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JP2007005670A - 電子部品パッケージおよび接合組立体 - Google Patents

電子部品パッケージおよび接合組立体 Download PDF

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直章 中村
Hideaki Yoshimura
英明 吉村
Kenji Fukusono
健治 福園
Toshinao Sato
稔尚 佐藤
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Abstract

【課題】熱を効率的に伝達することができる電子部品パッケージを提供する。
【解決手段】接合材26はInおよび3重量%を超える範囲でAgを含む材料から形成される。本発明者の検証によれば、接合材26の全重量に対するAgの含有量が増大すればするほど、接合材26では電子部品21や熱伝導部材15との接合面でボイドが減少することが確認された。しかも、In−Agは、これまでの例えばSn−Pbといったはんだ材料に比べて低い熱抵抗値を示す。これまでのはんだ材料に比べて熱伝導率は向上する。その結果、本発明の接合材26によれば、電子部品21の熱は熱伝導部材15に効率的に伝達されることができる。
【選択図】図2

Description

本発明は、基板と、基板の表面に実装されるLSI(大規模集積回路)チップといった電子部品と、基板上で電子部品の表面に受け止められる熱伝導部材とを備える電子部品パッケージに関する。
電子部品パッケージではパッケージ基板上にLSIチップが実装される。LSIチップの表面にはヒートシンクといった熱伝導部材が受け止められる。例えば特許文献4に開示されるように、LSIチップおよびヒートシンクの間には接合材が挟み込まれる。接合材は例えばはんだ材料から形成される。はんだ材料には例えばSn−Pbが用いられる。
特開平04−359207号公報 特開平10−31136号公報 特開平10−189839号公報 特開2000−12748号公報
例えばSn−Pbといったはんだ材料には、濡れ性の改善にあたってフラックスといった活性剤が添加される。しかしながら、こうしたフラックスの添加の影響で、接合材ではヒートシンクとの接触面やLSIチップとの接触面にいわゆるボイドが形成されてしまう。ボイドに基づき接合材とヒートシンクやLSIチップとの間で接触面積は減少してしまう。熱は効率的に伝達されることができない。
本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、熱を効率的に伝達することができる電子部品パッケージを提供することを目的とする。本発明はさらに、電子部品パッケージの実現に大いに寄与する接合組立体を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明によれば、基板と、基板の表面に実装される電子部品と、基板上で電子部品の表面に受け止められる熱伝導部材と、電子部品および熱伝導部材の間に挟み込まれて、Inおよび3重量%を超える範囲でAgを含む材料から形成される接合材とを備えることを特徴とする電子部品パッケージが提供される。
こういった電子部品パッケージでは、接合材はInおよび3重量%を超える範囲でAgを含む材料から形成される。本発明者の検証によれば、接合材の全重量に対するAgの含有量が増大すればするほど、接合材では電子部品や熱伝導部材との接合面でボイドが減少することが確認された。しかも、Inおよび3重量%を超える範囲でAgを含む材料は、これまでの例えばSn−Pbといったはんだ材料に比べて低い熱抵抗値を示す。これまでのはんだ材料に比べて熱伝導率は向上する。その結果、本発明の接合材によれば、電子部品の熱は熱伝導部材に効率的に伝達されることができる。
