JP2015012161A - 電子装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ペルチェ素子等の放熱素子を必要とせず、かつ、発熱素子等の発熱部材と外部との絶縁を確保しつつ放熱を行うことが可能な放熱構造を提供する。【解決手段】発熱素子となる電子部品２０の下方に導体層１４を配置し、導体層１４を基板１０の平面方向に延設する。そして、基板１０の絶縁材料部分を挟んで、導体層１４と対向する位置に放熱部材４０を配置する。このような構成では、電子部品２０で発した熱が導体層１４に伝わり、導体層１４を通じて基板１０の平面方向に伝熱され、これが放熱部材４０に伝わって放熱部材４０のうちモールド樹脂５０から露出させられた上面より外部に放出される。これにより、ペルチェ素子等の放熱素子を必要としなくても、良好に放熱が行われる。また、導体層１４と放熱部材４０との間に基板１０の絶縁材料部分が存在することから、この絶縁材料部分によって電子部品２０と外部との絶縁を確保できる。【選択図】図１

Description

本発明は、基板の一面側に発熱素子などの発熱部材が配置される電子装置に関しするものである。

従来、特許文献１において、基板の一面側に発熱素子を配置しつつ発熱素子をモールド樹脂で封止したモールドパッケージにおける放熱構造が開示されている。この放熱構造は、発熱素子の下方に配置されるインターポーザの表層部に放熱素子となるペルチェ素子等を配置すると共に、発熱素子の側方に、放熱素子に対して接しつつモールド樹脂から露出させられる伝熱部を配置することで構成されている。このような構成では、発熱素子が発した熱は放熱素子を介して伝熱部に伝えられ、モールド樹脂の外部に放出させられる。

特開２００８−１５３３９３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の放熱構造では、ペルチェ素子等の放熱素子が必要になるし、発熱素子が放熱素子を介して伝熱部に直接接続された構造であり、かつ、伝熱部がモールド樹脂から露出した構造であるため、発熱素子と外部との絶縁を確保できない。

本発明は上記点に鑑みて、ペルチェ素子等の放熱素子を必要とせず、かつ、発熱素子等の発熱部材と外部との絶縁を確保しつつ放熱を行うことが可能な放熱構造を有する電子装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、第１導体層（１３）が形成された基板（１０）の一面（１１）側に発熱部材（２０）を配置し、発熱部材をモールド樹脂（５０）にて封止した電子部品において、基板の一面のうち発熱部材が配置された位置において、該基板の一面から該基板の内部に形成されたビア（１５）と、基板の内部に形成されると共にビアに接続され、発熱部材と対向する位置から該基板の平面方向に延設された第２導体層（１４）と、基板の一面側に設けられ、基板のベースとなる絶縁材料を挟んで第２導体層のうち発熱部材と対向する位置から基板の水平方向に延設された部分と対向して配置されると共に、モールド樹脂の上面（５０ｂ）に向けて延設され、モールド樹脂よりも高熱伝導率の材料で構成された放熱部材（４０）と、を備えていることを特徴としている。

このような構成によれば、発熱部材、例えば発熱素子となる電子部品（２０）の下方に配置された第２導体層に対して、発熱部材で発した熱が伝えられる。このため、第２導体層を通じて基板の平面方向に伝熱され、これが放熱部材に伝わり、放熱部材を通じてモールド樹脂の上面側から外部に放出される。このとき、放熱部材と第２導体層との間に基板の絶縁材料部分が存在することから、この絶縁材料部分によって伝熱が阻害され得るが、基板の厚み自体が薄く、放熱部材と第２導体層との間に介在する絶縁材料部分の厚みも当然薄い。このため、放熱部材と第２導体層との間に基板の絶縁材料部分が存在していても、あまり伝熱が阻害されることなく、第２導体層から放熱部材への伝熱が行われるようにできる。特に、放熱部材と導体層との間に介在する絶縁材料部分を高熱伝導率としておけば、より第２導体層から放熱部材への伝熱が良好に行われるようにできる。

