JP6686467B2 - 電子部品放熱構造 - Google Patents

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本発明は、電子部品放熱構造に関する。
周知のように、パワートランジスタ等の発熱部品を回路として実装する場合、ヒートシンク等の放熱部材をグリースやシート、また接着剤などの熱接合材(TIM:Thermal Interface Material)を介して発熱部品に接続し、発熱部品から発生する熱をグリースやシート、また熱接合材を介して放熱部材に伝熱させて放熱している。例えば下記特許文献1には、上記熱接合材を用いて電子部品の熱をヒートシンクに伝熱する液冷ヒートシンク装置が開示されている。
特開2008−258513号公報
しかしながら、上記熱接合材は熱伝達機能に加えて接着機能を有するものであり、比較的薄い膜として発熱部品とヒートシンクとの間に存在するものの、熱伝達機能が必ずしも十分ではない。したがって、熱接合材の熱伝達機能が十分ではないために、より大きなヒートシンクを用いることが余儀なくされ、この結果として発熱部品の放熱に関する実装面積あるいは実装体積が大きくならざるを得ない、という問題がある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、電子部品の放熱性能をさらに向上させることを目的とするものである。
上記目的を達成するために、本発明では、電子部品放熱構造に係る第1の解決手段として、放熱パッドを備えると共にプリント基板に実装された電子部品の熱を放熱する電子部品放熱構造であって、前記放熱パッドが前記プリント基板に形成された放熱パターンにハンダ接続された状態、かつ、前記放熱パターンにヒートシンクがハンダ接続された状態であり、前記ヒートシンクは、複数のフィンを備え、当該フィンの付根部が前記放熱パターンにハンダ接続された状態である、という手段を採用する。
本発明では、電子部品放熱構造に係る第2の解決手段として、上記第1の解決手段において、前記ヒートシンクが複数備えられ、前記放熱パターンは、前記ヒートシンクが前記電子部品を挟むように配置される形状に設けられる、という手段を採用する。
本発明では、電子部品放熱構造に係る第3の解決手段として、上記第1または第2の解決手段において、前記プリント基板は、前記放熱パターンが両面に対向状態で形成される多層基板であり、前記放熱パッドは、一方の前記放熱パターンにハンダ接続された状態であり、前記ヒートシンクは、他方の前記放熱パターンにハンダ接続された状態であり、一方の前記放熱パターンと他方の前記放熱パターンとは、サーマルビアで相互に接続された状態である、という手段を採用する。
本発明では、電子部品放熱構造に係る第4の解決手段として、上記第1または第2の解決手段において、前記プリント基板は、前記放熱パターンが両面に対向状態で形成される多層基板であり、前記放熱パッドは、一方の前記放熱パターンにハンダ接続された状態であり、前記ヒートシンクは、一方の前記放熱パターン及び他方の前記放熱パターンにハンダ接続された状態であり、一方の前記放熱パターンと他方の前記放熱パターンとは、サーマルビアで相互に接続された状態である、という手段を採用する。
本発明によれば、電子部品の放熱性能を従来よりも向上させることが可能である。
本発明の第1実施形態に係る電子部品放熱構造を示す正面図(a)である。 本発明の第1実施形態に係る電子部品放熱構造を示す正面図(a)におけるX−X線断面図(b)である。 本発明の第2実施形態に係る電子部品放熱構造を示す断面図である。 本発明の第3実施形態に係る電子部品放熱構造を示す正面図(a)である。 本発明の第3実施形態に係る電子部品放熱構造を示す正面図(a)におけるY−Y線断面図(b)である。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
〔第1実施形態〕
第1実施形態に係る電子部品放熱構造Aは、図1、図2に示すようにプリント基板1、発熱部品2(電子部品)、2つのヒートシンク3、4、3つのハンダ層5〜7から構成される。
