JP2019160984A - 実装基板および実装構造および実装方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電極の配置領域を大きくすることなく電子部品チップを高精度に位置決めできる実装基板を提供する。【解決手段】実装基板は、基材と、台座と、はんだとを有している。台座は、基材の上面に配置され、凹部を有している。台座の基材と反対側の面（上面）には、周囲より高さが低い凹部が設けられ、凹部の周囲は、基材の上面から所定の高さに電子部品チップを支持する支持面となっている。凹部には、自身の上面が、支持面より低くなるように、はんだが充填されている。以上の構成とすると、加熱によりはんだが溶融した場合に、はんだが膨張して支持面で支持された電子部品チップの電極に、はんだが接触する。そして、その後冷却することにより、電子部品チップの電極と凹部の内壁とをはんだ接合することができる。【選択図】 図１

Description

本発明は、実装基板および実装構造および実装方法に関する。

プリント配線板等の実装基板の電極上に、はんだを供給し、電子部品裏面の電極をこのはんだと接触させ、加熱によって電極面とはんだを合金化して、電子部品を固着する実装方法が知られている。このような実装の中には、例えば、光学式センサや磁気式センサなどのように、基板への実装位置の精度によってセンサ自体の精度が大きく左右されるものや、ジャイロセンサなどのように実装姿勢に精度が左右されるものがある。このため、はんだ接合における、位置決め精度を向上する方法が検討されている。

例えば特許文献１には、基板上の電極（ランド）に対して、所定の位置に複数個の突起を設け、これらの突起が電子部品のリードを挟み込むように搭載しで、はんだ付けを行うことにより、電子部品を高精度に位置決めして実装する技術が開示されている。

また、特許文献２には、基板上の電極に、実装領域の外側に伸びる延伸部を設ける方法が開示されている。この方法では、溶融した余分な、はんだが延伸部に流出するため、溶融したはんだの上で電子部品が横に滑ることが防止することができる。このため、例えば電子部品の位置をアーム等で固定しておき、はんだ接合を行えば、はんだ溶融時の電子部品の位置ずれが防止され、高い位置精度で電子部品を実装することができる。

特開２００１−０８５８１７号公報 特開２０１５−０１８８４２号公報

しかしながら、特許文献１の技術のように、複数個の突起がリードを隙間なく挟み込むように設計すると、リードの寸法バラツキにより突起の間に入らないものが出ることを避けられないという問題がある。また、あるリードの寸法バラツキを許容するように、リードと突起の間に遊びを設けると、はんだが溶融した際に、電子部品が動いて、位置決め精度が悪化する、さらに、ずれる方向が予測できないという問題がある。

また特許文献２の技術では、電子部品の実装領域の外側に延伸部を設けている。このため、電極の占める領域が大きくなってしまうという問題がある。その結果、高密度に部品を配置する場合や、実装基板の外形を小さくする場合に、電極レイアウトが制約され設計が困難になるという問題がある。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、電極の配置領域を大きくすることなく電子部品チップを高精度に位置決めできる実装基板を提供することを目的としている。

上記の課題を解決するため、実装基板は、基材と、台座と、はんだとを有している。台座は、基材の上面に配置され、凹部を有している。台座の基材と反対側の面（上面）には、周囲より高さが低い凹部が設けられ、凹部の周囲は、基材の上面から所定の高さに電子部品チップを支持する支持面となっている。凹部には、自身の上面が、支持面より低くなるように、はんだが充填されている。以上の構成とすると、加熱によりはんだが溶融した場合に、はんだが膨張して支持面で支持された電子部品チップの電極に、はんだが接触する。そして、その後冷却することにより、電子部品チップの電極と凹部の内壁とをはんだ接合することができる。

