JP2007519219A - プリント回路基板製造用の軟磁性材料 - Google Patents

Abstract

本発明は、プリント回路基板の製作の際に使用される軟磁性材料に関する。プリント磁性回路基板の製作処理の間、軟磁性層は、製作後にこの層が、PCBの統合部分を形成するように使用される。特に軟磁性層は、適当な回路構造とともに、誘導部品を構成するように形成される。本発明の態様では、軟磁性層の高分子マトリクスは、PCBの製作処理中に使用される材料および／または処理プロセスと適合する。

Description

本発明は、プリント回路基板およびプリント回路基板を製作するための材料に関する。特に本発明は、プリント回路基板の製作に使用する材料、プリント回路基板およびプリント回路基板を製作する方法に関する。

独国特許出願第101 39 707A1号には、少なくとも一つの誘電体層を有するプリント回路基板（PCB）が示されており、この誘電体層の両面には、第1の領域において相互に対向するようにキャパシタ電極が配置される。また、第1の領域と隣接する第2の領域の少なくとも一つの面には、いくつかの平坦窓が設けられる。欧州特許出願第EP1 282 143A2号には、磁性体を形成する方法が示されている。

しかしながら独国特許出願第101 39 707A1号に示されている組成および材料は、後続のプリント回路基板の製作ステップとの適合性がない。そのような場合、適合性のない材料の使用によって、プリント回路基板に欠陥が生じるおそれがある。
欧州特許出願第EP1 282 143A2号明細書

本発明の課題は、プリント回路基板の改良された製作方法を提供することである。

本発明の一例としての請求項1に記載の実施例では、プリント回路基板の製作に材料を使用することによって、前述の課題が解決される。本発明の一例としての実施例では、この材料は、高分子マトリクスと、軟磁性粉末とを有する。高分子マトリクスには、軟磁性粉末が充填される。この本発明の一例としての実施例では、高分子マトリクスは、プリント回路基板を構成する少なくとも一つの材料、およびプリント回路基板の製作に使用される処理と適合する。

換言すると、この本発明の一例としての実施例では、高分子マトリクス（および材料）は、プリント回路基板製作のための処理、および／またはプリント回路基板を構成する材料に適合される。少なくとも一つの材料および処理との適合性のため、本発明の一例としてのこの実施例の材料は、プリント回路基板に統合することができるという利点を有する。本発明による軟磁性特性を有するこの材料の集積化によって、誘導部品のような部品が、プリント回路基板に完全に統合され、プリント回路基板（PCB）の統合部となる。

本発明の別の一例としての請求項2に記載の実施例では、高分子マトリクスは、プリント回路基板の製作中に生じる温度と合うように、適合されまたは選定される。材料を、当該材料が使用される後続のPCBの製作の際に生じるプロセス処理温度に適合させることによって、例えばPCBの積層処理中に、材料が理想的な流動性を有するように材料の流動性が設定される。この場合、例えば、周囲温度でのプロセス処理の間は、材料が小さな孔に流入しないものの、約170℃の温度に達する積層処理段階では、材料が小さな孔に流入させることができるという利点が得られる。

本発明の別の一例としての請求項1に記載の実施例では、材料は、約170℃の温度で高い流動性を有し、加熱後に硬化する特性を有する。従って例えば、積層処理中に、材料を完全に硬化させることができる。

本発明の別の一例としての請求項4に記載の実施例では、高分子マトリクスは、エポキシ樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）およびポリフェニレンサルフィド（PPS）からなる群から選定される。

本発明の別の一例としての請求項5および6に記載の実施例では、材料は、層の状態で得ることができ、層の両側には、ガラス繊維強化プラスチック、片面もしくは両面が銅クラッド化されたまたはクラッド化されていない銅、プレプレッグ、収縮性箔、銅および樹脂コート銅箔からなる群から選定された別の層が設けられる。

本発明の別の一例としての請求項7および8に記載の実施例では、材料は担体上に配置され、該担体は、ガラス繊維強化プラスチック、片面もしくは両面が銅クラッド化されたまたはクラッド化されていない銅、プレプレッグ、伸縮性箔、銅および樹脂コート銅箔（RCC）からなる群から選定される。

