(57)【要約】【課題】金属芯回路基板の高放熱性を利用してＢＧＡ型電子部品の放熱性を高めることができる電子回路装置を得ることを目的とするものである。【解決手段】ＢＧＡ型電子部品１６を搭載した第１の回路基板１０、金属板の上に絶縁層及び導体層からなる回路層を有する金属芯回路基板からなり、第１の回路基板１０のＢＧＡ型電子部品１６を搭載した面と対向して配置され、ＢＧＡ型電子部品１６と対向する部分には上記金属板を上記金属芯回路基板の表面とする回路層開放部３８を有し、第１の回路基板１０と電気的に接続された第２の回路基板３０、ＢＧＡ型電子部品１０と回路層開放部３８の間隙に空気よりも熱伝導率の高い充填剤からなる伝熱層５２を備えるようにしたものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＢＧＡ型電子部品を搭載した第１の回路基板、金属板の上に絶縁層及び導体層からなる回路層を有する金属芯回路基板からなり、上記第１の回路基板の上記ＢＧＡ型電子部品を搭載した面と対向して配置され、上記ＢＧＡ型電子部品と対向する部分には上記金属板を上記金属芯回路基板の表面とする回路層開放部を有し、上記第１の回路基板と電気的に接続された第２の回路基板、上記ＢＧＡ型電子部品と上記回路層開放部の間隙に空気よりも熱伝導率の高い充填剤からなる伝熱層を備えたことを特徴とする電子回路装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電子部品を、高い放熱性を確保して回路基板に実装する電子回路装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高速のＣＰＵをはじめ、ＬＳＩは回路の大規模化、高速化に伴い、その発熱量も多くなっている。こうした大規模高速ＬＳＩなどの発熱量の多い電子部品（以下、発熱部品、と記す。）を回路基板に実装してなる電子回路装置においては、この発熱部品から発生する熱を効率的に放熱する必要がある。例えば、パーソナルコンピュータを構成する電子回路装置であるマザーボード（ＣＰＵが実装された回路基板）においては、ＣＰＵに放熱フィンを取り付け、更に送風ファンによってこの放熱フィンに送風を行って放熱を行うことが一般的に行われている。
【０００３】
また、特許文献１には、多層基板の内層に金属芯を設けた金属芯入り多層プリント基板（以下、内層に金属芯を設けた回路基板を、金属芯回路基板、と記す。）を用いて、発熱部品からの放熱性を高める技術が開示されている。金属芯回路基板は、金属板からなる金属芯を内層とし、その上に絶縁層と導体層が交互に形成された回路層からなるものであり、導体層が多層の場合には、導体層間を接続するスルーホールやブラインドバイアホールが適宜形成される。ここで、スルーホールは金属芯回路基板の表裏に渡って貫通して形成されたもの、ブラインドバイアホールは金属芯の一方の面上の回路層に形成されたものを意味するものとする。金属芯回路基板は、これに実装した発熱部品で発生した熱を、回路層を介して金属芯に伝導して、金属芯によって金属芯回路基板全体に拡散させ、金属芯回路基板の全面からの輻射や対流によって大気中に放熱する。また、金属芯回路基板の端部において、金属芯を放熱フィンに接続するようにして、放熱効率を上げることもできる。このように、金属芯回路基板は高放熱性をその特長とし、発熱部品を使用する電子回路装置に適している。
【０００４】
金属芯回路基板の金属芯の材料としてはアルミニウム、絶縁層としてはガラスエポキシ複合材、導体層としては銅箔が代表的である。絶縁層と導体層が交互に形成された回路層の厚さ方向の熱伝導性は、絶縁層の熱伝導性によってほぼ決定されるため、金属芯や銅箔に比較するとごく低い熱伝導性となってしまう。
【０００５】
そこで、特許文献１では、金属芯回路基板の金属芯にも接続されるスルーホールを形成し、発熱部品で発生した熱を、このスルーホールを経由して金属芯へと伝導することによって、発熱部品から金属芯への熱伝導性を高めている。なお、このスルーホールは、金属芯及び回路層に貫通穴を形成し、その内壁面にめっきにより銅の層を形成したものであり、この銅の層は３次元的には筒状で、金属芯とも接続されている。スルーホールの熱伝導性は、この筒状になった銅の層の熱伝導性によって決定されるので、回路層の熱伝導性よりもはるかに高いものとなり、発熱部品で発生した熱を金属芯に効率的に伝導できる。
