JP2003197813A

JP2003197813A - 電子装置

Info

Publication number: JP2003197813A
Application number: JP2001400102A
Authority: JP
Inventors: Junji Fujino; 純司藤野; Yoichi Kitamura; 洋一北村; Norio Takeuchi; 紀雄竹内; Sunao Takagi; 直高木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2001-12-28
Filing date: 2001-12-28
Publication date: 2003-07-11

Abstract

(57)【要約】【課題】部品点数や工程数を大幅に増大させないで、
セラミック基板と有機プリント配線基板を接合するバン
プ等にクラックが発生することを抑制する。【解決手段】素子搭載面の裏側に形成された第１の電
極を有し、しかも側面には外周方向に互いに間隔をおい
て配置された複数の外周接合面が形成された素子搭載基
板と、素子搭載基板と所定間隔を隔てて対向するように
配置され、しかも第１の電極に対向する位置に第２の電
極が形成されるとともに外周接合面と対向する部位には
対向接合面が形成された配線基板と、第１の電極と第２
の電極を接合する主溶融性部材と、外周接合面と対向接
合面を接合する溶融性補強部材で電子装置を構成した。
外周接合面は配線基板にほぼ垂直な方向に延びる半円筒
状の形状を有していること、また、対向接合面は、素子
搭載基板の側面よりも外方に配置されている部分を有し
ていることが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、電子装置に関わ
り、特に、電子装置を構成する複数の基板の接合強度を
向上させ、その電気的信頼性を高める技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子機器の構成部品を実装する際、半導
体素子などを固定するセラミック基板とこのセラミック
基板を搭載する有機プリント配線基板との接合に、ハン
ダバンプ（半田ボール）を用いることが一般的に行われ
ている。ところが、ハンダバンプを用いるＢＧＡ（Ball
Grid Array）基板では、セラミック基板の熱膨張率が
３ppm／℃程度であるのに対して、有機プリント配線基
板の熱膨張率は２０〜６０ppm／℃と前者に比べて大き
いため、昇温時にはセラミック基板と有機プリント配線
基板の熱膨張率差に起因する応力が発生し、この応力に
より、接合されたハンダバンプやセラミック基板にクラ
ックが発生し、導通不良が生じることがある。

【０００３】このような２種類の熱膨張率の異なる基板
の間に発生するクラックや導通不良を防止することを目
的にして、様々な手法が提案されている。例えば、図７
に示すように、固定棒を用いて２枚の基板の端部を固定
する方法が特開平１０−２０９２１３号公報に開示され
ている。

【０００４】図７に示されている半導体装置の端部を表
す断面図おいて、１０はセラミックス製ＢＧＡ基板、２
０はプリント基板、２１は凹部、３０、６０はメタライ
ズパッド、４０、５０は共晶ハンダ、７０は高温ハンダ
ボール（バンプ）、８０は固定棒、９０、１１０は接合
材、１００は貫通穴である。セラミックス製ＢＧＡ基板
１０の少なくとも２個所以上の角には貫通穴１００が形
成され、プリント基板２０の貫通穴１００に相対する箇
所には固定棒８０が設けられている。

【０００５】プリント基板２０に搭載されたセラミック
ス製ＢＧＡ基板１０は、温度変化で膨張収縮するプリン
ト基板２０の変形を、固定棒８０を介して抑えることが
できる。しかし、この方法では、セラミックス製ＢＧＡ
基板１０に貫通穴１００の形成と、プリント基板２０に
は凹部２１の形成が必要で、しかも固定棒８０を凹部２
１に接合するために、高温ハンダボール（バンプ）７０
とは別に、はんだ付を実施する必要がある。このため、
部品点数や工程数が増大し、製造コストの上昇をまねく
ことが懸念される。さらに、固定棒８０の寸法精度やは
んだ付位置精度によっては、高温ハンダボール（バン
プ）７０がプリント基板２０に届かないことが発生し、
未接合不良が生じるといった不都合があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
問題点を解決するためになされたもので、部品点数や工
程数を大幅に増大させること無く、簡便な方法で、セラ
ミック基板と有機プリント配線基板などのように熱膨張
率が異なる基板どうしを、多層に積層した場合に生じる
クラックの発生を抑制することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明にかかわる電子装
置は、素子搭載面の裏側に形成された第１の電極を有
し、しかも側面には外周方向に互いに間隔をおいて配置
された複数の外周接合面が形成された素子搭載基板と、
素子搭載基板と所定間隔を隔てて対向するように配置さ
れ、しかも第１の電極に対向する位置に第２の電極が形
成されるとともに外周接合面と対向する部位には対向接
合面が形成された配線基板と、第１の電極と第２の電極
を接合する主溶融性部材と、外周接合面と対向接合面を
接合する溶融性補強部材を備えてなるものである。

