JP2009016399A - プリント回路板、電子部品の実装方法および電子機器 - Google Patents

プリント回路板、電子部品の実装方法および電子機器 Download PDF

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Abstract

【課題】半導体パッケージのはんだ接合部における接続信頼性の向上を図ったプリント回路板を提供する。
【解決手段】補強部１６の形成時において、補強材料の一部が、サブストレート１５ｂのコーナー部に設けられた、はんだボール１４内に侵入し、このはんだボール１４を変形させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体パッケージを実装したプリント回路板に関する。
パーソナルコンピュータ等の電子機器においては、ＣＰＵや、その周辺回路を構成する、数十ミリ角程度の大型半導体パッケージを実装した回路板が主要な構成要素として筐体内に収容される。
この種、パーソナルコンピュータ等の電子機器に用いられる回路板は、半導体パッケージの実装面を、基板の反りや変形、外部から受ける衝撃や振動等により加わるストレスから保護する手段が必要とされる。
基板に実装された部品のはんだ接合部を上記ストレスから保護する手段として、基板と半導体チップとの間にアンダーフィル剤（熱可塑性樹脂）を含浸させ、基板と半導体チップとの間の空隙をアンダーフィル剤で埋めることにより半導体チップを基板に固着する電子部品実装方法が知られている。
特開２０００−３５７７１４号公報
上記したアンダーフィルによる補強手段を上記したような大型半導体パッケージを実装した回路板に適用した場合、半導体パッケージの回路動作に伴う自己発熱により、半導体パッケージと基板との間にアンダーフィルとして埋め込まれた補強材料が熱膨張を繰り返し、この熱膨張により、はんだ接合部に過度のストレスが加わるという問題が派生する。とくに大型のＢＧＡ（ball grid array）を実装した回路板においては、矩形状をなすパッケージのコーナー部にストレスが集中し、これによってはんだ接合部の回路破断を招来する。この問題は、アンダーフィルとして埋め込まれた補強材料の熱膨張係数が半導体パッケージや基板と異なるほど顕著である。さらに大型半導体パッケージの実装面全体が基板に接着されることから、リワークが困難になるという問題が派生する。
また、ＢＧＡの実装技術では、上記したような接着による補強手段を用いたとき、接着剤がはんだボールに混入することによって、はんだ接合強度が低下すると考えられていたことから、接着剤がはんだボールに混入しないように種々の方策が採られていた。具体的には、はんだボール形状が変形しないように、接着剤（補強材料）の量を減らしたり、接着位置をずらしたりして、接着剤がはんだボールに入り込まないようにしていた。
本発明は、上記問題点を解消し、半導体パッケージのはんだ接合部における接続信頼性の向上を図ったプリント回路板を提供することを目的とする。
本発明は、部品実装面を有するプリント配線板と、前記プリント配線板の前記部品実装面に、はんだボールのはんだ接合により、実装された半導体パッケージと、前記プリント配線板の前記部品実装面において、前記半導体パッケージの前記はんだ接合部分を局所的に複数箇所で補強するとともに、一部が前記はんだ接合部分の前記はんだボール内に侵入する樹脂材料により形成された補強部と、を具備したプリント回路板を特徴とする。
また、本発明は、プリント配線板の部品実装面にＢＧＡ部品を実装する電子部品の実装方法であって、前記プリント配線板の部品実装面に前記ＢＧＡ部品が搭載されたとき前記ＢＧＡ部品のコーナー部に付着するように、前記部品実装面に樹脂材料を塗布する補強材料塗布工程と、前記補強材料塗布工程を経た前記プリント配線板の部品実装面に前記ＢＧＡ部品を搭載する部品搭載工程と、前記部品搭載工程を経た前記プリント配線板の部品実装面に、前記ＢＧＡ部品をはんだ接合するとともに、前記樹脂材料の一部を前記ＢＧＡ部品のコーナー部の前記はんだ接合部分の前記はんだボール内に侵入させて、前記樹脂材料を硬化させ、前記樹脂材料により前記半導体パッケージの前記はんだ接合部分に局所的に補強部を形成するリフロー加熱工程と、を具備したことを特徴とする。
