JP2012156465A - 半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】耐振性および耐衝撃性に優れたＳＳＤ装置を提供する。
【解決手段】ＳＳＤ装置１０は、配線基板１１と、この配線基板１１を収納する一対のケース（上側ケース１２Ａおよび下側ケース１２Ｂ）とを備えている。配線基板１１の下面には、ＮＡＮＤ型フラッシュメモリチップが封止されたＳＯＰ２１とコントローラチップが封止されたＢＧＡ２３とが実装されている。ＢＧＡ２３と下側ケース１２Ｂとの隙間に挟み込まれた、粘着性を有するゲル状シート２６は、ＳＳＤ装置１０に加わる振動や衝撃のエネルギーを緩和、吸収し、配線基板１１の撓みを抑制する。
【選択図】図３

Description

本発明は、ソリッドステートドライブ(Solid State Drive)装置を有する半導体装置に関し、特に、ソリッドステートドライブ装置の耐振・耐衝撃構造に適用して有効な技術に関するものである。

記録媒体として不揮発性半導体メモリ（フラッシュメモリ）を用いるソリッドステートドライブ装置（以下、ＳＳＤ装置という）は、磁気ディスクに情報を書き込むハードディスクドライブ装置に比べて物理的信頼性（耐振性および耐衝撃性）が高く、かつ省電力、小型、高速といった利点を有していることから、ハードディスクドライブ装置に代わるストレージデバイスとして注目されている。

ＳＳＤ装置は、フラッシュメモリチップやコントローラチップが実装された配線基板と、この配線基板を覆う筐体（ケース）とで構成されている。配線基板の一辺には、インターフェース用の複数のピン（外部接続端子）が設けられており、ＳＳＤ装置は、これらのピンを介してコンピュータのマザーボードなどに接続される。また、配線基板には、上記チップの他、必要に応じて容量素子やデータキャッシュ用のＤＲＡＭチップやなどが実装される。

なお、コンピュータの起動ドライブ用ＳＳＤ装置については、例えば特許文献１などに記載がある。

特許第３１９５９８８号公報

前述したように、ＳＳＤ装置は、ハードディスクドライブ装置に比べて振動や衝撃に強く、また、小型で消費電力も少ないという利点を有している。

そのため、ＳＳＤ装置は、ノート型パソコンや携帯情報端末といったモバイル電子機器のストレージデバイスとしての需要も増大しているが、ＳＳＤ装置をモバイル電子機器に搭載する場合は、特に振動および衝撃に対して高い信頼性を有することが要求される。

本発明者は、樹脂パッケージで封止された各種チップ（フラッシュメモリチップ、コントローラチップなど）が実装された配線基板を一対のケースで挟み込んで四隅をネジ止めした構造のＳＳＤ装置を作製した。そして、このＳＳＤ装置に対して振動試験および衝撃落下試験を行ったところ、樹脂パッケージと配線基板とを接続しているバンプ電極（半田ボール）の一部が断線する現象が見出された。そこで、この断線の原因を調べたところ、振動あるいは落下時の衝撃によって配線基板に撓みが発生し、これによって半田ボールに亀裂が生じることが断線の主因であることを見出した。

そこで、樹脂パッケージと配線基板との隙間にアンダーフィル樹脂を充填することによって、樹脂パッケージと配線基板との密着力を強化する対策を講じたところ、振動試験および衝撃落下試験を行っても半田ボールに亀裂が生じることはなかった。また、他の対策として、配線基板とケースとの間に樹脂製のスペーサを挟み込むことによって、配線基板の撓みを防ぐようにしたところ、半田ボールの亀裂を抑制することができた。

しかしながら、樹脂パッケージと配線基板との隙間にアンダーフィル樹脂を充填する第一の対策は、アンダーフィル樹脂を塗布するための専用の製造ラインを必要とするため、ＳＳＤ装置の大幅なコスト増加を引き起こすという問題がある。また、樹脂パッケージと配線基板との隙間にアンダーフィル樹脂を充填すると、樹脂パッケージ内のチップに不良が発生した際などに、樹脂パッケージを配線基板から取り外すことが困難になる。

