JP2004349400A

JP2004349400A - Thermally conductive circuit board and power module using the same

Info

Publication number: JP2004349400A
Application number: JP2003143603A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Matsuo; 光洋松尾; Koji Yoshida; 幸司吉田; Satoshi Ikeda; 敏池田; Yoshihiro Takeshima; 由浩竹島; Osamu Inoue; 修井上
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-05-21
Filing date: 2003-05-21
Publication date: 2004-12-09

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thermally conductive circuit board with a choke coil for smoothing the output which is suitable for a switching power supply device which outputs a large DC current at a low voltage. <P>SOLUTION: The thermally conductive circuit board 110 comprises an electric insulation material layer 102 which contains an inorganic filler and electric insulation resin, a circuit pattern 106 formed on the front surface of the electric insulation material layer, a magnetic material 107 and 109 which surrounds a prescribed portion of the circuit pattern and at least part of which is located inside the electric insulation material layer, and a metal plate 101 formed on the bottom face of the electric insulation material layer. The magnetic material and the portion surrounded constitute the choke coil 118. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発熱性を有するパワーエレクトロニクス素子の実装に適する熱伝導性回路基板と、それを用いたパワーモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子装置の軽薄短小化が急速に進んでいる現在、その電子装置を構成するための電子部品についても同様に、小型化、軽量化及び薄型化等が要求されている。特に、スイッチング電源装置を構成するための電子部品については、より一層の小型化が要求されている。一方、ＣＰＵやマイクロプロセッサ等の大規模集積回路では、従来から信号処理の高速化、高集積化が進められている。そのため、それらの大規模集積回路に直流電力を供給するためのスイッチング電源装置（通称、ＣＰＵコア電源装置）には、その直流出力の低電圧化・大電流化が必要不可欠な条件として要求されている。
【０００３】
スイッチング電源装置の内部には、直流出力を平滑するための出力平滑用チョークコイルが配設されている。この出力平滑用チョークコイルは、前記電源装置の電気的性能を左右する電子部品であると共に、その電源装置の小型化において非常に効果的な電子部品である。そのため、出力平滑用チョークコイルに対する注目は非常に高く、これまでに様々な開発が行われている。特に、現在では、前記電源装置を小型化するための、出力平滑用チョークコイルの小型化に係る開発が顕著に進められている。この開発は、主に、スイッチング周波数の高周波数化と、直流出力の低電圧化とにより行われている。具体的には、前記電源装置のスイッチング周波数が４００ＫＨｚで、出力電圧が１．８Ｖである場合の出力平滑用チョークコイル（Ｌ＝１〜２μＨ）は比較的大型であるが、スイッチング周波数を更に高周波数化し、かつ直流出力を更に低電圧化することによって、出力平滑用チョークコイルを一層小型化することが可能であるというものである。一方、ＣＰＵやマイクロプロセッサ等の信号処理の高速化及び高集積化に伴い、出力電流は大電流化する。例えば、３０〜５０Ａ相当の大電流が流れる。このような大電流が流れると、出力平滑用チョークコイルが自己発熱を起こす場合がある。これは、出力平滑用チョークコイルの巻線部が直流抵抗成分を有するためである。そこで、出力平滑用チョークコイルの巻線部の巻数を減らすことにより直流抵抗成分を低減させ、つまり、巻線部における電力損失を低減させることによって、自己発熱を抑制する技術（以下、第一の従来技術という）が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
一方、低背化に関して、多層基板と磁性部品とを一体化した技術（以下、第二の従来技術という）が提案されている（例えば、特許文献２参照）。この第二の従来技術では、多層基板の一部がチョークコイルを構成するため、その低背化が実現される。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−３２３３３６号公報
【特許文献２】
特開昭６１−１５６８０２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、ＣＰＵやマイクロプロセッサ等の半導体素子には、より一層の信号処理の高速化、高集積化が要求されている。そのため、これらの半導体素子に直流電源を供給するためのＣＰＵコア電源装置には、より一層の低電圧化及び大電流化が求められている。
【０００７】
しかしながら、ＣＰＵコア電源装置の直流出力がより一層低電圧化かつ大電流化された場合には、前記第一の従来技術では出力平滑用チョークコイルの自己発熱の抑制は可能であるが、出力平滑用チョークコイルと回路基板との半田接続部が発熱する場合がある。これは、出力平滑用チョークコイルの接続リード及び回路基板の配線と、半田との間に、接触抵抗成分等が存在し、それが無視できなくなるからである。この場合、前記半田接続部に発生する局部発熱によって、出力平滑用チョークコイルの回路基板に対する実装信頼性が悪化する可能性がある。また、出力電流が大電流化すると出力平滑用チョークコイルに要求される電流重畳値が上昇するため、その出力平滑用チョークコイルの体積は増加する。
【０００８】
ここで、前記第二の従来技術では半田接続部が無く、それに起因する局部発熱の恐れが無いため、この第二の従来技術を用いることも考えられる。しかし、この第二の従来技術では、スルーホールを形成するためのスルーホールめっきの厚みには限界があり、また、前記複数の配線を形成するための銅箔の厚みにも限界がある。即ち、出力平滑用チョークコイルには許容電流値に限界がある。そのため、ＣＰＵコア電源装置の直流出力がより一層低電圧化かつ大電流化された場合には、出力平滑用チョークコイルが自己発熱する場合がある。この場合、多数の配線及びスルーホールを用いて出力平滑用チョークコイルの巻線部を構成し、それにより巻線部における直流抵抗成分を低減させることによって前記自己発熱を抑制することが可能である。しかし、前記多層基板の層数を増加する必要があるため、その製造プロセスが複雑になる。
【０００９】
本発明は、上記のような課題を共に解決するためになされたものであり、低電圧でかつ大電流の直流を出力するスイッチング電源装置に適した、出力平滑用チョークコイルを備えた熱伝導性回路基板を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る熱伝導性回路基板は、無機フィラー及び電気絶縁性樹脂を含有する電気絶縁性材料層と、前記電気絶縁性材料層の表面に設けられた回路パターンと、前記回路パターンの所定部分を包囲し、かつ少なくとも一部が前記電気絶縁性材料層中に位置する磁性体と、前記電気絶縁性材料層の裏面に設けられた金属板とを備え、前記所定部分と前記磁性体とがチョークコイルを構成している。
【００１１】
このような構成とすることにより、チョークコイルの小型化及び低背化が可能になる。また、チョークコイルが発熱した場合でも、そのチョークコイルが熱伝導性回路基板に一体化されているため、その熱を、熱伝導性回路基板と金属板とを介して外部へ放出することができる。また、リードフレームの周囲を磁性体コアで包み込むことによってチョークコイルを構成した場合には、磁気回路全体としての実質上の透磁率が向上するため、チョークコイルの電気的な性能を向上させることができる。また、リードフレームの周囲をコンポジット磁性材料で包み込むことによってチョークコイルを構成した場合には、磁性体コアの装着工程を省くことができるため、熱伝導性回路基板を容易に製造することができる。その結果、低電圧でかつ大電流の直流を出力するスイッチング電源装置に適した、出力平滑用チョークコイルを備えた熱伝導性回路基板を提供することが可能になる。
【００１２】
前記回路パターンは、リードフレームで構成されていても良い。
【００１３】
このような構成とすることにより、リードフレームには従来から用いられている銅箔からなる配線の場合よりも大電流の直流を流すことができるため、チョークコイルの発熱が抑制される。つまり、熱伝導性回路基板を多層化することなく、そのチョークコイルにおける電力損失や発熱を効果的に抑えることができるようになる。そのため、チョークコイルの実装信頼性に係る問題の発生を抑えることが可能になる。
【００１４】
前記リードフレームの厚みは、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であることが望ましい。
【００１５】
このような構成とすることにより、上記範囲のリードフレームの入手は容易であるため、スイッチング電源装置の直流出力の電流値に応じて熱伝導性回路基板を容易に構成することができる。また、今後スイッチング電源装置に対して更なる大電流化が要求された場合においても、その大電流化されたスイッチング電源装置を、特別な手段を講ずることなくリードフレームの厚み調整のみによって容易に構成することが可能になる。
【００１６】
前記磁性体は、前記電気絶縁性材料層から露出する島状の第一の部分と、前記電気絶縁性材料層の内部において前記第一の部分の下方に位置する板状の第二の部分とを有していても良い。
【００１７】
このような構成とすることにより、磁性体の成型方法及び埋設方法が簡略化される。また、一方の磁性体が板状とされているため、熱伝導性回路基板を薄型化することができる。その結果、薄型の熱伝導性回路基板を比較的容易に製造することが可能になる。
【００１８】
前記電気絶縁性材料層は、前記無機フィラーとして磁性粉末を含有する磁性材料層であっても良い。
【００１９】
このような構成とすることによって、電気絶縁性材料層が磁性体としての機能をも有することになるため、より薄型のインダクタ機能を有する熱伝導性回路基板を構成することができる。また、前記電気絶縁性材料層には磁性粉末が含まれることになるため、その電気絶縁性材料層の熱伝導性はより一層向上する。その結果、より放熱性の良い薄型の熱伝導性回路基板を構成することが可能になる。
【００２０】
前記磁性体は、フェライト焼結体、圧粉鉄心、又は、熱硬化性樹脂及び磁性粉末を含有する混合物の内の少なくとも何れか一つで構成されていても良い。
【００２１】
このような構成とすることにより、これらの磁性体の入手は容易であり、また磁性体としての特性が優れているため、電気的性能の良いチョークコイルを形成することが可能になる。
【００２２】
前記金属板の、前記磁性体と対向する領域に凹部が形成されていても良い。
【００２３】
このような構成とすることにより、電気絶縁性材料層の積層方向における厚みを低減することができる。その結果、薄型の熱伝導性回路基板を形成することが可能になる。
【００２４】
前記金属板の、前記電気絶縁性材料層が位置する側と反対側の主面に凹凸状のフィンが形成されていても良い。
【００２５】
このような構成とすることにより、金属板の他方の主面の表面積が増大する。つまり、金属板の放熱性がその表面積の増大に応じて改善される。その結果、熱伝導性回路基板を効率良く冷却することが可能になる。
【００２６】
前記所定部分が互いに独立した二つの前記回路パターンの一部からなり、前記チョークコイルがコモンモードチョークコイルであっても良い。
【００２７】
このような構成とすることにより、交流を直流に変換するＡＣ−ＤＣコンバータにおいて、ノイズ除去を目的とするノイズフィルタがコモンモードチョークコイル及びコンデンサによって構成される場合、コモンモードチョークコイルを回路基板に一体化することによって、コモンモードチョークコイルの低背化が可能になる。これは、前記ノイズフィルタの小型化を実現する。
【００２８】
また、本発明に係るパワーモジュールは、請求項１乃至９の何れかに記載の熱伝導性回路基板と、電源回路を構築するための能動素子及び受動素子とを備え、前記熱伝導性回路基板の前記回路パターン上に前記能動素子及び受動素子を、前記電源回路の機能を発現するように実装してなるパワーモジュールである。
【００２９】
このような構成とすることにより、小型でかつ薄型のチョークコイルが一体化された熱伝導性回路基板を用いることで、小型でかつ高効率なパワーモジュールを提供することが可能になる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る熱伝導性回路基板の構成を模式的に示した図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）に示したＩ−Ｉ線に沿った断面図である。
【００３１】
図１（ａ）及び（ｂ）において、熱伝導性回路基板１１０は、略平板状に形成された矩形の金属板１０１と、熱伝導性を有する電気絶縁性材料層１０２と、電気信号を伝送するためのリードフレーム（回路パターン）１０６と、閉磁路を構成するための磁性体コア（磁性体）１０７及びコンポジット磁性材料（磁性体）１０９と、磁性体コア１０７を熱伝導性回路基板１１０に固着するための接着樹脂１０８とを有して構成されている。
【００３２】
図１（ｂ）に示すように、熱伝導性回路基板１１０は、基本的に、リードフレーム１０６と金属板１０１とが電気絶縁性材料層１０２を介して積層されてなる構造を有している。図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、リードフレーム１０６は、複数の接続端子部１０３及び素子搭載部１０４と、チョークコイル用配線部１０５とを有している。
【００３３】
リードフレーム１０６は、複数設けられている接続端子部１０３を除いて、その上面以外の部分が電気絶縁性材料層１０２の内部に埋設されるようにして配設されていて、表面は面一になっている。つまり、リードフレーム１０６の複数の素子搭載部１０４、及びチョークコイル用配線部１０５のそれぞれの上面は、電気絶縁性材料層１０２から露出している。このリードフレーム１０６の複数の素子搭載部１０４は、それぞれ所定の形状を有しており、その上面に半導体素子等を実装するために設けられている。また、リードフレーム１０６のチョークコイル用配線部１０５は、所定の長さに形成された線状の配線であり、熱伝導性回路基板１１０において形成される後述するチョークコイル１１８を構成するために設けられている。また、リードフレーム１０６の接続端子部１０３は、折り曲げ加工によって複数の素子搭載部１０４の所定の位置からその表面に垂直な方向に延出しており、それぞれ、略均しい所定の長さに形成されている。これにより、リードフレーム１０６は回路パターンを構成している。
【００３４】
図１（ｂ）に示すように、熱伝導性回路基板１１０は、所定の形状に成形されたコンポジット磁性材料１０９を有している。このコンポジット磁性材料１０９は、チョークコイル用配線部１０５の、熱伝導性回路基板１１０の積層方向における下面、及び側面に接するように、電気絶縁性材料層１０２に埋設される部分を有して配設されている。つまり、コンポジット磁性材料１０９は、Ｕ字状断面を有しており、ここでは、その上端面が電気絶縁性材料層１０２から露出するようにして配設されている。そして、このコンポジット磁性材料１０９に対向するように、逆Ｕ字の形状に成形された磁性体コア１０７が配設されている。この磁性体コア１０７は、その下端面がコンポジット磁性材料１０９の上端面に接合するようにして、接着樹脂１０８によって熱伝導性回路基板１１０に固着されている。そして、チョークコイル用配線部１０５が磁性体コア１０７とコンポジット磁性材料１０９とによって包囲されており、これによって、巻数が１未満のチョークコイル１１８が構成されている。
【００３５】
熱伝導性回路基板１１０において、金属板１０１の材質としては、アルミニウム又は銅であることが望ましい。その理由は、これらの金属は熱伝導性が優れているからである。特に銅は、熱伝導性が非常に優れているため、熱伝導性回路基板１１０は良好な放熱特性を得ることができる。また、アルミニウムは軽量であり、また安価であるため容易に入手できる。
【００３６】
電気絶縁性材料層１０２は、電気絶縁性を有する熱硬化性樹脂と無機フィラーとを主成分とする混合物によって構成されている。電気絶縁性材料層１０２がこのような混合物によって構成されることにより、熱伝導性及び放熱特性に優れた材料となる。この電気絶縁性材料層１０２を構成するための熱硬化性樹脂としては、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂若しくはシアネート系樹脂の少なくとも一種類によって構成されることが好ましい。その理由は、これらの熱硬化性樹脂を用いて電気絶縁性材料層１０２を構成すれば、高温時において優れた耐熱性及び電気絶縁性を得ることができるからである。
【００３７】
特に、エポキシ系樹脂は、従来から半導体封止樹脂やプリント配線板等で好適に用いられており、電気的特性のみならず耐薬品性、機械的性能（強度等）においても優れた特性を有している。
【００３８】