そして、放熱部材と第２導体層との間に絶縁材料部分を介在させているため、発熱部材や第２導体層と放熱部材との間の絶縁を確保することも可能となる。したがって、ペルチェ素子等の放熱素子を必要とせず、かつ、発熱部材と外部との絶縁を確保しつつ放熱を行うことが可能な放熱構造を有する電子装置にできる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

本発明の第１実施形態にかかる電子装置に備えられるモールドパッケージの断面図である。 本発明の第２実施形態にかかる電子装置に備えられるモールドパッケージの断面図である。 本発明の第３実施形態にかかる電子装置に備えられるモールドパッケージの断面図である。 本発明の第４実施形態にかかる電子装置に備えられるモールドパッケージの断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態にかかる電子装置について説明する。ここでは、電子装置に備えられるモールドパッケージについて、図１および図２を参照して説明する。このモールドパッケージが備えられる電子装置は、たとえば自動車などの車両に搭載され、車両用の各種電子装置を駆動するための装置として適用される。

図１に示すように、本実施形態の電子装置は、基板１０、電子部品２０、３０、放熱部材４０およびモールド樹脂５０などを有し、基板１０に実装した電子部品２０、３０および放熱部材４０をモールド樹脂５０にて樹脂封止した構成とされている。

基板１０は、電子部品２０、３０や放熱部材４０が実装されると共にモールド樹脂５０にて覆われる一面１１と、その反対面となる他面１２とを有する板状部材をなすものであり、例えば上面形状が矩形状の板状部材とされている。

具体的には、基板１０は、ベースとなる絶縁材料部分をエポキシ樹脂等の樹脂で構成したプリント基板などによる多層基板によって構成されている。基板１０は、一面１１側にランドや配線パターン等を構成する導体層１３を備えていると共に、一面１１と他面１２の間、つまり基板１０の内部に内層配線等を構成する導体層１４を備えている。

導体層１３は、第１導体層に相当するもので、電子部品２０、３０および放熱部材４０と接続するためのランドやランドに繋がる配線パターンなどを構成しており、例えばＣｕ等の金属で構成されている。この導体層１３と電気的および機械的に接合されることで、電子部品２０、３０は基板１０に形成された配線パターンと電気的に接続されている。

導体層１４は、第２導体層に相当するもので、導体層１３と電気的に接続される配線パターンを構成したり、放熱経路を構成するために用いられている。例えば、多層基板は、樹脂等で構成されるコア層を中心とした両面にビルドアップ層が積層されることで構成されるが、これらコア層とビルドアップ層との間に内層配線が配置され、この内層配線によって導体層１４を構成することができる。

本実施形態の場合、導体層１４は、電子部品２０の下方位置において、電子部品２０と対向する位置から横方向（基板１０の平面方向）に延ばされ、放熱部材４０の下方まで延設されている。そして、電子部品２０の下方に配置される導体層１３と導体層１４との間において、基板１０にビア１５が形成されることで、導体層１３と導体層１４とが熱的かつ電気的に接続されている。ビア１５は、基板１０の一面１１側から基板１０の内部に向けて形成された凹部１５ａ内に導体材料１５ｂを配置することで形成されている。凹部１５ａは、例えばレーザーによって形成されたレーザービアホールであり、一面１０側から導体層１４に達するように形成されている。

電子部品２０、３０は、基板１０に実装されることで配線パターンに電気的に接続されるものであり、表面実装部品やスルーホール実装部品など、どのようなものであってもよい。本実施形態の場合、電子部品２０、３０として、発熱素子２０および受動素子３０を例に挙げて説明する。発熱素子２０は、本発明の発熱部材に相当するものであり、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）等の特に発熱が大きいパワー素子等が想定されるが、マイコンや制御素子等であっても良い。この発熱素子２０は、ボンディングワイヤ２１およびはんだ等のダイボンド材２２により、導体層１３に接続されている。また、受動素子３０としては、チップ抵抗、チップコンデンサ、水晶振動子等が挙げられる。この受動素子３０は、はんだ等のダイボンド材３１により導体層１３に接続されている。これらの構成により、電子部品２０、３０は、基板１０に形成された導体層１３、つまり配線パターンに電気的に接続され、配線パターンに接続された図示しないスルーホール等を通じて外部と電気的に接続可能とされている。

