JP2003092312A - 電子装置及び光伝送モジュール - Google Patents
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Abstract
り、電子装置の耐久性を向上する。 【解決手段】はんだを用いたフリップチップ方式でBG
A(Ball Grid Array)型パッケージが回路基板に実装
されている電子装置に、回路基板とBGA型パッケージ
との間に配置する第1の樹脂を、BGA型パッケージの
外周又は側方に配置する第2の樹脂を備えさせ、第2の樹
脂に第1の樹脂より弾性率が小さく、弾性率0.5GP
a以上28GPa以下のものを用いた構造とする。
Description
が実装された回路基板を備えた電子装置に関する。
んだ付けが多用されている。しかし、電子装置の高密度
化と小形化、薄形化の要求によって、パッケージの接続
端子数の増加と小形化により、端子ピッチの減少が急速
に進み、従来のはんだ付け技術では、微細な電極に精度
よくはんだを供給することが難しくなってきた。
る接続技術が開発されてきており、なかでもBGA型パ
ッケージを用いた表面実装技術は、電気特性と実装密度
の向上を実現する手段として有力な工法とされている。
実装技術は、回路基板の熱膨張係数の大きさのために、
大きな熱サイクルの環境下では回路基板が大きく変形
し、接続部に応力が加わり、接続断線してしまうことが
ある。
た表現実装技術は、この基板の変形量を小さくするため
に、BGA型パッケージと回路基板の間に樹脂を用い
て、接続不良を防ぐようにしている。
現実装技術の一例が、特開平9−107003号公報に
開示されている。該公報の構造は、該突起電極と電気的
に接続できるように配置した基板電極を有する回路基板
を用い、該突起電極と該基板電極との間に導電性接着剤
を介在させ、BGA型パッケージと回路基板の間に樹脂
を介在させる。該公報のプロセスは、BGA型パッケー
ジの端子電極に突起電極を形成し、該突起電極の先端に
転写方式で導電性接着剤つける。ここで、転写方式とは
容器に所定の厚さに収容された導電性接着剤に突起電極
を押し付け、該突起電極を上方に持ち上げることで所定
の厚さの導電性接着剤を突起電極に転写する方法であ
る。次に、BGA型パッケージが搭載される部分に樹脂
を塗布し、樹脂の上からBGA型パッケージを回路基板
上に搭載し加熱硬化させている。
現実装技術が、特開平8−172114号公報に開示さ
れている。該公報の構造は、BGA型パッケージの端子
に突起電極を形成し、回路基板の電極にはんだを用い、
はんだを溶融させて突起電極とはんだを接続させる。該
公報のプロセスは、BGA型パッケージの端子電極に突
起電極を形成し、回路基板上の該BGA型パッケージが
搭載される部分に樹脂を塗布し、樹脂の上からBGA型
パッケージを搭載し、BGA型パッケージを加圧・加熱
する。
うに、1種類の樹脂8を用いてBGA型パッケージ1と
回路基板3を接着させており、BGA型パッケージ1と
回路基板3の間に備えた樹脂8と、BGA型パッケージ
の外周に備えた樹脂8は同じであり、樹脂の弾性率につ
いては特には規定されていない。
ージ1と回路基板3の間に備えた樹脂8aと、BGA型パ
ッケージの外周に備えた樹脂8bが異なる場合の一例が、
特開2000−327884号公報に開示されている。
基板3の間に備えた樹脂8aに、(A)エポキシ樹脂:1
00重量部(B)ポリオルガノシルセスキオキサン:1
00〜300重量部(C)硬化促進剤:0.01〜10
重量部を含有し、BGA型パッケージ1の外周の樹脂8b
は、特に制限されるものではなく、好ましい材料として
はエポキシ樹脂、BGA型パッケージ1と回路基板3の
間に備えた樹脂8aと同様の成分を有するエポキシ樹脂、
ガラス転移温度以下の膨張係数が20ppm/℃以下の
エポキシ樹脂を用いることが記載されている。
の間に備えた樹脂8aと、BGA型パッケージ1の外周に
備えた樹脂8bが異なる場合の他の一例が特開2001−
35884号公報に開示されている。該公報は、BGA
型パッケージ1と回路基板3の間に樹脂フィルムを備
え、BGA型パッケージ1の外周、またはBGA型パッ
ケージ1の全体を絶縁性樹脂で覆う方法が記載されてい
る。
術の特開平8−172114号及び特開平9−1070
03号は、BGA型パッケージと回路基板の接着に用い
る樹脂が1種類であり、BGA型パッケージと回路基板
