JP2009043844A - リードピン付き配線基板およびリードピン - Google Patents

Abstract

【課題】リードピンと電極パッドとの接合強度を増大させ、接合部にボイドが発生することを抑制して、信頼性の高いリードピン付き配線基板を提供する。
【解決手段】配線基板１０に形成された電極パッド１２に導電材１４を介してリードピン２０が接合されて形成されたリードピンき配線基板３０であって、前記リードピン２０は、軸部２０ｂの一端に形成されたヘッド部２０ａの前記電極パッド１２に対向して接合される端面側が円錐突起部２０１に形成されるとともに、該円錐突起部２０１の頂角θが、１１０°〜１４０°の角度範囲に設定され、前記導電材１４が、前記円錐突起部２０１と前記電極パッド１２との間に介在するとともに、前記ヘッド部２０ａの平面部に濡れ広がり前記軸部２０ｂの外面に到達して、前記リードピン２０が前記電極パッド１２に接合されている。
【選択図】図１

Description

本発明はリードピン付き配線基板およびリードピンに関し、より詳細には電極パッドにリードピンを接合して形成されるピングリッドアレイ（PGA）型のリードピン付き配線基板およびこれに用いられるリードピンに関する。

ピングリッドアレイ型のリードピン付き配線基板には、図１１（ａ）、（ｂ）に示すような、配線基板１０に設けられた電極パッド１２に、導電材１４等の導電材を介してリードピン５、６を接合して形成される製品がある。図１１（ａ）は、ヘッド部５ａを平坦な円板状に形成したいわゆる平ピン型のリードピン５を接合した例、図１１（ｂ）はヘッド部６ａの接合面側を球面状に形成したリードピン６を接合した例である。いずれもヘッド部５ａ、６ａの端面を電極パッド１２に当接させるようにしてリードピン５、６が接合される。

配線基板１０にリードピン５、６を接合する際は、電極パッド１２にはんだ等の導電材を供給し、支持治具によりリードピンを支持して電極パッド１２にリードピンを位置合わせし、リードピンを支持した状態で支持治具とともに配線基板１０をリフロー装置を通過させて接合する。最近のリードピン付き配線基板に用いられるリードピンは、ピンの軸部の外径が０．３ｍｍ、ヘッド部の外径が０．６〜０．７ｍｍといったようにきわめて細径であること、リードピンが狭間隔で配置されることから、リードピンの電極パッドに対する接合強度と、リードピンを電極パッドに接合した状態でのリードピンの傾き等の位置ずれが問題となっている。

図１１（ｂ）に示す、ヘッド部６ａの端面を球面状に形成したリードピン６は、平ピンのリードピン５にくらべてリードピンの接合強度を高めることができ、接合時に導電材１４中にボイド１５が生じることを防止し、リードピン６の位置ずれを防止できるものとして提案された（特許文献１、２参照）。また、平ピン型のリードピンのヘッド部の端面に溝を設け、リードピンの接合強度を向上させるとともに、はんだ中にボイドが生じることを抑えたリードピンも提案されている（特許文献３参照）。
特開２００１−２１７３４１号公報 特開２００１−３５８２７７号公報 特開２００６−８６２８３号公報

リードピンを電極パッドに接合した際にはんだ中にボイドが生じないようにしなければならないのは、はんだ中にボイドが発生するとリードピンと電極パッドとの電気的接続の信頼性が阻害されるという問題と、図１１（ａ）に示すように、ボイドによってリードピンが直立位置から傾斜した状態で接合され、リードピンの先端の高さやリードピンの先端の間隔がばらつくという問題が生じるからである。最近のリードピン付き配線基板では、リードピンの配置間隔が狭くなっているから、リードピンの位置ずれは製品不良に直結しやすい。

