JP2015088537A - Circuit board and method of manufacturing circuit board - Google Patents
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Description
本発明は、熱伝導性を有するシート状部材に導電回路を形成してなる回路基板およびこの回路基板の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a circuit board formed by forming a conductive circuit on a sheet-like member having thermal conductivity and a method for manufacturing the circuit board.
電子機器を構成する回路基板に実装される電子部品には、CPUやパワートランジスタなど動作時に熱を発生する発熱体がある。発熱体の連続稼働に際しては、過熱による動作異常や熱損傷を防止するための冷却が必要とされる。このため、このような用途の回路基板には、発熱体が発生する熱を放散する熱放散特性が良好なものが望まれる。しかしながら従来技術の回路基板で実現される熱放散特性には限度があるため、このような発熱体を有する回路基板には、従来より発熱部から発生する熱を高伝熱性のシートを介して放熱部に導く構成の放熱装置を設けることが行われていた(例えば特許文献1,2参照)。いずれの特許文献例に示す先行技術においても、発熱部から発生する熱を伝熱性を有する伝熱シートを介して放熱部に導いて、空冷により放散するようにしている。
Electronic components mounted on a circuit board constituting an electronic device include a heating element that generates heat during operation, such as a CPU and a power transistor. During continuous operation of the heating element, cooling is required to prevent abnormal operation and thermal damage due to overheating. For this reason, a circuit board for such applications is desired to have good heat dissipation characteristics for radiating the heat generated by the heating element. However, since there is a limit to the heat dissipation characteristics that can be realized with the prior art circuit board, the heat generated from the heat generating part is radiated through a highly heat-conductive sheet to the circuit board having such a heating element. It has been practiced to provide a heat radiating device configured to be guided to the section (see, for example,
しかしながら上述の特許文献例に示す従来技術には、放熱部を別個に設ける必要があることに起因して以下に述べるような難点があった。すなわち従来技術では、空冷方式の放熱部としてアルミニウムなどの金属製のフィンと空冷ファンとを組み合わせた構成が採用されていたことから、冷却性能を重視すればフィンが大型化して放熱部のコンパクト化が阻害されるとともに、フィンの放熱特性の制約に起因して冷却効率を大幅に改善することが困難であった。 However, the conventional techniques shown in the above-mentioned patent document examples have the following problems due to the necessity of separately providing a heat radiating portion. In other words, in the conventional technology, a combination of metal fins such as aluminum and an air cooling fan was used as the air-cooling heat dissipation part, so if the emphasis was placed on cooling performance, the fin would become larger and the heat dissipation part more compact. It is difficult to significantly improve the cooling efficiency due to the restriction of the heat dissipation characteristics of the fins.
そこで本発明は、放熱特性を向上させて冷却効率を大幅に改善することができる回路基板および回路基板の製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a circuit board and a circuit board manufacturing method capable of improving the heat dissipation characteristics and greatly improving the cooling efficiency.
本発明の回路基板は、熱伝導性を有するシート状部材に発熱体が接続される導電回路を形成してなる回路基板であって、前記シート状部材は、内部に微細空隙が少なくとも厚み方向に連通して形成されて気体の流動を許容する通気空隙部を有し、前記導電回路は、前記シート状部材の表層に存在する前記微細空隙内に浸入して前記表層に接合された形態で形成されている。 The circuit board of the present invention is a circuit board formed by forming a conductive circuit in which a heating element is connected to a sheet-like member having thermal conductivity, and the sheet-like member has at least a fine gap in the thickness direction. It has a ventilation gap portion that is formed in communication and allows gas flow, and the conductive circuit is formed in a form in which it enters into the fine gap existing in the surface layer of the sheet-like member and is joined to the surface layer. Has been.
