WO2020080525A1 - 半導体装置の製造方法およびスクリーン - Google Patents

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WO2020080525A1
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和樹 笹尾
克司 和田
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株式会社ソニー・インタラクティブエンタテインメント
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    • H05K3/1216Apparatus or processes for manufacturing printed circuits in which conductive material is applied to the insulating support in such a manner as to form the desired conductive pattern using thick film techniques, e.g. printing techniques to apply the conductive material or similar techniques for applying conductive paste or ink patterns by screen printing or stencil printing
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    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to surface mounting technology.
  • Electronic equipment includes a printed circuit board and electronic components mounted on the printed circuit board.
  • surface mount devices SMD: Surface Mount Device
  • chip inductors, chip resistors, chip capacitors, and transistors have become mainstream.
  • FIG. 1A shows a printed circuit board 10 before components are mounted.
  • Printed wiring (not shown) and pads (lands) 12 and 14 are formed on the first surface (leading mounting surface) S1 and the second surface S2 (backward mounting surface) of the printed circuit board 10.
  • the pads 12 and 14 are arranged at locations corresponding to the electrodes of the component, and the portions other than the pads 12 and 14 are covered with the resist 11.
  • a screen also referred to as a metal mask or a solder mask
  • An opening 22 is provided in the screen 20 at a position overlapping the pad 12 on the first surface S1 side.
  • cream solder (solder paste) 30 is applied from above the screen 20.
  • the screen 20 is removed as shown in FIG. 1D, the cream solder 32 remains only on the pad 12.
  • the component 40 is mounted on the first surface S1 by the mounter.
  • the cream solder 32 is sandwiched between the pads 12 and the electrodes E1 and E2 of the component 40.
  • the reflow process is performed to electrically and mechanically connect the component 40 and the substrate 10.
  • the printed circuit board 10 is inverted so that the second surface S2 faces upward.
  • the screen 50 is placed on the second surface S2.
  • An opening 52 is provided in the screen 50 at a position overlapping the pad 14 on the second surface S2 side.
  • cream solder 60 is applied from above the screen 50.
  • the screen 50 is removed as shown in FIG. 2D, the cream solder 62 remains only on the pad 14.
  • the component 70 is mounted on the second surface S2 by the mounter.
  • the cream solder 62 is sandwiched between the electrodes E1 and E2 of the component 70 and the pad 14.
  • the reflow process is performed to electrically and mechanically connect the component 70 and the substrate 10.
  • the printed circuit board 10 includes a plurality of wiring layers, and the different wiring layers are connected via vias.
  • the vias are usually arranged so as to avoid the positions of the pads, but they may be arranged in the pads when it is desired to enhance heat dissipation or reduce parasitic impedance.
  • the via arranged in the pad is called an in-pad via.
  • FIGS. 4 (a) to 4 (e) are diagrams for explaining component mounting on the second surface S2. is there.
  • FIG. 3 (a) shows the printed circuit board 10A before the components are mounted.
  • a pad (land) 16 and a via 17 in the pad are formed on the first surface (preceding mounting surface) S1 of the printed circuit board 10A.
  • the screen 20 is placed on the first surface S1 (FIG. 3 (b)), and then the cream solder 30 is applied from above the screen 20 (FIG. 3 (c)). Then, when the screen 20 is removed, the cream solder 32 remains on the pad 16 (FIG. 3D).
  • the component 40A is mounted on the first surface S1 by the mounter (FIG. 3 (e)).
  • the component 40A has a back surface electrode E3, and the cream solder 32 is sandwiched between the back surface electrode E3 and the pad 16.
  • reflow processing is performed, and the component 40A and the substrate 10 are electrically and mechanically connected.
  • part of the cream solder 32 penetrates the via 17 in the pad (through hole) and leaks from the second surface S2 side.
  • the solder leak 34 causes a mounting failure as described below.
  • FIGS. 4 (a) to 4 (e) the printed circuit board 10A is inverted so that the second surface S2 is on the upper side.
  • the screen 50 is placed on the second surface S2.
  • the screen 50 has an opening 52 where it overlaps with the pad 14.
  • FIG. 4C shows a state in which the screen 50 is removed.
  • the cream solder 62 is applied to an unintended area other than the pad 14.
  • Another approach is to fill the inside of the via hole with metal or resin in advance in the manufacturing process of the printed circuit board 10A to close the hole. According to this measure, it is possible to prevent the cream solder 30 from leaking to the second surface S2 side in the step of FIG. However, in this solution, the number of manufacturing steps of the printed circuit board 10A increases, so that the cost of the printed circuit board 10A increases.
  • the present invention has been made in view of the above problem, and one of the exemplary objects of a certain aspect thereof is to provide a surface mounting technique capable of solving the problem caused by the via in the pad.
  • the manufacturing method includes a first step of mounting the first component group on the first surface of the printed circuit board and a second step of mounting the second component group on the second surface of the printed circuit board.
  • the printed circuit board has in-pad vias.
  • the first step includes applying cream solder to the plurality of pads on the first surface, mounting the first component group on the first surface, and heating and cooling the printed circuit board.
  • the second step is a step of placing on the second surface a screen (metal mask) having openings at a plurality of pads on the second surface and having recesses at locations overlapping the vias in the pad.
  • the method includes the steps of applying cream solder from above and removing the screen, mounting the second component group on the second surface, and heating and cooling the printed circuit board.
  • Another aspect of the present invention is a screen.
  • This screen is used when mounting a component on a printed circuit board that has vias in the pad, and it has a plurality of openings provided at locations corresponding to the plurality of pads formed on the printed circuit board and the inside of the pad. And a concave portion provided at a portion overlapping with the via.
  • Yet another aspect of the present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device having a voltage stabilizing module.
  • the manufacturing method includes a first step of mounting a first component group including a power transistor on a first surface of a printed circuit board, and a second step of mounting a second component group including an inductor on a second surface of the printed circuit board. , Is provided.
  • the printed circuit board has an in-pad via provided at a position overlapping the back electrode of the power transistor.
  • the first step includes applying cream solder to the plurality of pads on the first surface, mounting the first component group on the first surface, and heating and cooling the printed circuit board.
  • the second step is to mount a screen having openings at a plurality of pads on the second surface and concave portions at positions overlapping with the vias in the pad on the second surface, and cream solder from above the screen. And removing the screen, mounting the second component group on the second surface, and heating and cooling the printed circuit board.
  • the problem caused by the via in the pad can be solved.
  • FIGS. 1A to 1E are cross-sectional views for explaining an assembly process of an electronic device.
  • 2A to 2E are cross-sectional views for explaining the assembly process of the electronic device.
  • FIGS. 3A to 3E are views for explaining component mounting on the first surface S1.
  • FIGS. 4A to 4E are views for explaining component mounting on the second surface S2.
  • 5A to 5E are views for explaining the method of manufacturing the electronic device according to the embodiment.
  • 6A to 6E are views for explaining the method of manufacturing the electronic device according to the embodiment.
  • It is a circuit diagram which shows the structural example of a multi-phase step-down DC / DC converter.
  • FIG. 9A is a layout diagram of the back electrode of the power module
  • FIG. 9B is a layout diagram of the back electrode of the inductor.
  • It is a layout diagram of a DC / DC converter according to a comparison technique.
  • 12A and 12B are layout diagrams of the DC / DC converter according to the example 1-1.
  • FIG. 6 is a diagram showing a wiring pattern of a DC / DC converter according to an example 1-1. It is the perspective view which looked at a DC / DC converter from the sub-mounting surface SB side.
  • 15A and 15B are cross-sectional views of the heat sink according to the first configuration example.
  • FIG. 16A and 16B are cross-sectional views of the heat sink according to the second configuration example.
  • 17A and 17B are layout diagrams of the DC / DC converter according to the embodiment 1-2.
  • FIG. 6 is a diagram showing a wiring pattern of a DC / DC converter according to Example 1-2.
  • 19A and 19B are layout diagrams of the DC / DC converter according to the example 1-3.
  • FIGS. 20A and 20B are layout diagrams of the DC / DC converter according to the example 1-4.
  • FIG. 7 is an equivalent circuit diagram of a DC / DC converter according to a second embodiment.
  • 22A and 22B are layout diagrams of the DC / DC converter according to the embodiment 2-1.
  • FIG. 6 is a diagram showing a wiring pattern of a DC / DC converter according to an example 2-1.
  • 24A and 24B are layout diagrams of the DC / DC converter according to the embodiment 2-2.
  • 25A and 25B are layout diagrams of the DC / DC converter according to the embodiment 2-3.
  • each member described in the drawings may be appropriately enlarged or reduced for easy understanding.
  • the dimensions of a plurality of members do not necessarily represent their magnitude relationship, and even if one member A is drawn thicker than another member B in the drawing, the member A is not shown. Can be thinner than.
