JP2017162994A - 発熱部品の実装構造体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＬＥＤチップなどの高発熱部品が発生する熱を効率良く放熱することを可能にする、発熱部品の実装構造体及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 回路基板１０１に接合部材１０３を介して発熱部品１０１が接合される、発熱部品１０１の実装構造体において、回路基板は、放熱金属体１０８と、放熱金属体上に形成された絶縁体１０７と、発熱部品の部品電極に対向した絶縁体上に形成された基板電極１０６とを備え、回路基板の基板電極の内、少なくとも一つの基板電極が開口部１０６ａを有し、開口部で放熱金属体の一部が露出し、開口部を有する基板電極と対向している部品電極は、開口部を有する基板電極と開口部で露出している放熱金属体との両方に、接合部材を介し接合している。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、ＬＥＤチップなどの高発熱部品が発生する熱を効率良く放熱することを可能にする発熱部品の実装構造体及びその製造方法に関するものである。

近年、高発熱量のＬＥＤ又はパワーデバイスなどが普及している。これらの製品の性能の向上及び長寿命化には、放熱性を向上させ、使用時のＬＥＤの温度を低減することが必要である。そこで、放熱性を向上させる方法として、放熱に金属を用いた金属基板が提案されている。

図９に一般的な金属を用いた金属基板について説明する。図９に示す金属基板は、アルミニウム又は銅などで構成された放熱金属体１上に樹脂などで構成された絶縁層２を形成し、その絶縁層２上に、基板電極３が形成されている。基板電極３は、接合部材４を介して、実装部品５の部品電極６と接合されている。そして、実装部品５の熱を部品電極６と、接合部材４と、基板電極３と、絶縁層２とを介して、放熱金属体１に逃がしている。しかし、樹脂で構成された絶縁層２を介して放熱する金属基板の場合、絶縁層２の熱伝導率は低く、絶縁層２が実装部品５から放熱金属体１までの放熱経路上のボトルネックとなってしまい、実装構造体の放熱性が悪化していた。

これに対して、特許文献１の実装構造体が提案されており、図１０を用いて説明する。図１０では、ガラエポ（ガラスエポキシ）基板７上に基板電極３が形成され、接合部材４を介し、実装部品５の部品電極６と接合している。そして、実装部品５の直下のガラエポ基板７には、スルーホール７ａが形成されており、熱伝導絶縁塗料９で覆われたＴ型放熱金属体８がガラエポ基板７の表面に露出している。このＴ型放熱金属体８と部品電極６とを、樹脂で構成された熱伝導ゲル１０を介して接合させて、実装部品５の熱をＴ型放熱金属体８に逃がしている。一般的に、この熱伝導ゲル１０は、金属基板に用いられる絶縁層２よりも熱伝導率が高い材料を用いることができる。

特開２０１３−９８２６９号公報

しかし、図１０に示す特許文献１の実装構造体であっても、高出力ＬＥＤなどの発熱量がさらに大きくなっている実装部品５に対しては、放熱性が確保出来ない。なぜなら、熱伝導ゲル１０を介してのＴ型放熱金属体８への放熱では、熱伝導率が高い熱伝導ゲル１０を用いたとしても、熱伝導ゲル１０の熱伝導率は５〜１０Ｗ／ｍＫ程度であり、金属に比べて、１／５〜１／３０の値である。そのため、高出力ＬＥＤなどに対応するために実装構造体の放熱性をさらに高めることが課題となる。

従って、ＬＥＤチップなどの高発熱部品が発生する熱を効率良く放熱することを可能にする、発熱部品の実装構造体及びその製造方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は以下のように構成する。

本発明の１つの態様によれば、回路基板に接合部材を介して発熱部品が接合される、発熱部品の実装構造体において、
前記回路基板は、
放熱金属体と、
前記放熱金属体上に形成された絶縁体と、
前記発熱部品の部品電極に対向した前記絶縁体上に形成された基板電極とを備え、
前記回路基板の前記基板電極の内、少なくとも一つの前記基板電極が開口部を有し、前記開口部で前記放熱金属体の一部が露出し、
前記開口部を有する前記基板電極と対向している前記部品電極は、前記開口部を有する前記基板電極と前記開口部で露出している前記放熱金属体との両方に、前記接合部材を介し接合している、発熱部品の実装構造体を提供している。