加えて、特にInの弾性率はPbの弾性率よりも低く設定される。熱伝導部材および電子部品の熱膨張率の差に基づき熱伝導部材と接合材との間や接合材と電子部品との間で応力が生成されても、そういった応力は接合材で十分に吸収されることができる。熱伝導部材および接合材の間、接合材および電子部品の間で接合材の剥離はできる限り回避されることができる。
こうした電子部品パッケージでは、接合材の融点は、基板および電子部品を接続する端子の融点よりも低く設定されればよい。電子部品パッケージの組み立てにあたって、端子に基づき電子部品は基板に実装される。実装にあたって、端子は加熱に基づき溶融する。電子部品の実装後、接合材に基づき熱伝導部材が電子部品上に実装される。このとき、接合材は加熱に基づき溶融する。接合材の融点が端子の融点よりも低く設定されれば、端子のいわゆる二次溶融は回避されることができる。
こういった電子部品パッケージでは、接合材の融点は電子部品の耐熱温度よりも低く設定されればよい。前述されるように、熱伝導部材の実装にあたって、接合材は加熱に基づき溶融する。接合材の融点が電子部品の耐熱温度よりも低ければ、接合材の溶融にあたって、電子部品の破壊は回避されることができる。接合材の融点は例えば基板の耐熱温度よりも低く設定されてもよい。こうして接合材の溶融にあたって基板の破壊は回避されることができる。
Inおよび3重量%を超える範囲でAgを含む材料では、接合材の全重量に対するAgの含有量が増大すれば、液相点すなわち融点の温度は上昇する。したがって、Agの含有量は、基板および電子部品を接続する端子の融点や、電子部品の耐熱温度、基板の耐熱温度に応じて適宜設定されればよい。Agの含有量は接合材の全重量に対して例えば20重量%以下に設定されればよい。
以上のような電子部品パッケージの実現にあたって接合組立体が提供されてもよい。接合組立体は、少なくとも部分的に表面で第1金属体を露出させる第1部材と、少なくとも部分的に表面で第2金属体を露出させ、この第2金属体で第1金属体に受け止められる第2部材と、第1および第2金属体の間に挟み込まれて、Inおよび3重量%を超える範囲でAgを含む材料から形成される接合材とを備えればよい。
以上のように本発明によれば、熱を効率的に伝達することができる電子部品パッケージが提供されることができる。本発明によれば、電子部品パッケージの実現に大いに寄与する接合組立体が提供されることができる。
以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。
図1はマザーボード11の構造を概略的に示す。このマザーボード11は大型のプリント配線基板12を備える。プリント配線基板12の表面には1または複数の電子部品パッケージ13が実装される。電子部品パッケージ13は、プリント配線基板12の表面に実装されるパッケージ基板14を備える。パッケージ基板14には例えば樹脂製基板やセラミック基板が用いられればよい。
パッケージ基板14上には熱伝導部材すなわちヒートシンク15が受け止められる。ヒートシンク15には、平板状の本体すなわち受熱部15aと、この受熱部15aから垂直方向に立ち上がる複数枚のフィン15bとが形成される。隣接するフィン15b同士の間には同一方向に延びる通気路16が区画される。こういった電子部品パッケージ13では、例えば送風ユニット(図示されず)の働きで通気路16を通過する気流が生み出されると、フィン15bから効率的に放熱されることができる。ヒートシンク15は例えばCuやAl、CuやAlを主成分とする複合材料、カーボン複合材料といった高い熱伝導性の材料から成型されればよい。
図2に示されるように、パッケージ基板14の実装にあたってパッケージ基板14にはボールグリッドアレイ17が形成される。ボールグリッドアレイ17は、所定のパターンに従って配列される複数のボール形導電端子18から構成される。個々の導電端子18はプリント配線基板12上の端子すなわち導電パッド19に受け止められる。こうしてパッケージ基板14およびプリント配線基板12の間で電気接続は確立される。ここでは、導電端子18には例えばSn−37Pb(重量%)が用いられればよい。
