JP5275859B2 - 電子基板 - Google Patents

Description

本発明は、発熱量が大きい電子基板に関するものである。

自動車用ＤＣ−ＤＣコンバータは、スイッチング用ＭＯＳ−ＦＥＴ、電圧変換用トランス、整流用ダイオード、平滑化用チョークコイルの４つの部品で構成される方式のものが一般的である。ハイブリッド自動車用のＤＣ−ＤＣコンバータでは、高電圧・大電流によってそれぞれの部品からの発熱が大きくなるため、それぞれがウォータージャケット等の冷却部品で個別に冷却されるように構成されている。すなわち、それぞれが別個に冷却部品に搭載され、各部品間をバスバー等によって電気的に接続する構造となっている（例えば引用文献１）。

上記のような構成では、接続部分におけるネジ締結作業あるいは溶接作業が多くなり、組立工数が増大するのみならず、接続部分の接触抵抗のばらつきに起因した電気的問題を回避するために、回路上にも専用の部品を付加する必要が生じる。このような問題への対策として、電圧変換用トランス及び平滑化用チョークコイルを構成するコイルを、スイッチング用ＭＯＳ−ＦＥＴ及び整流用ダイオードを搭載する基板の回路パターンで形成することで、これらの部品を一体化することができ、これにより接続箇所を削減することができる。

特開２００５−１４３２１５号公報

しかしながら、同一基板上にスイッチング用ＭＯＳ−ＦＥＴ、整流用ダイオード、電圧変換用トランス及び平滑化用チョークコイルを形成して一体化した場合には、各部品間を電気的に接続する配線回路を経由して熱が伝導されやすくなる。同一基板上に上記の各部品を一体化して形成した電子基板の一例を図８に示す。図８は、ＤＣ−ＤＣコンバータを構成する従来の電子基板９００の断面図である。電子基板９００の温度上昇を抑制するために、電子基板９００は熱伝導シート１０２を介して、ウォータージャケット等の冷却部品１０３に熱的に接続されている。

電圧変換用トランス９２０及び平滑化用チョークコイル９４０を構成するコイルを回路パターンで形成した場合、そこでの発熱がスイッチング用ＭＯＳ−ＦＥＴ９１０及び整流用ダイオード９３０に比べて大きくなる。その結果、トランス９２０及びチョークコイル９４０での発熱が配線回路９５１〜９５５を経由してＭＯＳ−ＦＥＴ９１０やダイオード９３０に伝わり、これらを高温に加熱してしまう。ＭＯＳ−ＦＥＴ９１０やダイオード９３０は、所定以上の高温になると信頼性が確保できなくなるといった問題が生じる。

また、電圧変換用トランス９２０及び平滑化用チョークコイル９４０を構成するコイルを回路パターンで形成し、かつそれに用いる基板面積を小さくするためには、少なくとも４層の導体層を有する多層基板を用いる必要がある。４層の多層基板を用いる場合、基板の総厚や総重量を抑制するために、導体層１層当たりの厚さを薄くすることが好ましい。

しかしながら、１層当たりの厚さを薄くしすぎると、電圧変換用トランス及び平滑化用チョークコイルを構成するコイルからの発熱量が多大となって基板温度が上昇する。基板温度が上昇しすぎると、基板に形成されているビアホールやスルーホール、もしくは層間絶縁材料の信頼性を確保するのが困難になってしまう。さらに、コイルで発生する熱が増大すると、配線回路を伝ってＭＯＳ−ＦＥＴ及びダイオードをさらに高温にしてその信頼性確保を困難にしてしまう。

そこで、本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、基板の温度上昇を抑えるために、基板のビアホールに挿入された放熱部材で、基板で発生する熱を効率的に放熱するように構成された電子基板を提供することを目的とする。

