JP2009141100A - 放熱基板とこらの製造方法及びこの放熱基板を用いた回路モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】従来の絶縁基板では、高さの異なる異形部品等は、ヒートシンクの上に実装した状態で、平坦な厚肉回路導体や段差付き厚肉回路導体に個別に実装していたため、小型化や高放熱化が難しかった。
【解決手段】パワー半導体やトランス等の表面実装の難しい異形部品２１の実装に対応するように、その一部にリードフレーム１３を折り曲げて強度を高めた異形部品実装部１６を有する放熱基板１１を提供することで、異形部品実装部１６の実装性を高めると共に、異形部品２１に発生した熱を、リードフレーム１３や伝熱層１４、金属板１５等に放熱することができ、大電流と高放熱化に対応できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイルドハイブリッドカーを始めとするハイブリッドカーや産業用の機器に使われる、大電流を取り扱うＤＣＤＣコンバータ等の製造に用いられる異形部品実装部を有する放熱基板とこらの製造方法及びこの放熱基板を用いた回路モジュールに関するものである。

近年、ブレーキ時の回生電力等を電気二重層キャパシタ等に蓄積することで、低消費電力化を実現するハイブリッドカーや各種産業用の機器が注目されている。

こうした機器においては、１００Ａを超える大電流を高精度に制御するＤＣＤＣコンバータ（ここでＤＣＤＣとは、ＤＣ入力をＤＣ出力にするコンバータの意味である）が使われている。

こうしたＤＣＤＣコンバータは、大電流を取り扱うパワー半導体や、これらを高精度に制御する一般半導体等を組み合わせて構成されている。そのため表面実装（ＳＭＤ実装とも呼ばれる）に対応した一般電子部品だけではなくて、表面実装に対応できない大型の電子部品（リード線や放熱板付きのパワー半導体、大電流に対応するための高肉厚のコイル配線を有するコイル部品や大型の電気二重層キャパシタ等であって、配線やリード線等が肉厚で所定形状に曲げにくいもの等も含む。以下、異形部品と呼ぶ。）も実装する必要がある。

特許文献１では、このような異形部品の実装に対応するために、その一部に孔を形成した大電流回路基板が提案されている。次に図６を用いて説明する。

図６は、異形部品の実装に対応する従来の大電流回路基板を説明する断面図である。図６において、絶縁基板１の表面には、平坦な厚肉回路導体２、段差付き厚肉回路導体３を形成している。そして高さの異なる異形部品４ａ、４ｂに応じて、孔５等を介してヒートシンク６に固定した異形部品４ａ、４ｂの高さ等に応じて、平坦な厚肉回路導体２や段差付き厚肉回路導体３にネジ７等を用いて接続する。

図６において、矢印８は、異形部品４ａ、４ｂに発生した熱の拡散方向を示している。図６に示すように、発熱を伴う異形部品４ａ、４ｂを、ヒートシンク６に固定することで、異形部品４ａ、４ｂに発生した熱を、ヒートシンク６に伝える。
特許第２７８６３４３号公報

しかし図６で示した従来の異型部品の実装に対応する大電流基板では、放熱方向が一つに限られていたため、その発熱量の大きな異形部品には対応できなかった。

そこで本発明は、上記課題を解決するために、金属板と、その上にシート状の伝熱層を介して固定したリードフレームとからなる放熱基板であって、前記リードフレームの一部を複数側面で支えるように折り曲げて異形部品実装部を構成している放熱基板とするものである。

以上のように本発明によれば、異形部品（例えば、ＳＭＤ実装が難しい、リード付き部品や電気二重層キャパシタ、チョークコイル等）を、その異形部品実装部に実装できるため、異形部品の実装性に優れた放熱基板を提供する。

