TWI501716B - 放熱基板之製造方法 - Google Patents

Description

放熱基板之製造方法

本發明係關於例如車輛之電性控制機器或家庭用機器或LED(Light Emitting Diode：發光二極體)零件或工業用機器所使用之放熱基板之製造方法。

電子電路中之半導體元件有因高密度化或高電流化而發熱量增加之傾向。尤其係使用si之半導體，當周圍溫度成為100℃以上時，會出現錯誤動作、故障。作為此種半導體元件等發熱零件，有例如IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：絕緣閘雙極電晶體)或IPM(Intelligent Power Module：智慧型功率模組)等開關元件。

為了有效地冷卻發熱零件，使用於相對基板與零件之安裝面相反之側形成有放熱路徑之放熱基板。具體而言，將自發熱零件產生之熱傳導至基板之背面側(與零件搭載面(安裝面)為相反側)，於背面側使用散熱器等進行冷卻。

作為放熱路徑之形成技術，有例如於形成於基板之通孔內配設包含導熱率較高之金屬(Cu、Al等)之導熱構件，並將該導熱構件固定於通孔內之方法。將金屬固定於通孔係以藉由壓入或塑性變形之密著、藉由接著劑或焊錫之接合等進行(例如參照專利文獻1)。且，發熱零件之放熱係藉由將導熱構件與發熱零件連接而將自零件產生之熱經由導熱構件(例如柱狀之銅)放熱至外部而進行。

[先前技術文獻] [專利文獻]

專利文獻1：日本特開2010-263003號公報

然而，當藉由壓入將導熱構件固定於通孔內時，由於隨著壓入產生應力，故有於形成基板之絕緣層之預浸體(包含玻璃布與環氧樹脂之複合材料)產生龜裂之虞。

又，當藉由塑性變形將導熱構件固定於通孔內時，於插入通孔內時使導熱構件之直徑較通孔之直徑更小，於插入後藉由加壓使其塑性變形而固定。此時，若導熱構件與通孔之中心位置偏移，則有產生隙縫之虞。又，於用以產生導熱構件之塑性變形之壓力較大之情形時，導熱構件向徑向擴展之塑性變形量並不固定，而仍有於導熱構件與通孔之間產生隙縫之虞。此種隙縫之存在因用於安裝發熱零件之焊錫浸透而導致異常。又，於未產生隙縫之部分，由於較強之應力相對於基板起作用，故有導致絕緣層破壞之虞。

本發明係考慮到上述先前技術者，目的在於提供一種放熱基板之製造方法，其係於進行塑性變形將導熱構件固定於通孔內之情形時，亦不會因導熱構件具有之應力使基板遭受破壞或產生龜裂。

為了達成上述目的，根據本發明，提供一種放熱基板之製造方法，其特徵在於包含：基板中間體形成步驟，其係形成基板中間體，該基板中間體係於包含絕緣樹脂材料之絕緣層中，形成有包含導電材料之導電層；通孔形成步驟，其係形成貫通上述基板中間體之大致圓柱形狀之通孔；插入步驟，其係於上述通孔內插入並配置包含金屬之大致圓柱形狀之導熱構件；及塑性變形步驟，其係使上述導熱構件塑 性變形並固定於上述通孔內；且於上述插入步驟前，進行使上述導熱構件退火之退火步驟。

較佳的是，上述塑性變形步驟係於上述基板中間體之一側以閉塞上述通孔之方式配置支持板，且自上述基板中間體之另一側將按壓片推抵至上述導熱構件之推抵面，以按壓之方式來進行，上述按壓片所產生之按壓力較相對於上述通孔之貫通方向垂直之方向上之上述絕緣層之壓縮斷裂應力更小。

較佳的是，於上述插入步驟中，將上述導熱構件插入上述通孔時，於上述導熱構件之外周面與上述通孔之內壁面之間形成100μm以下之隙縫，且上述導熱構件之體積相對於上述通孔內之空間體積為100%~110%。

較佳的是，於上述塑性變形步驟中，將上述按壓片推抵至上述導熱構件時，上述按壓片收斂於上述推抵面之外緣以內之範圍。

根據本發明，由於在插入步驟前，預先進行使導熱構件退火之退火步驟，故可去除具有導熱性之材料所具有之內部應力。又，由於藉由使導熱構件退火可降低耐力，故可設定為以塑性變形步驟中不會破壞基板中間體之按壓力使導熱構件塑性變形，從而可不破壞基板中間體而使導熱構件塑性變形並固定於通孔內。又，由於可設定耐力，故可掌握膨脹塑性變形開始之變形量之情形時之導熱構件之大小。因此，可於塑性變形步驟中使導熱構件塑性變形時於其與通孔之間不會產生隙縫而確實地固定。