この発明の電子基板の態様は、絶縁基板の少なくとも両面に導体層を有し、前記導体層がビアホールで電気的に接続されている電子基板であって、前記絶縁基板の少なくともいずれか一方の面にある導体最外層を残し形成されている前記ビアホールに挿入された熱伝導部品と、前記熱伝導部品を前記ビアホールに固定するための固定部材と、を備えており、
前記ビアホールは、前記絶縁基板の面方向において発熱部品とは異なる位置に配置されており、前記ビアホールは前記絶縁基板の一方の面にある導体最外層のみを残して形成され、前記ビアホールに挿入される前記熱伝導部品には、他方の面にある導体最外層から突出するように突出部が形成され、前記ビアホールには前記導体最外層を貫通する貫通孔が前記ビアホールの径よりも小さい径となるように設けられ、前記熱伝導部品の前記絶縁基板垂直方向には、前記熱伝導部品を貫通する空気孔が設けられていることを特徴とする。

この発明によれば、導電層間を接続するビアホールに放熱部材を挿入することで、基板
の温度上昇を抑制し、そして、導電最外層を残すことにより、電子基板の平坦性が確保で
きるので、放熱シート等を介した冷却部品への密着性が高まり、より高い効率で電子基板
を冷却することが可能となる。
この発明によれば、熱伝導部品に突出部を設けることにより、さらに基板の温度上昇を
抑制することが可能となる。
この発明によれば、ビアホール内にめっきや導電樹脂、銅ナノ粒子を含む銅粉ペースト
等の固定部材を充填する際、固定部材の流れがよくなり、熱伝導部品の固定時間の短縮が
可能となる。
この発明によれば、熱伝導部品を貫通する空気孔を設けることによって、ビアホール内
にめっきや導電樹脂、銅ナノ粒子を含む銅粉ペースト等の固定部材を充填する際に発生す
る気泡を取り除くことが可能となり、電子基板の信頼性を向上させることが可能となる。

この発明の電子基板の他の態様は、前記ビアホールは、開口されている導体最外層側に向かって、前記ビアホール径が大きくなるように形成されており、前記熱伝導部品は前記ビアホールの形状に対応して形成されていることを特徴とする。

この発明によれば、ビアホール側面の傾斜角度がゆるやかになり、熱膨張収縮で固定部材にかかる応力が低減されることによって、電子基板の信頼性を向上させることが可能となる。

この発明の電子基板の他の態様は、前記突出部には、別の放熱部材が熱的に接続されることを特徴とする。

この発明によれば、突出部に別の放熱部材を熱的に接続することにより、さらに基板の温度上昇を抑制することが可能となる。

この発明の電子基板の他の態様は、前記導体層の厚さが２００μｍ以上であることを特徴とする

この発明の電子基板の他の態様は、前記導体層が少なくとも４層以上あることを特徴とする。

この発明の電子基板の他の態様は、前記ビアホールの内面にはめっきが施されており、前記めっきの厚さが４０μｍ以上であること特徴とする。

この発明の電子基板の他の態様は、前記電子基板がＤＣ−ＤＣコンバータを構成する基板であることを特徴とする。

本発明の電子基板によれば、基板の温度上昇を抑えるために、基板のビアホールに挿入された導電性を有する放熱部材で、基板で発生する熱を効率的に放熱することが可能となる。

本発明に係る電子基板の第一の実施形態を示す断面図である。 本発明に係る電子基板の他の第一の実施形態、図１と同じ状態で示す断面図である。 本発明に係る電子基板の第二の実施形態、図１と同じ状態で示す断面図である。 図３の電子基板に別の放熱部材を接続したときの断面図である。 本発明に係る電子基板の第三の実施形態、図１と同じ状態で示す断面図である。 本発明に係る電子基板の第四の実施形態、図１と同じ状態で示す断面図である。 本発明に係る電子基板の第五の実施形態、図１と同じ状態で示す断面図である。 従来の電子基板の断面図である。

本発明の第一の実施形態に係る電子基板を、図１及び図２を用いて以下に説明する。図１及び図２は、電子基板の断面図である。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。

電子基板１００は、絶縁性の樹脂などで形成される絶縁基板４と、銅などの導電性を有する導体層３とで主に構成されている。導体層３は導体最外層３ａ、３ｄ及び導体内層３ｂ、３ｃの４つの層からなっている。また、各導体層３（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ）の絶縁をとるために、各導体層３（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ）の間には絶縁層４（４ａ、４ｂ、４ｃ）がそれぞれ配置されている。

