JP2008177299A - 積層実装構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化しつつ、さらに、接続抵抗を小さくし、製造工程を少なくしたことで歩留まり向上及びコストの低減及び製造時間の短縮を実現した積層実装構造体を提供すること。
【解決手段】第１の基板１０１ａ、第２の基板１０１ｂ、中間基板１０３と、これら基板１０１ａ、１０１ｂ上にそれぞれ形成された接続端子１０４ａ、１０４ｂとの間隙に配置されている導電部材１０５と、接続端子１０４ａ、１０４ｂ上に形成された突起電極２０１と、中間基板１０３に形成された貫通孔１０６とを有し、基板１０１ａ、１０１ｂ同士が接合部１２０により接合されることによって、突起電極２０１と導電部材１０５が貫通孔１０６において少なくとも接触し、基板１０１ａ、１０１ｂの接続端子１０４ａ、１０４ｂ同士が電気的に接続される。
【選択図】図２

Description

本発明は、積層実装構造体、特に複数の部材を部材の厚さ方向に積層してできる３次元
的な積層実装構造体に関するものである。

従来、電子部品が実装されている基板を備える構造体に関しては、種々の構成が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。特許文献１には、例えば、図６に示すような、内視鏡１０の先端部に設けられている撮像ユニットに関する実装構造体が開示されている。ここでは、撮像素子１１と平行に実装基板を積層する技術が述べられている。この技術では、まず、撮像素子１１と平行に実装基板１２を配置する。そして、撮像素子１１が実装された実装基板１２と、その他の部品が実装されている実装基板１３とを、スペーサを介して実装する。これにより、スペーサの高さ分で得られた空間に実装基板上の実装部品を配置できる。従って、実装構造体の実装密度を向上できる。この結果、内視鏡の先端部に設けられている撮像ユニットの小型化を図ることができる。

また、特許文献２には、図７に示すような、メモリモジュール基板２４を備える実装構造体２０の構成が開示されている。対向する基板２１の内側は中空である。基板２１の両面に複数の電極が設けられている。そして、基板２１の表面の電極と、対向する基板２１の裏面の電極とが互いに電気的に接続されている。電極どうしの接続部分では、導電性スペーサ２５の両面に異方性導電フィルム２２が貼り付けられている。このように、特許文献２には、電子部品２３が実装されている基板２１の実装構造体が開示されている。この構成では、導電性スペーサ２５と異方性導電フィルム２２との接合のために、導電性スペーサ２５上に設けたスルーホール上に電極を設けている。

特公平４-３８４１７号公報 特開平１１-１１１９１４号公報

特許文献１に開示された構成では、積層して配置した基板間の電気的導通はリード線１４により確保されている。リード線１４による基板間接合は、作業の自動化が困難である。例えば、立体的に配置された微小な構造体に、短いリード線を配置し、はんだ付けする作業は、一般的な自動実装機では対応が不可能である。

そのため、リード線１４の取付け作業は、自ずと手作業になってくる。また、たとえ手作業によっても、このような実装内容は難度が高い部類に入る。自動化が難しく、作業難度が高い技術では、実装コストの増加や生産能力の低下を招いてしまうという問題がある。また、手作業にてハンドリング可能なリード線の大きさ、及びハンドリング時に制御可能なリード線間の間隙を考慮すると、従来技術の構成では、実装構造体の小型化に対しても不利である。

また、特許文献２に開示された構成では、図７から明らかなように、導電性スペーサ２５上に、スルーホール外形よりも大きな面積の電極を設ける必要がある。このため、接合部の狭ピッチ化が困難となる。換言すると、実装構造体を上部から見たときの投影面積を小さくすることが困難である。また、この構成では、導電性スペーサ２５と基板２１との接合材料として、異方性導電フィルム２２を用いている。このため、導電性スペーサ２５と基板２１との間の接続抵抗値が高くなってしまう欠点がある。

このように、従来技術の実装構造体は、電子部品の実装スペースを確保するためのスペーサを介した基板積層実装を行う上で、良好な生産性を確保することが困難である。また、基板の平面方向の投影面積を減少させるように小型化することも困難である。

本発明は、上述のような問題点を考慮してなされたものであり、複数の基板をスペーサを介して接続し、基板間の空間に実装部品を実装する積層実装構造体において、基板の平面方向の投影面積を減少させるように小型化しつつ、さらに、接続抵抗を小さくし、製造工程を少なくしたことで歩留まり向上及びコストの低減及び製造時間の短縮を実現した積層実装構造体を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明によれば、少なくとも一方の主面上に接合部が形成された複数の部材と、対向する部材上にそれぞれ形成された電極との間隙に配置されている導電部材と、電極のうちの少なくともいずれか一つの電極に形成された突起電極と、複数の部材のうちの少なくとも１つの部材に形成された貫通孔と、を有し、接合部によって部材同士が接合されることによって、突起電極と導電部材が貫通孔において少なくとも接触し、部材の電極同士が電気的に接続されることを特徴とする積層実装構造体を提供できる。

