JP2008262948A - 電子部品ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】金属板と基体との密着性を高め、放熱性を向上させることを目的とする。
【解決手段】この目的を達成するため本発明は、基体１０と、この基体１０上に取り付けられた金属板１１と、この金属板１１上に形成された絶縁層１２と、この絶縁層１２上方に配置された電子部品１４とを備え、金属板１１は、基体１０との対向面に凹部１６を有し、この凹部１６および基体１０の内部には、金属板１１と基体１０とを接合する結合部材１５が圧入されているものとした。これにより本発明は、所望の位置に結合部材１５を配置することができ、結果として、金属板１１と基体１０との密着性を高め、放熱性を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、基体に基板を取り付けた電子部品ユニットに関する。

図８に示すように、従来の電子部品ユニット１は、基体２と、この基体２上に取り付けられた金属板３と、この金属板３上に形成された絶縁層４と、この絶縁層４上に形成された導体パターン５と、この導体パターン５上に実装された電子部品６とを備えている。

このように金属板３を基体２に取り付けることで、電子部品６からの熱を、金属板３を介して基体２へ放出することができるのである。

そして従来、基体２と金属板３とはビス留めされており、ビス７は金属板３上面から突出するように貫通している。そしてこの突出した部分にナット８等をはめ、金属板３と基体２とを上下で挟み込むようにして接合しているのである。したがって、ビス留めは、ビス孔に絶縁層４用の樹脂が流れ込まないよう、絶縁層４の形成されていない部分で行う必要があり、さらに電子部品６とビス７との電気的絶縁距離を確保するため、金属板３の端部で行われるのが一般的であった。
特開平７−２９７５７２号公報

上記の従来の電子部品ユニット１では、金属板３と基体２との間に隙間ができ、放熱性が低下することがあった。

それは、ビス７は金属板３の端部など、絶縁層４の形成されていない限られた場所でしか用いることができなかったためである。

したがって、金属板３と基体２との間の密着性が低下し、結果として熱抵抗が増大し、放熱性が低下してしまうのであった。

また電子部品６が発熱すると、絶縁層４と金属板３との熱膨張率の差により、金属板３の中央部分が凸状に反ってしまうため、この問題は特に顕著となっていた。

そこで本発明は、金属板と基体との密着性を高め、放熱性を向上させることを目的とする。

この目的を達成するため本発明は、基体と、この基体上に取り付けられた金属板と、この金属板上に形成された絶縁層と、この絶縁層上方に配置された電子部品とを備え、金属板は、基体との対向面に凹部を有し、この凹部および基体の内部には、金属板と基体とを接合する結合部材が圧入されているものとした。

これにより本発明は、金属板と基体との密着性を高め、放熱性を向上させることができる。

それは、金属板の凹部および基体の内部に結合部材を圧入することにより、金属板と基体とを接合したためである。

すなわち本発明は、金属板および基体の内部で発生した抗力および摩擦力によって金属板と基体とを接合できるため、絶縁層や電子部品の下方など、所望の位置に結合部材を配置することができる。

そしてその結果、金属板と基体との密着性を高め、放熱性を向上させることができるのである。

（実施の形態１）
図１（ａ）（ｂ）に示すように、本実施の形態の電子部品ユニット９は、基体１０と、この基体１０上に接合された金属板１１と、この金属板１１上に形成された絶縁層１２と、この絶縁層１２上に表面が露出するように埋め込まれた導体パターン１３と、この導体パターン１３に実装された複数の電子部品１４とを備えている。そして図１（ｂ）に示すように金属板１１および基体１０の内部には、これらの金属板１１と基体１０とを接合する結合部材１５が複数個圧入されている。

なお、これらの結合部材１５は、金属板１１に形成された複数の凹部１６と、これらの凹部１６に対向するように基体１０に形成された孔１７に圧入されたものである。本実施の形態では、結合部材１５は角柱形のものを用い、凹部１６および孔１７は円柱形とし、角柱形の結合部材１５を凹部１６および孔１７に圧入することにより、凹部１６および孔１７の内壁が弾性変形し、結合部材１５の表面と面接触するように密着している。

