(57)【要約】【課題】基板上面の金属パターンにパッケージを半田を介し実装するときに、半田のボイドを簡単な構成で抑制する半導体モジュールを提供すること。【解決手段】第１面を有し、前記第１面に設けられた平面状の第１の金属パターン１２と、前記第１の金属パターン上に設けられ、前記第１の金属パターンを複数の接合領域に分割する直線状の樹脂層と、を備える基板１０と、第２面を有し、前記第２面に設けられ、前記第１の金属パターンの前記複数の接合領域と半田を介して接合された平面状の第２の金属パターン２２を備えるパッケージ２０と、を具備する半導体モジュール。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１面を有し、前記第１面に設けられた平面状の第１の金属パターンと、前記第１の金属パターン上に設けられ、前記第１の金属パターンを複数の接合領域に分割する直線状の樹脂層と、を備える基板と、
第２面を有し、前記第２面に設けられ、前記第１の金属パターンの前記複数の接合領域と半田を介して接合された平面状の第２の金属パターンを備えるパッケージと、
を具備する半導体モジュール。
【請求項２】
前記直線状の樹脂層の厚さは、前記半田を介して接合された前記第１の金属パターンと前記第２の金属パターンの間の距離よりも小さい、請求項１に記載の半導体モジュール。
【請求項３】
前記直線状の樹脂層は、複数の直線状の樹脂層が互いにほぼ平行に配置されている、請求項１または２に記載の半導体モジュール。
【請求項４】
前記直線状の樹脂層は、少なくとも２本の直線状の樹脂層が互いに交差して配置されている、請求項１または２に記載の半導体モジュール。
【請求項５】
前記パッケージは、複数の半導体素子を搭載し、
前記第２の金属パターンは、前記複数の半導体素子にそれぞれ対応する複数の放熱領域を有し、
前記複数の放熱領域は、それぞれ前記複数の接合領域のいずれか一つの内側に含まれている、請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
【請求項６】
前記複数の接合領域は４以上である請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
【請求項７】
前記複数の接合領域のそれぞれの面積は、前記第１の金属パターンの面積の２５％未満である、請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体モジュールに関し、例えば基板上に接合されたパッケージを有する半導体モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体チップが搭載されたパッケージをプリント基板等にハンダを用い実装しモジュールとすることが知られている。プリント基板に貫通孔を設け、電子部品を半田を用い実装するときに、半田から発生するガスを貫通孔により逃がす技術が知られている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６２−５８６９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
基板に表面から裏面にかけて貫通孔を設け、加熱時に半田から発生するガス等を貫通孔から逃がすことで、半田内のボイドを抑制することができる。しかしながら、基板に貫通孔を設けることにより基板の製造工数が増加する。また、基板上面に形成された金属パターンにパッケージの下面を半田で接合する場合、金属パターンに貫通孔を設けるには複雑な製造工程を要する。このように、簡単な方法で半田のボイドを抑制することは難しい。
【０００５】
本発明は、基板上面の金属パターンにパッケージを半田を介し実装するときに、半田のボイドを簡単な構成で抑制する半導体モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態は、第１面を有し、前記第１面に設けられた平面状の第１の金属パターンと、前記第１の金属パターン上に設けられ、前記第１の金属パターンを複数の接合領域に分割する直線状の樹脂層と、を備える基板と、第２面を有し、前記第２面に設けられ、前記第１の金属パターンの前記複数の接合領域と半田を介して接合された平面状の第２の金属パターンを備えるパッケージと、を具備する半導体モジュールである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、基板上面の金属パターンにパッケージを半田を介し実装するときに、半田のボイドを簡単な構成で抑制する半導体モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１（ａ）は、比較例１におけるプリント基板の平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