(57)【要約】【課題】パワー回路用基板と制御回路用基板とを積層配置した従来の回路基板では、パワー回路用基板と制御回路用基板とを接続する端子台を、はんだ付けにてパワー回路用基板上に立設していたので、パワー回路用基板の面積が大きくなり、パワーモジュールが全体として大型化してしまうという問題があった。【解決手段】パワー素子１４が実装されるパワー回路用基板１０を具備する回路基板１であって、パワー回路用基板１０を、一側面に穴１１ａが形成された放熱板１１と、該穴１１ａに充填されるとともに放熱板１１の一側面に形成される絶縁膜１２と、該絶縁膜１２上にパワー回路を形成する導電性配線１３と、該導電性配線１３上に実装されるパワー素子１４とで構成し、絶縁膜１２が充填された穴１１ａに、導電性のピン部材３３を立設して、該ピン部材３３にて、パワー回路用基板１０の導電性配線１３と、制御回路用基板２０とを接続した。【選択図】  図１
2004281804.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱素子が実装されたパワー回路用基板を具備する回路基板であって、
パワー回路用基板を、一側面に穴が形成された放熱板と、該放熱板の穴に充填されるとともに放熱板の一側面に形成される絶縁膜と、該絶縁膜上にパワー回路を形成する導電性配線と、該導電性配線上に実装される発熱素子とで構成し、
絶縁膜が充填された放熱板の穴に、導電性のピン部材を立設して、
該ピン部材にて、パワー回路用基板の導電性配線と、他の回路部材とを接続したことを特徴とする回路基板。
【請求項２】
前記他の回路部材は、非発熱素子が実装され、パワー回路用基板と分離配置された制御回路用基板であることを特徴とする請求項１に記載の回路基板。
【請求項３】
前記放熱板の穴は該放熱板を貫通しており、前記他の回路部材は、パワー回路用基板における発熱素子実装面の反対側面に配置されることを特徴とする請求項１に記載の回路基板。
【請求項４】
前記絶縁膜は、絶縁樹脂部材の成型品を放熱板の穴に埋設するとともに、絶縁樹脂部材を放熱板面上に塗布又は貼付して形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の回路基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータ用等のパワーモジュールを構成し、発熱素子が実装されたパワー回路用基板を具備する回路基板の構成に関し、特に、パワー回路用基板と他の回路部材との接続構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インバータ用ＩＧＢＴ（ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  ｇａｔｅ  ｂｉｐｏｌａｒ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）モジュールなどの制御機能を有するパワーモジュールでは、放熱の問題などから、発熱素子が実装されたパワーモジュール部であるパワー回路用基板と、非発熱素子が実装される制御回路用基板とが分離配置される場合が多い。
パワーモジュールの回路基板を構成するパワー回路用基板と制御回路用基板とを分離配置する場合、省スペース化を図るためなどの理由により、該パワー回路用基板と制御回路用基板とを上下二段に積層配置することがある。（特許文献１参照）
【０００３】
例えば、図５に示すように、パワーモジュールにおける回路基板１０１のパワー回路用基板１１０は、放熱板１１１の上面に絶縁膜１１２を形成し、該絶縁膜１１２の上面に導電性配線１１３を形成するとともに、導電性配線１１３が形成された上面側に発熱素子１１４を実装して構成されている。一方、制御回路用基板２１０は、基板２１１に非発熱素子２１２を実装して構成されている。
そして、パワー回路用基板１１０の導電性配線１１３上に端子台３３０の基端部３３０ａをはんだ付けにて立設し、該端子台３３０の上部３３０ｂに制御回路用基板２１０を接続することで、積層配置されるパワー回路用基板１１０と制御回路用基板２１０とが接続されている。（特許文献２参照）
また、図６に示すように、パワー回路用基板１と制御回路用基板２１０との端子台３３０は、樹脂部材にて構成される筐体４１０を介して、パワー回路用基板１１０の導電性配線１１３上に立設されることもある。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２３０５１２号公報
【特許文献２】
