(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱素子が実装された基板には上記発熱素子の搭載領域面からその直下の反対側の基板面に貫通する放熱用貫通孔が形成され、上記発熱素子の搭載領域面の反対側の基板面上には放熱ブロックが設けられ、上記発熱素子の熱を上記放熱用貫通孔を通る経路で放熱ブロックに伝熱させる伝熱通路が形成されている発熱素子の放熱構造を有し、上記基板には上記発熱素子を含む回路構成部品が設けられ、上記回路構成部品と放熱ブロックと基板がケース内部に収容されて成るモジュールであって、放熱ブロックはケースの内面に直接的にあるいは絶縁部材を介して間接的に接触されており、発熱素子から放熱ブロックに伝搬された熱は放熱ブロックからケースに放熱されることを特徴とする発熱素子の放熱構造を有するモジュール。
【請求項２】
発熱素子が実装された基板には上記発熱素子の搭載領域面からその直下の反対側の基板面に貫通する放熱用貫通孔が形成され、上記発熱素子の搭載領域面の反対側の基板面上には放熱ブロックが設けられ、上記発熱素子の熱を放熱用貫通孔を通る経路で放熱ブロックに伝熱させる伝熱通路が形成されている発熱素子の放熱構造を有し、上記基板には上記発熱素子を含む回路構成部品が設けられ、上記回路構成部品と放熱ブロックと基板がケース内部に収容されて成るモジュールであって、放熱ブロックが形成されている基板面と、ケースとによって囲まれている空間部には高熱伝導性材料が充填されていることを特徴とする発熱素子の放熱構造を有するモジュール。
【請求項３】
発熱素子は樹脂パッケージ内に収容された構成と成していることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の発熱素子の放熱構造を有するモジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上に実装された発熱素子の放熱構造を有するモジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図３の（ａ）、（ｂ）には、それぞれ、基板１上に実装される発熱素子２の放熱構造の一例が示されている。図３の（ａ）、（ｂ）に示す例では、発熱素子２（例えば、数Ｗの電力を要するパワー素子）は樹脂パッケージ３の内部に収容されて基板１上に実装されており、図３の（ａ）に示す例では、上記樹脂パッケージ３は放熱用兼導通接続用のベタパターン４に当接され、上記発熱素子２の熱はベタパターン４に伝搬されて放熱される。なお、図３の（ａ）に示す５はリードパターンを示している。
【０００３】
また、図３の（ｂ）に示す例では、樹脂パッケージ３の上面にヒートシンク６が接着剤７を用いて取り付けられており、発熱素子２の熱は樹脂パッケージ３と接着剤７を順に通ってヒートシンク６に伝搬されて放熱される。
【０００４】
上記基板１上には、通常、発熱素子２を含めた複数の回路構成部品が実装されると共に、それら部品間を導通接続するリードパターン等が形成されて回路が設けられており、このような基板１はケースの内部に収容されてモジュールを構成する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図３の（ａ）に示す例では、ベタパターン４が基板面上に広く形成されるために、基板１の部品実装密度が低くなってしまうという問題がある。そこで、実装密度を向上させるためにベタパターン４の表面積を狭くすると、ベタパターン４の放熱率が低下して発熱素子２の放熱性が悪化してしまうという問題が生じてしまう。
【０００６】
図３の（ｂ）に示す例では、上述したように、発熱素子２の熱を樹脂パッケージ３および接着剤７を通してヒートシンク６に伝熱させる構成であるが、樹脂パッケージ３や接着剤７は熱伝導性が悪いために発熱素子２の熱はヒートシンク６に伝熱され難く、このために、発熱素子２の熱が放熱され難く、発熱素子２の放熱性は満足できるものではないという問題がある。
