JP4862601B2 - Thermally conductive substrate, manufacturing method thereof, and circuit module - Google Patents
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Description
本発明は、電子機器のパワー半導体等を用いた電源回路や、高輝度の発光ダイオード等を用いたバックライト等の照明機器の製造に使用される熱伝導基板とその製造方法及び回路モジュールに関するものである。 The present invention relates to a heat conductive substrate used for manufacturing a lighting circuit such as a power supply circuit using a power semiconductor of an electronic device, a backlight using a high-luminance light emitting diode, etc., its manufacturing method, and a circuit module. It is.
近年、電子機器の高性能化、小型化の要求に伴い、パワー半導体等を用いた電源回路や、高輝度の発光ダイオード(あるいは半導体レーザー)等を用いたバックライト等の照明機器の製造に使用される熱伝導基板は、配線パターンの緻密化(例えば、パワー半導体や発光ダイオードを高密度に実装するための配線パターンのファインパターン化)が求められている。 In recent years, with the demand for higher performance and smaller size of electronic devices, it is used for the manufacture of lighting devices such as power circuits using power semiconductors and backlights using light emitting diodes (or semiconductor lasers) with high brightness. The heat conductive substrate is required to have a dense wiring pattern (for example, a fine pattern of a wiring pattern for mounting power semiconductors and light emitting diodes at high density).
図10(A)(B)は、従来の熱伝導基板の一例を示す斜視断面図である。図10(A)は、従来の熱伝導基板の斜視断面図である。図10(A)(B)において、配線1は、絶縁層2の内部に埋め込まれている。そして絶縁層2は、配線1を少なくとも一部を埋め込んだ状態で、金属板3の上に固定されている。そして配線1の上に、電子部品4を、矢印9aに示すように実装する。また電子部品4と配線1の間に、ワイヤー5等を用いて配線することができる。
10A and 10B are perspective cross-sectional views showing an example of a conventional heat conductive substrate. FIG. 10A is a perspective sectional view of a conventional heat conductive substrate. 10A and 10B, the
図10(B)は、従来の熱伝導基板の放熱メカニズムを説明する斜視断面図である。図10(B)において、電子部品4に発生した熱は、配線1を矢印9bに示すように広がる。同時に電子部品4に発生した熱は、配線1を介し矢印9cに示すように、絶縁層2を介して、金属板3に伝わり、放熱される。
FIG. 10B is a perspective cross-sectional view illustrating a heat dissipation mechanism of a conventional heat conductive substrate. In FIG. 10B, the heat generated in the electronic component 4 spreads in the
次に、従来の熱伝導基板のファインパターン化について、図11(A)〜(C)を用いて説明する。図11(A)〜(C)は、ファインパターン化した従来の熱伝導基板の断面図である。図11(A)〜(C)において、配線1a、1b、1cは、それぞれ絶縁層2a、2b、2cに埋め込まれた状態で、金属板3a、3b、3cに埋め込まれている。ここで配線1a〜1cの違いは、配線厚み6a〜6cや配線幅7a〜7cである。図11(A)はファインパターン化する前、図11(B)はファインパターン化した後、図11(C)は更なるファインパターン化をした後に相当する。図11(A)〜(C)に示すように、配線1a〜1cをファインパターン化する(例えば、配線間の隙間を縮める、配線幅を細くする、配線ピッチを詰める等)場合、配線厚み6a〜6cが薄くせざるをえない。このように配線1a〜1cをファインパターン化するほど、配線厚み6a〜6cの厚みは、どんどん薄くなってしまう。その結果、配線1a〜1cを介して、電子部品4に発生した熱を放熱する場合、その熱伝導性を低下させてしまう可能性が発生する。
Next, the fine patterning of the conventional heat conductive substrate will be described with reference to FIGS. FIGS. 11A to 11C are cross-sectional views of a conventional heat conductive substrate with a fine pattern. 11A to 11C, the
これは配線1a〜1cを一般的なエッチング工法やプレス工法で作成する場合、実用的に配線厚み6aが、配線厚み6aや配線幅7aの最小値(あるいは加工限界)となるためである。例えば電子部品4を放熱させるために配線厚み6aを500μmとした場合、配線幅7aの最小値が500μm、配線間隔8aの最小幅が500μmとなってしまう。そこで配線をファインパターン化するため(例えば図11(B)に示すようにして)、配線幅7bを200μm、配線間隔8bを200μmとした場合、配線厚み6bは200μmより厚くすることは困難となる。同様に配線幅7cを100μm、配線間隔8cを100μmとした場合、配線厚み6cも100μmと薄くせざるをえない。このように、配線パターンをファイン化するためには、配線厚み6a〜6cを薄くせざるをえない。その結果、配線1a〜1cの断面積が小さくなり、電子部品4の放熱効果が低下する。
This is because the
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が知られている。
このように従来の熱伝導基板では、配線1をファインパターン化しようとするほど(例えば配線幅7を細くする、配線間隔8を細くする)ほど、配線厚み6a〜6cを薄くする必要があった。その結果、配線1がファインパターン化するほど、配線1を用いた放熱基板の放熱性が低下する可能性があった。
As described above, in the conventional heat conductive substrate, it is necessary to reduce the
本発明は、配線をファインパターン化した場合でも、その放熱性が影響を受けにくい熱伝導基板とその製造方法及び回路モジュールを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a heat conductive substrate, a manufacturing method thereof, and a circuit module, in which even if the wiring is made into a fine pattern, its heat dissipation is not easily affected.
前記目的を達成するために、本発明は、金属板と、前記金属板の上に固定したシート状の伝熱層と、前記伝熱層に少なくとも一部を埋め込んだリードフレームと、からなる熱伝導基板であって、前記リードフレームは前記伝熱層に埋め込まれる前に、複数のリードフレームが厚み方向に積層されプレスあるいは溶接によって一体化したものである熱伝導基板である。 In order to achieve the object, the present invention provides a heat comprising a metal plate, a sheet-like heat transfer layer fixed on the metal plate, and a lead frame embedded at least in part in the heat transfer layer. A conductive substrate, wherein the lead frame is a heat conductive substrate in which a plurality of lead frames are laminated in the thickness direction and integrated by pressing or welding before being embedded in the heat transfer layer .
