JP5307704B2 - 配線板および配線板の製造法 - Google Patents

Description

本発明は、配線板および配線板の製造法に関する。

大型のインバータ、発光ダイオード等の高発熱部品の実装のためには、高い放熱効率を備えたセラミック基板、または金属ベースの基板が用いられている。特許文献１に記載されているセラミック基板は、窒化珪素質焼結体からなるセラミック基板の表面に活性金属ロウ材を介して金属配線板が設置されている。そして、その金属配線板が設置されているセラミック基板の表面に厚さが０．１〜２μｍの酸化珪素膜が被着されているものである。

また、特許文献２に記載されている金属ベースの基板は、陽極酸化処理を用いて絶縁膜であるアルマイト皮膜を形成したアルミニウム基板の表面に、気相成長法によりアルミニウム層と金属シード層を形成した後、水和処理によりアルミニウム層とアルマイト皮膜の一部をベーマイト層に変化させ、アルマイト皮膜と金属シード層との間にベーマイト層を形成する。その後、電気めっき法により金属シード層上に所望の厚さの導電性金属層を形成したものである。

特開２００１−３０８４７５号公報 特開２００９−１２３９８０号公報

しかし上述のセラミック基板、または金属ベースの基板は、非常に高価でかつ重量が大きい。そこで、本発明の目的は、軽量化、低コスト化および放熱性の良さを同時に達成できる配線板およびその製造法を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明に係る配線板は、樹脂を含有する絶縁基板を備える配線板において、絶縁基板の一方の面に形成された配線パターンと、絶縁基板の一方の面および一方の面とは反対側の他方の面の両面を貫通するスルーホールを有し、配線パターンは、スルーホール内に設置される伝熱体によって他方の面の放熱用の金属パターンと結ばれ、他方の面には、放熱用の金属パターンと接触するように、その接触面側に熱伝導性の良い材料を含み、その厚さが１５〜２００μｍとなる絶縁層が予め付けられた金属箔が配置され、その金属箔は、放熱用の金属パターンとは接触しないように形成され、その厚さが配線パターンの厚さの１．５〜５倍とされている。

ここで、金属箔は、絶縁層の一部のみを覆うように、かつ配線板の端部の全てまたは一部を覆わないようにすることができる。

この配線板において、金属箔の厚さを２７〜７０μｍとし、絶縁層をアルミナセラミック混入樹脂ペーストを含浸したプリプレグとすることが好ましい。

ここで、絶縁層は、セラミック粉を含有する樹脂成形体であることが好ましい。

また、絶縁層のうち、金属箔が配置されていない部分は、ヒートシンクに接触されていることが好ましい。

また、放熱用の金属パターンは配線パターンを兼ねると共に、絶縁層は、放熱用の金属パターンに跨って配置されていることが好ましい。

上記課題を解決するため、本発明に係る配線板の製造法は、樹脂を含有する絶縁基板を備える配線板の製造法において、絶縁基板の一方の面に配線パターンを形成するステップと、絶縁基板の他方の面に配線パターンと同一または異なるパターンとなる放熱用の金属パターンを形成するステップと、絶縁基板の一方の面と、一方の面とは反対側の他方の面とを貫通するスルーホールを形成するステップと、配線パターンと放熱用の金属パターンとを、スルーホールを通じて伝熱体で結ぶステップと、他方の面に、放熱用の金属パターンと接触するように、その接触面側に、熱伝導性の良い材料を含み、その厚さが１５〜２００μｍとなる絶縁層が予め付けられると共に、その厚さが配線パターンの厚さの１．５〜５倍となる金属箔を配置するステップと、を有する。

ここで、絶縁層が予め付けられた金属箔を、絶縁基板に対し熱圧着することが好ましい。

本発明によって、軽量化、低コスト化および放熱性の良さを同時に達成できる配線板およびその製造法を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る配線板の縦断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る配線板の製造過程を、図１に示す縦断面図と同様に示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る配線板の製造過程を示す図で、図２と同様に示す図である。 絶縁基板の端部の外部端子を避けて絶縁層および金属層を配置した例を示す配線板の平面図である。

