JP3906510B2 - 電子部品搭載用放熱基板 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はインバータ回路や電源回路のように大電力を扱う電子回路モジュール等に用いられるパワー半導体及び各種電子部品等を搭載する電子部品搭載用放熱基板に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、インバータ回路や電源回路のように大電力を扱う電子回路は機器の小型化にともないモジュール化が進んでいる。このパワー電子回路のモジュール化を達成するためには、高密度実装されたパワー半導体等の損失による発熱をいかに放熱するかが重要な課題である。従来この種の電子回路モジュールには、金属支持板上の表面に薄い絶縁体層を介して導体箔を張り合わせ、この導体箔をエッチングすることにより配線パターンを形成する基板(以下金属ベース基板と称す)が用いられ、これにパワー半導体および各種電子部品を搭載して回路を形成していた。
【0003】
この従来の電子回路モジュールについて図8,図9により説明する。
【0004】
図8及び図9は従来の金属ベース基板を用いた電子回路モジュールを示すものである。同図によると、91は金属支持板、92は絶縁体層、93は導体箔、94はパワー半導体を含む電子部品である。導体箔93は金属支持板91に絶縁体層92を介して張り合わされている。この導体箔93はエッチングにより配線パターン状に形成され、これに電子部品94を搭載し回路を構成する。95は外部接続端子であり電子部品94と同様に搭載される。電子部品94での発熱は絶縁体層92を介して金属支持板91に伝えられる。96はパターンの配線抵抗を低減するためのバスバー、97は放熱器であり金属支持板91のみの放熱では不十分な場合に放熱を補うために用いるものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の構成では、配線パターン形成をエッチングにより行うため、導体箔93には35μmや70μmといった薄いものが用いられており、大電流が流れるようなパワー回路を構成する際にその配線抵抗が問題となる。このため電流の多く流れる部分にはバスバー96を基板に実装している。
【0006】
またこの金属ベース基板の放熱特性は金属支持板91と導体箔93の間に形成された絶縁体層92により決定され、一般的にこの種の絶縁体層92はエポキシ樹脂の塗布により形成しており、放熱特性を良くするために薄く成形されている。このため絶縁特性が高くできないことや、導体箔93と金属支持板91との間に発生する分布容量が大きくなるために、回路の高周波化を阻害したり、金属支持板91を介してノイズが伝搬し易いといった課題があった。
【0007】
さらに、モジュールを構成する場合の外部接続端子95は別パーツで基板に実装する必要があり、複数の外部接続端子95の位置決めが難しいといった問題も有していた。
【0008】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、放熱基板の重要な特性である放熱特性と絶縁特性の両方を改善すると同時に大電力の電子回路を構成する上で重要となる配線抵抗の低減やノイズの原因となる配線パターンの分布容量の低減を達成し、外部接続端子なども一体化できる立体構造の可能な放熱基板であって、しかも容易に実現することのできる電子部品搭載用放熱基板を提供することを目的とするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、所定の配線パターン状に打ち抜いた金属板と、この金属板の少なくとも部品搭載部分を露出させた状態で一体成型された高熱伝導性の複合絶縁材料とを備え、前記複合絶縁材料における表面スキン層を除去して構成するものである。
【0010】
この構成により、配線パターンは金属板であるために当然のことながら配線抵抗は低く、大電流回路に適している。またこの基板に実装された部品の発熱は一旦金属板により熱拡散された後、高熱伝導性の複合絶縁材料により放熱されるため放熱性が良好であり、また、高熱伝導性の複合絶縁材料で構成されるため絶縁層は厚くできるので絶縁性が向上し、パターン間の分布容量も低減が可能となる。そして金属板は打ち抜き加工法を用い、これに高熱伝導性の複合絶縁材料を一体成形するので容易に実施可能であり、従来の放熱基板では困難である立体的な構造も可能となるものである。さらに、成形体表面の樹脂分がリッチなスキン層を除去することにより、放熱特性を向上させるものである。
