JP2008227334A - 放熱配線基板 - Google Patents

Abstract

【課題】配線パターンの熱拡散性を向上させる。
【解決手段】上記目的を達成するため本発明は、絶縁樹脂層８と、この絶縁樹脂層８の上方で、その上面が表出するように埋め込まれた複数の配線パター９ンとを備え、これらの配線パターン９のうち少なくともいずれか一つは、その一部が絶縁樹脂層８の上面から内部へと折り曲げられている。これにより本発明は、配線パターン９の断面積が拡張され、熱抵抗が小さくなる。そしてその結果、配線パターン９の熱拡散性を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱拡散性に優れた放熱配線基板に関する。

図８（ａ）（ｂ）に示すように、従来の放熱配線基板１は、放熱板２と、この放熱板２の上面に形成された絶縁樹脂層３と、この絶縁樹脂層３に表面が露出するように埋め込まれた複数の配線パターン４とを備えている。このように形成された放熱配線基板１は、絶縁樹脂層３と配線パターン４の表面がほぼ面一となっているため、電子部品５を実装しやすいという特長がある。

ここで一般的に、金属からなる配線パターン４の方が絶縁樹脂層３よりも熱伝導率が高いため、上述の実装した電子部品５の熱は、まず配線パターン４全体に拡散していく。そして絶縁樹脂層３を介して放熱板２で放出される。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては以下の特許文献が挙げられる。
特開平１０−１７３０９７号公報

上記構成の放熱配線基板１では、配線パターン４の微細化に伴って、熱拡散性が低下するという問題があった。

それは、微細な配線パターン４では、熱抵抗が大きくなり、配線パターン４全体に十分熱を拡散できないためであった。

そこで本発明は、配線パターンの熱拡散性を向上させることを目的とする。

この目的を達成するため本発明は、絶縁樹脂層と、この絶縁樹脂層の上方で、その上面が表出するように埋め込まれた複数の配線パターンとを備え、これらの配線パターンのうち少なくともいずれか一つは、その一部が絶縁樹脂層の上面から内部へと折り曲げられているものとした。

これにより本発明は、配線パターンの熱拡散性を向上させることが出来る。

それは配線パターンが一部折り曲げられ、絶縁樹脂層の内部にも配置されているためである。

したがって、絶縁樹脂層に表出している配線パターンが微細であっても、絶縁樹脂層の内部の配線パターンにも熱を伝えることができ、配線パターン（熱の伝達物質）の断面積が拡張される。そしてその結果、熱抵抗が小さくなり、配線パターンの熱拡散性を向上させることが出来る。

以下、本発明の実施の形態における放熱配線基板について説明する。

（実施の形態１）
図１（ａ）（ｂ）に示す放熱配線基板６は、放熱板７と、この放熱板７上に形成された絶縁樹脂層８と、この絶縁樹脂層８の上方に、それぞれの上面が表出するように埋め込まれた複数の配線パターン９が配置されている。

そしてこれらの配線パターン９は、外部端子１０を介して外枠部１１と繋がっている。

ここで、本実施形態では、上記複数の配線パターン９のうち、少なくともいずれか一つは、その一部をほぼ垂直に下方（放熱板７方向）へ折り曲げられ、さらに隣接する配線パターンの下方で広がるように、略垂直に折り曲げられ、一段の階段状に形成されている。以下、配線パターン９の折れ曲がっている部分を屈曲部９Ａ、絶縁樹脂層８の内部に埋め込まれている部分を埋没部９Ｂという。なお、この埋没部９Ｂと隣接する配線パターン９との間には絶縁樹脂層８が形成されている。

また図２の配線パターン９の断面図に示すように、配線パターン９の屈曲部９Ａは、外方に向けて丸みを帯びた湾曲面で形成されている。

そしてこの折り曲げられた配線パターン９の、絶縁樹脂層８の上面で表出している面には、ＬＥＤ素子などの発熱性素子であり、微細なパターンが要求される電子部品１２が実装されている。

