JP7425587B2

JP7425587B2 - 電子制御装置

Info

Publication number: JP7425587B2
Application number: JP2019219469A
Authority: JP
Inventors: 壮志五十嵐
Original assignee: Hitachi Astemo Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2019-12-04
Filing date: 2019-12-04
Publication date: 2024-01-31
Anticipated expiration: 2039-12-04
Also published as: JP2021089968A

Description

本発明は、電子制御装置に関する。

近年、電子機器の小型化に対応するために、電子機器に搭載される半導体装置を基板に高密度に実装することが要求され、それに伴って半導体装置の高機能化、小型化が進んでいる。上述の要求を満たすべく提案されている半導体装置パッケージの一つが、ボール・グリッド・アレイパッケージ（以下、文中ではＢＧＡパッケージと表記）と呼ばれているものである（例えば、特許文献１参照）。これはパッケージの下部に、外部接続端子として、はんだボールを格子状に並べた電極形状を備えている。

特開2018-125370号公報

上述のＢＧＡパッケージを基板に実装して使用する際に、ＢＧＡパッケージと基板とのはんだ接続部に加わる熱的、機械的な変形応力が、はんだ接続寿命信頼性を低下させるという問題がある。

ここで、パッケージ外周部から外側へガルウィング形状に延びている金属端子を有するＱＦＰ（Quad Flat Package）等の従来パッケージにおいては、金属端子が変形することではんだ接続部に加わる変形応力が緩和されるため、はんだ接続寿命信頼性への影響を小さくすることが出来た。しかし、ＢＧＡパッケージ（半導体パッケージ）では、接続端子はボール形状であり、変形応力を緩和することは出来ない。

そこで本発明は、半導体パッケージと基板のランドとの間のはんだ接続の信頼性を向上することができる電子制御装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は、複数のはんだボールを有する半導体パッケージと、前記半導体パッケージが実装される基板と、を備え、前記基板は、前記半導体パッケージの角に最も近い第１はんだボールと、前記第１はんだボールに隣接し、かつ、前記複数のはんだボールのうち外周に位置する第２はんだボールと、前記第１はんだボールに隣接し、かつ、前記複数のはんだボールのうち外周に位置する第３はんだボールと、に接合されるランドを有し、前記ランドは、前記第１はんだボールと前記第２はんだボールとの間に配置され、前記半導体パッケージ側の前記ランドの面から前記半導体パッケージに向かって突き出るリブ状の第１突起と、前記第１はんだボールと前記第３はんだボールとの間に配置され、前記半導体パッケージ側の前記ランドの面から前記半導体パッケージに向かって突き出るリブ状の第２突起と、を有する。

本発明によれば、半導体パッケージと基板のランドとの間のはんだ接続の信頼性を向上することができる。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り明らかにされる。

本発明の実施形態１のパッケージを上面側から示した図である。本発明の実施形態１のパッケージの断面を示した図である。本発明の実施形態２のパッケージを上面側から示した図である。本発明の実施形態２のパッケージの断面を示した図である。本発明の実施形態３のパッケージを上面側から示した図である。本発明の実施形態３のパッケージの断面を示した図である。本発明の実施形態４のパッケージを上面側から示した図である。本発明の実施形態４のパッケージの断面を示した図である。

以下、実施形態１～４について図面を用いて説明する。

（実施形態１）
図１および図２に本発明の代表的な実施形態１を示す。なお図２は図１におけるＡ－Ａ断面図である。図１は本発明を適用したＢＧＡパッケージ１００およびプリント基板１７０を、パッケージ上面１０１からパッケージ下面１０２の方向に見た時の図である。ＢＧＡパッケージ１００は、半導体チップ１２０を腐食から保護することを目的として設定したモールド樹脂１１０と、半導体チップ１２０と電気的に接続するインターポーザ基板１３０と、インターポーザ基板１３０から外部へ電気的に接続する電極部１４０、１４１および１４２と、電極部１４０、１４１および１４２を電気的に保護するオーバーコート１５０から成る。

電極部１４０、１４１および１４２は電極部側面及び基板側の面がオーバーコート１５０で覆われている、はんだマスク定義パッド（ＳｏｌｄｅｒＭａｓｋＤｅｆｉｎｅｄパッド、以下ＳＭＤパッドと表記）となっている。ＢＧＡパッケージ１００は電極部１４０、１４１および１４２において、はんだボール１６０、１６１および１６２を介してプリント基板１７０上に設けられたランド１８０および１８１に電気的および機械的に接合されている。

