JP4493026B2 - Method for manufacturing circuit board with cooling device - Google Patents
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Description
本発明は、温度上昇する基板を放熱する液冷式の冷却装置付き回路基板及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a circuit board with a liquid cooling type cooling device that radiates heat from a substrate whose temperature rises, and a method for manufacturing the circuit board.
従来、回路基板を放熱するための液冷式の冷却装置として、例えば特許文献1に示すものがある。図4は、従来の冷却装置を有する回路基板の説明図である。図4の如く、この冷却装置を有する回路基板は、コルゲートフィン型ヒートシンク等の水冷モジュール100に、熱伝導性グリース101を介して放熱ベース板102を載置し、この上にはんだ103で回路基板104及び半導体チップ等の電子部品105を接合し、ビス等の連結手段で固定している。
又、水冷モジュールと回路基板の熱膨張係数が近い場合や、回路基板が小さくて熱膨張差によるストレスを無視できる場合には、はんだ等によるろう付けにより接合して熱伝導性を良くしている。
Conventionally, as a liquid cooling type cooling device for radiating heat from a circuit board, for example, there is one shown in
Also, when the thermal expansion coefficient of the water-cooled module and the circuit board are close, or when the circuit board is small and the stress due to the difference in thermal expansion can be ignored, the thermal conductivity is improved by joining by soldering etc. .
近年では、電子部品が小型化し、特にCPUチップ実装基板やパワーデバイス実装基板等のパワーモジュール基板分野において、単位面積当りに要求される放熱量は非常に大きい。
しかし、前記したように、従来の構造では、水冷モジュール、熱伝導グリース、接合用ろう材等が用いられるので、冷却水の接する水冷熱伝達面までの熱抵抗が大きく冷却性能の向上が難しいという欠点があった。
However, as described above, in the conventional structure, since a water cooling module, thermal conductive grease, a joining brazing material, etc. are used, the heat resistance to the water cooling heat transfer surface in contact with the cooling water is large and it is difficult to improve the cooling performance. There were drawbacks.
そこで、本発明が解決しようとする課題は、前記した諸事情に鑑み、パワーモジュールの回路基板等に対して放熱量が非常に大きく、製造が容易な冷却装置付き回路基板及びその製造方法を提供することにある。 Accordingly, in view of the above-described circumstances, the problem to be solved by the present invention is to provide a circuit board with a cooling device and a method for manufacturing the same, which has a very large heat dissipation amount with respect to a circuit board of a power module and the like. There is to do.
前記の課題を解決するため、本発明に係る冷却装置付き回路基板は、一方の面に電子部品を装着するための回路パターンを有する回路基板と、この回路基板の他方の面に形成された流路パターンと、この流路パターンを介して回路基板の他方の面側に重ね合わせた板部材とからなり、流路パターンによって形成された微細流路部を通じて冷却液を循環させる。 In order to solve the above problems, a circuit board with a cooling device according to the present invention includes a circuit board having a circuit pattern for mounting an electronic component on one surface, and a flow formed on the other surface of the circuit board. The cooling liquid is circulated through a fine flow path portion formed by the flow path pattern and a plate member superimposed on the other surface side of the circuit board via the flow path pattern.
又、本発明に係る冷却装置付き回路基板は、一方の面に電子部品を装着するための回路パターンを有する一対の回路基板を備え、各回路基板の他方の面に形成された流路パターンを介して各回路基板を重ね合わせてなり、流路パターンによって形成された微細流路部を通じて冷却液を循環させる。 The circuit board with a cooling device according to the present invention includes a pair of circuit boards having a circuit pattern for mounting electronic components on one surface, and a flow path pattern formed on the other surface of each circuit board. Each of the circuit boards is overlapped, and the cooling liquid is circulated through the fine flow path portion formed by the flow path pattern.
好ましくは、前記流路パターンが、複数のピン部からなる微細フィン構造である。 Preferably, the flow path pattern has a fine fin structure including a plurality of pin portions.
そして、本発明に係る冷却装置付き回路基板の製造方法は、一方の面に電子部品を装着するための回路パターンを有する回路基板を準備し、この回路基板の他方の面に流路パターンをスクリーン印刷により形成し、回路基板に接合される板部材を準備し、流路パターンを介して回路基板及び板部材を重ねて固相接合又は溶融接合して、流路パターンによって、回路基板と板部材との間に冷却液を循環させる微細流路部を形成する。 In the method for manufacturing a circuit board with a cooling device according to the present invention, a circuit board having a circuit pattern for mounting an electronic component on one side is prepared, and a flow path pattern is screened on the other side of the circuit board. A plate member formed by printing and bonded to the circuit board is prepared, and the circuit board and the plate member are overlapped via the flow path pattern, and solid phase bonding or melt bonding is performed. A fine channel part for circulating the coolant is formed between the two.
