JP5413971B2 - 電子部品実装装置及びその製造方法 - Google Patents

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Description

[関連出願の記載]
本発明は、日本国特許出願:特願2007−188287号(2007年7月19日出願)の優先権主張に基づくものであり、同出願の全記載内容は引用をもって本書に組み込み記載されているものとする。
本発明は、電子部品実装装置に関し、特に複数の電子部品を3次元的に実装した電子部品実装装置及びその製造方法に関する。
電子機器の小型化かつ多機能化に伴い、電子部品の高密度実装の必要性から、半導体デバイス等の電子部品を積層方向に実装する3次元実装技術が開発されている。
図21に、特許文献1に係る3次元実装型半導体装置の概略断面図を示す。例えば、特許文献1に記載の3次元実装型半導体装置111においては、第1半導体デバイス112上に第2半導体デバイス114が積層されている。第1半導体デバイス112の第1面に形成されたはんだボール118と第1可撓性回路基板113a及び第2可撓性回路基板113bとが電気的に接続され、第1可撓性回路基板113aと第2可撓性回路基板113bは、第1半導体デバイス112に沿って折り曲げられ、第1半導体デバイス112の第2面に接着される。第2半導体デバイス114は、第1面のはんだボール119を介して第1半導体デバイス112の第2面上の第1可撓性回路基板113aと第2可撓性回路基板113bと電気的に接続される。
図22に、特許文献2に係る3次元半導体装置の概略断面図を示す。特許文献2に記載の3次元半導体装置131においては、複数の半導体パッケージ素子132が積層されて、多段接続されている。各半導体パッケージ素子132は、半導体デバイス133と、半導体デバイス133に接続され、半導体デバイス133の上方から側方に直角に折曲形成された金属箔からなるリードフレーム135と、半導体デバイス133とリードフレーム135とを接続するバンプ137及びパッド138と、リードフレーム135の内側と半導体デバイス133との間に設けられた内側熱可塑性樹脂134と、リードフレーム135の外側に設けられた外側熱可塑性樹脂136とで概略構成され、外側熱可塑性樹脂136の上面の両端部に多段接続用の開口部139を形成してリードフレーム135を露出させている。積層構造においては、開口部139に塗布された電気的接続材140を用いて、上側の半導体パッケージ素子132のリードフレーム135の端面と、下部の半導体パッケージ素子132のリードフレーム135の露出部分とが接続されている。
米国特許第6576992号明細書 特開2001−196504号公報
以上の特許文献1〜2の開示事項は、本書に引用をもって繰り込み記載されているものとする。以下に本発明による関連技術の分析を与える。
以下の分析は本発明の観点から与えられる。
半導体デバイスが高速で動作するCPU(中央演算処理装置)のような発熱量の大きい高温デバイスである場合には、通常、半導体パッケージの上部にヒートスプレッダが設けられており、ヒートスプレッダの表面及びその周囲の温度は一般的に80℃以上の高温となっている。したがって、特許文献1及び特許文献2に示すような3次元実装型半導体装置において、下段の半導体デバイスとして高温デバイスが使用されている場合、高温デバイス上に可撓性回路基板を介して実装される半導体デバイスは、ヒートスプレッダ上又はヒートスプレッダ近傍に配置されることになる。そのため、上段の半導体デバイスは、当然に高温に加熱された状態となる。上段の半導体デバイスが例えばメモリのような半導体デバイスである場合、一般的にメモリの動作保証温度は80℃以下であるので、高温環境によって動作不良を起こすおそれがある。
本発明の目的は、発熱量の大きい電子部品と熱的保護の必要性の高い電子部品とを積層することが可能な電子部品実装装置及びその製造方法を提供することである。
本発明の第1視点によれば、第1面に外部端子を有すると共に第2面にヒートスプレッダを有する第1電子部品と、第1電子部品の第2面方向に配置される少なくとも1つの第2電子部品と、第1電子部品の外部端子及び少なくとも1つの第2電子部品と電気的に接続されると共に、少なくとも1つの第2電子部品が接続された少なくとも一部が第1電子部品の第2面側に配される可撓性回路基板と、可撓性回路基板の少なくとも一部と第1電子部品の第2面との間の直接的熱伝導を防止するスペーサと、を備え、スペーサは、第1電子部品の第2面においてヒートスプレッダ面以外の部分に固定されている電子部品実装装置を提供する。
本発明の第2視点によれば、第1面に外部端子を有すると共に第2面にヒートスプレッダを有する第1電子部品の第2面上において、ヒートスプレッダ面以外の部分に、第2面上方に配される可撓性回路基板の少なくとも一部と第2面との間の直接的熱伝導を防止するスペーサを配設する工程と、外部端子と可撓性回路基板とを電気的に接続すると共に、可撓性回路基板を折り曲げて可撓性回路基板の一部をスペーサ上に配する工程と、スペーサ上にある可撓性回路基板部分に第2電子部品を電気的に接続する工程と、を含む電子部品実装装置の製造方法を提供する。
本発明の第3視点によれば、第1面に外部端子を有すると共に第2面にヒートスプレッダを有する第1電子部品の第2面上において、ヒートスプレッダ面以外の部分に、第2面上方に配される可撓性回路基板の少なくとも一部と第2面との間の直接的熱伝導を防止するスペーサを配設する工程と、外部端子と可撓性回路基板とを電気的に接続すると共に、第2電子部品と可撓性回路基板とを電気的に接続する工程と、可撓性回路基板を折り曲げて第2電子部品をスペーサ上に配する工程と、を含む電子部品実装装置の製造方法を提供する。
本発明において、「直接的熱伝導」とは、直接接触による熱伝導及び導体を介する熱伝導を意味するものとする。
本発明においては、第1電子部品と、第1電子部品上に搭載する第2電子部品との間にスペーサを介在させている。これにより、第1電子部品が発熱量の大きい部品であったとしても、第1電子部品の熱を第2電子部品に直接的に伝導することを防止することができるので、第2電子部品を熱的に保護することができる。
