回路装置およびその製造方法
【課題】熱干渉が緩和された回路装置を提供する。
【解決手段】本発明の混成集積回路装置１０Ａは、回路基板１２と、回路基板１２の上面に配置された制御素子２３およびチップ素子２４と、回路基板１２を部分的に開口させた開口部１８と、開口部１８を下面から塞ぐ実装基板２８と、実装基板２８の上面に実装されたパワー素子２２と、実装基板２８と回路基板１２とを離間させるスペーサ２６とを備えている。スペーサ２６で実装基板２８と回路基板１２とが離間されることにより、実装基板２８に実装されたパワー素子２２が動作状況下にて発熱しても、この熱が回路基板１２上に実装された制御素子２３に与える熱的な影響が小さくなる。
【解決手段】本発明の混成集積回路装置１０Ａは、回路基板１２と、回路基板１２の上面に配置された制御素子２３およびチップ素子２４と、回路基板１２を部分的に開口させた開口部１８と、開口部１８を下面から塞ぐ実装基板２８と、実装基板２８の上面に実装されたパワー素子２２と、実装基板２８と回路基板１２とを離間させるスペーサ２６とを備えている。スペーサ２６で実装基板２８と回路基板１２とが離間されることにより、実装基板２８に実装されたパワー素子２２が動作状況下にて発熱しても、この熱が回路基板１２上に実装された制御素子２３に与える熱的な影響が小さくなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回路装置およびその製造方法に関し、特に、放熱性が向上された回路装置およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図８を参照して、従来型の回路装置の一例として混成集積回路装置１００の構成を説明する（特許文献１）。先ず、アルミニウム等の金属からなる基板１０１の表面には、樹脂から成る絶縁層１０２を介して導電パターン１０３が形成され、この導電パターン１０３の所望の箇所に回路素子が固着されて、所定の電気回路が形成される。ここでは、回路素子として半導体素子１０５Ａとチップ素子１０５Ｂが採用されている。半導体素子１０５Ａは、例えばトランジスタまたはダイオードであり、上面の電極が金属細線１０７を経由して所定の導電パターン１０３と接続され、裏面の電極は導電パターン１０３に接続されている。一方、コンデンサまたは抵抗器であるチップ素子１０５Ｂは、両端の電極が半田等の接合材１０６を介して所定の導電パターン１０３と接合されている。また、封止樹脂１０８は、基板１０１の表面に形成された電気回路を封止する機能を有する。更に、リード１０９は装置全体の外部接続端子として機能し、内側の端部はパッド状に形成された導電パターン１０３に固着され、外側の端部は封止樹脂１０８から外部に導出する。
【０００３】
この様な構成の混成集積回路装置１００は、金属からなる基板１０１の上面に各回路素子が実装されるので、動作状況下にて半導体素子１０５Ａが発熱しても、発生した熱は基板１０１を経由して良好に外部に放出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−０３６０１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、数十アンペア程度の大電流のスイッチングを行うパワー素子等を回路素子として採用した場合、上記した構成の混成集積回路装置１００でも放熱性が不十分な問題があった。
【０００６】
具体的には、例えば半導体素子１０５Ａから発生された熱が外部に至る経路は、導電パターン１０３、絶縁層１０２、基板１０１、封止樹脂１０８の順番である。この中でも、導電パターン１０３、基板１０１は金属から成るので熱伝導率は良いが、絶縁層１０２および封止樹脂１０８はエポキシ樹脂等の樹脂材料から成るので熱伝導性が悪い。このように、半導体素子１０５Ａの熱が外部に放出される経路に、樹脂からなる部分が含まれることが、放熱性の更なる向上を阻害していた。
【０００７】
また、基板１０１の下面を外部に露出させると、裏面を被覆していた封止樹脂１０８が無くなる分、放熱性が向上する。しかしながら、この場合であっても、基板１０１の上面を被覆する絶縁層１０２が、熱の経路に存在するので、放熱性の向上に限界があった。更に、絶縁層１０２自体の熱伝導率を向上させるために、絶縁層１０２はシリカ等の無機フィラーを含むが、この様な対策を施しても絶縁層１０２の熱伝導率は金属には劣る。
【０００８】
更にまた、半導体素子１０５Ａの動作時の発熱量が特に大きい場合、発生した熱が基板１０１を経由してチップ素子１０５Ｂ等に伝導し、この結果、高温と成ったチップ素子１０５Ｂの特性が劣化してしまう問題もあった。
【０００９】
本発明は上記した問題を鑑みて成されたものであり、本発明の主たる目的は、放熱性が高く且つ回路素子同士の熱干渉が抑制された回路装置およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の回路装置は、上面に導電パターンが配置された回路基板と、前記回路基板を部分的に開口した開口部と、前記開口部と重畳するように前記回路基板の下方に配置された実装基板と、前記実装基板の上面に配置されて前記導電パターンと電気的に接続された半導体素子と、を備え、前記実装基板の一部を前記回路基板から離間させることを特徴とする。
【００１１】
本発明の回路装置の製造方法は、上面に導電パターンが配置されると共に開口部が設けられた回路基板を用意し、半導体素子が上面に実装された実装基板を、前記開口部と重畳する位置で前記回路基板の下方に配置する工程と、金型のキャビティに前記回路基板および前記実装基板を収納し、前記回路基板の上面、側面および下面の周辺部を封止樹脂で被覆する工程と、を備え、前記実装基板を前記回路基板から離間させることで、前記実装基板と前記回路基板との間に間隙を形成し、前記間隙を経由して前記封止樹脂を流動させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、発熱体である半導体素子が実装される実装基板と回路基板とを離間させている。これにより、回路基板と実装基板とが熱的に分離されるので、実装基板に実装された半導体素子が発熱しても、発生した熱は回路基板には殆ど伝導しない。この結果、回路基板に配置された小信号系の半導体素子等が過熱されることによる誤動作が抑止される。
【００１３】
更に本発明によれば、熱伝導性に優れた材料からなる実装基板を回路基板とは別体で配置し、この実装基板の上面に半導体素子を実装している。これにより、半導体素子から発生した熱は、熱伝導性に優れる実装基板を経由して直ちに外部に放出される。従って、動作時の半導体素子の過熱が抑制され、その誤動作や特性低下が抑制される。
【００１４】
更に、製法上に於いては、開口部を塞ぐ実装基板と回路基板との間に間隙が存在するので、樹脂封止の工程において、両者の間に存在する間隙を経由して封止樹脂が流通するように成る。この結果、回路基板の開口部および回路基板の下面に封止樹脂が良好に充填され、未重点領域であるボイドの出現が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の回路装置を示す図であり、（Ａ）は斜視図であり、（Ｂ）は断面図であり、（Ｃ）は実装基板を示す斜視図である。
【図２】本発明の回路装置を示す図であり、（Ａ）−（Ｃ）は他の形態の混成集積回路装置を示す断面図である。
【図３】本発明の回路装置を示す図であり、（Ａ）−（Ｂ）は他の形態の混成集積回路装置を示す断面図である。
【図４】本発明の他の形態の回路装置を示す図であり、（Ａ）は断面図であり、（Ｂ）は拡大された平面図であり、（Ｃ）は拡大された断面図である。
【図５】本発明の他の形態の回路装置を示す断面図である。
【図６】本形態の回路装置の熱抵抗を測定した結果を示すグラフである。
【図７】本形態の回路装置の製造方法を示す図であり、（Ａ）は本工程を示す断面図であり、（Ｂ）は部分的に拡大して示す断面図であり、（Ｃ）は実装基板の部分を示す平面図であり、（Ｄ）は他の形態の回路装置を樹脂封止する状態を示す断面図である。
【図８】背景技術の混成集積回路装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１を参照して、本発明の回路装置の一例として混成集積回路装置１０Ａの構成を説明する。図１（Ａ）は混成集積回路装置１０Ａを示す斜視図であり、図１（Ｂ）はその断面図であり、図１（Ｃ）は実装基板を抜き出して示す斜視図である。
【００１７】
図１（Ａ）および図１（Ｂ）を参照して、混成集積回路装置１０Ａは、導電パターン１６および回路素子から成る混成集積回路が上面に組み込まれた回路基板１２と、回路基板１２を部分的に開口した開口部１８と、開口部１８と重畳する様に回路基板１２の下方に配置された実装基板２８と、実装基板２８に実装されたパワー素子２２（半導体素子）とを備えている。更に本形態では、パワー素子２２が実装される実装基板２８と回路基板１２との間にスペーサ２６を配置することにより、両者を離間させている。
