JP5240982B2

JP5240982B2 - 熱コンジット

Info

Publication number: JP5240982B2
Application number: JP2007189219A
Authority: JP
Inventors: マーヴィン・シイ・エスピノ
Original assignee: パワー・インテグレーションズ・インコーポレーテッド
Priority date: 2006-07-20
Filing date: 2007-07-20
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2027-07-20
Also published as: JP2008060551A; US20080017406A1; EP1881529A3; CN101111144B; EP1881529A2; CN101111144A; US7593235B2

Description

本発明は、一般に電子回路に関し、より詳細には、プリント回路板上の電気部品から熱を引き出す方法と装置に関する。

集積回路の使用温度を低下させることは、高い使用温度が信頼性を低下させるため有用である。集積回路内で発生した熱は、パッケージ材料を介して高い温度の領域から低い温度の領域へ逃げる。集積回路の温度は、集積回路と低い温度の領域との間の熱インピーダンスに依存する。２点間の熱エネルギーの流れは、温度差に比例し、２点間の熱インピーダンスに反比例する。低熱インピーダンスは、集積回路からの所定の電力消費に対して、集積回路の低動作温度に相応する。熱インピーダンスを低減させるために、集積回路のパッケージに機械式クリップまたは接着剤を用いてヒートシンクを取り付けることが多い。

回路基板上の電気部品から熱を取り出す方法と装置が開示される。一例では、プリント回路板の銅クラッドと集積回路パッケージの端子との間の熱インピーダンスを低減させるために、低コストの熱コンジット装置が使用される。一例では、熱コンジット装置は、集積回路パッケージの端子から銅クラッドまでの低熱インピーダンスと低電気インピーダンスの経路を提供して、銅クラッドが集積回路の端子から熱と電流を伝導させる。回路基板のアセンブリにおける熱コンジットの使用は、普通の回路基板製造技法に適用することができる。

以下の説明では、多くの具体的な詳細が、本発明を十分に理解できるようにするために開示される。しかし、その具体的な詳細が本発明を実施するために使用される必要がないことが当業者には明らかであろう。他の例では、周知の材料または方法は、本発明を不明瞭にしないようにするために詳細には記載されていない。

本明細書における「一実施形態」または「ある実施形態」への言及は、その実施形態に関連して記載された特定の特徴、構造または特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。「一実施形態では」または「ある実施形態では」という語句の出現は、必ずしもすべてが同じ実施形態を意味するものではない。さらに、特定の特徴、構造または特性が、１つまたは複数の実施形態において任意の適切なコンビネーションおよび／またはサブコンビネーションの形で組み合わされてもよい。さらに、本明細書で提供される図が当業者に説明するためのものであり、図面が必ずしも原寸に比例して描かれてはいないことが理解されるであろう。

後で説明するように、本発明の一態様は、回路基板上に取り付けられた、１つまたは複数の電気端子を有する集積回路などの電気部品から熱を取り出す方法と装置を含む。一例では、高い熱・電気伝導性を有する熱コンジットの第１の部分が、回路基板内に形成された開口部を通って集積回路の１つまたは複数の電気端子に熱的に結合される。熱コンジットの第２の部分が、回路基板の第１の材料に熱的に結合される。

本発明の非限定的かつ非網羅的な実施形態について、同じ参照符号が特に断らない限り様々な図を通じて同じ部分を参照する図を参照しながら説明する。

例えば図１に、集積回路１２０と熱コンジット１４０を有するプリント回路板アセンブリ１００の簡略図を示す。プリント回路板または回路基板１０５は、第１の材料すなわち導電材料の層１１５に接合された電気絶縁材料の層１１０を含む。この例では、導電材料層１１５は一般に、回路基板１０５上の構成要素の端子の間で所望の電気的接続を行うためのパターンで構成された、流す電流に適した厚みの銅である。導電材料層１１５は一般に、高い熱伝導性（低い熱インピーダンス）と高い電気伝導性（低い電気インピーダンス）を有する。導電材料層１１５は、回路基板１０５の露出面のかなりの面積を占める。

回路基板１０５などの回路基板は、電気絶縁材料層１１０の上下両面上に、さらには複数の電気絶縁材料層１１０の間にも導電材料を有するのが一般的である。図１の例における回路基板１０５は、その例が不必要な詳細で不明瞭にならないように、電気絶縁材料層１１０の１つの面上にのみ導電材料層１１５を有する。図１の例では、集積回路１２０の電気端子すなわち端子１２５と１つまたは複数の端子１３０が、回路基板１０５内の開口部を挿通して、反対側の面の導電材料層１１５に電気的に接続している。

