JP2009064908A - 配線基板およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】繰り返し作動しても、低い接続抵抗と高い熱伝導度を保ち、耐久性の高い配線基板を提供する。
【解決手段】電子部品を実装するための配線基板１０であって、複数のスルーホール３を有する基板１１と、スルーホール３の内壁に形成されるスルーホール導体４と、基板１１の少なくとも片面上に形成されスルーホール導体４に電気的に接続する配線２と、スルーホール導体４で囲まれる内部空間にその一方の端部５ａが挿入されて当該スルーホール導体４と接触して電気的に接続し、その他方の端５ｂが基板表面から突出する柱状の導体で形成される金属ポスト５と、を備える。好ましくは、複数の金属ポスト５について、基板１１の表面から突出するポストの他方の端５ｂが同一平面に位置することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＩＣなどの電子部品を実装するための、配線基板およびその製造方法に関する。より詳しくは、特に実効誘電率が低いLowK半導体、スイッチング素子、パワー系半導体素子などを実装する配線基板に関する。

半導体素子などの電子部品を実装する配線基板は、繰り返し動作や繰り返し温度変動に耐えて、電気的接続および絶縁と、部品の支持を安定して保つことが要求される。特に、スイッチング電源や、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などのパワー半導体素子を含む半導体モジュールなどの大電力を扱う回路では、高い放熱特性と繰り返し熱サイクルに耐えることが必要である。また、装置の小型化に伴って、発生するノイズを低減し、ノイズによる誤動作を防止することが求められる。

例えば、特許文献１は、スイッチ素子のスイッチングによって生じるノイズの制御ＩＣへの影響を回避し、スイッチング電源装置の小型化・薄型化を図る技術を提案している。特許文献１の技術は、パワー半導体素子の裏面電極を絶縁基板の導体パターンに接続固定し、絶縁基板に対向する位置に配置される配線基板の絶縁基板に対向する面に形成された配線パターンとパワー半導体素子の上面電極とを導電性ポストによって接続する。従来の半導体実装基板としては、両面基板に貫通穴を開けておき、銅ポストを挿入して、銅ポストと両面基板の導体とを導電性接着剤を用いて電気的な接続を行っていた。
特開２００４−２２８４０３号公報

しかしながら、前述の構造では次の問題がある。両面基板の導体と貫通孔に挿入された銅ポストとが導電性接着剤を介して、電気的に導通しているために、導電性接着剤と銅ポストおよび基板の導体との熱膨張係数の違いにより温度、湿度などの変化に対して、銅ポストと導電性樹脂との剥離、導電性樹脂のクラックの発生など、長期的な電気的接続の信頼性が低い。また、異種材料どうし、すなわち樹脂と金属との接合なので、接続抵抗が高く、熱伝導度が小さい。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、繰り返し作動しても、低い接続抵抗と高い熱伝導度を保ち、耐久性の高い配線基板を提供することを目的とする。

本発明の第１の観点に係る配線基板は、電子部品を実装するための配線基板であって、複数のスルーホールを有する基板と、該スルーホールの内壁に形成されるスルーホール導体と、前記基板の少なくとも片面上に形成され、前記スルーホール導体に電気的に接続する外部導体と、前記スルーホールのスルーホール導体で囲まれる内部空間にその一方の端部が挿入されて当該スルーホール導体と接触して電気的に接続し、その他方の端が前記基板表面から突出する柱状の導体で形成されるポストと、を備えることを特徴とする。

