JP2017015522A

JP2017015522A - 電子部品モジュール

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Publication number: JP2017015522A
Application number: JP2015131540A
Authority: JP
Inventors: 正紀篠田; Masanori Shinoda
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2015-06-30
Filing date: 2015-06-30
Publication date: 2017-01-19
Anticipated expiration: 2035-06-30
Also published as: JP6520481B2

Abstract

【課題】製造コストの上昇を招くことなく、温度変化に関わらず安定して動作可能な電子部品モジュールを提供すること。【解決手段】チップと、前記チップを収容するパッケージと、前記チップ及び前記パッケージの一方と一体形成され、他方に接合される複数の柱体と、を有する電子部品モジュール。【選択図】図２

Description

本発明は、電子部品モジュールに関する。

例えばＩＣやセンサ等の各種チップが実装された電子部品モジュールは、使用環境の温度変動に耐えて不具合なく動作できるように、チップが実装面に安定して支持される必要がある。

ここで、図１０は、チップ５０の下面が基板６０の表面に接合されている電子部品モジュール４０を例示する図である。チップ５０と基板６０とが面接合されている構成では、各材料の熱膨張係数の違いに起因する変形量の差異によって、図１０に示されるように、温度変動時にチップ５０に歪みが生じる場合がある。チップ５０がパッケージに接合されている構成であっても同様であり、チップ５０とパッケージとの熱膨張係数の違いによって、温度変動時にチップ５０に歪みが生じる場合がある。

チップ５０に歪みが生じると、誤作動や機能低下等の不具合が生じる可能性がある。また、チップ５０が例えば加速度センサ等のセンサである場合には、計測精度が低下してしまう可能性がある。

そこで、基板のスルーホールに一端が挿入され、他端が基板表面から突出する柱状の導体で形成されたポストで半導体チップを支持する配線基板が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に係る配線基板によれば、温度変動時における半導体チップと基板との変形量の差異をポストが吸収することで、半導体チップに係る熱応力が緩和される。

特開２００９−６４９０８号公報

しかしながら、特許文献１に係る方法で複数のポストを基板に設けるには、ポストを基板のスルーホールに圧入、高さ調整、固定といった工程が必要になり、工数が増大して製造コストの上昇を招く可能性がある。また、複数のポストの高さを一定にするのが困難であり、ポストに支持される半導体チップががたついて動作不良を起こす可能性がある。

本発明は上記に鑑みてなされたものであって、製造コストの上昇を招くことなく、温度変化に関わらず安定して動作可能な電子部品モジュールを提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、チップと、前記チップを収容するパッケージと、前記チップ及び前記パッケージの一方と一体形成され、他方に接合される複数の柱体と、を有する。

本発明の実施形態によれば、製造コストの上昇を招くことなく、温度変化に関わらず安定して動作可能な電子部品モジュールが提供される。

実施形態における電子部品モジュールを例示する斜視図である。実施形態における電子部品モジュールを例示する断面図である。実施形態におけるチップを例示する図である。実施形態における柱体の構成を例示する図である。実施形態における電極の構成を例示する図である。実施形態における柱体が変形する様子を例示する図である。柱体にかかる荷重と変位を説明するための図である。ガラスにかかる荷重と伸びを説明するための図である。実施形態における電子部品モジュールの他の構成を例示する図である。従来技術における電子部品モジュールを例示する図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

＜電子部品モジュールの構成＞
図１は、実施形態における電子部品モジュール１０を例示する斜視図である。また、図２は、実施形態における電子部品モジュール１０を例示する断面図である。なお、図１には、パッケージ２００の上蓋が外された電子部品モジュール１０が示されている。

以下に示される図面において、Ｘ方向及びＹ方向は、それぞれ基板３００の表面に平行であって、互いに直交する方向である。Ｘ方向はチップ１００の幅方向であり、Ｙ方向はチップ１００の奥行方向である。また、Ｚ方向は、基板３００の表面に垂直な高さ方向である。

