JP2005072574A - Circuit board - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電子部品等が実装される回路基板に関するものである。 The present invention relates to a circuit board on which electronic components and the like are mounted.
以下、従来の回路基板について説明する。従来の回路基板は、図4に示すようにセラミックで形成された回路基板(以下、「セラミック基板」という)1の上に接着剤層21を介して半導体集積回路2が装着されていた。また、このセラミック基板1の下面には端子パッド3が設けられ、半導体集積回路2と配線パターンやスルーホールで接続されていた。
Hereinafter, a conventional circuit board will be described. As shown in FIG. 4, a conventional circuit board has a semiconductor integrated
樹脂で形成されたメイン基板4には、端子パッド3に対応した位置に接続パッド5が設けられていた。そして、この接続パッド5と端子パッド3とは、半田6で電気的かつ機械的に接続されていた。
On the
なお、この本発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献1が知られている
しかし、このような従来のセラミック基板1を樹脂で形成されたメイン基板4に載置して、半田6で電気的かつ機械的に固着すると、両材質の熱膨張係数の相違から以下のような問題が生ずる。
However, when such a conventional
即ち、メイン基板4の熱膨張係数は、低温焼成セラミック基板1の熱膨張係数の略3倍である。このような熱膨張係数の異なる基板1,4同士が半田6で固着され、熱ストレスにさらされると、図5に示すように、お互いの基板1,4に応力が加わる。この応力でセラミック基板1には矢印7に示すように外側に向かって引っ張る力が働く。そのためセラミック基板1にクラックが入る可能性があった。
That is, the thermal expansion coefficient of the
本発明は、前記従来の問題を解決するため、回路基板のセラミック基板側に加わる熱応力を軽減し、セラミック基板のクラックの発生を防止し、熱ストレスによる信頼性を向上した回路基板を提供する。 In order to solve the above-mentioned conventional problems, the present invention provides a circuit board that reduces thermal stress applied to the ceramic substrate side of the circuit board, prevents cracks in the ceramic board, and improves reliability due to thermal stress. .
本発明の回路基板は、メイン基板上に複数枚の基板が半田により固着されている回路基板であって、前記複数枚の基板は前記メイン基板より相対的に熱膨張係数の小さい基板を含み、前記複数枚の基板は、セラミック基板と、前記セラミック基板のメイン基板側に前記セラミック基板より高強度の基板が貼り合わせられていることを特徴とする。 The circuit board of the present invention is a circuit board in which a plurality of boards are fixed on a main board by solder, and the plurality of boards includes a board having a relatively smaller thermal expansion coefficient than the main board, The plurality of substrates are characterized in that a ceramic substrate and a substrate having higher strength than the ceramic substrate are bonded to the main substrate side of the ceramic substrate.
本発明によれば、セラミック基板のメイン基板側に前記セラミック基板より高強度の基板が貼り合わされているので、回路基板のセラミック基板側に加わる熱応力は軽減される。従って、セラミック基板にクラックが発生することを防止することができる。よって、回路基板の熱ストレスによる信頼性を向上させることができる。 According to the present invention, since the substrate having higher strength than the ceramic substrate is bonded to the main substrate side of the ceramic substrate, the thermal stress applied to the ceramic substrate side of the circuit substrate is reduced. Therefore, cracks can be prevented from occurring in the ceramic substrate. Therefore, the reliability due to the thermal stress of the circuit board can be improved.
本発明は、熱膨張係数の大きいメイン基板上に半田で固着されるとともに、前記メイン基板より熱膨張係数の小さい回路基板であって、前記回路基板は、セラミック基板と、このセラミック基板の前記メイン基板側に前記セラミック基板より高強度の基板が貼り合わせられているので、セラミック基板に熱応力が加わっても、クラックが発生することを防止することができる。よって、回路基板の熱ストレスに対する信頼性を向上させることができる。 The present invention is a circuit board that is fixed to a main board having a large thermal expansion coefficient by solder and has a smaller thermal expansion coefficient than the main board, the circuit board comprising a ceramic board and the main board of the ceramic board. Since a substrate having a strength higher than that of the ceramic substrate is bonded to the substrate side, cracks can be prevented from occurring even if thermal stress is applied to the ceramic substrate. Therefore, the reliability with respect to the thermal stress of a circuit board can be improved.
前記高強度の基板は、アルミナ基板であることが好ましい。これによりセラミック基板の強度が増す。アルミナ基板の厚みは、0.19mm以上0.5mm以下の範囲であることが好ましい。 The high-strength substrate is preferably an alumina substrate. This increases the strength of the ceramic substrate. The thickness of the alumina substrate is preferably in the range of 0.19 mm to 0.5 mm.
