JP5324773B2 - 回路モジュールとその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は回路モジュールに関する。本発明は、より詳細には、回路モジュール内の半導体部品を冷却するための構造とその製法に関する。

CPU（MPU)などに代表される消費電力が大きい半導体部品はその動作中の発熱量も大きい。その半導体部品からの熱を逃がすために、部品上面に接合したヒートシンクを介して、部品からの熱を逃がす（放熱する）ことが従来から行われている。ヒートシンクのサイズを大きくすればより大きな放熱（冷却）効果を得ることができる。しかし、回路モジュール全体の大きさが制限されている場合、大きなヒートシンクを設けることが困難な場合が多い。近年、回路モジュールのコンパクト化により、その傾向が特に高まっている。

半導体部品は回路基板上にハンダなどを用いて接続される。その場合、回路基板は絶縁物質を含むため熱伝導率が小さく、回路基板を介しての放熱はほとんど期待できない。また、ヒートシンクからの放熱を促進するために回路モジュール内にファンが設けられる。そのファンによる風量（回転数）を大きくすればするほど冷却効果も大きくなる。しかし、ファンの回転数を上げると騒音も大きくなるという問題がある。したがって、ヒートシンクのサイズおよびファンの風量が制限されている中で、回路基板上の半導体部品の冷却効果をいかにして高めるかがますます重要となってきている。

日本の公開特許公報、特開平８−２２２６７１号には、回路基板上の半導体チップの上面と下面に放熱器を設けて、その冷却効果を高める回路モジュールが開示されている。しかし、この回路モジュールでは、半導体チップを挟む２つの放熱器がネジで接続されているが、放熱器がネジで直接筐体に接続していない。また、この回路モジュールでは、半導体チップの下面が伝熱シートを介して放熱器に接続してはいない。さらに、この回路モジュールでは、半導体チップはリードを介して回路基板に接続されており、ハンダを介して回路基板に接続されていない。

特開平８−２２２６７１号公報

本発明の目的は、回路基板上の半導体部品の冷却効果を高めることである。

本発明の目的は、ヒートシンクのサイズおよびファンの風量が制限されている回路モジュールにおいて、回路基板上の半導体部品の冷却効果を高めることである。

本発明によれば、筐体の一部をなす熱伝導性ボードと、熱伝導性ボード上の回路基板であって、開口と、その開口を取り囲むように配置された複数の電極パッドを有する上面と、その上面の反対側に位置する下面を有する回路基板と、回路基板の上面の複数の電極パッドにハンダを介して接続された半導体チップと、半導体チップの上面に接合されたヒートシンクと、熱伝導性ボードと半導体チップを熱的に接続し、かつ弾性を有する熱伝導性部材であって、回路基板の開口を貫通し、その一方の面が半導体チップの下面に接し、他方の面が熱伝導性ボードの表面に接する、熱伝導性部材と、半導体チップの周りにおいて回路基板を厚さ方向に貫通し、ヒートシンクと熱伝導性ボードを互いに向き合うように接続する複数の締め付け部材とを備える、回路モジュールが提供される。

本発明によれば、回路モジュールの製造方法であって、筐体の一部をなす熱伝導性ボードを準備するステップと、回路基板を準備するステップであって、その回路基板は、開口と、その開口を取り囲むように配置された複数の電極パッドを有する上面と、その上面の反対側に位置する下面を有し、さらにその上面の複数の電極パッドにハンダを介して接続された半導体チップを有するステップと、熱伝導性ボードの表面と回路基板上の半導体チップを熱伝導性部材を用いて接合するステップであって、その熱伝導性部材は、回路基板の開口を貫通し、その一方の面が半導体チップの下面に接し、他方の面が熱伝導性ボードの表面に接しかつ弾性を有するステップと、半導体チップの上面にヒートシンクを接合するステップと、ヒートシンクと熱伝導性ボードを、複数の締め付け部材を用いて接続するステップであって、その締め付け部材は、半導体チップの周りにおいて回路基板を厚さ方向に貫通し、ヒートシンクと熱伝導性ボードを互いに向き合うように接続するステップとを含む、製造方法が提供される。

本発明によれば、回路基板上の半導体チップの発熱を半導体チップ上のヒートシンクおよび半導体チップ下方の筐体の一部をなす熱伝導性ボードの両方へ逃がすことにより、半導体チップの冷却効果を向上させることができる。

