JP2016152290A - 熱伝導基板及び電子部品実装方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 パワー半導体と制御回路を搭載した基板が電気的に接続している熱伝導基板において、パワー半導体の熱を効率よく分散でき、しかもパワー半導体からの熱が制御回路に流れ込みにくくする。
【解決手段】 本発明の熱伝導基板は、リードフレームと、前記リードフレームの裏面側に接続される電子部品を収容可能な第１の凹部を備えた第１の放熱体を備え、前記第１の凹部の前記電子部品と前記第１の放熱体の間に熱伝導性部材を充填し、前記電子部品を制御する制御回路が前記リードフレームの表面側に実装された基板上に搭載されていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱伝導基板及びその電子部品実装方法に関する。

近年、電子機器の高性能化、小型化の要求に伴い、半導体等の電子部品の高密度化、高機能化が要求されている。この要求に対応するために、各種電子部品を実装する回路基板もまた小型・高密度化が求められている。

その結果、小型化・高密度化のためスイッチング素子等のパワー半導体とその制御回路を一体化し、なおかつ放熱性も向上させたモジュールの開発が求められる場合が多い。

そうしたニーズに対応するため、特許文献１では制御回路を実装したプリント基板とパワー半導体をリードフレームの同一面にて直接ハンダ接続し、リードフレームの裏面に絶縁樹脂を挟持してヒートシンクを配置することが開示されている。

また特許文献２には、パワーモジュールが開示されている。このパワーモジュールは、複数の半導体チップを搭載する電気配線基板とヒートシンクを備え、ヒートシンクには電気配線基板と半導体チップを埋設させる凹型部が形成され、この凹型部にはヒートシンクと電気配線とを固着させる高熱伝導性樹脂が充填されているものである。

特許第５１０６５１９号 特開２００６−１４７６５８号公報

特許文献１では、高密度化するために、制御回路を実装したプリント基板とパワー半導体を１つのパッケージに実装する際、図５のようにそれぞれの回路をリードフレーム上同一平面に並べ直接ハンダ接続していた。図５では、金属板上に絶縁樹脂を介して、リードフレームを設け、その上にパワー半導体とプリント基板を実装している。 図５に示した実装では、パワー半導体から発せられる熱の伝達経路は、パワー半導体底面と接したリードフレームから絶縁樹脂を介し金属板に伝わる方向のみとなっていた。パワー半導体は大きな電力を扱うため放熱量が大きいが、図５のように一方向から放熱するだけでは不十分な場合がある。

また特許文献２の図２では、電気配線基板の表裏両面に高熱伝導性樹脂に埋設された半導体チップを搭載している。特許文献２では、パワー半導体チップだけを高熱伝導性樹脂内に埋設するのではなく、電気配線基板の表裏に実装された半導体チップ全てつまり制御回路も含めて樹脂に埋設するものと考えられる。制御回路はパワー半導体チップに比べれば流れる電流量が少ないため放熱量は少なく、パワー半導体ほどの冷却は必要としない。しかし特許文献２ではヒートシンク全体に凹型部が形成され凹型部全体に高熱伝導性樹脂が充填されており、制御回路の周囲も充填してしまうとパワー半導体からの熱が制御回路に流れ込む恐れがある。

本発明の目的は、以上述べた問題点を解決し、パワー半導体を始めとする電子部品と制御回路を搭載した基板が電気的に接続している熱伝導基板において、電子部品の熱を効率よく分散でき、しかも電子部品からの熱が制御回路に流れ込みにくい構造と電子部品実装方法を提供することである。

本発明は、リードフレームと、前記リードフレームの裏面側に接続される電子部品を収容可能な第１の凹部を備えた第１の放熱体を備え、前記第１の凹部の前記電子部品と前記第１の放熱体の間に熱伝導性部材を充填し、前記電子部品を制御する制御回路が前記リードフレームの表面側に実装された基板上に搭載されていることを特徴とする熱伝導基板である。

さらに本発明は、電子部品を収容可能な第１の凹部を備えた第１の放熱体上の前記第１の凹部内に、熱伝導性部材を形成して前記電子部品を収容し、前記電子部品上を含む前記第１の放熱体上に配線となるリードフレームを形成し、前記リードフレーム上に、制御回路を搭載した基板を実装して、前記電子部品と前記制御回路を電気的に接続することを特徴とする電子部品の実装方法である。

