JP4742893B2

JP4742893B2 - 発熱デバイスの実装装置およびその放熱装置

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Publication number: JP4742893B2
Application number: JP2006027170A
Authority: JP
Inventors: 剛服部
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2006-02-03
Filing date: 2006-02-03
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2026-02-03
Also published as: JP2007208123A

Description

本発明は発熱デバイスの実装装置およびその放熱装置に関し、特に通信機器の出力増幅器のパワートランジスタ等を含む表面実装型半導体デバイス（発熱デバイス）をプリント基板に実装する実装装置およびその放熱装置に関する。

半導体集積回路（ＩＣデバイス）の技術が製造技術の進歩により、ＩＣデバイスの集積度は益々増加している。また、移動体通信装置を含む無線通信装置等には、多数に基地局を設け、移動体端末との間で無線信号の送受信を行う無線通信装置には、比較的大電力のパワー（電力増幅）トランジスタを含む増幅器が内蔵されている。斯かるＩＣデバイスやパワートランジスタを使用する電子機器は、急速に小型高性能化している。

斯かるＩＣデバイスやパワートランジスタ等の発熱デバイスを電子機器に実装するには、多層プリント基板を使用するのが一般的である。即ち、多層プリント基板の一面にＩＣデバイスを配置し、ＩＣデバイスの端子をこのプリント基板に一面に形成されたパッドに周知のリフロー技法により半田接続される。

斯かる発熱デバイスを動作させると、不可避的に発熱を伴う。特に集積度が高く且つ高速（又は高周波）で動作するＩＣデバイスや通信機器用増幅器のパワートランジスタは大きな発熱を伴う発熱デバイスである。斯かる発熱デバイスを多層プリント基板に実装して、長期間にわたり安定的に動作させるには、その動作温度を一定値以内に抑えることが不可欠である。そこで、斯かる発熱デバイスの動作温度を抑えてプリント基板へ実装する種々の実装技法又はデバイス実装装置が提案されている。

発熱デバイスである表面実装デバイスの放熱パスをプリント基板側に設け、即ち発熱デバイスをプリント基板の一面に配置し、プリント基板の反対面に設けた放熱器へ発熱デバイスの熱を熱伝導させて放熱する従来の発熱デバイスの実装装置が提案されている（例えば、特許文献１、２および３参照。）。

上記の特許文献１は、発熱デバイスに一体形成されたヒートシンクをプリント基板の一面のヒートシンク接続ランドに接触させて配置し、発熱デバイスの発熱を、プリント基板の一面から他面にかけて形成された複数のサーマルビアを介してプリント基板の他面の銅箔層（熱伝導層）へ熱伝導して放熱する電子装置を開示している。特許文献２では、発熱体である半導体を薄膜状接着層で基板の一面に接着し、半導体の発熱を基板の複数のサーマルビアを介して基板の他面には薄膜状接着剤で接着した放熱フィンへ伝導して放熱する半導体放熱構造を開示している。また、特許文献３は、プリント基板の一面の実装面に接着剤でＩＣを接着し、プリント基板の他面に放熱部を設け、プリント基板の実装面から放熱部にかけて形成された複数のスルーホールを介してＩＣの発熱を伝導して放熱する印刷配線板（プリント基板）を開示している。

特開２００３−２７３２９７号公報（第３頁、第１図）特開平５−８２６８６号公報（第２頁、第１図）特開平５−１６０５２７号公報（第３頁、第１図、第３図）

次に、図２は、従来の発熱デバイス用放熱構造の１例の断面図である。この発熱デバイス用放熱構造は、プリント基板１４、その上面に実装される発熱デバイスであるチップ１２およびパドル（スプレッター）１３を有する表面実装デバイス１１、プリント基板１４の下面に密着配置される放熱器１７を備えている。プリント基板１４には、その上面から下面にかけて形成された複数のサーマルビア１５を有する。そして、表面実装デバイス１１のチップ１２で発熱した熱量Ｑは、パドル１３へ熱伝導され、更にプリント基板１４の複数のサーマルビア１５を介して放熱器１７へ熱伝導されて放熱される。これにより、表面実装デバイス１１、特にチップ１２の温度を、そのチップ１２の安定動作に必要な所定値以下に抑える。

