JP2000503486A - はんだ接合電子モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電子制御モジュール（１０）は、複数の熱バイア（３６）を含む回路基板（１２），および熱バイア（３６）に装着された発熱電子素子（２６）を含む。回路基板（１２）は、金属ベースプレート（１４）を覆う電気絶縁層（１６）上の選択した位置に配置された複数の電気絶縁熱装着パッド（２０）によって、実装プレート（１８）に装着される。はんだ層（２２）が、複数の熱バイア（３６）を複数の熱接着パッド（２０）に機械的に装着し、電子素子（２６）が発生する熱の熱消散経路を与えるという双方の機能を行う。熱は、回路基板（１２）から、複数の熱装着パッド（２０）を通じて金属ベースプレート（１４）に転移する。

Description

【発明の詳細な説明】 はんだ接合電子モジュール 発明の分野 本発明は、一般的に、大量の熱を発生する可能性がある電子素子を含む電子モ ジュールに関し、更に特定すれば、発熱電子素子が密集したプリント回路ボード を、熱消散面に実装する方法に関するものである。 発明の背景 自動車の用途に用いられる電子モジュールは、プリント回路ボードに実装され た電子素子を用いる場合が多い。電子素子は、典型的に、プリント回路ボードに はんだ付けされ、プリント回路ボードの表面を覆う金属トレースに電気的に結合 されている。典型的に、自動車制御用途では、数個の大型パワー・トランジスタ がプリント回路ボードに実装されている。生産コストを削減するためには、自動 車制御用途を対象とした電子モジュールにおいて、ＴＯ−２２０素子のような、 標準的なパッケージ化素子を利用することが望ましい。例えば、点火制御システ ムのような自動車用途では、ＴＯ−２２０パワー・トランジスタは、典型的 に、点火コイル・ドライバとして用いられる。ＴＯ−２２０素子は、通常動作の 間に大量の熱を発生する可能性がある。パワー・トランジスタの温度が破壊的レ ベルに上昇するのを抑えるために、熱消散構造を用いてトランジスタから熱を導 出するのが一般的である。その方法の１つに、プリント回路ボードの対向面にビ ート・シンクを固着し、パワー・トランジスタによって発生される大量の熱を消 散する手段を提供するものがある。 従来技術の熱消散技法では、プリント回路基板は金属製のヒート・シンク・プ レートに接着状に接合される。ヒート・シンク・プレートは、通常高い熱伝導性 を有し、周囲環境への主要な熱放射器となる。プリント回路ボード上に実装され ている電子素子からヒート・シンク・プレートに熱を効果的に転移させるには、 電子素子およびヒート・シンク・プレート間の全熱抵抗を最小に抑えなければな らない。接着接合層(adhesive bonding layer)は、典型的に、プリント回路ボー ドのヒート・シンクに装着するための主要な役割を果たす有機ポリマである。電 子素子の下にはバイアのアレイを配置し、素子からの熱消散性を高めようとする のが、一般的な慣習である。しかしながら、接着接合層は、電子素子およびヒー ト・シンク間の熱抵抗の大部分を占める。 電子モジュールは、高温の周囲環境において機能することが求められる場合が 多い。この環境では、電子モジュー ル内の電子素子によって、大量の電力が消散されなければならない。充填有機ポ リマ(filled organic polymer)等のような一般的に入手可能な接着接合物質では 、その熱抵抗が余りに大きく、十分な熱の量を消散できないので、電子モジュー ルの動作の間、過剰な素子温度を防止することができない。したがって、熱装着 機構を更に発展させ、発熱電子素子を含む電子モジュールの温度制御を改善する ことが求められている。 図面の簡単な説明 第１図は、本発明による回路基板および実装プレート装着の断面分解組立図を 示す。 第２図は、本発明にしたがって構成された、組み立て後の電子モジュールを断 面図で示す。 尚、図の簡略化および明確化のために、図面に示す素子は必ずしも同一拡縮率 で描かれてはいないことは認められよう。例えば、素子の中には、その寸法が互 いに対して誇張されているものもある。更に、適切であると考えられた場合、図 面間で同一参照番号を繰り返し、対応する素子を示すこととした。 