JP6208072B2

JP6208072B2 - 電子回路装置およびその製造方法

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Publication number: JP6208072B2
Application number: JP2014092186A
Authority: JP
Inventors: 藤田　治彦; 治彦藤田
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2014-04-28
Filing date: 2014-04-28
Publication date: 2017-10-04
Anticipated expiration: 2034-04-28
Also published as: JP2015211144A

Description

この発明は、半導体スイッチング素子等の発熱部品が回路基板上に実装された電子回路装置およびその製造方法に関する。

半導体スイッチング素子等の発熱部品を回路基板上に備えた電子回路装置にあっては、発熱部品の温度上昇を抑制するために、ヒートシンクとなるケーシング等へ何らかの形で発熱部品の熱を伝達し、放熱させる構造が必要である。

このような伝熱構造の一つとして、特許文献１や特許文献２に開示されているように、発熱部品を実装した回路基板と熱を受熱する相手側の部材との間に、ゲル状の流動性伝熱材料を介在させることが公知である。

この種の流動性伝熱材料は、各々の対向面つまり伝熱面に追従して密接し得るため、界面に微小な凹凸による微小隙間が存在する場合に比較して、熱伝達が向上する。

特開２００８−２２７２５８号公報特開２００２−２９９８６６号公報

しかしながら、ゲル状の流動性伝熱材料は基本的に形状が不定であるため、特許文献１に見られるように、流動性伝熱材料を保持するための空間ないし隙間を物理的に形成する必要がある。特許文献１では枠型のスペーサによって流動性伝熱材料のための隙間を形成しているが、このような構造は、流動性伝熱材料の層を比較的薄くしようとする場合には適用できない。

この発明は、回路基板への部品の実装に用いられるハンダを利用して、流動性伝熱材料を介在させるための隙間を形成するようにしたものである。

すなわち、本発明に係る電子回路装置は、第１の面に発熱部品を備えた回路基板の第２の面とヒートシンクとの間に流動性伝熱材料が配置された電子回路装置であって、
上記回路基板の第２の面に、他の回路配線から絶縁されたハンダ支持用ランド部を備えるとともに、このハンダ支持用ランド部にハンダ突起部が付着形成されており、このハンダ突起部が上記ヒートシンクの表面に当接して、上記第２の面と上記ヒートシンクとの間に上記流動性伝熱材料の層が形成されている、ことを特徴としている。

また、本発明に係る電子回路装置の製造方法は、
第１の面に発熱部品を備えた回路基板の第２の面に、他の回路配線から絶縁されたハンダ支持用ランド部を形成し、
このハンダ支持用ランド部にハンダを付着させてハンダ突起部を形成し、
上記第２の面とヒートシンクとの間に流動性伝熱材料を介在させるとともに、上記ハンダ突起部をヒートシンクの表面に当接させて上記流動性伝熱材料用の隙間を確保するようにした、ことを特徴としている。

ハンダ突起部は、回路基板の第２の面に他の回路配線から絶縁した状態に形成された金属面からなるハンダ支持用ランド部に形成される。このハンダ突起部の形成つまりハンダ付け工程は、回路基板に実装される他の電子部品のハンダ付け工程と同時にあるいは別個に行うことが可能であるが、ハンダ材料がハンダ支持用ランド部上で固化する際に、表面張力によって高く盛り上がった形に構成される。従って、回路基板の回路配線から絶縁した状態に、第２の面から突出したハンダ突起部が形成され、このハンダ突起部がヒートシンクの表面に当接することによって、両者間にハンダ突起部の高さに対応した隙間が確保される。流動性伝熱材料は、この隙間に層状に保持される。

この発明によれば、複雑な工程を要さずに流動性伝熱材料の層を保持するための隙間を確保することができる。また、適当な厚さの層として流動性伝熱材料が確実に保持されることとなり、流動性伝熱材料を介したヒートシンクへの放熱が良好に得られる。

この発明に係る電子回路装置の要部を模式的に示した説明図。ハンダ突起部の高さを高くした例（Ａ）と低くした例（Ｂ）とを対比して示した説明図。ネジによる固定部を備えた例を示す説明図。ネジによる固定部にワッシャを用いた例を示す説明図。より具体的な実施例を示す回路基板の平面図。回路基板の第２の面を示す平面図。図５のＡ−Ａ線に沿った断面図。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明に係る電子回路装置の要部を模式的に示した説明図であって、回路基板１の第１の面１Ａに発熱部品として半導体スイッチング素子（例えばＭＯＳ−ＦＥＴ）２が表面実装されており、この回路基板１がヒートシンクとなる金属製ハウジング３の上に載置されている。

