JP2004039911A - 電子部品の放熱装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】配線の損傷を防止すると共に既存の部品の兼用により発熱素子からの発熱を効率よく且つ効果的に放熱する電子部品の放熱装置を提供することにある。
【解決手段】電子部品の放熱装置において、放熱用金属柱22と、前記放熱用金属柱22上に搭載した半導体素子と、前記半導体素子用のリード端子24、24’とを樹脂モールドした半導体素子パッケージ26がビアホール21を備えた配線基板の1側面に該ビアホール21と接して設けられ、前記配線基板の他側面に金属ケース10を実装し、前記配線基板の他側面に前記ビアホール21と接して前記金属ケース10の平坦部12を半田接続して設けたこと。
【選択図】図1
【解決手段】電子部品の放熱装置において、放熱用金属柱22と、前記放熱用金属柱22上に搭載した半導体素子と、前記半導体素子用のリード端子24、24’とを樹脂モールドした半導体素子パッケージ26がビアホール21を備えた配線基板の1側面に該ビアホール21と接して設けられ、前記配線基板の他側面に金属ケース10を実装し、前記配線基板の他側面に前記ビアホール21と接して前記金属ケース10の平坦部12を半田接続して設けたこと。
【選択図】図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品の放熱装置に関し、特にシールドケース等の金属ケースに設ける電子部品の放熱装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、電流が流れる能動素子からの放熱は配線接続用のビアホール等を利用して行われていたが、前記ビアホール等を設けた基板のみによる放熱は、基板の熱伝導特性が悪いため、不十分であった。このため、熱的影響を受けないでしかも電気的性能を確保するために、高発熱体となり得る部品(例えばパワーアンプ等)は他の素子に影響を与えないように搭載基板の周辺部寄りに配置したり、温度依存性の高い能動素子(例えば、IC等)の近傍には配置しない等の制約が発生し、素子配置(レイアウト)の自由度を下げる要因になっていた。
【0003】
また、放熱用金属柱(ヒートスラグ)がパッケージ下面に設けられている高発熱部品の場合、熱は直下、および斜め下45度方向が理想的な放熱経路となるため、パッケージ上面での金属ケースの接触による放熱は、放熱効果が極めて低くなる。
【0004】
これら放熱特性の問題を解決するために発熱素子の発生熱を金属ケースまで引き出して該金属ケースから放熱するようにしたものがある。
【0005】
この例として、特開2001−244689号公報に、回路基板にIC等の発熱素子を搭載し、ケースカバーの一部を切り下げて舌片を形成し、発熱素子のパッケージ上面に、ケースカバーから切り下げた舌片を圧接し、この舌片を介してケースカバーから放熱する技術が示されている。この技術は放熱効果の点で問題がある。則ち、このパッケージは熱伝導率が悪い樹脂製なので、パッケージを介した放熱効果は期待できず、又主な放熱経路は後で述べるようにパッケージ上面方向にはないという問題があった。
【0006】
また、他の例として、特開2001−217576号公報には、図6に示すように、回路基板52に熱伝導用の接続部55を形成し、回路基板52の上下面に前記接続部55を含んでそれぞれ上下配線パターン53、54を設け、上配線パターン54上に発熱部品57を搭載し、発熱部品57の上側に第2金属カバー59の一部を切り下げた弾性片59Cを弾圧し、下配線パターン53に金属片60を載せ、金属片60に第1金属カバー58の一部を切り下げた弾性片58を弾圧して、金属片60および弾性片58を介して金属カバー58から放熱する技術が示されている。この技術も同じく放熱効果の点で問題がある。則ち、弾性片58の断面はV字型のため、弾性片58の接触部の形状は線接触となり、面接触に比べ熱伝導が悪い。
【0007】
また、以上の弾性片58、59Cで圧接するタイプでは、初期設定の段階で配線パターン53を自身の弾発力により圧接された弾性片58で削ってしまったり、接触圧力に個体差が生じてしまい、直接配線パターン53に弾性片58を接触させることができなかった。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、配線の損傷を防止すると共に既存の部品の兼用により発熱素子からの発熱を効率よく且つ効果的に放熱する電子部品の放熱装置を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を達成するために、以下の解決手段を採用する。
【0010】
すなわち、第1の発明は、電子部品の放熱装置において、放熱用金属柱と、前記放熱用金属柱上に搭載した半導体素子と、前記半導体素子用のリード端子とを樹脂モールドした半導体素子パッケージがビアホールを備えた配線基板の1側面に該ビアホールと接して設けられ、前記配線基板の他側面に金属ケースを実装し、前記配線基板の他側面に前記ビアホールと接して前記金属ケースの平坦部を半田接続して設けたことを特徴としている。
【0011】
第2の発明は第1の発明において、前記前記放熱用金属柱を基準として前記金属ケースの平坦部の幅を斜め45度方向の外広がり角度に設定したことを特徴としている。
【0012】
第3の発明は第1又は第2の発明において、前記平坦部は切り起こし片の一端に設け、前記切り起こし片は前記金属ケースに片持ち梁状に切り起こして設けたことを特徴としている。