【０００８】また、主溶融性部材は、溶融性補強部材の
融点以上の融点を有するものである。

【０００９】また、主溶融性部材と溶融性補強部材は同
じ組成を有する半田からなるものである。

【００１０】また、外周接合面は配線基板にほぼ垂直な
方向に延びる半円筒状の形状を有するものである。

【００１１】また、対向接合面は、素子搭載基板の側面
よりも外方に配置されている部分を有するものである。

【００１２】また、側面には外周方向に互いに間隔をお
いて形成された複数の外周接合面を有する素子搭載基板
と、素子搭載基板の素子搭載面の裏側に所定間隔を隔て
て対向するように配置された支持基板と、素子搭載面に
対向するように配置された素子保護基板と、支持基板と
素子搭載基板とを固定する基板保持部材と、素子保護基
板と素子搭載基板の間隙を連続して包囲する壁状封止部
材と、壁状封止部材の外側に設けられ、素子保護基板と
支持基板の外周部位と外周接合面とを一体で接合する溶
融性補強部材を備えてなるものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】実施の形態１本発明に係る電子装置の実施の形態１を、図１に示す断
面図を用いて説明する。セラミック基板（素子搭載基
板）１は、例えば、数枚のセラミックのグリーンシート
を積層・焼成したＬＴＣＣ（Low Temperature Co-fired
Ceramic）で、層間には配線パタンが形成されており、
この配線パタンを介してセラミック基板１の上面および
下面にそれぞれ形成されている素子パッド３とバンプパ
ッド４Ａ（第１の電極）の導通が確保される。セラミッ
ク基板１の四方の外周には、図２に示すように、半円筒
状貫通孔（キャスタレーション）６が外周方向に適当な
間隔を空けて形成されており、その内面はメタライズさ
れて、外周パッド（外周接合面）５を形成している。

【００１４】半円筒状貫通孔６は、セラミック基板１の
数枚分の大きさを有するグリーンシートをパンチング等
を行うことによって貫通孔を形成し、この後、この形成
された貫通孔に沿ってグリーンシートを切断することに
よって、容易に形成される。

【００１５】セラミック基板１の上面には、シリコンセ
ンサー（歪みセンサーなど）、薄膜磁気ヘッド、半導体
素子などの素子２が搭載され、この素子２は素子パッド
３と接続されている。素子パッド３、バンプパッド４Ａ
および外周パッド５は、セラミックのグリーンシートに
銀ペーストなどの電極材を印刷あるいは塗布したのち、
焼成することによって形成される。

【００１６】プリント基板（配線基板）７の上面（セラ
ミック基板と対向する面）には、バンプパッド４Ａと対
向する位置にバンプパッド４Ｂ（第２の電極）が形成さ
れている。また外周パッド５（半円筒状貫通孔６）と対
向する位置にはバンプパッド４Ｃ（対向接合面）が形成
されている。プリント基板７にバンプパッド４Ｂ、４Ｃ
を形成するには通常のプリント印刷の手法を適応でき
る。

【００１７】バンプパッド４Ａとバンプパッド４Ｂはは
んだ、ロー材等からなるバンプ（主溶融性部材）８で、
また外周パッド５とバンプパッド４Ｃは同じくはんだ、
ロー材等からなる補強部材（溶融性補強部材）９で、そ
れぞれ接合されている。

【００１８】図３（ａ）〜図３（ｄ）はセラミック基板
１とプリント基板７を接合する方法を説明するための図
である。先ず、治具（図示せず）を用いて、セラミック
基板１の素子搭載面の裏側（バンプパッド４Ａが形成さ
れた面）にバンプ８を保持する（図３（ａ）参照）。こ
のようにセラミック基板１とバンプ８が位置決めされた
状態で、セラミック基板全体をバンプ８の融点以上にま
で昇温し、バンプパッド４Ａにバンプ８の片側を接合す
る。