本発明の実施の形態に係る配線板の構成および製造法について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る配線板１の縦断面図である。配線板１は、エポキシ系の樹脂がガラス繊維シートに含浸されたプリプレグを加熱圧着して形成された絶縁基板２を有している。絶縁基板２は、図１における上側となる上側面３（一方の面）と、上側面３とは反対側の図１における下側となる下側面４（他方の面）とを貫通するスルーホール５を有している。絶縁基板２の上側面３には、所定の形状の銅箔からなる配線パターン６が多数形成されている。そして、配線パターン６は、スルーホール５の内壁面を通じて下側面４へと延長されている。すなわち、このスルーホール５の内壁面には、銅からなる伝熱体５Ａが配置されていることとなる。

そして、下側面４には、配線パターン６と熱的および電気的に接続された下側配線パターン７が配置されている。そして、この下側配線パターン７と接触するよう配置された絶縁層８が下側配線パターン７を覆っている。ここで、下側配線パターン７は、放熱用の金属パターンとなる。そして、絶縁層８のうち、下側面４と対向しない側の面の全面には、配線パターン６の銅箔厚みと同一の厚みの銅箔からなる金属層９が配置されている。なお、下側配線パターン７は、配線パターン６と協働して回路を形成しているが、回路の一部を形成せずに単に放熱用のみとしても良い。

ここで、絶縁層８は、アルミナセラミック粉を含有するエポキシ樹脂成形体である。この絶縁層８の厚みは、１５〜２００μｍとするのが好ましい。この実施の形態では８０μｍとしている。また、絶縁層８の耐圧は４ｋＶとされている。また、絶縁層８は、絶縁基板１の下側面４のほぼ全域に配置されており、下側面４に形成された全ての下側配線パターン７に跨って配置されている。

また、金属層９は、銅箔で形成されており、絶縁層８の全体を覆っている。また、絶縁基板２の下側面４に形成された多数の下側配線パターン７の配線形状は、スルーホール５を通じた上側面３のそれぞれの配線パターン６の形状と同一である。また、絶縁層８の一部は、各スルーホール５の伝熱体５Ａの表面へと下側面４側から若干進入している。すなわち、絶縁層８のスルーホール５に面している部分は、スルーホール５内にわずかに突出している。この突出によって絶縁層８は、絶縁基板２から外れにくくなる。

図２は、本発明の第１の実施の形態に係る配線板１の製造過程を、図１に示す縦断面図と同様に示す図である。まず、エポキシ系の樹脂がガラス繊維シートに含浸されたプリプレグを加熱圧着して形成された絶縁基板２の両面に銅箔１１を貼付し、銅箔１１付きの絶縁基板２を形成する（銅箔付き絶縁基板形成工程）。次に、ドリルを用いて、絶縁基板２の上側面３と、下側面４とを貫通するスルーホール５を形成する（スルーホール形成工程）。その後、スルーホール５の内壁面に伝熱体５Ａを銅のスルーホールめっき法によって形成する（スルーホールめっき工程）。これで、絶縁基板２の両面の銅箔１１は、スルーホール５の内壁に形成した銅めっき層である伝熱体５Ａによって導通し、三者をあわせて導電層１２となる。

スルーホールめっき工程の後、絶縁基板２の両面の導電層１２に対してエッチング処理を行う（エッチング工程）。このエッチング処理によって、導電層１２のうち配線および放熱に必要な部分が残り、配線パターン６および下側配線パターン７がそれぞれ形成される。なお、伝熱体５Ａは、エッチング処理されない。上述のように、この配線パターン６および下側配線パターン７は、絶縁基板２の両面において、それぞれ同一形状のパターン形状とされている。

その後、アルミナセラミック混入樹脂ペーストを含浸したプリプレグが金属層９に塗布されているもの、すなわち、高い熱伝導率を有する樹脂付き銅箔を、絶縁基板２の下側面４にそのプリプレグを接触させて絶縁基板２の厚み方向に、真空積層プレス装置を用いて加熱圧着させる（絶縁層・金属層熱圧着工程）。すると、そのプリプレグが絶縁層８となる。このとき、絶縁層８の一部がスルーホール５内にわずかに突出する。なお、樹脂付き銅箔から形成される絶縁層８と金属層９の一体化物は、その熱伝導率が３Ｗ／ｍ・Ｋとなっている。以上の過程を経ることによって、本発明の第１の実施の形態に係る配線板１が製造される。

