JPH11220226A - ハイブリッドモジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型で且つ放熱性の良好なハイブリッドモジ
ュールを提供する 【解決手段】 回路基板１１をセラミックシートを積層
した多層基板によって構成すると共に、開口部を有する
シートを用いることにより、親回路基板に実装する際に
親回路基板に対向する主面に凹部１４を形成し、凹部１
４内に発熱性の回路部品１３を実装して、回路基板１１
を親回路基板に実装したときに、回路部品１３が親回路
基板に直接或いは放熱部材を介して当接し、回路部品１
３からの発熱が親回路基板に熱伝導されて放熱されるよ
うにハイブリッドモジュール１０を構成する。これによ
り、小型にして効率よく放熱を行うことができると共
に、回路基板１１の密度を全域に亙ってほぼ均一に設定
でき、回路基板１１に反りの生じないモジュールを得ら
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【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
などのチップ部品や半導体部品を搭載して回路を構成し
たハイブリッドモジュールに関し、特に回路基板上に電
界効果型トランジスタやパワー半導体等の発熱性を有す
る回路部品を搭載した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、回路基板上に電界効果型トランジ
スタやパワー半導体等の発熱性を有する回路部品を搭載
したハイブリッドモジュールでは、回路部品から放熱を
図るため、特殊な放熱手段を設けたものがある。例え
ば、特開平５−１３６２７号公報に示されたハイブリッ
ドモジュールでは、図２に示すように、回路基板２１に
放熱フィン２２を設け、回路基板２１上に搭載された発
熱性を有する回路部品２３を、板バネ状の熱伝導部材２
４を介して放熱フィン２２と接続したものである。この
ハイブリッドモジュール２０では、回路部品２３で発生
した熱が、放熱フィン２２を介して大気中に放出され
る。

【０００３】また、回路基板上に発熱性を有する回路部
品を搭載したハイブリッドモジュールの他の従来例とし
て、図３に示すようなものもある。このハイブリッドモ
ジュール２０’では、回路基板２５として窒化アルミニ
ウム系のセラミックが使用され、この回路基板２５上の
ランド電極２６上にチップ状電子部品２７が実装される
と共に、ランド電極２６上に半田バンプ２８を介して発
熱性を有する半導体素子等の回路部品２９が搭載されて
いる。

【０００４】また、回路基板２５は親回路基板３０上に
搭載されると共に、回路基板２５の端子電極２５ａが、
親回路基板３０上に形成されたランド電極３１に半田で
接続されている。

【０００５】さらに、回路基板２５と親回路基板３０と
の対向した面は、親回路基板３０の上に形成された熱伝
導性の良好な導体膜３２を介して接合されている。

【０００６】窒化アルミニウム系セラミックは、熱伝導
性が良い絶縁材料として注目されている。前述したハイ
ブリッドモジュールでは、回路基板２５上に搭載された
回路部品２９から発生する熱が、窒化アルミニウム系セ
ラミックからなる熱伝導性良好な回路基板２５と導体膜
３２を介して親回路基板３０へと伝導され、放熱され
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た従来例における前者のハイブリッドモジュール２０
は、放熱フィン２２を介して回路部品２３で発生した熱
を大気中に放出するものであり、放熱効率を高めるため
には、必然的に放熱フィン２２の表面積を広げることが
必要となる。このため、ハイブリッドモジュール２０に
おいて放熱フィン２２の占める容積が大きくなり、小型
化し難くなるという問題点があった。

【０００８】また、前述した従来例における後者のハイ
ブリッドモジュール２０’では、回路部品２９で発生し
た熱が回路基板２５を介して親回路基板３０へと放熱さ
れるため、放熱フィンは不要であり、回路基板２５が放
熱手段を兼ねるため、容積の増大はないが、窒化アルミ
ニウム系セラミックは、熱伝導性が良いものの、現在で
はアルミナ等の一般的な基板材料に比べて極めて高価で
あり、材料のコスト高を招くという問題点があった。

