JP6403741B2 - 表面実装型半導体パッケージ装置 - Google Patents

Description

この発明は、プリント基板に取り付けられる表面実装型半導体パッケージで発生する熱が冷却される表面実装型半導体パッケージ装置に関する。

プリント基板に表面実装される表面実装型半導体パッケージに冷却が必要である場合に、放熱材料、絶縁材料などの接続部材を介して表面実装型半導体パッケージとヒートシンクとが接続される。冷却構造を設計する上で表面実装型半導体パッケージにおける電極部と冷却部との位置関係が冷却性能に大きく影響する。

従来、表面実装型半導体パッケージにおける互いに対向した面に冷却部および電極部が配置され、プリント基板に電極部が実装され、冷却部が接続部材を介してヒートシンクに取り付けられる表面実装型半導体パッケージ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１−２２４９２１号公報

しかしながら、冷却部とヒートシンクとの間を絶縁する場合、冷却部とヒートシンクとの間に接続部材として絶縁部材を設置する必要がある。絶縁部材としては、絶縁性シート、絶縁性グリスなどが一般的である。絶縁部材として絶縁性シートを用いた場合、作業性を考慮すると厚さ方向の寸法が０．２ｍｍ以上の絶縁性シートが必要である。この場合、金属に比べて熱伝導率が大幅に低い絶縁部材の熱抵抗が大きいので、表面実装型半導体パッケージを冷却する冷却能力が乏しいという課題があった。また、絶縁性シートと冷却部との間の接触面には接触熱抵抗が生じるので、ねじ止めまたは押えばねなどを用いて表面実装型半導体パッケージを絶縁性シートに押し付けて、絶縁性シートを圧縮する必要がある。この場合、表面実装型半導体パッケージの絶縁性シートへの押付力の変化によって、表面実装型半導体パッケージに反力が加えられるので、電極部とプリント基板との間の電気的接続の信頼性が低下するという課題があった。また、絶縁部材として絶縁性グリスを用いた場合、表面実装型半導体パッケージをヒートシンクに実装する時に絶縁性グリスに気泡が入り込み、表面実装型半導体パッケージとヒートシンクとの間の絶縁を確保することが困難であるという課題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、表面実装型半導体パッケージとヒートシンクとの間の絶縁を確保し、表面実装型半導体パッケージを冷却する冷却能力を向上させ、電極部とプリント基板との間の電気的接続の信頼性を向上させことができる表面実装型半導体パッケージ装置を提供するものである。

この発明に係る表面実装型半導体パッケージ装置は、互いに対向した面に設けられた電極部および冷却部を有する表面実装型半導体パッケージと、電気部品が取り付けられるプリント基板と、ヒートシンクが接続される金属基材、電気部品が取り付けられる配線層および金属基材と配線層との間を絶縁する絶縁層を有する金属基板と、金属基板に設けられた支柱とを備え、プリント基板には、電極部が接続され、配線層には、冷却部が接続され、絶縁層に対する配線層の接触面積が配線層に対する冷却部の接続面積よりも大きく、プリント基板には、スルーホールが形成され、支柱は、スルーホールに挿入されており、支柱は、金属基材に取り付けられる。

この発明に係る表面実装型半導体パッケージ装置によれば、冷却部とヒートシンクとの間の絶縁に金属基板の絶縁層が用いられるので、絶縁部材として絶縁性グリスを用いた場合と比較して気泡による絶縁不良の心配がなく、表面実装型半導体パッケージとヒートシンクとの間の絶縁を確保することができる。また、絶縁部材として絶縁性シートを用いた場合と比較して接触熱抵抗を削減するために表面実装型半導体パッケージを絶縁性シートへ押し付ける必要がないので、電極部とプリント基板との間の電気的接続の信頼性を向上させることができる。また、絶縁層に対する配線層の接触面積が配線層に対する冷却部の接続面積よりも大きいので、表面実装型半導体パッケージに発生した熱が、金属に比べて熱伝導率が大幅に低い絶縁層に達する前に、配線層で熱拡散される。これにより、絶縁層における熱抵抗増加を抑止することができるので、表面実装型半導体パッケージを冷却する冷却性能を向上させることができる。

