JP2004111645A

JP2004111645A - Ｑｆｐ構造を有するｉｃの実装構造及びその実装方法、実装に用いる組立て治具

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Publication number: JP2004111645A
Application number: JP2002272033A
Authority: JP
Inventors: Hiromi Suzuki; 鈴木　宏実; Keijiro Kadomatsu; 門松　慶次郎; Toshihide Nagasawa; 長沢　敏秀
Original assignee: NEC Corp; NEC Engineering Ltd
Current assignee: NEC Corp; NEC Engineering Ltd
Priority date: 2002-09-18
Filing date: 2002-09-18
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2022-09-18
Also published as: JP4030845B2

Abstract

【課題】ＩＣの実装にリフローを用いることができ、かつ筐体に実装基板を固定後もＩＣを検査することが可能なＱＦＰ構造を有するＩＣの実装構造を提供する。
【解決手段】ＱＦＰ構造を有するＩＣ（１）を実装する基板（２）に、ＩＣのパッケージ（９）外形寸法よりも小さい方形状の放熱用穴（１０）を設け、放熱用穴にゲルシート３を配し、ゲルシートの上面をＩＣ下面に密着し、ゲルシートの下面を基板を固定する筐体上の凸状のヒートシンク４に密着する構造を有する。
【選択図】　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＱＦＰ構造を有するＩＣの実装構造及びその実装方法、実装に用いる組立て治具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子部品の高さ寸法が装置大きさを制限してしまうため、高密度実装の要求が高まり、ＩＣの実装も小型化が要求さている。しかし現在のＢＧＡ（Ｂａｌｌ　Ｇｒｉｄ　Ａｒｒａｙ）型ＩＣの実装においては、放熱フィン（ヒートシンク）をＩＣのＰＫＧ上面に取り付け、冷却ファンで放熱フィンを冷却する構造をとっている。しかしこの場合、放熱フィンは大きく、高さ方向の寸法が大きくなり薄型実装には不向きであり、さらに空気に放熱させる構造であるため空気の対流が円滑に行われないと放熱効果が薄れ、その為に冷却ファンを組み合わせるなどの対策が必要となり、小型化には不向きであった。
【０００３】
そのため、ＩＣをノートパソコンなどの薄型実装をおこなう場合は、実装搭載が簡便なＢＧＡ実装を行った上でヒートパイプを筐体まで延ばす構造を取ることが多かった。しかしＢＧＡ型は振動衝撃、熱衝撃等でハンダの剥がれが発生することがあり、高信頼性を要求される個所に実装するのには向かなかった。
【０００４】
これに対し、従来から使用されているＱＦＰ（Ｑｕａｄ　Ｆｌａｔ　Ｐａｃｋａｇｅ）型のＩＣは、実装容易性ではＢＧＡ型に劣るがＰＷＢの熱応力などもリードフレーム１３で緩衝できるため、絶縁等の不具合が発生することがＢＧＡ型と比較して少ない傾向にあり、高信頼性を要求される場面ではＢＧＡ型に比べ優位であった。
【０００５】
しかしながら放熱実装が困難であり、そのため従来は、ＢＧＡ型と同様にＰＫＧ上面に放熱フィンつきヒートシンクを用いたり、ＩＣ直下のＰＷＢ基板に多数のスルーホールを設けて放熱させるサーマルビア構造をとる工夫がされていた。
【０００６】
しかしながら接着材を用いるため、接着剤の状態の管理が必要で煩雑であった。また単にＱＦＰのＩＣ下部のＰＷＢ（Ｐｒｉｎｔｅｄ　Ｗｉｒｅｄ　Ｂｏａｒｄ：プリント配線基板）に穴をあけて放熱材料を取り出す方法では、放熱用穴周囲で固有振動が発生しやすくＩＣの信頼性を著しく劣化させる傾向にあった。そこで高信頼性が要求される装置にはＱＦＰ構造を有するＩＣを用い、さらに放熱性を確保しながらも実装高さを低くするために下部放熱構造を取り、且つＰＷＢ振動にも耐える実装方式が必要となった。単にＰＷＢに穴をあけてヒートシンクを付けた場合は、ヒートシンクとＩＣの間にゲルを挿入したとしても、ＰＷＢをヒートシンクに取り付ける際にゲルシートの反力でリードフレームが変形し、その結果リード強度が弱まるため、実装が困難であった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来、ＱＦＰ構造を有する集積回路（ＩＣ）の放熱には、ＰＫＧ上面に放熱フィン（ヒートシンク）をつけて雰囲気中に放熱する構造が一般的な構造であった。しかし、放熱フィンはＩＣ実装基板の高さ方向の寸法を増加させるため、小型化が困難であった。そのため、小型化の手法として基板に穴をあけて下に放熱させる方法として、基板にスルーホール穴（サーマルビア）をあけ、サーマルビアとＩＣを熱伝導性接着剤で接着する方法が取られてきた。しかし熱伝導性接着剤は熱可塑性があるため、ＩＣのはんだ付けにリフローを用いることができず、その結果、チップ部品をリフローハンダ付けにより搭載した後の工程で、ＩＣをレーザなどでハンダ付けする必要があり、工程が複雑になっていた。
【０００８】
