JP3842887B2

JP3842887B2 - ハイブリッドモジュール

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Publication number: JP3842887B2
Application number: JP01934998A
Authority: JP
Inventors: 一高鈴木; 直人成田; 義明上山; 一樹八木
Original assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Current assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Priority date: 1998-01-30
Filing date: 1998-01-30
Publication date: 2006-11-08
Anticipated expiration: 2018-01-30
Also published as: JPH11220227A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回路パターンが形成された回路基板に、積層コンデンサや積層インダクタ等のチップ部品や、半導体部品等の回路部品を実装して電子回路を形成するハイブリッドモジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のハイブリッドモジュールとしては、図５に示すようなものが知られている。図５は、従来のハイブリッドモジュールを示す側面断面図である。このハイブリッドモジュール１００は、回路基板１０１上にチップ状電子部品１０２及び発熱性を有する半導体素子等の回路部品１０３を実装したものである。この回路基板１０１は、熱伝導性がよい窒化アルミニウム系のセラミックからなる。チップ状電子部品１０２は回路基板１０１上に形成された回路パターン１０６に半田付けされている。また、回路部品１０３は、半田バンプ１０３ａを介して回路パターン１０６上に接合されている。チップ状電子部品１０２は、例えば積層コンデンサであり、回路部品１０３は、例えばＦＥＴである。回路基板１０１の側面には、親回路基板Ｓと接続するための複数の端子電極１０１ａが形成されている。この端子電極１０１ａは、親回路基板Ｓに形成された回路パターンＳｐに半田付けされている。また、回路基板１０１の親回路基板Ｓと対向する主面１０１ｂは、親回路基板Ｓに形成された導体膜Ｓｆを介して接合されている。この導体膜Ｓｆは、ハイブリッドモジュール１００の熱を親回路基板Ｓに効率的に伝導するためのものであり、熱伝導性の良好な部材からなる。このハイブリッドモジュール１００では、回路基板１０１に実装された回路部品１０３から発生する熱が、回路基板１０１及び導体膜Ｓｆを介して親回路基板Ｓ或いはグランドなどの広いエリアを有する導体膜へと伝導され、放熱される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このハイブリッドモジュール１００は、回路部品１０３に発生する熱は回路部品１０３の半田バンプ１０３ａを介して回路基板１０１に伝導され、さらに、この熱が回路基板１０１及び導体膜Ｓｆを介して親回路基板に伝導されるため、熱伝導が効率的でないという難点があった。一方、窒化アルミニウム系セラミックは、一般的なアルミナ系の基板材料に比べて高価であり、経済性に欠けるという難点があった。
