JP6264721B2 - 多層配線基板の放熱構造 - Google Patents

Description

本発明は、多層配線基板の放熱構造に関する。

近年、例えばタブレットＰＣやスマートフォン等の携帯端末の高性能化、多機能化に伴い、ＩＣなどの電子部品では、低電圧・大電流による高速駆動化が進んでいる。それに伴い、二次電池（バッテリ）の連続使用可能時間が短くなるという問題が生じている。このような問題を解決するために、二次電池のサイズが拡大されてきている。しかし、携帯端末自体のサイズは大きくすることが困難なため、プリント基板のサイズをより小さくすることが求められている。そのため、プリント基板が持つ熱容量は減少する傾向にある。これに対して、上述したように、ＩＣ等の電子部品では、低電圧・大電流による高速駆動化により、消費電力、すなわち発熱量が増加する傾向にある。そのため、電子部品が高密度に実装されるプリント基板の小型化を図りつつ、発熱量の大きな電子部品からの熱を効率よく放熱する技術が望まれている。

ここで、特許文献１には、プリント基板の面上に、発熱電子部品であるオペアンプの直下の領域から両側の領域にかけて放熱パターンが設けられた構成が開示されている。この構成によれば、発熱電子部品が実装された部分のプリント基板面上に放熱パターンが設けられているので、該放熱パターンが放熱板として働き、発熱電子部品から発生する熱を放熱することができる。

また、特許文献２には、回路基板上に、第１の電子部品と第２の電子部品とが実装されるとともに、該第１の電子部品の端子に接続された導電パターンと、第２の電子部品の端子に接続された導電パターンとの間に熱伝導可能なように受動部品（抵抗器）が架設された電子部品の放熱用実装構造が開示されている。この構造によれば、例えば、第１の電子部品が第２の電子部品よりも高い温度になった場合には、第１の電子部品の熱エネルギが受動部品を介して第２の電子部品へ移動する。このため、第１の電子部品、第２の電子部品及び受動部品の温度が等しくなり、温度特性を均一化することができる。

特開平６−２０４６３０号公報 特開２０１１−１００９１６号公報

しかしながら、特許文献１記載の構成のように、プリント基板の表面に放熱パターンを形成する場合には、プリント基板の大型化が避けられない。そのため、近年、電子部品の高密度実装化、プリント基板の小型化が進む中で、放熱専用のパターンを設けることは困難である。

一方、特許文献２記載の電子部品の放熱用実装構造では、放熱専用のパターンは不要である。しかしながら、この構造は、任意の回路に対して適用できるものではなく、放熱できるケースが限定される。また、この構造は、第１の電子部品と第２の電子部品との間で温度勾配が生じたときに、温度の高い電子部品から温度の低い電子部品に熱を移動させるものであるため、双方の電子部品の温度勾配が小さくなると、すなわち、例えば双方の電子部品が共に高温になった場合には、放熱効果が低下する。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、放熱専用のパターンを設けることなく、放熱効果を高めることが可能な多層配線基板の放熱構造を提供することを目的とする。

本発明に係る多層配線基板の放熱構造は、配線パターンが形成された絶縁層、及び、全面にグランドパターンが形成された絶縁層を含む複数の絶縁層が積層された多層配線基板の放熱構造において、多層配線基板の内部、かつ、配線パターンとグランドパターンとの間に個別に独立して配設され、絶縁層よりも熱伝導率が大きい電子部品と、電子部品の複数の外部電極それぞれと配線パターン、及びグランドパターンとを接続する複数のビアとを備え、複数のビア及び電子部品により、配線パターンとグランドパターンとの間に放熱経路が形成され、該放熱経路を介して配線パターンからグランドパターンに伝えられた熱が、該グランドパターンを介して筐体に伝導されて外部に放熱されることを特徴とする。

本発明に係る多層配線基板の放熱構造によれば、配線パターン、及びグランドパターンそれぞれと複数のビアを通して接続された電子部品が多層配線基板の内部に個別に独立して配設されている。ここで、該電子部品は、多層配線基板を構成する絶縁層よりも熱伝導率が大きいため、配線パターンの熱が、該電子部品を通して、熱容量の大きいグランドパターンに伝導される。そして、グランドパターンに伝えられた熱は、該グランドパターンを介して筐体に伝導されて外部に放熱される。よって、放熱専用のパターンを設けることなく（すなわち多層配線基板の大型化を招くことなく）放熱効果を高めることが可能となる。

