JP6880077B2 - 基板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、プリント配線板等の基板であって、金属片が嵌め込まれることによって放熱特性に優れた基板及び基板の製造方法に関する。

電気回路における半導体素子は、高密度化や高電流化により発熱量が増加する傾向にある。特にＳｉを用いた半導体は周囲の温度が１００℃以上になると誤動作、故障の原因となる。このような半導体素子等の発熱部品としては例えばＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)やＩＰＭ(Intelligent Power Module)等のスイッチング素子がある。

発熱部品を効果的に冷却するため、発熱部品から発せられる熱を基板の反対側に向けて逃がすように放熱経路を形成している。具体的には、発熱部品から発生する熱を基板の背面側（部品搭載面（実装面）とは反対側）にあるヒートシンク等に伝導することで冷却している。

放熱経路としては、例えばサーマルスルーホールや熱伝導率の高い金属（Ｃｕ、Ａｌ等）からなる金属片が用いられる。金属片を用いた場合、この金属片は基板に形成されたスルーホール内に固定されている。スルーホールへの金属片の固定は、圧入や塑性変形による密着、接着剤や半田による接合等で行われる（例えば特許文献１参照）。金属片が発熱部品と接することで、発熱部品から発生する熱はこの金属片（例えば柱状の銅）を介して外部に放熱される。

特開平２−１３４８９５号公報

しかしながら、サーマルスルーホールは無数のスルーホール形成が必要であるため、スペースが必要となり装置の小型化が要求される昨今の技術にはなじまない。また金属片をスルーホール内に固定する場合は、金属片をスルーホールに圧入していく方法があるが、金属片が基板より厚いため圧入時に基板が浮き上がり、金属片がスルーホールからはみ出てしまう。スルーホールより小径の金属片を用意して、一旦スルーホール内に配し、金属片に圧力を加えることで金属片を押し広げてスルーホール内に固定する方法もあるが、この場合も基板が浮き上がってしまい、結局金属片がスルーホールからはみ出てしまう。

さらに基板の板厚にばらつきがあることも相俟って、金属片がスルーホールの両側からはみ出てしまうことも懸念されている。例えば基板に部品を実装する場合、平板形状のメタルマスクを基板表面に載置するが、金属片がスルーホールからはみ出ているとメタルマスクが金属片に当たって変形してしまう。そうするとメタルマスクと基板が密着しないので、メタルマスクを介して基板上に塗られたクリームはんだ塗膜の膜厚にばらつきが出たり、塗膜が滲んでしまったりしてしまう。

本発明は、上記従来技術を考慮したものであって、放熱のための金属片がスルーホールからはみ出ることを抑制できる基板の製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明では、表面の一部分が突出部により突出して他の部分が平滑に形成されている支持板及び前記突出部よりも大径のスルーホールが形成されている基板を用意し、前記スルーホール内に前記突出部が配されるように前記基板を前記支持板上に載置する基板載置工程と、金属からなる金属片を前記スルーホール内で押圧することにより塑性変形させて前記突出部の周囲に前記金属片からなる第１の段差部を形成し、前記金属片の側面と前記スルーホールとを密着させて前記金属片を前記スルーホールに固定する金属片固定工程と、前記金属片に対して熱的に接続する部品を前記基板に搭載する部品搭載工程とを備えたことを特徴とする基板の製造方法を提供する。

好ましくは、前記金属片固定工程にて、前記金属片は前記スルーホールの貫通方向に沿って移動する押圧片によって押圧され、前記押圧片と前記金属片との接触面は前記押圧片の方が小さく、前記押圧片の周囲に前記金属片からなる第２の段差部を形成する。

好ましくは、前記金属片固定工程にて、前記押圧片で前記金属片を押圧する際に、前記基板は押さえ部材により前記支持板方向に押さえられている。

好ましくは、前記金属片は前記スルーホールよりも小径であり、前記金属片固定工程にて前記金属片は前記押圧片で押圧されて押し広げられる。

好ましくは、前記金属片は前記スルーホールと同径以上の径を有し、前記金属片固定工程にて前記金属片は前記押圧片にて前記スルーホールに対して圧入される。

本発明によれば、突出部があるため、金属片はスルーホール内でこの突出部に突き当たる。このため金属片が押圧されてもそのまま金属片がスルーホール内を移動してスルーホールからはみ出てしまうことを抑制できる。このように金属片がスルーホールからはみ出ることが抑制されることで、部品搭載工程にてはんだの塗布作業を安定して行うことができ、部品との接続信頼性を向上させることができる。またこの突出部はスルーホールよりも小径であるため、突出部の周囲には空間が存在される。この空間に押圧された金属片の一部を段差部（第１の段差部）として形成することができるので、過度な押圧がなされたとしても金属片の逃げ場を突出部の周囲に確保できる。この段差部があることで、金属片とスルーホールとの密着する面積を大きくすることができ、安定した金属片の固定を実現できる。

