特開 2024-80085 部品内蔵型回路基板および部品内蔵型回路基板の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024080085

(43)【公開日】2024-06-13

(54)【発明の名称】部品内蔵型回路基板および部品内蔵型回路基板の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/12 20060101AFI20240606BHJP

   H05K 3/46 20060101ALI20240606BHJP

   H05K 1/02 20060101ALI20240606BHJP

【ＦＩ】

H01L23/12 J

H05K3/46 Q

H05K3/46 N

H05K3/46 U

H05K1/02 F

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022192977

(22)【出願日】2022-12-01

(71)【出願人】

【識別番号】503405689

【氏名又は名称】ナブテスコ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(72)【発明者】

【氏名】小泉 雄大

【テーマコード（参考）】

5E316

5E338

【Ｆターム（参考）】

5E316AA02

5E316AA12

5E316AA32

5E316AA43

5E316CC02

5E316CC04

5E316CC06

5E316CC08

5E316CC32

5E316DD02

5E316EE31

5E316HH17

5E316JJ12

5E316JJ13

5E338AA03

5E338AA16

5E338AA18

5E338BB03

5E338BB05

5E338BB63

5E338BB75

5E338CC08

5E338EE02

(57)【要約】

【課題】部品内蔵型回路基板の熱抵抗を低減し、放熱性を改善する。
【解決手段】部品内蔵型回路基板は、第１の導電配線層と、第２の導電配線層と、第１の導電配線層と第２の導電配線層との間に挟まれて積層された第１の絶縁層と、第１の絶縁層に内蔵され、第１の導電配線層および第２の導電配線層と電気的に接続された電子部品と、電子部品で生じた熱を放熱する放熱部を有する放熱層と、第２の導電配線層と放熱層との間に挟まれて積層された第２の絶縁層と、を備える。第２の絶縁層の内部には、冷媒が封入されて閉じた冷媒流路が形成されている。冷媒流路は、電子部品と放熱層とを熱的に接続する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の導電配線層と、
第２の導電配線層と、
前記第１の導電配線層と前記第２の導電配線層との間に挟まれて積層された第１の絶縁層と、
前記第１の絶縁層に内蔵され、前記第１の導電配線層および前記第２の導電配線層と電気的に接続された電子部品と、
前記電子部品で生じた熱を放熱する放熱部を有する放熱層と、
前記第２の導電配線層と前記放熱層との間に挟まれて積層された第２の絶縁層と、を備え、
前記第２の絶縁層の内部には、冷媒が封入されて閉じた冷媒流路が形成されており、
前記冷媒流路は、前記電子部品と前記放熱層とを熱的に接続することを特徴とする部品内蔵型回路基板。

【請求項2】

前記放熱層は導体であることを特徴とする請求項１に記載の部品内蔵型回路基板。

【請求項3】

前記放熱部は、厚み方向から見て、前記電子部品と重ならない位置に設けられることを特徴とする請求項１または２に記載の部品内蔵型回路基板。

【請求項4】

前記冷媒流路は、前記放熱部が設けられた位置から前記電子部品が内蔵された位置に向けて下向きに傾くように形成されていることを特徴とする請求項３に記載の部品内蔵型回路基板。

【請求項5】

前記第２の導電配線層および前記放熱層の少なくとも一方における冷媒流路を構成する部分は、冷媒流路を構成しない部分より表面の粗さが大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の部品内蔵型回路基板。

【請求項6】

前記表面の粗さは、前記冷媒が流れる方向に沿って設けられた溝であることを特徴とする請求項５に記載の部品内蔵型回路基板。

【請求項7】

部品内蔵型回路基板を製造する方法であって、
第１の導電配線層を形成するステップと、
第２の導電配線層を形成するステップと、
第１の絶縁層を前記第１の導電配線層と前記第２の導電配線層との間に挟んで積層するステップと、
電子部品を前記第１の導電配線層および前記第２の導電配線層と電気的に接続して、前記第１の絶縁層に内蔵するステップと、
前記電子部品で生じた熱を放熱する放熱部を有する放熱層を形成するステップと、
内部に前記電子部品と前記放熱層とを熱的に接続する冷媒流路が形成された第２の絶縁層を、前記第２の導電配線層と前記放熱層との間に挟んで積層するステップと、
前記冷媒流路内に冷媒を封入するステップと、を含むことを特徴とする方法。

