JP2017152459A - 基板及び半導体装置の基板実装方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置の放熱板を基板表面の導電パターンに半田付けする半田が、放熱用のスルーホールを通じて基板の表面から裏面側に濡れ広がるのを抑制する。【解決手段】基材３１の表面３１ａの第２スルーホール３５ａの開口の周りにだけ半田４０を配置し、半導体装置１のヒートスプレッダ（放熱板）１３のランド１３ｂを半田４０の上に載置し、リフロー炉等で半田４０を加熱し、ヒートスプレッダ１３のランド１３ｂを導電パターン３３ａにおける第２スルーホール３５ａの開口箇所に半田付けする。溶融した半田４０は、小径の第２スルーホール３５ａの開口には濡れ広がりにくく、むしろ、第２スルーホール３５ａの隣りにある大径の第１スルーホール３５ｂの開口に向けて濡れ広がる。第１スルーホール３５ｂ内に濡れ広がった半田４０は周辺雰囲気により冷却され固化する。【選択図】図１

Description

本発明は、表面に実装した半導体装置からの熱をスルーホールによって放熱する基板に関する。

放熱を必要とする半導体パワーデバイス等の半導体装置を基板に実装して半導体実装基板を構成する際には、半導体装置の半導体チップを熱伝導率の高い放熱板（ヒートスプレッダ）に当接させ、樹脂被覆の表面に露出させた半導体装置のヒートスプレッダを基板の表面の導電パターンに半田付けして、基板を放熱に利用している。

この種の半導体実装基板においては、基板を貫通して基板の両面間を熱的に接続するスルーホールの内周面を被覆する導電部材を、ヒートスプレッダが半田付けされた導電パターンに熱的に接続し、ヒートスプレッダから基板に伝わる熱の放熱効率を高める場合がある。

この場合、スルーホールを通じて半田が半導体装置の表面から基板の裏面側に濡れ広がると、導電パターン上の半田が不足してヒートスプレッダの本来は導電パターンに半田付けされるはずの部分に、実際には半田付けされていない場所が発生し、ボイド率が上昇して放熱効率が低下してしまう。また、基板の裏面側に濡れ広がった半田が周辺に飛散すると、近辺の回路に付着して回路のショートを引き起こす原因となることもある。

したがって、放熱用のスルーホールを有する基板に半導体装置を実装する場合は、スルーホールを通じて基板の表面から裏面側に半田が濡れ広がるのを抑制する必要がある。

そこで、スルーホールを通じて基板の表面から裏面側に半田が濡れ広がるのを抑制する対策として、例えば、基板の半導体装置を実装する表面にスルーホールの開口部分を避けて形成した凹部に半田を付着することが提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２００２−２６４６８号公報

しかしながら、上述した特許文献１の技術では、半田を付着する凹部をスルーホールの開口部分を避けて形成するという制約から、基板の半導体を実装する表面にヒートスプレッダの半田付け領域を広く確保することができない。そのため、十分な量の半田でヒートスプレッダを半田付けすることができなくなる。

そうすると、スルーホールの開口部分を避けて形成した凹部に半田を付着することで、半田が濡れ広がって半田が減るのを防ぐことはできても、結局は、半田を付着する凹部付け領域の不足による根本的な半田不足で、ボイド率が上がった場合と同じく放熱効率が低下してしまう。

本発明は前記事情に鑑みなされたもので、本発明の目的は、半導体装置の放熱板を表面の導電パターンに半田付けする半田が、放熱用のスルーホールを通じて表面から裏面側に濡れ広がるのを抑制することができる基板と、この基板に半導体装置を実装する際に用いて好適な半導体装置の基板実装方法とを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の１つの態様による基板は、
放熱板を有する半導体装置が表面に実装される基板であって、
基材と、
前記基材の表面に形成され、前記放熱板が半田付けされる導電パターンと、
前記導電パターンに開口すると共に、前記基材の表裏両面を熱的に接続する複数のスルーホールで構成されるスルーホールパターンとを備え、
前記導電パターンに開口する複数の第１スルーホールを有して構成され、前記基材の表裏両面を熱的に接続するスルーホールパターンとを備え、
前記スルーホールパターンは、前記第１スルーホールよりも小径の開口が前記第１スルーホールの開口と隣り合って前記導電パターンに配置された第２スルーホールをさらに有している。

