特許 6154994 多層配線基板

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6154994

(24)【登録日】2017年6月9日

(45)【発行日】2017年6月28日

(54)【発明の名称】多層配線基板

(51)【国際特許分類】

   H05K 3/46 20060101AFI20170619BHJP

【ＦＩ】

   H05K3/46 N

   H05K3/46 U

   H05K3/46 Z

【請求項の数】2

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2012-111682(P2012-111682)

(22)【出願日】2012年5月15日

(65)【公開番号】特開2013-239585(P2013-239585A)

(43)【公開日】2013年11月28日

【審査請求日】2015年4月20日

【審判番号】不服2016-9584(P2016-9584/J1)

【審判請求日】2016年6月28日

(73)【特許権者】

【識別番号】000237721

【氏名又は名称】ＦＤＫ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000176

【氏名又は名称】一色国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】竹井 涼

(72)【発明者】

【氏名】木村 昌義

【合議体】

【審判長】 阿部 利英

【審判官】 冨岡 和人

【審判官】 内田 博之

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−２７７７８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１５６４６２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

H05K 3/46

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

印刷配線が形成されてなる層が上下方向に積層されているとともに、表面に電子部品が実装される多層配線基板であって、
端面スルーホールからなる金属層が形成された端面を有し、
前記表面に実装されて熱源となる電子部品から前記端面スルーホールが形成されている端面までの領域に、貫通スルーホールが形成され、
各層に形成されている前記印刷配線のうち、電子回路の一部として前記熱源となる電子部品に接続されている印刷配線と、当該印刷配線と互いに接続される全ての印刷配線とを共通配線として、当該共通配線が形成されている全ての層では、当該共通配線が前記貫通スルーホールに接続されているとともに、前記金属層を起点として延長する印刷配線が前記貫通スルーホールに接続され、
前記共通配線が形成されていない全ての層では、前記電子回路を形成していない印刷配線が、前記金属層を起点として延長して前記貫通スルーホールに接続されている、
ことを特徴とする多層配線基板。

【請求項2】

請求項１において、前記金属層が形成されている端面が凹凸形状に形成されていることを特徴とする多層配線基板。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、多層配線基板に関する。具体的には、多層配線基板における放熱構造に関する。

【背景技術】

【0002】

配線基板上に電子部品を高密度実装する場合、配線抵抗や電子部品自体の発熱に由来する熱を放出し、熱による電子部品の故障などを未然に防ぐことが必要である。しかし、基板が多層配線基板である場合には、内層の配線抵抗に由来する熱など、基板の内部に蓄積された熱を外部に逃がすことが難しい。そこで、以下の特許文献１には、基板の周縁に導体を設け、内層の印刷配線をその周縁に導いて基板内部の熱を外部に放出する、という技術について記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平５−３７０９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

近年、高密度実装技術の進歩により、大電力を扱うＤＣ−ＤＣコンバーターなども小型化が進んでいる。例えば、多層配線基板を用いた高密度実装技術により、１／８Ｂｒｉｃｋのサイズで３００Ｗ（１２Ｖ／２５Ａ）の出力が可能なＤＣ−ＤＣコンバーターも実現している。このような、極めて小型でありながら、大電力を扱う電子回路では、狭い領域に大量の熱が発生することになり、放熱による冷却が発熱による温度上昇に追いつかない。そのため、電子部品の温度が使用上限温度、あるいは耐熱温度を超えてしまう可能性がある。

【0005】

このような状況にあっては、上記特許文献１に記載の技術を含め、従来の技術では、基板や電子部品の温度上昇を抑制することができず、実装されている電子部品が故障してしまう可能性がある。過熱防止回路があったとしても、その電子回路が組み込まれる電子機器が頻繁に停止することになる。また、多層配線基板の周囲にある他の電子部品や電子機器、あるいは筐体の材質などにより、使用に際して上限温度が設定されている場合もある。したがって、多層配線基板の放熱効率をより向上させることが求められている。もちろん、その効率向上によってコストが大きく嵩むようでは、現実的ではない。