【０００７】
また、ヒートシンク６は大型な部品であることから、発熱素子２を内蔵したモジュールは大型化なものとなってしまうという問題が生じる。さらに、ヒートシンク６は高価な部品であることから、上記モジュールの価格が上昇してしまうという問題もある。さらに、樹脂パッケージ３の上面に接着剤７を用いてヒートシンク６を取り付けるという工程をわざわざ設けなければならないので、製造工程が煩雑化してしまうという問題も生じる。
【０００８】
この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、基板の部品実装密度の低下問題や、発熱素子を内蔵したモジュールの大型化問題や、モジュールの価格上昇問題や、製造工程の煩雑化問題を回避しつつ、満足のいく発熱素子の放熱性を得ることができる発熱素子の放熱構造を有するモジュールを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明は次に示す構成をもって前記課題を解決する手段としている。すなわち、第１の発明の発熱素子の放熱構造を有するモジュールは、発熱素子が実装された基板には上記発熱素子の搭載領域面からその直下の反対側の基板面に貫通する放熱用貫通孔が形成され、上記発熱素子の搭載領域面の反対側の基板面上には放熱ブロックが設けられ、上記発熱素子の熱を上記放熱用貫通孔を通る経路で放熱ブロックに伝熱させる伝熱通路が形成されている発熱素子の放熱構造を有し、上記基板には上記発熱素子を含む回路構成部品が設けられ、上記回路構成部品と放熱ブロックと基板がケース内部に収容されて成るモジュールであって、放熱ブロックはケースの内面に直接的にあるいは絶縁部材を介して間接的に接触されており、発熱素子から放熱ブロックに伝搬された熱は放熱ブロックからケースに放熱される構成をもって前記課題を解決する手段としている。
【００１０】
第２の発明の発熱素子の放熱構造を有するモジュールは、発熱素子が実装された基板には上記発熱素子の搭載領域面からその直下の反対側の基板面に貫通する放熱用貫通孔が形成され、上記発熱素子の搭載領域面の反対側の基板面上には放熱ブロックが設けられ、上記発熱素子の熱を放熱用貫通孔を通る経路で放熱ブロックに伝熱させる伝熱通路が形成されている発熱素子の放熱構造を有し、上記基板には上記発熱素子を含む回路構成部品が設けられ、上記回路構成部品と放熱ブロックと基板がケース内部に収容されて成るモジュールであって、放熱ブロックが形成されている基板面と、ケースとによって囲まれている空間部には高熱伝導性材料が充填されている構成をもって前記課題を解決する手段としている。
【００１１】
第３の発明における発熱素子の放熱構造を有するモジュールは、上記第１の発明又は第２の発明の構成を備えたものにおいて、上記発熱素子は樹脂パッケージ内に収容された構成と成していることを特徴として構成されている。
【００１３】
上記構成の発明において、発熱素子の熱は放熱用貫通孔を通って効率良く放熱ブロックに伝搬することができ、発熱素子の放熱性の向上を図ることができる。
【００１４】
また、本発明では、従来のベタパターンのように、放熱用部材が発熱素子の搭載領域面以外の基板面に広く形成されることはなく、このことにより、発熱素子の放熱構造に起因した基板の部品実装密度低下問題が回避される。さらに、本発明の発熱素子の放熱構造はヒートシンク等の高価な部品を用いずに構成することができるので、価格上昇を抑制することができる。さらに、従来から行われている自動実装工程において、発熱素子や放熱ブロックを基板に自動実装することが可能であることから、製造工程の煩雑化を防止することができる。上記のように、従来の問題を解決しつつ、発熱素子の放熱性の向上を図ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明に係る実施形態例を図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１の（ａ）には第１の実施形態例において特徴的な発熱素子の放熱構造を有するモジュールの一例が模式的な断面図により表されており、図１の（ｂ）には上記図１の（ａ）に示すＡ方向から発熱素子の搭載領域を見た状態が模式的に表されている。
