JP2004158700A - Electronic controller and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子制御装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
複数の接続端子を有する半導体素子を回路基板上に実装した構造において、半導体素子の接続信頼性や放熱性を向上させる構成として、特許文献1に示すものがある。これは、複数の接続端子のうち、少なくとも角部に位置する接続端子の外周表面を非導電性樹脂層で被覆するものである。
【0003】
【特許文献1】
特開2001−77527号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、周囲環境が高温・多湿である場合、被覆樹脂が温度や湿度の影響で劣化する。劣化した樹脂では保護効果が無くなり、ハンダ内でのクラック伸長や基板ランドが剥離することがある。また、温度変化の大きい環境では、これらの減少は顕著になる。即ち、半導体素子の長期接続信頼性が満足されない。さらに、半導体素子で発生した熱は、ハンダバンプからのみ基板に放散される構造のため熱抵抗が高く、半導体素子温度が上昇しやすく、誤動作する場合がある。
【0005】
本発明はこのような背景の下になされたものであり、その目的は、半導体素子の接続信頼性と熱放散性を高めることができるようにすることにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明によれば、半導体素子の背面にセラミック基板(第2のセラミック基板)を接着するので、半導体素子の見かけの熱膨張率がセラミック基板の熱膨張率に近似させることができ、これにより、ハンダ接合部にかかる熱応力が軽減され、接続信頼性を高くすることができる。また、背面に接着したセラミック基板がヒートシンクの役割を果たし、半導体素子の急激な発熱に対する熱放散性を高くすることができる。このようにして半導体素子の接続信頼性と熱放散性を高めることができる。
【0007】
請求項2に記載の発明によれば、第2のセラミック基板の両面のうちの少なくともいずれかの面に電子部品を実装することにより、電子制御装置の小形化を図ることができる。
【0008】
請求項3に記載の発明によれば、第1と第2のセラミック基板を電気的に接続することにより、大規模な回路を構成することが可能になる。
請求項4に記載の発明によれば、第1と第2のセラミック基板の電気的接続を図る部材に、基板材料と同じセラミックを使用することにより、ハンダ接合部にかかる熱応力が軽減され、接続信頼性を高めることができる。
【0009】
請求項5に記載の発明によれば、第1と第2のセラミック基板の電気的接続を図る部材に、フレキシブル基板を使用することにより、ハンダ接合部にかかる熱応力が軽減され、接続信頼性を高めることができるとともに、製造工程を簡略化することができる。
【0010】
請求項6に記載の発明によれば、台座用フリップチップ型電子部品により半導体素子の背面が第1のセラミック基板に実装する他の電子部品よりも高くなり、第2のセラミック基板を配置しやすくなる。
【0011】
請求項7に記載の発明によれば、台座用フリップチップ型電子部品の材料としてセラミック材料を用いることにより、台座用フリップチップ型電子部品の熱膨張率がセラミック基板の熱膨張率に近いため台座用フリップチップ型電子部品と基板との間にかかる熱応力が軽減され、接続信頼性を高めることができる。
【0012】
請求項8に記載の発明によれば、半導体素子の背面に第2のセラミック基板を接着した後に第1のセラミック基板に半導体素子を実装する場合に比べて、はじめに、半導体素子を第1のセラミック基板に実装するため、ハンダ溶融に伴なうセルフアライメント効果が実現され、厳密な位置合わせを行う必要がなくなり、そのため、製造工程を簡略化することができる。
【0013】
請求項9に記載の発明によれば、一括リフローするため、工程が少なくなるので、製造原価を安くすることが可能となる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。
図1には、本実施形態における車載用電子制御装置(ECU)の縦断面図を示す。図2には、車載用電子制御装置(ECU)の斜視図を示す。ただし、図2はケースの内部におけるECUの斜視図である。図3にはケース内におけるECUの分解斜視図を示す。本ECUは、エンジン制御用ECUである。
【0015】
図1においてケース1はケース本体2とカバー3とからなる。ケース本体2はアルミよりなり、全体構成として上面が開口した箱型をなしている。ケース本体2の上面開口部はカバー(蓋)3にて塞がれている。
【0016】
ケース1内においてケース本体2の底面には、セラミック基板(第1のセラミック基板)10が配置(収納)され、接着剤にて固定されている。セラミック基板10は回路基板として用いており、詳しくはセラミック基板10はセラミック多層基板よりなる。図3に示すように、セラミック基板10の上面には電子部品11,12,13が搭載(表面実装)されている。電子部品11はチップコンデンサであり、電子部品12はフリップチップ型電子部品である。電子部品13は半導体素子、具体的にはチップサイズパッケージ(CSP)であり、台座用フリップチップ型電子部品としてのインターポーザ14を介して実装されている。詳しくは、セラミック基板10の上面においてインターポーザ(台座用フリップチップ型電子部品)14がハンダ付けされ、このインターポーザ14の上に半導体素子(CSP)13がハンダにて接合されている。また、インターポーザ14は配線用部材としても機能し、電子部品(CSP)13のバンプ(ハンダボール)とセラミック基板10のパッドとを電気的に接続している。この半導体素子(CSP)13はセラミック基板10上に多数(図3では4つ)配置されている。
【0017】
このように、第1のセラミック基板10に対し台座用フリップチップ型電子部品としてのインターポーザ14を介して半導体素子(CSP)13を実装することにより、第1のセラミック基板10に表面実装する他の電子部品11,12よりも半導体素子13の背面(上面)を高くしている。インターポーザ14の材料としてセラミック基板10の材料(例えば、アルミナ)と同じセラミック材料(例えば、アルミナ)を用いている。これにより、インターポーザ14の熱膨張率がセラミック基板10の熱膨張率に近いためインターポーザ14とセラミック基板10との間にかかる熱応力が軽減され、接続信頼性を高めることができる。
