JP7192469B2 - Mounting structure of insulated circuit board with heat sink to housing - Google Patents
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Description
本発明は、大電流、高電圧を制御する半導体装置に用いられるパワーモジュール用基板等の絶縁回路基板にヒートシンクが接合されたヒートシンク付き絶縁回路基板の筐体への取り付け構造に関する。 The present invention relates to a structure for attaching an insulating circuit board with a heat sink, in which a heat sink is bonded to an insulating circuit board such as a power module board used in a semiconductor device that controls large currents and high voltages, to a housing.
パワーモジュール用基板として、窒化アルミニウムを始めとするセラミックス基板からなる絶縁層の一方の面にアルミニウムやアルミニウム合金からなる回路層が形成された絶縁回路基板や、回路層に銅層が接合された絶縁回路基板が知られている。これらをLED(Light Emitting Diode)放熱モジュールに適用する場合、セラミックス基板の裏面に金属層が設けられていないため、セラミックス基板と回路層との熱膨張係数の差に起因して、接合時に絶縁回路基板は基本的に回路層側から見て凹状に反る。一方、絶縁回路基板の回路層と反対側の面にヒートシンクが設けられたヒートシンク付き絶縁回路基板については、多くは回路層側から見て凸状に反るが、回路層が銅層を備えている場合や、その構成次第で、回路層側から見て凹状に反る場合もある。 Power module substrates include insulating circuit substrates in which a circuit layer made of aluminum or an aluminum alloy is formed on one side of an insulating layer made of a ceramic substrate such as aluminum nitride, or insulation in which a copper layer is bonded to a circuit layer. Circuit boards are known. When these are applied to an LED (Light Emitting Diode) heat dissipation module, since no metal layer is provided on the back surface of the ceramic substrate, an insulation circuit is formed during bonding due to the difference in thermal expansion coefficient between the ceramic substrate and the circuit layer. The substrate basically warps in a concave shape when viewed from the circuit layer side. On the other hand, with regard to the insulated circuit board with a heat sink, in which the heat sink is provided on the side opposite to the circuit layer of the insulated circuit board, most warp in a convex shape when viewed from the circuit layer side, but the circuit layer is provided with a copper layer. Depending on the structure, it may warp concavely when viewed from the circuit layer side.
このようなヒートシンク付き絶縁回路基板の反りを改善する方法として、例えば、特許文献1に記載のヒートシンク付きパワーモジュール用基板の製造方法が知られている。この製造方法では、ヒートシンクを金属層に対し降伏応力の高い材料により形成し、ヒートシンクとパワーモジュール用基板との接合時において、ヒートシンクとパワーモジュール用基板との積層体を、その積層方向のヒートシンクとは反対側から見て凹状の反りを生じさせた状態とし、加熱した状態で所定時間保持した後に冷却することにより、反りを低減したヒートシンク付きパワーモジュール用基板を得ることとしている。
As a method for improving the warpage of such an insulating circuit board with a heatsink, for example, a method for manufacturing a power module board with a heatsink described in
上述した特許文献1に記載のヒートシンク付きパワーモジュール用基板の製造方法により製造されるヒートシンク付きパワーモジュール用基板は、反りが小さいため、これを用いたパワーモジュールのモジュール性能に与える影響はわずかであった。しかしながら、電子部品としてLED素子を用い、ヒートシンク付き絶縁回路基板が配光制御機能を持つLED放熱モジュールとして用いられる場合、回路層における実装面へのLED素子の実装位置やその角度は、極めて精密に制御する必要があるため、パワーモジュールとして用いる場合には問題とならなかったわずかな反りも各光源の光軸をずらす要因となり、LED放熱モジュールとしての使用が難しい場合があった。
Since the power module substrate with a heat sink manufactured by the method for manufacturing a power module substrate with a heat sink described in the above-mentioned
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、電子部品等の実装面となる回路層の平面度を向上できるヒートシンク付き絶縁回路基板の筐体への取り付け構造を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a structure for mounting an insulated circuit board with a heat sink to a housing, which is capable of improving the flatness of the circuit layer on which electronic components are mounted. and
本発明のヒートシンク付き絶縁回路基板の筐体への取り付け構造は、セラミックス基板の一方の面に回路層、他方の面に金属層が形成された絶縁回路基板と、前記金属層の前記回路層とは反対側の面にろう付け接合されたヒートシンクとを備えたヒートシンク付き絶縁回路基板の筐体への取り付け構造であって、前記回路層の外周部を押圧部材により前記筐体に向けて押圧させ、前記ヒートシンクを前記筐体に押圧した状態で該押圧部材が前記筐体に固定される。 The structure for attaching an insulating circuit board with a heat sink to a housing according to the present invention comprises: an insulating circuit board having a circuit layer formed on one surface of a ceramic substrate and a metal layer formed on the other surface ; is a structure for mounting an insulated circuit board with a heat sink and a heat sink bonded to the opposite surface by brazing to a housing, wherein the outer peripheral portion of the circuit layer is pressed toward the housing by a pressing member. and the pressing member is fixed to the housing while the heat sink is pressed against the housing.
