JP5691651B2 - 集積回路放熱装置及び電子装置 - Google Patents

Description

本発明は、集積回路放熱装置及び電子装置に関し、詳細には、小型で効率的に集積回路の熱を放熱する集積回路放熱装置及び電子装置に関する。

プリンタ装置、複写装置、複合装置、スキャナ装置等の画像処理装置や画像形成装置等の電子装置においては、画像処理等の各種処理を行うために、多数の半導体集積回路等のＩＣ（Integrated Circuit：集積回路）を搭載しており、ＩＣは、半導体技術の進歩に伴って、回路規模が増大するとともに、ＩＣからの発熱が増加している。

一方、ＩＣは、回路規模の増大に伴ってパッケージの多ピン化が進み、底面電極タイプのＢＧＡ（ボールグリッドアレー：Ball Grid Array）パッケージが広く採用されるようになってきている。

ところが、ＢＧＡパッケージのＩＣは、下面に信号の入出力及び電源の接続のために用いられる半田バンプが形成されており、この半田バンプは、ピッチが小さく、配線基板に直接搭載することができないため、配線基板に直接搭載されるのではなく、半田バンプによってインターポーザ基板上に搭載されている。

このようなＢＧＡパッケージのＩＣにおいて、ＩＣの発熱に対する対策として、従来、例えば、ＢＧＡパッケージ中央部に設けた放熱用パターンから基板の反対面側に搭載したヒートシンクに、基板のＴＨ（スルーホール）を経由させて繋いで、集積回路からの発熱をヒートシンクで放熱する技術が開示されている（特許文献１参照）。

しかしながら、上記従来技術にあっては、ＢＧＡパッケージの中央部に放熱用パターンを設け、基板の反対面に搭載したヒートシンクに基板のスルーホールを経由させて繋いでＩＣの熱を放熱させているため、ＢＧＡパッケージの中央部からＢＧＡパッケージ搭載エリアの外側への放熱経路を基板上に設けることができないという問題があった。

すなわち、ＢＧＡパッケージは、中央部の配線引出しが基板側の配線微細加工精度上の制約を受けて、基板のＢＧＡパッケージ外周部が信号線の引き出しのために全て使用されてしまうため、基板のスルーホールを経由させてＢＧＡパッケージの中央部の放熱用パターンと基板の反対面に搭載したヒートシンクを繋いでも、ＢＧＡパッケージ中央部からＢＧＡパッケージ搭載エリアの外側への放熱経路を基板上に設けることができず、十分な放熱効果を得るためには、放熱部であるヒートシンクの高さが必要となり、小型化及び放熱効率の向上を図る上で、改良の必要があった。なお、ＢＧＡパッケージの中央部ではなく、外周部に放熱用パターンを設けると、信号線の引出しができなくなり、対応することができない。

そこで、本発明は、小型で放熱効率を向上させることのできる集積回路放熱装置及び電子装置を提供することを目的としている。

本発明は、上記目的を達成するために、集積回路を搭載する集積回路パッケージの中央部に複数形成されている放熱端子を、基板に該放熱端子と対向する位置に形成されていて、該基板を貫通する貫通放熱経路で、該基板の該集積回路パッケージとは反対側に配設されているバイパス部材に繋ぎ、該バイパス部材で、該貫通放熱経路を、該集積回路パッケージの放熱端子よりも外側の信号端子よりも外側に位置する該基板の該バイパス部材側面に設けられている放出放熱端子に繋いで、該放出放熱端子を、該基板の前記放熱端子よりも外側の周状の基板信号端子よりも外側の基板上に形成された放熱経路部材で所定の放熱部材に繋ぐことを特徴としている。

また、本発明は、前記集積回路パッケージの前記放熱端子、前記基板の前記基板放熱端子、該基板の前記反対面基板放熱端子、前記バイパス放熱端子及び前記放出放熱端子のうち少なくともいずれかを、結合部材で１つに結合させることを特徴としてもよい。

