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JP3923703B2 - 放熱手段を有するプリント配線板 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、自己放熱する電子部品、特に、放熱用プレートを有する半導体装置を実装したプリント配線板において、上記半導体装置からの熱を効率的に外部に放射することができる放熱手段を有するプリント配線板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、たとえば、ＡＣ／ＤＣあるいはＤＣ／ＤＣコンバータ回路に用いられるハイブリッド型ＩＣなどとして形成されるプリント配線板では、動作時における発熱量の多い半導体チップを内臓する樹脂パッケージ型半導体装置が基板に実装されおり、このような半導体装置は、上記半導体チップが発する熱を外部に放射するための放熱プレートを設けている。
【０００３】
上記放熱プレートを有する半導体装置を基板に実装したプリント配線板としては、図７に示すようなものがある。また、図８は、図７のVII−VII線に沿う断面図を示している。上記ハイブリッド型ＩＣ１００では、図８に示すように、金属から形成された放熱プレート１１がその一部を樹脂パッケージ１０の外部に露出するようにして組み込まれた、樹脂パッケージ型半導体装置（以下「半導体装置」と記載）１が、基板１０２上に面実装されている。
【０００４】
上記半導体装置１は、図８に示すように、半導体チップ１２と、この半導体チップ１２に電気的に導通させられている複数本の内部リード１３と、上記半導体チップ１２ないし上記内部リード１３を包み込む樹脂パッケージ１０と、上記内部リード１３に連続して上記樹脂パッケージ１０の外部に延出する複数本の外部リード１４と、上記半導体チップ１２から発生する熱を外部に放出するため、一部が上記樹脂パッケージ１０の外部に延出するようにして上記樹脂パッケージ１０内に組み込まれた放熱プレート１１と、を備えて構成されている。
【０００５】
一方、上記基板１０２上には、上記各外部リード１４と対応する図示しない配線パターンが形成されており、さらに、上記半導体装置１の上記放熱プレート１１を装着するための銅箔パターン２０が形成されている。
【０００６】
図８に示すように、上記半導体チップ１２の上面には、上面電極１２ａが形成されており、この上面電極１２ａが上記内部リード１３の上面とワイヤ１５を介して電気的に接続されている。上記内部リード１３は、上記樹脂パッケージ１０から延出して屈曲形成されて、外部リード１４を形成しており、この外部リード１４は、上記配線パターンに半田付けされている。
【０００７】
上記放熱プレート１１は、図７および８に示すように、矩形状のダイパッド１１ａと、上記半導体装置１を上記基板１０２に実装して駆動した場合に発生した熱を放熱する放熱部１１ｂとを備えている。上記ダイパッド１１ａ上には、上記半導体チップ１２がボンディングされ、上記放熱部１１ｂおよび上記ダイパッド１１ａの下面は、上記銅箔パターン２０に半田付けされている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記銅箔パターン２０および上記基板１０２は、空気より比熱が小さいので、上記放熱プレートからの熱は、銅箔パターン２０を介して基板１０２に伝わりやすくなり、そこで蓄積されてしまう。基板２での熱の蓄積を防止して放熱を効率的に行うため、銅箔パターン２０の面積を大きくすれば、基板１０２の面積が大きくなってしまう。機器類の小型化、薄型化の要求に応えるべく、電子部品やプリント配線板もまた小型化、薄型化が要求されているが、銅箔パターン２０の面積を大きくしたのでは上述したニーズに応えることができない。
【０００９】
そこで、本願発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、プリント配線板を大型化することなく、電子部品で発生した熱を効率的に放射しうる放熱手段を有するプリント配線板を提供することをその課題とする。
【００１０】
【発明の開示】
上記課題を解決するため、本願発明では、次の技術的手段を講じている。
【００１１】
