e機能モジュールを支える 部品内蔵基板技術の開発 藤巻 升 小池 清 高見 和裕 尾形 繁行 飯長 裕 ピーダンス制御不要等の電気特性上の効果が期待されて 背 景 いる。 携帯機器の高機能化に伴い電子機器の小型、軽量、薄 部品内蔵基板は、ビデオカメラの高機能化、無線通信 型化が求められている。小型化する技術としてパッケージ 機器の小型化の用途として採用されており、今後、車載 の 進 化 を 見 た 場 合 、 平 置 き 構 造 （ SiP（ System in 用、コンシューマ製品用、産業機器用、インフラ機器用 Package））→ 多段スタック構造（CoC（Chip on と幅広いニーズに広がると予測される。 これらの要求に対応するためには、多様な部品、LSIを Chip））→ パッケージスタック構造（PoP（Package on Package） ）→ Si貫通チップスルーコンタクト構造の 実装し、内蔵する技術が必要である。 本論文では、部品内蔵基板の部品内蔵方法、接続技術、 ように2次元から3次元の実装技術により、高密度化を実 現してきた。プリント基板と実装の動向を図1に示す。プ 製造方法、信頼性、事例について述べる。 リント基板においても、3次元化した部品内蔵のプリント 基板（以降｢部品内蔵基板｣と呼ぶ）が注目されている。 部品内蔵基板の部品内蔵方法 部品内蔵を行うことにより、表層に実装したLSIの真下 （1）能動部品の内蔵方法 に受動部品を配置することが可能となり、回路間の信号 能動部品の埋め込み形態には、ベアチップ状態のまま 配線の最短化が図れ、ダンピング抵抗の削減、特性イン 埋め込む方法とパッケージに加工してから埋め込む方法 微細実装 実装の動向 ファインピッチ ＢＧＡ実装 高密度面実装 ベアチップ Ｗ−ＣＳＰ実装 機能モジュール フリップチップ 実装 受動部品混載 e機能モジュール CPU AD/ CR CR DAC CR CR CR CR ASIC RAM フレックスリジット基板 ビルドアップ基板 車載モジュール MID （３D成型回路部品） ＲＦモジュール 基板の動向 ハイパービア基板 アナログ混載ＳiＰ CPU デジタルＳiＰ CPU Flash ＳiＰの動向 ASIC 部品内蔵基板 AD/ DAC Ｚ ｉ ｇＢｅｅモジュール イメージセンサモジュール ASIC RAM ASIC ASIC ASIC CPU SD RAM XTAL 部品内蔵 Ｉ ＳＢ基板 CPU CPU Ｓ ｉ Ｐ （ＣｏＣ） ＰｏＰ Ｓ ｉ Ｐ Ｓ ｉ Ｐ （平置き） （多段スタック） （パッケージスタック） （Ｓ ｉ貫通チップスルーコンタクト） ３次元ＬＳ Ｉ ２００３ ２００４ ２００５ ２００６ 図1 プリント基板と実装の動向 18 OKIテクニカルレビュー 2010年4月／第216号Vol.77 No.1 ２００７ ２０１０ ものづくりを支える部品技術特集 ● の2つがある。我々は品質の安定性と歩留まりを考慮し、 部品内蔵基板の接続技術 W-CSP（Wafer-Level Chip Size Package）を内蔵す る後者を選択した。W-CSPは検査により品質が保証され 部品内蔵基板における部品の接続方法は、W-CSPと ているため、KGD（Known Good Die）の問題は発生し チップ部品の両方を同時に実装できること目標とし、鉛 ない。 フリーはんだを使用したリフロー方式のはんだ接合を採 用した。この接続方法のメリットを次に示す。 ① 既存プロセスの延長であり、新しい実装方式の設備を開 （2）受動部品の内蔵方法 受動部品（C、R、L）の内蔵方法は、基板の製造工程 発する必要が無い。 で造り込む方法と市販のチップ部品を埋め込む方法がある。 ② 既存の部品を使用できる。 前者は、特性の保証が難しいことに加え、製造上の制約 ③ LSI、受動部品が同時に実装できる。 により必要な特性を得ることができない。たとえば、コ 当社の部品実装技術は、長野沖電気殿の協力を得て習 ンデンサは、必要な静電容量を得るために積層面積を拡 得した。はんだ印刷機、マウンター、リフロー炉、検査 大するか積層数を増加すれば可能だが、小型化・薄型化 機を揃えた一貫ラインを構築し量産体制を確立した。 （ラ の目的から外れる。