図２】図２（ａ）は、比較例１においてプリント基板にパッケージを実装した平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図３（ａ）は、本発明の実施例１に係る半導体モジュールにおけるプリント基板の平面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図４】図４（ａ）は、本発明の実施例１に係る半導体モジュールにおける上面に半田が形成されたプリント基板の平面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図５】図５（ａ）は、本発明の実施例１に係る半導体モジュールにおいて上面にパッケージが実装されたプリント基板の平面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図６】図６は、本発明の実施例１に係る半導体モジュールにおけるパッケージの平面図である。
【図７】図７（ａ）および図７（ｂ）は、本発明の実施例１に係る半導体モジュールにおけるレジスト付近の断面図である。
【図８】図８は、本発明の実施例１の変形例１に係る半導体モジュールにおけるプリント基板の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
［本願発明の実施形態の詳細］
最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。
（１）本願発明の一実施例は、第１面を有し、前記第１面に設けられた平面状の第１の金属パターンと、前記第１の金属パターン上に設けられ、前記第１の金属パターンを複数の接合領域に分割する直線状の樹脂層と、を備える基板と、第２面を有し、前記第２面に設けられ、前記第１の金属パターンの前記複数の接合領域と半田を介して接合された平面状の第２の金属パターンを備えるパッケージと、を具備する半導体モジュールである。
第１の金属パターンと第２の金属パターンとを半田を介し接合させるときに、第２の金属パターンと樹脂層との間を介し空気等が抜ける。よって、半田内のボイドを抑制でき、パッケージから第２の金属パターンおよび半田を介し基板に効率的に放熱できる。
（２）前記直線状の樹脂層の厚さは、前記半田を介して接合された前記第１の金属パターンと前記第２の金属パターンの間の距離よりも小さいことが好ましい。これにより、第２の金属パターンと樹脂層とが離れ、空気等をより効率的に除去できる。
（３）前記直線状の樹脂層は、複数の直線状の樹脂層が互いにほぼ平行に配置されていることが好ましい。これにより、空気等をより効率的に除去することができる。
（４）前記直線状の樹脂層は、少なくとも２本の直線状の樹脂層が互いに交差して配置されていることが好ましい。これにより、空気等をより効率的に除去することができる。
（５）前記パッケージは、複数の半導体素子を搭載し、前記第２の金属パターンは、前記複数の半導体素子にそれぞれ対応する複数の放熱領域を有し、前記複数の放熱領域は、それぞれ前記複数の接合領域のいずれか一つの内側に含まれていることが好ましい。これにより、放熱領域から半田を介し効率的に放熱できる。
（６）前記複数の接合領域は４以上であることが好ましい。これにより、空気等をより効率的に除去することができる。
（７）前記複数の接合領域のそれぞれの面積は、前記第１の金属パターンの面積の２５％未満であることが好ましい。これにより、空気をより効率的に除去することができる。
【００１０】
本発明の実施形態にかかる半導体モジュールの具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００１１】
［比較例１］
図１（ａ）は、比較例１におけるプリント基板の平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、基板１０の上面（第１面）に金属パターン１１および１２が設けられている。金属パターン１１および１２が設けられていない領域にはレジスト１３が設けられている。金属パターン１２は放熱のためのランドである。金属パターン１２は例えばグランド等の基準電位が与えられていてもよい。金属パターン１１は、信号用および／または電源用のランドである。ここでいう電源は、グランドも含んでいてもよい。
【００１２】
図２（ａ）は、比較例１においてプリント基板にパッケージを実装した平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図２（ａ）では、金属パターン１２およびボイド２８を点線で示している。図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、パッケージ２０の下面（第２面）には、金属パターン２１および２２が設けられている。金属パターン２１は、例えば信号用または電源用の端子である。金属パターン２２は、放熱用のヒートシンクである。金属パターン１１と２１とは半田１５により接合されている。金属パターン１２と２２は半田１６により接合されている。