示されている例では、熱コンジット１４０が第１の部分１４０Ａと第２の部分１４０Ｂを含むことに留意されたい。第２の部分１４０Ｂは、実質的に回路基板１０５の面の平面に沿って延び、一方、第１の部分１４０Ａは、回路基板１０５の面の平面とは異なる平面に沿って延びている。示されている例では、第１の部分１４０Ａは、回路基板１０５の面の平面と実質的に直角の平面に沿って延びている。第１の部分１４０Ａは、回路基板１０５内に形成された開口部１３５を通る端子に熱的に結合された第１の面１４２を有し、第２の部分１４０Ｂの第２の面１４４のかなりの部分が、導電材料層１１５と熱接触している。

この例では、集積回路１２０は、端子１３０が同電位に結合された状態で動作するように設計されている。端子１３０と熱コンジット１４０は、回路基板１０５内の開口部１３５を挿通している。端子１３０と導電材料層１１５は、熱コンジット１４０に、はんだまたは他の適切なボンディング材の薄層１４５で結合されている。

図２に、本発明の教示による例の回路基板アセンブリ２００の断面をより詳細に示す。本発明の重要な特徴を強調するために、いくつかの寸法が誇張されている。電気絶縁材料層１１０と導電材料層１１５は、例えば集積回路２２０などの電気部品に機械的支持と電気的接続を与える回路基板２０５に含まれる。

集積回路２２０は、図２に見られる端子２２５、２３０を有する。この例では、端子２２５は、導電材料層１１５に、はんだまたは他の適切なボンディング材１４５によって電気的かつ熱的に結合される。端子２２５と導電材料層１１５の結合は、集積回路２２０を動作させるのに十分な低い電気インピーダンスをもたらすが、端子２２５における結合部の熱インピーダンスは、所望の熱インピーダンスよりもずっと高い。この熱インピーダンスを低減させることにより、より多くの熱が、集積回路２２０から端子２２５を経由して導電材料層１１５まで流れて、回路基板アセンブリ２００から伝導、対流または輻射によって取り除かれる。

電気部品の端子とプリント回路板上の導電材料との間の熱インピーダンスをはんだ結合で低減させる効果的な方法が、本発明の教示による熱コンジットを使用することである。図２は、端子２３０と導電材料層１１５との間にはんだ１４５によって結合された熱コンジット１４０を示す。熱コンジット１４０により、はんだ１４５は、端子２２５における結合部よりもずっと広い面積にわたって端子２３０を導電材料層１１５に結合することができる。様々な例で熱コンジット１４０は、適切なはんだ接合を可能にするために適切な面処理またはめっきを施した、例えば銅、アルミニウム、黄銅、または鋼のうちの少なくとも１つまたは複数などの高い熱伝導性を有する材料とすることができる。様々な例でボンディング材は、導電性エポキシとすることもできる。

図３は、本発明の教示による、熱インピーダンスをさらに低減させるために熱コンジット３４０を使用している例の回路基板アセンブリ３００の断面を示す。図示の例に示されているように、熱コンジット３４０は、電気絶縁材料層１１０の面から上方に延び出している、すなわち集積回路２２０の端子２３０の上方に高さＨｖ分だけ突出する。熱コンジット３４０の延出部３６０は、それが導電材料層１１５にはんだ１４５で結合されていなくても、集積回路２２０の端子２３０からの熱インピーダンスを低減させる。熱コンジット３４０の材料は高い熱伝導性を有するので、端子２３０からはんだ１４５を経由して熱コンジット３４０まで通過したいくらかの熱が、延出部３６０の材料にまで伝導され、そこでその熱は、延出部３６０の面から対流または輻射によって取り除かれる。

一例では、構成要素の回路基板への自動組立てに適用できるように、熱コンジットは実際には、それがはんだ付けされる前に回路基板上の適所にそれを保持するための機構をその構造内に含んでいる。図４は、取付タブ４５０を有する単一の熱伝導材料片４４０で形成された熱コンジット４００の一例を示す。一例では、構成要素を回路基板に取り付るとき、はんだ付け作業の前や間に熱コンジット４００を適所に保持させるために、取付タブ４５０を開口部を通過させる。

さらに詳細に説明すると、図５は、１例の回路基板アセンブリ５００の詳細であり、電気絶縁材料層１１０と導電材料層１１５を含む回路基板内の開口部４６０を通過するタブ構造すなわち取付タブ４５０を備えるように形成された熱伝導材料４４０の一部を示す。示されている例では、１つまたは複数の取付タブ４５０により、はんだ付けの前や間に、熱コンジット４００を、他の構成要素と共に回路基板上の適所に適切な姿勢で取り付けるかまたは保持することができる。

