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JP5106519B2 - 熱伝導基板及びその電子部品実装方法 - Google Patents

熱伝導基板及びその電子部品実装方法 Download PDF

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Description

本発明は、熱伝導基板及びその電子部品実装方法に関し、特に、パワー半導体とその制御回路を実装したプリント基板とを１つのパッケージに実装するのに好ましく適用される技術に関するものである。
近年、電子機器は高性能化、小型化の傾向にあり、これに伴って半導体等の電子部品の高密度化、高機能化が要求されている。そして、この要求に対応するために、各種電子部品を実装する回路基板もまた小型化、高密度化が求められている。その結果、小型化、高密度化のためにスイッチング素子等のパワー半導体とその制御回路を一体化し、なおかつ放熱性も向上させたモジュールの開発が求められる場合が多い。
これに対して、例えば特許文献１には、リードフレーム上にパワー半導体と、制御回路を高密度で配置したプリント基板を搭載し、これらを導電性ワイヤにて電気的に接続し、リードフレームの裏面に絶縁樹脂を挟持してヒートシンクを配置し、樹脂モールドによって一体封止構造とすることが開示されている。
また、例えば特許文献２には、孔が形成された金属板上に伝熱樹脂層を設け、リードフレームを伝熱樹脂層上とともに孔に向けて貫通するように形成し、伝熱樹脂層上のリードフレームにパワー回路部を配置し、金属板の孔に形成されたリードフレームに該配置面の反対面からプリント配線基板（制御部を実装）を配置することが開示されている。当該発明では、パワー回路部と制御部とをリードフレームに直接設置することで、配線長を短くしてパワー回路部と制御部を電気的に接続している。
また、例えば特許文献３では、金属板上に、伝熱層を介して、リードフレームとプリント配線板とを略同一面に形成し、パワー系電子部品をリードフレーム側に、信号系電子部品をプリント配線板側に実装することが開示されている。当該発明では、パワー系電子部品と信号系電子部品の配置領域を同一面とすることで、ノイズの影響を受けにくくし、基板設計の自由度を高めている。
特開平１１−２３３７１２号公報 特開２００８−２１８１９号公報 特開２００８−２１０９２０号公報
特許文献１による方法では、ペースト樹脂及びワイヤボンディング工程が必要であり、またパワー系電子部品と信号系電子部品の配線長が長くなることでノイズの影響を受けやすい。これに対して、特許文献２や特許文献３による方法は、両系の電子部品をリードフレームに直接配置したり、両系の電子部品の配置領域を同一面としたりすることで、配線長を短くしてノイズの影響を抑制している。しかし、各種電子部品を実装する回路基板の高密度化、高機能化の要請から、プリント配線基板に膨大な数の電子部品を実装させる必要性が生じてくることも想定され、特許文献２や特許文献３による方法では、回路基板の高密度化、高機能化の要請に十分対応できない。
そこで、本発明は、電子部品の実装にペースト樹脂やワイヤボンディング工程を必要とせず、ノイズを抑制するとともに、各種電子部品を実装する回路基板の高密度化、高機能化に対応できるようにすることを目的とする。
本発明の熱伝導基板は、熱を放射する熱放射部材と、前記熱放射部材上に形成され、前記熱放射部材に熱を伝える熱伝導部材と、前記熱伝導部材上に形成された配線パターン状のリードフレームと、第１電子部品と、前記第１電子部品を制御するための第２電子部品を実装したプリント配線基板と、を有し、かつ、前記プリント配線基板は、前記第２電子部品の実装面に接続用端子を有し、前記リードフレームは、前記プリント配線基板との接続部分が前記接続用端子に密着可能なＺ字形状を有して、前記第１電子部品と前記プリント配線基板とが、前記リードフレーム上の同じ面に配置され、ハンダを用いて前記リードフレームを介して電気的に接続されたものである。
また、熱を放射する熱放射部材と、前記熱放射部材上に形成され、前記熱放射部材に熱を伝える熱伝導部材と、前記熱伝導部材上に形成された配線パターン状のリードフレームと、第１電子部品と、前記第１電子部品を制御するための第２電子部品を実装したプリント配線基板と、を有し、かつ、前記プリント配線基板は、前記第２電子部品の実装面と垂直な側面端部に接続用端子を有し、前記リードフレームは、前記プリント配線基板との接続部分が前記接続用端子に接触可能なＬ字形状を有して、前記第１電子部品と前記プリント配線基板とが、前記リードフレーム上の同じ面に配置され、ハンダを用いて前記リードフレームを介して電気的に接続されたものである。