の間に備える樹脂と、BGA型パッケージの外周に備え
る樹脂が同じであるために以下の問題があった。
合、図6に示すように、熱が加わると低弾性樹脂6は回
路基板3の変形を拘束できないために、回路基板3は大
きく変形し、回路基板3の変形によって接続部に応力が
かかり、短期間で接続が断線してしまう。
図7に示すように、熱が加わると高弾性樹脂5は回路基
板3を拘束するため、回路基板3の変形は小さいが、B
GA型パッケージの端部応力9は大きくなる。次に、B
GA型パッケージ1の側面とBGA型パッケージの外周
樹脂8bの界面で剥離が起こる。次に、回路基板の変形量
は、BGA型パッケージの側面とBGA型パッケージの
外周樹脂8bの界面で剥離が起きていない時に比べ大きく
なり、接続部の応力が大きくなって、接続が断線してし
まう。
に用いる樹脂と、BGA型パッケージの外周に用いる樹
脂が異なるように構成することが記載された上記の特開
2000−327884号と、特開2001−3588
4号には、下記の問題がある。
A型パッケージの外周の樹脂の弾性率に対して考慮され
ていないため、接続不良が生じやすい。具体的には、エ
ポキシ樹脂、BGA型パッケージと回路基板の間に備え
た樹脂と同様の成分を有するエポキシ樹脂、ガラス転移
温度以下の膨張係数が20ppm/℃以下のエポキシ樹
脂が好ましいと記載されているだけあり、特開2001
−35884号は、BGA型パッケージの外周の絶縁性
樹脂に、エポキシ樹脂、エポキシアクリレート樹脂、シ
リコーン樹脂と記載されているだけである。
は、BGA型パッケージの外周に高弾性率樹脂5を用い
ると、熱ストレスによって回路基板3が変形し、BGA
型パッケージの端部9の応力が大きくなり、短時間でB
GA型パッケージ1の側面とBGA型パッケージの外周
に備える樹脂5の界面で剥離が起こり、BGA型パッケ
ージの外周に備える樹脂5は回路基板3の拘束力が低下
し、回路基板3の変形量は増加し、接続部にかかる応力
が増加して断線してしまう。
用いた表面実装技術を電子装置の一種である光伝送モジ
ュールのDriverICの実装に本発明者らは適用した結果、
上記問題が顕著になることが判明した。これは光伝送モ
ジュールが地中や電柱等屋外に置かれることが多く、温
度差の激しい熱サイクルに曝されるからである。そのた
め、本発明者は上記特性を考慮して、DriverICの回路基
板への実装にはんだを用いたBGA接続を行った場合で
も熱サイクルに対する耐久性の高い光伝送装置を考え出
した。
ージと電子基板のはんだ接続の熱サイクルに対する耐久
性を向上させることにより、電子装置の耐久性、特に光
伝送モジュールの耐久性を向上させることにある。
は、BGA型パッケージの端子と回路基板の端子が対向
するようにはんだで実装されている電子装置であって、
前記回路基板と前記BGA型パッケージの端子形成面と
の間に配置されている第1の樹脂と、前記BGA型パッ
ケージの外周または速報に配置されている第2の樹脂と
を備え、前記第2の樹脂は、前記第1の樹脂よりも弾性率
が小さく、室温で0.5GPa以上28GPa以下とするものがあ
る。
ケージと回路基板の間に備えると、回路基板の熱変形量
が小さくなるので、BGA型パッケージと回路基板の接
続部にかかる応力やひずみを小さくすることができる。
ジの外周又は側方に備えると、熱ストレスが加わり回路
基板が変形しても第2の樹脂で接着しているため、BG
A型パッケージの端部にかかる応力を小さくできるの
で、BGA型パッケージの側面と樹脂の剥離を防止する
ことができる。
持でき、接続信頼性を向上させることになる。
発明では第1の樹脂と第2の樹脂を備えたフリップチップ
構造にし、さらに、第1の樹脂を第2の樹脂よりも高い弾
性率の樹脂を用いるようにしている。
以下にするとさらに効果が高く、最も著しい効果を得る
ことができるのは4GPa以上15GPa以下の範囲である。
次の態様がある。
れる位置の中央部に予め高弾性樹脂を塗布し、BGA型
パッケージの突起電極と基板電極を位置合わせした後、
BGA型パッケージを回路基板上に搭載し、BGA型パ
ッケージを吸着したボンディングツールと回路基板を載
せた基板ステージよりBGA型パッケージと回路基板を
加熱させ、高弾性樹脂を硬化させる。次に、BGA型パ
ッケージの外周に低弾性樹脂を塗布し、低弾性樹脂を硬
化させ、BGA型パッケージの外周又は側面にフィレッ
トを形成する。
する。
た状態の断面図を図1に、全体図を図2に基板全体の上
