JP4913798B2 - 熱伝導体を具備するシステム及び組立てる方法 - Google Patents

熱伝導体を具備するシステム及び組立てる方法 Download PDF

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Description

本発明は、電子機器の組立てに関する。特に、本発明は、効率よく冷却するために高周波数電子素子を実装することに関する。特に、本発明は、熱を効率よく搬送すること及びマイクロ波機器におけるエアギャップを排除することに関する。
フランジ型パッケージの実装は当該技術において周知である。フランジ型パッケージは優れた熱処理能力を有するが、リフローはんだ付けの間に十分に位置合わせされないこと及びマイクロ波周波数における性能が一般に不十分であることも知られている。十分に自己整合されない理由は、はんだ/空気の周囲における表面張力に起因する復元作用が重力及び平坦性の欠如/非対称によって起こる整合ずれに対して小さいためである。実装の際のねじ締めの応力に耐えるために、フランジ型パッケージは堅牢でなければならないが、微細化及び高精度を有しつつ、妥当なコストでそのレベルの堅牢さを実現することは困難である。十分なマイクロ波性能を得るためには、自己整合、微細化及び高精度は非常に重要である。
多数の分離されたパッドを有するBGA(ボールグリッドアレイ)及びLGA(ランドグリッドアレイ)など、以下の説明において微細化パッケージと呼ばれる微細化されたパッケージは、当該技術において周知である。この種のパッケージの熱性能は、能動素子からパッケージの底部までの熱搬送に関しては許容レベルである。
当該技術においては、種々の回路基板も周知である。FR4(難燃度4)多層回路基板は周知の種類の回路基板を代表する一例である。FR4回路基板は、現在のほぼ全ての大容積電子製品において不可欠である。しかし、この回路基板は効率のよい冷却及び高い機械的精度には特に十分に適合していない。
硬質裏塗り基板は、効率のよい冷却及び高い機械的精度を実現するのに適する回路基板の一種を代表する基板であるが、FR4回路基板と比較して相当に価格が高い。
回路基板を通すことによる熱搬送以外の熱搬送を実現する別の周知の方法として、対流ヒートシンクを採用する方法がある。これは、回路パッケージに冷却フランジを装着するか又はファンによって強制的に対流を発生させることにより実現できる。
リフローはんだ付けは、回路基板に素子をはんだ付けする周知の方法の1つである。素子は回路基板上にはんだ付けされるが、回路基板は先にはんだ付けされた回路基板又は部品を含んでもよい。
米国特許第5019941号公報は、熱消散能力を向上させた電子構体を開示する。電気素子からの熱を伝導するために第1の金属伝導パッドを利用することにより、熱除去が実現される。第1のパッドは、接地面及びヒートシンクに至るめっきされた貫通孔を有する1つ以上の接地パッドに並置され、対流により接地パッドに熱結合される。
従来の技術は、回路の信頼性を低下せずに、回路パッケージが実装される基板から熱を伝達して除去するための効率のよい方法を明示していない。特に、従来の技術は回路基板を通る熱経路を特徴とする表面実装を実行し、基板と基板の底面側にあるヒートシンクとの間の空隙を排除又は縮小し、高周波数素子の実装のために低価格の基板を利用可能にするのに適する熱伝導体並びにその適用用途、例えば、マイクロ波への適用を明示していない。
高周波数電子機器の一般的な問題は、妥当なコストで高い機器信頼性を伴う優れた電気的性能を維持しつつ、良好な熱特性を実現することである。
フランジ型パッケージは、一般に、優れた熱特性を有する一方で、高周波数において(少なくとも、空洞部が形成された高価な硬質裏塗り基板と組合わせて使用されない限り)十分な電気的性能を示すことはない。
微細化パッケージは高周波数で十分な電気的性能を示すが、熱搬送に関して問題がある。
対流ヒートシンクは、一般に、所望のレベルの熱搬送を実現するためにファンを必要とする。