ここで、ヒートシンク付き絶縁回路基板が凹状に沿っている場合、回路層もその中心が最も深く外周部に向かうに従って上側に反る形状(いわゆるすり鉢状)となる。このため、回路層の平面度が低く、この回路層の外周部より内側に位置する実装面にLED素子等を実装してLED放熱モジュールとして用いた場合、LED素子(LED光源)から放射される光の光軸がずれ、配光制御機能が低下する。これに対し、本発明では、ヒートシンク付き絶縁回路基板は、回路層の外周部を押圧部材により押圧させた状態で押圧部材が筐体に固定されることにより、回路層の外周部を筐体に向けて押圧する押圧力が発生する。このため、回路層の平面度を向上できる。すなわち、回路層におけるLED素子等が実装される実装面の平面度を向上できる。 Here, when the insulated circuit board with the heat sink is along the concave shape, the circuit layer also has a shape (so-called mortar shape) in which the center is the deepest and curves upward toward the outer peripheral portion. For this reason, the flatness of the circuit layer is low, and when an LED element or the like is mounted on the mounting surface located inside the outer peripheral portion of the circuit layer and used as an LED heat dissipation module, the LED element (LED light source) emits light. The optical axis of light deviates, and the light distribution control function deteriorates. On the other hand, in the present invention, the insulated circuit board with a heat sink has the outer peripheral portion of the circuit layer pressed against the housing by fixing the pressing member to the housing while pressing the outer peripheral portion of the circuit layer with the pressing member. A pressing force is generated that presses toward. Therefore, the flatness of the circuit layer can be improved. That is, it is possible to improve the flatness of the mounting surface of the circuit layer on which the LED elements and the like are mounted.
本発明のヒートシンク付き絶縁回路基板の筐体への取り付け構造の一つの態様としては、前記押圧部材は、前記回路層の外周部に当接する回路層当接部と、前記回路層当接部に接続され、前記ヒートシンクに当接するヒートシンク当接部と、を有し、前記ヒートシンク当接部が前記ヒートシンクを介して前記筐体に固定される。 As one aspect of the mounting structure of the insulated circuit board with a heat sink to the housing of the present invention, the pressing member includes a circuit layer contact portion that contacts the outer peripheral portion of the circuit layer, and a circuit layer contact portion that contacts the circuit layer contact portion. a heat sink contacting portion connected to and contacting the heat sink, wherein the heat sink contacting portion is fixed to the housing via the heat sink.
上記態様では、押圧部材のヒートシンク当接部がヒートシンクを介して筐体に固定されることから、ヒートシンクが筐体に向けて押圧された状態となり、ヒートシンクの反りを改善できる。このため、ヒートシンクに当接する押圧部材のヒートシンク当接部が確実にヒートシンクに当接でき、これにより該ヒートシンク当接部に接続される回路層当接部により、回路層の外周部を確実に筐体に向けて押圧できる。したがって、回路層の平面度を確実に向上できる。 In the above aspect, since the heat sink abutting portion of the pressing member is fixed to the housing through the heat sink, the heat sink is pressed toward the housing, and warping of the heat sink can be improved. Therefore, the heat sink contact portion of the pressing member that contacts the heat sink can reliably contact the heat sink, so that the circuit layer contact portion connected to the heat sink contact portion can reliably cover the outer peripheral portion of the circuit layer. It can be pressed against the body. Therefore, the flatness of the circuit layer can be reliably improved.
本発明のヒートシンク付き絶縁回路基板の筐体への取り付け構造の他の一つの態様としては、前記押圧部材は、前記回路層の外周部に当接する回路層当接部と、前記回路層当接部に接続され、前記筐体に当接する筐体当接部と、を有し、前記筐体当接部が前記筐体に固定される。 In another aspect of the structure for mounting an insulated circuit board with a heat sink to a housing according to another aspect of the present invention, the pressing member includes a circuit layer contact portion that contacts an outer peripheral portion of the circuit layer, and a circuit layer contact portion that contacts the outer peripheral portion of the circuit layer. and a housing abutting part connected to the housing and abutting against the housing, wherein the housing abutting part is fixed to the housing.
上記態様では、押圧部材の回路層当接部に接続された筐体当接部が筐体に固定されることから、筐体当接部に接続された回路層当接部により回路層の外周部を筐体に向けて押圧できる。したがって、ヒートシンクの反りの程度にかかわらず、回路層の平面度を確実に向上できる。 In the above aspect, since the housing contacting portion connected to the circuit layer contacting portion of the pressing member is fixed to the housing, the circuit layer contacting portion connected to the housing contacting portion presses the outer circumference of the circuit layer. can be pressed toward the housing. Therefore, regardless of the degree of warping of the heat sink, the flatness of the circuit layer can be reliably improved.
本発明のヒートシンク付き絶縁回路基板の筐体への取り付け構造のさらに他の一つの態様としては、前記ヒートシンクは、前記セラミックス基板とは反対側の面に複数のフィンを有し、前記筐体は、前記ヒートシンク付き絶縁回路基板が前記筐体に固定された際に前記複数のフィンを収容する開口部を有する。 As still another aspect of the structure for mounting an insulated circuit board with a heatsink to a housing according to the present invention, the heatsink has a plurality of fins on the surface opposite to the ceramic substrate, and the housing has and an opening for accommodating the plurality of fins when the insulated circuit board with a heat sink is fixed to the housing.
