(57)【要約】【課題】櫛型やピンフィン型などの形状によらず、反り量を軽減することが可能であり、ヒートシンクへの接合技術も簡便にする。【解決手段】セラミックス層の一方の面に回路層を形成した絶縁回路基板と、該絶縁回路基板の他方の面に接合されたヒートシンクと、該ヒートシンクの絶縁回路基板への接合面とは反対側の面において絶縁回路基板と対応する位置に形成された第二セラミックス層と、を備え、ヒートシンクは、絶縁回路基板に接合される板状部と、該板状部の絶縁回路基板への接合面とは反対側の面において第二セラミックス層を避けた位置から突出する複数のフィンとを有し、第二セラミックス層は、絶縁回路基板のセラミックス層と同じ材質、同じ厚さ、同じ形状に形成されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス層の一方の面に回路層を形成した絶縁回路基板と、該絶縁回路基板の他方の面に接合されたヒートシンクと、該ヒートシンクの前記絶縁回路基板への接合面とは反対側の面において前記絶縁回路基板と対応する位置に形成された第二セラミックス層と、を備え、
前記ヒートシンクは、前記絶縁回路基板に接合される板状部と、該板状部の前記絶縁回路基板への接合面とは反対側の面において前記第二セラミックス層を避けた位置から突出する複数のフィンとを有し、前記第二セラミックス層は、前記絶縁回路基板のセラミックス層と同じ材質、同じ厚さ、同じ形状に形成されていることを特徴とするヒートシンク付絶縁回路基板。
【請求項２】
前記絶縁回路基板の前記セラミックス層と前記ヒートシンクの前記板状部との間、及び前記ヒートシンクの前記板状部と前記第二セラミックス層との間には、金属層が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のヒートシンク付絶縁回路基板。
【請求項３】
前記第二セラミックス層の前記板状部とは反対側の面に第二回路層が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートシンク付絶縁回路基板。
【請求項４】
前記第二回路層に、前記フィンに送風可能なファンが設けられていることを特徴とする請求項３に記載のヒートシンク付絶縁回路基板。
【請求項５】
前記第二回路層に、ペルチェモジュールが吸熱部を前記第二回路層に向けて設けられていることを特徴とする請求項３に記載のヒートシンク付絶縁回路基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種電子部品等の実装部品を搭載可能な絶縁回路基板であって、実装部品で生じる熱を放散するためのヒートシンクを有するヒートシンク付絶縁回路基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤやパワー素子などの電子部品を搭載する絶縁回路基板には、電子部品で生じる熱を放散するためのヒートシンクが設けられる。
この場合、絶縁回路基板としてセラミックス基板を用いたものも知られており、セラミックス基板にアルミニウム又は銅からなる金属層が接合されている。このため、この金属層に金属のヒートシンクを直接接合することが可能である。
しかし、セラミックス基板を用いた絶縁回路基板と金属のヒートシンクとを接合する場合、セラミックスの線熱膨張率がアルミニウムや銅と比較すると小さいため、接合後に絶縁回路基板が反ってしまい、その上に形成される回路層の表面が凸形になることが問題となっていた。
【０００３】
そこで、絶縁回路基板とヒートシンクとの間に低熱膨張率の板を挿入する方法（特許文献１参照）や、上下対称のヒートシンクに対して両面にセラミックス板を接合する方法（特許文献２参照）、あるいは、ヒートシンクの内側にセラミックス板を導入する方法（特許文献３参照）などの工夫がなされていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１８−５６２７５号公報
【特許文献２】特開２０１６−１６７５０２号公報
