JP2004039911A - 電子部品の放熱装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】配線の損傷を防止すると共に既存の部品の兼用により発熱素子からの発熱を効率よく且つ効果的に放熱する電子部品の放熱装置を提供することにある。
【解決手段】電子部品の放熱装置において、放熱用金属柱２２と、前記放熱用金属柱２２上に搭載した半導体素子と、前記半導体素子用のリード端子２４、２４’とを樹脂モールドした半導体素子パッケージ２６がビアホール２１を備えた配線基板の１側面に該ビアホール２１と接して設けられ、前記配線基板の他側面に金属ケース１０を実装し、前記配線基板の他側面に前記ビアホール２１と接して前記金属ケース１０の平坦部１２を半田接続して設けたこと。
【選択図】図１
【解決手段】電子部品の放熱装置において、放熱用金属柱２２と、前記放熱用金属柱２２上に搭載した半導体素子と、前記半導体素子用のリード端子２４、２４’とを樹脂モールドした半導体素子パッケージ２６がビアホール２１を備えた配線基板の１側面に該ビアホール２１と接して設けられ、前記配線基板の他側面に金属ケース１０を実装し、前記配線基板の他側面に前記ビアホール２１と接して前記金属ケース１０の平坦部１２を半田接続して設けたこと。
【選択図】図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品の放熱装置に関し、特にシールドケース等の金属ケースに設ける電子部品の放熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電流が流れる能動素子からの放熱は配線接続用のビアホール等を利用して行われていたが、前記ビアホール等を設けた基板のみによる放熱は、基板の熱伝導特性が悪いため、不十分であった。このため、熱的影響を受けないでしかも電気的性能を確保するために、高発熱体となり得る部品（例えばパワーアンプ等）は他の素子に影響を与えないように搭載基板の周辺部寄りに配置したり、温度依存性の高い能動素子（例えば、ＩＣ等）の近傍には配置しない等の制約が発生し、素子配置（レイアウト）の自由度を下げる要因になっていた。
【０００３】
また、放熱用金属柱（ヒートスラグ）がパッケージ下面に設けられている高発熱部品の場合、熱は直下、および斜め下４５度方向が理想的な放熱経路となるため、パッケージ上面での金属ケースの接触による放熱は、放熱効果が極めて低くなる。
【０００４】
これら放熱特性の問題を解決するために発熱素子の発生熱を金属ケースまで引き出して該金属ケースから放熱するようにしたものがある。
【０００５】
この例として、特開２００１−２４４６８９号公報に、回路基板にＩＣ等の発熱素子を搭載し、ケースカバーの一部を切り下げて舌片を形成し、発熱素子のパッケージ上面に、ケースカバーから切り下げた舌片を圧接し、この舌片を介してケースカバーから放熱する技術が示されている。この技術は放熱効果の点で問題がある。則ち、このパッケージは熱伝導率が悪い樹脂製なので、パッケージを介した放熱効果は期待できず、又主な放熱経路は後で述べるようにパッケージ上面方向にはないという問題があった。
【０００６】
また、他の例として、特開２００１−２１７５７６号公報には、図６に示すように、回路基板５２に熱伝導用の接続部５５を形成し、回路基板５２の上下面に前記接続部５５を含んでそれぞれ上下配線パターン５３、５４を設け、上配線パターン５４上に発熱部品５７を搭載し、発熱部品５７の上側に第２金属カバー５９の一部を切り下げた弾性片５９Ｃを弾圧し、下配線パターン５３に金属片６０を載せ、金属片６０に第１金属カバー５８の一部を切り下げた弾性片５８を弾圧して、金属片６０および弾性片５８を介して金属カバー５８から放熱する技術が示されている。この技術も同じく放熱効果の点で問題がある。則ち、弾性片５８の断面はＶ字型のため、弾性片５８の接触部の形状は線接触となり、面接触に比べ熱伝導が悪い。
【０００７】
また、以上の弾性片５８、５９Ｃで圧接するタイプでは、初期設定の段階で配線パターン５３を自身の弾発力により圧接された弾性片５８で削ってしまったり、接触圧力に個体差が生じてしまい、直接配線パターン５３に弾性片５８を接触させることができなかった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、配線の損傷を防止すると共に既存の部品の兼用により発熱素子からの発熱を効率よく且つ効果的に放熱する電子部品の放熱装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を達成するために、以下の解決手段を採用する。
【００１０】
すなわち、第１の発明は、電子部品の放熱装置において、放熱用金属柱と、前記放熱用金属柱上に搭載した半導体素子と、前記半導体素子用のリード端子とを樹脂モールドした半導体素子パッケージがビアホールを備えた配線基板の１側面に該ビアホールと接して設けられ、前記配線基板の他側面に金属ケースを実装し、前記配線基板の他側面に前記ビアホールと接して前記金属ケースの平坦部を半田接続して設けたことを特徴としている。
【００１１】
第２の発明は第１の発明において、前記前記放熱用金属柱を基準として前記金属ケースの平坦部の幅を斜め４５度方向の外広がり角度に設定したことを特徴としている。
【００１２】
第３の発明は第１又は第２の発明において、前記平坦部は切り起こし片の一端に設け、前記切り起こし片は前記金属ケースに片持ち梁状に切り起こして設けたことを特徴としている。
【００１３】
