JPH0677679A - 回路基板に電気素子を取り付ける方法及びその装置 - Google Patents

回路基板に電気素子を取り付ける方法及びその装置

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Abstract

(57)【要約】 【目的】回路基板上の電気部品の装着密度を高めるとと
もに、半導体装置から熱を有効に逃がすこと。 【構成】 複数の熱伝導層10を含むプリント回路基板６
と、熱伝導層を貫通する複数の熱伝導チャネル12と、回
路基板の上面に設けた熱パッド５を有する半導体装置と
しての電気素子４と、回路基板の底面に取付けた熱伝導
層と熱伝導チャネルを通って熱を放散するためのヒート
シンク８と、回路基板を押し付けるクランプ手段14,16
とを備える電気素子取り付け装置。電気素子は、ばねや
固定具を使用することなく、リード線22をはんだパッド
５にはんだ付けし、ヒートシンクと回路基板との間に加
えられるべき比較的高いクランプ荷重により、熱伝導層
とヒートシンクとの間の熱伝導率を高レベルにして放熱
効率を良くする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、基板の対向面に取付け
た熱放散装置を有するプリント回路基板に電力用電気素
子を取り付ける方法に関する。更に、本発明は回路基板
に電力用電気素子を取付け、この素子から発生した熱を
複数の熱伝導チャネルを通って回路基板の対向面に設け
たヒートシンク（放熱器）に導き、さらに回路基板内の
複数の熱伝導層によって熱を伝導かつ放散する方法に関
する。
【０００２】
【従来の技術】熱放散装置は一般に使用されており、１
つの形式はヒートシンクとして知られ、これは、例えば
冷却機能を有効ならしめるために半導体装置等の電気素
子の裏面に接触させて取付けられ、高い電力レベルでの
作用時に装置の温度条件を越えるのを防止する。この電
気素子は、複数の固定具を用いてヒートシンクに取付け
られ、固定具は非常に正確な機械加工が必要で、多数の
電気素子を順次取りつける場合には高度の組み立て作業
が要求される。
【０００３】熱の伝導は、熱パッドの取付け面につける
はんだや熱伝導ペーストの使用により改良されていて、
この熱パッドは半導体装置の一部であり、通常、熱パッ
ドのフランジに設けた孔を介してヒートシンクにボルト
で固定される。熱パッドは半導体装置に取付けられ、熱
伝導プレートとして機能し、このプレートは素子により
発生した熱を伝導し、かつより効果の大きな熱放散器、
例えばプリント回路基板上に大きなスペース空間を必要
とするヒートシンクに直接取付けられる。
【０００４】半導体装置を冷却するために冷却ジャケッ
トを使用することが知られており、そこで、装置自体を
冷却液に浸したり、または１つ以上の冷却通路を有する
ヒートシンクを装置に取付けるか熱的に接触させて冷却
液が有効に循環するようにしている。
【０００５】この電気素子、例えば電力用半導体装置の
電気素子は、回路基板に取付けられ、熱伝導用の熱パッ
ドを介して熱を伝導することによって冷却する場合に、
また、電気素子から放射する複数の電気接続リードが、
回路基板上のはんだパッドとして知られた接続用パッド
に取付けられる場所において、これまで問題が発生して
いる。
【０００６】それゆえ、十分な冷却を得るために、補助
ヒートシンクがある方法で付加されなければならず、こ
れにより付加的な熱を電気素子の熱パッドから有効に導
き、作業温度を制御する。半導体装置は、空気に晒され
るように周囲に広がりかつ回路基板に取付けられるフィ
ンを有するヒートシンクに直接取りつけることが知られ
ているが、この方法では、ヒートシンクがより大きな面
積を必要とするので、プリント回路基板自体の実装密度
を高くすることができず、その結果、電気モジュールの
全体の寸法をより大きくすることになる。
【０００７】このように、最小の数の固定具を用いてか
つ寸法公差もゆるい状態でプリント回路基板上の電気部
品の装着密度を高めるとともに、半導体装置から熱を有
効に逃がすことができるようなヒートシンクの取付け方
法を提供することが望ましい。
【０００８】従来の方法における厳格な寸法公差と高度
の作業性は、プリント回路基板の大量の製造組み立てに
とって役立つものではなく、そこでヒートシンクを半導
体装置に直接取付けるようになると、多数の素子を順次
取付ける場合には特に費用が増大する。
【０００９】また、従来の方法では、熱伝導用の熱パッ