ランド１８０および１８１はランド側面部及びパッケージ側の面の一部をレジスト１９０で覆われている、ＳＭＤパッドとなっている。また、ランド１８０は突起部１８５を持ち、はんだボール１６０と隣接するはんだボール１６１および１６３と電気的および機械的に接合されている。

換言すれば、電子制御装置（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）は、複数のはんだボール（１６０、１６１、１６２等）を有するＢＧＡパッケージ１００（半導体パッケージ）と、ＢＧＡパッケージ１００が実装されるプリント基板１７０（基板）と、を備える。プリント基板１７０は、ＢＧＡパッケージ１００の角に最も近いはんだボール１６０（第１はんだボール）と、はんだボール１６０に隣接し、かつ、複数のはんだボールのうち外周に位置するはんだボール１６１（第２はんだボール）と、はんだボール１６０に隣接し、かつ、複数のはんだボールのうち外周に位置するはんだボール１６３（第３はんだボール）と、に接合されるランド１８０を有する。

これにより、はんだクラックの発生しやすいコーナの３個のはんだボールとランドが一体化される。その結果、半導体パッケージと基板のランドとの間のはんだ接続の信頼性を向上することができる。

本実施形態では、ランド１８０の形状は、鉤状である。これにより、はんだクラックの発生しやすいコーナから外周に沿ってランドが一体化される。その結果、例えば、外周に沿ってクラックが進行しにくい。

また、ランド１８０は、突起部１８５（第１突起）と突起部１８６（第２突起）とを有する。突起部１８５（第１突起）は、はんだボール１６０（第１はんだボール）とはんだボール１６１（第２はんだボール）との間に配置され、ＢＧＡパッケージ１００（半導体パッケージ）に向かって突き出ている。突起部１８６（第２突起）は、はんだボール１６０（第１はんだボール）とはんだボール１６３（第３はんだボール）との間に配置され、ＢＧＡパッケージ１００に向かって突き出ている。これにより、プリント基板１７０に設けられるランド１８０の剛性が向上する。

すなわち、本実施形態によれば、ランド１８０は突起部１８５を持つため剛性が高くなり、外部からの応力印可に対し抵抗力を持つ。このため、ＢＧＡパッケージ１００の線膨張係数とプリント基板１７０の線膨張係数の差分に起因する変形応力が図２の系に印可された場合、ランド１８０ははんだボール１６０、１６１および１６３のすべてを伴って変形し、応力を分散することが可能であるため、結果的にはんだ接続寿命を長くすることが出来る。

なお、図１および図２で示した集積回路パッケージは例示的なものであり、例えばランド１８０の範囲をはんだボール１６０に隣接するはんだボール１６１および１６３だけでなく、はんだボール１６２や１６６への拡張も可能とする。

（実施形態２）
図３および図４に本発明の実施形態２を示す。なお図４は図３におけるＡ－Ａ断面図である。図３は本発明を適用したＢＧＡパッケージ２００およびプリント基板２７０を、パッケージ上面２０１からパッケージ下面２０２の方向に見た時の図である。ＢＧＡパッケージ２００は、半導体チップ２２０を腐食から保護することを目的として設定したモールド樹脂２１０と、半導体チップ２２０と電気的に接続するインターポーザ基板２３０と、インターポーザ基板２３０から外部へ電気的に接続する電極部２４０、２４１および２４２と、電極部２４０、２４１および２４２を電気的に保護するオーバーコート２５０から成る。

電極部２４０、２４１および２４２は電極部側面及び基板側の面がオーバーコート２５０で覆われている、ＳＭＤパッドとなっている。ＢＧＡパッケージ２００は電極部２４０、２４１および２４２において、はんだボール２６０、２６１および２６２を介してプリント基板２７０上に設けられたランド２８０および２８１に電気的および機械的に接合されている。ランド２８０および２８１はランド側面部及びパッケージ側の面の一部をレジスト２９０で覆われている、ＳＭＤパッドとなっている。また、ランド２８０は突起部２８５および２８６を持ち、はんだボール２６０と隣接するはんだボール２６１および２６３と電気的および機械的に接合されている。

