JPH08148801A - 半導体素子の基板上実装方法と基板上実装装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明はプリント基板上に表面実装部品とし
ての半導体素子を放熱良く実装できる基板上実装方法及
び基板上実装装置に関し、簡易な構成で装置の信頼性を
落とすことなく半導体素子からの熱を充分に放熱できる
ようにしたプリント基板に表面実装する方法と実装装置
を提供することを目的とする。 【構成】 側方から見てＬ字状に折り曲げた金属製平板
と、Ｌ字状に折り曲げた部分の背面でほヾ中間に下方へ
延びて設けた外部脚部と、で構成した部品の、折り曲げ
た金属板の内側で折り曲げ部に接して半導体素子を搭載
し、その部品をプリント基板の一面にＬ字状辺の一方端
と外部脚部とにより載置する表面実装方法と、その方法
により実装した装置とで構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はプリント基板上に表面実
装部品としての半導体素子を放熱良く実装できる基板上
実装方法及び基板上装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】小型化した電子機器において、プリント
基板上に電子部品を実装することは、電子部品の小型化
と共に有効適切に実行されている。特に、半導体素子は
小型化されると、内部温度上昇が激しくなるため、放熱
についての検討が進んでいる。プリント基板として最近
はガラス・エポキシ積層板が使用されるようになったた
め、その基板に半導体素子を表面実装する場合につい
て、以下説明する。

【０００３】図８は当初に検討された実装状態を示す図
である。図８において、ガラスエポキシ基板１３はその
表面に導通性パターン１４，１５を介して半導体素子１
１を搭載する。導電性パターン１４，１５はガラスエポ
キシ基板１３との間に薄い接着剤１６を設けて貼付けら
れている。半導体素子１１はパターン１５と接続するた
めのリード１２を側面に複数本有している。

【０００４】半導体素子１１において発生する熱は白太
矢印１７のように周囲の空気へ、またパターン１４を介
してガラスエポキシ基板１３へ放熱されている。このと
き導電性パターン１４は熱抵抗が小さいけれど、基板１
３との間に接着剤１６が存在するため、半導体素子１１
の熱が基板１３へ放熱することは、比較的大きな熱抵抗
が生じている。

【０００５】半導体素子１１が大量の熱を放散すると
き、基板１３との間の大きな熱抵抗のため、半導体素子
１１は良好な動作をすることが期待できず、半導体素子
の性能を十分に活用出来ないこととなっている。高温に
おいて、半導体素子は信頼性が影響されることは当然で
ある。図９は図８に示す半導体素子１１について、手前
から持ち上げて斜め方向から見た図である。半導体素子
１１の側面にはリード端子11a,11b,11c を設けている。
図９において、リード端子11c は通常パターンと接続し
ては使用しないため短く切断されている。放熱用金属面
11d は半導体素子１１が図８に示すパターン１４と接触
する箇所に設けられ、内部電極例えばコレクタと接続さ
れている。半導体素子が発生する熱をパターン１４，基
板１３の方へ伝え易くするため、金属面11d は広面積と
している。11e は金属面11d の外方へ延長された金属部
を示す。半導体素子１１はその外装がモールド樹脂ケー
ス11f となっている。

【０００６】図８に示す表面実装装置について、その後
に図９に示す改良型が提案された。図１０において、パ
ターン１４は図１０におけるパターンと比較して、より
広面積のものとし、更にパターン上に放熱フィン１８を
設けている。図１０に示す放熱フィン１８は、基板１３
から立上っている面の表裏両面から放熱できるが、半導
体素子１１の熱はパターンを介して伝わっていることで
あり、パターン１４の広面積化は、基板１３のみを極度
に大きくできないためパターン・放熱フィンの大きさに
も限界がある。したがって、半導体素子１１自体の放熱
は、図８の場合と比較して目立った変化をしていない。

【０００７】図１１はそのため放熱フィン１８を半導体
素子１１の基板１３とは反対側へ、接着剤を使用するな
どの処理をして、取付けた場合を示している。半導体素
子からの放熱についてのみ言えば、図１１は図９，図１
０と比較して最も良好である。しかし基板上の体裁が悪
く、半導体素子１１に故障のあることが分かっても、放
熱フィンを一旦取り外す必要があるため、修理すること
も困難であった。