【0006】

そこで、本発明は、コストアップを伴うことなく放熱効率が極めて高い多層配線基板を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するための本発明は、印刷配線が形成されてなる層が上下方向に積層されているとともに、表面に電子部品が実装される多層配線基板であって、
端面スルーホールからなる金属層が形成された端面を有し、
前記表面に実装されて熱源となる電子部品から前記端面スルーホールが形成されている端面までの領域に、貫通スルーホールが形成され、
各層に形成されている前記印刷配線のうち、電子回路の一部として前記熱源となる電子部品に接続されている印刷配線と、当該印刷配線と互いに接続される全ての印刷配線とを共通配線として、当該共通配線が形成されている全ての層では、当該共通配線が前記貫通スルーホールに接続されているとともに、前記金属層を起点として延長する印刷配線が前記貫通スルーホールに接続され、
前記共通配線が形成されていない全ての層では、前記電子回路を形成していない印刷配線が、前記金属層を起点として延長して前記貫通スルーホールに接続されている、
ことを特徴とする多層配線基板としている。

【0008】

また、前記金属層が凹凸形状に形成された端面に形成されている多層配線基板とすることもできる。

【発明の効果】

【0009】

本発明の多層配線基板によれば、小さな面積に高温になる電子部品が高密度実装される場合であっても、効率よく放熱することができ、実装される電子部品の破損を防止することができる。また、基板自身や実装されている電子部品、および周囲の機器や部品について、使用に際しての上限温度が設定されている場合では、その設定温度以下に維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明実施例に係る多層配線基板を含んで構成されているＤＣ−ＤＣコンバーターの概略図である。

【図2】上記実施例の放熱効果をシミュレーションにより評価するために設計されたＤＣ−ＤＣコンバーターの概略図である。

【図3】上記シミュレーションの結果を示す図である。

【図4】本発明のその他の実施例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

＝＝＝本発明の実施例＝＝＝
本発明の一適用例として、ＤＣ−ＤＣコンバーターを挙げる。図１に、そのＤＣ−ＤＣコンバーター１００の概略構造を示した。ここに示したＤＣ−ＤＣコンバーター１００は、１／８Ｂｒｉｃｋの多層配線基板を用いた出力２４０Ｗ（１２Ｖ／２００Ａ）のものである。そして、図１（Ａ）は、そのＤＣ−ＤＣコンバーター１００の斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）におけるａ−ａ矢視断面図である。また、（Ｃ）は要部の拡大平面図である。（Ａ）に示したように、本発明の対象となる多層配線基板（以下、基板）１の表面２には多数の電子部品２０が実装されてＤＣ−ＤＣコンバーター１００が構成されている。そして、（Ｂ）に示したように、基板１の表面２や内層３には、実装されている電子部品（以下、実装部品）２０間を相互接続するための印刷配線１０、あるいは貫通スルーホール１１やＢＶＨ（Blind Via Hole）１２などの異なる層の印刷配線同士を接続するための層間接続構造（以下、ビア）が形成されている。また、基板１の端面４には、放熱構造の一部として機能する金属層３０が適所に形成されている。

【0012】

この金属層３０は、基板端面４の一部に金属メッキを施すことで形成される。本実施例では、端面スルーホール３１の内面を金属層３０としている。図中に示したように基板１の厚さ方向を上下方向とすると、端面スルーホール３１は、（Ｃ）に示した平面図のように、基板１上下を貫通する孔の内面に金属層３０を電解メッキにより施した一般的な貫通スルーホール３２を上下方向に切断し、その切断面を基板１の端面４としたものである。図示した例では、開口形状が長円形の貫通スルーホール３２をその長手方向で切断した形状となっている。

【0013】

本実施例において、金属層３０を端面スルーホール３１の内面としたのは、基板１が個別に製造されるのではなく、一枚の大きな基板を多数の領域に区画し、各領域を切断することで形成されるのが一般的であるからである。すなわち、基板１に形成されている他の貫通スルーホール１１と同様に、金属層３０の形成位置に所定形状の貫通スルーホール３２を形成しておけば、個々の基板１に分離するだけで、基板１の端面４に端面スルーホール３１、すなわち、金属層３０を形成することができるからである。したがって、本実施例の基板１によれば、金属層３０を形成するための工程を基板１の形成工程に組み込むことができ、工程の追加によるコストアップを招くことがない。