【０００９】本発明の目的は上記の問題点に鑑み、小型
で且つ放熱性の良好なハイブリッドモジュールを提供す
ることにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するために請求項１では、回路基板と、該回路基板上
に実装された発熱性を有する回路部品とを備え、親回路
基板上に実装して使用されるハイブリッドモジュールに
おいて、前記回路基板は、所定厚さのシートを複数積層
した多層基板からなると共に開口部を有するシートを積
層して前記親回路基板と対向する主面に前記凹部が形成
され、該凹部内に前記回路部品が実装され、前記回路部
品から前記親回路基板に熱伝導されるハイブリッドモジ
ュールを提案する。

【００１１】該ハイブリッドモジュールによれば、回路
基板が多層基板によって構成され、該回路基板には、親
回路基板に実装する際に親回路基板に対向する主面に凹
部が形成され、該凹部内に回路部品が実装される。これ
により、前記回路基板を親回路基板に実装したときに、
前記回路部品は親回路基板に直接或いは放熱部材を介し
て当接され、前記回路部品からの発熱は親回路基板に熱
伝導されて放熱されるので、小型にして高密度実装が可
能となり且つ効率よく放熱を行うことができる。

【００１２】また、請求項２では、請求項１記載のハイ
ブリッドモジュールにおいて、前記回路基板の密度は、
回路基板全体においてほぼ均一に設定されているハイブ
リッドモジュールを提案する。

【００１３】該ハイブリッドモジュールによれば、前記
回路基板の密度が回路基板全体においてほぼ均一に設定
されているので、周囲温度や湿度の変化による回路基板
の反りの発生が防止される。

【００１４】また、請求項３では、請求項１又は２記載
のハイブリッドモジュールにおいて、前記回路基板に形
成されている内部電極及び表層電極は、銀又は銅からな
るハイブリッドモジュールを提案する。

【００１５】該ハイブリッドモジュールによれば、回路
パターン、スルーホール、ランド電極、端子電極等を構
成する内部電極及び表層電極が銀又は銅からなるので、
放熱性及び高周波特性の優れたものとなる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の一
実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態のハ
イブリッドモジュールを示す側面断面図である。図にお
いて、１０はハイブリッドモジュールで、回路パターン
が形成された回路基板１１に複数のチップ状電子部品１
２と発熱性を有する半導体素子等の回路部品１３が搭載
されて構成されている。

【００１７】回路基板１１は、直方体形状のアルミナを
主体としたセラミック多層基板からなり、その底面、即
ち親回路基板３０への実装時に親回路基板に対向する主
面１１ａには、発熱性の回路部品１３を搭載するための
凹部１４が形成されている。

【００１８】凹部１４は、２段階に形成され、主面１１
ａ側に第１の凹部１４Ａが形成され、さらに第１の凹部
１４Ａ内にやや小さい第２の凹部１４Ｂが形成されてい
る。

【００１９】第２の凹部１４Ｂは、その中に実装される
回路部品１３の形状に合わせて、その縦横厚み寸法より
やや大きく形成される。さらに、この第２の凹部１４Ｂ
の底面には、前記回路部品１３の端子電極を接続するラ
ンド電極１５が形成されている。

【００２０】第２の凹部１４Ｂの中には発熱性を有する
半導体素子，ＦＥＴ等の回路部品１３が収納されると共
に、回路部品１３の端子電極は凹部１４Ｂの底面に形成
されたランド電極１５に接続され、隣り合うランド電極
１５間には絶縁性の封止樹脂が充填されている。この状
態で、回路部品１３の裏面は、第１の凹部１４Ａの底面
とほぼ同じ面となる。

【００２１】ここで、回路部品１３の端子電極とランド
電極１５との接続は、半田付けしても良いし、導電性樹
脂用いた接続、異方導電性樹脂（ＡＣＦ）用いた接続、
或いはランド電極１５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する等して行う。