担体上に材料を設置することにより、プリント回路基板の製作前および製作時の材料のハンドリング性が向上するという利点が得られる。

本発明の別の一例としての請求項9に記載の実施例では、高分子マトリクスと軟磁性粉末とを有するプリント回路基板が提供され、高分子マトリクスには、軟磁性粉末が充填される。

この本発明の一例としての実施例では、プリント回路基板の一部を軟磁性特性を有する材料で構成することができるという利点がある。

本発明の一例としての請求項10に記載の実施例では、軟磁性粉末が充填された高分子マトリクスが、プリント回路基板に統合される。

この場合、PCB内に軟磁性粉末が充填された高分子マトリクスを有する軟磁性材料の一体統合が可能になるという利点が得られる。

本発明の別の一例としての請求項11に記載の実施例では、さらにプリント回路基板は、回路構造を有し、該回路構造は、軟磁性粉末が充填された高分子マトリクスとともに、誘導部品を形成する。この本発明の一例としての実施例では、PCBに完全に誘導部品を一体統合することが可能になるという利点がある。

請求項12および13では、本発明のプリント回路基板のさらに別の一例としての実施例が提供される。

本発明の別の一例としての請求項14に記載の実施例では、プリント回路基板を製作する方法が提供され、高分子マトリクスが使用されるプリント回路基板を製作するための、特定の製造処理プロセスでの使用に適した高分子マトリクスが選定される。次に、高分子マトリクスに軟磁性粉末を充填させることにより材料が形成され、これにより、軟磁性特性を有する材料が提供される。次にその材料は、プリント回路基板を製作するため、後続の製作処理プロセスに利用される。この本発明の一例としての実施例では、PCBに軟磁性材料を統合することが可能な方法が提供されるという利点がある。

本発明の別の一例としての請求項15に記載の実施例では、材料が、回路構造とともに、PCBの統合部に誘導部品を形成する。

本発明の一例としての実施例の要点は、軟磁性粉末が充填された高分子マトリクスを有する材料が提供されることであることは明らかである。この材料は、PCBを製作する製作処理プロセスにおいて使用される。本発明の態様では、後続のPCBの製作段階で使用され適用される条件および／または材料と適合するように、高分子マトリクスが選定されおよび／または適合される。本発明の態様では、例えば高分子マトリクスは、その流動性が、積層処理プロセス中に生じる温度に対して調整されるように、適合されまたは選定される。この場合、PCBに軟磁性材料を統合することが可能になるという利点が得られ、例えばPCBの統合部分として、完全な誘導部品をPCB内に得ることができる。

本発明のこれらのおよび他の態様は、以降に示す実施例を参照することで明らかになろう。

以下、図面を参照して、本発明の一例としての実施例を示す。

本発明の一例としての実施例に関する以下の説明では、同一のまたは対応する素子を表すため、図1乃至7全体を通して、同じ参照符号が使用されている。

図1には、本発明による複合材料3の一例としての第1の実施例の断面図を示す。図1からわかるように、プリント回路基板の製作時に使用される複合材料3は、高分子マトリクス2と、軟磁性粉末とを有し、この粉末は、フェライト粉末粒子または鉄粉末等の軟磁性粒子1で構成される。なおニッケル−鉄、μ−金属、アモルファス鉄、ナノチューブ結晶鉄または鉄ナノ粒子が使用されても良い。また粉末を利用する場合、中程度の透磁率を有するパワーフェライトが使用されても良い。これにより損失が抑制される。

また、電磁妨害（EMI）に利用する場合、高い透磁率を有するEMIフェライトが使用されても良い。この場合、広い周波数領域での損失を制御することが可能になるという利点が得られる。またHFに利用する場合、損失が小さく、十分に広い周波数範囲を有するHFフェライトが使用されても良い。低周波数範囲では、MnZnフェライトが使用されても良い。高周波数（低透磁率）では、NiZnフェライトが使用されても良い。高周波数（GHz）範囲では、ヘキサフェライトが使用されても良い。