一方、無機フィラーとしては、アルミナ、シリカ、マグネシア、窒化アルミニウム及び窒化ホウ素から選ばれた少なくとも一種類の粉末で構成されることが好ましい。その理由は、アルミナ、窒化アルミニウムを無機フィラーとして用いた場合には、熱伝導性回路基板１１０が熱伝導性に優れた回路基板となるためである。
【００３９】
また、マグネシアを用いる場合では、熱伝導性が良好になると共に、電気絶縁性材料層１０２の熱膨張係数を大きくすることが可能である。
【００４０】
また、シリカ（特に、非晶質シリカ）を用いる場合では、熱膨張係数が小さく、かつ軽量で、さらには、比誘電率の小さい熱伝導性回路基板１１０を得ることができる。なお、電気絶縁性材料層１０２における無機フィラーの添加量は、熱伝導性回路基板１１０の重量の７０〜９５重量％程度が好ましい。なお、より良好な熱伝導性が要求される場合には、無機フィラーの添加量を８８重量％以上とすることが望ましい。
【００４１】
リードフレーム１０６は、銅、鉄、アルミニウム、ニッケルから選ばれる少なくとも一種類を主成分とする板材を打ち抜き加工して、所定の形状にパターンニングすることによって構成されている。通常、回路基板において電気信号を伝送するための配線は、銅箔（一般に９〜１０５μｍの厚みを有する）をケミカルエッチングして所定の形状にパターンニングすることによって得ている。しかし、本発明の実施の形態では前記配線としてリードフレーム１０６を用いており、それによって導体抵抗による電力損失を低減させ、従来以上の大電流化に対応し得るようにしている。また、前記配線としてリードフレーム１０６を用いることによって、熱伝導性回路基板１１０の素子搭載部１０４等と接続端子部１０３とを一体化することが可能になる。これによって、素子搭載部１０４等と接続端子部１０３との電気的接続信頼性が高められている。なお、リードフレーム１０６の厚みは、０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であることが望ましい。
【００４２】
磁性体コア１０７は、通常、フェライトからなる焼結体、あるいはダストコア（圧粉鉄心）等で構成されている。しかし、その材質は、チョークコイル１１８の用途及び目的等に応じて使い分ける場合がある。この磁性体コア１０７におけるチョークコイル用配線部１０５と対向する領域には、チョークコイル用配線部１０５の形状に合わせた溝１０７ａが形成されていることが好ましい。そして、本実施の形態では、前記溝の内部に接着樹脂１０８を充填し、これによって磁性体コア１０７を熱伝導性回路基板１１０に固着している。このような構成とすることによって、チョークコイル用配線部１０５と磁性体コアとの絶縁距離が確保され、かつ、十分な磁性特性を確保することができるようになる。なお、接着樹脂１０８の種類としては、電気絶縁性の熱硬化型樹脂であれば特に限定されるものではなく、任意の材料を用いても良い。
【００４３】
コンポジット磁性材料１０９は、金属磁性体粉末と熱硬化性樹脂とを少なくとも含有する混合物によって構成されている。コンポジット磁性材料１０９に用いられる金属磁性体粉末は、高透磁率及び高飽和磁束密度を備えていることが望ましい。より具体的には、ＦｅまたはＦｅ−Ｎｉ、あるいはＦｅ−Ｃｏを主成分とする金属粉末であることが望ましい。通常、これらの金属磁性体粉末は導電性を有しているが、その金属磁性体粉末の表面に前記熱硬化性樹脂の皮膜を形成することによって、十分な絶縁性を確保することが可能である。つまり、前記コンポジット磁性材料１０９は、金属磁性体粉末と熱硬化性樹脂とが均一に分散されることによって電気絶縁性を有するよう構成されている。熱硬化性樹脂の種類としては、特に限定はしないが、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂若しくはシアネート系樹脂の少なくとも一種類から構成されていることが望ましい。なお、コンポジット磁性材料１０９を形成する場合には、金属磁性体粉末と熱硬化性樹脂との分散性を改善するための分散剤を微少量添加しても良く、適宜、可塑剤や溶剤を添加しても良い。
【００４４】
コンポジット磁性材料１０９を形成する際の金属磁性体粉末と熱硬化性樹脂との混合比率は、金属磁性体粉末が４０〜７０体積％であり、熱硬化性樹脂が３０〜６０体積％であることが望ましい。その理由は、金属磁性体粉末の比率が高すぎる場合には、透磁率が高くなるためチョークコイルの電気的特性を改善することが可能であるが、相対的に熱硬化性樹脂の比率が低すぎるようになるため、コンポジット磁性材料１０９の成形性が悪化し、その強度が低下するという問題が生じるからである。反対に、熱硬化性樹脂の比率が高すぎる場合には、磁性材料としての十分な透磁率が得られないために、チョークコイルとしての機能が十分に果たせないという問題が生じるからである。なお、コンポジット磁性材料１０９と磁性体コア１０７とは、それぞれ略等しい透磁率を有していることが望ましい。また、両者の飽和磁束密度が共に高く、かつ略等しい値であることが望ましい。その理由は、片方の磁性体の飽和磁束密度が低い場合には、その磁性体のみが先に飽和するため、チョークコイル１１８の直流重畳特性が劣化するためである。
【００４５】
このようにして構成される熱伝導性回路基板１１０では、チョークコイル１１８のチョークコイル用配線１０５にリードフレーム１０６が用いられており、そのため、チョークコイル１１８と熱伝導性回路基板１１０との間の半田接続部が無い。また、チョークコイル１１８は、熱伝導性回路基板１１０に一体化されている。そのため、従来以上の大電流の直流を流す場合においても、チョークコイル１１８の実装信頼性に係る問題は発生しない。また、半田接続部のための領域が不要となるため、熱伝導性回路基板１１０の小型化にも効果的である。また、リードフレーム１０６を用いることによって、従来から用いられている銅箔からなる配線の場合よりも大電流の直流を流すことができる。つまり、熱伝導性回路基板１１０を多層化することなく、そのチョークコイル１１８における電力損失や発熱を効果的に抑えることができるようになる。また、チョークコイル１１８が発熱した場合でも、その熱を、熱伝導性回路基板１１０を介して外部へ放出することができる。その結果、低電圧でかつ大電流の直流を出力するスイッチング電源装置に適した熱伝導性回路基板を提供することができ、故に、小型でかつ高効率動作が可能なパワーモジュールの実現が可能となる。
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２に係る熱伝導性回路基板の、図１（ａ）に示したＩ−Ｉ線に相当する位置における断面の構成を模式的に示した断面図である。
【００４６】
図２において、熱伝導性回路基板１１０は、略平板状に形成された矩形の金属板１０１と、熱伝導性及び電気絶縁性を有するコンポジット磁性材料１０９と、電気信号を伝送するためのリードフレーム１０６と、閉磁路を構成するための磁性体コア１０７と、磁性体コア１０７を熱伝導性回路基板１１０に固着するための接着樹脂１０８とを有して構成されている。本実施の形態における熱伝導性回路基板１１０は、基本的に、金属板１０１とリードフレーム１０６とがコンポジット磁性材料１０９を介して積層されている点で、実施の形態１で示した熱伝導性回路基板１１０とは異なっている。換言すれば、熱硬化性樹脂中に無機フィラーとして金属磁性体粉末が分散された電気絶縁性材料の一種であるコンポジット磁性材料１０９が実施の形態１の電気絶縁性材料１０２を兼ねている。なお、その他の点については、実施の形態１と同様である。そのため、実施の形態１と重複する解説については、その説明を省略する。
【００４７】
このような構成としても、実施の形態１の場合と同様の効果を得ることが可能である。また、コンポジット磁性材料１０９が熱伝導性回路基板１１０の全面に渡って配設されているため、より薄型のインダクタ機能を有する熱伝導性回路基板１１０を構成することができる。また、前記コンポジット磁性部材１０９には金属磁性体粉末が含まれているため、熱伝導性回路基板１１０の熱伝導性はより一層向上する。その結果、より放熱性の良い薄型の熱伝導性回路基板１１０を構成することが可能になる。
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３に係る熱伝導性回路基板の、図１（ａ）に示したＩ−Ｉ線に相当する位置における断面の構成を模式的に示した断面図である。
【００４８】
図３において、熱伝導性回路基板１１０は、略平板状に形成された矩形の金属板１０１と、熱伝導性を有する電気絶縁性材料層１０２と、電気信号を伝送するためのリードフレーム１０６と、閉磁路を構成するための磁性体コア１０７及びコンポジット磁性材料１０９と、磁性体コア１０７を熱伝導性回路基板１１０に固着するための接着樹脂１０８とを有して構成されている。本実施の形態における熱伝導性回路基板１１０では、コンポジット磁性材料１０９が略二次元状の薄板状に形成されており、かつ電気絶縁性材料層１０２の内部に、金属板１０１と略平行に埋設されている点で、実施の形態１で示した熱伝導性回路基板１１０とは異なっている。なお、その他の点については、実施の形態１と同様である。
【００４９】
このような構成としても、実施の形態１の場合と同様の効果を得ることが可能である。また、コンポジット磁性材料１０９の成型方法及び埋設方法が簡略化されると共に、薄板状に形成されているため、熱伝導性回路基板１１０を薄型化することができる。その結果、薄型の熱伝導性回路基板を比較的容易に製造することが可能になる。また、磁性体コア１０７とコンポジット磁性材料１０９との間にギャップＧが形成されており、このギャップＧを調整することによって、チョークコイル１１８のインダクタンス値を調整することが可能になる。例えば、前記ギャップＧの間隔が狭い場合には、チョークコイル１１８のインダクタンスは高くなる。逆に、前記ギャップＧの間隔が広い場合には、チョークコイル１１８のインダクタンスは小さくなる。
（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４に係る熱伝導性回路基板の、図１（ａ）に示したＩ−Ｉ線に相当する位置における断面の構成を模式的に示した断面図である。
【００５０】
図４において、熱伝導性回路基板１１０は、略平板状に形成された矩形の金属板１０１と、熱伝導性を有する電気絶縁性材料層１０２と、電気信号を伝送するためのリードフレーム１０６と、閉磁路を構成するための二つの磁性体コア１０７と、一方の磁性体コア１０７を熱伝導性回路基板１１０に固着するための接着樹脂１０８とを有して構成されている。本実施の形態における熱伝導性回路基板１１０では、図１（ｂ）で示したコンポジット磁性材料１０９が磁性体コア１０７によって置替されており、かつ電気絶縁性を確保するためにチョークコイル用配線１０５と磁性体コア１０７との間に所定のギャップが形成されている点で、実施の形態１で示した熱伝導性回路基板１１０とは異なっている。なお、その他の点については、実施の形態１と同様である。
【００５１】
このような構成としても、実施の形態１の場合と同様の効果を得ることが可能である。また、チョークコイル用配線１０５を二つの磁性体コア１０７で包囲することによって磁気回路全体としての実質上の透磁率が向上するため、より大きなインダクタンス値を有するチョークコイルを形成することが可能になる。更には、チョークコイルの他の電気的性能を向上させることも可能になる。
（実施の形態５）
図５は、本発明の実施の形態５に係る熱伝導性回路基板の、図１（ａ）に示したＩ−Ｉ線に相当する位置における断面の構成を模式的に示した断面図である。
【００５２】
本実施の形態における熱伝導性回路基板１１０は、金属板１０１の形状を除いて、実施の形態４において図４で示した熱伝導性回路基板１１０と同様の構成を有している。本実施の形態においては、金属板１０１の上面の少なくともチョークコイル１１８と対向する領域に、チョークコイル１１８の形状に応じた凹部１１１が形成されている。なお、その他の点については、実施の形態１と同様である。
【００５３】
このような構成としても、実施の形態１の場合と同様の効果を得ることが可能である。また、電気絶縁性材料層１０２の積層方向における厚みを低減することができるので、熱伝導性回路基板１１０を薄型化することが可能になる。
（実施の形態６）
図６は、本発明の実施の形態６に係る熱伝導性回路基板の、図１（ａ）に示したＩ−Ｉ線に相当する位置における断面の構成を模式的に示した断面図である。
【００５４】
本実施の形態における熱伝導性回路基板１１０は、実施の形態４において図４で示した熱伝導性回路基板１１０における金属板１０１がヒートシンク１１２によって置替されていることを除いて、実施の形態４における熱伝導性回路基板１１０と同様の構成を有している。ヒートシンク１１２は、板状であり、その一方の主面に所定の凹凸形状（フィン）が形成されており、他方の主面が電気絶縁性材料層１０２に固着されている。なお、その他の点については、実施の形態１と同様である。
【００５５】
このような構成としても、実施の形態１の場合と同様の効果を得ることが可能である。また、ヒートシンク１１２には所定の凹凸形状が形成されているため、その表面積が増大している。つまり、金属板１０１を用いる場合よりも放熱性が改善されているため、熱伝導性回路基板１１０を効率良く冷却することが可能になる。
【００５６】
また、これは実施の形態１から４で示した各熱伝導性回路基板に対しても適用できる。
（実施の形態７）
図７は、本発明の実施の形態７に係る熱伝導性回路基板の、図１（ａ）に示したＩ−Ｉ線に相当する位置における断面の構成を模式的に示した断面図である。
【００５７】
図７において、熱伝導性回路基板１１０は、略平板状に形成された矩形の金属板１０１と、熱伝導性を有する電気絶縁性材料層１０２と、電気信号を伝送するためのリードフレーム１０６と、閉磁路を構成するためのコンポジット磁性材料１０９とを有して構成されている。本実施の形態における熱伝導性回路基板１１０は、チョークコイル用配線１０５がコンポジット磁性材料１０９によって完全に包囲されている点で、実施の形態１で示した熱伝導性回路基板１１０とは異なっている。なお、その他の点については、実施の形態１と同様である。
【００５８】
このような構成としても、実施の形態１の場合と同様の効果を得ることが可能である。また、本実施の形態では、これまで必要とされていた磁性体コア１０７や、その磁性体コア１０７を熱伝導性回路基板１１０に固着するための接着樹脂１０８が不要となるため、熱伝導性回路基板１１０の製造を容易にすることが可能になる。また、磁性体コア１０７を有していないため、磁性体コア１０７のコア割れを危惧する必要が無くなる。
（実施の形態８）
図８は、本発明の実施の形態８に係る熱伝導性回路基板の、図１（ａ）に示したＩ−Ｉ線に相当する位置における断面の構成を模式的に示した断面図である。
【００５９】
図８において、熱伝導性回路基板１１０は、略平板状に形成された矩形の金属板１０１と、熱伝導性を有する電気絶縁性材料層１０２と、電気信号を伝送するためのリードフレーム１０６と、閉磁路を構成するための磁性体コア１０７及びコンポジット磁性材料１０９と、磁性体コア１０７を熱伝導性回路基板１１０に固着するための接着樹脂１０８とを有して構成されている。本実施の形態における熱伝導性回路基板１１０は、熱伝導性回路基板１１０においてコモンモードチョークコイル１１９が形成されている点で、実施の形態１で示した熱伝導性回路基板１１０とは異なっている。図８に示すように、コモンモードチョークコイル１１９は、相互に独立した二つのチョークコイル用配線部１０５をコンポジット磁性材料１０９が接するようにして包囲し、かつ磁性体コア１０７がコンポジット磁性材料１０９に合わさるように接着樹脂１０８によって熱伝導性回路基板１１０に固着されて構成されている。なお、その他の点については、実施の形態１と同様である。
【００６０】
このような構成としても、実施の形態１の場合と同様の効果を得ることが可能である。また、交流を直流に変換するＡＣ−ＤＣコンバータにおいて、ノイズ除去を目的とするノイズフィルタがコモンモードチョークコイル１１９及びコンデンサによって構成される場合、コモンモードチョークコイル１１９が熱伝導性回路基板１１０に一体化されているため、前記ノイズフィルタの小型化が可能になる。
（実施の形態９）
図９は、本発明の実施の形態９に係る熱伝導性回路基板を用いたパワーモジュールの構成を模式的に示した断面図である。
【００６１】
図９において、パワーモジュール１１７は、図１で示した熱伝導性回路基板１１０を有している。この熱伝導性回路基板１１０には、ここでは、半導体素子１１３及び受動素子１１４が実装されている。そして、その熱伝導性回路基板１１０の上部には、予め所定の電子部品が実装された制御基板１１５が、熱伝導性回路基板１１０の接続端子部１０３に電気的に接続されるように配設されている。制御基板１１５には、ここでは、受動素子１１４及び回路部品１１６等の電子部品が実装されている。熱伝導性回路基板１１０及び制御基板１１５において、各電子部品の実装は、半田付け等の公知技術が利用されることによって行われる。また、制御基板１１５には一般的なプリント配線板が使用でき、そのプリント配線板の種類としては、例えば、ガラスエポキシ基板やフェノール基板等が使用できる。制御基板１１５を熱伝導性回路基板１１０上に配設する方法としては、熱伝導性回路基板１１０の接続端子部１０３を、制御基板１１５の前記接続端子部１０３に対応する位置に予め形成されているスルーホールに差し込み、そのスルーホールと前記接続端子部１０３とを半田付け等によって電気的に接続する方法が望ましい。なお、本実施の形態においては、熱伝導性回路基板１１０は、実施の形態１の図１で示した熱伝導性回路基板１１０とされているが、必ずしもこれに限定されず、図２〜図８に示した各熱伝導性回路基板１１０が使用できる。
【００６２】
このように構成されたパワーモジュールでは、小型でかつ薄型のチョークコイル又はコモンモードチョークコイルが一体化された熱伝導性回路基板１１０が用いられている。そのため、小型でかつ高効率なパワーモジュール１１７を提供することが可能になる。
【００６３】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれらに限定されることなく、特許請求の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者においては自明である。
【００６４】
【発明の効果】
本発明は、以上に説明したような形態で実施され、低電圧でかつ大電流の直流を出力するスイッチング電源装置に適した、出力平滑用チョークコイルを備えた熱伝導性回路基板を提供することが可能になるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る熱伝導性回路基板の構成を模式的に示した図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）に示したＩ−Ｉ線に沿った断面図である。
