JP4030845B2 - Qfp構造を有するicの実装構造及びその実装方法、実装に用いる組立て治具 - Google Patents
Qfp構造を有するicの実装構造及びその実装方法、実装に用いる組立て治具 Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、QFP構造を有するICの実装構造及びその実装方法、実装に用いる組立て治具に関する。
【0002】
【従来の技術】
電子部品の高さ寸法が装置大きさを制限してしまうため、高密度実装の要求が高まり、ICの実装も小型化が要求さている。しかし現在のBGA(Ball Grid Array)型ICの実装においては、放熱フィン(ヒートシンク)をICのPKG上面に取り付け、冷却ファンで放熱フィンを冷却する構造をとっている。しかしこの場合、放熱フィンは大きく、高さ方向の寸法が大きくなり薄型実装には不向きであり、さらに空気に放熱させる構造であるため空気の対流が円滑に行われないと放熱効果が薄れ、その為に冷却ファンを組み合わせるなどの対策が必要となり、小型化には不向きであった。
【0003】
そのため、ICをノートパソコンなどの薄型実装をおこなう場合は、実装搭載が簡便なBGA実装を行った上でヒートパイプを筐体まで延ばす構造を取ることが多かった。しかしBGA型は振動衝撃、熱衝撃等でハンダの剥がれが発生することがあり、高信頼性を要求される個所に実装するのには向かなかった。
【0004】
これに対し、従来から使用されているQFP(Quad Flat Package)型のICは、実装容易性ではBGA型に劣るがPWBの熱応力などもリードフレーム13で緩衝できるため、絶縁等の不具合が発生することがBGA型と比較して少ない傾向にあり、高信頼性を要求される場面ではBGA型に比べ優位であった。
【0005】
しかしながら放熱実装が困難であり、そのため従来は、BGA型と同様にPKG上面に放熱フィンつきヒートシンクを用いたり、IC直下のPWB基板に多数のスルーホールを設けて放熱させるサーマルビア構造をとる工夫がされていた。
【0006】
しかしながら接着材を用いるため、接着剤の状態の管理が必要で煩雑であった。また単にQFPのIC下部のPWB(Printed Wired Board:プリント配線基板)に穴をあけて放熱材料を取り出す方法では、放熱用穴周囲で固有振動が発生しやすくICの信頼性を著しく劣化させる傾向にあった。そこで高信頼性が要求される装置にはQFP構造を有するICを用い、さらに放熱性を確保しながらも実装高さを低くするために下部放熱構造を取り、且つPWB振動にも耐える実装方式が必要となった。単にPWBに穴をあけてヒートシンクを付けた場合は、ヒートシンクとICの間にゲルを挿入したとしても、PWBをヒートシンクに取り付ける際にゲルシートの反力でリードフレームが変形し、その結果リード強度が弱まるため、実装が困難であった。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
従来、QFP構造を有する集積回路(IC)の放熱には、PKG上面に放熱フィン(ヒートシンク)をつけて雰囲気中に放熱する構造が一般的な構造であった。しかし、放熱フィンはIC実装基板の高さ方向の寸法を増加させるため、小型化が困難であった。そのため、小型化の手法として基板に穴をあけて下に放熱させる方法として、基板にスルーホール穴(サーマルビア)をあけ、サーマルビアとICを熱伝導性接着剤で接着する方法が取られてきた。しかし熱伝導性接着剤は熱可塑性があるため、ICのはんだ付けにリフローを用いることができず、その結果、チップ部品をリフローハンダ付けにより搭載した後の工程で、ICをレーザなどでハンダ付けする必要があり、工程が複雑になっていた。
【0008】
そのため、容易に実装でき、且つ放熱性を確保するために、PWBと筐体とでICを挟んで固定し、熱を筐体側に逃がす構造をとる場合もある。このような構造の従来技術として、例えば特開平8−139235号公報に開示される従来技術が提案されている。特開平8−139235号公報に開示される構造では、PWBに実装されたQFP構造を有するICをヒートシンク及び熱媒体によって挟み込むことで放熱性を改善している。
【0009】
しかし、上記のような構造では、PWBを筐体に実装した後にICが搭載されているかどうかの検査を行うことができないため、品質管理上問題があった。
【0010】
さらに、IC搭戴部のPWB部に穴を明け、そこから放熱させる構造を取る場合、基板自体の撓み強度が著しく低下するだけでなく、基板の穴の各辺に共振が発生してリードフレームの振動を助長し、リードフレーム13の金属疲労を発生させるのみならず、他のチップ部品の振動も増加し、その結果、モジュール全体の信頼性を劣化させる心配があった。
【0011】
