JP3410041B2 - ハイブリッドモジュール - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回路パターンが形
成された回路基板に、積層コンデンサや積層インダクタ
等のチップ部品や、半導体部品等の回路部品を実装して
電子回路を形成するハイブリッドモジュールに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種のハイブリッドモジュール
としては、図８に示すようなものが知られている。図８
は、従来のハイブリッドモジュールを示す縦断面図であ
る。このハイブリッドモジュール１００は、回路基板１
０１上にチップ状電子部品１０２及び発熱性を有する半
導体素子等の回路部品１０３を実装したものである。

【０００３】この回路基板１０１は、熱伝導性が良好な
窒化アルミニウム系のセラミックからなる。チップ状電
子部品１０２は、回路基板１０１上に形成された回路パ
ターン１０６に半田付けされている。回路部品１０３
は、半田バンプ１０３ａを介して回路パターン１０６上
に接合されている。ここで、チップ状電子部品１０２
は、例えば積層コンデンサ等の受動部品である。また、
回路部品１０３は、例えばＦＥＴ等の能動部品である。

【０００４】回路基板１０１の側面には、親回路基板Ｓ
と接続するための端子電極１０１ａが形成されている。
この端子電極１０１ａは、親回路基板Ｓに形成された回
路パターンＳｐに半田付けされている。また、回路基板
１０１の親回路基板Ｓと対向する主面１０１ｂは、親回
路基板Ｓに形成された導体膜Ｓｆを介して接合されてい
る。この導体膜Ｓｆは、ハイブリッドモジュール１００
の熱を親回路基板Ｓに効率的に伝導するためのものであ
り、熱伝導性の良好な部材からなる。

【０００５】このような構成により、このハイブリッド
モジュール１００では、回路基板１０１に実装された回
路部品１０３から発生する熱が、回路基板１０１及び導
体膜Ｓｆを介して親回路基板Ｓ或いはグランドなどの広
いエリアを有する導体膜へと伝導され、放熱される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このハ
イブリッドモジュール１００では、回路部品１０３に発
生する熱は回路部品１０３の半田バンプ１０３ａを介し
て回路基板１０１に伝導され、さらに、回路基板１０１
及び導体膜Ｓｆを介して親回路基板に伝導されるため、
熱伝導が低いという問題があった。また、熱伝導率を高
めるために用いられる窒化アルミニウム系セラミック
は、一般的なアルミナ系の基板材料に比べて高価であ
り、経済性に欠けるという問題があった。さらに、全て
の部品を回路基板１０１の片面上に実装するので、高密
度化が困難であるという問題もあった。

【０００７】このような問題を解決するために、図９に
示すようなハイブリッドモジュールが提案されている。
図９は従来の他のハイブリッドモジュールを示す縦断面
図である。

【０００８】このハイブリッドモジュール１１０では、
回路基板１０１の裏面側に凹部１１１を形成するととも
に、この凹部１１１に回路部品１０３を実装するもので
ある。具体的には、この凹部１１１は、底面に回路パタ
ーン１０６が露出するよう回路基板１０１の裏面に形成
される。回路部品１０３は、半田バンプ１０３ａを介し
て凹部１１１の回路パターン１０６に実装されている。
回路部品１０３の表面側には放熱板１１２が接着されて
いる。凹部１１１には回路部品１０３を封止する封止用
樹脂１１３が充填されている。

【０００９】このような構成により、回路部品１０３に
発生する熱は、放熱板１１２に伝導され、この放熱板１
１２を介して親回路基板に放熱されるので、高い放熱効
率を得ることができる。また、回路基板１０１の両面に
部品を配置できるので高密度化が実現できる。

【００１０】しかしながら、このハイブリッドモジュー
ル１１０では、回路部品１０３の一面側は回路基板１０
１に実装されるとともに、他面側は放熱板１１２に接着
している。このため、ハイブリッドモジュール１１０の
実装時の熱や回路部品１０３から発生する熱により各部
材間に熱応力が生じると、この応力を逃がしたり吸収し
たりできず各界面（接着面）において剥離が生じるおそ
れがある。ここで、熱応力は、各部材の熱膨張率が大き
く異なると顕著に発生する。このように接着面に剥離が
生じると、各部材間の熱抵抗値が大きくなるので、回路
部品の放熱性が低下する場合がある。一方、熱応力を小
さくするためには各部材の熱膨張率をできるだけ等しく
する必要があり、この場合には材質選択の幅が狭くなっ
てしまうという難点もある。