【０００４】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、放熱性に優れるとともに小型化に適したハイブリッドモジュール及びその製造方法並びにその実装方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、回路基板と、回路基板上に実装された発熱性を有する回路部品とを備え、この回路基板の主面を親回路基板に対向させて搭載するハイブリッドモジュールにおいて、前記回路基板は親回路基板と対向する主面に設けられた第１の凹部と該第１の凹部底面に設けられた第２の凹部とを有するとともに該第２の凹部の底面には回路パターンが形成され、前記回路部品は該第２の凹部の底面に形成された回路パターンに実装され、前記第１の凹部に付設され前記回路部品の発熱を親回路基板に伝導する放熱板と、該放熱板と前記回路部品とを接着する放熱樹脂とを備えたことを特徴とする。
【０００６】
本発明によれば、回路基板の主面に放熱板が露出するので、発熱性を有する回路部品に発生する熱は、放熱樹脂及び放熱板を介して親回路基板に伝導される。従って、回路部品の発熱を効率的に放熱させることができる。また、放熱板と回路基板は放熱樹脂で接着されているので放熱性に優れたものとなる。さらに、放熱板及び放熱樹脂並びに回路部品が回路基板の主面に設けられた第１の凹部及び第２の凹部に収容されるので、ハイブリッドモジュールの小型化を図ることができる。さらに、回路基板の主面には２段構造の凹部となる第１の凹部及び第２の凹部が形成されているので、放熱板を接着する際に該放熱板が第１の凹部底面に規制され、放熱樹脂の厚みが安定化する。これにより熱抵抗が安定する。
【０００７】
本発明の好適な態様として、請求項２では、前記第２の凹部は、第２の凹部底面からの回路部品の高さより所定値だけ小さい或いは等しい深さを有することを特徴とするものを挙げる。
【０００８】
このようなハイブリッドモジュールでは、放熱板を接着する際に放熱板と回路部品との間に介在する放熱樹脂の厚みが安定化するので、熱抵抗が安定する。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態にかかるハイブリッドモジュール及びその製造方法並びにその実装方法について図１〜図３を参照して説明する。本実施の形態では、高周波電力増幅用のハイブリッドモジュールについて説明する。図１は、高周波電力増幅用のハイブリッドモジュールを示す外観斜視図、図２はハイブリッドモジュールの側面断面図、図３は図２の一部を拡大したハイブリッドモジュールの側面断面図である。
【００３０】
このハイブリッドモジュール１０は、図１及び図２に示すように、回路基板１１と、回路基板１１に実装された複数のチップ状電子部品１２と、発熱性を有する半導体素子等の回路部品１３と、回路部品１３に発生する熱を親回路基板Ｓに伝導させる放熱板１４を主たる構成要素とする。このハイブリッドモジュール１０の外観寸法としては、例えば、約７ｘ７ｘ２ｍｍ³である。
【００３１】
回路基板１１は、図２に示すように、直方体形状のアルミナを主体としたセラミック製の多層基板からなる。この回路基板１１は、例えば４層構造となっており、表面及び内層には回路パターン１６及びビアホールが形成されている。また、回路基板１１の側面には前記回路パターン１６と接続し、親回路基板Ｓに接続するための端子電極１１ａが付設されている。さらに、回路基板１１の底面、即ち、親回路基板Ｓに実装する際に親回路基板Ｓと対向する主面１１ｂには、回路部品１３及び放熱板１４を収容するための凹部１５が形成されている。この凹部１５は、２段階構造を有しており、主面１１ｂに形成された第１の凹部１５ａと、第１の凹部１５ａの底面にこれよりもやや小さく形成された第２の凹部１５ｂとからなる。第２の凹部１５ｂの底面には、回路部品１３を実装するための回路パターン１６が形成されている。
【００３２】
チップ状電子部品１２は、ハイブリッドモジュール１０を構成する電子部品であり、例えば、積層コンデンサや、積層インダクタ等である。このチップ状電子部品１２は、前記主面１１ｂとは反対側の面に形成された回路パターン１６に実装されている。
【００３３】
回路部品１３は、発熱性を有する半導体素子等からなり、例えばＧａＡｓＭＥＳ型ＦＥＴ等である。この回路部品１３は複数の端子電極を備えており、各端子電極は第２の凹部１５ｂに形成された回路パターン１６に接続されている。回路部品１３と第２の凹部１５ｂの底面との間であって、回路部品１３の端子電極が形成されていない部位には、封止樹脂１７が充填されている。
