JP2004356583A - ピン付樹脂製配線基板 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、樹脂製配線基板のピンパッド導体に接続ピンがハンダ付けされたピン付樹脂製配線基板を対象とし、電気的特性の信頼性の高いピン付樹脂製配線基板を提供する。
【解決手段】本発明のピン付樹脂製配線基板では、
スルーホール２１内にスルーホール導体２２及び充填材２３を有するコア基板２上に形成された蓋状導体層４と、外部基板の接続端子と接続可能な接続ピン９が設置されたピンパッド導体５と、を導通させる接続部６（ビア導体からなる）を備えるピン付樹脂製配線基板１であって、
スルーホール２１の貫通方向を中心軸線方向とした場合、スタックドビア６の中心軸線６０１はスルーホール２１の中心軸線２０１と一致するよう配置されてなり、且つ接続ピン９の中心軸線９０１はスルーホール２１上に位置しないことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明はピン付樹脂製配線基板に関し、詳しくは半導体集積回路素子（ＩＣ）等の電子部品を搭載して封止するＰＧＡ（ピングリッドアレイ）タイプのパッケージ配線基板のように、層間絶縁体層が樹脂材を用いて形成されるとともに、その配線基板の主面に形成された所定数のピンパッド導体に接続ピン（接続端子）がハンダ付けされたピン付樹脂製配線基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＰＧＡタイプの配線基板は、その一主面にＬＳＩやＩＣチップなどの電子部品を搭載する際に用いる所定数のパット状電極を備えており、他方の主面にはマザーボードなどに設けられたソケットへ接続するための所定数のピンパッド導体及びそれにハンダ付けされた接続ピン（接続端子）を備えたものとされている。このようなタイプのピン付樹脂製配線基板においては、搭載するＬＳＩやＩＣチップあるいはチップコンデンサなどの電子部品の高集積化および高密度化を図るために、小型化や接続端子数（ピン数）の増大化が進められている。
【０００３】
このようなピン付樹脂製配線基板の内部構造としては、図２（ａ）に示すように、絶縁性の基板に形成されたスルーホール内にスルーホール導体及び充填材を有するコア基板と、その上に形成された蓋状導体層、樹脂層、ピンパッド導体、及び接続ピン（接続端子）と、スルーホール導体とピンパッド導体（それにハンダ付けされた接続ピン）を導通させるよう樹脂層に埋設されたビア導体と、を備えるものが一般的である。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００３−８２１９号公報（図１参照）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようなピン付樹脂製配線基板においては、製造の際などに行われる熱サイクルの過程で次のような問題が生じる。樹脂製配線基板の核となるコア基板には、２つの主面間を導通させるために、樹脂等からなる絶縁材基板の所定位置に厚さ方向を突き抜ける金属層が形成されている。金属と樹脂では熱膨張率が異なるため、熱サイクルによるコア基板の厚さ方向の膨張／収縮は位置によって偏りが生じる。このため、コア基板上に積層された層においては、コア基板の膨張／収縮により加わる力が不均一なものとなり、その結果、ビア導体の接合面等でクラックが発生し、スルーホール導体からピンパッド導体（及び、それにハンダ付けされた接続ピン）への電気的な接続が断ち切られやすくなってしまうという問題が生じていた。このことは、樹脂配線基板に求められる電気的特性などの品質が保持されないことに繋がる。
【０００６】
本発明は、まさに上記問題を鑑みてなされたものである。樹脂製配線基板のピンパッド導体に接続ピンがハンダ付けされたピン付樹脂製配線基板を対象とし、電気的特性の信頼性の高いピン付樹脂製配線基板を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び作用・発明の効果】
