JP4946502B2

JP4946502B2 - 回路構造

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Publication number: JP4946502B2
Application number: JP2007043779A
Authority: JP
Inventors: 基生中井
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2007-02-23
Filing date: 2007-02-23
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2027-02-23
Also published as: JP2008210847A

Description

この発明は、回路構造に関する。

例えば、自動車に用いられている制御装置（ＥＣＵ）において、電動パワーステアリングのモータ駆動用のインバータ回路が設けられており、この回路部分の構造として従来知られているものに、例えば、特許文献１に記載のものがある。この回路構造は、ヒートシンクに取り付けられた金属板と、この金属板上に設けられた絶縁体と、この絶縁体の上に設けられた、スイッチング素子、電流検出抵抗、リレー、ＥＭＣ用コイル等の発熱部品を有した回路部とを備えている。
このような回路構造において、回路部で発生した熱は、絶縁体及び金属板を介してヒートシンクに伝導し、回路部の発熱部品の温度負荷を低減している。なお、回路部の温度の上昇を抑えることは、前記インバータ回路に限らず、一般的な電子回路においても必要とされている。

特開２００４−２４７４２４号公報（図２参照）

このような回路構造において、絶縁体は例えば樹脂やセラミックからなるものがある。そして、回路部で発生した熱は、この絶縁体及び金属板を介してヒートシンクに伝導し、ヒートシンクにおいてその熱を拡散し放熱している。絶縁体は薄い物で例えば１００〜２００μｍの厚さを有しているため、この絶縁体による熱抵抗がヒートシンクへの熱伝導を妨げる要因となっている。したがって、例えば回路部で多くの熱が発生した場合、その熱がヒートシンクへ効率良く伝わらないことにより、回路部の温度が急に上昇するおそれがある。
そこでこの発明は、回路部の温度上昇を抑えることができる回路構造を提供することを目的とする。

前記目的を達成するためのこの発明は、熱伝導板と、この熱伝導板上に絶縁層を介して設けられた回路部とを備えた回路構造であり、前記絶縁層がダイヤモンドライクカーボンの薄膜からなり、前記絶縁層と前記熱伝導板との間に、シリコンを含みその含有率が当該絶縁層に向かって減少するとともに当該絶縁層との境界部で前記含有率をゼロとする傾斜層が介在しているものである。
この回路構造によれば、絶縁層がダイヤモンドライクカーボンの薄膜からなるので、絶縁層における熱伝導率を高くすることができる。したがって、回路部で発生した熱をこの絶縁層を通じて熱伝導板へ効率よく伝えることができ、さらに、絶縁層が薄いために当該絶縁層での熱抵抗を小さくでき、回路部で多くの熱が発生しても、回路部の温度上昇を抑えることが可能となる。そして、絶縁層を薄くしてもダイヤモンドライクカーボンによれば高い絶縁性能を有したものとできる。また、ダイヤモンドライクカーボン薄膜からなる絶縁層と熱伝導板との密着強度を向上させることができる。

また、前記回路構造において、前記回路部の上に被覆層としてさらにダイヤモンドライクカーボンの薄膜が形成されているのが好ましい。これによれば、回路部を保護することができると共に、回路部をダイヤモンドライクカーボンの薄膜によって取り囲む構造となることから、回路部が剥がれることを防止することができる。

また、前記回路構造において、前記絶縁層と前記回路部とからなる層の上に、更に、ダイヤモンドライクカーボンの薄膜と回路部とを有した他の層を少なくとも一層備えているのが好ましい。これによれば、回路部を二層以上有した回路構造が得られ、回路部を一層によって形成する場合に比べ、回路部の面積を小さくすることができ、かつ、放熱性能を低下させないで済む。

また、前記回路構造において、前記ダイヤモンドライクカーボンの薄膜は、含有する水素の原子割合が３５％以上であり４０％以下であるのが好ましい。これによれば、絶縁性能が高いものとできる。

また、前記回路構造において、前記傾斜層と前記熱伝導板との間に、チタン、クロム、ニッケルの少なくとも一つを含む下地層が介在しているのが好ましい。これによれば、ダイヤモンドライクカーボン薄膜からなる絶縁層と熱伝導板との密着強度を向上させることができる。

この発明の回路構造によれば、絶縁層における熱伝導率が高く、また絶縁層が薄いためにその熱抵抗を小さくでき、回路部で発生した熱を熱伝導板に効率よく伝えることが可能となる。このため、回路部における温度上昇を抑えることができる。

