JP2007201217A

JP2007201217A - 電子装置

Info

Publication number: JP2007201217A
Application number: JP2006018498A
Authority: JP
Inventors: Shoichiro Shimoike; 正一郎下池
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2006-01-27
Filing date: 2006-01-27
Publication date: 2007-08-09

Abstract

【課題】同一電子部品において外径の異なるはんだボールを外部端子として混在させ、かつ、そのはんだボールの頂点がなす面を平坦化できるようにする。
【解決手段】接続する半導体素子１の電極毎の特性に合わせた外径の異なる複数のはんだボール９、１０と、外径の異なる複数のはんだボール９、１０の頂点がなす面を調整し平坦化するためのメッキ層５、７を備えることにより、実装効率と放熱特性、実装信頼性の高い小型の電子部品を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、はんだボールを外部端子に有する電子装置に関する。

従来のプリント配線板に搭載した半導体素子の電極を外部に接続するためのはんだボールをプリント配線板の反対面に持つ電子部品においては、はんだボールの外径は全て同じ大きさであった（例えば、特許文献１参照）。
図５は従来の電子装置の実装構造の側断面図である。図５において、１は半導体素子であり、プリント配線板２に搭載されている。半導体素子１上の電極パッド（１）１２からプリント配線板２上の対応する電極パッド（２）１３間に金属ワイヤー１４をボンディングすることにより、電気的に接続している。樹脂モールド３は半導体素子１およびワイヤー１４らを保護する目的の封止樹脂材料である。プリント配線板２は一般的に多層構成を成しており、半導体素子１からワイヤー１４を通じてプリント配線板２の片側の電極パッド（２）１３から、プリント配線板２の複数の内層を経由してプリント配線板２のもう片側の電極バッド（３）１６まで導体パターンで接続されている。電極パッド（３）１６上には、はんだボール（ａ）１７が実装されている。通常、電極パッド（３）１６上にはんだペーストを塗付したあと、はんだボール（ａ）１７をはんだペースト上に設置し、リフローによる加熱工程によりはんだボール（ａ）１７は機械的に固定される。プリント配線板２の同面上にある他のはんだボール（ｂ）１８、はんだボール（ｃ）１９らも同様な構造と工程で実装される。
このように、従来の電子装置では、はんだボール（ａ）１７、はんだボール（ｂ）１８、はんだボール（ｃ）１９は何れも同じ外径サイズを有している。
特許番号２８２２２７２号（第５頁、図５）

以上に述べたように、従来の電子装置では、はんだボールの外径サイズが同じである。一般的に、はんだボールの外径サイズとはんだ材料の特性により、そのはんだボールが許容できる電流値と放熱限界量は決定される。はんだ材料の特性が同じ場合は、はんだボールの外径サイズに対して、相関をもった許容電流値と放熱限界量が決まる。この場合、外径サイズの大きいはんだボールの方が許容電流値と放熱限界量は大きくなる傾向にある。これは、はんだボールの断面積が増加することによる。半導体素子１の電極ごとに特性が違う場合、あるいは半導体素子１に相当するものが特性の異なる複数素子搭載される場合は、電極ごとに特性が違うことになる。言い換えれば、その電極ごとに、電流容量も異なるし、放熱可能な熱量も異なってくる。
しかしこの場合、はんだボール外径が同じであるから、電極によっては電流値と放熱量のマージンが大きいものがあったり、逆にマージンが不足するものがでてくる。マージンが不足するとその電子部品の機能や信頼性を満足出来ないから、通常、マージンは大きい電流値と放熱量に合わせて設計する。こうなると、電流値と放熱量の少なくてよい電極に対しても、電流値と放熱量の大きい電極に合わせたはんだボール外径サイズが適用されるから、小さいはんだボール外径サイズでよい電極バッドの箇所に、過大なはんだボール外径サイズのものが搭載されることになり、実装効率は悪くなり、電子部品自身のサイズも大きくなる傾向にあるといった問題があった。また、外径サイズの異なるはんだボールを搭載する場合、それらはんだボールの頂点がなす面が不均一になるから、電子部品を実装プリント配線板上に実装できない、あるいは実装出来たとしても実装信頼性は確保できない可能性が高いという問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、電極パッドの特性に応じて外径サイズの異なるはんだボールを搭載し、さらに、それらはんだボールの頂点がなす面を均一化することによって、実装効率を改善した小型で、かつ、実装信頼性の高い電子装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、プリント配線板に搭載した半導体素子の電極を外部に接続するためのはんだボールをプリント配線板の反対面に持つ電子部品において、
接続する半導体素子の電極毎の特性に合わせて、はんだボールの電流許容量や放熱量を個別に設定可能な通電容量設定手段と、外径の異なるはんだボールの頂点がなす面を平坦化可能な高さ調整手段とを有したものである。

