JP2008244137A

JP2008244137A - 回路モジュールの製造方法

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Publication number: JP2008244137A
Application number: JP2007082449A
Authority: JP
Inventors: Tomoo Nishino; 智雄西野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2007-03-27
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2008-10-09

Abstract

【課題】回路基板を放熱部材に貼り付けることによる反りを小さくした回路モジュールの製造方法を提供する。
【解決手段】回路基板１が貼り付けられる回路基板搭載部２ａおよび回路基板搭載部２ａの２倍以上の厚みで回路基板搭載部２ａの外周側に沿って設けられた補強部２ｂを有する放熱部材２を準備する工程１と、回路基板搭載部２ａの上面に回路基板１をロウ材３を介して載置する工程２と、ロウ材３を加熱して溶融させた後に冷却して固化させ、回路基板１を放熱部材２の回路基板搭載部２ａにロウ材３で貼り付ける工程３と、放熱部材２の補強部２ｂを回路基板搭載部２ａから分離する工程４とを含む回路モジュール10の製造方法である。放熱部材２側が凹むように反らせようとする応力と、回路基板搭載部２ａの外周側に沿った方向に回路基板１側が凹むように反らせようとする応力とが相殺するので、回路モジュール10の反りを小さくすることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、回路基板に放熱部材を取り付けた回路モジュールの製造方法に関するものである。

従来より、回路基板に放熱部材が取り付けられた回路モジュールが、車載装置等の高い信頼性が求められる装置に用いられている。

図５は従来の回路モジュールの一例を示す断面図である。図５に示す従来の回路モジュール40は、上面を部品実装面とする回路基板41が、放熱部材42の上面にロウ材43で貼り付けられたものである（例えば、特許文献１を参照。）。回路基板41の材料としては、例えば、窒化珪素基板やアルミナ基板等の、信頼性が高く放熱性が高いセラミック基板が用いられる。放熱部材42の材料としては、例えば、銅製ヒートシンク板やアルミニウム製ヒートシンク板等の、セラミック基板よりもさらに熱伝導率が高い金属板が用いられる。ロウ材43としてはハンダが用いられる。

図５に示すような従来の回路モジュール40の製造方法の一例として、例えば、以下の工程１〜３を含むものが知られている。先ず、上面を部品実装面とする回路基板41を準備するとともに、この回路基板41の下面が貼り付けられる放熱部材42を準備する（工程１）。次に、放熱部材42の上面に回路基板41をロウ材43を介して載置する（工程２）。次に、ロウ材43を加熱して溶融させ、しかる後に冷却して固化させ、回路基板41の下面を放熱部材42の上面にロウ材43で貼り付ける（工程３）。
特開平２−30374号公報

しかしながら、前述の従来の回路モジュールの製造方法であれば、ロウ材43を冷却して固化させたときに、回路基板41と比較して収縮量の大きな放熱部材42によって、一体化した回路基板41および放熱部材42を放熱部材42側が凹むように反らせようとする応力が発生し、回路モジュール40の反りが大きくなるという問題点があった。

また、前述の従来の回路モジュール40においては、例えば、窒化珪素基板を用いたときの回路基板41の熱膨張係数が３ｐｐｍ／℃であるのに対し、銅製ヒートシンク板を用いたときの放熱部材42の熱膨張係数は17ｐｐｍ／℃であり、放熱部材42の熱膨張量がはるかに大きいので、回路モジュール40の反りを小さくすることは困難である。また、放熱部材42として用いる熱伝導率が高い材料には、熱膨張係数が大きい金属材料を用いることが多く、回路モジュール40の反りを小さくするような材料の最適化を図ることも困難であった。

回路モジュール40がこのような大きな反りを有している場合は、例えば、この回路モジュール40の下面を、接着剤を用いてさらに別の支持部材に貼り付けるときに、回路モジュール40の下面と支持部材との間に大きな隙間ができてしまうので、良好な接着ができないという問題点がある。

本発明は以上のような従来の電子部品の実装構造における問題点に鑑み案出されたものであり、その目的は、反りを小さくした回路モジュールの製造方法を提供することにある。

本発明の回路モジュールの製造方法は、上面を部品実装面とする回路基板を準備するとともに、該回路基板の下面が貼り付けられる回路基板搭載部および該回路基板搭載部の２倍以上の厚みで前記回路基板搭載部の外周側に沿って設けられた補強部を有する放熱部材を準備する工程１と、前記放熱部材の前記回路基板搭載部の上面に前記回路基板をロウ材を介して載置する工程２と、前記ロウ材を加熱して溶融させ、しかる後に冷却して固化させ、前記回路基板の下面を前記放熱部材の前記回路基板搭載部の上面に前記ロウ材で貼り付ける工程３と、前記放熱部材の前記補強部を前記回路基板搭載部から分離する工程４とを含むものである。

