JP6803401B2 - 放熱基板、放熱回路構成体、及びその製造方法 - Google Patents

放熱基板、放熱回路構成体、及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、放熱部材を有する回路基板、これを用いた放熱回路構成体、及びその製造方法に関するものである。
パワーモジュールやハイパワーＬＥＤなどを実装する基板では、熱を放熱する機能が求められている。この目的のため、従来は、特許文献１に開示されている放熱基板のように、基板の放熱を目的として基板に穴を設け、放熱材料を挿入することが行われていた。
放熱基板の製造方法としては、例えば、放熱材料を基板に挿入し、上から圧力をかけ、塑性変形させることにより固定する手法が用いられている。しかし、この手法を用いた場合、手作業となるため、コストが高くなり易く、圧力が不足して放熱材料が抜け落ちるなどの問題も発生している。
また、上記手法を用いた場合、基板の穴の内壁と放熱材料との間には隙間が生じることが避けられない。具体的には、放熱材料を基板に挿入した後、一般的にはめっき法により回路パターンが形成される。そうすると、基板の穴の内壁と放熱材料との隙間にめっき液が入り込むため、その後放熱基板が高熱に曝された時に、めっき液の残留成分（主に水）が揮発して放熱材料と基板との間に隙間が生じ、放熱材料と基板との密着性が阻害されるという課題があった。
そのため、コストを削減しつつ、安定した密着性を確保する技術が求められている。
特許第４９８８６０９号公報
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、コストを削減しつつ、安定した密着性を確保することができる放熱基板及び放熱回路構成体、並びにその製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係る放熱基板は、第一の実施形態においては、第一の面と第二の面を備えるベース基材と、第一の面上に形成された導電路と、第一の面から第二の面までを貫通する貫通孔と、貫通孔に挿入され、少なくとも一部が第一の面から突出している放熱部材と、放熱部材の側面を覆うとともに、放熱部材の外周面と貫通孔内周面に直接接触し、放熱部材の外周面と貫通孔内周面との間の領域全体に充填され、貫通孔の内周面と、この内周面に囲まれた放熱部材の外周面との間に隙間なく介在する熱伝導性樹脂組成物と、第一の面から突出している放熱部材を覆う金属層と、を有し、金属層の外側表面と導電路の外側表面とがほぼ同一平面上にあるものとする。
上記放熱部材は、上記ベース基材の第二の面から突出しているものとすることができる。
本発明に係る放熱回路構成体は、上記放熱基板と、この放熱基板の上記導電路及び上記金属層に接続された電子部品とを有するものとする。
本発明に係る放熱基板の製造方法は、第一の面と第二の面を備えるベース基材の第一の面に、第一金属膜を設けて金属積層体を得る工程と、この金属積層体における第一金属膜の外側表面からベース基材の第二の面まで、金属積層体を貫通する貫通孔を形成する工程と、この貫通孔内に放熱部材が挿入され、この放熱部材の一部が第一金属膜の外側表面から突出しており、熱伝導性樹脂組成物が放熱部材の外周面と貫通孔内周面に直接接触し、放熱部材の外周面と貫通孔内周面との間の領域全体に充填されていることで、これら貫通孔内周面と放熱部材との間に熱伝導性樹脂組成物が隙間なく介在しているとともに放熱部材の側面が熱伝導性樹脂組成物で被覆されている状態にする工程と、熱伝導性樹脂組成物を硬化させる工程と、第一金属膜、熱伝導性樹脂組成物および放熱部材のそれぞれの外側表面がほぼ同一平面をなすように加工する工程と、第一金属膜、放熱部材および熱伝導性樹脂組成物の表面を覆う第二金属膜を形成する工程と、第二金属膜の一部を除去して任意のパターンに加工することにより、放熱部材の外側表面を覆う金属層及び導電路を設ける工程と、を有するものとする。
本発明に係る放熱基板によれば、放熱部材をベース基材に設けられた貫通孔に容易に固定することができ、めっきによってベース基材上に導電路等を形成しても、放熱部材とベース基材との密着性が損なわれない。従って、放熱基板を高温環境に曝したときに、放熱部材が抜け落ちるなどの問題点を解消することができる。また、ベース基材に電子部品から発生した熱を放出するための金属層と導電路をその表面がほぼ同一平面となるように形成することができるため、めっき等のアディティブ法によって導電回路を形成するのと同時に、上記金属層を設けることができ、放熱基板を効率よく製造することができる。
本発明の第一実施形態に係る放熱回路構成体を示す模式断面図である。 本発明の第一実施形態の変更例に係る放熱回路構成体を示す模式断面図である。 本発明の第一実施形態の変更例に係る放熱回路構成体を示す模式断面図である。 本発明の第二実施形態に係る放熱回路構成体を示す模式断面図である。 本発明の第二実施形態の変更例に係る放熱回路構成体を示す模式断面図である。 本発明の第三実施形態に係る放熱回路構成体を示す模式断面図である。 放熱回路構成体を高温環境に曝したときに、放熱特性や接続安定性が損なわれる態様を示す模式断面図である。 本発明の第一実施形態に係る放熱回路構成体の製造方法の一例を示す模式図である。 本発明の第二実施形態に係る放熱回路構成体の製造方法の一例を示す模式図である。 本発明の第三実施形態に係る放熱回路構成体の製造方法の一例を示す模式図である。 本発明に係る放熱基板の製造方法の一例を示す模式図である。 本発明に係る熱伝導性樹脂組成物付き放熱部材の製造方法の一例を示す断面図である。
以下、本発明の実施の形態を、より具体的に説明する。
図１〜３は、本発明の第一実施形態に係る放熱基板１１と電子部品９とが接続されてなる放熱回路構成体１２を示す。放熱基板１１はその導電路４及び金属層８が低融点金属１０を介して電子部品９と接続されている。