また異形部品実装面を、リードフレームを折り曲げ、複数面で支えるようにすることで異形部品実装部の高強度化と低抵抗化や高放熱化を実現する。

なお本発明の実施の形態に示された一部の製造工程は、成形金型等を用いて行われる。但し説明するために必要な場合以外は、成形金型は図示していない。また図面は模式図であり、各位置関係を寸法的に正しく示したものではない。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１として放熱基板の構造について、図面を参照しながら説明する。

図１は、放熱基板の一部に形成した異形部品実装部を説明する斜視図である。図１において、１１は放熱基板、１２は点線、１３はリードフレーム、１４は伝熱層、１５は金属板、１６は異形部品実装部、１７は孔、１８はネジ、１９は矢印である。

図１において、放熱基板１１は、金属板１５（金属板１５には、熱伝導性の優れた銅やアルミニウムを用いることが望ましい）と、その上にシート状の伝熱層１４を介して固定したリードフレーム１３から構成している。なお図１において、リードフレーム１３は、その一部以上をシート状の伝熱層１４に埋め込んでいるが、これはリードフレーム１３と伝熱層１４の接着力を高める（更には、リードフレーム１３から伝熱層１４への熱伝導性も高める）ためである。

図１において、リードフレーム１３の一部は、伝熱層１４や金属板１５から剥がすように（あるいは略垂直に立ち上がるように）折り曲げ、異形部品実装部１６を構成する。なお折り曲げるとは、例えば一方向に延びた直線状のリードフレーム１３の端部において、例えば略垂直になるように１回折り曲げた後、更に１回折り曲げるものであり、例えば図１〜図５に示すものである。

なお図１において、点線１２は、放熱基板１１の一部を省略している旨を示すものであり、放熱基板１１に実装した表面実装部品（ＳＭＤ部品）や、リードフレーム１３からなる配線等は図示していない。

また異形部品実装部１６は、リードフレーム１３の一部を、略垂直に折り曲げて構成したものである。そして図１に示すように異形部品実装部１６の側面や天井面は、一つのリードフレーム１３を折り曲げることで構成することで、リードフレーム１３同士の接続部分を減らせるため、信頼性を高める効果が得られる。

また図１において、異形部品実装部１６の天井面には、孔１７を形成しているが、これは異形部品（図示していない）をネジ１８等や孔１７等を用いた固定手段で固定しやすくするためである。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２として、放熱基板１１の製造方法の一例について、図面を参照しながら説明する。

図２〜図３は、放熱基板１１の製造方法の一例について説明する断面図である。

図２（Ａ）〜（Ｃ）は、共に放熱基板１１の製造方法の一例を説明する断面図である。図２（Ａ）において、２０は伝熱樹脂である。まず図２（Ａ）に示すように、金属板１５の一面に、伝熱樹脂２０をセットし、更にその上に所定パターン形状に加工したリードフレーム１３をセットする。そして矢印１９に示すように、これらを金型やプレス（共に図示していない）を用いて、加熱加圧することで一体化する。そして伝熱樹脂２０を硬化し、伝熱層１４とする。こうして図２（Ｂ）の形状とする。

図２（Ｂ）は、伝熱樹脂２０を硬化し、伝熱層１４とした後の状態を示す断面図である。図２（Ｂ）に示すように、放熱基板１１を構成するリードフレーム１３は、その一部以上を伝熱層１４に固定している（あるいは埋め込んでいる）。こうすることで、リードフレーム１３と伝熱層１４との接触面積を増加させ、リードフレーム１３の表面に実装したパワー半導体（図示していない）の熱を、リードフレーム１３から伝熱層１４を介して金属板１５へ放熱しやすくできる。またリードフレーム１３と伝熱層１４との接合強度（あるいは剥離強度）を高める効果も得られる。

その後、図２（Ｃ）に示すように、リードフレーム１３を折り曲げる。

図３（Ａ）〜（Ｃ）は、リードフレーム１３の一部を折り曲げて、異形部品実装部１６を構成し、異形部品を実装する様子を説明する断面図である。図３において、２１は異形部品、２２はその端子部、２３はナット、２４は半田である。

