JP2007273835A - 金属ベース基板、及びそれを備える電子部品実装構造 - Google Patents

Abstract

【課題】高発熱部品の放熱性を確保しつつ、チップ部品等の低発熱部品の半田接合箇所の信頼性向上を図ることができる金属ベース基板及びそれらを備える電子部品実装構造を提供する。
【解決手段】金属ベース材１１を有する金属ベース基板１０は、低発熱部品としてのチップ部品１４が実装される第１実装部１０ａ及び高発熱部品としての半導体部品１５が実装される第２実装部１０ａを備える。前記第１実装部１０ａに対応する金属ベース材１１の前記チップ部品１４の実装側と反対側の面に、凹部１１ｂが設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属ベース基板、及び金属ベース基板を用いた電子部品実装構造に関するものである。

半導体モジュールにおいて、半導体部品の放熱性を向上させる方法の一つとして金属ベース基板を用いることがある（特許文献１）。金属ベース基板は、金属ベース材（例えばアルミニウムからなり、厚さ１〜３ｍｍ程度）、絶縁層（例えばエポキシ樹脂からなり、厚さ１００μｍ程度）及び配線パターン（例えば銅からなり、厚さ１００μｍ程度）からなる基板である。配線パターンは、絶縁層を介して金属ベース材に形成される。金属ベース基板には、半導体部品及びチップ部品等が半田にて実装される。金属ベース基板は、放熱体にネジ締結等の方法により固定される。半導体部品にて生じた熱は、配線及び絶縁層を介して金属ベース材に到達し、さらに金属ベース材から放熱体に達し、放熱される。

特許文献２において、多層配線基板上に実装された表面実装部品の接合部に作用する応力を吸収するために、多層配線基板の絶縁部に切欠凹部を設ける技術が開示されている。

特開平３−２２７０４５号公報 特開２００４−１４６６５６号公報

上記金属ベース基板には、熱膨張により歪みが生じる。金属ベース材は配線及び絶縁層に比較してかなり厚く設けられるため、金属ベース材の歪みが、金属ベース基板の歪みに大きく影響する。金属ベース材のアルミニウムの線膨張係数は約２３ｐｐｍであり、チップ部品の線膨張係数は約８ｐｐｍと差が大きく、また、チップ部品は半田接合部と直接接している。そのため、金属ベース基板とチップ部品との熱膨張の違いにより温度変化に伴って応力が半田接合部に掛かり、半田に歪みが生じる。その結果、チップ部品の半田接合部にクラックが発生し、ひいては、破断に到る虞がある。

一方、前記多層配線基板は、層間に導体パターンを有する多層の絶縁層を備えて構成される。前記絶縁層は、熱可塑性樹脂からなる。よって、この基板は熱伝導性が悪く、表面実装部品の放熱に対しては何ら考慮されていない。

本発明の目的は、高発熱部品の放熱性を確保しつつ、チップ部品等の低発熱部品の半田接合箇所の信頼性向上を図ることができる金属ベース基板及びそれらを備える電子部品実装構造を提供することにある。

前記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、金属ベース材を有する金属ベース基板において、金属ベース基板は、低発熱部品が実装される第１実装部及び高発熱部品が実装される第２実装部を備え、前記金属ベース基板の厚さ方向において前記第１実装部に対応する金属ベース材の前記低発熱部品の実装側と反対側の面に、薄肉部が設けられる。

