JP2010073943A

JP2010073943A - 電子回路装置

Info

Publication number: JP2010073943A
Application number: JP2008240700A
Authority: JP
Inventors: Satoru Yamanaka; 哲山中; Kazuyoshi Hakamata; 和喜袴田; Masayoshi Kimura; 昌義木村
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2008-09-19
Filing date: 2008-09-19
Publication date: 2010-04-02

Abstract

【課題】電子回路チップの取り付け面側について熱伝導を良好に行えて発熱密度の増大に対応でき、放熱を効率よく確実に行うことができる電子回路装置を提供すること
【解決手段】集積回路などの半導体素子からなる電子回路チップ１をベース基板２に搭載し、所定の機能性素子として働くモジュールに構成する。ベース基板２には電子回路チップとの接合部位（ランド部６）にサーマルビア３を設けて裏面側へ熱伝導させ、電子回路チップとベース基板との隙間に熱伝導部材５を設ける。ベース基板には熱伝導部材との接触部位に第２サーマルビア４を設けて裏面側へ熱伝導させる。主回路基板８上にベース基板を実装する。電子回路チップの発熱はランド部６からサーマルビアを経てベース基板の裏面側へ伝導し、熱伝導部材から第２サーマルビアを経てベース基板の裏面側へ伝導する。熱伝導部材の部分では熱抵抗を低減できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、電子回路チップのモジュールを主回路基板へ実装するようにした電子回路装置に関するもので、より具体的には、電子回路チップの発熱を外部へ導き放熱させる放熱性の改良に関する。

よく知られるように、半導体素子等からなる電子回路チップについてモジュール化することが行われている。つまり、いわゆる集積回路などの半導体素子からなる電子回路チップはベース基板に搭載して、所定の機能性素子として働くモジュールに構成している。係るモジュールは、主回路基板に実装して利用することになる。

電子回路チップは、回路の動作に伴い発熱する。そこで放熱の対策の一つに、ベース基板にサーマルビア（放熱の経路を構成するためのビア）を設ける構成が知られている。例えば特許文献１などに見られるように、ベース基板には電子回路チップの搭載部位に多数のサーマルビアを設け、電子回路チップの発熱をベース基板の裏面側へ伝導させ、放熱させるようにしている。

一方、電子回路チップの放熱の対策には、チップ体の上部にヒートシンク等の放熱部材を装着して放熱を行う構成を採ることもできるが、モジュール高さが厚く増し、主回路基板側との取り合い関係からそうした構成を採用できない場合がある。サーマルビアによる構成は薄型にできるとともに、ベース基板を放熱体に利用することからコストの負担が少ないというメリットがある。
特開平９−５５４５９号公報

ところで近年は、携帯電話機などの電子機器の薄型，軽量，高機能化により、これを構成する電子部品には小型化，高性能化，高周波化が進められている。しかし、電子回路チップのモジュールでは、そうした小型化，高密度化に伴い、その発熱密度の増大が問題になっていて、電子回路チップの発熱について放熱をより良好に行い得て、放熱性能をより向上し得る対策技術が求められている。

この発明は上述した課題を解決するもので、その目的は、電子回路チップの取り付け面側について熱伝導を良好に行えて発熱密度の増大に対応でき、放熱を効率よく確実に行うことができる電子回路装置を提供することにある。

上述した目的を達成するために、本発明に係る電子回路装置は、（１）半導体素子等からなる電子回路チップと、電子回路チップを搭載するベース基板と、当該ベース基板において電子回路チップとの接合部位に位置して表裏に渡り裏面側へ熱を伝えるサーマルビアと、電子回路チップとベース基板との隙間に設ける熱伝導部材とを備える構成にする。

（２）ベース基板において熱伝導部材との接触部位に位置して表裏に渡り裏面側へ熱を伝える第２サーマルビアを備える構成にするとよい。（３）また、ベース基板に、伝導した熱の拡散を行うための導体層を設けるようにしてもよい。（４）さらに、熱伝導部材は柔軟性を有したペースト状材料あるいはゲル状材料から構成できる。

