JP2007288015A - ベアチップの放熱構造 - Google Patents

Abstract

【課題】極小かつ、簡素、低コスト、そして、確実な放熱効果の期待できる放熱構造を備え、パッケージを用いないベアチップをプリント基板に直接実装するベアチップ実装における放熱構造を提供する。
【解決手段】ベアチップ（ＩＣ）をプリント基板（ＰＣＢ）に直接実装するために、付勢力に抗して押圧力を加えると偏平に押し縮められ、開放状態では中央部が円錐状に立ち上がり元に戻る凸型のスパイラル状接触子（ＳＣ）を、前記ベアチップ（ＩＣ）と前記プリント基板（ＰＣＢ）の間に挟み、前記スパイラル状接触子（ＳＣ）を偏平に押し縮める程度の押圧力で挟持する。
【選択図】図１

Description

本発明は、プリント基板にＩＣチップを実装する構造に関するものであり、特にベアチップの放熱構造に関する。

多機能化、高機能化、超小型化された携帯電話等の電子機器に対応できる極小のＦＰＣ（フレキシブルプリント基板）接続用コネクタとして、プリント基板の接続端子に設けられたマイクロコネクタによって接続されるＦＰＣプリント基板の接続端子が、基端部から中心部に向かって渦巻き部を有する複数のスパイラル状接触子（以下、単に「ＳＣ」ともいう）を備えたスパイラルコンタクタが知られている（例えば、特許文献１参照）。

この、ＳＣは円錐状に立ち上がった形状であるため、フラット状接続端子との圧接状態から解除されると再び円錐状のふくらみを回復する。そして、ＳＣが接触する相手となるフラット状接続端子がＳＣに圧接すれば再び同様に導通することが可能であるため、フラット状接続端子またはランドを有する電子部品に対しＳＣが弾性接触の保持された密着状態と開放状態とを、繰り返し着脱自在にしたベアチップの放熱構造を有する半導体デバイスの検査装置等に用いて好適である。

また、多機能化、高機能化で進化する電子機器に対応できるように、パッケージを用いない極小のＩＣチップをプリント基板に直接実装する「ベアチップ実装」が、実用化されている。ＯＡ機器用のイメージセンサ、プリントヘッド等の高機能回路においては、高密度，薄型実装の利点及び通信回路においては、高周波特性の利点にそれぞれ着目してベアチップ実装が採用されている。

一方、超小型化によりＩＣが微細パターン化するにつれ、ＩＣを駆動する電源電圧も低下し、単位素子あたりの消費電力は減少傾向にある。しかし、ＩＣ全体の消費電力は逆に大幅に増加している。なぜならば、個々のＩＣの集積度が向上したことにともない、各ＩＣチップの素子数が増大したことに加えて、ＣＭＯＳ−ＩＣの動作速度を上げるためのクロック周波数を高めるという高性能化のためである。
このような消費電力の増加に伴い、ＩＣチップの発熱による温度上昇が生じると、特性、性能などの面で、さまざまな問題が起きる。個々のＩＣは、製品規格として、動作保証温度が定められており、ＩＣにおけるＰＮ接合面の上限温度は１２５度である。

このように、ＩＣチップが発熱しても一定温度で平衡するのは、発熱量に相当する放熱経路があって冷却効果を有しているからである。ＩＣの放熱経路は３つある。
第１の経路として放射が考えられるが、発熱源であるＩＣチップが微小であれば、その体積や表面積に関連する放射熱も微小であるため無視できる。
第２の経路としての熱伝導があり、この熱伝導がＩＣチップにおける主な放熱経路となる。具体的には、ＩＣチップから遠くまでボンディングワイヤやパッケージ材料の内部を通った熱が移動し、パッケージ外部からリード線、およびプリント基板から周囲の空気へ直接に熱伝導して放熱される。
第３の経路として、ＩＣチップからプリント基板を横方向に移動する熱伝導も、放熱冷却に若干寄与する。

