JP6315705B2 - 放熱基板 - Google Patents

Description

本発明は、樹脂基板からなりこの上に素子を実装させる電子回路基板に関し、特に、長繊維を用いた複合材料からなりこの上に与えられた素子の熱を外部に放熱させるための放熱基板に関する。

発熱によってその機能を低下させてしまうような素子を電子回路基板上に実装させるにあたっては、素子の駆動による発熱を外部に散逸させるためのヒートシンクを素子に直接取り付け、若しくは、放熱性に優れた放熱基板を用いてこの上にヒートシンクを設けて素子の熱を導き外部に散逸させることなどが行われている。一般的に、絶縁性の高い回路基板の熱伝導性は低いとされ、基板としての絶縁性を確保しつつ熱伝導性を高めるには複合材料が用いられる。

例えば特許文献１では、ガラス−トリアジン樹脂等の絶縁性の高い樹脂からなる板状の基材の裏面に樹脂絶縁層及び放熱のための金属層を設けた複合材料からなる回路基板が開示されている。樹脂絶縁層には複数の開口部や凹凸部が設けられておりこれに無電解メッキによる金属層を与えることで、より面積の大きな放熱面を得られヒートシンクの役割を担うことができる。一方、素子の駆動による発熱を基板の裏側のヒートシンクとしての金属層へ導くには、熱伝導性の低い基材及び樹脂絶縁層を介して基板の厚さ方向に熱を移動させる必要がある。

特許文献２では、炭素繊維を厚さ方向に配列させて当該方向に熱伝導性を高めるようにした炭素繊維強化複合材料からなる複合基板が開示されている。かかる基板の製造方法としては、一方向に配列させた炭素繊維束にフェノール樹脂等のマトリックス材を含浸させこれを不活性雰囲気中で炭化させてブロックとし、これを炭素繊維が厚さ方向に配向するように板材に切り出す。板材表面には絶縁性を有する接合手段を設けてこの上に金属電極を与えるとともに、反対側の面にはアルミニウム製の放熱用フィンを取り付ける。金属電極上の素子からの熱は基板厚さ方向に配列した炭素繊維を介して該基板の裏面の放熱用フィンから放熱される。

一方、近年、絶縁性とともに熱伝導性をも兼ね備えた高機能性素材が開発され、かかる素材を用いた放熱基板も考慮される。すなわち、かかる基板では、一方の面に与えられた素子の発熱は基板を厚さ方向に貫くサーマルビアの如きを設けずとも容易に他方の面に与えられたヒートシンクへと移動し、放熱させることができるのである。

例えば特許文献３では、絶縁性及び熱伝導性の双方に優れるＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール）繊維の織布又は不織布からなるシート体の複数を互いに接触するようにして積層させ、これに樹脂を含浸させて硬化させた複合材料からなる放熱基板を開示している。基板表面ではＰＢＯ繊維及び含浸樹脂によって絶縁性が与えられるとともに、基板内部で厚さ方向に互いに接触したシート体によって基板表面の素子からの熱は裏面側のヒートシンクへと導かれ、放熱されるのである。

特開平６−３１４８６１号公報 特開２００１−１３５８６７号公報 特開２０１２−１８６２４２号公報

上記したように、電極や回路パターン及び素子の間での短絡を防止するように基板の表層付近に絶縁性の高い材料を与えると、基板の裏面に与えられたヒートシンク等に素子からの熱を導くためのサーマルビアなどを基板に設けることで基板としての放熱性を高めることが出来る。また、絶縁性及び熱伝導性の双方に優れる材料からなる放熱基板によればサーマルビアを与えずとも、基板の裏面に与えられたヒートシンク等から放熱出来て、基板としての放熱性を高めることが出来るだろう。

本発明はかかる状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、より放熱性に優れる放熱基板を提供することにある。

本発明による放熱基板は、樹脂基板からなりこの上に与えられた素子の熱を放熱させる放熱基板であって、ガラス繊維からなる低熱伝導織布を樹脂に埋設した基層の上に絶縁性熱伝導繊維からなる高熱伝導織布を樹脂固定して表面放熱層を設けてなることを特徴とする。