【００１１】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、放熱性が良好なハイ
ブリッドモジュールを提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、凹部が形成された回路基板と、該回路
基板の凹部内に実装された発熱性を有する回路部品とを
備え、回路基板の前記凹部が形成された側を親回路基板
に対向させて実装されるハイブリッドモジュールにおい
て、前記回路部品は前記凹部の底面にフェースダウン実
装されるとともに、該回路部品の非実装面には前記親回
路基板と当接する放熱部材が接着され、該放熱部材には
前記回路部品との接着面に生じる熱応力を吸収するため
の緩衝域が形成されていることを特徴とするものを提案
する。

【００１３】本発明によれば、回路部品の発熱により生
ずる回路部品と放熱部材との間の熱応力が、放熱部材に
形成された緩衝域により吸収される。したがって、回路
部品と放熱部材との接着面が熱応力により破壊されるこ
とがない。これにより、回路部品に生じる熱を放熱部材
に確実かつ良好に放熱することができる。

【００１４】本発明の好適な態様な一例として、請求項
２の発明では、請求項１記載のハイブリッドモジュール
において、前記緩衝域は、板状部材からなる前記放熱部
材にスリットを設けることにより形成されていることを
特徴とするものを提案する。

【００１５】本発明によれば、回路部品と放熱部材間に
発生する熱応力を容易に吸収することができる。すなわ
ち、放熱部材の緩衝域では、スリットを狭くする方向に
板状部材からなる放熱部材が熱膨張する。つまり、熱膨
張の方向が分散するので、回路部品と放熱部材間に発生
する熱応力が緩衝域により吸収される。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の第１の実施の形態につい
て図１〜図４を参照して説明する。図１はハイブリッド
モジュールの分解斜視図、図２はハイブリッドモジュー
ルの縦断面図、図３は放熱板の平面図、図４は親回路基
板への実装方法を説明するハイブリッドモジュールの縦
断面図である。

【００１７】このハイブリッドモジュール１０は、回路
基板１１と、回路基板１１に実装された複数のチップ状
電子部品１２と、発熱性を有する半導体素子等の回路部
品１３と、回路部品１３に発生する熱を親回路基板に伝
導させる放熱板１４を主たる構成要素とする。このハイ
ブリッドモジュール１０の外観寸法としては、例えば、
約７ｘ７ｘ２ｍｍ³である。なお、このハイブリッドモ
ジュール１０は、例えば、高周波増幅回路を形成するも
のである。

【００１８】回路基板１１は、直方体形状のアルミナを
主体としたセラミック製の多層基板からなる。例えば、
ＰｂＯ−Ｂ₂Ｏ_3-ＳｉＯ₂（ホウケイ酸鉛）とＡｌ₂Ｏ
₃（アルミナ）を混合した作成されたセラミック製の多
層基板である。

【００１９】回路基板１１の表面及び内層には、回路パ
ターン１５及びビアホール１６が形成されている。回路
基板１１の側面には、前記回路パターン１５と接続する
端子電極１７が形成されている。この端子電極１７は、
実装時に親回路基板と接続するためのものである。さら
に、回路基板１１の底面、すなわち、親回路基板に実装
する際に親回路基板と対向する面１８には、凹部１９が
形成されている。この凹部１９は、回路部品１３及び放
熱板１４を収容するためのものである。この凹部１９
は、２段構造を有している。すなわち、凹部１９は、面
１８に形成された第１の凹部２０と、第１の凹部２０の
底面に、これよりもやや小さく形成された第２の凹部２
１とからなる。第２の凹部２１の底面には、回路部品１
３と接続する回路パターン１５が形成されている。