特開平１０−２２９２６１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述の如く、積層配置されるパワー回路用基板１１０と制御回路用基板２１０とを接続する端子台３３０を、はんだ付けにてパワー回路用基板１１０上に立設するように構成した場合は、平面方向に屈曲された端子台３３０の基端部３３０ａを、パワー回路用基板１１０の導電性配線１１３にはんだ付けするスペースが必要となるため、パワー回路用基板１１０の面積が大きくなり、パワーモジュールが全体として大型化してしまうという問題がある。
また、端子台３３０をはんだ付けにてパワー回路用基板１１０に立設するのでは、高い取付位置精度を得ることができないため位置ずれが生じ易くなる。取付位置がずれた端子台３３０を制御回路用基板２１０と接続すると、該端子台３３０のパワー回路用基板１１０及び制御回路用基板２１０との接続部に応力がかかることとなって、耐久信頼性の低下を招く恐れがある。特に、複数の端子台３３０にてパワー回路用基板１１０と制御回路用基板２１０とを接続する場合には、各端子台３３０間の位置ずれが加わるため、耐久信頼性の低下が顕著となる。
【０００６】
また、端子台３３０を、筐体４１０を介してパワー回路用基板１１０に立設した場合は、はんだ付けにて端子台３３０を立設した場合に比べて耐久信頼性の問題が発生しにくいが、部品点数が増加してコスト高となる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明のめっき被覆部材及びその製造方法は、以下の特徴を有する。
即ち、請求項１においては、発熱素子が実装されたパワー回路用基板を具備する回路基板であって、パワー回路用基板を、一側面に穴が形成された放熱板と、該放熱板の穴に充填されるとともに放熱板の一側面に形成される絶縁膜と、該絶縁膜上にパワー回路を形成する導電性配線と、該導電性配線上に実装される発熱素子とで構成し、絶縁膜が充填された放熱板の穴に、導電性のピン部材を立設して、該ピン部材にて、パワー回路用基板の導電性配線と、他の回路部材とを接続した。この放熱板に形成される穴は、放熱板を貫通しない穴であると、放熱板を貫通する貫通孔であるとを問わない。
これにより、パワー回路用基板と他の回路部材とを容易に積層状態で接続して立体配線構造をとることができ、省スペース化を図ることができる。
また、放熱板の穴部分の絶縁膜に開けられる、配線ピンを挿入するためのピン挿入穴は、ＮＣドリル等により高い位置精度で開けることができるため、配線ピンの立設位置精度を向上することができる。
そして、高い位置精度で立設した配線ピンに他の回路部材を接続することとなるため、配線ピンとパワー回路用基板及び他の回路部材との接続部に応力がかかることがなく、回路基板の耐久信頼性を向上させることができる。
【０００８】
また、請求項２においては、前記他の回路部材は、非発熱素子が実装され、パワー回路用基板と分離配置された制御回路用基板である。
これにより、パワー回路用基板と他の回路部材とを容易に積層状態で接続して立体配線構造をとることができ、省スペース化を図ることができる。
【０００９】
また、請求項３においては、前記放熱板の穴は該放熱板を貫通しており、前記他の回路部材は、パワー回路用基板における発熱素子実装面の反対側面に配置される。
これにより、放熱板の発熱素子実装面の反対側面における、無駄なスペースを有効利用することができて、パワー回路用基板の面積を小さくすることができる。そして、前記回路基板が用いられるパワーモジュール等の半導体装置を全体的に小型化することができ、省スペース化を図ることができる。
【００１０】
また、請求項４においては、前記絶縁膜は、絶縁樹脂部材の成型品を放熱板の穴に埋設するとともに、絶縁樹脂部材を放熱板面上に塗布又は貼付して形成される。
これにより、ペースト状又は液状の絶縁樹脂を、例えば貫通孔に形成された放熱板の穴へ充填する場合でも、絶縁樹脂の溢れや漏れが生じる恐れもなく、樹脂充填作業が行い易くなる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を添付の図面を用いて説明する。
図１は第一の実施形態における回路基板の全体構成を示す側面図、図２は同じく回路基板のパワー回路用基板を示す平面図、図３は第二の実施形態における回路基板を示す側面図、図４は貫通孔が形成された放熱板に対する絶縁膜の形成手順を示す図であって、（ａ）は貫通孔が形成された放熱板を示す図、（ｂ）は貫通孔に固形の樹脂プラグを埋め込んだ状態を示す図、（ｃ）は樹脂プラグを埋め込んだ後に放熱板の一側面にペースト状又は液状の絶縁樹脂を塗布又は貼り付けした状態を示す図、図５はパワー回路用基板と制御回路用基板とを上下に積層配置して構成した従来の回路基板の一例を示す側面図、図６はパワー回路用基板と制御回路用基板とを上下に積層配置して構成した従来の回路基板の他の例を示す側面図である。