図３（Ｂ）に示すように、異形部品実装部１６に、異形部品２１を、その端子部２２を用いて固定する。

図３（Ｃ）に示すように、ネジ１８を用いて矢印２７に示すようにナット２３に挿入し、固定する。なおナット２３を異形部品実装部１６に予め固定しても良いし、リードフレーム１３の一部を加工し、直接形成しても良い。また半田２４を用いて、異形部品実装部１６を支える複数側面を固定することで、異形部品実装部１６の強度を高める。

なお異形部品実装部１６は、少なくともその一部を、伝熱層１４や金属板１５から略垂直に折り曲げ、複数側面で支えている。こうすることで、異形部品実装部１６を、放熱基板１１の表面より上方に持上げる表面実装が難しい異形部品（例えば、コイルやインダクタ、トランス、電気二重層キャパシタや電解コンデンサ、あるいはリード付の電子部品等。なお大型部品や重量の大きな部品も含む）の実装が容易となる。

次に複数の端子部２２の高さが異なる異形部品２１について、チョークコイルを例として、図４を用いて説明する。

図４（Ａ）（Ｂ）は、共にチョークコイルを放熱基板１１に実装する様子を説明する断面図である。図４（Ａ）（Ｂ）において、２５はコイル部、２６はコア部であり、異形部品２１は、例えばコイル部２５、コア部２６から構成されている。そして銅板等でなるコイル部２５は、コア部２６の周囲に巻きつけられ、その両端が端子部２２として外部に露出している。なお必要に応じて、コイル部２５の端部等に形成した端子部２２に孔１７を形成することで、ネジ止めすることができる。図４（Ａ）（Ｂ）において、２７は矢印（ネジ１８の挿入方向等）、２８は矢印（放熱あるいは伝熱方向）を示す。

図４（Ａ）において、放熱基板１１に形成した異形部品実装部１６の高さは互いに異なっている。これは図４（Ａ）（Ｂ）に示すように、コイル部２５を構成する銅板等によって構成した高肉厚（例えば、厚み０．５ｍｍ以上、更にはエッジワイズ巻き。なおエッジワイズとは平角銅線を平たい状態でコイル状に巻いた状態を言う）のコイル部２５の折曲げ加工が難しいためである。こうした場合、図４（Ａ）に示すように、異形部品実装部１６の高さを、異形部品２１の端子部２２の高さにそれぞれ合わせることが望ましい。

異形部品実装部１６の高さや形状、大きさ等を異形部品２１に合わせることで、取り付け性を高める。

なお異形部品２１は、複数部分を個別に組み合わせたものとし、コア部２６、コイル部２５として別々に固定することで、個別に放熱し、耐振性も高める。

次に図４（Ｂ）を用いて、異形部品２１を構成する部材を個別に実装する場合での効果について説明する。

図４（Ｂ）に示すように、コイル部２５をネジ１８等で異形部品実装部１６に取り付けることで、コイル部２５と異形部品実装部１６との接続強度を高め、更に接続抵抗を下げる効果が得られる。またコイル部２５に大電流（たとえば、数十から数百アンペア）を流した場合に発生する熱（ジュール熱を含む）は、矢印２８に示したように、異形部品実装部１６の複数側面を介して、リードフレーム１３全体に、更には伝熱層１４を介して金属板１５や金属板１５を固定するシャーシや筐体（なおシャーシや筐体は図示していない）に広がり、その放熱効果を高める。

図４（Ｂ）における矢印２８は、その放熱性を示す。図４（Ｂ）の矢印２８に示すように、コイル部２５に発生した熱は、リードフレーム１３に伝わる。

またコア部２６を、直接、放熱基板１１に固定することで、コア部２６に発生した熱（コイル部２５からコア部２６に伝わった熱も含む）を、矢印２８に示すように効果的に放熱できる。なおコア部２６は、放熱基板１１の表面に形成したリードフレーム１３に直接、伝熱性接着剤等を用いて（接着剤等は図示していない）に固定することで、更に放熱効果を高められる。これはリードフレーム１３のヒートスプレッド効果を活用できるためである。