【０００６】
つまり、金属芯回路基板を用いて発熱部品で発生した熱を効率的に放熱するためには、この発熱部品の下部に位置する金属芯回路基板に熱伝導用のスルーホールを形成し、この金属芯回路基板の表面において、このスルーホールと発熱部品との間の熱抵抗が小さくなるように、つまり熱伝導性が高くなるように配置すればよい。特許文献１においては、発熱部品とスルーホールは接着材を介して配置されているが、この接着材は熱伝導性の高いものを選択するのが望ましい。
【０００７】
【特許文献１】特開平０７−２４９８７６（第２頁、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
近年、ＬＳＩの回路の一層の大規模化に伴って、外部回路との接続端子数（以下、外部回路との接続端子を単に、接続端子、と記す。）が多くなり、従来ＬＳＩ用パッケージとして多用されてきたリード状の接続端子をパッケージの周囲に列状に設ける所謂ＳＯＰ（Ｓｍａｌｌ  Ｏｕｔｌｉｎｅ  Ｐａｃｋａｇｅ）やＱＦＰ（Ｑｕａｄ  Ｆｌａｔ  Ｐａｃｋａｇｅ）では、パッケージの大形化を招き、またリード状の接続端子の変形が生じやすいなどハンドリング性の問題点が顕在化してきた。このため、パッケージの下面又は上面に格子状にボール状の接続端子を設けたＢＧＡ（Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）型パッケージが多用されるようになってきた。以下、ＢＧＡ型パッケージを用いたＬＳＩをＢＧＡ型ＬＳＩと記す。
【０００９】
接続端子数の多いＬＳＩを回路基板に実装して使用する場合、回路基板側でＬＳＩの多数の接続端子と回路基板の他の部分とを接続する多数の配線を展開する領域（以下、展開領域、と記す。）が必要となる。この展開領域においては、多数の配線の順番を変更したり、電源やアースの配線を複数に分割して接続する等の必要性があり、複雑かつ密度の高い配線構成となるため、回路層を多層化し、複数の導体層、絶縁層、ブラインドバイアホールにより構成するのが一般的である。特に、ＢＧＡ型ＬＳＩの場合、接続端子はＢＧＡ型ＬＳＩの下部にあるために、この展開領域を主にＢＧＡ型ＬＳＩの下部で構成することが必要となる。
【００１０】
更に、ＢＧＡ型ＬＳＩの接続端子間のピッチも、１．２７ミリメートルのものが多用されていたが、パッケージの小型化等の目的から、１ミリメートルに満たないピッチのものも多用されるようになっている。このため、ＢＧＡ型ＬＳＩの下部の展開領域における配線は更に複雑化し、配線密度も高くなってきている。従って、回路基板のＢＧＡ型ＬＳＩの下部に相当する領域は、展開領域として確保することが必須となっている。
【００１１】
このため、ＢＧＡ型ＬＳＩを金属芯回路基板に実装して使用する場合、従来のような熱伝導用のスルーホールをＢＧＡ型ＬＳＩの下部に位置する部分に形成することが困難である。前述の通り、金属芯回路基板の熱伝導用のスルーホールは、金属芯を貫通して形成するため、長い貫通穴となり、めっき工程等の制約により、穴径も大きく取る必要がある。このため、ＢＧＡ型ＬＳＩの下部に熱伝導用のスルーホールを形成すると、ＢＧＡ型ＬＳＩの下部の広い領域を占有してしまい、その占有された領域は展開領域としては使用できなくなる。その結果、ＢＧＡ型ＬＳＩの下部の展開領域が狭くなってしまい、複雑かつ密度の高い配線を収容することが難しくなり、その結果、回路層の層数が更に増加してしまうといった問題点が生じる。
【００１２】
金属芯回路基板の回路層が多層化して厚くなると、その厚さ方向の熱伝導性は更に低下する。このため、ＢＧＡ型ＬＳＩの下部において、ＢＧＡ型ＬＳＩと金属芯回路基板の表面との間に、高熱伝導性の樹脂等を充填して、ＢＧＡ型ＬＳＩから金属芯回路基板の表面への熱伝導性を高めたとしても、十分な放熱性を確保することは難しい。
【００１３】
つまり、金属芯回路基板にＢＧＡ型ＬＳＩを実装する場合には、金属芯回路基板の高放熱性という特長を有効に利用することができないという問題点があった。この問題点は、ＬＳＩに限らず、ＢＧＡ型パッケージを用いた電子部品（以下、ＢＧＡ型パッケージを用いた電子部品を、ＢＧＡ型電子部品、と記す。）に共通である。
