JP2006216674A

JP2006216674A - 放熱性を向上したプリント回路基板およびそれを含んだ回路モジュール

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Publication number: JP2006216674A
Application number: JP2005026402A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Shimonaka; 淳下中
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2005-02-02
Filing date: 2005-02-02
Publication date: 2006-08-17

Abstract

【課題】放熱性を向上し、さらに高密度実装可能で、回路パターンの多層化が容易に行えるように改良されたプリント回路基板を提供する。
【解決手段】第１の絶縁層５を間に介在させて設けられた回路上面パターン層２ａと中間パターン層３と、第２の絶縁層６を介在させて、中間パターン層３の向かい側に設けられた回路下面パターン層４とを備える。第１の絶縁層５又は第２の絶縁層６の少なくとも一方に、表面から内方に向かって形成された第１のザグリ穴９が形成されている。回路上面パターン層２ａ又は回路下面パターン層４のいずれか１つと中間パターン層３が、第１のザグリ穴９の内壁面に連続して形成された熱伝導率５０Ｗ/(ｍ・Ｋ)以上の熱伝導体膜２ｂで接続されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、一般にプリント回路基板に関するものであり、より特定的には、放熱性が向上し、また高密度実装可能で、さらに回路パターンの多層化が容易に行えるように改良されたプリント回路基板に関する。この発明はまたそのようなプリント回路基板を用いた回路モジュールに関する。

近年、通信機器、情報機器は携帯電話に代表される“手のひら”型商品へ大きく移行している。このような状況において、これまで以上に部品の高密度実装化がなされる様になってきた。一方で、通信機器又は情報機器としての携帯電話の機能も向上し、今後その消費電力が大きく減少する事も期待できない。したがって、単位体積あたりの消費電力は増加の一途である。

特に、半導体レーザ、発光ダイオードなど発光素子を搭載した通信機器においては、電流−光変換効率が、温度の影響を直接受ける。かつ光の放射／検出といった動作がアナログ的であることから、温度変化は消費電力のみならず、通信距離の減少といった性能にまで直接影響を及ぼしかねない。

放熱性を改善したプリント基板の構成例としては、たとえば特許文献１に示されるものがある。代表的な構成を図９に示す。

図９を参照して、無機フィラーを含んだ絶縁層（ガラスエポキシ基板）５を介在させて、回路パターン２と内層の配線パターン３１が設けられている。回路パターン２には、回路部品８ａ，８ｂが接続されている。絶縁層５の裏面に絶縁層（ガラスエポキシ基板）６を介在させて放熱体１２が設けられている。絶縁層５の上面にはザグリ穴９が設けられている。回路パターン２は、ザグリ穴９の内壁面にまで延びて形成されている。ザグリ穴９の底面に形成された回路パターン２には発熱回路部品である発光ダイオード１が接続されている。ザグリ穴９には発光ダイオード１を覆うように透明樹脂が充填されている。この従来例では、発光ダイオード１から発した熱は無機フィラーを含んだ絶縁層５を通じて放熱板１２へと伝達される。また、基板上面に設けられた回路パターン２から、放熱用ビア７、配線パターン３１を経て放熱板１２へと伝達される。ここでは熱の流れを矢印付き破線で示している。

また特許文献２に示される例では、図１０に示すように厚さ１００μｍの回路基板５本体にヒートパイプ１３を樹脂１６にて固定している。ヒートパイプ１３を設けた事で熱伝導を高め、回路基板５で発生した熱を反対面へ逃がす構造となっている。ここでも熱の流れを矢印付き破線にて示した。図中、１は発光ダイオード、２は回路上面パターン層である。