本実施形態にかかる放熱基板１１は、本図に示すように、第一の面１と第二の面２を備えるベース基材３と、第一の面上に形成された導電路４と、第一の面１から第二の面２までを貫通する貫通孔５と、貫通孔５に挿入され、少なくとも一部が第一の面１から突出している放熱部材６と、放熱部材６の側面を覆うとともに、貫通孔５の内周面と、この内周面に囲まれた放熱部材６の外周面との間に隙間なく介在する熱伝導性樹脂組成物７と、第一の面１から突出している放熱部材６を覆う金属層８と、を有し、金属層８の外側表面と導電路４の外側表面とがほぼ同一平面上にあるものとする。
ベース基材３を構成する材料としては、特に限定されないが、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を使用することができ、耐熱性の観点から熱硬化性樹脂を使用することが好ましい。
熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリウレタンウレア樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、脂環オレフィン樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、フェノキシ樹脂、マレイミド樹脂、ポリイミドベンズオキサゾール樹脂、ポリベンゾオキサゾール樹脂、ポリエステルアミド樹脂、ポリエステルイミド樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリフマレート樹脂、ベンゾオキサジン樹脂、カルボジイミド樹脂、フッ素樹脂、ポリオレフィン樹脂、シリコン樹脂等を用いることができる。これらは１種を単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。
熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリアミド樹脂、液晶ポリマ一樹脂、メタクリル樹脂、アクリル樹脂、ポリスチレン、ポリエステル、ポリウレタン、ポリ力ーボネー卜、ブタジエンゴム、ポリエステルアミド、イソプレンゴム、セルロース、フエノキシ樹脂、ポリビニルアセタール樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂等を用いることができる。これらは１種を単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。
ベース基材３における第一の面１の上には、導電路４が形成されている。導電路４は、ベース基材３上に設置される複数の電子部品９同士を接続したり、信号を伝送したり、複数のベース基材３同士を層間接続するために形成される。
導電路４を形成する材料は、特に限定されないが、銅箔等の導電性材料を使用することができる。
また、導電路４は、必要に応じて第二の面２の上にも形成してもよい。
貫通孔５は、ベース基材３の第一の面１から第二の面２にかけて貫通するように設けられている。この貫通孔５の内壁の少なくとも一部には、いわゆるスルーホールめっきの様な、導電性物質からなる層が設けられていてもよい。
貫通孔５の内壁（導電性物質からなる層が設けられている場合はその層）は、熱伝導性樹脂組成物７と接触しており、また放熱部材６の全ての側面は熱伝導性樹脂組成物７によって被覆されている。すなわち、貫通孔５の内部には熱伝導性樹脂組成物７が充填されているとともに、放熱部材６の側面は熱伝導性樹脂組成物７によって完全に被覆されているため、放熱部材６と熱伝導性樹脂組成物７、及び熱伝導性樹脂組成物７と貫通孔５の内壁とは、隙間無く接続される。
隙間が無いことにより、金属層８をめっきにより形成する際、放熱部材６と熱伝導性樹脂組成物７、及び熱伝導性樹脂組成物７と貫通孔５の内壁との間にめっき液などの揮発成分が浸入することを防ぐことができる。そのため、放熱基板１１が高温にさらされても、揮発成分の膨張により放熱部材６が放熱基板１１から脱落することを防ぐことができる。
また、放熱部材６および熱伝導性樹脂組成物７は第一の面１から突出しているとともに、突出した放熱部材６および熱伝導性樹脂組成物７が金属層８で覆われている。さらに、突出した放熱部材６の少なくとも一部は、熱伝導性樹脂組成物７で覆われておらず、金属層８と直に接している。
突出した放熱部材６及び熱伝導性樹脂組成物７が金属層８で覆われているとともに、放熱部材６の少なくとも一部が金属層８と直に接していることにより、電子部品から発生した熱が金属層８を介して放熱部材６に伝わり易いため、熱を効率的に放熱基板１１から排出することができる。
また第二の面側において、放熱部材６および熱伝導性樹脂組成物７は、図１に示すように、第二の面２からも突出していてもよく、図２に示すように第二の面２とほぼ同一平面となるように形成されていてもよく、また図３に示すように第二の面側には、放熱部材６は表出せず、熱伝導性樹脂組成物７と第二の面２がほぼ同一平面となるように形成されていてもよい。
貫通孔５の平面視における形状は特に限定されず、円形や、楕円形、多角形のような形状であってもよいが、円形であることが好ましい。
貫通孔５の開口径は、特に限定されず、載置する電子部品９の大きさ等に応じて適宜選択することができる。
貫通孔５の内壁に導電性物質からなる層を設ける場合には、層を構成する材料は、銅、銀、金等の金属を使用することができる。中でも、銅は公知のめっきプロセスを用いて低コストでスルーホールめっきを得ることができる点で好ましい。
本発明の放熱部材６は、良好な熱伝導率を示す材料により形成される。このような材料としては、従来から同様の目的に使用されているものであれば特に限定されないが、具体例としては、銅、ポーラス銅、鉄、ニッケル等の金属、カーボン成型品などが挙げられる。
また、放熱部材６の熱伝導率は、特に限定されないが、好ましくは１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、より好ましくは２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である。
