JP2015133373A - 回路基板および電子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】実装される発熱部品に対する放熱構造に関しその放熱性の低下を防止し得る回路基板および電子装置を提供する。【解決手段】電子部品３０の放熱を促す伝熱部材２４は、めっきスルーホール２２により構成される貫通穴２３に対して、実装面２１ａに露出する一面側端面２４ａが、貫通穴２３の一面側周縁２３ａよりも内層側に位置するように挿入される。【選択図】図３

Description

本発明は、発熱部品の放熱を促す伝熱部材が貫通穴に挿入される回路基板および電子装置に関するものである。

回路基板上にはんだ付けされたＱＦＮ（Quad For Non-Lead Package）やＱＦＰ（Quad Flat Package）などの電子部品等の発熱部品を好適に冷却するため、回路基板の裏面から放熱する方法が知られている。具体的には、例えば、発熱部品の下面に設けられる金属板（放熱端子）を回路基板の実装面のランドにはんだ付けして、このランドおよびめっきスルーホールを通して回路基板の裏面側に放熱する放熱構造が知られている。特に、上述のような放熱構造では、さらに裏面側への放熱性を高めるため、めっきスルーホールに代えてコイン状の銅（銅インレイ）を採用し、この銅インレイ上に発熱部品の放熱端子をはんだ付けする方法が知られている。

このような裏面側への放熱性を高めた回路基板に関する技術として、下記特許文献１に開示される配線基板が知られている。この配線基板には、発熱部品が実装される部分に伝熱部材が圧入されており、この伝熱部材が嵌合される嵌込み孔の圧入側周縁に大径部が形成されている。そして、伝熱部材には、上記圧入状態で大径部に係合するフランジ部が形成されている。これにより、嵌込み孔に対する伝熱部材の圧入力を厳密に管理しなくても、伝熱部材の嵌込み深さを容易に一定とすることができ、伝熱部材の圧入精度およびその圧入作業性を向上させている。

特開２００９−１７０４９３号公報

ところで、発熱部品からの発熱により、放熱端子と銅インレイとの間の伝熱用のはんだが高温となり、このはんだに、発熱部品と回路基板との熱膨脹係数の差に起因する大きな冷熱ストレスが作用する場合がある。このような場合、放熱端子と回路基板の実装面との距離が比較的小さくなる発熱部品では、伝熱用のはんだの厚さが小さくなることから、上記冷熱ストレスを適切に緩和できないためにはんだクラックが生じ、放熱性が低下する場合がある。この場合、放熱性の低下に応じてはんだの温度がさらに上昇することとなり、はんだクラックが助長され、さらに放熱性が悪化してしまうおそれがある。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、実装される発熱部品に対する放熱構造に関しその放熱性の低下を防止し得る回路基板および電子装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、特許請求の範囲の請求項１に記載の発明は、発熱部品（３０）の放熱を促す伝熱部材（２４，２７，２９）が一面（２１ａ）から他面（２１ｂ）にかけて形成される貫通穴（２３）に挿入される多層の回路基板（２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ）であって、前記伝熱部材は、前記貫通穴に対して、前記一面に露出する一面側端面（２４ａ，２９ａ）が、前記貫通穴の一面側の周縁（２３ａ）よりも内層側に位置するように挿入されることを特徴とする。
なお、特許請求の範囲および上記手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

請求項１の発明では、発熱部品の放熱を促す伝熱部材は、貫通穴に対して、一面に露出する一面側端面が、貫通穴の一面側の周縁（以下、一面側周縁ともいう）よりも内層側に位置するように挿入される。

これにより、一面側周縁および一面側端面により一面側端面を底面とするように内層側に凹む段差ができるため、放熱端子と回路基板の実装面との距離が比較的小さくなる発熱部品であっても、上記段差の分だけ伝熱用のはんだの厚さを厚くすることができる。したがって、上述のように十分な厚さが確保された伝熱用のはんだにより冷熱ストレスが好適に緩和されるので、はんだ接合信頼性が向上し、実装される発熱部品に対する放熱構造に関しその放熱性の低下を防止することができる。