本発明の第1実施形態に係る電子部品実装装置の概略上面図。 図1に示すII−II線における電子部品実装装置の概略断面図。 図1に示すIII−III線における電子部品実装装置の概略断面図。 スペーサの形状の一例を示す電子部品実装装置の概略上面図。 スペーサの形状の一例を示す電子部品実装装置の概略上面図。 本発明の第1実施形態に係る電子部品実装装置の製造方法を説明するための概略工程図。 本発明の第2実施形態に係る電子部品実装装置の概略断面図。 本発明の第2実施形態に係る電子部品実装装置の製造方法を説明するための概略工程図。 本発明の第3実施形態に係る電子部品実装装置の概略上面図。 図9に示すX−X線における電子部品実装装置の概略断面図。 第3実施形態に係る電子部品実装装置の一例を示す概略上面図。 第3実施形態に係る電子部品実装装置の一例を示す概略上面図。 第3実施形態に係る電子部品実装装置の一例を示す概略上面図。 本発明の第4実施形態に係る電子部品実装装置の概略断面図。 本発明の第5実施形態に係る電子部品実装装置の概略断面図。 本発明の第6実施形態に係る電子部品実装装置の概略断面図。 本発明の第6実施形態に係る電子部品実装装置の概略断面図。 本発明の第7実施形態に係る電子部品実装装置の概略断面図。 実施例2に係る電子部品実装装置の概略断面図。 実施例1及び実施例2における比較例に係る電子部品実装装置の概略断面図。 特許文献1に係る3次元実装型半導体装置の概略断面図。 特許文献2に係る3次元半導体装置の概略断面図。
符号の説明
1,21,31,41,51,61,71,81,91 電子部品実装装置
2 第1電子部品
2a 第1面
2b 第2面
2c (第1)側面
2d 第2側面
3 可撓性回路基板
4、4a〜4h 第2電子部品
5 スペーサ
5a 開口
6 ヒートスプレッダ
7 ヒートシンク
8 はんだボール
9 はんだボール
10 はんだボール
11 接着剤
12 空隙
13 アンダーフィル樹脂
14 開口
25 スペーサ
25a 凹部ないし溝部
45 スペーサ
101 電子部品実装装置
102 第1電子部品
102a 第1面
102b 第2面
102c 側面
103 可撓性回路基板
104 第2電子部品
106 ヒートスプレッダ
107 ヒートシンク
108 はんだボール
109 はんだボール
110 はんだボール
111 接着剤
113 アンダーフィル樹脂
111 3次元実装型半導体装置
112 第1半導体デバイス
113a 第1可撓性回路基板
113b 第2可撓性回路基板
114 第2半導体デバイス
118 はんだボール
119 はんだボール
120 はんだボール
131 3次元半導体装置
132 半導体パッケージ素子
133 半導体デバイス
134 内側熱可塑性樹脂
135 リードフレーム
136 外側熱可塑性樹脂
137 バンプ
138 パッド
139 開口部
140 電気的接続材
上記第1視点の好ましい形態によれば、スペーサは、可撓性回路基板の少なくとも一部と第1電子部品の第2面との間に所定の空隙を与える。
上記第1視点の好ましい形態によれば、スペーサのうち少なくとも1つの第2電子部品を搭載する部分は、ヒートスプレッダと接触しないようにヒートスプレッダとの間に所定の空隙を介して延在している。
上記第1視点の好ましい形態によれば、スペーサは、ヒートスプレッダにヒートシンクを実装する領域以外は、第1電子部品の第2面を覆うような形状を有すると共に、第1電子部品との間で空隙の空気を流通させるための開口を形成する。
上記第1視点の好ましい形態によれば、スペーサは、ガラス、樹脂及びセラミックのうちの少なくとも1つから形成される。
上記第1視点の好ましい形態によれば、スペーサの熱伝導率は、1W/mK以下である。
上記第1視点の好ましい形態によれば、第1電子部品と第2電子部品とは、可撓性回路基板の異なる面に接続されている。
上記第1視点の好ましい形態によれば、スペーサは凹部又は溝部を有し、少なくとも1つの第2電子部品は、凹部又は溝部に収容されている。
上記第1視点の好ましい形態によれば、少なくとも1つの第2電子部品は、スペーサと接触していない。
上記第1視点の好ましい形態によれば、第1電子部品と第2電子部品とは、可撓性回路基板の同一面に接続されている。
上記第1視点の好ましい形態によれば、第1電子部品は、半導体素子を含む電子部品であり、少なくとも1つの第2電子部品は、半導体素子を含む電子部品又は受動部品である。
上記第1視点の好ましい形態によれば、可撓性回路基板は、第1電子部品とスペーサのうち少なくとも一方と接着剤によって接着されており、接着剤は、熱可塑性樹脂又は硬化前の状態の熱硬化性樹脂である。
本発明によれば、スペーサと第1電子部品のヒートスプレッダ間に空隙をさらに介在させることにより、第1電子部品及び第2電子部品の双方を空冷作用により冷却することができる。
また、本発明の電子部品実装装置をマザーボード(回路基板)又はモジュール基板に搭載すれば、電子部品の実装面積の削減及び部品間の接続距離を短縮することができ、これらの基板を搭載する電子機器の小型化及び高性能化を実現することができる。したがって、本発明によれば、小型かつ高性能な電子部品実装装置を実現することができる。
本発明の第1実施形態に係る電子部品実装装置について説明する。図1に、本発明の第1実施形態に係る電子部品実装装置の概略平面図を示し(但し、ヒートシンク及びスペーサの図示は省略)、図2に、図1に示すII−II線における本発明の電子部品実装装置の概略断面図を示し、図3に、図1に示すIII−III線における本発明の電子部品実装装置の概略断面図を示す。電子部品実装装置1は、第1電子部品2、可撓性回路基板3、第2電子部品4、ヒートシンク7、及びスペーサ5を備える。第1電子部品2は、第1面(能動面;例えば、はんだボール搭載面、回路形成面等の電気的接続面)2aに、外部端子(不図示)を有し、第1面2aの反対側の第2面2bに、ヒートスプレッダ(放熱板)6を有する。なお、図2及び図3においては、ヒートスプレッダ6は第1電子部品2の第2面2bと平面を形成するように第1電子部品に埋め込まれているが、ヒートスプレッダ6により第1電子部品2の第2面2bに凹凸が生じていても構わない。また、ヒートスプレッダ6は、第1電子部品2の発熱源と熱的に接続されていると好ましい。例えば、第1電子部品2がCPU等の半導体デバイスの場合、ヒートスプレッダ6は、第1電子部品2内部の半導体素子と熱的に接続されていると好ましい。
