JP2008218616A - 回路モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】発熱部品の冷却を局所的に効率良く行い、より大電流化に対応できるとともに、高密度実装化を実現できる回路モジュールを提供することを目的とする。
【解決手段】リードフレーム１と金属板２を、熱伝導性フィラーを含有した樹脂材からなる熱伝導樹脂３を成形して一体化した放熱基板と、凹部を形成したフレーム７と、このフレーム７の凹部に実装した発熱部品４とからなる回路モジュールであって、発熱部品４の上面とフレーム７の端部７ａの一面を、実装する放熱基板の一面に対して面一構成とし、このフレーム７の端部７ａの一面を前記リードフレーム１の一部に接合するとともに、前記発熱部品５の上面と放熱基板の一面とを面接触させた構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種電子機器、特にインバータまたは電源回路などの電力回路に使用される回路モジュールに関するものである。
近年、電子機器の小型化、高機能化、あるいは複合化などによる電子部品の高密度実装が要求されており、使用される電子部品の発熱がそれ自身あるいは周辺の電子部品の信頼性や寿命に影響を与えている。そのため、放熱を兼ねた熱伝導性の金属板を使用して電子部品を搭載した熱伝導性に優れた配線基板が使用されている。
そして、より放熱性を高めるために、熱伝導性を有する無機フィラーを熱硬化性樹脂に含有させた熱伝導組成物と、電極や回路として機能するリードフレームとを一体化してなる放熱基板が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
そして、このリードフレームと一体化された熱伝導樹脂硬化物に放熱用の金属板を貼り付けた放熱基板が知られている。図５は従来の放熱基板を用いた回路モジュールの断面図であり、従来の放熱基板は、配線パターンとしてのリードフレーム１７と、無機フィラーと樹脂との混合物よりなる熱伝導性に優れた熱伝導樹脂１９と、熱伝導性に優れた金属板１８で構成されている。そして、このような放熱基板のリードフレーム１７の上にパワー半導体部品２０とその制御回路を構成する電子部品１５を半田１６で実装することによって回路モジュールを構成している。
特開平１０―１７３０９７号公報
しかしながら、前記従来の構成では、発熱部品の放熱を発熱部品の接続端子を介してリードフレーム１７へ熱伝導させて放熱させる構成のみであった。また、発熱部品の端子以外は封止樹脂２１によって絶縁された構成となっており、この封止樹脂２１を介して熱放散させる熱量をあまり大きくすることはできなかった。
今後、さらに電子機器の高性能化が進展していく中で、発熱部品に対する入力電流はさらに大きくなるものと考えられ、発熱部品からの放熱対策がさらに重要となってきている。さらに、高密度実装および高周波化にともなって発熱部品のできるだけ近傍に制御回路を配置することがますます重要になってきている。
本発明は、前記従来の課題を解決しようとするものであり、放熱性に優れるとともに発熱部品の冷却を効率良く行うことによって、より大電流化に対応できるとともに、発熱部品の近傍に制御回路を配置することによって高密度実装および高周波化に対応できる回路モジュールを提供することを目的とする。
前記従来の課題を解決するために、本発明は、リードフレームと金属板を、熱伝導性フィラーを含有した樹脂材からなる熱伝導樹脂を成形して一体化した放熱基板と、凹部を形成した金属材からなるフレームと、このフレームの凹部に実装した発熱部品とからなる回路モジュールであって、発熱部品の上面とフレームの端部の一面を放熱基板の一面に対して面一構成とし、このフレームの端部の一面をリードフレームの一部に接合するとともに、発熱部品の上面と放熱基板の一面とを面接触させた構成とするものである。