本発明の熱伝導基板の電子部品実装方法は、熱を放射する熱放射部材上に、前記熱放射部材に熱を伝える熱伝導部材を形成し、前記熱伝導部材上に配線パターン状のリードフレームを形成し、第１電子部品と前記第１電子部品を制御するための第２電子部品を実装したプリント配線基板とを、前記リードフレーム上の同じ面に配置し、前記プリント配線基板における前記第２電子部品の実装面に接続用端子を形成すると共に、前記接続用端子と密着するように前記リードフレームをＺ字形状に形成して、前記第１電子部品と前記プリント配線基板とを、ハンダを用いて、前記リードフレームを介して電気的に接続するものである。
また、熱を放射する熱放射部材上に、前記熱放射部材に熱を伝える熱伝導部材を形成し、前記熱伝導部材上に配線パターン状のリードフレームを形成し、第１電子部品と前記第１電子部品を制御するための第２電子部品を実装したプリント配線基板とを、前記リードフレーム上の同じ面に配置し、前記プリント配線基板における前記第２電子部品の実装面と垂直な側面端部に接続用端子を形成すると共に、前記接続用端子と接触するように前記リードフレームをＬ字形状に形成して、前記第１電子部品と前記プリント配線基板とを、ハンダを用いて、前記リードフレームを介して電気的に接続するものである。
本発明によれば、電子部品の実装にペースト樹脂やワイヤボンディング工程を必要とせず、ノイズを抑制するとともに、各種電子部品を実装する回路基板の高密度化、高機能化に対応することが可能となる。
本発明の実施形態（第１実施形態）に係る熱伝導基板の構成を示した図である。 本発明の実施形態に係る熱伝導基板の接続例（リードフレームとプリント配線基板）を示した図である。 本発明の実施形態に係る熱伝導基板の接続例（リードフレームとプリント配線基板）を示した図である。 本発明の実施形態に係る熱伝導基板の接続例（リードフレームとプリント配線基板）を示した図である。 本発明の実施形態に係る熱伝導基板の接続例（リードフレームとプリント配線基板）を示した図である。 本発明の実施形態（第２実施形態）に係る熱伝導基板の構成を示した図である。
本発明では、パワー半導体（第１電子部品）とこれを制御する制御回路（第２電子部品）を実装したプリント基板（プリント配線基板）とをリードフレームで直接ハンダ接続することにより、ワイヤボンディング工程を不要としている。ここで、各半導体素子は、ベア実装品ではなくパッケージ化されたものを使用する。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る熱伝導基板の構成を示す図で、図１（ａ）は基板構成を表す側面図、図１（ｂ）はリードフレームのパターンを表す上面図である。
本実施形態の熱伝導基板は、図１（ａ）に示すように、金属板１０、絶縁樹脂２０、リードフレーム３０、パワー半導体４０、制御回路５０、プリント基板６０、ハンダ７０を有して構成される。絶縁樹脂２０は、パワー半導体４０で発生した熱を金属板１０に伝える熱伝導層として、金属板１０上に薄膜状に形成される。また、リードフレーム３０は、パワー半導体４０と制御回路５０を実装したプリント基板６０とを、導電性ワイヤを用いずに電気的に接続するために、絶縁樹脂２０を接着剤として絶縁樹脂２０上に形成される。パワー半導体４０及びプリント基板６０は、リードフレーム上の同じ面に配置され、ハンダ７０を用いてリードフレームに直接接続される。なお、図１において、リードフレームに形成したソルダーレジストは図示していない。また、本実施形態では、制御回路５０がプリント基板６０の片面（リードフレーム３０との接触面と反対の面）にのみ実装されている。
パワー半導体４０は、モータ等を駆動するためのスイッチング素子であり、制御回路５０は、パワー半導体４０を制御するための回路でマイコンやその周辺回路からなる。パワー半導体４０は、ベア実装品ではなくパッケージ化された部品を使用し、リードフレーム３０にハンダ実装される。また、上述したように、制御回路５０はプリント基板６０に実装されているが、プリント基板を用いるのは、リードフレームではできない微細な配線を行うことができるからである。
