JP2010086994A - 回路装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐湿性が向上された回路装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の混成集積回路装置１０は、導電パターン２６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、半導体素子２２等の回路素子が封止されるように回路基板１２の上面に形成された被覆樹脂１６と、被覆樹脂１６および回路基板１２の表面を被覆する無機被覆層１８と、導電パターン２６から成るパッドに固着されて外部に延在するリード１４とを主要に有する構成となっている。
【選択図】図１

Description

本発明は回路装置およびその製造方法に関し、特に、回路基板の上面に構築された回路素子が樹脂封止される回路装置およびその製造方法に関するものである。

図５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、矩形の基板１０１の表面には、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１０３Ａ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。
特開２００７−０３６０１４号公報

しかしながら、上記した混成集積回路装置１００では耐湿性が十分でない問題があった。具体的には、高温多湿の条件下にて動作状況をテストする高温高湿バイアス試験（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｈｕｍｉｄｉｔｙ Ｂｉａｓ Ｔｅｓｔ）を混成集積回路装置１００に対して行うと、３００時間〜６００時間程度でショートが発生してしまう。これは、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を主材料とする封止樹脂１０８を浸透して、外部の水分が半導体素子１０５等の回路素子や導電パターンに到達してしまうからである。

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、耐湿性が向上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。

本発明の回路装置は、回路基板と、前記回路基板の上面に形成された導電パターンと、前記導電パターンと電気的に接続された回路素子と、前記回路素子が封止されるように前記回路基板の上面に形成された被覆樹脂と、前記被覆樹脂および前記回路基板の表面を被覆すると共に無機材料から成る無機被覆層と、を備えたことを特徴とする。

本発明の回路装置の製造方法は、回路基板の上面に形成された導電パターンの所定箇所に回路素子を電気的に接続し、前記回路素子が封止されるように前記回路基板の上面に被覆樹脂を形成する工程と、前記被覆樹脂および前記回路基板の表面を無機被覆層により被覆する工程と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、回路基板の上面に組み込まれた回路素子を被覆樹脂により封止し、この被覆樹脂および回路基板をガラスから成る無機被覆層により被覆している。このようにすることで、回路装置の外部から内部への水分の進入が無機被覆層により阻止されるので、装置全体の耐湿性が向上される。

更に、ガラスから成る無機被覆層は、半導体素子等の回路素子を直に被覆しているのではなく、半導体素子等の回路素子を封止する被覆樹脂の表面を被覆している。従って、半導体素子が動作することにより発生する熱は、被覆樹脂を経由して無機被覆層に伝達されるので、無機被覆層の急激な温度変化が抑制され、温度変化に起因して無機被覆層に亀裂が発生することが抑制される。

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１０の構成を説明する。図１（Ａ）は混成集積回路装置１０を示す斜視図であり、図１（Ｂ）は混成集積回路装置１０の断面図であり、図１（Ｃ）は一部分を拡大して示す断面図である。

図１（Ａ）および図１（Ｂ）を参照して、混成集積回路装置１０は、導電パターン２６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、半導体素子２２等の回路素子が封止されるように回路基板１２の上面に形成された被覆樹脂１６と、被覆樹脂１６および回路基板１２の表面を被覆する無機被覆層１８と、導電パターン２６から成るパッドに固着されて外部に延在するリード１４とを主要に有する構成となっている。

具体的には、回路基板１２は、アルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）等を主材料とする金属基板である。回路基板１２の具体的な大きさは、例えば、縦×横＝６１ｍｍ×８８ｍｍ程度であり、厚みは１．５ｍｍ〜２．０ｍｍ程度である。回路基板１２としてアルミニウムより成る基板を採用した場合は、回路基板１２の両主面は陽極酸化膜により被覆される。ここで、樹脂材料や、セラミックに代表される無機材料等の絶縁材料から回路基板１２が構成されても良い。また、回路基板１２は、絶縁層２８を部分的に開口させて導電パターン２６と接続されることにより、固定電位（接地電位や電源電位）と接続されてもよい。