【００１７】
この第１の実施形態例では、図１の（ａ）、（ｂ）に示すように、ガラス−エポキシ基板等の基板１には発熱素子２を内蔵した樹脂パッケージ３がランド８を介し半田を用いて実装されている。この樹脂パッケージ３の実装面３ａにはフィン１０が形成されている。このフィン１０の上面には発熱素子２の実装面（図１の（ａ）の例では、発熱素子２の底面）が直接的に当接接続されている。また、このフィン１０の下面（基板側の面）は露出しており、ランド８に直接的に半田により接続されている。また、上記フィン１０の一部は樹脂パッケージ３よりも外部に突出形成されている。
【００１８】
上記基板１には放熱用貫通孔（熱ビア）１１が形成されている。この放熱用貫通孔１１は、発熱素子２の搭載領域面（例えば、樹脂パッケージ３の直下のランド８が形成されている領域の基板面）からその直下の反対側の基板面に貫通するものであり、伝熱材料１２（例えば、熱伝導率が良い半田等の金属材料）が充填されている。
【００１９】
また、上記発熱素子２の搭載領域面の反対側の基板面にはランド１３を介して放熱ブロック１４が半田によって取り付けられている。この放熱ブロック１４は熱伝導率に優れた材料、例えば金属やセラミックスによって構成されている。
【００２０】
この第１の実施形態例では、フィン１０と、ランド８と、放熱用貫通孔１１の伝熱材料１２と、ランド１３とによって、伝熱通路が構成されており、発熱素子２の熱はフィン１０とランド８と放熱用貫通孔１１の伝熱材料１２とランド１３を順に通って放熱ブロック１４に伝搬されて放熱される。
【００２１】
この第１の実施形態例において特徴的な発熱素子の放熱構造は上記のように構成されており、以下に、その放熱構造を有したモジュールの一例を示す。
【００２２】
図１の（ａ）に示すように、前記基板１には発熱素子２を含む複数の回路構成部品１５等が設けられて回路が形成されており、この基板１はケース１６の内部に収容されている。この第１の実施形態例に示すモジュールにおいて特徴的なことは、前記放熱ブロック１４が放熱シート１７を介して間接的にケース１６の内面に接触していることである。
【００２３】
この第１の実施形態例では、上記ケース１６は金属材料により構成されており、また、上記放熱シート１７は熱伝導率に優れ、かつ、硬度が低い絶縁材料（例えば、シリコン樹脂）によって構成された絶縁部材であり、モジュールの大型化を防止することが可能な薄さとなっている。なお、図１の（ａ）に示す１８は基板１を固定するための基板固定用爪を示している。
【００２４】
この第１の実施形態例に示すモジュールは上記のように構成されており、このモジュールでは、発熱素子２から放熱ブロック１４に伝搬された熱は放熱シート１７を介してケース１６に放熱され、該ケース１６の外表面からモジュールの外部に放熱されることとなる。
【００２５】
この第１の実施形態例によれば、発熱素子２の実装面に直接的に当接接続するフィン１０を設け、また、基板１には発熱素子２の搭載領域面からその直下の反対側の基板面に貫通する放熱用貫通孔１１を設け、該放熱用貫通孔１１には伝熱材料１２が充填されており、さらに、上記発熱素子２の搭載領域面の反対側の基板面には放熱ブロック１４が設けられており、発熱素子２の熱はフィン１０と放熱用貫通孔１１の伝熱材料１２を通る経路で放熱ブロック１４に伝搬される放熱構造であるので、従来例のベタパターン４のように、放熱用部材を発熱素子２の搭載領域面以外の基板面に広く設ける必要が無く、このことによって、基板１の部品実装密度を低下させてしまうという問題を防止することができる。
【００２６】