リードフレーム３０は、図１（ｂ）に示すように、大電流を流すための幅広い配線と、制御回路５０からの制御信号をパワー半導体４０に伝えるための幅の細い配線がパターンニングされ、大電流用リードフレーム３０ａと、制御信号用リードフレーム３０ｂ、３０ｃとが形成される。なお、リードフレームを使用するのは、導体厚が数百μｍと厚く、大電流を流すのに適しているためである。
上述したように、リードフレーム３０に、パワー半導体４０と制御回路５０を実装したプリント基板６０とを接続するが、接続方法の１つの例としては、図２に示すように、プリント基板６０の端面に接続端子５５（半円形状の端子）を設け、接続端子５５とリードフレーム３０とをハンダ付けにより接続するものが挙げられる。
また、リードフレーム３０とプリント基板６０等との接続方法の別の例として、図３に示すように、プリント基板６０の端部近辺に接続端子５５（スルーホール状の端子）を設け、折り曲げたリードフレーム３０をスルーホール状の接続端子５５に挿入して接続するものが挙げられる。スルーホール状の接続端子５５は、円形に限定せず、楕円形や長方形に変更してもよい。
また、リードフレーム３０とプリント基板６０等との接続方法の別の例として、図４に示すように、プリント基板６０の端部に接続端子５５（ＰＡＤ状の端子）を設け、折り曲げたリードフレーム３０をＰＡＤ状の接続端子５５に接続するものが挙げられる。
また、リードフレーム３０とプリント基板６０等との接続方法の別の例として、図５に示すように、プリント基板６０の端面に接続端子５５（半円形状の端子）を設け、図のような形状に折り曲げたリードフレーム３０と半円形状の接続端子５５とを接続するものが挙げられる。
本実施形態の熱伝導基板は、上述した構造を採用することで、パワー半導体４０で発生した熱が絶縁樹脂２０を介して金属板１０に伝導し、モジュール全体の温度上昇を抑える働きをする。ここで、放熱板として金属板を用いているが、熱伝導性の高いセラミックを用いることも可能である。また、制御回路５０及びプリント基板６０について、モールド樹脂覆って保護するように構成してもよい。
また、本実施形態の熱伝導基板は、パワー半導体４０と制御回路５０を実装したプリント基板６０とをリードフレーム３０に直接ハンダ接続することで、ワイヤボンディング工程が不要となり、工程の簡素化が可能となるとともに、電子部品間の配線長の長さに起因するノイズの影響を抑制することが可能となる。さらに、パワー半導体４０と制御回路５０を実装したプリント基板６０とをリードフレーム３０上の同じ面に配置することで、回路基板の高密度化、高機能化に対応することが可能である。
［第２実施形態］
図６は、本発明の第２実施形態に係る熱伝導基板の構成を示す図で、図６（ａ）は基板構成の一例を表す側面図、図６（ｂ）は基板構成の別の例を表す側面図、図６（ｃ）は図６（ｂ）の基板の下面図（金属板１０側から見た図）である。
本実施形態では、回路基板の高密度化、高機能化に対応可能な構成として、プリント基板６０の両面に制御回路５０を実装している。そして、制御回路５０のプリント基板６０の両面への実装に伴って、制御回路５０の配置スペースを確保するために、プリント基板６０が配置される金属板１０の領域に一定の空間を設けている。
図６（ａ）に示した例では、金属板１０に一定の深さを持つ空洞部を設け、この空洞部以外の表面に絶縁樹脂２０を形成する。また、図６（ｂ）に示した例では、金属板１０に孔部を設け、この孔部以外の表面に絶縁樹脂２０を形成する。そして、プリント基板６０は、リードフレーム３０上に配置し、ハンダ７０を用いて接続する。なお、図６において、リードフレームに形成したソルダーレジストは図示していない。
本実施形態の熱伝導基板は、上記のように構成することで、リードフレーム３０上におけるパワー半導体４０の配置面と同じ面に配置するプリント基板６０について、金属板１０と対向する面に制御回路５０を実装でき、回路基板の高密度化、高機能化に対応することが可能となる。また、モジュール全体の温度上昇の抑制、工程の簡素化、ノイズの影響の抑制が可能となる。
なお、上述する実施形態は、本発明の好適な実施形態であり、上記実施形態のみに本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更を施した形態での実施が可能である。
１０ 金属板
２０ 絶縁樹脂
３０ リードフレーム
３０ａ 大電流用リードフレーム
３０ｂ，３０ｃ 制御信号用リードフレーム
４０ パワー半導体
５０ 制御回路
５５ 接続端子
６０ プリント配線基板
７０ ハンダ

Claims (9)

  1. 熱を放射する熱放射部材と、
