JP4142170B2 - 電気装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、絶縁性基板上に部品を搭載した電気装置にかかり、特に、パーソナルコンピュータや、各種のAV機器、通信機器、OA機器に用いられる電源モジュールに適した技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
電源モジュールは、各種の電子機器に対して所定の電源を供給するものであり、例えばAC電源をDC電源に変換するAC/DCコンバータや、DC電源の電圧を変換するDC/DCコンバータ等がある。一般的に、電源モジュールは、絶縁性を有する基板の両面に各種部品が実装されており、基板に開孔されたスルーホール(貫通孔)を介して、基板両面の実装部品間や、実装部品とアウターリードの間が接続されており、全体は樹脂封止され、パッケージ内に収納されている。
【0003】
ここで、図3に、従来の電源モジュールの一例の断面概念図を示す。
図示例の電源モジュール124において、電気絶縁性の基板112の両面には各種の電気部品114が実装されており、各々の電気部品114間、及び電気部品114とボンディングパッド128との間は、基板112上及びスルーホール116の内壁面に形成された導体パターン118を介して、互いに電気的に接続されている。
【0004】
また、アウターリード120の先端部分は、基板112の表面と略同一平面上に、基板112の側方に隣接して配置されており、そのアウターリード120と基板112外周部に形成されたボンディングパッド128との間が、ボンディングワイヤー126によって、接続されている。基板112はその状態で、全体がモールド材料122によって樹脂封止されている。
【0005】
このような電源モジュール124では、基板112とアウターリード120とを接続するために、アウターリード120と基板112とを離間させると共に、ボンディングパッド128を必要とする。そのため、電源モジュール全体の大きさが大きくなってしまう。
そこで従来技術でも、図4の符号130に示すように、ボンディングワイヤー126が不要な電源モジュールが提案されている。
【0006】
この電源モジュール130は、アウターリード120の接続方法の違いを除いて、基本的に、図3に示した電源モジュール124と同じものであるが、この電源モジュール130においては、アウターリード120は、基板112上の導体パターン118に、直接半田付け固定されている。
【0007】
しかしながら、従来のスルーホール116は、その内壁面にしか導体パターン118が形成されていないため、大電流を流すことができず、アウターリード120を大電流を扱う電気部品114と同じ面に配置する必要がある。
【0008】
大電流を扱う電気部品114は大型であり、その周辺回路も同じ表面に配置する必要があるため、基板112の片面の必要面積が基板112の大きさを決定してしまい、裏面は有効活用されないという問題がある。
【0009】
この場合、例えばスルーホール116の直径を大きくしたり、1ヶ所の接続に対し、複数個のスルーホール116を用いる等の改善策はあるが、スルーホール116一個当たりの抵抗値が大きく、しかも、大電流が導体パターン118を流れるときの損失が無視できず、解決が望まれている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、部品の配置等の設計上の制限事項がなく、小型化が可能で電流の伝達効率も良い電源モジュールを提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項1記載の発明は、アウターリードと、複数の貫通孔が形成された電気絶縁性の基板と、前記貫通孔内に金属材料が充填されて構成されたスルーホールと、前記基板の両面に配置された複数の電気部品を有する電気装置であって、前記電気部品にはベアチップが含まれ、前記スルーホールの両面のうち、片面の直上には、表面と裏面の間を電流が流れるベアチップの裏面が、金属膜を介して固定され、反対側の面にはアウターリードが固定され、前記ベアチップが配置された前記スルーホールの面積は、前記ベアチップよりも大きくされたことを特徴とする電気装置である。
請求項2記載の発明は、請求項1記載の電気装置であって、前記金属材料は、前記貫通孔に充填された金属ペーストが焼成されて構成された電気装置であって、前記金属材料は、前記金属ペーストが焼成される際に膨張している電気装置である。
請求項3記載の発明は、請求項2記載の電気装置であって、前記金属膜は、前記電気部品を相互に接続する導体パターンであることを特徴とする電気装置である。
請求項4記載の発明は、請求項1乃至請求項3のいずれか1項記載の電気装置であって、前記ベアチップの表面は、ボンディングワイヤによって、前記金属膜から成る導体パターンに接続された電気装置である。
請求項5記載の発明は、請求項1乃至請求項4のいずれか1項記載の電気装置であって、前記金属材料は、銀ペースト又は銀合金ペーストが焼成されて形成されたことを特徴とする電気装置である。
【0012】
本発明は上記のように構成されており、複数の貫通孔が形成された電気絶縁性の基板を有しており、各貫通孔内には金属材料が充填され、スルーホールが構成されている。
【0013】
この基板の両面には、複数の電気部品が配置されており、それら電気部品のうち、少なくとも1個の電気部品は、そのスルーホール直上に配置されている。