本発明の回路基板の製造方法は、熱伝導性を有するシート状部材に発熱体が接続される導電回路を形成してなる回路基板を製造する回路基板の製造方法であって、内部に微細空隙が少なくとも厚み方向に連通して形成されて気体の流動を許容する通気空隙部を有するシート状部材を形成するシート形成工程と、前記導電回路を前記シート状部材の表層に存在する前記微細空隙内に浸入して前記表層に接合された形態で形成する導電回路形成工程とを含む。 The circuit board manufacturing method of the present invention is a circuit board manufacturing method for manufacturing a circuit board formed by forming a conductive circuit in which a heating element is connected to a sheet-like member having thermal conductivity, and has a minute gap inside. A sheet forming step of forming a sheet-like member having a ventilation gap portion that is formed in communication with at least in the thickness direction and allows a gas flow, and the conductive circuit is present in a surface layer of the sheet-like member. And a conductive circuit forming step of forming a structure joined to the surface layer.
本発明によれば、熱伝導性を有するシート状部材に発熱体が接続される導電回路を形成してなる回路基板において、シート状部材を内部に微細空隙が少なくとも厚み方向に連通して形成されて気体の流動を許容する通気空隙部を有する構成とし、導電回路をシート状部材の表層に存在する微細空隙内に浸入して表層に接合された形態で形成することにより、放熱特性を向上させて冷却効率を大幅に改善することができる。 According to the present invention, in a circuit board formed by forming a conductive circuit in which a heating element is connected to a sheet-like member having thermal conductivity, a fine gap is formed at least in the thickness direction inside the sheet-like member. The heat dissipation characteristics are improved by having a structure having a ventilation gap that allows the flow of gas and forming the conductive circuit in a form that penetrates into the fine gap existing in the surface layer of the sheet-like member and is joined to the surface layer. Cooling efficiency can be greatly improved.
次に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。まず図1を参照して、回路基板1の構成を説明する。図1(a)、(b)に示すように、回路基板1は、熱伝導性を有するシート状部材である基板2に導電回路3を形成した構成となっている。導電回路3の一部には、作動状態において発熱するCPUやパワートランジスタなどの電子部品4(発熱体)が接続される。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First, the configuration of the
図1(c)に示すように、基板2は高分子有機化合物より形成されたナノファイバ16a(図2参照)を不織布状に堆積して成り、グラファイト化されて高い熱伝導性を有するナノファイバ膜を材質としている。基板2にはナノファイバ16a相互の間に形成された微細空隙Sが含まれている。基板2の内部において微細空隙Sは、厚み方向、幅・長さ方向のいずれの方向についても、少なくともある割合において連通しており、これらの微細空隙Sは気体の流動を許容する通気空隙部を形成している。
As shown in FIG. 1 (c), the
ここで、基板2として用いられるナノファイバ膜の構成および製造方法について図2を参照して説明する。図2(a)は、ナノファイバ膜の製造に用いられるナノファイバ膜製造装置10を示している。ナノファイバ膜製造装置10はエレクトロスピニング法によってナノファイバを生成する機能を有するものであり、原料液を射出してナノファイバを生成するナノファイバ生成部11、生成されたナノファイバを堆積捕集する捕集部12を備えている。ナノファイバ生成部11は、金属板など導電性を有する平板状の移動プレート11aに、複数の溶液供給容器13を列状に配置した構成となっている。
