JP2022003676A - 電子制御装置および電子制御装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】はんだバンプ中のボイド発生を抑制し、熱疲労寿命を向上させた、信頼性の高い電子制御装置を提供する。【解決手段】電子制御装置は、第１電極を一面に有する電子部品と、前記第１電極と対向する位置に、第２電極を一面に有する基板とを、備え、前記電子部品と前記基板とは、はんだバンプを介してはんだ接続されており、前記はんだバンプ内にボイドが形成された場合、前記ボイドが前記はんだバンプ内の中心部に形成されずに周辺部に形成されることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、電子制御装置および電子制御装置の製造方法に関する。

近年、電子機器の小型化、高密度化および高機能化を目的に、半導体装置には小型化、高密度化が要求され、ＢＧＡやＣＳＰのようなエリアアレイ型のパッケージ型半導体装置が多く利用されており、その構造の改良が日々成されている。

本願発明の背景技術として、下記の特許文献が知られている。

特許文献１では、ＢＧＡパッケージと配線基板との接続において、最外周電極３ｂ、３ｃのうち、最もアレイ状配列の外側に位置する端部が、最外周電極１ｂのうち、最もアレイ状配列の外側に位置する端部よりもアレイ状配列の外側に位置するようにし、最外周電極３ｂ、３ｃの表面とはんだバンプ９の表面とが成す角度を鋭角にする構造が開示されている。

また、特許文献２には、ＢＧＡパッケージと配線基板との接続において、配線基板の４隅の電極の端部をＢＧＡパッケージ外周外側まで拡大し、熱疲労寿命が延びる組成のはんだ材を供給し、４隅のはんだバンプの接続長を長くし、はんだ組成を変更する技術が開示されている。

特開２０００−１１４３１５号公報 特開２０１９−７１３４５号公報

特許文献１では、外部衝撃時において最外周はんだバンプにかかる応力を緩和することについては言及されているが、構成部材の線膨張係数の違いにより反り量がそれぞれ異なり、これが原因で熱疲労寿命に影響を与えることについては考慮されていない。

また、特許文献２では、最外周はんだバンプの基板電極をパッケージ外周の外側まで拡大しており、配線基板の電極からの引き出し線のパターン自由度が低下し、配線基板の層数を増やすなどの対応のためにコストが増加する課題がある。また４隅のはんだ組成の変更に伴うボイド発生の影響について考慮されていない。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、はんだバンプを介してエリアアレイ型パッケージを配線基板に接続する半導体装置を内蔵する電子制御装置において、はんだバンプに発生するボイドを抑制し、熱疲労寿命が向上した信頼性の高い電子制御装置を提供することにある。

電子制御装置は、第１電極を一面に有する電子部品と、前記第１電極と対向する位置に、第２電極を一面に有する基板とを、備え、前記電子部品と前記基板とは、はんだバンプを介してはんだ接続されており、前記はんだバンプ内にボイドが形成された場合、前記ボイドが前記はんだバンプ内の中心部に形成されずに周辺部に形成されることを特徴とする。

本発明によれば、はんだバンプ中のボイド発生を抑制し、熱疲労寿命を向上させた、信頼性の高い電子制御装置を提供できる。

本発明の第１の実施形態に係る電子制御装置の断面図である。 図１の平面図である。 第１の実施形態に係る電子制御装置の製造工程を表す図である。 第１の実施形態の変形例である。 第２の実施形態に係る電子制御装置の平面図である。 図５の平面図である。 第３の実施形態に係る電子制御装置の平面図である。 図７の変形例である。 図７の変形例である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、本実施形態は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。また、本発明は、他の種々の形態でも実施することが可能であり、特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。同様に、図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。

（第１の実施形態および電子制御装置の構成）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置である電子制御装置の断面図である。

電子制御装置は、配線基板１（以下基板１）、半導体パッケージ２（以下パッケージ２）、半導体素子側電極３（以下電極３）、基板側電極４（以下電極４）、はんだボール５、はんだペースト６、を備えている。なお図１は、配線基板１とパッケージ２のはんだ接続をする前の状態である。

電子制御装置は、パッケージ２が半導体素子及びエリアアレイ型の接続構造を有するパッケージ型半導体装置である。このパッケージ２は、例えばＢＧＡ（Ball Grid Array）およびＣＳＰ（Chip Size Package）の構造ではんだ接続によって基板１と導通され、対応する電極同士が接合される。

パッケージ２はエリアアレイ型パッケージであり、図１の紙面下側の面に複数の電極３を一面に有し、さらにその電極３の下面にはんだボール５を備える電子部品である。電極３およびはんだボール５は、パッケージ２の一面に一定のサイズや面積を持って、それぞれが一定のピッチ間隔で形成されている。