第４の発明は第１又は第２の発明において、前記平坦部はのりしろとして構成してウォールの一端に設け、前記ウォールは前記金属ケースの側壁としたことを特徴としている。
【００１４】
第５の発明は第１乃至第４のいずれか１発明において、前記金属ケースをグランドに接続したシールドケースとしたことを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明における半導体チップの実装構造は、概略的には、図４に示すように、発熱源の半導体チップ７２が放熱用金属柱７３に搭載され、前記半導体チップ７２および前記放熱用金属柱７３がプラスチックパッケージ７１内に充填され、前記放熱用金属柱７３とセラミック基板７５の配線が半田７４によって接続されている。
【００１６】
このような実装構造における熱抵抗は、同じく図４に「Ｒ」として示されている。前記半導体チップ７２で発生した熱の放熱経路は、前記各Ｒを介して主に２経路考えられる。
【００１７】
一方の経路▲１▼は、半導体チップ７２⇒プラスチックパッケージ７１⇒空気中へ熱放射および熱伝導する経路であり、
他方の経路▲２▼は、半導体チップ７２⇒放熱用金属柱７３⇒半田７４⇒セラミック基板７５⇒空気中へ熱放射および熱伝導する経路である。
【００１８】
これらの経路を熱の逃げにくさを表す熱抵抗Ｒ（「Ｒ」＝１／熱拡散率とする）で表す。熱抵抗は各材料の境界で変わり、３００℃を基準とする。
【００１９】
但し、熱拡散率は一般に用いられている値（例えば、「電子回路の熱設計」（（株）工業調査会、１９８９年１１月１日発行）Ｐ．１５〔表１．３ 表１．２の物質の熱拡散率〕参照）を用いる。
ここで、パッケージはエポキシ樹脂製、半導体材料はガリウム砒素、放熱用金属は銅、半田は５０Ｓｎ、基板はアルミナセラミック製とする。
上記熱抵抗は、
Ｒ１＋Ｒ２＝３６６８．６＊１０−３ （ｍ・Ｋ／Ｗ）
Ｒ３＋Ｒ４＋Ｒ５＋Ｒ６＝１０４．２〜９３．４＊１０−３ （ｍ・Ｋ／Ｗ）となる。
【００２０】
以上まとめると、 Ｒ１＋Ｒ２≫Ｒ３＋Ｒ４＋Ｒ５＋Ｒ６ となる。
このことから、熱の大部分は熱抵抗の小さい基板方向に拡散するという放熱の原理とも云うべき現象が認められる。
【００２１】
また、図５に一般的な金属の熱抵抗と包絡体積変化を示す。図５は両対数目盛で、横軸はｉｎｃｈ単位の体積を表し、縦軸は熱抵抗（℃／Ｗ）を表す。但し、（ｍ・Ｋ／Ｗ）を（℃／Ｗ）で表示する。
図５によれば、熱抵抗は包絡体積（通常の体積）に反比例するので、体積が大きなものほど熱抵抗は低く、放熱性が良くなる。この図５の特性を図４の構成に適用して、基板７５の体積、半田７４の体積及び放熱用金属柱７３の体積を大きくすると、前記Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６の値を更に小さな値（熱が逃げやすい値）にすることが可能になる。
【００２２】
本発明は、基本的に、図４及び図５に示す放熱の原理ともいうべき理論に基づいて、半導体チップで発生した熱を、プラスチックパッケージ側ではなく、放熱用金属柱、半田及び基板を介して放熱する手段を採用する。
【００２３】
以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２４】
（第１実施例）
図１は金属ケースの切り起こし片により放熱路を形成する実施例を示す。
【００２５】
図１（ａ）は金属ケースを被せる直前のモジュール回路基板の裏面を示す。図１（ｂ）は図１（ａ）において、金属ケースを被せた状態としたときのＡ−Ａ’線での断面図（但し、発熱素子以外の回路素子および配線は省略してある）を示す。図１（ｃ）は図１（ａ）において、金属ケースを被せた状態としたときのＢ−Ｂ’線での断面図（但し、発熱素子以外の回路素子および配線は省略してある）を示す。
【００２６】
モジュール基板は、一般的な両面基板または多層基板からなり、図１（ｂ）に示すように、モジュール基板２０には、その一方側面に発熱素子のパッケージ２６を含む所定の回路（他の回路素子および配線は省略した）を設け、その他方側面に他の回路（図示しない）と、この回路を覆うと共に切り起こし片１１を有する金属ケース１０が設けられ、発熱素子のパッケージ２６と切り起こし片１１の間に前記モジュール基板２０を貫通してビアホール２１が設けられている。
【００２７】
前記パッケージ２６内には、図１（ｃ）に示すように、下側の放熱面が前記パッケージ２６から露出する放熱用金属柱２２と、放熱用金属柱２２上に搭載されるＩＣ等の発熱素子２３と、一端が放熱用金属柱２２上に搭載され他端が該パッケージ２６から露出するリード端子２４及び２４’と、発熱素子２３とリード端子２４及び２４’を接続するボンディングワイヤー２５及び２５’が設けられている。
【００２８】
放熱用金属柱２２は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）又は銅（Ｃｕ）等の金属から製造され、発熱素子２３及びビアホール２１と接する放熱面が、密着するように平面に形成されている。
【００２９】
放熱用金属柱２２と発熱素子２３との熱伝導を良好にするために、例えば、放熱用金属柱２２の表面にニッケル（Ｎｉ）メッキとその上に金（Ａｕ）メッキを施し、この金メッキ層と発熱素子２３とを銀ペーストにより接合する。
【００３０】
放熱用金属柱２２とビアホール２１とは、密着性を向上するために、半田によって接合される。
【００３１】
ビアホール２１は、モジュール基板２０の厚さと略等しい均一な厚さを有し、放熱用金属柱２２の熱を放熱するために、図１（ｃ）に示すように、放熱用金属柱２２の底面の面積を越える面積で、前記モジュール基板２０を貫通して設けられる。
【００３２】