そのため、容易に実装でき、且つ放熱性を確保するために、ＰＷＢと筐体とでＩＣを挟んで固定し、熱を筐体側に逃がす構造をとる場合もある。このような構造の従来技術として、例えば特開平８−１３９２３５号公報に開示される従来技術が提案されている。特開平８−１３９２３５号公報に開示される構造では、ＰＷＢに実装されたＱＦＰ構造を有するＩＣをヒートシンク及び熱媒体によって挟み込むことで放熱性を改善している。
【０００９】
しかし、上記のような構造では、ＰＷＢを筐体に実装した後にＩＣが搭載されているかどうかの検査を行うことができないため、品質管理上問題があった。
【００１０】
さらに、ＩＣ搭戴部のＰＷＢ部に穴を明け、そこから放熱させる構造を取る場合、基板自体の撓み強度が著しく低下するだけでなく、基板の穴の各辺に共振が発生してリードフレームの振動を助長し、リードフレーム１３の金属疲労を発生させるのみならず、他のチップ部品の振動も増加し、その結果、モジュール全体の信頼性を劣化させる心配があった。
【００１１】
本発明の目的は、ＩＣの実装にリフローを用いることができ、かつ筐体に実装基板を固定後もＩＣを検査することが可能なＱＦＰ構造を有するＩＣの実装構造及びその実装方法、実装に用いる組立て治具を提供することにある。
【００１２】
本発明の他の目的は、ＰＷＢに穴を明けても不要振動を発生させないことにより信頼性を低下させないＱＦＰ構造を有するＩＣの実装構造及びその実装方法、実装に用いる組立て治具を提供することにある。
【００１３】
本発明の更に他の目的は、ＩＣの実装構造においてＰＫＧ上の実装部品を不要とする構造をとることで薄型実装を実現するＱＦＰ構造を有するＩＣの実装構造及びその実装方法、実装に用いる組立て治具を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の本発明は、ＱＦＰ構造を有するＩＣの実装構造において、ＩＣを実装する基板に放熱用穴を設け、前記放熱用穴に放熱ゲルシートを配し、前記放熱ゲルシートの上面を前記ＩＣ下面に密着し、前記放熱ゲルシートの下面を前記基板を固定する筐体に設けた凸状のヒートシンクに密着する構造を有することを特徴とする。
【００１５】
請求項２の本発明のＩＣの実装構造は、前記放熱穴を、ＩＣのパッケージ外形寸法よりも小さい方形状に形成したことを特徴とする。
【００１６】
請求項３の本発明のＩＣの実装構造は、前記放熱用穴の任意の一辺の長さが、前記ＩＣのパッケージの外形の一辺の長さより小さくなるように形成したことを特徴とする。
【００１７】
請求項４の本発明のＩＣの実装構造は、前記筐体のヒートシンクの一辺の長さが、前記ＩＣの一側面のリードフレームの先端から反対側面のリードフレームの先端までの長さより、大きくなるように形成したことを特徴とする。
【００１８】
請求項５の本発明のＩＣの実装構造は、前記基板を、前記放熱用穴の周囲四隅のスルーホールに通したボルトを用いて前記ヒートシンク四隅のタップ穴に固定する構造を有し、かつ前記ＩＣのパッケージ下面で前記ゲルシートを押圧する構造を有し、かつ前記ＩＣのパッケージ下面の少なくとも一部あるいは外周の少なくとも一部を基板に当接させる構造を有し、これにより前記ＩＣのパッケージの上面を押圧した際に、前記ヒートシンクと前記ＩＣのパッケージとで、前記ゲルシートが挟まれて塑性変形し、前記ＩＣのパッケージ下面の少なくとも一部あるいは外周の少なくとも一部が基板に接した状態を保ったまま前記ゲルシートを押圧することができる為、前記基板と前記リードフレームと前記ＩＣのパッケージの相対距離に変化が生じず、前記ゲルシートに圧縮応力を発生させた際もリードフレームに応力が発生せずに、前記基板を前記筐体に固定する構造を有することを特徴とする。
【００１９】
請求項６の本発明のＩＣの実装構造は、前記スルーホールを利用して、前記ＩＣの上面を押圧する組立て治具によって実装する構造を有することを特徴とする。
【００２０】
請求項７の本発明のＩＣの実装構造は、前記基板に設けた位置決め用の穴を、前記筐体に設けたグランドピンに差し込むことで、前記基板と前記筐体との位置決めを行う構造としたことを特徴とする。
【００２１】
請求項８の本発明は、ＱＦＰ構造を有するＩＣの実装構造であって、ＩＣを実装する基板と、前記基板を固定する筐体と、前記筐体に設けられた前記ＩＣの放熱を行うヒートシンクと、前記ＩＣと前記ヒートシンクの間に介在する放熱ゲルシートとを備え、前記基板に放熱用穴を設け、前記放熱用穴に前記放熱ゲルシートを配し、前記放熱ゲルシートの上面を前記ＩＣのパッケージ下面に密着し、前記放熱ゲルシートの下面をヒートシンクに密着する構造を有することを特徴とする。
【００２２】
請求項９の本発明のＩＣの実装構造は、前記放熱穴を、ＩＣのパッケージ外形寸法よりも小さい内寸の方形状に形成したことを特徴とする。
【００２３】
請求項１０の本発明のＩＣの実装構造は、前記基板を、前記放熱用穴の周囲四隅のスルーホールに通したボルトを用いて前記ヒートシンク四隅のタップ穴に固定する構造を有し、前記ＩＣのパッケージ下面で前記ゲルシートを圧縮し、前記ＩＣのパッケージの少なくとも周囲の一部、あるいは前記ＩＣのパッケージの少なくとも下面の一部を基板に当接させることで、前記ＩＣのパッケージの上面を押圧した際、ＰＫＧ下面の少なくとも一部あるいは外周の少なくとも一部が基板と接した状態を保ちつつ前記ＩＣのパッケージ下面が前記ゲルシートを前記筐体に向けて押圧し、前記ゲルシートと前記ＩＣパッケージの下面、並びに前記ゲルシートと前記筐体との密着性を保ちつつ、リードフレームに応力が発生しない状態で、前記基板が前記筐体に接するまでゲルシートを塑性変形させることにより前記基板を前記筐体に固定する構造を有することを特徴とする。