絶縁層２８は、回路基板１２の上面全域を覆うように形成されている。絶縁層２８は、ＡＬ_２Ｏ_３等のフィラーが例えば６０重量％〜８０重量％程度に高充填されたエポキシ樹脂等から成る。フィラーが混入されることにより、絶縁層２８の熱抵抗が低減されるので、内蔵される回路素子から発生した熱を、絶縁層２８および回路基板１２を経由して良好に外部に放出することができる。絶縁層２８の具体的な厚みは、例えば５０μｍ程度である。

導電パターン２６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絶縁層２８の表面に形成される。また、リード１４が固着される部分に、導電パターン２６からなるパッドが設けられる。ここでは単層の導電パターン２６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２６が回路基板１２の上面に形成されても良い。

導電パターン２６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、サーミスタ、アンテナ、発振器などを回路素子として採用することができる。更にまた、樹脂封止型のパッケージ等も、回路素子として導電パターン２６に固着することができる。図１（Ａ）を参照すると、回路基板１２の上面には、半導体素子２２（ＩＣチップ）およびチップ素子２４が実装されて導電パターン２６と接続されている。また、発熱量が大きい半導体素子は、銅等の金属片から成るヒートシンクを介して、アイランド状の導電パターンの上面に実装される。

被覆樹脂１６は、半導体素子２２、チップ素子２４、金属細線２０、リード１４と導電パターン２６との接続部、導電パターン２６を封止するように回路基板１２の上面に形成されている。被覆樹脂１６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、ポッティングにより形成される。また、被覆樹脂１６は、回路基板１２の上面を全面的に被覆しても良いし、少なくとも回路素子等が被覆されるように部分的に回路基板１２の上面を被覆しても良い。

無機被覆層１８は、回路素子等を封止する被覆樹脂１６の表面および回路基板１２の表面（上面の周辺部、側面および裏面）を薄く被覆する無機材料から成る。無機被覆層１８の材料としては、ガラスまたは金属材料が採用可能であるが、リード１４どうしのショートを防止するためにはガラスが好適である。無機材料から成る無機被覆層１８は、エポキシ樹脂等の有機性の材料から成る被覆樹脂１６や封止樹脂３０と比較すると、水を透過させない性質を備えている。従って、混成集積回路装置１０の外部から水分が進入しても、無機被覆層１８により水分の内部への進入が阻まれ、結果的に無機被覆層１８の内部の混成集積回路が水分から保護される。

ガラスから成る無機被覆層１８の厚みは、例えば１μｍ以上１０μｍ未満である。無機被覆層１８の厚みをこの範囲にすることで、水分の進入を阻止しつつ無機被覆層１８へのクラックの発生を防止できる。一方、無機被覆層１８の厚みが１μｍ未満であると、無機被覆層１８の厚みが不均一に形成された場合、局所的に無機被覆層１８が形成されない恐れがある。また、無機被覆層１８の厚みが１０μｍ以上となると、無機被覆層１８の剛性が不必要に強くなり、温度変化によりクラックが発生する恐れがある。また、無機被覆層１８の更に好適な厚みは３μｍ以上８μｍ未満であり、この範囲にすることで無機被覆層を設ける効果が更に大きくなる。

封止樹脂３０は、回路基板１２および被覆樹脂１６を覆う無機被覆層１８を更に被覆するように形成されている。封止樹脂３０の材料としては、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂が採用され、酸化シリコン等の粒状のフィラーが１０重量％〜２０重量％程度混入されても良い。ここで、本実施の形態では、封止樹脂３０を省くことも可能である。しかしながら、脆いガラスから成る無機被覆層１８をむき出しの状態とすると、機械的衝撃が装置に加わることで無機被覆層１８にクラックが入る恐れがある。従って、無機被覆層１８を機械的に保護する保護層として封止樹脂３０を設けた方が好適である。

更に、図１（Ｂ）を参照すると、回路基板１２の下面も封止樹脂３０により被覆されているが、回路基板１２の下面を封止樹脂３０から外部に露出させても良い。この場合は、回路基板１２の下面を被覆する無機被覆層１８が、封止樹脂３０の下面から下方に露出する。

