JP2005235840A

JP2005235840A - プリント基板およびそれに実装される発熱電子部品の放熱装置

Info

Publication number: JP2005235840A
Application number: JP2004039904A
Authority: JP
Inventors: Yoji Murao; 洋二村尾
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2004-02-17
Filing date: 2004-02-17
Publication date: 2005-09-02

Abstract

【課題】実装された発熱電子部品の発熱をプリント基板の部品面から反対面へ熱伝導して効率的に放熱するプリント基板およびそれに実装される発熱電子部品の放熱装置を提供する。
【解決手段】プリント基板２の発熱電子部品である半導体デバイス４が実装される部品面に六角形のスルーホール１を形成する。このスルーホール１の内壁に形成された導電面６により発熱電子部品の発熱をプリント基板２の反対面に接触配置された金属プレート３へ熱伝導して放熱する。多数のスルーホール１を、発熱電子部品の実装部に相互に隣接して配置可能である。
【選択図】図１

Description

本発明はプリント基板およびそれに実装される発熱電子部品の放熱装置に関し、特にプリント基板に実装される半導体デバイス等の発熱電子部品の発熱を放熱して、発熱電子部品の温度を所定値以下に抑えるプリント基板およびそれに実装された発熱電子部品の放熱装置に関する。

電子機器、特に携帯電話等の携帯型電子機器等は益々小型化および高性能化している。これら電子機器には、多数の能動デバイスが高密度に実装された１個以上の半導体集積回路（ＩＣ）が使用される。これらの半導体デバイスは、他の能動デバイスおよび受動電子部品と共にプリント基板（又はプリント配線基板）に実装してエレクトロニクス回路を形成するのが一般的である。

例えばサービスエリア内の携帯電話端末と無線通信するため携帯電話通信網を構築する携帯電話の基地局等の高出力を要求される電子装置では、使用する半導体デバイスの発熱量も大きくなる。これら半導体デバイスは、それ自身の温度が低い方が高信頼性であるので、装置設計時には半導体デバイスの温度を下げる努力がなされる。

発熱量の大きな半導体デバイスの実装には、その発熱を効率的に放熱するための放熱手段が講じられる。プリント基板に実装される半導体デバイスの発熱を放熱させるために熱伝導率を向上させるプリント配線基板が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

放熱特性を改善するプリント基板およびそれを使用する半導体デバイスの実装技術の従来例を簡単に説明する。斯かる発熱を伴う半導体デバイスをプリント基板に半田付けして実装する場合には、プリント基板の半導体デバイス実装部に１個以上のスルーホールを設け、半導体デバイスとプリント基板を実装している金属プレートへの放熱パスを確保する。

図６および図７を参照して、従来の一般的なプリント基板のスルーホールおよびそのプリント基板への半導体デバイスの実装技術について説明する。図６は、プリント基板に形成された一般的な１個のスルーホールの平面図である。このスルーホール６０は、プリント基板の一面から反対面へ貫通する円形の開口であり、その内壁に銅等の薄い導電層６１がめっきにより形成されている。スルーホール６０の中央は中空部６２である。

図６に示す如く、プリント基板の一般的なスルーホール６０は、その中心からスルーホール６０の外壁までの寸法（即ち、スルーホール６０の半径）がａであり、中心から導電層６１の内壁までの寸法がｂである。

上述した従来技術では、図７に示す如く多数のスルーホール６０が形成されたプリント基板の一面に半導体デバイスを実装し、この面に形成された薄い銅箔平面パターンに半導体デバイスが発生する発熱を伝導し、更にこの平面パターンからスルーホール６０のめっき層を介してプリント基板の反対面に形成された薄い銅箔平面パターへ伝導して半導体デバイスの発熱を放熱している。尚、プリント基板に、半導体デバイスの放熱の目的で相互に隣接した多数のスルーホール６０が形成されると、隣接するスルーホール間の最小間隔はｓとなる。

特開平９-１４８６９１号公報（第３-４頁、第１図）

上述した放熱技法で半導体デバイスの温度を導電層６１の高い熱伝導度により、半導体デバイスからの発熱を効率的に放熱可能である。しかし、この放熱手段でも上述の如き携帯電話の基地局等の高密度実装された高性能半導体デバイス等の発熱電子部品の温度を所定値以下に抑えるための放熱が不十分であるという課題があった。