このように異形部品２１を複数個に分割し、個別に支えることで固定性や放熱性を高める。また耐振性も高める。これは固有振動数を分割できるためである。

図５（Ａ）〜（Ｃ）は、リードフレーム１３の折り曲げ方の一例を説明する斜視図である。図５（Ａ）に示すように、リードフレーム１３の一端を矢印１９に示すように折り曲げる。その後、図５（Ｂ）（Ｃ）に示すように折り曲げる。図５（Ｃ）に示す矢印１９は、リードフレーム１３によって、異形部品実装部１６を構成する側面が補強する様子を示す。なお図５（Ａ）〜（Ｃ）において点線は折り曲げ線に相当する。

（実施の形態３）
実施の形態３では、実施の形態１〜２に用いた部材について説明する。

伝熱樹脂２０は、例えば、樹脂とフィラーとからなるものとすることで、その熱伝導性を高めることができる。そして樹脂として熱硬化性の樹脂を用いることで、その信頼性を高められる。

ここで無機フィラーとしては、例えば略球形状で、その直径は０．１μｍ以上１００μｍ以下が適当である（０．１μｍ未満の場合、樹脂への分散が難しくなる。また１００μｍを超えると伝熱層１４の厚みが厚くなり熱拡散性に影響を与える）。そのためこれら伝熱層１４における無機フィラーの充填量は、熱伝導率を上げるために７０から９５重量％と高濃度に充填している。特に、本実施の形態では、無機フィラーは、平均粒径３μｍと平均粒径１２μｍの２種類のアルミナを混合したものを用いている。この大小２種類の粒径のアルミナを用いることによって、大きな粒径のアルミナの隙間に小さな粒径のアルミナを充填できるので、アルミナを９０重量％近くまで高濃度に充填できるものである。この結果、これら伝熱層１４の熱伝導率は５Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度となる。

なお無機フィラーとしてはアルミナ、酸化マグネシウム、窒化ホウ素、酸化ケイ素、炭化ケイ素、窒化ケイ素、及び窒化アルミニウム、酸化亜鉛、シリカ、酸化チタン、酸化錫、ジルコン珪酸塩からなる群から選択される少なくとも一種以上を含んでいるものとすることが、熱伝導性やコスト面から望ましい。

なお無機フィラーを用いると、放熱性を高められるが、特に酸化マグネシウムを用いると線膨張係数を大きくできる。また酸化ケイ素を用いると誘電率を小さくでき、窒化ホウ素を用いると線膨張係数を小さくできる。こうして伝熱層１４としての熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下のものを形成することができる。なお熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満の場合、その放熱性に影響を与える。また熱伝導率を３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）より高くしようとした場合、無機フィラー量を増やす必要があり、プレス時の加工性に影響を与える場合がある。

なお熱硬化性樹脂を使う場合は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シアネート樹脂、ポリイミド樹脂、アラミド樹脂、ＰＥＥＫ樹脂の群から選ばれた少なくとも１種類の熱硬化性樹脂を含んでいるものが望ましい。これはこれらの樹脂が耐熱性や電気絶縁性に優れているからである。

なおこれら熱硬化性樹脂に対して、少量の熱可塑性樹脂を添加（例えば熱硬化性樹脂に対して熱可塑性樹脂の添加量は０．１重量％以上２．０重量％以下が望ましい。０．１重量％未満の場合は形状保持性が低下する場合がある。２．０重量％を超えると信頼性に影響がある場合がある。）することで、成形性（例えば、金型等を用いて所定形状に仮成形した後、熱硬化炉で一括して本硬化させる等）を高められる。

