JP6894816B2

JP6894816B2 - 放熱金属片素材を用いたプリント配線板の製造方法

Info

Publication number: JP6894816B2
Application number: JP2017188236A
Authority: JP
Inventors: 秀幸新井; 裕二小林; 正幸塩原
Original assignee: 日本シイエムケイ株式会社
Priority date: 2017-09-28
Filing date: 2017-09-28
Publication date: 2021-06-30
Anticipated expiration: 2037-09-28
Also published as: JP2019067788A

Description

本発明は、電子部品からの発熱を、当該電子部品の直下に配置した金属片によって、当該電子部品実装側面と反対の面側に配置された放熱体へと伝熱させるプリント配線板に用いられる放熱金属片素材と当該放熱金属片素材を用いたプリント配線板の製造方法に関するものである。

電子部品（例えば、「ＦＥＴ」や「ＭＯＳＦＥＴ」などの、発熱量の多い表面実装型電子部品）からの発熱を効率よく外部に放熱させる手段として、プリント配線板に実装する電子部品の直下に、貫通めっきスルーホールからなるサーマルビアを複数設け、当該プリント配線板の裏面側に配置された放熱体（放熱パターンやヒートシンク）などを介して外部に放熱させるという手段が、従来、一般的に利用されてきた。

しかし、機器の高機能化、高性能化の進展により、電子部品からの発熱量が、従来の物とは比べ物にならないほど多くなってきたため、上記貫通めっきスルーホールからなるサーマルビアでは、処理しきれなくなってきた（即ち、電子部品を正常に動作させるだけの放熱処理ができなくなってきた）。
そこで近年では、上記サーマルビアに代えて、熱容量の大きい金属片（例えば「銅片」）を埋め込むという手段が検討報告されている（例えば、特許文献１参照）。

上記「金属片」を埋め込む構成のプリント配線板の製造例（ここでは、配線パターンを形成する前の段階の「中間基板ｐｗ２」の製造例）を、図６に示した概略断面工程図を用いて説明する。
図６(ａ)に示したように、まず、電子部品実装側面Ａ及び放熱体配置側面Ｂに導体層２ｃが形成され、且つ、後に金属片５５を配置固定するための金属片収容孔３が形成された絶縁基板１を用意し、次いで、当該絶縁基板１を治具１４上に設置する。その後、当該金属片収容孔３の高さＨよりも長く、且つ、当該金属片収容孔３の孔径Ｄよりも短い直径からなる円柱形状の金属片素材５５ａを、当該金属片収容孔３内に挿入する。

次に、金属片収容孔３から突出している金属片素材５５ａの電子部品接続側露出面６６ａにプレスピン１５で荷重をかけ、当該金属片素材５５ａを塑性変形させることによって、図６(ｂ)に示した金属片５５が金属片収容孔３内に配置固定された中間基板ｐｗ２を得る、というものである。なお、図中に示した符号７７ａは、金属片素材５５ａの放熱体接続側露出面を示す。金属片収容孔３内に配置固定された金属片５５は、電子部品接続側露出面６６で通常半田を介して電子部品と接続されるとともに、放熱体接続側露出面７７で熱伝導性樹脂を介して放熱体と接続される。

ところで、金属片素材５５ａを塑性変形させることで、金属片５５を金属片収容孔３内に配置固定する上記の工法は、プリント配線板業界で「圧入方式」と呼ばれ、広く採用されている工法である。金属片５５を圧入することで、金属片収容孔３に対して水平方向に金属片５５が広がり金属片収容孔３を押し広げるため、金属片５５は金属片収容孔３に嵌合し固定される。
しかし、図７に示したように、金属片素材５５ａの塑性変形は、金属片５５の中央部Ｃ付近（図７の一点鎖線）が矢印ａの方向に膨らむ、いわゆる「樽型状」に変形するため、絶縁基板１にクラック１６（図６（ｂ）参照）が発生し易いという問題があった。