図１及び図２に示されるように、電子部品モジュール１０は、チップ１００、パッケージ２００、基板３００を有する。

チップ１００は、図２に示されるように、複数の電極１０２を有し、パッケージ２００の内面に接合されている。各電極１０２は、直接又は導線１０１によってパッケージ２００の端子２０１に接続され、端子２０１を介して基板３００の配線パターン３０１に接続されている。本実施形態におけるチップ１００は加速度センサであるが、例えば加速度センサ以外の各種センサ、ＩＣ等であってもよい。

パッケージ２００は、例えばアルミナ等のセラミックスで形成され、内部にチップ１００を収容して上蓋が閉じられた状態で封止されている。パッケージ２００は、チップ１００の電極１０２と基板３００に形成されている配線パターン３０１とを接続する端子２０１を有する。なお、パッケージ２００の形状及び材質は、本実施形態において例示される構成に限られるものではない。

基板３００は、表面に配線パターン３０１が形成され、チップ１００を収容するパッケージ２００が実装されている。パッケージ２００は、端子２０１が配線パターン３０１に半田付けされることで、基板３００の表面に実装されている。また、基板３００には、チップ１００からの出力を増幅するアンプや、検出回路等の他の電子部品が実装されてもよい。

＜チップの構成＞
図３は、実施形態におけるチップ１００を例示する図である。図３（Ａ）は、チップ１００の上面図である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＡ−Ａ断面図である。なお、図３（Ａ）では、チップ１００の上ガラス１１０の図示が省略されている。

図３に示されるように、チップ１００は、上ガラス１１０、フレーム１２０、下ガラス１３０、複数の柱体１４０、錘１５０、ばね１６０を有する。

上ガラス１１０及び下ガラス１３０は、例えば硼珪酸ガラスで矩形の板状に形成された部材であり、フレーム１２０を間に挟んで保持する。上ガラス１１０は、電極１０２が形成される複数の貫通孔１１１を有する。下ガラス１３０は、電極１０２が形成される複数の貫通孔１３１を有する。また、下ガラス１３０には、下ガラス１３０と同じ材料で形成された複数の柱体１４０が一体に設けられている。

柱体１４０は、チップ１００がパッケージ２００に収容された状態で、下ガラス１３０の下面からＺ方向に平行に突出するように下ガラス１３０に一体形成されている。柱体１４０は、例えば半田、接着剤等によって、下ガラス１３０とは反対側の端面がパッケージ２００に接合される。

例えば環境温度が上昇してチップ１００の下ガラス１３０及びパッケージ２００がそれぞれ熱膨張等すると、各柱体１４０が、下ガラス１３０とパッケージ２００との変形量の違いを吸収するように変形する。このように柱体１４０が変形することで、温度変動時におけるパッケージ２００の変形に応じたチップ１００の歪みが低減され、チップ１００の動作が安定に保たれる。

図４は、実施形態におけるチップ１００の底面図であり、柱体１４０の構成を例示する図である。

本実施形態におけるチップ１００の下ガラス１３０の下面には、図４（Ａ）に示されるように、円柱状の柱体１４０が配列されている。なお、柱体１４０の形状は、円柱に限られるものではなく、角柱等の異なる形状であってもよい。また、チップ１００に設けられる柱体１４０は、チップ１００を支持可能であれば、その数、径（太さ）、高さ（長さ）及び配置等の構成は限定されない。

ここで、例えば温度変動によってチップ１００の下ガラス１３０及びパッケージ２００がそれぞれ熱膨張して変形すると、柱体１４０の変形量は、チップ１００の中央部よりも外側の方が大きくなる。

そこで、図４（Ｂ）に示されるように、チップ１００の中央側ほど、チップ１００を安定して支持できるように柱体１４０を大径化し、チップ１００の外側ほど、大きな変形に耐え得るように柱体１４０を小径化してもよい。また、チップ１００の外側ほど、同様に大きな変形に耐え得るように柱体１４０を長くしてもよい。

