JPH10509277A - 追加の印刷回路のための熱制御 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 熱を発生する電気部品を実装する熱分散組立体が示される。本発明は良熱伝導性のフィラーを含み平坦な面を有する良熱伝導性の繊維強化されたポリマー樹脂シート、追加の印刷回路基板、及び少なくとも１つの平坦な面を有する金属製ヒートシンクを含む。追加の印刷回路基板の誘電体表面と導体は共面となるので、良熱伝導性の樹脂シートの平坦な面と、印刷回路基板の表面及びヒートシンクとの強い接触が中間にボイドを作ることなく維持され、これにより印刷回路基板からヒートシンクへの熱伝導を大きく向上させる。

Description

【発明の詳細な説明】 追加の印刷回路のための熱制御 （発明の分野） 本発明は印刷回路基板及びその上に実装された電気デバイスのための改良され た熱分散手段に関する。 （発明の背景） 本発明は印刷回路基板上に実装された電気デバイスからの熱を分散するための 改良された手段に関する。上昇した温度で動作する電気デバイスを使用するとき 、デバイスの熱破壊を避けるためにヒートシンクを使用することが必要となり得 る。業界での熱分散の要求は急速に高まりつつあり、平方インチあたり５０ワッ ト程度も分散するよう要求されることはめずらしくない。 このような熱分散を達成する方法は良く知られている。代表的な例は銅箔のシ ートに対して良熱伝導性のエポキシ樹脂によって接着されるアルミニウム製ヒー トシンクである。望まれる回路はその後導電パターンを形成するように銅箔をエ ッチングすることにより形成される。良好な熱の伝導が提供されるものの、この 構造の大きな欠点は単一の導電面のみを有する印刷回路基板に対して有効である ことである。 電気組立体の大きな優位性は単一側印刷回路よりも更に大きな相互接続の多様 性を要求するので、多くの印刷回路基板は１よりも多い面の上に電気導体を有す ることが要求される。導体は熱が伝導されるめっきされたスルーホールによって 相互接続され、これらのホールは更に熱の伝導を容易化するために導電材料によ って満たされても良い。めっきされたスルーホールから外側のヒートシンクへと 熱を伝導させるために、電気的絶縁性及び良熱伝導性を有する材料をヒートシン クとめっきされたスルーホールとの間に使用して、電気的に短絡した回路を避け ることが必要とされる。 従来の方法では印刷回路基板にヒートシンクを接着するために半硬化されたエ ポキシ又はポリエステル樹脂の形で接着剤層としての材料を使用した。これらの 材料は優れた電気的絶縁特性を有するが、熱を効果的にヒートシンクに伝導させ ために必要な熱伝導特性を欠いている。 この問題を解決するために、従来技術は接着剤の中に良熱伝導性を有するが電 気的には絶縁性の材料を含ませることにより製造される良熱伝導性の接着剤を開 示した。従来技術である良熱伝導性接着剤の使用の一例として、Ｄａｖｉｓらに よる米国特許第５，２８８，７６９号に は、金属被覆された窒化アルミニウムの粒子を含むエポキシ樹脂にして、熱の分 散のために、回路が配設される基板に電気部品を接着する際に使用される接着剤 が開示される。 その接着剤層は熱流の障壁として作用するので、良好な接着及び電気的絶縁を 保証するために十分な接着剤を使用すると同時に、効果的な熱伝導のためには可 能な限り薄い層を使用することが重要である。回路基板が製造される誘電体基部 材料の面上に載置された導電パターンを有する印刷回路基板上に良熱伝導性の接 着剤を被覆するのは困難である。 接着剤の流れ特性は厳密に制御されなければならない。接着剤がその印刷回路 基板の表面の形状に整合するよう十分に流れなければ、ボイド（空隙）が基部材 料と導体との境界位置に発生し、それは空気で満たされる。空気は接着剤よりも 更に特性の悪い熱伝導体であるので、このことは接着層の熱抵抗を増加させる。 