上記態様では、ヒートシンクが複数のフィンを有している場合でも、筐体に固定された際に開口部内に収容されるので、ヒートシンク付き絶縁回路基板の放熱性能を高めることができる。 In the above aspect, even if the heat sink has a plurality of fins, the fins are accommodated in the opening when fixed to the housing, so that the heat dissipation performance of the insulated circuit board with the heat sink can be enhanced.
本発明のヒートシンク付き絶縁回路基板の筐体への取り付け構造のさらに他の一つの態様としては、前記ヒートシンクと前記筐体の該ヒートシンクに当接する面との間にグリースを介して前記ヒートシンク付き絶縁回路基板を前記筐体に取り付ける。 As still another aspect of the mounting structure of the insulated circuit board with heatsink of the present invention to the housing, the insulation with heatsink is interposed between the heatsink and the surface of the housing that contacts the heatsink via grease. A circuit board is attached to the housing.
なお、上記グリースとしては、アルミニウム粉末又はカーボン粉末が含まれていることが好ましい。
上記態様では、ヒートシンクと筐体のヒートシンクに当接する面との間にグリースが設けられているので、ヒートシンクの熱を筐体に伝達させやすくでき、筐体を介してヒートシンクの熱を放熱できる。したがって、ヒートシンク付き絶縁回路基板の放熱性能をさらに高めることができる。
The grease preferably contains aluminum powder or carbon powder.
In the above aspect, since the grease is provided between the heat sink and the surface of the housing that contacts the heat sink, the heat of the heat sink can be easily transferred to the housing, and the heat of the heat sink can be dissipated through the housing. Therefore, it is possible to further improve the heat dissipation performance of the insulated circuit board with the heat sink.
本発明のヒートシンク付き絶縁回路基板の筐体への取り付け構造のさらに他の一つの態様としては、前記回路層の前記外周部より内側の実装面には、LED素子が設けられている。 In still another aspect of the mounting structure of the insulated circuit board with a heat sink of the present invention to the housing, an LED element is provided on the mounting surface inside the outer peripheral portion of the circuit layer.
上記態様では、回路層におけるLED素子等が実装される実装面の平面度が高いため、LED素子から放射される光の光軸がずれることを抑制できる。したがって、ヒートシンク付き絶縁回路基板が固定された筐体、すなわち、LED放熱モジュールとして適切に使用することができる。 In the above aspect, since the mounting surface of the circuit layer on which the LED elements and the like are mounted has a high degree of flatness, it is possible to suppress deviation of the optical axis of the light emitted from the LED elements. Therefore, it can be appropriately used as a housing to which the insulated circuit board with a heat sink is fixed, that is, as an LED heat dissipation module.
本発明によれば、電子部品等の実装面となる回路層の平面度を向上できる。 According to the present invention, it is possible to improve the flatness of the circuit layer that serves as the mounting surface for electronic components and the like.
[第一実施形態]
以下、本発明の第一実施形態について、図面を参照しながら説明する。図1は、第一実施形態におけるLED放熱モジュール100の断面図であり、図2は、LED放熱モジュール100の平面図である。なお、図1におけるLED放熱モジュール100の断面図は、図2のA1-A1線に沿う矢視断面図である。
[First embodiment]
A first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of an LED
[LED放熱モジュールの概略構成]
本実施形態に係るLED放熱モジュール100は、図1に示すように、ヒートシンク付き絶縁回路基板1が筐体50に取り付けられることにより構成される。このようなLED放熱モジュール100は、例えば、自動車のヘッドランプ等に用いられる。
[Schematic configuration of LED heat dissipation module]
The LED
[ヒートシンク付き絶縁回路基板の構成]
このヒートシンク付き絶縁回路基板1は、絶縁回路基板10にヒートシンク20が接合されたヒートシンク付き絶縁回路基板1にLED素子30が設けられたものである。具体的には、絶縁回路基板10は、いわゆるパワーモジュール用基板であり、絶縁回路基板10の上面には、図1及び図2に示すように、4つのLED素子30が搭載され、LEDモジュール40となる。なお、本実施形態では、LED素子30が設けられているが、これに限らず、例えば、半導体を備えた電子部品であり、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、FWD(Free Wheeling Diode)等の種々の半導体素子が選択される。
