JP2015046503A - 電子モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】放熱性能に優れた電子モジュールを提供する。【解決手段】電子モジュール１は、配線パターンが形成された配線基板２と、配線基板２に設けられる、半導体チップ３１１（ジャンクション）を含む本体部分３１及び本体部分３１から延出する所定数のリード３２を有する、半導体パッケージ３と、半導体パッケージ３の周囲を覆うように配線基板２に設けられる放熱部材４と、を備え、半導体パッケージ３のリード３２は、配線基板２の配線パターンにはんだ付けされて接合され、放熱部材４は少なくともその一部が配線基板２の配線パターンにはんだ付けされて接合され、放熱部材４は、半導体パッケージ３の本体部分３１と非接触な状態で配置され、放熱部材４と本体部分３１との間に冷却風を流通させる流路８が形成されている。【選択図】図１

Description

この発明は、電子モジュールに関し、とくに電子モジュールに搭載されている電子部品から生じる熱を効率よく放熱するための技術に関する。

電子部品の高性能化／高出力化に伴い、こうした電子部品が搭載される電子機器にはパワー半導体等の高出力の電子部品が実装されることが多くなってきている。このため、こうした電子機器には従来にもまして高い放熱性能が求められるようになってきている。

電子機器の放熱構造に関し、例えば、特許文献１には、放熱効果を向上させるべく、半導体パッケージの放熱具を、プリント板に取り付けられた半導体パッケージで発生する熱を伝導するために上記半導体パッケ−ジに接触して設けられた伝熱体と、上記プリント板に穿設されたスルーホールに上記伝熱体を固定するために上記伝熱体から突設された足部と、上記伝熱体を介して伝えられる熱を空中に放熱するために上記伝熱体とは別の部品として形成されて上記伝熱体に固着された放熱フィンとを設けて構成することが記載されている。

また特許文献２には、両面に電極が形成された縦構造の電力系半導体素子（パワー素子）を含む回路部が基板上に形成された混成集積回路装置において、その一方の電極を基板に電気接続するとともに、他方の電極をケースに電気接続し、ケースにて電力系半導体素子の放熱を行うとともに、ケースを介して他方の電極をケース外に電気接続することが記載されている。

特開平４−０３９９５７号公報 特開平７−２６３６１８号公報

図４は、表面実装タイプの電子モジュールの放熱構造を説明する電子モジュール７０の一部断面図である。同図に示すように、この電子モジュール７０は、平板状の配線基板７２、配線基板７２の表面の所定位置に配置された半導体パッケージ７３、及び、配線基板７２と平行に設けられるベースプレート７５を備える。尚、ベースプレート７５は、例えば、電子モジュール７０が収容される筐体の構成部材である。

半導体パッケージ７３は、半導体チップ７３１１（ジャンクション）を樹脂封止することにより構成される本体部分７３１と、本体部分７３１から延出する、導電性の金属素材からなる所定数のリード７３２とを有する。各リード７３２の端部付近は、配線基板７２に配線パターンとして形成されているランド７２１にはんだ付けされて接合されている。これにより半導体チップ７３１１は、配線基板７２の配線パターンに電気的に接続されるとともに、各リード７３２の高い熱伝導率により配線基板７２に熱的にも結合されている。

半導体パッケージ７３の本体部分７３１の上面は、熱伝導性シート等の伝熱部材７４を介して、ベースプレート７５の下垂する直方体状の凸部７５１の下面７５２と面接触している。

ここで同図に示す電子モジュール７０にあっては、半導体パッケージ７３の半導体チップ７３１１（ジャンクション）と本体部分７３１との間の熱抵抗が大きく、伝熱部材７４を介して半導体パッケージ７３の本体部分７３１の上面をベースプレート７５に面接触させただけでは必ずしも十分な放熱効果を得ることができない。また半導体チップ７３１１（ジャンクション）の熱は主に高い熱伝導率を有するリード７３２を介して、また半導体チップ７３１１の直下のはんだ付けパッドを介した熱伝導により、配線基板７２に伝達されるが、半導体パッケージ７３の発熱量に比べて配線基板７２の熱容量が不足する場合は半導体パッケージ７３を十分に冷却することができず、ヒートシンクを用いる等の対策を別途講じる必要があり、部品点数やコストの増大に繋がる。

本発明は、このような背景に鑑みてなされたもので、放熱性能に優れた電子モジュールを提供することを目的としている。

上記目的を達成するための本発明の一つは、電子モジュールであって、
配線パターンが形成された配線基板と、
前記配線基板に設けられる、半導体チップを含む本体部分及び前記本体部分から延出する所定数のリードを有する、半導体パッケージと、
前記半導体パッケージの周囲を覆うように前記配線基板に設けられる放熱部材と、
を備え、
前記半導体パッケージの前記リードは、前記配線基板の前記配線パターンにはんだ付けされて接合されており、
前記放熱部材は少なくともその一部が前記配線基板の前記配線パターンにはんだ付けされて接合されており、
前記放熱部材は前記半導体パッケージの前記本体部分と非接触な状態で配置され、前記放熱部材と前記本体部分との間に冷却風を流通させる流路が形成されている
ことを特徴としている。

