JPH11251497A - 電子回路モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の電子回路モジュールでは、基板の小型
化を図りつつ半導体素子の十分な放熱対策を行なうこと
が困難であった。 【解決手段】 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１ａを有する基板１と、基
板１の凹部１ａ底面から上面にかけて基板１を貫通し、
一端が基板１上面に形成した接続パッド６に接続されて
いる複数個の熱伝導部材５と、基板１の電子部品搭載部
に搭載されている電子部品４と、基板１の凹部１ａ内に
収容されている半導体素子３と、基板１の上面に搭載さ
れている電子部品４を覆う金属ケース２とから成り、金
属ケース２の内側に凸部２ａを形成するとともにその凸
部２ａを接続パッド６を介して熱伝導部材５に熱的に接
続した電子回路モジュールである。小型化を図りつつ半
導体素子３からの発熱を効率よく放散させることができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【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】

【課題を解決するための手段】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、前記金属ケースの内側に凸部を形
成するとともにこの凸部を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１
ａ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１
ｃ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１
ｂ）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、接続パッドに金属ケー
スの内側に形成した凸部を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
ース内側の凸部と基板上面の接続パッドとにより行なう
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)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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、前記金属ケースの内側に凸
   部を形成するとともに該凸部を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。