JPWO2009037833A1 - 立体プリント配線板およびその製造方法ならびに電子部品モジュール - Google Patents

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Abstract

開口部(18)を有する第1のプリント配線板(22)と、開口部(18)の下に、導電ペースト部(19)を有する接着層(17)を介して第1のプリント配線板(22)に固定した第2のプリント配線板(26)とからなる立体プリント配線板(13)の、開口部(18)内の第2のプリント配線板(26)の第2の配線部(14b)に背の高い電子部品(11b)を設けることにより、第1のプリント配線板(22)の第1配線部(14a)に設けられた背の低い電子部品(11a)と高さを揃えて、実装部品の低背化を図ることができる。

Description

本発明は、コイル、コンデンサ、半導体、コネクタ、スイッチ等の高さの異なる電子部品の高密度実装に対応できる立体プリント配線板とその製造方法とこれを用いた電子部品モジュールに関するものである。
近年、携帯電話等の小型化、高機能化に伴い、コイル、コンデンサ、半導体、コネクタ、スイッチ等の高さの異なる電子部品を低背化実装することが求められている。
しかしこれら様々な電子部品を低背化実装するためには、一番背の高い電子部品が、低背化を難しくしてしまう。低背化の課題について、図8A、図8Bを用いて説明する。
図8A、図8Bは、共に複数の電子部品をプリント配線板表面に実装する場合の低背化に関する課題を説明するためのプリント配線板の断面図である。以下の説明では、このように用いられる電子部品を表面実装部品(SMD:Surface Mount Device)と呼び、このような実装の方法をSMD実装と呼ぶ。
図8A、図8Bにおいて、電子部品1a、1bは上述した表面実装部品である。電子部品1aは背の低い電子部品、電子部品1bは安価で汎用性はあるが背の高い電子部品である。電子部品1a、1bを、それぞれ接続部2a、2bを介して、プリント配線板3にSMD実装する。
プリント配線板3は、プリント配線板3の表裏面および内部に形成された、銅箔等からなる複数層の配線4と、ガラスエポキシ樹脂等からなる絶縁層5と、複数の配線4をプリント配線板3の内部で接続する層間接続部6とから構成されている。
図8Aは、プリント配線板3の上に、異なる高さの電子部品1a、1bを実装する前の状態を示す断面図である。
図8Bは、プリント配線板3の上に、異なる高さの電子部品1a、1bを実装した後の状態を示す断面図である。図8Bに示すように、従来のプリント配線板3の上に、異なる高さの電子部品1a、1bを実装すると、電子部品1a、1bの背の高さの違いにより、高低差Hが生じる。
このように、図8Bに示すようにSMD実装する場合、安価な汎用であるが背の高い電子部品1bが、低背化を難しくしていた。これに対し、安価な背の高い電子部品1bを、背の低い特殊な電子部品(図示していない)に置き換えることも考えられるが、この場合、製品等のコストに影響を与える可能性がある。
一方、特許文献1〜3では、従来の平面的なプリント配線板の一部にキャビティ部あるいは凹部を形成し、ここに半導体等の高価な電子部品を埋め込める半導体パッケージが提案されている。
しかし、多層プリント配線板の所定位置に階段状のキャビティ部や凹部をくりぬいて形成することは技術的に難しく、高価な半導体部品の実装には使えても、安価な汎用電子部品の実装に使うことは難しかった。
すなわち、従来のプリント配線板では、図8Bで説明したように、異なる高さを有する電子部品1a、1bを表面実装する場合、一番背の高い電子部品があるために、低背化が難しくなっていた。
特開平8−148602号公報 特開平10−178031号公報 特開平11−274736号公報
本発明は、異なる高さを有する電子部品を表面実装する場合、背の高い電子部品があっても低背化を可能とするものである。
本発明は、開口部を有する第1のプリント配線板と、開口部の下に、導電ペースト部を有する接着層を介して第1のプリント配線板に固定した第2のプリント配線板とから構成される。
この構成によれば、第1のプリント配線板に形成した開口部の中に、背の高い電子部品を設けることで、電子部品の厚みを見かけ上、低背化することができる。その結果、安価で汎用の電子部品を用いて、簡単に装置の低背化が可能となる。
図1は、本発明の実施の形態における立体プリント配線板の部品実装後の電子部品モジュールを示す断面図である。 図2Aは、同立体プリント配線板への電子部品の実装方法を示す第1の断面図である。 図2Bは、同立体プリント配線板への電子部品の実装方法を示す第2の断面図である。 図3Aは、本実施の形態における立体プリント配線板を示す斜視図である。 図3Bは、図3Aの3B−3B線断面図である。 図4Aは、本実施の形態における立体プリント配線板を構成する第1のプリント配線板の製造方法を示す第1の断面図である。 図4Bは、本実施の形態における立体プリント配線板を構成する第1のプリント配線板の製造方法を示す第2の断面図である。 図5Aは、本実施の形態における立体プリント配線板を構成する接着シートの製造方法を示す第1の断面図である。 図5Bは、本実施の形態における立体プリント配線板を構成する接着シートの製造方法を示す第2の断面図である。 図5Cは、本実施の形態における立体プリント配線板を構成する接着シートの製造方法を示す第3の断面図である。 図5Dは、本実施の形態における立体プリント配線板を構成する接着シートの製造方法を示す第4の断面図である。 図5Eは、本実施の形態における立体プリント配線板を構成する接着シートの製造方法を示す第5の断面図である。 図6Aは、本実施の形態における立体プリント配線板の製造方法を示す第1の断面図である。 図6Bは、本実施の形態における立体プリント配線板の製造方法を示す第2の断面図である。 図7は、本実施の形態における他の電子部品モジュールを示す断面図である。 図8Aは、従来のSMD実装した電子部品モジュール示す第1の断面図である。 図8Bは、従来のSMD実装した電子部品モジュール示す第2の断面図である。
符号の説明
11a,11b 電子部品
12a,12b 端子部
13 立体プリント配線板
14a,14b 配線部
15a,15b 絶縁部
16a,16b 層間接続部
17 接着層
18,18a,18b 開口部
19 導電性ペースト部
20 保護部
22 第1のプリント配線板
23 接着シート