本発明は、従来技術の上述した課題に鑑みなされたものであり、プリント基板に実装された発熱量の大きい発熱電子部品の発熱を高効率で放熱して発熱電子部品の温度を所定値以下に抑えるプリント基板およびそれに実装される発熱電子部品の放熱装置を提供することを目的とする。

前述の課題を解決するため本発明によるプリント基板およびそれに実装される発熱電子部品の放熱装置は、次のような特徴的な構成を採用している。

（１）部品面に少なくとも1個の能動電子部品および受動電子部品を実装して電子回路を形成するプリント基板において、
前記部品面から反対面に六角形のスルーホールを形成し、該スルーホール内壁に導電面を形成し、前記部品面に実装された電子部品の発熱を前記スルーホールの前記導電面を介して前記反対面へ伝導するプリント基板。

（２）前記スルーホールは、前記部品面に実装される前記電子部品の前記部品面との接触面積に略対応して複数のスルーホールが相互に隣接して形成される上記（１）のプリント基板。

（３）前記複数のスルーホールは、隣接する３個のスルーホールの中心が正三角形の頂点に位置するように形成される上記（２）のプリント基板。

（４）前記スルーホールの中心開口には良熱伝導性の詰め物をする上記（１）、（２）又は（３）のプリント基板。

（５）プリント基板に実装された発熱電子部品が発生する熱を放熱して、前記発熱電子部品の温度を所定値以下に抑える発熱電子部品の放電装置において、
前記発熱電子部品の発熱を前記プリント基板の部品面へ伝導する金属プレートと、該金属プレートに伝導された熱を前記プリント基板の前記部品面から反対面へ伝導する内壁に導電面が形成された六角形のスルーホールとを備える発熱電子部品の放熱装置。

（６）前記プリント基板の前記反対面には、良熱伝導性の金属プレートが配置される上記（５）の発熱電子部品の放熱装置。

（７）前記プリント基板の前記スルーホールは、前記発熱電子部品の前記プリント基板との接触面の略全面に複数個形成される上記（５）又は（６）の発熱電子部品の放熱装置。

（８）前記プリント基板の前記スルーホールの開口部には、良熱伝導性の物質が詰め込まれている上記（５）、（６）又は（７の発熱部品の放熱装置。

本発明のプリント基板およびそれに実装される発熱電子部品の放熱装置によると、次の如き実用上の顕著な効果が得られる。即ち、発熱電子部品の実装部に六角形のスルーホールを形成し、主としてその内壁に形成された導電面により発熱電子部品の発熱を、この発熱電子部品が実装されるプリント基板の部品面から反対面へ従来の円形スルーホールよりも低い熱伝導率で熱伝導して放熱することが可能である。更に、発熱電子部品の実装部に多数の六角形のスルーホールを高密度に形成してプリント基板の反体面に接触配置された金属プレートに発熱電子部品の発熱を熱伝導して放熱することが可能である。

以下、本発明によるプリント基板およびそれに実装された発熱電子部品の放熱装置の好適実施例の構成および動作を、添付図面を参照して詳細に説明する。

先ず、図1は、本発明による第１実施例のプリント基板に実装される発熱電子部品の放熱装置を示す。この発熱電子部品の放熱装置１０は、プリント基板２に実装される発熱電子部品、例えば略矩形状の半導体デバイス４が発生する発熱を放熱して、この発熱電子部品４の温度を所定値以下に抑えてその信頼性を維持するための装置である。図１（Ａ）はプリント基板２に実装された発熱電子部品４を含む発熱電子部品の放熱装置の斜視図であり、図１（Ｂ）はプリント基板２に実装される前の発熱電子部品（又は半導体デバイス）４の斜視図である。

図１（Ｂ）に示す発熱電子部品４は、プリント基板２の発熱電子部品４が実装される面である部品面（図１（Ａ）中の上面）に実装される。プリント基板２の実装部には多数の正六角形のスルーホール１がハネカム状に形成される。そして、この発熱電子部品４が実装されたプリント基板２は、金属プレート３上に載置されている。発熱電子部品（半導体デバイス）４は、図１（Ｂ）に示す如く、プリント基板２への搭載面に放熱用の金属プレート５を有している。また、発熱電子部品４は、金属プレート５と共に、例えば半田付けすることによりプリント基板２上に実装される。

