JP2006216944A - ボールグリッドアレイ用の補強材を設けたプリント回路基板アセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】ＢＧＡデバイスの基板との接合部に生じるストレスを減じて信頼性を増す。
【解決手段】回路基板３２０の第一の面にはボールグリッドアレイ・デバイス３２２が取り付けられ、ボールグリッドアレイ・デバイスを取り囲むように補強材３１０が回路基板３２０に固定される。補強材には、脚部３３２、３３４、３３６、３３８が形成されていて、各脚部の間に延在し、基板補強のための強度を担う補強材の構成要素が、基板上のボールグリッドアレイ・デバイス搭載面に対して離間するように設けられている。構成要素が離間していることにより、基板および補強材に対して作用する曲げモーメントに対する剛性が増し、ボールグリッドアレイ・デバイスと基板との接合部に生じるストレスが減じられて信頼性が高められる。また、上記構成要素の下部の位置に電子部品を実装することも可能で、基板上の実装面積を増すことが可能となる。
【選択図】 図３Ａ

Description

プリント回路基板アセンブリ（ＰＣＡ）は、多岐にわたる電子製品に使われている。ＰＣＡは、典型的には幾つかの電子部品を、時にプリント配線基板とも呼ばれるプリント回路基板（ＰＣＢ）上に実装したものである。ＰＣＡに使用される電子部品には、パッケージングされたキャパシタ、チップ・キャパシタ、インダクタ、個々にパッケージングされたトランジスタ、集積回路（ＩＣ）、その他の多くの個別の部品が含まれる。

これらの電子部品は一般にＰＣＢへとはんだ付けされることにより強固な機械的、電気的接続が作られる。プリント回路基板上には金属層がパターニングされており、これらの電子部品を相互に接続すると共に、他のＰＣＡ又は他のデバイスへと接続されるソケットやプラグ及びケーブル等のインターフェースへと接続している。一部の部品は回路基板中のめっきされた穴へ通された後に所定位置へはんだ付けされたリード線を持っている。はんだ付けされたリード線の利用は、プラグ、ソケット及び大型ＩＣ等の大きい応力負荷がかかる部品にとっては望ましい。

多くの大型ＩＣは、デバイスの外周からリード部が出ているリードフレーム中にパッケージングされている。これらのリード部は対応するはんだパッドへとはんだ付けされるか、プリント回路基板の対応するめっきされた穴へ挿入され、所定位置にはんだ付けされる。リード線は比較的弾性が高く、ＰＣＡへの衝撃や振動によるはんだ接合部への応力負荷を軽減する。しかしながら、外周に出ているリード部により、ＰＣＢ上における、そしてしばしばＩＣのデバイス外周への接続配置が制約されることになる。同様に、デバイスの外周にあるリード線の数もその外周にあわせて増大し、その為にＩＣの機能性、よって必要となる更なる接続の数もデバイス面積の二乗倍で増えてしまうのである。

ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）タイプのＩＣ（以下、単にＢＧＡと称する）は、ＩＣの底面にはんだボールアレイを有しており、これらがＩＣへの電気接続を実現している。ＢＧＡの底面にあるはんだボールは、ＰＣＢ上の対応するはんだパッド又ははんだバンプにアライメントされ、はんだボールがリフローされる。ＢＧＡが望ましいとされるのは、ＩＣへの非常に多数の電気接続を可能とする点であり、この接続の数はＩＣ面積に対応する（ＩＣ面積に応じて増減する）。ＢＧＡが望ましいとされる更なる理由は、電気接続をＩＣの外周にまわす必要を生じずにＩＣ内部へと作ることが出来るという点であり、これにより多くのＩＣデザインにおけるトレースのルーティング（配線経路）が単純化されるのである。

しかしながら、はんだボールは、クワッドパッケージやデュアルインラインパッケージ（ＤＩＰ）といった他のパッケージＩＣに用いられる外周リード線と比較すると、短く、硬質（弾性に乏しく）かつ脆弱である。ＢＧＡデバイスには通常、多数のはんだボールがあるが、はんだ接合不良が生じる場合もある。特には、ＢＧＡデバイスを含むＰＣＢに大きな衝撃負荷がかかったり、振動を受けたり、歪み（熱又は機械的ストレスによるプリント回路基板のねじれ、又は相対的な縮小／膨張等）が生じたりした場合、はんだボールのリフロー部分にクラックが生じたり、ＢＧＡ又はＰＣＢからはずれて開回路となってしまう。リフローされた全てのはんだボール接続が全て不良となってＢＧＡがＰＣＢから外れるケースもあり得る。

ＰＣＡ上に実装されたＢＧＡの信頼性を試し、改善する為に様々な技術が用いられている。その一手法として、ＰＣＢへの取り付け後にＢＧＡ下に接着剤を加えるという方法がある。この接着剤は一般に、流体状態にある間に塗布され、ＢＧＡはんだの融点未満の温度にまで加熱することで硬化させるものである。接着剤はＢＧＡ−ＰＣＢ間の接合に強度を付加するものではあるが、この接着剤がとても硬くて強いという訳ではない。接着剤の塗布は相対的に扱いにくく、プロセス変動（製造物間の個体差）を生じやすい。再加工（ＢＧＡ及び硬化後の接着剤をＰＣＢから除去した上でＢＧＡを再配置する等）には時間を要し、それが出来ない場合も多い。

