WO2002007485A1 - Circuit board and method for manufacturing the same, and electronic apparatus comprising it - Google Patents

Description

明 細 書 回路基板とその製造方法およびそれを使用した電子機器 技術分野 本発明は放熱性を向上させた回路基板とその製造方法およびそれを使用した電 子機器に関するものである。 景技術 近年、 電子機器の高性能化、 小型化の要求に伴い、 半導体等の電子部品の高密 度、 高機能化が要請されている。 これによりそれらを実装するため回路基板もま た小型高密度なものが望まれている。 その結果、 高密度実装されたパワー半導体 等の発熱をいかに放熱するかが重要な課題となっている。

従来このような放熱性を改良する技術として、 図 8、 図 9に示すものがある。 図 8及び図 9において、 従来の放熱性を改良した回路基板は、 金属板 1 1、 絶縁 体層 1 2、 導体箔 1 3、 パワー半導体を含む電子部品 1 4、 外部接続端子 1 5か ら構成されている。

導体箔 1 3は金属板 1 1に絶縁体層 1 2を介して張り合わされている。 この導 体箔 1 3はエッチングにより回路パターン状に形成される。 電子部品 1 4の発熱 は絶縁体層 1 2を介して金属板 1 1に伝えられる。 放熱器 1 6は、 金属板 1 1の みの放熱では不十分な場合に放熱を補うために用いる。

上記従来の構成では回路基板の放熱特性は金属板 1 1と導体箔 1 3の間に形成 された絶縁体層 1 2と導体箔 1 3の厚さにより決定され、 放熱特性を十分に高く することができないといった問題があった。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、 放熱特性を高めた回路基板および それを使用した電子機器を提供することを目的とする。 発明の開示 本発明の回路基板は、複合樹脂からなるシート （以下、単にシートと記載） と、 このシートに重ね合わされた金属板とを備えたものであり、 金属板は回路パター ンを形成する。 金属板としては、 熱伝導性に優れた、 銅、 銅合金が好適に使用で きる。 上記シートは、 無機フイラ一 7 0〜 9 5重量部と、 熱硬化性樹脂、 硬ィ匕剤 を含む樹脂組成物 5〜 3 0重量部からなる。 上記シートは、 必要により、 硬化促 進剤を含んでも良い。 上記金属板は、 少なくとも上記シートと接合する一面側が 粗面化、 接着強化処理されている。

本発明の回路基板においては回路パターン間の隙間には複合樹脂が浸入し、 上 記金属板の部品実装する面側において複合樹脂と金属板とが平面を形成している。 本発明の回路基板は無機フイラ一を含有した複合樹脂が金属板から構成された回 路パターン間にも存在するため、 その放熱特性はきわめて高くなり、 パワー回路 など、 発熱部品を含む電子機器の回路基板として適したものである。 図面の簡単な説明 図 1は本発明の一実施形態のシートの構成を示す断面図、 図 2は本発明の一実 施形態によるシートを用いて作製される回路基板の平面図、図 3は同要部平面図、 図 4は同要部平面図、 図 5は同要部平面図、 図 6は図 5により作製される回路基 板の端子部を切断し、 曲げ起こした状態を示す断面図、 図 7は本発明の他の実施 形態の断面図、 図 8は従来の回路基板の斜視図、 図 9は同断面図である。 発明を実施するための最良の形態 本発明に使用されるシートは、 無機フィラー 7 0〜 9 5重量部と、 熱硬化性樹 脂、 硬化剤を含む樹脂組成物 5〜 3 0重量部からなる。 上記シートは、 必要によ り、 硬化促進剤を含んでも良い。 無機フィラーおよび熱硬化性樹脂組成物の合計 量 1 0 0重量部に対して、 さらに溶剤 0 . 1〜 2重量部を添加するとシートは可 撓性と加工性にさらに優れるものとなる。