次に、図２に示すフローチャートを参照して、発熱電子部品である半導体デバイス４からの発熱を本発明の発熱電子部品の放熱装置１０により放熱するプロセスを説明する。半導体デバイス４を動作させると、発熱を生じる（ステップＳ１）。半導体デバイス４からの発熱は、半導体デバイス４のプリント基板２への実装面に設けられた放熱用金属プレート５へ熱伝導される（ステップＳ２）。この放熱用金属プレート５に伝導された熱は、この放熱用金属プレート５が半田付けされたプリント基板２の半導体デバイス４の実装面に熱伝導される（ステップＳ３）。

次に、プリント基板２の部品面の熱は、スルーホール１の内壁にめっきされた導通面６を通して、プリント基板２の部品面と反対側（以下、プリント基板２の反対面という）に熱伝導される（ステップＳ４）。更に、プリント基板２の反対面の熱は、金属プレート３と接触されており、この金属プレート３に放熱される（ステップＳ５）。この金属プレート３は、十分な質量又は体積（即ち、面積および厚さ）を有し且つ良好な放熱特性を有する金属で形成され、半導体デバイス４の発熱を効率的に放熱する。

ここで、スルーホール１の熱伝導特性について説明する。図６および図７に示す如き従来のスルーホール６０は、形状が円形であり、その外周半径をａ、内周半径をｂとすると、半導体デバイス４の放熱用金属プレート５との接触面積はπ（ａ^２−ｂ^２）である。これに対し、図３（Ａ）に示す如き正六角形状スルーホール１の場合には、中心から外周正六角形の各辺までの距離をａ、内周正六角形の各辺までの距離をｂとすると、半導体デバイス４の放熱用金属プレート５との接触面積は（１２／（２＊√３））＊（ａ^２−ｂ^２）となる。即ち、スルーホールの形状を円形から正六角形に変更することで、（１２／（２＊√３））／π≒１．１、即ち約１０％接触面積を増加可能であり、その分半導体デバイス４からプリント基板２の部品面への熱抵抗を下げることが可能である。

更に、プリント基板２の部品面から反対面への放熱特性の改善を、図３（Ｂ）を参照して説明する。プリント基板２の部品面から反対面への放熱は、主にスルーホール１の導通面６を放熱経路とするので、その熱抵抗は導通面６の長さに比例し断面積に反比例する。即ち、熱抵抗θは、次の（式1）で与えられる。
θ＝α＊（ｔ／（ｌ＊ｄ））・・・・（式１）
ここで、ｔは熱伝導面の長さであり、この特定例の場合には、プリント基板２の厚さ
ｌはスルーホール１の導通面６の内周長
ｄはスルーホールの導通面６の厚み
αは係数であり導体材料による

上述した（式１）において、ｌはスルーホール１の形状の違いにより異なるが、α、ｔおよびｄはスルーホール１の形状によらないので、ｌの比較のみ行う。円形スルーホールの場合には、ｌは半径ｂの円周に等しく２＊π＊ｂである。一方、正六角形スルーホールの場合には、ｌは、中心から１辺までの距離がｂの正六角形の外周に等しく（１２／√３）＊ｂである。従って、熱抵抗は、正六角形のスルーホール１の方が（（１２／√３）＊ｂ）／（２＊π＊ｂ）≒１．１、即ち１０％程度小さくなる。

上述の如く、六角形のスルーホール1により半導体デバイス４から金属プレート３への熱抵抗を下げられるので、半導体デバイス４の発熱を効果的に放熱し、その温度を低下することが可能であり、半導体デバイス４の長期信頼度を改善する。また、従来と同じ半導体デバイス４の温度、即ち同じ長期信頼度とする場合には、放熱用ファンの除去等によるコストダウンや小型化が可能である。更に、放熱改善のためにプリント基板のスルーホール1に熱伝導物質等の詰め物をしていた場合には、それが不要になることでの基板のコストダウンや従来金属プレートに実装していた部品をプリント基板に搭載できることにより、製造工程の簡略化および製造コストの低減等が可能になる。

次に、図４を参照して、本発明による第２実施例のプリント基板に実装される発熱部品の放熱装置について説明する。尚、説明の便宜上、対応する素子には同様の参照符号を使用する。この実施例は、基本構成は図１に示す発熱電子部品の放熱装置１０と同様であるが、正六角形のスルーホール１の開口部内に良熱伝導性の詰め物７を有する。この詰め物７により、プリント基板２の部品面から反体面への熱抵抗を更に低下させることが可能である。この実施例でも、円形のスルーホール６０では円柱状の材料を詰めるが、正六角形のスルーホール１に正六角柱状の材料を詰めれば、材料の断面積は円柱より（１２／（２＊√３））／π≒１．１、即ち約１０％大きいので、その分熱抵抗を低下可能である。