可撓性回路基板3は、外部端子(不図示)において第1電子部品2の第1面2aの外部端子(不図示)とはんだボール8を介して電気的に接続されている。また、可撓性回路基板3は、外部端子(不図示)において第2電子部品4a〜4dの外部端子(不図示)とはんだボール9を介して電気的に接続されている。可撓性回路基板3において第2電子部品4a〜4dが接続された部分が第1電子部品2の第2面2b側に配されるように、可撓性回路基板3は第1電子部品2の側面2cから第2面2b方向へ折り曲げられている。なお、図1においては、4つの第2電子部品4a〜4dを図示しているが、第2電子部品の個数は4つに限定されることなく、必要に応じて又は実装面積に応じて、適宜設定することができる。
第1電子部品2の第2面2b上にはスペーサ5が設けられ、可撓性回路基板3は、スペーサ5に沿って折り曲げられている。スペーサ5は、可撓性回路基板3がヒートスプレッダ6と直接的に接触しないように、第1電子部品2の第2面2bと可撓性回路基板3との間に介在している。第2電子部品4a〜4dは、可撓性回路基板3を介してスペーサ5上に配置されるように、スペーサに支持されている。
第1電子部品2と第2電子部品4a〜4dとは、可撓性回路基板3の異なる面に実装されており、可撓性回路基板3を折り曲げて第2電子部品4a〜4dを第1電子部品2の第2面2b上に配することにより、第1電子部品2と第2電子部品4a〜4dは、外部端子面(はんだボール形成面)が同じ方向を向くように実装される。
スペーサ5は、第1電子部品2の熱が第2電子部品4a〜4dへ伝導しないように、ヒートスプレッダ6及びヒートシンク7と接触しないように配置されると好ましい。したがって、スペーサ5は、第1電子部品2の第2面2bにおいてヒートスプレッダ6面以外の部分に固定されると好ましい。また、スペーサ5は図1に示すように断面L字上に形成して、第2電子部品4a〜4dを支持する部分が、ヒートスプレッダ6と接触しないように、ヒートスプレッダ6との間に所定の空隙12を介在させて延在すると好ましい。これにより、ヒートスプレッダ6と可撓性回路基板3との間には、空隙12とスペーサ5が介在することになり、第1電子部品2の熱がスペーサ5を介して第2電子部品4a〜4dへ伝導することを抑制することができると共に、空隙12における空冷作用により第1電子部品2及び第2電子部品4a〜4dの冷却効率を高めることもできる。したがって、スペーサ5の厚さは、厚いほうがより熱が伝導しにくくなるので、電子部品実装装置1の全体的な大きさが問題とならない範囲で厚くすると好ましい。また、スペーサ5とヒートスプレッダ6間の空隙12の大きさも、大きいほうがより熱伝導がしにくくなると共に空冷作用も高まるので、電子部品実装装置1の全体的な大きさが問題とならない範囲で大きくすると好ましい。
スペーサ5は、金属以外の材料で形成すると好ましく、断熱材料で形成するとより好ましい。特に、スペーサ5としては、熱伝導率が低いと共に、製造プロセスにおけるリフロー工程の条件(例えば、最大220℃〜260℃、60秒)下においても変質しない材料が好ましい。スペーサ5の材料としては、例えば、樹脂、ガラス、セラミックス等を使用することができる。スペーサ5の熱伝導率は、例えば1W/mK以下であるとより好ましい。また、スペーサ5は、第2電子部品4a〜4dを支持可能な程度の強度を有する。
本発明において、スペーサ5の熱伝導率は、レーザフラッシュ法によって測定する。その測定方法は、JIS規格に準拠する。例えば、スペーサ5の材質がファインセラミックスであれば、熱伝導率は、JISR1611に準拠して測定する。
スペーサ5の形状は、第1電子部品2上に第2電子部品の実装場所を確保できるような形状であればよく、実装する第2電子部品の大きさ及び数等に応じて適宜種々の形態に設定することができる。図4及び図5に、スペーサの形状の一例を示す電子部品実装装置の概略上面図を示す(但し、可撓性回路基板、第2電子部品及びヒートシンクの図示は省略してある)。
図4に示す例においては、スペーサ5は、第1電子部品2の第2面2bのうちヒートシンク7が配置される領域以外の領域を覆うように形成されている。すなわち、第2電子部品4a〜4dを実装する面には、ヒートシンク7を実装するための開口5aが形成され、図4に示すような上面図においてはヒートスプレッダ6の一部が露出されている。このとき、スペーサ5は、第1電子部品2の第2面2bのヒートスプレッダ6以外の部分に固定されると好ましい。また、図4に示すような上面形状を有するスペーサ5は、空隙12内の空気が流通するような形状であると好ましい。例えば、図2及び図3に示すように、第1電子部品2との間で対向する側面に開口14を形成するような逆溝状(断面がコの字状)のスペーサ5にすることができる。このような形状によれば、側面の開口14を通じて空隙12内の空気を流動させて(例えば、図3の断面図においては、空隙12の空気を左右方向に流通させて)、冷却効率を高めることができる。
また、図5に示す例においては、スペーサ5は、複数の要素から形成されており、例えば、可撓性回路基板3を第1電子部品2の第2面2b上に折り返す部分にのみ、又は第1電子部品2の第2面2b上に第2電子部品4a〜4dを積層する部分にのみ等、必要な領域のみに配置されるようにしてもよい。図5に示す例においても、スペーサ5は、ヒートスプレッダ6以外の第1電子部品2の第2面2b領域に固定されると好ましい。好ましくは、スペーサ5の形状は、図4又は図5に示すような上面投影において、面積ができるだけ大きくなるように設定する。