また、配線基板とケースとの間に樹脂製のスペーサを挟み込む第二の対策も、ＳＳＤ装置の機種に応じて形状および寸法の異なるスペーサを用意しなければならないため、ＳＳＤ装置の大幅なコスト増加を引き起こすという問題がある。

本発明の目的は、耐振性および耐衝撃性に優れたＳＳＤ装置を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

本発明の好ましい一態様である半導体装置は、フラッシュメモリチップが封止された第１樹脂パッケージおよびコントローラチップが封止された第２樹脂パッケージを含む複数の樹脂パッケージが実装され、かつ一辺に複数の外部接続用ピンが配置された配線基板と、前記配線基板を収納するケースとを備えたＳＳＤ装置を有しており、前記ＳＳＤ装置の前記第２樹脂パッケージは、その底面に形成された複数の半田ボールを介して前記配線基板に実装されており、前記ケースの内面と前記配線基板との隙間には、粘着性を有するゲル状シートが設けられているものである。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下の通りである。

外部からＳＳＤ装置に加わる振動や衝撃のエネルギーをゲル状シートが緩和、吸収するすることで配線基板の撓みが抑制されるので、耐振性および耐衝撃性に優れたＳＳＤ装置を実現することができる。

本発明の実施の形態１であるＳＳＤ装置の外観（上面側）を示す平面図である。 本発明の実施の形態１であるＳＳＤ装置の外観（下面側）を示す平面図である。 本発明の実施の形態１であるＳＳＤ装置を長辺方向から見た分解側面図である。 本発明の実施の形態１であるＳＳＤ装置を短辺方向から見た分解側面図である。 本発明の実施の形態１であるＳＳＤ装置に内蔵された配線基板（上面側）を示す平面図である。 本発明の実施の形態１であるＳＳＤ装置に内蔵された配線基板（下面側）を示す平面図である。 本発明の実施の形態２であるＳＳＤ装置を長辺方向から見た分解側面図である。 本発明の実施の形態２であるＳＳＤ装置に内蔵された配線基板（下面側）を示す平面図である。 本発明の実施の形態２の別例を示す分解側面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。さらに、実施の形態を説明する図面においては、構成を分かり易くするために、平面図であってもハッチングを付す場合がある。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態のＳＳＤ装置の外観（上面側）を示す平面図、図２は、このＳＳＤ装置の外観（下面側）を示す平面図、図３は、このＳＳＤ装置を長辺方向から見た分解側面図、図４は、このＳＳＤ装置を短辺方向から見た分解側面図、図５は、このＳＳＤ装置に内蔵された配線基板（上面側）を示す平面図、図６は、このＳＳＤ装置に内蔵された配線基板（下面側）を示す平面図である。

ＳＳＤ装置１０は、配線基板１１と、この配線基板１１を収納する一対のケース（上側ケース１２Ａおよび下側ケース１２Ｂ）とを備えている。配線基板１１は、その四隅がビス１３、スプリングワッシャ１４、ナット１５によって上側ケース１２Ａおよび下側ケース１２Ｂに固定されている。

上記配線基板１１は、例えばガラスエポキシ樹脂板の両面に銅配線を形成した単層配線基板で構成されている。また、上側ケース１２Ａおよび下側ケース１２Ｂは、例えばアルミニウムのような金属からなる薄板で構成されている。

配線基板１１の上面には、表面実装型ＩＣパッケージの一種である複数個のＳＯＰ(Small Outline Package)２１と１個のＳＯＰ２２とが実装されている。複数個のＳＯＰ２１にはそれぞれＮＡＮＤ型フラッシュメモリチップ（図示せず）が封止されており、ＳＯＰ２２にはデータキャッシュ用のＤＲＡＭチップ（図示せず）が封止されている。ＳＯＰ２１およびＳＯＰ２２は、それぞれの二側面から取り出された複数本のリード２１ａ、２２ａを介して配線基板１１の上面に半田付けされている。

