JPH09148691A - プリント配線基板 - Google Patents
プリント配線基板Info
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Abstract
と。 【解決手段】ガラスエポキシ樹脂から成るプリント基板
10の上面10a と下面10bとを貫通して任意の熱伝導バイ
ヤホール11に対して少なくとも6 個のホールが隣接する
ように形成されている。各バイヤホール11の内壁には銅
箔14が形成され、上面10a に形成された銅箔平面パター
ン12及び下面10b に形成された銅箔平面パターン15と電
気的に接続している。銅箔平面パターン12上にはパワー
トランジスタやロジックIC等の発熱素子20がはんだやペ
ースト等により固着され、その接続端子21は上面10a に
設けられた回路パターン13と電気的に接続している。素
子20から発生する熱は、銅箔平面パターン12を介して図
中横方向に放熱されると共に、銅箔14が形成されたバイ
ヤホール11を介して図中縦方向に伝達され、下面10bに
形成された銅箔平面パターン15から効率よく放熱され
る。
Description
関し、特に、基板表面に取り付けられた素子から発生す
る熱を効果的に放熱するバイヤホールが設けられたプリ
ント配線基板に関する。
の高密度実装化の傾向にあり、基板上に配された素子の
冷却或いは素子から発生する熱を放熱する必要性が高ま
ってきている(ここでは素子から発生する熱をいかに効
率よく逃がすかという視点から「放熱」という用語を用
いる)。基板上に設けられた素子の冷却には、冷却装置
を取り付ける等の根本的な改善が大型の電子装置では試
みられている。しかし、小型化の必要な電子装置の場合
には、冷却装置の設置はコスト、サイズ面で実現が困難
であるため、従来は金属板などのヒートシンクを取り付
けることにより発熱素子から発される熱を放熱させてき
た。通常使用される部品の支持基板はエポキシ等の樹脂
基板であるので熱伝導率が低く、放熱性が低いために、
ヒートシンクが必要とされた。さらに、小型化、コスト
ダウンを目的として、特開昭62−257786号公報
や実開昭62−42273号公報等に開示されているよ
うに、ヒートシンクを用いずに、支持基板に金属等の熱
伝導性の高い物質から成るスルーホール(熱伝導スルー
ホール、サーマルバイヤ等と呼ばれる)を設け、熱伝導
率を全体として向上させる方法が試みられるようになっ
た。又、特開昭62−257786号公報に開示されて
いる技術では、ドリルにより基板を貫通してスルーホー
ルを設け、スルーホールの側面にCuメッキを形成した
構成としている。このような構成とすることで、スルー
ホールの形成によって生じる空間は、空気が充填される
ため、熱伝導率は極端に低下するが、スルーホール側面
にCuメッキを形成しているため、全体としての熱伝導
率が向上する。
法では、小型化やコストダウンのためには適している
が、スルーホールの密度に限界があり、穴径も限られる
ために十分な放熱ができない。そのため、発熱量の大き
な素子には使用できないといった問題点がある。又、実
開昭62−42273号公報に開示されている技術では
熱伝導スルーホールについての記載はあるが、熱伝導率
を向上させる具体的な方法については記載されていな
い。
み、基板に形成されるバイヤホールの単位面積当たりの
密度を向上させ、プリント配線基板を熱伝導率を向上さ
せ、素子から発生される熱を効果的に放熱させることで
ある。
めに、請求項1に記載の手段を採用することができる。
この手段によると、プリント配線基板の回路素子の配置
領域下に、内壁に熱伝導性の良好な熱良導性部材が被覆
されたバイヤホールが、所定の配列方向に沿って複数個
を形成される。このとき異なる列に属し、隣接する任意
