JP5061669B2

JP5061669B2 - 放熱配線基板

Info

Publication number: JP5061669B2
Application number: JP2007066120A
Authority: JP
Inventors: 哲也津村; 公治西山; 悦夫辻本
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-03-15
Filing date: 2007-03-15
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2027-03-15
Also published as: JP2008227333A

Description

本発明は、放熱性に優れた放熱配線基板に関する。

図４（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。

そしてこの実装された電子部品５の熱は、絶縁樹脂層３を介して放熱板２で放出されるだけでなく、配線パターン４表面からも放熱される。本発明者らの実験によれば、この配線パターン４表面からの放熱が放熱配線基板１の放熱性に大きく寄与することが分かってきた。

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、配線パターン４表面からの放熱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では表面積が小さく、この配線パターン４表面からは十分放熱できないためであった。

そこで本発明は、配線パターン表面からの放熱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、複数の配線パターンの内少なくともいずれか一つは、微細部と、この微細部よりパターン幅の広い拡張部とを有し、微細部の下面には、絶縁樹脂層よりも熱伝導率の大きい伝熱体が接続され、この伝熱体は、絶縁樹脂層の内部で広がり、拡張部の下方へ延長されているものとした。

これにより本発明は、配線パターン表面からの放熱性を向上させることが出来る。

それは絶縁樹脂層よりも熱伝導率の大きい伝熱体が、配線パターンの微細部から拡張部に向けて、絶縁樹脂層の内部で広がるように形成されているためである。

これにより本発明は、微細部上に実装された電子部品の熱を素早く拡張部へ伝えることができ、この表面積の大きい拡張部で十分放熱することができる。そしてその結果、配線パターン表面からの放熱性を向上させることができる。

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の上方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の一部は、パターン幅の狭い微細部９Ａと、この微細部９Ａよりもパターン幅の広い拡張部９Ｂとで構成されている。なお、この微細部９Ａと隣接する配線パターン９とを近接させることで、近年のファインパターン化の要請に応えることができる。

また、この微細部９Ａの下面に高温半田層１０を介して伝熱体１１を配置しており、この伝熱体１１は絶縁樹脂層８の内部で広がり、拡張部９Ｂの下方へと延長され、これにより拡張部９Ｂに熱的に結合されることとなっている。

ここで本実施の形態では、伝熱体１１は、微細部９Ａの下方で断面がＬ字形になるように折り曲げられ、隣接する配線パターン９の下方にまで広がっている。すなわち本実施の形態では、隣接する配線パターン９と伝熱体１１との間に絶縁樹脂層８が形成された構成となっている。

また本実施の形態では、伝熱体１１は、配線パターン９の微細部９Ａの下面内側で、高温半田層１０を介して配線パターン９と接続されており、この高温半田層１０は伝熱体１１の側面から配線パターン９の下面に向けてフレア状に広がるように形成されている。

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、この金属配線板の厚みは、配線パターン９からの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。

また本実施の形態では、伝熱体１１として上記配線パターン９と同じ銅からなる金属板を用いた。

そして高温半田層１０としては、接続部分で熱伝導が阻害されるのを防ぐため、熱伝導率の高いＡｇ/Ｓｎ半田かＣｕ/Ｓｎ半田を用いた。これらの高温半田材料は導電性も高いため、放熱配線基板６の大電流対応性を損なうことがない。なお、伝熱体１１と配線パターン９との接続は、高温半田以外にも導電性の接着剤などが挙げられるが、絶縁樹脂層８よりも熱伝導率の高いものが好ましい。

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が半硬化状態で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を形成する。なお、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、Ｌ字形に折り曲げた伝熱体１１を、配線パターン９の微細部９Ａ下面の外周よりやや内側全体と拡張部９Ｂ下面の一端に高温半田で接続する。この時、高温半田が伝熱体１１の上面から配線パターン９の下面に向けてフレア状に広がるように塗布する。

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、Ｌ字形に折り曲げられた伝熱体１１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２００℃で１〜２分間加熱し、絶縁樹脂層８を半硬化させ、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８〜１０分程度入れ、絶縁樹脂層８を本硬化させる。

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。これ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。この半田層の代わりに、錫層を形成してもよい。ただし、配線パターン９の下面（絶縁樹脂層８に埋め込まれた面）には、半田層や錫層は形成しないほうがよい。半田付け時などにおける熱工程でこの半田層（あるいは錫層）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表面からの放熱性を向上させることが出来る。

それは絶縁樹脂層８よりも熱伝導率の大きい伝熱体１１が、絶縁樹脂層８の内部において、配線パターン９の微細部９Ａから拡張部９Ｂに向けて広がるように形成されているためである。