リード１４は、回路基板１２の対向する側辺に沿って、パッドに固着されており、混成集積回路装置１０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の側辺に多数個のリード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。これらのリード１４は、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）またはＦｅ−Ｎｉの合金等などを主成分とした金属から成る。

図１（Ｃ）を参照して、無機被覆層１８は、被覆樹脂１６および回路基板１２の表面に加えて、被覆樹脂１６から導出されるリード１４も部分的に被覆されている。この様にすることで、リード１４と封止樹脂３０との界面を経由して水分が進入することが抑制される。具体的には、リード１４と封止樹脂３０との界面に外部から水分が進入しても、その水分は、リード１４を被覆する無機被覆層１８と封止樹脂３０との界面に沿って進行し、結果的に無機被覆層１８により被覆される被覆樹脂１６の内部には進入しない。更にここで、リード１４は、被覆樹脂１６から導出する部分から、封止樹脂３０から露出する部分まで連続して無機被覆層１８により被覆されても良い。

図１（Ｂ）を参照して、封止樹脂３０の上面から回路基板１２の上面まで到達する筒状の貫通孔３４が形成されている。この貫通孔３４は、封止樹脂３０を形成する樹脂封止の工程に於いて、金型のキャビティの内部に於ける回路基板１２の位置を固定する時に形成される。回路基板１２の上面が直に貫通孔３４の底部に露出したら、貫通孔３４から進入する水分によるショート等の恐れがある。しかしながら、本実施の形態では、貫通孔３４の底部には回路基板１２の上面を被覆する無機被覆層１８が露出するので、貫通孔３４の内部に水分が進入したとしても、その水分は回路基板１２の上面には到達しない。

本実施の形態では、上記したように、半導体素子２２等を封止する被覆樹脂１６の表面と、回路基板１２の表面とを一体的にガラスから成る無機被覆層１８により被覆している。ガラスから成る無機被覆層１８は耐湿性が非常に高く、継ぎ目無く一体的に無機被覆層１８は被覆樹脂１６および回路基板１２を被覆している。このことから、混成集積回路装置１０が多湿な雰囲気に晒されて、封止樹脂３０に水分が浸透しても、水分は無機被覆層１８を透過しないので、被覆樹脂１６や回路基板１２への水分の進入が防止される。

具体的には、本実施の形態の混成集積回路装置１０に対して、上記したＴＨＢ試験を実施したところ、３０００時間を経過しても不良が発生していないことが判明している。

更に、本実施の形態では、半導体素子２２等の回路素子を無機被覆層１８により直に被覆するのではなく、回路素子を封止する被覆樹脂１６を無機被覆層１８により被覆している。原理的には、半導体素子２２等の回路素子および回路基板１２の表面が被覆されるように、無機被覆層１８を形成することは可能である。しかしながら、半導体素子２２等の回路素子は複雑な形状を呈しているので、水ガラスを乾燥させたガラス膜を無機被覆層１８として採用すると、回路素子の接続部付近が他の部分よりも厚く形成される場合がある。この様に、ガラス膜から成る無機被覆層１８が局所的に厚く形成されると、厚い部分の無機被覆層１８が温度変化により割れる恐れがある。この様なことを防止するために、本実施の形態では、半導体素子２２等の回路素子が封止されるように、回路基板１２の上面に被覆樹脂１６を形成している。被覆樹脂１６の表面は滑らかな曲面であるので、無機被覆層１８は、被覆樹脂１６の曲面と回路基板１２の平坦面とを被覆することになる。結果的に、水ガラスを乾燥して形成される無機被覆層１８は全体的に均一な薄膜とされ、クラックの発生が抑制される。

次に、図２から図４を参照して、上記した混成集積回路装置の製造方法を説明する。

図２（Ａ）を参照して、先ず、回路基板１２の上面に回路素子およびリード１４を配置する。具体的には、厚みが１．５ｍｍ程度のアルミニウムから成る回路基板１２の上面を、厚みが５０μｍ程度の絶縁層２８により被覆し、この絶縁層２８の上面に導電パターン２６を形成する。導電パターン２６は、絶縁層２８の上面に貼着された導電箔を選択的にエッチングすることにより形成される。