  • FIGS. 5A to 5E and FIGS. 6A to 6E are diagrams for explaining the method for manufacturing the electronic device according to the embodiment.
  • FIGS. 5A to 5E and FIGS. 6A to 6E show an assembly process by surface mounting.
  • the component mounting on the first surface S1 will be described with reference to FIGS. 5 (a) to 5 (e).
  • the mounting on the first surface S1 is substantially the same as that of FIG. 3 as described below.
  • FIG. 5 (a) shows the printed circuit board 10B before components are mounted.
  • Several pads (lands) 12 and 16 are formed on the first surface (preceding mounting surface) S1 of the printed circuit board 10B.
  • An in-pad via 17 is formed in the pad 16.
  • Several pads 14 and 18 are similarly formed on the second surface (subsequent mounting surface) S2 of the printed circuit board 10B. Vias 19 in the pad are formed in the pad 18.
  • the screen 20 is placed on the first surface S1.
  • the screen 20 is provided with openings 22 and 24 at positions corresponding to the pads 12 and 16. Subsequently, the cream solder 30 is applied from above the screen 20 (FIG. 5C).
  • the parts 40 and 40A are mounted on the first surface S1 by the mounter (FIG. 5 (e)).
  • the cream solder 32 is sandwiched between the pads 12 and the electrodes E1 and E2 of the component 40.
  • the component 40A has a back surface electrode E3, and the cream solder 32 is sandwiched between the back surface electrode E3 and the pad 16. In this state, reflow processing is performed, and the component 40A and the substrate 10 are electrically and mechanically connected.
  • part of the cream solder 32 penetrates the pad via 17 (through hole) and leaks from the second surface S2 side.
  • FIGS. 6 (a) to 6 (e) the printed circuit board 10B is inverted so that the second surface S2 is on the upper side. Subsequently, as shown in FIG. 6B, the screen 50B is placed on the second surface S2.
  • the screen 50B has an opening 52 at a position overlapping the pad 14.
  • the screen 50 ⁇ / b> B is provided with a recess 56 at a position overlapping the via 19 in the pad. The recess 56 prevents the screen 50B from interfering with the solder leak 34, and allows the screen 50B to be in close contact with the second surface S2.
  • FIG. 6D shows a state in which the screen 50B is removed.
  • the cream solder 62 is applied only on the pads 14 and 18, and an excessive protrusion is suppressed.
  • the components 70 and 70A are mounted on the second surface S2 and subjected to reflow processing.
  • the electrodes E1 and E2 are electrically and mechanically connected to the pad 14.
  • the back surface electrode E3 and the pad 18 are electrically and mechanically connected to each other, and the semiconductor device 100 is assembled.
  • the above is the method for manufacturing the semiconductor device according to the embodiment.
  • the screen 50 used for applying the cream solder to the second surface S2 is provided with the concave portion 56 for avoiding interference with the solder leak 34. This can prevent the screen 50B from being displaced due to the solder leak 34, and can prevent the cream solder 60 from entering the gap between the screen 50B and the second surface S2.
  • solder leakage 64 may occur from the via 19 in the pad to the first surface S1 side, but the mounting of the component on the first surface S1 side is completed. Therefore, there is no adverse effect.
  • the manufacturing method according to the embodiment can be used in the manufacturing process of the DC / DC converter described below, and the component 40A mounted on the above-mentioned first surface S1 is described later and mounted on the first surface S1. It is associated with the power module 220.
  • DC / DC converters switching regulators
  • switching regulators are used to reduce the DC voltage supplied from a battery or inverter to a voltage level optimal for the load.
  • FIG. 7 is a circuit diagram showing a configuration example of a multi-phase step-down DC / DC converter.
  • the DC / DC converter 200 is composed of N phases (N ⁇ 2), and has an input line 202, an output line 204, N inductors L1_1 to L1_N, an input capacitor Ci, an output capacitor Co, a controller 210, and N power modules. 220_1 to 220_N.
  • a load (not shown) whose power consumption (load current I OUT ) dynamically changes is connected to the output line 204.
  • the DC / DC converter 200 receives the input voltage V IN of the input line 202, generates an output voltage V OUT stabilized at a predetermined level, and supplies the output voltage V OUT to a load.
  • An input capacitor Ci for stabilizing the input voltage V IN is connected to the input line 202, and an output capacitor Co for smoothing the output voltage V OUT is connected to the output line 204.
  • the power module 220 mainly includes a VIN pin, a PGND pin, a SW pin, a VCC pin, an AGND pin, and a PWM pin.
  • the power module 220 includes a high side switch (switching transistor) M1 provided between the VIN pin and the SW pin, a low side switch (synchronous rectification transistor transistor) M2 provided between the SW pin and the PGND pin, and a high side driver 222. , A low side driver 224 and a logic circuit 226.
  • the controller 210 receives the feedback signal V FB according to the output voltage V OUT , and generates the pulse signal S PWM whose duty ratio is adjusted so that the feedback signal V FB approaches the predetermined target voltage V REF , and N
  • the power modules 220_1 to 220_N are distributed to K power modules.
  • the pulse signals S PWM1 to S PWMK having a phase difference of (360 / K) degrees are distributed to the K power modules 220_1 to 220_K.
  • the components of the DC / DC converter 200 are mounted on a printed circuit board.
  • the inductors L1_1 to L1_N and the power modules 220_1 to 220_N which are the main components, are mounted on the same mounting surface.
  • the main constituent parts mentioned here are parts having a large occupied area and large current flows.
  • the area occupied by the DC / DC converter 200 increases. This means that the area of the printed circuit board becomes large, which may be a factor in increasing the cost.
  • the heat generation of the power modules 220_1 to 220_N is large, it is necessary to cool the power modules 220_1 to 220_N with a heat sink.
  • the plurality of power modules 220_1 to 220_N are arranged close to other components such as the plurality of inductors L1_1 to L1_N, the shape of the heat sink may be restricted by the other components and the cooling effect may be sacrificed.
  • One aspect of the present invention is understood as a layout or mounting technique of a DC / DC converter.
  • the function or equivalent circuit of the DC / DC converter is the same as in FIG.
  • a power module 220 common to some embodiments will be described.
  • the power module 220 itself is publicly known and is manufactured and sold by various IC makers.
  • the circuit configuration of the power module 220 is similar to that of FIG. 7, and includes a high side transistor M1, a low side transistor M2, a high side driver 222, a low side driver 224, and a logic circuit 226.
  • the power module 220 also includes an input (VIN) pin, a switching pin (SW), a ground pin (PGND, AGND), a power supply (VCC) pin, a control (PWM) pin, and the like.
  • the power module 220 includes a bootstrap circuit, various protection circuits, and a plurality of pins related to the bootstrap circuit and the like.
  • the power supply voltage V CC is supplied to each circuit block including the logic circuit 226 via the VCC pin.
  • the AGND pin is the ground for the high side driver 222, the low side driver 224, the logic circuit 226, and the like.
  • the direct current input voltage V IN is supplied to the VIN pin, and the PGND pin is the ground of the output stage.
  • the logic circuit 226 generates a high side pulse and a low side pulse according to the PWM signal S PWM input to the PWM pin.
  • the high-side driver 222 drives the high-side transistor M1 based on the high-side pulse
  • the low-side driver 224 drives the low-side transistor M2 based on the low-side pulse.
  • FIG. 9A is a layout diagram of the back electrode of the power module 220.
  • the power module 220 includes the VIN pin, the PGND pin, the SW pin, the VCC pin, and the AGND pin.
  • the VIN pin and the GND pin are relatively larger in area than other pads.
  • the PGND pin and the AGND pin also have a function as a thermal pad, they have a large area.
  • the PWM pin and other control pins are assigned to the remaining pins.
  • the layout of the back surface electrode in FIG. 9 is merely an example, and it goes without saying that it differs depending on the chip vendor and the product.
  • FIG. 9B is a layout diagram of the back surface electrode of the inductor L1.
  • the inductor L1 has a first electrode E1 and a second electrode E2 arranged in the center of two opposite sides.
  • One of the problems to be solved in this embodiment is improvement of layout. Therefore, first, a layout serving as a reference for comparison (hereinafter referred to as a comparison technique) will be described.
  • Recent electronic circuits are mounted using surface mounting technology (SDT: Surface Mount Technology).
  • SDT Surface Mount Technology
  • cream solder is applied to pads (lands) formed on a printed circuit board, components are mounted using a mounter, and reflow processing is performed.
  • the DC / DC converter is no exception, and therefore, in the comparative technique, basically all components are mounted on the main mounting surface.
  • FIG. 10 is a layout diagram of a DC / DC converter according to the comparative technique.
  • N 3.