前記アルミナ基板は、厚さ方向に一つ以上の貫通孔が設けられ、前記貫通孔に導電ペーストが充填されて導通していることが好ましい。これにより、アルミナ基板に配線された導体をセラミック基板上に導通させることが出来る。 It is preferable that the alumina substrate is provided with one or more through holes in the thickness direction, and the through holes are filled with a conductive paste to be conductive. Thereby, the conductor wired on the alumina substrate can be conducted on the ceramic substrate.
前記貫通孔は、その直径が0.1mm以上0.3mm以下の範囲であることが好ましい。これにより、アルミナ基板に設けられた貫通孔への導電ペーストの充填性を良くすることができる。 The through hole preferably has a diameter in the range of 0.1 mm to 0.3 mm. Thereby, the filling property of the electrically conductive paste to the through-hole provided in the alumina substrate can be improved.
また同様な理由から、前記貫通孔の直径をA、前記アルミナ基板の厚みをBとしたとき、0.9B≦A≦2.5Bの関係にあることが好ましい。 For the same reason, when the diameter of the through hole is A and the thickness of the alumina substrate is B, it is preferable that 0.9B ≦ A ≦ 2.5B.
前記アルミナ基板上に配線パターンを設け、配線パターンは貫通孔に接続され、この配線パターンを介してセラミック基板に設けられた他の回路に接続されていることが好ましい。これにより配線パターンを有しているので、この配線パターンで接続パッドまで配線を敷設することができ、接続パッド配置の自由度が増す。 It is preferable that a wiring pattern is provided on the alumina substrate, the wiring pattern is connected to a through hole, and is connected to another circuit provided on the ceramic substrate via the wiring pattern. Accordingly, since the wiring pattern is provided, the wiring can be laid down to the connection pad with this wiring pattern, and the degree of freedom of the connection pad arrangement is increased.
前記アルミナ基板に設けられた接続用の端子パッドと前記メイン基板に設けられた接続用の接続パッドとの接続は、球状に形成された樹脂と、この樹脂の外表面を覆う少なくとも1層の導電性を持つ金属と、更にこの金属の外表面を覆う半田層とで形成された樹脂ボールにより接続されていることが好ましい。これにより、半田内に形成された樹脂が応力を吸収するので、アルミナ基板に加わる応力が軽減される。 The connection between the terminal pad for connection provided on the alumina substrate and the connection pad for connection provided on the main substrate is made of a resin formed in a spherical shape and at least one conductive layer covering the outer surface of the resin. It is preferable that they are connected by a resin ball formed by a metal having a property and a solder layer covering the outer surface of the metal. Thereby, since the resin formed in the solder absorbs the stress, the stress applied to the alumina substrate is reduced.
前記樹脂ボールの金属層が銅であることが好ましい。電気導通性を良好に保つためである。 The metal layer of the resin ball is preferably copper. This is for maintaining good electrical conductivity.
前記アルミナ基板に設けられた接続用の端子パッドと前記メイン基板に設けられた接続用の接続パッドとの接続は、金属で構成された半田ボールにより接続されていることが好ましい。これにより、従来用いられている半田ボールを使ってアルミナ基板とメイン基板を接続することができる。 The connection between the connection terminal pad provided on the alumina substrate and the connection pad provided on the main substrate is preferably connected by a solder ball made of metal. As a result, the alumina substrate and the main substrate can be connected using the conventionally used solder balls.
前記セラミック基板と、前記高強度基板とは、焼結により一体化するのが好ましい。これにより、両者は強力に貼り合わせることができる。 The ceramic substrate and the high-strength substrate are preferably integrated by sintering. Thereby, both can be bonded together strongly.