Here, the structure and manufacturing method of the nanofiber film used as the
それぞれの溶液供給容器13の下端部には、導電性の表面を有する吐出ノズル14が、移動プレート11aの下面に突出して装着されており、溶液供給容器13はエア供給部15と接続されている。溶液供給容器13の内部には、ナノファイバの原料となる高分子材料(ここではポリイミドを用いている)を溶媒に溶解させた原料液16が貯留されている。エア供給部15によって溶液供給容器13に所定圧のエアを供給することにより、吐出ノズル14から原料液16が吐出される。
A
移動プレート11aは高電圧印加装置20に電気的に接続されており、高電圧印加装置20を作動させることにより、移動プレート11aには正側の高電圧(+10〜20KV)が印加され、さらに導電性の表面を有する吐出ノズル14を介して原料液16に高電圧が付与される。これにより吐出ノズル14から吐出される原料液16は正電位に帯電しており、下方に噴射される過程において電荷相互に作用するクーロン力によって電気的に延伸され、ナノファイバ16aが生成される。
The moving
捕集部12は、供給リール18aから繰り出される捕集シート17を、シート送り駆動機構19によって駆動される回収リール18bによって巻き取ることにより所定方向(矢印b)に送る構成となっている。捕集シート17は、導電体を板状に成形した支持部材12aによって下方から支持された状態で送られる。捕集シート17の上面17aは、ナノファイバ生成部11の吐出ノズル14と対向しており、吐出ノズル14から吐出された原料液16が電気的に延伸して生成されたナノファイバ16aは、タングステン膜などの導電膜より成る捕集シート17の上面17aによって捕集される。捕集シート17は支持部材12aを介して高電圧印加装置20の負電圧側と導通しており、正の電荷を帯びたナノファイバ16aを捕集することにより帯電した捕集シート17は、高電圧印加装置20の負電圧によって徐電される。
The
捕集シート17の送り方向におけるナノファイバ生成部11の下流側には、捕集シート17の上方の位置して加熱装置21が配設されている。加熱装置21は捕集シート17に載置された対象物を加熱する機能を有しており、本実施の形態では、捕集シート17の上面17aにナノファイバ16aが不織布状に堆積されたナノファイバ膜2*を加熱焼成してグラファイト化した基板2を形成するために用いられる。
On the downstream side of the
図2(b)は、エレクトロスピニングにおけるナノファイバ16aの生成および成長過程を示している。すなわち吐出ノズル14から吐出された帯電状態の原料液16が捕集シート17の上面17aに向かって降下する過程において、原料液16中の溶媒が徐々に蒸発し、これにより原料液16の体積は徐々に減少していくが、付与された電荷は原料液16に貯まる。
FIG. 2 (b) shows the process of generating and growing
この結果原料液16においては溶媒が継続的に蒸発し続けて電荷密度がさらに高まり、原料液16の内部に発生する反発方向のクーロン力が原料液16の表面張力より勝った時点で、原料液16が爆発的に線状に延伸される静電爆発が生じる。そしてこの静電爆発が、吐出ノズル14と捕集シート17との間の空間において、1次爆発16b、2次爆発16c、3次爆発16d・・と順次幾何級数的に発生することにより、直径がサブミクロンオーダーの微細繊維状の樹脂から成るナノファイバ16aが生成される。
As a result, in the
このようにして生成されたナノファイバ16aは捕集シート17上で不織布状に堆積されて、所定厚みのナノファイバ膜2*となる。そしてこのナノファイバ膜2*が加熱装置21によって加熱焼成されることにより、グラファイト化されたナノファイバ16aより成るナノファイバ膜2*が、回路基板1に用いられるシート状部材(基板2)として形成される(シート形成工程)。前述のように基板2は、内部に微細空隙Sが少なくとも厚み方向に連通して形成されて、気体の流動を許容する通気空隙部を有する構成となっている。
The
ここで、ナノファイバ16aを構成する高分子有機化合物の種類は、本実施の形態に示すポリイミドには限定されず、以下に例示するような各種の高分子有機化合物を用いることができる。例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリエチレンオキサイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリ−m−フェニレンテレフタレート、ポリ−p−フェニレンイソフタレート、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン−アクリレート共重合体、ポリアクリロニトリル、ポリアクリロニトリル−メタクリレート共重合体、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリエステルカーボネート、ポリアミド、アラミド、ポリカプロラクトン、ポリ乳酸、ポリグリコール酸、コラーゲン、ポリヒドロキシ酪酸、ポリ酢酸ビニル、ポリペプチド等およびこれらの共重合体等の高分子有機化合物を例示できる。使用に際しては上記より一種類を選択して用いてもよく、また複数種類が混在しても差し支えない。なお、上記は例示であり、本願発明は上記樹脂に限定されるものではない。