添加する溶剤は、 メチルエヂルケトン、 イソプロパノール、 トルエン、 ェチル カルビトール、 プチルカルビトール及びプチルカルビトールァセテ一トから選ば れた少なくとも 1種の溶剤であることが好ましい。 これら溶剤は取り扱いが容易 であり、 室温でもシートを構成する熱硬化性樹脂に可撓性を与え、 成形'加工が 行い易い粘度にすることができる。

本発明のシートの組成の一例を示すと、 熱硬化性樹脂組成物全体量を 1 0 0重 量部としたとき、

1 ) 室温で固形の樹脂が 0〜4 5重量部、

2 ) 室温で液状の樹脂が 5〜 5 0重量部、

3 ) 硬化剤が 4. 9〜 4 5重量部、 および

4 ) 硬化促進剤が 0 . 1〜 5重量部の範囲であることが好ましい。

上記構成により、 可撓性と加工性に優れたシートが得られる。

上記、 室温で液状の熱硬化性樹脂としてはビスフエノ一ル A型エポキシ樹脂、 ビスフエノ一ル F型エポキシ樹脂、 または液状フエノ一ル樹脂から選ばれた 1種 またはそれらの混合物であることが好ましい。 これらの液状樹脂は Bステージの 状態を安定して保つことができ、 さらに硬化後の電気絶縁特性、 機械的強度など に優れる。

また本発明のシートは、 熱硬化性樹脂組成物の主成分が、 エポキシ樹脂、 フエ ノール樹脂、 キシレン樹脂、 ポリイミド樹脂、 ポリエステル樹脂、 ジァリルフタ レート樹脂及びトリァリルイソシァヌレート樹脂から選ばれた少なくとも一つの 樹脂であることが好ましい。

また本発明のシートは、 熱硬化性樹脂成分が臭素化された多官能エポキシ樹 脂を主成分とし、 さらに硬ィ匕剤としてビスフエノール A型ノポラック樹脂と、 硬 化促進剤としてイミダゾールを含むことが好ましい。 上記組成であれば、硬ィ匕後 の基板が難燃性に優れ、 かつ電気絶縁性 ·機械的強度に優れるからである。 具体的な組成としては、 臭素化された多官能エポキシ樹脂が 6 0〜 8 0重量部 の範囲、 硬化剤としてビスフエノール A型ノポラック樹脂が 1 8〜3 9 . 9重量 部の範囲、 硬化促進剤としてイミダゾールが 0 . 1〜 2重量部の範囲であること が好ましい。

また本発明のシートは、 カップリング剤、 分散剤、 着色剤及び離型剤から選ば れた少なくとも 1種を添加することが好ましい。

また本発明のシートは、 無機フィラーが、 A l ₂〇₃， M g O, B N及び A l Nから選ばれた少なくとも 1種のフィラーであることが好ましい。 これはこれら のフィラーが熱伝導性に優れるからである。

無機フイラ一の平均粒子直径は 0 . 1〜1 0 0 zmの範囲であることが好まし い。 上記無機フィラー 7 0〜9 5重量部と、 熱硬化性樹脂組成物 4。 9〜2 8重 量部と、 溶剤 0 . 1〜 2重量部を含む混合物スラリーを作製し、 このスラリーを 所望の厚みに造膜する。

造膜に際しては、 ドクターブレード法、 コ一夕一法及び押し出し成形法から選 ばれる少なくとも一つの方法を選ぶことができる。

本発明に使用される金属板の一例としては、 銅製のリードフレームがある。 銅 板を所望の形状に金型により打ち抜いて回路パターンを得ることもできるし、 両 面からのエッチング法で回路パターンを形成することも可能である。 銅板の厚み は、 要求される放熱特性によって適宜選択することができるが、 少なくとも 1 8 0 m以上である時に本発明の効果が特に発揮される。 すなわち、 従来の回路基 板においては片面からのエッチングで回路パターンを形成するために、 銅箔の厚 みが大きくなるほど高価になり、 実用性に欠ける。 これに対し、 本発明の回路パ ターンは一般的な圧延銅板を使用することができるため、安価である。この様に、 本発明の回路基板は、 容易に厚い銅板を使用して熱伝導性を高くすることができ る。、すなわち、 安価に高熱伝導性の回路基板を形成できることが本発明の最大の 特徴である。