【0011】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項1に記載の発明は、所定の配線パターン状に打ち抜いた金属板と高熱伝導性の複合絶縁材料とにより構成され、前記高熱伝導性の複合絶縁材料は前記金属板をこの金属板の少なくとも部品搭載部分を露出させた状態で一体形成したことにより、前記金属板によって熱拡散した後、高熱伝導性の絶縁材料によって放熱されるため、放熱性が良好となるとともに前記配線パターンの分布容量も低減できるものである。さらに、複合絶縁材料における表面スキン層を除去することにより、放熱特性を向上させることができる。
【0012】
本発明の請求項2に記載の発明は、金属板の少なくとも部品搭載部分を露出させた部分の近傍側面にゲート部を設けた金型を用いて部品収納可能なキャビティを構成するように前記金属板の上下両面に複合絶縁材料を一体成形したもので、請求項1に記載の金属板部品搭載部分の底面における複合絶縁材料の流動特性を制御して放熱特性を阻害する空気層形成を防止して複合絶縁材料と金属板の密着性を高めることを容易とするものである。
【0013】
本発明の請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の金属板の部品搭載部に厚さ方向に傾斜を持つ穴を設け、一体成形時に複合絶縁材料が穴に楔状に食い込み複合絶縁材料と金属板の密着性をより強固にできるものである。
【0014】
以下、本発明の一実施の形態について、図1〜図7により説明する。
【0015】
図1,図2は第1の実施の形態の電子部品搭載用放熱基板を示す図であり、図1は斜視図、図2は側断面図である。図1において、1は配線パターン状に打ち抜いた金属板で、金属板1としては熱伝導率及び導電率の良好な銅板が望ましく、配線パターン状に打ち抜き加工する手段としてはプレス機を用いることにより容易に実現できる。
【0016】
2は高熱伝導性の複合絶縁材料で、これは射出成形やトランスファ成形により金属板1のインサート成形ができる材料であり、ベースの樹脂材料として電子部品の半田付けが可能なように高耐熱性を有する熱硬化性のエポキシ樹脂あるいは、熱可塑性のポリフェニレンサルファイド、液晶ポリマー、ポリスチレン、ナイロンのいずれかあるいはこれらの混合物を用い、このベース樹脂材料に絶縁性と高熱伝導率を有する酸化アルミ、窒化アルミ、酸化マグネシウム、窒化ボロン、酸化亜鉛、シリカ、チタニア、スピネル等のいずれかあるいはこれらの中より選択された混合物をチタニウム、シランなどのカップリング剤で表面処理した粉体フィラーとガラスやウィスカーなどの繊維状のフィラーとを主体とする充填剤を混練して熱伝導性と強度を高めた複合絶縁材料である。
【0017】
3は放熱基板に搭載された電子部品、4は電子部品3を電気的に接続するための金属板1の露出部、5は電子部品3を搭載するためのキャビティ、6は金属板1を用いた端子部である。
【0018】
図2において、7は放熱基板のみでは放熱が十分でない時に用いる外付けの放熱器である。このような高熱伝導性の複合絶縁材料2により配線パターン状に打ち抜いた金属板1を電子部品3の搭載部分を露出させた状態で一体成形している。
【0019】
以上のように構成された電子部品搭載用放熱基板は配線パターンが打ち抜き加工された金属板1であるため配線抵抗が低く、実装された電子部品3の発熱は配線パターン状に打ち抜いた金属板1により熱拡散された後、高熱伝導性の複合絶縁材料2によって放熱されるため放熱特性が優れている。また外付けの放熱器7を用いる場合においても絶縁層が厚いため絶縁特性は良好であり、パターン間の分布容量も低減が可能となる。さらに金属板1の部品実装部分を露出させ、高熱伝導性の複合絶縁材料2により搭載用のキャビティ5を構成することにより部品の位置決めが容易となるとともに、半田ブリッジの防止用のレジストが不要となる。
【0020】