[Configuration of insulation circuit board with heat sink]
This
この場合、LED素子30は、図示を省略するが、上部に上部電極部が設けられ、下部に下部電極部が設けられており、下部電極部が回路層12の上面121にはんだ等により接合されることで、LED素子30が回路層12の上面121に搭載される。例えば、本実施形態では、回路層12の上面121における外周部Ar1の内側に位置する実装面Ar2に4つ搭載されている。また、LED素子30の上部電極部は、はんだ等で接合されたリードフレーム等を介して回路層12の回路電極部等に接続され、LEDモジュール40が製造される。
In this case, although not shown, the
[絶縁回路基板の構成]
絶縁回路基板10は、セラミックス基板11と、セラミックス基板11の一方の面に形成された回路層12と、セラミックス基板11の他方の面に形成された金属層13とを備える。
セラミックス基板11は、回路層12と金属層13の間の電気的接続を防止する絶縁材であって、例えば窒化アルミニウム(AlN)、窒化珪素(Si3N4)、アルミナ(Al2O3)等により形成され、その板厚は0.2mm~1.2mmである。
[Configuration of insulation circuit board]
The insulating
The
回路層12は、セラミックス基板11に接合されている。この回路層12は、純度99質量%以上の純アルミニウム(例えば、JIS規格では1000番台の純アルミニウム、特に1N90(純度99.9質量%以上:いわゆる3Nアルミニウム)又は、1N99(純度99.99質量%以上:いわゆる4Nアルミニウム)や、A6063系等のアルミニウム合金等を用いることができ、その厚さは0.05mm~0.2mmに設定されている。
金属層13は、純度99質量%以上の純アルミニウム又はアルミニウム合金が用いられ、JIS規格では1000番台のアルミニウム、特に1N99(純度99.99質量%以上:いわゆる4Nアルミニウム)を用いることができ、その厚さは0.6mm~1.6mmに設定されている。
The
The
そして、これら回路層12及び金属層13は、回路層12、セラミックス基板11、及び金属層13の順に、例えば、Al-Si系やAl-Si-Mg系のろう材を介して積層され、これらを積層方向に加圧して加熱することにより接合されて絶縁回路基板10となる。
The
[ヒートシンクの構成]
この絶縁回路基板10に接合されるヒートシンク20は、A6063系等のアルミニウム合金を鍛造により成形することにより形成される。このヒートシンク20の上面に絶縁回路基板10の金属層13が、Al-Si-Mg系のろう材を介して積層し、これらを積層方向に加圧して加熱することにより絶縁回路基板10にヒートシンク20が接合されて、ヒートシンク付き絶縁回路基板1となる。
[Heat sink configuration]
The
次に、本実施形態のヒートシンク付き絶縁回路基板1(LEDモジュール40)の筐体50への取り付け構造について説明する。
このようなヒートシンク付き絶縁回路基板1は、図1及び図2に示すように、回路層12の上面121における外周部Ar1を筐体50に向けて押圧する押圧部材60により押圧された状態で筐体50に固定される。この押圧部材60は、ねじにより構成される固定部材70により、押圧部材60及びヒートシンク20が重なった状態で筐体50に固定される。
Next, a structure for attaching the insulating circuit board 1 (LED module 40) with a heat sink according to the present embodiment to the
As shown in FIGS. 1 and 2, the insulating
[押圧部材の構成]
押圧部材60は、例えば、SUS(ステンレス鋼)等により構成されている。この押圧部材60は、図1及び図2に示すように、回路層12の外周部Ar1に当接する回路層当接部61と、回路層当接部61に接続され、ヒートシンク20に当接するヒートシンク当接部62と、を有している。回路層当接部61は、図1及び図2に示すように、矩形平板状に形成され、中央に矩形状の開口部611を有している。この開口部611は、押圧部材60が筐体50に固定された際に、回路層12の上面121の外周部Ar1の内側に位置する実装面Ar2に対向して配置される。すなわち、開口部611から回路層12の実装面Ar2に配置されたLED素子30が外部に露出する。
[Configuration of Pressing Member]
The pressing
回路層当接部61の外周端部には、ヒートシンク当接部62が接続されている。このヒートシンク当接部62は、回路層当接部61の下面612の外周端部から筐体50に向けて直線状に延びる筒状部621と、筒状部621の下端部から外側に向かって延びる当接部622と、を備えている。これらのうち、当接部622は、図2に示すように、その下面623がヒートシンク20の上面に当接する。
A heat
また、回路層当接部61の幅寸法L1は、5mm~10mmに設定され、開口端部から2mm~5mmの範囲が回路層12の外周部Ar1に当接する。すなわち、外周部Ar1の幅寸法L0は、2mm~5mmとされる。また、ヒートシンク当接部62の幅寸法L2(ヒートシンク20と当接する面の幅寸法)は、10mm~20mmに設定されている。また、押圧部材60の厚さ寸法L3は、3mm~10mmに設定され、回路層当接部61及びヒートシンク当接部62(当接部622)の厚さ寸法は同じである。さらに、当接部622の下面623(ヒートシンク20の上面)から回路層当接部61の下面612までの寸法L4は、絶縁回路基板10と同じ厚さ若しくは若干小さく設定され、例えば2mm~2.3mmに設定されている。また、押圧部材60の幅寸法L5は20mm~45mmに設定され、ヒートシンク20の幅寸法よりも若干小さく設定されている。なお、押圧部材60の幅寸法L5は、ヒートシンク20の幅寸法と同一であってもよい。
Further, the width L1 of the circuit
このような押圧部材60は、回路層当接部61の下面612が回路層12の外周部Ar1に当接させられ、かつヒートシンク20の上面に当接させられた状態で、固定部材70がヒートシンク当接部62及びヒートシンク20を貫通して、これらが筐体50に固定される。これにより、ヒートシンク当接部62が筐体50に向けて押圧されることとなり、回路層12の外周部Ar1が筐体50に向けて押圧された状態となる。さらに、ヒートシンク20も筐体50に押圧された状態となる。これにより、回路層12の実装面Ar2及びヒートシンク20の平面度が向上する。
Such a pressing
なお、固定部材70は、図2に示すように、押圧部材60の4つの角部及びこれらの間に1つずつ設けられているが、これに限らず、4つの角部にのみ設けられてもよいし、さらに多くの固定部材70が設けられてもよい。また、固定部材70は、ねじにより構成されることとしたが、これに限らず、例えばクランプ等により構成されてもよい。
As shown in FIG. 2, the fixing