本発明の好適実施例では、フェライト粉末粒子として、約30重量％（wt%）のマグネシウム−亜鉛−フェライトと、約70wt％のニッケル−亜鉛−フェライトの混合物が使用される。そのような複合材料は、約75wt％から98wt％のフェライト粉末を有する。さらにこの材料は、約85wt％から92wt％の間のフェライト粉末を有しても良い。特に、約88wt％のフェライト粉末と12wt％のエポキシ樹脂を有することが好ましい。軟磁性粉末粒子の粒径は、10μm乃至35μmから80μm乃至110μmの範囲にある。粒子形状は、球状または不揃いである。高分子マトリクス2のTG値（熱硬化性等）は、120℃よりも高くても良い。これらのパラメータは、製作段階での粘性を制御するように選定され、あるいは医学的見地から、医学的に問題の生じない製作が可能となるように選定される。

本発明の態様では、複合材料3は、該複合材料3が使用されるPCB製作のための後続の製作処理プロセスに適合される。例えば、複後材料3またはその材料の高分子マトリクス2は、PCBの後続の製作中にPCBの積層によって生じる温度に対して、選定され、制御されあるいは適合される。従って複合材料3は、ほぼ室温で第1の流動性を有する自由流体となるように選定され、複合材料3を、例えばPCBの担体材料に容易に付与することが可能となる。次に複合材料3は、この材料が例えばPCBの積層処理中に生じる温度で第2の流動性を有するように、例えば、いわゆるb段階処理プロセスで制御される。積層中に生じる通常の温度は、約170℃である。積層処理プロセス中の流動性は、室温または周囲温度での流動性に比べて著しく大きい。このため、複合材料3を、PCBに容易に設置することが可能になり、次の積層処理中に、複合材料3を、PCBの最小の孔または空孔に流入させることが可能になる。さらに、複合材料3または高分子マトリクス2は、積層処理プロセス中にまたはその後、硬化するように選定される。

また本発明の態様では、複合材料3は、例えば、該複合材料3が使用される後続のPCBの製作処理時に使用される材料に基づいて選定される。高分子マトリクス2は、例えばエポキシ樹脂であっても良く、この樹脂は、例えばFR4プリント回路基板と適合する。ただし、例えばポリエーテルエーテルケトン（PEEK）またはポリフェニレンサルフィド（PPS）のような高温熱可塑性プラスチック等の、他の材料を使用したり適用したりすることも可能である。

そのような高温熱可塑性プラスチックは、例えばしばしば伸縮性箔と呼ばれる柔軟性のあるポリアミド箔と適合性がある。

図1に示す複合材料3は、薄膜層状の半製品として提供されることが好ましい。材料は、未硬化状態で提供されることが好ましい。そのような層の厚さは、例えば1mmの範囲内である。ただし、各材料が適合される用途やPCB製作のための後続の製作処理プロセスによっては、層の厚さが100μm以下となったり、複数のmm厚さの厚い層が好ましい場合もある。そのような層の寸法は、1／4m²の範囲内である。ただし、後続の製作処理プロセスに応じて、表面積は増大または減少し、数cm²から数m²の範囲となる。また本発明の態様では、複合材料3は、切れ目のない帯として提供されても良く、あるいはロールに巻かれた状態で提供されても良い。そのようなロールは、ロールツーロール処理に適用することができるため、特にPCBの別の製作処理に有意である。

図2には、本発明による複合材料3の一例としての第2の実施例の断面図を示す。図2からわかるように、材料3のハンドリング性を容易にするため、材料3は、担体4の上に設けられる。本発明の態様では、担体は、後続のPCB製作のための処理プロセスに基づいて、担体がこのプロセス処理と適合するように選定されることが好ましい。図2からわかるように、担体4は、PCB自身であっても良く、ガラス繊維5を有しても良い。

