(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板の表面に配線回路が形成され、且つ発熱性電子部品が搭載された配線基板を収納した金属製ケースと、非発熱性電子部品を収納した樹脂製ケースとを具備し、前記放熱性ケースと前記樹脂製ケースとが一体的に結合されており、前記結合部にて前記非発熱性電子部品と前記配線基板の配線回路とが結線されてなることを特徴とする配線基板モジュール。
【請求項２】
前記金属製ケース内の前記配線基板を収納した空間と、前記樹脂製ケース内の非発熱性電子部品を収納した空間とが、壁体によって区切られていることを特徴とする請求項１記載の配線基板モジュール。
【請求項３】
前記金属製ケース内の前記配線基板を収納した空間内に、熱伝導性ゲル状樹脂を充填してなることを特徴とする請求項２記載の配線基板モジュール。
【請求項４】
前記発熱性電子部品が、パワー素子、ハイブリッドＩＣ素子、パワートランジスタ、パワー抵抗素子の群から選ばれる少なくとも１種からなる請求項１または請求項２記載の配線基板モジュール。
【請求項５】
前記非発熱性電子部品が、電解コンデンサ、発振器のうちの少なくとも１種からなる請求項１または請求項２記載の配線基板モジュール。
【請求項６】
前記金属製ケースに放熱フィンが接合されてなる請求項１乃至請求項４のいずれか記載の配線基板モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パワートランジスタ等のパワー素子などの発熱性電子部品とともに、アルミニウム電解コンデンサなどの熱に弱い非発熱性電子部品を具備する配線基板モジュールの改良に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来から、セラミックまたは有機樹脂などからなる絶縁基板の表面に、ＩＣ素子等の半導体素子とともに、コンデンサ、抵抗素子などの電子部品を搭載した配線基板モジュールが知られている。最近に至って、これらの配線基板モジュールに搭載される電子部品の高精度化等に伴い、例えば、ＩＣ素子などの半導体素子はそれ自体の作動時の発熱量が増大する傾向にあり、それに伴い、その熱によって、熱に弱いその他の電子部品の作動状態に悪影響を及ぼすことから、これらの発生した熱をいかに効率的に放熱するかが大きな課題となっている。
【０００３】
そこで、従来から用いられる一般的なモジュールの構造を図３の概略断面図に示した。図３のモジュールａによれば、絶縁基板２１の表面に配線回路２２が形成された配線基板２３の表面に、パワートランジスタ等のパワー素子２４、抵抗素子２５、コンデンサ２６などの電子部品が実装されている。そして、このように各種の電気部品が搭載された配線基板２３は、放熱性の高い金属製ケース２７に対して高熱伝導性樹脂などの接着剤２８によって接合されている。また、アルミニウム電解コンデンサ２９などの大型で且つ熱に弱い電子部品は、金属製ケース２７内の配線基板２３接合部の周囲に、金属製ケース２７に断熱性の樹脂３０を介して搭載され、断熱製樹脂３０の一部に形成された配線回路３１を介して、配線基板ａ側の配線回路２２とワイヤーボンディング３２などによって結線されている。また、金属製ケース２７は、放熱フィン３３と一体化されている。さらに、パワー素子２４などの発熱性電子部品搭載部には、サーマルビア３４が形成される場合もある。
【０００４】
