JP3897824B2 - 電力構造部品のための支持体基板と冷却部材を含む装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

従来の技術
本発明は、請求の範囲第１項の上位概念に記載された特徴を有する電力構造部品のための支持体基板と冷却部材を含む装置、及びその製造方法に関する。
このような装置は、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９５２８６３２号明細書によりすでに公知である。支持体基板としてこの刊行物において、プリント板が示されており、このプリント板は、その上側に電子回路を備え、この電子回路は、損失熱を発生する少なくとも１つの電力構造部品を含んでいる。電力構造部品の下にプリント板は、スルー接触部を備え、これらのスルー接触部は、電力構造部品から発生される熱をプリント板の下側に放出する。プリント板の下側と冷却部材として使われる制御装置ハウジングとの間に、熱伝導充填材料が配置されている。動作中に電力構造部品から発生される熱は、スルー接触部を介してプリント板の下側に放出され、かつここから熱伝導充填材料を介して冷却部材として使われるハウジングに送出される。その際、プリント板の下側の電位を通じるプリント板が、制御装置内にプリント板を取付ける際に、冷却部材に接触することがあることは、不利である。それにより引起こされる短絡は、プリント板上の壊れやすい構成部材を損傷し、又は破壊することがある。
さらにドイツ連邦共和国特許出願第１９７２３４０９号明細書に、支持体基板と冷却部材を備えた装置が示されている。プリント板の上側の電力構造部品は、大きな面積の導体路上に取付けられており、この導体路は、スルー接触部を介してプリント板の下側の大きな面積の導体路に接続されている。プリント板の下側のここに配置された大きな面積の導体路の下に、絶縁層を介して金属層が取付けられており、この金属層は、再びはんだ停止マスクを介して冷却部材として設けられた制御装置のハウジング部分に取り付けられている。このような装置において導体路と冷却部材との間の電気的接触は、絶縁層によって阻止されるが、絶縁層と別の金属層が、冷却部材への直接の熱伝導を悪化させ、装置の所要場所を増加し、かつその上製造コストを高価にすることは、不利とみなさなければならない。
発明の利点
請求の範囲第１項の特徴部分の特徴を有する本発明による装置は、従来の技術において生じる欠点を回避する。電力構造部品に対向する支持体基板の側に取付けられたスペーサ部材、及び支持体基板と冷却部材との間に挿入された熱伝導充填材料によって、有利には一方において冷却部材への支持体基板の良好な熱連結が達成され、かつ他方において支持体基板のこの側にある電位を通す導体路と冷却部材との間の不所望な電気的接触は、確実に回避される。さらに提案された解決策によって、とくに場所を節約した装置を実現することができる。例えば付加的な絶縁層又は絶縁層上に取付けられる別の金属層のような製造を高価にする付加的な層は、必要ないので、そのためのコストを節約することができる。
さらにスペーサ部材が支持体基板の下側の導体扁平片からなり、これらの導体扁平片が、決められた量のはんだによって覆われている場合にとくに有利である。なぜならそのためにとくに両側に装備された支持体基板において、付加的な製造工程は必要ないからである。導体扁平片は、下側に設けられた電気構造部品の接続面と一緒に製造することができ、かつはんだによって覆うことができる。
電力構造部品に対向する支持体基板の側に取付けられたはんだ停止ラッカーは、はんだ取付けの際に誤ってそのために考慮されていない位置にはんだが到達することを阻止する。
電力構造部品及び冷却部材が同じ電位にあるとき、導体扁平片を直接大きな面積の第２の導体路に統合して製造することは有利である。なぜならそれにより熱の伝達が改善されるからである。
支持体基板と冷却部材の間に設けられた熱伝導充填材料が、熱伝導接着剤又は熱伝導接着フィルムである場合はさらに有利であり、それにより支持体基板は、機械的に冷却部材上に取付けることができる。
冷却部材上に配置されたスペーサ部材は、有利には冷却部材への支持体基板のアース端子として、かつＥＭＶ特性（電磁耐性）の改善のために利用することができる。
さらに本発明は、支持体基板と冷却部材からなる装置の製造方法にも関する。とくに両側に装備した支持体基板の際に、この方法を実施するために付加的な製造工程は必要ない。導体扁平片は、第２の側に設けられた導体路とともに製造することができる。スペーサ部材の製造のために不可欠なはんだの堆積は、構造部品のための接続面のはんだ付けとともに導体扁平片上で行なうことができ、それによりスペーサ部材の製造のためにほとんど付加的なコストが生じないので、この方法はとくに経済的になる。