ドとヒートシンクの間に良好な熱伝導性を持たせるよう
に電気素子に十分なクランプ荷重を発生させることがで
きなかった。熱パッドとヒートシンクの間に大きな接触
面積を有して、熱の伝達および冷却効果を最大にするこ
とが望ましい。
【００１０】米国特許第4,479,140 号および同第 5,08
9,936号明細書に記載のような従来の方法は、参考とし
てここに包含される。そして、ここには、ばねを用いて
半導体装置とシートシンクとの間の接触を確実にする方
法が開示されている。
【００１１】このような方法は、有効ではあるが、ば
ね、取付けボルト、保持ブロック等の部品が必要であ
る。従来の装置では、半導体装置を回路基板に直接取付
けることができないため、電気リード線はパッドをはん
だ付けしたプリント回路基板にはんだ付けができ、はん
だパッドでまたは電気リード線に沿って誘導される応力
を最小にするとともに、高いクランプ荷重を与えて、熱
の伝導及びヒートシンクへの放熱を最大にしている。ま
た、ヒートシンクは半導体装置と同じ側の回路基板に取
りつけられるため、装着密度を高める電気部品の最適配
置を阻害し、かつ組み立て工程を複雑にする。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】このような事情に鑑み
て、本発明はプリント回路基板上の電気部品の装着密度
を高めるとともに、半導体装置から熱を有効に逃がすこ
とを可能にした回路基板に電気素子を取り付ける方法及
びその装置を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、上面の第１層と、底面の第２層と、この
両層間に位置して回路基板内に埋設した残りの熱伝導層
とを有する、複数の熱伝導層を含んでいるプリント回路
基板と、前記熱伝導層を横断して貫通し、前記第１層か
ら第２層に伸びる、複数の熱伝導チャネルと、前記回路
基板の上面に取り付けられる熱伝導用の熱パッドを有す
る電気素子と、前記回路基板の底面に取り付けられ、前
記電気素子の半導体装置によって発生した熱を放散する
ために第２層に接触しており、前記熱は前記取り付けパ
ッドを介して伝導し、さらに前記熱伝導層と熱伝導チャ
ネルを通って熱を放散するための熱放散手段と、熱の移
送を改善するために前記熱放散手段に対して前記回路基
板を押し付けるクランプ手段とを備えていることを特徴
としている。
【００１４】このため、半導体装置から放射する電気リ
ード線は、回路基板に配置された他の電気部品に電気的
に接続される個々のはんだパッドに、はんだ付けされて
いる。動作時に半導体装置から発生する熱は、複数の熱
伝導層を介して伝達される。熱伝導層の１つは、回路基
板の上面にあって、そこに熱パッドが取りつけられ、ま
た底面にも１つの熱伝導層を配置し、この両層間に間隔
を均等にとって回路基板に埋設された残りの熱伝導層が
配置されている。
【００１５】これらの熱伝導層を横断する複数の熱伝導
チャネルが、熱伝導層から熱伝導層へ熱を伝達し、最後
にプリント回路基板の底面に位置する熱伝導層へ熱を伝
達するために用いられる。熱伝導チャネルを通ってプリ
ント回路基板の底面に位置する熱伝導層に伝達される熱
は、比較的高い熱伝導率を有する電気絶縁層を介してヒ
ートシンクに伝達される。ヒートシンクは一般にアルミ
ニュームブロックで作られ、フィンを備えて、放射熱が
周囲の大気中に最大限放散されるようになっている。プ
リント回路基板は、半導体装置間に位置決められかつ熱
伝導チャネルの中心軸に一致させて、比較的大きな取付
けボルトでヒートシンクにクランプされる。その結果、
熱の伝達を最大にするためのクランプ力が発生する。
【００１６】
【作用】このような構成により、電気素子から発生した
熱が複数の熱伝導層と熱伝導チャネルを通って、他の部
品から離れたプリント回路基板の対向面に取付けられる
ヒートシンクに伝達される。そして、半導体装置は、ば
ねや固定具を使用することなく、プリント回路基板の上
面に簡単に取付けることができ、またプリント回路基板
上で電気リード線をはんだパッドに、はんだ付けできる
ようにして、高温度に到達した時に機械的応力を軽減す
る。
【００１７】
【実施例】本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
図１、図２に示す電気素子取付け装置２から明らかなよ
うに、半導体装置等の少なくとも１つの電気素子４が、
熱伝導用パッド５とともにプリント回路基板６に取付け
