JP2006024755A

JP2006024755A - 回路基板

Info

Publication number: JP2006024755A
Application number: JP2004201717A
Authority: JP
Inventors: Kenji Iketaki; 憲治池滝
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2004-07-08
Filing date: 2004-07-08
Publication date: 2006-01-26
Also published as: US20060007661A1

Abstract

【課題】基板と、その基板に実装された回路素子とを備えた回路基板に関し、基板裏面側への実装制約や他の部品との干渉、さらには製造上の手間が問題とならず、回路素子の冷却性が良好な回路基板を提供する。
【解決手段】表裏面２０ａ，２０ｂの互いに対応した位置に１対のパッド２１，２３が設けられた基板２０と、放熱部分１３を有し、１対のパッド２１，２３のうちの一方のパッド２１に放熱部分１３が半田接続された回路素子１０と、基板２０を厚さ方向に貫通し、両端が１対のパッド２１，２３それぞれに半田接続された伝熱体４０とを備え、伝熱体４０が、表裏面２０ａ，２０ｂ間の空気の貫通を防ぐ中実構造を少なくとも一部に有するものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、基板と、その基板に実装された回路素子とを備えた回路基板に関する。

回路素子の高機能化に伴い、回路素子の発熱量が増大している。そこで、回路素子の冷却技術として、回路素子の、基板と対向する部分（裏面）に金属製の放熱用パッド（スラグ）を設け、基板に配置された金属製のパッドに、この放熱スラグを半田付けすることで、回路素子の熱を基板に逃がす技術が用いられている。

図１は、半導体素子の放熱スラグと基板のパッドが半田接続された回路基板を示す図である。

図１に示す回路基板１は、半導体素子１０と基板２０とを備えている。この半導体素子１０は、パッケージ１１によって覆われており、ワイヤボンディングによって接続された複数のリード１２を有する。半導体素子１０の、基板と対向する部分には金属製の放熱スラグ１３が設けられている。また、図１に示す基板２０は、半導体素子１０が実装される実装面２０ａに複数の金属製のパッドが配置され、実装面２０ａと実装面２０ａとは反対側の裏面２０ｂとの間に導電層２０１が設けられたものである。図１に示す半導体素子１０の放熱スラグ１３と基板２０のパッド（以下、このパッドを放熱用パッド２１と称する）は半田３０（例えば、特許文献１等参照）によって接続されている。また、半導体素子１０のリード１２と基板２０のパッド（以下、このパッドを電気接続用パッド２２と称する）も半田接続されている。放熱用パッド２１には、基板２０を貫通した複数本のスルーホール２０２が接続されている。これらのスルーホール２０２は、内周面が導電性材料で覆われたものであり、導電層２０１に接している。したがって、半導体素子１０の熱は、放熱用パッド２１およびスルーホール２０２から基板２０の実装面２０ａおよび内部へ逃がされるとともに、スルーホール２０２を経由して導電層２０１にも逃がされる。

ところが、図１には、放熱スラグ１３と放熱用パッド２１を半田接続する際に溶融させた半田３０が左側に示すスルーホール２０２に流れ込み、流れ込んだ半田３０が裏面２０ｂに膨出して固まった様子が示されている。このように、半田３０が裏面２０ｂに膨出して固まると、各種素子の、裏面側への実装制約につながり問題になる。また、この回路基板１がスペース的に余裕がないところに配置されるものであると、裏面２０ｂに達した半田が他の部品と干渉してしまい、これもまた問題になる。

また、発熱量が著しく多いＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）が実装された回路基板や、放熱を必要とする回路素子が多数実装された回路基板では、図１に示す技術では基板２０の温度が上昇（飽和）し、回路素子の冷却性が低下する問題も生じる。

このため、基板２０の裏面２０ｂにヒートシンクを設けて冷却性を高めた技術が提案されている（例えば特許文献２参照）。特許文献２に記載された技術では、基板を貫通するピンをＣＰＵに接続し、そのピンによってＣＰＵの熱を、ＣＰＵを実装させた面とは反対の面に配備させたヒートシンクに伝えている。

しかしながら、特許文献２に記載された技術では、ＣＰＵと基板を貫通するピンとの接続が接着剤によって行われており、ＣＰＵとピンとの接続部分、すなわち接着剤の部分の熱伝導性および放熱性が悪く、せっかくヒートシンクを設けても冷却性がさして向上しないことが懸念される。また、製造工程上、接着剤を塗布する手間が必要なことも懸念される。
特開平１０−７９５６２号公報特開平１１−３３０７４７号公報

