JP5024009B2

JP5024009B2 - 電子回路の実装方法及び実装構造

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Publication number: JP5024009B2
Application number: JP2007317908A
Authority: JP
Inventors: 敬大川
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2007-12-10
Filing date: 2007-12-10
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2027-12-10
Also published as: JP2009141236A

Description

本発明は、電子回路の実装方法及び実装構造に関し、特に放熱素子を用いて電子部品により生じた熱を放熱する電子回路の実装方法及び実装構造に関する。

上記のような電子回路の実装技術としては、図10に示す従来例[1]が知られている。

従来例[1]：図10
図10に示す電子回路100においては、電子部品であるパワーモジュール1が、例えばハンダ等の導電体2を介してプリント基板3の一方の面に実装され、他方の面に放熱素子である放熱板4が実装される。また、プリント基板3には、一般に誘電体5を金属材料6でコーティングしたものが用いられ、金属材料6を通じてパワーモジュール1の動作に伴い発生した熱を伝導させるためのスルーホール7が形成される。

従って、パワーモジュール1の動作に伴い発生した熱は、導電体2及び金属材料6を通じて伝導され、放熱板4にて吸収(拡散)されることとなる。

実装工程においては、まず導電体2を融解してパワーモジュール1とプリント基板3とを接触させ、導電体2の凝固により、パワーモジュール1をプリント基板3上に接合する。この後、プリント基板3のパワーモジュール実装面とは反対側の面上に、放熱板4を接続する(例えば、特許文献1及び2参照。)。

しかしながら、上記の融解時にスルーホール7に流入した導電体(放熱板実装面に流出した導電体)2aが、図示の如くプリント基板3(金属材料6)と放熱板4との接触面積を低減させてしまうため、熱抵抗が劣化(すなわち、パワーモジュール1の放熱効率が低下)してしまうという問題があった。また、プリント基板3と放熱板4の間に生じた隙間は、パワーモジュール1の高周波特性をも劣化させる。

この問題に対処するため、図11に示す従来例[2]が既に提案されている。

従来例[2]：図11
図11に示す電子回路100は、図10と同様にパワーモジュール1と放熱板4とをプリント基板3に両面実装したものであるが、プリント基板3自体の製造工程が上記の従来例[1]とは異なる。

すなわち、プリント基板製造工程において、図10に示したスルーホール7に樹脂(又は導電体)8を予め充填した後、この樹脂8と誘電体5とを金属材料6でコーティングする。この場合、パワーモジュール1の接合時における導電体2のスルーホール7への流入(図10に示した流入導電体2aの発生)を防止することが可能となる。

なお、電子回路の実装技術としては、下記(1)及び(2)に示す参考例がある。

参考例(1)：図示せず
スルーホールの開口部を絶縁ガラスにて閉塞し、以て半導体ペレットの保護樹脂が該スルーホールに流入するのを防止する厚膜回路基板(例えば、特許文献3参照。)。

参考例(2)：図示せず
スルーホールの周縁に形成した金属薄膜と、該金属薄膜と同種の金属材料により形成した薄膜状の蓋体とで該スルーホールを閉塞し、以て該スルーホール内の気密性を向上させるマイクロリレー(例えば、特許文献4参照。)。
特開昭６４−７７９８９号公報特開２００４−８７５９４号公報特開昭６３−１３１５９４号公報特開２００５−２１６５４４号公報

上記の従来例[2]では、樹脂を充填した特殊なプリント基板を用い、放熱板実装面への導電体流出を防止しているが、このようなプリント基板の製造工程が、電子回路の実装コスト増加や製造遅延を引き起こしてしまうという課題があった。

すなわち、図12にプリント基板と放熱板との接触部分(図11の点線で囲った部分)を強調して示すように、プリント基板3の製造バラツキによって生じた金属材料6の凸部6aがプリント基板3と放熱板4との接触面積を低減させてしまい、上記の従来例[1]と同様にパワーモジュール1の放熱効率が低下する。また、製造される全てのプリント基板3において金属材料凸部6aの発生を無くして放熱板実装面の平面性を確保するためには、プリント基板製造工程を複雑化する必要があり、これが電子回路の実装コスト増加や製造遅延に繋がる。