また、リードピンの接合強度の試験においては、直立位置から斜め方向にリードピンを引っ張って試験する引っ張り強度の試験が行われている。これは、ソケットに半導体パッケージを抜き差しする際に、ソケットに対し斜め方向に力を加えて半導体パッケージを引き抜くといった操作がなされることを想定し、斜め方向への引っ張り力に対する耐久力を試験するものである。リードピンを斜め方向に引っ張ると、リードピンの接合部に引っ張り力が集中し、接合部の破壊が生じやすくなる。

一般的に、リードピンのヘッド部を大径にするとリードピンの接合面積が増大し接合強度は大きくなる。しかしながら、ヘッド部を大きくすると、半導体パッケージをソケットに装着した際にヘッド部がソケット孔と干渉するからヘッド部の大きさは制限される。したがって、ヘッド部を大きくすることなく、所要の接合強度が得られるようにする必要がある。
前述したヘッド部の外面を球面に形成したリードピンは、リードピンに斜め方向から作用する引っ張り力を分散させて接合強度を増大させ、ボイドを逃げやすくしてはんだ中にボイドが閉じ込められることを抑えるようにしたものであるが、このリードピンの場合も、はんだ中におけるボイド発生を抑制し、リードピンの接合強度を増大させる点で必ずしも十分とは言い難い。

本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、リードピンと電極パッドとの接合強度を増大させ、接合部にボイドが発生することを抑制することにより、信頼性の高いリードピン付き配線基板を提供すること、またこのリードピン付き配線基板に好適に用いられるリードピンを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は次の構成を備える。
すなわち、配線基板に形成された電極パッドに導電材を介してリードピンが接合されて形成されたリードピンき配線基板であって、前記リードピンは、軸部の一端に形成されたヘッド部の前記電極パッドに対向して接合される端面側が円錐突起部に形成されるとともに、該円錐突起部の頂角θが、１１０°〜１４０°の角度範囲に設定され、前記導電材が、前記円錐突起部と前記電極パッドとの間に介在するとともに、前記ヘッド部の平面部に濡れ広がり前記軸部の外面に到達して、前記リードピンが前記電極パッドに接合されていることを特徴とする。
また、前記リードピンとして、前記ヘッド部が、前記円錐突起部と、該円錐突起部の基部に円錐突起部に一体に形成された円柱部とからなるものが使用される。
また、前記ヘッド部の外径が、０．６５ｍｍ〜０．４５ｍｍであるリードピンが好適に使用される。
また、前記導電材として、鉛フリーの導電材として、すず−アンチモン合金からなる導電材が好適に使用される。

また、リードピン付き配線基板の製造に用いられるリードピンであって、軸部と、該軸部の一端に軸部よりも径大に形成されたヘッド部とを備え、該ヘッド部の前記配線基板に接合される端面側が円錐突起部に形成され、該円錐突起部の頂角θが、１１０°〜１４０°の角度範囲に設定されていることを特徴とする。
また、前記ヘッド部は、前記円錐突起部と、該円錐突起部の基部に円錐突起部に一体に形成された円柱部とからなることを特徴とし、また、前記ヘッド部の外径が、０．６５ｍｍ〜０．４５ｍｍである製品が有効に使用される。

本発明に係るリードピン付き配線基板およびリードピンによれば、リードピンと配線基板に形成された電極パッドとの接合強度を向上させることができ、また、リードピンと電極パッドとを接合する導電材中にボイドが生じることを抑制できることから、リードピンを電極パッドに接合した際のリードピンの高さの不揃い、あるいはリードピンの位置ずれを防止し、信頼性の高いリードピン付き配線基板として提供することができる。

図１は本発明に係るリードピン付き配線基板の一実施形態について、その構成を示す断面図である。本実施形態のリードピン付き配線基板３０は、配線基板１０の一方の面に半導体素子４０を搭載する搭載部３０ａが設けられ、配線基板１０の他方の面に電極パッド１２が形成され、電極パッド１２にすず−アンチモン合金からなる導電材１４によりリードピン２０が接合されている。
搭載部３０ａには半導体素子４０と電気的に接続される接続用パッドおよび所要の配線パターンが形成される。配線基板１０の他方の面は、ソルダーレジスト等の保護膜１６により被覆され、リードピン２０が接合される電極パッド１２が平面形状が円形に露出する。電極パッド１２は銅層によって形成され、銅層の表面に保護めっきとしてニッケルめっきと金めっきがこの順に施されている。

