(57)【要約】【課題】半導体素子の接続信頼性と熱放散性を高めることができるようにする。【解決手段】ケース１内において、電子部品１１，１２，１３を実装したセラミック基板１０が収納されている。第１のセラミック基板１０に実装された半導体素子１３の背面に第２のセラミック基板２０が接着されている。第２のセラミック基板２０の下面に電子部品２２，２３が実装されている。配線材３１を具備するセラミック部材３０が、第１のセラミック基板１０と第２のセラミック基板２０との間に配置され、セラミック部材３０の配線材３１を介して第１のセラミック基板１０と第２のセラミック基板２０とが電気的に接続されている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケース（１）内において、電子部品（１１，１２，１３）を実装したセラミック基板（１０）を収納した電子制御装置であって、
第１のセラミック基板（１０）に実装した半導体素子（１３）の背面に第２のセラミック基板（２０）を接着したことを特徴とする電子制御装置。
【請求項２】
前記第２のセラミック基板（２０）の両面のうちの少なくともいずれかの面に電子部品（２２，２３）を実装したことを特徴とする請求項１に記載の電子制御装置。
【請求項３】
前記第１のセラミック基板（１０）と第２のセラミック基板（２０）とを電気的に接続したことを特徴とする請求項２に記載の電子制御装置。
【請求項４】
配線材（３１）を具備するセラミック部材（３０）を、前記第１のセラミック基板（１０）と第２のセラミック基板（２０）との間に配置し、セラミック部材（３０）の配線材（３１）を介して第１のセラミック基板（１０）と第２のセラミック基板（２０）とを電気的に接続したことを特徴とする請求項３に記載の電子制御装置。
【請求項５】
前記第１と第２のセラミック基板（１０，２０）間の電気的接続にフレキシブル基板を用いたことを特徴とする請求項３に記載の電子制御装置。
【請求項６】
前記第１のセラミック基板（１０）に対し台座用フリップチップ型電子部品（１４）を介して前記半導体素子（１３）を実装することにより、第１のセラミック基板（１０）に実装する他の電子部品（１１，１２）よりも前記半導体素子（１３）の背面を高くするようにしたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電子制御装置。
【請求項７】
前記台座用フリップチップ型電子部品（１４）の材料としてセラミック材料を用いたことを特徴とする請求項６に記載の電子制御装置。
【請求項８】
ケース（１）内において、電子部品（１１，１２，１３）を実装したセラミック基板（１０）を収納した電子制御装置の製造方法であって、
第１のセラミック基板（１０）に半導体素子（１３）を実装する第１工程と、
前記半導体素子（１３）の背面に第２のセラミック基板（２０）を接着する第２工程と、
を含むことを特徴とする電子制御装置の製造方法。
【請求項９】
電子部品（１１，１２，１３）のハンダ付けと、電気的接続用のセラミック部材（３０）の配線材（３１）の第１と第２のセラミック基板（１０，２０）へのハンダ付けとを一括リフローにて行うようにしたことを特徴とする請求項８に記載の電子制御装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
複数の接続端子を有する半導体素子を回路基板上に実装した構造において、半導体素子の接続信頼性や放熱性を向上させる構成として、特許文献１に示すものがある。これは、複数の接続端子のうち、少なくとも角部に位置する接続端子の外周表面を非導電性樹脂層で被覆するものである。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−７７５２７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、周囲環境が高温・多湿である場合、被覆樹脂が温度や湿度の影響で劣化する。劣化した樹脂では保護効果が無くなり、ハンダ内でのクラック伸長や基板ランドが剥離することがある。また、温度変化の大きい環境では、これらの減少は顕著になる。即ち、半導体素子の長期接続信頼性が満足されない。さらに、半導体素子で発生した熱は、ハンダバンプからのみ基板に放散される構造のため熱抵抗が高く、半導体素子温度が上昇しやすく、誤動作する場合がある。
