JP6686467B2 - 電子部品放熱構造 - Google Patents

Description

本発明は、電子部品放熱構造に関する。

周知のように、パワートランジスタ等の発熱部品を回路として実装する場合、ヒートシンク等の放熱部材をグリースやシート、また接着剤などの熱接合材（ＴＩＭ：Thermal Interface Material)を介して発熱部品に接続し、発熱部品から発生する熱をグリースやシート、また熱接合材を介して放熱部材に伝熱させて放熱している。例えば下記特許文献１には、上記熱接合材を用いて電子部品の熱をヒートシンクに伝熱する液冷ヒートシンク装置が開示されている。

特開２００８−２５８５１３号公報

しかしながら、上記熱接合材は熱伝達機能に加えて接着機能を有するものであり、比較的薄い膜として発熱部品とヒートシンクとの間に存在するものの、熱伝達機能が必ずしも十分ではない。したがって、熱接合材の熱伝達機能が十分ではないために、より大きなヒートシンクを用いることが余儀なくされ、この結果として発熱部品の放熱に関する実装面積あるいは実装体積が大きくならざるを得ない、という問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、電子部品の放熱性能をさらに向上させることを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、電子部品放熱構造に係る第１の解決手段として、放熱パッドを備えると共にプリント基板に実装された電子部品の熱を放熱する電子部品放熱構造であって、前記放熱パッドが前記プリント基板に形成された放熱パターンにハンダ接続された状態、かつ、前記放熱パターンにヒートシンクがハンダ接続された状態であり、前記ヒートシンクは、複数のフィンを備え、当該フィンの付根部が前記放熱パターンにハンダ接続された状態である、という手段を採用する。

本発明では、電子部品放熱構造に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記ヒートシンクが複数備えられ、前記放熱パターンは、前記ヒートシンクが前記電子部品を挟むように配置される形状に設けられる、という手段を採用する。

本発明では、電子部品放熱構造に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記プリント基板は、前記放熱パターンが両面に対向状態で形成される多層基板であり、前記放熱パッドは、一方の前記放熱パターンにハンダ接続された状態であり、前記ヒートシンクは、他方の前記放熱パターンにハンダ接続された状態であり、一方の前記放熱パターンと他方の前記放熱パターンとは、サーマルビアで相互に接続された状態である、という手段を採用する。

本発明では、電子部品放熱構造に係る第４の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記プリント基板は、前記放熱パターンが両面に対向状態で形成される多層基板であり、前記放熱パッドは、一方の前記放熱パターンにハンダ接続された状態であり、前記ヒートシンクは、一方の前記放熱パターン及び他方の前記放熱パターンにハンダ接続された状態であり、一方の前記放熱パターンと他方の前記放熱パターンとは、サーマルビアで相互に接続された状態である、という手段を採用する。

本発明によれば、電子部品の放熱性能を従来よりも向上させることが可能である。

本発明の第１実施形態に係る電子部品放熱構造を示す正面図（ａ）である。 本発明の第１実施形態に係る電子部品放熱構造を示す正面図（ａ）におけるＸ−Ｘ線断面図（ｂ）である。 本発明の第２実施形態に係る電子部品放熱構造を示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係る電子部品放熱構造を示す正面図（ａ）である。 本発明の第３実施形態に係る電子部品放熱構造を示す正面図（ａ）におけるＹ−Ｙ線断面図（ｂ）である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
第１実施形態に係る電子部品放熱構造Ａは、図１、図２に示すようにプリント基板１、発熱部品２（電子部品）、２つのヒートシンク３、４、３つのハンダ層５〜７から構成される。

