(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁樹脂材料からなる絶縁層に導電材料からなる導電層が形成された基板中間体を形成する基板中間体形成工程と、
前記基板中間体を貫通する略円柱形状のスルーホールを形成するスルーホール形成工程と、
前記スルーホール内に金属からなる略円柱形状の熱伝導部材を挿入して配する挿入工程と、
前記熱伝導部材を塑性変形させて前記スルーホール内に固定する塑性変形工程と
を備え、
前記挿入工程よりも前に、前記熱伝導部材を焼き鈍す焼き鈍し工程を行い、
前記塑性変形工程は、前記基板中間体の一方の側に前記スルーホールを閉塞するように支持板を配し、前記基板中間体の他方の側から押圧片を前記熱伝導部材の押し当て面に押し当てて押圧して行われ、
前記塑性変形工程にて、前記押圧片が前記熱伝導部材に押し当てられた際に、前記押圧片は前記押し当て面の外縁以内の範囲に収まり、且つ前記押圧片の径は前記熱伝導部材が固定されるべき前記スルーホールの径より小さいことを特徴とする放熱基板の製造方法。
【請求項２】
前記挿入工程にて、前記熱伝導部材が前記スルーホールに挿入された際に、前記熱伝導部材の外周面と前記スルーホールの内壁面との間には１００μｍ以下の隙間が形成され、かつ前記熱伝導部材の体積は前記スルーホール内の空間体積に対して１００％〜１１０％であることを特徴とする請求項１に記載の放熱基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば車両の電気的制御機器や家庭用機器やＬＥＤ部品又は産業用機器に使用される放熱基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気回路における半導体素子は、高密度化や高電流化により発熱量が増加する傾向にある。特にＳｉを用いた半導体は周囲の温度が１００℃以上になると誤動作、故障の原因となる。このような半導体素子等の発熱部品としては例えばＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)やＩＰＭ(Intelligent Power Module)等のスイッチング素子がある。【０００３】
発熱部品を効果的に冷却するため、基板に対して部品の実装面とは反対側に放熱経路を形成した放熱基板が用いられている。具体的には、発熱部品から発生する熱を基板の背面側（部品搭載面（実装面）とは反対側）に伝導し、背面側にてヒートシンク等を用いて冷却している。【０００４】
放熱経路の形成手法としては、例えば基板に形成されたスルーホール内に熱伝導率の高い金属（Ｃｕ、Ａｌ等）からなる熱伝導部材を配設し、この熱伝導部材をスルーホール内に固定する方法がある。スルーホールへの金属の固定は、圧入や塑性変形による密着、接着剤や半田による接合等で行われる（例えば特許文献１参照）。そして発熱部品の放熱は、熱伝導部材を発熱部品と接続して部品から発生する熱を熱伝導部材（例えば柱状の銅）を介して外部に放熱することで行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０-２６３００３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、熱伝導部材を圧入によってスルーホール内に固定すると、圧入に伴って応力が生じるので、基板の絶縁層を形成しているプリプレグ（ガラスクロスとエポキシ樹脂からなる複合材料）にクラックが発生するおそれがある。【０００７】