(実施の形態1)
以下、本発明の一実施の形態について、図面を用いて説明する。図1は、ガラス繊維織物にエポキシ樹脂を含浸させ硬化した、いわゆるガラスエポキシ基板(厚み2.5mm)からなるメイン基板17の上に装着された回路基板11の断面図である。この回路基板11は厚さ0.65mm、250メガパスカルの抗折強度を有する低温焼成セラミック基板12と、この低温焼成セラミック基板12の下側に貼り付けられた厚さ0.28mmのアルミナ基板13とで構成されている。固着方法は、アルミナ基板13に低温焼成セラミック基板12を熱圧着(90℃程度の温度と20MPa程度の圧力)により貼り付けた後、約900℃で焼結させて、一体化させている。
(Embodiment 1)
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view of a
このアルミナ基板13は、抗折強度が350メガパスカルであり、低温焼成セラミック基板12の250メガパスカルの抗折強度より約4割大きい。このようにして、低温焼成セラミック基板12の実質上の抗折強度を大きくしている。
This
なお、低温焼成セラミック基板12は、アルミナ約50質量%とガラス約50質量%の粉体に有機バインダーを加えて作成したグリーンシートを約900℃で焼成したものである。
The low-temperature fired
アルミナ基板13は、アルミナ96質量%(残余は不可避的天然元素)のアルミナ基板であり、アルミナ基板13の上方から下方に向けて0.2mmの貫通孔14が設けられている。そして、この貫通孔14には、銀を主成分とした導電ペースト15が充填される。また、アルミナ基板13の下面には貫通孔14に接続された端子パッド16が設けられている。
The
メイン基板17の上面には、端子パッド16に対応した位置に接続パッド18が設けられており、その間を半田19で固着している。このように、メイン基板17と回路基板11とは、半田19で固着されている。ここで、回路基板11の低温焼成セラミック基板12は抗折強度の大きなアルミナ基板13と焼結により貼り合されて一体化されているので、例えメイン基板17の熱膨張係数が低温焼成セラミック基板12の熱膨張係数より大きく、低温焼成セラミック基板12に熱によるストレスが加わっても、低温焼成セラミック基板12にクラックが生ずるようなことはない。
On the upper surface of the
また、セラミック基板12の上面にはエポキシ樹脂からなる接着剤層21を介して半導体集積回路2が固定されており、セラミック基板12と配線で繋がっている。この配線はアルミナ基板13の上面に敷設された配線パターン20に接続されている。この配線パターン20は貫通孔14に接続されており、この貫通孔14に充填された導電ペースト15を介してメイン基板17に導かれる。結局、半導体集積回路2の信号はセラミック基板12の配線を介して、配線パターン20から導電ペースト15と、端子パッド16と、半田19と、接続パッド18をこの順に通過してメイン基板17に導かれる。
The semiconductor integrated
このように、アルミナ基板13上に配線パターン20を設けて、この配線パターン20で貫通孔14に接続するので、貫通孔14の位置を定間隔に設ける等、設計の自由度を大きくすることができる。
Thus, since the
表1に、半田19として63Sn/37Pbからなる共晶半田のボールを用いた場合のアルミナ基板13の厚みと、貫通孔(スルーホール)14へ導電ペーストを充填したときのスルーホール充填性およびヒートサイクルの試験結果を示す。サンプルの厚みは0.65mmのセラミック基板12に96質量%アルミナ基板(残余は不可避的天然元素)13を貼り合せ、セラミック基板12上の半導体集積回路2のサイズは25.4mm角、ピン数は144ピンであり、アルミナ基板13に設けられた貫通孔14の直径は0.2mmとした。また、図6、図7に、ヒートサイクル回数とセラミック基板12とメイン基板17との間の接続抵抗値の変化を示す。図12に、本実施例でのヒートサイクル条件を示す。ヒートサイクルの温度範囲は、−55℃から+125℃とした。試験開始温度は−55℃であり、約15分で125℃まで昇温し、15分保持する。その後、−55℃まで約15分で降温し、−55℃にて15分保持する。以上の一連の温度変化を1サイクルとする。スルーホール充填性は、20倍の顕微鏡にてアルミナ基板13の両面を観察し、(1)印刷側から見て、スルーホールの反対面まで導体ペーストが充填されていること、(2)印刷面、反対面について、導体ペーストの著しい飛び出し(0.1mm程度)が無いこと、(3)導体ペーストが充填されたスルーホールに貫通穴が無いこと、を目視評価し、Aは良好、Bはやや良、Cは不可とした。
Table 1 shows the thickness of the
表1から明らかなように、スルーホール充填性は、アルミナ基板の厚みに関係する。本実施例では、アルミナ基板厚が0.635mmでは、スルーホール内の導体ペーストが十分に充填されなかった。これは、スルーホールの直径よりスルーホールの深さが大きいため、導体ペーストの充填が不十分になり、印刷側から反対側まで導体ペーストが届かなくためである。アルミナ基板厚が0.19mmから0.5mmの範囲では、スルーホール内の導体ペーストを、完全に充填することが出来た。アルミナ基板厚が0.15mmでは、スルーホールの直径よりスルーホールの深さが小さいため、スルーホール内部に導体ペーストが保持されず、貫通穴が発生した。スルーホール充填性から見た適正なアルミナ基板13の厚みは、アルミナ基板13に設けられた貫通孔14の直径が0.2mmのとき、0.19mmから0.5mmである。アルミナ基板を貼り付けていないサンプルでは、信頼性が確保されるのは50サイクルまでであるが(図5)、本実施例の適正な厚みのアルミナ基板を貼り付けたサンプルでは、100サイクルまで信頼性が向上した(図7)。すなわち、本実施例の共晶半田のボールを用いた接続では、従来に比べて2倍の信頼性を実現できる。
As is apparent from Table 1, the through hole filling property is related to the thickness of the alumina substrate. In this example, when the alumina substrate thickness was 0.635 mm, the conductor paste in the through hole was not sufficiently filled. This is because the depth of the through hole is larger than the diameter of the through hole, so that the conductor paste is not sufficiently filled, and the conductor paste does not reach from the printing side to the opposite side. When the alumina substrate thickness was in the range of 0.19 mm to 0.5 mm, the conductor paste in the through hole could be completely filled. When the alumina substrate thickness was 0.15 mm, the depth of the through hole was smaller than the diameter of the through hole, so that the conductive paste was not held inside the through hole, and a through hole was generated. The appropriate thickness of the