【０００５】
本発明はこのような背景の下になされたものであり、その目的は、半導体素子の接続信頼性と熱放散性を高めることができるようにすることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明によれば、半導体素子の背面にセラミック基板（第２のセラミック基板）を接着するので、半導体素子の見かけの熱膨張率がセラミック基板の熱膨張率に近似させることができ、これにより、ハンダ接合部にかかる熱応力が軽減され、接続信頼性を高くすることができる。また、背面に接着したセラミック基板がヒートシンクの役割を果たし、半導体素子の急激な発熱に対する熱放散性を高くすることができる。このようにして半導体素子の接続信頼性と熱放散性を高めることができる。
【０００７】
請求項２に記載の発明によれば、第２のセラミック基板の両面のうちの少なくともいずれかの面に電子部品を実装することにより、電子制御装置の小形化を図ることができる。
【０００８】
請求項３に記載の発明によれば、第１と第２のセラミック基板を電気的に接続することにより、大規模な回路を構成することが可能になる。
請求項４に記載の発明によれば、第１と第２のセラミック基板の電気的接続を図る部材に、基板材料と同じセラミックを使用することにより、ハンダ接合部にかかる熱応力が軽減され、接続信頼性を高めることができる。
【０００９】
請求項５に記載の発明によれば、第１と第２のセラミック基板の電気的接続を図る部材に、フレキシブル基板を使用することにより、ハンダ接合部にかかる熱応力が軽減され、接続信頼性を高めることができるとともに、製造工程を簡略化することができる。
【００１０】
請求項６に記載の発明によれば、台座用フリップチップ型電子部品により半導体素子の背面が第１のセラミック基板に実装する他の電子部品よりも高くなり、第２のセラミック基板を配置しやすくなる。
【００１１】
請求項７に記載の発明によれば、台座用フリップチップ型電子部品の材料としてセラミック材料を用いることにより、台座用フリップチップ型電子部品の熱膨張率がセラミック基板の熱膨張率に近いため台座用フリップチップ型電子部品と基板との間にかかる熱応力が軽減され、接続信頼性を高めることができる。
【００１２】
請求項８に記載の発明によれば、半導体素子の背面に第２のセラミック基板を接着した後に第１のセラミック基板に半導体素子を実装する場合に比べて、はじめに、半導体素子を第１のセラミック基板に実装するため、ハンダ溶融に伴なうセルフアライメント効果が実現され、厳密な位置合わせを行う必要がなくなり、そのため、製造工程を簡略化することができる。
【００１３】
請求項９に記載の発明によれば、一括リフローするため、工程が少なくなるので、製造原価を安くすることが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。
図１には、本実施形態における車載用電子制御装置（ＥＣＵ）の縦断面図を示す。図２には、車載用電子制御装置（ＥＣＵ）の斜視図を示す。ただし、図２はケースの内部におけるＥＣＵの斜視図である。図３にはケース内におけるＥＣＵの分解斜視図を示す。本ＥＣＵは、エンジン制御用ＥＣＵである。
【００１５】
図１においてケース１はケース本体２とカバー３とからなる。ケース本体２はアルミよりなり、全体構成として上面が開口した箱型をなしている。ケース本体２の上面開口部はカバー（蓋）３にて塞がれている。
【００１６】