電子基板１００には、各導体層３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄを接続するためのビアホール５が形成されている。このビアホール５に、熱伝導性の良い熱伝導部品１が挿入され、熱伝導部品１は、固定部材２によりビアホール５に固定されている。ここで、熱伝導部品１としては、銅やアルミなどの熱伝導性の高いものを用いることができ、また、固定部材２としては、はんだや導電性樹脂、銅ナノ粒子を含む銅粉ペーストなどの導電性を有するものを使用することができる。

このように、ビアホール５に熱伝導性の良い熱伝導部品１を挿入することにより、電子基板１００の温度上昇を抑制することが可能となる。さらに、電子基板１００の導体最外層３ｄ側は、熱伝導シート６を介して、ウォータージャケット等の冷却部品１２に熱的に接続されており、導体最外層３ｄを残すようにビアホール５を形成することによって、冷却部品１２側に接続させる電子基板１００の平坦性が確保できるので、熱伝導シート６を介した冷却部品１２への密着性が高まり、より高い効率で電子基板１００を冷却することが可能となる

ビアホール５の形成方法としては、レーザによる加工方法や、ドリルなどによる加工方法があり、レーザによる加工方法においては、レーザ光の強度や照射時間を調整することにより、またドリルなどによる加工方法においては、ドリルの押し込み幅を調整することよって、ビアホール５の深さを適宜調整することが可能となる。また、各導体層３を個別に製造し、各導体層３それぞれにビアホール５を形成した後、それを張り合わせて電子基板１００を製造することも可能である。

次に、図２を用いて、他の第一の実施形態である電子基板２００について説明する。
図１と異なる点は、ビアホール５により導体層３ｂ、３ｃ、３ｄが電気的に接続されている点であり、ビアホール５が、電子基板２００の外から確認できない構造となっている。

このような構造であっても、ビアホール５に放熱部材を挿入することで、基板の温度上昇を抑制し、そして、導電最外層３ｄを残すことにより、電子基板の平坦性が確保できるので、放熱シート等を介した冷却部品への密着性が高まり、より高い効率で電子基板を冷却することが可能となる。

ビアホール５の形成方法としては、導体層３ｂ〜３ｄを形成した後、レーザやドリルなどにより導体層３ｂ〜３ｄを加工して、最後に導体層３ａを形成することで電子基板２００を製造することができる。また、各導体層３を個別に製造し、各導体層３それぞれにビアホール５を形成した後、それを張り合わせて電子基板２００を製造することも可能である。

次に、本発明の第二の実施形態に係る電子基板を、図３及び図４を用いて以下に説明する。図３は電子基板の断面図であり、図４は、図３の電子基板３００にさらに別の放熱部材２０を接続したときの断面図である。

電子基板３００は、電子基板１００や２００と同様に、絶縁性の樹脂などで形成される絶縁基板４と、銅などの導電性を有する導体層３（３ａ〜３ｄ）とで主に構成されている。導体層３は導体最外層３ａ、３ｄ及び導体内層３ｂ、３ｃの４つの層からなっている。また、各導体層３（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ）の絶縁をとるために、各導体層３（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ）の間には絶縁層４が配置されている。

電子基板３００には、各導体層３ａ、３ｂ、３ｄを接続するためのビアホール５が形成されている。このビアホール５に、熱伝導性の良い熱伝導部品１が挿入され、熱伝導部品１は、固定部材２によりビアホール５に固定されている。ここで、熱伝導部品１としては、銅やアルミなどの熱伝導性の高いものを用いることができ、また、固定部材２としては、はんだや導電性樹脂、銅ナノ粒子を含む銅粉ペーストなどの導電性を有するものを使用することができる。なお、内層３ｃは、ビアホール５とは接続されていない。

さらに、熱伝導部品１には、導体最外層３ａから外に突出するように一体形成されている突出部１１が形成されている。このように、熱伝導部品１に突出部１１を一体形成することによって、電子基板３００の温度上昇をさらに抑制することが可能となる。

また、図４に示すように、突出部１１にヒートシンクなどの別の放熱部材２０を接続し、電子基板３００の温度上昇をさらに抑制することも可能である。そして、図４のように、突出部１１にそれぞれ放熱部材２０を接続しても良いし、複数の突出部１１に１つの放熱部材２０を接続しても構わない。