本発明に係る多層配線基板の放熱構造では、上記電子部品が積層セラミックコンデンサであることが好ましい。

この場合、積層セラミックコンデンサを形成するセラミックは、熱伝導率が大きく、熱を伝導しやすいため、グランドパターンへの放熱効果を向上させることができる。また、上記電子部品として積層セラミックコンデンサを用いることにより、配線パターンを伝わるノイズが該積層セラミックコンデンサを通してグランドパターンに落とされるため、ノイズを低減することができる。よって、この場合、放熱効果とノイズ低減効果を両立することが可能となる。

本発明に係る多層配線基板の放熱構造では、上記電子部品が三端子コンデンサであることが好ましい。

この場合、低ＥＳＬの三端子コンデンサを用いることでノイズ低減効果をより向上させることが可能となる。

本発明に係る多層配線基板の放熱構造では、複数のビアが、三端子コンデンサの外部電極と配線パターンとを接続する一対のビアを含み、一方のビアが接続された第１接続部と、他方のビアが接続された第２接続部とをつなぐ経路のインピーダンスが、一方のビア、三端子コンデンサ、他方のビアを経由して、第１接続部と前記第２接続部とをつなぐ経路のインピーダンスよりも大きくなるように、配線パターンが形成されていることが好ましい。

このようにすれば、配線パターンを伝わる高周波のノイズ成分が、インピーダンスが低い三端子コンデンサ側の経路を通り、該三端子コンデンサを通してグランドパターンに落とされる。よって、ノイズ低減効果をより向上させることが可能となる。

本発明に係る多層配線基板の放熱構造では、上記第１接続部と第２接続部とをつなぐ領域の配線幅が、当該領域以外の配線幅よりも細く形成されていることが好ましい。

このようにすれば、配線パターンのインピーダンスを適切に高めることができる。

本発明に係る多層配線基板の放熱構造では、上記複数のビアが、三端子コンデンサの外部電極と配線パターンとを接続する一対のビアを含み、配線パターンが、一方のビアが接続された第１接続部と、他方のビアが接続された第２接続部との間で分断されていることが好ましい。

このようにすれば、第１接続部と第２接続部との間がつながっている場合と比べて、三端子コンデンサを通してグランドパターンに放熱される熱量を増大することができる。また、熱を伝達する三端子コンデンサをフィルタとして使用することができ、放熱効果とノイズ低減効果をより高い水準で両立することができる。

本発明に係る多層配線基板の放熱構造では、上記配線パターンが電源ラインであることが好ましい。

このようにすれば、電源ラインで発生した熱、又は電源ラインを伝わる熱を、グランドパターンに放熱することができる。

本発明によれば、放熱専用のパターンを設けることなく、多層配線基板の放熱効果を高めることが可能となる。

第１実施形態に係る多層配線基板の構成を示す斜透視図である。 第２実施形態に係る多層配線基板の構成を示す斜透視図である。 第３実施形態に係る多層配線基板の構成を示す斜透視図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図において、同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。

（第１実施形態）
まず、図１を用いて、第１実施形態に係る多層配線基板１の構成について説明する。図１は、多層配線基板１の構成を示す斜透視図である。

多層配線基板１は、図１において上側から、配線パターン２０が形成された絶縁層１１、絶縁層１２、絶縁層１３、及び、全面にグランドパターン３０が形成された絶縁層１４が順番に積層されて構成されている。

絶縁層１１，１２，１３，１４それぞれは、例えば、ＦＲ−４（Ｆｌａｍｅ Ｒｅｔａｒｄａｎｔ Ｔｙｐｅ ４）から形成された矩形の薄板である。ここで、ＦＲ−４は、ガラス繊維の布にエポキシ樹脂をしみ込ませて熱硬化処理を施し板状に形成したもので、難燃性と低導電率とを両立した素材である。

絶縁層１１上には、配線パターン２０（配線層）が形成されている。なお、本実施形態では、配線パターン２０は、例えば、ＩＣ等（図示省略）の電源端子に接続される電源ラインである。より詳細には、配線パターン２０は、銅箔などからなり、電源回路と三端子コンデンサ６０の第１外部電極（電源用貫通電極）６１とを接続する配線パターン２０ａ、三端子コンデンサ６０の第３外部電極（電源用貫通電極）６３とＩＣの電源端子とを接続する配線パターン２０ｂ、及び、配線パターン２０ａと配線パターン２０ｂとを接続する接続パターン２０ｃを含んで構成されている。

