JP2004172426A

JP2004172426A - 電子装置

Info

Publication number: JP2004172426A
Application number: JP2002337366A
Authority: JP
Inventors: Takehide Yokozuka; 剛秀横塚; Masahide Harada; 正英原田; Shiro Yamashita; 志郎山下; Kaoru Uchiyama; 内山　　薫; Kuniyuki Eguchi; 州志江口; Masahiko Asano; 雅彦浅野; Koji Sato; 弘二佐藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-11-21
Filing date: 2002-11-21
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2022-11-21
Also published as: JP3988629B2

Abstract

【課題】ＭＣＭ構造のようなインターポーザ基板を有する電子装置の放熱性を向上させる。
【解決手段】ＬＳＩチップを搭載したメタルコア基板をインターポーザ基板として用い、そのＬＳＩチップ搭載面の裏面のコアメタルを露出させ、はんだ接続用のパッドを直接コアメタルに形成し、そのパッドを用いてマザーボードにはんだ接続する。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子機器のモジュール基板およびモジュール構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子基板を備えた電子装置は、電子部品による発熱に起因した不良が生じないようにする必要がある。そのため、出荷前には熱サイクル試験を行うことにしている。特に、ＥＣＵ等の車載用電子制御装置では、エンジンのオンオフや環境温度の変化により車体内の温度が大きく変化し、広い温度領域での熱サイクル（通常、−４０度〜１２０度：自動車用電子機器の環境試験通則ＪＡＳＯＤ００１）に耐える必要がある。今般、ＥＣＵをよりエンジン近くに配置する傾向があり、さらに、この温度範囲の上限がより高くなる傾向がある。このような熱サイクルにさらされると、ＥＣＵ内の電子部品の性能が安定しなくなったり、電子部品の搭載基板と電子部品との間の接続不良が生じやすくなる。すなわち、電子装置には高い放熱性が要求され、特にＥＣＵ等の車載用電子装置は一般の電子部品よりも優れた放熱性が求められている。
【０００３】
一方ＭＣＭ構造とは、複数のＬＳＩがインタポーザ（中間基板）に搭載され、さらにインタポーザがはんだバンプ等により、電子基板に搭載された構造を言う。このようなＭＣＭ構造（ここでは必ずしも複数のＬＳＩを有さない、インタポーザを有する構造も含めて、単にＭＣＭ構造とよぶことにする。）では、ＬＳＩの発する熱が電子基板に逃げにくい構造であるため、ＬＳＩの発熱が大きい場合には、いかに効率よく放熱できるかが重要である。この放熱性の問題を解決できるとＭＣＭ構造の車載用電子制御装置を実現することができる。放熱構造としては例えば、ＬＳＩ上面にヒートシンクを設ける構造もあるが、製品構造上困難な場合があることや、信頼性上問題が生じやすい。
【０００４】
放熱性を向上させるために、インタポーザにメタルコア基板を用いる構造は数多く提案されている。例えば、特許文献１によれば、メタルコア基板の表裏それぞれの一部に金属コアが露出した部分を形成し、表面露出部にＬＳＩチップを搭載し、裏面の露出部分から空気中への放熱性を高めることができる。また、特許文献２には、基板表面に関しては上記発明と同様であるが、裏面に関しては、コアメタルから基板表面のはんだ接続用パッドまでサーマルビアを形成し、はんだ接続部を介して電子基板への放熱性を向上することができると記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平５−１７５４０７
【特許文献２】特開２０００−２２８４５２
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記特許文献１の発明では、基板裏面の金属コアが露出した部分から空気中への放熱性を期待しているが、例えばアンダーフィルやゲルが存在するような空気の流動がほとんどないような製品構造ではこの効果をほとんど期待できない。また、特許文献２では、コアメタルからはんだ接続用パッドへ放熱用にサーマルビアを形成しているが、サーマルビアの形成にコストがかかること、および一般にプリント配線基板で形成できるサーマルビアは銅めっきによる中空・薄板であるため、放熱性に劣る。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
低コストで放熱性に優れた、ＭＣＭのような中間基板（インタポーザ）を有する構造を得るために、メタルコア中間基板裏面に、絶縁樹脂のないコアメタル露出部を設け、放熱用ＢＧＡはんだ接続用のパッドを直接コアメタルに形成する。電子基板（マザーボード）への接続は、電気的な接続部も放熱部も、すべて同じサイズのはんだボールにてＢＧＡ接続することが可能である。この方法によれば、ビアホール形成と同時にコアメタル露出部を形成でき、他の電気的接続用のパッド形成と同時にコアメタル上のパッドを形成できるため、コストは上がらない。また、サーマルビアを形成せずに直接コアメタルからはんだを介してマザーボードへ放熱できるため、優れた放熱性を得ることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に実施の例を詳細に説明する。