本発明によれば、電子部品と制御回路を搭載した基板が電気的に接続している実装構造において、電子部品の熱を効率よく分散でき、しかも、電子部品からの熱を制御回路に流れ込みにくくすることができる。

本発明の第１の実施形態を示す図で、（ａ）は断面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は第１の実施形態で用いる金属板の斜視図である。 本発明の第２の実施形態を示す図で、（ａ）断面図で、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は上面図ある。 本発明の第３の実施形態を示す図で、（ａ）は断面図、（ｂ）、（ｃ）は上面図である。 本発明の第４の実施形態を示す図で、（ａ）は断面図、（ｂ）は上面図である。 背景技術を示す図で、（ａ）は断面図、（ｂ）は上面図である。

（第１の実施形態）
図１を用いて本発明の第１の実施形態を説明する。(a)は電子部品を実装した熱伝導基板の構成を示す断面図、図１（ｂ）はリードフレームのパターンを示す上面図、（ｃ）は本実施形態で用いる金属板の斜視図である。（ａ）は（ｂ）の一点鎖線の箇所の断面である。

図１(a)に示すように、本実施形態の熱伝導基板１０（電子部品を実装したものを以下モジュールと表現することもある）は、パワー半導体２０、制御回路３０、制御回路３０を搭載したプリント基板４０、リードフレーム５０、リードフレーム５６、熱伝導性樹脂６０、絶縁樹脂７０、金属板８０、ハンダ９０を備えている。図１（ａ）から分かるようにパワー半導体２０は金属板８０内に収納し、プリント基板４０は金属板８０上に搭載する。

本実施形態ではパワー半導体は、電源、電力の制御や供給を行うトランジスタ、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）等の電子部品を指す。プリント基板４０上には制御回路３０が形成されている。制御回路３０は例えばマイクロコンピュータとその周辺回路で構成されてパワー半導体２０を制御する。

また本実施形態では、図１（ｃ）に示すように、金属板８０にパワー半導体２０を収容するための穴１２０を設けており、パワー半導体２０二チップはそれぞれ別々の穴１２０内に収容している。穴には制御回路３０は収容せず、しかもリードフレーム５６、５２、絶縁樹脂７０を挟んで反対側つまり金属板８０の表面側に実装する。このように制御回路３０をパワー半導体２０と離しているのでパワー半導体２０からの熱は制御回路には伝わりにくい。

穴１２０とパワー半導体２０の間には電気的に絶縁性の熱伝導性樹脂６０が充填されている。熱伝導性樹脂６０としては、導電性フィラーを混入させたエポキシ樹脂などを用いる。パワー半導体２０が穴１２０の側壁、底面と近接するように穴１２０の寸法を調整しておくと放熱効率がよい。また隣接する穴と穴の間は適宜の幅で金属板８０が存在するようにして、パワー半導体間で互いに相手の熱の影響を受けにくいようにする。

更に、穴１２０と制御信号用リードフレーム配線５４をつなぐように、穴１２５を形成してある。これはパワー半導体２０と制御信号用リードフレーム配線５４の間を接続するためのワイヤ配線５８を通すものである。穴１２５内にも熱伝導性樹脂６０が充填されており、また穴１２５の底面は穴１２０からリードフレーム配線５４に向かって傾斜させていて、充填する熱伝導性樹脂６０は少なくて済む。

パワー半導体２０はモータ等を駆動する為のスイッチング素子であり、また制御回路３０はそのパワー半導体１０を制御する為の回路で、マイクロコンピュータやその周辺回路からなる。制御回路３０はプリント基板４０上に実装されている。

図１（ｂ）に示すように、リードフレームには、大電流を流す為の幅広い配線５０、５６と、制御回路３０からの制御信号をパワー半導体２０に伝える為の幅の細い制御信号用リードフレーム配線５４がパターンニングされている。このリードフレームに、パワー半導体２０と、制御回路３０を実装したプリント基板４０を接続する。なお制御回路３０と外部を接続する配線５２は、大電流は不要なので細い配線である。なお、リードフレームを使用するのは、導体厚が数百umと厚く、大電流を流すのに適しているからである。