本発明の効果は、電極の配置領域を大きくすることなく電子部品チップを高精度に位置決めできる実装基板を提供できることである。

第１の実施形態の実装基板を示す断面図である。 第２の実施形態の実装基板とチップを示す平面図である。 第２の実施形態の実装構造を示す平面図と断面図である。 第２の実施形態の製造工程の一例を示す断面図である。 第２の実施形態に製造工程の別の一例を示す断面図である。 第３の実施形態の実装基板とチップを示す平面図である。 第３の実施形態の実装構造を示す平面図と断面図である。 第４の実施形態の実装基板を示す平面図である。 第４の実施形態のチップを示す平面図である。 第４の実施形態の実装構造を示す平面図である。 第４の実施形態の実装構造を示す断面図である。 第５の実施形態の実装基板を示す平面図である。 第５の実施形態の実装構造を示す平面図である。 第５の実施形態の実装構造を示す断面図である。 第６の実施の形態の製造方法を示す断面図である。 第７の実施の形態の製造方法を示す断面図である。 第８の実施の形態の製造方法の一部を示す断面図である。 第８の実施の形態の製造方法の別の一部を示す断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。なお各図面の同様の構成要素には同じ番号を付し、説明を省略する場合がある。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の実装基板を示す断面図である。実装基板は、基材１と、台座２と、はんだ３とを有している。

台座２は、基材１の上面に配置され、凹部２ａを有している。台座２の基材と反対側の面（以降の説明では、上面と称する）には、周囲より高さが低い凹部２ａが設けられ、凹部の周囲は、基材１の上面から所定の高さに電子部品チップを支持する支持面２ｂとなっている。

凹部２ａには、自身の上面が、支持面２ｂより低くなるように、はんだ３が充填されている。

以上の構成とすると、加熱によりはんだが溶融した場合に、はんだが膨張して支持面２ｂで支持された電子部品チップの電極にはんだ接触する。そして、その後冷却することにより、電子部品チップの電極と凹部２ａの内壁とをはんだ接合することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、電極の配置領域を大きくすることなく電子部品チップを高精度に位置決めできる実装基板を構成することができる。

（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態の実装基板１０と、実装基板１０に実装するチップ２０を示す平面図である。

図２（ａ）に示すように、実装基板１０では、基材１１上に台座１２が設けられている。台座１２の上面はチップ２０を支持する支持面１２ｂとなっており、支持面１２ｂの内部には、高さが支持面１２ｂより低い凹部１２ａが設けられている。凹部２ａには、自身の上面が、支持面１２ｂよりも低くなるように、はんだ１３が充填されている。

図２（ｂ）に示すように、チップ２０は、チップ本体２１と、チップ本体２１の一面に配置され、台座１２に対応するチップ電極２２を有している。

図３は、実装基板１０とチップ２０とをはんだ接合した状態を示す平面図と断面図である。この例では、台座１２の外形とチップ電極２２の外形は矩形で、略同一としている。また、台座１２は、はんだ１３と反応する材料で形成されているものとする。なお、チップ電極２２と支持面１２ｂの外形は、楕円形や、その他の形状でも良く、また両者が同じでなくても良い。

図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ´における断面図である。図３（ｂ）に示すように、両者が接合された時には、チップ電極２２の表面が支持面１２ｂに支持された状態で、チップ電極２２と凹部１２ｂの内壁とが、はんだ１３により接合している。この時、接合部と離れた位置、例えば凹部１２ａの基材１１側には、はんだ１３の無い空間１４があっても、接合強度や位置決め精度に影響はない。

次に、チップ２０を実装基板１０上に載置してから、はんだ接合が完了するまでの工程について説明する。図４は、工程の流れを示す断面図である。まず図４（ａ）に示すように、吸着口５１を持つアーム５０が、チップ２０のチップ電極２２と反対の面を吸着し、チップ電極２２が支持面１２ｂに支持されるようにチップ２０をセットする。この時、はんだ１３の上面は、支持面１２ｂより低いため、チップ電極２２とはんだ１３との間には空間１５ができる。この時の位置決め精度は、アーム５０の機械精度で決まるため、非常に高精度に制御することが可能である。

