特許 6852232 放熱部材及びこれを用いた放熱基板

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6852232

(24)【登録日】2021年3月12日

(45)【発行日】2021年3月31日

(54)【発明の名称】放熱部材及びこれを用いた放熱基板

(51)【国際特許分類】

   H05K 1/02 20060101AFI20210322BHJP

【ＦＩ】

   H05K1/02 Q

【請求項の数】5

【全頁数】8

(21)【出願番号】特願2020-553554(P2020-553554)

(86)(22)【出願日】2020年6月16日

(86)【国際出願番号】JP2020023607

【審査請求日】2020年10月8日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000243906

【氏名又は名称】株式会社メイコー

(74)【代理人】

【識別番号】100180415

【弁理士】

【氏名又は名称】荒井 滋人

(72)【発明者】

【氏名】戸田 光昭

(72)【発明者】

【氏名】成沢 良明

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 琢哉

【審査官】 鹿野 博司

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−１４４１６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１３５１６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１７０４９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１７９３０９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０５Ｋ １／０２

Ｈ０５Ｋ ７／２０

Ｈ０１Ｌ ２３／１２

Ｈ０１Ｌ ２３／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

発熱部材が配されている基板内に埋設されるべき柱形状体の一面であり前記発熱部材が配されている側の面である吸熱面と、
該吸熱面の反対側の面である放熱面と、
前記柱形状体の側面に形成されたテーパ形状であり、前記吸熱面から前記放熱面に向けて拡径するテーパ部とを備え、
前記柱形状体の側面に前記吸熱面と平行な面を有する段差部が形成されていることを特徴とする放熱部材。

【請求項2】

前記テーパ部は、前記柱形状体の側面全域に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の放熱部材。

【請求項3】

前記柱形状体の側面は粗面処理されていることを特徴とする請求項１に記載の放熱部材。

【請求項4】

前記基板を貫通して形成されているスルーホールと、
該スルーホール内に配設されている前記柱形状体と、
該柱形状体と前記スルーホールの内壁との間に配されていて前記柱形状体を前記スルーホール内に固定するための接着基材とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の放熱部材を用いた放熱基板。

【請求項5】

前記柱形状体が有する前記吸熱面及び前記放熱面は、前記柱形状体の外側に配されているめっき膜である蓋めっきと非接触であることを特徴とする請求項４に記載の放熱基板。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱伝導素子等からなる放熱部材及びこの放熱部材が埋設された放熱基板に関する。

【背景技術】

【0002】

いわゆる基板に熱伝導素子を埋設したものが知られている（例えば特許文献１及び２参照）。特許文献１でも特許文献２でも、熱伝導素子により、パッケージキャリア上に配置された熱発生素子により発生される熱を外界に伝導させることができるとされている。放熱部材は、基板を貫通するスルーホール内に埋設されている。このとき、放熱部材は接着剤やプリプレグ等の接着基材を用いてスルーホール内に固定されている。

【0003】

特許文献１では、放熱部材として、金属且つ導体であって熱伝導率の大きいＣｕやＡｇが用いられると記載されている。また、放熱部材の形状は柱形状とされるが、円柱形状や四角柱形状でもよいと記載されている。特許文献２では、放熱部材の材料は例えばスルーシリコンビアを有する又は有さないセラミックス、ＴＳＶを有する又は有さないシリコン、シリコンカーバイド、ダイヤモンドあるいは金属と記載されている。特許文献２では、放熱部材の形状について特に記載はない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第３９２２６４２号公報

【特許文献2】特許第５３３１２１７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、接着基材と放熱部材との間では熱膨張率（ＣＴＥ）が異なるため、接着界面で剥離が生じやすい。特に、放熱部材は電子部品等の発熱部材から発せられる熱を放熱するため、発熱部材の直下に配されることが多い。したがって、発熱部材を実装する際の半田による実装リフロー時や、発熱部材の動作時に、基板全体として発熱部材側に引張られるような応力が働く。また、このような発熱時のみだけでなく、基板搬送時の衝撃や、基板に対してビス留めをするときなどの組み立て時に、やはり基板のいずれかの面に向かって一方向に引張られるような応力が働くことがある。

【0006】

本発明は、上記従来技術を考慮したものであり、基板の一方向、特に発熱部材側に引張られるような応力が働いたとしても放熱部材がスルーホールから抜けることを防止できる放熱部材及びこれを用いた放熱基板を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