本発明の目的は、ICの実装にリフローを用いることができ、かつ筐体に実装基板を固定後もICを検査することが可能なQFP構造を有するICの実装構造及びその実装方法、実装に用いる組立て治具を提供することにある。
【0012】
本発明の他の目的は、PWBに穴を明けても不要振動を発生させないことにより信頼性を低下させないQFP構造を有するICの実装構造及びその実装方法、実装に用いる組立て治具を提供することにある。
【0013】
本発明の更に他の目的は、ICの実装構造においてPKG上の実装部品を不要とする構造をとることで薄型実装を実現するQFP構造を有するICの実装構造及びその実装方法、実装に用いる組立て治具を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明は、QFP構造を有するICの実装構造において、前記ICを実装する基板に放熱用穴を設け、前記放熱用穴に放熱ゲルシートを配し、前記放熱ゲルシートの上面を前記IC下面に密着し、前記放熱ゲルシートの下面を前記基板を固定する筐体に設けた凸状のヒートシンクに密着する構造を有し、前記放熱用穴の任意の一辺の長さが、前記ICのパッケージの外形の一辺の長さより小さくなるように形成したことを特徴とする。
【0015】
本発明のICの実装構造は、前記放熱用穴を、ICのパッケージ外形寸法よりも小さい方形状に形成したことを特徴とする。
【0016】
本発明のICの実装構造は、前記筐体のヒートシンクの一辺の長さが、前記ICの一側面のリードフレームの先端から反対側面のリードフレームの先端までの長さより、大きくなるように形成したことを特徴とする。
【0017】
本発明のICの実装構造は、前記基板の前記放熱用穴の周囲四隅に、前記ヒートシンクをネジ止めするボルトを通すスルーホールを設けたことを特徴とする。
【0018】
本発明のICの実装構造は、前記基板を、前記スルーホールに通したボルトを用いて前記ヒートシンク四隅のタップ穴に固定する構造を有し、前記ICのパッケージ下面で前記ゲルシートを押圧することで変形させ、前記ICのパッケージの少なくとも周囲の一部、あるいは前記ICのパッケージの少なくとも下面の一部を基板に当接させることで、前記ゲルシートとの密着性を保ちつつ、前記ICのリードフレームに応力が発生しない状態で、前記基板を前記筐体に固定する構造を有することを特徴とする。
【0019】
本発明のICの実装構造は、前記スルーホールを利用して、前記ICの上面を押圧する組立て治具によって実装する構造を有することを特徴とする。
【0020】
本発明のICの実装構造は、前記組立て治具の基部と前記ICのパッケージを押圧するパッケージ押圧面との間の距離を、前記パッケージの高さより小さくし、前記組立て治具によって前記ICのパッケージを押圧した際に、前記基部が前記基板を押圧せず、前記ICパッケージが前記ゲルシートを前記基板の厚みまで押圧して前記基板を押圧する構造としたことを特徴とする。
【0021】
本発明のICの実装構造は、前記組立て治具を、前記ICの上面を押圧した状態で取り付けたままの状態とする構造を有することを特徴とする。
【0022】
本発明のICの実装構造は、前記ヒートシンクの上面に、前記ゲルシートを位置決めする前記ゲルシートとほぼ同じ形状の凹部を設けたことを特徴とする。
【0023】
本発明のICの実装構造は、前記基板に設けた位置決め用の穴を、前記筐体に設けたグランドピンに差し込むことで、前記基板と前記筐体との位置決めを行う構造としたことを特徴とする。
【0024】
本発明は、QFP構造を有するICの実装方法において、 前記ICを実装する基板に設けた、任意の一辺の長さが前記ICのパッケージの外形の一辺の長さより小さくなるように形成した放熱用穴に放熱ゲルシートを配し、前記放熱ゲルシートの上面を前記IC下面に、前記放熱ゲルシートの下面を前記基板を固定する筐体上の凸状のヒートシンクに密着させて前記基板を前記筐体に固定することを特徴とする。
【0025】
本発明のICの実装方法は、前記基板を、前記放熱用穴の四隅周囲のスルーホールに通したボルトを用いて前記ヒートシンク四隅のタップ穴に固定し、前記ICのパッケージ下面で前記ゲルシートを押圧することで変形させ、前記ICのパッケージの少なくとも周囲の一部、あるいは前記ICのパッケージの少なくとも下面の一部を基板に当接させることで、前記ゲルシートとの密着性を保ちつつ、前記ICのリードフレームに応力が発生しない状態で、前記基板を前記筐体に固定する工程を有することを特徴とする。
【0026】
本発明のICの実装方法は、前記スルーホールを利用して、前記ICの上面を押圧する組立て治具によって実装することを特徴とする。
【0027】
本発明のICの実装方法は、前記ボルトを締め付けて前記ゲルシートを圧縮した状態で保持した後、前記ゲルシートの反力が緩和された後に、組立て治具を取り外し、あるいは、前記ゲルシートを圧縮した状態で保持したまま、組立て治具を取り付けたままの状態とすることを特徴とする。
