JP2019016716A

JP2019016716A - 積層基板及び金属ボールの実装方法

Info

Publication number: JP2019016716A
Application number: JP2017134016A
Authority: JP
Inventors: 賢史吉田; Masashi Yoshida; 健二郎西川; Kenjiro Nishikawa
Original assignee: Kagoshima University NUC
Current assignee: Kagoshima University NUC
Priority date: 2017-07-07
Filing date: 2017-07-07
Publication date: 2019-01-31

Abstract

【課題】信号伝送線路の伝送特性や反射特性を向上するとともに実装歩留まりを改善することができる積層基板及び金属ボールの実装方法を提供する。【解決手段】積層基板１は、少なくとも３層の金属層３と金属層３の間の誘電体層４とを有する多層基板２が複数積層されて構成される。複数の多層基板２は積層される。積層基板１は、隣接する多層基板２を構成する金属層３同士を電気的に接続する銅ボール５を備える。複数の多層基板２各々について、銅ボール５を実装する実装部７に彫り込み構造６が形成されている。その彫り込み構造６内で銅ボール５がはんだ付けされ、信号伝送線路の一部を形成する銅ボール５を正確に位置決めすることができる。【選択図】図２

Description

本発明は、積層基板及び金属ボールの実装方法に関する。

第５世代移動通信システムでは、数十ＧＨｚ程度の周波数帯域で通信を行うことが検討されている。数十ＧＨｚ、例えば６０ＧＨｚ帯のアンテナとして、多層基板を複数枚積層して構成されるアレイアンテナが提案されている。このようなアレイアンテナでは、多層基板間を電気的に接続する必要があり、多層基板間を接続する様々な接続手段が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−１０００４号公報

多層基板間を電気的に接続する接続手段の１つとして、銅ボールがある。銅ボールは、多層基板間に挿入され、上下の多層基板の金属層によって構成される伝送線路を電気的に接続する。

しかしながら、銅ボールは球形であり、その実装位置が設計上の位置からずれやすい。銅ボールが設計上の位置からずれると、信号伝送線路全体の伝送特性や反射特性の低下が懸念される。特に、伝送される信号が高周波信号である場合には、銅ボールの実装位置の精度が、信号の伝送に多大な影響を与える。位置ずれの程度が大きくなると伝送特性や反射特性の低下ではなく、物理的・電気的に上下基板が接続されない（オープン）、もしくは信号線路とグランドが物理的・電気的に接続される（ショート）などの実装不良が原因で実装歩留まりが悪化するおそれがある。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、信号伝送線路の伝送特性や反射特性を向上することに加え、実装歩留まりを改善することができる積層基板及び金属ボールの実装方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の観点に係る積層基板は、
少なくとも３層の金属層と前記金属層の間の誘電体層とを有する複数の多層基板を備え、
前記複数の多層基板が積層され、
隣接する前記多層基板を構成する前記金属層同士を電気的に接続する金属ボールを備え、
前記複数の多層基板各々について、前記金属ボールを実装する実装部に彫り込み構造が形成され、前記彫り込み構造内で前記金属ボールが前記多層基板を構成する金属層と接続されている。

この場合、前記彫り込み構造は、
開口から底面に向かって先細りとなるテーパ状の部分を含む、
こととしてもよい。

前記彫り込み構造の直径は、前記金属ボールの直径よりも大きい、
こととしてもよい。

前記彫り込み構造の直径は、前記金属ボールの直径よりも小さい、
こととしてもよい。

信号を伝送する信号伝送線路を構成する金属層に接続された第１の金属ボールと、
前記第１の金属ボールの周囲を囲むように配列された接地用の複数の第２の金属ボールと、
を備え、
前記第１の金属ボール及び前記第２の金属ボールのそれぞれに対応して前記彫り込み構造が設けられている、
こととしてもよい。

