JP6787692B2 - 配線基板 - Google Patents

Description

本発明は、搭載された電子部品等から発生する熱を放散させる機能を有する配線基板に関する。

電子装置の高機能化と小型化に伴い半導体素子等の電子部品の搭載密度が大きくなり、デジタル信号を扱う電子部品における信号速度も例えば１０Ｇｂｐｓを超えるなど高速化している。そのため、電子部品からの発熱が、小さい空間内で発生し、単位体積あたりの発熱量である発熱密度が増大する傾向にある。そこで、電子部品の正常な動作を確保するには、電子部品のみならず、その電子部品を搭載する回路基板の放熱構造が重要となる。

発熱を伴う電子部品から発生した熱を回路基板へ放熱する方法は、従来より種々の提案がなされている。例えば特許文献１は、絶縁基板（セラミックス基板）に搭載された発熱性素子からの熱を放熱するため、基板の表面から裏面に貫通する良熱伝導体からなるサーマルビアを絶縁基板と同時焼成して形成する技術を開示している。

また、特許文献２は、セラミック積層タイプの電子部品用パッケージにおいて上下に貫通する貫通孔を閉塞する形で放熱部材を嵌入し、貫通孔の内周に沿って形成した内周突出部の上面側に、放熱部材に設けた外周突出部の下面側をロウ付けして放熱部材を固着する構成を開示している。

特開２０００−１６４９９２号公報 特開平１０−３２１７５９号公報

上記特許文献１のようにペースト材を用いたサーマルビアタイプの場合、貫通孔とペースト材からなる放熱部材とが完全密着しているため、接着性は良好であるが、セラミックス基板とサーマルビアとの同時焼成時における収縮差によりサーマルビアの両端部が陥没しやすくなる等、電子部品の搭載面となる基板表面の平滑性を保ちにくく、部品実装が困難になるという問題がある。さらに、特許文献１のサーマルビアはビアピッチに制限があって、放熱面がサーマルビアの径にほぼ等しくなり、放熱面積を確保しにくいため放熱性が悪いという問題もある。

また、特許文献２のように放熱部材をセラミックス基板にロウ付けして固着させる等、金属からなる熱伝導部材をはんだやロウ材等の接着材で固着、接着させる構成では、基板、接着剤、放熱部材それぞれの熱膨張差が異なることに起因して、ヒートサイクルによる接着部分でのクラックの発生要因となる。例えば、放熱部材としてセラミックスと熱膨張係数が近いコバール（鉄にニッケル、コバルトを配合した合金）を用いると、コバールの熱伝導率が悪いため放熱性に劣るという問題が生じる。一方、放熱部材に熱伝導率の良い金属（銅等）を用いると、セラミックスとの熱膨張率差が大きくなる。いずれの場合も、セラミックス基板と放熱部材とをロウ付け等した固着部分におけるヒートサイクルによるクラックの発生要因となる。

なお、金属からなる放熱部材を貫通孔に圧入したり、挿入後に放熱部材を加圧変形させる等によるサーマルビアの形成方法もあるが、放熱部材と基板に加重圧をかけることになり、配線基板のクラックの原因となる。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、熱伝導部材と絶縁基板の熱膨張差によるクラックの発生を防止した配線基板を提供することである。

上記の目的を達成し、上述した課題を解決する一手段として以下の構成を備える。すなわち、本発明は、絶縁基板において厚さ方向に貫通する貫通孔と、該貫通孔に挿入された熱伝導部材とを備える配線基板であって、前記熱伝導部材は両端に鍔部を有し、該鍔部によって前記絶縁基板を挟み込んで固定されることを特徴とする。

例えば前記熱伝導部材は、一方端に鍔部を有する一対の金属部材それぞれの他方端を前記貫通孔内で突き合せて形成されることを特徴とする。例えば前記一対の金属部材のうち一方が前記他方端の突き合せ面に凸状部を有し、他方が前記他方端の突き合せ面に前記凸状部と嵌合する凹状部を有することを特徴とする。また、例えば前記一対の金属部材それぞれが前記他方端の突き合せ面に凹状部を有することを特徴とする。さらには、例えば前記一対の金属部材それぞれの前記他方端の突き合せ面が平面状であることを特徴とする。