【図２】本発明の実施の形態２に係る熱伝導性回路基板の、図１に示したＩ−Ｉ線に相当する位置における断面の構成を模式的に示した断面図である。
【図３】本発明の実施の形態３に係る熱伝導性回路基板の、図１に示したＩ−Ｉ線に相当する位置における断面の構成を模式的に示した断面図である。
【図４】本発明の実施の形態４に係る熱伝導性回路基板の、図１に示したＩ−Ｉ線に相当する位置における断面の構成を模式的に示した断面図である。
【図５】本発明の実施の形態５に係る熱伝導性回路基板の、図１に示したＩ−Ｉ線に相当する位置における断面の構成を模式的に示した断面図である。
【図６】本発明の実施の形態６に係る熱伝導性回路基板の、図１に示したＩ−Ｉ線に相当する位置における断面の構成を模式的に示した断面図である。
【図７】本発明の実施の形態７に係る熱伝導性回路基板の、図１に示したＩ−Ｉ線に相当する位置における断面の構成を模式的に示した断面図である。
【図８】本発明の実施の形態８に係る熱伝導性回路基板の、図１に示したＩ−Ｉ線に相当する位置における断面の構成を模式的に示した断面図である。
【図９】本発明の実施の形態９に係る熱伝導性回路基板を用いたパワーモジュールの構成を模式的に示した断面図である。
【符号の説明】
１０１金属板
１０２電気絶縁性材料層
１０３接続端子部
１０４素子搭載部
１０５チョークコイル用配線部
１０６リードフレーム（回路パターン）
１０７磁性体コア（磁性体）
１０７ａ溝
１０８接着樹脂
１０９コンポジット磁性材料（磁性体）
１１０熱伝導性回路基板
１１１凹部
１１２ヒートシンク
１１３半導体素子
１１４受動素子
１１５制御基板
１１６回路部品
１１７パワーモジュール
１１８チョークコイル
１１９コモンモードチョークコイル
Ｇギャップ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a heat conductive circuit board suitable for mounting a power electronic element having heat generation properties, and a power module using the same.
[0002]
[Prior art]
At present, as electronic devices are rapidly becoming lighter, thinner and smaller, there is also a demand for smaller, lighter and thinner electronic components for constituting the electronic devices. In particular, electronic components for constituting the switching power supply device are required to be further reduced in size. On the other hand, in large-scale integrated circuits such as CPUs and microprocessors, high-speed and high-integration signal processing has been conventionally promoted. Therefore, a switching power supply device (commonly called a CPU core power supply device) for supplying DC power to these large-scale integrated circuits is required to have a low voltage and large current DC output as indispensable conditions. I have.
[0003]
An output smoothing choke coil for smoothing a DC output is provided inside the switching power supply device. The output smoothing choke coil is an electronic component that determines the electrical performance of the power supply device and is an electronic component that is very effective in reducing the size of the power supply device. Therefore, attention has been paid to an output smoothing choke coil, and various developments have been made so far. In particular, at present, the development related to downsizing of the output smoothing choke coil for downsizing the power supply device has been remarkably progressed. This development is mainly performed by increasing the switching frequency and lowering the DC output voltage. Specifically, when the switching frequency of the power supply device is 400 KHz and the output voltage is 1.8 V, the output smoothing choke coil (L = 1 to 2 μH) is relatively large, but the switching frequency is further increased. By increasing the frequency and further reducing the DC output voltage, it is possible to further reduce the size of the output smoothing choke coil. On the other hand, the output current increases as the signal processing speed of CPUs and microprocessors increases and integration increases. For example, a large current corresponding to 30 to 50 A flows. When such a large current flows, the output smoothing choke coil may cause self-heating. This is because the winding portion of the output smoothing choke coil has a DC resistance component. Therefore, the DC resistance component is reduced by reducing the number of turns of the winding portion of the output smoothing choke coil, that is, the power loss in the winding portion is reduced, thereby suppressing self-heating (hereinafter referred to as the first technology). (Referred to as Patent Document 1).
[0004]
On the other hand, with respect to the reduction in height, a technology in which a multilayer substrate and a magnetic component are integrated (hereinafter, referred to as a second conventional technology) has been proposed (for example, see Patent Document 2). In the second conventional technique, a part of the multilayer substrate constitutes a choke coil, so that the height can be reduced.
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2000-323336 A
[Patent Document 2]
JP-A-61-156802
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In recent years, semiconductor devices such as CPUs and microprocessors have been required to have higher signal processing speeds and higher integration. Therefore, a CPU core power supply for supplying DC power to these semiconductor elements is required to have a lower voltage and a larger current.
[0007]
However, when the DC output of the CPU core power supply is further reduced in voltage and increased in current, the self-heating of the output smoothing choke coil can be suppressed in the first prior art, but the output smoothing is performed. The solder connection between the choke coil and the circuit board may generate heat. This is because a contact resistance component or the like exists between the solder and the connection lead of the output smoothing choke coil and the wiring of the circuit board, and the solder cannot be ignored. In this case, the reliability of mounting the output smoothing choke coil on the circuit board may be degraded due to local heat generated in the solder connection portion. Further, when the output current increases, the current superimposed value required for the output smoothing choke coil increases, so that the volume of the output smoothing choke coil increases.
[0008]
Here, in the second conventional technique, there is no solder connection, and there is no possibility of local heat generation due to the solder connection. Therefore, the second conventional technique may be used. However, in the second prior art, there is a limit to the thickness of the through-hole plating for forming the through-hole, and there is also a limit to the thickness of the copper foil for forming the plurality of wirings. That is, there is a limit to the allowable current value of the output smoothing choke coil. Therefore, when the DC output of the CPU core power supply is further reduced in voltage and increased in current, the output smoothing choke coil may generate heat in some cases. In this case, the self-heating can be suppressed by forming the winding portion of the output smoothing choke coil using a large number of wirings and through holes, thereby reducing the DC resistance component in the winding portion. . However, since the number of layers of the multilayer substrate needs to be increased, the manufacturing process is complicated.
[0009]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve both of the problems as described above, and is suitable for a switching power supply device that outputs a low-voltage and large-current DC, and has a thermal conductivity including an output smoothing choke coil. It is intended to provide a circuit board.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, a heat conductive circuit board according to the present invention includes an electric insulating material layer containing an inorganic filler and an electric insulating resin, and a circuit pattern provided on a surface of the electric insulating material layer. A magnetic body surrounding a predetermined portion of the circuit pattern, and at least a part of which is located in the electrically insulating material layer, and a metal plate provided on a back surface of the electrically insulating material layer, The predetermined portion and the magnetic body constitute a choke coil.
[0011]
With such a configuration, it is possible to reduce the size and height of the choke coil. Further, even when the choke coil generates heat, the heat can be released to the outside through the heat conductive circuit board and the metal plate because the choke coil is integrated with the heat conductive circuit board. . In addition, when a choke coil is formed by wrapping the periphery of a lead frame with a magnetic core, the substantial magnetic permeability of the entire magnetic circuit is improved, so that the electrical performance of the choke coil can be improved. it can. Further, when the choke coil is formed by wrapping the periphery of the lead frame with the composite magnetic material, the step of mounting the magnetic core can be omitted, so that the heat conductive circuit board can be easily manufactured. As a result, it is possible to provide a heat conductive circuit board including an output smoothing choke coil, which is suitable for a switching power supply that outputs a low-voltage and large-current DC.