第１実施形態に係る電子装置の概略構成を示す断面図である。 図１の電子部品近傍を拡大して示す拡大断面図である。 伝熱部材の挿入位置を説明するための拡大断面図である。 第２実施形態に係る回路基板の要部を示す断面図である。 第３実施形態に係る回路基板の要部を示す断面図である。 第４実施形態に係る回路基板の要部を示す断面図である。

［第１実施形態］
以下、本発明に係る回路基板および電子装置を具現化した第１実施形態について、図面を参照して説明する。
図１に示す電子装置１０は、温度変化が大きな使用環境にて採用されており、例えば、車両に搭載されたエンジン等の車載機器を制御する電子制御装置（Electronic Control Unit）として構成されている。電子装置１０は、筐体１１内に回路基板２０や他の基板等を収容して構成されている。

回路基板２０は、エポキシ樹脂等からなる樹脂層と導電層とが交互に積層される多層基板であって、その実装面２１ａには、電子部品３０や外部コネクタ１２等が実装されている。図２に示すように、この回路基板２０には、電子部品３０の直下となる位置に、実装面２１ａから裏面２１ｂにかけてめっきスルーホール２２が形成されており、このめっきスルーホール２２により構成される貫通穴２３には、電子部品３０の放熱を促す銅インレイ等の伝熱部材２４が挿入（嵌合）されて埋め込まれている。この伝熱部材２４の詳細形状等については後述する。なお、実装面２１ａは、「一面」の一例に相当し、裏面２１ｂは、「他面」の一例に相当し得る。

電子部品３０は、所定の動作時に発熱する発熱部品であって、半導体素子等が封止部材により封止されたパッケージ本体３１と、パッケージ本体３１から導出される複数のリード端子３２と、放熱端子３３とを備えている。電子部品３０は、各リード端子３２にて、実装面２１ａの所定の位置に配置されるランド２５とはんだ４１を介してはんだ接合されている。

放熱端子３３は、発熱する半導体素子等の放熱用経路を構成する略平板状の端子であって、例えば金属板により構成されている。この放熱端子３３は、発熱源となる半導体素子等が接着剤等を介して一面側（上面側）に取り付けられ、他面側（下面側）がパッケージ本体３１の下方から露出するように上記封止部材により封止されている。

放熱端子３３および伝熱部材２４は、伝熱性を有する接合部材として機能する伝熱用のはんだ４２が両部材間に介在することで、はんだ付けされて接合されている。これにより、電子部品３０の熱をはんだ４２および伝熱部材２４を介して回路基板２０の裏面側に放熱する放熱構造が構成される。

次に、伝熱部材２４の詳細形状や挿入位置等について、図３を用いて詳述する。なお、図３は、伝熱部材２４の挿入位置を説明するための拡大断面図である。
伝熱部材２４は、円柱状に形成されており、図３に示すように、貫通穴２３に対して、実装面２１ａに露出する端面（以下、一面側端面２４ａともいう）が、貫通穴２３の一面側の周縁（以下、一面側周縁２３ａともいう）よりも内層側に位置するように挿入されている。また、伝熱部材２４は、上記挿入時に、裏面２１ｂに露出する端面（以下、他面側端面２４ｂともいう）が貫通穴２３の他面側の周縁（以下、他面側周縁２３ｂともいう）に対してほぼ同一平面上に位置するように形成されている。

これにより、電子部品３０の放熱端子３３の直下となる位置に、一面側周縁２３ａおよび一面側端面２４ａと一面側の貫通穴２３の内周面とにより、一面側端面２４ａを底面とするように内層側に凹む段差２６が形成されることとなる。この段差２６には、放熱端子３３および伝熱部材２４をはんだ接合するはんだ４２が充填されることとなるため、はんだ４２の厚さｔが上記段差２６の分だけ厚くなる。このため、このように厚く形成されたはんだ４２により、電子部品３０と回路基板２０との熱膨脹係数の差に起因して大きな冷熱ストレスが生じる場合でも、この冷熱ストレスが好適に緩和されることとなる。