また、請求項２に記載の発明は、前記通電容量設定手段を、前記はんだボールの外径の違いによることとするものである。

さらに、請求項３に記載の発明は、前記高さ調整手段を、導電性膜の厚さによることとするものである。
また、請求項４に記載の発明は、前記導電性膜を、メッキ層または導電性ペーストの少なくともいずれかで形成されるものである。

請求項１に記載の発明によると、電極バッドの特性ごとに適した外径の異なるはんだボールを搭載可能であるから、実装効率を向上させることができ、電子部品を小型化できる。また、はんだボールを放熱用途としても利用すれば、電子部品の放熱特性の向上も期待できる。また、外径サイズの異なるはんだボールの頂点がなす面を平坦化できるから、電子部品の実装信頼性も向上できる。

また、請求項２に記載の発明によると、はんだボールの外径サイズの違いだけにより、許容電流値と放熱限界量を変更することができる。通常、はんだボールは外径サイズの異なるものがはんだボールメーカ側で標準的に用意されているから、製造工程が複雑化することもない。

さらに、請求項３および４に記載の発明によると、導電性膜の厚さ、特にメッキ層または導電性ペーストの少なくともいずれかで形成することにより、外径の異なるはんだボールの頂点がなす面を平坦化することができるので、通常の電子部品の製造工程と同じ設備で製造可能である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の実施例１を示す電子装置の側断面図である。図５と同一のものは同じ符号を付して説明を省略する。金属ワイヤ１４の径は通常、制御回路系では数μｍから数十μｍほどで、パワー回路系では数百μｍほどである。プリント配線板２は一般的に多層構成を成しており、高密度実装タイプになるとＩＶＨ（ＩｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌＶｉａＨｏｌｅ）工法やビルドアップ工法を用いて製造した高密度配線基板などを用いる。層数は数層のものから多いものでは十層以上のものまで対応可能で、この例ではプリント配線板２の厚さは１ｍｍ程である。

今、半導体素子１から金属ワイヤー１４を通じてプリント配線板２の片側の電極パッド（２）１３から、プリント配線板２の複数の内層を経由してプリント配線板２のもう片側の導体ランド４まで導体パターンで接続されている。導体ランド４上には、導体ランド層の表面処理としてメッキ層（１）５が形成される。６は、プリント配線板２上の導体パターンの保護を主な目的とするエポキシ系などの絶縁材料を用いたレジスト層（１）６である。導体ランド４の厚さは通常、１８μｍ、３５μｍのものを用いる。メッキ層（１）５やレジスト層（１）６の厚さは数十μｍ程である。