  • the controller 210, the power modules 220_1 to 220_N, the input capacitor Ci, and the output capacitor Co (referred to as main components) are all laid out on the main mounting surface SA of the printed circuit board 300R.
  • the plurality of inductors L1_1 to L1_N are arranged side by side in the first direction (x direction) on the printed circuit board.
  • FIG. 11 is a diagram showing a wiring pattern of a printed circuit board 300R according to the comparative technique.
  • circles indicate via holes.
  • a plurality of pattern wirings (printed wirings) PTN1_1 to PTN1_3, PTN_2, PTN3_1 to PTN3_3, PTN4 are formed on the printed circuit board 300.
  • the first pattern wirings PTN1_1 to PTN1_3 correspond to the input lines 202_1 to 202_3 of FIG.
  • the second pattern wiring PTN2 is a ground plane and is formed commonly for all phases in order to minimize impedance.
  • An input capacitor Ci_ # is provided between the first pattern wiring PTN1_ # and the second pattern wiring PTN2.
  • the input capacitor Ci_ # may be an MLCC (multilayer ceramic capacitor), an electrolytic capacitor, or a combination thereof.
  • the third pattern wirings PTN3_1 to PTN3_3 are wirings that connect the SW pin of the power module 220 and one end of the inductor L1 in FIG.
  • the fourth pattern wiring PTN4 corresponds to the output line 204 in FIG.
  • the output capacitor Co (not shown in FIG. 11) of FIG. 7 is connected between the fourth pattern wiring PTN4 and the ground plane.
  • each of these pattern wirings PTN1 to PTN4 forms a multilayer wiring and is connected to the wiring of another wiring layer not shown in FIG. 11 via the via hole.
  • the layout according to the embodiment will be described.
  • at least one of the N power modules 220 is mounted on the sub-mounting surface SB of the printed circuit board 300 opposite to the main mounting surface SA.
  • some examples will be described.
  • 12A and 12B are layout diagrams of the DC / DC converter 200A according to the example 1-1.
  • 12A shows a perspective view
  • FIG. 12B shows a sectional view.
  • all the power modules 220_1 to 220_3 are mounted on the sub mounting surface SB.
  • the input capacitor Ci_ # is preferably connected in the immediate vicinity of the VIN pin of the power module 220_ #. Therefore, in the example 1-1, the input capacitor Ci_ # is also mounted on the sub mounting surface SB.
  • FIG. 13 is a diagram showing a wiring pattern of the DC / DC converter 200A according to the embodiment 1-1.
  • components mounted on the main mounting surface SA side are indicated by broken lines, and components mounted on the sub mounting surface SB side are indicated by chain double-dashed lines.
  • the functions of the pattern wirings PTN1 to PTN4 are the same as in FIG.
  • the pattern wirings PTN1 to PTN4 are multilayer wirings and are formed so as to overlap both surfaces (and intermediate wiring layers) of the main mounting surface SA and the sub mounting surface SB, and they are electrically connected to each other by via holes. .
  • the above is the configuration of the DC / DC converter 200A according to the embodiment 1-1.
  • a space margin is generated on the main mounting surface SA or the sub-mounting surface SB. The advantage of this will be described.
  • FIG. 14 is a perspective view of the DC / DC converter 200A as viewed from the sub-mounting surface SB side.
  • the DC / DC converter 200A includes a heat sink 240.
  • the heat sink 240 is in contact with the upper surfaces of the plurality of power modules 220_1 to 220_3 in common.
  • On the side of the sub-mounting surface SB since there are no components taller than the power module 220 around the power modules 220_1 to 220_N, a large heat sink 240 can be provided and cooling efficiency can be improved.
  • FIG. 15A and 15B are cross-sectional views of the heat sink 240A according to the first configuration example.
  • FIG. 15A shows a state in which the heat sink 240A is applied to Example 1-1
  • FIG. 15B shows a state in which the same heat sink 240A is applied to the comparative technique of FIG.
  • the heat sink 240A has a heat radiating portion 242 and a contact portion 244. An opening is provided in the heat dissipation portion 242, and a contact portion 244 is fitted in this opening. The contact portion 244 contacts the power module 220 to be cooled.
  • Example 1-1 in which the power module 220 is mounted on the sub-mounting surface SB, there is no tall component around the power module 220 as shown in FIG.
  • the portion 242 can be brought closer to the printed circuit board surface.
  • the height of the contact portion 244 in the Z direction can be reduced. This can reduce the thermal resistance and improve the cooling performance.
  • FIGS. 16A and 16B are cross-sectional views of the heat sink 240B according to the second configuration example.
  • the heat sink 240B is composed of a single heat radiating plate 246 and is provided with a convex portion 248 by drawing.
  • the heat radiating plate 246 is in contact with the surface of the power module 220 at the convex portion 248.
  • the heat sink 240B of FIG. 16 has a simpler structure than the heat sink 240A of FIG. 15, so that the cost can be reduced. Further, since no opening is required, the electromagnetic noise shielding performance is high and the EMC (Electro Magnetic Compatibility) can be improved.
  • EMC Electro Magnetic Compatibility
  • 17A and 17B are layout diagrams of the DC / DC converter 200B according to the embodiment 1-2.
  • 17A is a perspective view and FIG. 17B is a sectional view.
  • the N power modules 220_1 to 220_N are mounted alternately on the main mounting surface SA and the sub mounting surface SB.
  • FIG. 18 is a diagram showing a wiring pattern of the DC / DC converter 200B according to the embodiment 1-2.
  • components mounted on the main mounting surface SA side are indicated by broken lines, and components mounted on the sub mounting surface SB side are indicated by chain double-dashed lines.
  • the functions of the pattern wirings PTN1 to PTN4 are as described above.
  • the pattern wirings PTN1 to PTN4 are multilayer wirings and are formed so as to overlap both surfaces (and intermediate wiring layers) of the main mounting surface SA and the sub mounting surface SB, and they are electrically connected to each other by via holes. .
  • Example 1-2 the N power modules are paired with the first, second, third, fourth, ...
  • the two power modules 220_i and 220_j forming a pair are connected to a common input line (that is, a common first pattern wiring PTN1_i, j).
  • the input capacitors Ci_i, j can also be made common. That is, the input capacitor Ci_i, j on the main mounting surface SA side functions as an input capacitor of the power module 220_i, and at the same time, functions as an input capacitor of the power module 220_j on the sub mounting surface SB side, so that the effect of the input capacitor is doubled. can do. Alternatively, the number of capacitors required to obtain the same effect of the input capacitors can be reduced, and the cost can be reduced.
  • Example 1-3 19A and 19B are layout diagrams of the DC / DC converter 200D according to the example 1-3.
  • the chip size of the inductor of Example 1-2 is reduced.
  • a component with a small allowable current, that is, a small chip size can be selected, and the occupied area can be reduced.
  • Example 1-4 20A and 20B are layout diagrams of the DC / DC converter 200G according to the first to fourth embodiments.
  • Example 1-4 is a modification of Example 1-3 in the layout of the inductors. Specifically, each inductor L1_i is mounted on the same surface as the corresponding power module 220_i. As a result, the corresponding inductor L1_i and power module 220_i can be connected with low impedance.
  • the pair of inductors L1_1 and L1_2 is mounted so as to overlap both surfaces SA and SB of the printed circuit board 300G.
  • the pair of inductors L1_3 and L1_4 is mounted so as to overlap both surfaces SA and SB of the printed circuit board 300G.
  • the chip size can be reduced in an application in which the coil current flowing through the inductor L1 is small.
  • the coil current flowing through the inductor L1 is large, it is inevitable to select a component having a large allowable current and thus a large chip size, and the occupied size of the DC / DC converter is restricted by the chip size of the inductor.
  • the second embodiment will explain a technique of reducing the occupied size of the DC / DC converter in an application where the coil current is large.
  • FIG. 21 is an equivalent circuit diagram of the DC / DC converter 200C according to the second embodiment.
  • the inductance value of the inductor chip in the case of two parallels is 1/2 times that in the case of a single inductor chip.
  • the amount of current flowing through the inductor chip is 1/2 times that in the case of a single inductor chip.
  • the second embodiment by reducing the amount of current per chip, it is possible to select an inductor chip with a small current capacity and therefore a small package size. For example, in the case of adopting a 10 mm square inductor chip in the case of a single inductor chip, the technical idea of the second embodiment is introduced, and by adopting two parallels, a 6 mm square inductor chip is adopted. You can
  • Example 2-1 22A and 22B are layout diagrams of the DC / DC converter 200C according to the embodiment 2-1. 22 (a) is a perspective view and FIG. 22 (b) is a sectional view.
  • the two inductor chips L1_ # a and L1_ # b electrically connected in parallel are mounted on the main mounting surface SA and the sub mounting surface SB of the printed circuit board 300C so as to overlap each other.