【請求項8】

前記第２の導電配線層および前記放熱層の少なくとも一方における冷媒流路を構成する部分が、冷媒流路を構成しない部分より表面の粗さが大きくなるように加工するステップをさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、部品内蔵型回路基板および部品内蔵型回路基板の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来の電子機器では、電子部品をプリント基板の表面に実装する技術が一般に用いられてきた。これに対し、電子部品をプリント基板の内部に実装する部品内蔵型回路基板を採用することにより、電子回路の高密度化が期待できる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００８－１７７５５２

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

部品内蔵型回路基板は、高密度実装による小型化のメリットがある反面、内蔵した部品の放熱性が悪いという課題がある。

【0005】

特許文献１には、サーマルビアを用いた放熱構造が開示されている。しかしこの放熱構造には、発熱源となる内蔵部品から放熱空間までの熱抵抗（熱の伝わりにくさ）が存在するため、部品温度が上昇して信頼性低下につながるという問題がある。

【0006】

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、部品内蔵型回路基板の熱抵抗を低減し、放熱性を改善することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するために、本発明のある態様の部品内蔵型回路基板は、第１の導電配線層と、第２の導電配線層と、第１の導電配線層と第２の導電配線層との間に挟まれた第１の絶縁層と、第１の絶縁層に内蔵され、第１の導電配線層および第２の導電配線層と電気的に接続された電子部品と、電子部品で生じた熱を放熱する放熱部を有する放熱層と、第２の導電配線層と放熱層との間に挟まれた第２の絶縁層と、を備える。第２の絶縁層の内部には、冷媒が封入されて閉じた冷媒流路が形成されており、冷媒流路は、電子部品と放熱層とを熱的に接続する。

【0008】

ある実施の形態の部品内蔵型回路基板では、放熱層は導体であってもよい。

【0009】

ある実施の形態の部品内蔵型回路基板では、放熱部は、厚み方向から見て、電子部品と重ならない位置に設けられてもよい。

【0010】

ある実施の形態の部品内蔵型回路基板では、冷媒流路は、放熱部が設けられた位置から電子部品が内蔵された位置に向けて下向きに傾くように形成されてもよい。

【0011】

ある実施の形態の部品内蔵型回路基板では、第２の導電配線層および放熱層の少なくとも一方における冷媒流路を構成する部分は、冷媒流路を構成しない部分より表面の粗さが大きい。

【0012】

表面の粗さは、冷媒が流れる方向に沿って設けられた溝であってもよい。

【0013】

本発明の別の態様は、部品内蔵型回路基板を製造する方法である。この方法は、第１の導電配線層を形成するステップと、第２の導電配線層を形成するステップと、第１の導電配線層と第２の導電配線層との間に挟まれる第１の絶縁層を形成するステップと、電子部品を第１の導電配線層および第２の導電配線層と電気的に接続して、第１の絶縁層に内蔵するステップと、電子部品で生じた熱を放熱する放熱部を有する放熱層を形成するステップと、第２の導電配線層と放熱層との間に挟まれる第２の絶縁層であって内部に電子部品と放熱層とを熱的に接続する冷媒流路が形成された第２の絶縁層を形成するステップと、冷媒流路内に冷媒を封入するステップと、を含む。

【0014】

ある実施の形態の方法では、第２の導電配線層および放熱層の少なくとも一方における冷媒流路を構成する部分が、冷媒流路を構成しない部分より表面の粗さが大きくなるようなステップを含んでもよい。

【0015】

なお、以上の構成要素の任意の組合せや、本発明の構成要素や表現を方法、装置、プログラム、プログラムを記録した一時的なまたは一時的でない記憶媒体、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、部品内蔵型回路基板の熱抵抗を低減し、放熱性を改善することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】第１の実施の形態に係る部品内蔵型回路基板を縦方向の側面から見た断面図である。