【０００８】最近になってプリント基板の材料として金
属製基板を使用するようになった。図１２は金属ベース
の基板１９の表面に絶縁層２０，パターン１４を形成
し、半導体素子１１を載置している。基板１９自体の金
属はアルミニウム、鉄を素材としている。また絶縁層２
０の材質はポリイミド・エポキシ樹脂などで、数十ミク
ロン程度の厚さとしている。基板１９の材質が金属であ
るため、基板１９に到達した熱は、伝導・拡散が直ちに
行われ、放熱特性が良好である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】図１２に示す金属製基
板１９に半導体素子を搭載した例では、放熱特性は良好
であるが、欠点が多い。即ち、金属としてアルミニウム
・鉄を使用するため、加工性が悪く、原材料が高価であ
る。また絶縁層の材質と、その製造方法により絶縁性の
程度や、経年変化にばらつきが大きいため、絶縁層は信
頼性に欠けるという欠点が大きい。

【００１０】本発明の目的は前述の欠点を改善し、簡易
な構成で装置の信頼性を落とすことなく、半導体素子か
らの熱を十分に放散できるようにしたプリント基板に表
面実装する方法と実装装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の目的を達成する
ための構成は、下記のとおりである。請求項１記載の発
明は、側方から見てＬ字状に折り曲げた金属製平板と、
Ｌ字状に折り曲げた部分の背面でほヾ中間に下方へ延び
て設けた外部脚部と、で構成した部品の、前記折り曲げ
た金属板の内側で折り曲げ部に接して半導体素子を搭載
し、その部品をプリント基板の一面に載置したことを特
徴とする。

【００１２】請求項２記載の発明は、側方から見てＬ字
状に折り曲げた金属製平板と、Ｌ字状に折り曲げた部分
の背面でほヾ中間に下方へ延びて設けた外部脚部と、で
構成した部品と、前記部品中の折り曲げた金属製平板の
内側で折り曲げた部分に接して搭載した半導体素子と、
を具備することを特徴とする。請求項３記載の発明は、
側方からみてコ字状に折り曲げた金属製平板と、コ字状
に折り曲げた部分の背面でほヾ中間部に下方へ延びて設
けた脚部と、折り曲げた内側に搭載した半導体素子と、
前記折り曲げたコ字状平板の第３辺の先端を折り曲げた
内側に延びる延伸部と、前記延伸部を有するコ字状平板
の第三辺の内側のほゞ中央に設けた突起とで構成したこ
とを特徴とする。

【００１３】請求項４記載の発明は、側方からみてコ字
状に折り曲げた金属製平板と、コ字状に折り曲げた内側
に搭載した半導体素子と、コ字状平板の第三辺の内側ほ
ゞ中央に設けた突起部と、で構成したことを特徴とす
る。請求項５記載の発明は、請求項４記載のコ字状に折
り曲げた金属製平板の各先端が、基板の表面パターンと
半田付け可能に処理してあることを特徴とする。

【００１４】

【作用】請求項１および請求項２記載の発明において、
金属製平板を折り曲げＬ字状になった折り曲げ部に接し
て半導体素子を搭載し、そのＬ字状部品をプリント基板
の一面に載置する。Ｌ字状に折り曲げた部分の背面のほ
ヾ中間に設けた外部脚部があるため、折り曲げ部の全体
が基板と接触することなく、基板との間に断面が直角三
角形状の隙間を作る。半導体素子から発生する熱はＬ字
状金属製平板の表面を放熱フィンとして放熱すると共
に、基板とその隙間にも空気の対流が起こって、放熱は
より良好となる。

【００１５】請求項３記載の発明においては、金属製平
板を更に折り曲げ、コ字状とする。そのため半導体素子
は金属製平板の折り曲げ部内側に押し込まれた形にな
り、半導体は安定状態で保持されている。コ字状に折り
曲げられた金属性平板は、その背面に外部脚部を設け
て、プリント基板と接触している。そのため脚部付近に
空間ができるので、半導体素子に対する放熱がより良好
になる。

