JP4348893B2 - 熱伝導性基板の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子機器における大電力回路などに使用される、熱伝導性基板とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器の高性能化や小型化の要求にともない、半導体およびその半導体を実装するパッケージなどの高密度化や高機能化が要求される。
【０００３】
前記により、それらを実装するための回路基板もまた小型・高密度の構造が必要となり、更に、その小型・高密度化により熱伝導性、放熱性の優れた回路基板が要求されるようになった。そこで、熱硬化性樹脂と熱伝導性フィラーとを混合した熱硬化性組成物を、リードフレームと一体化した熱伝導性基板が提案された。
【０００４】
従来における熱伝導性基板の製造方法を、図８を用いて説明する。すなわち図８において、１は熱硬化性樹脂と熱伝導性フィラーを成分として含む軟体の熱硬化性組成物をシート形状にした熱伝導シートである。２は、配線、電極あるいは取出端子を構成するための複数の貫通溝３を有したリードフレームであり、高熱伝導性または高電導性の鉄、銅、アルミニウムあるいはそれらの合金などの板状金属材よりなる。４はリードフレーム２の一部を曲げ加工して形成した接続用あるいは放熱用などの端子である。
【０００５】
図８において、製造方法を説明する。図８（ａ）に示す熱伝導シート１とリードフレーム２を、図８（ｂ）に示すように、熱伝導シート１をリードフレーム２に所定位置に重ね合せて積層する。さらに図８（ｃ）に示すように、熱伝導シート１の上面に放熱用金属板１４を重ね合せて積層する。
【０００６】
そして図８（ｄ）に示すように、放熱用金属板１４と熱伝導シート１およびリードフレーム２を全面同時に加圧し、熱伝導シート１の一部をリードフレーム２の貫通溝３に浸入させ、さらに加熱して、熱伝導シート１を熱硬化しリードフレーム２および放熱用金属板１４と一体化させる。
【０００７】
その後図８（ｅ）に示すように、リードフレーム２の不要部分を切断除去するとともに、端子４を曲げ加工により形成して、熱伝導性基板２２を完成するのである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の熱伝導性基板２２の製造方法では、リードフレーム２の所定位置に搭載した熱伝導シート１の上面に放熱用金属板１４をその当接面のほぼ全体を同時に重ね合せて積層し、加熱加圧して圧縮成形するため、その際放熱用金属板１４と熱伝導シート１の当接面間に空気層（ボイド）が発生し、残存する場合がある。この空気層は、熱バリアとなり熱伝導性基板２２の熱伝導率を低下させたり、また、熱伝導性基板２２をリフロー炉などに通過させて加熱した場合には、空気層に含有する水分が温度上昇で水蒸気となって膨張し、放熱用金属板１４から熱伝導シート１を剥離させるという問題点を有していた。
【０００９】
本発明は、前記課題を解決しようとするものであり、熱伝導シートと放熱用金属板との界面（当接面）における空気層の発生あるいは残存を防止することができ、熱伝導シートと放熱用金属板の接合強度が高く、かつ、熱伝導率の高い熱伝導性基板を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために本発明の熱伝導性基板の製造方法は、以下の構成を有する。
【００１１】
本発明の請求項１に記載の発明は、前記リードフレームの前記熱伝導シートへの一体化において、前記配線パターンの湾曲形状を有した打抜き側面に前記熱伝導シートを当接させ、その後加熱加圧する硬化工程に移動し、前記リードフレームの前記打抜き側面と反対側になる反対側面に下金型を当接させ、前記放熱用金属板側から上金型により前記熱伝導シートを前記リードフレーム側に加熱加圧し脱気しながら前記リードフレームの前記貫通溝に前記熱伝導シートを充填することを特徴とする熱伝導性基板の製造方法であって、リードフレームの打抜き側における配線パターンの両側は湾曲した状態となるので、熱伝導シートを構成する熱硬化性組成物の内部および配線パターン、熱伝導シート間に存在していた空気は配線パターン間となる貫通溝にスムーズに流動することとなり、この結果として配線パターン間は前記熱硬化性組成物で充満された状態となって配線パターンの定形性が高まり、また前記空気は配線パターン、熱伝導シート間からスムーズに脱気することができるので、配線パターンから熱伝導シートを介しての放熱用金属板への熱伝導性が高まる。