【図2】（ａ）は、放熱部を空冷ヒートシンクで構成した部品内蔵型回路基板を示す。図２（ｂ）は、放熱部を液冷ジャケットで構成した部品内蔵型回路基板を示す。

【図3】図１の部品内蔵型回路基板を上から見たときの模式図である。

【図4】放熱部を厚み方向から見て電子部品と重ならない位置に設けた部品内蔵型回路基板を上から見たときの模式図である。

【図5】第２の実施の形態に係る部品内蔵型回路基板の製造方法の処理を示すフローチャートである。

【図6】第２の実施の形態に係る部品内蔵型回路基板の別の製造方法の処理を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。実施の形態は、発明を限定するものではなく例示である。実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図に示す各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。また、本明細書または請求項の中で「第１」、「第２」等の用語が用いられる場合、特に言及がない限りこの用語はいかなる順序や重要度を表すものでもなく、ある構成と他の構成とを区別するだけのためのものである。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。

【0019】

［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態に係る部品内蔵型回路基板１を水平面上に置き、縦方向の側面から見た断面図である。以下本明細書では、回路基板を水平面上に置いたとき、当該回路基板の縦方向をｘ軸、横方向をｙ軸、鉛直上向き方向をｚ軸に取ることとする。部品内蔵型回路基板１は、第１の導電配線層１０と、第２の導電配線層２０と、第１の絶縁層３０と、電子部品４０と、放熱層５０と、第２の絶縁層６０と、を備える。第１の絶縁層３０は、第１の導電配線層１０と第２の導電配線層２０との間に挟まれている。電子部品４０は、第１の絶縁層３０に内蔵され、第１の導電配線層１０および第２の導電配線層２０と電気的に接続されている。放熱層５０は、電子部品４０で生じた熱を放熱する放熱部７０を有する。第２の絶縁層６０は、第２の導電配線層２０と放熱層５０との間に挟まれている。第２の絶縁層６０の内部には、冷媒が封入されて閉じた冷媒流路８０が形成されている。冷媒流路８０は、電子部品４０と放熱層５０とを熱的に接続する。

【0020】

この例では、第１の導電配線層１０および第２の導電配線層２０は、銅箔で形成される。

【0021】

第１の絶縁層３０は、コア層およびプリプレグ材を含んでもよい。

【0022】

電子部品４０は、例えば、半導体素子、抵抗、コンデンサまたはインダクタなど、基板内部に実装され、熱を発する任意の電子部品であってもよい。

【0023】

放熱部７０は、例えば空冷ヒートシンクまたは液冷ジャケットなどであってもよい。図２に、放熱部を空冷ヒートシンク７１で構成した部品内蔵型回路基板２（図２（ａ））および放熱部を液冷ジャケット７２で構成した部品内蔵型回路基板３（図２（ｂ））を示す。

【0024】

冷媒流路８０が設けられる第２の絶縁層６０は、厚ければ厚いほど冷媒の流量が多くなるので、冷却効率を高めることができる。例えば、部品内蔵型回路基板内に他の絶縁層が設けられた場合、第２の絶縁層６０の厚さはこれら他の絶縁層の厚さより厚くてもよい。

【0025】

冷媒流路８０に封入される冷媒は、例えばクロロフルオロカーボン（ＣＦＣ）、ハイドロクロロフルオロカーボン（ＨＣＦＣ）、ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）またはハイドロフルオロオレフィン（ＨＦＯ）などのフッ素系冷媒であってもよい。

【0026】

図３は、部品内蔵型回路基板１を上から見たときの模式図である。閉じた環状の冷媒流路８０に封入された冷媒（液体）は、電子部品４０が設置された部分（発熱部）で加熱されて蒸発する。蒸発した冷媒は、冷媒流路８０内を放熱部７０まで移動し、凝縮して液体に戻る。凝縮した液体は、毛細管現象により、再び冷媒流路８０内を移動し、発熱部に戻る。これは、ヒートパイプの動作原理をプリント基板の内蔵構造に応用したものである。この動作を繰り返すことにより、ポンプなどのエネルギーを必要とすることなく冷媒循環が実現される。すなわち、第２の絶縁層の内部に冷媒を封入して閉じた冷媒流路を形成し、冷媒流路が電子部品と放熱層とを熱的に接続する構成を与えることにより、冷媒駆動の動力を必要とせずに、電子部品から放熱部までの熱抵抗を低減し、放熱性を改善することができる。