他の手法は、金属シールドに成型又は機械加工して形成した支柱、或いは板金補強材を折り畳んで作ったつまみ又はフラップ等の外部の補強材へＢＧＡを固定することにより、選択された方向に沿ってＢＧＡにあらかじめ応力を付加しておくというものである。その支柱とＢＧＡとの間には、ＢＧＡから熱を除去する為の隙間パッドが設けられることが多い。多くの場合においては振動負荷が事前に付加された応力を超えることは無く、ＢＧＡは振動によって外部補強材からリフトオフすることは無い。しかしながら、この手法では硬質の構造体がＰＣＡ全域に及んでおり、それ自体が堅く、また、アセンブリ全体の重量やコスト、厚さ及び複雑性を増大させてしまう。加えてこの手法は、最終用途に用いられる種類のパルス（例えば１２５Ｇ、２ミリセカンド、正弦半波）等の重い衝撃負荷の場合、この種の衝撃から守る為に必要なレベルの事前負荷を加えてしまうと、許容し得ない程度のボードのたわみを生じてしまうことから、そのような衝撃負荷を防ぐものではない。

他の手法は、機械加工した、又は成型したシールドを設けることにより、ＰＣＢの全長（スパン）を小さくするものである。例えば、シールドはＢＧＡを取り囲む壁を持ち、これがＰＣＢへとねじ留めされたものがある。或いは、ＰＣＢの一方の面にあるシールドがＰＣＢの反対側にあるシールドへと取り付けられているものもある。ＰＣＢが歪むことが出来る範囲をシールドの壁によって小さくすることにより、ＢＧＡのはんだ接合部にかかる応力を低減するものである。しかしながら、このシールドの存在により、アセンブリ全体の嵩、コスト、複雑性、及び厚さが増大することになり、また、そのシールド壁がＰＣＢの一方又は両方の外部層の一定面積を使ってしまう。シールドの壁は一般に、ＰＣＢの外表面に沿って延びており、この壁の下を通る表面トレース（例えばＰＣＢの第一の金属層中のトレース）の電気特性に影響を与えてしまう。このことから、トレースのルーティングに使用出来る第一の金属層の面積が小さくなり、シールド壁下における信号のルーティングが複雑化するものである。

よって上述した問題を生じることなくＰＣＢ上のＢＧＡにおける曲げ応力を低減する技術が望まれているものである。

アセンブリは回路基板を含んでおり、回路基板の第一の面にはボールグリッドアレイ・デバイスが取り付けられている。ボールグリッドアレイ・デバイスを取り囲む補強材は一連の取り付け穴と、これらの取り付け穴の間に伸びる一連の部分（構成要素）を含んでいる。補強材は取り外し可能な状態で回路基板の第一の面の取り付け穴へ固定される。

図１Ａは本発明の一実施の形態に係る補強材１００の平面図である。補強材１００のコーナー部分１１０、１１２、１１４、１１６には取り付け穴１０２、１０４、１０６、１０８と、これらのコーナー部分を繋げている高架部分１１８、１２０、１２２、１２４がある。

補強材１００はアルミニウムシート、ステンレス鋼シート又は他の（ＰＣＢと比較して）硬質で頑丈な材料からプレス及びコイニング加工したものである。金属シートのプレス及びコイニング加工は、単純かつ低価格に補強材を得ることが出来ることから特に望ましい。加えて、コイニング加工処理により得られたシートメタルの変形は金属を更に強化することになる。コイニングはまた高度な寸法及び角度精度で型打ちされた部品を作り出すもので、同様の材料を自由曲げする場合よりも大きいトン数のプレス機を用いることにはなるが、特に寸法許容誤差の厳しい複雑なＰＣＢでの利用は望ましい。かわりに、補強材は自由曲げ又は３点曲げ技術を使ってシートメタルをプレス加工することも出来る。

コーナー部分１１０、１１２、１１４、１１６及び高架部分１１８、１２０、１２２、１２４は、この補強材１００を使用するＢＧＡ（図示せず）の形状と基本的に一致する開口１２６を画定している。例えば、正方形のＢＧＡに使用する補強剤は正方形の開口を持ち、矩形のＢＧＡに使用する補強剤は矩形の開口を持っている。補強材１００がＰＣＢ／ＰＣＡへと実装されている場合（例えば図３Ａ〜図３Ｃ、図７及び図８参照）、コーナー部分１１０、１１２、１１４、１１６は、例えばＰＣＢを貫通して裏側のナットへと、又はねじ山を切った補強材又はねじ山を切った他のデバイスへと延びるねじによりＰＣＢの表面に固定される。高架部分１１８、１２０、１２２、１２４はＰＣＢの表面から選択された高さに配置されるもので、これにより表面トレースのルーティング（補強材を構成する要素の下に位置する部分において基板表面に配線を通すこと）が可能となり、一部の実施の形態においては高架部分の下に部品を取り付けることも可能となる。高架部分を作ることは、この部分をＰＣＢから更に離間させることになり、よって構造断面のモーメントを増大することになる（構造断面に作用する曲げモーメントに対して生じる応力を減ずる）為、補強材を用いたアセンブリ（図３Ａ〜図３Ｃ、図７及び図８参照）の剛性を更に向上させるものである。

特定の実施の形態においては、この部分の底面はＰＣＢから１．４ｍｍ上方にあり、この部分の下に代表的には高さ１．０５〜１．１５ｍｍのトランジスタや、代表的には高さ１．１ｍｍ〜１．２ｍｍのキャパシタを搭載することが出来る。ＢＧＡの隣にブロックコンデンサ等のキャパシタを設けることが望ましい場合は多い。この部分の下に１．４ｍｍの高さがある場合、この部分の下に１．２ｍｍのキャパシタを、機械加工又はコイニング加工処理でのばらつきを許容する０．２ｍｍの製造公差を持たせて設けることが出来るのである。