FR4回路基板は硬質裏塗り基板と比較してコストの面で有利であるが、熱特性に関しては、硬質裏塗り基板がFR4基板に優る。
従って、基板及び好ましくは実装されるパッケージに対して更なる必要条件を課すことなく、熱搬送及び適切な回路基板への実装を実現するための方法及び手段を効率よく提供することが必要とされる。
本発明の目的は、回路基板を介する熱搬送を増加することである。
別の目的は、回路の信頼性を低下させずに熱搬送を実行する手段を提供することである。
更に、本発明の目的は、電気素子にごく近接する位置でクランプ手段を必要とせずに、回路基板とヒートシンクとの間の空隙を排除又は縮小することである。
別の目的は、表面実装及びリフローはんだ付けに適する手段を提供することである。
更に別の目的は、自動実装に適する回路基板に沿って熱を伝導する手段を提供することである。
更に別の目的は、熱源からヒートシンクへの熱抵抗を経済的に減少することである。
更に、本発明の目的は、回路基板、熱伝導体及びヒートシンクを高い信頼性をもって組立てる方法を提供することである。
これらの目的は、表面実装組立てのための熱伝導体の方法及び手段により達成される。
以下に、添付の図面を参照して本発明の好適な実施形態を例として説明する。
背景で説明した通り、高周波数フランジ型パッケージが利用可能である。しかし、この種のパッケージは比較的高価であり、表面実装構体には適していない。更に、複数の空洞部を有するメタルバック基板を必要とするため、その分のコストが増加する。
微細化パッケージは、相対的に低い価格で、マイクロ波周波数において優れた性能を示すのに十分な微細化及び精度を有することができる。能動デバイスからパッケージの底部への熱搬送が許容しうるレベルにある場合でも、それらの素子が実装された基板を通る経路は、フランジ型パッケージと比較してはるかに高い抵抗を有する。更に、基板を通して熱を誘導する現在の方法は、横断面面積が限定されたビア(vias)に依存し、パッケージの下方にビア(vias)を配置することについても種々の制限がある。従来の技術による方法のもう1つの問題は、パッケージが実装された面とは反対側の基板の面へ熱が伝達されても、熱をヒートシンクへ搬送しなければならないことである。基板をヒートシンクに固定するとき、基板がヒートシンクにクランプされない限り、基板とヒートシンクとの間に空隙が形成されてしまうため、これは本質的な問題である。そのような空隙は望ましくない熱抵抗を発生する原因となる。
基板をヒートシンクにクランプするためにねじが使用される場合、ねじをパッケージにごく近接して配置すると、例えば、はんだ接合部の破損及び基板の湾曲を引き起こす危険があるなど、回路の信頼性を低下させることがと考えられるため、そのようなねじの配置は不可能である。
また、微細化パッケージの場合、一般に、パッケージを通る(基板を通ってヒートシンクの内部に至る)経路は、フランジ型パッケージの場合よりはるかに高い熱抵抗を有する。
従来の技術における問題を解決する方法として対流ヒートシンクを使用した場合の問題は、著しい改善を得るために強制対流が必要になるという点である。
FR4回路基板の問題は、特に、基板における熱伝導が限定されること及びヒートシンクへの熱伝導が限定されることに関する。
本発明によれば、微細化パッケージに熱経路が追加されることにより、所望の電気的特性を維持しつつ、従来の方法に対して熱特性が改善される。更に、本発明はFR4回路基板に適用可能であり、フランジ型パッケージが通常必要とする硬質裏塗り基板を必要としない。
