JPH0533557B2 - - Google Patents

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JPH0533557B2
JPH0533557B2 JP59257282A JP25728284A JPH0533557B2 JP H0533557 B2 JPH0533557 B2 JP H0533557B2 JP 59257282 A JP59257282 A JP 59257282A JP 25728284 A JP25728284 A JP 25728284A JP H0533557 B2 JPH0533557 B2 JP H0533557B2
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graphite
circuit board
layers
layer
thermal expansion
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TRW Inc
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Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、一般に、プリント回路板に関するも
のであり、特に、マイクロエレクトロニクス構成
要素あるいはチツプが取り付けられるプリント回
路板に関するものである。このために使用される
プリント回路板には、次の１特性が望まれ、すな
わち、プリント回路板が温度の変化する状態下で
機械的に安定であることである。このことは、チ
ツプキヤリアに収容されたマイクロエレクトロニ
クス構成要素の保持に使用される回路板において
は、特に重要である。
「従来の技術、発明が解決しようとする問題点」 チツプキヤリアは、普通、アルミニウム酸化物
のようなセラミツク材質からつくられ、各チツプ
のために密閉されたパツケージ形状につくられて
いる。結合用のリード線は、チツプからチツプキ
ヤリアの端部に出ており、それから、キヤリア
は、普通、このリード線を使つて回路板に直接ハ
ンダ付けされる。この構造によれば、回路密度が
非常に高いという主要な効果が得られる。また、
使用するリード線の長さをより短くより均一にす
ると、スピード及びインピーダンス特性が改善さ
れる。別の効果としては、チツプキヤリアを使用
すると、回路パツケージの全体の価格を相当に減
少させることができる。また、パツケージのサイ
ズは、同等なデユアル・イン・ラインパツケージ
構造と比較して、５分の１ほどに大きく減少され
得る。
チツプキヤリアを使用する場合の大きな欠点と
しては、最も一般に使用されるキヤリア材質であ
るアルミニウム酸化物の熱膨張係数が、回路板の
製造に一般に使用されるガラス／エポキシ層の熱
膨張係数の約1/2であることである。この結果つ
くられた構造体が相当広い温度範囲にさらされる
と、構造体が加熱サイクルにさらされるので、ハ
ンダ付け結合部にひびが入り、回路は作動不能に
なる。この問題に対する１つの解決法としては、
チツプキヤリアと回路板との間に中間部材を使用
することがある。回路板は、ときどき、マザーボ
ードと称され、中間部材は、ベビーボードと称さ
れる。中間部材は、また、チツプキヤリアが取り
付けられるハイブリツドパツケージの形式をとる
こともできる。他の技術としては、チツプキヤリ
アと回路板との間にアダプタ（complaint）リー
ド線構造体を使用することがあるが、これは、明
らかに、パツケージのコストが増加してリード線
長が当然に長くなる。
従つて、理想的な回路板は、回路板に取り付け
られるチツプキヤリアの熱膨張係数に密接に適合
する熱膨張係数を有するべきである。もし、両者
の熱膨張係数が実質的に一致していないと、チツ
プキヤリアは、回路板から分離することがあり、
あるいは、電気的接続が破損されることがある。
より多くの構成要素が回路板に取り付けられる
場合には、次のような他の困難性が生ずる。すな
わち、構成要素によつて生ずる熱が、回路板を通
る伝導であろうと、放射、対流、強制空冷であろ
うと、何らかの方法で消散されねばならない。回
路板に使用される主要材質は、絶縁物であるの
で、回路板は、それ自身、回路板によつて保持さ
れた構成要素から生ずる熱を消散させるという点
では、従来、意味のある役割を果たしていなかつ
た。
回路板設計における第３の要因としては、比較
的長距離に亘つて信号を伝えうるという回路板能