られている。この一体構造の組立体はアルミ製のヒート
シンク８のような放散器に固定され、ヒートシンクが半
導体装置４により発生した熱を放散させる機能を有す
る。
【００１８】発生した熱は、プリント回路基板６を通り
ヒートシンク８に逃げ、ヒートシンクに形成された複数
のフィンを介して通常大気中に放散される。熱を伝達す
るには他の方法を用いることもでき、例えば、放散器を
介して液体を強制循環させるようにしてもよい。これら
の放散器は、半導体装置４の適正な作動温度を維持する
機能を有し、半導体装置４の性能を低下させるか、ある
いは直ちにまたは一定時間の後に使用不能になるような
最高温度には到達しないようにしている。
【００１９】プリント回路基板６は、複数の熱伝導層10
を有し、この層は銅などの熱伝導率の高い材料により作
られる。熱伝導層の表面はプリント回路基板の上面及び
底面にほぼ平行である。図１のプリント回路基板６は、
その上面と底面に銅の層10を有し、さらに２つの層が互
いに等しい間隔に配置されプリント回路基板に埋設され
る。プリント回路基板は熱を伝導する機能を有するとと
もに複数の熱伝導チャネルを介して一方から他方に熱を
分配しており、この熱伝導チャネルの軸線が熱伝導層10
の表面に対してほぼ垂直となっている。
【００２０】熱伝導チャネル12は、プリント回路基板を
貫通する複数の孔をドリルもしくはパンチにより形成す
ることが望ましく、この孔にはんだ等の熱伝導性材料で
孔を満たす。熱伝導チャネル12は１つの熱伝導層から別
の層へ熱を伝達し、最終的にはヒートシンク８を介して
熱を大気中に放散する。
【００２１】図２は熱伝導チャネル12の直径をより明確
に示すもので、チャネル12は半導体装置４から熱伝導パ
ッド５に効果的に熱を伝達するために面積を最大にして
いる。このパッド５は半導体装置取付け用のはんだ20を
用いてプリント回路基板６に取付けられ、最終的に第１
の熱伝導層10に熱を伝達する。そこで、熱伝導チャネル
12によって熱が各熱伝導層10に伝達され、さらに熱伝導
性電気絶縁体19を通り、シートシンク８に伝達される。
【００２２】プリント回路基板６は、熱伝導性電気絶縁
体19を介してシートシンク９に固く保持され、絶縁体19
は回路基板６とシートシンク８との間に機械的締結具16
によりクランプされる。締結具はヒートシンク８に設け
たねじ切りされた開口18に螺合するねじで構成できる。
締結具16はまた締結プレート14を貫通する孔に係合し、
これにより締結プレート14が締結具16により生じるクラ
ンプ荷重を分配するのに寄与する。締結具により非常に
高いクランプ荷重がもたらされて有効な熱伝導が与えら
れることが望ましい。電気絶縁体19の機能は、プリント
回路基板６をヒートシンク８から電気的に絶縁し、これ
らの２要素を異なる電位レベルにして電気的に絶縁する
とともに、熱制御のために、プリント回路基板６からヒ
ートシンク８に熱の伝達を可能にすることである。
【００２３】半導体装置４はまた複数の電気リード線線
22を含み、このリード線22はプリント回路基板６に設け
た孔へと伸びそして係合する。そして、リード線22は、
はんだパッド24にはんだ付けされ、回路基板上に位置す
る他の複数の電気素子に順次接続される。
【００２４】本発明の方法を使用することにより、一列
に並んだ半導体装置は、適宜回路基板６の上面に取付け
られ、ヒートシンク８はプリント回路基板６の反対側底
面に取付けられる。これにより、プリント回路基板６の
寸法を最小にしてより高い装着密度を可能にする。
【００２５】多数の半導体装置４が取付けられる場所に
は、締結具16が各対の半導体装置４間に配置されるのが
好ましい。半導体装置は締結プレート14との組み合わせ
により高いクランプ荷重が与えられ、このためプリント
回路基板６および熱伝導層10からヒートシンク８への熱
伝達が最大になる。締結具16は熱伝導チャネルを有する
熱伝導層の一部分の中心軸線上にほぼ位置している。
【００２６】上記実施例における多くの変更は、本発明
の請求の範囲内で可能であることは当業者であれば明白
となるであろう。本発明は、材料、形状、寸法、用途ま
たはパラメータの範囲の選択が、ここで使用される好ま
しい実施例に限定されるべきものでもない。
【００２７】
【発明の効果】本発明によれば、電気素子から発生した
熱が複数の熱伝導層と熱伝導チャネルを通って、他の部
品から離れたプリント回路基板の反対側の底面に取付け
られるヒートシンクに伝達するので、電気部品をプリン
ト回路基板の上面側に取付ける部品装着密度を高めると