以下に本実施の形態で用いた部材の材料について説明する。

配線パターン９を形成するための金属板としては、厚みが０．５ｍｍの銅合金からなる基板を用いた。この基板は、銅を主体に、Ｓｎを０．１ｗｔ％以上０．１５ｗｔ％未満添加し、Ｃｕ＋Ｓｎ＞９９．９６ｗｔ％とした。また線膨張係数は８×１０^-6／℃〜２０×１０^-6／℃のものを用いた。なお、この金属板の厚みは、配線パターン９からの熱拡散性および放熱性を十分大きくするためには０．１ｍｍ以上が好ましく、加工しやすくするためには、打ち抜きプレスでパターニングする場合で２．０ｍｍ以下、レーザでパターニングする場合で、０．３ｍｍ以下が好ましい。

また主成分を銅とすることで、熱伝導性と導電性とが向上し、Ｓｎを添加することで軟化温度を約４００℃まで上げることができる。軟化点が高いと、その後の電子部品１２実装時（半田付け時）や、電子部品１２を実装後の発熱／冷却の繰り返し等における信頼性を高く保つことが出来る。銅に添加する元素としては、Ｓｎ以外にも、Ｚｒ、Ｎｉ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｐ、Ｆｅ、Ｃｒ、などが挙げられる。

また、絶縁樹脂層８としては、エポキシ樹脂にＡｌ₂Ｏ₃からなるフィラを充填させたものを用いた。エポキシ樹脂を用いたのは、耐熱性や電気絶縁性に優れているためである。エポキシ樹脂以外では、フェノール樹脂やシアネート樹脂などの絶縁性を有する熱硬化性樹脂を用いてもよい。

また本実施形態では、このフィラ入りエポキシ樹脂に予め熱可塑性樹脂粉末からなるプレゲル材を添加した。このプレゲル材は、未硬化の熱硬化性樹脂の液状成分を吸収して膨張し、素早くゲル化させるため、絶縁樹脂層８のエポキシ樹脂が重合する前段階で固体化することができ、金型から取り出すことが出来る。

そしてフィラとしては、Ａｌ₂Ｏ₃の他に、ＭｇＯ、ＳｉＯ₂、ＢＮ及びＡｌＮの少なくとも何れか一つからなる無機粉末や、金属酸化物からなる粉末を充填させたものを用いてもよい。これらのフィラによって放熱性を高めることができる。また特にＭｇＯを用いると線熱膨張係数を大きくすることができ、ＢＮを用いると線熱膨張係数を小さくできる。このように、充填するフィラの種類で樹脂の熱膨張係数を調整することによって、配線パターン９や放熱板７に用いる金属と絶縁樹脂層８との熱膨張係数を近似させ、放熱配線基板６全体の熱信頼性を向上させることが出来る。

またＳｉＯ₂を用いると誘電率を小さくでき、絶縁性を向上させることが出来る。なお、フィラとしてＡｌ₂Ｏ₃などの白色無機粉末を用いると、実装する電子部品１２が発光素子の場合、反射率が向上し輝度を上げることができる。

また本実施の形態で用いたＡｌ₂Ｏ₃からなるフィラは、平均粒径３ミクロンと平均粒径１２ミクロンの２種類のＡｌ₂Ｏ₃を混合したものである。この大小２種類の粒径のＡｌ₂Ｏ₃を用いることによって、大きな粒径のＡｌ₂Ｏ₃の隙間に小さな粒径のＡｌ₂Ｏ₃を充填でき、Ａｌ₂Ｏ₃を９０重量％近くまで高濃度に充填できる。この結果、絶縁樹脂層８の熱伝導率は５Ｗ／ｍＫ程度となる。

