JP4111187B2

JP4111187B2 - 部品ユニットの製造方法

Info

Publication number: JP4111187B2
Application number: JP2004345365A
Authority: JP
Inventors: 美智博宮内; 哲也津村; 悦夫辻本; 浩二中嶋
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-11-30
Filing date: 2004-11-30
Publication date: 2008-07-02
Anticipated expiration: 2024-11-30
Also published as: JP2006156721A

Description

本発明は、各種電子機器に用い、動作時に発熱する電子部品を放熱板に装着して、電子部品から生ずる熱を放熱するとともに、電子部品と放熱板との絶縁性を確保した部品ユニットの製造方法に関するものである。

近年、電子機器の高性能化、小型化の要求に従い、電子部品の高密度、高機能化が一層叫ばれている。そのため、電子部品の小型化、高機能化、また高密度実装により、電子部品の温度上昇が大きな問題となり、動作時に発熱する電子部品、すなわち、発熱部品の放熱を高める方法が重要となってきている。

動作時に発熱する電子部品の放熱を高める技術として、電子部品の背面にアルミ製の放熱板を装着し、電子部品の背面から熱を拡散する方式が知られている。

図１０は従来の放熱板に電子部品を装着した部品ユニットの斜視図である。図１０において、従来の構成では、電子部品１を絶縁シート２で被覆し、金属製の放熱板３に取り付けている。取り付けは、絶縁シート２で被覆された電子部品１をバネ４で押さえ、放熱板３に開けた取り付け用の孔にネジ５を挿入してネジ止めすることにより行う。

これにより、電子部品１は、金属製の放熱板３との間で、絶縁性を確保しつつ、放熱を行うことができる。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１や特許文献２が知られている。
特開平５−２８８８７３号公報特開平８−４５７４８号公報

上記従来の構成では、電子部品１を絶縁シート２で被覆して絶縁を行うので、電子部品１に対して、絶縁シート２の被覆位置がずれたり、絶縁距離が十分に取れなかったりして、高電圧のかかる回路において耐絶縁性が劣化するという問題点を有していた。

本発明は上記問題点を解決するもので、放熱性を損なわずに、耐絶縁性を向上した部品ユニットの製造方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために本発明は、金属製の基板の上に、無機フィラーと未硬化の熱硬化性の絶縁樹脂を混練して形成した混練物を、略一定の厚みになるように積層する工程と、前記絶縁樹脂を硬化し、放熱板とした後に、この放熱板に接続端子を有する電子部品を接着剤で面接触させて装着する工程と、前記接続端子を前記放熱板に対向するように配置された回路基板に接続する工程と、を有する部品ユニットの製造方法である。

上記構成により、発熱部品は放熱板の絶縁体に面接触させて装着するので、放熱板との接触面積が大きくなり、放熱性を損なわずに、絶縁性を向上することができる。基板に積層した絶縁体は、無機フィラーを含有した絶縁樹脂であって、無機フィラーの熱伝導率が絶縁樹脂の熱伝導率よりも大きいので、絶縁体に電子部品を装着すれば、放熱性を損なわずに、耐絶縁性を向上することができる。放熱性や絶縁性の必要度に応じて、基板に積層する絶縁体の面積を変えたり、無機フィラーの材質を選択したり、基板の材質を選択すれば、所望の特性を自由に得ることができる。

以下、実施の形態を用いて、本発明の全請求項に記載の発明について、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の放熱基板に電子部品を装着した部品ユニットの斜視図、図２は筐体に同部品ユニットを取り付けた際の取付状態を示す斜視図、図３は筐体に取り付けた同部品ユニットを回路基板に実装した際の実装状態を示す斜視図である。