７は、メッキ層（１）５の上に形成されたメッキ層（２）であり、本発明が従来技術と異なる部分である。このメッキ層（２）７の厚さを調整することが本発明の第１の特徴である。これについては、本発明の実施例の製造工程を示した図３の説明時に後述する。８は、導体間のはんだブリッジによるショートを防止するために設けるレジスト層（２）であり、材質はエポキシ系などの絶縁材料を用いる。９は、メッキ層（１）５上に搭載されるはんだボール（１）であり、ここでは材質はＳｎ−Ａｇ系の鉛フリーはんだで、外径サイズは０．７５ｍｍとしている。１０は、メッキ層（２）７上に搭載されるはんだボール（２）であり、材質ははんだボール（１）３２と同様で、外径サイズは０．５ｍｍとしている。ここで本発明の第２の特徴は、はんだボールの外径が異なるものを同一の電子部品に搭載している点である。はんだボール（１）９は、はんだボール（２）１０より外径サイズが大きい。ボール断面積の比では、２．２５：１である。材質が同じ場合は、同じ環境温度下においては、金属断面積の比が許容できる電流値となるから、この場合、はんだボール（１）９の方が、はんだボール（２）１０に比べて２倍以上の電流許容値がある。

また、半導体素子１で発生した熱がこれらのはんだボールを経由して移動する場合、はんだボールの断面積に比例して熱抵抗は下がるので、放熱量も断面積に比例する。よって、この場合、はんだボール（１）９の方が、はんだボール（２）１０に比べて２倍以上の放熱性能があると言える。なお、はんだボール（１）９やはんだボール（２）１０は、メッキ層上に塗付したはんだペースト１１上に設置し、リフローによる加熱工程によりメッキ層と機械的に固定される。あらかじめメッキ層（２）７の厚さを調整する。ここでは、はんだボールの外径サイズの差異分０．２５ｍｍ（＝０．７５ｍｍ−０．５ｍｍ）をメッキ層（２）７の厚さとして、無電解ニッケル下地メッキと金メッキ等の処理により厚さを調整する。これにより、はんだボール（１）９とはんだボール（２）１０の頂点がなす面を平坦化することができる。

図２は第２実施例の構成を示す図である。
２０はマルチチップモジュールで、パワー回路系半導体素子２１と制御回路系半導体素子２２が、同一の多層プリント配線板２３に混載される。
多層プリント配線板２３に搭載されたパワー回路系半導体素子２１の電極パッドは、多層プリント配線板２３搭載面とは反対側の面（図では上面）を向いている。その電極パッド（図示せず）は、金ワイヤ（φ２５０μｍ）２５で、それぞれ対応する多層プリント配線板２３上の電極パッド（図示せず）にワイヤーボンディングされる。パワー回路系半導体素子２１はモータをドライブする機能をもつパワー素子であり、素子からの発熱量と電極パッドに流れる電流値が一般的な制御系素子に比べて大きい。

一方、多層プリント配線板２３に搭載された制御回路系半導体素子２２の電極パッドは、多層プリント配線板２３搭載面と同じ側の面（図では下面）を向いている。その電極パッド（図示せず）は金のバンプ（突起）が形成されており、それぞれ対応する多層プリント配線板２３上の電極パッド（図示せず）に加熱・加圧等の工程を経て接合され、金バンプ接合部２６を得る。制御回路系半導体素子２２はパワー回路系半導体素子２１を制御する機能をもつ制御素子であり、素子からの発熱量と電極パッドに流れる電流値は、前記のパワー回路系半導体素子２１のそれと比べ小さい。ここでは、パワー回路系半導体素子２１からの発熱量と電極パッドに流れる電流値と、制御回路系半導体素子２２からの発熱量と電極パッドに流れる電流値の比は、ともに２：１程とする。なお、ここではパワー回路系半導体素子２１と制御回路系半導体素子２２らはエポキシ製の樹脂モールド２４で封止されている。