パッケージ基板14上には電子部品すなわちLSIチップ21が実装される。実装にあたって、LSIチップ21にはボールグリッドアレイ22が形成される。ボールグリッドアレイ22は、前述と同様に、所定のパターンに従って配列される複数のボール形導電端子23から構成される。個々の導電端子23はパッケージ基板14上の端子すなわち導電パッド24に受け止められる。こうしてLSIチップ21およびパッケージ基板14の間で電気接続は確立される。ここでは、導電端子18と同様に、導電端子23には例えばSn−37Pb(重量%)が用いられればよい。
パッケージ基板14の表面には、LSIチップ21に加えて例えばキャパシタやチップ抵抗(ともに図示されず)といった電子素子が実装されてもよい。電子素子はたとえばパッケージ基板14の裏面に実装されてもよい。LSIチップ21およびパッケージ基板14の間にはアンダーフィル材膜25が挟み込まれる。アンダーフィル材膜25は導電端子23同士の隙間で広がる。こうして導電端子23同士は確実に絶縁されることができる。アンダーフィル材膜25は、例えばエポキシを主成分とする樹脂材料から形成されればよい。
LSIチップ21の表面には前述のヒートシンク15が受け止められる。ヒートシンク15およびLSIチップ21の間には接合材26が挟み込まれる。接合材26は、Inと、接合材26全体に対して3重量%を超える範囲でAgとを含む材料から形成されればよい。ここでは、接合材26はIn−Agから形成される。Agの含有量は接合材26の全重量に対して例えば20重量%以下の範囲で設定されればよい。
図3の表に示されるように、共晶を示すIn−3Ag(重量%)では、液相点および固相点はともに摂氏141度を示す。Agの含有量が増大するにつれて、液相点は摂氏141度から上昇する。その一方で、Agの含有量が増大しても、固相点は摂氏141度で維持される。その結果、Agの含有量が増大するにつれて、液相点および固相点の差は増大する。
LSIチップ21の表面には第1金属体すなわち第1金属膜27が形成される。こうして第1部材すなわちLSIチップ21は少なくとも部分的に表面で第1金属膜27を露出させる。ここでは、第1金属膜27はLSIチップ21の表面の全面に形成されればよい。第1金属膜27は例えばTi膜と、Au膜やCu膜との積層体から形成されればよい。こうしてLSIチップ21は第1金属膜27で接合材26を受け止める。
その一方で、LSIチップ21に向き合わせられるヒートシンク15の表面すなわち対向面には第2金属体すなわち第2金属膜28が形成される。こうして第2部材すなわちヒートシンク15は少なくとも部分的に対向面で第2金属膜28を露出させる。第2金属膜28は例えばNi膜およびAu膜の積層体から形成されればよい。こうして接合材26は第2金属膜28でヒートシンク15を受け止める。
こうして接合材26は第1および第2金属膜27、28の間に挟み込まれる。言い換えれば、ヒートシンク15は第2金属膜28でLSIチップ21の第1金属膜27に受け止められる。こうしてLSIチップ21およびヒートシンク15は接合材26で接合される。ここでは、第1部材すなわちLSIチップ21と、第2部材すなわちヒートシンク15と、接合材26とは本発明の接合組立体を構成する。
ヒートシンク15は支持部品29でパッケージ基板14に固定される。支持部品29は、例えばCuやステンレス鋼といったパッケージ基板14の熱膨張率に近い材料から形成されればよい。固定にあたってヒートシンク15および支持部材29の間、支持部材29およびパッケージ基板14の間には例えば接着シート(図示されず)が挟み込まれる。接着シートには例えばエポキシ系の接着シートが用いられればよい。接着シートには例えばガラス繊維や無機フィラーが含まれればよい。こうしたガラス繊維や無機フィラーの働きで接着シートの厚みはできる限り均一に保持されることができる。
以上のようなマザーボード11では、LSIチップ21の動作中にLSIチップ21は発熱する。LSIチップ21の熱は第1金属膜27、接合材26、第2金属膜28からヒートシンク15の受熱部15aに伝達される。受熱部15aに伝達された熱はフィン15bに伝達される。ヒートシンク15はフィン15bの働きで大きな表面積の表面から大気中に熱を放散する。例えば送風ユニットの働きで通気路16には気流が流通する。こうしてLSIチップ21の温度上昇は効果的に抑制される。