図1及び図2は、本発明による一実施形態の側面図を示し、図3は、その平面図を示す。熱伝導体《CONDUCTOR》は、図1に示されるプロファイルに類似するプロファイルに成形され、はんだ付けに適する表面仕上げによってめっきされる。熱伝導体は、例えば、T&Rの中又はトレイの上で他の任意の素子として実装されるために提供されるのが好ましい。熱伝導体《CONDUCTOR》の両側には、ほぼ平坦な回路基板にはんだ付け《SOLDER》される脚部が形成される。熱伝導体は、図3に示されるように、回路基板上に置かれたときに、3つのはんだ付けポイントが回路基板と接触する状態となるように予め成形されるのが好ましい。3つのポイント又は脚部のみが回路基板と接触する状態であるため、回路基板又は熱伝導体がわずかに歪んだ場合でも、全てのポイント又は脚部が基板と接触できることが保証される。はんだ付けポイント又は脚部が4つ以上あると、この接触は保証できない。事前成形は、熱伝導体《CONDUCTOR》の中央のほぼ平坦な部分《C》と回路基板との間に狭い空隙が存在するように実行されるのが好ましい。1つ以上のねじによって熱伝導体、回路基板及びヒートシンクがクランプされたとき、この空隙は除去される。
図1を参照すると、本発明の好適な1つの態様によれば、成形された熱伝導体は冷却されるIC(集積回路)などの電気素子《IC》に近接してはんだ付けされる。熱伝導体は、電気素子《IC》に近接して回路基板《BOARD》にはんだ付け《SOLDER》される。成形熱伝導体及びICは回路基板《BOARD》に表面実装されるのが好ましい。熱伝導体の金属の量及びその熱伝導率は、熱の搬送を左右する要因である。また、別個の熱伝導体を使用することにより、本発明の機械的な堅牢性及び信頼性が得られる。熱伝導体は、熱伝導体の中央部分《C》が通常は数百μmの範囲の短い距離で離間されるように形成されるのが好ましい。
図2を参照すると、熱伝導体の形状と熱伝導体《CONDUCTOR》の両側に沿って熱伝導体がはんだ付けされる構成とによって、はんだ接合部に対する機械的応力は緩和され、はんだ接合部を破損することなく、熱伝導体《CONDUCTOR》の中央領域を回路基板《BOARD》に近接してクランプできる。少なくとも1つのはんだポイントによって、破断のない熱伝導経路《PATH》が形成される。更に、熱伝導体の重心に平坦な表面領域を設けるのが好ましく、それにより、例えば、真空ノズルによる自動実装が実行できる。
図3を参照すると、熱特性を本質的に維持しつつ機械的応力を更に減少するために、熱伝導体《CONDUCTOR》は翼形《WING》であるのが好ましい。熱伝導体が実装ねじにより基板に向かって押圧されるときの機械力を更に減少するために、熱伝導体には1つ以上のプロファイルを規定された領域又は湾曲された領域が存在していることが好ましい。1つ以上の領域は溝《GROOVE》から構成されるのが好ましく、図2に示されるように、例えば、実装穴《MOUNTING HOLE》を貫通するねじ、ボルト又は対応する部品《SCREW》が締付けられ、熱伝導体《CONDUCTOR》を回路基板《BOARD》に向かって押圧したときに、熱伝導体は溝に沿って容易に湾曲する。可撓性を最大限にするために、溝は平行な軸に沿って配列されるのが好ましい。機械力が緩和されることにより、はんだ付け中に回路基板が湾曲する危険は最小限に抑えられ、また、はんだ付け作業中及び作業後にはんだ接合部が破損する危険も最小限に抑えられる。更に、熱伝導体《CONDUCTOR》は、実装ねじ、ボルト又は対応する部品《SCREW》のために2つ以上の穴《MOUNTING HOLE》を有するのが好ましい。2つ以上のねじ、ボルト又は対応する部品によって熱伝導体を実装することにより、ねじを締付ける前に2つ以上のねじを実装でき、それにより、回路基板及び熱伝導体をヒートシンクに固定するときのねじれによる機械的応力及びはんだ接合部に対するせん断応力が緩和される。また、回路基板《BOARD》を通る複数の熱経路を使用することにより、熱抵抗は減少される。熱抵抗を更に減少するために、ねじ、ボルト又は対応する部品《SCREW》は、熱伝導率の高い金属から製造されることが好ましい。