【００２２】上記導電性樹脂を用いた接続では、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り、さらに、導電性樹脂を
通しての放熱は少ないため目的とする放熱効果に悪影響
を与えることが無い。さらに、異方導電性樹脂を用いれ
ば、ランド電極１５間を絶縁する封止樹脂が不要とな
り、コストの低減を図ることができる。

【００２３】また、上記ランド電極１５上にボールバン
プを形成し超音波併用熱圧着する方法によれば、ドライ
プロセスであるためメッキ液による回路部品１３へのダ
メージが少なく、設備コストを低減できると共に、回路
基板１１への回路部品１３の実装作業時間を短縮でき、
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。

【００２４】また、上記半田を用いた方法では、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く、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。

【００２５】一方、第１の凹部１４Ａ内には、第１の凹
部１４Ａに嵌合する大きさの放熱板１６が装着され、放
熱板１６と第１の凹部１４Ａの底側面及び回路部品１３
の裏面との間は熱伝導性樹脂１７によって接着され、凹
部１４は放熱板１６によって封止されている。この状態
で、放熱板１６の表面は回路基板１１の主面１１ａとほ
ぼ同じ面となる。

【００２６】また、回路基板１１の主面１１ａと対向す
る面、即ち図示における回路基板１１の上面にはランド
電極１５が形成され、このランド電極１５にチップ状電
子部品１２が半田付けされ、これらのチップ状電子部品
１２は、回路基板１１の上面に嵌合する金属ケース１８
によって覆われている。さらに、回路基板１１の側面に
は回路パターンに接続された複数の端子電極１９が形成
されている。

【００２７】一方、前述したように、回路基板１１は多
層構造になっており、その内部に回路パターンが形成さ
れ、各ランド電極１５はこの回路パターンに接続されて
いる。これにより、回路基板の体積を有効に利用して、
モジュールの小型化を図っている。

【００２８】ここで、回路基板１１は、図４に示すよう
に、アルミナを主体としたセラミックグリーンシート
（以下、グリーンシートと称する）１０１〜１０７を積
層・圧着した後、焼成することにより形成される。

【００２９】それぞれのグリーンシート１０１〜１０７
には、図示していないがスルーホールが形成されると共
に銀（Ａｇ）又は銅（Ｃｕ）を用いて回路導体パターン
及びランド電極等の内部電極及び表層電極が印刷形成さ
れている。このように電極に銀又は銅を用いることによ
り、放熱性及び高周波特性の向上が図れる。

【００３０】また、最下層のグリーンシート１０７には
第１の凹部１４Ａに対応する形状の開口部１０８ａが所
定位置に形成され、さらにグリーンシート１０７の上に
積層される２つのグリーンシート１０５，１０６のそれ
ぞれには第２の凹部１４Ｂに対応する形状の開口部１０
５ａ，１０６ａが所定位置に形成されている。

【００３１】このように、回路基板１１を複数のグリー
ンシート１０１〜１０７を積層して形成した多層基板と
し、さらに開口部１０５ａ，１０６ａ，１０７ａを有す
るグリーンシート１０５〜１０７を積層することにより
凹部１４を形成すれば、回路基板１１の全域に亙って密
度を均一に設定することができる。例えば、開口部を形
成してないグリーンシートを積層して、プレス加工等に
よって凹部１４を形成すると、回路基板の内部において
部分的に密度が異なったものとなり、周囲の温度や湿度
変化によって回路基板に反りが生じてしまい、回路パタ
ーンの切断等が生じると共に回路部品１３の実装性が極
めて低下してしまう。

【００３２】前述のように、開口部を有するグリーンシ
ートを積層した多層基板によって回路基板１１を構成す
ることにより、凹部１４を有する反りの生じない回路基
板１１を簡単に製造することができる。