回路基板１は、例えば４層の銅箔からなる導電金属層４（４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ）の間にそれぞれガラスエポキシ樹脂等の樹脂層５（５Ａ，５Ｂ，５Ｃ）を備えたいわゆる４層樹脂基板からなり、各導電金属層４には、電子部品の実装に必要なランド部ならびに回路配線が適宜に形成されている。また、回路基板１の第２の面１Ｂとなる最下層の導電金属層４Ｄの表面には、絶縁層（いわゆるレジスト）６が設けられている。なお、第１の面１Ａとなる最上層の導電金属層４Ａの表面にも必要に応じて絶縁層（レジスト）が設けられるが、図では省略してある。

ハウジング３は、例えば熱伝導に優れたアルミニウム合金のダイキャストなどからなり、上記回路基板１の第２の面１Ｂが対向するハウジング３の底面３ａは、平面に形成されている。そして、回路基板１の第２の面１Ｂとハウジング３の底面３ａとの間には、熱伝導に優れた絶縁性のゲル状材料からなる流動性伝熱材料７が介在している。この流動性伝熱材料７は、放熱ジェルないし放熱グリスなどと呼ばれることもあり、突き合わされる２つの面の一方ないし双方に塗布することで配置することができる。

発熱部品である半導体スイッチング素子２は、回路基板１の第１の面１Ａの導電金属層４Ａに形成されたランド部（図示せず）にリード線が結線されているが、導電金属層４Ａには、これらの回路配線から絶縁された形の独立したランド部として受熱用金属部４Ａａが形成されており、半導体スイッチング素子２のパッケージ部分がこの受熱用金属部４Ａａの表面上に実装されている。また、第２の面１Ｂにおける導電金属層４Ｄには、上記受熱用金属部４Ａａに対応する位置に、やはり周囲の回路配線から絶縁された形の独立したランド部として伝熱用金属部４Ｄａが形成されている。この伝熱用金属部４Ｄａは絶縁層６から露出しており、流動性伝熱材料７に直接に接している。

上記の受熱用金属部４Ａａおよび伝熱用金属部４Ｄａが設けられた領域には、第１の面１Ａから第２の面１Ｂに至る複数のスルーホール８が形成されている。このスルーホール８には、電解メッキ処理などにより内周に金属層９が設けられている。この金属層９は、受熱用金属部４Ａａおよび伝熱用金属部４Ｄａにそれぞれ連続して形成されている。従って、第１の面１Ａにおける受熱用金属部４Ａａと第２の面１Ｂにおける伝熱用金属部４Ｄａとが、複数のスルーホール８の金属層９によって互いに接続されており、これにより回路基板１の板厚方向への伝熱経路が構成されている。

第２の面１Ｂにおける導電金属層４Ｄには、さらに、上記伝熱用金属部４Ｄａの周囲となる複数の位置に、他の回路配線から絶縁された円形の独立したハンダ支持用ランド部１１がそれぞれ形成されている。このハンダ支持用ランド部１１は、絶縁層６から露出しており、ここにハンダ付け処理を行うことで、半球状ないし円形のドーム状に盛り上がったハンダ突起部１２がそれぞれ形成されている。ハンダ突起部１２は、例えば、ハンダ支持用ランド部１１から２００μｍ程度盛り上がった形に形成されており、非常に薄い絶縁層８からさらに突出する。そして、この複数のハンダ突起部１２がハウジング３の底面３ａに当接しており、これによって形成される回路基板１の第２の面１Ｂとハウジング３の底面３ａとの間の微小な隙間に、流動性伝熱材料７が保持されている。

上記ハンダ支持用ランド部１１は、ハンダ突起部１２として必要な高さから定まる必要最小限の径の円形に形成されている。これは、ハンダ材料が流動性伝熱材料７に比べて熱伝導率が低いことを考慮したものであり、ハンダ突起部１２やハンダ支持用ランド部１１が不必要に大きくないことが熱伝達の上で望ましい。ハンダ突起部１２の形成つまりハンダ付け工程は、回路基板１に実装される半導体スイッチング素子２等の電子部品のハンダ付け工程と同時に行うことができ、例えば、ハンダ材料をハンダ支持用ランド部１１に塗布し、溶融かつ硬化させるリフローハンダ付けが可能である。ハンダ材料がハンダ支持用ランド部１１の上で固化する際に、表面張力によって高く盛り上がった形となり、半球状ないしドーム状のハンダ突起部１２が得られる。