【００３４】
ここで、回路部品１３の端子電極と回路パターン１６との接続としては、例えば、以下のようなものが挙げられる。例えば、半田付けによる接続や、導電性樹脂を用いた接続や、異方導電性樹脂（ＡＣＦ）を用いた接続や、回路パターン１６上に金（Ａｕ）を用いたボールバンプを形成し超音波併用熱圧着して行う接続等である。
【００３５】
上記導電性樹脂を用いた接続は、安価であり、導電性樹脂によって応力を吸収できるため高信頼性が得られるという効果がある。また、異方導電性樹脂を用いた接続では、封止樹脂１７が不要となり、コストの低減を図ることができる。
【００３６】
また、上記回路パターン１６上にボールバンプを形成し超音波併用熱圧着する接続では、ドライプロセスであることから、メッキ液による回路部品１３へのダメージが少ない。また、設備コストを低減できることができるとともに、回路基板１１への実装作業時間が短縮できる。即ち、実装コストを低減できる。さらに、Ａｕ−Ａｕ接合なので接触抵抗が少なく高信頼性を得られる。
【００３７】
また、上記半田付けによる接続では、セルフアラインメントにより位置補正されるため、実装精度を必要としない。また、実装時に低荷重で実装できるため回路部品１３へのダメージが少ない。さらに、半田バンプにより応力吸収できるため高信頼性を得られる。
【００３８】
封止樹脂１７は、回路部品１３に水分を浸入するのを防ぐとともに、回路部品１３を回路基板１１に固着することを主たる目的とするものである。この封止樹脂１７としては、例えばエポキシ系のものが用いられる。
【００３９】
放熱板１４は、前記第２の凹部１５ｂの開口部を覆い被せることが可能で、かつ、第１の凹部１５ａに収まる幅及び長さを備えた板状部材である。即ち、凹部１５内の段差に嵌合する大きさである。この放熱板１４は熱伝導性の高い材料から形成されており、例えば４２アロイ（ニッケル：鉄＝４２：５８の合金）から形成されている。放熱板１４の表面は、研磨により所定の表面粗さを備えている。例えば、平均算術粗さが１．０μｍである。さらに、この放熱板１４の表面は、半田濡れ性を向上させるためにメッキ処理が施されている。このメッキ処理としては、例えばＡｕメッキである。この放熱板１４は、放熱樹脂１８を接着剤として回路部品１３の表面に接着されている。
【００４０】
放熱樹脂１８は、放熱板１４を回路部品１３に固着させるとともに、回路部品１３に発生する熱を放熱板１４に効率的に伝導させるためのものである。この放熱樹脂１８としては、熱伝導率の良好なものから形成されており、例えばセラミックのフィラーが入ったシリコン系のものが用いられる。この放熱樹脂１８は、前述したように回路部品１３と放熱板とを接着するとともに、放熱板１４側方と第１の凹部１５ａ側壁との間及び回路部品１３側方と第２の凹部１５ｂとの間をも充填している。
【００４１】
ハイブリッドモジュール１０には、上面を覆うように箱状のケースＣが付設されている。このケースＣは金属ケースであり種々のノイズの侵入及び放射を防止する。
【００４２】
このハイブリッドモジュール１０では、回路基板１０に形成された第１の凹部１５ａ等の大きさは、以下のように規定されている。
【００４３】
まず、第２の凹部１５ｂについて説明する。図３に示すように、第１の凹部１５ａの底面に開口する第２の凹部１５ｂは、第２の凹部１５ｂの側壁と回路部品１３とが所定間隔Ｄ１を有するような幅及び長さに規定される。ここで所定間隔Ｄ１は、第２の凹部１５ｂに回路部品１３を搭載する際に、該凹部１５ｂへの収容が容易で、かつ、搭載位置決めが容易となるように設定される。より具体的には、前記所定間隔Ｄ１が０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下となることが望ましい。また、第２の凹部１５ｂは、回路部品１３を該凹部１５ｂ底面に実装した際に、該凹部１５ｂ底面から回路部品１３の裏面までの高さよりも、所定距離Ｄ２だけ小さく規定される。ここで所定距離Ｄ２は、放熱板１４と回路部品１３とを接着する放熱樹脂１８の厚さが、一定の厚みとなるように設定される。より具体的には、前記所定距離Ｄ２が０ｍｍ以上０．２ｍｍ以下となることが望ましい。尚、第２の凹部１５ｂに回路部品１３が複数実装されている場合にも同様である。また、図２及び図３においてはＤ２＝０であるため図示は省略した。