ケース１内においてケース本体２の底面には、セラミック基板（第１のセラミック基板）１０が配置（収納）され、接着剤にて固定されている。セラミック基板１０は回路基板として用いており、詳しくはセラミック基板１０はセラミック多層基板よりなる。図３に示すように、セラミック基板１０の上面には電子部品１１，１２，１３が搭載（表面実装）されている。電子部品１１はチップコンデンサであり、電子部品１２はフリップチップ型電子部品である。電子部品１３は半導体素子、具体的にはチップサイズパッケージ（ＣＳＰ）であり、台座用フリップチップ型電子部品としてのインターポーザ１４を介して実装されている。詳しくは、セラミック基板１０の上面においてインターポーザ（台座用フリップチップ型電子部品）１４がハンダ付けされ、このインターポーザ１４の上に半導体素子（ＣＳＰ）１３がハンダにて接合されている。また、インターポーザ１４は配線用部材としても機能し、電子部品（ＣＳＰ）１３のバンプ（ハンダボール）とセラミック基板１０のパッドとを電気的に接続している。この半導体素子（ＣＳＰ）１３はセラミック基板１０上に多数（図３では４つ）配置されている。
【００１７】
このように、第１のセラミック基板１０に対し台座用フリップチップ型電子部品としてのインターポーザ１４を介して半導体素子（ＣＳＰ）１３を実装することにより、第１のセラミック基板１０に表面実装する他の電子部品１１，１２よりも半導体素子１３の背面（上面）を高くしている。インターポーザ１４の材料としてセラミック基板１０の材料（例えば、アルミナ）と同じセラミック材料（例えば、アルミナ）を用いている。これにより、インターポーザ１４の熱膨張率がセラミック基板１０の熱膨張率に近いためインターポーザ１４とセラミック基板１０との間にかかる熱応力が軽減され、接続信頼性を高めることができる。
【００１８】
さらに、図１に示すように、第１のセラミック基板１０に実装した半導体素子（ＣＳＰ）１３の背面（上面）にはセラミック基板（第２のセラミック基板）２０が配置され、接着層２１にて固定（接着）されている。セラミック基板２０は回路基板として用いており、詳しくはセラミック基板２０はセラミック多層基板よりなる。ここで、前述したようにインターポーザ１４により半導体素子１３の背面がセラミック基板１０に実装する他の電子部品１１，１２よりも高くなっているので、第２のセラミック基板２０を配置しやすい。また、図３に示すように、セラミック基板２０の下面には電子部品２２，２３が搭載（実装）されている。電子部品２２はチップコンデンサである。電子部品２３はベアチップであり、図１の接着層２４にてセラミック基板２０に固定されるとともにＡｕワイヤ２５にてボンディングされている（電気的に接続されている）。なお、ベアチップを第１のセラミック基板１０に実装してもよい。
【００１９】
また、図１に示すように、第１のセラミック基板１０と第２のセラミック基板２０との間において電気接続部材としてのセラミック部材３０が配置されている。セラミック部材３０は四角枠状をなし、その内方に電子部品１１，１２，１３，２２，２３が位置している。セラミック部材３０は母体がセラミック材料（絶縁体）よりなり、その内部には多数の配線材（導体）３１が上下方向に延びている。このようにセラミック部材３０は配線材３１を具備している。セラミック部材３０の配線材３１は上下のセラミック基板１０，２０に対しハンダ付けされ、両基板１０，２０はセラミック部材３０を介して電気的に接続されている。このようにして、第１と第２のセラミック基板１０，２０を電気的に接続して大規模な回路を構成することが可能になる。また、第１と第２のセラミック基板１０，２０の電気的接続を図る部材３０に、基板材料と同じセラミックを使用しているので、ハンダ接合部３２（図１参照）にかかる熱応力が軽減され、接続信頼性を高めることができる。
【００２０】