次に、本発明の第３実施例によるプリント基板に実装される発熱電子部品の放熱装置について説明する。上述した第１実施例および第２実施例では、１個の六角形状のスルーホール１によりプリント基板２の部品面から反対面へ熱伝導していたが、半導体デバイス４が大きい場合には、図５に示す如く多数の六角形状のスルーホール１を半導体デバイス２の実装部に形成してもよい。この場合に、相互に隣接する３個のスルーホール１の正六角形の中心間距離は、（２＊ａ＋ｓ）となる。但し、ｓはプリント基板２の最小導体間距離である。即ち、複数の正六角形は、その中心が、１辺が（２＊ａ＋ｓ）の正三角形Ｔの頂点と一致するように配置される。この場合にも、半導体デバイス４とプリント基板２との接触面積を、円形のスルーホールを並べた場合に比較して（１２／（２＊√３））／π≒１．１、即ち約１０％広くできるので、その分熱抵抗を下げられる。

以上、本発明によるプリント基板およびそれに実装される発熱電子部品の放熱装置の好適実施例の構成および動作を詳述した。しかし、斯かる実施例は、本発明の単なる例示に過ぎず、何ら本発明を限定するものではないことに留意されたい。本発明の要旨を逸脱することなく、特定用途に応じて種々の変形変更が可能であること、当業者には容易に理解できよう。

本発明によるプリント基板に実装された発熱電子部品の放熱装置の好適実施例を示し、（Ａ）は発熱電子部品の放熱装置の斜視図、（Ｂ）はプリント基板へ実装前の発熱電子部品の斜視図である。本発明による発熱電子部品の放熱装置の放熱プロセスを示すフローチャートである。本発明によるプリント基板の第１実施例のスルーホールを示し、（Ａ）はスルーホールの平面図、（Ｂ）はスルーホールの斜視図である。本発明によるプリント基板の第２実施例のスルーホールの斜視図である。本発明によるプリント基板の発熱電子部品実装部に形成された多数のスルーホールを示す平面図である。従来のプリント基板に形成された１個のスルーホールを示す平面図である。従来のプリント基板に形成された複数のスルーホールの平面図である。

符号の説明

１スルーホール
２プリント基板
３金属プレート
４発熱電子部品（半導体デバイス）
５放熱用金属プレート
６スルーホールの導通面
７良熱伝導性の詰め物
１０発熱電子部品の放熱装置

Claims

部品面に少なくとも1個の能動電子部品および受動電子部品を実装して電子回路を形成するプリント基板において、
前記部品面から反対面に六角形のスルーホールを形成し、該スルーホール内壁に導電面を形成し、前記部品面に実装された電子部品の発熱を前記スルーホールの前記導電面を介して前記反対面へ伝導することを特徴とするプリント基板。
前記スルーホールは、前記部品面に実装される前記電子部品の前記部品面との接触面積に略対応して複数のスルーホールが相互に隣接して形成されることを特徴とする請求項１に記載のプリント基板。
前記複数のスルーホールは、隣接する３個のスルーホールの中心が正三角形の頂点に位置するように形成されることを特徴とする請求項２に記載のプリント基板。
前記スルーホールの中心開口には良熱伝導性の詰め物をすることを特徴とする請求項１、２又は３に記載のプリント基板。
プリント基板に実装された発熱電子部品が発生する熱を放熱して、前記発熱電子部品の温度を所定値以下に抑える発熱電子部品の放電装置において、
前記発熱電子部品の発熱を前記プリント基板の部品面へ伝導する金属プレートと、該金属プレートに伝導された熱を前記プリント基板の前記部品面から反対面へ伝導する内壁に導電面が形成された六角形のスルーホールとを備えることを特徴とする発熱電子部品の放熱装置。
前記プリント基板の前記反対面には、良熱伝導性の金属プレートが配置されることを特徴とする請求項５に記載の発熱電子部品の放熱装置。
前記プリント基板の前記スルーホールは、前記発熱電子部品の前記プリント基板との接触面の略全面に複数個形成されることを特徴とする請求項５又は６に記載の発熱電子部品の放熱装置。
前記プリント基板の前記スルーホールの開口部には、良熱伝導性の物質が詰め込まれていることを特徴とする請求項５、６又は７に記載の発熱部品の放熱装置。