JP4833192B2 - 電子装置 - Google Patents

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Description

本発明は電子装置に係り、特にアンテナ及び発熱する電子素子を有した電子装置に関する。
近年の無線通信機器の小型に伴い、無線通信機器に搭載される電子装置の小型化が望まれている。小型化された電子装置としては、例えば特許文献1に開示されたものが知られている。図1は、特許文献1に開示された電子装置100の概略構成を示す図である。
同図に示す電子装置100は、基板110、半導体チップ115、及び銅コアはんだボール118等により構成されている。基板110は両面プリント配線基板であり、基板本体111の上面にアンテナ112が形成されると共に、下面には配線パターン113が形成されている。このアンテナ112と配線パターン113は、ビア114により接続されている。
半導体チップ115はバンプ116が形成されており、基板110の配線パターン113に形成されたパッドにフリップチップ接合される。また、半導体チップ115と基板本体111との間には、アンダーフィル樹脂117が配設される。更に、配線パターン113の端部には、外部接続端子となる銅コアはんだボール118が設けられている。
上記構成とされた電子装置100は、図2に示すようにマザーボード119に実装される。この際、半導体チップ115がマザーボード119と対向するよう、換言するとアンテナ112が外側に位置するよう、電子装置100はマザーボード119に実装される。
ところで、アンテナ112と共に配設されるような高周波対応の半導体チップ115は、一般に多大の熱を発生する。通常、このように熱が発生する半導体チップの冷却には放熱部材(例えば、放熱フィン等)が用いられるが、電子装置100は実装状態で半導体チップ115がマザーボード119と対向した状態(図2参照)となっているため、半導体チップ115に放熱部材を設けることはできない。
また、基板110の半導体チップ115の配設面と反対側の面に放熱部材を設けることも考えられるが、電子装置100はこの反対側の面にアンテナ112が形成されているため、この部位にも放熱部材を設けることはできない。このため、放熱フィン等の放熱部材では、半導体チップ115で発生する熱を有効に放熱することができなかった。
そこで図2に示すように、実装状態で半導体チップ115とマザーボード119との間にTIM120(放熱材料:Thermal Interface Material)を介装し、これにより半導体チップ115からの熱をマザーボード119に放熱することが考えられている。このTIM120としては、グリス、エラストマー(弾性のある高分子物質)シート、RTV(Room Temperature Vulcanization、室温硬化型のゴム)等を用いることができる。
特開2007−266443号公報
しかしながら実際にこの方法を用いる場合には、リフロー処理により銅コアはんだボール118をマザーボード119にはんだ付けする前に、予め半導体チップ115とマザーボード119との間にTIM120を配設しておく必要がある。このため、使用するTIM120にはリフロー耐熱が必要となり、TIM120の選択が制限がされ、TIM120のコスト高が予想される。
また、TIM120の厚さは、銅コアはんだボール118とマザーボード119との実装性が絡んでくる。即ち、TIM120の厚さが規定値よりも大きいと、銅コアはんだボール118とマザーボード119との間にクリアランスが発生し、実装信頼性が低下してしまう。これを防止するには、TIM120の厚さ管理を正確に行わなければならないという問題点があった。
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、実装性を低下させることなく電子素子で発生する熱を確実に放熱しうる電子装置を提供することを目的とする。
上記の課題は、本発明の第1の観点からは、電子素子と、一面にアンテナが形成されると共に他面に前記電子素子が搭載された第1の基板と、前記電子素子と対向するよう前記第1の基板を積層すると共に外部接続部が設けられた第2の基板と、前記第1の基板と前記第2の基板を電気的に接続する接続部材と、前記第1の基板と前記第2の基板の間に配設され、前記電子素子と前記接続部材とを封止する樹脂材とを有し、前記樹脂材に無機フィラーが含有されてなる電子装置により解決することができる。
