JP2000511696A - 電子部品を基板に実装するための装置および方法と基板に実装された電子部品を噴霧冷却する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電子部品１０は、ダイ２２と、ダイ２２に結合される端子１４とを有する。基板は第１面２０および第２面８２と、それを貫通する通路２６とを有する。端子１４は、第１面２０と連通し、ダイ２２は通路２６内に配置される。本装置は、ダイ２２と端子１４の一部分を囲むカバー１６を備え、固定部分２８と取り外し部分とを有する。固定部分２８は、端子１４に結合される接続領域と、通路２６内に配置される延長領域とを備える。延長領域は、第２面８２と実質的に同一平面上にある表面を有する。延長領域と基板１８との間には空間３２が存在する。延長領域の表面上に接着剤３４が配置され、空間３２内まで延在する。封止フレーム３６が空間３２に重なり、接着剤３４および第２面８２と連通する。

Description

【発明の詳細な説明】 電子部品を基板に実装するための装置および方法と 基板に実装された電子部品を噴霧冷却する方法 技術分野 本発明は、一般に電子部品に関し、さらに詳しくは、基板に電子部品を実装す るための装置および方法と、基板に実装された電子部品を噴霧冷却する方法とに 関する。 発明の背景 プリント回路板（ＰＣＢ：printed circuit board），多重チップ・モジュー ル（ＭＣＭ：multi-chip module）および電子ハイブリッド・アセンブリなどの 電子モジュールは、集積回路，受動素子（passive component）およびパワー・ トランジスタなど、共通基板に実装された複数の個別の電子部品によって構成さ れるのが一般的である。この個別の電子部品は、通常動作ならびに試験中や同調 中にも冷却を必要とする熱源である場合がある。 電子部品は、自然のあるいは強制的な空気の対流により冷却されることが多い が、空気の熱容量が相対的に悪く、その熱伝達係数のために、部品内を、あるい は部品に付属 された大型のヒート・シンク内を通過して大容量の空気を移動させることが必要 になる。しかし、空気冷却のプロセスでは、電子モジュール内の各々の発熱電子 部品を均一に冷却できず、望ましくない音響ノイズやほこりなどの汚染源を部品 内に持ち込むことがある。 蒸発噴霧冷却は、霧化された流体の液滴を直接的または間接的に電子部品など の熱源の表面に吹き付けることを特徴とする。流体の液滴が部品表面に衝突する と、液体の薄膜が部品を覆い、主に、部品表面からの流体の蒸発によって熱が除 去される。 多くの電子用途においては蒸発噴霧冷却は熱除去のための好適な方法であるが 、既知の噴霧冷却システムは、一般に、大型電子モジュールの表面全体を冷却す るように設計される。流体は、通常、電子モジュールの表面に直接的に噴霧され るので、電子部品から溶剤の残渣などの微粒子を捕捉し、これがノズルを詰まら せたり、流体の効果的な噴霧を妨げることがある。また、発熱電子部品は、電子 モジュール領域において分離されており、分離されないと熱負荷が低くなるので 、電子モジュール全体を噴霧冷却することは望ましくない、あるいは実用的でな くなることになる。 さらに、噴霧冷却システムの動作に先立ち、広範な封止が必要になるので、部 品に対する妨げのないアクセスを必要とすることが多いモジュールの試験および 同調プロセスの間は、冷却システムの動作を実行できないことになる。 従って、試験および同調プロセスの間に電子部品の噴霧冷却を容易にする、電 子部品の基板への実装装置および方法が必要である。この装置および方法により 、高熱を発する部品を電子モジュールの他の全部品と同じ側に配置し、なおかつ 電子モジュールの反対側から冷却することが可能になり、汚染の問題を削減する 。 発明の概要 本発明のある局面により、電子部品を基板に実装するための装置が上記の必要 性に対処する。電子部品は、ダイとダイに結合される端子とを有する。