【0028】
本発明のICの実装方法は、前記基板に設けた位置決め用の穴を、前記筐体に設けたグランドピンに差し込むことで、前記基板と前記筐体との位置決めを行うことを特徴とする。
【0029】
本発明は、QFP構造を有するICの実装を行う組立て治具であって、基板に設けた、任意の一辺の長さが前記ICのパッケージの外形の一辺の長さより小さくなるように形成した放熱用穴に放熱ゲルシートを配した状態で、前記ICのパッケージを前記基板を固定する筐体側に押圧し、前記放熱ゲルシートの上面を前記IC下面に密着させ、前記放熱ゲルシートの下面を前記基板を固定する筐体上の凸状のヒートシンクに密着させる構造であることを特徴とする。
【0030】
本発明の組立て治具は、前記ICのパッケージの上面を前記基板を固定する筐体側に押圧するパッケージ押圧面を有し、前記基板を前記筐体に固定する固定手段を利用して前記パッケージ押圧面で前記ICのパッケージを押圧した状態を保持する構造であることを特徴とする。
【0031】
本発明の組立て治具は、前記組立て治具の基部と前記ICのパッケージを押圧する前記パッケージ押圧面との間の距離を、前記パッケージの高さより小さくし、前記ICのパッケージを押圧した際に、前記基部が前記基板を押圧せず、前記ICパッケージが前記ゲルシートを前記基板の厚みまで押圧して前記基板を押圧する構成としたことを特徴とする。
【0032】
本発明の組立て治具は、前記基板を、前記放熱用穴の四隅周囲のスルーホールに通したボルトを用いて前記ヒートシンク四隅のタップ穴に固定する構造において、前記スルーホールとボルトを利用して、前記ICのパッケージを押圧することにより、前記ICのパッケージ下面で前記ゲルシートを押圧することで変形させ、前記ICのパッケージの周囲を前記基板に当接させることで、前記ゲルシートとの密着性を保ちつつ、前記ICのリードフレームに応力が発生しない状態で、前記ICのパッケージを前記基板に押圧することを特徴とする。
【0033】
本発明の組立て治具は、前記ICのパッケージ上面の全体を覆って押圧する形状に形成されることを特徴とする。
【0034】
本発明の組立て治具は、前記ICのパッケージ上面に位置する部分に開口部を設けたことを特徴とする。
【0035】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【0036】
本発明によるQFP構造を有するICの実装構造の第1の実施の形態について図1から図6を参照して説明する。
【0037】
本発明の第1の実施の形態は、QFP構造のIC(以下、QFP型ICと称する)1と、PWB2と、放熱ゲルシート3と、ヒートシンク4と、筐体5と、ボルト6を有して構成される。
【0038】
PWB2には、あらかじめQFP型IC1が実装されており、IC搭載部7においてQFP型IC1のPKG部9と向かい合ったPWB2の面には、PKG部9の外形寸法よりも小さい四角形形状の放熱用穴10を有している。このPWB2としては、通常のプリント配線基板の他に、セラミック基板やフレキシブル基板を用いることが可能である。
【0039】
放熱ゲルシート3は、圧縮永久歪が80%以上の性能を有する熱伝導率が0.5[W/m・K]以上のシート状の樹脂であり、シリコン系だけでなくゴム系の樹脂をも用いることができるのは言うまでも無い。以下、ゲル状樹脂とは上記の樹脂を指すものとする。熱伝導率を高める目的でゲル状樹脂にはセラミック粉、或いはアルミニウム紛が混入されており、このセラミック紛、或いはアルミニウム紛は、その他のこれに順ずる金属粉、カーボン粉などの熱伝導性の粉末を代換として用いることができるし、また、これらを組み合わせたものも用いることができる。
【0040】
ヒートシンク4は、筐体5と一体に形成されており、アルミニウム、銅、鉄、或いはこれらを用いた合金、あるいはステンレス、セラミック、マグネシウム合金を用いることができ、その他の金属類を代換として用いることができる。ヒートシンク4を筐体5と別部品とし、筐体5に固着する構造であっても差し支えない。
【0041】
この筐体5に形成された凸状のヒートシンク4は、筐体5から直方体、あるいは立方体形状が突出した形状をしており、PWB2を筐体5に固定する際、PWB2に開けられた放熱用穴10を有するIC搭載部7と凸状のヒートシンク4とが互いに接する構造となっている。
【0042】
凸上のヒートシンク4のPWB2に接する面4aは、PWB2の面と平行な平面であり、その面は方形形状をしており、且つその外形を構成する任意の一辺の長さ寸法をLsとすると、この任意の一辺(長さLs)に平行なQFP型IC1のリードフレーム13の先端からPKGを挟んで反対側のリードフレーム13先端までの距離Lfとの関係は、図3に示すように、次の関係を満たしている。
【0043】