好ましくは、複数の前記ポストについて、前記ポストの前記基板の表面から突出する他方の端が同一平面に位置することを特徴とする。

好ましくは、前記スルーホール導体と、前記ポストの前記内部空間に挿入される一方の端部とが面接触することを特徴とする。

前記スルーホールの前記内部空間に挿入される前記ポストの一方の端部は、その端面が前記内部空間内に位置するとともに、導電性接着剤を介して前記基板に接合してもよい。

好ましくは、前記ポストと該ポストが接触する前記スルーホール導体とのすきまに、はんだが介在することを特徴とする。

好ましくは、前記ポストと前記スルーホール導体が、同じ種類の金属を主成分とする導体で形成されることを特徴とする。

さらに、前記ポストは、前記内部空間に位置する該ポストの端面にバリを有するよう構成してもよい。

好ましくは、前記スルーホール導体の内部空間の径をａ、前記ポストの外径をｂ、前記スルーホールの内径をｃとして、ａ＜ｂ＜ｃの関係を満たすことを特徴とする。

本発明の第２の観点に係る配線基板の製造方法は、基板に形成された貫通孔の内壁のスルーホール導体を形成するスルーホール形成工程と、導電性を有する母材から打ち抜き加工によって、該母材に結合した状態で柱状の突出部を形成する突出部形成工程と、前記突出部と前記基板の前記スルーホール導体の内部空間を位置合わせする位置決め工程と、前記突出部を前記母材から打ち抜いて柱状のポストを形成すると同時に、該ポストを前記位置合わせした前記スルーホール導体の内部空間に圧入するポスト形成工程と、前記スルーホール導体の内部空間に圧入した前記ポストの端部を該スルーホール導体にはんだ接合する接合工程と、を備えることを特徴とする。

好ましくは、前記ポスト形成工程ののち、前記基板の表面から突出する前記ポストの端部を同一平面上の位置にそろえる高さ合わせ工程を備える。

好ましくは、前記スルーホール形成工程は、前記基板に形成する前記スルーホール導体をメッキで形成する。

好ましくは、前記スルーホール形成工程は、前記スルーホール導体の内部空間の径を前記ポストの外径より小さくまたはほぼ同じに形成することを特徴とする。

前記ポスト形成工程は、前記母材から前記ポストを打ち抜くために、前記突出部を形成するパンチの径と同一の径のパンチを用いてもよい。

または、前記ポスト形成工程は、前記母材から前記ポストを打ち抜くために、前記突出部を形成するパンチの径よりも小さい径のパンチを用いてもよい。

本発明の配線基板によれば、配線基板の電気的導通信頼性と熱伝導性のヒートサイクル耐久性が向上する。

本発明の実施の形態に係る配線基板およびその製造方法について図面を参照して説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付し、その説明は繰り返さない。また、各図は理解を容易にするため各部の大きさが適当に変更されていて、実際の大きさの比率とは異っている。

図１は、本発明の実施の形態に係る配線基板の断面図である。図２は、図１の配線基板を用いて、半導体チップを実装した電子回路パッケージの構成例を示す断面図である。図３は、図２に示す電子回路パッケージの平面図である。図２に模式的に示すように、電子回路パッケージ１００において、配線基板１０の金属ポスト５に半導体チップ２０がはんだ付けされる。半導体チップ２０は、配線基板１０と反対側で、金属ポスト２１を介して電源および接地の導体３１に接続する。電源および接地の導体３１を支える基板３０と配線基板１０は、支柱４０で保持されている。

図２および図３に示すように、複数の半導体チップ２０が配線基板１０に接続される。半導体チップ２０は、主に、電源および接地の導体３１側から電力が供給される。配線基板１０は、半導体チップ２０の間を電気的に接続して回路を構成する。図１は、配線基板１０について図３のＸ−Ｘ線断面図になっている。ここで、半導体チップは、例えば、ＩＧＢＴ素子、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等のパワー半導体素子が該当する。半導体素子の１つの電極に、複数の金属ポスト５が接続していてもよい。半導体素子の電極としては、例えば、エミッタ電極やコレクタ電極（グランドと接続している電極）がある。

