JP2002026468A - プリント配線基板及び半導体装置 - Google Patents

プリント配線基板及び半導体装置

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JP2002026468A JP2000199768A JP2000199768A JP2002026468A JP 2002026468 A JP2002026468 A JP 2002026468A JP 2000199768 A JP2000199768 A JP 2000199768A JP 2000199768 A JP2000199768 A JP 2000199768A JP 2002026468 A JP2002026468 A JP 2002026468A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明の第１の目的は、発熱する電子部品の
放熱面とプリント配線基板の伝熱面とをほぼ均等に接合
し、効率のよい放熱作用を得ることである。また、本発
明の第２の目的は、発熱する電子部品の放熱面とプリン
ト配線基板の伝熱面とをほぼ密に接合し、空洞が残らな
いようにすることである。 【解決手段】 電子部品２６が実装されるプリント配線
基板１０において、電子部品２６の熱を伝導する伝熱面
１２と、その伝熱面１２を独立した複数の領域に区分
し、該複数の領域にそれぞれはんだが付着させられたは
んだ領域１４とを含み、プリント配線基板１０を構成し
た。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はプリント配線基板及
び半導体装置に関し、より詳しくは発熱する電子部品か
ら効率的にプリント配線基板に熱を伝える技術に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】ＬＳＩ( large scale integrated circu
it : 大規模集積回路)の動作速度の高速化及び高機能化
に伴い、ＬＳＩから発生する熱は次第に高くなりつつあ
る。また、基板へのＬＳＩの高密度実装化により、ＬＳ
Ｉが実装された基板の熱は上昇する傾向にあり、基板の
熱対策はますます重要になってきている。熱対策の一つ
として重要なことは、ＬＳＩが発生する熱をいかにプリ
ント配線基板に逃がすかというポイントである。その重
要ポイントとして、（１）ＬＳＩそのものからの放熱の
工夫、（２）プリント配線基板からの放熱の工夫、
（３）ＬＳＩとプリント配線基板とをいかに上手く密着
させて実装し、ＬＳＩからプリント配線基板に伝熱させ
るかの工夫、の３点が挙げられる。
【０００３】ＬＳＩの熱対策として、従来より図１１に
示すように、ＬＳＩ本体１に埋設した放熱用の金属部分
２と、プリント配線基板３の伝熱面３ａとをはんだ４に
てはんだ付けすることにより、ＬＳＩ本体１の熱をプリ
ント配線基板３に伝熱させ、プリント配線基板３にヒー
トシンクの役割を持たせることが行われている。そし
て、伝熱された熱をプリント配線基板３に形成したＰＴ
Ｈ( Plated through Hole)５を通して外部へ放熱した
り、また、ＰＴＨ５を介してプリント配線基板３の内層
のグランド層６や電源層７などに伝熱して、拡散させて
いた。
【０００４】さらに上記従来の方法では、プリント配線
基板３の伝熱面３ａは通常、平坦に形成されていて、Ｐ
ＴＨ５を含む伝熱面３ａ全面にはんだペーストを塗布
し、そのはんだペーストをリフローさせることによりＬ
ＳＩ本体１をプリント配線基板１に固定していた。とこ
ろが、伝熱面３ａ上のはんだペーストをリフローした時
に、一部のはんだがＰＴＨ５に流れ込むことがある。そ
の結果、図１２に示すように、ＬＳＩ本体１と伝熱面３
ａとの間にはんだ４が充満して両者を結合している箇所
と、はんだ４がＰＴＨ５から流れ出て空洞８になってい
る箇所とが形成される場合がある。このような場合、は
んだ４によってＬＳＩ本体１と伝熱面３ａとが結合され
ている箇所は、熱伝導によりプリント配線基板３を介し
て外部に放熱することができるが、空洞８になっている
箇所は、断熱層となり、ほとんど放熱することができな