次に、図４（ｂ）に示すように、アーム５０でチップ２０の位置を固定したまま、全体を加熱してはんだ１３を溶融する。すると、はんだ１３が熱膨張することにより、はんだ１３とチップ電極２２とが接触する。そして、はんだ１３が、はんだ濡れ性を有するチップ電極２２と凹部１２ａの内壁に濡れ広がる。この時、はんだ１３が支持面１２ｂより上に溢れると、アーム５０が押し上げられて、チップ２の位置がずれる可能性がある。このため、はんだ１３の量は、溶融時に支持面１２ｂを超えないようにしておくことが望ましい。このようにしておくと、チップ２０の位置決め精度を、アーム５０の位置決め精度に保つことができる。

次に図４（ｃ）に示すように、アーム５０でチップ２０の位置を固定したまま、全体を冷却して、はんだ１３を固化することにより、はんだ接合が完了する。この時、接合部と関係のない位置、例えば凹部１２ａの基材１１側に空間１４ができる場合があるが、接合部の接合強度や位置決め精度には影響しない。

上述したように、溶融時にはんだ１３が支持面１２ｂ上に溢れてしまうと、位置決め精度が低下してしまう。このため、はんだ１３が溢れないように、予めはんだ１３の量を図４の例よりも少なくして、マージンを稼いでおくことも可能である。図５に、その場合の工程の例を示す。

まず、図５（ａ）に示すように、チップ２０を位置決めして、支持面１２ｂ上に、チップ電極２２を載置する。この時、図４（ａ）の場合よりも、空間１５が大きくなる。次に図５（ｂ）に示すように、アーム５０でチップ２０の位置を固定したまま、加熱してはんだ１３を溶融する。溶融により、はんだ１３は、凹部１２ａの内壁とチップ電極２２に濡れ広がる。この時、接合部と関係ない位置、例えば、凹部１２ａの基材１１側に空間１４ができても問題ない。

次に図５（ｃ）に示すように、アーム５０でチップ２０の位置を固定したまま、全体を冷却してはんだ１３を固化し接合が完了する。この時、図４（ｃ）の例よりも空間１４が大きくなるが、接合強度や位置決め精度には影響しない。

以上説明したように、本実施形態によれば、チップ２０を実装基板１０に対して精度よく位置決めして実装することができる。そして、台座１２の作用により、実装基板１０の垂直方向、すなわち高さ方向の位置決め精度も高く保つことができる。

（第３の実施形態）
第２の実施形態では、台座全体を、はんだと反応する材料で構成したが、台座の凹部の内壁がはんだと反応する材料であれば、全体は、はんだと反応しない材料であっても良い。本実施形態では、そのような構成の例について説明する。

図６は、本実施形態の実装基板３０と、これに実装するチップ４０とを示す平面図である。図６（ａ）に示すように、実装基板３０は、基材３１と、台座３２とを有している。そして、台座３２は、凹部３２ａと、支持面３２ｂとを有している。凹部３２ａの内壁には、はんだと反応する材料からなる接合層３２ｃが形成されている。

チップ４０は、チップ本体４１と、実装時に支持面３２ｂに接合するチップ電極４２を有している。

図７（ａ）、（ｂ）は、チップ４０を実装基板３０に実装した状態を示す平面図と、断面図である。はんだ３３によって、チップ電極４２と接合層３２ｃとが接合されている。また、接合部と関係ない位置には、空間３４が存在している。はんだ接合の仕組みについては第２の実施形態と同様なため、説明は省略するが、第２の実施形態と同様に、チップ４０を実装基板３０に精度良く位置決めして、実装することができる。

（第４の実施形態）
第１から第３の実施形態では、台座が１つの例を用いて説明したが、複数の台座を持つ実装基板と、これに対応するチップ電極を持つチップとを用いて、位置決め精度の良い実装を行うことも可能である。

図８は、基材１１０上に、４つの台座１２０を持つ実装基板１００を示す平面図である。各台座１２０は、凹部１２０ａと、支持面１２０ｂとを有している。そして、凹部１２０ａの中には、自身の上面が支持面１２０ｂを超えない量のはんだ１３０が充填されている。なお、ここでは台座１２０全体が、はんだ１３０と反応する材料で形成されているものとして説明するが、第３の実施形態のように、凹部１２０ａの内壁だけが、はんだ１３０と反応する材料で形成されている場合も、同様である。

