JP2007173542A - 基板構造、基板製造方法および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】構造上並びに熱的要因による電気的接続の不安定要因を取り除いて、信頼性の高い安定した回路動作を維持することのできる基板構造、基板製造方法および電子機器提供する。
【解決手段】マイクロコンタクトシート１は、リフロー時に於いて、シート押さえ治具３のシート押し当て面により平坦性を保った状態で保持されることから、マイクロコンタクトシート１が平坦性を保った状態でプリント配線板２に半田実装される。この半田実装後、シート押さえ治具３をプリント配線板２から除去する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、多ピン構造の電子部品を実装する場合に適用して好適な基板構造、基板製造方法および電子機器に関する。

熱ストレスに弱い電子部品をプリント配線板に固定するための固定装置として、箱状のソケット部材を利用するものが知られている。このソケット部材は、接続端子を含む基板と、電子部品を囲むように基板上に固定された枠体とを有している。枠体の内部に、実装電子部品として、例えばＢＧＡ型の半導体パッケージが収容される。このソケット部材を用いて電子部品を実装する基板構造は、プリント配線板上にソケット部材を配置し、リフロー炉を通して、プリント配線板にソケット部材を半田接合させることにより製造される。この基板上に設けられたソケット部材に実装電子部品となる、例えば半導体パッケージを装着することにより、半導体パッケージが基板に実装される。

このような基板構造は、基板上にソケット部材が半田付実装された構造であることから、リフロー時の熱または他の要因により基板（プリント配線板）に反りが生じた場合には、ソケット部材の一部が浮き上がってしまう問題があった。これにより、半田接合部にクラックが生じたり、半田接合部以外の部分でパターン剥離、回路短絡等が生じたりする問題があった。従来、この種の問題点を解消するための参考となる技術として、半導体キャリアと基板との間に金属ボールを用いたコンタクトスペーサを介在し、金属ボールを溶融することによって半導体キャリアと基板とを金属ボールで機械的および電気的に相互接続する技術が存在する。
特開平６−２６８３６６号公報

このコンタクトスペーサを用いたコンタクト技術に於いては、半導体キャリアと基板との間にコンタクトスペーサが介在することから、基板の反り等に起因する実装部品へのストレスをコンタクトスペーサで吸収することが期待できる。しかしながら、このコンタクト技術に於いては、コンタクトスペーサが金属ボールを介して基板に固定される構造であることから、コンタクトスペーサを用いて上記ソケット部材を基板に設ける場合に、ボールを用いた接続段数が増加し、基板とコンタクトスペーサと多ピンデバイス用のソケット部材とを積層した状態での位置合わせ精度が非常に厳しくなるとともに、基板とコンタクトスペーサとをボールにより固定し、さらにコンタクトスペーサと多ピンデバイス用のソケット部材とをボールにより固定する構造であることから、基板に反りが生じたり、外部からストレスを受けた場合に、これらのストレスがコンタクトスペーサにかかり、その結果としてコンタクトスペーサの半田接合部の剥離、パターン剥離、パターン切断、パターン間短絡等を招き、上記した問題点と同様に電気的接続の信頼性が損なわれるという問題が生じる。さらに基板とコンタクトスペーサとの間、およびコンタクトスペーサと多ピンデバイス用のソケット部材との間をそれぞれボールにより固定するための熱容量が大きくなることから、半田接合部の品質低下を招くとともに、リフロー時に於ける基板の反りへの影響が大きくなるという問題があった。

本発明は、上記したような構造上並びに熱的要因による電気的接続の不安定要因を取り除いて、信頼性の高い安定した回路動作を維持することのできる基板構造、基板製造方法および電子機器提供することを目的とする。

本発明は、一方面部に螺旋状の接触子を有し、他方面部に前記接触子に電気的接続したパッドを有するマイクロコンタクトシートの前記パッド側を、押さえ治具により、プリント配線板に押しつけて、前記マイクロコンタクトシートを前記プリント配線板に密着させ、前記マイクロコンタクトシートを前記プリント配線板にはんだ接続した基板構造を特徴とする。