【0013】
第4の発明は第1又は第2の発明において、前記平坦部はのりしろとして構成してウォールの一端に設け、前記ウォールは前記金属ケースの側壁としたことを特徴としている。
【0014】
第5の発明は第1乃至第4のいずれか1発明において、前記金属ケースをグランドに接続したシールドケースとしたことを特徴としている。
【0015】
【発明の実施の形態】
本発明における半導体チップの実装構造は、概略的には、図4に示すように、発熱源の半導体チップ72が放熱用金属柱73に搭載され、前記半導体チップ72および前記放熱用金属柱73がプラスチックパッケージ71内に充填され、前記放熱用金属柱73とセラミック基板75の配線が半田74によって接続されている。
【0016】
このような実装構造における熱抵抗は、同じく図4に「R」として示されている。前記半導体チップ72で発生した熱の放熱経路は、前記各Rを介して主に2経路考えられる。
【0017】
一方の経路▲1▼は、半導体チップ72⇒プラスチックパッケージ71⇒空気中へ熱放射および熱伝導する経路であり、
他方の経路▲2▼は、半導体チップ72⇒放熱用金属柱73⇒半田74⇒セラミック基板75⇒空気中へ熱放射および熱伝導する経路である。
【0018】
これらの経路を熱の逃げにくさを表す熱抵抗R(「R」=1/熱拡散率とする)で表す。熱抵抗は各材料の境界で変わり、300℃を基準とする。
【0019】
但し、熱拡散率は一般に用いられている値(例えば、「電子回路の熱設計」((株)工業調査会、1989年11月1日発行)P.15〔表1.3 表1.2の物質の熱拡散率〕参照)を用いる。
ここで、パッケージはエポキシ樹脂製、半導体材料はガリウム砒素、放熱用金属は銅、半田は50Sn、基板はアルミナセラミック製とする。
上記熱抵抗は、
R1+R2=3668.6*10−3 (m・K/W)
R3+R4+R5+R6=104.2〜93.4*10−3 (m・K/W)となる。
【0020】
以上まとめると、 R1+R2≫R3+R4+R5+R6 となる。
このことから、熱の大部分は熱抵抗の小さい基板方向に拡散するという放熱の原理とも云うべき現象が認められる。
【0021】
また、図5に一般的な金属の熱抵抗と包絡体積変化を示す。図5は両対数目盛で、横軸はinch単位の体積を表し、縦軸は熱抵抗(℃/W)を表す。但し、(m・K/W)を(℃/W)で表示する。
図5によれば、熱抵抗は包絡体積(通常の体積)に反比例するので、体積が大きなものほど熱抵抗は低く、放熱性が良くなる。この図5の特性を図4の構成に適用して、基板75の体積、半田74の体積及び放熱用金属柱73の体積を大きくすると、前記R4、R5、R6の値を更に小さな値(熱が逃げやすい値)にすることが可能になる。
【0022】
本発明は、基本的に、図4及び図5に示す放熱の原理ともいうべき理論に基づいて、半導体チップで発生した熱を、プラスチックパッケージ側ではなく、放熱用金属柱、半田及び基板を介して放熱する手段を採用する。
【0023】
以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて詳細に説明する。
【0024】
(第1実施例)
図1は金属ケースの切り起こし片により放熱路を形成する実施例を示す。
【0025】
図1(a)は金属ケースを被せる直前のモジュール回路基板の裏面を示す。図1(b)は図1(a)において、金属ケースを被せた状態としたときのA−A’線での断面図(但し、発熱素子以外の回路素子および配線は省略してある)を示す。図1(c)は図1(a)において、金属ケースを被せた状態としたときのB−B’線での断面図(但し、発熱素子以外の回路素子および配線は省略してある)を示す。
【0026】
モジュール基板は、一般的な両面基板または多層基板からなり、図1(b)に示すように、モジュール基板20には、その一方側面に発熱素子のパッケージ26を含む所定の回路(他の回路素子および配線は省略した)を設け、その他方側面に他の回路(図示しない)と、この回路を覆うと共に切り起こし片11を有する金属ケース10が設けられ、発熱素子のパッケージ26と切り起こし片11の間に前記モジュール基板20を貫通してビアホール21が設けられている。
【0027】
前記パッケージ26内には、図1(c)に示すように、下側の放熱面が前記パッケージ26から露出する放熱用金属柱22と、放熱用金属柱22上に搭載されるIC等の発熱素子23と、一端が放熱用金属柱22上に搭載され他端が該パッケージ26から露出するリード端子24及び24’と、発熱素子23とリード端子24及び24’を接続するボンディングワイヤー25及び25’が設けられている。
【0028】
放熱用金属柱22は、例えば、アルミニウム(Al)又は銅(Cu)等の金属から製造され、発熱素子23及びビアホール21と接する放熱面が、密着するように平面に形成されている。
【0029】
放熱用金属柱22と発熱素子23との熱伝導を良好にするために、例えば、放熱用金属柱22の表面にニッケル(Ni)メッキとその上に金(Au)メッキを施し、この金メッキ層と発熱素子23とを銀ペーストにより接合する。
【0030】
放熱用金属柱22とビアホール21とは、密着性を向上するために、半田によって接合される。
【0031】
ビアホール21は、モジュール基板20の厚さと略等しい均一な厚さを有し、放熱用金属柱22の熱を放熱するために、図1(c)に示すように、放熱用金属柱22の底面の面積を越える面積で、前記モジュール基板20を貫通して設けられる。
【0032】