また、ヒートシンク20と筐体50のヒートシンク20に当接する面との間には、アルミニウム粉末又はカーボン粉末が含まれているグリース41を介してヒートシンク付き絶縁回路基板1が筐体50に取り付けられている。なお、本実施形態では、グリース41を介して筐体50にヒートシンク付き絶縁回路基板1が固定されることとしたが、グリース41はなくてもよい。
In addition, the insulating
なお、本実施形態では、回路層当接部61は、回路層12の外周部Ar1の全領域に重なって配置されることとしたが、これに限らず、例えば、回路層12の4つの角部に重なって配置されない形状であってもよいし、回路層12の外周部Ar1のうち、対向する2辺のみを押圧する形状であってもよい。すなわち、回路層12の平面度を向上できれば、回路層12の形状は問わない。
In the present embodiment, the circuit
本実施形態では、ヒートシンク付き絶縁回路基板1は、回路層12の外周部Ar1を筐体50に向けて押圧部材60により押圧された状態で筐体50に固定されるので、回路層12の平面度を向上できる。また、固定部材70によりヒートシンク20が筐体50に向けて押圧された状態で筐体50に固定されるので、ヒートシンク20の反りを改善できる。このため、ヒートシンク20に当接する押圧部材60のヒートシンク当接部62が確実にヒートシンク20の上面に当接でき、これによりヒートシンク当接部62に接続される回路層当接部61により、回路層12の外周部Ar1を確実に筐体50に向けて押圧できる。すなわち、回路層12におけるLED素子30等が実装される実装面Ar2の平面度を向上できる。このように回路層12におけるLED素子30等が実装される実装面Ar2の平面度が高いため、LED素子30から放射される光の光軸がずれることを抑制できる。したがって、ヒートシンク付き絶縁回路基板1が固定された筐体50、すなわち、LED放熱モジュール100として適切に使用することができる。
In this embodiment, the insulated
また、上記実施形態では、ヒートシンク20と筐体50のヒートシンク20に当接する面との間にグリース41が設けられているので、ヒートシンク20の熱を筐体50に伝達させやすくでき、筐体50を介してヒートシンク20の熱を放熱できる。したがって、ヒートシンク付き絶縁回路基板1の放熱性能をさらに高めることができる。
Further, in the above-described embodiment, the
[第一実施形態の第一変形例]
上記実施形態では、回路層12は、純度99質量%以上の純アルミニウムやアルミニウム合金等により構成される一層の金属層により構成されていることとしたが、これに限らず、例えば、回路層12は、複数の金属層により構成されることとしてもよい。
図3は、第一実施形態の第一変形例に係るLED放熱モジュール100Aの断面を示す断面図である。なお、以下の説明では、第一実施形態と同一又は略同一の部分については、説明を省略又は簡略化する。
[First Modification of First Embodiment]
In the above embodiment, the
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a cross section of the LED
本変形例の回路層12は、図3に示すように、セラミックス基板11に接合される第一回路層14と、第一回路層14の上面に接合される第二回路層15とを備えている。これらのうち第一回路層14は、純アルミニウム又はアルミニウム合金により構成されている。一方、第二回路層15は、純銅や無酸素銅又は銅合金により構成されている。また、第一回路層14の厚さは0.02mm~0.2mmに設定され、第二回路層15の厚さは0.2mm~1mmに設定され、いずれも同形状(矩形平板状)とされる。
そして、第二回路層15、第一回路層14、セラミックス基板11、及び金属層13の順に、例えば、Al-Si系やAl-Si-Mg系のろう材を介して積層し、これらを積層方向に加圧して加熱することにより、接合されて絶縁回路基板10Aとなる。
As shown in FIG. 3, the
Then, the
なお、本変形例では、絶縁回路基板10Aの回路層12Aが第一回路層14及び第二回路層15を備えていることから、上記第一実施形態の絶縁回路基板10よりもその厚さが大きい。このため、本変形例では、ヒートシンク当接部62の当接部622の下面623(ヒートシンク20の上面)から回路層当接部61の下面612までの寸法L6は、上記寸法L4より大きく、かつ、絶縁回路基板10Aと同じ厚さ若しくは若干小さく設定され、例えば2.5mm~2.8mmに設定されている。
In this modified example, since the
[第一実施形態の第二変形例]
上記実施形態では、絶縁回路基板10は、金属層13を有することとしたが、これに限らず、例えば、金属層13はなくてもよい。
図4は、第一実施形態の第二変形例に係るLED放熱モジュール100Bの断面を示す断面図である。なお、以下の説明では、第一実施形態と同一又は略同一の部分については、説明を省略又は簡略化する。
[Second Modification of First Embodiment]
In the above-described embodiment, the insulating
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a cross section of an LED
本変形例では、絶縁回路基板10Bは、金属層13を備えていない。このため、セラミックス基板11の回路層12とは反対側の面にヒートシンク20が直接接合されている。また、本変形例では、絶縁回路基板10Bが金属層13を備えていないことから、上記第一実施形態の絶縁回路基板10よりもその厚さが小さい。このため、本変形例では、ヒートシンク当接部62の当接部622の下面623(ヒートシンク20の上面)から回路層当接部61の下面612までの寸法L7は、上記寸法L4より小さく、かつ、絶縁回路基板10Bと同じ厚さ若しくは若干小さく設定され、例えば0.5mm~0.7mmに設定されている。
In this modified example, the insulating
[第二実施形態]
次に本発明の第二実施形態について、図面を用いて説明する。
図5は、第二実施形態に係るLED放熱モジュール100Cの断面を示す断面図である。本実施形態のLED放熱モジュール100Cは、ヒートシンク20Cが複数のピン状フィン201を備えている点及び筐体50Cが複数のピン状フィン201を収容する開口部501を備えている点で上記第一実施形態と異なる。
なお、以下の説明では、第一実施形態と同一又は略同一の部分については、説明を省略又は簡略化する。
[Second embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a cross section of the LED
In addition, in the following description, the description of the same or substantially the same parts as those of the first embodiment will be omitted or simplified.