このような構成により、温度変動時におけるチップ１００の下ガラス１３０とパッケージ２００との変形量の差異が大きい場合であっても、柱体１４０が変形量の差異を吸収し、チップ１００の歪みを抑制できる。また、柱体１４０によって、チップ１００がより安定的且つ強固に支持されるようになる。

なお、柱体１４０を形成する方法は特に限定されないが、製造コストの上昇を招くことがなく、寸法精度良く容易に加工可能なエッチングで柱体１４０を形成することが好ましい。

フレーム１２０は、図３に示されるように、上ガラス１１０と下ガラス１３０との間に設けられている。フレーム１２０は、図３（Ａ）に示されるように、上面視で中央部分に形成されている開口１２１、開口１２１の各辺から中心部に向かって突出する突出部１２２を有する。フレーム１２０は、一端が錘１５０に接続されたばね１６０の他端が内周面に固定され、ばね１６０を介して錘１５０を変位可能に支持する。

錘１５０は、フレーム１２０の突出部１２２との間及び上ガラス１１０の下面との間に静止状態で所定の大きさのギャップＧｐを形成するように、４つのばね１６０によってＸＹＺ各方向に変位可能に支持されている。錘１５０が変位すると、ギャップＧｐの間隔が変化し、間隔の変化に伴ってギャップＧｐにおける静電容量が変化する。このようにして生じる錘１５０の変位に応じたギャップＧｐの静電容量の変化を計測することで、加速度を検出できる。

チップ１００の電極１０２は、パッケージ２００の端子２０１を介して基板３００の配線パターン３０１に接続されている。下ガラス１３０の電極１０２は、図３（Ｂ）に示されるように、貫通孔１３１から柱体１４０の外周面に形成され、柱体１４０の下ガラス１３０とは反対側の端部でパッケージ２００の端子２０１に接合される。

また、電極１０２は、図５に示されるように、下ガラス１３０の貫通孔１３１から、貫通孔１３１に連通するように柱体１４０に形成された連通孔１４１を通るように形成されてもよい。このように、柱体１４０の周囲又は内部に形成された電極１０２によって、チップ１００と基板３００の配線パターン３０１とが、パッケージ２００の端子２０１を介して電気的に接続される。

図６は、実施形態における柱体１４０が変形する様子を例示する図である。

チップ１００は、図６（Ａ）に示されるように、常温において各柱体１４０がＺ方向に平行になるように、下ガラス１３０とパッケージ２００とが接合されている。

図６（Ａ）に示される状態から温度が上昇すると、図６（Ｂ）に示されるように、下ガラス１３０及びパッケージ２００がそれぞれ熱膨張する。下ガラス１３０及びパッケージ２００は、熱膨張係数の差に応じて変形量が異なるが、複数の柱体１４０が屈曲するように変形することで、下ガラス１３０とパッケージ２００との変形量の差異を吸収する。

このように、柱体１４０が変形して下ガラス１３０とパッケージ２００との変形量の差異を吸収するため、温度上昇時におけるパッケージ２００の変形による下ガラス１３０の歪みが低減される。したがって、チップ１００は、使用環境の温度が変化しても動作不良を起こすことなく安定して動作することが可能になる。

［実施例］
図７に示されるように、柱体１４０の下ガラス１３０とは反対側端部に、柱体１４０の軸方向に直交する方向に荷重Ｆ_ｐを加えた場合、柱体１４０の荷重負荷方向の変位量Ｖは、下式（１）で求めることができる。

Ｖ：変形量
Ｆ_ｐ：荷重
Ｌ_ｐ：柱体の長さ
Ｅ_ｇ：縦弾性係数
Ｉ_ｚ：断面二次モーメント
断面二次モーメントＩ_ｚは、下式（２）で表される。

ｄ：柱体の直径
式（１）及び式（２）から、柱体１４０の変形量がＶとなるときの荷重Ｆ_ｐは、下式（３）で表される。

変形量Ｖは、チップ１００の下ガラス１３０とパッケージ２００との熱膨張係数の差によって生じるものであり、チップ１００の中心部からの距離と熱膨張係数の差を用いて、下式（４）で表される。