本発明の他の一つは、上記電子モジュールであって、前記放熱部材の少なくとも一部が前記配線基板に形成されたランドにはんだ付けされて接合されていることを特徴としている。

本発明の他の一つは、上記電子モジュールであって、前記放熱部材の少なくとも一部が前記配線基板に形成されたスルーホールにはんだ付けされて接合されていることを特徴としている。

本発明の他の一つは、上記電子モジュールであって、前記放熱部材の少なくとも一部が当該電子モジュールが設けられる筐体と熱的に結合されていることを特徴としている。

本発明の他の一つは、上記電子モジュールであって、前記放熱部材の少なくとも一部に前記冷却風を流通させる通気孔が形成されていることを特徴としている。

その他、本願が開示する課題、及びその解決方法は、発明を実施するための形態の欄、及び図面により明らかにされる。

本発明によれば、放熱性能に優れた電子モジュールを提供することができる。

電子モジュール１の放熱構造を説明する図である。 電子モジュール１における熱の伝達の様子を示す図である。 電子モジュール１の他の構成を示す図である。 表面実装タイプの電子モジュール７０の放熱構造を説明する図である。

以下、本発明の一実施形態について図面とともに詳細に説明する。

図１は本発明の一実施形態にかかる電子モジュール１の放熱構造を説明する図であり、電子モジュール１の一部断面図である。尚、電子モジュール１は、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ、スイッチング電源等であり、各種の電子部品（半導体パッケージ、パワートランジスタ、パワーダイオード、インダクタ（コイル）、トランス等）を備えて構成されている。

同図に示すように、電子モジュール１は、平板状の配線基板２、配線基板２の表面（＋Ｚ側の面）の所定位置に表面実装（ＳＭＴ（Surface Mount Technology））により配置された半導体パッケージ３、放熱部材４、及び配線基板２と平行に設けられ少なくとも配線基板２の側（−Ｚ側）に平坦面５１を有するベースプレート５を備える。尚、ベースプレート５は、例えば、電子モジュール１が収容される筐体の構造の一部である。

配線基板２は、リジッドタイプもしくはリジッドフレキシブルタイプのプリント配線板（PCB:Printed Circuit Board）である。配線基板２は、絶縁性の素材（紙フェノール、紙エポキシ、ガラス・コンポジット、ガラス・エポキシ等）をベースとし、金属等からなる導電層並びに絶縁被覆層をこの順に積層した構造を有する。配線基板２の表面（＋Ｚ側の面）には、上記絶縁被覆層を除去して導電層を表面に露出させることにより所定の配線パターン（パッド、ランドを含む。また電子回路の構成に必ずしも寄与しないものも含む。）が形成されている。

半導体パッケージ３は、半導体チップ３１１（ジャンクション）を樹脂封止することにより構成される本体部分３１と、半導体チップ３１１から延出する、熱伝導率の高い金属素材からなる所定数のリード３２とを有する。各リード３２の端部付近は、配線基板２に配線パターンとして形成されているランド２１にはんだ付けされて接合されている。これにより半導体チップ３１１は配線基板２の配線パターンに電気的に接続されるとともに、各リード３２の高い熱伝導率により、配線基板２に対して熱的にも結合される。さらに半導体チップ３１１は、一般に半導体ボディ下部に金属部が露出していてこの部分を配線基板２のはんだ付けパッド等にはんだ付けすることも可能であり、その場合はこの金属部を介することによっても半導体チップ３１１は配線基板２と熱的に結合される。尚、上記はんだ付けに用いるはんだ（ロウ材）としては、なるべく熱伝導率の高いものを用いることが好ましい。

放熱部材４は、熱伝導率の高い素材（例えば、アルミニウム、銅、もしくはこれらのうちの少なくともいずれかを含む合金等）を用いて構成されている。同図に示すように、放熱部材４は、半導体パッケージ３の本体部分３１と非接触状態で半導体パッケージ３の周囲を覆う形状を呈している（この例では、放熱部材４は略直方体形状を呈している）。放熱部材４の略直方体形状の対向する一組の側面（＋Ｘ側と−Ｘ側の側面）は開放されており、これにより放熱部材４と本体部分３１との間にはＸ軸方向（＋Ｘから−Ｘ方向又は−Ｘ方向から＋Ｘ方向）に冷却風を流通させる流路８が形成されている。尚、流路８には、例えば、電子モジュール１が収容される筐体に設けられた冷却ファン等によって圧送される空気が流通される。

放熱部材４は、その四方の全てが側面で囲まれた形状（いずれの側面も開放されていない形状）であってもよい。その場合、放熱部材４の内外を通じる流路８は、例えば、放熱部材４の側面に所定形状の多数の通気孔を形成することにより実現することができる。放熱部材４は、少なくとも半導体パッケージ３の本体部分３１と非接触状態で周囲を覆う形状であればよく、例えば、略円筒形状であってもよい。

同図に示すように、放熱部材４の側面の底部近傍は放熱部材４の外周側にＬ字状に折り曲げられており、これにより放熱部材４を配線基板２面に載置するための折り曲げ部４１が形成されている。

