JP3804861B2 - 電気装置および配線基板 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放熱性に優れた電気装置およびそれに適した配線基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電流の高低を問わず半導体素子等を実装した制御装置や電子機器、さらには電源装置等の各種電気機器など、使用中に発熱して配線基板上に搭載された各素子等が高温となる電気装置が多い。配線基板上に実装した素子等が許容範囲を超えて高温になると、誤作動や破損の原因となるため、生じた熱を適切に放熱することが必要となる。
【０００３】
そのため例えば、半導体素子を配線基板に表面実装する場合、配線基板上の半導体素子の周囲に十分な放熱面積を確保することが求められる。しかし、半導体素子の実装密度を高めて制御装置等の小型化を図る場合、仕様（または規格）通りの放熱面積を配線層上に確保することは難しい。そこで、例えば、特開平７−７９０５３号公報には、パワー素子（半導体素子の一種）が表面実装される配線基板の内部へも多くの熱移動が生じるようにして、パワー素子の放熱性を改善した電気装置が提案されている。具体的には、配線基板の内部に、パワー素子に接するように高熱伝導性材料を充填配設し、パワー素子から配線基板内部への熱移動性を改良している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記公報に開示された電気装置の場合、単に、配線基板の片面側からその中央付近まで高熱伝導材料を設けているだけである。このため、パワー素子で生じた熱の内部（上記公報では「支持板」）への熱移動性は優れるとしても、それ以降の放熱経路が不十分であり、パワー素子の放熱性が十分に達成されるとは限らない。さらに、その公報の場合、配線基板の片側に大きな空所を別途形成し、そこに高熱伝導性材料を充填している。また、それに伴ってその周囲も複雑な構造としている。このため、配線基板の生産コストの上昇も生じてしまう。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、比較的簡易で放熱性に優れた電気装置およびそれに適した配線基板を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究し、試行錯誤を重ねた結果、配線基板の実装面からその反対面への熱移動を従来よりも積極的に行わせることを思いつき、これを発展させて本発明を完成させるに至ったものである。
（電気装置）
すなわち、本発明の電気装置は、発熱源である発熱体と、基材と該基材の一面側に設けられ前記発熱体が表面実装されると共に該発熱体から受熱する受熱配線層と該受熱配線層から少なくとも該基材を挟んで該受熱配線層の反対側にある放熱面までを接続し該基材よりも熱伝導性に優れた熱伝導連結体とを有する配線基板と、該受熱配線層から該熱伝導連結体を経由して該放熱面に到達した熱を放熱する放熱部材とを備え、前記配線基板は、前記発熱体が前記受熱配線層に接合される接合領域の内部および／または外周囲に該接合領域外への熱拡散を抑制する熱拡散抑制手段を有し、該熱拡散抑制手段は、該受熱配線層に、熱流路となるサーマルランドが離散的に形成されたサーマルパターンからなることを特徴とする（請求項１）。
【０００７】
本発明の電気装置では、配線基板の受熱配線層とその裏面側に当る放熱面とが、その中間に位置する基材よりも高熱伝導性の熱伝導連結体によって熱的に接続される。このため、従来よりも、受熱配線層から放熱面へ、その熱伝導連結体を通じて熱が流れ易くなった。そして、受熱配線層に表面実装された発熱体からの放熱が、その受熱配線層のみならず、その裏面側からも効率的に行えるようになった。
このような発熱体の放熱経路が形成された結果、例えば従来、発熱体の放熱性確保のために要求されていた受熱配線層上の放熱面積を、より小さくすることも可能となった。このことは、電気装置の小型化や配線の自由度向上等をもたらす。
【０００８】
（配線基板）
本発明は、上記電気装置としてのみならず、配線基板単体としても把握できる。