また、熱伝導部材を塑性変形によってスルーホール内に固定すると、スルーホール内に挿入する際には熱伝導部材の径をスルーホールの径よりも小さくし、挿入後に加圧により塑性変形させて固定することになる。このとき、熱伝導部材とスルーホールとの中心位置がずれていると、隙間が発生するおそれがある。また、熱伝導部材の塑性変形を生じさせるための圧力が大きい場合、熱伝導部材の径方向へ広がる塑性変形量が一定とは限らず、やはり熱伝導部材とスルーホールとの間に隙間が発生するおそれがある。このような隙間の存在は、発熱部品を実装させるために用いる半田が浸透することで不具合を招く。また、隙間が発生していない部分では強い応力が基板に対して働くため、絶縁層破壊を招くおそれがある。【０００８】
本発明は、上記従来技術を考慮したものであり、塑性変形させて熱伝導部材をスルーホール内に固定した場合でも、熱伝導部材が有する応力によって基板が破壊されたりクラックが発生したりすることがない放熱基板の製造方法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】
【０００９】
前記目的を達成するため、本発明では、絶縁樹脂材料からなる絶縁層に導電材料からなる導電層が形成された基板中間体を形成する基板中間体形成工程と、前記基板中間体を貫通する略円柱形状のスルーホールを形成するスルーホール形成工程と、前記スルーホール内に金属からなる略円柱形状の熱伝導部材を挿入して配する挿入工程と、前記熱伝導部材を塑性変形させて前記スルーホール内に固定する塑性変形工程とを備え、前記挿入工程よりも前に、前記熱伝導部材を焼き鈍す焼き鈍し工程を行うことを特徴とする放熱基板の製造方法を提供する。【００１０】
好ましくは、前記塑性変形工程は、前記基板中間体の一方の側に前記スルーホールを閉塞するように支持板を配し、前記基板中間体の他方の側から押圧片を前記熱伝導部材の押し当て面に押し当てて押圧して行われ、前記押圧片による押圧力は、前記スルーホールの貫通方向に対して垂直方向での前記絶縁層の圧縮破断応力よりも小さい。【００１１】
好ましくは、前記挿入工程にて、前記熱伝導部材が前記スルーホールに挿入された際に、前記熱伝導部材の外周面と前記スルーホールの内壁面との間には１００μｍ以下の隙間が形成され、かつ前記熱伝導部材の体積は前記スルーホール内の空間体積に対して１００％〜１１０％である。【００１２】
好ましくは、前記塑性変形工程にて、前記押圧片が前記熱伝導部材に押し当てられた際に、前記押圧片は前記押し当て面の外縁以内の範囲に収まっている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、挿入工程に先立って、予め熱伝導部材を焼き鈍す焼き鈍し工程を行うので、熱伝導性を有する材料が有する内部応力を除去することができる。また、熱伝導部材を焼き鈍すことで耐力を低下させることができるので、塑性変形工程で基板中間体が破壊されることのない押圧力で熱伝導部材が塑性変形するように設定でき、基板中間体を破壊することなく熱伝導部材を塑性変形させてスルーホール内に固定することができる。また、耐力が設定できるので、塑性変形が始まるひずみ量だけ膨らんだ場合の熱伝導部材の大きさを把握できる。したがって、塑性変形工程で熱伝導部材を塑性変形させた際にスルーホールとの間に隙間を発生させることなく確実に固定させることができる。【００１４】
また、塑性変形工程で押圧片による押圧力をスルーホールの貫通方向に対して垂直方向での絶縁層の圧縮破断応力よりも小さくするので、押圧力が直接絶縁層に伝わったとしても、絶縁層にクラック等が生じることはない。【００１５】
また、塑性変形前の熱伝導部材とスルーホールとの間の隙間を１００μｍ以下とすることで、熱伝導部材が押圧された際に均等に外側に広がっていく範囲内で熱伝導部材とスルーホールとが接触する。すなわち、押圧方向から見て熱伝導部材は円形状を保持したまま均等に外側に広がっていく。さらに、熱伝導部材の体積をスルーホール内の空間体積に対して１００％〜１１０％とすることで確実に隙間のないように熱伝導部材とスルーホールとを密着させることができる。【００１６】