カーボン成型品としては、特に限定されないが、例えば、カーボンとカーボン繊維とのハイブリッド材料などが挙げられる。
放熱部材６の形状は、特に限定されないが、通常は円柱状等の柱状が好ましい。また、放熱部材６を平面視したときの形状は、貫通孔５の平面視における形状と略同一であることが好ましい。
本発明における熱伝導性樹脂組成物７は、これに限定されないが、エポキシ樹脂を含む樹脂成分、硬化剤、及び無機フィラーを含有してなるものとすることができる。
エポキシ樹脂としては、固形エポキシ樹脂、及び液状エポキシ樹脂より選択された１種又は２種以上の樹脂を用いることができる。
ここで「固形エポキシ樹脂」とは、常温（２５℃）において固体であるエポキシ樹脂をいうものとする。固形エポキシ樹脂としては、分子内にエポキシ基を含有するもので、常温（２５℃）で固体であれば特に限定されないが、具体例としては、トリスフェノール型エポキシ樹脂、トリスフェノールメタン型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂等が挙げられる。
また液状エポキシ樹脂としては、分子内にエポキシ基を含有するもので、常温（２５℃）で液体であれば特に限定されないが、具体例としては、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、グリシジルアミン系エポキシ樹脂、グリシジルエーテル系エポキシ樹脂等が挙げられる。
固形エポキシ樹脂と液状エポキシ樹脂は、それぞれ単独で用いることができるが、固形エポキシ樹脂と液状エポキシ樹脂との併用であることが好ましい。
固形エポキシ樹脂と液状エポキシ樹脂との合計量１００質量部中、固形エポキシ樹脂の配合量は、これに限定されないが、好ましくは２０〜９０質量部であり、より好ましくは４０〜８０質量部である。２０質量部以上であると、溶剤乾燥後もタック性が残らず、取り扱いが容易となる。また、９０質量部以下であると、溶剤が揮発しにくいためペーストの表面に膜が生じ難く、放熱材料に塗布し易くなる。
本実施形態に係る熱伝導性樹脂組成物７は、樹脂成分として、固形エポキシ樹脂と液状エポキシ樹脂に加えてビスマレイミド化合物を用いることもできる。
ビスマレイミド化合物としては、次の一般式（Ｉ）で表されるものを用いることができる。
Figure 0006803401
但し、式（Ｉ）中、Ｘは、脂肪族、脂環式又は芳香族の炭化水素基であって、主鎖の炭素数が１０〜３０である炭化水素基を示し、これらの基は、ヘテロ原子、置換基又はシロキサン骨格を有していてもよい。Ｘは、好ましくは、脂肪族又は脂環式炭化水素若しくは脂環式炭化水素基により修飾された脂肪族炭化水素基であり、炭素数１０〜５５の脂肪族炭化水素基であることがより好ましく、炭素数１０〜４０であることがさらに好ましい。
Ｙは脂肪族、脂環式又は芳香族の炭化水素基を示し、これらの基はヘテロ原子、置換基、フェニルエーテル骨格、スルフォニル骨格又はシロキサン骨格を有していてもよい。Ｙは、好ましくは、芳香族炭化水素基である。
ｎは繰り返し単位数であり、１〜２０の範囲の数を示す。ｎが１以上であると、安定した密着性を確保することができる熱伝導性樹脂組成物付き放熱部材（図１１における６Ａ）が得られやすい。また、ｎは２０以下が好ましく、１０以下がより好ましい。ｎが２０以下であると、安定した密着性を確保することができる熱伝導性樹脂組成物付き放熱部材が得られやすい。ビスマレイミド化合物は、ｎが１〜２０であるものを１種単独で用いてもよく、２種以上併用してもよいが、ｎが１〜１０のものの混合物であることがより好ましい。
ｎが１〜１０のものの混合物であることにより、耐振動性が向上するので、自動車などの振動が激しい製品に用いられるベース基材にも好適に用いられるものとなる。
上記ビスマレイミド化合物の製造方法は特に限定されず、例えば酸無水物とジアミンとを縮合反応させた後、脱水して環化（イミド化）を行う公知の方法により製造することができる。
上記ビスマレイミド化合物は、市販の化合物を用いることもでき、好ましい例としては、ＤＥＳＩＧＮＥＲＭＯＬＥＣＵＲＥＳ Ｉｎｃ．製のＢＭＩ−３０００（ダイマージアミン、ピロメリット酸二無水物及びマレイン酸無水物より合成）、ＢＭＩ−１５００、ＢＭＩ−２５５０、ＢＭＩ−１４００、ＢＭＩ−２３１０、ＢＭＩ−３００５等を好適に用いることができる。
上記の中でも本発明で特に好適に用いられるビスマレイミド化合物であるＤＥＳＩＧＮＥＲＭＯＬＥＣＵＲＥＳ Ｉｎｃ．製のＢＭＩ−３０００は、下記の構造式で表される。式中、ｎは１〜２０の範囲の数である。
Figure 0006803401
ビスマレイミド化合物を用いる場合には、ビスマレイミド化合物の配合量は、これに限定されないが、樹脂成分１００質量部中、５〜２０質量部であることが好ましい。
上記硬化剤は、特に限定されないが、イミダゾール系硬化剤、カチオン系硬化剤、及びラジカル系硬化剤からなる群から選択された１種を単独で用いることもでき、２種以上ブレンドして用いることもできる。
イミダゾール系硬化剤としては、イミダゾール、２−ウンデシルイミダゾール、２−ヘプタデシルイミダゾール、２−エチルイミダゾール、２−フェニルイミダゾール、２−エチル−４−メチルイミダゾール、１−シアノエチル−２−ウンデシルイミダゾール、２−フェニルイミダゾール、２，４−ジアミノ−６−〔２’−メチルイミダゾリル−（１’）〕−エチル−ｓ−トリアジンなどが挙げられる。硬化剤として、イミダゾール系硬化剤を用いることにより、導電性、放熱性を向上させることができる。
カチオン系硬化剤としては、三フッ化ホウ素のアミン塩、Ｐ−メトキシベンゼンジアゾニウムヘキサフルオロホスフェート、ジフェニルイオドニウムヘキサフルオロホスフェート、トリフェニルスルホニウム、テトラ−ｎ−ブチルホスホニウムテトラフェニルボレート、テトラ−ｎ−ブチルホスホニウム−ｏ，ｏ−ジエチルホスホロジチオエート等に代表されるオニウム系化合物などが挙げられる。