本発明について図面を参照しながら以下に詳細に説明する。図１は、本発明の回路モジュールの一実施形態を示す外形図である。回路モジュール１００は、筐体１０とファン２０からなる。なお、図１ではファン２０は筐体１０の側壁に接合する形式であるが、これに限られず、筐体の中にファンが内蔵する形成であってもよい。ファン２０は筐体内部へ外気を送り込む。筐体１０は底板３０を含む。筐体１０は鉄、アルミニウムなどの金属、あるいは絶縁物などを含む各種材料の一つまたは複数からなる。ただし、筐体１０の底板３０の材料は金属などの熱伝導性材料からなる。

図２は、図１の回路モジュール１００の内部の断面の一部を示す図である。筐体１０の一部をなす底板３０の上に回路基板３２がある。回路基板３２は、複数の電極パッド（図示なし）を有する上面５０と、その反対側に位置する下面５２を有する。回路基板３２の上面５０の複数の電極パッドにハンダ４６を介して半導体チップ３４が接合されている。半導体チップ３４はハンダ・ボールを用いたいわゆるフリップ・チップ・ボンデイングで接合される。半導体チップ３４としては、例えばCPU(MPU)、ASICなどの比較的大型で発熱量の大きな半導体チップが該当するが、これらに限られない。

さらに回路基板３２は半導体チップ３４の下側に開口４４を有する。回路基板３２の開口４４には、熱伝導性の弾性部材４０が、半導体チップの下面６０に接合するように挿入されている。熱伝導性の弾性部材４０は、平坦な上面５４とその反対側の平坦な下面５６を有する。下面５６の面積は上面５４の面積よりも大きい。上面５４の面積は回路基板３２の開口４４の面積よりもわずかに小さいかほぼ等しい。熱伝導性の弾性部材４０としては、例えばシート状の熱伝導ゲル（ゴム）を用いる。

熱伝導性の弾性部材４０の下面５６には熱伝導性部材４２が接合している。熱伝導性部材４２としては、銅、アルミニウムなどの熱伝導率が大きい金属（導電性材料）が望ましい。熱伝導性部材４２の形状は、直方体、円柱などの立体、あるいは１つ以上のバネを含む形状であってもよい。熱伝導性部材４２と底板３０の間には熱伝導性の弾性部材３８がある。熱伝導性の弾性部材３８の上面は熱伝導性部材４２の下面に接し、その反対の下面は底板３０の表面に接している。熱伝導性の弾性部材３８としては、熱伝導性の弾性部材４０と同様に、例えばシート状の熱伝導ゲル（ゴム）を用いる。また、弾性部材３８として、より粘性の小さい熱伝導性グリースのような材料を用いてもよい。

半導体チップ３４上にはヒートシンク３６がある。ここで言うヒートシンクは、放熱器と同じ意味で用いており、通常アルミニウムや銅のような熱伝導性の高い金属からなる。半導体チップ３４とヒートシンク３６の間には熱伝導性グリース、熱伝導性又は導電性の接着材などの熱伝導性物質があってもよい。ヒートシンク３６は、図２から明らかなように、複数の放熱用のフィン有する。ヒートシンク３６と底板３０はネジ４８によって互いに向き合うように接続される。ネジ４８は半導体チップの周りの回路基板の領域６２を貫通する。ネジ４８によって、ヒートシンク３６から熱伝導性の弾性部材３８までに至る部品が底板３０上に固定される。ネジ４８は金属などの熱伝導性を有することが望ましい。その理由は、ネジ４８を介して、ヒートシンク３６から底板３０への熱伝導効果が期待できるからである。ネジ４８は、例えば半導体チップの４隅近傍の回路基板領域に設けられる。

図３は本発明の回路モジュールの製造方法の一つのフローを示す図である。説明に際しては、図２の構造の部品番号を引用する。ただし、以下に説明する製造方法は、図２の一実施態様の構造と異なる構造にも適用できることは言うまでもない。ステップ（a)では、筐体の一部をなす熱伝導性ボード３０を準備する。熱伝導性ボード３０には、予め後から取り付けられるヒートシンクのサイズに合わせて、ネジ４８のための複数の孔６４が空けられている。ステップ（b)で、回路基板３２を準備する。回路基板３２の詳細は図２の説明の中で既に述べた通りである。追加事項として、回路基板３２には後工程（e)で使われるネジ４８のための孔６２が予め設けられている。その孔６２の位置は、ネジ締めの際に、熱伝導性ボード３０の孔６４の位置と整合するように決められる。