請求項１に記載の発明によれば、金属ベース材の薄肉部の厚さは薄いため、金属ベース材のその部分ひいては金属ベース基板の第１実装部と低発熱部品の熱膨張の違いによる低発熱部品と金属ベース基板との接合部の歪みが低減される。その結果、低発熱部品の金属ベース基板への接合部に対する損傷が抑えられる。尚、本願における高発熱部品および低発熱部品とは、動作時の発熱量が低発熱部品より高発熱部品の方が多い関係にあるものとする。特には高発熱部品は金属ベース基板を通じた放熱が必要な部品、低発熱部品は金属ベース基板を通じた放熱が不要な部品である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記薄肉部は、少なくとも前記低発熱部品の大きさに対応する範囲に設けられる。この発明では、金属ベース基板を厚さ方向から見た場合の低発熱部品の大きさに対応する範囲における金属ベース基板の厚さは薄くなる。よって、低発熱部品と金属ベース基板との接合部の歪みは確実に低減され、低発熱部品の金属ベース基板への接合部に対する損傷は確実に抑えられる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、電子部品実装構造において、前記金属ベース基板と、前記第１実装部に実装された低発熱部品と、前記第２実装部に実装された高発熱部品とを備える。この発明では、請求項１に記載の発明の効果と同様の効果が得られる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記低発熱部品は半田により前記金属ベース基板に接合され、前記薄肉部は前記半田に対応する範囲にも設けられる。この発明では、半田に対応する範囲の金属ベース基板の厚さは薄くなり、よって、低発熱部品と金属ベース基板との接合部の歪みは確実に低減され、低発熱部品の半田接合部への損傷は確実に抑えられる。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記低発熱部品は複数の半田接合箇所にて前記金属ベース基板に接合され、前記薄肉部は前記複数の半田接合箇所に対応する範囲にも設けられる。この発明では、低発熱部品が複数の半田接合箇所にて金属ベース基板に接合された場合でも、複数の半田接合箇所に対応する範囲の金属ベース基板の厚さは薄くなる。よって、低発熱部品の複数の半田接合部の歪みは確実に低減され、低発熱部品の複数の半田接合部への損傷は確実に抑えられる。

請求項６に記載の発明は、請求項３乃至５に記載の発明において、前記高発熱部品の端部から前記金属ベース材の前記高発熱部品の実装側と反対側の面に向かって45度の角度で前記高発熱部品から離れるように広がる仮想面に接触しない範囲で、前記薄肉部は設けられる。この発明では、高発熱部品が実装される金属ベース基板の第２実装部に対応する金属ベース材には、薄肉部は設けられない。よって、高発熱部品から高発熱部品の下方に位置する金属ベース材を介して拡がりながら伝わる熱の伝熱経路が確保される。よって、その伝熱経路を介して高発熱部品にて生じた熱が放散される。

請求項７に記載の発明は、請求項３乃至６に記載の発明において、前記低発熱部品は、チップ部品である。この発明では、チップ部品の金属ベース基板への半田接合部の損傷が抑えられる。

請求項８に記載の発明は、請求項３乃至７に記載の発明において、前記高発熱部品は、半導体部品である。この発明では、半導体部品の放熱のための金属ベース基板の伝熱経路が確保される。

本発明に従えば、高発熱部品の放熱性を確保しつつ、チップ部品等の低発熱部品の半田接合箇所の信頼性向上を図ることができる金属ベース基板及びそれらを備える電子部品実装構造を得ることができる。

以下、本発明の実施形態を図１に基づいて説明する。図１は、本発明の電子部品実装構造を示す。電子部品実装構造は、金属ベース基板１０、低発熱部品としてのチップ部品１４及び高発熱部品としての半導体部品１５を有する。金属ベース基板１０は、金属ベース材１１、絶縁層１２及び配線１３より構成される。配線１３は、絶縁層１２を介して金属ベース材１１上に形成される。配線１３は銅からなり、その厚さは１００μｍである。絶縁層１２は例えばエポキシ樹脂からなり、その厚さは、１００μｍである。金属ベース材１１はアルミニウムからなり、その厚さは２ｍｍである。金属ベース材の厚さは、特にこれには限定されず、例えばその範囲は１〜３ｍｍである。

各チップ部品１４は、金属ベース基板１０の第１実装部１０ａに設けられる配線１３のランドに半田１６により２箇所で接合されている。半導体部品１５は、金属ベース基板１０の第２実装部１０ｂに設けられる配線１３のランドに半田により接合されている。第１実装部１０ａと第２実装部１０ｂは、金属ベース基板１０の厚さ方向に重ならない位置関係にあり、チップ部品１４及び半導体部品１５は金属ベース基板１０の同一側に実装される。半田１６として鉛フリー半田が使用されている。鉛フリー半田としては、例えばAｇ：３ｗｔ％、Ｃｕ：０．５ｗｔ％で残りがＳｎの組成のものが使用される。