24 フィルム
25 導電性ペースト
26 第2のプリント配線板
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお本発明の実施の形態に示された一部の製造ステップは、成形金型等を用いて行われる。但し説明するために必要な場合以外は、成形金型は図示していない。また、図面は模式図であり、各位置関係を寸法的に正しく示したものではない。
(実施の形態)
図1は、本発明の実施の形態における立体プリント配線板の部品実装後の電子部品モジュールを説明する断面図である。図1において、電子部品11aはチップ部品や半導体等の背の低い一般の電子部品である。電子部品11bは、電解コンデンサやタンタルコンデンサ等の背の高い電子部品、あるいは機構系の例えばスイッチやコネクタ等の背の高い電子部品である。すなわち、電子部品11bは、安価で汎用性はあるが、背の高い電子部品である。
図1において、端子部12aは外部電極等の半田付け用の端子部であり、電子部品11aの端子部に相当する。端子部12bは、同じく外部電極等の半田付け用の端子部であり、電子部品11bの端子部に相当する。立体プリント配線板13は、第1のプリント配線部26と第2のプリント配線部22とが、内部に導電ペースト部19を有する接着層17で接着されて一体化されている。第1のプリント配線部26は、複数の配線部(第1の配線部)14aを有する絶縁部15aから構成される。第1のプリント配線部26において、複数の配線部14aは絶縁部15aの表裏面および内部に形成されており、所定の配線部14aは層間接続部16aで接続されている。第2のプリント配線部22は、複数の配線部(第2の配線部)14bを有する絶縁部15bから構成される。第2のプリント配線部22において、複数の配線部14bは絶縁部15bの表面および内部に形成されており、所定の配線部14bは層間接続部16bで接続されている。絶縁部15aの裏面の表層に形成された配線部14aは、絶縁部15bの表面の表層に形成された配線部14bと、接着層17を貫通するように内蔵する導電性ペースト部19により電気的に接続されている。
絶縁部15aには開口部18が形成されており、開口部18には絶縁部15b表面の配線部14bの一部が露出している。すなわち、開口部18の底は、導電性ペースト部19を内蔵した接着層17によって固定された絶縁部15bによってふさがれている。電子部品11bは端子部12bにより、絶縁部15bの表層に形成された配線部14bと接続されている。開口部18には、例えば、エポキシ系やシリコン系の樹脂、あるいはポッティング用の樹脂などを硬化させた保護部20が埋設されている。なお、本実施の形態では、保護部20を開口部18内部全域に埋設させているが、底面部のみ、あるいは一方向部分(例えば、図1の右側部分)のみなど、開口部20の少なくとも一部に埋設されていればよい。これによって、立体プリント配線板13の機械的強度や剛性を高めることができる。
このように、背の高い電子部品11bを開口部18内に設けたことによって、点線で示すように、背の低い電子部品11aとほぼ同じ高さを実現することができる。すなわち、背の高い電子部品11bによってSMD実装の低背化を妨げられることはない。また、保護部20を形成することによって、背の高い電子部品11bの低背化に加えて、立体プリント配線板13の機械的強度や剛性を高めることができる。
なお、図1において、立体プリント配線板13のソルダーレジスト部分や、半田付け部分等は図示していない。
次に、図2A、図2Bを用いて、立体プリント配線板13への電子部品11a、11bの実装方法の一例を説明する。図2A、図2Bは、それぞれ立体プリント配線板13の断面図である。
図2Aは、立体プリント配線板13に形成した開口部18に背の高い電子部品11bを実装する状態を示している。図2Aの矢印21aに示すように、開口部18の下部に露出した絶縁部15bや、絶縁部15bの表層に形成した配線部14bに、電子部品11bの端子部12bを半田等(半田等は図示していない)で実装する。同様に開口部18以外の部分、例えば絶縁部15aの表面の表層に形成した配線部14a等には、背の低い電子部品11aの端子部12aを実装する。こうして、図2Bに示すように、背の低い電子部品11aと略同じ高さとなるように、背の高い電子部品11bを実装する。
図2Bは、開口部18に、保護部20を形成する状態を示している。図2Bに示すように、上述した保護部20を形成する部材、例えば、エポキシ系やシリコン系の樹脂、あるいはポッティング用の樹脂を、矢印21bに示すように流し込み、その後熱などにより硬化させる。なお、必要に応じて、真空充填することで、界面等の気泡の発生を防止できるため、保護部20と立体プリント配線板13との密着性あるいは結着強度を高められる。
このように、保護部20を形成することによって、背の高い電子部品11bの低背化に加えて、立体プリント配線板13の機械的強度や剛性を高めることができる。
図3A、図3Bは、それぞれ、本発明の立体プリント配線板13の一実施の形態を示す斜視図および断面図である。図3Aは、立体プリント配線板13の一部に、開口部18を形成している様子を示している。図3Bは、図3Aの3B−3B線による断面図である。なお、図3Aで絶縁部15a表面の配線部14aなどは省略している。
図3Bに示すように、立体プリント配線板13は、一部に開口部18を有している。開口部18の底には、配線部14bを有した絶縁部15bが、導電性ペースト部19を有する接着層17で固定している。
次に、本実施の形態で説明した立体プリント配線板13の製造方法の一例について説明する。
本実施の形態では、図1〜図3Bに示す立体プリント配線板13を、複数のプリント配線板を組み合わせて製造する方法について、図4A〜図6Bを用いて説明する。
図4A、図4Bは、第1のプリント配線板22に開口部18を形成する方法を説明するための第1のプリント配線板22の断面図である。
図4Aに示すように、第1のプリント配線板22は、複数層の銅箔等からなる配線部14aと、配線部14a間を接続する層間接続部16aと、複数層の配線部14aを絶縁する絶縁部15aからなる。なお絶縁部15aとしては、ガラスエポキシ樹脂等を用いることができる。また、層間接続部16aは、例えば銅めっき等によるビアに相当する。このような構成の第1のプリント配線板22に、図4Bに示すように、金型やレーザなどを用いて開口部18を形成する。これにより、開口部18を有する第1のプリント配線板22が得られる。