本発明は、上記事情に鑑み、基板裏面側への実装制約や他の部品との干渉、さらには製造上の手間が問題とならず、回路素子の冷却性が良好な回路基板を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成する本発明の回路基板は、表裏面の互いに対応した位置に１対のパッドが設けられた基板と、
放熱部分を有し、上記１対のパッドのうちの一方のパッドにその放熱部分が半田接続された回路素子と、
上記基板を厚さ方向に貫通し、両端が上記１対のパッドそれぞれに半田接続された伝熱体とを備え、
上記伝熱体が、表裏面間の空気の貫通を防ぐ中実構造を少なくとも一部に有するものであることを特徴とする。

本発明の回路基板によれば、基板上にごく一般的に配置されるパッドを用いて、上記回路素子の熱を放熱するため、製造上手間がかからない。また、熱伝達が行われる接続箇所は半田接続されているため、熱伝導性および放熱性に優れ、上記回路素子の冷却性が良好なものとなる。さらに、上記伝熱体が上記中実構造を少なくとも一部に有するものであるため、溶融した半田は上記中実構造によって堰き止められ、半田が、上記回路素子が実装された面とは反対の面に膨出することが防止される。その結果、基板裏面側への実装制約や他の部品との干渉も問題にならなくなる。

ここで、上記伝熱体が、上記中実構造を全体に有するものであってもよい。

また、本発明の回路基板において、上記基板が、その基板の内部に上記厚さ方向と直交する方向に広がる導電層を有するものであってもよい。

上記導電層を上記伝熱体に接触させておくことで、上記回路素子の熱を上記導電層に逃がすことができ放熱性が高まるが、上記基板の温度が上昇しすぎる場合には、上記導電層を上記伝熱体を避けて広がるものにすることで、上記基板の温度上昇を抑えることができる。

また、本発明の回路基板において、上記伝熱体が、上記１対のパッドに対し複数配備されたものであることが好ましい。

複数の伝熱体によって、上記回路素子からの熱がムラなく伝達される。

さらに、本発明の回路基板において、上記伝熱体が、上記厚さ方向一端に、その一端に対する他端よりも大きな、上記１対のパッドのうちのいずれか一方のパッドに嵌め込まれた頭部を有するとともに、その他端に、その一方に対する他方のパッドに嵌め込まれた端部を有するものであることが好ましい。

こうすることで、上記伝熱体の、上記パッドに接続する部分の面積が増し、上記パッドと上記伝熱体の熱伝達がより良好になる。

またさらに、本発明の回路基板において、半田接続された部分に、Ｂｉの単体、Ｉｎの単体、およびＺｎの単体の中から選択された一つの単体が含まれていることが好ましい。

本発明の回路基板によれば、上記一対のパッドは互いに熱伝導するように接続されており、一方のパッドに加えられた熱は他方のパッドによって放熱される。そのため、上記パッドに半田付けを行う際、高めの温度で半田付けを行う必要が生じ、上記回路素子に、その回路素子の耐熱温度を越えた温度が加わる恐れがある。そこで、半田付けが行われる部材（上記パッド、上記伝熱体、上記放熱部分）の、半田と接する部分を、Ｂｉの単体、Ｉｎの単体、およびＺｎの単体の中から選択された一つの単体によって被覆しておくことで、半田が溶融する温度を下げることができ、上記回路素子に耐熱温度以上の温度が加わることが防止される。こうして半田接続された部分には、Ｂｉの単体、Ｉｎの単体、およびＺｎの単体の中から選択された一つの単体が含まれている。

また、本発明の回路基板において、上記伝熱体が、上記１対のパッドのうちの、上記放熱部分が半田接続されたパッドとは異なるパッドから上記厚さ方向に突出し突出端が開口した筒部を有するものであり、
上記異なるパッドが設けられた側に、上記筒部の内周面に固着され、上記伝熱体から伝わってきた熱を放熱する、その異なるパッドよりも容量が大きな放熱部材を備えたものである態様であってもよい。

この態様によれば、上記筒部を利用することで、上記基板に上記放熱部材を簡単に配備させることができ、その放熱部材によって放熱性がより高められる。

本発明によれば、基板裏面側への実装制約や他の部品との干渉、さらには製造上の手間が問題とならず、回路素子の冷却性が良好な回路基板を提供することができる。

以下図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図２は、本発明の第１実施形態の回路基板を示す図である。