次に、以上のような電子部品パッケージ13の製造方法を簡単に説明する。まず、パッケージ基板14が用意される。パッケージ基板14には例えば0.4〜0.7mmの厚みのセラミック基板や有機基板が用いられればよい。セラミック基板には例えばAlやAlN、ガラスといった材料が含まれてもよい。こうしたパッケージ基板14の表面には支持部品29が固定される。固定にあたって、パッケージ基板14および支持部品29の間には接着シートが挟み込まれる。支持部品29はパッケージ基板14の表面に向かって押し付けられる。押し付け力は例えば2.0kg/cm以下に設定されればよい。
続いて、パッケージ基板14の表面にはLSIチップ21が実装される。導電端子23には例えばSn−37Pbといったはんだ材料が用いられればよい。導電端子23は予めLSIチップ21に取り付けられる。各導電端子23はパッケージ基板14上の導電パッド19に位置決めされる。導電端子23は加熱される。加熱にあたって、例えば摂氏230度以下のピーク温度が設定される。導電端子23は溶融する。その後、冷却に基づき導電端子23は硬化する。こうしてLSIチップ21はパッケージ基板14に実装される。
続いて、LSIチップ21およびパッケージ基板14の間にはアンダーフィル材膜25が挟み込まれる。アンダーフィル材膜25の挟み込みにあたってエポキシを主成分とする液体状の樹脂材料が用意される。樹脂材料はLSIチップ21およびパッケージ基板14の間に充填される。樹脂材料の充填後、樹脂材料には例えば摂氏150度の熱が加えられる。熱に基づき樹脂材料は硬化する。こうして硬化する樹脂材料に基づきLSIチップ21およびパッケージ基板14の間にはアンダーフィル材膜25が形成される。
続いて、ヒートシンク15の対向面には所定の領域で第2金属膜28が積層形成される。ヒートシンク15の対向面には例えば膜厚3μm程度のNi膜が形成される。その後、Ni膜の表面には例えば膜厚0.3μm程度のAu膜が形成される。Ni膜やAu膜の形成にあたって例えば電解めっきが実施される。こうしたNi膜およびAu膜に基づき前述の第2金属膜28が積層形成される。
その一方で、LSIチップ21の表面には第1金属膜27が積層形成される。LSIチップ21の表面には例えば膜厚5000Å程度のTi膜が形成される。その後、Ti膜の表面には例えば膜厚0.3μm程度のAu膜が形成される。Ti膜やAu膜の形成にあたって例えばスパッタリングが実施される。こうしたTi膜およびAu膜に基づき前述の第1金属膜27が積層形成される。
ここでは、ヒートシンク15には例えば無酸素Cuが用いられればよい。ヒートシンク15の対向面では、Ni膜およびAu膜といった第2金属膜28の働きで酸化は回避される。その一方で、第1および第2金属膜27、28の働きで接合材26の濡れ性は向上することができる。
続いて、ヒートシンク15がLSIチップ21の表面に実装される。実装にあたって、第1および第2金属膜27、28の間には接合材26が挟み込まれる。接合材26は例えばシート状に形作られる。ここでは、接合材26には例えばIn−10Agが用いられればよい。同時に、ヒートシンク15および支持部品29の間には、前述と同様に、接着シートが挟み込まれる。ヒートシンク15は支持部品29はパッケージ基板14の表面に向かって押し付けられる。押し付け力は例えば2.0kg/cm以下に設定されればよい。このとき、ヒートシンク15およびLSIチップ21は加熱される。加熱に基づき接合材26は溶融する。その後、冷却に基づき接合材26は硬化する。こうして、ヒートシンク15はLSIチップ21の表面に実装される。
その後、パッケージ基板14の背面には導電端子18が取り付けられる。導電端子18には例えばSn−37Pbといったはんだ材料から形成される。導電端子18は加熱される。例えば230度程度のピーク温度が設定される。導電端子18は溶融する。その後、冷却に基づき導電端子18は硬化する。導電端子18はパッケージ基板14の背面に取り付けられる。こうして電子部品パッケージ13は製造される。その後、電子部品パッケージ13はプリント配線基板12の表面に実装されればよい。
