JP2006066725A - 放熱構造を備える半導体装置及びその組立方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 放熱特性と半田付け性との向上を図る。
【解決手段】 絶縁基板13にLED1を臨ませる開口部18と、この開口部18を囲んで端子ランド16とを形成した配線基板11に、実装面3aに放熱パッド5を設けたLED1を、相対する端子ランド16と端子4とを半田付けしてLED1を開口部18に浮かせかつ放熱パッド5を臨ませた状態で配線基板11に実装する。絶縁基板13よりも高熱伝導特性で配線基板11を組み合わす主面12aに開口部18と対向して放熱凸部19が一体に形成された放熱プレート12とから構成される。
【選択図】 図1
【解決手段】 絶縁基板13にLED1を臨ませる開口部18と、この開口部18を囲んで端子ランド16とを形成した配線基板11に、実装面3aに放熱パッド5を設けたLED1を、相対する端子ランド16と端子4とを半田付けしてLED1を開口部18に浮かせかつ放熱パッド5を臨ませた状態で配線基板11に実装する。絶縁基板13よりも高熱伝導特性で配線基板11を組み合わす主面12aに開口部18と対向して放熱凸部19が一体に形成された放熱プレート12とから構成される。
【選択図】 図1
Description
本発明は、半導体チップや大規模集積回路素子(LSI:Large-Scale Integrated Circuit)或いは発光ダイオード等(本明細書においては、個別に説明する場合を除いて半導体素子と総称する。)の比較的大きな熱を発生させる各種半導体素子を実装するとともに、発生した熱を放熱する放熱構造を備える半導体装置及びその組立方法に関する。
各種の電子機器等には、基板上に半導体素子を実装した半導体装置が備えられている。半導体素子は、小型で薄型化を確保しながら高機能化や多機能化が図られることによって集積度がますます高まるとともに、ハイパワー化が図られている。また、電子機器等には、光源部や表示部等に、小型で長寿命、低電力消費特性或いは高輝度特性を有する発光ダイオード(以下、LEDと称する。LED:Light Emitting Diode)が用いられている。
電子機器等においては、半導体素子が高集積化とハイパワー化或いは電源回路部等の適用箇所、特性等によって素子本体から大きな熱が発生し、この発生熱を効率的に放熱する放熱構造が極めて重要となっている。電子機器等においては、例えば基板に実装した半導体素子に対してヒートシンクを接合して、半導体素子から発生する熱を放熱するようにしている。電子機器等においては、比較的大型のヒートシンクが半導体素子に重ね合わされることによって全体の厚みが大きくなってしまうとともに、基板やヒートシンクを自由に組み付けることができないといった問題があった。
例えば、特許文献1には、実装用ボードに対して半導体素子を実装したパッケージ基板をBGA実装法により実装してなる半導体パッケージが開示されている。特許文献1においては、パッケージ基板に開口部を形成して半導体素子を収納し、この半導体素子が熱伝導率の高い材料からなる伝熱板を介して実装用ボードと熱的接続されて実装される。特許文献1においては、放熱フィンを用いることなく半導体素子に発生した熱が伝熱板を介して実装用ボードから放熱され、小型、薄型化が図られる。
ところで、液晶表示装置においては、赤色、緑色、青色の多数個のLEDを2次元配列して合成色の白色光を得るバックライト部が備えられて、液晶パネルに対して照明光を供給する。液晶表示装置においては、各LEDから発生した熱が内部に籠もって内部温度が上昇するために、液晶パネルに供給する照明光を適宜制御するために設けられた光学機能シートや導光プレート等の各部材に熱変化を生じさせて色むら等を発生させたり電子部品等の動作に影響を及ぼすといった問題が生じる。したがって、液晶表示装置においては、多数個のLEDから発生する熱を効率よく放熱する放熱構造が備えられる。