面図を示す。
の一種である半田が端子面に配列されているBGA型パ
ッケージ(BGA型パッケージ)、2はBGA型パッケ
ージの突起電極(はんだボールがチップの端子に搭載さ
れた後の状態)、3は回路基板、4は基板電極、5は高
弾性樹脂、6は低弾性樹脂、9はBGA型パッケージの
端部である。
される電子基板は、電気回路パターンを形成してなる回
路基板3の電極と電気的に接続するBGA型パッケージ
1とがフリップチップ方式ではんだ接続されている。そ
して、BGA型パッケージ1の下方には、高弾性樹脂6
が充填され、BGA型パッケージの端部9の下方と側
方、つまりBGA型パッケージ1の外周又は側面が低弾
性樹脂5で覆われている。
の下方または外周を低弾性樹脂5で覆い、端部を除いた
中央部を高弾性樹脂6で充填していると、回路基板3の
温度による形状変動を防ぐことができ、BGA型パッケ
ージの端子と回路基板の端子とのはんだ接続箇所の接触
不良を防止することができる。
信頼性を向上させる点を考慮して、金、はんだの積層構
造としている。
性率の異なる2種類の樹脂を比較し、室温で弾性率が高
い方を高弾性樹脂5とし、弾性率の低い方を低弾性樹脂
6とする。つまり、高弾性樹脂5は、室温でBGA型パ
ッケージ1の外周に用いる低弾性樹脂6より弾性率が高
い樹脂のことである。この高弾性樹脂5、低弾性樹脂6
はエポキシを主骨格とする材料が好ましい。
0.5GPa以上28GPa以下であることが好ましく、さらに
は、1GPa以上20GPa以下であることが好ましく、もっと
もに好ましく4GPa以上15GPa以下である。高弾性樹脂5
の弾性率は、BGA型パッケージ1の外周に用いる低弾
性樹脂6より弾性率が高い樹脂であればよいことは言う
までもないが、室温の時、回路基板3の弾性率以上でチ
ップの弾性率以下であること好ましい。より具体的に
は、室温時の弾性率は24GPa〜150GPaが好ましい。な
お、この弾性率は、JISk−7113に準拠して算出
した値である。
る電子基板の構造は、低弾性樹脂6をBGA型パッケー
ジ1の外周に用いることで、熱ストレスが加わり回路基
板3が変形してもBGA型パッケージ1の周辺(特に、
外周)を低弾性樹脂6で接着しているため、BGA型パ
ッケージの端部9の応力を小さくでき、BGA型パッケ
ージ1の側面と低弾性樹脂6の剥離を起こさせないよう
に、長時間回路基板3の変形量を小さく維持でき、従来
のフリップチップ構造に比べて、接続信頼性を向上させ
ることが可能となる。
11及び図12を示す。
る。
厚み0.8ミリの回路基板、厚み0.45ミリ幅4ミリ
のBGA型パッケージ1、厚み0.05ミリの突起電極
(バンプ)2、厚み0.05ミリの高弾性樹脂5、厚み
5ミリ幅4ミリアスペクト比0.5の低弾性樹脂6で構成
した。基本的な配置は図1と同様である。
結果を図11に示す。
ージのチップ端部9の応力は、BGA型パッケージの外
周に用いる樹脂6の弾性率が大きくなるほど、大きくな
る傾向がわかる。また、BGA型パッケージのチップ下
側20の応力は、BGA型パッケージの外周(または端
部下方)に用いる樹脂6の弾性率が小さくなるほど、大
きくなる傾向がわかる。
6の弾性率の範囲を明確にするために、この図10のモ
デルを用いて-25〜125℃の熱サイクルで熱衝撃試験を行
った。-55〜125℃の熱サイクルの熱試験も行うことで、
Coffin-Mansonの熱疲労寿命予測式を用いて熱衝撃試験
の加速率(n=5.21)を求め、その加速率から光伝送装置
の稼働時温度変化(△T25℃/日)で、光伝送装置の目標
寿命20万時間の要求を満たすことができる熱衝撃試験の
目標値を120サイクルと設定した。
イクル数の応力とBGA型パッケージの外周に備える樹
脂の弾性率との関係を求めたのが図12である。
接続が断線しないで満足するためには、0.5GPa以上28GP
a以下であればよいことがわかる。また、目標の120サイ
クルを剥離せずに満足するためには、BGA型パッケー
ジの外周に備える低弾性樹脂6の弾性率が室温で1GPa以
上20GPa以下で、もっとも好ましくは4GPa以上15GPa以
下が必要であることがわかる。
弾性樹脂6の2種類の樹脂を使用するが、1つの樹脂
で、硬化方法、硬化条件を変えて、弾性率の異なる高弾
性樹脂5と低弾性樹脂6を備えてもよい。
プチップ構造体は、高信頼性を要求する機器であるハイ
エンドコンピュータ、サーバーに適用できることは、言