Ls>Lf
PWB2のIC搭戴部7の放熱用穴10の任意の一辺の長さLhは、Lhの長さ方向と平行に配置したQFP型IC1のPKG部9の外形の一辺の長さLpと次のような関係を満たしている。
【0044】
Lh<Lp
放熱ゲルシート3は方形形状を有し、IC搭載部7に形成した放熱用穴10の内部に配置する。そのため、放熱ゲルシート3の任意の一辺の長さLgは、これと平行なIC搭載部(7)の四角い穴(10)の任意の一辺の長さLhと次のような関係を満たす。
【0045】
Lh>Lg
PWB2の固定は、PWB2のIC搭戴部7に形成した放熱用穴10の対角線延長線上のPWB2面上に配置したスルーホール11を、ヒートシンク4のPWB2と接する方形状の面の四隅に配置したタップ穴4bとボルト6により挟んで締め付けることによってなされている。このように、PWB2のIC搭戴部7の裏面側とヒートシンク2を密着させることにより固定する構造であり、ここで、ボルト6の呼び径をφBとすると、(Lf−Lp)/2>φBの関係を満たす。
【0046】
これにより、QFP型IC1とPWB2がハンダにより接続された状態で、QFP型IC1におけるPWB2に接する面の裏面を、ヒートシンク4に対して押圧した時に、QFP型IC1がPWB2のIC搭戴部7の放熱用穴10を貫通することなく、PWB2に当接して引っかかる効果を持たせることができる。このような構造とすることにより、QFP型IC1とPWB2の相対位置関係を保つことができ、ゲルシート3の反力は全てQFP型IC1で受けるため、リードフレーム13の変形が発生することがない。
【0047】
次いで、上記のようなQFP構造を有するICの実装を実施するための治具とその実装方法について説明する。
【0048】
第1の実施の形態によるQFP構造を有するICの実装構造においては、実装に際して、図2示すような組立て治具20によるゲルシート変形工程を実施する。
【0049】
組立て治具20は、QFP型IC1上部に蓋をする形状をしたキャップ型に形成されていて、QFP型IC1のPKG上面1aを押圧する構造を有し、PWB2のIC搭戴部7に形成した放熱用穴10の対角線延長線上に配置したスルーホール11に組立て治具20のボルト20aを取り付けて締結する。
【0050】
この組立て治具20の材質としては、合成樹脂等を用いてもよいし、あるいは金属(アルミニウム、銅、鉄やこれらを用いた合金、又はステンレス、マグネシウム合金等)、木材、セラミックを用いてもよい。
【0051】
組立て治具20の対角線上には、PWB2のスルーホール11に対応する位置にスルーホール20dとスルーホール20eがそれぞれ設けられている。スルーホール20dは、ボルト20aを通して組立て治具20を締結するためのもので、PWB2のスルーホール11とほぼ同じ内径を有する。スルーホール20eは、PWB2を固定するボルト6の頭部が通過する内径を有する。
【0052】
以上の構造により、組立て治具20でQFP型IC1を押圧してゲルシート3をPWB2の厚みまで押圧し、組立て治具20のボルト20aを締結した際に組立て治具20の基部20bはPWB2を押圧せず、組立て治具20によって押圧されたQFP型IC1のみがPWB2を押圧するように構成されている。
【0053】
そのため、QFP型IC1のPKG高さをHpとすると、組立て治具20の基部20bから、同じく組立て治具20のPKG押圧面20cまでの距離Hjの関係は、Hp>Hjの関係を満たす。
【0054】
図2に示すように、組立て治具20、QFP型IC1、PWB2、ヒートシンク4の順に挟み、PWB2に形成した放熱用穴10の外周四隅のスルーホール11には組立て治具20のボルト20aを差し込み、図5に示すように、組立て治具20のボルト20aを締結する(平面図を図4に示す)。また、ボルト6を組立て治具20のスルーホール20eを通してヒートシンク4のタップ穴4bにネジ止めすることにより、PWB2をヒートシンク4に対して固定する。
【0055】
この締結により、ゲルシート3を圧縮永久歪80%以上で潰し、ゲルシート3の反力を低減させた後に、ボルト20aを抜いて組立て治具20を取り外す。これにより、リードフレーム13は変形させず、選択的にゲルシートのみを圧縮永久歪80%以上で変形させることができる。なお、組立て治具20を取り外した後の、PWB2のスルーホール11には、ボルト6をネジ止めして固定する。
【0056】
また、ヒートシンク4に対してゲルシート3を正確な位置に実装できても、PWB2が筐体5に対して正確な位置に実装できない場合は、ゲルシート3がPWB2の放熱用穴10からはみ出し、その結果としてゲルシート3がQFP型IC1に密着せず、設計上の放熱量が確保できないという不具合が発生する。このような不具合を解消するため、図6に示すように、PWB2に位置決め用のグランドピン穴14を設け、筐体5に取り付けられたグランドピン12を位置決め用に用いることで、PWB2の位置決めを正確に行うことができるようにしている。