液晶表示装置においては、例えば上述した特許文献1の技術を利用して図4に示すような放熱特性に優れたバックライト装置100を構成することが可能である。バックライト装置100は、アルミ材や銅材等の熱伝導率に優れた材料によって形成された基板101上に多数個のLED1を実装し、図示しない液晶パネルの背面にアレイ配置される。バックライト装置100は、基板101の主面101a上に全面に亘って第1絶縁層102を形成し、この第1絶縁層102上に所定の配線パターンを有する配線層103を形成し、さらに配線層103を被覆して第2絶縁層104を形成してなる。
基板101には、各LED1の実装領域に対応して、配線層103と第2絶縁層104とに開口部105が形成される。基板101は、開口部105の開口縁に沿って第2絶縁層104が適宜除去されることにより、配線層103に形成した端子ランド106a、106bが開口部105の開口縁に沿って露出されるようにする。なお、基板101は、第1絶縁層102がLED1との電気的絶縁を保持するに足る厚みに形成され、LED1からの熱伝導にさほど影響を生じることは無い。
LED1は、発光バルブ2を樹脂ホルダ3によって保持するとともに、樹脂ホルダ3からクランク状に折曲された一対の端子4a、4bが突出されてなる。LED1には、樹脂ホルダ3の底面3aに熱伝導特性が大きなアルミ片や銅片等の金属板からなる放熱パッド5が接合されている。LED1は、樹脂ホルダ3の底面3aを実装面として図4(A)矢印で示すように基板101の開口部106に組み合わされ、端子4a、4bが相対する端子ランド106a、106b上に位置決めされる。LED1は、半田付け装置6により端子4a、4bが相対する端子ランド106a、106bに対して半田7によって接続固定されて基板101の主面101a上に実装される。
バックライト装置100においては、基板101に実装された各LED1が、それぞれの放熱パッド5を第1絶縁層102を介して主面101aと接触した状態とする。バックライト装置100においては、各LED1から発生する熱が放熱パッド5を介して基板101に伝導されて放熱されるようにする。なお、バックライト装置100は、基板101上に多数個のLED1が実装され、また基板101が図示しないヒートシンク等の適宜の放熱手段と接続されて効率的な放熱が行われる。バックライト装置100は、例えば第1絶縁層102にも開口部を設けて銀ペースト等を介して放熱パッド5と基板101とを接触させるようにしてもよい。
ところで、バックライト装置100においては、半田付け装置6によってLED1を基板101に半田付けする際に、端子4a、4bと端子ランド106a、106bとが半田7の融点以上に加熱されなければならない。バックライト装置100においては、上述したように基板10を熱伝導特性が大きな金属板によって形成することから、図4(B)で示すように半田付け装置6から加えられる熱が端子4a、4b−放熱パッド5のルートを介して放熱されてしまう。バックライト装置100においては、このために端子4a、4bや端子ランド106a、106bが充分な温度まで上昇せずに半田不良が発生してLED1と基板101の配線層103とに接続不良が生じることがあった。
電子機器等においては、上述したバックライト装置100のように、放熱特性を向上させるために熱伝導特性が大きな基板101を用いた場合に、半田付けされる半導体素子の半田不良が発生するといった問題があった。
したがって、本発明は、放熱特性と半田付け性との向上を図った放熱構造を備える半導体装置及びその組立方法を提供することを目的とする。
上述した目的を達成する本発明にかかる放熱構造を備える半導体装置は、半導体素子を実装した配線基板と放熱基板との積層構造体からなる。半導体装置は、半導体素子が、素子本体の外周部に複数の端子が突出されるとともに実装面を構成する底面に放熱パッドが設けられてなる。半導体装置は、配線基板が、例えばガラスエポキシ系基板等の従来一般に用いられている絶縁基板に半導体素子の素子本体を臨ませる開口部と、この開口部を囲んで実装主面上に各端子片とそれぞれ対向する複数の端子ランドとが形成され、これら端子ランドに対して相対する各端子をそれぞれ半田付けすることによって素子本体を開口部に浮かせかつ放熱パッドを臨ませた状態で半導体素子を絶縁基板に実装する。半導体装置は、放熱基板が例えばアルミ板や銅板等のように配線基板よりも高熱伝導性の金属材によって形成され、配線基板が組み合わされる組合せ主面にその開口部と対向して放熱凸部が一体に形成されてなる。