【００１２】
まず、第一の実施形態について説明する。
図１に示す回路基板１は、インバータ用ＩＧＢＴモジュールなどのパワーモジュールに用いられる回路基板であり、発熱素子が実装されるパワー回路用基板１０とともに、非発熱素子が実装される制御回路用基板２０を他の回路部材として備えている。
【００１３】
図１、図２に示すパワー回路用基板１０は、上側面に穴１１ａが形成された放熱板１１と、該放熱板１１の穴１１ａに充填されるとともに、放熱板１１の上側面に形成される絶縁膜１２と、該絶縁膜１２上にパワー回路を形成する導電性配線１３と、該導電性配線１３上に実装されるＩＧＢＴ等のパワー素子１４とで構成されている。
なお、放熱板１１に形成される穴１１ａは、放熱板１１を貫通しない穴であると、放熱板１１を貫通する貫通孔であるとを問わない。また、パワー素子１４は、動作に伴い発熱する素子である。
【００１４】
放熱板１１は、パワー素子１４で発生した熱を効率良く放熱し、上面に形成される絶縁膜１２との密着を保持すること等が必要であるため、熱伝導率、剛性、及び線膨張率を考慮して材質を選定する必要があり、例えば、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅−モリブデン（Ｃｕ−Ｍｏ）、銅タングステン（Ｗ）、又はアルシック（ＡｌＳｉＣ）が用いられている。
【００１５】
絶縁膜１２は、放熱板１１に対する密着性や、放熱板１１に用いられる金属の熱膨張に耐え得るだけの延性を有していることが必要であり、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、又はシリコン樹脂が用いられる。
【００１６】
導電性配線１３は、実装されるパワー素子１４や絶縁膜１２との線膨張率を考慮する必要があり、パワー素子１４が実装される実装部１３ａには、素材として例えば銅−モリブデン（Ｃｕ−Ｍｏ）が用いられている。
一方、パワー素子１４が実装されない非実装部１３ｂには、パワー素子１４との線膨張率を考慮する必要がないので、例えば、銅−モリブデン（Ｃｕ−Ｍｏ）よりも安価な銅（Ｃｕ）が、素材として用いられている。
【００１７】
なお、導電性配線１３上に実装されるパワー素子１４はベアチップに構成され、はんだ付けにて実装されている。
また、図１における制御回路用基板２０は、基板２１に非発熱素子である制御用素子２２を実装して構成されている。
【００１８】
絶縁膜１２の穴１１ａへ充填された部分には、ピン挿入穴１２ｈが形成されており、該ピン挿入穴１２ｈには配線ピン３３の下端部３３ａを挿入して、該配線ピン３３をパワー回路用基板１０に対して立設している。
パワー回路用基板１０には複数の配線ピン３３が立設されており、各配線ピン３３の上部３３ｂは、それぞれ前記制御回路用基板２０と接続されている。
【００１９】
また、ピン挿入穴１２ｈに挿入される配線ピン３３の下端部３３ａは、パワー回路用基板１０の導電性配線１３と接続されており、パワー回路用基板１０と制御回路用基板２０とは配線ピン３３を介して電気的に接続されている。
なお、パワー回路用基板１０と制御回路用基板２０とを接続する配線ピン３３の数は、必要に応じて増減することが可能である。
【００２０】
このように構成される回路基板１のパワー回路用基板１０は、例えば次のように製造される。
まず、銅−モリブデン等の素材を鍛造にて板状に成型して、放熱板１１を形成する。この場合、鍛造型における、放熱板１１の穴１１ａが形成される部分に相当する箇所に、穴１１ａの形状に合わせた凸部を設けておき、鍛造型による放熱板１１の形成と同時に穴１１ａも形成するようにしている。
【００２１】
次に、放熱板１１に絶縁膜１２を形成する。絶縁膜の形成は、始めに、穴１１ａに液状又はペースト状の絶縁樹脂を充填し、その後、放熱板１１における穴１１ａが形成された側の全面に、同じく液状又はペースト状の絶縁樹脂を塗布する。絶縁樹脂の放熱板１１面への塗布は、例えばスクリーン印刷により行い、該絶縁樹脂は熱硬化性の樹脂を用いる。
【００２２】
絶縁樹脂の充填及び塗布が終了した放熱板１１の絶縁樹脂塗布面には、導電性配線１３が貼り付けられ、導電性配線１３を貼り付けた放熱板１１を、加熱して絶縁樹脂を硬化させる。
絶縁樹脂を硬化させた後、放熱板１１の穴１１ａの部分における導電性配線１３及び絶縁膜１２に、ピン挿入穴１２ｈを開ける。