ビアホール21の放熱用金属柱22とは反対側に前記ビアホール21と等倍程度の面積の半田接続用ランド27を設ける。
【0033】
モジュール基板20の裏面には、図1(a)に示すように、枠で囲った領域に、回路を構成する回路素子と配線(図示しない)が設けられ、ビアホール21の裏面に設けた半田接続用ランド27が露出する。図1(a)の金属ケース10は、前記金属ケースだけの実装前の状態を表し、実装時前記枠に装着される。
【0034】
ビアホール21に設けた半田接続用ランド27には、 図1(c)に示すように、切り起こし片11の平坦部12を密着状態に半田で接合する。切り起こし片11は金属ケース10の一部を任意の角度に切り起こして形成する。
【0035】
金属ケース10は、図1(a)および(b)に示すように、1側面を開放した箱形形状に形成され、前記開放した1側面で図1(a)に示す回路素子と配線(図示しない)を覆うように設けられ、回路素子と配線(図示しない)をシールドするシールドケースとして用いられる。この金属ケース10は、製品仕様により異なるが、電気抵抗が小さく、熱伝導率が良く、製造が容易な、例えば0.15mm厚の銅(Cu)又は真鍮(Cu−Zn)等の金属で製造する。
【0036】
切り起こし片11は、図1(a)(b)に示すように金属ケース10に対し、3方を切り欠いて紙面に対して2段階に押し下げ形成され、先端に平坦部12を有する。
【0037】
切り起こし片11の平坦部12は、図1(c)に示すように、ビアホール21に平面的にその面積をいっぱいに使用して接触するように設けられる。
【0038】
ここで、放熱効果を上げるためには、前記放熱用金属柱22を基準として前記平坦部12の幅を斜め45度方向の外広がり角度に設定する。これは、熱の直下、及び斜め下45度方向が理想経路となるという原理に基づく。
【0039】
第1実施例の場合の放熱経路は、図1(c)に矢印で示すとおりであり、発熱素子23の発熱は主に放熱用金属柱22を介してビアホール21に放熱され、ここで3方向に分かれて放熱される。
【0040】
放熱用金属柱22の直下に放熱される熱は、放熱用金属柱22→ビアホール21→半田接続用ランド27→平坦部12→切り起こし片11→金属ケース10の順で放熱される。
【0041】
放熱用金属柱22の側面に放熱される熱は放熱用金属柱22→ビアホール21→モジュール基板20の順で放熱される。
【0042】
(第1実施例の効果)
発熱素子23が放熱用金属柱22を備える場合、前記発熱素子23で発生した熱は、主に放熱用金属柱22及びビアホール21を介して放熱することから、ビアホール21に切り起こし片11を介して金属ケース10を半田接続することにより、放熱経路を確保して放熱効率を向上し、他の周辺部品への熱的影響を最小限に抑える。
【0043】
金属ケース10は一側面開放された箱形なので、シールドケースとして強度を確保でき、且つ接地の確保が容易になる。
【0044】
(第2実施例)
第2実施例は、第1実施例と比べ、金属ケースの形状が異なる点に特徴を有し、その他の構成は同じなので同じ番号を付し説明を省略する。
【0045】
金属ケース30は、平面図が図2(a)、側面図が図2(b)に示されるように、1側面が開放されていると共に1角部が窪み全体でサイズの異なる角柱ブロックを2個つなぎ合わせた変則箱形を呈する。前記角部の窪んだ部分には、広い面積の側面から直角にウォール(壁)14を切り起こし、このウォール14の先端に直角に平坦部となるのりしろ15及び16を設ける。
【0046】
こののりしろ15及び16は、図2(c)に示すように、ビアホール21の端面の半田接続用ランド27に面接触するように設けられ、半田付けされる。
【0047】
のりしろ15および16は、図2(d)に示すように、ウォール14の端部に任意幅で長さ方向に切れ目を入れ、切れ目の両側を互いに反対方向に90度折り曲げ、1平面内に収まるように形成する。
【0048】
のりしろの形状は、長方形が基本であり、放熱特性を高めるために大きさ、形状は任意に採り得る。例えば扇状等が可能である。のりしろの数は2以上となる。
【0049】
前記ウォール14は、上記実施例では広い面積の側面から直角に切り起こして形成したが、これとは別に、1側面を開放した金属ケースの1側壁として予め形成しておくことも可能である。この場合には、のりしろのみを折り曲げ形成する。
【0050】
放熱効果を上げるためには、前記放熱用金属柱22を基準として前記ビアホール21および前記両のりしろ15及び16の幅をこの順に斜め45度方向の外広がり角度に設定する。これは、放熱経路として直下、及び斜め下45度方向が理想経路となるという原理に基づく。
【0051】
第2実施例の場合の放熱経路は、図2(c)に矢印で示すとおりであり、発熱素子23の発熱は主に放熱用金属柱22を介してビアホール21に放熱され、ここで3方向に分かれて放熱される。
【0052】
放熱用金属柱22の直下に放熱される熱は、放熱用金属柱22→ビアホール21→半田接続用ランド27→のりしろ15及び16→ウォール14→金属ケース30の順で放熱される。
【0053】
また、放熱用金属柱22の側面に放熱される熱は、放熱用金属柱22→ビアホール21→モジュール基板20の順で放熱される。
【0054】
(第2実施例の効果)
発熱素子23が放熱用金属柱22を備える場合、該発熱素子23で発生した熱は、主に放熱用金属柱22およびビアホール21を介して放熱することから、ビアホール21にのりしろ15および16を接続しウォール14を介して金属ケース30を接続することにより、放熱経路を確保して放熱効率を向上し、他の周辺部品への熱的影響を最小限に抑える。