【００４４】
次に、第１の凹部について説明する。回路基板１１の主面１１ｂに形成された第１の凹部１５ａは、その側壁と第２の凹部１５ｂの縁とが所定距離Ｄ３を有するような幅及び長さに規定される。即ち、第２の凹部１５ｂよりも開口部の幅及び長さが所定距離Ｄ３だけ大きく規定される。より具体的には、前記所定距離Ｄ３が０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下となることが望ましい。また、第１の凹部１５ａは、放熱板１４の厚さに対して所定範囲となるような深さに規定される。この所定範囲は、放熱板１４の表面が回路基板１１の主面１１ｂと略面一となるように規定されている。より具体的には、前記所定範囲が−０．１ｍｍ以上＋０．１ｍｍ以下であることが望ましい。
【００４５】
次に、このハイブリッドモジュール１０の製造方法について説明する。まず、以下のようにして回路基板１１を製造する。即ち、アルミナ系のセラミック材料が分散するスラリーを作成する。次に、このスラリーからドクターブレード法等を用いて複数のセラミックグリーンシートを作成する。次に、各セラミックグリーンシートの所定部位に必要に応じてビアホールを形成した後にスクリーン印刷法等により回路パターンを形成する。さらに、このセラミックグリーンシートを積層したときに、この積層体に凹部が形成されるように、対応するセラミックグリーンシートに孔を形成する。この孔の形成方法としては、例えばパンチによる打ち抜き等である。また、ここでは、セラミックグリーンシート１枚の厚みを前記第１の凹部１５ａ及び第２の凹部１５ｂの深さに対応させるために、第１の凹部１５ａの幅及び長さの孔を打ち抜いたセラミックグリーンシートと、第２の凹部１５ｂの幅及び長さの孔を打ち抜いたセラミックグリーンシートをそれぞれ１枚ずつ用意する。次に、この孔を有するセラミックグリーンシートと有しないものとを、所定の順序で積層してシート積層物を作成する。この後に、このシート積層物を所定温度で焼成し、さらに、これを所定寸法に裁断して回路基板１１を得る。
【００４６】
次に、回路基板１１の第２の凹部１５ｂ底面に形成された回路パターン１６上にボールバンプを形成する。次に、このボールバンプと接続するように、回路部品１３を超音波併用熱圧着等により接続する。次に、第２の凹部１５ｂに、回路部品１３の脇から封止樹脂１７を注入することにより、回路部品１３と第２の凹部１５ｂ底面の間に封止樹脂を充填する。
【００４７】
次に、回路部品１３の表面に放熱樹脂１８を注入する。この後に、第１の凹部１５ａに放熱板１４を載置するとともに回路部品１３方向に押圧し、接着する。これにより、放熱板１４側方や、回路部品１３の側方にも放熱樹脂１８が充填される。また、接着時に、放熱板１４の端部が第１の凹部１５ａの底面端部、即ち凹部１５の段差部分により規制されるので、放熱板１４と回路部品１８の間の放熱樹脂１８は、安定した厚さに形成することができる。
【００４８】
次に、回路基板１１の上面に、チップ状電子部品１２を半田付けする。最後に、ケースＣを回路基板１１を覆うように付設することにより、ハイブリッドモジュール１０が得られる。
【００４９】
