JP4218434B2 - 電子装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンコントロールユニットに代表される高放熱構造が必要な電子装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、電子装置は、出荷前に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）に耐える仕様が要求される。今般、ＥＣＵをよりエンジン近くに配置する傾向があるため、この温度範囲の上限の仕様をより高くする傾向がある。従って、車載用電子装置には、一般の電子装置よりも高い放熱性が必要とされる。
【０００３】
近年の電子装置は、半導体装置等の電子部品をインタポーザ基板（中間回路基板）に搭載し、そのインタポーザ基板をはんだバンプ等によりマザーボード（回路基板）に搭載する構造を採用することが多くなってきた。
【０００４】
発熱源である電子部品から放熱先である筐体までの間にマザーボードとインターポザ基板の２つの基板を挟み込む構造になるので、従来のマザーボードに電子部品を直接搭載する構造に比べて放熱性は低くなる。
【０００５】
放熱性を向上させる手法として、従来、コア材である金属板の両面に配線層と絶縁層を形成したメタルコア基板をインタポーザ基板に用い、そのインターポーザ基板の両面の樹脂層と配線層の一部を取り除き、コア材上面側に電子部品である半導体装置を直接フェースアップ方式で搭載し、コア材下面側とマザーボード上面側とをはんだとメッキで接続した構造がある。（特許文献１、図３４）。
【０００６】
【特許文献１】
特開2003-46022
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の技術では、筐体内に搭載されるインターポーザ基板とマザーボードとの間の放熱には着目していたが、筐体も含めた電子装置全体の放熱性を向上させることが十分に検討されていなかった。
【０００８】
つまり、本発明の目的は、電子装置の放熱性を向上させることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するための、金属板とその両面に夫々形成された絶縁樹脂層から成り且つ該面の一方に電子部品が搭載されているメタルコア基板、樹脂層と回路層を備え且つその第１面が前記メタルコア基板の前記面の他方に対向する回路基板、及び前記メタルコア基板が前記他方の面で接着され且つ前記回路基板が前記第１面とは反対側の第２面で接着されて夫々搭載された筐体を備え、前記メタルコア基板の前記両面の各々の一部には前記金属板を露出する前記絶縁樹脂層の開口が形成され、且つ該メタルコア基板の前記一方の面の該開口から露出された該金属板には前記電子部品がダイボンディングされ、前記回路基板には前記メタルコア基板の他方の面と前記筐体との間に延びる貫通孔が設けられ、前記筐体には前記回路基板とは別に成形され且つ前記貫通孔を通して前記メタルコア基板の他方の面に延びる金属ブロックが接着され、前記メタルコア基板の前記他方の面の前記絶縁樹脂層に形成された回路層と前記回路基板の前記回路層、及び該メタルコア基板の前記他方の面の前記開口で露出された前記金属板と前記金属ブロックは、夫々はんだで接着されていることを特徴とする電子装置である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図２に、電子装置の1例である、エンジンコントロールユニット（ECU）モジュールの蓋を外した斜視図を示す。
【００２２】
ECUモジュールは、外部との信号の入出力を行うコネクタが形成されたアルミ筐体２７（蓋は図示していない。）と、コネクタと配線で電気的に接続され、アルミ筐体２７上に搭載されたマザーボード（回路基板）１５と、マザーボード１５上に搭載された半導体パッケージ４１と、筐体27内部を満たすシリコーンゲルを備えている。
【００２３】
なお、シリコーンゲルはなくてもよいが、本例では信頼性向上の観点から充填している。
【００２４】
図１は、図２の断面図である。
【００２５】