い。このため、ＬＳＩ本体１の温度が局部的に上昇する
だけでなく、全体の温度も上昇することになり、ＬＳＩ
本体１の動作速度を低下させるなどの熱的影響を与える
ことになる。
【０００５】従来の技術では、ＬＳＩから発生した熱に
対しては、最小はんだ面積を保証することによって、ト
ータルとしてはんだを介して伝熱される熱に注目して熱
対策の解析を行っていた。しかし、ＬＳＩ本体とプリン
ト配線基板３の伝熱面３ａとのはんだ付け箇所がばらつ
くことにより放熱作用にばらつきが生じ、局所的な伝熱
が生じ、効率のよい放熱作用は期待できず、上記のよう
にＬＳＩ本体１の温度が局部的に上昇することがある。
【０００６】また、ＬＳＩ本体１とプリント配線基板３
の伝熱面３ａとの間に空洞８が形成されると、その空洞
８内にフラックスが残り易くなる。空洞８内にフラック
スが残ると、そのフラックスが酸化することにより、Ｌ
ＳＩ本体１を劣化させる原因となり、半導体装置として
の信頼性が低下する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明の第１の目的
は、発熱する電子部品の放熱面とプリント配線基板の伝
熱面とをほぼ均等に接合し、効率のよい放熱作用を得る
ことである。
【０００８】本発明の第２の目的は、発熱する電子部品
の放熱面とプリント配線基板の伝熱面とをほぼ密に接合
し、空洞が残らないようにすることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明のプリント配線基
板は、電子部品が実装されるプリント配線基板におい
て、前記電子部品の熱を伝導する伝熱面と、前記伝熱面
を独立した複数の領域に区分し、該複数の領域にそれぞ
れはんだが付着させられたはんだ領域とを含んで構成さ
れる。
【００１０】本発明の半導体装置は、プリント配線基板
に電子部品が実装された半導体装置であって、前記電子
部品の放熱面と、該放熱面に対向する前記プリント配線
基板の伝熱面との間に、はんだが分離独立させられて設
けられている。
【００１１】
【発明の実施の形態】次に、本発明に係るプリント配線
基板及び半導体装置の実施の形態を図面に基づいて詳し
く説明する。
【００１２】図１及び図２に、本発明の１実施形態に係
るプリント配線基板１０の要部を拡大して示す。電子部
品が実装されるプリント配線基板１０は、電子部品の熱
を伝導する伝熱面１２と、その伝熱面１２を独立した複
数の領域に区分し、その複数の領域にそれぞれはんだが
付着させられたはんだ領域１４とを含んで構成されてい
る。さらに、伝熱面１２上のはんだ領域１４の周囲、及
びその伝熱面１２に形成された放熱用のスルーホール１
６の周囲に、溶融させられたはんだが流出し得ない幅で
はんだレジスト１８が形成されている。
【００１３】プリント配線基板１０は、図示するよう
に、ガラス・エポキシ基板などの絶縁層２０をベースに
して、グランド層２２及び電源層２４をビルドアップし
た多層基板や、あるいは単層の基板が用いられる。プリ
ント配線基板１０の表面には、ＬＳＩなどのＩＣチッ
プ、その他の電子部品２６を実装するための電極２８を
含む配線パターンが形成され、さらに、プリント配線基
板１０の内層の電源層２４などと電気的に接続するため
の図示しないスルーホールやフォトビアのほか、放熱用
のスルーホール１６が形成されている。
【００１４】放熱用のスルーホール１６は、電子部品２
６が実装されたとき、電子部品２６の放熱面３０が近接
して配置されるプリント配線基板１０の伝熱面１２に形
成される。放熱用のスルーホール１６は、伝熱面１２に
１又は複数の貫通孔がドリルなどで開けられ、その貫通
孔の内面に銅などのめっきが施されて形成される。めっ
きはプリント配線基板１０の表面と同時に施される。電
子部品２６から発生し伝熱面１２に伝わった熱は、この
スルーホール１６を伝導してヒートシンクとして機能す
るグランド層２２や電源層２４に伝導して拡散させら
れ、さらに、スルーホール１６の端部から外部に放熱さ
れる。
【００１５】プリント配線基板１０の伝熱面１２は、電
子部品２６の放熱面３０の大きさとほぼ同じ大きさに設
定されている。伝熱面１２は、スルーホール１６の箇所
を除いてほぼ平坦な面とされ、電極２８や図示しない配