【００２４】
請求項１１の本発明は、ＱＦＰ構造を有するＩＣの実装方法において、ＩＣを実装する基板に設けた放熱用穴に放熱ゲルシートを配し、前記放熱ゲルシートの上面を前記ＩＣ下面に、前記放熱ゲルシートの下面を前記基板を固定する筐体上の凸状のヒートシンクに密着させて前記基板を前記筐体に固定することを特徴とする。
【００２５】
請求項１２の本発明のＩＣの実装方法は、前記基板を、前記ＩＣのパッケージ四隅あるいは前記放熱用穴の外周四隅のスルーホールに通したボルトを用いて前記ヒートシンク四隅のタップ穴に固定し、前記ＩＣのパッケージ下面で前記ゲルシートを押圧し、圧縮することで塑性変形させ、前記ＩＣのパッケージの少なくとも周囲の一部、あるいは前記ＩＣのパッケージの少なくとも下面の一部を基板に当接させることで、前記ゲルシートとの密着性を保ちつつ、リードフレームに応力が発生しない状態で、前記基板を前記筐体に固定する工程を有することを特徴とする。
【００２６】
請求項１３の本発明のＩＣの実装方法は、前記スルーホールを利用して、前記ＩＣの上面を押圧する組立て治具によって実装することを特徴とする。
【００２７】
請求項１４の本発明のＩＣの実装方法は、前記ボルトを締め付けて前記ゲルシートを圧縮した状態で保持した後、前記ゲルシートの反力が緩和された後に、組立て治具を取り外した構造、あるいは、前記ゲルシートを圧縮した状態で保持したまま、組立て治具を取り外さず、圧縮した状態で保持する時間と組立て治具を取り外す時間を短縮したことを特徴とする。
【００２８】
請求項１５の本発明のＩＣの実装方法は、前記基板に設けた位置決め用の穴を、前記筐体に設けたグランドピンに差し込むことで、前記基板と前記筐体との位置決めを行うことを特徴とする。
【００２９】
請求項１６の本発明は、ＱＦＰ構造を有するＩＣの実装を行う組立て治具であって、基板に設けた放熱用穴に放熱ゲルシートを配した状態で、前記ＩＣのパッケージを前記基板を固定する筐体側に押圧し、前記放熱ゲルシートの上面を前記ＩＣ下面に密着させ、前記放熱ゲルシートの下面を前記基板を固定する筐体上の凸状のヒートシンクに密着させる構造であることを特徴とする。
【００３０】
請求項１７の本発明は、ＱＦＰ構造を有するＩＣの実装を行う組立て治具であって、基板に設けた放熱用穴に放熱ゲルシートを配した状態で、前記ＩＣのパッケージの上面を前記基板を固定する筐体側に押圧する押圧面を有し、前記基板を前記筐体に固定する固定手段を利用して前記押圧面で前記ＩＣのパッケージを押圧した状態を保持し、前記放熱ゲルシートの上面を前記ＩＣ下面に密着させ、前記放熱ゲルシートの下面を前記基板を固定する筐体上の凸状のヒートシンクに密着させることを特徴とする。
【００３１】
請求項１８の本発明の組立て治具は、前記基板を、前記放熱用穴の外周四隅のスルーホールに通したボルトを用いて前記ヒートシンク四隅のタップ穴に固定する構造において、前記スルーホールとボルトを利用して、前記ＩＣのパッケージを押圧することにより、前記ＩＣのパッケージ下面で前記ゲルシートを圧縮し、前記ＩＣのパッケージの周囲を前記基板に当接させることで、前記ゲルシートとの密着性を保ちつつ、リードフレームに応力が発生しない状態で、前記ＩＣのパッケージを前記基板に押圧することを特徴とする。
【００３２】
請求項１９の本発明の組立て治具は、前記ＩＣのパッケージ上面の全体を覆って押圧する形状に形成されることを特徴とする。
【００３３】
請求項２０の本発明の組立て治具は、前記ＩＣのパッケージの対角線上の角部分を押圧する２つの押圧部品からなることを特徴とする。
【００３４】
請求項２１の本発明の組立て治具は、前記ＩＣのパッケージの対角線上に延びる梁構造を有することを特徴とする。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００３６】
本発明によるＱＦＰ構造を有するＩＣの実装構造の第１の実施の形態について図１から図６を参照して説明する。
【００３７】
本発明の第１の実施の形態は、ＱＦＰ構造のＩＣ（以下、ＱＦＰ型ＩＣと称する）１と、ＰＷＢ２と、放熱ゲルシート３と、ヒートシンク４と、筐体５と、ボルト６を有して構成される。
【００３８】
ＰＷＢ２には、あらかじめＱＦＰ型ＩＣ１が実装されており、ＩＣ搭載部７においてＱＦＰ型ＩＣ１のＰＫＧ部９と向かい合ったＰＷＢ２の面には、ＰＫＧ部９の外形寸法よりも小さい四角形形状の放熱用穴１０を有している。このＰＷＢ２としては、通常のプリント配線基板の他に、セラミック基板やフレキシブル基板を用いることが可能である。
【００３９】
放熱ゲルシート３は、圧縮永久歪が８０％以上の性能を有する熱伝導率が０．５［Ｗ／ｍ・Ｋ］以上のシート状の樹脂であり、シリコン系だけでなくゴム系の樹脂をも用いることができるのは言うまでも無い。以下、ゲル状樹脂とは上記の樹脂を指すものとする。熱伝導率を高める目的でゲル状樹脂にはセラミック粉、或いはアルミニウム紛が混入されており、このセラミック紛、或いはアルミニウム紛は、その他のこれに順ずる金属粉、カーボン粉などの熱伝導性の粉末を代換として用いることができるし、また、これらを組み合わせたものも用いることができる。
