JP5885630B2 - プリント基板 - Google Patents

Description

本発明はプリント基板に関し、特に、回路基材の主表面とはんだ接合された電子部品を備えるプリント基板に関する。

電子部品を備えるプリント基板において、電子部品通電時の温度上昇に対し、プリント基板上の自然対流によって電子部品の温度低減を図る方法がある。これでも不十分な場合には、プリント基板の裏面側に放熱部材を接続して放熱する方法がある。

例えば、特開２０１０−１０９０３６号公報には、回路基材に形成したスルーホールに熱伝導性部材を設け、回路基材の両面に熱伝導性部材と接続された端子パターンを有して、発熱素子を該端子パターンにはんだ付けしている。

はんだ付けは、リフローはんだ法等により複数箇所を同時にはんだ付けする方法の方が、個別にはんだ付けする方法と比較して、製造コストの観点から有利である。この場合、熱伝導性部材の周囲に位置する部材も同時に加熱される。

特開２０１０−１０９０３６号公報

しかしながら、熱伝導性部材は熱伝導率が高くかつ熱容量が大きいため、電子部品のはんだ付けをリフローはんだ法等により行う場合には、熱伝導性部材と比べて熱伝導性部材の周囲の設けられた回路パターンの方が早く温度上昇する。そのため、熱伝導性部材上に塗布されたはんだが周囲の回路パターンに流れ、はんだ付け後の電子部品と熱伝導性部材との接合部において、空隙部が広がってしまう場合があった。

その結果、電子部品に対する熱伝導性部材による放熱性が低下して、電子部品の温度は上昇してしまう。さらに、接続強度が低下することにより、耐久性が低下するという問題がある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものである。本発明の主たる目的は、電子部品に対する放熱性および電子部品と回路基材との接続強度の高い、プリント基板を提供することにある。

回路基材と、回路基材の主表面上に載置される電子部品と、回路基材の主表面と回路基材の厚さ方向において対向する裏面側に配置される放熱部材と、電子部品と放熱部材とを接続する熱伝導性部材とを備える。上記回路基材には、電子部品が載置される領域に、回路基材の主表面から裏面に貫通するスルーホールが形成されている。上記熱伝導性部材はスルーホール内に設けられて、主表面側に位置する熱伝導性部材の端部は電子部品とはんだを介して接続されており、裏面側に位置する熱伝導性部材の端部は放熱部材と接続されている。さらに、上記回路基材の主表面上において、スルーホールの開口端部を囲うように形成された流出防止部材を備える。熱伝導性部材は、電子部品と対向する面に凹部を有する。

これにより、熱伝導性部材上に塗布されたはんだが周囲のパターンに流出することを防止して、電子部品と熱伝導性部材との間において空隙が発生することを抑制することができるため、電子部品に対する放熱性および電子部品と回路基材との接続強度を高めることができる。

本発明のプリント基板によれば、熱伝導性部材上に塗布されたはんだが周囲のパターンに流出することを防止して、電子部品と熱伝導性部材との間において空隙を低減することができるため、電子部品に対する放熱性および電子部品と回路基材との接続強度を高めることができる。

本実施の形態１に係るプリント基板の断面概略図である。 本実施の形態２に係るプリント基板の断面概略図である。 図２の変形例を示す図である。 本実施の形態３に係るプリント基板の断面概略図である。 図４の上面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。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し、その説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について説明する。まず、図１を参照して実施の形態１に係るプリント基板１０の構成を説明する。本実施の形態に係るプリント基板１０は、厚さ方向（図１中での縦方向）に互いに対向する主表面および裏面を有する回路基材１１を備える。回路基材１１には主表面側と裏面側とを貫通するスルーホール１２が形成されている。さらに、本実施の形態に係るプリント基板１０は、回路基材１１の主表面側のスルーホール１２上に設けられた電子部品３０と、回路基材１１の裏面側に設けられた放熱部材５０と、スルーホール１２内に設けられて、電子部品３０から放熱部材５０に至る熱経路を形成している熱伝導性部材１３をさらに備える。