担体材料として使用される他の材料は、ガラス繊維強化プラスチック、プレプレグ、伸縮性箔、銅および例えば樹脂コートされた銅箔（RCC）であっても良い。

図3には、本発明による一例としての第3の実施例の断面図を示す。図3からわかるように、材料は、例えば図3に示すような軟磁性複合材3の層を有する。この層の両側には、絶縁層6が設置される。各絶縁層6は、銅の層7で被覆される。

そのような銅の層7は、軟磁性材料層3で構成される誘電部品のような部品の電磁シールド（EMIシールド）を提供するという利点を有する。本発明の態様では、銅の層7（アルミニウム等の他の導電性材料で構成されても良い）は、回路構造を有しても良い。これらの回路構造は、軟磁性材料層3とともに、誘導部品を形成する。従って本発明の態様では、誘電部品は、PCBと一体形成される。

図3に示す一例としての第3の実施例の変更型は、図3に示す層の間に、ガラス繊維強化プラスチック、プレプレグ、伸縮性箔、銅または樹脂コート銅箔等の、担体材料を有する。

図2に示すような担体4は、プラスチックまたは金属箔で構成されても、これらを有しても良く、これらの箔は、PCBの積層後または前に、剥離除去される。

図4には、本発明による材料の一例としての第4の実施例の断面図を示す。図4からわかるように、軟磁性粉末粒子1が充填された高分子マトリクス2内には、強化材料8が設置される。そのような強化材料8は、例えばガラス繊維材料またはこれと同等の材料である。そのような強化材料8は、材料内に均一にまたは不均一に分散される。

本発明のこの一例としての第4の実施例では、層の極めて狭小の領域のみが、強化材料8を有する。安定性確保のため、強化材料8は、図4に示すように、強化材料8の繊維が相互に交差するような波状であっても良い。層の極めて狭小の領域のみが、強化材料8によって占有されるため、残りの領域には、多くのフェライト粉末等の軟磁性粒子1が存在することになるという利点がある。

本発明のこの一例としての第4の実施例の別の態様では、強化材料8が軟磁性金属繊維を有する場合、磁気特性が改善される。例えば、μ_r＞10000の高透磁率を有し、極めて大きな飽和磁束密度B_max＞1Tを有する、ナノ結晶鉄繊維またはFeCo繊維が使用される。ただし、変圧器シート金属とも呼ばれるSiFe等、他の材料を使用することも可能である。

図1乃至4に示した一例としての第1乃至第4の実施例では、半製品が得られ、図1乃至4に示す形態で、PCB製作者に提供される。しかしながら、当業者には明らかなように、図1乃至4に示されている第1乃至第4の実施例の各々には、PCB自身を構成する好適な回路構造が設けられても良い。そのような回路構造は、それらの構造が、軟磁性材料とともに、例えばコイル、変圧器または電気モータのような誘導部品を形成するように配置されることが好ましい。

図5には、本発明の一例としての実施例によるPCBの形成に使用される個々の層の断面図を示す。図5からわかるように、形成されるPCBは、8層の予め製作された各層構成体を有し、層構成体の各々は、複数の層を有する。最上部の第1の層構成体は、ガラス繊維8を有する板状PCB4を有する。PCB4の両側は、銅の層7で被覆される。各々の銅の層7は、回路構造を有しても良い。

上部から2番目の第2の層構成体は、図1に示したような軟磁性複合材料3を有し、この材料の片側は、誘電体層等の絶縁層6で被覆される。絶縁層6は、銅の層7と複合材料3との間に設置される。

上部から3番目の第3の層は、誘電体層等の絶縁層であって、この層は、第2の材料層構成体の材料3と、第4の層構成体側上に例えば回路構造を有する銅の層7との間に設置される。図5からわかるように、第4の層構成体は、2層の銅の層7を有し、この銅の層は、回路構造を有しても良く、ガラス繊維を有するPCB4を挟むように設置される。第4の層構成体と、第6の層構成体の間には、絶縁層6を有する別の層構成体が設置される。この絶縁層は誘電体層であっても良い。第6の層構成体は、第4の層構成体と同じ配置構造を有し、PCB4を挟む2層の銅の層7を有しても良い。

