JP6737634B2 - 放熱チップ及び放熱構造 - Google Patents

Description

本発明は、放熱チップ及びこれを用いた放熱構造に関するものである。

近年、回路基板に対する電子部品の高密度実装化が進んでいる。こうした高密度実装化の進展に伴い、電子部品から生じる熱による電子部品の機能低下や誤作動等の問題が発生している。そのため、電子部品から生じる熱を効率的に発散することが重要となっている。

こうした放熱対策の例として、特許文献１には基板に貫通孔を形成し高熱伝導性金属体を埋設し、更に基板と埋設された高熱伝導性金属体の表裏両面を覆うようにして高熱伝導絶縁層が形成された放熱構造が記載されている。

この放熱構造では、表面に更に電極用パッドとボンディングパッドを介して電子部品が実装され、下面には放熱金属層が形成される。そして電子部品から発せられた熱は、高熱伝導金属体と下面側の高熱伝導金属体を介して放熱金属層に伝わり、放熱金属層から大気中に発散される。

特開平５−２５９６６９号公報

特許文献１に記載されているような放熱構造は、特別な加工を施した専用の基板を用いて形成されていたが、こうした専用の基板を用いることなく、多様な基板に容易に形成することができる放熱構造があれば望ましい。

そこで本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、専用の基板を用いることなく、簡易に放熱構造を形成することのできる放熱チップ及びこれを用いた放熱構造を提供することを目的とする。

本発明は、絶縁性の熱伝導性セラミック基材と、熱伝導性セラミック基材の一端部の一面側に形成された第１伝熱層と、熱伝導性セラミック基材の他端部の一面側に第１伝熱層から離間して形成された第２伝熱層と、熱伝導性セラミック基材の一端部の他面側に形成された第３伝熱層と、熱伝導性セラミック基材の他端部の他面側に第３伝熱層から離間して形成された第４伝熱層と、第１伝熱層と第３伝熱層とを接続する第１接続電極と、第２伝熱層と第４伝熱層とを接続する、第１接続電極と離間して設けられた第２接続電極と、を備える放熱チップであることを特徴とする。

これによると、放熱チップの第１接続電極と基板の電気配線、及び第２接続電極とグランド配線とを熱的に接続することで、専用の基板を用いることなく簡易に放熱構造を形成することができる。また、第１接続電極及び第２接続電極を設けることで、放熱チップをはんだ付けにより基板に実装することができる。更に、従来は行うことができなかった、電気配線側からグランド配線への放熱を可能とすることができる。

本発明は、第１伝熱層と前記第４伝熱層とが平面視において熱伝導性セラミック基材を介して部分的に重なる態様とすることができる。

これによると、重なり合った部分の面積全体を用いた近距離（熱伝導性セラミック基材の厚みに相当する距離）の熱伝導を行うことができ、効率的に伝熱を行うことができる。

本発明は、第１伝熱層と第４伝熱層、及び第２伝熱層と第３伝熱層とが平面視において互いに離間している態様とすることができる。

これによると、静電容量を形成する電極面積及び電極間の距離を短くすることができ、静電容量を低下させることができる。

本発明は、第１接続電極及び前記第２接続電極の離間部分を覆う絶縁性の保護層を備える態様とすることができる。

これによると、第1接続電極と第２接続電極との間の絶縁性を更に高めることができる。

本発明は、電子部品の接地を行うグランド配線と、電子部品に電源から電力を供給する電気配線と、グランド配線と電気配線とにはんだ付けされ熱的に接続される絶縁性の放熱チップと、を備え、放熱チップは上述した放熱チップである放熱構造であることを特徴とする。

これによると、放熱構造が形成される回路基板については専用品を用意する必要が無く、従来の回路基板に放熱チップを取り付けることで放熱構造を形成することができる。また、放熱チップを介することにより、絶縁性を確保しつつ電気配線をグランド配線に熱的に接続することができるため、電子機器から発生する熱を電気配線側においても放熱することができ、放熱効率を高めることができる。

上述した本発明によると、放熱チップを既存の基板に取り付けるだけで電源から電子機器に電力を供給する電気配線とグランド配線とを絶縁性を確保しつつ伝熱できる。そのため基板自体に加工を施すことなく、簡易に放熱構造を形成することができる。また、従来行うことができなかった、電気回路とグランド回路との熱的接続を確保し、従来よりも高い放熱効率で放熱を行うことができる。これにより基板への電子部品の更なる高密度実装を実現することができる。

実施形態に係る放熱チップの斜視図。 図１の放熱チップの断面図。 図１の放熱チップを用いた放熱構造を示す模式図。 図３の放熱構造の断面図。 変形例に係る放熱チップの断面図。