【0055】
金属ケース30は一側面開放された箱形なので、シールドケースとして強度を確保でき、且つ接地の確保が容易になる。
【0056】
のりしろ15及び16がウォール14に対して対象に形成されるので、両のりしろからの放熱が均等に且つ第1実施例に比べて短距離で行われ、放熱効果が高くなる。
【0057】
(第3実施例)
第3実施例は、第1実施例と比べ、金属ケースの形状が異なる点に特徴を有し、その他の構成は同じなので同じ番号を付し説明を省略する。
【0058】
第1実施例では切り起こし片の平坦部が片持ち張りされていたが、第3実施例では平坦部が両持ち張りされている点に特徴を有する。
【0059】
金属ケース40は、図3(a)および(b)に示すように、1側面を開放した箱形形状に形成され、前記開放した1側面で図3(a)に示す回路素子と配線(図示しない)を覆うように設けられ、回路素子と配線(図示しない)をシールドするシールドケースとして用いられる。押し出し片17は、図3(a)、(b)に示すように、金属ケース40に対し、2条の切れ目の間がプレスにより押し出し成形され、中央の平坦部18が両側片19及び19’により両持ち梁状態に支持される。
【0060】
又、金属ケース40には、図3(b)に示すように、右側壁を押し出し成形された押し出し片17の中央に平坦部18が設けられている。
【0061】
平坦部18は、図3(c)に示すように、ビアホール21に平面的にその面積をいっぱいに使用して接触するように設けられる。
【0062】
ここで、放熱効果を上げるためには、前記放熱用金属柱22を基準として前記平坦部18の幅を斜め45度方向の外広がり角度に設定する。これは、熱は直下、及び斜め下45度方向が理想経路となるという原理に基づく。
【0063】
第3実施例の場合の放熱経路は、図3(c)に矢印で示すとおりであり、発熱素子23の発熱は主に放熱用金属柱22を介してビアホール21に放熱され、ここで3方向に分かれて放熱される。
【0064】
放熱用金属柱22の直下に放熱される熱は、放熱用金属柱22→ビアホール21→半田接続用ランド27→平坦部18→側片19及び19’→金属ケース40の順で放熱される。
【0065】
放熱用金属柱22の側面に放熱される熱の1部は、放熱用金属柱22→ビアホール21→モジュール基板20の順で放熱される。
【0066】
放熱用金属柱22の側面に放熱される熱の残りは、放熱用金属柱22→ビアホール21→半田接続用ランド27→平坦部18→側片19及び19’→金属ケース40の順で放熱される。
【0067】
(第3実施例の効果)
発熱素子23が放熱用金属柱22を備える場合、該発熱素子23で発生した熱は、主に放熱用金属柱22を介して放熱することから、放熱用金属柱22に押し出し片17を介して金属ケース40を接続ことにより、放熱経路を確保して放熱効率を向上し、他の周辺部品への熱的影響を最小限に抑える。
【0068】
金属ケース40は一側面開放された箱形なので、シールドケースとして強度を確保でき、且つ接地の確保が容易になる。
【0069】
平坦部18からの熱は両側片19及び19’を介して放熱されるので、放熱経路が2つになり分放熱効果が向上する。
【0070】
【他の実施例】
上記実施例以外に、発熱素子の発熱を放熱用金属柱及びビアホールを介して放熱させる構成とするとき、金属ケースの一部を前記ビアホールに面接触させる構成であればどのような構成でも採りうる。
【0071】
【発明の効果】
本発明は、電子部品の放熱装置において、放熱用金属柱と、前記放熱用金属柱上に搭載した発熱素子となる半導体素子と、前記半導体素子用のリード端子とを樹脂モールドした半導体素子パッケージがビアホールを備えた配線基板の1側面に前記ビアホールと接して設けられ、前記配線基板の他側面に金属ケースを実装し、前記配線基板の他側面に前記ビアホールと接して前記金属ケースの平坦部を半田接続して設けたことを特徴とし、以下の効果を奏する。
【0072】
発熱素子が放熱用金属柱を備える場合、前記発熱素子で発生した熱は、前記放熱の原理に基づいて主に放熱用金属柱を介して放熱することから、放熱用金属柱に金属ケースの一部を面接触することにより、放熱経路を確保して放熱効率を向上し、他の周辺部品への熱的影響を最小限に抑えることができる。
【0073】
ケースは一側面開放された箱形なので、シールドケースとして強度を確保でき、且つ接地の確保が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例の基板裏面図、基板断面図、要部断面図である。
【図2】本発明の第2実施例の基板裏面図、基板断面図、要部断面図である。
【図3】本発明の第3実施例の基板裏面図、基板断面図、要部断面図である。
【図4】本発明の放熱経路および熱抵抗を説明する説明図である。
【図5】従来の熱抵抗と包絡体積変化を表す特性図である。
【図6】従来例の要部断面図である。
【符号の説明】
10、30、40 金属ケース
11 切り起こし片
12、18 平坦部
13 開口
14 ウォール
15、16 のりしろ
17 押し出し片
19、19’ 両側片
20 モジュール基板
21 ビアホール
22、73 放熱用金属柱(ヒートスラグ)
23 発熱素子(IC等)
24、24’ リード端子
25、25’ ボンディングワイヤー
26 パッケージ
27 半田接続用ランド
71 プラスチックパッケージ
72 半導体チップ
74 半田
75 セラミック基板
R1〜R6 熱抵抗