したがって、前述のように、方法は、高い電気・熱伝導性を有する熱コンジットを準備すること、および、その熱コンジットを集積回路の１つまたは複数の電気端子に熱的に結合させることを含む。この方法は、熱コンジットを導電材料層などの第１の材料に結合させて、集積回路と回路基板の銅クラッドまたは導電材料との間の熱インピーダンスを低下させることをさらに含む。

前述の詳細説明では、本発明の方法と装置について、その特定の例示的な実施形態を参照しながら説明してきた。しかし、本発明のより広い趣旨と範囲から逸脱することなく、本発明に様々な変更や修正が加えられうることが明らかになるであろう。したがって、本明細書と図は、限定的なものではなく例示的なものと見なされるべきである。

特許請求の範囲において使用される用語は、本発明を、本明細書および特許請求の範囲で開示される特定の実施形態に限定するように解釈されるべきでない。むしろ、本発明の範囲は、クレーム解釈の確立した原則に従って解釈されるべき特許請求の範囲によって完全に決定されるべきである。

本発明の教示による例の熱コンジットを含む例の回路基板アセンブリの簡略斜視図である。本発明の教示による例の熱コンジットを含む例の回路基板アセンブリの簡略断面図である。本発明の教示による例の熱コンジットを含む回路基板アセンブリの他の例の簡略断面図である。本発明の教示による例の熱コンジットの簡略斜視図である。図４の例の熱コンジットを含む１例の回路基板アセンブリの簡略断面図である。

符号の説明

１００プリント回路板アセンブリ、１０５プリント回路板、回路基板、１１０電気絶縁材料層、１１５導電材料層、１２０集積回路、１２５電気端子、１３０端子、１３５開口部、１４０熱コンジット、１４０Ａ第１の部分、１４０Ｂ第２の部分、１４２第１の面、１４４第２の面、１４５ボンディング材、２００回路基板アセンブリ、２０５回路基板、２２０集積回路、２２５端子、２３０端子、３００回路基板アセンブリ、３４０熱コンジット、３６０延出部、４００熱コンジット、４４０熱伝導材料片、４５０取付タブ、４６０開口部、５００回路基板アセンブリ

