(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の配線パターン状に打ち抜いた金属板と、この金属板の少なくとも部品搭載部分を露出させた状態で一体成型された高熱伝導性の複合絶縁材料とを備え、前記複合絶縁材料における表面スキン層を除去した電子部品搭載用放熱基板。
【請求項２】
金属板の少なくとも部品搭載部分を露出させた部分の近傍側面にゲート部を設けた金型を用いて部品収納可能なキャビティを構成するように前記金属板の上下両面に複合絶縁材料を一体形成した請求項１に記載の電子部品搭載用放熱基板。
【請求項３】
金属板は所定の配線パターン状に打ち抜くとともに、部品搭載側に径の大きな傾斜を持つ穴を部品搭載部に設け、少なくとも部品搭載部分を露出させた状態で複合絶縁材料を一体形成した請求項１に記載の電子部品搭載用放熱基板。
【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回路や電源回路のように大電力を扱う電子回路モジュール等に用いられるパワー半導体及び各種電子部品等を搭載する電子部品搭載用放熱基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インバータ回路や電源回路のように大電力を扱う電子回路は機器の小型化にともないモジュール化が進んでいる。このパワー電子回路のモジュール化を達成するためには、高密度実装されたパワー半導体等の損失による発熱をいかに放熱するかが重要な課題である。従来この種の電子回路モジュールには、金属支持板上の表面に薄い絶縁体層を介して導体箔を張り合わせ、この導体箔をエッチングすることにより配線パターンを形成する基板（以下金属ベース基板と称す）が用いられ、これにパワー半導体および各種電子部品を搭載して回路を形成していた。
【０００３】
この従来の電子回路モジュールについて図８，図９により説明する。
【０００４】
図８及び図９は従来の金属ベース基板を用いた電子回路モジュールを示すものである。同図によると、９１は金属支持板、９２は絶縁体層、９３は導体箔、９４はパワー半導体を含む電子部品である。導体箔９３は金属支持板９１に絶縁体層９２を介して張り合わされている。この導体箔９３はエッチングにより配線パターン状に形成され、これに電子部品９４を搭載し回路を構成する。９５は外部接続端子であり電子部品９４と同様に搭載される。電子部品９４での発熱は絶縁体層９２を介して金属支持板９１に伝えられる。９６はパターンの配線抵抗を低減するためのバスバー、９７は放熱器であり金属支持板９１のみの放熱では不十分な場合に放熱を補うために用いるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の構成では、配線パターン形成をエッチングにより行うため、導体箔９３には３５μｍや７０μｍといった薄いものが用いられており、大電流が流れるようなパワー回路を構成する際にその配線抵抗が問題となる。このため電流の多く流れる部分にはバスバー９６を基板に実装している。
【０００６】
またこの金属ベース基板の放熱特性は金属支持板９１と導体箔９３の間に形成された絶縁体層９２により決定され、一般的にこの種の絶縁体層９２はエポキシ樹脂の塗布により形成しており、放熱特性を良くするために薄く成形されている。このため絶縁特性が高くできないことや、導体箔９３と金属支持板９１との間に発生する分布容量が大きくなるために、回路の高周波化を阻害したり、金属支持板９１を介してノイズが伝搬し易いといった課題があった。
【０００７】
さらに、モジュールを構成する場合の外部接続端子９５は別パーツで基板に実装する必要があり、複数の外部接続端子９５の位置決めが難しいといった問題も有していた。
【０００８】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、放熱基板の重要な特性である放熱特性と絶縁特性の両方を改善すると同時に大電力の電子回路を構成する上で重要となる配線抵抗の低減やノイズの原因となる配線パターンの分布容量の低減を達成し、外部接続端子なども一体化できる立体構造の可能な放熱基板であって、しかも容易に実現することのできる電子部品搭載用放熱基板を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、所定の配線パターン状に打ち抜いた金属板と、この金属板の少なくとも部品搭載部分を露出させた状態で一体成型された高熱伝導性の複合絶縁材料とを備え、前記複合絶縁材料における表面スキン層を除去して構成するものである。