のバイヤホールのそれぞれの断面形状の幾何学的特徴点
を通り、配列方向に直交する軸が、配列方向にずれるよ
うに形成される。この幾何学的特徴点とは、具体的には
バイヤホールの断面形状が円形の場合にはその中心を意
味し、正多角形の場合には、その内接円や外接円の中心
を意味し、その他の多角形の場合にはその重心を意味す
る。これにより単位断面積当たりのバイヤホールの数を
大きく形成できるので、その内壁に形成された熱良導性
部材の側面積の和が大となり、プリント配線基板の熱伝
導率が向上し、回路素子から発生する熱を効果的に放熱
することができる。
によりバイヤホールをより密に形成することができ、望
ましくは請求項3に記載の手段の如く仮想的正六角形状
又は正三角形状の格子内にバイヤホールを形成すること
である。
ールを略円形断面形状とすることにより、ドリル等を用
いてバイヤホールを容易に形成することができる。
配線基板のバイヤホールが形成された面上に、熱伝導性
の良好な熱良導性膜が形成されることにより、さらに放
熱効果を高めることができる。又、予め熱良導性膜が形
成された基板に対してドリル等を用いてバイヤホールを
形成することにより効率のよい製造を行うことができ
る。
き被膜、金属粉体を含む樹脂ペースト、及び導電性接着
剤のうち少なくとも1種を用いることにより熱良導性部
材を具体的にバイヤホールの内壁に被覆させることがで
きる。又、望ましくは請求項7に記載の手段の如く銅め
っき、ニッケルめっき、及び銅ペーストを含む樹脂ペー
ストのうち少なくとも1種にを用いて熱良導性部材を構
成することである。
バイヤホール間の間隔の±0.3mm未満にバイヤホー
ルの径を設定することにより、放熱効果をさらに高める
ことが可能となり、望ましくは請求項9に記載の如くバ
イヤホールの径をバイヤホール間の間隔と略等しくする
ことである。
径のバイヤホールの間に小さな径のバイヤホールを形成
することができるため、バイヤホールをより密に形成で
きる。 又、請求項11〜請求項13の記載の手段を採
用することによっても、バイヤホールを密に形成するこ
とができる。
ホール内にその内壁に被覆された熱良導性部材が充填さ
れることにより基板の熱伝導率をより向上させることが
できる。又、請求項15に記載の手段を採用することに
より請求項14に記載の手段と同等の効果を得ることが
できる。
能力を最大限に引き出すための設計ルールについて鋭意
研究した。以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説
明する。図1は本発明に係わる第一実施例の構成を示し
たものであり、図1(a)、(b)、及び(c)はそれ
ぞれパワートランジスタやロジックICなどの発熱素子
(回路素子)20が搭載されたプリント基板(プリント
配線基板)10の平面図、正面断面図、及びバイヤホー
ル11形成領域1cm□の平面断面図を示している。本実
施例では、基板10上に形成された素子20の裏側から
発生する熱を周囲に伝導させて放熱するケースについて
説明する。ガラスエポキシ樹脂から成るプリント基板1
0の上面10aと下面10bとを貫通して熱伝導バイヤ
ホール11が複数個形成されている。このバイヤホール
11の内壁には、図1(c)に示されるように銅箔(熱
良導性部材)14が形成されており、基板10の上面1
0aのバイヤホール11形成領域上に形成された銅箔平
面パターン(熱良導性膜)12及び基板10の下面10
bに形成された銅箔平面パターン(熱良導性膜)15と
電気的に接続している。銅箔平面パターン12上には発
熱素子20がはんだやペースト等により固着され、その
接続端子21は基板10の上面に設けられた回路パター
ン13と電気的に接続している。
生する熱は銅箔平面パターン12に効率よく伝達され、
銅箔平面パターン12を介して図中横方向に放熱され