また、上記目的を達成するため、本発明の他の１つの態様による半導体装置の基板実装方法は、
放熱板を有する半導体装置を基板に実装する方法であって、
前記基板の基材の表面に形成され、前記基材の表裏両面を熱的に接続する第１スルーホール及び第２スルーホールが開口する導電パターンのうち、前記第１スルーホールの開口が形成された箇所を除いて、前記第１スルーホールよりも小径の前記第２スルーホールの開口が形成された箇所に半田を配置する半田配置工程と、
前記導電パターンの前記第２スルーホールの開口が形成された箇所に、該箇所に配置した半田により前記放熱板を半田付けする半田付け工程と、
前記放熱板の半田付けにより溶融した前記導電パターンの前記箇所の半田を、該箇所に形成された前記第２スルーホールの開口と隣り合わせて開口が配置された前記第１スルーホールの導電部に向けて、前記導電パターン上に濡れ広がらせる半田濡れ工程と、
を含む。

本発明によれば、半導体装置の放熱板を表面の導電パターンに半田付けする半田が、放熱用のスルーホールを通じて基板の表面から裏面側に濡れ広がるのを抑制することができる。

本発明の半導体装置の基板実装方法により半導体装置を実装した本発明の一実施形態に係る基板の要部を示す断面図である。 図１の基板を示す平面図である。 図１の基材の導電層を示す図１のＩＩ−ＩＩ線における断面図である。 図１の基板の別例を示す平面図である。 図１の基板のさらに別例を示す平面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の半導体装置の基板実装方法により半導体装置を実装した本発明の一実施形態に係る基板の要部を示す断面図、図２は図１の基板を示す平面図である。図１に示す本実施形態の基板３には、半導体装置１が実装される。

前記半導体装置１は、半導体チップ１１を熱伝導率が高い放熱板（以下、「ヒートスプレッダ」という。）１３に当接させて、両者をプラスチックパッケージ１５内に封止して構成されている。ヒートスプレッダ１３の半導体チップ１１とは反対側の面は、プラスチックパッケージ１５から半導体装置１の表面に露出されて、放熱面１３ａとして用いられる。

前記基板３は、図１では、図２のＩ−Ｉ線における断面で示しており、基材３１と、半導体装置１を実装する基材３１の表面３１ａ及びその裏面３１ｂにそれぞれ形成された放熱用の導電パターン３３ａ，３３ｃと、基材３１の表面３１ａに形成されて半導体チップ１１がリードフレーム１７により接続されるランド３３ｂとを有している。また、基板３は、図２に示すように、スルーホールパターン３４も有している。なお、リードフレーム１７に代えて、ワイヤにより半導体チップ１１をランド３３ｂに接続してもよい。

スルーホールパターン３４は、大径の第１スルーホール３５ｂと、これに追加して設けた小径の第２スルーホール３５ａとを複数含んで構成されている。各第１スルーホール３５ｂ及び各第２スルーホール３５ａはそれぞれ、図１に示すように、基材３１の表面３１ａ及び裏面３１ｂ間を貫通し、各面３１ａ，３１ｂの導電パターン３３ａ，３３ｃに開口している。このように構成されたスルーホールパターン３４の各第１スルーホール３５ｂ及び各第２スルーホール３５ａは、基材３１の表面３１ａ及び裏面３１ｂの間をそれぞれ熱的に接続している。

前記基材３１は、樹脂製の３つの絶縁層３１ｃと金属製の２つの導電層３１ｄとを交互に積層し、各導電層３１ｄをその上下の絶縁層３１ｃ，３１ｃが挟むように配置した多層基板で構成されている。なお、２つの導電層３１ｄは、例えば、接地用のグランド層と給電用の電源層とすることができる。

図２に示すように、基材３１の表面３１ａの導電パターン３３ａには、第１スルーホール３５ｂの開口と第２スルーホール３５ａの開口とが千鳥格子状に交互にそれぞれ配列されている。したがって、各第２スルーホール３５ａの図中上下左右には、第１スルーホール３５ｂの開口が隣り合って配置されている。