一方、配線基板１１の下面には、ＮＡＮＤ型フラッシュメモリチップがそれぞれ封止された複数個のＳＯＰ２１の他に、上記フラッシュメモリチップおよびＤＲＡＭチップの動作を制御するためのコントローラチップ（図示せず）が封止された１個のＢＧＡ(Ball Grid Array)２３が実装されている。

上記コントローラチップは、メモリチップ（フラッシュメモリチップ、ＤＲＡＭチップ）に比べてピン（外部接続端子）数が多いため、コントローラチップを封止する樹脂パッケージは、メモリチップを封止する樹脂パッケージに比べて外形寸法が大きい。そこで、コントローラチップを封止するＢＧＡ２３は、その実装面積を縮小するために、パッケージ底面にアレイ状に形成した複数個の半田ボール２３ａを介して配線基板１１と接続する方式が採用されている。

配線基板１１の下面の一辺には、複数個の容量素子（キャパシタ）２４が実装されている。これらの容量素子２４は、それぞれの一側面から取り出された一対のリード２４ａを介して配線基板１１の下面の一辺に半田付けされている。すなわち、容量素子２４は、いわゆる片持ち梁方式によって配線基板１１に半田付けされている。

また、配線基板１１の下面の他端（容量素子２４が半田付けされた一辺と対向する一辺）には、インターフェース用の複数のピン（外部接続端子）２５が設けられている。これらのピン２５は、配線基板１１に形成された銅配線（図示せず）を介してＳＯＰ２１、２２、ＢＧＡ２３、容量素子２４のいずれかと電気的に接続されている。ＳＳＤ装置１０は、これらのピン２５を介してコンピュータのマザーボードなどに接続される。

上記のような構造を有するＳＳＤ装置１０に対して振動試験および衝撃落下試験を行うと、振動あるいは落下時の衝撃によって配線基板１１に撓みが発生し、樹脂パッケージ（ＳＯＰ２１、２２、ＢＧＡ２３）と配線基板１１との接続部（リード２１ａ、２２ａ、半田ボール２３ａ）に強い物理的応力が加わる。特に、半田ボール２３ａは、リード２１ａ、２２ａに比べて変形し難いので、強い物理的応力が加わった際に亀裂が発生し、断線を引き起し易い。

そこで、本実施の形態では、配線基板１１の下面に実装されたＢＧＡ２３と下側ケース１２Ｂとの隙間に、粘着性を有するゲル状シート２６を挟み込み、振動試験時に配線基板１１に加わる振動エネルギー、および衝撃落下試験時に配線基板１１に加わる衝撃エネルギーをこのゲル状シート２６で緩和することによって、配線基板１１の撓みを抑制する。

粘着性を有するゲル状シート２６としては、例えばエラストマーとしてシリコーンゴムを主成分とし、これにシリコーン樹脂などを添加したシリコーン系のゲル状ポリマーなどが使用される。その他、粘着性を有するアクリル系のゲル状ポリマーやウレタン系のゲル状ポリマーなども使用できる。特に、シリコーン系のゲル状ポリマーは、耐熱性に優れ、かつ適用温度範囲も広いという利点を有しているので好ましい。

ＢＧＡ２３と下側ケース１２Ｂとの隙間に挟み込むゲル状シート２６の寸法は、ＢＧＡ２３の寸法と同程度にするのが好ましい。ゲル状シート２６の寸法がＢＧＡ２３の寸法に比べて過剰に大きい場合は、ゲル状シート２６の自重によって配線基板１１に撓みが発生することがあり、かつゲル状シート２６の材料費も増加する。他方、ゲル状シート２６の寸法がＢＧＡ２３の寸法に比べて過剰に小さい場合は、振動エネルギーや衝撃エネルギーを緩和、吸収する効果が低下する。