特開２００４―３９６９１号公報

特開平０３−２４２９９７号公報

特許文献１に記載の方法では、絶縁層５に無機フィラーを含ませる事により熱伝導率を１〜１０Ｗ/(ｍ・Ｋ)にする事が記載されている。これは通常のガラスエポキシ樹脂と比較して約３〜３０倍程度であるが、金属（例えば銅）と比較すると、約１/４０〜１/４００の小さい値でしかない。さらに絶縁層５は実装される半導体素子の熱伝導率より小さいため、この絶縁層５が熱抵抗となり、半導体素子の劇的な温度低下には至らない。また、特許文献１では、基板上面から放熱用ビア７を用いる事で、熱を放熱板１２近くまで伝達させている。この方法では、回路パターン２である金属層が薄いために半導体素子から発生した熱がビア７まで伝達しにくく、また、ビア内面の金属部断面積が小さいことから十分な熱伝導路となり得ていないことから、半導体素子の温度低下が抑制されてしまう。加えていうならば、回路上面にこのような放熱用ビア７を設ける事は高密度実装の妨げになり必ずしも好ましいものではない。

ヒートパイプ１３を用いた特許文献２の例では、ヒートパイプ１３の本数に依存するものの、放熱性はかなり高まる事が期待される。しかしながら、回路基板全体が２ｍｍ程度と厚くなってしまうこと、高密度実装に対応するための回路の多層化が困難などの課題が存在する。

この発明の目的は、上記のような課題を解決するためになされたもので、放熱性が向上し、また高密度実装可能で、さらに回路パターンの多層化が容易に行えるように改良されたプリント回路基板を提供することにある。

この発明の他の目的は、そのようなそのようなプリント回路基板を用いた回路モジュールを提供することにある。

この発明に従うプリント回路基板は、第１の絶縁層を間に介在させて設けられた上面パターン層と中間パターン層とを備える。第２の絶縁層を介在させて、上記中間パターン層の向かい側に下面パターン層が設けられている。上記第１の絶縁層又は上記第２の絶縁層の少なくとも一方に、表面から内方に向かって形成された第１のザグリ穴が設けられている。上記上面パターン層又は上記下面パターン層のいずれか１つと上記中間パターン層が、上記第１のザグリ穴の内壁面に連続して形成された熱伝導率５０Ｗ/(ｍ・Ｋ)以上の熱伝導体膜で接続されている。上記上面パターン層および上記下面パターン層は回路パターンで形成され、上記中間パターン層は金属で形成され、回路パターンであってもよい。

この発明によれば、上記上面パターン層又は上記下面パターン層のいずれか１つと上記中間パターン層が、上記第１のザグリ穴の内壁面に連続して形成された熱伝導率５０Ｗ/(ｍ・Ｋ)以上の熱伝導体膜で接続されているので、第１のザグリ穴に設けられた実装部品で発生した熱を効率よく中間パターン層にまで伝達する事が可能である。また、中間パターン層に到達した熱を効率よく裏面にまで伝達し放散する事が可能である。

この発明の好ましい実施態様によれば、上記上面パターン層又は上記下面パターン層のいずれか１つと上記中間パターン層との接続は、上記第１のザグリ穴の底面部分に形成された上記熱伝導体膜を介して行われるのが好ましい。このように構成することにより、部品実装面に実装された発熱性部品の直下に位置する中間パターン層を介して放熱されることになり、放熱性が向上する。

この発明の他の実施態様によれば、上記第１のザグリ穴が設けられていない他方の上記第１の絶縁層又は上記第２の絶縁層に、表面から内方に向かって形成され、かつその底面と上記中間パターン層との距離が１００μｍ以下である第２のザグリ穴が設けられている。

熱伝導率５０Ｗ/(ｍ・Ｋ)以上の熱伝導体膜は、ニッケル、銅、金、銀のいずれか１つを含む材料で形成されるのが好ましい。

本発明の他の局面に従う回路モジュールは、上記第１又は第２のザグリ穴の内部に回路部品を実装してなる。上記回路部品は半導体レーザ素子であることが好ましい。

本願発明により、実装部品で発生した熱を効率よく中間パターン層にまで伝達する事が可能である。また、中間パターン層に到達した熱を効率よく裏面にまで伝達し放散する事が可能である。中間パターン層は部品実装面積より大きく設定する事が可能で、放熱面を従来より大きく取る事が可能である。このため、放散効果が増し実装部品ひいては基板の温度上昇を抑制する効果がある。