本発明によれば、電子素子で発生した熱は第2の基板に形成されたサーマルビア又は無機フィラーが混入された樹脂材を介して放熱される。サーマルビアは第2の基板に形成されるものであり、樹脂材は第1の基板と第2の基板との間に配設されるものである。従って、上記のサーマルビア又は樹脂材は、電子装置が基板等(例えば、マザーボード等)に実装される際、実装性に影響を及ぼすものではない。よって、電子装置の基板等への実装性を高めつつ、かつ電子素子で発生した熱を効率よく放熱することができる。
次に、本発明を実施するための最良の形態について図面と共に説明する。
図3は、本発明の第1実施形態である電子装置1Aを示す断面図である。この電子装置1Aは、表面部にアンテナ12を形成すると共に、半導体チップ15を内蔵した基板構造を有している。また、この電子装置1Aは、マザーボード45(図中、一点鎖線で示す)等の実装基板に実装されるものである。
電子装置1Aは、大略すると第1の基板10A、半導体チップ15、銅コアはんだボール18、第2の基板20A、及びモールド樹脂30等により構成されている。
第1の基板10Aは両面プリント配線基板であり、FR−4等の銅張積層板を用いている。具体的には、エポキシ等よりなる絶縁性を有した基板本体11の両面に銅膜が形成され、この銅膜をエッチング等でパターニングすることによりアンテナ12及び配線パターン13を形成した構成とされている。
アンテナ12は、この第1の基板10Aの外部に露出する第1面10a(図3における上面)に形成されている。また、配線パターン13は、第1面10aと反対側の面である第1の基板10Aの第2面10bに形成されている。また、第1の基板10Aには、基板本体11を貫通することにより第1面10aと第2面10bとを連通するビア14が形成されており、このビア14によりアンテナ12と配線パターン13は電気的に接続された構成とされている。
本実施形態では、第1の基板10Aの第1面10aはアンテナ12のみが形成された構成とされている。よって、アンテナ12のパターンを自由度を持って設定することができる。このアンテナ12の構造としては、パッチアンテナ、逆F型アンテナ、ダイポールアンテナ等の種々の構造を採用することが可能である。
半導体チップ15は高周波対応のチップであり、その動作により発熱を行うものである。この半導体チップ15は、第1の基板10Aの第2面10bにフリップチップ接合することにより搭載される。即ち、半導体チップ15に形成された電極には予めバンプ16が形成されており、また第2面10bに形成された配線パターン13のバンプ接合位置にはパッドが設けられている。そしてバンプ16を配線パターン13のパッドに接合することにより、半導体チップ15は第1の基板10Aに搭載される。また、接続信頼性を高めるため、半導体チップ15と第1の基板10Aとの間にはアンダーフィル樹脂17が充填される。
尚、図示の便宜上、各図では配線パターン13が複数の全てのバンプ16と接続されたように示すが、実際の配線パターン13は各バンプ16に対応して独立してパッドが形成されたパターンとなっている。
第2の基板20Aは、第1の基板10Aと同様にFR−4等の銅張積層板を用いている。即ち,エポキシ等よりなる絶縁性を有した基板本体21の両面に銅膜が形成され、この銅膜をエッチング等でパターニングすることによりバンプ接合電極22、外部接続用電極23、第1放熱用パターン25、及び第2放熱用パターン26等を形成した構成とされている。
バンプ接合電極22及び外部接続用電極23は、後述する銅コアはんだボール18や外部接続用ボール35の配設位置に形成されている。また、第1及び第2放熱用パターン25,26はいわゆるべたパターンであり、半導体チップ15と対向する領域に形成されている。バンプ接合電極22及び第1放熱用パターン25は、内側(第1の基板10Aと対向する側)に位置する第2の基板20Aの第1面20aに形成され、外部接続用電極23及び第2放熱用パターン26は外側(第1面20aと反対側の面)に位置する第2面20bに形成されている。