【0057】
また、組立て治具20に金属を用いることで高い放熱性を持たせ、組立て治具20を取り付けたままの状態とすることも可能である。この場合、組立て治具20にはボルト6を通過させるスルーホール20eを設けず、4箇所ともスルーホール20dを設け、ボルト6又はボルト20aによって組立て治具20をPWB2上に固定させる。このように、組立て治具20を放熱性の高い材質(金属、セラミック)とし、取り付けたままの状態とすることで、QFP型IC1に対するより良好な放熱効果が得られる。
【0058】
以下、第1の実施の形態による実装構造及び実装方法を実際に適用した実施例について説明する。
【0059】
PKG下面が発熱するQFP型IC1(25×25mm)を用い、QFPを実装するPWB2にICのPKG外形寸法よりも小さい放熱用穴10(22×22mm)を設けた。PWB固定金属ケースはアルミニウム系の金属で作成し、凸面ヒートシンク4(L30×W30×t10)を筐体(平面基部L200×W200×t7)の中央に一体加工した。
【0060】
この筐体のヒートシンク4上面に、ゲルシート3(L20×W20×t2)を密着させた。PWB2はL150×W150×t1.6の方形形状とし、PWB2の対角線上の角部の2箇所に位置決め用のグランドピン穴14を設けた物を作成した。このグランドピン穴14は筐体に設置した2本のグランドピン12を同時に挿入できる位置に設けた。このグランドピン12をPWB2のグランドピン穴14に挿入し、組立て治具20を用いてQFP型IC1上部を押圧してゲルシート3を潰し、組立て治具20をネジ20aでヒートシンク4のタップ穴4bにネジ止めして固定し、室温で30分間放置した。次に、ボルト6を2本を締めた後、組立て治具20を取り外し、残りのボルト6をネジ止めしてPWB2を固定した。
【0061】
上記で説明した通りの実装構造及び実装方法を実施した結果、てQFP型IC1のリードフレーム13の変形はなく、ICの固定強度劣化の原因となるリードフレーム13の応力変形は発生しないことが分かった。ゲルシート3は0.4mmの潰れが発生してQFP型IC1とヒートシンク4両面とも良好な密着性が得られた。
【0062】
本実施例においてはチップ発熱0.5Wのものを用い筐体温度23℃においてQFP型IC1を駆動させて実験を行った。この状態でPKG温度を、温度補正を行ったK熱電対で測定した結果、PKG温度は23.5℃、筐体温度23℃であり良好な放熱性を実現したことが分かった。
【0063】
ゲルシート3の無いものと比較した実験においては、QFP型IC1を0.5Wで駆動させた時の発熱を調べた結果、ゲルシート3を使用しない場合、筐体温度23℃におけるQFP型IC1のPKG温度は24℃であり放熱性能を有する実装構造であることが分かる。
【0064】
更に、落下衝撃試験を行った結果、2000Gまで衝撃に耐える結果となった。さらに衝撃試験前後でゲルシート3の引き剥がし試験を行った結果、試験前の引き剥がし力は30Nで剥がれが発生し、衝撃試験後では引き剥がし力は向上し50Nとなり、衝撃後もゲルの剥がれが発生せず、外部応力によってさらに密着強度が向上し、衝撃後も良好な放熱性能確保できた。
【0065】
また同構造を有していても組立て治具20を使用せずに単にPWB2をヒートシンク4にネジ止めして取り付けた場合、QFP型IC1がPWB2から浮き上がるものが発生する場合があり、かつ2000Gの衝撃試験(PWB平面方向)を実施した結果、QFP型IC1のリードフレーム13の変形が発生し、ゲルシート3が剥がれる不具合が発生する場合があることが分かった。
【0066】
また、放熱用穴10の外周4隅のボルト6に、アルミニウム合金、ステンレスなどの金属を用いることにより、リードフレーム13からPWB2に伝達してきた熱を、PWB2全体に拡散する前にヒートシンク4に伝達させる効果が得られる。ボルト6を2本外し、残りのボルト2本でPWB2を固定した場合に室温24℃におけるIC温度は25℃となり、ボルトを金属とした場合の放熱効果が確認された。
【0067】
次に、本発明による第2の実施の形態による組立て治具を図7に示す。この第2の実施の形態による組立て治具20−1は、図2、図4、図5に示したQFP型IC1上部に蓋をする形状をしたキャップ型の治具20の中央部に開口部25を設けた構造としている。その他の構造については、第1の実施の形態による組立て治具20と同じである。
【0068】
このように、開口部25を設けた構造としたことにより、組立て治具20−1を取り付けたままの状態とした場合に、QFP型IC1の存在を容易に確認することができるようになる。
【0069】