又，由於使塑性變形步驟中按壓片所產生之按壓力較相對於通孔之貫通方向垂直之方向上之絕緣層之壓縮斷裂應力更小，故即便按壓力直接傳導至絕緣層，亦不會於絕緣層中產生龜裂等。

又，藉由將塑性變形前之導熱構件與通孔之間之隙縫設為100 μm以下，在按壓導熱構件時，導熱構件與通孔於均等地朝外側擴展之範圍內接觸。即，自按壓方向觀察，導熱構件仍保持圓形狀，均等地朝外側擴展。進而，藉由將導熱構件之體積設為相對於通孔內之空間體積為100%~110%，可使導熱構件與通孔確實無隙縫地密著。

又，於塑性變形步驟中，將按壓片推抵至導熱構件時，由於按壓片係收斂於推抵面之外緣以內之範圍，故按壓片所產生之按壓力不會直接作用於基板中間體。因此，可防止破壞基板中間體。又，於導熱構件之體積較小，而導熱構件之整個周面不密著於通孔之情形時，由於可將按壓片嵌入導熱構件進而朝徑向擴張導熱構件，故亦可實現導熱構件相對於通孔之確實之固定。

1‧‧‧基板中間體

2‧‧‧導電層

3‧‧‧絕緣層

4a‧‧‧單面板

4b‧‧‧兩面板

5‧‧‧通孔

6‧‧‧鍍敷膜

7‧‧‧導熱構件

8‧‧‧支持板

9‧‧‧按壓片

10‧‧‧推抵面

11‧‧‧導體圖案

12‧‧‧阻焊劑

13‧‧‧零件

14‧‧‧焊盤

15‧‧‧放熱基板

16‧‧‧焊錫

17‧‧‧導熱片

18‧‧‧散熱器

19‧‧‧蓋鍍敷

G‧‧‧隙縫

P‧‧‧箭頭符號

S1‧‧‧基板中間體形成步驟

S2‧‧‧通孔形成步驟

S3‧‧‧鍍敷步驟

S4‧‧‧形狀形成步驟

S5‧‧‧退火步驟

S6‧‧‧排列步驟

S7‧‧‧插入步驟

S8‧‧‧塑性變形步驟

S9‧‧‧蓋鍍敷步驟

S10‧‧‧電路形成步驟

S11‧‧‧阻焊劑塗布步驟

S12‧‧‧焊盤形成步驟

S13‧‧‧零件搭載步驟

圖1係本發明之放熱基板之製造方法之流程圖。

圖2係按順序說明本發明之放熱基板之製造方法之概略圖。

圖3係按順序說明本發明之放熱基板之製造方法之概略圖。

圖4係按順序說明本發明之放熱基板之製造方法之概略圖。

圖5係按順序說明本發明之放熱基板之製造方法之概略圖。

圖6係按順序說明本發明之放熱基板之製造方法之概略圖。

圖7係按順序說明本發明之放熱基板之製造方法之概略圖。

圖8係按順序說明本發明之放熱基板之製造方法之概略圖。

圖9係按順序說明本發明之放熱基板之製造方法之概略圖。

圖10係按順序說明本發明之放熱基板之製造方法之概略圖。

圖11係按順序說明本發明之放熱基板之製造方法之概略圖。

圖12係按順序說明本發明之放熱基板之製造方法之概略圖。

一面參照圖1之流程圖，一面對本發明之放熱基板之製造方法進行說明。基板中間體形成步驟(步驟S1)~鍍敷步驟(步驟S3)與形狀形 成步驟(步驟S4)~排列步驟(步驟S6)係既可先進行任一者，亦可同時進行。

於基板中間體形成步驟(步驟S1)中，製造如圖2所示之基板中間體1。於圖1之例中，基板中間體1係所謂4層基板，包含成為導體圖案之導電材料之導電層2，係介隔絕緣層3而形成有4層。詳言之，使用2片僅於絕緣層3之單面形成有導電層2之所謂單面板4a，將於絕緣層3之兩面形成有導電層2之所謂兩面板4b夾住，藉由將其積層而成為4層之多層板。此處，絕緣層3包含絕緣樹脂材料，例如預浸體。導電層2包含導電材料，例如銅。基板中間體1只要積層有該絕緣層3與導電層2，則其積層片數可適當選擇。