例えば前記熱伝導部材は、一方端に鍔部を有する金属部材の他方端にめっき被膜により鍔部を形成してなることを特徴とする。例えば前記めっき被膜は２層のめっき層からなることを特徴とする。また、例えば前記熱伝導部材と前記貫通孔の内壁との間に空隙を設けたことを特徴とする。さらには、例えば前記熱伝導部材と前記貫通孔の内壁との間に接合剤が介在しないことを特徴とする。

本発明の配線基板によれば、熱伝導部材と絶縁基板の熱膨張差に起因してヒートサイクルによるクラックの発生を回避することができる。

本発明の第１の実施の形態例に係る配線基板の構成を示す断面図である。 第１の実施の形態例に係る配線基板の熱伝導部材の外観斜視図である。 第１の実施の形態例に係る配線基板においてサーマルビアを形成する工程を時系列で示すフローチャートである。 図３の工程に対応する配線基板の断面構成を示す図である。 第１の実施の形態例に係る配線基板に部品を実装した状態の一例を示す断面図である。 第１の実施の形態例に係る配線基板の熱伝導部材の変形例の断面図である。 本発明の第２の実施の形態例に係る配線基板におけるサーマルビアの形成工程を時系列で示すフローチャートである。 図７の工程に対応する配線基板の断面構成（その１）を示す図である。 図７の工程に対応する配線基板の断面構成（その２）を示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態例について添付図面を参照して詳細に説明する。
＜第１の実施の形態例＞
図１は、本発明の第１の実施の形態例に係る配線基板の構成を示す断面図である。図１に示すように本実施の形態例に係る配線基板１は、絶縁基板２の上面と下面を貫通する貫通孔（スルーホールともいう。）５に熱伝導部材３を挿入してなるサーマルビア７を有する。また、これら貫通孔５と貫通孔５に挿入する熱伝導部材３の水平断面の形状は、例えば円形である。

図２は、熱伝導部材３の外観斜視図である。熱伝導部材３は、同一形状の金属部材３ａ，３ｂを組み合わせて構成される。金属部材３ａ，３ｂは、胴部１５，１７と、その一方端部に形成した鍔（フランジ）１３，１９を有し、全体がリベット形状の部材であり、熱伝導率の良い金属、例えば銅からなる。ここでは金属部材３ａ，３ｂを、絶縁基板２の上面と下面それぞれから、その胴部１５，１７の他方端（鍔１３，１９を設けていない端部）を対向させて貫通孔５に挿入し、それらを突き合わせた２部構造にして熱伝導部材３を形成する。

金属部材３ａ，３ｂの外形寸法（サイズ）は、例えば鍔１３，１９の直径Ｄ１が０．５〜２２ｍｍ、鍔の厚さＴが０．１〜０．７ｍｍで、胴部１５，１７の直径Ｄ２は既存の配線基板のビア径に合わせて、例えば０．２〜２０ｍｍとする。なお、胴部１５，１７は、絶縁基板２の厚さに対応可能な長さＬを有する。

次に、本実施の形態例に係る配線基板におけるサーマルビアの形成プロセスについて説明する。図３は、本実施の形態例に係る配線基板においてサーマルビアを形成する工程を時系列で示すフローチャートである。また、図４は、図３の工程に対応する配線基板の断面構成を示している。

図３のステップＳ１１では、セラミックスグリーンシートに、例えば打抜き型等により、熱伝導部材を挿入するための貫通孔を形成する。続くステップＳ１３においてグリーンシートを積層し、プレス等により圧着した後、焼成して、配線基板としての積層基板を得る。図４（ａ）は、絶縁基板２にその上下面を貫通する貫通孔５が形成された配線基板１の断面構成の一例を示している。

なお、絶縁基板２は、低温で焼成して得られる低温焼結型同時焼成セラミックス（ＬＴＣＣ：Low Temperature Co-fired Ceramics）多層回路基板であり、上述したグリーンシートの積層の際、図４（ａ）に示すように例えば銀（Ａｇ）からなる配線６〜８も同時に形成する。

