JP2008166411A - 実装基板、高さ調節装置及び実装方法 - Google Patents

実装基板、高さ調節装置及び実装方法 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、電子部品に余分な部品を設けることなく、熱溶融接合部材が溶融した状態で容易に熱溶融接合部材の高さを調節して高くすることができる構成の実装基板、高さ調節装置、及び実装方法を提供することを課題とする。
【解決手段】実装端子５が熱溶融接合部材よりなる電子部品１が実装基板６に実装される。実装基板６は実装領域内で基板を貫通したネジ孔１３を有する。ネジ孔１３にネジ１２がねじ込まれる。ネジ１２は、電子部品１と実装基板６との間に所定の距離を維持するための高さ調節部材として、熱溶融接合部材を加熱して溶融させる工程において、電子部品１の下面に当接するようねじ込まれる。
【選択図】図４

Description

本発明は電子部品の実装構造に係り、特に熱溶融接合部材よりなる外部実装端子により電子部品が実装される実装基板、並びにそのような電子部品の高さ調節装置及び実装方法に関する。
半導体装置等の電子部品の多くは、半田バンプ等の熱溶融接合部材よりなる実装端子（外部接続端子）を用いて実装基板に実装される。例えば、ＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）型半導体装置は、実装面に多数のＢＧＡバンプ（半田ボール）を有しており、ＢＧＡバンプがプリント回路基板の電極パッドに接合されることにより、半導体装置がプリント回路基板に実装される。
図１は従来のＢＧＡ型半導体装置がプリント回路基板に実装された状態を示す断面図である。半導体装置１は、半導体素子２と、半導体素子２が実装されたパッケージ基板３と、半導体素子２を覆うように設けられたヒートスプレッダ４とを有する。パッケージ基板３の実装面には、外部接続端子として多数のＢＧＡバンプ（半田ボールバンプ）５が設けられている。半導体装置１は、ＢＧＡバンプ５をプリント回路基板６の電極パッドに接触させながらＢＧＡバンプ５を加熱して溶融し、冷却して固化させることにより、プリント回路基板６に実装される。
電子機器の性能向上に伴い、半導体装置の入出力端子数は年々増えている。それに伴い、半導体装置のサイズ（パッケージサイズ）も大きくなっている。電子機器のパワーオン／オフに伴い、半導体装置の周辺の温度は増減する。パッケージ基板３とプリント回路基板６が異なる熱膨張率を有していると、熱膨張率の差により、実装後のＢＧＡバンプ（半田ボールが溶融して固化した端子）５に塑性歪みが生じる。塑性歪みはパワーオン／オフの回数と共に増大し、ある限界値を超えると、バンプ破壊が発生し、電子機器は正常に動作しなくなる。
パッケージサイズが増大すると、塑性歪みが限界値に達するパワーオン／オフの回数が減少し、電子機器の寿命年数が短くなる。従来技術ではパッケージサイズは既にそれ以上拡大できない限界サイズに達しており、高性能電子機器の設計には大きな制約が生じている。
上述のバンプ破壊による寿命の低下に関して、ＢＧＡバンプの高さを高くすれば、バンプ破壊の限界値が大きくなり、寿命を伸ばすことができることが知られている。図1に示した従来例では、実装後のＢＧＡバンプ５の高さは半田の表面張力によって決められる。各ＢＧＡバンプ５の半田量を増やせば、ＢＧＡバンプ５を高くすることができるが、バンプ径も大きくなり、隣接するバンプ同士が接触してバンプショートが発生し易くなる。
また、発熱量が多い半導体装置では、ヒートスプレッダ等の放熱用部品の重量が大きくなり、ＢＧＡバンプに加わる圧縮力も大きくなる。ＢＧＡバンプを延して高さを高くしても、放熱用部品の重量による圧縮力で変形してＢＧＡバンプの高さが小さくなるおそれがある。
そこで、図２に示す例のように、半導体装置１とパッケージ基板３との間にスペーサとなるスタンドオフ７を挟み込み、スタンドオフ７の高さを変えることにより、ＢＧＡバンプの高さを変えることができる。但し、この場合、最初にスペーサを配置してから半田ボールを溶融させるので、半導体装置１と実装基板６との間の距離（すなわち、スペーサの高さ）がある限度を超えると、半田のリフロー時に半導体装置１側に付いていた半田ボールがプリント回路基板６側の電極パッドに届かず、いわゆるオープン不良を引き起こすといった問題がある。
図２に示す実装構造に類似した実装構造として、チップ抵抗やチップコンデンサのようなリードレス電子部品とプリント回路基板との間にスペーサを設けて、リードレス電子部品を一定の高さに維持した実装構造が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
一方、半田を用いた基板と基板の相互接続工程において、半田が溶融した状態で一方の基板を持ち上げる（他方の基板から離す）ことで、半田バンプの高さを高くすることが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
