JP2023046755A - 電子制御装置及び電子制御装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体パッケージとプリント基板とを電気的に接続するハンダ接続部の寿命を延ばして電子制御装置の信頼性を向上させる。【解決手段】半導体チップ、パッケージ本体、第１の金属パッド及び第２の金属パッドを有するノンリードタイプの半導体パッケージと、第１のランド、第２のランド及びレジスト膜を有するプリント基板と、を備える電子制御装置であり、第２のランドは、第２の金属パッドのパッド底面よりも広い面積で露出し、ハンダは、第２の金属パッドのパッド側面から第２のランドのはみ出しランド部にかけて裾広がり状に形成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、電子制御装置及び電子制御装置の製造方法に関する。

近年、電子機器の高機能化及び低コスト化に対応するために、電子機器に搭載される半導体パッケージ（半導体装置）をプリント基板に高密度に実装することが要求されている。このような高密度実装の要求に伴い、高機能かつ小型の民生適用パッケージを車載部品に採用する動きが急速に拡大している。

上述した高密度実装の要求に応えるための半導体パッケージとして、半導体チップを保護するパッケージ本体に電気的接続用のリードが付いていないパッケージ、すなわちノンリードタイプの半導体パッケージが知られている（たとえば、特許文献１を参照）。この種の半導体パッケージは、リードの代わりに電極パッドを電気的接続用の電極端子としている。ノンリードタイプの半導体パッケージには、平面視四角形をなすパッケージ本体の２つの側辺に電極端子が存在するＳＯＮ(Small Outline No leaded)パッケージと、パッケージ本体の４つの側辺に電極端子が存在するＱＦＮ(Quad Flat No leaded)パッケージなどがある。

上述したノンリードタイプの半導体パッケージを車載用途に使用する場合は、次のような問題がある。パッケージ本体の側辺に設けられる電極端子は、製造の都合上、メッキが無いことが多く、ハンダ濡れ性が悪い。このため、ハンダ付け状態の視認性が低く、ハンダ接続部のヒートサイクル寿命が短い傾向にある。これらの対策として、メッキ面が少し残るように電極端子に加工を施した半導体パッケージが増加している。

特開２０１６－２７６１４号公報

一方で、ノンリードタイプの半導体パッケージを使用するためのプリント基板側の対応は、まだ途上である。また、車載用途では、半導体パッケージやプリント基板を備える電子制御装置が厳しい環境で使用されることが多く、しかも安全性への要求はきわめて高い。
そこで本発明は、高機能で且つ小型の部品である、ノンリードタイプの半導体パッケージをプリント基板に実装して車載用に使用するために、半導体パッケージとプリント基板とを電気的に接続するハンダ接続部の寿命を延ばして電子制御装置の信頼性を向上させることを目的とする。

上記課題を解決するために、たとえば、特許請求の範囲に記載された構成を採用する。
本願は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一つを挙げるならば、半導体チップと、半導体チップを保護するパッケージ本体と、半導体チップに生じる熱を逃がすためにパッケージ本体の底面に設けられた第１の金属パッドと、半導体チップと電気信号をやり取りするためにパッケージ本体の側辺に設けられた第２の金属パッドと、を有するノンリードタイプの半導体パッケージと、第１の金属パッドに対応する第１のランドと、第２の金属パッドに対応する第２のランドと、第１のランド及び第２のランドを露出するように形成されたレジスト膜と、を有するプリント基板と、を備える電子制御装置である。第２の金属パッドは、パッケージ本体の底面に露出するパッド底面と、パッケージ本体の側面に露出するパッド側面と、を有する。レジスト膜は、第２の金属パッドのパッド底面よりも広い面積で第２のランドを露出するように形成されている。第２のランドは、第２の金属パッドよりもパッケージ本体の外側にはみ出して配置されたはみ出しランド部を有する。第２の金属パッドと第２のランドとは、ハンダによって電気的かつ機械的に接続されている。ハンダは、第２の金属パッドのパッド側面から第２のランドのはみ出しランド部にかけて裾広がり状に形成されている。

本発明によれば、半導体パッケージとプリント基板とを電気的に接続するハンダ接続部の寿命を延ばして電子制御装置の信頼性を向上させることができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明によって明らかにされる。