それに対し後者では、特性の保証さ インは基板製造と同じワークサイズが加工できる）実装 れた市販の汎用部品を内蔵し信頼性を確保できるため、 密度は表層実装と同等レベルである。 我々は後者を選択した。 部品内蔵基板の製造方法 （3）内蔵部品のサイズ 内蔵が可能な部品サイズは、0402、0603、1005で ある。ただし同一層に0402、0603、1005を混載した場 部品内蔵基板の製造工程（4層板のケース）を図3に 示す。2層板の表裏に写真法により銅の回路形成を行い、 合、内層部の基板厚みは1005内層時の厚さとなる。サ 部品内蔵基板基本工程 イズが0603と1005のチップ部品を1つの層に混載した部 ◆４層板のケース 品内蔵基板の断面写真を図2に示す。 材料 近年は、製品のアプリケーションの増大に伴い、コン デンサでは1μF以上の静電容量が得られる1005サイズの 露光 エッチング 中層検査 部品内蔵が増えている。 部品の厚さが、薄型化を達成する上で障害となるため、 部品メーカーでは大容量化と部品厚さの低背化の両方の 部品実装 開発が進められている。現在は1005サイズで0603と同 等の厚さの部品の製造が可能となっている。 洗浄 銅箔 プリプレグ 0603 0603 1005 構成 0603 プリプレグ 0603サイズ 抵抗 1005サイズ コンデンサ 0603サイズ コンデンサ 銅箔 積層 0603 1005 表層工程へ 図2 サイズの異なるチップ部品の混載 図3 部品内蔵基板の製造方法 OKIテクニカルレビュー 2010年4月／第216号Vol.77 No.1 19 クリームはんだ印刷後、リフローはんだ付け方式により 表層実装型（３１２チップ搭載品） 22000 装した基板をプリプレグと銅箔で上下からはさみ込むよ の製造方法と同様である。 360000 16000 340000 14000 320000 12000 300000 10000 当社では、お客様からの回路図・部品表・部品仕様等 8000 280000 6000 260000 4000 240000 2000 の情報を元に、小型化の提案、基板設計、基板製造、部 品実装、製品検査までのワンストップサービスを提供し 380000 ひずみ 抵抗値 18000 ひずみε ［×１０−６］ 定する。以降、表層の製造工程は、通常のプリント基板 ひずみε オーバーレンジ 20000 うに積層し、加熱圧着する。圧着時に部品に応力がかか らないよう、部品高さを考慮した厚さのプリプレグを選 400000 24000 抵抗値［Ω］ 部品を実装後、フラックス残渣を洗浄する。その後、実 220000 0 -2000 2 4 6 8 200000 10 曲げ回数 ている。 部品内蔵型（３１２チップ搭載品） 24000 比べて、内蔵したW-CSPは表層実装した場合にくらべ 1） 2倍以上の寿命があることが確認された 。以下その評価 結果を述べる。 専用のTEG（Test Element Group）を用いて、W- 360000 18000 ひずみε ［×１０−６］ 温度サイクル試験を行った結果、表層実装した場合に 380000 ひずみ 抵抗値 20000 部品内蔵基板の信頼性 （1）表面実装と部品内蔵の信頼性の比較結果 400000 ひずみε オーバーレンジ 16000 340000 14000 320000 12000 300000 10000 8000 280000 6000 260000 4000 抵抗値［Ω］ 22000 240000 2000 220000 0 -2000 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 200000 曲げ回数 CSPとチップ部品を内蔵した基板を製造した。内蔵した W-CSPは6mm角、0.5mmピッチ、112端子数であり、 図4 表層実装と部品内蔵の曲げ信頼性比較 チップ部品は0603抵抗を内蔵した。温度サイクル-25℃ /9min ⇔ 室温 ⇔ 125℃/9minの試験条件において評価 した。その結果、部品内蔵したW-CSPの断線による50% 故障率の発生する時間が、表層実装した時間の2倍以上で あった。 次に、チップ抵抗を表層に実装した基板と、部品内蔵 した基板を準備し、それぞれに長さ方向の18%を押し込 む曲げ試験を実施した。