また、ゲル状シート２６の厚さは、ＢＧＡ２３と下側ケース１２Ｂとの隙間の寸法よりも若干大きめにするのが好ましい。このようにすると、ＢＧＡ２３の表面にゲル状シート２６を貼り付けた後、配線基板１１を上側ケース１２Ａおよび下側ケース１２Ｂにネジで固定した際、ゲル状シート２６をＢＧＡ２３と下側ケース１２Ｂの双方に密着させることができる。また、ゲル状シート２６をＢＧＡ２３および下側ケース１２Ｂに密着させることにより、ＢＧＡ２３に封止されたコントローラチップから発生した熱がゲル状シート２６を介して金属製の下側ケース１２Ｂに伝わるので、ＳＳＤ装置１０の放熱性を向上させることもできる。

前述したように、本実施の形態のＳＳＤ装置１０は、配線基板１１の一辺に容量素子２４が片持ち梁方式で半田付けされている。このため、外部からＳＳＤ装置１０に強い振動や衝撃が加わった際、容量素子２４のリード２４ａに大きい荷重が加わり、リード２４ａが配線基板１１から剥離する恐れがある。

そこで、本実施の形態では、配線基板１１に実装された容量素子２４と下側ケース１２Ｂとの隙間にも、上記した粘着性を有するゲル状シート２６を挟み込むことによって、リード２４ａの断線を抑制する。

本実施の形態のＳＳＤ装置１０を組み立てる際には、あらかじめ大面積のゲル状シート２６をＢＧＡ２３および容量素子２４の各寸法と同程度の寸法に裁断しておく。そして、治具を使ってゲル状シート２６をＢＧＡ２３および容量素子２４の各表面に手作業で貼り付けた後、配線基板１１を上側ケース１２Ａおよび下側ケース１２Ｂにネジで固定する。なお、ＢＧＡ２３および容量素子２４の各表面にゲル状シート２６を貼り付ける代わりに、ＢＧＡ２３および容量素子２４の各表面と対向する下側ケース１２Ｂの内面にゲル状シート２６を貼り付けてもよい。

このように、ゲル状シート２６をＢＧＡ２３および容量素子２４の各表面に貼り付ける作業は、配線基板１１を上側ケース１２Ａおよび下側ケース１２Ｂにネジ止めする工程を利用して簡単に実施することができる。従って、ＢＧＡ２３と配線基板１１との隙間にアンダーフィル樹脂を充填する場合とは異なり、専用の製造ラインを必要としない。

また、ゲル状シート２６は、ＳＳＤ装置１０を組み立てた後もその表面が粘着性を保っているので、ＢＧＡ２３、容量素子２４および下側ケース１２Ｂの各表面から容易に剥がすことができる。従って、ＳＳＤ装置１０を組み立てた後、ＢＧＡ２３に不良が発生した場合でも、ＢＧＡ２３を配線基板１１から取り外して良品のＢＧＡ２３と交換する作業の妨げにならない。

また、ゲル状シート２６は、大面積のゲル状シート２６をＢＧＡ２３および容量素子２４の各寸法と同程度の寸法に裁断するだけで用意することができる。従って、この方法は、樹脂成形されたスペーサを配線基板１１と下側ケース１２Ｂ（または上側ケース１２Ａ）との間に挟み込む方法よりも低コストで実施することができる。

なお、本実施の形態では、ＢＧＡ２３が配線基板１１の下面に実装されている場合について説明したが、ＢＧＡ２３が配線基板１１の上面に実装されている場合には、ＢＧＡ２３と上側ケース１２Ａとの隙間に、粘着性を有するゲル状シート２６を挟み込むようにする。

本実施の形態のＳＳＤ装置１０と、ゲル状シート２６を使用しない他は本実施の形態のＳＳＤ装置１０と同一構造のＳＳＤ装置（比較例）とを用意し、両者に対して振動試験および衝撃落下試験を行った。その結果、比較例では、１５００Ｇの衝撃でＢＧＡ２３の半田ボール２３ａが配線基板１１から剥離する不良が発生した。また、２０〜２０００ヘルツ（Ｈｚ）、１０Ｇの振動で片持ち梁構造の容量素子２４が配線基板１１から脱落した。これに対し、ゲル状シート２６を使用した本実施の形態のＳＳＤ装置１０では、上記と同じ条件の各試験で不良が発生しなかった。