プリント基板１は、片面のみに配線パターンが形成された単層基板であり、絶縁層１ａと放熱パターン１ｂとを備える。絶縁層１ａは、例えばガラス繊維にエポキシ樹脂を含浸させた板状部材（絶縁部材）であり、電気的絶縁性能と適度な機械的強度を有する。すなわち、プリント基板１は、例えばガラスエポキシ基板である。なお、一般的に、プリント基板の絶縁層の材料としては、上記ガラス繊維にエポキシ樹脂を含浸させたもの他に、紙にエポキシ樹脂を含浸させたものやテフロン（登録商標）を用いたもの等が知られている。プリント基板１としては、このようなものを採用してもよい。

放熱パターン１ｂは、上面に設けられた導電性パターンであり、金属の中でも導電性に優れている例えば銅（Ｃｕ）からなる。この放熱パターン１ｂは、図示するように発熱部品２及び２つのヒートシンク３、４に対向する形状且つ大きさに形成されている。なお、このような放熱パターン１ｂは、プリント基板１の上面全体に設けられていた銅板（銅箔）をエッチング処理することによって上記形状且つ大きさに形成されたものである。

発熱部品２は、比較的発熱の多い電子部品であり、上記プリント基板１において放熱パターン１ｂの中心近傍に実装される。この発熱部品２は、電子部品の中でも比較的大きな電流を出力するように構成されており、この比較的大きな電流の関係で発熱量が比較的多いものである。このような発熱部品２は、例えばパワートランジスタ・モジュールであり、半導体チップ２ａ、裏面放熱パッド２ｂ、複数のリード２ｃ及びパッケージ２ｄ等を備えている。第１実施形態に係る電子部品放熱構造Ａは、裏面放熱パッド２ｂ（放熱パッド）を備えると共にプリント基板１に実装された電子部品２の熱を放熱するものである。

半導体チップ２ａは、シリコン等の基材にパワートランジスタ等の半導体素子が形成されたチップ（小片）である。裏面放熱パッド２ｂは、半導体チップ２ａの半導体素子を構成する各種部位のうち、発熱が最も著しい部位に接続された金属部材である。例えば、半導体素子がＭＯＳ型パワートランジスタの場合、裏面放熱パッド２ｂは、最も発熱が著しいドレイン領域に接続される。リード２ｃは、半導体素子の端子を外部に接続するための金属部材（導体）である。パッケージ２ｄは、半導体チップ２ａを気密状態に封止する容器であり、例えばセラミックスで形成されている。

ヒートシンク３は、放熱パターン１ｂ上において発熱部品２の左側に実装されており、熱伝導性に優れた放熱部材である。このヒートシンク３は、熱伝導性に優れた金属、例えば銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）のブロックを機械加工して形成されたものであり、複数のフィン３ａと、当該フィン３ａの一端が相互に接続する付根部３ｂとを備える。

フィン３ａは、付根部３ｂから平行に林立する棒状部位であり、表面積が極力大きくなるように複数設けられている。付根部３ｂは、下面が平面かつ上面に複数のフィン３ａが植設された平板状部位である。このようなヒートシンク３は、付根部３ｂの下面から伝わってきた熱を付根部３ｂを介して複数のフィン３ａに伝熱させ、各フィン３ａの表面から空中に放散させる。

ヒートシンク４は、放熱パターン１ｂ上において発熱部品２の右側に実装されており、熱伝導性に優れた放熱部材である。このヒートシンク４は、熱伝導性に優れた金属、例えば銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）のブロックを機械加工して形成されたものであり、複数のフィン４ａと、当該フィン４ａの一端が相互に接続する付根部４ｂとを備える。

フィン４ａは、付根部４ｂから平行に林立する棒状部位であり、表面積が極力大きくなるように複数設けられている。付根部４ｂは、下面が平面かつ上面に複数のフィン４ａが植設された平板状部位である。このようなヒートシンク４は、付根部４ｂの下面から伝わってきた熱を付根部４ｂを介して複数のフィン４ａに伝熱させ、各フィン４ａの表面から空中に放散させる。

