JP7334433B2 - 放熱構造及び電子部品 - Google Patents

Description

本発明は、放熱構造及び電子部品に関する。

ＢＧＡ（ball grid array……ボールはんだを用いて実装される半導体装置）等の電子デバイスにあっては、パッケージのＬＩＤ（蓋）、あるいは、スチフナに冷却部品（例えばヒートシンク）を取り付けるための構造が必要とされる。

この冷却部品の取り付けのための構造に関連する技術として、特許文献１、２、３、４５、に記載されたものがある。

図７は前記取り付け構造の第１の例を模式化したものである。
図７（ａ）（ｂ）（ｃ）は、電子デバイス１と固定部材２とを示す。前記電子デバイス１はデバイス本体１ａを内蔵し、下面にははんだボールによる接続端子１ｂが設けられている。前記電子デバイス１の上面には、取り付けのための固定部材２が一体に固着され、この固定部材２には、雌ねじ孔２ａが形成されている。

図７（ｄ）（ｅ）は、ベース３の上にフィン４を形成した構成のヒートシンク５を示す。前記ベース３には、前記雌ねじ孔２ａに対応する位置に、固定用ねじ６が通る貫通孔３ａが形成されている。
前記ヒートシンク５は、前記固定部材２の上にベース３を載せた状態で、貫通孔３ａを貫通させて固定用ねじ６を雌ねじ孔２ａにねじ込むことにより、ベース３を固定部材２に密着させて組立てられる。

前記電子デバイス１で発生した熱は、固定部材２、ベース３を介してヒートシンク５のフィン４に伝導し、大気中に放出される。

図８（ａ）（ｂ）（ｃ）は、前記取り付け構造の第２の例を模式化したものである。
すなわち、基板８上の電子デバイス１に、ヒートシンク５を載せ、固定用ねじ９を基板８の貫通孔８ａを介して下方へ貫通させ、圧縮ばね１０を圧縮させながら、ナット１１へねじ込む構造が採用されている。

上記他の例にあっては、圧縮ばね１０が弾性変形することにより、電子デバイス１にヒートシンク５のベース３を密着させているから、前記電子デバイス１で発生した熱は、ヒートシンク５に伝導し、フィン４から大気中に放出される。

図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、前記取り付け構造の第３の例を模式化したものである。
図９（ａ）、（ｂ）に示すように、電子デバイス１の上面には固定部材２が設けられている。前記電子デバイス１の上には、図１０（ｃ）に示すように、ヒートシンク５が配置されている。また前記電子デバイス１は、基板８の周囲に配置された副基板８ｃに囲まれて、その内側の基板８上に配置されている。前記副基板８ｃは、前記基板８の貫通孔８ａを貫通するボルト８ｂによって基板８に固定されている。

前記ヒートシンク５は、圧縮ばね１０を圧縮しながら、固定用ねじ９を副基板８ｃにねじ込むことにより、ベース３を電子デバイス１上の固定部材２に密着させた状態で副基板８ｃに固定されている。

図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、前記取り付け構造の第４の例を模式化したものである。
図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、電子デバイス１の上面は、ヒートシンク５のベース３の下面に接触している。前記ヒートシンク５を押さえるように配置された板ばね状のクリップ１２は、前記ベース３および基板８を貫通しており、その両端には、環状の抜け止め部１１ａが設けられて、前記ヒートシンク５を電子デバイス１に一体に固定している。

実開平０４－１３３４５０号公報 実開平０２－１３６３３２号公報 特開平０６－０６９３９１号公報 特開平０５－１０２３４０号公報 特開２０１５－０５０２５５号公報

しかしながら、前記第１の例にあっては、電子デバイス１の上面の固定部材２に雌ねじ孔２ａを設けることが必須とされ、また、前記雌ねじ孔２ａへ固定用ねじ６が十分な長さにわたってねじ込まれていないと固定部材２とヒートシンク５のベース３とを密着させるに足る大きな力を加えることができない。すなわち、熱伝導性を担保すべく大きな力を加えようとして多くのねじ山を設けようとすると、固定部材２の厚さを大きくせざるを得ない。