半導体装置においては、半導体素子が配線基板に対して、各端子ランドに対して相対する各端子をそれぞれ位置決めして組み合わせた状態でこれら各端子ランドと端子とに半田付けが施されることにより、素子本体を開口部に浮かせかつ放熱パッドを臨ませた状態で実装される。半導体装置においては、半導体素子を実装した配線基板を放熱基板に対して、開口部に放熱凸部を臨ませて組合せ主面上に組み合わせることにより、開口部を介して放熱パッドが放熱凸部と接合される。半導体装置においては、このように放熱基板に対して半導体素子を実装した配線基板を組み合わせることによって開口部を介して放熱パッドと放熱凸部と接合されることで、素子本体から発生する熱が放熱パッドと放熱凸部とを介して放熱基板へと効率よく伝導されて放熱が行われる。
また、上述した目的を達成する本発明にかかる放熱構造を備える半導体装置の組立方法は、素子本体の外周部に複数の端子が突出されるとともに実装面を構成する底面に放熱パッドが設けられた半導体素子と、絶縁基板に素子体を臨ませる開口部とこの開口部を囲んで実装主面上に各端子とそれぞれ対向する複数の端子ランドとが形成された配線基板と、この配線基板よりも高熱伝導性の金属材によって形成され配線基板が組み合わされる組合せ主面に開口部と対向して放熱凸部が一体に形成された放熱基板とから構成される放熱構造を備える半導体装置を組み立てる。
半導体装置の組立方法は、半導体素子実装工程と、配線基板組合せ工程とを有する。半導体素子実装工程は、相対する各端子ランドと各端子とをそれぞれ位置決めして組み合わせる工程と、各端子ランドと各端子とに半田付けを施す工程とを経て、半導体素子を配線基板に対して、素子本体を開口部に浮かせかつ放熱パッドを臨ませた状態で実装する。配線基板組合せ工程は、開口部に放熱凸部を臨ませて組合せ主面上に組み合わせることによって、半導体素子を実装した配線基板を放熱基板に対して、開口部を介して放熱パッドと放熱凸部と接合させる。半導体装置の組立方法は、開口部を介して放熱パッドが放熱凸部と接合されて、素子本体から発生する熱を放熱基板に伝導して放熱する放熱構造を備える半導体装置を組み立てる。
本発明によれば、相対する各端子ランドと各端子とに半田付けを施して半導体素子を配線基板に実装した後に、配線基板を放熱基板に組み合わせることにより半導体素子に設けた放熱パッドと放熱基板に形成した放熱凸部とが接合されてなる。本発明によれば、半田装置から加えられる熱が放熱基板に伝導されて放熱されることが無く、各端子ランドと各端子とが充分な温度にまで加熱されて半田が溶融して良好な半田付けが行われる。本発明によれば、半導体素子に発生した熱が接合された放熱パッドと放熱凸部とを介して放熱基板へと伝導され、効率的な放熱が行われるようになる。本発明によれば、半田付け性と放熱特性の向上が図られる。
以下、本発明の実施の形態として示した液晶表示装置に用いられるバックライト装置10について、図面を参照して詳細に説明する。バックライト装置10は、図1に示すようにそれぞれ適宜の個数の赤色LEDと緑色LEDと青色LEDとからなる所定個数のLED1(図では1個のみを代表的に図示している。)と、これらLED1を実装した配線基板11と、この配線基板11が組み合わされる放熱プレート12とから構成される。バックライト装置10は、図示しない液晶パネルの背面側に組み合わされてLED1から出射した照明光を供給する。
液晶表示装置は、図示を省略するが所定の画面サイズを有する液晶パネルを備え、この液晶パネルにバックライト装置10から大容量の照明光を供給して高輝度の表示が行われるテレビジョン受像機或いは表示モニタ装置等を構成する。液晶表示装置は、液晶パネルとバックライト装置10との間に、各LED1から出射された照明光に対して所定の光学変換処理を施して液晶パネルに供給する光学機能シートブロックや照明光を液晶パネルに対して均一輝度化した状態で供給する拡散導光プレート或いは拡散プレート等が備えられている。液晶表示装置は、反射プレートによって各LED1から出射された照明光を拡散プレート側へと反射させることによって光効率が図られている。