図5A〜図5Eは、導電性ペースト25を内蔵する接着層17を製造する方法を説明するための、接着シート23の断面図である。
まず、図5Aに示すように、接着層17の両面をフィルム24で保護して接着シート23を形成する。接着層17の両面を保護することで、接着層17への汚れ付着を防止し、接着シート23の取り扱い性も改善する。
次に、図5Bに示すように、接着シート23の所定部分に開口部18aを形成する。開口部18aは、レーザ(例えば、炭酸ガスレーザ、YAGレーザ)や金型で形成できる。なお、開口部18aの大きさは、30ミクロン以上300ミクロン以下が望ましい。30ミクロン未満の場合、導電性ペースト25を開口部18aへ十分に充填できないなどの充填性に影響を与える場合がある。また、300ミクロンを超えると、後述する第2のプリント配線板26(図6B参照)への電気接続部分の微細化に影響を与える場合がある。
次に、図5Cに示すように、接着シート23の開口部18aに、導電性ペースト25を充填する。なお、導電性ペースト25は、スキージ(例えば、ゴム製のヘラ状のもの)等を用いて、開口部18に充填することができる。導電性ペースト25が接着層17の所定部分に充填され、図1や図2A、図2Bに示す導電性ペースト部19となる。
次に、図5Dに示すように、導電性ペースト25を充填した接着シート23に、開口部18bを形成する。開口部18bは、金型やレーザ等を用いて形成できる。
次に、図5Eに示すように、開口部18bを形成した接着シート23から、フィルム24を剥離する。図5Eに示すように、フィルム24を除去することで、接着層17の表面に、フィルム24の厚み分だけ導電性ペースト25を盛り上げることができる。なお、この盛り上げによって、後述する第1のプリント配線板22と第2のプリント配線板26(図6参照)での互いの配線同士の電気接続性を高める効果が得られる。
なお、図5Eにおいて、接着層17からのフィルム24の剥離は、一度に行う必要はない。例えば、接着層17の片面のフィルム24だけを剥離し、これを後述する第1のプリント配線板22や第2のプリント配線板26(図6参照)の表面に貼り付け、その後で残ったフィルム24を剥離しても良い。このようにすることで、接着層17の取り扱い性を高められ、貼り付け時の位置精度も高められる。
図6A、図6Bは、第1のプリント配線板22と第2のプリント配線板26とを接着層17を介して固定し、図3A、図3Bに示す立体プリント配線板13を製造する方法を説明するための図である。
図6Aに示すように、第2のプリント配線板26は、表面および内部にそれぞれ1層の配線部14bを有する絶縁部15bから構成されている。また、第2のプリント配線板26の大きさは、第1のプリント配線板22より小さく、開口部18より大きい。また、第2のプリント配線板26の厚さは、第1のプリント配線板22より薄い。
図6Aの矢印21cに示すように、プレスや金型(図示していない)を用いて、第1のプリント配線板22と第2のプリント配線板26とを、導電性ペースト25を埋め込んだ接着層17を介して互いに押し付ける。
これにより、図6Bに示すように、第1のプリント配線板22と第2のプリント配線板26とが、導電性ペースト25を埋め込んだ接着層17を介して一体化される。図6Bに示す積層ステップにおいて、これら部材を加熱することで、接着層17の成分である接着剤が軟化し、第1のプリント配線板22や第2のプリント配線板26の表面に密着し、その状態で硬化する。同時に接着層17を貫通する導電性ペースト25は、第1のプリント配線板22の配線部14aと、第2のプリント配線板26の配線部14bとの間を電気的に接続した状態で硬化し、立体プリント配線板13となる。
これにより、開口部18の内部に実装した電子部品11bと、第1のプリント配線板22の表層に形成した配線部14aと、第2のプリント配線板26の表層に形成した配線部14bとは、導電性ペースト部19を介して電気的に接続される。したがって、背の高い電子部品11bを開口部18の内部の配線部14bに実装することにより、第1のプリント配線板26の配線部14aと第2のプリント配線板22の配線部14bと電子部品11bとが電気的に接続される。
なお、開口部18の中に実装する電子部品11bは、複数個としても良いし、背の低い電子部品11aが含まれていてもよい。
また、第2のプリント配線板26は、図6A、図6Bに図示したような、表面および内部にそれぞれ1層の配線部14bを片面のみに形成した状態に限定する必要は無い。例えば、図4Aに示す第1プリント配線板22と同様に、第2のプリント配線板26を、ガラスエポキシ樹脂や層間接続部16等からなる多層プリント配線板とすることで、配線パターンの設計自由度を高められる。
また、逆に、第2のプリント配線板26は、図7に示すように、表面にのみ配線部14bが形成された絶縁部15bで構成されていてもよい。簡素な配線パターンの場合や、電子部品11bの背が高くて第1のプリント配線板26を厚くしてその内部に多層の配線部14aを形成することができる場合などは、第2のプリント配線板26を薄くできる。
ところで、第2のプリント配線板26の方が、開口部18より小さい場合、開口部18への電子部品11の実装性に影響を与える場合がある。第2のプリント配線板26が、第1のプリント配線板22より大きくなった場合、コストに影響を与える可能性がある。第2のプリント配線板26を、開口部18より2mm以上(望ましくは、5mm以上)大きくすることで、第2のプリント配線板26と第1のプリント配線板22との電気的接続性を高められる。
第1のプリント配線板22と第2のプリント配線板26の位置決めには、ピン(例えば、金属等の小さな突起状のもの)を用いることができる。また、第2のプリント配線板26の一部に絶縁部15b等で突起(図示していない)を形成しておくことで、この突起と開口部18との位置合わせを行っても良い。
本実施の形態のように、第1のプリント配線板22の厚みより、第2のプリント配線板26の厚みを薄くすることが望ましい。これは第1のプリント配線板22の厚みより、第2のプリント配線板26の厚みが厚い場合、背の高い電子部品11bを開口部18に隠す意味がないからである。
開口部18の大きさは、2mm角以上30mm角以下が望ましい。2mm角以下では、開口部18の内部への電子部品11の実装は難しい場合がある。また、30mm角を超えると、開口部18を第1のプリント配線板22に形成することはコストに影響を与える可能性がある。