リードフレームは中央部分に回路部品を実装する領域と、 実装領域に接続され た端子部分とが要求特性に応じて形成されており、 端子部分は外周の枠部分で連 結されている。

また一部の部品実装領域は最終的には不要となる連結部分で連結されている。 すなわち、 後の工程でリードフレームのその連結部分が打ち抜き、 切断されると その部品実装領域は独立して所謂浮島状態が形成される。 ここを介して回路部品 を結線していくことは回路設計上小型化や効率ィヒに有効な手段である。

かつ本発明によれば、 端子部分が部品実装部と一体に形成されており部材削減 にも効果的である。

端子部分を連結する枠部分は、 電子部品を実装後切断し、 端子部分を曲げ加工 して取り出し、 他回路部との連結を行なう電極端子として有効に活用される。 加工されたリードフレームの表面はニッケルメツキやハンダメツキにより処理 され、 銅の酸化を防止したものが一般的に使用される。

またシートが一体成形化されるリ一ドフレームの面は、 シートの接着強度をよ り強くするためにサンドブラスト処理等によって表面粗度を大きくした状態とし ており、 シートが加熱溶融時に物理吸着し易いようにしている。

また、 さらに接着強度を強くするために粗面ィ匕された銅表面に酸ィ匕皮膜を形成 することは非常に効果的である。 その他、 トリアジン系化合物で表面を処理して もシートの接着強度を強くすることができる。

本発明のシートは、 熱硬化性樹脂成分を硬化させた電気絶縁性の熱伝導基板の 状態で、 熱膨張係数が 8〜2 O p pmZ°Cの範囲であり、 かつ熱伝導率が 1〜1 O W/mKの範囲であることが好ましい。 この熱伝導基板は、 熱変形等を起こさ ず、 かつ熱膨張係数が銅板製のリ一ドフレームの熱膨張係数に近いものである。 また本発明においては、 シートがリードフレームの回路パターン間にまで充填 され、 リードフレームと樹脂層が平面を形成している。 このようにすればリード フレームに電子部品を実装しやすく、 かつリードフレームが通常回路基板に使用 されている銅箔に比較して著しく厚いため、 放熱させるための熱拡散性に優れ、 熱抵抗を低く抑えることができる。

また本発明においては、 シ一トのリードフレーム接着面の反対面に放熱用金属 板をさらに形成することにより、 さらに熱拡散性に優れ、 熱抵抗を低く抑えるこ とができ、 機械的強度にも優れた回路基板が得られる。

本発明の放熱用回路基板の製造方法を以下に記載する。

先ず、 シートに予めパターン形成された銅製のリードフレームを重ね、 熱硬ィ匕 性樹脂組成物の硬化温度より低い温度でかつ 1 0〜2 0 0 k g/ c m2 で加圧、 仮圧着する。 この段階で、シ一トがリードフレームの回路パターン間に充填され、 リードフレームと樹脂層が同一平面を形成し、 一体化する。

その後、 一部のリードフレーム連結部分を打ち抜き切除し、 次にさらに硬化反 応を行なう温度下で 1 0〜2 0 0 k g/ c m²の圧力を加え、 不要なリードフレ —ムと共に打ち抜かれた空間に熱硬ィ匕性樹脂を充填すると共に、 上記熱硬化性樹 脂を硬ィ匕させる。 この結果、 リードフレームとシートとがー体ィ匕した状態で回路 基板が形成される。