また、形状記憶合金で形成した支柱を半導体装置の実装面に取り付け、半田リフロー時の熱で支柱が伸びることを利用して、半導体装置を実装基板から僅かに離間させて半田バンプの高さを高くすることが提案されている（例えば、特許文献３参照。）
特開平７−７４４５０号公報 特開平１１−１１１７７６号公報 特開２０００−１５０７０９号公報
上述の特許文献２，３に開示された技術では、電子部品の電極と実装基板の電極パッドとが溶融した半田で繋がった状態で電子部品を実装基板から離間させることで、半田バンプを延して高さを高くすることができる。これにより、オープン不良が発生することなく、半田バンプの高さを高くすることができ、接合信頼性を確保しながら半田接合部の寿命を延ばすことができる。
ところが、特許文献２に開示された技術では、電子部品を実装基板から離間させるための治具を電子部品一つ一つに設ける必要があり、実装工程に時間がかかり、且つ電子部品一つ一つの製造コストに治具のコストが加算されるという問題がある。また、特許文献３に開示される技術では、電子部品の一つ一つに高価な形状記憶合金製の支柱を設ける必要があり、電子部品のコストが上昇してしまうという問題がある。
本発明は上述の問題に鑑みなされたものであり、電子部品に余分な部品を設けることなく、熱溶融接合部材が溶融した状態で容易に熱溶融接合部材の高さを調節して高くすることができる構成の電子部品用実装基板、並びにそのような実装基板に電子部品を実装する実装装置及び実装方法を提供することを目的とする。
上述の目的を達成するために、本発明によれば、実装端子が熱溶融接合部材よりなる電子部品が実装される実装基板であって、該電子部品と該実装基板との間に所定の距離を維持するための高さ調節部材を、該熱溶融接合部材を加熱して溶融させる工程において、前記電子部品の下側に移動させるために用いられる構成部を有することを特徴とする実装基板が提供される。
また、本発明によれば、上述の実装基板に取り付けられて前記高さ調節部材を移動させるよう構成された高さ調節装置であって、前記高さ調節部材を移動させるための力を変形力により発生する変形部材を有し、該変形部材は前記電子部品の前記実装端子のリフロー時の加熱により変形する材料により形成されたことを特徴とする高さ調節装置が提供される。
さらに、本発明によれば、電子部品を実装基板に実装する実装方法であって、該実装基板に高さ調整部材及び高さ調整治具を取り付け、前記実装基板を加熱することにより、前記電子部品の実装端子を溶融させると共に前記高さ調節部材を前記高さ調整治具の作動により前記電子部品の下に移動させ、前記実装基板を冷却してから、前記高さ調整部材を残して前記高さ調整治具を前記実装基板から取り外すことを特徴とする実装方法が提供される。
本発明によれば、熱溶融接合部材が溶融した状態で容易に熱溶融接合部材の高さを調節して高くすることができるため、接合部分の信頼性を確保することができ、接合部分の寿命を延ばすことができる。また、実装された電子部品と実装基板との間に高さ調節部材が配置されたまま残るので、熱溶融接合部材が圧縮されて高さが低くなることはなく、良好な接合状態を維持することができる。高さ調節部材は安価な材料で形成することができ、電子部品のコストに与える影響は少ない。
次に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図３は本発明の一実施形態による電子部品の実装構造の概要を示す側面図である。本発明の一実施形態では、電子部品であるＢＧＡ型半導体装置１を実装基板であるプリント回路基板６に実装する際に、リフロー工程において実装端子としてのＢＧＡバンプ５が溶融した状態でＢＧＡバンプ５を延ばして高さを高くする。そして、ＢＧＡバンプ５の高さが高くされた状態が保たれるように、半導体装置１とプリント回路基板６との間に高さ保持部材としてスタンドオフ１０を設ける。
本発明の一実施形態による実装構造では、最初に熱溶融接合部材よりなる実装端子としてのＢＧＡバンプ５を溶融させてから半導体装置１を持ち上げてＢＧＡバンプ５を上方に延ばすことにより、高さを高くするものである。一方、図２に示す従来の実装構造では、ＢＧＡバンプ５を溶融する前に半導体装置１とプリント回路基板６の間に予めスペーサ７を配置しておくことで、高さの高いＢＧＡバンプ５を得るものである。従来の実装構造の場合、上述のようにオープン不良を起こし易いが、本発明の一実施形態のように溶融したＢＧＡバンプ５が半導体装置１の電極とプリント回路基板６の電極パッドに接触して密着している状態でＢＧＡバンプ５を延ばすことで、オープン不良を起こすことなく、また、各ＢＧＡバンプ５の熱溶融接合部材の量を増やすことなく、ＢＧＡバンプ５の高さを高くすることができる。また、スタンドオフ１０を設けることで、ＢＧＡバンプ５が圧縮されることなく、高さが保たれるため、高いＢＧＡバンプで得られる信頼性及び接合部分の長寿命と、外力（半導体装置１に加わる上からの力）に対する強さを両方併せ持つことができる。
次に、本発明の第１実施形態による実装基板、高さ調節装置、及び実装方法について説明する。