図8には、本発明による第3の実施の形態による組立て治具を示す。この第3の実施の形態による組立て治具20−2は、図8に示すように、PWB2のスルーホール11間に延びる梁構造に形成されている。その両端のスルーホール11に対応する位置には、ボルト20aを通すスルーホール20dが設けられている。また、その断面形状は、図2に示した第1の実施の形態による組立て治具20と同じであり、そのPKG押圧面20cがQFP型IC1を押圧するように構成されている。
【0070】
この第3の実施の形態による組立て治具20−2によっても、第1の実施の形態と同様に良好なゲルシート3の押圧性能が得られる。
【0071】
図9に、第4の実施の形態による組立て治具を示す。この組立て治具20−3は、図9に示すように、QFP型IC1のPKG部9の対角線上の角部を押圧するブロック形状の治具2つ一組からなる。この組立て治具20−3は、図9及び図10に示すように、QFP型IC1のPKG部9の対角線上の角部を2つで別々に押圧する。
【0072】
この第4の実施の形態による組立て治具20−3によって押圧を実施したが、良好なゲルシート3の押圧性能を実現した。
【0073】
なお、上記の説明では、放熱用穴10全体の寸法が、QFP型IC1のパッケージ外形寸法よりも小さい構造について説明したが、図11に示すように、リードフレーム13が互いに対向する2辺側にのみ設けられるQFP型ICの場合、放熱用穴10の横又は縦の寸法Lh2をQFP型ICのリードフレーム13が設けられていない側の幅よりも大きくすることができる。これにより、より大きなゲルシート3を配置することができるようになり、良好な冷却効果が達成される。組立て治具については上記実施の形態に示したものをそのまま使用する。
【0074】
さらに、図12及び図13に示すように、放熱用穴10を多角形形状として、その全体の寸法をQFP型IC1のパッケージ外形寸法より部分的に大きくすることも可能である。この図12、図13の例では、QFP型IC1のPKG部9の四隅部分30がPWB2上に当接して固定される構造となっている。組立て治具については上記実施の形態に示したものをそのまま使用することができる。この例でも、放熱用穴10を大きくして、より大きなゲルシート3を配置することができるようになり、良好な冷却効果が達成される。
【0075】
また、図14に示すように、ヒートシンク4上面にゲルシート3位置決めのために、ゲルシート3とほぼ同じ形状の凹部4dを設けてもよい。実施例では、ゲルシート3とほぼ同じ形状の0.2mm深さの凹部4dを設けた結果、良好な位置決めが達成された。そして、この状態でIC駆動をさせて発熱温度を測定した結果、室温24℃の状態でICのPKG温度は24.5度、ケース温度24℃であり良好な放熱性を得ることができた。
【0076】
なお、上記の実施の形態では、放熱用穴10を四角形形状とした場合を示したが、その他の形状、例えば円形形状や三角形形状とすることも可能である。
【0077】
放熱用穴の形状を円形にしたPWB2を作成し振動衝撃試験前後で放熱試験を行った結果、振動衝撃試験前後でのQFP型IC1のPKG温度変化は無く、室温24℃におけるケース温度24℃、ICのPKG温度24.7℃であった。
【0078】
円形形状の放熱用穴は最大面積を確保することができないため、四角形形状と比較するとその放熱性は低いが、十分な放熱効果が得られることを確かめることができた。
【0079】
また、上記実施の形態では、PWB2と組立て治具20をボルト6と20aによってネジ止めする構造を示したが、ボルトだけでなくリベット等を使用して固定する構造としてもよい。また、組立て治具による固定については、ボルトを使用せずに、QFP型IC1のPKG部9を上からゲルシート3の反力が低減するまで所定時間だけ押し付けるようにしてもよい。
【0080】
以上好ましい実施の形態及び実施例をあげて本発明を説明したが、本発明は必ずしも上記実施の形態及び実施例に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内において様々に変形して実施することができる。
【0081】
【発明の効果】
本発明は、QFP型ICをリフローで基板に実装した後に、組立て治具を用いて押圧することにより、リードフレームが放熱用部材からの反力を受けることなく、ゲルシートをICとヒートシンクに密着させることができるため、設計上のリードフレームの強度を保持できる効果が得られる。
【0082】
その結果として、安定した生産が可能となり歩留まりが向上する。またリードフレームの設計上の強度が実装後も確保できるため、ICを基板に固定するための固定部材を使用する必要がなく、放熱性を確保しつつ薄型の耐振動・衝撃性を有するQFP実装が可能になる。
【0083】
基板の放熱用穴の外周四隅をヒートシンクにネジ止めすることによって、放熱用穴の4辺はヒートシンクに密着されるため、リードフレームがハンダ付けされている基板の共振は発生せず、その結果、放熱用穴周囲に位置しているQFP型ICのリードフレームが基板共振によって変形することを抑制できる効果が得られる。