ここで、表面張力によって高く盛り上がる結果、最終的に得られるハンダ突起部１２の径は初期のハンダ材料の塗布時の径よりも小さなものとなる。従って、ハンダ支持用ランド部１１の面積を最小限とするためには、固化時の径の縮小を考慮して、ハンダ支持用ランド部１１よりも僅かに広い範囲にハンダ材料を塗布しておき、固化した状態でハンダ突起部１２がハンダ支持用ランド部１１の全体を覆っているようにすることが好ましい。

なお、ハンダ支持用ランド部１１へのハンダ付け処理としては、フローハンダ付けなどの他のハンダ付け処理であってもよい。

図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、ハンダ支持用ランド部１１およびハンダ突起部１２の径を大小変化させることで、ハンダ突起部１２の高さを高低変化させることができる。従って、流動性伝熱材料７の層の所望の厚みに対応して、ハンダ突起部１２の高さを容易に調節することができる。

上記のような実施例の構成によれば、発熱部品である半導体スイッチング素子２の熱は、受熱用金属部４Ａａからスルーホール８の金属層９を介して伝熱用金属部４Ｄａへと伝達され、さらに流動性伝熱材料７を介してヒートシンクとなる金属製のハウジング３へと良好に伝達される。特に、流動性伝熱材料７は、ハンダ突起部１２の高さによって適宜な厚さの層に維持されるので、安定した放熱性能が得られる。また、ハウジング３の底面３ａ側には、流動性伝熱材料７の層を確保するためのボス等の加工が不要であり、単純な平面でよいので、加工が容易となる。

次に図３の実施例は、上述した回路基板１をネジ２１でハウジング３の底面３ａに固定する場合に、ネジ２１の周囲にもハンダ突起部１２を設けるようにした例を示している。ネジ２１の周囲に配置されるハンダ突起部１２も上述した実施例のものと変わりがなく、円形のハンダ支持用ランド部１１の表面に半球状ないしドーム状に盛り上がった形に形成されている。ネジ２１の周囲には、複数個のハンダ突起部１２が円形に配置され、ネジ２１の周囲を囲っている。これにより、ネジ２１の締付力に対向して、流動性伝熱材料７を保持する隙間を確保することができる。なお、ハウジング３に螺合したネジ２１の緩みを防止するために、一種の接着剤からなる緩み止め剤の塗布によってネジ２１の緩み止めを行うことが望ましい。

また、図４の実施例は、ネジ２１に平ワッシャ２３を配し、回路基板１とハウジング３の底面３ａとの間に挟み込むようにした例を示している。平ワッシャ２３の厚さは、ハンダ突起部１２によって確保される流動性伝熱材料７の層の厚さに対応して選択される。組付時には、ハウジング３の底面３ａに流動性伝熱材料７を塗布した後に、所定の位置に平ワッシャ２３を置くことにより、平ワッシャ２３の位置ずれが抑制されるので、作業性が良好なものとなる。このように平ワッシャ２３を用いた例では、図３の例に比較して、ネジ２１の軸力を大きく与えることが可能となる。

次に、図５〜図７は、電子回路装置のより具体的な実施例を示している。この例では、回路基板１の第１の面１Ａの上に、３×２の配列でもって６個の半導体スイッチング素子２が実装されており、インバータ回路を構成している。特に、細長い矩形状をなす回路基板１において、図の左側の略半分の領域内に発熱部品である６個の半導体スイッチング素子２が配置されている。

このインバータ回路の配置に対応して、金属製のハウジング３においては、図７に示すように、図の左側の略半分の領域が、ヒートシンク３ｂとして一段高く形成されている。つまり、ヒートシンク３ｂの上の底面３ａは、回路基板１の第２の面１Ｂに近接しているのに対し、図の右側半分の領域では、ハウジング３の底面３ｄが回路基板１の第２の面１Ｂから比較的大きく離れている。回路基板１の右側半分の領域は、比較的小さな電流が流れる制御回路領域となっており、マイクロプロセッサを主体とした図示せぬ多数の制御系電子部品が両面に実装されている。図５および図６の境界線Ｌは、ハウジング３におけるヒートシンク３ｂの端縁位置を示している。

回路基板１は、例えば周囲の４箇所と略中央部との計５箇所に取付孔３１を有し、各取付孔３１を通るネジ２１でもってハウジング３に取り付けられている。ヒートシンク３ｂの上に位置する３本のネジ２１は、ヒートシンク３ｂのネジ孔（図示せず）に螺合し、残りの２本のネジ２１は、ハウジング３に設けられたボス部３２のネジ孔（図示せず）に螺合する。回路基板１とヒートシンク３ｂとの間には、前述したように、流動性伝熱材料７の比較的薄い層が介在している。