以下の説明では、図１に示す構成要素の機能と同じ機能を有する構成要素には、これまで用いた符号を付して説明する（以下、同じ）。

図２に示す回路基板１も、図１に示す回路基板と同じく、パッケージ１１によって覆われた半導体素子１０と基板２０とを備えている。半導体素子１０は、複数のリード１２と金属製の放熱スラグ１３を有する。図２に示す放熱スラグ１３には、Ｂｉ（ビスマス）を含む低融点材料のメッキが施されている。

一方、図２に示す基板２０には、表裏面の互いに対向した位置に１対の金属製のパッドが設けられている。これらのパッドにも、Ｂｉを含む低融点材料のメッキが施されている。ここでは、表裏面のうち、半導体素子１０が実装される面を実装面２０ａと称し、反対側の面を裏面２０ｂと称することにする。１対のパッドのうちの、実装面２０ａに配備されたパッド（放熱用パッド２１）には、半導体素子１０の放熱スラグ１３が半田３０によって接続されている。なお、１対のパッドのうちの、裏面２０ｂに配備されたパッドを、放熱用裏面パッド２３と称することにする。また、実装面２０ａには、裏面２０ｂとの対向関係を無視して、さらに複数の金属製のパッドが設けられており、これらのパッド（電気接続用パッド２２）それぞれには、半導体素子１０の複数のリード１２それぞれが半田３０によって接続されている。さらに、図２に示す基板２０は、内部に厚さ方向と直交する方向に広がる導電層２０１を有する。

また、図２に示す回路基板１は複数の伝熱体４０を有する。図２に示す基板２０には、基板２０の厚さ方向に貫通し、放熱用パッド２１と放熱用裏面パッド２３とを結ぶ、内周面が導電性材料で被覆されたスルーホールが複数設けられている。複数の伝熱体４０は、これらのスルーホールに収容され、両端部それぞれが放熱用パッド２１と放熱用裏面パッド２３それぞれに半田接続されたものである。すなわち、伝熱体４０は、基板２０を厚さ方向に貫通し、放熱用パッド２１と放熱用裏面パッド２３それぞれに半田接続されたものである。また、伝熱体４０は、基板内部で導電層２０１に接している。したがって、半導体素子１０の熱は、放熱スラグ１３から放熱用パッド２１に伝わり、さらに伝熱体４０を経由して導電層２０１に伝わるとともに放熱用裏面パッド２３にも伝わる。この結果、半導体素子１０の熱は、放熱用パッド２１および放熱用裏面パッド２３によって放熱されるとともに導電層２０１へ逃がされる。図２に示す回路基板１では、熱伝達が行われる接続箇所が総て半田接続されているため、熱伝導性および放熱性に優れ、半導体素子１０の冷却性が良好なものとなる。しかも、基板２０上にごく一般的に配置されるパッドを用いて、半導体素子１０の熱を放熱するため、製造上手間がかからない。また、伝熱体４０を１対のパッド２１，２３に対し複数配備したことで、半導体素子１０からの熱がムラなく伝達される。

伝熱体４０は、頭部４１と端部４２を有する、実装面２０ａと裏面２０ｂの間の空気の貫通を塞ぐ構造のものである。すなわち、図２に示す伝熱体４０は、全体が中実構造のものである。伝熱体４０の、頭部４１を除いた部分は円柱であり、その円柱の一端部分が端部４２を構成している。頭部４１は、その円柱の径よりも大きな径を有する、端部とは反対側に位置するものである。図２に示す伝熱体４０の頭部４１は、放熱用裏面パッド２３に嵌め込まれた状態で放熱用裏面パッド２３に半田付けされており、端部４２は放熱用パッド２１に嵌め込まれた状態で放熱用パッド２１に半田付けされている。図２には、頭部４１が嵌め込まれた放熱用裏面パッド２３の表面全体を覆うように固化した半田３０と、端部４２が嵌め込まれた放熱用パッド２１と半導体素子１０の放熱スラグ１３との間で、放熱用パッド２１の表面全体を覆うように固化した半田３０が示されている。したがって、伝熱体４０の頭部４１においても端部４２においても、パッドとの接触面積が十分に確保されており、パッドと伝熱体４０の熱伝達は非常に良好である。しかも、伝熱体４０は全体が中実構造のものであることから、放熱用パッド２１と放熱スラグ１３との間で固化する前の溶融半田が、裏面２０ｂ側に流れ出すことが防止されている。なお、伝熱体４０は、頭部４１を省略したものであってもよい。