本発明の第１実施形態による実装方法では、図３に示すスタンドオフ１０として、プリント回路基板６を貫通してねじ込まれたネジを用いる。ネジはプリント回路基板６を貫通して実装面６ａから突出するように配置される。このネジの突出部分が高さ調節部材としてのスタンドオフ１０に相当する。半田等の熱溶融接合部材よりなるＢＧＡバンプ５をリフローする際に、ＢＧＡバンプ５が溶融した状態においてネジを所定角度だけ回転させる。これにより、ネジの突出部分の先端が半導体装置１に当接して半導体装置１が押し上げられる。半導体装置１が押し上げられる距離はネジの回転角度により決まる。
図４は上述のネジが設けられた部分を拡大して示す断面図である。図４（ａ）はネジを回転して半導体装置１を押し上げる前の状態を示し、図４（ｂ）はネジを回転させて半導体装置１を押し上げた状態を示す。
まず、図４（ａ）に示すように、ネジ１２は、プリント回路基板６の裏面からプリント基板を貫通して延在するネジ孔１３にねじ込まれ、先端がプリント回路基板６の実装面６ａから突出した状態に配置される。ネジ孔１３は半導体装置１が実装される実装領域内に設けられ、半導体装置１の高さ調節を行うために用いられる構成部となる。ネジ１２の後端にすり割り溝１２ａが設けられており、すり割り溝１２ａにドライバ（ネジ回し）２４を挿入してドライバ２４を回転させることで、図４（ｂ）に示すようにネジ１２を回転させることができる。ネジ１２が回転することで、ネジ１２の先端が上方に移動し、半導体装置１を押し上げることができる。図４では一本のネジ１２が示されているが、本実施形態では、四辺形の半導体装置１の四隅に対応した位置に４本のネジ１２が設けられており、４本のネジ１２を同時に回転させることで半導体装置１をプリント回路基板６に対して平行に持ち上げることができる。本実施形態では、高さ調整装置として、４本のネジ１２を回転させるためにドライバ２４とドライバを回転させる機構を含むネジ回し治具２０が、プリント回路基板６の裏面側に配置される。
ここで、高さ調整装置としてのネジ回し治具２０について図５乃至図７を参照しながら説明する。図５はネジ回し治具２０を表面側から見た斜視図である。図６は図５に示すドライバの拡大斜視図である。
図５に示すように、ネジ回し治具２０は、平面板２２と平面板２２の表面２２ａから突出するように設けられた４個のドライバ２４とを有する。ドライバ２４は図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すドライバ２４であり、平面板２２上で回転可能である。図６に示すように、各ドライバ２４は、頂面にビット部２４ａを有する。ビット部２４ａはネジ１２のすり割り溝１２ａに挿入可能な形状である。４個のドライバ２４の位置は、プリント回路基板６に設けられた４個のネジ１２の位置に対応している。
図７はネジ回し治具２０を裏面側から見た斜視図であり、図７（ａ）はドライバ２４を回す前の状態を示し、図７（ｂ）はドライバ２４を回した後の状態を示す。図７に示すように、平面板２２の裏面２２ｂにおける各ドライバ２４の位置に対応した位置に、回転レバー２６が取り付けられている。回転レバー２６からは、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、平面板２２を貫通してドライバ２４に接続された軸２６aが延在している。軸２６aは平面板２２に形成された貫通孔に回転可能に支持されており、平面板２２の裏面２２ｂに配置された回転レバー２６を回転させることで、軸２６aを介してドライバ２４を回転させることができる。
回転レバー２６には、回転運動を発生させるための変形部材２８が取り付けられている。本実施形態では、変形部材２８は、所定の温度（例えば、リフロー時の温度）に達したときに変形する形状記憶合金で形成するが、所定の温度で変形するような材料として、バイメタル等を用いることもできる。
変形部材２８は細長い帯状又は棒状に形成された形状記憶合金であり、室温において図７（ａ）に示すように湾曲した状態になっている。変形部材２８は、半導体装置１の実装のためにネジ回し治具２０がプリント回路基板６と共にリフロー炉に入れられた際に、湾曲が元に戻って図７（ｂ）に示すように直線状になるように構成されている。変形部材２８の一端は回転レバー２６の回転軸から離れた部位に固定されており、他端は平面板２２に固定されている。したがって、半導体装置１の実装のためにネジ回し治具２０がプリント回路基板６と共にリフロー炉に入れられた際に、変形部材２８の湾曲が元の真直な状態に戻ろうとする力は、回転レバー２６に伝達され、回転レバー２６は軸２６ａを中心にして回転する。これにより、ドライバ２４が回転され、ネジ１２が回転される。ネジ１２が回転されることにより、半導体装置１がネジ１２により持ち上げられてＢＧＡバンプ５の高さが高くなる。
すなわち、半導体装置１の実装工程としては、まずネジ１２がねじ込まれたプリント回路基板６の裏面側に、ネジ回し治具２０を取り付け、ドライバ２４の先端のビット部２４ａが対応するネジ１２のすり割り溝１２ａに挿入された状態とする。ネジ回し治具２０の取り付けは室温下で行われる。そして、プリント回路基板６の所定の位置に配置された半導体装置１と、プリント回路基板６と、プリント回路基板６に取り付けられたネジ回し治具２０を一緒にリフロー炉に入れて加熱する。
