JP2020096016A - ヒートシンク付絶縁回路基板及び電子部品モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】基板の面方向への大型化を抑制し、実装を容易にするとともに、コスト低下を図ったヒートシンク付絶縁回路基板及び電子部品モジュールを提供する。【解決手段】セラミックス基板の表面に回路層が積層状態に接合されているとともに、セラミックス基板の回路層とは反対側に、回路層の積層方向に沿って延びる螺旋状のフィンを有するヒートシンクが接合されており、ヒートシンクには、セラミックス基板側の端部に、積層方向と直交する方向に広がるフランジ部が設けられ、セラミックス基板とヒートシンクのフランジ部とが純アルミニウムからなる緩衝層を介して接合されている。【選択図】 図１

Description

本発明は、各種電子部品を搭載可能な絶縁回路基板であって、電子部品で生じる熱を放散するためのヒートシンクを有するヒートシンク付絶縁回路基板及び電子部品モジュールに関する。

従来、絶縁回路基板にはんだ等を用いて電子部品を搭載している。その電子部品の一種としてＬＥＤパッケージがある。近年、ＬＥＤの高輝度化（高出力化）、小型化の開発が進められており、特に、車載部品であるヘッドライト等には、１０数個の高出力ＬＥＤが使用されているものがある。
しかし、高出力化かつ小型化が進むことで、ＬＥＤの発熱量も大きくなる。このため、十分に放熱させなければ、光量低下や熱暴走によってＬＥＤの故障につながるおそれがある。
そこで、特許文献１のようにヒートシンクを取付けることで放熱性を向上させる工夫がなされている。

特許文献１に記載のヒートシンク（ＬＥＤ照明用放熱装置）は、一定の長さおよび一定の幅を有するアルミニウム押出形材製空冷式放熱器と、放熱器の両長側縁に設けられた１対のカバーとを備えており、放熱器は、下面に複数の回路基板取付部が設けられた基板、および基板の上面に放熱器の幅方向に間隔をおいて立ち上がり状に一体に形成されて放熱器の長手方向にのびる複数の放熱フィンが設けられている。

特開２０１７−３３８３１号公報

しかしながら、特許文献１記載のヒートシンクであると、十分な放熱性を確保するためには、ヒートシンクのサイズや重量、体積等の増大によりモジュール全体が大型化してしまう。特に、複数の放熱フィンが並べられているので、その列をなす横方向に大きくなる。この横方向は回路基板の面方向であり、その大型化により実装部位が限定されることや、コスト高を招くことが問題となっている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、基板の面方向への大型化を抑制し、実装を容易にするとともに、コスト低下を図ったヒートシンク付絶縁回路基板及び電子部品モジュールを提供することを目的とする。

本発明のヒートシンク付絶縁回路基板は、セラミックス基板の表面に回路層が積層状態に接合されているとともに、前記セラミックス基板の前記回路層とは反対側に、前記回路層の積層方向に沿って延びる螺旋状のフィンを有するヒートシンクが接合されている。

このヒートシンク付絶縁回路基板は、ヒートシンクのフィンが回路層の積層方向に沿って延びる螺旋状に形成されているので、回路層の面方向の面積の増大を抑制することができる。この場合、フィンが積層方向に延びているため、回路層の面方向と直交する方向の寸法が大きくなるが、フィンは通常、熱交換器の流路に挿入された状態に固定されるものであるから、ヒートシンクはその挿入方向に延びることになり、回路層の実装面への影響は少なく、実装部位が限定されるなどの不具合が生じることは少なく、コスト低減を図ることができる。
また、ヒートシンクのフィンは螺旋状に形成されているので、表面積が大きく、熱交換性能も良好である。

ヒートシンク付絶縁回路基板の一つの実施態様は、前記セラミックス基板と前記ヒートシンクとが純アルミニウムからなる緩衝層を介して接合されているとよい。

純アルミニウムからなる緩衝層を介在しているので、セラミックス基板に、ヒートシンクとの間の熱伸縮差に起因する熱応力が発生することを緩和し、セラミックス基板の割れ等を防止することができる。純アルミニウムとしては例えば純度９９．９９％以上のいわゆる４Ｎアルミニウムが好適である。

ヒートシンク付絶縁回路基板の他の一つの実施態様は、前記ヒートシンクは、前記セラミックス基板側の端部に、前記積層方向と直交する方向に広がるフランジ部が設けられているとよい。

フランジ部により熱交換器等への取り付けが容易になる。この場合でも、フィンは積層方向に延びているため、積層方向と直交する方向のフランジ部の面積は、取り付け等のために必要な最小限の大きさで済む。