この発明の実施の形態１に係る表面実装型半導体パッケージ装置を示す断面図である。 図１の表面実装型半導体パッケージ装置の変形例を示す断面図である。 この発明の実施の形態２に係る表面実装型半導体パッケージ装置を示す断面図である。 図３の表面実装型半導体パッケージ装置の変形例を示す断面図である。 図３の表面実装型半導体パッケージ装置の変形例を示す断面図である。 図３の表面実装型半導体パッケージ装置の変形例を示す断面図である。 図３の表面実装型半導体パッケージ装置の変形例を示す断面図である。 図３の表面実装型半導体パッケージ装置の変形例を示す断面図である。 図３の表面実装型半導体パッケージ装置の変形例を示す断面図である。 図３の表面実装型半導体パッケージ装置の変形例を示す断面図である。 この発明の実施の形態３に係る表面実装型半導体パッケージ装置を示す断面図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る表面実装型半導体パッケージ装置を示す断面図である。実施の形態１に係る表面実装型半導体パッケージ装置は、互いに対向する面に設けられた電極部１および冷却部２を有する表面実装型半導体パッケージ３と、電極部１に設けられた第１接続部材４と、第１接続部材４を介して電極部１に接続されるプリント基板５と、冷却部２に設けられた第２接続部材６と、第２接続部材６を介して冷却部２に接続される金属基板７とを備えている。

図１では、表面実装型半導体パッケージ３は、複数の電極部１を有している。また、図１では、複数の電極部１の中の一部は、リード端子となっている。

金属基板７は、第２接続部材６に接続される配線層８と、金属基材９と、配線層８と金属基材９との間の絶縁を確保するための絶縁層１０とを有している。金属基板７は、配線層８、絶縁層１０、金属基材９の順に重ねられている。

また、表面実装型半導体パッケージ装置は、第３接続部材１１と、第３接続部材１１を介して金属基材９が接続されるヒートシンク１２とをさらに備えている。第３接続部材１１は、金属基材９とヒートシンク１２との間に挟まれている。

配線層８は、冷却部２の面積よりも金属基板７の面内方向に大きい面積を有している。言い換えれば、絶縁層１０に対する配線層８の接触面積は、配線層８に対する冷却部２の接触面積よりも大きくなっている。配線層８と金属基材９とは、絶縁層１０によって面外方向の絶縁が確保されている。金属基材９の面内方向の面積は、配線層８に対して大きくなっている。これにより、配線層８と金属基材９とは、面内方向の絶縁が確保されている。

第１接続部材４としては、例えば、半田などが用いられる。プリント基板５と電極部１とは、第１接続部材４を介して電気的接続が確保されている。

第２接続部材６としては、例えば、半田などが用いられる。金属基板７に表面実装型半導体パッケージ３を電気部品の一般的な実装工程であるリフロー工程などで半田付けして実装し、表面実装型半導体パッケージ３と金属基板７とが半田付けされたものを１つの電気部品とし、その後、プリント基板５に表面実装型半導体パッケージ３をリフロー工程などで半田付けして実装してもよい。なお、プリント基板５に実装された表面実装型半導体パッケージ３の冷却部２に熱伝導性の接着剤、硬化型グリスなどを塗布し、冷却部２に金属基板７の配線層８を接着することで実装してもよい。

ヒートシンク１２は、金属基板７の面内方向の面積について、金属基材９より大きい面積を有している。第３接続部材１１としては、例えば、放熱性グリス、低硬度シートなどが用いられる。第３接続部材１１を介して金属基材９がヒートシンク１２に取り付けられる。

このような構造によれば、表面実装型半導体パッケージ３内の半導体チップに発生した熱は、表面実装型半導体パッケージ３の冷却部２から半田などの第２接続部材６を介して配線層８に伝達される。配線層８に伝達された熱は、配線層８において熱拡散する。配線層８において熱拡散した熱は、金属基板７の絶縁層１０を介して金属基材９に伝達される。金属基材９に伝達された熱は、金属基材９において熱拡散する。金属基材９において熱拡散した熱は、放熱性グリスなどの第３接続部材１１を介してヒートシンク１２に放熱される。

以上説明したように、この発明の実施の形態１に係る表面実装型半導体パッケージ装置によれば、接触面積が小さいために熱流束が最も高い表面実装型半導体パッケージ３の冷却部２と金属基板７の配線層８との界面を、放熱性グリスなどと比較して熱伝導率が大幅に高い半田で接合されるため、熱抵抗を大幅に低減させることができる。また、金属と比較して熱伝導率が大幅に低い絶縁層１０に熱が伝達される前に配線層８において熱拡散され、かつ、金属と比較して熱伝導率が大幅に低い第３接続部材１１に熱が伝達される前に、金属基材９において熱拡散されるので、絶縁層１０および第３接続部材１１における熱抵抗を低減させることができる。その結果、表面実装型半導体パッケージ３を冷却する冷却性能を向上させることができる。また、絶縁性シートおよび絶縁性グリスを用いて表面実装型半導体パッケージ３とヒートシンク１２との間を絶縁する場合と比較して、絶縁層１０は薄膜で一定の厚みを確保することができるため、熱抵抗を安定させ、また、熱抵抗を低減させることが可能となる。また、冷却部２とヒートシンク１２との間の絶縁に金属基板７の絶縁層１０が用いられるので、絶縁部材として絶縁性グリスを用いた場合と比較して気泡による絶縁不良の心配がなく、表面実装型半導体パッケージ３とヒートシンク１２との間の絶縁を確保することができる。また、絶縁部材として絶縁性シートを用いた場合と比較して接触熱抵抗を削減するために表面実装型半導体パッケージ３を絶縁性シートへ押し付ける必要がないので、電極部１とプリント基板５との間の電気的接続の信頼性を向上させることができる。