【００１０】
この構成により、配線パターンは金属板であるために当然のことながら配線抵抗は低く、大電流回路に適している。またこの基板に実装された部品の発熱は一旦金属板により熱拡散された後、高熱伝導性の複合絶縁材料により放熱されるため放熱性が良好であり、また、高熱伝導性の複合絶縁材料で構成されるため絶縁層は厚くできるので絶縁性が向上し、パターン間の分布容量も低減が可能となる。そして金属板は打ち抜き加工法を用い、これに高熱伝導性の複合絶縁材料を一体成形するので容易に実施可能であり、従来の放熱基板では困難である立体的な構造も可能となるものである。さらに、成形体表面の樹脂分がリッチなスキン層を除去することにより、放熱特性を向上させるものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、所定の配線パターン状に打ち抜いた金属板と高熱伝導性の複合絶縁材料とにより構成され、前記高熱伝導性の複合絶縁材料は前記金属板をこの金属板の少なくとも部品搭載部分を露出させた状態で一体形成したことにより、前記金属板によって熱拡散した後、高熱伝導性の絶縁材料によって放熱されるため、放熱性が良好となるとともに前記配線パターンの分布容量も低減できるものである。さらに、複合絶縁材料における表面スキン層を除去することにより、放熱特性を向上させることができる。
【００１２】
本発明の請求項２に記載の発明は、金属板の少なくとも部品搭載部分を露出させた部分の近傍側面にゲート部を設けた金型を用いて部品収納可能なキャビティを構成するように前記金属板の上下両面に複合絶縁材料を一体成形したもので、請求項１に記載の金属板部品搭載部分の底面における複合絶縁材料の流動特性を制御して放熱特性を阻害する空気層形成を防止して複合絶縁材料と金属板の密着性を高めることを容易とするものである。
【００１３】
本発明の請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の金属板の部品搭載部に厚さ方向に傾斜を持つ穴を設け、一体成形時に複合絶縁材料が穴に楔状に食い込み複合絶縁材料と金属板の密着性をより強固にできるものである。
【００１４】
以下、本発明の一実施の形態について、図１〜図７により説明する。
【００１５】
図１，図２は第１の実施の形態の電子部品搭載用放熱基板を示す図であり、図１は斜視図、図２は側断面図である。図１において、１は配線パターン状に打ち抜いた金属板で、金属板１としては熱伝導率及び導電率の良好な銅板が望ましく、配線パターン状に打ち抜き加工する手段としてはプレス機を用いることにより容易に実現できる。
【００１６】
２は高熱伝導性の複合絶縁材料で、これは射出成形やトランスファ成形により金属板１のインサート成形ができる材料であり、ベースの樹脂材料として電子部品の半田付けが可能なように高耐熱性を有する熱硬化性のエポキシ樹脂あるいは、熱可塑性のポリフェニレンサルファイド、液晶ポリマー、ポリスチレン、ナイロンのいずれかあるいはこれらの混合物を用い、このベース樹脂材料に絶縁性と高熱伝導率を有する酸化アルミ、窒化アルミ、酸化マグネシウム、窒化ボロン、酸化亜鉛、シリカ、チタニア、スピネル等のいずれかあるいはこれらの中より選択された混合物をチタニウム、シランなどのカップリング剤で表面処理した粉体フィラーとガラスやウィスカーなどの繊維状のフィラーとを主体とする充填剤を混練して熱伝導性と強度を高めた複合絶縁材料である。
【００１７】
３は放熱基板に搭載された電子部品、４は電子部品３を電気的に接続するための金属板１の露出部、５は電子部品３を搭載するためのキャビティ、６は金属板１を用いた端子部である。
【００１８】
図２において、７は放熱基板のみでは放熱が十分でない時に用いる外付けの放熱器である。このような高熱伝導性の複合絶縁材料２により配線パターン状に打ち抜いた金属板１を電子部品３の搭載部分を露出させた状態で一体成形している。
【００１９】
以上のように構成された電子部品搭載用放熱基板は配線パターンが打ち抜き加工された金属板１であるため配線抵抗が低く、実装された電子部品３の発熱は配線パターン状に打ち抜いた金属板１により熱拡散された後、高熱伝導性の複合絶縁材料２によって放熱されるため放熱特性が優れている。また外付けの放熱器７を用いる場合においても絶縁層が厚いため絶縁特性は良好であり、パターン間の分布容量も低減が可能となる。さらに金属板１の部品実装部分を露出させ、高熱伝導性の複合絶縁材料２により搭載用のキャビティ５を構成することにより部品の位置決めが容易となるとともに、半田ブリッジの防止用のレジストが不要となる。