図３は、本発明の第２の実施の形態に係る配線板１６の製造過程を、図２と同様に示す図である。なお、既に図２に示した銅箔付き絶縁基板形成工程、スルーホール形成工程、スルーホールめっき工程、およびエッチング工程は経ているものとする。エッチング工程を経た絶縁基板２の下側面４にアルミナセラミック粉が混入された高い熱伝導率のエポキシ系の樹脂ペーストをスクリーン印刷する。そして、そのように印刷された樹脂ペーストを乾燥装置を用いて乾燥させ、半硬化させる（印刷・半硬化工程）。この工程後の半硬化した半硬化樹脂２１が絶縁基板２の下側面４の全域または略全域に形成される。また、スクリーン印刷の際には、上述した樹脂ペーストがスルーホール５に入り込み、絶縁基板２の上側面３側から突出する突出部２２が形成される。なお、絶縁層８の厚みを増した場合には、高い熱伝導率のプリプレグを次のステップの際に金属層９との間に挟み込んでも良い。

印刷・半硬化工程の後に、半硬化樹脂２１のうち、絶縁基板２の下側面４と対向しない側の面に銅箔からなる金属層９を配置し、絶縁基板２の厚み方向に熱圧着する（熱圧着工程）。熱圧着工程によって半硬化樹脂２１が絶縁層８となり、絶縁層８と金属層９とが密着する。その後、突出部２２を研磨して取り除く（研磨工程）。ただし、この研磨工程は、省略することができる。たとえば、突出部２２が邪魔にならない場合、または、上述した樹脂ペーストのスクリーン印刷によっては突出部２２が形成されない場合には、研磨工程を省略することが好ましい。なお、配線板１６は、スルーホール５内全域に樹脂層８の一部が入り込んでいる以外は、配線板１と構成が同一であるため、対応する部材・部位には配線板１に付した符号と同一の符号を付して、それらの説明は省略している。

（本発明の実施の形態によって得られる主な効果）
配線板１，１６は、配線パターン６が、スルーホール５内に設置される伝熱体５Ａによって下側面４の下側配線パターン７と結ばれ、下側面４には、下側配線パターン７と接触するよう配置された絶縁層８と、絶縁層８と接触すると共に下側配線パターン７とは接触しないように形成された金属層９とが配置されている。そのため、絶縁基板２の上側面３の配線パターン６にて実装されたＬＥＤ等の回路素子が発熱しても、その熱が伝熱体５Ａ、下側配線パターン７、絶縁層８および金属層９を伝わり、放熱される。特に、下側配線パターン７が大きく拡がっているため、配線パターン６の側で発生した熱が下側配線パターン７によって拡散され、配線板１，１６の温度上昇を防止できる。加えて、金属層９も配線板１，１６の一方の面に拡がっているため、配線パターン６の側で発生した熱がより一層拡散し、放熱されやすいものとなる。

よって、 配線板１，１６は、絶縁基板１にエポキシ樹脂等の樹脂を用いても放熱性が良好となる。また、上述の配線板１，１６の製造法（図２および図３にそれぞれ示した）によれば、エポキシ樹脂等の樹脂を用いても放熱性が良好な配線板１，１６を提供できる。この放熱性は、セラミック基板、または金属ベースの基板を用いた場合と同等程度である。また、配線板１，１６のコストは、セラミック基板、または金属ベースの基板を用いたものの１／４程度である。また、配線板１，１６は、セラミック基板、または金属ベースの基板を用いたものよりも軽量化することができる。さらに、絶縁層８および金属層９は、曲げ応力に対して配線板１，１６全体を補強している。

ここで、絶縁層８は、アルミナセラミック粉を含有するエポキシ樹脂成形体である。アルミナセラミック粉は熱伝導性が良好であるため、配線板１，１６の放熱性がさらに良好になる。