なお、 打ち抜かれた空間に熱硬化性樹脂を充填するためにさらに別のシートを 重ね合わせて硬ィヒ反応温度下で加熱加圧して夫々を一体ィ匕しても良い。

また、 シートのリードフレームに接着する面の反対面に放熱用金属板をさらに 形成することが好ましい。 この場合、 放熱用金属板には予め熱硬化性樹脂の硬化 温度より低い温度で他のシートが加圧成形されている方がより好ましい。

また本発明においては、加熱加圧する温度が仮圧着が 5 0〜1 2 0 °Cの範囲で、 熱硬ィ匕樹脂の本硬ィ匕が 1 2 0〜2 0 0 °Cの範囲であることが好ましい。

上記した通り、 本発明によれば、 シートの可撓性を利用してシートを所望の形 状に加工し、 パターン状のリードフレームと重ねて硬化して高熱伝導性基板とす ることにより、 外周部から独立した回路構成を有する放熱性を向上させたパワー 回路用の、 実装に好適な回路基板を提供できる。 以下、 本発明の一実施形態を図面に基づき説明する。

(実施の形態 1 )

図 1は本発明の一実施形態を示す断面図である。 図 1においてシート 1は、 離 型性フィルム 2上に造膜されている。 その形成方法は、 少なくとも無機フィラー ' と熱硬化性樹脂組成物と溶剤とからなる混合物スラリーを離型性フィルム 2上に 造膜して形成される。 造膜の方法としては、 公知のドクターブレード法ゃコ一夕 —法さらには押し出し成形法が利用できる。 造膜後、 造膜されたスラリーの溶剤 のみを乾燥することで可撓性を有するシート 1を得ることができる。

また同様に、 少なくとも無機フイラ一と、 室温で固形の熱硬ィ匕性棚旨と、 室温 で液状の熱硬化性樹脂組成物および溶剤からなるの混合物スラリーを準備し、 上 記と同様に離型性フィルム 2上に造膜し、 溶剤を乾燥することでも可撓性を有す るシート 1を得ることができる。

上記熱硬化性樹脂としては、 例えばエポキシ樹脂、 フエノール樹脂、 キシレン 樹脂、 ポリイミド樹脂、 ポリエステル樹脂、 ジァリルフタレート樹脂等及びトリ ァリルイソシァヌレート樹脂 （B Tレジン） を拳げることができる。

無機フイラ一としては、 A l ₂〇₃、 M g O, B N, A I Nを挙げることができ る。

室温で液状の熱硬化性樹脂としては、 ビスフエノール A型エポキシ樹脂、 ビス フエノール F型エポキシ樹脂などのエポキシ樹脂、 および液状フエノール樹脂を 挙げることができる。

溶剤としては、 メチルェチルケトン、 イソプロパノール、 トルエン、 ェチルカ ルビトール、 プチルカルビトール、 プチルカルビトールアセテートを挙げること ができる。

また必要であれば、 シート 1の組成物にさらにシランカップリング剤、 チタネ ートカップリング剤、 アルミネートカップリング剤などのカップリング剤や、 各 種分散剤、 着色剤、 離型剤を添加することもできる。

上記したように溶剤の添加や室温で液状の熱硬化性樹脂を添加し、 溶剤を乾燥 することで、 加工に適した粘度 （1 0 2〜： L 0 5 P a ' s ) の半硬化又は部分硬 化状態のシート 1が得られる。 なお、 上記粘度の範囲外であっても、 作業温度や 加圧条件などの制御により、 より広い範囲の樹脂組成物が使用可能である。 このシート 1を硬化させた樹脂は、 無機質フィラ一を大量に含有しているので 放熱性に優れたものであり、 熱膨張係数が銅板製のリードフレームとほぼ同様に することができるため、 熱伝導性に優れた配線基板を構成することができる。 以下、 図面を用いて、 本発明の回路基板の製造方法について説明する。 図 2〜 図 5は上記シート 1を用いて作製される回路基板の製造工程を示す図である。 図 2において、 上記のようにして作製されたシート 1は、 シート 1の熱硬化温 度より低い 5 0〜1 2 0 °Cの温度で加圧する一次成形によって、 パターンが形 成されたリードフレーム 3と一体化されている。 図 2は、 リードフレーム 3の下 に、 シート 1が一体化された状態を上から見た図である。