ビアホール２１の放熱用金属柱２２とは反対側に前記ビアホール２１と等倍程度の面積の半田接続用ランド２７を設ける。
【００３３】
モジュール基板２０の裏面には、図１（ａ）に示すように、枠で囲った領域に、回路を構成する回路素子と配線（図示しない）が設けられ、ビアホール２１の裏面に設けた半田接続用ランド２７が露出する。図１（ａ）の金属ケース１０は、前記金属ケースだけの実装前の状態を表し、実装時前記枠に装着される。
【００３４】
ビアホール２１に設けた半田接続用ランド２７には、 図１（ｃ）に示すように、切り起こし片１１の平坦部１２を密着状態に半田で接合する。切り起こし片１１は金属ケース１０の一部を任意の角度に切り起こして形成する。
【００３５】
金属ケース１０は、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、１側面を開放した箱形形状に形成され、前記開放した１側面で図１（ａ）に示す回路素子と配線（図示しない）を覆うように設けられ、回路素子と配線（図示しない）をシールドするシールドケースとして用いられる。この金属ケース１０は、製品仕様により異なるが、電気抵抗が小さく、熱伝導率が良く、製造が容易な、例えば０．１５ｍｍ厚の銅（Ｃｕ）又は真鍮（Ｃｕ−Ｚｎ）等の金属で製造する。
【００３６】
切り起こし片１１は、図１（ａ）（ｂ）に示すように金属ケース１０に対し、３方を切り欠いて紙面に対して２段階に押し下げ形成され、先端に平坦部１２を有する。
【００３７】
切り起こし片１１の平坦部１２は、図１（ｃ）に示すように、ビアホール２１に平面的にその面積をいっぱいに使用して接触するように設けられる。
【００３８】
ここで、放熱効果を上げるためには、前記放熱用金属柱２２を基準として前記平坦部１２の幅を斜め４５度方向の外広がり角度に設定する。これは、熱の直下、及び斜め下４５度方向が理想経路となるという原理に基づく。
【００３９】
第１実施例の場合の放熱経路は、図１（ｃ）に矢印で示すとおりであり、発熱素子２３の発熱は主に放熱用金属柱２２を介してビアホール２１に放熱され、ここで３方向に分かれて放熱される。
【００４０】
放熱用金属柱２２の直下に放熱される熱は、放熱用金属柱２２→ビアホール２１→半田接続用ランド２７→平坦部１２→切り起こし片１１→金属ケース１０の順で放熱される。
【００４１】
放熱用金属柱２２の側面に放熱される熱は放熱用金属柱２２→ビアホール２１→モジュール基板２０の順で放熱される。
【００４２】
（第１実施例の効果）
発熱素子２３が放熱用金属柱２２を備える場合、前記発熱素子２３で発生した熱は、主に放熱用金属柱２２及びビアホール２１を介して放熱することから、ビアホール２１に切り起こし片１１を介して金属ケース１０を半田接続することにより、放熱経路を確保して放熱効率を向上し、他の周辺部品への熱的影響を最小限に抑える。
【００４３】
金属ケース１０は一側面開放された箱形なので、シールドケースとして強度を確保でき、且つ接地の確保が容易になる。
【００４４】
（第２実施例）
第２実施例は、第１実施例と比べ、金属ケースの形状が異なる点に特徴を有し、その他の構成は同じなので同じ番号を付し説明を省略する。
【００４５】
金属ケース３０は、平面図が図２（ａ）、側面図が図２（ｂ）に示されるように、１側面が開放されていると共に１角部が窪み全体でサイズの異なる角柱ブロックを２個つなぎ合わせた変則箱形を呈する。前記角部の窪んだ部分には、広い面積の側面から直角にウォール（壁）１４を切り起こし、このウォール１４の先端に直角に平坦部となるのりしろ１５及び１６を設ける。
【００４６】
こののりしろ１５及び１６は、図２（ｃ）に示すように、ビアホール２１の端面の半田接続用ランド２７に面接触するように設けられ、半田付けされる。
【００４７】
のりしろ１５および１６は、図２（ｄ）に示すように、ウォール１４の端部に任意幅で長さ方向に切れ目を入れ、切れ目の両側を互いに反対方向に９０度折り曲げ、１平面内に収まるように形成する。
【００４８】
のりしろの形状は、長方形が基本であり、放熱特性を高めるために大きさ、形状は任意に採り得る。例えば扇状等が可能である。のりしろの数は２以上となる。
【００４９】
前記ウォール１４は、上記実施例では広い面積の側面から直角に切り起こして形成したが、これとは別に、１側面を開放した金属ケースの１側壁として予め形成しておくことも可能である。この場合には、のりしろのみを折り曲げ形成する。
【００５０】
放熱効果を上げるためには、前記放熱用金属柱２２を基準として前記ビアホール２１および前記両のりしろ１５及び１６の幅をこの順に斜め４５度方向の外広がり角度に設定する。これは、放熱経路として直下、及び斜め下４５度方向が理想経路となるという原理に基づく。
【００５１】
第２実施例の場合の放熱経路は、図２（ｃ）に矢印で示すとおりであり、発熱素子２３の発熱は主に放熱用金属柱２２を介してビアホール２１に放熱され、ここで３方向に分かれて放熱される。
【００５２】
放熱用金属柱２２の直下に放熱される熱は、放熱用金属柱２２→ビアホール２１→半田接続用ランド２７→のりしろ１５及び１６→ウォール１４→金属ケース３０の順で放熱される。
【００５３】
また、放熱用金属柱２２の側面に放熱される熱は、放熱用金属柱２２→ビアホール２１→モジュール基板２０の順で放熱される。
【００５４】
（第２実施例の効果）
発熱素子２３が放熱用金属柱２２を備える場合、該発熱素子２３で発生した熱は、主に放熱用金属柱２２およびビアホール２１を介して放熱することから、ビアホール２１にのりしろ１５および１６を接続しウォール１４を介して金属ケース３０を接続することにより、放熱経路を確保して放熱効率を向上し、他の周辺部品への熱的影響を最小限に抑える。