【0018】
さらに、図1に示すように、第1のセラミック基板10に実装した半導体素子(CSP)13の背面(上面)にはセラミック基板(第2のセラミック基板)20が配置され、接着層21にて固定(接着)されている。セラミック基板20は回路基板として用いており、詳しくはセラミック基板20はセラミック多層基板よりなる。ここで、前述したようにインターポーザ14により半導体素子13の背面がセラミック基板10に実装する他の電子部品11,12よりも高くなっているので、第2のセラミック基板20を配置しやすい。また、図3に示すように、セラミック基板20の下面には電子部品22,23が搭載(実装)されている。電子部品22はチップコンデンサである。電子部品23はベアチップであり、図1の接着層24にてセラミック基板20に固定されるとともにAuワイヤ25にてボンディングされている(電気的に接続されている)。なお、ベアチップを第1のセラミック基板10に実装してもよい。
【0019】
また、図1に示すように、第1のセラミック基板10と第2のセラミック基板20との間において電気接続部材としてのセラミック部材30が配置されている。セラミック部材30は四角枠状をなし、その内方に電子部品11,12,13,22,23が位置している。セラミック部材30は母体がセラミック材料(絶縁体)よりなり、その内部には多数の配線材(導体)31が上下方向に延びている。このようにセラミック部材30は配線材31を具備している。セラミック部材30の配線材31は上下のセラミック基板10,20に対しハンダ付けされ、両基板10,20はセラミック部材30を介して電気的に接続されている。このようにして、第1と第2のセラミック基板10,20を電気的に接続して大規模な回路を構成することが可能になる。また、第1と第2のセラミック基板10,20の電気的接続を図る部材30に、基板材料と同じセラミックを使用しているので、ハンダ接合部32(図1参照)にかかる熱応力が軽減され、接続信頼性を高めることができる。
【0020】
さらに、図2に示すように、セラミック基板10の上面において左端部と右端部に、多数のパッド15が形成されている。また、ケース本体2におけるセラミック基板10の配置領域の左側と右側には、図1に示すように、コネクタ取付用透孔4が設けられている。この各透孔4にコネクタ40が差し込まれ、この状態で固定されている。コネクタ40はコネクタハウジング(ソケット)41とコネクタピン(外部接続用ピン)42からなる。コネクタハウジング41は有蓋筒状をなし、コネクタハウジング41の蓋部にはコネクタピン42が貫通した状態で支持されている。さらに、図2に示すように、セラミック基板10のパッド15とコネクタピン42とはワイヤ43によるボンディングにて電気的に接続されている。
【0021】
コネクタ40は相手方コネクタを介してワイヤ(図示略)の端部と連結される。このワイヤにはバッテリー、各種センサ、エンジン制御用アクチュエータが接続される。そして、ECUはセンサ信号にてエンジンの運転状態を検知し各種の演算を実行してインジェクタやイグナイタといったアクチュエータを駆動してエンジンを最適な状態で運転させる。
【0022】
次に、電子制御装置の製造方法(組み立て方法)を説明する。
まず、第1工程として、第1のセラミック基板10の上面に半導体素子13を含めた各電子部品11,12,13を実装する。同様に、第2のセラミック基板20に電子部品22,23を実装する。さらに、第1のセラミック基板10の上面にセラミック部材30を配置する。そして、第2工程として、半導体素子13の背面に第2のセラミック基板20を接着する。ここで、半導体素子13の背面に第2のセラミック基板20を接着した後に第1のセラミック基板10に半導体素子13を実装する場合に比べて、はじめに、半導体素子13を第1のセラミック基板10に実装するために、ハンダ溶融に伴なうセルフアライメント効果が実現され、厳密な位置合わせを行う必要がなくなるために、製造工程を簡略化することができる。
【0023】
また、上下のセラミック基板10,20間にセラミック部材30を設置する際、電子部品11,12,13,22,23のハンダ付けと、電気的接続用のセラミック部材30の配線材31の第1と第2のセラミック基板10,20へのハンダ付けとを一括リフローにて行う。このように一括リフローすることにより、工程が少なくなるので、製造原価を安くすることが可能となる。
【0024】
引き続き、ケース1のケース本体2に第1のセラミック基板10を固定するとともにコネクタ40を取り付ける。さらに、セラミック基板10のパッド15とコネクタピン42とをワイヤ43にてボンディングする。さらには、ケース本体2に対しカバー3を取り付けて電子制御装置の製造(組み立て)が完了する。
【0025】
このような手順にて、第2のセラミック基板20を、第1のセラミック基板10上に実装した高集積半導体素子(CSP)13に接着する。この際、図1の接着層21には鉛フリーハンダを用いると、環境負荷低減を図る上で好ましいものとなる。また、チップコンデンサ11,22をセラミック基板10,20に実装する際に、ハンダ接合には、環境負荷低減のために鉛フリーハンダを用いるのが好ましい。同様に、ベアチップ23を固定する接着層24は環境負荷低減のために鉛フリーハンダを用いるとよい。
【0026】
また、半導体素子(CSP)13はセラミック基板と同じ材料からなるインターポーザ14を介して第1のセラミック基板10に実装されているので、第1のセラミック基板10とインターポーザ14にアルミナを使用した場合、熱膨張率は約7×10−6/℃で同じであるため、ハンダ接合部14a(図1参照)に作用する熱応力は小さい。
【0027】
一方、インターポーザ14と半導体素子(CSP)13間のハンダ接合部13a(図1参照)に作用する熱応力は大きい。なぜなら、半導体素子(シリコン)の熱膨張率が約2×10−6/℃であり、約5×10−6/℃の熱膨張率差を含んでいるからである。この熱応力は、半導体素子13の角部もしくは周辺バンプで特に大きく、また、大形な半導体素子13において大きい。