【００１３】
金属パターン１２および２２は、パッケージ２０内で発生する熱を伝導して半導体モジュールの外部に放熱するため、それぞれの面積を大きくすることが求められる。そこで、パッケージ２０の中央付近に面積の大きな金属パターン１２および２２を設けている。面積の大きな金属パターン１２および２２を半田１６により接合しようとすると、加熱時に半田１６において発生するガスおよび／または空気により半田１６内にボイド２８が形成されてしまう。ボイド２８が形成されると、半田１６を介して金属パターン２２から金属パターン１２へ伝導する熱量が減少し、放熱性が劣化する。また、パッケージ２０と基板１０との半田１６による接合強度が低下する。
【００１４】
外形寸法が１４．０ｍｍ×８．０ｍｍであり金属パターン２２の大きさが１１．９ｍｍ×４．９ｍｍのパッケージについて、半田１６の量を変えボイド２８の低減を試みたがボイド２８の発生を抑制することはできなかった。特許文献１のように基板１０に貫通孔を設けるには、金属パターン１２に多数の貫通孔を設けることになり、基板１０の製造方法が複雑になる。また、貫通孔が放熱性に影響するおそれがある。金属パターン２２を分割することも考えられるが、分割によって金属パターン２２と金属パターン１２とが半田１６によって接合される面積が相対的に減少するため、放熱性の観点から好ましくない。以下の実施例では、上記課題を解決する。
【実施例１】
【００１５】
図３（ａ）は、本発明の実施例１に係る半導体モジュールにおけるプリント基板の平面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、金属パターン１２上に直線状のレジスト１４が設けられている。レジスト１４は、例えばレジスト１３と同時に形成されている。これにより、レジスト１３と１４の膜厚および材料はほぼ同じである。レジスト１４は、平面視において長方形状の短辺に平行に３本設けられている。レジスト１４は金属パターン１２全体に相当する領域を４つの領域１２ａ〜１２ｄに分割する。その他の構成は、比較例１の図１（ａ）および図１（ｂ）と同じであり説明を省略する。
【００１６】
基板１０は、例えばプリント基板であり、ガラスエポキシ等の絶縁層を有する基板である。基板１０は複数の金属層（配線層）と複数の絶縁層がそれぞれ交互に積層された構造を有してもよい。また、基板１０内に配線層を使用した内部配線および配線層と絶縁層とを積層方向に貫通する貫通電極等が設けられていてもよい。金属パターン１１および１２は、例えば銅層または金層等の金属層である。金属パターン１２の大きさは、例えば１１．９ｍｍ×４．９ｍｍである。レジスト１３および１４は、ソルダーレジストであり例えばエポキシ樹脂等の非導電性樹脂層である。レジスト１４の幅および高さ（厚さ）は、例えばそれぞれ２００μｍおよび４０μｍである。
【００１７】
図４（ａ）は、本発明の実施例１に係る半導体モジュールにおける上面に半田が形成されたプリント基板の平面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、金属パターン１１および１２上に半田１５および１６を形成する。半田１５および１６は、例えばＳｎＡｇ半田であり、例えば、半田マスクを使用した印刷法を用い形成する。印刷法用の半田マスクとしては、例えば厚さが１００μｍの金属マスクを用いることができる。半田１６および１５の厚さは、半田マスクの厚さとほぼ等しく、例えば１００μｍである。金属パターン１１の全面に対して、半田１６は図４（ａ）に図示されるように例えば横６個×縦３個の複数の領域に分割されている。半田１６は分割しなくてもよい。レジスト１４の膜厚は、半田マスクによって塗布された状態の半田１６の厚さより小さく設定される。このため、レジスト１４上に半田１６が形成され得る。
【００１８】
図５（ａ）は、本発明の実施例１に係る半導体モジュールにおいて上面にパッケージが実装されたプリント基板の平面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図５（ａ）では、金属パターン１２、レジスト１４および半導体チップ２６（半導体素子）を点線で示している。基板１０上にパッケージ２０を配置し、半田リフローにより図５（ａ）に図示された全体を加熱する。これにより、半田１５および１６が溶融する。所定の温度プロファイルに従って温度を下げることで、半田１５および１６が固化し、パッケージ２０の下面の金属パターン２１および２２が基板１０の金属パターン１１および１２とそれぞれ接合される。