Here, the kind of the high molecular organic compound which comprises the
原料液16に使用される溶媒としては、揮発性のある有機溶剤などを例示することができる。具体的に例示すると、メタノール、エタノール、1−プロパノール、2−プロパノール、ヘキサフルオロイソプロパノール、テトラエチレングリコール、トリエチレングリコール、ジベンジルアルコール、1,3−ジオキソラン、1,4−ジオキサン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、メチル−n−ヘキシルケトン、メチル−n−プロピルケトン、ジイソプロピルケトン、ジイソブチルケトン、アセトン、ヘキサフルオロアセトン、フェノール、ギ酸、ギ酸メチル、ギ酸エチル、ギ酸プロピル、安息香酸メチル、安息香酸エチル、安息香酸プロピル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、フタル酸ジメチル、フタル酸ジエチル、フタル酸ジプロピル、塩化メチル、塩化エチル、塩化メチレン、クロロホルム、o−クロロトルエン、p−クロロトルエン、クロロホルム、四塩化炭素、1,1−ジクロロエタン、1,2−ジクロロエタン、トリクロロエタン、ジクロロプロパン、ジブロモエタン、ジブロモプロパン、臭化メチル、臭化エチル、臭化プロピル、酢酸、ベンゼン、トルエン、ヘキサン、シクロヘキサン、シクロヘキサノン、シクロペンタン、o−キシレン、p−キシレン、m−キシレン、アセトニトリル、テトラヒドロフラン、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホオキシド、ピリジン、水等を挙示することができる。
Examples of the solvent used for the
使用に際しては上述より一種類を選択して用いてもよく、また、複数種類が混在しても差し支えない。なお上記は例示であり、本願発明に用いられる原料液16は上記溶媒を採用することに限定されるものではない。さらに、原料液16に骨材や可塑剤などの添加剤を添加してもよい。当該添加剤としては、酸化物、炭化物、窒化物、ホウ化物、珪化物、弗化物、硫化物等を挙げることができるが、耐熱性、加工性などの観点から酸化物を用いることが好ましい。
In use, one type may be selected and used from the above, or a plurality of types may be mixed. In addition, the above is an illustration and the
次に、図3,図4を参照して、このようにして形成された基板2の回路形成面2aに導電回路3を形成する導電回路形成工程について説明する。図3は、メッキまたはスパッタリングにより導電回路3としての銅や銀などの金属薄膜3*を形成する実施例を示している。まず図3(a)に示すように、基板2の回路形成面2aにおいて回路パターンに応じて設定されたパターン形成範囲2bに、導電回路3となる金属薄膜3*の組成成分である導電粒子3aを付着堆積させる。
Next, a conductive circuit forming process for forming the
導電粒子3aを付着させる方法としてメッキを用いる場合には、無電解メッキによって所望のパターンを形成した後、電解メッキによってパターンを増厚して所定膜厚の金属薄膜3*を形成する。またスパッタリングを用いる場合には、処理チャンバ内にて銅や銀などのターゲットに対してアルゴンなどの不活性ガスのイオンを衝突させ、ターゲットから弾き出された導電粒子3aをパターン形成範囲2bに付着させて所望厚さに堆積させる。
When plating is used as a method for attaching the
これにより、図3(b)に示すように、基板2の回路形成面2aには所定の膜厚t2の金属薄膜3*が形成される。ここで膜厚t2は、回路電極として機能する野に必要な厚み(例えば10μm程度)に設定される。この金属薄膜3*の形成において、基板2の内部には微細空隙S(図1(c)参照)が存在することから、導電回路3の下部は基板2の表面から幾分入り込んだ表層2cまで浸入した状態となる。
As a result, as shown in FIG. 3B, a metal
また図4は、印刷またはインクジェットにより導電粒子を含むナノペーストを塗布して導電回路3としての樹脂膜30*を形成する実施例を示している。この場合にはまず図4(a)に示すように、基板2の回路形成面2aにおいて回路パターンに応じて設定されたパターン形成範囲2bに、ナノペースト30がスクリーン印刷またはインクジェットによって塗布される。図4(b)の拡大部Aに示すように、ナノペースト30はエポキシ樹脂などの樹脂成分30aに、銅や銀などの導電粒子30bを含有させたものである。このナノペースト30の塗布において、基板2の内部には微細空隙S(図1(c)参照)が存在することから、ナノペースト30の下部は基板2の表面から幾分入り込んだ表層2cまで浸入した状態となる。
FIG. 4 shows an embodiment in which a nanopaste containing conductive particles is applied by printing or ink jet to form a