また、塑性変形工程にて、押圧片が熱伝導部材に押し当てられた際に、押圧片は押し当て面の外縁以内の範囲に収まっているため、押圧片による押圧力が直接基板中間体に作用されない。このため、基板中間体の破壊を防止できる。また、熱伝導部材の体積が小さく、熱伝導部材の全周面がスルーホールに密着しない場合でも、押圧片を熱伝導部材にめり込ませてさらに熱伝導部材を径方向に押し広げることができるので、熱伝導部材のスルーホールに対する確実な固定を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る放熱基板の製造方法のフローチャートである。
【図２】本発明に係る放熱基板の製造方法を順番に説明する概略図である。
【図３】本発明に係る放熱基板の製造方法を順番に説明する概略図である。
【図４】本発明に係る放熱基板の製造方法を順番に説明する概略図である。
【図５】本発明に係る放熱基板の製造方法を順番に説明する概略図である。
【図６】本発明に係る放熱基板の製造方法を順番に説明する概略図である。
【図７】本発明に係る放熱基板の製造方法を順番に説明する概略図である。
【図８】本発明に係る放熱基板の製造方法を順番に説明する概略図である。
【図９】本発明に係る放熱基板の製造方法を順番に説明する概略図である。
【図１０】本発明に係る放熱基板の製造方法を順番に説明する概略図である。
【図１１】本発明に係る放熱基板の製造方法を順番に説明する概略図である。
【図１２】本発明に係る放熱基板の製造方法を順番に説明する概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１のフローチャートを参照しながら本発明に係る放熱基板の製造方法について説明する。基板中間体形成工程（ステップＳ１）〜めっき工程（ステップＳ３）と形状形成工程（ステップＳ４）〜整列工程（ステップＳ６）は、いずれかを先にやってもよいし、同時に行ってもよい。
【００１９】
基板中間体形成工程（ステップＳ１）で、図２に示すような基板中間体１を製造する。図１の例では、基板中間体１はいわゆる４層基板であり、導体パターンとなっている導電材料からなる導電層２が絶縁層３を介して４層形成されている。詳しく言えば、絶縁層３の片面にのみ導電層２が形成されたいわゆる片面板４ａを２枚用いて絶縁層３の両面に導電層２が形成されたいわゆる両面板４ｂを挟み込み、これを積層することで４層の多層板としている。ここで、絶縁層３は絶縁樹脂材料からなり、例えばプリプレグである。導電層２は導電材料からなり、例えば銅である。基板中間体１は、この絶縁層３と導電層２とを積層していれば、その積層枚数は適宜選択可能である。
【００２０】
次にスルーホール形成工程（ステップＳ２）を行う。この工程では、図３に示すように、基板中間体１を貫通するスルーホール５を形成する。このスルーホール５は、例えばドリルやレーザ等を用いて穿設される。穿設後の孔形状は略円柱形状であり、したがって穿設方向で見るとスルーホール５の内壁面は円形を描いている。
【００２１】
次にめっき工程（ステップＳ３）を行う。この工程では、スルーホール５が形成された基板中間体１に対してめっき処理を施す。このめっき処理は基板中間体１の全表面に対して施されるため、めっき処理によって析出するめっき膜６は、図４に示すように、基板中間体１の両面とスルーホール５の内壁面に形成される。このように、めっき膜６は基板中間体１及びスルーホール５の全面を覆うため、めっき処理後も外形としてはめっき膜６で覆われても基板中間体１及びスルーホール５と略同一である。したがって、基板中間体１の表面やスルーホール５の内壁面に対してめっき膜６が介在した状態でも基板中間体１の表面、スルーホール５の内壁面と称する場合がある。
【００２２】
一方で、形状形成工程（ステップＳ４）が行われる。この形状形成工程は、スルーホール５内に挿入される熱伝導部材７の形状を形成する工程である。すなわち、金属製の板材や棒材を機械加工して、略円柱形状とする工程である。例えば、金属板を略円柱形状となるように打ち抜いたり、長尺の略円柱形状の棒材を適宜所定長さに切断して熱伝導部材７の形状を得ることができる。熱伝導部材７の材料としては、伝熱性を有する金属材料、例えば銅が用いられる。