ステップＳ１５では、貫通孔に一対の金属部材を挿入する。例えば図４（ｂ）に示すように、貫通孔５の上下方向から同一形状の金属部材３ａ，３ｂそれぞれを差し込み、その際、絶縁基板２の最上層において貫通孔５の周囲に形成した凹部５ａ，５ｂに金属部材３ａの鍔１３を当接させ、絶縁基板２の最下層において貫通孔５の周囲に形成した凹部５ｃ，５ｄに金属部材３ｂの鍔１９を当接させるとともに、図１に示すように、熱伝導部材３の側面２３ａ，２３ｂと、貫通孔５の内壁面２７ａ，２７ｂとの間に空隙２５ａ，２５ｂが形成されるように位置決めする。

さらに、貫通孔５に金属部材３ａ，３ｂを挿入する際、金属部材３ａ，３ｂが貫通孔内で突き合う面である突き合せ面４ａ，４ｂの間に適量のはんだ材（リフローはんだ材）、あるいはロウ材を供給する。このとき、熱伝導部材３と貫通孔５の内壁間に空隙２５ａ，２５ｂを確保し維持するため、供給するはんだ材等は、空隙２５ａ，２５ｂに溢れ出ない量とする。

ステップＳ１７において、貫通孔に挿入した金属部材３ａ，３ｂを加熱し、あらかじめ供給したはんだ材、あるいはロウ材を溶融して金属部材３ａ，３ｂを相互に接着することで熱伝導部材３を形成する。ここでの加熱温度は、配線基板１に部品を実装する際のリフロー熱で接着が外れない、例えば３００℃以上の温度とする。図４（ｃ）は、金属部材３ａ，３ｂがはんだ等の接合剤３１により相互に接着された状態を示している。

ステップＳ１９ではメッキ処理を行う。具体的には、図４（ｄ）に示すように、銅からなる熱伝導部材３の上面部と下面部それぞれに、例えば無電解ニッケル−金（Ｎｉ／Ａｕ）めっき３３，３４を施し、同様に、Ａｇ電極である配線６，７の表面にめっき３５，３６を施す。これらの各工程を経て、絶縁基板２にサーマルビア３８等が形成された配線基板１を得る。

なお、貫通孔内における金属部材の位置決め状態を維持しながら、上記ステップＳ１７における金属部材３ａ，３ｂの加熱、接合工程を、配線基板の表面に実装した部品のはんだ付けと同時に行うようにしてもよい。これにより、サーマルビアの形成工程を簡易化でき、サーマルビア形成後における搭載部品のはんだ付けのための配線基板の再加熱が不要となる。

図５は、サーマルビアが形成された本実施の形態例に係る配線基板に部品が実装された状態の一例を示す断面図である。図５において、サーマルビア３８の上面部には、配線６とワイヤーボンディング４５で結線された発熱部品４１が搭載され、配線７には部品４３が実装されている。また、配線基板１の下面には、金属製の放熱基板（ヒートシンク）４７が接着されている。これより、サーマルビア３８は発熱部品４１と平滑性を保ちながら広い接触面を確保できるので、発熱部品４１から発せられた熱は、直ちにサーマルビア３８を介してヒートシンク４７に伝導するため、効率的な放熱が可能となる。

なお、図１、図２等に示す例では、熱伝導部材３を構成する金属部材３ａ，３ｂを貫通孔内で突き合わせる面である突き合せ面４ａ，４ｂ（図４（ｂ）参照）の形状を平面状としたが、これに限定されない。図６は熱伝導部材の変形例に係る断面図であり、図６（ａ）に示す熱伝導部材５１は、金属部材５１ａの突き合せ面５２ａの中央部に凹状孔部５３を設け、金属部材５１ｂの突き合せ面５２ｂの中央部には、上記の凹状孔部５３に嵌入可能な凸状突起部５５を設けた形状を有する。このようにすることで、金属部材５１ａ，５１ｂを貫通孔に差し込む際の相互の位置合わせが容易になり、貫通孔内における接合を確実に行うことができる。また、はんだ材などの接合剤を使用しなくても貫通孔内で金属部材の接合を可能とすることができる。