放熱部材４０は、電子部品２０で発した熱を放熱するための放熱経路を構成する部材であり、例えばＣｕ、Ｃｕ合金、Ａｌ等のようにモールド樹脂５０よりも高放熱材料によって構成されている。放熱材料４０は、基板１０の一面１１側において、基板１０の絶縁材料部分を挟んで、導体層１４のうち電子部品２０の下方から基板１０の平面方向に延設された部分に対向して配置されている。この放熱部材４０は、電子部品２０、３０などと共にモールド樹脂５０に封止されているが、本実施形態では、放熱部材４０の上面がモールド樹脂５０から露出させられている。放熱部材４０も、はんだ等のダイボンド材４１により、基板１０の一面１１に形成された導体層１３に接続されている。導体層１３のうち、放熱部材４０が接続される部分は、導体層１３の他の部分（例えば電子部品２０、３０と接続されている部分）とは電気的に分離された浮きランドとされている。上記したように、この放熱部材４０の下方位置まで導体層１４が延設されているが、放熱部材４０と接続される導体層１３と導体層１４との間には基板１０の絶縁材料部分が介在していて、これらの間の絶縁が確保されている。

なお、基本的には基板１０のベースとなる絶縁材料部分をエポキシ樹脂等の樹脂で構成しているが、より熱伝導率が高い絶縁材料で構成すること、もしくは、フィラー充填によって熱伝導率を高くすることもできる。特に、基板１０のうち放熱部材４０と導体層１４との間に位置する部分においては高熱伝導率となるようにすることが好ましいため、この部分だけ部分的に高熱伝導率となるようにしても良い。

モールド樹脂５０は、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂等より構成されるもので、金型を用いたトランスファーモールド法やコンプレッションモールド法により形成されている。本実施形態の場合、基板１０の一面１１側をモールド樹脂５０で封止しつつ、基板１０の他面１２側をモールド樹脂５０で封止せずに露出させた、いわゆるハーフモールド構造とされている。モールド樹脂５０は、基板１０の一面１１と接する面となる下面５０ａ、下面と反対側の上面５０ｂ、および、これら上下面５０ａ、５０ｂの間を連結する側面５０ｃを有する板状とされている。上記した放熱部材４０の表面は、上面５０ｂから露出させられており、本実施形態の場合、放熱部材４０の露出表面と上面５０ｂとが同一平面となるように構成している。典型的には、モールド樹脂５０は、上面形状が矩形形状で構成されるが、他の多角形などであっても構わない。

以上のような構造により、本実施形態にかかる電子装置に備えられるモールドパッケージが構成されている。

このような構成の電子装置では、発熱素子となる電子部品２０の下方に導体層１４を配置し、電子部品２０で発した熱を導体層１４に伝えるようにしている。そして、導体層１４を通じて基板１０の平面方向に伝熱され、これが放熱部材４０に伝わって放熱部材４０のうちモールド樹脂５０から露出させられた上面より外部に放出される。このとき、放熱部材４０と導体層１４との間に基板１０の絶縁材料部分が存在することから、この絶縁材料部分によって伝熱が阻害され得るが、基板１０の厚み自体が薄く、放熱部材４０と導体層１４との間に介在する絶縁材料部分の厚みも当然薄い。このため、放熱部材４０と導体層１４との間に基板１０の絶縁材料部分が存在していても、あまり伝熱が阻害されることなく、導体層１４から放熱部材４０への伝熱が行われるようにできる。特に、放熱部材４０と導体層１４との間に介在する絶縁材料部分を高熱伝導率としておけば、より導体層１４から放熱部材４０への伝熱が良好に行われるようにできる。例えば、基板１０がコア層とコア層の両面に配置されるビルドアップ層とを有した構成とされる場合、ビルドアップ層をコア層よりも高熱伝導率の材料で構成しておけば良い。