かかる発明によれば、熱伝導性の低い基層の上に設けられた表面放熱層における熱伝導によって、基板の主面に沿って熱が伝導し基板の素子の配置されていない部分やその端部などの低温部への熱伝達を促進できて、放熱基板としての放熱性に優れる。また、放熱基板を比較的安価に製造可能である。

上記した発明において、前記高熱伝導織布は複数枚を積層されていることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、基板の主面に沿った熱伝導性を高め、放熱基板としての放熱性を高め得る。

上記した発明において、複数枚の前記高熱伝導織布の間を前記絶縁性熱伝導繊維が連結していることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、基板の主面に沿った熱伝導性をより高め、放熱基板としての放熱性を高め得る。

上記した発明において、前記高熱伝導織布は前記基層の両面上に樹脂固定されこれらの間を前記絶縁性熱伝導繊維が連結しヒートシンク上に固定されて使用されることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、基板の素子を与えられた側の主面に沿った熱伝導性を低減すること無く、他側に与えられたヒートシンクからも放熱させ、放熱基板としての放熱性をより高め得る。

上記した発明において、前記絶縁性熱伝導繊維の少なくとも一部が最表面に露出していることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、表面放熱層における放熱を高め、放熱基板としての放熱性を高め得る。

上記した発明において、前記絶縁性熱伝導繊維は長手方向に３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有することを特徴としてもよい。かかる発明によれば、基板の主面に沿った熱伝達を促進できて、放熱基板としての放熱性により優れる。

本発明の１つの実施例による放熱基板の斜視図である。 本発明の１つの実施例による放熱基板の断面図である。 放熱基板の要部の断面図である。 放熱基板の使用例を示す正面図である。 本発明の他の実施例による放熱基板の断面図である。 本発明の更に他の実施例による放熱基板の断面図である。

［実施例１］
本発明による１つの実施例としての放熱基板について、図１乃至図３を用いてその詳細を説明する。

図１に示すように、放熱基板１０は、導電体による回路パターンや電極２１を設けて素子２２（図４参照）を取り付けるための素子側面３を主面として最表面に備える積層体からなる樹脂基板である。

図２を併せて参照すると、放熱基板１０は、複数の低熱伝導層２の積層体とその上面に積層された高熱伝導層１とを含む。

高熱伝導層１は、高い絶縁性及び熱伝導性を有する熱伝導繊維によって得た高熱伝導織布４（図３参照）を低熱伝導層２による積層体を基層としてその上面に樹脂により固定させた繊維強化複合材料である。ここで高熱伝導層１における樹脂は、絶縁性を有し、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂やアクリル樹脂などの熱可塑性樹脂とし得る。また、熱伝導繊維としては、絶縁性を有するとともに、かかる樹脂より引張強度の高い熱伝導性に優れる長繊維を用い、特に長手方向の熱伝導率が３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であると好適である。このような熱伝導繊維としては、例えばＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール）繊維などを用い得る。

低熱伝導層２は、ガラス繊維からなる低熱伝導織布を樹脂に埋設した繊維強化複合材料を用い得る。低熱伝導層２に用いる樹脂としては、必要とされる高熱伝導層１の接合強度を確保できればよい。後述するように製造方法にもよるが、例えば高熱伝導層１に用いた樹脂と同じ樹脂を用いることができる。

ここで、図３に示すように、高熱伝導層１は、その側端部において高熱伝導織布４の端面を樹脂の端面と面一になるよう側端部に露出させているとよい。熱伝導繊維による高熱伝導織布４の端面を放熱部とでき、放熱基板１０の側端部からの放熱性を高め得るのである。

次に、上記した放熱基板１０の製造方法について説明する。

まず、低熱伝導織布の複数と高熱伝導織布４とのそれぞれに樹脂を含浸させて、それぞれの織布を埋設したシート体を得てプリプレグとする。次に、高熱伝導織布４によるシート体を最上層にするように各シート体を積層させ、樹脂を硬化させて放熱基板１０を得る。