押圧片についても突出部と同様に金属片より小径（互いの接触面において押圧片の方が小さい）とすることで、押圧片側にも段差部（第２の段差部）を形成できる。押圧片で金属片を押圧する際に基板を押さえ部材で押さえることで、金属片がスルーホール内に押し込まれたり押し広げられたりした際に基板が浮き上がってしまうことを防止できる。この基板の浮き上がりを防止することで、相対的に金属片がスルーホールからはみ出てしまうことを防止できる。

本発明に係る基板の製造方法のフローチャートである。 基板載置工程の説明図である。 金属片固定工程を順番に説明するための説明図である。 金属片固定工程を順番に説明するための説明図である。 金属片固定工程を順番に説明するための説明図である。 金属片固定工程を順番に説明するための説明図である。 金属片固定工程を順番に説明するための説明図である。 金属片固定工程を経て得られた基板の概略図である。 部品搭載工程を順番に説明するための説明図である。 部品搭載工程を順番に説明するための説明図である。

図１のフローチャートを参照しながら本発明に係る基板の製造方法について説明する。まずは、基板載置工程を行う（ステップＳ１）。この工程では、図２に示すように、まずは基板１と支持板２を用意する。基板１としては、例えば銅からなる導電層（導体パターン）が複数形成されている多層板（両面板も含む）や、片面のみに導電層が形成されている片面板等を使用できる。多層板の場合、導電層の間には絶縁層が配されていて、この絶縁層は例えばプリプレグ等の絶縁材料で形成されている。より詳しくは、絶縁層は例えばエポキシ樹脂内にガラス繊維の糸で織った布であるシート状のガラスクロスが配されているプリプレグが用いられている。

この基板１にはスルーホール３が形成されている。このスルーホール３は基板１を貫通している。このスルーホール３の孔形状は略円柱形状である。すなわち、基板１を上方向（スルーホール３の貫通方向）から視た平面視では、スルーホール３は円形を描いている。このスルーホール３は、例えばドリルやパンチプレス、あるいはレーザー等を用いて基板に対して孔あけ加工することで形成される。

支持板２は表面が平滑に形成された平板形状である。この支持板２の表面には、略円柱形状の突出部４が形成されている。したがって、支持板２の一部分は突出部４により突出しているが、他の部分は平滑である。この突出部４はスルーホール３よりも小径に形成されている。基板載置工程では、このような支持板２上に基板１が載置される。このとき、スルーホール３内に突出部４が配されるように載置される。スルーホール３は突出部４より大径であるため、突出部４はスルーホール３に覆われるような形となる。

次に、金属片固定工程を行う（ステップＳ２）。この工程では、金属の塊からなる金属片５を用意する。この金属片５は、後述する押圧後に、基板に対して飛び出さない体積となる厚みの略円柱形状のものが好ましい。以下では、スルーホール３内で金属片５を押し広げてスルーホール３内に固定する押し広げタイプについて説明する。押し広げタイプの場合、金属片５はスルーホール３よりも小径に形成されている。金属片５は図３に示すようにスルーホール３内に入れられ、突出部４上に載置される。次に、図４に示すように、基板１に対して支持板２の反対側に押圧ユニット６をセットする。この押圧ユニット６は押圧片７と押さえ部材８を有している。押圧片７と押さえ部材８は基板１に対して近接及び離間方向に移動可能である。

