JP2015177157A - 電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体デバイスをＢＧＡ実装構造により樹脂基板に接続する際に、半導体デバイスの発熱部位から発する熱を効率的に放熱する放熱構造を得ることを目的とする。【解決手段】 発熱性電子部品が搭載された半導体デバイスを複数のはんだボールによりＢＧＡ（Ball Grid Array）実装した樹脂基板と、上記樹脂基板を搭載した金属ケースと、上記金属ケースにねじ結合されるともに、上面が上記半導体デバイスの底面に近接して配置され、上記半導体デバイスと上記金属ケースを熱的に接続する放熱部を設け、当該放熱部の上記金属ケースへのねじ込み量の調整により、当該放熱部の突出面を上記半導体デバイスの底面に近接させる。【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体デバイスを基板に搭載し、基板を介して半導体デバイスの発生熱を外部に放熱する電子機器に関する。

通信機器、人工衛星、レーダ装置等に使われる高周波半導体デバイスは、高周波信号を処理する高周波用の半導体チップを、セラミック基板により構成されたパッケージ基板に実装して構成される。また、高周波半導体デバイスの信号処理を制御するＰＣＡ（Printed Circuit Assembly）回路基板上に、高周波半導体デバイスを接続して使用される。高周波用の半導体チップは、高性能，高機能化が進んでおり、電力の大きい高出力信号を発生する半導体チップが開発されている。近年では、これまでの高周波半導体材料の主流であったＧａＡｓ（ガリウム砒素）半導体チップよりも、更なる高出力信号を出力できるＧａＮ（窒化ガリウム）半導体チップが開発されて、高出力半導体チップのような高発熱性電子部品の利用が飛躍的に増えている。

また、レーダ装置全体としては、高出力化と同時に小型化、軽量化、低コスト化も重要な性能因子となることから、近年では高周波デバイスとＰＣＡ回路基板の接続にＢＧＡ（Ball Grid Array）接続構造が用いられている。ＢＧＡ接続構造は、半導体デバイスの底面（半導体チップの実装面とは反対側）にＢＧＡ接続用の複数のはんだボール（ＢＧＡボール）を取り付けて、ＢＧＡボールを介在して樹脂のＰＣＡ回路基板（樹脂基板）にはんだ実装している。高周波半導体デバイスを樹脂基板上にはんだ実装した後、樹脂基板を金属ケースに収容し、電子機器が構成される。

半導体チップを高出力で動作させるためには、発生する熱量が増大することから、冷却能力の向上が必要になる。しかしながら、ＢＧＡ接続構造の場合には、熱抵抗が増加して放熱性が低下する欠点があり、半導体チップの高出力化に対する妨げとなっていた。例えば、高周波半導体デバイスと金属ケースとの間に、熱伝導率の低い樹脂基板が介在することから、高周波半導体デバイスと樹脂基板間の熱抵抗が増える。また、ＢＧＡボールの配置においては、隣接するＢＧＡボール間がはんだにより接続され、ブリッジ配線が発生するのを防ぐため、隣接するＢＧＡボールの間に空間が必要となる。これらのことから、高周波半導体デバイスと樹脂基板間の熱抵抗が増えてしまう。

このようなＢＧＡ接続構造による放熱性の低下を改善する方法として、樹脂基板の内層に金属プレートを挿入して熱を分散させる方法、樹脂基板における高周波半導体デバイスの発熱部（高発熱性電子部品）の直下領域に、金属ブロックを部分的に埋め込む方法等が用いられている。

これらの放熱性低下の改善方法は、高額化、基板の損傷、放熱性の低下等の問題があり、一般用途向けには普及していない。例えば上記改善方法は、樹脂基板の工法としては一般的ではないために高額になる。また、埋め込んだ金属と樹脂基板の樹脂材とは線膨張率，剛性が異なるために、温度変化に伴うパターンの剥がれ，ビアの断線等の変形により、高周波半導体デバイスまたは樹脂基板が損傷する。また、樹脂基板の反りにより金属ケースとの接触面における隙間が増えて放熱性が低下することがあるという問題があった。

一方、高周波半導体デバイスにおける高発熱性電子部品の搭載位置の直下領域において、樹脂基板に貫通穴を設ける。また、金属ケースに突起を形成し、樹脂基板の貫通穴に当該突起を挿入し、例えば金属フィラの含有された充填剤を介して、当該突起を高周波半導体デバイスの底面と接触させる方法が知られている（例えば特許文献１参照）。これにより、上記ＢＧＡ接続構造における放熱性の低下を改善することができる。加えて、線膨張率，剛性が異なることによる基板の損傷、樹脂基板の反りによる金属ケースとの接触面の隙間の増加等の問題を解消することができる。

特開２０１１−２１１４２４号公報

しかしながら、特許文献１に示す従来の電子機器は、高周波半導体デバイスの底面と金属ケースの突起との隙間量を調整することができない。当該隙間量がなくなると、高周波半導体デバイスの底面と金属ケースの突起が高さ方向に干渉して基板を損傷させる。また、逆に当該隙間が大きすぎると、放熱性が低下するという問題がある。このため電子機器の放熱性、及び信頼性を安定させるためには、当該隙間量を管理することが課題となる。

