(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気的に非伝導性の要素キャリヤシート、前記要素キャリヤシート上に取付けられた多数の電子要素および前記要素キャリヤシート上にプリントされ前記電子要素とともに電子回路を画定する電気配線を有するプリント配線板装置において、
前記要素キャリヤシートにその周辺において連結される伝熱性材料から形成された少なくとも一つの熱拡散器にして、前記電子要素の少なくとも一つが前記熱拡散器の第１部分に取付けられる、前記熱拡散器と、
ベースハウジング部分およびカバーハウジング部分を有し、前記ベースハウジング部分および前記カバーハウジング部分の少なくとも一つが伝熱性材料から形成された、前記要素キャリヤシートおよび前記電子要素を収納するハウジングと、
を有し、
前記熱拡散器の第２部分が前記要素キャリヤシートの周辺を越えて延長し、かつ前記ベースハウジング部分と前記カバーハウジング部分の間に設置され、それにより前記ハウジングは熱エネルギの流路が前記熱拡散器を通って前記電子要素の少なくとも一つと前記ハウジングとの間に形成されるときヒートシンクとして作用し、
前記要素キャリヤシートには複数の導電性接合パッドおよび複数の配線用導電性要素が取付けられており、
前記熱拡散器の第１部分はろう付け金属によって、前記要素キャリヤシートの周辺において、前記配線用導電性要素に固定されている、
前記プリント配線板装置。
【請求項２】
前記要素キャリヤシートの周辺には少なくとも一つの開口が形成されており、前記熱拡散器の第１部分は前記開口にうけ入れられて固定されており、前記ろう付け金属は前記開口を囲んでいる、請求項１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はプリント配線板を利用する電子装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロプロセッサチップ、出力ダイトランジスタ、半導体および他の回路要素のような回路要素用のベースまたキャリヤとしてプリント回路板を形成することは電子装置の製造において普通の技術である。プリント回路板はガラス充填エポキシ、紙、フェノール樹脂、カルバー等のシートを有する。シートは回路要素を取付ける開口を形成するため、型打ち用ダイにおいて型打ちされるかまたは穿孔されかつ切断される。ついでスクリーンがシートに取付けられる。要素との電気的接続を画定するパッドを形成するため、開口が設計位置においてスクリーンに形成される。スクリーンは低温ペーストの形式のすず鉛合金がスクリーンに塗布されるときステンシルとして作用する。合金は回路板の設計位置に沈着される。
【０００３】
プリント回路は、一部はエッチング工程によって回路板にエッチングされ、バッド、端子ピンおよび回路要素の間の電気的接続を形成する銅線を有する。
回路要素は板の両側に取付けることができる。
各回路要素に対してまずプラスチックパッケージを形成しかつパッケージされた要素を種々の固定技術によって回路板に組立てることにより、回路板に電子シリコンチップのような回路要素を取付けることは通常の技術である。この組立工程の例は従来技術の米国特許第 5,095,404号および同第 4,978,638号の各明細書に見出すことができる。米国特許第 5,095,404号明細書に記載された装置において、パッケージされたチップは、プリント回路板に形成された開口を通って延びる台座を有するベースに取付けられる。取付パッドは板の一側に形成され、これらは通常の形式で導線によってチップに接続される。チップの取付板は伝熱性エポキシによって取付パッドに固定される。
【０００４】
この種のプリント回路板の設計において、要素とくに出力ダイからの熱エネルギの放散を促進することが必要である。例えば、もし出力ダイの容量が約１０ワットであるならば、出力ダイの接合部がほぼ１５０℃の温度で作動することは普通でない。しかしながら、もし出力ダイがある期間に亘って連続して高温で作動するならば、ダイの信頼性は悪影響をうける。接合部の温度が１０℃上昇するごとに、電子装置の信頼性は５０％づつ低下することが分かっている。