プリント基板1は、片面のみに配線パターンが形成された単層基板であり、絶縁層1aと放熱パターン1bとを備える。絶縁層1aは、例えばガラス繊維にエポキシ樹脂を含浸させた板状部材(絶縁部材)であり、電気的絶縁性能と適度な機械的強度を有する。すなわち、プリント基板1は、例えばガラスエポキシ基板である。なお、一般的に、プリント基板の絶縁層の材料としては、上記ガラス繊維にエポキシ樹脂を含浸させたもの他に、紙にエポキシ樹脂を含浸させたものやテフロン(登録商標)を用いたもの等が知られている。プリント基板1としては、このようなものを採用してもよい。
放熱パターン1bは、上面に設けられた導電性パターンであり、金属の中でも導電性に優れている例えば銅(Cu)からなる。この放熱パターン1bは、図示するように発熱部品2及び2つのヒートシンク3、4に対向する形状且つ大きさに形成されている。なお、このような放熱パターン1bは、プリント基板1の上面全体に設けられていた銅板(銅箔)をエッチング処理することによって上記形状且つ大きさに形成されたものである。
発熱部品2は、比較的発熱の多い電子部品であり、上記プリント基板1において放熱パターン1bの中心近傍に実装される。この発熱部品2は、電子部品の中でも比較的大きな電流を出力するように構成されており、この比較的大きな電流の関係で発熱量が比較的多いものである。このような発熱部品2は、例えばパワートランジスタ・モジュールであり、半導体チップ2a、裏面放熱パッド2b、複数のリード2c及びパッケージ2d等を備えている。第1実施形態に係る電子部品放熱構造Aは、裏面放熱パッド2b(放熱パッド)を備えると共にプリント基板1に実装された電子部品2の熱を放熱するものである。
半導体チップ2aは、シリコン等の基材にパワートランジスタ等の半導体素子が形成されたチップ(小片)である。裏面放熱パッド2bは、半導体チップ2aの半導体素子を構成する各種部位のうち、発熱が最も著しい部位に接続された金属部材である。例えば、半導体素子がMOS型パワートランジスタの場合、裏面放熱パッド2bは、最も発熱が著しいドレイン領域に接続される。リード2cは、半導体素子の端子を外部に接続するための金属部材(導体)である。パッケージ2dは、半導体チップ2aを気密状態に封止する容器であり、例えばセラミックスで形成されている。
ヒートシンク3は、放熱パターン1b上において発熱部品2の左側に実装されており、熱伝導性に優れた放熱部材である。このヒートシンク3は、熱伝導性に優れた金属、例えば銅(Cu)やアルミニウム(Al)のブロックを機械加工して形成されたものであり、複数のフィン3aと、当該フィン3aの一端が相互に接続する付根部3bとを備える。
フィン3aは、付根部3bから平行に林立する棒状部位であり、表面積が極力大きくなるように複数設けられている。付根部3bは、下面が平面かつ上面に複数のフィン3aが植設された平板状部位である。このようなヒートシンク3は、付根部3bの下面から伝わってきた熱を付根部3bを介して複数のフィン3aに伝熱させ、各フィン3aの表面から空中に放散させる。
ヒートシンク4は、放熱パターン1b上において発熱部品2の右側に実装されており、熱伝導性に優れた放熱部材である。このヒートシンク4は、熱伝導性に優れた金属、例えば銅(Cu)やアルミニウム(Al)のブロックを機械加工して形成されたものであり、複数のフィン4aと、当該フィン4aの一端が相互に接続する付根部4bとを備える。
フィン4aは、付根部4bから平行に林立する棒状部位であり、表面積が極力大きくなるように複数設けられている。付根部4bは、下面が平面かつ上面に複数のフィン4aが植設された平板状部位である。このようなヒートシンク4は、付根部4bの下面から伝わってきた熱を付根部4bを介して複数のフィン4aに伝熱させ、各フィン4aの表面から空中に放散させる。
ハンダ層5は、発熱部品2と放熱パターン1bとの間に介在するハンダの薄膜である。すなわち、このハンダ層5は、発熱部品2をプリント基板1上にハンダ接続するロウ材層である。このようなハンダ層5は、溶融状態のハンダ(ロウ材)が冷却固化することによって形成されたものであり、発熱部品2の裏面放熱パッド2bと放熱パターン1bとを機械的に接続(接合)する。
ハンダ層6は、ヒートシンク3と放熱パターン1bとの間に介在するハンダの薄膜である。すなわち、このハンダ層5は、ヒートシンク3をプリント基板1上にハンダ接続するロウ材層である。このようなハンダ層5は、溶融状態のハンダ(ロウ材)が冷却固化することによって形成されたものであり、ヒートシンク3の付根部3bと放熱パターン1bとを機械的に接続(接合)する。