図９は、実装基板１００に実装するチップ２００を示す平面図である。チップ２００は、チップ本体２１０と、台座１２０に接合するチップ電極２２０とを有している。

図１０はチップ２００を実装基板１００に実装した実装構造３００を示す平面図である。各台座１２０に、対応するチップ電極２２０が接合している。

図１１は、図１０のＢ−Ｂ´における断面図である。第２の実施形態と同様に、各台座１２０の支持面１２０ｂに、各チップ電極２２０が位置決めされて、はんだ１３０で接合されている。なお、接合部と関係ない位置に、空間１４０があっても良い。

上記のように、本実施形態によれば、複数の台座と、チップ電極とを精度よく位置決めして実装できる。したがって、本実施形態によれば、例えば、光学式センサや磁気式センサやジャイロセンサなどのように、性能が基板への実装位置精度に左右される電子部品を効率よく製造することができる。

（第５の実施形態）
第１から第４の実施の形態では、実装基板とチップ電極との電気的な接続を考慮していなかったが、チップ電極と実装基板の配線との電気的な接続が必要な場合でも、同様な実装形態を用いることができる。

図１２は、チップと電気的な接続を必要とする実装基板１０１の例を示す平面図である。実装基板１０１は、第４の実施形態の実装基板１００に加えて、台座１２０の下部に配線につながるコンタクトメタル１４０を有している。その他の構成は第４の実施形態と同様であるため説明を省略する。

図１３は、第４の実施形態と同様のチップ２００を、実装基板１０１に実装した実装構造３０１を示す平面図である。チップ電極２２０の下部に、コンタクトメタル１４０が配置されている。コンタクトメタル１４０の材料には、例えば、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｔなどの金属を用いることができる。

図１４は、図１３のＣ−Ｃ´における断面を示す断面図である。この構成では、はんだ１３０の溶融時に、はんだ１３０は、凹部１２０ａの内壁、チップ電極２２０に加えて、コンタクトメタル１４０上にも濡れ広がる。次いで、冷却により、はんだ１３０を固化すると、凹部１２０ａを埋めきれない分だけ、空間１５０が発生する。しかしながら、はんだ１３０は、コンタクトメタル１４０と凹部１２０ａとチップ電極２２０を接続する状態で固化しているため、チップ電極２２０とコンタクトメタル１４０とは電気的に接続されている。空間１５０は、上記した、はんだ１３０の濡れ性により、例えば、凹部１２０ａの中央近辺に発生し、電気的な接続の妨げにはならない。

以上説明したように、本実施形態によれば、チップを実装基板上に高精度に位置決めして実装するとともに、電気的な接続も形成することができる。

（第６の実施形態）
本実施形態では、実装基板の製造方法の一例について説明する。図１５は、製造方法の工程の例を示す断面図である。

まず、図１５（ａ）に示すように、基材１１０の一面に、コンタクトメタル１４０の元となるコンタクトメタル層１４８を形成し、その上に台座１２０の元となる台座金属層１２８を形成する。基材１１０の材料には、例えば、Ｓｉ、ＩｎＰ、ＧａＡｓなどを用いることができる。台座金属層１２８の材料には、例えば。Ａｕ、Ｃｕなどの金属を用いることができる。

次にフォトレジスト１６０を積層し、フォトリソグラフィーによって、図１５（ｂ）に示すように、フォトレジスト１６０に、開口部１６０ａを形成する。

次に、フォトレジスト１６０をマスクとして、図１５（ｃ）に示すように、台座金属層１２８をエッチングし、開口部１２８ａを形成する。

次に、フォトレジスト１６０を除去し、開口部１２８ａのコンタクトメタル層１４８の上に、はんだ１３０を充填する。この時、図１５（ｄ）に示すように、はんだ１３０の上面が、台座金属層１２８の上面より低くなるようにする。コンタクトメタル層１４８の材料には、例えば、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｐｔを用いることができる。はんだ１３０の材料には、例えば、ＡｕＳｎなどのＳｎ系のはんだ材料や、Ｉｎといった材料が適用できる。