換言すれば、ランド２８０は、突起部２８５（第１突起）と突起部２８７（第２突起）に加えて、突起部２８６（第３突起）と突起部２８８（第４突起）とを有する。突起部２８６（第３突起）は、はんだボール２６０（第１はんだボール）とはんだボール２６１（第２はんだボール）との間に配置され、ＢＧＡパッケージ２００（半導体パッケージ）に向かって突き出ている。突起部２８８（第４突起）は、はんだボール２６０（第１はんだボール）とはんだボール２６３（第３はんだボール）との間に配置され、ＢＧＡパッケージ２００に向かって突き出ている。これにより、プリント基板２７０に設けられるランド２８０の剛性がさらに向上する。

すなわち、本実施形態によれば、ランド２８０は突起部２８５および２８６のように突起部が複数あるため、ランド２８０は剛性がさらに高くなり、外部からの応力印可に対し抵抗力を持つ。このため、ＢＧＡパッケージ２００の線膨張係数とプリント基板２７０の線膨張係数の差分に起因する変形応力が図４の系に印可された場合、ランド２８０ははんだボール２６０、２６１および２６３のすべてを伴って変形し、応力を分散することが可能であるため、結果的にはんだ接続寿命を長くすることが出来る。

なお、図３および図４で示した集積回路パッケージは例示的なものであり、例えばランド２８０の範囲をはんだボール２６０に隣接するはんだボール２６１および２６３だけでなく、はんだボール２６２や２６６への拡張も可能とする。

本実施形態では、隣接する２つのはんだボールの間に配置される突起部（突起部２８５等）は２個であるが、３個以上であってもよい。なお、突起部は、例えば、ランド２８０の表面を削ることにより作成される。

（実施形態３）
図５および図６に本発明の実施形態３を示す。なお図６は図５におけるＡ－Ａ断面図である。図５は本発明を適用したＢＧＡパッケージ３００およびプリント基板３７０を、パッケージ上面３０１からパッケージ下面３０２の方向に見た時の図である。ＢＧＡパッケージ３００は、半導体チップ３２０を腐食から保護することを目的として設定したモールド樹脂３１０と、半導体チップ３２０と電気的に接続するインターポーザ基板３３０と、インターポーザ基板３３０から外部へ電気的に接続する電極部３４０、３４１および３４２と、電極部３４０、３４１および３４２を電気的に保護するオーバーコート３５０から成る。

電極部３４０、３４１および３４２は電極部側面及び基板側の面がオーバーコート３５０で覆われている、ＳＭＤパッドとなっている。ＢＧＡパッケージ３００は電極部３４０、３４１および３４２において、はんだボール３６０、３６１および３６２を介してプリント基板３７０上に設けられたランド３８０および３８１に電気的および機械的に接合されている。ランド３８０および３８１はランド側面部及びパッケージ側の面の一部をレジスト３９０で覆われている、ＳＭＤパッドとなっている。また、ランド３８０は突起部３８５を持ち、はんだボール３６３および３６４と電気的および機械的に接合されている。

換言すれば、ランド３８０は、はんだボール３６０（第１はんだボール）、はんだボール３６１（第２はんだボール）、及びはんだボール１６３（第３はんだボール）に隣接するはんだボール３６４（第４はんだボール）に接合される。これにより、プリント基板３７０に設けられるランド３８０の剛性がさらに向上する。

本実施形態では、ランド３８０の形状は、矩形状である。これにより、はんだクラックの発生しやすいコーナのランドが一体化される。その結果、例えば、ＢＧＡパッケージ１００の外周に沿ってクラックが進行しにくいだけでなく、その対角線に沿ってクラックが進行しにくい。

また、ランド３８０は、突起部３８５（第１突起）と突起部３８６（第２突起）に加えて、突起部３８７（第５突起）と突起部３８８（第６突起）とを有する。突起部３８７（第５突起）は、はんだボール３６１（第２はんだボール）とはんだボール３６４（第４はんだボール）との間に配置され、ＢＧＡパッケージ３００（半導体パッケージ）に向かって突き出ている。突起部３８８（第６突起）は、はんだボール３６３（第３はんだボール）とはんだボール３６４（第４はんだボール）との間に配置され、ＢＧＡパッケージ３００に向かって突き出ている。突起部３８５（第１突起）と突起部３８８（第６突起）は一体として連なり、突起部３８６（第２突起）と突起部３８７（第５突起）は一体として連なる。