る。又、基板10の縦方向にはバイヤホール11を通っ
て放熱される。バイヤホール11の内壁には銅箔14が
形成されているために熱を伝えやすい。バイヤホール1
1を伝わった熱は基板10の下面10bに形成された銅
箔平面パターン15から放熱される。
は銅箔14(熱伝導率332kcal/m・h・℃) が被覆され
るために熱伝導率は高くなるが、バイヤホール11中に
は空気(熱伝導率0.02kcal/ m・h・℃) が入るために
熱伝導率が低くなり、この部分の熱伝導は期待できな
い。基板10のこれ以外の部分はガラスエポキシ樹脂
(熱伝導率0.2kcal/m・h・℃) で構成されている。銅
メッキの厚さを30μmとした際のバイヤホールに外接
する正方形の熱伝導率を計算した結果が図2である。図
2に見られるようにバイヤホール11の径が小さくなる
につれて基板10の熱伝導率が向上することがわかる。
これはバイヤホール11の径が小さくなるほどバイヤホ
ール11に占める空気の容積が小さくなり、銅メッキの
容積割合が増加するためである。従って、形成するバイ
ヤホール径は小さいほど有利となる。
ト基板10においてドリル穴あけの場合、バイヤホール
11の径は0.3mmが最小である。ここで、図3に1
cm2 中に形成される0.3mmφのバイヤホール11
の数と基板10の熱伝導率との関係を示す。図3よりバ
イヤホール11の数が多くなるほど基板10の熱伝導率
が向上することがわかる。これはバイヤホール11が多
く存在するほど、バイヤホール11の内壁に形成された
銅箔14の熱伝導率の寄与が大きくなり、全体としての
熱伝導率が向上するためである。又、図3に示されるデ
ータから、0.3mmφのバイヤホール11が約200
個/cm2 で、アルミナ基板と同等の熱伝導率を達成す
ることができる。これは0.3mmφのバイヤホール1
1を0.7mmピッチに形成した場合に相当する。
上させるためには、バイヤホール11をより高密度に形
成することが重要であることがわかる。高密度にバイヤ
ホール11を形成する方法としては代表的な3種類の方
法が考えられる。第一の方法は通常の正方形状の仮想的
格子内に形成する方法であり、第二の方法は三角形状の
仮想的格子内に形成する方法であり、第三の方法は六角
形状の仮想的格子内に形成する方法であり、それぞれの
方法によって円形断面形状のバイヤホール11を形成し
た場合の構成を図4、図5及び図6に示す。この3つの
方法により10mm□に0.6mmφのバイヤホール1
1を1.2mmピッチで形成した場合のホール数と全体
の熱伝導率の値とをそれぞれ表1に示す。
ホール11を形成すると最大でホール数は69個であ
り、この場合の全体の熱伝導率の値は13(kcal/m・h
・℃)となる。又、三角形状の仮想的格子内にバイヤホ
ール11を形成した場合には、ホール数は53個しか形
成できず、熱伝導率の値は10(kcal/m・h・℃) に止
まる。一方、六角形状の仮想的格子内にバイヤホール1
1を形成した場合は、80個までのホール数を可能と
し、熱伝導率の値も15(kcal/m・h・℃)である。
A上の任意のバイヤホール11aと、その図中上側の列
B上の隣接するバイヤホール11bとにおいて、それぞ
れの中心(幾何学的特徴点)を通り列A、Bの方向に対
して直交する軸aと軸bとが同一直線上にあり、隣接す
るバイヤホール11の数が4個であるために、バイヤホ
ール11を密に形成することができないためである。同
様に図5に示される構成においても任意の列D上の任意
のバイヤホール11dと、その図中上側の列E上の隣接
するバイヤホール11eとにおいて、それぞれの中心を
通り列D、Eの方向に対して直交する軸dと軸eとが同
一直線上にあり、隣接するバイヤホール11の数が3個
であるために、バイヤホール11を密に形成することが