【００１８】
具体的には、回路基板１２は、回路素子を相互に接続するための導電パターン１６が上面に形成された基板である。回路基板１２の材料としては、ガラスエポキシ樹脂等の樹脂材料、セラミック基板またはアルミニウム等の金属基板が採用される。また、金属基板が回路基板１２として採用される場合は、アルミナ等のフィラーが充填された樹脂からなる絶縁層により回路基板１２の上面が被覆され、この絶縁層の上面に導電パターン１６が形成される。回路基板１２の具体的な大きさは、例えば、縦×横＝６０ｍｍ×８０ｍｍ程度であり、厚みは１．０ｍｍ〜２．０ｍｍ程度である。
【００１９】
導電パターン１６は厚みが３５μｍ〜７０μｍ程度の銅等の金属から成り、所定の電気回路が形成されるように回路基板１２の上面に形成される。導電パターン１６は、回路素子が固着されるアイランド、金属細線が接続されるパッド、リード１４が固着されるパッドおよび、これらを相互に接続する配線部等を備える。ここでは単層の導電パターン１６が図示されているが、絶縁層を介して積層された多層の導電パターン１６が回路基板１２の上面に形成されても良い。
【００２０】
導電パターン１６に電気的に接続される回路素子としては、能動素子や受動素子を全般的に採用することができる。具体的には、トランジスタ、ＬＳＩチップ、ダイオード、チップ抵抗、チップコンデンサ、インダクタンスなどを回路素子として採用することができる。図１（Ａ）を参照すると、回路基板１２の上面には、制御素子２３（ＬＳＩ）、チップ素子２４等が回路基板１２の上面に固着されている。一方、ＭＯＳＦＥＴ等であるパワー素子２２は、開口部１８の内部に配置されており、この事項は図１（Ｂ）を参照して後述する。
【００２１】
封止樹脂３０は、回路基板１２およびその上面に固着された回路素子を封止するように形成されている。封止樹脂３０は、フィラーが混入されたエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂から成り、トランスファーモールドにより形成される。
【００２２】
リード１４は、回路基板１２の対向する側辺に沿って、導電パターン１６から成るパッドに固着されており、混成集積回路装置１０Ａの入出力端子として機能している。図１（Ａ）を参照すると、紙面上にて右側の回路基板１２の側辺に沿って多数のリード１４が設けられているが、対向する２つの側辺に沿ってリード１４が固着されても良い。
【００２３】
開口部１８は回路基板１２を部分的に開口した部位であり、パワー素子２２を収納可能な大きさで四角形形状を呈している。開口部１８の平面視での大きさは、例えば、縦×横＝０．４ｃｍ以上１．２ｃｍ以下である。このような開口部１８は、回路基板１２に対してプレス加工または研削加工を施すことで形成される。
【００２４】
実装基板２８は、回路基板１２の開口部１８と重畳する領域で回路基板１２の下方に配置された基板であり、回路基板１２よりも熱伝導性に優れ且つ電気的には絶縁性の材料から成る。実装基板２８の具体的な材料としては、例えばセラミック基板が採用される。実装基板２８の平面視での大きさは、開口部１８よりも若干大きい程度であり、縦×横＝０．５ｃｍ以上１．５ｃｍ以下である。回路基板１２の材料であるエポキシ樹脂の熱伝導率が０．２〔Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１〕であるのに対し、実装基板２８の材料であるセラミックの熱伝導率は３０〔Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１〕である。また、実装基板２８の下面は封止樹脂３０から外部に露出している。図１（Ａ）を参照すると、回路基板１２に２つの開口部１８が設けられ、これらの開口部１８にパワー素子２２が配置されている。また、ここでは、開口部１８の全域を下方から覆うように実装基板２８が回路基板１２の下面に当接しているが、開口部１８を部分的に覆うように実装基板２８が設けられても良い。
【００２５】
実装基板２８の上面には、銅などの金属箔を所定形状にパターニングした配線パターン３２が形成されている。パワー素子２２の下面に形成された電極は、半田等の導電性固着材を介して、配線パターン３２と接続される。
【００２６】
実装基板２８の上面に実装されるパワー素子２２は、例えば１アンペア以上の大電流が通過する半導体素子であり、具体的には、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、バイポーラトランジスタまたはダイオードが採用される。これらの複数が実装基板２８に実装されても良い。
【００２７】
パワー素子２２としてＭＯＳＦＥＴが採用された場合は、パワー素子２２の下面にドレイン電極が配置され、上面にソース電極およびゲート電極が設けられる。一方、パワー素子２２としてＩＧＢＴが採用された場合は、下面にコレクタ電極が設けられ、上面にエミッタ電極およびゲート電極が配置される。また、パワー素子２２としてバイポーラトランジスタが採用された場合は、下面にコレクタ電極が設けられ、上面にエミッタ電極およびベース電極が配置される。
【００２８】
実装基板２８の上面に配置されたパワー素子２２は、金属細線２０を経由して回路基板１２の上面に形成された導電パターン１６と接続される。具体的には、例えばパワー素子２２がＭＯＳＦＥＴの場合、パワー素子２２の上面に設けられたソース電極およびゲート電極は、金属細線２０を経由して回路基板１２の上面に形成された導電パターン１６から成るパッドに接続される。一方、パワー素子２２の下面に設けられたドレイン電極は、先ず、半田を介してランド形状の配線パターン３２に電気的に接続される。そして、この配線パターン３２は、金属細線２０を経由して、回路基板１２の上面に形成されたパッド状の導電パターン１６と接続される。
【００２９】
図１（Ｂ）を参照して、本形態では、実装基板２８の上面と回路基板１２の下面との間にスペーサ２６を配置している。スペーサ２６は、厚みが０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下程度であり、実装基板２８と回路基板１２とを離間させて両者の間に間隙を形成する働きを有する。実装基板２８の上面と回路基板１２の下面とが離間する距離は、スペーサ２６の厚みと同等である。スペーサ２６の材料としては、エポキシ樹脂等の樹脂材料、セラミック等が採用可能である。
【００３０】
図１（Ｃ）を参照すると、細長い直方体形状を呈する２本のスペーサ２６が、実装基板２８の対向する２つの側辺に沿って周辺部に配置されている。この様なスペーサ２６が、実装基板２８と回路基板１２との間に介在することにより、両者が均等に離間される。ここで、スペーサ２６の形状は図示以外の形状でも良く、例えば、実装基板２８の側辺に沿って離散的にスペーサ２６が配置されても良い。
【００３１】
スペーサ２６で実装基板２８と回路基板１２とを離間させることにより、パワー素子２２が他の素子に与える悪影響が低減される。具体的には、大電流のスイッチングを行うパワー素子２２が動作時に発熱すると、発熱した熱は実装基板２８に伝導するが、スペーサ２６により離間されている回路基板１２にはそれほど伝導しない。従って、過熱により誤動作しやすい制御素子２３が回路基板１２の上面に実装されていても、パワー素子２２から発生した熱は回路基板１２には伝導しないので、パワー素子２２の発熱に起因して制御素子２３が過熱されることによる誤動作が抑制される。
【００３２】
更に、上記した本形態の混成集積回路装置１０Ａによれば、パワー素子２２から発生した熱を効率的に外部に放出させることができる。具体的には、本形態では、パワー素子２２が配置される箇所を開口して開口部１８を設け、この開口部を塞ぐように配置された実装基板２８の上面にパワー素子２２を固着している。これにより、パワー素子２２が動作時に発生する熱は、配線パターン３２および実装基板２８を経由して良好に外部に放出される。従来例では、図８を参照すると、放熱の経路に基板１０１の上面を被覆する絶縁層１０２や、基板１０１の下面を覆う封止樹脂１０８が存在しており、これらの熱伝導性が悪いことによって放熱性が阻害されていたが、本形態ではこの様な樹脂材料（有機材料）が放熱の経路に存在していない。即ち、パワー素子２２の放熱の経路に存在するのは、金属からなる配線パターン３２およびセラミックから成る実装基板２８の無機材料のみであり、これらの熱伝導率は上記したように非常に良い。更に、パワー素子２２の固着に用いられる半田も放熱の経路となるが、半田は錫等から成る金属材料であるので、樹脂材料と比較すると熱伝導性に優れている。更にまた、実装基板２８は回路基板１２よりも薄く形成されているので、その分熱抵抗が小さくなる。以上の理由により、パワー素子２２が動作時に発生した熱は直ちに外部に放出されるので、パワー素子２２が過熱されることによる破壊や特性劣化が抑制されている。
【００３３】