表2は、半田19として樹脂ボールを用いた場合のアルミナ基板13の厚みと、貫通孔(スルーホール)14へ導電ペーストを充填したときのスルーホール充填性およびヒートサイクルの試験結果を示す。サンプルは、厚みが0.65mmのセラミック基板12に96質量%アルミナ基板13を貼り合せ、セラミック基板12上の半導体集積回路2のサイズは25.4mm角、ピン数は144ピンであり、アルミナ基板13に設けられた貫通孔14の直径が0.2mmとした。また、図8から図11にヒートサイクル回数とセラミック基板12とメイン基板17との間の接続抵抗値の変化を示す。
Table 2 shows the thickness of the
表2の結果で説明したとおり、適正なアルミナ基板13の厚みは、アルミナ基板13に設けられた貫通孔14の直径が0.2mmのとき、0.19mmから0.5mmである。アルミナ基板13を貼り付けていないサンプルでは、信頼性が確保されるのは400サイクルまでであるが(図8)、本実施例の適正な厚みのアルミナ基板を貼り付けたサンプルでは750サイクルまで信頼性が向上した(図9、図10、図11)。すなわち、本実施例を用いると、樹脂ボールを用いた接続では、従来に比べて約1.9倍の信頼性を実現できる。
As described in Table 2, the proper thickness of the
本実施例では、基板はセラミック基板に96質量%アルミナ基板を貼り合せたもの、セラミック基板の厚みは0.65mm、半導体集積回路2のサイズは25.4mm角、ピン数は144ピンのものをサンプルとした。ここで、セラミック基板の厚みは0.65mmとしたが、これに限るものではない。
In this embodiment, the substrate is a ceramic substrate bonded with a 96 mass% alumina substrate, the thickness of the ceramic substrate is 0.65 mm, the size of the semiconductor integrated
図2は、回路基板11とメイン基板17とを電気的・機械的に接続する樹脂ボール29の断面図である。図2において、25は球形状の樹脂コアであり、26はその外側を覆うニッケル層である。また、27はニッケル26を覆う銅層であり、28は銅層27を覆う半田層である。そして、全体としても球形状をしている。この樹脂ボール29には銅層27が含まれているので電気伝導性が高い。
FIG. 2 is a cross-sectional view of a
図3は、この樹脂ボール29で回路基板11の端子パッド16と、メイン基板17の接続パッド18を電気的かつ機械的に接続した断面図である。このような樹脂ボール29を用いることにより、樹脂コア25が熱応力に対して変形して歪みを吸収するので、回路基板11とメイン基板17の熱膨張係数が異なっても、回路基板11とメイン基板17にストレスが発生することを防止することができる。
FIG. 3 is a cross-sectional view in which the
本発明にかかる回路基板は、高強度の基板を低強度の基板に貼り付けることにより熱膨張係数の違いによる二種の材料間の応力によるクラックを防止するものであり、セラミック基板等を用いた機器に有用である。 The circuit board according to the present invention prevents cracking due to stress between two kinds of materials due to a difference in thermal expansion coefficient by sticking a high-strength board to a low-strength board. Useful for equipment.
11 印刷基板
12 セラミック基板
13 アルミナ基板
17 メイン基板
19 半田
29 樹脂ボール
11
Claims (11)
前記複数枚の基板は前記メイン基板より相対的に熱膨張係数の小さい基板を含み、
前記複数枚の基板は、セラミック基板と、前記セラミック基板のメイン基板側に前記セラミック基板より高強度の基板が貼り合わせられていることを特徴とする回路基板。 A circuit board in which a plurality of boards are fixed by solder on the main board,
The plurality of substrates includes a substrate having a smaller coefficient of thermal expansion than the main substrate,
The circuit board, wherein the plurality of substrates are a ceramic substrate and a substrate having a strength higher than that of the ceramic substrate is bonded to a main substrate side of the ceramic substrate.
The circuit board according to claim 1, wherein the ceramic substrate and the high-strength substrate are integrated by sintering.
Priority Applications (1)
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Applications Claiming Priority (2)
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Cited By (1)
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KR101053399B1 (en) * | 2009-02-10 | 2011-08-01 | 삼성전기주식회사 | LTC module and its manufacturing method |
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2004
- 2004-08-05 JP JP2004229893A patent/JP2005072574A/en active Pending
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KR101053399B1 (en) * | 2009-02-10 | 2011-08-01 | 삼성전기주식회사 | LTC module and its manufacturing method |
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