ハンダ層7は、ヒートシンク4と放熱パターン1bとの間に介在するハンダの薄膜である。すなわち、このハンダ層5は、ヒートシンク4をプリント基板1上にハンダ接続するロウ材層である。このようなハンダ層5は、溶融状態のハンダ(ロウ材)が冷却固化するすることによって形成されたものであり、ヒートシンク4の付根部4bと放熱パターン1bとを機械的に接続(接合)する。
次に、このように構成された電子部品放熱構造Aの作用効果について説明する。
第1実施形態に係る電子部品放熱構造Aでは、発熱部品2の裏面放熱パッド2bがハンダ層5を介して放熱パターン1bに接続され、ヒートシンク3の付根部3bがハンダ層6を介して放熱パターン1bに接続され、またヒートシンク4の付根部4bがハンダ層7を介して放熱パターン1bに接続されている。
すなわち、発熱部品2の裏面放熱パッド2bは、従来の熱接合材よりも伝熱性能に優れたハンダ層5、放熱パターン1b及びハンダ層6を介してヒートシンク3の付根部3bに接続され、また同様に従来の熱接合材よりも伝熱性能に優れたハンダ層5、放熱パターン1b及びハンダ層7を介してヒートシンク4の付根部4bに接続されている。
したがって、第1実施形態に係る電子部品放熱構造Aによれば、発熱部品2(電子部品)の放熱性能を従来よりも向上させることが可能である。
また、放熱パターン1bは、2つのヒートシンク3、4が発熱部品2を挟む態様、つまり2つのヒートシンク3、4を発熱部品2に近接配置可能な形状に設けられているので、これによっても放熱性能を向上させることが可能である。
〔第2実施形態〕
第2実施形態に係る電子部品放熱構造Bは、図3に示すように、図1のプリント基板1に代えて多層プリント基板1Aを用い、2つのヒートシンク3、4に代えてヒートシンク8、また2つのハンダ層6に代えて1つのハンダ層9を備えるものである。なお、発熱部品2及びハンダ層5については、第1実施形態に係る電子部品放熱構造Aと同様である。
多層プリント基板1Aは、図示するように4層基板であり、絶縁層1cの間に4つの放熱パターン、つまり第1放熱パターン1d、第2放熱パターン1e、第3放熱パターン1f及び第4放熱パターン1gを備える。すなわち、この多層プリント基板1Aは、第1放熱パターン1dと第4放熱パターン1gが両面に対向状態で形成される。
これら第1放熱パターン1d、第2放熱パターン1e、第3放熱パターン1f及び第4放熱パターン1gは、図示しないが全く同一形状かつ同一サイズに形成されており、また位置関係も正対する位置関係に形成されている。このような第1放熱パターン1d、第2放熱パターン1e、第3放熱パターン1f及び第4放熱パターン1gは、例えば第1実施形態の放熱パターン1bと同一形状かつ同一サイズである。
このような多層プリント基板1Aにおいて、第1放熱パターン1d(一方の放熱パターン)の表面(多層プリント基板1Aの表面)には発熱部品2がハンダ層5を介して接続され、第4放熱パターン1g(他方の放熱パターン)の表面(多層プリント基板1Aの裏面)において、発熱部品2と同一位置にはハンダ層9を介してヒートシンク8が接続されている。すなわち、発熱部品2とヒートシンク8とは、多層プリント基板1Aを挟んで対向する位置関係で多層プリント基板1Aに実装されている。
また、多層プリント基板1Aにおいて、発熱部品2の直下つまりヒートシンク8の直下に相当する部位には、複数のサーマルビア1hが第1放熱パターン1d、第2放熱パターン1e、第3放熱パターン1f及び第4放熱パターン1gを接続した状態で設けられている。このようなサーマルビア1hは、熱伝導性に優れた金属、例えば銅(Cu)やアルミニウム(Al)によって形成されており、第1放熱パターン1d、第2放熱パターン1e、第3放熱パターン1f及び第4放熱パターン1gを電気的かつ熱的に接続する。
ヒートシンク8は、第1実施形態のヒートシンク3、4と同一のものであり、複数のフィン8aと付根部8bとを備える。ハンダ層9は、ヒートシンク8と第4放熱パターン1gとの間に設けられ、ヒートシンク8の付根部8bと第4放熱パターン1gとを機械的に接続(接合)する。
このような第2実施形態に係る電子部品放熱構造Bでは、発熱部品2の裏面放熱パッド2bがハンダ層5を介して第1放熱パターン1dに接続され、ヒートシンク8の付根部8bがハンダ層9を介して第4放熱パターン1gに接続され、また第1放熱パターン1dと第4放熱パターン1gとが複数のサーマルビア1hで接続さている。すなわち、発熱部品2の裏面放熱パッド2bは、従来の熱接合材よりも伝熱性能に優れたハンダ層5、第1放熱パターン1d、複数のサーマルビア1h、第4放熱パターン1g及びハンダ層9を介してヒートシンク8の付根部8bに接続されている。