本発明の電子部品モジュールは、前記ヒートシンク付絶縁回路基板の前記回路層に電子部品が搭載されるとともに、前記ヒートシンクの前記フィンが熱交換器の流路内に挿入状態に固定されている。

この電子部品モジュールは、熱交換器内にヒートシンクのフィンが挿入状態に固定され、熱交換器の外部には、ヒートシンクの一部とセラミックス基板や回路層等のみが露出しており、これらの面積を小さく形成できるので、小型化に有利である。

本発明によれば、基板の面方向への大型化を抑制し、実装を容易にするとともに、コスト低下を図ることができる。

本発明の実施形態のヒートシンク付絶縁回路基板に電子部品を搭載した状態を示す斜視図である。 図１に示した電子部品を搭載したヒートシンク付絶縁回路基板の平面図である。 図１の電子部品を搭載したヒートシンク付絶縁回路基板を熱交換器に取付ける様子を示す斜視図である。 ヒートシンク付絶縁回路基板を製造するための加圧装置の断面図である。 ヒートシンク付絶縁回路基板の他の例を示す図１同様の斜視図である。

以下、本発明のヒートシンク付絶縁回路基板及び電子部品モジュールの実施形態について説明する。
実施形態の電子部品モジュール１は、図１〜図３に示すように、ヒートシンク付絶縁回路基板２０に電子部品３０が搭載され、ヒートシンク４０が熱交換器５０に取り付けられたものである。ヒートシンク付絶縁回路基板２０は絶縁回路基板１０にヒートシンク４０が緩衝層１５を介して設けられた構成である。以下、これらを詳述する。

絶縁回路基板１０は、図１に示すように、セラミックス基板１１と、セラミックス基板１１の一方の面（表面）に接合された回路層１２と、セラミックス基板１１の他方の面（裏面）に接合された金属層１３とを有する。
セラミックス基板１１は、回路層１２と金属層１３の間の電気的接続を防止する絶縁材であって、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等により形成され、その板厚は０．２ｍｍ〜１．５ｍｍである。その平面サイズは５ｍｍ以上２０ｍｍ以下の正方形又は長方形に形成される。

回路層１２は、セラミックス基板１１の上面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる板材が接合されることにより形成され、その厚さは、２０μｍ以上５０μｍ以下である。
また、回路層１２の平面サイズは、５ｍｍ以上２０ｍｍ以下であり、セラミックス基板１１の平面内に配置される大きさに形成される。
金属層１３は、セラミックス基板１１の下面にアルミニウム又はアルミニウム合金からなる板材が接合されることにより形成され、その厚さは、２０μｍ以上５０μｍ以下である。
また、金属層１３の平面サイズは、５ｍｍ以上２０ｍｍ以下であり、セラミックス基板１１の平面内に配置される大きさに形成される。
回路層１２及び金属層１３は、同じ材質、同じ厚さ、同じ平面サイズであることが好ましいが、異なる材質、異なる厚さ、異なる平面サイズに形成してもよい。材質としては、必ずしも限定されないが、ＪＩＳの３０００番のアルミニウムが好ましい。

ヒートシンク４０は、基端部にフランジ部４１を有し、そのフランジ部４１の中心に、フランジ部４１の面方向と直交する方向に延びてねじ状のフィン部４２が一体に形成されている。このヒートシンク４０の材質としては例えばＪＩＳの６０００番のアルミニウム合金が好適である。
フランジ部４１は厚さ１ｍｍ以上の板状に形成されており、その平面形状は絶縁回路基板１０の平面形状と同じか、それよりも大きく、例えば絶縁回路基板１０の外側に２ｍｍ程度はみ出す大きさに形成されている。図示例では、フランジ部４１は、六角ボルト用の工具（スパナ、レンチ）を係合することができるように、平面視六角形状に形成されている。そして、このフランジ部４１が絶縁回路基板１０の金属層１３に緩衝層１５を介して接合されている。
フィン部４２は、シャフト４３の周囲に螺旋状のフィン４４が一体に形成された構造である。各部寸法は必ずしも限定されるものではないが、シャフト４３の長さは５ｍｍ以上４０ｍｍ以下で、シャフト４３の外径は５ｍｍ以上２０ｍｍ以下とされる。シャフト４３の外周面からのフィン４４の突出高さが０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下、フィン４４のピッチが１ｍｍ程度に形成される。

絶縁回路基板１０の金属層１３とヒートシンク４０のフランジ部４１との間に介在される緩衝層１５は、純アルミニウムにより厚さ１ｍｍ以上２ｍｍ以下の板状に形成されている。純アルミニウムとしては、純度９９．００質量％以上又は純度９９．９９質量％以上のアルミニウムが用いられ、純度９９．９９質量％以上のいわゆる４Ｎアルミニウムが好適である。