本発明の別の態様によれば、放熱金属体と、
前記放熱金属体上に形成された絶縁体と、
発熱部品の部品電極に対向した前記絶縁体上に形成された基板電極とを有する回路基板の前記基板電極の内、少なくとも一つの前記基板電極が開口部を有し、前記開口部で前記放熱金属体の一部が露出する状態で、前記回路基板に接合部材を介して発熱部品が接合される、発熱部品の実装構造体の製造方法において、
前記基板電極へ前記接合部材を供給する際に、前記開口部を有する前記基板電極には、前記開口部以外の前記絶縁体上の前記基板電極上のみに前記接合部材を供給し、
次いで、前記接合部材が供給された前記回路基板に前記発熱部品を搭載し、
次いで、前記接合部材を加熱溶融させるとともに、前記開口部を有する前記基板電極上の前記接合部材が溶融して前記開口部内に入り込み、前記開口部を有する前記基板電極と対向している前記部品電極は、前記開口部を有する前記基板電極と前記開口部で露出している前記放熱金属体との両方に、前記接合部材を介して接合する、発熱部品の実装構造体の製造方法を提供している。

本発明の前記態様により、発熱部品の部品電極を、基板電極の開口部を介して、直接、放熱金属体露出部に接合部材を介して接合させることで、従来よりも放熱性を大幅に向上させることができる。よって、ＬＥＤチップなどの高発熱部品が発生する熱を効率良く放熱することが可能な発熱部品の実装構造体及びその製造方法を提供することが可能となる。

本発明の実施の形態における発熱部品の実装構造体の構成を示す概略断面図 本発明の実施の形態における図１Ａとは放熱金属体露出部の構造が異なる発熱部品の実装構造体の構成を示す概略断面図 本発明の実施の形態における回路基板を示す概略平面図 放熱性に優れた実装構造体を示す概略断面図 本発明の実施の形態における発熱部品の実装構造体の製造方法（接合部材供給時）を示す説明図 本発明の実施の形態における発熱部品の実装構造体の製造方法（部品搭載時）を示す説明図 本発明の実施の形態における発熱部品の実装構造体の製造方法（リフロー加熱時）を示す説明図 ボイドが発生しやすくなる接合部材の供給を示す概略平面図 本発明の実施の形態におけるボイドが抜けやすい回路基板の一例を示す概略平面図 本発明の実施の形態におけるボイドが抜けやすい回路基板の一例を示す概略平面図 本発明の実施の形態におけるボイドが抜けやすい回路基板の一例を示す概略平面図 本発明の実施の形態におけるボイドが抜けやすい回路基板の一例を示す概略断面図 本発明の実施の形態におけるボイドが抜けやすい回路基板の一例を示す概略断面図 本発明の実施の形態におけるボイドが抜けやすい接合部材供給方法の一例を示す概略平面図 本発明の実施の形態におけるボイドが抜けやすい接合部材供給方法の一例を示す概略平面図 従来の実装構造体を示す概略断面図 従来の実装構造体を示す概略断面図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１Ａは、本発明の実施の形態における発熱部品の実装構造体の構成を示す概略断面図である。図１Ａに示す本発明の実施の形態における発熱部品の実装構造体は、ＬＥＤチップなどの発熱部品１０１と回路基板１０２と複数の接合部材１０３とを備えている。各接合部材１０３は、金属材料であり、好適には、はんだが望ましい。発熱部品１０１は、複数の部品電極１０４を有し、各部品電極１０４は、接合部材１０３を介して、回路基板１０２の電極（後述する基板電極１０５又は基板電極１０６）と接合される。回路基板１０２は、放熱金属体１０８と、放熱金属体１０８上に形成された絶縁樹脂の絶縁体１０７と、絶縁体１０７上に発熱部品１０１の部品電極１０４に対向した基板電極１０５及び基板電極１０６を有している。基板電極１０５及び基板電極１０６のうちの１つの基板電極１０６には、絶縁体１０７上に形成された電極部分の一部が開口した開口部１０６ａが形成されており、その開口部１０６ａにおいて、基板電極１０６及び絶縁体１０７が存在せずに放熱金属体露出部１１０が露出している。本実施の形態では、発熱部品１０１の部品電極１０４に対向した回路基板１０２の基板電極１０５及び１０６のうち、少なくとも一つの基板電極１０５又は１０６は、電極部が開口している開口部１０６ａを有する基板電極１０５又は１０６である。放熱金属体露出部１１０の構造は、図１Ａのように放熱金属体１０８の面に対し平面であっても、図１Ｂのように突出した突出部としていても良い。また、放熱金属体露出部１１０は、放熱金属体１０８の一部の金属部が露出していれば、図１Ａ及び図１Ｂに示す限りではなく、他の形状でも良い。突出部とするとき、基板電極１０６に接触しない程度の高さとする必要があるが、平面の場合と比較して、開口部１０６ａ内に入り込ませる接合部材１０３の量を、突出部の分だけ少なくすることができる。