リフロー炉における加熱により、半田等の熱溶融接合部材よりなるＢＧＡバンプ５は溶融する。溶融したＢＧＡバンプ５は、半導体装置１の電極とプリント回路基板６上の電極パッドとに密着した状態となる。ＢＧＡバンプ５の溶融温度を超えてからも、リフロー炉内での加熱が引き続き行われると、ネジ回し治具２０の回転駆動機構における形状記憶合金製の変形部材２８の温度は、形状記憶合金の変態温度以上となり、変形部材２８の湾曲が戻って真直になる。これにより、ドライバ２４が回転されてネジ１２が回転し、半導体装置１がネジ１２により押し上げられる。この際、ＢＧＡバンプ５は溶融したまま所定の高さとなるように延ばされる。
その後、半導体装置１とプリント回路基板６とネジ回し治具２０とをリフロー炉から取り出して冷却することで、ＢＧＡバンプ５は固化して半導体装置はプリント回路基板６に実装された状態となる。そして、ネジ回し治具２０をプリント回路基板６から取り外して、実装工程が終了する。プリント回路基板６には、ネジ１２で押し上げられた状態の半導体装置１が実装されており、ネジ１２もプリント回路基板６にネジ込まれた状態で、先端が半導体装置１に当接した状態で残される。
以上のように、本実施形態では、高さ調節機構としてネジ回し治具２０をプリント回路基板６に取り付けて、プリント回路基板６に組み込まれたネジ１２を回転させることで、半導体装置１を所定の距離だけ押し上げることができ、ＢＧＡバンプ５の高さを高くすることができる。ネジ１２に加える回転力を発生させる回転駆動機構に形状記憶合金を用いているので、ＢＧＡバンプ５のリフロー時の加熱を利用して自動的にネジ１２を回転させることができる。このため、簡単な構成の治具で且つ特別な工程を設けることなく、リフロー工程において自動的に半導体装置１を持ち上げてＢＧＡバンプ５の高さを高くすることができる。
また、ネジ回し治具２０が取り外された後も、ネジ１２はプリント回路基板６にねじ込まれてその先端が半導体装置１に当接した状態で残される。したがって、ネジ１２はスタンドオフとして機能し、半導体装置１とプリント回路基板６との間の距離を維持することができ、半導体装置１に外力が加わっても、ＢＧＡバンプ５が圧縮されないように高さを維持することができる。
変形部材２８を形状記憶合金で形成する代わりに、バイメタル等のように温度変化で変形する材料を用いることもできる。また、変形部材２８を真直な板バネとし、予め図７（ａ）に示すように板バネを湾曲させた状態で回転レバー２６が回転しないように止めておき、リフロー時の適当なタイミングで回転レバー２６の固定を解除することとすれば、形状記憶合金よりなる変形部材２８と同様な機能を得ることができる。
上述の実施形態では、４本のネジ１２で半導体装置１の四隅部分を持ち上げるよう構成したが、ネジ１２の本数は4本に限ることはない。また、ネジ１２の位置は半導体装置１の四隅に相当する位置に限ることなく、半導体装置１の裏面で当接可能な部位であればよい。
次に、本発明の第２実施形態による実装基板、高さ調節装置及び実装方法について説明する。
本発明の第２実施形態による実装方法では、図３に示すスタンドオフ１０として、プリント回路基板６の表面６ａで移動可能に設けられた段差を有する高さ調節部材を用いる。高さ調節部材は、半田等の熱溶融接合部材よりなるＢＧＡバンプ５をリフローする際に、ＢＧＡバンプ５が溶融した状態において移動されて、段差の高い部分が電子部品である半導体装置１の下に配置される。半導体装置１が、高さ調節部材の段差の低い部分に支持された状態から高い部分により支持された状態となり、半導体装置１が押し上げられることとなる。半導体装置１が押し上げられる距離は高さ調節部材の段差の距離によって決まる。
図８は上述の高さ調節部材が設けられた部分を拡大して示す断面図である。図８（ａ）は高さ調節部材を移動して半導体装置を押し上げる前の状態を示し、図８（ｂ）は高さ調節部材を移動させて半導体装置１を押し上げた状態を示す。
まず、図８（ａ）に示すように、高さ調節部材１４は、プリント回路基板６の実装面６ａ上でスライド可能に設けられる。プリント回路基板６には、基板を貫通した細長孔６ｂが形成されている。細長孔６ｂを貫通して延在する移動レバー３４により高さ調節部材１４は細長孔６ｂの長手方向に移動可能である。細長孔６ｂは半導体装置１が実装される実装領域内に設けられ、半導体装置１の高さ調節を行うために用いられる構成部となる。図９は高さ調節部材１４の拡大斜視図である。高さ調節部材１４は上面に段差を有しており、低い面１４ａと高い面１４ｂとの間が傾斜面１４ｃとなっている。