ヒートシンクに固定されると、熱伝導体を貫通する実装ねじ、ボルト又は対応する部品《SCREW》は、図2に破線の矢印《PATH》により示されるように、ねじ頭《SCREW》の押圧側からヒートシンク《SINK》へ熱を搬送し、電気素子は冷却される。1つ以上のねじは、ねじ又は対応する部品により形成された抵抗の低い経路を形成する。基板材料がシンクへ熱を搬送する必要はない。図2に示されるように、ねじからのクランプ力によって、熱伝導体及びその実装ねじ《SCREW》の付近において、熱伝導体《CONDUCTOR》、回路基板《BOARD》及びヒートシンク《SINK》により形成される層の間に、性能を劣化させると考えられるエアギャップ《AIR−GAP》は全く存在しないか又は無視できる程度にしか存在せず、熱を搬送する主な要素は、ねじ、ボルト又は対応する部品からの応力である。
本発明の利点は、低い熱抵抗を実現するために、例えば熱パッド又は熱グリースなどから成る熱ギャップ充填材を必要としないことである。しかし、本発明は熱ギャップ充填材の使用を除外するものではない。熱グリースによる汚染によって、電気接触の劣化又ははんだの能力の低下を招く危険があること、空気を取り込む危険があること、熱グリース又は熱パッドを挿入する追加の処理工程が必要であるため余分に処理時間及び処理コストがかかること、並びに修理が必要になった場合に洗浄及び新たなグリースの塗布が必要なことなどの欠点がある。また、ギャップ充填材は熱抵抗を増加させ、高い実装精度が必要となる。
熱伝導体は、熱伝導率の高い変形自在又は可撓性の金属から製造されるのが好ましい。特に溝《GROOVE》及び延出部分/翼《WING》に沿って熱伝導体の変形が容易であることによって、図2に示されるように、ねじの装着中に熱伝導体の中央部分が基板に接近するように延出部分/翼《WING》を調整できる。
本発明は、ICなどの電気素子に特に適しており、集積回路の半導体ダイオードからパッケージの側部への十分な熱結合を可能にする。これは、例えば、両面にのみ信号パッドを有するLGAパッケージにより実現できる。
電気素子のリフロー自己整合とは無関係に、本発明による熱伝導体構造が電気素子の位置決めに及ぼす影響は、熱伝導体の翼部分及びパッケージに対応するパッドからのはんだが互いに接触しないように保証することにより排除される。これは、例えば、パッドを分離するはんだストッパのラインを配置することにより保証できる。これにより、最大限の熱伝導を得るために、連続する平坦な銅の面を使用することができる。
先に示唆した通り、本発明の利点の1つは、マイクロ波周波数範囲における電気的性能を劣化させずに、回路基板又ははんだ付け処理に新たな必要条件を課すことなく熱性能を改善できることである。
ヒートシンク《SINK》に実装する場合、先に述べたように、ねじの締付けに先立って、熱伝導体《CONDUCTOR》に1つ以上のねじ《SCREW》を差込むのが好ましい。
図4に概略的に示されるように、実装は2つ以上の工程で実行されるのが好ましい。好適な工程は、熱伝導体を回路基板にはんだ付けすること《S1》を含む。電気素子は、熱伝導体と同一のリフロー処理《S1》において実装されるのが好ましい。電気素子は、熱伝導体のはんだ付けの前又は後に、第2のリフロー処理においてもはんだ付け可能である。筐体/ヒートシンクへの回路基板の実装は1つの工程で実行されるのが好ましいが、明確にするために、図4には3つの別個の工程《S2》、《S3》、《S4》が示される。素子及び1つ以上の熱伝導体が実装された1つ以上の回路基板は、ヒートシンクの実装穴に対して位置決めされ、可能であれば、ヒートシンクが設置される筐体に対しても位置決めされる《S2》。実装ねじ又は対応する部品は本発明による各熱伝導体の1つ以上の穴に位置決めされ、可能であればゆるく締付けられる《S3》。熱伝導体と回路基板とヒートシンクとを固定するためにねじを締付ける《S4》前に、全ての実装ねじが位置決めされるのが好ましい。回路基板を筐体に実装するのとほぼ同時に、回路基板を筐体に保持するねじも締付けられる。