以上のように、パワー回路系半導体素子２１と制御回路系半導体素子２２はそれぞれ多層プリント配線板２３に混載され、かつ、それぞれの素子の電極パッドは多層プリント配線板２３の電極パッドに接続されている。その多層プリント配線板２３の電極パッドは、多層プリント配線板２３の内層を配線され、素子が搭載される面とは反対側の面（図では下面）に到達し、はんだボールを搭載するベースとなる、通常は円形状の導体ランド２８を成している。これらの導体ランド２８にはんだボールを搭載する工程を示したものが図３であり、本発明の実施例２を示す電子部品の製造工程図である。以下、図２の構造説明と、それに対応する図３の製造工程とをあわせて説明する。

多層プリント配線板２３にパワー回路系半導体素子２１と制御回路系半導体素子２２を搭載する前に、多層プリント配線板２３製造工程により工程（ａ）〜工程（ｅ）までを行う。まず図３の工程（ａ）は、導体ランド２８の形成工程である。これは多層プリント配線板２３の外層にあたる導体ランド２８を形成する工程で、パワー回路系半導体素子２１と制御回路系半導体素子２２の仕様に合わせて、エッチングレジストの印刷とエッチングを行い導体ランド２８を形成する。

工程（ｂ）は、レジスト層（１）２９の形成工程である。これは、多層プリント配線板２３の外層にある導体パターンや導体ランドを保護するための層である。３８はレジスト層（１）形成用マスクで、スクリーン印刷法などを用いて、エポキシ系のレジスト材６１を用いる。レジスト材は熱硬化型や紫外線硬化型などがある。

工程（ｃ）は、メッキ層（１）２７の形成工程である。これは、導体ランド２８の表面処理工程である。３９はメッキ層（１）形成用マスクであり、無電解ニッケル下地メッキと金メッキ等のメッキ材６２からなる表面処理を行う。

工程（ｄ）は、レジスト層（２）３１の形成工程である。これは、はんだブリッジ等によるショートを防ぐためのものである。材質はエポキシ系などのレジスト材６１を用いる。４０はレジスト層（２）形成用マスクである。

工程（ｅ）は、メッキ層（２）３０の形成工程である。必要な部分のメッキ層（１）２７上にメッキ層（２）３０を積層するものである。本発明の特徴となる部分で、このメッキ層（２）３０の厚さを調整することにより、はんだボールの頂点のなす面を平坦化するものである。
４１はメッキ層（２）形成用マスクであり、所定の厚さを有している。
この工程までで、多層プリント配線板２３が完成する。
その後、パワー回路系半導体素子２１と制御回路系半導体素子２２をこの多層プリント配線板２３に混載し、樹脂モールド２４で封止処理する。

工程（ｆ）は、はんだペースト３７の塗付工程である。
４２は、はんだペースト塗付用マスクであり、スクリーン印刷法で一括に塗付するか、あるいはディスペンス法で個々に塗付するかして、メッキ層上にはんだペースト６３を塗付する。

工程（ｇ）は、はんだボールの実装工程である。はんだボール搭載治具等を用い、所定の場所にはんだボール（１）３２〜（５）３６を設置する。この状態で、リフローによる加熱工程によりメッキ層と機械的に固定される。
はんだボール（１）３２とはんだボール（２）３３は、パワー回路系半導体素子２１用のボールであり、例えば外径サイズは０．７５ｍｍとしている。はんだボール（３）３４、はんだボール（４）３５、はんだボール（５）３６は、制御回路系半導体素子２２用のボールであり、例えば外径サイズは０．５ｍｍとしている。いま、あらかじめメッキ層（２）３０の厚さを工程（ｅ）時に調整している。ここでは、はんだボールの外径サイズの差異分０．２５ｍｍ（＝０．７５ｍｍ−０．５ｍｍ）をメッキ層（２）３０の厚さとして、無電解ニッケル下地メッキと金メッキ等の処理により厚さを調整する。これにより、はんだボール（１）３２から（５）３６までの頂点がなす面を平坦化することができる。