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１はこの発明の回路構造の実施の一形態（第１実施形態）を模式的に示した断面図である。
自動車に用いられる制御装置（ＥＣＵ）は、電動パワーステアリングのモータ電流を制御するモータ駆動用のインバータ回路を有しており、この発明の回路構造からなる回路体１は、このインバータ回路部分に適用することができる。

図１において、回路体１は、制御装置が有しているヒートシンク１０にネジ（図示せず）によって取り付けられている。回路体１は、熱伝導板２と、この熱伝導板２上に設けられた絶縁層３と、この絶縁層３を介して前記熱伝導板２上に設けられた回路部４とを備えている。さらに、この実施の形態では、回路部４の上に被覆層５が設けられている。
また、図４は熱伝導板２と絶縁層３との間を説明する拡大説明図である。絶縁層３と熱伝導板２との間には、シリコンを含む傾斜層８及び下地層９が介在している。

熱伝導板２は金属製の平板部材からなり、以下において熱伝導板２を金属板２ａとして説明する。金属板２ａの具体的な材質はアルミニウム、銅等であり、金属板２ａはヒートシンク１０にネジ（図示せず）によって固定されている。金属板２ａは、その一面側がヒートシンク１０の取り付け面１０ａに面接触した状態で取り付けられており、金属板２ａの熱を効率よくヒートシンク１０に伝導させることができる。金属板２ａの厚さは１ｍｍ以上で５ｍｍ以下に設定することができる。

絶縁層３は、熱伝導性の高いダイヤモンドライクカーボンの薄膜（以下、ＤＬＣ薄膜３ａという）からなる。ＤＬＣ薄膜３ａは金属板２ａの他面側に形成されている。具体的には、金属板２ａの他面に形成された傾斜層８（図４参照）の上に形成されている。ＤＬＣ薄膜３ａは、炭素を主成分としているが少量の水素を含み、ダイヤモンド結合（ＳＰ３結合）とグラファイト結合（ＳＰ２結合）との両方の結合が混在しているアモルファス構造を主体としている。ＤＬＣ薄膜３ａは、ＣＶＤ法（化学気相成長法）やＰＶＤ法（物理気相成長法）によって形成される。

ＣＶＤ装置によって行われるＤＬＣ薄膜３ａの成形は、アセチレンなどの炭化水素ガスを用い、チャンバー内で原料ガスをプラズマ化して、気相合成した非晶質炭化水素を金属板２ａに蒸着することによって行うことができる。この際、原料に所定含有量の水素を含ませるため、ＤＬＣ薄膜３ａにも所定含有量の水素が含まれる。この製法はワーク（金属板２ａ）の温度が室温〜２００℃と低いこと、電極の配置により複雑形状でも均一に成膜しやすいこと、処理時間が比較的短いことなどの利点を有している。
ＰＶＤ装置によって行われるＤＬＣ薄膜３ａの成形は、スパッタリング法やイオンプレーティング法などによって行うことができる。

回路部４は所定の配線パターンからなる導体４ａを有しており、この導体４ａは銅、アルミニウム、ニッケル、銀、チタン、これら各物質の化合物、又はこれら各物質の複合物からなる。図１の導体４ａは薄膜からなり、この導体４ａは、絶縁層３としてＤＬＣ薄膜３ａが形成された金属板２ａに対して、加圧接着、スパッタ蒸着、化学気相蒸着、熱蒸着、ペースト印刷又は焼付け等を行うことによって形成される。なお、導体４ａの形成の際金属マスクを利用して行うのが好ましい。また、これらの方法を複数組み合わせて導体４ａを形成してもよく、例えば、蒸着した後その蒸着金属部分の上に印刷を行うことにより導体４ａの厚さを厚くしてもよい。

被覆層５は、絶縁層３と同様に、ダイヤモンドライクカーボンの薄膜（以下、ＤＬＣ薄膜５ａという）によって形成されている。このＤＬＣ薄膜５ａは、絶縁層３の場合と同様の方法によって形成され、導体４ａを被覆し保護している。また、被覆層５としてのＤＬＣ薄膜５ａと、絶縁層３としてのＤＬＣ薄膜３ａとは、導体４ａの左右両側において、接している部分（接合部）７がある。これにより、ＤＬＣ薄膜５ａとＤＬＣ薄膜３ａとによって回路部４を横断面について全周から取り囲む構造となり、回路部４が剥がれることを防止することができる。さらに、接合部７では両薄膜３ａ，５ａが接しているため、両薄膜３ａ，５ａ同士は強固に結合されており、被覆層５としてのＤＬＣ薄膜５ａが剥がれにくくなっている。特に、絶縁層３としてのＤＬＣ薄膜３ａの上に蒸着によって形成した金属導体４ａは、当該ＤＬＣ薄膜３ａから剥がれやすい場合もあるが、この発明によれば、これを解消することができる。

