から発せられた熱は、直接金属コア基板１１に伝達される。
配線１８上に形成された絶縁層３１、ビア３２，３２ａ、及び配線３４は、それぞれ、絶縁層２１、ビア２２，２２ａ，２２ｂ、及び配線２４と同様の材料により形成される。ビア３２は、配線３４を配線１８に接続するためのビアと、配線３４をビア１６に接続するためのビアを含む。ビア３２ａは、配線３４とバッファ層１３とを接続するためのものである。ビア３２ａにより、特にバッファ層１３がＥＣ材料からなる場合に、バッファ層１３に電圧を印加することができ、バッファ層１３の蓄熱動作が制御可能となる。ただし、バッファ層１３がＰＣ材料からなる場合には、ビア３２ａを形成しなくてもよい。
上記の金属コア基板１１及びバッファ層１２，１３を含み、表面に配線２４，３４が形成された基体１０の表面に、電子素子４０が搭載されている。本実施形態では、電子素子４０は、バンプ４１を介して配線２４に機械的に固定され、且つ電気的に接続されている。なお、電子素子４０と基体１０との間に、異方性導電樹脂を介在させてもよい。図１に示す例は、フェースダウン実装（電子素子４０の回路面を基板側に向けて搭載すること）であるが、フェースアップ実装（電子素子４０の回路面の裏面を基板側に向けて搭載すること）を採用してもよい。この場合には、電子素子４０の回路面の裏面と、基体１０とを接着剤を介して固定する。そして、電子素子４０の端子と配線２４とが、ボンディングワイヤを介して電気的に接続される。本実施形態では、基体１０の表面に電子素子４０が搭載される例を示しているが、基体１０の内部に電子素子４０を搭載してもよい。この場合には、基体１０に電子素子４０を搭載するための孔が形成され、この孔の中に電子素子４０が埋め込まれる。
電子素子４０として、例えばキャパシタ、抵抗素子等の受動素子、ＩＣチップ等の能動素子が挙げられる。あるいは、このような電子素子として、ＣＣＤセンサ、ＣＭＯＳセンサ等の撮像素子、液晶表示素子等の表示素子が用いられる。
次に、上記の配線基板の製造方法について、図２〜図６を参照して説明する。まず、例えば、銅からなる金属コア基板１１を用意し、当該金属コア基板１１の表裏面にバッファ層１２，１３を形成する。例えば、バッファ層１２，１３として用いるＥＣ材料又はＰＣ材料が、ＰＣＳ−ＬＴ−３０のようなシート状材料である場合には、これらの材料からなるシートを金属コア基板１１の表裏面に貼り付けて積層すればよい。またバッファ層１２，１３として用いるＥＣ材料又はＰＣ材料が粉末状である場合には、これらの粉体を半硬化状態（Ｂステージ）のエポキシ樹脂などで被覆してマイクロカプセル化し、当該マイクロカプセルをアルコールなどの適当な溶媒中に分散させ、金属コア基板１１上にマイクロカプセルを含む溶液を塗布及び乾燥することにより、バッファ層１２，１３を形成することもできる。
次に、図３に示すように、金属コア基板１１及びバッファ層１２，１３を貫通するビアホール１４を形成する。ビアホール１４の形成方法として、例えば、ドリルを用いた加工方法、レーザを用いた加工方法、リソグラフィ技術及びエッチング技術を用いた加工方法を用いることができる。
次に、図４に示すように、ビアホール１４の内壁を含めて全面に絶縁層１５を形成する。例えば、バッファ層１２，１３の両側に２つの樹脂フィルムを配置して熱圧着すると、ビアホール１４を充填するように、全面に絶縁層１５が形成される。この後、ビアホール１４を充填した絶縁層１５の中央部を除去することにより、内壁が絶縁層１５により形成されたビアホール１４ａが形成される。ビアホール１４ａの形成方法は、ビアホール１４の形成方法と同じである。あるいは、全面に液状の樹脂を塗布した後に、ビアホール１４を充填した絶縁層１５の中央部を除去してもよい。あるいは、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等によりビアホール１４の内壁を含めて全面に均一な絶縁層１５を形成してもよい。