  • Example 2-1 the N power modules 220_1 to 220_N are mounted on the main mounting surface SA and the sub mounting surface SB alternately, as in Example 1-2 of the first embodiment.
  • FIG. 23 is a diagram showing a wiring pattern of the DC / DC converter 200C according to the embodiment 2-1.
  • Example 2-1 the same effect as that of Example 1-2 can be obtained. That is, the input lines can be shared by the adjacent two phases, and the input capacitors Ci_i, j can also be shared.
  • Example 2-2 24A and 24B are layout diagrams of the DC / DC converter 200E according to the embodiment 2-2.
  • 24 (a) is a perspective view
  • FIG. 24 (b) is a sectional view.
  • the example 2-2 is common to the example 1-1 of FIG. 12 in that a plurality of power modules 220_1 to 220_4 are mounted on the sub mounting surface SB.
  • the input capacitor Ci is omitted in FIG. 24, it may be mounted on the sub-mounting surface SB as in Example 1-1.
  • the area occupied by the DC / DC converter 200E can be reduced, as in the embodiment 2-1.
  • 25A and 25B are layout diagrams of the DC / DC converter 200F according to the embodiment 2-3.
  • 25 (a) is a perspective view and FIG. 25 (b) is a sectional view.
  • the plurality of power modules 220_1 to 220_4 are all mounted on the main mounting surface SA side.
  • the area occupied by the DC / DC converter 200F can be reduced.
  • the inductor L1 for each phase is formed by connecting two inductor chips in parallel, but the number of chips is not limited to two, and may be three or more.
  • the inductor component and the resistance component of the input line 202 are as small as possible. Further, it is desirable that the PGND pin is also grounded with the smallest possible impedance.
  • a pad (land) for soldering a VIN pin is formed on the first pattern wiring PTN1, and a PGND pin is soldered on the second pattern wiring PTN2.
  • Pad (land) is formed.
  • a multilayer wiring is adopted and a large number of via holes are provided. To reduce the impedance as much as possible, it is necessary to form the via holes inside the pads (lands). To be done. Such a via hole is called an in-pad via.
  • the present invention relates to surface mounting technology.

Abstract

プリント基板はパッド内ビアを有する。第1ステップにおいて、プリント基板10Bの第1面S1に、第1部品群40が実装される。第2ステップで使用されるスクリーン50Bは、第2面S2の複数のパッド14の箇所に開口を有し、かつパッド内ビア17とオーバーラップする箇所に凹部56を有する。スクリーン50Bの上からクリーム半田60を塗布し、スクリーン50Bを外す。そして第2面S2に第2部品群70をマウントする。

Description

半導体装置の製造方法およびスクリーン
 本発明は、表面実装技術に関する。
 電子機器は、プリント基板と、プリント基板上に実装される電子部品を備える。近年では、チップインダクタ、チップ抵抗、チップコンデンサ、トランジスタなどの表面実装型の部品(SMD:Surface Mount Device)が主流となっている。
 図1(a)~(e)および図2(a)~(e)は、電子機器の組み立て工程を説明する断面図である。図1(a)には、部品が実装される前のプリント基板10が示される。プリント基板10の第1面(先行実装面)S1および第2面S2(後行実装面)には、プリント配線(不図示)や、パッド(ランド)12,14が形成されている。パッド12,14は、部品の電極と対応する箇所に配置され、パッド12,14以外の部分は、レジスト11によって覆われている。
 図1(b)に示すように、第1面S1の上に、スクリーン(メタルマスクあるいは半田マスクとも称する)20が載置される。スクリーン20には、第1面S1側のパッド12とオーバーラップする箇所に開口22が設けられる。続いて図1(c)に示すように、スクリーン20の上からクリーム半田(半田ペースト)30が塗布される。図1(d)に示すようにスクリーン20を取り外すと、パッド12の上にのみクリーム半田32が残留する。
 続いて図1(e)に示すように、マウンタによって第1面S1に部品40がマウントされる。部品40の電極E1,E2と、パッド12の間には、クリーム半田32が挟まれている。この状態でリフロー処理が行われ、部品40と基板10とが電気的、機械的に接続される。
 続いて、第2面S2への部品実装を説明する。図2(a)に示すようにプリント基板10は、第2面S2が上側となるように反転される。続いて図2(b)に示すように第2面S2の上にスクリーン50が載置される。スクリーン50には、第2面S2側のパッド14とオーバーラップする箇所に開口52が設けられる。続いて図2(c)に示すように、スクリーン50の上からクリーム半田60が塗布される。図2(d)に示すようにスクリーン50を取り外すと、パッド14の上にのみクリーム半田62が残留する。
 続いて図2(e)に示すように、マウンタによって第2面S2に部品70がマウントされる。部品70の電極E1,E2と、パッド14の間には、クリーム半田62が挟まれている。この状態でリフロー処理が行われ、部品70と基板10とが電気的、機械的に接続される。以上が表面実装の説明である。
 本発明者は表面実装について検討した結果、以下の課題を認識するに至った。プリント基板10は、複数の配線層を含み、異なる配線層の間はビアを介して接続される。ビアは、通常、パッドの位置を避けて配置されるが、放熱性を高めたり、寄生インピーダンスを削減したい場合には、パッド内に配置される場合もある。パッド内に配置されるビアを、パッド内ビアと称する。
 従来の表面実装では、先行実装面である第1面S1にパッド内ビアを形成することが困難であった。図3(a)~(e)は、第1面S1への部品実装を説明する図であり、図4(a)~(e)は、第2面S2への部品実装を説明する図である。
 図3(a)には、部品が実装される前のプリント基板10Aが示される。プリント基板10Aの第1面(先行実装面)S1には、パッド(ランド)16およびパッド内ビア17が形成される。
 第1面S1の上にスクリーン20が載置され(図3(b))、続いてスクリーン20の上からクリーム半田30が塗布される(図3(c))。そしてスクリーン20を取り外すと、パッド16の上にクリーム半田32が残留する(図3(d))。
 続いて、マウンタによって第1面S1に部品40Aがマウントされる(図3(e))。部品40Aは裏面電極E3を有し、裏面電極E3とパッド16の間には、クリーム半田32が挟まれている。この状態でリフロー処理が行われ、部品40Aと基板10とが電気的、機械的に接続される。この工程においてクリーム半田32の一部は、パッド内ビア17(スルーホール)を貫通し、第2面S2側から漏れ出る。この半田の漏れ34は、以下で説明するように実装不良を引き起こす。
 図4(a)~(e)を参照して第2面S2への部品実装を説明する。図4(a)に示すようにプリント基板10Aは、第2面S2が上側となるように反転される。続いて図4(b)に示すように第2面S2の上にスクリーン50が載置される。スクリーン50は、パッド14とオーバーラップする箇所に開口52を有する。