次に、図１５（ｅ）に示すように、開口部１２８ａおよびその周囲をカバーするように、フォトレジスト１６０をパターニングする。

次に、図１５（ｆ）に示すように、このフォトレジスト１６０をマスクとして、台座金属層１２８をエッチングする。

そして、フォトレジスト１６０を除去すると、台座金属層１２８によって形成され、凹部にはんだ１３０ｇは充填された台座１２０が完成する。

以上説明したように、本実施形態によれば、一般的な半導体製造技術を用いて、第１乃至第５の実施形態のいずれかの実装基板を製造することができる。

（実施例１）
初めに基材１１０を洗浄し、基材１１０表面に付着している異物を取り除いた。

次にき、コンタクトメタル層１４８を、１ｕｍの厚みで成膜し、台座金属層１２８を３５ｕｍの厚みで基材１上に成膜した。

次にフォトレジスト１６０を、スピンコート法で２ｕｍの厚みに成膜し、露光・現像を行い、幅２００ｕｍのパターンを形成した。

次に台座金属層１２８をドライエッチングにて除去した。

次にフォトレジスト１６０を、ウェットエッチングで除去後、台座金属層１２８の凹部に、はんだ１３０を、印刷法で３０ｕｍの厚みで供給した。

次にフォトレジスト１６０を、スピンコート法で２ｕｍの厚みに成膜し、露光・現像を行い、幅４００ｕｍのパターンを形成した。

次に台座金属層１２８をウェットエッチングにて除去した。

最後にフォトレジスト１６０を、ウェットエッチングにて除去後、残った台座金属層１２８の上部を４．６ｕｍ研磨し、支持面を形成し、台座１２０を備えた実装基板を製造した。

（第７の実施形態）
本実施形態では、実装基板の製造方法の別の一例について説明する。図１６は、この製造方法の一例の工程を示す断面図である。

まず、図１６（ａ）に示すように、基材１１０の一面に、フォトレジスト１６０を形成しコンタクトメタル１４０の元となるコンタクトメタル層１４８を形成し、その上に台座１２０の元となる台座金属層１２８を形成する。

次にフォトレジスト１６０を積層し、フォトリソグラフィーによって、図１６（ａ）に示すように、開口部１６０ｂを形成する。

次に、図１６（ｂ）に示すように、接合層の元となる接合金属層１２９を積層する。

次に、開口部１６０ｂの上の凹部にはんだ１３０を充填する。この時、図１６（ｃ）に示すように、はんだ１３０の上面が、接合金属層１２９の上面より低くなるようにする。

次に、図１６（ｄ）に示すように、接合金属層１２９をエッチングする時のマスクとなるマスク金属層１６１を積層する。マスク金属層１６１には、例えば、接合金属層１２９3をエッチングする際に、同時にエッチングされないＣｒ、Ｔｉなどを用いることができる。

次に、図１６（ｅ）に示すように、はんだ１３０が充填された凹部およびその周囲をカバーするように、フォトレジスト１６０をパターニングする。

次に図１６（ｆ）に示すように、フォトレジスト１６０をマスクとして、マスク金属層１６１と接合金属層１２９とをエッチングする。

次にフォトレジスト１６０をエッチングまたはアッシングし、マスク金属層１６１のパターン下以外のフォトレジスト１６０を除去する。この処理により、図１６（ｇ）に示すように、マスク金属層１６１のパターン下部にはフォトレジスト１６０からなる台座１２０ｒが形成される。