図１において、部品ユニットは、金属製の基板１２およびこれに積層した絶縁体１４からなる放熱板１０に、動作時に発熱する電子部品１６、すなわち発熱部品を装着して形成している。この際、複数の電子部品１６を一体化する、または、互いに近傍に配置し、放熱板１０の絶縁体１４に面接触させて装着して形成している。この動作時に発熱する電子部品１６としては、例えば、コイル部にコアを組み合わせた電源トランスや、ＦＥＴや、ダイオード等がある。電源トランスを放熱板１０に装着する場合は、電源トランスのコアを放熱板１０の絶縁体に面接触させると良い。

また、図２に示すように、複数の電子部品１６を装着した放熱板１０は、機器の筐体１８やシャーシに、ネジ止めや接着等により取り付けている。さらに、図３に示すように、放熱板１０と対向するように回路基板２２を併設配置して、電子部品１６の接続端子２０を放熱板１０とは反対側の回路基板２２側に引き出すとともに、そのまま回路基板２２に接続して、放熱板１０に装着された複数の電子部品１６を回路基板２２に実装している。この回路基板２２には、放熱板１０に装着した電子部品１６を制御する制御回路等を形成している。

次に、上記の部品ユニットに用いる放熱板１０について説明する。

放熱板１０の絶縁体１４は、無機フィラーを含有した絶縁樹脂からなるとともに、この無機フィラーの熱伝導率を絶縁樹脂の熱伝導率よりも大きくしたものである。

無機フィラーは、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯ、ＳｉＯ₂、ＢＮおよびＡｌＮから選ばれる少なくとも一つを含んでいる。無機フィラーを用いると、放熱性が優れるが、特に、ＭｇＯを用いると線膨張係数を大きくでき、ＳｉＯ₂を用いると誘電率を小さくでき、ＢＮを用いる
と線膨張係数を小さくできる。

無機フィラーは略球形状で、その直径は０．１〜１００μｍであるが、粒径が小さいほど絶縁樹脂への充填率を向上できる。絶縁体１４に占める無機フィラーの充填量は、熱伝導率を上げるために、７０〜９５重量％と高濃度に充填している。特に、本実施の形態では、無機フィラーは、平均粒径３μｍと平均粒径１２μｍの２種類のＡｌ₂Ｏ₃を混合したものを用いている。この大小２種類の粒径のＡｌ₂Ｏ₃を用いることによって、大きな粒径のＡｌ₂Ｏ₃の隙間に小さな粒径のＡｌ₂Ｏ₃を充填できるので、Ａｌ₂Ｏ₃を９０重量％近くまで高濃度に充填できるものである。この場合、絶縁体１４の熱伝導率は３Ｗ／ｍＫ程度となる。

図４に示すように、混練物２４に占める無機フィラーの充填率を上げていくと熱伝導率も比例して増加していく。これが充填率７０重量％を超えると、熱伝導率は急激に増加することから、充填率は７０重量％以上とする。これは、ある充填率を超えると、充填される熱伝導性のよい無機フィラーの粒子間の距離が短くなり、混練物２４としての熱伝導率が急に高くなる領域が存在するからだと考えられる。本発明では、この領域を利用することで混練物２４の熱伝導率を高くすることができるというものである。

また、無機フィラーの充填率をさらに上げていくと、熱伝導率は増加するが、９５重量％を超えると、混練物２４として形状を保持できなくなってしまうため、充填率は７０〜９５重量％とするものである。

熱硬化性の絶縁樹脂は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂およびシアネート樹脂の内、少なくとも１種類の樹脂を含んでいる。これらの樹脂は耐熱性や電気絶縁性に優れている。

絶縁体１４の厚さは、薄くすれば、放熱板１０に装着した電子部品１６に生じる熱を基板１２に伝えやすいが、逆に絶縁耐圧が問題となり、厚すぎると、熱抵抗が大きくなるので、絶縁耐圧と熱抵抗を考慮して最適な厚さに設定すれば良い。強化絶縁耐圧を考慮すれば、絶縁体１４の厚さを０．４ｍｍより厚く、また、熱抵抗を考慮すれば、２ｍｍ以下にするのが望ましい。特に、本実施の形態では、絶縁体１４の厚さを０．６ｍｍとしている。