すなわち、本発明は、基材と、該基材の一面側に設けられ発熱体を表面実装すると共に該発熱体から受熱する受熱配線層と、該受熱配線層から少なくとも該基材を挟んで該受熱配線層の反対側にある放熱面までを接続し該基材よりも熱伝導性に優れた熱伝導連結体とを少なくとも有してなり、該受熱配線層から該熱伝導連結体を経由し放熱面へ至る熱流路が形成されていると共に、さらに、前記発熱体が前記受熱配線層に接合される接合領域の内部および／または外周囲に該接合領域外への熱拡散を抑制する熱拡散抑制手段を有し、該熱拡散抑制手段は、該受熱配線層に、熱流路となるサーマルランドが離散的に形成されたサーマルパターンからなることを特徴とする配線基板としても良い（請求項７）。
【０００９】
ところで、本発明の電気装置は、強電用装置、弱電用装置（電子装置）のいずれもでも良い。発熱体もその種類を問わず、各種半導体素子や抵抗等の他、コイル、トランス等、受熱配線層の表面に直接接触し、そこへ熱を伝達するものであれば良い。本発明でいう「表面実装」とはこれを意味し、発熱体の端子等が受熱配線層へ直接的に接合されている場合には限らない。
本発明でいう配線基板の種類、特に、基材の材質等は種々のものがある。もっとも、熱伝導連結体を設けているため、基材がガラスエポキシ樹脂製等の低熱伝導性の材質からなる場合であっても、配線基板の両面間で十分な熱伝導性が確保される。勿論、配線基板は、基材が金属製の金属ベース基板でも、ＳｉＣやＡｌＮ等の高熱伝導性セラミックスからなるセラミックス基板でも良い。
【００１０】
本発明では、配線基板の放熱面側の形態を問わない。例えば、両面銅張り基板等のように、放熱面に配線層が設けられていても良い。このとき、前記放熱部材は、配線基板の放熱面に設けられた放熱配線層となる（請求項４）。このとき例えば、発熱体の放熱に必要な放熱面積は、受熱配線層上のみならず、放熱配線層によっても確保されることになる。このとき、この放熱配線層や受熱配線層が、グランドパターン（ＧＮＤ配線）である好適である（請求項５）。グランドパターンなら、発熱体からの伝熱によって配線層が高温となっても、雑音の発生等を抑制できるからである。
勿論、放熱部材が、配線基板の放熱面側に設けられた配線層である必要はない。放熱部材が、放熱板等のヒートシンクでも良いし、筐体の壁面等でも良い。また、放熱面と放熱部材との間には適宜、熱伝導性に優れたシリコングリス等が介在していても良い。
【００１１】
本発明では、配線基板の受熱面側と放熱面側とを熱的に接続するものである限り、熱伝導連結体の形態も問わない。その熱伝導連結体も配線基板の構成要素ではあるが、配線基板と一体となっている必要もなく、配線基板と物理的に分離された他部材からなっていても良い。また、その取回しも特に限定はされない。もっとも、小型化、省スペース化、低コスト化等を図る観点から、熱伝導連結体は、前記基材中を貫通しこの基材よりも熱伝導性に優れた高熱伝導材で充填されたスルーホールであると好適である（請求項２）。このスルーホールは配線基板に形成された単なる貫通孔ではなく、そこにハンダ等の基材よりも熱伝導性に優れた高熱伝導材（金属等）が充填されたものである。
【００１２】
このスルーホールの配置や配設数等は、配線パターン、発熱体の形態、発熱量等に応じて決定されると良い。もっとも、このスルーホールは、発熱体が受熱配線層に接合される接合領域の内部および／または外周囲に配設されていると好ましい（請求項３）。いずれにしても発熱体の近傍にそのスルーホールを設けることで、発熱体の発熱を受熱配線層から放熱面へ効率的に伝熱させ得る。しかも、そのスルーホールが複数配設されていると一層効率的である。
【００１３】
ところで、発熱体の接合領域やその近傍から外部への熱の散逸は、放熱性という観点からは非常に好ましいが、ハンダ等による発熱体と受熱配線層との接合性という観点からすると必ずしも好ましくない。ハンダ等の溶融に多くの加熱や時間を要するからである。
そこで、前述した放熱性の確保と併せて、前記配線基板は、発熱体が受熱配線層に接合される接合領域の内部および／または外周囲にこの接合領域外への熱拡散を抑制する熱拡散抑制手段を有すると好適である（請求項１、７参照）。
【００１４】
この熱拡散抑制手段は、より具体的にいうと、受熱配線層に、熱流路となるサーマルランドが離散的に形成されたサーマルパターンとして構成される（請求項１、７参照）。