ここで、サーマルビア１７とは、銅めっき１６を有するビア（開口又は透孔）であり、プリント基板１４の厚さ方向（一面から他面方向）の熱伝導率を上げるために設けられている。サーマルビア１７の形状は、一般にスルーホールであるが、図２に示すサーマルビア１７では放熱能力が不十分な場合がある。このような場合は、図３に示す如く、表面実装デバイス１ａやパドル３ａの面積より広いエリアのサーマルビア５ａおよびプリント基板４ａの内層に多数の銅箔１０aを設けて横（又は広がり）方向へ熱伝導することにより、サーマルビア５ａ部の熱抵抗値を下げることが可能である。

次に、図４は、表面実装デバイス２１のパドル（スプレッダー）２３の外周部にサーマルビア２５ｂを有する放熱構造の１例の断面図である。表面実装デバイス２１のパドル２３の下には、このパドル２３の内側のサーマルビア２５ａと、外周部のサーマルビア２５ｂを有しており、内側のサーマルビア２５ａのみならず外周部のサーマルビア２５ｂからも、熱伝導する構造である。即ち、表面実装デバイス２１のパドル２３は、銅箔２０に塗布されたクリーム半田（図示せず）により、リフロー時に半田付けされる。そして、表面実装デバイス２１の発熱は、パドル２３、銅箔２０および複数のサーマルビア２５の上端から下端へ熱伝導され、ここに配置される放熱器（図示せず）に熱伝導されて放熱される。即ち、図４に示す放熱構造により、表面実装デバイス２１のチップの発熱は、複数のサーマルビア２５が協働して効率的に放熱可能である。

しかし、図４に示す放熱構造によると、表面実装デバイス２１のパドル２３は、プリント基板２４の上面の銅箔２０にリフロー半田付けされる際に、サーマルビア２５から半田が漏れることがある。即ち、図４に示す表面実装デバイスの放熱構造では、図５に示す如く、プリント基板３４の上面の破線で示す表面実装デバイス３１が配置される位置等に所定量のクリーム半田（図示せず）が予め塗布されており、リフロー半田付け時の加熱により、このクリーム半田が溶融し、サーマルビア３５の上端から下端へ向けて半田３８が流れ、その一部がプリント基板３４の下面から突出する、所謂半田漏れが生じる。この半田漏れが生じた場合には、プリント基板３４の下面に配置される放熱器（図５には図示せず）とプリント基板３４が密着できず、接触抵抗が大きくなるので放熱特性が著しく低下することとなる。

上述した半田漏れの対策として、図６に示す如く、プリント基板４４の上面に配置される表面実装デバイス４1の反対面（下面）にテーピング４９がなされている。このテーピング４９により、サーマルビア４５を介してプリント基板４４の上面から下面に向けて流れる半田４８が、図５に示す如くプリント基板の下面から突出する、半田漏れを効果的に防止可能である。しかし、このテーピング技法により、テープの貼付工数およびテープの剥がし工数が発生し、製造コストを上昇させるという別の課題を生じる。

本発明は、上述した従来技術の課題に鑑みなされたものであり、斯かる課題を克服又は軽減する、即ち簡単な構成で良好な放熱特性を有する発熱デバイスの実装装置およびその放熱装置を提供することを目的とする。