金属製の基板１２としては、熱伝導の良いアルミニウム、銅またはそれらを主成分とする合金からできている。特に、本実施の形態では、基板１２の厚みを１ｍｍとしている。また、基板１２としては、単なる板状のものだけでなく、より放熱性を高めるため、絶縁体１４を積層した面とは反対側の面に、表面積を広げるためにフィン部を形成しても良い。全膨張係数は８×１０^-6／℃〜２０×１０^-6／℃としており、基板１２や半導体部品等の電子部品１６の線膨張係数に近づけることにより、放熱板１０の反りや歪みを小さくできる。

この放熱板１０の製造工程は次の通りである。

放熱板１０の製造工程では、無機フィラーと未硬化の熱硬化性の絶縁樹脂を混練して形成した混練物２４を金属製の基板１２に積層する積層工程と、未硬化の絶縁樹脂を硬化する硬化工程とを備えている。

具体的には、図５（Ａ）において、混練物２４をフィルム２６上に所定の厚みになるようにシート化して積層する。シート化することにより容易に混練物２４を放熱板１０の形状にすることができ、低コストで生産性を良くすることができる。

混練物２４をシート化する方法としては、ドクターブレード法、コーター法、押し出し成形法、圧延法等がある。本実施の形態では、押し出し成形法にて、ポリエチレン−テレフタレート（ＰＥＴ）からなるフィルム２６上に混練物２４を積層している。混練物２４の厚さは、０．６ｍｍとしている。

他の方法としては、ディスペンサー、モーノポンプ、または押し出し成形機等により、基板１２上に混練物２４を必要量塗布し、表面を平坦にするように、混練物２４をローラー２８で押圧して形成する方法でも良い。

また、予め、混練物２４をシート化しておいて、基板１２に積層しても良い。

次に、図５（Ｂ）において、ローラー２８を用いて、フィルム２６上から混練物２４を基板１２に押し付けるように、フィルム２６の端から順に押圧し、基板１２に混練物２４を積層する（積層工程）。この際、基板１２と混練物２４との間には、空気を挟まないように押し付けている。特に、５００００Ｐａ以下の圧力の真空雰囲気中で行うと、基板１２と混練物２４との間に空気が噛みこんでボイドが発生するのを防ぐことができる。

次に、図５（Ｃ）において、混練物２４からフィルム２６を剥離し、フィルム２６上に積層した混練物２４を基板１２に転写する。

最後に、混練物２４に含まれる熱硬化性の絶縁樹脂を熱硬化させることにより（硬化工程）、未硬化の絶縁樹脂が硬化して絶縁体１４が形成され、放熱板１０を得ることができる。

この硬化工程では、フィルム２６を剥離した後、これに熱を加えて熱硬化性の絶縁樹脂を硬化させるが、加熱条件として熱硬化性の絶縁樹脂をＣステージまで硬化させるため、１５０℃から２００℃で１時間から６時間加熱する。本実施の形態では、１７０℃で３時間加熱した。

また、硬化工程において次のような加熱の仕方を行っても良い。基板１２上に混練物２４を積層し、熱硬化性の絶縁樹脂の硬化度合いがＢステージになるまで硬化させる。それを更に、Ｃステージまで硬化するように２段階で硬化させる。このＢステージの状態で、電子部品１６を装着するための位置決め用の位置決め穴を形成したり、不必要な混練物２４を除去したり、所望の形状になるように混練物２４を加工する。この状態で加熱してＣステージまで硬化させる。Ｂステージに硬化させる前でも、混練物２４を加工することができるが、この方法の方が形状変化の少ない放熱板１０を得易い。また、電子部品１６を混練物２４上に装着した後、加熱することもできる。この方法では、熱硬化性の絶縁樹脂が一度溶融するため接着剤を用いずに電子部品１６を固定することができる。

