JP2011100827A

JP2011100827A - 配線基板

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Publication number: JP2011100827A
Application number: JP2009253986A
Authority: JP
Inventors: Taku Kondo; 近藤　　卓
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2009-11-05
Filing date: 2009-11-05
Publication date: 2011-05-19
Anticipated expiration: 2029-11-05
Also published as: JP5515645B2

Abstract

【課題】半田と基材との接続強度が高いとともに、半田が破壊されたり半田と電極との電気的接続が不完全になることを抑制できる配線基板を提供すること。
【解決手段】絶縁性を有する板状の基材１１と、基材１１の一方の表面１１Ａから基材１１の厚さ方向に窪んで形成され、表面１１Ａに交差する内側面を有する穴１１Ｂと、球状の半田を接続する接続面１２Ａを有し、穴１１Ｂの底１１Ｄに配置された電極１２と、を有し、前記内側面は、接続面１２Ａの面方向に対して傾斜して形成された第一内側面１３と、穴１１Ｂの周方向で第一内側面１３と異なる位置に設けられ、穴１１Ｂと表面１１Ａとの境界に位置する表面側輪郭線１１Ｃのうち、第一内側面１３の位置に位置する表面側輪郭線１１Ｃよりも穴１１Ｂの径方向で相対的に外側に表面側輪郭線１１Ｃが位置する第二内側面１４と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、配線基板に関する。

従来、配線基板に設けられた電極と電子部品に設けられた端子とを電気的に接続するために、電極と端子とに球状の半田（以下「半田ボール」と称する。）を配置し、半田ボールを溶融させて電極と端子とを電気的に接続することが知られている。

しかしながら、半田を介して電子部品に接続された配線基板が熱膨張すると、基材と半田ボールとの接触部分において、半田ボールに熱応力が加わる。この熱応力によって、半田ボールが破壊されたり、半田ボールと電極との電気的接続が外れたりすることがある。半田ボールが破壊されたり半田ボールと電極との電気的接続が外れたりすることを抑制するために、半田ボールと基材とが接触しないように、基材の穴の開口端部にテーパー角を付けることが提案されている（例えば特許文献１参照）。

特許第３２１０８８１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の構造では、基材の穴の開口端部にテーパー角が付けられているために、半田ボールは電極の表面のみに接続されており基材には支持されていない。このため、半田ボールと基材との接続強度が弱いという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、半田と基材との接続強度が高いとともに、半田が破壊されたり半田と電極との電気的接続が不完全になることを抑制できる配線基板を提供することである

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の配線基板は、絶縁性を有する板状の基材と、前記基材の一方の表面から前記基材の厚さ方向に窪んで形成され、前記表面に交差する内側面を有する穴と、球状の半田を接続する接続面を有し、前記穴の底に配置された電極と、を有し、前記内側面は、前記接続面の面方向に対して傾斜して形成された第一内側面と、前記穴の周方向で前記第一内側面と異なる位置に設けられ、前記穴と前記表面との境界に位置する表面側輪郭線のうち、前記第一内側面の位置に位置する前記表面側輪郭線よりも前記穴の径方向で相対的に外側に前記表面側輪郭線が位置する第二内側面と、を有することを特徴とする。

本発明の配線基板によれば、接続面に半田を接続したときには、第一内側面において半田が支持されるとともに、第二内側面と半田は離間した位置関係にあるので、半田と基材との接続強度が高いとともに、半田が破壊されたり半田と電極との電気的接続が不完全になることを抑制できる。

本発明の第１実施形態の配線基板の一部の構成を示す図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ’線における断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＢ−Ｂ’線における断面図である。同配線基板の作用を示す図で、（Ａ）は図１（Ａ）のＢ−Ｂ’線における断面図、（Ｂ）は図１（Ａ）のＡ−Ａ’線における断面図である。（Ａ）は本発明の第２実施形態の配線基板を示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＣ−Ｃ’線における断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＤ−Ｄ’線における断面図である。（Ａ）は本発明の第３実施形態の配線基板を示す平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＥ−Ｅ’線における断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＦ−Ｆ’線における断面図である。本発明の第４実施形態の配線基板を示す図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＧ−Ｇ’線における断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＨ−Ｈ’線における断面図、（Ｄ）は（Ａ）のＩ−Ｉ’線における断面図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態の配線基板について図１及び図２を参照して説明する。図１は本発明の第１実施形態の配線基板の一部の構成を示す図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ’線における断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＢ−Ｂ’線における断面図である。また、図２は同配線基板の作用を示す図で、（Ａ）は図１（Ａ）のＢ−Ｂ’線における断面図、（Ｂ）は図１（Ａ）のＡ−Ａ’線における断面図である。