配線パターン２０は、第１ビア５０が接続された第１接続部１０３と、第２ビア５１が接続された第２接続部１０４とをつなぐ経路１０１のインピーダンスが、第１ビア５０、三端子コンデンサ６０、第２ビア５１を経由して、第１接続部１０３と第２接続部１０４とをつなぐ経路１０２のインピーダンスよりも大きくなるように形成されている。より具体的には、配線パターン２０は、第１接続部１０３と第２接続部１０４とをつなぐ領域（接続パターン２０ｃ）の配線幅が、当該領域以外（配線パターン２０ａ，２０ｂ）の配線幅よりも細く形成されている。なお、これにより、配線パターン（電源ライン）２０を伝わる高周波ノイズが、三端子コンデンサ６０側に流れ易くなり、該三端子コンデンサ６０を介してグランドパターン３０に落とされる。

絶縁層１２上（絶縁層１２と絶縁層１１との間）には、三端子コンデンサ６０の第１外部電極６１が接続される導電パッド４０、及び、第３外部電極６３が接続される導電パッド４１が形成されている。また、絶縁層１２には、チップ型の三端子コンデンサ６０が埋め込まれて実装されている。すなわち、三端子コンデンサ６０は、多層配線基板１の内部に配設されている。三端子コンデンサ６０は、絶縁層１１〜１４を形成するＦＲ−４よりも熱伝導率が大きい、例えば、チタン酸バリウムを主成分とするセラミックから形成されている。ここで、三端子コンデンサ６０は、低ＥＳＬタイプの三端子型の積層セラミックコンデンサであり、ＩＣの動作に必要な電気を供給するとともに、配線パターン２０を経由して入り込むノイズや、ＩＣの動作により発生するノイズを除去するノイズ対策部品として機能する。なお、三端子コンデンサ６０は、ハンダ付けなどによって実装される。

絶縁層１３上（絶縁層１３と絶縁層１２との間）には、三端子コンデンサ６０の第２外部電極（グランド用電極）６２が接続される導電パッド（図示省略）が形成されている。

絶縁層１４上（絶縁層１４と絶縁層１３との間）には、全面に、銅箔などからなるグランドパターン３０（ベタグランド層）が形成されている。すなわち、多層配線基板１は、グランドパターン３０を内層として有している。

多層配線基板１を構成する絶縁層１１の内部には、該絶縁層１１を厚み方向に貫通し、三端子コンデンサ６０の第１，第３外部電極６１，６３が接続される一対の導電パッド４０，４１それぞれと配線パターン２０とを接続する第１ビア５０、第２ビア５１が形成されている。すなわち、導電パッド４０（第１外部電極６１）は、第１ビア５０によって、配線パターン２０（２０ａ）と電気的に接続され、導電パッド４１（第３外部電極６３）は、第２ビア５１によって、配線パターン２０（２０ｂ）と電気的に接続されている。

また、多層配線基板１を構成する絶縁層１３の内部には、該絶縁層１３を厚み方向に貫通し、三端子コンデンサ６０の第２外部電極６２がハンダ付けされる導電パッドとグランドパターン３０とを接続する第３ビア５２が形成されている。すなわち、三端子コンデンサ６０の第２外部電極６２は、第３ビア５２によって、グランド層３０と電気的に接続されている。

以上、説明したように、多層配線基板１によれば、配線パターン（電源ライン）２０が、第１ビア５０，第２ビア５１、三端子コンデンサ６０、及び、第３ビア５２を介してグランドパターン（グランド層）３０と接続されている。一方、通常のプリント基板では、配線パターン（電源ライン）は、内層のグランド層とＦＲ−４からなる絶縁層を介して接続されている。

ここで、配線パターン２０、第１ビア５０、第２ビア５１、及び第３ビア５２を形成する銅の熱伝導率は、４０１（Ｗ／ｍ・ｋｇ）であり、比熱容量は、０．３７９（Ｊ／ｇ・Ｋ）である。また、三端子コンデンサ６０を形成するチタン酸バリウムの熱伝導率は、６（Ｗ／ｍ・ｋｇ）であり、比熱容量は、０．５２７（Ｊ／ｇ・Ｋ）である。一方、絶縁層１１〜１４を形成するＦＲ−４の熱伝導率は、０．４５（Ｗ／ｍ・ｋｇ）であり、比熱容量は、０．９５（Ｊ／ｇ・Ｋ）である。