また、第２～第４の例の固定構造は、ねじ、ばね、板ばね、クリップなどを用いて、電子部品に押し付ける形で基板やその他の機構品に固定している。そのため、基板や機構品には機械穴などを設ける必要があり、構成部品数が増加し、あるいは、基板の配線や機構品の構造に影響や制限を及ぼす可能性がある。
また、電子デバイスの放熱性を良くするため、電子デバイスと冷却部品（ヒートシンク）の接触性を向上させる目的で冷却部品（ヒートシンク）を押し付ける荷重を強くする傾向があるが、荷重が強すぎる場合、基板と電子デバイスのはんだ接合部の実装信頼性が低下するリスクがある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、できるだけ少数の構成部品を使用して電子デバイスにヒートシンクを取り付けることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様は、電子デバイスが収容された容器の第１の面と、この第１の面に接触する第２の面を有し、前記容器より大きな表面積を有する放熱部材との間に設けられる放熱構造であって、前記第１の面から突出する凸部と、この凸部に対応する位置で前記第２の面に形成された凹部と、前記凸部と凹部との間に設けられた嵌合部とを有する放熱構造である。

また本発明の第２の態様は、電子デバイスが収容された容器の第１の面と、この第１の面に接触する第２の面を有する放熱部材との間に設けられる放熱構造であって、前記容器の第１の面とは異なる第３の面と、この第３の面と前記第２の面との間に設けられ、これらの面のいずれか一方から突出して、いずれか他方へ挿入される嵌合部とを有する放熱構造である。

本発明によれば、できるだけ少数の構成部品により電子デバイスにヒートシンクを取り付けることができる。

本発明の第１の態様に係る放熱構造の最小構成を示す断面図である。 本発明の第２の態様に係る放熱構造の最小構成を示す断面図である。第１実施形態に係る。 本発明の第１実施形態を示すもので、（ａ）は半導体装置の平面図、（ｂ）は半導体装置の側面図、（ｃ）はヒートシンクの側面図、（ｄ）はヒートシンクの底面図である。 本発明の第２実施形態を示すもので、（ａ）は電子デバイスの上面図、（ｂ）は電子デバイスの側面図、（ｃ）はヒートシンクの側面図、（ｄ）はヒートシンクの底面図、（ｅ）は案内溝部分の透視図である。 本発明の第４実施形態を示すもので、（ａ）はａ）は電子デバイスの上面図、（ｂ）は電子デバイスの側面図、（ｃ）はヒートシンクの側面図、（ｄ）はヒートシンクの底面図、（ｅ）は凸部と凹部との結合状態を示すベース厚さ方向に沿う断面図である。 本発明の第３実施形態を示すもので、（ａ）はａ）は電子デバイスの上面図、（ｂ）は電子デバイスの側面図、（ｃ）はヒートシンクの側面図、（ｄ）はヒートシンクの底面図、（ｅ）はフック部と溝部との固定状態を示すベース厚さ方向に沿う断面図である。 本願に関連する放熱装置の第１の例を示すもので、（ａ）は固定部材の平面図、（ｂ）は固定部材の断面図、（ｃ）は電子デバイスの断面図、（ｄ）はヒートシンクの断面図、（ｅ）はヒートシンクの平面図、（ｆ）は組立て状態の断面図である。 本願に関連する放熱装置の第２の例を示すもので、（ａ）は電子デバイスの経面図、（ｂ）は電子デバイスの側面図、（ｃ）は組立て状態の断面図である。 本願に関連する放熱装置の第３の例を示すもので、（ａ）は電子デバイスの平面図、（ｂ）は電子デバイスの断面図、（ｃ）は組立て状態の断面図である。 本願に関連する放熱装置の第４の例を示すもので、（ａ）は電子デバイスの平面図、（ｂ）は電子デバイスの断面図、（ｃ）は組立て状態の断面図である。

本発明の第１の態様に係る放熱構造の最小構成を図１により説明する。
符号２０は電子デバイスであって、容器（パッケージ）の内部に図示しないデバイス本体を収容した構成となっている。なお図１の符号２０は電子デバイスの容器の外形を示している。この電子デバイス２０は、第１の面２１を有し、この第１の面２１に向き合って、放熱部材３０の第２の面３１が配置されている。前記放熱部材３０は、大きな表面積を備えるべく、例えば、表面に凹凸を設け、あるいは多数のフィンを設ける等の加工が施されている。

前記第１の面２１には、この第１の面２１から突出する凸部２２が設けられている。一方、前記第２の面３１における、前記凸部２２に対応する位置には、この第２の面３１より窪んだ凹部３２が形成されている。前記凸部２２と凹部３２とは、互いに嵌め合いあるいは取り外しが可能なように、対応する形状に形成されている。

上記構成の放熱構造にあっては、凸部２２を凹部３３に挿入することにより、第１の面２１と第２の面３１とを直接的に密着させることができる。すなわち、電子デバイス２０と放熱部材３０とを中間の部材を介さずに直接接触させて、良好な熱伝導性を得ることができる。