以上のような電子部品パッケージ13では、接合材26に例えばIn−10Agが用いられる。図3から明らかなように、液相点は摂氏231度を示す。したがって、例えば導電端子18、23にSn−37Pbが用いられる場合、Sn−37Pbは摂氏230度以下の温度で溶融する。したがって、導電端子18、23の溶融にあたって接合材26では二次溶融は回避される。こうして接合材23の液相点すなわち融点が導電端子18、23の融点よりも高く設定されれば、例えば第1金属膜27ではNi膜の形成は省略されることができる。第1金属膜37はこれまで以上に簡素化されることができる。
その一方で、接合材26に例えばIn−5AgやIn−7Agが用いられれば、図3から明らかなように、液相点は摂氏160度や摂氏200度を示す。すなわち、接合材26の融点は導電端子18、23の融点よりも低く設定される。例えばパッケージ基板14に有機基板が用いられても、接合材26はパッケージ基板14の耐熱温度範囲内の温度に基づき溶融することができる。同様に、接合材26は電子部品すなわちLSIチップ21の耐熱温度範囲内の温度に基づき溶融することができる。こうして接合材26の融点が導電端子18、23の融点やパッケージ基板14の耐熱温度、LSIチップ21の耐熱温度よりも低く設定されれば、導電端子18、23の二次溶融、パッケージ基板14やLSIチップ21の破壊は回避されることができる。
しかも、特にInの弾性率は例えばPbの弾性率よりも低く設定される。弾性率はPbに比べて例えば4分の1〜2分の1程度に低減されることができる。ヒートシンク15やLSIチップ21の熱膨張率の差に基づきヒートシンク15と接合材26との間や接合材26とLSIチップ21との間で応力が生成されても、そういった応力は接合材26で十分に吸収されることができる。ヒートシンク15および接合材26の間、接合材26およびLSIチップ21の間で接合材26の剥離はできる限り回避されることができる。
次に、本発明者は、接合材26の組成に基づくボイドの発生を検証した。検証にあたって、本発明者は、第1〜第4具体例および比較例を用意した。第1具体例では接合材26にIn−5Agが用いられた。第2具体例では接合材26にIn−7Agが用いられた。第3具体例では接合材26にIn−10Agが用いられた。第4具体例では接合材26にIn−15Agが用いられた。比較例では接合材にIn−3Agが用いられた。第1〜第4具体例に係る接合材26および比較例に係る接合材は加熱に基づきヒートシンク15およびLSIチップ21の間に挟み込まれた。このとき、例えば接合材26およびヒートシンク15の間に区画される接合面の様子は観察された。
その結果、図3に示されるように、比較例では接合材の表面に多数のボイドが形成されることが確認された。その一方で、第1具体例では、図4に示されるように、比較例に比べてボイドの数は減少することが確認された。第2具体例では、図5に示されるように、第1具体例に比べてボイドの数は減少することが確認された。第3具体例では、図6に示されるように、第2具体例に比べてボイドの数は減少することが確認された。第4具体例では、図7に示されるように、ボイドはほとんど観察されないことが確認された。
以上の検証の結果、接合材26の全重量に対してAgの含有量が増大するにつれて、ボイドは減少することが確認された。言い換えれば、Agの含有量が増大するにつれて、接合材26の濡れ性は向上することが確認された。図8の表から明らかなように、固相点および液相点の差が増大するにつれてボイドの数は減少することが確認された。こうしてボイドの発生が低減されれば、フラックスといった活性剤の添加なしで、接合材26はこれまで以上に高い密度でヒートシンク15やLSIチップ21に接触することができる。LSIチップ21からヒートシンク15に熱の伝達は効率的に実現されることができる。