従来技術の構造において、熱エネルギを放散することにより温度上昇を制御することが試みられた。米国特許第 5,095,404号明細書に記載された構造の場合、高密度集積回路チップを支持する取付板は、プリント回路板の下にヒートパイプを形成された。ヒートパイプは熱拡散器に取付けられ、チップによって発生された熱がヒートパイプによって除去されかつ冷却ひれに分配されることができるようになっている。熱拡散器はチップの下側に取付けられる。しかして、チップからはただ一つの熱の流路が形成されるにすぎない。
【０００５】
米国特許第 4,978,638号明細書に示された構造において、パッケージされた回路要素は、パッケージの一部を構成するヒートシンクとともにプラスチックカバー内にモールドされる。伝熱性のインターフェース材料は、パッケージのヒートシンク部分とプラスチックパッケージの一面との間に設置される。
従来技術の米国特許第 5,168,926号および同第 5,175,613号明細書は、パッケージされたチップキャリヤを備えたヒートシンクの装置を形成する従来技術の別の例を教示している。いずれの場合にも、伝熱性テープまたは接着剤がパッケージされた部分の一側に設けられて、その部分からヒートシンクへの熱の流路を形成し、テープは接着剤によってその部分に固定される。かくして、その部分の一側からだけのただ一つの熱の流路を通ってシンクに達する熱伝達が行われる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
プリント配線板キャリヤ材料の熱伝導度はきわめて低い。しかして、もし出力半導体が直接板に取付けられるならば、接合部の温度を低く維持することは困難である。したがって、装置を低い出力水準で作動することが必要である。もし、上記のような従来技術の構造の場合のように、出力半導体が直接ヒートシンクに取付けられるならば、ダイの区域の一部だけがヒートシンクに接触するにすぎない。さらに、特殊な組立装置および工程がこの種の出力ダイトランジスタの製造に必要である。組立工程の複雑さは製造中に必要な時間および材料をいちじるしく増加する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の進歩した構造は、プリント配線板装置の製造において簡単な組立技術および装置を使用できるようにするとともに、最高の熱伝達作用を奏する。本発明の進歩した構造は、大きい熱伝導度を有する熱拡散器上に取付けられた、一つ以上の裸の半導体ダイを有する。ダイは伝熱性エポキシまたはろうを使用して熱拡散器上に取付けられる。熱拡散器はそれぞれ板と一体の部分を形成するため、要素キャリヤのプリント配線板にろう付けされる。板自体はハウジングの一部を構成するベースヒートシンクに固定される。このことは伝熱性で、電気的に絶縁性の材料よりなる積層体を使用して実施される。板はベースと上部ハウジング部分との間に挾持される。各ハウジング部分を挾持することは、熱拡散器からベースヒートシンクへのまた上部ハウジング部分への熱エネルギの伝達に対する抵抗を最小にする。そこで回路装置の低い接合部温度がえられる。
プリント配線板装置の一体部分として出力トランジスタ装置を備えたプリント配線板装置を形成することにより、装置および組立工程は簡単になる。
【０００８】
【実施例】
進歩したプリント配線板の製造において、裸のダイ１３は銅または銅合金のような、熱伝導度の大きい材料から形成された熱拡散器上に取付けられる。熱拡散器は図１(a) から(e) に図示されている。ダイ１３はろう付けによりまたは伝熱性エポキシによりもしくは他の取付け技術よって取付けられる。ダイは簡単な、自動化された、ピックアンドプレース設備によって正確に熱拡散器上に設置される。
各熱拡散器はプリント配線回路板キャリヤにろう付けによって固定するのに適した部分１２を有する。図１(a) から１(e) に図示された実施例において、部分１０は、後記するように、熱エネルギをベースヒートシンクおよび上部カバーに移送すべく抵抗を減少するように設けられている。部分１０および１２は上または下のいずれかから見たとき“Ｔ”字型をしている。裸のダイ１３は好ましい実施例において、上記のように、各部分１２に取付けられている。
部分１２の周辺は、三つの側において、図１(e) に示すように肩部１４を形成されている。