次に、図５に示すように、ビアホール１４ａに導体を充填してビア１６を形成し、必要に応じて、絶縁層１５上に配線１７，１８をパターン形成する。導体の埋め込み方法としては、無電解めっき、導体ペーストを用いることができる。例えば、無電解めっきにより、ビアホール１４ａの内壁を含めて全面に銅等の金属膜を形成し、当該金属膜をフォトリソグラフィ技術を用いてパターニングすることにより、ビア１６及び配線１７，１８が形成される。なお、配線１７，１８のパターン形成方法は、上記のサブトラクト法（金属層の不要な部分を除去して必要な部分を残し配線を形成する方法）に限定されず、例えばアディティブ法を用いてもよい。アディティブ法を用いた場合、例えば、バッファ層１２，１３上にレジストを塗布し、レジストを露光、現像してレジストパターンを形成し、無電解めっきにより全面に金属膜を形成し、レジストパターン及び当該レジストパターン上に堆積した金属層を除去すればよい。
次に図６に示すように、配線１７の上層に絶縁層２１、ビア２２，２２ａ，２２ｂ、サーマルビア２３及び配線２４を形成し、配線１８の上層に絶縁層３１、ビア３２，３２ａ、配線３４を形成する。例えば、感光性樹脂からなる絶縁層２１を形成し、感光性樹脂を露光及び現像して絶縁層２１にビアホールを形成し、必要に応じてビアホール内に露出した絶縁層１５、バッファ層１２をエッチングする。そして、ビアホールに導体を充填してビア２２，２２ａ，２２ｂ及びサーマルビア２３を形成し、絶縁層２１上に配線３４をパターン形成する。ビアホールへの導体の充填方法は、ビアホール１４ａへの導体の充填方法と同様である。配線１８の上層の形成方法は、配線１７の上層の形成方法と同様である。
または、絶縁層２１として非感光性樹脂を用い、絶縁層２１上にフォトリソグラフィ技術によりレジストパターンを形成し、レジストパターンから露出した絶縁層２１をエッチングすることにより、絶縁層２１にビアホールを形成してもよい。または、絶縁層２１としてガラスクロスに絶縁樹脂を含浸させたプリプレグを用いてもよい。上記の配線１７の上層の形成方法は、配線１８の上層の形成方法にも同様に適用可能である。
以上のようにして基体１０が製造された後に、基体１０の表面に、ＩＣチップ等の電子素子４０が搭載される。例えば、電子素子４０をはんだ等からなるバンプを介して、基体１０上に搭載する（図１参照）。または、電子素子４０の回路面と基体１０との間に異方性導電膜を介在させた状態で、両者を熱圧着することにより、基体１０上にフェースダウンで電子素子４０を搭載してもよい。あるいは、基体１０上にフェースアップで電子素子４０を搭載してもよい。この場合には、例えば、接着剤により電子素子４０の回路面の裏面を基体１０上に固着し、電子素子４０の回路面と基体１０の配線２４とをボンディングワイヤにより電気的に接続すればよい。
上記の本実施形態の配線基板では、電子素子４０からの発熱は、サーマルビア２３、絶縁層２１、バッファ層１２を通じて、金属コア基板１１に伝達され、金属コア基板１１を通じて外部に放散される。ここで、金属コア基板１１により拡散しきれない熱は、金属コア基板１１の周囲のバッファ層１２，１３に一時的に吸収される。
バッファ層１２，１３としてＰＣ材料を用いた場合、金属コア基板１１の温度がＰＣ材料の融点を超えると、ＰＣ材料は固体状から液状（流動体）へと相変化するとともに、金属コア基板１１からの熱を吸収する。ＰＣ材料は、その融解熱量分だけ蓄熱することができる。このような原理で金属コア基板１１の温度が過度に上昇することが抑制される。そして、金属コア基板１１の温度が低下していくと、ＰＣ材料は液状（流動体）から固体状へと相変化するとともに、金属コア基板１１へ熱を放出する。金属コア基板１１に吸収された熱は、外部へと放出される。ＰＣ材料を用いた場合には、上記のような蓄熱原理により、ＰＣ材料は金属コア基板１１のバッファ層として機能する。