なお、上記実施の形態１では、複数の電極部１の中の一部が、リード端子となっている構成について説明したが、これに限らず、図２に示すように、電極部１にリード端子が含まれない構成であってもよい。

実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２に係る表面実装型半導体パッケージ装置を示す断面図である。実施の形態２に係る表面実装型半導体パッケージ装置は、プリント基板５と金属基板７との接続構造のみが実施の形態１と異なる。そのため、実施の形態２では、異なる部分についてのみ説明し、他の部分については説明を省略する。

実施の形態２に係る表面実装型半導体パッケージ装置は、プリント基板５と金属基板７との間に設けられた少なくとも１つ以上の支柱１３をさらに備えている。プリント基板５と金属基板７との間の距離は、支柱１３の寸法によって制限されている。

支柱１３は、金属、樹脂などの材料から構成される。また、支柱１３は、板、ブロック、ピンなどの種々の形態を取ることができる。例えば、表面実装型半導体パッケージ３の金属基板７の面外方向の寸法が同程度の金属ブロックを、表面実装型半導体パッケージ３と同時に、金属基板７の配線層８にリフロー工程などで半田付けし、金属基板７に実装された表面実装型半導体パッケージ３および支柱１３の金属ブロックをプリント基板５にリフロー工程などで半田付けしてもよい。なお、金属基板７の配線層８に表面実装型半導体パッケージ３をリフロー工程などで半田付けし、金属基板７に実装された表面実装型半導体パッケージ３をプリント基板５に実装する際に、チップ半田を支柱１３としてプリント基板５に実装し、金属基板７の面外方向の寸法ばらつきが半田の溶融によって吸収できるようにしてもよい。

このような構成によれば、表面実装型半導体パッケージ３に対して、面内方向に面積が大きい金属基板７を実装する場合、例えば、第３接続部材１１に低硬度シートなどを使用すると金属基板７で低硬度シートを圧縮することで熱的な接続を確保するため、圧縮した低硬度シートの反力が金属基板７に加えられる可能性がある。また、例えば、第３接続部材１１に硬化型グリスなどを使用すると金属基板７が硬化型グリスを押しつぶしながら金属基材９とヒートシンク１２との間の隙間を埋めるため、硬化型グリスを押しつぶす際の反力が金属基板７に加えられる可能性がある。この反力を金属基板７が受けた際に、支柱１３があることで、表面実装型半導体パッケージ３に対して金属基板７が傾いて第１接続部材４、第２接続部材６を引きはがす方向に力が加えられることを防止することができる。

以上説明したように、この発明の実施の形態２に係る表面実装型半導体パッケージ装置によれば、プリント基板５と金属基板７とに接続される支柱１３を備え、支柱１３は、プリント基板５と配線層８の少なくとも一部とに接続されるので、プリント基板５と表面実装型半導体パッケージ３との間の接続の信頼性を向上させることができ、また、表面実装型半導体パッケージ３と配線層８との間の接続の信頼性を向上させることができる。

なお、上記実施の形態２では、一対の支柱１３の間に表面実装型半導体パッケージ３が配置される構成について説明したが、これに限らず、図４に示すように、１つの支柱１３が表面実装型半導体パッケージ３に隣り合うように配置される構成であってもよい。

また、上記実施の形態２では、支柱１３が第１接続部材４を介してプリント基板５に接続される構成について説明したが、これに限らず、図５に示すように、支柱１３が第１接続部材４を介さずにプリント基板５に接触されてもよい。

また、上記実施の形態２では、支柱１３が第２接続部材６を介して配線層８に接続される構成について説明したが、これに限らず、図６に示すように、支柱１３が第２接続部材６を介さずに配線層８に接触されてもよい。また、図７に示すように、支柱１３が絶縁層１０に接触されてもよい。また、図８に示すように、支柱１３は、金属基材９に取り付けられてもよい。