本発明の回路モジュールは、金属のフレームに形成した凹部に発熱部品を実装し、このフレームの端部をリードフレームの一部に接合するとともに、発熱部品の上面を放熱基板の一部に面接触させることによって、発熱部品の放熱を効率良く行い、これによって発熱部品の温度上昇を抑制できることから、より大電流を入力することができるとともに、制御回路を構成する電子部品を発熱部品であるパワー半導体部品の近傍に配置して高密度実装および高周波化に対応できる回路モジュールを提供することができる。
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における回路モジュールについて図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施の形態１における回路モジュールの構成を示す断面図であり、図２は図１に示した発熱部品であるパワー半導体部品（パワーＭＯＳＦＥＴ）の内部構造を詳細に説明するための断面図である。図１において、本実施の形態１における回路モジュールは、配線パターンとしてのリードフレーム１と、無機フィラーと樹脂との混合物よりなる熱伝導性に優れた熱伝導樹脂３と、熱伝導性に優れた金属板２で構成される放熱性に優れた放熱基板をベース基板に用いている。そして、前記リードフレーム１は電子回路を構成する配線パターン形状をプレス打ち抜き加工などを用いて形成することができる。回路構成によっては複雑な形状のリードフレーム１を多数取り扱う必要があるのに対して、例えば枠部を設けて一体化することによって一枚の金属シートとして取り扱うことができるものである。
また、熱伝導樹脂３は、無機フィラーと熱硬化性樹脂を含む熱伝導混合物３ａを用いてリードフレーム１と金属板２とを一体化させるために熱硬化させることによって構成している。この無機フィラーの配合比率は、７０〜９５重量％であることが好ましく、特に８５〜９５重量％であることがより好ましい。無機フィラーの配合比率がこの範囲より小さい場合、放熱基板の放熱性が不良になる。さらに、無機フィラーの配合比率が低いと熱伝導樹脂３の線膨張係数が大きくなる。
また、無機フィラーの配合比率がこの範囲より多い場合には、熱伝導混合物３ａの流動性が低下し、リードフレーム１や金属板２と一体化することが困難になる。
また、無機フィラーは、絶縁性や熱伝導性に優れたものから適宜選択すればよいが、特にＡｌ2Ｏ3、ＭｇＯ、ＢＮ、Ｓｉ3Ｎ4、ＡｌＮ、ＳｉＯ2及びＳｉＣから選ばれた少なくとも１種類の無機粉末を主成分として含むことが好ましい。これらの無機粉末は熱伝導性に優れており、高い熱放散性を持つ放熱基板を作製することが可能になるからである。特に、Ａｌ2Ｏ3やＳｉＯ2を用いた場合、熱硬化性樹脂との混合が容易になる。またＡｌＮを用いた場合、放熱基板の熱放散性が特に高くなる。さらに、無機フィラーの平均粒径は０．１〜１００μｍの範囲にあることが好ましい。この範囲から外れた粒径の場合、無機フィラーの充填性や放熱基板の放熱性が低下する傾向になる。
そして、熱伝導樹脂３の未硬化物である熱伝導混合物３ａを構成する熱硬化性樹脂の主成分としては、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂及びシリコン樹脂を使用でき、これらの樹脂から少なくとも１種類を選んで用いることが好ましい。
これらの樹脂はそれぞれ耐熱性や機械的強度、電気絶縁性に優れるからである。熱伝導混合物３ａの製造方法としては、各原料を秤量し、混合すればよい。混合の方法としては、例えばボールミル、プラネタリーミキサー、攪拌機を使用できる。この熱伝導混合物３ａを硬化させることによって熱伝導樹脂３となる。
熱伝導樹脂３の室温での弾性率としては、５０ＧＰａ以下であることが好ましく、特には２５〜４０ＧＰａであることがより好ましい。弾性率が高すぎると熱伝導樹脂３が堅脆くなり、放熱基板の温度変化やリフロー半田付け時に応力が増大すると、クラックなどが発生しやすくなるからである。なお、本発明における室温とは０℃〜４０℃の範囲を示すものとする。