なお、高熱伝導層１のシート体を得るにあたり、その表面に熱伝導繊維の一部を素子側面３に露出させてもよい。すなわち、予め高熱伝導織布４にニードルパンチを施して高熱伝導繊維に起毛を与えたり、ＰＢＯ繊維などの高熱伝導繊維による短繊維（チョップドストランド）を高熱伝導織布４に接触させるように分散配置させたりして、これらの一部を表面に露出させるよう樹脂を含浸させるのである。また、高熱伝導織布４の一部を素子側面３に露出させるように樹脂を含浸させてもよい。これらにより、高熱伝導繊維を露出させた面を最表面である素子側面３として放熱基板１０を得れば、素子側面３の表面積を増大させつつ高熱伝導繊維を露出させて、高熱伝導層１からの放熱性に優れる。

なお、上記したように高熱伝導織布４及び低熱伝導織布によるシート体を得てからこれらを積層させて硬化させてもよいが、高熱伝導織布４及び低熱伝導織布のそれぞれを予め積層させた上で、樹脂を含浸させた後、これを硬化させることで放熱基板１０を製造してもよい。この場合は高熱伝導層１及び低熱伝導層２の樹脂は同一のものに限られる。また、これらの積層に対してニードルパンチを施すことで、高熱伝導織布４に低熱伝導織布を貫通して延びる起毛を付与し、かかる起毛を高熱伝導繊維の一部として放熱基板１０の裏面側に露出させてもよく、これによって裏面側からの放熱性をも向上させ得る。

次に、上記した放熱基板１０の使用方法について図４を用いて説明する。

図４に示すように、放熱基板１０はその高熱伝導層１（図２参照）の表面である素子側面３に電極２１を設けられ、これに素子２２を取り付けられる。高熱伝導層１は高い絶縁性を有するので、電極２１との間に絶縁層等を設ける必要がない。また、素子側面３の反対側の裏面にはヒートシンク２３を取り付けてもよく、この場合、放熱基板１０の裏面に伝達された熱を吸収し、外部に散逸させ得る。

上記した実施例によれば、素子２２により発生した熱を直接的に絶縁性の高い高熱伝導層１に伝達させて、素子側面３に沿った方向の高い熱伝導性により、素子２２の配置されていない部分や、放熱基板１０の端部などの低温部への熱伝達を促進できて、高熱伝導層１からの放熱性に優れるのである。すなわち、放熱基板１０は、素子側面３を有する高熱伝導層１を側端部や素子側面３からの放熱性に優れる表面放熱層として、裏面のヒートシンク２３がなくとも十分な放熱性を得ることができる。

［実施例２］
本発明による他の１つの実施例としての放熱基板について、図５を用いてその詳細を説明する。

図５に示すように、放熱基板１１は、導電体による回路パターンや電極２１を設けて素子２２を取り付けるための素子側面３を最表面に備える積層体からなる樹脂基板である。放熱基板１１は、複数の低熱伝導層２の積層体と、これを基層としてその上面に積層された複数の高熱伝導層１とを含む。

放熱基板１１は、高熱伝導織布４（図３参照）の複数を積層させることで高熱伝導層１を複数とするが、それ以外において、実施例１の放熱基板１０と同様なので、その他の説明を省略する。

放熱基板１１によれば、高熱伝導層１を素子側面３側に複数設けているので、高熱伝導層１に含まれる熱伝導繊維の量を多くでき、放熱基板１１の全体として、素子側面３に沿った方向の熱伝導性をより高くできて、高熱伝導層１からの放熱性においてより優れる。

なお、放熱基板１１においても、図３に示すように、高熱伝導層１の側端部において、高熱伝導織布４の端面を側端部に露出させているとよい。熱伝導繊維による高熱伝導織布４の端面を放熱部とでき、放熱基板１１の側端部からの放熱性を高め得るのである。

また、高熱伝導層１のそれぞれに埋設される高熱伝導織布４（図３参照）同士を高熱伝導繊維によって連結させると好ましい。この場合、放熱基板１１の製造において、高熱伝導織布４の複数を互いに接触するように積層させたり、高熱伝導織布４を積層させた状態でニードルパンチを施して高熱伝導繊維に起毛を与えたり、高熱伝導織布４同士の間にＰＢＯ繊維などの高熱伝導繊維による短繊維を高熱伝導織布４に接触させるように分散配置させたりして、高熱伝導織布４同士を熱的に接続させるのである。この場合にあっては、積層された高熱伝導層１同士の間での熱伝導性を高め得て、結果として素子側面３に沿った方向の熱伝導性を向上させ得る。

