JP3931696B2 - 電子装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板の上にヒートシンクを介して発熱素子を搭載してなる電子装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、電子装置の小型化・高集積化に伴い、1デバイスあたりの発熱量が増大し、熱設計が問題となっている。そこで、発熱素子をヒートシンクに搭載し、ヒートシンクとともに回路基板上に搭載するようにした電子装置が提案されている。
【0003】
このような電子装置の従来の一般的な構成を図4(a)、(b)に示す。図4において、(a)は基板厚み方向の断面構成を示す図、(b)は基板における素子搭載面からみたときの基板構成を示す図である。なお、図4(b)中に示すハッチングは識別のためのもので断面を示すものではない。
【0004】
プリント基板等からなる基板10の一面上に、ヒートシンク20が設けられ、ヒートシンク20の上には半導体チップ等からなる発熱素子30が搭載されている。さらに、ここでは、発熱素子30は、ヒートシンク20の外周にて基板10の一面に形成された端子部(ランド)12にボンディングワイヤ50およびリード40を介して接続されている。
【0005】
また、発熱素子30、ワイヤ50、リード40の一部(インナーリード)およびヒートシンク20は、モールド樹脂60によって、ヒートシンク20における素子搭載側と反対側の面を露出させた形で包み込まれている。
【0006】
そして、ヒートシンク20の樹脂60からの露出面は、基板10の一面に設けられた銅箔等からなる熱伝導層J16に対し、この熱伝導層J16のうえに設けられたランド18にはんだ付け等にて固定されている。この熱伝導層J16の面積は、一般にヒートシンク20の大きさと同程度かもしくはそれ以下である。
【0007】
また、基板10のうちヒートシンク20の直下には、基板10を厚み方向に貫通するサーマルビア19aが設けられている。このサーマルビア19aは、ヒートシンク20からの熱を熱伝導層J16を介して効率よく放熱するためのものであり、貫通孔の内壁面に銅めっき等を施してなるものである。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記図4に示したような電子装置においては、熱伝導層J16の面積は、一般にヒートシンク20の大きさと同程度かもしくはそれ以下であり、また、サーマルビア19aはヒートシンク20の直下に位置させたものとしているため、ヒートシンク20の下部には良く放熱されるが、その周辺へは伝熱しにくい。そのため、従来の放熱構成では、より放熱性を向上させるには限度がある。
【0009】
そこで、本発明は上記問題に鑑み、基板の上にヒートシンクを介して発熱素子を搭載してなる電子装置において、効率的に放熱性を向上させることを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、基板(10)と、基板の一面上に設けられたヒートシンク(20)と、ヒートシンクの上に設けられた発熱素子(30)と、基板の一面のうちヒートシンクの外周に設けられ発熱素子と電気的に接続された端子部(12)とを備える電子装置において、基板の一面には、当該一面におけるヒートシンクの搭載領域から端子部側へはみ出した領域まで形成された熱伝導層(16)が設けられており、ヒートシンクの搭載領域からはみ出した領域に位置する熱伝導層に対応する基板には、サーマルビア(19b)が形成されていることを特徴とする。
【0011】
それによれば、ヒートシンクからの熱は、従来のようなヒートシンク直下の熱伝導層からの放熱だけでなく、熱伝導層を介してヒートシンクの直下部分から端子部側へはみ出した領域まで伝わり、このはみ出した領域に位置するサーマルビアを介して放熱される。
【0012】
そのため、本発明によれば、基板の上にヒートシンクを介して発熱素子を搭載してなる電子装置において、効率的に放熱性を向上させることができる。
【0013】
また、請求項1に記載の発明では、ヒートシンク(20)の搭載領域からはみ出した領域に位置する熱伝導層(16)に対応する基板(10)に形成されたサーマルビア(19b)のうち、最外周に配列されたサーマルビアの密度が、その内周側に配列されたサーマルビアの密度よりも大きいことを特徴とする。
【0014】
ヒートシンクの搭載領域からはみ出した領域に位置する熱伝導層に対応する基板に形成されたサーマルビアにおいて、最外周に配列されたサーマルビアの密度よりも、その内周側に配列されたサーマルビアの密度の方が大きいと、基板において内周部側から最外周までの熱伝導が、内周側に配列されたサーマルビアの空間によって阻害され、熱伝導効率が低下する可能性がある。
【0015】
その点、本発明によれば、内周側に配列されたサーマルビアの数を少なくすることができるので、基板においてより効率的な熱伝導を実現でき、好ましい。