部品電極１０４は、放熱金属体１０８の絶縁体１０７上に形成された基板電極１０６及び放熱金属体露出部１１０と、接合部材１０３を介して接合された構造となっている。このように、発熱部品１０１の部品電極１０４を、基板電極の１０６の開口部１０６ａを介して、直接、放熱金属体露出部１１０に、金属である接合部材１０３を介して、接合させることで、従来例と比較して、放熱性を大幅に向上させることができる。

図２に、回路基板１０２を上から見た概略平面図を示す。図２では、基板電極１０６の一部が四角形状に開口した開口部１０６ａを形成しており、開口部１０６ａの底面に放熱金属体露出部１１０が露出している。この放熱金属体露出部１１０の露出形状は、四角形状に限らず、丸形状又は、楕円形状などでも良く、図１Ａ又は図１Ｂのような実装構造体にする際に、部品電極１０４が、接合部材１０３を介して放熱金属体露出部１１０と接合されていれば良い。

また、図１Ａ及び図１Ｂ、及び図２では、部品電極１０４が２つの場合を示したが、本発明の本実施の形態は、部品１つに対して少なくとも１つの部品電極１０４が接合部材１０３を介して放熱金属体露出部１１０と接合されていれば良い。なお、複数の部品電極１０４が接合部材１０３を介して放熱金属体露出部１１０と接合される場合には、複数の部品電極１０４はグランド電極などの共通電極同士にすれば、短絡が防止できる。

また、放熱性が良い実装構造体としては、図３に示すように、部品電極１５６ｂと放熱金属体１５１の放熱金属体露出部１６１とを接合部材１５４を介して、直接接合する実装構造体も考えられる。実装部品１５５の片側（図３の左側）の電極１５６ａは、接合部材１５４を介して、放熱金属体１５１の絶縁層１５２上に形成された基板電極１５３と接合されており、実装部品１５５のもう一方（図３の右側）の電極１５６ｂは、部品電極１５６ｂと放熱金属体１の放熱金属体露出部１６１とを接合部材１５４を介して、直接接合する実装構造体の事例を示している。この場合でも、部品電極１５６ｂと放熱金属体１５１とをつなぐ経路には、樹脂で構成される部材が介在していない為、放熱性には優れた実装構造体となる。

しかし、図３の構造の場合、基板電極１５３と放熱金属体１５１との熱容量が大きく異なる為、接合部材１５４を溶融させるための加熱時に絶縁層１５２上に形成されている基板電極１５３の接合部材１５４と放熱金属体１５１の放熱金属体露出部１６１上の接合部材１５４との温度上昇速度が異なる。放熱金属体露出部１６１上の接合部材１５４の温度が上昇し難く、接合部材１５４の溶融タイミングが、絶縁層１５２上に形成されている基板電極１５３の接合部材１５４より遅れる。