その電気部品が大電流を流す場合、特に、電気部品がトランジスタ(バイポーラトランジスタ)、ダイオード、サイリスタ、GTO等の半導体ベアチップである場合、スルーホールを通る電流は、その電気部品裏面に直接流出入できるので、金属材料が充填されたスルーホールが低抵抗であるため、損失を小さくすることができる。
【0014】
スルーホールの両面には金属膜を設け、その金属膜に大電流を流す電気部品の裏面を半田等によって接続固定するとよい。電流は金属膜の厚み方向に流れるため、金属膜による損失は小さくて済む。金属膜は、電気部品間を接続する導体パターンを用いることができる。
貫通孔内を金属材料で充填するためには、貫通孔内を銀ペーストや銀合金ペースト等で充填した後、焼成すると良い。
【0015】
【発明の実施の形態】
本発明の電気装置の一実施形態を、電源モジュールを例にとって説明する。
図1の電源モジュール10は、絶縁性の基板12を有しており、金属材料が充填されたスルーホール16、26が複数形成されている。該基板12の表面及び裏面には、パターニングされた導体パターン(一般には、銀又は銅厚膜がパターニングされた金属配線膜)18が形成されており、基板12両面の導体パターン18表面には、電気部品14、24が半田付け固定されている。特に、基板12裏面の導体パターン18には、アウターリード20が半田付け固定されており、その状態で全体がモールド材料22によって樹脂封止されている。
【0016】
上記のような電気装置10の製造工程を説明する。
まず、基板12の所定の位置に、所望の大きさの貫通孔15、25を開孔する(図2(a))。ここでは符号15で小径の貫通孔を示し、符号25で大サイズの貫通孔を示す。この基板12表面に、印刷法により、金属ペースト(銀ペーストや銀合金ペーストが望ましい。)を塗布し、貫通孔15、25内を金属ペーストで充填する(同図(b))。
【0017】
符号21は、貫通孔15、25内部に充填された金属ペーストを示しており、符号22は、基板12表面に付着した金属ペースト被膜を示している。
次いで、基板12の表面の金属ペースト被膜22を焼成した後、除去すると、貫通孔15、25内が金属材料11によって充填される(図2(c))。
【0018】
ここで、金属ペーストとしては、焼成後に体積が収縮するものを使用すると、スルーホール16の内壁面から剥がれてしまう可能性があるため、焼成後に体積が膨張するものを用いるとよい。
【0019】
続いて、銅薄膜等の金属膜を形成した後、パターニングし、基板12の両面に導体パターン18を形成する(図2(d))。
【0020】
このとき、貫通孔(図2(d)以下は、貫通孔を示す符号15、25は省略する。)内に充填された金属材料11上に、導体パターン18が形成されるようにしておき、貫通孔内の金属材料11によって基板12の表面と裏面の導体パターン18が電気的に接続されるようにしておくと、貫通孔と、その内部の金属材料11と、その金属材料11表面と裏面に位置する導体パターン18とでスルーホール16、26が形成される。
【0021】
次に、基板12の両面の導体パターン18上に電気部品14、24を半田付け固定する。同一面に位置する電気部品14、24間は導体パターン18によって接続され、異なる面に位置する電気部品14、24のうち、小電流を扱う電気部品14間は、スルーホール16、26と、そのスルーホール16、26と電気部品14、24とを接続する金属配線18によって互いに接続され、後述するように、大電流を扱う電気部品24は、大サイズのスルーホール26を介して、反対側の面に配置された電気部品14や、アウターリード20に接続されている。
【0022】
上記のようにして基板12上に搭載される電気部品14、24には、例えば抵抗、コンデンサ、パワートランジスタ、ダイオード、集積回路、トランスばかりでなく、半導体ベアチップも含まれる。
【0023】
半導体ベアチップは、MOSFETやバイポーラパワートランジスタ等の電力素子であり、特に半導体ベアチップから成る電気部品は、図1、図2では、符号24で示されている。
【0024】
大サイズで大電流用のスルーホール26は、ベアチップ電気部品24と略同じ大きさか、それよりも大面積に形成されており、該スルーホール26の導体パターン18上に、ベアチップ電気部品24の裏面全部又はほとんどが半田付け固定される。
【0025】
従来ではスルーホールが高抵抗であったため、アウターリードは、大電流を流すベアチップ電気部品と同じ面に接続する必要があったが、本発明では、上述したように、スルーホール16、26が低抵抗であるため、大電流を流すベアチップ電気部品26が配置された表面とは反対側の裏面にアウターリード20を配置し、大面積スルーホール24を介して、そのベアチップ電気部品24とアウターリード20とを接続させている。
【0026】
一般に、ベアチップ電気部品24の裏面はトランジスタのドレインやコレクタにされており、表面はゲート及びソースや、ベース及びエミッタになっている。それらゲート及びソースやベース及びエミッタは、ボンディングワイヤー28によって、導体パターン18に接続されており、従って、ベアチップ電気部品24に供給される電流は、ボンディングワイヤー28とベアチップ電気部品24内部及びベアチップ電気部品24の裏面を通り、スルーホール26に流れる(又はそれとは逆向きに流れる)。
【0027】
この場合、電流は、ベアチップ部品24と金属材料11の間の導体パターン18中を厚み方向に流れるので、損失が小さくなっている。
【0028】