そして、このフィラは、直径が０．１〜１００μｍの範囲のできるだけ小さいものを用い、７０〜９５重量％程度に高濃度に充填すれば、熱伝導率を上げることができる。なお、フィラの充填率が９５重量％を超えると成形し難くなり、絶縁樹脂層８と配線パターン９や放熱板７となる金属板との接着性も低下するため、９５重量％以下に抑える方がよい。

また本実施形態では、この絶縁樹脂層８の厚さは、絶縁耐圧と熱抵抗を考慮し、最大０．６ｍｍとなるように形成した。そして放熱板７としては、アルミ板または銅板などを用いることができる。

なお放熱板７の下面に、フィン（図示せず）を形成すれば、表面積が広がり、より放熱性を高めることができる。

次に本実施形態の放熱配線基板６の製造方法を説明する。

まず、金属板をプレスで打ち抜き、図１（ａ）（ｂ）に示すような配線パターン９、外部端子１０、外枠部１１を形成する。なお、配線パターン９が微細な場合は、プレス打ち抜き以外にも、エッチング、レーザなどでパターニングしてもよい。

そして次に、配線パターン９の一部を金型で抑えながら、屈曲部９Ａを形成するように折り曲げる。なお、本実施形態のように、下方にだけでなく、隣接する配線パターン９方向にも折り曲げることで、配線パターン９の断面積を大きくしつつ、絶縁樹脂層８の厚みを比較的薄くすることが出来る。

その後、絶縁樹脂層８を形成するため、フィラ入り樹脂の塊を、中央が凸になるように丸型（あるいは蒲鉾型、台形、円柱、球状）にまとめ、配線パターン９の下面側に置く。そしてこのフィラ入り樹脂を加熱プレス、あるいは真空加熱プレス等によってシート状となるように延伸する。この時、配線パターン９の表面が絶縁樹脂層８から表出し、この配線パターン９と絶縁樹脂層８とが略面一となるまでプレス加工する。またこの時、折り曲げられた配線パターン９の外周にも十分フィラ入り樹脂を充填させる。

そして絶縁樹脂層８上に放熱板７を配置して、金型で押さえる。

次にこの放熱配線基板６を１００℃で１〜２分間加熱し、絶縁樹脂層８を固体化させ、金型から取り外す。そしてその後この放熱配線基板６を２００℃の炉に数時間入れ、絶縁樹脂層８のエポキシ樹脂を重合させて本硬化させる。

そしてその後配線パターン９の上面に、電気メッキで半田層（図示せず）を形成する。この時、本実施形態では、いずれの配線パターン９も外部端子１０を介して外枠部１１と繋がっているため、電気メッキで一度に半田層を形成することができ、生産性向上に寄与する。またこの半田層により半田付け性が向上し、電子部品１２を実装しやすくなる。また配線の錆を抑制することができる。この半田層の変わりに、錫層を形成してもよい。なお、絶縁樹脂層８を形成後、半田層（あるいは錫層）を形成することで、配線パターン９の下面や、絶縁樹脂層８に埋め込まれた面などには半田層を形成しないですむ。半田層を形成しない方がよいのは、半田付け時などにおける熱工程でこの半田層が柔らかくなり、配線パターン９と絶縁樹脂層８との接着性が低下する場合があるためである。

次に、以下に本実施形態における効果を説明する。

まず本実施の形態では、配線パターン９の熱拡散性を向上させることが出来る。

それは配線パターン９が折り曲げられ、絶縁樹脂層８の内部にも埋め込まれているためである。

したがって、絶縁樹脂層８に表出している配線パターン９が微細であっても、絶縁樹脂層８の内部の配線パターン９にも熱を伝えることができ、配線パターン（熱の伝達物質）の断面積が拡張される。そしてその結果、熱抵抗が小さくなり、配線パターン９の熱拡散性を向上させることが出来るのである。

また本実施形態では、折り曲げられた配線パターン９は隣接する配線パターン９の下方で広がるように形成されているため、放熱板７までの距離が短く、放熱板７へと速やかに熱が伝わり、結果として放熱板７における放熱性も向上する。