また、金属板1は高熱伝導性の複合絶縁材料2によりモールドされるため密着度が向上するとともに、金属板1の両側に高熱伝導性の複合絶縁材料2が配置されるので成形後の樹脂の収縮に伴う基板のソリが低減されるといった基板構成上の利点を有するものである。さらに従来の基板表面に形成された配線パターンはパターン間の絶縁確保のため、所定の沿面距離を確保する必要があったが、本構成によれば配線パターンは高熱伝導性の複合絶縁材料2に埋め込まれるのでパターン間隔を狭めることも可能となる。
【0021】
なお、金属板1としての銅板の厚みは熱拡散効果と端子を構成したときの強度を考慮すると0.5mm以上が望ましく、プレス機を用いて金型によりパターン形成する場合の加工性を考慮すると1.0mm以下が望ましい。また銅板の部品実装面は鍍金することにより半田付け性を良好とすることができ、底面を黒化処理やブラスト処理により表面を荒らすことで金属板1と高熱伝導性の複合絶縁材料2との密着性は改善される。
【0022】
図3,図4,図5,図6,図7に第1の実施の形態に改善を行った例を示す。図3は放熱基板の部品搭載部分の近傍側面にゲート部を設けた金型を用いた電子部品搭載用放熱基板の製造方法例を示す。図3において、1は配線パターン状に打ち抜いた金属板、11は第1の金型、12は第2の金型、13は第1の金型11及び第2の金型12に設けたキャビティ、14は第1の金型11に設けた金属板1を固定するための突起部、15は第2の金型12に設けた金属板1を固定するための突起部、16は突起部15の先端部に設けた切り欠き部、17は突起部15が第2の金型12より突出した状態を保持するためのバネであり、18は第2の金型12に設けたゲート部である。図4において2はキャビティ13に流し込んだ高熱伝導性の複合絶縁材料である。
【0023】
以上のように構成された金型を用いての一体成形方法について具体的に説明する。金属板1は第1の金型11に設けられた突起部14と第2の金型12に設けられた突起部15によりキャビティ13内で保持される。この状態でキャビティ13に溶融した高熱伝導性の複合絶縁材料2を流し込むことにより金属板1と高熱伝導性の複合絶縁材料2の一体成形が達成される。ここで突起部14を部品収納可能な形状とすることにより金属板1の一部を露出させかつ高熱伝導性の複合絶縁材料2の成形体に部品収納可能なキャビティ13を構成できる。また突起部15はその先端部に設けた切り欠き部16に溶融した高熱伝導性の複合絶縁材料2がキャビティ13内に充填完了した後圧力が加わり押し下げられる。これにより金属板1には突起部15の移動量に応じた厚みの高熱伝導性の複合絶縁材料2が配置されるので金属板1はこの面で露出しない。
【0024】
なお、突起部15は外部より機械的にスライドさせることも可能でありこの時切り欠き部16は不要となる。
【0025】
この時、部品搭載部分の近傍側面にゲート部を配置することが重要で、部品搭載部分の底部からずらした位置から複合絶縁材料2を流し込んで成形することにより放熱基板の部品搭載部分下部における複合絶縁材料の流動特性を制御して放熱特性を阻害する空気層形成を防止して複合絶縁材料2と金属板1の密着性を高めることを容易に達成可能である。逆に、部品搭載部分の真下にゲート部を設けると複合絶縁材料成形体が下部のみに形成される部品搭載部分の真下は、成形サイクルにおいてゲートシールされた後ゲート部を中心として不均一な収縮が生じるため、金属板1と複合絶縁材料2の間に空気層が形成されて大幅に熱伝導特性が損なわれる。
【0026】
図5は金属板1の部品搭載部に部品搭載側の径が大きな傾斜を持つ穴を設けた例を示す。金属板1の部品搭載部になる露出部4には部品搭載側の径が大きな傾斜を持つ穴8が設けられており、その径は部品搭載側に大きく一体成形される複合絶縁材料2側に小となっている。図6に示すように複合絶縁材料2は部品搭載部分の金属板1の部品搭載部底側と穴8に射出成形されるが、穴8の直径が金属板1の厚さ方向に傾斜を持つため楔効果により強固に一体化する。このような穴8により複合絶縁材料2と部品搭載部分の金属板1の密着性をより高めることを容易に行うことができる。
【0027】
図7は成形された放熱基板複合絶縁材料の表面状態を示す拡大断面図である。上部は顕微鏡観察用にラッピングするためにモールドしたエポキシ樹脂19であり、下部が複合絶縁材料2であるが、粒状の物が高熱伝導性粉体フィラー20である。粒状の高熱伝導性粉体フィラー20と母材樹脂21を主成分とした混合物を均一組成になるように混練した後成形した板形状であるが、その厚さ方向で複合状態が異なり、表面層は母材樹脂21がリッチないわゆるスキン層22の形成が認められる。計測の結果スキン層22は約10ミクロンである。