半導体パッケージ４１は、樹脂層と回路層１３とを備えた回路基板（インターポーザ基板）１１と、このインターポーザ基板１１に接着剤５でダイボンディングされ、ボンディングワイヤ３により回路層１３に電気的に接続されている電源ＩＣである半導体装置１と、この半導体装置１、ボンディングワイヤ３及び回路層とを封止するようにインターポーザ基板１１上をモールドする樹脂７を備えている。ダイボンディングに用いた接着剤５は、銀をフィラーとして樹脂に含有させた銀ペーストである。
【００２６】
マザーボード１５は、樹脂層と回路層１３とを備えた回路基板であり、はんだ２３で電子部品２１が搭載され、ＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）はんだ１９で半導体パッケージ４１が搭載されている。
【００２７】
また、マザーボード１５は、インターポーザ基板上の半導体装置１が搭載された領域と重畳する領域に貫通孔を備えている。
【００２８】
筐体２７は、突起２９を備え、この突起がマザーボード１５の貫通孔に嵌め込まれており、その突起２９とインターポーザ基板１１が接着剤３１で固定されている。また、突起２９以外の場所は接着剤２５でマザーボード１５に接着されている。なお、接着剤３１には、シリコーンに銀のフィラーを含有させた樹脂接着剤３１が用いられ、接着剤２５には、銀ペーストが用いられている。
【００２９】
このように、筐体２７の突起２９をマザーボード１５の貫通孔を利用してインターポーザ基板１１に接続することで、半導体装置１の発する熱によりインターポーザ基板１１にこもる熱を、高い熱導伝性の材料で形成された短かい放熱経路で高い筐体へ逃がすことができるので、電子装置の放熱性を向上することができている。
【００３０】
なお、樹脂接着剤３１は、銀以外の金属又はアルミナ等の金属無機化合物といった樹脂よりも熱伝導率の高いフィラーを含有する樹脂ペーストや、回路基板の樹脂層よりも熱伝導率の大きなはんだに変えることもできる。
【００３１】
また、樹脂接着剤３１の樹脂は、接着性を確保することができれば、シリコーン以外の材料を用いることもできるが、本例では、インターポーザ基板とマザーボードとの熱膨張係数の差により生じるＢＧＡはんだ接続部の熱疲労破壊、銀ペースト自体の破壊及び界面剥離を抑制するために、ＢＧＡはんだ接続部に用いたはんだ材料よりもヤング率の小さいシリコーン系の樹脂ペーストを用いている。なお、シリコーン系の樹脂のほかにグリース、シートでも同様の効果を得ることができる。
【００３２】
次に、図１のＥＣＵモジュールの製造プロセスを説明する。
【００３３】
図３は、図１のＥＣＵモジュールの製造プロセスを示す図である。
【００３４】
まず、半導体パッケージ４１の製造プロセスを説明する（図３(a)）。
【００３５】
インターポーザ基板１１の表面に、５ｍｍ角の半導体装置１をフェースアップに配置してはんだ又は銀ペースト５でダイボンディングする。ダイボンディング後、ボンディングワイヤ３にて半導体装置の端子とインターポーザ基板のパッドとを電気的に接続する。次に、電子部品９を搭載する。なお、この接続方式は電子部品の種類に応じて適宜選択する。次に、取り扱い性や信頼性を高めるために、樹脂７でモールドする。次に、パッケージ基板裏面に、はんだＢＧＡ接続用のパッドを形成する。なお、このパッドは、直径０．６ｍｍ、ピッチ１．２７ｍｍで、ニッケルめっき、さらには金めっきを施すことで形成した。また、このパッドは、半導体装置１を形成した位置の裏面に半導体装置１の大きさより若干大きい領域を除いた領域に形成した。パッドを形成すると同時に、その除いた領域に５ｍｍ角程度の金属層を形成しておく。ＢＧＡ接続用パッドには、直径０．７６ｍｍのSn3Ag0.5Cuはんだボール１９を搭載、リフローし、はんだバンプを形成した。アルミ筐体２７は、５ｍｍ角、高さ２．０ｍｍの突起部２９をフライスによる機械加工で形成した。
【００３６】
次に、マザーボード１５の製造プロセスを説明する。
【００３７】
樹脂基板（プリント基板、厚さ：１．５ｍｍ）を用意し、この基板に、所望の位置にルーター加工により貫通孔４３を形成しておく（図３(b)）。
【００３８】