【００３３】また、グリーンシート１０１〜１０７を積
層した後に圧着する際には、図５に示すように凹部１４
に嵌入する形状のプレス機４０を用いる。これにより、
回路基板１１の凹部１４の内面の表面粗さを１０μ以下
程度まで低減でき、凹部１４内部へのランド電極１５や
バンプの形成を容易に行えるようになる。

【００３４】一方、前述の構成よりなるハイブリッドモ
ジュール１０を親回路基板に実装するときは、図６に示
すように、回路基板１１の回路部品１３が搭載された凹
部１４側を下側に向け、主面１１ａを親回路基板３０に
対向させて実装し、回路基板１１の側面の端子電極１９
を親回路基板３０のランド電極３１に半田付けする。

【００３５】この親回路基板３０の表面において、ハイ
ブリッドモジュール１０の放熱板１６と対向する位置に
は、ランド電極３１と共に、熱伝導性の導体膜３２（例
えばグランドパターン等）が予め形成されており、回路
基板１１の端子電極１９がランド電極３１に半田付けさ
れるのと同時に、この導体膜３２に放熱板１６の表面が
半田付けされる。

【００３６】尚、放熱板１６と導体膜３２とは半田付け
でなくても、単に当接させるのみ、或いは熱伝導性樹脂
を介して当接させても良いし、導体膜３２を介すること
なく放熱板１６を直接親回路基板３０の表面に当接して
も良い。

【００３７】このハイブリッドモジュールでは、発熱性
を有する半導体素子等の回路部品１３から生じる熱が放
熱板１６、熱伝導性樹脂１７及び導体膜３２を介して親
回路基板３０に伝導され或いはグランド等の広い導体膜
に伝導されて放熱される。

【００３８】従って、小型にして効率よく放熱を行うこ
とができるハイブリッドモジュールを安価にて製造する
ことができる。

【００３９】尚、前述した実施形態においては、放熱板
１６を介して回路部品１３からの発熱を親回路基板３０
に熱伝導するようにしたが、図７に示すハイブリッドモ
ジュール５０のように放熱板１６を設けず、回路部品１
３の裏面を導体膜３２に直接当接或いは半田付け等する
ようにしても良い。

【００４０】また、回路部品１３としては、ＧａＡｓＭ
ＥＳ型ＦＥＴ、ＧａＡｓＰＨＥＭＴ型ＦＥＴ、或いはＩ
ｎＰ系ＦＥＴを用いることが望ましい。

【００４１】即ち、回路部品１３としてＧａＡｓＭＥＳ
型ＦＥＴを用いた場合、素子内部での電子の移動が早い
ため素子からの発熱が少ない、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１６、及び熱伝導性樹脂１７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
小さくなり高信頼性を得られる。

【００４２】また、回路部品１３としてＧａＡｓＰＨＥ
ＭＴ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と共に、同様に線膨張係数がシ
リコン（Ｓｉ）よりも大きく、回路基板１１、放熱板１
６、及び熱伝導性樹脂１７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くなり高信頼
性を得られる。

【００４３】さらに、回路部品１３としてＩｎＰ系ＦＥ
Ｔを用いた場合には、素子内部での電子の移動速度がＧ
ａＡｓよりも速いため、素子からの発熱をさらに小さく
できると共に、線膨張係数が５ｐｐｍ／℃とシリコン
（Ｓｉ）よりも大きく、回路基板１１、放熱板１６、及
び熱伝導性樹脂１７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くなり高信頼性を得
られる。

【００４４】また、上記回路部品１３の端子電極間の絶
縁（パシベーション）にＳｉＮ又はＳｉＯ₂ 或いはこれ
らの複合膜を用いることが好ましい。これらを用いるこ
とにより、上記封止樹脂の防湿性が不十分であっても素
子の特性を劣化させることが無く、封止樹脂にボイドが
生じて水分の進入があっても素子の信頼性を劣化させな
い。さらに、上記封止樹脂の残留イオンが多くても素子
の信頼性が劣化しないため、安価な封止樹脂を用いるこ
とができる。