一方、回路基板１２の上面には、発熱量が多いパワー素子２２は載置されず、パワー素子２２のスイッチングを制御する制御素子２３やチップ素子２４等の発熱量が比較的小さい素子のみが配置される。従って、放熱性に劣るが安価なガラスエポキシ基板を回路基板１２として採用でき、コストダウンが図れる。更に、ガラスエポキシ基板は加工性に優れた材料であるので、容易に開口部１８を形成できる。
【００３４】
更にまた、混成集積回路装置１０Ａでは、背景技術で述べた絶縁破壊の問題が回避される。具体的には、本形態では、実装基板２８自体が絶縁材料であるセラミックから成るので、実装基板２８と配線パターン３２との間に、絶縁破壊を起こしやすい樹脂からなる絶縁層を設ける必要が無い。また、配線パターン３２に、１０００Ｖ〜２０００Ｖ程度の電圧を印加しても、セラミックから成る実装基板２８は絶縁破壊を起こし難い。この様な理由により、装置全体の耐圧性が向上されている。
【００３５】
図２を参照して、他の形態の混成集積回路装置の構成を説明する。図２（Ａ）−図２（Ｃ）に示す混成集積回路装置１０Ｂ−１０Ｄの構成は、上述した装置と基本的には同様であり、相違点は、実装基板２８にパワー素子２２が実装される構造にある。以下では相違点を中心に説明する。
【００３６】
図２（Ａ）に示す混成集積回路装置１０Ｂでは、実装基板２８の裏面が封止樹脂３０により被覆される。このようにすることで、パワー素子２２から発生した熱の経路に封止樹脂３０が存在することに成るので、放熱性が若干低下する。しかしながら、実装基板２８の下面も被覆されるように封止樹脂３０を形成することにより、実装基板２８と封止樹脂３０との界面が外部に露出しないので、その界面を経由して水分が内部に侵入することが抑制され、耐湿性が向上する。また、下記する他の形態に関しても、このように実装基板２８も被覆されるように樹脂封止を行っても良い。
【００３７】
図２（Ｂ）に示す混成集積回路装置１０Ｃでは、パワー素子２２のみが実装される実装基板２８として、金属からなる基板を採用している。このように、セラミックよりも熱伝導性に優れた金属を、実装基板２８の材料として採用することにより、パワー素子２２から放出された熱をより効率的に外部に放出することができる。また、この場合、パワー素子２２の下面電極が半田を介して実装基板２８と接続され、この実装基板２８に接続する金属細線２０を経由して、回路基板１２上の導電パターン１６とパワー素子２２とが電気的に接続されても良い。即ち、金属からなる実装基板２８の電位は、パワー素子２２の裏面電極（例えばコレクタ電極）と同電位となる。
【００３８】
図２（Ｃ）に示す混成集積回路装置１０Ｄでは、セラミックから成る実装基板２８の下面に、アルミニウムまたは銅等の金属材料から成る金属基板３４が固着されている。そして、金属基板３４の下面は封止樹脂３０から外部に露出している。従って、パワー素子２２から発生した熱は、配線パターン３２、実装基板２８および金属基板３４をこの順番で経由した後に外部に放出される。
【００３９】
ここで、金属基板３４の平面視での大きさは、パワー素子２２よりも大きい程度が好適であり、厚みは実装基板２８と同程度で良い。このようにすることで、パワー素子２２から発せられて実装基板２８を伝導した熱が、金属基板３４で拡散される。即ち、金属基板３４がヒートスプレッダーとして作用し、パワー素子２２よりも広い面積で熱が外部に放出され、放熱特性が向上する。
【００４０】
図３を参照して、更なる混成集積回路装置の他の形態を説明する。
【００４１】
図３（Ａ）に示す混成集積回路装置１０Ｅでは、セラミックから成る実装基板２８の上面に金属基板３４を載置し、この金属基板３４の上面にパワー素子２２を実装している。従って、パワー素子２２から発生した熱は、金属基板３４、配線パターン３２および実装基板２８を経由して外部に放出される。図２（Ｂ）の場合と同様に、パワー素子２２から発生した熱が、金属基板３４にて周囲に拡散されて広い面積が伝導するので、放熱性が良好となる。
【００４２】
図３（Ｂ）に示す混成集積回路装置１０Ｆでは、開口部１８の周辺部で回路基板１２を厚み方向に窪ませて凹状部３６を形成し、実装基板２８を凹状部３６に収納している。また、スペーサ２６は、凹状部３６の内部で、実装基板２８と回路基板１２とを離間させている。ここで、凹状部３６の深さは、厚み方向で、スペーサ２６のみが収納される程度でも良いし、スペーサ２６と実装基板２８の一部が収納される程度でも良い。このようにすることで、実装基板２８を設けることによる装置全体の厚みの増加が抑制される。この凹状部３６を設ける事項は、上記した他の形態に適用可能である。
【００４３】
図４を参照して、更なる他の形態の混成集積回路装置１０Ｇの構成を説明する。図４（Ａ）は混成集積回路装置１０Ｇを示す断面図であり、図４（Ｂ）は開口部１８を拡大して示す平面図であり、図４（Ｃ）は図４（Ｂ）のＣ−Ｃ’線における断面図である。
【００４４】
上記した混成集積回路装置１０Ａ等では、回路基板１２と実装基板２８との間にスペーサを配置することで両者を離間したが、この図に示す混成集積回路装置１０Ｇでは、開口部１８にて平面視で実装基板２８を回路基板１２から離間させている。
【００４５】
図４（Ａ）を参照して、ここでは、実装基板２８の上面の周辺部は直に回路基板１２の下面に固着されており、両者の間に上記したスペーサは配置されていない。また、両者の間にエポキシ樹脂等の接着材が塗布されるとしても、その厚みは極めて薄い。
【００４６】
図４（Ｂ）および図４（Ｃ）を参照して、平面視で実装基板２８と開口部１８とを比較すると、紙面上縦方向に対しては実装基板２８は開口部１８よりも短く、紙面上横方向に対しては実装基板２８は開口部１８よりも長い。従って、開口部１８の紙面上上下端部は、開口部１８が実装基板２８により覆われない領域（離間領域１９）となる。一方、紙面上横方向に対しては、実装基板２８の左右両端部が、開口部１８周辺部の回路基板１２と重畳し、この重畳する部分にて両者が固着される。
【００４７】
このようにすることで、離間領域１９を介して実装基板２８と回路基板１２とが離間されるので、実装基板２８の全ての周辺部が回路基板１２と接触する場合と比較すると、実装基板２８と回路基板１２とを熱的に分離させることが可能となる。
【００４８】
更に、後述するように、製造方法の樹脂封止の工程にて、回路基板１２の上方に供給された封止樹脂を、この離間領域１９を経由して回路基板１２の下方に流動させることが可能となる。
【００４９】
図５を参照して、更なる他の形態の混成集積回路装置１０Ｈの構成を説明する。ここでは、２つの開口部１８Ａ、１８Ｂが設けられ、これらの開口部に配置された素子同士が、回路基板１２の下面に設けられた導電パターン１７Ａを経由して接続されている。
【００５０】
具体的には、紙面上にて左側に設けた開口部１８Ａを塞ぐように実装基板２８Ａが配置され、実装基板２８Ａにパワー素子２２Ａが実装されている。実装基板２８Ａの上面にはパワー素子２２Ａが接続される配線パターン３２Ａが配置され、回路基板１２の下面に設けた導電パターン１７と、半田等の導電性固着材を介して固着されている。ここで、実装基板２８Ａの上面は、回路基板１２に当接しても良いし離間しても良い。
【００５１】
また、紙面上にて右側に設けた開口部１８Ｂを塞ぐように実装基板２８Ｂが配置され、実装基板２８Ｂの上面にパワー素子２２Ｂが配置されている。そして、実装基板２８Ｂの上面に設けた配線パターン３２Ｂにパワー素子２２Ｂが接続され、導電パターン１７と半田を介して固着されている。
【００５２】
ここでは、実装基板２８Ａに実装されたパワー素子２２Ａと、実装基板２８Ｂに実装されたパワー素子２２Ｂとが、回路基板１２の裏面に設けた導電パターン１７Ａを経由して接続されている。例えば、これらの素子がＩＧＢＴであれば、パワー素子２２Ａ、２２Ｂのコレクタ電極どうしが、導電パターン１７Ａを経由して接続される。これにより、両者を接続するパターンを回路基板１２の上面に設ける必要がないので、回路基板１２を小型なものとなる。
【００５３】
図６を参照して、上記した構成の混成集積回路装置の熱抵抗を測定した実験結果を説明する。ここでは、上記した混成集積回路装置１０Ａ、１０Ｄおよび１０Ｅを用意し、従来例のものと共に熱抵抗の経時変化を測定した。この図に示すグラフでは、縦軸は熱抵抗を示し、横軸は経過時間を対数で示している。ここで、熱抵抗が小さいことは、放熱性に優れていることを示している。また、熱抵抗の値が時間と共に変化する領域での熱抵抗（グラフでは１０秒までの領域）は過渡熱抵抗と称され、それ以降で経時的に熱抵抗が変化しない熱抵抗は（グラフでは１０秒以降の領域）は定常熱抵抗と称される。
【００５４】
図１（Ａ）に示す混成集積回路装置１０Ａは、従来例と比較すると、１０秒までの過渡熱抵抗では劣るが、それ以降の定常熱抵抗では良好な値を示している。過渡熱容量が従来例よりも劣る原因は、セラミックから成る実装基板２８が、従来例のアルミから成る基板１０１よりも熱容量が小さいからである。また、混成集積回路装置１０Ａが定常熱抵抗に優れる原因は、上記したように、熱伝導率の低い樹脂材料が熱の経路に存在しないからである。
【００５５】