Ｖ_ｎ：中央からｎ番目の柱体における下ガラスとパッケージとの相対変位
ｐ：柱体の間隔
α_ｇ：下ガラス（硼珪酸ガラス）の熱膨張係数
α_ｃ：パッケージ（アルミナ）の熱膨張係数
ΔＴ：温度変化
δ_ｇ：柱体の下ガラス側端部の変位
式（３）及び式（４）から、中央からｎ番目の柱体１４０に加えられる荷重Ｆ_ｎは、下式（５）で表される。

中央からＮ番目までの柱体１４０にかかる荷重の合計Ｆ_Ｃは、下式（６）で表される。

さらに、荷重が加えられる方向に柱体１４０が（２Ｎ＋１）本並んでいるとすると、中央から半分の領域の柱体１４０にかかる荷重の合計Ｆ_ｇは、下式（７）で表される。

式（７）で表される力Ｆ_ｇが、下ガラス１３０を引き伸ばす方向に作用する。図８に示されるように、例えば直方体のガラスに荷重Ｆ_ｇが加えられたときのガラスの荷重負荷方向の伸びδ_ｇは、下式（８）で表される。

δ_ｇ：ガラスの伸び
Ｅ_ｇ：ガラスの縦弾性係数
Ｌ_ｇ：ガラスの中心から端部までの長さ
Ａ_ｇ：ガラスの断面積
式（７）及び式（８）から、下式（９）が得られる。

ここで、実施例における各数値を以下に示す。

Ｅ_ｇ＝６３ｋＮ／ｍｍ^２：下ガラス（硼珪酸ガラス）の縦弾性係数
ｄ＝０．０２ｍｍ：柱体の直径
Ｌ_ｐ＝０．０７ｍｍ：柱体の長さ
ｐ＝０．１２５：柱体の間隔
Ｎ＝３４：荷重負荷方向において中央から端部までの柱体の数
α_ｇ＝３．２５×１０^−６／℃ ：下ガラス（硼珪酸ガラス）の熱膨張係数
α_ｃ＝７．１０×１０^−６／℃ ：パッケージ（アルミナ）の熱膨張係数
ΔＴ＝５０℃ ：温度変化
ｔ_ｇ＝０．４ｍｍ：下ガラスの厚さ
ｗ_ｇ＝９ｍｍ：下ガラスの幅
Ｌ_ｇ＝４．５ｍｍ：下ガラスの中央から端部までの長さ
Ａ_ｇ＝３．６ｍｍ^２：下ガラスの断面積
式（９）に上記した各数値を代入すると、実施例における下ガラス１３０の変形量である伸びδ_ｇは７０．６ｎｍとなる。

［比較例］
次に、チップ１００の下ガラス１３０がパッケージ２００に直接接合された比較例に係る電子部品モジュールにおいて、温度変動時の下ガラス１３０の変形量を求める。

温度上昇時にパッケージ２００が熱膨張することによる下ガラス１３０の伸びδ_０は、パッケージ２００の剛性を無限大∞とすると、以下の式（１０）で表される。

式（１０）に以下の各数値を代入すると、下ガラス１３０の伸びδ_０は８６６．３ｎｍとなる。

Ｌ_ｇ＝４．５ｍｍ：下ガラスの中央から端部までの長さ
α_ｇ＝３．２５×１０^−６／℃ ：下ガラス（硼珪酸ガラス）の熱膨張係数
α_ｃ＝７．１０×１０^−６／℃ ：パッケージ（アルミナ）の熱膨張係数
ΔＴ＝５０℃ ：温度変化
ここで、下ガラス１３０を単位長さ縮めるのに必要な力ｆ_ｇは、以下の通りである。

ｆ_ｇ＝Ｅ_ｇＡ_ｇ＝２２６．８ｋＮ
Ｅ_ｇ＝６３ｋＮ／ｍｍ^２：下ガラス（硼珪酸ガラス）の縦弾性係数
Ａ_ｇ＝３．６ｍｍ^２：下ガラスの断面積
また、パッケージ２００を単位長さ縮めるのに必要な力ｆｃは、以下の通りである。

