(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の面に電子部品を装着するための回路パターンを有する回路基板を準備し、該回路基板の他方の面に流路パターンをスクリーン印刷により形成し、前記回路基板に接合される板部材を準備し、前記流路パターンを介して前記回路基板及び前記板部材を重ねて固相接合又は溶融接合して、前記流路パターンによって、前記回路基板と前記板部材との間に冷却液を循環させる微細流路部を形成することを特徴とする冷却装置付き回路基板の製造方法。
【請求項２】
一方の面に電子部品を装着するための回路パターンを有する回路基板を準備し、該回路基板の他方の面に第一の流路パターンをスクリーン印刷により形成し、前記回路基板に接合される板部材を準備し、該板部材に、前記第一の流路パターンに鏡像対称な第二の流路パターンをスクリーン印刷により形成し、前記各流路パターンを合わせた状態で、前記各流路パターンを介して前記回路基板及び前記板部材を重ねて固相接合又は溶融接合して、前記流路パターンによって、前記回路基板と前記板部材との間に冷却液を循環させる微細流路部を形成することを特徴とする冷却装置付き回路基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度上昇する基板を放熱する液冷式の冷却装置付き回路基板及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、回路基板を放熱するための液冷式の冷却装置として、例えば特許文献１に示すものがある。図４は、従来の冷却装置を有する回路基板の説明図である。図４の如く、この冷却装置を有する回路基板は、コルゲートフィン型ヒートシンク等の水冷モジュール１００に、熱伝導性グリース１０１を介して放熱ベース板１０２を載置し、この上にはんだ１０３で回路基板１０４及び半導体チップ等の電子部品１０５を接合し、ビス等の連結手段で固定している。
又、水冷モジュールと回路基板の熱膨張係数が近い場合や、回路基板が小さくて熱膨張差によるストレスを無視できる場合には、はんだ等によるろう付けにより接合して熱伝導性を良くしている。
【０００３】
近年では、電子部品が小型化し、特にＣＰＵチップ実装基板やパワーデバイス実装基板等のパワーモジュール基板分野において、単位面積当りに要求される放熱量は非常に大きい。
しかし、前記したように、従来の構造では、水冷モジュール、熱伝導グリース、接合用ろう材等が用いられるので、冷却水の接する水冷熱伝達面までの熱抵抗が大きく冷却性能の向上が難しいという欠点があった。
【特許文献１】特開２００２−１８５１７５号公報、図２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、前記した諸事情に鑑み、パワーモジュールの回路基板等に対して放熱量が非常に大きく、製造が容易な冷却装置付き回路基板及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
前記の課題を解決するため、本発明に係る冷却装置付き回路基板は、一方の面に電子部品を装着するための回路パターンを有する回路基板と、この回路基板の他方の面に形成された流路パターンと、この流路パターンを介して回路基板の他方の面側に重ね合わせた板部材とからなり、流路パターンによって形成された微細流路部を通じて冷却液を循環させる。
【０００６】
又、本発明に係る冷却装置付き回路基板は、一方の面に電子部品を装着するための回路パターンを有する一対の回路基板を備え、各回路基板の他方の面に形成された流路パターンを介して各回路基板を重ね合わせてなり、流路パターンによって形成された微細流路部を通じて冷却液を循環させる。
【０００７】
好ましくは、前記流路パターンが、複数のピン部からなる微細フィン構造である。
【０００８】
そして、本発明に係る冷却装置付き回路基板の製造方法は、一方の面に電子部品を装着するための回路パターンを有する回路基板を準備し、この回路基板の他方の面に流路パターンをスクリーン印刷により形成し、回路基板に接合される板部材を準備し、流路パターンを介して回路基板及び板部材を重ねて固相接合又は溶融接合して、流路パターンによって、回路基板と板部材との間に冷却液を循環させる微細流路部を形成する。