かかる構造によれば、発熱性を有するパワー素子２４から発生した熱は、絶縁基板２１やサーマルビア３４、高熱伝導性樹脂などの接着剤２８を経由して金属製ケース２７に伝熱され、さらに金属製ケース２７から放熱フィン３３に伝熱され、大気に放出される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記モジュール構造においては、熱に弱いアルミニウム電解コンデンサ２９などの電子部品は、断熱性樹脂３０によって断熱されているものの、コンデンサ２９自体は、断熱性樹脂３０とともに、高熱伝導性を有するケース２７内に収納されているために、パワー素子２４から発生した熱が放熱フィン３３まで伝熱される過程で、金属製ケース２７内を熱が伝わり、コンデンサ３０および断熱性樹脂の周囲に熱の淀みが発生するために、その熱によってコンデンサ３０の温度が上昇して、コンデンサの作動保証温度以上となるなどの問題があり、従来の放熱構造では、十分な放熱がなされていないのが現状であった。
【０００６】
従って、本発明は、パワー素子などの発熱性電子部品とともに、アルミニウム電解コンデンサなどの熱に弱い電子部品を兼ね備えた配線基板モジュールにおいて、発熱性電子部品から発生した熱による熱に弱い電子部品への影響を抑制したモジュールを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の配線基板モジュールは、絶縁基板の表面に配線回路が形成され、且つパワートランジスタなどの発熱性電子部品が搭載された配線基板を収納した金属製ケースと、電解コンデンサなどの熱に弱い非発熱性電子部品を収納した樹脂製ケースとを具備し、前記放熱性ケースと前記樹脂製ケースとが一体的に結合されており、前記結合部において、前記非発熱性電子部品と前記配線基板の回路とを結線したことを特徴とするものである。
【０００８】
なお、かかるモジュールにおいては、前記金属製ケース内の前記配線基板を収納した空間と、前記樹脂製ケース内の非発熱性電子部品を収納した空間とを壁体によって区切ること、さらには、前記金属製ケースには放熱フィンを接合することが望ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を示す図１、図２をもとに説明する。図１、図２は、本発明の実施の形態における配線基板モジュールの概略断面図である。
【００１０】
図１、図２の配線基板モジュールＡによれば、絶縁基板１の表面に適当な導体材料によって配線回路２が形成された配線基板３を具備し、その基板３表面には、少なくとも発熱性電子部品４が搭載されている。上記発熱性電子部品４は、絶縁基板１の表面に被着形成された配線回路２に対して、Ａｇペーストや半田ペースト等によって実装されている。そして、絶縁基板１の発熱性電子部品４の搭載部直下には、基板の表面から裏面にまで貫通するように伝熱用ビアホール導体、いわゆるサーマルビア５が形成されており、発熱性電子部品４の搭載部直下の配線回路２は、このサーマルビア５と接続されている。
【００１１】
また、配線基板２の表面には、比較的高い耐熱温度を有する電子部品として、セラミックコンデンサ６、セラミック抵抗素子７などの電子部品が搭載されている。なお、発熱性電子部品４としては、パワー素子、ハイブリッドＩＣ素子、パワートランジスタ、パワー抵抗素子の群から選ばれる少なくとも１種が挙げられる。
【００１２】
そして、この配線基板２は、放熱性に優れた銅、アルミニウム、あるいはそれらを含む合金のうちの１種からなる金属製ケース８内に収納され、金属製ケース８内の底壁に熱伝導性に優れたシリコーン系樹脂、アセチレン系樹脂、ピロール系樹脂などからなる接着剤９を介して接合することにより収納されている。
【００１３】
一方、配線基板モジュールＡ内には、耐熱性が低い非発熱性電子部品１０として、アルミニウム電解コンデンサなどの電解コンデンサ、発振器のうちの少なくとも１種を搭載する。これらの耐熱性の低い電子部品１０としては、特に作動保証温度が１２５℃以下のものが挙げられる。
【００１４】
このような非発熱性電子部品１０は、断熱性樹脂からなるケース１１内に収納されており、この樹脂製ケース１１は、金属製ケース８の側面にて接着剤１２によって一体化されている。なお、樹脂製ケース１１と金属製ケース８との一体化の方法としては、接着剤１２の他に、ネジ止め、かしめなど周知の固定方法を採用し得る。用いられる断熱性有機樹脂としては、ポリブチルレテフタレート樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、変性ポリフェニレンオキサイド樹脂、ポリフェニレンサルファイト樹脂などが挙げられ、これらの中でもポリブチルテレフタレート樹脂が望ましい。