【００１２】
本発明の請求項２記載の発明は、軟体の熱硬化性組成物よりなるシート形状の熱伝導シートを、板状の放熱用金属板に対向して配置し、前記熱伝導シートの一端側から他端側の一方向に前記熱伝導シートを連続的に前記放熱用金属板に当接させて貼付することにより、熱伝導シートと前記放熱用金属板との界面に微量な水分等を含んだ空気が残存することなく、前記熱伝導シートを前記放熱用金属板に貼付することができるとともに、軟体の前記熱伝導シートを剛体と同様に取り扱えて安定保持でき、後工程の硬化工程へと容易に移動搬送できるという作用を有する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態における熱伝導性基板の製造方法について図面を用いて説明する。図１は本発明の実施の形態における熱伝導性基板の製造方法を説明する製造工程図、図２は同熱伝導シートとフィルムの積層を示す側面図、図３は同熱伝導性基板の側断面図、図４は同反りの事前補整を説明する側断面図、そして図５は同反り補整加工の方法を説明する側面図である。
【００１５】
なお、従来の技術で説明した構成部材については同一の符号を付与し、詳細な説明は簡略化する。
【００１６】
図２の１１は、硬化性樹脂となるエポキシ樹脂と、アルミナ、窒化アルミ、あるいはシリカ（ＳｉＯ₂）などの無機の熱伝導性フィラーとを含んだ室温領域（３０から５０℃）における溶融粘度が５〜１００Ｐａ・ｓの熱硬化性組成物を、膜厚が０．８〜２ｍｍ、好ましくは０．８〜１．６ｍｍとなるように、押出し成形法によりシート形状に形成した熱伝導シートである。熱硬化性組成物を、前記の溶融粘度（５〜１００Ｐａ・ｓ）とすることで、軟質の前記熱硬化性組成物を容易にシート形状に形成でき、また、前記熱硬化性組成物を押出し成形法により形成することで、前記熱硬化性組成物を脱気して、緻密な熱伝導シート１１を確実に成形できる。
【００１７】
１２はポリエチレンテレフタレートなどの樹脂材で、熱伝導シート１１に対して離型性を有するフィルムであり、押出し成形法によりシート形状をなした熱伝導シート１１を積層して形成している。これにより、熱伝導シート１１の供給、および取り扱いの作業性が向上できる。
【００１８】
なお、熱伝導シート１１は、ドクターブレード法、コーター法、あるいは圧延法などの方法でもシート形状には形成できる。
【００１９】
また、図３に示す、本発明に使用するリードフレーム２は、例えば鉄、アルミニウム、銀、銅あるいはそれらの合金材などでなる導電性および熱伝導性金属板よりなり、電子部品を搭載するための所定の配線パターンを有し、また、外部回路との接続用の端子４も有している。そのリードフレーム２の少なくとも片面（図３の上面側）は、熱伝導シート１１に対して密着性をよくするためにエッチング、サンドブラストあるいはグラインダーなどにより粗面化しており、また、端子４部は、腐食防止用、かつ半田付け性向上のためのめっきを施してある。なお、リードフレーム２の材質は、配線パターンを形成して高効率に電気信号を伝えるために、特に高導電性の銅材とすることで、特に電気特性の良好な熱伝導性金属板を構成することができる。
【００２０】
１４は、熱伝導性の高い、鉄、銅、アルミニウムあるいはそれらの合金などの金属材でなる放熱用金属板である。この放熱用金属板１４は、リードフレーム２を設けた熱伝導シート１１の面とは反対の面に積層して設け、熱伝導性基板２１を構成している。これにより、熱伝導性基板２１の熱伝導性および放熱性を、一層、向上することができる。
【００２１】
なお、放熱用金属板１４の少なくとも片面（図３の下面側）を、エッチング、サンドブラストあるいはグラインダーなどにより粗面化して、その粗面化した面を熱伝導シート１１に当接させて形成することにより、放熱用金属板１４の密着強度の高い熱伝導性金属板を構成することができる。
【００２２】
次に図１を用いて、前記のフィルム１２に積層された熱伝導シート１１から熱伝導性基板を形成する製造方法について説明する。なお、１３は回転および移動自在な硬質弾性体（回転体）でなる押圧部材のローラである。
【００２３】
まず、図１（ａ）に示すフィルム１２に積層された熱伝導シート１１と、放熱用金属板１４とを積層する。すなわち、図１（ｂ）に示すように、フィルム１２が熱伝導シート１１に対して放熱用金属板１４側とは反対側（図１（ｂ）では、上側）に位置するように放熱用金属板１４に対向させて配置し、フィルム１２に積層された熱伝導シート１１の一端を放熱用金属板１４に当接させる。