電子部品３０は、例えばＭＯＳＦＥＴ等のパワー半導体素子を含み、通電時に発熱する。この場合、電子部品３０の内部（図示しない）は、例えばパワー半導体素子が電子部品３０の銅ベースにはんだ付けされている。

回路基材１１は、図１を参照して、平板状であって電気的絶縁性を示す。回路基材１１の材料としては、電気的絶縁性を有する任意の材料とすることができるが、例えば、ガラスエポキシ樹脂としてもよい。回路基材１１は、厚さ方向（図１中での縦方向）に互いに対向する主表面および裏面を有している。回路基材１１には、回路基材１１の主表面から裏面に、回路基材１１を貫通するスルーホール１２が形成されている。スルーホール１２は、主表面および裏面と平行方向において、丸孔状として形成されている。スルーホール１２の孔径は、電子部品３０の外形よりも小さくすることにより、既存の回路パターン１５等の変更を必要とせずに採用することができる。

回路基材１１の主表面側のスルーホール１２の上には、電子部品３０が設けられている。また、回路基材１１の主表面上には回路パターン１５が形成されている。電子部品３０と回路パターン１５とは端子３１を介して電気的に接続されており、これによって、本実施の形態に係るプリント基板１０は、電気的に動作する。例えば、電子部品３０内のパワー半導体素子と端子３１とはワイヤボンディングにより接続され、端子３１と回路パターン１５とははんだ２１により接続されている。回路パターン１５は、絶縁性部材１８（外周側流出防止部材）によって縁取りされていてもよい。これにより、回路パターン１５が他の回路パターンと隣り合う場合において、はんだ２１が流出して回路パターン間を導通させることを防止することができる。絶縁性部材１８は、例えば、レジストとすればよい。

熱伝導性部材１３は、スルーホール１２の内部に配置される。熱伝導性部材１３の材料としては、数１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高い熱伝導率を示す任意の材料とする。好ましくは、熱伝導性部材１３は、１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する銅やアルミニウムからなる。熱伝導性部材１３の形状は、スルーホール１２と嵌合可能な任意の形状とすることができるが、好ましくは、スルーホール１２を丸孔状として熱伝導性部材１３を円柱状とする。これにより、はんだ付け工程時にはんだを均一に拡散することができる。さらにこの場合、スルーホール１２はドリルによって容易に形成でき、熱伝導性部材１３はプレスによって容易に作製することができる。

熱伝導性部材１３において、回路基材１１の主表面側に位置する端部は電子部品３０とはんだ２０を介して接続されている。また、熱伝導性部材１３において、回路基材１１の裏面側に位置する端部は放熱部材５０と伝熱材４０を介して接続されている。このとき、熱伝導性部材１３の上面および下面は、湾曲していてもよい。つまり、熱伝導性部材１３は、例えば、熱伝導性の板部材をプレスすることによって容易に作製することができる。プレスにより作製された熱伝導性部材１３には、加圧された方向に垂直な２面に湾曲が生じ、一方の面には凹部が、他方の面には凸部が形成される。この場合、図１を参照して、凹部が形成された端部を回路基材１１の主表面側に、凸部が形成された端部を回路基材１１の裏面側に配置するのが好ましい。このようにすれば、電子部品３０と熱伝導性部材１３とを接合するためのはんだは、凹部に配置されることになるため、はんだ付け工程時にはんだの流出を抑制することができる。

なお、熱伝導性部材１３の凸部が形成された下面と、回路基材１１の裏面とが同一平面上に形成されているのが好ましい。これにより、放熱部材５０に対して、回路基材１１の裏面と熱伝導性部材１３の裏面とを等間隔に設けることができるため、熱伝導性部材１３の裏面が回路基材１１の裏面より放熱部材５０から離れている場合より、伝熱材４０の使用量を少なくすることができる。