高さ調節部材１４が細長孔６ｂの長手方向に移動すると、図１１（ａ）に示すように高さ調節部材１４の低い面１４ａで支持されていた半導体装置１は、傾斜面１４ｃ上をスライドして図１１（ｂ）に示すように高い面１４ｂに支持された状態となる。すなわち、高さ調節部材１４を移動することで、半導体装置１は押し上げられてＢＧＡバンプ５の高さが高くなった状態で維持される。高さ調節部材１４の移動は、後述する部材移動機構を有する部材移動治具３０により行われる。なお、本実施形態では、４つの高さ調節部材１４が、半導体装置１の四隅に対応した位置に配置されるが、高さ調節部材１４の数及び位置はこれに限定されるものではない。
次に、高さ調節装置として機能する部材移動治具３０について図１０及び図１１を参照しながら説明する。図１０は部材移動治具３０を表側から見た斜視図である。図１１は部材移動治具３０を裏側から見た斜視図であり、図１１（ａ）は移動レバー３４を移動する前の状態を示し、図７（ｂ）は移動レバー３４を移動した後の状態を示す。
図１０に示すように、部材移動治具３０は、平面板３２と平面板３２の表面から先端が突出した状態で移動可能な移動レバー３４とを有する。平面板３２にはプリント回路基板６の４つの細長孔６ｂに整列するように、４つの細長孔３２ａが設けられている。移動部材としての移動レバー３４は細長孔６ｂを貫通して、平面板３２の表側に延在している。プリント回路基板６の裏面に部材移動治具３０を取り付けると、平面板３２の４つの細長孔３２ａがプリント回路基板６の４つの細長孔６ｂにそれぞれ整列し、移動レバー３４の先端はプリント回路基板６の細長孔６ｂを貫通して実装面６ａから突出した状態となる。移動レバー３４の突出した部分に高さ調節部材１４が接続されることで、移動レバー３４を移動させることにより高さ調節部材１４を移動させることができる。
移動レバー３４は、平面板３２の裏側に移動可能に設けられた可動ブロック３６に接続されている。可動ブロック３６には、可動ブロック３６を直線運動させる推力を発生するための変形部材３８が取り付けられている。本実施形態では、変形部材３８は、所定の温度（例えば、リフロー時の温度）に達したときに変形する形状記憶合金で形成するが、所定の温度で変形するような材料として、バイメタル等を用いることもできる。
変形部材３８は細長い帯状又は棒状に形成された形状記憶合金であり、室温において図１１（ａ）に示すように湾曲した状態になっている。変形部材３８は、半導体装置１の実装のために部材移動治具３０がプリント回路基板６と共にリフロー炉に入れられた際に、湾曲が元に戻って図１１（ｂ）に示すように直線状になるように構成されている。変形部材３８の一端は可動ブロック３６に固定されており、他端は平面板３２に固定されている。したがって、半導体装置１の実装のために部材移動治具３０がプリント回路基板６と共にリフロー炉に入れられた際に、変形部材３８の湾曲が元の真直な状態に戻ろうとする力は、可動ブロック３６に伝達される。これにより、可動ブロック３６は、細長孔３２ａに沿って移動し、可動ブロック３６と共に移動レバー３４が細長孔３２ａ及び細長孔６ｂ内を移動する。したがって、移動レバー３４の先端に取り付けられた高さ調節部材１４が移動し、上述のように半導体装置１が持ち上げられてＢＧＡバンプ５の高さが高くなる。
すなわち、半導体装置１の実装工程としては、まず、プリント回路基板６の裏面側に、部材移動治具３０を取り付け、プリント回路基板６の実装面６ａから突出した移動レバー３４の先端に高さ調節部材１４を取り付ける。高さ調節部材１４は底面がプリント回路基板６の実装面６ａに接触するように取り付けられる。そして、実装する半導体装置１を高さ調節部材１４の低い面１４ａの上に載置する。部材移動治具３０の取り付けは室温下で行われる。そして、高さ調節部材１４の低い面１４ａの上に載置された半導体装置１と、プリント回路基板６と、プリント回路基板６に取り付けられた部材移動治具３０とを一緒にリフロー炉に入れて加熱する。
リフロー炉における加熱により、半田等の熱溶融接合部材よりなるＢＧＡバンプ５は溶融する。溶融したＢＧＡバンプ５は、半導体装置１の電極とプリント回路基板６上の電極パッドとに密着した状態となる。ＢＧＡバンプ５の溶融温度を超えてからも、リフロー炉内での加熱が引き続き行われると、部材移動治具３０の駆動機構における形状記憶合金製の変形部材３８の温度は、形状記憶合金の変態温度以上となり、変形部材３８の湾曲が戻って真直になる。これにより、可動ブロック３６が移動し、可動ブロック３６に取り付けられた移動レバー３４と高さ調節部材１４が移動する。高さ調節部材１４は半導体装置１の内側に向かう方向に移動するため、低い面１４ａ上で支持されていた半導体装置１は、傾斜面１４ｃ上をスライドして高い面１４ｂに乗り上げた状態となる。すなわち、半導体装置１が高さ調節部材１４により押し上げられる。この際、ＢＧＡバンプ５は溶融したまま所定の高さとなるように延される。
その後、半導体装置１とプリント回路基板６と部材移動治具３０とをリフロー炉から取り出して冷却することで、ＢＧＡバンプ５は固化して半導体装置はプリント回路基板６に実装された状態となる。そして、部材移動治具３０をプリント回路基板６から取り外して、実装工程が終了する。プリント回路基板６には、高さ調節部材１４で押し上げられた状態の半導体装置１が実装されており、高さ調節部材１４もプリント回路基板６と半導体装置１との間に挟まれた状態で残される。