また、この硬化工程において、フィルム２６をつけたまま熱硬化性の絶縁樹脂を加熱してＢあるいはＣステージにしてからフィルム２６を除去してもよい。

次に、本発明の他の実施の形態における放熱板１０の製造工程について説明する。

この放熱板１０の製造工程は次の通りである。

図６（Ａ）、図６（Ｂ）において、基板１２に混練物２４を積層する積層工程は前述の本実施の形態の製造工程と同様であるが、混練物２４を完全にシート化せず、また、混練物２４の表面を完全に平坦にせずに、次の工程で許容できる状態にしておいてもよい。

図６（Ｃ）において、基板１２に積層した混練物２４は、熱盤３０で挟んで加圧と加熱を行い、未硬化の熱硬化性の絶縁樹脂を硬化する。

図６（Ｄ）において、熱盤３０をはずせば、混練物２４は絶縁体１４として形成される。

この方法では加圧により混練物２４の厚みは薄くなるため、熱盤３０に挟み込む前の混練物２４の厚さは、熱盤３０で挟み込んだ後の欲しい厚さに対して、予め厚くしておく必要がある。本工程では、最終的な基板１２に形成される絶縁体１４の厚みを０．６ｍｍにするため、基板１２に積層した時点の混練物２４の厚みを１ｍｍにしている。

また、この硬化工程では、混練物２４と熱盤３０との間に混練物２４と金型とを離型し易くするために、混練物２４の表面に耐熱性のあるＰＥＴからなるフィルム２６を付けた状態で、熱盤３０に挟み込んでもよい。これにより、混練物２４が熱盤３０に付着することを防ぐことができる。

熱盤３０で挟み込んだ後は、フィルム２６を剥離する。

さらに、本発明の他の実施の形態における放熱板１０の製造工程について説明する。

図７（Ａ）、図７（Ｂ）において、基板１２に混練物２４を積層する積層工程は前述の本実施の形態の製造工程と同様であるが、混練物２４を完全にシート化せず、また、混練物２４の表面を完全に平坦にせずに、次の工程で許容できる状態にしておいてもよい。

図７（Ｃ）において、混練物２４を積層した基板１２を上金型３２と下金型３４内に設置する。

上金型３２には混練物２４を所定の形状に成形するための凹凸が設けられている。

図７（Ｄ）において、上金型３２と下金型３４を閉じて混練物２４を加圧・加熱して成形を行う。

この時、上金型３２と下金型３４は、１５０℃程度に昇温されており、混練物２４を加熱してＢあるいはＣステージにする。この場合、加熱時間が５分程度と短い場合はＢステージであるが、それ以上の時間ではＣステージになる。

図７（Ｅ）において、加圧・加熱を経て、混練物２４は絶縁体１４として形成される。

この放熱板１０の絶縁体１４には、凹部３６が形成されるので、図８に示すように、この凹部３６に電子部品１６を装着すれば装着が容易となる。

この電子部品１６の装着方法としては、例えば、Ｃステージまで硬化させた状態で、接着剤で装着する方法があるが、次のような装着方法でもよい。

Ｂステージの状態で電子部品１６を凹部３６に置いて１５０℃前後で加熱し、熱硬化性の絶縁樹脂が一度溶融して電子部品１６と混練物２４とを熱硬化性の絶縁樹脂で接着してから、Ｃステージまで硬化させてもよい。これによると、熱硬化性の絶縁樹脂がある程度の硬度を有することになり、電子部品１６が自重で混練物２４に沈み込むことを防げる。より接着力を上げる場合には、電子部品１６を混練物２４に加圧しながら加熱すると良い。