 そして図4(c)に示すようにスクリーン50の上からクリーム半田60が塗布される。図4(d)は、スクリーン50を取り外した状態を示す。クリーム半田62は、パッド14以外の意図しない領域に塗布されている。この状態で第2面S2に部品70をマウントし、リフロー処理にかけると、隣接するパッド14同士がクリーム半田62によってショートするなどの不良が生ずるおそれがある。
 以上が従来の表面実装の問題点である。先行実装面にパッド内ビアを形成したい場合、第2面の実装に、スクリーン印刷を用いず、ニードルディスペンサによって、パッド14の上に選択的にクリーム半田を塗布する方法が考えられる。この方法によれば、第1面S1へのクリーム半田30の影響を受けずに、第2面S2に部品を実装できる。しかしながら、ニードルディスペンサを用いたクリーム半田の塗布は、スクリーン印刷によるそれに比べてスループットが大幅に低下するため、第2面S2の部品点数が多い場合には採用できない。
 別のアプローチとして、プリント基板10Aの製造工程において、予めビアホールの内部を金属あるいは樹脂で充填して穴を塞ぐという対策が考えられる。この対策によれば、図3(e)の工程において、第2面S2側へのクリーム半田30の漏れを防止できる。しかしながらこの解決方法では、プリント基板10Aの製造工程が増えるため、プリント基板10Aのコストが高くなる。
 本発明は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、パッド内ビアに起因する問題を解決可能な表面実装技術の提供にある。
 本発明のある態様は、半導体装置の製造方法に関する。製造方法は、プリント基板の第1面に第1部品群を実装する第1ステップと、プリント基板の第2面に第2部品群を実装する第2ステップと、を備える。プリント基板はパッド内ビアを有する。第1ステップは、第1面の複数のパッドにクリーム半田を塗布するステップと、第1面に第1部品群にマウントするステップと、プリント基板を加熱、冷却するステップと、を含む。第2ステップは、第2面の複数のパッドの箇所に開口を有し、かつパッド内ビアとオーバーラップする箇所に凹部を有するスクリーン(メタルマスク)を、第2面に載せるステップと、スクリーンの上からクリーム半田を塗布し、スクリーンを外すステップと、第2面に第2部品群をマウントするステップと、プリント基板を過熱、冷却するステップと、を備える。
 本発明の別の態様は、スクリーンである。このスクリーンは、パッド内ビアを有するプリント基板に部品を実装する際に使用されるスクリーンであって、プリント基板に形成される複数のパッドと対応する箇所に設けられた複数の開口と、パッド内ビアとオーバーラップする箇所に設けられた凹部と、を備える。
 本発明のさらに別の態様は、電圧安定化モジュールを有する半導体装置の製造方法に関する。製造方法は、プリント基板の第1面に、パワートランジスタを含む第1部品群を実装する第1ステップと、プリント基板の第2面に、インダクタを含む第2部品群を実装する第2ステップと、を備える。プリント基板は、パワートランジスタの裏面電極とオーバーラップする箇所に設けられたパッド内ビアを有する。第1ステップは、第1面の複数のパッドにクリーム半田を塗布するステップと、第1面に第1部品群にマウントするステップと、プリント基板を加熱、冷却するステップと、を含む。第2ステップは、第2面の複数のパッドの箇所に開口を有し、かつパッド内ビアとオーバーラップする箇所に凹部を有するスクリーンを、第2面に載せるステップと、スクリーンの上からクリーム半田を塗布し、スクリーンを外すステップと、第2面に第2部品群をマウントするステップと、プリント基板を過熱、冷却するステップと、を備える。
 なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を、方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
 本発明によれば、パッド内ビアに起因する問題を解決できる。
図1(a)~(e)は、電子機器の組み立て工程を説明する断面図である。 図2(a)~(e)は、電子機器の組み立て工程を説明する断面図である。 図3(a)~(e)は、第1面S1への部品実装を説明する図である。 図4(a)~(e)は、第2面S2への部品実装を説明する図である。 図5(a)~(e)は、実施の形態に係る電子機器の製造方法を説明する図である。 図6(a)~(e)は、実施の形態に係る電子機器の製造方法を説明する図である。 マルチフェーズの降圧DC/DCコンバータの構成例を示す回路図である。 図8(a)~(c)はそれぞれ、K=2、3、4のときのスイッチング電圧Vsw1~Vsw4を示す波形図である。 図9(a)は、パワーモジュールの裏面電極のレイアウト図であり、図9(b)は、インダクタの裏面電極のレイアウト図である。 比較技術に係るDC/DCコンバータのレイアウト図である。 比較技術に係るプリント基板の配線パターンを示す図である。 図12(a)、(b)は、実施例1-1に係るDC/DCコンバータのレイアウト図である。 実施例1-1に係るDC/DCコンバータの配線パターンを示す図である。 DC/DCコンバータを副実装面SB側からみた斜視図である。 図15(a)、(b)は、第1構成例に係るヒートシンクの断面図である。 図16(a)、(b)は、第2構成例に係るヒートシンクの断面図である。 図17(a)、(b)は、実施例1-2に係るDC/DCコンバータのレイアウト図である。 実施例1-2に係るDC/DCコンバータの配線パターンを示す図である。 図19(a)、(b)は、実施例1-3に係るDC/DCコンバータのレイアウト図である。 図20(a)、(b)は、実施例1-4に係るDC/DCコンバータのレイアウト図である。 第2の実施の形態に係るDC/DCコンバータの等価回路図である。 図22(a)、(b)は、実施例2-1に係るDC/DCコンバータのレイアウト図である。 実施例2-1に係るDC/DCコンバータの配線パターンを示す図である。 図24(a)、(b)は、実施例2-2に係るDC/DCコンバータのレイアウト図である。 図25(a)、(b)は、実施例2-3に係るDC/DCコンバータのレイアウト図である。
 以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
 また図面に記載される各部材の寸法(厚み、長さ、幅など)は、理解の容易化のために適宜、拡大縮小されている場合がある。さらには複数の部材の寸法は、必ずしもそれらの大小関係を表しているとは限らず、図面上で、ある部材Aが、別の部材Bよりも厚く描かれていても、部材Aが部材Bよりも薄いこともあり得る。
 図5(a)~(e)および図6(a)~(e)は、実施の形態に係る電子機器の製造方法を説明する図である。図5(a)~(e)および図6(a)~(e)には、表面実装による組み立て工程が示される。
 図5(a)~(e)を参照して、第1面S1への部品実装を説明する。第1面S1への実装については、以下で説明するように図3と実質的に同様である。
 図5(a)には、部品が実装される前のプリント基板10Bが示される。プリント基板10Bの第1面(先行実装面)S1には、いくつかのパッド(ランド)12,16が形成される。パッド16には、パッド内ビア17が形成される。プリント基板10B第2面(後行実装面)S2にも同様に、いくつかのパッド14,18が形成される。パッド18には、パッド内ビア19が形成される。
 図5(b)に示すように、第1面S1の上にスクリーン20が載置される。スクリーン20には、パッド12,16に対応する箇所に、開口22,24が設けられる。続いてスクリーン20の上からクリーム半田30が塗布される(図5(c))。
 そしてスクリーン20を取り外すと、パッド12,16の上にクリーム半田32が残留する(図5(d))。
 続いて、マウンタによって第1面S1に部品40,40Aがマウントされる(図5(e))。部品40の電極E1,E2と、パッド12の間には、クリーム半田32が挟まれている。部品40Aは裏面電極E3を有し、裏面電極E3とパッド16の間には、クリーム半田32が挟まれている。この状態でリフロー処理が行われ、部品40Aと基板10とが電気的、機械的に接続される。
 この工程においてクリーム半田32の一部は、パッド内ビア17(スルーホール)を貫通し、第2面S2側から漏れ出る。
 続いて図6(a)~(e)を参照して第2面S2への部品実装を説明する。図6(a)に示すようにプリント基板10Bは、第2面S2が上側となるように反転される。続いて図6(b)に示すように、第2面S2の上に、スクリーン50Bが載置される。
 本実施の形態において、スクリーン50Bは、パッド14とオーバーラップする箇所に開口52を有する。それに加えてスクリーン50Bには、パッド内ビア19とオーバーラップする箇所に、凹部56が設けられている。この凹部56によって、スクリーン50Bが半田の漏れ34と干渉しないようになっており、スクリーン50Bを第2面S2に密着させることが可能となる。
 図6(d)は、スクリーン50Bを取り外した状態を示す。クリーム半田62は、パッド14、18の上にのみ塗布されており、余計なはみ出しが抑えられている。
 続いて図6(e)のように、第2面S2に部品70,70Aがマウントされ、リフロー処理にかけられる。これにより部品70に関して、電極E1,E2がパッド14と電気的、機械的に接続される。また部品70Aに関しても、裏面電極E3とパッド18とが電気的、機械的に接続され、半導体装置100が組み立てられる。
 以上が実施の形態に係る半導体装置の製造方法である。