次に、本発明者は接合材26の材料の熱抵抗を計測した。計測にあたって、本発明者は具体例および第1〜第3比較例を用意した。具体例にはIn−10Agが用意された。第1比較例にはIn−48Snが用意された。第2具体例にはSn−20Pbが用意された。第3具体例にはSn−20PbとSn−95PbとSn−20Pbとの積層体が用意された。具体例および第1〜第3比較例の熱抵抗値[℃/W]は計測された。
その結果、具体例では0.0383[℃/W]の値が計測された。第1比較例では0.0696[℃/W]の値が計測された。第2比較例では0.0543[℃/W]の値が計測された。第3比較例では0.0545[℃/W]の値が計測された。具体例では第1〜第3比較例に比べて熱抵抗値は低減されることが確認された。これまでのはんだ材料に比べて熱伝導率は向上することが確認された。こうした接合材26によれば、LSIチップ21からヒートシンク15に熱の伝達は効率的に実現されることができる。
次に、本発明者は接合材26の厚みと熱抵抗値との関係を検証した。検証にあたって、本発明者は具体例および第1〜第3比較例を用意した。具体例にはIn−10Agが用意された。第1比較例にはSn−37PbとSn−95PbとSn−37Pbとの積層体が用意された。第2具体例にはSn−20Pbが用意された。第3具体例にはIn−52Snが用意された。具体例および第1〜第3比較例では、100μm、200μm、250μmの厚みを有する3つのサンプルがそれぞれ用意された。3つのサンプルで熱抵抗値[℃/W]は計測された。
その結果、図9に示されるように、具体例では、第1〜第3比較例に比べていずれのサンプルでも相対的に熱抵抗値は低減されることが確認された。これまでのはんだ材料に比べて熱伝導率は向上することが確認された。LSIチップ21からヒートシンク15に熱は効率的に伝達されることが確認された。
マザーボードの構造を概略的に示す斜視図である。 図1の2−2線に沿った断面図であり、本発明の電子部品パッケージの構造を概略的に示す。 比較例で接合材およびヒートシンクの間に区画される接合面の様子を示す 第1具体例で接合材およびヒートシンクの間に区画される接合面の様子を示すX線写真である。 第2具体例で接合材およびヒートシンクの間に区画される接合面の様子を示すX線写真である。 第3具体例で接合材およびヒートシンクの間に区画される接合面の様子を示すX線写真である。 第4具体例で接合材およびヒートシンクの間に区画される接合面の様子を示すX線写真である Agの含有量に対する液相点および固相点の関係を示す表である。 接合材の厚みと熱抵抗との関係を示すグラフである。
符号の説明
13 電子部品パッケージ、14 基板(パッケージ基板)、15 熱伝導部材(ヒートシンク)、15 第2部材(ヒートシンク)、21 電子部品(LSIチップ)、21 第1部材(LSIチップ)、26 接合材、27 第1金属体(第1金属膜)、28 第2金属体(第2金属膜)。

Claims (4)

  1. 基板と、基板の表面に実装される電子部品と、基板上で電子部品の表面に受け止められる熱伝導部材と、電子部品および熱伝導部材の間に挟み込まれて、Inおよび3重量%を超える範囲でAgを含む材料から形成される接合材とを備えることを特徴とする電子部品パッケージ。
  2. 請求項1に記載の電子部品パッケージにおいて、前記接合材の融点は、前記基板および前記電子部品を接続する端子の融点よりも低いことを特徴とする電子部品パッケージ。
  3. 請求項1に記載の電子部品パッケージにおいて、前記接合材の融点は前記電子部品の耐熱温度よりも低いことを特徴とする電子部品パッケージ。
  4. 少なくとも部分的に表面で第1金属体を露出させる第1部材と、少なくとも部分的に表面で第2金属体を露出させ、この第2金属体で第1金属体に受け止められる第2部材と、第1および第2金属体の間に挟み込まれて、Inおよび3重量%を超える範囲でAgを含む材料から形成される接合材とを備えることを特徴とする接合組立体。
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