リードフレーム 3の回路パターンは、 銅板を所望の形状に金型により打抜いて 得ることもできるし、 エッチング法で形成することも可能である。

リードフレーム 3には、 回路部品を実装する領域 3 aと、 周辺部に形成された 端子部分 3 bが要求特性に応じて形成されており、 周辺部の端子部分 3 bは外周 部分で連結されている。 また 3 cのような一部の実装領域には最終的には不要と なって、 後の工程で除去される連結部分 3 dが形成されている。

加工されたリードフレーム 3の部品を実装する側の表面はニッケルメツキゃハ ンダメツキにより処理され、 銅の酸化を防止したものが使用される。

またこのシート 1がー体成形化されるリ一ドフレーム 3の面は接着強度をより 高くするためにサンドブラスト処理等によって表面粗度を大きくして、 シート 1 が加熱溶融時に物理吸着し易くしている。 更に、 粗面化した表面を酸化処理する ことにより、 シ一ト 1とリードフレーム 3との密着性はより向上する。

図 3、 図 4は、 リードフレーム 3と上記シート 1とを重ね合わせて一体ィ匕した 後に実装領域 3 cから最終的には不要となる連結部分 3 dをシート 1とともに打 抜き加工した前後の状態をそれぞれ示す部分図である。

図 5は上記一体化されたシート 1を 1 2 0〜 2 0 0 °Cの温度で再度加熱加圧し、 打抜き加工で生じた孔 3 eを含めてリードフレーム 3の回路パターン間の表面ま でシート 1を充填し、 かつシ一ト 1の中の熱硬ィヒ性樹脂を硬ィ匕させた状態を示し ている。 図 5に示す様に、 打抜き加工で生じた孔 3 eを熱硬化性樹脂により充填 することで実装領域 3 cの周辺リードフレームへの絶縁性を確保している。

図 6は半田による電子部品 4の実装後、 リードフレーム 3の必要部分を残して カットし、 さらに取出し電極とするためにリードフレーム 3の端子部分 3 bを垂 直に曲げ加工したものである。 これにより電子部品や、 半導体部品が実装された 電子機器の主要部分が完成される。 その後この主要部分のケースへの組み込みや 絶縁樹脂の充填などの工程があるが、 これらの工程は公知であり、 本発明の本質 ではないので説明は省略する。

上記曲げ加工した端子部分 3 bは十分な機械強度を有するため、 直接コネクタ 一等に接続することが可能である。

(実施の形態 2 )

以下本発明の第 2の実施の形態について説明する。

図 7はシート 1のリードフレーム 3に接着した面の反対側にさらに放熱用金属 板 5を形成したものである。 放熱用金属板 5は熱伝導性と膨張係数に留意して選 定されるが、 基板強度の維持にも有効であり、 コスト面からアルミまたはその合 金からなる板材が良好に使用できる。

放熱用金属板 5には予め他のシ一ト 1を 5 0〜 1 2 0 °Cの低温度で加圧して一 体ィ匕し、 それを図 6のシート 1の下面に熱圧着する方法が特性的に安定した基板 を製造でき、 作業性にも優れるものとなる。 上記実施の形態の説明においては、 回路パターンを形成する金属として、 銅板 を例に説明した。 しかしながら、 容易に理解できるように、 本発明の回路基板に 使用する金属材料は銅板に限ることはなく、 高熱伝導性の金属板であれば使用で さる。 産業上の利用可能性 以上説明した様に本発明にかかる回路基板は、 回路パタ一ン間にシ一トを形成 する複合樹脂層が浸入し、 シートはリードフレームの部品実装側において平面を 形成している構成としたものである。 従来の銅箔に比較して格段に厚い金属板を 回路パターンに使用し、 熱伝導性に優れた無機フィラーを含有した樹脂層が回路 パターン間にも存在することで、 本発明の回路基板の放熱特性はきわめて高くな る。 このため、 本発明の回路基板は高放熱性を必要とするパワー回路などの使用 に適したものである。