第6の層構成体と第8の層構成体との間には、誘電体層等の別の絶縁層6が設置される。

第8の層構成体は、図1に示したような軟磁性複合材料3の層と、絶縁層6と、銅の層7とを有する。絶縁層6は、材料3と銅の層7との間に設置される。

これらの第1乃至第8の層構成体の各々は、事前に製作されており、PCBの後続の製作処理プロセスの開始品となる。

本発明においては、そのような個々の層からPCBを製作する第1のステップでは、使用されるPCB製作処理プロセスに基づいて、複合材料3が選定される。前述のように、銅の層7は、未構造化段階であっても、予め製作された回路構造を有しても良い。

PCBの後続の製作処理中は、個々の層がエッチングされて回路構造が形成され、貫通接続部用の孔が設けられても良い。

図6には、本発明によるPCB製作の第2の段階またはステップを示す。特に図6には、別のプロセス処理後のPCBの個々の層の断面図が示されている。特に図6からわかるように、第1の層構成体は、PCBまたは担体材料4上の銅の層7内に、銅の導電経路10等の回路構造が形成されるように処理される。

第2の層構成体は、未処理のまま残存する。

第4および第6の層構成体の銅の層7は、巻線11が形成されるように構造化され、個々の層構成体の積層後に、巻線11は、個々の部品の巻線を構成する。また図6からわかるように、積層された第3、第4、第5、第6および第7の層構成体に、孔13がドリル加工される。

図6からわかるように、第8の層構成体は、未処理のまま残存する。なお、銅の層7の機能に基づき、銅の層7を今後、シールド層12と呼ぶ。

図7には、本発明の一例としての実施例による軟磁性複合材料3を用いて積層化および板状化の後に製作された、本発明の一例としての実施例による完成したPCBの断面図を示す。

積層処理の間、PCBは、約170℃の温度まで加熱された。前述のように、高分子マトリクス2と、軟磁性粒子1とを有する軟磁性複合材料3は、この材料が、積層処理プロセス中に生じる温度において、高い流動性を有するように選定される。このため、図7からわかるように、積層処理の間、複合材料3は、孔13に流入し、孔13は、複合材料3で満たされ、軟磁性貫通接続部が形成される。参照符号14は、この貫通接続部を表している。

図7に示すように、材料3および巻線11によって形成された統合誘導部品を有するPCBが提供される。本発明では、この誘導部品は、PCBに一体統合される。

従って図5乃至7に示すように、本発明の一例としての実施例によるプリント回路基板を製作する方法が提供され、材料3の高分子マトリクスは、これが後続の製作処理プロセスに適合するように、あるいはこれと整合するように選定される。特に、高分子マトリクスは、後続の製作処理プロセス中のPCBの積層温度において、高分子マトリクスに要求される理想的な流動性を有するように選定される。複合材料3は、軟磁性粉末が充填された高分子マトリクス2を有する。その後、図5乃至7からわかるように、製作処理プロセス中に、複合材料3が回路構造とともに、コイル、変圧器または電気モータ等の誘導部品を形成するように、材料が提供される。

図5乃至7からわかるように、2層の軟磁性材料層3が使用される。第2の層構成体は、軟磁性複合材料3を有し、この層の片側は、他の層に対する担持層および絶縁層としての役割を果たす絶縁層6で被覆される。軟磁性複合材料3を有する他の第2の層構成体は、絶縁層6と、銅の層12とを有する第8の層構成体であり、これは、電磁的にPCBをシールドするシールド層として作用する。

また、図6および7の比較から特に明らかなように、積層処理プロセスの間、軟磁性複合材料3は、孔13を通ってPCBの中間層構成体に流入し、密閉された磁気回路が形成される。回路素子11とともに、密閉された回路磁気領域が個々の部品を形成する。