前記第２の金属ボールは、多重に前記第１の金属ボールを囲むように形成されている、
こととしてもよい。

前記多層基板では、
前記第１の金属ボールと接続された信号伝送用の第１のスルーホールと、
前記第２の金属ボールと接続された接地用の第２のスルーホールと、
が形成され、
複数の前記第２のスルーホールが、前記第１のスルーホールを囲むように形成されている、
こととしてもよい。

前記多層基板の間に前記金属ボールとともに、
ＩＣチップモジュールが実装されている、
こととしてもよい。

本発明の第２の観点に係る金属ボールの実装方法は、
少なくとも３層の金属層と前記金属層の間の誘電体層とが積層されて構成される複数の多層基板を複数枚積層して構成される積層基板において、上下の前記多層基板を構成する金属層同士を電気的に接続する金属ボールを実装する実装方法であって、
前記多層基板における前記金属ボールの実装部に彫り込み構造を形成し、
前記彫り込み構造が形成された部分に金属ボールをはんだ付けする。

本発明によれば、金属ボールが実装される実装部に彫り込み構造が形成されているので、信号伝送線路の一部を形成する金属ボールをその彫り込み構造内に正確に位置決めすることができる。この結果、積層基板における信号伝送線路の伝送特性や反射特性を向上することができるうえ、実装歩留まりを改善することができる。

本発明の実施の形態１に係る積層基板の断面斜視図である。図１の積層基板の拡大断面図である。図１の積層基板を構成する銅ボールの配列を示す模式図である。図４（Ａ）は、スルーホールの配置例（その１）である。図４（Ｂ）は、スルーホールの配置例（その２）である。銅ボールの実装方法のフローチャートである。本発明の実施の形態２に係る積層基板の断面図である。本発明の実施の形態３に係る積層基板の断面図である。ＩＣチップが実装される積層基板の一例を示す断面図である。銅ボールの配列の他の例を示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。図中、同一又は対応する部分には同一の符号を付す。

実施の形態１．
まず、本発明の実施の形態１について、図１〜図５を参照して詳細に説明する。

図１に示すように、積層基板１は、３枚の多層基板２が積層されて構成されている。本実施の形態では、多層基板２の実装面に沿ってｘｙ座標系を規定し、多層基板２の厚み方向をｚ軸としている。図１における断面は、ｙｚ面に平行な断面である。

多層基板２は、金属層３と誘電体層４とが交互に積層されて構成されている。金属層３は、例えば銅等の導電性の高い金属で構成される。また、誘電体層４は、例えば樹脂等で構成されている。

本実施の形態では、金属層３は、全部で６層形成されている。多層基板２では、＋ｚ側から順に、金属層３→誘電体層４→金属層３→誘電体層４→金属層３→誘電体層４→金属層３→誘電体層４→金属層３→誘電体層４→金属層３と並んでいる。

多層基板２の金属層３には、信号の伝送線路を構成する金属層３Ａと、グランド（接地用）の伝送線路を構成する金属層３Ｂとがある。また、多層基板２には、スルーホール３Ｃ，３Ｄが形成されている。多層基板２において、金属層３Ａはスルーホール３Ｃで相互に電気的に接続されており、金属層３Ｂは、スルーホール３Ｄで相互に電気的に接続されている。金属層３Ａ及びスルーホール３Ｃと、金属層３Ｂ及びスルーホール３Ｄとは誘電体層４を挟んで分離されている。

本実施の形態では、上述のような多層基板２が３枚積層されている。上下の多層基板２の間には、銅ボール５が実装される。銅ボール５が実装される位置を実装部７とする。

銅ボール５は、銅から成る球状の物体である。銅ボール５は、上下の多層基板２の金属層３同士を電気的に接続する。銅ボール５の直径は、少なくとも多層基板２の金属層３と誘電体層４の厚さの和の２倍以上である必要がある。後述のように、彫り込み構造６が形成されるため、多層基板２との間に空隙を持たせる必要があるためである。