したがって、第2実施形態に係る電子部品放熱構造Bによれば、第1実施形態に係る電子部品放熱構造Aと同様に、発熱部品2(電子部品)の放熱性能を従来よりも向上させることが可能である。
また、第2実施形態に係る電子部品放熱構造Bでは、第1放熱パターン1d及び第4放熱パターン1gに第2放熱パターン1e及び第3放熱パターン1fが複数のサーマルビア1hによって接続されているので、第2放熱パターン1e及び第3放熱パターン1fが放熱板として機能し、これによっても放熱性能を向上させることが可能である。
〔第3実施形態〕
第3実施形態に係る電子部品放熱構造Cは、図4、図5に示すように、図1のプリント基板1に代えて多層プリント基板1Bを用い、2つのヒートシンク3、4に加えて3つのヒートシンク8、10、11、また3つのハンダ層9、12、13を備えるものである。なお、発熱部品2及びハンダ層5については、第1実施形態に係る電子部品放熱構造Aと同様である。
多層プリント基板1Bは、第2実施形態の多層プリント基板1Aと同様に4層基板であり、多層プリント基板1Aと同様に絶縁層1cの間に4つの放熱パターン、つまり第1放熱パターン1d、第2放熱パターン1e、第3放熱パターン1f及び第4放熱パターン1gを備える。すなわち、この多層プリント基板1Bは、第2実施形態の多層プリント基板1Aと同様に、第1放熱パターン1dと第4放熱パターン1gが両面に対向状態で形成される。
このような多層プリント基板1Bにおいて、第1放熱パターン1d(一方の放熱パターン)の表面(多層プリント基板1Aの表面)には発熱部品2がハンダ層5を介して接続され、第1放熱パターン1d上において発熱部品2の左側にはハンダ層6を介してヒートシンク3が接続され、第1放熱パターン1d上において発熱部品2の右側にはハンダ層7を介してヒートシンク4が接続されている。
また、第4放熱パターン1d(他方の放熱パターン)の表面(多層プリント基板1Bの裏面)において、発熱部品2と同一位置にはハンダ層9を介してヒートシンク8が接続され、同じく第4放熱パターン1dの表面においてヒートシンク3と同一位置にはハンダ層12を介してヒートシンク10が接続され、同じく第4放熱パターン1dの表面においてヒートシンク4と同一位置にはハンダ層13を介してヒートシンク11が接続されている。
すなわち、発熱部品2とヒートシンク8とは、多層プリント基板1Bを挟んで対向する位置関係で多層プリント基板1Bに実装され、ヒートシンク3とヒートシンク10とは多層プリント基板1Bを挟んで対向する位置関係で多層プリント基板1Bに実装され、ヒートシンク4とヒートシンク11とは多層プリント基板1Bを挟んで対向する位置関係で多層プリント基板1Bに実装されている。
また、多層プリント基板1Bにおいて、発熱部品2の直下つまりヒートシンク8の直下に相当する部位、ヒートシンク3とヒートシンク10と直下部位、またヒートシンク4とヒートシンク11と直下部位には、複数のサーマルビア1iが第1放熱パターン1d、第2放熱パターン1e、第3放熱パターン1f及び第4放熱パターン1gを接続した状態で設けられている。このようなサーマルビア1iは、第2実施形態のサーマルビア1hと同等な熱伝導性能を有する。
3つのヒートシンク8、10、11は、第1実施形態のヒートシンク3、4と同一のものであり、各々に複数のフィン8a、10a、11aと付根部8b、10b、11bとを備える。3つのハンダ層9、12、13のうち、ハンダ層9は、ヒートシンク8と第4放熱パターン1gとの間に設けられ、ハンダ層12はヒートシンク10と第4放熱パターン1gとの間に設けられ、ハンダ層13はヒートシンク11と第4放熱パターン1gとの間に設けられている。
このような第3実施形態に係る電子部品放熱構造Cでは、発熱部品2の裏面放熱パッド2bがハンダ層5を介して第1放熱パターン1dに接続され、ヒートシンク8の付根部8bがハンダ層9を介して第4放熱パターン1gに接続され、また第1放熱パターン1dと第4放熱パターン1gとが複数のサーマルビア1hで接続さている。
また、上記第1放熱パターン1dには、ハンダ層6を介してヒートシンク3が、またハンダ層7を介してヒートシンク4がそれぞれ接続されている。さらに、第1放熱パターン1dには、複数のサーマルビア1i、第4放熱パターン1g及びハンダ層12を介してヒートシンク10が、また複数のサーマルビア1i、第4放熱パターン1g及びハンダ層13を介してヒートシンク11がそれぞれ接続されている。