特に実装部品の直下で中間パターン層から放熱する場合においては、熱伝達の経路が最短化され、熱抵抗の低減、部品の温度上昇抑制の効果がさらに向上する。

熱伝導体膜の熱伝導率が５０Ｗ/(ｍ・Ｋ)以上である場合、半導体材料そのものの熱伝導率が最大約５０Ｗ/(ｍ・Ｋ)であるため、半導体で発生した熱が実装面に設けられた回路パターン内で蓄積するようなボトルネックとならない効果がある。

放熱性が向上し、また高密度実装可能で、さらに回路パターンの多層化が容易に行えるように改良されたプリント回路基板を提供するという目的を、上面パターン層又は下面パターン層のいずれか１つと、中間パターン層とを、第１のザグリ穴の内壁面に連続して形成された熱伝導率５０Ｗ/(ｍ・Ｋ)以上の熱伝導体膜で接続することによって実現した。以下、本願発明の実施例について説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付す。

図１は実施例１にかかるプリント回路基板を用いた回路モジュールの断面図である。まず、作製方法について述べた後、その機能について説明する。

両面に銅箔の形成された厚さ０．４ｍｍのガラスエポキシ基板５を準備し、その上面および下面に、通常のフォトリソグラフィ技術を用いて銅箔から回路上面パターン層２ａおよび中間パターン層３を形成する。このとき、中間パターン層３を形成する銅箔の厚さは、この層を高周波線路として使用しない場合には、例えば０．１ｍｍ厚以上に設定することも可能である。次に、その一方の面に回路下面パターン層４が形成された厚さ０．４ｍｍのガラスエポキシ基板６を準備し、これらの基板５，６を接着剤を用いて接合し、図に示すような３層（回路上面パターン層２ａ，中間パターン層３,回路下面パターン層４）からなる回路基板を形成する。接着後の回路基板に、上面（回路上面パターン層２ａの面）から下面（回路下面パターン層４の面）にまで至る貫通穴７，１７を形成する。そして、発熱量が大きく、高い放熱性が要求される部品１を実装するためのザグリ穴９を上面側から形成する。このときザグリ穴９は、中間パターン層３を超えて、ガラスエポキシ基板６内にまで及んで形成されるようにその深さを設定しておく。貫通穴７、１７、ザグリ穴９を形成後、貫通穴７，１７の内部に銅、ニッケル、金の順にメッキ処理し、ザグリ穴９の内壁面に、同時に、銅、ニッケル、金の順にメッキ処理し、回路パターンとなる連続した熱伝導体膜２ｂを形成する。これらの金属はガラスエポキシ基板５，６との密着性が高く、安定した回路パターンを得ることが可能である。

実際の部品実装は、パターン上の所望の位置に、発熱部品１、その他部品８ａ、８ｂなどをダイボンド／ワイヤボンド工程にて実装し、所望の回路を構成する。場合によっては半導体回路素子の保護の目的から、回路上面パターン層２ａ、２ｂの面は、樹脂によりモールドされる事がある。この場合には、発熱部品１に対する応力を緩和する目的で硬度の低いゲル、ゴムなどの材料でザグリ穴９を満たしておくとよい。