上記課題を解決するため本発明のピン付樹脂製配線基板では、
絶縁性の基板に貫通して形成されたスルーホール、及び該スルーホールの内周面に形成された略筒状のスルーホール導体、及び該スルーホール導体の中空部に充填された充填材、を有するコア基板と、
前記コア基板の少なくとも一方の主面上において、前記スルーホールの端面を含む形にて形成され、かつ前記スルーホール導体と導通する蓋状導体層と、
前記蓋状導体層上に形成された複数の樹脂層と、
前記複数の樹脂層上に形成されたピンパッド導体と、
棒状部と該棒状部の一方の端部に形成された鍔部とからなり、該鍔部において前記ピンパッド導体上にハンダ付けされた、外部基板の接続端子と接続可能な接続ピンと、
前記蓋状導体層と前記ピンパッド導体とを導通させるよう前記複数の樹脂層のそれぞれに埋設されたビア導体からなる接続部と、
を備えるピン付樹脂製配線基板であって、
前記接続部は、フィルドビアからなるそれぞれの前記ビア導体が略同心状に連なるよう接続されたスタックドビアにて構成されるとともに、
前記スルーホールの貫通方向を中心軸線方向とした場合、前記スタックドビアの中心軸線は前記スルーホールの中心軸線と一致するよう配置されてなり、且つ前記接続ピンの中心軸線は前記スルーホール上に位置しないことを特徴とする。
【０００８】
一般に、樹脂材の熱膨張率は、金属材のそれよりも大きい。図２（ａ）に示すようなピン付樹脂製配線基板１が加熱された場合、コア基板２を構成する略筒状のスルーホール導体２２（金属材）、及びスルーホール導体２２の中空部に充填された充填材２３（樹脂材）、及びスルーホール２１を有する絶縁性の基板材２４（樹脂材：スルーホール導体２２の周囲に位置する）は、それぞれ板厚方向に膨張する。その際、図２（ｂ）に示すように、スルーホール導体２１（金属材）の膨張が周囲の樹脂材２３、２４と比べ小さくなるめ、コア基板２の膨張に伴い、その上に積層されたの蓋状導体層４、及び樹脂層３、及びピンパッド導体５に印加される力に偏りが生じる。具体的には、スルーホール導体２２近辺上においてのみ、周囲と比べて印加される力が小さくなるため、その近辺上ではあたかも下方向へ引き下げられるような力が発生する。また、ピン付樹脂製配線基板１が冷却された場合には、それとは逆の現象が起き、図２（ｃ）に示すように、スルーホール導体２２上近辺では、あたかも上方向へ突き上げられるような力が発生する。したがって、スルーホール導体２２上に、フィルドビアからなるビア導体６１、６２や、ピンパッド導体５、接続ピン９の中心軸線があれば、コア基板２からの引き下げ／突き上げの影響を受け易く、蓋状導体層４とビア導体６１の間、及びビア導体間（ビア導体６１及び６２の間）、及びビア導体６２とピンパッド導体５の間に過度の応力集中が生じてしまい、それらの接続が断ち切られやすくなってしまう。
【０００９】
そこで上記のように、スルーホール上の蓋状導体層に接続されているスタックドビアの中心軸線をスルーホール内において略筒状のスルーホール導体から最も離れた位置（つまり、スルーホール導体の全ての内周面からほぼ等距離の位置）にあるスルーホールの中心軸線と一致するように配置することで、上記のようなコア基板からの引き下げ／突き上げの影響を受け難くすることが可能となる。また、ピンパッド導体にハンダ付けされた接続ピンについても、その中心軸線をスルーホール上に位置しないように配置することで、上記のようなコア基板からの引き下げ／突き上げの影響を受け難くすることが可能となる。
【００１０】
なお、ここでいう中心軸線とは、スルーホールの貫通方向と同方向で、かつそれぞれスルーホール、スタックドビア、接続ピン（接続ピンにおける中心軸線は棒状部にて規定されるものとする）を、前記貫通方向と垂直に交わる面に投影した略円形状の投影像における中心位置を通るものとする。
【００１１】
また、本発明においては、スルーホール及びスタックドビアの中心軸線が一致することが望ましいが、製造上の理由等によりスタックドビアや接続ピンの配置される位置に誤差が生じることが考えられるので、中心軸線間のズレ量が０μｍ以上３０μｍ以下の距離となる程度の誤差を許容するものとする。