【０００９】
第一の実施例を、図１および図２を参照して、以下に説明する。図１は、高放熱ＭＣＭ構造を得るためのインタポーザ構造の例である。インタポーザ基板は、金属をコアとし、コアメタル１１両面に絶縁層１３および配線層１５を形成したメタルコア基板である。基板片面には、高発熱ＬＳＩを搭載するために、絶縁樹脂にざぐりを設け、コアメタルが露出した部分を形成してある。基板の反対面には、電気的にマザーボードと接続するためのはんだ接続用パッド１９を絶縁樹脂上に形成すると同時に、所望のサイズのざぐりを形成し、放熱はんだ接続用のパッド２１を直接コアメタルに形成している。
【００１０】
第二の実施例を図２を用いて説明する。図２は、図１に示したインタポーザ構造を得るための製造プロセスの例である。まず、コアとなる金属１１として０．２ｍｍｔ×３００ｍｍ×５００ｍｍの銅板を用意する。この銅板は、複数の基板を後に切り出して使用するため、サイズは大きくなっている。もちろん基板製造上取り扱いやすいサイズで良い。金属の種類としては、アルミニウムや鉄−Ｎｉ合金等でも良いが、熱伝導性の良い銅が好ましい。スルーホール形成用の穴（０．８ｍｍφ）と、必要に応じて、後に基板サイズで切り出し易くするために、基板個片外形にスリットを、エッチングにより形成した。エッチング液は、塩化第２鉄とした（図２−（ａ））。
【００１１】
次に、絶縁樹脂層および内層配線層として、プリプレグ１３（ガラスクロス入りのエポキシ樹脂、厚さ０．１ｍｍｔ）と銅薄２５（厚さ０．０１２ｍｍｔ）をメタル表裏に積層配置して、プレスで接着する。プリプレグと銅箔の代わりに、樹脂付き銅箔ＲＣＦ（ＲｅｓｉｎＣｏａｔｅｄＣｕｐｐｅｒＦｏｉｌ）を使用しても良い（図２−（ｂ））。
【００１２】
配線として不要な部分の銅箔はエッチングにより除去した。コアメタルと内層配線を電気的に接続する必要がある場合には、内層ビア形成用に、コアメタルが露出するようにレーザーで直径０．１５ｍｍφのざぐりを形成する。レーザーは炭酸レーザー、ＹＡＧレーザー等何でも良いが、炭酸レーザーで行うと低コストで加工できる。合わせて、基板表裏の内層どうしを電気的に接続するためのスルーホール１７用の貫通穴をドリルで形成した。この貫通穴の形成もレーザーで加工することも可能であるが、プリプレグ使用の場合にはガラスクロスがあるため、ドリル加工が適している。次に、内層スルーホール、内層ビア、内層配線用に、厚さ０．０１５ｍｍ程度の銅めっきを施した（図２−（ｃ））。
【００１３】
上記の絶縁樹脂層および内層配線層の形成プロセス再度繰り返すことにより、表層回路を形成した。表層と内層を電気的に接続するためのビアホール形成と同時に、ＬＳＩ搭載用の５ｍｍ□のざぐりとコアメタル上パッド形成用の０．６ｍｍφのざぐりを、炭酸レーザーにより形成した。配線およびビアホール部分には前述と同様の厚さの銅めっきを施し、さらに配線腐食防止とはんだ接続のために無電解ニッケルめっき（厚さ０．００５ｍｍ程度）と無電解金めっき（厚さ０．００１ｍｍ程度）を施した。これによって、電気的接続用の０．６ｍｍφのＢＧＡはんだ接続パッド１９と、コアメタル直上の放熱用の０．６ｍｍφのはんだ接続パッド２１を、同時に形成することができた。パッドピッチは、すべて１．５ｍｍとした。放熱用ざぐり部分は絶縁樹脂が除去されており、従って絶縁樹脂分の厚さ（０．２ｍｍ程度）だけ、はんだ接続高さが高くなる。はんだ接続性に関しては、コアメタル直上に形成するパッド径は、電気的接続用ＢＧＡパッド径よりも大きくないことが望ましい。また、パッドピッチに関しては、放熱性をより向上させるためには、放熱用はんだ接続パッドのピッチは小さい方が良い。通常パッドピッチは、ショートしないようにある程度の安全率を考慮したパッドピッチとすることが多いが、放熱はんだ部分は仮にショートしても良いので、ピッチをかなり小さくすることが出来る。このことによって、接続部総面積を大きくして、放熱性を向上することができる。さらに、部品搭載用に必要な部分を残して、ソルダーレジストをパターンで形成した（図２−（ｄ）〜（ｅ））。上記のメタルコア基板は、配線層数が表裏各２の場合であるが、本発明は層数に依存するものではなく、表裏の配線層数を増やすためには、図２（ｂ）〜（ｃ）の工程を繰り返せば良い。
【００１４】
第三の実施例を図３を用いて説明する。上記のように作成した基板をインタポーザとして、高発熱なＬＳＩ２７を搭載し、さらにマザーボード３３と接続した構造の例である。ＬＳＩは、高熱伝導のＡｇペーストで、メタルコア基板のコアメタル露出部分に接続した。接続ははんだで行うと、より放熱性を向上できる。インタポーザ下面のパッドには、直径０．７５ｍｍφのＳｎ３Ａｇ０．５Ｃｕはんだボール３１を搭載し、融点を超える２４０℃でリフローし、ボール形成を行った。これをマザーボード上に位置合わせし、２４０℃でリフローし、接続した。ＬＳＩの発する熱をマザーボードへ効率よく逃がすことができる。
【００１５】
第四の実施例を図４を用いて説明する。マザーボードを金属板をベースとした片面配線基板３５（メタルベース基板）とし、前述の高放熱基板と同様に絶縁樹脂にざぐり穴およびはんだ接続用のパッドを設けて、その露出したメタルベース直上のパッドとはんだ接続した構造である。この構造では、ＬＳＩの発する熱をマザーボードの金属ベースに放散することができるため、さらに良い放熱性を得ることが出来る。