次いでナノペースト30が塗布された後の基板2はキュア装置に送られ、ここで所定温度に加熱するキュア処理を行うことにより樹脂成分30aが硬化する。これにより、図4(c)に示すように、回路形成面2aのパターン形成範囲2bには導電粒子30bを含有した所定の膜厚t2の導電回路3としての樹脂膜30*が形成される。この例においても、樹脂膜30*は、下部が基板2の表面から幾分入り込んだ表層2cまで浸入した状態で硬化する。
Next, the
すなわち本実施の形態における導電回路形成工程では、メッキまたはスパッタリングにより導電回路3としての金属薄膜3*を形成もしくは印刷またはインクジェットにより導電粒子30bを含むナノペースト30を塗布して導電回路3としての樹脂膜30*を形成する形態となっている。
That is, in the conductive circuit forming step in the present embodiment, the metal
図5は、上述の金属薄膜3*、樹脂膜30*が基板2の回路形成面2aに接合された形態を示している。前述のように金属薄膜3*、樹脂膜30*は、図5(a)に示すように、下部が基板2の表面から幾分入り込んだ表層2cまで浸入した状態で接合される。
FIG. 5 shows a form in which the metal
図5(b)は、基板2の表層2c近傍における断面を示しており、表層2cの範囲内では、金属薄膜3*、樹脂膜30*はナノファイバ16a相互の間に形成された微細空隙S内に浸入している。このように微細空隙S内に浸入した金属薄膜3*、樹脂膜30*は、ナノファイバ16aの繊維表面を包み込んで表層2cに接合された形態となる。このため、導電回路3としての金属薄膜3*、樹脂膜30*は、従来技術における圧着による固着方式と比較して回路形成面2aにより強固に固着されており、基板2からの剥離が生じにくくなっている。
FIG. 5B shows a cross section of the
さらに上述構成においては、表層2cの範囲内で金属薄膜3*、樹脂膜30*がナノファイバ16aに直接接触する接触面積は極めて大きくなっており、グラファイト化によるナノファイバ16aの熱伝導率の改善と相俟って、導電回路3から基板2への熱伝達特性が大幅に向上している。これにより、継続的に発熱する発熱体が導電回路3に接続された構成において、以下に説明するような優れた放熱効果が得られる。
Furthermore, in the above-described configuration, the contact area where the metal
図6は、導電回路3に接続された電子部品4が発熱している状態を示している。すなわち電子部品4から発生した熱はまず導電回路3に伝達され(矢印a)、さらに表層2cにおける導電回路3からナノファイバ16aへの接触熱伝達によって基板2の内部へ拡散して伝達される(矢印b)。そして拡散した熱はナノファイバ16aを介しての熱伝達とともに、基板2の内部において気体の流動を許容する通気空隙部を介しての空冷効果によって外部へ放熱される(矢印c)。この通気空隙部は、図1に示す微細空隙Sが少なくとも厚み方向に連通して形成されるものである。
FIG. 6 shows a state where the
このとき、基板2の上方から回路形成面2aに対してエアを吹き付けるなど、基板2の厚み方向を貫通する気体の流動を促進する空冷手段を併用することにより、通気空隙部を介しての放熱特性を向上させることが可能となり、冷却効率を改善することができる。
At this time, heat is radiated through the air gap by using air cooling means for promoting the flow of gas passing through the thickness direction of the
なお上述の実施例では、シート状部材である基板2の材質としてナノファイバ16aを不織布状に堆積させたナノファイバ膜を用いる例を示したが、図7に示すように、内部に微細空隙としての微細孔2dが密集状態で形成された多孔質部材(例えば多孔質性セラミック)より成る基板2Aを用いるようにしてもよい。この多孔質部材では、隣接する微細孔2d相互は部分的に連通して形成されている。したがって基板2Aは、少なくとも基板2Aの厚み方向に連通して形成されて気体の流動を許容する通気空隙部を有する形態となっている。
In the above-described embodiment, an example in which a nanofiber film in which
このような構成の基板2Aの回路形成面2aに導電回路3としての金属薄膜3*、樹脂膜30*を接合した状態では、図5に示す例と同様に、金属薄膜3*、樹脂膜30*は、下部が基板2の表面から幾分入り込んだ表層2cまで浸入して、表層2cに存在する微細孔2dに浸入して表層2cに接合された状態となる。
In a state where the metal
この構成において、表層2cの範囲内で金属薄膜3*、樹脂膜30*が基板2A内に密集状態で形成された微細空隙としての微細孔2dに直接接触する接触面積は極めて大きくなっており、導電回路3から基板2Aへの熱伝達特性が大幅に向上している。これにより、図6に示す例にて説明したものと同様の放熱効果を得ることが可能となっている。
In this configuration, the contact area in which the metal