基板は、 第１面および第２面を有し、それを貫通する通路を有する。端子は、第１面と連 通し、ダイは通路内に配置される。本装置は、ダイと、端子の少なくとも一部分 とを囲むカバーを備える。このカバーには、固定部分と、固定部分に切り離し可 能に接続される取り外し部分とがある。固定部分は、接続領域と延長領域とを備 える。接続領域は端子に結合され、延長領域は通路内に配置される。延長領域は 、第２面と実質的に同一平面上にある。延長領域と基板との間には空間がある。 延長領域の表面に接着剤が付着され、接着剤の少なくとも一部分がこの空間内に 延在する。封止フレームがこの空間に重なり、接着剤と第２面とに連通する。 本発明の別の局面により、ダイを有する電子部品を第１ 面と第２面とを有する基板に実装する方法が提供される。本方法は、基板を貫通 して通路を設ける段階；通路内にカバーを配置する段階であって、このカバーが ダイの少なくとも一部分を覆い、固定部分と取り外し部分とを有し、取り外し部 分は固定部分に分離可能に接続され、固定部分は第１面に結合する第１端と第２ 面と実質的に同一平面上にある表面を有する第２端とを有する段階；および接着 剤と第２面とに連通する封止フレームを設ける段階を含む。 本発明のさらに別の局面により、第１面と第２面とを有する基板に実装された 、ダイを有する電子部品を噴霧冷却する方法が提供される。本方法は、基板を貫 通して通路を設ける段階；通路内に、ダイを囲み、底面および頂面を有する壁を 配置する段階であって、底面は第１面に結合され頂面は第２面と実質的に同一面 上にある段階；頂面に連通して接着剤を供給する段階；接着剤と第２面とに連通 して封止フレームを設ける段階；およびチャンバを規定するハウジングであって 、封止フレームを囲むハウジングを第２面に結合する段階を含む。 本発明の利点は、例として図示および説明される本発明の以下の説明と好適な 実施例から、当業者には容易に理解頂けよう。言うまでもなく、本発明は他の異 なる実施例も可能であり、その詳細は種々の観点において改良が可能である。従 って、図面と説明は、性質上、例示のためのものであり、制限するためのものと 見なされるべきではない。 図面の簡単な説明 第１図は、典型的な電子部品の等角図である。 第２図は、別の典型的な電子部品の等角図である。 第３図は、第１図に示される電子部品を線３−３に沿って切断した前面図であ り、部品を基板に実装する典型的方法を示す。 第４図は、第２図に示される電子部品を線４−４に沿って切断した前面図であ り、部品を基板に実装する典型的方法を示す。 第５図は、第２図および第４図の電子部品が本発明の好適な実施例により基板 に実装された場合の前面図である。 第６図は、第５図の電子部品の一部分の拡大図である。 第７図は、第５図および第６図に示されるように実装される電子部品の前面図 であり、本発明の好適な実施例による閉ループ流体流を有する噴霧冷却システム をさらに図示する。 第８図は、第１図および第３図の電子部品に関する代替のフランジ設計であっ て、第７図に図示されるシステムなどの閉ループ流体流を有する噴霧冷却システ ムと共に用いるフランジ設計の底面図である。 好適な実施例の詳細説明 図面を参照して、同様の番号は同様の部品を示すが、第１図は典型的電子部品 １０の等角図である。電子部品１０は、装置土台１２すなわちフランジ；数個の 端子１４；カバー１６およびカバー１６により保護される１つ以上のダイ（図示 せず）を備える。 電子部品１０は、たとえば、モトローラ社から発注番号ＭＲＦ８９９/Ｄによ り販売されるＮＰＮシリコン無線周波数（ＲＦ）パワー・トランジスタである。 電子部品１０に関する言及は、第１図に図示される部品１０だけでなく、第２図 に示される、モトローラ社から発注番号ＳＲＦ7016で販売されるフランジのない ＲＦパワー・トランジスタなどの異なる構造のパワー・トランジスタにも適応す ることは言うまでもない。 第２図に図示されるように、電子部品１０は、端子１４；カバー１６；アルミ ナなど、多少の厚みを有してカバー１６から少し延在するベース１７；および１ つ以上のダイ（図示せず）を備える。