また、第2の基板20Aには、基板本体2を貫通して形成された複数のビア24及びサーマルビア27が形成されている。ビア24は銅コアはんだボール18の配設位置に形成されており、バンプ接合電極22と外部接続用電極23とを電気的に接続するものである。
また、サーマルビア27は、第1及び第2放熱用パターン25,26の形成領域内(即ち、半導体チップ15との対向領域内)に複数個形成されている。このサーマルビア27は、第1放熱用パターン25と第2放熱用パターン26とを熱的に接続するものである。
即ち、サーマルビア27は、第1放熱用パターン25から第2放熱用パターン26に向け熱移動を行う熱通路として機能するものである。従って、ビア24とサーマルビア27の直径は必ずしも等しくする必要はなく、半導体チップ15の発熱量が大きい場合には、サーマルビア27をビア24に対して大径とする構成としてもよい。
尚、第1の基板10Aと第2の基板20Aは同一形状とされており、例えば15mm×15mm×0,2mmの大きさとされている。また半導体チップ15は、例えば10mm×10mm×0,3mmの大きさとされている。
銅コアはんだボール18は、球状の銅コア18aにはんだ膜18bが被膜された構成されている。この銅コアはんだボール18は、配線パターン13とバンプ接合電極22とを電気的に接続すると共に、第1の基板10Aと第2の基板20Aとの離間距離を規定値に保持するスペーサとしても機能する。本実施形態では、銅コア18aとして直径0.5mmの銅ボールを用いている。尚、銅コア18aに代えて、他の材質よりなる金属球や樹脂よりなる球体を用いることも可能である。
銅コアはんだボール18が介在することにより第1の基板10Aと第2の基板20Aとの間に形成される空間部28には、モールド樹脂30が配設されている(図4(E)参照)。このモールド樹脂30は、例えばエポキシ樹脂等に熱伝導性の高い無機フィラーを混入した構成とされている。
この無機フィラーとしては、窒化アルミニウム、アルミナ、シリカ、炭化珪素等を用いることができる。また、モールド樹脂30に混入する無機フィラーのフィラー充填率は、70%以上で90%以下とすることが望ましい。これは、フィラー充填率が70%未満になると第1及び第2の基板10A,20A、半導体チップ15と、モールド樹脂30との、熱膨張係数のマッチングが困難となる(モールド樹脂30の熱膨張係数が高くなるという不都合が発生し、またフィラー充填率が90%を超えるとモールド樹脂30の成形性が低下する(モールド樹脂の粘土が高くなる)という不都合が発生するからである。
また、モールド樹脂30に混入する無機フィラーの粒径は、直径30μm以上で70μm以下とすることが望ましい。これは、フィラーの粒径が直径30μm未満になるとモールド樹脂30の形成性が低下する(モールド樹脂30の粘度が高くなる)という不都合が発生し、またフィラーの粒径が直径70μmを超えると第1及び第2基板10A,20A、半導体チップ15と、モールド樹脂30との熱膨張係数のマッチングが困難となる(モールド樹脂30の熱膨張係数が高くなるため)という不都合が発生するからである。
外部接続用ボール35及び放熱用ボール36は、いずれもはんだボールである。外部接続用ボール35は、マザーボード45と電気的に接続を行うためのはんだボールである。これに対して放熱用ボール36は、サーマルビア27を介して熱伝導される半導体チップ15で発生した熱をマザーボード45に放熱するためのはんだボールである。よって、放熱用ボール36は必ずしもはんだボールに限定されるものではなく、熱伝導性の高い他の材質のボールを用いることも可能である。
上記構成とされた電子装置1Aは、第1の基板10Aと第2の基板20Aとの間に配設される半導体チップ15を封止するようにモールド樹脂30が配設され、かつこのモールド樹脂30には前記した特性を有する熱伝導性の高いフィラーが混入されているため、半導体チップ15で発生する熱を効率よくモールド樹脂30に放熱することができる。
また、第2の基板20Aの半導体チップ15と対向する領域には第1放熱用パターン25、サーマルビア27、及び第2放熱用パターン26が形成されている。また、半導体チップ15と第1放熱用パターン25との離間部分にも高熱伝導性を有するモールド樹脂30が充填されている。