また、上記の参考例(1)を利用した場合、電子部品の接合用導電体の流入を防止できるが、スルーホールを閉塞する絶縁ガラスの熱伝導率は一般的な導電体に比べてはるかに低いため、十分な放熱効果が得られない。

また、上記の参考例(2)を利用した場合には、スルーホールの周縁に形成した金属薄膜との接合時或いは電子部品との接合時に融解されることとなる金属蓋体が、やはり上記の従来例[1]と同様にスルーホールへ流入し、プリント基板と放熱板との接触面積が低減してしまう。

従って、本発明は、複雑な工程を必要とせずに電子部品の放熱効率を向上させることが可能な電子回路の実装方法及び実装構造を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る電子回路の実装方法は、基板に形成されたスルーホールの一方の開口部を実質的に固形の第１の導電体で閉塞する第１工程と、該基板と第２の導電体とを、該基板の厚み方向に該第１の導電体を覆うように接合する第２工程と、該スルーホールの他方の開口部を含む面上に放熱素子を接続する第３工程とを備え、該第２の導電体に電子部品を接合可能にしている。

また、本発明の一態様に係る電子回路の実装構造は、スルーホールが形成された基板と、該スルーホールの一方の開口部を閉塞する実質的に固形の第１の導電体と、該基板の厚み方向に該第１の導電体を覆うように該基板と接合した第２の導電体と、該スルーホールの他方の開口部を含む面上に接続した放熱素子とを備え、該第２の導電体に電子部品を接合可能にしている。

さらに、本発明の一態様に係る電子回路は、スルーホールが形成された基板と、該スルーホールの一方の開口部を閉塞する実質的に固形の第１の導電体と、該基板の厚み方向に該第１の導電体を覆うように該基板と接合した第２の導電体と、該スルーホールの他方の開口部を含む面上に接続した放熱素子と、該第２の導電体に接合した電子部品とを備えている。

本発明によれば、特殊なプリント基板を製造する等の複雑な工程を必要とせず、電子部品の接合用導電体がスルーホールへ流入するのを防止することができる。この場合、プリント基板と放熱素子との接触面積が十分に確保されるため、電子部品の放熱効率を向上させることが可能である。

また、一般的なプリント基板を用いて簡易に電子回路の実装を行うことができるため、実装コストの低減や製造効率の向上を図ることができる。

本発明に係る電子回路の実装方法及び実装構造の実施例を以下に説明する。本実施例における電子回路の実装工程は、大略、図1に示す実装工程[1]と、図2に示す実装工程[2]と、図3に示す実装工程[3]とから成る。

以下、これらの実装工程[1]〜[3]を順に説明する。

実装工程[1]：図1
図1に示すプリント基板3は、誘電体5を金属材料6でコーティングした一般的なものであり、図10と同様にスルーホール7が形成されている。

本工程においては、その径がスルーホール7の径より大きい球状のハンダボールや金バンプ等の導電体9を、図示の如く一方の開口部7aに載置する。ここで、導電体9の開口部7aへの載置は、図4〜図7を参照して後述する載置工程例(1)〜(4)のいずれかにより簡易に行うことができる。

これにより、導電体9が、開口部7aを閉塞し且つ金属材料6と接触することとなる。なお、図8及び図9を参照して後述するように、導電体9は必ずしも図1に示した形状である必要は無く、少なくとも開口部7aを閉塞できる形状を有していれば良い。

実装工程[2]：図2
上記の実装工程[1]の後、図2に示す如く導電体9より融点が低いハンダ等の導電体2を、導電体9の融点を超えない温度条件下で融解すると共に導電体9を覆うようにプリント基板3上に塗布する。

この時、導電体9は融解されないためスルーホール7へは流入しない。この後、導電体2が凝固すると、導電体2とプリント基板3とが接合されることとなる。

実装工程[3]：図3
上記の実装工程[2]の後、図3に示す如くスルーホール7の他方の開口部7bを含む面上に放熱板4を接続する。また、導電体2を再び融解してパワーモジュール1と接合する。

ここで、パワーモジュール1のプリント基板3への実装は、放熱板4の実装より先に行っても良い。また、放熱板4の実装は、上記の実装工程[1]における導電体9の載置より先に行っても良い。これらは、導電体2を融解しても導電体9がスルーホール7へ流入することがないためである。