このように本実施の形態では、発熱部品は放熱板１０の絶縁体１４に面接触させて装着するので、放熱板１０との接触面積が大きくなり、放熱性を損なわずに、絶縁性を向上することができる。放熱性や絶縁性の必要度に応じて、基板１２に積層する絶縁体１４の面積を変えたり、基板１２の材質を選択したりすれば、所望の特性を自由に得ることができる。特に、発熱部品は、その外形の一部を放熱板１０の絶縁体１４に面接触させ、発熱部品の接続端子２０で回路基板２２に実装しているので、非常に簡素な組み合わせで、部品ユニットを形成できる。

また、放熱板１０には、電源部における発熱部品を集約しているので、この放熱板１０を機器の筐体１８やシャーシの金属体に接触させるだけで、簡単で、より効率良く放熱することができる。さらに、発熱部品間における配線を短くすることもでき、配線長に起因するインピーダンスを低減して、ノイズの低減を図ることもできる。

なお、本発明の実施の形態では、基板１２の一方の面にしか絶縁樹脂を積層せず、基板１２の一方の面にのみ絶縁体１４を形成したが、基板１２の他方の面にも絶縁樹脂を積層して絶縁体１４を形成したり、基板１２の端面にも絶縁樹脂を塗布し基板１２を絶縁樹脂で被覆して絶縁体１４を形成したりしてもよい。これによると、絶縁体１４は基板１２の主平面の両側に形成されるので、両側に電子部品１６を装着でき、機器の小型化を行うことができる。また、基板１２の端面にも絶縁体１４を形成すれば、より絶縁を確保できるため、絶縁距離を短くでき機器の小型化を行うことができる。

さらに、図９に示すように、基板１２に積層する絶縁体１４は、基板１２の一部に形成しても、全面に形成しても良く、また、電子部品１６に要求される絶縁耐圧によって、電子部品１６が装着される部分のみに絶縁体１４を積層したり、電子部品１６の装着される部分のみに絶縁体１４を積層せずに、その周囲に積層したりしても良い。

絶縁体１４の積層面積に応じて、絶縁樹脂の使用量を減らすこともでき、コストダウンも行える。また、絶縁体１４を積層していない部分では（金属製の基板１２が露出する部分では）、放熱板１０を各種の機器の筐体１８に取り付けるためのネジ等を取り付けることができ、絶縁体１４にクラック等も発生させずに取り付けることもできる。

以上のように本発明の部品ユニットの製造方法は、放熱と絶縁の必要な電子部品を装着し、放熱性と絶縁性を向上させることができるので、各種の電子機器に用いることができる。

本発明の放熱基板に電子部品を装着した部品ユニットの斜視図筐体に同部品ユニットを取り付けた際の取付状態を示す斜視図同部品ユニットを回路基板に実装し、筐体に取り付けた実装状態を示す斜視図無機フィラーの充填率に対する混練物の熱伝導率の変化を示す特性図本発明の実施の形態における同放熱板の製造工程図他の実施の形態における同放熱板の製造工程図他の実施の形態における同放熱板の製造工程図他の実施の形態における部品ユニットの断面図他の実施の形態における部品ユニットの斜視図従来の放熱板に電子部品を装着した部品ユニットの斜視図

符号の説明

１０放熱板
１２基板
１４絶縁体
１６電子部品
１８筐体
２０接続端子
２２回路基板
２４混練物
２６フィルム
２８ローラー
３０熱盤
３２上金型
３４下金型
３６凹部

Claims

金属製の基板の上に、無機フィラーと未硬化の熱硬化性の絶縁樹脂を混練して形成した混練物を、略一定の厚みになるように積層する工程と、
前記絶縁樹脂を硬化し、放熱板とした後に、この放熱板に接続端子を有する電子部品を接着剤で面接触させて装着する工程と、
前記接続端子を前記放熱板に対向するように配置された回路基板に接続する工程と、
を有する部品ユニットの製造方法。
前記接続端子は、略垂直に折り曲げることを特徴とする請求項１に記載の部品ユニットの製造方法。
放熱板の絶縁層を積層しない部分で、前記放熱板を機器の筐体もしくはシャーシに取り付ける請求項１に記載の部品ユニットの製造方法。