JP4807304B2 - 電子部品ユニット - Google Patents

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Description

本発明は、基体に配線基板を取り付けた電子部品ユニットに関する。
図9に示すように、従来の電子部品ユニット1は、基体2と、この基体2に取り付けられた配線基板3と、この配線基板3上に実装された電子部品4とを備えている。
そして配線基板3は、放熱板5と、この放熱板5上に形成された絶縁層6と、この絶縁層6上に形成された導体パターン7とを有している。
このような電子部品ユニット1では、電子部品4からの熱を、絶縁層6および放熱板5を介して基体2へと放出している。
そして従来、配線基板3は、放熱板5と基体2とをビス留めすることによって基体2に取り付けられていた。すなわち、ビス8は基体2に形成された孔9に挿入され、放熱板5を突き破ることによって、放熱板5と基体2とを接合していた。したがって、ビス8は放熱板5の上面から突出した構成となる。
ここで、この突出したビス8と電子部品4との電気的絶縁距離を確保しようとすると、配線基板3が大判化してしまうため、ビス留めは放熱板5の端部で行われるのが一般的であった。
特開平7−297572号公報
上記の従来の電子部品ユニット1では、放熱板5と基体2との間に隙間ができ、放熱性が低下することがあった。
それは、ビス8を放熱板5の端部など、限られた場所しか留めることができなかったためである。
したがって、放熱板5と基体2との間のビス留め部以外の部分が、図9のごとく密着性が低下し、結果として熱抵抗が増大し、放熱性が低下してしまうのであった。
また電子部品4が発熱すると、絶縁層6と放熱板5との熱膨張率の差により、放熱板5の中央部分が凸状に反ってしまうため、この問題は特に顕著となっていた。
そこで本発明は、電子部品ユニットの放熱性を向上させることを目的とする。
この目的を達成するため本発明は、放熱板に、その上下面を貫く貫通孔を形成し、この貫通孔および基体の内部には、結合部材が圧入されているとともに、この結合部材の上端面は、絶縁層下面と接触させ、貫通孔の内部において、結合部材は、その下端側から上端に向けて徐々に断面積を減少させるものとした
これにより本発明は、電子部品ユニットの放熱性を向上させることができるとともに、絶縁性を維持することができる。
それは、上記構成により、絶縁層の下方において、放熱板の貫通孔および基体の内部に圧入した、下端側から上端に向けて徐々に断面積を減少させる形状の結合部材により、絶縁層の厚みを維持したうえでこの放熱板と基体とを接合できるためである。
これにより本発明は、電子部品との絶縁距離に制限されることなく、所望の位置で、結合部材により基体と放熱板とを接合することができ、その結果、電子部品ユニットの放熱性を向上させることができるのである。
(実施の形態1)
図1(a)(b)に示すように、本実施の形態の電子部品ユニット10は、基体11と、この基体11に取り付けられた配線基板(図1(b)に示す12)と、この配線基板12上に実装された電子部品13とを備えている。そして配線基板12は、基体11と接合された放熱板14と、この放熱板14上に形成された絶縁層15と、絶縁層15上に配置された導体パターン16とを有している。
そしてこの導体パターン16は、その上面が絶縁層15表面で露出するように埋め込まれている。
また放熱板14は、放熱板14の上下面をつなぐ貫通孔17を有し、基体11にも孔18が形成されている。そして放熱板14の貫通孔17および基体11の孔18の内部には、結合部材19b、19c(図2の結合部材19aも含む。)が圧入されており、これにより放熱板14と基体11とは接合されている。
なお、本実施の形態では、図2の放熱板14の下面図のように、放熱板14の四隅(端部)に圧入されている結合部材19aと、放熱板14の端部であって長辺の略中点近傍に圧入されている結合部材19bと、その内側であり、放熱板14の略中心およびその近傍に圧入されている結合部材19cとがある。
本実施の形態では、特に内側の結合部材19は、電子部品13や導体パターン16下方に相当する部分に位置するよう、圧入している。