【００２４】
そして、ローラ１３をフィルム１２の上面、すなわち放熱用金属板１４側とは反対側から、フィルム１２を介して熱伝導シート１１を放熱用金属板１４に押圧する。さらに引き続き、ローラ１３を熱伝導シート１１の一端から他端へと図１（ｂ）の矢印のごとく押圧しながら移動させる。このとき、熱伝導シート１１と放熱用金属板１４との界面となる当接面に微量の水分等を含んだ空気を挟み込まないように、空気を排除させながら（脱気しながら）、ローラ１３を一方向に移動させる。このようにして、熱伝導シート１１を、放熱用金属板１４に当接する全平面に対して、空気を挟み込まないように貼付して積層することができる。
【００２５】
上記ローラ１３は、移動方向に対して回転させて移動させることで、容易に熱伝導シート１１を押圧させながら移動することができるが、ローラ１３に代えて樹脂や金属材でなるブロックを回転させないで一方向に移動させても、熱伝導シート１１と放熱用金属板１４との界面となる当接面に空気を挟み込まないようにすることができる。
【００２６】
また、ローラ１３は、フィルム１２を介して押圧しているので、熱伝導シート１１がローラ１３に付着することなく、容易に押圧させながら移動することができる。
【００２７】
なお、熱伝導シート１１を前記のような膜厚（０．８〜２ｍｍ）にすることで、放熱用金属板１４の所定の位置全体にムラなく確実に形成することができる。
【００２８】
次に、図１（ｃ）に示すように、フィルム１２を熱伝導シート１１から剥離して取り除く。続いて放熱用金属板１４を形成した面とは反対の熱伝導シート１１面にリードフレーム２を積層し、リードフレーム２または放熱用金属板１４を保持して加熱加圧する硬化工程に移動し、加熱しながら放熱用金属板１４を介して熱伝導シート１１の全面を同時に加圧させる。
【００２９】
すると、図１（ｄ）に示すように熱伝導シート１１における熱硬化性組成物の一部が、リードフレーム２の貫通溝３に浸入する。つまり、貫通溝３に空気が残存することなく、熱硬化性組成物により完全に埋まるように充填され、熱伝導シート１１が熱硬化するとともに、熱伝導シート１１とリードフレーム２、および放熱用金属板１４は一体化された構成となる。このようにして、放熱用金属板１４と熱伝導シート１１との界面とともに、リードフレーム２の貫通溝３近傍にも空気を介在させることなく、高い接合強度で、かつ高熱伝導性を有するように一体に形成することができる。
【００３０】
次に図１（ｅ）に示すように、前記硬化工程終了後、リードフレーム２の不要部分を切断除去し、かつ折り曲げ加工により外部回路との接続用の端子４を形成して、電子機器用の大電力回路を構成する所定の熱伝導性基板２１を形成する。なお、この熱伝導性基板２１のリードフレーム２の配線パターン上には、後工程にて電子部品などを搭載する。
【００３１】
なお、熱伝導シート１１を、硬化工程前にあらかじめ放熱用金属板１４に貼付し積層しておくことにより、軟体の熱伝導シート１１でありながら、硬化工程などの後工程における供給あるいはストック（工程途中の待機）などが剛体と同様に容易に取扱うことができ、製造装置における自動化を容易にすることができる。
【００３２】
さて、前記で説明した熱伝導性基板２１が、図４（ａ）に示すように、熱伝導シート１１の硬化工程などの各種工程を経ることにより、熱伝導シート１１と放熱用金属板１４の熱膨張係数の相違により、反りが発生する場合がある。その際には、図４（ｂ）に示すように、硬化工程の前工程において、硬化工程後の反りとは逆方向の反りを、あらかじめ放熱用金属板１４ａに対し曲げ加工により形成することで、硬化工程後の熱伝導性基板２１の完成製品における反りが矯正されて、その発生を防止し、高精度の製品形状を有する熱伝導性基板２１を形成することができる。
【００３３】
なお、熱伝導性基板２１の硬化工程では、リードフレーム２の熱膨張係数が作用して熱伝導性基板２１に反りを発生する場合もあるが、そのリードフレーム２の熱膨張係数を考慮して、あらかじめ放熱用金属板１４ａまたはリードフレーム２に対し、硬化工程後の反りとは逆方向の反りを曲げ加工により形成することで、より一層の高精度な製品形状を有する熱伝導性基板２１を形成することができる。
【００３４】
また、放熱用金属板１４とリードフレーム２とを同一材（たとえば、銅材）で構成することにより、放熱用金属板１４とリードフレーム２との熱膨張係数の違いによる反りは抑制され、前記のような硬化工程前の逆方向の反り加工を低減することができるとともに、さらに反りの無い高精度な製品形状を有する熱伝導性基板２１を構成することができる。