以下、本発明の実施形態に係る放熱チップ及び放熱構造について図を参照しつつ説明する。

放熱チップ［図１、図２］
本実施形態に係る放熱チップ１は、熱伝導性セラミック基材２と、熱伝導性セラミック基材２の一端側の上面に形成された第１伝熱層３と、他端側の上面に第１伝熱層３から離間して形成された第２伝熱層４と、一端側の下面に形成された第３伝熱層５と、他端側の下面に第３伝熱層５から離間して形成された第４伝熱層６と、を備えている。また、放熱チップ１は、熱伝導性セラミック基材２の一端側を覆い第１伝熱層３と第３伝熱層５とを接続する第１接続電極７と、他端側を覆い第２伝熱層４と第４伝熱層６とを接続する、第１接続電極７と離間して形成された第２接続電極８と、を備えている。更に、放熱チップ１は、第１接続電極７と第２接続電極８の離間部分を覆う保護層９を備えている。

熱伝導性セラミック基材２は、絶縁性を有する高熱伝導性セラミック材料により形成された矩形の板状の部材である。高熱伝導性セラミック材料としては、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム等が挙げられるが、この中でも絶縁性が高く安価である酸化アルミニウムが好ましい。

第１伝熱層３、第２伝熱層４、第３伝熱層５、第４伝熱層６は、何れも金属粒子を含有する導電性ペーストを塗布し硬化させることで形成されている、平面視が矩形の伝熱層である。こうした導電性ペーストの中でも銀粒子とガラスペーストよりなる導電性ペーストが、導電性と耐候性に優れた材料であるため好ましい。

第１伝熱層３と第３伝熱層５は、熱伝導性セラミック基材２を介する平面視において第１伝熱層３の下に第３伝熱層５が重なって形成されている。また、第１伝熱層３と第４伝熱層６は熱伝導性セラミック基材２を介する平面視において部分的に重なるように形成されている。また、第２伝熱層４と第４伝熱層６は、熱伝導性セラミック基材２を介する平面視において第４伝熱層６の上に第２伝熱層４が重なって形成されている。また、第２伝熱層４と第３伝熱層５は、熱伝導性セラミック基材２を介する平面視において重なる部分がないように形成されている。

第１伝熱層３と第４伝熱層６の形状及び面積は略同一である。また第２伝熱層４と第３伝熱層５の形状及び面積は略同一である。

第１接続電極７及び第２接続電極８は、銀粒子がエポキシ樹脂に混入しているペーストが硬化した導電性の基材の表面にニッケルめっきの下地を形成し、更に最表面にスズめっきが施されて形成されている。ニッケルスズめっきは後述する電気配線１４への第１接続電極７のはんだ付けと、周縁グランド配線１６への第２接続電極８のはんだ付けを行うために必要となる。

保護層９は、第１接続電極７と第２接続電極８の離間部分を覆う絶縁層である。保護層９は第１接続電極７に覆われていない第１伝熱層３の表面や、第２接続電極８に覆われていない第４伝熱層６の表面を覆うことでこれらの保護を行う。保護層９はエポキシ樹脂等の絶縁性樹脂により形成されている。

上述した構成を有する放熱チップ１は、絶縁性を確保しつつ、第１接続電極７から伝わる熱を第２接続電極８に効率的に伝えることができる。

具体的には、第１接続電極７に伝わった熱は、まずこれに接続されている第１伝熱層３及び第３伝熱層５へと伝わる。そして、第１伝熱層３へと伝わった熱は、更に熱伝導性セラミック基材２へと伝わる。

また、第３伝熱層５に伝わった熱も熱伝導性セラミック基材２へと伝わる。第３伝熱層５は第１伝熱層３よりも面積が小さいため、第３伝熱層５から熱伝導性セラミック基材２へと伝わる熱の量は第１伝熱層３から伝わる熱の量よりも少なくなる。

そして熱伝導性セラミック基材２へと伝わった熱は、第２伝熱層４及び第４伝熱層６へと伝わり、更に第２接続電極８へと伝わる。

このように熱が熱伝導率の高い経路を介して第１接続電極７から第２接続電極８へと伝わるため、伝熱を効率的に行うことができる。

特に、第１接続電極７と接続された第１伝熱層３と、第２接続電極８に接続された第４伝熱層６とが熱伝導性セラミック基材２を介して平面視で重なっていることで、当該重なり合った部分の面積全体を用いた近距離間（熱伝導性セラミック基材２の厚みに相当する距離Ｗ１）の熱伝導を行うことができ、効率的に伝熱を行うことができる。

また、第１伝熱層３、第２伝熱層４、第３伝熱層５及び第４伝熱層６はそれぞれ離間して形成されているとともに、これらの間隙部分には保護層９又は熱伝導性セラミック基材２が介在しているため、放熱チップ１の第１接続電極７と第２接続電極８との間は絶縁された状態となっている。