前述の課題を解決するため本発明による発熱デバイスの実装装置およびその放熱装置は次のような特徴的な構成を採用している。

（１）一面から反対面へ貫通する複数のサーマルビアが形成されたプリント基板の前記一面にリフロー半田付けされた発熱デバイスと、前記プリント基板の前記反対面に接触して配置された放熱装置とを備え、
前記発熱デバイスの発熱が、前記サーマルビアを介して前記放熱装置に放熱される発熱デバイスの実装装置において、
前記放熱装置の前記プリント基板への接触面の前記複数のサーマルビアの少なくとも一部の形成領域内に、前記リフロー半田付け時に前記サーマルビアを介して前記プリント基板の前記反対面から突出し得る半田漏れを逃がす凹部が設けられている発熱デバイスの実装装置。
（２）前記発熱デバイスはチップを実装したパドルが露出した構造であり、前記パドルが前記プリント基板の前記一面にリフロー半田付けされたものであり、
前記放熱装置の前記凹部は、少なくとも前記パドルの実装領域を含む領域に形成されている上記（１）の発熱デバイスの実装装置。
（３）前記放熱装置の前記凹部の面積は、前記接触面の面積の２０％以下である上記（１）又は（２）の発熱デバイスの実装装置。
（４）前記プリント基板内には、前記サーマルビアの内壁に形成されためっき層に連結された複数の銅箔が横方向に形成されている上記（１）、（２）又は（３）の発熱デバイスの実装装置。
（５）前記発熱デバイスは、通信機器の増幅器用パワートランジスタを含む上記（１）乃至（４）の何れかの発熱デバイスの実装装置。
（６）チップを実装したパドルが露出した構造を有する発熱デバイスが前記パドルのリフロー半田付けにより表面実装されるプリント基板の反対面に接触して配置され、前記発熱デバイスの発熱を前記パドルおよび前記プリント基板内に形成された複数のサーマルビアを介して放熱する放熱装置において、
前記プリント基板への接触面の少なくとも前記パドルの実装領域を含む領域に、周囲の平坦な接触面に対して凹んだ凹部が形成されている放熱装置。
（７）前記凹部の面積は、前記接触面の面積に対して２０％以下である上記（６）の放熱装置。
（８）前記凹部の深さは、前記発熱デバイスの前記リフロー半田付け時に前記サーマルビアを介して前記プリント基板の前記反対面から突出しする半田漏れ寸法より大きい値であることを特徴とする上記（６）又は（７）の放熱装置。

本発明による発熱デバイスの実装装置およびその放熱装置によると、次の如き、実用上の顕著な効果を有する。即ち、プリント基板の発熱デバイス実装面の反対面とそこに配置される放熱装置のプリント基板接触面を密接することが可能であるので、良好な放熱特性が得られる。その理由は、放熱装置のプリント基板との接触面のパドルの下方に浅い凹部を形成して半田漏れを逃げることが可能であるからである。また、放熱装置のプリント基板接触面に半田漏れ逃げ用の凹部を予め形成するのみであるので、簡単且つ安価に実現可能である。その理由は、従来必要であった半田漏れ逃げ用のテーピングを行う必要がないためである。

以下、本発明による発熱デバイスの実装装置およびその放熱装置の好適実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。

先ず、図1は、本発明による発熱デバイスの実装装置の好適実施の形態を示す断面図である。この発熱デバイスの実装装置５０は、パワートランジスタや半導体集積回路（ＩＣ）等の表面実装デバイス（以下、発熱デバイスという）６０をプリント基板７０の一面に表面実装して、この発熱デバイスの温度を所定値以下に抑えつつ、他の能動および受動回路素子と共に安定的な動作を保証する電気機器等の電子回路（エレクトロニクス部）を構成する装置である。

この発熱デバイスの実装装置５０は、発熱デバイス６０、プリント基板７０および放熱装置８０により構成される。発熱デバイス６０は、例えば一般的なパッケージされたＩＣと同様に、シリコン基板等に周知の技法で集積形成された多数の半導体素子を含むチップ６１、このチップ６１と密着配置されるパドル（スプレッター）６２およびチップ６１の端子に接続された複数のリード端子６３を有し、全体をエポキシ樹脂等により覆って矩形、円形その他の所定形状にパッケージ化されたものである。

プリント基板７０は、好ましくは多層基板であり、一面（第１主面又は上面）７１、他面（第２主面）７２およびこれら両面７１、７２間に複数のパターン化された良導電性材料である銅等の導電層（図示せず）が形成されている。更に、このプリント基板７０には、少なくともその発熱デバイス６０を搭載する位置に、一面７１および他面７２間に連通する複数のサーマルビア７３が高密度で形成されている。そして、各サーマルビア７３には、内壁に銅めっき層７４が形成されると共に横方向に多数の銅箔７５が形成され、良好な熱伝導特性を得るようにしている。

また、本発明による放熱装置８０は、例えばアルミニウム等の良熱伝導特性を有する材料で形成され且つ発熱デバイス６０の発熱を所定値以下に抑えるために必要な熱容量を得るため十分な体積を有する。即ち、この放熱装置８０は、一般に発熱デバイス６０よりも十分大きい面積および厚さを有する。そして、この放熱装置８０の中心位置は、発熱デバイス６０のパドル６２の中心位置と実質的に位置合わせしてプリント基板７０の下に配置されている。