そして、第２スルーホール３５ａとその上下左右の４つの第１スルーホール３５ｂとで、１つのスルーホールグループ３５を構成している。このスルーホールグループ３５は、１つの基材３１に複数グループ存在している。なお、第１スルーホール３５ｂの中には、複数のスルーホールグループ３５の構成要素として兼用されるものもある。

図１に示すように、第１スルーホール３５ｂ及び第２スルーホール３５ａの内周面は、穿孔後のエッチング等により形成した導電部３５ｃで被覆されており、各導電部３５ｃは、表面３１ａ及び裏面３１ｂの導電パターン３３ａ，３３ｃと熱的に接続されている。

また、各導電層３１ｄには、第１スルーホール３５ｂ及び第２スルーホール３５ａを貫通させるための孔がエッチングにより形成されている。このうち、第２スルーホール３５ａを貫通させるための貫通孔３１ｅは、第２スルーホール３５ａよりも大径に形成されている。したがって、第２スルーホール３５ａの導電部３５ｃと各導電層３１ｄの貫通孔３１ｅとの間には、環状の隙間ができる。この環状の隙間には、各導電層３１ｄに絶縁層３１ｃを積層する際に、絶縁層３１ｃの材料である固化前の樹脂材料の一部が流入する。

このため、導電層３１ｄに積層した絶縁層３１ｃの樹脂材料が固化すると、第２スルーホール３５ａの導電部３５ｃと各導電層３１ｄの貫通孔３１ｅとの間に絶縁層３１ｃの一部が介在する。したがって、第２スルーホール３５ａの導電部３５ｃは、熱伝導性の低い樹脂製の各絶縁層３１ｃには接触するが、熱伝導性の高い金属製の各導電層３１ｄには接触しない。よって、第２スルーホール３５ａの導電部３５ｃは、各絶縁層３１ｃはもとより各導電層３１ｄに対しても、熱的に絶縁されている。

一方、各導電層３１ｄの第２スルーホール３５ａを貫通させるための貫通孔３１ｆは、第２スルーホール３５ａと大体同じ径で形成されている。したがって、第２スルーホール３５ｂの導電部３５ｃは、貫通孔３１ｆにおいて基材３１の各導電層３１ｄと直接接触する。このため、第１スルーホール３５ａの導電部３５ｃは、熱伝導性の低い樹脂製の各絶縁層３１ｃに対しては熱的に絶縁されているが、熱伝導性の高い金属製の各導電層３１ｄと熱的に接続されている。

次に、本実施形態の半導体装置１を基板３に実装して半導体実装基板を製造する手順について説明する。

まず、半導体装置１を実装する前の基材３１の表面３１ａに、図２に示すように、大径の第１スルーホール３５ｂの開口の周りを避けて、小径の第２スルーホール３５ａの開口の周りにだけ、例えばクリーム半田を塗布する等して半田４０を配置する（請求項中の半田配置工程に相当）。

そして、図１に示すように、半導体装置１の表面に露出するヒートスプレッダ１３のランド１３ｂを、第２スルーホール３５ａの開口の周りに配置した表面３１ａ上の半田４０の上に載置する。この状態で、不図示のリフロー炉等により表面３１ａ上の半田４０を加熱して、ヒートスプレッダ１３のランド１３ｂを導電パターン３３ａにおける第２スルーホール３５ａの開口箇所に半田付けする（請求項中の半田付け工程に相当）。

ここで、加熱により溶融した半田４０の一部は第２スルーホール３５ａの導電部３５ｃに濡れ広がろうとする。しかし、小径の第２スルーホール３５ａの開口では、半田４０が表面張力で滞留し、第２スルーホール３５ａの内部に浸入しにくい。

また、第２スルーホール３５ａの導電部３５ｃは、基材３１の絶縁層３１ｃ及び導電層３１ｄのいずれとも熱的に絶縁されていて熱マスが小さいので、第２スルーホール３５ａの開口から内部に浸入した半田４０はほどなく冷却される。したがって、第２スルーホール３５ａに浸入した半田４０は流動性が低く、基材３１の裏面３１ｂ側に濡れ広がる前に固化する。