また、絶縁層８は、絶縁基板２の下側面４の全域またはほぼ全域に配置されており、下側面４に形成された全ての下側配線パターン７に跨って配置されている。また金属層９は、絶縁層８の全域またはほぼ全域を覆っている。そのため、絶縁層８および金属層９によって熱を絶縁基板２の面方向に、より多く逃がすことができ、配線板１，１６の放熱性がさらに良好になる。

また、絶縁層８の一部は、配線板１においては、各スルーホール５の中の伝熱体５Ａ表面へと下側面４側から若干進入している。そのため、絶縁層８と絶縁基板２との固着強度が高まる。また、配線板１６においては、絶縁層８の一部は、各スルーホール５の全領域に入り込んでいる。このため、固着強度の向上に加え、スルーホール５が塞がれることで、伝熱体５Ａが保護され、放熱性が安定する。

また、絶縁基板２の下側面４に形成された多数の下側配線パターン７の配線形状は、スルーホール５を通じた上側面３のそれぞれの配線パターン６の形状と同一である。そのため、配線パターン６，７の形成が容易となる。また、絶縁基板２の下側面４において、下側配線パターン７が複数存在する場合に、絶縁層８によって下側配線パターン７同士の短絡を防止することができる。

また、配線板においては、絶縁層８と金属層９とからなる樹脂の絶縁体を、絶縁基板２に対し熱圧着して製造している。そのため、電気的な絶縁を担保しやすくなる。また、配線板１，１６では、金属層９の側からの熱圧着を行っている。このため、絶縁層８によって金属層９と絶縁基板２とが強固に固定できる。

（他の形態）
配線板１，１６は、樹脂を含有する絶縁基板２を備える配線板１，１６において、絶縁基板２の上側面３に形成された配線パターン６と、絶縁基板２の上側面３および上側面３とは反対側の下側面４の両面を貫通するスルーホール５を有し、配線パターン６は、スルーホール５内に設置される伝熱体５Ａによって下側面４の下側配線パターン７と結ばれ、下側面４には、下側配線パターン７と接触するよう配置された絶縁層８と、絶縁層８と接触すると共に下側配線パターン７とは接触しないように形成された金属層９とが配置されている。

しかし、金属層９は、絶縁層８の全てを覆うようにしなくても良い。たとえば、金属層９は、その一部または全部を有していないこととすることができる。絶縁層８がセラミック粉を含有している等、熱伝導性と放熱性に優れていれば、絶縁層８の熱伝導性と放熱性のみまたは少しの金属層９で配線板１，１６の放熱性を良好にすることができる。また、図１に示す配線板１、図３に示す配線板１６は、単層配線板であるが、多層配線板についても配線板１，１６の構成を採用できる。

また、絶縁層８は、アルミナセラミック粉を含有するエポキシ樹脂成形体である。しかし、絶縁層８は、熱伝導性が良ければアルミナセラミック粉を含有させないこととしても良い。また、絶縁層８は、アルミナセラミックに代えて、より熱伝導率の高い窒化アルミニウム等の他のセラミック粉等の絶縁体を用いることができる。また、絶縁層８は、エポキシ樹脂成形体に代えて、他の物質の成形体を用いることができる。

また、絶縁層８は、絶縁基板１の下側面４のほぼ全域に配置されており、下側面４に形成された全ての下側配線パターン７に跨って配置されている。しかし、絶縁層８は、下側面４に形成された複数の下側配線パターン７に跨って配置されている必要はなく、個々の下側配線パターン７を覆うように点在していても良い。

図４は、絶縁基板２の端部の外部用端子部３１を避けて絶縁層８および金属層９を配置した例を示す配線板１，１６の平面図である。この外部用端子部３１は、リードピン等によって挟み込まれ、電気の出入口となり、またそのはさみ込みによって配線板１，１６が保持・固定される。リードピンと外部用端子部３１との固定をより強固にするためには、両者の接触部分を溶融はんだに短時間ディップし、その接触部分をはんだ固定する。

また、配線板１，１６では、絶縁層８のうち、金属層９が配置されていない部分は無いが、そのような部分がある場合は、その部分は、金属層９よりも表面積が大きいヒートシンクに接触されている構成を採用しても良い。ヒートシンクは、金属層９と同等以上の放熱効果を有するため、それを用いることは好ましい。また、絶縁層８の絶縁基板２とは対向しない面に放熱性の高いヒートシンクを直接貼り付けるようにしても良い。