すなわち、発熱部品2の裏面放熱パッド2bは、従来の熱接合材よりも伝熱性能に優れたハンダ層5、第1放熱パターン1d等を介してヒートシンク3、4、8、10、11の付根部3b、4b、8b、10b、11bにそれぞれ接続されている。
したがって、第3実施形態に係る電子部品放熱構造Cによれば、第1実施形態に係る電子部品放熱構造A及び第2実施形態に係る電子部品放熱構造Bと同様に、発熱部品2(電子部品)の放熱性能を従来よりも向上させることが可能である。
また、第3実施形態に係る電子部品放熱構造Cでは、第1放熱パターン1d及び第4放熱パターン1gに第2放熱パターン1e及び第3放熱パターン1fが複数のサーマルビア1hによって接続され、またヒートシンク10、11も接続されているので、第1実施形態に係る電子部品放熱構造A及び第2実施形態に係る電子部品放熱構造Bよりも放熱性能を向上させることが可能である。
なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
(1)上記第1、第3実施形態では、正面視で矩形状の発熱部品2においてリード2cが設けられていない左右にヒートシンク3、4を配置したが、本発明はこれに限定されない。例えば、ヒートシンク3、4に隣り合うように追加のヒートシンク及びハンダ層を設けて放熱パターン1bあるいは第1放熱パターン1dに接続してもよい。
(2)上記第2、第3実施形態では、発熱部品2の裏側にヒートシンク8を設けたが、本発明はこれに限定されない。例えばヒートシンク8に対して発熱部品2のリード2cが設けられている方向に隣り合うように追加のヒートシンク及びハンダ層を設けて第4放熱パターン1gに接続してもよい。
(3)上記第2、第3実施形態では、4層基板を採用したが、本発明はこれに限定されない。例えば2層基板あるいは8層基板等、4層以外の多層基板を採用してもよい。
A〜C 電子部品放熱構造
1、 1A、1B プリント基板
1a、1c 絶縁層
1b 放熱パターン
1d 第1放熱パターン
1e 第2放熱パターン
1f 第3放熱パターン
1g 第4放熱パターン
1h、1i サーマルビア
2 発熱部品(電子部品)
2a 半導体チップ
2b 裏面放熱パッド
2c リード
2d パッケージ
3、4、8、10、11 ヒートシンク
3a、4a、8a、10a、11a フィン
3b、4b、8b、10b、11b 付根部
5、6、7、9、12、13 ハンダ層

Claims (3)

  1. 放熱パッドを備えると共にプリント基板に実装された電子部品の熱を放熱する電子部品放熱構造であって、
    前記放熱パッドが前記プリント基板に形成された放熱パターンにハンダ接続された状態、かつ、前記放熱パターンに複数のヒートシンクがハンダ接続された状態であり、
    前記ヒートシンクは、複数のフィンを備え、当該フィンの付根部が前記放熱パターンにハンダ接続された状態であり、
    前記放熱パターンは、前記ヒートシンクが前記電子部品を挟むように、かつ、前記ヒートシンクが前記電子部品のリードが設けられていない左右に配置される形状に設けられることを特徴とする電子部品放熱構造。
  2. 前記プリント基板は、前記放熱パターンが両面に対向状態で形成される多層基板であり、
    前記放熱パッドは、一方の前記放熱パターンにハンダ接続された状態であり、
    前記ヒートシンクは、他方の前記放熱パターンにハンダ接続された状態であり、
    一方の前記放熱パターンと他方の前記放熱パターンとは、サーマルビアで接続された状態である
    ことを特徴とする請求項1記載の電子部品放熱構造。
  3. 前記プリント基板は、前記放熱パターンが両面に対向状態で形成される多層基板であり、
    前記放熱パッドは、一方の前記放熱パターンにハンダ接続された状態であり、
    前記ヒートシンクは、一方の前記放熱パターン及び他方の前記放熱パターンにハンダ接続された状態であり、
    一方の前記放熱パターンと他方の前記放熱パターンとは、サーマルビアで相互に接続された状態であることを特徴とする請求項1記載の電子部品放熱構造。
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