上下の多層基板２では、銅ボール５を実装する実装部７に彫り込み構造６が形成されている。実装部７は、彫り込み構造６の底部に位置する金属層３Ａである。本実施の形態では、彫り込み構造６は、円柱状の穴である。彫り込み構造６の深さは、表面の金属層３の１つ下の金属層３Ａが露出する深さとなっている。また、本実施の形態では、彫り込み構造６の直径は、銅ボール５の直径よりも大きくなっている。彫り込み構造６の直径は例えば０．０９ｍｍであり、直径は０．４ｍｍである。銅ボール５の直径は例えば０．３ｍｍである。

銅ボール５は、第１の金属ボールとしての銅ボール５Ａと第２の金属ボールとしての銅ボール５Ｂとに分かれている。銅ボール５Ａは、信号を伝送する信号伝送線路を構成する実装部７（金属層３Ａ）に接続されている。また、銅ボール５Ｂは、接地線であるグランド線路を構成する金属層３Ｂに接続されている。

図１に示すように、本実施の形態に係る積層基板１では、一番下（−ｚ側）の多層基板２の金属層３Ａは、不図示の入力ポートから＋ｙ方向に延びており、銅ボール５Ａに近づいた端部で、スルーホール３Ｃに接続されている。このスルーホール３Ｃは、ｙ軸方向に延びる１つ下の金属層３Ａと接続されている。この金属層３Ａが、彫り込み構造６の底部まで延びており、この部分に実装部７が形成されている。

この銅ボール５Ａは、真ん中の多層基板２に形成された下側を向く彫り込み構造６に露出した金属層３Ａに接続する。この金属層３Ａは、真ん中の多層基板２の下側の彫り込み構造６で露出した最下層から１つ上の金属層３によって形成された実装部７である。この金属層３Ａは、スルーホール３Ｃに接続されており、スルーホール３Ｃは、上側の彫り込み構造６の底面に露出する金属層３Ａである実装部７に接続されている。

真ん中の多層基板２の上側の彫り込み構造６内の実装部７（金属層３Ａ）にも銅ボール５が実装されている。この銅ボール５は、上側の多層基板２の下側を向いた彫り込み構造６内の実装部７（金属層３Ａ）に接続する。この実装部７は、スルーホール３Ｃに接続されており、そのスルーホール３Ｃは、最上層の金属層３Ａに接続されている。金属層３Ａはｙ軸方向に延びて、不図示の出力ポートに接続されている。

以上のように、この積層基板１では、入力ポートから出力ポートまでの信号の伝送線路が形成されている。この伝送線路は、２つの銅ボール５とスルーホール３Ｃ等で構成されるｚ軸方向に延びる伝送線路を含んでいる。ｚ軸方向に延びる伝送線路は、金属層３Ａ→銅ボール５→実装部７→スルーホール３Ｃ→実装部７→銅ボール５→スルーホール３Ｃ→金属層３Ａ→スルーホール３Ｃ→金属層３Ａで形成されている。

図３に示すように、本実施の形態では、１つの銅ボール５Ａについて、周囲に６つの銅ボール５Ｂが配置されている。銅ボール５Ｂは、銅ボール５Ａを中心に放射状に（銅ボール５Ａを囲むように）配列されている。

銅ボール５Ａを伝送される信号によって銅ボール５Ａから空気中に分布する電磁波は、その大部分が銅ボール５Ｂ及び銅ボール５Ａの間に分布する。すなわち、銅ボール５Ｂは、銅ボール５Ａの電磁シールドとしての役割を果たす。銅ボール５Ａと銅ボール５Ｂとの関係は、同軸ケーブルの内部導体と外部導体との関係に相当する。この銅ボール５Ｂを銅ボール５Ａの周囲に設けることにより、銅ボール５Ｂを含む信号の伝送線路の伝送特性（ＳパラメータＳ_２１）及び反射特性（ＳパラメータＳ_１１）を向上することができる。