各基板には0603チップ抵抗が 312個直列に接続されており、その抵抗値の変化を観察し た。結果を図4に示す。 表1 内蔵部品の信頼性試験結果 試験項目 しても抵抗値の変化は見られなかった。表層実装よりも、 内蔵部品のほうが曲げに対する接続信頼性が高いことが X、Y、Z方向に基板を落下させ、150回 まで抵抗変化無し 繰り返しリフロー 試験 吸湿後、最大20回までリフロープロファ 断面、SATで観 イルをかけたが、抵抗変化無し、膨れ、剥 察して問題なし 離無し 温度サイクル試験 -65℃ （30分）⇔125℃ （30分） 最大3000サイクルで抵抗変化無し HAST試験 110℃＊85%RH＊DC25V印可 500H合格 静電気試験 IEC-61000-4-2 最大8KVまで5s10回放電し、 その前後で SATで観察して の抵抗、容量を測定し基準値内であった。 剥離無し 10∼2000Hz、X、Y、Z方向各20サイクル 振動試験 JIS C 60068-2-6 を印加し、試験前後での抵抗値、容量を (IEC60068-2-6) 測定し基準値内であった。 確認された。内蔵部品では、部品の接続部の周囲が、樹 脂で覆われ、応力が分散されるため、信頼性が高くなる と推測される。 備考 落下試験 表層実装では曲げ7回目に抵抗値の上昇が見られ、10回 目で完全に破断した。内蔵の場合は、曲げを20回繰り返 試験条件及び試験結果 耐リペア性 曲げ試験 表層にBGAを実装後、 リワークをしたとき SATで観察して のリワーク後の接続を確認し、抵抗、容量 剥離無し 値が基準値内であった。 曲げ量（長さに対して5、10、20%） を変化 させ、断線になる状態を観察10%14回で 参考試験 断線、20%4回で断線 （2）部品内蔵基板の信頼性試験結果 信頼性試験結果を表1に示す。 20 落下試験結果の詳細を図5に示す。 落下試験では、落下回数が150回になっても抵抗値に変 内蔵した部品が温度サイクル試験で特性が変化するの 化が無く、落下衝撃に対して内蔵部品の接続に問題の無 か、−65℃×30min ⇔ 125℃×30minの試験条件で電気 いことが確認された。 的特性として抵抗値の変化の有無を連続測定した。温度 OKIテクニカルレビュー 2010年4月／第216号Vol.77 No.1 ものづくりを支える部品技術特集 ● 10 700 4 コンクリート床面 Ａ、 Ｂブロックを１． ５ ｔ銅張積層板３枚 （両側で６枚）にはさみ、 テープで固定した 全重量１１０ｇ 落下高さ： １． ５ｍ 0 -4 -8 20 40 60 80 100 120 140 160 １ ２ 10 10 6 5 500 400 300 224 200 100 Sample A 0 Sample B 1 2 1 10 3 13 2 1 0.96 0.97 0.98 0.99 1 1.01 1.02 1.03 1.04 Resintance(kΩ) Sample C 落下方向 ３片の３軸方向を下に 向けて順番に落下させた 0 584 600 Frequency 8 -12 7 Sample A Sample B Resistance (Ω) Change of resistance (%) 12 4 0 500 1000 ３ 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Time (h) 部品単体の精度が±５％であり Number of drops 温度サイクル試験により ３,０００サイクル後も抵抗値は 接続不良は観察されなかった。 部品の精度内に入っている。 （膨れや剥離は観察されなかった） 落下による接続不良は観察されなかった。 図5 落下試験結果 図6 温度サイクル試験結果 ZigBee 無線ネットワークソリューション 機能モジュールに必要な要素すべてをワンストップで提供できます。 