次に、発熱部品１から発生した熱の流れについて説明する。発熱部品１で発生した熱は、点線の矢印で示すように、ザグリ穴９の底面部分の熱伝導体膜２ｂに達し、熱伝導体膜２ｂからは直ちに中間パターン層３へ達する。中間パターン層３から、ガラスエポキシ基板６を経て、回路下面パターン層４へと伝達し、空気中又は、接続される機器の筐体、マザー基板へと放散される。中間パターン層３はその面積を実装面上の熱伝導体膜２ｂのパターンより広く取れる事、中間パターン層３から下面までの距離が全体の厚みの約１/２であることから、中間パターン層３がある事による熱抵抗の低減の効果は格段である。これにより、３００Ｋ/Ｗであった熱抵抗は約１５０Ｋ/Ｗにまで低減した。なお、熱抵抗とは、発熱量に対する温度上昇の度合いを示し、熱抵抗が大きければ、使用状態での実装部品の温度が大きく上昇する。

一方、比較例として、図２に示すように今回の発熱部品１を通常部品８ｂと入れ替えて実装し、上下に通じる放熱用ビア（サーマルビアともいう）７で放熱させる。なお、この上下に通じる放熱用ビア７による放熱機構そのものは従来技術である。この場合、発熱部品１で発生した熱は、点線の矢印で示すように、放熱用ビア７を通って放熱される。図２に示す構造で、この放熱ビア７の数を変えて、熱抵抗を調べた結果を図３に示す。図３には、実施例１および後述する実施例２−４の場合の熱抵抗も重ねて併記する。

比較例の場合、サーマルビアを１０本程度にまでする事でようやく熱抵抗１５０Ｋ/Ｗを得る事ができた。これに対して、本実施例のように、中間パターン層３を設け、これに、ザグリ穴９の内壁面に設けられた高熱伝導性材料で形成された熱伝導体膜２ｂを接合させたとき、その熱抵抗を大幅に低減できる。ここで、熱伝導体膜２ｂ（メッキで形成する）に用いられた銅、ニッケル、金などはその熱伝導率が何れも９０Ｗ/(ｍ・Ｋ)以上であり、通常の熱伝導性ペーストなどと比較して１００倍以上の値を示す。一般には半導体材料そのものの熱伝導率を下回らない値の材料を用いる事で効果的な放熱が可能であり、熱伝導体膜２ｂの熱伝導率は、５０Ｗ/(ｍ・Ｋ)程度あればよい。

図９に示したような放熱用ビア７は、部品実装面の集積度が増してくるとその形成が困難になってくる。したがって、部品実装面には十分な数の放熱用ビアを設ける事はできないことが多く、本実施例によって放熱性の向上を図ることが、小型回路部品実現のために効果がある事が確認できる。さらに加えて言うならば、放熱用ビア７は、１つ１つドリルにより加工するため、基板作製上の工程数が多く、低価格への対応が困難である。一方ザグリ穴９は、１回の工程で作製できるので、低価格化が可能である。

図４は実施例１の変形例にかかるプリント回路基板を用いた回路モジュールの断面図である。図１に示す実施例と同一または相当する部分には、同一の参照番号を付し、その説明を繰り返さない。ここでは、上面にザグリ穴を設ける代わりに、裏面の、発熱部品１の直下に位置する部分に、図のように中間パターン層３に到るザグリ穴９を設ける。この場合には、たとえトランスファーモールドを行っても発熱回路部品１に応力は発生せず、ザグリ穴９の埋め込みは不要である。発熱部品1で発生した熱は、図中、点線で示すように流れ、回路下面パターン層４へと伝達される。その後の放熱の様子は実施例１と同様である。

発熱素子から、回路全体を取り囲む外部環境への熱抵抗は、図５に示す様に、発熱素子から中間パターン層へ至る第１の熱抵抗Ｒ１と、中間パターン層から外部環境へいたる第２の熱抵抗Ｒ２とから構成され、これらは直列抵抗として作用している。したがって、消費電力Ｗ、外部環境温度Ｔａのとき、発熱回路素子１の到達温度はＴａ+(Ｒ１+Ｒ２)*Ｗとなり、これらの熱抵抗Ｒ１とＲ２を入れ替えた本実施例２の効果は、実施例１と同じである。このように中間パターン層３へと接続されるザグリ穴９は部品実装面側に設けてもよいし、その裏面に設けてもよい。ただし、回路下面パターン層４内部での温度勾配に配慮すると、実施例１の方が、若干全体の熱抵抗が低い事が期待される。