接著，進行通孔形成步驟(步驟S2)。於該步驟中，如圖3所示，形成貫通基板中間體1之通孔5。該通孔5係使用例如鑽孔器或雷射等穿設。穿設後之孔形狀為大致圓柱形狀，因此於穿設方向上觀察時，通孔5之內壁面呈現圓形。

接著，進行鍍敷步驟(步驟S3)。於該步驟中，對形成有通孔5之基板中間體1實施鍍敷處理。由於該鍍敷處理係對基板中間體1之整個表面實施，故藉由鍍敷處理析出之鍍敷膜6係如圖4所示，形成於基板中間體1之兩面與通孔5之內壁面。如此，由於鍍敷膜6覆蓋基板中間體1及通孔5之整個面，故即便於鍍敷處理後被鍍敷膜6覆蓋，外形上亦與基板中間體1及通孔5大致相同。因此，對於基板中間體1之表面或通孔5之內壁面，於介存有鍍敷膜6之狀態下，有時亦稱為基板中間體1之表面、通孔5之內壁面。

另一方面，進行形狀形成步驟(步驟S4)。該形狀形成步驟係形成插入通孔5內之導熱構件7之形狀之步驟。即，對金屬製之板材或棒材進行機械加工使成為大致圓柱形狀之步驟。例如，藉由以成為大致圓柱形狀之方式將金屬板穿孔，或將長形之大致圓柱形狀之棒材適當切 斷成特定長度，而可獲得導熱構件7之形狀。作為導熱構件7之材料，可使用具有傳熱性之金屬材料，例如銅。

接著，進行退火步驟(步驟S5)。於該步驟中，使步驟S4中所獲得之導熱構件7退火。具體而言，於惰性氣體中加熱導熱構件7，其後進行冷卻。此處，退火後導熱構件7成為0.2%耐力在10MPa以下。然後，進行排列步驟(步驟S6)。該步驟係以使經退火之複數個導熱構件7分別對準基板中間體1之通孔5之位置之方式進行定位之步驟。該導熱構件7之排列係使導熱構件7分別進入預先於對應於通孔5之位置之位置上設置有凹部之支持材而定位者。此時，藉由使支持材振動而導熱構件7自動進入凹部。該排列步驟係使用市售之排列機進行。

然後，進行插入步驟(步驟S7)。於該步驟中，於通孔5內插入導熱構件7。因此，如圖5所示，導熱構件7成為配置於通孔5內之狀態。此時，導熱構件7之外周面與通孔5(於圖5之例中為通孔5內之鍍敷膜6)之內壁面之間形成有100μm以下之隙縫G。且，導熱構件7之體積相對於通孔5內之空間體積(於圖5之例中為通孔5內之鍍敷膜6內之空間體積)成為100%~110%。因此，由於導熱構件7之直徑小於通孔5之直徑，故導熱構件7自通孔5露出。如此，導熱構件7之外徑小於通孔5(於圖5之例中為以鍍敷膜6所形成之通孔)之內徑。藉此，導熱構件7之插入時不會壓入通孔5中。因此，插入時基板中間體1不會損傷。

接著，進行塑性變形步驟(步驟S8)。經過該塑性變形步驟，將導熱構件7固定於通孔5內，而製造放熱基板15。為了使導熱構件7塑性變形，將基板中間體1安置於壓制機。壓制機中具備支持板8，將基板中間體1載置於該支持板8上。即，支持板8係於基板中間體1之一側以閉塞通孔5之方式配置。於該狀態下，自配置有支持板8之另一側將按壓片9推抵至導熱構件7。具體而言，如圖6所示，導熱構件7自通孔5突出之側之端面成為推抵面10，將按壓片9推抵至該推抵面10。按壓 片9進而將導熱構件7朝通孔5之縱長方向、即箭頭符號P方向按壓。

藉由按壓片9之按壓，導熱構件7與支持板8碰觸，且藉由進一步按壓而朝外側擴張。即，導熱構件7朝徑向拓寬而接觸通孔5之內壁面。當超過0.2%耐力受到按壓時金屬製之導熱構件7塑性變形，且如圖7所示般密著於通孔5內而固定。