うまでもない。
を設けたBGA型パッケージ1を回路基板3上に搭載す
る方法を説明する。
載する前工程として、BGA型パッケージ1の端子に金
メッキを施した後,はんだボールを搭載することで突起
電極(はんだバンプ)2を形成しておく。なお、金を用
いる場合はめっき若しくはワイヤバンピング法を用いる
のが好ましく、はんだを用いる場合はメッキ法、蒸着
法、印刷法、はんだボールの接続法を用いるのが好まし
い。(ステップA1) 次に、BGA型パッケージ1を回路基板3に搭載する位
置に、ディスペンサ15で予め高弾性樹脂5を塗布す
る。この際、高弾性樹脂5を塗布する量は少なくともB
GA型パッケージ1と回路基板3の間を充分に介在させ
る量で、好ましくは最外周の突起電極2が覆われる程度
の量にする。(ステップA2) 次に、BGA型パッケージ1をボンディングツール10
で吸着し、BGA型パッケージ1の能動素子面を回路基
板3に対して下向きにして、回路基板3の基板電極4と
BGA型パッケージ1の突起電極2が直接接続できるよ
うに位置決めする。(ステップA3) 次に、回路基板3上にBGA型パッケージ1を搭載し、
BGA型パッケージ1を吸着したボンディングツール1
0でBGA型パッケージ1を加熱し、熱硬化性樹脂であ
る高弾性樹脂5を硬化させる。なお、光硬化性樹脂を用
いた場合には熱の代わりに光を当てる。また、高弾性樹
脂5の加熱のタイミングは、BGA型パッケージ1の搭
載と同時か、またはBGA型パッケージ1を搭載した後
のいずれかにする。(ステップA4) 次に、ディスペンサ15でBGA型パッケージ1の外周
に低弾性樹脂6を塗布する。(ステップA5) 次に、熱硬化樹脂である低弾性樹脂6を加熱して硬化さ
せ、BGA型パッケージ1の外周に樹脂フィレットを形
成させる。ここでは、低弾性樹脂6に熱硬化性樹脂を用
いたので、熱を加えて硬化させたが、低弾性樹脂6が光
硬化性樹脂の場合は光を当てて硬化させる(ステップA
6) 以上のプロセスを行うことで、図1に示すようなフリッ
プチップ接続構造体を製作できる。
た場合の図を図13及び図14を用いて説明する。
で表現して光ファイバに発信する機能(送信機能)と、
光ファイバから受け取った光で表現されたデータを電圧
値で表現されたデータに変換する機能(受信機能)を備
えた光伝送モジュールに適用する基板の上面図である。
図14は、図13に示す光伝送装置の機能ブロック図で
ある。
して光ファイバに発信する機能(送信機能)は、LD内
臓光モジュールとDriver ICを含む構成で実現される。
なお、LD(Laser Diode)は電圧を光に変換する発光素子
で、LD用Driver ICは、LDに印加する電圧の制御をするIC
である。このDriver ICに前述の電子装置の構造を採用
する。すなわち、Driver ICとその下の回路基板とを表
面実装し、Driver ICと回路基板との間に第1の樹脂を配
置し、Driver ICの外周を囲むように第1の樹脂より弾性
率の高い第2の樹脂を配置する。このように、前述の電
子装置に採用した接続構造を光伝送装置のDriverICに適
用することにより、電柱等の屋外や地中の環境で20万時
間の寿命を確保することでき、10Gbit/s、40Gbit/sの高
速伝送の送信が容易にできる効果を得ることができるよ
うになる。
として示したMux(Multiplexer)をDriverICと光ファイバ
との間に用いることにより、送信機能の送信容量を増加
させることができる。
データを電圧値で表現されたデータに変換する機能は、
PD内臓光モジュールとCDR(Clock and Data Recovery)を
含む構成で実現される。なお、PD(photo diode)とは
光を電圧に変換する光受光素子であり、CDRは電圧信号
からクロックを取り出す素子のことである。具体的に
は、このCDRに前述の電子装置の構造を採用する。すな
わち、CDRとその下の回路基板とをはんだを用いたフリ
ップチップ方式で接続し、CDRと回路基板との間に第1の
樹脂を配置し、CDRの外周を囲むように第1の樹脂より弾
性率の高い第2の樹脂を配置する。このように、前述の
電子装置に採用した接続構造を光伝送装置のCDRに適用
することにより、電柱等の屋外や地中の環境で20万時間
の寿命を確保することでき、10Gbit/s、40Gbit/sの高速
伝送の受信が容易にできる効果を得ることができるよう
になる。