金属パターン２１および２２は例えば銅層または金層等の金属層である。金属パターン１１、１２、２１および２２は半田１５および１６と接合する。これにより、金属パターン１１と２１とが半田１５を介し接合され、金属パターン１２と２２とが半田１６を介して接合される。半田１５および１６の厚さは例えば約１００μｍである。半田１５および１６の厚さは、半田マスクの厚さを変えることによって調整してもよい。半田１６内にボイド２８はほとんど形成されない。レジスト１４の位置は半導体チップ２６の位置と重ならないように配置されている。これは、半導体チップ２６の下部において、金属パターン１２と２２とが接合する面積が大きい方が熱の伝導が向上するためである。レジスト１４がある部分は金属パターン１２と２２とが接合し難くなる。その他の構成は、比較例１の図２（ａ）および図２（ｂ）と同じであり説明を省略する。
【００１９】
図６は、本発明の実施例１に係る半導体モジュールにおけるパッケージ２０の平面図である。図６ではリッドを図示していない。図６に示すように、パッケージ基板２４上に枠体２５および半導体チップ２６が設けられている。パッケージ基板２４は、例えばセラミック等の絶縁体をベースとし、上面および下面に金属パターンが設けられている。パッケージ基板２４内には、パッケージ基板２４の上面と下面を接続する内部配線が設けられていてもよい。
【００２０】
半導体チップ２６は、パッケージ基板２４上にフェイスアップ実装またはフェースダウン実装されている。半導体チップ２６は、例えば光送信用の変調器を駆動するドライバ（駆動回路）が搭載されたチップであり、高周波信号を入力および／または出力する。半導体チップ２６は、ＧａＡｓ基板またはＳｉ基板等の半導体基板を有している。半導体チップ２６はヒートシンクである金属パターン２２とそれぞれの間の熱伝導性が好適になるように接続されている。例えば、フェイスアップ実装によって、半導体チップ２６のメタライズされた下面が金属パターン２２と直接接合されてもよく、あるいは、他の金属材料を介して金属パターン２２と接合されてもよい。
【００２１】
枠体２５はパッケージ基板２４の周縁に半導体チップ２６を囲むように設けられている。枠体２５は例えばコバール等の金属層である。枠体２５は絶縁層でもよい。枠体２５上にリッド（不図示）を設けることで、パッケージ基板２４、枠体２５およびリッドにより半導体チップ２６がキャビティ内に封止される。例えば、枠体２５がコバールによるシールリングであって、リッドがニッケルメッキされたコバールで作られている場合、シーム溶接によってリッドがシールシングに接合されてもよい。
【００２２】
半導体チップ２６において発生した熱は、パッケージ基板２４の下面、金属パターン２２、半田１６、金属パターン１２および基板１０を介して伝導し、半導体モジュールの外部に放熱される。
【００２３】
図７（ａ）および図７（ｂ）は、本発明の実施例１に係る半導体モジュールにおけるレジスト付近の断面図である。図７（ａ）に示すように、レジスト１４は樹脂材料であるため溶融した半田をはじき、レジスト１４の上部は半田１６の濡れ性が悪い。このため、半田リフローのときに、レジスト１４上に空気層３０が形成される。半田１６から発生するガスおよび／またはリフローのときに巻き込まれた空気は空気層３０を介し半田１６の外に抜ける。よって、比較例１のようなボイド２８を抑制できる。
【００２４】
図７（ｂ）に示すように、半田リフローのときに、レジスト１４上に半田１６が押し出されることもある。しかし、樹脂材料であるレジスト１４と金属の半田１６の間は接合されず、微小な空気層３０が形成される。これにより、空気等は空気層３０を介し半田１６の外に抜ける。よって、この場合にも比較例１のようなボイド２８を抑制できる。
【００２５】
図８は、本発明の実施例１の変形例１に係る半導体モジュールにおけるプリント基板の平面図である。図８に示すように、レジスト１４は線状であり互いに交差していてもよい。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
【００２６】
本発明の実施例１によれば、レジスト１４（樹脂層）は金属パターン１２上に金属パターン１２（平面状の第１の金属パターン）を複数の領域１２ａ〜１２ｄ（接合領域）に分割するように設けられている。パッケージ２０は、半田１６を介し複数の領域１２ａ〜１２ｄの全てと単一の金属パターン２２（平面状の第２の金属パターン）が接合するように、基板１０上に搭載されている。
【００２７】
これにより、図７（ａ）および図７（ｂ）のように、半田リフローのときに、レジスト１４の上面と半田１６との界面に形成される空気層３０を介し加熱によって生じるガスまたは空気を除去することができる。よって、半田１６内のボイド２８を抑制できる。これにより、半導体チップ２６（半導体素子）で発生した熱を金属パターン２２、半田１６を介して好適に伝導させ、基板１０に効率的に放熱できる。