[0012]
The circuit pattern may be composed of a lead frame.
[0013]
By adopting such a configuration, a larger current DC can be passed through the lead frame than in the case of wiring made of copper foil which has been conventionally used, so that heat generation of the choke coil is suppressed. That is, it is possible to effectively suppress power loss and heat generation in the choke coil without making the heat conductive circuit board multilayer. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of a problem relating to the mounting reliability of the choke coil.
[0014]
It is desirable that the thickness of the lead frame is 0.2 mm or more and 1.5 mm or less.
[0015]
By adopting such a configuration, it is easy to obtain a lead frame in the above range, so that the heat conductive circuit board can be easily configured according to the current value of the DC output of the switching power supply device. Even in the case where a higher current is required for the switching power supply in the future, the switching power supply having the increased current can be easily configured only by adjusting the thickness of the lead frame without taking any special measures. It is possible to do.
[0016]
The magnetic body is an island-shaped first portion exposed from the electrically insulating material layer, and a plate-shaped second portion located below the first portion inside the electrically insulating material layer. May be provided.
[0017]
With such a configuration, the molding method and the embedding method of the magnetic body are simplified. Further, since one of the magnetic members is formed in a plate shape, the thickness of the heat conductive circuit board can be reduced. As a result, a thin thermally conductive circuit board can be manufactured relatively easily.
[0018]
The electric insulating material layer may be a magnetic material layer containing a magnetic powder as the inorganic filler.
[0019]
With such a configuration, the electrically insulating material layer also has a function as a magnetic material, so that a thinner heat conductive circuit board having an inductor function can be formed. Further, since the electric insulating material layer contains the magnetic powder, the heat conductivity of the electric insulating material layer is further improved. As a result, a thin heat conductive circuit board having better heat dissipation can be formed.
[0020]
The magnetic body may be composed of at least one of a ferrite sintered body, a dust core, or a mixture containing a thermosetting resin and a magnetic powder.
[0021]
With such a configuration, it is easy to obtain these magnetic materials, and since they have excellent characteristics as magnetic materials, it is possible to form a choke coil with good electrical performance.
[0022]
A concave portion may be formed in a region of the metal plate facing the magnetic body.
[0023]
With such a structure, the thickness of the electrically insulating material layer in the stacking direction can be reduced. As a result, a thin heat conductive circuit board can be formed.
[0024]
Irregular fins may be formed on a main surface of the metal plate opposite to a side where the electrically insulating material layer is located.
[0025]
With such a configuration, the surface area of the other main surface of the metal plate increases. That is, the heat dissipation of the metal plate is improved as the surface area increases. As a result, it is possible to efficiently cool the heat conductive circuit board.
[0026]
The predetermined portion may be part of two independent circuit patterns, and the choke coil may be a common mode choke coil.
[0027]
With such a configuration, in an AC-DC converter that converts AC to DC, when a noise filter for noise removal is configured by a common mode choke coil and a capacitor, the common mode choke coil is mounted on a circuit board. The integration makes it possible to reduce the height of the common mode choke coil. This realizes downsizing of the noise filter.
[0028]
Further, a power module according to the present invention includes the heat conductive circuit board according to any one of claims 1 to 9, an active element and a passive element for constructing a power supply circuit, and the heat conductive circuit board. A power module, wherein the active element and the passive element are mounted on the circuit pattern so as to exhibit the function of the power supply circuit.
[0029]
With this configuration, a small and highly efficient power module can be provided by using a heat conductive circuit board in which a small and thin choke coil is integrated.
[0030]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIGS. 1A and 1B are diagrams schematically showing a configuration of a heat conductive circuit board according to Embodiment 1 of the present invention, wherein FIG. 1A is a plan view, and FIG. 1B is a diagram showing II shown in FIG. It is sectional drawing along the line.
[0031]
1A and 1B, a heat conductive circuit board 110 includes a substantially flat rectangular metal plate 101, a heat conductive electrically insulating material layer 102, and an electric signal transmission line. Frame (circuit pattern) 106, a magnetic core (magnetic material) 107 and a composite magnetic material (magnetic material) 109 for forming a closed magnetic circuit, and the magnetic core 107 is attached to the heat conductive circuit board 110. It has an adhesive resin 108 for fixing.
[0032]
As shown in FIG. 1B, the heat conductive circuit board 110 basically has a structure in which a lead frame 106 and a metal plate 101 are laminated via an electrically insulating material layer 102. . As shown in FIGS. 1A and 1B, the lead frame 106 has a plurality of connection terminal portions 103, an element mounting portion 104, and a choke coil wiring portion 105.
[0033]
The lead frame 106 is disposed so that portions other than the upper surface except for the plurality of connection terminal portions 103 are buried inside the electrically insulating material layer 102, and the surfaces are flush with each other. Has become. That is, the upper surfaces of the plurality of element mounting portions 104 of the lead frame 106 and the wiring portion 105 for the choke coil are exposed from the electrically insulating material layer 102. Each of the plurality of element mounting portions 104 of the lead frame 106 has a predetermined shape, and is provided on an upper surface thereof for mounting a semiconductor element or the like. The choke coil wiring portion 105 of the lead frame 106 is a linear wire formed to have a predetermined length, and is provided for forming a choke coil 118 described later formed on the heat conductive circuit board 110. Has been. Further, the connection terminal portions 103 of the lead frame 106 extend from predetermined positions of the plurality of element mounting portions 104 in a direction perpendicular to the surfaces thereof by bending, and are formed to have substantially uniform predetermined lengths, respectively. ing. Thereby, the lead frame 106 forms a circuit pattern.
[0034]
As shown in FIG. 1B, the heat conductive circuit board 110 has a composite magnetic material 109 formed into a predetermined shape. The composite magnetic material 109 has a portion embedded in the electrically insulating material layer 102 so as to be in contact with the lower surface and side surface of the choke coil wiring portion 105 in the laminating direction of the heat conductive circuit board 110. Has been established. That is, the composite magnetic material 109 has a U-shaped cross section, and is disposed here such that the upper end surface thereof is exposed from the electrically insulating material layer 102. Further, a magnetic core 107 formed in an inverted U-shape is provided so as to face the composite magnetic material 109. The magnetic core 107 is fixed to the heat conductive circuit board 110 by the adhesive resin 108 such that the lower end surface is joined to the upper end surface of the composite magnetic material 109. The choke coil wiring portion 105 is surrounded by the magnetic core 107 and the composite magnetic material 109, thereby forming a choke coil 118 having less than one turn.
