(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子部品が実装されるプリント配線基板において、
前記電子部品の熱を伝導する伝熱面と、
前記伝熱面を独立した複数の領域に区分し、該複数の領域にそれぞれはんだが付着させられたはんだ領域と、
前記伝熱面のうち、隣接する複数のはんだ領域の間の位置に設けられた放熱用のスルーホールと、
前記プリント配線基板の内層に設けられ、前記放熱用のスルーホールに熱的に接続されている１層以上の金属パターンと、
前記放熱用のスルーホールの伝熱面側の開口部周囲に設けられ、溶融させられたはんだが流出し得ない幅を有するはんだレジストとを備え、
前記はんだレジストは、前記スルーホールの伝熱面側の前記開口部から、溶融させられたはんだが流入することを防止する、プリント配線板。
【請求項２】
請求項１に記載のプリント配線基板の伝熱面に、電子部品の放熱面がはんだ付けされて実装されている半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプリント配線基板及び半導体装置に関し、より詳しくは発熱する電子部品から効率的にプリント配線基板に熱を伝える技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＳＩ( large scale integrated circuit : 大規模集積回路)の動作速度の高速化及び高機能化に伴い、ＬＳＩから発生する熱は次第に高くなりつつある。また、基板へのＬＳＩの高密度実装化により、ＬＳＩが実装された基板の熱は上昇する傾向にあり、基板の熱対策はますます重要になってきている。熱対策の一つとして重要なことは、ＬＳＩが発生する熱をいかにプリント配線基板に逃がすかというポイントである。その重要ポイントとして、（１）ＬＳＩそのものからの放熱の工夫、（２）プリント配線基板からの放熱の工夫、（３）ＬＳＩとプリント配線基板とをいかに上手く密着させて実装し、ＬＳＩからプリント配線基板に伝熱させるかの工夫、の３点が挙げられる。
【０００３】
ＬＳＩの熱対策として、従来より図１１に示すように、ＬＳＩ本体１に埋設した放熱用の金属部分２と、プリント配線基板３の伝熱面３ａとをはんだ４にてはんだ付けすることにより、ＬＳＩ本体１の熱をプリント配線基板３に伝熱させ、プリント配線基板３にヒートシンクの役割を持たせることが行われている。そして、伝熱された熱をプリント配線基板３に形成したＰＴＨ( Plated through Hole )５を通して外部へ放熱したり、また、ＰＴＨ５を介してプリント配線基板３の内層のグランド層６や電源層７などに伝熱して、拡散させていた。
【０００４】
さらに上記従来の方法では、プリント配線基板３の伝熱面３ａは通常、平坦に形成されていて、ＰＴＨ５を含む伝熱面３ａ全面にはんだペーストを塗布し、そのはんだペーストをリフローさせることによりＬＳＩ本体１をプリント配線基板１に固定していた。ところが、伝熱面３ａ上のはんだペーストをリフローした時に、一部のはんだがＰＴＨ５に流れ込むことがある。その結果、図１２に示すように、ＬＳＩ本体１と伝熱面３ａとの間にはんだ４が充満して両者を結合している箇所と、はんだ４がＰＴＨ５から流れ出て空洞８になっている箇所とが形成される場合がある。このような場合、はんだ４によってＬＳＩ本体１と伝熱面３ａとが結合されている箇所は、熱伝導によりプリント配線基板３を介して外部に放熱することができるが、空洞８になっている箇所は、断熱層となり、ほとんど放熱することができない。このため、ＬＳＩ本体１の温度が局部的に上昇するだけでなく、全体の温度も上昇することになり、ＬＳＩ本体１の動作速度を低下させるなどの熱的影響を与えることになる。
【０００５】
従来の技術では、ＬＳＩから発生した熱に対しては、最小はんだ面積を保証することによって、トータルとしてはんだを介して伝熱される熱に注目して熱対策の解析を行っていた。しかし、ＬＳＩ本体とプリント配線基板３の伝熱面３ａとのはんだ付け箇所がばらつくことにより放熱作用にばらつきが生じ、局所的な伝熱が生じ、効率のよい放熱作用は期待できず、上記のようにＬＳＩ本体１の温度が局部的に上昇することがある。
