(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子素子を搭載する第１部材と、前記第１部材を搭載する第２部材と、を備える電子部品であって、
前記第１部材の熱膨張係数は前記第２部材の熱膨張係数よりも小さく、
前記第２部材の表面に設けられた凹み部内に前記第１部材が埋め込まれるように搭載され、
前記凹み部は、前記第２部材の表面から突出する段差部に設けられ、
前記凹み部の角が曲面状に加工されていることを特徴とする電子部品。
【請求項２】
電子素子を搭載する第１部材と、前記第１部材を搭載する第２部材と、を備える電子部品であって、
前記第１部材の熱膨張係数は前記第２部材の熱膨張係数よりも小さく、
前記第２部材の表面に設けられた凹み部内に前記第１部材が埋め込まれるように搭載され、
前記凹み部は、前記第２部材の表面から突出する段差部に設けられ、
前記凹み部の角は逃げ構造に加工されていることを特徴とする電子部品。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の電子部品であって、
前記凹み部の深さは、前記第１部材の厚さの１／４以上であることを特徴とする電子部品。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１つに記載の電子部品であって、
前記第１部材及び前記第２部材は、前記凹み部に充填されたハンダ材で固着されていることを特徴とする電子部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、応力に強い電子部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、電子部品１００は、図９に示すように、絶縁基板１２を介して電子素子１０を熱拡散板１４に実装した構造で使用されることが多い。このような実装構造とした場合、電子部品に冷熱サイクルが加えられた際に熱応力や残留応力によって絶縁基板１２にクラック等が発生し、最終的には電子素子１０の特性に悪影響を及ぼすこともある。
【０００３】
そこで、絶縁基板１２と熱拡散板１４との間に複数の貫通穴が形成されたアルミニウムの応力緩衝部材１６を設ける構造が開示されている（特許文献１）。これにより、絶縁基板１２と熱拡散板１４との間の熱伝導が優れたものになり、電子素子１０からの熱の放熱性能が向上し、貫通穴からなる応力吸収空間の働きにより応力による影響を低減できるとされている。
【０００４】
また、セラミック基板と、セラミック基板の表面に直接接合され、主としてアルミニウムからなる金属板とを備えるセラミック回路基板において、金属板の外周縁部内側に金属板の実装面となる部分の厚さの１／６以上５／６以下である薄肉部を設けることによって応力の影響を低減しようとする技術が開示されている（特許文献２）。
【０００５】
また、基材となる銅板と電子部品であるシリコンチップとをはんだを介して接合する場合に、シリコンチップの接合面の外周部全域に亘って切り欠き部を設けて接合することによって、応力の分散及び緩和を実現しようとする技術が開示されている（特許文献３）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２９４６９９号公報
【特許文献２】特開２００１−２６７４４７号公報
【特許文献３】特開平７−３１２４７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このように、積層構造の電子部品においては冷熱サイクル等に対する応力の影響を低減する構造を有することが必要とされる。
【０００８】
しかしながら、これまでの電子部品では、積層構造の一部にクラックが発生すると接合界面にクラックが伸展して電子素子の直下部まで至り、電子素子から熱拡散部材までの熱抵抗の増加を招いたり、絶縁不良等を増加させたりして電子部品の信頼性や寿命を高めることを阻害していた。
【０００９】
また、このようなクラックの伸展を抑制するために、応力緩衝部材等の特別な部材を設ける必要があり、電子部品の製造コストを増大させる等の二次的な問題を生じさせていた。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の１つの態様は、電子素子を搭載する第１部材と、前記第１部材を搭載する第２部材と、を備える電子部品であって、前記第１部材の熱膨張係数は前記第２部材の熱膨張係数よりも小さく、前記第２部材の表面に設けられた凹み部内に前記第１部材が埋め込まれるように搭載されていることを特徴とする電子部品である。
【００１１】