線を形成するのと同時に、銅などのはんだとの被着性に
優れた金属を用いてパターン化されて形成される。次い
で、プリント配線基板１０の表面には、電極２８などを
除いて、はんだレジストが形成される。このとき同時
に、プリント配線基板１０の伝熱面１２の表面にもはん
だレジストが塗布され、図３に示すはんだ領域１４が形
成される。
【００１６】伝熱面１２上のはんだ領域１４は、図１、
図２及び図３に示すように、伝熱面１２を独立した複数
の領域（１４）に区分する。そして、それぞれの区分さ
れた領域（１４）の周囲、及びその伝熱面１２に形成さ
れた放熱用のスルーホール１６の周囲に、溶融させられ
たはんだが流出し得ない幅ではんだレジスト１８を形成
する。さらに、その領域（１４）内にはんだペーストを
入れて、はんだ領域１４が構成される。ここで、複数の
領域（１４）が独立しているとは、任意の領域とそれに
隣接する領域とが繋がっていないこと、換言すると、そ
の領域内に入れられたはんだペースト又はリフローさせ
られたはんだがその領域内から外に出ないことである。
また、溶融させられたはんだが流出し得ない幅とは、隣
接するはんだ領域１４にある溶融はんだ同士がくっつ
き、その表面張力で一方が他方に引っ張られることのな
い幅をいう。はんだレジスト１８ははんだに対して濡れ
性のない材質が用いられる。複数に区分けされた領域１
４にはんだを入れる方法として、はんだペーストをスク
リーン印刷するのが最も好ましい。
【００１７】以上のようにして製造されたプリント配線
基板１０は実装装置にセットされ、加熱されてはんだペ
ーストがリフローさせられ、図２に示すように、電子部
品２６がはんだ付けされる。このとき、個々のはんだ領
域１４のはんだペーストは溶融させられるが、溶融はん
だが他の領域に流動したり、あるいはスルーホール１６
から流出することはなく、その位置に対応する電子部品
２６の放熱面３０を確実に接合する。このため、はんだ
付着ムラが生じることはなく、Ｘ線検査をするまでもな
く、安定した放熱特性及び部品密着特性を備えた製品が
得られる。
【００１８】したがって、設計通りに電子部品２６の放
熱面３０とプリント配線基板１０の伝熱面１２とを接合
することができ、しかも、均等に分布された伝熱面が得
られる。その結果、電子部品２６から発生した熱を、設
計通りに放出することができ、装置の信頼性が向上す
る。また、電子部品２６の接合強度が確保でき、さらに
装置の信頼性が向上する。さらに、電子部品２６の放熱
面３０とプリント配線基板１０の伝熱面１２との間に、
設計外の空洞が形成されることはなく、残留フラックス
の酸化による電子部品２６の劣化を防ぐことができる。
【００１９】本発明に係るプリント配線基板及び半導体
装置は上述の実施形態に限定されるものではない。たと
えば、図４に示すように、複数に区分されたはんだ領域
１４のうち、伝熱面１２の４隅にあるはんだ領域（１
４）を連結し、比較的大きなはんだ領域３２とする。ま
た、図５に示すように、伝熱面１２の４辺にあるはんだ
領域（１４）を連結し、比較的大きなはんだ領域３４と
したり、あるいは中央側にあるはんだ領域（１４）を連
結し、比較的大きなはんだ領域３６とする。さらに、図
６に示すように、伝熱面１２の４辺にあるはんだ領域
（１４）と中央側にあるはんだ領域（１４）を連結し、
比較的大きなはんだ領域３８とする。
【００２０】このように比較的大きなはんだ領域３２、
３４、３６、３８とすることにより、電子部品２６の放
熱面３０とプリント配線基板１０の伝熱面１２との接合
面積、換言すれば伝熱面積を大きくすることができ、電
子部品２６からの熱を効率的に放散することができる。
一方、前述の実施形態における効果が損なわれることは
ない。
【００２１】上述の各種の実施形態は、図１に示す形状
を基本パターンとしたものであり、プリント配線基板１
０の伝熱面１２の大きさ、形状、あるいはスルーホール
１６の個数、配置、大きさが変化すれば、はんだ領域１
４、３２、３４、３６、３８の形状、配置、大きさなど
が変化することは言うまでもない。
【００２２】また、上述の各種の実施形態は、一つのス
ルーホール１６に対して、２乃至４のはんだ領域が形成
