JP3652102B2 - 電子回路モジュール - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は各種の電子機器や電子装置等の重要部に用いられる、基板上に搭載された電子部品を金属ケースで覆って成る電子回路モジュールに関し、特に金属ケースを半導体素子の放熱構造に利用した電子回路モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近の電子機器や電子装置に対しては小型化や薄型化・高機能化・低コスト化等の要求が絶えることがなく、それらの要求を実現するために、電子機器や電子装置を構成する半導体装置である電子回路モジュールに対しても同様に小型化・薄型化・高機能化・低コスト化の検討が急速に押し進められている。
【０００３】
このような電子回路モジュールは、一般に、回路基板を構成する基板上に電子部品や半導体素子が搭載されて電子回路を構成し、さらに電子回路の保護や電磁シールドのためにこれら電子部品や半導体素子を覆うように金属ケースが取着されることにより構成されている。
【０００４】
この電子回路モジュールを構成する基板には、例えば、酸化アルミニウム質焼結体を主成分とするセラミックス材料や窒化アルミニウム質焼結体を主成分とする高熱伝導性のセラミックス材料、あるいはガラス材料と有機材料とから成るガラスエポキシ、またはセラミック材料に比べて低温焼成が可能なガラスセラミックス等が用いられている。これらの基板材料について電子回路モジュールでは、その用途によって以下のように各基板材料が使い分けられている。
【０００５】
例えば、酸化アルミニウム質焼結体を主成分とするセラミックス材料は、安定性や信頼性の高い絶縁材料であるが、約1400〜1650℃程度の高温で焼成しなければならないために配線導体の材料に高融点金属であるタングステンやモリブデン等を用いる必要があり、これら高融点金属が高比抵抗金属材料であることから、高速信号処理を行なう電子回路モジュールには適用が困難である。
【０００６】
また、窒化アルミニウム質焼結体を主成分とする高熱伝導性のセラミックス材料は、良好な放熱性を有する点では有効であるが、一般的な民生分野の電子回路モジュールに対しては高価であり、低コスト化を図ることが困難である。
【０００７】
また、ガラス材料と有機材料とから成るガラスエポキシは、安価であるが耐熱性が不十分であり、熱的な安定性も要求される電子回路モジュールには不向きである。
【０００８】
これに対し、セラミックス材料に比べて低温でかつ短時間で焼成可能であるガラスセラミックスは、低コストで作製することができ、さらに配線導体の材料に低融点金属材料であるＡｕやＡｇ・Ｃｕ等の低比抵抗金属材料を使用できるため、高速信号処理を行なう電子回路モジュールに有利である。
【０００９】
また、基板を小型化する観点から、基板の上面に電子部品とともに半導体素子を搭載する構成に対して、基板の下面にキャビティ（凹部）を設けてその底面に形成した半導体素子搭載部に半導体素子を搭載し収納する構成とし、基板上面の面積を電子部品実装のために有効に活用することにより、電子回路モジュールの更なる小型化が図られている。
【００１０】
さらに、電子回路モジュールの基板となる回路基板の製造においては、製造コストや工数の削減を目的として、回路基板の集合体である１枚のシート状基板からの基板取り数の増大化を図り、一回の製造工程でできるだけ多くの回路基板を得ることが重要な課題となっている。また、その回路基板上への電子部品や半導体素子等の搭載ならびに電気的特性の調整・ケーシング（ケース取着）・電気テスト等、製品となる最終工程までをシート状基板の状態で製造することで、電子回路モジュールの製造工数および製造時間の削減が図られている。
【００１１】
これらの工程のうちケーシング工程においては、通常、基板上面に金属ケースを固定するための接続パッドである金属電極を設置してこの金属電極と金属ケースとを半田付けしたり、基板の端部にケース取付用の端面電極を形成してこの端面電極に金属ケースに設けたべろ部を半田付けしたりすることで金属ケースを基板に取着していた。また、これらの固定方法を併用することで、金属ケースを基板に対して位置精度良く固定し取着することも行なわれていた。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
近年の半導体素子は高機能化により発熱量が増加しており、半導体装置の小型化にとって必要不可欠な技術となりつつある半導体素子の直接搭載技術、すなわち金属バンプ等を用いた半導体素子のフリップチップ実装技術を適用して電子回路モジュールの小型化を達成するためには、小型化と低コスト化を図りつつ従来以上の良好な放熱性を確保して半導体素子の発熱の影響をいかに抑えるかが重要な課題となっている。