第１実施形態に係る電子制御装置の概略平面図である。 図１に示す電子制御装置のＩＩ－ＩＩ断面図である。 第２実施形態に係る電子制御装置の概略平面図である。 第３実施形態に係る電子制御装置の概略平面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。本明細書及び図面において、実質的に同一の機能または構成を有する要素については、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る電子制御装置の概略平面図であり、図２は、図１に示す電子制御装置のＩＩ－ＩＩ断面図である。
図１及び図２に示すように、第１実施形態に係る電子制御装置１００は、ノンリードタイプの半導体パッケージ１０１と、プリント基板１０６とを備えている。

（半導体パッケージ）
半導体パッケージ１０１は、半導体チップ１０２と、半導体チップ１０２を保護するパッケージ本体１０３と、半導体チップ１０２に熱的に接続する第１の金属パッド１０４と、電気的接続用の電極端子となる第２の金属パッド１０５と、を有する。本実施形態においては、ノンリードタイプの半導体パッケージの一例として、ＳＯＮパッケージを採用している。

半導体チップ１０２は、たとえば車載マイクロコンピュータ（ＥＣＵ）として機能する集積回路チップである。半導体チップ１０２の下面は、第１の金属パッド１０４の上面に密着している。半導体チップ１０２は、第１の金属パッド１０４の上面に、たとえば熱伝導性接着剤を用いて固定されている。これにより、半導体チップ１０２と第１の金属パッド１０４とは熱的に接続されている。このため、半導体チップ１０２に生じる熱を、半導体チップ１０２の裏面側から第１の金属パッド１０４へと逃がすことができる。

パッケージ本体１０３は、モールド樹脂によって構成されている。モールド樹脂は、半導体チップ１０２の封止に用いられる液状又はペースト状の樹脂を金型に流し込んで成形及び硬化することにより得られる樹脂である。パッケージ本体１０３は、平面視四角形に形成されている。パッケージ本体１０３の上面１２１は、プリント基板１０６とは反対側を向いて配置されている。パッケージ本体１０３の底面１２２は、プリント基板１０６と対向する状態に配置されている。

第１の金属パッド１０４は、半導体チップ１０２に生じる熱を逃がすためにパッケージ本体１０３の底面１２２に設けられている。第１の金属パッド１０４の下面は、パッケージ本体１０３の底面１２２に露出する状態で配置されている。

第２の金属パッド１０５は、半導体チップ１０２と電気信号をやり取りするためにパッケージ本体１０３の側辺に設けられている。第２の金属パッド１０５は、パッケージ本体１０３の底面１２２に露出するパッド底面１０５ａと、パッケージ本体１０３の側面に露出するパッド側面１０５ｂと、を有する。パッド底面１０５ａ及びパッド側面１０５ｂには、それぞれハンダ濡れ性を高めるためのメッキ層（不図示）が形成されていることが望ましい。また、第２の金属パッド１０５は、上述した電気信号のやり取りだけでなく、半導体チップ１０２に内蔵された集積回路に電流を供給するための金属パッドでもある。第２の金属パッド１０５は、パッケージ本体１０３の２つの側辺に、それぞれ所定の間隔で複数個（図１に示す例では３つ）ずつ設けられている。

（プリント基板）
プリント基板１０６は、上述した第１の金属パッド１０４に対応する第１のランド１０９と、上述した第２の金属パッド１０５に対応する第２のランド１１０と、第１のランド１０９及び第２のランド１１０を露出するように形成されたレジスト膜１１１と、を有する。第１のランド１０９は、第１の金属パッド１０４と対向する位置に配置されている。第２のランド１１０は、第２の金属パッド１０５のパッド底面１０５ａと対向する位置に配置されている。第２のランド１１０は、平面視四角形（図１に示す例では平面視長方形）に形成されている。

レジスト膜１１１は、プリント基板１０６上に形成されている配線パターン（不図示）を覆うことにより、配線パターンを保護する膜である。レジスト膜１１１は、ペースト状のハンダ（以下、「ハンダペースト」ともいう。）を弾く性質を有する。第２の金属パッド１０５は、上記配線パターンに電気的に接続する状態で形成されている。また、レジスト膜１１１には、第１のレジスト開口部１１１ａと第２のレジスト開口部１１１ｂとが形成されている。第１のレジスト開口部１１１ａは、第１のランド１０９を露出させるための開口部である。第２のレジスト開口部１１１ｂは、第２のランド１１０を露出させるための開口部である。第２のレジスト開口部１１１ｂは、第２の金属パッド１０５のパッド底面１０５ａよりも広い面積で第２のランド１１０を露出するように形成されている。また、第２のランド１１０は、はみ出しランド部１１０ａを有する。はみ出しランド部１１０ａは、図１に示すように電子制御装置１００を上から見ると、第２の金属パッド１０５よりもパッケージ本体１０３の外側にはみ出して配置されている。