された例を示している。これらの各実施形態において、
複数のスルーホール１６のうち、全ての又は任意のスル
ーホールをフォトビアによって構成することも可能であ
る。フォトビアはプリント配線基板の内層に設けられた
グランド層と熱的に接続され、電子部品から発生する熱
は伝導によって迅速に拡散させられる。
【００２３】上述の各種の実施形態は、はんだ領域及び
スルーホール（フォトビア）の周囲をはんだレジストで
囲み、溶融させられたはんだが隣接する他の領域に流れ
出たり、あるいはスルーホールから流れ出たりしないよ
うにダムを形成した例を示した。しかし、次に示すよう
に、プリント配線基板のスルーホール又はフォトビアに
予めはんだや他の金属などを埋め込んでおいた場合、あ
るいはスルーホール又はフォトビアがない場合、あるい
はフォトビアのみからなり、そのフォトビアが浅い場合
には、これらスルーホールやフォトビアの周囲をはんだ
レジストでダム状に囲む必要はない。
【００２４】また、図７に示すように、プリント配線基
板１０の伝熱面４０が銅などからなる１つの金属パター
ン４２で形成されている場合、その金属パターン４２の
上に所定の間隔を開けてはんだペーストをスクリーン印
刷して、はんだ領域４４を形成してもよい。この実施形
態においては、はんだペーストの流れを防止するはんだ
レジストによるダムを設けていないが、溶融はんだの表
面張力により一定の形体を保つことができ、隣接するは
んだ領域４４が接近していない限り、隣接するはんだ領
域４４が繋がることはほとんどなく、前述と同様の効果
が得られる。
【００２５】さらに、図８に示すように、プリント配線
基板１０の伝熱面４０をはんだ領域４４に対応させた複
数の金属パターン４６で形成することも好ましい。伝熱
面４０を構成する金属パターン４６を独立した複数に区
分することにより、はんだレジストによるダムを隣接す
るはんだ領域４４の間に設けなくても、前述と同様に、
溶融はんだの表面張力により、隣接するはんだ領域４４
が繋がることはほとんどなく、前述と同様の効果が得ら
れる。特に、金属パターン４６が形成されているプリン
ト配線基板の絶縁層がはんだに対する濡れ性に劣ってい
る場合、隣接するはんだ領域４４が溶融はんだによって
繋がることはない。
【００２６】さらに、図９に示すように、プリント配線
基板１０の伝熱面４０を１つの金属パターン４２で形成
するとともに、その金属パターン４２に形成されている
スルーホール４８又はフォトビアを囲むとともに、その
スルーホール４８などの開口部との間に所定の間隔を開
けて、はんだペーストをスクリーン印刷して、複数のは
んだ領域５０を形成することも好ましい。はんだ領域５
０とそれに隣接するはんだ領域５０との間にも所定の間
隔が設けられる。この実施形態においては、はんだ領域
５０にある溶融させられたはんだが、スルーホール４８
又はフォトビアから流れ出ることはない。
【００２７】次に、上述の各実施形態は、いずれもプリ
ント配線基板の伝熱面に金属パターンを設けていたが、
たとえばプリント配線基板の表層を成す絶縁層がはんだ
に対して濡れ性に優れた材質で形成されている場合、１
又は複数の金属パターンを設けることなく、直接、絶縁
層の表面にはんだペーストをスクリーン印刷などにより
塗布して、はんだ領域を形成してもよい。本実施形態に
おいても、前述と同様の構成、作用・効果を得ることが
できる。
【００２８】その他、プリント配線基板の伝熱面に形成
された放熱用のスルーホール又はフォトビアの周囲にの
みはんだレジストによってダムを形成してもよい。この
ようにすれば、リフローさせたはんだがスルーホールや
フォトビアに流れ込むことはなく、電子部品の付着ムラ
が生じない。この構成において、伝熱面のはんだ領域を
複数に区分する必要はない。
【００２９】また、はんだレジストに絶縁性を備え、且
つ熱伝導性に優れた材質、たとえばセラミックスなどの
粉末を混ぜ合わせて使用することも好ましい。さらに、
上述した各種の実施形態を適宜組み合わせて構成するな
ど、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲内で、当業者の
知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で