また、本発明は、電子機器本体と、この電子機器本体に設けられた回路板とを具備し、前記回路板は、部品実装面を有するプリント配線板と、前記プリント配線板の前記部品実装面に、はんだボールのはんだ接合により、実装された半導体パッケージと、前記プリント配線板の前記部品実装面において、前記半導体パッケージの前記はんだ接合部分を局所的に複数箇所で補強するとともに、一部が前記はんだ接合部分の前記はんだボール内に侵入する樹脂材料により形成された補強部と、を具備して構成された電子機器を特徴とする。
本発明のプリント回路板によれば、半導体パッケージのはんだ接合部における接続信頼性の向上が期待できる。
本発明のプリント回路板は、リフロー加熱時において、はんだボールによる、はんだ接合部の接合強度を補強する補強用接着剤の一部を、はんだボール内に入り込ませることによって、はんだボールの形状を変形させ、これによって、はんだボールの接合端部に局所的に加わる熱疲労付加時の応力の分散化を図ることにより、はんだ接合部の破断を回避して、はんだ接合部分の接続信頼性のより向上を図ったことを特徴とする。
以下図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
本発明の第１実施形態に係るプリント回路板の構成を図１および図２に示す。図１は要部の側面、図２は要部の平面を示している。
本発明の第１実施形態に係るプリント回路板は、図１および図２に示すように、プリント配線板１１と、パッケージ裏面に複数のはんだ接合部１４，１４，…，１４を有し、この各はんだ接合部１４，１４，…，１４のはんだ接合により、上記プリント配線板１１に実装された半導体パッケージ１５と、上記プリント配線板１１の上記半導体パッケージを実装した実装面部において上記はんだ接合部１４，１４，…，１４の一部を局所的に複数箇所で補強する補強部１６とを具備して構成されている。この実施形態では、半導体パッケージ１５として、上記はんだ接合部１４，１４，…，１４をそれぞれはんだボールとしたＢＧＡパッケージを例に示している。このＢＧＡパッケージ１５は、半導体チップ（ベアチップ）１５ａと、ベアチップ１５ａを搭載した平面視矩形状のサブストレート１５ｂと、サブストレート１５ｂの下面に設けられたはんだ接合部１４，１４，…，１４を構成する複数のはんだボールとを具備して構成されている。
上記プリント配線板１１のパターン形成面１２には、上記ＢＧＡパッケージ１５を実装対象としてパターン設計されたＢＧＡ部品実装面部１２ａに、上記ＢＧＡパッケージ１５のはんだボール１４，１４，…，１４に対応する、複数のはんだ接合パッド１３，１３，…，１３がパターン形成されている。
上記プリント配線板１１のＢＧＡ部品実装面部１２ａにおいて、上記ＢＧＡパッケージ１５のはんだボール１４，１４，…，１４が、上記ＢＧＡ部品実装面部１２ａに設けられたはんだ接合パッド１３，１３，…，１３にはんだ接合されることによって、上記ＢＧＡパッケージ１５が上記プリント配線板１１のＢＧＡ部品実装面部１２ａに実装される。
このＢＧＡパッケージ１５をはんだ接合するリフロー工程において、上記はんだボール１４，１４，…，１４の一部を局所的に複数箇所で補強する補強部１６が接着剤となる補強材料の熱硬化により形成される。ここでは、ＢＧＡパッケージ１５のサブストレート１５ｂのコーナー部に補強部１６が形成される。
この補強部１６の形成時において、補強材料の一部が、サブストレート１５ｂのコーナー部に設けられた、はんだボール１４内に侵入し、このはんだボール１４を変形させる。この詳細については図９乃至図１１を参照して後述する。
上記プリント配線板１１のＢＧＡ部品実装面部１２ａに実装されたＢＧＡパッケージ１５は、サブストレート１５ｂのコーナー部において、はんだボール１４が、熱硬化性樹脂を補強材料に用いた補強部１６により局所的に補強されている。さらに、このはんだボール１４には補強材料の一部が侵入し、このはんだボール１４を補強材料の侵入面を除いて周面が膨らむ形状に変形させている。