【００１３】
このような半導体素子の発熱の影響を抑制する手法としては、例えば、高熱伝導率材料からなる基板に直接半導体素子を実装する手法や、半導体素子搭載位置の直下の基板に多数のサーマルビアホールと呼ばれる熱伝導部材を形成して放熱部材に熱を放散する手法等が採用されている。
【００１４】
また、基板の下面の凹部内に搭載収納された半導体素子に対する放熱対策としては、例えば、凹部の底部から基板の上面に貫通させた複数のサーマルビアホールといわれる熱伝導部材を配設し、それら熱伝導部材を基板上面に被着形成した金属電極に接続しておき、この金属電極に金属製の放熱部材を半田付け等により取着することにより対応することができる。また、この放熱部材を基板上面に取着される金属ケ一スと密着させることにより放熱性を向上させることが可能となる。
【００１５】
しかしながら、このような構成では、基板上面に放熱部材を余分に搭載する必要があると同時に、放熱部材と金属ケースとを接触させることから放熱部材の高さがケースの高さつまり製品としての電子回路モジュールの高さを決定することとなって、電子回路モジュールの小型化が困難であるという問題点があった。さらに、放熱部材を半田付けによって搭載する際に、その半田量の制御や半田厚みの制御が困難であることから高さのバラツキが大きくなってしまうという問題点もあった。
【００１６】
一方、シート状基板により回路基板の集合体の状態で製造する場合には、電子回路モジュールとなる回路基板が小さくなるに従い、シート状基板の状態で金属ケースのべろ部を回路基板側面の端面電極に半田付けするときに隣接する金属ケース同士の間隔が十分確保できなくなって隣接する金属ケースのべろ部同士が半田付けされてしまい、シート状基板の状態から各回路基板への分割ができなくなることがあるという問題点があった。
【００１７】
このような場合には、その対策としてケーシング工程前にシート状基板を予め各回路基板に分割しておき、その後に金属ケースの取着を行なう手法が採られているが、これではシート状基板の状態で最終工程まで製造することを目的とした多数個取り法の意味がなくなってしまうという問題点があった。
【００１８】
これに対し、隣接する回路基板間の間隔を広げて金属ケース同士の間隔を広げればシート状基板の状態でのケーシングが行なえるが、これではシート状基板からの回路基板の個数の増大が図れず、また回路基板の小型化の達成も困難となってしまうという問題点があった。
【００１９】
本発明は、上記間題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、安価でかつ信頼性の高い基板を用い、電子回路モジュールの小型化を図りつつその基板に搭載された半導体素子からの発熱を効率良く放熱することができる、小型化・高密度化・低コスト化に対応可能な高信頼性の電子回路モジュールを提供することにある。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の電子回路モジュールは、ガラスセラミックスから成り、上面に電子部品搭載部を、下面に凹部を有する基板と、前記基板の凹部底面から上面にかけて基板を貫通し、一端が基板上面に形成した接続パッドに接続されている複数個の熱伝導部材と、前記基板の電子部品搭載部に搭載されている電子部品と、前記基板の凹部内に収容されている半導体素子と、前記基板の上面に搭載されている電子部品を覆う金属ケースとから成り、前記基板は側面に実装用電極を形成し、封止樹脂あるいはシールキャップにより前記半導体素子を前記凹部内に封止して下面を平坦化しており、前記金属ケースの内側の下面に凸部を形成するとともにこの凸部を前記接続パッドに半田付けして前記接続パッドを介して前記熱伝導部材に熱的に接続したことを特徴とするものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の電子回路モジュールについて、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２２】
図１は本発明の電子回路モジュールの実施の形態の一例を示す金属ケース取着前の分解斜視図であり、図２は金属ケース取着後の斜視図、図３は図２におけるＡ−Ａ’線断面図である。
【００２３】
また、図４は電子回路モジュールの基板を１枚のシート状基板から同時に多数作製する場合の基板の集合体であるシート状基板の例を示す斜視図である。
【００２４】
なお、以後説明する各工程およびそれらにおける加工、例えば基板への半導体素子や電子部品等の搭載工程や電気的特性の調整工程・ケーシング工程・電気テスト工程等、製品となる最終工程までは、図４に示すような基板の集合体であるシート状基板の状態で実施することにより電子回路モジュールの搬送時間および製造時間の削減を図ることができ、ケーシング終了後に基板を分割することで図１〜３に示す本発明の電子回路モジュールを効率良く得ることができる。
