JP6587795B2 - 回路モジュール - Google Patents

Description

本発明は、配線基板上に発熱部品が搭載された回路モジュールに関する。

従来、多層配線基板内に金属製のコア材が設けられた回路モジュールが知られている（特許文献１参照）。このようなコア材は、配線基板内に収容された内蔵部品のシールドパターンとして機能するとともに、配線基板の剛性を高める機能も有する。

一方、回路モジュールとして、上記コア材の放熱機能に着目した構成も知られている。特許文献２には、配線基板の実装面上に配置されたパワーアンプＩＣと金属製のコア材とを接続する放熱用のビア導体が複数形成され、パワーアンプＩＣで発生した熱がビア導体を介してコア材へ伝導されるように構成された回路モジュールが記載されている。伝導された熱は、コア材から放熱されるとともに、実装先の親回路基板等にも放熱され得る。

特開２０１３−１０５７５６号公報 特許第５２８５０６号

特許文献２に記載の回路モジュールは、コア材と実装面との間に、複数の配線層と、それらの間に形成された複数の絶縁層と、放熱用のビア導体とを有している。複数の絶縁層はコア材やビア導体と比較して熱伝導性が低いため、パワーアンプＩＣで発生した熱は主に放熱用のビア導体を介してコア材へ伝導される。しかしながら、パワーアンプＩＣで発生した熱が、放熱用のビア導体で単位時間当たりに輸送できる熱量を越えている場合には、パワーアンプＩＣで発生した熱を十分に放熱することが難しかった。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、放熱性の高い回路モジュールを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る回路モジュールは、配線基板と、発熱部品と、放熱ラインとを具備する。
上記配線基板は、熱伝導性のコア材を含むコア層と、一主面から上記コア層に向かって形成された開口部を含み上記コア層上に設けられた多層配線層とを有する。
上記発熱部品は、上記開口部に配設される。
上記放熱ラインは、上記配線基板内に形成され上記発熱部品と上記コア材とを接続する。

上記構成によれば、発熱部品が開口部に配設され、放熱ラインによって発熱部品とコア材とが接続されるため、発熱部品のコア材への放熱経路の長さを短縮することができ、回路モジュール全体の放熱性を高めることができる。

また、上記放熱ラインは、上記発熱部品を接着させる熱伝導性の接着部材を有してもよい。
これにより、放熱ラインと発熱部品とを確実に接着させることができるとともに、熱伝導性も確保することができる。

例えば、上記開口部は、上記コア層に達する深さで形成され、
上記発熱部品は、上記コア層上に上記接着部材を介して配置されてもよい。
これにより、発熱部品の熱をコア層へ効率よく伝達することができる。

あるいは、配線基板は、複数のビアをさらに有し、
上記放熱ラインは、上記接着部材と上記コア材とを接続し上記ビアよりも大きな径を有する熱伝導性の柱状体を有してもよい。
このような柱状体により、熱の伝導性を高めるとともに、体積当たりの表面積を比較的小さい構成とすることができ、発熱部品の熱を効率良く逃がすことができる。

また例えば、上記コア層は、電子部品を収容し上記コア材に形成されたキャビティをさらに有してもよい。

本発明の第１の実施形態に係る回路モジュールを示す図である。 上記回路モジュールの製造方法を示す模式図である。 上記回路モジュールの製造方法を示す模式図である。 上記回路モジュールの製造方法を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態の比較例に係る回路モジュールの断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る回路モジュールの断面図である。 本発明の第２の実施形態の変形例に係る回路モジュールの断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

＜第１の実施形態＞
［回路モジュールの構成］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る回路モジュールを示す図である。同図に示すように、回路モジュール１００は、配線基板１０と、発熱部品１４と、放熱ライン１５とを備える。

（配線基板）
配線基板１０は、多層配線基板であり、表面（一主面）１０ａから発熱部品１４が搭載される開口部１１８が形成されている。すなわち、配線基板１０は、第１の多層配線層（多層配線層）１１と、第２の多層配線層１２と、コア層１３とを有し、コア層１３を挟んで第１の多層配線層１１と第２の多層配線層１２とが配設される。

コア層１３は、コア材１３１と、キャビティ１３２とを有する。コア材１３１は、熱伝導性材料で構成され、本実施形態において例えば銅や銅合金を含む金属材料で構成される。コア材１３１は、例えば、配線基板１０と略同一の平面形状を有し、配線基板１０の側面から露出するように構成される。コア材１３１は、放熱性を向上させるとともに、配線基板１０の剛性の向上や、後述する電磁障害の抑制といった作用を有する。