すなわち本実施の形態では、配線パターン９に微細部９Ａを設け、この微細部９Ａと隣接する配線パターン９とを近接させることでファインパターン化を実現している。一方、この微細部９Ａに実装した電子部品１２の熱は、伝熱体１１を介して素早く拡張部９Ｂへ伝えることができ、この表面積の大きい拡張部９Ｂで十分放熱することができる。そしてその結果、微細な配線パターン９表面からの放熱性を向上させることができるのである。

また従来、微細な配線パターン９では、この配線パターン９内部でも熱の伝導が滞り、絶縁樹脂層８にも十分伝導しないという問題もあった。しかし本実施の形態では、熱が拡張部９Ｂにまで素早く伝わるため、この拡張部９Ｂ下面から絶縁樹脂層８に熱が伝わって、放熱板７から速やかに放出させることができる。

また本実施の形態では、伝熱体１１がＬ字形に折り曲げられているため、隣接する配線パターン９の下方にまで広げても、この隣接する配線パターン９と伝熱体１１との間には一定の間隔が開き、この間に絶縁樹脂層８を介在させることが出来る。

したがって、隣接する配線パターン９間が近接していても上記伝熱体１１を形成することができ、放熱性を向上させることが出来る。なお配線パターン９が近接するほど電子部品１２も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、放熱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、伝熱体１１は、配線パターン９下面の内側で、高温半田層１０を介して配線パターン９と接続されている。これにより高温半田層１０が隣接する配線パターン９に付着するのを抑制することができ、電気絶縁性を向上させることが出来る。またこの高温半田層１０は、伝熱体１１上方の側面から配線パターン９の下面に向けてフレア状に広がるように形成されている。このような構成とすることによって、配線パターン９からの熱を滑らかに伝熱体１１に伝搬させることができ、熱伝導性に寄与する。

なお、上記実施の形態では、一つの配線パターン９に対して一つの伝熱体１１を接続させたが、図２に示すように、複数の配線パターン９に一つの伝熱体１１を接続させてもよい。このように形成することで、伝熱体１１を配線パターン９間の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３に示すように、伝熱体１１と、隣接する配線パターン９下面とを絶縁樹脂層８よりも熱伝導率の小さい接着層１３で接合した点である。この接着層１３としては、例えば伝熱体１１の下面に形成された絶縁樹脂層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。

本実施形態では、絶縁樹脂層８を形成する前に、予め接着層１３で配線パターン９と伝熱体１１とを接合させ、その後前述のフィラ入り樹脂を充填し、絶縁樹脂層８を形成したものである。

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伝熱体１１へと優先的に伝達され、迅速に拡張部９Ｂ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からの放熱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、配線パターン９と伝熱体１１の間や微細部９Ａと隣接する配線パターン９との間にも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、本実施形態では、予め接着層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、伝熱体１１と配線パターン９との小さなすき間には入り難くなるため、この伝熱体１１と配線パターン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。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。

本発明は微細な配線パターン表面からの放熱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（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４（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微細部
９Ｂ拡張部
１０高温半田層
１１伝熱体
１２電子部品
１３接着層

Claims

絶縁樹脂層と、
この絶縁樹脂層の上方に、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とを備え、
これらの配線パターンの内少なくともいずれか一つは、
微細部と、この微細部よりパターン幅の広い拡張部とを有し、
前記微細部の下面には、
前記絶縁樹脂層よりも熱伝導率の大きい伝熱体が接続され、
この伝熱体は、前記絶縁樹脂層の内部で広がり、前記拡張部の下方に延長されている放熱配線基板。
前記配線パターンと前記伝熱体とは銅で形成され、
この伝熱体と前記配線パターンとの間は、高温半田層を介して接続されている請求項１に記載の放熱配線基板。
前記伝熱体は、
前記配線パターンの下面内側で、高温半田層を介して前記配線パターンと接続され、
前記高温半田層は前記伝熱体の側面から前記配線パターンの下面に向けて広がるように形成されている請求項１に記載の放熱配線基板。
前記伝熱体は、
隣接している配線パターンの下方まで広がるとともに、
この隣接する配線パターンと前記伝熱体との間には、前記絶縁樹脂層が形成されている請求項１に記載の放熱配線基板。
前記伝熱体は、
隣接している配線パターンの下方まで広がるとともに、
この隣接する配線パターンと前記伝熱体との間には、前記絶縁樹脂層よりも熱伝導率の低い接着層が形成されている請求項１に記載の放熱配線基板。
前記伝熱体は、
Ｌ字形の断面を有する請求項１に記載の放熱配線基板。
一の伝熱体を複数の配線パターンと接続させた請求項１に記載の放熱配線基板。