【0014】

端面スルーホール３１は、インダクタやＦＥＴなど、大きな電流が流れ、発熱の起源となる実装部品２０に対して至近の端面４に設けられている。もちろん、冷却が必要なその他の実装部品２０の近傍の端面４に設けてもよい。そして、（Ｂ）に示したように、異なる層間で互いに接続しつつ、熱源となる実装部品２０ｂにも接続されている印刷配線１０ａが基板１の端面４まで案内され、その案内された先端部分が端面スルーホール３１の内面となる金属層３０に接続されている。この例では、ビア（ここでは貫通スルーホール１１）と端面スルーホール３１とが基板１の表面や内層の印刷配線（１０ａ，１０ｂ）を介して接続されている。このようにビアを介して実装部品２０と端面スルーホールとを接続することで、例えば、金属層がない既存の基板に対し、端面スルーホールを追加するように設計や仕様を変更するような場合でも、既存の基板に従来から存在するビアをそのまま流用することができる。したがって、基板の回路構成を大きく変更することなく、設計変更や仕様変更に伴うコストアップを抑制することができる。もちろん、ビアを介さずに実装部品に接続されている印刷配線１０ａを端面スルーホールまで案内してもよい。

【0015】

また、金属層３０を基点とした印刷配線１０は、全ての層に形成されている。すなわち、熱源となる実装部品２０ｂと電子回路の一部として相互に接続されている印刷配線（以下、共通配線）１０ａが形成されている層だけではなく、それ以外の層にも形成されている印刷配線１０ｂについても金属層３０に接続されている。図示した基板１では、上下に１０層あり、共通の貫通スルーホール１１を介して、上方から１層、２層，３層、６層、８層、１０層の各層に共通配線１０ａが形成されている。この共通配線１０ａは、ＤＣ−ＤＣコンバーター１００を構成する電子回路の一部である。そして、端面スルーホール３１の金属層３０には、共通配線１０ａが形成されている層に加え、上方から４層、５層、７層、９層の各層に形成された印刷配線１０ｂも接続されている。そして、これら全ての層に形成されている印刷配線（１０ａ，１０ｂ）が先の貫通スルーホール１１に接続されている。

【0016】

本実施例の基板１では、図に示した構造により、熱源となる実装部品２０ｂからの熱や、電子回路の一部としてその実装部品２０ｂに接続されている共通配線１０ａに流れる電流に起因して発生した熱を、端面スルーホール３１に導くとともに金属層３０より外部に直接放出する。さらに、金属層３０には、電子回路とは関係なく各層に形成された印刷配線１０ｂも接続されて、層間に閉じこめられた熱がそれらの印刷配線１０ｂを介して端面スルーホール３１まで運ばれ、同様に金属層３０から外部に放出される。それによって、基板をより効果的に冷却することができる。

【0017】

＝＝＝放熱効果＝＝＝
ここで、本発明の実施例に係る基板の放熱効果を実際に評価してみた。具体的には基板端面４の金属層３０の有無を除けば、同じサイズで同じ形状の２種類の基板を想定し、各基板にＤＣ−ＤＣコンバーターを構成する主要な電子部品が実装されているものとした。そして、各基板に対して外部から定常的に熱を加えるともに、発熱源となる実装部品を所定の電力で駆動した際に、各基板の所定位置での温度をシミュレーションにより計算することで評価した。

【0018】

図２に当該評価に用いた基板１ｂの概略図を示した。図示したように、基板１ｂには、４箇所に端面スルーホール（３１ａ〜３１ｄ）が形成されており、各種実装部品２０が実装されていることとした。そして、基板１ｂには、自身を外部から定常的に加熱させるための複数本のピン１３が植設されている。ここで、図２に示したように上下、左右、前後の各方向を規定すると、ピン１３は、上端１４が同じ高さ位置まで基板１ｂに挿入されており、下端１５が基板１ｂの下面から突出している。そして、ピン１３の下端１５を所定温度の熱源に接触させることとした。ここでは８５℃の熱源に接触させることとした。

【0019】

また、発熱源となる実装部品（２０ｃ，２０ｄ）が所定の電力で駆動した際の発熱も考慮した。ここでは、一つのインダクタ２０ｃと８個のＦＥＴ２０ｄを発熱源として設定し、インダクタ２０ｃに対して１．０Ｗ、各ＦＥＴ２０ｄに０．５Ｗの電力を供給して発熱させることとした。さらに、ＤＣ−ＤＣコンバーター１００ｂにおいて、大きな熱容量を有するコア２０ｅも実装されているものとした。なお、基板１ｂは、前後長が５８．６ｍｍ、左右幅が２３．５ｍｍ、厚さが２．７５ｍのサイズの１０層構造で、各層の厚さを１０５μｍとしている。素材は、ＦＲ−４とした。また、４箇所にある端面スルーホール（３１ａ〜３１ｄ）は、平面形状が、図１（Ｃ）に示したものと同様に、矩形の長手方向の両端を半円にした長円を、その長手方向で二分割した形状とした。サイズは、図１（Ｃ）に示したように、長円の両端を形成する１／４円弧の直径をφ、その両端の１／４円弧の中心間の距離をＤとすると、基板１ｂの左端面にある端面スルーホール３１ａをφ＝０．６ｍｍ、Ｄ＝１１ｍｍ、前方の端面４の端面スルーホール３１ｂをφ＝０．６ｍｍ、Ｄ＝１６．７ｍｍ、左方の端面４の前方側の端面スルーホール３１ｃをφ＝０．６ｍｍ、Ｄ＝１３．２ｍｍ、左方の端面４の後方の端面スルーホール３１ｄをφ＝０．６ｍｍ、Ｄ＝１６．７ｍｍとした。そして、金属層を厚さ３０μｍの銅メッキ層とした。