できない。一方、図6に示される構成では、任意の列F
上の任意のバイヤホール11fと、その図中上側の列G
上の隣接するバイヤホール11gとにおいて、それぞれ
の中心を通り列F、Gの方向に対して直交する軸fと軸
gとが同一直線上になく、列F、Gの方向にずれてお
り、任意のバイヤホール11に対して6個まで隣接させ
ることができ、図4及び図5に比べてバイヤホール11
をより密に形成することができる。
円形とし、そのホール数を一定とした場合には、六角形
状の仮想的格子内への形成が最もバイヤホール11のピ
ッチを広げることができることを示している。従って、
穴あけによるプリント基板10の強度劣化という点でも
六角形状の仮想的格子内への形成が最も望ましいと言え
る。このように穴あけによる基板10の強度劣化防止の
ためには、バイヤホール11のピッチをできるだけ広く
し、かつ、熱伝導率の値を最大とするためにはバイヤホ
ール11をできるだけ多く形成する必要がある。この両
者を満足させる方法は、バイヤホール11を六角形状の
仮想的格子内に形成することである。さらに穴あけコス
トを考えると、なるべく大きなバイヤホールをあけて、
その数を少なくしたいというニーズにも本方法は有効で
あると言える。
に説明する。プリント基板10が両面基板の場合は、銅
張積層板を用い、少なくとも熱伝導バイヤホール11が
任意のホールから最短距離にある隣接するホールが6個
存在するように、所定の位置にNCドリル等で穴あけを
行なう。続いてバイヤホール11のメッキ処理を行い、
バイヤホール11の内壁に銅箔14を被覆させると共
に、エッチングなどによって基板10の上面10a及び
下面10b上に銅箔平面パターン12、15を所望の形
状に形成する。この後、はんだ不要箇所にソルダーレジ
ストを形成し、外形加工を行うことによって基板10が
形成される。発熱素子20は、ペースト或いははんだ等
によって基板10上の所定の位置に実装される。
に銅箔14を被覆する構成としたが、本発明はこれに限
定されるものではなく、ニッケルなどの他の導体をバイ
ヤホール11の内壁に被覆させた構成としてもよい。或
いは、バイヤホール11の内壁に銅などの金属粉体を含
む樹脂ペーストや導電性接着剤を被覆させる構成として
もよい。又、本実施例では、バイヤホール11内に充填
を行なわない構成としたが、必要に応じて空気より熱伝
導率の高いはんだや樹脂等が充填されてもよく、バイヤ
ホール11の内壁に被覆された銅箔14と同一の材料で
ある銅を充填する構成としてもよい。上記実施例におい
て基板10の上面10aに銅箔平面パターン12を設
け、下面10bに銅箔平面パターン15を設ける構成と
したが、銅箔平面パターン15を設けずに銅箔平面パタ
ーン12のみを設けた構成としてもよい。上記実施例で
は、バイヤホール11は基板10を貫通して設けられた
構成としたが、バイヤホール11は必ずしも基板10を
貫通していなくともよい。
イヤホール11を同径の円形断面形状に形成したが、本
実施例ではバイヤホールを他の断面形状に形成した点が
特徴である。図7は、六角形状の仮想的格子内に六角形
断面形状のバイヤホール31を形成した状態を示してい
る。第一実施例では円形断面形状であるため、ドリルを
用いてバイヤホール11の形成を行なったが、本実施例
ではホトレジスト法などの方法を用いて六角形断面形状
を有するバイヤホール31を形成した。バイヤホール3
1をこのような断面形状とすることにより、基板の熱伝
導率を向上させると共に、ハニカム構造でもあるために
十分な強度を有し、第一実施例と同様の効果を得ること
ができる。
状なども熱伝導率向上に有効である。図8に、異なる列
に属し、互いに隣接する三角形断面形状の任意のバイヤ
ホール32のそれぞれの重心(幾何学的特徴点)を通り
配列方向に直交する軸を、配列方向にずらせて形成した