また、発熱素子２の搭載領域面の反対側の基板面と上記ケース１６との間には必ず空隙が設けられ、その空隙を利用して放熱ブロック１４が配置されることから、放熱ブロック１４を設けるための空間をわざわざ設ける必要が無く、モジュールの大型化を回避することができる。
【００２７】
さらに、発熱素子２から放熱ブロック１４に至る伝熱通路は何れの箇所も熱伝導率に優れた材料によって構成されていることから、発熱素子２から放熱ブロック１４に熱を効率良く伝搬することができ、しかも、この第１の実施形態例では、放熱ブロック１４をケース１６に接触させて放熱ブロック１４からケース１６に放熱させる構成としたので、発熱素子２の放熱性を向上させることができる。
【００２８】
さらに、この第１の実施形態例では、放熱ブロック１４はランド１３を介し半田によって基板１に設けられる構成であるので、発熱素子２を含む回路構成部品１５の実装工程と同一の工程で放熱ブロック１４を基板１に自動実装することが可能であり、このことにより、製造工程の煩雑化を防止することができる。
【００２９】
さらに、この第１の実施形態例では、上記したように、樹脂パッケージ３や放熱ブロック１４はランド８，１３を介して半田によって基板１に設けられる構成であるので、放熱用貫通孔１１に充填する伝熱材料１２が半田である場合には、放熱用貫通孔１１に伝熱材料１２を充填するための工程をわざわざ設ける必要が無く、製造工程の煩雑化を防止することができる。
【００３０】
それというのは、樹脂パッケージ３や放熱ブロック１４の実装工程では半田は溶解されるので、その溶解した半田は放熱用貫通孔１１の内部に毛細管現象によって入り込むこととなる。このことにから、樹脂パッケージ３や放熱ブロック１４の実装工程において、樹脂パッケージ３や放熱ブロック１４を半田を用いて基板１に実装すると同時に、放熱用貫通孔１１の内部に半田を充填させることができるので、前述したように、放熱用貫通孔１１の内部に伝熱材料１２を充填するための工程をわざわざ設ける必要が無く、製造工程の煩雑化を防止することができる。
【００３１】
さらに、放熱ブロック１４は簡単な形状であり、安価な部品である上に、上記のように、この第１の実施形態例に示す発熱素子２の放熱構造は、製造工程の煩雑化を防止することが可能であることから、価格上昇を抑制することができる。
【００３２】
さらに、この第１の実施形態例では、上記したように、発熱素子２の搭載領域面の反対側の基板面に放熱ブロック１４が設けられ、この放熱ブロック１４は放熱シート１７を介してモジュールにおけるケース１６の内面に間接的に接触することが可能であることから、そのように、放熱ブロック１４をケース１６の内面に接触させて放熱ブロック１４から放熱シート１７を介してケース１６に熱が伝搬される構成とすることによって、従来例のようなベタパターンやヒートシンクを用いて発熱素子２の熱を放熱させる構造とする場合よりも、発熱素子２の放熱性を格段に向上させることができる。
【００３３】
さらに、この第１の実施形態例では、放熱シート１７は熱伝導率が良いだけでなく、硬度が低いという条件をも満たす材料によって構成されているので、放熱ブロック１４から放熱シート１７を介してケース１６へ伝搬する熱伝導効率を格段に向上させることができる。
【００３４】
それというのは、次に示すような理由による。つまり、この第１の実施形態例のように、硬度が低い材料によって放熱シート１７を構成する場合には、放熱ブロック１４を放熱シート１７に押圧させることにより、放熱シート１７は放熱ブロック１４の接触面の形状に応じて変形することができ、このことによって、放熱ブロック１４と放熱シート１７を隙間無く密着させることができる。
【００３５】