[0035]
In the heat conductive circuit board 110, the material of the metal plate 101 is preferably aluminum or copper. The reason is that these metals have excellent thermal conductivity. In particular, since copper has extremely excellent thermal conductivity, the thermal conductive circuit board 110 can obtain good heat radiation characteristics. Aluminum is lightweight and inexpensive, so it can be easily obtained.
[0036]
The electrically insulating material layer 102 is made of a mixture mainly composed of a thermosetting resin having an electrical insulating property and an inorganic filler. When the electrically insulating material layer 102 is formed of such a mixture, the material has excellent heat conductivity and heat radiation characteristics. The thermosetting resin for forming the electrically insulating material layer 102 is preferably formed of at least one of an epoxy resin, a phenol resin, and a cyanate resin. The reason is that if the electrically insulating material layer 102 is formed using such a thermosetting resin, excellent heat resistance and electrical insulation at a high temperature can be obtained.
[0037]
In particular, epoxy resins have been used favorably in semiconductor encapsulation resins and printed wiring boards, and have excellent properties not only in electrical properties but also in chemical resistance and mechanical performance (strength, etc.). are doing.
[0038]
On the other hand, the inorganic filler is preferably composed of at least one kind of powder selected from alumina, silica, magnesia, aluminum nitride, and boron nitride. The reason is that when alumina or aluminum nitride is used as the inorganic filler, the heat conductive circuit board 110 becomes a circuit board having excellent heat conductivity.
[0039]
In addition, when magnesia is used, thermal conductivity is improved, and the coefficient of thermal expansion of the electrically insulating material layer 102 can be increased.
[0040]
When silica (particularly, amorphous silica) is used, a thermally conductive circuit board 110 having a small coefficient of thermal expansion and a light weight and a small relative dielectric constant can be obtained. The amount of the inorganic filler added to the electrically insulating material layer 102 is preferably about 70 to 95% by weight of the heat conductive circuit board 110. When better thermal conductivity is required, the amount of the inorganic filler is desirably set to 88% by weight or more.
[0041]
The lead frame 106 is formed by punching a plate material containing at least one type selected from copper, iron, aluminum, and nickel as a main component and patterning it into a predetermined shape. Usually, wiring for transmitting electric signals on a circuit board is obtained by patterning a copper foil (generally having a thickness of 9 to 105 μm) into a predetermined shape by chemical etching. However, in the embodiment of the present invention, the lead frame 106 is used as the wiring, so that the power loss due to the conductor resistance is reduced, and it is possible to cope with a larger current than before. Further, by using the lead frame 106 as the wiring, the element mounting portion 104 and the like of the heat conductive circuit board 110 and the connection terminal portion 103 can be integrated. Thereby, the electrical connection reliability between the element mounting portion 104 and the like and the connection terminal portion 103 is improved. Note that the thickness of the lead frame 106 is desirably 0.2 mm or more and 1.5 mm or less.
[0042]
The magnetic core 107 is generally formed of a sintered body made of ferrite, a dust core (a dust core), or the like. However, the material may be properly used depending on the use and purpose of the choke coil 118. It is preferable that a groove 107a conforming to the shape of the choke coil wiring portion 105 is formed in a region of the magnetic core 107 facing the choke coil wiring portion 105. In the present embodiment, the inside of the groove is filled with an adhesive resin 108, thereby fixing the magnetic core 107 to the heat conductive circuit board 110. With such a configuration, the insulation distance between the choke coil wiring portion 105 and the magnetic core is secured, and sufficient magnetic characteristics can be secured. The type of the adhesive resin 108 is not particularly limited as long as it is an electrically insulating thermosetting resin, and any material may be used.
[0043]
The composite magnetic material 109 is composed of a mixture containing at least a metal magnetic powder and a thermosetting resin. It is desirable that the metal magnetic powder used for the composite magnetic material 109 has high magnetic permeability and high saturation magnetic flux density. More specifically, a metal powder containing Fe or Fe-Ni or Fe-Co as a main component is desirable. Usually, these metal magnetic powders have conductivity, but by forming a film of the thermosetting resin on the surface of the metal magnetic powder, it is possible to secure sufficient insulation. is there. That is, the composite magnetic material 109 is configured to have an electrical insulation property by uniformly dispersing the metal magnetic powder and the thermosetting resin. Although there is no particular limitation on the type of the thermosetting resin, it is preferable that the thermosetting resin is composed of at least one of an epoxy resin, a phenol resin, and a cyanate resin. When the composite magnetic material 109 is formed, a small amount of a dispersant for improving the dispersibility of the metal magnetic powder and the thermosetting resin may be added, and a plasticizer or a solvent may be added as appropriate. You may.
[0044]
When forming the composite magnetic material 109, the mixing ratio between the metal magnetic powder and the thermosetting resin is such that the metal magnetic powder is 40 to 70% by volume and the thermosetting resin is 30 to 60% by volume. Is desirable. The reason is that if the ratio of the metal magnetic powder is too high, the magnetic permeability increases, so that the electrical characteristics of the choke coil can be improved, but the ratio of the thermosetting resin is relatively low. This is because, because it is too large, the moldability of the composite magnetic material 109 deteriorates, and the strength of the composite magnetic material 109 decreases. On the other hand, if the ratio of the thermosetting resin is too high, a sufficient magnetic permeability as a magnetic material cannot be obtained, which causes a problem that a function as a choke coil cannot be sufficiently performed. Preferably, the composite magnetic material 109 and the magnetic core 107 have substantially the same magnetic permeability. Further, it is desirable that both of the saturation magnetic flux densities are high and substantially equal. The reason is that, when the saturation magnetic flux density of one of the magnetic materials is low, only the magnetic material is saturated first, so that the DC superimposition characteristics of the choke coil 118 deteriorate.
[0045]
In the heat conductive circuit board 110 configured in this manner, the lead frame 106 is used for the choke coil wiring 105 of the choke coil 118, and therefore, the distance between the choke coil 118 and the heat conductive circuit board 110 is reduced. No solder connection. The choke coil 118 is integrated with the heat conductive circuit board 110. For this reason, even when a direct current having a larger current than that of the related art is passed, the problem relating to the mounting reliability of the choke coil 118 does not occur. In addition, since a region for a solder connection part is not required, the heat conductive circuit board 110 is also effectively reduced in size. In addition, by using the lead frame 106, a DC current having a larger current can flow than in the case of a wiring made of copper foil which has been conventionally used. That is, power loss and heat generation in the choke coil 118 can be effectively suppressed without multiplying the heat conductive circuit board 110 by multiple layers. Further, even when the choke coil 118 generates heat, the heat can be released to the outside via the heat conductive circuit board 110. As a result, it is possible to provide a heat conductive circuit board suitable for a switching power supply that outputs a low-voltage and large-current DC, thereby realizing a small-sized power module capable of high-efficiency operation. Become.