【００１６】
第五の実施例を図５を用いて説明する。マザーボードを両面配線のメタルコア基板３７としたこと以外は、第四の実施例と同様である。
【００１７】
第六および七の実施例を図６および７を用いて説明する。マザーボードのインタポーザ搭載面の反対面のコアメタルを一部露出させると、より放熱性を高くすることができる。この構造では、例えばインタポーザとマザーボードの間にアンダーフィルやゲルを入れる構造においても、高い放熱性を得ることができる。
【００１８】
コアメタルの熱伝導率は大きいので、上記いずれの実施例においても、チップ搭載用ざぐりは基板の中心付近にある必要はなく、またコアメタルに直接形成した放熱用パッドはチップ搭載部分の真下にある必要もない。
【００１９】
第八の実施例を図８を用いて説明する。ＬＳＩ２７を搭載したメタルコアインタポーザ４７が、本発明によりマザーボードとはんだ接続され、それをアルミニウム製の筐体４１に接着剤で固定したＥＣＵの例である。概略鳥瞰図を図１２に示す。
【００２０】
実施例九および十を示す図９および図１０のように、マザーボードのざぐり部と筐体の間に、高熱伝導の部材４５を挟み込むと、さらに放熱性を向上させることができる。高熱伝導の部材とは、マザーボードとアルミニウムの筐体を接着している接着剤よりも熱伝導率の大きな部材であり、例えばはんだ、銅やアルミニウム等の金属板、高熱伝導の樹脂や接着剤である。特にはんだを用いる場合には、筐体にはんだ接続用のパッドを形成して接続しても良いし、必ずしも筐体にはパッドを形成する必要はなく、マザーボードのコアメタルにはんだ供給しておいて、筐体には押しつけて、接触だけの接続でも良い。金属板を挟み込む場合には、金属板両面に接着剤を塗布して接続しても良いし、単に接触させるだけでも良い。当該部分以外のマザーボードと筐体の接続は、通常の接着剤か高熱伝導の接着剤を用いて行う。筐体は通常は軽いアルミニウムが用いられるが、本発明はその材質に依存しない。
【００２１】
実施例十一は、図１１に示すように、放熱はんだ接続用のパッドをコアメタルに直接形成し、放熱はんだ接続した部分が、チップ直下から外れた位置にある例である。また、電気的なはんだ接続部分がチップ直下の領域にあってもかまわない。本実施例に示したように、チップの基板上の位置に関わらず、放熱用のはんだ接続部や電気的な接続部を、配線設計や放熱設計によって自由に配置することができる。
【００２２】
実施例三〜七に示した構造を実現する製造プロセスの例を、実施例十二として説明する。まず、インタポーザ基板の製造方法は、実施例二に示したので省略する。製造したメタルコア基板の、高発熱ＬＳＩ搭載用のざぐり部分および基板表面の他の部品搭載用の所望の部分にＡｇペーストを塗布し、電子部品を搭載し、適切な硬化条件（例えば１５０℃、１ｈｒ）にてＡｇペーストを硬化させ接着する。高発熱ＬＳＩの電極とメタルコアインタポーザの電極をワイヤボンディングで接続する。必要に応じてインタポーザの部品搭載面を樹脂でモールドすると、取り扱い性が向上する。インタポーザの反対面側には、フラックス塗布後、電極上にはんだボールを搭載する。このとき、放熱用のコアメタル直上のパッドへもはんだボールを搭載する。Ｓｎ３Ａｇ０．５Ｃｕはんだを用いて、最高温度２４０℃、はんだ溶融時間およそ２０秒でリフローし、ボール形成する。他のはんだを用いても良く、その場合にははんだ種類に応じたリフロー条件にてボール形成を行う。マザーボード側には、マスク厚さ０．１ｍｍのはんだ印刷用マスクを使用し、はんだペーストを印刷法にて形成する。印刷したペースト状のはんだ上に、先のボール形成済みのインタポーザを位置合わせして搭載し、再度リフローし、はんだ接続を行う。必ずしもこのはんだ印刷を行う必要はないが、行うと、印刷したはんだの粘性によって、インタポーザの位置ずれを防止することができる。
【００２３】
実施例５〜７に記載したようなマザーボードがメタルコア基板である場合には、それらを実施例２に記載の方法にて製造した後、上述と同様の方法で接続を行う。実施例４に記載したようなマザーボードがメタルベース基板である場合も同様である。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、低コストで放熱性に優れた電子装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関わる基板構造を表す断面図
【図２】本発明に関わる基板の製造プロセスを表す断面図
【図３】本発明に関わる実装構造を表す断面図
【図４】本発明に関わる実装構造を表す断面図
【図５】本発明に関わる実装構造を表す断面図
【図６】本発明に関わる実装構造を表す断面図
【図７】本発明に関わる実装構造を表す断面図
【図８】本発明に関わる実装構造を表す断面図
【図９】本発明に関わる実装構造を表す断面図
【図１０】本発明に関わる実装構造を表す断面図
【図１１】本発明に関わる実装構造を表す断面図
【図１２】本発明に関わる実装構造を表す鳥瞰図
【符号の説明】
１１…コアメタル、１３…絶縁層、１５…配線、１７…スルーホール、１９…はんだ接続用パッド（電気的接続用）、２１…はんだ接続用パッド（放熱接続用）、２３…ソルダーレジスト、２５…銅箔、２７…ＬＳＩチップ、２９…ワイヤボンディング、３１…はんだ、３３…マザーボード、３５…メタルベース基板、３７…メタルコア基板、３９…放熱用ざぐり、４１…筐体、４３…接着剤、４５…高熱伝導部材、４７…メタルコア基板