リードピン２０を電極パッド１２に接合する際は、まず、電極パッド１２の露出面に導電材としてすず−アンチモン合金からなる導電ペーストを塗布し、各々の電極パッド１２にリードピン２０のヘッド部２０ａを位置合わせし、リフロー工程によりリードピン２０を接合する。具体的には、配線基板１０に形成されている電極パッド１２の平面配置と一致する配置にリードピン２０をセットするセット孔が形成された支持治具を使用し、支持治具にリードピン２０をセットし、支持治具と配線基板１０とを位置合わせした状態でリフロー装置を通過させてリードピン２０を接合する。リードピン２０を電極パッドに接合した後、支持治具を外して図１に示すリードピン付き配線基板３０が得られる。

支持治具はリードピン２０を電極パッド１２に位置合わせするとともに、リードピン２０が配線基板１０の基板面に直立した状態ではんだ付けされるように支持する作用を有する。支持治具に設けられているリードピン２０のセット孔は、リードピン２０の軸部２０ｂを挿通した際にヘッド部２０ａが係止される径寸法に形成されている。セット孔と軸部との間にはクリアランスがあるから、リードピン２０をはんだ付けした際にリードピン２０が傾いて接合されると、支持治具がリードピン付き配線基板から抜けなくなったり、支持治具を外した際にリードピン２０が変形するといった問題が生じる。したがって、リードピン付き配線基板の製造工程上からも、リードピン２０を配線基板１０に直立させて接合できるようにすることが必要である。

図２は、リードピン付き配線基板３０に用いられているリードピン２０の構成を拡大して示す。図２（ａ）はリードピン２０の平面図、図２（ｂ）は正面図である。図２（ｂ）に示すように、リードピン２０はピンの軸部２０ｂの一端に、軸部２０ｂと一体に、軸部２０ｂよりも大径のヘッド部２０ａを形成したもので、ヘッド部２０ａの電極パッド１２に接合される端面側（接合面側）が円錐突起部２０１に形成されていることが特徴的である。

なお、実施例のリードピン２０では、ヘッド部２０ａの軸部２０ｂに連結する部位が円柱部２０２に形成され、ヘッド部２０ａは、円柱部２０２と円錐突起部２０１とが一体に形成されている。円柱部２０２は、本実施形態のように円錐突起部２０１の外周縁と同一径に形成することもできるし、円柱部２０２の外周縁を円錐突起部２０１の外周縁よりも外側に張り出した形態に形成することもできる。また、円柱部２０２を設けずに、軸部２０ｂに円錐突起部２０１をそのまま連結した形態とすることも可能である。円柱部２０２の軸部２０ａに接続される側は平坦部２０３となる。

リードピン２０の各部の寸法は、リードピン付き配線基板の製品によって異なるが、実施例のリードピン２０は、軸部２０ｂの外径Ａが０．３ｍｍ、円錐突起部２０１（ヘッド部２０ａ）の外径Ｂ（径大部分の外径）が０．６５ｍｍ、円柱部２０２の高さＣが０．０５ｍｍの製品である。

図３は、リードピン２０を電極パッド１２に接合した状態を拡大して示す断面図である。リードピン２０はヘッド部２０ａを電極パッド１２に対向させ導電材１４により電極パッド１２に接合される。導電材１４は、電極パッド１２の表面とリードピン２０のヘッド部２０ａとの間を充填し、電極パッド１２の周縁部とヘッド部２０ａの円柱部２０２の周側面との間はメニスカス状となり、さらに導電材１４ａは円柱部２０２の周縁部を超えて平坦部２０３に濡れ広がり、リードピン２０の軸部２０ｂの基部にまで達し、軸部２０ｂの外面に薄く導電材１４ｂが付着する。