図5は、電子素子《e1》、《e2》及び素子《e1》及び《e2》の付近に先に説明したように位置決めされ、実装された熱伝導体《c1》、《c2》、《c3》を有する回路基板の一例を示す平面図である。図5には、1つの熱伝導体《c1》が電子素子《e1》からの熱を伝導するために配置され、1つ以上の熱伝導体《c2》、《c3》が電子素子《e2》からの熱を伝導するために配置された回路基板の例が示される。冷却を最大限にするために、各熱伝導体《c1》、《c2》、《c3》は、熱伝導体の好ましくは3つの脚部のうち2つの脚部が、主に冷却される電気素子《e1》、《e2》に面するように位置決めされる。1つ以上の熱伝導体がパッケージの周囲に配置される場合、熱抵抗は更に減少される。2つの脚部が基板にはんだ付けされると、2つの破断のない熱伝導経路が形成され、それにより、各熱伝導体に関連する熱抵抗はほぼ半減される。冷却を最大限にするために、図示される熱伝導体《c1》、《c2》、《c3》は、好ましくは2つ以上の方向に延出部分/翼部分を具備する。図示されるように、この例における各実装熱伝導体は2つのねじ《sc11》、《sc12》、《sc21》、《sc22》によって実装される。
図6は、熱伝導体《c1》、《c2》及び回路基板《B》がねじ、ボルト又は対応する部品《sc11》、《sc12》、《sc21》、《sc22》によりクランプされているヒートシンク《s》を含めて、図5に示される本発明による回路基板の一例を示す側面図である。
本特許出願においては、FR4、BGA、LGA及びICなどの頭字語が適用される。しかし、本発明はそれらの頭字語を有する実体を持つ機器に限定されず、それらに類似する性質を有するあらゆる機器に対して適用される。
本発明は、先に詳細に説明された実施形態にのみ限定されることを意図したものではない。本発明から逸脱せずに変更及び変形が実行されてもよい。本発明は、請求の範囲の範囲内の全ての変形を包含する。
図1は、本発明に従って回路基板にはんだ付けされた熱伝導体の一例を示す側面図である。 図2は、本発明に従って回路基板にクランプされた熱伝導体の一例を示す側面図である。 図3は、本発明による熱伝導体の一例を示す平面図である。 図4は、本発明に従った熱伝導体の一例の実装を概略的に示すフローチャートである。 図5は、本発明に従って電子素子及び熱伝導体が実装された回路基板の一例を上から見た図である。 図6は、本発明に従ってヒートシンクに結合された図5に示される例の回路基板を示す側面図である。

Claims (21)

  1. 回路基板と、1つ以上の電子素子と、熱伝導材料から成る熱伝導体とを具備するシステムであって、
    前記熱伝導体は、
    2つ以上の脚部と、
    前記2つ以上の脚部が延設されている中央平坦領域に形成された少なくとも1つの実装穴とを具備し、
    前記2つ以上の脚部は、それぞれの延設方向に沿って変形されるよう構成されており、
    前記回路基板は、
    前記電子素子が実装される位置の近傍に設けられ、前記熱伝導体の前記中央平坦領域の前記少なくとも1つの実装穴に対応する少なくとも1つの穴と、
    前記熱伝導体の前記中央平坦領域の前記少なくとも1つの実装穴及び前記回路基板の前記少なくとも1つの対応する穴を貫通する実装ねじ又はボルトとを具備し、
    前記2つ以上の脚部は、それぞれが前記回路基板に対してはんだ付けされており、
    前記実装ねじ又はボルトは、前記回路基板の前記熱伝導体とは反対の側でヒートシンクに固着され、これにより、前記電子素子が実装された位置の周辺領域において、前記2つ以上の脚部のうちの少なくとも1つの脚部が前記電子素子に対して近接するように位置決めされた前記熱伝導体と、前記回路基板とが前記ヒートシンクに向かってクランプされることを特徴とするシステム。
  2. 前記2つ以上の脚部は、それぞれが、延設方向と交差する方向に沿って形成された1つ以上の溝を具備することを特徴とする請求項1記載のシステム。
  3. 前記1つ以上の溝は、該溝を具備する脚部の延設方向に対して垂直な方向に形成されていることを特徴とする請求項2記載のシステム。
  4. 前記2つ以上の脚部のそれぞれが具備する溝が2つ以上であった場合、当該2つ以上の溝は互いに平行であることを特徴とする請求項2記載のシステム。
  5. 前記熱伝導体は、つ以上の、プロファイルが規定された領域又は湾曲した領域を有することを特徴とする請求項1記載のシステム。