このダイは、たとえば、トランジスタ・ベ ース，トランジスタ・エミッタおよびトランジスタ・コレクタである。ダイ２２ はカバー１６に密閉される。第２図に図示される部品１０は、第１図の部品１０ とは異なり、フランジ１２を持たない。 第３図は、第１図に図示される電子部品の線３−３に沿う前面図であり、キャ リヤ板１９を用いて部品１０を基板１８に実装するための典型的な方法を示す。 基板１８は、 ガラス充填エポキシ，テフロン，アルミナ，セラミックまたはプラスティックの １つ以上の層によって構成される。キャリヤ板１９は、たとえば、銅，炭化アル ミニウム−シリコン（AlSiC）またはグラファイトで作られる。 図示されるように、端子１４は基板１８の第１面２０と連通する。端子１４は 、ハンダ付けまたは導電性エポキシなど種々の方法で、基板１８に、あるいは基 板１８上に位置する他の装置（図示せず）に付着される。少なくとも１つの発熱 ダイ２２を密閉するカバー１６は、端子１４に結合され、基板１８の第１面２０ 上に位置する。ダイ２２の電気的接地面となり熱拡散を強化するフランジ１２は 、たとえばネジを用いるなどの種々の方法でキャリヤ板１９に固定される。従っ て、ダイ２２は、一面でカバー１６により囲まれ、他面ではフランジ１２によっ て囲まれるのが普通である。 第４図を参照して、第２図に図示される電子部品１０がキャリヤ板１９と基板 １８とに通常の方法で実装される。部品１０のベース１７は、少なくとも部分的 に基板１８内に延在する。端子１４は、基板１８の第１面２０と連通する。端子 １４は、基板１８または基板１８上に位置する装置（第３図に図示）に、ハンダ 付けまたは導電性エポキシなどの種々の方法で付着される。少なくとも１つの発 熱ダイ２２（図示せず）を保護するカバー１６は端子１４に結合され、基板１８ の第１面２０上に位置する。 第５図および第６図は、第２図および第４図に図示される電子部品１０の前面 図であり、本発明の好適な実施例により基板１８の平面に対して１８０度回転さ れたものである。このため、部品１０は、従来の実装法に対して反対側に実装さ れる。通路２６が基板１８およびキャリヤ板１９がある場合はキャリヤ板１９を 貫通して（キャリヤ板１９は第５図および第６図には図示されず、簡便にするた めに基板１８と基板１８およびキャリヤ板１９の組み合わせの両方を以下では、 単に基板１８と呼ぶ）、基板１８の第１面２０から第２面８２に向かって延在す る。通路２６は、円筒形であっても、矩形であっても、あるいはその他の適切な 形状であってもよい。カバー１６は、好ましくは壁などの固定部分２８と取り外 し部分２４とを備え、ダイ２２と端子１４の少なくとも一部分とを密閉する。固 定部分２８は、好ましくはセラミックであるが、高温プラスティックまたは液晶 ポリマなどその他の適切な材料であってもよい。取り外し部分２４は、好ましく はプラスティックであるが、これも同様にセラミックまたは金属充填材などの別 の材料でもよい。取り外し部分２４は、固定部分２８に分離可能に接続され、た とえば、フランジ２１とバンプ３５とを介して固定部分２８にはめ込んだり、あ るいは接着剤（図示せず）で固定され、その後で剥がしてもよい。 固定部分２８は、好ましくはＢステージ・エポキシ（Ｂ-staged epoxy）など のエポキシ２５を用いて接続領 域２７において端子１４に固定される。予めＢステージ・エポキシが塗布された ワンピース・カバーがＲＪＲポリマ社から、発注番号B15523C010で販売されるが 、これを本明細書に説明するように改良して使用することができる。端子１４は たとえば、端子１４の金属被覆領域２３を介して、基板１８の第１面にハンダ付 け、あるいはその他の方法で固定される。固定部分２８の延長領域３０は、基板 １８の第２面８２と実質的に同一平面上にある表面を有し、延長領域２８と基板 １８はその間に空間３２を有するので、通路２６は完仝には埋まらない。 