そして図1(b)に示すように、結合部材19b、19cの上端面は、絶縁層15下面と接触するまで挿入されており、本実施の形態では、絶縁層15下面と結合部材19の上端面とが略面一となっている。
また本実施の形態では、図3に示すように、結合部材19と絶縁層15との界面を模式的に表すと、結合部材19の上端面は、極微細な凹凸を有しているが、絶縁層15はこの凹凸表面形状に沿うように、密着して形成されている。なお、以下、結合部材19とは図2に示す19a〜19cのいずれをも含むものとする。
さらに本実施の形態では、絶縁層15には無機フィラ20が混練されており、この無機フィラ20も結合部材19の表面の凹凸に入り込み、密着している。
以下に本実施の形態における部材の材料等について説明する。
本実施の形態では、結合部材19として、銅、鉄、アルミなどを、断面が1.5mm×1.5mmの正方形、高さが0.5mm〜3.0mm程度の角柱形に加工した物を用いた。
基体11は厚み0.5mm〜3.0mm程度のアルミ製の箱を用いた。この基体11の代わりにアルミ等で出来たヒートシンクを用いてもよく、また基体11とヒートシンクとを接着したものを用いてもよい。
また放熱板14としては0.5mm〜3.0mm程度のアルミ板などの熱伝導性に優れた放熱板14を用いた。放熱板14としては、その他銅などの金属板を用いることもできる。
絶縁層15としては、エポキシ樹脂あるいはフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂に、平均粒径1μm〜50μmのアルミナあるいは窒化アルミなどの無機フィラ(図3の20)を70重量%〜95重量%程度含有させた熱伝導性の良い(熱伝導率が2W/mK〜20W/mK)複合材料を用いた。
また本実施形態では、このフィラ入りエポキシ樹脂に予め熱可塑性樹脂粉末からなるプレゲル材を添加した。このプレゲル材は、未硬化の熱硬化性樹脂の液状成分を吸収して膨張し、素早くゲル化させるため、樹脂が硬化する前に金型から取り出すことが出来る。
なお、本実施の形態では、絶縁層15の基材として熱硬化性樹脂を用いたが、液晶ポリマーやPPSなどの高熱伝導性熱可塑性樹脂を用いてもよい。
また本実施の形態では、絶縁耐圧を強化させるため、絶縁層15の厚みは0.4mm以上とする一方で、熱抵抗は小さく抑えるため、2.0mm以下とした。
また導体パターン16としては、厚み0.1mm〜2.0mm程度の銅板を用いた。
以下に、本実施の形態の放熱基板の製造工程を説明する。
まず、図4(a)に示すように、放熱板14に直径約2φの貫通孔17を複数個形成し、これらの貫通孔17に結合部材19b、19c(図2に示す結合部材19aも含む)を圧入する。このとき、結合部材19b、19cを、その上端面が、放熱板14の上面とほぼ面一となるまで圧入するため、放熱板14の片面を台21等で押さえながら圧入するとよい。
また銅板に回路をパターニングし、図4(b)に示す導体パターン16を形成する。このパターニングは、プレス打ち抜きあるいはレーザなどで加工すればよい。
次に、導体パターン16上であって、電子部品13を実装する部分の反対面側に、無機フィラ入りの樹脂の塊を、中央が凸になるように丸型(あるいは蒲鉾型、台形、円柱、球状)にまとめて置く。
そしてこの無機フィラ入り樹脂を加熱プレス、あるいは真空加熱プレス等によってシート状となるように延伸し、絶縁層15を形成する。
その後、この絶縁層15上に、結合部材19b、19cが圧入された放熱板14を乗せ、さらにプレスする。このとき、導体パターン16の上面が絶縁層15の上面で露出するように埋め込む。このように埋め込むと、導体パターン16の側面および下面が熱伝導樹脂で被覆され、かつ放熱板14との距離が短くなって熱伝導性が向上する。
次に、この絶縁層15を200℃で1〜2分間加熱し、形状が維持できる程度に固まった後金型から取り外し、さらに200℃の炉に8〜10分程度入れ、本硬化させると、図4(b)のような配線基板12が形成される。
なお、導体パターン16には本実施形態のように回路をパターニングしているものだけでなく、単なる熱拡散用あるいは部品半田付け用の銅板も含むものとする。また絶縁層15に埋め込まなくとも、絶縁層15の上面に、熱伝導性の高い接着剤などで貼り付けてもよい。この場合は、放熱板14にフィラ入り樹脂の塊を置き、加熱・加圧して延伸した後硬化させ、絶縁層15を形成すればよい。