このようにして実装された電子回路100においては、図示の如くプリント基板3の金属材料6と放熱板4とが隙間無く密着して接触面積が十分に確保される。また、導電体2及び9は、パワーモジュール1の動作に伴い発生した熱の伝導を何ら妨げない。このため、図10に示した回路と比較してパワーモジュール1の放熱効率が大幅に向上する。

また、導電体2及び9は、パワーモジュール1とプリント基板3との電気的接触(例えば、接地)も確保している。

以下、上記の実施工程(1)に示した導電体のスルーホール開口部への載置工程例(1)〜(4)を、図4〜図7を参照して説明する。

載置工程例(1)：図4
図3に示した電子回路100を製造する装置(図示せず)等が、図4に示す如くプリント基板3上に予め付けたマークMKに基づいてスルーホール7の開口部7aの位置座標を自律的に認識し、認識した座標に導電体9を載置する。

載置工程例(2)：図5
まず、図5(a)に示すように、複数の導電体9をプリント基板3上(スルーホール7の一方の開口部7a上)にランダムに配置する。この後、同図(b)に示すように他方の開口部7bから導電体9を吸引する(ステップS1)と共に、例えば、この吸引力より大きな風力で開口部7a側をブローして余分な導電体9をプリント基板3上から払い除ける(ステップS2)。

これにより、図示の如く開口部7aのみに導電体9が載置された状態となる。

載置工程例(3)：図6
図6(a)に示す如く導電体9が磁性を有する場合には、まず、図5(a)と同様にして複数の導電体9をプリント基板3上にランダムに配置する。この後、同図(b)に示すように、磁石等の磁性体13を用いてスルーホール7の開口部7bから磁力を与えて導電体9を引き付ける。なお、余分な導電体9については、上記の載置工程例(2)と同様にしてプリント基板3上から払い除ければ良い。

載置工程例(4)：図7
まず、図7に示すように、治具14に設けたスルーホール7の形成パターンに沿った窪みや穴等(図示せず)に導電体9を配置する。そして、同図に点線で示すように、治具14及びプリント基板3上に付けた共通の認識マークMKを重ね合わせ、以てスルーホール7の一方の開口部に導電体9を載置する。

また、下記の形状例(A)及び(B)に示すような導電体をスルーホールに載置した場合も、開口部を閉塞することができる。

導電体の形状例(A)：図8
図8に示す導電体10は、図3に示した導電体9と同様にパワーモジュール1の接合に用いる導電体2よりも融点が高い球状の導電体であるが、その径がスルーホール7の径とほぼ等しい。

この場合も、図示の如くスルーホール7に圧入された導電体10が、導電体9と同様にスルーホール7の一方の開口部を閉塞し且つ金属材料6と接触する。

導電体の形状例(B)：図9
図9に示す導電体11は、頭部11aと首部11bとで構成されるネジ型形状を有する導電体であり、図3に示した導電体9と同様、パワーモジュール1の接合に用いる導電体2よりも融点が高い。

この場合も、首部11bをスルーホール7に嵌合させることにより、頭部11aが、導電体9と同様にスルーホール7の一方の開口部を閉塞し且つ金属材料6と接触する。

このように、スルーホールを閉塞するための導電体は、電子部品の接合工程における接合用導電体の融解温度範囲内でスルーホールに流入しない実質的な固体であれば良く、例えば、粘性や弾性を有する部材(多少の変形を伴う部材)であっても良い。

なお、上記実施例によって本発明は限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づき、当業者によって種々の変更が可能なことは明らかである。例えば、図3においては放熱板4を用いたが、これに限らず放熱シートやヒートパイプ等のような種々の放熱素子を用いることができる。すなわち、放熱素子は、少なくともプリント基板を介して伝導された熱を拡散できるものであれば良い。