たとえばポリアミド熱融着材など周知で広く入手可能な接着材料３４が延長領 域２８の表面上の配置され、接着剤３４の一部分は空間３２内に延在することが 好ましい。基板１８の第２面に接続され空間３２と重なる封止フレーム３６も、 接着剤３４と接触する。封止フレーム３６は、好ましくは真鍮などの金属フレー ムで、通路２６を囲み、空間３２を覆う。封止フレーム３６は、高温ハンダを用 いて第２面にハンダ付けすることもできるが、第２面８２に超音波溶着あるいは レーザ溶着したり、シリコーンまたは他の高温接着剤などの接着剤を用いて付着 することもできる。 部品１０が従来の実装法とは逆になるように基板１８に組み付ける１つの可能 な方法により、スクリーン印刷など周知の方法を用いて、端子１４の部分でハン ダ・ペーストを基板１８の第１面２０に塗布することができる。次に、 ガスケットの形に予め形成し、延長領域２８の表面上に配置される接着剤３４を 含む部品１０をカバー側を下にして通路２６内に置き、接着剤３４が封止フレー ム３６と接触するようにする。次に、アセンブリ全体を、標準的な温度リフロー ・プロフィルを用いて加熱する。ハンダ・ペーストが溶けると、端子１４は電気 的に結合される。接着剤３４が溶けると、カバー１６の固定部分２８と基板１８ の第２面８２との間に気密封止部が形成される。カバー１６の取り外し部分２４ が分離可能な状態のままになるように、リフロー・プロセスに先立ち、周知で広 く入手可能な材料などの離型材料（図示せず）で取り外し部分２４を処理すると よい。 第７図は、第５図および第６図に示される実装済み電子部品１０の側面図で、 カバー１６の取り外し部分２４が外されており、本発明の好適な実施例による閉 ループ流体流を有する噴霧冷却システムをさらに説明する。側面４２と上面４４ とを有し、チャンバ４５を規定するハウジング４０が基板１８の第２面８２に結 合される。ハウジング４０は、好ましくは矩形であるが、円筒形など他の幾何学 形状でもよく、好ましくはプラスティック製であるが金属など他の適切な材料で 構築することもできる。ハウジング４０には、電磁干渉減衰材料（図示せず）を 備えてもよい。 １つ以上のノズル６０が、好ましくはハウジング４０の上面４４上に配置され る。１つのノズル６０が図示される。 ノズル６０は、流体流入口４６と連通するレセプタクル端６２；アパーチャ６６ を備え、好ましくは直径がほぼ０．１５ミリの噴霧端６４；および渦巻き板また はインサート部６８を有する。渦巻き板６８は、たとえば圧入，ハンダ付けまた は接着などによりレセプタクル端６２に固定される。しかし、言うまでもなくノ ズル６０を渦巻き板６８と共にハウジング４０と一体的に形成してもよい。 ノズル６０は、好ましくは、一重圧力渦巻き噴霧器などの小型噴霧器であって 、高さが約１．５ミリで、任意の適切な材料で作られる。適切な材料の一例とし て、真鍮またはステンレス・スチールなどの金属がある。一重圧力渦巻き噴霧器 は、本明細書に参考文献として含まれるTilton他による米国特許第５，２２０， ８０４号に詳細に説明され、Isothermal Systems Research社（ワシントン州Col ton）から市販される。 流体ポンプ５０は、管５２を介して流体流入口４６に接続されて、冷却剤流体 を渦巻き板６８に入れられたノズル６０のレセプタクル端６２に供給する。噴霧 端６４は、冷却剤を霧化して、アパーチャ６６を通じてチャンバ４５内と、１つ 以上のダイ２２の上に霧化された流体７０を放出する。流体４５は、上面４４に 対してある角度で、好ましくは上面４４に対して実質的に垂直にアパーチャ６６ から放出される。霧化された流体４５がダイ２２の表面に衝突すると、薄い液体 の膜がダイ２２を覆い、主に流体４５の 蒸発によりダイ２２から熱が除去される。余分な流体は回収され、流体流出口４ ８を介してハウジング４０から除去される。 冷却剤流体は周知で広く入手可能な冷却剤など、誘電性の冷却剤でよい。