【0028】
近年、半導体素子に高い機能が求められるに従い素子サイズは大型化の傾向にあるため、接続信頼性に関して、前述の熱応力起因の接続寿命が問題となる状況である。
【0029】
そこで、本実施形態のように半導体素子(CSP)13の背面に第2のセラミック基板20を接着することで、半導体素子(CSP)13の見かけの熱膨張率が大きくなりセラミック基板10の熱膨張率に近似させることができる。そのため、図1のハンダ接合部13aにかかる熱応力を軽減することができる。これにより、ハンダ内クラック伸展、及び、基板側ランド剥離を防止でき、半導体素子13の長期接続信頼性を高めることができる。
【0030】
また、第2のセラミック基板20がヒートシンクの役割を果たすため、半導体素子13の急激な発熱に対する熱放散性が高まり、誤動作を防止することができる。つまり、半導体素子(CSP)13内の発熱が、その背面から第2のセラミック基板20に放散するため、半導体素子13と周辺部間の熱抵抗が減少する。これにより、周囲温度が高温な場合においても高放熱で接続信頼性に優れ、より高温の使用環境下でも誤作動させないことが可能となる。
【0031】
図1に示すごとく第2のセラミック基板20の下面にチップコンデンサ22を実装したが、第2のセラミック基板20の上面に実装することも可能である。また、図1に示すごとく第2のセラミック基板20の下面にベアチップ23を実装したが、第2のセラミック基板20の上面にも実装可能である。このように、第2のセラミック基板20の両面のうちの少なくともいずれかの面に電子部品22,23を実装することができ、電子制御装置の小形化を図る上で好ましいものとなる。
【0032】
また、インターポーザ14を介さずに半導体素子(CSP)13を直接第1のセラミック基板10に実装することも可能である。ただし、小形な半導体素子に限定することが望ましい。なぜなら、前述と同様な理由で、ハンダ接合部13aに熱応力が生じやすく、接続信頼性が懸念されるからである。
【0033】
上述したように上下のセラミック基板10,20間の電気的接続は、セラミック部材30内の多数本の配線材(導体)31を介したハンダ付けにて行っているが、このとき、ハンダ接続後のハンダ接合部32(図1参照)の隙間を、低融点のガラス材料でハーメチックシールするとよい。シールすることで外部からの湿気の流入を防止できるために、接続寿命、及び、部品寿命を延長することができる。また、シール構造を採用することで、図1のハンダ接合部32,14a,13a,12a,11a等に鉛共晶(Sn−37Pb)ハンダを用いても、外界に流出する危険性はなくなり、環境負荷低減の効果も期待できる。
【0034】
上下のセラミック基板10,20の接続方法および構造は、図示した形態に限定されるものではない。すなわち、第1と第2のセラミック基板10,20間の電気的接続に(コンタクト用部材30に)フレキシブル基板を用いることも可能である。このように第1と第2のセラミック基板10,20の電気的接続を図る部材に、フレキシブル基板を使用すると、ハンダ接合部にかかる熱応力が軽減され、接続信頼性を高めることができるとともに、製造工程を簡略化することができる。
【0035】
なお、半導体素子13としてCSP(チップサイズパッケージ)を用いたが、これに限定されるものではなく、他の半導体素子、特にフェースダウンボンディング型の半導体素子であるBGA(ボールグリッドアレイ)やフリップチップ型電子部品を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態における車載用電子制御装置(ECU)の縦断面図。
【図2】車載用電子制御装置(ECU)の斜視図。
【図3】車載用電子制御装置(ECU)の分解斜視図。
【符号の説明】
1…ケース、2…ケース本体、3…カバー、10…第1のセラミック基板、11,12…電子部品、13…半導体素子、14…台座用フリップチップ型電子部品、20…第2のセラミック基板、22,23…電子部品、30…セラミック部材、31…配線材。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an electronic control device.
[0002]
[Prior art]
In a structure in which a semiconductor element having a plurality of connection terminals is mounted on a circuit board, there is a configuration disclosed in Patent Document 1 as a configuration for improving connection reliability and heat dissipation of the semiconductor element. In this method, at least the outer peripheral surface of a connection terminal located at a corner portion among a plurality of connection terminals is covered with a non-conductive resin layer.
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-77527
[Problems to be solved by the invention]