また、金属片５５は、プレスピン１５で荷重をかけた側の電子部品接続側露出面６６がほとんどの場合埋まりきれず、金属片収容孔３から突出してしまい、電子部品の実装時に傾きが出るという問題があることが知られている。通常、金属片５５の電子部品接続側露出面６６の金属収容孔３からの突出量が５０μｍを超えると、電子部品実装の妨げになる。金属片の電子部品接続側露出面の突出が大きくなる原因としては、金属片収容孔の孔径と絶縁基板の板厚バラツキが大きく、例えば、孔径で５０μｍ、板厚で１００μｍ程度のバラツキを有するため、金属片収容孔内の体積が変動し易いことがある。そのため、金属片の体積と金属片収容孔内の体積の差が生じ易い。尚、一方の金属片の体積は、直径・厚み共に３０μｍ以下の加工精度を有しているため非常に安定している。

図６に示した従来の円柱形状の金属片素材５５ａでは、圧入された際に、金属片収容孔３の内壁に対して金属片５５が円周状に面接触するため、金属片収容孔３内の体積のバラツキを吸収できず、金属片５５の金属片収容孔３からの突出や絶縁基板１でのクラックの発生を制御することはできなかった。

更に、金属片収容孔３内に配置固定される金属片５５の電子部品接続側露出面６６及び放熱体接続側露出面７７は、金属片収容孔３に金属片５５が埋まると金属片収容孔３の周囲の導体層２ｃの外面２２と略フラットな面となるが、略フラットな面となっても、金属片収容孔３内でのホールド不足により、当該金属片５５を埋め込んだ後のプリント配線板の製造工程途中や電子部品の実装時に金属片が落下する懸念もあった。

特開２０１０−２６３００３号公報

本発明は、上記の如き従来の問題と実状に鑑みなされたものであり、金属片を金属片収容孔内に配置固定する手段として、「圧入方式」を採用した場合においても、絶縁基板にクラックが発生したり、電子部品の実装時に当該電子部品が傾いたりすることのないプリント配線板の製造方法を提供することを課題とする。

本発明者は、上記の課題を解決すべく種々研究を重ねた結果、外周壁に複数の突起部を有する円柱状体からなる金属片素材を用い、これを「圧入方式」により金属片収容孔内に配置固定すれば極めて良い結果が得られることを見い出し、本発明を完成した。

即ち、本発明は、電子部品からの発熱を、当該電子部品の直下に配置した金属片によって、当該電子部品実装側面と反対の面側に配置された放熱体へと伝熱させるプリント配線板の製造方法であって、少なくとも、絶縁基板に金属片収容孔を形成する工程と、当該金属片収容孔の高さより高い長さと当該金属片収容孔の孔径より短い直径を有し、且つ、外周壁に複数の突起部を有する円柱状体からなる金属片素材を当該金属片収容孔内に挿入する工程と、当該金属片素材の電子部品接続側露出面に荷重をかけ、当該荷重により塑性変形した金属片を金属片収容孔内に配置固定する工程と、を有することを特徴とするプリント配線板の製造方法により上記課題を解決したものである。

本発明によれば、外周壁に複数の突起部を有する円柱状体からなる金属片素材を用いるため、絶縁基板を貫通する金属片収容孔に金属片を配置固定する手段として「圧入方式」を採用した場合においても、金属片素材が塑性変形する際の変形部分を金属片収容孔の内壁との隙間である突起部間の凹部に逃がすことができるので、絶縁基板にクラックが発生したり、金属片が金属片収容孔から５０μｍを超えて突出したりするのを防ぐことができる。また、金属片収容孔内に金属片を適切な強度で保持することができる。よって、電子部品の実装に影響がなく、金属片落下の懸念のないプリント配線板を得ることができる。

本発明放熱金属片素材の要部拡大平面図。本発明プリント配線板を用いたプリント回路基板の概略断面図。（ａ）〜（ｂ）は、本発明プリント配線板の製造例を示す概略断面工程図。（ｃ）〜（ｅ）は、図３に続く概略断面工程図。（ｆ）〜（ｇ）は、図４に続く概略断面工程図。従来の「圧入方式」によるプリント配線板（中間基板）の製造例を説明するための概略断面工程図で、（ａ）は、金属片素材を金属片収容孔に挿入した状態を示した概略断面図、（ｂ）は、金属片素材を塑性変形させた金属片を、金属片収容孔内に配置固定した状態を示した概略断面図。「圧入方式」で金属片収容孔内に配置固定された金属片の要部拡大断面図。