【００４０】
ヒートシンク４は、筐体５と一体に形成されており、アルミニウム、銅、鉄、或いはこれらを用いた合金、あるいはステンレス、セラミック、マグネシウム合金を用いることができ、その他の金属類を代換として用いることができる。ヒートシンク４を筐体５と別部品とし、筐体５に固着する構造であっても差し支えない。
【００４１】
この筐体５に形成された凸状のヒートシンク４は、筐体５から直方体、あるいは立方体形状が突出した形状をしており、ＰＷＢ２を筐体５に固定する際、ＰＷＢ２に開けられた放熱用穴１０を有するＩＣ搭載部７と凸状のヒートシンク４とが互いに接する構造となっている。
【００４２】
凸上のヒートシンク４のＰＷＢ２に接する面４ａは、ＰＷＢ２の面と平行な平面であり、その面は方形形状をしており、且つその外形を構成する任意の一辺の長さ寸法をＬｓとすると、この任意の一辺（長さＬｓ）に平行なＱＦＰ型ＩＣ１のリードフレーム１３の先端からＰＫＧを挟んで反対側のリードフレーム１３先端までの距離Ｌｆとの関係は、図３に示すように、次の関係を満たしている。
【００４３】
Ｌｓ＞Ｌｆ
ＰＷＢ２のＩＣ搭戴部７の放熱用穴１０の任意の一辺の長さＬｈは、Ｌｈの長さ方向と平行に配置したＱＦＰ型ＩＣ１のＰＫＧ部９の外形の一辺の長さＬｐと次のような関係を満たしている。
【００４４】
Ｌｈ＜Ｌｐ
放熱ゲルシート３は方形形状を有し、ＩＣ搭載部７に形成した放熱用穴１０の内部に配置する。そのため、放熱ゲルシート３の任意の一辺の長さＬｇは、これと平行なＩＣ搭載部（７）の四角い穴（１０）の任意の一辺の長さＬｈと次のような関係を満たす。
【００４５】
Ｌｈ＞Ｌｇ
ＰＷＢ２の固定は、ＰＷＢ２のＩＣ搭戴部７に形成した放熱用穴１０の対角線延長線上のＰＷＢ２面上に配置したスルーホール１１を、ヒートシンク４のＰＷＢ２と接する方形状の面の四隅に配置したタップ穴４ｂとボルト６により挟んで締め付けることによってなされている。このように、ＰＷＢ２のＩＣ搭戴部７の裏面側とヒートシンク２を密着させることにより固定する構造であり、ここで、ボルト６の呼び径をφＢとすると、（Ｌｆ−Ｌｐ）／２＞φＢの関係を満たす。
【００４６】
これにより、ＱＦＰ型ＩＣ１とＰＷＢ２がハンダにより接続された状態で、ＱＦＰ型ＩＣ１におけるＰＷＢ２に接する面の裏面を、ヒートシンク４に対して押圧した時に、ＱＦＰ型ＩＣ１がＰＷＢ２のＩＣ搭戴部７の放熱用穴１０を貫通することなく、ＰＷＢ２に当接して引っかかる効果を持たせることができる。このような構造とすることにより、ＱＦＰ型ＩＣ１とＰＷＢ２の相対位置関係を保つことができ、ゲルシート３の反力は全てＱＦＰ型ＩＣ１で受けるため、リードフレーム１３の変形が発生することがない。
【００４７】
次いで、上記のようなＱＦＰ構造を有するＩＣの実装を実施するための治具とその実装方法について説明する。
【００４８】
第１の実施の形態によるＱＦＰ構造を有するＩＣの実装構造においては、実装に際して、図２示すような組立て治具２０によるゲルシート変形工程を実施する。
【００４９】
組立て治具２０は、ＱＦＰ型ＩＣ１上部に蓋をする形状をしたキャップ型に形成されていて、ＱＦＰ型ＩＣ１のＰＫＧ上面１ａを押圧する構造を有し、ＰＷＢ２のＩＣ搭戴部７に形成した放熱用穴１０の対角線延長線上に配置したスルーホール１１に組立て治具２０のボルト２０ａを取り付けて締結する。
【００５０】
この組立て治具２０の材質としては、合成樹脂等を用いてもよいし、あるいは金属（アルミニウム、銅、鉄やこれらを用いた合金、又はステンレス、マグネシウム合金等）、木材、セラミックを用いてもよい。
【００５１】
組立て治具２０の対角線上には、ＰＷＢ２のスルーホール１１に対応する位置にスルーホール２０ｄとスルーホール２０ｅがそれぞれ設けられている。スルーホール２０ｄは、ボルト２０ａを通して組立て治具２０を締結するためのもので、ＰＷＢ２のスルーホール１１とほぼ同じ内径を有する。スルーホール２０ｅは、ＰＷＢ２を固定するボルト６の頭部が通過する内径を有する。
【００５２】
以上の構造により、組立て治具２０でＱＦＰ型ＩＣ１を押圧してゲルシート３をＰＷＢ２の厚みまで押圧し、組立て治具２０のボルト２０ａを締結した際に組立て治具２０の基部２０ｂはＰＷＢ２を押圧せず、組立て治具２０によって押圧されたＱＦＰ型ＩＣ１のみがＰＷＢ２を押圧するように構成されている。
【００５３】
そのため、ＱＦＰ型ＩＣ１のＰＫＧ高さをＨｐとすると、組立て治具２０の基部２０ｂから、同じく組立て治具２０のＰＫＧ押圧面２０ｃまでの距離Ｈｊの関係は、Ｈｐ＞Ｈｊの関係を満たす。
【００５４】
図２に示すように、組立て治具２０、ＱＦＰ型ＩＣ１、ＰＷＢ２、ヒートシンク４の順に挟み、ＰＷＢ２に形成した放熱用穴１０の外周四隅のスルーホール１１には組立て治具２０のボルト２０ａを差し込み、図５に示すように、組立て治具２０のボルト２０ａを締結する（平面図を図４に示す）。また、ボルト６を組立て治具２０のスルーホール２０ｅを通してヒートシンク４のタップ穴４ｂにネジ止めすることにより、ＰＷＢ２をヒートシンク４に対して固定する。
【００５５】
この締結により、ゲルシート３を圧縮永久歪８０％以上で潰し、ゲルシート３の反力を低減させた後に、ボルト２０ａを抜いて組立て治具２０を取り外す。これにより、リードフレーム１３は変形させず、選択的にゲルシートのみを圧縮永久歪８０％以上で変形させることができる。なお、組立て治具２０を取り外した後の、ＰＷＢ２のスルーホール１１には、ボルト６をネジ止めして固定する。
