JP5087048B2

JP5087048B2 - 放熱部品一体型回路基板

Info

Publication number: JP5087048B2
Application number: JP2009151645A
Authority: JP
Inventors: 大三馬場
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2009-06-25
Filing date: 2009-06-25
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2029-06-25
Also published as: JP2011009475A

Description

本発明は、各種電気・電子機器等に用いられる放熱部品一体型回路基板に関するものである。

金属ベース基板２１は、図１２（ａ）に示すように、アルミニウム等の金属基板２２にエポキシ樹脂等で絶縁層２を設け、この絶縁層２に銅箔等で回路３を設けて形成されるものである。そしてこの金属ベース基板２１は、従来の樹脂基板やセラミック基板の特性に加え、高熱伝導性、易加工性、磁気シールド性、耐熱衝撃性など金属の特性が活かされた基板である。

しかし、上記のような金属ベース基板２１にパワーデバイス等の電子部品を実装する場合には、金属基板２２のみでは十分な放熱性を得ることができない。

そこで、従来は金属ベース基板２１に放熱フィン１３を取り付け、この放熱フィン１３によって放熱性を確保するようにしている（例えば、特許文献１参照）。例えば、放熱フィン１３の取り付けは、図１２（ａ）（ｂ）に示すように、金属ベース基板２１と放熱フィン１３とで高熱伝導性シリコーンシート２３を挟み、これらをネジ２４によって一体化することによって行われている。

しかし、上記のような従来品は、全体的に厚みが厚くなってしまうという問題がある。

また、高熱伝導性シリコーンシート２３は、金属ベース基板２１と放熱フィン１３との密着性を確保するために必要であるが、経時的に低分子シロキサンが溶出することによって劣化して厚みが薄くなるものであるため、金属ベース基板２１と放熱フィン１３との間に隙間が生じ、この隙間により放熱性が低下してしまうという問題もある。

特開平１０−７０３８３号公報

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、従来品に比べて全体的に厚みを薄くすることができると共に、長期間にわたって高い放熱性を得ることができる放熱部品一体型回路基板を提供することを目的とするものである。

本発明に係る放熱部品一体型回路基板は、ポリイミド樹脂で形成され、無機フィラーが含有され、熱伝導率が２Ｗ／ｍｋ以上である絶縁層２を直接、凸部２５又は凹部を設けて形成された放熱部品１の前記凸部２５又は凹部に設け、ステンレス材６又はフィルム材７である転写材４に転写用回路５を設け、前記転写用回路５を前記絶縁層２に転写することによって、異種金属を積層して形成された回路３を前記絶縁層２に埋め込んで形成されていることを特徴とするものである。

前記放熱部品一体型回路基板において、前記回路３に金属板８が固定されていることが好ましい。

前記放熱部品一体型回路基板において、前記回路３に電子部品９が実装されていることが好ましい。

前記放熱部品一体型回路基板において、前記回路３と前記金属板８の両方又は一方に前記電子部品９が実装されていることが好ましい。

本発明に係る放熱部品一体型回路基板によれば、従来品に比べて全体的に厚みを薄くすることができると共に、長期間にわたって高い放熱性を得ることができるものである。

また、放熱部品を損傷することなく、絶縁層に容易に回路を設けることができるものである。

また、回路の位置精度を高めることができるものである。

また、絶縁層に容易に回路を設けることができるものである。

また、使用する金属の組合せによって、回路の酸化を防止することができると共に、実装性を高めることができるものである。

また、耐熱性を高めることができると共に、絶縁層の厚みを薄くしても十分な絶縁信頼性を確保することができるものである。

また、無機フィラーによって回路の熱を放熱部品の側に伝導しやすくなるものである。

本発明に係る放熱部品一体型回路基板の製造工程の一例を示すものであり、（ａ）〜（ｃ）は断面図である。放熱部品の他の一例を示すものであり、（ａ）は断面図、（ｂ）は底面図である。本発明に係る放熱部品一体型回路基板の製造工程の他の一例を示すものであり、（ａ）〜（ｃ）は断面図である。本発明に係る放熱部品一体型回路基板の製造工程の他の一例を示すものであり、（ａ）〜（ｃ）は断面図である。転写材の他の一例を示すものであり、（ａ）（ｂ）は断面図である。（ａ）は転写用回路の他の一例を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）の転写用回路を絶縁層に転写して設けられた回路を示す断面図である。放熱部品一体型回路基板の他の一例を示す断面図である。放熱部品一体型回路基板の他の一例を示す断面図である。放熱部品一体型回路基板の他の一例を示す断面図である。放熱部品一体型回路基板の他の一例を示す断面図である。放熱部品一体型回路基板の他の一例を示す断面図である。従来品を示すものであり、（ａ）（ｂ）は断面図である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