また、銅ボール５Ａに接続する第１のスルーホールとしてのスルーホール３Ｃの周囲に、接地用の伝送線路（金属層３Ｂ）と電気的に接続された第２のスルーホールとしてのスルーホール３Ｄが形成されているようにしてもよい。例えば、図４（Ａ）に示すように、スルーホール３Ｄは、銅ボール５Ｂを実装する彫り込み構造６の外側に設けられるようにしてもよいし、図４（Ｂ）に示すように、銅ボール５Ａが実装される中央の彫り込み構造６と銅ボール５Ｂが実装される外周の彫り込み構造６との間にスルーホール３Ｄを設けるようにしてもよい。

このように、銅ボール５Ａとスルーホール３Ｃで形成されるｚ軸方向に延びる信号の伝送線路の周囲に接地用の銅ボール５Ｂ及びスルーホール３Ｄを万遍なく配置することができるので、信号の伝送特性（ＳパラメータＳ_２１）及び反射特性（ＳパラメータＳ_１１）等の伝送品質を向上することができる。

次に、銅ボール５の実装方法について説明する。

図５に示すように、まず、多層基板２を製造する（ステップＳ１）。ここでは、金属板と樹脂板とが重ね合わされた２つの基板が接着剤により貼り付けられ、ホットプレス加工されるなどして、多層基板２が生成される。この間、パターン露光及びエッチングにより金属層３Ａと、金属層３Ｂとが分離形成されるとともにスルーホール３Ｃ，３Ｄが形成される。

続いて、多層基板２に彫り込み構造６を形成する（ステップＳ２）。彫り込み構造６は、例えばＣＯ_２レーザの照射によって形成される。しかしながら、彫り込み構造６は、他の方法を用いて形成されてもよい。例えば、深掘りエッチングにより形成するようにしてもよい。

続いて、多層基板２の彫り込み構造６に露出する実装部７に銅ボール５（５Ａ，５Ｂ）を実装し、リフロ−法によりはんだ付けする（ステップＳ３）。この工程により、図２に示すように、実装部７と銅ボール５との間にはんだ８が形成され、両者が固定される。このようにして、銅ボール５が多層基板２に実装され、積層基板１が生成される。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について説明する。

上記実施の形態では、彫り込み構造６’の直径を銅ボール５Ａより大きくした。本実施の形態に係る積層基板１では、図６に示すように、彫り込み構造６’の直径を銅ボール５Ａより小さくしている。これにより、銅ボール５Ａ自体が彫り込み構造６’の開口縁部に当接して嵌まり込むようになるので、銅ボール５Ａの位置決め精度をさらに高めることができる。

なお、接地用の銅ボール５Ｂの彫り込み構造６’の直径を銅ボール５Ｂより大きくするようにしてもよい。

実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３について説明する。

本実施の形態では、図７に示すように、銅ボール５（５Ａ）を実装する彫り込み構造６”は、開口から底面に向かって先細りとなるテーパ状となっている。接地用の銅ボール５Ｂの彫り込み構造６”も同様である。彫り込み構造６”の開口縁部は、信号の伝送特性及び反射特性の向上の妨げとなる。したがって、本実施の形態では、開口縁部が取り除かれてテーパ状となった彫り込み構造６”が採用されている。このようにすれば、信号の伝送品質をより向上することができる。

以上詳細に説明したように、上記各実施の形態によれば、銅ボール５が実装される実装部７に彫り込み構造６，６’，６”が形成されているので、その彫り込み構造６，６’，６”内に信号伝送線路の一部を形成する銅ボール５（５Ａ，５Ｂ）を正確に位置決めすることができる。この結果、積層基板１における信号伝送線路の伝送特性（ＳパラメータＳ_２１）や反射特性（ＳパラメータＳ_１１）を向上することができるうえ、実装歩留まりを改善することができる。

また、伝送線路の一部を形成する銅ボール５（５Ａ，５Ｂ）を正確に位置決めすることができるので、その信号伝送線路の伝送特性（ＳパラメータＳ_２１）や反射特性（ＳパラメータＳ_１１）を向上することができるうえ、実装歩留まりを改善することができる。

また、上記各実施の形態によれば、彫り込み構造６，６’，６”によりはんだをはんだ付け場所から流れ出さないようにすることができる。これにより、はんだの量を増やして銅ボール５をしっかりと多層基板２にはんだ付けすることができるので、積層基板１全体にそりがあった場合でも実装歩留まりの改善を期待できる。