［実施例３］
本発明によるさらに他の１つの実施例としての放熱基板について、図６を用いてその詳細を説明する。

図６に示すように、放熱基板１２は、導電体による回路パターンや電極２１を設けて素子２２を取り付けるための素子側面３を最表面に備える積層体からなる樹脂基板である。放熱基板１２は、厚さ方向の中央近傍に備えられる複数の低熱伝導層２の積層体と、これを基層としてその上面側に積層された複数の高熱伝導層１と、下面側に積層された複数の高熱伝導層１’とを含む。高熱伝導層１’は、高熱伝導層１と同様に、高い絶縁性及び熱伝導性を有する熱伝導繊維によって得た高熱伝導織布４（図３参照）を低熱伝導層２による積層体の下面に樹脂により固定させた繊維強化複合材料である。

放熱基板１２においては、熱伝導繊維による起毛や短繊維によって素子側面３の側の高熱伝導層１と下面側の高熱伝導層１’とを互いに連結させている。すなわち、製造時において、例えば高熱伝導織布４及び低熱伝導織布を全て積層させた状態で、必要に応じて各層の間にＰＢＯ繊維などの高熱伝導繊維による短繊維を分散配置させ、ニードルパンチを施して高熱伝導繊維に起毛を与えたり、短繊維を厚さ方向に配向させたりして、高熱伝導層１及び１’を熱的に接続させるのである。また、素子側面３と反対側の高熱伝導層１’にはヒートシンク２３を接続させる。これにより、素子側面からヒートシンク２３までの高熱伝導率の熱伝導路を連続させ得る。その他においては、実施例２の放熱基板１１と同様である。

放熱基板１２によれば、実施例２と同様に素子側面３に沿った方向の熱伝導性をより高くできて、高熱伝導層１からの放熱性においてより優れるとともに、高熱伝導層１から熱伝導路を連続させた高熱伝導層１’に熱を伝達しやすい。素子側面３の反対側の面の近傍においても、高熱伝導層１’の拡がる方向の高い熱伝導性により、特に放熱基板１２の端部の低温の部分への熱伝達を促進できて、高熱伝導層１’を裏面側の放熱層として裏面からの放熱性を高め得る。また、かかる裏面にはヒートシンク２３を接続させて素子側面３から熱伝導路を連続させたのでより高い放熱性を放熱基板１２に付与できる。

ここまで本発明による代表的実施例及びこれに基づく変形例を説明したが、本発明は必ずしもこれらに限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の主旨又は添付した特許請求の範囲を逸脱することなく種々の代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。

１、１’ 高熱伝導層
２ 低熱伝導層
３ 素子側面
４ 高熱伝導織布
１０、１１、１２ 放熱基板

Claims (5)

1. 樹脂基板からなりこの上に与えられた素子の熱を放熱させる放熱基板であって、
   ガラス繊維からなる低熱伝導織布を樹脂に埋設した低熱伝導性基層の上に、長手方向に３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有する絶縁性熱伝導繊維からなる高熱伝導織布を樹脂固定して高熱伝導性表面放熱層を設け主面に沿って熱を伝導させて放熱することを特徴とする放熱基板。
2. 前記絶縁性熱伝導繊維の少なくとも一部が最表面に露出していることを特徴とする請求項１記載の放熱基板。
3. 前記高熱伝導織布は前記基層の両面上に樹脂固定されこれらの間を前記絶縁性熱伝導繊維が連結しヒートシンク上に固定されて使用されることを特徴とする請求項１又は２に記載の放熱基板。
4. 前記高熱伝導織布は複数枚を積層されていることを特徴とする請求項１乃至３のうちの１つに記載の放熱基板。
5. 複数枚の前記高熱伝導織布の間を前記絶縁性熱伝導繊維が連結していることを特徴とする請求項４記載の放熱基板。
   
   

Images