以上のように、本実施形態では、部材移動治具３０をプリント回路基板６に取り付けて、プリント回路基板６に設けられた高さ調節部材１４を移動させることで、半導体装置１を所定の距離だけ押し上げることができ、ＢＧＡバンプ５の高さを高くすることができる。高さ調節部材１４に加える力を発生させる駆動機構に形状記憶合金を用いているので、ＢＧＡバンプ５のリフロー時の加熱を利用して自動的に高さ調節部材１４を移動させることができる。このため、簡単な構成の治具で且つ特別な工程を設けることなく、リフロー工程において自動的に半導体装置１を持ち上げてＢＧＡバンプ５の高さを高くすることができる。
また、部材移動治具３０が取り外された後も、高さ調節部材１４はプリント回路基板６と半導体装置１との間で半導体装置１に当接した状態で残される。したがって、高さ調節部材１４はスタンドオフとして機能し、半導体装置１とプリント回路基板６との間の距離を維持することができ、半導体装置１に外力が加わっても、ＢＧＡバンプ５が圧縮されないように高さを維持することができる。
変形部材３８を形状記憶合金で形成する代わりに、バイメタル等のように温度変化で変形する材料を用いることもできる。また、変形部材３８を真直な板バネとし、予め図１１（ａ）に示すように板バネを湾曲させた状態で可動ブロック３６が移動しないように止めておき、リフロー時の適当なタイミングで可動ブロック３６の固定を解除することとすれば、形状記憶合金よりなる変形部材３８と同様な機能を得ることができる。
上述の実施形態では、４つの高さ調節部材１４で半導体装置１の四隅部分を持ち上げるよう構成したが、高さ調節部材の数は４つに限ることはない。また、高さ調節部材１４の位置は半導体装置１の四隅に相当する位置に限ることなく、半導体装置１の裏面で当接可能な部位であればよい。
次に、本発明の第３実施形態による実装基板、高さ調節装置及び実装方法について説明する。
本発明の第３実施形態による実装方法では、図３に示すスタンドオフ１０として、プリント回路基板６の表面６ａで移動可能に設けられたスペーサブロック１６を用いる。スペーサブロック１６は、半田等の熱溶融接合部材よりなるＢＧＡバンプ５をリフローする際に、ＢＧＡバンプ５が溶融した状態において移動されて、電子部品である半導体装置１の下に配置される。本実施形態では、スペーサブロック１６とは別に、リフロー工程において半導体装置１を持ち上げるように構成された高さ調節機構が設けられる。半導体装置１が高さ調節機構により持ち上げられた状態で、スペーサブロック１６が半導体装置１の下に移動される。その後、高さ調節機構が半導体装置１から取り外されも、半導体装置１はスペーサブロック１６により支持された状態となり、半導体装置１が持ち上げられてＢＧＡバンプ５の高さが高くされた状態が維持される。半導体装置１が持ち上げられる距離はスペーサブロック１６の高さによって決まる。
図１２はプリント回路基板に上述の高さ調節機構を有する高さ調節治具が取り付けられた状態を示す側面図である。図１２（ａ）は半導体装置１が高さ調節治具により持ち上げられた状態を示し、図１２（ｂ）は持ち上げられた半導体装置１の下にスペーサブロック１６が移動された状態を示す。
高さ調節治具４０は、ＢＧＡバンプ５のリフロー工程において半導体装置１を持ち上げるために、プリント回路基板６に固定される治具である。高さ調節治具４０は、プリント回路基板６を挟み込むクランプ部４２と、クランプ部４２から上方に延在する支柱４４と、支柱４４に沿って移動可能なアーム部４６とを有する。アーム部４６とクランプ部４２との間に、形状記憶合金よりなる変形部材としてスプリング４８が設けられる。アーム部４２の先端は半導体装置１の側面に係合する。
スプリング４８は、ＢＧＡバンプ５のリフロー時の加熱により所定寸法伸びるように設定された形状記憶合金よりなるコイルスプリングである。図１２（ａ）は、リフロー工程において、スプリング４８が伸びて半導体装置１が持ち上げられた状態を示している。半導体装置１が持ち上げられる前は、スペーサブロック１６は半導体装置１の周囲に配置されている。高さ調節治具４０により半導体装置１がスペーサブロック１６の頂面より上まで持ち上げられた後、スペーサブロック１６が半導体装置１の下まで移動される。スペーサブロック１６を移動させる機構は、上述の第２実施形態で用いた部材移動治具３０と同じである。すなわち、図８に示す高さ調節部材１４をスペーサブロック１６に置き換えたもので、移動レバー３４の先端にスペーサブロック１６を取り付ければよい。移動レバー３４を移動させる機構は、図１１に示すように可動ブロック３６と変形部材３８とにより構成する。したがって、本実施形態では、高さ調節治具４０及び部材移動治具３０により高さ調節装置が構成される。
本実施形態では、スペーサブロック１６を移動する前に半導体装置１が持ち上げられていなければならないので、持ち上げ機構として用いる高さ調節治具４０のスプリング４８の変形が、部材移動治具３０の変形部材３８の変形より早く生じるように構成する必要がある。そのため、例えば、スプリング４８と変形部材３８とが形状記憶合金で形成されている場合、スプリング４８の変態温度を変形部材の変態温度より僅かに低く設定しておけばよい。