【００２８】
レジスト１４の表面は半田１６の濡れ性が悪いため、図７（ａ）および図７（ｂ）のように、レジスト１４の上面は半田１６と接合されない。これにより、レジスト１４と半田１６との界面に空気層３０が形成される。よって、半田１６内のボイド２８の生成を抑制できる。レジスト１４の厚さは、半田１６を介して接合された金属パターン１２と２２の距離よりも小さいことが好ましい。これにより、金属パターン２２とレジスト１４とが離れ、空気等をより効率的に除去することができる。
【００２９】
図７（ａ）および図７（ｂ）のように、空気層３０が形成されると、レジスト１４は金属パターン２２の下面から離間している。これにより、レジスト１４と半田１６との界面に空気層３０が形成される。よって、半田１６内のボイド２８の生成を抑制できる。
【００３０】
図５（ａ）のように、パッケージ２０と基板１０とを上部から見たときに、半導体チップ２６の占める領域と重なる金属パターン２２の領域（放熱領域）は、特に良好な放熱性が好ましい領域となる。レジスト１４は半田１６より熱伝導性が低い。そこで、レジスト１４は複数の半導体チップ２６のそれぞれに対応する複数の放熱領域と重ならないように配置されるのがより好適となる。すなわち、複数の放熱領域は、それぞれ領域１２ａ〜１２ｄのいずれか一つの内側に含まれている。これにより、放熱領域の熱を半田１６を介し効率的に外部に放熱できる。
【００３１】
分割された領域１２ａ〜１２ｄの数は２以上であればよいが、４以上の領域であることが好ましい。領域１２ａ〜１２ｄの個数を増やすことで、レジスト１４の本数が増える。これにより、半田リフローのときに空気等が効率的に抜ける。よって、半田１６のボイド２８をより抑制できる。領域１２ａ〜１２ｄの各々の面積は金属パターン２２の２５％以下が好ましく、１５％以下がより好ましい。なお、領域１２ａ〜１２ｄの各々の面積は、ある上限値以下となるように設定されてもよい。すなわち、金属パターン１２の形状および大きさに応じて、加熱時に発生するガスまたは空気の空気層３０による除去作用が最適となるようにレジスト１４のパターンが設定されてもよい。
【００３２】
レジスト１４は直線状である。これにより、半田リフローのときに空気等が効率的に抜ける。例えばレジスト１４が曲がっていると、空気等が移動しにくくなる。空気等を効率的に除去するため、レジスト１４は最短距離で設けられることが好ましい。よって、金属パターン１２が長方形状の場合、レジスト１４は辺に平行であることが好ましい。また、短辺と平行であることが好ましい。
【００３３】
レジスト１４は、熱伝導性が低いため、レジスト１４の厚さは、半田１６（あるいは半田マスク）の厚さの２／３以下が好ましく、１／２以下がより好ましい。レジスト１４の幅は、空気等を除去するため１００μｍ以上が好ましい。放熱の観点から３００μｍ以下が好ましい。
【００３４】
本発明の実施例１に係る半導体モジュールのように、レジスト１４は線状であり、互いに平行でもよい。例えば、直線状のレジスト１４は互いにほぼ平行に配置されていてもよい。これにより、半田リフローのときに空気等が効率的に抜ける。本発明の実施例１の変形例１に係る半導体モジュールのように、レジスト１４は線状であり、互いに交差していてもよい。例えば、直線状のレジスト１４は、少なくとも２本の直線状のレジスト１４が互いに交差して配置されていてもよい。これにより、半田リフローのときに空気等が効率的に抜ける。
【００３５】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００３６】
１０  基板
１１、１２、２１、２２  金属パターン
１２ａ−１２ｄ  領域
１３、１４  レジスト
１５、１６  半田
２０  パッケージ
２４  パッケージ基板
２５  枠体（シールリング）
２６  半導体チップ（半導体素子）
２８  ボイド（ガスあるいは空気）
３０  空気層
【図１】
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【図２】
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【図３】
2018133360.tif 000005
【図４】
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【図５】
2018133360.tif 000007
【図６】
2018133360.tif 000008
【図７】
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【図８】
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