また、本発明は、一方面部に螺旋状の接触子を有し、他方面部に前記接触子に電気的接続したパッドを有するマイクロコンタクトシートの前記パッド側を、押さえ治具により、プリント配線板に押しつけて、前記マイクロコンタクトシートを前記プリント配線板に密着させ、前記マイクロコンタクトシートを前記プリント配線板にはんだ接続した基板製造方法を特徴とする。

また、本発明は、一方面部に螺旋状の接触子を有し、他方面部に前記接触子に電気的接続したパッドを有するマイクロコンタクトシートの前記他方面部をプリント配線板に密着させて前記マイクロコンタクトシートを前記プリント配線板にはんだ接続した基板と、前記マイクロコンタクトシートを介在して前記基板に設けられた電子部品実装用のソケットと、前記ソケットに実装され、前記マイクロコンタクトシートを介して前記基板に回路接続された電子部品とを具備した電子機器を特徴とする。

本発明によれば、構造上並びに熱的要因による電気的接続の不安定要因を取り除いて、信頼性の高い安定した回路動作を維持することのできる基板構造が提供できる。これによって信頼性の高い回路動作を維持することのできる電子機器が提供できる。

以下図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

本発明の実施形態に係る基板構造は、図１に示すように、マイクロコンタクトシート１と、プリント配線板２と、シート押さえ治具３とを具備することにより実現される。

マイクロコンタクトシート１は、矩形の可撓性シート部材をベースに、シート部材の一方面部に螺旋状の接触子１ａ，１ａ，…を有し、他方面部に上記接触子１ａ，１ａ，…に対応するパッド１ｂ，１ｂ，…を有して構成される。螺旋状の接触子１ａ，１ａ，…は、弾発性を有する薄い金属皮膜により構成され、先端が突出する渦巻き状に形成される。この接触子１ａ，１ａ，…は、プリント配線板（マイクロコンタクトシート１をプリント配線板２に半田実装した基板）２に実装される多ピンデバイスの各端子に対応して、例えばマトリクス状に配置される。この接触子１ａ，１ａ，…には、図６乃至図８を用いて後述するソケット部材に装着された多ピンデバイスの各端子が押圧接触される。ここでは上記接触子１ａ，１ａ，…に、球状端子（バンプ）を有するＢＧＡタイプの半導体パッケージ、平面端子（パッド）を有するＬＧＡタイプの半導体パッケージを対象に、当該パッケージの各端子が押圧接触される。さらにマイクロコンタクトシート１は、ソケット取付用孔１ｃ，１ｃ，…、および位置合わせ用孔１ｄを有する。この位置合わせ用孔１ｄを用いてマイクロコンタクトシート１がプリント配線板２のシート実装面に位置決めされる。

プリント配線板２は、上記マイクロコンタクトシート１を実装する矩形状のシート実装面を有する。このシート実装面には、上記マイクロコンタクトシート１のパッド１ｂ，１ｂ，…に対応して、パッド２ｂ，２ｂ，…が設けられる。また、シート実装面の周囲角部四カ所に、ソケット取付部を構成するソケット取付孔２ｃ，２ｃ，…が設けられる。さらに上記マイクロコンタクトシート１の位置合わせ用孔１ｄに対応してシート位置合わせ用孔２ｄが設けられる。ソケット取付孔２ｃ，２ｃ，…は、リフロー工程に於いて、シート押さえ治具３の位置決め用孔として利用される。なお、この実施形態では、マイクロコンタクトシート１を半田実装した後のプリント配線板を基板と称している。