【０００９】
又、本発明に係る冷却装置付き回路基板の製造方法は、一方の面に電子部品を装着するための回路パターンを有する回路基板を準備し、この回路基板の他方の面に第一の流路パターンをスクリーン印刷により形成し、回路基板に接合される板部材を準備し、この板部材に、第一の流路パターンに鏡像対称な第二の流路パターンをスクリーン印刷により形成し、各流路パターンを合わせた状態で、各流路パターンを介して回路基板及び板部材を重ねて固相接合又は溶融接合して、流路パターンによって、回路基板と板部材との間に冷却液を循環させる微細流路部を形成する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る冷却装置付き回路基板は、前記したように構成されており、熱伝導グリースやろう材等を介さないので、発熱源となる電子部品から水冷熱伝達面までの熱抵抗が非常に小さく、冷却液が直接回路基板を冷却するため、電子部品の温度上昇を大きく減少させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面に基づいて、本発明に係る冷却装置付き回路基板及びその製造方法について詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本発明に係る冷却装置付き回路基板を示し、（ａ）が平面図、（ｂ）が側面図、（ｃ）が（ｂ）のＩ−Ｉ線断面図である。図２は、冷却装置付き回路基板の製造方法を説明するための図である。図３は、実験評価を説明するための図である。
【００１３】
図１に示すように、冷却装置付き回路基板は、一対の回路基板１，２を備えている。各回路基板１，２は、エポキシ樹脂、ベークライト、セラミック等を材料としたものでも良いが、高熱伝導性のアルミナ基板又は窒化アルミニウム基板が好ましい。各回路基板１，２は、一方の面に、電子部品を装着するための回路パターン１１，１２が銅厚膜電極材料又はアルミ厚膜材料で形成されている。
【００１４】
各回路基板１，２は、他方の面に流路パターン３が形成されており、この流路パターン３を介して重ね合わされている。流路パターン３は、回路パターン１１，１２と同様に銅厚膜電極材料又はアルミ厚膜電極材料で形成されている。そして、この冷却装置付き回路基板の厚さは、約１．８ｍｍである。図１（ａ）の如く、流路パターン３は、各回路基板１，２の周囲に形成された周囲部３’と、この周囲部３’の内側に形成され、等間隔に複数個配されたピン部３’’とにより構成されている。本実施例では、ピン部３’’は、径が約０．３ｍｍ、ピッチが約０．６ｍｍ、高さが約０．５ｍｍである。又、この流路パターン３は、平行フィン構造等でも良い。
【００１５】
流路パターン３は所定の厚さを有しているので、周囲部３’と複数のピン部３’’との間に形成された空間部によって、冷却液６を通じるための微細流路部３ａが形成される。そして、この微細流路部３に冷却液ジョイント４，５が接続されており、冷却液６が、冷却液ジョイント４から導入して、微細流路部３ａを通じて回路基板１，２（電子部品）を冷却し、冷却液ジョイント５から排出して循環するように構成されている。即ち、周囲部３’で、冷却液６を回路基板１，２内に塞ぎ、主に各ピン部３’’の表面から回路基板１，２を放熱する。
【００１６】
本実施例の冷却装置付き回路基板は、双方の回路基板１，２の一方の面に、電子部品を装着するための回路パターン１１，１２を有しているが、いずれかの回路基板、例えば回路基板１にのみ回路パターン１１を有し、他方の回路基板２は回路パターン１２を有しない、アルミナ製等の板部材であっても良い。
【００１７】
次に、前記した冷却装置付き回路基板の製造方法について説明する。先ず、図２（ａ）に示すように、略同じ大きさの一対の回路基板１，２を準備する。そして、図２（ｂ）の如く、スクリーン印刷を用いて、各回路基板１，２の一方の面１ａ，２ａに回路パターン１１，１２を形成する。更に、回路基板１の他方の面１ｂに、スクリーン印刷により第一の流路パターン３０を形成し、回路基板２の他方の面２ｂに、第一の流路パターン３０に鏡像対称な第二の流路パターン３１をスクリーン印刷で形成する。
【００１８】