これにより、プリント基板３７０に設けられるランド３８０の剛性がさらに向上する。なお、突起部３８５（第１突起）と突起部３８８（第６突起）とが一体化した部分と突起部３８６（第２突起）と突起部３８７（第５突起）とが一体化した部分は、俯瞰すると図５に示すように十字状である。

すなわち、本実施形態によれば、ランド３８０ははんだボール３６４のようなＢＧＡパッケージ３００の内周側のはんだボールと電気的および機械的に接続しているため、ランド３８０は剛性がさらに高くなり、外部からの応力印可に対し抵抗力を持つ。このため、ＢＧＡパッケージ３００の線膨張係数とプリント基板３７０の線膨張係数の差分に起因する変形応力が図６の系に印可された場合、ランド３８０ははんだボール３６０、３６１、３６３および３６４のすべてを伴って変形し、応力を分散することが可能であるため、結果的にはんだ接続寿命を長くすることが出来る。

なお、図５および図６で示した集積回路パッケージは例示的なものであり、例えばランド３８０の範囲をはんだボール３６０に隣接するはんだボール３６１、３６３および３６４だけでなく、はんだボール３６２、３６５、３６６、３６７および３６８への拡張も可能とする。

（実施形態４）
図７および図８に本発明の実施形態４を示す。なお図８は図７におけるＡ－Ａ断面図である。図７は本発明を適用したＢＧＡパッケージ４００およびプリント基板４７０を、パッケージ上面４０１からパッケージ下面４０２の方向に見た時の図である。ＢＧＡパッケージ４００は、半導体チップ４２０を腐食から保護することを目的として設定したモールド樹脂４１０と、半導体チップ４２０と電気的に接続するインターポーザ基板４３０と、インターポーザ基板４３０から外部へ電気的に接続する電極部４４０および４４１と、電極部４４０および４４１を電気的に保護するオーバーコート４５０から成る。

電極部４４０、４４１および電極部４４２は電極部側面及び基板側の面がオーバーコート４５０で覆われている、ＳＭＤパッドとなっている。ＢＧＡパッケージ１００は電極部４４０、４４１および４４２において、はんだボール４６０、４６１および４６２を介してプリント基板４７０上に設けられたランド４８０および４８１に電気的および機械的に接合されている。ランド４８０および４８１はランド側面部及びパッケージ側の面の一部をレジスト４９０で覆われている、ＳＭＤパッドとなっている。

本実施形態によれば、ランド４８０ははんだボール４６０、４６１および４６３と電気的および機械的に接続している。この場合でもランド４８０は剛性が従来よりも高くなり、外部からの応力印可に対し抵抗力を持つ。このため、ＢＧＡパッケージ４００の線膨張係数とプリント基板４７０の線膨張係数の差分に起因する変形応力が図８の系に印可された場合、ランド４８０ははんだボール４６０、４６１および４６３のすべてを伴って変形し、応力を分散することが可能であるため、結果的にはんだ接続寿命を長くすることが出来る。

なお、図７および図８で示した集積回路パッケージは例示的なものであり、例えばランド４８０の範囲をはんだボール４６０に隣接するはんだボール４６１および４６３だけでなく、はんだボール４６２や４６６への拡張も可能とする。

以上、本発明の位置実施形態について記述したが、本発明は前記実施形態に限定されるものでは無く、特許請求項の範囲に記載された発明の精神を逸脱しない範囲の設計において、種々の変更ができるものである。

例えば、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り、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、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

なお、本発明の実施形態は、以下の態様であってもよい。

（１）．半導体チップと、前記半導体チップを保護するモールド樹脂と、前記半導体チップと電気的に接続するインターポーザ基板と、前記インターポーザ基板から外部へ電気的に接続する電極部と、前記インターポーザ基板と接触し前記モールド樹脂と対となる前記電極部側の面に設定されたオーバーコートからなる半導体パッケージと、前記半導体パッケージの前記電極部とはんだボールを介して接続されるプリント基板とのはんだ接続構造において、前記半導体パッケージの外周角部の前記電極部と接続する前記プリント基板のランドが前記半導体パッケージの外周角部の前記電極部と隣接する前記半導体パッケージの外周の電極部とも前記はんだボールを介して接続しており、また前記ランド内に突起構造を持つことを特徴とする電子制御装置。