さらに、本発明は、前記放熱部材が、前記基板上に形成されているベタパターンであることを特徴としてもよい。

本発明によれば、集積回路の熱を、小型で効率よく放熱することができる。

本発明の一実施例を適用した集積回路放熱装置の正面断面図。 バイパス用補助パッケージ側の基板上面図。 バイパス用補助パッケージを設けない場合の基板上面図。 信号経路を纏めた場合の基板上面図。 ベタパターンを通風の良好な位置に形成した場合の基板上面図。 ベタパターンを通風の良好な位置に形成するとともに貫通孔を形成した場合の上面図。 熱変化を嫌う部品の周囲にベタパターンを形成した場合の基板上面図。 他部品との接続箇所に放熱経路を繋いだ場合の基板上面図。

以下、本発明の好適な実施例を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に述べる実施例は、本発明の好適な実施例であるので、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明によって不当に限定されるものではなく、また、本実施の形態で説明される構成の全てが本発明の必須の構成要件ではない。

図１〜図８は、本発明の集積回路放熱装置及び電子装置の一実施例を示す図であり、図１は、本発明の集積回路放熱装置及び電子装置の一実施例を適用した集積回路放熱装置及び電子装置１の正面断面図である。

図１において、集積回路放熱装置１は、基板２の片面（図１では、下面）にＩＣ（集積回路を搭載する集積回路パッケージ）３が搭載されており、基板２のＩＣ３の搭載されている面とは反対側の反対面（図１では、上面）にバイパス用補助パッケージ４が搭載されている。

ＩＣ３は、ＢＧＡパッケージのＩＣであり、基板２側の面に底面電極としてのグリッド（ハンダボール）５が配列されている。ＩＣ３は、例えば、３０列×３０列（９００ピン、ファイルグリッド配列）のグリッド（ピン）５が配列されており、外周各８列（７０４ピン）が、信号ピン（信号端子）５ｓ、中央１４列（１９６ピン）が、放熱ピン（放熱端子）５ｈとなっている。ＩＣ３は、端子間ピッチが、１．２７ｍｍとなっている。

バイパス用補助パッケージ（バイパス部材）４は、本実施例では、ＩＣ３と略同等のサイズのＢＧＡパッケージ構成となっており、底面電極としてのグリッド（ピン）６が配設されている。バイパス用補助パッケージ４は、例えば、その印刷回路配線層が表裏の２層となっており、バイパス用補助パッケージ４と基板２を半田で接続するための銅箔スペースサイズであるＰＡＤサイズが、φ０．６ｍｍ、上層と下層（表面と下面）を貫通する貫通ＶＩＡ４ａは、その厚さが、１．６ｍｍ、 表層ＶＩＡランドサイズが、φ０．５ｍｍ、ライン幅／スペース幅が、０．１ｍｍ／０．１ｍｍ、ソルダーレジスト位置精度が、±０．０７５ｍｍである。

基板２は、ＩＣ３のグリッド５及びバイパス用補助パッケージ４のグリッド６と接続される印刷回路配線層を複数、例えば、４層形成されており、ＰＡＤサイズが、０．６ｍｍ、貫通ＶＩＡ２ａは、その厚さが、１．６ｍｍ、表層ＶＩＡランドサイズが、φ０．５ｍｍ、内層ＶＩＡランドサイズが、φ０．７６ｍｍ、ライン幅／スペース幅が、０．１ｍｍ／０．１ｍｍ、ソルダーレジスト位置精度が、±０．０７５ｍｍである。

そして、基板２は、ＩＣ３側から１層〜３層までの印刷回路配線層を用いて、ＩＣ３の周辺６列（５７６ピン）に繋いで基板信号端子（基板信号端子）７ｓで引き出す構成となっており、ＩＣ３の中央部に対向する位置に残った１２８ピンの基板信号端子７ｓは、基板２の信号用貫通ＶＩＡ２ｓを経由して、バイパス用補助パッケージ４側の７列目と８列目の反対面基板信号端子（反対面基板信号端子）８ｓに繋がれている。