また、パッケージ２は、半導体素子であるＳｉチップが、例えばワイヤによってインターポーザに接続されており、インターポーザの裏面に電極３およびはんだボール５が形成され、インターポーザ上を樹脂でモールドした構造である。

基板１は、パッケージ２に備えられている電極３及びはんだボール５と対向する位置に電極４を備えている。電極４は図１の紙面上側の面にはんだ材であるはんだペースト６を備えている。基板１は、電極３やはんだボール５に対応するように、電極３と対向する位置に電極４を一面に有している。電極４は、電極３と同様に一定のサイズや面積を持って、一定のピッチ間隔で形成されている。

はんだペースト６は、対向する面に備えられているはんだボール５の迎えはんだとして機能するはんだ材であり、これにより、基板１とパッケージ２がはんだ接続してはんだ接合部を形成した際に、隣接するはんだ同士が誤って接続される可能性を下げ、正常にはんだ接続されるようにしている。さらに、はんだペースト６は、電極４の上面すべてに塗布するわけではなく、電極４の中心部を避けて配設される。

従来のはんだ接続構造だと、装置に備えられている各部材の線膨張係数の違いにより、温度負荷時にパッケージ２が変形し、パッケージ２に備えられている最外周側のはんだに応力がかかる。特に、パッケージ２の最外周側の角部のはんだへの負荷は大きく、接合部のはんだと電極との界面ではんだ内に亀裂が発生する。

また、従来の車載用途の電子制御装置では、はんだ接続部の高耐熱化の要求により、ＳｂやＢｉなどを添加したはんだペーストを用いて電子部品と配線基板を接続するが、ＢＧＡパッケージの場合、Ｓｂを含むはんだペーストで迎えはんだを形成すると、ボイドが発生しやすくなる。これは、一般的なＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ組成のはんだペーストで迎えはんだを形成した場合と比較して、はんだバンプ７における溶融時の表面張力が弱くなっていることが要因である。また、表面積を小さくしようとする力が弱いことではんだペースト６に含まれる活性剤等のガス成分が排出されないため、ボイドが発生しやすくなっている。

このように、ＢＧＡパッケージ２の最外周角部のはんだバンプ７中に大きなボイドが発生した場合、ボイドと亀裂進展により接合部のはんだの導通機能が弱まることで、はんだの破断までの寿命が短くなり、電子制御装置の熱疲労寿命が低下する。それにより、電子制御装置の信頼性が損なわれる課題がある。

そのため、本発明では図１のように、はんだペースト６を電極４の一面にすべて塗布する形ではなく、中心部を避けて塗布する形にしている。このようにすることで、ボイドの発生を抑えることが可能になる。効果の詳細は後述する。

図２は、図１の平面図である。なお、図２は基板１とパッケージ２を重ねて透過させている図であり、電極３は基板１の電極に重なっている。

パッケージ２が実装される基板１には、電極３に対応するよう電極４が形成されている。図２の電極４は、パッケージ２の下面に設けられた電極３に対応するように、電極３同様に円形形状で配置される。なお、電極４のサイズは、電極３と同一でも良いし、生産上の観点から同一でなくても良く、適宜設計されれば良い。

配線基板１上の電極４に形成されるはんだペースト６は、電極４の周辺部に配設される。これにより、電極４の中心部が露出するようになり、はんだ接続時にはんだボール５が直接電極４の中心部のエリアに接続される。

なお、本実施形態で、はんだペースト６の配置は電極４の中心部が露出するように周辺部に配置され、かつはんだペースト６が四角形で４分割されて形成されているが、実施においてはこの形状に限定されない。例えば、はんだボール５が基板１に接するエリアにはんだペースト６が形成されていなければよく、はんだペースト６の分割数は２でも３でもよい。また、はんだペースト６の形状を円とすることも楕円とすることも可能である。

図３は、第１の実施形態に係る電子制御装置の製造工程を表す図である。

以下、製造方法を手順に沿って示す。図３（ａ）では、基板１の面に、電極４が同じサイズおよび面積を持って等間隔のピッチで備えられ、図３（ｂ）では、この基板１上の電極４に、迎えはんだとしてはんだペースト６が形成される。はんだペースト６は、はんだボール５がはんだペースト６に接触せずに電極４に接するエリアつまり電極４中心部が露出されるように、電極４の周辺部に形成される。