適切 な冷却剤の一例として、３Ｍ社から発注番号ＦＣ-72として市販される３Ｍ'ｓ F luorinet誘電性流体がある。３Ｍ'ｓ Fluorinet誘電性流体と類似の他の過フッ 化炭素流体がAusimont Galden社から市販される。 管５４によりポンプ５０に、また管５６により流体流出口４８に接続されるコ ンデンサ５３が流体流出口４８から流体を受け取る。コンデンサ５３は、流体か ら熱を奪い、主に液相に戻す。ファン５８を用いて、コンデンサ５３の冷却容量 を大きくしてもよい。冷却された流体がコンデンサ５３からポンプ５０に供給さ れる。かくして冷却剤の閉ループ流が形成される。言うまでもなく、ある特定の 点において冷却剤は蒸気であっても、液体であっても、蒸気と液体の混合物であ ってもよい。 冷却剤流をもたらす任意の従来の手段を本発明の説明された実施例と組み合わ せて用いることができ、単独の冷却剤源に２つ以上のハウジング４０を接続する こと、あるいはたとえば冗長性の目的で１つ以上の冷却剤源を単独のハウジング ４０に接続することも可能である。 流体ポンプ５０，コンデンサ５３およびファン５８の寸法は、除熱および流速 要件に基づき選択すべきである。た とえば、典型的な閉ループ流体流は５００ないし１０００ワットの熱放散につい て毎分５００ないし１０００ミリリットルである。種々の寸法のポンプとコンデ ンサが、Isothermal Systems Research社から市販されており、許容できる配管 および取付部品はCole-Parmer社（イリノイ州Vernon Hills）から入手すること ができる。 平方センチあたり最大３００ワットまでの電力密度を有する電子部品または電 子部品群が、開示された装置を用いて効果的に冷却される。電子モジュール全体 からではなく、個別の逆実装された電子部品から、あるいは逆実装された電子部 品群から直接的に熱を除去することにより、部品の動作温度を下げることができ 、熱変動とそれに伴う熱応力の削減を通じて信頼性が増大する。 逆実装された部品が基板を超えて延在することはなく、また間隔が空気容量の 条件により左右されないので、ハウジング４０を電子モジュールの表面に極めて 近接して配置することができる。このため、電子モジュールの実装寸法が削減さ れる。また、たとえば大型のヒート・シンクなど大きな面積に亘り熱が拡散する 場合に最も有効な空気冷却とは異なり、噴霧冷却では熱集中が促進されるので、 実装容量と重量とを削減するための別の要因にもなる。 噴霧冷却電子部品を逆実装することにより、他の逆実装されない部品からの汚 染源が冷却流体に捕捉され、流体霧化ノズルを詰まらせる機会が減る。また、逆 実装された部 品に伴うハンダ・フラックスは、通常、電子部品の流体とは反対側に位置するの で、汚染の可能性がさらに小さくなる。 電子部品を選択的に実装すると、そうでない場合には電子モジュールの熱負荷 が低くなる部分内に熱負荷の高い分離されたスポットができるので、噴霧冷却シ ステムの装着専用となる密集した電子モジュールの表面領域を小さくすることが できる。このため、電子モジュール寸法が噴霧冷却システムのために大きくなる ことがない。 本明細書で開示される実装装置および方法により、気密封止された電子部品が 得られ、ハウジング４０が容易に設置および除去される。かくして、本発明の実 施例は、試験および同調プロセス中に電子部品を冷却するのに望ましい。たとえ ば、一面を噴霧冷却の必要ない試験部品と電子装置専用に、他面を熱拡散の高い 逆実装された電子部品専用にした電子モジュールを設計することができる。次に 、電子モジュールを同時に試験および噴霧冷却する。しかし、従来の方法で実装 された部品と逆実装された部品の両方が電子部品の同一面から実装されるので、 電子モジュールの組立の容易さを維持することができる。 本明細書に開示される閉ループ流体流も多くの利点を有する。たとえば、本シ ステムは、個別の電子部品に対するアクセスを妨げず、噴霧冷却システムと電子 部品の両方の検査，試験および修理をさらに容易にする。 