図7からわかるように、最終的にはPCBに貫通接続部15が設置され、内部の層との接続が可能になる。この場合、孔がドリル加工され、孔には、プラスチック等の絶縁材料が充填される。次に、絶縁材料に孔がドリル加工され、孔には導電性材料が充填される。このようにして絶縁貫通接続部15が提供される。これにより、貫通接続部15と軟磁性複合材料の間の絶縁が可能になるという利点が得られる。

本発明による材料の一例としての第1の実施例の断面図である。 本発明による材料の一例としての第2の実施例の断面図である。 本発明による材料の一例としての第3の実施例の断面図である。 本発明による材料の一例としての第4の実施例の断面図である。 本発明の一例としての実施例によるPCB製作の第1の製作ステップ段階での、層の断面図である。 本発明の一例としての実施例によるPCBの実施例の第2の製作ステップでの、図5の層を示す図である。 本発明によるPCBの一例としての実施例を構成する積層状態での図5の層を示す図である。

Claims (15)

1. プリント回路基板の製作に使用される材料であって、当該材料は、高分子マトリクスと、軟磁性粉末と、を有し、前記高分子マトリクスには前記軟磁性粉末が充填され、前記高分子マトリクスは、プリント回路基板を構成する少なくとも一つの材料、およびプリント回路基板の製作に利用される処理と適合することを特徴とする、材料。
2. 前記高分子マトリクスは、プリント回路基板の製作中に生じる温度に適合されることを特徴とする請求項1に記載の材料。
3. 当該材料は、ほぼ室温で第1の流動性を有し、当該材料は、プリント回路基板製作の際の積層中に生じる積層温度で第2の流動性を有し、前記第1の流動性は、前記第2の流動性よりも小さく、当該材料は、積層後および積層中のいずれかのときに硬化するように適合されることを特徴とする請求項1に記載の材料。
4. 前記高分子マトリクスは、熱硬化性樹脂、ポリエーテルエーテルケトンおよびポリフェニレンサルフィドからなる群から選定されることを特徴とする請求項1に記載の材料。
5. 当該材料は、層状であることを特徴とする請求項1に記載の材料。
6. 前記層の各側には、ガラス繊維強化銅クラッドまたは非クラッドプラスチック、プレプレグ、伸縮性箔、銅および樹脂コート銅箔からなる群から選定された、別の層が提供されることを特徴とする請求項5に記載の材料。
7. 当該材料は、担体上に配置されることを特徴とする請求項1に記載の材料。
8. 前記担体は、ガラス繊維強化銅クラッドまたは非クラッドプラスチック、プレプレグ、伸縮性箔、銅および樹脂コート銅箔からなる群から選定されることを特徴とする請求項7に記載の材料。
9. 高分子マトリクスと、軟磁性粉末とを有するプリント回路基板であって、前記高分子マトリクスには、前記軟磁性粉末が充填されることを特徴とするプリント回路基板。
10. 前記軟磁性粉末が充填された前記高分子マトリクスは、当該プリント回路基板に統合されることを特徴とする請求項9に記載のプリント回路基板。
11. さらに、導電性材料の回路構造を有し、軟磁性粉末が充填された前記高分子マトリクスは、前記回路構造とともに、誘導部品を形成することを特徴とする請求項9に記載のプリント回路基板。
12. 前記誘導部品は、コイル、変圧器または電気モータのいずれかであることを特徴とする請求項11に記載のプリント回路基板。
13. 軟磁性粉末が充填された前記高分子マトリクスは、層を形成し、該層は、さらに回路構造を有する銅の層と、担持層とを有することを特徴とする請求項9に記載のプリント回路基板。
14. プリント回路基板を製作する方法であって、当該方法は、プリント回路基板を製作する製作処理プロセスでの使用に適した高分子マトリクスを選定するステップと、前記高分子マトリクスに軟磁性粉末を充填することによって、材料を形成するステップと、プリント回路基板を製作する前記製造処理プロセスに、前記材料を利用するステップと、を有する方法。
15. さらに、少なくとも一つの前記プリント回路基板に回路構造を形成するステップを有し、前記材料は、前記回路構造とともに誘導部品を形成することを特徴とする請求項14に記載の方法。

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