前記目的を達成するため、本発明では、発熱部材が配されている基板内に埋設されるべき柱形状体の一面であり前記発熱部材が配されている側の面である吸熱面と、該吸熱面の反対側の面である放熱面と、前記柱形状体の側面に形成されたテーパ形状であるテーパ部とを備えたことを特徴とする放熱部材を提供する。

【0008】

好ましくは、前記柱形状体の側面に前記吸熱面と平行な面を有する段差部が形成されている。

【0009】

好ましくは、前記テーパ部は、前記柱形状体の側面全域に形成されている。

【0010】

好ましくは、前記柱形状体の側面は粗面処理されている。

【0011】

また、本発明では、前記基板を貫通して形成されているスルーホールと、該スルーホール内に配設されている前記柱形状体と、該柱形状体と前記スルーホールの内壁との間に配されていて前記柱形状体を前記スルーホール内に固定するための接着基材とを備えたことを特徴とする放熱部材を用いた放熱基板を提供する。

【0012】

好ましくは、前記柱形状体が有する前記吸熱面及び前記放熱面は、前記柱形状体の外側に配されているめっき膜である蓋めっきと非接触である。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、柱形状体の側面にテーパ部が形成されている。このため、柱形状体は吸熱面から放熱面に向けてその側面にていずれかの位置で徐々に拡径する部位を有することになる。このため、発熱部材が配される側の吸熱面側に引張られるような応力が働いたとしても、柱形状体の側面に存する拡径する部位（テーパ部）により柱形状体がスルーホールから抜けることを防止できる。

【0014】

また、柱形状体の側面に段差部を設けることで、柱形状体が吸熱面側に引張られたとしても段差部の面が抜け方向に対して垂直方向を向いているのでこの面にて引っかかりの作用を発揮する。このため、柱形状体がスルーホールから抜けることをさらに防止できる。

【0015】

一方で、柱形状体の側面全域をテーパ形状とすれば、柱形状体が吸熱面側に引張られたとしても放熱面側に向けて徐々に拡径する側面の全面にて満遍なく引っ張り応力を受け止めることができる。このため、柱形状体がスルーホールから抜けることをさらに防止できる。

【0016】

また、柱形状体の側面を粗面処理することで、柱形状体が基板内に埋設された際に接する接着基材との間の密着性が高まる。このため、柱形状体が接着基材から剥離することを防止し、さらなる抜け防止の効果を得ることができる。

【0017】

また、本発明では、このような柱形状体からなる放熱部材を用いてスルーホール内に接着基材にて埋設することで、確実に一方向（吸熱面側）に向けて放熱部材が抜けてしまうことが防止された放熱基板を得ることができる。

【0018】

また、吸熱面及び放熱面が蓋めっきと非接触であるため、放熱部材がスルーホールから抜けてしまうことを防止するためにわざわざ蓋めっきを形成して吸熱面側や放熱面側から押えることが不要となる。さらに、蓋めっきがなかったとしても吸熱面側への抜け防止機能が放熱部材には備わっているので、蓋めっきを不要として基板設計の自由度を増すことができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明に係る放熱部材を用いた放熱基板の概略断面図である。

【図2】本発明に係る放熱部材の概略図である。

【図3】本発明に係る別の放熱部材の概略図である。

【図4】本発明に係るさらに別の放熱部材の概略図である。

【図5】本発明に係るさらに別の放熱部材の概略図である。

【図6】本発明に係るさらに別の放熱部材の概略図である。

【図7】本発明に係る放熱部材を用いた別の放熱基板の概略断面図である。

【図8】本発明に係る放熱部材を用いたさらに別の放熱基板の概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

図１を参照すれば明らかなように、本発明に係る放熱基板１は、内部にブロック状の放熱部材（柱形状体）２が埋設されているものである。以下、その構造について説明する。放熱基板１としては、図に示すような両面に導電層としての導体３が形成された両面板でもよいし、いわゆる多層板であってもよい。図１では、コア材４の両面に銅箔が形成された基板について、この銅箔が導体３として加工された例を示している。なお、コア材４とは、多層板の内部に芯として入れるための金属材料、あるいは両面にパターンである導体３を形成したものである。

【0021】

放熱基板１には、その両面方向にて貫通する貫通孔としてのスルーホール６が形成されている。具体的には、スルーホール６は放熱基板１のコア材４がくり抜かれて形成されている。このスルーホール６内に上述した放熱部材２が収容されている。したがってスルーホール６は放熱部材２にとってキャビティということもできる。スルーホール６の内壁と放熱部材２との間には接着基材５が充填されていて、この接着基材５により放熱部材２はスルーホール６内に固定されている。図１の例では、接着基材５は接着剤である。そして、放熱基板１はその両面に蓋めっき８を有している。この蓋めっき８は例えば金めっきや銅めっきであり、少なくとも放熱部材２の両面全域を覆うように形成されている。