【０００６】
また、ＬＳＩ本体１とプリント配線基板３の伝熱面３ａとの間に空洞８が形成されると、その空洞８内にフラックスが残り易くなる。空洞８内にフラックスが残ると、そのフラックスが酸化することにより、ＬＳＩ本体１を劣化させる原因となり、半導体装置としての信頼性が低下する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の第１の目的は、発熱する電子部品の放熱面とプリント配線基板の伝熱面とをほぼ均等に接合し、効率のよい放熱作用を得ることである。
【０００８】
本発明の第２の目的は、発熱する電子部品の放熱面とプリント配線基板の伝熱面とをほぼ密に接合し、空洞が残らないようにすることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のプリント配線基板は、電子部品が実装されるプリント配線基板において、前記電子部品の熱を伝導する伝熱面と、前記伝熱面を独立した複数の領域に区分し、該複数の領域にそれぞれはんだが付着させられたはんだ領域とを含んで構成される。
【００１０】
本発明の半導体装置は、プリント配線基板に電子部品が実装された半導体装置であって、前記電子部品の放熱面と、該放熱面に対向する前記プリント配線基板の伝熱面との間に、はんだが分離独立させられて設けられている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係るプリント配線基板及び半導体装置の実施の形態を図面に基づいて詳しく説明する。
【００１２】
図１及び図２に、本発明の１実施形態に係るプリント配線基板１０の要部を拡大して示す。電子部品が実装されるプリント配線基板１０は、電子部品の熱を伝導する伝熱面１２と、その伝熱面１２を独立した複数の領域に区分し、その複数の領域にそれぞれはんだが付着させられたはんだ領域１４とを含んで構成されている。さらに、伝熱面１２上のはんだ領域１４の周囲、及びその伝熱面１２に形成された放熱用のスルーホール１６の周囲に、溶融させられたはんだが流出し得ない幅ではんだレジスト１８が形成されている。
【００１３】
プリント配線基板１０は、図示するように、ガラス・エポキシ基板などの絶縁層２０をベースにして、グランド層２２及び電源層２４をビルドアップした多層基板や、あるいは単層の基板が用いられる。プリント配線基板１０の表面には、ＬＳＩなどのＩＣチップ、その他の電子部品２６を実装するための電極２８を含む配線パターンが形成され、さらに、プリント配線基板１０の内層の電源層２４などと電気的に接続するための図示しないスルーホールやフォトビアのほか、放熱用のスルーホール１６が形成されている。
【００１４】
放熱用のスルーホール１６は、電子部品２６が実装されたとき、電子部品２６の放熱面３０が近接して配置されるプリント配線基板１０の伝熱面１２に形成される。放熱用のスルーホール１６は、伝熱面１２に１又は複数の貫通孔がドリルなどで開けられ、その貫通孔の内面に銅などのめっきが施されて形成される。めっきはプリント配線基板１０の表面と同時に施される。電子部品２６から発生し伝熱面１２に伝わった熱は、このスルーホール１６を伝導してヒートシンクとして機能するグランド層２２や電源層２４に伝導して拡散させられ、さらに、スルーホール１６の端部から外部に放熱される。
【００１５】
プリント配線基板１０の伝熱面１２は、電子部品２６の放熱面３０の大きさとほぼ同じ大きさに設定されている。伝熱面１２は、スルーホール１６の箇所を除いてほぼ平坦な面とされ、電極２８や図示しない配線を形成するのと同時に、銅などのはんだとの被着性に優れた金属を用いてパターン化されて形成される。次いで、プリント配線基板１０の表面には、電極２８などを除いて、はんだレジストが形成される。このとき同時に、プリント配線基板１０の伝熱面１２の表面にもはんだレジストが塗布され、図３に示すはんだ領域１４が形成される。
【００１６】