【００５６】
また、ヒートシンク４に対してゲルシート３を正確な位置に実装できても、ＰＷＢ２が筐体５に対して正確な位置に実装できない場合は、ゲルシート３がＰＷＢ２の放熱用穴１０からはみ出し、その結果としてゲルシート３がＱＦＰ型ＩＣ１に密着せず、設計上の放熱量が確保できないという不具合が発生する。このような不具合を解消するため、図６に示すように、ＰＷＢ２に位置決め用のグランドピン穴１４を設け、筐体５に取り付けられたグランドピン１２を位置決め用に用いることで、ＰＷＢ２の位置決めを正確に行うことができるようにしている。
【００５７】
また、組立て治具２０に金属を用いることで高い放熱性を持たせ、組立て治具２０を取り付けたままの状態とすることも可能である。この場合、組立て治具２０にはボルト６を通過させるスルーホール２０ｅを設けず、４箇所ともスルーホール２０ｄを設け、ボルト６又はボルト２０ａによって組立て治具２０をＰＷＢ２上に固定させる。このように、組立て治具２０を放熱性の高い材質（金属、セラミック）とし、取り付けたままの状態とすることで、ＱＦＰ型ＩＣ１に対するより良好な放熱効果が得られる。
【００５８】
以下、第１の実施の形態による実装構造及び実装方法を実際に適用した実施例について説明する。
【００５９】
ＰＫＧ下面が発熱するＱＦＰ型ＩＣ１（２５×２５ｍｍ）を用い、ＱＦＰを実装するＰＷＢ２にＩＣのＰＫＧ外形寸法よりも小さい放熱用穴１０（２２×２２ｍｍ）を設けた。ＰＷＢ固定金属ケースはアルミニウム系の金属で作成し、凸面ヒートシンク４（Ｌ３０×Ｗ３０×ｔ１０）を筐体（平面基部Ｌ２００×Ｗ２００×ｔ７）の中央に一体加工した。
【００６０】
この筐体のヒートシンク４上面に、ゲルシート３（Ｌ２０×Ｗ２０×ｔ２）を密着させた。ＰＷＢ２はＬ１５０×Ｗ１５０×ｔ１．６の方形形状とし、ＰＷＢ２の対角線上の角部の２箇所に位置決め用のグランドピン穴１４を設けた物を作成した。このグランドピン穴１４は筐体に設置した２本のグランドピン１２を同時に挿入できる位置に設けた。このグランドピン１２をＰＷＢ２のグランドピン穴１４に挿入し、組立て治具２０を用いてＱＦＰ型ＩＣ１上部を押圧してゲルシート３を潰し、組立て治具２０をネジ２０ａでヒートシンク４のタップ穴４ｂにネジ止めして固定し、室温で３０分間放置した。次に、ボルト６を２本を締めた後、組立て治具２０を取り外し、残りのボルト６をネジ止めしてＰＷＢ２を固定した。
【００６１】
上記で説明した通りの実装構造及び実装方法を実施した結果、てＱＦＰ型ＩＣ１のリードフレーム１３の変形はなく、ＩＣの固定強度劣化の原因となるリードフレーム１３の応力変形は発生しないことが分かった。ゲルシート３は０．４ｍｍの潰れが発生してＱＦＰ型ＩＣ１とヒートシンク４両面とも良好な密着性が得られた。
【００６２】
本実施例においてはチップ発熱０．５Ｗのものを用い筐体温度２３℃においてＱＦＰ型ＩＣ１を駆動させて実験を行った。この状態でＰＫＧ温度を、温度補正を行ったＫ熱電対で測定した結果、ＰＫＧ温度は２３．５℃、筐体温度２３℃であり良好な放熱性を実現したことが分かった。
【００６３】
ゲルシート３の無いものと比較した実験においては、ＱＦＰ型ＩＣ１を０．５Ｗで駆動させた時の発熱を調べた結果、ゲルシート３を使用しない場合、筐体温度２３℃におけるＱＦＰ型ＩＣ１のＰＫＧ温度は２４℃であり放熱性能を有する実装構造であることが分かる。
【００６４】
更に、落下衝撃試験を行った結果、２０００Ｇまで衝撃に耐える結果となった。さらに衝撃試験前後でゲルシート３の引き剥がし試験を行った結果、試験前の引き剥がし力は３０Ｎで剥がれが発生し、衝撃試験後では引き剥がし力は向上し５０Ｎとなり、衝撃後もゲルの剥がれが発生せず、外部応力によってさらに密着強度が向上し、衝撃後も良好な放熱性能確保できた。
【００６５】
また同構造を有していても組立て治具２０を使用せずに単にＰＷＢ２をヒートシンク４にネジ止めして取り付けた場合、ＱＦＰ型ＩＣ１がＰＷＢ２から浮き上がるものが発生する場合があり、かつ２０００Ｇの衝撃試験（ＰＷＢ平面方向）を実施した結果、ＱＦＰ型ＩＣ１のリードフレーム１３の変形が発生し、ゲルシート３が剥がれる不具合が発生する場合があることが分かった。
【００６６】
また、放熱用穴１０の外周４隅のボルト６に、アルミニウム合金、ステンレスなどの金属を用いることにより、リードフレーム１３からＰＷＢ２に伝達してきた熱を、ＰＷＢ２全体に拡散する前にヒートシンク４に伝達させる効果が得られる。ボルト６を２本外し、残りのボルト２本でＰＷＢ２を固定した場合に室温２４℃におけるＩＣ温度は２５℃となり、ボルトを金属とした場合の放熱効果が確認された。
【００６７】
次に、本発明による第２の実施の形態による組立て治具を図７に示す。この第２の実施の形態による組立て治具２０−１は、図２、図４、図５に示したＱＦＰ型ＩＣ１上部に蓋をする形状をしたキャップ型の治具２０の中央部に開口部２５を設けた構造としている。その他の構造については、第１の実施の形態による組立て治具２０と同じである。
【００６８】
このように、開口部２５を設けた構造としたことにより、組立て治具２０−１を取り付けたままの状態とした場合に、ＱＦＰ型ＩＣ１の存在を容易に確認することができるようになる。
【００６９】