金属ベース基板１１の第１実装部１１ａに対応する金属ベース材１１の前記チップ部品１４の実装側と反対側の面（図１では金属ベース材１１の下面１１ａ）に、薄肉部としての凹部１１ｂが設けられている。図１及び図２に示すように、凹部１１ｂは、チップ部品１４の大きさに対応する範囲に、さらには、半田１６の端部から金属ベース材１１の下面１１ａに対して直角方向に延びる仮想面Ｐ１に示されるように半田１６に対応する範囲に設けられる。また、凹部１１ｂは、半導体部品１５の端部から金属ベース材１１の下面１１ａに向かって45度の角度で半導体部品１５から離れるように広がる仮想面Ｐ２に接触しない範囲で、凹部１１ｂは設けられる。尚、金属ベース基板１０は、放熱体１７に金属ベース材１１の下面１１ａにてネジ締結等の方法により固定される。密着性向上のために、グリスが放熱体１７と金属ベース材１１の下面１１ａとの間に塗布されている（図示せず）。

凹部１１ｂの深さについて言及する。凹部１１ｂの深さが大きいほどつまり金属ベース材１１のその部分が薄くなるほど、金属ベース材１１のその部分の熱膨張・収縮による歪みが低減する。逆に、薄くなりすぎると金属ベース材１１の剛性が低下し、近辺の部材が損傷し易くなる虞がある。よって、凹部１１ｂの深さは、近辺の部材に影響を与えない程度の深さにて設けられる。また、凹部１１ｂは、図３に示すように金属ベース材１１の下面１１ａに、例えばエンドミルにより形成される。しかしながら、凹部１１ｂの形成方法は特に限定されず、圧延やプレスあるいはエッチングによって形成してもよい。

前記した本発明の実施形態は、以下の作用効果が得られる。
（１）本実施形態では、チップ部品１４が実装される第１実装部１０ａに対応する金属ベース材１１の下面１１ａに凹部１１ｂが設けられている。金属ベース材１１の凹部１１ｂが設けられた部分の厚さは薄くなり、金属ベース材１１のその部分ひいては金属ベース基板１１の第１実装部が及ぼす熱膨張による応力が低減する。その結果、金属ベース基板１１とチップ部品１４の熱膨張の違いによる半田接合部（半田１６）の歪みは低減され、チップ部品１４の半田接合部（半田１６）へのクラック等の損傷が抑えられる。

（２）本実施形態では、凹部１１ｂが、チップ部品１４の大きさに対応する範囲にさらには半田１６に対応する範囲に設けられる。よって、チップ部品１４の大きさに対応する範囲及び半田１６に対応する範囲の金属ベース基板１０の歪みは低減する。よって、金属ベース基板１１とチップ部品１４の熱膨張の違いによる半田接合部（半田１６）の歪みは確実に低減され、その結果、チップ部品１４の半田接合部への損傷は確実に抑えられる。

（３）本実施形態では、仮想面Ｐ２に接触しない範囲で、凹部１１ｂは設けられる。つまり、半導体部品１６が実装される金属ベース基板１０の第２実装部１０ｂに対応する金属ベース材１１の下面１１ａには、凹部は設けられない。よって、半導体部品１６から図１の半導体部品１６の下方に位置する配線１３、絶縁層１２及び金属ベース材１１を介して放熱体１７に通じる伝熱経路が確保される。半導体部品１６は発熱をする部品であり放熱する必要があるが、その伝熱経路を介して半導体部品１６にて生じた熱が放散される。尚、チップ部品１４は半導体部品１６より発熱量が少ないため放熱の必要はなく、伝熱経路の確保の必要がない。よって、チップ部品１４に対応する範囲に凹部１１ｂを設けても問題はない。

本発明は、前記した実施形態の構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能であり、次のように実施することができる。