センサネットワーク応用 超小型ZigBee モジュール開発 従来モジュール ｅ機能モジュール システム技術 ZigBee センサ モジュール開発技術 第１世代 ・従来実装（両面・表面実装） 35 ・受動部品（C.R）基板内蔵化 ・LSIワンチップ化 （ZigBee無線LSI ＋マイコン） 52 20 アンテナ 第２世代 ・受動部品 ＋ LSIの基板内蔵化 ・搭載部品の小型化 ・コネクタ削除＆ランド端子化 （片面・表面実装化、薄型化） ・外部アンテナ化 センサモジュール への組込み 電源 15 ZigBee センサ 無線ネットワーク技術 15 30 センサ [mm] 高密度 実装技術 部品技術 部品内蔵基板技術 （受動部品） 部品内蔵基板技術 （LSI、受動部品） 半導体微細化技術 （ワンチップ化） LSIパッケージ技術 （W-CSP化） メッシュ リンク スター リンク ZigBee コーディネーター ZigBee ルーター ZigBee エンドデバイス スター リンク 図7 ZigBeeモジュール サイクル試験結果を図6に示す。 部品内蔵基板の事例 3,000サイクルまで抵抗値の変化が無く電気的特性に問 題は認められなかった。 ®＊1） （1）ZigBee モジュール さらに、温度サイクル試験後のサンプルについて、各 低消費電力タイプのRFモジュールであり、モジュール チップ部品単体の抵抗の測定を実施した結果、全て部品 同士で種々のネットワークを築くことができる特徴を持 がメーカー保証の公差内であることが確認された。 ち、今後のユビキタス社会のネットワークの一つとして その他、繰り返しリフロー試験、HAST試験、静電気 期待されるものである。52mm×35mmのサイズが部品内 試験、振動試験、耐リペア性試験を行ったが、部品内蔵 蔵技術により15mm×15mmまで小型化できた。（面積比 基板の信頼性に問題は認められなかった。 以上のように、部品内蔵基板に対して実施した各種の で約1/8）図7に開発したZigBee無線ネットワークモ ジュールを示す。 信頼性試験結果は、いずれも表面実装の場合と同等以上 であった。これにより、既存の部品を内蔵しても接続信 頼性が低下しないことを確認できた。 （2）指紋認証モジュール 超小型、高速、高精度、低消費電力、高セキュリティ の開発目標の基に開発されたAll in Oneの指紋認証モ ＊1）ZigBeeはZigBee Alliance Inc.の登録商標です。 OKIテクニカルレビュー 2010年4月／第216号Vol.77 No.1 21 ジュール（沖セミコンダクター殿向け）であり、0603の 受動部品を内蔵することで25mm×23mmの超小型サイズ を実現した。製品概要を図8に示す。 （3）IPカメラの小型化 受動部品を内蔵することにより、96mm×50mmの大き さから、64mm×50mmの大きさに小型化することが実現 できた。面積比で約33%の小型化が可能となった。 図9に開発したIPカメラの小型化事例を示す。 指紋認証モジュール・商品概要 これひとつで指紋認証機能を実現します ● 超小型、高速、高精度、 低消費電力、高セキュリティの All in Oneモジュール 指紋画像スキャン 登録データとのマッチング比較 All in One ! 指紋画像 スキャン 登録データとの マッチング比較 YES or NO 認証結果出力 ● 認証結果 の出力 受動部品をプリント基板に 内蔵することでモジュールの 超小型化を実現 25mm×23mm あ と が き これまで、既存の部品はプリント基板に内蔵すること を前提として製造されていないため、部品を内蔵して信 頼性を確認した報告は非常に少ない。今回、既存の部品 センサ側 コントローラ側 を内蔵したプリント基板の信頼性を確認した結果、十分 25mm × 23mm 実用に耐えるものであった。また、本技術を用いること 受動部品（0603） 部品内蔵基板 により、製品サイズが小型化できることを実証した。 お客様ご要望の部品内蔵基板を製造するためには、多 図8 指紋認証モジュール基板 種多様のLSIの実装技術が必要である。既存部品ではWCSP化が困難なこと、また、部品をお客様から直接支給 e 機能モジュール e 機能モジュールとは、OKI グループの保有する総合技 術「高密度実装技術」「システム技術」「部品技術」を結集 した短 TAT、高付加価値モジュール製品のことである。 SiP（System in Package） 複数の半導体チップ、LSI 等を一つのパッケージに収納 して、外観上単一チップに電子システムが入っているよう に見えるパッケージのこと。 