【００２０】チップ状電子部品１２は、電子回路を構成
する電子部品である。例えば、積層コンデンサや、積層
インダクタである。このチップ状電子部品１２は、回路
基板１１の上面、すなわち、前記凹部１９が形成された
面１８とは反対側の面に形成された回路パターン１５に
実装されている。

【００２１】回路部品１３は、発熱性を有する半導体素
子である。例えばＧａＡｓＭＥＳ型ＦＥＴ，ＧａＡｓＰ
ＨＥＭＴ型ＦＥＴ，ＩｎＰ系ＦＥＴ等である。この回路
部品１３は、第２の凹部２１の底面にフェースダウンボ
ンディングにより実装されている。本実施の形態では、
フリップチップ方式を用いた。すなわち、回路部品１３
は、第２の凹部２１の底面と対向する側に複数の端子電
極を備えたフリップチップである。回路部品１３の各端
子電極は第２の凹部２１に形成された回路パターン１５
に接続されている。回路部品１３と第２の凹部２１の底
面との隙間には、封止樹脂２３が充填されている。

【００２２】封止樹脂２３は、回路部品１３に水分が浸
入するのを防ぐとともに、回路部品１３を回路基板１１
に固着することを主たる目的とするものである。封止樹
脂２３としては、線膨張係数が回路基板１１及び回路部
品１３に近いものが好ましい。本実施の形態では、エポ
キシ系の樹脂を用いた。このように線膨張係数が回路基
板１１及び回路部品１３のものと近い封止樹脂２３を用
いると、熱応力の増大を防止できるので、封止樹脂２３
の剥離を防止することができる。これにより、回路部品
１３と回路基板１１との間の電気的接続不良の発生及び
耐湿性の低下を防止することができる。また、上記剥離
によって回路部品１３に与えるダメージを大幅に低減す
ることができる。

【００２３】ここで、回路部品１３の端子電極と回路パ
ターン１５との接続としては、例えば、以下のようなも
のが挙げられる。例えば、半田付けによる接続や、導電
性樹脂を用いた接続や、異方導電性樹脂（ＡＣＦ）を用
いた接続や、回路パターン１５上に金（Ａｕ）を用いた
ボールバンプを形成し超音波併用熱圧着して行う接続で
ある。

【００２４】上記導電性樹脂を用いた接続は、低廉なコ
ストで行うことができる点で有利である。また、導電性
樹脂によって応力を吸収できるため高信頼性が得られる
という効果がある。さらに、異方導電性樹脂を用いた接
続では、封止樹脂が不要となり、コストの低減を図るこ
とができる。

【００２５】また、上記回路パターン１５上にボールバ
ンプを形成し超音波併用熱圧着する接続では、この接続
がドライプロセスで行われることから、メッキ液による
回路部品１３へのダメージが少ないという効果が得られ
る。また、設備コストを低減できることができるととも
に、回路基板１１への実装作業時間が短縮できる。すな
わち、実装コストを低減できる。さらに、Ａｕ−Ａｕ接
合なので接触抵抗が少なく高信頼性を得られる。

【００２６】また、上記半田付けによる接続では、セル
フアラインメントにより位置補正されるため、実装精度
を必要としない。また、実装時に低荷重で実装できるた
め回路部品１３へのダメージが少ない。さらに、半田バ
ンプにより応力吸収できるため高信頼性を得られる。

【００２７】放熱板１４は、熱伝導性樹脂２４によって
回路部品１３及び第１の凹部２０底面に接着されてい
る。この放熱板１４は、第２の凹部２１の開口部を覆い
被せるとともに、第１の凹部２０に収まる幅及び長さを
備えた板状部材である。放熱板１４の表面は面１８とほ
ぼ同じ面に配置されている。

【００２８】放熱板１４は、熱伝導性の高い材料から形
成されている。より具体的には、線膨張係数が回路部品
１３の線膨張係数と近いものが望ましい。例えば、４２
アロイ（ニッケル４２，鉄５８の合金）である。また、
放熱板１４の表面は、半田濡れ性を向上させるためにメ
ッキ処理が施されている。このメッキ処理としては、例
えばＡｕメッキである。