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品の放熱装置に関し、特にシールドケース等の金属ケースに設ける電子部品の放熱装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、電流が流れる能動素子からの放熱は配線接続用のビアホール等を利用して行われていたが、前記ビアホール等を設けた基板のみによる放熱は、基板の熱伝導特性が悪いため、不十分であった。このため、熱的影響を受けないでしかも電気的性能を確保するために、高発熱体となり得る部品(例えばパワーアンプ等)は他の素子に影響を与えないように搭載基板の周辺部寄りに配置したり、温度依存性の高い能動素子(例えば、IC等)の近傍には配置しない等の制約が発生し、素子配置(レイアウト)の自由度を下げる要因になっていた。
【0003】
また、放熱用金属柱(ヒートスラグ)がパッケージ下面に設けられている高発熱部品の場合、熱は直下、および斜め下45度方向が理想的な放熱経路となるため、パッケージ上面での金属ケースの接触による放熱は、放熱効果が極めて低くなる。
【0004】
これら放熱特性の問題を解決するために発熱素子の発生熱を金属ケースまで引き出して該金属ケースから放熱するようにしたものがある。
【0005】
この例として、特開2001−244689号公報に、回路基板にIC等の発熱素子を搭載し、ケースカバーの一部を切り下げて舌片を形成し、発熱素子のパッケージ上面に、ケースカバーから切り下げた舌片を圧接し、この舌片を介してケースカバーから放熱する技術が示されている。この技術は放熱効果の点で問題がある。則ち、このパッケージは熱伝導率が悪い樹脂製なので、パッケージを介した放熱効果は期待できず、又主な放熱経路は後で述べるようにパッケージ上面方向にはないという問題があった。
【0006】
また、他の例として、特開2001−217576号公報には、図6に示すように、回路基板52に熱伝導用の接続部55を形成し、回路基板52の上下面に前記接続部55を含んでそれぞれ上下配線パターン53、54を設け、上配線パターン54上に発熱部品57を搭載し、発熱部品57の上側に第2金属カバー59の一部を切り下げた弾性片59Cを弾圧し、下配線パターン53に金属片60を載せ、金属片60に第1金属カバー58の一部を切り下げた弾性片58を弾圧して、金属片60および弾性片58を介して金属カバー58から放熱する技術が示されている。この技術も同じく放熱効果の点で問題がある。則ち、弾性片58の断面はV字型のため、弾性片58の接触部の形状は線接触となり、面接触に比べ熱伝導が悪い。
【0007】
また、以上の弾性片58、59Cで圧接するタイプでは、初期設定の段階で配線パターン53を自身の弾発力により圧接された弾性片58で削ってしまったり、接触圧力に個体差が生じてしまい、直接配線パターン53に弾性片58を接触させることができなかった。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、配線の損傷を防止すると共に既存の部品の兼用により発熱素子からの発熱を効率よく且つ効果的に放熱する電子部品の放熱装置を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を達成するために、以下の解決手段を採用する。
【0010】
すなわち、第1の発明は、電子部品の放熱装置において、放熱用金属柱と、前記放熱用金属柱上に搭載した半導体素子と、前記半導体素子用のリード端子とを樹脂モールドした半導体素子パッケージがビアホールを備えた配線基板の1側面に該ビアホールと接して設けられ、前記配線基板の他側面に金属ケースを実装し、前記配線基板の他側面に前記ビアホールと接して前記金属ケースの平坦部を半田接続して設けたことを特徴としている。
【0011】
第2の発明は第1の発明において、前記前記放熱用金属柱を基準として前記金属ケースの平坦部の幅を斜め45度方向の外広がり角度に設定したことを特徴としている。
【0012】
第3の発明は第1又は第2の発明において、前記平坦部は切り起こし片の一端に設け、前記切り起こし片は前記金属ケースに片持ち梁状に切り起こして設けたことを特徴としている。
【0013】
第4の発明は第1又は第2の発明において、前記平坦部はのりしろとして構成してウォールの一端に設け、前記ウォールは前記金属ケースの側壁としたことを特徴としている。
【0014】
第5の発明は第1乃至第4のいずれか1発明において、前記金属ケースをグランドに接続したシールドケースとしたことを特徴としている。
【0015】
【発明の実施の形態】
本発明における半導体チップの実装構造は、概略的には、図4に示すように、発熱源の半導体チップ72が放熱用金属柱73に搭載され、前記半導体チップ72および前記放熱用金属柱73がプラスチックパッケージ71内に充填され、前記放熱用金属柱73とセラミック基板75の配線が半田74によって接続されている。
【0016】
このような実装構造における熱抵抗は、同じく図4に「R」として示されている。前記半導体チップ72で発生した熱の放熱経路は、前記各Rを介して主に2経路考えられる。
【0017】
一方の経路▲1▼は、半導体チップ72⇒プラスチックパッケージ71⇒空気中へ熱放射および熱伝導する経路であり、
他方の経路▲2▼は、半導体チップ72⇒放熱用金属柱73⇒半田74⇒セラミック基板75⇒空気中へ熱放射および熱伝導する経路である。
【0018】