また、リードフレーム１としては、導電率が高い金属であればよいが、例えば銅、鉄、ニッケル、アルミニウム、あるいはそれらを主成分とする合金が使用でき、これらは導電率と熱伝導率の観点から好ましい。このリードフレーム１のパターン形成方法は特に限定されず、例えばエッチング法や打ち抜き法が使用できる。またリードフレーム１の表面がニッケル、すず、半田、金、パラジウムから選ばれた少なくとも１種の金属あるいは合金でめっきされていることが好ましい。このめっきによりリードフレーム１の耐食性や耐酸化性が向上し、また熱伝導樹脂３との接着が良好になるため、放熱基板の信頼性が向上するからである。
そして、リードフレーム１の厚みは放熱性を考慮すると０．３０〜１．０ｍｍの厚みが特に好ましい。放熱性、導電性および加工性において実用性が高い。
さらに、リードフレーム１の熱伝導樹脂３と接着する面が粗化されていることが好ましい。接着強度が向上し、信頼性が向上するからである。粗化の方法としては特に限定されず、ブラスト処理やエッチング処理などが使用できる。
また、上記の加熱加圧時には、熱伝導混合物３ａがリードフレーム１の隙間部分まで充填され、ほぼ面一な表面になることが好ましい。面一になることで、放熱基板の表面のレベリング処理や半田レジスト処理といった後加工が容易になり、また回路パターン間に部品実装する際の実装性が良好になる。
また、熱伝導樹脂３の厚み（リードフレーム１と金属板２間の厚み）は０．４ｍｍ以上であることが好ましい。この場合、配線パターンであるリードフレーム１と金属板２の間に強化絶縁が施され、パワーエレクトロニクス分野で使用される放熱基板として好適になる。
次に、金属板２について説明する。この金属板２は熱伝導性に優れた銅またはアルミニウムを主成分とする金属を用いることが好ましい。これらの金属は熱伝導性に優れるとともに加工性、入手性の観点から好ましい。特に、アルミニウムは押し出し成型などの加工性に優れることと軽量化の観点から好ましい。
そして、放熱基板の放熱性を高めるためには金属板２の厚みは厚くしておくことが必要となる。このとき、例えば銅、アルミニウムなどを用いるときの厚みは１．０〜３．０ｍｍの金属板２とすることが好ましい。そして、放熱性を高める観点から金属板２の他面が表面積を増大させるために多数のフィン形状を有した金属板２を用いることも可能である。
次に、前記放熱基板の上に実装する発熱部品であるパワー半導体部品４の実装形態について説明する。
まず始めに、パワー半導体部品４について説明する。本実施の形態１における発熱部品であるパワー半導体部品４の構成は、図２に示したようにシリコンからなる半導体チップ５は熱伝導性と導電性と膨張係数の観点から厚みのある銅を主体とした端子電極板の上に半田などによって実装され、ドレイン電極端子１１としている。従って、ドレイン電極端子１１に最も大きな熱量が熱伝導される。
さらに、金線などのワイヤボンディング１４などによって、それぞれソース電極端子１２およびゲート電極端子１３に接続された構成となっており、このワイヤボンディング１４の金線を介して、それぞれソース電極端子１２およびゲート電極端子１３に熱伝導される。従って、パワー半導体部品４のそれぞれの電極端子１１、１２、１３より熱を放熱させることが最も効率良く半導体チップ５の発熱を放熱させることができる。
なお、パワー半導体部品としてはその他にもバイポーラパワートランジスタ、ＩＧＢＴまたは集積化されたマルチ・パワートランジスタなども同じようにして用いることができる。
次に、このようなパワー半導体部品４をフレーム７に実装する方法について説明する。
図１に示すように、パワー半導体部品４の上面とフレーム７の端部７ａの一面を実装する放熱基板の一面に対して面一構成となるように所定の形状となるようにフレーム７に凹部を形成しておき、この凹部に半田１０などを用いてパワー半導体部品４を実装している。そして、フレーム７は熱伝導性と導電性に優れた銅またはアルミニウムを主成分とする金属が好ましい。