スペーサ5は、第1電子部品2の第2面2bには接着剤(不図示)によって固定されると好ましい。また、可撓性回路基板3は、第1電子部品2及びスペーサ5には接着剤11によって固定されると好ましい。いずれの接着剤も、熱伝導率が低くかつ耐熱性の絶縁性接着剤が好ましい。接着剤11としては、例えば、液状接着剤又はシート状接着剤を使用することができる。接着剤11として、熱硬化前の状態の熱硬化性樹脂シート(例えばエポキシ系樹脂)を使用すると、液状接着剤を使用する場合に比べて、厚さのむら(ばらつき)を低減することができ、第2電子部品4a〜4dを搭載する可撓性回路基板3面をより平坦にすることができる。また、接着剤11として、熱可塑性樹脂シート(例えば、変性ポリイミドとエポキシ樹脂との複合材料)を使用すると、接着剤11の厚さむらを改善できるだけではなく、接着剤11の熱硬化プロセス(キュア)が不要となるので、製造工程において接着時間を短縮でき(例えば、60分間程度必要であったのが10秒以下に短縮)、プロセスコストの削減及び第1電子部品2に加わる熱履歴の時間も短縮することができる。
第1電子部品2の第1面2aと可撓性回路基板3との間には、アンダーフィル樹脂13が充填されている。アンダーフィル樹脂13には、熱伝導率を高めるために、熱伝導率の高いフィラーを含有させると好ましい。例えば、アンダーフィル樹脂13の熱伝導率を3W/mK以上にすると好ましい。アンダーフィル樹脂13の熱伝導率を高めると、第1電子部品2の熱を第2面2b(ヒートスプレッダ6)側のみから放熱するのではなく、第1面2a側から外部端子を通じても放熱することができるようになる。これにより、第2電子部品4a〜4dの環境温度をより低下させることができる。
アンダーフィル樹脂13に含有させるフィラーとしては、セラミックスが好ましく、例えば、シリカ、アルミナ、窒化ホウ素、マグネシア、窒化アルミニウム、窒化ケイ素などが挙げられる。フィラー含有アンダーフィル樹脂13のフィラー含有率は、好ましくは、40質量%〜90質量%であり、その熱伝導率は、0.5W/mk〜3W/mkが好ましい。フィラーの形状及び寸法は特に限定されるものではないが、例えば、球状で、直径10μm〜100μmのフィラーを使用することができる。
ヒートスプレッダ6の露出面には、ヒートシンク7が、例えば導電性接着剤(不図示)によって接着されている。
可撓性回路基板3を構成する絶縁材料のうち、少なくとも1つは熱可塑性樹脂であると好ましい。熱可塑性樹脂を用いることにより、例えば第1電子部品2の熱によって弾性率が著しく低くなり(例えば数MPa〜数十MPa程度)、折り曲げやすくなるからである。例えば、第1電子部品2としてCPUのように外部端子数が多い(例えば500ピン以上)電子部品を使用し、第2電子部品として他の電子部品を使用した3次元実装型電子部品実装装置の場合、可撓性回路基板3は、配線層数が少なくとも2層以上の多層回路基板を使用する必要があるが、配線層数が増えると厚さが増すので、可撓性回路基板3は折り曲げが困難となる。したがって、多層回路基板の折り曲げを容易にするために、熱可塑性樹脂を使用すると好ましい。
また、可撓性回路基板3を構成する絶縁材料のうち、少なくとも1つは硬化前状態の熱硬化性樹脂であってもよい。熱硬化前の状態(Bステージ状態)の熱硬化性樹脂も熱可塑性樹脂と同様に弾性率が低い(100MPa以下)ので、可撓性回路基板を曲げやすくすることができる。
次に、本発明の第1実施形態に係る電子部品実装装置の製造方法について説明する。図6に、本発明の電子部品実装装置の製造方法を説明するための概略工程図を示す。
まず、第1電子部品2のヒートスプレッダ6側の面に、熱伝導率が低くかつ耐熱性の絶縁性接着剤(不図示)を用いてスペーサ5を接着する(図6(a))。次に、配線が形成されている可撓性回路基板3の外部端子(不図示)と、第1電子部品2に形成されているはんだボール8とを例えばリフロー法を用いて電気的に接続する(図6(b))。次に、可撓性回路基板3上に、可撓性回路基板3を第1電子部品2及びスペーサ5に接着するための接着剤11を付ける(図6(c))。次に、第1電子部品2の側面及びスペーサ5表面に沿って可撓性回路基板3を折り曲げて、可撓性回路基板3を第1電子部品2及びスペーサ5に貼り付ける(図6(d))。次に、第1電子部品2のはんだボール8形成面と可撓性回路基板3との間に、アンダーフィル樹脂13を充填し、熱硬化させる(図6(e))。次に、可撓性回路基板3上に、はんだボール10をリフローで形成する(図6(f))。次に、第2電子部品4をスペーサ5上の可撓性回路基板3面に配置し、リフローではんだ融着させる(図6(g))。最後に、ヒートシンク7をヒートスプレッダ6上に導電性接着剤(不図示)を用いて接着させて、電子部品実装装置を完成させる(図6(h))。
次に、本発明の第2実施形態に係る電子部品実装装置について説明する。図7に、本発明の第2実施形態に係る電子部品実装装置の概略平面図を示す。なお、図7においては、図1〜図3に示す要素と同じ要素には同じ符号を付してある。第1実施形態においては、第1電子部品2と第2電子部品4とは、可撓性回路基板3のそれぞれ異なる面に実装されていたが、第2実施形態においては、第1電子部品2と第2電子部品4は、可撓性回路基板3の同一面に実装されている。
このため、第2実施形態に係るスペーサ25の形態は、第1実施形態に係るスペーサの形態と異なっている。スペーサ25は、第2電子部品4を収容可能にすると共に、可撓性回路基板3を支持できるような、凹部ないし溝部25aを有する。スペーサ25は、全体が溝状(コの字又は凹の字)上となっていてもよいし、第2電子部品4を収容する部分にのみ凹部が形成されていてもよい。スペーサ25の凹部ないし溝部25aは、可撓性回路基板3で覆われたとしても閉ざされた空間にはならず、外部との空気の流通があるように構成すると好ましい。これにより、冷却効率を高めることができる。
可撓性回路基板3は、第1電子部品2の第1面2aから、第1電子部品2及びスペーサ25に沿って、第1電子部品2の第2面2bの方に折り曲げられる。可撓性回路基板3は、スペーサ25の凹部ないし溝部25a以外の部分によって支持され、可撓性回路基板3とスペーサ25によって第2電子部品4を収容する空間が形成される。第2電子部品4は、スペーサ25の凹部ないし溝部25a内に収容され、スペーサ25及び可撓性回路基板3によって囲まれる。第2電子部品4は、はんだボール9の形成面が第1電子部品2とは反対側を向くように配置される。第2電子部品4とスペーサ25との間には、第2電子部品4とスペーサ25が接触しないように、空隙12が設けられている。これにより、第1電子部品2の熱がスペーサ25を介して伝達されることを防止すると共に、放熱効果を高めることができる。