図６は、本発明を光通信モジュールに適用した実施例にかかる。図１に示す実施例と同一または相当する部分には、同一の参照番号を付し、その説明を繰り返さない。具体的には、発熱部品１は半導体レーザ素子であり、回路部品８ａ，８ｂは受光素子である。実施例１とほぼ同じ工程により図６に示す構造を作製した。ただしこの例では、中間パターン層３の層厚を０．１ｍｍとした。また、部品実装面には、回路形成後にトランスファーモールド工程によりレンズ付きエポキシ樹脂１０を形成した。この光通信モジュールは例えば携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータのマザーボードへと搭載され、それぞれのマザー基板、筐体を通じて放熱されることになる。

しかしながら本例のように、エポキシ樹脂１０が発熱部品１の表面を厚く（レンズがある分、保護目的だけの樹脂モールドより厚さが必要である。）覆っている場合には、部品実装面からの対流による放熱量が低減する。したがって本例の場合には更なるモジュール熱抵抗の低減が必要である。本例では、中間パターン層３として厚さ０．１ｍｍの銅箔を用いている。この程度の厚さがある場合、ザグリ穴９は、その底面を中間パターン層３の直上又は内部に設定することが可能となる。本例では、ザグリ穴９にメッキされてなる高熱伝導性材料で形成された熱伝導体膜２ｂの底面部分と中間パターン層３は直接接している。この場合、発熱部品１で発生した熱は、実施例１のようにザグリ穴９の側面から中間パターン層３へ流れるのではなく、図中点線の矢印で示すように、熱伝導体膜２ｂの、発熱部品１の直下に位置する部分から中間パターン層３へと達する。その後の放熱の様子は、実施例１と同様である。

このように、中間パターン層３と、熱伝導体膜２ｂの、ザグリ穴９の底面に位置する部分とが接合し、かつその接合面積が大きい場合、大幅な熱抵抗の低減が図れ、本実施例では熱抵抗１３５Ｋ/Ｗを得た（図３参照）。特に半導体レーザなどのアナログ部品は、温度によりその出力が直接影響を受けてしまい、光通信可能距離の短小化などがおきてしまう。したがって特に放熱性を向上させた回路基板、モジュールが必須である。

図７はさらに放熱性の向上した基板を用いた光通信モジュールの例である。先の実施例３の構造に、さらにザグリ穴９の裏面側から、同じくザグリ穴１１を形成したものである。ザグリ穴１１の直径はザグリ穴９の底面の直径と同程度又はそれ以上に形成しておく。もちろん放熱の効果は小さくなるが、レイアウトに応じてザグリ穴９より小さくしてもよい。ザグリ穴１１の内部は、銅、ニッケル、金の順にメッキが施されており、発熱部品1で発生した熱は、図中、点線の矢印で示すように、熱伝導体膜２ｂ、中間パターン層３から、ガラスエポキシ基板６を経て、回路下面パターン層４へと伝達し、空気中又は、接続される機器の筐体、マザー基板へと放散される。

本実施例では、基板下面からザグリ穴１１を形成しており、ザグリ穴１１の底面と中間パターン層３の距離ｄを変える事で熱抵抗をコントロールすることが可能である。本実施例ではこの距離を５０μｍに設定した。図８に、この距離ｄを変えた時の熱抵抗の様子を示す。距離ｄを短くするとともに熱抵抗の低減がうかがわれるが、特に１００μｍ以下の領域では、急速に低減する事が確認できた。ザグリ穴形成工程における深さの最大公差は、±５０μｍであり、上記距離を５０μｍに設定する事で、実際のｄは０μｍ<ｄ<１００μｍとなり、熱抵抗を１１５(Ｋ/Ｗ)以下にまで低減させることが可能となった。この値は、図３から明らかなように、放熱用ビアの数を増やすことのみでは実現する事が困難な熱抵抗の値である。