そしてその後、図4(c)に示すように、導体パターン16上に電子部品13を半田付けして実装する。回路パターンが不要な電子部品13は導体パターン16を介さず絶縁層15上に実装してもよく、さらに絶縁体で被覆されている電子部品13は、絶縁層15を介さず、直接放熱板14上に実装してもよい。
また、図4(c)に示すように、基体11に直径2φの孔18を形成する。この孔18は、放熱板14の貫通孔17と対向する位置に設ける。なお、本実施の形態では、結合部材19b、19cのみを用いて放熱板14を基体11に取り付けたが、端部はネジ留め等とするなど、他の取り付け機構と併用してもよい。
そして最後に、結合部材19b、19cを孔18に圧入すれば、図1(b)に示すような本実施の形態の電子部品ユニット10が形成できる。
本実施の形態の効果を以下に説明する。
本実施の形態では、電子部品ユニット10の放熱性を向上させることができる。
それは、図1(b)に示すように、結合部材19a〜19cを、その上端面が絶縁層15下面と接触するように、貫通孔17および基体11の内部に圧入することによって、基体11と放熱板14とを接合したためである。
すなわち、図9に示すように、従来の電子部品ユニット1は、ビス留めによって放熱板5と基体2とを接合させており、ビス留めは、電子部品4や導体パターン7とビス8との間の絶縁距離を十分にとるため、放熱板5の端部で行われるのが一般的であった。
したがって従来の電子部品ユニット1では、放熱板5や基体2に反りや歪みがあると、放熱板5と基体2との間に隙間ができやすく、放熱性が低下することがあった。
これに対し本実施の形態の電子部品ユニット(図1(b)の10)は、結合部材19a〜19cを設けたため、絶縁層15の下方において、放熱板14および基体11の内部で発生した抗力および摩擦力によって放熱板14と基体11とを接合できる。また、電子部品13との絶縁距離に制限されることなく、結合部材19a〜19cを用いて、所望の位置で基体11と放熱板14とを接合することができる。さらに、結合部材19a〜19c上端面は絶縁層15と密着していることから、結合部材19a〜19c自体が絶縁層15から基体11へと繋がるヒートパイプの機能を果たす。
そしてその結果、電子部品ユニット10の放熱性を向上させることができるのである。
また電子部品13が発熱すると、絶縁層15と放熱板14との熱膨張率の差により、配線基板12の中央部分が凸状に反ってしまうことがあるが、本実施の形態のように、配線基板12の中央に結合部材19cを圧入しておくことによって放熱板14の反りを低減することができ、結果として放熱板14と基体11との密着性を高め、放熱性を向上させることができる。
また本実施の形態のように、熱源である電子部品13の下方に相当する部分に結合部材19cを圧入することによって、熱源に近い部分の放熱板14と基体11との密着性が向上し、より放熱性を向上させることができる。
さらに本実施の形態では、結合部材19a〜19cを圧入するのは、放熱板14の上下面を貫く貫通孔17であるから、この結合部材19a〜19cの圧入時に、貫通孔17の空気を外方へと追い出すことができ、結合部材19a〜19cと貫通孔17内壁および結合部材19a〜19cと絶縁層15との密着性が高まり、放熱板14と結合部材19a〜19cとの間の熱伝導性を向上させることができる。
同様に、結合部材19a〜19cを基体11の孔18に圧入する際、この孔18も基体11を貫通していることから、孔18の空気を外方へと追い出すことができ、結合部材19a〜19cと孔18内壁との密着性が高まり、基体11と結合部材19a〜19cとの間の熱伝導性を向上させることができる。
また図3に示すように、結合部材19を放熱板14の貫通孔17に圧入した後に絶縁層15を加熱・加圧して硬化させたことにより、一旦粘性の低くなった絶縁層15が結合部材19の表面に付着し、絶縁層15を結合部材19の上端面の微細な凹凸形状にも、ピッタリ密着させることが出来、絶縁層15と結合部材19との接着強度を向上させることができる。