接合時に加えた熱は主に受熱配線層上に拡散され易い。そこで、この受熱配線層上に熱流を絞る適当な堰を設けると、接合領域からの熱の散逸が抑制され、受熱配線層と発熱体との接合性が確保される。この堰は、上記サーマルランド間の谷間（配線層の無い部分）となる。逆に、発熱体の使用時の熱拡散や放熱は、そのサーマルランドからなされる。接合領域からの熱の散逸や拡散をどの程度絞るか等は、発熱体の使用時における放熱性を考慮しつつ、そのサーマルランド幅や長さ等の調整により行える。
【００１５】
さらに、発熱体の放熱性と接合性とを高次元で両立させるために、前記スルーホールをそのサーマルランドの近傍に配設すると良い（請求項６、９）。
サーマルランド部では、受熱配線層上の他の部分に比べて多くの熱が通過する。このサーマルランドの近傍にスルーホールを設けることで、受熱配線層から放熱面へ至る熱流がより効率的に形成され易くなる。その一方で、サーマルパターンの存在により、熱が接合領域から均一に拡散することがないため、接合時のみを観れば一時的な熱溜りがその接合領域に形成される。従って、ハンダ等の溶融も確保されて、発熱体と受熱配線層との接合性も良好となる。
【００１６】
なお、一見すると、スルーホール等の熱伝導連結体と上記サーマルパターン等の熱拡散抑制手段との併用は各効果を相殺するかのようにも思える。しかし、熱拡散抑制手段が効果を発揮するのは、発熱体が接合される僅かな時のみである。このため、その接合時に限れば、熱拡散は主に受熱配線層上で生じ、熱伝導連結体からの熱の散逸はさほど問題とはならない。
さらに、スルーホール等の熱伝導連結体の完成（または形成）時期を発熱体の接合時と同時またはそれ以降とすれば、接合時における熱伝導連結体からの熱の散逸を抑制できる。すなわち、発熱体の接合時、スルーホール等は未だ形成されていないので、そこから逃げる熱量はほとんどなく、ハンダ等による発熱体の接合性は確保される。そして、スルーホール等の形成後の放熱性は、前述した通りである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳細に説明する。
本発明に係る実施形態であるパワーモジュール（電気装置）１の部分断面図を図１に示す。このパワーモジュール１は、例えば、三相誘導電動機（三相モータ）の駆動制御用のインバータ装置（制御機器）等に使用されるものである。
パワーモジュール１は、パワートランジスタ２０（発熱体）等の種々の素子が配線基板１０上に搭載されてなる。
配線基板１０は、両面銅張りプリント基板からなり、ガラスエポキシ樹脂製の基材１３と、その上面（図１中）に貼着された銅箔からなる受熱配線層１１と、その下面に貼着された銅箔からなる放熱配線層１２とを備える、
【００１８】
この受熱配線層１１および放熱配線層１２に形成される配線パターンは、スクリーン印刷、エッチング処理等によって形成される。パワートランジスタ２０の接合領域Ｓ付近（上下両面）における、受熱配線層１１および放熱配線層１２上の配線パターンは、グランドパターンとなっている。
配線基板１０は、さらに、その接合領域Ｓの外周囲を取囲むように環状に配設された複数のスルーホール１４を備える。このスルーホール１４は、配線基板１０に穿設した小孔にハンダ（高熱伝導材）を充填したものである。このハンダの充填は、パワートランジスタ２０が受熱配線層１１上に接合される際に同時になされる。さらに、受熱配線層１１上の接合領域Ｓの周囲には、後述するサーマルパターンＴが形成されている。
【００１９】
パワートランジスタ２０は、チップ２１と、その台座となる金属ヒィン（ヒートシンク）と呼ばれる金属平板２２とからなる。この金属平板２２の下面全面がハンダによって受熱配線層１１の上面に接合される（つまり、表面実装される）。なお、図示していないが、パワートランジスタ２０の端子は、受熱配線層１１に別途形成した配線パターンへ接合されている。
次に、接合領域Ｓの周囲におけるスルーホール１４の配置、サーマルパターンＴについて、図２および図３を用いて説明する。図２はパワーモジュール１を受熱配線層１１側から観た平面図であり、図３はパワーモジュール１を放熱配線層１２側から観た平面図である。
【００２０】
図２から明らかなように、略正方形状のパワートランジスタ２０の外周囲を、一定間隔で離散的に配置された円状のスルーホール１４が囲繞している。さらにそのスルーホール１４の外周囲には、サーマルパターンＴが形成されている。このサーマルパターンＴは、配線パターンと同様に受熱配線層１１上に形成された、多数のサーマルランド１１１と、隣接するサーマルランド１１１間にある多数のサーマル溝１１２とからなる。なお、パワートランジスタ２０の周囲から均等に熱が拡散されるように、四隅にあるサーマル溝１１２は鉤型とされている。