これらの経路を熱の逃げにくさを表す熱抵抗R(「R」=1/熱拡散率とする)で表す。熱抵抗は各材料の境界で変わり、300℃を基準とする。
【0019】
但し、熱拡散率は一般に用いられている値(例えば、「電子回路の熱設計」((株)工業調査会、1989年11月1日発行)P.15〔表1.3 表1.2の物質の熱拡散率〕参照)を用いる。
ここで、パッケージはエポキシ樹脂製、半導体材料はガリウム砒素、放熱用金属は銅、半田は50Sn、基板はアルミナセラミック製とする。
上記熱抵抗は、
R1+R2=3668.6*10−3 (m・K/W)
R3+R4+R5+R6=104.2〜93.4*10−3 (m・K/W)となる。
【0020】
以上まとめると、 R1+R2≫R3+R4+R5+R6 となる。
このことから、熱の大部分は熱抵抗の小さい基板方向に拡散するという放熱の原理とも云うべき現象が認められる。
【0021】
また、図5に一般的な金属の熱抵抗と包絡体積変化を示す。図5は両対数目盛で、横軸はinch単位の体積を表し、縦軸は熱抵抗(℃/W)を表す。但し、(m・K/W)を(℃/W)で表示する。
図5によれば、熱抵抗は包絡体積(通常の体積)に反比例するので、体積が大きなものほど熱抵抗は低く、放熱性が良くなる。この図5の特性を図4の構成に適用して、基板75の体積、半田74の体積及び放熱用金属柱73の体積を大きくすると、前記R4、R5、R6の値を更に小さな値(熱が逃げやすい値)にすることが可能になる。
【0022】
本発明は、基本的に、図4及び図5に示す放熱の原理ともいうべき理論に基づいて、半導体チップで発生した熱を、プラスチックパッケージ側ではなく、放熱用金属柱、半田及び基板を介して放熱する手段を採用する。
【0023】
以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて詳細に説明する。
【0024】
(第1実施例)
図1は金属ケースの切り起こし片により放熱路を形成する実施例を示す。
【0025】
図1(a)は金属ケースを被せる直前のモジュール回路基板の裏面を示す。図1(b)は図1(a)において、金属ケースを被せた状態としたときのA−A’線での断面図(但し、発熱素子以外の回路素子および配線は省略してある)を示す。図1(c)は図1(a)において、金属ケースを被せた状態としたときのB−B’線での断面図(但し、発熱素子以外の回路素子および配線は省略してある)を示す。
【0026】
モジュール基板は、一般的な両面基板または多層基板からなり、図1(b)に示すように、モジュール基板20には、その一方側面に発熱素子のパッケージ26を含む所定の回路(他の回路素子および配線は省略した)を設け、その他方側面に他の回路(図示しない)と、この回路を覆うと共に切り起こし片11を有する金属ケース10が設けられ、発熱素子のパッケージ26と切り起こし片11の間に前記モジュール基板20を貫通してビアホール21が設けられている。
【0027】
前記パッケージ26内には、図1(c)に示すように、下側の放熱面が前記パッケージ26から露出する放熱用金属柱22と、放熱用金属柱22上に搭載されるIC等の発熱素子23と、一端が放熱用金属柱22上に搭載され他端が該パッケージ26から露出するリード端子24及び24’と、発熱素子23とリード端子24及び24’を接続するボンディングワイヤー25及び25’が設けられている。
【0028】
放熱用金属柱22は、例えば、アルミニウム(Al)又は銅(Cu)等の金属から製造され、発熱素子23及びビアホール21と接する放熱面が、密着するように平面に形成されている。
【0029】
放熱用金属柱22と発熱素子23との熱伝導を良好にするために、例えば、放熱用金属柱22の表面にニッケル(Ni)メッキとその上に金(Au)メッキを施し、この金メッキ層と発熱素子23とを銀ペーストにより接合する。
【0030】
放熱用金属柱22とビアホール21とは、密着性を向上するために、半田によって接合される。
【0031】
ビアホール21は、モジュール基板20の厚さと略等しい均一な厚さを有し、放熱用金属柱22の熱を放熱するために、図1(c)に示すように、放熱用金属柱22の底面の面積を越える面積で、前記モジュール基板20を貫通して設けられる。
【0032】
ビアホール21の放熱用金属柱22とは反対側に前記ビアホール21と等倍程度の面積の半田接続用ランド27を設ける。
【0033】
モジュール基板20の裏面には、図1(a)に示すように、枠で囲った領域に、回路を構成する回路素子と配線(図示しない)が設けられ、ビアホール21の裏面に設けた半田接続用ランド27が露出する。図1(a)の金属ケース10は、前記金属ケースだけの実装前の状態を表し、実装時前記枠に装着される。
【0034】
ビアホール21に設けた半田接続用ランド27には、 図1(c)に示すように、切り起こし片11の平坦部12を密着状態に半田で接合する。切り起こし片11は金属ケース10の一部を任意の角度に切り起こして形成する。
【0035】
金属ケース10は、図1(a)および(b)に示すように、1側面を開放した箱形形状に形成され、前記開放した1側面で図1(a)に示す回路素子と配線(図示しない)を覆うように設けられ、回路素子と配線(図示しない)をシールドするシールドケースとして用いられる。この金属ケース10は、製品仕様により異なるが、電気抵抗が小さく、熱伝導率が良く、製造が容易な、例えば0.15mm厚の銅(Cu)又は真鍮(Cu−Zn)等の金属で製造する。
【0036】
切り起こし片11は、図1(a)(b)に示すように金属ケース10に対し、3方を切り欠いて紙面に対して2段階に押し下げ形成され、先端に平坦部12を有する。
