JP2008218617A - 放熱基板及びこれを用いた回路モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性に優れるとともに、膨張係数の差による応力を緩和することができる平面性に優れた放熱基板及びこれを用いた回路モジュールを実現することを目的とする。
【解決手段】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１と、金属板３と、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４を成形して一体化した放熱基板であって、前記金属板３を空洞６を有する中空構造とすることにより、放熱性と温度変化に対する基板の反りを抑制した放熱基板を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種電子機器、特にインバータや電源回路などの電力回路に使用される放熱基板及びこれを用いた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かねなくなっている。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。
特開平１０−１７３０９７号公報

しかしながら、前記従来の構成では、それぞれ異なった材質からなる材料を用いた積層構造をしている。この異なった材質からなる材料を積層した回路基板に用いるとき、膨張係数が大きな要因となって、回路基板の反り、うねりなどの現象が発生する。

特に、大きな形状の放熱基板を用いるときにはこの膨張係数の差による放熱基板の平坦性が大きな問題となってくる。この放熱基板の反りは、製造する段階で大きな障害となるばかりでなく、完成した放熱基板の上に各種電子部品を実装する際、実装性を大きく低下させることとなる。

さらにまた、回路モジュールをヒートシンクあるいはシャーシに取り付ける際、ヒートシンクあるいはシャーシの面と回路モジュールの金属板との接触が面接触をしておくことが放熱性の観点から重要であるが、温度変化に対する回路モジュールの反りが変化すると回路モジュールの放熱性を大きく低下させてしまうという課題を有していた。

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膨張係数の差による応力を緩和することができる平面性に優れた放熱基板及びこれを用いた回路モジュールを実現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、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、金属板と、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であって、前記金属板を中空構造からなる金属板とした構成とするものである。

本発明の放熱基板及びこれを用いた回路モジュールは、膨張係数の差による応力集中を中空構造によって吸収できる金属板を用いることによって、放熱性と基板の反りを抑制できる平面性に優れた放熱基板を実現できることから、ヒートシンクまたはシャーシ等の対向面と精度良く面接触させることにより放熱基板または回路モジュールからの熱を効率良く放熱することができるという利点を有している。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における放熱基板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における放熱基板の構成を示す断面図であり、図２はその分解斜視図である。図１及び図２において、本実施の形態１における放熱基板は、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４と、熱伝導性に優れた金属板３で構成される。前記リードフレーム１は本体などへの取付け孔２、プリント基板などへ取付け端子となる接続端子５、必要な放熱に対応した形状と面積の電子部品搭載用端子１０、そして枠部９などからなる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、前記枠部９によっ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４は、無機フィラーと熱硬化性樹脂を含む熱伝導混合物４ａから構成される。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４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４ａの流動性が低下し、リードフレーム１や金属板３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、熱伝導混合物４ａ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４ａ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。

熱伝導樹脂４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４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、これらは抵抗が小さい点で好ましい。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、はんだ、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。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、また熱伝導混合物４ａ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。

さらに、リードフレーム１の熱伝導混合物４ａ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４ａがリードフレーム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からである。

また、熱伝導樹脂４の厚み（リードフレーム１と金属板３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３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からである。

次に、金属板３の構成について説明する。この金属板３は熱伝導性に優れた銅またはアルミニウムを主成分とした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、生産性、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３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、アルミニウムなどの金属を用いるときにも厚みは１．０〜３．０ｍｍの金属板３とすることが多い。このような放熱基板はリードフレーム１、熱伝導樹脂４及び厚みのある金属板３の異種材料からなる積層構造となり、それぞれの材質の基本特性が相互に影響を及ぼすことになり、特に膨張係数の差による放熱基板の反り特性に大きな影響を与える。

これに対して、本実施の形態１における放熱基板に用いる金属板３の大きな特徴として、内部に空洞６を有した中空構造からなる金属板３としていることである。この中空構造とすることによって温度変化による膨張係数の差による応力の発生を空洞６で抑制するとともに、この空洞６で応力を吸収することができる放熱基板を実現できる。特に、温度変化に対する反りの少ない放熱基板を実現できることが分かった。