本実施形態では、図5に示すように、ヒートシンク20Cの絶縁回路基板10との接合面とは反対側の面に、複数のピン状フィン201が立設されている。これら複数のピン状フィン201の高さは0.5~10mmとされている。なお、ヒートシンク20Cに立設されるフィンの形状は特に限定されるものではなく、本実施形態のようなピン状フィン201の他、ひし形フィンや帯板状のフィン等を形成することもできる。
また、筐体50は、開口部501を備え、この開口部501は、ヒートシンク20Cに立設された複数のピン状フィン201に対向するように配置され、ヒートシンク付き絶縁回路基板1Cが筐体50に固定された際に、複数のピン状フィン201を収容する。
In this embodiment, as shown in FIG. 5, a plurality of pin-shaped
Further, the
なお、本実施形態では、ヒートシンク20Cと筐体50との間には、グリース41を配置しないこととしたが、これに限らず、これらの間にグリース41を配置することとしてもよい。
本実施形態では、ヒートシンク20Cが複数のピン状フィン201を有している場合でも、筐体50に固定された際に開口部501内に収容されるので、ヒートシンク付き絶縁回路基板1Cの放熱性能を高めることができる。
In this embodiment, the
In this embodiment, even if the
[第三実施形態]
次に本発明の第三実施形態について、図面を用いて説明する。
図6は、本実施形態に係るLED放熱モジュール100Dの断面を示す断面図である。
本実施形態のLED放熱モジュール100Dは、上記第二実施形態と同様にヒートシンク20Cを備え、かつ筐体50Cが開口部501を備えている点、の他、押圧部材60に代えて、押圧部材60Dを備えている点で上記第一実施形態と異なる。
なお、以下の説明では、第一及び第二実施形態と同一又は略同一の部分については、説明を省略又は簡略化する。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a cross section of the LED
The LED
In addition, in the following description, the description of the same or substantially the same parts as those of the first and second embodiments will be omitted or simplified.
本実施形態の押圧部材60Dは、図6に示すように、回路層12の外周部Ar1に当接する回路層当接部61Dと、回路層当接部61Dに接続され、筐体50Cに当接することで回路層当接部61Dにより回路層12の外周部Ar1を筐体50Cに向けて押圧させる筐体当接部63と、を有している。この回路層当接部61Dは、第一実施形態の回路層当接部61と略同形状に形成され、矩形状の開口部611を備えている。また、回路層当接部61Dの幅寸法L9は、第一実施形態の回路層当接部61の幅寸法L1よりも大きく設定される。具体的には、図6に示すように、回路層当接部61Dの幅寸法L9は、10mm以上30mm以下に設定され、その外周端部がヒートシンク20Cの外周端部よりも外側に位置している。また、第一実施形態と同様に、回路層当接部61Dの開口端部から2mm~5mmの範囲が回路層12の外周部Ar1に当接する。すなわち、外周部Ar1の幅寸法L0は、上記第一実施形態と同じとされる。
As shown in FIG. 6, the pressing
回路層当接部61Dの外周端部には、筐体当接部63が接続されている。この筐体当接部63は、回路層当接部61Dの下面612の外周端部から筐体50Cに向けて直線状に延びる筒状部631と、筒状部631の下端部から外側に向かって延びる当接部632と、を備えている。これらのうち、当接部632は、図6に示すように、その下面633が筐体50Cの上面に当接する。また、筐体当接部63の幅寸法L2(筐体50Cと当接する面の幅寸法)は、上記第一実施形態のヒートシンク当接部62の幅寸法L2より小さく、例えば、10mm以上15mm以下に設定される。さらに、当接部632の下面633(筐体50の上面)から回路層当接部61Dの下面612までの寸法L11は、絶縁回路基板10及びヒートシンク20のピン状フィン201を除く部位と同じ厚さ若しくは若干小さく設定され、例えば7mm~7.3mmに設定されている。また、押圧部材60Dの幅寸法L8は上記第一実施形態の押圧部材60の幅寸法L5に比べて大きく、かつ、ヒートシンク20Cの幅より大きく設定されている。この幅寸法L8は、例えば、60mm以上に設定されている。
A
このような押圧部材60Dは、回路層当接部61Dの下面612が回路層12の外周部Ar1に当接させられ、かつ筐体50Cの上面に当接させられた状態で、固定部材70が筐体当接部63を貫通して筐体50Cに固定される。これにより、筐体当接部63が筐体50Cに向けて押圧されることとなり、これにより回路層12の外周部Ar1が筐体50Cに向けて押圧された状態となる。これにより、回路層12の実装面Ar2の平面度が向上する。
なお、本実施形態では、ヒートシンク20Cは、固定部材70により固定されていないため、ヒートシンク20Cは回路層12側から見て若干凹状に沿っている可能性がある。このため、図6には図示していないが、筐体50Cのヒートシンク20Cに当接する部位とヒートシンク20Cとの間にグリース41を配置するとよい。
Such a
In this embodiment, since the
本実施形態では、押圧部材60Dの回路層当接部61Dに接続された筐体当接部63が筐体50Cに向けて押圧された状態で筐体50Cに固定されるので、ヒートシンク20Cの反りの程度にかかわらず、回路層12の平面度を確実に向上できる。
In the present embodiment, the
その他、細部構成は実施形態の構成のものに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記各実施形態では、回路層12,12Aの実装面Ar2には、LED素子30を搭載することとしたが、これに限らず、その他の電子部品を搭載してもよい。すなわち、本発明は、LED放熱モジュールに限らず、パワーモジュール等にも適用できる。