図１に示すように、配線基板１０は、スルーホール３に金属ポスト５が植え込まれた（インプラントされた）構造である。配線基板１０は、基材１の両面に導体、例えば銅箔から構成される配線２が形成されている。基材１と配線２を便宜上、基板１１とする。基板１１を貫通するスルーホール３の側壁に導体４、例えば銅の膜が形成されている。導体４（以下、スルーホール導体４ともいう）は、配線２の上を覆って配線２に電気的に接続している。スルーホール３に金属ポスト５が挿入されていて、導体４と金属ポスト５は直に接触して電気的に接続している。金属ポスト５の一方の端面５ａは、スルーホール導体４の内部にあり、他方の端面５ｂは配線基板１０から突出している。配線基板１０の表面にソルダレジスト７が形成されており、スルーホール導体４内にある金属ポスト５の端面５ａの上に、金属ポスト５とその周囲の導体４を接続するようにはんだ６が形成されている。

金属ポスト５は柱状であって、断面はスルーホール導体４の内部空間の断面の形状と同じである。スルーホール導体４（の内部空間）の断面が円形の場合、金属ポスト５も断面が円形の円柱状である。金属ポスト５とスルーホール導体４はしまり嵌めになっていて、金属ポスト５とスルーホール導体４は面接触している。金属ポスト５とスルーホール導体４の間に部分的に隙間があっても、はんだ６が隙間を充填するように入り込んでいる。金属ポスト５の配線基板１０から突出している端面５ｂの外周部は、面取り（Ｒ加工）されていることが好ましい（図１の部分拡大図参照）。

金属ポスト５とスルーホール導体４は面接触し、隙間があってもはんだ６が充填されるので、接続抵抗が小さい。特に、両者が同じ種類の金属を主成分とする導体で構成される場合は、極めて抵抗が小さい。また、金属ポスト５とスルーホール導体４の間は、金属どうしの面接触で熱伝導度が高い。

図２に示すように、金属ポスト５の配線基板１０から突出している端面５ｂに、半導体チップ２０が接続される。少なくとも１つの半導体チップ２０に接合する複数の金属ポスト５について、その端面５ｂは同一平面上にある。半導体チップ２０と配線基板１０の配線２（銅箔）は、金属ポスト５およびスルーホール導体４を経由して電気的に接続される。その結果、半導体チップ２０と配線２との間の電気抵抗と熱抵抗は極めて小さい。また、金属ポスト５とスルーホール導体４は金属どうしの面接触なので、ヒートサイクル等に関して安定している。

通常、半導体チップ２０と配線基板１０の熱膨張係数は異なる。また、金属ポスト５とスルーホール導体４の熱伝導度が高くても、半導体チップ２０と配線基板１０には温度勾配が生じる。そのため、温度によって、半導体チップ２０と配線基板１０の熱膨張歪みに差ができることになる。半導体チップ２０と配線基板１０をつなぐ金属ポスト５は、ある高さを有する金属で形成されているので、金属ポスト５が変形して歪みの差を吸収し、半導体チップ２０および配線基板１０にかかる熱応力を緩和する。

このように、本実施の形態の配線基板１０は、金属ポスト５とスルーホール導体４がしまり嵌めになっていて、金属ポスト５とスルーホール導体４が面接触し、その間の電気抵抗および熱抵抗が小さく、ヒートサイクル等に関して安定である。その結果、スルーホール導体４と金属ポスト５との電気的導通信頼性が長期にわたって保たれる。また、スルーホール導体４内にある金属ポスト５の端面５ａにはんだを塗布するので、スルーホール導体４からの金属ポスト５の離脱が防止される。

また、金属ポスト５の配線基板１０から突出している端面５ｂが同一平面にあり、半導体チップ２０の端子は同一条件ではんだ付けされる。その結果、電気的導通と熱伝導の効率が高い。さらに、スルーホール導体４と金属ポスト５との同種材料同士の接続により、接続抵抗が小さくなる。

金属ポスト５の半導体チップ２０側の端面５ｂは、半導体チップ２０の電極面に対して平行であって、各金属ポスト５の端面５ｂは同一平面上であることが望ましい。金属ポスト５と半導体チップ２０の電極が金属接続しやすいからである。