液晶表示装置においては、多数個のLED1から発生する熱が液晶パネルとバックライト装置10との間に構成された周囲を密閉した導光空間部内に籠もって高温状態となってしまう。液晶表示装置においては、高温化によって上述した光学機能シートブロックの特性が変化したり、拡散導光プレートや拡散プレート或いは反射プレートに歪み等が生じて液晶パネルに色むら等を発生させ、また制御回路部等の動作を不安定とさせたりする。液晶表示装置においては、後述するように効率的な放熱が行われて安定した動作が行われるようにする。
各LED1は、上述したように発光バルブ2を樹脂ホルダ3によって保持するとともに、樹脂ホルダ3からクランク状に折曲された一対の端子4a、4bが突出されている。各LED1には、樹脂ホルダ3の底面3aにアルミ薄板材や銅薄板材等の熱伝導率に優れた材料によって形成された放熱パッド5が接合されている。各LED1は、点灯動作によって照明光とともに熱も発生するが、後述するように放熱パッド5を介して放熱プレート12からの放熱が行われる。
配線基板11は、例えばガラスエポキシ系絶縁基板やフェノール樹脂系絶縁基板或いはポリイミド、セラミック等の従来電子機器に一般に用いられている絶縁基板13と、この絶縁基板13の主面13aに接合された銅箔に対して所定のパターニング処理を施して配線パターンを形成した配線層14からなる。配線基板11は、所定の長さと幅とを有する横長矩形を呈しており、長さ方向に並んで各LED1をそれぞれ実装するLED実装領域15を挟んで配線層14にそれぞれ端子ランド16a、16bが形成されている。
配線基板11には、詳細を省略するが、配線層14に各LED1をシリーズで接続する配線パターンが形成されている。配線基板11には、各LED実装領域15と各端子ランド16a、16bを露出させて配線層14を被覆する絶縁層17が形成されている。配線基板11には、各LED実装領域15に対応して多数個の開口部18が形成されている。なお、配線基板11には、図示を省略するが長さ方向の両側に位置して配線パターンと適宜接続された入力用コネクタと出力用コネクタとが実装されている。配線基板11は、これら入力用コネクタと出力用コネクタとが各LED1の点灯動作を制御する制御信号が入出力される。
各開口部18は、配線基板11に、長さ方向に対して同一軸線上に位置してそれぞれ等間隔に形成されている。各開口部18は、図1に示すようにそれぞれ内径がLED1の樹脂ホルダ3の外径よりもやや大径とされるとともに端子4a、4bの折曲部位よりも小径とされて形成されている。配線基板11は、開口部18の開口縁に位置して、直径方向に対向して端子ランド16a、16bを形成する。なお、配線基板11は、各LED実装領域15に対応して多数個の開口部18を形成したが、これら開口部18が長さ方向に連続されることによって矩形溝として構成されるようにしてもよい。
放熱プレート12は、熱伝導率に優れ、加工性がよくかつ軽量で廉価なアルミ材が用いられて、上述した配線基板11とほぼ同一の長さとやや大きな幅を有する矩形のブロック形状に形成される。放熱プレート12は、後述するように各LED1から発生する熱を放熱するとともに配線基板11の取付部材を兼ねることから機械的剛性を有する所定の厚みを以って形成される。なお、放熱プレート12は、アルミ材に限定されず、同等以上の特性を有する、例えばアルミ合金材、マグネシウム合金材或いは銀合金材や銅材等によって形成するようにしてもよく、また例えばプレス加工や切出し加工或いは押出加工等の適宜の加工方法によって形成される。
放熱プレート12は、その主面12a上に配線基板11が適宜の位置決め構造を介して位置決めされて組み合わされ、例えば複数の止めねじによって固定される。放熱プレート12には、主面12aに、配線基板11の各開口部18に対応して長さ方向に対して同一軸線上に位置して多数個の放熱凸部19が一体に形成されている。各放熱凸部19は、それぞれ外径が相対する開口部18の内径よりもやや小径とされるとともに、配線基板11の厚みとほぼ同等の高さを以って形成されている。
なお、放熱プレート12は、配線基板11の各開口部18に相対して主面12aに多数個の放熱凸部19を形成するようにしたが、例えば配線基板11に矩形溝の開口部18を形成した場合にこの矩形溝内に臨ませられる矩形凸部として形成する用にしてもよい。また、放熱プレート12は、矩形凸部を挟んで配線基板11を架け渡すようにする長さ方向の全長に亘って肉盗み凹部を形成するようにしてもよい。