本発明に係る電子回路の実装方法及び実装構造の実施例における実装工程[1]を示したブロック図である。本発明に係る電子回路の実装方法及び実装構造の実施例における実装工程[2]を示したブロック図である。本発明に係る電子回路の実装方法及び実装構造の実施例における実装工程[3]を示したブロック図である。実装工程[1]における導電体の載置工程例(1)を示したブロック図である。実装工程[1]における導電体の載置工程例(2)を示したブロック図である。実装工程[1]における導電体の載置工程例(3)を示したブロック図である。実装工程[1]における導電体の載置工程例(4)を示したブロック図である。本発明に係る電子回路の実装方法及び実装構造の実施例に用いる導電体の形状例(A)を示したブロック図である。本発明に係る電子回路の実装方法及び実装構造の実施例に用いる導電体の形状例(B)を示したブロック図である。電子回路実装技術の従来例[1]を示したブロック図である。電子回路実装技術の従来例[2]を示したブロック図である。従来例[2]の課題を説明するためのブロック図である。

符号の説明

1 パワーモジュール
2, 9, 10 導電体
2a 流入導電体
3 プリント基板
4 放熱板
5 誘電体
6 金属材料
6a 金属材料凸部
7 スルーホール
8 樹脂
11 ネジ型導電体
11a 頭部
11b 首部
MK 認識マーク
図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

Claims

基板に形成されたスルーホールの一方の開口部を実質的に固形の第１の導電体で閉塞する第１工程と、
該基板と第２の導電体とを、該基板の厚み方向に該第１の導電体を覆うように接合する第２工程と、
該スルーホールの他方の開口部を含む面上に放熱素子を接続する第３工程と、を備え、
該第２の導電体に電子部品を接合可能にし、
該第１の導電体として、該他方の開口部を閉塞しない形状を有する導電体を用いる、
ことを特徴とする電子回路の実装方法。
請求項１において、
該第２工程が、該第１の導電体の融点より低い温度で該第２の導電体を融解して該基板に接合する工程を含むことを特徴とした電子回路の実装方法。
請求項１又は２において、
該第１工程が、該一方の開口部の位置を該基板上に付けた所定マークに基づき認識する工程と、該認識した位置に該第１の導電体を載置する工程とを含むことを特徴とした電子回路の実装方法。
請求項１又は２において、
該第１工程が、該他方の開口部から該第１の導電体を吸引して該一方の開口部に載置する工程を含むことを特徴とした電子回路の実装方法。
請求項１又は２において、
該第１の導電体が磁性を有し、
該第１工程が、該他方の開口部から該第１の導電体に磁力を与えて該一方の開口部に載置する工程を含むことを特徴とした電子回路の実装方法。
請求項１又は２において、
該第１工程が、該基板と、該スルーホールの形成パターンに沿って予め並べた該第１の導電体とを重ね合わせることにより、該第１の導電体を該一方の開口部に載置する工程を含むことを特徴とした電子回路の実装方法。
請求項１又は２において、
該第１工程が、該第１の導電体を該一方の開口部から圧入する工程を含むことを特徴とした電子回路の実装方法。
請求項１又は２において、
該第１の導電体がネジ型形状を有し、
該第１の導電体の首部の該基板の厚み方向における長さは、該基板の厚さよりも短く、
該第１工程が、該首部を該スルーホールに嵌合させることにより、該一方の開口部を該第１の導電体の頭部で閉塞する工程を含むことを特徴とした電子回路の実装方法。
スルーホールが形成された基板と、
該スルーホールの一方の開口部を閉塞し、該スルーホールの他方の開口部を閉塞しない実質的に固形の第１の導電体と、
該基板の厚み方向に該第１の導電体を覆うように該基板と接合した第２の導電体と、
該他方の開口部を含む面上に接続した放熱素子と、
を備え、該第２の導電体に電子部品を接合可能にしたことを特徴とする電子回路の実装構造。
請求項９において、
該第２の導電体の融点が、該第１の導電体の融点より低いことを特徴とした電子回路の実装構造。
スルーホールが形成された基板と、
該スルーホールの一方の開口部を閉塞し、該スルーホールの他方の開口部を閉塞しない実質的に固形の第１の導電体と、
該基板の厚み方向に該第１の導電体を覆うように該基板と接合した第２の導電体と、
該他方の開口部を含む面上に接続した放熱素子と、
該第２の導電体に接合した電子部品と、
を備えたことを特徴とする電子回路。