【0016】
なお、上記各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一例である。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。図1は、本発明の実施形態に係る電子装置の構成を示すもので、(a)は基板厚み方向の概略断面構成を示す図、(b)は基板における素子搭載面からみたときの主として基板構成を示す図である。なお、図1(b)および後述する図2、図3中に示すハッチングは識別のためのもので断面を示すものではない。
【0018】
この電子装置S1は、基板10と、基板10の一面上に設けられた銅等からなるヒートシンク20と、ヒートシンク20の上に設けられた発熱素子30と、基板10の一面のうちヒートシンク20の外周に設けられ発熱素子30と電気的に接続された端子部12とを備える。
【0019】
基板10は、プリント基板やセラミック基板等からなるもので、本例ではプリント基板10としている。発熱素子30は、限定するものではないが、本例では半導体チップ30であり、この半導体チップ30は、例えばパワーMOSやIGBT等のパワー素子等を備えるものを採用できる。
【0020】
半導体チップ30は、ヒートシンク20の上にはんだや導電性接着剤等を介して固定されている。発熱素子30の外周部には銅等からなるリード40が設けられており、半導体チップ30とリード40とは、アルミや金等のボンディングワイヤ50により結線され電気的に接続されている。
【0021】
そして、半導体チップ30、ワイヤ50、リード40の一部およびヒートシンク20は、エポキシ樹脂等からなるモールド樹脂60によって、ヒートシンク20における半導体チップ30の搭載面と反対側の面を露出させた形で包み込まれている。このようにして、ヒートシンク一体型の半導体パッケージ100が形成されている。
【0022】
ここで、図1(b)に示すように、プリント基板10の一面において端子部12は、半導体パッケージ100の周辺部にリード40に対応して設けられている。そして、端子部12とリード40とは、リード40のうち樹脂60内に位置するインナーリードよりも外側のアウターリードにて、はんだ42にて接合固定されている。
【0023】
このアウターリード接続ランドとしての端子部12は、図1(a)に示すように、プリント基板10の一面に形成された銅箔からなる配線層14の上に形成されており、端子部12自身ははんだめっき等からなるものである。
【0024】
また、図1(b)中、破線で囲んだ領域がヒートシンク20の搭載領域すなわちヒートシンク20の外形を示す。つまり、図1(b)に示すように、プリント基板10の一面には、当該一面におけるヒートシンク20の搭載領域から端子部12側へはみ出した領域まで形成された熱伝導層16が設けられている。
【0025】
この熱伝導層12は基板10がプリント基板の場合は銅箔等、セラミック基板の場合は厚膜導体等からなるものにできる。本例では、熱伝導層16は銅箔層16としている。
【0026】
この銅箔層16は、図1(b)に示すように、ヒートシンク20の搭載領域から端子部12の近傍まで形成されているが、銅箔層16の外周縁部と端子部12との距離は、上記した基板10の一面上の各部分をパターン加工でき且つ銅箔層16と端子部12との電気絶縁性を確保できる程度まで近づけて良い。
【0027】
また、図1に示すように、銅箔層16のうちヒートシンク20の搭載領域の上には、はんだめっき等からなるヒートシンク接続ランド18(図1(b)中、斜線ハッチングにて図示)が設けられている。そして、ヒートシンク20は、ヒートシンク20における樹脂60から露出する面にて、ヒートシンク接続ランド18にはんだ22により接合されている。こうして、ヒートシンク20はプリント基板10の一面上に固定されている。
【0028】
そして、図1に示すように、プリント基板10のうち銅箔層(熱伝導層)16に対応した部位には、サーマルビア19(19a、19b)が形成されている。ここで、プリント基板10のうち、ヒートシンク20の直下となるヒートシンク20の搭載領域に形成されたサーマルビア19を中央部サーマルビア19a、ヒートシンク20の搭載領域からはみ出した領域に形成されたサーマルビア19を周辺部サーマルビア19bとする。
【0029】
本例では、中央部サーマルビア19aは、ヒートシンク接続ランド18の間に配列されており、周辺部サーマルビア19bは、銅箔層16の外周縁部の下部に位置する領域にて環状に配列されている。
【0030】
サーマルビア19は、本例のように、基板10がプリント基板10の場合には、ドリル加工等によってプリント基板10に貫通孔をあけ、その内壁面に銅めっき等を施すことで形成することができる。また、基板10がセラミック基板の場合は、打ち抜き加工等によって貫通孔をあけ、その内壁面に同様にめっきを施すことで形成可能である。
【0031】