なお近年の配線パターン９の微細化に伴い、電子部品１２が高密度に実装されることになり、熱がこもりやすくなるため、熱拡散性を向上させることは非常に有用である。

さらに本実施の形態では、図２に示すように、折り曲げられた配線パターン９の屈曲部９Ａは、外方に向けて丸みを帯びた湾曲面で形成されている。

このように折り曲げることで配線パターン９が入り組んだ形状になっていても、配線パターン９の外周に樹脂を充填しやすくなり、絶縁樹脂層８を隙間のないように形成することが容易となる。そしてその結果、電気的信頼性の向上に寄与する。

なお、上記実施の形態では、折り曲げられた配線パターン９は、一端のみが絶縁樹脂層８の上面に表出しているが、図３に示すように、隣接する配線パターン９の下面を通ったのち再び他端が絶縁樹脂層８の上面に表出する構成としてもよい。

このように形成すると、配線パターン９の埋没部９Ｂ（絶縁樹脂層８の内部に埋め込んだ部分）をジャンパー線として用いることができる。

（実施の形態２）
本実施の形態と実施の形態１との違いは、図４に示すように、折り曲げられた配線パターン９の埋没部９Ｂは、絶縁樹脂層８よりも熱伝導率の小さい接着層１３を介し、隣接する配線パターン９の下面と接合されている点である。

本実施の形態では、絶縁樹脂層８を形成する前に、予め埋没部９Ｂ上面と隣接する配線パターン９下面および隣接する配線パターン９間とを接着剤で接合している。この接着層としては、絶縁樹脂層８よりもフィラの含有率の小さいエポキシ樹脂などが挙げられる。

これにより本実施形態では、電子部品１２からの熱が熱伝導率のより高い埋没部９Ｂへと迅速に伝達され、すみやかに配線パターン９全体へと伝えることができる。そしてその結果、配線パターン９の熱拡散性を向上させることができる。

また本実施形態では、接着層１３としてフィラの含有率の低い樹脂を用いたため、樹脂の流動性が向上し、埋没部９Ｂ外周に隙間なく樹脂を充填することができ、電気的絶縁性に対する信頼性を高めることができる。

なお、図５に示すように、上記接着剤の代わりに埋没部９Ｂの上面（隣接する配線パターン９と対向する面）に絶縁シート１４を形成してもよい。このように形成すると、隣接する配線パターン９間の距離を絶縁シート１４の厚み分とすることができ、電気的絶縁性に優れたファインピッチのパターンを形成することができる。

また図６に示すように、埋没部９Ｂと隣接する配線パターン９下面とを絶縁シート１４で接着してしまえば、放熱配線板６をより薄くすることができる。

なお、本実施形態では、予め接着層（図４の１３）を形成した後絶縁樹脂層８を形成したが、実施の形態１のように、絶縁樹脂層８に複数種類の粒径のフィラを含有させた場合、粒径の大きなフィラは、埋没部９Ｂと隣接する配線パターン９との小さなすき間には入り難くなるため、この埋没部９Ｂと隣接する配線パターン９との間の絶縁樹脂層８の熱伝導率を低くすることができる。そしてより熱伝導率の高い埋没部９Ｂに速やかに熱を伝達させることが出来る。なお、この場合は接着層１３を予め形成する必要もないため、生産性が向上する。

（実施の形態３）
本実施の形態と実施の形態１との違いは、図７（ａ）（ｂ）に示すように、複数の配線パターン９が複数の材料によって形成されている点である。

本実施形態では、より発熱性の高い電子部品１２を実装する配線パターン９は銅で形成し、その他の配線パターン９はアルミで形成したものである。そして本実施形態では、銅で形成された配線パターン（以下銅パターン１５という）の少なくともいずれか一つを折り曲げ、この折り曲げた銅パターン１５の隣にはアルミで形成された配線パターン（以下アルミパターン１６という）を設けている。