【００３５】
図５を用いて、前記の逆方向の反り加工を放熱用金属板１４に対し施す方法について説明する。すなわち、駆動用ローラ１９，２０に張架されたコンベアベルト１８に、放熱用金属板１４を載置し、加工用の上ローラ１６と対向する位置に配置した一対の下ローラ１７間を通過させることにより、一対の下ローラ１７で放熱用金属板１４を上ローラ１６の外周面に対し加圧、曲げ加工し、所定形状の逆方向の反りを加工するのである。前記のような上ローラ１６により、放熱用金属板１４平面の一方向の曲げ加工は、容易に確実に行うことができる。
【００３６】
なお、完成製品である熱伝導性基板２１の反り具合に応じて、金型によるプレス加工により、放熱用金属板１４平面の二方向の同時曲げ加工を、短時間で効率的に行っても同等以上の効果を奏する。特に、製品の品種毎に異なる配線パターンを有する放熱用金属板１４に対して、自在に所定の逆方向の反り矯正ができ、熱伝導シート１１の硬化工程後において、反りの無い熱伝導性基板を得ることができるという効果を奏する。
【００３７】
また、金型によるプレス加工により、リードフレーム２平面の二方向の同時曲げ加工を行う場合、金型の温度とリードフレーム２の温度をそれぞれある一定の温度にある状態で加圧することにより安定した曲げ量が得られる。図６はその一実施の形態の測定データであり、金型を所定温度（１２０℃以上）に設定した状態で、リードフレーム２を各加圧スタート温度に達した時点で加圧を開始し、プレス加工後のリードフレーム２の反り量を示した図である。この図６は、リードフレーム２が加圧された金型の所定温度に近い高温まで加熱した後に加圧を開始した場合の方が、リードフレーム２の反り量が小さいことを示している。また、リードフレーム２の加圧スタート温度は、反り量と相関関係を有しており、加圧スタート温度により、反り量を自由に調整することができるということを示している。
【００３８】
したがって、図６に示した特性に基づき、所定の設定温度に昇温された金型に常温状態のリードフレーム２を投入して一定温度に昇温した時点で加圧したり、あるいはリードフレーム２をあらかじめ所定の温度まで予熱してから金型に投入することにより、より安定した曲げ加工を行うことができる。
【００３９】
なお、金型の設定温度（所定温度）は、８０〜１５０℃であっても同等の効果を奏する。
【００４０】
図７は図１の（ｃ）〜（ｄ）の加圧工程を示したものである。
【００４１】
前記リードフレーム２の配線パターン２ａは、板体からこの配線パターン２ａの外周の少なくとも一部を図７（ｂ）の上から下へと打抜いて形成したもので、外周に貫通溝３が形成されている。この配線パターン２ａの打抜き側面、つまり上面側に熱伝導シート１１を当接させる。そして先ずこのリードフレーム２の前記打抜き側面とは反対側面つまり下面に図７（ａ），（ｂ）のごとく下金型２３を当接させ、次に放熱用金属板１４側つまり上面側から上金型２４により熱伝導シート１１をリードフレーム２側に押圧する。
【００４２】
するとこれにより熱伝導シート１１を構成する熱硬化性組成物の一部がリードフレーム２の貫通溝３方向へと流動することになる。この場合、リードフレーム２の打抜き側つまり図７（ｂ），（ｃ）の上面側の配線パターン２ａの両側は図７（ｄ）の２ｂのごとく湾曲形状を有した状態となっている。このため、熱伝導シート１１を構成する熱硬化性組成物、および配線パターン２ａ、熱伝導シート１１間に存在していた空気は配線パターン２ａ間の貫通溝３方向へとスムーズに流動することとなり、この結果として配線パターン２ａ間は前記熱硬化性組成物で充満された状態となって配線パターン２ａの定形性が高まり、また前記空気は配線パターン２ａ、熱伝導シート１１間からスムーズに脱気することができるので、配線パターン２ａから熱伝導シート１１を介しての放熱用金属板１４への熱伝導性が高まる。
【００４３】
またこの様なリードフレーム２と熱伝導シート１１の一体化時に配線パターン２ａの打抜き側面とは反対側面、つまり図７（ｂ），（ｃ）の下面側に下金型２３を当接させているので、下金型２３に接する配線パターン２ａ面に、熱伝導シート１１を構成する熱硬化性組成物が漏れ広がることが少なくなる。
【００４４】
つまり配線パターン２ａの打抜き側とは反対側（図７（ｂ），（ｃ）の下面側）には、図７（ｄ）のごとくこの打抜き時に形成されるバリ２ｃが配線パターン２ａの両側から下方に突出しており、このバリ２ｃが下金型２３に当接して丁度堰の作用を果たし、この堰によって上記熱硬化性組成物の漏れ広がりを抑制することができるのである。