さらに上記工法では、無機フィラ20も結合部材19上端面の凹凸に入り組み、密着するため、絶縁層15から結合部材19への熱伝導を向上させることができる。
また本実施の形態では、放熱板14の上下面を貫く貫通孔17に結合部材19を圧入させていることから、放熱板14の厚みが1.0mm以下と薄い場合であっても、その厚みを有効に活かして結合部材19を圧入することができ、放熱板14と基体11との接合強度を向上させることができる。
また本実施の形態では、結合部材19の弾性率は、基体11および放熱板14よりも大きい(硬い)ものとし、結合部材19の断面は正方形であり、放熱板14の貫通孔17および基体11の孔18の断面は円形とした。またこの円の直径は、結合部材19断面の正方形における対角線長さより2%から10%ほど小さくしている。
したがって、結合部材19を貫通孔17に圧入すると、貫通孔17内壁がわずかに弾性変形して結合部材19により密着させることができ、放熱性を向上させることができる。
なお本実施の形態では、導体パターン16として0.1mm以上の厚さの銅板を用いたこと、および絶縁層15を、無機フィラ20を高濃度に充填し、熱伝導率を2W/mK以上にまで向上させたことにより、電子部品13から基体11への熱伝導がよりスムーズになり、放熱性向上に寄与する。
(実施の形態2)
本実施の形態と、実施の形態1との違いは、図5に示すように、結合部材19が下端から上端に向けて徐々に先細くなるテーパ構造とした点である。
これにより結合部材19を貫通孔17の下方から圧入する際、結合部材19が放熱板14上方に突出するのを抑制することができ、絶縁層15の厚みを維持し、電気的絶縁性を向上させることができる。
なお、図6に示すように、テーパの角度θを大きくするか、貫通孔17上面の断面積を結合部材19上端の断面積よりも10%以上小さくすることなどによって、結合部材19の上端面を、放熱板14上面よりも下方に位置させることができ、絶縁層15の厚みが薄くなるのを抑制することができる。
なお本実施の形態では、結合部材19の下端から上端にかけて、その断面積を徐々に小さくさせたが、貫通孔17の内部において、結合部材19の下端側から上端に向けて断面積を徐々に減少させた構成であれば、本実施の形態と同等の効果を得ることが出来る。
その他、図7に示すように、結合部材19に段を設け、放熱板14の貫通孔17の内部における結合部材19の断面積を、基体11の孔18の内部における結合部材19の断面積よりも小さくしてもよい。このような構成により、貫通孔17に圧入される結合部材19の長さを規定することができ、放熱板14の上面から結合部材19が過剰に突出するのを抑制することができる。
その他の構成・効果は実施の形態1と同様であるため、説明を省略する。
(実施の形態3)
本実施の形態と実施の形態1との違いは、図8に示すように、上記実施の形態2と同様に結合部材19b、19cがテーパ構造となっていることに加え、端部に配置された結合部材19bが、内方に配置された結合部材19cよりも長く、基体11を貫通し、この基体11から外方へ大きく突出している点である。
また本実施の形態では、この端部に配置された結合部材19cは鉄製のものを用い、アルミ製の放熱板14よりも弾性率の大きい(硬い)材料を用いた。
さらに本実施の形態では、実装された複数の電子部品13のうち特に発熱性の高いパワー半導体素子やトランス、コイルなど発熱性電子部品22の下方には、放熱板14よりも熱伝導率の大きい銅などの結合部材19を圧入した。
なお、図8に示すように、本実施の形態では、外周が絶縁物で被覆されている発熱性電子部品22は、絶縁層15を介さず、直接放熱板14上に接着している。接着は絶縁層15を形成後、高熱伝導性の接着剤などを薄く塗布すればよい。
本実施の形態における効果を以下に説明する。
本実施の形態では、端部の結合部材19bを長くしたことにより、結合部材19b、19cを基体11の孔18へと圧入する時、端部の長い結合部材19bを、外側から視覚で把握しながら、先に孔18へ圧入することができ、複数の結合部材19b、19cの位置決めを容易に行うことができる。
また位置決め用に用いた端部の結合部材19bを、弾性率の高い(硬い)材料を用いて形成したため、放熱板14端部における基体11との接合がより強固となり、接合の機械的強度を向上させることができる。