次に、このパワー半導体部品４の上面を放熱基板の一面に面接触させるようにフレーム７の端部７ａの一面をリードフレーム１の一部に半田１０などを用いて接合させることによって、前記パワー半導体部品４の上面と放熱基板の一面とを面接触させた回路モジュールを構成している。これによって、半導体チップ５から発熱された熱は二つの経路から放熱することができる。一つの経路は、半導体チップ５、それぞれの電極端子１１、１２、１３そしてフレーム７の順に熱伝導し、このフレーム７を介して接合されたリードフレーム１へと放熱される。さらに、このリードフレーム１は放熱基板の全体へ熱拡散させることができる。
もう一方の経路は、半導体チップ５、パワー半導体部品４の上面である封止樹脂６を介して放熱基板の一部であるリードフレーム１へと放熱される。この封止樹脂６の中には二酸化ケイ素などの無機フィラーを含むエポキシ樹脂などによって封止されていることから、比較的熱伝導性と耐熱性が考慮された材料が用いられている。
従って、この封止樹脂６を介してリードフレーム１へと熱伝導させて放熱基板へと効率良く熱拡散させることによって、空気中への放熱性と比較して、より放熱性を高めることができる。ここで、封止樹脂６の一面をリードフレーム１の一部へ面接触させることによって封止樹脂６からの放熱性をより高めた構成としているが、封止樹脂６の一面を熱伝導樹脂３に面接触させても良い。これは実際の回路モジュールにおける部品配置、回路パターンまたはパワー半導体部品４の発熱量によって、適宜選択すれば良い。
また、パワー半導体部品４の上面と放熱基板の一面を熱伝導樹脂３で接合することによって熱伝導性と信頼性を安定化させることができる。さらに、パワー半導体部品４の上面とリードフレーム１の一面を面接触させるとともに熱伝導樹脂３で接合することによって、さらに放熱性と信頼性の高い回路モジュールを実現することができる。
また、フレーム７の端部７ａとリードフレーム１の接合を金属で接合することによって熱伝導性を低下させることなく接合することができ、これに用いる金属として、半田あるいは金属ろうなどの低融点金属を用いて接合することが生産性の観点から好ましい。
そして、より熱伝導性と信頼性を高めるためには、リードフレーム１とフレーム７の端部７ａとの接合を溶接で接合することが好ましい。
また、熱伝導特性を損なわないようにするため、フレーム７の端部７ａとリードフレーム１の一部を接合する接合面積をフレーム７の断面積よりも大きくすることが好ましい。ここで、接合面積とはフレーム７の端部７ａの一面が放熱基板の一面と対向して面している面積である。そして、フレーム７の断面積とはフレーム７の厚み方向で切断した面の面積を意味している。
同じように、フレーム７の厚みをリードフレーム１の厚みよりも厚くすることが好ましい。これによって熱抵抗を低減することができる。
次に、更に放熱性を高めるためには、フレーム７の他面側に熱伝導樹脂３を介してヒートシンク８を実装することによって実現することができる。これによって、フレーム７とヒートシンク８をできる限り熱抵抗が低い状態で熱伝導させることができることから、ヒートシンク８の能力を最大限利用することができる。
これに対して、従来例である図５に示した実装方法であればヒートシンク８の取り付けは封止樹脂６の上に取り付けることとなり、本実施の形態１のような構成と比較して、ヒートシンク８の放熱性は封止樹脂６の熱抵抗に阻害され、その機能を十分に発揮することは困難である。
以上説明してきたように、フレーム７にコの字状の凹部を設け、この凹部にパワー半導体部品４を実装することによって、半導体チップ５からの発熱を効率良くフレーム７へ放熱し、このフレーム７を介して放熱性に優れた放熱基板に熱伝導させるとともに、一部の熱を封止樹脂６を介して面接触させた放熱基板へ放熱させることによって、より放熱性に優れた回路モジュールを実現することができる。