図２（Ｃ）に示す混成集積回路装置１０Ｄの実験結果を従来例と比較すると、過渡熱抵抗は従来例よりも劣るが、定常熱抵抗では従来例よりも優れている。この理由は、混成集積回路装置１０Ａの場合と同様である。また、この結果を混成集積回路装置１０Ａと比較すると、過渡熱抵抗値ではこのケースの方が優れている。この原因は、実装基板２８の下面に配置された金属基板３４がヒートシンクとして機能し、パワー素子２２の急激な温度上昇が抑制されたからである。
【００５６】
図３（Ａ）に示す混成集積回路装置１０Ｅの実験結果を従来例と比較すると、過渡熱抵抗および定常熱抵抗の両方に於いて、混成集積回路装置１０Ｅが従来例よりも優れている。過渡熱抵抗が優れる理由は、動作の初期段階に於いてはパワー素子２２から発生した熱が金属基板３４に吸収されて急激な温度上昇が抑制されるからである。また、定常熱抵抗が優れる理由は、パワー素子２２から発生した熱が金属基板３４によって四方に広げられた後に、広い面積で実装基板２８から外部に放出されるからである。
【００５７】
以上の実験結果から、本形態の混成集積回路装置は、従来例のものよりも放熱性に優れていると判断される。
【００５８】
図７を参照して、次に上記した構成の混成集積回路装置１０Ａの製造方法を説明する。図７（Ａ）は本工程を示す断面図であり、図７（Ｂ）は開口部１８を拡大して示す断面図であり、図７（Ｃ）は開口部１８を上方から見た平面図である。更に図７（Ｄ）は、図４に示した混成集積回路装置１０Ｇを樹脂封止する工程を示す断面図である。
【００５９】
図７（Ａ）を参照して、混成集積回路装置１０Ａの製造方法では、回路基板１２の上面に形成された導電パターンに制御素子等の回路素子が接続され、回路基板１２に設けられた開口部１８を塞ぐように、回路基板１２の下方に実装基板２８が配置されている。実装基板２８の上面にはパワー素子２２が配置されている。そして、実装基板２８の上面と回路基板１２の下面との間にはスペーサ２６が配置されており、これにより両者の間に間隙が形成されている。ここで、回路基板１２、実装基板２８及び、これらの基板に実装される回路素子の詳細は図１を参照して説明した通りである。また、回路基板１２の周辺部には図１に示したリードが固着されており、このリードが金型３８で挟持されることにより、金型３８の内部に於ける回路基板１２の位置が固定される。
【００６０】
上記構成を備えた回路基板１２は、金型３８の内部に収納される。金型３８は、上金型４０と下金型４２とから成り、両者を当接されることで形成されるキャビティ４６の内部に回路基板１２が収納されている。ここでは、実装基板２８の下面を外部に露出させるので、実装基板２８の下面は、下金型４２の内壁に当接している。一方、図２（Ａ）に示すように、実装基板２８の下面を封止樹脂３０で被覆する場合は、実装基板２８の下面を下金型４２の内壁から離間させる。
【００６１】
回路基板１２をキャビティ４６に収納した後は、ゲート４４から液状または半固形状の封止樹脂をキャビティ４６に注入する。注入される樹脂としては、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂が採用される。注入された封止樹脂により、回路基板１２、回路基板１２の上面に固着された回路素子、実装基板２８、実装基板２８の上面に固着されたパワー素子が樹脂封止される。また、開口部１８にも封止樹脂が充填され、更に実装基板２８の下面は外部に露出する。その後、注入された封止樹脂が加熱硬化した後に除熱し、上金型４０と下金型４２とを離型した後に、樹脂封止された回路基板１２を金型３８から取り出す。
【００６２】
図７（Ｂ）を参照して、本形態では、実装基板２８と回路基板１２との間にスペーサ２６を介在させることにより、両者の間に間隙を確保している。これにより、樹脂封止の工程にて開口部１８に流入した液状の封止樹脂３０は、スペーサ２６により形成された間隙を経由して、回路基板１２の下方に回りこむ。これにより、開口部１８の内部および回路基板１２の下方に封止樹脂３０が充填され、未充填領域であるボイドの出現が抑制される。
【００６３】
図７（Ｃ）を参照して、本形態では、実装基板２８の対向する側辺に沿って細長いスペーサ２６を配置している。従って、本工程にて開口部１８に流入された封止樹脂３０は、スペーサ２６に沿って横方向外側に向かって流動する。この図では、封止樹脂３０が流動する方向を矢印にて示している。
【００６４】
更に本形態では、図７（Ａ）を参照して、ゲート４４の位置は、回路基板１２の上面よりも上方に設定されている。一例として、ゲート４４は回路基板１２の上面から１ｍｍ以上の上方に配置されている。これにより、ゲート４４からキャビティ４６に注入された封止樹脂の一部は、開口部１８を経由して良好に回路基板１２の下方に行き渡る。
【００６５】
また、図７（Ｄ）を参照して、図４に示す混成集積回路装置１０Ｇの場合は、実装基板２８と回路基板１２との間に離間領域１９が存在するので、回路基板１２の上方に供給された封止樹脂３０は、この離間領域１９を経由して回路基板１２の下方に良好に流動する。
【００６６】
以上が、本形態に係る混成集積回路装置の製造方法の説明である。
【符号の説明】
【００６７】
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ，１０Ｇ，１０Ｈ 混成集積回路装置
１２ 回路基板
１４ リード
１６ 導電パターン
１７，１７Ａ 導電パターン
１８，１８Ａ，１８Ｂ 開口部
１９ 離間領域
２０ 金属細線
２２，２２Ａ，２２Ｂ パワー素子
２３ 制御素子
２４ チップ素子
２６ スペーサ
２８，２８Ａ，２８Ｂ 実装基板
３０ 封止樹脂
３２，３２Ａ，３２Ｂ 配線パターン
３４ 金属基板
３６ 凹状部
３８ 金型
４０ 上金型
４２ 下金型
４４ ゲート
４６ キャビティ
【技術分野】
【０００１】
本発明は回路装置およびその製造方法に関し、特に、放熱性が向上された回路装置およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図８を参照して、従来型の回路装置の一例として混成集積回路装置１００の構成を説明する（特許文献１）。先ず、アルミニウム等の金属からなる基板１０１の表面には、樹脂から成る絶縁層１０２を介して導電パターン１０３が形成され、この導電パターン１０３の所望の箇所に回路素子が固着されて、所定の電気回路が形成される。ここでは、回路素子として半導体素子１０５Ａとチップ素子１０５Ｂが採用されている。半導体素子１０５Ａは、例えばトランジスタまたはダイオードであり、上面の電極が金属細線１０７を経由して所定の導電パターン１０３と接続され、裏面の電極は導電パターン１０３に接続されている。一方、コンデンサまたは抵抗器であるチップ素子１０５Ｂは、両端の電極が半田等の接合材１０６を介して所定の導電パターン１０３と接合されている。また、封止樹脂１０８は、基板１０１の表面に形成された電気回路を封止する機能を有する。更に、リード１０９は装置全体の外部接続端子として機能し、内側の端部はパッド状に形成された導電パターン１０３に固着され、外側の端部は封止樹脂１０８から外部に導出する。
【０００３】
この様な構成の混成集積回路装置１００は、金属からなる基板１０１の上面に各回路素子が実装されるので、動作状況下にて半導体素子１０５Ａが発熱しても、発生した熱は基板１０１を経由して良好に外部に放出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−０３６０１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、数十アンペア程度の大電流のスイッチングを行うパワー素子等を回路素子として採用した場合、上記した構成の混成集積回路装置１００でも放熱性が不十分な問題があった。
【０００６】
具体的には、例えば半導体素子１０５Ａから発生された熱が外部に至る経路は、導電パターン１０３、絶縁層１０２、基板１０１、封止樹脂１０８の順番である。この中でも、導電パターン１０３、基板１０１は金属から成るので熱伝導率は良いが、絶縁層１０２および封止樹脂１０８はエポキシ樹脂等の樹脂材料から成るので熱伝導性が悪い。このように、半導体素子１０５Ａの熱が外部に放出される経路に、樹脂からなる部分が含まれることが、放熱性の更なる向上を阻害していた。
【０００７】
また、基板１０１の下面を外部に露出させると、裏面を被覆していた封止樹脂１０８が無くなる分、放熱性が向上する。しかしながら、この場合であっても、基板１０１の上面を被覆する絶縁層１０２が、熱の経路に存在するので、放熱性の向上に限界があった。更に、絶縁層１０２自体の熱伝導率を向上させるために、絶縁層１０２はシリカ等の無機フィラーを含むが、この様な対策を施しても絶縁層１０２の熱伝導率は金属には劣る。
【０００８】
更にまた、半導体素子１０５Ａの動作時の発熱量が特に大きい場合、発生した熱が基板１０１を経由してチップ素子１０５Ｂ等に伝導し、この結果、高温と成ったチップ素子１０５Ｂの特性が劣化してしまう問題もあった。