図１（Ａ）、図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）に示すように、本実施形態の配線基板１は、絶縁性を有する板状の基材１１と、半田を接続する接続面１２Ａを有する電極１２とを備えている。本実施形態では、基材１１は、多層基板の最上層あるいは最下層を構成している樹脂基材である。

基材１１は、基材１１の一方の表面１１Ａから基材１１の厚さ方向に窪んで形成された穴１１Ｂを有している。また、本実施形態の基材１１において、配線基板１の熱膨張率が最大になる方向のうちで表面１１Ａに沿う成分、すなわち配線基板１が加熱されて熱膨張したときに配線基板１の表面１１Ａに沿う方向で配線基板１が膨張する膨張量が最大になる方向は、図１（Ａ）でＸ方向に略一致する方向に向いている。
配線基板１の中心を基準としてみたときに、配線基板１が一様に膨張した場合には、配線基板１の中心から径方向外側に向かって放射状に基材１１が相対移動する。このため、配線基板１の前記中心から離れるほど配線基板１の膨張量は大きくなり、また配線基板１の膨張量が最大となる方向は配線基板１の中心から放射状の方向となる。

穴１１Ｂには、電極１２の接続面１２Ａに対して傾斜して形成された第一内側面１３と、穴１１Ｂの周方向で第一内側面１３と異なる位置に設けられた第二内側面１４とが形成されている。また、穴１１Ｂの底１１Ｄは円形に形成されている。

第一内側面１３は、基材１１の表面１１Ａから底１１Ｄへ向かうにしたがって穴１１Ｂの開口面積が小さくなるように傾斜して形成されている。また、第一内側面１３は穴１１Ｂの径方向に対向して一対形成され、第一内側面１３のそれぞれは、上述のＸ方向に沿うＡ−Ａ’線における配線基板１の断面を対称面として面対称な形状に形成されている。

本実施形態では、第一内側面１３は穴１１Ｂの中心Ｏを通る上述のＡ−Ａ’線における配線基板１の断面を対称面として面対称な形状に形成されている。
図１（Ａ）に示すＡ−Ａ’線における断面で見たときの接続面１２Ａに対する第一内側面１３の傾斜角θ_１（図１（Ｃ）参照）の大きさは、０度以上９０度未満になっている。

第二内側面１４は、第一内側面１３の傾斜角θ_１よりも傾斜角が小さく形成されている。図１（Ａ）に示すＢ−Ｂ’線における断面で見たときの接続面１２Ａに対する第二内側面１４の傾斜角θ_２（図１（Ｂ）参照）の大きさは、０度以上９０度未満になっている。
また、第二内側面１４は、Ｂ−Ｂ’における配線基板１の断面を対称面として面対称な形状に形成されている。

基材１１の表面１１Ａから穴１１Ｂの底１１Ｄへ向かって穴１１Ｂを見たときに、穴１１Ｂの表面１１Ａ側に位置する表面側輪郭線１１Ｃは、第一内側面１３と表面１１Ａとの接触部分における表面側輪郭線１１Ｃよりも第二内側面１４と表面１１Ａとの接触部分における表面輪郭線１１Ｃが相対的に穴１１Ｂの径方向で外側方向に位置している。

穴１１Ｂは、第一内側面１３と第二内側面１４とが穴１１Ｂの周方向で交互に形成されているようになっている。このように、穴１１Ｂは、第一内側面１３と第二内側面１４とによってテーパー状に形成されている。また、第一内側面１３と第二内側面１４とはその傾斜角の大きさが互いに異なっており、表面側輪郭線１１Ｃは、第一内側面１３と第二内側面１４との間に段差を有している。

また、傾斜角θ_１と傾斜角θ_２との間の関係は、０度≦θ_２＜θ_１＜９０度を満たすようになっている。また、図１（Ａ）に示すように、第一内側面１３と第二内側面１４との境目１５において、傾斜角θ_１から傾斜角θ_２への変化は不連続になっている。

第一内側面１３において、一方の境目１５と他方の境目１５との間では、いずれの位置でも第一内側面１３の傾斜角は傾斜角θ_１になっている。また、第二内側面１４において、一方の境目１５と他方の境目１５との間では、いずれの位置でも第一内側面１４の傾斜角は傾斜角θ_２になっている。