【００２３】
次に焼き鈍し工程（ステップＳ５）を行う。この工程では、ステップＳ４で得られた熱伝導部材７を焼き鈍す。具体的には、熱伝導部材７を不活性ガス中で加熱し、その後冷却する。ここで、焼き鈍し後に熱伝導部材７は０．２％耐力が１０ＭＰａ以下とされる。そして整列工程（ステップＳ６）を行う。この工程は、焼き鈍された複数の熱伝導部材７を基板中間体１のスルーホール５の位置にそれぞれ合うように位置決めする工程である。この熱伝導部材７の整列は予めスルーホール５の位置に対応した位置に凹みが設けられた支持材に熱伝導部材７をそれぞれ入れ込んで位置決めするものである。このとき、支持材を振動させることにより自動で熱伝導部材７が凹みに入り込む。この整列工程は、市販の整列機を用いて行われる。
【００２４】
そして、挿入工程（ステップＳ７）を行う。この工程では、スルーホール５内に熱伝導部材７が挿入される。したがって、図５に示すように、熱伝導部材７はスルーホール５内に配された状態となる。このとき、熱伝導部材７の外周面とスルーホール５（図５の例ではスルーホール５内のめっき膜６）の内壁面との間には１００μｍ以下の隙間Ｇが形成されている。そして、熱伝導部材７の体積はスルーホール５内の空間体積（図５の例ではスルーホール５内のめっき膜６内の空間体積）に対して１００％〜１１０％となっている。したがって、熱伝導部材７の径がスルーホール５の径よりも小さいため、熱伝導部材７はスルーホール５からはみ出ている。このように、熱伝導部材７の外径はスルーホール５（図５の例ではめっき膜６で形成されたスルーホール）の内径よりも小さい。これにより、熱伝導部材７の挿入時にスルーホール５に圧入されることはない。したがって、挿入時に基板中間体１が損傷することはない。
【００２５】
次に、塑性変形工程（ステップＳ８）を行う。この塑性変形工程を経て、熱伝導部材７はスルーホール５内に固定され、放熱基板１５が製造される。熱伝導部材７を塑性変形するために、基板中間体１はプレス機にセットされる。プレス機には支持板８が備わっていて、基板中間体１はこの支持板８上に載置される。すなわち、支持板８は基板中間体１の一方の側にスルーホール５を閉塞するように配されている。この状態で、支持板８が配された他方の側から押圧片９が熱伝導部材７に押し当てられる。具体的には、図６に示すように、熱伝導部材７がスルーホール５から突出している側の端面が押し当て面１０となり、この押し当て面１０に押圧片９が押し当てられる。押圧片９はさらに熱伝導部材７をスルーホール５の長手方向、すなわち矢印Ｐ方向に押圧する。
【００２６】
押圧片９による押圧により、熱伝導部材７は支持板８に突き当たり、さらに押圧されることで外方に押し広げられる。すなわち、熱伝導部材７は径方向に広がってスルーホール５の内壁面に接触する。金属製の熱伝導部材７は、０．２％耐力を超えて押圧されると塑性変形し、図７に示すようにスルーホール５内に密着しながら固定されることになる。
【００２７】
このとき、上述した挿入工程に先立って、予め熱伝導部材７を焼き鈍す焼き鈍し工程を行ったので、熱伝導性を有する材料が有する内部応力が除去され、上述したような耐力を設定することができる。すなわち、熱伝導部材７となる材料は焼き鈍し工程により耐力が低下させられている。したがって、塑性変形工程で基板中間体１が破壊されることのない押圧力で熱伝導部材７が塑性変形するように設定でき、基板中間体１を破壊することなく熱伝導部材７を塑性変形させてスルーホール５内に固定することができる。また、焼き鈍し工程により耐力を設定できるので、塑性変形が始まるひずみ量だけ膨らんだ場合の熱伝導部材７の大きさを把握できる。