周知の放熱対策としては、パッケージに熱伝導の高い材料を用いて、速やかに熱拡散させるとともに、放熱面積を広くすることにより、パッケージ表面に接触する冷却媒体（気体や液体）の流量を増加させることが有効である。
そこで、リードフレーム材として、熱伝導率の高い銅や銅合金を用いたり、ＩＣチップの直下に銅製のヒートスプレッダを取り付けて、速やかに熱拡散したり、放熱フィンを形成するヒートシンクをＩＣパッケージに貼り付けたりして放熱効果を高めるようにしている。

また、電気的信頼性に劣るワイヤボンディングを用いることなく、高強度であり機械的、電気的信頼性に優れた球状接続端子（半田バンプ）によって、他方のベアチップが一方のベアチップ、および別のプリント基板のパターン上に、球状接続端子を介して接続実装することを可能にしたベアチップの実装構造も知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００５−５６６０６号公報（段落００２９、図４） 特公平７−７５２７０号公報（図１）

しかしながら、ＩＣチップのなかでも、ボンディングワイヤを介在させることなく、プリント基板に直接実装するベアチップを電気接続する実装構造の場合、超小型化と発熱対策には相反する要件もあるため改善余地が残されていた。
また、熱的接続状態を維持すべき基板面積の大小に関わらず、平坦度の低い面を対面させた基板どうしでも確実に熱伝導可能な熱的接続状態を得ることを可能にし、かつ、コストアップの少ないベアチップの放熱構造が望まれていた。
そこで、本発明では、前記した問題を解決し、ボンディングワイヤを介在させることなく、平坦度の低い基板どうしでも確実に熱的接続状態を得ることを可能にし、かつ、熱的接続状態する基板面積の大小に関わらず、コストアップの少ないベアチップの放熱構造を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、ベアチップ（ＩＣ）をプリント基板（ＰＣＢ）に直接実装するために、付勢力に抗して押圧力を加えると偏平に押し縮められ、開放状態では中央部が円錐状に立ち上がり元に戻る凸型のスパイラル状接触子（ＳＣ）を、前記ベアチップ（ＩＣ）と前記プリント基板（ＰＣＢ）の間に挟み、前記スパイラル状接触子（ＳＣ）を偏平に押し縮める程度の押圧力で挟持する構成にしたことを特徴とするベアチップ（ＩＣ）の放熱構造である。

請求項１に係る発明によれば、ベアチップ（ＩＣ）をプリント基板（ＰＣＢ）に直接実装するため、開放状態では中央部が円錐状に立ち上がるように弾力性をもったスパイラル状接触子（ＳＣ）を、ベアチップ（ＩＣ）とプリント基板（ＰＣＢ）の間の導通箇所に挟む。そして、このスパイラル状接触子（ＳＣ）に押圧力を加えて偏平に押し縮める。
そうすると、ベアチップ（ＩＣ）とプリント基板の間の接続箇所には、空間が生じないため空気層がなく、ほぼ円盤状に押し潰されたスパイラル状接触子（ＳＣ）の存在箇所以外に、わずかな空気層が残る程度であるため、熱伝導が遮断されず、良好な放熱特性を保持することが可能になる。
また、中央部が円錐状に立ち上がるように弾力性をもったスパイラル状接触子（ＳＣ）であるため、平坦度の低い、うねりのある基板どうしでも確実に熱的接続状態を得ることが可能である。
そして、スパイラル状接触子（ＳＣ）は写真製版およびエッチングの工程を含む基板全面単位の一括製造であるため、単一基板内におけるスパイラル状接触子（ＳＣ）の多少に関わらず、さらに、熱的接続面積の大小に関わらず、製造コストは変らない。

請求項２に係る発明は、前記ベアチップ（ＩＣ）と前記プリント基板（ＰＣＢ）の固定手段として、前記スパイラル状接触子（ＳＣ）を偏平に押し縮める程度の押圧力で挟持した隙間に樹脂を充填して固着する構成にしたことを特徴とする請求項１に記載のベアチップ（ＩＣ）の放熱構造である。