実施し得るものである。
【００３０】
【比較例】図１に示す１つの銅パターンからなる伝熱面
にスルーホールが形成されたプリント配線基板を１０枚
用い、それぞれの伝熱面の全面にはんだペーストをスク
リーン印刷した。その後、常法により、はんだペースト
をリフローして電子部品（ＬＳＩ）を実装した。得られ
た半導体装置の伝熱面について、Ｘ線透視により接合状
態を調査した。その結果、スルーホールからはんだが漏
れ出す現象により、伝熱面の全面積に対して２０〜８０
％のはんだ付け面積のばらつきがあり、平均３４％の実
効はんだ付け面積であった。なお、スルーホールの全面
積は伝熱面の全面積に対して２０％あり、伝熱面の全面
積にはんだが付着しているときが８０％である。
【００３１】
【実施例】図１に示す１つの銅パターンからなる伝熱面
にスルーホールが形成されたプリント配線基板を１０枚
用い、それぞれの伝熱面にはんだレジストによりはんだ
領域を形成し、そのはんだ領域にはんだペーストをスク
リーン印刷した。その後、常法により、はんだペースト
をリフローして電子部品（ＬＳＩ）を実装した。得られ
た半導体装置の伝熱面について、Ｘ線透視により接合状
態を調査した。その結果、スルーホールからはんだが漏
れ出す現象はなく、全てのはんだ領域で電子部品がはん
だ付けされているのが確認された。得られたはんだ付け
面積にばらつきがなく、実効はんだ付け面積は４８％で
あり、安定していた。
【００３２】熱放射の効果を熱電対にて、ＬＳＩの上部
とプリント配線基板を挟んで反対側の温度測定を行っ
た。用いたサンプルは、比較例で示した改善前の半導体
装置のうち、８０％はんだ付け品と全くはんだ付けして
いないはんだ無し品、及び実施例で示した改善後の４８
％はんだ付け品である。
【００３３】図１０に示すように、改善前の８０％はん
だ付け品と、改善後の４８％はんだ付け品では顕著な温
度差が見られなかった。それに対して、はんだ無し品で
は、全く熱放射が見られないため、他とは１０℃以上の
温度差が見られた。その結果、本発明の４８％はんだ付
け品は、熱放射の効率には取り立てて劣るという測定結
果がでなかった。
【００３４】
【発明の効果】本発明のプリント配線基板及び半導体装
置は、電子部品から発生する熱をプリント配線基板に伝
導して放散するために、伝熱面に形成されるはんだ領域
を複数の独立した領域に区分しているため、それぞれの
区分されたはんだ領域が確実に電子部品を接合する。こ
のため、はんだの付着ムラが生じることはなく、安定し
た且つ均一な放熱特性と部品密着特性を得ることができ
る。さらに、その結果、製造工程において、Ｘ線による
はんだ付け検査工程を省くことができ、コストの低減だ
けでなく、作業環境の改善にもなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るプリント配線基板の１実施形態の
要部拡大平面図である。
【図２】図１に示すプリント配線基板に電子部品を実装
した半導体装置を示す要部拡大正面断面図である。
【図３】図１に示すプリント配線基板の要部を拡大して
示す斜視図である。
【図４】本発明に係るプリント配線基板の他の実施形態
の要部拡大平面図である。
【図５】本発明に係るプリント配線基板のさらに他の実
施形態の要部拡大平面図である。
【図６】本発明に係るプリント配線基板のさらに他の実
施形態の要部拡大平面図である。
【図７】本発明に係るプリント配線基板のさらに他の実
施形態の要部拡大斜視図である。
【図８】本発明に係るプリント配線基板のさらに他の実
施形態の要部拡大斜視図である。
【図９】本発明に係るプリント配線基板のさらに他の実
施形態の要部拡大斜視図である。
【図１０】本発明に係る半導体装置と従来の半導体装置
の放熱特性を示す図である。
【図１１】従来のプリント配線基板に電子部品を実装し
た拡大正面断面図である。
【図１２】従来のプリント配線基板の不具合を示す拡大
平面図である。
【符号の説明】
１０：プリント配線基板 １２，４０：伝熱面 １４，３２，３４，３６，３８，４４，５０：はんだ領