伝熱面１２上のはんだ領域１４は、図１、図２及び図３に示すように、伝熱面１２を独立した複数の領域（１４）に区分する。そして、それぞれの区分された領域（１４）の周囲、及びその伝熱面１２に形成された放熱用のスルーホール１６の周囲に、溶融させられたはんだが流出し得ない幅ではんだレジスト１８を形成する。さらに、その領域（１４）内にはんだペーストを入れて、はんだ領域１４が構成される。ここで、複数の領域（１４）が独立しているとは、任意の領域とそれに隣接する領域とが繋がっていないこと、換言すると、その領域内に入れられたはんだペースト又はリフローさせられたはんだがその領域内から外に出ないことである。また、溶融させられたはんだが流出し得ない幅とは、隣接するはんだ領域１４にある溶融はんだ同士がくっつき、その表面張力で一方が他方に引っ張られることのない幅をいう。はんだレジスト１８ははんだに対して濡れ性のない材質が用いられる。複数に区分けされた領域１４にはんだを入れる方法として、はんだペーストをスクリーン印刷するのが最も好ましい。
【００１７】
以上のようにして製造されたプリント配線基板１０は実装装置にセットされ、加熱されてはんだペーストがリフローさせられ、図２に示すように、電子部品２６がはんだ付けされる。このとき、個々のはんだ領域１４のはんだペーストは溶融させられるが、溶融はんだが他の領域に流動したり、あるいはスルーホール１６から流出することはなく、その位置に対応する電子部品２６の放熱面３０を確実に接合する。このため、はんだ付着ムラが生じることはなく、Ｘ線検査をするまでもなく、安定した放熱特性及び部品密着特性を備えた製品が得られる。
【００１８】
したがって、設計通りに電子部品２６の放熱面３０とプリント配線基板１０の伝熱面１２とを接合することができ、しかも、均等に分布された伝熱面が得られる。その結果、電子部品２６から発生した熱を、設計通りに放出することができ、装置の信頼性が向上する。また、電子部品２６の接合強度が確保でき、さらに装置の信頼性が向上する。さらに、電子部品２６の放熱面３０とプリント配線基板１０の伝熱面１２との間に、設計外の空洞が形成されることはなく、残留フラックスの酸化による電子部品２６の劣化を防ぐことができる。
【００１９】
本発明に係るプリント配線基板及び半導体装置は上述の実施形態に限定されるものではない。たとえば、図４に示すように、複数に区分されたはんだ領域１４のうち、伝熱面１２の４隅にあるはんだ領域（１４）を連結し、比較的大きなはんだ領域３２とする。また、図５に示すように、伝熱面１２の４辺にあるはんだ領域（１４）を連結し、比較的大きなはんだ領域３４としたり、あるいは中央側にあるはんだ領域（１４）を連結し、比較的大きなはんだ領域３６とする。さらに、図６に示すように、伝熱面１２の４辺にあるはんだ領域（１４）と中央側にあるはんだ領域（１４）を連結し、比較的大きなはんだ領域３８とする。
【００２０】
このように比較的大きなはんだ領域３２、３４、３６、３８とすることにより、電子部品２６の放熱面３０とプリント配線基板１０の伝熱面１２との接合面積、換言すれば伝熱面積を大きくすることができ、電子部品２６からの熱を効率的に放散することができる。一方、前述の実施形態における効果が損なわれることはない。
【００２１】
上述の各種の実施形態は、図１に示す形状を基本パターンとしたものであり、プリント配線基板１０の伝熱面１２の大きさ、形状、あるいはスルーホール１６の個数、配置、大きさが変化すれば、はんだ領域１４、３２、３４、３６、３８の形状、配置、大きさなどが変化することは言うまでもない。
【００２２】
また、上述の各種の実施形態は、一つのスルーホール１６に対して、２乃至４のはんだ領域が形成された例を示している。これらの各実施形態において、複数のスルーホール１６のうち、全ての又は任意のスルーホールをフォトビアによって構成することも可能である。フォトビアはプリント配線基板の内層に設けられたグランド層と熱的に接続され、電子部品から発生する熱は伝導によって迅速に拡散させられる。
【００２３】
上述の各種の実施形態は、はんだ領域及びスルーホール（フォトビア）の周囲をはんだレジストで囲み、溶融させられたはんだが隣接する他の領域に流れ出たり、あるいはスルーホールから流れ出たりしないようにダムを形成した例を示した。しかし、次に示すように、プリント配線基板のスルーホール又はフォトビアに予めはんだや他の金属などを埋め込んでおいた場合、あるいはスルーホール又はフォトビアがない場合、あるいはフォトビアのみからなり、そのフォトビアが浅い場合には、これらスルーホールやフォトビアの周囲をはんだレジストでダム状に囲む必要はない。
