JP2009044156A - 改善された放熱性を備えた回路支持体構造部 - Google Patents

Abstract

【課題】電子的構成素子から生じた熱をより良好かつ確実に放出することができ、さらに構成素子の寿命も延ばすことのできる回路支持体構造部を提供すること。
【解決手段】少なくとも１つの電子的構成素子（３）の下方で、連続した凹部（５）が回路支持体（２）内に設けられ、熱伝導材料からなるダイ（６）が接合領域（６ａ）の一方の端部と共に前記凹部（５）内へ挿入され、熱伝導性接着層（７）によって固定され、前記構成素子（３）と熱伝導的に接続され、さらに前記ダイ（６）はその他方側に連結領域（６ｂ）を有し、その断面は少なくとも部分的に前記回路支持体（２）内の凹部（５）よりも大きくなるように設計され、その端部は冷却体（８）と熱伝導的に接続されるように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも１つの電子的構成素子を有するＳＭＤ形式の回路支持体構造部並びにその製造方法、特に自動車分野への適用方法に関している。

プリント基板技術の開発においては、電気的な接続技術における技術的な向上が常に望まれている。さらにプリント基板上の電気的な構成素子についても益々複雑化する回路が益々小さくなる空間に配設されるため、必然的にその実装密度も高まりつつある。このような高い実装密度により、パワー構成素子の使用も増加しているが、これらのパワー構成素子の一部は出力損失を熱の形態で生じるため、このような熱の良好な管理に対する要求も高まってきている。つまりここでは熱発生源からの損失熱の所期の取出しとそれらの周辺環境への放出がクローズアップされている。

回路支持体構造部において、パワーユニットから生じた熱の放出を達成するための様々な構想が公知である。

そのうちの１つでは、電子的な構成素子から生じた損失出力（熱）をプリント基板に結合させて、その基板の銅材料層を介して分散させ放出することが行われている。この場合このプリント基板は、熱放散のための冷却体（ヒートシンク）として用いることのできる金属性の支持プレート上に被着させてもよい。同様にＳＭＤ形式のパワー構成素子を付加的に基体部分と、機械的な安定化以外に冷却面としても使用できる蝋付け可能な下方部分、いわゆるヒートベーンから形成することも可能である。これらのＳＭＤ形式の構成素子は、通常は回路支持体構造部のもとで冷却体とは反対側のプリント基板上に被着されている。ＳＭＤ構成素子から回路支持体を通して銅構造層と冷却体に対して垂直方向で良好に熱放出を実施するために、下方に被着されたパワー構成素子とガルバニックに貫通コンタクトさせたプリント基板を設けるいわゆるサーモバイアス手法が公知である。この種の貫通コンタクトは従来技法によればプリント基板を貫通する比較的僅かな直径（１ｍｍ以下）の孔部から形成されていた。そしてこの孔部は、ペースト、ジェル、接着剤などの熱伝導材料で充填されてもよい。しかしながら個々のパワー構成素子の下方に多数の貫通コンタクトが設けられるこのような技法では、貫通コンタクトの幾何学的形態が故に構成素子から冷却体への十分な熱放出がなされていなかった。

ドイツ連邦共和国特許出願公開第４３２６５０６号公報からは、機械的な安定化と良好な熱放出のために支持プレート上に被着されるＳＭＤ形式のパワー構成素子の実装された導電性箔が公知である。ここではパワー構成素子下方の導電性箔に蝋付け可能な周辺層が形成され、この層が大面積の凹部を区切っている。この凹部は熱伝導性の質量体、有利には蝋付けペーストが充填されており、そのためパワー構成素子から支持体プレートへの大面積に亘る熱伝導が可能となっている。