半導体チップ２０と金属ポスト５をはんだで接続する場合は、各金属ポスト５の半導体チップ２０側の端面５ｂは、半導体チップ２０の電極面に対して、同一平面上でなくてもよい。金属ポスト５の間で、金属ポスト５と電極間の距離に差が生じても、はんだが充填されて電気的に導通できるからである。

金属ポスト５の半導体チップ２０側の端面５ｂの外周部は、面取り（Ｒ加工）されていることが好ましい（図１参照）。

次に、上記構成を有する配線基板１０の製造方法について図面を参照して説明する。なお、以下に記載する製造方法は一例であって、同様の結果物が得られるのであればこれに限られない。図４Ａ乃至図４Ｆは、配線基板１０の製造工程を説明する図である。

まず、金属ポスト５を形成するための母材８を用意する。母材８は例えば、銅または銅を主成分とする合金である。母材８から金属ポスト５を打ち抜き加工で形成する。図４Ａに示すように、母材８をパンチ５０とダイ６０の間に挟み、パンチ５０をダイ６０に向かって、母材８に押し込む。図４Ｂに示すように、完全に打ち抜き加工せずに、打ち抜かれた突出部８ａが母材８に連結した状態で、一旦打ち抜き加工を停止する。

別に、基材１を用意する。基材１は、例えば２００μｍの厚さを有するガラスエポキシ樹脂の基板を用いる。基材１の表面に銅箔を貼り付け、フォトエッチング等でパターニングして配線２を形成する。そして、金属ポスト５を植え込む位置にスルーホール３となる孔を開ける。めっきを施す部分以外に、フォトリソグラフィなどでめっきマスクを形成し、銅めっきでスルーホール３内の側壁に導体４（スルーホール導体４）を形成する。銅めっきがスルーホール３周辺の配線２の上を覆うようにして、スルーホール導体４と配線２を電気的に接続させる。

スルーホール３の導体４はその内径（内部空間の径）が、母材８に形成された突出部８ａがしまり嵌めになる公差となるように形成する。すなわち、スルーホール導体４の内径（内部空間の径）をａ、金属ポスト５の外径をｂ、スルーホール３の孔径（スルーホール導体４の外径）をｃとして、少なくともａ＜ｂ＜ｃの関係を満たすように構成する（図４Ｃ参照）。金属ポスト５の外径ｂが、スルーホール導体４の内径ａ以下であれば、中間嵌めまたはゆるみ嵌めとなる。金属ポスト５の外径ｂが、スルーホール３の孔径（スルーホール導体４の外径）ｃよりも大きければ、金属ポスト５を圧入するときにスルーホール導体４が削られて、金属ポスト５とスルーホール導体４が面接触することがないからである。従って、スルーホール導体４の厚さは、金属ポスト５の外径ｂに対して、しまり嵌めの公差よりも大きくする。

図４Ｃに示すように、スルーホール導体４が形成された基板１１を、ダイ６０の孔部６１にスルーホール導体４の内部空間が一致するように、ダイ６０の上に載置する。その上に、スルーホール導体４の位置に突出部８ａが一致するように、母材８をセットする。再び、パンチ５０を突出部８ａを形成したところに押し込んで、突出部８ａを打ち抜くと同時に、打ち抜いた金属ポスト５をスルーホール３に圧入する。

図４Ｄは、金属ポスト５を打ち抜いて、スルーホール３に圧入した様子を示す断面図である。図４Ｄに示すように、打ち抜かれた金属ポスト５は、その端面５ａがスルーホール３内に留まるように圧入される。このときのダイ６０は、図４Ａまたは図４Ｂに示す打ち抜きのときに用いるダイ６０に比較して、孔６１の径を少し大きくしてもよい。最終的に金属ポスト５を母材８から切断するときは、スルーホール導体４がダイの役割をになう。