導電性ペースト25は、例えば導電粉(金や銀、銅のような金属粉等の導電性を有する粉)をエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂に60体積%以上98体積%以下の割合で分散したものが望ましい。60体積%未満の場合、導電性が低下する場合がある。98体積%を超えた分散は技術的に難しい。なお導電性ペースト25は、導電粉を樹脂で接着するもの以外に、低融点金属粉(例えば、300℃以下の半田や低融点合金粉末)で構成しても良い。融点が300℃より大きい材料を用いた場合、第1のプリント配線板22や第2のプリント配線板26、接着層17等を構成する樹脂材料に熱変形などの影響を与える場合がある。ただし、融点が200℃未満の材料はコストアップにつながる。なお、これら導電粉や低融点金属粉の粒径は0.1ミクロン以上30ミクロン以下が望ましい。0.1ミクロン未満の場合、分散が難しい場合がある。また、30ミクロンを超えると、接着層17に形成する導電性ペースト部19の微細化あるいは小径化に影響を与える場合がある。
ところで、接着層17としては、アルミナや酸化ケイ素等の無機フィラーを熱硬化性樹脂の中に分散してなるシート状のものとすることが望ましい。接着層17をシート状とすることで、接着層17の厚みバラツキを抑え、接着層17にレーザ等で開口部18aを形成し、その中に導電性ペースト25等の層間接続用の部材を充填しやすくできる。なお、接着層17を構成する熱硬化性樹脂として、エポキシ樹脂を用いることで、立体プリント配線板13としての信頼性を高められる。
また、必要に応じて熱硬化性樹脂の中に所定の熱可塑性樹脂を添加することで、加熱時の流動性を抑制できる。例えば、加熱条件や加熱プロファイルによっては、熱可塑性樹脂が直ぐに軟化し、接着層17から外に流れ出したり、滲み出したりする場合がある。こうした場合、PPS(ポリフェニレンサルファイド)や、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)、PES(ポリエーテルサルフォン)等の熱可塑性樹脂を、熱硬化性樹脂に対して5重量%以上30重量%以下の割合で添加することが望ましい。これは、5重量%未満の場合、添加効果が得られない場合があり、30重量%を超えると、熱硬化性樹脂の割合が低下する分、接着力や信頼性に影響を与える可能性があるためである。
接着層17の厚みは、30ミクロン以上300ミクロン以下が望ましい。接着層17の厚みが30ミクロン未満の場合、第1のプリント配線板22、第2のプリント配線板26の表面の凹凸等の影響を受けやすく、充分な接着力が得られない場合がある。また、300ミクロンより厚くなった場合、立体プリント配線板13の薄層化(あるいは低背化)が図れない可能性がある。なお、無機フィラーの粒径は1ミクロン以上30ミクロン未満が望ましい。1ミクロン未満の場合、無機フィラーの熱硬化性樹脂への分散が困難となる場合がある。また、粒径が30ミクロンを超えると、接着層17の薄層化が難しくなり、接着層17へレーザ照射等により開口部18aを形成するのに悪影響を与える場合がある。
接着層17における無機フィラーの充填率は、30体積%以上80体積%以下が望ましい。30体積%未満の場合、接着層17の接着ステップにおいて熱硬化性樹脂が、電子部品11bの実装部分等にはみ出したり、滲み出したりする可能性がある。また、80体積%を超えると、接着層17の接着力に影響を与える可能性がある。
接着層17の熱膨張係数は、そのガラス転移温度未満において、4ppm/℃以上65ppm/℃以下が望ましい。熱膨張係数を4ppm/℃より小さくするためには、特殊な無機フィラーを使う必要がある。65ppm/℃より大きくした場合、立体プリント配線板13が歪んだり、反ったりする場合がある。なお、接着層17の熱膨張係数は、第1のプリント配線板22、第2のプリント配線板26より小さいことが望ましい。第1のプリント配線板22、第2のプリント配線板26より、接着層17の熱膨張係数を小さくすることで、出来上がった立体プリント配線板13の反りやうねりを抑えられる。
ガラス転移温度は、JIS C 6481等に示すようなTMA(試験片を室温から10℃/分の割合で昇温させ、熱分析装置にて厚さ方向の熱膨張係数を側定する方法)や、DSC法(試験片を室温から20℃/分の割合で昇温させ、示差操作熱量計にて発熱量を測定する方法)等によって測定可能である。
このように接着層17は、熱硬化性樹脂と、無機フィラーとから構成されたシート状のものであって、その厚みは30ミクロン以上300ミクロン以下である立体プリント配線板13とすることで、接着層17による第1のプリント配線板22および第2のプリント配線板26の接着性を高められる。
また、接着層17や、第1のプリント配線板22、第2のプリント配線板26等にFR4やFR5等の信頼性の高い部材を用いることで、立体プリント配線板13の信頼性を高められる。
以上のように、本実施の形態の立体プリント配線板13は、開口部18を有する第1のプリント配線板22と、開口部18の下に、導電性ペースト25を層間接続部とする導電性ペースト部19を有する接着層17を介して固定した第2のプリント配線板26とから構成される。これにより、背の高い部品であっても、それを開口部18に実装することにより低背化実装することができ、携帯電話等の電子機器の低背化が可能となる。また、保護部20を開口部18に充填することで、第1のプリント配線板22と第2のプリント配線板26との接続強度を高めることができる。更に立体プリント配線板13の機械的強度や剛性を高められる。
本発明によれば、パソコン等のマザーボードに実装する電子部品の低背化実装が可能となり、各種電子機器の小型化、薄層化に有用である。
本発明は、コイル、コンデンサ、半導体、コネクタ、スイッチ等の高さの異なる電子部品の高密度実装に対応できる立体プリント配線板とその製造方法とこれを用いた電子部品モジュールに関するものである。
近年、携帯電話等の小型化、高機能化に伴い、コイル、コンデンサ、半導体、コネクタ、スイッチ等の高さの異なる電子部品を低背化実装することが求められている。
しかしこれら様々な電子部品を低背化実装するためには、一番背の高い電子部品が、低背化を難しくしてしまう。低背化の課題について、図8A、図8Bを用いて説明する。
図8A、図8Bは、共に複数の電子部品をプリント配線板表面に実装する場合の低背化に関する課題を説明するためのプリント配線板の断面図である。以下の説明では、このように用いられる電子部品を表面実装部品(SMD:Surface Mount Device)と呼び、このような実装の方法をSMD実装と呼ぶ。