状態を示す。これによってもバイヤホール32を従来よ
り密に形成でき、基板の熱伝導率を向上させることがで
きる。
を六角形や三角形としたが、本発明はこれに限定される
ものではなく、異なる列に属し、互いに隣接する任意の
バイヤホールにおいて、それぞれの断面形状の中心や重
心などの幾何学的特徴点を通り配列方向に直交する軸
が、配列方向にずれて形成されていれば、バイヤホール
は他の断面形状であってもよい。
では、基板の熱伝導率を高めるためにバイヤホールを如
何に密に形成するかという観点で説明したが、本実施例
ではバイヤホールの寸法形状に着目した点が特徴であ
る。本願発明者らは、熱伝導率に寄与するバイヤホール
の最適な径についても鋭意検討した。その結果、熱伝導
率がバイヤホールの径とバイヤホール間の間隔とに依存
することを見いだした。図10は、図6に示す配置にお
けるバイヤホール間の間隔dが0.3mm、0.7m
m、及び1.0mmの3つの場合におけるバイヤホール
の穴径と熱伝導率との関係を示した特性図である。ここ
で、バイヤホール間の間隔dは、図9に示されるよう
に、隣接するバイヤホールにおいて最も近い距離にある
壁面間の間隔に定義した。
の間隔dが小さくなるほど熱伝導率が大きくなることが
わかる。又、それぞれの特性図において、バイヤホール
間の間隔dが、バイヤホールの径と略同等になったとき
熱伝導率が最大になることがわかる。又、それぞれピー
ク値をとるバイヤホール径に対して約±0.3mm未満
内にあるとき高い熱伝導率が得られることがわかる。こ
のように、バイヤホール径をバイヤホール間の間隔の±
0.3mm未満内の範囲に設定することにより、望まし
くはバイヤホール径をバイヤホール間の間隔と略等しく
することにより、基板の熱伝導率を高めることができ
る。
同一径を有するバイヤホールについて説明したが、本実
施例では径の異なるバイヤホールを基板に形成した点が
特徴である。図11は、径の異なる円形断面形状のバイ
ヤホール33、34を形成した状態を示している。この
ように径の大きいバイヤホール33の間に径の小さいバ
イヤホール34を形成することにより、基板にバイヤホ
ール33、34を密に形成することができ、第一実施例
と同等の効果を得ることができる。尚、本実施例では、
バイヤホール33、34の断面形状を円形としたが、他
の断面形状でもよい。
は、同一断面(円形断面)形状のバイヤホールが基板に
形成されているが、本実施例では異なる断面形状を有す
るバイヤホールを形成した点が特徴である。図12は、
異なる断面形状を有するバイヤホール35、36を形成
した状態を示している。径の大きい円形断面形状のバイ
ヤホール35の間に、径の小さい正方形断面形状のバイ
ヤホール36が形成されている。このような構成とする
ことにより基板にバイヤホール35、36を密に形成す
ることができ、第一実施例と同等の効果を得ることがで
きる。尚、本実施例ではバイヤホール35、36をそれ
ぞれ円形断面形状と正方形断面形状で構成したが、三角
形や六角形等の他の断面形状であってもよい。又、本実
施例では円形断面形状のバイヤホール35と正方形断面
形状のバイヤホール36とを互いに異なる径としたが、
同一径で構成してもよい。
は、図1(b)に示される如く、バイヤホール11が基
板10を貫通する構成としたが、本実施例ではバイヤホ
ール11が基板10を貫通しない構成とした点が特徴で
ある。本実施例における基板10の断面構成を図13に
示す。図13では、バイヤホール11は基板10の上面
10a側が開孔し、基板10の下面10b側が閉孔した
構成となっている。このような構成とすることにより、
銅箔平面パターン12、15の設計の自由度を向上させ
ることができる。又、バイヤホール11は基板10内に
内在する構成としてもよい。この場合の基板10の断面
構成を図14に示す。このような構成とすることによっ