最後に、マスク金属層１６１を除去し、図１６（ｈ）に示すように、凹部内に接合層を持った台座１２０が完成する。

以上説明したように、本実施形態によれば、一般的な半導体製造技術を用いて、第１乃至第５の実施形態のいずれかの実装基板を製造することができる。

（第８の実施形態）
本実施形態では、実装基板の製造方法の別の一例について説明する。図１７Ａおよび図１７Ｂは、この製造方法の一例の工程を示す断面図である。

まず、図１７Ａ（ａ）に示すように、基材１１０をエッチングする時のマスクとなるマスク層１６２とフォトレジスト１６０とを積層する。

次に、フォトリソグラフィーにより、図１７Ａ（ｂ）に示すように、マスク層１６２とフォトレジスト１６０とをパターニングする。

次にフォトレジスト１６０を除去し、パターン化されたマスク層１６２をマスクとして基材１１０をエッチングし、図１７Ａ（ｃ）に示すように、台座の元となる凸部１１０ａを形成する。次に図１７Ａ（ｄ）に示すように、マスク層１６２を除去する。

次に、図１７Ｂ（ｅ）に示すように、コンタクトメタル層１４９と、接合金属層１２９を全面に積層する。

次に、台座の凹部に対応する、隣接する凸部１１０ａの間の凹部に、はんだ１３０を充填する。この時、図１７Ｂ（ｆ）に示すように、はんだ１３０の上面が、接合金属層１２９の上面より低くなるようにする。

次に、コンタクトメタル層１４９と、接合金属層１２９とを、厚み分だけエッチングして除去し、図１７Ｂ（ｇ）に示すように、凹部に、コンタクトメタルと接合層とはんだとを持つ台座１２０が完成する。

そして、フォトレジスト１６０を除去すると、台座金属層１２８によって形成され、凹部にはんだ１３０ｇは充填された台座１２０が完成する。

以上説明したように、本実施形態によれば、一般的な半導体製造技術を用いて、第１乃至第８の実施形態のいずれかの実装基板を製造することができる。

以上、上述した実施形態を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上記実施形態には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。

１、１１、１１０ 基材
２、１２、１２０ 台座
２ａ、１２ａ、１２０ａ 凹部
２ｂ、１２ｂ、１２０ｂ 支持面
３、１３、１３０ はんだ
１０、３０、１００、１０１ 実装基板
１４、１５、３４ 空間
２０、４０、２００ チップ
２１、４１、２１０ チップ本体
２２、４２、２２０ チップ電極
３２ｃ 接合層
５０ アーム

Claims (10)

1. 基材と、
   前記基材上に配置され、前記基材から所定高さに位置する支持面と、前記支持面に囲まれた凹部とを有する台座と、
   自身の上面が前記支持面より低くなるように前記凹部に充填された、はんだ、と
   を有することを特徴とする実装基板。
2. 前記はんだの溶融温度では、前記はんだの上面が前記支持面より高くなる
   ことを特徴とする請求項１に記載の実装基板。
3. 前記凹部の内壁が、前記はんだと反応する材料である
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の実装基板。
4. 前記台座が金属である
   ことを特徴とする請求項３に記載の実装基板。
5. 前記台座が有機系の材料から構成され、
   前記内壁が前記はんだと反応する金属で被覆されている
   ことを特徴とする請求項３に記載の実装基板。
6. 前記基材と前記台座との間に、コンタクトメタルを有する
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の実装基板。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の実装基板と、一面にチップ電極を有するチップ電子部品とを有し、
   前記支持面で前記チップ電極を支持し、
   前記チップ電極と前記凹部の内壁とを前記はんだで接合した
   ことを特徴とする実装構造。
8. 請求項６の実装基板と、一面にチップ電極を有するチップ電子部品とを有し、
   前記支持面で前記チップ電極を支持し、
   前記チップ電極と前記コンタクトメタルとを前記はんだで接合した
   ことを特徴とする実装構造。
9. 前記基材上に、前記基材から所定高さに位置する支持面と、前記支持面に囲まれた凹部とを有する台座を形成し、
   自身の上面が前記支持面より低くなるように前記凹部に、はんだを充填する
   ことを特徴とする実装基板の製造方法。
10. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の実装基板と、一面にチップ電極を有するチップ電子部品とを用い、
    前記支持面で前記チップ電極を支持し、
    前記チップ電極と前記凹部の内壁とを前記はんだで接合する
    ことを特徴とする実装方法。

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