【００５５】
金属ケース３０は一側面開放された箱形なので、シールドケースとして強度を確保でき、且つ接地の確保が容易になる。
【００５６】
のりしろ１５及び１６がウォール１４に対して対象に形成されるので、両のりしろからの放熱が均等に且つ第１実施例に比べて短距離で行われ、放熱効果が高くなる。
【００５７】
（第３実施例）
第３実施例は、第１実施例と比べ、金属ケースの形状が異なる点に特徴を有し、その他の構成は同じなので同じ番号を付し説明を省略する。
【００５８】
第１実施例では切り起こし片の平坦部が片持ち張りされていたが、第３実施例では平坦部が両持ち張りされている点に特徴を有する。
【００５９】
金属ケース４０は、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、１側面を開放した箱形形状に形成され、前記開放した１側面で図３（ａ）に示す回路素子と配線（図示しない）を覆うように設けられ、回路素子と配線（図示しない）をシールドするシールドケースとして用いられる。押し出し片１７は、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、金属ケース４０に対し、２条の切れ目の間がプレスにより押し出し成形され、中央の平坦部１８が両側片１９及び１９’により両持ち梁状態に支持される。
【００６０】
又、金属ケース４０には、図３（ｂ）に示すように、右側壁を押し出し成形された押し出し片１７の中央に平坦部１８が設けられている。
【００６１】
平坦部１８は、図３（ｃ）に示すように、ビアホール２１に平面的にその面積をいっぱいに使用して接触するように設けられる。
【００６２】
ここで、放熱効果を上げるためには、前記放熱用金属柱２２を基準として前記平坦部１８の幅を斜め４５度方向の外広がり角度に設定する。これは、熱は直下、及び斜め下４５度方向が理想経路となるという原理に基づく。
【００６３】
第３実施例の場合の放熱経路は、図３（ｃ）に矢印で示すとおりであり、発熱素子２３の発熱は主に放熱用金属柱２２を介してビアホール２１に放熱され、ここで３方向に分かれて放熱される。
【００６４】
放熱用金属柱２２の直下に放熱される熱は、放熱用金属柱２２→ビアホール２１→半田接続用ランド２７→平坦部１８→側片１９及び１９’→金属ケース４０の順で放熱される。
【００６５】
放熱用金属柱２２の側面に放熱される熱の１部は、放熱用金属柱２２→ビアホール２１→モジュール基板２０の順で放熱される。
【００６６】
放熱用金属柱２２の側面に放熱される熱の残りは、放熱用金属柱２２→ビアホール２１→半田接続用ランド２７→平坦部１８→側片１９及び１９’→金属ケース４０の順で放熱される。
【００６７】
（第３実施例の効果）
発熱素子２３が放熱用金属柱２２を備える場合、該発熱素子２３で発生した熱は、主に放熱用金属柱２２を介して放熱することから、放熱用金属柱２２に押し出し片１７を介して金属ケース４０を接続ことにより、放熱経路を確保して放熱効率を向上し、他の周辺部品への熱的影響を最小限に抑える。
【００６８】
金属ケース４０は一側面開放された箱形なので、シールドケースとして強度を確保でき、且つ接地の確保が容易になる。
【００６９】
平坦部１８からの熱は両側片１９及び１９’を介して放熱されるので、放熱経路が２つになり分放熱効果が向上する。
【００７０】
【他の実施例】
上記実施例以外に、発熱素子の発熱を放熱用金属柱及びビアホールを介して放熱させる構成とするとき、金属ケースの一部を前記ビアホールに面接触させる構成であればどのような構成でも採りうる。
【００７１】
【発明の効果】
本発明は、電子部品の放熱装置において、放熱用金属柱と、前記放熱用金属柱上に搭載した発熱素子となる半導体素子と、前記半導体素子用のリード端子とを樹脂モールドした半導体素子パッケージがビアホールを備えた配線基板の１側面に前記ビアホールと接して設けられ、前記配線基板の他側面に金属ケースを実装し、前記配線基板の他側面に前記ビアホールと接して前記金属ケースの平坦部を半田接続して設けたことを特徴とし、以下の効果を奏する。
【００７２】
発熱素子が放熱用金属柱を備える場合、前記発熱素子で発生した熱は、前記放熱の原理に基づいて主に放熱用金属柱を介して放熱することから、放熱用金属柱に金属ケースの一部を面接触することにより、放熱経路を確保して放熱効率を向上し、他の周辺部品への熱的影響を最小限に抑えることができる。
【００７３】
ケースは一側面開放された箱形なので、シールドケースとして強度を確保でき、且つ接地の確保が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の基板裏面図、基板断面図、要部断面図である。
【図２】本発明の第２実施例の基板裏面図、基板断面図、要部断面図である。
【図３】本発明の第３実施例の基板裏面図、基板断面図、要部断面図である。
【図４】本発明の放熱経路および熱抵抗を説明する説明図である。
【図５】従来の熱抵抗と包絡体積変化を表す特性図である。
【図６】従来例の要部断面図である。
【符号の説明】
１０、３０、４０ 金属ケース
１１ 切り起こし片
１２、１８ 平坦部
１３ 開口
１４ ウォール
１５、１６ のりしろ
１７ 押し出し片
１９、１９’ 両側片
２０ モジュール基板
２１ ビアホール
２２、７３ 放熱用金属柱（ヒートスラグ）
２３ 発熱素子（ＩＣ等）
２４、２４’ リード端子
２５、２５’ ボンディングワイヤー
２６ パッケージ
２７ 半田接続用ランド
７１ プラスチックパッケージ
７２ 半導体チップ
７４ 半田
７５ セラミック基板
Ｒ１〜Ｒ６ 熱抵抗