次に、本発明の第2実施形態に係る電子部品実装装置の製造方法について説明する。図8に、本発明の第2実施形態に係る電子部品実装装置の製造方法を説明するための概略工程図を示す。
まず、第1電子部品2に、凹部ないし溝部25aが形成されたスペーサ25を接着する(図8(a))。次に、可撓性回路基板3上に、所定の箇所、すなわち第1電子部品2及びスペーサ25と接着させる箇所に予めシート状の接着剤11(例えば熱可塑性樹脂)を貼り付ける(図8(b))。次に、可撓性回路基板3の同一面上に、第1電子部品2及び第2電子部品4をリフローで実装する(図8(c))。次に、第2電子部品4を接続した部分を第1電子部品2のヒートスプレッダ6側に配置するように、可撓性回路基板3を第1電子部品2及びスペーサ25に沿って折り曲げ、各表面に接着させる(図8(d))。このとき、第2電子部品4は、スペーサ25の凹部に収容されるが、スペーサ25とは接触しないようにする。次に、第1電子部品2のはんだボール8形成面と可撓性回路基板3との間にアンダーフィル樹脂13を充填し、熱硬化させる(図8(e))。次に、可撓性回路基板3において第1電子部品2を実装した面とは反対側の面に、はんだボール10をリフローで形成する(図8(f))。最後に、ヒートシンク7をヒートスプレッダ6に導電性接着剤(不図示)で接着し、電子部品実装装置21を完成させる(図8(g))。
第2実施形態に係る電子部品実装装置の製造方法においては、第1実施形態に係る製造方法に比べて、リフロー履歴を1回削減することができる。通常、例えばCPU等の半導体デバイスは、リフローの温度履歴によって特性が劣化する傾向がある。したがって、第2実施形態によれば、電子部品の信頼性を向上させることができる。
次に、本発明の第3実施形態に係る電子部品実装装置の製造方法について説明する。図9に、本発明の第3実施形態に係る電子部品実装装置の概略平面図を示し(但し、ヒートシンク及びスペーサの図示は省略)、図10に、図9に示すX−X線における本発明の電子部品実装装置の概略断面図を示す。なお、図9及び図10においては、図1〜図3に示す要素と同じ要素には同じ符号を付してある。第1実施形態においては、図2に示す断面において可撓性回路基板3は第1電子部品2の一方の側面2cのみに沿って折り曲げられているが、図9及び図10に示す第3実施形態においては、一方の第1側面2cのみからだけではなく、反対側の第2側面2dからも折り曲げてある。このとき、スペーサ5の形状は、例えば図4及び図5に示す形態のように、第1電子部品2の第2面2b上に折り曲げられた可撓性回路基板3を支持可能なものであればいずれの形態であってもよい。第2電子部品4a〜4hは、第1電子部品2の第2面2b上に折り曲げられた可撓性回路基板3部分に実装される。
第3実施形態によれば、第1電子部品上に第2電子部品を積層可能なスペースを広くすることができ、より多くの第2電子部品を積層することができる。
本発明の各実施形態において、可撓性回路基板の折り曲げ形態は、図9の形態に限定されることなく、ヒートシンク7の存在を考慮して種々の形態が可能である。例えば、可撓性回路基板の他の折り曲げ形態としては、図11〜図13に示すような折り曲げ形態が可能である。なお、図11〜13においては、ヒートシンク及びスペーサの図示は省略してある。図11に示す形態においては、隣接する2つの側面から第1電子部品2の第1面2a上に可撓性回路基板3は折り曲げられており、図12に示す形態においては、3つの側面から第1電子部品2の第1面2a上に可撓性回路基板3は折り曲げられており、図13に示す形態においては、すべての側面(4つの側面)から第1電子部品2の第1面2a上に可撓性回路基板3は折り曲げられている。このように、第1電子部品2上に積層する第2電子部品4の数、位置、大きさ等の条件に応じて、可撓性回路基板3の寸法、形状及び折り曲げ形態を適宜決定することができる。
なお、第3実施形態は、第1実施形態を基に説明したが、第2実施形態に第3実施形態を適用できることは言うまでもない。
次に、本発明の第4実施形態に係る電子部品実装装置について説明する。図14に、本発明の第4実施形態に係る電子部品実装装置の概略断面図を示す。第1実施形態においては、スペーサはヒートスプレッダ6と接触しないように、その断面はL字状になっており、スペーサとヒートスプレッダ6間には空隙12が存在していたが、第4実施形態に係る電子部品実装装置41においては、スペーサ45は、ヒートスプレッダ6面を含む第1電子部品2の第2面2bに固定されている。
第4実施形態によれば、スペーサ45は、ヒートスプレッダ6と接触しているが、この形態によっても第1電子部品2から第2電子部品4への直接的な熱伝導を防止することができる。また、第1実施形態に係るスペーサよりは体積が大きくなるのでスペーサ45の熱容量を大きくすることができると共に、第1電子部品2との接触面積が増大するので支持としての安定性を増大させることができる。
次に、本発明の第5実施形態に係る電子部品実装装置について説明する。図15に、本発明の第5実施形態に係る電子部品実装装置の概略断面図を示す。第1実施形態〜第4実施形態においては、第1電子部品の第2面に沿って(二次元方向に)複数の第2電子部品を実装する形態を示したが、第5実施形態として図15に示すように、複数の第2電子部品4a,4bは、(三次元方向に)積層して実装することもできる。本実施形態によれば、三次元方向の空間をより効率的に利用することができる。なお、第5実施形態は、第1実施形態を基に説明したが、第2〜4実施形態に第5実施形態を適用できることは言うまでもない。
次に、本発明の第6実施形態に係る電子部品実装装置について説明する。図16及び17に、本発明の第6実施形態に係る電子部品実装装置の概略断面図を示す。第1実施形態〜第5実施形態においては、第1電子部品上に複数の同種の第2電子部品を実装する形態を示したが、第6実施形態として図16及び図17に示すように異なる種の第2電子部品を第1電子部品上に実装してもよい。例えば、図16に示す形態のように、第2電子部品として、半導体デバイス4a,4bと受動部品4c〜4fとを第1電子部品2上に実装することができる。