次に、マザーボード１５と半導体パッケージ４１との接合について説明する。
【００３９】
マザーボード１５上の所定の位置に、半導体パッケージ４１と電子部品２１を位置合わせして搭載し、２４０℃で５分ほどはんだを溶融し、リフロー接続する（図３(c)）。なお、貫通孔のサイズは、７ｍｍ角とした。マザーボードの貫通孔４１には、アルミの突起２９が配されることになるので、開口部をアルミ突出部のサイズより大きくすることにより、基板の筐体に対する位置合わせ精度の条件を緩和すると共に、パッケージとアルミ突起部を接着する接着剤３１の余剰分を貯めるスペースとして有効である。
【００４０】
次に、インターポーザ基板を搭載したマザーボードをアルミ筐体に接着するプロセスについて説明する。
【００４１】
突起部付きのアルミ筐体の基板搭載部分に、シリコーン接着剤２５を塗布するとともに、突起部には熱伝導率が高くてヤング率の小さいシリコーンを主成分とし、銀フィラーを含有する銀ペースト３１を塗布する（図３(d)）。部品を搭載した貫通孔を備えたマザーボード（状態(C)）をアルミ筐体上に搭載し、１５０℃、１時間硬化させる。マザーボードの穴からは、先のアルミ筐体に形成した突出部２９が、基板表面より、０．５ｍｍほど突き出ることになる。パッケージと基板を電気的に接続するはんだボール高さがおよそ０．４ｍｍ程度、基板厚さが１．６ｍｍ、シリコーン接着剤厚さが０．１ｍｍ程度なので、トータル２．１ｍｍ程度となる。銀ペースト３１の厚さを０．１ｍｍ程度とすればよい。
【００４２】
以上の本態様の構造は次の特徴を備えているといえる。
【００４３】
まず、筐体と、筐体に接着されている電子基板とを備え、該電子基板は、電子部品が搭載されているインターポザ基板と、該インターポーザ基板基板と電気的に接続されているとともに、該筐体に固定されている第マザーンボードマザーボードとを有する電子装置において、インターポーザ基板が、マザーボードと重畳しない空間で該筐体に固定された構造となっている点である。
【００４４】
このような構造は、インターポーザ基板とマザーボードの熱膨張係数の差による影響を受けないので、より強い固定を得ることができる。マザーボードを介在させないことで、固定方式に制約がなくなり、接着面積を大きくできる。従って、接着面積の増加により、落下等の強い衝撃が掛かったときでも、インターポーザ基板とマザーボードとの間の断線を抑制できるという効果がある。また、マザーボードを介在させずに、放熱できるので、直接筐体へ通じる大きな放熱経路を形成することもできる。
【００４５】
また、インターポザーザ基板は、マザーボードとは別に成形された部材を介して筐体に固定しておくようにすることが好ましい。
【００４６】
従来、メッキ等で形成できる形状（面積や厚み）は限界があるが、別部品として予め成形しておけば、面積や厚みの限界はあまり気にしなくてもよくなり、低コストで大きな面積の固定ができるようになる。また、かかる部材を熱伝導係数の大きな部材を用いることで、大きな断面積を持つ放熱経路を確保することができるようになる。
【００４７】
また、マザーボードは貫通孔を備え、インターポザーザ基板と該筐体との間であって該貫通孔と重畳する空間に、該マザーボードとは別に成形された部材を備えるようにすることが好ましい。
【００４８】
このように、貫通孔をマザーボードに設けることで、インターポーザ基板とマザーボードとの非重畳空間をマザーボードの中央に配置できるようになる。つまり、放熱源である電子部品の直下に放熱部材を配置できるようになるので、筐体までの経路の断面積が大きくでき、放熱性が向上する。
【００４９】
当然、放熱性の観点から、上述した部材として、マザーボードの樹脂層よりも熱伝導率が大きいものを用いることが好ましい。
【００５０】
車載用電子装置では、インターポザーザ基板とマザーボードとが重畳する空間にゲル状の絶縁物が充填されているので、上記構造は特に効果がある。
【００５１】
また、部材が筐体の一部が成形された筐体の突起であるので、接続に用いる接着層による熱伝導性の低下を防止できるので、放熱性の向上に寄与している。
【００５２】
次に、図１と異なる他の構造について説明する。
【００５３】