そして、このように放熱部材４０と導体層１４との間に絶縁材料部分を介在させているため、電子部品２０や導体層１４と放熱部材４０との間の絶縁を確保することも可能となる。したがって、ペルチェ素子等の放熱素子を必要とせず、かつ、発熱素子となる電子部品２０と外部との絶縁を確保しつつ放熱を行うことが可能な放熱構造を有する電子装置にできる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して放熱部材４０とモールド樹脂５０との関係を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図２に示すように、本実施形態では、放熱部材４０の上面がモールド樹脂５０の上面５０ａから露出しておらず、モールド樹脂５０に被覆された状態となっている。つまり、モールド樹脂５０の上面５０ｂの方が放熱部材４０よりも基板１０の一面１１からの高さが高くされている。ただし、放熱部材４０の上面を覆っているモールド樹脂５０の厚みは薄く、例えば０．５ｍｍ以下となっている。

このように、放熱部材４０の上面がモールド樹脂５０で被覆された状態となっていても、薄いモールド樹脂５０を通じて放熱が行えるため、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。放熱部材４０の上面を被覆するモールド樹脂５０が厚いと放熱が十分に行えなくなるが、薄くすることで、熱設計上問題ないレベルにできる。

ここで、上記したように、モールド樹脂５０については、トランスファーモールド法やコンプレッションモールド法により成形されるが、成形時に放熱部材４０の上面をモールド樹脂５０から露出させるには、成形型の内壁面を放熱部材４０の上面に当接させる必要がある。しかしながら、成形型の内壁面を確実に放熱部材４０の上面に当接させるのは難しい。

特に、コンプレッションモールド法によってモールド樹脂５０を成形する場合に困難である。すなわち、コンプレッションモールド法では、基板１０の下面１２側に下型を当接させると共に、上面１１側にキャビティを構成する開口部が設けられた上型を当接させ、上型に形成された開口部内に樹脂粉末を充填した状態でプランジャを摺動させて成形する。このとき、プランジャの挿入量によって、モールド樹脂５０の上面５０ｂの高さが決まるが、確実に上面５０ｂの高さを放熱部材４０の上面に合わせることが難しく、挿入量が多いと放熱部材４０を基板１０側に押圧してしまい、基板１０にダメージを与え兼ねない。これに対して、本実施形態のようにモールド樹脂５０の上面５０ｂの方が放熱部材４０の上面よりも基板１０の一面１１からの高さが高くなるようにすると、プランジャによって放熱部材４０を押圧してしまうことを防止できる。このため、特にコンプレッションモールド法によってモールド樹脂５０を成形する場合には、本実施形態のようにモールド樹脂５０によって薄く残した構造とすることで、プランジャにて放熱部材４０が押圧されて基板１０にダメージが加わることを防止できる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して放熱部材４０とモールド樹脂５０との関係を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図３に示すように、本実施形態では、放熱部材４０の上面がモールド樹脂５０の上面５０ａから突出した状態となっている。つまり、モールド樹脂５０の上面５０ｂよりも放熱部材４０の方が基板１０の一面１１からの高さが高くされている。

このように、放熱部材４０の上面がモールド樹脂５０から突出した状態となっていても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

このような構成は、例えば第２実施形態のように、放熱部材４０の上面がモールド樹脂５０で被覆されるようにしつつ、後工程において、レーザ除去などによってモールド樹脂５０を上面５０ａの前面を所定の厚さ分除去することで実現できる。このとき、放熱部材４０が存在する部分については、放熱部材４０の方が樹脂よりも除去量が少なくなるため、放熱部材４０の上面がモールド樹脂５０の上面から突出した状態になる。このようにして、本実施形態にかかる電子装置に備えられるモールドパッケージを構成することができる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態は、第１〜第３実施形態に対して電子部品３０の配置を変更したものであり、その他については第１〜第３実施形態と同様であるため、第１〜第３実施形態と異なる部分についてのみ説明する。なお、図４では、第１実施形態に対して電子部品３０の配置を変更した構造を表してあるが、第２、第３実施形態についても同様である。

図４に示すように、本実施形態では、基板１０の他面１２側に電子部品３０を配置している。具体的には、他面１２側にランドもしくは配線パターンの一部を構成する導体層１６が形成されており、はんだ等の接合部材３１を介して導体層１６に電子部品３０が配置されている。電子部品３０を構成する素子によっては、モールド樹脂５０内に封止することが難しいものもある。例えば、電子部品３０を渦巻きコンデンサとする場合、モールド樹脂５０内に配置すると、樹脂の硬化時の応力によってコンデンサの電極間隔が変化したり、電極間がショートしてしまうなどの不具合が発生し得る。このような場合には、モールド樹脂５０内に電子部品３０を封止するのではなく、モールド樹脂５０の外側に電子部品３０を配置する方が好ましい。