また、本発明の回路モジュールの製造方法は、上記構成における前記工程１において、長方形状の前記回路基板を準備するとともに、前記補強部が長方形状の前記回路基板搭載部の長手側の両方の辺に沿って設けられた前記放熱部材を準備することを特徴とするものである。

また、本発明の回路モジュールの製造方法は、上記構成における前記工程１において、前記補強部が前記回路基板搭載部の外周を囲むように設けられた前記放熱部材を準備することを特徴とするものである。

本発明の回路モジュールの製造方法によれば、回路基板の下面に貼り付ける放熱部材に、回路基板の下面が貼り付けられる回路基板搭載部に加え、回路基板搭載部の２倍以上の厚みで回路基板搭載部の外周側に沿って設けられた補強部を有していることから、ロウ材を冷却して固化させたときに、放熱部材の収縮量が回路基板と比較して大きいことによって一体化した回路基板および放熱部材を放熱部材側が凹むように反らせようとする応力が発生するが、これに対して、回路基板搭載部の外周側に沿った方向については補強部によって回路基板側が凹むように反らせようとする応力が発生し、この２つの応力が互いに相殺するように働くので、一体化した回路基板および放熱部材の反りを小さくすることが可能になり、この補強部を回路基板搭載部から分離することにより、上方から見た面積を回路基板の面積にほぼ等しくして大型化を防ぎつつ反りを小さくした回路モジュールを製造することができる。

また本発明の回路モジュールの製造方法によれば、工程１において、長方形状の回路基板を準備するとともに、補強部が長方形状の回路基板搭載部の長手側の両方の辺に沿って設けられた放熱部材を準備するときには、補強部による回路基板側が凹むように反らせようとする応力が、放熱部材側が凹むような反りが大きくなりやすい長手側の両方の辺に沿った方向の全域に発生するので、回路モジュールの反りを効率的に小さくすることができる。

また本発明の回路モジュールの製造方法によれば、工程１において、補強部が回路基板搭載部の外周を囲むように設けられた放熱部材を準備するときには、補強部による回路基板側が凹むように反らせようとする応力が接合面に平行な無数の方向に発生するので、回路モジュールの反りを全体的に小さくすることができる。

以下に、本発明の回路モジュールの製造方法について添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は本発明の回路モジュールの製造方法で作製した回路モジュールの実施の形態の一例を示す外観斜視図であり、図２は図１のＡ−Ａ’線断面図である。これらの図に示す回路モジュール10は、基本的な構成として、上面を部品実装面とする回路基板１が、放熱部材２の上面にロウ材３で貼り付けられた構成となっている。

回路基板１は、例えば、複数の絶縁体層を積層して成り、絶縁体層間に配線導体（図示せず）が形成された長方形状の多層回路基板である。回路基板１を多層回路基板としたとき、絶縁体層の材料としては、窒化珪素，アルミナ，ムライト，ガラスセラミックス等のセラミックス材料が用いられる。配線導体の材料としては、絶縁体層の材料がアルミナである場合にはタングステンもしくはモリブデン等の融点の高い金属材料を主成分とする導体材料が用いられ、絶縁体層の材料がガラスセラミックスである場合には銀もしくは銅等の融点の低い金属材料を主成分とする導体材料が用いられる。

この回路基板１には複数の電子部品４，５が搭載され、回路基板１の配線導体と所定の機能を有する電気回路を構成する。

電子部品４は、例えば、シリコン半導体基板の表面に増幅回路等の半導体回路配線が形成されている電子部品素子が封止用基板上に搭載され、保護樹脂に覆われた構成の部品であり、増幅回路が動作することにより比較的大きな熱を発生するものである。この電子部品４で発生した熱は、一時的には回路基板１に伝わることになる。電子部品５は、例えば、チタン酸バリウムを主成分とする複数の誘電体層を積層してなるチップコンデンサ等のチップ電子部品である。

放熱部材２は、例えば、回路基板１の主面の形状に合わせて切り出されたヒートシンク板である。材料としては、銅，アルミニウム等の熱伝導率が高く軽量な金属が用いられる。

回路基板１を放熱部材２の上面に貼り付けるロウ材３は、材料としては、例えばハンダが用いられ、回路基板１と放熱部材２とを高い接合力で接合する役目に加え、電子部品４から回路基板１に伝えられた熱を放熱部材２に伝える役目を有している。