以上説明したように、本実施形態に係る回路基板２０では、電子部品３０の放熱を促す伝熱部材２４は、めっきスルーホール２２により構成される貫通穴２３に対して、実装面２１ａに露出する一面側端面２４ａが、貫通穴２３の一面側周縁２３ａよりも内層側に位置するように挿入される。

これにより、一面側周縁２３ａおよび一面側端面２４ａにより一面側端面２４ａを底面とするように内層側に凹む段差２６ができるため、放熱端子３３と回路基板２０の実装面２１ａとの距離が比較的小さくなる電子部品３０であっても、上記段差２６の分だけ伝熱用のはんだ４２の厚さｔを厚くすることができる。したがって、上述のように十分な厚さが確保されたはんだ４２により冷熱ストレスが好適に緩和されるので、はんだ接合信頼性が向上し、実装される電子部品３０に対する放熱構造に関しその放熱性の低下を防止することができる。

そして、上述のように構成される回路基板２０と電子部品３０とを備え、実装面２１ａに実装された電子部品３０の放熱端子３３と伝熱部材２４の一面側端面２４ａとが放熱用のはんだ４２によりはんだ接合されるように電子装置１０を構成することで、実装される電子部品３０に対する放熱構造に関しその放熱性の低下を防止し得る効果を奏する電子装置１０を実現することができる。

特に、貫通穴２３は、実装面２１ａから裏面２１ｂにかけて形成されるめっきスルーホール２２により構成されるため、伝熱部材２４を伝わる熱がめっきスルーホール２２にも拡散されるので、伝熱部材２４を介した放熱性を高めることができる。

また、伝熱部材２４は、上記挿入時に、裏面２１ｂに露出する他面側端面２４ｂが貫通穴２３の他面側周縁２３ｂに対してほぼ同一平面上に位置するように形成されている。これにより、他面側端面２４ｂと他面側周縁２３ｂとが同一平面上に位置するように伝熱部材２４を貫通穴２３に挿入する挿入作業を実施することで、所定の深さの段差２６が形成されることとなる。このため、段差２６の深さのばらつき、すなわち、はんだ４２の厚さのばらつきが抑制されるので、はんだ４２および伝熱部材２４を介した放熱性の低下を確実に防止することができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る回路基板および電子装置について、図４を用いて説明する。なお、図４は、第２実施形態に係る回路基板２０ａの要部を示す断面図である。
本第２実施形態では、上述した伝熱部材２４に代えて伝熱部材２７を採用する点が主に上記第１実施形態と異なる。このため、第１実施形態と実質的に同様の構成部分には同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る回路基板２０ａの伝熱部材２７は、図４に示すように、上述した伝熱部材２４に対して、一面側端面２４ａの中央から突起２８が円柱状に突出するように構成されている。この突起２８は、上記挿入時の一面側周縁２３ａに対して、突出端面２８ａがほぼ同一平面上に位置するように形成されている。

このようにしても、段差２６の分だけ伝熱用のはんだ４２の厚さｔが厚くなり、実装される電子部品３０に対する放熱構造に関しその放熱性の低下を防止することができる。

特に、伝熱部材２７の一面側端面２４ａには、挿入時の一面側周縁２３ａに対して突出端面２８ａがほぼ同一平面上に位置する突起２８が形成されている。このため、突出端面２８ａと一面側周縁２３ａとが同一平面上に位置するように伝熱部材２７を貫通穴２３に挿入する挿入作業を実施すれば、所定の深さの段差２６が形成されるので、はんだ４２の厚さのばらつきを抑制しつつ、上記挿入作業を容易化することができる。特に、段差２６の深さ、すなわち、はんだ４２の厚さｔが突起２８の一面側端面２４ａからの高さｔａよりも小さくならないため、必要なはんだ４２の厚さｔを容易に確保することができ、はんだ４２および伝熱部材２７を介した放熱性の低下を確実に防止することができる。