Claims

請 求 の 範 囲

I . 回路パターンの形状を有する金属板と、 前記回路パターンの間の隙間に含浸 された複合樹脂層と、 前記金属板の部品実装する面の裏面に形成された複合樹脂 層とからなる回路基板。

2 . 前記金属板は銅または銅合金から選ばれた一つである請求の範囲第 1項記載 の回路基板。

3 . 前記複合樹脂層は、 7 0〜9 5重量部の無機フィラーと、 熱硬化性樹脂およ び硬ィヒ剤を含む樹脂組成物 5〜 3 0重量部とからなる請求の範囲第 1項記載の回 路基板。

4.前記複合樹脂層はさらに硬化促進剤を含む請求の範囲第 4項記載の回路基板。

5 . 前記回路パターン表面と、 前記回路パターンの間の隙間に含浸された複合樹 脂層の表面とが同一平面である請求の範囲第 1項記載の回路基板。

6 . 前記回路パターンは他の回路パターンと独立した部分を有する請求の範囲第 1項記載の回路基板。

7 . 前記回路パターンの一部が外部接続端子を兼ねる請求の範囲第 1項記載の回 路基板。

8 . 前記外部接続端子は前記回路パ夕一ンを折り曲げたものである請求の範囲第 7項記載の回路基板。

9 . 前記金属板の裏面に形成された前記複合樹脂層を介して、 第 2の金属が積層 された請求の範囲第 1項記載の回路基板。

1 0 . 前記第 2の金属は、 放熱板である請求の範囲第 9項記載の回路基板。

I I . 回路パターンの形状を有する金属板と、 前記回路パターンの間の隙間に含 浸された複合樹脂層と、 前記金属板の裏面に形成された複合樹脂層とからなる回 路基板に電子部品が実装され、 前記電子部品が実装された回路基板に外装を施し

1 2 . 前記金属板の裏面に形成された複合樹脂層を介して、 さらに金属が積層さ れた請求の範囲第 1 1項記載の電子機器。

1 3 . 金属板に回路パターンを形成する工程と、

前記回路パターンが形成された金属板に複合樹脂のシ一トを積層する工程と、 前記積層された金属板と複合樹脂シートとを加熱、 加圧して、 前記回路パターン 間の隙間に前記複合樹脂を含浸させると共に、 前記複合樹脂を硬化する工程とか らなる回路基板の製造方法。

1 4. 前記積層工程は複合樹脂が硬化しない条件で行われる請求の範囲第 1 3項 記載の回路基板の製造方法。

1 5 . 前記回路パターンは電気回路的には不要な部分を有し、 前記積層工程の後 に、 前記不要部分を打ち抜く工程をさらに有する請求の範囲第 1 3項記載の回路 基板の製造方法。

1 6 . 前記金属板の複合樹脂のシートを積層する面には、 粗面化処理および接着 力強化処理の少なくとも一つが施されている請求の範囲第 1 3項記載の回路基板 の製造方法。

1 7 . 前記複合樹脂のシートの前記金属板を積層する面の反対側の面に、 第 2の 金属を積層する工程をさらに含む請求の範囲第 1 3項記載の回路基板の製造方法。

1 8 . 前記複合樹脂のシートの前記金属板を積層する面の反対側の面に、 第 2の 金属を積層、 硬化する工程をさらに含む請求の範囲第 1 3項記載の回路基板の製 造方法。

1 9 . 積層前の前記第 2の金属の表面には複合樹脂の層が形成されている範囲第 1 7または第 1 8項記載の回路基板の製造方法。

2 0 . 前記第 2の金属は、 放熱板である範囲第 1 7または第 1 8項記載の回路基 板の製造方法。