また、この空洞６は放熱基板の長手方向に対して直角になるように設けることが好ましい。これによって、放熱基板の反りが発生しやすい長手方向の応力を効率よく抑制することができる。それは、膨張係数の違いによる応力は長手方向に顕著に増大するものであり、その長手方向に応力を吸収しやすい構造とすることができるためである。

そして、中空構造を形成する空洞６の断面形状を複数の矩形状とすることによって、厚み方向と横方向への熱伝導性を確保しながら熱伝導の経路を全て銅で構成できることから優れた熱伝導を維持しながら放熱基板の反りを大きく抑制することができる放熱基板を実現することができる。さらに、熱伝導樹脂４と接合する面の金属板３の肉厚（図１に示したＸ部）を０．３〜１．０ｍｍとすることによって熱伝導性をあまり犠牲にすることなく放熱基板の反りを抑制することができる。この熱伝導樹脂４と接合する面の金属板３の肉厚が０．３ｍｍを下回ると放熱性が大きく低下し、肉厚が１ｍｍを越えると放熱基板の反りが大きくなってくる。例えば、比較例として、熱伝導樹脂４の厚みを０．６０ｍｍとし、金属板３の厚みを１．０ｍｍとしたときの１０×１０ｃｍの放熱基板に対して、熱伝導樹脂４と接合する金属板３の肉厚を０．５ｍｍとし、１．０×１．５ｍｍの矩形状の空洞６を設けた厚み２．０ｍｍの金属板３との基板の反りを評価した。評価の方法は、室温（２５℃）より５０℃高く設定した恒温槽に投入して放熱基板の反りを測定したところ、比較例の放熱基板に対して、本実施の形態１における放熱基板の反りは１／３程度に抑制することができた。

そして、熱伝導樹脂４の厚みに対して、中空構造を有しない金属板３の厚みを大きくすればするほど基板の反りは大きくなるが、熱伝導樹脂４の厚みと同程度の金属板３の肉厚を有する中空構造を取り入れることによって、金属板３の全体の厚みが厚くなっても応力の発生を抑制するとともに放熱性に優れた放熱基板とすることができる。

次に、前記矩形状の空洞６を設けた金属板３の放熱特性を評価した。評価の放熱基板の構造は図１に示した構成とし、５０×５０×０．５０ｍｍの銅板を独立したリードフレーム１とし、このリードフレーム１の中心部の上に１０Ｗの熱源を実装した。そして、熱伝導率が３〜４Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導樹脂４の厚みを０．６０ｍｍとし、異なった金属板３を積層して評価した。また、周囲温度を３０℃にて評価した。この異なった金属板３として、中空構造を有しない試料（厚みが１．０ｍｍのアルミニウム板（Ｎｏ．１）、厚みが２．０ｍｍのアルミニウム板（Ｎｏ．２））を比較例として準備し、肉厚が０．３ｍｍ、厚みが１．６ｍｍの中空構造を有するアルミニウム板（Ｎｏ．３）、肉厚が０．５ｍｍ、厚みが２．０ｍｍの中空構造を有するアルミニウム板（Ｎｏ．４）を有する放熱基板を実施例として準備し、熱源の温度上昇を評価した。その評価結果を（表１）に示す。

（表１）に示したように、シャーシに取り付けない場合、あるいは（表１）に示した寸法形状のシャーシに取り付けた場合のいずれの条件においても中空構造を有した金属板３を用いることにより、放熱効果に優れた放熱基板を実現できることが分かった。これは、あまり大きなシャーシに取り付けることができない回路モジュールでは金属板３に中空構造を設け、金属板３の表面積を大きくすることによって、放熱性を高めているものと考えられる。

また、別の例の放熱基板の構成として、図３に示したように中空構造を形成する空洞６の断面形状を円状、楕円状などの曲面状とすることによっても、前記と同様の効果を発揮するとともに強度を高めることができる。さらに、他の例の放熱基板の構成として、図４に示したように空洞６の断面形状を三角形、六角形あるいは八角形などの多角形形状とすることによっても同様の効果を発揮することができるとともに、このような多角形からなる中空構造をとることによって軽量化と機械強度に優れた放熱基板を実現することができる。