図１において、５ａは放熱金属片素材であり、外周壁に複数の突起部１０を有する円柱状体からなる。
外周壁の突起部１０は、その数や大きさは特に限定されないが、図１に示したように、縦方向（金属片素材５ａの電子部品接続側露出面６ａから放熱体接続側露出面７ａの方向）の凸条部であることが好ましい。また、外周壁に均等間隔で設けられていることが好ましい。
放熱金属片素材５ａは、それを塑性変形した金属片状態で埋設する金属片収容孔の高さＨより高い長さ（例えば、１．１〜１．８ｍｍ）と金属片収容孔の孔径Ｄより短い直径（例えば、４．７〜５．７ｍｍ）を有する。なお、金属片素材５ａの直径は、外周壁の突起部１０を含む径である。
斯かる放熱金属片素材５ａは、銅などの金属棒を必要な体積に合わせてカットし、これを型に押し込むことによって、所望とする形状及び寸法のものを製造するヘッダー工法によって用意することができる。

続いて、上記本発明放熱金属片素材５ａを用いたプリント配線板の実施の形態を、図２を用いて説明する。尚、説明の便宜上、金属片収容孔内に金属片を配置固定する前の段階のものを「絶縁基板」、配置固定した後のものを「プリント配線板」として説明を進めて行く。
また、金属片収容孔内に金属片を配置固定する際の説明において、「電子部品実装面側開口端」、「放熱体配置面側開口端」という用語が登場するが、ここでいう「開口端」とは「絶縁基板」に設けられた「金属片収容孔」の開口端部のみを意味するものではなく、例えば、図２に示される「外層配線パターン２」や「ソルダーレジスト１２」が「金属片収容孔３」の開口端部と「電子部品１７」や「放熱体２０」との間に存在する場合には、当該「外層配線パターン２」や「ソルダーレジスト１２」によって形成された開口端部を意味する。なお、「外層配線パターン２」や「ソルダーレジスト１２」が「金属片収容孔３」の開口端部と「電子部品１７」や「放熱体２０」との間に存在しない場合には、「開口端」は「絶縁基板」に設けられた「金属片収容孔」の開口端部である。

図２において、ＰＷはプリント配線板であり、電子部品実装側面Ａ及び放熱体配置側面Ｂに配線パターン２が形成された絶縁基板１と、当該絶縁基板１を貫通し、且つ、電子部品１７が実装される直下の位置に形成された金属片収容孔３と、当該金属片収容孔３内に配置固定された金属片５と、一部の領域を除いて形成された配線パターン２を保護するためのソルダーレジスト１２とから構成されている。

上記説明では、電子部品実装側面Ａ及び放熱体配置側面Ｂと表記したが、プリント配線板の表裏向きを入れ替え、電子部品実装側面Ｂ及び放熱体配置側面Ａとしても構わない。

斯かるプリント配線板ＰＷにおいて、金属片収容孔３内に配置固定されている金属片５の上面、すなわち電子部品接続側露出面６は、金属片収容孔３の電子部品実装面側開口端の位置８Ａから５０μｍ以内の高さに位置する。なお、この図２において、電子部品実装面側開口端の位置８Ａは絶縁基板１における電子部品実装側面Ａに形成された配線パターン２の外側面２２の位置であり、金属片５の電子部品接続側露出面６と配線パターン２の外側面２２とが略面一の位置にある。金属片５の電子部品接続側露出面６が金属片収容孔３の電子部品実装面側開口端の位置８Ａから５０μｍ以内の高さに位置すれば、電子部品１７の実装時に当該電子部品１７が傾いたりすることを防ぐことができる。
一方、金属片５の下面、すなわち放熱体接続側露出面７は、絶縁基板１における放熱体配置側面Ｂに形成されている配線パターン２の外側面２２と略面一の位置にある。

また、当該金属片５は、保持力が３０Ｎ以上で金属片収容孔３内に配置固定されている。金属片の保持力は、押し抜き強度とも称し、万能試験機によって測定することができる。金属片収容孔３内に金属片５が圧入された際に、放熱金属片素材５ａの突起部１０間の凹部に塑性変形部分が広がり、応力が分散して金属片収容孔３を押し広げるため、金属片５は高い保持力で金属片収容孔３内に配置固定される。金属片収容孔３内の金属片５の保持力が３０Ｎ以上であれば、プリント配線板の製造工程途中やプリント配線板を複数面付けしたボードで加工する際、とりわけ電子部品の実装時に、金属片がゆるみ、ガタついて、落下したりする懸念がない。