また、絶縁層８の一部は、各スルーホール５の中へと若干進入しまたは完全に穴を塞いで、伝熱体５Ａと接触している。しかし、絶縁層８の一部は、各スルーホール５の中へ進入させないこととしても良い。たとえば、スルーホール５内へ溝状の治具を入れ、絶縁層８が進入してくるのを防止するようにしてもよい。このように多くの絶縁層８がスルーホール５の中へ進入するのを抑制することにより、絶縁層８を一定以上の厚みにすることができ、配線板１，１６の耐電圧特性が向上する。なお、絶縁層８の厚みは、求められる耐電圧特性、またこれに使用される材料によって異なってくるが、概ね１５μｍから２００μｍとすることが好ましい。

このように絶縁層８を一定以上の厚みにするには以下の方法が考えられる。たとえば、絶縁基板２の下側面４のスルーホール５の入り口を絶縁シートで塞ぎ、または下側面４側のスルーホール５を予め樹脂埋めする等して、絶縁層８がスルーホール５の中へ進入するのを防ぐ。また、絶縁層８の中に所定の径のセラミックボール等の絶縁性のボールを混入させ、絶縁基板２の下側面４に絶縁層８を接触させ絶縁基板２の厚み方向に加熱圧着する際に絶縁層８の厚みをセラミックボールの径としたり、その径以上としたりする。また、金属層９のうち絶縁層８と対向する面にリブ（スペーサ）を設け、絶縁層８の厚みをそのリブの高さまたはそれ以上とすることもできる。さらには、絶縁基板２の下側面４にリブを設け、絶縁層８の厚みをそのリブの高さまたはそれ以上としても良い。なお、これらのリブは、樹脂ペーストをスクリーン印刷した後に硬化させること等で形成できる。

また、絶縁基板２の下側面４に形成された多数の下側配線パターン７配線形状は、スルーホール５を通じた上側面３のそれぞれの配線パターン６の形状と同一である。しかし、絶縁基板２の下側面４の下側配線パターン７の形状は、それとスルーホール３および伝熱体５Ａで繋がった上側面３の配線パターン６の形状と異ならせても良い。

また、絶縁層８および金属層９は、絶縁基板２の下側面４のほぼ全域に配置されている。しかし、絶縁層８または金属層９は、絶縁基板２の下側面４の一部に配置されることとしても良い。たとえば、配線板１，１６は、絶縁基板２の上側面３のみに回路素子を実装するようにした片面配線板であるが、絶縁基板２の両面に回路素子を実装する両面配線板の場合は、絶縁層８および金属層９を部分的にしか配置できない場合もある。

また、金属層９は、銅箔であるが、他の金属箔等、たとえばアルミニウム箔等を用いることもできるし、金属以外の高導熱物質、たとえばセラミック板等を用いることもできる。金属層９をアルミニウム箔とすることで、配線板１，１６をより軽量化できる。また、絶縁基板２は、エポキシ樹脂成形体に代えて、他の樹脂系の成形体を用いることができる。

また、金属層９を形成する銅箔の厚みは、配線パターン６を形成する銅箔の厚みと同一としているが、両者の銅箔厚みは異ならせることができる。ここで、金属層９は専ら熱伝導のために設けられており、その厚みが厚い方が熱伝導が促進される。そのため、金属層９の銅箔の厚みを配線パターン６の銅箔の厚みよりも厚くすることが好ましい。たとえば、配線パターン６の銅箔の厚みを１８μｍまたは３５μｍとし、金属層９の銅箔の厚みを７０μｍとする等、金属層９の銅箔の厚みを配線パターン６の銅箔厚みの１．５倍以上、２倍以上、３倍以上、または４倍以上とすることがさらに好ましい。しかし、あまり厚くすると、配線板の重みが増すため８倍以下、好ましくは５倍以下が良い。