傾斜層８は、絶縁層３であるＤＬＣ薄膜３ａと金属板２ａとの間に形成されている。傾斜層８は、シリコンを含んでいるがその含有率がＤＬＣ薄膜３ａに向かって減少するように形成されている。この傾斜層８において、シリコンを最も多く含む部分、つまり、金属板２ａ側の部分ではシリコンの含有率が１０％以上で２０％以下に設定されており、ＤＬＣ薄膜３ａに向かって徐々にシリコンの含有率は減少している。そして、ＤＬＣ薄膜３ａとの境界部でシリコンの含有率をゼロとするのが好ましい。

この傾斜層８の形成方法は、例えばＣＶＤ法において、ＤＬＣ薄膜形成の段階でアセチレンガス（Ｃ_２Ｈ_２）とテトラメチルシラン（Ｓｉ（ＣＨ_３）_４）とを同時に流し込み、後者の流量を徐々に下げて（小さくして）ＤＬＣ薄層を形成することによって行うことができる。

また、下地層９は、傾斜層８と金属板２ａとの間に介在して形成されている。下地層９は、チタン、クロム、ニッケルの少なくとも一つを含む。この下地層９の形成方法は、蒸着によって行うことができる。
このように、金属板２ａの上に下地層９、さらに傾斜層８を形成し、この傾斜層８の上にＤＬＣ薄膜３ａを形成していることにより、ＤＬＣ薄膜３ａと金属板２ａとの密着強度を向上させることができ、ＤＬＣ薄膜３ａが金属板２ａから剥がれることを防止することができる。

図２は、この発明の回路構造（回路体１）の他の実施形態（第２実施形態）を模式的に示した断面図である。
この回路体１は、第１の実施形態と同様に、金属板２ａ（熱伝導板２）と、この金属板２ａ上に形成されたＤＬＣ薄膜３ａからなる絶縁層３と、この絶縁層３を介して前記金属板２ａ上に設けられた第１の導体４ａ（第１の回路部４）とを備えている。さらに、この実施形態では、ＤＬＣ薄膜３ａと導体４ａとからなる第１層３１の上に、更に、他の層である第２層３２を備えている。この第２層３２は、中間層１１としてのダイヤモンドライクカーボンの薄膜（以下、ＤＬＣ薄膜１１ａという）と第２の回路部１２とを有している。そして、この第２の回路部１２の上に被覆層５が設けられている。また、金属板２ａとＤＬＣ薄膜３ａとの間には、シリコンを含む傾斜層８及び下地層９が介在している（図４参照）。
なお、この実施の形態において、金属板２ａ、絶縁層３（ＤＬＣ薄膜３ａ）及び被覆層５（ＤＬＣ薄膜５ａ）、傾斜層８及び下地層９は、第１の実施形態のものと同じである。

中間層１１としてのＤＬＣ薄膜１１ａは第１の導体４ａの上に形成されており、前記と同じ（絶縁層３と同じ）形成方法によって得ることができる。なお、この中間層１１としてのＤＬＣ薄膜１１ａと、絶縁層３としてのＤＬＣ薄膜３ａとの仕様、例えば水素の含有率は、異なるものであってもよい。
第２の回路部１２は、前記第１の導体４ａと同じ又は異なる所定形状の配線パターンからなる導体１２ａを有しており、第１の導体４ａと同じ材質又は異なる材質とすることができる。また、第２の導体１２ａの形成方法は、第１の導体４ａの場合と同様である。

中間層１１（ＤＬＣ薄膜１１ａ）は、第１の導体４ａと第２の導体１２ａとの間に介在しており、これらの間の絶縁体として機能している。これにより、回路部を二層有した回路構造が得られる。そして、第１の導体４ａと第２の導体１２ａとを接続するために、ＤＬＣ薄膜１１ａの一部に孔１３が形成されている。そして、この孔１３にリード線１４を設け、このリード線１４によって第１の導体４ａ（第１の回路部４）と第２の導体１２ａ（第２の回路部１２）とを電気的に接続している。