力を高めるために、回路板が理想的には比較的低
誘電率の材質からつくられるべきことである。
ポリテトラフルオルエチレン（PTFE）のよう
ないくつかの材質は、良好な誘電特性を有する
が、望ましくない高い熱膨張係数を有する。
Kevlar（E.I.du Pont de Nemours ＆ Co.，
Inc.の商標）は、負の熱膨張係数を有し、複合回
路板構造において平均としての熱膨張係数を減少
させるのに使用され得る。しかしながら、
Kevlarは、その熱伝導が不充分であり、それゆ
え、回路板の熱伝導特性を高めることはない。
Jensenに付与された米国特許第4318954号にお
いては、回路板の熱膨張係数を調整するために、
樹脂で補強されたグラフアイトの単一の厚層を使
用することが提案されている。この米国特許に開
示された技術においては、大量のグラフアイトが
使用され、複合膨張係数がグラフアイト単独の膨
張係数に近づくようになつている。しかしなが
ら、このJensen特許は、問題となつてきている
熱を消散させるという点に対する解決策をなんら
与えていない。
前述したことから明らかなように、これらの問
題を処理する多層プリント回路板構造の必要性が
非常に増加してきている。特に、理想的な回路板
構造は、低い誘電率特性、低い又は負の熱膨張係
数を有し、好適な実施例においては、Al2O3の熱
膨張係数に近似し又はこれに等しい熱膨張係数を
有し、回路板に取り付けられた装置からの熱伝導
を高めるような良好な熱伝導特性を有するべきで
ある。本発明によれば、これら全ての必要性が満
たされる。
「問題点を解決するための手段、作用」 本発明の多層プリント回路板構造においては、
グラフアイトの多層は、熱膨張係数を減少させる
ため、及び、熱伝導性を高めるために、使用され
ており、PTFE材質の多層は、必要な誘電特性を
与えるために、使用される。より詳細には、グラ
フアイト層は、回路板の厚さ方向に対称的に配置
され、温度が変化する間に回路板の曲がる可能性
を最小化するようになつており、グラフアイト層
の少なくともいくつかの層は、回路板内の銅層に
きわめて接近して配置され、取り付けられた構成
要素からの熱伝導を増加させるようになつてい
る。
本発明による構造のグラフアイト層は、エポキ
シ樹脂のような結合剤が含浸された織物シート構
造の形式をとる。高モジユラス（high modulus）
カーボン繊維材質が使用される他の好適な構造に
おいては、一方向性繊維の交互の層の形式がとら
れており、各層の繊維は、互いに多かれ少なかれ
平行であり、交互の層の繊維方向は、本発明の構
造の主軸に沿つて、堅さ及び強さを与える。各グ
ラフアイトシートは、絶縁性の粘着材質から成る
薄層によつて、隣接する銅層又は誘電層から分離
されている。粘着性材質は、２つの層を互いに結
合し及び銅層をグラフアイトから電気的に絶縁す
る。グラフアイトを貫通して孔を形成することが
でき、この孔は、メツキされて銅層間の接続部材
となり得、及び、回路板構造をハウジングに固定
する取り付けネジを収容し得る。予め定められた
各孔の位置においては、グラフアイトシートは、
予め孔を形成され、該孔は、シートの形成に使用
されるエポキシ樹脂のような結合粘着剤で満たさ
れる。管孔あるいは取り付けネジ孔が次に複合回
路板を通して孔をあけられるときには、最初の孔
よりも小さい径のドリルが使用される。このよう
に、グラフアイト層を通る各孔は、その周囲が絶
縁材質の環状外装体で覆われることとなり、銅層
間で誤つて接続がなされることはない。しかしな
がら、取り付けネジの回りの絶縁体は、充分に薄
いので、熱の流れにおいてわずかな抵抗になるに
すぎない。
前述したことから明らかなように、本発明は、
多層プリント回路板の分野において相当の進歩を
なしている。特に、本発明においては、熱膨張係
数が実質的に減少され、隣接するチツプキヤリア
の熱膨張係数に適合し得るような回路板が提供さ
れる。更に、本発明の回路板は、良好な熱伝導特
性及び優れた機械的強度を有し、誘電性能を犠性
にすることはない。本発明の他の面及び効果は、
添付図面とともに、次のより詳細な記載から明ら
かになるであろう。
「実施例」 実施例として図面に示されているように、本発
明は、主として、多層プリント回路板に関するも
のである。回路板には３つの望ましい特性があ
り、特に電子構成要素をセラミツクチツプキヤリ
アに保持するのに使われる回路板には、このよう
な特性がある。まず、第１に、比較的長距離にわ
たつて信号の伝送を促進するために、回路板は、
比較的低い誘電率を有するべきである。第２に、