バイパス用補助パッケージ４は、信号線が、基板２側の７列目と８列目のバイパス信号ピン６ｓから周辺のバイパス信号ピン６ｓへ、バイパス用補助パッケージ４の表層（図１の基板２側の印刷回路配線層）を使用して引き出されており、バイパス信号ピン６ｓは、基板２の対向する反対面基板信号端子８ｓに半田付け等で繋げられていて、図１に実線で示す信号線経路Ｌｓとして引き出されている。

一方、ＩＣ３の中央１４列（１９６ピン）の放熱ピン５ｈは、基板２の該放熱ピン５ｈに対応する位置の基板放熱端子７ｈに半田付け等で繋がれ、基板２の該基板放熱端子７ｈは、放熱用貫通ＶＩＡ２ｈを経由して、バイパス用補助パッケージ４側の中央１４列（１９６ピン）の反対面基板放熱端子８ｈに繋がれている。

バイパス用補助パッケージ４は、中央１４列（１９６ピン）がバイパス放熱ピン（バイパス放熱端子）６ｈとなっており、基板２の反対面基板放熱端子８ｈに半田付け等で繋がれる。バイパス用補助パッケージ４は、中央１４列のバイパス放熱ピン６ｈが、貫通ＶＩＡ４ａを経由してバイパス用補助パッケージ４の裏層（図１の基板とは反対側の印刷回路配線層）の裏層放熱ピン９ｈに繋がれており、裏層放熱ピン９ｈは、図１に波線で示すように、１つの結合部９ｋとして結合されて、バイパス用補助パッケージ４の放熱帰還用の貫通ＶＩＡ４ｂを経由させて、ＩＣ３の最外周の反対面基板信号端子８ｓよりも外側の放出放熱ピン６ｐに繋がれている。放出放熱ピン６ｐは、基板２のバイパス用補助パッケージ４側の面に形成されている放熱経路Ｌｃに半田付け等で繋がれている。

そして、基板２のバイパス用補助パッケージ４の搭載されている表層（図１の基板２の上面）には、図２に示すように、放熱用のベタパターン１０が形成されており、ベタパターン１０は、放熱に十分であって、基板２に搭載される他の回路部品や配線等によって規制される範囲内で最大の大きさに形成されている。

このベタパターン１０は、基板２のバイパス用補助パッケージ４側の面に形成されている上記放熱経路Ｌｃに繋がっており、ＩＣ３の放熱ピン５ｈから放出される熱を放出する。

次に、本実施例の作用について説明する。本実施例の集積回路放熱装置１は、小型かつ効率的にＩＣ３の放熱を行う。

集積回路放熱装置１は、ＩＣ３の中央部に設けられている１９６ピンの放熱ピン５ｈが、該放熱ピン５ｈに対応する位置の基板２の基板放熱端子７ｈに繋がっており、基板放熱端子７ｈは、貫通ＶＩＡ２ａに半田付け等で繋げられている。貫通ＶＩＡ２ａは、基板２のバイアス用補助パッケージ４側の反対面基板放熱端子８ｈに繋がっており、反対面基板放熱端子８ｈは、バイパス用補助パッケージ４の基板２側のバイパス放熱ピン６ｈに半田付け等によって繋げられている。バイパス用補助パッケージ４のバイパス放熱ピン６ｈは、バイパス用補助パッケージ４の貫通ＶＩＡ４ａを通してバイパス用補助パッケージ４の裏層放熱ピン９ｈに繋がれている。

バイパス用補助パッケージ４の裏層放熱ピン９ｈは、図１に波線で示したように、１つの結合部９ｋとして結合されており、結合部９ｋは、バイパス用補助パッケージ４の放熱帰還用の貫通ＶＩＡ４ｂを経由させて、ＩＣ３の最外周の反対面基板信号端子８ｓよりも外側の放出放熱ピン６ｐに繋がれている。放出放熱ピン６ｐは、基板２のバイパス用補助パッケージ４側の面に形成されている放熱経路Ｌｃに半田付け等で繋がれている。