そして、当該プリント配線板ＰＷの電子部品実装側面Ａに半田１９を介して電子部品１７が実装されているとともに、放熱体配置側面Ｂに熱伝導性樹脂２１を介して放熱体２０が配置されてプリント回路基板ＰＣが構成されている。なお、図２中、符号１８は電子部品１７から引き出された端子で、実装パッド２ａに半田１９を介して接続されている。

続いて、上記プリント配線板ＰＷの製造方法を図３及び図４を用いて説明する。

まず、図３（ａ）に示したように、表裏面に金属箔２ｂが積層された絶縁基板１を用意し、当該絶縁基板１の所望の位置に、ドリルやパンチング、レーザー加工などによって、図３（ｂ）に示した金属片収容孔３（例えば、切径がφ５．０〜６．０ｍｍ）を穿孔する。

絶縁基板１の材料としては、一般的に用いられるガラスクロスなどの補強繊維にエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を含浸させたものが、耐熱性や汎用性、コスト的な面で好ましく利用できる。また、金属箔としては、一般的な銅箔が、導電性や加工性、コスト的な面で好ましく利用できる。
絶縁基板１の厚みに関しては、一概にその厚みを示すことはできないが、単層や多層のいずれの形態であっても、全体的な厚みとしては、例えば１．０〜１．６ｍｍ程度である。また、金属箔の厚みに関しては、１８〜３５μｍ程度のものが一般的に用いられる。

次に、図４（ｃ）に示したように、金属片収容孔３が形成された絶縁基板１に対して、無電解めっき処理（例えば、無電解銅めっき処理）、電解めっき処理（例えば、電解銅めっき処理）を順次行うことによって、当該金属片収容孔３を含む絶縁基板１の全体にめっき膜４（例えば、厚さが約２５μｍの銅めっき膜）を析出させる。

続いて、焼き鈍し済みの金属片素材５ａを用意する。当該金属片素材５ａは、図１に示したように、金属片収容孔３の高さＨより高い長さと当該金属片収容孔３の孔径Ｄより短い直径を有し、且つ、外周壁に複数の突起部１０を有する円柱状体からなる。

次に、金属片収容孔３に金属片素材５ａを配置する工程であるが、「圧入方式」により行うことができる。すなわち、めっき膜４が析出された絶縁基板１を治具１４上に設置した後、金属片素材５ａを当該金属片収容孔３内に挿入し（図４（ｄ）参照）、次いで、当該金属片素材５ａの電子部品接続側露出面６ａにプレスピン１５で荷重をかけ、当該金属片素材５ａを塑性変形させることによって、図４（ｅ）に示した金属片収容孔３内に金属片５が配置固定された中間基板ｐｗ１を得る。
圧入後の金属片の電子部品接続側露出面６側及び放熱体接続側露出面７側の径は、孔径と同等の広がり（径）である。

本発明においては、「圧入方式」を採用した場合においても、金属片素材５ａが塑性変形する際の変形部分を突起部１０間の凹部に逃がせるため、図４（ｅ）に示したように、絶縁基板１の中央部付近に集中していた矢印ａ方向の応力を、矢印ｂ、ｃ方向に分散することができる。これにより、絶縁基板１にクラック１６（図６（ｂ）参照）が発生するのを抑制することができる。
また、金属片素材５ａが塑性変形する際の変形部分を突起部１０間の凹部が吸収するため、金属片５の電子部品接続側露出面６が金属片収容孔３の電子部品実装面側開口端の位置８Ａから５０μｍ以内の高さに位置するように金属片５を金属片収容孔３内に埋めることができ、電子部品１７の実装時に当該電子部品１７が傾いたりすることを防ぐことができる。また、応力の分散によって金属片収容孔３が適切に押し広げられ、金属片収容孔３内の金属片５の保持力が３０Ｎ以上と高くなるため、プリント配線板の製造工程途中やプリント配線板を複数面付けしたボードで加工する際、とりわけ電子部品の実装時に、金属片がゆるみ、ガタついて、落下することを防ぐことができる。
また、外周壁の突起部１０が縦方向の凸条部であるとき、金属片収容孔３内に金属片５が圧入された際に、当該突起部１０が金属片収容孔３の内壁３ａと線接触するため、金属片５を配置固定するための圧力は従来に比べて小さくてもよい。