上記構成からなる半導体パッケージ１０１とプリント基板１０６は、図２に示すように、ハンダ１０７，１０８によって電気的かつ機械的に接続されている。ハンダ１０７，１０８は、図示しないハンダマスクを用いて第１のランド１０９及び第２のランド１１０に塗布されるハンダペーストをリフローなどの加熱処理によって溶融及び硬化させたものである。第１の金属パッド１０４と第１のランド１０９とは、ハンダ１０７によって電気的かつ機械的に接続されている。ハンダ１０７は、第１の金属パッド１０４の下面全体に付着している。また、ハンダ１０７は、レジスト膜１１１の第１のレジスト開口部１１１ａを通して露出する第１のランド１０９の露出面全体に付着している。

第２の金属パッド１０５と第２のランド１１０とは、ハンダ１０８によって電気的かつ機械的に接続されている。ハンダ１０８は、第２の金属パッド１０５の露出面であるパッド底面１０５ａ及びパッド側面１０５ｂの両方に付着している。また、ハンダ１０８は、レジスト膜１１１の第２のレジスト開口部１１１ｂを通して露出する第２のランド１１０の露出面全体に付着している。また、ハンダ１０８は、第２の金属パッド１０５のパッド側面１０５ｂから第２のランド１１０のはみ出しランド部１１０ａにかけて裾広がり状に形成されている。

続いて、上記構成からなる電子制御装置１００の製造方法について説明する。
まず、半導体パッケージ１０１とプリント基板１０６を用意する。
次に、図示しないハンダマスクを用いてプリント基板１０６にハンダペーストを塗布する。ハンダマスクは、ハンダマスク開口部１１２（図１参照）を有する。なお、図１においては、ハンダマスク開口部１１２を１つだけ記載されているが、ハンダマスク開口部は、第１のランド１０９と複数の第２のランド１１０の全てに対応するようにハンダマスクに設けられる開口部である。本実施形態においては、相対応するハンダマスク開口部１１２と第２のランド１１０との関係に特徴がある。以下、この特徴について説明する。

ハンダマスク開口部１１２は、第２のランド１１０と同様に、平面視四角形（図１に示す例では平面視長方形）に形成されている。ハンダマスク開口部１１２の開口面積は、第２のランド１１０の露出面積よりも大きく設定されている。第２のランド１１０の露出面積は、第２のレジスト開口部１１１ｂの開口面積と同一である。

プリント基板１０６にハンダペーストを塗布する場合は、それに先立って、プリント基板１０６の上にハンダマスクを重ねて配置するとともに、プリント基板１０６とハンダマスクとを位置合わせする。このとき、第２のレジスト開口部１１１ｂを通して露出する第２のランド１１０の全ての露出領域がハンダマスク開口部１１２内に配置される。つまり、第２のランド１１０の全ての露出領域がハンダマスク開口部１１２の開口領域に重なり合う状態になる。これにより、ハンダマスク開口部１１２を通してプリント基板１０６を見た場合は、第２のランド１１０の周囲（全周）にレジスト膜１１が見えることになる。なお、図１においては、好ましい一つの態様として、第２のランド１１０の露出領域が、ハンダマスク開口部１１２の開口領域のほぼ中央部に位置している。

このようにプリント基板１０６とハンダマスクとを位置合わせしたら、第１のランド１０９に対応するハンダマスク開口部（不図示）と第２のランド１１０に対応するハンダマスク開口部１１２とを通して、プリント基板１０６の第１のランド１０９及び第２のランド１１０にハンダペーストを塗布する。このとき、ハンダマスク開口部１１２は、第２のランド１１０の周囲を取り囲むように、第２のランド１１０の露出面積よりも広い面積で開口している。このため、第２のランド１１０に対しては、第２のランド１１０の露出領域よりも広い領域でハンダペーストが供給される。