図８には、本発明による第３の実施の形態による組立て治具を示す。この第３の実施の形態による組立て治具２０−２は、図８に示すように、ＰＷＢ２のスルーホール１１間に延びる梁構造に形成されている。その両端のスルーホール１１に対応する位置には、ボルト２０ａを通すスルーホール２０ｄが設けられている。また、その断面形状は、図２に示した第１の実施の形態による組立て治具２０と同じであり、そのＰＫＧ押圧面２０ｃがＱＦＰ型ＩＣ１を押圧するように構成されている。
【００７０】
この第３の実施の形態による組立て治具２０−２によっても、第１の実施の形態と同様に良好なゲルシート３の押圧性能が得られる。
【００７１】
図９に、第４の実施の形態による組立て治具を示す。この組立て治具２０−３は、図９に示すように、ＱＦＰ型ＩＣ１のＰＫＧ部９の対角線上の角部を押圧するブロック形状の治具２つ一組からなる。この組立て治具２０−３は、図９及び図１０に示すように、ＱＦＰ型ＩＣ１のＰＫＧ部９の対角線上の角部を２つで別々に押圧する。
【００７２】
この第４の実施の形態による組立て治具２０−３によって押圧を実施したが、良好なゲルシート３の押圧性能を実現した。
【００７３】
なお、上記の説明では、放熱用穴１０全体の寸法が、ＱＦＰ型ＩＣ１のパッケージ外形寸法よりも小さい構造について説明したが、図１１に示すように、リードフレーム１３が互いに対向する２辺側にのみ設けられるＱＦＰ型ＩＣの場合、放熱用穴１０の横又は縦の寸法Ｌｈ２をＱＦＰ型ＩＣのリードフレーム１３が設けられていない側の幅よりも大きくすることができる。これにより、より大きなゲルシート３を配置することができるようになり、良好な冷却効果が達成される。組立て治具については上記実施の形態に示したものをそのまま使用する。
【００７４】
さらに、図１２及び図１３に示すように、放熱用穴１０を多角形形状として、その全体の寸法をＱＦＰ型ＩＣ１のパッケージ外形寸法より部分的に大きくすることも可能である。この図１２、図１３の例では、ＱＦＰ型ＩＣ１のＰＫＧ部９の四隅部分３０がＰＷＢ２上に当接して固定される構造となっている。組立て治具については上記実施の形態に示したものをそのまま使用することができる。この例でも、放熱用穴１０を大きくして、より大きなゲルシート３を配置することができるようになり、良好な冷却効果が達成される。
【００７５】
また、図１４に示すように、ヒートシンク４上面にゲルシート３位置決めのために、ゲルシート３とほぼ同じ形状の凹部４ｄを設けてもよい。実施例では、ゲルシート３とほぼ同じ形状の０．２ｍｍ深さの凹部４ｄを設けた結果、良好な位置決めが達成された。そして、この状態でＩＣ駆動をさせて発熱温度を測定した結果、室温２４℃の状態でＩＣのＰＫＧ温度は２４．５度、ケース温度２４℃であり良好な放熱性を得ることができた。
【００７６】
なお、上記の実施の形態では、放熱用穴１０を四角形形状とした場合を示したが、その他の形状、例えば円形形状や三角形形状とすることも可能である。
【００７７】
放熱用穴の形状を円形にしたＰＷＢ２を作成し振動衝撃試験前後で放熱試験を行った結果、振動衝撃試験前後でのＱＦＰ型ＩＣ１のＰＫＧ温度変化は無く、室温２４℃におけるケース温度２４℃、ＩＣのＰＫＧ温度２４．７℃であった。
【００７８】
円形形状の放熱用穴は最大面積を確保することができないため、四角形形状と比較するとその放熱性は低いが、十分な放熱効果が得られることを確かめることができた。
【００７９】
また、上記実施の形態では、ＰＷＢ２と組立て治具２０をボルト６と２０ａによってネジ止めする構造を示したが、ボルトだけでなくリベット等を使用して固定する構造としてもよい。また、組立て治具による固定については、ボルトを使用せずに、ＱＦＰ型ＩＣ１のＰＫＧ部９を上からゲルシート３の反力が低減するまで所定時間だけ押し付けるようにしてもよい。
【００８０】
以上好ましい実施の形態及び実施例をあげて本発明を説明したが、本発明は必ずしも上記実施の形態及び実施例に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内において様々に変形して実施することができる。
【００８１】
【発明の効果】
本発明は、ＱＦＰ型ＩＣをリフローで基板に実装した後に、組立て治具を用いて押圧することにより、リードフレームが放熱用部材からの反力を受けることなく、ゲルシートをＩＣとヒートシンクに密着させることができるため、設計上のリードフレームの強度を保持できる効果が得られる。
【００８２】
その結果として、安定した生産が可能となり歩留まりが向上する。またリードフレームの設計上の強度が実装後も確保できるため、ＩＣを基板に固定するための固定部材を使用する必要がなく、放熱性を確保しつつ薄型の耐振動・衝撃性を有するＱＦＰ実装が可能になる。
【００８３】
基板の放熱用穴の外周四隅をヒートシンクにネジ止めすることによって、放熱用穴の４辺はヒートシンクに密着されるため、リードフレームがハンダ付けされている基板の共振は発生せず、その結果、放熱用穴周囲に位置しているＱＦＰ型ＩＣのリードフレームが基板共振によって変形することを抑制できる効果が得られる。
【００８４】
ＩＣのＰＫＧ自体に基板固定ネジを有するＱＦＰ実装構造の場合、ＩＣとＩＣに接触しているＰＷＢ部のみが固定されて放熱用穴周囲のリードフレーム部は固定されないため、基板が共振し、その振動がリードフレームに伝播することによりリードフレームや、リードフレームハンダ付け部にストレスが発生し、その結果最終的にハンダ部のクラック、リードフレームの金属疲労によるクラック伸展が発生する不具合が生じていた。
