JP2010267869A - 配線基板 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体パッケージのヒートスプレッダを半田接続する為のランドを備えて、低コストな２層基板におけるランドからの効率的な放熱が可能な配線基板の提供。
【解決手段】半導体パッケージ（図示せず）のヒートスプレッダ（図示せず）を半田接続する為の１又は複数のランド１と、ランド１及び基板本体を貫通する複数のスルーホール２とを備え、半導体パッケージを表面実装する配線基板１３。ランド１の表面は、スルーホール２を除いて透き間無く一様に形成されており、ランド１のスルーホール２を含む面積が、ヒートスプレッダの対向面の面積の９割以上である構成である。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体パッケージのヒートスプレッダを半田接続する為のランドと、ランドの表面から基板の裏面へ貫通する複数のスルーホールとを備えて、半導体パッケージを表面実装する配線基板に関するものである。

配線基板（プリント基板）に発熱性の半導体パッケージを実装する場合、低コストで高い放熱性能を実現するには、放熱フィン等の補助放熱部品を使用せずに、配線基板側で効率的に放熱させる必要がある。配線基板側で効率的に放熱させる為に、半導体パッケージのヒートスプレッダ（基板への対向面に設けられたヒートシンク）を半田接続する為のランドに、多数のスルーホール又はビア（via ：内面に導体がメッキされたスルーホール）を設けることがある。スルーホールは、ランド及び配線基板を貫通して、配線基板の裏側へ熱を逃がす為の貫通孔である。

特許文献１には、電子部品の熱を伝導する伝熱面を、独立した複数の領域に区分し、複数の領域にそれぞれ半田を付着させた半田領域と、伝熱面のうち、隣接する半田領域の間に設けられた複数の放熱用のスルーホールとを備えたプリント配線基板が開示されている。このプリント配線基板は、基板の内層に設けられ、スルーホールに熱的に接続された１層以上の金属パターンと、スルーホールの伝熱面側の開口部周囲に設けられ、溶融半田が流出し得ない幅を有する半田レジストとを更に備え、半田レジストは、スルーホールの伝熱面側の開口部からの、溶融半田の流入を防止する。

特許文献２には、基板の一面上にヒートシンクが設けられ、このヒートシンクの上に発熱素子が設けられ、ヒートシンクの外周に、発熱素子と電気的に接続された端子部が設けられた電子装置が開示されている。基板の一面には、ヒートシンクの搭載領域から端子部側へはみ出した領域迄、熱伝導層が設けられ、基板の熱伝導層に対応する領域には、多数のサーマルビアが形成されている。多数のサーマルビアは、その最外周に配列されたサーマルビアの密度が、その内周側に配列されたサーマルビアの密度よりも大きくなるように形成されている。

特許第３６３９５０５号公報 特許第３９３１６９６号公報

特許文献１に開示されたプリント配線基板は、基板の裏面及び内層による放熱効果を期待するランド形状になっており、低コストで実現できる（内層が存在しない）２層の基板については適用できないという問題がある。
また、特許文献２に開示された電子装置は、基板裏面の放熱効果のみを期待しており、基板表面の放熱効果は利用していないという問題がある。

本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、半導体パッケージのヒートスプレッダを半田接続する為のランドを備えて、低コストな２層基板におけるランドからの効率的な放熱が可能な配線基板を提供することを目的とする。

第１発明に係る配線基板は、半導体パッケージのヒートスプレッダを半田接続する為の１又は複数のランドと、該ランド及び基板本体を貫通する複数のスルーホールとを備え、前記半導体パッケージを表面実装する配線基板において、前記ランドの表面は、前記スルーホールを除いて透き間無く一様に形成されており、前記ランドのスルーホールを含む面積が、前記ヒートスプレッダの対向面の面積の９割以上であることを特徴とする。

この配線基板では、１又は複数のランドが、半導体パッケージのヒートスプレッダを半田接続し、複数のスルーホールが、ランド及び基板本体を貫通し、半導体パッケージを表面実装する。ランドの表面は、スルーホールを除いて透き間無く一様に形成されており、ランドのスルーホールを含む面積が、ヒートスプレッダの対向面の面積の９割以上である。

第２発明に係る配線基板は、前記スルーホールは、前記ランドの中央付近に設けてあることを特徴とする。

第３発明に係る配線基板は、前記ランドの表面は、前記スルーホールの周囲にレジストを施してあることを特徴とする。

第４発明に係る配線基板は、前記ランドは、平面方向へ突出して前記ヒートスプレッダに対向しない１又は複数の突出部を有することを特徴とする。

第５発明に係る配線基板は、前記スルーホールは、１又は複数列に並列してあることを特徴とする。

本発明に係る配線基板によれば、半導体パッケージのヒートスプレッダを半田接続する為のランドを備えて、低コストな２層基板におけるランドからの効率的な放熱が可能な配線基板を実現することができる。