回路基材１１の裏面側には、伝熱材４０を介して放熱部材５０が形成されている。
伝熱材４０には、回路基材１１の裏面と放熱部材５０とを空隙なく接続することができる任意の材料を採用することができる。例えば、伝熱材４０は、グリースや接着剤等としてもよい。この場合には、伝熱材４０の粘度は、好ましくは数十Ｐａ・ｓ以下であり、より好ましくは１０Ｐａ・ｓ以下である。また、伝熱材４０は、シートやテープとしてもよく、この場合には、伝熱材４０の硬度は、好ましくはアスカーＣ硬度で３０以下であり、より好ましくは１０以下である。このようにすることで、回路基材１１の裏面側におけるスルーホール１２、熱伝導性部材１３、および放熱部材５０との間の空隙を低減して、放熱性を高めることができる。

放熱部材５０は、熱伝導率の高い材料からなり、例えば、銅やアルミニウムからなる。これにより、電子部品３０に生じた熱を、熱伝導性部材１３および伝熱材４０を経て、回路基材１１の裏面側に設けられた放熱部材５０へと伝播し、放熱することができる。このとき、放熱部材５０が導電性を有する場合には、伝熱材４０の材料は電気的絶縁性を有し、かつ放熱性の高い、シリコン樹脂系やエポキシ樹脂系の材料としてもよい。また、放熱部材５０は、フィン等を有するヒートシンクを構成してもよく、冷却方法としては空冷または水冷としてもよい。放熱部材５０をヒートシンクとして構成できない場合には、例えば、ヒートパイプや炭素材料からなる熱輸送機構を設けて、所定の場所に熱を輸送し、放熱してもよい。

回路基材１１の主表面上であって、電子部品３０の直下には、スルーホール１２を囲うように流出防止部材１４が形成されている。流出防止部材１４は、はんだ付け工程時に熱伝導性部材１３の周囲の部材が加熱されることによって、熱伝導性部材１３上に塗布されたはんだ２０が周囲の部材に流出するのを抑制する。よって、流出防止部材１４は、はんだ２０の流出を抑制可能な任意の材料とすることができ、例えば、レジストであってもよい。レジストとしては、一般的なフォトレジストや、スクリーン印刷レジストを用いることができる。流出防止部材１４の形状は、はんだ２０の流出を抑制可能な任意の形状とすることができるが、スルーホール１２の開口端部の外周形状に沿った平面形状としてもよく、好ましくは、平面形状を円形状とする。これにより、上述のように、スルーホール１２を丸孔状、熱伝導性部材１３を円柱状として、はんだ付け工程時にはんだを均一に拡散可能とするように設けられた場合に、拡散したはんだ２０が部分的に集中することを抑制できる。その結果、電子部品３０と熱伝導性部材１３との間に空隙が拡がることを抑制することができ、電子部品３０に対する放熱性や、電子部品３０の接着強度を高めることができる。

次に、本実施の形態に係るプリント基板１０の製造方法を説明する。まず、回路基材１１を準備する（Ｓ０１）。回路基材１１は、例えば、主表面に銅箔等が圧着され、任意のパターンに加工されることにより、回路パターン１５を有する回路基材１１が準備される。このとき、回路パターン１５に２００Ａ以上の大電流が流れる場合には、回路パターン１５の厚みが１００μｍ以上となるように形成されるのが好ましい。なお、めっき等によって回路基材１１に回路パターン１５を形成してもよいが、回路パターン１５を厚さ１００μｍ以上として形成する場合には、シート状の回路パターン１５を回路基材１１に圧着する方法が簡便である。

次に、スルーホール１２を形成する（Ｓ０２）。スルーホール１２は、電子部品３０が配置される回路基材１１に、回路基材１１の主表面と裏面とを貫通するように形成される。例えば、スルーホール１２は、ドリルを用いて回路基材１１に対して穴開け加工をすることによって形成される。