【０００９】
図２は、参照符号１６によって示された、プリント回路板キャリヤを示す。キャリヤ１６は全体的に長方形である。切欠き部分またはノッチが、右辺１８および左辺２０のように、周辺に形成されている。図示の特殊な実施例において、各辺１８および２０はそれぞれ二つの切欠き部分２２および二つの切欠き部分２４を有する。図３に示すように、各熱拡散器の部分１２はキャリヤ１６のノッチまたは切欠きの一つにうけ入れられている。部分１２の側面の肩部１４は、キャリヤ１６の上面に載置している。正負の要素４４およびボンドバッド２８はろう付け用ペーストが塗布された後、プリント回路板キャリヤの上に設置される。ワイヤボンド３０は図３および図５に示すようにダイ１３をボンドパッド２８に接続する。
【００１０】
プリント回路板キャリヤ１６は、伝熱性で電気的に絶縁性の積層材料をベースまたはキャリヤ１６の下側もしくはそれらの両方に塗布することにより、ヒートシンクベースに積層される。ベースは、プリント回路板キャリヤ底部のプリントされた回路要素と電気的に適合するため複数の凹所３４を備えている。凹所は図５にもっともよく示されている。
ワイヤボンド３０はキャリヤ１６をベース３２に接合する前もしくは後で装置に設置することができる。
図５に符号３６で示されたカバー装置は、長方形装置の対向する周辺の間に延びる冷却ひれ３８を備えている。開示された実施例の冷却ひれは左辺と右辺との間に延びているが、それらは斜め方向を含む他の方向に延びることができる。伝熱性テープ４０はカバー装置の下側に対向する周辺に固定されている。カバー装置がヒートシンクベースに固定されるとき、テープ４０は熱拡散器の部分１０に接触する。熱拡散器は、熱をダイから伝熱性テープを通ってカバー装置に伝達するけれども、カバーからは電気的に絶縁されている。
【００１１】
プリント配線板キャリヤの下側をベース装置３２に取付けるために使用される伝熱性材料は、熱拡散器の下側をベースに接合し、それによりダイから熱拡散器を通りまた伝熱性材料を通ってヒートシンクベース３２に達する熱の流路を確立するのにも使用される。カバー装置がヒートシンクベース上に設置されるとき、テープ４０は熱拡散器部分１０と接触し、それによりベースヒートシンク部分に対して熱拡散器を確実に積極的に挾持する。上部ひれ付きカバーは、感圧性で、伝熱性の材料がプリント配線板キャリヤをベース３２に積層するため使用されるとき、クランプとして作用する。上部ひれ付きカバーは、ねじまたは他の固定手段によってベースに固定される。
熱拡散器とカバーのインターフェースおよび熱拡散器とベースのインターフェースの熱抵抗は最小にされる。また個々の要素の製造誤差は、伝熱性テープの可撓性のため解消することができる。
プリント配線板キャリヤは、ベース３２へのキャリヤの積層に先立って、ラッカーのような絶縁材料によってカバーされ、それにより銅の配線回路４２に対して絶縁性を生ずる。
図５に符号４２で示された配線は、正負の回路要素４４を端子ピン４６に接続する。
【００１２】
図６に示されたように、ヒートシンクベース３２の底部は装置の一つの周辺から他の周辺に延びるひれ４８を有する。図７の断面図は間にプリント配線板キャリヤ１６を挾持して組立てられた上部および底部を示している。図７に示されたように、熱拡散器部分１０は、熱がカバー装置３６およびベース３２の隣接面に至る二つの平行な流路を形成する両方の周辺を通って伝達されるように、伝熱性テープ４０および伝熱性材料５０と接触している。
伝熱性テープはアルミナ（酸化アルミニウム）を充填したエポキシとすることができる。伝熱性テープは、３Ｍ・インダストリアル・スペシャリティーズ(3M Industrial Specialities)、ザ・バーギスト・カンパニー(The Bergguist  Com-pany) 、エー・アイ・テクノロジー・インコーポレーテッド(A. I. Technology Inc.) ダウ・コーニング(Dow Corning) およびチョメリクス(Chomerics) の各社から製造、販売されている。伝熱性接着材料５０もこれらの供給業者から市販されている。
【００１３】