この発明による電子機器は係る課題を解決するためになされたものであって、半導体デバイスをＢＧＡ実装構造により樹脂基板に接続する際に、半導体デバイスの発熱部位から発する熱を効率的に放熱する放熱構造を得ることを目的とする。

この発明による電子機器は、発熱性電子部品が搭載された半導体デバイスと、上記半導体デバイスを複数のはんだボールによりＢＧＡ（Ball Grid Array）実装した樹脂基板と、上記樹脂基板を搭載した金属ケースと、上記金属ケースにねじ結合されるともに、上面が上記半導体デバイスの底面に近接して配置され、上記半導体デバイスと上記金属ケースを熱的に接続する放熱部と、を備え、上記樹脂基板は、上記発熱性電子部品の直下領域に穴が形成され、上記放熱部が当該穴に挿入されて当該樹脂基板の上記半導体デバイス側の面から突出し、当該放熱部の上記金属ケースへのねじ込み量の調整により、当該放熱部の突出面が上記半導体デバイスの底面に近接して配置されたものである。

この発明によれば、半導体デバイスをＢＧＡ実装構造により樹脂基板に接続する際に、熱伝導率の高い金属部品を半導体デバイスに接触させるとともに金属ケースに挿入して連結し、且つ半導体デバイスと金属部品の隙間を最少とするように金属部品の挿入位置を調整することで、高放熱の電子機器を安定的に得ることが可能である。

実施の形態１による電子機器の構成を示す図である。 実施の形態１による放熱部品を示す斜視図である。

実施の形態１．
図１は、この発明に係る実施の形態１による電子機器の構成を示す図である。図２は、実施の形態１による放熱部品を示す斜視図である。図１において、実施の形態１による電子機器は、半導体デバイス１０と、半導体デバイス１０を実装した樹脂基板５と、樹脂基板５を搭載した金属ケース７と、放熱部品１３を備えて構成される。

半導体デバイス１０は、デバイス基板１と、半導体部品２と、シールドカバー３から構成される。デバイス基板１は、例えばセラミック基板から構成される。デバイス基板１は、上面に半導体部品２が実装される。半導体部品２は、例えばＧａＮ半導体で形成された増幅器、コンデンサ、インダクタ等である。半導体部品２は、発熱部位となる発熱性電子部品を有する。特に半導体部品２がＧａＮ半導体増幅器を有する場合、当該増幅器は高発熱性電子部品となる。また、デバイス基板１の上面に、シールドカバー３が接合されることで、半導体部品２がシールドカバー３の内部に収容される。デバイス基板１の裏面は、２次元方向に配列された複数のＢＧＡはんだボール４が接合されている。半導体デバイス１０は、複数のＢＧＡはんだボール４を介して樹脂基板５の上面の導電端子に接合される。半導体部品２はＢＧＡはんだボール４と電気的に接続され、ＢＧＡはんだボール４を介して樹脂基板５との間で信号伝送を行う。

樹脂基板５は、ＰＣＡ（Printed Circuit Assembly）回路基板を構成する。樹脂基板５は、穴５ｂと、小径のねじ貫通穴８ｂとが形成されている。樹脂基板５の裏面は、金属ケース７の上面に搭載される。金属ケース７は雌ねじの形成されたねじ穴７ｂと、小径のねじ穴８ｃが設けられている。樹脂基板５は、ねじ８により金属ケース７に締結される。このときねじ８は、樹脂基板５のねじ貫通穴８ｂを通過し、金属ケース７のねじ穴８ｃに係合する。金属ケース７は外部筐体１４に搭載される。樹脂基板５の穴５ｂは、半導体デバイス１０の半導体部品２における発熱部位の直下に配置される。

図２に示すように、放熱部品１３は、雄ねじの形成された円筒形状のねじ部１３ｂから、ねじ径よりも小径となる円筒形状の突出部１３ａが突出した形状をなしている。すなわち、放熱部品１３は、突出部１３ａの外径からねじ部１３ｂの外径が外側に出っ張ったフランジを形成する。放熱部品１３のねじ部１３ｂは、底面にねじ込み用工具を挿入するための挿入穴が形成されている。放熱部品１３の突出部１３ａの外径は、樹脂基板５の穴５ｂの内径よりも僅かに小さい。放熱部品１３のねじ部１３ａは、金属ケース７のねじ穴７ｂに挿入され、その雌ねじに係合してねじ結合する。