すなわち、本実施形態では、配線パターン（電源ライン）２０とグランドパターン（グランド層）３０とが、ＦＲ−４に比べて約１３．３倍も熱伝導率が大きいチタン酸バリウムを主成分とするセラミックで接続されている。また、一般的なプリント基板の場合、電源層とグランド層との層間隔は３０μｍ〜１００μｍ程度であるが、三端子コンデンサ６０（積層セラミックコンデンサ）を構成する内部電極同士の間隔は、数μｍ程度であり、電源に接続される内部電極とグランドに接続される内部電極との間隔が極めて小さい。そのため、配線パターン（電源ライン）２０で発生した熱を、放熱板となるグランドパターン３０へ伝達し易くなる。よって、熱容量が大きい内層のグランドパターン３０に熱を放散し易くなり、高い放熱効果が発揮される。なお、一般的に、携帯端末等の電子機器では、グランドパターンはネジ等を介して筐体に接続されるため、グランドパターンの熱は、該ネジ等を通して筐体に伝導されて外部に放熱される。

また、上述したような構成とされることにより、経路１０１（接続パターン２０ｃ）のインピーダンスが経路１０２のインピーダンスよりも大きくなり、配線パターン（電源ライン）２０を伝わる高周波ノイズが経路１０２（すなわち三端子コンデンサ６０側）を通り、三端子コンデンサ６０によって低減される。特に、三端子コンデンサ６０は低ＥＳＬであるため、高いノイズ低減効果が得られる。

以上、詳細に説明したように、本実施形態によれば、比較的熱が発生しやすい電源ラインで発生した熱（又は電源ラインを伝わる熱）を、内層のグランドパターン３０に効果的に放熱することができる。よって、放熱専用のパターンを設けることなく（すなわち多層配線基板１の大型化を招くことなく）放熱効果を高めることが可能となる。

特に、三端子コンデンサ６０を形成するチタン酸バリウム等のセラミックは熱伝導率が大きく、熱を伝導しやすいため、本実施形態によれば、グランドパターン３０への放熱効果をより向上させることができる。

また、本実施形態によれば、配線パターン２０を伝わる高周波のノイズ成分が、インピーダンスが低い三端子コンデンサ６０側（経路１０２）を通り、該三端子コンデンサ６０を通してグランドパターン３０に落とされことにより、ノイズを低減することができる。特に、低ＥＳＬの三端子コンデンサ６０を用いることでノイズ低減効果をより向上させることができる。以上の結果、本実施形態によれば、放熱効果とノイズ低減効果を両立することが可能となる。

なお、その際に、本実施形態によれば、上記第１接続部１０３と第２接続部１０４とをつなぐ領域（接続パターン２０ｃ）の配線幅を、当該領域以外（配線パターン２０ａ，２０ｂ）の配線幅よりも細く形成することにより、配線パターン２０のインピーダンスを適切に高めることができる。

（第２実施形態）
次に、図２を用いて、第２実施形態に係る多層配線基板２の構成について説明する。ここで、図２は、多層配線基板２の構成を示す斜透視図である。なお、図２において第１実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号が付されている。

上述した第１実施形態では、第１外部電極６１、第３外部電極６３が配線パターン（電源ライン）２０に接続され、第２外部電極６２がグランドパターン３０に接続されていたが、本実施形態では、第１外部電極６１、第３外部電極６３が、第４ビア５５、第５ビア５６を介して、グランドパターン３０に接続されるとともに、第２外部電極６２が、第１ビア５３、第２ビア５４を介して、配線パターン（電源ライン）２０に接続されている点（所謂、反転使い）で上記第１実施形態と異なっている。その他の構成は、第１実施形態と同一または同様であるので、ここでは詳細な説明を省略する。

本実施形態によっても、上記第１実施形態と同様の作用・効果を得ることができる。

（第３実施形態）
ところで、三端子コンデンサ６０の定格電流が許容できれば、上述した、配線パターン２０ａと配線パターン２０ｂとを接続する接続パターン２０ｃを削除した構成とすることもできる。そこで、次に、図３を用いて、第３実施形態に係る多層配線基板３の構成について説明する。ここで、図３は、多層配線基板３の構成を示す斜透視図である。なお、図３において第１実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号が付されている。

上述した第１実施形態では、第１ビア５０が接続された第１接続部１０３と、第２ビア５１が接続された第２接続部１０４とが接続パターン２０ｃにより接続されていたが、多層配線基板３は、接続パターン２０ｃを有しない点、すなわち、配線パターン２２ａと配線パターン２２ｂ（第１接続部１０３と第２接続部１０４）とが分断されている点で、上述した第１実施形態と異なっている。その他の構成は、多層配線基板１と同一または同様であるので、ここでは詳細な説明を省略する。