図１Ｂは、図１Ａに示した補強材１００の上面の等角図である。高架部分１１８、１２０、１２２、１２４は全て、コーナー部分１１０、１１２、１１４、１１６からほぼ同じ高さにある。代わりに、高架部分は全てが同じ高さではなくても良い。一部の実施の形態においては、これらの部分の１つ以上が基本的にＰＣＢの上面位置にある。「上面」という語は、便宜上、ＢＧＡが取り付けられるＰＣＢの表面を指すものとして選択された語である。ＰＣＢの反対面は「底面」と呼ぶものとするが、これらの語は、ＰＣＢが最終的にどのような配向で用いられるかを表すものではない。

図２Ａは本発明の他の実施の形態に係る補強材２００の平面図である。補強材２００は取り付け穴２０２、２０４、２０６、２０８をそのコーナー部分に持ち、それらコーナー間に高架部分２１８、２２０、２２２、２２４が伸びている（補強材２００が基板と接する面よりも、部分２１８、２２０、２２２、２２４が高い位置、或いは離間した位置に設けられるという意味で「高架部分」と称する）。この補強材は、ＢＧＡデバイス（図示せず）が取り付けられたＰＣＢ（図示せず）へと固定された場合に、ＢＧＡデバイスを取り囲むことになるように構成されている。補強材は、金属、セラミック、サーメット、又は複合材料等の硬質で頑丈な材料を用いて機械加工、鋳造、焼結又は同様の方法で形成されたものである。これらのような技術（その幾つかにおいては流体又は粉末状態の出発原料を用いる）は、シートメタルをプレスする技術では不可能な補強材材料及び形状を可能とするものである。

図２Ｂは図２Ａに示した補強材２００の底面の等角図である。取り付け穴２０２、２０４、２０６、２０８は補強材２００のコーナーにある脚部分２２６、２２８、２３０、２３２を貫通して伸びている。脚部分２２６、２２８、２３０、２３２は高架部分２１８、２２０、２２２、２２４をＰＣＢの上面よりも上に維持する。他の実施の形態においては、更なる取り付け穴及び脚部分が、コーナー間の部分に配置されている。

高架部分２１８、２２０、２２２、２２４は同じ厚さを持ち、ＰＣＢ（図示せず）上からの高さが等しくなるように高架されている（ＰＣＢ表面からの離間量が等しくなるように高架されている）。或いは、高架部分は異なる高さ（離間量）及び厚さとしてもよい。一実施の形態においては、対向しあう高架部分（例えば部分２１８と部分２２２）が他の部分（例えば部分２２０と部分２２４）よりも厚くなっている。例えば、より厚い高架部分は、ＰＣＢのより変形しやすい方向（ＰＣＢの長軸方向又は実装処理中に屈曲をより生じやすい軸）に沿って延びている。ＢＧＡをＰＣＢへと取り付ける為に一般に用いられ、静的応力に反応してコールドフロー（常温で生じうるクリープに似た挙動）を生じることのあるはんだは、衝撃応力がかかった場合においては実質的にフローを生じない（コールドフローによる応力緩和の効果を期待できない）ことから、衝撃荷重下にあるＢＧＡデバイス全体にわたる応力を低減することは、特に望ましいのである。

図２Ｃは図２Ａの補強材２００の側面図である。補強材２００がＰＣＡ（図示せず）中のＰＣＢ（図示せず）へと取り付けられると、脚部２２６、２３２の底面２３４、２３６はＰＣＢの表面に接触する。

図３Ａは本発明の他の実施の形態に係るアセンブリ３００を部分的に分解した等角図であり、補強材３１０を通って伸び、ＰＣＢ３２０のねじ山を切ったインサート部３１２、３１４、３１６、３１８へと挿入されるねじ３０２、３０４、３０６、３０８を含んでいる。代わりにねじ山を切ったインサート部を省き、ねじ３０２、３０４、３０６、３０８をナット（図示せず）へと固定する、又はＰＣＢ３２０の反対側に設けた第二の補強材（図３Ｃ参照）へと固定することも出来る。ＢＧＡデバイス３２２は補強材３１０により取り囲まれる。ＢＧＡを取り囲む補強材をＰＣＢへと取り付けることにより、ＰＣＡがこのＢＧＡデバイスの付近で強化されることになり、ＢＧＡデバイスの領域内（例えばＢＧＡデバイスとＰＣＢとの間の領域、特にはＢＧＡデバイスとＰＣＢ間のはんだ接合部）に発生し得る応力が、ＢＧＡデバイスの周囲並びに補強材及びＰＣＢの他の部分へと向けられることになる。

平ワッシャ、ベルビル・ワッシャ（皿型ワッシャ）、又はスプリットリング・ワッシャ（スプリングワッシャ）等のワッシャ３２４、３２６、３２８、３３０は、オプションで用いられる。補強材３１０はＰＣＢ３２０へと取り外し可能な状態に固定され、アセンブリ３００を局所的に強化して、ＢＧＡデバイス３２２、そしてＢＧＡデバイス３２２をＰＣＢ３２０へと固定するはんだボンド（図示せず）を衝撃、振動、取り扱い又はＰＣＡを曲げる他の応力から守っている。補強材３１０をＰＣＢ３２０へとねじ留めすることにより、脚部３３２、３３４、３３６、３３８のＰＣＢ３２０への確固たる機械的結合が作られるものであり、この結合はアセンブリに再加工（例えばＢＧＡデバイス３２２を除去したり再配置したりする等）を施す場合の補強材３１０の除去が容易である。補強材３１０を脚部３３２、３３４、３３６、３３８で取り付けることにより、例えば一般にはその外周全体でＰＣＢへとはんだ付けされるシールドと比べて使用されるＰＣＢ３２０の面積を小さくすることができるのである。補強材のＰＣＢへの取り付けに要する面積の縮小は、部品を実装したりトレースをルーティングしたりする為のＰＣＢ上のスペースを大きく取れることに繋がる為、望ましいのである。