銅インレー技法の導入によっても熱放出の機能を前述したサーモバイアス手法を用いた場合よりも遙かに向上させることが可能である。プリント基板へ塊状の銅を挿入することによって（いわゆる銅インレー）、電気的な構成素子から生じた熱を特に良好に逃がすことが可能となる。このようにすることでプリント基板の熱抵抗は著しく低減可能である。ここでは臨界的な温度上昇が回避されるので、モジュールが許容限界温度の範囲内で作動され続ける。これにより電子的な構成モジュールの信頼性と寿命が著しく向上する。そのような構成モジュールは高周波技術での使用にも適する。銅インレー自体はプリント基板の厚さ全体の中でプリント基板内に圧入され得るので、その設計仕様においてプリント基板の厚みに合わせられる。その際この銅インレーは、一方ではその表面全体が電気的な構成素子の被着用の蝋付け面として用いられ、他方では、プリント基板を通る高効率な熱伝導パスとして用いられる。この銅インレーの下方側も、必要に応じてケーシングまたは付加的な冷却体と公知の熱伝導性接着剤ないしは熱伝導性薄膜によって結合される。電気的構成素子とインレーの半田による結合は機械的に不安定で容易に破断されやすいという欠点も有している。ここでいう破断は、熱伝導性の著しい低下をも意味している。さらにこの種の結合タイプは高圧にも耐えきれず、電気的なパワーにより生じる構成素子からの熱の放出もうまくできない。

電気的な構成素子からの熱放出のさらなる公知構想としていわゆるトップクーリング手法が挙げられる。この手法では屈曲された連結脚部（ガルウイング）を備えた構成モジュールにおいて回路支持体からの熱放出手段が形成されている。ここでの熱的結合は回路支持体によって実現されるのではなく、直接冷却体（ヒートシンク）において実現されている。回路支持体とは反対の側が冷却体に結合されるこの構成モジュールは、素子のタイプや製造メーカ毎に様々な大きさと高さを有している。このトップクーリング構想の下でできるだけ小さな熱抵抗を実現したい場合には、相互に独立してではなく、冷却体と構成素子の配置構成における相互依存性のみで開発しなければならない。

電子的な構成素子からの確実でかつ効果的な熱放出は、回路支持体自身とそれによって形成される電子装置全体の寿命と信頼性に直接の影響を及ぼす。それ故に電子モジュールや電子機器の新たな開発にとって高効率な熱導出パスの新たな開発構想は重要な役割を果たしている。
ＤＥ ４３２６５０６ Ａ１

本発明の課題は、電子的構成素子から生じた熱をより良好かつ確実に放出することができ、さらに構成素子の寿命も延ばすことのできる、少なくとも１つの電子的構成素子、有利にはＳＭＤ方式の電子的構成素子を含んでいる回路支持体構造部を提供することである。

前記課題は本発明により、少なくとも１つの電子的構成素子の下方で、連続した凹部が回路支持体内に設けられており、熱伝導材料からなるダイが接合領域の一方の端部と共に前記凹部内へ挿入され、熱伝導性接着層によって固定され、前記構成素子と熱伝導的に接続され、さらに前記ダイはその他方側に連結領域を有し、その断面は少なくとも部分的に前記回路支持体内の凹部よりも大きくなるように設計され、その端部はヒートシンクと熱伝導的に接続されるように構成されて解決される。

また前記課題は本発明により、電子的構成素子の下方に、連続した凹部を回路支持体内に設け、場合によっては金属化処理を施し、それに続けて熱伝導性接着層を前記凹部に設け、熱伝導性の金属材料かまたはセラミック性の材料からなるダイの接合領域の一方の端部を挿入して熱伝導性接着層によって固定し、さらに前記ダイの連結領域の端部をヒートシンクと熱伝導的に接続させるようにして解決される。

本発明によれば、ＳＭＤ構成素子から冷却体への熱伝達が確実でかつ良好に行われる回路支持体構造部が得られるようになる。この場合有利には、時代に左右されない冷却体の開発と回路支持体上の構成素子の配置が行われ、同時にできるだけ少ない熱抵抗も実現できる。このことは回路支持体構造部に対する開発コストを著しく低減できる。

本発明によれば回路支持体として有利にはＰＣＢ（Printed Circuit Board）すなわち、プリント基板が用いられる。電子的な構成素子は有利にはそれぞれの公知の形式、例えばリフローソルダリング技法を用いて回路支持体上に固定され得る。また凹部は例えば穿孔または研削によって回路支持体内に形成されてもよいし、その周辺寸法はＳＭＤ構成素子の相応の寸法よりも小さく設計されてもよい。それによりＳＭＤ構成素子の回路支持体へのさらに確実な固定が保証される。凹部は金属化が可能で、有利には別個の銅コーティングを備えていてもよい。