CoC（Chip on Chip） 複数の半導体チップを 1 つのパッケージ内部で積み重ね て実装し、複合機能を実現するもの。チップ間はワイヤボ ンディングまたは、フリップチップ接続により接続する。 PoP（Package on Package） 複数のパッケージを積層することにより集積度を上げる 技術。パッケージに BGA（Ball Grid Array）を用い、下の パッケージのインターポーザの電極と上のパッケージのは んだボールをつなげて接続する場合が多い。 W-CSP（Wafer-Level Chip Size Package） 半導体部品のパッケージ形式の 1 つ。外部端子や封止樹 脂等のベアチップへ行う加工処理を、チップを切り出す前 のウエハーの段階で済ませてしまう。ボンディングワイヤ ーによる内部配線を行わず、半導体の一部が露出したまま のベアチップ大のパッケージ。 RF モジュール RF とは、Radio Frequency の略で、高周波信号のこと である。高周波信号を用いたモジュールの総称である。 22 OKIテクニカルレビュー 2010年4月／第216号Vol.77 No.1 ACF（Anisotropic Conductive Film） 異方性導電性フィルム。フィルム状の絶縁樹脂材料の中 に微細な導電性粒子を分散させた素材で圧力と熱を加える ことにより、接着と同時に電極間に鋏まれた導電粒子を介 して電気的接続をとるとともに、電極側面では絶縁の機能 を持つ。 ACP（Anisotropic Conductive Paste） 異方性導電性ペースト。微粒子状の導体材料を、接着剤 の中に分散させたものがペースト状に調整されたものであ る。スクリーン印刷によりプリント基板に転写、乾燥する。 機能は ACF と同様。 プリプレグ ガラス繊維を一方向に引きそろえたシートまたは、織物 に熱硬化性樹脂（主としてエポキシ樹脂）を含浸させて、 乾燥させた成型品である。 VIA ビア（VIA）は、多層配線において、下層の配線と上層 の配線を電気的につなぐ接続領域。通常は層間絶縁材料を ドリル加工してビア・ホールを開口し、そのビア・ホール をメタル材料で埋め込む、またはメッキ加工により導電性 を得る。 ZigBee 家電向けの短距離無線通信規格の一つ。同種の技術であ る Bluetooth よりも低速で伝送距離も短いが、省電力で低 コストという利点がある。アルカリ単 3 電池 2 本で約 2 年 間駆動する。 ものづくりを支える部品技術特集 ● Ｉ Ｐカメラの小型化 特徴 ・部品内蔵技術で従来より33％小型化を達成 33%小型化 ＜内蔵部3次元配線状態＞ 受動部品内蔵 X線ＣＴでの撮影 層構成 受動部品内蔵 図9 IPカメラの小型化 される場合があること等、従来のはんだ接続技術だけで は、新しいアプリケーションの実現は難しくなってきて いる。そのため、超音波、ACF、ACP等、多様な接続方 式に対応する技術が必要である。 部品内蔵技術のアプ リケーション展開は始まったばかりであるが、市場やお 客様のニーズは非常に高いものがある。それに応えるべ く、部品内蔵基板の更なる技術開発、改善を進めたいと 考える。 ◆◆ ■参考文献 1）閑野義則：LSI内蔵基板技術の開発，OKIテクニカルレビュー 211号，Vol.74 No.3，pp.62-65，2007年10月 ●筆者紹介 藤巻升：Noboru Fujimaki. 沖プリンテッドサーキット株式会社 e機能モジュール事業部 実装技術部 チームリーダ 小池清：Kiyoshi Koike. 沖プリンテッドサーキット株式会社 e機 能モジュール事業部 e機能モジュール開発部 室長 高見和裕：Kazuhiro Takami. 沖プリンテッドサーキット株式会 社 e機能モジュール事業部 実装技術部 尾形繁行：Sigeyuki Ogata. 沖プリンテッドサーキット株式会 社 e機能モジュール事業部 実装技術部 部長 飯長裕：Hiroshi Iinaga. 沖プリンテッドサーキット株式会社 e機 能モジュール事業部 e機能モジュール開発部 部長 OKIテクニカルレビュー 2010年4月／第216号Vol.77 No.1 23