なお、このはんだペースト６は、印刷で形成してもディスペンサーで塗布形成しても良く、その形成手法はこれらに限定されるものではない。また、はんだペースト６の組成は、基板１に搭載されるパッケージ２以外の電子部品の接合性、生産性、信頼性の観点から、熱疲労寿命に有利なＳｂを含む組成であることが望ましい。しかし、それに限定されず、はんだペースト６のパッケージ２にあらかじめ形成されているはんだボール５と同一の組成でも良いし、異なる組成でもよい。

図３（ｃ）で、このはんだペースト６の形成箇所に、電極３とはんだボール５を備えたパッケージ２が搭載機によって搭載され、パッケージ２と配線基板１とをリフロー炉等を用いて加熱する。

図３（ｄ）で、はんだボール５とはんだペースト６を加熱によって溶融させることではんだ接合部であるはんだバンプ７が形成され、冷却することによりはんだバンプ７が固まり、パッケージ２と基板１がはんだバンプ７を介して導通される構成となる。

はんだバンプ７は、パッケージ２と基板１をはんだ接続する接続部である。上記のように、パッケージ２の各電極３に配設されたはんだボール５と、基板１の各電極４の周辺部に配設されたはんだペースト６とがそれぞれ過熱されて溶融することで、これらが融合してはんだバンプ７が形成される。はんだバンプ７のサイズおよびピッチを小さくすることで、電極３，４を一定面積内に多数配置することが可能である。これにより、半導体装置全体の小型化、高密度化に有利である。また、はんだバンプ７は、リードを介して接続する構造に比べると配線長が短いため、高速伝送に有利であり、半導体装置の高性能化を達成できる。

ここで図１〜図３で説明した本発明について、加熱溶融検証を行った結果を以下に示す。なお検証で用いたはんだペースト６の組成は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｓｂのペーストである。また、電極４のサイズがφ０．８ｍｍで、その電極３および４が２．５ｍｍピッチに配置された基板１を用いる。パッケージ２のはんだボール５の組成は一般的なＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕでそのサイズはφ１．０ｍｍとした要素サンプルを用いる。

加熱溶融検証は、はんだペースト６を電極４と同サイズで電極４上に間隙なく一様に形成して加熱溶融したパターンＡと、本発明のようにはんだペースト６を電極４の中心部が露出するようにして形成（検証でははんだペースト６を電極４上の両端に２分割した）して加熱溶融したパターンＢと、を比較するためＸ線透過検査を実施した。

検証結果によると、平面で見た場合、パターンＡでは横方向０．２５−０．５ｍｍサイズのボイドが発生したが、パターンＢではボイドの発生がなかった。

以上の検証結果でわかるように、本発明によってはんだバンプ７中に発生するボイドの発生を抑えることが可能になり、電子制御装置の熱疲労寿命が低下することを防止することができる。

またボイドが発生した場合も、従来だと電極４の中心部に形成されていたボイドが、本発明では電極４の周辺部つまりはんだペースト６を塗布した部分に形成されやすくなる。そのため、従来のボイドの形成と比較してみると、中心に形成されたボイドに対して亀裂が走る場合に比べて、本発明の実施形態によってできた電極４の周辺部のボイドは、はんだバンプ７全体に亀裂が進展する可能性が低くなり、パッケージ２と基板１の導通が妨げられるという可能性が下がる。つまり、はんだバンプ７内にボイドが形成された場合、ボイドがはんだバンプ７内の中心部に形成されずに周辺部に形成されるようになっているため、電子制御装置の熱疲労寿命の低下を防止することができる。

なお、本実施形態において、パッケージ２に形成された電極３のサイズが大きい場合、電極４のサイズもそれに対応して大きくさせることが容易である。例えば、図４に示すように、基板１側の電極４のサイズをすべて拡大して、角部を有する四角形の電極４Ａとしている。電極４Ａに形成されるはんだペースト６Ａは、はんだボール５が搭載されるエリアの電極４Ａの中心部が露出するように、４分割した四角形を電極４Ａの四隅に形成されている。はんだペースト６Ａの形成においては、分割数はこの数に限るものではない。また、ディスペンサーではんだペースト６Ａが形成される場合は、電極４Ａの中心部が露出されるようにはんだペースト６Ａが分割されていないドーナツ状の形状に形成される。

以上説明した本発明の第１の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。

（１）電子制御装置は、第１電極３を一面に有する電子部品２と、第１電極３と対向する位置に、第２電極４を一面に有する基板１とを、備え、電子部品２と基板１とは、はんだバンプ７を介してはんだ接続されており、はんだバンプ７内にボイドが形成された場合、ボイドがはんだバンプ７内の中心部に形成されずに周辺部に形成される。このようにしたので、はんだバンプ中のボイド発生を抑制し、熱疲労寿命を向上させた、信頼性の高い電子制御装置を提供できる。