基板２の表層には、図２に示したように、バイパス用補助パッケージ４の周囲に、ベタパターン１０が形成されており、放熱経路Ｌｃがベタパターン１０に繋がっている。

したがって、ＩＣ３で発生した熱は、ＩＣ３の放熱ピン５ｈから基板２、バイパス用補助パッケージ４及び基板２の放熱経路Ｌｃを経由してベタパターン１０に放出され、ベタパターン１０で放熱される。

そして、本実施例の集積回路放熱装置１は、ＩＣ３の放熱ピン５ｈを、基板２の反対側面に搭載したバイパス用補助パッケージ４を通して、ＩＣ３の外側の放熱経路Ｌｃに繋がれているが、バイパス用補助パッケージ４を用いないときには、例えば、図３に示すように、ＩＣ３の放熱ピン５ｈのパターンからはみ出してベタパターン１０ａを形成することができず、狭い面積のベタパターン１０ａのみしか形成することができない。

ところが、本実施例の集積回路放熱装置１は、ＩＣ３の放熱ピン５ｈを、基板２の反対側面に搭載したバイパス用補助パッケージ４を通して、ＩＣ３の外側の放熱経路Ｌｃに接続している。

すなわち、本実施例の集積回路放熱装置１は、集積回路を搭載するＩＣ（集積回路パッケージ）３の中央部に周状に複数形成されている放熱ピン（放熱端子）５ｈを、基板２に該放熱ピン５ｈと対向する位置に形成されていて、基板２を貫通する放熱用貫通ＶＩＡ（貫通放熱経路）２ａで、基板２のＩＣ３とは反対側に配設されているバイパス用補助パッケージ（バイパス部材）４に繋ぎ、バイパス用補助パッケージ４で、放熱用貫通ＶＩＡ２ａを、ＩＣ３の放熱端子５ｈよりも外側の信号ピン（信号端子）５ｓよりも外側に位置する基板２のバイアス用補助パッケージ４側面に設けられている放出放熱ピン（放出放熱端子）６ｐに繋いで、放出放熱端子６ｐを、基板２の反対面基板信号端子８ｓよりも外側の基板２上に形成されている放熱経路（放熱経路部材）Ｌｃでベタパターン（放熱部材）に繋いでいる。

したがって、放熱用のベタパターン１０を広い面積を有した状態で形成することができ、放熱効率を向上させることができる。また、バイパス用補助パッケージ４は、基板２と略同じ厚さ（通常：１．６ｍｍ以下）であるので、従来のヒートシンクを設けた場合よりも、基板２上の高さ寸法を低くすることができ、集積回路放熱装置１の適用される画像形成装置や画像読み取り装置等の薄型化を図ることができる。

また、本実施例の集積回路放熱装置１は、ＩＣ３の１９６ピンの放熱ピン５ｈに繋がっているバイパス用補助パッケージ４の貫通ＶＩＡ４ａを、該貫通ＶＩＡ４ａに繋がっている裏層放熱ピン９ｈを１つの結合部９ｋとして結合させることで結合し、該結合部９ｋを、バイパス用補助パッケージ４の放熱帰還用の貫通ＶＩＡ４ｂを経由させて半田付け等で基板２の放熱経路Ｌｃに繋いでいる。

したがって、結合以降の放熱経路Ｌｃの引き回しを一本化することができ、バイパス用補助パッケージ４及び基板２における放熱経路Ｌｃの引き回しを用意にすることができるとともに、放熱経路Ｌｃを強化して、熱抵抗を低下させることができる。

なお、上記説明では、放熱経路をバイパス用補助パッケージ４の上層で１本に結合しているが、放熱経路の結合場所は、バイパス用補助パッケージ４の上層に限るものではなく、例えば、ＩＣ３の放熱ピン５ｈ部分、基板２の下面の基板放熱端子７ｈ部分、または、基板２上面の反対面基板放熱端子８ｈ部分のいずれかまたはいずれか２箇所以上で結合させてもよい。