図３Ｂは本発明の更に他の実施の形態に係るアセンブリ３４０を部分的に分解した等角図であり、アセンブリ３４０はＰＣＢ３２０中に伸び、ねじ穴付補強材３１０’に固定されたねじ３０２、３０６、３０８（第四のねじは見えていない）を含んでいる。ねじ穴付補強材３１０’は、この補強材３１０’をＰＣＢ３２０へと取り外し可能な状態で固定する為にねじと協働する取り付け用ねじ穴３４２、３４４、３４６、３４８を持っている。ＰＣＢ３２０へ固定された場合、ねじ穴付補強材３１０’はアセンブリ３４０を局所的に強化し、ＢＧＡデバイス３２２及びＢＧＡデバイス３２２をＰＣＢ３２０へ固定しているはんだボンド（図示せず）を衝撃、振動又は取り扱い時の応力から守っている。補強材３１０’は取り外し可能であり、これによりＢＧＡデバイス３２２の除去及び再配置等のアセンブリの再加工が出来るようになっている。

図３Ｃは本発明の更に他の実施の形態に係るアセンブリ３５０を部分的に分解した等角図であり、アセンブリ３５０は同じ補強材３５２、３５２’をＰＣＢ３２０の対向しあう部分上に有している。ＢＧＡデバイス３２２はＰＣＢ３２０の第一の側（上面側）３２１に取り付けられており、補強材３５２が形成する開口（図２Ａの符号２２６参照）中にある。ＰＣＢ３２０の第一の側３２１にある補強材３５２は、斜め向かいのコーナーに平穴（ねじの切られていない貫通穴）３５４、３５６を持っており、これらにねじ３５８、３６０が通される。補強材３５２は更に斜め向かいのコーナーにねじ穴３６２、３６４も持っており、これらにねじ３６６、３６８がＰＣＢ３２０の第二の側（底面側）からねじ込まれる。

ＰＣＢの第二の側３２３にある補強材３５２’は、斜め向かいのコーナーにねじ３６６、３６８が通される平穴３５４’、３５６’と、そして補強材３５２、３５２’をＰＣＢ３２０へと固定する為に上面側３２１からねじ３５８、３６０がねじ込まれたねじ穴３６２’、３６４’とを持っている。補強材３５２、３５２’の対称性により、ＰＣＢ３２０の両側に同じ部品（補強材）を利用することが出来る。代わりに、ねじ穴が斜め向かいの端部ではなく、一部分の両端に（例えば補強材の一辺に沿って）あり、スルーホール（上述の平穴に相当）は反対側の辺に沿って設けられていてもよい。このような補強材も対称性を持っており、ＰＣＢの両側に同じ部品を使用することが出来る。更に他の実施の形態においては、上面側及び底面側の両方に４つのスルーホールを持つ同じ補強材が使用され、ねじの固定にナットを使用するものもある。他の実施の形態においては、ＰＣＢの底面側にある補強材が上面側にあるものとは異なっている。例えば、底面側の補強材はＰＣＢとともに協働する薄い部分を含み、上面側の補強材に関しては、ＢＧＡデバイスがＰＣＢへ取り付けられているはんだ接合部の信頼性を高めるような形に上面側の補強材の中立面が配置されるようにした構造体を形成している等である。

ＰＣＢの両側に補強材を設けることは、ＢＧＡはんだ接合部をその中に擁する堅い箱型構造体を形成することになる為、望ましい。箱型構造体はＰＣＢ中の曲げ応力をＢＧＡデバイスの周囲へと、そしてＢＧＡはんだ接合部の平面から離れる方向へと逃すもの（ＢＧＡデバイスの周囲部分で曲げモーメントを受けるようにすることにより、ＰＣＢ中に生じる曲げ応力やＢＧＡはんだ接合部の平面に生じる応力を減ずるもの）である。これに代わる実施の形態では、第二の側（底面側）の補強材が省略される。ＰＣＢのこの例では、単一の上面補強材も箱型構造体を形成し、ＰＣＢ中の曲げ応力をＢＧＡデバイスの周囲へと、そしてＰＣＢの上面側と補強材の高架部分との間に位置するＢＧＡはんだ接合部の平面から離れる方向へと逃す。

図４Ａは２つのＢＧＡデバイス４０２、４０４を収容する本発明の一実施の形態に係る補強材４００の平面図である。ＢＧＡデバイス４０２、４０４は補強材の一部ではないが、説明目的で図示したものである。補強材４００は４つの外周部分４０６、４０８、４１０、４１２と、外周部分４０６、４１０の間の内側部分４１４とを含んでいる。内側部分４１４及び外周部分は２つの開口４１６、４１８を画定しており、これらのうちの一方はＢＧＡデバイス４０２用、もう一方はＢＧＡデバイス４０４用である。代わりに、それぞれの開口が異なる形状及び／又は異なるサイズを持つものであっても良い。