【特許文献３】特開２００３−８６７４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、低熱膨張率の板を挿入する方法では、その板自体が熱抵抗になるため伝熱効率が低下する。また、上下対称のヒートシンクの両面にセラミックス板を接合する方法では、上下対称のヒートシンクにしか用いることができない。また、ヒートシンクの内側にセラミックス板を導入する方法は、製造技術が煩雑であり、一般的なヒートシンクを用いることができない。
この場合、ヒートシンクにはフィンを櫛型に形成したものや、多数のピン状フィンを設けたものなど、各種の形状のものがあるが、いずれの方法も、これらの形状のヒートシンクへの適用は難しい。一方、特許文献２に記載されているような、内部に水路を有する水冷用ヒートシンクでは、上下面にセラミックス板を接合可能であるが、セラミックス板の接合時に、水流が最適化されている水路を変形してしまうおそれがあり、また、セラミックス板接合後の水路の変形を加味して水路の設計は困難である。
さらに、セラミックス板を接合する時の荷重によりヒートシンク内部が潰れてしまうおそれがあることから、セラミックス板を高温あるいは高荷重で接合することができず、セラミックス板とヒートシンクとの接合性を向上させることが難しい。また、余分なセラミックス板が電子部品と反対面に露出するため、モジュール全体の厚さが厚くなってしまい、モジュールを設置する際の障害物となってしまうおそれもある。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、櫛型やピンフィン型などの形状によらず、反り量を軽減することが可能であり、ヒートシンクへの接合を簡便にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のヒートシンク付絶縁回路基板は、セラミックス層の一方の面に回路層を形成した絶縁回路基板と、該絶縁回路基板の他方の面に接合されたヒートシンクと、該ヒートシンクの前記絶縁回路基板への接合面とは反対側の面において前記絶縁回路基板と対応する位置に形成された第二セラミックス層と、を備え、
前記ヒートシンクは、前記絶縁回路基板に接合される板状部と、該板状部の前記絶縁回路基板への接合面とは反対側の面において前記第二セラミックス層を避けた位置から突出する複数のフィンとを有し、前記第二セラミックス層は、前記絶縁回路基板のセラミックス層と同じ材質、同じ厚さ、同じ形状に形成されている。
【０００８】
このヒートシンク付絶縁回路基板は、ヒートシンクの板状部において絶縁回路基板とは反対側の対応する位置に、絶縁回路基板のセラミックス層と同じ材質、同じ厚さ、同じ形状の第二セラミックス層が設けられているので、これらセラミックス層の配置がヒートシンクの板状部を介して表裏対称構造となって反りが防止される。また、第二セラミックス層を避けた位置にはフィンが設けられ、放熱性にも優れている。フィンは、板状、ピン状等、各種形状のものを適用することができる。
また、第二セラミックス層を避けてフィンが設けられているので、ヒートシンクの板状部に絶縁回路基板と第二セラミックス層とを接合する際の加圧冶具も特別の形状のものを用いる必要はなく、その接合も簡便である。
【０００９】
ヒートシンク付絶縁回路基板の一つの実施態様は、前記絶縁回路基板の前記セラミックス層と前記ヒートシンクの前記板状部との間、及び前記ヒートシンクの前記板状部と前記第二セラミックス層との間には、金属層が設けられているとよい。
【００１０】
金属層を介在させることで、ヒートシンクの板状部と、セラミックス層及び第二セラミックス層との熱膨張係数の違いにより生じる熱応力を緩和することができる。金属層としては軟質の純アルミニウムが好適である。
【００１１】
ヒートシンク付絶縁回路基板の他の一つの実施態様は、前記第二セラミックス層の前記板状部とは反対側の面に第二回路層が形成されていてもよい。ヒートシンクに形成した第二セラミックス層が絶縁基板として機能するので、第二回路層に電子部品や電気部品を搭載することが可能になり、用途が広がる。
【００１２】
この場合、前記第二回路層に、前記フィンに送風可能なファンが設けられているとよい。