これにより、熱拡散が必要な部分は熱伝導率の高い銅で形成し、その他の部分は安価なアルミで形成することができ、コストダウンに繋がる。

また本実施形態では、銅パターン１５の埋没部１５Ｂとこの銅パターン１５に隣接するアルミパターン１６の下面とを絶縁樹脂層８よりも疎水性の高い接着剤で接合し、接着層１３を形成している。すなわち、本実施形態では、絶縁樹脂層８内部において、対向する埋没部１５Ｂとアルミパターン１６とが、銅とアルミという異種の金属で形成されているため、この間に水分が介在すると電池効果が発生してしまう。そこで本実施形態では、疎水性の高い接着剤を用いて電池効果を抑制するものである。

なお、埋没部１５Ｂの上面（隣接する配線パターンと対向する面）に疎水性の高い絶縁シート１４を形成してもよい。

なお、上記実施の形態１〜３では、配線パターンを階段上に折り曲げた形状を例に挙げたが、所望の絶縁樹脂層の厚みが得られるならば、絶縁樹脂層から下方に折り曲げるだけでもよく、コの字状に折り曲げても良い。

本発明は微細な配線パターンの熱拡散性を向上させた放熱配線基板であり、ＬＥＤモジュールなど、発熱性でありつつ高密度実装が要求される電子部品の実装用に有用である。

（ａ）本実施の形態における放熱配線基板の上面図、（ｂ）本実施の形態における放熱配線基板の断面図（図１（ａ）のＸＸ断面） 本実施の形態における配線パターンの断面図 本実施の形態における放熱配線基板の断面図 本実施の形態における放熱配線基板の断面図 本実施の形態における放熱配線基板の要部断面図 本実施の形態における放熱配線基板の要部断面図 （ａ）本実施の形態における放熱配線基板の上面図、（ｂ）本実施の形態における放熱配線基板の断面図（図７（ａ）のＸＸ断面） （ａ）従来の放熱配線基板の上面図、（ｂ）従来の放熱配線基板の断面図（図８（ａ）のＸＸ断面）

符号の説明

６ 放熱配線基板
７ 放熱板
８ 絶縁樹脂層
９ 配線パターン
９Ａ 屈曲部
９Ｂ 埋没部
１０ 外部端子
１１ 外枠部
１２ 電子部品
１３ 接着層
１４ 絶縁シート
１５ 銅パターン
１５Ａ 屈曲部
１５Ｂ 埋没部
１６ アルミパターン

Claims (7)

1. 絶縁樹脂層と、
   この絶縁樹脂層の上方で、その上面が表出するように埋め込まれた複数の配線パターンとを備え、
   これらの配線パターンのうち少なくともいずれか一つは、
   その一部が前記絶縁樹脂層の上面から内部へと折り曲げられている放熱配線基板。
2. 折り曲げられた前記配線パターンは、
   階段状に折り曲げられている請求項１に記載の放熱配線基板。
3. 折り曲げられた前記配線パターンは、
   前記絶縁樹脂層を介し、
   隣接する配線パターンの下方に広がっている請求項１に記載の放熱配線基板。
4. 折り曲げられた前記配線パターンは、
   前記絶縁樹脂層よりも熱伝導率の小さい接着層を介し、
   隣接する配線パターンの下面と接合されている請求項１に記載の放熱配線基板。
5. 折り曲げられた前記配線パターンの、
   前記絶縁樹脂層内部に埋め込まれている部分は、
   その上面側に絶縁シートが配置されている請求項１に記載の放熱配線基板。
6. 折り曲げられた前記配線パターンは、
   隣接する配線パターンよりも熱伝導率の高い材料からなる請求項１に記載の放熱配線基板。
7. 折り曲げられた前記配線パターンの屈曲部は、
   外方に向けて丸みを帯びた湾曲面で形成されている請求項１に記載の放熱配線基板。

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