外周部分４０６、４０８、４１０、４１２及び内側部分４１４は高架部分（ＰＣＢの表面から離間して設けられている部分）であり、高架部分の下で表面トレースのルーティングをすること、及び／又は高架部分の下にあるＰＣＢ上に部品を実装することが可能である。高架部分は、ＢＧＡはんだ接合部の平面から更に応力を取り去る（応力を減ずる）ものであるという点においても望ましい。代わりに、１つ以上の部分が高架されていないものであっても良い。

補強材４００は、補強材４００をＰＣＢ（図示せず：図３Ａ符号３２０を参照）へと実装する為に、コーナーに４つの取り付け穴４０１、４０３、４０５、４０７を含んでいる。脚部（図示せず：図３Ａの符号３３２、３３４、３３６、３３８を参照）は各コーナーの取り付け穴へと結合して部分４０６、４０８、４１０、４１２をＰＣＢの表面から持ち上げて（高架させて）おり、補強材−ＰＣＢアセンブリの剛性を向上させ、高架部分の下においてＰＣＢへの部品の実装及び表面トレースのルーティングを可能としている。付随する脚部（図示せず）を持ったオプションの側部取り付け穴４０９、４１１は、部分４０６、４１０をＰＣＢへと更に固定するものである。側部取り付け穴の更なる詳細は、以下に図６Ｂ〜図６Ｄを参照しつつ説明する。

図４Ｂは２つのＢＧＡを収容する為の、本発明の他の実施の形態に係る補強材４２０の平面図である。外周部分４０６’、４０８’、４１０’、４１２’は１つの開口４２２を形成している。開口４２２は、図６Ａに示した補強材４００の開口４１８に適合するタイプのＢＧＡデバイスを２つ収容するものであるが、しかしながら、これらのＢＧＡデバイスを開口４２２中で強化構造体を仲介させることなく隣り合わせに並べた構成により、ＢＧＡデバイスのより密な間隔配置が実現されている。オプションでチップ抵抗器、キャパシタ、トランジスタ又はダイオード等の更なる電子部品をこの開口４２２中に配置することが可能である。

図４Ｃは２つのＢＧＡを収容する為の、本発明の更に他の実施の形態に係る補強材４３０の平面図である。外周部分４３２、４３４、４３６、４３７、４３８、４４０、４４２、４４３及び中間部分４４４が２つの開口４４６、４４８を画定している。斜め８の字型の構成に配置された２つの開口４４６、４４８は、２つの別個の補強材を設けるに十分なスペースが無い状態で緊密に配置されたＢＧＡデバイスの保護に特に好適である。同様に、２つ以上のＢＧＡデバイスを保護する為に１つの補強材を使用すれば、各ＢＧＡデバイスに別個の補強材を用いた場合と比べてＰＣＡの部品数が少なくて済む。別の実施の形態として、各開口が異なる形状及び／又は異なるサイズに作られている場合もある。

図５Ａは３つのＢＧＡを収容する為の、本発明の他の実施の形態に係る補強材５００の平面図である。外周部分５０２、５０４、５０６、５０８、５１０、５１２及び中間部分５１４、５１６は３つの開口５１８、５２０、５２２を画定しており、開口の各々は、ＢＧＡがＰＣＡに組み込まれた場合にそれらの各々を囲むものである。外周部分及び中間部分は高架部分である。かわりに、これらの部分の１つ以上は高架されていないものでも良い。他の実施の形態においては、各開口が異なる形状及び／又は異なるサイズに作られている場合もある。

図５Ｂは３つのＢＧＡを収容する為の、本発明の一実施の形態に係る補強材５３０の平面図である。外周部分５０２’、５０４’、５０６’、５０８’、５１０’、５１２’は開口５３２を画定しており、開口５３２は図５Ａの補強材５３０中に示した開口５１８、５２０、５２２中に用いることが出来るＢＧＡを３つ収容することが出来る。これらのＢＧＡデバイスは、開口５３２中に中間部分用のスペースをとる必要がないことから、図５Ｂの補強材５３０の開口５３２中においてより緊密な間隔で配置することが出来る。別例として、様々なサイズのＢＧＡデバイスを収容する為に、補強材５３０の脚部の長さ及び／又は幅が等しくない場合もある。

図６Ａは、コーナー穴６０２、６０４、６０６、６０８を持つ、本発明の一実施の形態に係る補強材６０１を使ったＰＣＡ６００の平面図である。補強材６０１及びＢＧＡデバイス６１０がＰＣＢ６１２上に実装されている。図を見やすくする為に、補強材６０１をＰＣＢ６１２へと取り付けるねじは省略した。ＢＧＡデバイス６１０は補強材６０１により形成された開口６１１中にある。ＢＧＡデバイス６１０の端部６１４は補強材６０１の内側端部６１６から所定距離分離れている。

この距離は、振動、衝撃又は取り扱いから生じるＰＣＡ６００中の応力が補強材６０１の下、開口６１１中へと及んでＢＧＡデバイス６１０及びＰＣＢ６１２間のはんだ接合部が壊れることが無いように選択されている。一実施の形態においては、ＢＧＡデバイスは２５ｍｍｘ２５ｍｍであり、補強材が形成する開口は２７ｍｍｘ２７ｍｍである。ＢＧＡデバイスと補強材の内側端部との間の離間距離は全ての辺において１ｍｍである。代わりに離間距離を全ての辺において等しく設定しないことも出来る。所望の離間距離は、特には補強材部分（補強材を構成する部材、要素）の長さ、補強材部分の剛性、ＰＣＢの厚さ及びＢＧＡデバイス及びＰＣＢ間のはんだ接合部の種類及び数等の要因に基づいて選択される。