また、放熱スラグ１３、放熱用パッド２１、および放熱用裏面パッド２３のいずれにも、Ｂｉを含む低融点材料のメッキが施されているため、半田接続された部分にはＢｉの単体が含まれている。図２に示す回路基板１によれば、放熱用パッド２１と放熱用裏面パッド２３とからなる一対のパッドは互いに熱伝導するように接続されており、一方のパッドに加えられた熱は他方のパッドによって放熱される。そのため、これらのパッドに半田付けを行う際、高めの温度で半田付けを行う必要が生じるが、低融点材料のメッキが施されているため、電気接続用パッド２２における半田付け温度と同程度の温度を加えれば半田は溶融する。なお、メッキとは異なる手法（例えば、ディスペンサによる滴下や部分印刷等）によって低融点材料を被覆してもよい。

続いて、本発明の第２実施形態について説明する。ここでは、第１実施形態の説明と重複する説明は省略し、第２実施形態における特徴的な部分を中心に説明する。

図３は、本発明の第２実施形態の回路基板を示す図である。

図３に示す回路基板１も、複数の伝熱体４０を備えているが、図３に示す伝熱体４０の頭部４１は、放熱用パッド２１に嵌め込まれた状態で放熱用パッド２１に半田付けされており、端部４２は放熱用裏面パッド２３に嵌め込まれた状態で放熱用裏面パッド２３に半田付けされている。この伝熱体４０は、基板２０に機械的加工を施すことによって形成した貫通孔に収容されたものである。また、図３に示す放熱スラグ１３、放熱用パッド２１、および放熱用裏面パッド２３のいずれにも低融点材料のメッキは施されておらず、複数の伝熱体４０総ての頭部４１および端部４２にＢｉを含む低融点材料のメッキが施されている。このため、電気接続用パッド２２における半田付け温度と同程度の温度を加えれば半田は溶融する。さらに、図３に示す伝熱体４０と基板２０の導電層２０１とは非接触である。図３に示す半導体素子１０は発熱量が多いＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）であり、伝熱体４０と導電層２０１を接触させると、基板２０の温度が上昇しすぎてしまうため、ここではあえて伝熱体４０と導電層２０１とを離している。

次に、本発明の第３実施形態について説明する。ここでも、今まで説明した実施形態の説明と重複する説明は省略し、第３実施形態における特徴的な部分を中心に説明する。

図４は、本発明の第３実施形態の回路基板を示す図である。

図４に示す半導体素子１０は発熱量が著しく多いＣＰＵであり、この図４に示す回路基板１でも、図３に示す回路基板と同じく、基板の温度上昇を避けるために、伝熱体４０と導電層２０１とを離している。また、図４に示す回路基板１では、裏面２０ｂ側にヒートシンク５０が取り付けられている。このヒートシンク５０は、複数のフィン５１を有するものであり、放熱用裏面パッド２３よりも容量が大きなものである。図４に示す伝熱体４０は、放熱用裏面パッド２３から基板２０の厚さ方向に突出した筒部４３０を有する。この筒部４３０の周面は、放熱用裏面パッド２３に半田付けされている。

図５は、図４に示す回路基板に備えられた伝熱体を示す斜視図である。

図４に示す伝熱体４０は、円盤状の頭部４１と円筒部４３とを有する。頭部４１は、円筒部４３の一端側の開口を塞ぐように設けられたものでり、円筒部４３の他端側の開口４３１は解放されている。したがって、図５に示す伝熱体４０では頭部４１が中実構造となり、この伝熱体４０は中実構造を一部に有するものである。また、円筒部４３の内周面には、開口４３１から頭部４１側に向かってつながるネジ溝４３２が設けられている。円筒部４３の開口４３１側の端部分が、図４に示す筒部４３０になる。

図４に示すヒートシンク５０は、図５に示す伝熱体４０の開口に挿入される挿入部を有するものであり、この挿入部には、円筒部４３の内周面に設けられたネジ溝４３２に螺合するネジ溝が設けられている。図４に示すヒートシンク５０は、伝熱体４０の円筒部内周面に螺着されており、ヒートシンクの装着は簡単である。装着されたヒートシンク５０には、伝熱体４０からの熱が伝達される。したがって、図４に示す回路基板１では、半導体素子１０の熱が、放熱スラグ１３から放熱用パッド２１に伝わり、さらに伝熱体４０を経由して放熱用裏面パッド２３に伝わり、ヒートシンク５０によって効率良く放熱される。なお、伝熱体４０の円筒部内周面にヒートシンク５０を固着するにあたっては、螺着に限らず、圧入等の様々な機械的締結手段を用いることができる。