請求項２に係る発明によれば、ベアチップ（ＩＣ）とプリント基板（ＰＣＢ）の間の接続箇所において、ほぼ円盤状に押し潰されたスパイラル状接触子（ＳＣ）の存在箇所以外で、わずかに残った空気層による隙間を樹脂が充填して固着する。このような、ベアチップ（ＩＣ）とプリント基板（ＰＣＢ）の間の接続箇所において、ほぼ円盤状に押し潰されたスパイラル状接触子（ＳＣ）の存在箇所以外で、わずかに残った空気層による隙間を樹脂が充填して固着する。そうすると、樹脂は空気より熱伝導が良好であり、かつ、ベアチップ（ＩＣ）とプリント基板（ＰＣＢ）の間の接続箇所を堅固に密着して維持するので、熱伝導がさらに遮断され難く、放熱特性および電気接続の状態がより一層良好となり安定化する。

請求項１に係る発明によれば、接続箇所に生じる空気層が無いので、熱伝導が遮断されず、放熱特性を良好に保持することが可能になる。（誇張した模式図のため空気層のように残って見えるが、実際には残らない）
また、平坦度の低い、うねりのある基板どうしでも確実に熱的接続状態を得ることが可能である。
そして、単一基板内におけるスパイラル状接触子が多いか少ないか、あるいは、熱的接続面積が広いか狭いかに関わらず、製造コストに変わりないので、コストアップなしに放熱専用のスパイラル状接触子を広範囲に配設することが可能である。

請求項２に係る発明によれば、放熱特性および電気接続の状態がより一層良好となり安定化する。

以下、本発明に係るベアチップの放熱構造の実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。以下、各図にわたって同一効果の部位には同一符号を付して説明の重複を避ける。
＜第１実施形態＞
図１は第１実施形態に係るベアチップの放熱構造の説明図であり、図１（ａ）はベアチップをプリント基板の所定位置に対面させて固定する前の正面図、図１（ｂ）はベアチップをプリント基板に固定した後の正面図である。

図１において、ベアチップＩＣ_１（以下、単に「ＩＣ」ともいう）は、プリント基板ＰＣＢ_１（以下、単に「ＰＣＢ」ともいう）の中央部Ｊの上面に形成されたパターンに対する所定の電気接続が確保されるように固定される。この電気接続手段として、スパイラル状接触子ＳＣ_１をＩＣ_１のフラット状接続端子１１とＰＣＢ_１ランドの間に挟持する構成である。なお、ＳＣ_１，ＳＣ_２の偏平状態での厚みは約５０μｍあるので、その厚みの金属を介して密着される。
周知のとおりＰＣＢ_１はパターンにより回路構成されている。そのＰＣＢ_１の上面を被覆する金属箔により形成されたパターンの所定ランド上にＳＣ_１が配設されている。また、ＳＣ_２はＰＣＢ_１の下面に配設されたパターンの所定ランド上に配設されている。

図１（ｂ）に示すように、ＩＣ_１をＰＣＢ_１の上面に固定する際、付勢力により中央部Ｊが立ち上がったＳＣ_１を、その付勢力に抗する押圧力を加えて偏平に押し潰す。そうすると、ＩＣ_１とＰＣＢ_１の間は熱伝導が良好な密着状態になるので、金属性のＳＣ_１を介して伝導冷却可能となる。
また、中央部が円錐状に立ち上がるように弾力性をもったスパイラル状接触子ＳＣであるため、平坦度の低い、うねりのある基板どうしでも確実に熱的接続状態を得ることが可能である。
図１（ｂ）示すように、ＩＣ_１で発生した熱は、放熱経路Ｈ_１に示す方向に、ＳＣ_１を経由してＰＣＢ_１の中央部Ｊに伝達され、その下面に配設されたＳＣ_２へと伝導し、空気中に放射される。

さらに、ＰＣＢ_１において、ＩＣ_１を取り付けた中央部Ｊから離れた両端部Ｋ近傍の下面に配設された大き目のＳＣ_２へも熱伝導し、放熱経路Ｈ_２に示す方向に沿って空気中に熱放射される。この熱伝導および放射冷却の作用によりＩＣ_１におけるＰＮ接合面（図示せず）を、動作保証温度の上限である１２５度以下に冷却することが可能である。なお、ＳＣ_１とＳＣ_２の大小関係は何れが大きくても構わないが、ＳＣ_１はＰＣＢ_１中央部Ｊの所定パターンおよびランドの大きさに適合する大きさであればよい。