本発明者はヘッド部２０ａに円錐突起部２０１を形成したリードピン２０の作用を調べるために、ヘッド部２０ａに形成する円錐突起部２０１の頂角θを変えたサンプルを用意し、頂角θが変わることによってリードピン２０の接合強度がどのように変化するかを調べた。
表１は、円錐突起部２０１の頂角θが異なる９種類のリードピンについて、電極パッドにリードピンを接合して接合強度を測定した結果を示す。使用したサンプルは、軸部径0.3ｍｍ、円錐突起部の外径0.7ｍｍ、円柱部の高さ0.02ｍｍであり、円錐突起部の頂角θを90°、100°、110°、120°、130°、140°、150°、160°、180°としたものである。

図４は、表１に示す測定結果をグラフに示したものである。図４では、リードピンの引っ張り強度の平均値、最大値および最小値を示した。
リードピンの接合強度の測定は、測定用の治具にリードピンの軸部を挟み、リードピンが起立している方向（垂直方向）に対して３０°傾斜する方向にリードピンを引っ張り、リードピンと電極パッドとの接合部が破断するときの引っ張り力（ピーク強度：Kg/pin）を測定することによって行った。試験に使用したサンプル数は各々３０個であり、表１は３０個のサンプルについて測定した引っ張り強度の平均値を示している。なお、リードピンを電極パッドに接合する導電材としては、すず−アンチモン（Ｓｎ−Ｓｂ）合金はんだを使用した。

表１および図４の測定結果から、リードピンの引っ張り強度が、ヘッド部の円錐突起部の頂角θによって変化し、頂角θが110°から140°の範囲において、良好な引っ張り強度が得られ、とくに、頂角θが120°から140°の範囲において優れた引っ張り強度が得られることがわかる。
円錐突起部の頂角θが110°から140°の範囲において、頂角θが180°となる従来の平ピンのリードピンにくらべて引っ張り強度が向上している理由は、ヘッド部２０ａに円錐突起部２０１を設けたことにより、斜め方向にリードピン２０を引っ張った際に、引っ張り力が接合部の一部に集中せずに分散され、引っ張り力が緩和されたためと考えられる。

表２および図５は、円錐突起部を備えたリードピンの別のサンプル（頂角θが130°、150°）について、ヘッド部を球面形とした従来のリードピン（Ｒピン）と引っ張り強度を比較測定した結果を示す。

表２および図５は、円錐突起部の頂角θを130°としたリードピンは、従来のＲピンと遜色のない引っ張り強度が得られることを示している。
前述したように、リードピン付き配線基板はソケットに抜き差し操作するため、リードピンの接合強度を増大させることは製品の信頼性、取り扱い性を向上させる上で重要である。また、リードピン付き配線基板においては、より細径のリードピンが用いられるようになっているから、細径のリードピンについても所要の接合強度が得られるリードピンの形態とすることは重要である。

リードピン付き配線基板において求められるリードピンの接合強度は、製品によっても異なるが2.0（Kg/pin）程度の引っ張り強度が得られれば、通常は十分である。本実施形態のリードピンの接合強度は、リードピン付き配線基板において必要とされる条件を十分に満足するものであり、リードピン付き配線基板に好適に使用することができる。
リードピンのヘッド部がある程度大径のものであれば、リードピンを平ピンとしても接合面積が広く確保できるから、所要の接合強度を得ることは容易であるが、上記実施形態のように、ヘッド部の外径が０．６５ｍｍ程度以下になってくるとリードピンと電極パッドとの接合面積は縮小してくるからリードピンの接合強度は必然的に低下する。この点で、上記実施形態のヘッド部２０ａに円錐突起部２０１を設けたリードピン２０は接合強度を向上させる上で有効と考えられる。なお、本願発明のヘッド部に円錐突起部を設けたリードピンの構成は、ヘッド部の外径が０．６５ｍｍ〜０．４５ｍｍ程度の範囲で有効に適用できる。