域 １６，４８：スルーホール １８：はんだレジスト ２０：絶縁層 ２２：グランド層 ２４：電源層 ２６：電子部品 ３０：放熱面 ４２，４６：金属パターン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 谷村 浩利 滋賀県野洲郡野洲町大字市三宅800番地 日本アイ・ビー・エム株式会社 野洲事業 所内 (72)発明者 大坪 敬一 滋賀県野洲郡野洲町大字市三宅800番地 日本アイ・ビー・エム株式会社 野洲事業 所内 (72)発明者 上野 伸二 滋賀県野洲郡野洲町大字市三宅800番地 日本アイ・ビー・エム株式会社 野洲事業 所内 Ｆターム(参考） 5E322 AA11 AB02 AB08 5E336 AA04 BB03 BC15 BC34 CC01 CC22 CC58 DD22 EE03 GG03 GG05 GG12 5E338 AA03 BB05 BB13 BB25 BB71 BB75 CC01 CD24 EE02 EE33 EE51 EE53 5F036 AA01 BB08 BE01

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電子部品が実装されるプリント配線基板
    において、前記電子部品の熱を伝導する伝熱面と、前記
    伝熱面を独立した複数の領域に区分し、該複数の領域に
    それぞれはんだが付着させられたはんだ領域とを含むプ
    リント配線基板。
  2. 【請求項２】 前記伝熱面上のはんだ領域の周囲に、溶
    融させられたはんだが流出し得ない幅ではんだレジスト
    が形成されている請求項１に記載のプリント配線基板。
  3. 【請求項３】 前記伝熱面に形成された放熱用の１又は
    複数のスルーホールを含む請求項１又は２に記載のプリ
    ント配線基板。
  4. 【請求項４】 前記プリント配線基板の伝熱面に形成さ
    れた１又は複数のスルーホールの伝熱面側の開口部周囲
    に、溶融させられたはんだが流出し得ない幅ではんだレ
    ジストが形成されている請求項３に記載のプリント配線
    基板。
  5. 【請求項５】 隣接する前記複数のはんだ領域に対し
    て、少なくとも１つの前記スルーホールが設けられた請
    求項３又は４に記載のプリント配線基板。
  6. 【請求項６】 前記プリント配線基板の内層に形成され
    た１層以上の金属パターンと、該プリント配線基板の伝
    熱面に形成された１又は複数のスルーホール又は１又は
    複数のフォトビアとを含み、前記１層以上の金属パター
    ンと前記スルーホール又はフォトビアとが熱的に接続さ
    れている請求項１又は２に記載のプリント配線基板。
  7. 【請求項７】 前記プリント配線基板の伝熱面に形成さ
    れた１又は複数のスルーホール又は１又は複数のフォト
    ビアの伝熱面側の開口部周囲に、溶融させられたはんだ
    が流出し得ない幅ではんだレジストが形成されている請
    求項６に記載のプリント配線基板。
  8. 【請求項８】 隣接する前記複数のはんだ領域に対し
    て、少なくとも１つの前記スルーホール又はフォトビア
    が設けられた請求項６又は７に記載のプリント配線基
    板。
  9. 【請求項９】 前記プリント配線基板の伝熱面に、はん
    だの濡れ性に優れた金属パターンが形成されている請求
    項１乃至８のいずれかに記載のプリント配線基板。
  10. 【請求項１０】 前記プリント配線基板の伝熱面に形成
    された金属パターンが、前記複数に区分された領域に対
    応して区分されている請求項９に記載のプリント配線基
    板。
  11. 【請求項１１】 プリント配線基板に電子部品が実装さ
    れた半導体装置であって、前記電子部品の放熱面と、該
    放熱面に対向する前記プリント配線基板の伝熱面との間
    に、はんだが分離独立させられて設けられている半導体
    装置。
  12. 【請求項１２】 請求項１乃至１０のいずれかに記載の
    プリント配線基板の伝熱面に、電子部品の放熱面がはん
    だ付けされて実装されている半導体装置。
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