これにより、電子部品に熱応力が発生した際に前記第１部材の熱変形が第２部材に追随し易くなり、側面への応力が広がるため、前記１部材の底面と側面とがつくる角への応力の集中を緩和することができる。また、電子素子の直下部までのクラックの伸展を抑制することができる。
【００１２】
前記凹み部は、前記第２部材の表面から突出する段差部に設けられていることが好適である。例えば、前記第２部材の表面に枠状に設けられた前記段差部に前記凹み部を設ける。前記段差部の枠厚を薄くすることによって前記第２部材の膨張による前記第１部材への影響を低減し、本発明の効果を顕著にすることができる。
【００１３】
前記凹み部の深さは、前記第１部材の厚さの１／４以上とすることが好適である。これにより、前記第１部材の厚さの１／４以上を前記凹み部に埋め込むことができ、本発明の効果を顕著にすることができる。
【００１４】
また、前記凹み部の角が曲面状に加工されていることが好適である。例えば、前記第２部材の前記凹み部の側面同士が形成する隅を曲面状に加工することが好適である。また、例えば、前記凹み部の底と内側面とがつくる隅を曲面状に加工することが好適である。また、例えば、前記凹み部の内側面と前記凹み部の表面とがつくる隅を曲面状に加工することが好適である。
【００１５】
また、前記凹み部の角は逃げ構造に加工されていることが好適である。これにより、前記凹み部の加工が容易となる。また、前記第２部材の熱膨張の影響を前記逃げ構造により緩和することができる。なお、前記逃げ構造は前記凹み部の長辺に沿って、前記凹み部の短辺側に突出するように設けることが好適である。
【００１６】
また、前記第１部材及び前記第２部材は、前記凹み部に充填されたハンダ材で固着されていることが好適である。前記ハンダ材は、前記第１部材の線膨張係数より大きく、前記第２部材の線膨張係数より小さい線膨張係数を有することが好適である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、電子部品における応力の影響を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の実施の形態における電子部品２００は、図１の断面図に示すように、電子素子２０、絶縁部材２２及び熱拡散部材２４を含んで構成される。絶縁部材２２は熱拡散部材２４の表面上に搭載され、電子素子２０は絶縁部材２２の表面上に搭載される。
【００１９】
電子素子２０は、半導体集積回路（ＩＣ）、抵抗素子、コンデンサ、インダクタ等を含んで構成される。電子素子２０は、電子素子チップをＤＩＰタイプ，ＳＩＰタイプ，ＢＧＡタイプ等のパッケージに収めることによって構成することができる。本実施の形態における電子部品２００は、冷熱サイクル等によって生ずる応力に強いものであるので、例えば、素子の使用時に発熱が大きいＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴ等の大電力用の電子素子を含む場合により効果を発揮することができる。
【００２０】
絶縁部材２２は、電子素子２０と熱拡散部材２４との間の電気的な接続を防ぐ部材である。本実施の形態における絶縁部材２２は、図２の組立分解図に示すように、短辺Ｌ１，長辺Ｌ２及び厚さＴを有する板状の部材とする。
【００２１】
絶縁部材２２は、必要とされる絶縁特性、熱伝達率及び機械的な強度を満たしていればどのような材料で構成してもよい。例えば、酸化アルミニウムや窒化アルミニウム等のセラミックから構成することができる。
【００２２】
絶縁部材２２の表面上に回路層が形成され、回路層に電子素子２０のピン２０ａがハンダ付け等によって接合されて電気的に接続される。回路層は、導電性に優れたアルミニウム、銅、銀、金等の導電性材料によって形成される。また、絶縁部材２２と電子素子２０との間はハンダ接合、もしくは熱伝導を高めるために、絶縁部材２２と電子素子との間に有機ケイ素化合物重合体等のグリース２６を塗布して挟み込む構造としてもよい。
【００２３】
熱拡散部材２４は、電子素子２０から発生する熱を放散させることによって、電子部品２００の温度を下げることを目的にした部材である。放熱器や放熱板と呼ばれることもある。熱拡散部材２４は、絶縁部材２２よりも線膨張係数が高く、熱伝導率が高いアルミニウムや銅等の金属を材料として形成することが好適である。
【００２４】
熱拡散部材２４の性能は、熱抵抗によって表される。熱抵抗が小さいほど性能が高く、加えられた熱を効率良く放熱することができる。熱抵抗は、熱拡散部材２４の材質、大きさ、形状などによって決定される。熱拡散部材２４の熱伝達性能を上げるために表面積が広くなるようにフィン２４ａ等を設けた形状とすることが好適である。熱拡散部材２４を冷却する冷媒は空気等の気体であってもよいし、水等の液体であってもよい。また、冷却能力を高めるためにファンやポンプなどを設けて強制的に冷媒によって冷却してもよい。