このため、半導体チップ15で発生する熱は、モールド樹脂30、第1放熱用パターン25を介してサーマルビア27に熱伝導し、更にサーマルビア27から第2放熱用パターン26及び放熱用ボール36を介してマザーボード45に放熱される。よって、これによっても半導体チップ15で発生する熱を効率よく外部に放熱することができる。
更に本実施形態では、半導体チップ15の放熱に必要な要素となるサーマルビア27及びモールド樹脂30は、電子装置1Aを構成するものである。具体的には、サーマルビア27は第2の基板20Aに形成されるものであり、モールド樹脂30は第1の基板10Aと第2の基板20Aとの間に配設されるものである。
従って、サーマルビア27及びモールド樹脂30は、電子装置1Aをマザーボード45に実装する際、その実装性に影響を及ぼすものではない。よって、電子装置1Aのマザーボード45への実装性を高めることができ、かつ、上記のように半導体チップ15で発生する熱を効率よく装置外部に放熱することができる。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。
図4は、第2実施形態である電子装置1Bを示している。尚、図4において、図3に示した構成と対応する構成については同一符号を付して、その説明を省略する。
前記した第1実施形態に係る電子装置1Aでは、第1及び第2の基板10A,20Aとして両面プリント配線基板を用いた。これに対して本実施形態では、第1の基板10B及び第2の基板20Bとして多層配線基板を用いた構成としている。
第1の基板10Bは、絶縁層37内に3層の導電層が形成された構成とされている。最上層に設けられた導電層はアンテナ12とされている。また、最下層に形成された導電層は配線パターン13とされている。そして、中央層に形成された配線層はグランド層40とされている。
第2の基板20Bは、絶縁層38内に4層の導電層が形成された構成とされている。最上層に設けられた導電層は、バンプ接合電極22及び第1放熱用パターン25とされている。また、最下層に形成された導電層は、外部接続用電極23及び第2放熱用パターン26とされている。また、中間層には内層配線39及びグランド層41が形成されている。
本実施形態では、図中符号35Aで示す外部接続用ボールがマザーボード45のグランドに接続されている。また、外部接続用ボール35Aはビア24を介してグランド層41と接続されると共に、銅コアはんだボール18及び第1の基板10Bに形成されたビア48を介してグランド層40と接続されている。従って、グランド層40,41はグランド電位とされている。
ここで、グランド層40,41の配設位置に注目すると、グランド層40は半導体チップ15の上部位置に配設されており、グランド層41は半導体チップ15の下部に配設されている。更に、グランド層40,41の形成領域は、半導体チップ15の面積よりも広く形成されている(電子装置1Bの平面視した形状と略同一形状とされている)。
即ち、本実施形態による電子装置1Bは、半導体チップ15をグランド電位とされたグランド層40,41で挟み込んだ構成とされている。これにより、半導体チップ15として高周波を用いるチップを用いても、半導体チップ15からの放射をグランド層40,41でシールドすることができる。これにより、電子装置1Bがマザーボード45に実装された際、電子装置1Bからノイズが発生することはなく、よって電子装置1B近傍に実装される部品に悪影響が及ぶことを防止できる。
続いて、図5及び図6を参照し、上記構成とされた電子装置の製造方法について説明する。
尚、以下の説明においては、上記した電子装置1Aの製造方法を例に挙げて説明するものとする。また、図5及び図6においても、図3に示した構成と対応する構成については同一符号を付して、その説明を省略するものとする。
電子装置1Aを製造するには、先ず絶縁材よりなる基板本体11の両面に銅膜が形成された両面銅張り積層板を用意する。この銅膜が両面に形成された基板本体11に対し、これを貫通するビア14を形成する。更に、基板本体11の第1面10a及び第2面10bにレジスト材を配設すると共に、これにアンテナ12及び配線パターン13の形成位置を除きレジストを除去する。
続いて、このようにバターン形成されたレジストをマスクとして銅膜にエッチングを行うことにより、第1面10aにアンテナ12を、また第2面10bに配線パターン13を形成する。