（２）電子制御装置は、はんだバンプ７の形成のために、第１電極３に第１はんだ材（はんだボール）５を有する電子部品２と、第２電極４に第２はんだ材（はんだペースト）６を有する基板１と、を備え、第２はんだ材６は、第２電極４の周辺部に配設される。このようにしたので、はんだ内に発生するボイドを電極４の周辺に沿って発生させることができるので、はんだの亀裂による導通状態の悪化を防止できる。

（３）電子制御装置は、第２はんだ材６が第２電極４の周辺部に配設された後、はんだバンプ７の形成時に、第１はんだ材５が第２電極４の中心部に接続される。このようにしたので、ボイドの発生を抑えることが可能になる。

また、図３で説明した電子制御装置の製造方法によれば、以下の作用効果を奏する。

（４）一面に第１電極３を有する電子部品２と、一面に第２電極４を有する基板１と、を備える電子制御装置の製造方法であって、第２はんだ材６を第２電極４上に配置し、第２電極４の周辺部に第２はんだ材６が配置される工程と、第１電極３上に形成された第１はんだ材５の一部が、第２電極４の中心部と接続した状態で、第１はんだ材５と第２はんだ材６とを融合させ、第１電極３と第２電極４とをはんだ接続する工程とを含む、電子制御装置の製造方法を実施する。この製造方法を実施したので、はんだバンプ中のボイド発生を抑制し、熱疲労寿命を向上させた、信頼性の高い電子制御装置を提供できる。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態に係る電子制御装置の断面図である。

第１の実施形態では、はんだボール５と接する電極４の中心部を露出させるため、はんだペースト６を分割して電極４の周辺部に形成している。そのため、分割されたはんだペースト６を電極４上に形成するために電極４のエリアを拡大する必要がある。また、はんだバンプ７のうち最も応力がかかるのは最外周角部のはんだバンプ７である。つまり、最外周の角部ははんだに亀裂が発生しやすくなる場所でもある。

この２点を踏まえて、本実施形態のように分割するはんだペースト６を基板１の最外周角部の電極４ａのみに適用することが可能である。図６では、本発明の内容を採用している最外周角部の電極４ａとはんだペースト６ａ、従来の技術を採用している最外周角部以外の電極４ｂとはんだペースト６ｂとに分けている。

図６は、図５の平面図である。

図６に示すように、電極４ａおよび４ｂは同サイズの円形である。基板１の最外周角部に形成されるはんだペースト６ａは４分割した四角形であり、電極４ａの中心部を露出して四隅に形成されている。そうすることで、第１の実施形態と同様の効果を奏しながら、電極４の総配置面積を変えることなく、隣接バンプとのブリッジ発生を抑制でき、また基板設計の変更もない。

（第３の実施形態）
図７は第３の実施形態に係る電子制御装置の平面図である。

基板１上に被覆されている絶縁体であるソルダレジストは、電極４以外の部分に塗布形成されている。そのため図７に示す、電子回路と電極４を接続している引き出し線８は通常被覆されており、はんだペースト６が付着しないようになっている。

本実施形態では、電極４に繋がり電気信号が通る引き出し線８の一部に、ソルダレジストによる被覆をせずに露出させるエリアである、露出引き出し線８ａという部分を形成する。これは、電極４が実装される基板１の面に対して垂直方向から基板１を見た場合、電極３と電極４の間に形成されるはんだバンプ７と露出引き出し線８ａの部分との接続端は、はんだバンプと電極３との接続端よりも、はんだバンプ７の中心から遠い位置にある。

この露出引き出し線８ａは、電極４とともにはんだペースト６を配置するためのエリアとなり、電極３と電極４の間にはんだバンプ７が形成されると、露出引き出し線８ａもはんだバンプ７を介して電極３とはんだ接続されることになる。はんだペースト６は、電極４の中心部を除く電極４のエリアと露出引き出し線８ａのエリアに配置され、これによりはんだペースト６の塗布部分に余裕を持たせることができる。

特に、前述したようにはんだバンプ７のうち最も応力がかかるのは最外周角部のはんだバンプ７であるため、第２の実施形態で説明した最外周角部の電極４ａに対して、はんだペースト６の塗布量を考慮し、本実施形態を採用することが好ましい。

これにより、基板１の電極４からの引き出し線８のパターン自由度が増えるため、従来で対応策として取られていた基板の層数を増やすようなコストもなくなるため、コスト削減につなげることができる。