【0027】

さらに本実施の形態によれば、既存の絶縁層（第２の絶縁層６０）に冷媒流路８０を設ければよいので、追加の構造（層）を設ける必要がない。従って既存のプリント基板製造プロセスの変更が不要で、製造工程の複雑さを低減することができる。

【0028】

放熱層５０は導体であってもよい。放熱層５０を導体とすることにより、これをフレームグランドとしてアース接続することができる。さらに一般に電気伝導率の大きな導体ほど熱伝導率も大きいので、放熱層５０を導体とすることにより、より放熱効果を高めることができる。この場合も、放熱層５０は第２の絶縁層６０により第２の導電配線層２０と絶縁されているので、漏電や感電などを防ぐことができる。

【0029】

放熱部７０は、厚み方向から見て、電子部品４０と重ならない位置に設けられてもよい。図４は、このような実施の形態の部品内蔵型回路基板１を上から見たときの模式図である。放熱部７０と電子部品４０とが重ならない構成とすることにより、半導体素子などの電子部品で生じる電磁ノイズが放熱部で増強されることを回避できる

【0030】

上記の構成を取ったとき、冷媒流路８０は、放熱部７０が設けられた位置から電子部品４０が内蔵された位置に向けて下向きに傾くように形成されてもよい。このように、冷媒流路８０の放熱部７０の位置を電子部品４０側の位置より高くして、冷媒流路８０が放熱部７０側から電子部品４０側に向けて下向きに傾くように構成することにより、冷媒の流れを妨げることなく、冷却効率を上げることができる。

【0031】

第２の導電配線層２０および放熱層５０の少なくとも一方における冷媒流路８０を構成する部分は、冷媒流路８０を構成しない部分より表面の粗さが大きくてもよい。例えば、第２の導電配線層２０および放熱層５０の少なくとも一方における冷媒流路８０を構成する部分は、溝、スクラッチ上の傷、面密度の高い凹凸などを備えてもよい。この場合、冷媒流路８０の内壁の上部および下部の少なくとも一方は粗い表面となる。この場合、冷媒流路８０の内面が滑らかな場合と比べて、毛細管現象の効果が向上する。従って、冷媒流路８０内の冷媒の流れが促進され、熱交換による冷却効果が向上する。表面の粗さは、上記のように、溝、スクラッチ上の傷、面密度の高い凹凸などで形成することにより、基板製造工程で実現することができる。

【0032】

特に上記の表面の粗さは、冷媒が流れる方向に沿って設けられた溝であってもよい。第２の導電配線層２０および放熱層５０の少なくとも一方における冷媒流路８０を構成する部分の表面の粗さを冷媒が流れる方向に沿った溝で形成することにより、毛細管現象の効果をさらに向上させ、冷却効率を向上することができる。

【0033】

［第２の実施の形態］
図５は、部品内蔵型回路基板の製造方法の処理を示すフローチャートである。この方法は、第１の導電配線層を形成するステップＳ１と、第２の導電配線層を形成するステップＳ２と、第１の導電配線層と第２の導電配線層との間に挟まれる第１の絶縁層を形成するステップＳ３と、電子部品を第１の導電配線層および第２の導電配線層と電気的に接続して、第１の絶縁層に内蔵するステップＳ４と、電子部品で生じた熱を放熱する放熱部を有する放熱層を形成するステップＳ５と、第２の導電配線層と放熱層との間に挟まれる第２の絶縁層であって内部に電子部品と放熱層とを熱的に接続する冷媒流路が形成された第２の絶縁層を形成するステップＳ６と、冷媒流路内に冷媒を封入するステップＳ７と、を含む。