（実施の形態２）
図７は、本実施の形態のＳＳＤ装置を長辺方向から見た分解側面図、図８は、このＳＳＤ装置に内蔵された配線基板の下面側を示す平面図である。

前述したように、ＳＳＤ装置１０の配線基板１１は、その四隅が上側ケース１２Ａおよび下側ケース１２Ｂにネジ止めされている。そのため、外部からＳＳＤ装置１０に強い振動や衝撃が加わった場合、上側ケース１２Ａおよび下側ケース１２Ｂに固定された配線基板１１の四隅はほとんど変形しないのに対し、四隅から最も離れた位置は撓み量（変形量）が最大となる。すなわち、四隅が上側ケース１２Ａおよび下側ケース１２Ｂに固定された配線基板１１は、その中央が最も撓み易い。

そこで、本実施の形態では、ゲル状シート２６を配線基板１１の中央付近に配置することによって、配線基板１１の撓みを抑制する。図７および図８は、ゲル状シート２６を配線基板１１の下面側に配置した例を示しているが、図９に示すように、ゲル状シート２６を配線基板１１の上面側、すなわち配線基板１１の上面に実装されたＳＯＰ２１と上側ケース１２Ａとの隙間に配置してもよい。

また、図７および図８は、ゲル状シート２６を配線基板１１の下面の樹脂パッケージ（ＳＯＰ２１およびＢＧＡ２３）に貼り付けた例を示しているが、配線基板１１の中央と対向する下側ケース１２Ｂの内面（または上側ケース１２Ａの内面）にゲル状シート２６を貼り付けてもよい。

本実施の形態によれば、前記実施の形態１よりも少ない枚数のゲル状シート２６を使って配線基板１１の変形を抑制することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

前記実施の形態では、配線基板の四隅が上側ケースおよび下側ケースにネジ止めされるタイプのＳＳＤ装置について説明したが、例えば配線基板の四隅が上側ケースまたは下側ケースのいずれか一方に固定されるタイプのＳＳＤ装置に適用することもできる。

本発明は、ＳＳＤ装置の耐振・耐衝撃構造に利用することができる。

１０ ＳＳＤ装置
１１ 配線基板
１２Ａ 上側ケース
１２Ｂ 下側ケース
１３ ビス
１４ スプリングワッシャ
１５ ナット
２１、２２ ＳＯＰ
２１ａ、２２ａ リード
２３ ＢＧＡ
２３ａ 半田ボール
２４ 容量素子
２４ａ リード
２５ ピン
２６ ゲル状シート

Claims (6)

1. フラッシュメモリチップが封止された第１樹脂パッケージおよびコントローラチップが封止された第２樹脂パッケージを含む複数の樹脂パッケージが実装され、かつ一辺に複数の外部接続用ピンが配置された配線基板と、前記配線基板を収納するケースとを備えたソリッドステートドライブ装置を有する半導体装置であって、
   前記第２樹脂パッケージは、その底面に形成された複数の半田ボールを介して前記配線基板に実装されており、
   前記ケースの内面と前記配線基板との隙間には、粘着性を有するゲル状シートが設けられていることを特徴とする半導体装置。
2. 前記粘着性を有するゲル状シートは、前記第２樹脂パッケージの表面と接していることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
3. 前記粘着性を有するゲル状シートは、前記配線基板の中央に配置されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
4. 前記ケースは、前記配線基板の上面を覆う上側ケースと前記配線基板の下面を覆う下側ケースとで構成され、前記配線基板は、その四隅が前記上側ケースまたは前記下側ケースの少なくとも一方にネジ止めされていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
5. 前記粘着性を有するゲル状シートは、シリコーン系エラストマーを主成分として含むことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
6. 前記配線基板の前記一辺と対向する他の一辺には、片持ち梁方式によって前記配線基板に半田付けされた容量素子が実装されており、
   前記ケースの内面と前記配線基板との隙間には、粘着性を有する第２のゲル状シートが前記容量素子の表面と接するように設けられていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。

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