【００２９】図３に示すように、放熱板１４には、複数
のスリット２５が設けられている。本実施の形態では３
本とした。各スリット２５は、長方形の放熱板１４にお
いて、その長辺の両側から交互に形成されている。各ス
リット２５は、少なくとも一部が放熱板１４と回路部品
１３との接着面に形成されるように長さ及び位置が設定
されている。本実施の形態では、回路部品１３が放熱板
１４のほぼ中央部に接着されているので、各スリット２
５は少なくとも短辺方向の中心部を超える長さを有して
いる。

【００３０】このスリット２５により、放熱板１４には
スリット２５の周辺部に緩衝域２６が形成される。すな
わち、この緩衝域２６では、放熱板１４はスリット２５
を狭くする方向に熱膨張する。つまり、放熱板１４にお
ける熱膨張の方向が分散される。したがって、回路部品
１３と放熱板１４との間に生じる熱応力が吸収されるの
で、回路部品１３との放熱板１４との接着面の破壊を防
止することができる。これにより、接着面の破壊による
熱抵抗の上昇を防止できるので、放熱効率を良好に維持
することができる。また、接着面の破壊による水分等の
浸入も防止できるので、信頼性の高いものとなる。

【００３１】熱伝導性樹脂２４は、放熱板１４を回路部
品１３に固着させるとともに、回路部品１３に発生する
熱を放熱板１４に効率的に伝導させるためのものであ
る。この熱伝導性樹脂２４は、前述したように回路部品
１３と放熱板１４とを接着するとともに、放熱板１４側
方と第１の凹部２０側壁との間，回路部品１３側方と第
２の凹部２１との間を充填している。熱伝導性樹脂２４
は、熱伝導率の良好なものが好ましい。また、熱伝導性
樹脂２４としては、線膨張係数が回路部品１３及び放熱
板１４の線膨張係数と近いものが好ましい。このような
熱伝導性樹脂２４を用いることにより熱応力の増大を防
止することができる。

【００３２】ハイブリッドモジュール１０には、上面を
覆うように箱状の金属ケース３０が付設されている。こ
の金属ケース３０は、各部品や回路基板１１を物理的に
保護するとともに、ノイズの侵入及び放射を防止するも
のである。

【００３３】次に、このハイブリッドモジュール１０を
親回路基板５０に実装する方法について説明する。図４
に示すように、親回路基板５０の所定箇所には、ハイブ
リッドモジュール１０の端子電極１７と接続するための
回路パターン５１が形成されている。また、ハイブリッ
ドモジュール１０を搭載した際に放熱板１４と対向する
箇所には、熱伝導膜５２が形成されている。ここで、熱
伝導膜５２は親回路基板５０上に回路パターン５１と同
様に形成された導体膜であり、例えば銅を主成分とする
ものである。ハイブリッドモジュール１０を親回路基板
５０に実装するには、端子電極１７と回路パターン５
１、放熱板１４と熱伝導膜５２とをそれぞれ半田付けす
ればよい。

【００３４】このように、親回路基板５０に、ハイブリ
ッドモジュール１０の端子電極１７のみを半田付けする
だけでなく、放熱板１４をも半田付けすることにより、
回路部品１３に発生した熱は放熱板１４を介して親回路
基板５０に伝導される。また、放熱板１４が熱伝導膜５
２に半田付けされているので、ハイブリッドモジュール
１０と親回路基板５０と間の固着強度が向上する。な
お、熱伝導膜５２は、親回路基板５０においてグランド
に接続すると、特に高周波領域において電気特性が安定
し、放熱性も向上したものとなる。

【００３５】以上詳述したように、このハイブリッドモ
ジュール１０では、回路部品１３で発生した熱は、その
表面から熱伝導性樹脂２４、放熱板１４を介して親回路
基板５０に放熱される。ここで、回路部品１３の発熱に
より生ずる回路部品１３と放熱板１４との間の熱応力は
緩衝域２６により吸収される。すなわち、放熱板１４に
形成したスリット２５により、熱膨張の方向が分散され
るので熱応力が吸収されるものである。これにより、回
路部品１３と放熱板１４との接着面が熱応力により破壊
されることがない。したがって、回路部品１３に生じる
熱を放熱板１４に確実かつ良好に放熱することができ
る。また、このような構成により熱応力が吸収されるの
で、熱膨張率に制限されることなく回路部品１３や放熱
板１４等の材質選択の幅が広がる。