好適実施例の詳細な説明 本発明は、回路基板内の複数の熱バイア（thcrmal via）を、実装プレート上 の電気的に分離された熱装着パッドにはんだ装着することにより、回路基板を実 装プレートと熱的に結合する電子モジュールに関する。電子モジュールの動作中 、パワー・トランジスタ等のような発熱電子素子からの放出熱は、熱バイアを通 って実装プレートに消散される。回路基板内の熱バイアは、発熱素子の下に位置 し、回路基板の上面および下面にて終端する。熱バイアは、単一構造とすること も、集合化してバイアのアレイとすることも可能である。めっき層が各熱バイア を横断し、回路基板の上下面のバイア周囲部分を覆う。実装プレート上の熱装着 パッドは、回路基板内の熱バイアの位置と対応するように位置付けられ、回路基 板の下面上のめっき層にはんだ付けされる。本発明の電子モジュールは、回路基 板上に実装された電子素子が発生する熱を、効果的に周囲に消散させる。 図１に示す分解組立図は、本発明による、回路基板１２を実装プレート１８に 装着する方法を例示するものである。実装プレート１８は、金属ベースプレート １４を覆う電気絶縁層１６を含む。回路基板１２は、はんだ層２２によって電気 絶縁層１６上に配置された、熱装着パッド２０に装着されている。好ましくは、 回路基板１２は、「ＦＲ４」，ポリイミド物質，およびその組み合わせのような 、プリント回路ボードに一般的に用いられている従来からの絶縁物 質で製造する。加えて、回路基板１２は、グリーン・シート物質(green sheet m aterial)の連続層を積層することによって製造する多層プリント回路ボードとす ることも可能である。 金属ベースプレート１４は、好ましくは、アルミニウム，銅等のような、熱消 散金属である。電気絶縁層１６は、好ましくは、「ＴＨＥＲＭＡＬ ＣＬＡＤ」 という商標で販売されミネソタ州MinneapolisのBergquist Companyから入手可能 な、誘電体金属実装板に用いられるもののような熱伝導性電気絶縁物質である。 あるいは、実装プレート１８は、アルミナおよびはんだ可能な金属を金属ベース プレート１４上に熱的に堆積することによって形成することができる。熱堆積プ ロセスは、フレーム溶射(flame spraying)のような溶射，およびスパッタリング のような真空蒸着を含む。 熱装着パッド２０は、電気絶縁層１６の上に位置するはんだ可能金属層を含む 。はんだ可能金属層は、金，銅等のような、はんだ可能面を有するいずれかの金 属またはかかる金属の組み合わせとすることができる。加えて、はんだ可能金属 層は、はんだ可能金属コーティングを有する酸化金属を含む複合材料(composite )とすることも可能である。例えば、錫フラッシュめっき(tin flashing)または 錫／鉛はんだコーティングを有するいずれかの金属とすることができる。 ここで注記すべき重要事項は、熱装着パッド２０が、回 路基板１２から金属ベースプレート１４への熱の消散のための熱経路，および回 路基板１２を実装プレート１８に装着する手段の双方を与えることである。熱装 着パッドは電気絶縁層１６上に位置するが、回路基板１２に実装された素子間の 全体的な熱抵抗は、従来技術の接着状に接合された構造におけるよりも大幅に小 さい。これは、絶縁層１６の厚さが、従来技術においてプリント回路基板を金属 ヒート・シンク・プレートに接着するために用いられる接着剤の厚さよりも大幅 に小さいからである。 熱装着パッド２０を電気絶縁層１６上に配置し、回路基板１２内に形成された 複数の熱バイア３６とこれらを整合させる。熱バイア３６は、４０で示すような 、上側素子面３２から下側実装面３８まで延びる単一のバイア，または４２で示 すような、各々素子面３２から実装面３８まで延びる複数の小径化したバイアの いずれかとすることができる。複数のバイアは、規則的なアレイに集合化し、回 路基板１２内の様々な場所に位置付けることができる。例えば、基板装着の機械 的強度を高めるためには、バイアのアレイを回路基板の角付近に位置付けること ができる。高い機械的強度を必要とする場合、電子素子の場所には無関係に、複 数の熱バイアを配置することができる。更に、熱消散性を改善するためには、バ イアのアレイを回路基板１２の角付近に位置付けることができる。 