ステップ（c)で、熱伝導性ボード３０の表面と回路基板３２上の半導体チップ３４を、熱伝導性部材３８、４０、４２を用いて接合する。このステップ(c)では、最初に回路基板３２の開口４４に、半導体チップ３４の下面６０に接するまで、熱伝導性の弾性部材４０を挿入する。弾性部材４０は、予め開口４４の大きさ、半導体チップ３４の下面と回路基板の下面５２の間の間隔等に基づいて所定の大きさの形状に加工されている。図２の例では、弾性部材４０の上面５４の面積は下面の面積よりも小さい。弾性部材４０としては、上述したように例えばシート状の熱伝導ゲル（ゴム）を用いる。次に、熱伝導性ボード３０を回路基板の３２の下方に置き、回路基板３２の開口４４下の熱伝導性ボード３０の表面の領域に熱伝導性の弾性部材３８を取り付ける。弾性部材３８は直接または熱伝導性の接着剤やグリースを介して熱伝導性ボード３０の表面に取り付ける。弾性部材３８は、予め弾性部材４０の大きさ、半導体チップ３４の下面と回路基板の下面５２の間の間隔等に基づいて所定の大きさの形状に加工されている。

次に、２つの熱伝導性の弾性部材３８と４０の間に、これら２つの弾性部材の表面に接するように、熱伝導性部材４２を付ける。熱伝導性部材４２は、予め２つの熱伝導性の弾性部材３８と４０の大きさ、形状に合わせて加工される。図２の例では、熱伝導性部材４２の上面の面積は、熱伝導性の弾性部材４０の下面５６の面積とほぼ同じになうように加工される。なお、この熱伝導性部材４２の取り付けは、回路基板３２の開口４４への熱伝導性の弾性部材４０の挿入後に続けておこなってもよい。その場合、弾性部材４０の下面５６に密着するように、熱伝導性部材４２を取り付ける。その際、必要ならば熱伝導性の接着剤等を用いる。また、予め３つの部材３８、４０、４２を接合させて一つの部品とし、その部品を半導体チップ３４の下面と熱伝導性ボード３０の表面の間に設置してもよい。

ステップ（d)では、半導体チップ３４の上面にヒートシンク３６を接合する。ヒートシンク３６は、予め半導体チップ３４のサイズに合わせて加工される。その際、ヒートシンク３６の半導体チップ３４との接合面の面積は、半導体チップ３４の表面積よりも大きくする。その理由は、ヒートシンク３６にはネジ４８のための孔６６を設ける必要があるからである。また、孔６６はネジ締めの際に、熱伝導性ボード３０の孔６４および回路基板の孔６４の位置と整合するように決められる。半導体チップ３４とヒートシンク３６は直接、あるいは熱伝導性グリース又は導電性接着材などの熱伝導性物質を用いて接合される。

ステップ（e)では、ヒートシンク３６と熱伝導性ボード３０を複数の締め付け部材（ネジ４８）を用いて接続する。その際、ヒートシンク３６と熱伝導性ボード３０を互いに向き合うように接続する。図２の例では、ネジ４８はボルトとナットからなる。ナットをヒートシンク側から挿入し、回路基板３２の孔６２および熱伝導性ボード３０の孔５４を貫通させて、熱伝導性ボード３０の下面でナットを締めながらボルトを固定する。ナットによる締め付けの際に、熱伝導性の弾性部材３８、４０が、一種のバッファとなって、その締め付け力を適度に吸収して、半導体チップ３４に過度の力がかからないように機能する。これにより、半導体チップ３４の破損あるいはハンダ４６の剥がれ等が回避される。

図４は、図２の構造を用いた場合の冷却効果を示す図である。縦軸は動作中の半導体チップの温度であり、横軸は周囲温度である。ここで周囲温度とは、筐体の外の外気温度を意味する。図中のAの線は、図２の熱伝導性の部材３８、４０、４２を用いない、すなわちヒートシンクだけを用いる従来の構造の温度変化である。Bの線は本発明の一実施例である図２の構造の温度変化である。図から明らかなように、本発明の一実施例（図２の構造）では、従来の構造に比べて、例えば周囲温度が５０℃の場合、半導体チップの温度を約３０℃も低く抑えることができる。つまり、半導体チップの発熱を熱伝導性の部材を介して筐体の一部をなす熱伝導性ボードへ逃がすことにより、半導体チップの温度をさらに大きく下げられることが確認された。