放熱プレート12は、両端部が図示しないヒートシンク等の適宜の放熱手段と接続されており、このヒートシンクからの放熱によって後述するように各LED1に発生して伝導された熱を効率的に放熱する。放熱プレート12は、例えば底面側に形成したヒートパイプ嵌合凹部にヒートパイプを組合せ、このヒートパイプによってヒートシンク等への熱伝導をさらに効率的に行うように構成してもよい。
バックライト装置10においては、配線基板11に対して各LED1を実装して中間体20を製作し、この中間体20が放熱プレート12に取り付けられる。バックライト装置10においては、樹脂ホルダ3の底面3aを実装面として、図2(A)矢印で示すように各LED1が配線基板11の相対する各開口部18にそれぞれ組み合わされる。バックライト装置10においては、各LED1が、それぞれの端子4a、4bを配線基板11側の相対する端子ランド16a、16b上に位置するようにして組み合わされる。
バックライト装置10においては、図2(B)に示すように半田付け装置6によって、それぞれの端子4a、4bが配線基板11側の相対する端子ランド16a、16b上に半田7によって固定される。バックライト装置10においては、上述したように配線基板11が熱伝導率が比較的小さな絶縁基板13に配線層14を形成した構造であることから、半田装置6から加えられる熱が端子ランド16a、16bを介して有機絶縁基板13に伝導されて放熱されることが抑制される。
したがって、バックライト装置10においては、半田付け装置6によって端子4a、4bと端子ランド16a、16bとが充分に加熱され、半田7を溶融させる。バックライト装置10においては、溶融した半田7が端子4a、4bと端子ランド16a、16bとの間に回り込んで硬化することで、配線基板11上に各LED1を強固に実装した中間体20が製作される。バックライト装置10においては、比較的短い時間で半田7の溶融が行われることで、半田付け工程が効率よく行われるようになる。
中間体20は、図2(B)に示すように端子4a、4bが開口部18を挟んで端子ランド16a、16bに固定されることにより、各LED1がそれぞれ発光バルブ2と樹脂ホルダ3とが開口部18に浮いた状態で配線基板11に実装される。中間体20は、各LED1がそれぞれ樹脂ホルダ3の底面に接合された放熱パッド5を開口部18に臨ませた状態となっている。
バックライト装置10においては、図2(C)矢印で示すように配線基板11に多数個のLED1を実装した中間体20が放熱プレート12の主面12aに取り付けられる。バックライト装置10においては、中間体20が各開口部18を相対する放熱凸部19に嵌合させるようにして配線基板11を放熱プレート12に組み合わせて図示しない止めねじ或いは接着剤等により固定することによって取り付けられる。バックライト装置10においては、各開口部18に嵌合された各放熱凸部19が、各開口部18に臨ませられたLED1の放熱パッド5に突き当てられて密着する。
なお、バックライト装置10においては、放熱プレート12に対する中間体20の組合せ工程に際して、例えば各放熱凸部19の表面に熱伝導グリスを塗布するようにしてもよい。バックライト装置10においては、熱伝導グリスを介してLED1の放熱パッド5と放熱凸部19との間の熱伝導がより効率よく行われるようになる。
以上のように構成したバックライト装置10は、液晶パネルの背面側に組み合わされ、制御部から駆動信号が出力されることによって各LED1が点灯し、大容量の照明光を液晶パネルに供給する。バックライト装置10においては、各LED1が照明光を出射するとともに熱も発生させるが、この発生熱が放熱プレート12を介して放熱される。バックライト装置10においては、上述したように放熱プレート12が熱伝導率に優れた金属材等によって形成されており、主面12aに一体に形成した放熱凸部19が配線基板11の開口部18内で放熱パッド5と密着されている。したがって、バックライト装置10においては、各LED1の発生熱が放熱パッド5と放熱凸部19とを介して放熱パッド5へと効率よく伝達され、放熱が行われる。