 このように、本実施の形態によれば、第2面S2にクリーム半田を塗布する際に用いるスクリーン50に、半田の漏れ34との干渉を避けるための凹部56を設けることとした。これにより、半田の漏れ34によるスクリーン50Bの位置ズレを防止でき、またスクリーン50Bと第2面S2の間のギャップにクリーム半田60が侵入するのを防止できる。
 なお第2面S2に部品70Aを実装する際に、パッド内ビア19から第1面S1側にも、半田の漏れ64が生じうるが、第1面S1側の部品の実装は完了しているため、悪影響はない。
 続いて、実施の形態に係る製造方法の用途を説明する。実施の形態に係る製造方法は、以下で説明するDC/DCコンバータの製造工程に利用可能であり、上述の第1面S1に実装される部品40Aは、第1面S1に実装される後述のパワーモジュール220に対応付けられる。
 パーソナルコンピュータやゲーム専用機などの電子機器において、電池、あるいはインバータから供給される直流電圧を、負荷に最適な電圧レベルに降圧するDC/DCコンバータ(スイッチングレギュレータ)が利用される。
 図7は、マルチフェーズの降圧DC/DCコンバータの構成例を示す回路図である。DC/DCコンバータ200は、Nフェーズ(N≧2)で構成され、入力ライン202、出力ライン204、N個のインダクタL1_1~L1_N、入力キャパシタCi、出力キャパシタCo、コントローラ210、N個のパワーモジュール220_1~220_Nを備える。
 出力ライン204には、消費電力(負荷電流IOUT)がダイナミックに変化する負荷(不図示)が接続される。DC/DCコンバータ200は、入力ライン202の入力電圧VINを受け、所定レベルに安定化された出力電圧VOUTを生成し、負荷に供給する。入力ライン202には、入力電圧VINを安定化させるための入力キャパシタCiが接続され、出力ライン204には、出力電圧VOUTを平滑化するための出力キャパシタCoが接続される。
 パワーモジュール220は、主として、VINピン、PGNDピン、SWピン、VCCピン、AGNDピン、PWMピンを備える。パワーモジュール220は、VINピンとSWピンの間に設けられたハイサイドスイッチ(スイッチングトランジスタ)M1と、SWピンとPGNDピンの間に設けられたローサイドスイッチ(同期整流トランジスタトランジスタ)M2と、ハイサイドドライバ222、ローサイドドライバ224、ロジック回路226を含む。
 コントローラ210は、複数のインダクタL1_1~L1_Nそれぞれに流れる電流あるいは負荷電流IOUTを監視し、駆動フェーズ数Kを決定する。たとえばN=4の場合、Kは、1,2,3,4の4つの値(あるいは1,2,4の3つの値)から選択可能とされる。
 またコントローラ210は、出力電圧VOUTに応じたフィードバック信号VFBを受け、フィードバック信号VFBが所定の目標電圧VREFに近づくように、デューティ比が調節されるパルス信号SPWMを生成し、N個のパワーモジュール220_1~220_Nのうち、K個に分配する。K個のパワーモジュール220_1~220_Kには、(360/K)度の位相差を有するパルス信号SPWM1~SPWMKが分配される。
 以上がDC/DCコンバータ200の構成である。続いてその動作を説明する。ここではM=4であり、駆動フェーズ数Kは2、3、4を取りうる場合を説明する。図8(a)~(c)はそれぞれ、K=2、3、4のときのスイッチング電圧Vsw1~Vsw4を示す波形図である。
 DC/DCコンバータ200の構成部品はプリント基板上に実装される。従来のDC/DCコンバータ200は、主要な構成部品であるインダクタL1_1~L1_N、パワーモジュール220_1~220_Nが、同一実装面にマウントされていた。ここでいう主要な構成部品とは、専有面積が大きく、また大電流が流れる部品である。
 主要な構成部品を同一実装面に実装すると、DC/DCコンバータ200の専有面積が大きくなる。これはプリント基板の面積が大きくなることを意味し、コストアップの一因となり得る。
 また、複数のパワーモジュール220_1~220_Nの発熱が大きいアプリケーションでは、複数のパワーモジュール220_1~220_Nをヒートシンクで冷却する必要がある。ところが複数のパワーモジュール220_1~220_Nが、複数のインダクタL1_1~L1_Nなどの他の部品と近接配置すると、ヒートシンクの形状が、他の部品によって制約され、冷却効果が犠牲になるおそれがある。
 反対に、冷却効果を優先してレイアウトを決めると、パワーモジュールとインダクタの距離が遠くなり、DC/DCコンバータ200の専有面積が大きくなり、コストアップの要因となりうる。
(第1の実施の形態)
 本発明の一側面は、DC/DCコンバータのレイアウトあるいは実装技術として把握される。本実施の形態において、DC/DCコンバータの機能あるいは等価回路については、図7と同様である。
 いくつかの実施例で共通となるパワーモジュール220について説明する。パワーモジュール220自体は、公知であり、さまざまなICメーカによって製造・販売されている。
 パワーモジュール220の回路構成は、図7と同様であり、ハイサイドトランジスタM1、ローサイドトランジスタM2、ハイサイドドライバ222、ローサイドドライバ224、ロジック回路226を備える。またパワーモジュール220は、入力(VIN)ピン、スイッチングピン(SW)、グランドピン(PGND,AGND)、電源(VCC)ピン、制御(PWM)ピンなどを備える。なお、パワーモジュール220は、ブートストラップ回路や、各種保護回路などを備え、またそれらに関連する複数のピンを備えるが、本発明と無関係であるため図示せず、説明を省略する。
 ロジック回路226をはじめとする各回路ブロックには、VCCピンを介して電源電圧VCCが供給される。AGNDピンは、ハイサイドドライバ222、ローサイドドライバ224、ロジック回路226等のグランドである。VINピンには、直流の入力電圧VINが供給され、PGNDピンは、出力段のグランドである。
 ロジック回路226は、PWMピンに入力されるPWM信号SPWMに応じて、ハイサイドパルス、ローサイドパルスを生成する。ハイサイドドライバ222はハイサイドパルスにもとづいてハイサイドトランジスタM1を駆動し、ローサイドドライバ224は、ローサイドパルスにもとづいてローサイドトランジスタM2を駆動する。
 続いて主要な回路部品のパッケージのピン配置を説明する。図9(a)は、パワーモジュール220の裏面電極のレイアウト図である。上述のようパワーモジュール220は、VINピン、PGNDピン、SWピン、VCCピン、AGNDピンを備える。この中で、VINピンとGNDピンは、相対的に他のパッドよりも面積が大きい。特にPGNDピン、AGNDピンはサーマルパッドとしての機能も有するため、面積が大きい。PWMピンやその他の制御ピンは、残りのピンに割り当てられる。なお、図9の裏面電極のレイアウトは例示に過ぎず、チップベンダーや製品ごとに異なることは言うまでもない。
 図9(b)は、インダクタL1の裏面電極のレイアウト図である。インダクタL1は、対向する2辺の中央に配置された第1電極E1と第2電極E2を有する。
 本実施の形態において解決しようとする課題のひとつは、レイアウトの改善である。そこではじめに、比較の基準となるレイアウト(以下、比較技術という)について説明する。
 近年の電子回路は、表面実装技術(SDT:Surface Mount Technology)を用いて実装される。表面実装では、プリント基板上に形成されたパッド(ランド)に、クリーム半田を塗布し、マウンタを用いて部品を実装し、リフロー処理を行う。
 プリント基板の両面に表面実装により部品を実装する場合、一方の面(先行実装面)に部品を実装する。続いて、プリント基板を裏返した後に、他方の面(後行実装面)に部品を実装する。後行実装面をリフロー処理すると、先行実装面の半田が再加熱される。先行実装面に実装済みの部品が重かったり大きかったりすると、実装済みの部品が位置ズレを起こしたり、落下するおそれがある。この理由から、先行実装面に実装できる部品には、大きさや重さに制約があり、したがって先行実装面が副実装面となるのが一般的である。つまり副実装面には、相対的に少ない部品、軽い部品、小さい部品が実装され、主実装面には、相対的に多くの部品、重い部品、大きな部品が実装される。DC/DCコンバータについても例外ではなく、よって比較技術においても基本的にはすべての部品が主実装面に実装される。
 図10は、比較技術に係るDC/DCコンバータのレイアウト図である。この例では、N=3とする。コントローラ210、パワーモジュール220_1~220_N、入力キャパシタCi、出力キャパシタCo(主要構成部品という)はすべて、プリント基板300Rの主実装面SAにレイアウトされている。
 複数のインダクタL1_1~L1_Nは、プリント基板上の第1方向(x方向)に並べて配置される。パワーモジュール220_#(#=1,2…N)は、対応するインダクタL1_#と第2方向(y方向)に隣接して配置される。これによりパワーモジュール220_#とインダクタL1_#の間の寄生抵抗を下げることができる。
 図11は、比較技術に係るプリント基板300Rの配線パターンを示す図である。図中、丸で示すのはビアホールである。プリント基板300には、複数のパターン配線(プリント配線)PTN1_1~PTN1_3,PTN_2,PTN3_1~PTN3_3,PTN4が形成される。第1パターン配線PTN1_1~PTN1_3は、図7の入力ライン202_1~202_3に対応している。パワーモジュール220_#(#=1,2…N)の入力ピンVINは、対応する第1パターン配線PTN1_#のパッドと接続される。
 第2パターン配線PTN2は、グランドプレーンであり、インピーダンスを極力小さくするために、全フェーズ共通で形成されている。パワーモジュール220_#(#=1,2…N)の接地ピンPGNDは、対応するパターン配線PTN2のパッドと接続される。