回路基板１の第１の面１Ａには、６個の半導体スイッチング素子２を包含するように前述した受熱用金属部４Ａａが形成されており（図５参照）、第２の面１Ｂには、これに対応して、前述した伝熱用金属部４Ｄａが形成されている（図６参照）。そして、これらの受熱用金属部４Ａａと伝熱用金属部４Ｄａとは、図１で説明したように、内周面に金属層９を電解メッキしてなる複数のスルーホール８（図示せず）でもって互いに接続されている。なお、図５，図６では、説明の簡略化のために受熱用金属部４Ａａおよび伝熱用金属部４Ｄａを単純な矩形に描いてあるが、実際には、リード線が接続される回路配線等を避けて形成される比較的複雑な形状をなしている。

第２の面１Ｂには、上記伝熱用金属部４Ｄａの周囲に適当な間隔で前述したハンダ突起部１２がハンダ支持用ランド部１１とともに形成されている。なお、図６に例示したように、伝熱用金属部４Ｄａに重ねていくつかのハンダ突起部１２を配置することも可能である。

また、ヒートシンク３ｂに対応する領域にある取付孔３１の周囲には、図３で説明したように、複数個のハンダ突起部１２が取付孔３１を同心円状に囲むように配置されている。

以上、この発明の一実施例を説明したが、この発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、上記実施例では、ハンダ突起部１２がいわゆるハンダバンプと呼ばれる円形のものとなっているが、この発明におけるハンダ突起部１２は必ずしも円形のハンダバンプに限られず、細長い線状のものであってもよい。また上記実施例では、金属製のハウジング３自体がヒートシンクとなっているが、ハウジングとは別体のヒートシンクを備えるものであってもよい。さらに、回路基板１の第１の面１Ａにおける受熱用金属部４Ａａと第２の面１Ｂにおける伝熱用金属部４Ｄａとは必ずしも同じ大きさである必要はない。

１…回路基板
２…半導体スイッチング素子
３…ハウジング
４…導電金属層
４Ａａ…受熱用金属部
４Ｄａ…伝熱用金属
７…流動性伝熱材料
８…スルーホール
９…金属層
１１…ハンダ支持用ランド部
１２…ハンダ突起部

Claims

第１の面に発熱部品を備えた回路基板の第２の面とヒートシンクとの間に流動性伝熱材料が配置された電子回路装置であって、
上記回路基板の第２の面に、他の回路配線から絶縁されたハンダ支持用ランド部を備えるとともに、このハンダ支持用ランド部にハンダ突起部が付着形成されており、このハンダ突起部が上記ヒートシンクの表面に当接して、上記第２の面と上記ヒートシンクとの間に上記流動性伝熱材料の層が形成されている、ことを特徴とする電子回路装置。
上記ハンダ突起部は、半球状ないしドーム状をなしている、ことを特徴とする請求項１に記載の電子回路装置。
上記ハンダ支持用ランド部は、円形に形成されている、ことを特徴とする請求項１または２に記載の電子回路装置。
上記回路基板は、上記第２の面の側に、回路配線を構成する導電金属層と、この導電金属層の表面を覆う絶縁層と、を備えており、
上記発熱部品に対応する位置に、上記導電金属層の一部として上記回路配線から絶縁された伝熱用金属部が形成され、かつこの伝熱用金属部は、上記絶縁層から露出して流動性伝熱材料に接している、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電子回路装置。
上記伝熱用金属部に、上記第１の面から上記第２の面に至るスルーホールが形成されており、このスルーホールの内周に設けられた金属層が上記伝熱用金属部に連続している、ことを特徴とする請求項４に記載の電子回路装置。
第１の面に発熱部品を備えた回路基板の第２の面に、他の回路配線から絶縁されたハンダ支持用ランド部を形成し、
このハンダ支持用ランド部にハンダを付着させてハンダ突起部を形成し、
上記第２の面とヒートシンクとの間に流動性伝熱材料を介在させるとともに、上記ハンダ突起部をヒートシンクの表面に当接させて上記流動性伝熱材料用の隙間を確保するようにした、ことを特徴とする電子回路装置の製造方法。
上記ハンダ突起部の形成の際に、上記ハンダ支持用ランド部の外縁よりも広い範囲にハンダ材料を塗布し、溶融かつ硬化させる、ことを特徴とする請求項６に記載の電子回路装置の製造方法。