JP5227716B2 - 発熱部品搭載回路基板 - Google Patents

Description

本発明は、パワー半導体素子などの発熱部品を搭載する回路基板に関するものである。

自動車用ＤＣ−ＤＣコンバータ回路などでは、スイッチングや整流をするためのパワーＭＯＳ−ＦＥＴやダイオードが多く使用されている。ハイブリッド自動車のように大電流を必要とする回路の場合、前記ＦＥＴやダイオードの発熱量が大きい（２０Ｗ程度）ため、従来は図５に示すように、これらの発熱部品１を、熱伝導シート２を介して、平板状のウォータージャケットや放熱フィンなどの放熱部材３にねじ止めにより直接固定している（例えば特許文献１参照）。このため、発熱部品を電気的に接続する回路基板は、発熱部品とは別の部品として用意されている。

特開２００２−２１７３４０号公報

このように、発熱部品を熱伝導シートを介して放熱部材に直接固定する構造では、電気絶縁を兼ねる熱伝導シートの熱伝導率が３Ｗ／ｍＫ程度と低いため、発熱部品と熱伝導シートとの密着率をほぼ１００％にしないと、十分な放熱効果を得ることはできない。このため、発熱部品は放熱部材にねじ止めにより確実に固定する必要があり、電流増大で発熱部品数が多くなるにつれ、ねじ止めにかかる工数が増大し、組立コストが高くなる。

また、発熱部品と回路基板が別部品であるため、それぞれ別の所に固定した後に、発熱部品と回路基板とを溶接や半田付けで電気的に接続する必要があり、これも組立コストを高くする要因となっている。

本発明の目的は、発熱部品をねじ止めすることなく回路基板に実装することができ、しかも良好な放熱効果を得ることができる、発熱部品搭載回路基板を提供することにある。

本発明に係る発熱部品搭載回路基板は、
絶縁基板の両面に導体パターンを有し、一面側の導体パターン上に大電流発熱部品を搭載する回路基板において、発熱部品搭載部分の裏側に上記一面側の導体パターンだけを残して他面側に開口する凹部を形成し、この凹部内に熱伝導性の良好な材料を、その中に銅筒又は銅棒がその中心軸線を基板厚さ方向に向けて埋め込まれた状態となるように、充填し固化させることにより両面の導体パターンを熱的に結合する熱貫通部を形成し、
前記凹部内に充填する熱伝導性の良好な材料は、前記発熱部品を導体パターン上に実装する際に使用する材料の溶融温度よりも高い溶融温度を有する、銅ナノ粒子を含む銅粉ペースト又は半田であり、
前記回路基板の一面側の導体パターンの発熱部品搭載部分に発熱部品を表面実装して、発熱部品搭載回路基板とし、
この発熱部品搭載回路基板の発熱部品を実装してない方の面を、熱伝導シートを介して放熱部材に密接させた、
ことを特徴とするものである。

本発明によれば、回路基板の一面側の導体パターンの発熱部品搭載部分の裏側に、当該一面側の導体パターンだけを残して熱貫通部が形成されているので、発熱部品搭載部分には（ねじ止めによることなく）通常の表面実装法により発熱部品を実装することができ、発熱部品を含む回路の組立工数を大幅に削減することができる。また熱貫通部は、両面の導体パターンを熱的に結合するように形成されているので、発熱部品搭載部分に発熱部品を実装すると、発熱部品で発生した熱は、一面側の導体パターンから熱貫通部を伝わり、他面側の導体パターンに拡散し、他面側の導体パターンから広い面積で外部に放熱されるようになる。このため、回路基板の発熱部品が実装されていない方の面を、熱伝導シートを介して放熱部材に密接させることにより、良好な放熱効果を得ることができる。

また、前記凹部内に充填する熱伝導性の良好な材料は、その溶融温度が、前記発熱部品を導体パターン上に実装する際に使用する材料の溶融温度よりも高いものを使用することによって、熱貫通部のある回路基板を製造し、その後リフロー工程で発熱部品を実装することが可能となり、従来の部品搭載回路基板の製造工程の変更を必要としない。