ラジカル系硬化剤（重合開始剤）としては、ジクミルパーオキサイド、ｔ−ブチルクミルパーオキサイド、ｔ−ブチルハイドロパーオキサイド、クメンハイドロパーオキサイド、アゾ系化合物等が挙げられる。
硬化剤の配合量は、特に限定されないが、樹脂成分１００質量部に対して、好ましくは０．５〜３０質量部であり、より好ましくは１〜２０質量部であり、さらに好ましくは３〜１５質量部である。
上記無機フィラーも、特に限定されないが、例としては、金、銀、銅、ニッケル等の金属粉、金、銀、銅、及びニッケルから選択された２種以上の金属からなる合金粉、銀コート銅粉、金コート銅粉、銀コートニッケル粉、金コートニッケル粉、グラフェン、カーボン等の炭素素材、シリカ、アルミナ、窒素ホウ素等が挙げられる。これら無機フィラーは、１種を単独で用いることもでき、２種以上をブレンドして用いることもできる。
上記無機フィラーは、所望の導電性、放熱性又は線膨張係数が得られるように選択するのが望ましい。放熱部材６とスルーホールめっきとの導通を必要とする場合は、金、銀、銅、又はニッケル等の金属粉、金、銀、銅、及びニッケルから選択された２種以上の金属からなる合金粉、銀コート銅粉、金コート銅粉、銀コートニッケル粉、金コートニッケル粉、グラフェン、又はカーボンを用いるのが好ましい。導電性が必要でない場合は、シリカ、アルミナ、窒化ホウ素を用いてもよい。
無機フィラーの配合量は、特に限定されないが、樹脂成分、硬化剤、及び無機フィラーの総量に対して、好ましくは２０〜７５体積％（ｖｏｌ％）であり、より好ましくは２０〜７０体積％であり、さらに好ましくは３０〜６５体積％である。
熱伝導性樹脂組成物７は、上記した各成分を、必要に応じて用いられる溶剤と共に十分混合することにより得られる。
溶剤としては、特に限定されないが、有機溶剤が好適に用いられ、その具体例としては、メチルエチルケトン、トルエン、メタノール、テトラリン等が挙げられる。これら溶剤は、１種を単独で用いることもでき、２種以上をブレンドして用いることもできる。
溶剤の配合量は、特に限定されないが、樹脂成分１００質量部に対して、好ましくは２０〜３００質量部であり、より好ましくは４０〜２００質量部であり、さらに好ましくは５０〜１５０質量部である。
なお、熱伝導性樹脂組成物７には、従来から同種の熱伝導性樹脂組成物に添加されることのあった添加剤を、本発明の目的から外れない範囲内で添加することもできる。
上記熱伝導性樹脂組成物７は、上記各配合成分の種類の選択及び量の調整により、溶剤を含まない状態での８０℃における複素粘度が１×１０２Ｐａ・ｓ〜５×１０６Ｐａ・ｓであることが好ましく、１×１０２Ｐａ・ｓ〜１×１０６Ｐａ・ｓであることがより好ましい。
後述するように、ベース基材３に設けられた貫通孔５に、熱伝導性樹脂組成物７を介して放熱部材６が挿入された状態にした後、加熱しつつ、プレスして、熱伝導性樹脂組成物７を硬化させることができる。その際、８０℃における複素粘度が１×１０２Ｐａ・ｓ以上であると、硬化時に放熱部材６とベース基材３との間から熱伝導性樹脂組成物７が過度に流出することを防ぐことができ、ベース基材３と放熱部材６との密着強度を確保することが容易である。また、８０℃における複素粘度が５×１０６Ｐａ・ｓ以下であると、熱伝導性樹脂組成物７の流動性が適切となり、放熱部材６とベース基材３との間に隙間が生じにくく、放熱部材６とベース基材３との密着強度を確保し易くなる。
後述する製造工程の途中の段階（図８（ｄ））において、金属膜Ａ’が形成される表面である、金属膜Ａ、放熱部材６及び熱伝導性樹脂組成物７は、ほぼ同一平面となるように形成されている。これらの面がほぼ同一平面となることで、その上に形成される金属膜Ａ’（後の導電路４と金属層８）を平面となるように形成しやすい。金属膜Ａ’が平面となることにより、エッチングなどにより形成される導電路４及び金属層８をほぼ同一平面となるように形成することができる。したがって、導電路４及び金属層８の上に低融点金属１０を介して電子部品９を接続させた際、電子部品９と導電路４及び金属層８との距離が均一となる。
電子部品９と導電路４及び金属層８との距離が不均一であると、電子部品９と導電路４及び金属層８との接続部の抵抗値が上昇したり、熱伝導が悪化したりする。
具体的には、図７（ａ）に示すように、電子部品９と導電路４’との距離よりも電子部品９と金属層８’との距離が大きい場合、電子部品９と金属層８’とを、低融点金属１０を用いたはんだリフローによって接続すると、表面張力により電子部品９と金属層８’との間に形成される低融点金属１０’は細くなる。そのため、その後に高温環境に曝されると抵抗値が上昇したり、電子部品９から金属層８’への熱伝導が悪くなったりする。
また、図７（ｂ）に示すように、電子部品９と金属層８’’との距離よりも電子部品９と導電路４’’との距離が大きい場合にも上記と同様の問題が生じ、電子部品９と導電路４’’とを、低融点金属１０を用いたはんだリフローによって接続すると、電子部品９と導電路４’’との間に形成される低融点金属１０’は細くなる。
低融点金属１０が細くなることを防ぐためには、低融点金属１０の増量が必要となり、コストが上昇する。
これに対して本発明では、金属膜Ａ、放熱部材６及び熱伝導性樹脂組成物７が、ほぼ同一平面に形成されているため、その上に形成される導電路４と金属層８との表面もほぼ同一平面となる。したがって、上記のような問題は生じず、必要最小限の低融点金属１０によって導電路４及び金属層８と電子部品９とを接続することができる。
金属層８を構成する材料は、導電路４と同様の材料を用いることができる。
また、金属層８は、第一の面１を平面視したときに、貫通孔５、放熱部材６及び熱伝導性樹脂組成物７の少なくとも一部を被覆していればよいが、貫通孔５、放熱部材６及び熱伝導性樹脂組成物７の全部を被覆していることが好ましい。金属層８がこのように形成されていることにより、電子部品９から発生した熱をロス無く、そして効率良く熱伝導性樹脂組成物７及び放熱部材６に伝えやすい。
