JP4636092B2 - Parts unit - Google Patents
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Description
本発明は、各種電子機器に用い、動作時に発熱する電子部品を放熱板に装着して、電子部品から生ずる熱を放熱するとともに、電子部品と放熱板との絶縁性を確保した部品ユニットに関するものである。 The present invention relates to a component unit which is used in various electronic devices and which is mounted on a heat radiating plate with an electronic component that generates heat during operation to radiate heat generated from the electronic component and to ensure insulation between the electronic component and the heat radiating plate. It is.
近年、電子機器の高性能化、小型化の要求に従い、電子部品の高密度、高機能化が一層叫ばれている。そのため、電子部品の小型化、高機能化、また高密度実装により、電子部品の温度上昇が大きな問題となり、動作時に発熱する電子部品、すなわち、発熱部品の放熱を高める方法が重要となってきている。 In recent years, in accordance with demands for higher performance and smaller size of electronic devices, higher density and higher functionality of electronic components have been screamed. For this reason, electronic components are becoming increasingly problematic due to their downsizing, high functionality, and high-density mounting, and methods for increasing the heat dissipation of electronic components that generate heat during operation, that is, heat-generating components, have become important. Yes.
動作時に発熱する電子部品の放熱を高める技術として、電子部品の背面にアルミ製の放熱板を装着し、電子部品の背面から熱を拡散する方式が知られている。 As a technique for increasing the heat dissipation of an electronic component that generates heat during operation, a method is known in which a heat sink made of aluminum is attached to the back of the electronic component and heat is diffused from the back of the electronic component.
図10は従来の放熱板に電子部品を装着した部品ユニットの斜視図である。図10において、従来の構成では、電子部品1を絶縁シート2で被覆し、金属製の放熱板3に取り付けている。取り付けは、絶縁シート2で被覆された電子部品1をバネ4で押さえ、放熱板3に開けた取り付け用の孔にネジ5を挿入してネジ止めすることにより行う。
FIG. 10 is a perspective view of a component unit in which electronic components are mounted on a conventional heat sink. In FIG. 10, in the conventional configuration, the electronic component 1 is covered with an
これにより、電子部品1は、金属製の放熱板3との間で、絶縁性を確保しつつ、放熱を行うことができる。
Thereby, the electronic component 1 can radiate heat while securing insulation between the electronic component 1 and the metal
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献1や特許文献2が知られている。
上記従来の構成では、電子部品1を絶縁シート2で被覆して絶縁を行うので、電子部品1に対して、絶縁シート2の被覆位置がずれたり、絶縁距離が十分に取れなかったりして、高電圧のかかる回路において耐絶縁性が劣化するという問題点を有していた。
In the above conventional configuration, since the electronic component 1 is covered with the
本発明は上記問題点を解決するもので、放熱性を損なわずに、耐絶縁性を向上した部品ユニットを提供することを目的としている。 The present invention solves the above-described problems, and an object thereof is to provide a component unit with improved insulation resistance without impairing heat dissipation.
上記目的を達成するために本発明は、無機フィラーと熱硬化性の絶縁樹脂とからなる混練物が金属製の基板に略一定の厚みで積層され硬化されてなる、強化絶縁耐圧を有する放熱板と、前記強化絶縁耐圧を有する放熱板の前記混練物に面接触させて接着剤で装着した、略垂直に折り曲げた接続端子付き発熱部品と、前記放熱板と対向するよう配置され、前記接続端子を接続した回路基板と、を有する部品ユニットにした構成である。 In order to achieve the above object, the present invention provides a heat dissipation plate having a reinforced dielectric strength voltage, in which a kneaded material comprising an inorganic filler and a thermosetting insulating resin is laminated and cured on a metal substrate with a substantially constant thickness. And a heat generating component with a connection terminal bent in a substantially vertical direction, which is mounted in contact with the kneaded product of the heat dissipation plate having the reinforced dielectric strength, and is disposed so as to face the heat dissipation plate, and the connection terminal And a circuit board connected to each other.