機能側に、Mux(Multiplexer)を用いた場合、図14の受
信機(2)のように受信機能側にDMux(D Multiplexer)
を用いる。
温で0.5GPa以上28GPa以下、好ましくは1GPa以上20GPa以
下、最も好ましくは4GPa以上15GPa以下である。
回路基板上に表面実装した電子回路基板を備えた電子装
置、特に光伝送装置の熱サイクルに対する耐久性を向上
させることができる。
面図である。
面図である。
る。
る。
図である。
図である。
図である。
図である。
る。
ッケージの外周に用いた樹脂の弾性率の関係を示す図で
ある。
性率と加速試験の関係を示す図である。
図である
る。
Claims (6)
- 【請求項1】BGA型パッケージが回路基板にはんだで
実装されている電子装置であって、 前記回路基板と前記BGA型パッケージの端子形成面と
の間に配置されている第1の樹脂と、 前記BGA型パッケージの外周または側方に配置されて
いる第2の樹脂とを備え、 前記第2の樹脂は、前記第1の樹脂よりも弾性率が小さ
く、室温で0.5GPa以上28GPa以下であることを特徴とす
る電子装置。 - 【請求項2】請求項1において、 前記第2の樹脂の弾性率が、室温で1GPa以上20GPa以下
であることを特徴とする電子装置。 - 【請求項3】請求項2において、 前記第2の樹脂の弾性率が、室温で4GPa以上15GPa以
下であることを特徴とする電子装置。 - 【請求項4】電圧と光を変換する半導体素子を備えた光
モジュールと、前記発光素子に印加する電圧を制御する
BGA型パッケージのドライバICと、回路基板とを備
え、 前記ドライバICの端子と前記回路基板の配線の端子と
がはんだ接続されている光伝送モジュールにおいて、 前記回路基板と前記ドライバICの端子形成面との間に
配置されている第1の樹脂と、 前記ドライバ用ICの外周または側方に配置されている
第2の樹脂とを備え、 前記第2の樹脂は、前記第1の樹脂よりも弾性率が小さ
く、室温で0.5GPa以上28GPa以下であることを特徴とす
る光伝送モジュール。 - 【請求項5】請求項4において、 前記第2の樹脂の弾性率が、室温で1GPa以上20GPa以下
であることを特徴とする光伝送モジュール。 - 【請求項6】請求項5において、 前記第2の樹脂の弾性率が、室温で4GPa以上15GPa以
下であることを特徴とする光伝送モジュール。
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---|---|---|---|
JP2002002931A JP2003092312A (ja) | 2001-01-11 | 2002-01-10 | 電子装置及び光伝送モジュール |
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JP2001-3190 | 2001-01-11 | ||
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Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2003092312A (ja) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006286799A (ja) * | 2005-03-31 | 2006-10-19 | Texas Instr Japan Ltd | 実装方法 |
JP2011114054A (ja) * | 2009-11-25 | 2011-06-09 | Dainippon Printing Co Ltd | センサーユニットおよびその製造方法 |
WO2015198911A1 (ja) * | 2014-06-26 | 2015-12-30 | ソニー株式会社 | 半導体装置および半導体装置の製造方法 |
US10916578B2 (en) | 2018-02-14 | 2021-02-09 | Canon Kabushiki Kaisha | Semiconductor apparatus and camera |
-
2002
- 2002-01-10 JP JP2002002931A patent/JP2003092312A/ja active Pending
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