ヒートシンクを冷却するファンが取り付けられるので、このファンを適宜に作動させることにより、絶縁回路基板からの放熱量を制御することができる。例えば、絶縁回路基板に搭載される電子部品等が急激に発熱するなどにより、発熱量がヒートシンクからの放熱量に比べて相当程度大きくなった場合に、ファンを作動させて強制的に放熱することができる。なお、第二回路層にはファンの制御のための回路を形成することができる。
【００１３】
さらに他の一つの実施態様は、前記第二回路層に、ペルチェモジュールが設けられており、前記ペルチェモジュールは、吸熱部が前記第二回路層側になるように設けられている。
【００１４】
ペルチェモジュールに電流を流してヒートシンクの熱を吸熱部から外部へ移動させることができるので、このペルチェモジュールを適宜に作動させることにより、絶縁回路基板からの放熱量を制御することができる。ファンの場合と同様、絶縁回路基板に搭載される電子部品等が急激に発熱するなどにより、発熱量がヒートシンクからの放熱量に比べて相当程度大きくなった場合に、ペルチェモジュールを作動させることにより、強制的に放熱することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、櫛型やピンフィン型などの形状によらず、反り量を軽減することが可能であり、また、特別の加圧冶具を用いる必要もなく、ヒートシンクへの接合も簡便である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係るヒートシンク付絶縁回路基板の一実施形態を示す縦断面図である。
【図２】図１に示したヒートシンク付絶縁回路基板の平面図である。
【図３】同ヒートシンク付絶縁回路基板の底面図である。
【図４】ヒートシンク付絶縁回路基板の他の例を示す縦断面図である。
【図５】加圧装置の例を示す縦断面図である。
【図６】第二絶縁回路基板にファンを設けた例を示す縦断面図である。
【図７】第二絶縁回路基板にペルチェモジュールを設けた例を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について説明する。
この実施形態のヒートシンク付絶縁回路基板１は、図１〜図３に示すように、ヒートシンク１０の両側に絶縁回路基板２０，３０が備えられている。一方を第一絶縁回路基板２０、他方を第二絶縁回路基板３０とする。第一絶縁回路基板２０に電子部品等の実装部品４０が搭載されている。
【００１８】
第一絶縁回路基板２０は、第一セラミックス層（本発明のセラミックス層）２１と、第一セラミックス層２１の一方の面（表面）に形成された第一回路層２２と、第一セラミックス層２１の他方の面（裏面）に形成された第一金属層２３とを有する。
第一セラミックス層２１は、第一回路層２２と第一金属層２３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）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）や窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）等により形成され、その板厚は０．２ｍｍ〜１．５ｍｍである。その平面形状は５ｍｍ以上２０ｍｍ以下の正方形又は長方形に形成される。
【００１９】
第一回路層２２は、第一セラミックス層２１の上面に接合され、その平面形状は５ｍｍ以上２０ｍｍ以下の正方形又は長方形であり、第一セラミックス層２１の平面内に配置される大きさに形成される。この回路層１２としては、金属から構成される。金属としては、特に限定されないが、アルミニウム又はアルミニウム合金や銅又は銅合金を用いることが好ましい。本実施形態においては、アルミニウム又はアルミニウム合金からなり、その厚さは、２０μｍ以上５０μｍ以下である。アルミニウム又はアルミニウム合金としては、例えば、ＪＩＳの３０００番台のアルミニウムを好適に用いることができる。
【００２０】