上述した離間距離は一般に、ＰＣＡが予想される（設計上の）機械的負荷下にある場合において、ＢＧＡデバイス及びＰＣＢ間のはんだ接合部の信頼性を高めるために設けられるものである。一部の実施の形態においては、約１〜約９ｍｍの範囲の離間距離を置いている。適切な離間距離は、基板の厚さ、補強材のサイズ、補強材の材料、補強材の厚さ、及びＢＧＡデバイスのサイズ等、幾つかの要因に依存する。例えば比較的大型のＰＣＢアセンブリ、特には１．６ｍｍ厚のＰＣＢを使用したもの等、一部の実施の形態においては約５ｍｍ〜約７ｍｍの離間距離が特に望ましい。

図６Ｂはコーナー穴６２２、６２４、６２６、６２８及び側辺取り付け穴６３０、６３２を持つ本発明の一実施の形態に係る補強材６２０の平面図である。２つの対向し合う部分６３４、６３６は従って３つの穴６２２、６３０、６２４；６２６、６３２、６２８をそれぞれ持っていることになる。側辺取り付け穴６３０、６３２は、衝撃、振動又はＰＣＡの取り扱い中に応力が加えられた場合にもっとも曲率の高いＰＣＡの軸に垂直な部分６３４、６３６に沿って追加されている。応力がかけられた場合に最も高い曲率を持つ軸とは、両側矢印６３８で示した、ＰＣＡの長軸である場合が多い。側辺取り付け穴６３０、６３２は補強材６２０の側辺６３４、６３６の中心をＰＣＢ（図示せず）へと固定して補強材−ＰＣＢアセンブリを更に強化している。補強材及びＢＧＡデバイスを５ｍｍの離間距離で含むＰＣＡをモデリングした。側辺取り付け穴を、ＰＣＢの長軸に直交する補強材の部分中に加えた場合の最高ストレス（許容応力）は、ＰＣＢの長軸に平行な補強材部分中に側辺取り付け穴を設けてモデリングしたＰＣＡの最高ストレス（許容応力）の約半分となった。側辺取り付け穴をＰＣＢの長軸に直交する補強材部分中に持つ補強材と、側辺取り付け穴をＰＣＢの長軸に平行な補強材部分中に持つ補強材との間の最高ストレス（許容応力）差は、離間距離が小さいほど顕著となる。従って、離間距離が５ｍｍ未満の場合、応力が付加された際に最も高い曲率となりやすいＰＣＡ軸に対して直交する方向に延在する補強材部分中に側辺取り付け穴を設けることは、特に望ましいのである。

図６Ｃはコーナー穴６４２、６４４、６４６、６４８及び側辺取り付け穴６５０、６５２、６５４、６５６を持つ本発明の他の実施の形態に係る補強材６４０の平面図である。更なる取り付け穴は、剛性の向上と応力の方向転換にとっては望ましいものであるが、しかし側辺取り付け穴の数は、トレースのルーティングや電子部品の実装等、他の目的に必要とされるＰＣＢ（図示せず）の表面積とのバランスを考えて設定されるものである。

図６Ｄは、コーナー穴６６２、６６４、６６６、６６８及び側辺取り付け穴６７０、６７２、６７４、６７６、６７８、６８０、６８２、６８４を持つ本発明の更に他の実施の形態に基づく補強材６６０の平面図である。最も多数の取り付け穴を含む部分６８６、６８８は、応力がかかっている場合にＰＣＡの曲率が最も高くなる両端矢印６３８で示した軸に直交している。

図７は本発明の一実施の形態に係るアセンブリ７００の分解等角図である。アセンブリ７００は、ＢＧＡデバイス７０４を取り付けた（はんだ付け等）ＰＣＢ７０２を含むＰＣＡの一部分である。補強材７０６は、アセンブリ７００へねじ７０８、７１０、７１２、７１４で固定されたときにアセンブリを強化するものである。ねじ７０８、７１０、７１２、７１４は、ばね７１６、７１８、７２０、７２２、ヒートシンク７２４、及びＰＣＢ７０２を貫通し、これらのねじを受容するねじ山が切られている第二の補強材７２６へと延びており、補強材７０６をＰＣＢ７０２の第一の面（上面）７０３へと、そして第二の補強材７２６をＰＣＢ７０２の第二の面（底面）７０５へと取り外し可能な形で固定している。代わりに、第二の補強材７２６を省き、別途ナット（図示せず）をねじ７０８、７１０、７１２、７１４と勘合させることにより補強材７０６とヒートシンク７２４をＰＣＢ７０２へと固定することも可能である。他の実施の形態においては、ＰＣＢがねじ山を切ったインサート部（図示せず）を持っており、これにねじ７０８、７１０、７１２、７１４を勘合させて補強材７０６及びヒートシンク７２４がＰＣＢへと固定される。

補強材７０６は、ヒートシンク７２４をＢＧＡデバイス７０４へとギャップパッド７３６を介して押し付ける作用を有するねじ７０８、７１０、７１２、７１４及びばね７１６、７１８、７２０、７２２の動きを制約する台座７２８、７３０、７３２、７３４を含んでいる。ギャップパッドは伝熱性を持つ柔軟な材料であり、圧力を均一に分散させることに加えてＢＧＡデバイス７０４とヒートシンク７２４間の熱伝導性を向上させるものである。代わりに、台座は補強材と一体のものではなく、図２Ｂ又は図１Ｂに示したもののような補強材と共に別個の管状のスタンドオフを利用しても良い。