【００４５】
そしてこの様に配線パターン２ａの熱伝導シート１１とは反対側面に熱硬化性組成物が漏れ広がることが少なくなれば、この配線パターン２ａの下面から不要な熱硬化性組成物を除去する工程が簡略化、または廃止することができる。つまり配線パターン２ａのこの面は上述のごとく各種電子部品の実装スペースであったり、電子部品の電気的接続スペースであったりするので、不要物の付着は好ましくなく、よってこの付着があれば除去をしなければならないのである。
【００４６】
なお、図７の２５は上金型２４外周の金型であり、これでリードフレーム２の外周を押え、また上金型２４の上下動を案内させる。
【００４７】
また、下金型２３の外周部には枠状に上方に突出する突起２３ａが設けられ、これにより熱伝導シート１１の外周への漏れ出しを防止している。
【００４８】
【発明の効果】
以上のように本発明による熱伝導性基板とその製造方法によれば、前記リードフレームの前記熱伝導シートへの一体化において、前記配線パターンの湾曲形状を有した打抜き側面に前記熱伝導シートを当接させ、その後加熱加圧する硬化工程に移動し、前記リードフレームの前記打抜き側面と反対側になる反対側面に下金型を当接させ、前記放熱用金属板側から上金型により前記熱伝導シートを前記リードフレーム側に加熱加圧し脱気しながら前記リードフレームの前記貫通溝に前記熱伝導シートを充填することにより、リードフレームの打抜き側における配線パターンの両側は湾曲した状態となるので、熱伝導シートを構成する熱硬化性組成物の内部および配線パターン、熱伝導シート間に存在していた空気は配線パターン間となる貫通溝にスムーズに流動することとなり、この結果として配線パターン間は前記熱硬化性組成物で充満された状態となって配線パターンの定形性が高まり、また前記空気は配線パターン、熱伝導シート間からスムーズに脱気することができるので、配線パターンから熱伝導シートを介しての放熱用金属板への熱伝導性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 （ａ）〜（ｅ）はそれぞれ本発明の一実施の形態における熱伝導性基板の製造方法を説明する概要製造工程図
【図２】 同熱伝導シートとフィルムの積層概要を示す側面図
【図３】 同熱伝導性基板の概要側断面図
【図４】 （ａ），（ｂ）はそれぞれ同反りの事前補整を説明する概要側断面図
【図５】 同反り補整加工の方法を説明する概要側面図
【図６】 実施の形態の測定データを示すグラフ
【図７】 （ａ）〜（ｄ）は加圧工程を示す図
【図８】 （ａ）〜（ｅ）はそれぞれ従来における熱伝導性基板の製造方法を説明する概略製造工程図
【符号の説明】
１ 熱伝導シート
２ リードフレーム
３ 貫通溝
４ 端子
１１ 熱伝導シート
１２ フィルム
１３ ローラ
１４，１４ａ 放熱用金属板
１６ 上ローラ
１７ 下ローラ
１８ コンベアベルト
１９，２０ 駆動用ローラ
２１，２２ 熱伝導性基板

Claims (2)

1. 熱硬化性樹脂と熱伝導性フィラーを成分として含む軟体の熱硬化性組成物よりなる熱伝導シートと、前記熱伝導シートより高い熱伝導性を有する板状の放熱用金属板とを、両者の当接界面の脱気をしながら当接一体化し、次に前記熱伝導シートの前記放熱用金属板とは反対面に、板体を打抜いて配線パターンを形成した貫通溝を有する板状のリードフレームを当接一体化し、その後前記熱伝導シートを加熱硬化する熱伝導性基板の製造方法であって、
   前記リードフレームの前記熱伝導シートへの一体化は、前記配線パターンの湾曲形状を有した打抜き側面に前記熱伝導シートを当接させ、
   その後加熱加圧する硬化工程に移動し、
   前記リードフレームの前記打抜き側面と反対側になる反対側面に下金型を当接させ、前記放熱用金属板側から上金型により前記熱伝導シートを前記リードフレーム側に加熱加圧し脱気しながら前記リードフレームの前記貫通溝に前記熱伝導シートを充填することを特徴とする熱伝導性基板の製造方法。
2. 前記熱伝導シートと前記放熱用金属板との一体化は、前記熱伝導シートを前記放熱用金属板に対向して配置し、前記熱伝導シートの一端側から他端側の一方向に前記熱伝導シートを連続的に前記放熱用金属板に当接させて貼付し当接一体化する請求項１記載の熱伝導性基板の製造方法。

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