(Embodiment 2)
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a cross-sectional configuration at a position corresponding to line II shown in FIG. 1A of the heat conductive circuit board according to Embodiment 2 of the present invention. .
[0046]
In FIG. 2, a heat conductive circuit board 110 includes a rectangular metal plate 101 formed in a substantially flat shape, a composite magnetic material 109 having heat conductivity and electric insulation, and a lead frame for transmitting an electric signal. 106, a magnetic core 107 for forming a closed magnetic circuit, and an adhesive resin 108 for fixing the magnetic core 107 to the heat conductive circuit board 110. The heat conductive circuit board 110 according to the present embodiment is basically similar to the heat conductive circuit described in the first embodiment in that the metal plate 101 and the lead frame 106 are laminated via the composite magnetic material 109. It is different from the circuit board 110. In other words, the composite magnetic material 109 which is a kind of the electrically insulating material in which the metal magnetic powder is dispersed as the inorganic filler in the thermosetting resin also serves as the electrically insulating material 102 of the first embodiment. The other points are the same as in the first embodiment. Therefore, explanations that are the same as those in the first embodiment will not be repeated.
[0047]
Even with such a configuration, it is possible to obtain the same effect as that of the first embodiment. Further, since the composite magnetic material 109 is provided over the entire surface of the heat conductive circuit board 110, a thinner heat conductive circuit board 110 having an inductor function can be formed. Further, since the composite magnetic member 109 contains metal magnetic powder, the thermal conductivity of the heat conductive circuit board 110 is further improved. As a result, a thin heat conductive circuit board 110 having better heat dissipation can be formed.
(Embodiment 3)
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a cross-sectional configuration at a position corresponding to line II shown in FIG. 1A of the heat conductive circuit board according to Embodiment 3 of the present invention. .
[0048]
In FIG. 3, a heat conductive circuit board 110 includes a substantially flat plate-shaped rectangular metal plate 101, a heat conductive electric insulating material layer 102, and a lead frame 106 for transmitting electric signals. , A magnetic core 107 and a composite magnetic material 109 for forming a closed magnetic circuit, and an adhesive resin 108 for fixing the magnetic core 107 to the heat conductive circuit board 110. In the heat conductive circuit board 110 according to the present embodiment, the composite magnetic material 109 is formed in a substantially two-dimensional thin plate shape, and is embedded in the electrically insulating material layer 102 substantially parallel to the metal plate 101. This is different from the heat conductive circuit board 110 shown in the first embodiment. The other points are the same as in the first embodiment.
[0049]
Even with such a configuration, it is possible to obtain the same effect as that of the first embodiment. Further, the molding method and the embedding method of the composite magnetic material 109 are simplified, and since the composite magnetic material 109 is formed in a thin plate shape, the thickness of the heat conductive circuit board 110 can be reduced. As a result, a thin thermally conductive circuit board can be manufactured relatively easily. Further, a gap G is formed between the magnetic core 107 and the composite magnetic material 109. By adjusting the gap G, the inductance value of the choke coil 118 can be adjusted. For example, when the gap G is narrow, the inductance of the choke coil 118 increases. Conversely, when the gap G is wide, the inductance of the choke coil 118 decreases.
(Embodiment 4)
FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a cross-sectional configuration at a position corresponding to line II shown in FIG. 1A of the heat conductive circuit board according to Embodiment 4 of the present invention. .
[0050]
In FIG. 4, a heat conductive circuit board 110 includes a substantially flat plate-shaped rectangular metal plate 101, a heat conductive electric insulating material layer 102, and a lead frame 106 for transmitting electric signals. , Two magnetic cores 107 for forming a closed magnetic circuit, and an adhesive resin 108 for fixing one magnetic core 107 to the heat conductive circuit board 110. In the heat conductive circuit board 110 according to the present embodiment, the composite magnetic material 109 shown in FIG. 1B is replaced by the magnetic core 107, and the wiring for the choke coil is used to secure electrical insulation. The difference from the heat conductive circuit board 110 shown in the first embodiment is that a predetermined gap is formed between the magnetic core 105 and the magnetic core 107. The other points are the same as in the first embodiment.
[0051]
Even with such a configuration, it is possible to obtain the same effect as that of the first embodiment. Further, by surrounding the choke coil wiring 105 with the two magnetic cores 107, the substantial magnetic permeability of the entire magnetic circuit is improved, so that a choke coil having a larger inductance value can be formed. . Furthermore, other electrical performances of the choke coil can be improved.
(Embodiment 5)
FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a cross-sectional configuration at a position corresponding to line II shown in FIG. 1A of the heat conductive circuit board according to Embodiment 5 of the present invention. .
[0052]
The heat conductive circuit board 110 according to the present embodiment has the same configuration as the heat conductive circuit board 110 shown in FIG. In the present embodiment, a recess 111 corresponding to the shape of the choke coil 118 is formed at least in a region on the upper surface of the metal plate 101 facing the choke coil 118. The other points are the same as in the first embodiment.
[0053]
Even with such a configuration, it is possible to obtain the same effect as that of the first embodiment. In addition, since the thickness of the electrically insulating material layer 102 in the stacking direction can be reduced, the thickness of the heat conductive circuit board 110 can be reduced.
(Embodiment 6)
FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a cross-sectional configuration at a position corresponding to line II shown in FIG. 1A of a heat conductive circuit board according to Embodiment 6 of the present invention. .
[0054]
The heat conductive circuit board 110 according to the present embodiment is the same as the heat conductive circuit board 110 except that the metal plate 101 in the heat conductive circuit board 110 shown in FIG. 4 has the same configuration as the heat conductive circuit board 110. The heat sink 112 has a plate shape, and has a predetermined uneven shape (fin) formed on one main surface, and the other main surface is fixed to the electrically insulating material layer 102. The other points are the same as in the first embodiment.
[0055]
Even with such a configuration, it is possible to obtain the same effect as that of the first embodiment. Further, since the heat sink 112 has a predetermined uneven shape, its surface area is increased. That is, since the heat dissipation is improved as compared with the case where the metal plate 101 is used, the heat conductive circuit board 110 can be efficiently cooled.
[0056]
This can also be applied to each of the heat conductive circuit boards described in the first to fourth embodiments.