このような構成によって、伝熱層に少なくとも一部を埋め込んだリードフレームをファインパターン化(例えば、リードフレームの幅を狭くしたり、複数のリードフレームの隙間を狭くしたり)した場合でも、必要に応じて複数のリードフレームを厚み方向に積層しているため、熱伝導基板の配線パターンをファイン化しても、その放熱性が影響を受けにくく、各種回路モジュールの小型化を実現する。 With such a configuration, it is necessary even when the lead frame at least partially embedded in the heat transfer layer is made into a fine pattern (for example, the width of the lead frame is narrowed or the gap between the multiple lead frames is narrowed). Therefore, even if the wiring pattern of the heat conductive substrate is made finer, the heat dissipation is hardly affected, and various circuit modules can be miniaturized.
以上のように本発明によれば、伝熱層に少なくとも一部を埋め込んだリードフレームをファインパターン化した場合でも、その放熱性を保持できるため、放熱が必要なパワー系の半導体や、高輝度の発光ダイオード等を高密度実装することができ、各種回路モジュールやこれらを用いた機器の小型化が実現できる。 As described above, according to the present invention, even when a lead frame having at least a portion embedded in a heat transfer layer is made into a fine pattern, the heat dissipation can be maintained, so that a power semiconductor that requires heat dissipation or a high luminance The light emitting diodes and the like can be mounted with high density, and various circuit modules and devices using these can be miniaturized.
なお本発明の実施の形態に示された一部の製造工程は、成形金型等を用いて行われる。但し説明するために必要な場合以外は、成形金型は図示していない。また図面は模式図であり、各位置関係を寸法的に正しく示したものではない。 Note that some of the manufacturing steps shown in the embodiments of the present invention are performed using a molding die or the like. However, the molding die is not shown unless it is necessary for explanation. Further, the drawings are schematic views and do not show the positional relations in terms of dimensions.
(実施の形態)
以下、本発明の実施の形態における熱伝導基板について、図面を参照しながら説明する。
(Embodiment)
Hereinafter, a thermally conductive substrate in an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1(A)(B)は、それぞれ本発明の実施の形態における放熱基板の上面図及び断面図である。図1(A)(B)において、10は第1のリードフレーム、11は第2のリードフレームである。12は伝熱層、13は金属板、14は矢印、15はリードフレーム厚み、16はリードフレーム幅、17はリードフレーム隙間である。 1A and 1B are a top view and a cross-sectional view, respectively, of a heat dissipation board in an embodiment of the present invention. 1A and 1B, 10 is a first lead frame, and 11 is a second lead frame. 12 is a heat transfer layer, 13 is a metal plate, 14 is an arrow, 15 is a lead frame thickness, 16 is a lead frame width, and 17 is a lead frame gap.
図1(A)は、熱伝導基板の一部を示す上面図であり、熱伝導基板の一部を抜き取るようにして図示したものであり、第1のリードフレーム10による複雑なパターン部や、取り出し電極部(外部機器との接続部分)等は図示していない。図1(A)において、熱伝導基板の表面は、電子部品等の配線部に相当する第1のリードフレーム10と、前記配線の絶縁部分に相当する伝熱層12で覆われている。なお図1(A)(B)において、熱伝導基板の特徴を説明するために、ソルダーレジスト等は図示していない。また図1(A)においては、第1のリードフレーム10は、互いに太さが異なる平行するパターンを例としているが、これにこだわる必要は無く、一般的な回路パターンに対応していることは言うまでもない。
FIG. 1A is a top view showing a part of the heat conductive substrate, which is illustrated by extracting a part of the heat conductive substrate, and includes a complicated pattern portion formed by the
図1(B)は、図1(A)の矢印14部分での断面図である。図1(B)において、金属板13の上に、伝熱層12を用いて、第1のリードフレーム10と第2のリードフレーム11を埋め込み(第1のリードフレーム10の表面は露出状態)、固定している。ここで第1のリードフレーム10と第2のリードフレーム11は、必要部分の放熱性を高めるために厚み方向に積層、一体化したものである。
FIG. 1B is a cross-sectional view taken along
図1(B)において、リードフレーム厚み15は、第1のリードフレーム10の厚みを示している。実施の形態においては、放熱基板のファインパターン化を実現するために、電子部品を実装するために表層に露出した第1のリードフレーム10をファインパターンとしている。そして第1のリードフレーム10をファインパターン化することで、熱伝導性が低下した分の熱伝導を、積層した第2のリードフレーム11で補う。
In FIG. 1B, the
ここで熱伝導基板の仕様用途に応じて、積極的に第1のリードフレーム10と第2のリードフレーム11との厚みを変え、あるいは複数のリードフレームの積層枚数を変え、あるいは複数のリードフレームのパターン形状を変える。
Here, the thickness of the
例えばファインパターン化が必要な(例えば、図1(A)のような表層のパターン部分では)、第1のリードフレーム10に、一般的なエッチング工法やプレス工法でファインパターンの成形が容易な、肉薄(例えば、リードフレーム厚み15として、0.05mm〜0.10mmのような)の部材を用いる。
For example, fine patterning is necessary (for example, in the pattern portion of the surface layer as shown in FIG. 1A), and it is easy to form a fine pattern on the
このようにして図1(A)(B)では、電子部品(図示していない)を実装する表層側にファイン化の容易な肉薄の第1のリードフレーム10を、金属板13側にはファイン化が困難な肉厚の(その分、熱伝導に優れた)第2のリードフレーム11を用いている。なお用途に応じては、電子部品(図示していない)を実装する表面側に肉厚なリードフレームを(例えば第2のリードフレーム11を)、金属板13側にファイン化が容易な肉薄の第1のリードフレーム10を、と組み合わせても良い。
In this way, in FIGS. 1A and 1B, the thin
次に、図2(A)(B)を用いて、熱伝導基板の放熱メカニズムについて説明する。図2(A)(B)は、熱伝導基板の放熱メカニズムを説明する斜視断面図である。図2(A)は、熱伝導基板の表面に、電子部品を実装する様子を示すものであり、18は発光ダイオードやレーザー、パワー半導体等の放熱が必要な電子部品である。19は電子部品18の半田付け用の外部電極等となる端子であるが、端子形状にこだわる必要は無く、例えばベアチップ実装時に用いるワイヤであっても良い。
Next, the heat dissipation mechanism of the heat conductive substrate will be described with reference to FIGS. 2A and 2B are perspective cross-sectional views illustrating a heat dissipation mechanism of the heat conductive substrate. FIG. 2A shows a state in which an electronic component is mounted on the surface of a heat conductive substrate.