シート押さえ治具３は、半田リフローを行うときにマウント用構造材として用いられるもので、プリント配線板２にマイクロコンタクトシート１を半田実装するリフロー時に、マイクロコンタクトシート１を一定の押圧力でプリント配線板２に押し当てて、マイクロコンタクトシート１がプリント配線板２に密着した平坦面状態を保つように保持する。このシート押さえ治具３を、この実施形態では、上記したシート保持機能をもたせるための予め定めた所定の重量をもつ箱形形状の耐熱性樹脂若しくは金属プレートにより構成し、シート押さえ治具３の重量を利用して、マイクロコンタクトシート１をプリント配線板２に押し当て、一定の押圧力でマイクロコンタクトシート１を平坦面状態を保つように保持するものとする。シート押さえ治具３の上面には、自動機により吸引される吸着面が形成される。シート押さえ治具３の下面には、マイクロコンタクトシート１の接触子１ａ，１ａ，…に対応する凹部３ａ，３ａ，…を有して、マイクロコンタクトシート１をプリント配線板に、平坦面を保つように一様に押し当てるシート押し当て面が形成される。さらにシート押さえ治具３の下面四隅には、上記リフロー時に於いて、シート押さえ治具３をマイクロコンタクトシート１を介してプリント配線板２に取り付けるためのガイド部材となる取付部３ｃ，３ｃ，…が設けられる。この取付部３ｃ，３ｃ，…は、上記リフロー時に於いて、マイクロコンタクトシート１のソケット取付用孔１ｃ、およびプリント配線板２のソケット取付孔２ｃに嵌挿され、これによりシート押さえ治具３がプリント配線板２上のマイクロコンタクトシート１に対して位置決めされる。

シート押さえ治具３を用いてマイクロコンタクトシート１をプリント配線板２に半田実装する場合の各部の配置例を図２に示している。

マイクロコンタクトシート１をプリント配線板２に半田実装する場合、リフロー前の工程でプリント配線板２のシート実装面に設けられたパッド２ｂ，２ｂ，…上に、例えばメタルマスクを用いて半田ペーストを塗布する。

半田ペーストを塗布したパッド２ｂ，２ｂ，…上にマイクロコンタクトシート１を配置する。シート押さえ治具３の取付部３ｃ，３ｃ，…はマイクロコンタクトシート１のソケット取付用孔１ｃに嵌挿されており、自動機によりプリント配線板２のソケット取付孔２ｃに嵌挿して、、シート押さえ治具３によりマイクロコンタクトシート１をプリント配線板２のシート実装面に押し当て、マイクロコンタクトシート１をシート押さえ治具３のシート押し当て面に平坦性を保った状態で保持する。この状態で半田リフローを行うことによって、マイクロコンタクトシート１のパッド１ｂ，１ｂ，…がプリント配線板２のパッド２ｂ，２ｂ，…に半田接合され、マイクロコンタクトシート１がプリント配線板２に半田実装される。

このリフロー時に於いてマイクロコンタクトシート１はシート押さえ治具３のシート押し当て面により平坦性を保った状態で保持されることから、マイクロコンタクトシート１が平坦性を保った状態でプリント配線板２に半田実装される。この半田実装後、シート押さえ治具３をプリント配線板２から除去する。このシート押さえ治具３の装着並びに除去は自動機がシート押さえ治具３の吸着面を吸引して移送することにより行われる。

マイクロコンタクトシート１をプリント配線板２に半田実装した後のマイクロコンタクトシート１の状態を図３に示している。マイクロコンタクトシート１に設けられた接触子１ａ，１ａ，…は、対応するパッド１ｂ，１ｂ，…に電気的接続され、パッド１ｂ，１ｂ，…は、半田５によりプリント配線板２のパッド２ｂ，２ｂ，…に半田接合される。これによって上記各上記接触子１ａ，１ａ，…がプリント配線板２のパッド２ｂ，２ｂ，…に電気的接続される。

シート押さえ治具３の変形例を図４に示している。この図４に示すシート押さえ治具が図１および図２に示すシート押さえ治具と特に異なるところは、取付部３ｃ，３ｃ，…に係合用のフックを設け、フックをプリント配線板２の板面に係止させることで、シート押さえ治具３をプリント配線板２に固定し、これによりマイクロコンタクトシート１をプリント配線板２に押し当てている点である。フックの形状は図４に示したものに限らず任意形状のフックが適用可能である。なお、半田リフロー後は、フックの係止状態を解除してシート押さえ治具３をプリント配線板２から取り外す。

なお、上記した実施形態では、マイクロコンタクトシート１の接触子１ａ，１ａ，…を、先端が突出した渦巻き形状としているが、例えばコイルバネ形状、先端が拡がったコイルバネ形状等であってもよい。