また、本発明においては、絶縁基板１の板厚バラツキを基板面内の数箇所で予め計測しておき、金属片素材５ａの体積を、板厚が最も厚い部分に形成された金属片収容孔３内の体積に近づけるようにしておけば、突起部１０間の凹部での金属片素材５ａの塑性変形部分の吸収程度は違いがでるものの、板厚が厚い部分、薄い部分に関係なく、容易に、金属片５の電子部品接続側露出面６が電子部品１７の実装に影響が出ない範囲の突出量となるように金属片５を配置固定することができる。
さらに、絶縁基板１に形成された全ての金属片収容孔３内の体積を計測しておき、当該体積に応じた体積の金属片素材５ａを各々挿入すれば、金属片の体積と金属片収容孔内の体積の差が小さくなるので、より精度の高い（例えば、金属片収容孔３内でのホールド不足による金属片５の落下や、金属片５の電子部品接続側露出面６の面積低下による放熱性の低下などの懸念が少ない）プリント配線板が得られる。

次に、治具１４を外し、絶縁基板１の電子部品実装側面Ａ及び放熱体配置側面Ｂに積層されている導体層２ｃに、周知のフォトエッチングプロセス（導体層上に感光性のエッチングレジスト膜をラミネートし、露光・現像処理によって、エッチングレジストパターンを形成した後、当該エッチングレジストパターンから露出している導体層をエッチング処理によって除去する。その後、図５（ｆ）に示したように、不要になったエッチングレジストパターンを剥離することによって、所望の配線パターンを形成するという配線パターンの形成方法）を施すことによって、当該絶縁基板１の電子部品実装側面Ａ及び放熱体配置側面Ｂに実装パッド２ａを含む配線パターン２を形成し、次いで、配線パターン２を保護するためのソルダーレジスト１２を、一部の配線パターン２や実装パッド２ａが露出する形で形成することによって、図５（ｇ）に示した金属片収容孔３内に金属片５が配置固定されたプリント配線板ＰＷを得る。

なお、本発明を説明するに当たって、単層の絶縁基板１の表裏面に導体層（後に配線パターン２となる層）が形成された両面プリント配線板の形態を用いて説明してきたが、絶縁基板１の一方の面にのみ導体層を設ける片面プリント配線板や絶縁基板１と導体層とを交互に複数積層してなる多層プリント配線板の形態においても、本発明は利用可能である。また、金属片収容孔３の内壁にめっき膜４が形成された例を用いて説明したが、図６に示した従来技術の構成のように、めっき膜を設けない構成とすることも勿論可能である。

１：絶縁基板
２：配線パターン
２ａ：実装パッド
２ｂ：金属箔
２ｃ：導体層
２２：外側面
３：金属片収容孔
３ａ：金属片収容孔の内壁
４：めっき膜
５、５５：金属片
５ａ、５５ａ：金属片素材
６、６ａ、６６、６６ａ：電子部品接続側露出面
７、７ａ、７７、７７ａ：放熱体接続側露出面
８Ａ：電子部品実装面側開口端の位置
８Ｂ：放熱体配置面側開口端の位置
１０：突起部
１２：ソルダーレジスト
１４：治具
１５：プレスピン
１６：クラック
１７：電子部品（発熱部品）
１８：端子
１９：半田
２０：放熱体
２１：熱伝導性樹脂
Ａ：電子部品実装側面
Ｂ：放熱体配置側面
Ｃ：金属片の中央部
ＰＷ：プリント配線板
ｐｗ１、ｐｗ２：中間基板
ＰＣ：プリント回路基板

Claims

電子部品からの発熱を、当該電子部品の直下に配置した金属片によって、当該電子部品実装側面と反対の面側に配置された放熱体へと伝熱させるプリント配線板の製造方法であって、少なくとも、絶縁基板に金属片収容孔を形成する工程と、当該金属片収容孔の高さより高い長さと当該金属片収容孔の孔径より短い直径を有し、且つ、外周壁に複数の突起部を有する円柱状体からなる金属片素材を当該金属片収容孔内に挿入する工程と、当該金属片素材の電子部品接続側露出面に荷重をかけ、当該荷重により塑性変形した金属片を金属片収容孔内に配置固定する工程と、を有することを特徴とするプリント配線板の製造方法。
当該突起部が縦方向の凸条部であることを特徴とする請求項１記載のプリント配線板の製造方法。
当該突起部が外周壁に均等間隔で設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載のプリント配線板の製造方法。