【0037】
切り起こし片11の平坦部12は、図1(c)に示すように、ビアホール21に平面的にその面積をいっぱいに使用して接触するように設けられる。
【0038】
ここで、放熱効果を上げるためには、前記放熱用金属柱22を基準として前記平坦部12の幅を斜め45度方向の外広がり角度に設定する。これは、熱の直下、及び斜め下45度方向が理想経路となるという原理に基づく。
【0039】
第1実施例の場合の放熱経路は、図1(c)に矢印で示すとおりであり、発熱素子23の発熱は主に放熱用金属柱22を介してビアホール21に放熱され、ここで3方向に分かれて放熱される。
【0040】
放熱用金属柱22の直下に放熱される熱は、放熱用金属柱22→ビアホール21→半田接続用ランド27→平坦部12→切り起こし片11→金属ケース10の順で放熱される。
【0041】
放熱用金属柱22の側面に放熱される熱は放熱用金属柱22→ビアホール21→モジュール基板20の順で放熱される。
【0042】
(第1実施例の効果)
発熱素子23が放熱用金属柱22を備える場合、前記発熱素子23で発生した熱は、主に放熱用金属柱22及びビアホール21を介して放熱することから、ビアホール21に切り起こし片11を介して金属ケース10を半田接続することにより、放熱経路を確保して放熱効率を向上し、他の周辺部品への熱的影響を最小限に抑える。
【0043】
金属ケース10は一側面開放された箱形なので、シールドケースとして強度を確保でき、且つ接地の確保が容易になる。
【0044】
(第2実施例)
第2実施例は、第1実施例と比べ、金属ケースの形状が異なる点に特徴を有し、その他の構成は同じなので同じ番号を付し説明を省略する。
【0045】
金属ケース30は、平面図が図2(a)、側面図が図2(b)に示されるように、1側面が開放されていると共に1角部が窪み全体でサイズの異なる角柱ブロックを2個つなぎ合わせた変則箱形を呈する。前記角部の窪んだ部分には、広い面積の側面から直角にウォール(壁)14を切り起こし、このウォール14の先端に直角に平坦部となるのりしろ15及び16を設ける。
【0046】
こののりしろ15及び16は、図2(c)に示すように、ビアホール21の端面の半田接続用ランド27に面接触するように設けられ、半田付けされる。
【0047】
のりしろ15および16は、図2(d)に示すように、ウォール14の端部に任意幅で長さ方向に切れ目を入れ、切れ目の両側を互いに反対方向に90度折り曲げ、1平面内に収まるように形成する。
【0048】
のりしろの形状は、長方形が基本であり、放熱特性を高めるために大きさ、形状は任意に採り得る。例えば扇状等が可能である。のりしろの数は2以上となる。
【0049】
前記ウォール14は、上記実施例では広い面積の側面から直角に切り起こして形成したが、これとは別に、1側面を開放した金属ケースの1側壁として予め形成しておくことも可能である。この場合には、のりしろのみを折り曲げ形成する。
【0050】
放熱効果を上げるためには、前記放熱用金属柱22を基準として前記ビアホール21および前記両のりしろ15及び16の幅をこの順に斜め45度方向の外広がり角度に設定する。これは、放熱経路として直下、及び斜め下45度方向が理想経路となるという原理に基づく。
【0051】
第2実施例の場合の放熱経路は、図2(c)に矢印で示すとおりであり、発熱素子23の発熱は主に放熱用金属柱22を介してビアホール21に放熱され、ここで3方向に分かれて放熱される。
【0052】
放熱用金属柱22の直下に放熱される熱は、放熱用金属柱22→ビアホール21→半田接続用ランド27→のりしろ15及び16→ウォール14→金属ケース30の順で放熱される。
【0053】
また、放熱用金属柱22の側面に放熱される熱は、放熱用金属柱22→ビアホール21→モジュール基板20の順で放熱される。
【0054】
(第2実施例の効果)
発熱素子23が放熱用金属柱22を備える場合、該発熱素子23で発生した熱は、主に放熱用金属柱22およびビアホール21を介して放熱することから、ビアホール21にのりしろ15および16を接続しウォール14を介して金属ケース30を接続することにより、放熱経路を確保して放熱効率を向上し、他の周辺部品への熱的影響を最小限に抑える。
【0055】
金属ケース30は一側面開放された箱形なので、シールドケースとして強度を確保でき、且つ接地の確保が容易になる。
【0056】
のりしろ15及び16がウォール14に対して対象に形成されるので、両のりしろからの放熱が均等に且つ第1実施例に比べて短距離で行われ、放熱効果が高くなる。
【0057】
(第3実施例)
第3実施例は、第1実施例と比べ、金属ケースの形状が異なる点に特徴を有し、その他の構成は同じなので同じ番号を付し説明を省略する。
【0058】
第1実施例では切り起こし片の平坦部が片持ち張りされていたが、第3実施例では平坦部が両持ち張りされている点に特徴を有する。
【0059】
金属ケース40は、図3(a)および(b)に示すように、1側面を開放した箱形形状に形成され、前記開放した1側面で図3(a)に示す回路素子と配線(図示しない)を覆うように設けられ、回路素子と配線(図示しない)をシールドするシールドケースとして用いられる。押し出し片17は、図3(a)、(b)に示すように、金属ケース40に対し、2条の切れ目の間がプレスにより押し出し成形され、中央の平坦部18が両側片19及び19’により両持ち梁状態に支持される。
【0060】