回路板の熱膨張係数をチツプキヤリアのような隣
接した材質の熱膨張係数に適合させるために、回
路板の熱膨張係数は、ある程度にわたつて制御可
能であるべきである。最後に、取り付けられた構
成要素から生じる熱を消散させるために、回路板
は、理想的には、充分に良好な熱伝導体であるべ
きである。不幸にも、これらの３つの望ましい性
質を、単一の材質で達成することはできない。
第１図には、多層回路板１０が示されており、
この多層回路板１０は、４つのチツプキヤリア１
２を保持するのに使用される。チツプキヤリア１
２は、リード線を有しており、このリード線は、
キヤリアの端部へ伸び更にキヤリアの下に伸びて
いる。それから、リード線は、戻りハンダプロセ
ス（reflow soldering process）によつて回路板
１０に取り付けられ、このプロセスにおいては、
リード線は、回路板１０の表面の各パツド１４に
固定される。チツプキヤリア１２の熱膨張係数と
回路板１０の熱膨張係数とが不適合であると、チ
ツプの電気的接続が破損し得る。
本発明によれば、第２図に図解によつて示され
るように、回路板１０は、複数のグラフアイト層
１６を含み、グラフアイト層１６は、ポリテトラ
フルオルエチレン（PTFE）を有する誘電材質層
１８の間に挟まれている。いくつかの層１８は、
符号２０で示されるように、銅によつてコーテイ
ングされている。PTFE層１８は、回路板１０の
基本的な誘電材質であり、グラフアイト層１６
は、熱伝導及び熱膨張係数の制御の両者を行う。
グラフアイト層１６は、適切な粘着層２２によつ
て隣接する銅層２０あるいはPTFE層１８に接着
されている。銅とグラフアイトとを接着するため
に、粘着材質２２は、また、電気的絶縁体として
作用し、グラフアイトが銅層部の間で望ましくな
い電気的接続体として作用するのを避けるように
なつている。しかしながら、粘着層２２は、非常
に薄いので、粘着層２２は、銅とグラフアイトと
の間の熱の流れをほとんど妨げない。
グラフアイト層１６は、“Thornel”P100ある
いはP75Sのような繊維状のカーボン材質から形
成されており、この“Thornel”P100あるいは
P75Sは、Union Carbide Corporation，Carbon
Products Division，Chicago，I1linois 60606に
よつてつくられている。グラフアイトあるいはカ
ーボンの糸は、布状に織り合わされ、その後、こ
の布には、エポキシ樹脂のような結合剤が含浸さ
れる。高モジユラス（modulus）カーボン繊維を
含む他の好適な実施例においては、カーボン繊維
は、各層内に配置されており、カーボン繊維は、
だいたい互いに平行であり、布状に織り合わされ
ることがないようになつている。もし、織り合わ
せるようなことをすると、壊れやすい高モジユラ
ス繊維が損傷してしまうであろう。この時、交互
の層は、各層内の繊維方向の組合せにより回路板
の主軸に沿つて所望の剛性及び強度が与えるよう
に、配列される。樹脂の含浸されたグラフアイト
布は、固化して実際的に平らな表面を有した硬
質、剛性のシートとなる。第３図において参照番
号３０で示すように孔の位置は、予め定められて
おり、グラフアイトシートには、より大きい孔３
２が予めあけられており、この孔３２は、更に樹
脂材質によつてすぐに充填される。このようにし
て、グラフアイト板１６を、粘着材質２２によつ
てPTFE層１８と積層する準備が整う。
この積層に先立つて、回路板に形成される回路
設計で指示されるように、銅層２０のパターンが
適切に形成される。積層した後に、回路板１０の
全厚にわたつて孔が形成されるが、このときに
は、前述したグラフアイト層１６に予め孔をあけ
るのに使用したドリルよりも小さい直径のドリル
が使用される。このようにして、各新たに形成さ
れた孔３４は、絶縁材質から成る環状の外装体に
よつて取り囲まれる。この環状の外装体は、グラ
フアイト層１６を銅層２０から電気的に分離する
ように使用するが、充分に薄いので、銅層からの
熱の伝達を可能にしている。
グラフアイト層１６の数及び厚さは、回路板１
０の複合熱膨張係数に所望の効果を与えるように
選択される。更に、グラフアイト層１６は、回路
板１０の厚さ方向に対称に配置され、温度が変化
する間に回路板の曲がる可能性を最小にするよう
になつている。グラフアイト層１６の熱膨張係数
は、グラフアイトにエポキシ樹脂が含浸された後
には、０に近くなる。銅の熱膨張係数は、9.4×
10-6in／in／〓であり、銅で被覆されたPTFEシ