このはんだボール１４の形状変化により、とくに、コーナー部のはんだボールの付け根部分に集中する熱疲労時の応力に対して、該応力が周面に分散される。これにより、コーナー部のはんだボールにかかる応力が緩和される。
このシミュレーションモデルを図９および図１０に示している。図９はコーナー部のはんだボール１４が球面形状を保っている状態、図１０は補強部１６を形成する補強材料の一部がコーナー部のはんだボール１４に侵入して、この補強材料の侵入によりコーナー部のはんだボール１４が変形した状態をそれぞれ示している。なお、図９および図１０において、符号１５ｐはＢＧＡパッケージ１５のサブストレート１５ｂ下面のコーナー部に設けられた外部接続電極（パッシベーション）である。
上記サブストレート１５ｂのコーナー部のはんだボール１４が図９に示す球面状態にあるとき、熱疲労時の応力が、コーナー部のはんだボール１４の付け根部分（Ｓ）に集中し、当該はんだボール１４により形成されるはんだ接合部の破断を招来する（接続信頼性が低下する）。
これに対して図１０に示す、補強部１６を形成する補強材料の一部がコーナー部のはんだボール１４に侵入して該はんだボールが変形した状態では、補強部１６を形成する補強材料の侵入面を除いて周面が膨らんだ形状に変形し、この変形によってはんだボール１４の付け根部分（Ｓ）に集中する応力が膨らんだ周面部分に分散される。これにより、コーナー部のはんだボール１４にかかる熱疲労時の応力は緩和され、はんだ接合部の破断が回避される（接続信頼性が向上する）。
上記した補強部１６を形成する補強材料（１６）の一部がコーナー部のはんだボール１４に侵入した状態と、該はんだボール１４に侵入する補強材料（１６）の許容侵入量を図１１に示している。さらに、この補強材料（１６）の侵入によって、コーナー部のはんだボール１４の周面が膨張変形する以前のはんだボール１４の周面（球面形状を保っている状態にあるときの周面）を破線で示している。図１１において、破線で示した補強材料（１６）が許容される侵入量であり、コーナー部のはんだボール１４の中心部（一点鎖線で示す）を侵入限度としている。
本発明の第２実施形態に係るプリント回路板の構成を図３に示す。この第２実施形態では、ＢＧＡパッケージ１５のサブストレート１５ｂのコーナー部に、補強部１６を複数点設けている。
上記図１および図２に示した第１実施形態では、ＢＧＡパッケージ１５のサブストレート１５ｂのコーナー部に補強材料（１６）を塗布して、各コーナーに一点ずつ補強部１６を設けたが、図３に示す第２実施形態のように、各コーナー部に、例えば、３点の補強部１６を設け、この補強部１６に対して、この補強部１６に接する各はんだボール１４，１４，…に、それぞれ補強部１６を形成する補強材料の一部が図１に示すように侵入する。このような補強構造においても上記した第１実施形態と同様の効果をもたせることができる。
上記した本発明の各実施形態に係るプリント回路板の製造工程を図４に示している。
この図４に示す製造工程（Ｓ１〜Ｓ６）を図５乃至図８を参照して説明する。ここでは図１および図２に示す第１実施形態に係るプリント回路板の製造工程を例に説明する。
図４に示す製造工程において、工程Ｓ１では、部品実装対象となるプリント配線板を部品ラインに供給する。ここで供給されるプリント配線板は、図１に示すように、上記ＢＧＡパッケージ１５を実装対象としてパターン設計された、ＢＧＡ部品実装面部１２ａに上記ＢＧＡパッケージ１５のサブストレート１５ｂに設けられた、はんだボール１４，１４，…，１４に対応する複数のはんだ接合パッド１３，１３，…，１３がパターン形成されたプリント配線板１１である。
工程Ｓ２では、はんだペーストを印刷する印刷機により、プリント配線板のはんだ接合部分に、はんだペーストを印刷する。ここでは、図５に示すように、上記プリント配線板１１のＢＧＡ部品実装面部１２ａに設けられたはんだ接合部１４，１４，…，１４に、はんだペースト１７が印刷される。