上記した実施形態の基板構造によれば、リフロー時に、シート押さえ治具３が上記取付部３ｃ，３ｃ，…により位置決めされ、マイクロコンタクトシート１上に置かれて、シート押さえ治具３のシート押し当て面がマイクロコンタクトシート１を一定の押圧力でプリント配線板２に押し当てることから、マイクロコンタクトシート１がプリント配線板２に密着し平坦面を維持した状態で半田リフロー処理される。

これにより、マイクロコンタクトシート１の各パッド１ｂ，１ｂ，…がプリント配線板２の各パッド２ｂ，２ｂ，…に対して一様化された一定の半田量で確実かつ直接に半田接合され、マイクロコンタクトシート１を信頼性の高い安定した回路接続状態でプリント配線板２に実装できる。

また、リフローがマイクロコンタクトシート１とプリント配線板２のパッド間の半田リフローのみであることから、リフローでの熱容量を低く抑えることができ、適正な半田溶融温度で、リフロー加熱による基板の反りを招くことなく、品質の高い半田接合が可能となる。

さらにマイクロコンタクトシート１が全体に平坦面を有してプリント配線板２に半田接合されることから、接触子１ａ，１ａ，…が基板面に対して一様の高さで配列され、実装電子部品のすべての端子に対して一定の押圧力で接触することになり、実装電子部品に対して信頼性の高い回路接続が可能となる。

また、電子部品の端子がマイクロコンタクトシート１の接触子１ａ，１ａ，…に押圧接触される構造であることから、何らかの要因により基板に反りが生じたり、外部ストレスが加えられたりした場合に於いても、これらのストレスを半田接合部分を含む固定回路部分に影響を及ぼすことなくマイクロコンタクトシート１で柔軟に吸収できる。これにより基板の反り等のストレスに対して信頼性の高い回路接続状態を維持することが可能となる。

また、マイクロコンタクトシート１の接触子１ａ，１ａ，…が、実装電子部品の端子（例えば球状端子）をマイクロコンタクトシート１上の位置で受けて接触する構造であることから、例えば上記球状端子をマイクロコンタクトシート１の面の高さで受ける構造とした場合に必要となる、スルーホールをプリント配線板２に形成する必要がなく、プリント配線板２のパターン形成を容易化できる。なお、接触子１ａ，１ａ，…の形状は先端が突出した渦巻き形状に限らず、例えば、コイルバネ形状、先端が拡がったコイルバネ形状等であってもよい。また、接触子１ａ，１ａ，…に当接する端子も球状端子に限らず、他のピン構造または平面形状の端子であってよい。

次に、上記した実施形態の基板構造を用いたソケット構造例並びに機器構成例を図５乃至図９を参照して説明する。

図５に示すように、電子機器の一例であるポータブルコンピュータ１１は、筐体１２、キーボード１３およびディスプレイ１４を備えている。筐体１２は、プリント回路板（ＰＣＢ）１５を収容している。図２乃至図４に示すように、プリント回路板１５は、プリント配線板２１、部品固定装置２２、および回路部品の一例であるＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）形の半導体パッケージ２３を有している。部品固定装置２２は、ソケット部材２４、および上記図１乃至図３に示したマイクロコンタクトシート１に相当するマイクロコンタクトシート２５を含んでいる。

このマイクロコンタクトシート２５は、図１および図２に示したシート押さえ治具３を用いてプリント配線板２１に平坦面を保った状態で半田実装される。

ソケット部材２４は、半導体パッケージ２３を囲む枠体２９と、枠体２９に固定される蓋体３０とを備えている。枠体２９および蓋体３０は、いずれも熱伝導性が高く放熱性に優れるアルミ合金で構成されている。枠体２９で囲まれる領域に半導体パッケージ２３を収容できる。

枠体２９は、蓋体３０を固定するための４個の横穴３１を有している。また枠体２９は、角部に対応する４箇所に、ねじ孔３２を有している。このねじ孔３２が設けられた四隅で、枠体２９がプリント配線板２１にねじ止め固定されている。ソケット部材２４の枠体２９とプリント配線板２１との間に、前記マイクロコンタクトシート２５が設けられている。