ＳＣ_２が言わば冷却フィンまたはヒートシンクと同等の放射冷却機能を発揮するので、表面積の総和が大きいほど、また、雰囲気温度とＳＣ_２との温度差が大きいほど冷却能力が高い。したがって、前記動作保証温度の上限１２５度以下に冷却する条件を満足するようにＳＣ_２の設置数量、および雰囲気温度を調整すればよい。さらにＳＣ_２に送風するなどの強制空冷機能を併設すれば、なお効果的である。

＜第２実施形態＞
図２は第２実施形態に係るベアチップの放熱構造の説明図であり、図２（ａ）はベアチップを両面放熱型プリント基板に対面させて固定する前の正面図、図２（ｂ）はベアチップ側にスパイラル状接触子、プリント基板側にフラット状接続端子またはランドを配設する実装構造における実装前の正面図、図２（ｃ）はベアチップを両面放熱型プリント基板に固定した後の正面図である。
図２に示す第２実施形態が、図１に示す第１実施形態に係るＰＣＢ_１の中央部Ｊに取り付けられたＩＣ_１の放熱構造との相違点は、ＰＣＢ_２，ＰＣＢ_３の両端部Ｋ近傍の上面にもＳＣ_２が配設され、その設置数量の増減により冷却能力を増減可能な点である。

図２（ａ）と図２（ｂ）の相違点は、図２（ａ）に示すＩＣ_１の下面には、表面が平らなフラット状接続端子１１が必要数だけ配設されているのに対し、図２（ｂ）に示すＩＣ_２の下面には、ＳＣ_１が必要数だけ配設されている点である。それらに対面する相手端子として、何れかの側にあるフラット状接続端子またはランド１２、あるいはフラット状接続端子１１に対して、ＳＣ_１が相互に対面するという構成である。
図２（ｃ）に示すようにＩＣ_１、またはＩＣ_２を両面放熱型のＰＣＢ_２、またはＰＣＢ_３に固定した後の正面図であり、両面放熱型である分だけ放熱効率を高くすることが可能である。

図２（ｃ）において、ＩＣ_１、またはＩＣ_２で発生した熱は、放熱経路Ｈ_１に示す方向にＳＣ_１を経由して、ＰＣＢ_２、またはＰＣＢ_３へと熱伝導し、その下面に配設されたＳＣ_２へと熱伝導し、このＳＣ_２が放熱フィンとして機能することにより空気中へと熱放射される。
さらに、ＰＣＢ_２、またはＰＣＢ_３の表面にＩＣ_１、またはＩＣ_２を取り付けた中央部Ｊから離れた両端部Ｋ近傍の上下面に配設されたＳＣ_２へも熱伝導し、放熱経路Ｈ_２，Ｈ_３に示す方向に沿って空気中に熱放射される。
そして、スパイラル状接触子ＳＣは写真製版およびエッチングの工程を含む基板単位の一括製造であるため、単一基板内におけるスパイラル状接触子ＳＣの多少に関わらず、さらに、熱的接続面積の大小に関わらず、製造コストは変わらないので、コストアップなしに放熱専用のスパイラル状接触子ＳＣを広範囲に配設することが可能である。
なお、図２に示すような、ＳＣ_２をＰＣＢ_２，ＰＣＢ_３の上下面に配設した場合、ベアチップＩＣを搭載したＰＣＢ_２，ＰＣＢ_３を多層に積層することにより、例えば、板厚０．５ｍｍ前後のメモリカードを構成するのに好適である。

＜第３実施形態＞
図３は第３実施形態に係るベアチップの放熱構造の説明図であり、図３（ａ）はベアチップをプリント基板の所定位置に対面させて固定する前の正面図、図３（ｂ）はベアチップをプリント基板に固定した後の正面図である。
図３（ａ）に示すように、ＩＣ_１はＰＣＢ_４の中央部Ｊの上面に配設されたパターンと電気接続を確保して固定される。この電気接続手段として、ＳＣ_１をＩＣ_１とＰＣＢ_４の間に挟持する構成である。