その結果、リフロー時に接合部材１５４として一般的に用いるクリームはんだが、片側（図３の左側）の基板電極１５３では、溶融し、液化しているが、もう片側（図３の右側）の放熱金属体露出部１６１上では、溶融しておらず、クリームはんだを構成するはんだ粒子の状態のままの状態となってしまう。溶融直前の接合部材１５４を構成するクリームはんだは、溶剤成分が揮発し、部品の保持力が最も低下する。そのため、液化状態で大きな表面張力を有する接合部材１５４と、溶融しておらず保持力が低い接合部材１５４との力のバランスが異なることで、実装部品１５５は動かされることとなり、実装部品１５５の位置ズレ又は部品立ちと呼ばれる現象が発生し、接合品質の確保が困難となる。

このような接合品質の確保の課題を解消するための製造方法を、以下に記載する。具体的には、図４を用いて、発熱部品１０１を、接合部材１０３を介して回路基板１０２に実装する場合の製造方法の一例について説明する。一例として、実装部品は、２つの電極を有している高輝度ＬＥＤなどで、接合部材は、はんだなどである。また、接合部材としてはんだを用いる場合には、放熱金属体露出部１１０の表面は、はんだが接合できる銅又は金又は錫などが望ましい。

まず、図４Ａのように、スクリーン印刷機又はディスペンサーなどを用い、回路基板１０２の基板電極１０５、及び基板電極１０６上に接合部材１０３をそれぞれ供給する。このとき、接合部材１０３の溶融タイミングをそろえるため、電極の一部が開口して開口部１０６ａが形成されている基板電極１０６上のみに接合部材１０３を供給し、開口部１０６ａ内の放熱金属体露出部１１０には、接合部材１０３を供給しないのが望ましい。なぜなら、接合部材１０３の熱を、熱容量の大きな放熱金属体１０８に吸収されないようにし、基板電極１０５上の接合部材１０３と基板電極１０６上の接合部材１０３とをできるだけ同時に溶融させるためである。２つの接合部材１０３の溶融タイミングが近いほうが、発熱部品１０１の位置ズレ又は部品立ちなどが発生せず、高品質なはんだ接合を実現できる。そして、開口部１０６ａ内の放熱金属体露出部１１０上部の空間１１６ｂに接合部材１０３を充填させるのに十分な量の接合部材１０３を基板電極１０６上に供給する。

次に、図４Ｂのように接合部材１０３が供給された回路基板１０２に発熱部品１０１を、部品マウンタなどを用いて実装する。

その後、図４Ｃのように、リフロー炉などの加熱炉を用いて、回路基板１０２の温度を上げ、接合部材１０３を溶融させ、接合を行う。このとき、接合部材１０３が溶融し、部品電極１０４に接合部材１０３が濡れ広がっていく際に、放熱金属体露出部１１０の空間１１６にも接合部材１０３が充填され、その後、放熱金属体露出部１１０に接合部材１０３が濡れ広がっていくことで、放熱金属体露出部１１０と接合部材１０３とが接合される。

そして、放熱金属体露出部１１０と接合部材１０３を介して接合される部品電極１０４に対する開口されている放熱金属体露出部１１０の面積の比率、言い換えると、部品電極１０４の面積に対する放熱金属体露出部１１０の面積の比率は、放熱性と接合部材１０３の供給とを考慮すると、３０％〜７５％が望ましい。ここで、部品電極１０４の面積に対する放熱金属体露出部１１０の面積の比率が１００％とは、部品電極１０４の面積と放熱金属体露出部１１０の面積とが同じ場合を意味する。なぜなら、前記比率が３０％より小さい場合には、発熱部品１０１が放熱金属体露出部１１０と接合する面積が小さくなり、放熱性が不十分となる。一方、リフロー工程を考慮すると、接合部材１０３を加熱し溶融させる際に、接合部材１０３の熱を熱容量の大きな放熱金属体１０８に吸収されないようにし、基板電極１０５上の接合部材１０３と基板電極１０６上の接合部材１０３をできるだけ同時に溶融させることが望ましい。そのため、開口部１０６ａに対しても接合部材１０３を充填させつつ、接合部材１０３の高さをそろえるために、開口部１０６ａが形成されている基板電極１０６の方に、基板電極１０５に比べて、多くの接合部材１０３を供給しなければならない。そのため、スクリーン印刷での接合部材１０３の供給を考えると、最大のマスク厚は３００μｍ程度であるため、放熱金属体露出部１１０の上面と基板電極１０６の上面の高さＡは２００μｍ以下で、放熱金属体露出部１１０の前記比率は７５％以下であることが望ましい。放熱金属体露出部１１０の上面と基板電極１０６の上面との高さＡの関係は、図１Ｂのように、放熱金属体露出部１１０の構造が突出している突出部の場合でも同様である。