第1電子部品2が例えばCPUの場合、瞬時の電圧低下等のスイッチングノイズを低減させるために、CPUの周囲にはデカップリングコンデンサを実装する必要がある。第6実施形態によれば、図16に示す第2電子部品4c〜4fのようにデカップリングコンデンサを実装すれば、デカップリングコンデンサの実装面積を減少させることができると共に、第1電子部品2としてのCPUのより近傍にデカップリングコンデンサを実装できるので効果的にノイズを低減させることができる。
また、第6実施形態は、図17に示すように、第2実施形態に係る電子部品実装装置にも適用することができる。なお、第6実施形態は、第1実施形態〜第3実施形態及び第5実施形態を基に説明したが、第4実施形態にも第6実施形態を適用できることは言うまでもない。
次に、本発明の第7実施形態に係る電子部品実装装置について説明する。図18に、本発明の第7実施形態に係る電子部品実装装置の概略断面図を示す。第1実施形態〜第6実施形態では、第1電子部品2と可撓性回路基板3との間にアンダーフィル樹脂13が充填された形態を図示したが、第7実施形態として図18に示すように、電子部品実装装置81はアンダーフィル樹脂を使用しない形態にすることも可能である。なお、第7実施形態は、第1実施形態を基に説明したが、第2実施形態〜第6実施形態にも第7実施形態を適用できることは言うまでもない。
上面が図11に示すような形態であり、中央付近の断面が図2に示すような形態を有する第1実施形態に係る電子部品実装装置を製造した。
本実施例においては、第1電子部品として、画像処理プロセッサチップを搭載したBGA(Ball Grid Array)タイプのパッケージ(外形寸法:38mm×38mm、消費電力7W、入出力端子数:約800ピン)を1つ使用した。また、第2電子部品としては、DDR−DRAMパッケージ(外形寸法:10mm×10mm、入出力端子数:約60ピン)を4つ使用した。
本実施例において使用したスペーサは、熱伝導率約0.36W/mkのガラスエポキシ樹脂(FR4)である。スペーサの形状は、図2に示すような逆溝状であり、また平面形状は図4に示すような形態であり、画像処理プロセッサパッケージに搭載したときに、ヒートスプレッダと接触しない形状となっている。また、スペーサと画像処理プロセッサパッケージ面間に形成する空隙の間隔は1mmとした。
本実施例において使用した可撓性回路基板は、厚さ25μmのポリイミド絶縁層の両面に厚さ12μmの銅箔パターンが形成されたフレキシブル基板である。この両面の銅箔パターン間はビアで接続されている。可撓性回路基板の両面には、BGAはんだボール搭載用外部端子を形成する箇所のみが開口された厚さ10μmのソルダーレジストが形成されており、BGAはんだボール搭載用外部端子箇所の表面には、厚さ3μmのNi膜とその上に厚さ0.5μmのAu膜がメッキ法で形成されている。また、画像処理プロセッサパッケージが実装される面の所定の一部(後に、画像処理プロセッサパッケージの側面及びスペーサの一部と接着させる部分)には、厚さ25μmの熱可塑性ポリイミド樹脂シートを貼り付けた。なお、図6に示す製造方法の説明においては、第1電子部品と可撓性回路基板とを接続した後に接着剤を貼付したが(図6(c)参照)、本実施例においては可撓性回路基板に予め接着剤シートを貼付した。
本実施例の製造方法について図6を参照しながら説明する。まず、画像処理プロセッサパッケージの第1面(ヒートスプレッダ設置面)に、スペーサを絶縁性接着剤で接着させた(図6(a)参照)。この絶縁性接着剤としては、ガラス転移温度が140℃と高く、リフロー工程の熱でも接着強度が劣化しないような耐熱性の高いエポキシ系接着材料を用いた。
次に、画像処理プロセッサパッケージとフレキシブル基板とをフリップチップ実装マウンタを用いて仮接続(フラックスによる接着)した。仮接続は、まず、フレキシブル基板をフリップチップ実装マウンタのステージ上に真空吸着で固定し、次に、フレキシブル基板の外部端子上にフラックスを塗布した後、画像処理プロセッサパッケージのBGAはんだボールとフレキシブル基板の外部端子とを実装マウンタに常備されているカメラによって位置あわせし、100g程度の低荷重をかけて実施した。なお、仮接続の際には加熱は実施していない。その後、フリップチップ実装マウンタから製品を取り出し、リフロー炉に投入することで画像処理プロセッサパッケージとフレキシブル基板とを接続した。次に、有機溶剤を用いてフラックス洗浄を行い、乾燥させた(図6(c)参照)。
次に、製品をヒーターステージに載せて約180℃に加熱しながら、フレキシブル基板を画像処理プロセッサパッケージの側面及びスペーサに沿って折り曲げて、加増処理プロセッサパッケージ及びスペーサに接着させた。次に、加熱と同時に約1Mpa程度の圧力を加えることにより、フレキシブル基板を画像処理プロセッサパッケージ及びスペーサに固定させた(図6(d)参照)。フレキシブル基板を、図11に示す形態になるように、画像処理プロセッサパッケージの隣接する2つの側面に沿って画像処理プロセッサパッケージの第1面側に折り曲げ、画像処理プロセッサパッケージの第1面上に張り出すような形態とした。
その後、エポキシ系樹脂を主成分としたアンダーフィル樹脂(熱伝導フィラー含有なし)を画像処理プロセッサパッケージとフレキシブル基板との間隙(BGAはんだボールの周囲)に充填し、アンダーフィル樹脂を熱硬化させた(図6(e)参照)。次に、アンダーフィル樹脂に面している面とは反対側のフレキシブル基板面上の外部端子上にはんだボールをボール転写法とリフロー工程によって形成した(図6(f)参照)。
次に、画像処理プロセッサパッケージ上に折り曲げた、スペーサ上のフレキシブル基板の外部端子上にフラックスを塗布し、画像処理プロセッサパッケージと同様にして、フリップチップ実装マウンタを用いて4つのDRAMパッケージをフレキシブル基板に仮接続した。その後、フリップチップ実装マウンタから製品を取り出し、リフロー炉に投入することでDRAMパッケージとフレキシブル基板とを接続し、有機溶剤を用いてフラックス洗浄を行い、乾燥させた(図6(g)参照)。最後に、画像処理プロセッサパッケージのヒートスプレッダ表面にAgフィラー入りの導電性接着剤を用いてヒートシンクを接着させ、3次元実装型半導体装置を完成させた(図6(h)参照)。