図2(A)において、肉薄の第1のリードフレーム10と、肉厚の第2のリードフレーム11とは、互いに厚み方向に積層した状態で、伝熱層12に埋め込んでいる。そして少なくとも第1のリードフレーム10と、第2のリードフレーム11とからなる複数のリードフレームが厚み方向に積層された状態で、これを少なくとも一部を埋め込んだ伝熱層12を、金属板13の上に固定している。そして電子部品18を、矢印14aに示すように、第1のリードフレーム10の露出状態の表面に実装する。なお電子部品18の端子19の一部は、省略しており図示していない。
In FIG. 2A, the thin
図2(B)は、熱伝導基板の表面に実装した電子部品18を放熱させる様子を示している。図2(B)において、電子部品18は、第1のリードフレーム10に実装している。そして電子部品18に発生した熱は、矢印14b、14c、14dに示すように広がる。矢印14bは、第1のリードフレーム10を通じて、電子部品18に発生した熱が、平面方向に(第1のリードフレーム10のパターンに沿って)広がる様子を示す。矢印14cは、電子部品18に発生した熱が、肉厚の第2のリードフレーム11を通じて、平面方向(第2のリードフレーム11のパターンに沿って)広がる様子を示す。ここで第1のリードフレーム10と第2のリードフレーム11は、互いに厚み方向に積層、密着、一体化することで、電子部品18に発した熱は、第1のリードフレーム10のみならず、第2のリードフレーム11を介して放熱させている。
FIG. 2B shows a state in which the
また第2のリードフレーム11に伝わった熱は、伝熱層12を介して、金属板13に広がる。このように、本実施の形態では、電子部品18に発生した熱は、第1のリードフレーム10のみならず、第2のリードフレーム11を介して、広範囲(あるいは大面積)に広がり、更に第2のリードフレーム11から金属板13へ逃げる。ここで第1のリードフレーム10や第2のリードフレーム11に、放熱性の高い金属(例えば、銅やアルミニウム)を用いることで、優れたヒートスプレッダー効果(発熱部分を広げる効果、例えば発熱している電子部品をサーモビューア等で観察した場合の各温度域の面積を意味する。なおヒートスプレッダー効果が高いということは、放熱性に優れていることを意味する)。
Further, the heat transmitted to the
なお図2(A)(B)において、電子部品18の実装方法は端子19等を用いた半田付け(半田は図示していない)に限定するものではなく、ワイヤーやバンプ(共に図示していない)を用いた実装方法を用いることができる。また電子部品18の端子19は、複数個有っても良い。これは、高輝度LEDの場合の端子数は2個の場合が多いが、パワートランジスタの場合3個以上、パワー半導体の場合、更に多くの端子が必要なためである。
2A and 2B, the mounting method of the
このように複数の端子を有する電子部品を高密度実装するためには、配線のファインパターン化が必要となる。本実施の形態の場合、第1のリードフレーム10だけでは必要な放熱が得られない場合、第2のリードフレーム11を用いることもできる。その結果、図1(A)(B)等に示すように、肉薄の第1のリードフレーム10だけからなるファインパターンの配線を引き回すこともできる。
Thus, in order to mount an electronic component having a plurality of terminals with high density, it is necessary to make a fine pattern of wiring. In the case of the present embodiment, the
ここで、第1のリードフレーム10の厚みは、0.01mm〜0.20mm(望ましくは0.02〜0.15mm、更に望ましくは0.05〜0.10mm)が良好である。厚みが0.01mm未満の場合、リードフレーム幅16が0.01mm、リードフレーム隙間17が0.01mm程度のファインパターンを得ることができるが、ゴミや異物の影響を受けやすくなる。例えば第1のリードフレーム10の厚みを0.05mmとした場合、リードフレーム幅16を0.05mm、リードフレーム隙間17を0.05mmとすることができ、最小ピッチ(ピッチは、リードフレーム幅16とリードフレーム隙間17の合計に相当)を0.1mmとすることができる。
Here, the thickness of the
また第2のリードフレーム11の厚みは0.10〜2.00mm(望ましくは0.2〜1.00mm、更に望ましくは0.3〜0.5mm)が良好である。厚みが0.10未満の場合、放熱効果が低い場合がある。また厚みが2.00mmを超えた場合、加工性に課題が発生する可能性がある。
The thickness of the
なお第1のリードフレーム10と、第2のリードフレーム11を同じ厚みにすることも可能である。またこれらリードフレームを複数重ねても良い。なお重ねる枚数は10枚以下が望ましい。10枚を超える場合、高精度に積層することが難しくなる場合がある。
Note that the
次に、図3(A)〜(C)を用いて、複数のリードフレームの積層方法について説明する。図3(A)〜(C)は、複数のリードフレームの積層を説明する断面図である。図3(A)は第1のリードフレーム10の断面図、図3(B)は第2のリードフレーム11の断面図、図3(C)は複数のリードフレームの例として、第1のリードフレーム10と第2のリードフレーム11を、厚み方向に一体化する様子を説明する断面図に相当する。図3(A)において、第1のリードフレーム10は、所定の部材(図示していない)を、エッチング工法や金型を用いたプレス打抜き工程(図示していない)を経て、作成したものである。次に図3(B)に示すように、第2のリードフレーム11も、第1のリードフレーム10同様に加工する。次に図3(C)に示すように、第1のリードフレーム10と、第2のリードフレーム11を互いに位置合わせし、厚み方向に積層し、一体化(あるいは固定)する。ここで矢印14は、プレス装置(図示していない)あるいは溶接装置(超音波溶接装置やスポット溶接装置、プロジェクション溶接装置、レーザー溶接等)による一体化を示す。こうして、第1のリードフレーム10と、第2のリードフレーム11を、厚み方向に積層し、一体化する。
Next, a method for laminating a plurality of lead frames will be described with reference to FIGS. 3A to 3C are cross-sectional views illustrating the stacking of a plurality of lead frames. 3A is a cross-sectional view of the
次に図4〜図6を用いて、熱伝導基板の製造方法について説明する。図4〜図6は、熱伝導基板の製造方法の一例を説明する断面図である。図4において、20はプレス装置、21はフィルム、22は伝熱材である。図4において、第1のリードフレーム10と第2のリードフレーム11は、図3のようにして一体化したものであり、これを金属板13の上に、伝熱材22を介してセットする。そしてこれらを図4に示すようにプレス装置20にセットする。なお図4において、金型等は図示していない。そして第1のリードフレーム10や第2のリードフレーム11、伝熱材22や、金属板13を、プレス装置20を用いて矢印14の方向にプレスし一体化する。
Next, the manufacturing method of a heat conductive board | substrate is demonstrated using FIGS. 4-6 is sectional drawing explaining an example of the manufacturing method of a heat conductive board | substrate. In FIG. 4, 20 is a pressing device, 21 is a film, and 22 is a heat transfer material. In FIG. 4, the