【００２５】
これらの図において、１は基板であり、２は金属ケースである。基板１の上面には電子部品搭載部（図示せず）が形成されてチップコンデンサやチップ抵抗等の電子部品４が搭載され、一方、基板１の下面には凹部１ａが形成されるとともに半導体集積回路素子等の半導体素子３がこの凹部１ａの底面に搭載されて凹部１ａ内に収容されており、これら半導体素子３および電子部品４により電子回路が構成されている。
【００２６】
５は基板１の凹部１ａの底面から基板１の上面にかけて基板１を貫通して配線された複数個の熱伝導部材であり、６は基板１の上面に被着形成され、熱伝導部材５の一端が接続されている、金属ケース２取着用の接続パッドである。
【００２７】
また、金属ケース２はその内側に凸部２ａが、この例では金属ケース２の上側から見て凹部となるように形成されており、この凸部２ａを接続パッド６に半田付け等により取着することによって金属ケース２が基板１上に電子部品４を覆うように取着され、それにより金属ケース２の凸部２ａが接続パッド６を介して熱伝導部材５に熱的に接続されて本発明の電子回路モジュール７が構成される。
【００２８】
基板１は電子回路モジュール７の基板となるとともに回路基板となるものであり、本発明においてはガラスセラミックスから成る基板が用いられ、特に本発明には電子回路の高密度化が可能となる多層回路基板が好適に用いられる。基板１としてガラスセラミックスから成る基板を用いることにより、搭載される半導体素子３による発熱を考慮した場合、後述する熱伝導部材５として高熱伝導率材料であるＡｕ・Ａｇ・Ｃｕ等を用いることができ、良好な放熱性を実現することができる。また、近年の電子機器の高周波化に伴い電子回路モジュールおよびそれに用いられる半導体素子３も同様に高周波化されているのに対し、配線導体の材料として電気伝導率の高い金属材料であるＡｕ・Ａｇ・Ｃｕ等を用いることができ、高速信号処理も可能となる。
【００２９】
基板１の下面に形成される凹部１ａは、図３に示すように、多層回路基板による半導体素子収納用パッケージと同様に複数の段状に形成すると、半導体素子３の電極と基板１内の配線導体（図示せず）とをボンディングワイヤ８等により接続し、かつエポキシ樹脂等の封止樹脂９あるいはシールキャップ等により封止して半導体素子３を保護・収納するのに好適なものとなる。
【００３０】
また、基板１にはその側面に金属ケース２のべろ部２ｂの位置決めを行なうべろ部挿入用凹部１ｂを形成すると、金属ケース２の位置決め精度をより向上させることができる点で好ましい。
【００３１】
基板１の凹部１ａ底面には半導体素子搭載部が形成されており、ここに半導体素子３の裏面を例えばＡｕ−ＳｎやＡｕ−Ｓｉまたは熱硬化型Ａｇぺースト等により接着し、半導体素子３の電極と凹部１ａの半導体素子搭載部近傍に設けられた配線導体の電極パッドとをボンディングワイヤ８により接続する。このとき、可能な限り熱伝導性の良好な接続材料を選定することが重要である。あるいは、半導体素子３を凹部１ａの半導体素子搭載部にフリップチップ実装法により搭載してもよく、この場合は、凹部１ａの底面と半導体素子３との間に伝熱性フィラーを含有したアンダーフィル樹脂を充填しておくことが重要である。
【００３２】
一方、基板１には、半導体素子３からの発熱を伝導し放散させるために凹部１ａの底面から基板１上面にかけて基板１を貫通するサーマルビアホール等の複数個の熱伝導部材５が形成されており、これら熱伝導部材５の一端は、基板１上面に被着形成された接続パッド６と電気的および熱的に接続されている。この接続パッド６は、基板１の上面に通常の金属電極と同様のメタライズ層等として被着形成されており、金属ケース２の内側に設けた凸部２ａを半田付け等により取着して金属ケース２の凸部２ａと熱伝導部材５とを熱的に接続し、それにより半導体素子３の発熱を熱伝導部材５・接続パッド６・凸部２ａを介して金属ケース２から効率良く放散させるためのものである。
【００３３】
そして、図３に示すように接続パッド６に金属ケース２の凸部２ａを取着することにより、金属ケース２により電子部品４ならびに電子回路を保護するとともに、凹部１ａ底面に搭載された半導体素子３から発生する熱を熱伝導部材５を介して基板１上面の接続パッド６に伝え、さらに接続パッド６から凸部２ａを通じて金属ケース２に熱を伝えることが可能となり、半導体素子３の発熱を金属ケース２から効率良く放散させることができる。
【００３４】