【００１６】請求項４および請求項５記載の発明におい
ては、金属製平板をコ字状に折り曲げ、コ字状の開いた
箇所を下方にして立上った形とすることが良い。半導体
素子は前記折り曲げた平板の第三辺の中間部に設けられ
た突起部により保持されている。このとき金属製平板が
全体的に放熱フィンとなるため、半導体素子の放熱は従
来技術における単純な放熱フィンと比較して良好であ
る。

【００１７】

【実施例】図１は請求項１・請求項２に記載した発明に
ついての実施例の構成を示す側面図であり、図２は図１
についての斜面図である。半導体素子１１・リード１２
・基板１３・パターン１４，１５は、従来技術と同様の
ものを同一符号で指示している。２１，２２は側方から
見てＬ字状に折り曲げた金属製平板、２３は外部脚部
で、Ｌ字状に折り曲げた部分の背面のほヾ中間位置にお
いて、図の下方へ延びて設けたものを示す。外部脚部２
３はＬ字状の部品を基板１３上に支持するための支持台
の役目を果している。

【００１８】金属製平板２１，２２の材質は、銅または
銅合金とすることが良く、必要に応じて表面をメッキし
ておく。図１・図２においては、金属製平板２１，２２
と外部脚部２３の殆ど表裏面が全て放熱フィンとなる。
半導体素子１１は、図１１に示すように金属製平板２１
と接する側に金属面部分を設けて置く。そして金属製平
板と半導体素子とは、中間に薄い半田を付けて、電気的
に接続し、機械的に接着させている。また外部脚部２
３，リード１２の基板１３側は、基板パターン１４，１
５と接触していて、接触部は半田付け処理を行う。ここ
で、それら処理を行うときの半田について付加説明をす
る。半田付けの工程として、半導体素子１１と金属製平
板２２との半田付けが前工程で実行され、基板パターン
と半田付けを行う工程は後工程となる。そのため前工程
での半田付けに使用する半田は、高温半田と俗称してい
る１９０度Ｃ程度で溶融するものを使用する。

【００１９】次に基板パターンとリードなどを半田付け
するときは、共晶半田というＰｂ３８％・Ｓｎ６２％の
組成のものを使用する。共晶半田の融点は約１８３度Ｃ
であるから、後工程処理において先に処理した箇所が壊
されることは起こらない。一方、半導体素子１１の動作
限界温度は１７５度Ｃ程度である。そのため前記高温半
田を長時間使用すると、半導体素子１１が高温化になる
場合が起こる。したがって、図１・図２の半田２４の部
分は低温半田を使用する方が良い。低温半田の融点は１
６７度Ｃ程度である。そのため、外部脚部２３と金属製
平板２１の接合している部分について、図３の正面図に
示すように切り込み２５を設け、熱抵抗を大にしておけ
ば、パターン１４との半田付けの際に共晶半田を使用し
ても、半導体素子の受ける熱的影響は微弱になる。

【００２０】また、裏面の金属面（図１１における11D)
の大きさに工夫を加えて、Ｌ字状部品２２のリード１２
方向への長さを金属面11d の同長さより短く、また幅も
小さくすることが有効である。即ち、半導体素子11の裏
面の金属面がＬ字状部品２２より若干大きい寸法とすれ
ば、半導体素子１１をＬ字状金属製平板２２の外方に金
属面が露出するので、金属面と平板２２との接合状態を
確認することが出来、且つ熱伝導・放熱の点で好適であ
る。

【００２１】なお、図４は図１・図２に示す金属製平板
２１，２２について折り曲げる前の平板を示す上面図で
ある。図４において、平板２２が平板２１に対し折り曲
げるための折り曲げ線ＦＬ付近に外部脚部２３の外形の
大きさで、切削をする。図４においてハッチングを施し
た部分２５は、前述の熱抵抗を大きくするための切り込
み部分である。平板について切削線に沿って切削した
後、折り曲げ線ＦＬに沿ってＬ字状に折り曲げると、折
り曲げの外側方向に２３と示す外部脚部が突出して、図
１・図２の形状になる。平板２２について、外部脚部２
３を切り出した所で半導体素子１１の金属面１１ｄが平
板２２との接合または半田付けの良否判断を行うことが
出来る。