ただし、レジスト膜１１は、ハンダペーストを弾く性質がある。このため、ハンダマスク開口部１１２を通して塗布されたハンダペーストは、第２のランド１１０の露出領域の周囲に存在するレジスト膜１１によって弾かれる。その結果、ハンダマスク開口部１１２を通して塗布されたハンダペーストは、第２のランド１１０上に集められる。これにより、第２のランド１１０の露出面積とほぼ同じ開口面積をもつハンダマスク開口部を通してハンダペーストを供給する場合に比べて、第２のランド１１０上にハンダペーストを厚く塗布することができる。その結果、第２のランド１１０に所定寸法以上の厚さでハンダペーストを塗布することができる。所定寸法の厚さについては後述する。こうしてハンダペーストの塗布を終えたら、ハンダマスクを取り外す。

次に、プリント基板１０６の上に半導体パッケージ１０１を載せる。このとき、第１の金属パッド１０４と第１のランド１０９との相対位置、及び、第２の金属パッド１０５と第２のランド１１０との相対位置を合わせる。これにより、第１のランド１０９上に塗布されているハンダペーストに第１の金属パッド１０４が接触するとともに、第２のランド１１０に塗布されているハンダペーストに第２の金属パッド１０５が接触した状態になる。

次に、プリント基板１０６をリフロー炉に投入するなどして加熱処理することにより、上記ハンダペーストを溶融及び硬化させる。このとき、第２のランド１１０上には所定寸法以上の厚さでハンダペーストが塗布されているため、ハンダペーストの一部が第２の金属パッド１０５のパッド側面１０５ｂへと濡れ上がる。言い換えると、所定寸法以上の厚さとは、加熱処理によって溶融したハンダペーストが第２の金属パッド１０５のパッド側面１０５ｂまで濡れ上がるのに必要な厚さである。これにより、はみ出しランド部１１０ａを覆うハンダペーストは、加熱によって溶融したときに裾をひいたような形状、すなわち裾広がり状になる。また、加熱処理後のハンダ１０８は、第２の金属パッド１０５のパッド底面１０５ａ及びパッド側面１０５ｂの両方に付着（密着）した状態になる。

その結果、半導体パッケージ１０１の第２の金属パッド１０５とプリント基板１０６の第２のランド１１０とは、ハンダ１０８によって強固に接続される。このため、ノンリードタイプの半導体パッケージ１０１をプリント基板１０６に実装して車載用に使用する場合に、半導体パッケージ１０１とプリント基板１０６とを電気的に接続するハンダ接続部の寿命を延ばして電子制御装置１００の信頼性を向上させることができる。

＜第２実施形態＞
図３は、第２実施形態に係る電子制御装置の概略平面図である。
第２実施形態に係る電子制御装置は、上述した第１実施形態に係る電子制御装置の構成と比較して、第２のランドの構造が異なる。
具体的には、図３に示すように、第２実施形態に係る電子制御装置１００Ａは、第２のランド２１０のはみ出しランド部２１０ａの隅が斜めに形成されている。はみ出しランド部２１０ａの隅は、第２のランド２１０の長辺に対して、たとえば３０°以上６０°以下の傾きで斜めに形成される。これにより、はみ出しランド部２１０ａは、全体的に略台形状に形成されている。このように、はみ出しランド部２１０ａの隅を斜めに形成した場合でも、上記第１実施形態と同様の効果が得られる。また、はみ出しランド部２１０ａの隅を斜めに形成したことにより、溶融したハンダペーストがはみ出しランド部２１０ａの隅に馴染みやすくなるため、はみ出し部２１０ａの隅を隙間なくハンダで覆うことができる。

＜第３実施形態＞
図４は、第３実施形態に係る電子制御装置の概略平面図である。
第３実施形態に係る電子制御装置は、上述した第１実施形態に係る電子制御装置の構成と比較して、第２のランドの構造が異なる。
具体的には、図４に示すように、第３実施形態に係る電子制御装置１００Ｂは、第２のランド３１０のはみ出しランド部３１０ａの隅が円弧状に形成されている。言い換えると、はみ出しランド部３１０ａの隅は、丸みを付けた、いわゆるラウンド形状に形成されている。このように、はみ出しランド部３１０ａの隅を円弧状に形成した場合でも、上記第１実施形態と同様の効果が得られる。また、はみ出しランド部３１０ａの隅を円弧状に形成したことにより、溶融したハンダペーストがはみ出しランド部３１０ａの隅に馴染みやすくなるため、はみ出し部３１０ａの隅を隙間なくハンダで覆うことができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例を含む。たとえば、上述した実施形態では、本発明の内容を理解しやすいように詳細に説明しているが、本発明は、上述した実施形態で説明した全ての構成を必ずしも備えるものに限定されない。また、ある実施形態の構成の一部を、他の実施形態の構成に置き換えることが可能である。また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、これを削除し、または他の構成を追加し、あるいは他の構成に置換することも可能である。