本発明に係る配線基板の実施の形態が備えるランドの構成を示す模式図である。 図１に示すランド付近の配線基板の断面を示す断面図である。 図１に示すランドによる熱の拡散効果を確認する為に実施した実験の結果を示す説明図である。 本発明に係る配線基板の実施の形態が備えるランドの構成を示す模式図である。

以下に、本発明をその実施の形態を示す図面に基づき説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明に係る配線基板の実施の形態１が備えるランドの構成を示す模式図であり、図２は、図１に示すランド付近の配線基板の断面を示す断面図である。
この配線基板１３は、銅箔による金属パターンが外層のみに設けられた２層ＰＣＢ（Printed-Circuit Board）であり、ＩＣ（Integrated Circuit）,ＬＳＩ（Large Scale Integrated circuit）等の半導体パッケージ１０を表面実装する。配線基板１３の基材１７は、紙フェノール、ガラス布エポキシ、ガラスセラミック、アルミナ等の絶縁材で成形され、その表面及び裏面には、必要に応じて金属パターン（表）１５及び金属パターン（裏）１４がプリントされている。

半導体パッケージ１０の配線基板１３への結合面には、発熱を放散させる為の金属プレートであるヒートスプレッダ（又はヒートシンク）１２が、全面に接合されている。ヒートスプレッダ１２は、半田により配線基板１３に接合される。配線基板１３のヒートスプレッダ１２が接合される領域には、銅箔パターンによる例えば方形のランド１が形成されている。尚、ランド１は、必要に応じて、配線基板１３に１又は複数設けられる。
ここで、ヒートスプレッダ１２からランド１への伝熱効率を良くする為に、ランド１の面積は、ヒートスプレッダ１２のランド１への対向面の面積の９割以上としている。

ランド１には、ランド１及び配線基板１３をその厚さ方向に貫通する多数のスルーホール２が設けられている。尚、スルーホール２は、その内側面が導体によりメッキされたビア（サーマルビア）であっても良い。
スルーホール２は、ランド１の中央付近に、例えば７つを均等に整列させた列が２列平行に並び、その２列の外側に、例えば４つを均等に整列させた列が１列ずつ平行に並ぶように設けられており、ランド１の周縁部には設けられていない。

これにより、ヒートスプレッダ１２及びランド１の半田１１による接合領域を、ランド１の周縁部に設けることができるので、従来利用されていなかった、ランド１の周縁部から配線基板１３の表面への伝熱効果を利用でき、伝熱効率を高めることができる。また、半導体パッケージ１０の発熱量の大きい部分付近に、スルーホール２を集中させて設けることにより、配線基板１３の裏面への伝熱効果を高めることができる。

尚、従来は、ランド１の周縁部にもスルーホール２を設けて、熱抵抗が比較的大きいランド１から配線基板１３の裏面への伝熱効果のみを利用しており、熱抵抗が比較的小さいランド１から配線基板１３の表面への伝熱効果は利用されていなかった。ランド１の周縁部に熱抵抗が比較的大きいスルーホール２を設けておくことは、熱抵抗が比較的小さいランド１から配線基板１３の表面への放熱の妨げになっていた。

スルーホール２のランド１側の各開口部周囲には、スルーホール２に溶融半田が流入しないように、レジスト（絶縁材）３を施してある。尚、ランド１の表面は、スルーホール２及びレジスト３の部分を除いて、ベタ一面に（透き間無く一様に）形成してある。
配線基板１３の表面には、ランド１の各辺にそれぞれ平行に対向するように、４つのリード電極群４が設けられている。リード電極群４は、金属パターン（表）１５の一部であり、半導体パッケージ１０の図示しない多数のリード線にそれぞれ半田付けで接続される。

このような構成の配線基板１では、図２に示すように、半導体パッケージ１０からの発熱は、配線基板１３に接合されない部分から輻射により放散されると共に、ヒートスプレッダ１２、半田１１及びスルーホール２を通じて、配線基板１３の裏面側へ伝導される。配線基板１３の裏面側へ伝導された熱は、配線基板１３の裏面に設けられた金属パターン（裏）１４を通じて伝導され、輻射により放散される。
半導体パッケージ１０からの発熱は、更に、ヒートスプレッダ１２、半田１１及びランド１を通じて、配線基板１３の表面全面に設けられた金属パターン（表）１５に伝導され、輻射により放散される。