【０００９】
本発明は上記した問題を鑑みて成されたものであり、本発明の主たる目的は、放熱性が高く且つ回路素子同士の熱干渉が抑制された回路装置およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の回路装置は、上面に導電パターンが配置された回路基板と、前記回路基板を部分的に開口した開口部と、前記開口部と重畳するように前記回路基板の下方に配置された実装基板と、前記実装基板の上面に配置されて前記導電パターンと電気的に接続された半導体素子と、を備え、前記実装基板の一部を前記回路基板から離間させることを特徴とする。
【００１１】
本発明の回路装置の製造方法は、上面に導電パターンが配置されると共に開口部が設けられた回路基板を用意し、半導体素子が上面に実装された実装基板を、前記開口部と重畳する位置で前記回路基板の下方に配置する工程と、金型のキャビティに前記回路基板および前記実装基板を収納し、前記回路基板の上面、側面および下面の周辺部を封止樹脂で被覆する工程と、を備え、前記実装基板を前記回路基板から離間させることで、前記実装基板と前記回路基板との間に間隙を形成し、前記間隙を経由して前記封止樹脂を流動させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、発熱体である半導体素子が実装される実装基板と回路基板とを離間させている。これにより、回路基板と実装基板とが熱的に分離されるので、実装基板に実装された半導体素子が発熱しても、発生した熱は回路基板には殆ど伝導しない。この結果、回路基板に配置された小信号系の半導体素子等が過熱されることによる誤動作が抑止される。
【００１３】
更に本発明によれば、熱伝導性に優れた材料からなる実装基板を回路基板とは別体で配置し、この実装基板の上面に半導体素子を実装している。これにより、半導体素子から発生した熱は、熱伝導性に優れる実装基板を経由して直ちに外部に放出される。従って、動作時の半導体素子の過熱が抑制され、その誤動作や特性低下が抑制される。
【００１４】
更に、製法上に於いては、開口部を塞ぐ実装基板と回路基板との間に間隙が存在するので、樹脂封止の工程において、両者の間に存在する間隙を経由して封止樹脂が流通するように成る。この結果、回路基板の開口部および回路基板の下面に封止樹脂が良好に充填され、未重点領域であるボイドの出現が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の回路装置を示す図であり、（Ａ）は斜視図であり、（Ｂ）は断面図であり、（Ｃ）は実装基板を示す斜視図である。
【図２】本発明の回路装置を示す図であり、（Ａ）−（Ｃ）は他の形態の混成集積回路装置を示す断面図である。
【図３】本発明の回路装置を示す図であり、（Ａ）−（Ｂ）は他の形態の混成集積回路装置を示す断面図である。
【図４】本発明の他の形態の回路装置を示す図であり、（Ａ）は断面図であり、（Ｂ）は拡大された平面図であり、（Ｃ）は拡大された断面図である。
【図５】本発明の他の形態の回路装置を示す断面図である。
【図６】本形態の回路装置の熱抵抗を測定した結果を示すグラフである。
【図７】本形態の回路装置の製造方法を示す図であり、（Ａ）は本工程を示す断面図であり、（Ｂ）は部分的に拡大して示す断面図であり、（Ｃ）は実装基板の部分を示す平面図であり、（Ｄ）は他の形態の回路装置を樹脂封止する状態を示す断面図である。
【図８】背景技術の混成集積回路装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１を参照して、本発明の回路装置の一例として混成集積回路装置１０Ａの構成を説明する。図１（Ａ）は混成集積回路装置１０Ａを示す斜視図であり、図１（Ｂ）はその断面図であり、図１（Ｃ）は実装基板を抜き出して示す斜視図である。
【００１７】
図１（Ａ）および図１（Ｂ）を参照して、混成集積回路装置１０Ａは、導電パターン１６および回路素子から成る混成集積回路が上面に組み込まれた回路基板１２と、回路基板１２を部分的に開口した開口部１８と、開口部１８と重畳する様に回路基板１２の下方に配置された実装基板２８と、実装基板２８に実装されたパワー素子２２（半導体素子）とを備えている。更に本形態では、パワー素子２２が実装される実装基板２８と回路基板１２との間にスペーサ２６を配置することにより、両者を離間させている。
【００１８】
具体的には、回路基板１２は、回路素子を相互に接続するための導電パターン１６が上面に形成された基板である。回路基板１２の材料としては、ガラスエポキシ樹脂等の樹脂材料、セラミック基板またはアルミニウム等の金属基板が採用される。また、金属基板が回路基板１２として採用される場合は、アルミナ等のフィラーが充填された樹脂からなる絶縁層により回路基板１２の上面が被覆され、この絶縁層の上面に導電パターン１６が形成される。回路基板１２の具体的な大きさは、例えば、縦×横＝６０ｍｍ×８０ｍｍ程度であり、厚みは１．０ｍｍ〜２．０ｍｍ程度である。
【００１９】
導電パターン１６は厚みが３５μｍ〜７０μｍ程度の銅等の金属から成り、所定の電気回路が形成されるように回路基板１２の上面に形成される。導電パターン１６は、回路素子が固着されるアイランド、金属細線が接続されるパッド、リード１４が固着されるパッドおよび、これらを相互に接続する配線部等を備える。ここでは単層の導電パターン１６が図示されているが、絶縁層を介して積層された多層の導電パターン１６が回路基板１２の上面に形成されても良い。
【００２０】
導電パターン１６に電気的に接続される回路素子としては、能動素子や受動素子を全般的に採用することができる。具体的には、トランジスタ、ＬＳＩチップ、ダイオード、チップ抵抗、チップコンデンサ、インダクタンスなどを回路素子として採用することができる。図１（Ａ）を参照すると、回路基板１２の上面には、制御素子２３（ＬＳＩ）、チップ素子２４等が回路基板１２の上面に固着されている。一方、ＭＯＳＦＥＴ等であるパワー素子２２は、開口部１８の内部に配置されており、この事項は図１（Ｂ）を参照して後述する。
【００２１】
封止樹脂３０は、回路基板１２およびその上面に固着された回路素子を封止するように形成されている。封止樹脂３０は、フィラーが混入されたエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂から成り、トランスファーモールドにより形成される。
【００２２】
リード１４は、回路基板１２の対向する側辺に沿って、導電パターン１６から成るパッドに固着されており、混成集積回路装置１０Ａの入出力端子として機能している。図１（Ａ）を参照すると、紙面上にて右側の回路基板１２の側辺に沿って多数のリード１４が設けられているが、対向する２つの側辺に沿ってリード１４が固着されても良い。
【００２３】
開口部１８は回路基板１２を部分的に開口した部位であり、パワー素子２２を収納可能な大きさで四角形形状を呈している。開口部１８の平面視での大きさは、例えば、縦×横＝０．４ｃｍ以上１．２ｃｍ以下である。このような開口部１８は、回路基板１２に対してプレス加工または研削加工を施すことで形成される。
【００２４】
実装基板２８は、回路基板１２の開口部１８と重畳する領域で回路基板１２の下方に配置された基板であり、回路基板１２よりも熱伝導性に優れ且つ電気的には絶縁性の材料から成る。実装基板２８の具体的な材料としては、例えばセラミック基板が採用される。実装基板２８の平面視での大きさは、開口部１８よりも若干大きい程度であり、縦×横＝０．５ｃｍ以上１．５ｃｍ以下である。回路基板１２の材料であるエポキシ樹脂の熱伝導率が０．２〔Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１〕であるのに対し、実装基板２８の材料であるセラミックの熱伝導率は３０〔Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１〕である。また、実装基板２８の下面は封止樹脂３０から外部に露出している。図１（Ａ）を参照すると、回路基板１２に２つの開口部１８が設けられ、これらの開口部１８にパワー素子２２が配置されている。また、ここでは、開口部１８の全域を下方から覆うように実装基板２８が回路基板１２の下面に当接しているが、開口部１８を部分的に覆うように実装基板２８が設けられても良い。
【００２５】
実装基板２８の上面には、銅などの金属箔を所定形状にパターニングした配線パターン３２が形成されている。パワー素子２２の下面に形成された電極は、半田等の導電性固着材を介して、配線パターン３２と接続される。
【００２６】
実装基板２８の上面に実装されるパワー素子２２は、例えば１アンペア以上の大電流が通過する半導体素子であり、具体的には、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、バイポーラトランジスタまたはダイオードが採用される。これらの複数が実装基板２８に実装されても良い。
【００２７】