本発明の回路モジュール10は、回路基板１の材料として窒化珪素を用いたときには、その熱伝導率は70Ｗ／ｍ・Ｋと高くすることができ、放熱部材２の材料として銅を用いたときには、その熱伝導率は回路基板１よりも高い393Ｗ／ｍ・Ｋとすることができる。回路基板１よりも放熱部材２の方が熱伝導率が高いので、回路基板１の温度上昇を効率よく抑えることができる。

このように、本発明の回路モジュール10は、電子部品４で発生した熱が、回路基板１を経由して放熱部材２に伝わるような構成となっており、電子部品４の温度上昇を少なくして電子部品４にかかる負荷を少なくすることができるので、高い信頼性が求められている車載装置などに好適に用いられる。

本発明の回路モジュール10は、以下に示す製造方法によって作製される。図３（ａ），（ｂ）および（ｃ）は本発明の回路モジュールの製造方法を説明するための工程毎の斜視図である。

（工程１）
先ず、図３（ａ）に示すような回路基板１と放熱部材２とを準備する。

回路基板１は、上面を部品実装面としており、下面を放熱部材２に貼り付ける面としている。回路基板１の上面には電子部品４，５を搭載するための導体パターン（図示せず）を形成しており、下面にはハンダと接合するための導体パターン（図示せず）を形成している。

本発明の回路モジュール10の製造方法に用いる回路基板１は、例えば、長方形状の窒化珪素基板である。回路基板１として用いる窒化珪素基板は、窒化珪素のセラミックグリーンシートを作製しておいて、所定の寸法に切断して焼成することにより作製することができる。上面および下面の導体パターンは、銅箔をそれぞれの面に貼り付けておいて、余分な領域をエッチングによって除去することにより所定のパターンに形成することができる。

本発明の回路モジュール10の製造方法において、放熱部材２は、回路基板搭載部２ａおよび補強部２ｂを有したものである。回路基板搭載部２ａは、上面に、回路基板１の下面が貼り付けられる板状の部分であり、回路基板１の外周よりも若干大きくなるように形成する。補強部２ｂは、回路基板搭載部２ａの２倍以上の厚みで回路基板搭載部２ａの外周側に沿って設ける。このような本例の回路モジュール10の製造方法に用いる放熱部材２は、軽量で熱伝導率の高い銅部材であり、鋳物として作製する。

なお、放熱部材２の放熱性を高めるなどの理由により、回路基板搭載部２ａの下側に凹凸を大きく設ける場合には、凹みの部分を、本例の回路モジュール10の製造方法における回路基板搭載部２ａの厚みとする。

また、補強部２ｂは、具体的には、回路基板搭載部２ａの上面から補強部２ｂの上部までの高さが、回路基板搭載部２ａの厚み以上となるように設定することにより、回路基板搭載部２ａの２倍以上の厚みにする。

（工程２）
次に、図３（ｂ）に示すように、回路基板１を、放熱部材２の回路基板搭載部２ａの上面にロウ材３を介して載置する。本例の回路モジュール10の製造方法においては、ロウ材３として、ハンダを用いることとし、ハンダを粉末状にしたものを溶剤およびフラックスと混合してハンダペーストにしておき、このハンダペーストをスクリーン印刷することにより回路基板搭載部２ａの上面のほぼ全面に同じ厚みで塗布する。また、本例の回路モジュール10の製造方法においては、この工程２の前後のどちらでも構わないが、前述のロウ材３のハンダと同じハンダを介して回路基板１の上面に電子部品４，５を載置しておく。

電子部品４としては、増幅回路等の半導体回路配線が形成されている電子部品素子を封止用基板上に搭載し、さらに、電子部品素子を覆うように保護樹脂を形成することにより作製した、動作時に発熱する半導体部品を用いる。電子部品５としては、チタン酸バリウムを主成分とするセラミック粉末をスラリー状にしてから、セラミックグリーンシートを形成し、この複数のセラミックグリーンシートを積層して焼成することにより作製したチップコンデンサを用いる。

（工程３）
次に、ロウ材３を加熱して溶融させ、しかる後に冷却して固化させることにより、回路基板１の下面を放熱部材２の回路基板搭載部２ａの上面にロウ材３で貼り付ける。