はんだペーストプリント位置に、導体扁平片上に、はんだをプリントすることは有利である。なぜならこの技術は、とくに良好に決められた量のはんだを堆積するために適しており、かつ良好に制御することができるからである。それに続くリフローはんだ付け工程において、はんだは溶融され、その際、取付けられたはんだ量によって一定の高さを有するスペーサ部材が形成される。リフローはんだ付け工程は、有利には支持体基板上に設けられたＳＭＤ構造部品（表面実装部品）のリフローはんだ付けと一緒に行なうことができる。
熱伝導接着剤又は熱伝導接着フィルムを、まず冷却部材上に取付け、かつ続いて支持体基板を、スペーサ部材が接着剤内に押込まれるように、接着剤又は接着フィルムによって覆われた冷却部材上に取り付けることはとくに容易であり、その際、そのはんだ層を冷却部材に接触させることができる。
図面
本発明の実施例を図面に示し、かつ以下の説明において詳細に説明する。ここでは
図１は、絶縁層と付加的な銅板を有する従来の技術により周知の装置の簡略化した横断面を示し、
図２は、本発明による装置の簡略化した横断面を示し、
図３は、本発明による装置の第２の実施例の簡略化した横断面を示している。
実施例の説明
図１は、制御装置における電力構造部品によって発生される損失熱を放出する従来の技術により周知の装置を示している。プリント板２は、上方に向いた第１の側８に、大きな面積の第１の導体路１０を備え、かつ下方に向いた第２の側９に、大きな面積の第２の導体路１１を備えている。大きな面積の第１の導体路１０及び大きな面積の第２の導体路１１は、プリント板を通って延びた多数のスルー接触部４を介して、互いに良好に熱伝導するように結合されている。大きな面積の第１の導体路１０上に、電力構造部品３、例えばＳＭＤ構造部品（表面実装部品）が取付けられており、この電力構造部品は、端子１４を介して、プリント板２の上側８の大きな面積の導体路１０から絶縁された別の導体路１２に導通接続されている。簡略化のために、１つだけの導体路１２が示されている。下側９になお別の電位を通じる導体路１３があり、これらの導体路は、大きな面積の第２の導体路１１から絶縁して配置されている。さらに下側に図示しないなお別のＳＭＤ構造部品が設けられており、これらの構造部品は、図示しない接続面によって下側にはんだ付けされている。さらにヒートシンクとして使われる銅板６は、電気的に絶縁しかつ熱伝導する絶縁層５を介して、大きな面積の第２の導体路１１及び導体路１３上に取付けられている。銅板６上に再びはんだ停止ラッカー１５が取付けられており、このはんだ停止ラッカーは、ＳＭＤ構造部品のための接続面のはんだ付けの際に、銅上のはんだの堆積を阻止する。はんだ停止ラッカー１５の下に、熱伝導接着剤７が設けられており、この接着剤は、冷却部材として設けられた制御装置ハウジングの底部分１に取付けられている。銅板をねじ止め可能な取付け手段によって直接冷却部材に押付けることも周知である。それぞれの場合に、電力構造部品３から発生される熱は、スルー接触部を介して大きな面積の導体路１１に、かつ絶縁層５を介して銅板に放出される。ここから熱は、はんだ停止ラッカー１５を通って、それから直接又は熱伝導接着剤７を介して、冷却部材１に送出される。プリント板２が、絶縁層５及び銅シンク６を用いずに、冷却部材上に取付けられている場合、電位を通じる導体路１３の間の短絡は、構造部品の損傷を生じることがある。しかし絶縁層５及び付加的な銅板６を取付けるために、分離した別の２つの製造工程が必要であることは、図１に示した装置において不利である。
図２に、電力構造部品の損失熱を放出する本発明による装置が示されており、この装置は、有利には自動車の電子制御装置に使用される。少なくとも１つの電力構造部品、例えば電力半導体は、支持体基板２の上側８の大きな面積の導体路１０上に取付けられており、この支持体基板は、プリント板、ハイブリッド、又は電気回路を備えたその他の基板であってもよい。ここに図示した実施例において、基板２は、両側に装備したプリント板である。さらに図２において明らかなように、電子構造部品３の端子１４は、プリント板２の上側８の導体路１０から絶縁された接続導体路１２に接続されている。プリント板２の下側９に大きな面積の第２の導体路１１が取付けられており、この導体路は、スルー接続部４を介して上側８の第１の導体路１０に熱伝導性に接続されている。さらに回路に所属の図示しないなお別の導体路及びＳＭＤ構造部品のためのいくつかの接続面が、下側９に設けられている。図２に示すように、プリント板２の下側９に、さらに導体扁平片１７が設けられており、これらの導体扁平片は、その他の導体路及び接続面とともに、かつ同じ材料から、プリント板の下側に製造することができる。このことは、通常の周知の技術によって行なうことができる。