また、第一金属層２３は、第一セラミックス層２１の下面に接合され、その平面形状は５ｍｍ以上２０ｍｍ以下の正方形又は長方形であり、第一セラミックス層２１の平面内に配置される大きさに形成される。厚さは、２０μｍ以上５０μｍ以下である。この第一金属層２３としては、金属から構成される。金属としては、特に限定されないが、アルミニウム又はアルミニウム合金や銅又は銅合金を用いることが好ましい。本実施形態においては、アルミニウム又はアルミニウム合金からなる。アルミニウム又はアルミニウム合金を用いる場合、純度９９．００質量％以上又は純度９９．９９質量％以上の純アルミニウムが好ましく、いわゆる２Ｎ−Ａｌ、３Ｎ−Ａｌ、４Ｎ−Ａｌが好適である。
【００２１】
この第一絶縁回路基板２０は、第一セラミックス層２１の両面に第一回路層２２及び第一金属層２３となるアルミニウム板を例えばＡｌ−Ｓｉ系のろう材を介してそれぞれ積層し、これらを積層方向に加圧して加熱することにより形成される。
【００２２】
ヒートシンク１０は、例えばＪＩＳの６０００番台のアルミニウム合金により形成され、第一絶縁回路基板２０に接合される板状部１１と、板状部１１の第一絶縁回路基板２０への接合面とは反対側の面に突出する複数のフィン１２とを有している。この実施形態では、第一絶縁回路基板２０は板状部１１の中央部に設けられている。
また、フィン１２は、板状部１１の表面に垂直に立設する板状に形成されるとともに、相互に平行に形成されているが、板状部１１の中央部を避けて周辺部に設けられている。このため、板状部１１の中央部は平面部１１ａに形成されている。
そして、この平面部１１ａに第二絶縁回路基板３０が接合されている。したがって、第二絶縁回路基板３０と第一絶縁回路基板２０とはヒートシンク１０の板状部１１の表裏の対応する位置に設けられる。
【００２３】
この第二絶縁回路基板３０は、第二セラミックス層３１と、第二セラミックス層３１の一方の面に接合された第二回路層３２と、第二セラミックス層３１の他方の面に接合された第二金属層３３とを有する。
そして、第二金属層３３がヒートシンク１０の板状部１１における平面部１１ａ上に形成され、この第二金属層３３に第二セラミックス層３１が接合され、第二セラミックス層３１のヒートシンク１０側とは反対側の面に第二回路層３２が形成されている。したがって、第一絶縁回路基板２０と第二絶縁回路基板３０とはヒートシンク１０の板状部１１に金属層２３，３３、セラミックス層２１，３１、回路層２２，３２がこの順に積層されている。
【００２４】
この第二絶縁回路基板３０において、第二セラミックス層３１は第一絶縁回路基板２０の第一セラミックス層２１と同じ材質、同じ厚さ、同じ形状に形成されている。
第二回路層３２は、第一回路層２２と同様の構成とすることが可能であるが、必ずしも第一回路層２２と同じ材質、同じ厚さ、同じ形状としなくてもよい。第二回路層３２と第一回路層２２とを同じものとすることも可能である。
第二金属層３３は、第一金属層２３と同様の構成とすることが可能であるが、必ずしも第一金属層２３と同じ材質、同じ厚さ、同じ形状としなくてもよい。第二金属層３３と第一金属層２３とを同じものとすることも可能である。
なお、この第二絶縁回路基板３０を第一絶縁回路基板２０と同じ構成、同じ材質、同じ厚さ、同じ形状のものの組み合わせとすると、製作を容易にすることができる。
【００２５】
なお、第一絶縁回路基板２０の第一金属層２３及び第二絶縁回路基板３０の第二金属層３３は、必ずしも設けなくてもよい。図４に示すヒートシンク付絶縁回路基板１００では、第一絶縁回路基板２０を第一セラミックス層２１と、第一セラミックス層２１の一方の面（表面）に形成された第一回路層２２とからなる構成とし、第二絶縁回路基板３０を第二セラミックス層３１と、第二セラミックス層３１の一方の面（表面）に形成された第二回路層３２とからなる構成としている。そして、ヒートシンク１０の板状部１１の表面に第一絶縁回路基板２０の第一セラミックス層２１が接合され、板状部１１の第一絶縁回路基板２０とは反対側の面に、第二絶縁回路基板３０の第二セラミックス層３１が接合されている。
以下では、主として、図１〜図３に示す実施形態のヒートシンク付絶縁回路基板１について説明する。
【００２６】
次に、このヒートシンク付絶縁回路基板１の製造方法について説明する。