図5は、第1のリードフレーム10や第2のリードフレーム11を伝熱材22にプレスして埋め込み、一体化する様子を示す。図5において、伝熱材22等をプレス時に加熱することで、伝熱材22を軟化できるため、第1のリードフレーム10や第2のリードフレーム11、金属板13の表面との密着性を高めたり、隙間まで満遍なく回り込ませることができる。また図5に示すように、フィルム21を、第1のリードフレーム10と、金型(図示していない)の間に挟んでおくことで、伝熱材22がプレス装置20や金型(図示していない)の表面に、汚れとして付着することを防止できる。
FIG. 5 shows how the
図6は、プレスが終了した様子を示す。図6の矢印14が示すように、プレス装置20を互いに引き離す。更にフィルム21を、第1のリードフレーム10の表面から引き剥がす。こうして、金属板13の表面に、伝熱材22によって第1のリードフレーム10と第2のリードフレーム11を固定する。ここで、プレス条件を調整することで、第2のリードフレーム11のみならず、第1のリードフレーム10も伝熱材22に埋め込むことができる。そして伝熱材22を熱硬化させ、伝熱層12とする。こうして図1(A)(B)に示した放熱基板を作成する。なお伝熱材22の熱硬化工程は、プレス装置20の中で行っても良いが、これら部材を所定形状に成形した後、加熱硬化炉の中で硬化させても良い。なおフィルム21を引き剥がした後で、伝熱材22を硬化させることで、フィルム21に安価な(耐熱性の低い)材料を使うことができる。こうすることで、フィルム21が加熱硬化炉の中で寸法変化してしまい、熱伝導基板の表面形状に影響を与えることを防止する。
FIG. 6 shows a state where the press is finished. As shown by the
更に詳しく説明する。伝熱層12と、第1のリードフレーム10の表面は、同一面(望ましくは互いの段差50μm以下、更に望ましくは20μm以下、更には10μm未満)とすることで、ソルダーレジスト(図示していない)の形成が容易となる。なお第1のリードフレーム10の半田付けしない面に、ソルダーレジストを形成することで、第1のリードフレーム10の上で半田が濡れ広がり過ぎることを防止できる。また伝熱層12と第1のリードフレーム10との間の厚み段差が小さい分、ソルダーレジストの厚みバラツキが発生しにくく、ソルダーレジストの厚みを薄く設定できる。その結果、ソルダーレジストの膜厚が放熱性に影響を与えにくくなり、電子部品の実装性を高められる。またフィルム21を剥がした後、第1のリードフレーム10や伝熱層12の表面をバフ研磨等を行って、更にバリ取りや汚れを除去することが望ましい。
This will be described in more detail. The
ここでシート状の伝熱層12としては、樹脂とフィラーとからなる伝熱性のコンポジット材料を用いることができる。例えば無機フィラー70重量%以上95重量%以下と、熱硬化性樹脂5重量%以上30重量%以下の部材が望ましい。ここで無機フィラーは略球形状で、その直径は0.1μm以上100μm以下が適当である(0.1μm未満の場合、樹脂への分散が難しくなり、また100μmを超えると伝熱層12の厚みが厚くなり熱拡散性に影響を与える)。そのため伝熱層12における無機フィラーの充填量は、熱伝導率を上げるために70から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種類のアルミナを混合したものを用いている。この大小2種類の粒径のアルミナを用いることによって、大きな粒径のアルミナの隙間に小さな粒径のアルミナを充填できるので、アルミナを90重量%近くまで高濃度に充填できるものである。この結果、伝熱層12の熱伝導率は5W/(m・K)程度となる。なお無機フィラーとしてはアルミナ、酸化マグネシウム、窒化ホウ素、酸化ケイ素、炭化ケイ素、窒化ケイ素、及び窒化アルミニウムからなる群から選択される少なくとも一種以上を含んでもよい。
Here, as the sheet-like
なお無機フィラーを用いると、放熱性を高められるが、特に酸化マグネシウムを用いると線熱膨張係数を大きくできる。また酸化ケイ素を用いると誘電率を小さくでき、窒化ホウ素を用いると線熱膨張係数を小さくできる。こうして伝熱層12としての熱伝導率が1W/(m・K)以上20W/(m・K)以下のものを形成することができる。なお熱伝導率が1W/(m・K)未満の場合、熱伝導基板の放熱性に影響を与える。また熱伝導率を20W/(m・K)より高くしようとした場合、フィラー量を増やす必要があり、プレス時の加工性に影響を与える場合がある。
When an inorganic filler is used, the heat dissipation can be improved, but in particular when magnesium oxide is used, the linear thermal expansion coefficient can be increased. Further, when silicon oxide is used, the dielectric constant can be reduced, and when boron nitride is used, the linear thermal expansion coefficient can be reduced. Thus, the
なお熱硬化性樹脂は、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。伝熱層12の厚みは、薄くすれば、第1のリードフレーム10や第2のリードフレーム11からの熱を金属板13に伝えやすいが、逆に絶縁耐圧が問題となる。また伝熱層12の厚みが厚すぎると、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である50μm以上1000μm以下に設定すれば良い。
The thermosetting resin contains at least one kind of resin among epoxy resin, phenol resin and cyanate resin. These resins are excellent in heat resistance and electrical insulation. If the thickness of the
次に第1のリードフレーム10や第2のリードフレーム11(以下、これらリードフレームと呼ぶ)の材質について説明する。これらリードフレームの材料としては、銅を主体とするもの(例えば銅板)が望ましい。これは銅が熱伝導性と導電率が共に優れているためである。例えば、タフピッチ銅(合金記号:C1100)や無酸素銅(合金記号:C1020)等を用いることが望ましい。こうした材料は原料の電気銅を溶解して製造したものである。ここでタフピッチ銅は、銅中に酸素を残した精錬銅であり、電気伝導性や加工性に優れている。タフピッチ銅の場合、例えばCu99.90wt%以上、無酸素銅の場合、例えばCu99.96wt%以上が望ましい。銅の純度が、これら数字未満の場合、不純物(例えば酸素の影響によるCu2Oの含有量が大きくなるので)の影響によって、加工性のみならず熱伝導性や電気伝導性に影響を受ける場合がある。こうした部材は安価であり、量産性に優れている。
Next, materials of the
更に必要に応じて各種銅合金を選ぶことも出来る。例えば、第1のリードフレーム10として、加工性や、熱伝導性を高めるためには、銅素材に銅以外の少なくともSn、Zr、Ni、Si、Zn、P、Fe等の群から選択される少なくとも1種類以上の材料とからなる合金を使うことも可能である。例えばCuを主体として、ここにSnを加えた、銅材料(以下、Cu+Snとする)を用いることができる。Cu+Sn銅材料(あるいは銅合金)の場合、例えばSnを0.1重量%以上0.15重量%未満添加することで、その軟化温度を400℃まで高められる。比較のためSn無しの銅(Cu>99.96重量%)を用いて、第1のリードフレーム10を作成したところ、導電率は低いが、出来上がった熱伝導基板において特に形成部等に歪みが発生する場合があった。そこで詳細に調べたところ、その材料の軟化点が200℃程度と低いため、後の部品実装時(半田付け時)に変形する可能性があることが予想された。一方、Cu+Sn>99.96重量%の銅系の材料を用いた場合、実装された各種部品の発熱の影響は特に受けなかった。また半田付け性やダイボンド性にも影響が無かった。そこでこの材料の軟化点を測定したところ、400℃であることが判った。このように、銅を主体として、いくつかの元素を添加することが望ましい。銅に添加する元素として、Zrの場合、0.015重量%以上0.15重量%以下の範囲が望ましい。添加量が0.015重量%未満の場合、軟化温度の上昇効果が少ない場合がある。また添加量が0.15重量%より多いと電気特性に影響を与える場合がある。また、Ni、Si、Zn、P等を添加することでも軟化温度を高くできる。この場合、Niは0.1重量%以上5重量%未満、Siは0.01重量%以上2重量%以下、Znは0.1重量%以上5重量%未満、Pは0.005重量%以上0.1重量%未満が望ましい。そしてこれらの元素は、この範囲で単独、もしくは複数を添加することで、銅素材の軟化点を高くできる。なお添加量がここで記載した割合より少ない場合、軟化点上昇効果が低い場合がある。またここで記載した割合より多い場合、導電率への影響の可能性がある。同様に、Feの場合0.1重量%以上5重量%以下、Crの場合0.05重量%以上1重量%以下が望ましい。これらの元素の場合も前述の元素と同様である。