図４は、図１とは異なるＥＣＵもジュールの断面図である。
【００５４】
アルミ筐体２７は、従来どおり、その内面側はほとんど平板の状態とする。別途成形したアルミの金属ブロック３３を作製し、これをアルミ筐体２７に、金属フィラーを含有したシリコーン接着剤３５を用いて接着する。
【００５５】
本実施例によれば、固定強度を向上させるたり、放熱性を向上させることができるだけでなく、基板の筐体に対する位置合わせ精度の制限を緩和することができる。接着剤３１は、熱伝導率の大きい銀やその他の金属あるいはアルミナ等の金属無機化合物の粉体を含有する樹脂ペーストや、さらに熱伝導率の高いはんだであることが、放熱特性上望ましい。
【００５６】
また、接着剤として、ヤング率の小さいシリコーン系の樹脂ペーストやグリース、シートを用いることにより、ＢＧＡはんだ接続部におよぼす熱疲労破壊を緩和し、また銀ペースト自体の破壊や界面剥離を緩和できるので、接続信頼性上望ましい。
【００５７】
図５は、図１に示した実施例に対して、次の点で異なる実施例である。パッケージを構成する基板がメタルコア基板３７であり、メタルコア基板表裏の絶縁樹脂を一部除去し、コアメタルが露出した部分に高発熱なチップ１をフェースアップで銀ペースト５で接着し、電気的な接続は、ワイヤボンディング３でパッケージ基板上のボンディングパッドと接続する。他の部品も必要に応じてパッケージ基板上に搭載し、樹脂モールド７することにより、取り扱い性を向上できる。パッケージ裏面のコアメタル露出部分に対して、アルミ筐体突出部３３を、シリコーン系の銀ペースト３１で接着する。本実施例によれば、高発熱チップから熱容量の大きいアルミ筐体までの間を、熱伝導率の低い回路基板の絶縁樹脂層なしで接続できるため、放熱性を極めて高めることができる。また、接着部３１もしくは３５のいずれかもしくは両方を、非導電フィラー入りの接着剤もしくはフィラーなしの接着剤とすることにより、コアメタルとアルミ筐体の絶縁性を保つことも可能である。
【００５８】
図６は、前述の実施例に対して、コアメタル３９とアルミ突出部３３の接続を、はんだボール４５で行っている点で異なる。放熱部分をはんだボール接続とすることにより、製造プロセスを簡易化することができる。放熱に寄与する接続総面積は減少するが、はんだ自体の熱伝導率は銀ペーストのそれより１０倍程度大きいため、前述の実施例より放熱性を下げないことは可能である。はんだボールではなく、前述の実施例における銀ペースト接続部分全体をはんだで接続すれば、さらに放熱性は向上する。
【００５９】
図６に示した実施例を実現するための製造プロセスを、図７に簡単に示し、以下に説明する。
【００６０】
まず、パッケージ部分の製造方法を示す（図７(c)上）。パッケージ基板としては、メタルコア基板３７を使用する。メタルコア基板の製造は、公知の方法で行う。ただし、絶縁樹脂部分を除去する必要があり、これを炭酸レーザー加工で行う。デスミア処理後、コアメタル３９表面に、およそ５ｍｍ角の高発熱な電子部品１をフェースアップではんだや銀ペースト５でダイボンディングする。電気的接続は、ワイヤボンディング３にて行う。さらに取り扱い性や信頼性を高めるために、樹脂７でモールドする。パッケージ基板裏面には、はんだＢＧＡ接続用のパッドを形成する。このパッドは、例えば直径０．６ｍｍ、ピッチ１．２７ｍｍで、ニッケルめっき、さらには金めっきを施す。このＢＧＡ用パッドを基板裏面に全体に形成せず、一部、放熱用の５ｍｍ角の領域を残す。以上のプロセスは、図５に記載の実施例に対しても有効である。この放熱用の領域に、直径０．６ｍｍ、１．２７ｍｍピッチの絶縁樹脂除去部（ざぐり部）を形成する。このざぐり部は、チップ搭載部と同様の方法すなわちレーザ加工により、形成する。このざぐり部の直径を、他のＢＧＡパッドとほぼ同サイズにすると、供給はんだボールサイズを同じとすることができるので、プロセス管理が容易になる。また、ざぐり部のピッチを小さくして数を増やす、もしくはざぐり部の面積を大きくすることにより、放熱性を向上できる。ＢＧＡ接続用パッドおよび放熱用ざぐり部に、それぞれ直径０．７６ｍｍのSn3Ag0.5Cuはんだボール１９および４５を搭載、リフローし、はんだを形成しておく。