    前記熱放射部材上に形成され、前記熱放射部材に熱を伝える熱伝導部材と、
    前記熱伝導部材上に形成された配線パターン状のリードフレームと、
    第１電子部品と、
    前記第１電子部品を制御するための第２電子部品を実装したプリント配線基板と、
    を有し、かつ、
    前記プリント配線基板は、前記第２電子部品の実装面に接続用端子を有し、
    前記リードフレームは、前記プリント配線基板との接続部分が前記接続用端子に密着可能なＺ字形状を有して、
    前記第１電子部品と前記プリント配線基板とが、前記リードフレーム上の同じ面に配置され、ハンダを用いて前記リードフレームを介して電気的に接続されたことを特徴とする熱伝導基板。
  2. 熱を放射する熱放射部材と、
    前記熱放射部材上に形成され、前記熱放射部材に熱を伝える熱伝導部材と、
    前記熱伝導部材上に形成された配線パターン状のリードフレームと、
    第１電子部品と、
    前記第１電子部品を制御するための第２電子部品を実装したプリント配線基板と、
    を有し、かつ、
    前記プリント配線基板は、前記第２電子部品の実装面と垂直な側面端部に接続用端子を有し、
    前記リードフレームは、前記プリント配線基板との接続部分が前記接続用端子に接触可能なＬ字形状を有して、
    前記第１電子部品と前記プリント配線基板とが、前記リードフレーム上の同じ面に配置され、ハンダを用いて前記リードフレームを介して電気的に接続されたことを特徴とする熱伝導基板。
  3. 前記プリント配線基板は、前記リードフレーム上における前記第１電子部品の配置面と同じ面と反対の面の両面に前記第２電子部品を実装したことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱伝導基板。
  4. 前記熱伝導部材は、前記プリント配線基板の配置場所に孔を有し、
    前記熱放射部材は、前記プリント配線基板の配置場所において、前記熱伝導部材の形成面と反対面まで貫通しない空洞を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の熱伝導基板。
  5. 前記熱伝導部材及び前記熱放射部材は、前記プリント配線基板の配置場所に孔を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の熱伝導基板。
  6. 前記第２電子部品及び前記プリント配線基板の一部分以上をモールド樹脂で保護したことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の熱伝導基板。
  7. 熱を放射する熱放射部材上に、前記熱放射部材に熱を伝える熱伝導部材を形成し、
    前記熱伝導部材上に配線パターン状のリードフレームを形成し、
    第１電子部品と前記第１電子部品を制御するための第２電子部品を実装したプリント配線基板とを、前記リードフレーム上の同じ面に配置し、
    前記プリント配線基板における前記第２電子部品の実装面に接続用端子を形成すると共に、前記接続用端子と密着するように前記リードフレームをＺ字形状に形成して、
    前記第１電子部品と前記プリント配線基板とを、ハンダを用いて、前記リードフレームを介して電気的に接続することを特徴とする熱伝導基板の電子部品実装方法。
  8. 熱を放射する熱放射部材上に、前記熱放射部材に熱を伝える熱伝導部材を形成し、
    前記熱伝導部材上に配線パターン状のリードフレームを形成し、
    第１電子部品と前記第１電子部品を制御するための第２電子部品を実装したプリント配線基板とを、前記リードフレーム上の同じ面に配置し、
    前記プリント配線基板における前記第２電子部品の実装面と垂直な側面端部に接続用端子を形成すると共に、前記接続用端子と接触するように前記リードフレームをＬ字形状に形成して、
    前記第１電子部品と前記プリント配線基板とを、ハンダを用いて、前記リードフレームを介して電気的に接続する
    ことを特徴とする熱伝導基板の電子部品実装方法。
  9. 前記プリント配線基板は、前記リードフレーム上における前記第１電子部品の配置面と同じ面と反対の面の両面に前記第２電子部品を実装したことを特徴とする請求項７又は８に記載の熱伝導基板の電子部品実装方法。
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