放熱部材４は、折り曲げ部４１を配線基板２の配線パターンであるランド２２に重ねるようにして配置され、折り曲げ部４１をパッド２２にはんだ付けすることにより配線基板２に固着されている。これにより放熱部材４は熱的に配線基板２に結合される。尚、上記はんだ付けに用いるはんだ（ロウ材）としてはなるべく熱伝導率の高いものを用いることが好ましい。

放熱部材４の上面（＋Ｚ側の面）は、直接、もしくは伝熱部材（例えば、薄手の熱伝導性シート（樹脂シート、金属シート等）、熱伝導性グリース等）を介して間接的に、ベースプレート５の平坦面５１に面接触している。尚、放熱部材４の所定部位（内周面、外周面、折り曲げ部４１の上面（＋Ｚ側の面）等）に、放熱部材４の表面積を拡大するための構造（放熱フィン、溝構造等）を設けてもよい。

図２に、以上に説明した構成からなる電子モジュール１における熱伝達の様子（半導体チップ３１１（ジャンクション）から発生した熱が伝達する様子）を示している。尚、同図に示す矢線が熱の流れを示す。

同図に示すように、半導体チップ３１１から発生した熱は、リード３２及びランド２１を介して効率よく配線基板２に伝達される。また半導体パッケージ３の本体部分３１の熱の一部は配線基板２並びに流路８を流れる空気に伝達される。

そして配線基板２に伝達された熱はランド２２を介して効率よく放熱部材４に伝達され、その一部は流路８の内側又は外側を流れる冷却風によって冷却される。また放熱部材４の熱の他の一部はベースプレート５に伝達される。このように、半導体チップ３１１（ジャンクション）から発生した熱は、配線基板２及びベースプレート５に効率よく伝達され、これにより半導体チップ３１１は効率よく冷却される。

尚、放熱部材４は、半導体パッケージ３の本体部分３１と非接触状態で配置されているので、本体部分３１、リード３２、配線基板２、及び放熱部材４のいずれも流路８の内側又は外側を流れる冷却風によって効率よく冷却され、半導体チップ３１１から発生した熱は電子モジュール１全体として効率よく冷却されることになる。

以上に説明したように、本実施形態の電子モジュール１は高い放熱性能を有する。このため、パワー半導体等の高出力の電子部品が実装される電子モジュール１にも適用することができる。また高い放熱効率が得られることで、例えば、電子部品を配線基板２に密に配置して実装効率を高めることが可能となり、電子モジュール１の小型化を図ることができる。

尚、以上の説明は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。

例えば、前述した実施例では、放熱部材４の折り曲げ部４１をランド２２にはんだ付けすることにより放熱部材４を配線基板２に固着していたが、例えば、図３に示すように、放熱部材４は、その底部に設けた足４５を配線基板２に設けたスルーホール２５に挿入し、足４５の周囲をはんだ付けすることにより配線基板２に設けるようにしてもよい。同図に示す電子モジュール１の他の構成については前述した実施形態と同様である。このような構成とした場合は放熱部材４を配線基板２に確実に固定することができる。また配線基板２の表面に放熱部材４を取り付けるためのパッドを形成する必要がないため、配線基板２の実装スペースを有効に利用することができる。

１ 電子モジュール、２ 配線基板、３ 半導体パッケージ、３１ 本体部分、３２ リード、３１１ 半導体チップ、４ 放熱部材、４１ 折り曲げ部、５ ベースプレート、２１ ランド、２２ ランド、８ 流路、２５ スルーホール

Claims (5)

1. 配線パターンが形成された配線基板と、
   前記配線基板に設けられる、半導体チップを含む本体部分及び前記本体部分から延出する所定数のリードを有する、半導体パッケージと、
   前記半導体パッケージの周囲を覆うように前記配線基板に設けられる放熱部材と、
   を備え、
   前記半導体パッケージの前記リードは、前記配線基板の前記配線パターンにはんだ付けされて接合されており、
   前記放熱部材は少なくともその一部が前記配線基板の前記配線パターンにはんだ付けされて接合されており、
   前記放熱部材は前記半導体パッケージの前記本体部分と非接触な状態で配置され、前記放熱部材と前記本体部分との間に冷却風を流通させる流路が形成されている
   ことを特徴とする電子モジュール。
2. 請求項１に記載の電子モジュールであって、
   前記放熱部材の少なくとも一部が前記配線基板に形成されたランドにはんだ付けされて接合されている
   ことを特徴とする電子モジュール。
3. 請求項１又は２に記載の電子モジュールであって、
   前記放熱部材の少なくとも一部が前記配線基板に形成されたスルーホールにはんだ付けされて接合されている
   ことを特徴とする電子モジュール。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電子モジュールであって、
   前記放熱部材の少なくとも一部が当該電子モジュールが設けられる筐体と熱的に結合されている
   ことを特徴とする電子モジュール。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電子モジュールであって、
   前記放熱部材の少なくとも一部に前記冷却風を流通させる通気孔が形成されている
   ことを特徴とする電子モジュール。

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