これに対して、放熱シート１７が硬い場合には該放熱シート１７は変形し難いので、放熱ブロック１４を放熱シート１７に押圧させても、放熱ブロック１４と放熱シート１７の間に隙間が生じ易い。その隙間は熱が伝導し難いので、その隙間に起因して放熱ブロック１４から放熱シート１７への熱伝導効率が悪くなる虞があるが、この第１の実施形態例に示すように、放熱シート１７が柔らかく、放熱ブロック１４と放熱シート１７を隙間無く密着させることができる場合には、放熱ブロック１４と放熱シート１７の間に、上記隙間のような熱伝導を妨げるものが無いので、放熱ブロック１４から放熱シート１７への熱伝導効率は良く、このことにより、放熱ブロック１４から放熱シート１７を介してケース１６へ伝搬する熱伝導効率を格段に向上させることができる。
【００３６】
さらに、同一の基板１内に複数の発熱素子２が互いに間隔を介して設けられる場合があるが、それら全ての発熱素子２にそれぞれ上記したような放熱構造を設け、各放熱構造の放熱ブロック１４の高さを揃え、それら複数の放熱ブロック１４をケース１６の内面に接触させることにより、それら放熱ブロック１４は基板１の位置決め用部材として機能することとなり、基板１をケース１６の内部に傾くことなく、所定の形態でもって、配置収容させることができる。
【００３７】
以下に、第２の実施形態例を説明する。
【００３８】
この第２の実施形態例において特徴的なことは、図２に示す空間部２０には高熱伝導性材料２１が充填されていることである。それ以外の構成は前記第１の実施形態例と同様であり、この第２の実施形態例では、前記第１の実施形態例と同一構成部分には同一符号を付し、その共通部分の重複説明は省略する。
【００３９】
この第２の実施形態例では、上記空間部２０は、図２に示されるように、放熱ブロック１４が形成されている基板面１ａと、ケース１６とによって、囲まれている空間部であり、上記高熱伝導性材料２１は熱伝導率に優れた絶縁体である高熱伝導性樹脂（例えば、シリコン系の樹脂）である。この高熱伝導性材料２１によって基板１はケース１６に接着固定されている。
【００４０】
この第２の実施形態例によれば、上記空間部２０に高熱伝導性材料２１が充填されているので、放熱ブロック１４の熱は直に放熱シート１７に伝搬されてケース１６に放熱されるだけでなく、上記高熱伝導性材料２１を介して放熱シート１７に伝搬されてケース１６に放熱させることができることとなり、つまり、放熱ブロック１４からケース１６への熱伝導通路の断面積が前記第１の実施形態例の構成に比べて増加した状態となり、放熱ブロック１４からケース１６への熱伝導効率を格段に向上させることができる。このことから、発熱素子２の放熱性をより良くすることができる。
【００４１】
また、この第２の実施形態例では、高熱伝導性材料２１が樹脂により構成され、その高熱伝導性材料２１を用いて基板１はケース１６に接着固定されているので、図１の（ａ）に示したような基板１を固定するための爪１８をケース１６に設ける必要が無くなり、ケース１６に基板固定用爪を設ける場合に比べて、ケース１６の形状を簡単にすることができてケース１６の価格を安価にすることが可能となる。
【００４２】
なお、この発明は上記各実施形態例に限定されるものではなく、様々な実施の形態を採り得る。例えば、上記各実施形態例に示したモジュールでは、放熱ブロック１４はケース１６の内面に接触させる構成であったが、上記放熱ブロック１４をケース１６の内面に接触させなくともよい。例えば、上記第２の実施形態例の如く、空間部２０が高熱伝導性材料２１によって充填されている場合には、放熱ブロック１４をケース１６の内面に接触させなくとも、上記高熱伝導性材料２１を介して放熱ブロック１４の熱がケース１６に伝搬され易いので、放熱ブロック１４をケース１６の内面に接触させた場合と同様に、放熱ブロック１４からケース１６に熱を放熱させることができる。
【００４３】
また、上記各実施形態例では、ケース１６は金属材料によって構成されていたが、ケース１６を金属以外の材料によって構成してもよい。さらに、上記各実施形態例では、放熱シート１７は絶縁材料によって構成されていたが、例えば、放熱ブロック１４がセラミックス等の絶縁材料によって構成されている場合等のように、基板１に形成された回路とケース１６とが導通接続するという心配が殆ど無い場合には、上記放熱シート１７を導電性材料によって構成してもよい。