一方で接着剤が余りにも流れすぎると、極めて薄い層が生じ、印刷回路基板及び ヒートシンク間の絶縁耐電圧及び接着剤の接着力が小さくなる。 これらの問題は、アルミナ紙状体を含むプリプレグシートに接着された印刷回 路基板を開示する、Ｈａｎｉらによる米国特許第４，５７８，３０８号に例示さ れるようなヒートシンクと上述した基板となる印刷回路基板との間に配置される 良熱伝導性の材料のプリフォームされたシートを使用する方法においても生じ得 る。 （発明の概要） 本発明は良熱伝導性の繊維強化された樹脂シート、追加の印刷回路基板、及び 平板状ヒートシンクを含み、上述の問題を解決する。追加の印刷回路基板の誘電 体基部材料の表面及び導電パターンは共面とされるので、中間のボイドを生じる ことなく樹脂シートと印刷回路基板との間の強力な接触が維持され、熱伝導性が 大きく向上される。 本発明の目的は電気部品を相互接続するための非常に効果的な熱分散手段を提 供することにある。 更なる本発明の目的はヒートシンクに一体的に装着された追加の印刷回路基板 を提供することにある。 更なる本発明の目的はヒートシンクに一体的に装着された追加の印刷回路基板 にして、熱応力及び剥離に対して高い抵抗力を有するその物を提供することにあ る。 更なる本発明の目的は繊維強化され良熱伝導性を有する有機絶縁接着剤によっ てヒートシンクに対して一体的に装着された追加の印刷回路基板を提供すること にある。 （発明の詳細な説明） 逆表面に装着された外側のヒートシンクを有する印刷回路基板の一表面に実装 される熱を発生する電気デバイスの温度を安全動作制限値内に維持するために、 効率良く熱をヒートシンクへと伝導させることが必要である。熱伝導の効率は、 印刷回路基板と基板にヒートシンクを接着するのに使用された手段との両方の熱 特性に依存する。めっきされたスルーホールを含む印刷配線基板を通しての熱伝 導は大部分はめっきされたスルーホールによって形成された熱伝導路によって行 われるので、熱を発生するデバイスからヒートシンクへの熱伝導の全体の効率は 主にヒートシンクを印刷回路基板に接着するために使用される手段の熱抵抗に依 存する。熱抵抗がより低ければ、熱伝導はより効率的になる。接着手段は強化さ れないペーストの形の接着剤を有しても良いが、発明者は接着手段の好ましい手 段は、良熱伝導性のフィラーを含み通常「プリプレグ」として知られている繊維 強化された良熱伝導性の有機誘電体接着剤シートであることを見出した。 理論上制限されることは望まれないが、良熱伝導性のフィラーを有するプリプ レグの熱伝導率は単純な熱伝導の考察に基づき以下のように評価され得る。 ワットで示す熱流量（Ｑ）はプリプレグシートの熱伝導率（Ｋ）、熱がそれを 通して伝導されるそのシートの面積（Ａ）、シートの厚さ（Ｌ）及び印刷回路基 板インタフェースとヒートシンクとの温度差（℃で表示されるΔＴ）に比例する 。これは次のように表される。 （１） Ｑ （Ｗ）＝Ｋ・ΔＴ・Ａ／Ｌ そこで熱伝導率は以下の値に等しい。 （２）Ｋ（Ｗ／ｍ／℃）＝Ｑ・Ｌ／ΔＴ／Ａ 第１近似によれば、母材及び良熱伝導性のフィラーを有する複合物材料の熱伝 導性は、複合物の個々の成分、即ち母材及び良熱伝導性のフィラーの熱伝導率及 び量の分率に依存する。フィラーが複合物の他の全ての成分よりもかなり高い熱 伝導率（Ｋｐ）を有するとき、複合物の熱伝導率（Ｋｃ）は、Ｄ．Ｍ．Ｂｉｇｇ によるポリマーコンポジット（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ），７， １２５（１９８６）による更に複雑な表現から発明者によって導か れた以下の等式により近似され得る。 （３） Ｋｃ＝Ｋｍ（１＋２Ｆ）／（１ーＦ）² ここでＫｍは母材の熱伝導率であり、Ｆはフィラーの量の分率である。例えば、 良熱伝導性のフィラーを欠いた繊維強化されたＦＲ−４エポキシ樹脂のプリプレ グシートは約０．