ハンダ層５は、発熱部品２と放熱パターン１ｂとの間に介在するハンダの薄膜である。すなわち、このハンダ層５は、発熱部品２をプリント基板１上にハンダ接続するロウ材層である。このようなハンダ層５は、溶融状態のハンダ（ロウ材）が冷却固化することによって形成されたものであり、発熱部品２の裏面放熱パッド２ｂと放熱パターン１ｂとを機械的に接続（接合）する。

ハンダ層６は、ヒートシンク３と放熱パターン１ｂとの間に介在するハンダの薄膜である。すなわち、このハンダ層５は、ヒートシンク３をプリント基板１上にハンダ接続するロウ材層である。このようなハンダ層５は、溶融状態のハンダ（ロウ材）が冷却固化することによって形成されたものであり、ヒートシンク３の付根部３ｂと放熱パターン１ｂとを機械的に接続（接合）する。

ハンダ層７は、ヒートシンク４と放熱パターン１ｂとの間に介在するハンダの薄膜である。すなわち、このハンダ層５は、ヒートシンク４をプリント基板１上にハンダ接続するロウ材層である。このようなハンダ層５は、溶融状態のハンダ（ロウ材）が冷却固化するすることによって形成されたものであり、ヒートシンク４の付根部４ｂと放熱パターン１ｂとを機械的に接続（接合）する。

次に、このように構成された電子部品放熱構造Ａの作用効果について説明する。
第１実施形態に係る電子部品放熱構造Ａでは、発熱部品２の裏面放熱パッド２ｂがハンダ層５を介して放熱パターン１ｂに接続され、ヒートシンク３の付根部３ｂがハンダ層６を介して放熱パターン１ｂに接続され、またヒートシンク４の付根部４ｂがハンダ層７を介して放熱パターン１ｂに接続されている。

すなわち、発熱部品２の裏面放熱パッド２ｂは、従来の熱接合材よりも伝熱性能に優れたハンダ層５、放熱パターン１ｂ及びハンダ層６を介してヒートシンク３の付根部３ｂに接続され、また同様に従来の熱接合材よりも伝熱性能に優れたハンダ層５、放熱パターン１ｂ及びハンダ層７を介してヒートシンク４の付根部４ｂに接続されている。

したがって、第１実施形態に係る電子部品放熱構造Ａによれば、発熱部品２（電子部品）の放熱性能を従来よりも向上させることが可能である。
また、放熱パターン１ｂは、２つのヒートシンク３、４が発熱部品２を挟む態様、つまり２つのヒートシンク３、４を発熱部品２に近接配置可能な形状に設けられているので、これによっても放熱性能を向上させることが可能である。

〔第２実施形態〕
第２実施形態に係る電子部品放熱構造Ｂは、図３に示すように、図１のプリント基板１に代えて多層プリント基板１Ａを用い、２つのヒートシンク３、４に代えてヒートシンク８、また２つのハンダ層６に代えて１つのハンダ層９を備えるものである。なお、発熱部品２及びハンダ層５については、第１実施形態に係る電子部品放熱構造Ａと同様である。

多層プリント基板１Ａは、図示するように４層基板であり、絶縁層１ｃの間に４つの放熱パターン、つまり第１放熱パターン１ｄ、第２放熱パターン１ｅ、第３放熱パターン１ｆ及び第４放熱パターン１ｇを備える。すなわち、この多層プリント基板１Ａは、第１放熱パターン１ｄと第４放熱パターン１ｇが両面に対向状態で形成される。

これら第１放熱パターン１ｄ、第２放熱パターン１ｅ、第３放熱パターン１ｆ及び第４放熱パターン１ｇは、図示しないが全く同一形状かつ同一サイズに形成されており、また位置関係も正対する位置関係に形成されている。このような第１放熱パターン１ｄ、第２放熱パターン１ｅ、第３放熱パターン１ｆ及び第４放熱パターン１ｇは、例えば第１実施形態の放熱パターン１ｂと同一形状かつ同一サイズである。