枠体２９は、図７において手前の位置に、半導体パッケージ２３を位置決めするための張出部３３が設けられている。一方、半導体パッケージ２３は、基板３４と、半導体素子を収容する樹脂モールド３５とを有している。この基板３４に、前記張出部３３に相補的な形状の切欠部３４ａが設けられている。枠体２９により半導体パッケージ２３をプリント配線板２１に位置決めすることができる。図８に示すように、半導体パッケージ２３の基板の下面には、格子状に並ぶ複数の半田ボール３６が配置されている。

蓋体３０は、枠体２９で囲まれる領域４１の一部を覆っている。蓋体３０は、枠体２９に固定するための一対の鉤部３０Ａおよび一対のジョイント部３０Ｂを含んでいる。各鉤部３０Ａおよびジョイント部３０Ｂは、枠体２９の４個の横穴３１に対応している。蓋体３０は、蓋体３０を取り外す際の手掛け部３０Ｃを有している。

蓋体３０は、図８に示すように、半導体パッケージ２３をマイクロコンタクトシート２５に押し付けるための弾性体４２を有している。弾性体４２は、半導体パッケージ２３の樹脂モールド３５を避けて基板３４に突き当たる枠形状を有している。

プリント配線板２１は、上記図１乃至図３に示したプリント配線板２に相当するもので、例えば銅製の配線層を積層した銅張積層板で構成されている。プリント配線板２１は、ソケット部材２４をねじ止めするためのねじ部材４３が貫通する係合孔４４が設けられている。この係合孔４４は、上記図１乃至図３に示したソケット取付孔２ｃに相当する。このプリント配線板２１に部品を実装したものをここでは回路基板と称す。

マイクロコンタクトシート２５は、図８および図９に示すように、可撓性シート部材５１と、半導体パッケージ２３とプリント配線板２１とを接続する複数の螺旋状接触子５２とを含んでいる。複数の螺旋状接触子５２は、半田ボール３６に対応して格子状に並んでいる。可撓性シート部材５１は、ポリイミドフィルムで、数μｍから数十μｍの厚さで構成されている。可撓性シート部材５１は図７に示すように方形をなしており、四隅に前記ねじ部材４３が貫通する貫通口５３が設けられている。この貫通口５３は、上記図１乃至図３に示したソケット取付孔１ｃに相当する。また可撓性シート部材５１には、プリント配線板２１と位置合わせするための孔５４が設けられている。この孔５４は、上記図１に示した位置合わせ用孔１ｄに相当する。このマイクロコンタクトシート２５は図１および図２に示したシート押さえ治具３を用いて平坦面を保った状態でプリント配線板２１に半田実装され、マイクロコンタクトシート２５に設けた接触子５２，５２，…がソケット部材２４の端子接合面を形成する。

図８に示すように、半導体パッケージ２３がソケット部材２４に装着され、部品固定装置２２に固定されると、マイクロコンタクトシート２５の接触子５２，５２，…に、半導体パッケージ２３の半田ボール３６，３６，…が押圧接触され、ソケット部材２４に装着された半導体パッケージ２３が回路基板２１に回路結合される。

上記した機器構成に於いては、マイクロコンタクトシート２５が全体に平坦面を有してプリント配線板２１に半田接合されることから、接触子５２，５２，…が基板面に対して一様の高さで配列され、実装電子部品となる半導体パッケージ２３の半田ボール３６，３６，…のすべてに対して一定の押圧力で接触することから、実装電子部品に対して信頼性の高い回路接続が可能となる。また、電子部品の端子がマイクロコンタクトシート２５の接触子５２，５２，…に押圧接触される構造であることから、何らかの要因により基板に反りが生じたり、外部ストレスが加えられたりした場合に於いても、これらのストレスを半田接合部分を含む固定回路部分に影響を及ぼすことなくマイクロコンタクトシート２５で柔軟に吸収できる。これにより基板の反り等のストレスに対して信頼性の高い回路接続状態を維持することが可能となり、信頼性の高い安定した動作を維持することができる。

本発明の実施形態に係る基板構造を示す分解斜視図。 上記実施形態に係る基板構造を示す断面図。 上記実施形態に係るマイクロコンタクトシートの一部を拡大して示す断面図。 上記実施形態におけるシート押さえ治具の変形例を示す断面図。 上記実施形態に係る基板構造を用いたポータブルコンピュータの斜視図。 上記図５に示すポータブルコンピュータの筐体内部に収容される基板構造の一部を示す斜視図。 図６に示す基板構造の分解斜視図。 図６に示す基板構造の断面図。