此時，由於在上述插入步驟前，預先進行使導熱構件7退火之退火步驟，故可去除具有導熱性之材料所具有之內部應力，而設定如上述之耐力。即，成為導熱構件7之材料係藉由退火步驟而耐力降低。因此，可設定為以塑性變形步驟中不會破壞基板中間體1之按壓力使導熱構件7塑性變形，從而可不破壞基板中間體1而使導熱構件7塑性變形並固定於通孔5內。又，由於可藉由退火步驟設定耐力，故可掌握膨脹塑性變形開始之變形量之情形時之導熱構件7之大小。因此，由於可將該膨脹量列入考慮而設定通孔5之內徑，故可於塑性變形步驟中使導熱構件7塑性變形時於其與通孔5之間不產生隙縫而確實地固定。尤其，藉由將如上述之隙縫G較窄地設定為100μm以下，導熱構件7仍保持正圓性(自按壓方向觀察仍保持圓形狀而均等地)朝徑向拓展，於如此般均等地朝外側拓展之過程中，導熱構件7與通孔5接觸。為了使導熱構件7確實地接觸通孔5之內壁面，如上述般，使導熱構件7之體積相對於通孔5內之空間體積為100%~110%。藉由設為此種體積，可使導熱構件與通孔確實無隙縫地密著。

關於將隙縫G設為100μm以下，若進一步說，則於0.2%耐力為10MPa以下之包含銅圓柱之導熱構件7之情形時，若藉由按壓片9進行按壓而塑性變形，則自按壓方向觀察時之導熱構件7之正圓性降低。此時，由於以10%之變形量自導熱構件7之中心至外緣出現100μm之差，故塑性變形步驟中於導熱構件7產生之變形量較佳為10%以下。於此種變形量中，當隙縫G為100μm以上時，結果正圓性因按壓而進 一步崩壞，且導致插入步驟中插入導熱構件7時其與通孔5之中心位置較大地偏移，而於按壓後於導熱構件7與通孔5中產生不密著之部分。因此，可以說隙縫G較佳為100μm以下。再者，若預先將隙縫G設為100μm以下，則即便萬一於導熱構件7之塑性變形後與通孔5存在間隔，該間隔為數十μm左右，可藉由鍍敷處理充分封塞該間隔，因此，亦可容易地進行萬一之情形之後處理(後述之蓋鍍敷步驟)。

又，按壓片9所產生之按壓力係設定為較相對於通孔5之貫通方向(縱長方向)垂直之方向上之絕緣層3之壓縮斷裂應力更小。藉由如此，即便按壓力直接傳導至絕緣層，亦不會於絕緣層3中產生龜裂等。若進而將該按壓力設定為較形成於通孔5之內壁面之鍍敷膜6之壓縮斷裂應力更小，則亦不會對通孔5內之鍍敷膜6帶來影響。具體而言，由於鍍敷膜6之壓縮斷裂應力為約300MPa，包含預浸體之絕緣層3之壓縮斷裂應力為250MPa~350MPa，故按壓片9所產生之按壓力較佳為250MPa以下。

又，如參照圖6可明瞭般，按壓片9係收斂於推抵面10之外緣以內之範圍。即，按壓時按壓片9未自推抵面10露出至外側。因此，即便按壓片9到達至基板中間體1之表面之線，按壓片9亦不會與基板中間體1之表面碰觸。換言之，按壓片9所產生之按壓力不會直接作用於基板中間體。因此，可防止塑性變形步驟中基板中間體1受到破壞。又，即便於導熱構件7之體積較小，將按壓片9按下至基板中間體1之表面之線並加以按壓，導熱構件7之整個周面亦不會密著於通孔之情形時，亦可將按壓片9嵌入導熱構件7，並進而將導熱構件7朝徑向擴張。因此，可實現導熱構件7之相對於通孔5之確實固定。該按壓片9之按壓係藉由將按壓片9利用往復運動敲打導熱構件7而進行。即，對導熱構件7實施動態之塑性變形處理。該動態塑性變形處理，與靜態者相比較瞬間施加之應力較大。使按壓片9不直接觸碰基板中間體1， 亦是為了不使此種較大之按壓應力作用於基板中間體1，以防止基板中間體1遭破壞。