押圧ユニット６がセットされた後、図５に示すように、押圧ユニット６が下降し、押さえ部材８が基板１に接する。このとき、押圧ユニット６の全体が下降してもよいし、押さえ部材８のみを下降させてもよい。下降した押さえ部材８は、基板１のスルーホール３以外の部分に接し、基板１を支持板２の方向に押さえつけて固定する。このとき、押圧片７はまだ金属片５に接していない。そして、図６に示すように、押圧片７が金属片５に向けて移動し（押圧片７はスルーホール３の貫通方向に沿って移動する）、金属片５を押圧する。この押圧動作は押圧片７で金属片５を何度も叩いて行ってもよいし、徐々に押し込んで圧力をかけていってもよい。何度も叩く場合は、押さえ部材８は押圧片７の上下動に連動して上下動する。その機構はばね等を用いることができる。金属片５は下側が突出部４に突き当たっているため、押圧片７により押圧されると金属片５は押し広げられる（径方向に広がる）。押し広げられた金属片５の側面はやがてスルーホール３の内壁面に突き当たる。したがって、金属片５はスルーホール３に密着しながら固定される。

さらに金属片５が押圧されると、突出部４の周囲の空間に塑性変形しながら入り込んでいく。これにより、図７に示すように突出部４の周囲には金属片５が隆起した第１の段差部９が形成される。ここで、押圧片７と金属片５との接触面は、押圧片７の方が小さい。すなわち、押圧片７の方が金属片５よりも小径に形成されている。これにより、金属片５を突出部４方向へ押圧して第１の段差部９が形成されると同時に、押圧片７の周囲にも金属片５が隆起した第２の段差部１０が形成される（図８参照）。なお、基板１の製造プロセスによる板厚のばらつきを考慮すると、金属片５の厚みは基板１の板厚平均値から板厚ばらつき幅／２と突出部４の高さ、及び第１及び第２の段差部９、１０の高さを差し引いた値以下であることが好ましい。

以上説明したように、支持板２には突出部４があるため、金属片５はスルーホール３内でこの突出部４に突き当たる。このため金属片５が押圧されてもそのまま金属片５がスルーホール３内を移動してスルーホール３からはみ出てしまうことを抑制できる。このように金属片５がスルーホール３からはみ出ることが抑制されることで、後の部品搭載工程にてはんだの塗布作業を安定して行うことができ、部品との接続信頼性を向上させることができる。またこの突出部４はスルーホール３よりも小径であるため、突出部４の周囲には空間が存在される。この空間に押圧された金属片５の一部を段差部（第１の段差部９）として形成することができるので、過度な押圧がなされたとしても金属片５の逃げ場を突出部４の周囲に確保できる。この段差部９があることで、金属片５とスルーホール３との密着する面積を大きくすることができ、安定した金属片５の固定を実現できる。

押圧片７についても突出部４と同様に金属片５より小径（互いの接触面において押圧片７の方が小さい）とすることで、押圧片７側にも段差部（第２の段差部１０）を形成できる。この第２の段差部の効果は第１の段差部９と同様である。押圧片７で金属片５を押圧する際に基板１を押さえ部材８で押さえることで、金属片５がスルーホール３内で押し広げられた際に基板１が浮き上がってしまうことを防止できる。この基板１の浮き上がりを防止することで、相対的に金属片５がスルーホール３からはみ出てしまうことを防止できる。

このようにしてスルーホール３内に金属片５が固定された基板１に対して、部品搭載工程が行われる（ステップＳ３）。これは、金属片５に対して熱的に接続する部品１１を基板１に搭載する工程である。部品１１の搭載は従来知られている部品搭載技術を適用できる。例えば図９に示すように、基板１上にメタルマスク１２を載置する。メタルマスク１２に形成された細孔１３からはんだペーストを塗布し、細孔１３内に充填する。そのようにして形成されたランド１４に対して部品１１が接続される（図１０参照）。なお、図では基板１表面にソルダレジスト１５が形成されている。また、ランド１４としては他の伝熱性を有する樹脂や伝熱シート等を用いることができる。

金属片５がスルーホール３からはみ出ていないこと（基板１より凹んだものとなっていること）は、以下の効果をさらに奏する。スクリーン印刷やメタルマスク印刷で行うソルダマスクやシルク文字及びクリームはんだ塗膜が安定して形成できる。また金属片５上にはんだ実装される部品１１に対するはんだ量が安定し、接続信頼性が増すとともに部品１１の高さが安定する。また金属片５上にシートやグリスで設置される部品１１の固定に関する確実性が向上する（金属片５がスルーホール３からはみ出ていると部品１１が浮いてしまうため）。

一方で部品１１が搭載された反対側の金属片５の突出部４により凹んだ部分には、伝熱性を有する伝熱シート等の熱伝導体１６が設けられ、この熱伝導体１６と接して、ヒートシンク１７が取り付けられる。部品１１はランド１４を介して金属片５と熱的に接続され、金属片５はさらに熱伝導体１６を介してヒートシンク１７に熱的に接続される。これにより、部品１１から発せられた熱はスルーホール３内の金属片５を通ってヒートシンク１７に伝導され、放熱されることになる。