また、本発明の好ましい態様によれば、複数の部材の電極には、それぞれ突起電極が形成されていることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、接合部によって部材同士が接合されることによって、導電部材が貫通孔において変形することが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、貫通孔には、導電部が充填されていることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、導電部材は、金または白金で被覆されていることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、突起電極の形状は、先端部が最も細くなっている形状であることが望ましい。

本発明によれば、複数の基板をスペーサを介して接続し、基板間の空間に実装部品を実装する積層実装構造体において、基板の平面方向の投影面積を減少させるように小型化しつつ、さらに、接続抵抗を小さくし、製造工程を少なくしたことで歩留まり向上及びコストの低減及び製造時間の短縮を実現した積層実装構造体を提供できるという効果を奏する。

以下に、本発明に係る積層実装構造体の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の実施例１に係る積層実装構造体１００を分解した状態の斜視構成を示している。第１の基板１０１ａには、受動部品、能動部品をはじめ、電子部品である各種のデバイス１０２ａ１、１０２ａ２、１０２ａ３（以下、適宜「デバイス１０２ａ１等」という。）が実装されている。また、第２の基板１０１ｂには、受動部品、能動部品をはじめ、電子部品である他の各種のデバイス１０２ｂ１、１０２ｂ２、１０２ｂ３（以下、適宜「デバイス１０２ｂ１等」という。）が実装されている。第１の基板１０１ａと第２の基板１０１ｂとは、対向して配置されている。なお、第１の基板１０１ａは、第１の部材に対応する。第２の基板１０１ｂは、第２の部材に対応する。デバイス１０２ａ１、１０２ｂ１等は、被実装部品に対応する。

第１の基板１０１ａ、第２の基板１０１ｂ、及び後述する中間基板１０３は、それぞれ有機基板、セラミック基板、ガラス基板などで構成されている。また、第１の基板１０１ａ、第２の基板１０１ｂ、及び中間基板１０３は、基板を複合した複合基板でも良い。

また、第１の基板１０１ａと第２の基板１０１ｂとには、少なくとも一対の第１の接続端子１０４ａと第２の接続端子１０４ｂとが形成されている。第１の接続端子１０４ａは、第１の電極に対応する。第２の接続端子１０４ｂは、第２の電極に対応する。

第１の基板１０１ａに設けられた接続端子１０４ａ（図１では不図示）は、第１の基板１０１ａに実装された各種のデバイス１０２ａ１等と電気的に接続されている。また、接続端子１０４ａは、デバイス１０２ａ１等と第２の基板１０１ｂとを電気的に接続する機能も有している。

同様に、第２の基板１０１ｂに設けられた接続端子１０４ｂは、第２の基板１０１ｂに実装された電子部品である各種のデバイス１０２ｂ１等と電気的に接続されている。また、接続端子１０４ｂは、デバイス１０２ｂ１等と第１の基板１０１ａとを電気的に接続する機能も有している。

また、中間基板１０３は、第１の基板１０１ａと第２の基板１０１ｂとの間に設置されている。中間基板１０３は、第１の基板１０１と第２の基板１０１ｂとを所定の間隙をもって接続し、内側に被実装部品であるデバイス１０２ｂ１等を収納する空間である開口収納部１０３ａを有する。

以下、説明の便宜上、第１の接続端子１０４ａまたは第２の接続端子１０４ｂが形成されている面に対して直交する中間基板１０３の面を、以下、適宜「中間基板１０３の側面」という。

中間基板１０３の側面方向と垂直な方向に開口収納部１０３ａ及び貫通孔１０６が、ドリリング、パンチング、レーザー加工、エッチング、型成型などによって形成されている。そして、中間基板１０３の高さは、第２の基板１０１ｂに実装された各種のデバイス１０２ｂ１等の高さと同等か、もしくは大きいように構成されている。

本実施例では、中間基板１０３に複数の貫通孔１０６が形成されている。これにより、第１の基板１０１ａの第１の接続端子１０４ａ及び第２の基板１０１ｂの第２の接続端子１０４ｂが露出される構成となっている。貫通孔１０６は、図１に示すように、中間基板１０３の周囲にわたって形成されている。