本発明の第２の態様に係る放熱構造の最小構成を図２により説明する。なお、図２において、図１と共通の構成には同一符号を付し、説明を簡略化する。
符号２０は電子デバイスであって、第１の面２１を有し、この第１の面２１に向き合って、放熱部材３０の第２の面３１が配置されている。前記電子デバイス２０には、前記第１の面２１とは異なる第３の面２３に凹部２４が形成されている。前記放熱部材３０は、前記第２の面３１から突出する突起３３が設けられ、この突起３３の先端には、前記凹部２４に対応する凸部３４が形成されている。

上記構成の放熱構造にあっては、電子デバイス２０の第１の面２１と放熱部材３０の第２の面とを密着させた状態で凸部３４を凹部２４に挿入することにより、第１の面２１と第２の面３１とを中間の部材を介さずに直接接触させて、良好な熱伝導性を得ることができる。

図３（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）を参照して本発明の第１実施形態を説明する。なお図中図１、２と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を簡略化する。
第１実施形態の電子デバイス２０Ａは、図３（ａ）（ｂ）に示すように，基板２５上に半導体チップ２６を搭載し、ＬＩＤ２７を被せて密封した構成となっている。前記ＬＩＤ２７の上面（第１の面）２１には、凸部としての雄ねじ２２Ａが上方へ向けて設けられている。すなわち、図３（ｂ）に示すように、雄ねじ２２Ａが第１の面２１と直交する方向へ突出して設けられている。なお雄ねじ２２Ａは、ＬＩＤ２７と一体に形成されていても、あるいは、ＬＩＤ２７と別に形成されて固着されていても良い。
図３（ｃ）（ｄ）に示すように、ヒートシンク３０Ａは、ベース３５と、このベース３５と直交する方向へ設けられた多数のフィン３６とを有する。前記ベース３５の底面（第２の面）３１には、前記雄ねじ２２Ａと対応するリード、ピッチを有する、凹部としての雌ねじ孔３２Ａが底面３１と直交する方向へ向けて形成されている。なお前記雄ねじ２２Ａの突出量は、ヒートシンク３０Ａのベース３５の厚さと、十分な締め付け力を得るに足るねじの螺合長さ（螺合する条数）に応じて決定される。

図４（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、本発明の第２実施形態を示すものである。なお図中図１～図３と共通の構成には同一符号を付し、説明を簡略化する。
第２実施形態の電子デバイス２０Ｂは、基板２５上で半導体チップ２６を収容するＬＩＤ２７の上面に該ＬＩＤ２７を構成する板状の金属部材の一部をプレス等の加工により成形することによって台部２７ａを設け、さらに、この台部２７ａの上に、基板２５と直交する方向へ突出する円柱状の凸部２８を設けた構成となっている。
前記凸部２８は、短円柱状をなし、外周には、棒状の係合突起２８ａ、２８ａが対称な位置において、半径方向外方へ突出している。

また第２実施形態のヒートシンクは、ベース３５の底面の前記電子デバイス２０Ｂの凸部２８と対応する位置に、凹部３７を有する。この凹部３７には、図４（ｄ）（ｅ）に示すように、前記凸部２８の係合突起２８ａ、２８ａに対応した形状で、図４（ｅ）の上下方向（凸部２８、凹部３７の中心軸線Ｃに沿う方向）へ延在する入口凹部３７ａ、３７ａが対称な位置において半径方向外方へ突出している。
前記凹部３７には、前記入口凹部３７ａの上部に連なって、案内溝３７ｂが形成されている。この案内溝３７ｂは、図４（ｅ）に示すように、平面視にて（中心軸線Ｃの方向から見て）、前記係合突起２８ａの回転軌跡の一部（図示の場合、約９０度）と重なり、かつ、中心軸線Ｃ方向へ傾斜した斜面状をなしている。なお前記凸部２８の突出量、凹部３７の深さ、案内溝３７ｂの存在範囲および傾斜角度は、ヒートシンク３０Ｂのベース３５の厚さと、十分な締め付け力を得るに足る係合突起２８ａの案内溝３７ｂへの挿入深さに応じて、ベース３５の厚さを限度として決定される。