【００１２】
本発明において、スルーホールの径は５０μｍ以上４００μｍ以下とされることが好ましい。スルーホールの径が過度に小さい場合（５０μｍ未満）、図３に示すコア基板２の膨張のように、充填材２３の端面（充填材２３と蓋状導体層４が接する面）のうち、熱膨張率の小さいスルーホール導体２２に接続された蓋状導体層４により膨張が妨げられる部分（充填材２３の端面の周縁付近）の割合が増加してしまう。この場合、充填材２３の膨張は、スルーホール２１の中心軸付近に集中してしまい、その付近上で突き上げによる過度の応力集中が生じやすくなってしまうため、スタックドビア及び接続ピンをスルーホールの中心軸線付近に配置することは逆に不利となってしまう場合がある。このような影響を避けるためには、スルーホールの径は５０μｍ以上であることが必要である。また、スルーホールの径が４００μｍを超えると、配線基板の高集積化および高密度化に不利となってしまう場合が考えられる。より好ましくは、スルーホールの径は５０μｍ以上３００μｍ以下である。
【００１３】
また、スルーホール径が上記範囲である場合、略筒状のスルーホール導体の平均壁厚は５μｍ以上５０μｍ以下とされることが好ましい。平均壁厚が過度に厚いと、上述のようにスルーホール導体内部の充填材の膨張がスルーホールの中心軸付近に集中してしまい、突き上げによる過度の応力集中が生じる場合があるので、上限値を５０μｍとする。また、下限値については、特には限定されないが、過度に薄くすると導通が取れない場合が考えられるので、５μｍとする。より好ましくは、略筒状のスルーホール導体の平均壁厚は５μｍ以上３０μｍ以下である。
【００１４】
さらに、スルーホール、またはスルーホール導体が上記範囲である場合、接続ピンの中心軸線は、スルーホール導体の外縁端から５μｍ以上６００μｍ以下の距離となる位置に配置されることが好ましい。該距離が、５μｍより小さければ、上記のようなコア基板からの引き下げ／突き上げの影響が大きいスルーホール導体位置に、接続ピンの中心軸線が近過ぎてその影響を受け易くなってしまい、６００μｍより大きければ、配線基板の高集積化および高密度化に不利となってしまう場合が考えられる。より好ましくは、接続ピンの中心軸線のスルーホール導体の外縁端からの距離は３０μｍ以上５００μｍ以下である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のピン付樹脂製配線基板の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。図１は、ピン付樹脂製配線基板１の断面図である。ピン付樹脂製配線基板１は、平面視矩形（例えば、縦横各５０ｍｍ、厚さ１ｍｍ）をなし、図はそのうちの、マザーボード等の外部基板の接続端子と接続可能な接続ピン９が所定数設置される主面側の内部構造の一部を拡大した図である。また、図示しないが、これとは反対の主面側には、搭載する半導体集積回路素子ＩＣ接続用の電極が所定数形成されているとともに、内部には各層の内部配線層、各内部配線層同士を接続するビア導体が形成されている。
【００１６】
コア基板２は、ＢＴ樹脂を主成分とする厚さ０．８ｍｍ程度の基板材２４に１．３ｍｍ程度の間隔で貫通して形成された直径３００μｍ程度のスルーホール２１と、スルーホール２１の内周面に形成された略筒状（壁厚１８μｍ程度）で銅を主成分とするスルーホール導体２２と、スルーホール導体２２の中空部に充填されたエポキシ樹脂を主成分とする充填材２３とを備える。なお、コア基板２は、その内部に導体層やビア導体が形成されていてもよい。コア基板２の表面上には、スルーホール２１の端面を含む形にて蓋状導体層４が形成され、スルーホール導体２２と導通している。蓋状導体層４は、例えば径が３５０μｍ程度、厚さが３５μｍ程度の円柱形で、その中心軸線とスルーホール２１の貫通方向の中心軸線２０１とが一致するよう配置される。また、径がスルーホール径（３００μｍ程度）よりも大きいので、基板材２４上をスルーホール２１外縁端から２５μｍ程度覆うような形態となっている。