また本実施の形態では、図２の金属板１１の下面図のように、金属板１１の四隅（端部）に圧入されている結合部材１５ａと、金属板１１の端部であって長辺の略中点近傍に圧入されている結合部材１５ｂと、その内側であり、金属板１１の略中心およびその近傍に圧入されている結合部材１５ｃとがあり、内側の結合部材１５ｃは絶縁層１２の下方に相当する部分に配置されている。なお、以下結合部材１５ａ〜１５ｃを特に区別しない場合は、結合部材１５と表記する。

また本実施の形態では、図１（ｂ）に示すように、端部の結合部材１５ｂ（図２の１５ａも含む）は内側の結合部材１５ｃよりも長く、基体１０を貫通し、この基体１０から外方へ突出している。

また本実施の形態では、結合部材１５の弾性率は、基体１０および金属板１１より大きく（硬く）、さらに結合部材１５の熱膨張率は基体１０および金属板１１より大きいものを用いた。

以下に本実施の形態における部材の材料等について説明する。

本実施の形態では、結合部材１５として、銅または鉄を、断面が１．５ｍｍ×１．５ｍｍの正方形、高さが０．５ｍｍ〜３．０ｍｍ程度の角柱形に加工した物を用いた。

基体１０は厚み０．５ｍｍ〜３．０ｍｍ程度のアルミ板を用いた。このアルミ板の代わりにアルミ等で出来たヒートシンクや箱体を用いてもよく、また基体１０とヒートシンクとを接着したものを用いてもよい。

また金属板１１としては０．５ｍｍ〜３．０ｍｍ程度のアルミ板または銅板などの熱伝導性に優れた金属板１１を用いた。

絶縁層１２としては、エポキシ樹脂あるいはフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂に、平均粒径１μｍ〜５０μｍのアルミナあるいは窒化アルミなどの無機フィラを７０重量％〜９５重量％程度含有させた熱伝導性の良い（熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以上）複合材料を用いた。

また本実施形態では、このフィラ入りエポキシ樹脂に予め熱可塑性樹脂粉末からなるプレゲル材を添加した。このプレゲル材は、未硬化の熱硬化性樹脂の液状成分を吸収して膨張し、素早くゲル化させるため、樹脂が硬化する前に金型から取り出すことが出来る。

なお、本実施の形態では、絶縁層１２の基材として熱硬化性樹脂を用いたが、液晶ポリマーやＰＰＳなどの高熱伝導性熱可塑性樹脂を用いてもよい。

また導体パターン１３としては、厚み０．１ｍｍ〜２．０ｍｍ程度の銅板を用いた。

以下に、本実施の形態の放熱基板７の製造工程を説明する。

まず、図３に示す金属板１１の下面に直径約２φの複数の凹部１６を形成し、これらの凹部１６に結合部材１５を圧入する。このとき、結合部材１５の端面と凹部１６の底面とがピッタリ密着するまで圧入する。このように圧力をかけても、本実施の形態では、凹部１６に結合部材１５を圧入するため、結合部材１５が金属板１１上面に突出することがなく、金属板１１内部で後述の基体との接合が可能となるのである。

また本実施の形態では、結合部材１５としては端部側には長いものを圧入し、内側には短いものを圧入した。

次に銅板に回路をパターニングし導体パターン１３を形成する。このパターニングは、プレス打ち抜きあるいはレーザなどで加工すればよい。

その後、導体パターン１３上であって、電子部品１４を実装する部分の反対面側に、無機フィラ入りの樹脂の塊を、中央が凸になるように丸型（あるいは蒲鉾型、台形、円柱、球状）にまとめて置く。

そしてこの無機フィラ入り樹脂を加熱プレス、あるいは真空加熱プレス等によってシート状となるように延伸し、絶縁層１２を形成する。その後この絶縁層１２上に金属板１１を乗せ、さらにプレスする。このとき、導体パターン１３の上面が絶縁層１２の上面で露出するように埋め込む。このように埋め込むと、導体パターン１３の側面および下面が熱伝導樹脂で被覆され、かつ金属板１１との距離が短くなって熱伝導性が向上する。

次にこの絶縁層１２を２００℃で１〜２分間加熱し、形状が維持できる程度に固まった後金型から取り外し、さらに２００℃の炉に８〜１０分程度入れ、本硬化させる。

なお、導体パターン１３には本実施形態のように回路をパターニングしているものだけでなく、単なる熱拡散用あるいは部品半田付け用の銅板も含むものとする。また絶縁層１２に埋め込まなくとも、熱伝導性の高い接着剤などで貼り付けてもよい。