Furthermore, various copper alloys can be selected as necessary. For example, the
なおこれらリードフレームに使う銅材料の引張り強度は、600N/平方mm以下が望ましい。引張り強度が600N/平方mmを超える材料の場合、これらリードフレームの加工性に影響を与える場合がある。一方、引張り強度が600N/平方mm以下(更にこれらリードフレームに微細で複雑な加工が必要な場合、望ましくは400N/平方mm以下)とすることでスプリングバック(必要な角度まで曲げても圧力を除くと反力によってはねかえってしまうこと)の発生を抑えられ、形成精度を高められる。このようにこれらリードフレームの材料としては、Cuを主体とすることで導電率を下げられ、更に柔らかくすることで加工性を高められ、更にこれらリードフレームによる放熱効果も高められる。なおこれらリードフレームに使う銅合金の引張り強度は、10N/平方mm以上が望ましい。これは一般的な鉛フリー半田の引張り強度(30〜70N/平方mm程度)に対して、これらリードフレームに用いる銅合金はそれ以上の強度が必要なためである。これらリードフレームに用いる銅合金の引張り強度が、10N/平方mm未満の場合、これらリードフレーム上に電子部品等を半田付け実装する場合、半田部分ではなくてこれらリードフレーム部分で凝集破壊する可能性がある。なおファインパターン加工用に第1のリードフレーム10を、加工性(例えば、プレスによる打抜き性)に優れた銅組成とし、第2のリードフレーム11と、異なる合金組成とすることができる。ここで異なる合金組成としては、銅以外の不純物組成である酸素、硫黄、鉄、鉛、スズ、ビスマス、ニッケル、銀、アンチモン、砒素、燐、珪酸からなる群のうち、少なくとも1種類以上の元素が0.1ppm以上、望ましくは1ppm以上異なるものを使うことが望ましい。ここで第1のリードフレーム10と、第2のリードフレーム11との組成比較した場合、これら不純物の元素が0.1ppm未満の場合、組成のバラツキの影響を受けたり、分析が困難になる場合があるためである。またこれら不純物の差が0.1ppm未満の場合、電気特性や熱伝導性にも差が発生しにくい。
The tensile strength of the copper material used for these lead frames is desirably 600 N / square mm or less. In the case of a material having a tensile strength exceeding 600 N / square mm, the workability of these lead frames may be affected. On the other hand, by setting the tensile strength to 600 N / square mm or less (and, if these lead frames require fine and complicated processing, desirably 400 N / square mm or less), the spring back (pressure even if bent to the required angle) If it is removed, it will be repelled by the reaction force), and the formation accuracy can be improved. Thus, as the material of these lead frames, the conductivity is lowered by mainly using Cu, and the workability is improved by further softening, and the heat dissipation effect by these lead frames is also enhanced. The tensile strength of the copper alloy used for these lead frames is desirably 10 N / square mm or more. This is because the copper alloy used in these lead frames needs to have a strength higher than the tensile strength (about 30 to 70 N / square mm) of general lead-free solder. When the tensile strength of the copper alloy used for these lead frames is less than 10 N / square mm, when electronic components are soldered and mounted on these lead frames, there is a possibility of cohesive failure at these lead frame portions instead of the solder portions. There is. For the fine pattern processing, the
なお第1のリードフレーム10の、伝熱層12から露出している面(電子部品等の実装面)に、予め半田付け性を改善するように半田層や錫層を形成しておくことも有用である。なお第1のリードフレーム10や第2のリードフレーム11の伝熱層12に接する面(もしくは埋め込まれた面)には、半田層は形成しないことが望ましい。このように伝熱層12と接する面に半田層や錫層を形成すると、半田付け時にこの層が柔らかくなり、第1のリードフレーム10や第2のリードフレーム11と、伝熱層12との接着性(もしくは結合強度)に影響を与える場合がある。
Note that a solder layer or a tin layer may be formed in advance on the surface of the
また金属板13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、金属板13の厚みを1mm(望ましくは0.1mm以上50mm以下の厚み)としているが、その厚みは製品仕様に応じて設計できる(なお金属板13の厚みが0.1mm以下の場合、放熱性や強度的に不足する可能性がある。また金属板13の厚みが50mmを超えると、重量面で不利になる)。金属板13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、伝熱層12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(あるいは凹凸部)を形成しても良い。全膨張係数は8〜20ppm/℃としており、本発明の熱伝導基板や、これを用いた電源ユニット全体の反りや歪みを小さくできる。またこれらの部品を表面実装する際、互いに熱膨張係数をマッチングさせることは信頼性的にも重要となる。
The