さらに、前記凹部内に充填する熱伝導性の良好な材料に銅ナノ粒子を使用することによって、回路基板の厚さがばらついた場合でも、銅ナノ粒子でそのばらつきや誤差を吸収でき、さらには回路基板下面（放熱部材側）を常に平坦化でき、さらに良好な放熱効果を得ることができる。

図１は本発明の関連技術を示す。この発熱部品搭載回路基板４は、絶縁基板５の上下面に導体パターン６Ａ、６Ｂを有し、上面側の導体パターン６Ａ上にパワー半導体素子などの発熱部品１を搭載するものである。図１では、絶縁基板５の内部にも導体パターン６Ｃがある場合を示しているが、この導体パターン６Ｃはあってもなくてもよい。

この回路基板４の特徴は、発熱部品１を搭載する部分（発熱部品１の端子１ａが放熱部である場合には端子１ａを搭載する部分）の裏側に、上面側の導体パターン６Ａだけを残して下面側の導体パターン６Ｂの下面に開口する凹部７を形成し、この凹部７内に熱伝導性の良好な材料９を充填し固化させることにより熱貫通部８を形成したことである。この熱貫通部８は上下面の導体パターン６Ａ、６Ｂを熱的に結合するものである。熱貫通部８の下面は、導体パターン６Ｂの下面と同一平面となっている。熱貫通部８の面積は、発熱部品１の端子１ａの面積と同じか、それより大きくすることが好ましい。また、下面側の導体パターン６Ｂの面積は、端子１ａの面積の２倍以上にすることが好ましい。導体パターン６Ａ、６Ｂの厚さは、例えば１mmである。

凹部７内に充填する熱伝導性の良好な材料９としては、銅ナノ粒子を含む銅粉ペースト又は半田を使用することができる。銅ナノ粒子を含む銅粉ペーストを使用する場合は、それを凹部７に充填し、２００℃程度で加熱焼成して固化させた後、冷却することにより、熱貫通部８を形成する。半田の場合は、発熱部品１を導体パターン６Ａ上に表面実装する半田よりも融点の高い半田を使用し、それを凹部７に充填し、加熱溶融させた後、冷却固化させることにより、熱貫通部８を形成する。高融点の半田を使用するのは、発熱部品１を表面実装するときの熱で、熱貫通部８が溶融しないようにするためである。このようにすることで、通常の部品搭載回路基板の製造工程で発熱部品搭載回路基板の製造が可能となる。

発熱部品１は、その端子１ａが熱貫通部８の上に位置するように、導体パターン６Ａ上に表面実装される。このような構成にすると、発熱部品１で発生した熱は、上面側の導体パターン６Ａから熱貫通部８を経て下面側の導体パターン６Ｂに効率よく伝達され、そこで拡散して、導体パターン６Ｂから広い面積で外部に放熱されることになる。このため、発熱部品搭載回路基板４の下面を、図２に示すように、熱伝導シート２を介して放熱部材３に密接させることにより、良好な放熱効果を得ることができる。発熱部品１を回路基板４に表面実装できるということは、発熱部品のねじ止めが不要ということであり、複数の発熱部品を一括して表面実装できることから、発熱部品を含む回路の組立工数を大幅に削減することができる。

なお、熱伝導シート２及び放熱部材３は従来と同じものを使用できる。熱伝導シート２としては、市販の熱伝導シート例えば古河電気工業株式会社の「エフコＴＭシート」などを使用できる。また放熱部材３としては、平板状のウォータージャケットやフィン付き放熱体などを使用できる。