本発明によればダイは接合領域と連結領域を有している。本発明においてこの接合領域とは、回路支持体に対向しその端部が回路支持体の凹部内に挿入される、ダイの一部と理解されたい。ダイの接合領域と凹部は有利にはフィッティング部として実施されてもよい。すなわちこの接合領域の周縁形態が前記凹部に整合されてもよい。それにより有利にはプレスフィットが生じる。これにより、接続領域における回路支持体への熱の入力結合と、ダイの機械的な固定が改善される。この接合領域は回路支持体厚さの全体を占めるか、またはそれを越えて延在する。また本発明において連結領域とは冷却体に向いた側のダイの一部であり、その端部領域は冷却体（ヒートシンク）と熱伝導的に接続される。ダイの連結領域は少なくとも部分的に回路支持体の凹部よりも大きな断面を有している。そのように拡大された断面によって熱は側方から良好に周囲に放出され、さらにその端部から良好に冷却体（ヒートシンク）に導出される。接合領域と連結領域を有するダイは有利には一体型に構成される。なぜならそうすることによりダイ内部において最も少ない熱抵抗が保証されるからである。しかしながら前記ダイは相互に熱伝導的に接続された複数の部材から構成されていてもよい。

前記ダイは有利な構成によれば、結合領域に対して拡大された連結領域の断面によって段部を有している。同様に有利には前記ダイはその断面において結合領域から連結領域方向に向けて連続的に拡大する。それにより例えば実質的に円錐の形状が生じる。また代替的に前記ダイの連結領域はその端部領域に向けて横断面が再び先細になっていてもよい。

別の有利な実施形態によれば、前記ダイの連結領域は、ヒートシンクとの接続のために付加的にねじ山を有していてもよい。これにより冷却体との接続の機械的な安定が著しく向上する。

熱伝導性の接着剤はあらゆる公知の接着剤基材、例えばシリコン、エポキシ、ポリウレタン、ポリイミドなどをベースにしていてもよい。基材中に含まれる金属性またはセラミック性充填剤の成分によって熱伝導性接着剤は有利にはＳＭＤ構成素子からダイまでの良好な熱伝導性を保証する。さらに本発明によれば、凹部において回路支持体とダイの間で密閉接続を構築し得るくらいに多くの熱伝導性接着剤が用いられてもよい。それにより一方では機械的な固定が保証され、その上さらにこの接続領域におけるプリント基板への熱伝動も良好に達成できる。

前記ダイは有利には金属性またはセラミック性の材料からなっている。特に有利には前記ダイは、熱を特に良好に伝導し得るアルミニウムからなっている。

さらに別の有利な実施形態によれば、前記ダイは蝋付け可能な材料、有利にはＣｕＮｉ、ニッケル＜アロイ４２＞、ＳｎまたはＡｇからなっている。同じく有利には、前記ダイは蝋付け可能なコーティング、有利にはＡｕＮｉ、Ｓｎ、Ａｇ、ＰｔまたはＰｄからなるコーティングを備えていてもよい。

所定のより良好な熱伝導性を達成するために、前記ダイは別の有利な実施例によれば、熱的インターフェース材料を介して冷却体に次のように連結、例えばねじ込み、圧入、溶接、接着されていてもよい。ここで熱的インターフェース材料とは、それによって、ダイと冷却体の間の表面粗さによる熱的コンタクト抵抗が有利な形式で低減できるあらゆる材料を意味するものと理解されたい。またこの熱的インターフェース材料は必要に応じて電気的に絶縁性の材料若しくは導電性の材料であってもよい。例えばこの熱的インターフェース材料は、接着剤、ペースト、ジェルなどの熱伝導性材料であってもよいし、ポリイミド箔やセラミックの充填されたシリコン箔などの接着性薄膜からなる熱伝導性材料であってもよい。

さらに別の有利な実施形態によれば、前記ダイは、少なくとも部分的に縦溝を備えている。このようにすることでダイの表面は拡大でき、そのつどの周辺環境に対する直接的な熱伝導が改善される。特に有利には前記ダイが接合領域において縦溝を有し、さらに有利には回路支持体とダイとの間で相対的な移動が阻止されるので、回路支持体におけるダイの機械的な固定に役立っている。