図２は、本積層実装構造体の断面構成を示している。第１の接続端子１０４ａ及び第２の接続端子１０４ｂには、それぞれ突起電極２０１が対向するように形成されている。

また、第１の接続端子１０４ａと第２の接続端子１０４ｂとが対向する位置に貫通孔１０６が形成されている。このように、積層方向から見たとき、第１の接続端子１０４ａと第２の接続端子１０４ｂと貫通孔１０６とが同一投影面となるように配置されている。

ここで、第１の接続端子１０４ａ、第２の接続端子１０４ｂは、めっきで形成されている。その材質は、例えば、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇなど、導電性を有する材料であれば良い。

また、突起電極２０１は、Ａｕからなるスタッドバンプである。突起電極２０１は、他にも導電材料による印刷バンプやめっきバンプで形成することもできる。突起電極２０１の形状は、先端部２０１ａが最も細くなっている形状である。

上述したように、第１の基板１０１ａと第２の基板１０１ｂは対向して配置されている。第１の接続端子１０４ａ、第２の接続端子１０４ｂは、中間基板１０３に設けられた貫通孔１０６に関して、積層方向から見た投影面において完全に重複する位置に配置されている。

しかしながら、これに限られず、第１の接続端子１０４ａ、第２の接続端子１０４ｂは、中間基板１０３に設けられた貫通孔１０６に関して、積層方向から見た投影面において一部が重複する位置に配置しても良い。

第１の接続端子１０４ａ、第２の接続端子１０４ｂの電極の形状は、例えば、一辺１４０μｍの矩形状である。なお、これに限られず、電極の形状は任意の形状でも良い。

また、第１の接続端子１０４ａ、第２の接続端子１０４ｂ上にそれぞれ設けられる突起電極２０１は、中間基板１０３に設けられた貫通孔１０６に関して、積層方向から見た投影面において完全に重複する位置に配置されている。さらに、突起電極２０１の径は、例えば、φ８０μｍである。突起電極２０１の直径は、貫通孔１０６の寸法（直径）以下であれば良い。

そして、第１の基板１０１ａ及び第２の基板１０１ｂ及び第１、第２の接続端子１０４ａ、１０４ｂ及び突起電極２０１及び中間基板１０３に囲まれた空間に、導電部材１０５が配置されている。導電部材１０５は、弾性変形が可能である。

導電部材１０５は、例えば、樹脂球体にＡｕめっきを施したものである。また、導電部材１０５は、導電体バルクでも、他材料に何らかの金属皮膜を作成したものでも良い。導電部材１０５の粒子形状はφ７０μｍである。なお、導電部材１０５の形状は、貫通孔１０６の投影面積以下であれば良い。

これにより、突起電極２０１と中間基板１０３に設けられている貫通孔１０６内の導電部材１０５とを介して、第１の接続端子１０４ａと第２の接続端子１０４ｂは電気的に接続されている。

本実施例では、導電部材１０５が、第１、第２の接続端子１０４ａ、１０４ｂに接触しない状態であっても、突起電極２０１が導電部材１０５に接触できる領域に存在しているならば、突起電極２０１を介して、より大きな範囲で導電部材１０５と第１、第２の接続端子１０４ａ、１０４ｂとの電気的な接続を確保できる。

このため、導電部材１０５と第１、第２の接続端子１０４ａ、１０４ｂとの電気的な接続を確保することができる。このことから、供給する導電部材１０５の分量の制御が容易になる。このため、設計範囲をより広くすることができ、製造が容易となる。

また、供給する導電部材１０５の分量にばらつきが生じて導電部材供給量が少ない場合であっても、突起電極２０１の高さの範囲内で接続不良の発生を防ぐことができる。このように、本実施例によれば、貫通孔１０６に形成される導電部材１０５が小さくなる方向に誤差を生じた場合でも、突起電極２０１の高さ分の範囲で、その誤差を相殺できる。このため、電気的な接続を確実に行うことができる。この結果、貫通孔１０６内の導電部材１０５の形状誤差の影響を受けにくい積層実装構造体を得ることができる。

また、一般に導電部材１０５同士もしくは導電部材１０５と突起電極２０１の接触導通は、各々の接触面積が広いほど抵抗値が低く良好な状態になる。このため、突起電極２０１は高さがより高い方が効果的である。このように、本実施例では、基板間の接続抵抗値を制御可能かつ、接続抵抗値が低い基板接続手段を得ることができる。

次に、図３の（ａ）〜（ｄ）を用いて、本積層実装構造体の製造工程について説明する。まず、図３の（ａ）において、第２の基板１０１ｂに対して、第２の接続端子１０４ｂ、突起電極２０１と、貫通孔１０６の位置とが一致するように、中間基板１０３を配置する。