その後、導体パターン１３上に電子部品１４を半田付けして実装する。回路パターンが不要な電子部品１４は導体パターン１３を介さず絶縁層１２上に実装してもよく、さらに絶縁体で被覆されている電子部品１４は、絶縁層１２を介さず、直接金属板１１上に実装してもよい。

その後、基体１０に直径約２φの孔１７を形成する。この孔１７は、金属板１１の凹部１６と対向する位置に設ける。そしてまず長い結合部材１５ｂ（図１（ｂ）の１５ａも含む）を端部の孔１７に圧入し、その後短い結合部材１５ｃを内側の孔１７に圧入し、金属板１１と基体１０とを接合させる。このように形成すると、図１（ａ）（ｂ）に示すような電子部品ユニット９となる。

なお、本実施の形態では、結合部材１５のみを用いて金属板１１を基体１０に取り付けたが、絶縁層の形成されていない端部はネジ留め等の他の取り付け機構と併用してもよい。

本実施の形態の効果を以下に説明する。

本実施の形態では、金属板１１と基体１０との密着性を高め、放熱性を向上させることができる。

それは、金属板１１および基体１０の内部に結合部材１５を圧入することにより、金属板１１と基体１０とを接合したためである。

すなわち図８に示すような従来の電子部品ユニット１では、金属板３と基体２とを、ビス７などによって上下に挟み込むようにして接合させていたため、ビス孔に絶縁層４用の樹脂が流れ込まないよう、金属板３の端部など、絶縁層４の形成されていない限られた場所しかビス留めすることができなかった。また電子部品６や導体パターン５との電気的絶縁距離を確保しようとすると、金属板３の端部でビス留めするのが一般的であった。

このように従来は任意の位置にビス留めすることができないため、隣接するビス７の間隔が長くなり、金属板３と基体２との間の密着性が低下し、結果として熱抵抗が増大し、放熱性が低下してしまうのであった。

それに対して本実施の形態では、図１(ｂ)に示すように、金属板１１および基体１０の内部に結合部材１５を圧入することにより、金属板１１と基体１０とを接合させている。つまり、金属板１１および基体１０の内部で発生した抗力および摩擦力によって金属板１１と基体１０とを接合させていることになる。

したがって、結合部材１５を金属板１１上面から突出させることなく、金属板１１および基体１０の内部で両者を接合することができる。また金属板１１形成したのは凹部１６であるから、絶縁層１２との接合面までは貫通しておらず、絶縁層１２用の樹脂が流れ込むこともない。よって、絶縁層１２や電子部品１４の下方など、所望の位置に結合部材１５を配置することができる。

そしてその結果、金属板１１と基体１０との密着性を高め、放熱性を向上させることができるのである。

なお、本実施の形態のように結合部材１５を圧入する場合、金属板１１および基体１０内部で発生する圧力によって両者を接合することができるため、金属板１１が１．０ｍｍ以下と薄い場合でも強固に接合することができる。

さらにビス留めの場合と比較し、結合部材１５と電子部品１５との絶縁距離を考慮しなくてよいため、小型化が可能になる。

また電子部品１４が発熱すると、絶縁層１２と金属板１１との熱膨張率の差により、金属板１１の中央部分、すなわち絶縁層１２の下方に相当する部分が凸状に反ってしまうことがあるが、本実施の形態のように、絶縁層１２の下方相当部分に結合部材１５ｃを圧入しておくことによって金属板１１の反りを低減することができ、結果として金属板１１と基体１０との密着性を高め、放熱性を向上させることができる。また本実施の形態のように、熱源である電子部品１４の下方に相当する部分に結合部材１５ｃを圧入することによって、熱源に近い部分の金属板１１と基体１０との隙間を低減することができ、より放熱性を向上させることができる。

また本実施の形態では、結合部材１５の弾性率は、基体１０および金属板１１よりも大きい（硬い）ものとし、結合部材１５の断面は正方形であり、金属板１１の凹部１６および基体１０の孔１７の断面は円形とした。またこの円の直径は、結合部材１５断面の正方形における対角線長さより２％から１０％ほど小さくしている。

したがって、結合部材１５を凹部１６および孔１７に圧入すると、これらの凹部１６および孔１７がわずかに弾性変形して結合部材１５により密着させることができ、放熱性を向上させることができる。