２５（Ｗ／ｍ／°Ｋ）であり窒化アルミニウムの熱伝導率は約 １５０（Ｗ／ｍ／°Ｋ）である。 窒化アルミニウムを量の分率にして１０％有するプリプレグシートではシート の大体の熱伝導率は０．３７（Ｗ／ｍ／°Ｋ）となり、窒化アルミニウムを量の 分率にして２０％有するプリプレグシートではシートの大体の熱伝導率はの０． ５５（Ｗ／ｍ／°Ｋ）となり、更に窒化アルミニウムを体積分率にして４０％有 するプリプレグのシートではシートの大体の熱伝導率は１．２５（Ｗ／ｍ／°Ｋ ）となる。必要とされる熱流が知られている場合には、上述の等式（２）によれ ば必要となる良熱伝導性のフィラーの添加を評価することは容易になる。本発明 のこれらの概念は以下に及び例示において更に十分説明される。 例１：ヒートシンク この例はヒートシンクの製造について示す。 金属板がヒートシンクとして作用する。金属板は、実装又は電気的フィードス ルーのために必要ならばパンチング又はドリル加工によって形成される開口を有 しても良い。約０．０２５インチの金属の最小厚さは、剛性及び取り扱いの容易 性を維持するために望まれる。発明者は、銅の如き他の金属を使用可能ではある ものの、厚さが約０．１インチであるタイプ５０５２−Ｈ３２のアルミニウムが 好ましいことを見出した。 アルミニウム板は溶剤によって油成分を除去される。油成分の除去に続いて、 印刷回路基板に接着されるためにアルミニウム板の面は軽石で引っかぎ処理され 機械的に粗く加工される。アルミニウム板は、接着手段として良熱伝導性のプリ プレグを使用することにより、熱を発生する部品が実装される面と逆側の追加の 印刷回路基板の面に接着される。 例２：プリプレグの製造 プリプレグは半硬化されたシートの形で使用され、熱及び圧力が加えられるこ とにより完全に硬化される。硬化時に追加の印刷回路とヒートシンクとの間に接 着剤による良好な接着が形成される。半硬化されたプリプレグシートの製造方法 は技術上良く知られており、本発明が適 用できるプリプレグの製造工程の説明は、以下の説明がこの工程を詳細に説明す るものでない程度ではあるが、ニューヨーク州マグローヒル社の出版によるＣｌ ｙｄｅ Ｆ． Ｃｏｏｍｂｓ著のプリンテッド・サーキッツ・ハンドブック（Ｐ ｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ Ｈａｎｄｂｏｏｋ）、第３版 〈１９８８年 〉、第１３章に示されるが、これは以下に参照して示される。 適当な樹脂は熱硬化性の樹脂であり、その代表的な例はエポキシ樹脂、フェノ ール樹脂、及びシリコーン樹脂であるが、アクリル樹脂も使用され得る。好適な 樹脂は、ビスフェノールＡのジグリシジルエーテルとジシアンジアミドとの反応 物を含む通常「ＦＲ−４」と称されるエポキシ樹脂である。この材料の更なる完 全な説明は、ニューヨーク州マグローヒル社の出版によるＣｌｙｄｅ Ｆ． Ｃ ｏｏｍｂｓ著のプリンテッド・サーキッツ・ハンドブック（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃ ｉｒｃｕｉｔｓ Ｈａｎｄｂｏｏｋ）、第３版 〈１９８８年〉、第６章に示さ れる。 良熱伝導性プリプレグシートは良熱伝導性のフィラーを有機樹脂に含めること により製造される。適当なフィラーは少なくとも２０（Ｗ／ｍ／°Ｋ）の熱伝導 率を有する無機セラミックの群であり、その例は酸化アルミニウム及び窒化アル ミニウムである。最も好ましい例では窒化アルミニウムを粒子形状にして良熱伝 導性の導電フィラーとして使用する。 カリフォルニア州リバーサイドのリード・アドバンスト・マテリアル・カンパ ニー社によるＧｒａｄｅ Ａ−１００なる窒化アルミニウムが、平均の直径が約 ２ミクロン乃至４ミクロンの長球の粒子として提供された。選択によっては、平 均の径が０．１ミクロンのものも使用可能である。プリプレグシートに含まれる べき窒化アルミニウムの最適量は上述のように評価された。 