上記説明したように、本実施の形態では、熱伝導性を有するシート状部材である基板2,2Aに電子部品4(発熱体)が接続される導電回路3を形成してなる回路基板1において、シート状部材を内部に微細空隙が少なくとも厚み方向に連通して形成されて気体の流動を許容する通気空隙部を有する構成とし、導電回路3をシート状部材の表層2cに存在する微細空隙内に浸入して表層2cに接合された形態で形成するようにしている。これにより、回路基板1の放熱特性を向上させて冷却効率を大幅に改善することができる。
As described above, in the present embodiment, in the
本発明の回路基板および回路基板の製造方法は、放熱特性を向上させて冷却効率を大幅に改善することができるという効果を有し、熱伝導性を有するシート状部材に発熱体が接続される導電回路を形成した構成の回路基板において有用である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The circuit board and the circuit board manufacturing method of the present invention have the effect of improving the heat dissipation characteristics and greatly improving the cooling efficiency, and the heating element is connected to the sheet-like member having thermal conductivity. This is useful in a circuit board having a configuration in which a conductive circuit is formed.
1 回路基板
2 基板
2* ナノファイバ膜
2a 回路形成面
2c 表層
2d 微細孔
3 導電回路
3* 金属薄膜
4 電子部品(発熱体)
16 原料液
16a ナノファイバ
30 ナノペースト
30* 樹脂膜
DESCRIPTION OF
16
Claims (4)
前記シート状部材は、内部に微細空隙が少なくとも厚み方向に連通して形成されて気体の流動を許容する通気空隙部を有し、
前記導電回路は、前記シート状部材の表層に存在する前記微細空隙内に浸入して前記表層に接合された形態で形成されていることを特徴とする回路基板。 A circuit board formed by forming a conductive circuit in which a heating element is connected to a sheet-like member having thermal conductivity,
The sheet-like member has a ventilation gap that allows a gas flow to be formed therein by allowing a fine gap to communicate at least in the thickness direction.
The circuit board, wherein the conductive circuit is formed in a form in which it enters into the fine gap existing on a surface layer of the sheet-like member and is joined to the surface layer.
内部に微細空隙が少なくとも厚み方向に連通して形成されて気体の流動を許容する通気空隙部を有するシート状部材を形成するシート形成工程と、
前記導電回路を前記シート状部材の表層に存在する前記微細空隙内に浸入して前記表層に接合された形態で形成する導電回路形成工程とを含むことを特徴とする回路基板の製造方法。 A circuit board manufacturing method for manufacturing a circuit board formed by forming a conductive circuit in which a heating element is connected to a sheet-like member having thermal conductivity,
A sheet forming step of forming a sheet-like member having a ventilation gap portion in which fine voids are formed in communication with each other at least in the thickness direction to allow gas flow;
And a conductive circuit forming step of forming the conductive circuit in a form in which the conductive circuit enters the fine gap existing in the surface layer of the sheet-like member and is bonded to the surface layer.
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