本発明の回路モジュール10の製造方法によれば、回路基板１を貼り付ける放熱部材２に、回路基板１の下面が貼り付けられる回路基板搭載部２ａに加え、回路基板搭載部２ａの２倍以上の厚みで回路基板搭載部２ａの外周側に沿って設けられた補強部２ｂを有していることから、ロウ材３を冷却して固化させたときに、放熱部材２の収縮量が回路基板１と比較して大きいことによって一体化した回路基板１および放熱部材２を放熱部材２側が凹むように反らせようとする応力が発生するが、これに対して、回路基板搭載部２ａの外周側に沿った方向については補強部２ｂによって回路基板１側が凹むように反らせようとする応力が発生し、この２つの応力が互いに相殺するように働くので、一体化した回路基板１および放熱部材２の反りを小さくすることが可能になる。

補強部２ｂの回路基板搭載部２ａの外周側に沿った方向に垂直な長さは、回路基板搭載部２ａの厚み以上にしておくことが好ましい。

本発明の回路モジュール10の製造方法によれば、図３（ａ）に示すように、工程１において、長方形状の回路基板１を準備するとともに、補強部２ｂが長方形状の回路基板搭載部２ａの長手側の両方の辺に沿って設けられた放熱部材２を準備するときには、補強部２ｂによる回路基板１側が凹むように反らせようとする応力が放熱部材２側が凹むような反りが大きくなりやすい長手側の両方の辺に沿った方向の全域に発生するので、回路モジュール10の反りを効率的に小さくすることができる。

また、回路基板搭載部２ａは、回路モジュール10としてはこの部分に回路基板１の熱が伝わることになるのでその厚みは厚いほど放熱の効果が得られるというものであるが、一方では、回路基板搭載部２ａを厚くした分だけ補強部２ｂについても厚みを厚くする必要が出てくる。このようなことから、本発明の回路モジュール10の製造方法において、回路基板搭載部２ａの厚みは、回路基板１の厚みの２〜５倍であることが好ましい。

（工程４）
そして、図３（ｃ）に示すように、放熱部材２の補強部２ｂを、グラインダーやダイシングソー等を用いて、回路基板１の外側であって回路基板１に近い位置で放熱部材２を切断し、回路基板搭載部２ａから分離することにより、上方から見た面積を回路基板１の面積にほぼ等しくして大型化を防ぎつつ反りを小さくした回路モジュール10を作製することができる。

なお、回路モジュール10としては、放熱部材２に切断面が残るようになる。工程４において、ワイヤーソー等を用いることにより、切断面の凹凸が大きくなるように切断した場合には、放熱部材２の放熱効果を高くすることができる。

かくして、本発明の回路モジュールの製造方法を用いて作製した回路モジュール10は、反りを小さくすることができることから、より放熱性を高めるため、別に準備した支持部材に接着剤を用いて貼り付けてさらに信頼性を高くすることが可能であり、車載装置などに特に好適に用いられる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更や改良等が可能である。

例えば、前述の本発明の回路モジュールの製造方法においては、回路基板１としてセラミック基板を用いているが、これ以外に、例えば樹脂基板を用いても構わない。回路基板１として樹脂基板を用いたときには、放熱部材２を切断する際に回路基板１を同時に切断することも容易であり、このような方法を用いたときには、放熱部材２の側面が回路基板１の側面と同一面となって放熱部材２に余分な部分が残らなくなるので、回路基板１と同じ面積の小型の回路モジュール10とすることができる。

また前述の本発明の回路モジュールの製造方法によれば、工程１において、放熱部材２は、補強部２ｂを回路基板搭載部２ａの２倍以上の厚みで回路基板搭載部２ａの外周側に沿って設けたものとしているが、このような形状に限定するものではない。図４は、本発明の回路モジュールの製造方法における放熱部材２の他の例を示す外観斜視図である。図４に示すように、工程１において、補強部２ｂが回路基板搭載部２ａの外周を囲むように設けられた放熱部材２を準備するときには、補強部２ｂによる回路基板１側が凹むように反らせようとする応力が接合面に平行な無数の方向に発生するので、回路モジュール10の反りを全体的に小さくすることができる。

以下のようにして、本発明の回路モジュール10のサンプルを作製して反りの量を評価した。

回路基板１は、外形寸法が縦100ｍｍ×横80ｍｍ×厚み１ｍｍの長方形状の窒化珪素基板とした。回路基板１の上面および下面の導体パターンには銅を用いた。放熱部材２は、材料として銅を用いて、上方から見た外形寸法を縦100ｍｍ×横105ｍｍに形成し、回路基板搭載部２ａの厚みを３ｍｍとした。