半導体装置１の実装工程としては、まず、プリント回路基板６の裏面側に、部材移動治具３０を取り付け、プリント回路基板６の実装面６ａから突出した移動レバー３４の先端にスペーサブロック１６を取り付ける。スペーサブロック１６は底面がプリント回路基板６の実装面６ａに接触してスライド可能なように取り付けられる。そして、高さ調節治具４０をプリント回路基板６に取り付け、アーム部４６により半導体装置１を支持する。部材移動治具３０及び高さ調節治具４０の取り付けは室温下で行われる。そして、高さ調節治具４０により支持された半導体装置１と、プリント回路基板６と、プリント回路基板６に取り付けられた部材移動治具３０とを一緒にリフロー炉に入れて加熱する。
リフロー炉における加熱により、半田等の熱溶融接合部材よりなるＢＧＡバンプ５は溶融する。溶融したＢＧＡバンプ５は、半導体装置１の電極とプリント回路基板６上の電極パッドとに密着した状態となる。ここで、高さ調節治具のスプリング４８が変態温度に達して変形し伸張する。これにより、アーム部４６が上昇に、アーム部４６により支持されている半導体装置１は持ち上げられ、ＢＧＡバンプ５は溶融したまま延ばされて高さが高くなる。アーム部４６が上昇してからも、リフロー炉内での加熱が引き続き行われると、部材移動治具３０の駆動機構における形状記憶合金製の変形部材３８の温度は、形状記憶合金の変態温度以上となり、変形部材３８の湾曲が戻って真直になる。これにより、可動ブロック３６が移動し、可動ブロック３６に取り付けられた移動レバー３４と共にスペーサブロック１６が移動する。スペーサブロック１６は半導体装置１の内側に向かう方向に移動し、半導体装置１の下側まで移動する。
その後、半導体装置１とプリント回路基板６と部材移動治具３０とをリフロー炉から取り出して冷却することで、ＢＧＡバンプ５は固化して半導体装置はプリント回路基板６に実装された状態となる。そして、部材移動治具３０及び高さ調節治具４０をプリント回路基板６から取り外して、実装工程が終了する。プリント回路基板６には、高さ調節治具４０で持ち上げられた位置で半導体装置１が実装されており、スペーサブロック１６もプリント回路基板６と半導体装置１との間に挟まれた状態で残される。
以上のように、本実施形態では、高さ調節治具４０をプリント回路基板６に取り付けて、プリント回路基板６に設けられた高さ調節部材１４を移動させることで、半導体装置１を所定の距離だけ持ち上げることができ、ＢＧＡバンプ５の高さを高くすることができる。高さ調節部材１４に加える力を発生させる駆動機構に形状記憶合金を用いているので、ＢＧＡバンプ５のリフロー時の加熱を利用して半導体装置１を持ち上げることができる。このため、簡単な構成の治具で且つ特別な工程を設けることなく、リフロー工程において自動的に半導体装置１を持ち上げてＢＧＡバンプ５の高さを高くすることができる。
また、リフロー時の加熱により、スペーサブロック１６を部材移動治具３０により移動させることができるので、簡単な構成の治具で且つ特別な工程を設けることなく、スペーサブロック１６を半導体装置１の下に配置することができる。部材移動治具３０が取り外された後も、スペーサブロック１６はプリント回路基板６と半導体装置１との間で半導体装置１に当接した状態で残される。したがって、スペーサブロック１６はスタンドオフとして機能し、半導体装置１とプリント回路基板６との間の距離を維持することができ、半導体装置１に外力が加わっても、ＢＧＡバンプ５が圧縮されないように高さを維持することができる。
以上のように、本明細書は以下の発明を開示する。
（付記１）
実装端子が熱溶融接合部材よりなる電子部品が実装される実装基板であって、
該電子部品と該実装基板との間に所定の距離を維持するための高さ調節部材を、該熱溶融接合部材を加熱して溶融させる工程において、前記電子部品の下側に移動させるために用いられる構成部を有することを特徴とする実装基板。
（付記２）
付記１記載の実装基板であって、
前記構成部は、前記電子部品の実装領域において前記実装基板を貫通して延在するネジ孔を含み、該ネジ孔にねじ込まれたネジが前記高さ調節部材として機能することを特徴とする実装基板。
（付記３）
付記１記載の実装基板であって、
前記構成部は、前記電子部品の実装領域において前記実装基板を貫通して延在する細長孔を含むことを特徴とする実装基板。
（付記４）
付記１記載の実装基板に取り付けられて前記高さ調節部材を移動させるよう構成された高さ調節装置であって、
前記高さ調節部材を移動させるための力を変形力により発生する変形部材を有し、該変形部材は前記電子部品の前記実装端子のリフロー時の加熱により変形する材料により形成されたことを特徴とする高さ調節装置。
（付記５）
付記４記載の高さ調節装置であって、
前記変形部材は前記電子部品の前記実装端子のリフロー時の加熱温度で変形する形状記憶合金により形成されたことを特徴とする高さ調節装置。