次に、本発明の第三の実施形態に係る電子基板を、図５を用いて以下に説明する。図５は電子基板の断面図である。

電子基板４００は、電子基板３００と同様に、絶縁性の樹脂などで形成される絶縁基板４と、銅などの導電性を有する導体層３（３ａ〜３ｄ）とで主に構成されている。導体層３は導体最外層３ａ、３ｄ及び導体内層３ｂ、３ｃの４つの層からなっている。また、各導体層３（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ）の絶縁をとるために、各導体層３（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ）の間には絶縁層４が配置されている。

電子基板４００には、各導体層３ａ、３ｂ、３ｄを接続するためのビアホール５が形成されている。このビアホール５に、熱伝導性の良い熱伝導部品１が挿入され、熱伝導部品１は、固定部材２によりビアホール５に固定されている。ここで、熱伝導部品１としては、銅やアルミなどの熱伝導性の高いものを用いることができ、また、固定部材２としては、はんだや導電性樹脂、銅ナノ粒子を含む銅粉ペーストなどの導電性を有するものを使用することができる。なお、内層３ｃは、ビアホール５とは接続されていない。

さらに、ビアホール５には、導体最外層３ｄを貫通する貫通孔７が形成されている。この貫通孔７の孔径は、ビアホールの径よりも小さい径となるように形成されている。具体的には、Φ６ｍｍのビアホール径に対して、Φ０．６ｍｍ以下の貫通孔径とすることが好ましい。このように構成することで、ビアホール５に導体最外層３ｄを貫通する貫通孔７をさらに形成することによって、ビアホール内にめっきや導電樹脂、銅ナノ粒子を含む銅粉ペースト等の固定部材２を充填する際、固定部材の流れがよくなり、熱伝導部品の固定時間の短縮をはかることが可能となる。さらに、Φ０．６ｍｍ以下の貫通孔径であれば、電子基板の平坦性が確保できるので、放熱シート等を介した冷却部品への密着性を確保でき、高い効率で電子基板を冷却することが可能となる。

次に、本発明の第四の実施形態に係る電子基板を、図６を用いて以下に説明する。図６は電子基板の断面図である。

電子基板５００は、図３の電子基板３００と同様に、絶縁性の樹脂などで形成される絶縁基板４と、銅などの導電性を有する導体層３（３ａ〜３ｄ）とで主に構成されている。導体層３は導体最外層３ａ、３ｄ及び導体内層３ｂ、３ｃの４つの層からなっている。また、各導体層３（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ）の絶縁をとるために、各導体層３（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ）の間には絶縁層４が配置されている。

電子基板５００には、各導体層３ａ、３ｂ、３ｄを接続するためのビアホール５が形成されている。このビアホール５に、熱伝導性の良い熱伝導部品９が挿入され、熱伝導部品９は、固定部材２によりビアホール５に固定されている。ここで、熱伝導部品９としては、銅やアルミなどの熱伝導性の高いものを用いることができ、また、固定部材２としては、はんだや導電性樹脂、銅ナノ粒子を含む銅粉ペーストなどの導電性を有するものを使用することができる。

さらに、熱伝導部品９の基板垂直方向には、熱伝導部品９を貫通する空気孔８が設けられている。空気孔８の径としては、できるだけ小さいものが好ましい。このように、熱伝導部品９に空気孔８を設けることによって、ビアホール５内にめっきや導電樹脂、銅ナノ粒子を含む銅粉ペースト等の固定部材２を充填する際に発生する気泡を取り除くことが可能となり、電子基板５００の信頼性を向上させることが可能となる。

次に、本発明の第五の実施形態に係る電子基板を、図７を用いて以下に説明する。図７は電子基板の断面図である。

電子基板６００は、絶縁性の樹脂などで形成される絶縁基板４と、銅などの導電性を有する導体層３（３ａ〜３ｄ）とで主に構成されている。導体層３は導体最外層３ａ、３ｄ及び導体内層３ｂ、３ｃの４つの層からなっている。また、各導体層３（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ）の絶縁をとるために、各導体層３（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ）の間には絶縁層４が配置されている。