図６（ｂ）の熱伝導部材５７は、金属部材５７ａ，５７ｂのそれぞれの突き合せ面５６ａ，５６ｂに、はんだ材あるいはロウ材等の接合剤を収容可能な深さを有する陥没部５８，５９を形成した構成となっている。陥没部５８の周縁部５８ａ，５８ｂと、陥没部５９の周縁部５９ａ，５９ｂは、金属部材５７ａ，５７ｂが貫通孔内ではんだ接合等されたときに接合剤の漏れ止めとして作用する。金属部材５７ａ，５７ｂの胴部の高さＨ１，Ｈ２は、陥没部５８，５９に収容したはんだ材あるいはロウ材等の接合剤の表面張力で金属部材間が接着され、両金属部材の周縁部が密着しなくても、所定距離離れて保持された状態で接合、固定される高さとする。こうすることで、接合時において金属部材５７ａ，５７ｂの突き合せ面５６ａ，５６ｂの間に隙間ができるので、貫通孔内での金属部材５７ａ，５７ｂ間のクリアランス調整が容易になる。

図６（ｃ）に示す熱伝導部材６１は、金属部材６１ａ，６１ｂと、それらの中間に配置される金属部材６１ｃとで構成される。ここでは、金属部材６１ａ，６１ｂを同一形状とし、金属部材６１ｃについては、その高さＨ３が異なる複数種類の部材を用意する。これにより、熱伝導部材６１を形成する絶縁基板の厚さに応じた高さＨ３を有する金属部材６１ｃを適宜、選択し、金属部材６１ａ〜６１ｃを接合してなる熱伝導体を絶縁基板の厚さに合致させて形成できる。

なお、図６（ｃ）において、金属部材６１ａ，６１ｃそれぞれの突き合せ面６３，６４の形状、および金属部材６１ｂ，６１ｃそれぞれの突き合せ面６６，６５の形状は、図６（ｂ）に示す例と同様の形状としたが、これに限定されない。

以上説明したように本実施の形態例に係る配線基板では、一方端部に鍔（フランジ）を配し全体をリベット形状とした、熱伝導性の良好な金属からなる一対の部材を、絶縁基板に設けた貫通孔に上下両サイドから差し込み、それらの部材間をはんだ付け、あるいはロウ付けにより接着して絶縁基板を挟み込んで固定し、サーマルビアの熱伝導部材を形成する。

このようにサーマルビアの熱伝導部材の両端部に鍔部を設けることにより、熱伝導部材と、その熱伝導部材の上端面に搭載した発熱部品との間に平坦かつ広い接触面を確保することができ、さらに、熱伝導部材の下端面と、配線基板の下面に配置したヒートシンクとの間においても広い接触面を確保できるので、配線基板においてサーマルビアを介した放熱効率を向上できる。

さらには、熱伝導部材により絶縁基板を挟み込んで基板に固定する構造としたことで、絶縁基板と熱伝導部材とが固着されず自由度があり、熱伝導部材と絶縁基板の熱膨張差によるヒートサイクルを原因とするクラックの発生を回避できる。また、サーマルビアの形成において熱伝導部材と絶縁基板の熱膨張差を考慮する必要がないので、熱伝導部材に熱伝導率の高い金属（例えば銅）を使用して熱抵抗を下げ、放熱効果を高めることができる。

＜第２の実施の形態例＞
本発明の第２の実施の形態例に係る配線基板は、サーマルビアを構成する熱伝導部材の端部に鍔（フランジ）を設ける点で、上述した第１の実施の形態例に係る配線基板と共通するが、鍔の形成方法が異なる。

図７は、第２の実施の形態例に係る配線基板におけるサーマルビアの形成工程を時系列で示すフローチャートである。また、図８および図９は、図７の工程に対応する配線基板の断面構成を示している。図７のステップＳ２１において、セラミックスグリーンシートに、例えば打抜き型等によって、熱伝導部材を挿入するための貫通孔を形成する。ステップＳ２３では、グリーンシートを積層し、プレス等により圧着した後、焼成して、配線基板としての積層基板を得る。図８（ａ）は、このようにして作製した配線基板７１の断面構成であり、絶縁基板７２の上面と下面を貫通し、縦断面がＴ字状の貫通孔７５が形成されている。