半導体素子２２は、半田等の固着材を介してアイランド状の導電パターン２６の上面に固着する。半導体素子２２の上面に形成された電極は、金属細線２０を経由して他の導電パターン２６と接続される。また、チップ素子２４は、両端の電極が固着材を介して導電パターンに固着される。更に、リード１４の端部は、パッド状の導電パターン２６に固着材を介して固着される。

図２（Ｂ）を参照して、次に、半導体素子２２等の回路素子が被覆されるように、回路基板１２の上面に被覆樹脂１６を塗布する。被覆樹脂１６は、フィラーが添加された液状または半固形状のエポキシ樹脂が採用され、回路基板１２の上面にポッティングされる。所定量の被覆樹脂１６が塗布された後は、被覆樹脂１６は加熱硬化される。ここでは、半導体素子２２、金属細線２０、チップ素子２４およびリード１４と導電パターンとの接続箇所が被覆樹脂１６により被覆される。また、ポッティングにより形成される被覆樹脂１６の表面は、なだらかな曲面となる。更にここでは、被覆樹脂１６により回路基板１２の上面全域が被覆されても良いし、回路基板１２の上面の周辺部を残して部分的に被覆樹脂１６が形成されても良い。

図３を参照して、次に、回路基板１２および無機被覆層１８の表面を無機被覆層１８により被覆する。図３（Ａ）は本工程の手法を示す図であり、図３（Ｂ）は本工程を経た回路基板１２を示す断面図である。

図３（Ａ）を参照して、本工程では、容器に収納された水ガラス３６に回路基板１２を浸漬する。ここでは、被覆樹脂１６が形成された回路基板１２全体およびリード１４の一部が、水ガラス３６に浸漬される。そして、一定時間に渡って回路基板１２を水ガラスに浸漬した後に、引き上げる。

回路基板１２を水ガラスから引き上げた後は、回路基板１２および被覆樹脂１６の表面に付着した水ガラスの一部分を除去して厚みを薄くする。具体的には、水ガラスは粘性が高い物質であるので、引き上げた直後の回路基板１２等を被覆する水ガラスは余計に厚い。従って、その状態のまま水ガラスを乾燥させると、例えば数十μｍ程度に厚いガラス膜により回路基板および被覆樹脂１６が被覆される。結果的に、厚いガラス膜が温度変化により割れる不具合が予測される。そこで本工程では、回路基板１２等に付着した水ガラスの一部を除去して、乾燥後のガラス膜の厚みが１μｍ以上１０μｍ未満となるように調整している。

水ガラス３６の一部を除去する方法としては、コンプレッサにより圧縮された空気を、回路基板１２等を被覆する水ガラスに対して吹き付ける方法がある。この様にすることで、剰余の水ガラスが空気により吹き飛ばされ、適量の水ガラスにより回路基板１２等が被覆されることとなる。また、他の方法としては、脱脂綿等の吸引手段を水ガラス３６に接触させて、水ガラス３６の一部分を脱脂綿に吸着させて除去する方法もある。

水ガラスの膜圧の調整が終了した後は、１日から２日程度放置することにより、水ガラスが乾燥して、ガラス膜から成る無機被覆層１８により被覆樹脂１６および回路基板１２の表面が被覆される。

図３（Ｂ）に示すように、上記工程で形成された無機被覆層１８により、被覆樹脂１６の表面が無機被覆層１８により被覆される。更には、被覆樹脂１６により被覆されない領域の回路基板の上面、側面および下面も、無機被覆層１８により被覆される。更に、被覆樹脂１６から導出するリード１４も、部分的に無機被覆層１８により被覆される。

また、無機被覆層１８としては、上記したガラス膜の他にも、銅等の金属から成るメッキ膜が形成されても良い。この場合は、無電解メッキ法によりメッキ膜から成る無機被覆層１８が形成される。更に、リード１４どうしのショートを防止するために、メッキ膜はリード１４と接触しないように形成される。

図４の断面図を参照して次に、無機被覆層１８が被覆されるように、封止樹脂を形成する。ここでは、モールド用の金型３８を使用したトランスファーモールドまたはインジェクションモールドにより封止樹脂が形成される。