図8A、図8Bにおいて、電子部品1a、1bは上述した表面実装部品である。電子部品1aは背の低い電子部品、電子部品1bは安価で汎用性はあるが背の高い電子部品である。電子部品1a、1bを、それぞれ接続部2a、2bを介して、プリント配線板3にSMD実装する。
プリント配線板3は、プリント配線板3の表裏面および内部に形成された、銅箔等からなる複数層の配線4と、ガラスエポキシ樹脂等からなる絶縁層5と、複数の配線4をプリント配線板3の内部で接続する層間接続部6とから構成されている。
図8Aは、プリント配線板3の上に、異なる高さの電子部品1a、1bを実装する前の状態を示す断面図である。
図8Bは、プリント配線板3の上に、異なる高さの電子部品1a、1bを実装した後の状態を示す断面図である。図8Bに示すように、従来のプリント配線板3の上に、異なる高さの電子部品1a、1bを実装すると、電子部品1a、1bの背の高さの違いにより、高低差Hが生じる。
このように、図8Bに示すようにSMD実装する場合、安価な汎用であるが背の高い電子部品1bが、低背化を難しくしていた。これに対し、安価な背の高い電子部品1bを、背の低い特殊な電子部品(図示していない)に置き換えることも考えられるが、この場合、製品等のコストに影響を与える可能性がある。
一方、特許文献1〜3では、従来の平面的なプリント配線板の一部にキャビティ部あるいは凹部を形成し、ここに半導体等の高価な電子部品を埋め込める半導体パッケージが提案されている。
しかし、多層プリント配線板の所定位置に階段状のキャビティ部や凹部をくりぬいて形成することは技術的に難しく、高価な半導体部品の実装には使えても、安価な汎用電子部品の実装に使うことは難しかった。
すなわち、従来のプリント配線板では、図8Bで説明したように、異なる高さを有する電子部品1a、1bを表面実装する場合、一番背の高い電子部品があるために、低背化が難しくなっていた。
特開平8−148602号公報 特開平10−178031号公報 特開平11−274736号公報
本発明は、異なる高さを有する電子部品を表面実装する場合、背の高い電子部品があっても低背化を可能とするものである。
本発明は、開口部を有する第1のプリント配線板と、開口部の下に、導電ペースト部を有する接着層を介して第1のプリント配線板に固定した第2のプリント配線板とから構成される。
この構成によれば、第1のプリント配線板に形成した開口部の中に、背の高い電子部品を設けることで、電子部品の厚みを見かけ上、低背化することができる。その結果、安価で汎用の電子部品を用いて、簡単に装置の低背化が可能となる。
本発明の実施の形態における立体プリント配線板の部品実装後の電子部品モジュールを示す断面図 同立体プリント配線板への電子部品の実装方法を示す第1の断面図 同立体プリント配線板への電子部品の実装方法を示す第2の断面図 本実施の形態における立体プリント配線板を示す斜視図 図3Aの3B−3B線断面図 本実施の形態における立体プリント配線板を構成する第1のプリント配線板の製造方法を示す第1の断面図 本実施の形態における立体プリント配線板を構成する第1のプリント配線板の製造方法を示す第2の断面図 本実施の形態における立体プリント配線板を構成する接着シートの製造方法を示す第1の断面図 本実施の形態における立体プリント配線板を構成する接着シートの製造方法を示す第2の断面図 本実施の形態における立体プリント配線板を構成する接着シートの製造方法を示す第3の断面図 本実施の形態における立体プリント配線板を構成する接着シートの製造方法を示す第4の断面図 本実施の形態における立体プリント配線板を構成する接着シートの製造方法を示す第5の断面図 本実施の形態における立体プリント配線板の製造方法を示す第1の断面図 本実施の形態における立体プリント配線板の製造方法を示す第2の断面図 本実施の形態における他の電子部品モジュールを示す断面図 従来のSMD実装した電子部品モジュール示す第1の断面図 従来のSMD実装した電子部品モジュール示す第2の断面図
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお本発明の実施の形態に示された一部の製造ステップは、成形金型等を用いて行われる。但し説明するために必要な場合以外は、成形金型は図示していない。また、図面は模式図であり、各位置関係を寸法的に正しく示したものではない。
(実施の形態)
図1は、本発明の実施の形態における立体プリント配線板の部品実装後の電子部品モジュールを説明する断面図である。図1において、電子部品11aはチップ部品や半導体等の背の低い一般の電子部品である。電子部品11bは、電解コンデンサやタンタルコンデンサ等の背の高い電子部品、あるいは機構系の例えばスイッチやコネクタ等の背の高い電子部品である。すなわち、電子部品11bは、安価で汎用性はあるが、背の高い電子部品である。
図1において、端子部12aは外部電極等の半田付け用の端子部であり、電子部品11aの端子部に相当する。端子部12bは、同じく外部電極等の半田付け用の端子部であり、電子部品11bの端子部に相当する。立体プリント配線板13は、第1のプリント配線部26と第2のプリント配線部22とが、内部に導電ペースト部19を有する接着層17で接着されて一体化されている。第1のプリント配線部26は、複数の配線部(第1の配線部)14aを有する絶縁部15aから構成される。第1のプリント配線部26において、複数の配線部14aは絶縁部15aの表裏面および内部に形成されており、所定の配線部14aは層間接続部16aで接続されている。第2のプリント配線部22は、複数の配線部(第2の配線部)14bを有する絶縁部15bから構成される。第2のプリント配線部22において、複数の配線部14bは絶縁部15bの表面および内部に形成されており、所定の配線部14bは層間接続部16bで接続されている。絶縁部15aの裏面の表層に形成された配線部14aは、絶縁部15bの表面の表層に形成された配線部14bと、接着層17を貫通するように内蔵する導電性ペースト部19により電気的に接続されている。