以下、本発明の各種態様を付記する。

（付記１）
表裏面の互いに対応した位置に１対のパッドが設けられた基板と、
放熱部分を有し、前記１対のパッドのうちの一方のパッドに該放熱部分が半田接続された回路素子と、
前記基板を厚さ方向に貫通し、両端が前記１対のパッドそれぞれに半田接続された伝熱体とを備え、
前記伝熱体が、表裏面間の空気の貫通を防ぐ中実構造を少なくとも一部に有するものであることを特徴とする回路基板。

（付記２）
前記基板が、該基板の内部に前記厚さ方向と直交する方向に広がる導電層を有するものであることを特徴とする付記１記載の回路基板。

（付記３）
前記伝熱体が、前記１対のパッドに対し複数配備されたものであることを特徴とする付記１記載の回路基板。

（付記４）
前記伝熱体が、前記中実構造を全体に有するものであることを特徴とする付記１記載の回路基板。

（付記５）
前記伝熱体が、前記厚さ方向一端に、該一端に対する他端よりも大きな、前記１対のパッドのうちのいずれか一方のパッドに嵌め込まれた頭部を有するとともに、該他端に、該一方に対する他方のパッドに嵌め込まれた端部を有するものであることを特徴とする付記１記載の回路基板。

（付記６）
半田接続された部分に、Ｂｉの単体、Ｉｎの単体、およびＺｎの単体の中から選択された一つの単体が含まれていることを特徴とする付記１記載の回路基板。

（付記７）
前記伝熱体が、前記１対のパッドのうちの、前記放熱部分が半田接続されたパッドとは異なるパッドから前記厚さ方向に突出し突出端が開口した筒部を有するものであり、
前記異なるパッドが設けられた側に、前記筒部の内周面に固着され、前記伝熱体から伝わってきた熱を放熱する、該異なるパッドよりも容量が大きな放熱部材を備えたものであることを特徴とする付記１記載の回路基板。

半導体素子の放熱スラグと基板のパッドが半田接続された回路基板を示す図である。本発明の第１実施形態の回路基板を示す図である。本発明の第２実施形態の回路基板を示す図である。本発明の第３実施形態の回路基板を示す図である。図４に示す回路基板に備えられた伝熱体を示す斜視図である。

符号の説明

１回路基板
１０半導体素子
１１パッケージ
１２リード
１３放熱スラグ
２０基板
２０ａ実装面
２０ｂ裏面
２１放熱用パッド
２３放熱用裏面パッド
２２電気接続用パッド
２０１導電層
３０半田
４０伝熱体
４１頭部
４２端部
４３０筒部
４３１開口
４３２ネジ溝
５０ヒートシンク

Claims

表裏面の互いに対応した位置に１対のパッドが設けられた基板と、
放熱部分を有し、前記１対のパッドのうちの一方のパッドに該放熱部分が半田接続された回路素子と、
前記基板を厚さ方向に貫通し、両端が前記１対のパッドそれぞれに半田接続された伝熱体とを備え、
前記伝熱体が、表裏面間の空気の貫通を防ぐ中実構造を少なくとも一部に有するものであることを特徴とする回路基板。
前記伝熱体が、前記１対のパッドに対し複数配備されたものであることを特徴とする請求項１記載の回路基板。
前記伝熱体が、前記厚さ方向一端に、該一端に対する他端よりも大きな、前記１対のパッドのうちのいずれか一方のパッドに嵌め込まれた頭部を有するとともに、該他端に、該一方に対する他方のパッドに嵌め込まれた端部を有するものであることを特徴とする請求項１記載の回路基板。
半田接続された部分に、Ｂｉの単体、Ｉｎの単体、およびＺｎの単体の中から選択された一つの単体が含まれていることを特徴とする請求項１記載の回路基板。
前記伝熱体が、前記１対のパッドのうちの、前記放熱部分が半田接続されたパッドとは異なるパッドから前記厚さ方向に突出し突出端が開口した筒部を有するものであり、
前記異なるパッドが設けられた側に、前記筒部の内周面に固着され、前記伝熱体から伝わってきた熱を放熱する、該異なるパッドよりも容量が大きな放熱部材を備えたものであることを特徴とする請求項１記載の回路基板。