（２）．（１）の電子制御装置において、前記半導体パッケージの外周角部の前記電極部と接続する前記プリント基板のランド内に複数の突起構造を持つことを特徴とする電子制御装置。

（３）．（１）の電子制御装置において、前記半導体パッケージの外周角部の前記電極部と接続する前記プリント基板のランドが前記半導体パッケージの外周角部の前記電極部と隣接する前記半導体パッケージの外周及び内周電極部とも前記はんだボールを介して接続しており、また前記ランド内に突起構造を持つことを特徴とする電子制御装置。

（４）．（１）の電子制御装置において、前記半導体パッケージの外周角部の前記電極部と接続する前記プリント基板のランドが前記半導体パッケージの外周角部の前記電極部と隣接する前記半導体パッケージの外周の電極部とも前記はんだボールを介して接続していることを特徴とする電子制御装置。

（１）－（４）によれば、ＢＧＡパッケージのはんだ接続寿命信頼性を向上することができる。

１００ＢＧＡパッケージ
１０１パッケージ上面
１０２パッケージ下面
１１０モールド樹脂
１２０半導体チップ
１３０インターポーザ基板
１４０電極部
１４１電極部
１４２電極部
１５０オーバーコート
１６０はんだボール
１６１はんだボール
１６２はんだボール
１６３はんだボール
１６６はんだボール
１７０プリント基板
１８０ランド
１８１ランド
１８５突起部
１９０レジスト

Claims

複数のはんだボールを有する半導体パッケージと、
前記半導体パッケージが実装される基板と、を備え、
前記基板は、
前記半導体パッケージの角に最も近い第１はんだボールと、前記第１はんだボールに隣接し、かつ、前記複数のはんだボールのうち外周に位置する第２はんだボールと、前記第１はんだボールに隣接し、かつ、前記複数のはんだボールのうち外周に位置する第３はんだボールと、に接合されるランドを有し、
前記ランドは、
前記第１はんだボールと前記第２はんだボールとの間に配置され、前記半導体パッケージ側の前記ランドの面から前記半導体パッケージに向かって突き出るリブ状の第１突起と、
前記第１はんだボールと前記第３はんだボールとの間に配置され、前記半導体パッケージ側の前記ランドの面から前記半導体パッケージに向かって突き出るリブ状の第２突起と、を有する
ことを特徴とする電子制御装置。
請求項１に記載の電子制御装置であって、
前記第１突起と前記第２突起によって前記ランドの剛性が高められる
ことを特徴とする電子制御装置。
複数のはんだボールを有する半導体パッケージと、前記半導体パッケージが実装される基板と、を備え、前記基板は、前記半導体パッケージの角に最も近い第１はんだボールと、前記第１はんだボールに隣接し、かつ、前記複数のはんだボールのうち外周に位置する第２はんだボールと、前記第１はんだボールに隣接し、かつ、前記複数のはんだボールのうち外周に位置する第３はんだボールと、に接合されるランドを有する電子制御装置であって、
前記ランドは、
前記第１はんだボールと前記第２はんだボールとの間に配置され、前記半導体パッケージに向かって突き出る第３突起と、
前記第１はんだボールと前記第３はんだボールとの間に配置され、前記半導体パッケージに向かって突き出る第４突起と、を有する
ことを特徴とする電子制御装置。
請求項１に記載の電子制御装置であって、
前記ランドは、
前記第１はんだボール、前記第２はんだボール、及び第３はんだボールに隣接する第４はんだボールに接合される
ことを特徴とする電子制御装置。
請求項４に記載の電子制御装置であって、
前記ランドは、
前記第２はんだボールと前記第４はんだボールとの間に配置され、前記半導体パッケージに向かって突き出る第５突起と、
前記第３はんだボールと前記第４はんだボールとの間に配置され、前記半導体パッケージに向かって突き出る第６突起と、を有し、
前記第１突起と第６突起は一体として連なり、
前記第２突起と第５突起は一体として連なる
ことを特徴とする電子制御装置。
請求項１に記載の電子制御装置であって、
前記ランドの形状は、
鉤状である
ことを特徴とする電子制御装置。
請求項４に記載の電子制御装置であって、
前記ランドの形状は、
矩形状である
ことを特徴とする電子制御装置。