次に、熱伝導性部材１３をスルーホール１２に圧入する（Ｓ０３）。熱伝導性部材１３は、予め熱伝導性の板状部材からプレス成型等により作製しておく。このとき、上述のように、熱伝導性部材１３において、作製時に加圧された方向に垂直な２面に湾曲が生じ、一方の面には凹部が、他方の面には凸部が形成される。この場合、図１を参照して、凹部が形成された端部を回路基材１１の主表面側に、凸部が形成された端部を回路基材１１の裏面側に配置するのが好ましい。

次に、流出防止部材１４を形成する（Ｓ０４）。流出防止部材１４を、レジストとして形成する場合には、回路基材１１の主表面上および熱伝導性部材１３の凹部が形成された端部上にレジストを塗布して、露光および現像を行い、スルーホール１２を囲うようにレジストパターンを形成する。このとき、レジストの厚さは、例えば、２０μｍ〜４０μｍ程度とすればよい。

次に、回路基材１１の主表面上にはんだ２０，２１を塗布する（Ｓ０５）。はんだ２０は、電子部品３０と熱伝導性部材１３とを接合する領域に、はんだ２１は端子３１と回路パターン１５とを接合する領域に、それぞれ塗布される。このとき、はんだ２０，２１は、回路基材１１の主表面に均一な厚さで形成されたマスクを用いて塗布されてもよい。

次に、電子部品３０、端子３１をはんだ接合する（Ｓ０６）。電子部品３０は、はんだ２０によって熱伝導性部材１３と接合され、端子３１は、はんだ２１によって回路パターン１５と接合される。このとき、リフローはんだ法等を採用して、プリント基板１０全体を加熱して複数のはんだ接合箇所を同時に接合することができる。リフローはんだ法を採用した場合にも、流出防止部材１４によって、はんだ２０が熱伝導性部材１３の周囲に流出することを抑制でき、電子部品３０直下に生じる空隙を低減することができる。

次に、回路基材１１の裏面側に伝熱材４０および放熱部材５０を形成する（Ｓ０７）。
以上のように、本実施の形態に係るプリント基板１０は、回路基材１１の主表面上であって、電子部品３０の直下には、スルーホール１２を囲うように流出防止部材１４が形成されている。そのため、電子部品３０等の接合にリフローはんだ法等のように、プリント基板１０全体を加熱してはんだ接合する方法を採用した場合においても、はんだ２０が熱伝導性部材１３の周囲に流出することを抑制できる。リフローはんだ法を採用した従来のプリント基板において、電子部品３０と熱伝導性部材１３との接合部に生じていた空隙を低減できる。その結果、当該従来のプリント基板と比較して、電子部品３０に対する放熱性を高めることができ、かつ電子部品３０の接合強度を高めることができる。

（実施の形態２）
次に、図２および図３を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態に係るプリント基板およびその製造方法は、基本的には、実施の形態１に係るプリント基板およびその製造方法と同様の構成を有するが、回路基材１１の主表面側に電子部品３０の銅ベースと熱的および電気的に接続される回路パターン１６が形成されている点で異なる。

電子部品３０に対して熱伝導性部材１３が小さく、はんだ２０による接合面積が小さい場合、例えば、電子部品３０の外形が１０ｍｍ角以上である場合に、熱伝導性部材１３の径が５ｍｍ程度である場合には、熱伝導性部材１３の外周を囲うように回路パターン１６を形成し、回路パターン１６と電子部品３０とをはんだ２２によって接続してもよい。さらにこのとき、回路パターン１６と熱伝導性部材１３とを熱的および電気的に接続してもよい。

本実施の形態における電子部品３０は、電子部品３０の銅ベースからはんだ２０経て熱伝導性部材１３へと至る熱経路に加えて、電子部品３０の銅ベースからはんだ２２および回路パターン１６を経て熱伝導性部材１３に至る熱経路を有する。この場合、新たに設けられた熱経路によって、熱抵抗を低減することができる。