【００１５】
また、この樹脂製ケース１１には、非発熱性電子部品１０と電気的に接続された配線回路１３が形成されており、ケース１１の金属製ケース８内に収納された配線基板３と対向する部分にまで形成されている。
【００１６】
そして、この配線回路１３は、金属製ケース８内に収納された配線基板３表面の配線回路２と、ワイヤーボンディング、リボンなどの導電性接続部材１４によって電気的に接続されている。
【００１７】
そして、発熱性電子部品４を搭載した配線基板３を収納する金属製ケース８は、金属製蓋体１５ａ、非発熱性電子部品１０を収納した断熱性樹脂製ケース１１は、樹脂製の蓋体１５ｂによってそれぞれ密閉されている。
【００１８】
なお、この金属製ケース８と、断熱性樹脂製ケース１１とは、異なる蓋体によって密閉収納することが最も望ましいが、金属製の蓋体によって全体を密閉することも可能である。
【００１９】
本発明によれば、上記のように、発熱性電子部品４を搭載した配線基板３を放熱性の高い金属製ケース８内に収納することにより、発熱性電子部品４から発生した熱を効率的に放熱することができる。また、非発熱性電子部品９を発熱性電子部品４とは独立した断熱性樹脂製ケース１０内に収納することにより、従来のような金属製ケース５を経由して発熱性電子部品４から発生した熱が熱に弱い非発熱性電子部品９まで伝達されるのを防止することができる結果、非発熱性電子部品９周囲における熱の淀みなどの発生を防止し、非発熱性電子部品の動作の安定性を確保することができる。
【００２０】
また、本発明の配線基板モジュールによれば、発熱性電子部品４から発生した熱の非発熱性電子部品９への影響を抑制するために、図１に示すように、金属製ケース８内の配線基板３を収納した空間ａと、断熱性樹脂製ケース１１内の非発熱性電子部品１０を収納した空間ｂとを、断熱性樹脂からなる壁体１６によって区切ることが望ましい。
【００２１】
さらに、発熱性電子部品４から発生した熱を効率的に大気中に放熱するために、金属製ケース８に対しては、放熱フィン１７を接合することによって、さらに、発熱性電子部品４から発生した熱の非発熱性電子部品１０への影響を抑制することができる。
【００２２】
また、発熱性電子部品４から発生した熱の放熱性を高めるために、金属製ケース８内の空間ａに熱伝導性樹脂１８、例えば、シリコーングリス等のゲル状の樹脂からなる熱伝導性ゲル状樹脂を充填することもできる。この放熱ゲルは、配線基板３の表面に搭載された発熱性電子部品４から発生した熱を放熱ゲルを介して金属製ケース８に伝達することができる。また、放熱ゲルは、弾性を有するので、基板３表面に実装される電子部品に影響を与えることがなく、電子部品が脱落したり配線が切断されたりするのを防止することができる。
【００２３】
配線基板３における絶縁基板１は、エポキシ樹脂などの有機樹脂や、Ａｌ2 Ｏ3 、Ｓｉ3 Ｎ4 、ＡｌＮなどの絶縁性セラミック焼結体から構成されるが、特に、自動車回路基板などのように、過酷な使用条件化での耐久性を考慮した場合、上記セラミック焼結体からなるのが望ましい。
【００２４】
また、配線回路２は、銅、銀、金、あるいはこれらを含む合金などの高熱伝導性金属によって構成することが望ましいが、絶縁基板１が、Ａｌ2 Ｏ3 、Ｓｉ3 Ｎ4 、ＡｌＮなどのセラミック焼結体からなり、これらの焼結体と同時焼成によって形成する場合には、Ｗ、Ｍｏなどの高融点金属から構成される。
【００２５】
また、絶縁基板１の表面の配線回路２は、Ａｌ2 Ｏ3 、Ｓｉ3 Ｎ4 、ＡｌＮなどのセラミック焼結体に対しても、例えば、銅ペーストを印刷塗布した後、８００〜１１００℃で焼き付け処理することによっても形成することができる。