金属ポスト５を圧入した基板１１の表面に、はんだ６を付着させない部分にソルダレジスト７を形成する。ソルダレジスト７のパターンはフォトリソグラフィなどで形成する。図４Ｅは、金属ポスト５の端面５ｂをそろえる工程を説明する断面図である。ソルダレジスト７を形成した基板１１を頑丈で平らな定盤５１の上にセットし、基板１１から突出している金属ポスト５を平らな治具６２で押し込みながら、その端面５ｂを同一平面にそろえる。ソルダレジスト形成と金属ポスト５の端面５ｂをそろえる工程は入れ替えてもよい。図４Ｄの金属ポスト５を圧入した状態で、金属ポスト５の端面５ｂが半導体チップ２０を接続するのに充分な程度にそろっていれば、端面５ｂを同一平面にそろえる工程は省略してもよい。

図４Ｆは、スルーホール導体４内にある金属ポスト５の端面５ａにはんだ６を形成した配線基板１０の断面図である。金属ポスト５とスルーホール導体４の間の接続を完全にし、金属ポスト５が離脱しないように、はんだ付けする。クリームはんだを金属ポスト５の端面５ａの上に塗布し、配線基板１０をリフロー炉に通して加熱してはんだ６を溶融させ、金属ポスト５とスルーホール導体４とをはんだ付けする。内部に気泡が生じないように、クリームはんだを注射針状の管で注入するとよい。金属ポスト５とスルーホール導体４との隙間にはんだが入り込み、導電性と熱伝導性がさらに向上する。

金属ポスト５とスルーホール導体４とをはんだ接合する代わりに、導電性接着剤で接合してもよい。その場合にも、金属ポスト５とスルーホール導体４は金属どうしの面接触で基本的な導電性が確保されており、導電性接着剤は隙間を補填する。

図５は、金属ポスト５をスルーホール導体４に圧入するパンチ５２の径が、突出部８ａを形成するときのパンチ５０の径より小さい場合の例を模式的に示す断面図である。図５では、理解を容易にするために、母材８と金属ポスト５とにハッチングを付していない。図６は、図４ＦのＡ部を拡大した断面図である。

金属ポスト５を打ち抜いてスルーホール導体４に圧入する際のパンチ５２の径が、突出部８ａを形成するときのパンチ５０の径よりも小さい場合、金属ポスト５を母材８から切断する際に、突出部８ａの母材側周辺部８ｂが母材側のパンチとの隙間に逃げる。その結果、図６に示すように金属ポスト５の端面５ａの周縁にバリ５ｃが形成される。

金属ポスト５の端面５ａ周縁のバリ５ｃは、金属ポスト５の基板１１から突出した端面５ｂをそろえるときに、スルーホール導体４に食い込むように作用する。そのため、金属ポスト５とスルーホール導体４の電気的接続を補強し、金属ポスト５の抜け止めになることが期待できる。

スルーホール導体４の材質が、打ち抜き加工のダイ６０の材質より柔らかい場合、図４Ｄに示す打ち抜き（切断）、圧入工程で、スルーホール導体４の肩部が金属ポスト５側に引きずられてなだらかになる。その場合、実際には突出部形成のパンチ５０の径と、圧入工程のパンチ５２の径が同じでも、金属ポスト５の端面５ａの周縁にバリ５ｃが形成されることになる。

本発明に係る配線基板は、金属ポストとスルーホール導体がしまり嵌めになっていて、金属ポストとスルーホールの側壁に形成された導体が面接触し、その間の電気抵抗および熱抵抗が小さく、温度変化に対して安定である。その結果、配線基板の電気的導通信頼性と熱伝導性のヒートサイクル耐久性が向上する。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態に係る配線基板の構成例を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る配線基板を用いた電子回路パッケージの構成例を示す断面図である。 図２に示す電子回路パッケージの平面図である。 母材をパンチとダイの間に挟んだ状態を示す断面図である。 母材にパンチを押し込んだ様子を示す断面図である。 母材とダイの間に基板を載置した状態を示す断面図である。 金属ポストを打ち抜いて、スルーホールに圧入した様子を示す断面図である。 金属ポストの端面をそろえる工程を説明する断面図である。 金属ポストの端面にはんだを形成した配線基板の断面図である。 金属ポストを形成するパンチの例を示す断面図である。 金属ポストの端面の構成例を示す部分断面図である。