（付記６）
付記４記載の高さ調節装置であって、
前記構成部は、前記電子部品の実装領域において前記実装基板を貫通して延在するネジ孔を含み、該ネジ孔にねじ込まれたネジが前記高さ調節部材として機能し、
前記変形部材が変形することにより、該ネジを回転させる回転力を発生することを特徴とする高さ調節装置。
（付記７）
付記４記載の高さ調節装置であって、
前記構成部は、前記電子部品の実装領域において前記実装基板を貫通して延在する細長孔を含み、該細長孔を貫通して配置された移動部材に前記高さ調節部材が接続され、
前記変形部材が変形することにより、該移動部材を該細長孔の延在方向に移動させる推力を発生することを特徴とする高さ調節装置。
（付記８）
付記７記載の高さ調節装置であって、
前記高さ調節部材の頂面は、高い面と低い面による段差が設けられ、該高い面と該低い面とは傾斜面により繋がっていることを特徴とする高さ調節装置。
（付記９）
付記７記載の高さ調節装置であって、
前記電子部品を支持しながら、前記リフロー時の加熱により変形する部材の変形により前記電子部品を持ち上げる持ち上げ機構をさらに有することを特徴とする高さ調節装置。
（付記１０）
電子部品を実装基板に実装する実装方法であって、
該実装基板に高さ調整部材及び高さ調整治具を取り付け、
前記実装基板を加熱することにより、前記電子部品の実装端子を溶融させると共に前記高さ調節部材を前記高さ調整治具の作動により前記電子部品の下に移動させ、
前記実装基板を冷却してから、前記高さ調整部材を残して前記高さ調整治具を前記実装基板から取り外す
ことを特徴とする実装方法。
従来の電子部品の実装構造の一例を示す断面図である。 従来の電子部品の実装構造の他の例を示す断面図である。 本発明による電子部品の実装構造の概要を示す側面図である。 本発明の第１実施形態による実装構造を示す断面図である。 ネジ回し治具を表面側から見た斜視図である。 図５に示すドライバの拡大斜視図である。 ネジ回し治具を裏面側から見た斜視図である。 本発明の第２実施形態による実装構造を示す断面図である。 高さ調節部材の拡大斜視図である。 部材移動治具を表面側から見た斜視図である。 部材移動治具を裏面側から見た斜視図である。 本発明の第３実施形態による実装方法を示す断面図である。
符号の説明
１ 半導体装置
２ 半導体素子
３ パッケージ基板
４ ヒートシンク
５ ＢＧＡバンプ
６ プリント回路基板
６ａ 実装面
６ｂ 細長孔
１０ スタンドオフ
１２ ネジ
１３ ネジ孔
１２ａ すり割り溝
１４ 高さ調節部材
１６ スペーサブロック
２０ ネジ回し治具
２２ 平面板
２４ ドライバ
２４ａ すり割り溝
２６ 回転レバー
２６ａ 軸
２８ 変形部材
３０ 部材移動治具
３２ 平面板
３２ａ 細長孔
３４ 移動レバー
３６ 可動ブロック
３８ 変形部材
４０ 高さ調節治具
４２ クランプ部
４４ 支柱
４６ アーム部
４８ スプリング

Claims (5)

  1. 実装端子が熱溶融接合部材よりなる電子部品が実装される実装基板であって、
    該電子部品と該実装基板との間に所定の距離を維持するための高さ調節部材を、該熱溶融接合部材を加熱して溶融させる工程において、前記電子部品の下側に移動させるために用いられる構成部を有することを特徴とする実装基板。
  2. 請求項１記載の実装基板に取り付けられて前記高さ調節部材を移動させるよう構成された高さ調節装置であって、
    前記高さ調節部材を移動させるための力を変形力により発生する変形部材を有し、該変形部材は前記電子部品の前記実装端子のリフロー時の加熱により変形する材料により形成されたことを特徴とする高さ調節装置。
  3. 請求項２記載の高さ調節装置であって、
    前記構成部は、前記電子部品の実装領域において前記実装基板を貫通して延在するネジ孔を含み、該ネジ孔にねじ込まれたネジが前記高さ調節部材として機能し、
    前記変形部材が変形することにより、該ネジを回転させる回転力を発生することを特徴とする高さ調節装置。
  4. 請求項２記載の高さ調節装置であって、
    前記構成部は、前記電子部品の実装領域において前記実装基板を貫通して延在する細長孔を含み、該細長孔を貫通して配置された移動部材に前記高さ調節部材が接続され、
    前記変形部材が変形することにより、該移動部材を該細長孔の延在方向に移動させる推力を発生することを特徴とする高さ調節装置。
  5. 電子部品を実装基板に実装する実装方法であって、
    該実装基板に高さ調整部材及び高さ調整治具を取り付け、
    前記実装基板を加熱することにより、前記電子部品の実装端子を溶融させると共に前記高さ調節部材を前記高さ調整治具の作動により前記電子部品の下に移動させ、
    前記実装基板を冷却してから、前記高さ調整部材を残して前記高さ調整治具を前記実装基板から取り外す
    ことを特徴とする実装方法。
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