In addition, detailed configurations are not limited to those of the embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
For example, in each of the above-described embodiments, the
絶縁回路基板として、窒化珪素(Si3N4)により形成された平面視で70mm×70mm、厚さ0.32mmのセラミックス基板の一方の面にA6063系のアルミニウム合金からなる回路層、他方の面に4Nアルミからなる金属層を接合したものを用い、これに、外径が100mm×100mm、厚さ4mmのヒートシンクを接合したヒートシンク付き絶縁回路基板を製造した。なお、これらの接合については、回路層、セラミックス基板、金属層及びヒートシンクをAl-Si-Mg系のろう材を介して積層し、これらを積層方向に加圧して加熱することにより接合し、ヒートシンク付き絶縁回路基板を製造した。 As an insulating circuit board, a ceramic substrate made of silicon nitride (Si 3 N 4 ) and measuring 70 mm×70 mm in plan view and having a thickness of 0.32 mm was provided with a circuit layer made of an aluminum alloy of A6063 series on one side and on the other side. An insulated circuit board with a heatsink was manufactured by joining a metal layer made of 4N aluminum to a heatsink having an outer diameter of 100mm x 100mm and a thickness of 4mm. In addition, regarding these bonding, the circuit layer, the ceramic substrate, the metal layer and the heat sink are laminated via an Al-Si-Mg brazing material, and these are bonded by pressing and heating in the lamination direction, and the heat sink An insulated circuit board with
そして、ヒートシンク付き絶縁回路基板の回路層(回路層の外周部の内側に位置する実装面)の中央に複数のLED素子からなるLED光源を1つ搭載し、LEDモジュールとし、このLEDモジュールを筐体に固定することによりLED放熱モジュールを製造した。実施例1では、上記第一実施形態に示した押圧部材を用いて回路層の外周部を筐体に向けて押圧した状態で筐体に固定してLED放熱モジュールとした。なお、絶縁回路基板の厚さとヒートシンクの上面から押圧部材の下面までの距離とは、同じとした。一方、比較例1では、LEDモジュールを、押圧部材を用いずに筐体にねじ固定して、LED放熱モジュールとした。
このようにして製造された実施例1及び比較例1のLED放熱モジュールについて、全光量に対する直進した光量の比率(光量比)を評価した。
Then, one LED light source composed of a plurality of LED elements is mounted in the center of the circuit layer (mounting surface located inside the outer peripheral portion of the circuit layer) of the insulating circuit board with a heat sink to form an LED module, and this LED module is a housing. An LED heat dissipation module was manufactured by fixing it on the body. In Example 1, the pressure member shown in the first embodiment was used to press the outer peripheral portion of the circuit layer toward the housing and fix it to the housing to form an LED heat dissipation module. The thickness of the insulating circuit board and the distance from the upper surface of the heat sink to the lower surface of the pressing member were the same. On the other hand, in Comparative Example 1, the LED module was screw-fixed to the housing without using the pressing member to form an LED heat radiation module.
For the LED heat dissipation modules of Example 1 and Comparative Example 1 manufactured in this manner, the ratio of the amount of light traveling straight to the total amount of light (light amount ratio) was evaluated.