又、本発明に係る冷却装置付き回路基板の製造方法は、一方の面に電子部品を装着するための回路パターンを有する回路基板を準備し、この回路基板の他方の面に第一の流路パターンをスクリーン印刷により形成し、回路基板に接合される板部材を準備し、この板部材に、第一の流路パターンに鏡像対称な第二の流路パターンをスクリーン印刷により形成し、各流路パターンを合わせた状態で、各流路パターンを介して回路基板及び板部材を重ねて固相接合又は溶融接合して、流路パターンによって、回路基板と板部材との間に冷却液を循環させる微細流路部を形成する。 In the method for manufacturing a circuit board with a cooling device according to the present invention, a circuit board having a circuit pattern for mounting an electronic component on one side is prepared, and a first flow path is provided on the other side of the circuit board. A pattern is formed by screen printing, and a plate member to be bonded to the circuit board is prepared. On this plate member, a second flow path pattern that is mirror-image-symmetric to the first flow path pattern is formed by screen printing. With the circuit pattern matched, the circuit board and the plate member are overlapped through each flow path pattern and solid phase bonded or melt bonded, and the coolant is circulated between the circuit board and the plate member by the flow path pattern. The fine flow path part to be formed is formed.
本発明に係る冷却装置付き回路基板は、前記したように構成されており、熱伝導グリースやろう材等を介さないので、発熱源となる電子部品から水冷熱伝達面までの熱抵抗が非常に小さく、冷却液が直接回路基板を冷却するため、電子部品の温度上昇を大きく減少させることができる。 Since the circuit board with a cooling device according to the present invention is configured as described above and does not involve heat conductive grease or brazing material, the thermal resistance from the electronic component serving as a heat source to the water-cooled heat transfer surface is extremely high. Since the cooling liquid directly cools the circuit board, the temperature rise of the electronic component can be greatly reduced.
以下、図面に基づいて、本発明に係る冷却装置付き回路基板及びその製造方法について詳細に説明する。 Hereinafter, a circuit board with a cooling device and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail based on the drawings.
図1は、本発明に係る冷却装置付き回路基板を示し、(a)が平面図、(b)が側面図、(c)が(b)のI−I線断面図である。図2は、冷却装置付き回路基板の製造方法を説明するための図である。図3は、実験評価を説明するための図である。 1A and 1B show a circuit board with a cooling device according to the present invention, in which FIG. 1A is a plan view, FIG. 1B is a side view, and FIG. FIG. 2 is a diagram for explaining a method of manufacturing a circuit board with a cooling device. FIG. 3 is a diagram for explaining the experimental evaluation.
図1に示すように、冷却装置付き回路基板は、一対の回路基板1,2を備えている。各回路基板1,2は、エポキシ樹脂、ベークライト、セラミック等を材料としたものでも良いが、高熱伝導性のアルミナ基板又は窒化アルミニウム基板が好ましい。各回路基板1,2は、一方の面に、電子部品を装着するための回路パターン11,12が銅厚膜電極材料又はアルミ厚膜材料で形成されている。
As shown in FIG. 1, the circuit board with a cooling device includes a pair of
各回路基板1,2は、他方の面に流路パターン3が形成されており、この流路パターン3を介して重ね合わされている。流路パターン3は、回路パターン11,12と同様に銅厚膜電極材料又はアルミ厚膜電極材料で形成されている。そして、この冷却装置付き回路基板の厚さは、約1.8mmである。図1(a)の如く、流路パターン3は、各回路基板1,2の周囲に形成された周囲部3’と、この周囲部3’の内側に形成され、等間隔に複数個配されたピン部3’’とにより構成されている。本実施例では、ピン部3’’は、径が約0.3mm、ピッチが約0.6mm、高さが約0.5mmである。又、この流路パターン3は、平行フィン構造等でも良い。
Each
流路パターン3は所定の厚さを有しているので、周囲部3’と複数のピン部3’’との間に形成された空間部によって、冷却液6を通じるための微細流路部3aが形成される。そして、この微細流路部3に冷却液ジョイント4,5が接続されており、冷却液6が、冷却液ジョイント4から導入して、微細流路部3aを通じて回路基板1,2(電子部品)を冷却し、冷却液ジョイント5から排出して循環するように構成されている。即ち、周囲部3’で、冷却液6を回路基板1,2内に塞ぎ、主に各ピン部3’’の表面から回路基板1,2を放熱する。
Since the