たとえば、上記実施形態においては、ノンリードタイプの半導体パッケージの一例として、ＳＯＮパッケージを採用したが、本発明はこれに限らず、たとえばＱＦＮパッケージを含めて、パッケージ本体１０３の少なくとも１つの側辺に金属パッドが設けられた半導体パッケージを備える電子制御装置に適用可能である。

１００，１００Ａ，１００Ｂ…電子制御装置、１０１…半導体パッケージ、１０２…半導体チップ、１０３…パッケージ本体、１０４…第１の金属パッド、１０５…第２の金属パッド、１０５ａ…パッド底面、１０５ｂ…パッド側面、１０６…プリント基板、１０７，１０８…ハンダ、１０９…第１のランド、１１０，２１０，３１０…第２のランド、１１０ａ，２１０ａ，３１０ａ…はみ出しランド部、１１２…ハンダマスク開口部

Claims (4)

1. 半導体チップと、前記半導体チップを保護するパッケージ本体と、前記半導体チップに生じる熱を逃がすために前記パッケージ本体の底面に設けられた第１の金属パッドと、前記半導体チップと電気信号をやり取りするために前記パッケージ本体の側辺に設けられた第２の金属パッドと、を有するノンリードタイプの半導体パッケージと、
   前記第１の金属パッドに対応する第１のランドと、前記第２の金属パッドに対応する第２のランドと、前記第１のランド及び前記第２のランドを露出するように形成されたレジスト膜と、を有するプリント基板と、
   を備える電子制御装置であって、
   前記第２の金属パッドは、前記パッケージ本体の底面に露出するパッド底面と、前記パッケージ本体の側面に露出するパッド側面と、を有し、
   前記レジスト膜は、前記第２の金属パッドの前記パッド底面よりも広い面積で前記第２のランドを露出するように形成され、
   前記第２のランドは、前記第２の金属パッドよりも前記パッケージ本体の外側にはみ出して配置されたはみ出しランド部を有し、
   前記第２の金属パッドと前記第２のランドとは、ハンダによって電気的かつ機械的に接続され、
   前記ハンダは、前記第２の金属パッドの前記パッド側面から前記第２のランドの前記はみ出しランド部にかけて裾広がり状に形成されている
   電子制御装置。
2. 前記はみ出しランド部の隅が斜めに形成されている
   請求項１に記載の電子制御装置。
3. 前記はみ出しランド部の隅が円弧状に形成されている
   請求項１に記載の電子制御装置。
4. 半導体チップと、前記半導体チップを保護するパッケージ本体と、前記半導体チップに生じる熱を逃がすために前記パッケージ本体の底面に設けられた第１の金属パッドと、前記半導体チップと電気信号をやり取りするために前記パッケージ本体の側辺に設けられた第２の金属パッドと、を有するノンリードタイプの半導体パッケージと、
   前記第１の金属パッドに対応する第１のランドと、前記第２の金属パッドに対応する第２のランドと、前記第１のランド及び前記第２のランドを露出するように形成されたレジスト膜と、を有するプリント基板と、を備え、
   前記第２の金属パッドは、前記パッケージ本体の底面に露出するパッド底面と、前記パッケージ本体の側面に露出するパッド側面と、を有し、
   前記レジスト膜は、前記第２の金属パッドの前記パッド底面よりも広い面積で前記第２のランドを露出するように形成され、
   前記第２のランドは、前記第２の金属パッドよりも前記パッケージ本体の外側にはみ出して配置されたはみ出しランド部を有し、
   前記第２の金属パッドと前記第２のランドとは、ハンダによって電気的かつ機械的に接続され、
   前記ハンダは、前記第２の金属パッドの前記パッド側面から前記第２のランドの前記はみ出しランド部にかけて裾広がり状に形成された、
   電子制御装置の製造方法であって、
   前記第２のランドにハンダマスク開口部を通してハンダペーストを塗布する場合に、前記マスク開口部の開口面積を前記第２のランドの露出面積よりも大きく設定するとともに、前記第２のランドの全ての露出領域が前記ハンダマスク開口部内に位置する状態で、前記第２のランドに前記ハンダペーストを塗布する
   電子制御装置の製造方法。

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