上記までの例では、押し広げタイプについて説明したが、本発明は金属片５をスルーホール３に圧入する圧入タイプにも適用可能である。圧入タイプの場合、金属片５はスルーホール３と同径以上の径を有している。金属片は押圧片７により少しずつスルーホール３内に圧入され、やがて突出部４に当接する。そしてさらに押圧片７により押圧され、上述した押し広げタイプと同様に塑性変形して第１の段差部９及び第２の段差部１０が形成される。その他の作用、効果は上述した例と同様である。なお、基板１の製造プロセスによる板厚のばらつきを考慮すると、金属片５の厚みは基板１の板厚平均値から板厚ばらつき幅／２と突出部４の高さを差し引いた値以下であることが好ましい。

押し広げタイプにせよ圧入タイプにせよ、以下の傾向を発明者らは見いだしている。まず、スルーホール３と突出部４の径の差は小さい方が好ましい。径の差が大きいと第１及び第２の段差部９、１０の隆起量が大きくなってしまうが、径の差が小さいと押圧による隆起量の影響を少なくすることができる。具体的には０．１ｍｍ〜３．０ｍｍ程度の径差が好ましい。なお、押圧片７とスルーホール３との径差も同様であることが好ましい。また、突出部４の高さとしては０．０１ｍｍ〜０．３０ｍｍが好ましい。また、スルーホール３の容積に対して金属片５の体積は、５０％〜９９％であることが好ましい。

また、突出部４と押圧片７は、金属片５よりも硬いことが好ましい。突出部４や押圧片７が金属片５よりも軟らかいと、金属片５の押圧時に突出部４や押圧片７も変形してしまい、第１及び第２の段差部９、１０の十分な段差量を得ることができなくなるからである。例えば金属片５が銅である場合、突出部４はこれよりも硬い必要があるので、Ｈｖ（ビッカーズ硬度）で少なくとも６０は必要である。また、突出部４はＮｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、ステンレスを含む合金鋼で形成されている。突出部４はめっきやエッチング、貼り合わせや埋め込み等で形成される。

１：基板、２：支持板、３：スルーホール、４：突出部、５：金属片、６：押圧ユニット、７：押圧片、８：押さえ部材、９：第１の段差部、１０：第２の段差部、１１：部品、１２：メタルマスク、１３：細孔、１４：ランド、１５：ソルダレジスト、１６：熱伝導体、１７：ヒートシンク

Claims (5)

1. 表面の一部分が突出部により突出して他の部分が平滑に形成されている支持板及び前記突出部よりも大径のスルーホールが形成されている基板を用意し、前記スルーホール内に前記突出部が配されるように前記基板を前記支持板上に載置する基板載置工程と、
   金属からなる金属片を前記スルーホール内に入れて前記突出部の周囲に空間が存在された状態で前記突出部に当接し、前記金属片を前記スルーホール内で押圧することにより塑性変形させて前記突出部の周囲に前記金属片からなる第１の段差部を形成し、前記金属片の側面と前記スルーホールとを密着させて前記金属片を前記スルーホールに固定する金属片固定工程と、
   前記金属片に対して熱的に接続する部品を前記基板に搭載する部品搭載工程とを備えたことを特徴とする基板の製造方法。
2. 前記金属片固定工程にて、前記金属片は前記スルーホールの貫通方向に沿って移動する押圧片によって押圧され、前記押圧片と前記金属片との接触面は前記押圧片の方が小さく、前記押圧片の周囲に前記金属片からなる第２の段差部を形成することを特徴とする請求項１に記載の基板の製造方法。
3. 前記金属片固定工程にて、前記押圧片で前記金属片を押圧する際に、前記基板は押さえ部材により前記支持板方向に押さえられていることを特徴とする請求項２に記載の基板の製造方法。
4. 前記金属片は前記スルーホールよりも小径であり、前記金属片固定工程にて前記金属片は前記押圧片で押圧されて押し広げられることを特徴とする請求項２に記載の基板の製造方法。
5. 前記金属片は前記スルーホールと同径以上の径を有し、前記金属片固定工程にて前記金属片は前記押圧片にて前記スルーホールに対して圧入されることを特徴とする請求項２に記載の基板の製造方法。

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