さらに、図２に示すように、セラミック基板１０の上面において左端部と右端部に、多数のパッド１５が形成されている。また、ケース本体２におけるセラミック基板１０の配置領域の左側と右側には、図１に示すように、コネクタ取付用透孔４が設けられている。この各透孔４にコネクタ４０が差し込まれ、この状態で固定されている。コネクタ４０はコネクタハウジング（ソケット）４１とコネクタピン（外部接続用ピン）４２からなる。コネクタハウジング４１は有蓋筒状をなし、コネクタハウジング４１の蓋部にはコネクタピン４２が貫通した状態で支持されている。さらに、図２に示すように、セラミック基板１０のパッド１５とコネクタピン４２とはワイヤ４３によるボンディングにて電気的に接続されている。
【００２１】
コネクタ４０は相手方コネクタを介してワイヤ（図示略）の端部と連結される。このワイヤにはバッテリー、各種センサ、エンジン制御用アクチュエータが接続される。そして、ＥＣＵはセンサ信号にてエンジンの運転状態を検知し各種の演算を実行してインジェクタやイグナイタといったアクチュエータを駆動してエンジンを最適な状態で運転させる。
【００２２】
次に、電子制御装置の製造方法（組み立て方法）を説明する。
まず、第１工程として、第１のセラミック基板１０の上面に半導体素子１３を含めた各電子部品１１，１２，１３を実装する。同様に、第２のセラミック基板２０に電子部品２２，２３を実装する。さらに、第１のセラミック基板１０の上面にセラミック部材３０を配置する。そして、第２工程として、半導体素子１３の背面に第２のセラミック基板２０を接着する。ここで、半導体素子１３の背面に第２のセラミック基板２０を接着した後に第１のセラミック基板１０に半導体素子１３を実装する場合に比べて、はじめに、半導体素子１３を第１のセラミック基板１０に実装するために、ハンダ溶融に伴なうセルフアライメント効果が実現され、厳密な位置合わせを行う必要がなくなるために、製造工程を簡略化することができる。
【００２３】
また、上下のセラミック基板１０，２０間にセラミック部材３０を設置する際、電子部品１１，１２，１３，２２，２３のハンダ付けと、電気的接続用のセラミック部材３０の配線材３１の第１と第２のセラミック基板１０，２０へのハンダ付けとを一括リフローにて行う。このように一括リフローすることにより、工程が少なくなるので、製造原価を安くすることが可能となる。
【００２４】
引き続き、ケース１のケース本体２に第１のセラミック基板１０を固定するとともにコネクタ４０を取り付ける。さらに、セラミック基板１０のパッド１５とコネクタピン４２とをワイヤ４３にてボンディングする。さらには、ケース本体２に対しカバー３を取り付けて電子制御装置の製造（組み立て）が完了する。
【００２５】
このような手順にて、第２のセラミック基板２０を、第１のセラミック基板１０上に実装した高集積半導体素子（ＣＳＰ）１３に接着する。この際、図１の接着層２１には鉛フリーハンダを用いると、環境負荷低減を図る上で好ましいものとなる。また、チップコンデンサ１１，２２をセラミック基板１０，２０に実装する際に、ハンダ接合には、環境負荷低減のために鉛フリーハンダを用いるのが好ましい。同様に、ベアチップ２３を固定する接着層２４は環境負荷低減のために鉛フリーハンダを用いるとよい。
【００２６】
また、半導体素子（ＣＳＰ）１３はセラミック基板と同じ材料からなるインターポーザ１４を介して第１のセラミック基板１０に実装されているので、第１のセラミック基板１０とインターポーザ１４にアルミナを使用した場合、熱膨張率は約７×１０−６／℃で同じであるため、ハンダ接合部１４ａ（図１参照）に作用する熱応力は小さい。
【００２７】
一方、インターポーザ１４と半導体素子（ＣＳＰ）１３間のハンダ接合部１３ａ（図１参照）に作用する熱応力は大きい。なぜなら、半導体素子（シリコン）の熱膨張率が約２×１０−６／℃であり、約５×１０−６／℃の熱膨張率差を含んでいるからである。この熱応力は、半導体素子１３の角部もしくは周辺バンプで特に大きく、また、大形な半導体素子１３において大きい。
【００２８】
近年、半導体素子に高い機能が求められるに従い素子サイズは大型化の傾向にあるため、接続信頼性に関して、前述の熱応力起因の接続寿命が問題となる状況である。
【００２９】