特定の構成には関わらず、各熱バイアは、回路基板１２ 内に形成された開口４６の内面を覆うめっき層４４を含む。めっき層４４は、回 路基板１２の上側素子面３２および下側面３８の開口４６付近の部分を覆う。熱 装着パッド２０の熱バイア３６との整合により、回路基板１２の素子面３２上の 電子素子が発生する熱を、実装プレート１４に効果的に転移させる。 複数の相互接続ランド４５が、回路基板１２の上側素子面３２の上に位置する 。ランドは、これも素子表面３２の上に位置する相互接続トレース（図示せず） のパターンに接続されている。相互接続トレースは、回路基板１２上に実装する 電子素子を電気的に結合する。はんだマスク２５が、回路基板１２の下側実装面 ３８上に形成されている。はんだマスク２５は、実装面３８上の不連続層であり 、各熱バイアのめっき層周囲に開口を含み、熱バイア３６の熱装着パッド２０へ の装着を可能にする。 オプションの実施例では、接着層２４を電気絶縁層１６上に配置する。接着層 ２４は開口２７を含み、これが熱装着パッド２０の熱バイア３６への接触を可能 にする。接着層２４は、回路基板１２を一時的に実装プレート１８に装着するた めに設けられ、実装面３８上のはんだマスク２５に装着されている。接着層２４ は、ダイ・カット・ポリマ・シート(die-cut polymer sheet)，スクリーン印刷 接着剤のような感圧接着剤，またはエポキシ，アクリル樹脂，シリコーン等のよ うな堆積接着剤(deposited adhesive) とすることができる。以下で説明するが、感圧接着剤は、はんだ層２２を加熱し 、回路基板１２の下に位置するめっき層４４に冶金接合(metallurgical bond)を 形成する前に、一時的な装着を行う。 本発明の一実施例にしたがって組み立てられた電子モジュール１０の断面図を 第２図に示す。回路基板１２には、複数の発熱電子素子２６および複数の制御素 子２８，３０が密集している。典型的に、本発明の熱消散特性を必要とする電子 モジュールは、多数のパワー・トランジスタを内臓し、その各々が通常動作にお いて大量の熱を発生する可能性がある。制御素子２８，３０は、回路基板１２の 素子面３２上の相互接続トレース（図示せず）によって、パワー・トランジスタ に電気的に結合されている。 発熱電子素子２６は、パッケージ・リード３４によって、相互接続トレースに 電気的に接続されている。各発熱電子素子２６は、回路基板１２内に位置する熱 バイア３６に装着されている。本発明の一実施例では、電子素子２６は、ＴＯ− ２２０パワー・トランジスタのような、パワー・トランジスタである。しかしな がら、電子素子２６は、インテリジェント回路の出力トランジスタのような出力 駆動回路，検出用抵抗，演算増幅器に結合された線型ドライバ，または電子素子 に電気的に結合されているあらゆるタイプの発熱回路等とすることができる。 第２はんだ層４８が、発熱電子素子２６を、実装面３８ の上に位置するめっき層４４の部分に装着する。この装着は、機械的、熱的、お よび電気的接続を、電子素子２６および熱バイア３６のめっき層４４間に形成す る。熱バイアは、補助電気回路の一部とすることもでき、電子素子に接地接続等 を与えることを、当業者は認めよう。さらに、熱装着パッド２０を相互接続し、 熱バイア間に電気経路を設けることも可能である。 動作において、制御素子２８は電子素子２６を活性化し、電子素子に大量の熱 を発生させる。例えば、電子モジュール１０が自動車の点火コイル・システムの 素子である場合、電子素子２６は点火コイル駆動素子として動作する。この駆動 素子は、制御素子２８，３０からの信号によって活性化される。コイル駆動素子 が活性化されると、駆動素子から発生した熱は、第２はんだ層４８，熱バイア３ ６，はんだ層２２，熱装着パッド２０，および最後に電気絶縁層１６を通じて金 属ベースプレート１４に順次転移することによって消散する。 回路基板１２を実装プレート１８に冶金はんだ接合によって接続し、熱抵抗を 従来の接着接合技法よりも大幅に低下させることを注記するのは重要である。従 来技術の充填接着剤を用いて、ＴＯ−２２０パワー・トランジスタを支持するプ リント回路ボードを熱消散面に装着する方法では、熱抵抗が１ワット当たり約２ ．