  6. 前記2つ以上の脚部は、それぞれが、前記1つ以上の溝に沿って折り曲げられることを特徴とする請求項2記載のシステム。
  7. 前記2つ以上の脚部は、それぞれが、複数の溝に沿って折り曲げられることにより、それぞれの延設方向に沿って変形されることを特徴とする請求項2記載のシステム。
  8. 前記熱伝導体は3つ以下の脚部を具備することを特徴とする請求項1記載のシステム。
  9. 前記電子素子が実装された位置の周辺領域において、前記2つ以上の脚部のうちの少なくとも1つの脚部は、前記電子素子に対して近接するはんだポイントにおいて前記回路基板にはんだ付けされることを特徴とする請求項1記載のシステム。
  10. 前記熱伝導体の前記2つ以上の脚部は、前記中央平坦領域を形成する金属板から延出する金属延出部であることを特徴とする請求項1記載のシステム。
  11. 回路基板と、1つ以上の電子素子と、熱伝導材料から成り、延設された2つ以上の脚部をそれぞれに具備する1つ以上の熱伝導体とを具備するシステムを組立てる方法であって、
    1つ以上の熱伝導体を前記回路基板の上の前記電子素子が実装された位置の周辺領域において該1つ以上の熱伝導体の各々の前記2つ以上の脚部のうちの少なくとも1つの脚部が前記電子素子に対して近接するように位置決めする工程と、
    前記1つ以上の熱伝導体の各々の前記2つ以上の脚部を、それぞれの延設方向に沿って変形させ、前記回路基板にはんだ付けする工程と、
    1つ以上の、前記熱伝導体の中央平坦領域に設けられた穴と、前記回路基板の前記電子素子が実装された位置の近傍に設けられた穴と、前記回路基板の前記熱伝導体とは反対の側のヒートシンクに設けられた穴とを通して1つ以上のねじを位置決めしたうえで、ゆるく固定する工程と、
    前記1つ以上のねじを締付けることにより、前記少なくとも1つの脚部が前記電子素子に対して近接するように位置決めされた前記熱伝導体と前記回路基板と前記ヒートシンクとをクランプする工程と
    を具備することを特徴とする方法。
  12. 前記1つ以上の熱伝導体を位置決めする工程は、1つ以上の真空ノズルを使用して前記1つ以上の熱伝導体を位置決めする工程を含むことを特徴とする請求項11記載の方法。
  13. 前記1つ以上の熱伝導体と前記電子素子とがはんだを介して接触することがないよう、前記1つ以上の熱伝導体と前記電子素子とは、分離して実装されることを特徴とする請求項11記載の方法。
  14. 前記2つ以上の脚部は、それぞれが、延設方向と交差する方向に形成された1つ以上の溝に沿って折り曲げられることを特徴とする請求項11記載の方法。
  15. 前記2つ以上の脚部それぞれを、複数の溝に沿って折り曲げることにより、それぞれの延設方向に沿って変形させることを特徴とする請求項14記載の方法。
  16. 前記2つ以上の脚部は、それぞれが、延設方向と交差する方向に形成された複数の溝を具備することを特徴とする請求項11記載の方法。
  17. 前記2つ以上の脚部は、それぞれが、延設方向に対して垂直な方向に形成された1つ以上の溝に沿って折り曲げられることを特徴とする請求項11記載の方法。
  18. 前記2つ以上の脚部、それぞれが、互いに平行な2つ以上溝を具備することを特徴とする請求項11記載の方法。
  19. 前記熱伝導体は、前記2つ以上の脚部それぞれにおいて、前記回路基板にはんだ付けされることを特徴とする請求項11記載の方法。
  20. 前記電子素子が実装された位置の周辺領域において、前記2つ以上の脚部のうちの前記少なくとも1つの脚部は、前記電子素子に対して近接するはんだポイントにおいて前記回路基板にはんだ付けされることを特徴とする請求項11記載の方法。
  21. 前記1つ以上の熱伝導体を位置決めする工程は、ねじを締付ける前に、前記1つ以上の熱伝導体の各々に対して少なくとも2つの前記ねじを位置決めする工程を含むことを特徴とする請求項11記載の方法。
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