ここでも第１の実施の形態例と同様、貫通孔と熱伝導部材はともに水平断面形状が円形である。また、絶縁基板７２は、低温で焼成して得られる低温焼結型同時焼成セラミックス（ＬＴＣＣ）多層回路基板であり、グリーンシートの積層の際、例えば銀（Ａｇ）からなる配線７６〜７８も同時に形成する。

ステップＳ２５では、図８（ｂ）に示すように、例えばスクリーン印刷により、絶縁基板７２の表面に有機膜７４をコーティングする。有機膜７４は、後述するめっき工程に対応するために形成され、めっき工程で使用するめっき液には溶けないが、特定の溶媒には溶けるレジスト材からなる。続くステップＳ２７において、サーマルビアの熱伝導部材となる金属体を挿入する。すなわち、図８（ｃ）に示すように、一方端部に鍔（フランジ）８１が形成され、縦断面がＴ字型の金属体７３を、貫通孔７５の下方向から差し込む。金属体７３は熱伝導率の良い金属、例えば銅からなる。

ステップＳ２９では、電解めっきによる一次めっき処理を行う。具体的には、図９（ａ）に示すように、めっき対象である金属体７３に負電位を印加し、金属体７３のめっきを施す面である金属体表面８３（鍔８１が形成された端部と反対側の端面）の近傍に陽極板８５を設置する。そして、金属体７３が差し込まれた配線基板７１を、金属体７３と同一の金属のめっき液８６を充填しためっき槽８７の中に浸して、金属体表面８３に鍔部を形成するためのめっきを析出させる。

ステップＳ３１において、上記のステップＳ２５で形成した有機膜７４を、所定の溶剤で除去する。図９（ｂ）は、図８（ｂ），（ｃ）、図９（ａ）に示す有機膜７４が除去され、金属体表面８３に一次めっき層９１が形成された配線基板７１の断面構成である。続くステップＳ３３では、無電解めっきによる二次めっき処理を行う。ここでは、図９（ｃ）に示すように、ステップＳ２９における一次めっき処理で形成した一次めっき層９１に重ねて、無電解の金／ニッケル（Ａｕ／Ｎｉ）めっきによる二次めっき層９３を形成するとともに、有機膜が除去されて金属部が露出している配線７６，７７の上部にも二次めっき層９４，９５を形成する。

なお、図９（ｃ）に示す例では、金属体７３の鍔部８１を覆うように二次めっき層９７を形成しているが、かかる二次めっき層９７を形成しなくてもよい。

上述した電解めっきによる一次めっき処理は、無電解めっきによる二次めっき処理よりも、膜厚が厚くかつ安定した膜を形成できるので、電解めっきの方が金属体７３の端部における鍔部の形成に適している。そこで、上記のステップＳ２９では、例えば膜厚が５０〜１００μｍのめっきを金属体表面８３に析出させて、鍔部を形成する。また、ステップＳ３３における二次めっき層９３は、例えば５μｍの厚さのニッケル（Ｎｉ）めっきと、０．０１μｍの厚さの金（Ａｕ）めっきからなる２層構造とし、金めっきによってニッケルめっきの酸化を防止する。

このように、熱伝導部材としての金属体７３は、電解めっき（一次めっき処理）による一次めっき層９１、およびその表面を保護する無電解めっき（二次めっき処理）による二次めっき層９３によって形成された鍔と、鍔８１とによって絶縁基板７２を上面と下面で挟み込んで固定される。

上記のように第２の実施の形態例に係る配線基板では、サーマルビアの熱伝導部材を絶縁基板の貫通孔の長さに合わせた一体型としたので、熱伝導部材の形成工程においてはんだ付け、ロウ付け等による接合が不要となる。また、熱伝導部材の両端の鍔部のうち一方の鍔をめっき成長によって形成しているので、その高さを低くすることができ、絶縁基板表面に鍔部を収容するための段差（キャビティ）を設けなくても表面の平坦性を保つことができる。