コア材１３１には、キャビティ１３２が形成されている。キャビティ１３２は、コア材１３１を貫通するように形成されていてもよいし、貫通しない構成であってもよい。各キャビティ１３２には、内蔵部品１３３が収容される。

各内蔵部品１３３は、例えばコンデンサ、インダクタ、抵抗、水晶振動子、デュプレクサ、フィルタ、パワーアンプ、集積回路（ＩＣ）等の電子部品であり、それぞれ同一種類の部品であっても、異なる種類の部品であってもよい。また、各キャビティ１３２には、同図に示すように１つの内蔵部品１３３が収容されていてもよいし、複数の内蔵部品１３３が収容されていてもよい。さらに、内蔵部品１３３の厚みも特に限定されず、キャビティ１３２の深さと同程度の厚みであってもよいし、当該深さよりも小さい厚みであってもよい。内蔵部品１３３がコア材１３１に取り囲まれて収容されることで、内蔵部品１３３間や内蔵部品１３３と発熱部品１４との間における電磁波に起因する障害（電磁障害）を抑制することが可能となる。

また、内蔵部品１３３は、絶縁性樹脂１３４に被覆されていてもよい。絶縁性樹脂１３４は、キャビティ１３２の内壁面と内蔵部品１３３との間隙、及び内蔵部品１３３と第１の多層配線層１１との間隙等に充填され得る。絶縁性樹脂１３４は、例えば、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂で構成されてもよく、当該樹脂にはフィラが適宜含有されていてもよい。

第２の多層配線層１２は、例えば、３層の配線層１２１，１２２，１２３と、絶縁層１２４，１２５，１２６と、表層に形成されたソルダレジスト層１２７とを含む積層構造で構成され、コア層１３の一主面上に設けられる。配線層１２１，１２２，１２３と絶縁層１２４，１２５，１２６とは、交互に積層される。３層の配線層１２１，１２２，１２３のうち、配線層１２３は表層配線層であり、配線層１２１，１２２は、内部配線層である。また、ソルダレジスト層１２７と配線層１２３とは、配線基板１０の裏面１０ｂを構成する。なお、配線層及び絶縁層の総数は、これに限定されない。

第１の多層配線層１１は、第２の多層配線層１２と同様に、例えば３層の配線層１１１，１１２，１１３と、絶縁層１１４，１１５，１１６と、表層に形成されたソルダレジスト層１１７とを含む積層構造で構成され、コア層１３の第２の多層配線層１２が設けられた主面とは反対側の主面上に設けられる。配線層１１１，１１２，１１３と絶縁層１１４，１１５，１１６とは、交互に積層される。３層の配線層１１１，１１２，１１３のうち、配線層１１３は表層配線層であり、配線層１１１，１１２は内部配線層である。また、ソルダレジスト層１１７と配線層１１３とは、配線基板１０の表面１０ａを構成する。なお、配線層及び絶縁層の総数は、これに限定されない。

また、第１の多層配線層１１は、複数のビア１１９を有する。ビア１１９は、回路構成に応じて適宜形成され得るが、図１に示す例では、内蔵部品１３３と配線層１１１とを接続するように形成される。

さらに、第１の多層配線層１１は、開口部１１８を有する。開口部１１８は、表面１０ａからコア層１３に向かって形成され、本実施形態において、コア層１３に達する深さで形成される。

開口部１１８は、発熱部品１４を配設する底部１１８ａと、底部１１８ａ及び表面１０ａに連接する壁部１１８ｂとを有する。本実施形態において、底部１１８ａは、コア材１３１で構成される。底部１１８ａの平面形状は、円形状でもよいし多角形状でもよい。一方壁部１１８ｂは、例えば、配線層１１１，１１２がそれぞれ絶縁層１１５，１１６から突出した構成を有する。より具体的には、底部１１８ａに最も近い配線層１１１は、その上の絶縁層１１５から一部露出しており、絶縁層１１５上の配線層１１２は、その上の絶縁層１１６から一部露出している。すなわち、開口部１１８は、配線層１１１，１１２，１１３でそれぞれ開口径が異なる構成とすることができる。

（発熱部品）
発熱部品１４は、開口部１１８の底部１１８ａに配設される。発熱部品１４は、例えば、集積回路（ＩＣ）、コンデンサ、インダクタ、抵抗、デュプレクサ、フィルタ、パワーアンプ等の発熱を伴う電子部品である。また、水晶振動子など、自己発熱しないが冷却する必要がある部品についても発熱部品に含まれるものとする。