このような多層プリント基板１Ａにおいて、第１放熱パターン１ｄ（一方の放熱パターン）の表面（多層プリント基板１Ａの表面）には発熱部品２がハンダ層５を介して接続され、第４放熱パターン１ｇ（他方の放熱パターン）の表面（多層プリント基板１Ａの裏面）において、発熱部品２と同一位置にはハンダ層９を介してヒートシンク８が接続されている。すなわち、発熱部品２とヒートシンク８とは、多層プリント基板１Ａを挟んで対向する位置関係で多層プリント基板１Ａに実装されている。

また、多層プリント基板１Ａにおいて、発熱部品２の直下つまりヒートシンク８の直下に相当する部位には、複数のサーマルビア１ｈが第１放熱パターン１ｄ、第２放熱パターン１ｅ、第３放熱パターン１ｆ及び第４放熱パターン１ｇを接続した状態で設けられている。このようなサーマルビア１ｈは、熱伝導性に優れた金属、例えば銅（Ｃｕ）やアルミニウム（Ａｌ）によって形成されており、第１放熱パターン１ｄ、第２放熱パターン１ｅ、第３放熱パターン１ｆ及び第４放熱パターン１ｇを電気的かつ熱的に接続する。

ヒートシンク８は、第１実施形態のヒートシンク３、４と同一のものであり、複数のフィン８ａと付根部８ｂとを備える。ハンダ層９は、ヒートシンク８と第４放熱パターン１ｇとの間に設けられ、ヒートシンク８の付根部８ｂと第４放熱パターン１ｇとを機械的に接続（接合）する。

このような第２実施形態に係る電子部品放熱構造Ｂでは、発熱部品２の裏面放熱パッド２ｂがハンダ層５を介して第１放熱パターン１ｄに接続され、ヒートシンク８の付根部８ｂがハンダ層９を介して第４放熱パターン１ｇに接続され、また第１放熱パターン１ｄと第４放熱パターン１ｇとが複数のサーマルビア１ｈで接続さている。すなわち、発熱部品２の裏面放熱パッド２ｂは、従来の熱接合材よりも伝熱性能に優れたハンダ層５、第１放熱パターン１ｄ、複数のサーマルビア１ｈ、第４放熱パターン１ｇ及びハンダ層９を介してヒートシンク８の付根部８ｂに接続されている。

したがって、第２実施形態に係る電子部品放熱構造Ｂによれば、第１実施形態に係る電子部品放熱構造Ａと同様に、発熱部品２（電子部品）の放熱性能を従来よりも向上させることが可能である。
また、第２実施形態に係る電子部品放熱構造Ｂでは、第１放熱パターン１ｄ及び第４放熱パターン１ｇに第２放熱パターン１ｅ及び第３放熱パターン１ｆが複数のサーマルビア１ｈによって接続されているので、第２放熱パターン１ｅ及び第３放熱パターン１ｆが放熱板として機能し、これによっても放熱性能を向上させることが可能である。

〔第３実施形態〕
第３実施形態に係る電子部品放熱構造Ｃは、図４、図５に示すように、図１のプリント基板１に代えて多層プリント基板１Ｂを用い、２つのヒートシンク３、４に加えて３つのヒートシンク８、１０、１１、また３つのハンダ層９、１２、１３を備えるものである。なお、発熱部品２及びハンダ層５については、第１実施形態に係る電子部品放熱構造Ａと同様である。

多層プリント基板１Ｂは、第２実施形態の多層プリント基板１Ａと同様に４層基板であり、多層プリント基板１Ａと同様に絶縁層１ｃの間に４つの放熱パターン、つまり第１放熱パターン１ｄ、第２放熱パターン１ｅ、第３放熱パターン１ｆ及び第４放熱パターン１ｇを備える。すなわち、この多層プリント基板１Ｂは、第２実施形態の多層プリント基板１Ａと同様に、第１放熱パターン１ｄと第４放熱パターン１ｇが両面に対向状態で形成される。