【００２４】
また、図７に示すように、プリント配線基板１０の伝熱面４０が銅などからなる１つの金属パターン４２で形成されている場合、その金属パターン４２の上に所定の間隔を開けてはんだペーストをスクリーン印刷して、はんだ領域４４を形成してもよい。この実施形態においては、はんだペーストの流れを防止するはんだレジストによるダムを設けていないが、溶融はんだの表面張力により一定の形体を保つことができ、隣接するはんだ領域４４が接近していない限り、隣接するはんだ領域４４が繋がることはほとんどなく、前述と同様の効果が得られる。
【００２５】
さらに、図８に示すように、プリント配線基板１０の伝熱面４０をはんだ領域４４に対応させた複数の金属パターン４６で形成することも好ましい。伝熱面４０を構成する金属パターン４６を独立した複数に区分することにより、はんだレジストによるダムを隣接するはんだ領域４４の間に設けなくても、前述と同様に、溶融はんだの表面張力により、隣接するはんだ領域４４が繋がることはほとんどなく、前述と同様の効果が得られる。特に、金属パターン４６が形成されているプリント配線基板の絶縁層がはんだに対する濡れ性に劣っている場合、隣接するはんだ領域４４が溶融はんだによって繋がることはない。
【００２６】
さらに、図９に示すように、プリント配線基板１０の伝熱面４０を１つの金属パターン４２で形成するとともに、その金属パターン４２に形成されているスルーホール４８又はフォトビアを囲むとともに、そのスルーホール４８などの開口部との間に所定の間隔を開けて、はんだペーストをスクリーン印刷して、複数のはんだ領域５０を形成することも好ましい。はんだ領域５０とそれに隣接するはんだ領域５０との間にも所定の間隔が設けられる。この実施形態においては、はんだ領域５０にある溶融させられたはんだが、スルーホール４８又はフォトビアから流れ出ることはない。
【００２７】
次に、上述の各実施形態は、いずれもプリント配線基板の伝熱面に金属パターンを設けていたが、たとえばプリント配線基板の表層を成す絶縁層がはんだに対して濡れ性に優れた材質で形成されている場合、１又は複数の金属パターンを設けることなく、直接、絶縁層の表面にはんだペーストをスクリーン印刷などにより塗布して、はんだ領域を形成してもよい。本実施形態においても、前述と同様の構成、作用・効果を得ることができる。
【００２８】
その他、プリント配線基板の伝熱面に形成された放熱用のスルーホール又はフォトビアの周囲にのみはんだレジストによってダムを形成してもよい。このようにすれば、リフローさせたはんだがスルーホールやフォトビアに流れ込むことはなく、電子部品の付着ムラが生じない。この構成において、伝熱面のはんだ領域を複数に区分する必要はない。
【００２９】
また、はんだレジストに絶縁性を備え、且つ熱伝導性に優れた材質、たとえばセラミックスなどの粉末を混ぜ合わせて使用することも好ましい。さらに、上述した各種の実施形態を適宜組み合わせて構成するなど、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲内で、当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施し得るものである。
【００３０】
【比較例】
図１に示す１つの銅パターンからなる伝熱面にスルーホールが形成されたプリント配線基板を１０枚用い、それぞれの伝熱面の全面にはんだペーストをスクリーン印刷した。その後、常法により、はんだペーストをリフローして電子部品（ＬＳＩ）を実装した。得られた半導体装置の伝熱面について、Ｘ線透視により接合状態を調査した。その結果、スルーホールからはんだが漏れ出す現象により、伝熱面の全面積に対して２０〜８０％のはんだ付け面積のばらつきがあり、平均３４％の実効はんだ付け面積であった。なお、スルーホールの全面積は伝熱面の全面積に対して２０％あり、伝熱面の全面積にはんだが付着しているときが８０％である。