【００４５】また、上記実施形態では、発熱性の回路部
品１３を１個実装したモジュールを構成したが、複数の
発熱性回路部品を実装したモジュールであっても良く、
この場合のも同様の効果を得ることができる。

【００４６】ここで、複数の発熱性ＦＥＴを用いる場合
には、これら複数のＦＥＴを１つのＧａＡｓ上に形成し
た回路部品１３を用いることが好ましい。これにより、
複数のＦＥＴを個別に実装するよりも実装エリアを縮小
できると共に、一度の実装作業で済むため実装コストを
低減することができる。さらに、複数のＦＥＴを個別に
実装した場合に比べて、放熱板１６或いは親回路基板３
０と容易に接触させることができ、放熱性を安定化させ
ることができる。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように本発明の請求項１記
載のハイブリッドモジュールによれば、回路基板を多層
基板とし、親回路基板に対向する主面に形成された凹部
内に回路部品が実装され、前記回路基板を親回路基板に
実装したときに、前記回路部品は親回路基板に直接或い
は放熱部材を介して当接され、前記回路部品からの発熱
は親回路基板に熱伝導されて放熱されるので、小型にし
て高密度実装が可能となり且つ効率よく放熱を行うこと
ができる。

【００４８】また、請求項２によれば、上記の効果に加
えて、前記回路基板の密度が回路基板全体においてほぼ
均一に設定されているので、周囲温度や湿度の変化によ
る回路基板の反りの発生が防止されるため、回路基板の
反りによって生じる回路パターンの切断を防止すること
ができると共に、回路基板への回路部品の実装性を向上
できる。

【００４９】また、請求項３によれば、上記の効果に加
えて、内部電極及び表層電極が銀又は銅からなるので、
放熱性及び高周波特性の優れたものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態のハイブリッドモジュール
を示す側面断面図

【図２】従来例のハイブリッドモジュールを示す側面断
面図

【図３】従来例の他のハイブリッドモジュールを示す側
面断面図

【図４】本発明の一実施形態における回路基板の構成を
説明する図

【図５】本発明の一実施形態における積層シートの圧着
方法を説明する図

【図６】本発明の一実施形態のハイブリッドモジュール
の親回路基板搭載例を示す図

【図７】本発明のハイブリッドモジュールの他の実施形
態を示す側面断面図

【符号の説明】

１０，５０…ハイブリッドモジュール、１１…回路基
板、１１ａ…主面、１２…チップ状電子部品、１３…発
熱性の回路部品、１４…凹部、１４Ａ…第１の凹部、１
４Ｂ…第２の凹部、１５…ランド電極、１６…放熱板、
１７…熱伝導性樹脂、１８…金属ケース、１９…端子電
極、３０…親回路基板、３１…ランド電極、３２…熱伝
導性の導体膜、４０…プレス機、１０１〜１０７…セラ
ミックグリーンシート、１０５ａ，１０６ａ，１０７ａ
…開口部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 八木 一樹 東京都台東区上野６丁目16番20号 太陽誘 電株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回路基板と、該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、親回路基板上に実装
   して使用されるハイブリッドモジュールにおいて、 前記回路基板は、所定厚さのシートを複数積層した多層
   基板からなると共に開口部を有するシートを積層して前
   記親回路基板と対向する主面に前記凹部が形成され、 該凹部内に前記回路部品が実装され、前記回路部品から
   前記親回路基板に熱伝導されることを特徴とするハイブ
   リッドモジュール。
2. 【請求項２】 前記回路基板の密度は、回路基板全体に
   おいてほぼ均一に設定されてい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。
3. 【請求項３】 前記回路基板に形成されている内部電極
   及び表層電極は、銀又は銅からなることを特徴とする請
   求項１又は２記載のハイブリッドモジュール。