【００２２】外部脚部２３について、平板２１と接合す
ることは上述のように平板２２から切り出すこと以外
に、矩形状平板を持来り平板２１と半田付けまたはリベ
ット付けすることでも良い。図５は請求項３に記載した
発明についての実施例の構成を示す側面図である。図５
において、半導体素子１１・リード１２・基板１３・パ
ターン１４，１５・金属製平板２１，２２・外部脚部２
３は図１・図２に示すものと同様である。金属製平板２
１，２２は平板２１の平板２２と反対側が平板２６，２
７と延長され、全体がコ字状になる。平板２７の部分を
延伸部と呼ぶ。そしてその材質は銅または銅合金とする
ことが良く、必要に応じて表面をメッキしておく。また
平板２１，２６，２７の曲げの部分にはバネ性を付与し
ておく。コ字状部品の第三辺２６の内側ほヾ中間に、内
方への突起部２８を具備する。

【００２３】金属製平板２１の側方から見た高さをＨ
１、延伸部２７の基部と平板２２との間隔即ち開口部の
大きさをＨ２としたとき、Ｈ２＜Ｈ１と選定する。半導
体素子１１をコ字状部品の内部に設置するときは、大き
さＨ２の開口部を押し広げて半導体素子１１を内部に押
し込む。そのとき平板２６が素子１１を全体的に抑え付
けるので、金属製平板２２の側に在る半導体素子の裏面
金属部は、平板２２と良好に接触できる。勿論、より安
定性を求めるときには、半田付けをする。

【００２４】突起部２８は半導体素子１１に対し点接触
により抑え付けているから、抑え付け力が安定である。
延伸部２７は曲げ角度を適切にし、半導体素子１１との
位置関係も良好になっている限り、半導体素子のコ字状
部品内における設置安定性が悪くなることはない。外部
脚部２３の長さは図１・図２の場合より長い目にする
と、基板１３との間に隙間がより多く発生できる。その
ため空気の通風量が図１の場合より多くなり、半導体素
子に接触している部分を冷却することに、より役立って
いる。特にファンを使用する強制空冷の場合に効果的で
ある。

【００２５】また金属製平板２１，２６の表面は平板２
２から伝導されて来た熱が、外方へ放散されるので、冷
却効果が大きい。図６は請求項４・請求項５に記載した
発明についての実施例の構成を示す図である。図６にお
いて、半導体素子１１、リード１２、プリント基板１
３、パターン１４，１５、金属製平板２１，２２は、図
１・図２に示すものと同様である。金属製平板２１の平
板２２と反対側が平板２６に延長され、更に平板２２，
２６の各一方端は更に先方へ延伸されて、延伸部２９，
３０を形成している。延伸部２９の先端、延伸部３０の
先端、リードの先端折り曲げ部は、側方から見たとき全
て同一平面上に位置するように、長さ・ばね力を調節す
る。そして前二者の先端はそれぞれ基板１３上のパター
ン１４，３１と半田付けができるように処理をして置
く。突起部２８のため半導体素子１１は金属製平板２２
の方へ抑え付けられている。

【００２６】平板２２の延伸部２９に近い側に、図７
(A) に示すように丸孔３１を、平板２２に丸孔３２を開
けて置く。また図７(B) に示すように更に平板２６の延
伸部３０に近い側に丸孔３３を開けて置くことが良い。
延伸部３０が２本に分けられているときは、それぞれの
延伸部に開口する。コ字状に折り曲げられた前記金属製
平板２１，２２，２６のコ字状内側に、半導体素子１１
が挿入されている。そのとき金属製平板２１，２６の部
分を折り曲げたため、その反発力を利用して抑え付ける
ことができる。半導体素子１１の裏面金属面は金属製平
板２２を含むため平板２１，２６の全体が放熱フィンと
して良好に動作する。半導体素子１１が平板２２と密着
することは通常の平坦性で充分に達成できるが、より完
全性が求められるときは半田付けを行う。図６に示す装
置が基板１３上に縦型配置となっていることは放熱効果
をより良好にしている。

【００２７】次に図７(A) に示す丸孔３１は延伸部２９
と平板２２との間に設けられているから、延伸部２９の
先端をパターン１４と半田付け処理をしたとき、半田付
けの熱が平板２２の方へ伝導することに抵抗を持たせる
ために開口している。また、丸孔３２は半導体素子１１
の金属面と平板２２とを半田付け処理したときの半田付
け良否を判断することに有用である。