本発明では、電子回路チップとベース基板との隙間に熱伝導部材を設けるので、当該部分では熱抵抗を低減でき、ベース基板側へ熱を良好に伝導する経路が形成できる。そして、ベース基板には電子回路チップとの接合部位にサーマルビアを設けて裏面側へ熱伝導させるので、電子回路チップの発熱は上記接合部位ではサーマルビアを経てベース基板の裏面側へ伝導し、他の部位では熱伝導部材からベース基板側へ伝導する。つまり、電子回路チップの取り付け面側では略全域に熱伝導の経路が形成でき、発熱をベース基板の裏面側へ伝導できる。また、ベース基板には熱伝導部材との接触部位に第２サーマルビアを設けて裏面側へ熱伝導させるので、熱伝導部材の領域で裏面側への熱伝導を向上できる。

本発明に係る電子回路装置では、電子回路チップとベース基板との隙間に熱伝導部材を設けたので、ベース基板側へ熱を良好に伝導する経路が形成できる。そして、ベース基板には電子回路チップとの接合部位にサーマルビアを設けて裏面側へ熱伝導させるので、当該接合部位ではサーマルビアにより熱が伝導し、電子回路チップの取り付け面側では略全域に熱伝導の経路が形成でき、発熱をベース基板の裏面側へ伝導できる。このため、電子回路チップの取り付け面側について熱伝導を良好に行えて発熱密度の増大に対応でき、放熱を効率よく確実に行うことができる。

通常はベース基板の放熱性をより高めるため、ベース基板に主回路基板や放熱フィンなどの放熱経路または放熱作用を設置することが多い。しかし、一連の放熱経路において、一部でも熱伝導性の低い部位があるとそこで熱の伝導が遮断されてしまうため、全体の放熱性は大きく低下してしまう。電子回路チップとベース基板をつなぐはんだフィレット部は、絶縁性を保つために電子回路チップとの接触面積は限られている。またベース基板内部に設置するサーマルビアも信号接続上の理由から多数設置できないことがある。すなわち電子回路チップからベース基板へ伝導する経路とベース基板内部で熱が伝導する経路は一連の放熱経路上の伝導遮断部位となりやすく、電子回路チップの放熱性を満足に保てないことが多々ある。つまり、電子回路チップからベース基板への熱伝導性の改善とベース基板の表面から裏面への熱伝導の改善をそれぞれ単体で行っただけでは、全体の放熱性改善の効果が得られないことがある。本発明は、電子回路チップからベース基板への熱伝導性の改善とベース基板の表面から裏面への熱伝導の改善を同時に行い、かつ熱伝導性の改善部位を直接に接続することで放熱経路が遮断されることがなくなり、モジュールの構成や寸法に依らず常に良好な放熱性を得ることができる。

図１は、本発明の第１の実施形態を示している。本形態において電子回路装置は、電子回路チップ１のモジュールになっていて、電子回路チップ１の発熱を外部へ導き放熱させる構成になっている。

電子回路チップ１は、いわゆる集積回路などの半導体素子からなり、ベース基板２に搭載し、所定の機能性素子として働くモジュールに構成している。このモジュールでは、ベース基板２にサーマルビア３および第２サーマルビア４を設けると共に、電子回路チップ１とベース基板２との隙間に熱伝導部材５を設け、ベース基板２の裏面側へ熱伝導させる構成になっている。

ベース基板２は、導体パターンの形成層を多数有した多層構造になっており、表面に形成したランド部６に対して電子回路チップ１の該当部位をはんだ付けする。これによりランド部６には、はんだフィレット７が形成できることになる。なお、図中のランド部６はＧＮＤ電位のためのものであり、他の信号接続に係るランド部は図示を省略している。

サーマルビア３は、ベース基板２において電子回路チップ１との接合部位に位置して表裏に渡り裏面側へ熱を伝えるようになっている。そして、第２サーマルビア４は、ベース基板２において熱伝導部材５との接触部位に位置して表裏に渡り裏面側へ熱を伝えるようになっている。

熱伝導部材５は、柔軟性を有した材料から形成することが好ましい。これは電子回路チップ１に対して応力の集中を防止するためであり、例えば柔軟性を有したペースト状材料あるいはゲル状材料から形成する。応力の集中を無視してよい場合は、熱伝導部材５には例えば銅などの熱伝導率が高い金属材料を使用することもできる。もちろん、熱伝導部材５は熱伝導を良好に得るため、電子回路チップ１とベース基板２とに対して接触面積はできるだけ大きい設定が好ましい。よって、両者の隙間を略完全に埋めてしまう設定が最も好ましい。