図5(A)は、アンテナ12及び配線パターン13が形成された第1の基板10Aを示している。尚、前記のように図示の便宜上、各図では配線パターン13が複数の全てのバンプ16と接続されたように示すが、実際の配線パターン13は各バンプ16に対応して独立したパッドが形成されたパターンとなっている。
続いて、この第1の基板10Aに対し、半導体チップ15が搭載される。半導体チップ15の電極には予めバンプ16が形成されており、半導体チップ15は第1の基板10Aの第2面10bにフリップチップ接合される。第1の基板10Aに形成された配線パターン13には、半導体チップ15のバンプ16と接合するパッドが形成されている。バンプ16は、この配線パターン13に形成されたパッドに接合される。
これにより、半導体チップ15は配線パターン13に接続されると共に、ビア14を介してアンテナ12と接続される。また、半導体チップ15と第1の基板10Aとの接合信頼性を高めるため、半導体チップ15と第1の基板10Aとの間にアンダーフィル樹脂17が形成される。図5(B)は、半導体チップ15が第1の基板10Aに搭載された状態を示している。
半導体チップ15が第1の基板10Aに搭載されると、続いて第1の基板10Aに銅コアはんだボール18が配設される。配線パターン13には、銅コアはんだボール18が接続される接続パッドが形成されている。銅コアはんだボール18を第1の基板10Aに配設するには、先ずこの配線パターン13に形成された接続パッドにクリームはんだを塗布した後、その上部に銅コアはんだボール18を配設する。図5(C)は、銅コアはんだボール18が第1の基板10Aに配設された状態を示している。
尚、前記のように銅コアはんだボール18は銅コア18aの表面にはんだ膜18bを被膜した構成であるが、銅コア18aに代えて他の材質よりなるコアを用いることも可能である。
続いて、上記のように第1の基板10A上に配設された銅コアはんだボール18の上部に第2の基板20Aが配設される。この際、予め銅コアはんだボール18の上部にはクリームはんだが塗布されている。
第2の基板20Aは、前記した第1の基板10Aと同様に絶縁材よりなる基板本体21の両面に銅膜が形成された両面銅張り積層板から形成することができる。第2の基板20Aは、バンプ接合電極22、外部接続用電極23、第1放熱用パターン25、第2放熱用パターン26、ビア24、及びサーマルビア27が予め形成されるが、この形成方法は第1の基板10Aの製造方法で説明したと同様の手法により形成することができる。
上記のように銅コアはんだボール18を介して第1の基板10A上に第2の基板20Aが積層されると、続いてこの積層された第1及び第2の基板10A,20Aをリフロー装置に投入してリフロー処理を行う。これにより、クリームはんだに含まれたはんだ及び銅コアはんだボール18のはんだ膜18bが溶融し、銅コア18aは第1の基板10Aの配線パターン13、及び第2の基板20Aのバンプ接合電極22にはんだ付けされる。
この際、第1の基板10Aの第2面10bと第2の基板20Aの第1面20aとの離間距離は、銅コア18aの直径と等しい距離となる。よって、第1の基板10Aと第2の基板20Aとの間には、銅コア18aの直径に対応した離間距離とされた空間部28が形成される。図5(D)は、第1の基板10Aと第2の基板20Aが銅コアはんだボール18を介して積層された状態を示している。
続いて、積層された第1及び第2の基板10A,20Aは、図5(E)に示すように、金型31に装着される。金型31は上型31Aと下型31Bとにより構成されており、この上型31A及び下型31B内には積層された第1及び第2の基板10A,20Aを装着するキャビティが形成されている。また、第1及び第2の基板10A,20Aが装着された状態において、金型31の空間部28と連通する位置にはモールドゲート32が形成されている。
モールド樹脂30は、このモールドゲート32から金型31内に圧入される。前記のように、モールドゲート32は空間部28と連通しているため、モールドゲート32から導入されたモールド樹脂30は空間部28内に装填される。図5(E)は、モールド樹脂30が空間部28内に装填されている状態を示している。
尚、このモールド樹脂30の充填の際、金型31のモールドゲート32と対向する位置に吸引孔を形成しておき、この吸引孔から真空吸引を行いつつモールド樹脂30を金型31内に装填する構成としてもよい。この方法を用いることにより、モールド樹脂30の空間部28内への装填効率の向上を図ることができると共に、内部にボイドが発生することを防止できる。