一方、加熱により溶融した半田４０の他の一部は、図２の矢印で示すように、同じスルーホールグループ３５内の、第２スルーホール３５ａの開口と隣り合って配置された第１スルーホール３５ｂの開口に向けて濡れ広がる。そして、大径の第１スルーホール３５ｂの開口では半田４０が表面張力によって滞留せず第１スルーホール３５ｂ内に流れ込み、導電パターン３３ａに連なる第１スルーホール３５ｂの導電部３５ｃに沿って濡れ広がる（請求項中の半田濡れ工程に相当）。

ここで、第１スルーホール３５ｂの導電部３５ｃは、基材３１の金属製の導電層３１ｄと熱的に接続されていて、第２スルーホール３５ａの導電部３５ｃと比べて熱マスが大きい。したがって、第１スルーホール３５ｂの開口から内部に浸入した半田４０は、基材３１の導電層３１ｄが蓄える熱によって第１スルーホール３５ｂの導電部３５ｃの全体に大きく濡れ広がる。

また、第２スルーホール３５ａよりも大径の第１スルーホール３５ｂの導電部３５ｃは、第２スルーホール３５ａの導電部３５ｃよりも表面積が大きい。このため、第１スルーホール３５ｂの導電部３５ｃに濡れ広がった半田４０と基板３の周辺雰囲気との接触面積が増え、第１スルーホール３５ｂの導電部３５ｃに濡れ広がった半田４０はほどなく冷却され、基材３１の裏面３１ｂ側に濡れ広がる前に固化する。

以上に説明した本実施形態の基板実装方法により半導体実装基板を製造すると、半導体装置１の半導体チップ１１で発生してヒートスプレッダ１３から基材３１の導電パターン３３ａに伝達した熱の放熱効率を良くするために、スルーホールパターン３４を基材３１に形成しても、スルーホールパターン３４を構成する第１スルーホール３５ｂや第２スルーホール３５ａを通じて基材３１の裏面３１ｂ側に半田４０が濡れ広がり難いようにすることができる。

なお、各スルーホールグループ３５を構成する第１スルーホール３５ｂや第２スルーホール３５ａの開口の基材３１における配置パターンは、必ずしも図２に示したパターンには限定されない。

例えば、図１の基板３の別例を示す図４の平面図に示すように、複数の第１スルーホール３５ｂの開口を直線状に並べた第１開口列３５ｆと、複数の第２スルーホール３５ａの開口を直線状に並べた第２開口列３５ｅとを、第１スルーホール３５ｂや第２スルーホール３５ａの開口が並んだ方向と交差する方向に交互に配置してもよい。

図４に示す例では、第２スルーホール３５ａとその上下の２つの第１スルーホール３５ｂとで、１つのスルーホールグループ３５を構成している。このスルーホールグループ３５は、１つの基材３１に複数グループ存在している。なお、第１スルーホール３５ｂの中には、複数のスルーホールグループ３５の構成要素として兼用されるものもある。

その場合、半導体装置１を実装してヒートスプレッダ１３のランド１３ｂを導電パターン３３ａに半田付けするのに用いる半田４０は、第１開口列３５ｆの第１スルーホール３５ｂの開口の周りを除き、第２開口列３５ｅの第２スルーホール３５ａの開口の周りにだけ配置する（請求項中の半田配置工程に相当）。

そして、請求項中の半田付け工程に相当する不図示のリフロー炉等による半田４０の加熱でヒートスプレッダ１３のランド１３ｂを導電パターン３３ａにおける第２スルーホール３５ａの開口箇所に半田付けすると、溶融した半田４０は、第２開口列３５ｅに隣り合う第１開口列３５ｆの大径の第１スルーホール３５ｂの開口に向けて濡れ広がる。

また、図１の基板３のさらに別例を示す図５の平面図に示すように、１つの第２スルーホール３５ａの開口の上下左右と左上、左下、右上、右下の計８箇所に、第１スルーホール３５ｂの開口を配置してもよい。