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品の放熱装置に関し、特にシールドケース等の金属ケースに設ける電子部品の放熱装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電流が流れる能動素子からの放熱は配線接続用のビアホール等を利用して行われていたが、前記ビアホール等を設けた基板のみによる放熱は、基板の熱伝導特性が悪いため、不十分であった。このため、熱的影響を受けないでしかも電気的性能を確保するために、高発熱体となり得る部品（例えばパワーアンプ等）は他の素子に影響を与えないように搭載基板の周辺部寄りに配置したり、温度依存性の高い能動素子（例えば、ＩＣ等）の近傍には配置しない等の制約が発生し、素子配置（レイアウト）の自由度を下げる要因になっていた。
【０００３】
また、放熱用金属柱（ヒートスラグ）がパッケージ下面に設けられている高発熱部品の場合、熱は直下、および斜め下４５度方向が理想的な放熱経路となるため、パッケージ上面での金属ケースの接触による放熱は、放熱効果が極めて低くなる。
【０００４】
これら放熱特性の問題を解決するために発熱素子の発生熱を金属ケースまで引き出して該金属ケースから放熱するようにしたものがある。
【０００５】
この例として、特開２００１−２４４６８９号公報に、回路基板にＩＣ等の発熱素子を搭載し、ケースカバーの一部を切り下げて舌片を形成し、発熱素子のパッケージ上面に、ケースカバーから切り下げた舌片を圧接し、この舌片を介してケースカバーから放熱する技術が示されている。この技術は放熱効果の点で問題がある。則ち、このパッケージは熱伝導率が悪い樹脂製なので、パッケージを介した放熱効果は期待できず、又主な放熱経路は後で述べるようにパッケージ上面方向にはないという問題があった。
【０００６】
また、他の例として、特開２００１−２１７５７６号公報には、図６に示すように、回路基板５２に熱伝導用の接続部５５を形成し、回路基板５２の上下面に前記接続部５５を含んでそれぞれ上下配線パターン５３、５４を設け、上配線パターン５４上に発熱部品５７を搭載し、発熱部品５７の上側に第２金属カバー５９の一部を切り下げた弾性片５９Ｃを弾圧し、下配線パターン５３に金属片６０を載せ、金属片６０に第１金属カバー５８の一部を切り下げた弾性片５８を弾圧して、金属片６０および弾性片５８を介して金属カバー５８から放熱する技術が示されている。この技術も同じく放熱効果の点で問題がある。則ち、弾性片５８の断面はＶ字型のため、弾性片５８の接触部の形状は線接触となり、面接触に比べ熱伝導が悪い。
【０００７】
また、以上の弾性片５８、５９Ｃで圧接するタイプでは、初期設定の段階で配線パターン５３を自身の弾発力により圧接された弾性片５８で削ってしまったり、接触圧力に個体差が生じてしまい、直接配線パターン５３に弾性片５８を接触させることができなかった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、配線の損傷を防止すると共に既存の部品の兼用により発熱素子からの発熱を効率よく且つ効果的に放熱する電子部品の放熱装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を達成するために、以下の解決手段を採用する。
【００１０】
すなわち、第１の発明は、電子部品の放熱装置において、放熱用金属柱と、前記放熱用金属柱上に搭載した半導体素子と、前記半導体素子用のリード端子とを樹脂モールドした半導体素子パッケージがビアホールを備えた配線基板の１側面に該ビアホールと接して設けられ、前記配線基板の他側面に金属ケースを実装し、前記配線基板の他側面に前記ビアホールと接して前記金属ケースの平坦部を半田接続して設けたことを特徴としている。
【００１１】
第２の発明は第１の発明において、前記前記放熱用金属柱を基準として前記金属ケースの平坦部の幅を斜め４５度方向の外広がり角度に設定したことを特徴としている。
【００１２】
第３の発明は第１又は第２の発明において、前記平坦部は切り起こし片の一端に設け、前記切り起こし片は前記金属ケースに片持ち梁状に切り起こして設けたことを特徴としている。
【００１３】
第４の発明は第１又は第２の発明において、前記平坦部はのりしろとして構成してウォールの一端に設け、前記ウォールは前記金属ケースの側壁としたことを特徴としている。
【００１４】
第５の発明は第１乃至第４のいずれか１発明において、前記金属ケースをグランドに接続したシールドケースとしたことを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明における半導体チップの実装構造は、概略的には、図４に示すように、発熱源の半導体チップ７２が放熱用金属柱７３に搭載され、前記半導体チップ７２および前記放熱用金属柱７３がプラスチックパッケージ７１内に充填され、前記放熱用金属柱７３とセラミック基板７５の配線が半田７４によって接続されている。
【００１６】
このような実装構造における熱抵抗は、同じく図４に「Ｒ」として示されている。前記半導体チップ７２で発生した熱の放熱経路は、前記各Ｒを介して主に２経路考えられる。
【００１７】
一方の経路▲１▼は、半導体チップ７２⇒プラスチックパッケージ７１⇒空気中へ熱放射および熱伝導する経路であり、
他方の経路▲２▼は、半導体チップ７２⇒放熱用金属柱７３⇒半田７４⇒セラミック基板７５⇒空気中へ熱放射および熱伝導する経路である。
【００１８】
これらの経路を熱の逃げにくさを表す熱抵抗Ｒ（「Ｒ」＝１／熱拡散率とする）で表す。熱抵抗は各材料の境界で変わり、３００℃を基準とする。
【００１９】