また、金属層８は、第二の面にも、貫通孔５、放熱部材６及び熱伝導性樹脂組成物７の少なくとも一部を被覆するように形成されていることが好ましく、形成されていることにより、放熱効果がさらに優れる。
次に本発明の放熱回路構成体について説明する。図１に示した実施形態に係る放熱回路構成体１２は、上述の本実施形態に係る放熱基板１１の金属層８が低融点金属１０を介して電子部品９と接続されてなる。
電子部品９と金属層８とが接続されていることで、電子部品９から発生した熱を、金属層８を介して効果的に熱伝導性樹脂組成物７及び放熱部材６に伝えることができる。
また、電子部品９と金属層８とが低融点金属１０により接続されている場合、低融点金属１０は熱伝導効率に優れているため、電子部品９から発生した熱を、熱伝導性樹脂組成物７及び放熱部材６を介して効率よくベース基板３から放出することができる。低融点金属１０による接続は、従来のはんだリフロー工程を用いて行うことができる。
このような低融点金属１０としては、インジウム、錫、鉛及びビスマスからなる群から選択される少なくとも１種を含む金属粒子を用いることができる。これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。これらの中でも、従来のはんだリフロープロセスを用いることができる観点から、はんだを用いることが好ましい。
また、低融点金属１０は、上記金属粒子を含むペースト状組成物であってもよい。このようなペースト状組成物としては、はんだクリーム等が挙げられる。
低融点金属１０の融点は、１８０℃以下であることが望ましく、６０〜１８０℃であることがより望ましく、１２０〜１４５℃であることがさらに望ましい。
ペースト状組成物における金属粒子の割合は、３０ｖｏｌ％〜９５ｖｏｌ％であることが好ましく、４０ｖｏｌ％〜９０ｖｏｌ％であることがより好ましい。金属粒子の割合が上記範囲内であると、電子部品９と金属層８との熱伝導効率が良好となり、またペースト状組成物の印刷性が良好となる。
また、ペースト状組成物には、必要に応じて高融点金属を加えてもよい。低融点金属１０が溶融したときに高融点金属との合金を形成することができるため、電子部品９と導電路４及び金属層８とを強固に接続することができる。
高融点金属の融点は、８００℃以上であることが望ましく、８００〜１５００℃であることがより望ましく、９００〜１１００℃であることがより望ましい。
また、高融点金属は、銅、銀、金、ニッケル、銀コート銅及び銀コート銅合金からなる群から選択される少なくとも１種を含むことが望ましい。これら金属は導電性に優れる。そのため、導電路４と電子部品９との間の導電性を向上させることができる。
また、電子部品９と金属層８とは、低融点金属１０に代えて、熱伝導性樹脂組成物７により接続されていてもよい。
熱伝導性樹脂組成物７としては、上述した熱伝導性樹脂組成物７を使用することができる。熱伝導性樹脂組成物７を導電路４の表面及び金属層８の表面に塗布又は載置する際には、ペースト状やシート状の熱伝導性樹脂組成物７を用いることができる。ペースト状の熱伝導性樹脂組成物７を塗布又は載置する場合には、導電路４又は金属層８の形状に適合したスクリーンを用いて印刷塗布してもよい。シート状の熱伝導性樹脂組成物７を塗布又は載置する場合には、導電路４又は金属層８の形状に適合した形状に熱伝導性樹脂組成物７を裁断したものを用いてもよい。
電子部品９は、例えば、封止材により封止された半導体回路と、封止材表面から露出している端子とを有するものを使用することができる。端子は金属等の導電性材料によって形成されており、半導体回路と導電路４とを電気的に接続する。さらに、端子は金属層８の上に設けられた低融点金属１０を介して金属層８と接続されている。半導体回路から発生した熱は、端子から低融点金属１０と金属層８を経由して熱伝導性樹脂組成物７及び放熱部材６に伝わり、回路構成体の外部へ放出される。
図４、５は、本発明の第二実施形態に係る放熱基板１１及び放熱回路構成体１２を示す。
本実施形態にかかる放熱基板１１は、本図に示すように、第一の面１と第二の面２を備えるベース基材３と、第一の面上に形成された導電路４と、第一の面１から第二の面２までを貫通する貫通孔５と、貫通孔５に挿入された放熱部材６と、貫通孔５の内周面と、この内周面に囲まれた放熱部材６の外周面との間に隙間なく介在する熱伝導性樹脂組成物７とを有し、貫通孔５から第一の面側に表出した放熱部材６及び熱伝導性樹脂組成物７が、第一の面１とほぼ同一平面となるように形成され、第一の面側に表出した熱伝導性樹脂組成物７の上に金属層８が設けられている。
放熱部材６及び熱伝導性樹脂組成物７の表面が第一の面１とほぼ同一平面となることで、導電路４と金属層８とを、放熱部材６及び熱伝導性樹脂組成物７の表面に同時に形成させたときに、導電路４の厚さを金属層８の厚さと略同一となるように形成しやすい。そして、同時に形成された導電路４と金属層８の表面もほぼ同一平面となるように形成しやすい。したがって、導電路４及び金属層８の上に低融点金属１０を介して電子部品９を接続させた際、電子部品９と導電路４及び金属層８との距離が均一となる。
また、金属層８は、第一の面１を平面視したときに、貫通孔５、放熱部材６及び熱伝導性樹脂組成物７の少なくとも一部を被覆していればよいが、貫通孔５、放熱部材６及び熱伝導性樹脂組成物７の全部を被覆していることが好ましい。金属層８がこのように形成されていることにより、電子部品９から発生した熱をロス無く、そして効率良く熱伝導性樹脂組成物７及び放熱部材６に伝えやすい。
また第二の面２側において、放熱部材６および熱伝導性樹脂組成物７は、図４に示すように、第二の面２とほぼ同一平面となるように形成されていてもよく、また図５に示すように第二の面側には、放熱部材６は表出せず、熱伝導性樹脂組成物７と第二の面２がほぼ同一平面となるように形成されていてもよい。