ここでは、先ず、上金型４０と下金型４２とから成るキャビティ４６の内部に、前工程にて無機被覆層１８により被覆された回路基板１２を収納する。ここで、回路基板１２の右端付近に一端が固着されたリード１４は、上金型４０および下金型４２にて狭持されて固定されている。更に、回路基板１２の左端付近の回路基板１２の上面には、上金型４０の上面に固定された当接ピン４４の下端が接触している。ここでは、リード１４が金型に狭持されることと、当接ピン４４が回路基板１２の上面を押圧することにより、キャビティ４６の内部における回路基板１２の位置が固定されている。

この状態で、金型３８に設けた不図示のゲートから、キャビティ４６の内部に液状の封止樹脂を注入することにより、無機被覆層１８が全面的に封止樹脂により被覆される。注入された封止樹脂は、加熱処理により熱硬化される。封止樹脂の加熱硬化が終了した後に、封止された回路基板１２は、金型３８から離型される。更に、当接ピン４４が設けられた箇所には、図１（Ｂ）に示す貫通孔３４が形成される。

以上の工程を経て、図１に構成を示す混成集積回路装置１０が製造される。

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）は拡大された断面図である。 本発明の回路装置の製造方法を示す図であり、（Ａ）および（Ｂ）は断面図である。 本発明の回路装置の製造方法を示す図であり、（Ａ）および（Ｂ）は断面図である。 本発明の回路装置の製造方法を示す断面図である。 従来の混成集積回路装置を示す断面図である。

符号の説明

１０ 混成集積回路装置
１２ 回路基板
１４ リード
１６ 被覆樹脂
１８ 無機被覆層
２０ 金属細線
２２ 半導体素子
２４ チップ素子
２６ 導電パターン
２８ 絶縁層
３０ 封止樹脂
３４ 貫通孔
３６ 水ガラス
３８ 金型
４０ 上金型
４２ 下金型
４４ 当接ピン
４６ キャビティ

Claims (9)

1. 回路基板と、
   前記回路基板の上面に形成された導電パターンと、
   前記導電パターンと電気的に接続された回路素子と、
   前記回路素子が封止されるように前記回路基板の上面に形成された被覆樹脂と、
   前記被覆樹脂および前記回路基板の表面を被覆すると共に無機材料から成る無機被覆層と、を備えたことを特徴とする回路装置。
2. 前記無機被覆層は、ガラスであることを特徴とする請求項1記載の回路装置。
3. 前記無機被覆層の厚さは、１μｍ以上１０μｍ未満であることを特徴とする請求項２記載の回路装置。
4. 前記導電パターンと接続されて外部に露出するリードを備え、
   前記被覆樹脂により前記リードと前記導電パターンとの接続部分が被覆されることを特徴とする請求項３記載の回路装置。
5. 前記無機被覆層を更に封止する封止樹脂を備えることを特徴とする請求項４記載の回路装置。
6. 前記封止樹脂には、前記封止樹脂の主面から前記回路基板を被覆する前記無機被覆層まで到達する貫通孔が設けられることを特徴とする請求項５記載の回路装置。
7. 回路基板の上面に形成された導電パターンの所定箇所に回路素子を電気的に接続し、前記回路素子が封止されるように前記回路基板の上面に被覆樹脂を形成する工程と、
   前記被覆樹脂および前記回路基板の表面を無機被覆層により被覆する工程と、を備えることを特徴とする回路装置の製造方法。
8. 前記被覆する工程では、
   前記回路基板および前記被覆樹脂を水ガラスに浸漬した後に、前記回路基板および前記被覆樹脂に付着した前記水ガラスを乾燥させることで、ガラス膜から成る前記無機被覆層を形成することを特徴とする請求項７記載の回路装置の製造方法。
9. 前記無機被覆層を更に封止樹脂により封止する工程を有し、
   前記封止する工程は、モールド金型のキャビティに前記回路基板を収納し、前記モールド金型の内部に設けられた当接ピンの先端部にて、前記無機被覆層により被覆される前記回路基板の上面を押圧し、前記キャビティに前記封止樹脂を注入することを特徴とする請求項８記載の回路装置の製造方法。
   
   
   

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