工程Ｓ３では、補強材料を塗布するディスペンサにより、プリント配線板の部品実装面の補強部分に、接着剤として作用する補強材料を塗布する。ここでは、図６に示すように、上記ＢＧＡ部品実装面部１２ａのコーナー部に、ノズルで、局所的に（各コーナー部の１カ所（一点）に）、補強材料（１６）を塗布する。
工程Ｓ４では、プリント配線板の部品実装面に、部品を搭載する。ここでは、図７に示すように、上記プリント配線板１１のＢＧＡ部品実装面部１２ａに、ＢＧＡパッケージ１５を搭載する。この部品搭載時において、ＢＧＡ部品実装面部１２ａのコーナー部とＢＧＡパッケージ１５のサブストレート１５ｂのコーナー部との間に跨って補強材料（１６）が埋設状態で介在する。
工程Ｓ５は、はんだリフロー工程であり、実装部品のはんだ接合と補強材料の硬化（補強部形成）を同時に行う。ここでは、図８に示すように、プリント配線板１１のＢＧＡ部品実装面部１２ａにおいて、ＢＧＡパッケージ１５のサブストレート１５ｂに設けられた、はんだボール１４，１４，…，１４が、ＢＧＡ部品実装面部１２ａに設けられたはんだ接合パッド１３，１３，…，１３にはんだ接合されるとともに、上記コーナー部に、補強材料（１６）による補強部１６の原型が形成される。さらに補強材料（１６）の一部がサブストレート１５ｂのコーナー部に設けられたはんだボール１４に侵入し、この補強材料（１６）の侵入によって、はんだボール１４を図１０および図１１に示すように変形させる。
工程Ｓ５では、リフロー処理したプリント配線板（プリント回路板）を次工程に搬送する。
上記した部品実装の製造プロセスで、実装部品となるＢＧＡパッケージ１５のはんだ接合と、補強材料の一部はんだボール１４への侵入、並びに補強部１６を形成する樹脂硬化を、一度の熱処理（リフロー）工程で実現することができる。
本発明の第３実施形態を図１２に示す。
この第３実施形態は、上記第１実施形態により製造されたプリント回路板を用いて電子機器を構成している。図１２は上記第１実施形態に係るプリント回路板をハンディタイプのポータブルコンピュータ等の小型電子機器に適用した例を示している。
図１２に於いて、ポータブルコンピュータ１の本体２には、表示部筐体３がヒンジ機構を介して回動自在に設けられている。本体２には、ポインティングデバイス４、キーボード５等の操作部が設けられている。表示部筐体３には例えばＬＣＤ等の表示デバイス６が設けられている。
また本体２には、上記ポインティングデバイス４、キーボード５等の操作部および表示デバイス６を制御する制御回路を組み込んだ回路板（マザーボード）８が設けられている。この回路板８は、上記図１および図２に示した第１実施形態のプリント回路板を用いて実現される。
このプリント回路板８は、プリント配線板１１と、パッケージ裏面に複数のはんだ接合部１４，１４，…，１４を有し、この各はんだ接合部１４，１４，…，１４のはんだ接合により、上記プリント配線板１１に実装されたＢＧＡパッケージ１５と、上記プリント配線板１１の上記ＢＧＡパッケージ１５を実装した実装面部において、このＢＧＡパッケージ１５のはんだ接合部１４，１４，…，１４を局所的に補強する補強部１６とを具備して構成されている。上記プリント配線板１１のＢＧＡ部品実装面部１２ａに実装されたＢＧＡパッケージ１５は、サブストレート１５ｂのコーナー部において、はんだボール１４が、熱硬化性樹脂を補強材料に用いた補強部１６により局所的に補強されている。さらに、このはんだボール１４に、補強材料の一部が侵入し、このはんだボール１４を補強材料の侵入面を除いて周面が膨らむ形状に変形させている。このはんだボール１４の形状変化により、コーナー部のはんだボールにかかる熱疲労時の応力が緩和され、部品実装部における、はんだ接合面の接続信頼性が向上する。このような局所的な補強手段により、ＢＧＡパッケージ１５のコーナー部に設けられたはんだ接合部１４が落下衝撃等の機械的ストレスにより破断し接合不良に陥る不具合を回避することができ、信頼性の高い安定した動作を期待できる。さらに局所的な補強手段により、リワークを容易にしている。