【００２０】
また、金属板１は高熱伝導性の複合絶縁材料２によりモールドされるため密着度が向上するとともに、金属板１の両側に高熱伝導性の複合絶縁材料２が配置されるので成形後の樹脂の収縮に伴う基板のソリが低減されるといった基板構成上の利点を有するものである。さらに従来の基板表面に形成された配線パターンはパターン間の絶縁確保のため、所定の沿面距離を確保する必要があったが、本構成によれば配線パターンは高熱伝導性の複合絶縁材料２に埋め込まれるのでパターン間隔を狭めることも可能となる。
【００２１】
なお、金属板１としての銅板の厚みは熱拡散効果と端子を構成したときの強度を考慮すると０．５mm以上が望ましく、プレス機を用いて金型によりパターン形成する場合の加工性を考慮すると１．０mm以下が望ましい。また銅板の部品実装面は鍍金することにより半田付け性を良好とすることができ、底面を黒化処理やブラスト処理により表面を荒らすことで金属板１と高熱伝導性の複合絶縁材料２との密着性は改善される。
【００２２】
図３，図４，図５，図６，図７に第１の実施の形態に改善を行った例を示す。図３は放熱基板の部品搭載部分の近傍側面にゲート部を設けた金型を用いた電子部品搭載用放熱基板の製造方法例を示す。図３において、１は配線パターン状に打ち抜いた金属板、１１は第１の金型、１２は第２の金型、１３は第１の金型１１及び第２の金型１２に設けたキャビティ、１４は第１の金型１１に設けた金属板１を固定するための突起部、１５は第２の金型１２に設けた金属板１を固定するための突起部、１６は突起部１５の先端部に設けた切り欠き部、１７は突起部１５が第２の金型１２より突出した状態を保持するためのバネであり、１８は第２の金型１２に設けたゲート部である。図４において２はキャビティ１３に流し込んだ高熱伝導性の複合絶縁材料である。
【００２３】
以上のように構成された金型を用いての一体成形方法について具体的に説明する。金属板１は第１の金型１１に設けられた突起部１４と第２の金型１２に設けられた突起部１５によりキャビティ１３内で保持される。この状態でキャビティ１３に溶融した高熱伝導性の複合絶縁材料２を流し込むことにより金属板１と高熱伝導性の複合絶縁材料２の一体成形が達成される。ここで突起部１４を部品収納可能な形状とすることにより金属板１の一部を露出させかつ高熱伝導性の複合絶縁材料２の成形体に部品収納可能なキャビティ１３を構成できる。また突起部１５はその先端部に設けた切り欠き部１６に溶融した高熱伝導性の複合絶縁材料２がキャビティ１３内に充填完了した後圧力が加わり押し下げられる。これにより金属板１には突起部１５の移動量に応じた厚みの高熱伝導性の複合絶縁材料２が配置されるので金属板１はこの面で露出しない。
【００２４】
なお、突起部１５は外部より機械的にスライドさせることも可能でありこの時切り欠き部１６は不要となる。
【００２５】
この時、部品搭載部分の近傍側面にゲート部を配置することが重要で、部品搭載部分の底部からずらした位置から複合絶縁材料２を流し込んで成形することにより放熱基板の部品搭載部分下部における複合絶縁材料の流動特性を制御して放熱特性を阻害する空気層形成を防止して複合絶縁材料２と金属板１の密着性を高めることを容易に達成可能である。逆に、部品搭載部分の真下にゲート部を設けると複合絶縁材料成形体が下部のみに形成される部品搭載部分の真下は、成形サイクルにおいてゲートシールされた後ゲート部を中心として不均一な収縮が生じるため、金属板１と複合絶縁材料２の間に空気層が形成されて大幅に熱伝導特性が損なわれる。
【００２６】
図５は金属板１の部品搭載部に部品搭載側の径が大きな傾斜を持つ穴を設けた例を示す。金属板１の部品搭載部になる露出部４には部品搭載側の径が大きな傾斜を持つ穴８が設けられており、その径は部品搭載側に大きく一体成形される複合絶縁材料２側に小となっている。図６に示すように複合絶縁材料２は部品搭載部分の金属板１の部品搭載部底側と穴８に射出成形されるが、穴８の直径が金属板１の厚さ方向に傾斜を持つため楔効果により強固に一体化する。このような穴８により複合絶縁材料２と部品搭載部分の金属板１の密着性をより高めることを容易に行うことができる。
【００２７】