図５に示す例では、第２スルーホール３５ａとその上下左右と左上、左下、右上、右下の８つの第１スルーホール３５ｂとで、１つのスルーホールグループ３５を構成している。このスルーホールグループ３５は、１つの基材３１に複数グループ存在している。なお、第１スルーホール３５ｂの中には、複数のスルーホールグループ３５の構成要素として兼用されるものもある。

その場合、半導体装置１を実装してヒートスプレッダ１３のランドを導電パターン３３ａに半田付けするのに用いる半田４０は、８つの第１スルーホール３５ｂの開口に周りを囲まれた内側の、第２開口列３５ｅの第２スルーホール３５ａの開口の周りにだけ配置する（請求項中の半田配置工程に相当）。

そして、請求項中の半田付け工程に相当する不図示のリフロー炉等による半田４０の加熱でヒートスプレッダ１３のランド１３ｂを導電パターン３３ａにおける第２スルーホール３５ａの開口箇所に半田付けすると、溶融した半田４０は、第２スルーホール３５ａの開口の周囲（八方）のいずれかの方向において隣り合う大径の第１スルーホール３５ｂの開口に向けて濡れ広がる。

第１スルーホール３５ｂの開口に向けて濡れ広がった半田４０は、第１スルーホール３５ｂの開口では表面張力によって滞留せず第１スルーホール３５ｂ内に流れ込み、導電パターン３３ａに連なる第１スルーホール３５ｂの導電部３５ｃに沿って濡れ広がる（請求項中の半田濡れ工程に相当）。

基材３１の表面３１ａの導電パターン３３ａにおける第１スルーホール３５ｂや第２スルーホール３５ａの配置を以上に説明したように変更して、本実施形態の基板実装方法により半導体実装基板を製造しても、第１スルーホール３５ｂや第２スルーホール３５ａを通じて基材３１の裏面３１ｂ側に半田４０が濡れ広がり難いようにすることができる。

なお、本実施形態では、基板３の基材３１が、導電層３１ｄを２つの絶縁層３１ｃで挟んで積層した多層基板である場合について説明したが、積層した層の構成が異なる多層基板を基材とする場合にも、本発明は適用可能である。また、放熱用のスルーホールを形成した多層基板に半導体装置を実装する場合に限らず、例えば、放熱用のスルーホールを貫通して形成した単層基板に半導体装置を実装する場合にも、本発明は適用可能である。

また、以上に説明した実施形態において、請求項中の半田付け工程に相当する工程と、請求項中の半田濡れ工程に相当する工程とは、一方が他方に先行して行われてもよく、両方が並行して行われてもよい。

さらに、図２、図４及び図５では、１つの第２スルーホール３５ａとその近傍の１又は複数の第１スルーホール３５ｂとで１つのスルーホールグループ３５を構成した例を示した。しかし、複数の第２スルーホール３５ａとその近傍の１又は複数の第１スルーホール３５ｂとで１つのスルーホールグループ３５を構成してもよい。

１ 半導体装置
３ 基板
１１ 半導体チップ
１３ 放熱板（ヒートスプレッダ）
１３ａ 放熱面
１３ｂ ランド
１５ プラスチックパッケージ
３１ 基材
３１ａ 表面
３１ｂ 裏面
３１ｃ 絶縁層
３１ｄ 導電層
３１ｅ，３１ｆ 貫通孔
３３ａ 導電パターン（請求項中の導電パターン）
３３ｂ ランド
３３ｃ 導電パターン
３５ａ 第２スルーホール
３５ｂ 第１スルーホール
３５ｃ 導電部
３５ｅ 第２開口列
３５ｆ 第１開口列
４０ 半田

Claims (9)