図１は本発明に係る放熱部品一体型回路基板の製造工程の一例を示すものであり、この工程では、転写用回路５が表面に設けられた転写材４と、絶縁層２を形成するための絶縁性シート１０と、放熱部品１とを用いて、放熱部品一体型回路基板を製造することができる。

ここで、転写材４としては、厚みが０．０３〜２ｍｍである金属材等を用いることができる。金属材としては、特に限定されるものではないが、ステンレス材６を用いるのが好ましい。また転写用回路５は、電解めっき等により転写材４に銅等を所望のパターン状に析出させることによって設けることができる。なお、転写用回路５の厚みは、特に限定されるものではないが、例えば５〜１００μｍに設定することができる。

また絶縁性シート１０としては、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂等の樹脂成分をシート状に成形したもの等を用いることができる。樹脂成分としては、例えば、エポキシ樹脂等を用いることができ、特に限定されるものではないが、ポリイミド樹脂を用いるのが好ましい。また絶縁性シート１０には、あらかじめ無機フィラーを樹脂成分に配合して含有させておくのが好ましい。このような無機フィラーとしては、例えば、シリカ、アルミナ、窒化ボロン、窒化アルミニウム等を用いることができる。このような無機フィラーが絶縁性シート１０に含有されていると、熱伝導率が２Ｗ／ｍｋ以上の絶縁層２を容易に形成することができるものである。なお、熱伝導率の上限は絶縁性に問題がなければ特に限定されず、例えば１０Ｗ／ｍｋ程度の絶縁層２も形成することができる。

また放熱部品１としては、ベース部１１に放熱部１２を設けて形成されたものを用いることができる。具体的には、金属製の放熱フィン１３（ヒートシンク）等を用いることができる。この放熱フィン１３は、放熱部１２として任意の形状のフィンをベース部１１に設けて形成されている。また放熱部品１としては、図２に示すように、放熱部１２に冷却水等の冷媒が流れる流路１４が蛇行して形成されたものを用いることもできる。なお、流路１４の一端及び他端はそれぞれ放熱部１２の側面において入口２６及び出口２７として開口している。

そして、放熱部品一体型回路基板を製造するにあたっては、図１（ａ）（ｂ）に示すように、転写材４の転写用回路５が設けられた面と放熱部品１のベース部１１の表面とで絶縁性シート１０（１枚又は複数枚）を挟んで積層した後、この積層物を加熱加圧成形し、絶縁性シート１０を硬化させて絶縁層２を形成させることによって一体化させる。このときの温度は１５０〜２００℃、圧力は１〜４ＭＰａに設定することができる。その後、図１（ｃ）に示すように、転写材４を撓ませるなどして剥離すると、転写用回路５が絶縁層２に転写され、絶縁層２に回路３が設けられることによって、放熱部品一体型回路基板を得ることができる。なお、絶縁層２の厚みは、絶縁性シート１０の使用枚数等を調整することによって、０．０５〜０．４ｍｍに設定することができる。

絶縁層２に回路３を設けるにあたっては、サブトラクティブ法やアディティブ法等を使用することもできるが、これらの方法ではエッチング液（エッチャント）を使用するので、このエッチング液で金属製の放熱部品１が腐食溶解するおそれがある。しかし、上記のような転写法を使用すれば、放熱部品１を損傷することなく、絶縁層２に容易に回路３を設けることができるものである。しかもこの回路３は、いわゆるフラッシュ導体となり、絶縁層２に埋め込まれ、回路３の露出面と絶縁層２の表面とを面一にすることができるものである。

このように、本発明に係る放熱部品一体型回路基板は、放熱部品１に直接絶縁層２を設け、この絶縁層２に回路３を設けて形成されているので、図１２に示す従来品に比べて、少なくとも金属基板２２及び高熱伝導性シリコーンシート２３の厚みの分だけ全体的に厚みを薄くすることができるものである。また従来品に見られた熱伝導を遮断するような隙間は、本発明に係る放熱部品一体型回路基板には生じないので、長期間にわたって高い放熱性を得ることもできるものである。