更に、この基板12では、ベアチップ電気部品24が接続された大面積スルーホール26の反対側の面(裏面)にアウターリード20先端を配置し、スルーホール26表面の導体パターン18に半田付け固定されており、アウターリード20とベアチップ電気部品24との間を流れる電流は、アウターリード20から大面積スルーホール26を通ってその裏面に直接流入(又はその逆方向で流出)するようになっている。従って、電流は、ベアチップ電気部品24とアウターリード20の間を最短距離で流れるため、電力損失は非常に小さくなる。
【0029】
また、ベアチップ電気部品24内で発生する熱は、大面積スルーホール26内に充填された金属材料11を通ってアウターリード20に伝達され、該アウターリード20によって放熱されるので、ベアチップ電気部品24の温度上昇が小さくなっている。
そして、電気部品14、24及びアウターリード20を半田付けした後、樹脂材料22で封止すると、電気装置10が得られる(図2(f))。
【0030】
以上説明したように、本発明の電気装置10では、大電流を流す電気部品を配置する基板表面には、それを制御する回路等の他の部品を多数配置する必要があるが、本発明ではアウターリードを反対の面(裏面)に配置できるようになったため、裏面の面積を有効に活用できるようになった。その結果、基板12の小型化が達成できた。
【0031】
なお、この電気装置10では、アウターリード20が接続されていないスルーホール16上にも、ベアチップ電気部品24等の大電流を流す電気部品が半田付け固定することができる。その場合には、導体パターンに起因する損失を一層小さくすることができる。また、本発明において、大電流を流す電気部品は、ベアチップに限定されるものではない。
【0032】
更に、本発明では、基板12の表面だけではなく、裏面側の電気部品14、24をスルーホール16、26直上に半田付け固定してもよい。大電流を流す電気部品については、その裏面全部をスルーホール16、26の上に配置するのが好ましいが、電気部品の一部だけをスルーホール16、26の上に配置することもできる。
【0033】
なお、スルーホール16の内部の充填材料や導体パターン18の配線材料も限定されるわけではなく、必要に応じて、抵抗値が小さく導電性の高い材料を適宜利用すればよい。また、必ずしも全体を樹脂22で封止する必要もない。
【0034】
基板12については、例えばアルミナセラミックス等のように、熱伝達効率にすぐれたものが好ましく、スルーホール16内部の充填材料や導体パターン18の配線材料との密着性のよいものが好ましい。
【0035】
以上、本発明の電気装置(電源モジュール)10について詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。例えば、本発明は電源モジュール以外の電気装置に用いることも可能である。
【0036】
【発明の効果】
以上詳細に説明した様に、本発明によれば、貫通孔内に、低抵抗の金属材料を充填してスルーホールを構成することにより、発熱量や電力損失が少なくなり、基板の上面側と下面側との間で大電流を流すことができる。従って、電気部品の基板上での位置決めが自由になる。
また、スルーホール直上に大電流を流す電気部品を配置すると、導体パターンの厚み方向に電流が流れ、しかも、スルーホールの直下にアウターリードを配置することにより、大電流を流す電気部品とアウターリードとを最短距離で接続することができる。従って、電力損失が小さくなるばかりでなく、基板裏面を有効活用できるため、基板を小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の電気装置の一実施例の断面概念図である。
【図2】(a)〜(f):本発明の一実施例の電気装置の製造工程図
【図3】従来の電源モジュールの一例の断面概念図
【図4】従来の電源モジュールの他の例の断面概念図
【符号の説明】
10……電気装置(電源モジュール) 12……基板 14、24……電気部品 16、26……スルーホール 18……導体パターン 20……アウターリード 22……モールド材料
Claims (5)
- アウターリードと、
複数の貫通孔が形成された電気絶縁性の基板と、
前記貫通孔内に金属材料が充填されて構成されたスルーホールと、
前記基板の両面に配置された複数の電気部品を有する電気装置であって、
前記電気部品にはベアチップが含まれ、
前記スルーホールの両面のうち、片面の直上には、表面と裏面の間を電流が流れるベアチップの裏面が、金属膜を介して固定され、反対側の面にはアウターリードが固定され、
前記ベアチップが配置された前記スルーホールの面積は、前記ベアチップよりも大きくされたことを特徴とする電気装置。 - 前記金属材料は、前記貫通孔に充填された金属ペーストが焼成されて構成された電気装置であって、
前記金属材料は、前記金属ペーストが焼成される際に膨張している請求項1記載の電気装置。 - 前記金属膜は、前記電気部品を相互に接続する導体パターンであることを特徴とする請求項2記載の電気装置。
- 前記ベアチップの表面は、ボンディングワイヤによって、前記金属膜から成る導体パターンに接続された請求項1乃至請求項3のいずれか1項記載の電気装置。
- 前記金属材料は、銀ペースト又は銀合金ペーストが焼成されて形成されたことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項記載の電気装置。
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