【００８５】
しかし、本発明によれば、ＱＦＰ型ＩＣのリードフレームの両端の基板部分をヒートシンクにネジ締めする構造であり、リードフレームがハンダ付けされている基板の部分はヒートシンクにネジで押圧される構造を有しているため、共振は発生せず、共振に伴うハンダ付け部のクラック伸展やリードフレームの金属疲労を抑制する効果を有する。
【００８６】
また、放熱用穴の外周４隅のボルトに、アルミニウム合金、ステンレスなどの金属を用いることにより、リードフレームからＰＷＢ伝達してきた熱を、ＰＷＢ全体に拡散する前にヒートシンクに伝達させる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態によるＱＦＰ型ＩＣの実装構造を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態によるＱＦＰ型ＩＣの実装構造に使用する組立て治具を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態によるＱＦＰ型ＩＣの実装構造における基板とＩＣパッケージの構造を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態によるＱＦＰ型ＩＣを組立て治具により押圧した状態を示す平面図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態によるＱＦＰ型ＩＣを組立て治具により押圧した状態を示す断面図である。
【図６】本発明による基板を筐体に対して正確に位置決めするための構造を示す断面図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態によるＱＦＰ型ＩＣの実装に用いる組立て治具の構造を示す平面図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態によるＱＦＰ型ＩＣの実装に用いる組立て治具の構造を示す平面図である。
【図９】本発明の第４の実施の形態によるＱＦＰ型ＩＣの実装に用いる組立て治具の構造を示す断面図である。
【図１０】本発明の第４の実施の形態によるＱＦＰ型ＩＣの実装に用いる組立て治具の構造を示す平面図である。
【図１１】放熱用穴の寸法がＱＦＰ型ＩＣのパッケージ外形寸法よりも大きい構造の例を説明する図である。
【図１２】放熱用穴の寸法がＱＦＰ型ＩＣのパッケージ外形寸法よりも大きい構造の他の例を説明する図である。
【図１３】放熱用穴の寸法がＱＦＰ型ＩＣのパッケージ外形寸法よりも大きい構造の他の例の断面図である。
【図１４】ヒートシンクにゲルシートを位置決めするための凹部を設けた構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１　ＱＦＰ型ＩＣ
２　ＰＷＢ
３　ゲルシート
４　ヒートシンク
４ｂ　タップ穴
４ｄ　凹部
５　筐体
６　ボルト
９　ＰＫＧ部
１０　放熱用穴
１１、２０ｄ、２０ｅ　スルーホール
１２　グランドピン
１３　リードフレーム
１４　グランドピン穴
２０、２０−１、２０−２、２０−３　組立て治具

Claims

ＱＦＰ構造を有するＩＣの実装構造において、
ＩＣを実装する基板に放熱用穴を設け、前記放熱用穴に放熱ゲルシートを配し、前記放熱ゲルシートの上面を前記ＩＣ下面に密着し、前記放熱ゲルシートの下面を前記基板を固定する筐体に設けた凸状のヒートシンクに密着する構造を有することを特徴とするＩＣの実装構造。
前記放熱穴を、ＩＣのパッケージ外形寸法よりも小さい方形状に形成したことを特徴とする請求項１に記載のＩＣの実装構造。
前記放熱用穴の任意の一辺の長さが、前記ＩＣのパッケージの外形の一辺の長さより小さくなるように形成したことを特徴とする請求項２に記載のＩＣの実装構造。
前記筐体のヒートシンクの一辺の長さが、前記ＩＣの一側面のリードフレームの先端から反対側面のリードフレームの先端までの長さより、大きくなるように形成したことを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載のＩＣの実装構造。
前記基板を、前記放熱用穴の周囲四隅のスルーホールに通したボルトを用いて前記ヒートシンク四隅のタップ穴に固定する構造を有し、かつ前記ＩＣのパッケージ下面で前記ゲルシートを押圧する構造を有し、かつ前記ＩＣのパッケージ下面の少なくとも一部あるいは外周の少なくとも一部を基板に当接させる構造を有し、これにより前記ＩＣのパッケージの上面を押圧した際に、前記ヒートシンクと前記ＩＣのパッケージとで、前記ゲルシートが挟まれて塑性変形し、前記ＩＣのパッケージ下面の少なくとも一部あるいは外周の少なくとも一部が基板に接した状態を保ったまま前記ゲルシートを押圧することができる為、前記基板と前記リードフレームと前記ＩＣのパッケージの相対距離に変化が生じず、前記ゲルシートに圧縮応力を発生させた際もリードフレームに応力が発生せずに、前記基板を前記筐体に固定する構造を有することを特徴とする請求項１から請求項４の何れか１項に記載のＩＣの実装構造。
前記スルーホールを利用して、前記ＩＣの上面を押圧する組立て治具によって実装する構造を有することを特徴とする請求項５に記載のＩＣの実装構造。