パワー素子２２としてＭＯＳＦＥＴが採用された場合は、パワー素子２２の下面にドレイン電極が配置され、上面にソース電極およびゲート電極が設けられる。一方、パワー素子２２としてＩＧＢＴが採用された場合は、下面にコレクタ電極が設けられ、上面にエミッタ電極およびゲート電極が配置される。また、パワー素子２２としてバイポーラトランジスタが採用された場合は、下面にコレクタ電極が設けられ、上面にエミッタ電極およびベース電極が配置される。
【００２８】
実装基板２８の上面に配置されたパワー素子２２は、金属細線２０を経由して回路基板１２の上面に形成された導電パターン１６と接続される。具体的には、例えばパワー素子２２がＭＯＳＦＥＴの場合、パワー素子２２の上面に設けられたソース電極およびゲート電極は、金属細線２０を経由して回路基板１２の上面に形成された導電パターン１６から成るパッドに接続される。一方、パワー素子２２の下面に設けられたドレイン電極は、先ず、半田を介してランド形状の配線パターン３２に電気的に接続される。そして、この配線パターン３２は、金属細線２０を経由して、回路基板１２の上面に形成されたパッド状の導電パターン１６と接続される。
【００２９】
図１（Ｂ）を参照して、本形態では、実装基板２８の上面と回路基板１２の下面との間にスペーサ２６を配置している。スペーサ２６は、厚みが０．２ｍｍ以上０．５ｍｍ以下程度であり、実装基板２８と回路基板１２とを離間させて両者の間に間隙を形成する働きを有する。実装基板２８の上面と回路基板１２の下面とが離間する距離は、スペーサ２６の厚みと同等である。スペーサ２６の材料としては、エポキシ樹脂等の樹脂材料、セラミック等が採用可能である。
【００３０】
図１（Ｃ）を参照すると、細長い直方体形状を呈する２本のスペーサ２６が、実装基板２８の対向する２つの側辺に沿って周辺部に配置されている。この様なスペーサ２６が、実装基板２８と回路基板１２との間に介在することにより、両者が均等に離間される。ここで、スペーサ２６の形状は図示以外の形状でも良く、例えば、実装基板２８の側辺に沿って離散的にスペーサ２６が配置されても良い。
【００３１】
スペーサ２６で実装基板２８と回路基板１２とを離間させることにより、パワー素子２２が他の素子に与える悪影響が低減される。具体的には、大電流のスイッチングを行うパワー素子２２が動作時に発熱すると、発熱した熱は実装基板２８に伝導するが、スペーサ２６により離間されている回路基板１２にはそれほど伝導しない。従って、過熱により誤動作しやすい制御素子２３が回路基板１２の上面に実装されていても、パワー素子２２から発生した熱は回路基板１２には伝導しないので、パワー素子２２の発熱に起因して制御素子２３が過熱されることによる誤動作が抑制される。
【００３２】
更に、上記した本形態の混成集積回路装置１０Ａによれば、パワー素子２２から発生した熱を効率的に外部に放出させることができる。具体的には、本形態では、パワー素子２２が配置される箇所を開口して開口部１８を設け、この開口部を塞ぐように配置された実装基板２８の上面にパワー素子２２を固着している。これにより、パワー素子２２が動作時に発生する熱は、配線パターン３２および実装基板２８を経由して良好に外部に放出される。従来例では、図８を参照すると、放熱の経路に基板１０１の上面を被覆する絶縁層１０２や、基板１０１の下面を覆う封止樹脂１０８が存在しており、これらの熱伝導性が悪いことによって放熱性が阻害されていたが、本形態ではこの様な樹脂材料（有機材料）が放熱の経路に存在していない。即ち、パワー素子２２の放熱の経路に存在するのは、金属からなる配線パターン３２およびセラミックから成る実装基板２８の無機材料のみであり、これらの熱伝導率は上記したように非常に良い。更に、パワー素子２２の固着に用いられる半田も放熱の経路となるが、半田は錫等から成る金属材料であるので、樹脂材料と比較すると熱伝導性に優れている。更にまた、実装基板２８は回路基板１２よりも薄く形成されているので、その分熱抵抗が小さくなる。以上の理由により、パワー素子２２が動作時に発生した熱は直ちに外部に放出されるので、パワー素子２２が過熱されることによる破壊や特性劣化が抑制されている。
【００３３】
一方、回路基板１２の上面には、発熱量が多いパワー素子２２は載置されず、パワー素子２２のスイッチングを制御する制御素子２３やチップ素子２４等の発熱量が比較的小さい素子のみが配置される。従って、放熱性に劣るが安価なガラスエポキシ基板を回路基板１２として採用でき、コストダウンが図れる。更に、ガラスエポキシ基板は加工性に優れた材料であるので、容易に開口部１８を形成できる。
【００３４】
更にまた、混成集積回路装置１０Ａでは、背景技術で述べた絶縁破壊の問題が回避される。具体的には、本形態では、実装基板２８自体が絶縁材料であるセラミックから成るので、実装基板２８と配線パターン３２との間に、絶縁破壊を起こしやすい樹脂からなる絶縁層を設ける必要が無い。また、配線パターン３２に、１０００Ｖ〜２０００Ｖ程度の電圧を印加しても、セラミックから成る実装基板２８は絶縁破壊を起こし難い。この様な理由により、装置全体の耐圧性が向上されている。
【００３５】
図２を参照して、他の形態の混成集積回路装置の構成を説明する。図２（Ａ）−図２（Ｃ）に示す混成集積回路装置１０Ｂ−１０Ｄの構成は、上述した装置と基本的には同様であり、相違点は、実装基板２８にパワー素子２２が実装される構造にある。以下では相違点を中心に説明する。
【００３６】
図２（Ａ）に示す混成集積回路装置１０Ｂでは、実装基板２８の裏面が封止樹脂３０により被覆される。このようにすることで、パワー素子２２から発生した熱の経路に封止樹脂３０が存在することに成るので、放熱性が若干低下する。しかしながら、実装基板２８の下面も被覆されるように封止樹脂３０を形成することにより、実装基板２８と封止樹脂３０との界面が外部に露出しないので、その界面を経由して水分が内部に侵入することが抑制され、耐湿性が向上する。また、下記する他の形態に関しても、このように実装基板２８も被覆されるように樹脂封止を行っても良い。
【００３７】
図２（Ｂ）に示す混成集積回路装置１０Ｃでは、パワー素子２２のみが実装される実装基板２８として、金属からなる基板を採用している。このように、セラミックよりも熱伝導性に優れた金属を、実装基板２８の材料として採用することにより、パワー素子２２から放出された熱をより効率的に外部に放出することができる。また、この場合、パワー素子２２の下面電極が半田を介して実装基板２８と接続され、この実装基板２８に接続する金属細線２０を経由して、回路基板１２上の導電パターン１６とパワー素子２２とが電気的に接続されても良い。即ち、金属からなる実装基板２８の電位は、パワー素子２２の裏面電極（例えばコレクタ電極）と同電位となる。
【００３８】
図２（Ｃ）に示す混成集積回路装置１０Ｄでは、セラミックから成る実装基板２８の下面に、アルミニウムまたは銅等の金属材料から成る金属基板３４が固着されている。そして、金属基板３４の下面は封止樹脂３０から外部に露出している。従って、パワー素子２２から発生した熱は、配線パターン３２、実装基板２８および金属基板３４をこの順番で経由した後に外部に放出される。
【００３９】
ここで、金属基板３４の平面視での大きさは、パワー素子２２よりも大きい程度が好適であり、厚みは実装基板２８と同程度で良い。このようにすることで、パワー素子２２から発せられて実装基板２８を伝導した熱が、金属基板３４で拡散される。即ち、金属基板３４がヒートスプレッダーとして作用し、パワー素子２２よりも広い面積で熱が外部に放出され、放熱特性が向上する。
【００４０】
図３を参照して、更なる混成集積回路装置の他の形態を説明する。
【００４１】
図３（Ａ）に示す混成集積回路装置１０Ｅでは、セラミックから成る実装基板２８の上面に金属基板３４を載置し、この金属基板３４の上面にパワー素子２２を実装している。従って、パワー素子２２から発生した熱は、金属基板３４、配線パターン３２および実装基板２８を経由して外部に放出される。図２（Ｂ）の場合と同様に、パワー素子２２から発生した熱が、金属基板３４にて周囲に拡散されて広い面積が伝導するので、放熱性が良好となる。
【００４２】
図３（Ｂ）に示す混成集積回路装置１０Ｆでは、開口部１８の周辺部で回路基板１２を厚み方向に窪ませて凹状部３６を形成し、実装基板２８を凹状部３６に収納している。また、スペーサ２６は、凹状部３６の内部で、実装基板２８と回路基板１２とを離間させている。ここで、凹状部３６の深さは、厚み方向で、スペーサ２６のみが収納される程度でも良いし、スペーサ２６と実装基板２８の一部が収納される程度でも良い。このようにすることで、実装基板２８を設けることによる装置全体の厚みの増加が抑制される。この凹状部３６を設ける事項は、上記した他の形態に適用可能である。
【００４３】
図４を参照して、更なる他の形態の混成集積回路装置１０Ｇの構成を説明する。図４（Ａ）は混成集積回路装置１０Ｇを示す断面図であり、図４（Ｂ）は開口部１８を拡大して示す平面図であり、図４（Ｃ）は図４（Ｂ）のＣ−Ｃ’線における断面図である。