窒化アルミニウム粒子の濡れ性を向上させて有機樹脂と粒子との接着性を高め るために、有機ジルコン酸塩、有機チタン酸塩、及び有機珪酸塩が結合補助材と して使用され得る。最も好適な補助材は、ケンリッチ・コーポレーション社によ って「Ｌｉｃａ ３８ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ａｇｅｎｔ」なる登録商標で販売さ れているピロリン酸チタン酸アンモニウム錯体である。「Ｌｉｃａ ３８ Ｃｏ ｕｐｌｉｎｇ Ａｇｅｎｔ」の最適割合は樹脂１００につき０．３であるべきこ とが見出された。 重量にして１００の「ＦＲ−４」樹脂及び重量にして０．３の「Ｌｉｃａ ３ ８」結合補助剤に対して重量４０の窒化アルミニウムが混合され、半硬化された プリプレグシートを製造す べく使用された。 製造の容易化及び均一性のために、半硬化されたプリプレグの最適の厚さは０ ．００１インチ乃至０．００４インチ、最も好適には０．００３インチとすべき ことが見出された。プリプレグの製造後に、プリプレグの熱伝導性がＡＳＴＭ Ｔｅｓｔ Ｎｏ．Ｄ−１７７の「金属表面によるホットプレート法（ｔｈｅ Ｍ ｅｔａｌ−Ｓｕｒｆａｃｅｄ Ｈｏｔ Ｐｌａｔｅｍｅｔｈｏｄ）」によって測 定された。 例３：プリプレグの製造 窒化アルミニウムフィラーの代わりに酸化アルミニウムが使用された点を除き 、例２の方法によって０．００３インチ厚のプリプレグシートが製造された。 表１は窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、及び添加なしのプリプレグの各 々に対して得られた結果を示す。 例４：印刷回路基板に対するアルミニウム製ヒートシンクの装着 プリプレグの製造後、アルミニウム製ヒートシンクは追加の回路基板に接着さ れる。追加の回路基板の製造方法は技術上良く知られており、本発明が適用でき る追加の工程の説明は、以下の説明がこの工程を詳細に説明するものでない程度 ではあるが、ニューヨーク州マグローヒル社の出版によるＣｌｙｄｅ Ｆ． Ｃ ｏｏｍｂｓ著のプリンテッド・サーキッツ・ハンドブック（Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃ ｉｒｃｕｉｔｓ Ｈａｎｄｂｏｏｋ）、第３版〈１９８８年〉、第１３章に示さ れる。 以下の好適条件のもとで、ワバッシュ・ラミネート圧着によってラミネートが 行われる。全厚さが０．００３インチとなるよう上述の如く用意された２枚のエ ポキシ樹脂プリプレグシートが使用される。圧着板は約３００Ｆの温度に予加熱 される。３００Ｆのラミネート温度及び ２００ＰＳＩ（ポンド／平方インチ）のラミネート圧が提供された。０．００３ インチ厚のプリプレグシートに対してラミネートのサイクル時間は好ましくは８ ０分である。８０分にサイクル時間の後で、加熱をすること無く大気圧下で６０ 分の更なる冷却サイクルが行われる。 上述の製造に続き、完成した組立体の熱抵抗がＭＩＬ−ＳＴＤ ７５０Ｃの「 熱抵抗試験法（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈ ｏｄ）」によって測定された。この試験は、追加の印刷回路基板の上面に実装さ れたトランジスタの半導体ダイ・ボンディング接合部と、接着されたアルミニウ ム製ヒートシンクの底面との間の熱抵抗を測定する。トランジスタは追加の印刷 回路基板の上面の０．３５ｘ０．４０インチの方形の銅実装パッドに半田付けさ れた。印刷回路基板は、印刷回路基板の底面の個々の銅パッドに接続している６ ３個のめっきされたスルーホールの方形アレイを含む。ホールは印刷回路基板イ ンタフェースを通して熱を伝導させるのに使用される。アルミニウム製のヒート シンクの底面には、その底面で温度を測定するために熱電対が取り付けられた。 ＦＲ−４エポキシ製プリプレグがフィラー材料及び成分比においてのみ相違する 各例で使用された。