【００４４】
さらに、上記各実施形態例では、放熱ブロック１４は放熱シート１７を介してケース１６に間接的に接触していたが、例えば、放熱ブロック１４とケース１６のうちの一方が絶縁材料によって構成されている場合のように、基板１に形成された回路とケース１６とが導通接続するという心配が殆ど無い場合には、放熱シート１７を省略し、放熱ブロック１４を直接的にケース１６に接触させてもよい。
【００４５】
さらに、上記放熱用貫通孔１１の数は、図１の（ｂ）に示す例では、５個であったが、この放熱用貫通孔１１は数に限定されるものではなく、適宜の数を設けることができるものである。さらに、図１の（ｂ）に示す例では、上記放熱用貫通孔１１は、孔断面形状が円形状であったが、放熱用貫通孔１１の孔断面形状は限定されるものではなく、例えば、スリット状や多角形状等の様々な形状を採り得る。
【００４６】
さらに、上記各実施形態例では、発熱素子２は樹脂パッケージ３内に収容されていたが、本発明は、発熱素子２が露出した状態で基板１に実装される場合にも適用することができる。
【００４７】
【発明の効果】
この発明によれば、発熱素子が実装される基板には上記発熱素子の搭載領域面からその直下の反対側の基板面に貫通する放熱用貫通孔が形成され、また、発熱素子の搭載領域面の反対側の基板面には放熱ブロックが設けられており、発熱素子の熱は上記放熱用貫通孔を通る経路で上記放熱ブロックに伝搬されて放熱される構成であるので、従来例に示したベタパターンのように、放熱用の部材を発熱素子が実装される基板面上に広く形成する必要が無く、発熱素子の放熱構造によって基板の部品実装密度が低下してしまうという問題を防止することができる。
【００４８】
また、この発明の発熱素子の放熱構造は、前記ヒートシンクのような高価な部品を用いることなく、構成することができることから、発熱素子を内蔵したモジュールの価格上昇を抑制することができる。
【００４９】
さらに、上記放熱ブロックは発熱素子の搭載領域面の反対側の基板面上に形成されており、発熱素子を内蔵したモジュールでは、その放熱ブロックの形成基板面とケースとの間に必ず間隔が設けられることから、放熱ブロックを形成するための空間をわざわざ設ける必要が無く、発熱素子の放熱構造を有するモジュールの大型化を防止することができる。
【００５２】
本発明において特徴的な発熱素子の放熱構造を有するモジュールにおいて、放熱ブロックをモジュールのケースに接触させ、発熱素子から放熱ブロックの伝搬された熱を上記ケースに放熱する構成のものにあっては、放熱ブロックから、表面積が格段に広いケースに発熱素子の熱が伝熱されることから、発熱素子の放熱性をより一層向上させることができる。
【００５３】
放熱ブロックが形成されている基板面とケースとによって囲まれている空間部に、高熱伝導性材料が充填されているモジュールにあっては、放熱ブロックからケースに熱をより効率良く伝搬することができることとなり、発熱素子の放熱性を格段に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態例において特徴的な発熱素子の放熱構造を有したモジュールを模式的に示す断面図である。
【図２】第２の実施形態例において特徴的な発熱素子の放熱構造を有したモジュールを模式的に示す断面図である。
【図３】従来の発熱素子の放熱構造例を示す説明図である。
【符号の説明】
１  基板
２  発熱素子
３  樹脂パッケージ
１０  フィン
１１  放熱用貫通孔
１２  伝熱材料
１４  放熱ブロック
１５  回路構成部品
１６  ケース
１７  放熱シート
２０  空間部
２１  高熱伝導性材料
【図１】
0003733783.tif 000002
【図２】
0003733783.tif 000003
【図３】
0003733783.tif 000004