【００１９】次いで、バンプ８がバンプパッド４Ａに接
合されたセラミック基板１を裏返し、バンプ８がバンプ
パッド４Ｂと対向するように、セラミック基板１とプリ
ント基板３との位置決めを行う（図３（ｂ）参照）。こ
のように位置決めされた状態で、全体を再び昇温し、バ
ンプ８とバンプパッド４Ｂを接合させる（図３（ｃ）参
照）。

【００２０】次いで、半円筒状貫通孔６にクリーム半田
などの、バンプ８よりも融点の低い溶融性部材を、半円
筒状貫通孔６を埋める程度の量、塗布し、全体を昇温す
ると、この溶融性部材が溶着し、外周パッド５とバンプ
パッド４Ｃを接合する補強部材９が形成される（図３
（ｄ）参照）。すなわち、半円筒状の外周パッド５は、
所定容積の空間を提供するため、溶融性部材を塗布する
際、充分な量の溶融性部材を保持するのに好都合であ
る。また半円筒状であるため角が無く、このため四角形
状のように隅に溶融性部材が未塗布になることが少な
い。

【００２１】また、バンプパッド４Ｃは、上から見たと
き、セラミック基板１で姿が全部隠れているように配置
されているよりも、一部分、好ましくは全面積の半分以
上が、セラミック基板１から外側にはみ出るように配置
されていることが、補強部材９の補強効果を高める上で
好ましい。すなわち、このようにバンプパッド４Ｃを配
置すると、補強部材９は、外方に広がる裾広がりの形状
を呈する。この外方に裾広がりな形状は、セラミック基
板１の側面から下にストンと落ちた形状に比べ、はるか
に強度を高める。

【００２２】また、上記の説明ではバンプ８の融点が補
強部材９の融点よりも高い場合を想定して説明したが、
バンプ８と補強部材９に同じ組成の半田を用いることも
可能である。この場合、図３（ａ）に示す段階で、バン
プ８と同じ組成の溶融性部材を外周パッド５に接合させ
ておく。こうすれば、補強部材９のみを溶着させるため
に基板全体を昇温する工程を省くことが出来る。

【００２３】また、セラミック基板１の周囲を補強部材
９で完全に封じることは、セラミック基板１とプリント
基板３の隙間に存在する空気、およびバンプ８に発生す
る熱を閉じ込めることになるので好ましくない。半円筒
状貫通孔６は、互いに、適当な間隙を設けて配置されて
いることが必要である。

【００２４】本発明にかかる電子装置は、昇温によって
セラミック基板１とプリント基板７に反りが生じるよう
に応力が発生しても、補強部材９がセラミック基板１の
端部をプリント基板７に強固に固定するため、バンプ８
に加わる応力が低減される。このためバンプ８にクラッ
クが入ったり、セラミック基板１に亀裂が入ることが抑
制される。

【００２５】また、補強部材９は溶着時に溶融するた
め、はんだ付位置精度によって、補強部材９がバンプパ
ッド４Ｃに届かずに未接合不良が生じるといった不都合
も生じない。つぎに、本発明の効果を実施例に基づいて
説明する。

【００２６】実施例１．セラミック基板（３０mm×３０
mm）には、９００℃で焼成された厚さ１mmのものを使用
した。セラミック基板の中央部には、φ0.5mmのバンプ
パッド４Ａを１mmピッチで７２９個（２７列×２７
行）、また外周側面には、２mmピッチで幅1.2mm、深さ
0.2mmの半円筒状貫通孔６を一辺につき１２個形成し
た。プリント基板（３０mm×３０mm）には厚さ１.6mmの
ものを使用し、中央部には、φ0.5mmのバンプパッド４
Ｂを１mmピッチで７２９個（２７列×２７行）形成し
た。

【００２７】バンプ８には融点１８３℃のはんだ（63Sn
-37Pb）を用い、バンプパッド４Ａ、４Ｂと２３０℃で
接合した。形成されたバンプ８の高さは0.4mmであっ
た。ここでは、外周パッド５とバンプパッド４Ｃの接合
にクリーム半田ではなく、糸はんだ（融点：１８３℃）
を用いることにし、はんだごてを使用してはんだ付けを
行った。