【００２６】
サーマルビア５は、絶縁基板１がセラミック材料からなる場合、未焼成のグリーンシートにマイクロドリル等によって孔あけした後、その孔内に金属ペーストを充填し、所望により複数のグリーンシートを積層した後、グリーンシートと同時焼成することにより形成することができる。このサーマルビア５も絶縁基板１が前記セラミック焼結体から構成され、基板と同時焼成して形成する場合には、Ｗ、Ｍｏなどの高融点金属によって形成する必要がある。
【００２７】
【実施例】
本発明の効果を確認するに際し、まず、Ａｌ2 Ｏ3 を主成分とする粉末原料に、有機バインダ、可塑剤、溶剤等を添加して混合し、ドクターブレード法によって、セラミックグリーンシートを成形した。次に、該セラミックグリーンシートの所定の位置に孔あけ加工法によって所定の直径の図示しないスルーホール及び伝熱用ビアホールを形成した。続いて、タングステン（Ｗ）を主成分とする粉末原料に、有機バインダ、可塑剤、溶剤等を添加し、混合して得た金属ペーストを配線回路パターンに印刷した。また、前記スルーホール及び伝熱用ビアホールには、前記金属ペーストを充填した。
【００２８】
このような方法を繰り返し、前記配線回路、スルーホール及び伝熱用ビアホールが形成されたセラミックグリーンシートを複数枚形成する。
【００２９】
次に、各セラミックグリーンシートを、配線回路、スルーホール及び伝熱用ビアホール５が電気的及び熱的に接続されるように位置合わせをして積層し、水素（Ｈ2 ）、窒素（Ｎ2 ）等の還元性雰囲気下において焼成することによって、配線基板を形成した。
【００３０】
その後、電子部品実装時のダイペーストの接着性、はんだ濡れ性を改善するために、配線回路にニッケル（Ｎｉ）めっき層を形成し、さらにめっき層の上に金（Au）めっきを施した。
【００３１】
続いて、前記配線基板の配線回路上に銀（Ａｇ）ペーストのダイペーストを介してＩＣチップのベアチップを取り付け、アルミニウム線を使用するワイヤボンディングによって結線を行った後、エポキシ系の樹脂又はシリコン系の樹脂によって封止を行った。
【００３２】
一方、配線基板の他の表面の配線回路にはんだを塗布し、コンデンサや抵抗部品を搭載して、リフロー炉内において配線基板Ａを通すことによって、各電子部品を配線基板表面にはんだ実装した。
【００３３】
このようにして、電子部品を搭載された配線基板Ａをアルミニウムからなる金属製ケースにシリコーン系樹脂からなる接着剤を用いて固定した。一方、ポリブチルテレフタレート樹脂からなる樹脂ケースを前記金属製ケースに対して、シリコーン系樹脂からなる接着剤を用いて接合し一体化した。そして、樹脂ケース内にアルミニウム電解コンデンサを収納し、コンデンサの接続パッドと、樹脂ケース内に設けられた燐青銅リードからなる電気回路とを抵抗溶接法で接続した。その後、樹脂ケースに形成されたパッドと、配線基板のパッドとをアルミニウムワイヤによってワイヤボンディング法で接続した。そして、アルミニウムからなる蓋体によって金属製ケースおよび樹脂ケースの開口部を封止した。
【００３４】
このようにして作製した配線基板モジュールについて評価を行った。アルミナ絶縁基板の表面にタングステンからなる配線回路が形成された配線基板に、発熱性電子部品の代わりに、ヒータ状のチップを実装し、Ａｕリボン及び半田を用いて配線回路と結線を行った。そして、この配線基板をアルミニウムからなるケース（配線基板実装部の厚み５ｍｍ）にシリコーン系樹脂からなる接着剤を用いて接着した。
【００３５】
また、アルミニウム電解コンデンサを搭載する樹脂ケースとして、ポリブチルテレフタレート樹脂を使用した。
【００３６】
各発熱性電子部品を想定して、ヒータチップを所定の発熱量で発熱させた後、チップ自体の温度とアルミニウム電解コンデンサの温度をそれぞれ熱電対で測定し、その結果を表１に示した。
【００３７】