1. 放熱板（１３）を有する半導体装置（１）が表面（３１ａ）に実装される基板（３）であって、
   基材（３１）と、
   前記基材（３１）の表面（３１ａ）に形成され、前記放熱板（１３）が半田付けされる導電パターン（３３ａ）と、
   前記導電パターン（３３ａ）に開口する複数の第１スルーホール（３５ｂ）を有して構成され、前記基材（３１）の表裏両面（３１ａ，３１ｂ）を熱的に接続するスルーホールパターン（３４）と、
   を備え、
   前記スルーホールパターン（３４）は、前記第１スルーホール（３５ｂ）よりも小径の開口が前記第１スルーホール（３５ｂ）の開口と隣り合って前記導電パターン（３３ａ）に配置された第２スルーホール（３５ａ）をさらに有している、
   基板。
2. 前記スルーホールパターン（３４）は、前記第２スルーホール（３５ａ）と少なくとも１つの前記第１スルーホール（３５ｂ）とで構成されたスルーホールグループ（３５）を複数グループ有している請求項１記載の基板。
3. 前記基材（３１）は、２つの絶縁層（３１ｃ）で１つの導電層（３１ｄ）を挟むように複数の層を積層した多層基板であり、前記絶縁層（３１ｃ）は、前記第１スルーホール（３５ｂ）及び前記第２スルーホール（３５ａ）の各導電部（３５ｃ）に対してそれぞれ熱的に絶縁されており、前記導電層（３１ｄ）は、前記第１スルーホール（３５ｂ）の導電部（３５ｃ）に対して熱的に接続されていると共に前記第２スルーホール（３５ａ）の導電部（３５ｃ）と熱的に絶縁されている請求項１又は２記載の基板。
4. 前記第２スルーホール（３５ａ）の導電部（３５ｃ）と、前記導電層（３１ｄ）における前記第２スルーホール（３５ａ）の貫通部に形成された該第２スルーホール（３５ａ）よりも大径の貫通孔（３１ｅ）との間に、前記導電層（３１ｄ）に積層された前記絶縁層（３１ｃ）の一部が介在している請求項３記載の基板。
5. 前記表面（３１ａ）に、複数の前記第１スルーホール（３５ｂ）の開口と複数の前記第２スルーホール（３５ａ）の開口とが千鳥格子状にそれぞれ配列されている請求項１、２、３又は４記載の基板。
6. 前記表面（３１ａ）に、前記スルーホールパターン（３４）の各スルーホール（３５ａ，３５ｂ）の開口が格子状にそれぞれ配列されていると共に、１つの前記第２スルーホール（３５ａ）の開口の周囲に該第２スルーホール（３５ａ）の開口と隣り合う複数の前記第１スルーホール（３５ｂ）の開口が配置されている請求項１、２、３又は４記載の基板。
7. 前記表面（３１ａ）に、複数の前記第１スルーホール（３５ｂ）の開口を直線状に並べた第１開口列（３５ｆ）と、複数の前記第２スルーホール（３５ａ）の開口を直線状に並べた第２開口列（３５ｅ）とが、交互に配置されている請求項１、２、３又は４記載の基板。
8. 前記導電パターン（３３ａ）における前記放熱板（１３）の半田付け箇所から該半田付け箇所の前記第２スルーホール（３５ａ）と開口が隣り合わせで配置された前記第１スルーホール（３５ｂ）の導電部（３５ｃ）に向けて、半田（４０）が濡れ広がっている請求項１、２、３、４、５、６又は７記載の基板。
9. 放熱板（１３）を有する半導体装置（１）を基板（３）に実装する方法であって、
   前記基板（３）の基材（３１）の表面（３１ａ）に形成され、前記基材（３１）の表裏両面（３１ａ，３１ｂ）を熱的に接続する第１スルーホール（３５ｂ）及び第２スルーホール（３５ａ）が開口する導電パターン（３３ａ）のうち、前記第１スルーホール（３５ｂ）の開口が形成された箇所を除いて、前記第１スルーホール（３５ｂ）よりも小径の前記第２スルーホール（３５ａ）の開口が形成された箇所に半田（４０）を配置する半田配置工程と、
   前記導電パターン（３３ａ）の前記第２スルーホール（３５ａ）の開口が形成された箇所に、該箇所に配置した半田（４０）により前記放熱板（１３）を半田付けする半田付け工程と、
   前記放熱板（１３）の半田付けにより溶融した前記導電パターン（３３ａ）の前記箇所の半田（４０）を、該箇所に形成された前記第２スルーホール（３５ａ）の開口と隣り合わせて開口が配置された前記第１スルーホール（３５ｂ）の導電部（３５ｃ）に向けて、前記導電パターン（３３ａ）上に濡れ広がらせる半田濡れ工程と、
   を含む半導体装置の基板実装方法。

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