表２は測定された結果を示す。 本発明は説明された材料及び工程の特定の細部に制限されるものではなく、他 の変形及び応用が考えられる。一定の他の変更が、ここに含まれる本発明の要旨 及び範囲から外れることなく実施されるようして、工程及び物に適用され得る。 従って、上の事項は例示的であると解釈されるべきであり、制限する意味に解釈 すべきでない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 トーマス フロットマン アメリカ合衆国 デラウエア州 19702, ニューアーク オータム ホーシュー 101

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）電気部品を相互接続する熱分散組立体において、めっきされたスルーホー ルと平坦な面とを含む追加の印刷回路基板と、平坦な面を含む金属製ヒートシン クと、第１及び第２の平坦な面を含む良熱伝導性の繊維強化されたポリマー樹脂 製のプリプレグシートとを有し、前記樹脂製シートは前記追加の印刷回路基板と 前記金属製のヒートシンクとを接着して結合し、よって前記第１及び第２の面が 前記金属製のヒートシンク及び前記追加の印刷回路基板の前記平坦な面に平行と されることを特徴とする組立体。 （２）請求項１の組立体において、前記繊維強化されたポリマー樹脂シートは約 ２０（Ｗ／ｍ／°Ｋ）より大きな熱伝導率を有する良熱伝導性のセラミック粒子 材料からなる群から選択されたフィラーを有することを特徴とする組立体。 （３）請求項２のポリマー樹脂シートにおいて、前記樹脂がエポキシ樹脂、シリ コーン樹脂、及びポリエステル樹脂からなる群から選択されることを特徴とする 樹脂シート。 （４）請求項３のシートにおいて、前記フィラーが窒化アルミニウムであること を特徴とするシート。 （５）請求項２のシートにおいて、前記繊維強化されたポリマー樹脂シートは更 に有機珪酸塩、有機チタン酸塩及び有機ジルコン酸塩からなる群から選択された 結合補助材を有することを特徴とするシート。 （６）請求項１の組立体において、前記ヒートシンクは平板状金属シートである ことを特徴とする組立体。 （７）エポキシ樹脂、約２０（Ｗ／ｍ／℃）より大きな熱伝導率を有する良熱伝 導性のセラミック粒子材料から成る群から選択されたフィラー、及び有機珪酸塩 、有機チタン酸塩及び有機ジルコン酸塩から成る群から選択された結合補助材を 有し、前記フィラーはＡＳＴＭ Ｓｔａ ｎｄａｒｄ Ｎｕｍｂｅｒ Ｃ−１７７によって測定されたとき約０．５（Ｗ／ ｍ／°Ｋ）より大きな熱伝導率を提供するのに十分な量だけ含まれるよう構成さ れることを特徴とする良熱伝導性の繊維強化されたポリマー樹脂シート。 （８）めっきされたスルーホールを有する追加の印刷回路基板、平坦な面を有す る金属製ヒートシンク、及び前記追加の印刷回路基板と前記金属製ヒートシンク とを接着して結合する良熱伝導性の繊維強化されたポリマー樹脂を有する電気部 品の相互接続のための熱分散組立体の改良された製造方法において、その改良は 、 第１及び第２の平坦な面を有する良熱伝導性の繊維強化されたポリマー樹脂シ ートを、該樹脂シートが約２０（Ｗ／ｍ／℃）よりも大きな熱伝導率を有するセ ラミックから成る群から選択された粒子状セラミックフィラーを含むように製造 する工程と、 前記ポリマー樹脂シートに有機珪酸塩、有機チタン酸塩、有機ジルコン酸塩か ら成る群から選択された結合補助材を含ませる工程と、 前記樹脂シートの前記第１及び第２の平坦な面が前記金属製ヒートシンク及び 前記追加の印刷回路基板の前記平坦な面と平行となるように、前記樹脂シート、 前記追加の印刷回路基板、及び前記金属製ヒートシンクを熱及び圧力を加えるこ とによって接着して結合する工程とを含むことを特徴とする熱分散組立体の改良 された製造方法。 （９）請求項８の方法において、前記粒子状セラミックフィラーは窒化アルミニ ウムであることを特徴とする方法。