放熱部品１３の突出部１３ａは、樹脂基板５の穴５ｂに挿入され、かつねじ穴７ｂに係合してねじ結合する。放熱部品１３の突出部１３ａは、樹脂基板５の上面である半導体デバイス側の面から上方に突出する。放熱部品１３の金属ケース７への挿入量は、ねじ込み量によって調整できる。放熱部品１３の樹脂基板５へのねじ込み量を変えて、半導体デバイス１０と放熱部品１３の距離を変えることで、放熱部品１３の上面とデバイス基板１の裏面との隙間を調整することができる。これによって、放熱部品１３の突出部１３ａの突出面（最上面）は、半導体デバイス１０におけるデバイス基板１の裏面に近接するもしくは接する位置に配置できるので、半導体デバイス１０におけるデバイス基板１の裏面と放熱部品１３の突出部１３ａの突出面（最上面）との隙間を最少にすることが可能である。

放熱部品１３の突出面と半導体デバイス１０におけるデバイス基板１の裏面の間には、金属フィラ入りの樹脂充填剤１２が充填される。放熱部品１３の上面は、金属フィラ入り樹脂充填剤１２を介して、半導体デバイス１０におけるデバイス基板１の裏面に熱的に接続される。また、放熱部品１３の裏面と外部筐体１４の間に、樹脂充填剤１２が充填される。放熱部品１３の裏面は、樹脂充填剤１２を介して外部筐体１４に熱的に接続される。かくして、発熱性電子部品を構成する半導体部品２は、半導体デバイス１０におけるデバイス基板１の裏面に熱的に接続された放熱部品１３を介して、金属ケース７及び外部筐体１４に放熱される。

ここで、発熱性電子部品を冷却するための放熱経路は、その発熱体に近いほど高い放熱性を必要とする。このことから、熱伝導性の高い金属、炭素繊維等の放熱部品を、出来る限り発熱性電子部品の発熱部位の直近に配置することが最も効率的である。このようにして、放熱性の高い電子機器を得ることができる。

なお、上記隙間部の熱抵抗を更に低減する方法として、金属フィラ入りの樹脂充填剤１２を挿入することの他に、放熱部品１３の材質を、金属ケース７よりも高い熱伝導率の材質とすることで、より高い放熱効率を得ることが可能となる。例えば、金属ケース７がアルミ材である場合は、放熱部品１３をＣｕ−Ｗ（銅タングステン）のような材質にすると良い。

以上説明した通り、実施の形態１による電子機器は、発熱性電子部品を含む半導体部品２が搭載された半導体デバイス１０と、上記半導体デバイス１０を複数のはんだボールであるＢＧＡはんだボール４によりＢＧＡ実装した樹脂基板５と、上記樹脂基板５を搭載した金属ケース７と、上記金属ケース７にねじ結合されるともに、上面が上記半導体デバイス１０の底面に近接して配置され、上記半導体デバイス１０と上記金属ケース７を熱的に接続する放熱部である放熱部品１３と、を備え、上記樹脂基板５は、上記発熱性電子部品の直下領域に穴５ｂが形成され、上記放熱部（放熱部品１３）が当該穴５ｂに挿入されて当該樹脂基板５の上記半導体デバイス側の面から突出し、当該放熱部（放熱部品１３）の上記金属ケース７へのねじ込み量の調整により、当該放熱部（放熱部品１３）の突出面が上記半導体デバイス１０の底面に近接して配置されたことを特徴とする。

また、上記半導体デバイス１０の底面と放熱部（放熱部品１３）の突出面との間に充填された金属フィラ含有の樹脂充填剤１２を備えたことを特徴とする。

これにより、半導体デバイス１０をＢＧＡ実装構造により樹脂基板５に接続する際に、熱伝導率の高い放熱部品１３を半導体デバイス１０に接して配置するとともに金属ケース７に挿入して連結し、且つ半導体デバイス１０と放熱部品１３の隙間を最少とするように放熱部品１３の挿入位置を調整することで、高放熱の電子機器を安定的に得ることができる。

１ デバイス基板、２ 半導体部品、３ シールドカバー、４ ＢＧＡはんだボール、５ 樹脂基板、５ｂ 穴、７ 金属ケース、７ｂ ねじ穴、１０ 半導体デバイス、１２ 樹脂充填剤、１３ 放熱部品、１４ 外部筐体。

Claims (2)

1. 発熱性電子部品が搭載された半導体デバイスと、
   上記半導体デバイスを複数のはんだボールによりＢＧＡ（Ball Grid Array）実装した樹脂基板と、
   上記樹脂基板を搭載した金属ケースと、
   上記金属ケースにねじ結合されるともに、上面が上記半導体デバイスの底面に近接して配置され、上記半導体デバイスと上記金属ケースを熱的に接続する放熱部と、
   を備え、
   上記樹脂基板は、上記発熱性電子部品の直下領域に穴が形成され、上記放熱部が当該穴に挿入されて当該樹脂基板の上記半導体デバイス側の面から突出し、当該放熱部の上記金属ケースへのねじ込み量の調整により、当該放熱部の突出面が上記半導体デバイスの底面に近接して配置された電子機器。
2. 上記半導体デバイスの底面と放熱部の突出面との間に充填された金属フィラ含有の樹脂充填剤を備えた請求項１記載の電子機器。

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