また、本実施例の集積回路放熱装置１は、ＩＣ３の信号経路Ｌｓを、図４に示すように、纏めて基板２に繋いでもよい。図４の場合、信号経路Ｌｓを、信号経路Ｌｓ１と信号経路Ｌｓ２に纏めて、周囲の２つのＩＣ１１、１２が繋いでいる。そして、基板２の表層において、バイパス用補助パッケージ４の周囲の信号経路Ｌｓ１、Ｌｓ２以外の領域に、放熱用のベタパターン１０ｂ、１０ｃを形成する。この場合、信号経路Ｌｓを纏める数は、信号経路Ｌｓの接続先の回路状況等によって適宜設定する。また、ベタパターン１０と信号経路Ｌｓの間隙は、基板２の作成する装置の能力により決まるが、一定の間隙が必要となるため、信号経路Ｌｓと放熱経路Ｌｃを交互に配線するよりも、放熱経路Ｌｃをまとめた方が、この間隙分だけバタパターン１０を広くすることができる。

このように、信号経路Ｌｓを纏めることで、放熱用のベタパターン１０ｂ、１０ｃを大きく形成することができ、放熱効率をより一層向上させることができる。

さらに、本実施例の集積回路放熱装置１は、図５に示すように、放熱用のベタパターン１０ｄを、集積回路放熱装置１を搭載する装置、例えば、プリンタ装置、複写装置、複合装置等の画像形成装置やスキャナ装置等の画像読み取り装置等の電子装置において、通風の良好な位置に形成してもよい。

すなわち、集積回路放熱装置１の適用される画像形成装置や画像読み取り装置等の電子装置においては、装置内においても、集積回路放熱装置１の配設される装置内においても、通風（単位時間当たりの風量等）の良好な場所と通風の悪い場所があり、基板２上の通風の良好な位置にベタパターン１０ｄを形成してもよい。また、この場合、バイパス用補助パッケージ４とベタパターン１０ｄとを繋ぐ基板２上の放熱経路Ｌｃを、他の配線等を考慮した上で、基板２上において通風のより良好な位置を通して形成してもよい。

このようにすると、ベタパターン１０ｄにおける放熱効率を、通風による空冷効果によって、より一層向上させることができ、また、放熱経路Ｌｃでの放熱効率を向上させることができる。

なお、通風の良好な場所は、基板２上に限るものではなく、基板２から外れた場所にベタパターン１０を形成した部材を配設して、該ベタパターン１０とバイパス用補助パッケージ４を放熱経路Ｌｃで繋いでもよい。

また、本実施例の集積回路放熱装置１は、図６に示すように、ベタパターン１０ｄに、基板２を貫通する貫通孔１３を形成してもよい。なお、図６では、開口形状が四角形の貫通孔１３を形成している場合について示されているが、貫通孔１３の開口形状は、四角形上に限るものではなく、例えば、丸形状等であってもよい。

このようにすると、ベタパターン１０ｄを通る風が貫通孔１３を通過して、通風性を向上させることができ、より一層放熱効果を向上させることができる。

また、この貫通孔１３にメッキを設けて、風に対する抵抗を減らすとともに、気流に接する金属面積を大きくしてもよい。

このようにすると、通風性をより一層向上させるとともに、放熱性を向上させることができ、より一層放熱効果を向上させることができる。

さらに、本実施例の集積回路放熱装置１は、図７に示すように、基板２上の熱変化を嫌う部品、例えば、ＩＣ１２の周囲にベタパターン１０ｅを形成し、このベタパターン１０ｅとバイパス用補助パッケージ４を放熱経路Ｌｃで繋いでもよい。

このようにすると、ＩＣ３から熱変化を嫌うＩＣ１２の周囲のベタパターン１０ｅに放熱し続けて、ＩＣ３の放熱効果を向上させることができるとともに、熱変化を嫌うＩＣ１２を一定温度に保つことができ、回路の性能を向上させることができる。