電極１２は、配線基板１に実装される電子部品を電気的に接続するための半田を接続するものである。電極１２の材料としては、半田を接続可能な素材、例えば銅や金など、を採用することができる。本実施形態では、電極１２の接続面１２Ａの外周部１２Ｂは基材１１によって覆われており、接続面１２Ａが基材１１の穴１１Ｂから外部に露出している。

以上に説明した構成の、本実施形態の配線基板１の作用について図２を参照して説明する。
図２（Ａ）に示すように、はんだボール１００は、電極１２の接続面１２Ａに接触する部分が溶融して接続面１２Ａに接続されている。このとき、半田ボール１００が溶融した半田と基材１１とによって電極１２は外気と接触しないように覆われる。
接続面１２Ａに半田ボールを接続するためには、まず、配線基板１の電極１２に、球状に形成された半田である半田ボール１００Ａを載置する。半田ボール１００Ａは、例えば半田ボール搭載機などによって穴１１Ｂに一部が挿入されて穴１１Ｂの第一内側面１３に支持されるように載置されている。配線基板１の穴１１Ｂに半田ボール１００Ａが載置されたときには、半田ボール１００Ａの半田は溶融していない。

続いて、例えば、半田ボール１００Ａが搭載された配線基板１に電子部品を位置決めして配置した後に、配線基板１と半田ボール１００Ａと電子部品とを一括して加熱して半田を溶融させることによって、半田と接続面１２Ａとを接続する。なお、説明を簡略化するため、配線基板１に実装される電子部品の図示は省略している。

図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、半田ボール１００と第一内側面１３とは接触している。また、半田ボール１００と第二内側面１４とは接触していない。これは、半田の表面張力によって、第一内側面１３と第二内側面１４との間の段差（図１に示す境目１５）において半田の拡がりが抑制されるためである。

第一内側面１３においては、半田ボール１００と第一内側面１３とが接触して半田ボール１００が穴１１Ｂの側壁に支持されている。第一内側面１３の位置は、配線基板１が加熱されて熱膨張するときの膨張量が最大となる図１に示すＸ方向に直交するＹ方向に沿うＢ−Ｂ’線に対して交差するように配置されている。このため、配線基板１において、第一内側面１３は、配線基板１が熱膨張したときの膨張量が最小となる位置に位置している。その結果、第一内側面１３と半田ボール１００とが接触していても、配線基板１が熱膨張することによって半田ボール１００に加わる熱応力は、半田ボールと基材とが接触している一般的な接続構造においてＡ−Ａ’線の方向から加わる熱応力よりも小さくなる。

一方、配線基板１が加熱されて熱膨張するときの膨張量が最大となるＸ方向に沿うＡ−Ａ’線の方向において、半田ボール１００と第二内側面１４とが接触していないので、熱膨張によって基材１１が伸縮しても、第二内側面１４と半田ボール１００との間にある隙間が逃げとなって第二内側面１４から半田ボール１００へは熱応力が加わらない。このため、基材１１が伸縮しても半田ボール１００が変形あるいは破損することが抑制される。

以上説明したように、本実施形態の配線基板１によれば、第一内側面１３において半田ボール１００が支持されているとともに、第二内側面１４と半田ボール１００は離間している。このため、半田ボール１００の半田と基材１１との接続強度が高いとともに配線基板１の基材１１が熱膨張したときの熱応力が半田に加わることを抑制できる。
その結果、半田ボール１００が破壊されたり、半田ボール１００と電極１２との電気的接続が不完全になることを抑制できる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態の配線基板について図３（Ａ）ないし図３（Ｃ）を参照して説明する。なお、以下に説明する各実施形態において、第１実施形態の配線基板１と同様に構成を有する部材には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図３（Ａ）は本実施形態の配線基板２を示す平面図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）のＣ−Ｃ’線における断面図、図３（Ｃ）は図３（Ａ）のＤ−Ｄ’線における断面図である。配線基板２は、基材１１に代えて基材２１を備えている点で第１実施形態の配線基板１と構成が異なっている。

図３（Ａ）に示すように、基材２１は、第１実施形態で説明した電極１２において半田を接続するための接続面２２Ａを外部に露出させるように形成された穴２１Ｂが形成されている。