図２に示した実施例において、電力構造部品３からスルー接触部４を介して大きな面積の第２の導体路１１に、電圧が伝達される。導体扁平片１７は、それ故に導体路１１から絶縁されて、支持体基板上に配置されている。さらにはんだ停止ラッカー９は、周知のように下側９に取付けられており、その際、導体扁平片１７及び図示されていないＳＭＤ構造部品のための接続面の位置に、はんだ停止ラッカーにおける切り欠きが設けられている。図２に示された装置の製造の際に、プリント板２は、下側９を上方に向けられ、かつはんだペーストプリント位置で、はんだペーストがプリントされる。その際、はんだは、導体扁平片１７及びＳＭＤ構造部品のための接続面上に取付けられる。はんだ停止ラッカー１５は、その際にはんだが別の回路部材に達することを阻止する。はんだのプリントの後に、プリント板２は、接着器に提供され、この装着器は、プリント板の上方に向いた下側９の接続面に取付けられたはんだペースト内に、ＳＭＤ構造部品を押込む。続いてプリント板は、リフローはんだ付け位置を貫通し、ここにおいてはんだが溶融される。その際、有利にはＳＭＤ構造部品は、接続面にはんだ付けされ、かつ同時にスペーサ部材１７、１８が形成される。このことは、導体扁平片１７上にプリントされたはんだ１８がリフロー炉内で液状化され、かつ扁平片１７上のはんだの表面張力によって決められた大きさのはんだこぶ又ははんだキャップを形成し、その形が導体扁平片１７の大きさ及びプリントされたはんだの量だけに依存することによって行なわれる。とくに前記の方法によって、正確に決められた均一な高さを有するすべてのスペーサ部材を形成することが可能である。その際、２つの側に装備したプリント板においてはんだペーストプリント工程及びリフローはんだ付け工程はいずれにせよ行なわなければならないので、スペーサ部材の製造のために付加的な製造工程が必要ないことは、とくに有利である。前記の製造方法の代わりに、導体扁平片を、例えば波はんだ浴において液状のはんだによって湿らせることも可能である。決定的なことは、決められた高さを有するスペーサ部材を製造するということである。スペーサ部材１７、１８の製造の後に、分配装置によって熱伝導可能な装着剤７が冷却部材１上に取付けられる。別の実施例において、接着剤の代わりに、両面接着熱伝導フィルムを使用することが考慮されている。冷却部材として、制御装置のハウジング部分、例えばハウジング底部が使われる。この時、プリント板２は、冷却部材１の方に向いた下側９を接着剤上に配置され、スペーサ部材１７、１８が接着剤７内に侵入するように、冷却部材の方向に押付けられる。その際、これらのスペーサ部材は、冷却部材１に接触することができ、かつそれにより最小間隔を確保する。その際、制御装置のハウジング底部の図２に示されていないバスタブ状の凹所は、プリント板の下側に配置された構造部品を収容する。スペーサ部材１７、１８によってプリント板の下側と冷却部材との間に、決められたギャップが形成され、このギャップは、図２に示すように、接着剤７によって完全に満たされている。決められた小さな高さを有するスペーサ部材が製造できることによって、冷却部材がプリント板下側に接触することなく、ギャップは、きわめて小さく選定することができ、それにより冷却部材への熱伝導が改善される。
しかしここで説明したものとは相違して、図２に示した装置は、例えばプリント板２をまずスペーサ部材１７、１８を用いて冷却部材上に配置し、かつ続いて初めて毛細管状に流動可能な接着剤をプリント板下側と冷却部材との間のギャップ内に挿入することによって製造することもできる。
スペーサ部材１７、１８は、有利には装置のＥＭＶ保護（電磁耐性）のために使うことができる。スペーサ部材は、電気的に導通する材料からなるので、それにより冷却部材への電気的接触を行なうことができ、すなわちスペーサ部材と冷却部材は、同じ電位にある。少なくともいくつかの導体扁平片１７が回路に所属のプリント板に接続されている場合、スペーサ部材を介して短い、したがって放射の少ないアース接続を実現することができる。
別の実施例は、図３に示されている。同じ数字は同じ部材を意味する。図３に示された装置は、電力構造部品３と冷却部材が同じ電位にある点において、図２に示された実施例と相違している。それ故に図３に示された例において、導体扁平片１７は、有利には直接支持体基板２の大きな面積の第２の導体路内に統合することができる。支持体基板２の第２の側９に取付けられたはんだ停止マスク１５は、切り欠きを有し、これらの切り欠きが、導体扁平片１７を決定している。前記のようにこれらの導体扁平片上にはんだキャップ１８が形成される。続いて支持体基板は、接着剤７を介して冷却部材１上に取り付けられる。電力構造部品３、導体路１１及び冷却部材１は、同じ電位にあるので、スペーサ部材１８によって短絡は生じない。図２と比較して、大きな面積の第２の導体路１１上のはんだキャップ１８の配置によって熱伝導を改善することができる。