さらに放熱性を高めるために、フレーム７の他面側にはヒートシンク８を設けることも可能となり、これによって、熱伝導性の高いフレーム７を介してヒートシンク８へ放熱することができる経路を有することと、パワー半導体部品４の上面からも熱伝導させて放熱性を高めることができる回路モジュールを実現することができる。
このような構成の回路モジュールを実現することによって、発熱部品であるパワー半導体部品４の温度上昇（ホットスポット）を抑制できることから、このパワー半導体部品４の近傍に制御回路を構成する電子部品９などを配置することが可能となる。
次に、本実施の形態１における回路モジュールの重要なベース基板となる放熱基板の製造方法について説明する。図３（ａ）及び図３（ｂ）は、図１に示した実施の形態１における放熱基板の製造方法を示す断面図である。
図３（ａ）において、リードフレーム１と、無機フィラー７０〜９５重量％及び熱硬化性樹脂を含む未硬化のシート状の熱伝導混合物３ａと、アルミニウム板を加工した金属板２を準備する。
次に、これらを図３（ａ）に示すように重ね合わせて加熱加圧すると、図３（ｂ）に示すようにリードフレーム１の隙間部分まで熱伝導混合物３ａが流動しながら充填されてほぼ面一な表面になると共に、熱伝導混合物３ａ中の熱硬化性樹脂が硬化してリジットな熱伝導樹脂３になる。そして、同時に熱伝導樹脂３とリードフレーム１及び金属板２は接着されて、一体化した放熱基板が得られる。
なお、この後、必要に応じて半田レジスト印刷、リードフレーム１の一部の切断、端子処理や部品の半田付けなどを行うことによって放熱基板および回路モジュールを作製することができる。前記の半田レジスト印刷の方法としては、例えば半田レジストインクをスクリーン印刷法で印刷し、硬化させる方法が使用できる。この半田レジストインクとしては、例えば市販の熱硬化インクが使用できる。また、前記端子処理を用いた方法としては、切断された端子を接続端子として使用するための処理が含まれ、例えば端子の折り曲げやメッキが挙げられる。
また、本実施の形態１のように、配線パターンとしてリードフレーム１を使用することは、配線パターンを厚くすることができ電気抵抗による損失を低減できることから好ましく、またリードフレーム１の一部をそのまま接続端子として利用できるため、別の端子を接続する必要がないことや接続抵抗による損失が発生しない点からも好ましい。
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２における回路モジュールについて図面を参照しながら説明する。図４は、本実施の形態２における回路モジュールの構成を示す断面図である。基本的な構成は実施の形態１で説明した回路モジュールと同様であり、同じ構成の内容についての説明は省略する。
本実施の形態２における回路モジュールが実施の形態１の回路モジュールと大きく異なっているところは、フレーム７のコの字状の凹部にパワー半導体部品４を実装した後、フレーム７とパワー半導体部品４の隙間に熱伝導樹脂３を充填し、この熱伝導樹脂３の表出面とパワー半導体部品４の上面とを面一構成とし、この充填した熱伝導樹脂３の表出面を放熱基板の一部に面接触させることによって、さらに放熱性の高い回路モジュールを実現していることである。これによって、パワー半導体部品４の全表面を熱伝導性に優れたフレーム７と熱伝導樹脂３によって被覆された状態となり、半導体チップ５から発生した熱はパワー半導体部品４の全表面から熱拡散させることができる回路モジュールを実現することができる。
さらに、ヒートシンク８とフレーム７の対向する空間の全てに熱伝導樹脂３を充填してヒートシンク８を取り付けている。これによって、発熱部品であるパワー半導体部品４の熱を効率良くヒートシンク８へ熱拡散させることができ、近傍にある電子部品９への熱影響をより低減させることができる。
また、フレーム７とパワー半導体部品４の隙間はできるだけ短くすることが好ましいが強化絶縁を満足することが好ましく、特に０．４ｍｍ以上とすることが好ましい。