また、他の実施例として、図１、図２のモジュール構造において、金属製ケースをアルミニウム製蓋体により、樹脂製ケースをＰＢＴ樹脂からなる蓋体によってそれぞれ別体で密閉したもの、金属製ケース内の空間にシリコン樹脂からなるゲルを充填したもの、壁体を除去したものを種々の組み合わせで作製した。
【００３８】
また、比較例として、図３の構造のモジュール（Ｎo.８）、図３のモジュールにおいて金属製ケースの厚みを２０ｍｍに厚くしたもの（Ｎo.７）、図３のモジュールにおいて発熱性電子部品の搭載箇所を電解コンデンサ設置部から最も離れた箇所に実装したモジュール（Ｎo.６）についても同様に測定を行った。
【００３９】
なお、発熱性電子部品においては１５０℃以下、アルミニウム電解コンデンサにおいては１２５℃以下が作動保証温度である。よって、発熱性電子部品においては、１５０℃、アルミニウム電解コンデンサにおいては１２５℃を限界温度として評価を行った。
【００４０】
【表１】
0003667130.tif 000002
【００４１】
表１から明らかなように、アルミニウム電解コンデンサを金属製ケース内に配線基板とともに収納した場合、発熱性電子部品を最も離間させた場合においても、発熱性電子部品温度が１４０℃で、アルミニウム電解コンデンサの温度は１２７℃となり、動作保証温度を２℃超えてしまった。
【００４２】
また、アルミニウムケースの厚みを２０ｍｍにした場合において、発熱性電子部品温度が１３６℃で、アルミニウム電解コンデンサの温度は１２６℃となり、動作保証温度を１℃超えてしまった。
【００４３】
また、アルミニウム電解コンデンサを金属製ケース内に配線基板とともに収納した場合、発熱性電子部品を最も離間させた場合においても、発熱性電子部品温度が１３９℃の時、アルミニウム電解コンデンサの温度は１２６℃となり、作動保証温度を１℃超えてしまった。
【００４４】
これに対して、本発明では、発熱性電子部品の温度が１４７℃以上の場合であっても、アルミニウム電解コンデンサの温度は、１２０℃以下であって、作動保証温度を５℃以上下回る結果となった。
【００４５】
また、シリコンゲルを充填した場合、充填しない場合に比較して、発熱性電子部品の放熱性を高めることができ、また、蓋体を別体化することにより、電解コンデンサの温度を低下させることができ、さらに壁体によって発熱性部品を収納するキャビティと電解コンデンサを収納するキャビティとを分離することにより、電解コンデンサの温度上昇を抑制できることがわかった。
【００４６】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明の配線基板モジュールによれば、発熱性電子部品を搭載した配線基板を放熱性の高い金属製ケース内に収納し、また、熱に弱い非発熱性電子部品を発熱性電子部品とは独立した断熱性樹脂製ケース内に収納することにより、発熱性電子部品から発生した熱が熱に弱い非発熱性電子部品まで伝達されるのを防止することができ、非発熱性電子部品周囲における熱の淀みなどの発生を防止し、発熱性電子部品および非発熱性電子部品の動作の安定性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における配線基板モジュールの概略断面図である。
【図２】本発明の実施の形態における配線基板モジュールの概略平面図である。
【図３】従来の配線基板モジュールの概略断面図である。
【符号の説明】
Ａ  配線基板モジュール
１  絶縁基板
２  配線回路
３  配線基板
４  発熱性電子部品
８  金属製ケース
１０  非発熱性電子部品
１１  樹脂製ケース
１５ａ，１５ｂ  蓋体
１６  壁体
ａ，ｂ  空間
１７  放熱フィン
１８  熱伝導性ゲル状樹脂
【図１】
0003667130.tif 000003
【図２】
0003667130.tif 000004
【図３】
0003667130.tif 000005