別の有利な実施形態によれば、前記ダイは電気的に絶縁されたコーティングを備えていてもよい。このコーティングは電気的な電圧保護層として用いられる。このようにすれば、有利には電気的な能力を発揮する構成素子も熱伝導性のダイと共に冷却体に接続でき、同時に信頼性の高い熱移動も可能となる。電気的な絶縁コーティングは、例えば、陽極酸化層、ワニス層、エナメル層または電気的な絶縁箔層、例えばポリイミドやテフロン（商標名）などであってもよい。別の有利な実施形態によれば、前記ダイはエロクサールアルミニウムからなる。前記コーティングは有利には、２５μｍ以下の厚さを有し、それによって良好な熱伝導が保証され続ける。

本発明による少なくとも１つの電子的構成素子を有するＳＭＤ形式の回路支持体構造部の製造に対しては、前記構成素子の下方に、連続した凹部が回路支持体内に設けられる。この凹部は例えば研削または穿孔によって形成され、それに続いて場合によっては金属化される。ＳＭＤ構成素子は公知の方式で例えば半田を用いて回路支持体に固定され得る。前記凹部内には僅かな量の熱伝導性接着剤が挿入され、これは有利には金属性またはセラミック性充填剤の含有成分によって良好な熱伝導性を保証し得る。前記凹部内には引き続き熱伝導性材量からなるダイ接合領域の端部が挿入され、回路支持体に固定される。この場合この熱伝導性接着剤材料の量は、ダイに対するコンタクト面積と、使用される充填剤並びにそのコーティング厚さに依存する。このコーティング厚さは理想的には慣例の充填剤の粒子配分に基づいて選択される。コーティング厚さの下限はこの場合最大の充填粒子に合わせられる。通常の材料は４０μｍの粒子サイズを有する。この場合充填剤の質量は、以下の式、
Ｍ＝Ｖ・φ
から得られる。ここで前記φは充填材料固有の密度であり、これは典型的には２〜４ｇ/ｃｍ3の間にあり、また前記Ｖは、充填されるべきギャップの体積Ｖ＝Ａ・ｄschicht（Ａ＝面積、ｄ＝厚さ）を表している。続いて前記ダイはその連結領域の端部を介して冷却体に接続される。この接続は例えばねじ込み、圧入、溶接、または接着によって形成され得る。

このようにして、熱的に負荷されるＳＭＤ構成素子を有する回路支持体構造部の長期に亘る高い安定性が得られるようになる。

次に本発明を図面に基づき以下の明細書で詳細に説明する。図１には回路支持体２上に固定されたＳＭＤ構成素子３を有する回路支持体構造部１の断面が示されている。このＳＭＤ構成素子３は基体部３ａと、下方部分としてのヒートベーン３ｂから形成されており、これは有利には機械的な支持と熱伝導のために用いられている。前記ＳＭＤ構成素子３は有利には軟ろう（半田）４によって回路支持体２に固定されている。回路支持体２は特に有利にはＰＣＢ（Printed Circuit Board）、すなわちプリント基板である。ＳＭＤ構成素子３の下方には、凹部５が回路支持体内に設けられており、これは例えば穿孔若しくは研削によって形成されていてもよい。前記凹部５は金属化され、さらに有利には別個の銅層を備えていてもよい。この凹部５内には、熱伝導性材料若しくはセラミック材料からなるダイ６の端部が挿入され、熱伝導性の接着層７によってヒートベーン３ｂに固定されている。前記ダイ６は、接合領域６ａと連結領域６ｂから形成される。接合領域６ａの端部は、ダイの端部であり、これは回路支持体の凹部に挿入される。それに対して連結領域６ｂはその端部を介して冷却体８に接続される。この連結領域６ｂは少なくとも部分的に、回路支持体２の凹部よりも大きな断面を有している。連結領域６ｂの端部は有利には熱的インターフェース材料９からなる層を介して冷却体８に接続され、例えばねじ込み、圧入、溶接または接着され得る。有利にはこれによって、ダイ６と冷却体８の間の表面粗さによる熱的コンタクト抵抗が低減され得る。前記ダイ６は、少なくとも部分的に、有利には前記接合領域６ａに縦溝１０が設けられていてもよい。そのようにすれば一方ではダイ６の表面が拡大されて周囲への直接的な熱放散が改善され得る。また他方ではさらに有利には回路支持体２とダイ６の間の相対移動が阻止され得る。