そして、第２層３２の上にＤＬＣ薄膜５ａからなる被覆層５が形成されており、このＤＬＣ薄膜５ａは第２の導体１２ａを被覆し保護している。また、被覆層５としてのＤＬＣ薄膜５ａと、中間層１１としてのＤＬＣ薄膜１１ａとは、導体１２ａ，４ａの左右両側で、接している部分（接合部）１５があり、さらに、中間層１１としてのＤＬＣ薄膜１１ａと絶縁層３としてのＤＬＣ薄膜３ａとは、導体４ａの左右両側で、接している部分（接合部）７がある。これにより、ＤＬＣ薄膜５ａとＤＬＣ薄膜１１ａとによって第２回路部１２を横断面について全周から取り囲む構造となり、さらに、ＤＬＣ薄膜１１ａとＤＬＣ薄膜３ａとによって第１回路部４を横断面について全周から取り囲む構造となり、両回路部４，１２が剥がれることを防止することができる。さらに、接合部７，１５のそれぞれではＤＬＣ薄膜同士が接しているため、両薄膜同士は強固に結合されており、被覆層５としてのＤＬＣ薄膜５ａは中間層１１としてのＤＬＣ薄膜１１ａから剥がれにくくなっており、ＤＬＣ薄膜１１ａは絶縁層３としてのＤＬＣ薄膜３ａから剥がれにくくなっている。

図３は、この発明の回路構造の別の実施形態（第３実施形態）を模式的に示した断面図である。この回路構造は、ヒートシンク１０に複数（二つ）の回路体１ａ，１ｂが並べて取り付けられたものである。回路体１ａ，１ｂのそれぞれは、第１の実施の形態のものとの全体構成については同様であり、回路体１ａ，１ｂはそれぞれ、金属板２ａ（熱伝導板２）と、この金属板２ａ上に形成されたＤＬＣ薄膜３ａからなる絶縁層３と、この絶縁層３を介して前記金属板２ａ上に設けられた導体４ａ（回路部４）と、導体４ａの上に形成されたＤＬＣ薄膜５ａからなる被覆層５とを備えている。また、回路体１ａ，１ｂのそれぞれにおいて、金属板２ａとＤＬＣ薄膜３ａとの間には、シリコンを含む傾斜層８及び下地層９が介在している（図４参照）。

この実施の形態において、回路体１ａ，１ｂのそれぞれは全体構成が同じであるが、両回路体１ａ，１ｂにおいて回路部４が異なる場合がある、つまり配線パターンが異なる場合がある。また、この回路部４が異なることによって、ＤＬＣ薄膜３ａとＤＬＣ薄膜５ａとの一方又は双方の詳細な仕様が異なる場合がある。

そして、この回路構造は、回路体１ａ，１ｂのそれぞれのＤＬＣ薄膜５ａに孔１８が設けられており、この孔１８にリード線１９を設け、このリード線１９によって第１の回路体１ａの導体４ａ（回路部４）と、第２の回路体１ｂの導体１２ａ（回路部１２）とを電気的に接続している。そして、リード線１９が挿通している孔１８は、エポキシ、シリコン又はウレタン系等の樹脂によって封止されている。
また、この回路構造の変形例として、図２に示した回路体１を複数並べて配設したものであってもよい（図示せず）。

前記各実施の形態で用いられるＤＬＣ薄膜の詳細な仕様について説明する。
絶縁層３としてのＤＬＣ薄膜３ａ、及び、図２の実施形態においては中間層１１としてのＤＬＣ薄膜１１ａは、含有する水素の原子割合が３５％以上であり４０％以下であるのが好ましい。水素の含有率をこの範囲に設定することで、ＤＬＣ薄膜の内部応力の発生を抑制することができる。具体的には内部応力を０．５ＧＰａ以下に抑制することができる。これによりＤＬＣ薄膜が剥離するのを防ぐ効果を高めることができる。また、水素原子の原子割合が増えるほど絶縁性能を高めることができることから、水素の含有率を３５％以上とするのが好ましく、さらに、水素の含有率を４０％以下とすることによって、化学反応性を抑えることができ、安定性を保持することができ、また、膜強度（硬さ）をガラス程度（５００ＨＫ）以上に確保することができる。