電子基板６００には、各導体層３ａ、３ｂ、３ｄを接続するためのビアホール１５が形成されている。ビアホール１５は、開口されている導体最外層側３ａに向かってビアホール径が大きくなるように、断面略台形の形状に形成されている。そして、ビアホール１５に、ビアホール１５の形状に対応するように形成された熱伝導性の良い熱伝導部品１０が挿入され、熱伝導部品１０は、固定部材２によりビアホール１５に固定されている。ここで、熱伝導部品１０としては、銅やアルミなどの熱伝導性の高いものを用いることができ、また、固定部材２としては、はんだや導電性樹脂、銅ナノ粒子を含む銅粉ペーストなどの導電性を有するものを使用することができる。

このように、ビアホール１５は、開口されている導体最外層側３ａに向かってビアホール径が大きくなるように、断面略台形の形状に形成され、ビアホール１５に、ビアホール１５の形状に対応するように形成された熱伝導性の良い熱伝導部品１０が挿入されることによって、ビアホール１５側面の傾斜角度がゆるやかになり、熱膨張収縮で固定部材２にかかる応力が低減されることによって、電子基板６００の信頼性を向上させることが可能となる。

以上で説明した電子基板の製造方法としては、ビアホール５、１５に熱伝導部品１、９、１０を挿入した後、固定部材２を充填して良く、また、ビアホール５、１５に固定部材２を充填し、固定部材２が硬化する前に熱伝導部品１、９、１０をビアホール５、１５に挿入しても良い。

このような構造の電子基板とすることで、従来の代表的な基板である、内径がΦ０．６ｍｍで銅めっき厚２０μｍのビアホールを有する４層基板に流せる電流が１（Ａ）程度であったものが、大電流基板として導体の厚さを２００μｍとし、さらに内径をΦ６ｍｍとし穴の内部に材質が銅の熱伝導部品を挿入し、銅めっき厚４０μｍとなるようにビアホールを形成した４層基板とすることによって、８０（Ａ）程度の電流を流すことが可能となる。なお、本発明のビアホールは電子基板に要求される熱特性に応じて、適宜複数設けることも可能である。

１００、２００、３００、４００、５００、６００ 電子基板
９００ 電子基板
１、９、１０ 熱伝導部品
２ 固定部材
３ 導体層
３ａ、３ｄ 導体最外層
４ 絶縁基板
５、１５ ビアホール
６ 熱伝導シート
７ 貫通孔
８ 空気孔
１１ 突出部
１２ 冷却部品
２０ 放熱部材

Claims (7)

1. 絶縁基板の少なくとも両面に導体層を有し、前記導体層がビアホールで電気的に接続されている電子基板であって、
   前記絶縁基板の少なくともいずれか一方の面にある導体最外層を残し形成されている前記ビアホールに挿入された熱伝導部品と、
   前記熱伝導部品を前記ビアホールに固定するための固定部材と、
   を備えており、
   前記ビアホールは、前記絶縁基板の面方向において発熱部品とは異なる位置に配置されており、
   前記ビアホールは前記絶縁基板の一方の面にある導体最外層のみを残して形成され、
   前記ビアホールに挿入される前記熱伝導部品には、他方の面にある導体最外層から突出するように突出部が形成され、
   前記ビアホールには前記導体最外層を貫通する貫通孔が前記ビアホールの径よりも小さい径となるように設けられ、
   前記熱伝導部品の前記絶縁基板垂直方向には、前記熱伝導部品を貫通する空気孔が設けられている
   ことを特徴とする電子基板。
2. 前記ビアホールは、開口されている導体最外層側に向かって、前記ビアホール径が大きくなるように形成されており、前記熱伝導部品は前記ビアホールの形状に対応して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電子基板。
3. 前記突出部には、別の放熱部材が熱的に接続されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電子基板。
4. 前記導体層の厚さが２００μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の電子基板。
5. 前記導体層が少なくとも４層以上あることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の電子基板。
6. 前記ビアホールの内面にはめっきが施されており、前記めっきの厚さが４０μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の電子基板。
7. 前記電子基板がＤＣ−ＤＣコンバータを構成する基板であることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の電子基板。

Images