また、上記各実施の形態によれば、彫り込み構造６，６’，６”を設けているので、多層基板２間の間隔を短くすることができる。これにより、積層基板１全体の厚みを薄くすることができる。

また、上記実施の形態３では、彫り込み構造６”をテーパ状とした。この場合には、彫り込み構造６”を円柱状とするよりも、銅ボール５を含む信号の伝送線路における反射特性（ＳパラメータＳ_１１）及び伝送特性（ＳパラメータＳ_２１）が良好なものとなった。なお、彫り込み構造の全体を円柱状とし、開口縁部がテーパ状に切り欠かれているだけでもよい。このようにするだけでも、信号の伝送品質の向上が期待できるためである。

また、上記実施の形態１では、彫り込み構造６の直径を、銅ボール５の直径よりも大きくした。これにより、銅ボール５周辺の誘電体層４の信号の伝送特性（ＳパラメータＳ_２１）や反射特性（ＳパラメータＳ_１１）への影響を低減することができる。しかしながら、上記実施の形態２のように、信号の伝送特性や反射特性が求められるレベルよりも低下しなければ、上記実施の形態２のように、彫り込み構造６’の直径を、銅ボール５の直径よりも小さくするようにしてもよい。

また、上記各実施の形態では、信号伝送線路を形成する銅ボール５Ａの周囲に、接地された複数の銅ボール５Ｂが配置されている。これにより、信号伝送線路の伝送特性（ＳパラメータＳ_２１）や反射特性（ＳパラメータＳ_１１）を向上することができる。

なお、多層基板２において、銅ボール５Ａと銅ボール５Ｂが実装される彫り込み構造６の周囲にスルーホール３Ｄを形成するようにしてもよい。このようにすれば、銅ボール５Ａおよびスルーホール３Ｃを含む信号伝送線路から発生する電磁波をスルーホール３Ｄ及びスルーホール３Ｃとの間に分布させることができ、誘電体層４に伝搬されるのを抑制することができる。これにより、信号の伝送特性（ＳパラメータＳ_2１）や反射特性（ＳパラメータＳ_１１）を向上することができる。

なお、上記各実施の形態では、銅ボール５Ａの周囲に複数の銅ボール５Ｂを６つ配置したが、本発明はこれには限られない。銅ボール５Ａを囲む銅ボール５Ｂの数は、銅ボール５Ａを囲むことができるのであれば、２つ〜５つであってもよいし、７つ以上であってもよい。

なお、上記各実施の形態では、多層基板２の積層数を３つとしたが、本発明はこれには限られない。多層基板２は２枚であってもよいし、４枚以上であってもよい。

なお、上記各実施の形態では、多層基板２の金属層３の数を６としたが、本発明はこれには限られない。金属層３は少なくとも３層あればよい。金属層３が３層あれば、多層基板２に掘り込み構造６等を形成して、銅ボール５を実装し、中間の金属層３に接続することができるためである。

また、上記各実施の形態では、多層基板２同士を接続するものとして銅ボール５を用いた。しかしながら、本発明は、これには限られない。例えば、他の金属、例えばアルミ等を用いた金属ボールを用いてもよい。

なお、図８に示すように、銅ボール５Ａ等によって形成される多層基板２の間に他のＩＣチップモジュール９を挿入することができる。このようにすれば、積層基板１内にＩＣチップモジュール９を収容して装置全体の実装効率を向上することができる。

上記各実施の形態に係る積層基板１は様々な用途に用いることができる。例えば、通信機器のアレイアンテナ等に用いることができる。最も利用が期待されているのが、第５世代の通信システムのアンテナアレイである。

なお、信号の伝送線路の伝送特性（ＳパラメータＳ_２１）及び反射特性（ＳパラメータＳ_１１）は、信号の伝送線路における共振周波数付近で一般的に悪化する。したがって、例えば、アンテナアレイで送受信される信号の周波数が６０ＧＨｚである場合には、信号の伝送線路の共振周波数を６０ＧＨｚからずらす必要がある。