また、本実施の形態における電子部品３０は、パワー半導体素子から端子３１を経て回路パターン１５へと至る電流経路に加えて、電子部品３０の銅ベースからはんだ２０，２２を経て回路パターン１６および熱伝導性部材１３に至る電流経路を有する。回路パターン１６に加えて熱伝導性部材１３も電流経路として用いることができるため、電気抵抗を低減することができる。なお、回路パターン１５と回路パターン１６とは、絶縁性部材１８によって電気的に絶縁されている。例えば、絶縁性部材１８の一部は、回路パターン１６の外周を囲むように形成されている。また、絶縁性部材１８の一部は、回路パターン１５の外周を囲むように形成されている。

図２を参照して、スルーホール１２の側壁には導電性膜１７が形成されていてもよい。導電性膜１７は、回路パターン１６と熱伝導性部材１３およびはんだ２０とを電気的に接続する役割を担う。この結果、回路パターン１６と熱伝導性部材１３およびはんだ２０とを良好に接続することができ、電気抵抗を低減することができる。導電性膜１７は、例えば、銅などの金属からなる膜を、例えばめっき法などを用いて形成してもよい。この場合、スルーホール１２を形成する工程（Ｓ０２）後であって、熱伝導性部材１３をスルーホール１２に圧入する工程（Ｓ０３）の前に、スルーホール１２の側壁に導電性膜を形成すればよい。なお、本実施の形態において、導電性膜１７は、スルーホール１２の側壁の一部に設けられていてもよい。このようにしても、回路パターン１６と熱伝導性部材１３およびはんだ２０とを良好に接続することができ、電気抵抗を低減することができる。

本実施の形態においても、流出防止部材１４を、回路基材１１の主表面上であってスルーホール１２を囲うように設けることによって、はんだ２０が熱伝導性部材１３の周囲に流出することを抑制することができる。このとき、流出防止部材１４は、導電性膜１７および回路パターン１６上に形成してもよい。その結果、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

また、図３を参照して、流出防止部材１４を、スルーホール１２の外周端部よりも外側においてスルーホール１２を囲うように形成してもよい。このようにすることで、はんだ２０が回路パターン１６および熱伝導性部材１３の両方に接合するため、回路パターン１６と、熱伝導性部材１３と、はんだ２０とを良好に接続することができ、電気抵抗を低減することができる。この場合にも、流出防止部材１４によって、はんだ２０が回路パターン１６上の流出防止部材１４より外周側の領域に流出することを抑制することができる。その結果、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。なお、図３の例では、スルーホール１２の側壁に導電性膜が形成されていないが、当該側壁に導電性膜が形成されていてもよい。

（実施の形態３）
以下、図４および図５を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。本実施の形態に係るプリント基板およびその製造方法は、基本的には、実施の形態２に係るプリント基板およびその製造方法と同様の構成を備えるが、流出防止部材１４の外周側であって、電子部品３０の下にビア７０が形成されている点で異なる。

図５は、本実施の形態に係るプリント基板の製造方法において、流出防止部材１４を形成する工程（Ｓ０４）の後であって、回路基材１１の主表面にはんだを塗布する工程（Ｓ０５）前のプリント基板１０を、回路基材１１の主表面側から見たときの上面図である。ビア７０は、電子部品下であって、スルーホール１２を囲む領域に複数個形成されている。ビア７０は、回路パターン１６を貫通するように形成されている。また、回路パターン１５は絶縁性部材１８に囲まれて複数形成されている。

ビア７０は、スルーホール１２を形成する工程（Ｓ０２）において、スルーホール１２と同様に形成することができる。例えばドリルを用いて回路基材１１に対して穴開け加工することによって形成することができる。ビア７０には、はんだ２２を流入させることによって、電子部品３０からはんだ２２および伝熱材４０を経て放熱部材５０に至る新たな熱経路を設けることができ、熱抵抗をさらに低減することができる。

このとき、回路基材１１の裏面側に、回路パターン１６と電気的に接続される裏面回路パターン１９を設けてもよい。この場合には、ビア７０に流入させたはんだ２２は、回路パターン１６と裏面回路パターン１９とを電気的に接続することができる。