図３（Ｂ）及び図３（Ｃ）に示すように、基材２１の穴２１Ｂには、第１実施形態で説明した第一内側面１３に代えて設けられた第一内側面２３と、第１実施形態で説明した第二内側面１４に代えて設けられた第二内側面２４とが形成されている。本実施形態でも第１実施形態の配線基板１と同様に、配線基板２が加熱されて熱膨張したときに配線基板２の表面２１Ａに沿う方向でその膨張量が最大になる方向に、穴２１Ｂの中心Ｏ２を挟んで第二内側面２４は対向配置されている。

第一内側面２３の傾斜角θ_２１と第二内側面２４の傾斜角θ_２２とは、上述の第１実施形態における傾斜角の大小関係と同様に０度≦θ_２２＜θ_２１＜９０度を満たすようになっている。

本実施形態でも、第１実施形態と同様に、第一内側面２３に接触し、且つ第二内側面２４との間には隙間を有するように半田ボール１００は電極１２に接続される。これにより、上述の第１実施形態の配線基板１と同様に、本実施形態の配線基板２は、半田ボール１００の半田と基材２１との接続強度が高いとともに配線基板２の基材２１が熱膨張したときの熱応力が半田に加わることを抑制できる。
その結果、半田ボール１００が破壊されたり、半田ボール１００と電極１２との電気的接続が不完全になったりすることを抑制できる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態の配線基板について図４を参照して説明する。
（Ａ）は本実施形態の配線基板を示す平面図、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のＥ−Ｅ’線における断面図、図４（Ｃ）は図４（Ａ）のＦ−Ｆ’線における断面図である。本実施形態の配線基板３は、基材１１に代えて基材３１を備えている点で第１実施形態の配線基板１と構成が異なっている。

図４（Ａ）に示すように、基材３１は、第１実施形態で説明した穴１１Ｂと同様に形成された穴３１Ｂを有している。穴３１Ｂは、第１実施形態で説明した第一内側面１３と同様の第一内側面３３と、第１実施形態で説明した第二内側面１４と形状が異なる第二内側面３４とを備えている。

図４（Ｂ）及び図４（Ｃ）に示すように、第二内側面３４には、電極１２が位置する側において相対的に穴３１Ｂの内側に位置する凸部３４Ａと、電極１２が位置する側と反対側において凸部３４Ａに対して相対的に穴３１Ｂの外側に位置する凹部３４Ｂと、が形成されている。これにより、第二内側面３４には、穴３１Ｂの底３１Ｄから基材３１の表面３１Ａに向かって測った距離が、基材３１の表面３１Ａから穴３１Ｂの底３１Ｄまでの厚さＬ２よりも短い距離Ｌ１となる位置に、電極１２の接続面１２Ａに平行に延びて凸部３４Ａと凹部３４Ｂとの間に段差を生じさせる段部３４Ｃが形成されている。

このため、本実施形態では、穴３１Ｂにおいて基材３１の表面３１Ａに位置する表面側輪郭線３１Ｃは、凹部３４Ｂによる表面輪郭線が、第一内側面３３による表面側輪郭線よりも相対的に穴３１Ｂの外側方向に位置する位置関係になっている。

第一内側面３３の傾斜角θ_３１の大きさは、例えば第１実施形態で説明した第一内側面１３の傾斜角θ_１と同じ大きさに設定することができる。これにより、電極１２の接続面１２Ａに半田ボール１００が接続されたときに半田ボール１００の半田が接触して半田ボール１００が第一内側面３３に支持されるようになっている。

凸部３４Ａは、第一内側面３３における傾斜角θ_３１と同じ大きさに設定されており、凸部３４Ａにおいては第一内側面３３と同様に半田ボール１００の半田が接触するようになっている。
凹部３４Ｂは、凸部３４Ａにおける傾斜角θ_３１よりも小さい傾斜角を有している。なお、凹部３４Ｂにおける傾斜角θ_３２は、凸部３４Ａの傾斜角θ３１と大きさが等しくてもよく、また凸部３４Ａの傾斜角θ３１の大きさよりも大きくてもよい。

第二内側面３４は、第１実施形態の第二内側面１４と同様に、配線基板３の熱膨張率が最大となる方向のうち配線基板３の表面３１Ａに平行な方向に、穴３１Ｂの中心Ｏ３を挟んで対向配置されている。