【００６１】
ＥＣＵアルミ筐体には、５ｍｍ角、高さ１．７ｍｍの突起部３３を所望の位置に形成しておく。この突起部は、前述の実施例のような方法にて形成する。突起部上には、パッケージ裏面の放熱用はんだパターンに合うように、はんだ接続用のメタライズすなわち厚さ５ミクロンのニッケルさらには０．５ミクロンの金めっきを形成する。このメタライズは、はんだと反応すれば何でも良く、形成方法もスパッタ等、何でも良い。
【００６２】
基板は公知の技術による樹脂基板（プリント基板、厚さ：１．５ｍｍ）とし、この基板に、所望の位置にルーター加工により穴を形成しておく。穴のサイズは、６ｍｍ角とする。アルミ突出部のサイズより大きくすることにより、基板の筐体に対する位置合わせ精度の制約を緩和できる。
【００６３】
本実施例では、突起部付きのアルミ筐体の基板搭載部分にシリコーン接着剤を塗布して、この穴あきの基板を搭載し、１５０℃、１時間硬化させる。基板の穴からは、先のアルミ筐体に形成した突出部が、基板表面より、０．２ｍｍほど突き出ることになる。
【００６４】
基板上の所定の位置に、先のパッケージやその他電子部品を位置合わせして搭載し、２４０℃で５分ほどはんだを溶融し、すべてのはんだ接続部を同時にリフロー接続する。
【００６５】
放熱のための金属突起部および基板開口部は、上記実施例では搭載チップと同サイズとしたが、チップサイズより大きいと、放熱性をさらに向上できる。また、金属突起部および基板開口部がチップサイズより小さいと、基板の配線可能な領域が増え、基板サイズを小さくすることができる。また、放熱部は、その水平断面形状が必ずしも正方形や長方形である必要はなく、円形や、角が丸みを帯びた形状であれば、位置合わせ性に重要な役割を果たす表面張力を向上させることができ、また応力集中を避けることによる信頼性向上が可能となる。
【００６６】
図８に、他の電子装置の構造を示す。
【００６７】
図１の電子装置と異なるのは、突起２９最上面に、微小な溝又は突起１００を設けている点である。
【００６８】
図１の構造では、樹脂接着剤又ははんだで構成された接着剤３１が突起２９とインターポーザ基板１１との間に介在することにより、微小な間隔がその接続面に生じるが、微小突起を設けることにより、溝で接着力を確保しつつ、突起をインターポーザ基板に押し付けることで、これらの間隔を縮めることができるので、放熱性を向上することができる。
【００６９】
図９に、他の電子装置の構造を示す。
【００７０】
図４の電子装置と異なるのは、金属ブロック３３の上面と下面に、微小な溝又は突起１０１と１０２を設けている点である。
【００７１】
図４の構造では、樹脂接着剤又ははんだで構成された接着剤３１が、金属ブロック３３とマザーボード１５との間及び金属ブロック３３とインターポーザ基板１１との間に介在することにより、微小な間隔がその接続面に生じる。しかし、金属ブロック３３の上面と下面に微小突起を設けることにより、溝で接着力を確保しつつ、突起をインターポーザ基板に押し付けることで、これらの間隔を縮めることができるので、放熱性を向上することができる。
【００７２】
なお、この突起と溝により形成された凹凸のある金属ブロックは、図５、６の金属ブロックに適用すると同様の効果がある。ただし、図６の構造の金属ブロックの上面ははんだバンプとの接続であり、凹凸は無いほうが好ましい。
【００７３】
【発明の効果】
本発明によれば、電子装置の放熱性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、電子装置の断面図である。
【図２】図２は、ＥＣＵモジュールの斜視図である。
【図３】図３は、図１の構造の製造プロセスを表す断面図である。
【図４】図４は、電子装置の断面図である。
【図５】図５は、電子装置の断面図である。
【図６】図６は、電子装置の断面図である。
【図７】図７は、製造プロセスを示す図である。
【図８】図８は、電子装置の断面図である。
【図９】図９は、電子装置の断面図である。
【符号の説明】