【００２８】次に、以上のようにして作成した電子装置
の耐クラック性を評価するために、ヒートサイクル試験
（-40℃〜+125℃、15min./15min.）を行った。図４
（ａ）、（ｂ）はヒートサイクル試験を１００サイクル
実施した後の電子装置の断面観察写真である。図４
（ａ）は比較のために評価した、補強部材９が設けられ
ていない従来の電子装置の断面、（ｂ）は補強部材９が
形成されている本発明にかかわる電子装置の断面をそれ
ぞれ表している。図４（ａ）にはセラミック基板の内部
に拡がるクラックが観察されたが、図４（ｂ）にはどこ
にもクラックを発見できなかった。

【００２９】図５はヒートサイクル試験（-40℃〜+125
℃、15min./15min.）の回数と、クラックが発生したバ
ンプの数の関係を表している。補強部材９のない電子装
置（白丸）では、１０サイクルからクラックが発生し始
め、３００サイクル経るころにはほぼ全バンプでクラッ
クの発生を確認した。それに対し、補強部材の設けられ
た電子装置（黒丸）では、１０００サイクル経るまで、
全くクラックが発見されなかった。

【００３０】実施の形態２．図６は、この発明の実施の
形態２にかかわる電子装置を説明するための断面図であ
る。実施の形態２では、セラミック基板１に対向する面
に、プリント基板ではなく、金属基板が配置されてい
る。同図において、１１はキャップ（素子保護基板）、
１２はキャリア（支持基板）、１３は真空封止部材、１
４は基板接合部材、１５は窓、１６は配線取り出し口で
ある。

【００３１】素子２を搭載するセラミック基板１の外周
部には、実施の形態１と同様、半円筒状貫通孔６（外周
パッド５）が形成されている。補強部材９は、セラミッ
ク基板１とキャリア１２を接合するだけではなく、キャ
ップ１１も同時に接合している。素子２からの配線は、
キャップ１１に設けられた配線取り出し口１６から外部
に取り出す。

【００３２】このように、セラミック基板１と対向する
支持基板に、金属基板を使用しても、補強部材９はセラ
ミック基板１とキャリア１２（及びキャップ１１）の熱
膨張率の差に起因して接合部材およびセラミック基板に
クラックが発生することを防止できる。

【００３３】実施例２．素子２に、測定精度を確保する
ために真空封止しておく必要がある光熱変換素子を用い
た。キャップ（厚さ0.5mm）１１とキャリア（厚さ１m
m）１２はコバールで作成した。キャップ１１には素子
２が外部の光を感じることが出来るように、シリコン製
の窓１５を設けた。真空封止部材１３にははんだ（95Sn
-５Sb）を、基板接合部材１４にはダイボンド（銀ペー
スト：DM4130LD）をそれぞれ使用した。

【００３４】あらかじめ、外周パッド５にクリーム半田
を塗布しておき、素子２を搭載したセラミック基板１を
キャップ１１とキャリア１２で挟むようにして、真空封
止と金属部材の接合を同時に行った。この時、外周パッ
ド５に供給したクリームはんだが補強部材９を同時に形
成した。

【００３５】以上のように作成した実施の形態２に係る
電子装置でも、充分な耐クラック性を確認できた。

【００３６】なお、実施の形態１と２では、熱膨張率の
異なる２種類の基板を接合する例を示したが、熱膨張率
の等しい基板を接合する場合、例えば素子を搭載するセ
ラミック基板（小）とこのセラミック基板を支持する配
線セラミック基板（大）を固定する場合、にも本発明を
適用出来ることは言うまでもない。

【００３７】

【発明の効果】本発明にかかわる電子装置は、素子搭載
面の裏側に形成された第１の電極を有し、しかも側面に
は外周方向に互いに間隔をおいて配置された複数の外周
接合面が形成された素子搭載基板と、素子搭載基板と所
定間隔を隔てて対向するように配置され、しかも第１の
電極に対向する位置に第２の電極が形成されるとともに
外周接合面と対向する部位には対向接合面が形成された
配線基板と、第１の電極と第２の電極を接合する主溶融
性部材と、外周接合面と対向接合面を接合する溶融性補
強部材を備えていることにより、主溶融性部材にクラッ
クが発生することを抑制できる。

【００３８】また、主溶融性部材は、溶融性補強部材の
融点以上の融点を有することにより、主溶融性接合性部
材の接合を、溶融性補強部材の接合と同時にまたはそれ
よりも早くに行うことが出来る。