【００３６】なお、本実施の形態では、放熱板１４の長
辺から内側に向けてスリット２５を設けることにより緩
衝域２６を形成したが、本発明はこれに限定されるもの
ではない。例えば、本実施の形態にかかる放熱板１４に
代えて、図５〜図７に示すような放熱板１４ａ〜１４ｃ
を用いてもよい。図５〜図７は、他の例にかかる放熱板
の平面図である。

【００３７】図５に示す放熱板１４ａでは、スリット２
５ａを放熱板１４ａの各辺に開口することなく形成して
いる。各スリット２５ａは、放熱板１４ａの短辺と平行
に形成されている。また、各スリット２５ａは、放熱板
１４ａの長手方向に間隔をおいて形成されている。図６
に示す放熱板１４ｂでは、スリット２５ｂを放熱板１４
ｂに対して斜めに形成したものである。図７に示す放熱
板１４ｃでは、スリット２５ｂを十字状の形成するとと
もに、スリット２５ｃの各辺が放熱板１４ｃの各辺に対
して斜めになるように形成している。このような、放熱
板１４ａ〜１４ｃによっても、各スリット２５ａ〜２５
ｃの周辺に緩衝域２６ａ〜２６ｃが形成される。したが
って、前述したような作用効果を得ることができる。

【００３８】また、本実施の形態では、回路部品１３の
実装方法としてフリップチップ方式を用いたが、本発明
はこれに限定されるものではない。例えば、ビームリー
ド方式等を用いて回路部品を実装してもよい。

【００３９】さらに、本実施の形態では、発熱性の回路
部品１３を１個実装したハイブリッドモジュール１０を
例示したが、複数の回路部品を実装してもよい。

【００４０】さらに、本実施の形態で述べた回路基板１
１や回路部品１３等の各種部材の材質や種類等について
は、これに限定されることなく、他のものであっても本
願発明を実施できるものである。

【００４１】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
回路部品の発熱により生ずる回路部品と放熱部材との間
の熱応力が、放熱部材に形成された緩衝域により吸収さ
れる。したがって、回路部品と放熱部材との接着面が熱
応力により破壊されることがない。これにより、回路部
品に生じる熱を放熱部材に確実かつ良好に放熱すること
ができる。また、熱応力が吸収されるので、回路部品及
び放熱部材の材質選択の幅が広がる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ハイブリッドモジュールの分解斜視図

【図２】ハイブリッドモジュールの縦断面図

【図３】放熱板の平面図

【図４】親回路基板への実装方法を説明するハイブリッ
ドモジュールの縦断面図

【図５】他の例にかかる放熱板の平面図

【図６】他の例にかかる放熱板の平面図

【図７】他の例にかかる放熱板の平面図

【図８】従来のハイブリッドモジュールの縦断面図

【図９】従来のハイブリッドモジュールの縦断面図

【符号の説明】

１０…ハイブリッドモジュール、１１…回路基板、１２
…チップ状電子部品、１３…回路部品、１４…放熱板、
１７…端子電極、１９…凹部、２５…スリット、２６…
緩衝域、５０…親回路基板

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 凹部が形成された回路基板と、該回路基
   板の凹部内に実装された発熱性を有する回路部品とを備
   え、回路基板の前記凹部が形成された側を親回路基板に
   対向させて実装されるハイブリッドモジュールにおい
   て、 前記回路部品は前記凹部の底面にフェースダウン実装さ
   れるとともに、該回路部品の非実装面には前記親回路基
   板と当接する放熱部材が接着され、 該放熱部材には前記回路部品との接着面に生じる熱応力
   を吸収するための緩衝域が形成されていることを特徴と
   するハイブリッドモジュール。
2. 【請求項２】 前記緩衝域は、板状部材からなる前記放
   熱部材にスリットを設けることにより形成されているこ
   とを特徴とする請求項１記載のハイブリッドモジュー
   ル。