図５のような従来構造では、例えば、発熱部品１の発熱量２０Ｗ、ジャンクション温度上限１２０℃、ジャンクション−端子表面間熱抵抗０．５Ｋ／Ｗ、放熱面積（端子表面積）５０mm²、熱伝導シート２の熱伝導率３Ｗ／ｍＫ、厚さ０．３mm、放熱部材３の温度７０℃、の場合、発熱部品と熱伝導シート、熱伝導シートと放熱部材との密着率が１００％で、ジャンクション温度が丁度１２０℃となる。つまり、上記の密着率が１００％より低くなると、ジャンクション温度が上限の１２０℃を超えてしまう。このため従来は、ねじ止めにより発熱部品と熱伝導シート、熱伝導シートと放熱部材を確実に密着させることが必要であった。

これに対し、図２の構造では、発熱部品１の熱が、端子１ａより面積が大きい他面側の導体パターン６Ｂに拡散して放熱部材３に伝わるため、ねじ止めによらなくても十分な放熱性を確保できる。

なお、図１及び図２では、発熱部品１を１個だけ示したが、通常、回路基板４上には電流の大きさに応じて複数の発熱部品が搭載され、各発熱部品の搭載部分が図１及び図２と同じ構造となる。

図３は本発明の一実施形態を示す。この実施形態が図１及び図２の関連技術と異なる点は、熱貫通部８中に銅筒１０（銅棒でもよい）が埋め込まれていることである。銅筒１０は、その中心軸線が基板厚さ方向に向くように埋め込まれている。銅筒１０は凹部７に銅ナノ粒子を含む銅粉ペースト又は半田などを充填するときにその中に埋め込まれ、焼成等によりそれらと一体化される。このようにすると、回路基板４の下面側への熱伝導性がさらに良好になる。

図４は本発明の他の実施形態を示す。この実施形態が図３の実施形態と異なる点は、導体パターン６Ａと銅筒１０とが銅ナノ粒子を含む銅粉ペースト又は半田などの熱伝導性の良好な材料９を介して熱的に接続されていることである。このようにすると、回路基板４の厚さがばらついた場合でも、熱伝導性の良好な材料（好ましくは銅ナノ粒子）９でそのばらつきや誤差を吸収でき、さらには回路基板下面（放熱部材側）を常に平坦化でき、さらに良好な放熱効果を得ることができる。
なお銅筒１０は、放熱部品１の放熱量に応じて複数配置されたり、より太いものを使用したりすることが可能である。

本発明に係る発熱部品搭載回路基板の関連技術を示す断面図。 図１の発熱部品搭載回路基板を熱伝導シートを介して放熱部材に密接させた状態を示す断面図。 本発明に係る発熱部品搭載回路基板の一実施形態を、図２と同じ状態で示す断面図。 本発明に係る発熱部品搭載回路基板の他の実施形態を、図２と同じ状態で示す断面図。 発熱部品を熱伝導シートを介して放熱部材に密接させた従来例を示す断面図。

符号の説明

１：発熱部品
２：熱伝導シート
３：放熱部材
４：放熱部材搭載回路基板
５：絶縁基板
６Ａ、６Ｂ、６Ｃ：導体パターン
７：凹部
８：熱貫通部
９：熱伝導性の良好な材料
１０：銅筒

Claims (1)

1. 絶縁基板の両面に導体パターンを有し、一面側の導体パターン上に大電流発熱部品を搭載する回路基板において、発熱部品搭載部分の裏側に上記一面側の導体パターンだけを残して他面側に開口する凹部を形成し、この凹部内に熱伝導性の良好な材料を、その中に銅筒又は銅棒がその中心軸線を基板厚さ方向に向けて埋め込まれた状態となるように、充填し固化させることにより両面の導体パターンを熱的に結合する熱貫通部を形成し、
   前記凹部内に充填する熱伝導性の良好な材料は、前記発熱部品を導体パターン上に実装する際に使用する材料の溶融温度よりも高い溶融温度を有する、銅ナノ粒子を含む銅粉ペースト又は半田であり、
   前記回路基板の一面側の導体パターンの発熱部品搭載部分に発熱部品を表面実装して、発熱部品搭載回路基板とし、
   この発熱部品搭載回路基板の発熱部品を実装してない方の面を、熱伝導シートを介して放熱部材に密接させた、
   ことを特徴とする放熱部材付き発熱部品搭載回路基板。

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