ｆ_ｃ＝Ｅ_ｃＡ_ｃ＝３０６０ｋＮ
Ｅ_ｃ＝３６０ｋＮ／ｍｍ^２：パッケージ（アルミナ）の縦弾性係数
Ａ_ｃ＝８．５ｍｍ^２：パッケージの断面積
上記したｆ_ｇとｆ_ｃとの比に応じてパッケージ２００も変形するので、実際に下ガラス１３０の伸びδ_０ｇは、以下の式（１１）で表される。

式（１１）に上記したように求められた各数値を代入すると、比較例における下ガラス１３０の実際の伸びδ_０ｇは８０６．５ｎｍとなる。

上記した実施例における下ガラス１３０の伸びδ_ｇが７０．６ｎｍであるのに対して、下ガラス１３０がパッケージ２００に直接接合された比較例では、実施例と同じ温度変化でも、下ガラス１３０の伸びδ_０ｇが８０６．５ｎｍに増大する。

このように、下ガラス１３０とパッケージ２００とが複数の柱体１４０を介して接合された実施例では、温度変化時の下ガラス１３０の伸びを、下ガラス１３０がパッケージ２００に直接接合された比較例に比べて、８．８％まで低減できる。

したがって、実施例に係る電子部品モジュール１０によれば、温度変化時の下ガラス１３０の変形量が低減され、チップ１００が温度変化に関わらず動作不良等を起こすことなく安定して動作することが可能になる。また、エッチングにより柱体１４０を下ガラス１３０と同一材料で一体形成することで、製造コストの上昇を招くことなく柱体１４０を高精度に形成できる。

なお、上記した実施形態では、チップ１００がパッケージ２００に収容される構成を例示したが、図９に示されるように、チップ１００が基板３００に直接実装され、チップ１００がパッケージ２００に覆われる構成であってもよい。

このような構成であっても、温度変化時におけるチップ１００の下ガラス１３０と基板３００との変形量の差異を複数の柱体１４０が吸収し、下ガラス１３０の歪みが低減される。したがって、チップ１００は、温度変化時にも安定して動作し続けることが可能になる。

また、柱体１４０がチップ１００の下ガラス１３０と一体形成されている構成を例示したが、柱体１４０は、パッケージ２００と一体形成されてチップ１００の下ガラス１３０と接合される構成であってもよい。この場合、柱体１４０は、パッケージ２００と同じ材料で形成される。さらに、チップ１００が基板３００に直接実装される場合には、柱体１４０は、基板３００と一体形成されてチップ１００の下ガラス１３０と接合される構成であってもよい。この場合、柱体１４０は、基板３００と同じ材料で形成される。

このような構成であっても、上記した実施形態と同様に、柱体１４０によって温度変化時におけるチップ１００の下ガラス１３０の歪みが低減され、チップ１００が温度変化に関わらず安定して動作できるようになる。

以上、実施形態に係る電子部品モジュールについて説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。なお、上記した実施形態における各部の寸法は、例示した値に限定されるものではない。

１０電子部品モジュール
１００チップ
１０２電極
１４０柱体
２００パッケージ
３００基板

Claims

チップと、
前記チップを収容するパッケージと、
前記チップ及び前記パッケージの一方と一体形成され、他方に接合される複数の柱体と、を有する
ことを特徴とする電子部品モジュール。
チップと、
前記チップが実装される基板と、
前記チップ及び前記基板の一方と一体形成され、他方に接合される複数の柱体と、を有する
ことを特徴とする電子部品モジュール。
前記複数の柱体は、エッチングにより形成されている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電子部品モジュール。
前記複数の柱体は、前記チップの中央側の柱体よりも外側の柱体の方が細い
ことを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の電子部品モジュール。
前記複数の柱体は、少なくとも一つ以上の周囲又は内部に電極が形成されている
ことを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の電子部品モジュール。
前記チップは、加速度センサである
ことを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の電子部品モジュール。