上記構成により、発熱部品は放熱板の硬化状態の絶縁体に面接触させて装着するので、放熱性を損なわずに、絶縁体を変形させることもなく絶縁性を向上することができる。基板に積層した絶縁体は、無機フィラーを含有した絶縁樹脂であって、無機フィラーの熱伝導率が絶縁樹脂の熱伝導率よりも大きいので、絶縁体に電子部品を装着すれば、放熱性を損なわずに、耐絶縁性を向上することができる。放熱性や絶縁性の必要度に応じて、基板に積層する絶縁体の面積を変えたり、無機フィラーの材質を選択したり、基板の材質を選択すれば、所望の特性を自由に得ることができる。 With the above configuration, since the heat-generating component is mounted in surface contact with the cured insulator of the heat sink, the insulation can be improved without degrading the insulator without impairing the heat dissipation . The insulator laminated on the substrate is an insulating resin containing an inorganic filler, and the thermal conductivity of the inorganic filler is larger than the thermal conductivity of the insulating resin. Insulation resistance can be improved without damage. Depending on the necessity of heat dissipation and insulation, the desired characteristics can be freely obtained by changing the area of the insulator laminated on the substrate, selecting the inorganic filler material, or selecting the substrate material. it can.
以下、実施の形態を用いて、本発明の全請求項に記載の発明について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, the invention described in all claims of the present invention will be described using embodiments with reference to the drawings.
図1は本発明の放熱基板に電子部品を装着した部品ユニットの斜視図、図2は筐体に同部品ユニットを取り付けた際の取付状態を示す斜視図、図3は筐体に取り付けた同部品ユニットを回路基板に実装した際の実装状態を示す斜視図である。 FIG. 1 is a perspective view of a component unit in which electronic components are mounted on a heat dissipation board of the present invention, FIG. 2 is a perspective view showing an attachment state when the component unit is attached to a housing, and FIG. It is a perspective view which shows the mounting state at the time of mounting a component unit on a circuit board.
図1において、部品ユニットは、金属製の基板12およびこれに積層した絶縁体14からなる放熱板10に、動作時に発熱する電子部品16、すなわち発熱部品を装着して形成している。この際、複数の電子部品16を一体化する、または、互いに近傍に配置し、放熱板10の絶縁体14に面接触させて装着して形成している。この動作時に発熱する電子部品16としては、例えば、コイル部にコアを組み合わせた電源トランスや、FETや、ダイオード等がある。電源トランスを放熱板10に装着する場合は、電源トランスのコアを放熱板10の絶縁体に面接触させると良い。
In FIG. 1, the component unit is formed by mounting an
また、図2に示すように、複数の電子部品16を装着した放熱板10は、機器の筐体18やシャーシに、ネジ止めや接着等により取り付けている。さらに、図3に示すように、放熱板10と対向するように回路基板22を併設配置して、電子部品16の接続端子20を放熱板10とは反対側の回路基板22側に引き出すとともに、そのまま回路基板22に接続して、放熱板10に装着された複数の電子部品16を回路基板22に実装している。この回路基板22には、放熱板10に装着した電子部品16を制御する制御回路等を形成している。
As shown in FIG. 2, the heat radiating plate 10 on which a plurality of
次に、上記の部品ユニットに用いる放熱板10について説明する。 Next, the heat sink 10 used for said component unit is demonstrated.
放熱板10の絶縁体14は、無機フィラーを含有した絶縁樹脂からなるとともに、この無機フィラーの熱伝導率を絶縁樹脂の熱伝導率よりも大きくしたものである。
The
無機フィラーは、Al2O3、MgO、SiO2、BNおよびAlNから選ばれる少なくとも一つを含んでいる。無機フィラーを用いると、放熱性が優れるが、特に、MgOを用いると線膨張係数を大きくでき、SiO2を用いると誘電率を小さくでき、BNを用いると線膨張係数を小さくできる。 The inorganic filler contains at least one selected from Al 2 O 3 , MgO, SiO 2 , BN and AlN. When an inorganic filler is used, heat dissipation is excellent. In particular, the use of MgO can increase the linear expansion coefficient, the use of SiO 2 can reduce the dielectric constant, and the use of BN can reduce the linear expansion coefficient.