バッファ層１２，１３として、電圧の印加により温度が低下するＥＣ材料を用いた場合、当該ＥＣ材料は、ＰＣ材料と同様の作用をもつ。すなわち、バッファ層１２，１３に電圧を印加することにより、ＰＣ材料は、金属コア基板１１からの熱を吸収することが可能となる。従って、金属コア基板１１の温度が過度に上昇することが抑制される。そして、バッファ層１２，１３への電圧の印加を停止すると、バッファ層１２，１３は、金属コア基板１１へ熱を放出する。金属コア基板１１に吸収された熱は、外部へと放出される。ＥＣ材料を用いた場合には、上記のような蓄熱原理により、ＥＣ材料は金属コア基板１１のバッファ層として機能する。
以上のようにして、本実施形態では、電子素子４０からの発熱量が金属コア基板では吸収しきれない熱量の場合であっても、一時的にバッファ層１２，１３により吸収することができることから、金属コア基板１１の放熱性（熱の拡散能力）を向上させることができる。このため、金属コア基板１１に大型のヒートシンクやヒートパイプを取り付ける必要がなくなることから、小型の電子機器に適用可能な配線基板を提供できる。
なお、上述したとおり、本開示は、上記の各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない限度において様々な変形が可能である。例えば、本開示の金属コアは、金属コア基板に限定されず、金属ビアであってもよい。
本開示の配線基板は、ほとんど全ての電子機器に利用することができる。例えば、携帯電話、ＩＣカード、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ、カーナビゲーション、ゲーム機、デジタルカメラ、ＤＶＤプレイヤー、ＣＤプレイヤー、電子手帳、電子辞書、パーソナルコンピュータ、携帯情報端末、ビデオカメラ、プリンター等の電子機器に適用することができる。
１…配線基板、１０…基体、１１…金属コア基板、１２，１３…バッファ層、１４…ビアホール、１５…絶縁層、１６…ビア、１７，１８…配線、２１…絶縁層、２２，２２ａ，２２ｂ…ビア、２３…サーマルビア、２４…配線、３１…絶縁層、３２，３２ａ…ビア、３４…配線、４０…電子素子、４１…バンプ。
Claims (6)
- 金属コア基板と、
前記金属コア基板の少なくとも一部を被覆するように形成され、電気熱量効果を有する材料を含み、電圧が印加されるものであり、電圧が印加されることにより前記金属コア基板の温度上昇を緩和するバッファ層と、
前記金属コア基板及び前記バッファ層を含む基体の表面又は内部に搭載された電子素子と、
前記電子素子と前記バッファ層との間に形成されたサーマルビアと、
を有する配線基板。 - 金属コアと、
前記金属コアの少なくとも一部を被覆するように形成され、電気熱量効果を有する材料を含み、電圧が印加されるものであり、電圧が印加されることにより前記金属コアの温度上昇を緩和するバッファ層と、
前記金属コア及び前記バッファ層を含む基体の表面又は内部に搭載された電子素子と、
を有する配線基板。 - 前記バッファ層は、前記金属コアに接するように形成されている、
請求項２記載の配線基板。 - 前記金属コアは、金属コア基板である、
請求項２記載の配線基板。 - 前記電子素子と前記バッファ層との間に形成されたサーマルビアをさらに有する、
請求項２記載の配線基板。 - 金属コアの少なくとも一部を被覆するように、電気熱量効果を有する材料を含み、電圧が印加されるものであり、電圧が印加されることにより前記金属コアの温度上昇を緩和するバッファ層を形成すること、
前記金属コア及び前記バッファ層を含む基体の表面又は内部に電子素子を搭載すること、
を有する配線基板の製造方法。
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