ここにおいて総じていえることは、本発明によれば、ＳＭＤ構成素子の冷却体への熱伝導と接続が改善され、信頼性の高い長期に亘る安定性が保証される回路支持体構想が提案されていることである。ここで提供される回路支持体は、容易にかつ可変にカスタムメイドが可能であり、さらに標準的な製造プロセスによって製造可能である。本発明による構想によれば有利には、可及的に僅かな熱的抵抗が実現でき、さらに回路支持体上での冷却体と構成素子の配置構成も互いに依存することなく開発できる。それ故にこの組付け実装は電子装置の全取付け行程において低コストで容易に統合できる。

本発明による回路支持体構造部の断面図

符号の説明

１ 回路支持体構造部
２ 回路支持体
３ 構成素子
４ 軟ろう
５ 凹部
６ ダイ
７ 熱伝導性接着層
８ 冷却体
９ 熱的インターフェース材料
１０ 縦溝

Claims (14)

1. 少なくとも１つの電子的構成素子（３）を有するＳＭＤ形式の回路支持体構造部（１）において、
   少なくとも１つの電子的構成素子（３）の下方で、連続した凹部（５）が回路支持体（２）内に設けられており、熱伝導材料からなるダイ（６）が接合領域（６ａ）の一方の端部と共に前記凹部（５）内へ挿入され、熱伝導性接着層（７）によって固定され、前記構成素子（３）と熱伝導的に接続され、さらに前記ダイ（６）はその他方側に連結領域（６ｂ）を有し、その断面は少なくとも部分的に前記回路支持体（２）内の凹部（５）よりも大きくなるように設計され、その端部は冷却体（８）と熱伝導的に接続されていることを特徴とする、回路支持体構造部（１）。
2. 前記ダイ（６）は、金属性の材料かまたはセラミック性の材料からなっている、請求項１記載の回路支持体構造部。
3. 前記ダイ（６）は、実質的に円錐の形状を有している、請求項１または２記載の回路支持体構造部。
4. 前記ダイ（６）の連結領域（６ｂ）は、その端部領域に向けて横断面が先細になっている、請求項１または２記載の回路支持体構造部。
5. 前記ダイ（６）の連結領域（６ｂ）は、冷却体（８）との接続のために付加的にねじ山を有している、請求項１から４いずれか１項記載の回路支持体構造部。
6. 前記ダイ（６）は、蝋付け可能な材料、有利にはＣｕＮｉ、ニッケル（合金４２）、ＳｎまたはＡｇからなっている、請求項１から５いずれか１項記載の回路支持体構造部。
7. 前記ダイ（６）は、蝋付け可能なコーティングを備えている、請求項１から６いずれか１項記載の回路支持体構造部。
8. 前記ダイ（６）は、電気的に絶縁されたコーティングを備えている、請求項１から６いずれか１項記載の回路支持体構造部。
9. 前記コーティングは、陽極酸化層、ワニス層、エナメル層または電気的な絶縁箔層からなっている、請求項１から８いずれか１項記載の回路支持体構造部。
10. 前記ダイ（６）は、有利には接合部領域（６ａ）において、少なくとも部分的に縦溝（１０）を備えている、請求項１から９いずれか１項記載の回路支持体構造部。
11. 前記だい（６）の連結領域（６ｂ）と冷却体（８）の間に熱的インターフェース材料（９）が設けられている、請求項１から１０いずれか１項記載の回路支持体構造部。
12. 前記熱的インターフェース材料（９）は、電気的な絶縁材料かまたは導電性材料である、請求項１１記載の回路支持体構造部。
13. 請求項１から１２の少なくとも１つに記載の特徴を備え、少なくとも１つの電子的構成素子（３）を有するＳＭＤ形式の回路支持体構造部（１）を製造するための方法において、
    前記電子的構成素子（３）の下方に、連続した凹部（５）を回路支持体（２）内に設け、場合によっては金属化処理を施し、それに続けて熱伝導性接着層（７）を前記凹部（５）に設け、熱伝導性の金属材料かまたはセラミック性の材料からなるダイ（６）の接合領域（６ａ）の一方の端部を挿入して熱伝導性接着層（７）によって固定し、さらに前記ダイ（６）の連結領域（６ｂ）の端部を冷却体（８）と熱伝導的に接続させるようにしたことを特徴とする方法。
14. 請求項１から１２いずれか１項記載の回路支持体構造部を自動車製造分野に用いることを特徴とする適用方法。

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