なお、突起２８は、一面側端面２４ａの中央に１つ設けられることに限らず、一面側端面２４ａに複数設けられてもよい。また、突起２８は、一面側端面２４ａの中央に設けられることに限らず、一面側端面２４ａの他の部位に設けられてもよい。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態に係る回路基板および電子装置について、図５を用いて説明する。なお、図５は、第３実施形態に係る回路基板２０ｂの要部を示す断面図である。なお、図５は、電子部品３０を実装する前の回路基板２０ｂの状態を示している。
本第３実施形態では、上述した伝熱部材２４の一面側端面２４ａに予めはんだ４３を配置している点が主に上記第１実施形態と異なる。このため、第１実施形態と実質的に同様の構成部分には同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る回路基板２０ｂでは、伝熱部材２４の一面側端面２４ａにはんだ４２と同一組成の材料からなるはんだ４３が予めはんだめっきまたははんだコート等を用いて必要な厚さにて配置されている。そして、図５に示すように、はんだ４３の端面４３ａと一面側周縁２３ａとがほぼ同一平面上に位置するように伝熱部材２４を貫通穴２３に挿入する挿入作業を実施する。その後、実装面２１ａにマウントした電子部品３０の放熱端子３３と伝熱部材２４とをはんだ接合する際にはんだ４３およびはんだ４２が溶融することで、一体化したはんだ４３およびはんだ４２により放熱端子３３および伝熱部材２４がはんだ接合される。

これにより、上記第１実施形態と同様に、一面側周縁２３ａおよび一面側端面２４ａにより構成される段差２６に一体化したはんだが充填されることとなるため、この段差２６の分だけはんだの厚さを厚くすることができる。したがって、実装される電子部品３０に対する放熱構造に関しその放熱性の低下を防止することができる。

特に、予め、はんだ４３を伝熱部材２４の一面側端面２４ａに形成することから、はんだ４３の厚さを容易に調整することができるため、使用環境等を考慮して必要に応じてはんだ４３の厚さ、すなわち、放熱端子３３と伝熱部材２４とをはんだ接合するはんだの厚さを変更することができる。

なお、伝熱部材２４の一面側端面２４ａには、はんだ４２と同一組成の材料からなるはんだ４３を予め配置することに限らず、はんだ４２と接合可能であって伝熱性を有する接合部材を予め配置してもよい。これにより、例えば、部品実装に使用するはんだよりも耐冷熱接続信頼性の高いはんだ合金等をはんだ４３に代えて使用することで、放熱性の低下を確実に防止することができる。

［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態に係る回路基板および電子装置について、図６を用いて説明する。なお、図６は、第４実施形態に係る回路基板２０ｃの要部を示す断面図である。なお、図６は、電子部品３０を実装する前の回路基板２０ｃの状態を示している。
本第４実施形態では、伝熱部材２４に代えて採用する伝熱部材２９の全面に予めはんだ４４を配置している点が主に上記第３実施形態と異なる。このため、第３実施形態と実質的に同様の構成部分には同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る回路基板２０ｃでは、伝熱部材２４に代えて、伝熱部材２４と同じ材料であって貫通穴２３よりも小径の伝熱部材２９が採用されている。この伝熱部材２９の一面側端面２９ａ、他面側端面２９ｂおよび外周面２９ｃ、すなわち、全面に、はんだ４２と同一組成の材料からなるはんだ４４が、予めはんだめっきまたははんだコート等を用いて配置されている。特に、伝熱部材２９の外周面２９ｃを覆うはんだ４４の厚みは、貫通穴２３の内径寸法に応じて設定されている。

そして、図６に示すように、はんだ４４の一面側端面４４ａと一面側周縁２３ａとがほぼ同一平面上に位置するように伝熱部材２９を貫通穴２３に挿入する挿入作業を実施する。その後、実装面２１ａにマウントした電子部品３０の放熱端子３３と伝熱部材２９とをはんだ接合する際にはんだ４４およびはんだ４２が溶融することで、一体化したはんだにより放熱端子３３および伝熱部材２９がはんだ接合される。

これにより、上記第３実施形態と同様に、一面側周縁２３ａおよび一面側端面２９ａにより構成される段差に一体化したはんだが充填されることとなるため、この段差の分だけはんだの厚さを厚くすることができる。したがって、実装される電子部品３０に対する放熱構造に関しその放熱性の低下を防止することができる。