【００１４】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、金属芯回路基板の高放熱性を利用してＢＧＡ型電子部品の放熱性を高めることができる電子回路装置を得ることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この発明に係る電子回路装置は、ＢＧＡ型電子部品を搭載した第１の回路基板、金属板の上に絶縁層及び導体層からなる回路層を有する金属芯回路基板からなり、第１の回路基板のＢＧＡ型電子部品を搭載した面と対向して配置され、ＢＧＡ型電子部品と対向する部分には金属板を金属芯回路基板の表面とする回路層開放部を有し、第１の回路基板と電気的に接続された第２の回路基板、ＢＧＡ型電子部品と回路層開放部の間隙に空気よりも熱伝導率の高い充填剤からなる伝熱層を備えたものである。
【発明の効果】
【００１６】
この発明によれば、ＢＧＡ型電子部品を高い放熱性を確保して回路基板に実装する電子回路装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による電子回路装置の組立工程を示す断面図である。図１の（ａ）は、第１の回路基板である印刷配線基板１０の一方の面にＳＯＰ型電子部品１２やコンデンサ、抵抗体等のチップ部品１４をはんだ付けした状態を示している。印刷配線基板１０の表面の導体層を所定の形状とした部品接続電極（図示せず）にクリームはんだを印刷し、印刷されたクリームはんだの上にＳＯＰ型電子部品１２やチップ部品１４を搭載した後、印刷配線基板１０の全体を加熱してリフローはんだ付けを行ったものである。ここで印刷配線基板１０としては、基材の上に絶縁性薄膜、導電性薄膜を下層から交互に順次積層していく回路層形成方法を用いて作成した印刷配線基板であるビルドアップ基板等、高密度配線が可能な印刷配線基板を用いることによって、上記展開領域を容易に構成することができる。
【００１８】
図１の（ｂ）は、図１の（ａ）に示した印刷配線基板１０の他方の面に、ＢＧＡ型電子部品であるＢＧＡ型ＬＳＩ１６、チップ部品１８、はんだボール２０をはんだ付けした状態を示している。これらのはんだ付けも、前記同様、リフローはんだ付けにより行ったものである。ＢＧＡ型ＬＳＩ１６には、ボール状の接続端子２２が形成されており、これを介してＢＧＡ型ＬＳＩ１６と印刷配線基板１０は電気的に接続される。以下、ＢＧＡ型ＬＳＩ１６のボール状の接続端子２２が形成された面をＢＧＡ型ＬＳＩ１６の下面、その反対側の面をＢＧＡ型ＬＳＩ１６の上面、とそれぞれ記す。
【００１９】
クリームはんだは共晶はんだに近い組成（例えばＰｂ６０％、Ｓｎ４０％）、はんだボール２０は高温はんだ（例えばＰｂ９０％、Ｓｎ１０％）の組成を選択する。そうすると、リフローはんだ付けを行う加熱時の温度は、２３０℃程度に設定すればよく、この加熱時にはんだボール２０は溶融することがなく、その形状を保持することができる。つまり、寸法精度のよいはんだボール２０を選択しておくことによって、矢印ｈ１で示すはんだボール２０の高さのばらつきを小さく抑えることができる。なお、矢印ｈ２は、印刷配線基板１０のＢＧＡ型ＬＳＩ１６がはんだ付けされた表面からからＢＧＡ型ＬＳＩ１６の上面との距離（以下、ＢＧＡ型ＬＳＩ１６の高さ、と記す。）を示す。
【００２０】
図１の（ｃ）は、第２の回路基板である放熱用金属芯回路基板３０を示している。放熱用金属芯回路基板３０はアルミニウムからなる金属芯３２の一方の面に導体層、絶縁層、ブラインドバイアホールから構成される第１の回路層３４、他方の面に同様の第２の回路層３６が形成されている。第１の回路層３４の表面には、印刷配線基板１０にはんだ付けされたはんだボール２０に対応する位置に導体層を所定の形状とした基板間接続電極（図示せず）及び部品接続電極（図示せず）が形成されており、さらにＢＧＡ型ＬＳＩ１６に対応する位置に第１の回路層３４及び金属芯３２の一部がザグリ加工によって除去された回路層開放部である凹部３８が形成されている。凹部３８の大きさは、ＢＧＡ型ＬＳＩ１６が嵌入できるようにＢＧＡ型ＬＳＩ１６よりもやや大きくする。矢印ｈ３は、第１の回路層３４の表面から凹部３８の底面までの距離、つまり凹部の深さを示している。また、放熱用金属芯回路基板３０の第２の回路層３６の表面には部品接続電極（図示せず）が形成されており、前記同様のリフローはんだ付けによって、ＳＯＰ型電子部品４０がはんだ付けされている。