本実施例の冷却装置付き回路基板は、双方の回路基板1,2の一方の面に、電子部品を装着するための回路パターン11,12を有しているが、いずれかの回路基板、例えば回路基板1にのみ回路パターン11を有し、他方の回路基板2は回路パターン12を有しない、アルミナ製等の板部材であっても良い。
The circuit board with a cooling device of the present embodiment has
次に、前記した冷却装置付き回路基板の製造方法について説明する。先ず、図2(a)に示すように、略同じ大きさの一対の回路基板1,2を準備する。そして、図2(b)の如く、スクリーン印刷を用いて、各回路基板1,2の一方の面1a,2aに回路パターン11,12を形成する。更に、回路基板1の他方の面1bに、スクリーン印刷により第一の流路パターン30を形成し、回路基板2の他方の面2bに、第一の流路パターン30に鏡像対称な第二の流路パターン31をスクリーン印刷で形成する。
Next, a method for manufacturing the circuit board with a cooling device will be described. First, as shown in FIG. 2A, a pair of
その後、高温焼成することにより、各パターン11,12,30,31を基板1,2上に固着させる。パターン材料が銅の場合は800乃至1000℃、アルミの場合は550乃至700℃の窒素中で焼成する。第一及び第二の流路パターン30,31は、複数回の印刷と焼成を繰り返して、微細流路部としての所定の高さを確保し、アスペクト比を高めた流路断面を形成する。
Then, each
そして、第一及び第二の流路パターン30,31を、それぞれが同位置になるように合わせた状態で、各回路基板1,2を重ねて焼成する。これにより、図2(c)の如く、第一及び第二の流路パターン30,31が固相接合又は溶融接合されて一体成形され、各回路基板1,2の間に所定厚の流路パターン3が形成される。
第一及び第二の流路パターン30,31は鏡像対称に形成しなくても良く、又、各回路基板1,2のいずれかの他方の面1b,2bにのみ形成しても良い。一方の回路基板に流路パターンを焼成接着させ、この流路パターンに、他方の回路基板を押し付けて再焼成して一体化することもできる。
そして、重ねて焼成する流路パターン3はスクリーン印刷を用いて形成できるので、流路設計の自由度が高く、又金型も不要であるので、試作品の製造や設計変更を廉価にすることができる。更に、スクリーン印刷により流路パターン3を微細化できるので、微細流路部による放熱面積を増大させ、熱伝達の効率化を図り得る。
Then, the
The first and second
And since the
その後、図2(d)に示すように、各回路基板1,2の回路パターン11,12に、半導体チップやトランジスタ等の電子部品21,22を実装し、ワイヤーボンディングにより電子部品21,22と回路パターン11,12とをワイヤ13で電気的に導通させる。そして、図2(e)の如く、各回路基板1,2からリード15を引き出し、モールド樹脂14により封止した後、冷却液ジョイント4,5をシール材で挿入結合する。これにより、本発明の冷却装置付き回路基板を用いた、混成集積回路が製造される。
Thereafter, as shown in FIG. 2 (d),
次に、冷却装置付き回路基板の実験評価について説明する。図3の如く、各回路基板1,2に、それぞれ一つずつ半導体チップ21,22を設けて、評価実験を行った。各回路基板1,2は、縦3.0cm、横5.0cm、高さ1.8mmである。又、半導体チップ21,22の消費電力Qは、200[W]×2チップ=400[W]である。このとき、冷却液ジョイント4から導入される冷却水温度Taが約30℃、冷却液ジョイント5から排出される冷却水温度Tbが約52℃、半導体チップ21,22のジャンクション温度Tjが71℃であった。
これより、半導体チップ一つ当りの、供給冷却水温度Taを基準にした半導体チップ21の熱抵抗θは、(Tj−Ta)/Q=(71−30)/200=約0.2[℃/W]となる。
Next, experimental evaluation of a circuit board with a cooling device will be described. As shown in FIG. 3, each of the
Accordingly, the thermal resistance θ of the
上記結果は、該基板で400Wの損失を許容できることを示している。このときの許容電力を単位面積あたりの発熱密度に換算すると、400[W](総電力)÷15[cm2](基板面積)から発熱密度は27[W/cm2]に相当し、極めて高い性能であることを実証する。
そして、同じ面積の回路基板を対象として、熱伝導グリース等を用いた従来構造の水冷モジュールと、本発明に係る冷却装置付き回路基板とを比較した場合、本発明の回路に装着された半導体デバイスの温度上昇は、従来構造のそれに比べて、約30乃至70%に減ずることができた。
The above results show that the substrate can tolerate a loss of 400W. When the allowable power at this time is converted into the heat generation density per unit area, the heat generation density corresponds to 27 [W / cm 2 ] from 400 [W] (total power) ÷ 15 [cm 2 ] (substrate area), which is extremely high. Demonstrate high performance.
Then, for a circuit board of the same area, when comparing a conventional water-cooling module using thermal conductive grease and the circuit board with a cooling device according to the present invention, a semiconductor device mounted on the circuit of the present invention The temperature rise of the current can be reduced to about 30 to 70% compared with that of the conventional structure.
1 回路基板
2 回路基板(板部材)
1a,2a 回路基板(板部材)の一方の面
1b,2b 回路基板(板部材)の他方の面
3 流路パターン
3’’ 流路パターンのピン部
3a 微細流路部
4,5 冷却ジョイント
6 冷却液
11,12 回路パターン
14 封止樹脂
15 引き出しリード
1
1a, 2a One
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