また、図５のように、放熱金属体露出部１１０を囲うように基板電極１０６の開口部１０６ａの全周に接合部材１０３を供給して発熱部品１０１を搭載すると、接合部材１０３の溶融時に開口部１０６ａ内で放熱金属体露出部１１０の空間１１６の空気の逃げ場がなく、ボイドになってしまう可能性が高い。そのため、基板電極１０６は、図６Ａ〜図６Ｃに示すような、基板電極１０６の一部（四角形の開口部１０６ａの一辺）が基板電極１０６の端縁まで延在して開放されている形状で、その開放された部分からボイドが抜ける構造が望ましい。例えば、図６Ａでは、四角形の開口部１０６ｂの左辺が端縁で開放されている。図６Ｂでは、四角形の開口部１０６ｃの上辺と下辺とが端縁で開放されている。図６Ｃでは、四角形の開口部１０６ｄの左辺の一部が端縁まで延びて開放されている。これらの図は、一例であって、基板電極１０６の一部が開放されている形状になっていれば良い。

また、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、ボイドの抜ける経路として、回路基板１０２を貫通している貫通穴１１１が放熱金属体露出部１１０もしくは基板電極１０６に形成されている構造にして、接合部材１０３の溶融時に発生したボイドを貫通穴１１１から抜く構造にしても良い。

また、ボイドを発生させにくくするために、接合部材１０３の供給方法として、図８Ａ及び図８Ｂのように、接合部材１０３で放熱金属体露出部１１０の全周を覆わず、少なくとも放熱金属体露出部１１０の一辺を開放して供給することが望ましい。言い換えれば、基板電極１０６の開口部１０６ｅの外周の一部に開放部１２０を設定する。開放部１２０では、開口部１０６ｅの外周の一部から基板電極１０６の端縁までの間に接合部材１０３を供給しない領域とし、開口部１０６ｅの外周の残りの部分には、接合部材１０３を供給するようにする。例えば、図８Ａでは、基板電極１０６の四角形の開口部１０６ｅの下辺側には接合部材１０３が存在せず、基板電極１０６の残りの部分である四角形の開口部１０６ｅの上辺と左辺と右辺側には接合部材１０３が存在する。よって、四角形の開口部１０６ｅの下辺側が開放された状態（開放部１２０）となり、その開放された開放部１２０からボイドが抜ける構造となっている。図８Ｂでは、基板電極１０６の四角形の開口部１０６ｅの上辺と下辺側には接合部材１０３が存在せず、基板電極１０６の残りの部分である四角形の開口部１０６ｅの左辺と右辺側には接合部材１０３が存在する。よって、四角形の開口部１０６ｅの上辺側と下辺側が開放された状態（開放部１２０）となり、その開放された開放部１２０からボイドが抜ける構造となっている。これらの図は、一例であって、放熱金属体露出部１１０すなわち開口部１０６ｅの全周を接合部材１０３が囲わないように供給していれば良い。

以上のように、本実施の形態によれば、発熱部品１０１の部品電極１０４を、基板電極１０６の開口部１０６ａを介して、直接、放熱金属体露出部１１０に接合部材１０３を介して接合させることで、従来よりも放熱性を大幅に向上させることができる。よって、接合品質を安定させつつ、ＬＥＤチップなどの高発熱部品が発生する熱を効率良く放熱することが可能な発熱部品１０１の実装構造体及びその製造方法を提供することが可能となる。