ＤＬＣ薄膜３ａ（ＤＬＣ薄膜１１ａ）の熱伝導率は２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であるのが好ましく、高い熱伝導特性を有している。さらに、ＤＬＣ薄膜３ａ（ＤＬＣ薄膜１１ａ）の比抵抗は１０^７Ω・ｃｍ以上であるのが好ましく、高い電気絶縁性を有している。そして、ＤＬＣ薄膜３ａ（ＤＬＣ薄膜１１ａ）の厚さは、０．０５μｍ以上であり、１０μｍ以下であるが好ましい。このように厚さの上限値を設定することにより、熱抵抗を抑制することができ、これにより、熱抵抗について窒化アルミニウム（ＡｌＮ：１００μｍ厚、熱伝導率２０Ｗ／ｍ・Ｋ）と同程度乃至これ以下とすることができる。
なお、被覆層５としてのＤＬＣ薄膜５ａの仕様も前記の値を採用することができる。

以上のように、この発明の回路構造の各実施形態によれば、絶縁層３がダイヤモンドライクカーボンの薄膜３ａからなるので、絶縁層３における熱伝導率を高くすることができる。したがって、回路部４で発生した熱をこの絶縁層３を通じて金属板２ａへ効率よく伝え、さらにヒートシンク１０へ伝えることができ、回路部４において急激に熱が発生しても、これによる回路部４の急激な温度上昇を抑えることができる。さらに、絶縁層３が薄い膜からなるためにその熱抵抗を小さくでき、回路部４で発生した熱を熱伝導板２により一層効率よく伝えることが可能となり、熱伝導特性の優れた回路構造となる。そして、絶縁層３を薄くしてもダイヤモンドライクカーボンによれば高い絶縁性能を有したものとなる。

また、中間層１１としてのＤＬＣ薄膜１１ａを有している第２の実施形態（図２）についても、この中間層１１を前記絶縁層３として考えることにより、第２の回路部１２からの熱をヒートシンク１０側へ効率よく伝達することができ、熱伝導特性の優れた回路構造となる。
さらに、各実施形態において、ＤＬＣ薄膜からなる絶縁層３及び被覆層５を（少なくとも）二層有しているため、回路構造は、機械的強度が高いものとなる。また、ＤＬＣ薄膜の厚さは薄くても十分な絶縁性能を有しているため、厚肉に形成する必要が無く、製造コストを低減することができる。また、特に絶縁層３（中間層１１）を薄くすることができることから、回路体の全体の厚さを薄くでき、装置のコンパクト化が図れる。

また、この発明の回路構造は、図示する形態に限らずこの発明の範囲内において他の形態のものであっても良い。前記実施形態では、電動パワーステアリングのモータ駆動用のインバータ回路部分に適用した場合を説明したが、これ以外の電子機器にも適用することができ、例えば、ＬＥＤ照明用の基板、ＨＩＤヘッドランプ用の基板、センサ回路用の基板等にも適用することができる。また、図２の実施形態では、第１層３１の上に別の層（第２層３２）を一層だけ更に設けた場合を示したが、別の層として更に複数層が設けられていてもよい。

この発明の回路構造の実施の一形態（第１実施形態）を模式的に示した断面図である。この発明の回路構造の他の実施形態（第２実施形態）を模式的に示した断面図である。この発明の回路構造の別の実施形態（第３実施形態）を模式的に示した断面図である。熱伝導板と絶縁層との間を説明する拡大説明図である。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ回路体
２熱伝導板
２ａ金属板
３絶縁層
３ａＤＬＣ薄膜
４回路部
４ａ導体
５被覆部
５ａＤＬＣ薄膜
８傾斜層
９下地層
１０ヒートシンク
１１中間層
１１ａＤＬＣ薄膜
１２回路部
１２ａ導体
３１第１層
３２第２層

Claims

熱伝導板と、この熱伝導板上に絶縁層を介して設けられた回路部と、を備えた回路構造において、前記絶縁層がダイヤモンドライクカーボンの薄膜からなり、
前記絶縁層と前記熱伝導板との間に、シリコンを含みその含有率が当該絶縁層に向かって減少するとともに当該絶縁層との境界部で前記含有率をゼロとする傾斜層が介在していることを特徴とする回路構造。
前記回路部の上に被覆層としてさらにダイヤモンドライクカーボンの薄膜が形成されている請求項１に記載の回路構造。
前記絶縁層と前記回路部とからなる層の上に、更に、ダイヤモンドライクカーボンの薄膜と回路部とを有した他の層を少なくとも一層備えている請求項１に記載の回路構造。
前記ダイヤモンドライクカーボンの薄膜は、含有する水素の原子割合が３５％以上であり４０％以下である請求項１〜３のいずれか一項に記載の回路構造。
前記傾斜層と前記熱伝導板との間に、チタン、クロム、ニッケルの少なくとも一つを含む下地層が介在している請求項１〜４のいずれか一項に記載の回路構造。