Claims

メタルコア基板をインターポーザ基板としてマザーボードに搭載された電子装置において、
前記インターポーザ基板のコアメタルとマザーボードとがはんだで接続されていることを特徴とする電子装置。
請求項１において、
前記インターポーザ基板のコアメタル上の絶縁層が除去され、
前記マザーボードと該除去された領域で接続されていることを特徴とする電子装置。
請求項１もしくは２において、
前記インターポーザ基板には、電子部品が搭載されており、
該メタルコア基板とマザーボードとの接続は、信号を伝達するための接続と、放熱用の接続があり、
信号を伝えるための接続は、絶縁層上に形成されたはんだ接続用パッドを用いてなされており、
放熱用の接続はコアメタル上に形成されたはんだ接続用パッドを用いてなされていることを特徴とする電子装置。
請求項３において、
前記マザーボードは金属をベースとする片面配線基板であり、
該メタルベース基板に設けらた放熱用に設けられたベースメタル露出領域のはんだ接続用のパッドと、該ベースメタル上のはんだ接続用パッドが接続されていることを特徴とする電子装置。
請求項３において、
前記マザーボードが、金属板をコアとしてコアメタル両面に配線層を備えたメタルコア基板であり、
該メタルベース基板に設けらた放熱用に設けられたコアメタル露出領域のはんだ接続用のパッドとを形成し、該コアメタル上のはんだ接続用パッドが接続されていることを特徴とする電子装置。
請求項５に記載において、
前記マザーボードのメタルコア基板の部品非搭載面側に放熱用のざぐりが設けられていることを特徴とする電子装置。
請求項６において、
前記マザーボード裏面の放熱用ざぐり部コアメタル露出部分と金属筐体の間に、前記実装構造体と前記金属筐体との接着に使用した接着剤よりも熱伝導率の大きい部材が充填された電子装置。