【００２３】
そして、必要な寸法に切断した配線ピン３３の下端部３３ａをピン挿入穴１２ｈに挿入して、該配線ピン３３と配線ピン３３挿入部の導電性配線１３とを、はんだ付け接続する。
なお、絶縁膜１２に形成されるピン挿入穴１２ｈは、挿入した配線ピン３３が放熱板１１と接触しない深さに形成されており、該配線ピン３３と放熱板１１とは絶縁されている。
また、放熱板１１に形成される穴１１ａの径は、ピン挿入穴１２ｈの径よりも大きく構成されており、配線ピン３３の挿入位置を穴１１ａの径の範囲内で調節することが可能となっている。
【００２４】
このようにしてパワー回路用基板１０に立設された配線ピン３３の上部３３ｂに制御回路用基板２０を接続することで、該パワー回路用基板１０と制御回路用基板２０とを容易に積層状態で接続して立体配線構造をとることができ、省スペース化を図ることができる。
特に、パワー回路用基板１０と制御回路用基板２０との接続を、パワー回路用基板１０のピン挿入穴１２ｈに挿入して立設される配線ピン３３にて行っているので、平面方向に屈曲された基端部を導電性配線１３にはんだ付けすることで立設される端子台にてパワー回路用基板１０と制御回路用基板２０とを接続した場合に比べて、該パワー回路用基板１０の面積を小さくすることができ、回路基板１が用いられるパワーモジュールを全体的に小型化することができる。
【００２５】
また、前述の端子台をはんだ付けにて立設した場合は、はんだ付け時に位置ずれが生じて高い取付位置精度を得ることができないが、配線ピン３３を挿入するピン挿入穴１２ｈは、ＮＣ（ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  ｃｏｎｔｒｏｌ）ドリル等により高い位置精度で開けることができるため、配線ピン３３の立設位置精度も向上できる。
そして、パワー回路用基板１０へ高い位置精度で取り付けた配線ピン３３に制御回路用基板２０を接続した場合は、配線ピン３３とパワー回路用基板１０及び制御回路用基板２０との接続部に応力がかかることがなく、回路基板１の耐久信頼性を向上させることができる。
【００２６】
次に、第二の実施形態について説明する。
図３に示す回路基板５は、パワー回路用基板５０へ他の回路部材としてのコネクタ７０を接続するとともに、冷却器７２を取り付けて構成されている。
【００２７】
パワー回路用基板５０は、上下に貫通する貫通孔５１ａが形成された放熱板５１と、該放熱板５１の貫通孔５１ａに充填されるとともに、放熱板５１の上側面に形成される絶縁膜５２と、該絶縁膜５２上にパワー回路を形成する導電性配線５３と、放熱板５１の導電性配線５３上に実装される前記パワー素子１４とで構成されている。
【００２８】
放熱板５１、絶縁膜５２及び導電性配線５３は、それぞれ第一の実施形態における放熱板１１、絶縁膜１２及び導電性配線１３と同様の材質にて構成されており、導電性配線５３上には前記パワー素子１４がはんだ付けにて実装されている。
【００２９】
絶縁膜５２の貫通孔５１ａへ充填された部分には、ピン挿入孔５２ｈが形成されており、該ピン挿入孔５２ｈには配線ピン６３が挿入されている。配線ピン６３はピン挿入孔５２ｈを貫通しており、その下部６３ａは水平方向に屈曲されて、コネクタ７０と接続されている。また、配線ピン６３の上部６３ｂは、導電性配線５３とはんだ接続されている。
【００３０】
放熱板５１上に実装されているパワー素子１４は、作動時に発熱した熱を、放熱板５１を通じて放熱しているが、放熱板５１におけるパワー素子１４の実装面とは反対側の面に、放熱板５１からの放熱効率を高めて該放熱板５１を冷却するための冷却器７２が取り付けられている（図５では放熱板５１の上面にパワー素子１４が実装され、下面に冷却器７２が取り付けられている）。
【００３１】
下面に取り付けられる冷却器７２は、パワー素子１４の実装箇所に対応した位置（図３にてパワー素子１４の下方に相当する位置）に配置されており、前記コネクタ７０はパワー素子１４が実装されていない部分に配置されている。
つまり、発熱体であるパワー素子１４が実装されている部分の裏面には放熱を行うための冷却器７２の取り付けが必要であるが、パワー素子１４が実装されておらず導電性配線５３が形成されているだけの部分は、特に放熱を必要とせず冷却器７２も取り付けなくてよい。
【００３２】
従って、放熱板５１の下面側に取り付けられるコネクタ７０を、この冷却器７２を取り付ける必要がない部分に配置して、無駄なスペースを有効活用するようにしている。
これにより、回路基板５を全体的に小さく構成することが可能となり、省スペース化を図ることができる。