すなわち、本願発明により提供される放熱手段を有するプリント配線板は、内部に発生した熱を外部に伝導する放熱プレートを有する電子部品が基板の表面に面実装されているとともに、上記基板の裏面側には、上記電子部品に対応する位置に、熱を放射する放熱手段が面実装されているプリント配線板であって、上記基板の表面側における上記電子部品に対応する位置には、熱を伝導する第１放熱パターンが形成されており、上記電子部品の上記放熱プレートは、上記第１放熱パターンに半田付けによって接続されている一方、上記基板の裏面側における上記電子部品に対応する位置には、熱を伝導する第２放熱パターンが形成されており、上記放熱手段は、上記第２放熱パターンに面的に接触可能に形成された取付面と上記第２放熱パターンとの間に半田を介在させることにより上記基板の裏面側に面実装されていることを特徴としている。
【００１２】
上記技術的手段が講じられた本願発明により提供される放熱手段を有するプリント配線板では、基板の表面に面実装された電子部品の内部で発生した熱は、放熱プレートから基板を介して放熱手段へ伝わり、この放熱手段から放射される構成とされているので、基板に蓄積されることがなく、効率的に放熱することができる。また、上記放熱手段は、上記基板の裏面に面実装されるため、この放熱手段を有するプリント配線板の面積を大型化することがなく、しかも、上記放熱手段をネジなど他の部材で固定する必要がないため、製造効率がよい。
【００１３】
また、上記放熱手段は、ハンダリフローの手法によって、既存のマウンターなどで自動実装し、製造効率を向上することができる。
【００１４】
また、他の好ましい実施の形態としては、上記放熱手段には、メッキ層が形成されており、このメッキ層を介することにより上記基板に半田付け可能である構成とすることができる。
【００１５】
なお、上記メッキ層としては、錫およびニッケルのいずれか１つまたはその両方を含んだ層とすることもできる。
【００１６】
このような構成が適用された実施形態によれば、上記放熱手段は、より効率的に放熱するために、たとえば、アルミニウムや鉄など熱を伝導しやすい金属から形成しても半田付けすることができる。
【００１７】
さらに、他の好ましい実施の形態としては、上記放熱手段は、金属から形成されているとともに、表面側には、熱を放射するための複数のフィンが形成されている構成とすることができる。
【００１８】
このような構成が適用された実施形態によれば、上記放熱手段は、複数のフィンが形成されているので、熱を放射するために表面積を大きくすることができ、効率的に放熱することができる。
【００１９】
さらにまた、他の好ましい実施の形態としては、上記放熱手段は、長尺帯状のフープ材を押出し成形により形成した一様断面を有する波状部材を、所定長さに切断することによって形成されている構成とすることによって、放熱手段の構造を単純化することができ、製造効率を向上することができる。
【００２２】
さらに、上記第１放熱パターンと上記第２放熱パターンとは、上記基板を貫通するスルーホールで接続されている
【００２３】
このような構成が適用された実施形態によれば、上記電子部品の上記放熱プレートからの熱は、上記第１放熱パターン、上記スルーホール、および／または上記第２放熱パターン、そして上記放熱手段に順次伝わることとなるので、基板に蓄積されることなく、より効率的に放熱することができる。
【００２４】
なお、上記第１放熱パターンおよび上記第２放熱パターンとして、上記基板上に形成された回路をなす配線パターンにおけるコモン用のパターンを利用すれば、上記基板上に放熱パターンを新たに形成する必要がないため、製造効率がよく、しかも、この放熱手段を有するプリント配線板を大型化することはない。
【００２５】
さらにまた、他の好ましい実施の形態としては、上記放熱手段は、上記基板を立てて使用する際、上記各フィンが起立するようにして上記基板に取り付けられる構成とすることができる。
【００２６】
このような構成が適用された実施形態によれば、損傷から保護するために、この放熱手段を有するプリント配線板全体を、たとえば粉体塗装などによって被覆しても、上記各フィン間の溝が塗装により埋没するのを防止することができる。
【００２７】