さらに本実施形態では、柔軟性を有した熱伝導部材５には所定の圧力が加わるようにした設定を採り、電子回路チップ１とベース基板２との間でわずかに反発力が作用する状態におく。これにより、電子回路チップ１とベース基板２とに対して接触状態を良好に保つことができる。

このように、電子回路チップ１とベース基板２との隙間に熱伝導部材５を設けるので、当該部分では熱抵抗を低減でき、ベース基板２側へ熱を良好に伝導する経路が形成できる。そして、ベース基板２には電子回路チップ１との接合部位（ランド部６）にサーマルビア３を設けて裏面側へ熱伝導させるので、電子回路チップ１の発熱はランド部６ではサーマルビア３により熱が伝導し、他の部位では熱伝導部材５によりベース基板２側へ熱が伝導する。つまり、電子回路チップ１の取り付け面側では略全域に熱伝導の経路が形成でき、発熱をベース基板２の裏面側へ伝導できる。また、ベース基板２には熱伝導部材５との接触部位に第２サーマルビア４を設けて裏面側へ熱伝導させるので、熱伝導部材５の領域で裏面側への熱伝導を向上できる。電子回路チップ１の発熱は、ランド部６からサーマルビア３を経てベース基板２の裏面側へ伝導し、熱伝導部材５から第２サーマルビア４を経てベース基板２の裏面側へ伝導することになる。

したがって、電子回路チップ１の取り付け面側について熱伝導の経路を形成でき、何れの経路でも発熱をベース基板２の裏面側へ伝導でき、ベース基板２が放熱体になるので対流熱伝達，熱放射が良好にでき、電子回路チップ１の発熱について放熱を効率よく確実に行うことができる。その結果、電子回路チップ１の発熱密度の増大に対応できる。

柔軟性を有した熱伝導部材５には所定の圧力が加わる設定を採るので、電子回路チップ１とベース基板２との間でわずかに反発力が作用する状態におくことができ、電子回路チップ１とベース基板２とに対して接触状態を良好に保つことができる。このため、製造上の交差および寸法のばらつきを熱伝導部材５により吸収でき、ある程度の変形誤差を許容することができ、電子回路チップ１とベース基板２とに対して熱伝導部材５が接触状態を良好に保持するので、放熱性能を高い信頼性で得ることができる。

（数値解析による検証）
図１に示す構成をモデル化して数値解析を行い、熱伝導について評価した。その結果、温度３００［Ｋ］の環境において電子回路チップ１が０．６Ｗの発熱であるとき、熱伝導部材５を設けない構成では最大温度が３１３．４１［Ｋ］となる。これに対して、熱伝導率が２［Ｗ／ｍ・Ｋ］の熱伝導部材５を設ける構成では差分温度ΔＴ＝１．１４［Ｋ］という温度低下があることを確認した。

熱伝導部材５について、図２に示すように取り合い構成を変更してもよい。つまり、ベース基板２は、電子回路チップ１の搭載部位２ａで積層数を増して厚みを高くし、残った隙間部分に柔軟性の熱伝導部材５を設けることもできる。この場合、熱伝導部材５は厚みを薄くすることができ、熱伝導部材５の熱伝導性がベース基板２の熱伝導性よりも低い場合は全体の熱抵抗を低減でき、第２サーマルビア４に対する熱伝導が有利になり、放熱性能の向上を期待できる。

この電子回路装置はモジュールであり、図３に示すように、主回路基板基板８に実装することになる。このため、電子回路チップ１の発熱は、ランド部６からサーマルビア３を経てベース基板２の裏面側へ伝導する経路と、熱伝導部材５から第２サーマルビア４を経てベース基板２の裏面側へ伝導する経路とにより熱伝導でき、ベース基板２の裏面側から主回路基板８に伝わる。主回路基板８は表面積が大きく熱容量が大きいので放熱作用（対流熱伝達，熱放射）が期待でき、電子回路チップ１の発熱について放熱を効率よく確実に行うことができる。その結果、電子回路チップ１の発熱密度の増大に対応できる。