また、配線板１，１６の製造法は、樹脂を含有する絶縁基板２の上側面３に配線パターン６を形成するステップと、絶縁基板２の下側面４に配線パターン６と同一の下側配線パターン７を形成するステップと、絶縁基板２の上側面３および上側面３とは反対側の下側面４の両面とを貫通するスルーホール５を形成するステップと、配線パターン６と下側配線パターン７とを、スルーホール５を通じて伝熱体５Ａで結ぶステップと、下側面４には、下側配線パターン７と接触するよう配置された絶縁層８を配置するステップと、絶縁層８と接触すると共に下側配線パターン７とは接触しないように形成された金属層９を配置するステップとを有する。

ここで、図２に示した配線板１の製造法の一部を変形等し、たとえば図３に示す第２の実施の形態に係る配線板１の製造法を採用しても良いことは上述した。また、下側配線パターン７は、配線パターン６のパターンと異ならせても良い。また、配線板１，１６は、金属層９側を、絶縁基板２に対し熱圧着して製造しているが、熱圧着以外の方法、たとえば加熱しない圧着等を採用しても良い。さらに、下側配線パターン７は、放熱用となっているが、回路の一部を兼ねるようにしたり、逆に単に放熱用のみとしたりしても良い。

１，１６ 配線板
２ 絶縁基板
３ 上側面（一方の面）
４ 下側面（他方の面）
５ スルーホール
５Ａ 伝熱体
６ 配線パターン
７ 下側配線パターン（放熱用の金属パターン）
８ 絶縁層
９ 金属層

Claims (8)

1. 樹脂を含有する絶縁基板を備える配線板において、
   上記絶縁基板の一方の面に形成された配線パターンと、
   上記絶縁基板の一方の面および上記一方の面とは反対側の他方の面の両面を貫通するスルーホールを有し、
   上記配線パターンは、上記スルーホール内に設置される伝熱体によって上記他方の面の放熱用の金属パターンと結ばれ、
   上記他方の面には、上記放熱用の金属パターンと接触するように、その接触面側に熱伝導性の良い材料を含み、その厚さが１５〜２００μｍとなる絶縁層が予め付けられた金属箔が配置され、
   その金属箔は、上記放熱用の金属パターンとは接触しないように形成され、その厚さが上記配線パターンの厚さの１．５〜５倍とされていることを特徴とする配線板。
2. 請求項１記載の配線板において、
   前記金属箔は、前記絶縁層の一部のみを覆うように、かつ前記配線板の端部の全てまたは一部を覆わないようにしたことを特徴とする配線板。
3. 請求項１記載の配線板において、
   前記金属箔の厚さを２７〜７０μｍとし、前記絶縁層をアルミナセラミック混入樹脂ペーストを含浸したプリプレグとしたことを特徴とする配線板。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の配線板において、
   前記絶縁層は、セラミック粉を含有する樹脂成形体であることを特徴とする配線板。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の配線板において、
   前記絶縁層のうち、前記金属箔が配置されていない部分は、ヒートシンクに接触されていることを特徴とする配線板。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の配線板において、
   前記放熱用の金属パターンは配線パターンを兼ねると共に、前記絶縁層は、前記放熱用の金属パターンに跨って配置されていることを特徴とする配線板。
7. 樹脂を含有する絶縁基板を備える配線板の製造法において、
   上記絶縁基板の一方の面に配線パターンを形成するステップと、
   上記絶縁基板の他方の面に上記配線パターンと同一または異なるパターンとなる放熱用の金属パターンを形成するステップと、
   上記絶縁基板の一方の面と、上記一方の面とは反対側の他方の面とを貫通するスルーホールを形成するステップと、
   上記配線パターンと上記放熱用の金属パターンとを、上記スルーホールを通じて伝熱体で結ぶステップと、
   上記他方の面に、上記放熱用の金属パターンと接触するように、その接触面側に、熱伝導性の良い材料を含み、その厚さが１５〜２００μｍとなる絶縁層が予め付けられると共に、その厚さが上記配線パターンの厚さの１．５〜５倍となる金属箔を配置するステップと、
   を有することを特徴とする配線板の製造法。
8. 請求項７記載の配線板の製造法において、
   前記絶縁層が予め付けられた前記金属箔を、前記絶縁基板に対し熱圧着することを特徴とする配線板の製造法。

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