本願発明のその他の特徴および利点については、以下に行う発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。
【００２９】
図１は、本願発明に係る放熱手段を有するプリント配線板の一実施形態を示す全体斜視図、図２は、図１のII−II線に沿う断面図、図３は、図１の放熱手段を拡大して示す斜視図、図４は、本願発明に係る放熱手段を有するプリント配線板の他の実施形態における放熱手段を示す斜視図である。なお、本実施形態では、ＡＣ／ＤＣあるいはＤＣ／ＤＣコンバータ回路に用いられるハイブリッド型ＩＣとして形成された場合を一例とし、また、面実装されている電子部品としては、内部で熱が発生する半導体装置が用いられているものとして説明する。また、これらの図において、従来例のプリント配線板を説明するために参照した図面に表された部材および要素などと同等のものには同一の符号を付してある。
【００３０】
図１に示すように、放熱手段を有するプリント配線板（以下「配線板」と記載する）Ａは、ＡＣ／ＤＣあるいはＤＣ／ＤＣコンバータ回路に用いられるハイブリッド型ＩＣとして形成された構成とされている。このようなＩＣには、駆動時に生じる発熱量が大きい半導体チップ１２（図８参照）を内部に含む半導体装置１が用いられている。この半導体装置は、従来例を説明した際の半導体装置１と同様のものであり、内部に発生した熱を外部に伝導するための放熱プレート１１を有している。
【００３１】
上記配線板Ａは、図１に示すように、基板２の表面２ａに上記半導体装置１を面実装しており、上記基板２の裏面２ｂ側には、半導体装置１に対応する位置に、熱熱を放射させる放熱手段４が面実装されている。
【００３２】
上記基板２は、本実施形態では、たとえば、ガラス繊維をエポキシ系樹脂で固めたガラスエポキシなどにより形成されており、屈曲や伸縮しないよう強固にされている。また、上記基板２には、上記半導体装置１や、回路を形成する他の部品９０を接続している図示しない配線パターンが形成されている。
【００３３】
上記配線パターンは、たとえば、薄い銅箔などからなる導体によって形成されている。その形成においては、基板２の全面に導体膜を形成した後、たとえばフォトリソグラフィ法などによって不要部分を除去することにより形成される。この配線パターンの所定部分には、上記基板２の一辺近傍から突出する端子９１…が半田付けされており、これらの端子９１…は、この配線板Ａを使用する図示しない電子機器に接続されている。
【００３４】
また、上記基板２には、図２に示すように、その表面２ａに、熱を伝える第１放熱パターン３ａを形成することもできる。この場合、上記半導体装置１は、上記放熱プレート１１を第１放熱パターン３ａ上に半田付けすることによって基板２に面実装することができる。
【００３５】
上記第１放熱パターン３ａは、本実施形態では、上記放熱プレート１１と同等の面積を有しており、放熱プレート１１全体と接触している。これにより、第１放熱パターン３ａは、放熱プレート１１から熱を効率的に伝導することができる。また、第１放熱パターン３ａを、上記配線パターンと同じく銅箔から形成して、より効率的に放熱することもできる。このような第１放熱パターン３ａは、配線パターンの一部として同時に形成することができるので、別の部品として形成する必要がなく、製造効率がよい。
【００３６】
また、上記基板２には、図２に示すように、その裏面２ｂに、熱を伝える第２放熱パターン３ｂを形成することもできる。この場合、後述する放熱手段４は、その取付面を第２放熱パターン３ｂ上に、半田付けすることによって基板２に面実装することができる。
【００３７】
上記第２放熱パターン３ｂは、本実施形態では、上記放熱プレート１１と同等またはそれ以上の面積を有しており、上記基板２の裏面２ａにおいて放熱プレート１１と対応する部分全体に形成されている。このように、第２放熱パターン３ｂを上記基板２の裏面２ｂに形成すれば、上記配線板Ａを大型化することなく、熱を効率的に伝導することができる。
【００３８】
また、上記第２放熱パターン３ｂは、図１に示すように、上記配線パターンにおける、たとえばグランド用の電極となるコモンパターン３０などとして形成された部分と共することもできる。すなわち、放熱パターン３は、上記第１放熱パターン３ａと同様に製造効率がよい。