上部カバーおよびベースヒートシンク装置はアルミニウムまたは他の材料から形成することができる。もしアルミニウムが使用されるならば、陽極処理が伝熱性を改善するため使用される。陽極処理は表面に薄い酸化アルミニウムの層を形成し、材料の放熱特性を改善する。
組立て中、熱拡散器の部分１２は回路板キャリヤの凹所または切欠き部分に嵌合することができ、それらはろう付けまたは溶接を実施するとき所定位置に密嵌して保持される。
いかなる数の正負の回路要素もプリント配線板上に取付けることができる。それらは前記のように板の両側に取付けることができ、凹所３４はこれらの装置に適合する。空間または凹所３４の間の突出部はプリント配線板キャリヤを支持する。
【００１４】
本発明の進歩した構造は裸のダイを、本質的に高価なパッケージ部分を使用する必要なしに、回路板に取付けることができるようにする。さらに、裸のダイを使用する構造を利用しうるため、一層大きい定格出力を発生するとともに、回路要素の必要空間を減少することができる。
上記のように、アルミナをエポキシ中に使用しうるが、窒化ほう素および窒化アルミニウムのような他の材料も同様に使用することができる。
ろう付け用ペーストは、要素と電気的に接触させようとする所定の設計位置に開口を有するステンシルを使用して、板に塗布することができる。導電性パターン線４２は、キャリヤ１６として参照された銅被覆層をエッチングすることによってえられる。
【００１５】
カバー装置およびベースの陽極処理工程は上記のように暗色を発生し、熱放散目的の放熱特性を改善する。陽極処理工程中にアルミニウム合金に施されたコーティングは薄い被膜を形成し、その被膜はカバー装置と伝熱性テープ４０のインターフェースおよびベースと伝熱性材料５０のインターフェースの伝熱性をいくぶん低下する。この点においてわずかの機能交換が生ずるが、全体の結果は、完成した装置の放熱特性における、従来技術に比較して、いちじるしい改善である。陽極処理工程中に被膜を形成するアルミニウム酸化物は厚さがわずか数ミクロンに過ぎない。
以上本発明の好ましい実施例について説明したが、特許証によって保護されることを望む範囲は特許請求の範囲に記載のとおりである。
【００１６】
【発明の効果】
電子要素をろう付けした伝熱性の熱拡散器をキャリヤに固定し、熱拡散器をカバーとベースとの間に挾持することにより熱の流路を形成することによって、電子要素の発生した熱を有効に放散することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  (a) は本発明のプリント配線板装置の一部を構成する、熱拡散器の一側の平面図、(b) は(a) に示された熱拡散器の端面図、(c) は熱拡散器の反対側の平面図、  (d) は(a) に示された熱拡散器の上面図、そして(e) は(a) の断面線１(e) −１(e) 線の平面に沿う断面図。
【図２】プリント配線板装置のキャリヤを構成するガラス充填エポキシシートを示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は熱拡散器の一部に対応する（ａ）に示された板材料の破断拡大図。
【図３】ボンドパッドによって所定位置に組立てられた図１(a) から(e) の熱拡散器を備えた図２(a) の板を示す斜視図、ただし正負の回路要素は図示されていない。
【図４】図３の断面線４−４の平面に沿う拡大断面図。
【図５】カバーおよびベースヒートシンク部分ならびにプリント配線キャリヤ板を有する、本発明のプリント配線板装置の分解図。
【図６】ヒートシンク装置の底面図。
【図７】図６の断面線７−７の平面から見た拡大断面図。
【符号の説明】
１０  （熱拡散器の）部分
１２  （熱拡散器の別の）部分
１３  ダイ
１４  肩部
１６  キャリヤ
１８  右辺
２０  左辺
２２  切欠き
２４  切欠き
２８  ボンドパッド
３０  ワイヤボンド
３２  ベース
３４  凹所
３６  カバー装置
３８  ひれ
４０  伝熱性テープ
４２  配線
４４  回路要素
４６  端子ピン
５０  伝熱性材料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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