無機フィラーは略球形状で、その直径は0.1〜100μmであるが、粒径が小さいほど絶縁樹脂への充填率を向上できる。絶縁体14に占める無機フィラーの充填量は、熱伝導率を上げるために、70〜95重量%と高濃度に充填している。特に、本実施の形態では、無機フィラーは、平均粒径3μmと平均粒径12μmの2種類のAl2O3を混合したものを用いている。この大小2種類の粒径のAl2O3を用いることによって、大きな粒径のAl2O3の隙間に小さな粒径のAl2O3を充填できるので、Al2O3を90重量%近くまで高濃度に充填できるものである。この場合、絶縁体14の熱伝導率は3W/mK程度となる。
The inorganic filler has a substantially spherical shape and a diameter of 0.1 to 100 μm. The smaller the particle size, the better the filling rate into the insulating resin. The filling amount of the inorganic filler in the
図4に示すように、混練物24に占める無機フィラーの充填率を上げていくと熱伝導率も比例して増加していく。これが充填率70重量%を超えると、熱伝導率は急激に増加することから、充填率は70重量%以上とする。これは、ある充填率を超えると、充填される熱伝導性のよい無機フィラーの粒子間の距離が短くなり、混練物24としての熱伝導率が急に高くなる領域が存在するからだと考えられる。本発明では、この領域を利用することで混練物24の熱伝導率を高くすることができるというものである。
As shown in FIG. 4, as the filling rate of the inorganic filler in the kneaded
また、無機フィラーの充填率をさらに上げていくと、熱伝導率は増加するが、95重量%を超えると、混練物24として形状を保持できなくなってしまうため、充填率は70〜95重量%とするものである。
Further, if the filling rate of the inorganic filler is further increased, the thermal conductivity increases, but if it exceeds 95% by weight, the shape cannot be maintained as the kneaded
熱硬化性の絶縁樹脂は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂およびシアネート樹脂の内、少なくとも1種類の樹脂を含んでいる。これらの樹脂は耐熱性や電気絶縁性に優れている。 The thermosetting insulating resin contains at least one resin among epoxy resin, phenol resin, and cyanate resin. These resins are excellent in heat resistance and electrical insulation.
絶縁体14の厚さは、薄くすれば、放熱板10に装着した電子部品16に生じる熱を基板12に伝えやすいが、逆に絶縁耐圧が問題となり、厚すぎると、熱抵抗が大きくなるので、絶縁耐圧と熱抵抗を考慮して最適な厚さに設定すれば良い。強化絶縁耐圧を考慮すれば、絶縁体14の厚さを0.4mmより厚く、また、熱抵抗を考慮すれば、2mm以下にするのが望ましい。特に、本実施の形態では、絶縁体14の厚さを0.6mmとしている。
If the thickness of the
金属製の基板12としては、熱伝導の良いアルミニウム、銅またはそれらを主成分とする合金からできている。特に、本実施の形態では、基板12の厚みを1mmとしている。また、基板12としては、単なる板状のものだけでなく、より放熱性を高めるため、絶縁体14を積層した面とは反対側の面に、表面積を広げるためにフィン部を形成しても良い。全膨張係数は8×10-6/℃〜20×10-6/℃としており、基板12や半導体部品等の電子部品16の線膨張係数に近づけることにより、放熱板10の反りや歪みを小さくできる。
The
この放熱板10の製造工程は次の通りである。 The manufacturing process of this heat sink 10 is as follows.
放熱板10の製造工程では、無機フィラーと未硬化の熱硬化性の絶縁樹脂を混練して形成した混練物24を金属製の基板12に積層する積層工程と、未硬化の絶縁樹脂を硬化する硬化工程とを備えている。
In the manufacturing process of the heat sink 10, a laminating process for laminating a kneaded
具体的には、図5(A)において、混練物24をフィルム26上に所定の厚みになるようにシート化して積層する。シート化することにより容易に混練物24を放熱板10の形状にすることができ、低コストで生産性を良くすることができる。
Specifically, in FIG. 5A, the kneaded
混練物24をシート化する方法としては、ドクターブレード法、コーター法、押し出し成形法、圧延法等がある。本実施の形態では、押し出し成形法にて、ポリエチレン−テレフタレート(PET)からなるフィルム26上に混練物24を積層している。混練物24の厚さは、0.6mmとしている。
As a method for forming the kneaded
他の方法としては、ディスペンサー、モーノポンプ、または押し出し成形機等により、基板12上に混練物24を必要量塗布し、表面を平坦にするように、混練物24をローラー28で押圧して形成する方法でも良い。