Claims (9)

1. 支持体基板（２）が、第１の側（８）に、大きな面積の第１の導体路（１０）上に配置された少なくとも１つの電力構造部品（３）を備え、かつ電力構造部品（３）に対向する第２の側（９）に、大きな面積の第２の導体路（１１）を備え、その際、大きな面積の第１の導体路（１０）及び大きな面積の第２の導体路（１１）が、少なくとも１つのスルー接触部（４）を介して互いに熱伝導するように結合されており、かつその際、支持体基板（２）が、第２の側（９）によって冷却部材（１）上に熱伝導するように取付けられている、支持体基板（２）と冷却部材（１）を含む、とくに電子制御装置に使用する装置において、支持体基板（２）が、支持体基板（２）の第２の側（９）に配置されたスペーサ部材（１７，１８）を用いて、冷却部材（１）上に配置されており、かつ冷却部材（１）に対して決められた間隔に保持され、その際、支持体基板（２）と冷却部材（１）との間に前記間隔によって形成されたギャップが、熱伝導する充填材料（７）によって満たされていることを特徴とする、支持体基板（２）と冷却部材（１）を含む、とくに電子制御装置に使用する装置。
2. スペーサ部材として導体扁平片（１７）が設けられており、これらの導体扁平片が、支持体基板（２）の第２の側（９）に配置されており、かつ決められた量のはんだ（１８）によって覆われていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 支持体基板（２）の第２の側（９）が、少なくとも導体扁平片（１７）を切り欠いたはんだ停止ラッカー（１５）によって覆われていることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. 電力構造部品（３）及び冷却部材（１）が、同じ電位にあり、かつ導体扁平片（１７）が、大きな面積の第２の導体路（１１）に統合されていることを特徴とする、請求項３に記載の装置。
5. 熱伝導充填材料（７）が、硬化可能な熱伝導接着剤又は両面接着熱伝導フィルムであることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
6. はんだ（１８）によって覆われた導体扁平片（１７）と冷却部材（１）との間の接触が、同時に冷却部材への支持体基板（２）のアース端子として使われることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
7. 支持体基板（２）が、第１の側（８）に、大きな面積の第１の導体路（１０）上に配置された少なくとも１つの電力構造部品（３）を備え、かつ電力構造部品（３）に対向する第２の側（９）に、大きな面積の第２の導体路（１１）を備え、その際、大きな面積の第１の導体路（１０）及び大きな面積の第２の導体路（１１）を、少なくとも１つのスルー接触部（４）を介して互いに熱伝導するように結合し、かつ支持体基板（２）の第２の側（９）を冷却部材（１）に熱伝導するように結合する、支持体基板（２）と冷却部材（１）からなる装置の製造方法において、
   ・支持体基板の第２の側（９）に導体扁平片（１７）を用意し、
   ・支持体基板（２）の第２の側（９）に少なくとも導体扁平片（１７）を切り欠いたはんだ停止ラッカー（１５）を取付け、
   ・決められた量のはんだ（１８）によって導体扁平片（１７）を覆い、かつ取付けられたはんだ量によって決められた高さを有するスペーサ部材（１７，１８）を製造し、
   ・冷却部材（１）上にスペーサ部材（１７，１８）を用いて支持体基板（２）を配置し、その際、支持体基板（２）の第２の側（９）と冷却部材（１）との間に熱伝導する充填材料（７）を挿入する
   工程を有することを特徴とする、支持体基板（２）と冷却部材（１）からなる装置の製造方法。
8. はんだペーストプリント位置に、導体扁平片（１７）上に、はんだ（１８）をプリントし、かつリフローはんだ付け位置に支持体基板（２）の引き続くリフローはんだ付けによってスペーサ部材（１７，１８）を製造することを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 熱伝導充填材料（７）としてまず熱伝導する硬化可能な接着剤又は両面接着熱伝導フィルムを、冷却部材（１）上に取付け、かつ続いて支持体基板（２）を、スペーサ部材（１７，１８）が接着剤（７）内に押込まれるように、接着剤（７）によって覆われた冷却部材上に配置し、その際、そのはんだ層（１８）を冷却部材（１）に接触させることができることを特徴とする、請求項７に記載の方法。

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