次に、このハイブリッドモジュール１０を親回路基板Ｓに実装する方法について説明する。図１に示すように、親回路基板Ｓの所定箇所には、回路基板１１に付設された端子電極１１ａと接続するための回路パターンＳｐが形成されている。また、ハイブリッドモジュール１０を搭載した際に親回路基板Ｓの放熱板１４と対向する所定箇所には、熱伝導膜Ｓｆが形成されている。ここで、熱伝導膜Ｓｆは親回路基板Ｓ上に回路パターンＳｐと同様に形成された導体膜であり、例えば銅を主成分とするものである。ハイブリッドモジュール１０を親回路基板１０に実装するには、回路基板１１の端子電極１１ａと親回路基板Ｓの回路パターンＳｐ、放熱板１４と前記熱伝導膜Ｓｆとを半田付けして親回路基板Ｓに実装する。
【００５０】
このように、親回路基板Ｓに、ハイブリッドモジュール１０の端子電極１１ａのみを半田付けするのでなく、放熱板１４も半田付けすることにより、回路部品１３に発生した熱が効率的に親回路基板Ｓに伝導される。また、放熱板１４が熱伝導膜Ｓｆに半田付けされているので、ハイブリッドモジュール１０の親回路基板Ｓへの固着強度が向上する。尚、熱伝導膜Ｓｆは、親回路基板Ｓにおいてグランドに接続すると、特に高周波領域において電気特性が安定し、放熱性も向上したものとなる。
【００５１】
以上詳述したように、このハイブリッドモジュール１０によれば、回路部品１３で発生した熱は、その表面から放熱樹脂１８、放熱板１４及び親回路基板Ｓの熱伝導膜Ｓｆを介して親回路基板Ｓに放熱される。ここで放熱板１４は放熱樹脂１８を介して回路部品１３の表面に接続しているので、回路部品１３で発生した熱が効率的に親回路基板Ｓに伝導される。特に、放熱板１４の表面が所定の表面粗さを備えているので、その熱伝導は効率的である。また、放熱板１４にはメッキ処理が施されているので親回路基板Ｓの熱伝導膜Ｓｆとの接合性に優れているので、さらに熱伝導は効率的であるとともに、端子電極１１ａのみによる接続と比較して接合強度に優れたものとなる。また、放熱樹脂１８は、第２の凹部１５ｂにおける回路部品１３との隙間にも充填しているので、さらに放熱性に優れたものとなる。
【００５２】
一方、第１の凹部１５ａ及び第２の凹部１５ｂは、それぞれ前述したような大きさに規定されている。即ち、第２の凹部１５ｂの大きさが、回路部品１３を基準に規定されているので、該凹部１５ｂを必要以上に大きくすることなく回路基板１１の有効活用が可能である。従って、部品の小型化が可能となる。さらに、回路部品１３を第２の凹部１５ｂに搭載する際に位置決め等が容易となるので実装性に優れたものとなる。また、第２の凹部１５ｂの深さも、回路部品１３を基準に規定されているので、回路部品１３と放熱樹脂１８との間に介在する放熱樹脂１８の厚みを安定化することができる。これにより、熱抵抗を安定化することができる。さらに、第１の凹部１５ａの大きさは、第２の凹部１５ｂを基準に規定されているので、該凹部１５ａを必要以上に大きくすることなく回路基板１１の有効活用が可能である。従って、部品の小型化が可能となる。また、第１の凹部１５ａの深さは、放熱板１４の厚みを基準として規定されているので、回路基板１１の主面１１ｂと放熱板１４が略面一となる。即ち、ハイブリッドモジュール１０の底面が平滑となる。これにより、親回路基板Ｓへの実装性に優れたものとなる。特に、放熱板１４と親回路基板Ｓの熱伝導膜Ｓｆとの接合性に優れたものとなる。また、放熱板１４が回路基板１１に埋め込まれているので、放熱板１４と回路基板１１との固着強度が向上したものとなる。
【００５３】
尚、本実施の形態では、高周波電力増幅用の回路部品１３として、ＧａＡｓＭＥＳ型ＦＥＴを用いた。このＦＥＴを用いた場合には、素子内部での電子の移動が速いため素子からの発熱が少ない。また、ＧａＡｓの線膨張係数が６ｐｐｍ／℃とシリコン（Ｓｉ）よりも大きく、回路基板１１、放熱板１４、及び放熱樹脂１８等の線膨張係数と近くなるため、温度変化によって発生する応力が小さい。従って、ハイブリッドモジュールの回路部品１３を構成する素子として適したものである。
【００５４】