そして、特に転写材４としてステンレス材６を用いる場合、このステンレス材６は上記加熱加圧成形では変形しないので、この表面に設けられた転写用回路５も変形しない。よって、ステンレス材６に設けられた転写用回路５をその形状を正確に保持した状態で絶縁層２に転写することができ、回路３の位置精度を高めることができるものである。

また絶縁層２がポリイミド樹脂で形成されていると、耐熱性を高めることができると共に、絶縁層２の厚みを薄くしても十分な絶縁信頼性を確保することができるものである。さらに絶縁層２に無機フィラーが含有され、この絶縁層２の熱伝導率が２Ｗ／ｍｋ以上であると、回路３の熱を放熱部品１の側に伝導しやすくなるものである。なお、無機フィラーの含有量は、絶縁層２全量に対して、６０〜９５質量％に設定することができる。

図３は本発明に係る放熱部品一体型回路基板の製造工程の他の一例を示すものである。図１に示す工程では、ベース部１１の表面が平坦な放熱部品１を用いているが、図３に示す工程では、ベース部１１の表面に凸部２５を設けて形成された放熱部品１を用いている。そして、このようにベース部１１の表面が凹凸面に形成されていても、厚みの厚い絶縁性シート１０を用いたり、厚みの薄い絶縁性シート１０を複数枚重ねて用いたりすることによって、表面が平坦な絶縁層２を設けることができるものである。

図４は本発明に係る放熱部品一体型回路基板の製造工程の他の一例を示すものである。この工程でも、ベース部１１の表面に凸部２５を設けて形成された放熱部品１を用いているが、特にこの工程では、凸部２５の表面にのみ絶縁層２を設け、この絶縁層２に回路３を設けるようにしている。このように、不要な絶縁層２を設けないことによって、ネジ締め部品や取付治具等（図示省略）を放熱部品１に直接装着することができ、また絶縁層２を除去することなく、金属製の放熱部品１のベース部１１を電気的な接続の一部としてアースなどに利用することができると共に、製造コストの削減も図ることができるものである。なお、図４に示すものでは、凸部２５の表面にのみ絶縁層２を設け、この絶縁層２に回路３を設けるようにしているが、凸部２５以外の表面（凹部）にのみ絶縁層２を設け、この絶縁層２に回路３を設けるようにしてもよい。

図５は転写材４の他の一例を示すものであり、この転写材４は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム等のフィルム材７で形成されている。そして転写用回路５は、まず図５（ａ）のようにフィルム材７に接着剤１５で銅箔等の金属箔１６を貼り付けた後、図５（ｂ）のように所望のパターン状となるように不要な金属箔１６をエッチングにより除去することによって設けることができる。なお、接着剤１５としては、放熱部品一体型回路基板を製造する場合の加熱加圧成形後において、フィルム材７との密着性に比べて回路３との密着性が低くなるようなもの、具体的にはシリコーン系やアクリル系の接着剤１５等を用いるのが好ましい。これにより転写材４を剥離する場合、接着剤１５もフィルム材７と共に剥離され、絶縁層２には回路３のみを設けることができるものである。このように、転写材４としてステンレス材６の代わりにフィルム材７を用いる場合にも、絶縁層２に容易に回路３を設けることができるものである。

図６（ｂ）は回路３の他の一例を示すものであり、この回路３は、異種金属を積層して形成されている。このような回路３が絶縁層２に設けられていると、使用する金属の組合せによって、回路３の酸化を防止することができると共に、実装性（はんだ付け性、接触性能など）を高めることができるものである。そしてこのような回路３を形成するにあたっては、転写法を使用することができる。例えば、図６（ａ）に示すように、電解めっき又は無電解めっき等により、まず転写材４に金１７を所望のパターン状に析出させ、次にこの金１７に重ねてニッケル１８を析出させ、さらにこのニッケル１８に重ねて銅１９を析出させることによって、３種類の金属を積層して形成された転写用回路５を設けることができる。次にこのように転写用回路５が設けられた転写材４を用いて絶縁層２に回路３を設けると、この回路３は、図６（ｂ）に示すように、酸化しやすい銅１９及びニッケル１８の部分が絶縁層２に完全に埋め込まれて外部には露出せず、酸化しにくく実装性の高い金１７の部分が絶縁層２の表面と面一となって露出するものとなる。また転写材４に転写用回路５を設ける場合、その断面形状を樽状又は楔状（逆三角形状）としておくと、この転写用回路５は絶縁層２に転写されるときアンカー効果により絶縁層２に食い込むように埋め込まれるので、回路３のピール強度を高めることができるものである。なお、異種金属は、銅１９、ニッケル１８、金１７に限定されるものではなく、また層数も積層の順番も特に限定されるものではない。