そして端部の接合強度を向上させておけば、発熱性電子部品22の下方の結合部材19cとしては、機械的強度より熱伝導性を優先して材料を選定することができ、結合部材19c自体がヒートパイプの機能も果たし、放熱性を向上させることができる。
このように、結合部材19b、19cの位置によって組成を変えることによって、接合強度向上と熱伝導性向上との両立を図ることができる。
更に本実施の形態では、放熱板14より熱伝導性の高い結合部材19cが、放熱板14上に実装された発熱性電子部品22の直下に配置されているため、発熱性電子部品22の熱を効率よく基体11へと伝導させることができる。
その他の構成および効果は実施の形態1と同様であるため説明を省略する。
(実施の形態4)
本実施の形態は、図1(b)に示す結合部材19b、19c(図2の結合部材19aも含む)の側面に突起(図示せず)を設けたものである。
この突起によって嵌合面における摩擦力が大きくなり、放熱板14と基体11との接合強度を向上させることが出来る。
なお本実施の形態では、実施の形態1と同様に、加工の容易性から放熱板14の貫通孔17および基体11の孔18は円柱形とし、接合強度向上のため結合部材19b、19cは角柱形としたが、貫通孔17および孔18から摩擦力および抗力を受け、結合部材19b、19cと貫通孔17及び孔18内壁とが面接触するならば、結合部材19b、19cは円柱形でもよい。またこの場合は、貫通孔17および孔18を角柱形としておけば、放熱板14および基体11との接合をより強固に行うことができる。
その他の構成、効果は実施の形態1と同様であるため説明を省略する。
なお、上記実施の形態1〜4では、放熱板14に結合部材19を圧入してから絶縁層15を形成したが、先に放熱板14上に絶縁層15を形成した後、結合部材19を圧入してもよい。
この場合は、絶縁層15を形成する際、貫通孔17を結合部材19と同様の形状の金型等で封止しておけば、絶縁層15形成後、金型を外し、結合部材19を、絶縁層15とが接触するように圧入することができる。
また上記実施の形態1〜4では、基体11には孔18を形成したが、凹部でもよい。
以上のように本発明は、反りや歪みのある放熱板も基体に密着させて取り付けることができ、放熱性を向上させることができるため、高性能化にともない発熱量が増大する電子部品ユニットに大いに利用することができる。
(a)本発明の一実施の形態における電子部品ユニットの上面図、(b)同電子部品ユニットの断面図(図1(a)におけるXX断面) 本発明の一実施の形態における放熱板の下面図 本発明の一実施の形態における電子部品ユニットの要部を拡大した摸式断面図 (a)〜(c)それぞれ本発明の一実施の形態における電子部品ユニットの製造工程を示す断面図 本発明の一実施の形態における電子部品ユニットの断面図 同電子部品ユニットの摸式断面図 本発明の一実施の形態における電子部品ユニットの断面図 本発明の一実施の形態における電子部品ユニットの断面図 従来の電子部品ユニットの断面図
符号の説明
10 電子部品ユニット
11 基体
12 配線基板
13 電子部品
14 放熱板
15 絶縁層
16 導体パターン
17 貫通孔
18 孔
19 結合部材
19a、19b、19c 結合部材
20 無機フィラ
21 台
22 発熱性電子部品

Claims (7)

  1. 基体と、
    この基体に取り付けられた配線基板と、
    この配線基板上に実装された電子部品とを備えた電子部品ユニットにおいて、
    前記配線基板は、
    前記基体と接合された放熱板と、
    この放熱板上に形成された絶縁層とを備え、
    前記放熱板は、その上下面を貫く貫通孔を有し、
    この貫通孔および前記基体の内部には、
    結合部材が圧入されているとともに、
    この結合部材の上端面は、
    前記絶縁層下面と接触させ、
    前記貫通孔の内部において、
    前記結合部材は、
    その下端側から上端に向けて徐々に断面積を減少させた電子部品ユニット。
  2. 基体と、
    この基体に取り付けられた配線基板と、
    この配線基板上に実装された電子部品とを備えた電子部品ユニットにおいて、