次に、図7、図8を用いて、本発明の放熱基板を用いた回路モジュールについて説明する。回路モジュールによっては、一つの熱伝導基板の上に、放熱を必要とする電子部品(例えば、電源回路等で大電流で駆動するパワー半導体等、以下、パワー電子部品と呼ぶ)と、一般電子部品(信号処理を行うための、微弱電流で駆動する信号用半導体等であり以下、一般電子部品と呼ぶ)とを、隣接して高密度実装する必要がある。これはパワー電子部品と、一般電子部品を別々の基板(例えばパワー電子部品等を放熱基板、一般電子部品等をガラスエポキシ基板)に実装した場合、互いの基板を配線を介して接続する必要が生じ、この配線がノイズの影響を受けやすくなる。その結果、回路モジュールが誤動作する可能性が増加する。 Next, a circuit module using the heat dissipation board of the present invention will be described with reference to FIGS. Depending on the circuit module, an electronic component that requires heat dissipation (for example, a power semiconductor that is driven with a large current in a power circuit, etc., hereinafter referred to as a power electronic component) and a general electronic component on one heat conductive substrate (Signal semiconductors and the like that are driven with a weak current for signal processing and are hereinafter referred to as general electronic components) must be adjacently mounted at high density. This is because when power electronic components and general electronic components are mounted on separate substrates (for example, power electronic components are mounted on a heat dissipation substrate and general electronic components are mounted on a glass epoxy substrate), it is necessary to connect the substrates to each other via wiring. This wiring is susceptible to noise. As a result, the possibility that the circuit module malfunctions increases.
図7(A)(B)は、回路モジュールの一例を示す上面図及び断面図である。これら回路モジュールでは、パワー電子部品と一般電子部品を隣接した状態で高密度実装している。図7(A)(B)において、23は点線であり、点線23aは一般電子部品、点線23bはパワー電子部品を示す。図7(A)において、熱伝導基板の表面には、少なくとも第1のリードフレーム10a、10bと伝熱層12が露出している(図7(B)に示すように第1のリードフレーム10aの下には、第2のリードフレーム11を積層一体化している)。一方、第1のリードフレーム10bの下には、第2のリードフレーム11を形成していない。その分、第2のリードフレーム11のファインパターン化が容易となる。そして、第1のリードフレーム10bをファインパターン化し、一般電子部品を高密度に実装する。このようにして、局所的にファイン化した第1のリードフレーム10bの下に、第2のリードフレーム11を形成しないことで、第1のリードフレーム10a、10bと、第2のリードフレーム11の位置合わせや、一体化工程が容易となる。
7A and 7B are a top view and a cross-sectional view illustrating an example of a circuit module. In these circuit modules, power electronic components and general electronic components are mounted with high density in an adjacent state. 7A and 7B,
図7(B)は、図7(A)の矢印14bにおける断面図である。図7(B)において、パワー半導体等の電子部品18bは、第2のリードフレーム11が積層された第1のリードフレーム10aの上に実装している。そしてパワー半導体等の電子部品18bに発生した熱は、矢印14cに示すように第1のリードフレーム10aのみならず第2のリードフレーム11を介して、放熱する。
FIG. 7B is a cross-sectional view taken along
このように、複数のリードフレームを厚み方向に積層する際、積層を局所的なものとすることができる。またリードフレームのパターン形状を異ならせる(例えば、第1のリードフレーム10よりも、第2のリードフレーム11を一回り小さくする)ことで、積層時の位置ズレを防止できる。そして放熱が要求されない部分を、肉薄の第1のリードフレーム10だけで構成することで、ファインパターン化が容易となる。
Thus, when laminating a plurality of lead frames in the thickness direction, the lamination can be made local. Further, by making the pattern shape of the lead frame different (for example, by making the
次にパワー電子部品をフェイスダウン実装等によって高密度実装する回路モジュールについて説明する。図8(A)(B)は電子部品をフェイスダウン実装した様子を示す上面図及び断面図である。図8(A)において、第1のリードフレーム10は、リードフレーム隙間17a、17bを介して絶縁している。ここでパワー電子部品(例えば、発光ダイオード等)を、表面実装する場合、リードフレーム隙間17a、17bをより小さくする方が、発光効率を高められる(あるいは複数個の発光ダイオードを互いに近づけて実装することができる)。こうした場合、リードフレーム隙間17a、17bは、小さければ小さい程、望ましい。図8(A)の矢印14bにおける断面図が、図8(B)である。図8(B)に示すよう、第1のリードフレーム10は、肉薄である分、リードフレーム隙間17を狭くできる。一方、第2のリードフレーム11は、第1のリードフレーム10より肉厚である分、放熱効果を高められる。図8(A)(B)における矢印14a、14cはそれぞれ電子部品18(図8(A)では点線23で図示)に発生した熱が広がる様子を示す。なお図8(B)において、端子19はフェイスダウン用のバンプ等である。
Next, a circuit module for mounting power electronic components at high density by face-down mounting or the like will be described. 8A and 8B are a top view and a cross-sectional view showing a state where the electronic component is mounted face-down. In FIG. 8A, the
次に発光ダイオード等を用いた回路モジュールへの応用例について説明する。例えば図8(A)において、点線23a、23b、23cを例えばR(赤)、G(緑)、B(青)の単色発光の発光ダイオードの実装位置とする。例えば液晶テレビのバックライトをRGBの単色発光の発光ダイオード(あるいは半導体レーザー)で作成する場合、これら単色光を光学的に混色し、白色を合成することが必要となる。こうした場合、図8(A)に示すように、リードフレーム隙間17a、17bを狭くするほど、これらの放熱効果、あるいは配線抵抗を小さくできる。更にリードフレーム隙間17a、17bを狭くした放熱基板を用いることで、RGBの各発光ダイオードを、より高密度に実装することで、混色用の光学ユニットを小型化できるため、液晶テレビの低コスト化を実現できる。