図６〜９は、リードピンを電極パッドに接合した際にはんだ中に生じるボイドについて調べた結果を示す。前述したように、リードピンを電極パッドにはんだ付けすると、リードピンのヘッド部と電極パッドとを接合するはんだ中にボイドが発生することがしばしば見られている。このボイドはヘッド部と電極パッドとの電気的接続の信頼性を阻害し、リードピンが電極パッドの表面から浮いた状態で接合されるためにリードピンの先端の高さが不揃いになったり、リードピンが直立位置から傾斜した状態で接合されるという問題を惹き起す。

図６〜９は、リードピンと電極パッドとの接合部に生じるボイドの状態を観察するため、リードピンと電極パッドとの接合部を軟Ｘ線透過像として見た状態を示す。図６は、ヘッド部に円錐突起部を形成したリードピンで円錐突起部の頂角θを130°とした例、図７は、円錐突起部の頂角θを150°とした例、図８は、円錐突起部の頂角θを160°とした例である。図９は、平ピンについての軟Ｘ線透過像、図１０は、ヘッド部を球面としたＲピンについての軟Ｘ線透過像である。なお、各々の軟Ｘ線透過像で黒点としてあらわれているのは、リードピンの軸部であり、黒点のまわりに、はんだ中に生じたボイドが白い丸点としてあらわれている。

図１０に示すように、ボイドの発生を抑制すると考えられるＲピンを使用してはんだ付けした場合においても、比較的大きなボイドが観察される。同様に、図９に示す平ピンの場合にもはんだ付け部分にボイドが発生していることが観察される。
また、ヘッド部に円錐突起部を形成したリードピンを使用した場合（図６〜７）においても、はんだ中にボイドが生じていることが観察される。ただし、円錐突起部を形成したリードピンのうちでは、図８に示す頂角θが160°の場合、図７に示す頂角θが150°の場合と比較して、図６に示す頂角θが130°の場合には、ボイドの発生数が減少し、あわせてボイドの大きさも小さくなっていることが認められる。

図６〜９に示すボイドの発生状態を比較すると、図６に示す頂角θを130°とした円錐突起部を設けたリードピンは、頂角θがこれよりも大きなリードピンにくらべて、ボイドの発生を抑制する作用が強く作用するということができる。これは頂角θを大きくすると電極パッドに対向するヘッド部の端面が平坦面に近くなるから、はんだ中に生じたボイドが外部に逃げにくくなるためと考えられる。これに対して、図６に示す例（頂角θ：130°）では、円錐突起部の角度が急峻になることから、はんだ中に生じたボイドがヘッド部から外部に逃げやすくなり、これによってはんだ接合部にボイドが発生するあるいは残留することを抑制するものと考えられる。ヘッド部を球面としたＲピンの場合も、電極パッドに対向する端面は頂部近傍で平坦的になるから、はんだ中からボイドを逃がす作用は抑制され、ボイドが残留しやすくなったものと考えられる。

本発明に係るリードピンは、ヘッド部の電極パッドに対向する端面に円錐突起部を形成したこと、また円錐突起部の頂角θを110°〜140°といった130°よりも急峻な角度、もしくは130°近傍の角度に設定したことを特徴とするものであり、これによってリードピンを電極パッドに接合するはんだ中にボイドが発生することを抑えることができ、電極パッドに接合したリードピンの先端の高さ位置がばらついたり、リードピンが傾いて接合されたりすることを防止することが可能となる。
また、本発明に係るリードピンは、前述したように従来のＲピンと同等もしくは同等以上の電極パッドとの接合強度が得られることから、ボイドを抑制する効果と合わせてリードピン付き配線基板に用いるリードピンとして好適に使用することができる。