図３に示す第３実施形態が、図１に示す第１実施形態に係るＰＣＢ_１の中央部Ｊに取り付けられたＩＣ_１の放熱構造との相違点は、ＰＣＢ_４の両端部Ｋ近傍の下面にはＳＣ_２の代わりに球状接続端子１が配設されている点である。したがって、ＩＣ_１からＰＣＢ_４までの放熱構造は、図１に示す第１実施形態に係るＰＣＢ_１と同様であるが、ＰＣＢ_４から空気中への熱放射の経路は、ＰＣＢ_４の表面からほぼ均一、もしくは、球状接続端子１が接続された相手端子等への熱伝導を伴うことになる。

＜第４実施形態＞
図４は第４実施形態に係るベアチップの放熱構造の説明図であり、図４（ａ）はベアチップを高度放熱型のプリント基板に対面させて固定する前の正面図、図４（ｂ）はベアチップ側にスパイラル状接触子、プリント基板側にフラット状接続端子またはランドを配設する実装構造における実装前の正面図であり、（ｃ）はベアチップを高度放熱型のプリント基板に固定した後の正面図である。
図４に示す第４実施形態が、図２に示す第２実施形態に係るＩＣ_１、またはＩＣ_２を中央部Ｊに取り付けたＰＣＢ_２、またはＰＣＢ_３の放熱構造との相違点は、ＰＣＢ_５、またはＰＣＢ_６の中央部Ｊから離れた両端部Ｋ近傍の上面にＳＣ_２が配設され、下面に球状接続端子１が配設された点である。なお、上下面のどちら側に何を配設するかは自由である。

図４（ｃ）において、ＩＣ_１、またはＩＣ_２で発生した熱は、ＳＣ_１を経由して、ＰＣＢ_３に伝達され、放熱経路Ｈ_３，Ｈ_４に示す方向に、その下面に配設されたＳＣ_２へと伝導し、空気中に放射される。
ＩＣ_１、または同ＩＣ_２を取り付けたＰＣＢ_６、または同ＰＣＢ_７の中央部Ｊの表裏から離れた両端部Ｋ近傍の上下面に、それぞれ配設されたＳＣ_２、および球状接続端子１へも熱伝導し、放熱経路Ｈ_３，Ｈ_４に示す方向に沿って空気中に熱放射される。

以上、第１実施形態ないし第４実施形態に基づいて説明したとおり、第１実施形態に係るＰＣＢ_１にＩＣ_１を取り付けた場合の放熱構造によれば、ＩＣ_１とプリント基板の間の接続箇所に空気層が生じないので、熱伝導が遮断されず、放熱特性を良好に保持することが可能になる。

また、第２実施形態に係るＰＣＢ_２，ＰＣＢ_３にＩＣ_１，ＩＣ_２を取り付けた場合の放熱構造によれば、ＰＣＢ_２，ＰＣＢ_３の両端部Ｋ近傍の上面にもＳＣ_２が配設され、その設置数量の増減により冷却能力を増減可能である。
そして、第３実施形態に係るＰＣＢ_４にＩＣ_１を取り付けた場合の放熱構造によれば、超小型で簡素にまとめることが可能となり、かつ、従来の球状接続端子１も併用して別プリント基板と接続することも可能となる。
また、第４実施形態に係るＰＣＢ_５、またはＰＣＢ_６にＩＣ_１、またはＩＣ_２を取り付けた放熱構造によれば、従来の球状接続端子１も併用して別プリント基板と接続することも可能となり、かつ、ＰＣＢ_５，ＰＣＢ_６の両端部Ｋ近傍の上面に配設されたＳＣ_２が、その設置数量の増減により冷却能力を増減することも可能である。

第１実施形態ないし第４実施形態の何れにも共通する放熱構造として、ベアチップＩＣをプリント基板ＰＣＢに電気接続するため、ベアチップＩＣとプリント基板ＰＣＢの間の導通箇所に、スパイラル状接触子ＳＣを挟む。
このスパイラル状接触子ＳＣは、開放状態では中央部が円錐状に立ち上がるように弾力性をもって形状記憶されており、その円錐状に立ち上がった部分を押し潰す方向に押圧力を加えれば偏平に押し縮めることができるので、金属円盤による電気的良導体かつ熱伝導良好に密着状態が得られる。