【００３９】
また、図２に示すように、上記第１放熱パターン３ａと上記第２放熱パターン３ｂとを、上記基板２を貫通するスルーホール５…によって接続することもでき、その内壁に形成した銅箔によって、上記第１放熱パターン３ａからの熱を基板２に伝えることなく上記第２放熱パターン３ｂに伝えることもできる。
【００４０】
上記スルーホール５…は、図２に示すように、半導体装置１の上記放熱プレート１１と対応する部分において、上記基板を貫通する貫通孔２１…を設けて、この貫通孔２１…の内壁に銅箔５ａを形成することにより形成される。すなわち、上記基板２の表面２ａと裏面２ｂとの配線パターンを導通させるための通常のスルーホールと同様のものであるので、これらと同時に形成することもでき、別の部品として形成する必要がなく、製造効率がよい。
【００４１】
また、上記スルーホール５…は、上述のように貫通孔２１…内壁に形成した銅箔５ａにより上記第１放熱パターン３ａと上記第２放熱パターン３ｂとを接続している。一般に、銅箔は、上記基板２より比熱が小さいとされているので、第１放熱パターン３ａの熱は、基板２に放熱されることなくスルーホール５…の銅箔５ａに伝導されうる。また、上記スルーホール５…を、図２に示すように、複数形成することによって、第１放熱パターン３ａおよび第２放熱パターン３ｂと接する面積を大きくし、効率的に熱を伝導することもできる。
【００４２】
なお、図２では、上記第１放熱パターン３ａ、上記第２放熱パターン３ｂおよび上記スルーホール５…を同時に設けているが、これら３つのうちの１つ、または、これら３つのうちの任意の２つを組み合わせて形成することもできる。
【００４３】
上記放熱手段４は、上記半導体装置１の放熱プレート１１から伝導してきた熱を放射するための部品であって、本実施形態では、基板２より比熱が小さい鉄から形成されている。したがって、第２放熱パターン３ｂに伝導された熱は、上記基板２に放熱されることなく放熱手段４に伝導される。この放熱手段４には、図３に示すように、互いに平行とされた複数の薄いフィン４０…が設けられており、空気と接触する表面積を大きくすることによって、放熱効果を向上することもできる。
【００４４】
また、上記放熱手段４は、図３に示すように、各フィン４０…を支持する支持部４１を有しており、各フィン４０…は、この支持部４１に直立するように設けられている。本実施形態では、この支持部４１を平面視で矩形とすることにより、放熱手段４を単純な構造としている。また、この支持部４１は、上記半導体装置１の上記放熱プレート１１と同等あるいはそれ以上の面積とされ、放熱プレート１１全てに対応することによって、放熱効果を向上している。
【００４５】
また、上記放熱手段４の支持部４１に、図３に示すように、上記第２放熱パターン３ｂに装着される取付面にメッキ層４２を形成して、このメッキ層４２を介して放熱パターン３に半田付け可能とすることもできる。
【００４６】
上記メッキ層４１は、本実施形態では、ニッケルおよび錫を含む層であり、これにより、鉄製の上記放熱手段４が、銅箔である放熱パターン３に金属結合され半田付けを可能にしている。あるいは、このメッキ層を２層構造にして、まずニッケルを含む層をメッキした後で、錫を含む層をメッキして形成することもできる。
【００４７】
なお、放熱手段としては、図４に示すように、長尺帯状のフープ材を押出し成形により形成した一様断面を有する波形部材を、所定の長さに切断することによって形成して、単純な構造とし製造効率を向上することもできる。この放熱手段４′では、フィン４０′は、断面略コ字状とされるので、空気と接触する面がより広くすることも可能である。また、この放熱手段４′も上記放熱手段４と同様のメッキ層を有することはいうまでもない。なお、波形部材の切断にあたっては、放熱手段４′を基板に面実装する際に行ってもよく、この場合、フープ材切断装置が装備されたマウンターなどを用いれば、フープ材を自動切断しながら実装することもできる。
【００４８】
上記放熱手段４または４′は、上述のように、半田付けすることが可能であるので、マウンターなどを用いて上記半導体装置１などを実装する際に、これらと同時に自動実装されうる。以下、放熱手段４を基板２に自動面実装する方法について、図５および図６を用いて簡単に説明する。なお、この基板２は、以下の手順によりあらかじめ加工されているものとする。