【００４４】
上記した混成集積回路装置１０Ａ等では、回路基板１２と実装基板２８との間にスペーサを配置することで両者を離間したが、この図に示す混成集積回路装置１０Ｇでは、開口部１８にて平面視で実装基板２８を回路基板１２から離間させている。
【００４５】
図４（Ａ）を参照して、ここでは、実装基板２８の上面の周辺部は直に回路基板１２の下面に固着されており、両者の間に上記したスペーサは配置されていない。また、両者の間にエポキシ樹脂等の接着材が塗布されるとしても、その厚みは極めて薄い。
【００４６】
図４（Ｂ）および図４（Ｃ）を参照して、平面視で実装基板２８と開口部１８とを比較すると、紙面上縦方向に対しては実装基板２８は開口部１８よりも短く、紙面上横方向に対しては実装基板２８は開口部１８よりも長い。従って、開口部１８の紙面上上下端部は、開口部１８が実装基板２８により覆われない領域（離間領域１９）となる。一方、紙面上横方向に対しては、実装基板２８の左右両端部が、開口部１８周辺部の回路基板１２と重畳し、この重畳する部分にて両者が固着される。
【００４７】
このようにすることで、離間領域１９を介して実装基板２８と回路基板１２とが離間されるので、実装基板２８の全ての周辺部が回路基板１２と接触する場合と比較すると、実装基板２８と回路基板１２とを熱的に分離させることが可能となる。
【００４８】
更に、後述するように、製造方法の樹脂封止の工程にて、回路基板１２の上方に供給された封止樹脂を、この離間領域１９を経由して回路基板１２の下方に流動させることが可能となる。
【００４９】
図５を参照して、更なる他の形態の混成集積回路装置１０Ｈの構成を説明する。ここでは、２つの開口部１８Ａ、１８Ｂが設けられ、これらの開口部に配置された素子同士が、回路基板１２の下面に設けられた導電パターン１７Ａを経由して接続されている。
【００５０】
具体的には、紙面上にて左側に設けた開口部１８Ａを塞ぐように実装基板２８Ａが配置され、実装基板２８Ａにパワー素子２２Ａが実装されている。実装基板２８Ａの上面にはパワー素子２２Ａが接続される配線パターン３２Ａが配置され、回路基板１２の下面に設けた導電パターン１７と、半田等の導電性固着材を介して固着されている。ここで、実装基板２８Ａの上面は、回路基板１２に当接しても良いし離間しても良い。
【００５１】
また、紙面上にて右側に設けた開口部１８Ｂを塞ぐように実装基板２８Ｂが配置され、実装基板２８Ｂの上面にパワー素子２２Ｂが配置されている。そして、実装基板２８Ｂの上面に設けた配線パターン３２Ｂにパワー素子２２Ｂが接続され、導電パターン１７と半田を介して固着されている。
【００５２】
ここでは、実装基板２８Ａに実装されたパワー素子２２Ａと、実装基板２８Ｂに実装されたパワー素子２２Ｂとが、回路基板１２の裏面に設けた導電パターン１７Ａを経由して接続されている。例えば、これらの素子がＩＧＢＴであれば、パワー素子２２Ａ、２２Ｂのコレクタ電極どうしが、導電パターン１７Ａを経由して接続される。これにより、両者を接続するパターンを回路基板１２の上面に設ける必要がないので、回路基板１２を小型なものとなる。
【００５３】
図６を参照して、上記した構成の混成集積回路装置の熱抵抗を測定した実験結果を説明する。ここでは、上記した混成集積回路装置１０Ａ、１０Ｄおよび１０Ｅを用意し、従来例のものと共に熱抵抗の経時変化を測定した。この図に示すグラフでは、縦軸は熱抵抗を示し、横軸は経過時間を対数で示している。ここで、熱抵抗が小さいことは、放熱性に優れていることを示している。また、熱抵抗の値が時間と共に変化する領域での熱抵抗（グラフでは１０秒までの領域）は過渡熱抵抗と称され、それ以降で経時的に熱抵抗が変化しない熱抵抗は（グラフでは１０秒以降の領域）は定常熱抵抗と称される。
【００５４】
図１（Ａ）に示す混成集積回路装置１０Ａは、従来例と比較すると、１０秒までの過渡熱抵抗では劣るが、それ以降の定常熱抵抗では良好な値を示している。過渡熱容量が従来例よりも劣る原因は、セラミックから成る実装基板２８が、従来例のアルミから成る基板１０１よりも熱容量が小さいからである。また、混成集積回路装置１０Ａが定常熱抵抗に優れる原因は、上記したように、熱伝導率の低い樹脂材料が熱の経路に存在しないからである。
【００５５】
図２（Ｃ）に示す混成集積回路装置１０Ｄの実験結果を従来例と比較すると、過渡熱抵抗は従来例よりも劣るが、定常熱抵抗では従来例よりも優れている。この理由は、混成集積回路装置１０Ａの場合と同様である。また、この結果を混成集積回路装置１０Ａと比較すると、過渡熱抵抗値ではこのケースの方が優れている。この原因は、実装基板２８の下面に配置された金属基板３４がヒートシンクとして機能し、パワー素子２２の急激な温度上昇が抑制されたからである。
【００５６】
図３（Ａ）に示す混成集積回路装置１０Ｅの実験結果を従来例と比較すると、過渡熱抵抗および定常熱抵抗の両方に於いて、混成集積回路装置１０Ｅが従来例よりも優れている。過渡熱抵抗が優れる理由は、動作の初期段階に於いてはパワー素子２２から発生した熱が金属基板３４に吸収されて急激な温度上昇が抑制されるからである。また、定常熱抵抗が優れる理由は、パワー素子２２から発生した熱が金属基板３４によって四方に広げられた後に、広い面積で実装基板２８から外部に放出されるからである。
【００５７】
以上の実験結果から、本形態の混成集積回路装置は、従来例のものよりも放熱性に優れていると判断される。
【００５８】
図７を参照して、次に上記した構成の混成集積回路装置１０Ａの製造方法を説明する。図７（Ａ）は本工程を示す断面図であり、図７（Ｂ）は開口部１８を拡大して示す断面図であり、図７（Ｃ）は開口部１８を上方から見た平面図である。更に図７（Ｄ）は、図４に示した混成集積回路装置１０Ｇを樹脂封止する工程を示す断面図である。
【００５９】
図７（Ａ）を参照して、混成集積回路装置１０Ａの製造方法では、回路基板１２の上面に形成された導電パターンに制御素子等の回路素子が接続され、回路基板１２に設けられた開口部１８を塞ぐように、回路基板１２の下方に実装基板２８が配置されている。実装基板２８の上面にはパワー素子２２が配置されている。そして、実装基板２８の上面と回路基板１２の下面との間にはスペーサ２６が配置されており、これにより両者の間に間隙が形成されている。ここで、回路基板１２、実装基板２８及び、これらの基板に実装される回路素子の詳細は図１を参照して説明した通りである。また、回路基板１２の周辺部には図１に示したリードが固着されており、このリードが金型３８で挟持されることにより、金型３８の内部に於ける回路基板１２の位置が固定される。
【００６０】
上記構成を備えた回路基板１２は、金型３８の内部に収納される。金型３８は、上金型４０と下金型４２とから成り、両者を当接されることで形成されるキャビティ４６の内部に回路基板１２が収納されている。ここでは、実装基板２８の下面を外部に露出させるので、実装基板２８の下面は、下金型４２の内壁に当接している。一方、図２（Ａ）に示すように、実装基板２８の下面を封止樹脂３０で被覆する場合は、実装基板２８の下面を下金型４２の内壁から離間させる。
【００６１】
回路基板１２をキャビティ４６に収納した後は、ゲート４４から液状または半固形状の封止樹脂をキャビティ４６に注入する。注入される樹脂としては、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂が採用される。注入された封止樹脂により、回路基板１２、回路基板１２の上面に固着された回路素子、実装基板２８、実装基板２８の上面に固着されたパワー素子が樹脂封止される。また、開口部１８にも封止樹脂が充填され、更に実装基板２８の下面は外部に露出する。その後、注入された封止樹脂が加熱硬化した後に除熱し、上金型４０と下金型４２とを離型した後に、樹脂封止された回路基板１２を金型３８から取り出す。
【００６２】
図７（Ｂ）を参照して、本形態では、実装基板２８と回路基板１２との間にスペーサ２６を介在させることにより、両者の間に間隙を確保している。これにより、樹脂封止の工程にて開口部１８に流入した液状の封止樹脂３０は、スペーサ２６により形成された間隙を経由して、回路基板１２の下方に回りこむ。これにより、開口部１８の内部および回路基板１２の下方に封止樹脂３０が充填され、未充填領域であるボイドの出現が抑制される。
【００６３】
図７（Ｃ）を参照して、本形態では、実装基板２８の対向する側辺に沿って細長いスペーサ２６を配置している。従って、本工程にて開口部１８に流入された封止樹脂３０は、スペーサ２６に沿って横方向外側に向かって流動する。この図では、封止樹脂３０が流動する方向を矢印にて示している。
【００６４】
更に本形態では、図７（Ａ）を参照して、ゲート４４の位置は、回路基板１２の上面よりも上方に設定されている。一例として、ゲート４４は回路基板１２の上面から１ｍｍ以上の上方に配置されている。これにより、ゲート４４からキャビティ４６に注入された封止樹脂の一部は、開口部１８を経由して良好に回路基板１２の下方に行き渡る。