なお、ビア７０の側壁には、導電性膜７１が形成されていてもよい。導電性膜７１は、回路パターン１６と熱伝導性部材１３およびはんだ２０とを電気的に接続する役割を担う。導電性膜７１を構成する材料は、例えば、銅メッキとすることができる。この結果、回路パターン１６と、裏面回路パターン１９と、はんだ２２とを良好に接続することができ、電気抵抗を低減することができる。

本実施の形態においても、流出防止部材１４を、回路基材１１の主表面上であってスルーホール１２を囲うように設けることによって、はんだ２０が熱伝導性部材１３の周囲に流出することを抑制することができる。その結果、実施の形態１および２と同様の効果を得ることができる。

今回開示された実施の形態および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。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。

１０ プリント基板、１１ 回路基材、１２ スルーホール、１３ 熱伝導性部材、１４ 流出防止部材、１５，１６ 回路パターン、１７，７１ 導電性膜、１８ 絶縁性部材（外周側流出防止部材）、１９ 裏面回路パターン、２０，２１，２２ はんだ、３０ 電子部品、３１ 端子、４０ 伝熱材、５０ 放熱部材、７０ ビア。

Claims (10)

1. 回路基材と、
   前記回路基材の主表面上に載置される電子部品と、
   前記回路基材の前記主表面と前記回路基材の厚さ方向において対向する裏面側に配置される放熱部材と、
   前記電子部品と前記放熱部材とを接続する熱伝導性部材とを備え、
   前記回路基材には、前記電子部品が載置される領域に、前記回路基材の前記主表面から前記裏面に貫通するスルーホールが形成されており、
   前記熱伝導性部材は前記スルーホール内に設けられて、
   前記主表面側に位置する前記熱伝導性部材の端部は前記電子部品とはんだを介して接続されており、前記裏面側に位置する前記熱伝導性部材の端部は前記放熱部材と接続されており、
   さらに、前記回路基材の前記主表面上において、前記スルーホールの開口端部を囲うように形成された流出防止部材を備え、
   前記熱伝導性部材は、前記電子部品と対向する面に凹部を有する、プリント基板。
2. 前記流出防止部材は、前記回路基材の前記主表面上において、前記スルーホールの前記開口端部に沿って形成されている、請求項１に記載のプリント基板。
3. 前記回路基材の前記主表面上において、前記流出防止部材の外周側に位置し、前記スルーホールの前記開口端部に沿って形成されている、外周側流出防止部材をさらに備える、請求項１または２に記載のプリント基板。
4. 前記スルーホールの平面形状は円形状であり、
   前記熱伝導性部材は円柱状に形成されて、前記スルーホールと嵌合する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のプリント基板。
5. 前記流出防止部材は前記電子部品の下に配置され、
   前記流出防止部材の外周側であって前記電子部品の下に位置する領域において、前記回路基材の前記主表面から前記裏面に貫通するビアが形成されており、
   前記ビアにははんだが充填され、
   前記電子部品と前記放熱部材とは、前記はんだを介して接続されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載のプリント基板。
6. 前記流出防止部材を構成する部材は、レジストである、請求項１〜５のいずれか１項に記載のプリント基板。
7. 前記熱伝導性部材は、前記放熱部材と対向する面に凸部を有し、
   前記凸部において前記放熱部材に最も近い部分と、前記回路基材の前記裏面とが同一平面上に形成されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載のプリント基板。
8. 前記スルーホールの側壁に導電性膜が形成されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載のプリント基板。
9. 前記回路基材の前記主表面上において、前記スルーホールの前記開口端部を囲うように回路パターンが形成されており、
   前記流出防止部材は、前記回路パターン上に形成されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載のプリント基板。
10. 前記回路基材の前記裏面上において、前記スルーホールを囲うように裏面回路パターンが形成されており、
    前記放熱部材は、前記裏面回路パターンと接続されている、請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載のプリント基板。

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