符号の説明

１，２５…マイクロコンタクトシート、１ａ…接触子、２…プリント配線板、３…シート押さえ治具、１１…ポータブルコンピュータ、１２…筐体、１５…プリント回路板、２１…プリント配線板（回路基板）、２２…部品固定装置、２３…半導体パッケージ（実装電子部品）、２４…ソケット部材、２９…枠体、３０…蓋体。

Claims (12)

1. 一方面部に螺旋状の接触子を有し、他方面部に前記接触子に電気的接続したパッドを有するマイクロコンタクトシートの前記パッド側を、押さえ治具によりプリント配線板に押しつけて、前記マイクロコンタクトシートを前記プリント配線板に密着させ、前記マイクロコンタクトシートを前記プリント配線板にはんだ接続したことを特徴とする基板構造。
2. 一方面部に螺旋状の接触子を有し、他方面部に前記接触子に電気的接続したパッドを有するマイクロコンタクトシートと、
   前記マイクロコンタクトシートを一体化した状態で保持する押さえ治具を具備したことを特徴とする基板構造。
3. 前記接触子は、先端が突出する渦巻き状であることを特徴とする請求項１記載の基板構造。
4. 前記押さえ治具は、前記マイクロコンタクトシートを前記プリント配線板に押しつける面部に、前記接触子と対応する凹部を有し、前記面部と反対側の面部に自動機により吸引される吸着面を有して、前記マイクロコンタクトシートを前記プリント配線板にはんだ接続した後、前記マイクロコンタクトシート上から除去されることを特徴とする請求項１または３記載の基板構造。
5. 前記プリント配線板は、前記マイクロコンタクトシート上に電子部品を実装するためのソケットを取り付ける取付部を有し、
   前記押さえ治具は、前記マイクロコンタクトシートを前記プリント配線板に押しつける面部に、前記取付部に係合する位置決め用の係合部を有する請求項４記載の基板構造。
6. 前記接触子は、前記マイクロコンタクトシートの前記接触子を設けた面より上部で前記ソケットに取り付けた前記電子部品の端子に押圧接触して前記端子に電気的接続することを特徴とする請求項５記載の基板構造。
7. 前記接触子は、前記電子部品に設けられた球状端子に押圧接触して前記端子に電気的接続することを特徴とする請求項６記載の基板構造。
8. 前記接触子は、前記電子部品に設けられた平面端子に押圧接触して前記端子に電気的接続することを特徴とする請求項６記載の基板構造。
9. 前記ソケットは、前記マイクロコンタクトシートの外周縁を覆う枠体と、前記枠体に係止され、前記電子部品を前記基板の板面方向に押し付け、前記電子部品の端子が前記マイクロコンタクトシートに設けた接触子に押圧接触する状態に保持する蓋体とを有して構成される請求項６記載の基板構造。
10. 前記枠体、および前記マイクロコンタクトシートに、前記取付部に対応する貫通孔を有し、前記基板に、前記貫通孔を介して前記取付部に固定される固定部材を有して、前記固定部材により前記ソケットが前記マイクロコンタクトシートを介し前記基板に固定されることを特徴とする請求項９記載の基板構造。
11. 一方面部に螺旋状の接触子を有し、他方面部に前記接触子に電気的接続したパッドを有するマイクロコンタクトシートの前記パッド側を、押さえ治具により、プリント配線板に押しつけて、前記マイクロコンタクトシートを前記プリント配線板に密着させ、前記マイクロコンタクトシートを前記プリント配線板にはんだ接続したことを特徴とする基板製造方法。
12. 一方面部に螺旋状の接触子を有し、他方面部に前記接触子に電気的接続したパッドを有するマイクロコンタクトシートの前記他方面部をプリント配線板に密着させて前記マイクロコンタクトシートを前記プリント配線板にはんだ接続した基板と、
    前記マイクロコンタクトシートを介在して前記基板に設けられた電子部品実装用のソケットと、
    前記ソケットに実装され、前記マイクロコンタクトシートを介して前記基板に回路接続された電子部品と
    を具備したことを特徴とする電子機器。

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