符号の説明

１ 基材
２ 配線（外部導体）
３ スルーホール
４ 導体（スルーホール導体）
５ 金属ポスト
５ａ、５ｂ 端部
６ はんだ
７ ソルダレジスト
８ 母材
８ａ 突出部
１０ 配線基板
１１ 基板
５０ パンチ
５１ 定盤
５２ パンチ
６０ ダイ
６１ 孔部
６２ 治具

Claims (14)

1. 電子部品を実装するための配線基板であって、
   複数のスルーホールを有する基板と、
   該スルーホールの内壁に形成されるスルーホール導体と、
   前記基板の少なくとも片面上に形成され、前記スルーホール導体に電気的に接続する外部導体と、
   前記スルーホールのスルーホール導体で囲まれる内部空間にその一方の端部が挿入されて当該スルーホール導体と接触して電気的に接続し、その他方の端が前記基板表面から突出する柱状の導体で形成されるポストと、
   を備えることを特徴とする配線基板。
2. 複数の前記ポストについて、前記ポストの前記基板の表面から突出する他方の端が同一平面に位置することを特徴とする請求項１に記載の配線基板。
3. 前記スルーホール導体と、前記ポストの前記内部空間に挿入される一方の端部とが面接触することを特徴とする請求項１に記載の配線基板。
4. 前記スルーホールの前記内部空間に挿入される前記ポストの一方の端部は、その端面が前記内部空間内に位置するとともに、導電性接着剤を介して前記基板に接合されることを特徴とする請求項１に記載の配線基板。
5. 前記ポストと該ポストが接触する前記スルーホール導体とのすきまに、はんだが介在することを特徴とする請求項１に記載の配線基板。
6. 前記ポストと前記スルーホール導体が、同じ種類の金属を主成分とする導体で形成されることを特徴とする請求項１に記載の配線基板。
7. 前記ポストは、前記内部空間に位置する該ポストの端面にバリを有することを特徴とする請求項１に記載の配線基板。
8. 前記スルーホール導体の内部空間の径をａ、前記ポストの外径をｂ、前記スルーホールの内径をｃとして、ａ＜ｂ＜ｃの関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の配線基板。
9. 基板に形成された貫通孔の内壁のスルーホール導体を形成するスルーホール形成工程と、
   導電性を有する母材から打ち抜き加工によって、該母材に結合した状態で柱状の突出部を形成する突出部形成工程と、
   前記突出部と前記基板の前記スルーホール導体の内部空間を位置合わせする位置決め工程と、
   前記突出部を前記母材から打ち抜いて柱状のポストを形成すると同時に、該ポストを前記位置合わせした前記スルーホール導体の内部空間に圧入するポスト形成工程と、
   前記スルーホール導体の内部空間に圧入した前記ポストの端部を該スルーホール導体にはんだ接合する接合工程と、
   を備えることを特徴とする配線基板の製造方法。
10. 前記ポスト形成工程ののち、前記基板の表面から突出する前記ポストの端部を同一平面上の位置にそろえる高さ合わせ工程を備えることを特徴とする請求項９に記載の配線基板の製造方法。
11. 前記スルーホール形成工程は、前記基板に形成する前記スルーホール導体をメッキで形成することを特徴とする請求項９に記載の配線基板の製造方法。
12. 前記スルーホール形成工程は、前記スルーホール導体の内部空間の径を前記ポストの外径より小さくまたはほぼ同じに形成することを特徴とする請求項９に記載の配線基板の製造方法。
13. 前記ポスト形成工程は、前記母材から前記ポストを打ち抜くために、前記突出部を形成するパンチの径と同一の径のパンチを用いることを特徴とする請求項９に記載の配線基板の製造方法。
14. 前記ポスト形成工程は、前記母材から前記ポストを打ち抜くために、前記突出部を形成するパンチの径よりも小さい径のパンチを用いることを特徴とする請求項９に記載の配線基板の製造方法。

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