【００１７】
このようなコア基板２上には、エポキシ樹脂を主成分とし、下側樹脂層３１と上側樹脂層３２の２層からなり、厚さ５０μｍ程度（１層あたり厚さ２５μｍ程度）の複数の樹脂層３が形成される。本形態では複数の樹脂層３は２層からなるが、２層に限らず３層以上であってもよい。そして、上側樹脂層３２上には、円柱形の銅を主成分とする導体層が１．３ｍｍ程度の間隔で所定数形成されており、その表面にはニッケルメッキ及び金メッキがかけられることで、ピンパッド導体５をなしている。ピンパッド導体５の大きさは径が８００μｍ程度、厚さが１５μｍ程度となっている。また、ピンパッド導体５の設置位置は、後述するスタックドビア（接続部）６のうちの上側フィルドビア６２に接続可能な範囲であり、且つ上側主面５１に略同心状に設置される接続ピン９が後述する条件を満たして設置可能な範囲とされる。
【００１８】
なお、上側樹脂層３２上において、ピンパッド導体５が配されていない部分については、厚さ２５μｍ程度のソルダーレジスト層７が被服形成されている。このソルダーレジスト層７は、本形態ではピンパッド導体５の上側主面５１周縁を所定の幅で覆って開口され、ピンパッド導体５の上側主面５１の中心より部位を同心状に露出させるように形成されている。因みに本例では、その露出部位（ソルダーレジスト層７の開口、つまりピンパッド導体５の上側主面５１うちソルダーレジスト層７に覆われていない部分）の径、つまりピンパッド導体５の上側主面５１のハンダ付け面の径は６５０μｍ程度に設定されている。
【００１９】
ピンパッド導体５の上側主面５１には、接続ピン９が設置されており、中心軸線９０１（接続ピン９の棒状部９１により規定される）がスルーホール２１上に位置しないような位置、具体的にはスルーホール２１の外縁端からの距離Ｌが約３００μｍ程度となる位置にある。接続ピン９は、銅を主成分とする合金、例えばアロイ１９４（ＣＤＡ合金 Ｃ１９４００（ＡＳＴＭ Ｂ ４６５準拠））等の銅合金からなり、断面円形の丸棒状の棒状部（直径約０．３０ｍｍ程度）９１をもつネイル形状のものである（全長約２ｍｍ程度）。その一方の端部には、半径方向に突出する円形の鍔部９２を同心状で備えており、接続ピン９は鍔部９２において適量の公知ハンダでハンダ付けされることにより設置されている（特許第３１６０５８３号公報参照）。ハンダ付けにより形成されるハンダの層をハンダ層８という。ただし、その鍔部９２のうち、ピンパッド導体５の上側主面５１に対向する接合面９２１は全体が凸となす球面状に形成され、ピンパッド導体５の上側主面５１に同心状に当接するように配置される。なお、ハンダは、半導体集積回路素子ＩＣのハンダ付け温度より融点が高い組成のハンダ（例えば、Ｐｂ８２％／Ｓｎ１０％／Ｓｂ８％、又はＳｎ９５％、Ｓｂ５％）とされている。なお、本実施形態においては、接続ピン９にはピンパッド導体５の上側主面５１に対向する接合面９２１の全体が凸となす球面状の球面ピンを用いているが、これに限定されることはなく、ピンパッド導体５の上側主面５１に対向する接合面が平面であるフラットピンを用いてもよい。
【００２０】
ハンダ層８を形成するハンダの量は、接続ピン９を鍔部９２において固定できる程度に適宜選択されている。また、ハンダを溶融させて接続ピン９を固定するため、ハンダ層８はピンパッド導体５の上側主面５１表面に向かって濡れ広る形態となっている。ただし、ハンダ層８は、形成後のピンパッド導体５の上側主面５１からの高さが３００μｍ程度となることが望ましく、さらにハンダ層８の濡れ広がりが、ピンパッド導体５の上側主面５１の周縁端位置を超えないようにすることが望ましい。
【００２１】