これにより放熱チップ１を既存の基板の電気配線とグランド配線との間に設けることができ、従来は行うことができなかった、電気配線１４側から周縁グランド配線１６への放熱を可能とすることができる。

放熱構造［図３、図４］
本実施形態に係る放熱構造１０は、筐体（不図示）の内部に収容される基板１０１上に形成される構造であり、発熱体である電子部品１１と電源１２とを接続する電気配線１４、電子部品１１の電源１２側と反対側の端部に接続して設けられたグランド配線１３と基板１０１の周縁部に設けられグランド配線１３に連続する周縁グランド配線１６、及び電気配線１４と周縁グランド配線１６とを絶縁性を確保しつつ伝熱できる放熱チップ１を備えて構成されている。

電子部品１１は撮像素子等の電子機器であり、電源１２から電気配線１４を通じて供給される電力により駆動する。

電気配線１４はプリント配線であり、電源１２と電子部品１１とを接続している。

グランド配線１３及び周縁グランド配線１６は、電子部品１１を接地する銅パターンよりなる接地用の配線である。こうしたグランド配線１３及び周縁グランド配線１６は電子基板に一般的に形成されているものである。なお本実施形態においては周縁グランド配線１６に突出部１５が設けられ、電気配線１４と周縁グランド配線１６との距離が近接した状態となっている箇所が形成されているが、こうした突出部１５は本発明においては必須の構成ではない。

放熱チップ１は上述した実施形態に係る放熱チップ１である。放熱チップ１は、第１接続電極７が電気配線１４に、第２接続電極８が周縁グランド配線１６にそれぞれはんだ１７により固定される。

本実施形態に係る放熱構造１０によると、専用の基板を用意することなく、従来の基板に放熱チップ１を取り付けることで放熱構造１０を形成することができる。

また、従来グランド配線は電子部品１１の電源１２側とは反対側にしか設けることができなかった。そのためグランド配線が形成される側においてのみ、電子部品１１から発生する熱をグランド配線を通じて放熱することができた。

一方、電子部品１１の電源１２側にはグランド配線を設けることができず、グランド配線を通じた放熱を行うことはできなかった。

しかし本発明では、上述した放熱チップ１を介することにより、絶縁性を確保しつつ電源１２側の電気配線１４をグランド配線に熱的に接続することができるため、電子部品１１から発生する熱を電源１２側においても放熱することができ、放熱効率を高めることができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限らず、種々の変形が可能である。以下、変形例に係る放熱チップ１’について説明する。

変形例［図５］
上述した実施形態に係る放熱チップ１は、第１伝熱層３と第４伝熱層６との間で静電容量が生じるが、変形例に係る放熱チップ１’を用いることで、静電容量をより小さいものとすることができる。電子機器の誤作動等を効果的に防止する観点から、静電容量を低下することはより好ましいことである。

変形例に係る放熱チップ１’は、第１伝熱層３’、第２伝熱層４’、第３伝熱層５’及び第４伝熱層６’の形成の態様が上述した放熱チップ１’に係る第１伝熱層３、第２伝熱層４、第３伝熱層５及び第４伝熱層６と異なる他は、上述した実施形態に係る放熱チップ１と同様の構成を備えている。そのため以下の説明では主に第１伝熱層３’、第２伝熱層４’、第３伝熱層５’及び第４伝熱層６’について説明する。なお、図５において上述した実施形態と同一の構成については同一の符号を付している。

第１伝熱層３’、第２伝熱層４’、第３伝熱層５’及び第４伝熱層６’は、何れも上述した放熱チップ１に係る第１伝熱層３、第２伝熱層４、第３伝熱層５及び第４伝熱層６と同様の素材及び製法で形成されている。

一方、変形例に係る放熱チップ１’では、第１伝熱層３’と第２伝熱層４’、及び第３伝熱層５’と第４伝熱層６’がそれぞれ互いに離間して形成されているとともに、第１伝熱層３’と第４伝熱層６’、及び第２伝熱層４’と第３伝熱層５’も平面視においてそれぞれ互いに離間して形成されている。

第１伝熱層３’は第２伝熱層４’よりも面積が広く形成されている。また、第３伝熱層５’は第４伝熱層６’よりも面積が広く形成されている。第１伝熱層３’と第３伝熱層５’の面積は略同一である。また第２伝熱層４’と第４伝熱層６’の面積は略同一である。第１伝熱層３’と第３伝熱層５’は熱伝導性セラミック基材２を介する平面視において重なって形成されている。また、第２伝熱層４’と第４伝熱層６’は熱伝導性セラミック基材２を介する平面視において重なって形成されている。