この後、半導体素子３を保護する目的で、エポキシ樹脂等の半導体素子封止用の封止樹脂９により、あるいはシールキャップ等により半導体素子３を凹部１ａ内に封止して収納する。ここで、面実装型の電子部品モジュールとするために、基板１下面には突起が無いよう平坦化することが重要である。
【００３５】
次に、電子部品４を半田等により基板１に形成された回路導体に電気的に接着させることで所望の電子回路が構成される。電子部品４を半田付けする場合は、予め半田ペーストを基板１上面の電子部品搭載部の電極パッドに印刷塗布しておき、そこに電子部品４を搭載した後、ベルト式リフロー炉等により半田ぺーストを溶融して半田付けが行なわれる。
【００３６】
金属ケース２は電子部品４の保護および電子回路の電磁シールドの目的で用いられるとともに半導体素子３からの発熱に対する放熱部材としても機能するものであり、その内側の中央部には基板１上面の接続パッド６に半田等により取着させるための凸部２ａが設けられている。この凸部２ａは、例えば金属ケース２加工用金型による型押し加工やパンチ加工等により金属ケース２上面から見て凹部となるように、あるいは金属ケース２の内側に適当な金属部材を取着することにより電子回路モジュール７の仕様に応じたものとして形成する。また、金属ケース２の材料としては、鉄・洋白・アルミニウム・ＳＵＳ・銅等が用いられる。
【００３７】
金属ケース２の凸部２ａと基板１の接続パッド６とは半田付けにより取着されるが、この半田付けは、例えば電子部品４の搭載と同様に半田ペーストをディスペンサー等を用いて接続パッド６上に塗布しておき、凸部２ａが接続パッド６に接触するように金属ケース２を載置して、ベルト式リフロー炉等を用いて半田付けすればよい。このとき、金属ケース２には基板１との位置合わせを行なうためのべろ部２ｂを形成しておくと、基板１に設けられたべろ部挿入用凹部１ｂにより正確に位置合わせを行なうことができる。
【００３８】
また、金属ケース２取着のための半田付けリフロー時には、凸部２ａの周囲に沿って余分な半田が吸い上げられ、金属ケース２の自重により金属ケース２の凸部２ａと基板１の接続パッド６とを密着させることができ、これにより金属ケース２の高さのバラツキを低減させることが可能となり、電子回路モジュール７の高さのバラツキも低減させることが可能となるとともに、本発明の主目的である半導体素子３の発熱を金属ケース２に効率良く伝えることが可能となって、金属ケース２全体で半導体素子３の発熱を放散させることが可能となる。
【００３９】
また、基板１への金属ケース２の取着を接続パッド６と凸部２ａとの取着によって行なうことから、多数の基板１を高密度に配置したシート状基板の状態でも隣接した金属ケース２同士が互いに半田付けされてケーシング後に各基板１に分割できなくなることがなくなり、シート状基板の状態でのケーシングが可能となるため、製造工程の短縮化も実現できるものとなる。
【００４０】
本発明の電子回路モジュール７によれば、金属ケース２はその凸部２ａでもって基板１の接続パッド６に取着されることから、従来のように金属ケースを固定するためのケース取着用端面電極を形成する必要がないため、べろ部２ｂとべろ部挿入用凹部１ｂとにより金属ケース２の位置決めを行なっても、従来のように基板１面積が大きなものとなることはなく基板１の小型化が図れるとともに、基板１をシート状基板の状態で高密度に配置してもべろ部２ｂ同士が半田付けされてしまうこともなく、シート状基板の状態での製造が可能なものである。
【００４１】
なお、１ｃは電子回路モジュール７を外部電気回路基板に実装する際の実装用電極が形成されるキャスタレーションであり、電子回路モジュール７の仕様に応じて適宜設けられる。
【００４２】
基板１にべろ部挿入用凹部１ｂやキャスタレーション１ｃを形成するには、例えば基板１を形成するガラスセラミックスのグリーンシートにパンチング加工によりべろ部挿入用凹部１ｂやキャスタレーション１ｃとなる所望の形状の貫通孔を所望の数だけ形成して焼結させることで、べろ部挿入用凹部１ｂ・キャスタレーション１ｃを有する基板１を得ることができる。
【００４３】
このような基板１を図４に示したシート状基板10から得る場合、ガラスセラミックスのグリーンシートを積層して、下面に凹部１ａが形成されるとともに上面に接続パッド６が形成され、かつ凹部１ａ底面から上面にかけて一端が接続パッド６に接続し形成された熱伝導部材５が形成された回路基板となる基板１が多数個形成されたシート状基板10に、各基板１の分離後にべろ部挿入用凹部１ｂとなる所望の形状の貫通孔10ｂおよびキャスタレーション１ｃとなる所望の形状の貫通孔10ｃをそれぞれ所望の数だけ形成した後、焼結一体化することによって基板１の集合体であるシート状基板10が得られる。そして、このシート状基板10を同図中に示した点線に沿って各基板１毎に分割することにより、下面に凹部１ａが、上面に接続パッド６が形成され、側面にべろ部挿入用凹部１ｂ・キャスタレーション１ｃを有する基板１を得ることができる。なお、10ｄはシート状基板10の耳部に設けた位置決め用認識マークである。