上記実施形態では、金属ベース材はアルミニウムとしたが、これには限定されない。例えば、銅あるいはインバーであってもよい。金属ベース材がインバーである場合、インバーの熱膨張係数は小さいため（約１．２ｐｐｍ）、熱膨張係数の大きい低発熱部品、例えば銅製の端子部品（約２０ｐｐｍ）の半田接合部への損傷が懸念される。そこで、図２に示すように、端子部品１８が実装される金属ベース基板１０に対応する金属ベース材１１の下面１１ａに凹部１１ｂを設ける。尚、図２において、図１と同様の参照番号は、同様の部材及び部分を示している。金属ベース材１１の凹部１１ｂにより薄くなった部分（第１実装部１０ａに対応する部分）は、剛性が低下している。よって、端子部品１８が熱膨張した場合、第１実装部１０ａに対応する金属ベース材１１の剛性が低下しているため、金属ベース基板と端子部品１８の熱膨張の違いによる端子部品１８の半田接合部（半田１６）に掛かる応力は低減する。その結果、端子部品１８の半田接合部へのクラック等の損傷は抑えられる。

上記実施形態では、低発熱部品としてチップ部品を例にして示したが、低発熱部品はチップ部品には限定されない。例えば、基板に対して接続箇所が一つである端子部品あるいはチップ部品とは材質の異なる端子部品であってもよい。また、高発熱部品として半導体部品を例にして示したが、高発熱部品は半導体部品には限定されない。

半導体部品に対応する金属ベース基板の裏面の放熱体への密着性に影響がなければ、薄肉部つまり凹部の形状や凹部を設ける箇所数、位置及び範囲は特に限定されない。例えば、凹部は、図５に示すように、金属ベース材の端部に達する切欠き１１ｃとして設けられてもよい。尚、図５において、図１と同様の参照番号は、同様の部材及び部分を示している。上記実施形態では、凹部は仮想面Ｐ２に接触しない範囲で設けられるようにした。しかしながら、高発熱部品つまり半導体部品の放熱に影響がなければ、薄肉部つまり凹部は仮想面Ｐ２に接触する範囲に設けられてもよい。

本発明の実施形態における電子部品実装構造の概略断面図である。 本発明の実施形態における電子部品実装構造の概略平面図である。 本発明の実施形態における金属ベース材の、下面側から見た概略斜視図である。 本発明の別例を示す電子部品実装構造の概略断面図である。 本発明の別例を示す電子部品実装構造の概略断面図である。

符号の説明

１０ 金属ベース基板
１０ａ 第１実装部
１０ｂ 第２実装部
１１ 金属ベース材
１１ａ 下面
１１ｂ 凹部
１１ｃ 切欠き
１２ 絶縁層
１３ 配線
１４ チップ部品
１５ 半導体部品
１６ 半田
１８ 端子部品
Ｐ１、Ｐ２ 仮想面

Claims (8)

1. 金属ベース材を有する金属ベース基板において、
   金属ベース基板は、低発熱部品が実装される第１実装部及び高発熱部品が実装される第２実装部を備え、
   前記第１実装部に対応する金属ベース材の前記低発熱部品の実装側と反対側の面に、薄肉部が設けられることを特徴とする金属ベース基板。
2. 前記薄肉部は、少なくとも前記低発熱部品の大きさに対応する範囲に設けられることを特徴とする請求項１に記載の金属ベース基板。
3. 請求項１乃至２に記載の金属ベース基板と、前記第１実装部に実装された低発熱部品と、前記第２実装部に実装された高発熱部品とを備える電子部品実装構造。
4. 前記低発熱部品は半田により前記金属ベース基板に接合され、前記薄肉部は前記半田に対応する範囲にも設けられることを特徴とする請求項３に記載の電子部品実装構造。
5. 前記低発熱部品は複数の半田接合箇所にて前記金属ベース基板に接合され、前記薄肉部は前記複数の半田接合箇所に対応する範囲にも設けられることを特徴とする請求項４に記載の電子部品実装構造。
6. 前記高発熱部品の端部から前記金属ベース材の前記高発熱部品の実装側と反対側の面に向かって45度の角度で前記高発熱部品から離れるように広がる仮想面に接触しない範囲で、前記薄肉部は設けられることを特徴とする請求項３乃至５に記載の電子部品実装構造。
7. 前記低発熱部品は、チップ部品であることを特徴とする請求項３乃至６に記載の電子部品実装構造。
8. 前記高発熱部品は、半導体部品であることを特徴とする請求項３乃至７に記載の電子部品実装構造。

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