放熱チップ１’においても、絶縁性を確保しつつ、第１接続電極７から伝わる熱を第２接続電極８に効率的に伝えることができる。

具体的には、第１接続電極７に伝わった熱は、まずこれに接続されている第１伝熱層３’及び第３伝熱層５’へと伝わる。そして、第１伝熱層３’へと伝わった熱は、更に熱伝導性セラミック基材２へと伝わる。また、第３伝熱層５’に伝わった熱も熱伝導性セラミック基材２へと伝わる。

そして熱伝導性セラミック基材２へと伝わった熱は、第２伝熱層４’及び第４伝熱層６’へと伝わり、更に第２接続電極８へと伝わる。

このように熱が熱伝導率の高い経路を介して第１接続電極７から第２接続電極８へと伝わるため、伝熱を効率的に行うことができる。

また、第１伝熱層３’、第２伝熱層４’、第３伝熱層５’及び第４伝熱層６’はそれぞれ離間して形成されているとともに、これらの間隙部分には保護層９又は熱伝導性セラミック基材２が介在しているため、放熱チップ１’の第１接続電極７と第２接続電極８との間は絶縁された状態となっている。

これにより放熱チップ１’を既存の基板の電源から電子機器へと電力を供給する電気配線とグランド配線との間に設けることができ、従来は行うことができなかった、電気配線側からグランド配線への放熱を可能とすることができる。

更に、放熱チップ１’では、第１伝熱層３’と第２伝熱層４’の間、及び第３伝熱層５’と第４伝熱層６’との間に静電容量が生じる。静電容量は電極面積と電極間の距離に比例して大きくなる。

上述した実施形態に係る放熱チップ１では、静電容量を形成する電極面積は第１伝熱層３と第４伝熱層６との平面視における重複部分の面積である。

一方、放熱チップ１’では静電容量を形成する電極面積は第１伝熱層３’と第２伝熱層４’の対向する面の面積及び第３伝熱層５’と第４伝熱層６’の対向する面の面積、すなわち各伝熱層３’、４’、５’、６’の断面積であり、放熱チップ１と比較して極めて小さな面積となっている。

また、放熱チップ１’における静電容量を形成する電極間の距離は第１伝熱層３’と第２伝熱層４’の間の距離Ｗ２、及び第３伝熱層５’と第４伝熱層６’の間の距離Ｗ２であり、この距離は放熱チップ１における静電容量を形成する電極間の距離、すなわち熱伝導性セラミック基材２の厚さに相当する距離Ｗ１よりも小さな距離となっている。

そのため、上述した実施形態に係る放熱チップ１よりも静電容量を形成する電極面積及び電極間の距離の小さい放熱チップ１’の方が静電容量を小さくすることができる。

１、１’ 放熱チップ
２ 熱伝導性セラミック基材
３、３’ 第１伝熱層
４、４’ 第２伝熱層
５、５’ 第３伝熱層
６、６’ 第４伝熱層
７ 第１接続電極
８ 第２接続電極
９ 保護層
１０ 放熱構造
１１ 電子部品
１２ 電源
１３ グランド配線
１４ 電気配線
１５ 突出部
１６ 周縁グランド配線
１７ はんだ
１０１ 基板

Claims (5)

1. 絶縁性の熱伝導性セラミック基材と、
   前記熱伝導性セラミック基材の一端部の一面側に形成された第１伝熱層と、
   前記熱伝導性セラミック基材の他端部の前記一面側に前記第１伝熱層から離間して形成された第２伝熱層と、
   前記熱伝導性セラミック基材の前記一端部の他面側に形成された第３伝熱層と、
   前記熱伝導性セラミック基材の前記他端部の前記他面側に前記第３伝熱層から離間して形成された第４伝熱層と、
   前記第１伝熱層と前記第３伝熱層とを接続する第１接続電極と、
   前記第２伝熱層と前記第４伝熱層とを接続する、前記第１接続電極と離間して設けられた第２接続電極と、
   を備える放熱チップ。
2. 前記第１伝熱層と前記第４伝熱層とが平面視において前記熱伝導性セラミック基材を介して部分的に重なる請求項１記載の放熱チップ。
3. 前記第１伝熱層と前記第４伝熱層、及び前記第２伝熱層と前記第３伝熱層とが平面視において互いに離間している請求項１記載の放熱チップ。
4. 前記第１接続電極及び前記第２接続電極の離間部分を覆う絶縁性の保護層を備える請求項１乃至３の何れか１項記載の放熱チップ。
5. 電子部品の接地を行うグランド配線と、
   電子部品に電源から電力を供給する電気配線と、
   前記グランド配線と前記電気配線とにはんだ付けされ熱的に接続される絶縁性の放熱チップと、を備え、
   前記放熱チップは請求項１乃至４の何れか１項に記載の放熱チップである放熱構造。

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