【0022】

この放熱基板１には、はんだリフロー等を介して発熱する部品（発熱部材）である例えば電子部品が搭載される（不図示）。放熱部材２は通常、このような発熱部材の直下であって放熱基板１内に埋設される。図示したように、放熱部材２は柱形状体である。放熱部材２の一面（一方の面）は、発熱部材が配された側の面としての吸熱面２ａとなっている（図１の上側）。そして、この吸熱面２ａの反対側の面は放熱面２ｂとなっている（図１の下側）。

【0023】

放熱部材２の側面には、テーパ形状のテーパ部１１が形成されている。図２に示すように、テーパ部１１は側面の一部（下側）に形成されている。放熱部材２にはさらに段差部７が形成されている。この段差部７は吸熱面２ａと平行な面として放熱部材２の側面に形成されている。すなわち、図の例では吸熱面２ａの外縁から鉛直下方に向けて側面が延び、途中にて段差部７により径が広がり、この段差部７の外縁からさらにテーパ部１１によって徐々に拡径しながら下方に向けて側面が延びている。したがって、図の例では放熱面２ｂの径は吸熱面２ａの径よりも広がって形成される。なお、図２では円柱形状の放熱部材２を示しているが、図３に示すように角柱形状であってもテーパ部１１及び段差部７は形成可能であり、このような形状を採用してもよい。

【0024】

このように、放熱部材２は吸熱面２ａから放熱面２ｂに向けてその側面にていずれかの位置で拡径する部位（テーパ部１１）を有することになる。このため、発熱部材が配される側の吸熱面２ａ側に引張られるような応力が放熱基板１に働いたとしても、放熱部材２の側面に存する拡径する部位により放熱部材２がスルーホール６から抜けることを防止できる。この拡径する部位は、段差部７よりもまずはテーパ部１１があった方が好ましい。段差部７のみだと、接着基材５が段差部７の角にて充填されないことがあるからである。しかしながら抜け止め防止という観点では段差部７も効果を奏するので、テーパ部１１に付随して設けるとさらに効果的である。

【0025】

このようにテーパ部１１に加えて段差部７を設けることで、放熱部材２が吸熱面２ａ側に引張られたとしても段差部７の面が抜け方向（吸熱面２ａ側方向）に対して垂直方向を向いているので、この面にて引っかかりの作用を発揮する。具体的には、段差部７が接着基材５としっかりと噛み合い、応力による引っ張りをその引っ張り方向に対して段差部７の全面にて受け止めることができる。このため、放熱部材２が接着基材５から剥離することはなく、スルーホール６から抜けてしまうことを防止できる。これは、一方向に向けて抜けることを実現するものであり、機械的な作用によって一方向に力が働いたときも同様に抜け止めとしての機能を有する。

【0026】

段差部７としては、その幅が５μｍ以上１００μｍ以下あれば十分である。放熱部材２を銅などの金属で形成する場合は、段差部７の形状を有する成型金型を用いて製造可能である。放熱部材２をセラミックで形成する場合は、ダイシング時にハーフカットを行って段差部７を形成すれば製造可能である。なお、放熱部材２の材料は、セラミック、金属、カーボンナノチューブ、又はシリコンを適用可能である。このような材料を用いることで、効率よく放熱されることを確認している。

【0027】

なお、図４に示すように、放熱部材２の側面全域がテーパ形状であってもよい。このように放熱部材２の側面をテーパ形状とすれば、放熱部材２が吸熱面２ａ側に引張られたとしても放熱面２ｂ側に向けて徐々に拡径する側面の全面にて満遍なく引っ張り応力を受け止めることができる。このため、放熱部材２が接着基材５からやはり剥離することはなく、スルーホール６から抜けてしまうことを防止できる。なお、図４では柱形状体の一種としての円錐台形状の放熱部材２を示したが、図５のような角柱形状を用いた錐台としてもよい。また、テーパ形状は図４のように放熱部材２の側面全体に形成してもよいし、図５のように一部にのみ形成してもよい。図４のように側面全体にテーパ形状を形成すれば、側面の全域において応力を受け止めることができる。また図５のように段差部７がなくてもテーパ部１１が一部にあっても応力を受け止めることができる。さらに、図６のように、吸熱面２ａ側にテーパ部１１があり、放熱面２ｂ側の側面が鉛直下方に延びている形状でもよい。どのような形状によってもテーパ形状が側面のどこかにある以上は放熱面２ｂは吸熱面２ａよりも広く形成されるので、テーパ形状が抜け止め防止機能を発揮することになる。