塑性變形步驟中自通孔5露出之導熱構件7之部分，係藉由磨輪研磨等物理研磨，而加工成與基板中間體1之表面齊平。

接著，進行蓋鍍敷步驟(步驟S9)。該步驟如圖8所示般，係於塑性變形步驟中導熱構件7與形成於通孔5之內壁面之鍍敷膜6不完全密著，存在間隔之情形時進行。具體而言，係藉由對放熱基板15實施鍍銅處理，形成蓋鍍敷19。此時，蓋鍍敷19亦填充於該間隔。藉由該蓋鍍敷步驟，導熱構件7與通孔5之間完全密封。藉此，可完全防止後步驟中用於搭載零件之焊錫通過間隔滲入通孔5內。由於藉由謀求防止焊錫滲入，可防止用於搭載零件之焊錫量減少，亦可防止焊錫滲入並自相反側之面突出，故亦可確保相反側之面之平坦性。蓋鍍敷19係可適當去除。另，於以下之圖中，為了方便，省略記載蓋鍍敷19。

接著，進行電路形成步驟(步驟S10)。於該步驟中，以蝕刻處理等去除形成於放熱基板15之表面之鍍敷膜6，而形成如圖9所示之導體圖案11。

然後，進行阻焊劑塗布步驟(步驟S11)。於該步驟中，如圖10所示，對放熱基板15之兩面塗布包含絕緣體之阻焊劑12。

然後，進行焊盤形成步驟(步驟S12)。於該步驟中，如圖11所示，去除阻焊劑12之一部分，使用以搭載電性或電子零件13之區域露出為焊盤14。另，焊盤14係分別對應於放熱基板15之兩面而形成。該阻焊劑12之去除係於150℃之環境下花費約1小時進行。該溫度雖超過包含預浸體之絕緣層3之玻璃轉移溫度Tg(140℃)，但由於如上述般對導熱構件7進行退火步驟，故導熱構件7中不存在較強之內部應力，因此不會於絕緣層3中產生龜裂。

然後，進行零件搭載步驟(步驟S13)。於該步驟中，如圖12所 示，經由焊錫16於焊盤14上搭載零件13。藉此，零件13與導熱構件7經由焊錫16熱連接。即，確保自零件13所產生之熱之放熱路徑。另，亦可不使用焊錫16而使用其他具有傳熱性之樹脂或傳熱片等將零件13與導熱構件7熱連接。於與搭載有零件13之面為相反側之面之焊盤14，貼附包含導電性材料之片狀之導熱片17。與該導熱片17相接，安裝散熱器18。

S1‧‧‧基板中間體形成步驟

S2‧‧‧通孔形成步驟

S3‧‧‧鍍敷步驟

S4‧‧‧形狀形成步驟

S5‧‧‧退火步驟

S6‧‧‧排列步驟

S7‧‧‧插入步驟

S8‧‧‧塑性變形步驟

S9‧‧‧蓋鍍敷步驟

S10‧‧‧電路形成步驟

S11‧‧‧阻焊劑塗布步驟

S12‧‧‧焊盤形成步驟

S13‧‧‧零件搭載步驟

Claims (2)

1. 一種放熱基板之製造方法，其特徵在於包含：基板中間體形成步驟，其係形成基板中間體，該基板中間體係於包含絕緣樹脂材料之絕緣層中，形成有包含導電材料之導電層；通孔形成步驟，其係形成貫通上述基板中間體之大致圓柱形狀之通孔；插入步驟，其係於上述通孔內插入並配置包含金屬之大致圓柱形狀之導熱構件；及塑性變形步驟，其係使上述導熱構件塑性變形並固定於上述通孔內；且於上述插入步驟前，進行使上述導熱構件退火之退火步驟；上述塑性變形步驟係於上述基板中間體之一側以閉塞上述通孔之方式配置支持板，且自上述基板中間體之另一側將按壓片推抵至上述導熱構件之推抵面，以按壓之方式來進行；於上述塑性變形步驟中，將上述按壓片推抵至上述導熱構件時，上述按壓片收斂於上述推抵面之外緣以內之範圍，且上述按壓片之直徑小於用於固定上述導熱構件之上述通孔之直徑。
2. 如請求項1之放熱基板之製造方法，其中於上述插入步驟中，將上述導熱構件插入上述通孔時，於上述導熱構件之外周面與上述通孔之內壁面之間形成100μm以下之隙縫，且上述導熱構件之體積相對於上述通孔內之空間體積為100%~110%。