As another method, a necessary amount of the kneaded
また、予め、混練物24をシート化しておいて、基板12に積層しても良い。
Alternatively, the kneaded
次に、図5(B)において、ローラー28を用いて、フィルム26上から混練物24を基板12に押し付けるように、フィルム26の端から順に押圧し、基板12に混練物24を積層する(積層工程)。この際、基板12と混練物24との間には、空気を挟まないように押し付けている。特に、50000Pa以下の圧力の真空雰囲気中で行うと、基板12と混練物24との間に空気が噛みこんでボイドが発生するのを防ぐことができる。
Next, in FIG. 5B, using the
次に、図5(C)において、混練物24からフィルム26を剥離し、フィルム26上に積層した混練物24を基板12に転写する。
Next, in FIG. 5C, the
最後に、混練物24に含まれる熱硬化性の絶縁樹脂を熱硬化させることにより(硬化工程)、未硬化の絶縁樹脂が硬化して絶縁体14が形成され、放熱板10を得ることができる。
Finally, by thermally curing the thermosetting insulating resin contained in the kneaded material 24 (curing step), the uncured insulating resin is cured to form the
この硬化工程では、フィルム26を剥離した後、これに熱を加えて熱硬化性の絶縁樹脂を硬化させるが、加熱条件として熱硬化性の絶縁樹脂をCステージまで硬化させるため、150℃から200℃で1時間から6時間加熱する。本実施の形態では、170℃で3時間加熱した。
In this curing step, after the
また、硬化工程において次のような加熱の仕方を行っても良い。基板12上に混練物24を積層し、熱硬化性の絶縁樹脂の硬化度合いがBステージになるまで硬化させる。それを更に、Cステージまで硬化するように2段階で硬化させる。このBステージの状態で、電子部品16を装着するための位置決め用の位置決め穴を形成したり、不必要な混練物24を除去したり、所望の形状になるように混練物24を加工する。この状態で加熱してCステージまで硬化させる。Bステージに硬化させる前でも、混練物24を加工することができるが、この方法の方が形状変化の少ない放熱板10を得易い。また、電子部品16を混練物24上に装着した後、加熱することもできる。この方法では、熱硬化性の絶縁樹脂が一度溶融するため接着剤を用いずに電子部品16を固定することができる。
Moreover, you may perform the following heating methods in a hardening process. The kneaded
また、この硬化工程において、フィルム26をつけたまま熱硬化性の絶縁樹脂を加熱してBあるいはCステージにしてからフィルム26を除去してもよい。
Further, in this curing step, the
次に、本発明の他の実施の形態における放熱板10の製造工程について説明する。 Next, the manufacturing process of the heat sink 10 according to another embodiment of the present invention will be described.
この放熱板10の製造工程は次の通りである。 The manufacturing process of this heat sink 10 is as follows.
図6(A)、図6(B)において、基板12に混練物24を積層する積層工程は前述の本実施の形態の製造工程と同様であるが、混練物24を完全にシート化せず、また、混練物24の表面を完全に平坦にせずに、次の工程で許容できる状態にしておいてもよい。
6A and 6B, the laminating process for laminating the kneaded
図6(C)において、基板12に積層した混練物24は、熱盤30で挟んで加圧と加熱を行い、未硬化の熱硬化性の絶縁樹脂を硬化する。
In FIG. 6C, the kneaded
図6(D)において、熱盤30をはずせば、混練物24は絶縁体14として形成される。
In FIG. 6D, if the
この方法では加圧により混練物24の厚みは薄くなるため、熱盤30に挟み込む前の混練物24の厚さは、熱盤30で挟み込んだ後の欲しい厚さに対して、予め厚くしておく必要がある。本工程では、最終的な基板12に形成される絶縁体14の厚みを0.6mmにするため、基板12に積層した時点の混練物24の厚みを1mmにしている。
In this method, since the thickness of the kneaded
また、この硬化工程では、混練物24と熱盤30との間に混練物24と金型とを離型し易くするために、混練物24の表面に耐熱性のあるPETからなるフィルム26を付けた状態で、熱盤30に挟み込んでもよい。これにより、混練物24が熱盤30に付着することを防ぐことができる。
In this curing step, a
熱盤30で挟み込んだ後は、フィルム26を剥離する。
After being sandwiched by the
さらに、本発明の他の実施の形態における放熱板10の製造工程について説明する。 Furthermore, the manufacturing process of the heat sink 10 in other embodiment of this invention is demonstrated.