また、空洞６を金属板の面方向に連通した構成とすることによって、横方向と厚み方向に連続した同一金属で形成した金属板３を実現でき、熱伝導性の低下を抑制することができる。さらに、空洞６を直線状に設けることによって、暖められた空気の流れが滞留することなく空気を置換することができる。

特にこの放熱基板を垂直方向に配置したとき、その放熱効果を最大限に発揮することができる放熱基板を実現できる。

そして、この空洞６を平行に複数設けることによって均一な放熱性を有する放熱基板を実現することができる。

以上説明してきたような空洞６を有する金属板３はどのような製造方法によって加工しても構わない。例えば、アルミニウムなどを用いるときには押し出し加工成形によって所定の形状を有する空洞６を形成した金属板３を作製することができる。また、パイプ状に加工された金属チューブを複数本並列に配置し、溶接あるいは金属ロウ材による接合などによって板状の金属板３として用いても良い。

また、空洞６の中に少なくとも一つのヒートパイプを設けることによって、さらに放熱性に優れた放熱基板を実現することができる。このヒートパイプは、管の内壁に毛細管構造を持たせた金属製のパイプであり、内部は真空で、少量の水もしくは代替フロンなどが封入されている。ヒートパイプの一部に熱が発生すると、内部の液体が蒸発して気化し、このとき潜熱（気化熱）として熱が取り込まれる。そして低温部へ高速に（ほぼ音速で）移動し、そこで冷やされてまた液体に戻り、熱を放出する（凝縮潜熱による熱放出）。この液体は毛細管構造を通って（もしくは重力によって）元の場所へ戻るので、連続的に効率よく熱を移動させることができるものである。

そして、最近では１０ワット程度の熱輸送ができる厚さ１ｍｍのマイクロヒートパイプが実用化されてきており、このような小型形状のヒートパイプを空洞６の厚みを１ｍｍとして加工した厚み２ｍｍのアルミニウムからなる金属板３を用い、この空洞６の内部へ少なくとも一本のヒートパイプを設けることによって、金属板３の放熱性を更に高めることができる。

特に、このヒートパイプは発熱素子を実装している直下の空洞６に配置することが特に好ましい。例えば、放熱基板が用いられる電源回路モジュールなどでは発熱する部品はパワー半導体部品であり、実際の電源回路ではこのパワー半導体部品を実装している領域がホットスポットとなり、この局所領域の温度をいかに効率よく低下させるかが重要である。従って、このパワー半導体部品からの発熱を効率よく熱拡散させることが放熱基板として重要な役割であり、このパワー半導体部品の直下の空洞６の内部に前記ヒートパイプを配置することによってホットスポットを大幅に緩和することができる。

次に、この放熱基板の製造方法について説明する。図５（ａ）及び図５（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５（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熱伝導混合物４ａと、アルミニウムを加工した空洞６を有する金属板３を準備する。

次に、これらを図５（ａ）に示すように重ね合わせて加熱加圧すると、図５（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４ａが充填されてほぼ面一な表面になると共に、熱伝導混合物４ａ中の熱硬化性樹脂が硬化してリジットな熱伝導樹脂４になる。そして、同時に熱伝導樹脂４と金属板３は接着されて、一体化した基板が得られる。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。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。そして、図２に示したような枠部９を最後にフレームカットすることができる。このフレームカットは、つながっている外部端子を分割するために行うものであり、例えば金型による切断やシャーリングによる切断といった方法が使用できる。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５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。

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５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６は、本発明の実施の形態２における回路モジュールの構成を示す分解斜視図である。図６において、放熱基板としては図１に示したものとほぼ同様のものを使用しており、電子部品８の外形面積よりやや大きいサイズの電子部品搭載用凹部７、接続端子５を曲げ加工して接続の端子部としている。

ここで、電子部品搭載用凹部７を形成するために、熱伝導樹脂４をシート状に加工し、所定の箇所を打ち抜いた後、放熱基板の上に積層して加熱硬化させている。これによって、半田レジストあるいは絶縁保護層としての役割と、放熱基板の放熱性をより高めるという利点を有している。

また、電子部品８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、電子部品搭載用凹部７の電子部品搭載用端子１０に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。