ても銅箔パターン平面12、15の設計の自由度を向上
させることができる。
来に比較して基板上にバイヤホールを密に形成できるた
めに、基板の熱伝導率を向上させ、基板上に搭載された
発熱素子の放熱を効果的に行なうことができる。
成を示した構造図。
グラフ。
の数と熱伝導率との関係を示したグラフ。
ヤホールを形成した状態を示した模式図。
ヤホールを形成した状態を示した模式図。
ヤホールを形成した状態を示した模式図。
成を示した模式図。
の構成を示した模式図。
おいて、バイヤホール間の間隔と熱伝導率との関係を示
した関係図。
構成を示した模式図。
構成を示した模式図。
構成を示した模式図。
他の構成を示した模式図。
Claims (15)
- 【請求項1】 内壁に熱伝導性の良好な熱良導性部材が
被覆され、所定の配列方向に沿って少なくとも回路素子
の配置領域下に形成された複数個のバイヤホールが形成
されたプリント配線基板であって、 異なる列に属し、互いに隣接する任意の前記バイヤホー
ルにおいて、それぞれの断面形状の幾何学的特徴点を通
り前記配列方向に直交する軸が、前記配列方向にずれて
形成されたことを特徴とするプリント配線基板。 - 【請求項2】 前記バイヤホールは、仮想的に設けた六
角形状又は三角形状の格子内に位置するように形成され
たことを特徴とする請求項1に記載のプリント配線基
板。 - 【請求項3】 前記バイヤホールは、仮想的に設けた正
六角形状又は正三角形状の格子内に位置するように形成
されたことを特徴とする請求項2に記載のプリント配線
基板。 - 【請求項4】 前記バイヤホールは略円形断面形状であ
ることを特徴とする請求項1に記載のプリント配線基
板。 - 【請求項5】 前記プリント配線基板の前記バイヤホー
ルが形成された面上に熱伝導性の良好な熱良導性膜が形
成されていることを特徴とする請求項1又は請求項4に
記載のプリント配線基板。 - 【請求項6】 前記熱良導性部材は、金属めっき被膜、
金属粉体を含む樹脂ペースト、及び導電性接着剤のうち
少なくとも1種より成ることを特徴とする請求項5に記
載のプリント配線基板。 - 【請求項7】 前記熱良導性部材は、銅めっき、ニッケ
ルめっき、及び銅ペーストを含む樹脂ペーストのうち少
なくとも1種より成ることを特徴とする請求項5に記載
のプリント配線基板。 - 【請求項8】 前記バイヤホールの径が、隣接する前記
バイヤホール間の間隔の±0.3mm未満であることを
特徴とする請求項1又は請求項4に記載のプリント配線
基板。 - 【請求項9】 前記バイヤホールの径が、前記バイヤホ
ール間の間隔に略等しいことを特徴とする請求項8に記
載のプリント配線基板。 - 【請求項10】 前記バイヤホールは前記列毎に異なる
径を有することを特徴とする請求項1に記載のプリント
配線基板。 - 【請求項11】 前記バイヤホールは前記列毎に異なる
断面形状から成ることを特徴とする請求項1に記載のプ
リント配線基板。 - 【請求項12】 前記列はそれぞれ異なる径を有した前
記バイヤホールで構成されたことを特徴とする請求項1
に記載のプリント配線基板。 - 【請求項13】 前記列はそれぞれ異なる断面形状の前
記バイヤホールで構成されたことを特徴とする請求項1
に記載のプリント配線基板。 - 【請求項14】 前記バイヤホール内には、前記内壁に
被覆された前記熱良導性部材を構成する材料と同一の材
料が充填されたことを特徴とする請求項1に記載のプリ
ント配線基板。 - 【請求項15】 前記バイヤホール内には、前記内壁に
被覆された前記熱良導性部材を構成する材料と異なり、
空気より熱伝導性の良好な材料が充填されたことを特徴
とする請求項1に記載のプリント配線基板。
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