【００４９】
まず、上記基板２を所定の大きさに形成した後、面２ａ，２ｂに、上記配線パターンと、上記第１放熱パターン３ａおよび第２放熱パターン３ｂとを形成する。次いで、通常では、この基板２をグリーンレジストと呼ばれる絶縁性の樹脂被膜によって覆う。この時、第１，第２放熱パターン３…、および上記他の部品９０…の端子が半田付けされるべき導体パッドを、グリーンレジストで被覆されず露出させる。次に、所定の箇所にスルーホールを設けた後、スクリーンマスクを用いた印刷方法などにより、上記導体パッドおよび第１，第２放熱パターン３…の部分にクリーム半田を塗布する。
【００５０】
上述の手順で加工された基板２は、図５に示すように、第２放熱パターン３ｂを上にして、上記放熱手段４の取付け工程まで自動搬送される。なお、この工程より前に半導体装置１および他の部品９０…を取付けることもできる。また、本実施形態では、単一の基板２を搬送しているが、この基板２を複数枚形成した集合基板とし、後述するように放熱手段４および上記他の部品９０…を実装した後で、切り離して個々の配線板Ａとすることもできる。
【００５１】
一方、上記放熱手段４は、所定の形状および大きさに加工された後、本実施形態では、その取付面に上記メッキ層が形成された状態で、上記放熱手段４の取付け工程まで自動搬送される。
【００５２】
その搬送において、上記放熱手段４は、本実施形態では、上記取付面を下にして、たとえばポリイミドなどの合成樹脂により形成されたエンボステープ５０などによりピッチ搬送される。このエンボステープ５０には、図６に示すように、幅方向中間部に収納ポケット５１…が等間隔に複数設けられている。また、エンボステープ５０は、幅方向端部近傍に送り用のスプロケット穴５２…が等間隔に複数明けられており、スプロケット穴５２…には図示しない搬送機構の搬送スプロケットが係合し、所定方向に搬送される。
【００５３】
上記各収納ポケット５１…は、本実施形態では、そのコーナー部分にそれぞれ４つの膨出部５１ａ…が形成されており、上記放熱手段４は平面視で矩形とされ単純な構造とされているので、これらの膨出部５１ａ…の間に保持され、収納ポケット内で大きく動かないようにされうる。なお、各収納ポケット５１…は、本実施形態では、膨張部５１ａ…をそれぞれ４つ設けているが、幅方向一側の２つのコーナー部分にのみ設けることによって、トランジスタなどを搬送する既存のエンボステープを利用することもできる。
【００５４】
上述のように、上記エンボステープ５０により自動搬送された上記放熱手段４は、既存のマウンタ６０により、上記基板２の放熱パターン３に対応して載置される。
【００５５】
上記マウンタ６０には、本実施形態では、真空吸着コレット６１が備えられており、上記放熱手段４は、この真空吸着コレット６１により吸着されて上方へ移動されることにより、上記エンボステープ５０から取り出される。この真空吸着コレット６１の先端部６１ａは、本実施形態では、断面ロ字状の薄いパイプ状とされており、その厚みは、放熱手段４の上記フィン４０…間の溝部分に挿入可能な太さとされている。上記先端部６１ａにおけるフィン４０に対向する面には、孔部が設けてあり、放熱手段４は、上記真空吸着コレット６１内を真空にすることにより、フィン４０の側面がこの孔部に吸引され、真空吸着コレット６１に吸着されうる。
【００５６】
上記放熱手段４は、上記エンボステープ５０から吸着された後、上記真空吸着コレット６１を支持しているスライド部材６２の移動により、上記基板２に載置される。
【００５７】
続いて、上述のように加工した基板２を、リフロー炉内に搬入し、加熱することにより、上記クリーム半田を溶融させた後、冷却固化させることにより実装が完了する。このようにして、上記放熱手段４は、自動面実装されうる。
【００５８】
なお、上述のようにして形成された上記配線板Ａを、上記端子９１…（図１参照）を除いて、たとえば粉体塗装などによりコーティングして、保護することもできる。
【００５９】