 第1パターン配線PTN1_#と第2パターン配線PTN2の間には、入力キャパシタCi_#が設けられる。入力キャパシタCi_#は、MLCC(多層セラミックコンデンサ)や電解コンデンサであり、あるいはそれらの組み合わせでありうる。
 第3パターン配線PTN3_1~PTN3_3は、図7においてパワーモジュール220のSWピンとインダクタL1の一端を結ぶ配線である。パワーモジュール220_#(#=1,2…N)のSWピンSWは、対応する第3パターン配線PTN3_#のパッドと接続される。またインダクタL1_#(#=1,2…N)の電極E1は、対応する第3パターン配線PTN3_#のパッドと接続される。
 第4パターン配線PTN4は、図7における出力ライン204に対応する。インダクタL1_#(#=1,2…N)の電極E2は、対応する第4パターン配線PTN4のパッドと接続される。第4パターン配線PTN4とグランドプレーンの間には、図7の出力キャパシタCo(図11において不図示)が接続される。
 第1パターン配線PTN1~第4パターン配線PTN4は、大電流が流れるため、インピーダンスをなるべく小さくする必要がある。したがってこれらのパターン配線PTN1~PTN4はそれぞれが多層配線を形成しており、図11に図示しない別の配線層の配線と、ビアホールを介して接続されている。
 以上が比較技術に係る部品レイアウトである。続いて、実施の形態に係るレイアウトを説明する。本実施の形態では、N個のパワーモジュール220の少なくともひとつをプリント基板300の主実装面SAと反対側の副実装面SBに実装することとした。以下、いくつかの実施例を説明する。
(実施例1-1)
 図12(a)、(b)は、実施例1-1に係るDC/DCコンバータ200Aのレイアウト図である。図12(a)は斜視図を、図12(b)は断面図を示す。実施例1-1では、すべてのパワーモジュール220_1~220_3が、副実装面SBに実装されている。入力キャパシタCi_#は、パワーモジュール220_#のVINピンの直近に接続することが好ましい。そこで実施例1-1では、入力キャパシタCi_#も副実装面SBに実装される。
 図13は、実施例1-1に係るDC/DCコンバータ200Aの配線パターンを示す図である。図13において、主実装面SA側に実装される部品は破線で示し、副実装面SB側に実装される部品は二点鎖線で示す。パターン配線PTN1~PTN4の機能は、図11と同様である。またパターン配線PTN1~PTN4は多層配線であり、主実装面SA、副実装面SBの両面(および中間の配線層)にオーバーラップして形成され、それらは互いにビアホールで電気的に接続されている。
 以上が実施例1-1に係るDC/DCコンバータ200Aの構成である。副実装面SBをパワーモジュール220の実装に利用することで、主実装面SAあるいは副実装面SBにスペース的な余裕が生ずる。このことによる利点を説明する。
 図14は、DC/DCコンバータ200Aを副実装面SB側からみた斜視図である。DC/DCコンバータ200Aは、ヒートシンク240を備える。ヒートシンク240は、複数のパワーモジュール220_1~220_3それぞれの上面と共通して接している。副実装面SB側には、パワーモジュール220_1~220_Nの周囲に、パワーモジュール220より背の高い部品は存在しないため、大きなヒートシンク240を設けることができ、冷却効率を高めることができる。
 ヒートシンクの具体的な構成例を説明する。図15(a)、(b)は、第1構成例に係るヒートシンク240Aの断面図である。図15(a)は、実施例1-1にヒートシンク240Aを適用した様子を示し、図15(b)は、図10の比較技術に同じヒートシンク240Aを適用した様子を示す。
 ヒートシンク240Aは、放熱部分242とコンタクト部分244を有する。放熱部分242には開口が設けられており、この開口にコンタクト部分244が嵌め込まれている。コンタクト部分244は、冷却対象のパワーモジュール220と接触する。
 実施例1-1と比較技術を対比する。図15(b)に示すように、パワーモジュール220が主実装面SAに実装される比較技術では、パワーモジュール220の周辺に、背の高い部品221(たとえばインダクタ)が存在する。したがって放熱部分242をプリント基板表面に近づけることが難しくなり、コンタクト部分244のZ方向の高さが高くなる。これは熱抵抗の増加の要因となり、すなわち冷却性能の低下を意味する。
 これに対してパワーモジュール220が副実装面SBに実装される実施例1-1では、図15(a)に示すように、パワーモジュール220の周辺に、背の高い部品が存在しないため、放熱部分242をプリント基板表面に近づけることができる。これにより、コンタクト部分244のZ方向の高さを低くできる。これにより熱抵抗を下げ、冷却性能の改善できる。
 図16(a)、(b)は、第2構成例に係るヒートシンク240Bの断面図である。ヒートシンク240Bは、一枚の放熱板246で構成され、絞り加工により凸部248が設けられ、放熱板246は凸部248において、パワーモジュール220の表面と接触する。
 実施例1-1と比較技術を対比する。図16(b)に示すように比較技術では、パワーモジュール220の周辺に、背の高い部品221(たとえばインダクタ)が存在する。凸部248が部品221と干渉するため、比較技術では、第2構成例を採用することが難しい。
 これに対してパワーモジュール220が副実装面SBに実装される実施例1-1では、パワーモジュール220の周辺に、ヒートシンク240Bの凸部248と干渉する部品が存在しない。したがって、ヒートシンク240Bの設計の自由度が高まり、第2構成例に係るヒートシンク240Bを採用できる。
 図16のヒートシンク240Bは、図15のヒートシンク240Aと比較して構造が簡素化されているため、コストを下げることができる。また開口が不要であることから、電磁ノイズの遮蔽性能が高く、EMC(Electro Magnetic Compatibility)を改善できる。
(実施例1-2)
 実施例1-2では、N=4のDC/DCコンバータ200Bについて説明する。図17(a)、(b)は、実施例1-2に係るDC/DCコンバータ200Bのレイアウト図である。図17(a)は斜視図を、図17(b)は断面図を示す。実施例1-2では、N個のパワーモジュール220_1~220_Nは、主実装面SAと副実装面SBに交互に実装される。具体的には奇数番目のパワーモジュール220_#(#=1,3,…)は、副実装面SBに実装され、偶数番目のパワーモジュール220_*(*=2,4,…)は、主実装面SAに実装される。もちろん逆であってもよい。
 図18は、実施例1-2に係るDC/DCコンバータ200Bの配線パターンを示す図である。図18において、主実装面SA側に実装される部品は破線で示し、副実装面SB側に実装される部品は二点鎖線で示す。パターン配線PTN1~PTN4の機能は、上述した通りである。またパターン配線PTN1~PTN4は多層配線であり、主実装面SA、副実装面SBの両面(および中間の配線層)にオーバーラップして形成され、それらは互いにビアホールで電気的に接続されている。
 実施例1-2において、N個のパワーモジュールは、1番目と2番目、3番目と4番目、…とペアをなしている。そしてペアをなす2個のパワーモジュール220_i,220_jは、共通の入力ライン(すなわち共通の第1パターン配線PTN1_i,j)と接続される。
 実施例1-1あるいは比較技術のように、すべてのパワーモジュール220を同一実装面に実装すると、パワーモジュール220ごとに、第1パターン配線PTN1を形成する必要がある。これに対して、実施例1-2のように、主実装面SAと副実装面SBに交互にパワーモジュール220を実装することで、VIN端子同士が隣接することになるため、入力ラインを共通化できるという利点がある。
 加えて、入力ライン(第1パターン配線PTN1_i,j)が共通化されると、入力キャパシタCi_i,jも共通化できるという利点がある。すなわち、主実装面SA側の入力キャパシタCi_i,jは、パワーモジュール220_iの入力キャパシタとして機能すると同時に、副実装面SB側のパワーモジュール220_jの入力キャパシタとしても機能するため、入力キャパシタの効果を倍増することができる。あるいは、同じ入力キャパシタの効果を得るために必要なキャパシタの個数を減らすことができ、コストを削減できる。
(実施例1-3)
 図19(a)、(b)は、実施例1-3に係るDC/DCコンバータ200Dのレイアウト図である。実施例1-3は、実施例1-2のインダクタのチップサイズを小さくしたものである。インダクタL1に流れる電流が小さいアプリケーションでは、許容電流が小さい、すなわちチップサイズが小さい部品を選定でき、専有面積を小さくできる。
(実施例1-4)
 図20(a)、(b)は、実施例1-4に係るDC/DCコンバータ200Gのレイアウト図である。実施例1-4は、実施例1-3から、インダクタのレイアウトを変更したものであり、具体的には、各インダクタL1_iは、それと対応するパワーモジュール220_iと同一面に実装される。これにより対応するインダクタL1_iとパワーモジュール220_iを低インピーダンスで接続できる。
 より好ましくは、インダクタL1_1とL1_2のペアは、プリント基板300Gの両面SA,SBにオーバーラップして実装される。またインダクタL1_3とL1_4のペアは、プリント基板300Gの両面SA,SBにオーバーラップして実装される。これにより、隣接するインダクタの間隔を大きくすることができ、図19(a)、(b)のレイアウトに比べて熱的な集中を緩和できる。
(第2の実施の形態)