【0034】

この実施の形態によれば、熱抵抗を低減し、放熱性を改善した部品内蔵型回路基板を製造することができる。

【0035】

図６は、部品内蔵型回路基板の別の製造方法の処理を示すフローチャートである。この方法は、第１の導電配線層を形成するステップＳ１と、第２の導電配線層を形成するステップＳ２と、第１の導電配線層と第２の導電配線層との間に挟まれる第１の絶縁層を形成するステップＳ３と、電子部品を第１の導電配線層および第２の導電配線層と電気的に接続して、第１の絶縁層に内蔵するステップＳ４と、電子部品で生じた熱を放熱する放熱部を有する放熱層を形成するステップＳ５と、第２の導電配線層および放熱層の少なくとも一方における冷媒流路を構成する部分が、冷媒流路を構成しない部分より表面の粗さが大きくなるように加工するステップＳ８と、第２の導電配線層と放熱層との間に挟まれる第２の絶縁層であって内部に電子部品と放熱層とを熱的に接続する冷媒流路が形成された第２の絶縁層を形成するステップＳ６と、冷媒流路内に冷媒を封入するステップＳ７と、を含む。

【0036】

この実施の形態によれば、さらに熱抵抗を低減し、放熱性を改善した部品内蔵型回路基板を製造することができる。

【0037】

なお上記の方法において、各ステップを実行する順番は必ずしも図５および図６の通りでなくてもよい。さらに、上記の各ステップの間に別のステップが実行されてもよい。例えば、第１の導電配線層を形成するステップＳ１、第２の導電配線層を形成するステップＳ２、第１の絶縁層を形成するステップＳ３、第２の絶縁層を形成するステップＳ６は、それぞれどの順番で実行されてもよい。

【0038】

以上、本発明の実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、いろいろな変形および変更が本発明の特許請求の範囲内で可能なこと、またそうした変形例および変更も本発明の特許請求の範囲にあることは当業者に理解されるところである。従って、本明細書での記述および図面は限定的ではなく例証的に扱われるべきものである。

【0039】

基板の材料（ＦＲ４、ＣＥＭ３等）やプリプレグ等の絶縁層の材料は特に限定されず、任意の好適なものであってもよい。導体層の厚みも特に限定されず、一般的な３６μｍより厚くても薄くてもよい。本技術は、リジッド基板およびフレキシブル基板のいずれにも適用可能である。この変形例によれば、構成の自由度を上げることができる。

【0040】

上述した各実施の形態と変形例の任意の組み合わせもまた本発明の実施の形態として有用である。組み合わせによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる各実施の形態および変形例それぞれの効果をあわせもつ。

【0041】

以上、実施の形態及び変形例を説明した。実施の形態及び変形例を抽象化した技術的思想を理解するにあたり、その技術的思想は実施の形態及び変形例の内容に限定的に解釈されるべきではない。前述した実施の形態及び変形例は、いずれも具体例を示したものにすぎず、構成要素の変更、追加、削除等の多くの設計変更が可能である。実施の形態では、このような設計変更が可能な内容に関して、「実施の形態」との表記を付して強調している。しかしながら、そのような表記のない内容でも設計変更が許容される。

【産業上の利用可能性】

【0042】

実施の形態に係る部品内蔵型回路基板は、モーターインバータ、ＤＣＤＣコンバータ、ＡＣＤＣコンバータ、ＤＣＡＣインバータなどのパワーエレクトロニクス回路に広く利用することができる。

【符号の説明】

【0043】

１・・部品内蔵型回路基板、
１０・・第１の導電配線層、
２０・・第２の導電配線層、
３０・・第１の絶縁層、
４０・・電子部品、
５０・・放熱層、
６０・・第２の絶縁層、
７０・・放熱部、
８０・・冷媒流路、
Ｓ１・・第１の導電配線層を形成するステップ、
Ｓ２・・第２の導電配線層を形成するステップ、
Ｓ３・・第１の絶縁層を形成するステップ、
Ｓ４・・電子部品を第１の絶縁層に内蔵するステップ、
Ｓ５・・放熱層を形成するステップ、
Ｓ６・・第２の絶縁層を形成するステップ、
Ｓ７・・冷媒流路内に冷媒を封入するステップ、
Ｓ８・・冷媒流路を構成する部分に表面の粗さを付与するステップ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】