また放熱部材２については、長方形状の回路基板搭載部２ａの長手側の両方の辺に沿って、回路基板搭載部２ａの厚みに対してそれぞれ１倍，1.5倍，２倍，３倍となる厚みの補強部２ｂを設けた４種類の放熱部材２を準備した。具体的には、これら４種類の放熱部材２は、回路基板搭載部２ａの上面から補強部２ｂの上部までの高さが、それぞれ０ｍｍ，１ｍｍ，２ｍｍ，３ｍｍとなるように設定したものである。

次に、放熱部材２の回路基板搭載部２ａの上面に、ロウ材３として錫96％−銀３％−銅0.5％のハンダペーストをスクリーン印刷により均一に塗布し、このハンダペーストを介して回路基板１を載置した。しかる後に、この回路基板１の上面にも所定のパターンにハンダペーストを塗布して、発熱する電子部品４としての半導体部品、およびその他の電子部品５としてのチップコンデンサを載置した。

次に、これらを、ピーク温度を210〜230℃に設定したリフロー炉に入れ、ロウ材３を加熱して溶融させ、しかる後に冷却して固化させることにより、回路基板１の下面を放熱部材２の回路基板搭載部２ａの上面にロウ材３で貼り付けた。

そして、放熱部材２の補強部２ｂを、ダイシングソーを用いて回路基板１の外側であって回路基板１に近い位置で切断して回路基板搭載部２ａから分離することにより、回路モジュール10のサンプルを作製した。

作製した４種類の回路モジュール10のサンプルについて反りの量を測定した。放熱部材２の補強部２ｂの厚みを回路基板搭載部２ａの厚みに対して同じにしたサンプル、および1.5倍にしたサンプルは、反りの量がそれぞれ0.8ｍｍおよび0.3ｍｍであり、回路モジュール10の反りを十分に小さくすることはできなかった。一方、放熱部材２の補強部２ｂの厚みを回路基板搭載部２ａの厚みに対して２倍にしたサンプル、および３倍にしたサンプルは、反りの量がそれぞれ0.09ｍｍおよび0.08ｍｍであり、回路モジュール10の反りを十分に小さくすることができた。

すなわち、本発明の回路モジュールの製造方法によれば、回路基板１を貼り付ける放熱部材２に、回路基板１の下面が貼り付けられる回路基板搭載部２ａに加え、回路基板搭載部２ａの２倍以上の厚みで回路基板搭載部２ａの外周側に沿って設けられた補強部２ｂを有しているものを用いることから、ロウ材３を冷却して固化させたときに、一体化した回路基板１および放熱部材２を放熱部材２側が凹むように反らせようとする応力に対して、回路基板搭載部２ａの外周側に沿った方向に補強部２ｂによって回路基板１側が凹むように反らせようとする応力が発生し、この２つの応力が互いに相殺するように働くので、回路モジュール10の反りを小さくできることが確認できた。

本発明の回路モジュールの製造方法で作製した回路モジュールの実施の形態の一例を示す外観斜視図である。図１のＡ−Ａ’線断面図である。（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ本発明の回路モジュールの製造方法を説明するための工程毎の斜視図である。本発明の回路モジュールの製造方法における放熱部材の他の例を示す外観斜視図である。従来の回路モジュールの例を示す断面図である。

符号の説明

１・・・回路基板
２・・・放熱部材
２ａ・・・回路基板搭載部
２ｂ・・・補強部
３・・・ロウ材
４，５・・・電子部品
10・・・回路モジュール

Claims

上面を部品実装面とする回路基板を準備するとともに、該回路基板の下面が貼り付けられる回路基板搭載部および該回路基板搭載部の２倍以上の厚みで前記回路基板搭載部の外周側に沿って設けられた補強部を有する放熱部材を準備する工程１と、
前記放熱部材の前記回路基板搭載部の上面に前記回路基板をロウ材を介して載置する工程２と、
前記ロウ材を加熱して溶融させ、しかる後に冷却して固化させ、前記回路基板の下面を前記放熱部材の前記回路基板搭載部の上面に前記ロウ材で貼り付ける工程３と、
前記放熱部材の前記補強部を前記回路基板搭載部から分離する工程４と
を含む回路モジュールの製造方法。
前記工程１において、長方形状の前記回路基板を準備するとともに、前記補強部が長方形状の前記回路基板搭載部の長手側の両方の辺に沿って設けられた前記放熱部材を準備することを特徴とする請求項１に記載の回路モジュールの製造方法。
前記工程１において、前記補強部が前記回路基板搭載部の外周を囲むように設けられた前記放熱部材を準備することを特徴とする請求項１に記載の回路モジュールの製造方法。