絶縁部15aには開口部18が形成されており、開口部18には絶縁部15b表面の配線部14bの一部が露出している。すなわち、開口部18の底は、導電性ペースト部19を内蔵した接着層17によって固定された絶縁部15bによってふさがれている。電子部品11bは端子部12bにより、絶縁部15bの表層に形成された配線部14bと接続されている。開口部18には、例えば、エポキシ系やシリコン系の樹脂、あるいはポッティング用の樹脂などを硬化させた保護部20が埋設されている。なお、本実施の形態では、保護部20を開口部18内部全域に埋設させているが、底面部のみ、あるいは一方向部分(例えば、図1の右側部分)のみなど、開口部20の少なくとも一部に埋設されていればよい。これによって、立体プリント配線板13の機械的強度や剛性を高めることができる。
このように、背の高い電子部品11bを開口部18内に設けたことによって、点線で示すように、背の低い電子部品11aとほぼ同じ高さを実現することができる。すなわち、背の高い電子部品11bによってSMD実装の低背化を妨げられることはない。また、保護部20を形成することによって、背の高い電子部品11bの低背化に加えて、立体プリント配線板13の機械的強度や剛性を高めることができる。
なお、図1において、立体プリント配線板13のソルダーレジスト部分や、半田付け部分等は図示していない。
次に、図2A、図2Bを用いて、立体プリント配線板13への電子部品11a、11bの実装方法の一例を説明する。図2A、図2Bは、それぞれ立体プリント配線板13の断面図である。
図2Aは、立体プリント配線板13に形成した開口部18に背の高い電子部品11bを実装する状態を示している。図2Aの矢印21aに示すように、開口部18の下部に露出した絶縁部15bや、絶縁部15bの表層に形成した配線部14bに、電子部品11bの端子部12bを半田等(半田等は図示していない)で実装する。同様に開口部18以外の部分、例えば絶縁部15aの表面の表層に形成した配線部14a等には、背の低い電子部品11aの端子部12aを実装する。こうして、図2Bに示すように、背の低い電子部品11aと略同じ高さとなるように、背の高い電子部品11bを実装する。
図2Bは、開口部18に、保護部20を形成する状態を示している。図2Bに示すように、上述した保護部20を形成する部材、例えば、エポキシ系やシリコン系の樹脂、あるいはポッティング用の樹脂を、矢印21bに示すように流し込み、その後熱などにより硬化させる。なお、必要に応じて、真空充填することで、界面等の気泡の発生を防止できるため、保護部20と立体プリント配線板13との密着性あるいは結着強度を高められる。
このように、保護部20を形成することによって、背の高い電子部品11bの低背化に加えて、立体プリント配線板13の機械的強度や剛性を高めることができる。
図3A、図3Bは、それぞれ、本発明の立体プリント配線板13の一実施の形態を示す斜視図および断面図である。図3Aは、立体プリント配線板13の一部に、開口部18を形成している様子を示している。図3Bは、図3Aの3B−3B線による断面図である。なお、図3Aで絶縁部15a表面の配線部14aなどは省略している。
図3Bに示すように、立体プリント配線板13は、一部に開口部18を有している。開口部18の底には、配線部14bを有した絶縁部15bが、導電性ペースト部19を有する接着層17で固定している。
次に、本実施の形態で説明した立体プリント配線板13の製造方法の一例について説明する。
本実施の形態では、図1〜図3Bに示す立体プリント配線板13を、複数のプリント配線板を組み合わせて製造する方法について、図4A〜図6Bを用いて説明する。
図4A、図4Bは、第1のプリント配線板22に開口部18を形成する方法を説明するための第1のプリント配線板22の断面図である。
図4Aに示すように、第1のプリント配線板22は、複数層の銅箔等からなる配線部14aと、配線部14a間を接続する層間接続部16aと、複数層の配線部14aを絶縁する絶縁部15aからなる。なお絶縁部15aとしては、ガラスエポキシ樹脂等を用いることができる。また、層間接続部16aは、例えば銅めっき等によるビアに相当する。このような構成の第1のプリント配線板22に、図4Bに示すように、金型やレーザなどを用いて開口部18を形成する。これにより、開口部18を有する第1のプリント配線板22が得られる。
図5A〜図5Eは、導電性ペースト25を内蔵する接着層17を製造する方法を説明するための、接着シート23の断面図である。
まず、図5Aに示すように、接着層17の両面をフィルム24で保護して接着シート23を形成する。接着層17の両面を保護することで、接着層17への汚れ付着を防止し、接着シート23の取り扱い性も改善する。
次に、図5Bに示すように、接着シート23の所定部分に開口部18aを形成する。開口部18aは、レーザ(例えば、炭酸ガスレーザ、YAGレーザ)や金型で形成できる。なお、開口部18aの大きさは、30ミクロン以上300ミクロン以下が望ましい。30ミクロン未満の場合、導電性ペースト25を開口部18aへ十分に充填できないなどの充填性に影響を与える場合がある。また、300ミクロンを超えると、後述する第2のプリント配線板26(図6B参照)への電気接続部分の微細化に影響を与える場合がある。
次に、図5Cに示すように、接着シート23の開口部18aに、導電性ペースト25を充填する。なお、導電性ペースト25は、スキージ(例えば、ゴム製のヘラ状のもの)等を用いて、開口部18に充填することができる。導電性ペースト25が接着層17の所定部分に充填され、図1や図2A、図2Bに示す導電性ペースト部19となる。
次に、図5Dに示すように、導電性ペースト25を充填した接着シート23に、開口部18bを形成する。開口部18bは、金型やレーザ等を用いて形成できる。
次に、図5Eに示すように、開口部18bを形成した接着シート23から、フィルム24を剥離する。図5Eに示すように、フィルム24を除去することで、接着層17の表面に、フィルム24の厚み分だけ導電性ペースト25を盛り上げることができる。なお、この盛り上げによって、後述する第1のプリント配線板22と第2のプリント配線板26(図6参照)での互いの配線同士の電気接続性を高める効果が得られる。
なお、図5Eにおいて、接着層17からのフィルム24の剥離は、一度に行う必要はない。例えば、接着層17の片面のフィルム24だけを剥離し、これを後述する第1のプリント配線板22や第2のプリント配線板26(図6参照)の表面に貼り付け、その後で残ったフィルム24を剥離しても良い。このようにすることで、接着層17の取り扱い性を高められ、貼り付け時の位置精度も高められる。
図6A、図6Bは、第1のプリント配線板22と第2のプリント配線板26とを接着層17を介して固定し、図3A、図3Bに示す立体プリント配線板13を製造する方法を説明するための図である。