このような多層プリント基板１Ｂにおいて、第１放熱パターン１ｄ（一方の放熱パターン）の表面（多層プリント基板１Ａの表面）には発熱部品２がハンダ層５を介して接続され、第１放熱パターン１ｄ上において発熱部品２の左側にはハンダ層６を介してヒートシンク３が接続され、第１放熱パターン１ｄ上において発熱部品２の右側にはハンダ層７を介してヒートシンク４が接続されている。

また、第４放熱パターン１ｄ（他方の放熱パターン）の表面（多層プリント基板１Ｂの裏面）において、発熱部品２と同一位置にはハンダ層９を介してヒートシンク８が接続され、同じく第４放熱パターン１ｄの表面においてヒートシンク３と同一位置にはハンダ層１２を介してヒートシンク１０が接続され、同じく第４放熱パターン１ｄの表面においてヒートシンク４と同一位置にはハンダ層１３を介してヒートシンク１１が接続されている。

すなわち、発熱部品２とヒートシンク８とは、多層プリント基板１Ｂを挟んで対向する位置関係で多層プリント基板１Ｂに実装され、ヒートシンク３とヒートシンク１０とは多層プリント基板１Ｂを挟んで対向する位置関係で多層プリント基板１Ｂに実装され、ヒートシンク４とヒートシンク１１とは多層プリント基板１Ｂを挟んで対向する位置関係で多層プリント基板１Ｂに実装されている。

また、多層プリント基板１Ｂにおいて、発熱部品２の直下つまりヒートシンク８の直下に相当する部位、ヒートシンク３とヒートシンク１０と直下部位、またヒートシンク４とヒートシンク１１と直下部位には、複数のサーマルビア１ｉが第１放熱パターン１ｄ、第２放熱パターン１ｅ、第３放熱パターン１ｆ及び第４放熱パターン１ｇを接続した状態で設けられている。このようなサーマルビア１ｉは、第２実施形態のサーマルビア１ｈと同等な熱伝導性能を有する。

３つのヒートシンク８、１０、１１は、第１実施形態のヒートシンク３、４と同一のものであり、各々に複数のフィン８ａ、１０ａ、１１ａと付根部８ｂ、１０ｂ、１１ｂとを備える。３つのハンダ層９、１２、１３のうち、ハンダ層９は、ヒートシンク８と第４放熱パターン１ｇとの間に設けられ、ハンダ層１２はヒートシンク１０と第４放熱パターン１ｇとの間に設けられ、ハンダ層１３はヒートシンク１１と第４放熱パターン１ｇとの間に設けられている。

このような第３実施形態に係る電子部品放熱構造Ｃでは、発熱部品２の裏面放熱パッド２ｂがハンダ層５を介して第１放熱パターン１ｄに接続され、ヒートシンク８の付根部８ｂがハンダ層９を介して第４放熱パターン１ｇに接続され、また第１放熱パターン１ｄと第４放熱パターン１ｇとが複数のサーマルビア１ｈで接続さている。

また、上記第１放熱パターン１ｄには、ハンダ層６を介してヒートシンク３が、またハンダ層７を介してヒートシンク４がそれぞれ接続されている。さらに、第１放熱パターン１ｄには、複数のサーマルビア１ｉ、第４放熱パターン１ｇ及びハンダ層１２を介してヒートシンク１０が、また複数のサーマルビア１ｉ、第４放熱パターン１ｇ及びハンダ層１３を介してヒートシンク１１がそれぞれ接続されている。

すなわち、発熱部品２の裏面放熱パッド２ｂは、従来の熱接合材よりも伝熱性能に優れたハンダ層５、第１放熱パターン１ｄ等を介してヒートシンク３、４、８、１０、１１の付根部３ｂ、４ｂ、８ｂ、１０ｂ、１１ｂにそれぞれ接続されている。