【0020】

また、表１に、シミュレーションに用いたパラメーターを示した。

【表1】

【0021】

表１に示したパラメーターは、ＤＣ−ＤＣコンバーター１００ｂを構成する各部材や部品の熱伝導率である。ここでは、各部材や部品における部位や素材、方向ごとの熱伝導率も示されている。また、シミュレーションに際し、インダクタ２０ｃとＦＥＴ２０ｄの発熱密度を、それぞれ、５７３９２２１０２．８５Ｗ／ｍ^３、１３９９７３６．８４９Ｗ／ｍ^３とし、このＤＣ−ＤＣコンバーター１００ｂの平均の熱伝導率を、３０．８４Ｗ／（ｍ^２・Ｋ）とした。

【0022】

図３に、当該シミュレーションの結果を画像化して示した。サーモグラフィのように、基板１ｂの表面２における温度分布が濃淡表示されている。図３（Ａ）は、金属層３０がない場合のシミュレーション結果であり、（Ｂ）は金属層３０がある場合のシミュレーション結果である。金属層３０がある場合、とくにＦＥＴ２０ｄの温度が低下していることがわかる。シミュレーションでは、基板１ｂに金属層３０が形成されている場合、最も温度が高い部分では、その温度が１０３．４℃であった。一方、金属層３０が形成されていない場合は、１０４．９℃であり、金属層３０があると、金属層３０が無い場合と比べて１．５℃温度が低くなることが計算された。なお、このシミュレーション結果は、金属層３０の有無のみが反映されたものであり、実際には、各層に印刷配線１０が形成されて、層間に熱が蓄積されることが予想される。そして、金属層３０がない従来の基板では、端面スルーホール３１側に案内される印刷配線１０も無いため、層間に蓄積される熱がさらに放出されにくくなる。すなわち、本実施例の基板１では、シミュレーションの結果よりも放熱効果がさらに顕著になることが容易に予想される。

【0023】

＝＝＝その他の実施例＝＝＝
端面スルーホール３１の形状は、図１に示した形状に限らない。例えば、放熱部位となる端面スルーホール３１の表面は、その面積が大きいほど放熱効果が大きくなることから、図４に示した基板（１ｃ，１ｄ）ように、端面スルーホール（３３、３４）の平面形状が凹凸形状となっていてもよい。凹凸形状としては、図４（Ａ）に示したように、並列する複数の円形の貫通スルーホールをその列方向で切断した形状であってもよいし。（Ｂ）に示したように、矩形波形状としてもよい。もちろん、サイン波形状や三角波形状などとすることもできる。また、図示した例では、上下方向（紙面奥行き方向）で一律に同じ平面形状であるが、上下方向にも凹凸形状が形成されていてもよい。いずれにしても、熱源となる実装部品の近傍の端面に端面スルーホールの内面となる金属層が形成され、その実装部品に電子回路の一部として共通して接続されている各層の印刷配線がその金属層に接続されているとともに、それ以外の層には、金属層を起点として延長する印刷配線が形成されていればよい。

【産業上の利用可能性】

【0024】

この発明は、小型大出力のＤＣ−ＤＣコンバーターなどに好適である。

【符号の説明】

【0025】

１，１ｂ〜１ｄ 多層配線基板、２ 基板表面、３ 基板内層、４ 基板端面、
１０，１０ａ，１０ｂ 印刷配線、１１，３２ 貫通スルーホール、１２ ＢＶＨ、
１３ ピン、２０，２０ｂ〜２０ｅ 電子部品、３０ 金属層、
３１，３１ａ〜３１ｄ，３３，３４ 端面スルーホール、
１００，１００ｂ ＤＣ−ＤＣコンバーター

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】