同様に、伝熱層１４において、無機フィラーに対する濡れ改善剤（例えば、分散剤、表面処理剤、各種カップリング剤等）を添加しておくことで、伝熱層１４の成形性を高められる。

なおリードフレーム１３としては、銅やアルミニウムのような熱伝導性の高い部材を用いることが望ましい。またリードフレーム１３の厚みは０．２ｍｍ以上（望ましくは０．３ｍｍ以上）が望ましい。リードフレーム１３の厚みが０．２ｍｍ未満の場合、異形部品実装部１６を構成するリードフレーム１３の強度が低下し、作業中に曲がったり変形したりする可能性がある。

またリードフレーム１３の厚みは、１０．０ｍｍ以下（望ましくは５．０ｍｍ以下）が望ましい。リードフレーム１３の厚みが１０．０ｍｍを超えた場合、異形部品実装部１６の加工性やファイン化に影響を与える可能性がある。

なおリードフレーム１３の一部以上を、伝熱層１４に埋め込むことで、肉厚の（例えば、０．２ｍｍ以上、望ましくは０．３ｍｍ以上）リードフレーム１３を用いた場合でも、その厚みが放熱基板１１の表面に段差として表れないため、リードフレーム１３の上へのソルダーレジスト（図示していない）の印刷性を高める効果が得られる。

このように異形部品２１を、例えばコイル部２５と、コア部２６のように複数部分に分けることで、固定時の不要な応力発生を防止できる。また取り付け強度（引張り強度も含む）を向上することができる。その結果、振動試験等における信頼性を高める効果も得られる。また振動試験等における異形部品２１の共振点を複数に分割することができ、耐振動性を高め、その信頼性を高められる。なお実用に応じてコイル部２５とコア部２６を樹脂等で一体化しても良い。この場合、例えば柔らかい樹脂を選ぶことで（例えば、Ｔｇ＜１００℃）とすることで、コイル部２５とコア部２６との取り付け位置のズレ（あるいは高さのズレ等）による応力発生を防止できる。

また異形部品実装部１６の高さや形状を工夫することで、異形部品２１と、金属板１５（あるいは金属板１５を固定する筐体やシャーシ）との間の沿面距離（一種の絶縁距離）を確保することができる。

なお固定方法は、ネジ１８やナット２３、あるいは物理的手段を選ぶことができる。あるいは半田２４や溶接等（なお溶接としては、スポット溶接、プロジェクション溶接、レーザー溶接等を用いることができる）や超音波溶着の手法を用いて固定しても良い。

以上のようにして、金属板１５と、その上にシート状の伝熱層１４を介して固定したリードフレーム１３とからなる放熱基板１１であって、前記リードフレーム１３の一部を複数面で支えるように折り曲げて異形部品実装部１６を構成する放熱基板１１とすることで、異形部品実装部１６の強度や放熱性を高めることができ、色々な形状の異形部品の実装に対応できる。また配線抵抗を低く抑える効果も期待できる。

金属板１５と、その上にシート状の伝熱層１４を介して、その一部以上を埋め込んだリードフレーム１３とからなる放熱基板１１であって、前記リードフレーム１３の一部を複数側面で支えるように折り曲げて異形部品実装部１６としている放熱基板１１とすることで、異形部品実装部１６の強度や放熱性を高めることができ、色々な形状の異形部品の実装に対応できる。

異形部品実装部１６の側面は、リードフレーム１３で構成することで、異形部品実装部１６の接続箇所を減らすことができ、異形部品実装部１６の強度や放熱性を高められる。

またリードフレーム１３からなる異形部品実装部１６には、孔１７を有することで、異形部品実装部１６への異形部品の実装性や接続信頼性を高めることができる。

また少なくとも、金属板１５の上に、リードフレーム１３をシート状の伝熱層１４を介して固定する工程と、前記リードフレーム１３の一部を複数側面で支えるように折り曲げる工程とを含む放熱基板１１の製造方法によって、異形部品実装部１６の強度や放熱性を高めた放熱基板１１を安定して製造できる。