但し、熱拡散率は一般に用いられている値（例えば、「電子回路の熱設計」（（株）工業調査会、１９８９年１１月１日発行）Ｐ．１５〔表１．３ 表１．２の物質の熱拡散率〕参照）を用いる。
ここで、パッケージはエポキシ樹脂製、半導体材料はガリウム砒素、放熱用金属は銅、半田は５０Ｓｎ、基板はアルミナセラミック製とする。
上記熱抵抗は、
Ｒ１＋Ｒ２＝３６６８．６＊１０−３ （ｍ・Ｋ／Ｗ）
Ｒ３＋Ｒ４＋Ｒ５＋Ｒ６＝１０４．２〜９３．４＊１０−３ （ｍ・Ｋ／Ｗ）となる。
【００２０】
以上まとめると、 Ｒ１＋Ｒ２≫Ｒ３＋Ｒ４＋Ｒ５＋Ｒ６ となる。
このことから、熱の大部分は熱抵抗の小さい基板方向に拡散するという放熱の原理とも云うべき現象が認められる。
【００２１】
また、図５に一般的な金属の熱抵抗と包絡体積変化を示す。図５は両対数目盛で、横軸はｉｎｃｈ単位の体積を表し、縦軸は熱抵抗（℃／Ｗ）を表す。但し、（ｍ・Ｋ／Ｗ）を（℃／Ｗ）で表示する。
図５によれば、熱抵抗は包絡体積（通常の体積）に反比例するので、体積が大きなものほど熱抵抗は低く、放熱性が良くなる。この図５の特性を図４の構成に適用して、基板７５の体積、半田７４の体積及び放熱用金属柱７３の体積を大きくすると、前記Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６の値を更に小さな値（熱が逃げやすい値）にすることが可能になる。
【００２２】
本発明は、基本的に、図４及び図５に示す放熱の原理ともいうべき理論に基づいて、半導体チップで発生した熱を、プラスチックパッケージ側ではなく、放熱用金属柱、半田及び基板を介して放熱する手段を採用する。
【００２３】
以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２４】
（第１実施例）
図１は金属ケースの切り起こし片により放熱路を形成する実施例を示す。
【００２５】
図１（ａ）は金属ケースを被せる直前のモジュール回路基板の裏面を示す。図１（ｂ）は図１（ａ）において、金属ケースを被せた状態としたときのＡ−Ａ’線での断面図（但し、発熱素子以外の回路素子および配線は省略してある）を示す。図１（ｃ）は図１（ａ）において、金属ケースを被せた状態としたときのＢ−Ｂ’線での断面図（但し、発熱素子以外の回路素子および配線は省略してある）を示す。
【００２６】
モジュール基板は、一般的な両面基板または多層基板からなり、図１（ｂ）に示すように、モジュール基板２０には、その一方側面に発熱素子のパッケージ２６を含む所定の回路（他の回路素子および配線は省略した）を設け、その他方側面に他の回路（図示しない）と、この回路を覆うと共に切り起こし片１１を有する金属ケース１０が設けられ、発熱素子のパッケージ２６と切り起こし片１１の間に前記モジュール基板２０を貫通してビアホール２１が設けられている。
【００２７】
前記パッケージ２６内には、図１（ｃ）に示すように、下側の放熱面が前記パッケージ２６から露出する放熱用金属柱２２と、放熱用金属柱２２上に搭載されるＩＣ等の発熱素子２３と、一端が放熱用金属柱２２上に搭載され他端が該パッケージ２６から露出するリード端子２４及び２４’と、発熱素子２３とリード端子２４及び２４’を接続するボンディングワイヤー２５及び２５’が設けられている。
【００２８】
放熱用金属柱２２は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）又は銅（Ｃｕ）等の金属から製造され、発熱素子２３及びビアホール２１と接する放熱面が、密着するように平面に形成されている。
【００２９】
放熱用金属柱２２と発熱素子２３との熱伝導を良好にするために、例えば、放熱用金属柱２２の表面にニッケル（Ｎｉ）メッキとその上に金（Ａｕ）メッキを施し、この金メッキ層と発熱素子２３とを銀ペーストにより接合する。
【００３０】
放熱用金属柱２２とビアホール２１とは、密着性を向上するために、半田によって接合される。
【００３１】
ビアホール２１は、モジュール基板２０の厚さと略等しい均一な厚さを有し、放熱用金属柱２２の熱を放熱するために、図１（ｃ）に示すように、放熱用金属柱２２の底面の面積を越える面積で、前記モジュール基板２０を貫通して設けられる。
【００３２】
ビアホール２１の放熱用金属柱２２とは反対側に前記ビアホール２１と等倍程度の面積の半田接続用ランド２７を設ける。
【００３３】
モジュール基板２０の裏面には、図１（ａ）に示すように、枠で囲った領域に、回路を構成する回路素子と配線（図示しない）が設けられ、ビアホール２１の裏面に設けた半田接続用ランド２７が露出する。図１（ａ）の金属ケース１０は、前記金属ケースだけの実装前の状態を表し、実装時前記枠に装着される。
【００３４】
ビアホール２１に設けた半田接続用ランド２７には、 図１（ｃ）に示すように、切り起こし片１１の平坦部１２を密着状態に半田で接合する。切り起こし片１１は金属ケース１０の一部を任意の角度に切り起こして形成する。
【００３５】
金属ケース１０は、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、１側面を開放した箱形形状に形成され、前記開放した１側面で図１（ａ）に示す回路素子と配線（図示しない）を覆うように設けられ、回路素子と配線（図示しない）をシールドするシールドケースとして用いられる。この金属ケース１０は、製品仕様により異なるが、電気抵抗が小さく、熱伝導率が良く、製造が容易な、例えば０．１５ｍｍ厚の銅（Ｃｕ）又は真鍮（Ｃｕ−Ｚｎ）等の金属で製造する。
【００３６】
切り起こし片１１は、図１（ａ）（ｂ）に示すように金属ケース１０に対し、３方を切り欠いて紙面に対して２段階に押し下げ形成され、先端に平坦部１２を有する。