言うまでもなく、本発明は逆実装された電子部品に限らず、たとえば第３図に 図示されるように従来の方法で基板に実装されたヒート・シンクまたはフランジ などの熱源を冷却するために採用することができる。第３図を参照して、所定の 点で断面部１３を基板１８およびキャリヤ板１９内まで貫通して延在することも 、あるいはキャリヤ板１９内に孔を形成して、フランジ１２を露出させることも できる。次に第７図に図示されるような閉ループ流体流を有する噴霧冷却システ ムをキャリヤ板１９に結合させ、フランジ１２の噴霧冷却を行うために用いるこ とができる。 第８図は、ダイ２２からの熱除去をさらに促進するフランジ１２の代替設計の 底面図でる。図示されるように、フランジ１２は１つ以上の孔８０を備え、冷却 剤流体がダイ２２および／または端子１４に直接的に衝突するようになる。フラ ンジ１２は、従来の方法で実装された、あるいは本件に開示されるように逆実装 された電子部品と共に用いることができる。 また、封止および／または締結が必要とされる場合にどこでも、多くの方法と 材料を用いることができる。たとえば、ネジなどの締結具，コンプライアント・ ガスケット，超音波溶着，鑞付け，ハンダ付けまたはスエージ加工を利用するこ とができる。 添付の請求項およびその等価物の精神および範囲から逸脱せずに、本発明のそ の他の形態および更なる形態を考案 することができることは明白であり、本発明はいかなる場合にも上記の特定の実 施例に限られることなく、以下の請求項およびその等価物によってのみ決定され るものであることを理解頂きたい。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マクダン、ケビン・ジェイ アメリカ合衆国イリノイ州レイク・イン・ ザ・ヒルズ、ハーベスト・ゲート451 (72)発明者 プレス、ミノオ・ディー アメリカ合衆国イリノイ州シャンバーグ、 オークモント・レーン403

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ダイおよび前記ダイに結合される端子とを有する電子部品を、第１面およ び第２面を有しそれを貫通する通路を有する基板に実装する装置であって、前記 端子が前記第１面および前記通路内に配置される前記ダイと連通する装置であっ て： 前記ダイと前記端子の少なくとも一部分とを囲み、固定部分と前記固定部分に 分離可能に接続される取り外し部分とを有するカバーであって、前記固定部分は 接続領域および延長領域によって構成され、前記接続領域が前記端子に結合され 、前記延長領域が前記通路内に配置されて、前記第２面と実質的に同一平面上に ある表面を有し、前記延長領域と前記基板とがそれらの間にある空間を有するカ バー； 前記延長領域の前記表面上に配置され、少なくともその一部分が前記空間内に 延在する接着剤；および 前記接着剤および前記第２面と連通し、前記空間に重なる封止フレーム； によって構成されることを特徴とする装置。 ２．前記電子部品がパワー・トランジスタおよび集積回路のうちいずれか一方 であることを特徴とする請求項１記載の装置。 ３．前記基板がプリント回路板およびアルミナ基板のいずれか一方であること を特徴とする請求項１記載の装置。 ４．前記固定部分がセラミックによって構成されることを特徴とする請求項１ 記載の装置。 ５．前記取り外し部分がプラスティックによって構成されることを特徴とする 請求項１記載の装置。 ６．前記取り外し部分が前記プラスティックに塗布される離型材料によって構 成されることを特徴とする請求項５記載の装置。 ７．前記取り外し部分が前記固定部分に嵌合することをことを特徴とする請求 項１記載の装置。 ８．前記端子が前記第１面にハンダ付けされることを特徴とする請求項１記載 の装置。 ９．前記接続領域を前記端子に結合するエポキシ材料によってさらに構成され ることを特徴とする請求項１記載の装置。 １０．前記接着剤がポリアミド材料によって構成されることを特徴とする請求 項１記載の装置。