以上説明した本発明の第２、第３の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。

（５）電子制御装置の基板１は、電子回路と、電子回路と第２電極４とを接続する引き出し線８と、を備え、引き出し線８は、絶縁体で覆われた第１部分と、絶縁体で覆われず第２電極４に接続する第２部分８ａと、を有し、第１電極３と、第２電極４及び引き出し線８の第２部分８ａとは、はんだ５および６で接続され、第２電極４が実装される基板１の面に対して垂直方向から基板１を見た場合、はんだ５および６と引き出し線８の第二部分８ａとの接続端は、はんだ５および６と第一電極３との接続端とは重ならない位置にある。このようにしたので、はんだ接続の最に、隣接する電極３および４間の距離を狭めることなく、はんだペースト６を最外周角部に容易に形成することが可能である。

なお、第１〜第３の実施形態および実施例で用いられるはんだペースト６，６ａ，６ｂ，６Ａ，６Ｂは、電極４，４ａ，４ｂ，４Ａ，４Ｂ上にそれぞれ形成される総体積が同一である必要がある。また、電極４ａ，４Ｂのサイズは、形成されるはんだペースト６ａ，６Ｂの実施形状に応じて、基板１の最外周角部以外の電極４ｂのサイズよりも拡大する必要がある。

また、第２、第３実施形態のように基板１の最外周角部の４隅に、分割されたはんだペースト６ａが、電極４ａ上に塗布形成されている構成が適用されていれば、その形状については限定されない。

例えば、図８に示すように、形状を四角形とした電極４Ｂを採用し、そこに電極４Ｂの中心部を露出して４分割した四角形状に形成されるはんだペースト６ａを電極４Ｂの四隅に塗布配置させる形状を採用することもできる。

また、図９に示すように、電極４Ｂの形状は角部を有する四角形状で、そこに２分割した四角形状のはんだペースト６Ｂを採用し、電極４Ｂの中心部を露出させるようにその両端にはんだペースト６Ｃを塗布する形状を採用してもよい。

以上の説明はあくまでも一例であり、発明を解釈する際、上記実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。また、本発明で用いられているそれぞれの寸法およびその比率、形状は図の構成に限定されるものではなく、また、使用される構成部材は任意である。さらに、発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、削除・他の構成に置換・他の構成の追加をすることが可能であり、その態様も本発明の範囲内に含まれる。

１…配線基板
２…エリアアレイ型パッケージ
３…半導体素子側電極
４、４ａ、４ｂ、４Ａ、４Ｂ…基板側電極
５…はんだボール
６、６ａ、６ｂ、６Ａ、６Ｂ…はんだペースト
７…はんだバンプ
８、８ａ…引き出し線

Claims (5)

1. 第１電極を一面に有する電子部品と、
   前記第１電極と対向する位置に、第２電極を一面に有する基板と、を備え、
   前記電子部品と前記基板とは、はんだバンプを介してはんだ接続されており、
   前記はんだバンプ内にボイドが形成された場合、前記ボイドが前記はんだバンプ内の中心部に形成されずに周辺部に形成される
   ことを特徴とする電子制御装置。
2. 請求項１に記載の電子制御装置において、
   前記はんだバンプは、前記第１電極上に配置された第１はんだ材と、前記第２電極の周辺部に配置された第２はんだ材と、を融合して形成されている
   ことを特徴とする電子制御装置。
3. 請求項２に記載の電子制御装置において、
   前記はんだバンプの形成時に、前記第１はんだ材が前記第２電極の中心部に接続される
   ことを特徴とする電子制御装置。
4. 請求項３に記載の電子制御装置において、
   前記基板は、電子回路と前記第２電極とを接続する引き出し線を備え、
   前記引き出し線は、絶縁体で覆われた第１部分と、前記絶縁体で覆われず前記第２電極に接続する第２部分と、を有し、
   前記第１電極と、前記第２電極及び前記引き出し線の前記第２部分とは、前記はんだバンプを介してはんだ接続され、
   前記第２電極が実装される前記基板の面に対して垂直方向から前記基板を見た場合、前記はんだバンプと前記引き出し線の前記第２部分との接続端は、前記はんだバンプと前記第１電極との接続端よりも、前記はんだバンプの中心から遠い位置にある
   電子制御装置。
5. 一面に第１電極を有する電子部品と、一面に第２電極を有する基板と、を備える電子制御装置の製造方法であって、
   第１はんだ材を前記第１電極上に配置し、第２はんだ材を前記第２電極の周辺部に配置する工程と、
   前記第１電極上に配置された前記第１はんだ材の一部が、前記第２電極の中心部と接続した状態で、前記第１はんだ材と前記第２はんだ材とを融合させ、前記第１電極と前記第２電極とをはんだ接続する工程と、
   を含む、電子制御装置の製造方法。

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