図７は成形された放熱基板複合絶縁材料の表面状態を示す拡大断面図である。上部は顕微鏡観察用にラッピングするためにモールドしたエポキシ樹脂１９であり、下部が複合絶縁材料２であるが、粒状の物が高熱伝導性粉体フィラー２０である。粒状の高熱伝導性粉体フィラー２０と母材樹脂２１を主成分とした混合物を均一組成になるように混練した後成形した板形状であるが、その厚さ方向で複合状態が異なり、表面層は母材樹脂２１がリッチないわゆるスキン層２２の形成が認められる。計測の結果スキン層２２は約１０ミクロンである。
【００２８】
このスキン層２２は母材樹脂２１の比率が高い分熱抵抗が高く放熱特性を低下させている部分であるが、このスキン層２２を研削手段などにより除去することにより高熱伝導性粉体フィラー２０が所定の高割合に複合された層が露出して直接的に放熱が行われ、放熱特性が改善される。
【００２９】
金属板１の裏面に高熱伝導性の複合絶縁材料２により形成される絶縁層はその絶縁特性及び樹脂強度より０．４mm以上が望ましい。しかし金属板１の全ての裏面を０．４mmとした場合充填剤の添加によって粘度の高くなった高熱伝導性の複合絶縁材料２を充填させることが困難であると同時に基板強度が弱くなる。また前記絶縁層を厚くすると放熱特性が悪化するため極力薄くしたいといった相反の課題を有している。絶縁層厚みの最小値は０．４mmから０．６mmの間に設定すれば絶縁特性、成形性に問題なく、これ以上では放熱特性が劣化するだけであるが、図７は絶縁層厚みを０．５mmに設定した時のものである。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように本発明の電子部品搭載用放熱基板は金属板を所定の配線パターン状に打ち抜き、この金属板を高熱伝導性の複合絶縁材料により少なくとも部品搭載部分を露出させた状態で一体成形して構成しているために、配線パターンは金属板であるために当然のことながら配線抵抗は低く大電流回路に適している。
【００３１】
また、この基板に実装された電子部品の発熱は一旦金属板により熱拡散された後、高熱伝導性の複合絶縁材料により放熱されるため放熱性が良好であり、この基板に外付けの放熱器を取り付ける場合においても前記発熱部品と放熱器の間の熱抵抗は低い。前記高熱伝導性の複合絶縁材料で構成される絶縁層は厚くできるので絶縁性が向上し、パターン間の分布容量も低減が可能となる。さらに金属板は打ち抜き加工を用いこれに高熱伝導性の複合絶縁材料を一体成形するので容易に実施可能であり、従来の放熱基板では困難である立体的な構造も可能となるものである。更に、ゲート位置の最適化とテーパー形状の穴加工を施して金属板と高熱伝導性の複合絶縁材料の密着性をより完全にし、又、母材樹脂の比率が高く放熱特性を低下させている成形体の表面層を除去する事で放熱性が飛躍的に改善されるものである。その上、複合絶縁材料における表面スキン層を除去することにより、放熱特性を向上させることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施の形態の電子部品搭載用放熱基板の斜視図
【図２】  同側断面図
【図３】  本発明の他の実施の形態の電子部品搭載用放熱基板の製造方法を示す側断面図
【図４】  本発明の上記実施の製造方法を示す側断面図
【図５】  本発明の実施の形態の要部金属板の斜視図
【図６】  同複合絶縁材料の充填時の図５Ａ−Ｂ部成形状態の側断面図
【図７】  同複合絶縁材料の成形表面状態を示す拡大断面図
【図８】  従来の電子部品搭載用放熱基板の斜視図
【図９】  同側断面図
【符号の説明】
１  金属板
２  複合絶縁材料
３  電子部品
４  露出部
５  キャビティ
６  端子部
７  放熱器
８  穴
１１  第１の金型
１２  第２の金型
１３  キャビティ
１４  突起部
１５  突起部
１６  切り欠き部
１７  バネ
１８  ゲート部
【図１】
0003906510.tif 000002
【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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【図８】
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【図９】
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