However, when the surrounding environment is high temperature and high humidity, the coating resin deteriorates under the influence of temperature and humidity. The deteriorated resin loses the protection effect, and may cause crack elongation in the solder and peeling of the substrate land. In an environment where the temperature change is large, these reductions become remarkable. That is, the long-term connection reliability of the semiconductor element is not satisfied. Further, heat generated in the semiconductor element is dissipated to the substrate only from the solder bumps, so that the heat resistance is high, the temperature of the semiconductor element tends to rise, and a malfunction may occur.
[0005]
The present invention has been made under such a background, and an object of the present invention is to improve connection reliability and heat dissipation of a semiconductor device.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
According to the first aspect of the present invention, since the ceramic substrate (the second ceramic substrate) is bonded to the back surface of the semiconductor element, the apparent coefficient of thermal expansion of the semiconductor element can be approximated to the coefficient of thermal expansion of the ceramic substrate. Accordingly, the thermal stress applied to the solder joint is reduced, and the connection reliability can be improved. In addition, the ceramic substrate adhered to the back surface plays the role of a heat sink, so that heat dissipation from sudden heat generation of the semiconductor element can be increased. In this way, the connection reliability and heat dissipation of the semiconductor element can be improved.
[0007]
According to the second aspect of the invention, the electronic control device can be downsized by mounting the electronic component on at least one of the two surfaces of the second ceramic substrate.
[0008]
According to the third aspect of the present invention, a large-scale circuit can be configured by electrically connecting the first and second ceramic substrates.
According to the invention as set forth in claim 4, by using the same ceramic as the substrate material for the member for electrically connecting the first and second ceramic substrates, the thermal stress applied to the solder joint is reduced. Connection reliability can be improved.
[0009]
According to the fifth aspect of the present invention, by using a flexible substrate as a member for electrically connecting the first and second ceramic substrates, thermal stress applied to the solder joint is reduced, and connection reliability is reduced. And the manufacturing process can be simplified.
[0010]
According to the sixth aspect of the present invention, the flip chip type electronic component for the pedestal makes the back surface of the semiconductor element higher than other electronic components mounted on the first ceramic substrate, so that the second ceramic substrate can be easily arranged. Become.