このように構成されるヒートシンク付絶縁回路基板２０の製造方法について説明する。
まず、セラミックス基板１１の一方の面に回路層１２となるアルミニウム板、他方の面に金属層１３となるアルミニウム板をろう材を介して積層する。ろう材は、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材箔が用いられ、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｍｎ系、又はＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材を用いることもできる。
このセラミックス基板１１の両面にろう材を介してアルミニウム板を積層した後、その積層体を例えば０．３ＭＰａの加圧力で加圧した状態で真空雰囲気中で加熱する。この場合、アルミニウム板が薄いので、セラミックス基板１１とアルミニウム板との界面からアルミニウム板の反対面にろう材成分が染み出さないよう、まず５４０℃程度で予備加熱した後、６１０℃程度に昇温する。これにより、セラミックス基板１１にアルミニウム板を接合して、セラミックス基板１１の表面に回路層１２及び金属層１３を有する絶縁回路基板１０を作製する。

次いで、ヒートシンク４０のフランジ部４１に緩衝層１５となる純アルミニウム板を介して絶縁回路基板１０を積層する。
ヒートシンク４０は、アルミニウム合金からなる棒状ブロックにプレス成形、切削加工等を施して形成する。
このヒートシンク４０のフランジ部４１の上面に、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材を介して緩衝層１５となる純アルミニウム板を積層し、この純アルミニウム板の上にＡｌ−Ｓｉ系ろう材を介して絶縁回路基板１０を積層する。Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｍｎ系、又はＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材を用いることもできる。

そして、この積層体を図４に示す加圧装置６０にセットする。
この加圧装置６０は、ベースブロック６１と、ベースブロック６１の上面に垂直に取り付けられた複数のガイドポスト６２と、これらガイドポスト６２の上端部にガイドポスト６２に沿って移動自在に支持されたバックアップ板６３と、これらベースブロック６１とバックアップ板６３との間で上下移動自在にガイドポスト６２に支持された加圧板６４と、バックアップ板６３と加圧板６４との間に設けられて加圧板６４を下方に付勢するばね等の付勢手段６５とを備えている。バックアップ板６３および加圧板６４は、ベースブロック６１の上面に対して平行に配置される。
なお、ベースブロック６１及び加圧板６４はカーボンにより形成される。

ガイドポスト６２は、少なくとも一対が、ベースブロック６１の上面に垂直に設けられ、その上端にねじ部６２ａが形成されており、バックアップ板６３の上面でナット６６が螺合している。本実施形態では、ベースブロック６１のガイドポスト６２より内側に、ベースブロック６１の上面に開口する穴６１ａが垂直に形成されている。この穴６１ａはヒートシンク４０のフィン部４２の外径よりも大きい内径に形成され、かつ、フィン部４２の長さよりも深く形成されている。そして、この穴６１ａにフィン部４２を挿入した状態でフランジ部４１がベースブロック６１の上面に当接した状態に支持される。

この穴６１ａにヒートシンク４０のフィン部４２を挿入した状態で、ベースブロック６１上面のフランジ部４１の上に、緩衝層１５となるアルミニウム板１５´を介して絶縁回路基板１０を、これらの間に例えばフラックスを用いたＡｌ−Ｓｉ系ろう材を介して積層する。
そして、その積層体をベースブロック６１と加圧板６４とにより挟んだ状態で、ナット６６をガイドポスト６２のねじ部６２ａにねじ込むことにより、積層体を積層方向に加圧する。積層方向への加圧力は０．３ＭＰａ〜１．５ＭＰａとし、窒素雰囲気内で６００℃程度に加熱する。

このようにして積層体を加圧、加熱して冷却することにより、ヒートシンク４０のフランジ部４１、緩衝層となるアルミニウム板１５´、絶縁回路基板１０が接合され、絶縁回路基板１０に緩衝層１５を介してヒートシンク４０のフランジ部４１が接合された、ヒートシンク付絶縁回路基板２０が形成される。
そして、このヒートシンク付絶縁回路基板２０の回路層１２の上に、ＬＥＤ等の電子部品３０をはんだ付けすることにより、電子部品３０が搭載される。

この電子部品３０を搭載したヒートシンク付絶縁回路基板２０は、図３に示すように熱交換器５０に取付けられる。この熱交換器５０は、熱媒体として水を用いた冷却器であり、電子部品３０で発生する熱を冷却するためのものである。この熱交換器５０は、ボックス状のジャケット５１に熱媒体の入口配管５２と出口配管５３とが接続されている。
また、ジャケット５１の上壁５１ａを貫通するようにねじ穴５４が形成されており、そのねじ穴５４にヒートシンク４０のフィン部４２がねじ込まれるようになっている。このねじ穴５４にヒートシンク４０のフィン部４２をねじ込んで、ジャケット５１の上壁５１ａにヒートシンク４０を固定することにより、ジャケット５１の上方に絶縁回路基板１０に搭載された電子部品３０が配置される。