発熱部品１４は、例えば、複数の端子１４１が形成された端子面１４ａと、その反対側の非端子面１４ｂとを有し、例えば、非端子面１４ｂを底部１１８ａに向けて配設されている。これにより、端子面１４ａの端子１４１が上部に露出し、各端子１４１と配線層１１１，１１２とがそれぞれワイヤボンディング等により電気的に接続される。本実施形態の開口部１１８によれば、壁部１１８ｂから配線層１１１，１１２が露出していることから、これらの接続を容易に行うことができる。

（放熱ライン）
放熱ライン１５は、配線基板１０内に形成され、発熱部品１４とコア材１３１とを接続する。放熱ライン１５は、本実施形態において、発熱部品１４をコア材１３１に接着させる熱伝導性の接着部材１５１を有する。接着部材１５１は、熱伝導性及び接着性を有する材料であれば特に限定されず、例えば、熱伝導性樹脂、半田等で構成され得る。熱伝導性樹脂としては、例えば、金属フィラを含有したエポキシ樹脂等が挙げられる。

次に、回路モジュール１００の製造方法について説明する。

［回路モジュールの製造方法］
図２乃至図４は回路モジュール１００の製造方法を示す模式図である。なお、回路モジュール１００は、一つの集合基板上に複数が同時に製造され、各回路モジュール１００毎に分割されるものとすることができるが、以下ではそのうちの一つの回路モジュール１００について説明する。なお、以下の説明は例示であり、回路モジュール１００の製造方法はこれに限定されない。

図２に示すように、コア層１３を形成する。まず、配線基板１０（集合基板）の平面形状と略同一で所定厚みの金属板にキャビティ１３２を形成し、コア材１３１を作製する。続いて、コア材１３１と内蔵部品１３３とを粘着シート（図示せず）上の所定位置に配置して仮固定する。次に、コア材１３１のキャビティ１３２上に流体の絶縁材料を充填し、硬化させる。そして、粘着シートを剥離し、コア層１３が形成される。

続いて、図３に示すように、コア層１３の上面に第１の多層配線層１１を、下面に第２の多層配線層１２をそれぞれ形成する。まず、コア層１３の上面及び下面に流体の樹脂を塗布し、硬化させ、絶縁層１１４，１２４を形成する。この絶縁層１１４，１２４にレーザ光を照射することで、ビア形成用の孔を形成する。さらに、絶縁層１１４，１２４上にメッキレジスト（図示省略）をパターニングした後、電解メッキによって配線層１１１，１２１を形成する。この際、上記孔にも導体が埋め込まれ、ビア１１９が形成される。同様に、絶縁層１１５，１２５、配線層１１２，１２２、絶縁層１１６，１２６、配線層１１３，１２３及びソルダレジスト層１１７，１２７を順に形成し、第１の多層配線層１１及び第２の多層配線層１２を形成する。

続いて、図４に示すように、第１の多層配線層１１に、表面１０ａからコア層１３に向かって開口部１１８を形成する。開口部１１８は、例えば、機械加工によって形成されてもよいし、エッチング法等により形成されてもよい。本実施形態において、まず、ソルダレジスト層１１７、配線層１１３及び絶縁層１１６に第１の開口径の開口を形成する。次に、配線層１１２及び絶縁層１１５に第１の開口径よりも小さい第２の開口径の開口を形成する。さらに、配線層１１１及び絶縁層１１４に第２の開口径よりも小さい第３の開口径の開口を形成する。これにより、コア層１３に近い配線層ほど開口径が小さくなる構成で、かつコア層１３に達する深さの開口部１１８を形成することができる。

そして、図１に示すように、放熱ライン１５を形成し、開口部１１８に発熱部品１４を配設する。まず、開口部１１８の底部１１８ａに露出したコア材１３１上に流動性のある熱伝導性樹脂が塗布され、その上に発熱部品１４が配置される。この熱伝導性樹脂を硬化することで、放熱ライン１５の接着部材１５１が形成される。さらに、発熱部品１４の端子１４１と配線層１１２，１１３とをそれぞれワイヤボンディング等により接続する。これにより、発熱部品１４をコア材１３１上に接着できるとともに、発熱部品１４と配線基板１０との導通を図ることができる。なお、熱伝導性樹脂が発熱部品１４側に塗布された後、当該樹脂が塗布された発熱部品１４を、開口部１１８に露出したコア材１３１上に接着してもよい。

次に、以上のように製造された回路モジュール１００の作用効果について説明する。

［回路モジュールの作用効果］
図５は、本実施形態の比較例に係る回路モジュール３００の断面図である。回路モジュール３００は、回路モジュール１００と同様の構成の第２の多層配線層１２、コア層１３及び発熱部品１４を備えるが、第１の多層配線層３１と、放熱ライン３５の構成が回路モジュール１００と異なる。第１の多層配線層３１は、開口部を有さず、発熱部品１４が配線基板３０の表面３０ａに配置されている。また、放熱ライン３５は、表面３０ａ上の発熱部品１４とコア材１３１とを接続する複数のサーマルビア３５３を有している。