本例では、部品実装パターン（２ａ）および中間パターン層３と、下面側のザグリ穴１１の内壁面に形成されたパターン４とは電気的に直接接続していない構成とし、回路設計の自由度をあげたものとしている。しかしながらこれらパターン２ａ、３、４が互いに放熱用ビアで接続されている構成であってもよい事は言うまでもない。

ガラスエポキシ層６全体を薄くする事で、本実施例と同様の効果が得られるが、そのような構造では、基板全体が薄くなり、トランスファーモールド後の応力により基板の反り、ワイヤの断線などの問題が生じやすくなる。

今回開示された実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。例えば、ガラスエポキシ層６は他の絶縁性材料であってもよい。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、発熱量の大きな回路部品を実装するプリント基板に関する。特に、部品実装面からの放熱が少ない、樹脂モールドを必要とする回路基板として用いる事ができる。さらに加えるならば、上記モールド樹脂が回路保護以外の機能を有し、その厚さを薄くできない（例えばＩｒＤＡに代表される光モジュール部品など）場合には、格段の放熱効果を有するものである。

実施例１にかかるプリント回路基板を用いた回路モジュールの断面図である。比較例にかかるプリント回路基板を用いた回路モジュールの断面図である。サーマルビアホールの数と熱抵抗の関係を示す図である。実施例２にかかるプリント回路基板を用いた回路モジュールの断面図である。発熱素子から、回路全体を取り囲む外部環境への熱の流れを熱抵抗を用いて示した図である。実施例３にかかるプリント回路基板を用いた光通信モジュールの断面図である。実施例４にかかるプリント回路基板を用いた光通信モジュールの断面図である。ザグリ穴の底面と中間パターン層の距離ｄと熱抵抗の関係を示す図である。従来のプリント回路基板を用いた回路モジュールの断面図である。他の従来のプリント回路基板を用いた回路モジュールの断面図である。

符号の説明

１発熱部品
２ａ回路上面パターン層
２ｂ熱伝導体膜
３中間パターン層
４回路下面パターン層
５、６ガラスエポキシ基板
７放熱用ビア
８ａ．８ｂ回路部品
９，１１ザグリ穴
１０エポキシ樹脂（トランスファーモールド樹脂）
１２放熱体
１３ヒートパイプ

Claims

第１の絶縁層を間に介在させて設けられた上面パターン層と中間パターン層と、
第２の絶縁層を介在させて、前記中間パターン層の向かい側に設けられた下面パターン層とを備え、
前記第１の絶縁層又は前記第２の絶縁層の少なくとも一方に、表面から内方に向かって形成された第１のザグリ穴が設けられており、
前記上面パターン層又は前記下面パターン層のいずれか１つと前記中間パターン層が、前記第１のザグリ穴の内壁面に連続して形成された熱伝導率５０Ｗ/(ｍ・Ｋ)以上の熱伝導体膜で接続されている事を特徴とするプリント回路基板。
前記上面パターン層又は前記下面パターン層のいずれか１つと前記中間パターン層との接続は、前記第１のザグリ穴の底面部分に形成された前記熱伝導体膜を介して行われることを特徴とする請求項１記載のプリント回路基板。
前記第１のザグリ穴が設けられていない他方の前記第１の絶縁層又は前記第２の絶縁層に、表面から内方に向かって形成され、かつその底面と前記中間パターン層との距離が１００μｍ以下である第２のザグリ穴が設けられている、請求項１または２に記載のプリント回路基板。
前記熱伝導体膜は、ニッケル、銅、金、銀のいずれか１つを含む材料で形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプリント回路基板。
請求項１または３記載のプリント回路基板を用いて、前記第１又は第２のザグリ穴の内部に回路部品を実装した回路モジュール。
前記回路部品は半導体レーザ素子であることを特徴とする請求項５記載の回路モジュール。