本発明について、図１−図４を例にとり説明をした。しかし、本発明はこれらの例に限られるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲でいかなる変形も可能であることは当業者には明らかであろう。

本発明の回路モジュールの一実施形態を示す外形図である。 図１の回路モジュール１００の内部の断面の一部を示す図である。 本発明の回路モジュールの製造方法の一つのフローを示す図である。 図２の構造を用いた場合の冷却効果を示す図である。

符号の説明

１０ 筐体
２０ ファン
３０ 底板（熱伝導性ボード）
３２ 回路基板
３４ 半導体チップ
３６ ヒートシンク
３８、４０ 熱伝導性の弾性部材
４２ 熱伝導性部材
４４ 回路基板の開口
４６ ハンダ
４８ ネジ
５０ 回路基板の上面
５２ 回路基板の下面
５４ 熱伝導性の弾性部材の上面
５６ 熱伝導性の弾性部材の下面
６０ 半導体チップの下面
６２ 回路基板の孔
６４ 熱伝導性ボードの孔
６６ ヒートシンクの孔

Claims (7)

1. 筐体の一部をなす熱伝導性ボードと、
   前記熱伝導性ボード上の回路基板であって、開口と、当該開口を取り囲むように配置された複数の電極パッドを有する上面と、当該上面の反対側に位置する下面を有する、回路基板と、
   前記回路基板の上面の前記複数の電極パッドにハンダ・ボールを用いてフリップ・チップ接続された半導体チップと、
   前記半導体チップの上面に接合されたヒートシンクと、
   前記熱伝導性ボードと半導体チップを熱的に接続し、かつ弾性を有する熱伝導性部材であって、前記回路基板の開口を貫通し、その一方の面が前記半導体チップの下面に接し、他方の面が前記熱伝導性ボードの表面に接する、熱伝導性部材と、
   前記半導体チップの周りにおいて前記回路基板を厚さ方向に貫通し、前記ヒートシンクと前記熱伝導性ボードを互いに向き合うように接続して固定し、同時に前記ヒートシンクから前記熱伝導性ボードへ熱伝導させるための複数の金属ネジと
   を備える、回路モジュール。
2. 前記弾性を有する熱伝導性部材は、熱伝導性部材とその上面および下面に設けられた熱伝導性の弾性部材を含む、請求項１の回路モジュール。
3. 前記熱伝導性部材は金属を含む、請求項２の回路モジュール。
4. 前記ヒートシンクは複数のフィンを有する、請求項１の回路モジュール。
5. 前記ヒートシンクは前記半導体チップの上面に熱伝導性部材を介して接合する、請求項１の回路モジュール。
6. 回路モジュールの製造方法であって、
   筐体の一部をなす熱伝導性ボードを準備するステップと、
   回路基板を準備するステップであって、当該回路基板は、開口と、当該開口を取り囲むように配置された複数の電極パッドを有する上面と、当該上面の反対側に位置する下面を有し、さらに前記上面の前記複数の電極パッドにハンダ・ボールを用いてフリップ・チップ接続された半導体チップを有する、ステップと、
   前記熱伝導性ボードの表面と前記回路基板上の半導体チップを、熱伝導性部材を用いて接合するステップであって、当該熱伝導性部材は、前記基板の開口を貫通し、その一方の面が前記半導体チップの下面に接し、他方の面が前記熱伝導性ボードの表面に接しかつ弾性を有する、ステップと、
   前記半導体チップの上面にヒートシンクを接合するステップと、
   前記ヒートシンクと前記熱伝導性ボードを複数の金属ネジを用いて接続するステップであって、当該金属ネジは、前記半導体チップの周りにおいて前記回路基板を厚さ方向に貫通し、前記ヒートシンクと前記熱伝導性ボードを互いに向き合うように接続して固定し、同時に前記ヒートシンクから前記熱伝導性ボードへ熱伝導させる、ステップと
   を含む、製造方法。
7. 前記熱伝導性ボードの表面と前記回路基板上の半導体チップを接合するステップは、 前記回路基板の開口に、前記半導体チップの下面に接するまで、第１の熱伝導性の弾性部材を挿入するステップと、
   前記熱伝導性ボードを前記回路基板の下方に置き、前記回路基板の開口下の前記熱伝導性ボードの表面の領域に第２の熱伝導性の弾性部材を配置するステップと、
   前記第１および第２の熱伝導性の弾性部材の間に、当該２つの弾性部材の表面に接するように、導電性部材を設置するステップと
   を含む、請求項６の製造方法。

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