    前記配線基板は、
    前記基体と接合された放熱板と、
    この放熱板上に形成された絶縁層とを備え、
    前記放熱板は、その上下面を貫く貫通孔を有し、
    この貫通孔および前記基体の内部には、
    結合部材が圧入されているとともに、
    この結合部材の上端面は、
    前記絶縁層下面と接触させ、
    前記放熱板の前記貫通孔の内部における前記結合部材の断面積は、
    前記基体の前記貫通孔の内部における前記結合部材の断面積よりも小さくした電子部品ユニット。
  3. 基体と、
    この基体に取り付けられた配線基板と、
    この配線基板上に実装された電子部品とを備えた電子部品ユニットにおいて、
    前記配線基板は、
    前記基体と接合された放熱板と、
    この放熱板上に形成された絶縁層とを備え、
    前記放熱板は、その上下面を貫く貫通孔を有し、
    この貫通孔および前記基体の内部には、
    結合部材が圧入されているとともに、
    この結合部材の上端面は、
    前記絶縁層下面と接触させ、
    前記絶縁層には、
    無機フィラが混練されているとともに、
    この無機フィラと前記結合部材の上端面とは密着させている電子部品ユニット。
  4. 基体と、
    この基体に取り付けられた配線基板と、
    この配線基板上に実装された電子部品とを備えた電子部品ユニットにおいて、
    前記配線基板は、
    前記基体と接合された放熱板と、
    この放熱板上に形成された絶縁層とを備え、
    前記放熱板は、前記電子部品の下方に設けるとともに前記放熱板の上下面を貫く貫通孔を有し、
    この貫通孔および前記基体の内部には、
    結合部材が圧入されているとともに、
    この結合部材の上端面は、
    前記絶縁層下面と接触させ、
    前記結合部材は、
    前記放熱板よりも熱伝導率を大きくした電子部品ユニット。
  5. 基体と、
    この基体に取り付けられた配線基板と、
    この配線基板上に実装された電子部品とを備えた電子部品ユニットにおいて、
    前記配線基板は、
    前記基体と接合された放熱板と、
    この放熱板上に形成された絶縁層とを備え、
    前記放熱板は、その上下面を貫く複数の貫通孔を有し、
    これら貫通孔および前記基体の内部には、
    結合部材が圧入されているとともに、
    この結合部材の上端面は、
    前記絶縁層下面と接触させ、
    端部に配置された前記結合部材の少なくとも何れか一つは、
    前記基体を貫通し、
    この基体から外方へ突出させた電子部品ユニット。
  6. 基体と、
    この基体に取り付けられた配線基板と、
    この配線基板上に実装された電子部品とを備えた電子部品ユニットにおいて、
    前記配線基板は、
    前記基体と接合された放熱板と、
    この放熱板上に形成された絶縁層とを備え、
    前記放熱板は、その上下面を貫く複数の貫通孔を有し、
    これら貫通孔および前記基体の内部には、
    結合部材が圧入されているとともに、
    この結合部材の上端面は、
    前記絶縁層下面と接触させ、
    端部に配置された前記結合部材は、
    前記放熱板よりも弾性率を大きくした電子部品ユニット。
  7. 基体と、
    この基体に取り付けられた配線基板と、
    この配線基板上に実装された電子部品とを備えた電子部品ユニットにおいて、
    前記配線基板は、
    前記基体と接合された放熱板と、
    この放熱板上に形成された絶縁層とを備え、
    前記放熱板は、その上下面を貫く複数の貫通孔を有し、
    これら貫通孔および前記基体の内部には、
    結合部材が圧入されているとともに、
    この結合部材の上端面は、
    前記絶縁層下面と接触させ、
    内側に配置された前記結合部材は、
    端部に配置された結合部材よりも熱伝導率を大きくした電子部品ユニット。
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