【００２５】
本実施の形態では、図１の断面図及び図２の組立分解図に示すように、熱拡散部材２４の表面に凹み部２４ｂが設けられる。熱拡散部材２４の凹み部２４ｂ内にハンダ材２８を充填し、絶縁部材２２の電子素子２０が搭載されていない裏面側から、絶縁部材２２を凹み部２４ｂ内に埋め込むように熱拡散部材２４に固定する。このように、ハンダ材２８を介して熱拡散部材２４に絶縁部材２２が搭載される。
【００２６】
ハンダ材２８は、通常の鉛と錫の合金であるハンダを用いてもよいが、環境に配慮して鉛フリーハンダを用いることも好適である。ハンダ材２８は、熱拡散部材２４の線膨張係数より小さく、絶縁部材２２の線膨張係数よりも大きい線膨張係数を有するものとすることが好適である。
【００２７】
また、凹み部２４ｂの短辺Ｗ１及び長辺Ｗ２は絶縁部材２２の短辺Ｌ１及び長辺Ｌ２よりもそれぞれ僅かに大きくすることが好適である。このようにすることによって、絶縁部材２２を凹み部２４ｂ内に配置することができる。また、凹み部２４ｂの深さＤは絶縁部材２２の厚さＴの少なくとも１／４以上とすることが好適である。このように、深さＤを絶縁部材２２の厚さＴの少なくとも１／４以上とし、絶縁部材２２の厚さの１／４以上を凹み部２４ｂに埋め込むことが好適である。
【００２８】
このように熱拡散部材２４の凹み部２４ｂ内に埋め込むように絶縁部材２２を配置することによって、熱拡散部材２４と絶縁部材２２との線膨張率の違いによる影響を低減することができる。
【００２９】
図３は、従来の埋込み型でない積層構造を有する電子部品における熱拡散部材２４と絶縁部材２２との接合部分における応力の強さをシミュレーションした結果を示す。また、図４は本実施の形態における電子部品２００における熱拡散部材２４と絶縁部材２２との接合部分における応力の強さをシミュレーションした結果を示す。図３及び図４は、ハンダ材２８の接合温度である約２３０℃に電子部品を保持した状態において応力が無いとし、電子部品を０℃に保持した場合における熱応力をシミュレーションした結果を示している。シミュレーションにおいて絶縁部材の線膨張係数は１０ｐｐｍ／Ｋとし、熱拡散部材の線膨張係数は２０ｐｐｍ／Ｋに設定した。
【００３０】
図３及び図４から明らかなように、従来の電子部品よりも本実施の形態の電子部品２００において熱拡散部材２４と絶縁部材２２との間に印加される応力が緩和されていることが分かる。特に、絶縁部材２２の角部近傍のように一般的な応力が集中する部分において、従来よりも本実施の形態の電子部品２００に加わる応力が小さくなる。具体的には、ハンダ材２８に掛る応力は埋め込みなしの場合は−１２２７ＭＰａであるのに対して、埋め込み有りの場合には−３７８ＭＰａまで低下している。これは、絶縁部材２２が、ハンダ材２８を介して埋め込まれたことにより、絶縁部材２２の熱変形挙動が熱拡散部材２４に追随し易くなり、その結果、主たる熱膨張方向Ｘ−Ｙ面にかかる応力が軽減されると共に、凹みハンダ材を介して、側面へ応力が拡散される。さらに、埋め込み構造における各部材間の接合開放端の界面方向が凹み深さ方向Ｚであるのに対し、Ｚ方向の接合長さは短いため、熱膨張差は小さくなり開放端部での応力集中も起こり難くなったものと考えられる。
【００３１】
また、絶縁部材２２と熱拡散部材２４との間に埋め込まれたハンダ材２８に生じるクラック３０は、図５の概念図に示すように、絶縁部材２２や熱拡散部材２４の主たる熱膨張方向である平面方向Ｘ−Ｙに対して直交する熱拡散部材２４の凹み部２４ｂの深さ方向Ｚにも延伸する。すなわち、従来の積層構造を有する電子部品では部材間の接合が平面内で行われており、応力に基づくクラック３０の伸展方向が応力による部材の伸縮方向と一致してしまっており、本実施の形態では埋め込み構造を採ることによってクラック３０の伸展方向をハンダ材２８の深さ方向にすることによって平面方向への伸展を抑制できたものと推定される。
【００３２】
これにより、絶縁部材２２における電子素子２０の直下の領域へのクラック３０の延伸が抑制され、電子部品２００の信頼性を向上できる。特に、絶縁部材２２における電子素子２０の直下の領域へクラック３０が延伸した場合、電子素子２０から熱拡散部材２４までの熱抵抗が大きくなり、電子素子２０の冷却効率が著しく低下するので、それを防ぐことができる点で有利である。
【００３３】
また、凹み部２４ｂを設けたことによって、絶縁部材２２を熱拡散部材２４へ組み込む際の位置合わせ及び保持が容易となる利点もある。
【００３４】
さらに、ハンダ材２８が凹み部２４ｂ内に充填されるため、ハンダ材２８が熱拡散部材２４の表面上にはみ出してしまうことを防ぐこともできる。
【００３５】