図３は、図１に示すランド１による熱の拡散効果を確認する為に実施した実験の結果を示す説明図である。
この実験では、半導体パッケージ１０をランド１に実装し、半導体パッケージ１０内の半導体素子を駆動した。この状態で、図３（ｂ）に示すように、ランド１の周囲の４つのリード電極群４の各外側の切断線Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄで、金属パターン（表）１５を順次切断して行き、それぞれの場合におけるランド１から配線基板１３及び周囲への熱抵抗を測定し、図３（ａ）に示す結果を得た。

金属パターン（表）１５を切断していない場合、熱抵抗は１８．２℃／Ｗであった。
切断線Ａで金属パターン（表）１５を切断した場合、熱抵抗は１８．６℃／Ｗであった。
切断線Ａ，Ｂで金属パターン（表）１５を切断した場合、熱抵抗は１９．１℃／Ｗであった。

切断線Ａ，Ｂ，Ｃで金属パターン（表）１５を切断した場合、熱抵抗は２０．４℃／Ｗであった。
切断線Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄで金属パターン（表）１５を切断した場合、熱抵抗は２０．６℃／Ｗであった。
以上の実験結果から、半導体パッケージ１０の周囲の金属パターン（表）１５が多い程、熱が拡散され易いこと、また、ランド１の周縁部から配線基板１３の表面（金属パターン（表）１５）への伝熱効果が大きいことが分かる。

（実施の形態２）
図４は、本発明に係る配線基板の実施の形態２が備えるランドの構成を示す模式図である。
この配線基板１３ａは、銅箔による金属パターンが外層のみに設けられた２層ＰＣＢであり、ＩＣ，ＬＳＩ等の半導体パッケージを表面実装する。
配線基板１３上で半導体パッケージのヒートスプレッダが接合される領域には、銅箔パターンによる大略方形のランド１ａが形成されている。

ランド１ａは、周囲の４つのリード電極群４相互の間隙を縫うように、平面方向へ突出して先端部を扇状に広げた突出部１ｂを四隅に有している。突出部１ｂは、半導体パッケージのヒートスプレッダに対向しないので、半田付けには使用されないが、ランド１ａの周縁部から配線基板１３ａの表面への伝熱効果を高めることができる。その他の構成は、上述した実施の形態１の配線基板１３の構成と同様であるので、同一箇所には同一符号を付して、説明を省略する。

このような構成の配線基板１３ａでは、半導体パッケージからの発熱は、ヒートスプレッダ、半田及びランド１ａを通じて、配線基板１３ａの表面全面に設けられた金属パターン（表）に伝導され、輻射により放散される。その際、ランド１ａの突出部１ｂが、金属パターン（表）により近いので、突出部１ｂから金属パターン（表）へ熱が効率良く伝導される。また、突出部１ｂから熱が輻射により放散される。その他の動作は、上述した実施の形態１の配線基板１３の動作（図２）と同様であるので、説明を省略する。
以上から、配線基板１３ａは、半導体パッケージからの発熱を、実施の形態１の配線基板１３より効率的に放散することができる。

１，１ａ ランド
１ｂ 突出部
２ スルーホール
３ レジスト
４ リード電極群
１０ 半導体パッケージ
１２ ヒートスプレッダ
１３，１３ａ 配線基板
１４ 金属パターン（裏）
１５ 金属パターン（表）
１７ 基材

Claims (5)

1. 半導体パッケージのヒートスプレッダを半田接続する為の１又は複数のランドと、該ランド及び基板本体を貫通する複数のスルーホールとを備え、前記半導体パッケージを表面実装する配線基板において、
   前記ランドの表面は、前記スルーホールを除いて透き間無く一様に形成されており、前記ランドのスルーホールを含む面積が、前記ヒートスプレッダの対向面の面積の９割以上であることを特徴とする配線基板。
2. 前記スルーホールは、前記ランドの中央付近に設けてある請求項１記載の配線基板。
3. 前記ランドの表面は、前記スルーホールの周囲にレジストを施してある請求項１又は２記載の配線基板。
4. 前記ランドは、平面方向へ突出して前記ヒートスプレッダに対向しない１又は複数の突出部を有する請求項１乃至３の何れか１項に記載の配線基板。
5. 前記スルーホールは、１又は複数列に並列してある請求項１乃至４の何れか１項に記載の配線基板。

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