【００３７】
切り起こし片１１の平坦部１２は、図１（ｃ）に示すように、ビアホール２１に平面的にその面積をいっぱいに使用して接触するように設けられる。
【００３８】
ここで、放熱効果を上げるためには、前記放熱用金属柱２２を基準として前記平坦部１２の幅を斜め４５度方向の外広がり角度に設定する。これは、熱の直下、及び斜め下４５度方向が理想経路となるという原理に基づく。
【００３９】
第１実施例の場合の放熱経路は、図１（ｃ）に矢印で示すとおりであり、発熱素子２３の発熱は主に放熱用金属柱２２を介してビアホール２１に放熱され、ここで３方向に分かれて放熱される。
【００４０】
放熱用金属柱２２の直下に放熱される熱は、放熱用金属柱２２→ビアホール２１→半田接続用ランド２７→平坦部１２→切り起こし片１１→金属ケース１０の順で放熱される。
【００４１】
放熱用金属柱２２の側面に放熱される熱は放熱用金属柱２２→ビアホール２１→モジュール基板２０の順で放熱される。
【００４２】
（第１実施例の効果）
発熱素子２３が放熱用金属柱２２を備える場合、前記発熱素子２３で発生した熱は、主に放熱用金属柱２２及びビアホール２１を介して放熱することから、ビアホール２１に切り起こし片１１を介して金属ケース１０を半田接続することにより、放熱経路を確保して放熱効率を向上し、他の周辺部品への熱的影響を最小限に抑える。
【００４３】
金属ケース１０は一側面開放された箱形なので、シールドケースとして強度を確保でき、且つ接地の確保が容易になる。
【００４４】
（第２実施例）
第２実施例は、第１実施例と比べ、金属ケースの形状が異なる点に特徴を有し、その他の構成は同じなので同じ番号を付し説明を省略する。
【００４５】
金属ケース３０は、平面図が図２（ａ）、側面図が図２（ｂ）に示されるように、１側面が開放されていると共に１角部が窪み全体でサイズの異なる角柱ブロックを２個つなぎ合わせた変則箱形を呈する。前記角部の窪んだ部分には、広い面積の側面から直角にウォール（壁）１４を切り起こし、このウォール１４の先端に直角に平坦部となるのりしろ１５及び１６を設ける。
【００４６】
こののりしろ１５及び１６は、図２（ｃ）に示すように、ビアホール２１の端面の半田接続用ランド２７に面接触するように設けられ、半田付けされる。
【００４７】
のりしろ１５および１６は、図２（ｄ）に示すように、ウォール１４の端部に任意幅で長さ方向に切れ目を入れ、切れ目の両側を互いに反対方向に９０度折り曲げ、１平面内に収まるように形成する。
【００４８】
のりしろの形状は、長方形が基本であり、放熱特性を高めるために大きさ、形状は任意に採り得る。例えば扇状等が可能である。のりしろの数は２以上となる。
【００４９】
前記ウォール１４は、上記実施例では広い面積の側面から直角に切り起こして形成したが、これとは別に、１側面を開放した金属ケースの１側壁として予め形成しておくことも可能である。この場合には、のりしろのみを折り曲げ形成する。
【００５０】
放熱効果を上げるためには、前記放熱用金属柱２２を基準として前記ビアホール２１および前記両のりしろ１５及び１６の幅をこの順に斜め４５度方向の外広がり角度に設定する。これは、放熱経路として直下、及び斜め下４５度方向が理想経路となるという原理に基づく。
【００５１】
第２実施例の場合の放熱経路は、図２（ｃ）に矢印で示すとおりであり、発熱素子２３の発熱は主に放熱用金属柱２２を介してビアホール２１に放熱され、ここで３方向に分かれて放熱される。
【００５２】
放熱用金属柱２２の直下に放熱される熱は、放熱用金属柱２２→ビアホール２１→半田接続用ランド２７→のりしろ１５及び１６→ウォール１４→金属ケース３０の順で放熱される。
【００５３】
また、放熱用金属柱２２の側面に放熱される熱は、放熱用金属柱２２→ビアホール２１→モジュール基板２０の順で放熱される。
【００５４】
（第２実施例の効果）
発熱素子２３が放熱用金属柱２２を備える場合、該発熱素子２３で発生した熱は、主に放熱用金属柱２２およびビアホール２１を介して放熱することから、ビアホール２１にのりしろ１５および１６を接続しウォール１４を介して金属ケース３０を接続することにより、放熱経路を確保して放熱効率を向上し、他の周辺部品への熱的影響を最小限に抑える。
【００５５】
金属ケース３０は一側面開放された箱形なので、シールドケースとして強度を確保でき、且つ接地の確保が容易になる。
【００５６】
のりしろ１５及び１６がウォール１４に対して対象に形成されるので、両のりしろからの放熱が均等に且つ第１実施例に比べて短距離で行われ、放熱効果が高くなる。
【００５７】
（第３実施例）
第３実施例は、第１実施例と比べ、金属ケースの形状が異なる点に特徴を有し、その他の構成は同じなので同じ番号を付し説明を省略する。
【００５８】
第１実施例では切り起こし片の平坦部が片持ち張りされていたが、第３実施例では平坦部が両持ち張りされている点に特徴を有する。
【００５９】
金属ケース４０は、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、１側面を開放した箱形形状に形成され、前記開放した１側面で図３（ａ）に示す回路素子と配線（図示しない）を覆うように設けられ、回路素子と配線（図示しない）をシールドするシールドケースとして用いられる。押し出し片１７は、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、金属ケース４０に対し、２条の切れ目の間がプレスにより押し出し成形され、中央の平坦部１８が両側片１９及び１９’により両持ち梁状態に支持される。