また、上記実施の形態２では、支柱１３が第１接続部材４を介してプリント基板５に接続される構成について説明したが、これに限らず、図９に示すように、金属基板７にピン形状の支柱１３を取り付け、プリント基板５にスルーホール１４を形成し、支柱１３をスルーホール１４に挿入することによって、プリント基板５と金属基板７との位置決めをし、その後、第４接続部材１５を用いて、支柱１３とプリント基板５とを固定してもよい。また、この場合、図１０に示すように、支柱１３は、金属基材９に取り付けられてもよい。

実施の形態３．
図１１はこの発明の実施の形態３に係る表面実装型半導体パッケージ装置を示す断面図である。実施の形態３に係る表面実装型半導体パッケージ装置は、プリント基板５と金属基板７との接続構造のみが実施の形態１、２と異なる。そのため、実施の形態３では、異なる部分についてのみ説明し、他の部分については説明を省略する。

実施の形態３に係る表面実装型半導体パッケージ装置は、プリント基板５と金属基板７との間に設けられた少なくとも１つ以上の支柱１３をさらに備えている。支柱１３は、電気部品から構成されている。プリント基板５と金属基板７との間の距離は、支柱１３の寸法によって制限されている。

支柱１３は、例えば、表面実装型半導体パッケージ３における金属基板７の面外方向の寸法が一般的な表面実装型電気部品と同等に短い場合、チップ抵抗、チップコンデンサなどの表面実装型電気部品で構成することが可能である。

以上説明したように、この発明の実施の形態３に係る表面実装型半導体パッケージ装置によれば、支柱１３が電気部品であるので、金属基板７の配線層８に表面実装型半導体パッケージ３の冷却部２をリフロー工程などで実装する際に同時に支柱１３としてチップ抵抗などの表面実装型電気部品を実装することで支柱１３を構成することができる。これにより、一般的な工程および一般的な流通部品を使用できるため、低コストで本構造を実現することができる。

また、プリント基板５、表面実装型半導体パッケージ３、金属基板７の配線層８および支柱１３の表面実装型電気部品を用いて電気回路を構成してもよい。支柱１３を電気回路の一部とすることで、本構造の実装エリアの実装密度を向上させることができる。これにより、基板全体の小型化を図ることができる。

以上、本発明の各実施の形態について順に説明したが、各部は、各実施の形態に係る表面実装型半導体パッケージ装置の一例を示したものであり、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

また、表面実装型半導体パッケージ３の冷却部２が電極部１と絶縁されている場合、金属基板７は銅板などの金属板で代用することができ、支柱１３についても銅板にろう付け、プレス加工、切削加工など種々の方法で構成することが可能である。

１ 電極部、２ 冷却部、３ 表面実装型半導体パッケージ、４ 第１接続部材、５ プリント基板、６ 第２接続部材、７ 金属基板、８ 配線層、９ 金属基材、１０ 絶縁層、１１ 第３接続部材、１２ ヒートシンク、１３ 支柱、１４ スルーホール、１５ 第４接続部材。

Claims (2)

1. 互いに対向した面に設けられた電極部および冷却部を有する表面実装型半導体パッケージと、
   電気部品が取り付けられるプリント基板と、
   ヒートシンクが接続される金属基材、電気部品が取り付けられる配線層および前記金属基材と前記配線層との間を絶縁する絶縁層を有する金属基板と、
   前記金属基板に設けられた支柱と
   を備え、
   前記プリント基板には、前記電極部が接続され、
   前記配線層には、前記冷却部が接続され、
   前記絶縁層に対する前記配線層の接触面積が前記配線層に対する前記冷却部の接続面積よりも大きく、
   前記プリント基板には、スルーホールが形成され、
   前記支柱は、前記スルーホールに挿入されており、
   前記支柱は、前記金属基材に取り付けられる表面実装型半導体パッケージ装置。
2. 互いに対向した面に設けられた電極部および冷却部を有する表面実装型半導体パッケージと、
   電気部品が取り付けられるプリント基板と、
   ヒートシンクが接続される金属基材、電気部品が取り付けられる配線層および前記金属基材と前記配線層との間を絶縁する絶縁層を有する金属基板と、
   前記プリント基板と前記金属基板との間に設けられた支柱と
   を備え、
   前記プリント基板には、前記電極部が接続され、
   前記配線層には、前記冷却部が接続され、
   前記絶縁層に対する前記配線層の接触面積が前記配線層に対する前記冷却部の接続面積よりも大きく、
   前記支柱は、前記金属基材に取り付けられる表面実装型半導体パッケージ装置。

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