なお、その他の構成及び作用は上記第一実施形態と同様であるので、その説明は省略する。
図６は、本発明の第三実施形態に係る放熱基板１１及び放熱回路構成体１２を示す。
本実施形態にかかる放熱基板１１は、本図に示すように、第一の面１と第二の面２を備えるベース基材３と、第一の面上に形成された導電路４と、第一の面１から第二の面２までを貫通する貫通孔５と、貫通孔５に挿入された放熱部材６と、貫通孔５の内周面と、この内周面に囲まれた放熱部材６の外周面との間に隙間なく介在する熱伝導性樹脂組成物７とを有し、貫通孔５から第一の面側に表出した熱伝導性樹脂組成物７が、第一の面１とほぼ同一平面となるように形成され、第一の面側に表出した熱伝導性樹脂組成物７の上に金属層８が設けられている。
熱伝導性樹脂組成物７の表面が第一の面１とほぼ同一平面となることで、導電路４と金属層８とを、熱伝導性樹脂組成物７の表面に同時に形成させたときに、導電路４の厚さを金属層８の厚さと略同一となるように形成しやすい。そして、同時に形成された導電路４と金属層８の表面もほぼ同一平面となるように形成しやすい。したがって、導電路４及び金属層８の上に低融点金属１０を介して電子部品９を接続させた際、電子部品９と導電路４及び金属層８との距離が均一となる。
また、第一の面１を平面視したときの金属層８は、貫通孔５及び熱伝導性樹脂組成物７の少なくとも一部を被覆していればよいが、貫通孔５及び熱伝導性樹脂組成物７の全部を被覆していることが好ましい。金属層８がこのように形成されていることにより、電子部品９から発生した熱をロス無く、そして効率良く熱伝導性樹脂組成物７及び放熱部材６に伝えやすい。
なお、その他の構成及び作用は上記第一実施形態及び第二実施形態と同様であるので、その説明は省略する。
次に、本発明の第一実施形態に係る放熱回路構成体１２の製造方法を説明する。
まず、図８（ａ）に示すように、ベース基材３の第一の面１及び第二の面２に金属膜Ａを形成する。
金属膜Ａを形成する方法は特に限定されないが、めっきや蒸着等のアディティブ法、金属粒子や金属ナノ粒子を含有する導電性ペーストを印刷硬化する方法等、公知の方法により形成することができる。これらの中でも、容易に金属層Ａを形成する観点から、めっきにより形成することが好ましい。
次に、図８（ａ）に示すベース基材３に、第一の面１上に形成された金属膜Ａの外側表面から第二の面２上に形成された金属膜Ａの外側表面までを貫通する貫通孔５を設けたベース基材３を製造する（図８（ｂ））。ベース基材３に貫通孔５を設ける方法は特に限定されないが、ドリル等の切削工具を用いる方法や、炭酸ガスレーザー、ＹＡＧレーザー等によりベース基材３に貫通孔５を設ける方法が挙げられる。
次に、ベース基材３に設けた貫通孔５に、熱伝導性樹脂組成物７及び放熱部材６を挿入する。具体的には、貫通孔５を設けたベース基材３に、熱伝導性樹脂組成物７を充填し、放熱部材６を貫通孔５に挿入してもよく、熱伝導性樹脂組成物付き放熱部材６Ａを挿入してもよい。
放熱部材６を貫通孔５に押し込んだ後は、熱伝導性樹脂組成物７を加熱等で硬化し、放熱部材６をベース基材３に固定することができる。
放熱部材６をベース基材３に固定した時には、図８（ｃ）に示すように、放熱部材６および熱伝導性樹脂組成物７の表面と金属膜Ａとがほぼ同一平面とはなっていない。そこで、熱伝導性樹脂組成物７の表面と金属膜Ａとがほぼ同一平面となるように加工する（図８（ｄ））。熱伝導性樹脂組成物７の表面と金属膜Ａとがほぼ同一平面となるように加工する方法としては、例えば切削加工や研磨加工等、公知の方法が挙げられる。または、熱伝導性樹脂組成物付き放熱部材６Ａを貫通孔５に挿入した後、熱伝導性樹脂組成物７と金属膜Ａが設けられたベース基材３とをプレスすることにより、放熱部材６を貫通孔５に挿入すると同時にほぼ同一平面とする方法であってもよい。
プレス機は、放熱部材６を固定する際に通常用いられるプレス機や、真空プレス機を用いることができる。プレス条件は限定されないが、例えば１５０〜１９０℃、面圧力５〜１５ｋｇ／ｃｍ２の条件下で３０〜１２０分間プレスして、熱伝導性樹脂組成物７を硬化させるのが好ましい。
次いで、図８（ｅ）に示すように、熱伝導性樹脂組成物７及び金属膜Ａの表面にさらに、例えばめっき等のアディティブ法により、金属膜Ａ’を形成した後、図８（ｆ）に示すように、レジスト印刷等を行って、導電路４及び金属層８を形成して放熱基板１１を得る。
次いで、図８（ｇ）に示すように、導電路４及び金属層８の上に低融点金属１０を載置する。
導電路４及び金属層８の上に低融点金属１０を載置する方法は、例えば、金属粒子（はんだボール等）を導電路４及び金属層８の上に載置する方法や、低融点金属１０を含むペースト状組成物（はんだクリーム等）をスクリーン印刷する方法が挙げられる。また、電子部品９の端子にペースト状組成物を転写法等により付着させ、導電路４及び金属層８の上に載置させる方法を用いてもよい。
次いで、図８（ｈ）に示すように、当該低融点金属１０を介して、導電路４及び金属層８と電子部品９とを接続し、放熱回路構成体１２を得る。
低融点金属１０を介して導電路４及び金属層８と電子部品９とを接続する方法は、例えば、はんだリフロー工程により導電路４及び金属層８と電子部品９とを接続する方法が挙げられる。
このようにして得られた放熱回路構成体１２は、電子部品９と導電路４及び金属層８とが低融点金属１０で接続されているため、接合強度や接続安定性に優れているだけでなく、電子部品９から発生した熱を効率よく熱伝導性樹脂組成物７及び放熱部材６を介して回路構成体から放出することができる。
次に、本発明の第二実施形態に係る放熱回路構成１２の製造方法を説明する。
まず、図９（ａ）に示すベース基材３に、第一の面１から第二の面２までを貫通する貫通孔５を設けたベース基材３を製造する（図９（ｂ））。
次に、ベース基材３に設けた貫通孔５に、熱伝導性樹脂組成物７及び放熱部材６を挿入する。挿入した後は、熱伝導性樹脂組成物７を加熱等で硬化し、放熱部材６をベース基材３に固定することができる。