又、金属ケース40には、図3(b)に示すように、右側壁を押し出し成形された押し出し片17の中央に平坦部18が設けられている。
【0061】
平坦部18は、図3(c)に示すように、ビアホール21に平面的にその面積をいっぱいに使用して接触するように設けられる。
【0062】
ここで、放熱効果を上げるためには、前記放熱用金属柱22を基準として前記平坦部18の幅を斜め45度方向の外広がり角度に設定する。これは、熱は直下、及び斜め下45度方向が理想経路となるという原理に基づく。
【0063】
第3実施例の場合の放熱経路は、図3(c)に矢印で示すとおりであり、発熱素子23の発熱は主に放熱用金属柱22を介してビアホール21に放熱され、ここで3方向に分かれて放熱される。
【0064】
放熱用金属柱22の直下に放熱される熱は、放熱用金属柱22→ビアホール21→半田接続用ランド27→平坦部18→側片19及び19’→金属ケース40の順で放熱される。
【0065】
放熱用金属柱22の側面に放熱される熱の1部は、放熱用金属柱22→ビアホール21→モジュール基板20の順で放熱される。
【0066】
放熱用金属柱22の側面に放熱される熱の残りは、放熱用金属柱22→ビアホール21→半田接続用ランド27→平坦部18→側片19及び19’→金属ケース40の順で放熱される。
【0067】
(第3実施例の効果)
発熱素子23が放熱用金属柱22を備える場合、該発熱素子23で発生した熱は、主に放熱用金属柱22を介して放熱することから、放熱用金属柱22に押し出し片17を介して金属ケース40を接続ことにより、放熱経路を確保して放熱効率を向上し、他の周辺部品への熱的影響を最小限に抑える。
【0068】
金属ケース40は一側面開放された箱形なので、シールドケースとして強度を確保でき、且つ接地の確保が容易になる。
【0069】
平坦部18からの熱は両側片19及び19’を介して放熱されるので、放熱経路が2つになり分放熱効果が向上する。
【0070】
【他の実施例】
上記実施例以外に、発熱素子の発熱を放熱用金属柱及びビアホールを介して放熱させる構成とするとき、金属ケースの一部を前記ビアホールに面接触させる構成であればどのような構成でも採りうる。
【0071】
【発明の効果】
本発明は、電子部品の放熱装置において、放熱用金属柱と、前記放熱用金属柱上に搭載した発熱素子となる半導体素子と、前記半導体素子用のリード端子とを樹脂モールドした半導体素子パッケージがビアホールを備えた配線基板の1側面に前記ビアホールと接して設けられ、前記配線基板の他側面に金属ケースを実装し、前記配線基板の他側面に前記ビアホールと接して前記金属ケースの平坦部を半田接続して設けたことを特徴とし、以下の効果を奏する。
【0072】
発熱素子が放熱用金属柱を備える場合、前記発熱素子で発生した熱は、前記放熱の原理に基づいて主に放熱用金属柱を介して放熱することから、放熱用金属柱に金属ケースの一部を面接触することにより、放熱経路を確保して放熱効率を向上し、他の周辺部品への熱的影響を最小限に抑えることができる。
【0073】
ケースは一側面開放された箱形なので、シールドケースとして強度を確保でき、且つ接地の確保が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例の基板裏面図、基板断面図、要部断面図である。
【図2】本発明の第2実施例の基板裏面図、基板断面図、要部断面図である。
【図3】本発明の第3実施例の基板裏面図、基板断面図、要部断面図である。
【図4】本発明の放熱経路および熱抵抗を説明する説明図である。
【図5】従来の熱抵抗と包絡体積変化を表す特性図である。
【図6】従来例の要部断面図である。
【符号の説明】
10、30、40 金属ケース
11 切り起こし片
12、18 平坦部
13 開口
14 ウォール
15、16 のりしろ
17 押し出し片
19、19’ 両側片
20 モジュール基板
21 ビアホール
22、73 放熱用金属柱(ヒートスラグ)
23 発熱素子(IC等)
24、24’ リード端子
25、25’ ボンディングワイヤー
26 パッケージ
27 半田接続用ランド
71 プラスチックパッケージ
72 半導体チップ
74 半田
75 セラミック基板
R1〜R6 熱抵抗
Claims (5)
- 放熱用金属柱と、前記放熱用金属柱上に搭載した半導体素子と、前記半導体素子用のリード端子とを樹脂モールドした半導体素子パッケージがビアホールを備えた配線基板の1側面に前記ビアホールと接して設けられ、前記配線基板の他側面に金属ケースを実装し、前記配線基板の他側面に前記ビアホールと接して前記金属ケースの平坦部を半田接続して設けたことを特徴とする電子部品の放熱装置。
- 前記放熱用金属柱を基準として前記金属ケースの平坦部の幅を斜め45度方向の外広がり角度に設定したことを特徴とする請求項1記載の電子部品の放熱装置。
- 前記平坦部は切り起こし片の一端に設け、前記切り起こし片は前記金属ケースに片持ち梁状に切り起こして設けたことを特徴とする請求項1又は2記載の電子部品の放熱装置。
- 前記平坦部はのりしろとして構成してウォールの一端に設け、前記ウォールは前記金属ケースの側壁としたことを特徴とする請求項1又は2記載の電子部品の放熱装置。
- 前記金属ケースをグランドに接続したシールドケースとしたことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載の電子部品の放熱装置。
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