そして、電子部品９は電子回路を構成するためのチップ構造などの受動素子（抵抗、コンデンサ、インダクタ、機構部品など）や制御回路用の能動素子（トランジスタ、ダイオード、ＩＣなど）あるいは複合素子であり、半田付けあるいは導電性で熱伝導性の接着剤により電気的かつ機械的に接続固定される。
さらに、半導体素子及び受動部品の実装方法としては特に限定されず、例えば半田付けによる方法、ベアチップを実装するのであればワイヤボンディングによる方法などが使用できる。
なお、リードフレーム１、熱伝導樹脂３及び金属板２はそれらの線膨張係数の大小に応じて適宜選択することによって、基板反りの少ない回路モジュールを実現することができる。前記の選択を行うにあたって、金属板２はアルミニウム、銅、もしくはこれらのうち少なくとも１種を主成分とする合金であることが好ましい。これらは機械的強度に優れ熱伝導率が高いだけでなく、加工性と入手性に優れることから好ましい。
なお、ヒートシンク８の形状及び材質は市販の物を選択して用いることができる。さらに、放熱性を高める観点からヒートパイプをフレーム７の一部に設けることも可能である。
以上のように、本発明にかかる回路モジュールは、放熱性に優れることからインバータや電源回路などの電力回路に使用される回路モジュールに有用である。
本発明の実施の形態１における回路モジュールの断面図 （ａ）同パワー半導体部品の断面図、（ｂ）同下面図 （ａ）同放熱基板の製造方法を説明するための断面図、（ｂ）同断面図 本発明の実施の形態２における回路モジュールの断面図 従来の回路モジュールの断面図
符号の説明
１ リードフレーム
２ 金属板
３ 熱伝導樹脂
３ａ 熱伝導混合物
４ パワー半導体部品
５ 半導体チップ
６ 封止樹脂
７ フレーム
７ａ 端部
８ ヒートシンク
９ 電子部品
１０ 半田
１１ ドレイン電極端子
１２ ソース電極端子
１３ ゲート電極端子
１４ ワイヤボンディング

Claims (12)

  1. 配線パターンを形成する金属材からなるリードフレームと金属板を、熱伝導性フィラーを含有した樹脂材からなる熱伝導樹脂を成形して一体化した放熱基板と、凹部を形成した金属材からなるフレームと、このフレームの凹部に実装した発熱部品とからなる回路モジュールであって、発熱部品の上面とフレームの端部の一面を、実装する放熱基板の一面に対して面一構成とし、前記フレームの端部の一面をリードフレームの一部に接合するとともに、前記発熱部品の上面と放熱基板の一面とを面接触させた回路モジュール。
  2. 発熱部品の上面と放熱基板の一面を熱伝導樹脂で接合した請求項１に記載の回路モジュール。
  3. 放熱基板の一面をリードフレームとした請求項２に記載の回路モジュール。
  4. フレームの凹部の隙間に発熱部品を埋設するように熱伝導樹脂を充填し、この充填した熱伝導樹脂の一面とリードフレームの端部の一面とを面一構成とした請求項１に記載の回路モジュール。
  5. フレームとリードフレームの接合を金属で接合した請求項１に記載の回路モジュール。
  6. 金属を半田とした請求項５に記載の回路モジュール。
  7. フレームとリードフレームの接合を溶接で接合した請求項１に記載の回路モジュール。
  8. フレームとリードフレームの接合面積をフレームの断面積よりも大きくした請求項１に記載の回路モジュール。
  9. フレームの厚みをリードフレームの厚みよりも厚くした請求項１に記載の回路モジュール。
  10. 発熱部品を実装したフレームの他方の面に熱伝導樹脂を介してヒートシンクを設けた請求項１に記載の回路モジュール。
  11. フレームとヒートシンクが対向する空間に熱伝導樹脂を充填した請求項１０に記載の回路モジュール。
  12. フレームを銅またはアルミニウムを主成分とする金属とした請求項１に記載の回路モジュール。
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