このヒートシンク付絶縁回路基板１は、第一絶縁回路基板２０と第二絶縁回路基板３０とをそれぞれ作製し（絶縁回路基板形成工程）、これら絶縁回路基板２０，３０をヒートシンク１０の板状部１１の両面に接合する（ヒートシンク接合工程）ことにより製造される。
以下の説明では、第一絶縁回路基板２０と第二絶縁回路基板３０とが同じ材質、同じ厚さ、同じ形状で構成されるものとし、これら第一絶縁回路基板２０と第二絶縁回路基板３０とに共通する説明においては、第一絶縁回路基板２０について説明し、第二絶縁回路基板３０についての説明を省略する。その場合、第一、第二の区別を省略して説明する。
【００２７】
（絶縁回路基板形成工程）
セラミックス層２１となるセラミックス板の一方の面に回路層２２となるアルミニウム板、他方の面に金属層３３となるアルミニウム板をろう材を介して積層する。ろう材は、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材箔が用いられ、Ａｌ−Ｇｅ系、Ａｌ−Ｃｕ系、Ａｌ−Ｍｇ系、Ａｌ−Ｍｎ系、又はＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材箔を用いることもできる。
このセラミックス板の両面にろう材箔を介してアルミニウム板を積層した後、その積層体を例えば０．１ＭＰａ以上４．３ＭＰａ以下の加圧力で加圧した状態で真空雰囲気中で６１０℃以上６５０℃以下の温度に１分以上６０分以下の時間加熱する。
これにより、第一絶縁回路基板２０と第二絶縁回路基板３０とを作製することができる。
第一絶縁回路基板２０と第二絶縁回路基板３０とが全く同じ材質、同じ厚さ、同じ形状で構成される場合には、この工程では、同じ絶縁回路基板を２組製造すればよい。
【００２８】
（ヒートシンク接合工程）
ヒートシンク１０の板状部１１の両側に例えばＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材等のＭｇを含有するろう材を介して第一絶縁回路基板２０及び第二絶縁回路基板３０を積層し、積層体５０とする。
そして、この積層体５０を図５に示す加圧装置６０にセットする。
この加圧装置６０は、ベースブロック６１と、ベースブロック６１の上面に垂直に取り付けられた複数のガイドポスト６２と、これらガイドポスト６２の上端部にガイドポスト６２に沿って移動自在に支持されたバックアップ板６３と、これらベースブロック６１とバックアップ板６３との間で上下移動自在にガイドポスト６２に支持された加圧板６４と、バックアップ板６３と加圧板６４との間に設けられて加圧板６４を下方に付勢するばね等の付勢手段６５とを備えている。バックアップ板６３および加圧板６４は、ベースブロック６１の上面に対して平行に配置される。
なお、ベースブロック６１及び加圧板６４はカーボンにより形成される。
【００２９】
ガイドポスト６２は、少なくとも一対が、ベースブロック６１の上面に垂直に設けられ、その上端にねじ部６２ａが形成されており、バックアップ板６３の上面でナット６６が螺合している。
本実施形態では、ベースブロック６１の中央部に積層体５０が配置される。このため、ベースブロック６１の中央部で第二絶縁回路基板３０に当接する部分の周囲に、ヒートシンク１０のフィン１２との干渉を避けるための溝部６１ａが中央部を囲むように形成されている。
【００３０】
このベースブロック６１の中央部に、第二回路層３２が接触するように積層体５０をベースブロック６１と加圧板６４とにより挟んだ状態で、ナット６６をガイドポスト６２のねじ部６２ａにねじ込むことにより、積層体５０を積層方向に加圧する。積層方向への加圧力は０．００１ＭＰａ〜１．５ＭＰａとし、窒素雰囲気内で５８０℃以上６５０℃以下に加熱する。
【００３１】
このようにして積層体５０を加圧、加熱して冷却することにより、図１に示すように、ヒートシンク１０の板状部１１の上面に第一絶縁回路基板２０が接合され、裏面に第二絶縁回路基板３０が接合された、ヒートシンク付絶縁回路基板１が形成される。