また、ベアチップＩＣとプリント基板ＰＣＢとの固定手段として、スパイラル状接触子ＳＣを偏平に押し縮める程度の押圧力で挟持した隙間に熱伝導の良好な樹脂を充填して固着してもよい。
具体的には、図１（ｂ），図２（ｃ），図３（ｂ），図４（ｃ）に示すベアチップＩＣとプリント基板ＰＣＢとの接続面の隙間に樹脂を充填する。
このような、固定手段を用いた放熱構造によれば、ベアチップＩＣとプリント基板ＰＣＢの間の接続箇所において、ほぼ円盤状に押し潰されたスパイラル状接触子ＳＣの存在箇所以外で、わずかに残った空気層による隙間を樹脂が充填して固着する。そうすると、樹脂は空気より熱伝導が良好であり、かつ、ベアチップＩＣとプリント基板ＰＣＢの間の接続箇所を堅固に密着して維持するので、熱伝導がさらに遮断され難く、放熱冷却特性および電気接続の状態がより一層良好となり安定化する。

なお、ほぼ円盤状に押し潰されたスパイラル状接触子ＳＣの存在箇所における接触部分を構成する金属材料がＳｎ，Ａｇ，Ｃｕによる合金であれば、その融点より低い１５０度程度の温度でも金属融合するという性質を応用することで、より確実に熱的接続状態を得ることが可能になる。

第１実施形態に係るベアチップの放熱構造の説明図であり、（ａ）はベアチップをプリント基板の所定位置に対面させて固定する前の正面図、（ｂ）はベアチップをプリント基板に固定した後の正面図である。 第２実施形態に係るベアチップの放熱構造の説明図であり、（ａ）はベアチップを両面放熱型のプリント基板に対面させて固定する前の正面図、（ｂ）はベアチップ側にスパイラル状接触子、プリント基板側にフラット状接続端子またはランドを配設する実装構造において、実装前の正面図であり、（ｃ）はベアチップを両面放熱型のプリント基板に固定した後の正面図である。 第３実施形態に係るベアチップの放熱構造の説明図であり、（ａ）はベアチップをプリント基板の所定位置に対面させて固定する前の正面図、（ｂ）はベアチップをプリント基板に固定した後の正面図である。 第４実施形態に係るベアチップの放熱構造の説明図であり、（ａ）はベアチップを高度放熱型のプリント基板に対面させて固定する前の正面図、（ｂ）はベアチップ側にスパイラル状接触子、プリント基板側にフラット状接続端子またはランドを配設する実装構造における実装前の正面図、（ｃ）はベアチップを高度放熱型のプリント基板に固定した後の正面図である。

符号の説明

１ 球状接続端子
１１ フラット状接続端子
１２ フラット状接続端子またはランド
Ｈ_１〜Ｈ_４ 放熱経路
ＰＣＢ，ＰＣＢ_１〜ＰＣＢ_６ プリント基板
ＳＣ，ＳＣ_１，ＳＣ_２ スパイラル状接触子

Claims (2)

1. ベアチップ（ＩＣ）をプリント基板（ＰＣＢ）に直接実装するために、
   付勢力に抗して押圧力を加えると偏平に押し縮められ、開放状態では中央部が円錐状に立ち上がり元に戻る凸型のスパイラル状接触子（ＳＣ）を、
   前記ベアチップ（ＩＣ）と前記プリント基板（ＰＣＢ）の間に挟み、
   前記スパイラル状接触子（ＳＣ）を偏平に押し縮める程度の押圧力で挟持する構成にしたことを特徴とするベアチップ（ＩＣ）の放熱構造。
2. 前記ベアチップ（ＩＣ）と前記プリント基板（ＰＣＢ）の固定手段として、前記スパイラル状接触子（ＳＣ）を偏平に押し縮める程度の押圧力で挟持した隙間に樹脂を充填して固着する構成にしたことを特徴とする請求項１に記載のベアチップ（ＩＣ）の放熱構造。

Images