放熱装置８０は、プリント基板７０の発熱デバイス６０の実装面（上面）７１と反対面（下面）７２に密接するプリント基板との接触面（上面又は第１面）８１および反対面（下面又は第２面）８２を有する。図示する放熱装置８０の好適実施の形態では、放熱装置８０のプリント基板との接触面８１の中央部に、発熱デバイス６０のパドル６２より僅かに大きい寸法の凹部８３が形成されている。この凹部８３は、サーマルビア７３を介して突出する半田漏れ７８を逃がす、「半田漏れ逃げ」としての機能を有する。従って、この凹部８３の深さは、サーマルビア７３を介してプリント基板７０の下面７２から突出又は垂下する半田漏れ７８の寸法以上に選定されている。

次に、図１を参照して、本発明による発熱デバイスの実装装置５０およびそれに使用される放熱装置８０の好適実施の形態の動作又は作用について詳細に説明する。

図１中には図示しないが、プリント基板７０の発熱デバイス実装面（上面）７１には、発熱デバイス６０を半田接続（又はリフロー接続）するための所定の導電パターンが形成されている。そして、発熱デバイス６０の複数のリード端子６３の先端部および発熱デバイス６０のパドル６２に対応する位置には、半田付けするためのパッドが予め形成されている。更に、上述の如く、プリント基板７０の発熱デバイス６０を実装する実装位置には、多数のサーマルビア７３が予め形成されている。

発熱デバイス６０をプリント基板７０に実装するには、リフロー半田接続する。上述したプリント基板７０の発熱デバイス実装面（上面）７１の導電パターンのリフロー半田接続する位置には、所定量のクリーム半田（半田粒子とフラックス等の混合物）を予め塗布している（また、半田付けしない部分には、必要に応じて半田レジストを塗布する）。

次に、クリーム半田が塗布されたパッドと位置合わせして、発熱デバイス６０をプリント基板７０の発熱デバイス実装面７１に配置する。そして、半田クリームの融点以上の温度に加熱する（又は赤外線等の熱線を照射する）ことにより、クリーム半田を溶融して、発熱デバイス６０のリード端子６３およびパドル６２とこれらに対応する上述した接続パッド間をリフロー半田接続する。尚、プリント基板７０に形成される電子回路を構成する他の回路素子も同時にリフロー半田接続してもよいこと勿論である。

ここで、上述したリフロー半田接続時に、溶融した半田は、発熱デバイス６０のパドル６２の下方の複数のサーマルビア７３に等しく分割されて流れ落ちるとは限らない。複数のサーマルビア７３のうち特定のサーマルビアから特に多くの半田７８が集中して、図１に示す如く、プリント基板７０の下面７２から突出する、所謂半田漏れが生じることもあり得る。

しかし、本発明による放熱装置８０を使用する発熱デバイスの実装装置５０によると、放熱装置８０のプリント基板との接触面８１には、凹部８３が形成され、上述した半田漏れ７８を回避する半田漏れ逃げを提供する。この特徴的な構成により、発熱デバイス６０のパドル６２の下部において例え半田漏れ７８が生じても、放熱装置８０の上面８１のうち凹部８３を除く全面はプリント基板７０の下面（放熱装置接触面）７２と密着する。

そこで、上述の如く構成された発熱デバイスの実装装置５０によると、この発熱デバイス６０を含む電子回路を動作させるとき発生する熱量Ｑの一部は、矢印Ｐ１に示す如く、チップ６１からパドル６２、その直下のサーマルビア７３、凹部８３を形成する短い空間および放熱装置８０を介して直接放熱されると共に残りの部分は、矢印Ｐ２およびＰ３に示す如くパドル６２からサーマルビア７３の内壁の銅めっき層７４および複数のフィン状の銅箔７５を介して側方（横方向）へ移動して、パドル６２の真下のサーマルビア以外のサーマルビア７３、プリント基板７０の下面７２およびそれに密接する放熱装置８０のプリント基板接触面である上面８１を介して放熱装置８０へ熱伝導されて放熱される。

上述の如く、本発明による発熱デバイスの実装装置５０およびそれに使用する放熱装置８０によると、リフロー半田接続時に、サーマルビア７３の中空内部から半田漏れ７８が生じ、プリント基板７０の下面７２から突起しても、放熱装置８０に、半田漏れ７８の突起量より深い半田漏れ逃げ用の凹部８３を設けているので、半田漏れ７８を避けて、放熱装置８０の（凹部８３を除く）上面８１をプリント基板７０の下面７２に確実に接触、即ち密着できる。