【0084】
ICのPKG自体に基板固定ネジを有するQFP実装構造の場合、ICとICに接触しているPWB部のみが固定されて放熱用穴周囲のリードフレーム部は固定されないため、基板が共振し、その振動がリードフレームに伝播することによりリードフレームや、リードフレームハンダ付け部にストレスが発生し、その結果最終的にハンダ部のクラック、リードフレームの金属疲労によるクラック伸展が発生する不具合が生じていた。
【0085】
しかし、本発明によれば、QFP型ICのリードフレームの両端の基板部分をヒートシンクにネジ締めする構造であり、リードフレームがハンダ付けされている基板の部分はヒートシンクにネジで押圧される構造を有しているため、共振は発生せず、共振に伴うハンダ付け部のクラック伸展やリードフレームの金属疲労を抑制する効果を有する。
【0086】
また、放熱用穴の外周4隅のボルトに、アルミニウム合金、ステンレスなどの金属を用いることにより、リードフレームからPWB伝達してきた熱を、PWB全体に拡散する前にヒートシンクに伝達させる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施の形態によるQFP型ICの実装構造を示す断面図である。
【図2】 本発明の第1の実施の形態によるQFP型ICの実装構造に使用する組立て治具を示す断面図である。
【図3】 本発明の第1の実施の形態によるQFP型ICの実装構造における基板とICパッケージの構造を示す図である。
【図4】 本発明の第1の実施の形態によるQFP型ICを組立て治具により押圧した状態を示す平面図である。
【図5】 本発明の第1の実施の形態によるQFP型ICを組立て治具により押圧した状態を示す断面図である。
【図6】 本発明による基板を筐体に対して正確に位置決めするための構造を示す断面図である。
【図7】 本発明の第2の実施の形態によるQFP型ICの実装に用いる組立て治具の構造を示す平面図である。
【図8】 本発明の第3の実施の形態によるQFP型ICの実装に用いる組立て治具の構造を示す平面図である。
【図9】 本発明の第4の実施の形態によるQFP型ICの実装に用いる組立て治具の構造を示す断面図である。
【図10】 本発明の第4の実施の形態によるQFP型ICの実装に用いる組立て治具の構造を示す平面図である。
【図11】 放熱用穴の寸法がQFP型ICのパッケージ外形寸法よりも大きい構造の例を説明する図である。
【図12】 放熱用穴の寸法がQFP型ICのパッケージ外形寸法よりも大きい構造の他の例を説明する図である。
【図13】 放熱用穴の寸法がQFP型ICのパッケージ外形寸法よりも大きい構造の他の例の断面図である。
【図14】 ヒートシンクにゲルシートを位置決めするための凹部を設けた構造を示す断面図である。
【符号の説明】
1 QFP型IC
2 PWB
3 ゲルシート
4 ヒートシンク
4b タップ穴
4d 凹部
5 筐体
6 ボルト
9 PKG部
10 放熱用穴
11、20d、20e スルーホール
12 グランドピン
13 リードフレーム
14 グランドピン穴
20、20−1、20−2、20−3 組立て治具
Claims (15)
- QFP構造を有するICの実装構造において、
前記ICを実装する基板に放熱用穴を設け、前記放熱用穴に放熱ゲルシートを配し、前記放熱ゲルシートの上面を前記IC下面に密着し、前記放熱ゲルシートの下面を前記基板を固定する筐体に設けた凸状のヒートシンクに密着する構造を有し、
前記放熱用穴の任意の一辺の長さが、前記ICのパッケージの外形の一辺の長さより小さくなるように形成し、
前記基板の前記放熱用穴の周囲四隅に、前記ヒートシンクをネジ止めするボルトを通すスルーホールを設け、
前記基板を、前記スルーホールに通したボルトを用いて前記ヒートシンク四隅のタップ穴に固定する構造を有し、
前記ICのパッケージ下面で前記ゲルシートを押圧することで変形させ、前記ICのパッケージの少なくとも周囲の一部、あるいは前記ICのパッケージの少なくとも下面の一部を基板に当接させることで、前記ゲルシートとの密着性を保ちつつ、前記ICのリードフレームに応力が発生しない状態で、前記基板を前記筐体に固定し、
前記スルーホールを利用して、前記ICの上面を押圧する組立て治具によって実装し、
前記組立て治具の基部と前記ICのパッケージを押圧するパッケージ押圧面との間の距離を、前記パッケージの高さより小さくし、前記組立て治具によって前記ICのパッケージを押圧した際に、前記基部が前記基板を押圧せず、前記ICパッケージが前記ゲルシートを前記基板の厚みまで押圧して前記基板を押圧する構造としたことを特徴とするICの実装構造。 - 前記放熱用穴を、ICのパッケージ外形寸法よりも小さい方形状に形成したことを特徴とする請求項1に記載のICの実装構造。