同図の回路モジュール３００によれば、発熱部品１４によって発生した熱がサーマルビア３５３を介してコア材１３１に伝導される。サーマルビア３５３は、第１の多層配線層３１の厚み分の長さを有している。ここで、サーマルビア３５３は、発熱部品１４が出す熱量に対して十分な太さ（物理的な体積）または熱伝導性を有していないため熱容量が足りず、輸送できる熱量に限界があり、発熱部品１４を十分に冷却することが困難であった。また、回路構成の複雑化に伴い、第１の多層配線層３１をより多層化する場合、このような放熱性の問題がより大きくなることが懸念された。

一方、図１に示す本実施形態の回路モジュール１００によれば、開口部１１８及び放熱ライン１５により発熱部品１４をコア材１３１へ直接接着することができるため、配線基板１０へ拡散する熱を大幅に低減することができる。これにより、回路モジュール１００全体としての放熱性を高めることができる。さらに、第１の多層配線層１１が多層化した場合であっても、高い放熱性を維持することが可能となり、回路構成の複雑化にも容易に対応し得る。

＜第２の実施形態＞
［回路モジュールの構成］
図６は、本発明の第２の実施形態に係る回路モジュール２００の断面図である。本実施形態に係る回路モジュール２００は、開口部２１８及び放熱ライン２５の構成が回路モジュール１００と異なる。なお、回路モジュール２００において、回路モジュール１００と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

配線基板２０は、回路モジュール１００と同様の構成の第２の多層配線層１２、コア層１３を有し、回路モジュール１００と異なる構成の第１の多層配線層２１を有する。

第１の多層配線層２１は、例えば、第２の多層配線層１２と同様に、３層の配線層２１１，２１２，２１３と、絶縁層２１４，２１５，２１６と、表層に形成されたソルダレジスト層２１７とを含む積層構造で構成され、コア層１３の第２の多層配線層１２が設けられた主面とは反対側の主面上に設けられる。配線層２１１，２１２，２１３と絶縁層２１４，２１５，２１６とは、交互に積層される。３層の配線層２１１，２１２，２１３のうち、配線層２１３は表層配線層であり、配線層２１１，２１２は、内部配線層である。また、ソルダレジスト層２１７と配線層２１１とは、配線基板１０の表面２０ａを構成する。さらに、第１の多層配線層２１は、第１の実施形態と同様に、複数のビア２１９を有する。なお、配線層及び絶縁層の総数は、これに限定されない。

第１の多層配線層２１は、また、表面２０ａからコア層１３に向かって形成された開口部２１８を有する。開口部２１８は、本実施形態において、内部配線層のうちの配線層２１１に達する深さで形成される。

開口部２１８は、発熱部品２４を配設する底部２１８ａと、底部２１８ａ及び表面２０ａを連接する壁部２１８ｂとを有する。底部２１８ａは、本実施形態において、配線層２１１で構成される。壁部２１８ｂは、配線層２１２，２１３が絶縁層２１４，２１５より突出しない構成でもよく、例えば滑らかな曲面や複数の平坦面で構成され得る。

発熱部品２４は、開口部２１８の底部２１８ａに配設される。本実施形態において、発熱部品２４は、周縁に複数の端子２４１を含む端子面２４１ａと、その反対側の非端子面２４１ｂとを有し、端子面２４ａを底部２１８ａに向けて配設されている。発熱部品２４は、例えば、端子２４１を介して配線層２１１にフリップチップ実装され得る。

放熱ライン２５は、配線基板２０の第１の多層配線層２１内に形成され、発熱部品２４とコア材１３１とを接続する。放熱ライン２５は、本実施形態において、発熱部品２４を接着させる熱伝導性の接着部材２５１と、熱伝導性の柱状体２５２とを有する。接着部材２５１は、発熱部品２４の端子面２４ａと柱状体２５２とを接着する。より詳しくは、接着部材２５１は、端子面２４ａにおける端子２４１が形成されていない中央部に接着され得る。接着部材２５１は、本実施形態において半田で構成されるが、熱伝導性樹脂であってもよい。

柱状体２５２は、接着部材２５１とコア材１３１とを接続し、ビア２１９よりも大きな径を有する。柱状体２５２は、例えば、熱伝導性樹脂で構成されるが、金属等であってもよい。