【００２１】
図１の（ｄ）は、図１の（ｂ）に示した印刷配線基板１０と図１の（ｃ）に示した放熱用金属芯回路基板３０を接続してなる電子回路装置５０を示している。図１の（ｃ）に示した放熱用金属芯回路基板３０の第１の回路層３４の表面に形成された基板間接続電極及び部品接続電極にクリームはんだを印刷するとともに、凹部３８には空気よりも熱伝導率の高い充填剤である熱硬化型の高熱伝導性接着剤を適量塗布する。高熱伝導性接着剤としては、例えば、エポキシ系接着剤に無機系フィラーを充填した接着剤などが使用できる。
【００２２】
チップ部品５４を部品接続電極に印刷されたクリームはんだの上に搭載した後、第１の回路層３４の表面に形成された基板間接続電極とはんだボール２０、凹部３８とＢＧＡ型ＬＳＩ１６とが対向するように印刷配線基板１０と放熱用金属芯回路基板３０の位置合わせを行い、第１の回路層３４の表面に形成された基板間接続電極とはんだボール２０を近接させ、凹部３８にＢＧＡ型ＬＳＩ１６を嵌入する。前述の通り、矢印ｈ１で示すはんだボール２０の高さのばらつきは小さく抑えられているので、全てのはんだボール２０の先端の一部が、第１の回路層３４の表面に形成された基板間接続電極に印刷されたクリームはんだの中に入り込むようにして接触する。
【００２３】
矢印ｈ１で示したはんだボール２０の高さ、矢印ｈ２で示したＢＧＡ型ＬＳＩ１６の高さ、矢印ｈ３で示した凹部３８の深さは、ｈ１とｈ３の和が、ｈ２よりもわずかに大きくなるように設定しておく。こうすることによって、凹部３８の底面とＢＧＡ型ＬＳＩ１６の上面とは、わずかの隙間をもって対向し、この隙間には高熱伝導性接着剤が充填される。
【００２４】
続いて、電子回路装置５０全体を加熱することによって、チップ部品５４は放熱用金属芯回路基板３０の第１の回路層３４の表面に形成された部品接続電極と、はんだボール２０は第１の回路層３４の表面に形成された基板間接続電極とはんだ付けされ、凹部３８の高熱伝導性接着剤は硬化して、空気よりも熱伝導率の高い充填剤からなる伝熱層５２となる。前述のように、はんだボール２０の先端の一部が、第１の回路層３４の表面に形成された基板間接続電極に印刷されたクリームはんだの中に入り込むようにして接触した状態で加熱するので、全てのはんだボールが第１の回路層３４の表面に形成された基板間接続電極と確実にはんだ付けされる。
【００２５】
このように構成した電子回路装置５０の放熱性を、図２を用いて説明する。図２において、図１と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものである。図２の（ｂ）において、放熱用金属芯回路基板６０は、放熱用金属芯回路基板３０と同様の金属芯６２、第１の回路層６４、第２の回路層６６を有しており、第１の回路層６４の表面に直接ＢＧＡ型ＬＳＩ１６を接続するための部品接続電極（図示せず）が形成されており、ここにＢＧＡ型ＬＳＩ１６がはんだ付けされて電子回路装置７０を構成している。
【００２６】
図２の（ａ）では、図１に示したこの発明の実施の形態１による電子回路装置５０の放熱経路を矢印Ａで示しており、図２の（ｂ）では、放熱用金属芯回路基板６０に直接ＢＧＡ型ＬＳＩ１６をはんだ付けした電子回路装置７０の放熱経路を矢印Ｂで示している。ＢＧＡ型ＬＳＩ１６には、ＢＧＡ型ＬＳＩ１６の上面の内側にＬＳＩ７２がダイボンディングされており、このＬＳＩ７２が発熱源である。図２の（ａ）の矢印Ａで示した電子回路装置５０の放熱経路は、ＢＧＡ型ＬＳＩ１６の上面の全面から伝熱層５２を介して金属芯３２に至るものであり、その熱抵抗は低く抑えることができる。
【００２７】
一方、図２の（ｂ）の矢印Ｂで示した電子回路装置７０の放熱経路は、ＢＧＡ型ＬＳＩ１６の上面からＢＧＡ型ＬＳＩ１６の下面へとパッケージ内部を通り、次にボール状の接続端子２２及び第１の回路層６４を介して金属芯６２に至るものであり、その熱抵抗は高くなってしまう。
【００２８】
より具体的に比較すると、金属芯３２及び金属芯６２のアルミニウムの材質としてはＪＩＳ−Ａ１１００、厚さ１ｍｍ、ＬＳＩ７２から金属芯端部までの距離を１７５ｍｍとした場合、矢印Ａで示した放熱経路の熱抵抗は約１０Ｋ／Ｗ、矢印Ｂで示した放熱経路の熱抵抗は約３０Ｋ／Ｗとなり、この発明の実施の形態１による電子回路装置５０の放熱性が高いことが示される。