放熱部材６をベース基材３に固定した時には、図９（ｃ）に示すように、放熱部材６および熱伝導性樹脂組成物７の表面とベース基材３の第一の面１とがほぼ同一平面とはなっていない。そこで、熱伝導性樹脂組成物７の表面とベース基材３の第一の面１とがほぼ同一平面となるように加工する（図９（ｄ））。
次いで、図９（ｅ）に示すように、ベース基材３、放熱部材６及び熱伝導性樹脂組成物７上に、金属膜Ａを形成する。
その後、図９（ｆ）に示すように、レジスト印刷等を行って、導電路４及び金属層８を形成して放熱基板１１を得る。
次いで、図９（ｇ）に示すように、導電路４及び金属層８の上に低融点金属１０を載置した後、図９（ｈ）に示すように、当該低融点金属１０を介してと導電路４及び金属層８と電子部品９とを接続し、放熱回路構成体１２を得る。
次に、本発明の第三実施形態に係る放熱回路構成体１２の製造方法を説明する。
まず、図１０（ａ）に示すベース基材３に、第一の面１から第二の面２までを貫通する貫通孔５を設けたベース基材３を製造する（図１０（ｂ））。
次に、ベース基材３に設けた貫通孔５に、熱伝導性樹脂組成物７及び放熱部材６を挿入する。具体的には、図１０（ｃ）に示すように、貫通孔５を設けたベース基材３に、熱伝導性樹脂組成物７を充填する。
次いで、図１０（ｄ）に示すように、放熱部材６を貫通孔５に挿入する。放熱部材６を貫通孔５に押し込んだ後は、熱伝導性樹脂組成物７を加熱等で硬化し、放熱部材６をベース基材３に固定することができる。
放熱部材６をベース基材３に固定した時には、図１０（ｄ）に示すように、熱伝導性樹脂組成物７の表面とベース基材３の第一の面１とがほぼ同一平面とはなっていない。そこで、熱伝導性樹脂組成物７の表面とベース基材３の第一の面１とがほぼ同一平面となるように加工する（図１０（ｅ））。
次いで、図１０（ｆ）に示すように、熱伝導性樹脂組成物７及びベース基材３の表面に導電路４及び金属層８を形成して放熱基板１１を得る。
導電路４及び金属層８を形成する方法は特に限定されないが、めっきや蒸着等のアディティブ法、金属粒子や金属ナノ粒子を含有する導電性ペーストを印刷硬化する方法等、公知の方法により形成することができる。これらの中でも、容易に導電路４及び金属層８を形成する観点から、めっきにより形成することが好ましい。めっきにより導電路４及び金属層８を形成した後、レジスト印刷等を行って、任意のパターンを有する導電路４及び金属層８とすることができる。
また、導電性ペーストを印刷硬化して導電路４及び金属層８を形成する場合には、導電路４及び金属層８の形状に適したスクリーンを用いて導電性ペーストを印刷し、硬化する方法を用いることができる。
次いで、図１０（ｇ）に示すように、導電路４及び金属層８の上に低融点金属１０を載置する。
次いで、図１０（ｈ）に示すように、当該低融点金属１０を介してと導電路４及び金属層８と電子部品９とを接続し、放熱回路構成体１２を得る。
また、上記図１０（ｃ）〜（ｅ）で示した貫通孔５に熱伝導性樹脂組成物７と放熱部材６を固定する方法は、別の方法をとることもできる。
例えば、図１１（ａ）に示すように、ベース基材３の第一の面１から第二の面２を貫通する貫通孔５が設けられたベース基材３を予め熱し、図１１（ｂ）に示すように放熱部材６が予め熱伝導性樹脂組成物７によって被覆された熱伝導性樹脂組成物付き放熱部材６Ａを上記ベース基材３の貫通孔５に挿入する。ここで、放熱部材６Ａを貫通孔５に挿入した時には、熱伝導性樹脂組成物７の表面とベース基材３の第一の面１とはほぼ同一平面とはなっていないが、上記と同様の方法により、ほぼ同一平面となるように加工することができる（図１１（ｃ））。
上記ベース基材３を予め熱する温度も、特に限定されないが、好ましくは４０〜９０℃であり、より好ましくは５０〜８０℃である。このようにベース基材３を予め熱することにより、上記ベース基材３の貫通孔５に熱伝導性樹脂組成物付き放熱部材６Ａを挿入する際、放熱部材６に塗布された熱伝導性樹脂組成物７が、熱により軟化するため、容易に挿入することが可能となる。
ここで、熱伝導性樹脂組成物付き放熱部材６Ａは、放熱部材６の表面の一部又は全部が上記熱伝導性樹脂組成物７によって被覆されたものである。
熱伝導性樹脂組成物付き放熱部材６Ａの製造方法は、特に限定されないが、例えばディッピング法により製造することができる。ディッピング法の場合、熱伝導性樹脂組成物７を溶剤に溶解させた溶液に放熱部材６を浸した後、引き上げ、溶剤を乾燥除去することにより、放熱部材６の表面全体が熱伝導性樹脂組成物７によって被覆された熱伝導性樹脂組成物付き放熱部材６Ａを製造することができる。なお、必要に応じて、放熱部材６を上記溶液に浸す前に、放熱部材６の表面の一部をテープ等で予め被覆してもよい。このようにすることで、熱伝導性樹脂組成物７が放熱材料を被覆する位置や面積を自由に設計することができる。
別の製造方法としては、例えば図１２（ａ）に示すように、穴を設けたフッ素樹脂製シート２１に、放熱部材６を挿入し、（ｂ）に示すように、熱伝導性樹脂組成物７を、穴と放熱部材６との隙間に流し込み、（ｃ）に示すように、余分な熱伝導性樹脂組成物７を取り除いた後、溶剤を乾燥除去し、フッ素樹脂製シート２１から取り出す方法も用いることができる。
いずれの方法でも溶剤を乾燥除去する条件は、特に限定されないが、好ましくは５０〜８０℃で３０〜１２０分間であり、より好ましくは５０℃で３０〜６０分間である。
熱伝導性樹脂組成物７が適度な粘性を有している場合、プレス時にベース基材３と放熱部材６との間から熱伝導性樹脂組成物７が過度に流れ出すことなくプレスすることが可能であり、容易にベース基材３に対して固定することが可能である。
なお、上記熱伝導性樹脂組成物７の使用法は上記に限定されず、例えば放熱部材６に塗布した後、溶剤を乾燥除去せずにベース基材３に挿入することもできる。