図6Aに示すように、第2のプリント配線板26は、表面および内部にそれぞれ1層の配線部14bを有する絶縁部15bから構成されている。また、第2のプリント配線板26の大きさは、第1のプリント配線板22より小さく、開口部18より大きい。また、第2のプリント配線板26の厚さは、第1のプリント配線板22より薄い。
図6Aの矢印21cに示すように、プレスや金型(図示していない)を用いて、第1のプリント配線板22と第2のプリント配線板26とを、導電性ペースト25を埋め込んだ接着層17を介して互いに押し付ける。
これにより、図6Bに示すように、第1のプリント配線板22と第2のプリント配線板26とが、導電性ペースト25を埋め込んだ接着層17を介して一体化される。図6Bに示す積層ステップにおいて、これら部材を加熱することで、接着層17の成分である接着剤が軟化し、第1のプリント配線板22や第2のプリント配線板26の表面に密着し、その状態で硬化する。同時に接着層17を貫通する導電性ペースト25は、第1のプリント配線板22の配線部14aと、第2のプリント配線板26の配線部14bとの間を電気的に接続した状態で硬化し、立体プリント配線板13となる。
これにより、開口部18の内部に実装した電子部品11bと、第1のプリント配線板22の表層に形成した配線部14aと、第2のプリント配線板26の表層に形成した配線部14bとは、導電性ペースト部19を介して電気的に接続される。したがって、背の高い電子部品11bを開口部18の内部の配線部14bに実装することにより、第1のプリント配線板26の配線部14aと第2のプリント配線板22の配線部14bと電子部品11bとが電気的に接続される。
なお、開口部18の中に実装する電子部品11bは、複数個としても良いし、背の低い電子部品11aが含まれていてもよい。
また、第2のプリント配線板26は、図6A、図6Bに図示したような、表面および内部にそれぞれ1層の配線部14bを片面のみに形成した状態に限定する必要は無い。例えば、図4Aに示す第1プリント配線板22と同様に、第2のプリント配線板26を、ガラスエポキシ樹脂や層間接続部16等からなる多層プリント配線板とすることで、配線パターンの設計自由度を高められる。
また、逆に、第2のプリント配線板26は、図7に示すように、表面にのみ配線部14bが形成された絶縁部15bで構成されていてもよい。簡素な配線パターンの場合や、電子部品11bの背が高くて第1のプリント配線板26を厚くしてその内部に多層の配線部14aを形成することができる場合などは、第2のプリント配線板26を薄くできる。
ところで、第2のプリント配線板26の方が、開口部18より小さい場合、開口部18への電子部品11の実装性に影響を与える場合がある。第2のプリント配線板26が、第1のプリント配線板22より大きくなった場合、コストに影響を与える可能性がある。第2のプリント配線板26を、開口部18より2mm以上(望ましくは、5mm以上)大きくすることで、第2のプリント配線板26と第1のプリント配線板22との電気的接続性を高められる。
第1のプリント配線板22と第2のプリント配線板26の位置決めには、ピン(例えば、金属等の小さな突起状のもの)を用いることができる。また、第2のプリント配線板26の一部に絶縁部15b等で突起(図示していない)を形成しておくことで、この突起と開口部18との位置合わせを行っても良い。
本実施の形態のように、第1のプリント配線板22の厚みより、第2のプリント配線板26の厚みを薄くすることが望ましい。これは第1のプリント配線板22の厚みより、第2のプリント配線板26の厚みが厚い場合、背の高い電子部品11bを開口部18に隠す意味がないからである。
開口部18の大きさは、2mm角以上30mm角以下が望ましい。2mm角以下では、開口部18の内部への電子部品11の実装は難しい場合がある。また、30mm角を超えると、開口部18を第1のプリント配線板22に形成することはコストに影響を与える可能性がある。
導電性ペースト25は、例えば導電粉(金や銀、銅のような金属粉等の導電性を有する粉)をエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂に60体積%以上98体積%以下の割合で分散したものが望ましい。60体積%未満の場合、導電性が低下する場合がある。98体積%を超えた分散は技術的に難しい。なお導電性ペースト25は、導電粉を樹脂で接着するもの以外に、低融点金属粉(例えば、300℃以下の半田や低融点合金粉末)で構成しても良い。融点が300℃より大きい材料を用いた場合、第1のプリント配線板22や第2のプリント配線板26、接着層17等を構成する樹脂材料に熱変形などの影響を与える場合がある。ただし、融点が200℃未満の材料はコストアップにつながる。なお、これら導電粉や低融点金属粉の粒径は0.1ミクロン以上30ミクロン以下が望ましい。0.1ミクロン未満の場合、分散が難しい場合がある。また、30ミクロンを超えると、接着層17に形成する導電性ペースト部19の微細化あるいは小径化に影響を与える場合がある。
ところで、接着層17としては、アルミナや酸化ケイ素等の無機フィラーを熱硬化性樹脂の中に分散してなるシート状のものとすることが望ましい。接着層17をシート状とすることで、接着層17の厚みバラツキを抑え、接着層17にレーザ等で開口部18aを形成し、その中に導電性ペースト25等の層間接続用の部材を充填しやすくできる。なお、接着層17を構成する熱硬化性樹脂として、エポキシ樹脂を用いることで、立体プリント配線板13としての信頼性を高められる。
また、必要に応じて熱硬化性樹脂の中に所定の熱可塑性樹脂を添加することで、加熱時の流動性を抑制できる。例えば、加熱条件や加熱プロファイルによっては、熱可塑性樹脂が直ぐに軟化し、接着層17から外に流れ出したり、滲み出したりする場合がある。こうした場合、PPS(ポリフェニレンサルファイド)や、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)、PES(ポリエーテルサルフォン)等の熱可塑性樹脂を、熱硬化性樹脂に対して5重量%以上30重量%以下の割合で添加することが望ましい。これは、5重量%未満の場合、添加効果が得られない場合があり、30重量%を超えると、熱硬化性樹脂の割合が低下する分、接着力や信頼性に影響を与える可能性があるためである。