上記各実施の形態に係る積層基板１では、信号の伝送線路の共振周波数は、銅ボール５Ａと銅ボール５Ｂとの間隔などに左右される。銅ボール５Ａと銅ボール５Ｂとの間隔が大きければ、信号の伝送線路の共振周波数は低くなり、銅ボール５Ａと銅ボール５Ｂとの間隔が小さければ、信号の伝送線路の共振周波数は高くなる。したがって、伝送線路の共振周波数が伝送される信号の周波数からずれるように、銅ボール５Ａと銅ボール５Ｂとの間隔を決定すればよい。

銅ボール５Ａと銅ボール５Ｂとの間隔を短くする必要がある場合には、配置可能な銅ボール５Ｂが少なくなる場合もある。このような場合には、図９に示すように、銅ボール５Ｂを二重に配列するのが望ましく、また、銅ボール５Ｂの周辺にスルーホール３Ｄを形成するのが望ましい。銅ボール５Ｂ及びスルーホール３Ｄが、多重に銅ボール５Ａを囲むようにしてもよい。

この発明は、この発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、この発明の範囲を限定するものではない。すなわち、この発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

本発明は、金属層と誘電体層とが交互に積層された多層基板を複数枚積層し、多層基板間を金属ボールで接続して構成する場合に適用可能である。

１積層基板、２多層基板、３金属層、３Ａ，３Ｂ金属層、３Ｃ，３Ｄスルーホール、４誘電体層、５銅ボール，５Ａ，５Ｂ銅ボール、６，６’，６” 彫り込み構造、７実装部、８はんだ、９ＩＣチップモジュール

Claims

少なくとも３層の金属層と前記金属層の間の誘電体層とを有する複数の多層基板を備え、
前記複数の多層基板が積層され、
隣接する前記多層基板を構成する前記金属層同士を電気的に接続する金属ボールを備え、
前記複数の多層基板各々について、前記金属ボールを実装する実装部に彫り込み構造が形成され、前記彫り込み構造内で前記金属ボールが前記多層基板を構成する金属層と接続されている、
積層基板。
前記彫り込み構造は、
開口から底面に向かって先細りとなるテーパ状の部分を含む、
請求項１に記載の積層基板。
前記彫り込み構造の直径は、前記金属ボールの直径よりも大きい、
請求項１又は２に記載の積層基板。
前記彫り込み構造の直径は、前記金属ボールの直径よりも小さい、
請求項１又は２に記載の積層基板。
信号を伝送する信号伝送線路を構成する金属層に接続された第１の金属ボールと、
前記第１の金属ボールの周囲を囲むように配列された接地用の複数の第２の金属ボールと、
を備え、
前記第１の金属ボール及び前記第２の金属ボールのそれぞれに対応して前記彫り込み構造が設けられている、
請求項１から４のいずれか一項に記載の積層基板。
前記第２の金属ボールは、多重に前記第１の金属ボールを囲むように形成されている、
請求項５に記載の積層基板。
前記多層基板では、
前記第１の金属ボールと接続された信号伝送用の第１のスルーホールと、
前記第２の金属ボールと接続された接地用の第２のスルーホールと、
が形成され、
複数の前記第２のスルーホールが、前記第１のスルーホールを囲むように形成されている、
請求項５又は６に記載の積層基板。
前記多層基板の間に前記金属ボールとともに、
ＩＣチップモジュールが実装されている、
請求項１から７のいずれか一項に記載の積層基板。
少なくとも３層の金属層と前記金属層の間の誘電体層とが積層されて構成される複数の多層基板を複数枚積層して構成される積層基板において、上下の前記多層基板を構成する金属層同士を電気的に接続する金属ボールを実装する実装方法であって、
前記多層基板における前記金属ボールの実装部に彫り込み構造を形成し、
前記彫り込み構造が形成された部分に金属ボールをはんだ付けする、
金属ボールの実装方法。