【0028】
このスキン層22は母材樹脂21の比率が高い分熱抵抗が高く放熱特性を低下させている部分であるが、このスキン層22を研削手段などにより除去することにより高熱伝導性粉体フィラー20が所定の高割合に複合された層が露出して直接的に放熱が行われ、放熱特性が改善される。
【0029】
金属板1の裏面に高熱伝導性の複合絶縁材料2により形成される絶縁層はその絶縁特性及び樹脂強度より0.4mm以上が望ましい。しかし金属板1の全ての裏面を0.4mmとした場合充填剤の添加によって粘度の高くなった高熱伝導性の複合絶縁材料2を充填させることが困難であると同時に基板強度が弱くなる。また前記絶縁層を厚くすると放熱特性が悪化するため極力薄くしたいといった相反の課題を有している。絶縁層厚みの最小値は0.4mmから0.6mmの間に設定すれば絶縁特性、成形性に問題なく、これ以上では放熱特性が劣化するだけであるが、図7は絶縁層厚みを0.5mmに設定した時のものである。
【0030】
【発明の効果】
以上のように本発明の電子部品搭載用放熱基板は金属板を所定の配線パターン状に打ち抜き、この金属板を高熱伝導性の複合絶縁材料により少なくとも部品搭載部分を露出させた状態で一体成形して構成しているために、配線パターンは金属板であるために当然のことながら配線抵抗は低く大電流回路に適している。
【0031】
また、この基板に実装された電子部品の発熱は一旦金属板により熱拡散された後、高熱伝導性の複合絶縁材料により放熱されるため放熱性が良好であり、この基板に外付けの放熱器を取り付ける場合においても前記発熱部品と放熱器の間の熱抵抗は低い。前記高熱伝導性の複合絶縁材料で構成される絶縁層は厚くできるので絶縁性が向上し、パターン間の分布容量も低減が可能となる。さらに金属板は打ち抜き加工を用いこれに高熱伝導性の複合絶縁材料を一体成形するので容易に実施可能であり、従来の放熱基板では困難である立体的な構造も可能となるものである。更に、ゲート位置の最適化とテーパー形状の穴加工を施して金属板と高熱伝導性の複合絶縁材料の密着性をより完全にし、又、母材樹脂の比率が高く放熱特性を低下させている成形体の表面層を除去する事で放熱性が飛躍的に改善されるものである。その上、複合絶縁材料における表面スキン層を除去することにより、放熱特性を向上させることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施の形態の電子部品搭載用放熱基板の斜視図
【図2】 同側断面図
【図3】 本発明の他の実施の形態の電子部品搭載用放熱基板の製造方法を示す側断面図
【図4】 本発明の上記実施の製造方法を示す側断面図
【図5】 本発明の実施の形態の要部金属板の斜視図
【図6】 同複合絶縁材料の充填時の図5A−B部成形状態の側断面図
【図7】 同複合絶縁材料の成形表面状態を示す拡大断面図
【図8】 従来の電子部品搭載用放熱基板の斜視図
【図9】 同側断面図
【符号の説明】
1 金属板
2 複合絶縁材料
3 電子部品
4 露出部
5 キャビティ
6 端子部
7 放熱器
8 穴
11 第1の金型
12 第2の金型
13 キャビティ
14 突起部
15 突起部
16 切り欠き部
17 バネ
18 ゲート部
Claims (3)
- 所定の配線パターン状に打ち抜いた金属板と、この金属板の少なくとも部品搭載部分を露出させた状態で一体成型された高熱伝導性の複合絶縁材料とを備え、前記複合絶縁材料における表面スキン層を除去した電子部品搭載用放熱基板。
- 金属板の少なくとも部品搭載部分を露出させた部分の近傍側面にゲート部を設けた金型を用いて部品収納可能なキャビティを構成するように前記金属板の上下両面に複合絶縁材料を一体形成した請求項1に記載の電子部品搭載用放熱基板。
- 金属板は所定の配線パターン状に打ち抜くとともに、部品搭載側に径の大きな傾斜を持つ穴を部品搭載部に設け、少なくとも部品搭載部分を露出させた状態で複合絶縁材料を一体形成した請求項1に記載の電子部品搭載用放熱基板。
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