空間部28内にモールド樹脂30が装填されると、第1及び第2の基板10A,20Aは金型31から離型される。図6(A)は、モールド樹脂30が形成され、金型31から離型された第1及び第2の基板10A,20Aを示している。その後、必要に応じてバリ取り処理や洗浄処理を行う。
続いて、図6(B)に示すように、第2の基板20Aの第2面20bに形成された外部接続用電極23に外部接続用ボール35を配設すると共に、第2放熱用パターン26に放熱用ボール36を配設する。これにより、図3に示す電子装置1Aが製造される。このように本実施形態による製造方法は、一般的な基板製造技術を利用して行うことができるため、設備インフラに要する費用を削減でき、製品コストの低減に寄与することができる。
以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は上記した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能なものである。
例えば、上記した実施例では電子素子として半導体チップ15を用いた例を示したが、第1の基板10Aに搭載されるチップは、半導体チップに限定されるものではなく、他の電子部品(例えば、キャパシタ、レジスタ、インダクタ等)であってもよい。
図1は、従来の一例である電子装置を示す断面図である。 図2は、従来の一例である電子装置をマザーボードに実装した状態を示す図である。 図3は、本発明の第1実施形態である電子装置を示す断面図である。 図4は、本発明の第2実施形態である電子装置を示す断面図である。 図5は、本発明の第1実施形態である電子装置の製造方法を説明するための図である(その1)。 図6は、本発明の第1実施形態である電子装置の製造方法を説明するための図である(その2)。
符号の説明
1A,1B 電子装置
10A,10B 第1の基板
11,21 基板本体
12 アンテナ
13 配線パターン
14 ビア
15 半導体チップ
16 バンプ
17 アンダーフィル樹脂
18 銅コアはんだボール
20A,20B 第2の基板
22 バンプ接合電極
23 外部接続用電極
24,48 ビア
25 第1放熱用パターン
26 第2放熱用パターン
27 サーマルビア
28 空間部
30 モールド樹脂
31 金型
35 外部接続用ボール
36 放熱用ボール
39 内層配線
40,41 グランド層

Claims (9)

  1. 電子素子と、
    一面にアンテナが形成されると共に他面に前記電子素子が搭載された第1の基板と、
    前記電子素子と対向するよう前記第1の基板を積層すると共に外部接続部が設けられた第2の基板と、
    前記第1の基板と前記第2の基板を電気的に接続する接続部材と、
    前記第1の基板と前記第2の基板の間に配設され、前記電子素子と前記接続部材とを封止する樹脂材とを有し、
    前記樹脂材に無機フィラーが含有されてなる電子装置。
  2. 前記無機フィラーは前記樹脂材の熱伝導率を高める材料である請求項1記載の電子装置。
  3. 前記樹脂材への前記無機フィラーの充填率を70%以上、90%以下とした請求項1又は2記載の電子装置。
  4. 前記無機フィラーの粒径を直径30μm以上、70μm以下とした請求項1乃至3のいずれか一項に記載の電子装置。
  5. 前記無機フィラーの材料を窒化アルミニウム、アルミナ、シリカ、又は炭化珪素とした請求項1乃至4のいずれか一項に記載の電子装置。
  6. 前記第1の基板又は第2の基板の少なくとも一方を多層配線基板とし、該多層基板内の内層の一層をグランド層とした請求項1乃至5のいずれか一項に記載の電子装置。
  7. 前記接続部材がはんだボールからなる請求項1乃至6のいずれか一項に記載の電子装置。
  8. 前記電子素子がフリップチップ接続により前記第1の基板に搭載されてなる請求項1乃至7のいずれか一項に記載の電子装置。
  9. 前記第2の基板の前記半導体素子と対向する位置にサーマルビアを設けてなる請求項1乃至8のいずれか一項に記載の電子装置。
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