- 前記筐体のヒートシンクの一辺の長さが、前記ICの一側面のリードフレームの先端から反対側面のリードフレームの先端までの長さより、大きくなるように形成したことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のICの実装構造。
- 前記組立て治具を、前記ICの上面を押圧した状態で取り付けたままの状態とする構造を有することを特徴とする請求項1から請求項3の何れか1項に記載のICの実装構造。
- 前記ヒートシンクの上面に、前記ゲルシートを位置決めする前記ゲルシートとほぼ同じ形状の凹部を設けたことを特徴とする請求項1から請求項4の何れか1項に記載のICの実装構造。
- 前記基板に設けた位置決め用の穴を、前記筐体に設けたグランドピンに差し込むことで、前記基板と前記筐体との位置決めを行う構造としたことを特徴とする請求項1から請求項5の何れか1項に記載のICの実装構造。
- QFP構造を有するICの実装方法において、
前記ICを実装する基板に設けた、任意の一辺の長さが前記ICのパッケージの外形の一辺の長さより小さくなるように形成した放熱用穴に放熱ゲルシートを配し、
前記放熱ゲルシートの上面を前記IC下面に、前記放熱ゲルシートの下面を前記基板を固定する筐体上の凸状のヒートシンクに密着させて前記基板を前記筐体に固定し、
前記基板を、前記放熱用穴の四隅周囲のスルーホールに通したボルトを用いて前記ヒートシンク四隅のタップ穴に固定し、
前記スルーホールを利用して、前記ICの上面を押圧する組立て治具によって実装し、
前記ICのパッケージ下面で前記ゲルシートを押圧することで前記基板の厚さまで変形させ、前記ICのパッケージの少なくとも周囲の一部、あるいは前記ICのパッケージの少なくとも下面の一部を基板に当接させることで、前記ゲルシートとの密着性を保ちつつ、前記ICのリードフレームに応力が発生しない状態で、前記基板を前記筐体に固定することを特徴とするICの実装方法。 - 前記ボルトを締め付けて前記ゲルシートを圧縮した状態で保持した後、前記ゲルシートの反力が緩和された後に、組立て治具を取り外し、あるいは、前記ゲルシートを圧縮した状態で保持したまま、組立て治具を取り付けたままの状態とすることを特徴とする請求項7に記載のICの実装方法。
- 前記基板に設けた位置決め用の穴を、前記筐体に設けたグランドピンに差し込むことで、前記基板と前記筐体との位置決めを行うことを特徴とする請求項7又は8に記載のICの実装方法。
- QFP構造を有するICの実装を行う組立て治具であって、
基板に設けた、任意の一辺の長さが前記ICのパッケージの外形の一辺の長さより小さくなるように形成した放熱用穴に放熱ゲルシートを配した状態で、前記ICのパッケージを前記基板を固定する筐体側に押圧し、
前記放熱ゲルシートの上面を前記IC下面に密着させ、前記放熱ゲルシートの下面を前記基板を固定する筐体上の凸状のヒートシンクに密着させる構造を備え、
前記ICのパッケージの上面を前記基板を固定する筐体側に押圧するパッケージ押圧面を有し、
前記基板を前記筐体に固定する固定手段を利用して前記パッケージ押圧面で前記ICのパッケージを押圧した状態を保持する構造を備え、
前記組立て治具の基部と前記ICのパッケージを押圧する前記パッケージ押圧面との間の距離を、前記パッケージの高さより小さくし、前記ICのパッケージを押圧した際に、前記基部が前記基板を押圧せず、前記ICパッケージが前記ゲルシートを前記基板の厚みまで押圧して前記基板を押圧する構成としたことを特徴とする組立て治具。 - 前記基板を、前記放熱用穴の四隅周囲のスルーホールに通したボルトを用いて前記ヒートシンク四隅のタップ穴に固定する構造において、
前記スルーホールとボルトを利用して、前記ICのパッケージを押圧することにより、前記ICのパッケージ下面で前記ゲルシートを押圧することで変形させ、前記ICのパッケージの周囲を前記基板に当接させることで、前記ゲルシートとの密着性を保ちつつ、前記ICのリードフレームに応力が発生しない状態で、前記ICのパッケージを前記基板に押圧することを特徴とする請求項10に記載の組立て治具。 - 前記ICのパッケージ上面の全体を覆って押圧する形状に形成されることを特徴とする請求項10又は請求項11に記載の組立て治具。
- 前記ICのパッケージ上面に位置する部分に開口部を設けたことを特徴とする請求項12に記載の組立て治具。
- 前記ICのパッケージの対角線上の角部分を押圧する2つの押圧部品からなることを特徴とする請求項10又は11に記載の組立て治具。
- 前記ICのパッケージの対角線上に延びる梁構造を有することを特徴とする請求項10又は11に記載の組立て治具。
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