このようにして製造した3次元型電子部品実装装置において、画像処理プロセッサパッケージを動作させると、スペーサ上のフレキシブル基板に実装されているDRAMパッケージの表面温度が60℃〜70℃であり、環境温度をDRAMパッケージの動作保証温度(80℃)以下にすることができた。さらに、外部からファンを用いて空冷すれば、DRAMパッケージの表面温度を50℃〜60℃まで下げられることも確認できた。その結果、画像処理プロセッサパッケージの上に4つのDRAMパッケージを積層した画像処理モジュールとしての動作も確認できた。
図20に、本実施例の比較例に係る電子部品実装装置の概略断面図を示す。比較例に係る電子部品実装装置は、スペーサを用いずに、フレキシブル基板103を画像処理プロセッサパッケージ102の第2面102bに直接貼り付けていること以外は、本実施例に係る電子部品実装装置と同様である。なお、比較例においては、フレキシブル基板103は、画像処理プロセッサパッケージ102の第2面102bと接触する領域の約70%(面積)でヒートスプレッダ106と接触している。比較例に係る電子部品実装装置において、画像処理プロセッサパッケージ102を動作させると、DRAMパッケージの表面温度は85℃〜100℃であった。
これより、スペーサによる温度上昇抑制効果を確認することができた。
また4つのDRAMパッケージ(4つのDRAMパッケージの総面積:400mm)を画像処理プロセッサパッケージの上に3次元実装することにより、従来の平面実装タイプのモジュール構造よりも、パッケージ間の間隔となる実装領域約50mmも含めて実装面積を約450mm削減することができた。
中央付近の断面が図19に示すような形態を有する第2実施形態に係る電子部品実装装置を製造した。
本実施例においては、第1電子部品として、実施例1と同様の画像処理プロセッサパッケージを1つ使用した。第2電子部品としては、実施例1と同様のDRAMパッケージ8つの他に、容量100pFのチップコンデンサ(いわゆる1005タイプ:1.0mm×0.5mm)を16個使用した。DRAMパッケージは、図19に示すように2つずつ積層させるので、DRAMパッケージは4セット形成されることになる。可撓性回路基板としては、実施例1と同様のフレキシブル基板を使用した。
本実施例において使用したスペーサは、熱伝導率約0.36W/mkのガラスエポキシ樹脂(FR4)であり、機械加工によって予め形成された、第2電子部品を収容するための溝部を有する。また、スペーサと画像処理プロセッサパッケージ面間に形成する空隙の間隔は1mmとした。
本実施例の製造方法について図8を参照しながら説明する。まず、スペーサを画像処理プロセッサパッケージのヒートスプレッダ設置面に接着させた(図8(a)参照)。本実施例においては、実施例1とは異なり、スペーサは、ヒートスプレッダの露出面と非露出面の両方に接触している。使用した接着剤は、実施例1と同様である。
次に、画像処理プロセッサパッケージ、及びあらかじめリフロー法で2つのDRAMパッケージを3次元積層しておいたDRAM積層パッケージ(4セット)と、フレキシブル基板とを、実施例1と同様にしてフリップチップ実装マウンタを用いて仮接続した。次に、チップ実装マウンタを用いて、16個のチップコンデンサをフレキシブル基板にはんだペーストによって仮接続した。
次に、実装マウンタから製品を取り出し、リフロー炉に投入することで画像処理プロセッサパッケージ、DRAM積層パッケージ、及びチップコンデンサとFPCとを接続し、その後、有機溶剤を用いてフラックス洗浄を行い、乾燥させた(図8(c)参照)。
次に、実施例1と同様にサンプルをヒーターステージに載せ、約180℃に加熱しながら、フレキシブル基板を、画像処理プロセッサパッケージの対向する2つの側面及びスペーサに沿って画像処理プロセッサパッケージの第1面側に折り曲げ、画像処理プロセッサパッケージの第1面上に張り出すようにした。このとき、DRAM積層パッケージ及びチップコンデンサがスペーサの溝部に収まるようにして、フレキシブル基板とスペーサとを接着させた(図8(d)参照)。実施例2においては、フレキシブル基板は、図9に示すように、画像処理プロセッサパッケージの対向する側面から折り曲げた。
次に、実施例1と同様にして、アンダーフィル樹脂の充填及び熱硬化、はんだボールの形成、及びヒートシンクの接着を実施し、3次元型電子部品実装装置を完成させた(図8(e)〜(g)参照)。
このようにして製造した3次元実装型電子部品実装装置において、画像処理プロセッサパッケージを動作させると、DRAMパッケージの表面温度は、65℃〜75℃であり、DRAMパッケージの動作保証温度(80℃)以下にすることができた。さらに、外部からファンを用いて空冷すれば、DRAMパッケージの表面温度を55℃〜65℃まで下げられることも確認できた。
実施例1において説明したように、スペーサの無い構造では、DRAMパッケージの表面温度は85℃〜100℃であるので、スペーサによる温度上昇抑制効果を確認することができた。
さらに本実施例により、画像処理プロセッサパッケージの上に合計8つのDRAMパッケージを積層した画像処理モジュールとしての動作も確認できた。また、実施例1の3次元実装型電子部品実装装置と比べてメモリ容量を2倍に増やすことができた。さらに、8つのDRAMパッケージ(DRAMパッケージの総面積:800mm)を画像処理プロセッサパッケージの上に3次元実装することにより、従来の単体DRAMパッケージを平面実装したタイプのモジュール構造よりも、パッケージ間の間隔となる実装領域約100mmを含めて実装面積を約900mm削減することができた。また、DRAMパッケージの近傍にコンデンサを実装することにより、実施例1の3次元実装型電子部品実装装置よりもスイッチングノイズを低減することができた。
製造方法については、実施例1によれば、一般的に熱に弱い画像処理プロセッサパッケージのリフロー工程が3回必要であったのに対し、実施例2によれば2回で済むので、実施例1の構造と比べてより高い実装歩留まりを実現することができた。