複数の樹脂層３のそれぞれの層（下側樹脂層３１及び上側樹脂層３２）には、フィルドビア６１、６２が埋設されている（下側樹脂層３１に埋設されたものを６１、上側樹脂層３２に埋設されたものを６２とする）。フィルドビアは、樹脂層を貫通するよう形成されたビア孔を、銅を主成分とする金属材で充填することにより形成され、その最大径は例えば約８５μｍ程度で構成される。フィルドビア６１、６２は略同心状に接続され、スタックドビア（接続部）６を形成しており、さらには、下側フィルドビア６１はその下の蓋状導体層４の上側主面４１と、上側フィルドビア６２はその上のピンパッド導体５の下側主面５２と接続されることで、蓋状導体層４とピンパッド導体５の間を導通させている。このスタックドビア（接続部）６は、コア基板２の収縮／膨張の影響を受け難くするよう、スルーホール２１の中心上、詳しくはスルーホール２１の中心軸線２０１と、スタックドビア（接続部）６の中心軸線６０１とが一致するよう配置される。
【００２２】
【実施例】
ここで、本発明のピン付樹脂製配線基板の具体的な実施例を比較例とともに説明する。上述の実施形態（図１）を実施例とし、比較例は、図２（ａ）に示すようなフィルドビアからなるビア導体、及びピンパッド導体が、スルーホール導体上に中心軸線を揃えて配置された形態とした。
【００２３】
実施例及び比較例について、−５５℃〜１２５℃の温度間で加熱、冷却を繰り返す熱サイクル（１サイクル当たり１０分間）を、▲１▼与える前、▲２▼１００サイクル後、▲３▼５００サイクル後の３種類のサンプルをそれぞれ用意し、断面ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）観察を行い、クラック発生率の評価を行った。
【００２４】
評価結果によると、実施例では▲１▼熱サイクル前、▲２▼１００サイクル後、▲３▼５００サイクル後のサンプル全てにおいて、ＳＥＭ像にクラック等の異変は見られなかったのに対し、比較例では、▲２▼１００サイクル後、及び▲３▼５００サイクル後の約半数以上のサンプルにクラック発生が認められた。また、▲１▼熱サイクル前のサンプルにおいても、既にクラックが発生しているものが見られた。これは、ハンダピン設置時の熱処理によるものと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のピン付樹脂製配線基板の内部構造の一部を表す図
【図２】コア基板の膨張／収縮が及ぼす影響を示す図
【図３】スルーホール径が小さい場合のコア基板の膨張／収縮
【符号の説明】
１ ピン付樹脂製配線基板
２ コア基板
２１ スルーホール
２２ スルーホール導体
２３ 充填材
３ 複数の樹脂層
３１ 下側樹脂層
３２ 上側樹脂層
４ 蓋状導体層
５ ピンパッド導体
６ スタックドビア（接続部）
６１ 下側フィルドビア
６２ 上側フィルドビア
７ ソルダーレジスト層
８ ハンダ層
９ 接続ピン

Claims (1)

1. 絶縁性の基板に貫通して形成されたスルーホール、及び該スルーホールの内周面に形成された略筒状のスルーホール導体、及び該スルーホール導体の中空部に充填された充填材、を有するコア基板と、
   前記コア基板の少なくとも一方の主面上において、前記スルーホールの端面を含む形にて形成され、かつ前記スルーホール導体と導通する蓋状導体層と、
   前記蓋状導体層上に形成された複数の樹脂層と、
   前記複数の樹脂層上に形成されたピンパッド導体と、
   棒状部と該棒状部の一方の端部に形成された鍔部とからなり、該鍔部において前記ピンパッド導体上にハンダ付けされた、外部基板の接続端子と接続可能な接続ピンと、
   前記蓋状導体層と前記ピンパッド導体とを導通させるよう前記複数の樹脂層のそれぞれに埋設されたビア導体からなる接続部と、
   を備えるピン付樹脂製配線基板であって、
   前記接続部は、フィルドビアからなるそれぞれの前記ビア導体が略同心状に連なるよう接続されたスタックドビアにて構成されるとともに、
   前記スルーホールの貫通方向を中心軸線方向とした場合、前記スタックドビアの中心軸線は前記スルーホールの中心軸線と一致するよう配置されてなり、且つ前記接続ピンの中心軸線は前記スルーホール上に位置しないことを特徴とするピン付樹脂製配線基板。

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