上記粉体塗装の形成においては、粉末塗料を無溶剤で流動状とし、この流動槽内に、上記配線板Ａを浸漬させてからこれを引き上げる流動浸漬法などがある。この方法によれば、上記端子９１…を把持した状態で上記配線板Ａを立てて乾燥させるのであるが、その際に、上記各フィン４０…が起立する状態となる向きに、上記放熱手段４を基板２に実装すれば、各フィン４０…間の溝部分が上記塗料で埋没するのを防止することができる。
【００６０】
なお、上述した放熱手段を有するプリント配線板は、内部で熱が発生する半導体装置が実装されているハイブリッド型ＩＣの一例として説明したが、これに限ることなく様々なプリント配線板に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明に係る放熱手段を有するプリント配線板の一実施形態を示す全体斜視図である。
【図２】図１のII−II線に沿う断面図である。
【図３】図１の放熱手段を拡大して示す斜視図である。
【図４】本願発明に係る放熱手段を有するプリント配線板の他の実施形態における放熱手段を示す斜視図である。
【図５】本願発明に係る放熱手段をプリント配線板に実装する方法を説明するための概略斜視図である。
【図６】図５のテープを拡大して示す斜視図である。
【図７】従来における、放熱プレートを有する半導体装置を基板に実装したプリント配線板の一例を示す全体斜視図である。
【図８】図７のVII−VII線に沿う断面図である。
【符号の説明】
１ 半導体装置
２ 基板
３ａ 第１放熱パターン
３ｂ 第２放熱パターン
４ 放熱手段
５ スルーホール
１１ 放熱プレート
４０，４０′ フィン
４２ メッキ層

Claims (10)

  1. 内部に発生した熱を外部に伝導する放熱プレートを有する電子部品が基板の表面に面実装されているとともに、上記基板の裏面側には、上記電子部品に対応する位置に、熱を放射する放熱手段が面実装されているプリント配線板であって、
    上記基板の表面側における上記電子部品に対応する位置には、熱を伝導する第１放熱パターンが形成されており、上記電子部品の上記放熱プレートは、上記第１放熱パターンに半田付けによって接続されている一方、上記基板の裏面側における上記電子部品に対応する位置には、熱を伝導する第２放熱パターンが形成されており、上記放熱手段は、上記第２放熱パターンに面的に接触可能に形成された取付面と上記第２放熱パターンとの間に半田を介在させることにより上記基板の裏面側に面実装されていることを特徴とする、放熱手段を有するプリント配線板。
  2. 上記放熱手段の上記取付面には、メッキ層が形成されており、このメッキ層を介することにより上記基板の上記第２放熱パターンに半田実装可能である、請求項１に記載の放熱手段を有するプリント配線板。
  3. 上記メッキ層は、錫を含む層である、請求項２に記載の放熱手段を有するプリント配線板。
  4. 上記メッキ層は、ニッケルを含む層である、請求項２または３に記載の放熱手段を有するプリント配線板。
  5. 上記放熱手段は、金属から形成されているとともに、表面側には、熱を放射するための複数のフィンが形成されている、請求項１ないし４のいずれかに記載の放熱手段を有するプリント配線板。
  6. 上記放熱手段は、長尺帯状のフープ材を押出し成形により形成した一様断面を有する波状部材を、所定長さに切断することによって形成されている、請求項５に記載の放熱手段を有するプリント配線板。
  7. 上記第１放熱パターンと上記第２放熱パターンとは、上記基板を貫通するスルーホールで接続されている、請求項１ないし６のいずれかに記載の放熱手段を有するプリント配線板。
  8. 上記第１放熱パターンは、上記基板上に形成された回路をなす配線パターンにおけるコモン用のパターンである、請求項１ないし６のいずれかに記載の放熱手段を有するプリント配線板。
  9. 上記第２放熱パターンは、上記基板上に形成された回路をなす配線パターンにおけるコモン用のパターンである、請求項１ないし６のいずれかに記載の放熱手段を有するプリント配線板。
  10. 上記放熱手段は、上記基板を立てて使用する際、上記各フィンが起立するようにして上記基板に取り付けられる、請求項５ないし９のいずれかに記載の放熱手段を有するプリント配線板。
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