第２実施形態にあっては、前記入口凹部３７ａから前記係合突起２８ａを中心軸線Ｃ方向へ挿入し、中心軸線Ｃを中心として電子バイス２０Ｂとヒートシンク３０Ｂとを相対回転させることにより、前記係合突起２８ａが案内溝３７ｂの傾斜に沿って回転しながら、その傾斜によって凸部２８が凹部３７により深く挿入される方向へ引き込まれる。すなわち、電子デバイス２０Ｂとヒートシンク３０Ｂとを相対回転させることによって、電子デバイス２０Ｂの第１の面２１と、ヒートシンク３０Ｂの第２の面３１とが密着することができる。
このように、第１の面２１と第２の面３１とが密着することにより、電子デバイス２０Ｂからヒートシンク３０Ｂへ良好な熱伝導性能を得ることができる。
なお、電子デバイス２０Ａとヒートシンク３０Ｂとを逆方向で相対回転させることにより、これらを分離させることができる。

図５（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）は本発明の第３実施形態を示すものである。なお図中図１～図４と共通の構成には同一符号を付し、説明を簡略化する。
図５（ａ）（ｂ）に示すように、電子デバイス２０Ｃのスチフナ２７の上面の外縁から所定距離だけ内側の領域には、窪み２１ａが形成されている。また、スチフナ２７の上面の４個所の隅部には、最小構成例における凸部２２としての機能を果たすフック機構を構成する所定高さの基部２９ａと、この基部２９ａの先端から第１の面と平行な方向に突出して、平面視において基部２９ａより内方の位置まで延在するフック部２９ｂとが第１の面２１と交差する方向へ突出して設けられている。

図５（ｃ）（ｄ）に示すように、ヒートシンク３０Ｃには、最小構成例における凸部２２としての機能を果たすフック機構が挿入される凹部３２として、第２の面３１と交差する方向へ向かう入口孔３８ａと、この入口孔３８ａに連なって、第２の面３１と平行な方向へ伸びるあご部３８ｃによって覆われた溝部３８ｂとが形成されている。なお、前記入口孔３８ａは、平面視にて前記フック部２９ｂよりわずかに大きく形成されていて、内部にフック部２９ｂを受け入れることができるようになっている。

またヒートシンク３０Ｃのベース３５の底面には、前記電子デバイス２０Ｃの上面の窪み２１ａの平面形状よりわずかに小さな凸部３１ａが形成されている。すなわち、この凸部３１ａは、前記電子デバイス２０Ｃの発熱源である半導体チップ２６と平面視で重なる位置にベース３５の一部を盛り上げるように成形されていて、半導体チップ２６との密着性を高めるよう配慮されている。

第３実施形態にあっては、電子デバイス２０Ｃの第１の面２１の上にヒートシンク３０Ｃの第２の面３１を載せ、凸部３１ａが窪み２１ａに挿入される。ここで、前記フック部２９ｂは、入口孔３８ａと重なる位置に位置合わせされ、図５（ｅ）に示すように、入口孔３８ａから挿入される。次いで、電子デバイス２０とヒートシンク３０とを第１の面２１、第２の面３１に沿う方向へ相対的にスライドさせると、フック部２９ｂが溝部３８ｂに入って、あご部３８ｃにより図５（ｅ）下方（第１の面２１と第２の面３１とが離れる方向）への移動が規制された状態となる。ここで、フック部２９ｂの先端が傾斜しているため、フック部２９ｂが溝部３８ｂに案内される。
すなわち、フック部２９ｂが溝部３８ｂに挿入されて、第１の面２１と第２の面３１とが密着した状態に結合される。この構造により、半導体デバイス２６近くの領域と凸部３１ａとの間に十分な密着力を与えて、良好な熱伝導性を得ることができる。

図６（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）により、本発明の第４実施形態を説明する。なお図中図１～図５と共通の構成には同一符号を付し、説明を簡略化する。
電子デバイス２０Ｄのスチフナ２７の側面（以下第３の面という）の４隅には、第３の面より窪んだ凹部４０が形成されている。またスチフナ２７の上面の周縁から所定距離だけ内側の領域には、凹部２１ａが形成されている。

ヒートシンク３０Ｄの下面（第２の面３１）の前記凹部２１ａに対応する位置には、凸部３１ａが形成されている。またヒートシンク３０Ｄの下面の、前記凹部４０に対応する位置、異なる表現をすれば前記電子デバイス２０Ｄの平面視における輪郭の一部である４隅に対応する位置には、基部４１が第２の面３１から突出して設けられている。この基部４１の先端には、フック部４２が第２の面３１に沿って内方へ突出して、前記電子デバイス２０Ｄの平面視における輪郭より内側まで延在して設けられている。