７５ないし３．７５℃となる。対照的に、本発明のＴＯ−２２０が密集するプ リント 回路ボードは、溶射実装プレートまたはBcrgquistの「THERMAL CLAD」実装プレ ートのいずれかを用い、１ワット当たり約０．４ないし０．８℃の熱抵抗を得る 。本発明によって得られる熱転移能力の向上は、プリント回路ボードに実装され たパワー・トランジスタおよびその他の発熱電子素子の温度上昇を効果的に制御 するものである。ＴＯ−２２０素子の温度上昇は、本発明のボード装着構造によ って得られる熱抵抗に直接比例する。 本発明の更に別の特徴は、電子モジュール１０の組み立ての代表的な製造プロ セスの説明によって一層深く理解することができよう。製造プロセスは、金属ベ ースプレート１４の上面上に電気絶縁層１６を形成することによって開始する。 電気絶縁層１６は、溶射セラミック物質(thermally sprayed ceramic material) ，陽極酸化層(anodization layer)，熱伝導性充填ポリマ(thermally-conductive filled polymer)等とすることができる。 一旦電気絶縁層１６を適所に配置したなら、熱装着パッド２０を、電気絶縁層 １６の表面上の選択した位置に形成する。実装プレート１８を用意する際、金属 箔を絶縁層１６に積層する。次に、箔にマスクを施し、エッチング・プロセスを 実施することにより、金属箔の部分を除去し、金属のエッチングされなかった領 域を残す。エッチングされなかった領域が、本発明の複数の熱装着パッドを構成 する。あるいは、熱装着パッド２０は、電気絶縁層１６の表面に 予め規定した核形成部位(nucleation site)に金属を選択的に堆積することによ っても形成可能である。更に別の代替案では、選択堆積プロセスを用いて、所定 の領域に金属層をめっきすることも可能である。この場合、選択堆積プロセスと 同様に、特別に規定した核形成領域を用いる。 次に、はんだペーストを金属層２０に塗布し、熱バイア３６を、はんだが被覆 された金属層２０に整合することによって、回路基板を実装面に実装する。次い で、回路基板１２の素子面３２にはんだペーストを塗布し、電子素子を素子面３ ２上に配置する。はんだペーストを塗布した後、アセンブリ全体にはんだリフロ ー処理を行い、回路基板１２の金属層２０への永久装着と同時に、電子素子を素 子面３２にはんだ付けする。このように、単一のプロセス工程において、電子素 子２６を回路基板１２に装着し、回路基板自体を実装プレート１４に装着する。 前述のように、オプションのプロセス方法では、はんだリフロー処理の間回路 基板１２のずれを防止するために、接着層２４を電気絶縁層１６の表面上に配す る。冶金はんだ接合がはんだ層２２によって形成されるまで、感圧接着剤が一時 的に回路基板１２を適所に保持する。 以上のように、本発明によれば、先に明記した利点が全て得られるはんだ接合 電子モジュールが提供されたことは明白である。本発明の説明は、その特定的な 代表実施例を参照しながら行ったが、これら代表実施例に本発明が限定 されることを意図するものではない。当業者は、本発明の精神から逸脱すること なく、変様や変更が可能であることを認めよう。例えば、Ｄ−ＰＡＣＫ，Ｄ２− ＰＡＣＫ，ＨＳＯＰパッケージ素子等，または下面上に露出されはんだ可能な熱 タブを有する同様のあらゆる素子のような、多くの異なる種類の発熱電子素子を 、回路基板上に実装することが可能である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クリストファー，ゲイリー・エル アメリカ合衆国イリノイ州フォックス・リ バー・グローブ、フォックスムアー・ロー ド244 (72)発明者 アンダーソン，デビッド・ジェイ アメリカ合衆国イリノイ州オーク・ロウ ン、サウス・コルマー10713 (72)発明者 トメイス，ヨセフ・ピー アメリカ合衆国イリノイ州リバティービ ル、リバティー・ベル・レーン723