［回路モジュールの製造方法］
回路モジュール２００の製造方法のうち、コア層１３の形成工程と、第１の多層配線層２１及び第２の多層配線層１２の形成工程は、第１の実施形態と同様である。したがって、開口部２１８の形成工程と、放熱ライン２５の形成工程について説明する。

第１の多層配線層２１及び第２の多層配線層１２を形成した後、第１の多層配線層２１に、表面２０ａからコア層１３に向かって開口部２１８を形成する。開口部２１８は、機械加工等により形成される。本実施形態において、開口部２１８は、配線層２１１に達する深さで形成され、開口径は深さ方向に沿って略一定であってもよい。

続いて、柱状体２５２を形成する。柱状体２５２は、例えば機械加工等によって開口部２１８の底部２１８ａからコア材１３１に向かって孔が形成され、当該孔に流体の熱伝導性樹脂が充填され、硬化されることで形成される。

続いて、開口部２１８の柱状体２５２上に発熱部品２４を配設する。まず、柱状体２５２上、及び端子２４１が接続される配線層２１１上に半田ペーストが塗布され、当該半田ペースト上に発熱部品２４が搭載される。さらに、この発熱部品２４が搭載された配線基板２０をリフロー炉へ搬入し、半田ペーストをリフローすることで、発熱部品２４が開口部２１８に半田付けされる。以上のように、回路モジュール２００が製造される。

［回路モジュールの作用効果］
本実施形態によっても、第１の実施形態と同様に、発熱部品２４とコア材１３１との距離を短縮することができるため、配線基板２０へ拡散する熱を大幅に低減することができる。また、柱状体２５２が一本の柱状で構成されるため、表面積当たりの体積を比較的大きく構成することができる。これにより、絶縁材料と接触する面積を低減して配線基板２０へ拡散する熱を大幅に低減することができるとともに、より効率的にコア材１３１へ熱を伝導することが可能となる。

［変形例］
図７は、第２の実施形態の変形例に係る回路モジュール２００の断面図である。同図に示すように、放熱ライン２５は、柱状体２５２に替えて、複数のサーマルビア２５３を有していてもよい。これによっても、配線基板２０へ拡散する熱を低減することができる。

あるいは、第２の実施形態において、開口部２１８は配線層２１１に達する深さを有する構成に限定されず、配線層２１２に達する深さで形成されてもよい。あるいは、回路モジュール２００がより多層の配線層を含む第１の多層配線層２１を有する場合には、開口部２１８が、任意の内部配線層に達する深さで形成されることができる。

第１の実施形態における発熱部品１４の実装方法はワイヤボンディングに限定されず、例えば端子面１４ａを開口部１１８へ向けてフリップチップ実装されてもよい。この場合は、第２の実施形態と同様に、接着部材１５１を半田で構成することができる。

さらに、上述の実施形態において、放熱ライン１５，２５が接着部材１５１，２５１を有さない構成としてもよい。

また、回路モジュール１００，２００の配線基板１０，２０は、部品内蔵配線基板に限定されず、所期の回路構成を実現できる配線基板として構成することができる。また、発熱部品１４，２４や内蔵部品１３３の数も、特に限定されない。

１０，２０…配線基板
１０ａ，２０ａ…表面（一主面）
１１，２１…第１の多層配線層（多層配線層）
１１８，２１８…開口部
１１９，２１９…ビア
１３…コア層
１３１…コア材
１３２…キャビティ
１４，２４…発熱部品
１５，２５…放熱ライン
１５１，２５１…接着部材
２５２…柱状体

Claims (3)

1. 熱伝導性のコア材を含むコア層と、一主面から前記コア層に向かって形成された開口部を含み前記コア層上に設けられ、前記一主面と前記開口部の底部を連結する壁部で複数の配線層が露出している多層配線層と、複数のビアと、を有する配線基板と、
   前記開口部の前記壁部との間に空間を有するように配設された発熱部品と、
   前記発熱部品を接着させる熱伝導性の接着部材と、前記接着部材と前記コア材とを接続し前記ビアよりも大きな径を有する熱伝導性の柱状体とを有し、前記配線基板内に形成され前記発熱部品と前記コア材とを接続する放熱ラインと
   を具備する回路モジュール。
2. 請求項１に記載の回路モジュールであって、
   前記開口部は、前記コア層に達する深さで形成され、
   前記発熱部品は、前記コア層上に前記接着部材を介して配置される
   回路モジュール。
3. 請求項１又は２に記載の回路モジュールであって、
   前記コア層は、電子部品を収容し前記コア材に形成されたキャビティをさらに有する
   回路モジュール。

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