また、ボール断面積の比では、２．２５：１である。材質が同じ場合は、同じ環境温度下においては、金属断面積の比が許容できる電流値となるから、この場合、はんだボール３２、３３の方が、はんだボール３４、３５、３６に比べて２倍以上の電流許容値がある。また、はんだボールの断面積に比例して熱抵抗は下がるので、放熱量も断面積に比例する。よって、この場合、はんだボール３２、３３の方が、はんだボール３４、３５、３６に比べて２倍以上の放熱性能があると言える。ここで、先に述べたように、パワー回路系半導体素子２１からの発熱量と電極パッドに流れる電流値と、制御回路系半導体素子２２からの発熱量と電極パッドに流れる電流値の比は、ともに２：１程としているから、はんだボール３２、３３と、はんだボール３４、３５、３６のそれぞれの電流許容値と放熱量特性に合ったはんだボールの外径を成している。

このように、はんだボールの外径の違いにより、はんだボールの電流許容量や放熱量を個別設定することができる。電極バッドの特性ごとに適した外径の異なるはんだボールを搭載可能であるから、実装効率を向上させることができ、電子部品を小型化できる。また、はんだボールを放熱用途としても利用すれば、電子部品の放熱特性の向上も期待できる。
また、メッキ層（２）３０の厚さを調整することにより、はんだボール（１）から（５）までの頂点がなす面、つまり、外径の異なるはんだボールの頂点がなす面を平坦化することができるから、実装プリント配線板５０にマルチチップモジュール２０を高い実装信頼性で実装可能となる。図４は、このような平坦化の効果（本発明の実施例２）を示す電子部品の基板実装図である。

パワー回路系の半導体素子と制御回路系の半導体素子などが複数混在したマルチチップモジュールなどに適用可能で、これらの代表的な形態であるサーボアンプなどの用途にも適用できる。

本発明の実施例１を示す電子装置の側断面図本発明の実施例２を示す電子装置の全体図本発明の実施例２を示す電子部品の製造工程図本発明の実施例２を示す電子部品の基板実装図従来の電子装置の側断面図

符号の説明

１半導体素子
２プリント配線板
３樹脂モールド
４導体ランド
５メッキ層１
６レジスト層１
７メッキ層２
８レジスト層２
９はんだボール１
１０はんだボール２
１１はんだペースト
１２電極パッド１
１３電極パッド２
１４金属ワイヤ
１５電子部品
１６電極パッド３
１７はんだボール（ａ）
１８はんだボール（ｂ）
１９はんだボール（ｃ）
２０マルチチップモジュール
２１パワー回路系半導体素子
２２制御回路系半導体素子
２３多層プリント配線板
２４樹脂モールド
２５金ワイヤ（φ２５０μｍ）
２６金バンプ接合部
２７メッキ層１
２８導体ランド
２９レジスト層１
３０メッキ層２
３１レジスト層２
３２はんだボール１
３３はんだボール２
３４はんだボール３
３５はんだボール４
３６はんだボール５
３７はんだペースト
３８レジスト層１形成用マスク
３９メッキ層１形成用マスク
４０レジスト層２形成用マスク
４１メッキ層２形成用マスク
４２はんだペースト塗付用マスク
５０実装プリント配線板
６１レジスト材
６２メッキ材
６３はんだペースト材

Claims

プリント配線板に搭載した半導体素子の電極を外部に接続するためのはんだボールを前記半導体素子に対して前記プリント配線板の反対面に持つ電子装置において、
接続する半導体素子の電極毎の特性に合わせて、はんだボールの電流許容量や放熱量を個別に設定する通電容量設定手段と、外径の異なるはんだボールの頂点がなす面を平坦化する高さ調整手段とを有したことを特徴とする電子装置。
前記通電容量設定手段は、前記はんだボールの外径の違いによることを特徴とする請求項１記載の電子装置。
前記高さ調整手段は、導電性膜の厚さによることを特徴とする請求項１記載の電子装置。
前記導電性膜は、メッキ層または導電性ペーストの少なくともいずれかであることを特徴とする請求項３記載の電子装置。