さらに本実施の形態における結合部材１５の熱膨張率は、基体１０および金属板１１よりも大きいため、電子部品１４の発熱時に金属板１１および基体１０が熱膨張しても、微小な結合部材１５が押しつぶされるのを抑制することができる。

また本実施の形態では、複数の結合部材１５のうち、端部に配置された結合部材１５ａ、１５ｂは、基体１０を貫通し、この基体１０から外方へとより大きく突出している。したがって、金属板１１の凹部１６に圧入した結合部材１５ａ〜１５ｃを基体１０の孔１７に圧入する時、端部の長い結合部材１５ａ、１５ｂを先に孔１７へ圧入することができ、複数の結合部材１５ａ〜１５ｃの位置決めを容易に行うことができる。

なお本実施の形態では、基体１０より先に金属板１１に結合部材１５を圧入したため、より熱源（電子部品１４）に近い方を密着・圧入しやすくなる。また本実施の形態では、導体パターン１３として０．１ｍｍ以上の厚さの銅板を用いたこと、および絶縁層１２を、無機フィラを高濃度に充填し、熱伝導率を１Ｗ／ｍ・Ｋ以上にまで向上させたことにより、電子部品１４から基体１０への熱伝導がよりスムーズになり、放熱性向上に寄与する。

（実施の形態２）
本実施の形態と実施の形態１との違いは、図４に示すようにパワー半導体素子あるいはトランスなど、発熱性の非常に高い発熱性電子部品１８を実装した点である。

そして本実施の形態では、発熱性電子部品１８下方に相当する部分と、金属板１１の内側とに圧入された結合部材１５ｃは、金属板１１の端部の結合部材１５ｂ（図２に示す四隅の結合部材１５ａも含む。以下本実施の形態において同じ。）や金属板１１よりも熱伝導率のよい銅（熱伝導率0.923 cal/cm²/sec/℃/cm）を用いて形成した。なお、本実施の形態では、端部の結合部材１５ｂは熱伝導率約0.145 cal/cm²/sec/℃/cmの鉄製であり、金属板１１は熱伝導率約0.487 cal/cm²/sec/℃/cmのアルミ製である。また金属板１１の端部には内側の結合部材１５ｃ（銅の弾性率約1300×10³/cm²）よりも弾性率の大きい（硬い）鉄（弾性率約2100×10³/cm²）からなる結合部材１５ｂを圧入した。

また本実施の形態では、導体パターン１３は回路が形成されていない単なる銅板であり、この銅板は絶縁層１２上に熱伝導性接着剤などで貼り付けられている。また電子部品１４および発熱性電子部品１８はこれらの導体パターン１３上に実装されている。

本実施の形態における効果を以下に説明する。

本実施の形態では、金属板１１より熱伝導率の大きい銅からなる結合部材１５ｃを発熱性電子部品１８の下方に圧入したため、この結合部材１５ｃが発熱性電子部品１８下方における金属板１１と基体１０との隙間を低減できるとともに、結合部材１５ｃ自体がヒートパイプの機能も果たし、放熱性を向上させることができる。

また本実施の形態では、端部の結合部材１５ｂは内側の結合部材１５ｃよりも弾性率が大きい（硬い）ため、金属板１１端部における基体１０との接合がより強固となり、接合の機械的強度を向上させることができる。

そして端部の接合強度を向上させておけば、内側の結合部材１５ｃは、機械的強度より熱伝導性を優先して材料を選定することができ、結合部材１５ａ〜１５ｃを用いて接合強度向上と熱伝導性向上との両立を図ることができる。

また銅は比較的高価な材料であるが、限られた場所にのみ銅製の結合部材１５ｃを用いればよいため、製品のコストダウンにつながる。

なお、本実施の形態では、実施の形態１と同様に、予め結合部材１５を金属板１１に圧入してから、最後に基体１０の孔１７に圧入したが、図５に示すように、基体１０に予め結合部材１５を圧入し、最後に金属板１１の凹部１６に圧入してもよい。

また端部に配置した位置決め用の結合部材１５ｂは、先端を細くしておけば、孔１７や凹部１６に圧入しやすくなる。

その他の構成、効果は実施の形態１と同様であるため説明を省略する。

（実施の形態３）
本実施の形態と実施の形態１との違いは、図６に示すように、結合部材１５の側面に突起１９を設けた点である。この突起１９によって凹部１６や孔１７内壁における摩擦力が大きくなり、金属板１１と基体１０との接合強度を向上させることが出来る。