(Embodiment 7)
FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing a cross-sectional configuration at a position corresponding to line II shown in FIG. 1A of the heat conductive circuit board according to Embodiment 7 of the present invention. .
[0057]
In FIG. 7, a heat conductive circuit board 110 includes a substantially flat plate-shaped rectangular metal plate 101, a heat conductive electric insulating material layer 102, and a lead frame 106 for transmitting electric signals. , And a composite magnetic material 109 for forming a closed magnetic circuit. The heat conductive circuit board 110 according to the present embodiment differs from the heat conductive circuit board 110 shown in the first embodiment in that the choke coil wiring 105 is completely surrounded by the composite magnetic material 109. I have. The other points are the same as in the first embodiment.
[0058]
Even with such a configuration, it is possible to obtain the same effect as that of the first embodiment. Further, in the present embodiment, the magnetic core 107 and the adhesive resin 108 for fixing the magnetic core 107 to the heat conductive circuit board 110, which have been required so far, are not required. This makes it easier to manufacture the circuit board 110. Further, since the magnetic core 107 is not provided, there is no need to worry about the core crack of the magnetic core 107.
(Embodiment 8)
FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a cross-sectional configuration at a position corresponding to line II shown in FIG. 1A of the heat conductive circuit board according to Embodiment 8 of the present invention. .
[0059]
In FIG. 8, a heat conductive circuit board 110 includes a rectangular metal plate 101 formed in a substantially flat shape, an electrically insulating material layer 102 having heat conductivity, and a lead frame 106 for transmitting an electric signal. , A magnetic core 107 and a composite magnetic material 109 for forming a closed magnetic circuit, and an adhesive resin 108 for fixing the magnetic core 107 to the heat conductive circuit board 110. The heat conductive circuit board 110 according to the present embodiment is different from the heat conductive circuit board 110 shown in the first embodiment in that a common mode choke coil 119 is formed in the heat conductive circuit board 110. I have. As shown in FIG. 8, the common mode choke coil 119 surrounds two mutually independent choke coil wiring portions 105 so that the composite magnetic material 109 is in contact with the wiring portion 105, and the magnetic core 107 is attached to the composite magnetic material 109. It is fixed to the heat conductive circuit board 110 by an adhesive resin 108 so as to fit together. The other points are the same as in the first embodiment.
[0060]
Even with such a configuration, it is possible to obtain the same effect as that of the first embodiment. Further, in the AC-DC converter for converting an alternating current to a direct current, when a noise filter for removing noise is configured by a common mode choke coil 119 and a capacitor, the common mode choke coil 119 is integrated with the heat conductive circuit board 110. Therefore, the size of the noise filter can be reduced.
(Embodiment 9)
FIG. 9 is a sectional view schematically showing a configuration of a power module using a heat conductive circuit board according to Embodiment 9 of the present invention.
[0061]
9, the power module 117 has the heat conductive circuit board 110 shown in FIG. Here, the semiconductor element 113 and the passive element 114 are mounted on the heat conductive circuit board 110. A control board 115 on which predetermined electronic components are mounted in advance is disposed on the heat conductive circuit board 110 so as to be electrically connected to the connection terminals 103 of the heat conductive circuit board 110. Have been. Here, electronic components such as the passive element 114 and the circuit component 116 are mounted on the control board 115. On the heat conductive circuit board 110 and the control board 115, mounting of each electronic component is performed by using a known technique such as soldering. In addition, a general printed wiring board can be used for the control board 115, and as a type of the printed wiring board, for example, a glass epoxy board, a phenol board, or the like can be used. As a method of arranging the control board 115 on the heat conductive circuit board 110, the connection terminal section 103 of the heat conductive circuit board 110 is formed in advance at a position corresponding to the connection terminal section 103 of the control board 115. It is desirable to insert the through-hole into the through-hole and electrically connect the through-hole to the connection terminal portion 103 by soldering or the like. Note that, in the present embodiment, the heat conductive circuit board 110 is the heat conductive circuit board 110 shown in FIG. 1 of the first embodiment, but is not necessarily limited thereto. Each of the heat conductive circuit boards 110 shown in FIG. 8 can be used.
[0062]
In the power module configured as described above, a heat conductive circuit board 110 in which a small and thin choke coil or a common mode choke coil is integrated is used. Therefore, it is possible to provide a small and highly efficient power module 117.
[0063]
The embodiments of the present invention have been described above, but it is obvious to those skilled in the art that the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the claims.
[0064]
【The invention's effect】
The present invention provides a heat conductive circuit board provided with an output smoothing choke coil, which is implemented in the form described above and is suitable for a switching power supply that outputs a low-voltage and large-current DC. This has the effect that it becomes possible.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B are diagrams schematically showing a configuration of a heat conductive circuit board according to Embodiment 1 of the present invention, wherein FIG. 1A is a plan view and FIG. It is sectional drawing along the line.
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a cross-sectional configuration at a position corresponding to the line II shown in FIG. 1 of the heat conductive circuit board according to Embodiment 2 of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a cross-section at a position corresponding to line II shown in FIG. 1 of the heat conductive circuit board according to Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a cross-sectional configuration at a position corresponding to the line II shown in FIG. 1 of the heat conductive circuit board according to Embodiment 4 of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a cross-sectional configuration at a position corresponding to line II shown in FIG. 1 of the heat conductive circuit board according to Embodiment 5 of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a cross-section at a position corresponding to line II shown in FIG. 1 of a heat conductive circuit board according to Embodiment 6 of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing a cross-sectional configuration at a position corresponding to line II shown in FIG. 1 of a heat conductive circuit board according to Embodiment 7 of the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a cross-sectional configuration of a heat conductive circuit board according to Embodiment 8 of the present invention at a position corresponding to line II shown in FIG. 1.
FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a power module using a heat conductive circuit board according to Embodiment 9 of the present invention.
[Explanation of symbols]
101 metal plate
102 Electrically insulating material layer
103 Connection terminal
104 element mounting part
105 Wiring for choke coil
106 Lead frame (circuit pattern)
107 Magnetic core (magnetic material)
107a groove
108 Adhesive resin
109 Composite magnetic material (magnetic material)
110 Thermal conductive circuit board
111 recess
112 heat sink
113 semiconductor element
114 passive element
115 control board
116 Circuit parts
117 Power Module
118 Choke coil
119 common mode choke coil
G gap