換言すると、組み立てられたとき、ねじ７０８、７１０、７１２、７１４が台座７２８、７３０，７３２、７３４で止まり、ばね７１６、７１８、７２０、７２２がヒートシンク７２４をギャップパッド７３６及びＢＧＡデバイス７０４へと押し付けるのである。ばねはＢＧＡデバイスのＰＣＢからの高さ、そして補強材及びヒートシンクの寸法の組立時のばらつきを許容するものである。補強材はＢＧＡの下のＰＣＢを平坦に維持することにより、はんだボールへと付加される応力を抑制する。他の実施の形態においては、伝熱性グリースがＢＧＡデバイスとヒートシンクの間に塗布される。伝熱性グリースはＢＧＡデバイス及びヒートシンク間に良好な熱的結合を提供する一方で、機械的にはＢＧＡデバイスをヒートシンクから分離するものである。

図８は本発明の他の実施の形態に係るアセンブリ８００の分解等角図である。アセンブリ８００はＢＧＡデバイス８０４を取り付けた（はんだ付け等）ＰＣＢ８０２を含むＰＣＡの一部分である。補強材８０６はアセンブリ８００へと段付ねじ８０８、８１０、８１４（第四の段付ねじはこの図では見えない）で固定されたときにアセンブリを強化するものである。段付ねじは、ねじ山を切った部分よりも大きな径を持つ平らな（ねじ山を切っていない）領域を含んでいる。これらの段付ねじ８０８、８１０、８１４はばね８１６、８１８、８２２（第四のばねも存在するが、この図では見えない）に通されており、ばねは段付ねじによりヒートシンク８２４へと押し付けられて圧縮される。一実施の形態においては、段付ねじはヒートシンク８２４中で捕捉（抜け止め）されており、そしてヒートシンク８２４、ばね８１６、８１８、８２２及び捕捉された段付ねじ８０８、８１０、８１４が、ＰＣＢへと好都合に設置されるサブアセンブリを構成している。第二の補強材８２６には、ねじを受容する為のねじ山が切られている。代わりに、第二の補強材８２６を省き、別途ナット（図示せず）を段付ねじ８０８、８１０、８１４と勘合させることにより補強材８０６とヒートシンク８２４をＰＣＢ８０２へと固定することも可能である。他の実施の形態においては、ＰＣＢがねじ山を切ったインサート部（図示せず）を持っており、これに段付ねじ８０８、８１０、８１４を勘合させて補強材８０６及びヒートシンク８２４がＰＣＢ８０２へと固定される。

本発明の実施の形態に係る補強材は、ＰＣＡをＢＧＡデバイスの周囲で局所的に強化してＢＧＡデバイスをＰＣＡへと固定するはんだ接合部を守るものであり、更に一部のアプリケーションにおいては、ＢＧＡデバイスにクラックが生じることがないように保護するものである。応力を生じた場合、補強材中にあるＰＣＢの曲率は、補強材を省いた場合のＰＣＢのこの領域が示すと思われる曲率よりも低くなる。補強材の中の応力は、補強材が無い場合に生じる応力の小さなパーセンテージでしかないことが分析シミュレーションによって示されている。

マサチューセッツ州ニーダムにあるＰａｒａｍｅｔｒｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから出されているＭｅｃｈａｎｉｃａ（登録商標）ソフトウェアを使って様々なＰＣＡモデルを評価した。全モデルとも標準ＰＣＢと、そして基本的に図２Ａに示した補強材２００に実質的に基づいた、６０６１アルミニウム合金製で部材厚１．５９ｍｍに加えてＰＣＢへと延びる脚部が高さ１．５９ｍｍの補強材を使用している。ＰＣＢも同様に１．５９ｍｍ厚である。換言すると、補強材の上面はＰＣＢ表面から３．１８ｍｍの距離にあり、脚部がＰＣＢ表面と補強材の各要素の底面との間に１．５９ｍｍのクリアランスを設けている。他の実施の形態においては、補強材の上面がＰＣＢ表面から更に高い位置にあり、ＰＣＡのＢＧＡデバイス付近における強度を増大させている。代わりに、補強材部分の厚さを増すことも出来る。ＢＧＡデバイスは、全てのケースにおいて２５ｍｍｘ２５ｍｍであることが想定されている。

あるセットのシミュレーションにおいては、補強材が形成する開口は２７ｍｍｘ２７ｍｍであり、補強材の外寸は４２ｍｍｘ４２ｍｍである。これらのシミュレーションにおける負荷は６０Ｎとし、ＢＧＡ表面に対して垂直に、そして均一に分布するように印加された。この負荷下にある補強材を設けていないＰＣＡのＢＧＡデバイス部分における最大応力は４５メガパスカル（ＭＰａ）であった。ＢＧＡデバイスの実装されているＰＣＡの面に補強材を設けた同じＰＣＡでは、ＢＧＡデバイスにおける最大応力は１５ＭＰａであった。同じＰＣＡの両側部分に同一の補強材を設けたＰＣＡの場合（図３Ｃ参照）、最大応力は８．３ＭＰａであり、これは補強材を使用しないケースの約１８％にあたる。開口サイズを３５ｍｍｘ３５ｍｍ（離間距離５ｍｍ）へと大きくすることにより、ＢＧＡデバイス中の最大応力は補強材無しのＰＣＡに対して６％にまで低減した。

この負荷で更なるシミュレーションを実施し、以下の表に結果を示す。

モデリングした例は、６つの取り付け穴（図６Ｂ参照）及び８つの取り付け穴（図６Ｃ参照）を持つ最後の２つの試料（最後の２段）除き、全て各コーナーに１つ、合計４つの取り付け穴を持つものである。