なお本実施の形態では、実施の形態１と同様に、加工の容易性から金属板１１の凹部１６および基体１０の孔１７は円柱形とし、接合強度向上のため結合部材１５は角柱形としたが、凹部１６および孔１７から摩擦力および抗力を受け、結合部材１５と凹部１６及び孔１７内壁とが面接触するならば、結合部材１５は円柱形でもよい。またこの場合は、凹部１６および孔１７を角柱形としておけば、金属板１１および基体１０との接合をより強固に行うことができる。

その他の構成、効果は実施の形態１と同様であるため説明を省略する。

なお、上記実施の形態では、基体１０には孔１７を形成し、結合部材１５を圧入させたが、図７に示すように、基体１０に凹部２０を設け、この凹部２０に結合部材１５を圧入してもよい。

以上のように本発明は、反りやすい金属板も基体に密着させて取り付けることができ、放熱性を向上させることができるため、高性能化にともない発熱量が増大する電子部品ユニットに大いに利用することができる。

（ａ）本発明の一実施の形態における電子部品ユニットの上面図、（ｂ）同電子部品ユニットの断面図（図１（ａ）におけるＸＸ断面） 本発明の一実施の形態における金属板の下面図 本発明の一実施の形態における製造工程を示す電子部品ユニットの断面図 本発明の一実施の形態における電子部品ユニットの断面図 本発明の一実施の形態における製造工程を示す電子部品ユニットの断面図 本発明の一実施の形態における電子部品ユニットの断面図 本発明の一実施の形態における電子部品ユニットの断面図 従来の電子部品ユニットの断面図

符号の説明

９ 電子部品ユニット
１０ 基体
１１ 金属板
１２ 絶縁層
１３ 導体パターン
１４ 電子部品
１５ 結合部材
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ 結合部材
１６ 凹部
１７ 孔
１８ 発熱性電子部品
１９ 突起
２０ 凹部

Claims (10)

1. 基体と、
   この基体上に取り付けられた金属板と、
   この金属板上に形成された絶縁層と、
   この絶縁層上方に配置された電子部品とを備え、
   前記金属板は、
   前記基体との対向面に凹部を有し、
   この凹部および前記基体の内部には、
   前記金属板と前記基体とを接合する結合部材が圧入されている電子部品ユニット。
2. 前記凹部は、
   前記絶縁層の下方に相当する部分に形成され、
   前記凹部および前記基体の内部には、
   前記結合部材が圧入されている請求項１に記載の電子部品ユニット。
3. 前記凹部は、
   前記電子部品の下方に相当する部分に形成され、
   前記凹部および前記基体の内部には、
   前記結合部材が圧入されている請求項１または２に記載の電子部品ユニット。
4. 前記結合部材は、
   前記基体および前記金属板よりも弾性率の大きいものとした請求項１から３の何れか一つに記載の電子部品ユニット。
5. 前記結合部材は、
   前記基体および前記金属板よりも熱膨張率が大きいものとした請求項１から４の何れか一つに記載の電子部品ユニット。
6. 前記金属板および前記基体の内部には、
   複数の結合部材が圧入され、
   端部に配置された結合部材の少なくとも何れか一つは、
   前記基体を貫通し、
   この基体から外方へ突出している請求項１から５の何れか一つに記載の電子部品ユニット。
7. 前記金属板および前記基体の内部には、
   複数の結合部材が圧入され、
   端部に配置された結合部材は、
   内側に配置された結合部材よりも弾性率が大きいものとした請求項１から６の何れか一つに記載の電子部品ユニット。
8. 前記金属板および前記基体の内部には、
   複数の結合部材が圧入され、
   内側に配置された結合部材は、
   端部に配置された結合部材よりも熱伝導率が大きいものとした請求項１から７の何れか一つに記載の電子部品ユニット。
9. 前記電子部品は一個または複数個実装されるとともに、
   これらの電子部品のうち少なくとも何れか一つは発熱性電子部品であり、
   この発熱性電子部品の下方に相当する部分であって、
   前記金属板および基体の内部には、
   前記金属板よりも熱伝導率の大きい前記結合部材が圧入された請求項１から８の何れか一つに記載の電子部品ユニット。
10. 前記結合部材の側面には、
    突起部が形成されている請求項１から９の何れか一つに記載の電子部品ユニット。

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