また、本実施例の集積回路放熱装置１は、図８に示すように、集積回路放熱装置１の適用される画像形成装置や画像読み取り装置等の電子装置においては、電子装置内においても、集積回路放熱装置１の基板２が配設される熱容量が大きく、熱伝導率の良好な部材、例えば、基板２にＧＮＤ（設置電位）を提供する筐体板金１４に、放熱経路Ｌｃを接続してもよい。

このようにすると、ＩＣ３から筐体板金１４等の熱容量が大きく、熱伝導率の良好な他の部品に放熱し続けることができ、ＩＣ３の放熱効果を向上させることができる。

以上、本発明者によってなされた発明を好適な実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例で説明したものに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

本発明は、小型で効率的に集積回路の熱を放熱する集積回路放熱装置及び電子装置に利用することができる。

１ 集積回路放熱装置
２ 基板
２ｓ 信号用貫通ＶＩＡ
２ｈ 放熱用貫通ＶＩＡ
３ ＩＣ
４ バイパス用補助パッケージ
４ａ、４ｂ 貫通ＶＩＡ
５ グリッド
５ｓ 信号ピン
５ｈ 放熱ピン
６ｓ バイパス信号ピン
６ｈ バイパス放熱ピン
７ｓ 基板信号端子
７ｈ 基板放熱端子
８ｓ 反対面基板信号端子
８ｈ 反対面基板放熱端子
９ｈ 裏層放熱ピン
９ｋ 結合部
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ ベタパターン
１１、１２ ＩＣ
１３ 貫通孔
１４ 筐体板金
Ｌｓ 信号経路
Ｌｃ 放熱経路

特開平１０−２７５８８３号公報

Claims (7)

1. 集積回路を搭載するとともに、片面に該片面の中心部から外側方向に複数の周状に端子が形成されるとともに中心側の所定数の端子が放熱端子として、該放熱端子の外側の周状の端子が信号端子として形成されている集積回路パッケージと、
   該集積回路パッケージを搭載する基板であって、片面に前記集積回路パッケージの前記放熱端子及び前記信号端子に対向する位置に形成されている基板放熱端子及び基板信号端子、該片面とは反対面の少なくとも該基板放熱端子と対向する位置に形成されている反対面基板放熱端子及び該基板を貫通して該基板放熱端子と該反対面基板放熱端子を繋ぐ貫通放熱経路が形成されている基板と、
   前記基板の前記反対面基板放熱端子に繋がれるバイパス放熱端子、該基板の前記基板信号端子よりも外側に位置する放出放熱端子及び該バイパス放熱端子と該放出放熱端子を繋ぐ連結経路が形成されているバイパス部材と、
   前記基板の前記基板信号端子よりも外側の該基板上に形成されて前記バイパス部材の前記放出放熱端子を所定の放熱部材に繋ぐ放熱経路部材と、
   を備えていることを特徴とする集積回路放熱装置。
2. 前記集積回路放熱装置は、
   前記集積回路パッケージの前記放熱端子、前記基板の前記基板放熱端子、該基板の前記反対面基板放熱端子、前記バイパス放熱端子及び前記放出放熱端子のうち少なくともいずれかを１つに結合させる結合部材を備えていることを特徴とする請求項１記載の集積回路放熱装置。
3. 前記放熱部材は、
   前記基板上に形成されているベタパターンであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の集積回路放熱装置。
4. 前記ベタパターンは、
   前記基板上の所定の回路部品の周囲に形成されていることを特徴とする請求項３記載の集積回路放熱装置。
5. 前記放熱部材は、
   通風性の良好な位置に配設されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の集積回路放熱装置。
6. 前記放熱経路部材は、
   前記基板が取り付けられる金属部材を前記放熱部材として該金属部材と前記放出放熱端子を繋ぐことを特徴とする請求項１記載の集積回路放熱装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載の集積回路放熱装置を搭載することを特徴とする電子装置。

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