＜変形例１＞
図６に、本発明の実施の形態における変形例の電子部品２０２の断面図を示す。本変形例では、熱拡散部材２４の表面側に凹み部２４ｂを設けるための段差２４ｃを設けている。他の構成については上記実施の形態と同様である。このような構成においても上記実施の形態と同様の作用・効果を得ることができる。
【００３６】
なお、本変形例では段差２４ｃとしてその枠厚が薄くなったため、平面方向への熱膨張量が小さくなり、熱拡散部材２４の熱膨張による絶縁部材２２への影響をより小さくすることができる。
【００３７】
＜変形例２＞
図７に、本発明の実施の形態における変形例の電子部品２０２の平面図を示す。本変形例では、熱拡散部材２４に設けられた凹み部２４ｂの角を曲面状に加工又は逃げ構造に加工している。
【００３８】
図７（ａ）では、熱拡散部材２４に設けられた凹み部２４ｂの側面同士がつくる角２４ｄを熱拡散部材２４の表面側からみて円弧状に加工している。また、図７（ｂ）では、熱拡散部材２４に設けられた凹み部２４ｂの角から突出するように半円状の凹み端部２４ｅを設けている。
【００３９】
このように、熱拡散部材２４に設けられた凹み部２４ｂの角を曲面状に加工又は逃げ構造に加工することによって、熱拡散部材２４の凹み部２４ｂの角に掛る応力をより緩和・分散させることができる。なお、凹み部２４ｂの長辺に沿った熱膨張量は短辺に沿った熱膨張量よりも大きいので、図７（ｂ）に示すように、凹み端部２４ｅは凹み部２４ｂの長辺に沿って短辺から突出するように設けることがより好適である。
【００４０】
なお、本変形例の構成は、上記実施の形態及び変形例１の構成のいずれにも適用することができ、いずれの場合にも熱拡散部材２４の凹み部２４ｂの角に掛る応力をより緩和・分散させることができる。
【００４１】
＜変形例３＞
図８に、本発明の実施の形態における変形例の電子部品２０６の局所断面図を示す。図８は、絶縁部材２２が埋め込まれた凹み部２４ｂを拡大して示した図である。
【００４２】
図８（ａ）は、凹み部２４ｂの底部２４ｆと内側面２４ｇとがつくる隅を曲面状に加工したものである。また、図８（ｂ）は、凹み部２４ｂの内側面２４ｇと表面２４ｈとがつくる隅を曲面状に加工したものである。
【００４３】
このように、熱拡散部材２４に設けられた凹み部２４ｂの角を曲面状に加工することによって、熱拡散部材２４の凹み部２４ｂの角に掛る応力をより緩和・分散させることができる。なお、図８（ａ）及び図８（ｂ）の構成を同時に適用することによって、より高い効果を得ることができる。また、本変形例は、上記実施の形態、変形例１及び２のいずれとも組み合わせ可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施の形態における電子部品の構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態における電子部品の構成を示す組立分解図である。
【図３】従来の電子部品の構成における応力のシミュレーション結果を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態における電子部品の構成における応力のシミュレーション結果を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態におけるクラックの発生状態を示す概念図である。
【図６】本発明の変形例１における電子部品の構成を示す断面図である。
【図７】本発明の変形例２における電子部品の構成を示す平面図である。
【図８】本発明の変形例３における電子部品の構成を示す断面図である。
【図９】従来の電子部品の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０，２０  電子素子、１２  絶縁基板、１４  熱拡散板、１６  応力緩衝部材、２０ａ  ピン、２２  絶縁部材、２４  熱拡散部材、２４ａ  フィン、２４ｂ  凹み部、２４ｃ  段差、２４ｄ  角、２４ｅ  端部、２４ｆ  底部、２４ｇ  内側面、２４ｈ  表面、２６  グリース、２８  ハンダ材、３０  クラック、１００，２００，２０２，２０６  電子部品。
【図１】
0004989552.tif 000002
【図２】
0004989552.tif 000003
【図３】
0004989552.tif 000004
【図４】
0004989552.tif 000005
【図５】
0004989552.tif 000006
【図６】
0004989552.tif 000007
【図７】
0004989552.tif 000008
【図８】
0004989552.tif 000009
【図９】
0004989552.tif 000010