本発明の第１実施形態に係るプリント回路板の構成を示す側面図。 上記実施形態に係るプリント回路板の構成を示す平面図。 本発明の第２実施形態に係るプリント回路板の構成を示す平面図。 上記第１実施形態に係るプリント回路板の製造工程を示すフローチャート。 上記第１実施形態に係るプリント回路板の製造工程を説明する工程説明図。 上記第１実施形態に係るプリント回路板の製造工程を説明する工程説明図。 上記第１実施形態に係るプリント回路板の製造工程を説明する工程説明図。 上記第１実施形態に係るプリント回路板の製造工程を説明する工程説明図。 本発明の各実施形態における要部のはんだ接合構造のシュミレーションモデルを示す図。 本発明の各実施形態における要部のはんだ接合構造のシュミレーションモデルを示す図。 本発明の各実施形態における要部のはんだ接合構造を説明するための説明図。 本発明の第３実施形態に係る電子機器の構成を示す斜視図。
符号の説明
１…ポータブルコンピュータ、２…本体、３…表示部筐体、４…ポインティングデバイス、５…キーボード、６…表示デバイス、８…回路板（マザーボード）、１１…プリント回路板、１２…パターン形成面、１２ａ…ＢＧＡ部品実装面部、１３…はんだ接合パッド、１４…はんだ接合部（はんだボール）、１５…半導体パッケージ（ＢＧＡパッケージ）、１５ａ…半導体チップ（ベアチップ）、１５ｂ…サブストレート、１６…補強部（補強材料）。

Claims (6)

  1. 部品実装面を有するプリント配線板と、
    前記プリント配線板の前記部品実装面に、はんだボールのはんだ接合により、実装された半導体パッケージと、
    前記プリント配線板の前記部品実装面において、前記半導体パッケージの前記はんだ接合部分を局所的に複数箇所で補強するとともに、一部が前記はんだ接合部分の前記はんだボール内に侵入する樹脂材料により形成された補強部と、
    を具備したことを特徴とするプリント回路板。
  2. 前記補強部は、前記半導体パッケージの複数のコーナー部を局所的に補強していることを特徴とする請求項１に記載のプリント回路板。
  3. 前記補強部は、前記半導体パッケージの複数のコーナー部と、このコーナー部に接する二辺の一部とを局所的に補強していることを特徴とする請求項１に記載のプリント回路板。
  4. 前記補強部の前記はんだボールに対する侵入量は、外はんだボールの中心部より浅いことを特徴とする請求項１に記載のプリント回路板。
  5. プリント配線板の部品実装面にＢＧＡ（ball grid array）部品を実装する電子部品の実装方法であって、
    前記プリント配線板の部品実装面に前記ＢＧＡ部品が搭載されたとき前記ＢＧＡ部品のコーナー部に付着するように、前記部品実装面に樹脂材料を塗布する補強材料塗布工程と、
    前記補強材料塗布工程を経た前記プリント配線板の部品実装面に前記ＢＧＡ部品を搭載する部品搭載工程と、
    前記部品搭載工程を経た前記プリント配線板の部品実装面に、前記ＢＧＡ部品をはんだ接合するとともに、前記樹脂材料の一部を前記ＢＧＡ部品のコーナー部の前記はんだ接合部分の前記はんだボール内に侵入させて、前記樹脂材料を硬化させ、前記樹脂材料により前記半導体パッケージの前記はんだ接合部分に局所的に補強部を形成するリフロー加熱工程と、
    を具備したことを特徴とする電子部品の実装方法。
  6. 電子機器本体と、この電子機器本体に設けられた回路板とを具備し、
    前記回路板は、
    部品実装面を有するプリント配線板と、
    前記プリント配線板の前記部品実装面に、はんだボールのはんだ接合により、実装された半導体パッケージと、
    前記プリント配線板の前記部品実装面において、前記半導体パッケージの前記はんだ接合部分を局所的に複数箇所で補強するとともに、一部が前記はんだ接合部分の前記はんだボール内に侵入する樹脂材料により形成された補強部と、
    を具備して構成されていることを特徴とする電子機器。
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