Next, an application example to a circuit module using a light emitting diode or the like will be described. For example, in FIG. 8A, dotted
次に図9(A)(B)を用いて、第1のリードフレーム10の上に、個片状の第2のリードフレーム11を接着する様子を説明する。図9(A)(B)は、第1のリードフレーム上に、個片状の第2のリードフレームを固定する様子を説明する上面図及び断面図である。図9(A)において、第1のリードフレーム10の必要部分に、第2のリードフレーム11を溶接等で固定する。点線23は、第2のリードフレーム11をセットする位置を示す。第2のリードフレーム11を、矢印14bに示すようにして、第1のリードフレーム10の上に固定する。図9(B)は、図9(A)の矢印14aにおける断面である。なお、第2のリードフレーム11は、複数の個片であっても、図9(A)に示したような一体物(例えば第1のリードフレーム10として図示したようなパターン形状等)であっても良い。このようにして、放熱が必要な部分に、局所的に第2のリードフレーム11を形成する。なお図9(A)(B)において、実際の第1のリードフレーム10は、ファインパターンであるが、製図の関係からファインパターンとしては図示していない。
Next, with reference to FIGS. 9A and 9B, a state in which the individual
以上のようにして、金属板13と、前記金属板13の上に固定したシート状の伝熱層12と、前記伝熱層12に少なくとも一部を埋め込んだリードフレームと、からなる熱伝導基板であって、前記リードフレームは、第1のリードフレーム10や第2のリードフレーム11等からなる複数枚のリードフレームが厚み方向に積層したものである熱伝導基板とすることで、熱伝導基板のファインパターン化による放熱性への影響を抑えることができ、各種電子機器の小型化が可能となる。
As described above, the heat conductive substrate including the
また金属板13と、前記金属板13の上に固定したシート状の伝熱層12と、前記伝熱層12に少なくとも一部を埋め込んだリードフレームと、からなる伝熱基板であって、前記リードフレームの一部分以上は、第1のリードフレーム10や第2のリードフレーム11等からなる複数枚のリードフレームが厚み方向に積層したものである熱伝導基板とすることで、熱伝導基板のファインパターン化による放熱性への影響を抑えることができ、各種電子機器の小型化が可能となる。
The heat transfer substrate includes a
更に金属板13と、前記金属板13の上に固定したシート状の伝熱層12と、前記伝熱層12に少なくとも一部を埋め込んだリードフレームと、からなる伝熱基板であって、前記リードフレームの一部分以上は、第1のリードフレーム10や第2のリードフレーム11等からなる異なる厚みのリードフレームが複数枚、厚み方向に積層したものである熱伝導基板とすることで、熱伝導基板のファインパターン化による放熱性への影響を抑えることができ、各種電子機器の小型化が可能となる。
Furthermore, a heat transfer substrate comprising a
あるいは金属板13と、前記金属板13の上に固定したシート状の伝熱層12と、前記伝熱層12に少なくとも一部を埋め込んだリードフレームと、からなる伝熱基板であって、前記リードフレームの一部分以上は、第1のリードフレーム10や第2のリードフレーム11等からなる異なるパターンのリードフレームが複数枚、厚み方向に積層したものである熱伝導基板とすることで熱伝導基板のファインパターン化による放熱性への影響を抑えることができ、各種電子機器の小型化が可能となる。
Alternatively, a heat transfer substrate comprising a
ここで伝熱層12は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、及びイソシアネート樹脂からなる群から選択される少なくとも一種類以上の樹脂と、アルミナ、酸化マグネシウム、窒化ホウ素、酸化ケイ素、炭化ケイ素、窒化珪素及び窒化アルミニウムからなる群から選択される少なくとも一種類以上の無機フィラーと、を含むものとすることで、伝熱層12の熱伝導性を高めることができ、各種電子機器の小型化が可能となる。
Here, the
また複数枚のリードフレームの内、少なくとも一つ以上は、タフピッチ銅もしくは無酸素銅とすることで、第1のリードフレーム10や第2のリードフレーム11等からなる複数枚のリードフレームを、その用途に応じて材料費や加工費を抑えることができる。
Further, at least one of the plurality of lead frames is made of tough pitch copper or oxygen-free copper, so that the plurality of lead frames composed of the
更に複数枚のリードフレームの内、少なくとも一つ以上は、Snは0.1重量%以上0.15重量%以下、Zrは0.015重量%以上0.15重量%以下、Niは0.1重量%以上5重量%以下、Siは0.01重量%以上2重量%以下、Znは0.1重量%以上5重量%以下、Pは0.005重量%以上0.1重量%以下、Feは0.1重量%以上5重量%以下である群から選択される少なくとも一種以上を含む、銅を主体とする金属材料とすることで、第1のリードフレーム10や第2のリードフレーム11等からなる複数枚のリードフレームを、その用途に応じて材料費や加工費を抑えることができる。
Further, at least one of the plurality of lead frames includes Sn of 0.1 wt% or more and 0.15 wt% or less, Zr of 0.015 wt% or more and 0.15 wt% or less, and Ni of 0.1 wt% or less. % By weight to 5% by weight, Si from 0.01% to 2% by weight, Zn from 0.1% to 5% by weight, P from 0.005% to 0.1% by weight, Fe Is a metal material mainly composed of copper containing at least one selected from the group of 0.1% by weight or more and 5% by weight or less, so that the
そして少なくとも、第1のリードフレーム10や第2のリードフレーム11等からなる複数枚のリードフレームを、位置合わせした状態で厚み方向に固定する工程と、金属板上に、伝熱材22を用いて、前記複数枚のリードフレームを埋め込む工程と、前記伝熱材22を硬化させる工程と、を含む熱伝導基板の製造方法を提供することで、熱伝導基板を安定して製造できる。
At least a plurality of lead frames including the
更に少なくとも、金属板13と、前記金属板13の上に固定したシート状の伝熱層12と、前記伝熱層12に少なくとも一部を埋め込んだ第1のリードフレーム10や第2のリードフレーム11等からなる複数枚のリードフレームと、から構成された熱伝導基板と、前記リードフレーム上に実装した電子部品と、からなる回路モジュールを提供することで、各種機器の小型化が可能となる。
Furthermore, at least the
以上のように、本発明にかかる熱伝導基板とその製造方法及び回路モジュールによって、プラズマテレビ、液晶テレビ、あるいは車載用各種電装品、あるいは産業用の放熱が要求される機器の小型化、高性能化が可能となる。 As described above, the heat conductive substrate, the manufacturing method and the circuit module according to the present invention make it possible to reduce the size and performance of a plasma TV, a liquid crystal TV, various in-vehicle electrical components, or a device that requires heat dissipation for industrial use. Can be realized.