図7(A)、図7(B)において、基板12に混練物24を積層する積層工程は前述の本実施の形態の製造工程と同様であるが、混練物24を完全にシート化せず、また、混練物24の表面を完全に平坦にせずに、次の工程で許容できる状態にしておいてもよい。
7A and 7B, the laminating process for laminating the kneaded
図7(C)において、混練物24を積層した基板12を上金型32と下金型34内に設置する。
In FIG. 7C, the
上金型32には混練物24を所定の形状に成形するための凹凸が設けられている。
The
図7(D)において、上金型32と下金型34を閉じて混練物24を加圧・加熱して成形を行う。
In FIG. 7D, the
この時、上金型32と下金型34は、150℃程度に昇温されており、混練物24を加熱してBあるいはCステージにする。この場合、加熱時間が5分程度と短い場合はBステージであるが、それ以上の時間ではCステージになる。
At this time, the
図7(E)において、加圧・加熱を経て、混練物24は絶縁体14として形成される。
In FIG. 7E, the kneaded
この放熱板10の絶縁体14には、凹部36が形成されるので、図8に示すように、この凹部36に電子部品16を装着すれば装着が容易となる。
Since the
この電子部品16の装着方法としては、例えば、Cステージまで硬化させた状態で、接着剤で装着する方法があるが、次のような装着方法でもよい。
As a method for mounting the
Bステージの状態で電子部品16を凹部36に置いて150℃前後で加熱し、熱硬化性の絶縁樹脂が一度溶融して電子部品16と混練物24とを熱硬化性の絶縁樹脂で接着してから、Cステージまで硬化させてもよい。これによると、熱硬化性の絶縁樹脂がある程度の硬度を有することになり、電子部品16が自重で混練物24に沈み込むことを防げる。より接着力を上げる場合には、電子部品16を混練物24に加圧しながら加熱すると良い。
In the state of B stage, the
このように本実施の形態では、発熱部品は放熱板10の絶縁体14に面接触させて装着するので、放熱板10との接触面積が大きくなり、放熱性を損なわずに、絶縁性を向上することができる。放熱性や絶縁性の必要度に応じて、基板12に積層する絶縁体14の面積を変えたり、基板12の材質を選択したりすれば、所望の特性を自由に得ることができる。特に、発熱部品は、その外形の一部を放熱板10の絶縁体14に面接触させ、発熱部品の接続端子20で回路基板22に実装しているので、非常に簡素な組み合わせで、部品ユニットを形成できる。
As described above, in the present embodiment, since the heat-generating component is mounted in surface contact with the
また、放熱板10には、電源部における発熱部品を集約しているので、この放熱板10を機器の筐体18やシャーシの金属体に接触させるだけで、簡単で、より効率良く放熱することができる。さらに、発熱部品間における配線を短くすることもでき、配線長に起因するインピーダンスを低減して、ノイズの低減を図ることもできる。
In addition, since the heat generating parts in the power supply unit are gathered in the heat radiating plate 10, it is possible to radiate heat more easily and simply by bringing the heat radiating plate 10 into contact with the
なお、本発明の実施の形態では、基板12の一方の面にしか絶縁樹脂を積層せず、基板12の一方の面にのみ絶縁体14を形成したが、基板12の他方の面にも絶縁樹脂を積層して絶縁体14を形成したり、基板12の端面にも絶縁樹脂を塗布し基板12を絶縁樹脂で被覆して絶縁体14を形成したりしてもよい。これによると、絶縁体14は基板12の主平面の両側に形成されるので、両側に電子部品16を装着でき、機器の小型化を行うことができる。また、基板12の端面にも絶縁体14を形成すれば、より絶縁を確保できるため、絶縁距離を短くでき機器の小型化を行うことができる。
In the embodiment of the present invention, the insulating resin is laminated only on one surface of the
さらに、図9に示すように、基板12に積層する絶縁体14は、基板12の一部に形成しても、全面に形成しても良く、また、電子部品16に要求される絶縁耐圧によって、電子部品16が装着される部分のみに絶縁体14を積層したり、電子部品16の装着される部分のみに絶縁体14を積層せずに、その周囲に積層したりしても良い。
Furthermore, as shown in FIG. 9, the
絶縁体14の積層面積に応じて、絶縁樹脂の使用量を減らすこともでき、コストダウンも行える。また、絶縁体14を積層していない部分では(金属製の基板12が露出する部分では)、放熱板10を各種の機器の筐体18に取り付けるためのネジ等を取り付けることができ、絶縁体14にクラック等も発生させずに取り付けることもできる。
Depending on the laminated area of the
以上のように本発明の部品ユニットは、放熱と絶縁の必要な電子部品を装着し、放熱性と絶縁性を向上させることができるので、各種の電子機器に用いることができる。 As described above, the component unit of the present invention can be used in various electronic devices because it can be mounted with electronic components that require heat dissipation and insulation to improve heat dissipation and insulation.
10 放熱板
12 基板
14 絶縁体
16 電子部品
18 筐体
20 接続端子
22 回路基板
24 混練物
26 フィルム
28 ローラー
30 熱盤
32 上金型
34 下金型
36 凹部
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