本発明の半導体装置は、上記実施形態及び実施例に基づいて説明されているが、上記実施形態に限定されることなく、本発明の範囲内において、かつ本発明の基本的技術思想に基づいて、上記実施形態ないし実施例に対し種々の変形、変更及び改良を含むことができることはいうまでもない。また、本発明の請求の範囲の枠内において、種々の開示要素の多様な組み合わせ・置換ないし選択が可能である。
本発明のさらなる課題、目的及び展開形態は、請求の範囲を含む本発明の全開示事項からも明らかにされる。
本発明において、電子部品としては種々のものを使用することができ、例えば、CPU、アプリケーションプロセッサ、メモリ(DRAM、フラッシュメモリ、SRAM等)等の半導体デバイス(半導体素子、半導体パッケージ)やコンデンサ、抵抗、インダクタ等の受動部品を使用することができる。特に、本発明は、第1電子部品2として、CPUやアプリケーションプロセッサのような発熱量の大きい半導体デバイスを使用する形態に適している。
本発明の電子部品実装装置は、例えばマザーボード(回路基板)やモジュール基板に実装することができる。これにより、例えば、携帯電話機等のモバイル機器、パーソナルコンピュータ、カーナビゲーション、車載モジュール、ゲーム機等の種々の電子機器に適用して、電子機器の小型化、低コスト化、及び高性能化を実現することができる。

Claims (14)

  1. 第1面に外部端子を有すると共に第2面にヒートスプレッダを有する第1電子部品と、
    前記第1電子部品の前記第2面方向に配置される少なくとも1つの第2電子部品と、
    前記第1電子部品の前記外部端子及び前記少なくとも1つの第2電子部品と電気的に接続されると共に、前記少なくとも1つの第2電子部品が接続された少なくとも一部が前記第1電子部品の前記第2面側に配される可撓性回路基板と、
    前記可撓性回路基板の前記少なくとも一部と前記第1電子部品の前記第2面との間の直接的熱伝導を防止するスペーサと、を備え
    前記スペーサは、前記第1電子部品の前記第2面において前記ヒートスプレッダ面以外の部分に固定されていることを特徴とする電子部品実装装置。
  2. 前記スペーサは、前記可撓性回路基板の前記少なくとも一部と前記第1電子部品の前記第2面との間に所定の空隙を与えることを特徴とする請求項1に記載の電子部品実装装置。
  3. 前記スペーサのうち前記少なくとも1つの第2電子部品を搭載する部分は、前記ヒートスプレッダと接触しないように前記ヒートスプレッダとの間に所定の空隙を介して延在していることを特徴とする請求項1又は2に記載の電子部品実装装置。
  4. 前記スペーサは、前記ヒートスプレッダにヒートシンクを実装する領域以外は、前記第1電子部品の前記第2面を覆うような形状を有すると共に、前記第1電子部品との間で前記空隙の空気を流通させるための開口を形成することを特徴とする請求項に記載の電子部品実装装置。
  5. 前記スペーサは、ガラス、樹脂及びセラミックのうちの少なくとも1つから形成されることを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の電子部品実装装置。
  6. 前記スペーサの熱伝導率は、1W/mK以下であることを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の電子部品実装装置。
  7. 前記第1電子部品と前記第2電子部品とは、前記可撓性回路基板の異なる面に接続されていることを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の電子部品実装装置。
  8. 前記スペーサは凹部又は溝部を有し、
    前記少なくとも1つの第2電子部品は、前記凹部又は溝部に収容されていることを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の電子部品実装装置。
  9. 前記少なくとも1つの第2電子部品は、前記スペーサと接触していないことを特徴とする請求項に記載の電子部品実装装置。
  10. 前記第1電子部品と前記第2電子部品とは、前記可撓性回路基板の同一面に接続されていることを特徴とする請求項又はに記載の電子部品実装装置。
  11. 前記第1電子部品は、半導体素子を含む電子部品であり、
    前記少なくとも1つの第2電子部品は、半導体素子を含む電子部品又は受動部品であることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の電子部品実装装置。
  12. 前記可撓性回路基板は、前記第1電子部品と前記スペーサのうち少なくとも一方と接着剤によって接着されており、
    前記接着剤は、熱可塑性樹脂又は硬化前の状態の熱硬化性樹脂であることを特徴とする請求項1〜11のいずれか一項に記載の電子部品実装装置。
  13. 第1面に外部端子を有すると共に第2面にヒートスプレッダを有する第1電子部品の前記第2面上において、前記ヒートスプレッダ面以外の部分に、前記第2面上方に配される可撓性回路基板の少なくとも一部と前記第2面との間の直接的熱伝導を防止するスペーサを配設する工程と、
    前記外部端子と前記可撓性回路基板とを電気的に接続すると共に、前記可撓性回路基板を折り曲げて前記可撓性回路基板の一部を前記スペーサ上に配する工程と、
    前記スペーサ上にある前記可撓性回路基板部分に第2電子部品を電気的に接続する工程と、を含むことを特徴とする電子部品実装装置の製造方法。
  14. 第1面に外部端子を有すると共に第2面にヒートスプレッダを有する第1電子部品の前記第2面上において、前記ヒートスプレッダ面以外の部分に、前記第2面上方に配される可撓性回路基板の少なくとも一部と前記第2面との間の直接的熱伝導を防止するスペーサを配設する工程と、
    前記外部端子と前記可撓性回路基板とを電気的に接続すると共に、第2電子部品と前記可撓性回路基板とを電気的に接続する工程と、
    前記可撓性回路基板を折り曲げて前記第2電子部品を前記スペーサ上に配する工程と、を含むことを特徴とする電子部品実装装置の製造方法。
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