接着層17の厚みは、30ミクロン以上300ミクロン以下が望ましい。接着層17の厚みが30ミクロン未満の場合、第1のプリント配線板22、第2のプリント配線板26の表面の凹凸等の影響を受けやすく、充分な接着力が得られない場合がある。また、300ミクロンより厚くなった場合、立体プリント配線板13の薄層化(あるいは低背化)が図れない可能性がある。なお、無機フィラーの粒径は1ミクロン以上30ミクロン未満が望ましい。1ミクロン未満の場合、無機フィラーの熱硬化性樹脂への分散が困難となる場合がある。また、粒径が30ミクロンを超えると、接着層17の薄層化が難しくなり、接着層17へレーザ照射等により開口部18aを形成するのに悪影響を与える場合がある。
接着層17における無機フィラーの充填率は、30体積%以上80体積%以下が望ましい。30体積%未満の場合、接着層17の接着ステップにおいて熱硬化性樹脂が、電子部品11bの実装部分等にはみ出したり、滲み出したりする可能性がある。また、80体積%を超えると、接着層17の接着力に影響を与える可能性がある。
接着層17の熱膨張係数は、そのガラス転移温度未満において、4ppm/℃以上65ppm/℃以下が望ましい。熱膨張係数を4ppm/℃より小さくするためには、特殊な無機フィラーを使う必要がある。65ppm/℃より大きくした場合、立体プリント配線板13が歪んだり、反ったりする場合がある。なお、接着層17の熱膨張係数は、第1のプリント配線板22、第2のプリント配線板26より小さいことが望ましい。第1のプリント配線板22、第2のプリント配線板26より、接着層17の熱膨張係数を小さくすることで、出来上がった立体プリント配線板13の反りやうねりを抑えられる。
ガラス転移温度は、JIS C 6481等に示すようなTMA(試験片を室温から10℃/分の割合で昇温させ、熱分析装置にて厚さ方向の熱膨張係数を側定する方法)や、DSC法(試験片を室温から20℃/分の割合で昇温させ、示差操作熱量計にて発熱量を測定する方法)等によって測定可能である。
このように接着層17は、熱硬化性樹脂と、無機フィラーとから構成されたシート状のものであって、その厚みは30ミクロン以上300ミクロン以下である立体プリント配線板13とすることで、接着層17による第1のプリント配線板22および第2のプリント配線板26の接着性を高められる。
また、接着層17や、第1のプリント配線板22、第2のプリント配線板26等にFR4やFR5等の信頼性の高い部材を用いることで、立体プリント配線板13の信頼性を高められる。
以上のように、本実施の形態の立体プリント配線板13は、開口部18を有する第1のプリント配線板22と、開口部18の下に、導電性ペースト25を層間接続部とする導電性ペースト部19を有する接着層17を介して固定した第2のプリント配線板26とから構成される。これにより、背の高い部品であっても、それを開口部18に実装することにより低背化実装することができ、携帯電話等の電子機器の低背化が可能となる。また、保護部20を開口部18に充填することで、第1のプリント配線板22と第2のプリント配線板26との接続強度を高めることができる。更に立体プリント配線板13の機械的強度や剛性を高められる。
本発明によれば、パソコン等のマザーボードに実装する電子部品の低背化実装が可能となり、各種電子機器の小型化、薄層化に有用である。
11a,11b 電子部品
12a,12b 端子部
13 立体プリント配線板
14a,14b 配線部
15a,15b 絶縁部
16a,16b 層間接続部
17 接着層
18,18a,18b 開口部
19 導電性ペースト部
20 保護部
22 第1のプリント配線板
23 接着シート
24 フィルム
25 導電性ペースト
26 第2のプリント配線板

Claims (12)

  1. 開口部を有する第1のプリント配線板と、前記開口部の下に、導電ペースト部を有する接着層を介して前記第1のプリント配線板に固定した第2のプリント配線板とからなる立体プリント配線板。
  2. 前記第2のプリント配線板は、前記第1のプリント配線板より小さく、前記開口部より大きい請求項1記載の立体プリント配線板。
  3. 前記第2のプリント配線板は、前記第1のプリント配線板より厚みが薄い請求項1記載の立体プリント配線板。
  4. 前記第1のプリント配線板が表面に第1の配線部を有し、前記第2のプリント配線板が表面に第2の配線部を有し、前記接着層の導電ペースト部を介して前記第1の配線部と前記第2の配線部とが電気的に接続された請求項1記載の立体プリント配線板。
  5. 前記接着層は、熱硬化性樹脂と無機フィラーとから構成されたシート状であって、30ミクロン以上300ミクロン以下の厚さを有する請求項1記載の立体プリント配線板。
  6. 前記開口部の少なくとも一部を埋める保護部を有する請求項1記載の立体プリント配線板。
  7. 第1のプリント配線板に開口部を形成するステップと、前記第1のプリント配線板の前記開口部に、導電ペーストを有する接着層を介して、前記開口部より大きく、前記第1のプリント配線板より小さい第2のプリント配線板を固定するステップとを備えた立体プリント配線板の製造方法。
  8. 前記第1のプリント配線板が表面に第1の配線部を有し、前記第2のプリント配線板が表面に第2の配線部を有し、前記接着層の導電ペーストを介して前記第1の配線部と前記第2の配線部とを電気的に接続するステップをさらに備えた請求項7記載の立体プリント配線板の製造方法。
  9. 前記開口部の少なくとも一部を保護部で埋めるステップをさらに備えた請求項7記載の立体プリント配線板の製造方法。
  10. 開口部を有する第1のプリント配線板、および前記開口部の下に、導電ペースト部を有する接着層を介して前記第1のプリント配線板に固定した第2のプリント配線板からなる立体プリント配線板と、
    前記立体プリント配線板の前記開口部内の前記第2のプリント配線板に実装した電子部品とからなる電子部品モジュール。
  11. 前記第1のプリント配線板が表面に第1の配線部を有し、前記第2のプリント配線板が表面に第2の配線部を有し、前記接着層の導電ペースト部を介して前記第1の配線部と前記第2の配線部とが電気的に接続され、前記電子部品が前記第2配線部と電気的に接続された請求項10記載の電子部品モジュール。
  12. 前記開口部の少なくとも一部を埋める保護部をさらに有する請求項10記載の電子部品モジュール。
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