特に、伝熱部材２９の外周面２９ｃを覆うはんだ４４が溶融してめっきスルーホール２２に接合することで、外周面２９ｃとめっきスルーホール２２との隙間が埋まり、伝熱部材２９やはんだ４４を伝わる熱がめっきスルーホール２２にも拡散されやすくなるので、回路基板２０ｃによる放熱性を高めることができる。また、伝熱部材２９に関する耐振動性を向上させることができる。

なお、はんだ４４は、伝熱部材２９の全面に予め配置されることに限らず、一面側端面２９ａおよび外周面２９ｃに予め配置されてもよいし、外周面２９ｃのみに予め配置されてもよい。

また、伝熱部材２９の全面または一部には、はんだ４２と同一組成の材料からなるはんだ４４を予め配置することに限らず、はんだ４２と接合可能であって伝熱性を有する接合部材を予め配置してもよい。これにより、例えば、部品実装に使用するはんだよりも耐冷熱接続信頼性の高いはんだ合金等をはんだ４４に代えて使用することで、放熱性の低下を確実に防止することができる。

なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下のように具体化してもよい。
（１）伝熱部材２４，２７，２９は、めっきスルーホール２２により構成される貫通穴２３に挿入されることに限らず、電子部品３０の直下にて実装面２１ａから裏面２１ｂにかけて形成される貫通穴に直接挿入されてもよい。

（２）伝熱部材２４，２７，２９は、銅インレイとして構成されることに限らず、例えば、アルミニウム製の部材など、熱伝導率の良い部材により構成されてもよい。

１０…電子装置
２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ…回路基板
２１ａ…実装面（一面）
２１ｂ…裏面（他面）
２２…めっきスルーホール
２３…貫通穴 ２３ａ…一面側周縁 ２３ｂ…他面側周縁
２４，２７，２９…伝熱部材
２４ａ，２９ａ…一面側端面 ２４ｂ，２９ｂ…他面側端面
２８…突起 ２８ａ…突出端面
３０…電子部品（発熱部品）
４２，４３，４４…はんだ

Claims (8)

1. 発熱部品（３０）の放熱を促す伝熱部材（２４，２７，２９）が一面（２１ａ）から他面（２１ｂ）にかけて形成される貫通穴（２３）に挿入される多層の回路基板（２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ）であって、
   前記伝熱部材は、前記貫通穴に対して、前記一面に露出する一面側端面（２４ａ，２９ａ）が、前記貫通穴の一面側の周縁（２３ａ）よりも内層側に位置するように挿入されることを特徴とする回路基板。
2. 前記伝熱部材は、前記挿入時に、前記他面に露出する他面側端面（２４ｂ，２９ｂ）が前記貫通穴の他面側の周縁（２３ｂ）に対して同一平面上に位置するように形成されることを特徴とする請求項１に記載の回路基板。
3. 前記一面側端面には、挿入時の前記一面側の周縁に対して突出端面（２８ａ）が同一平面上に位置する突起（２８）が形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の回路基板。
4. 前記一面側端面には、挿入時の前記一面側の周縁に対して端面（４３ａ，４４ａ）が同一平面上に位置する伝熱性を有する接合部材（４３，４４）が配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の回路基板。
5. 前記接合部材は、前記伝熱部材と前記発熱部品との間に介在する伝熱用のはんだ（４２）と同一組成の材料からなることを特徴とする請求項４に記載の回路基板。
6. 前記貫通穴は、前記一面から前記他面にかけて形成されるスルーホール（２２）により構成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の回路基板。
7. 前記伝熱部材の外周面（２９ｃ）には、伝熱性を有する接合部材（４４）が配置されることを特徴とする請求項６に記載の回路基板。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の回路基板と、
   発熱部品（３０）と、を備え、
   前記一面に実装された前記発熱部品と前記一面側端面とが伝熱用のはんだ（４２）によりはんだ接合されることを特徴とする電子装置（１０）。

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