したがって、その膨らみ量を考慮に入れてスルーホール５の内径を設定できるので、塑性変形工程で熱伝導部材７を塑性変形させた際にスルーホール５との間に隙間を発生させることなく確実に固定させることができる。特に、上述したような隙間Ｇを１００μｍ以下と狭く設定したことで、熱伝導部材７は真円性を保ったまま（押圧方向から見て円形状を保持したまま均等に）径方向に広がり、そのように均等に外側に広がっていく過程で熱伝導部材７とスルーホール５とが接触する。確実に熱伝導部材７をスルーホール５の内壁面に接触させるために、上述したように、熱伝導部材７の体積はスルーホール５内の空間体積に対して１００％〜１１０％となっている。このような体積とすることで、確実に隙間のないように熱伝導部材とスルーホールとを密着させることができる。
【００２８】
隙間Ｇを１００μｍ以下としたことについてさらにいえば、０．２％耐力が１０ＭＰａ以下の銅円柱からなる熱伝導部材７の場合、押圧片９によって押圧して圧縮変形させると押圧方向から見たときの熱伝導部材７の真円性は低下していく。このとき、１０％のひずみ量で熱伝導部材７の中心から外縁まで１００μｍの差が現れることから、塑性変形工程で熱伝導部材７に生じるひずみ量は１０％以下であることが好ましい。このようなひずみ量において、隙間Ｇが１００μｍ以上あると真円性が押圧によりさらに崩れる結果となり、挿入工程で熱伝導部材７を挿入したときにスルーホール５との中心位置が大きくずれる原因となり、押圧後に熱伝導部材７とスルーホール５とに密着しない部分が生じてしまう。したがって、隙間Ｇは１００μｍ以下であることが好ましいといえる。さらに、隙間Ｇを１００μｍ以下としておけば、万が一熱伝導部材７の塑性変形後にスルーホール５と間隔が存在してしまったとしても、その間隔は数十μｍ程度であるから、めっき処理により十分その間隔を塞ぐことができるので、万が一の場合の後処理も容易に行うことができる（後述する蓋めっき工程）。
【００２９】
また、押圧片９による押圧力はスルーホール５の貫通方向（長手方向）に対して垂直方向での絶縁層３の圧縮破断応力よりも小さく設定される。このようにすることで、押圧力が直接絶縁層に伝わったとしても、絶縁層３にクラック等が生じることはない。さらにこの押圧力をスルーホール５の内壁面に形成されているめっき膜６の圧縮破断応力よりも小さく設定すれば、スルーホール５内のめっき膜６にも影響を与えることはない。具体的には、めっき膜６の圧縮破断応力は約３００ＭＰａであり、プリプレグからなる絶縁層３の圧縮破断応力は２５０ＭＰａ〜３５０ＭＰａであるため、押圧片９による押圧力は２５０ＭＰａ以下であることが好ましい。
【００３０】
また、図６を参照すれば明らかなように、押圧片９は押し当て面１０の外縁以内の範囲に収まっている。すなわち、押圧時に押圧片９は押し当て面１０から外側にはみ出ていない。このため、押圧片９が基板中間体１の表面のラインまで到達しても、押圧片９は基板中間体１の表面に突き当たることはない。換言すれば、押圧片９による押圧力は直接基板中間体に作用されることはない。このため、塑性変形工程における基板中間体１の破壊を防止できる。また、熱伝導部材７の体積が小さく、押圧片９を基板中間体１の表面のラインまで押し下げて押圧したとしても、熱伝導部材７の全周面がスルーホールに密着しない場合でも、押圧片９を熱伝導部材７にめり込ませてさらに熱伝導部材７を径方向に押し広げることができる。このため、熱伝導部材７のスルーホール５に対する確実な固定を実現できる。この押圧片９による押圧は熱伝導部材７に押圧片９を往復運動によって叩きつけることで行われる。すなわち、熱伝導部材７は動的な塑性変形処理が施される。この動的な塑性変形処理は静的なものより瞬間にかかる応力は大きい。押圧片９が直接基板中間体１に当たらないようにすることは、このような大きい押圧応力を基板中間体１に作用させず、基板中間体１の破壊を防ぐためでもある。
【００３１】