なお、前記様々な実施の形態又は変形例のうちの任意の実施の形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。また、実施の形態同士の組み合わせ又は実施例同士の組み合わせ又は実施の形態と実施例との組み合わせが可能であると共に、異なる実施の形態又は実施例の中の特徴同士の組み合わせも可能である。

本発明の前記態様にかかる発熱部品の実装構造体及びその製造方法によれば、ＬＥＤチップなどの高発熱部品が発生する熱を効率良く放熱する、実装構造体の提供が可能となり、また、その構造体を高品質に製造する方法を提供することが出来る。

１ 放熱金属体
２ 絶縁層
３ 基板電極
４ 接合部材
５ 実装部品
６ 部品電極
７ ガラエポ基板
８ Ｔ型放熱金属体
９ 熱伝導絶縁塗料
１０ 熱伝導ゲル
１１ 放熱金属体露出部
１０１ 発熱部品
１０２ 回路基板
１０３ 接合部材
１０４ 部品電極
１０５ 基板電極
１０６ 基板電極
１０６ａ 開口部
１０７ 絶縁体
１０８ 放熱金属体
１１０ 放熱金属体露出部
１１１ 貫通穴
１１６ 空間
１２０ 開放部
１５１ 放熱金属体
１５２ 絶縁層
１５３ 基板電極
１５４ 接合部材
１５５ 実装部品
１５６ａ，１５６ｂ 部品電極
１６１ 放熱金属体露出部

Claims (6)

1. 回路基板に接合部材を介して発熱部品が接合される、発熱部品の実装構造体において、
   前記回路基板は、
   放熱金属体と、
   前記放熱金属体上に形成された絶縁体と、
   前記発熱部品の部品電極に対向した前記絶縁体上に形成された基板電極とを備え、
   前記回路基板の前記基板電極の内、少なくとも一つの前記基板電極が開口部を有し、前記開口部で前記放熱金属体の一部が露出し、
   前記開口部を有する前記基板電極と対向している前記部品電極は、前記開口部を有する前記基板電極と前記開口部で露出している前記放熱金属体との両方に、前記接合部材を介し接合している、発熱部品の実装構造体。
2. 前記開口部を有する前記基板電極と対向している前記部品電極の面積に対し、前記基板電極の前記開口部の面積の比率は、３０％〜７５％である、請求項１に記載の発熱部品の実装構造体。
3. 前記開口部を有する前記基板電極の前記開口部の一部が前記基板電極の端縁まで延在して開放されている、請求項１に記載の発熱部品の実装構造体。
4. 前記開口部を有する前記基板電極もしくは前記開口部で露出される前記放熱金属体に貫通穴が形成されている、請求項１に記載の発熱部品の実装構造体。
5. 放熱金属体と、
   前記放熱金属体上に形成された絶縁体と、
   発熱部品の部品電極に対向した前記絶縁体上に形成された基板電極とを有する回路基板の前記基板電極の内、少なくとも一つの前記基板電極が開口部を有し、前記開口部で前記放熱金属体の一部が露出する状態で、前記回路基板に接合部材を介して発熱部品が接合される、発熱部品の実装構造体の製造方法において、
   前記基板電極へ前記接合部材を供給する際に、前記開口部を有する前記基板電極には、前記開口部以外の前記絶縁体上の前記基板電極上のみに前記接合部材を供給し、
   次いで、前記接合部材が供給された前記回路基板に前記発熱部品を搭載し、
   次いで、前記接合部材を加熱溶融させるとともに、前記開口部を有する前記基板電極上の前記接合部材が溶融して前記開口部内に入り込み、前記開口部を有する前記基板電極と対向している前記部品電極は、前記開口部を有する前記基板電極と前記開口部で露出している前記放熱金属体との両方に、前記接合部材を介して接合する、発熱部品の実装構造体の製造方法。
6. 前記開口部を有する前記基板電極には、前記絶縁体上の前記基板電極のみに前記接合部材を供給する際に、前記開口部の周囲の一部から前記基板電極の端縁までの領域に前記接合部材を供給しない開放部を除いて、前記基板電極のみに前記接合部材を供給する、請求項５に記載の発熱部品の実装構造体の製造方法。

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