１…半導体装置、３…ボンディングワイヤ、５…樹脂接着剤、７…モールド樹脂、９…電子部品、１１…インターポーザ基板、１３…回路層、１５…マザーボード、１７…回路層、１９…はんだバンプ、２１…電子部品、２３…はんだ、２５…樹脂接着剤、２７…アルミ筐体、２９…突起、３１…樹脂接着剤、３３…金属ブロック、３５…樹脂接着剤、３７…メタルコア基板、３９…コアメタル（内層した金属板）、４１…半導体パッケージ、４３…貫通孔、４５…放熱用はんだボール

Claims (9)

  1. 金属板とその両面に夫々形成された絶縁樹脂層から成り且つ該面の一方に電子部品が搭載されているメタルコア基板、
    樹脂層と回路層を備え且つその第１面が前記メタルコア基板の前記面の他方に対向する回路基板、及び
    前記メタルコア基板が前記他方の面で接着され且つ前記回路基板が前記第１面とは反対側の第２面で接着されて夫々搭載された筐体を備え、
    前記メタルコア基板の前記両面の各々の一部には前記金属板を露出する前記絶縁樹脂層の開口が形成され、且つ該メタルコア基板の前記一方の面の該開口から露出された該金属板には前記電子部品がダイボンディングされ、
    前記回路基板には前記メタルコア基板の他方の面と前記筐体との間に延びる貫通孔が設けられ、
    前記筐体には前記回路基板とは別に成形され且つ前記貫通孔を通して前記メタルコア基板の他方の面に延びる金属ブロックが接着され、
    前記メタルコア基板の前記他方の面の前記絶縁樹脂層に形成された回路層と前記回路基板の前記回路層、及び該メタルコア基板の前記他方の面の前記開口で露出された前記金属板と前記金属ブロックは、夫々はんだで接着されていることを特徴とする電子装置。
  2. 前記金属ブロックは、前記回路基板の前記樹脂層よりも熱伝導率が大きいことを特徴とする請求項１に記載の電子装置。
  3. 前記メタルコア基板と前記回路基板とが重畳する空間にゲル状の絶縁物が充填されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電子装置。
  4. 前記金属ブロックと前記筐体とが、はんだ又は樹脂に該樹脂よりも熱伝導率の大きいフィラーが含有された樹脂接着剤により接着されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の電子装置。
  5. 前記金属ブロックと前記貫通孔の側壁との間に間隔があることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電子装置。
  6. 前記電子部品は、その端子が前記メタルコア基板の前記一方の面の前記絶縁樹脂層に形成された回路層にワイヤボンディングで接続された半導体装置であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の電子装置。
  7. 前記メタルコア基板の前記他方の面の前記絶縁樹脂層に形成された回路層と前記回路基板の前記回路層、及び該メタルコア基板の前記他方の面の前記開口で露出された前記金属板と前記金属ブロックを夫々接着する前記はんだは、ＳｎとＡｇとを含む鉛フリーはんだであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の電子装置。
  8. 前記電子部品は、はんだ又は銀ペーストにより、前記メタルコア基板の前記一方の面の前記開口から露出された前記金属板の表面にダイボンディングされていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の電子装置。
  9. 前記メタルコア基板の前記他方の面の前記絶縁樹脂層上には、該絶縁樹脂層に形成された回路層と前記回路基板の前記回路層とを接着する前記はんだが供給されるパッドが形成され、
    該メタルコア基板の該他方の面の該絶縁樹脂層に形成された前記開口は、その直径が該パッドと同サイズであり、且つ該開口で露出された前記金属板と前記金属ブロックを夫々接着する前記はんだが供給されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の電子装置。
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