第４実施形態にあっては、電子デバイス２０Ｄの第１の面２１の上にヒートシンク３０Ｄの第２の面３１を載せ、凸部３１ａを窪み２１ａに位置合わせすると、これらの周囲の斜面によって互いに案内されながら凸部３１ａが窪み２１ａに挿入されて行く。ここで、前記フック部４２は、凹部４０と重なる位置に位置合わせされ、図６（ｅ）に示すように、凹部４０に挿入されて、スチフナ２７の４隅の厚みの薄い部分に引っかけられる。詳細には、電子デバイス２０Ｄにヒートシンク３０Ｄを載せ、第１の面２１と第２の面３１とを密着させようと操作すると、前記フック部４２の先端の傾斜面がスチフナ２７の側面（第３の面）を滑ることにより、基部４１を弾性変形させた状態（フック部４２とフック部４２と間隔が互いに広がった状態）となり、凹部４０に達することによって弾性変形状態から復元すると、図６（ｅ）に示すような状態となる。

すなわち、フック部４２が凹部４０に挿入されて、第１の面２１と第２の面３１とが密着した状態に結合される。この結合状態において、前記基部４１が僅かに伸び方向へ弾性変形するよう、各部材の寸法、凸部３１ａの突出量、凹部２１ａの突出量を設定することにより、半導体デバイス２６近くの領域と凸部３１ａとの間に十分な密着力を与えて、良好な熱伝導性を得ることができる。

上記第１～第４実施形態にあっては、電子デバイスとして半導体チップをＬＩＤまたはスチフナにより封止した構成のものを例示したが、他の構造の電子デバイスであっても良い。また、放熱部材として、多数のフィンを備えたヒートシンクを例示したが、他の構造の放熱部材であっても良く、要は、被放熱部材となる電子デバイスより表面積が大きい、あるいは熱伝導性の良好な材料を用いる等によって僅かでも被放熱部材より放熱特性が良好な部材を採用すれば良い。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明は、動作にともなって発熱する電子デバイスの冷却に利用することができる。

２０，２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ 電子デバイス
２１ 第１の面
２１ａ 凹部
２２ 凸部
２２Ａ 雄ねじ
２３ 第３の面
２４ 凹部
２５ 基板
２６ 半導体チップ
２７ ＬＩＤ（スチフナ）
２７ａ 台部
２８ 凸部
２８ａ 係合突起
２９ａ 基部
２９ｂ フック部
３０、３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ ヒートシンク（放熱部材）
３１ 第２の面
３１ａ 凸部、
３２ 凹部
３２Ａ 雌ねじ孔
３３ 突起
３４ 凸部
３５ ベース
３６ フィン
３７ 凹部
３７ａ 入口凹部
３７ｂ 案内溝
３８ａ 入口孔
３８ｂ 溝部
３８ｃ あご部
４０ 凹部
４１ 基部
４２ フック部

Claims (5)

1. 電子デバイスが収容された容器の第１の面と、この第１の面に接触する第２の面を有し、放熱部材との間に設けられる放熱構造であって、
   前記第１の面から突出する凸部と、
   この凸部に対応する位置で前記第２の面に形成された凹部と、
   前記凸部と凹部との間に設けられた嵌合部と、
   を有し、
   前記凸部は、前記第１の面と交差する方向へ突出し、さらに、第１の面に沿う方向へ突出し、
   前記凹部は、前記第２の面と交差する方向へ窪み、さらに、前記第１の面に沿う方向または傾斜した方向へ窪み、
   前記凸部と凹部とが前記第１の面、第２の面に沿う相対的な直線移動によって互いに結合される、放熱構造。
2. 電子デバイスが収容された容器の第１の面と、この第１の面に接触する第２の面を有し、放熱部材との間に設けられる放熱構造であって、
   前記容器の第１の面とは異なる第３の面と、
   この第３の面と前記第２の面との間に設けられ、これらの面のいずれか一方から突出して、いずれか他方へ挿入される嵌合部と、
   を有する放熱構造。
3. 前記凸部は、前記第１の面に設けられた雄ねじであり、
   前記凹部は、前記第２の面に設けられた雌ねじある、
   請求項１に記載の放熱構造。
4. 前記電子デバイスの第３の面に設けられた凹部と、
   前記放熱部材の第２の面に設けられ、前記凹部に挿入されるフック部と、
   を有する請求項２に記載の放熱構造。
5. 請求項１～４のいずれか一項に記載された放熱構造と、
   電子デバイスと、
   放熱部材と、
   を有する電子部品。

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