(回路層の実装面における反り量)
実装面の平面度は、回路層の上面における外周部の内側に位置する実装面(10mm×10mm)を測定面とし、AkroMetrix社製Thermoire PS200を用い、測定面のプロファイルから最小二乗面を求め、その最小二乗面を基準として、最高点と最低点の差分を反りして測定した。
(Amount of warpage on mounting surface of circuit layer)
The flatness of the mounting surface is determined by measuring the mounting surface (10 mm × 10 mm) located inside the outer periphery of the upper surface of the circuit layer, using Thermoire PS200 manufactured by AkroMetrix, and obtaining the least square surface from the profile of the measurement surface. Using the least squares surface as a reference, the difference between the highest point and the lowest point was warped and measured.
(光量比)
光量比は、全光量に対する直進した光量の比率であり、照度計(アズワン社製LM331)を用いて、測定した。具体的には、LED光源の先端から照度計の検出部までの距離を1000mmとし、LED光源の直径を10mm、検出部の直径も10mmとした。この条件下において、LED光源の全光量に対するLED光源から直進した光の光量の比率を算出した。結果を表1に示す。
(Light intensity ratio)
The light amount ratio is the ratio of the amount of light traveling straight to the total amount of light, and was measured using an illuminometer (LM331 manufactured by AS ONE). Specifically, the distance from the tip of the LED light source to the detection part of the illuminometer was set to 1000 mm, the diameter of the LED light source was set to 10 mm, and the diameter of the detection part was also set to 10 mm. Under this condition, the ratio of the light amount of light traveling straight from the LED light source to the total light amount of the LED light source was calculated. Table 1 shows the results.
表1から明らかなように、押圧部材により回路層の外周部を押圧した実施例1は、実装面の反りが5μmと小さいため、光量比が25.0%と高かった。一方、回路層を押圧部材により押圧しなかった比較例では、実装面の反りが30μmと大きいため、光量比が8.7%と低かった。このため、押圧部材により回路層の外周部を筐体に向けて押圧した状態で筐体に取り付けることにより、実装面の反りを小さくでき、LED放熱モジュールとして適切に使用できることがわかった。 As is clear from Table 1, in Example 1 in which the pressing member pressed the outer peripheral portion of the circuit layer, the warpage of the mounting surface was as small as 5 μm, so the light amount ratio was as high as 25.0%. On the other hand, in the comparative example in which the circuit layer was not pressed by the pressing member, the warpage of the mounting surface was as large as 30 μm, so the light amount ratio was as low as 8.7%. For this reason, it has been found that by attaching the circuit layer to the housing in a state where the outer peripheral portion of the circuit layer is pressed toward the housing by the pressing member, the warpage of the mounting surface can be reduced, and it can be used appropriately as an LED heat dissipation module.
1 1C ヒートシンク付き絶縁回路基板
10 10A 10B 絶縁回路基板
11 セラミックス基板
12 12A 回路層
13 金属層
14 第1回路層
15 第2回路層
20 20C ヒートシンク
201 ピン状フィン
30 LED素子
40 LEDモジュール
50 50C 筐体
501 開口部
60 60D 押圧部材
61 61D 回路層当接部
611 開口部
612 下面
62 ヒートシンク当接部
63 筐体当接部
621 631 筒状部
622 632 当接部
623 633 下面
100 100A 100B 100C 100D LED放熱モジュール
1 1C Insulated circuit board with
Claims (6)
前記回路層の外周部を押圧部材により前記筐体に向けて押圧させ、前記ヒートシンクを前記筐体に押圧した状態で該押圧部材が前記筐体に固定されることを特徴とするヒートシンク付き絶縁回路基板の筐体への取り付け構造。 A heat sink comprising: an insulating circuit board having a circuit layer formed on one side of a ceramic substrate and a metal layer formed on the other side; and a heat sink brazed to the side of the metal layer opposite to the circuit layer. A mounting structure for an insulated circuit board with a housing,
The insulation with a heat sink, wherein the outer peripheral portion of the circuit layer is pressed toward the housing by a pressing member, and the pressing member is fixed to the housing while the heat sink is pressed against the housing. Mounting structure to the housing of the circuit board.
前記ヒートシンク当接部が前記ヒートシンクを介して前記筐体に固定されることを特徴とする請求項1に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板の筐体への取り付け構造。 The pressing member has a circuit layer contact portion that contacts an outer peripheral portion of the circuit layer, and a heat sink contact portion that is connected to the circuit layer contact portion and contacts the heat sink,
2. The structure for attaching an insulated circuit board with a heat sink to a housing according to claim 1, wherein the heat sink abutting portion is fixed to the housing through the heat sink.
前記筐体は、前記ヒートシンク付き絶縁回路基板が前記筐体に固定された際に前記複数のフィンを収容する開口部を有することを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載のヒートシンク付き絶縁回路基板の筐体への取り付け構造。 The heat sink has a plurality of fins on the surface opposite to the ceramic substrate,
4. The housing according to any one of claims 1 to 3, wherein the housing has an opening that accommodates the plurality of fins when the insulating circuit board with a heat sink is fixed to the housing. A structure for attaching an insulated circuit board with a heat sink to a housing.
6. The insulated circuit board with a heat sink according to claim 1, wherein an LED element is provided on the mounting surface inside the outer peripheral portion of the circuit layer. mounting structure.
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