【００４４】
このようなシート状基板10に半導体素子３および電子部品４を搭載し、特性調整等の所定の工程を終えた後、金属ケース２をシート状基板10の各基板１上に搭載配置する。
【００４５】
この時、金属ケース２のべろ部２ｂをシート状基板10の貫通孔10ｂ（基板１のべろ部挿入用凹部１ｂ）に挿入することで、金属ケース２を基板１上に位置精度良く搭載させることができる。
【００４６】
次に、前述のように半田リフロー等により金属ケース２の凸部２ａと基板１の接続パッド６とを半田付けして金属ケース２を基板１に取着する。
【００４７】
そして、ケーシング後、各基板１毎にシート状基板10を分割することで、本発明の電子回路モジュール７が完成する。
【００４８】
なお、本発明は上記の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更や改良を施すことは何ら差し支えない。
【００４９】
【発明の効果】
以上のように、本発明の電子回路モジュールによれば、ガラスセラミックスからなる基板の下面に設けた凹部内にフェイスアップまたはフェイスダウンの形態で半導体素子が搭載され、凹部底面から基板の上面にかけて基板を貫通して熱伝導部材が配設されるとともにその一端が基板上面に形成された接続パッドと電気的および熱的に接続されており、基板は側面に実装用電極を形成し、封止樹脂あるいはシールキャップにより半導体素子を凹部内に封止して下面を平坦化して面実装型としており、接続パッドに金属ケースの内側の下面に形成した凸部を半田付けにより取着して凸部を接続パッドを介して熱伝導部材に熱的に接続する構成としたことから、半導体素子からの発熱を熱伝導部材・接続パッド・金属ケースの凸部を介して金属ケースにより効率良く放散させることができ、面実装型の電子回路モジュールにおいて小型化を図りつつ良好な放熱を行なうことができる。
【００５０】
また、金属ケースの凸部と基板の接続パッドとは金属ケースの自重により十分に密着させることができるので、両者を取着させる半田厚みのバラツキをなくすことができ、金属ケ一スの高さつまり電子回路モジュールの高さのバラツキをなくすことができる。
【００５１】
また、金属ケースの基板への取着は金属ケース内側下面の凸部と基板上面の接続パッドとを半田付けすることにより行なうことから、基板の小型化が進んで多数個取りのためのシート状基板で隣接する金属ケース同士の間隔が十分確保できない場合でも、はんだリフロー炉によりはんだ付けされた後に隣接するケース同士がはんだ付けされて多数個取りから単品の基板への分割ができなくなる問題もなくすことができる。
【００５２】
以上により、本発明によれば、安価でかつ信頼性の高い基板を用い、電子回路モジュールの小型化を図りつつその基板に搭載された半導体素子からの発熱を効率よく放熱することができる、小型化・高密度化・低コスト化に対応可能な高信頼性の面実装型の電子回路モジュールを提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電子回路モジュールの実施の形態の一例を示す金属ケース取着前の分解斜視図である。
【図２】本発明の電子回路モジュールの実施の形態の一例を示す金属ケース取着後の斜視図である。
【図３】図２のＡ−Ａ' 線部分断面図である。
【図４】電子回路モジュールの基板の集合体であるシート状基板の斜視図である。
【符号の説明】
１・・・基板
１ａ・・・凹部
２・・・金属ケース
２ａ・・・凸部
３・・・半導体素子
４・・・電子部品
５・・・熱伝導部材
６・・・接続パッド
７・・・電子回路モジュール

Claims (1)

1. ガラスセラミックスから成り、上面に電子部品搭載部を、下面に凹部を有する基板と、前記基板の凹部底面から上面にかけて基板を貫通し、一端が基板上面に形成した接続パッドに接続されている複数個の熱伝導部材と、前記基板の電子部品搭載部に搭載されている電子部品と、前記基板の凹部内に収容されている半導体素子と、前記基板の上面に搭載されている電子部品を覆う金属ケースとから成り、前記基板は側面に実装用電極を形成し、封止樹脂あるいはシールキャップにより前記半導体素子を前記凹部内に封止して下面を平坦化しており、前記金属ケースの内側の下面に凸部を形成するとともに該凸部を前記接続パッドに半田付けして前記接続パッドを介して前記熱伝導部材に熱的に接続したことを特徴とする電子回路モジュール。

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