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．電子モジュールであって： 熱バイアが貫通形成された回路基板； 前記熱バイアの上面上に位置する発熱電子素子； 金属ベースプレート； 前記金属ベースプレートを覆う電気絶縁層； 前記電気絶縁層上に位置する熱装着パッド；および 前記熱装着パッド上に位置するはんだ層； から成り、前記はんだ層が、前記熱バイアを前記熱装着パッドに熱的に結合し、 前記回路基板を実装プレートに装着することを特徴とする電子モジュール。 ２．前記熱バイアは： 前記回路基板内の開口であって、前記回路基板の上面から前記回路基板の下面 まで延びる内面を有する開口；および 前記開口の近傍において、前記内面，および前記回路基板の前記上下面の一部 分を覆う金属めっき層； から成ることを特徴とする請求項１記載の電子モジュール。 ３．前記回路基板下面の一部分上に位置するはんだマスク；および 前記はんだマスクおよび前記電気絶縁層の部分の中間位 置において、前記電気絶縁層上に位置する接着層； を更に備えていることを特徴とする請求項２記載の電子モジュール。 ４．前記回路基板上に配された相互接続トレース；および 前記相互接続トレースによって前記発熱電子素子に電気的に結合された制御回 路； を更に備え、前記制御回路は前記発熱電子素子を作動させ、前記発熱電子素子か ら熱を放出させ、該放出させた熱は前記熱バイアを通じて前記実装プレートに消 散されることを特徴とする請求項１記載の電子モジュール。 ５．電子モジュールであって： 複数の発熱電子素子が密集するプリント回路ボードであって、各発熱電子素子 が、前記プリント回路ボードを貫通する複数の熱バイア上に位置するプリント回 路ボード； 金属ベースプレートを含み、その上に電気絶縁層を有する実装プレート；およ び 前記電気絶縁層上の選択した位置にあり、前記複数の発熱電子素子を前記実装 プレートに熱的に結合する複数の熱装着パッド； から成り、前記複数の熱装着パッドの各々は、はんだ層によって前記複数の熱 バイアに接合され、前記複数の熱装着パッドは、前記プリント回路ボードを 前記実装プレートに装着することを特徴とする電子モジュール。 ６．前記複数の発熱電子素子に電気的に結合された制御回路を更に備え、 前記制御回路は、前記複数の発熱電子素子を作動させ、 前記複数の発熱電子素子からの熱は、前記複数の熱バイアを通じて前記実装プ レートに転移されることを特徴とする請求項５記載の電子モジュール。 ７．各熱バイアは前記回路基板内の開口を含み、該開口は前記回路基板の上面か ら前記回路基板の下面まで延びる内面，ならびに前記内面および前記回路基板の 前記上下面の前記開口付近の部分を覆う金属めっき層を有し、複数のパワー・ト ランジスタの各々はめっき層に接合されていることを特徴とする請求項５記載の 電子モジュール。 ８．電子モジュールであって： 実装面に対向する素子面を有する多層プリント回路ボード； 前記素子面から前記実装面まで前記多層プリント回路ボードを貫通するめっき バイア； 前記めっきバイアに装着された発熱電子素子； 熱伝導性電気絶縁物を上に有するアルミニウム実装プレー ト； 前記熱伝導性電気絶縁物上に位置するはんだ可能金属層；および 前記銅層上に位置するはんだ層； から成り、前記はんだ層は前記めっきバイアを前記銅層に熱的に結合し、 前記はんだ層は前記多層プリント回路ボードを前記アルミニウム実装面に装着 することを特徴とする電子モジュール。 ９．前記多層プリント回路ボードの前記素子面上に配され、前記発熱電子素子に 電気的に結合された制御回路； を更に備え、前記制御回路は前記発熱電子素子を作動させ、前記発熱電子素子か らの熱を、前記めっきバイアを通じ、かつ前記熱伝導性電気絶縁物質を通じて前 記アルミニウム実装プレートに転移させることを特徴とする請求項８記載の電子 モジュール。 １０．前記電子モジュールは複数のめっきバイアを含み、前記はんだ可能金属層 は、前記複数のめっきバイアに対応する場所に、前記熱伝導性電気絶縁物質上に 位置する複数の銅パッドとして構成されていることを特徴とする請求項８記載の 電子モジュール。 １１．前記複数のめっきバイアの各々は： 前記多層プリント回路ボード内の開口であって、前記素子面から前記実装面ま で延びる内面を有する開口；および前記内面，ならびに前記開口付近の前記素子 面の部分および前記実装面の部分を覆う金属めっき層； から成ることを特徴とする請求項１０記載の電子モジュール。