なお、本実施形態ではパワー半導体２０はベア実装品ではなくパッケージ化された部品を使用することが好ましく、制御回路３０を実装したプリント基板４０とは別平面のリードフレーム５６上にハンダ９０で実装される。またリードフレーム５０とはワイヤ配線５８を介して接続する。リードフレーム５０、５２、５４、５６はさらに、絶縁性樹脂７０を接着材として、放熱板となる金属板８０と接着される。

熱伝導基板１０をこのような構造とすることで、パワー半導体２０で発生した熱を、パッケージ表面では熱伝導性樹脂６０を介して銅、アルミ等の金属板８０に伝熱する。しかもパッケージ底面ではリードフレーム５０を介して金属板８０に伝熱する。このようにして、効率よく熱を伝えモジュール全体の温度上昇を抑える働きをする。熱の伝達効率を上げる為、パワー半導体の搭載面と制御回路を実装したプリント基板の搭載面を別平面とし、パワー半導体表面は熱伝導性樹脂を介し金属板に接触させることで、全方面から熱を伝える構成にした。

ここでは放熱板として金属板を用いているが、熱伝導性の高いセラミック例えばＡｌＮ、ＳｉＣ、ＢｅＯ等を用いることも可能である。また、ここでは図示していないが図１の電子部品及びプリント基板はモールド樹脂で保護されている。

本実施形態の熱伝導基板によれば、パワー半導体の熱を効率よく分散できるため、モジュール全体の温度上昇を抑えることができる。しかも凹部内には制御回路は収納せずパワー半導体だけを収納している。そのためパワー半導体からの熱が制御回路に流れ込みにくい。しかも熱伝導性部材は凹部内だけ充填すれば良いので、樹脂の充填量を抑えることもできる。

なお本実施形態では電子部品としてパワー半導体を用いているが、それ以外の発熱の大きい電子部品（発熱部品）にも適用できる。また図１ではパワー半導体２０を二チップ設けた例で説明したが、一チップだけの場合でも同様の効果があることは明らかである。

また本実施形態ではパワー半導体２０から出るワイヤ配線５８はパワー半導体２０の電極から出て制御回路３０の端子に至るまで全て穴１２５内を通っているが、一端表面に露出させて制御信号用リードフレーム配線５４の表面側と接続するようにしてもよい。このようにすればリードフレーム配線５４まで連続する穴１２５は不要で、穴１２０のワイヤ配線周囲をやや大きくすれば済む。
（第２の実施形態）
図２に第２の実施形態の熱伝導基板１００を示す。（ａ）は基板構成を示す側面図で、電子部品を搭載したモジュールの状態を示している。（ｂ）はパワー半導体１０を搭載したリードフレームのパターンを示す上面図、（ｃ）はＦＰＣ１１０（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ：フレキシブルプリント基板）に接続した制御回路３０を実装したプリント基板４０の上面図、（ｄ）はFPC１１０の上面図である。（ａ）は（ｂ）の一点鎖線の箇所の断面である。なお（ｂ）ではＦＰＣ１１０とプリント基板４０は除外して表示している。
本実施形態では、制御回路３０を実装したプリント基板４０をパワー半導体２０上に積層し、しかもプリント基板４０とリードフレームを、ＦＰＣ１１０を介して接続している点が、第１の実施形態と異なる。プリント基板４０はリードフレーム５０、５２とは直接接続しない。プリント基板４０をＦＰＣ１１０に搭載した上で、そのＦＰＣ１１０上に予め形成した接続端子２１０、２２０をリードフレーム５０、５２と接続している。ＦＰＣ１１０とリードフレーム５０、５２の間を絶縁樹脂７０で絶縁し、ＦＰＣ１１０をリードフレーム５２のある側で折り曲げてプリント基板４０を固定する。このようにしてモジュールの小型化を実現している。
（第３の実施形態）
図３は第３の実施形態の熱伝導基板２００を説明する図で、(a)は断面図で、電子部品を搭載したモジュールの状態を示している。（ｂ）は下段モジュールの上面図、（ｃ）は上段モジュールの上面図である。本実施形態ではパワー半導体２０とパワー半導体２３を縦方向に二段積層している点が第１、第２の実施形態と異なる。パワー半導体２３を実装したモジュールが上段モジュール、パワー半導体２０とプリント基板４０を実装したモジュールが下段モジュールである。