表１にモデリングした同じ例について、最終用途で生じやすいタイプの衝撃をシミュレーションする１２５Ｇの重力荷重をかけて評価した。結果を以下の表に示す。

表１及び表２は、ＢＧＡデバイス実装領域における取り扱い負荷及び衝撃負荷を、本発明の実施の形態を利用することにより著しく低減することが出来ることを示している。表１及び表２中の値は、説明目的で提示したものであり、単なる一例にしか過ぎない。

本発明の実施の形態を詳細にわたり説明して来たが、当業者であれば、本願請求項に記載の本発明の範囲から離れることなく、これらの実施の形態に変更及び改変を加えることが可能であることは言うまでもない。

本発明の一実施の形態に係る補強材の平面図である。 図１Ａの補強材の上面等角図である。 本発明の他の実施の形態に係る補強材の平面図である。 図２Ａの補強材の底面等角図である。 図２Ａの補強材の側面図である。 本発明の更に他の実施の形態に係るアセンブリを部分的に分解した様子を示す等角図であり、補強材及びＰＣＢを貫通して延びるねじを含む図である。 本発明の更に他の実施の形態に係るアセンブリの部分的に分解した様子を示す等角図であり、ＰＣＢを貫通して伸び、ねじ山付き補強材へ固定されるねじを含む図である。 本発明の更に他の実施の形態に係るアセンブリを部分的に分解した様子を示す等角図であり、ＰＣＢの両面部分に同一の補強材を含む図である。 ２つのＢＧＡを収容する、本発明の一実施の形態に係る補強材の平面図である。 ２つのＢＧＡを収容する、本発明の他の実施の形態に係る補強材の平面図である。 ２つのＢＧＡを収容する、本発明の更に他の実施の形態に係る補強材の平面図である。 ３つのＢＧＡを収容する、本発明の一実施の形態に係る補強材の平面図である。 ３つのＢＧＡを収容する、本発明の他の実施の形態に係る補強材の平面図である。 コーナー穴を含む、本発明の一実施の形態に係る補強材の平面図である。 コーナー穴及び側辺穴を含む、本発明の一実施の形態に係る補強材の平面図である。 コーナー穴及び側辺穴を含む、本発明の他の実施の形態に係る補強材の平面図である。 コーナー穴及び側辺穴を含む、本発明の更に他の実施の形態に係る補強材の平面図である。 本発明の一実施の形態に係るアセンブリの分解等角図である。 本発明の他の実施の形態に係るアセンブリの分解等角図である。

符号の説明

１００、２００、３１０、３５２、４００、５００、６０１、７０６、８０６ 補強材
１１０、１１２、１１４、１１６ コーナー部分
１２６、２２６ 開口
２０２、２０４、２０６、２０８ 取り付け穴
２１８、２２０、２２２、２２４ 高架部分（構成要素）
３２０、７０２、８０２ 回路基板
３２２、４０２、６１０、７０４、８０４ ボールグリッドアレイ・デバイス
３５２’ 第二の補強材
４１４、５１４、５１６ 中間構成要素
６１６ 補強材内側端部
６３０、６３２ 側辺取り付け穴
６３４ 側辺取り付け穴を設けた構成要素
７２４、８２４ ヒートシンク
７０８、７１０、７１２、７１４ ねじ
７１６、７１８、７２０、７２２、８１４、８１６、８１８ ばね

Claims (10)

1. 回路基板と、
   前記回路基板の第一の面に取り付けられたボールグリッドアレイ・デバイスと、
   前記ボールグリッドアレイ・デバイスを取り囲むように設けられる補強材とを具備し、
   前記補強材が、一連の取り付け穴と、前記取り付け穴の間に延在する一連の構成要素とを含み、前記補強材が前記取り付け穴において前記回路基板の前記第一の面へ取り外し可能な状態で固定される
   ことを特徴とするアセンブリ。
2. 前記構成要素のうちの少なくとも１つが、前記回路基板の上方約１．４ｍｍ以上の選択された高さに配置されることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
3. 前記補強材は、コイニング加工されたシートメタルであって、前記コイニング加工されたシートメタルのコーナー部分を貫通して存在する取り付け穴を有するものであることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
4. 前記ボールグリッドアレイ・デバイスは、前記補強材の内側端部から、約１ｍｍ〜約９ｍｍ離れる位置に設置されるように構成されることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
5. 前記補強材により囲まれる第二のボールグリッドアレイ・デバイスを更に具備することを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
6. 前記補強材は、荷重が印加された場合に前記回路基板が最も大きい曲率を生じうる軸に対して直交する方向に沿って延在する構成要素中に形成される側辺取り付け穴を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
7. 前記回路基板の第二の面へ取り外し可能な状態で固定される第二の補強材を更に具備し、前記第二の補強材が前記補強材と対をなすように構成されることを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
8. 前記構成要素によって開口が画定され、
   前記開口の部分に配置され、前記ボールグリッドアレイ・デバイスと熱的に結合されるヒートシンクを更に具備する
   ことを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。
9. 前記コーナー取り付け穴の各々を貫通して伸びる複数のねじと、前記ヒートシンクを前記ボールグリッドアレイ・デバイスに対して押し付けるように配置された複数のばねとを更に具備することを特徴とする請求項８に記載のアセンブリ。
10. 前記補強材の一部である中間構成要素と、
    前記回路基板の第一の面に取り付けられ、前記補強材に囲まれるように設置される第二のボールグリッドアレイ・デバイスとを更に具備し、
    前記ボールグリッドアレイ・デバイスが、前記第二のボールグリッドアレイ・デバイスに対して前記中間構成要素で分離されるように構成される
    ことを特徴とする請求項１に記載のアセンブリ。

Images