塑性変形工程にてスルーホール５からはみ出ている熱伝導部材７の部分は、バフ研磨等の物理研磨により基板中間体１の表面と面一となるように加工される。
【００３２】
次に、蓋めっき工程（ステップＳ９）を行う。この工程は、図８に示すように、塑性変形工程で熱伝導部材７とスルーホール５の内壁面に形成されためっき膜６とが完全に密着せず、間隔があいてしまった場合に行われる。具体的には、放熱基板１５に銅めっき処理を施すことで、蓋めっき１９を形成する。この際、蓋めっき１９は当該間隔にも充填される。この蓋めっき工程により、熱伝導部材７とスルーホール５との間は完全に封止されることになる。これにより、後工程で部品搭載のための半田が間隔を通じてスルーホール５内に浸入してしまうことが完全に防止される。半田の浸入防止を図ることで、部品搭載のための半田量減少を防止でき、半田が浸入して反対側の面から突出することも防止できるので反対側の面の平坦性も確保できる。蓋めっき１９は適宜除去される。なお、以降の図では便宜上蓋めっき１９を省略して記載する。
【００３３】
次に回路形成工程（ステップＳ１０）を行う。この工程では、放熱基板１５の表面に形成されているめっき膜６をエッチング処理等で除去し、図９に示すような導体パターン１１を形成する。
【００３４】
そして、ソルダレジスト塗布工程（ステップＳ１１）を行う。この工程では、図１０に示すように、放熱基板１５の両面に絶縁体からなるソルダレジスト１２を塗布する。
【００３５】
そして、ランド形成工程（ステップＳ１２）を行う。この工程では、図１１に示すように、ソルダレジスト１２の一部を除去し、電気又は電子的な部品１３を搭載するべき領域をランド１４として露出させる。なお、ランド１４は放熱基板１５の両面にそれぞれ対応して形成される。このソルダレジスト１２の除去は１５０℃環境下で約１時間かけて行われる。この温度はプリプレグからなる絶縁層３のガラス転移温度Ｔｇ（１４０℃）を上回っているが、上述したように熱伝導部材７に焼き鈍し工程を行っているので熱伝導部材７に強い内部応力は存在せず、したがって絶縁層３にクラックが生じることはない。
【００３６】
そして、部品搭載工程（ステップＳ１３）を行う。この工程では、図１２に示すように、半田１６を介してランド１４に部品１３を搭載する。これにより、部品１３と熱伝導部材７とは半田１６を介して熱的に接続される。すなわち、部品１３から発生した熱の放熱経路が確保される。なお、半田１６ではなく他の伝熱性を有する樹脂や伝熱シート等を用いて熱的に部品１３と熱伝導部材７とを接続してもよい。部品１３が搭載された面と反対側の面のランド１４には、導電性材料からなるシート状の熱伝導シート１７が貼り付けられる。この熱伝導シート１７と接して、ヒートシンク１８が取り付けられる。
【符号の説明】
【００３７】
１：基板中間体、２：導電層、３：絶縁層、４ａ：片面板、４ｂ：両面板、５：スルーホール、６：めっき膜、７：熱伝導部材、８：支持板、９：押圧片、１０：押し当て面、１１：導体パターン、１２：ソルダレジスト、１３：部品、１４：ランド、１５：放熱基板、１６：半田、１７：熱伝導シート、１８：ヒートシンク、１９：蓋めっき
【要約】
本発明に係る放熱基板の製造方法は、絶縁樹脂材料からなる絶縁層に導電材料からなる導電層が形成された基板中間体を形成する基板中間体形成工程と、前記基板中間体を貫通する略円柱形状のスルーホールを形成するスルーホール形成工程と、前記スルーホール内に金属からなる略円柱形状の熱伝導部材を挿入して配する挿入工程と、前記熱伝導部材を塑性変形させて前記スルーホール内に固定する塑性変形工程とを備え、前記挿入工程よりも前に、前記熱伝導部材を焼き鈍す焼き鈍し工程を行う。【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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