 実施例1-3において説明したように、インダクタL1に流れるコイル電流が小さいアプリケーションでは、チップサイズを小さくすることができる。しかしながら、インダクタL1に流れるコイル電流が大きいアプリケーションでは、許容電流が大きな、したがってチップサイズの大きな部品を選定せざるをえず、DC/DCコンバータの占有サイズが、インダクタのチップサイズによって制約を受けることとなる。第2の実施の形態では、コイル電流が大きなアプリケーションにおいて、DC/DCコンバータの占有サイズを小さくする技術を説明する。
 図21は、第2の実施の形態に係るDC/DCコンバータ200Cの等価回路図である。DC/DCコンバータ200Cにおいて、インダクタL1_#(#=1,2…N)はそれぞれ、インダクタンス値が等しく、チップサイズが同一である2個のインダクタチップL1_#a、L1_#bの並列接続で構成される。
 2並列の場合のインダクタチップのインダクタンス値は、単一のインダクタチップの場合の1/2倍となる。一方、2並列の場合に、インダクタチップに流れる電流量は、単一のインダクタチップの場合の1/2倍となる。第2の実施の形態では、チップ当たりの電流量を減らすことで、電流容量の小さい、したがってパッケージサイズの小さいインダクタチップを選定することができる。たとえば、単一のインダクタチップの場合に10mm角のインダクタチップを採用する場合、第2の実施の形態の技術思想を導入して、2並列とすることにより、6mm角のインダクタチップを採用することができる。
 DC/DCコンバータ200を搭載した製品を量産する際には、チップ部品の入手性を考慮する必要がある。特に、長い期間にわたり大量に製造、販売される製品では、チップ部品が長期間にわたり安定的に供給される必要がある。現在、チップ部品の小型化が進められており、小さいサイズのインダクタチップのラインナップが増えている代わりに、大きなサイズのチップ部品の入手性が悪くなっている。この観点において、従来において大きなチップサイズのインダクタを、チップサイズの小さい複数のインダクタチップの並列接続に置換することとで、入手性の問題を解決することができる。
(実施例2-1)
 図22(a)、(b)は、実施例2-1に係るDC/DCコンバータ200Cのレイアウト図である。図22(a)は斜視図を、図22(b)は断面図を示す。
 電気的に並列に接続される2個のインダクタチップL1_#a、L1_#bは、プリント基板300Cの主実装面SAと副実装面SBに、互いにオーバーラップして実装される。
 実施例2-1では、N個のパワーモジュール220_1~220_Nは、第1の実施の形態の実施例1-2と同様に、主実装面SAと副実装面SBに交互に実装される。
 図23は、実施例2-1に係るDC/DCコンバータ200Cの配線パターンを示す図である。DC/DCコンバータの占有領域のX方向の長さ(全幅)Wは、インダクタチップの横幅wによって支配的に規定され、具体的には、W=w×N+s×(N-1)となる。sは、インダクタチップのx方向の間隔である。たとえば10mm角のインダクタチップを、6mm角のインダクタチップに置き換えたとすれば、N=4の場合で、DC/DCコンバータの占有領域の全幅を、おおよそ4mm×4=16mm程度、小さくすることができる。
 加えて実施例2-1によれば、実施例1-2と同じ効果を得ることができる。すなわち、隣接する2フェーズで入力ラインを共通化でき、また入力キャパシタCi_i,jも共通化できる。
(実施例2-2)
 図24(a)、(b)は、実施例2-2に係るDC/DCコンバータ200Eのレイアウト図である。図24(a)は斜視図を、図24(b)は断面図を示す。実施例2-2は、複数のパワーモジュール220_1~220_4が副実装面SBに実装される点において、図12の実施例1-1と共通する。図24では、入力キャパシタCiは省略するが、実施例1-1と同様に、副実装面SBに実装すればよい。
 実施例2-2によれば、実施例2-1と同様に、DC/DCコンバータ200Eの専有面積を小さくできる。
(実施例2-3)
 図25(a)、(b)は、実施例2-3に係るDC/DCコンバータ200Fのレイアウト図である。図25(a)は斜視図を、図25(b)は断面図を示す。実施例2-3では、複数のパワーモジュール220_1~220_4はすべて主実装面SA側に実装される。
 実施例2-3によれば、実施例2-1、実施例2-2と同様に、DC/DCコンバータ200Fの専有面積を小さくできる。
(変形例2-1)
 実施例2-1~2-3において、フェーズごとのインダクタL1を、2個のインダクタチップの並列接続としたが、チップの個数は2に限定されず、3個以上としてもよい。
(実装技術)
 続いてパワーモジュール220の実装技術を説明する。
 図7を参照する。DC/DCコンバータ200において、入力ライン202のインダクタ成分や抵抗成分は極力小さいことが望ましい。またPGNDピンについても、なるべく小さなインピーダンスで接地されることが望ましい。図11や図13に示したように、第1パターン配線PTN1には、VINピンを半田付けするためのパッド(ランド)が形成され、第2パターン配線PTN2には、PGNDピンを半田付けするためのパッド(ランド)が形成される。パターン配線PTN1,PTN2のインピーダンスを下げるために、多層配線が採用され、ビアホールが多数設けられるが、インピーダンスを可能な限り下げるためには、パッド(ランド)の内側に、ビアホールを形成することが要求される。このようなビアホールを、パッド内ビアと称する。
 図11の比較技術では、パワーモジュール220が主実装面にのみ実装されるため、パッド内ビアの形成に格別の困難性はない。ところが、実施例1-1,1-2,1-3,2-1,2-2では、パワーモジュール220が副実装面に実装されるため、副実装面にパッド内ビアを形成する必要がある。コストを無視すれば、副実装面にパッド内ビアを形成することは不可能ではないが、コストを考慮した場合、従来の表面実装では、副実装面にパッド内ビアを設けることは容易ではない。実施の形態で説明した実装技術は、パッド内ビアを必要とするパワーモジュール220の実装に好適である。
 以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
 本発明は、表面実装技術に関する。
 10 プリント基板
 12,14,16 パッド
 17 パッド内ビア
 18 パッド
 19 パッド内ビア
 S1 第1面
 S2 第2面
 20 スクリーン
 22 開口
 30 クリーム半田
 32 クリーム半田
 34 半田の漏れ
 40 部品
 E1,E2 電極
 E3 裏面電極
 50 スクリーン
 52,54 開口
 56 凹部
 60 クリーム半田
 70 部品

Claims (4)

  1.  半導体装置の製造方法であって、
     プリント基板の第1面に第1部品群を実装する第1ステップと、
     前記プリント基板の第2面に第2部品群を実装する第2ステップと、
     を備え、
     前記プリント基板はパッド内ビアを有し、
     前記第1ステップは、
     前記第1面の複数のパッドにクリーム半田を塗布するステップと、
     前記第1面に前記第1部品群にマウントするステップと、
     前記プリント基板を加熱、冷却するステップと、
     を含み、
     前記第2ステップは、
     前記第2面の複数のパッドの箇所に開口を有し、かつ前記パッド内ビアとオーバーラップする箇所に凹部を有するスクリーン(メタルマスク)を、前記第2面に載せるステップと、
     前記スクリーンの上からクリーム半田を塗布し、前記スクリーンを外すステップと、
     前記第2面に前記第2部品群をマウントするステップと、
     前記プリント基板を過熱、冷却するステップと、
     を備えることを特徴とする製造方法。
  2.  前記第1部品群は、パワートランジスタを含み、
     前記パッド内ビアは、前記パワートランジスタの裏面電極とオーバーラップする箇所に設けられることを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
  3.  パッド内ビアを有するプリント基板に部品を実装する際に使用されるスクリーンであって、
     前記プリント基板に形成される複数のパッドと対応する箇所に設けられた複数の開口と、
     前記パッド内ビアとオーバーラップする箇所に設けられた凹部と、
     を備えることを特徴とするスクリーン。
  4.  電圧安定化モジュールを有する半導体装置の製造方法であって、
     プリント基板の第1面に、少なくともひとつのパワートランジスタを含む第1部品群を実装する第1ステップと、
     前記プリント基板の第2面に、少なくともひとつのインダクタを含む第2部品群を実装する第2ステップと、
     を備え、
     前記プリント基板は、前記パワートランジスタの裏面電極とオーバーラップする箇所に設けられたパッド内ビアを有し、
     前記第1ステップは、
     前記第1面の複数のパッドにクリーム半田を塗布するステップと、
     前記第1面に前記第1部品群にマウントするステップと、
     前記プリント基板を加熱、冷却するステップと、
     を含み、
     前記第2ステップは、
     前記第2面の複数のパッドの箇所に開口を有し、かつ前記パッド内ビアとオーバーラップする箇所に凹部を有するスクリーンを、前記第2面に載せるステップと、
     前記スクリーンの上からクリーム半田を塗布し、前記スクリーンを外すステップと、
     前記第2面に前記第2部品群をマウントするステップと、
     前記プリント基板を過熱、冷却するステップと、
     を備えることを特徴とする製造方法。
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