そこで、本実施形態のように半導体素子（ＣＳＰ）１３の背面に第２のセラミック基板２０を接着することで、半導体素子（ＣＳＰ）１３の見かけの熱膨張率が大きくなりセラミック基板１０の熱膨張率に近似させることができる。そのため、図１のハンダ接合部１３ａにかかる熱応力を軽減することができる。これにより、ハンダ内クラック伸展、及び、基板側ランド剥離を防止でき、半導体素子１３の長期接続信頼性を高めることができる。
【００３０】
また、第２のセラミック基板２０がヒートシンクの役割を果たすため、半導体素子１３の急激な発熱に対する熱放散性が高まり、誤動作を防止することができる。つまり、半導体素子（ＣＳＰ）１３内の発熱が、その背面から第２のセラミック基板２０に放散するため、半導体素子１３と周辺部間の熱抵抗が減少する。これにより、周囲温度が高温な場合においても高放熱で接続信頼性に優れ、より高温の使用環境下でも誤作動させないことが可能となる。
【００３１】
図１に示すごとく第２のセラミック基板２０の下面にチップコンデンサ２２を実装したが、第２のセラミック基板２０の上面に実装することも可能である。また、図１に示すごとく第２のセラミック基板２０の下面にベアチップ２３を実装したが、第２のセラミック基板２０の上面にも実装可能である。このように、第２のセラミック基板２０の両面のうちの少なくともいずれかの面に電子部品２２，２３を実装することができ、電子制御装置の小形化を図る上で好ましいものとなる。
【００３２】
また、インターポーザ１４を介さずに半導体素子（ＣＳＰ）１３を直接第１のセラミック基板１０に実装することも可能である。ただし、小形な半導体素子に限定することが望ましい。なぜなら、前述と同様な理由で、ハンダ接合部１３ａに熱応力が生じやすく、接続信頼性が懸念されるからである。
【００３３】
上述したように上下のセラミック基板１０，２０間の電気的接続は、セラミック部材３０内の多数本の配線材（導体）３１を介したハンダ付けにて行っているが、このとき、ハンダ接続後のハンダ接合部３２（図１参照）の隙間を、低融点のガラス材料でハーメチックシールするとよい。シールすることで外部からの湿気の流入を防止できるために、接続寿命、及び、部品寿命を延長することができる。また、シール構造を採用することで、図１のハンダ接合部３２，１４ａ，１３ａ，１２ａ，１１ａ等に鉛共晶（Ｓｎ−３７Ｐｂ）ハンダを用いても、外界に流出する危険性はなくなり、環境負荷低減の効果も期待できる。
【００３４】
上下のセラミック基板１０，２０の接続方法および構造は、図示した形態に限定されるものではない。すなわち、第１と第２のセラミック基板１０，２０間の電気的接続に（コンタクト用部材３０に）フレキシブル基板を用いることも可能である。このように第１と第２のセラミック基板１０，２０の電気的接続を図る部材に、フレキシブル基板を使用すると、ハンダ接合部にかかる熱応力が軽減され、接続信頼性を高めることができるとともに、製造工程を簡略化することができる。
【００３５】
なお、半導体素子１３としてＣＳＰ（チップサイズパッケージ）を用いたが、これに限定されるものではなく、他の半導体素子、特にフェースダウンボンディング型の半導体素子であるＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）やフリップチップ型電子部品を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態における車載用電子制御装置（ＥＣＵ）の縦断面図。
【図２】車載用電子制御装置（ＥＣＵ）の斜視図。
【図３】車載用電子制御装置（ＥＣＵ）の分解斜視図。
【符号の説明】
１…ケース、２…ケース本体、３…カバー、１０…第１のセラミック基板、１１，１２…電子部品、１３…半導体素子、１４…台座用フリップチップ型電子部品、２０…第２のセラミック基板、２２，２３…電子部品、３０…セラミック部材、３１…配線材。
【図１】
2004158700.tif 000003
【図２】
2004158700.tif 000004
【図３】
2004158700.tif 000005