このような本実施形態の電子装置S1においては、基板10の一面にてヒートシンク20の搭載領域から端子部12側へはみ出した領域まで熱伝導層としての銅箔層16を形成していることと、ヒートシンク20の搭載領域からはみ出した領域に位置する銅箔層16に対応する基板10に、サーマルビア19bを形成したことを主たる特徴とする。
【0032】
それによれば、発熱素子としての半導体チップ30からヒートシンク20へ伝わった熱は、従来のようにヒートシンク20直下の銅箔層16からサーマルビア19aを介して放熱されるだけなく、さらに、銅箔層16を介してヒートシンク20の直下部分から端子部12側へはみ出した領域まで伝わり、このはみ出した領域に位置するサーマルビア19bを介して放熱される。
【0033】
このように、本実施形態によれば、従来に比べて広い範囲に熱を放出できる。そのため、基板10の上にヒートシンク20を介して発熱素子30を搭載してなる電子装置S1において、効率的に放熱性を向上させることができる。
【0034】
また、ヒートシンク20の搭載領域からはみ出した領域に位置する銅箔層16に対応する基板10に形成されたサーマルビアすなわち周辺部サーマルビア19bのうち、最外周に配列されたサーマルビアの密度が、その内周側に配列されたサーマルビアの密度よりも大きいことが好ましい。
【0035】
図1(b)の例では、周辺部サーマルビア19bは一列しかないため、この一列に配列されたものが、最外周に配列された周辺部サーマルビア19bであり、その内周側の周辺部サーマルビア19bは存在しない。つまり、当該内周側に配列された周辺部サーマルビア19bの密度は0である。
【0036】
サーマルビアの配置の変形例として、周辺部サーマルビア19bが、最外周の配列とその内周側の配列を有し、かつ、両配列の密度が同程度である例を、図2に示す。
【0037】
つまり、この図2のような配列としたものよりも、上記図1(b)のように、周辺部サーマルビア19bのうち、最外周に配列されたものの密度が、その内周側に配列されたものの密度よりも大きい配列とした方が、より優れた放熱性を実現するには好ましいということである。
【0038】
これは、次のような理由による。基板10において内周部側から最外周までの熱伝導が、内周側に配列されたサーマルビアの空間によって阻害され、熱伝導効率が低下する可能性がある。その点、上記した周辺部サーマルビア19bの好ましい配列形態とすれば、内周側に配列されたサーマルビア19bの数を少なくすることができるので、基板10においてより効率的な熱伝導を実現できる。
【0039】
(他の実施形態)
なお、サーマルビア19a、19bの配列形態は、図3に示すようなものであっても良い。また、上記図1(a)中に破線にて示すように、基板10の他面(図中の下側の面、つまり基板における発熱素子搭載面とは反対の側の面)側にも銅箔層16を設けて良い。
【0040】
また、上記実施形態において、サーマルビアは、ヒートシンク20直下の中央部サーマルビアは設けずに、周辺部サーマルビア19bだけであっても良い。これらの他の実施形態によっても、上記実施形態と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る電子装置の構成を示す図である。
【図2】サーマルビアの配置の変形例を示す図である。
【図3】サーマルビアの配置のもうひとつの変形例を示す図である。
【図4】従来の一般的な電子装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
10…基板、12…端子部、16…銅箔層(熱伝導層)、
19b…サーマルビア、20…ヒートシンク、
30…半導体チップ(発熱素子)。
Claims (2)
- 基板(10)と、
前記基板の一面上に設けられたヒートシンク(20)と、
前記ヒートシンクの上に設けられた発熱素子(30)と、
基板の一面のうち前記ヒートシンクの外周に設けられ前記発熱素子と電気的に接続された端子部(12)とを備える電子装置において、
前記基板の一面には、当該一面における前記ヒートシンクの搭載領域から前記端子部側へはみ出した領域まで形成された熱伝導層(16)が設けられており、
前記ヒートシンクの搭載領域からはみ出した領域に位置する前記熱伝導層に対応する前記基板には、サーマルビア(19b)が形成されており、前記ヒートシンクの搭載領域からはみ出した領域に位置する前記熱伝導層に対応する前記基板に形成された前記サーマルビアのうち、最外周に配列された前記サーマルビアの密度が、その内周側に配列されたサーマルビアの密度よりも大きいことを特徴とする電子装置。 - 前記ヒートシンク(20)の搭載領域に位置する前記熱伝導層(16)に対応する前記基板(10)には、サーマルビアが形成されていないことを特徴とする請求項1に記載の電子装置。
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