図３の（ｂ）において、貫通孔１０６に球状の導電部材１０５を供給する。このとき、上述したように、突起電極２０１の高さの範囲内で、導電部材１０５の供給量の自由度が大きくなる。このため、導電部材１０５の供給量の制御が容易となる。

図３の（ｃ）において、すべての貫通孔１０６に導電部材１０５を供給した後、第１の基板１０１ａを中間基板１０３に接合する。このとき、貫通孔１０６と、第１の接続端子１０４ａ、突起電極２０１とが一致するように、第１の基板１０１ａを配置する。

図３の（ｄ）は、第１の基板１０１ａと中間基板１０３と第２の基板１０１ｂとを接合した状態を示している。また、第１の基板１０１ａ、中間基板１０３及び第２の基板１０１ｂは、それぞれ接着剤による接合部１２０（図２）において接合、固定されている。なお、以下、簡単のため、接合部１２０の図示は省略する。

上記構造を得るとき、導電部材１０５の変形率は突起電極２０１の高さにより制御される。導電部材１０５の数が一定である時、突起電極２０１の高さが高いほど導電部材１０５の変形率は大きくなる。また、突起電極２０１の高さが低いほど導電部材１０５の変形率は小さくなる。

このように、中間部材１０３の寸法、貫通孔１０６の寸法、導電部材１０５の寸法によらず、接続端子１０４ａ、１０４ｂ上に突起電極２０１を設け、或いは突起電極２０１の高さを制御することで、実装時に導電部材１０５の変形量を増加させることなどを制御できる。

これにより、実装構造の設計自由度、導電体の選択自由度が大きくなる。また、基板間接続の電気的特性（＝接続抵抗値）を制御することができる。

好ましくは、突起電極２０１の寸法形状を調節することで、導電部材１０５の弾性変形率を１５％以上にすることが望ましい。ここで、貫通孔１０６内のすべての球状の導電部材１０５が、圧縮方向に１５％以上変形するとさらに好ましい。

突起電極２０１作成時のプロセス条件を変更することで突起電極２０１の寸法形状は任意に変更することが可能である。中間基板１０３に設けられた貫通孔１０６内に配置される導電部材１０５は、実装の際に接続端子１０４ａ、１０４ｂと突起電極２０１により弾性変形される。

その際、突起電極２０１の形状寸法、例えば突起電極２０１の高さを変更することで実装時の導電部材１０５の変形量を制御可能である。すなわち、突起電極２０１の高さを制御することで、導電部材１０５の接触面積を制御し、接触抵抗値を間接的に制御することができる。例えば、導電部材１０５として表面金属被覆プラスチック微粒子「ミクロパール」（積水化学工業株式会社製）を用いることができる。本構成により、基板間接続において、基板間の接続抵抗値を調節し得る。

また、図４に示すように、中間基板１０３に設けられた貫通孔１０６において、導電部材１０５が配置されている場所以外の空間（図中斜線で示す）に、導電ペースト１１０が充填、配置されていることが望ましい。

導電部材１０５同士の接触部、及び導電部材１０５と第１の接続端子１０４ａの接触部、及び導電部材１０５と第２の接続端子１０４ｂの接触部以外の空間を導電ペースト１１０で埋めることができる。

換言すると、導電部材１０５間、及び導電部材１０５と第１の接続端子１０４ａ間及び導電部材１０５と第２の接続端子１０４ｂ間に生じる間隙を、導電ペースト１１０で埋めることができる。

導電ペースト１１０は、例えば、Ａｇ粒子（粒径５０〜５０００ｎｍ）及びＡｇナノ粒子（粒径５〜２０ｎｍ）を含有するペーストである。

導電ペースト１１０が上述の間隙を埋めることで、導電部材１０５同士、及び導電部材１０５と第１の接続端子１０４ａ、及び導電部材１０５と第２の接続端子１０４ｂの電気的導通面積を間接的に増やすことができる。

導電部材１０５間、及び導電部材１０５と接続端子１０４ａ、１０４ｂ間の電気的導通面積を増やすことができれば、基板１０１ａ、１０１ｂ間の電気抵抗値を低くすることができる。

これにより、さらに電気的特性が良好な積層実装構造体を得ることができる。

また、導電部材１０５の被覆金属材料は、金または白金である。これにより、導電部材１０５の電気抵抗値を低くすることができる。また、化学的に安定な金属を導電部材１０５として用いることで、外部環境による劣化を防ぎ、導電部材１０５の取扱いを容易にすることができる。導電部材１０５の取扱いが容易になれば、製造工程でのコスト削減に繋がる。