[0011]
According to the seventh aspect of the present invention, the ceramic material is used as the material of the flip-chip electronic component for the pedestal, so that the thermal expansion coefficient of the flip-chip electronic component for the pedestal is close to the thermal expansion coefficient of the ceramic substrate. Thermal stress applied between the flip-chip type electronic component for use and the substrate is reduced, and connection reliability can be improved.
[0012]
According to the eighth aspect of the present invention, first, the semiconductor element is first mounted on the first ceramic substrate as compared with the case where the semiconductor element is mounted on the first ceramic substrate after the second ceramic substrate is bonded to the back surface of the semiconductor element. Since the semiconductor device is mounted on the substrate, a self-alignment effect accompanying the melting of the solder is realized, and it is not necessary to perform strict alignment. Therefore, the manufacturing process can be simplified.
[0013]
According to the ninth aspect of the present invention, since the batch reflow is performed, the number of steps is reduced, so that the manufacturing cost can be reduced.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a longitudinal sectional view of an on-vehicle electronic control unit (ECU) according to the present embodiment. FIG. 2 is a perspective view of an in-vehicle electronic control unit (ECU). However, FIG. 2 is a perspective view of the ECU inside the case. FIG. 3 is an exploded perspective view of the ECU in the case. This ECU is an engine control ECU.
[0015]
In FIG. 1, a case 1 includes a
[0016]
A ceramic substrate (first ceramic substrate) 10 is disposed (stored) on the bottom surface of the case
[0017]
As described above, by mounting the semiconductor element (CSP) 13 on the first
[0018]
Further, as shown in FIG. 1, a ceramic substrate (second ceramic substrate) 20 is disposed on the back surface (upper surface) of the semiconductor element (CSP) 13 mounted on the first
[0019]
Further, as shown in FIG. 1, a
[0020]
Further, as shown in FIG. 2, a large number of
[0021]
The
[0022]
Next, a manufacturing method (assembly method) of the electronic control device will be described.
First, as a first step, the
[0023]
Further, when the
[0024]
Subsequently, the first
[0025]
According to such a procedure, the second
[0026]
Further, since the semiconductor element (CSP) 13 is mounted on the first
[0027]
On the other hand, the thermal stress acting on the solder joint 13a (see FIG. 1) between the
[0028]
In recent years, as semiconductor devices have been required to have higher functions, the device size has tended to increase in size. Therefore, the connection life due to the thermal stress described above has become a problem in connection reliability.
[0029]
Therefore, by adhering the second
[0030]
In addition, since the second
[0031]
Although the
[0032]
Further, the semiconductor element (CSP) 13 can be directly mounted on the first
[0033]
As described above, the electrical connection between the upper and lower
[0034]
The connection method and structure of the upper and lower
[0035]
Although a CSP (chip size package) is used as the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an in-vehicle electronic control unit (ECU) according to an embodiment.
FIG. 2 is a perspective view of an in-vehicle electronic control unit (ECU).
FIG. 3 is an exploded perspective view of an in-vehicle electronic control unit (ECU).
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Case, 2 ... Case main body, 3 ... Cover, 10 ... First ceramic substrate, 11, 12 ... Electronic component, 13 ... Semiconductor element, 14 ... Flip chip type electronic component for pedestal, 20 ... Second ceramic substrate , 22, 23 ... electronic parts, 30 ... ceramic members, 31 ... wiring materials.
Claims (9)
第1のセラミック基板(10)に実装した半導体素子(13)の背面に第2のセラミック基板(20)を接着したことを特徴とする電子制御装置。An electronic control device containing a ceramic substrate (10) on which electronic components (11, 12, 13) are mounted in a case (1),
An electronic control device characterized in that a second ceramic substrate (20) is bonded to the back surface of a semiconductor element (13) mounted on a first ceramic substrate (10).
第1のセラミック基板(10)に半導体素子(13)を実装する第1工程と、
前記半導体素子(13)の背面に第2のセラミック基板(20)を接着する第2工程と、
を含むことを特徴とする電子制御装置の製造方法。A method for manufacturing an electronic control device in which a ceramic substrate (10) on which electronic components (11, 12, 13) are mounted is housed in a case (1),
A first step of mounting a semiconductor element (13) on a first ceramic substrate (10);
A second step of bonding a second ceramic substrate (20) to the back surface of the semiconductor element (13);
A method of manufacturing an electronic control device, comprising:
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