したがって、第３実施形態に係る電子部品放熱構造Ｃによれば、第１実施形態に係る電子部品放熱構造Ａ及び第２実施形態に係る電子部品放熱構造Ｂと同様に、発熱部品２（電子部品）の放熱性能を従来よりも向上させることが可能である。
また、第３実施形態に係る電子部品放熱構造Ｃでは、第１放熱パターン１ｄ及び第４放熱パターン１ｇに第２放熱パターン１ｅ及び第３放熱パターン１ｆが複数のサーマルビア１ｈによって接続され、またヒートシンク１０、１１も接続されているので、第１実施形態に係る電子部品放熱構造Ａ及び第２実施形態に係る電子部品放熱構造Ｂよりも放熱性能を向上させることが可能である。

なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記第１、第３実施形態では、正面視で矩形状の発熱部品２においてリード２ｃが設けられていない左右にヒートシンク３、４を配置したが、本発明はこれに限定されない。例えば、ヒートシンク３、４に隣り合うように追加のヒートシンク及びハンダ層を設けて放熱パターン１ｂあるいは第１放熱パターン１ｄに接続してもよい。

（２）上記第２、第３実施形態では、発熱部品２の裏側にヒートシンク８を設けたが、本発明はこれに限定されない。例えばヒートシンク８に対して発熱部品２のリード２ｃが設けられている方向に隣り合うように追加のヒートシンク及びハンダ層を設けて第４放熱パターン１ｇに接続してもよい。

（３）上記第２、第３実施形態では、４層基板を採用したが、本発明はこれに限定されない。例えば２層基板あるいは８層基板等、４層以外の多層基板を採用してもよい。

Ａ〜Ｃ 電子部品放熱構造
１、 １Ａ、１Ｂ プリント基板
１ａ、１ｃ 絶縁層
１ｂ 放熱パターン
１ｄ 第１放熱パターン
１ｅ 第２放熱パターン
１ｆ 第３放熱パターン
１ｇ 第４放熱パターン
１ｈ、１ｉ サーマルビア
２ 発熱部品（電子部品）
２ａ 半導体チップ
２ｂ 裏面放熱パッド
２ｃ リード
２ｄ パッケージ
３、４、８、１０、１１ ヒートシンク
３ａ、４ａ、８ａ、１０ａ、１１ａ フィン
３ｂ、４ｂ、８ｂ、１０ｂ、１１ｂ 付根部
５、６、７、９、１２、１３ ハンダ層

Claims (3)

1. 放熱パッドを備えると共にプリント基板に実装された電子部品の熱を放熱する電子部品放熱構造であって、
   前記放熱パッドが前記プリント基板に形成された放熱パターンにハンダ接続された状態、かつ、前記放熱パターンに複数のヒートシンクがハンダ接続された状態であり、
   前記ヒートシンクは、複数のフィンを備え、当該フィンの付根部が前記放熱パターンにハンダ接続された状態であり、
   前記放熱パターンは、前記ヒートシンクが前記電子部品を挟むように、かつ、前記ヒートシンクが前記電子部品のリードが設けられていない左右に配置される形状に設けられることを特徴とする電子部品放熱構造。
2. 前記プリント基板は、前記放熱パターンが両面に対向状態で形成される多層基板であり、
   前記放熱パッドは、一方の前記放熱パターンにハンダ接続された状態であり、
   前記ヒートシンクは、他方の前記放熱パターンにハンダ接続された状態であり、
   一方の前記放熱パターンと他方の前記放熱パターンとは、サーマルビアで接続された状態である
   ことを特徴とする請求項１記載の電子部品放熱構造。
3. 前記プリント基板は、前記放熱パターンが両面に対向状態で形成される多層基板であり、
   前記放熱パッドは、一方の前記放熱パターンにハンダ接続された状態であり、
   前記ヒートシンクは、一方の前記放熱パターン及び他方の前記放熱パターンにハンダ接続された状態であり、
   一方の前記放熱パターンと他方の前記放熱パターンとは、サーマルビアで相互に接続された状態であることを特徴とする請求項１記載の電子部品放熱構造。

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