10 第1のリードフレーム
11 第2のリードフレーム
12 伝熱層
13 金属板
14 矢印
15 リードフレーム厚み
16 リードフレーム幅
17 リードフレーム隙間
18 電子部品
19 端子
20 プレス装置
21 フィルム
22 伝熱材
23 点線
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記金属板の上に固定したシート状の伝熱層と、
前記伝熱層に少なくとも一部を埋め込んだリードフレームと、
からなる熱伝導基板であって、
前記リードフレームは、前記伝熱層に埋め込まれる前に、複数枚のリードフレームが厚み方向に積層されプレスあるいは溶接によって一体化したものである熱伝導基板。 A metal plate,
A sheet-like heat transfer layer fixed on the metal plate;
A lead frame at least partially embedded in the heat transfer layer;
A heat conductive substrate comprising:
The lead frame is a heat conductive substrate in which a plurality of lead frames are laminated in the thickness direction and integrated by pressing or welding before being embedded in the heat transfer layer .
前記金属板の上に固定したシート状の伝熱層と、
前記伝熱層に少なくとも一部を埋め込んだリードフレームと、
からなる伝熱基板であって、
前記リードフレームの一部分以上は、前記伝熱層に埋め込まれる前に、複数枚のリードフレームが厚み方向に積層されプレスあるいは溶接によって一体化したものである熱伝導基板。 A metal plate,
A sheet-like heat transfer layer fixed on the metal plate;
A lead frame at least partially embedded in the heat transfer layer;
A heat transfer board comprising:
At least a part of the lead frame is a heat conductive substrate in which a plurality of lead frames are laminated in the thickness direction and integrated by pressing or welding before being embedded in the heat transfer layer .
前記金属板の上に固定したシート状の伝熱層と、
前記伝熱層に少なくとも一部を埋め込んだリードフレームと、
からなる伝熱基板であって、
前記リードフレームの一部分以上は、前記伝熱層に埋め込まれる前に、異なる厚みのリードフレームが複数枚、厚み方向に積層されプレスあるいは溶接によって一体化したものである熱伝導基板。 A metal plate,
A sheet-like heat transfer layer fixed on the metal plate;
A lead frame at least partially embedded in the heat transfer layer;
A heat transfer board comprising:
At least a part of the lead frame is a heat conductive substrate in which a plurality of lead frames having different thicknesses are stacked in the thickness direction and integrated by pressing or welding before being embedded in the heat transfer layer .
アルミナ、酸化マグネシウム、窒化ホウ素、酸化ケイ素、炭化ケイ素、窒化珪素及び窒化アルミニウムからなる群から選択される少なくとも一種類以上の無機フィラーと、
を含む請求項1〜3のいずれか一つに記載の熱伝導基板。 The heat transfer layer includes at least one resin selected from the group consisting of an epoxy resin, a phenol resin, and an isocyanate resin;
At least one inorganic filler selected from the group consisting of alumina, magnesium oxide, boron nitride, silicon oxide, silicon carbide, silicon nitride, and aluminum nitride;
The heat conductive substrate according to any one of claims 1 to 3 .
複数のリードフレームを、位置合わせした状態で厚み方向に固定しプレスあるいは溶接によって一体化する工程と、
金属板上において、伝熱材に、前記一体化された複数枚のリードフレームを埋め込む工程と、
前記伝熱材を硬化させる工程と、
を含む熱伝導基板の製造方法。 at least,
Fixing a plurality of lead frames in the aligned state in the thickness direction and integrating them by pressing or welding ; and
On the metal plate, the step of embedding the plurality of integrated lead frames in the heat transfer material,
Curing the heat transfer material;
The manufacturing method of the heat conductive board | substrate containing this.
前記リードフレーム上に実装した電子部品と、からなる回路モジュールであって、
前記リードフレームは、前記伝熱層に埋め込まれる前に、複数枚のリードフレームが厚み方向に積層されプレスあるいは溶接によって一体化したものである回路モジュール。 At least a heat conductive substrate composed of a metal plate, a sheet-like heat transfer layer fixed on the metal plate, and a plurality of lead frames embedded at least in part in the heat transfer layer,
A circuit module comprising electronic components mounted on the lead frame ,
The lead frame is a circuit module in which a plurality of lead frames are laminated in the thickness direction and integrated by pressing or welding before being embedded in the heat transfer layer .
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