【００２９】
つまり、この発明の実施の形態１のように構成された電子回路装置によれば、金属芯回路基板の高放熱性を利用してＢＧＡ型電子部品の放熱性を高めることができる。また、ＢＧＡ型電子部品をはんだ付けする印刷配線基板には、高い放熱性が要求されないので、高密度配線が可能なビルドアップ基板等を採用することができ、展開領域を容易に構成できる効果も奏する。なお、実施の形態１ではＢＧＡ型電子部品としてＢＧＡ型ＬＳＩについて説明したが、他の発熱部品であるＢＧＡ型電子部品でも同様の効果を奏する。
【００３０】
また、回路層開放部として、ザグリ加工によって形成した凹部について説明したが、金属芯回路基板を製造する際に、当該部分に回路層を形成しないようにしてもよい。この場合、金属芯回路基板の金属芯にザグリ加工を施す必要がないため、金属芯回路基板の製造工程が簡略化できる。なお、図１において矢印ｈ３で示した凹部３８の深さは、第１の回路層３４の厚さと等しくなるが、このｈ３とはんだボール２０の高さｈ１の和が、ＢＧＡ型ＬＳＩ１６の高さｈ２よりもわずかに大きくなるように設定しておくことは同様であり、第１の回路層３４の厚さ又ははんだボール２０の高さｈ１によって調整すればよい。
【００３１】
なお、印刷配線基板１０と放熱用金属芯回路基板３０の位置合わせは、図３に示すように印刷配線基板１０に位置合わせ用のキリ穴７４、放熱用金属芯回路基板３０に位置合わせマーク７６をそれぞれ形成しておけば、印刷配線基板１０によって遮られて視認できない第１の回路層３４の表面に形成された基板間接続電極とはんだボール２０、凹部３８とＢＧＡ型ＬＳＩ１６との位置あわせを精度よく行うことができる。また、印刷配線基板１０の上面には、導体層による真空吸着用パターン７８を形成しておくことにより、部品自動装着機でも容易にハンドリングすることができる。
【００３２】
実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２による電子回路装置を示す断面図である。図４において、図１と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものである。この実施の形態２による電子回路装置８０は、実施の形態１による電子回路装置５０では、はんだボール２０を介して印刷配線基板１０と放熱用金属芯回路基板３０とを接続していたものを、コネクタ８２によって接続するようにしたものである。コネクタ８２の一方は印刷配線基板１０に、他方は放熱用金属芯回路基板３０に他の部品とともにリフローはんだ付けによりはんだ付けされる。また、実施の形態１による電子回路装置５０では、凹部３８の底面とＢＧＡ型ＬＳＩ１６の隙間には熱硬化型の高熱伝導性接着剤を充填するようにしていたものを、空気よりも熱伝導率の高い充填剤として高熱伝導性ゲルを充填し、伝熱層８４を構成するようにしたものである。
【００３３】
この実施の形態２による電子回路装置は、実施の形態１による電子回路装置と同様の効果を奏するとともに、印刷配線基板１０と放熱用金属芯回路基板３０との取り外しが容易となり、検査、修理等も容易となる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】この発明の実施の形態１による電子回路装置の組立工程を示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１による電子回路装置の断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１による電子回路装置の組立工程を示す平面図である。
【図４】この発明の実施の形態２による電子回路装置の断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０  第１の回路基板、３０  第２の回路基板、５２  伝熱層、８４  伝熱層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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