パワー半導体２３についても穴を形成した金属板８３に収容しており、その間の空間に熱伝導性樹脂６０を充填している。パワー半導体の積層に合わせてリードフレームについても、ほぼ同形状のリードフレーム５０とリードフレーム５５を、絶縁樹脂７１を間に介在させて縦方向に２段積層している。リードフレーム５５と金属板８３の間は絶縁樹脂７３で絶縁する。このようにパワー半導体を複数個用いた場合でもモジュールを小型化することができる。

なお図３（ｂ）の下段モジュールのプリント基板４０には接続端子２４０を設け、上段モジュールのパワー半導体２３との接続を可能としている。この接続にはハンダ接続のほかスポット溶接等を用いることも可能である。
（第４の実施形態）
図４は第４の実施形態の熱伝導基板３００を説明する図で、（ａ）は断面図で、電子部品を搭載したモジュールの状態を示している。（ｂ）は上面図である。本実施形態は図３に示した第３の実施形態に対し、上段モジュールの金属板８３を大きくしたものである。図４では金属板８３をプリント基板４０の上方まで延在させて下段の金属板８０とほぼ同じ大きさにし、絶縁樹脂７１を間に介して下段のリードフレーム５２または金属板８０に固定している。金属板８３を大きくすることによって放熱性がさらに向上する。
なお図４（ｂ）の上面図に示したように、金属板８３には穴１２８を開けている。これは上段モジュールのリードフレーム５５とプリント基板３０との接続作業ができるようにするためである。

本発明の活用例として、大電流を必要とするモータ等の動作を制御するモジュール等が挙げられる。

１０、１００、２００、３００ 熱伝導基板
２０、２３ パワー半導体
３０ 制御回路
４０ プリント基板
５０、５２、５６ リードフレーム
５４ 制御信号用リードフレーム配線
５８ ワイヤ配線
６０ 熱伝導性樹脂
７０、７１、７３ 絶縁樹脂
８０、８３ 金属板
９０ ハンダ
１１０ ＦＰＣ
１２０、１２５、１２８ 穴
２１０、２２０、２４０ 接続端子

Claims (10)

1. リードフレームと、前記リードフレームの裏面側に接続される電子部品を収容可能な第１の凹部を備えた第１の放熱体を備え、前記第１の凹部の前記電子部品と前記第１の放熱体の間に熱伝導性部材を充填し、前記電子部品を制御する制御回路が前記リードフレームの表面側に実装された基板上に搭載されていることを特徴とする熱伝導基板。
2. 前記電子部品の周囲は前記放熱体に近接して囲まれている請求項１に記載の熱伝導基板。
3. 前記電子部品を複数収容する場合、それぞれ別々の第１の凹部内に収容し、隣接する電子部品の間に前記放熱体が存在する請求項１または２に記載の熱伝導基板造。
4. 前記制御回路を搭載した基板は、前記凹部上に積層して設けられている請求項１から３のいずれか一項に記載の熱伝導基板。
5. 前記制御回路を搭載した基板はフレキシブル基板に搭載され、前記フレキシブル基板は折り曲がった状態で前記リードフレームと接続されている請求項１から４のいずれか一項に記載の熱伝導基板。
6. 前記電子部品が設けられた前記リードフレームを挟んで前記第１の放熱体のある側と反対側に別の電子部品が設けられ、前記別の電子部品は熱伝導性樹脂を充填された第２の放熱体に形成された第３の凹部に設けられている請求項１から５のいずれか一項に記載の熱伝導基板。
7. 前記第２の放熱体は前記基板上方まで延在している請求項１から６のいずれか一項に記載の熱伝導基板。
8. 前記第１の凹部と前記基板の間に前記凹部と連続する第２の凹部を設け、前記電子部品と前記基板は第２の凹部を通る配線で電気的に接続されている請求項１から７のいずれか一項に記載の熱伝導基板。
9. 前記電子部品はパワー半導体である請求項１から８のいずれか一項に記載の熱伝導基板。
10. 電子部品を収容可能な第１の凹部を備えた第１の放熱体上の前記第１の凹部内に、熱伝導性部材を形成して前記電子部品を収容し、前記電子部品上を含む前記第１の放熱体上に配線となるリードフレームを形成し、前記リードフレーム上に、制御回路を搭載した基板を実装して、前記電子部品と前記制御回路を電気的に接続することを特徴とする電子部品の実装方法。

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