Claims

電子回路アセンブリであって、
開口部、第１の面、および第２の面を含む回路基板を備え、前記開口部は前記回路基板を通って前記第１の面から前記第２の面まで延び、前記電子回路アセンブリはさらに、
前記回路基板上に取り付けられた１つまたは複数の電気端子を有する電気部品と、
第１の部分および第２の部分を有する熱コンジットとを備え、前記第１の部分は、前記開口部を通って前記電気部品の前記１つまたは複数の電気端子に熱的に結合され、前記第２の部分は、前記回路基板の第１の材料に熱的に結合され、
前記熱コンジットの前記第１と第２の部分が、それぞれ第１と第２の面を含み、前記第１の部分の前記第１の面が、前記電気部品の前記１つまたは複数の電気端子に熱的に結合され、前記第２の部分の前記第２の面のかなりの部分が、前記回路基板の前記第１の材料と熱的に接触するとともに電気的に接触し、前記熱コンジットの前記第１の部分の前記第１の面は、前記熱コンジットの前記第２の部分の前記第２の面よりも小さく、
前記電子回路アセンブリはさらに、
前記開口部内に、かつ前記熱コンジットの前記第１の部分と前記１つまたは複数の電気端子との間に配置されるボンディング材を備え、前記ボンディング材は、少なくとも前記回路基板の前記第１の面から前記回路基板の前記第２の面まで、前記熱コンジットの前記第１の部分に当接する、電子回路アセンブリ。
前記回路基板の前記第１の材料が、高い熱・電気伝導性を有し、前記回路基板の第１の露出面のかなりの面積を占める請求項１に記載のアセンブリ。
前記熱コンジットが、高い電気・熱伝導性を有する請求項１に記載のアセンブリ。
前記熱コンジットの前記第２の部分が、前記回路基板の面の平面に沿って延び、前記熱コンジットの前記第１の部分が、前記回路基板の前記面の前記平面とは異なる平面に沿って延びている請求項１に記載のアセンブリ。
前記熱コンジットの前記第１の部分が、前記回路基板の面から直角方向に延びている請求項１に記載のアセンブリ。
前記熱コンジットが、前記回路基板上に前記熱コンジットを取り付けるためのタブ構造を含む請求項１に記載のアセンブリ。
前記ボンディング材は、前記電気部品の前記１つまたは複数の電気端子を前記熱コンジットに熱的に結合させるためのはんだを含む、請求項１に記載の電子回路アセンブリ。
電子回路アセンブリであって、
開口部、第１の面、および第２の面を含む回路基板を備え、前記開口部は前記回路基板を通って前記第１の面から前記第２の面まで延び、前記電子回路アセンブリはさらに、
前記開口部を通る電気端子を含む電気部品と、
前記熱コンジットの第１の部分の第１の面および前記熱コンジットの第２の部分の第２の面を含む熱コンジットとを備え、前記第１の部分の前記第１の面は、前記電気部品の前記電気端子に熱的に結合され、前記第２の部分の前記第２の面は、前記回路基板の第１の材料に熱的に結合され、前記熱コンジットの前記第１と第２の部分が、それぞれ第１と第２の面を含み、前記第１の部分の前記第１の面が、前記電気部品の前記１つまたは複数の電気端子に熱的に結合され、前記第２の部分の前記第２の面のかなりの部分が、前記回路基板の前記第１の材料と熱的に接触するとともに電気的に接触し、前記熱コンジットの前記第１の部分の前記第１の面は、前記熱コンジットの前記第２の部分の前記第２の面よりも小さく、
前記電子回路アセンブリはさらに、
前記開口部内に、かつ前記熱コンジットの前記第１の部分の前記第１の面と前記電気端子との間に配置されるボンディング材を備え、前記ボンディング材は、少なくとも前記回路基板の前記第１の面から前記回路基板の前記第２の面まで、前記熱コンジットの前記第１の部分の前記第１の面に当接する、電子回路アセンブリ。
前記熱コンジットの前記第２の部分の前記第２の面を前記回路基板の前記第１の材料に熱的に結合させるためのはんだをさらに含む請求項８に記載の電子回路アセンブリ。
前記回路基板の前記第１の材料と前記熱コンジットが、高い電気・熱伝導性を有する請求項８に記載の電子回路アセンブリ。
前記電気部品が集積回路を含む請求項８に記載の電子回路アセンブリ。
前記熱コンジットは、前記回路基板内の前記開口部を挿通して前記熱コンジットを前記回路基板に取り付けるための構造を含む、請求項８に記載の電子回路アセンブリ。
前記熱コンジットが、銅、アルミニウム、黄銅または鋼のうちの少なくとも１つを含む請求項８に記載の電子回路アセンブリ。
前記第１の材料が銅を含む請求項８に記載の電子回路アセンブリ。
高い電気的およおび熱的伝導性を有する熱コンジットを設けるステップと、
前記熱コンジットを、回路基板上に含まれる集積回路の１つまたは複数の電気端子に熱的に結合させるステップとを備え、前記１つまたは複数の電気端子は前記回路基板内に含まれる開口を挿通し、前記開口部は前記回路基板を通って前記回路基板の第１の面から第２の面まで延び、前記熱コンジットを前記１つまたは複数の電気端子に熱的に結合させる前記ステップは、ボンディング材が、前記回路基板の前記第１の面から前記回路基板の前記第２の面まで前記熱コンジットに当接するように、前記開口部内に、かつ前記熱コンジットと前記１つまたは複数の電気端子との間に前記ボンディング材を配置するステップを含み、さらに、
前記熱コンジットを前記回路基板内に含まれる第１の材料に熱的に結合させて、前記集積回路と前記回路基板内に含まれる前記第１の材料との間の熱インピーダンスを低下させるステップとを備え、前記熱コンジットの前記第１と第２の部分が、それぞれ第１と第２の面を含み、前記第１の部分の前記第１の面が、前記電気部品の前記１つまたは複数の電気端子に熱的に結合され、前記第２の部分の前記第２の面のかなりの部分が、前記回路基板の前記第１の材料と熱的に接触するとともに電気的に接触し、前記熱コンジットの前記第１の部分の前記第１の面は、前記熱コンジットの前記第２の部分の前記第２の面よりも小さい、方法。
前記ボンディング材を配置する前記ステップは、前記集積回路を前記熱コンジットに熱的に結合させるためのはんだ層を設けるステップを含む、請求項１５に記載の方法。
前記熱コンジットを前記１つまたは複数の電気端子に熱的に結合させるステップは、前記熱コンジットの第１の面を、前記開口部を通して前記１つまたは複数の電気端子に熱的に結合させるステップを含む、請求項１５に記載の方法。
前記熱コンジットを前記回路基板内に含まれる前記第１の材料に熱的に結合させるステップが、前記熱コンジットの面を、前記回路基板内に含まれる前記第１の材料に熱的に結合させるステップを含む請求項１５に記載の方法。