【００６５】
また、図７（Ｄ）を参照して、図４に示す混成集積回路装置１０Ｇの場合は、実装基板２８と回路基板１２との間に離間領域１９が存在するので、回路基板１２の上方に供給された封止樹脂３０は、この離間領域１９を経由して回路基板１２の下方に良好に流動する。
【００６６】
以上が、本形態に係る混成集積回路装置の製造方法の説明である。
【符号の説明】
【００６７】
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ，１０Ｇ，１０Ｈ 混成集積回路装置
１２ 回路基板
１４ リード
１６ 導電パターン
１７，１７Ａ 導電パターン
１８，１８Ａ，１８Ｂ 開口部
１９ 離間領域
２０ 金属細線
２２，２２Ａ，２２Ｂ パワー素子
２３ 制御素子
２４ チップ素子
２６ スペーサ
２８，２８Ａ，２８Ｂ 実装基板
３０ 封止樹脂
３２，３２Ａ，３２Ｂ 配線パターン
３４ 金属基板
３６ 凹状部
３８ 金型
４０ 上金型
４２ 下金型
４４ ゲート
４６ キャビティ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面に導電パターンが配置された回路基板と、
前記回路基板を部分的に開口した開口部と、
前記開口部と重畳するように前記回路基板の下方に配置された実装基板と、
前記実装基板の上面に配置されて前記導電パターンと電気的に接続された半導体素子と、を備え、
前記実装基板の一部を前記回路基板から離間させることを特徴とする回路装置。
【請求項２】
前記回路基板の下面と前記実装基板の上面との間にスペーサを配置することにより、前記実装基板と前記回路基板とを離間させることを特徴とする請求項１に記載の回路装置。
【請求項３】
前記スペーサは、前記開口部の側辺に沿って設けられることを特徴とする請求項２に記載の回路装置。
【請求項４】
前記スペーサは、絶縁材料から成ることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の回路装置。
【請求項５】
前記実装基板の幅を、前記開口部の幅よりも狭くすることにより、前記実装基板を前記回路基板から離間させることを特徴とする請求項１に記載の回路装置。
【請求項６】
前記実装基板は、前記回路基板よりも熱伝導性に優れる材料から成ることを特徴とする請求項１から請求項５の何れかに記載の回路装置。
【請求項７】
前記回路基板および前記半導体素子を被覆する封止樹脂を更に具備し、
前記実装基板の下面は前記封止樹脂から外部に露出することを特徴とする請求項１から請求項６の何れかに記載の回路装置。
【請求項８】
前記実装基板の上面に配置された金属基板の上面に前記半導体素子が固着されることを特徴とする請求項１から請求項７の何れかに記載の回路装置。
【請求項９】
前記開口部を囲む部分の前記回路基板の下面を窪ませて凹状部を形成し、
前記スペーサは前記凹状部に備えられることを特徴とする請求項１から請求項８の何れかに記載の回路装置。
【請求項１０】
上面に導電パターンが配置されると共に開口部が設けられた回路基板を用意し、半導体素子が上面に実装された実装基板を、前記開口部と重畳する位置で前記回路基板の下方に配置する工程と、
金型のキャビティに前記回路基板および前記実装基板を収納し、前記回路基板の上面、側面および下面の周辺部を封止樹脂で被覆する工程と、を備え、
前記実装基板を前記回路基板から離間させることで、前記実装基板と前記回路基板との間に間隙を形成し、前記間隙を経由して前記封止樹脂を流動させることを特徴とする回路装置の製造方法。
【請求項１１】
前記回路基板の下面と前記実装基板の上面との間にスペーサを配置することにより、前記実装基板と前記回路基板との間に間隙を形成することを特徴とする請求項１０に記載の回路装置の製造方法。
【請求項１２】
前記スペーサは前記開口部の対向する２つの側辺に沿って設けられ、
前記封止樹脂で被覆する工程では、前記スペーサに沿って前記封止樹脂を流動させることを特徴とする請求項１１に記載の回路装置の製造方法。
【請求項１３】
前記実装基板の幅を前記開口部の幅よりも狭くすることにより、前記実装基板と前記回路基板との間に前記間隙を形成することを特徴とする請求項１０に記載の回路装置の製造方法。
【請求項１４】
前記封止樹脂で被覆する工程では、前記回路基板よりも上方に配置された前記金型のゲートを経由して前記封止樹脂を前記キャビティに注入し、前記開口部に流入した前記封止樹脂を、前記間隙を経由して前記回路基板の下方に流動させることを特徴とする請求項１０から請求項１３の何れかに記載の回路基板の製造方法。
【請求項１】
上面に導電パターンが配置された回路基板と、
前記回路基板を部分的に開口した開口部と、
前記開口部と重畳するように前記回路基板の下方に配置された実装基板と、
前記実装基板の上面に配置されて前記導電パターンと電気的に接続された半導体素子と、を備え、
前記実装基板の一部を前記回路基板から離間させることを特徴とする回路装置。
【請求項２】
前記回路基板の下面と前記実装基板の上面との間にスペーサを配置することにより、前記実装基板と前記回路基板とを離間させることを特徴とする請求項１に記載の回路装置。
【請求項３】
前記スペーサは、前記開口部の側辺に沿って設けられることを特徴とする請求項２に記載の回路装置。
【請求項４】
前記スペーサは、絶縁材料から成ることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の回路装置。
【請求項５】
前記実装基板の幅を、前記開口部の幅よりも狭くすることにより、前記実装基板を前記回路基板から離間させることを特徴とする請求項１に記載の回路装置。
【請求項６】
前記実装基板は、前記回路基板よりも熱伝導性に優れる材料から成ることを特徴とする請求項１から請求項５の何れかに記載の回路装置。
【請求項７】
前記回路基板および前記半導体素子を被覆する封止樹脂を更に具備し、
前記実装基板の下面は前記封止樹脂から外部に露出することを特徴とする請求項１から請求項６の何れかに記載の回路装置。
【請求項８】
前記実装基板の上面に配置された金属基板の上面に前記半導体素子が固着されることを特徴とする請求項１から請求項７の何れかに記載の回路装置。
【請求項９】
前記開口部を囲む部分の前記回路基板の下面を窪ませて凹状部を形成し、
前記スペーサは前記凹状部に備えられることを特徴とする請求項１から請求項８の何れかに記載の回路装置。
【請求項１０】
上面に導電パターンが配置されると共に開口部が設けられた回路基板を用意し、半導体素子が上面に実装された実装基板を、前記開口部と重畳する位置で前記回路基板の下方に配置する工程と、
金型のキャビティに前記回路基板および前記実装基板を収納し、前記回路基板の上面、側面および下面の周辺部を封止樹脂で被覆する工程と、を備え、
前記実装基板を前記回路基板から離間させることで、前記実装基板と前記回路基板との間に間隙を形成し、前記間隙を経由して前記封止樹脂を流動させることを特徴とする回路装置の製造方法。
【請求項１１】
前記回路基板の下面と前記実装基板の上面との間にスペーサを配置することにより、前記実装基板と前記回路基板との間に間隙を形成することを特徴とする請求項１０に記載の回路装置の製造方法。
【請求項１２】
前記スペーサは前記開口部の対向する２つの側辺に沿って設けられ、
前記封止樹脂で被覆する工程では、前記スペーサに沿って前記封止樹脂を流動させることを特徴とする請求項１１に記載の回路装置の製造方法。
【請求項１３】
前記実装基板の幅を前記開口部の幅よりも狭くすることにより、前記実装基板と前記回路基板との間に前記間隙を形成することを特徴とする請求項１０に記載の回路装置の製造方法。
【請求項１４】
前記封止樹脂で被覆する工程では、前記回路基板よりも上方に配置された前記金型のゲートを経由して前記封止樹脂を前記キャビティに注入し、前記開口部に流入した前記封止樹脂を、前記間隙を経由して前記回路基板の下方に流動させることを特徴とする請求項１０から請求項１３の何れかに記載の回路基板の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１７８４０４（Ｐ２０１２−１７８４０４Ａ）
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３９６７２（Ｐ２０１１−３９６７２）
【出願日】平成２３年２月２５日（２０１１．２．２５）
【出願人】（３０００５７２３０）セミコンダクター・コンポーネンツ・インダストリーズ・リミテッド・ライアビリティ・カンパニー (119)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２５日（２０１１．２．２５）
【出願人】（３０００５７２３０）セミコンダクター・コンポーネンツ・インダストリーズ・リミテッド・ライアビリティ・カンパニー (119)
【Ｆターム（参考）】
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