次に、本実施の形態２における回路モジュールの製造方法について説明する。

まず、例えば銅板などを準備し、図２に示すように所定の配線パターン形状になるように打ち抜きあるいはエッチングによって加工して枠部９付きのリードフレーム１を作製する。その後、図５（ｂ）に示すようにリードフレーム１と空洞６を有する金属板３を積層して熱伝導樹脂４を介して一体成形した後加熱硬化させる。その後、図５（ｂ）に示すように不要な枠部９を切断分離する。

次に、所定の電子部品８を所定の電子部品搭載用凹部７の電子部品搭載用端子１０に接続固定し、接続端子５を金属板３の周縁部で電子部品８側に所定角度、例えば９０度などに曲げ加工して接続端子５とし配線基板を完成するものである。

次に、接続端子５を製作する曲げ加工について説明する。本発明では図６に示すように、リードフレーム１と熱伝導樹脂４との一体化射出成形時などに金型に設けた凸状部により、絶縁及び絶縁耐圧に必要な沿面距離の距離と、接続端子５と熱伝導樹脂４との密着を防止する距離（例えば接続端子５の幅の０．５〜２倍など）からなる端子欠け部１１を設け、前記接続端子５を所定角度（例えば９０度）に曲げ加工して接続端子５を形成するようにしているため、接続端子５の付近に熱伝導樹脂４がなく、また、上面及び両側面が熱伝導樹脂４と密着していない構成としていることから接続端子５付近の熱伝導樹脂４のわれ、かけなどの発生がなく、曲げ加工の力も小さく、かつ、曲げ精度がよい回路モジュールを実現することができる。

また、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やワイヤ・ボンディングによる方法などが使用できる。

そして、このような回路モジュールをプリント基板あるいはシャーシに取り付けることになるが、通常、外部部材の基板との接触面は平面であることが多く、その場合においても、この回路モジュールは応力吸収性に優れることから、反りを抑制することができる。

また、本発明の作用を発揮せしめるために、リードフレーム１、熱伝導樹脂４及び金属板３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、さらに基板の反りの少ない回路モジュールを実現することができる。さらに、熱伝導樹脂４のクラック、熱伝導樹脂４とリードフレーム１もしくは金属板３との間の剥離の発生を防ぎ、信頼性の高い回路モジュールを作製することができる。

上記の選択を行うにあたって、金属板３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。

以上のように、本発明にかかる放熱基板及びこれを用いた回路モジュールは、放熱性に優れるとともに、温度変化に対して基板の反りの少ない放熱基板及びこれを用いた回路モジュールを実現できることから各種電子機器の電源用途に有用である。

本発明の実施の形態１における放熱基板の断面図 同分解斜視図 別の例の放熱基板の断面図 同他の例の放熱基板の断面図 （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分解斜視図

符号の説明

１ リードフレーム
２ 取付け孔
３ 金属板
４ 熱伝導樹脂
４ａ 熱伝導混合物
５ 接続端子
６ 空洞
７ 電子部品搭載用凹部
８ 電子部品
９ 枠部
１０ 電子部品搭載用端子
１１ 端子欠け部

Claims (11)

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、金属板と、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であって、前記金属板を中空構造からなる金属板とした放熱基板。
2. 中空構造を形成する空洞の断面形状を矩形状とした請求項１に記載の放熱基板。
3. 中空構造を形成する空洞の断面形状を曲面状とした請求項１に記載の放熱基板。
4. 中空構造を形成する空洞の断面形状を多角形状とした請求項１に記載の放熱基板。
5. 中空構造を形成する空洞を金属板の面方向に連通した空洞とした請求項１に記載の放熱基板。
6. 空洞を平行に複数設けた請求項５に記載の放熱基板。
7. 空洞を直線状に設けた請求項６に記載の放熱基板。
8. 熱伝導樹脂と接合する金属板の空洞の肉厚を０．３〜１．０ｍｍとした請求項１に記載の放熱基板。
9. 金属板を銅またはアルミニウムを主成分とした請求項１に記載の放熱基板。
10. 中空構造を形成する空洞に少なくとも一つのヒートパイプを設けた請求項１に記載の放熱基板。
11. 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、中空構造からなる金属板と、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、前記リードフレームの一部に実装した電子部品とからなる回路モジュール。

Images