【００３１】
【実施例】
図１に示す１つの銅パターンからなる伝熱面にスルーホールが形成されたプリント配線基板を１０枚用い、それぞれの伝熱面にはんだレジストによりはんだ領域を形成し、そのはんだ領域にはんだペーストをスクリーン印刷した。その後、常法により、はんだペーストをリフローして電子部品（ＬＳＩ）を実装した。得られた半導体装置の伝熱面について、Ｘ線透視により接合状態を調査した。その結果、スルーホールからはんだが漏れ出す現象はなく、全てのはんだ領域で電子部品がはんだ付けされているのが確認された。得られたはんだ付け面積にばらつきがなく、実効はんだ付け面積は４８％であり、安定していた。
【００３２】
熱放射の効果を熱電対にて、ＬＳＩの上部とプリント配線基板を挟んで反対側の温度測定を行った。用いたサンプルは、比較例で示した改善前の半導体装置のうち、８０％はんだ付け品と全くはんだ付けしていないはんだ無し品、及び実施例で示した改善後の４８％はんだ付け品である。
【００３３】
図１０に示すように、改善前の８０％はんだ付け品と、改善後の４８％はんだ付け品では顕著な温度差が見られなかった。それに対して、はんだ無し品では、全く熱放射が見られないため、他とは１０℃以上の温度差が見られた。その結果、本発明の４８％はんだ付け品は、熱放射の効率には取り立てて劣るという測定結果がでなかった。
【００３４】
【発明の効果】
本発明のプリント配線基板及び半導体装置は、電子部品から発生する熱をプリント配線基板に伝導して放散するために、伝熱面に形成されるはんだ領域を複数の独立した領域に区分しているため、それぞれの区分されたはんだ領域が確実に電子部品を接合する。このため、はんだの付着ムラが生じることはなく、安定した且つ均一な放熱特性と部品密着特性を得ることができる。さらに、その結果、製造工程において、Ｘ線によるはんだ付け検査工程を省くことができ、コストの低減だけでなく、作業環境の改善にもなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るプリント配線基板の１実施形態の要部拡大平面図である。
【図２】図１に示すプリント配線基板に電子部品を実装した半導体装置を示す要部拡大正面断面図である。
【図３】図１に示すプリント配線基板の要部を拡大して示す斜視図である。
【図４】本発明に係るプリント配線基板の他の実施形態の要部拡大平面図である。
【図５】本発明に係るプリント配線基板のさらに他の実施形態の要部拡大平面図である。
【図６】本発明に係るプリント配線基板のさらに他の実施形態の要部拡大平面図である。
【図７】本発明に係るプリント配線基板のさらに他の実施形態の要部拡大斜視図である。
【図８】本発明に係るプリント配線基板のさらに他の実施形態の要部拡大斜視図である。
【図９】本発明に係るプリント配線基板のさらに他の実施形態の要部拡大斜視図である。
【図１０】本発明に係る半導体装置と従来の半導体装置の放熱特性を示す図である。
【図１１】従来のプリント配線基板に電子部品を実装した拡大正面断面図である。
【図１２】従来のプリント配線基板の不具合を示す拡大平面図である。
【符号の説明】
１０：プリント配線基板
１２，４０：伝熱面
１４，３２，３４，３６，３８，４４，５０：はんだ領域
１６，４８：スルーホール
１８：はんだレジスト
２０：絶縁層
２２：グランド層
２４：電源層
２６：電子部品
３０：放熱面
４２，４６：金属パターン
【図１】
0003639505.tif 000002
【図２】
0003639505.tif 000003
【図３】
0003639505.tif 000004
【図４】
0003639505.tif 000005
【図５】
0003639505.tif 000006
【図６】
0003639505.tif 000007
【図７】
0003639505.tif 000008
【図８】
0003639505.tif 000009
【図９】
0003639505.tif 000010
【図１０】
0003639505.tif 000011
【図１１】
0003639505.tif 000012
【図１２】
0003639505.tif 000013