共に、少ない数の固定具を用いて電気素子が回路基板お
よびヒートシンクに取付けられ、この電気素子を冷却す
ることができる。
【００２８】また、ヒートシンクと回路基板との間に加
えられるべき比較的高いクランプ荷重により、熱伝導層
とヒートシンクとの間の熱伝導率を高レベルにして放熱
効率を良くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るヒートシンクに確実にクランプす
る回路基板に取付けた半導体装置の断面図である。
【図２】本発明に係る半導体装置を取付ける方法を示す
図１の平面図である。
【符号の説明】
４ 電気素子 ５ 熱パッド ６ プリント回路基板 ８ ヒートシンク 10 熱伝導層 12 熱伝導チャネル 14 締結プレート 16 締結具 19 電気絶縁体 20 はんだ 22 リード線

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 上面の第１層と、底面の第２層と、この
    両層間に位置して回路基板内に埋設した残りの熱伝導層
    とを有する、複数の熱伝導層を含んでいるプリント回路
    基板と、 前記熱伝導層を横断して貫通し、前記第１層から第２層
    に伸びる、複数の熱伝導チャネルと、 前記回路基板の上面に取り付けられる熱伝導用の熱パッ
    ドを有する電気素子と、 前記回路基板の底面に取り付けられ、前記電気素子の半
    導体装置によって発生した熱を放散するために第２層に
    接触しており、前記熱は前記取り付けパッドを介して伝
    導し、さらに前記熱伝導層と熱伝導チャネルを通って熱
    を放散するための熱放散手段と、 熱の移送を改善するために前記熱放散手段に対して前記
    回路基板を押し付けるクランプ手段と、を備えているこ
    とを特徴とする電気素子取り付け装置。
  2. 【請求項２】 熱伝導性電気絶縁体が、前記回路基板の
    底面と熱放散手段の間にクランプされていることを特徴
    とする請求項１の装置。
  3. 【請求項３】 熱伝導層は、実質的に銅材料から作られ
    ていることを特徴とする請求項１の装置。
  4. 【請求項４】 熱伝導チャネルは実質的に回路基板の上
    面に垂直に形成されていることを特徴とする請求項１の
    装置。
  5. 【請求項５】 熱伝導チャネルは円形状であることを特
    徴とする請求項４の装置。
  6. 【請求項６】 熱伝導チャネルははんだで形成されてい
    ることを特徴とする請求項１の装置。
  7. 【請求項７】 熱放散手段はヒートシンクであることを
    特徴とする請求項１の装置。
  8. 【請求項８】 ヒートシンクはアルミニウムを主成分と
    する材料から作られていることを特徴とする請求項７の
    装置。
  9. 【請求項９】 ヒートシンクは熱を周囲の空気中により
    効果的に放散するためにそこから放熱する多数の冷却フ
    ィンを有していることを特徴とする請求項８の装置。
  10. 【請求項１０】 電気素子は１つの半導体であることを
    特徴とする請求項１の装置。
  11. 【請求項１１】 プリント回路基板はセラミック基板で
    構成されていることを特徴とする請求項１の装置。
  12. 【請求項１２】 熱放散手段を用意し、 複数の熱伝導チャネルにより熱を伝える複数の熱放散層
    を有し、この熱放散層がそれぞれ回路基板の上面及び底
    面に平行でかつ熱放散層を横断する平坦な面を有してい
    る、プリント回路基板を用意し、 電気素子を前記回路基板の上面に取り付け、 前記回路基板を熱放散手段にクランプし、前記熱放散手
    段が前記回路基板の底面に取りつけられる、各ステップ
    を含んでいる電気素子の冷却方法。
  13. 【請求項１３】 熱的伝導性電気絶縁層を用意し、 前記絶縁層を回路基板とヒートシンクの間にクランプす
    る、各ステップをさらに含んでいる請求項12の方法。
  14. 【請求項１４】 半導体装置をプリント回路基板にはん
    だ付けするステップを含んでいる請求項12の方法。
  15. 【請求項１５】 熱伝導チャネルをプリント回路基板の
    上面にほぼ垂直な複数の孔をドリルで加工し、その後、
    前記孔にはんだを満たすステップをさらに含んでいる請
    求項12の方法。
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