【００２８】以上の説明において半導体素子は表面実装
型としたが、本発明はそれに限定されず放熱を意図した
金属を表面に設けている半導体素子を使用することで良
い。

【００２９】

【発明の効果】このようにして本発明によると、半導体
素子特にその裏面金属部分を、放熱を目的とした金属製
平板と接合させるから、従来と比較して放熱の効率が良
くなっている。接合の手段として半田付け処理とするか
ら、接着剤による接合と比較して、安定で且つ信頼性が
大きい。

【００３０】半導体素子を動作させるとき発生する熱
は、従来充分に放熱することが出来ず、半導体素子の発
熱を抑えるように動作させていたから、放熱の限界が半
導体素子の動作の限界となっていた。本発明によれば放
熱が良好になっているから、半導体素子の電気的特性の
限界値に近くまで動作範囲を拡張することが出来る。半
導体素子の温度を適正に保持できて、放熱が良いことの
ため、半導体素子の動作に余裕が出来るので、半導体素
子の動作として長寿命で高信頼性を得ることが出来る。

【００３１】更に請求項４・請求項５記載の発明によれ
ば、平面実装用部品を縦型にして実装することができる
から、高密度に実装して、且つ小型化することが容易で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１・請求項２記載の発明についての実施
例の構成を示す側面図である。

【図２】図１に示す構成についての斜視図である。

【図３】外部脚部についての正面図である。

【図４】金属製平板についての折り曲げ前の平面図であ
る。

【図５】請求項３記載の発明についての実施例の構成を
示す側面図である。

【図６】請求項４・請求項５記載の発明についての実施
例の構成を示す側面図である。

【図７】図６に示す構成についての部分を示す図であ
る。

【図８】当初に検討された表面実装状態を示す図であ
る。

【図９】半導体素子の斜視図である。

【図１０】図８についての改良型を示す図である。

【図１１】図１０についての他の型を示す図である。

【図１２】最近のプリント基板と半導体素子の実装を示
す図である。

【符号の説明】

１１ 半導体素子 １２ リード １３ 基板 １４，１５ パターン ２１，２２ 金属性平板 ２３ 外部脚部 ２４ 半田 ２５ 切り込み

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 側方から見てＬ字状に折り曲げた金属製
   平板と、Ｌ字状に折り曲げた部分の背面でほヾ中間に下
   方へ延びて設けた外部脚部と、で構成した部品の、前記
   折り曲げた金属板の内側で折り曲げ部に接して半導体素
   子を搭載し、その部品をプリント基板の一面にＬ字状辺
   の一方端と外部脚部とにより載置したことを特徴とする
   半導体素子の基板上実装方法。
2. 【請求項２】 側方から見てＬ字状に折り曲げた金属製
   平板と、Ｌ字状に折り曲げた部分の背面でほヾ中間に下
   方へ延びて設けた外部脚部と、で構成した部品と、前記
   部品中の折り曲げた金属製平板の内側で折り曲げた部分
   に接して搭載した半導体素子と、を具備することを特徴
   とする半導体素子の基板上実装装置。
3. 【請求項３】 側方からみてコ字状に折り曲げた金属製
   平板と、 コ字状に折り曲げた部分の背面でほヾ中間部に下方へ延
   びて設けた脚部と、 折り曲げた内側に搭載した半導体素子と、 前記折り曲げたコ字状平板の第３辺の先端を折り曲げた
   内側に延びる延伸部と、 前記延伸部を有するコ字状平板の第三辺の内側のほゞ中
   央に設けた突起部とで構成したことを特徴とする基板上
   実装装置。
4. 【請求項４】 側方からみてコ字状に折り曲げた金属製
   平板と、 コ字状に折り曲げた内側に搭載した半導体素子と、 コ字状平板の第三辺の内側ほゞ中央に設けた突起部と、
   で構成したことを特徴とする基板上実装装置。
5. 【請求項５】 請求項４記載のコ字状に折り曲げた金属
   製平板の折り曲げ部との反対側の各先端は、基板の表面
   パターンと半田付け可能に処理され、コ字状の開口部を
   下方に向けて基板上に立上げたことを特徴とする基板上
   実装装置。