【００２１】
ここで、パワートランジスタ２０の使用時の発熱をスルーホール１４へ効率的に導くために、スルーホール１４はサーマルランド１１１の配置に対応させてその近傍に設けてある。
図２では、スルーホール１４をサーマルパターンＴの内側に設けたが、逆に、サーマルパターンＴをスルーホール１４の内側にしても良い。
スルーホール１４の形状は、製造上、円形状が好ましいが、例えば、三角形状でも方形状でも良い。同様に、サーマルランド１１１の形状も、製造上、方形状が好ましいが、例えば、三角形状でも円形状でも良い。
スルーホール１４は、大きくて数が多いほど、放熱性に優れるが、配線基板１０の必要強度等を考慮して、その形状や数が決定される。
【００２２】
図２や図３では、理解を容易にするために、一つのパワートランジスタ２０のみを示したが、多数の発熱素子がある場合も同様である。発熱素子が多数ある場合、隣接する素子間でスルーホール１４やサーマルパターンＴを部分的に共用するように、それらを配設しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態であるパワーモジュールの要部断面図である。
【図２】その受熱配線層側の平面図である。
【図３】その放熱配線層側の平面図である。
【符号の説明】
１ パワーモジュール（電気装置）
１０ 配線基板
１１ 受熱配線層
１２ 放熱配線層
１３ 基材
１４ スルーホール（熱伝導連結体）
２０ パワートランジスタ（発熱体）
１１１ サーマルランド
１１２ サーマル溝
Ｓ 接合領域
Ｔ サーマルパターン（熱拡散抑制手段）

Claims (9)

1. 発熱源である発熱体と、
   基材と該基材の一面側に設けられ前記発熱体が表面実装されると共に該発熱体から受熱する受熱配線層と該受熱配線層から少なくとも該基材を挟んで該受熱配線層の反対側にある放熱面までを接続し該基材よりも熱伝導性に優れた熱伝導連結体とを有する配線基板と、
   該受熱配線層から該熱伝導連結体を経由して該放熱面に到達した熱を放熱する放熱部材とを備え、
   前記配線基板は、前記発熱体が前記受熱配線層に接合される接合領域の内部および／または外周囲に該接合領域外への熱拡散を抑制する熱拡散抑制手段を有し、
   該熱拡散抑制手段は、該受熱配線層に、熱流路となるサーマルランドが離散的に形成されたサーマルパターンからなることを特徴とする電気装置。
2. 前記熱伝導連結体は、前記基材中を貫通し該基材よりも熱伝導性に優れた高熱伝導材で充填されたスルーホールである請求項１に記載の電気装置。
3. 前記スルーホールは、前記発熱体が前記受熱配線層に接合される接合領域の内部および／または外周囲に複数配設された請求項２に記載の電気装置。
4. 前記放熱部材は、前記配線基板の前記放熱面に設けられた放熱配線層である請求項１または２に記載の電気装置。
5. 前記受熱配線層および／または前記放熱配線層は、グランドパターンである請求項１または４に記載の電気装置。
6. 前記スルーホールは、前記サーマルランドの近傍に配設されている請求項２に記載の電気装置。
7. 基材と、
   該基材の一面側に設けられ発熱体を表面実装すると共に該発熱体から受熱する受熱配線層と、
   該受熱配線層から少なくとも該基材を挟んで該受熱配線層の反対側にある放熱面までを接続し該基材よりも熱伝導性に優れた熱伝導連結体とを少なくとも有し、該受熱配線層から該熱伝導連結体を経由し放熱面へ至る熱流路が形成されていると共に、
   さらに、前記発熱体が前記受熱配線層に接合される接合領域の内部および／または外周囲に該接合領域外への熱拡散を抑制する熱拡散抑制手段を有し、該熱拡散抑制手段は、該受熱配線層に、熱流路となるサーマルランドが離散的に形成されたサーマルパターンからなることを特徴とする配線基板。
8. 前記熱伝導連結体は、前記基材中を貫通し該基材よりも熱伝導性に優れた高熱伝導材で充填されたスルーホールである請求項７に記載の配線基板。
9. 前記スルーホールは、前記サーマルランドの近傍に配設されている請求項８に記載の配線基板。

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