なお、上記実施形態においては、銅材を基材とし、ピン表面にニッケルめっきおよび金めっきを施したリードピンを使用して実験を行ったが、リードピンには適宜材料を選択することができ、またピン表面に施すめっきも適宜選択可能である。
また、上記実施形態ではリードピンを電極パッドに接合する導電材として、すず−アンチモン合金はんだを使用した。すず−アンチモン合金はんだは鉛フリーはんだとして好適に使用されるが、本発明はリードピンを電極パッドに接合する導電材の種類がとくに限定されるものではない。
また、本発明に係るリードピンではヘッド部に円錐突起部を形成する。リードピンの製造工程においてはヘッド部をプレス加工によって形成するから、プレス加工の際にヘッド部に円錐突起部を形成するように加工することは容易であり、リードピンの生産性を阻害することがないという利点もある。

リードピン付き配線基板の構成を示す断面図である。 本発明に係るリードピンの平面図(a)、および正面図(b)である。 リードピンを電極パッドに接合した状態を拡大して示す断面図である。 ヘッド部の頂角θを変えたリードピンについて電極パッドとの接合強度を測定した結果を示すグラフである。 円錐突起部を備えたリードピンと、ヘッド部が球面に形成されたリードピンについて電極パッドとのの接合強度を測定した結果を示すグラフである。 頂角θが130°の円錐突起部を備えたリードピンのはんだ接合部の軟Ｘ線透過像である。 頂角θが150°の円錐突起部を備えたリードピンのはんだ接合部の軟Ｘ線透過像である。 頂角θが160°の円錐突起部を備えたリードピンのはんだ接合部の軟Ｘ線透過像である。 平ピンのリードピンについてのはんだ接合部の軟Ｘ線透過像である。 Ｒピンのリードピンについてのはんんだ接合部の軟Ｘ線透過像である。 リードピン付き配線基板の従来の構成を示す断面図である。

符号の説明

５、６ リードピン
５ａ、６ａ ヘッド部
１０ 配線基板
１２ 電極パッド
１４、１４ａ、１４ｂ 導電材
１５ ボイド
１６ 保護膜
２０ リードピン
２０ａ ヘッド部
２０ｂ 軸部
３０ リードピン付き配線基板
３０ａ 搭載部
４０ 半導体素子
２０１ 円錐突起部
２０２ 円柱部
２０３ 平坦部

Claims (7)

1. 配線基板に形成された電極パッドに導電材を介してリードピンが接合されて形成されたリードピンき配線基板であって、
   前記リードピンは、軸部の一端に形成されたヘッド部の前記電極パッドに対向して接合される端面側が円錐突起部に形成されるとともに、該円錐突起部の頂角θが、１１０°〜１４０°の角度範囲に設定され、
   前記導電材が、前記円錐突起部と前記電極パッドとの間に介在するとともに、前記ヘッド部の平面部に濡れ広がり前記軸部の外面に到達して、前記リードピンが前記電極パッドに接合されていることを特徴とするリードピン付き配線基板。
2. 前記ヘッド部は、
   前記円錐突起部と、該円錐突起部の基部に円錐突起部に一体に形成された円柱部とからなることを特徴とする請求項１記載のリードピン付き配線基板。
3. 前記ヘッド部の外径が、０．６５ｍｍ〜０．４５ｍｍであることを特徴とする請求項１または２記載のリードピン付き配線基板。
4. 前記導電材が、すず−アンチモン合金からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のリードピン付き配線基板。
5. リードピン付き配線基板の製造に用いられるリードピンであって、
   軸部と、該軸部の一端に軸部よりも径大に形成されたヘッド部とを備え、
   該ヘッド部の前記配線基板に接合される端面側が円錐突起部に形成され、
   該円錐突起部の頂角θが、１１０°〜１４０°の角度範囲に設定されていることを特徴とするリードピン。
6. 前記ヘッド部は、
   前記円錐突起部と、該円錐突起部の基部に円錐突起部に一体に形成された円柱部とからなることを特徴とする請求項５記載のリードピン。
7. 前記ヘッド部の外径が、０．６５ｍｍ〜０．４５ｍｍであることを特徴とする請求項５または６記載のリードピン。