Claims

An electrically insulating material layer containing an inorganic filler and an electrically insulating resin,
A circuit pattern provided on the surface of the electrically insulating material layer,
A magnetic body surrounding a predetermined portion of the circuit pattern, and at least a portion is located in the electrically insulating material layer,
A metal plate provided on the back surface of the electrically insulating material layer,
A heat conductive circuit board, wherein the predetermined portion and the magnetic body constitute a choke coil.

2. The heat conductive circuit board according to claim 1, wherein said circuit pattern is constituted by a lead frame.

The heat conductive circuit board according to claim 2, wherein the thickness of the lead frame is 0.2 mm or more and 1.5 mm or less.

An island-shaped first portion where the magnetic body is exposed from the electrical insulating material layer, and a plate-shaped second portion located below the first portion inside the electrical insulating material layer. The heat conductive circuit board according to any one of claims 1 to 3, comprising:

The heat conductive circuit board according to claim 1, wherein the electrically insulating material layer is a magnetic material layer containing a magnetic powder as the inorganic filler.

6. The magnetic material according to claim 1, wherein the magnetic material is composed of at least one of a ferrite sintered body, a dust core, or a mixture containing a thermosetting resin and a magnetic powder. Thermal conductive circuit board.

The heat conductive circuit board according to claim 1, wherein a concave portion is formed in a region of the metal plate facing the magnetic body.

The heat conductive circuit board according to any one of claims 1 to 7, wherein an uneven fin is formed on a main surface of the metal plate opposite to a side where the electrically insulating material layer is located.

The heat conductive circuit board according to any one of claims 1 to 8, wherein the predetermined portion comprises a part of two circuit patterns independent of each other, and the choke coil is a common mode choke coil.

A heat conductive circuit board according to claim 1, comprising an active element and a passive element for constructing a power supply circuit, wherein the active element and the active element are provided on the circuit pattern of the heat conductive circuit board. A power module comprising a passive element mounted so as to exhibit the function of the power supply circuit.