このようにして組み立てられた電子部品モジュール１は、ヒートシンク４０のフィン４４を絶縁回路基板１０の積層方向に延びる螺旋状に形成したので、絶縁回路基板１０の面方向への増大を抑制することができる。このため、実装部位が制限されることが少なくなる。また、フィン４４を螺旋状に形成したことから、おねじとして利用することができ、ジャケット５１の上壁５１ａに形成したねじ穴５４にねじ込むことで、ジャケット５１に取り付けることができ、他に取り付けのための穴等をヒートシンク等に設ける必要もなく、小型化を図ることができるとともに、製造プロセスも簡便にすることができ、コスト低減を図ることができる。

そして、この電子部品モジュール１において、ジャケット５１内には入口配管５２から冷媒が供給され、出口配管５３から排出される。電子部品３０で発生する熱が絶縁回路基板１０を経由してヒートシンク４０に伝わり、ヒートシンク４０内を伝導して、ジャケット５１内でフィン部４２から熱媒体（冷媒）に放出される。この場合、ヒートシンク４０は、シャフト４３の周囲に螺旋状にフィン４４が設けられているので、表面積が大きく、冷媒との間で速やかに熱交換することができる。

なお、実施形態ではフィンをおねじ部として利用したが、シャフトの基端部に、フィンとは別に、フィンより大径の取り付け用のおねじ部を一体に形成してもよい。
例えば、図５に示すヒートシンク付絶縁回路基板２１では、ヒートシンク４５がフランジ部４１とフィン部４２との間におねじ部４６が一体に形成されている。このおねじ部４６は、その平面サイズがフランジ部４１よりも小さいが、フィン部４２より大きく形成される。そして、熱交換器５０のめねじ穴５４を、このおねじ部４６が螺合できる大きさに形成しておき、フィン部４２を熱交換器５０のジャケット５１内に挿入し、おねじ部４６をねじこむことにより、ヒートシンク付絶縁回路基板２１を熱交換器５０に取り付け固定することができる。

その他、本発明は、これまで述べた実施形態に限定されず、種々変更可能である。
例えば、実施形態ではヒートシンク４０のフランジ部４１に一つの絶縁回路基板１０を接合したが、複数の絶縁回路基板１０を接合してもよい。
熱交換器５０を水冷式のものとしたが、熱媒体に空気を用いた空冷式のものとしてもよい。
回路層を、セラミックス基板に接合されたアルミニウム層と、その上に接合された銅層との二層構造としてもよい。
回路層又は金属層のいずれか、あるいはその両方を、銅又は銅合金で形成してもよい。
また、ヒートシンクをアルミニウムより熱伝導性の高い銅又は銅合金によって構成してもよい。ヒートシンクを銅又は銅合金によって構成する場合、水冷式熱交換器５０を用いる場合は、腐食防止のため、表面にニッケルめっき等を施すとよい。

１ 電子部品モジュール
１０ 絶縁回路基板
１１ セラミックス基板
１２ 回路層
１３ 金属層
１５ 緩衝層
２０，２１ ヒートシンク付絶縁回路基板
３０ 電子部品
４０，４５ ヒートシンク
４１ フランジ部
４２ フィン部
４３ シャフト
４４ フィン
５０ 熱交換器
５１ ジャケット
５１ａ 上壁
５２ 入口配管
５３ 出口配管
５４ ねじ穴
６０ 加圧装置
６１ ベースブロック
６１ａ 穴
６２ ガイドポスト
６３ バックアップ板
６４ 加圧板
６５ 付勢手段

Claims (4)

1. セラミックス基板の表面に回路層が積層状態に接合されているとともに、前記セラミックス基板の前記回路層とは反対側に、前記回路層の積層方向に沿って延びる螺旋状のフィンを有するヒートシンクが接合されていることを特徴とするヒートシンク付絶縁回路基板。
2. 前記セラミックス基板と前記ヒートシンクとは純アルミニウムからなる緩衝層を介して接合されていることを特徴とする請求項１記載のヒートシンク付絶縁回路基板。
3. 前記ヒートシンクは、前記セラミックス基板側の端部に、前記積層方向と直交する方向に広がるフランジ部が設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載のヒートシンク付絶縁回路基板。
4. 請求項１から３のいずれか一項記載のヒートシンク付絶縁回路基板を用いた電子部品モジュールであって、前記ヒートシンク付絶縁回路基板の前記回路層に電子部品が搭載されるとともに、前記ヒートシンクの前記フィンが熱交換器の流路内に挿入状態に固定されていることを特徴とする電子部品モジュール。

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