これにより、さらに電気的特性が良好であり、なおかつ製造工程面でコストの低い積層実装構造体を得ることができる。

このように、本実施例によれば、第１の基板１０１ａと中間基板１０３、及び第２の基板１０１ｂと中間基板１０３の接続端子の接合面積を大きくすることができる。このため、接合抵抗を小さくすることが可能となる。従って、電気的な接続品質が向上した積層実装構造体を提供することが可能となる。

さらに、電気的なショートに対して安全な積層実装構造体を提供することが可能となる。特に、積層実装構造体が小型化し、中間基板１０３の貫通孔１０６を狭ピッチ化した場合に有効となる。

また、中間基板１０３の貫通孔１０６に形成された導電部材１０５を、第１の基板１０１ａ及び第２の基板１０１ｂを上部から見たときの投影像（投影面積）内に収めることができる。

次に、本発明の実施例２に係る積層実装構造体について説明する。実施例１と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図５は、本実施例の積層実装構造体をｙ方向から見た中間基板１０３の断面の構成を示している。

本実施例では、突起電極２０１は、それぞれさらに突起電極３０１が積み重ねて形成されている。また、突起電極３０１の形状は、先端部が最も細くなっている形状である。

本実施例では、供給する導電部材１０５の分量にばらつきが生じて導電部材の供給量が少ない場合であっても、突起電極２０１が一段の場合に比較して、より大きな範囲で電気的な接続不良の発生を防ぐことができる。

さらに、突起電極２０１を積み重ねて、多段化することで、より大きな突起電極表面積において導電部材１０５と接触する。このため、電気的な接続品質がより向上及び安定する。

上記各実施例では、２つの対向する突起電極２０１を用いている。しかしながら、これに限られず、接続端子１０４ａ、１０４ｂのうちの少なくとも一方の接続端子に突起電極を形成する構成でも良い。また、突起電極２０１を積み重ねる場合は、２段に限られない。３段以上に突起電極２０１を積み重ねることで、さらに上述の効果を奏することができる。

このように、本発明によれば、製造が容易で、小型かつ、電気的接続が確実で、品質が向上及び安定した積層実装構造体を得ることができる。本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で、様々な変形例をとることができる。

以上のように、本発明にかかる積層実装構造体は、端子同士の接合を確実に行うことができ、小型な構造体に有用である。

本発明の実施例１に係る積層実装構造体を分解した状態の斜視構成を示す図である。 本発明の実施例１に係る積層実装構造体の断面構成を示す図である。 本発明の実施例１に係る積層実装構造体の製造工程を示す図である。 本発明の実施例１の変形例に係る積層実装構造体の断面構成を示す他の図である。 本発明の実施例２に係る積層実装構造体の断面構成を示す図である。 従来技術の積層実装構造体の断面構成を示す図である。 従来技術の他の積層実装構造体の断面構成を示す図である。

符号の説明

１００ 積層実装構造体
１０１ａ 第１の基板
１０１ｂ 第２の基板
１０２ａ１、１０２ａ２、１０２ａ３ デバイス
１０２ｂ１、１０２ｂ２、１０２ｂ３ デバイス
１０３ 中間基板
１０３ａ 開口収納部
１０４ａ、１０４ｂ 接続端子
１０５ 導電部材
１０６ 貫通孔
１１０ 導電ペースト
１２０ 接合部
２０１、３０１ 突起電極
２０１ａ 先端部

Claims (6)

1. 少なくとも一方の主面上に接合部が形成された複数の部材と、
   対向する前記部材上にそれぞれ形成された電極との間隙に配置されている導電部材と、
   前記電極のうちの少なくともいずれか一つの電極に形成された突起電極と、
   前記複数の部材のうちの少なくとも１つの部材に形成された貫通孔と、を有し、
   前記接合部によって前記部材同士が接合されることによって、前記突起電極と前記導電部材が前記貫通孔において少なくとも接触し、前記部材の前記電極同士が電気的に接続されることを特徴とする積層実装構造体。
2. 複数の前記部材の前記電極には、それぞれ突起電極が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の積層実装構造体。
3. 前記接合部によって前記部材同士が接合されることによって、前記導電部材が前記貫通孔において変形することを特徴とする請求項１または２に記載の積層実装構造体。
4. 前記貫通孔には、導電部が充填されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の積層実装構造体。
5. 前記導電部材は、金または白金で被覆されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の積層実装構造体。
6. 前記突起電極の形状は、先端部が最も細くなっている形状であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の積層実装構造体。

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