さらには、熱伝導部材として熱膨張率が高い銅を用い、熱伝導部材の一方の鍔を電解銅めっきによりめっき成長させて形成することで、熱伝導部材の本体と同一の金属によって鍔を形成することができる。また、熱伝導部材と貫通孔の内壁に空隙を確保し、さらに接合剤を介在させることなく熱伝導部材を基板に装着することができるため、放熱効果を得ることができると同時に熱膨張差によるクラックを抑制できる。

本発明は上記の実施の形態例に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、上記の実施の形態例では貫通孔と熱伝導部材および鍔の水平断面形状を円形としたが、熱伝導部材と貫通孔内壁との間に空隙を確保し、サーマルビアとしての放熱機能を奏する限り、貫通孔の断面形状を円形とし熱伝導部材の水平断面形状や鍔の形状を矩形としてもよいし、貫通孔の断面形状と鍔の形状が矩形で熱伝導部材の水平断面形状が円形、あるいは貫通孔と熱伝導部材の双方の断面形状を矩形としてもよい。鍔の形状についても搭載する部品の形状により変形が可能である。

また、上記の実施の形態例では、放熱用のサーマルビアを形成する絶縁基板を、グリーンシートを積層、圧着および焼成した積層基板としたが、積層タイプに限定されない。例えば、ガラス・エポキシ基板（ＦＲ−４）等の通常の基板であってもよい。

１，７１ 配線基板
２，７２ 絶縁基板
３，５１，５７，６１ 熱伝導部材
３ａ，３ｂ，５１ａ，５１ｂ，５７ａ，５７ｂ，６１ａ，６１ｂ 金属部材
４ａ，４ｂ，５２ａ，５２ｂ，５６ａ，５６ｂ，６３〜６６ 突き合せ面
５，７５ 貫通孔
６，７ 配線
１３，１９，８１ 鍔（フランジ）
１５，１７ 胴部
２３ａ，２３ｂ 側面
２７ａ，２７ｂ 内壁面
３３，３４，３５，３６ 無電解ニッケル−金めっき
３８ サーマルビア
４１ 発熱部品
４３ 部品
４５ ワイヤーボンディング
５８ａ，５８ｂ，５９ａ，５９ｂ 周縁部
７３ 金属体
７４ 有機膜
８３ 金属体表面
８６ めっき液
８７ めっき槽
９１ 一次めっき層
９３ 二次めっき層

Claims (9)

1. 絶縁基板において厚さ方向に貫通する貫通孔と、該貫通孔に挿入された熱伝導部材とを備える配線基板であって、
   前記熱伝導部材は両端に鍔部を有し、該鍔部は前記絶縁基板に固着されず当接することによって前記絶縁基板を挟み込んで固定されることを特徴とする配線基板。
2. 前記熱伝導部材は、一方端に鍔部を有する一対の金属部材それぞれの他方端を前記貫通孔内で突き合せて形成されることを特徴とする請求項１に記載の配線基板。
3. 前記一対の金属部材のうち一方が前記他方端の突き合せ面に凸状部を有し、他方が前記他方端の突き合せ面に前記凸状部と嵌合する凹状部を有することを特徴とする請求項２に記載の配線基板。
4. 前記一対の金属部材それぞれが前記他方端の突き合せ面に凹状部を有することを特徴とする請求項２に記載の配線基板。
5. 前記一対の金属部材それぞれの前記他方端の突き合せ面が平面状であることを特徴とする請求項２に記載の配線基板。
6. 前記熱伝導部材は、一方端に鍔部を有する金属部材の他方端にめっき被膜により鍔部を形成してなることを特徴とする請求項１に記載の配線基板。
7. 前記めっき被膜は２層のめっき層からなることを特徴とする請求項６に記載の配線基板。
8. 前記熱伝導部材と前記貫通孔の内壁との間に空隙を設けたことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の配線基板。
9. 前記熱伝導部材と前記貫通孔の内壁との間に接合剤が介在しないことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の配線基板。