その後、高温焼成することにより、各パターン１１，１２，３０，３１を基板１，２上に固着させる。パターン材料が銅の場合は８００乃至１０００℃、アルミの場合は５５０乃至７００℃の窒素中で焼成する。第一及び第二の流路パターン３０，３１は、複数回の印刷と焼成を繰り返して、微細流路部としての所定の高さを確保し、アスペクト比を高めた流路断面を形成する。
【００１９】
そして、第一及び第二の流路パターン３０，３１を、それぞれが同位置になるように合わせた状態で、各回路基板１，２を重ねて焼成する。これにより、図２（ｃ）の如く、第一及び第二の流路パターン３０，３１が固相接合又は溶融接合されて一体成形され、各回路基板１，２の間に所定厚の流路パターン３が形成される。
第一及び第二の流路パターン３０，３１は鏡像対称に形成しなくても良く、又、各回路基板１，２のいずれかの他方の面１ｂ，２ｂにのみ形成しても良い。一方の回路基板に流路パターンを焼成接着させ、この流路パターンに、他方の回路基板を押し付けて再焼成して一体化することもできる。
そして、重ねて焼成する流路パターン３はスクリーン印刷を用いて形成できるので、流路設計の自由度が高く、又金型も不要であるので、試作品の製造や設計変更を廉価にすることができる。更に、スクリーン印刷により流路パターン３を微細化できるので、微細流路部による放熱面積を増大させ、熱伝達の効率化を図り得る。
【００２０】
その後、図２（ｄ）に示すように、各回路基板１，２の回路パターン１１，１２に、半導体チップやトランジスタ等の電子部品２１，２２を実装し、ワイヤーボンディングにより電子部品２１，２２と回路パターン１１，１２とをワイヤ１３で電気的に導通させる。そして、図２（ｅ）の如く、各回路基板１，２からリード１５を引き出し、モールド樹脂１４により封止した後、冷却液ジョイント４，５をシール材で挿入結合する。これにより、本発明の冷却装置付き回路基板を用いた、混成集積回路が製造される。
【００２１】
次に、冷却装置付き回路基板の実験評価について説明する。図３の如く、各回路基板１，２に、それぞれ一つずつ半導体チップ２１，２２を設けて、評価実験を行った。各回路基板１，２は、縦３．０ｃｍ、横５．０ｃｍ、高さ１．８ｍｍである。又、半導体チップ２１，２２の消費電力Ｑは、２００［Ｗ］×２チップ＝４００［Ｗ］である。このとき、冷却液ジョイント４から導入される冷却水温度Ｔａが約３０℃、冷却液ジョイント５から排出される冷却水温度Ｔｂが約５２℃、半導体チップ２１，２２のジャンクション温度Ｔｊが７１℃であった。
これより、半導体チップ一つ当りの、供給冷却水温度Ｔａを基準にした半導体チップ２１の熱抵抗θは、（Ｔｊ−Ｔａ）／Ｑ＝（７１−３０）／２００＝約０．２［℃／Ｗ］となる。
【００２２】
上記結果は、該基板で４００Ｗの損失を許容できることを示している。このときの許容電力を単位面積あたりの発熱密度に換算すると、４００［Ｗ］（総電力）÷１５［ｃｍ２］（基板面積）から発熱密度は２７［Ｗ／ｃｍ２］に相当し、極めて高い性能であることを実証する。
そして、同じ面積の回路基板を対象として、熱伝導グリース等を用いた従来構造の水冷モジュールと、本発明に係る冷却装置付き回路基板とを比較した場合、本発明の回路に装着された半導体デバイスの温度上昇は、従来構造のそれに比べて、約３０乃至７０％に減ずることができた。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る冷却装置付き回路基板を示し、（ａ）が平面図、（ｂ）が側面図、（ｃ）が（ｂ）のＩ−Ｉ線断面図である。
【図２】冷却装置付き回路基板の製造方法を説明するための図である。
【図３】実験評価を説明するための図である。
【図４】従来の冷却装置を有する回路基板の説明図である。
【符号の説明】
【００２４】
１  回路基板
２  回路基板（板部材）
１ａ，２ａ  回路基板（板部材）の一方の面
１ｂ，２ｂ  回路基板（板部材）の他方の面
３  流路パターン
３’’  流路パターンのピン部
３ａ  微細流路部
４，５  冷却ジョイント
６  冷却液
１１，１２  回路パターン
１４  封止樹脂
１５  引き出しリード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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