【００６０】
又、金属ケース４０には、図３（ｂ）に示すように、右側壁を押し出し成形された押し出し片１７の中央に平坦部１８が設けられている。
【００６１】
平坦部１８は、図３（ｃ）に示すように、ビアホール２１に平面的にその面積をいっぱいに使用して接触するように設けられる。
【００６２】
ここで、放熱効果を上げるためには、前記放熱用金属柱２２を基準として前記平坦部１８の幅を斜め４５度方向の外広がり角度に設定する。これは、熱は直下、及び斜め下４５度方向が理想経路となるという原理に基づく。
【００６３】
第３実施例の場合の放熱経路は、図３（ｃ）に矢印で示すとおりであり、発熱素子２３の発熱は主に放熱用金属柱２２を介してビアホール２１に放熱され、ここで３方向に分かれて放熱される。
【００６４】
放熱用金属柱２２の直下に放熱される熱は、放熱用金属柱２２→ビアホール２１→半田接続用ランド２７→平坦部１８→側片１９及び１９’→金属ケース４０の順で放熱される。
【００６５】
放熱用金属柱２２の側面に放熱される熱の１部は、放熱用金属柱２２→ビアホール２１→モジュール基板２０の順で放熱される。
【００６６】
放熱用金属柱２２の側面に放熱される熱の残りは、放熱用金属柱２２→ビアホール２１→半田接続用ランド２７→平坦部１８→側片１９及び１９’→金属ケース４０の順で放熱される。
【００６７】
（第３実施例の効果）
発熱素子２３が放熱用金属柱２２を備える場合、該発熱素子２３で発生した熱は、主に放熱用金属柱２２を介して放熱することから、放熱用金属柱２２に押し出し片１７を介して金属ケース４０を接続ことにより、放熱経路を確保して放熱効率を向上し、他の周辺部品への熱的影響を最小限に抑える。
【００６８】
金属ケース４０は一側面開放された箱形なので、シールドケースとして強度を確保でき、且つ接地の確保が容易になる。
【００６９】
平坦部１８からの熱は両側片１９及び１９’を介して放熱されるので、放熱経路が２つになり分放熱効果が向上する。
【００７０】
【他の実施例】
上記実施例以外に、発熱素子の発熱を放熱用金属柱及びビアホールを介して放熱させる構成とするとき、金属ケースの一部を前記ビアホールに面接触させる構成であればどのような構成でも採りうる。
【００７１】
【発明の効果】
本発明は、電子部品の放熱装置において、放熱用金属柱と、前記放熱用金属柱上に搭載した発熱素子となる半導体素子と、前記半導体素子用のリード端子とを樹脂モールドした半導体素子パッケージがビアホールを備えた配線基板の１側面に前記ビアホールと接して設けられ、前記配線基板の他側面に金属ケースを実装し、前記配線基板の他側面に前記ビアホールと接して前記金属ケースの平坦部を半田接続して設けたことを特徴とし、以下の効果を奏する。
【００７２】
発熱素子が放熱用金属柱を備える場合、前記発熱素子で発生した熱は、前記放熱の原理に基づいて主に放熱用金属柱を介して放熱することから、放熱用金属柱に金属ケースの一部を面接触することにより、放熱経路を確保して放熱効率を向上し、他の周辺部品への熱的影響を最小限に抑えることができる。
【００７３】
ケースは一側面開放された箱形なので、シールドケースとして強度を確保でき、且つ接地の確保が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の基板裏面図、基板断面図、要部断面図である。
【図２】本発明の第２実施例の基板裏面図、基板断面図、要部断面図である。
【図３】本発明の第３実施例の基板裏面図、基板断面図、要部断面図である。
【図４】本発明の放熱経路および熱抵抗を説明する説明図である。
【図５】従来の熱抵抗と包絡体積変化を表す特性図である。
【図６】従来例の要部断面図である。
【符号の説明】
１０、３０、４０ 金属ケース
１１ 切り起こし片
１２、１８ 平坦部
１３ 開口
１４ ウォール
１５、１６ のりしろ
１７ 押し出し片
１９、１９’ 両側片
２０ モジュール基板
２１ ビアホール
２２、７３ 放熱用金属柱（ヒートスラグ）
２３ 発熱素子（ＩＣ等）
２４、２４’ リード端子
２５、２５’ ボンディングワイヤー
２６ パッケージ
２７ 半田接続用ランド
７１ プラスチックパッケージ
７２ 半導体チップ
７４ 半田
７５ セラミック基板
Ｒ１〜Ｒ６ 熱抵抗
Claims (5)
- 放熱用金属柱と、前記放熱用金属柱上に搭載した半導体素子と、前記半導体素子用のリード端子とを樹脂モールドした半導体素子パッケージがビアホールを備えた配線基板の１側面に前記ビアホールと接して設けられ、前記配線基板の他側面に金属ケースを実装し、前記配線基板の他側面に前記ビアホールと接して前記金属ケースの平坦部を半田接続して設けたことを特徴とする電子部品の放熱装置。
- 前記放熱用金属柱を基準として前記金属ケースの平坦部の幅を斜め４５度方向の外広がり角度に設定したことを特徴とする請求項１記載の電子部品の放熱装置。
- 前記平坦部は切り起こし片の一端に設け、前記切り起こし片は前記金属ケースに片持ち梁状に切り起こして設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の電子部品の放熱装置。
- 前記平坦部はのりしろとして構成してウォールの一端に設け、前記ウォールは前記金属ケースの側壁としたことを特徴とする請求項１又は２記載の電子部品の放熱装置。
- 前記金属ケースをグランドに接続したシールドケースとしたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の電子部品の放熱装置。
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