本実施形態では、第二内側面３４において、半田ボール１００と基材３１の接触面積は第一内側面３３と半田ボール１００との接触面積よりも小さく、第二内側面３４の凹部３４Ｂの位置では、凹部３４Ｂと半田ボール１００との間には隙間が開いている。このため、半田ボール１００に伝わる熱応力が低減され、これにより、半田ボール１００が破壊されたり、半田ボール１００と電極１２との電気的接続が不完全になったりすることを抑制できる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態の配線基板について図５を参照して説明する。図５は、本実施形態の配線基板を示す図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＧ−Ｇ’線における断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＨ−Ｈ’線における断面図、（Ｄ）は（Ａ）のＩ−Ｉ’線における断面図である。

図５（Ａ）ないし図５（Ｄ）に示すように、本実施形態の配線基板４は、第１実施形態の配線基板１の穴１１Ｂと同様の穴４１Ｂが形成されており、穴４１Ｂの側壁には、第一内側面１３と同様の第一内側面４３と第二内側面１４と同様の第二内側面４４とが形成されている。本実施形態においても、第一内側面４３の傾斜角θ_４１は、第二内側面４４の傾斜角θ_４３よりも大きく、また、θ_４３＜θ_４１＜９０°を満たすようになっている。

本実施形態では、第１実施形態の配線基板１と異なり、第一内側面４３と第二内側面４４との境目には、表面側輪郭線４１Ｃが滑らかな曲線形状となるように、穴４１Ｂの周方向に穴４１Ｂの側壁の傾斜角が連続的に変化した湾曲面４５が形成されている。

すなわち、第一内側面４３と第二内側面４４との間の湾曲面４５の傾斜角θ_４２は、第一内側面４３の傾斜角θ_４１よりも小さく、かつ第二内側面４４の傾斜角θ_４３よりも大きく形成され、θ_４３＜θ_４２＜θ_４１を満たすようになっている。

このように構成された配線基板４では、第一内側面４３と第二内側面４４とが湾曲面４５によって滑らかに繋がっているので、第一内側面４３と第二内側面４４との間の段差には角がない。このため、本実施形態の配線基板４では、配線基板４が熱膨張しても、基材４１が熱膨張したときの熱応力が局所的に半田ボールに加わることを抑制できる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、上述の実施形態で説明した基材の穴に設けられた第一内側面及び第二内側面は、半田ボールを搭載するすべての穴に対して形成してもよいし、これらの穴の一部に対して形成してもよい。
また、上述の実施形態に示した構成要素は適宜に組み合わせて構成することが可能である。

１、２、３、４配線基板
１１、２１、３１、４１基材
１２電極
１３、２３、３３、４３第一内側面
１４、２４、３４、４４第二内側面
４５湾曲面
Ｏ、Ｏ２、Ｏ３、Ｏ４中心

Claims

絶縁性を有する板状の基材と、
前記基材の一方の表面から前記基材の厚さ方向に窪んで形成され、前記表面に交差する内側面を有する穴と、
球状の半田を接続する接続面を有し、前記穴の底に配置された電極と、
を有し、
前記内側面は、
前記接続面の面方向に対して傾斜して形成された第一内側面と、
前記穴の周方向で前記第一内側面と異なる位置に設けられ、前記穴と前記表面との境界に位置する表面側輪郭線のうち、前記第一内側面の位置に位置する前記表面側輪郭線よりも前記穴の径方向で相対的に外側に前記表面側輪郭線が位置する第二内側面と、
を有することを特徴とする配線基板。
前記第二内側面は、前記接続面の面方向に対して前記第一内側面よりも傾斜角が小さく形成されたことを特徴とする請求項１に記載の配線基板。
前記第二内側面は、
前記底側において相対的に前記穴の内側に位置する凸部と、
前記表面側において前記凸部に対して相対的に前記穴の外側に位置する凹部と、
を有することを特徴とする請求項１または２に記載の配線基板。
前記第二内側面は、前記穴の中心を挟んで対向配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項の記載の配線基板。
前記第二内側面は、前記基材が熱膨張するときの前記基材の伸びが最大になる方向に並べて配置されていることを特徴とする請求項４に記載の配線基板。
前記基材における前記穴の前記底の近傍において、前記第二内側面と前記接続面とのなす角は鋭角になるように傾斜して形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の配線基板。
前記第一内側面は、前記表面から前記底へ向かうにしたがって前記穴の開口面積が小さくなるように傾斜して形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の配線基板。
前記基材は有機高分子を含む樹脂材料によって形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の配線基板。