ここで、半田漏れ逃げ用の凹部８３の表面積は、放熱装置８０の上面８１の面積（即ち、サーマルビア７３が形成されたエリア）との比率が約２０％以下であれば、半田漏れ逃げ用凹部８３の有無により、放熱装置８０とプリント基板７０の接触抵抗、換言すると放熱特性が大きく影響を受けることはないことが実験の結果確認された。

以上、本発明による発熱デバイスの実装装置およびそれに使用する放熱装置の好適実施の形態について詳述した。しかし、斯かる実施の形態は、本発明の単なる例示に過ぎず、何ら本発明を限定するものではないことに留意されたい。本発明の要旨を逸脱することなく、特定用途に応じて種々の変形変更が可能であること、当業者には容易に理解できよう。また、本発明の発熱デバイスの実装装置およびそれに使用する放熱装置は、特に大きい出力電力を有するトランジスタ等を使用する無線通信装置の出力増幅部に好適であるが、その他の用途にも適用可能であること勿論である。

本発明による発熱デバイスの実装装置の好適実施の形態を示す断面図である。一般的な従来の表面実装デバイスの放熱構造の一例を示す断面図である。図２に示す放熱構造の放熱特性を改善する従来の表面実装デバイスの放熱構造を示す断面図である。外周部のサーマルビアを有する従来の表面実装デバイスの放熱構造の他の従来例を示す断面図である。図４に示す従来例においてリフロー半田接続時の半田漏れを説明するプリント基板の断面図である。図５に示すリフロー時の半田漏れ対策の１例を説明する断面図である。

符号の説明

５０発熱デバイスの実装装置
６０発熱デバイス（表面実装デバイス）
６１チップ
６２パドル
７０プリント基板
７３サーマルビア
７８半田漏れ
８０放熱装置
８３凹部（半田漏れ逃げ）

Claims

一面から反対面へ貫通する複数のサーマルビアが形成されたプリント基板の前記一面にリフロー半田付けされた発熱デバイスと、前記プリント基板の前記反対面に接触して配置された放熱装置とを備え、
前記発熱デバイスの発熱が、前記サーマルビアを介して前記放熱装置に放熱される発熱デバイスの実装装置において、
前記放熱装置の前記プリント基板への接触面の前記複数のサーマルビアの少なくとも一部の形成領域内に、前記リフロー半田付け時に前記サーマルビアを介して前記プリント基板の前記反対面から突出し得る半田漏れを逃がす凹部が設けられていることを特徴とする発熱デバイスの実装装置。
前記発熱デバイスはチップを実装したパドルが露出した構造であり、前記パドルが前記プリント基板の前記一面にリフロー半田付けされたものであり、
前記放熱装置の前記凹部は、少なくとも前記パドルの実装領域を含む領域に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発熱デバイスの実装装置。
前記放熱装置の前記凹部の面積は、前記接触面の面積の２０％以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の発熱デバイスの実装装置。
前記プリント基板内には、前記サーマルビアの内壁に形成されためっき層に連結された複数の銅箔が横方向に形成されていることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の発熱デバイスの実装装置。
前記発熱デバイスは、通信機器の増幅器用パワートランジスタを含むことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の発熱デバイスの実装装置。
チップを実装したパドルが露出した構造を有する発熱デバイスが前記パドルのリフロー半田付けにより表面実装されるプリント基板の反対面に接触して配置され、前記発熱デバイスの発熱を前記パドルおよび前記プリント基板内に形成された複数のサーマルビアを介して放熱する放熱装置において、
前記プリント基板への接触面の少なくとも前記パドルの実装領域を含む領域に、周囲の平坦な接触面に対して凹んだ凹部が形成されていることを特徴とする放熱装置。
前記凹部の面積は、前記接触面の面積に対して２０％以下であることを特徴とする請求項６に記載の放熱装置。
前記凹部の深さは、前記発熱デバイスの前記リフロー半田付け時に前記サーマルビアを介して前記プリント基板の前記反対面から突出しする半田漏れ寸法より大きい値であることを特徴とする請求項６又は７に記載の放熱装置。