ートの係数は、それよりもはるかに高い。グラフ
アイト層１６の数及び厚さを選択する際の目的
は、回路板の熱膨張係数をチツプキヤリア材質の
熱膨張係数に適合させることである。最も一般的
な材質であるアルミニウム酸化物は、その熱膨張
係数が3.33×10-6in／in／〓である。
PTFE層１８は、CU−CLAD233のような適切
な材質の部分であつてもよく、このCU−
CLAD233は、3M Company，St.Paul，
Minnesota55144の電子製品部門で製造されてい
る。この材質は、PTFE及び織物ガラスの積層体
である。これは、2.33という低い誘電率を有する
が、比較的高い熱膨張係数を有する。グラフアイ
ト層１６を適切に選択し配置することによつて、
回路板の複合熱膨張係数をチツプキヤリア材質の
熱膨張係数にきわめて接近して適合することがで
きる。
回路板構造にグラフアイトを使用することによ
つて得られる主要な効果の１つは、グラフアイト
が熱の良伝導体として作用することであり、この
熱は、取り付けられた構成要素から生じ、回路板
の銅層を通り、取り付けボルトを通り、そこから
ハウジングあるいは他の放熱器（heat sink）に、
通常流れ得るものである。本発明の構造におい
て、グラフアイト層１６は、熱が流れるための並
列径路を与えており、それゆえ、回路パツケージ
の熱消散特性が改善される。グラフアイトを使用
することによる他の効果としては、グラフアイト
が機械的に非常に強いことである。前述したグラ
フアイトの単一の糸について、引つ張り弾性係数
は、75−100×10-6P.S.I.の範囲内にあるが、グラ
フアイトに樹脂が含浸されたときには、この引つ
張り弾性係数は、当然に減少する。それにもかか
わらず、グラフアイトを使用すると、回路板構造
は、非常に強くなる。
前述したことから明らかなように、本発明は、
多層プリント回路板の分野において相当の進歩を
なしている。特に、回路板においてグラフアイト
の多層を使用すると、熱膨張係数を制御し、及
び、回路板に取り付けられた構成要素からの熱消
散にとつて補充的な熱径路を与えることができ
る。回路板に使用される基礎材質は、所望の低誘
電率を有するPTFEである。
また、本発明の特定の実施例は、例示のために
詳細に述べられたのであるが、各種の変形が、本
発明の精神及び範囲から逸脱することなしに、な
され得ることは、明らかであろう。従つて、本発
明は、特許請求の範囲の記載によつてのみ限定さ
れるものである。
【図面の簡単な説明】
第１図は、回路板に４つのチツプキヤリアが取
り付けられた状態を示す簡単化された外観図、第
２図は、本発明による多層回路板の部分断面図、
第３図は、本発明による回路板において管孔及び
取り付けネジ孔がどのように形成されるかを示す
部分断面図である。 １０…多層回路板、１２…チツプキヤリア、１
４…パツド、１６…グラフアイト層、１８…ポリ
テトラフルオルエチレン（PTFE）層、２０…銅
層、２２…粘着層、３０…孔、３２…孔、３４…
孔。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 制御可能な熱膨張係数、良好な熱伝導、及び
    低誘電率を有する多層プリント回路板において、
    回路板に取り付けられる構成要素間の接続をなす
    のに使用される複数の導電金属層と、 結合剤が含浸された一方向性のグラフアイト繊
    維から形成された複数のグラフアイト層とを備え
    ており、少なくとも幾つかのグラフアイト層は、
    前記導電金属層のいくつかときわめて接近して配
    置されていて前記導電金属層からの熱を伝えるよ
    うに比較的低い抵抗径路を与えており、前記グラ
    フアイトシートは薄い絶縁粘着層によつて隣接す
    る前記導電金属シートに結合されており、これに
    より、粘着層は、導電金属を導電グラフアイト層
    から電気的に隔離するという付加的な目的を果た
    しており、 前記多層プリント回路板は、更に、前記導電金
    属層及びグラフアイト層と一緒に結合され、複合
    の多層プリント回路板を与えるようにする複数の
    誘電材質層を備えており、前記グラフアイト層
    は、複合回路板の厚さ方向に対して対象であるよ
    うに配置され、所定数の前記グラフアイト層を与
    えることにより、所望の複合熱膨張係数を与える
    ことを特徴とする多層プリント回路板。
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