【００３９】また、主溶融性部材と溶融性補強部材は同
じ組成を有する半田からなることにより、主溶融性部材
と溶融性補強部材の接合を同時に行うことが出来る。

【００４０】また、外周接合面は配線基板にほぼ垂直な
方向に延びる半円筒状の形状を有することにより、溶融
性補強部材を適当量、保持することが出来る。

【００４１】また、対向接合面は、素子搭載基板の側面
よりも外方に配置されている部分を有することにより、
裾広がりの溶融性補強部材を形成することが出来る。

【００４２】また、側面には外周方向に互いに間隔をお
いて形成された複数の外周接合面を有する素子搭載基板
と、素子搭載基板の素子搭載面の裏側に所定間隔を隔て
て対向するように配置された支持基板と、素子搭載面に
対向するように配置された素子保護基板と、支持基板と
素子搭載基板とを固定する基板保持部材と、素子保護基
板と素子搭載基板の間隙を連続して包囲する壁状封止部
材と、壁状封止部材の外側に設けられ、素子保護基板と
支持基板の外周部位と外周接合面とを一体で接合する溶
融性補強部材を備えていることにより、素子を保護しつ
つ、主溶融性部材にクラックが発生することを抑制でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる電子装置（実施の形態１）の断
面を表す図である。

【図２】半円筒状貫通孔とバンプパッドが形成されたセ
ラミック基板の外観を表す図である。

【図３】セラミック基板とプリント基板をバンプを用い
て接合する工程を説明するための図である。

【図４】ヒートサイクル試験を１００回実施した後の電
子装置の断面を比較するための図である。

【図５】ヒートサイクル試験の結果を説明するための図
である。

【図６】実施の形態２にかかる電子装置の断面を表す図
である。

【図７】従来の電子装置（半導体装置）の断面を表す図
である。

【符号の説明】

１セラミック基板（素子搭載基板）、２素子、
３素子パッド、４Ａ、４Ｂ、４Ｃバンプパッド
（第１の電極、第２の電極、対向接合面）、５外周パ
ッド（外周接合面）、６半円筒状貫通孔、７プ
リント基板（配線基板）、８バンプ（主溶融性部
材）、９補強部材（溶融性補強部材）、１１キャ
ップ（素子保護基板）、１２キャリア（支持基板）、
１３真空封止部材、１４基板接合部材、１５窓

フロントページの続き (72)発明者竹内紀雄東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内 (72)発明者高木直東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】素子搭載面の裏側に形成された第１の電
極を有し、しかも側面には外周方向に互いに間隔をおい
て配置された複数の外周接合面が形成された素子搭載基
板と、前記素子搭載基板と所定間隔を隔てて対向するよ
うに配置され、しかも前記第１の電極に対向する位置に
第２の電極が形成されるとともに前記外周接合面と対向
する部位には対向接合面が形成された配線基板と、前記
第１の電極と前記第２の電極を接合する主溶融性部材
と、前記外周接合面と前記対向接合面を接合する溶融性
補強部材を備えてなる電子装置。
【請求項２】主溶融性部材は、溶融性補強部材の融点
以上の融点を有することを特徴とする請求項１記載の電
子装置。
【請求項３】主溶融性部材と溶融性補強部材は同じ組
成を有する半田からなることを特徴とする請求項１記載
の電子装置。
【請求項４】外周接合面は配線基板にほぼ垂直な方向
に延びる半円筒状の形状を有することを特徴とする請求
項１記載の電子装置。
【請求項５】対向接合面は、素子搭載基板の側面より
も外方に配置されている部分を有することを特徴とする
請求項１記載の電子装置。
【請求項６】側面には外周方向に互いに間隔をおいて
形成された複数の外周接合面を有する素子搭載基板と、
前記素子搭載基板の素子搭載面の裏側に所定間隔を隔て
て対向するように配置された支持基板と、前記素子搭載
面に対向するように配置された素子保護基板と、前記支
持基板と前記素子搭載基板とを固定する基板保持部材
と、前記素子保護基板と前記素子搭載基板の間隙を連続
して包囲する壁状封止部材と、前記壁状封止部材の外側
に設けられ、前記素子保護基板と前記支持基板の外周部
位と前記外周接合面とを一体で接合する溶融性補強部材
を備えてなる電子装置。