前記基板に設けた位置決め用の穴を、前記筐体に設けたグランドピンに差し込むことで、前記基板と前記筐体との位置決めを行う構造としたことを特徴とする請求項１から請求項６の何れか１項に記載のＩＣの実装構造。
ＱＦＰ構造を有するＩＣの実装構造であって、
ＩＣを実装する基板と、
前記基板を固定する筐体と、
前記筐体に設けられた前記ＩＣの放熱を行うヒートシンクと、
前記ＩＣと前記ヒートシンクの間に介在する放熱ゲルシートとを備え、
前記基板に放熱用穴を設け、前記放熱用穴に前記放熱ゲルシートを配し、前記放熱ゲルシートの上面を前記ＩＣのパッケージ下面に密着し、前記放熱ゲルシートの下面をヒートシンクに密着する構造を有することを特徴とするＩＣの実装構造。
前記放熱穴を、ＩＣのパッケージ外形寸法よりも小さい内寸の方形状に形成したことを特徴とする請求項８に記載のＩＣの実装構造。
前記基板を、前記放熱用穴の周囲四隅のスルーホールに通したボルトを用いて前記ヒートシンク四隅のタップ穴に固定する構造を有し、前記ＩＣのパッケージ下面で前記ゲルシートを圧縮し、前記ＩＣのパッケージの少なくとも周囲の一部、あるいは前記ＩＣのパッケージの少なくとも下面の一部を基板に当接させることで、前記ＩＣのパッケージの上面を押圧した際、ＰＫＧ下面の少なくとも一部あるいは外周の少なくとも一部が基板と接した状態を保ちつつ前記ＩＣのパッケージ下面が前記ゲルシートを前記筐体に向けて押圧し、前記ゲルシートと前記ＩＣパッケージの下面、並びに前記ゲルシートと前記筐体との密着性を保ちつつ、リードフレームに応力が発生しない状態で、前記基板が前記筐体に接するまでゲルシートを塑性変形させることにより前記基板を前記筐体に固定する構造を有することを特徴とする請求項８又は請求項９に記載のＩＣの実装構造。
ＱＦＰ構造を有するＩＣの実装方法において、
ＩＣを実装する基板に設けた放熱用穴に放熱ゲルシートを配し、前記放熱ゲルシートの上面を前記ＩＣ下面に、前記放熱ゲルシートの下面を前記基板を固定する筐体上の凸状のヒートシンクに密着させて前記基板を前記筐体に固定することを特徴とするＩＣの実装方法。
前記基板を、前記ＩＣのパッケージ四隅あるいは前記放熱用穴の外周四隅のスルーホールに通したボルトを用いて前記ヒートシンク四隅のタップ穴に固定し、
前記ＩＣのパッケージ下面で前記ゲルシートを押圧し、圧縮することで塑性変形させ、前記ＩＣのパッケージの少なくとも周囲の一部、あるいは前記ＩＣのパッケージの少なくとも下面の一部を基板に当接させることで、前記ゲルシートとの密着性を保ちつつ、リードフレームに応力が発生しない状態で、前記基板を前記筐体に固定する工程を有することを特徴とする請求項１１に記載のＩＣの実装方法。
前記スルーホールを利用して、前記ＩＣの上面を押圧する組立て治具によって実装することを特徴とする請求項１１に記載のＩＣの実装方法。
前記ボルトを締め付けて前記ゲルシートを圧縮した状態で保持した後、前記ゲルシートの反力が緩和された後に、組立て治具を取り外した構造、あるいは、前記ゲルシートを圧縮した状態で保持したまま、組立て治具を取り外さず、圧縮した状態で保持する時間と組立て治具を取り外す時間を短縮したことを特徴とする請求項１２に記載のＩＣの実装方法。
前記基板に設けた位置決め用の穴を、前記筐体に設けたグランドピンに差し込むことで、前記基板と前記筐体との位置決めを行うことを特徴とする請求項１１から請求項１４の何れか１項に記載のＩＣの実装方法。
ＱＦＰ構造を有するＩＣの実装を行う組立て治具であって、
基板に設けた放熱用穴に放熱ゲルシートを配した状態で、前記ＩＣのパッケージを前記基板を固定する筐体側に押圧し、前記放熱ゲルシートの上面を前記ＩＣ下面に密着させ、前記放熱ゲルシートの下面を前記基板を固定する筐体上の凸状のヒートシンクに密着させる構造であることを特徴とする組立て治具。
ＱＦＰ構造を有するＩＣの実装を行う組立て治具であって、
基板に設けた放熱用穴に放熱ゲルシートを配した状態で、前記ＩＣのパッケージの上面を前記基板を固定する筐体側に押圧する押圧面を有し、
前記基板を前記筐体に固定する固定手段を利用して前記押圧面で前記ＩＣのパッケージを押圧した状態を保持し、
前記放熱ゲルシートの上面を前記ＩＣ下面に密着させ、前記放熱ゲルシートの下面を前記基板を固定する筐体上の凸状のヒートシンクに密着させることを特徴とする組立て治具。
前記基板を、前記放熱用穴の外周四隅のスルーホールに通したボルトを用いて前記ヒートシンク四隅のタップ穴に固定する構造において、前記スルーホールとボルトを利用して、前記ＩＣのパッケージを押圧することにより、前記ＩＣのパッケージ下面で前記ゲルシートを押圧することで圧縮して塑性変形させ、前記ＩＣのパッケージの周囲を前記基板に当接させることで、前記ゲルシートとの密着性を保ちつつ、リードフレームに応力が発生しない状態で、前記ＩＣのパッケージを前記基板に押圧することを特徴とする請求項１６又は請求項１７に記載の組立て治具。
前記ＩＣのパッケージ上面の全体を覆って押圧する形状に形成されることを特徴とする請求項１６から請求項１８の何れか１項に記載の組立て治具。
前記ＩＣのパッケージの対角線上の角部分を押圧する２つの押圧部品からなることを特徴とする請求項１６から請求項１８の何れか１項に記載の組立て治具。
前記ＩＣのパッケージの対角線上に延びる梁構造を有することを特徴とする請求項１６から請求項１８の何れか１項に記載の組立て治具。