【0028】

ここで、放熱部材２の表面が粗面処理されていてもよい（図１参照）。このように放熱部材２の表面を粗面処理することで、放熱部材２がスルーホール６内に埋設された際に接する接着基材５との間の密着性を高めることができる。このため、放熱部材２が接着基材５から剥離することを防止し、さらなる抜け防止の効果を得ることができる。この粗面処理としては、放熱部材２の表面に１μｍ以上５μｍ未満の凹凸を設ければ足りる。このような凹凸は、機械的にブラストやスクラブにて形成してもよいし、エッチング等の化学的処理を用いて形成してもよい。これにより放熱部材２の吸熱面２ａ、放熱面２ｂ、及び側面に凹凸形状が形成され、しっかりと接着基材５と噛み合って剥離することが防止される。この効果は、少なくとも放熱部材２の側面のみに粗面処理がなされていれば奏される。表面の全面に形成されていればなお好ましい。なお、他の例ではこの粗面処理された表面について図示を省略しているが、粗面処理するかしないかは適用する場面に応じて適宜決定できる。

【0029】

本発明に係る放熱基板１としては、図７に示すような例でも適用可能である。図の例では芯材たるコア材４が上下に二層形成され、その間にプリプレグ等の絶縁層たる接着基材５がそれぞれ配されているものを示している。コア材４の両面に導体３が形成されていれば、４層板ということになる。この例では、放熱部材２はスルーホール６に対して絶縁層を用いた接着基材５を介して固定されている。基板製造プロセスにおける積層プレスの際に、コア材４の間のプリプレグがスルーホール６内に流入し、充填される。したがって放熱部材２を固定するために別途接着剤を用いる必要がないので、接着剤を使用することによるクラックやボイドの発生を防止できる。このような構造の基板であっても、本発明の放熱部材２により、確実に一方向（吸熱面２ａ側）に向けて放熱部材２が抜けてしまうことが防止される。

【0030】

また、本発明に係る放熱基板１としては、図８に示すような例でも適用可能である。この例では、図７の放熱基板１の上下に、それぞれ絶縁層９を配している。絶縁層９の外側には導体３及び銅めっき１２が形成されている。そして、放熱部材２の吸熱面２ａにはフィルドビア１０がスタックされている。このように、放熱部材２はどのような構造の基板であっても適用可能であるが、この例のように、吸熱面２ａ及び放熱面２ｂがその外側に配されているめっき膜である蓋めっき８と非接触であってもよい（放熱部材２の吸熱面２ａ及び放熱面２ｂは直接プリプレグ等の接着基材５に接している）。すなわち、本願発明は図８のような蓋めっき８が存在しない基板にも適用可能ということになる。上述したように放熱部材２の形状のみでスルーホール６からの抜け防止が図られているので、吸熱面２ａ及び放熱面２ｂを蓋めっき８と非接触（蓋めっき８が不存在）としても、放熱部材２がスルーホール６から抜けてしまうことを防止するためにわざわざ放熱部材２に直接接する蓋めっき８を形成して吸熱面２ａ側や放熱面２ｂ側から押えなくてもよい。このように、蓋めっき８がなかったとしても吸熱面２ａ側への抜け防止機能が放熱部材２には備わっているので、放熱部材２に直接接する蓋めっき８を不要として基板設計の自由度を増すことができる。

【符号の説明】

【0031】

１：放熱基板、２：放熱部材（柱形状体）、２ａ：吸熱面、２ｂ：放熱面、３：導体、４：コア材、５：接着基材、６：スルーホール、７：段差部、８：蓋めっき、９：絶縁層、１０：フィルドビア、１１：テーパ部、１２：銅めっき

【要約】

放熱部材(2)は、発熱部材が配されている基板(1)内に埋設されるべき柱形状体(2)の一面であり発熱部材が配されている側の面である吸熱面(2a)と、該吸熱面(2a)の反対側の面である放熱面(2b)と、柱形状体(2)の側面に形成されたテーパ形状であるテーパ部(11)とを備えている。これにより、基板(1)の一方向、特に発熱部材側に引張られるような応力が働いたとしても放熱部材(2)がスルーホール(6)から抜けることを防止できる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】