図４に示すヒートシンク付絶縁回路基板１００を製造する場合も、以上述べた方法と同様にして製造することができる。具体的には、セラミックス層２１となるセラミックス板の一方の面に回路層２２となるアルミニウム板をろう材を介して積層して加圧、加熱することにより、第一絶縁回路基板２００及び第二絶縁回路基板３０を作製する。そして、これら絶縁回路基板２０，３０をろう材を介してヒートシンク１０の板状部１１の両側に配置して加圧、加熱することにより、セラミックス層２１，３１とヒートシンク１０の板状部１１とを接合すれば、ヒートシンク１０の板状部１１の両側に両絶縁回路基板２００，３００が接合された、ヒートシンク付絶縁回路基板１００が形成される。
【００３２】
このヒートシンク付絶縁回路基板１は、ヒートシンク１０の板状部１１の両面に、同じ積層構造の絶縁回路基板２０，３０が板状部１１を介して対称となるように接合されるので、接合時の加熱による熱応力が板状部１１の両面で均衡し、反りの発生が抑制される。したがって、第一絶縁回路基板２０の回路層２２の表面が平坦に形成され、その上に電子部品４０を搭載する作業も容易になる。
【００３３】
第二絶縁回路基板３０は第二回路層３２を有しているので、この第二回路層３２に電子部品や電気部品等の実装部品を搭載することも可能である。
図６は、第二回路層３２にファン４１を取付けた例を示している。このファン４１は、その翼４１ａを回転させることで、矢印で示すようにフィン１２に風を送って、放熱を促進させることができる。このファン４１のモータ４１ｂが第二回路層３２を介して外部の電源回路等に接続される。
【００３４】
図７は、第二回路層３２にペルチェモジュール４２を取付けた例を示している。ペルチェモジュール４２は、吸熱部４２ａと放熱部４２ｂとの間を熱電半導体４２ｃで接続したものであり、吸熱部４２ａが第二回路層３２に接続される。そして、吸熱部４２ａと放熱部４２ｂとの間に電流を流すことにより、ヒートシンク１０の熱が吸熱部４２ａから放熱部４２ｂに移動して放散させることができ、ヒートシンク１０の放熱作用をより促進させることができる。
【００３５】
この図６又は図７に示すように、第二絶縁回路基板３０にファン４１やペルチェモジュール４２を設けておくことにより、例えば、第一絶縁回路基板２０に搭載される電子部品４０が急激に発熱するなどにより、発熱量がヒートシンク１０からの放熱量に比べて相当程度大きくなった場合に、ファン４１やペルチェモジュール４２を作動させることにより、強制的に放熱することができる。
【００３６】
なお、上記実施形態では、第一絶縁回路基板２０と第二絶縁回路基板３０とを予め作製した後に、これら絶縁回路基板２０，３０をヒートシンク１０に接合したが、両絶縁回路基板２０，３０の回路層２２，３２及び金属層２３，３３がアルミニウムにより構成される場合などには、これら回路層及び金属層となるアルミニウム板とセラミックス層となるセラミックス板とヒートシンクとをろう材を介して順次積み重ねて積層体とし、その積層体を加圧した状態で加熱することにより、各層を同時に接合するようにしてもよい。
また、両絶縁回路基板２０，３０の回路層２２，３２及び金属層２３，３３をアルミニウム又はアルミニウム合金からなるものとして説明したが、銅又は銅合金からなるものにも適用することができる。
また、ヒートシンクのフィンを板状としたが、ピン状のフィンとしてもよい。
さらに、本発明には第二回路層を有しないものも含むものとする。
【符号の説明】
【００３７】
１，１００  ヒートシンク付絶縁回路基板
１０  ヒートシンク
１１  板状部
１２  フィン
２０，２００  第一絶縁回路基板（絶縁回路基板）
２１  第一セラミックス層（セラミックス層）
２２  第一回路層
２３  第一金属層
３０，３００  第二絶縁回路基板
３１  第二セラミックス層
３２  第二回路層
３３  第二金属層
４０  実装部品
４１  ファン
４２  ペルチェモジュール
６０  加圧装置
６１  ベースブロック
６２  ガイドポスト
６２ａ  ねじ部
６３  バックアップ板
６４  加圧板
６５  ナット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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