一方、このＧａＡｓＭＥＳ型ＦＥＴに替えて、他の素子を用いてもよい。例えば、ＧａＡｓＰＨＥＭＴ型ＦＥＴやＩｎＰ系ＦＥＴ等である。ＧａＡｓＰＨＥＭＴ型ＦＥＴを用いた場合には、素子内部での電子の移動速度がＭＥＳ型ＦＥＴよりも速いため、素子からの発熱をさらに小さくできる。また、ＩｕＰ系ＦＥＴを用いた場合には、素子内部での電子の移動速度がＧａＡｓよりも速いため、素子からの発熱をさらに小さくできる。さらに、線膨張係数が５ｐｐｍ／℃とシリコン（Ｓｉ）よりも大きいため、温度変化によって発生する応力が小さくなる。従って、ハイブリッドモジュールの回路部品１３を構成する素子として適したものとなる。
【００５５】
また、本実施の形態で用いた放熱板１４に替えて、図４に示すように、放熱板１４’を用いてもよい。ここで、図４は、ハイブリッドモジュールの他の例を示す外観斜視図である。この放熱板１４’は、中央部に調整孔１４ａを有するものである。この調整孔１４ａは、放熱板１４’と回路部品１３との間に介在する放熱樹脂１８の厚みを調整するためのものである。この調整孔１４ａには、放熱樹脂１８が充填されている。このハイブリッドモジュール１０’の製造の際には、放熱樹脂１８の注入工程において、その注入量をやや多めに設定する。これにより、放熱板１４’を第１の凹部１５ａに嵌入し、回路部品１３方向に押圧すると、余分な放熱樹脂１４’が該調整孔１４ａに充填される。特に、放熱樹脂１８の量が多い場合には、該調整孔１４ａから余分な放熱樹脂１８が排出される。即ち、放熱板１４’と回路部品１３の間に介在する放熱樹脂１８の厚みを安定化することができる。尚、排出された放熱樹脂１８は適当な方法で除去すればよい。
【００５６】
また、本実施の形態では回路部品１３を一つ用いてハイブリッドモジュール１０を構成したが、複数の回路部品１３を第２の凹部１５ｂに実装してもよい。
【００５７】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１にかかるハイブリッドモジュールによれば、回路基板の主面に放熱板が露出するので、発熱性を有する回路部品に発生する熱は、放熱樹脂及び放熱板を介して親回路基板に伝導される。従って、回路部品の発熱を効率的に放熱させることができる。また、放熱板と回路基板は放熱樹脂で接着されているので放熱性に優れたものとなる。さらに、放熱板及び放熱樹脂並びに回路部品が回路基板の主面に設けられた第１の凹部及び第２の凹部に収容されるので、ハイブリッドモジュールの小型化を図ることができる。さらに、回路基板の主面には２段構造の凹部となる第１の凹部及び第２の凹部が形成されているので、放熱板を接着する際に該放熱板が第１の凹部底面に規制され、放熱樹脂の厚みが安定化する。これにより熱抵抗が安定する。
【図面の簡単な説明】
【図１】ハイブリッドモジュールを示す外観斜視図
【図２】ハイブリッドモジュールの側面断面図
【図３】図２の一部を拡大したハイブリッドモジュールの側面断面図
【図４】ハイブリッドモジュールの他の例を示す外観斜視図
【図５】従来のハイブリッドモジュールを示す側面断面図
【符号の説明】
１０…ハイブリッドモジュール、１１…回路基板、１２…チップ状電子部品、１３…回路部品、１４…放熱板、１５ａ…第１の凹部、１５ｂ…第２の凹部、１６…回路パターン、１７…封止樹脂、１８…放熱樹脂

Claims

回路基板と、回路基板上に実装された発熱性を有する回路部品とを備え、この回路基板の主面を親回路基板に対向させて搭載するハイブリッドモジュールにおいて、
前記回路基板は親回路基板と対向する主面に設けられた第１の凹部と該第１の凹部底面に設けられた第２の凹部とを有するとともに該第２の凹部の底面には回路パターンが形成され、
前記回路部品は該第２の凹部の底面に形成された回路パターンに実装され、
前記第１の凹部に付設され前記回路部品の発熱を親回路基板に伝導する放熱板と、該放熱板と前記回路部品とを接着する放熱樹脂とを備えた
ことを特徴とするハイブリッドモジュール。
前記第２の凹部は、第２の凹部底面からの回路部品の高さより所定値だけ小さい或いは等しい深さを有する
ことを特徴とする請求項１記載のハイブリッドモジュール。