また、この電子回路装置は図４に示すように、ヒートシンクなどの放熱部材９に実装することもできる。この場合も、電子回路チップ１の発熱は、ランド部６，サーマルビア３の経路と、熱伝導部材５，第２サーマルビア４の経路とにより熱伝導でき、ベース基板２の裏面側から放熱部材９に伝わる。したがって、放熱部材９において放熱作用（対流熱伝達，熱放射）が期待でき、電子回路チップ１の発熱について放熱を効率よく確実に行うことができる。その結果、電子回路チップ１の発熱密度の増大に対応できる。

図５は、本発明の第２の実施形態を示している。本形態において電子回路装置は、基本的には第１の実施形態と同様であり、電子回路チップ１のモジュールになっていて、電子回路チップ１の発熱を外部へ導き放熱させる構成になっている。第１の実施形態と同様な構成には同一符号を付してあり、その説明を省略する。

本形態では、ベース基板２の内部に導体層１０を設け、伝導した熱の拡散を行う構成にしている。導体層１０はサーマルビア３および第２サーマルビア４と接合させる。したがってこの場合、電子回路チップ１の発熱は、ランド部６からサーマルビア３へ伝わり、そして熱伝導部材５から第２サーマルビア４へ伝わるので、それらサーマルビア３，第２サーマルビア４から導体層１０へ伝導し、導体層１０によりベース基板２の全体へ拡散することになる。つまり、導体層１０は熱の拡散を行うヒートスプレッダとして機能し、このため、ベース基板２を放熱体とした放熱を、より高効率に行うことができる。その結果、電子回路チップ１の発熱密度の増大に対応できる。

本実施形態では、図示したランド部６はＧＮＤ電位のためのものであるので、サーマルビア３，第２サーマルビア４が熱伝導率が良好な導電材料で形成されるとともに、両ランド部６にそれぞれ接続されたサーマルビア３、さらには第２サーマルビアが同じ導体層１０に接続されて共通の放熱経路を構成しても問題はない。ただし、信号接続に係るランド部にもサーマルビアを設ける場合、導体層１０を介して短絡しないように放熱経路の適宜位置に絶縁構造（異なる導体層に接続したり、熱伝導が良好な絶縁性材料で導体層１０に接続する等）をとる。

ヒートスプレッダをなす導体層１０は、そのすべてをベース基板２内に埋め込み状態に設ける構成に限らず、図６に示すように、ベース基板２の表面に露出部位１１を形成する構成を採ることもできる。この場合、ベース基板２の表面に露出部位１１を形成するので、露出部位１１での放熱作用（対流熱伝達，熱放射）の向上が期待でき、放熱性能をより向上できる。

本発明に係る電子回路装置の第１の実施形態を示す断面図である。熱伝導部材の他例を説明する要部の断面図である。図１に示す電子回路装置の実装状態を説明する断面図である。図１に示す電子回路装置の実装状態の他例を説明する断面図である。本発明に係る電子回路装置の第２の実施形態を示す断面図である。ヒートスプレッダの他例を説明する要部の断面図である。

符号の説明

１電子回路チップ
２ベース基板
３サーマルビア
４第２サーマルビア
５熱伝導部材
６パッド部
７はんだフィレット
８主回路基板
９放熱部材
１０導体層
１１露出部位

Claims

半導体素子等からなる電子回路チップと、
前記電子回路チップを搭載するベース基板と、
当該ベース基板において前記電子回路チップとの接合部位に位置して表裏に渡り裏面側へ熱を伝えるサーマルビアと、
前記電子回路チップと前記ベース基板との隙間に設ける熱伝導部材とを備えることを特徴とする電子回路装置。
前記ベース基板において前記熱伝導部材との接触部位に位置して表裏に渡り裏面側へ熱を伝える第２サーマルビアを備えることを特徴とする請求項１に記載の電子回路装置。
前記ベース基板に、伝導した熱の拡散を行うための導体層を設けることを特徴とする請求項１，２の何れか１項に記載の電子回路装置。
前記熱伝導部材は柔軟性を有したペースト状材料あるいはゲル状材料からなることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の電子回路装置。