図７は放熱部品一体型回路基板の他の一例を示すものであり、これは、回路３に全体的又は部分的にパターン状に金属板８が固定されて形成されたものである。なお、回路３に全体的に金属板８が固定されているとは、回路３の露出面の全部が金属板８で被覆されている状態をいい、回路３に部分的に金属板８が固定されているとは、図７のように回路３の露出面の一部が金属板８で被覆され、残部が被覆されていない状態をいう。このように、金属板８が回路３に固定されていることによって、厚みの薄い回路３のみでは扱うことのできなかった大電流を扱うことができると共に、金属板８からも熱を放散させることができるものである。ここで、金属板８としては、厚みが０．２〜２ｍｍである銅板等を用いることができるが、これに限定されるものではない。金属板８の固定は、例えば、回路３にクリームはんだを印刷し、これに金属板８を載せた後、リフローはんだ付け（リフローソルダリング）により行うことができる。このとき金属板８の位置が多少ずれていても、セルフアライメント効果が得られるので特に問題はない。すなわち、クリームはんだの溶解時にその表面張力によって金属板８は回路３のパターン状に沿って正しい位置に移動して調整されるものである。

図８は放熱部品一体型回路基板の他の一例を示すものであり、これは、回路３にクリームはんだ２０等により電子部品９が実装されて形成されたものである。電子部品９としては、通常の半導体素子のほか、発熱量の大きいパワートランジスタ等のパワーデバイス（電力用半導体素子）であっても問題なく用いることができる。すなわち、電子部品９より発生した熱は回路３及び絶縁層２を介して放熱部品１に伝導され、高い放熱効果を得ることができるものである。

図９は放熱部品一体型回路基板の他の一例を示すものであり、これは、図２に示す放熱部品１を用いるようにした以外は、図８に示すものと同様に、回路３にクリームはんだ２０等により電子部品９が実装されて形成されたものである。図２に示す放熱部品１では、流路１４がベース部１１と反対側の面において開口しているが、図９のようにこの流路１４の開口を覆うように放熱部品１の放熱部１２の表面にパッキン２８を重ね、さらにこのパッキン２８に蓋部材２９を重ねて、これらをネジ２４によって一体化しているので、冷媒が液漏れするようなことはない。

また、回路３に全体的に金属板８が固定されている場合には、金属板８に直接電子部品９が実装されていてもよく、さらに回路３に部分的に金属板８が固定されている場合には、回路３と金属板８の両方又は一方に電子部品９が実装されていてもよい。図１０は、回路３に部分的に金属板８が固定されている場合であって、金属板８に電子部品９が実装されて形成された放熱部品一体型回路基板を示すものである。電子部品９としては上記と同様のものを用いることができるが、特にこの電子部品９が直接金属板８に実装されている場合には、上記の効果のほか、金属板８からも熱を放散させることができるものである。

図１１は放熱部品一体型回路基板の他の一例を示すものであり、これは、金属板８に電子部品９が実装され、この電子部品９と他の金属板８とを比較的太目のアルミ線等のワイヤー３１により電気的に接続して形成されたものである。この場合も、電子部品９より発生した熱を金属板８から放散させ、さらに回路３及び絶縁層２を介して放熱部品１からも放散させることができると共に、ワイヤー３１により大電流を流すことができるものである。

１放熱部品
２絶縁層
３回路
４転写材
５転写用回路
６ステンレス材
７フィルム材
８金属板
９電子部品

Claims

ポリイミド樹脂で形成され、無機フィラーが含有され、熱伝導率が２Ｗ／ｍｋ以上である絶縁層を直接、凸部又は凹部を設けて形成された放熱部品の前記凸部又は前記凹部に設け、ステンレス材又はフィルム材である転写材に転写用回路を設け、前記転写用回路を前記絶縁層に転写することによって、異種金属を積層して形成された回路を前記絶縁層に埋め込んで形成されていることを特徴とする放熱部品一体型回路基板。
前記回路に金属板が固定されていることを特徴とする請求項１に記載の放熱部品一体型回路基板。
前記回路に電子部品が実装されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の放熱部品一体型回路基板。
前記回路と前記金属板の両方又は一方に前記電子部品が実装されていることを特徴とする請求項３に記載の放熱部品一体型回路基板。