図3は、半田装置6によって端子4を加熱した場合の温度上昇を測定した結果を示している。同図において、実線は、LED1の放熱パッド5と放熱プレート12の放熱凸部19とが接触された上述したバックライト装置10を組み立てた状態で半田装置6によって端子4を加熱した場合、換言すれば従来装置と同様にして半田付け処理を施した場合の温度変化を示す。また、同図において、破線は、上述した中間体20の状態で半田装置6によって端子4を加熱した場合の温度変化を示す。
端子4は、同図から明らかなようにバックライト装置10の状態で加熱した場合に比べて中間体20の状態で加熱した場合の温度上昇が極めて大きい。したがって、バックライト装置10においては、上述したように中間体20の状態で端子4と端子ランド16との間の半田付けが行われることで、良好な半田処理が行われるようになる。
一方、端子4は、バックライト装置10の状態で加熱した場合に、半田装置6から加えられた熱が放熱パッド5と放熱凸部19とを介して放熱プレート12に効率よく伝導されることで温度上昇が抑制される。したがって、バックライト装置10においては、LED1に発生した熱が放熱プレート12へと効率よく伝導されて放熱が行われるようになる。
なお、本発明は、上述した実施の形態として示した液晶表示装置のバックライト装置10に限定されるものでは無く、例えば各種の半導体素子や電子部品を配線基板に実装した半導体装置に適用される。
1 LED、2 発光バルブ、3 樹脂ホルダ、4 端子、5 放熱パッド、6 半田装置、7 半田、10 バックライト装置、11 配線基板、12 放熱プレート、13 絶縁基板、14 配線層、15 LED実装領域、16 端子ランド、17 絶縁層、18 開口部、19 放熱凸部、20 中間体
Claims (2)
- 素子本体の外周部に複数の端子が突出されるとともに、実装面を構成する底面に放熱パッドが設けられた半導体素子と、
絶縁基板に上記半導体素子の上記素子本体を臨ませる開口部と、この開口部を囲んで実装主面上に上記各端子とそれぞれ対向する複数の端子ランドとが形成され、これら端子ランドに対して相対する上記各端子をそれぞれ半田付けすることによって上記素子本体を上記開口部に浮かせかつ上記放熱パッドを臨ませた状態で上記半導体素子を実装する配線基板と、
上記絶縁基板よりも高熱伝導性の金属材によって形成され、上記配線基板が組み合わされる組合せ主面に上記開口部と対向して放熱凸部が一体に形成された放熱基板とから構成され、
上記放熱基板に対して上記半導体素子を実装した上記配線基板を組み合わせることにより、上記開口部を介して上記放熱パッドが上記放熱凸部と接合して上記素子本体から発生する熱が上記放熱基板に伝導されて放熱されることを特徴とする放熱構造を備える半導体装置。 - 素子本体の外周部に複数の端子が突出されるとともに実装面を構成する底面に放熱パッドが設けられた半導体素子と、絶縁基板に上記素子体を臨ませる開口部とこの開口部を囲んで実装主面上に上記各端子とそれぞれ対向する複数の端子ランドとが形成された配線基板と、上記絶縁基板よりも高熱伝導性の金属材によって形成され上記配線基板が組み合わされる組合せ主面に上記開口部と対向して放熱凸部が一体に形成された放熱基板とから構成される放熱構造を備える半導体装置の組立方法であり、
上記半導体素子を上記配線基板に対して、上記各端子ランドに対して相対する上記各端子をそれぞれ位置決めして組み合わせた状態で半田付けを施すことにより、上記素子本体を上記開口部に浮かせかつ上記放熱パッドを臨ませた状態で実装する半導体素子実装工程と、
上記半導体素子を実装した上記配線基板を上記放熱基板に対して、上記開口部に上記放熱凸部を臨ませて組合せ主面上に組み合わせることにより、上記開口部を介して上記放熱パッドと上記放熱凸部と接合させる配線基板組合せ工程とを有し、
上記開口部を介して上記放熱パッドが上記放熱凸部と接合されて、上記素子本体から発生する熱を上記放熱基板に伝導して放熱する放熱構造を組み立てることを特徴とする放熱構造を備える半導体装置の組立方法。
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