【００３３】
このように構成される回路基板５は、以下のように製造することができる。
まず、放熱板５１に貫通孔５１ａを形成し、ペースト状又は液状の絶縁樹脂をその貫通孔５１ａに充填するとともに、放熱板５１の一側面にスクリーン印刷等により塗布する。
貫通孔５１ａは、放熱板５１の形成後に開けても、放熱板５１の形成と同時に開けてもよい。
【００３４】
絶縁樹脂５２の充填及び塗布が終了した放熱板５１の絶縁樹脂塗布面に、導電性配線５３を貼り付け、導電性配線５３が貼り付けられた放熱板５１を、加熱して絶縁樹脂を硬化させる。
絶縁樹脂を硬化させた後、放熱板５１の貫通孔５１ａの部分における導電性配線５３及び絶縁膜５２に、ピン挿入孔５２ｈを開けて貫通させる。
【００３５】
そして、下部６３ａにコネクタ７０が接続された配線ピン６３を、放熱板５１の下面側からピン挿入孔１２ｈに挿入し、該配線ピン６３の上部６３ｂと、配線ピン６３を挿入した部分の導電性配線５３とを、はんだ付け接続する。
【００３６】
なお、ピン挿入孔５２ｈに挿入される配線ピン６３と放熱板５１とは接触しないように構成されており、該配線ピン６３と放熱板５１とは絶縁されている。
また、放熱板５１に形成される貫通孔５１ａの径は、ピン挿入孔５２ｈの径よりも大きく構成されており、配線ピン６３の挿入位置を貫通孔５１ａの径の範囲内で調節することが可能となっている。
【００３７】
このように、放熱板５１の貫通孔５１ａを通じて、上面側の導電性配線５３と下面側に配置されるコネクタ７０とを配線ピン６３にて接続する構造をとることで、放熱板５１をコネクタ７０等の回路部材を取り付けるための構造部材として利用することが可能となっている。
【００３８】
また、絶縁膜５２を形成する絶縁樹脂の貫通孔５１ａへの充填は、次のように行うこともできる。
即ち、図４（ａ）に示すように、放熱板５１に貫通孔５１ａを形成しておき、図４（ｂ）に示すように、その貫通孔５１ａに、予め絶縁樹脂により成型された固形の樹脂プラグ５２ｃを埋め込む。その後、放熱板５１の一側面にペースト状又は液状の絶縁樹脂を塗布又は貼り付けして、絶縁樹脂を加熱硬化させ、図４（ｃ）に示すように絶縁膜５２を形成する。
【００３９】
このように、固形の樹脂プラグ５２ｃ等の絶縁樹脂部材の成型品を貫通孔５１ａへ埋め込んで絶縁膜５２を形成することで、ペースト状又は液状の絶縁樹脂を貫通孔５１ａへ充填する場合のように、絶縁樹脂の溢れや漏れが生じる恐れもなく、樹脂充填作業が行い易くなる。
【００４０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、
パワー回路用基板と他の回路部材とを容易に積層状態で接続して立体配線構造をとることができる。また、放熱板の無駄なスペースを有効利用してパワー回路用基板の面積を小さくしてパワーモジュール等の半導体装置を全体的に小型化することができる。これにより、省スペース化を図ることができる。
さらに、配線ピンの立設位置精度を向上して、回路基板の耐久信頼性を向上させることができる。
また、放熱板の穴へ絶縁膜を充填する場合の、樹脂充填作業を行い易くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一の実施形態における回路基板の全体構成を示す側面図である。
【図２】同じく回路基板のパワー回路用基板を示す平面図である。
【図３】第二の実施形態における回路基板を示す側面図である。
【図４】貫通孔が形成された放熱板に対する絶縁膜の形成手順を示す図であって、（ａ）は貫通孔が形成された放熱板を示す図、（ｂ）は貫通孔に固形の樹脂プラグを埋め込んだ状態を示す図、（ｃ）は樹脂プラグを埋め込んだ後に放熱板の一側面にペースト状又は液状の絶縁樹脂を塗布又は貼り付けした状態を示す図である。
【図５】パワー回路用基板と制御回路用基板とを上下に積層配置して構成した従来の回路基板の一例を示す側面図である。
【図６】パワー回路用基板と制御回路用基板とを上下に積層配置して構成した従来の回路基板の他の例を示す側面図である。
【符号の説明】
１  回路基板
１０パワー回路用基板
１１  放熱板
１１ａ  穴
１２  絶縁膜
２０  制御回路用基板
３３  配線ピン
【図１】
2004281804.tif 000003
【図２】
2004281804.tif 000004
【図３】
2004281804.tif 000005
【図４】
2004281804.tif 000006
【図５】
2004281804.tif 000007
【図６】
2004281804.tif 000008