また、上記熱伝導性樹脂組成物７を、離型フィルム等に塗布して溶剤を乾燥除去させて、フィルム状にして使用することもできる。
また、熱伝導性樹脂組成物付き放熱部材６Ａをベース基材３に挿入してプレスする際、加熱により硬化させずに、接着用組成物の塑性変形により、仮止め的にベース基材３に固定させることも可能である。
以下に本発明の実施例を示すが、本発明は以下の実施例によって限定されるものではない。なお、以下において配合割合等は、特にことわらない限り質量基準とする。
銅、ポーラス銅、カーボン繊維を用いたハイブリッド材料からなる、直径φ５．８８ｍｍ、厚み１．５ｍｍの円柱状の放熱部材の上面及び底面にテープを貼り付け、ディッピング法により側周面に熱伝導性樹脂組成物を塗布し、４０℃で１時間乾燥させた後、テープを剥離し、熱伝導性樹脂組成物付き放熱部材を作製した。
ベース基材であるＦＲ−４（Ｆｌａｍｅ Ｒｅｔａｒｄａｎｔ Ｔｙｐｅ４）基板にめっきにより金属膜Ａを設けた後、直径φ６．０ｍｍ、深さ１．５ｍｍのスルーホールめっきが施された貫通孔を形成した。貫通孔に得られた熱伝導性樹脂組成物付き放熱部材を埋め込み、プレス機を用いて最高温度１９０℃、面圧力：１０ｋｇ／ｃｍ２で１時間プレスを行った。めっきにより金属膜Ａ’を設けた後、エッチングにより、導電路及び金属層を形成し、図１に示す構造を有する放熱基板を作製した。
熱伝導性樹脂組成物としては、次の樹脂成分（樹脂又は樹脂溶液）、硬化剤、及び無機フィラーとしての銀コート銅粉を記載した割合（質量部）で混合したものを用いた。なお、銀コート銅粉の密度を９．１ｇ／ｃｍ３、それ以外の原料の密度を１．１ｇ／ｃｍ３として、銀コート銅粉の体積％を計算することができる。また、この熱伝導性樹脂組成物の８０℃での複素粘度を測定したところ、８．００Ｅ＋０５Ｐａ・ｓであった。
・固形エポキシ樹脂：トリスフェノール型エポキシ樹脂、株式会社プリンテック製 「ＶＧ３１０１Ｌ」、５０質量％メチルエチルケトン溶液 ７０部
・液状エポキシ樹脂：ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、株式会社ＡＤＥＫＡ製 「ＥＰ−４９０１Ｅ」 ３０部
・イミダゾール系硬化剤：四国化成工業株式会社製 「２Ｅ４ＭＺ（２−エチル−４−メチルイミダゾール）」 ６部
・銀コート銅粉：銀コート量１０質量％（５０．６体積％）、球状、平均粒径５μｍ ９００部
得られた放熱基板について、熱伝導性樹脂組成物付き放熱部材とスルーホールメッキとの隙間評価及び密着強度の測定を以下の方法により行った。
熱伝導性樹脂組成物付き放熱部材とスルーホールめっきとの隙間評価は、放熱基板の断面を光学顕微鏡（倍率：８０倍）で観察し、熱伝導性樹脂組成物付き放熱部材とスルーホールめっきとの間に隙間がないことを確認した。
密着強度は、放熱基板とハンダディップ後の放熱基板について、熱伝導性樹脂組成物付き放熱部材部分に直径φ２．５ｍｍの金属製の棒を押し当て、２０ｍｍ／ｍｉｎで押し込み、熱伝導性樹脂組成物付き放熱部材が脱落するまでの強度を測定した。この強度は、１００Ｎ以上であることが望ましいところ、両者とも２００Ｎ以上であることが確認された。
１・・・第一の面
２・・・第二の面
３・・・ベース基材
４・・・導電路
５・・・貫通孔
６・・・放熱部材
６Ａ・・熱伝導性樹脂組成物付き放熱部材
７・・・熱伝導性樹脂組成物
８・・・金属層
９・・・電子部品
１０・・低融点金属
１１・・放熱基板
１２・・放熱回路構成体
２１・・フッ素樹脂製シート
Ａ・・・金属膜

Claims (4)

  1. 第一の面と第二の面を備えるベース基材と、
    前記第一の面上に形成された導電路と、
    前記第一の面から前記第二の面までを貫通する貫通孔と、
    前記貫通孔に挿入され、少なくとも一部が前記第一の面から突出している放熱部材と、
    前記放熱部材の側面を覆うとともに、前記放熱部材の外周面と前記貫通孔内周面に直接接触し、前記放熱部材の外周面と前記貫通孔内周面との間の領域全体に充填され、前記貫通孔の内周面と、この内周面に囲まれた放熱部材の外周面との間に隙間なく介在する熱伝導性樹脂組成物と、
    前記第一の面から突出している放熱部材を覆う金属層と、を有し、
    前記金属層の外側表面と前記導電路の外側表面とがほぼ同一平面上にあることを特徴とする、放熱基板。
  2. 前記放熱部材が、前記ベース基材の第二の面から突出していることを特徴とする、請求項１に記載の放熱基板。
  3. 請求項１または２に記載の放熱基板と、
    この放熱基板の前記導電路及び前記金属層に接続された電子部品とを有する、
    放熱回路構成体。
  4. 第一の面と第二の面を備えるベース基材の第一の面に、第一金属膜を設けて金属積層体を得る工程と、
    この金属積層体における前記第一金属膜の外側表面から前記ベース基材の第二の面まで、前記金属積層体を貫通する貫通孔を形成する工程と、
    この貫通孔内に放熱部材が挿入され、この放熱部材の一部が前記第一金属膜の外側表面から突出しており、熱伝導性樹脂組成物が前記放熱部材の外周面と前記貫通孔内周面に直接接触し、前記放熱部材の外周面と前記貫通孔内周面との間の領域全体に充填されていることで、これら貫通孔内周面と放熱部材との間に隙間なく介在しているとともに放熱部材の側面が熱伝導性樹脂組成物で被覆されている状態にする工程と、
    前記熱伝導性樹脂組成物を硬化させる工程と、
    前記第一金属膜、前記熱伝導性樹脂組成物および前記放熱部材のそれぞれの外側表面がほぼ同一平面をなすように加工する工程と、
    前記第一金属膜、放熱部材および熱伝導性樹脂組成物の表面を覆う第二金属膜を形成する工程と、
    前記第二金属膜の一部を除去して任意のパターンに加工することにより、前記放熱部材の外側表面を覆う金属層及び導電路を設ける工程と、
    を有する、放熱基板の製造方法。
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