本実施形態によれば、第１接続部１０３と第２接続部１０４との間がつながっている場合と比べて、三端子コンデンサ６０を通してグランドパターン３０に放熱される熱量が増大する。また、熱を伝達する三端子コンデンサ６０をフィルタとして使用することができるため、放熱効果とノイズ低減効果をより高い水準で両立することが可能となる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、多層配線基板１（２，３）として、４層構造のものを例にして説明したが、多層配線基板１（２，３）は４層構造に限られることなく、５層以上（又は３層以下）であってもよい。

上記実施形態では、多層配線基板１（２，３）中に埋め込まれる電子部品として三端子コンデンサを例にして説明したが、該電子部品は、三端子コンデンサには限られることなく、例えば、二端子コンデンサを用いることもできる。また、多層配線基板１（２，３）中に埋め込まれる電子部品は、コンデンサに限られることなく、例えば、インダクタや抵抗等でもよい。

上記実施形態では、配線パターン２０（２２）が電源ラインである場合を例にして説明したが、配線パターン２０（２２）は、信号ラインであってもよい。

また、多層配線基板１（２，３）を構成する絶縁層１１〜１４（１１Ｂ〜１４Ｂ）の素材はＦＲ−４には限られない。同様に、三端子コンデンサ６０の素材は、絶縁層１１〜１４（１１Ｂ〜１４Ｂ）の素材よりも熱伝導率が大きければ、セラミックには限られない。

１，２，３ 多層配線基板
１１，１２，１３，１４，１１Ｂ，１２Ｂ，１３Ｂ，１４Ｂ，１１Ｃ 絶縁層
２０，２２ 配線パターン
２０ｃ 接続パターン
３０ グランドパターン
４０，４１，４２，４３ 導電パッド
５０，５３ 第１ビア
５１，５４ 第２ビア
５２ 第３ビア
５５ 第４ビア
５６ 第５ビア
６０ 三端子コンデンサ
６１ 第１外部電極
６２ 第２外部電極
６３ 第３外部電極

Claims (7)

1. 配線パターンが形成された絶縁層、及び、全面にグランドパターンが形成された絶縁層を含む複数の絶縁層が積層された多層配線基板の放熱構造において、
   前記多層配線基板の内部、かつ、前記配線パターンと前記グランドパターンとの間に個別に独立して配設され、前記絶縁層よりも熱伝導率が大きい電子部品と、
   前記電子部品の複数の外部電極それぞれと前記配線パターン、及び前記グランドパターンとを接続する複数のビアと、を備え、
   前記複数のビア及び前記電子部品により、前記配線パターンと前記グランドパターンとの間に放熱経路が形成され、該放熱経路を介して前記配線パターンから前記グランドパターンに伝えられた熱が、該グランドパターンを介して筐体に伝導されて外部に放熱されることを特徴とする多層配線基板の放熱構造。
2. 前記電子部品は、積層セラミックコンデンサであることを特徴とする請求項１に記載の多層配線基板の放熱構造。
3. 前記電子部品は、三端子コンデンサであることを特徴とする請求項１に記載の多層配線基板の放熱構造。
4. 前記複数のビアは、前記三端子コンデンサの外部電極と前記配線パターンとを接続する一対のビアを含み、
   前記配線パターンは、一方のビアが接続された第１接続部と、他方のビアが接続された第２接続部とをつなぐ経路のインピーダンスが、前記一方のビア、前記三端子コンデンサ、前記他方のビアを経由して、前記第１接続部と前記第２接続部とをつなぐ経路のインピーダンスよりも大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項３に記載の多層配線基板の放熱構造。
5. 前記配線パターンは、前記第１接続部と前記第２接続部とをつなぐ領域の配線幅が、当該領域以外の配線幅よりも細く形成されていることを特徴とする請求項４に記載の多層配線基板の放熱構造。
6. 前記複数のビアは、前記三端子コンデンサの外部電極と前記配線パターンとを接続する一対のビアを含み、
   前記配線パターンは、一方のビアが接続された第１接続部と、他方のビアが接続された第２接続部との間で分断されていることを特徴とする請求項３に記載の多層配線基板の放熱構造。
7. 前記配線パターンは電源ラインであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の多層配線基板の放熱構造。

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