このため、本実施形態のように、基板１０のうちモールド樹脂５０の外側に電子部品３０を配置することで、モールド樹脂５０内に電子部品３０を配置することによる不具合を抑制することが可能となる。また、電子部品３０の配置場所を基板１０の一面１１側にすることもできるが、一面１１側にすると、基板１０の面積の大型化を招くことになる。このため、本実施形態のように、基板１０の他面１２側に電子部品３０を配置することで、上記効果が得られるのに加えて、基板１０の面積の小型化を実現することが可能となる。

また、基板１０の他面１２側においてヒートシンクなどを配置することで電子部品２０で発した熱を放出させる形態もあり得る。しかしながら、電子部品３０を他面１２側に配置する場合には、ヒートシンクの配置スペースを確保できないことがある。基板１０の面積を拡大すればヒートシンクの配置スペースを確保できるが、電子部品３０を他面１２側に配置している意味が無くなってしまう。このため、本実施形態のように、他面１２に電子部品３０が配置されるような形態とされる場合に、放熱部材４０によって基板１０の一面１１側より放熱が行えるようにすることは特に有効である。

（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

例えば、上記各実施形態では、基板１０の一面１１上に電子部品２０、３０を実装したのち、電子部品２０、３０および放熱部材４０をモールド樹脂５０で樹脂封止する形態が適用された電子装置の一例を示したが、上記各実施形態で説明した構造でなくても良い。例えば、発熱部材の一例として、発熱素子にて構成される電子部品２０を例に挙げたが、大電流が流される配線なども発熱部材となる。このため、大電流が流される配線を導体層１４に接続し、当該配線から発した熱が放熱部材４０を介して放出されるようにしても良い。その場合、導体層１４を大電流が流される配線の一部として用いても良い。

１０ 基板
１１ 一面
１２ 他面
１３、１４ 導体層（第１、第２導体層）
２０、３０ 電子部品
４０ 放熱部材
５０ モールド樹脂

Claims (5)

1. 一面（１１）および前記一面の反対面となる他面（１２）を有し、絶縁材料により構成されると共に前記一面に第１導体層（１３）が形成された基板（１０）と、
   前記基板の一面側に配置された発熱部材（２０）と、
   前記基板の一面側に設けられ、前記基板の一面側となる下面（５０ａ）、該下面と反対側の面となる上面（５０ｂ）、および、前記下面と前記上面とを連結する側面（５０ｃ）とを有し、前記発熱部材を封止するモールド樹脂（５０）と、
   前記基板の一面のうち前記発熱部材が配置された位置において、該基板の一面から該基板の内部に形成されたビア（１５）と、
   前記基板の内部に形成されると共に前記ビアに接続され、前記発熱部材と対向する位置から該基板の平面方向に延設された第２導体層（１４）と、
   前記基板の一面側に設けられ、前記基板のベースとなる絶縁材料を挟んで前記第２導体層のうち前記発熱部材と対向する位置から前記基板の水平方向に延設された部分と対向して配置されると共に、前記モールド樹脂の上面に向けて延設され、前記モールド樹脂よりも高熱伝導率の材料で構成された放熱部材（４０）と、を備えていることを特徴とする電子装置。
2. 前記放熱部材は、前記モールド樹脂の上面から露出させられていることを特徴とする請求項１に記載の電子装置。
3. 前記放熱部材は、前記モールド樹脂によって被覆されており、前記モールド樹脂のうち前記放熱部材を被覆している部分の厚みが０．５ｍｍ以下とされていることを特徴とする請求項１に記載の電子装置。
4. 前記発熱部材は、前記第１導体層に実装されており、
   前記第１導体層のうち前記発熱部材が実装された部分が前記ビアを介して前記第２導体層に熱的および電気的に接続されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の電子装置。
5. 前記基板の他面側に、電子部品（３０）が実装されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の電子装置。

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