金属板１５と、その上にシート状の伝熱層１４を介して固定したリードフレーム１３とからなる放熱基板１１と、この放熱基板１１に実装した、端子部２２を有する異形部品２１とからなる回路モジュールであって、前記異形部品２１の少なくとも一つ以上の端子部２２は、リードフレーム１３の一部を、複数側面で支えるように折り曲げてなる異形部品実装部１６に接続している回路モジュールとすることで、回路モジュールを構成する異形部品の実装性や接続信頼性を高めることができる。

異形部品２１の端子部２２と、リードフレーム１３の異形部品実装部１６とは、ネジ１８を含む物理的手段で固定することで、回路モジュールを構成する異形部品２１の実装性や接続信頼性を高めることができる。

異形部品２１の端子部２２と、リードフレーム１３の異形部品実装部１６とは、半田２４もしくは溶接を含む接続方法で固定することで、回路モジュールを構成する異形部品２１の実装性や接続信頼性を高めることができる。

以上のように、本発明にかかる異形部品実装部を有する放熱基板とその製造方法及びこれを用いた回路モジュールを用いることで、大電流や高放熱が要求される異形部品（例えば、表面実装に対応できない大型部品等）を、安定して放熱基板上に実装できるため、小型で信頼性の高い各種機器を実現できる。

放熱基板の一部に形成した異形部品実装部を説明する斜視図 （Ａ）〜（Ｃ）は、共に放熱基板の製造方法の一例を説明する断面図 （Ａ）〜（Ｃ）は、共に異形部品実装部に異形部品を実装する様子を説明する断面図 （Ａ）（Ｂ）は、共に異形部品実装部の高さを互いに変化させた場合について説明する断面図 （Ａ）〜（Ｃ）は、リードフレームの折り曲げ方の一例を説明する斜視図 異形部品の実装に対応する従来の大電流回路基板を説明する断面図

符号の説明

１１ 放熱基板
１２ 点線
１３ リードフレーム
１４ 伝熱層
１５ 金属板
１６ 異形部品実装部
１７ 孔
１８ ネジ
１９ 矢印
２０ 伝熱樹脂
２１ 異形部品
２２ 端子部
２３ ナット
２４ 半田
２５ コイル部
２６ コア部
２７ 矢印（挿入方向）
２８ 矢印（放熱あるいは伝熱方向）

Claims (7)

1. 金属板と、その上にシート状の伝熱層を介して固定したリードフレームと、からなる放熱基板であって、前記リードフレームの一部を複数側面で支えるように折り曲げて異形部品実装部を構成している放熱基板。
2. 金属板と、その上にシート状の伝熱層を介して、その一部以上を埋め込んだリードフレームと、からなる放熱基板であって、前記リードフレームの一部を複数側面で支えるように折り曲げて異形部品実装部を構成している放熱基板。
3. リードフレームからなる異形部品実装部には、孔を有している請求項１もしくは２のいずれか一つに記載の放熱基板。
4. 金属板の上に、リードフレームをシート状の伝熱層を介して固定する工程と、
   前記リードフレームの一部を複数側面で支えるように折り曲げる工程と、
   を含む放熱基板の製造方法。
5. 金属板と、その上にシート状の伝熱層を介して固定したリードフレームと、からなる放熱基板と、この放熱基板に実装した、端子部を有する異形部品と、からなる回路モジュールであって、
   前記異形部品の少なくとも一つ以上の端子部は、リードフレームの一部を複数側面で支えるように折り曲げて構成した異形部品実装部に接続している回路モジュール。
6. 異形部品の端子部と、リードフレームの異形部品実装部とは、ネジあるいは物理的手段で固定している請求項５に記載の回路モジュール。
7. 異形部品の端子部と、リードフレームの異形部品実装部とは、半田あるいは溶接あるいは溶着で固定している請求項６に記載の回路モジュール。

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