JP2023022607A - 回路基板構造及び回路基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スタンドオフを有する露出パッド付き部品を実装する回路基板において、はんだ接合性を向上させることが可能な回路基板構造を提供する。【解決手段】露出パッドを有する実装部品を搭載する回路基板構造であって、回路基板と、回路基板上面に設けられ、露出パッドとはんだを介して接続されかつ回路基板に設けられた貫通ビアを介して裏面にまで延在しているランドパターンと、ランドパターンの上に形成されたソルダーレジスト層と、を有する。ソルダーレジスト層は、ランドパターンの上面を島状に露出しかつ互いに離間した複数のランド開口を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、露出パッドを有する部品を実装する回路基板構造及びかかる回路基板構造の製造方法に関する。

ＩＣチップを収容したＩＣパッケージがマウントされている回路基板では、ＩＣパッケージのリードと回路基板のランドとの電気的な接続が、はんだによって行われている。ＱＦＰ（Quad Flat Package）のようなＩＣパッケージには、その下面、すなわちマウント面にＥ－ＰＡＤ（Exposed Pad）と呼ばれる部品側の露出パッドが設けられている場合がある。このような場合に、ランドからＩＣパッケージの下面までの高さ、すなわち、スタンドオフ高さを確保してはんだ接合を確実に行えるようにするため、露出パッドの露出部位とソルダーレジスト層上に跨ってはんだを設けた回路基板構造が提案されている。この回路基板構造によれば、基板側のパッドを囲うソルダーレジスト上にもはんだ印刷をすることにより、はんだ融解時にソルダーレジスト上のはんだを基板側のパッドに凝集させ、はんだ高さを稼ぐことができる（例えば、特許文献１）。

特開２０１９－２９５１７号公報

Ｅ－ＰＡＤ付きのＩＣパッケージを搭載する場合、リードを接続する周辺端子パッドとＥ－ＰＡＤにはんだ接続する基板側のパッド（例えば、基板側のサーマルパッド）とに同じ厚みのはんだを印刷しても、スタンドオフによってはんだ印刷後の部品マウント時にＥ－ＰＡＤとはんだが接触しない場合があり、接合不良が生じる場合がある。

従来、接合性向上のため、はんだ印刷に使用するメタルマスクの開口調整や厚みの変更が行われている。しかし、スタンドオフを確保するためにメタルマスクの厚さを厚いものに変更すると、はんだ印刷後、部品マウント時の押し込みにより周辺端子がはんだに入り込み、Ｅ－ＰＡＤとのスタンドオフ値が縮まるが、その一方で、はんだ量も増えることになる。このため、基板に搭載される他の狭小部品や小型部品についてもはんだ量が過多となり、はんだ溶解時に挙動が不安定になり、実装不具合となりやすい。

また、近年、メタルマスクについてエッチング加工の向上がなされ、厚みを部分的に変えたものも加工できるようになった。しかし、一般的なメタルマスクに比べ、加工時間もかかり、高価である。

また、Ｅ－ＰＡＤは、基板内の多層のベタパターンへ放熱させるため、サーマルビアを有する基板側のサーマルパッドに接合される。しかし、サーマルビアの上にステンシル（メタルマスク）ではんだ印刷を行う場合、はんだ融解後にサーマルビアへはんだが流れ込み、接合に必要なはんだ量が不足して接合不良を招く場合があった。

また、上記従来技術のように、ソルダーレジスト上に広くはんだ印刷を行った場合、ソルダーレジスト上の全てのはんだが基板側のパッドに凝集されるのではなく、一部がはんだボールとして残ってしまい、短絡等の不具合が発生する虞があるという問題があった。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、スタンドオフを有する露出パッド付き部品を実装する回路基板において、はんだ接合性を向上させることが可能な回路基板構造を提供することを目的とする。

本発明に係る回路基板構造は、露出パッドを有する実装部品を搭載する回路基板構造であって、回路基板と、前記回路基板上面に設けられ、前記露出パッドとはんだを介して接続されかつ前記回路基板に設けられた貫通ビアを介して裏面にまで延在しているランドパターンと、前記ランドパターンの上に形成されたソルダーレジスト層と、を有し、前記ソルダーレジスト層は、前記ランドパターンの上面を島状に露出しかつ互いに離間した複数のランド開口を有することを特徴とする。

また、本発明に係る回路基板の製造方法は、露出パッドを有する実装部品を搭載する回路基板の製造方法であって、回路基板に貫通ビアと、前記貫通ビアを介して前記回路基板の裏面まで延在するランドパターンと、を形成するステップと、前記ランドパターン上に、前記ランドパターンの上面を島状に露出しかつ互いに離間した複数のランド開口を有するソルダーレジスト層を形成するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、スタンドオフを有する露出パッド付き部品を実装する回路基板において、はんだ接合性を向上させることが可能となる。

実施例１の回路基板構造の構成を示す平面である。 図１の回路基板にＥ－ＰＡＤ付き部品を実装した状態を示す平面である。 図２の一部についての断面図である。 実施例１の回路基板構造に対応するメタルマスクを示す平面図である。 実施例１の回路基板構造の製造方法を示すフロー図である。 島状領域を有しない比較例の回路基板にはんだ印刷を行った際のはんだ形状を示す断面図である。 島状領域を有する回路基板にはんだ印刷を行った際のはんだ形状を示す断面図である。 比較例の回路基板にスタンドオフを有するＥ－ＰＡＤ付き部品を実装した際のはんだ接合例を示す断面図である。 実施例２のメタルマスクを示す平面図である。 変形例の回路基板構造の構成を示す平面である。 変形例の回路基板構造に対応するメタルマスクを示す平面図である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照して説明する。なお、以下の各実施例における説明及び添付図面においては、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符号を付している。

図１は、実施例１の回路基板１００の素子搭載面の一部を示す平面である。ここでは、露出パッドを有する部品（例えば、Ｅ－ＰＡＤ付きのＩＣパッケージ）が搭載される前の状態の回路基板１００の素子搭載面の一部を上面視した回路基板構造を示している。

回路基板１００は、平面状の基板に、放熱のために設けられた基板側のサーマルパッドからなるランドパターン１１が形成された構造を有する。また、回路基板１００は、放熱のために設けられた、基板を貫通する貫通孔からなる複数のサーマルビア１２を有する。複数のサーマルビア１２は、上面視で矩形（例えば、正方形）の形状を有するランドパターン１１の内周に沿って配列するように形成されている。

ランドパターン１１の上面には、ソルダーレジスト層１３が形成されている。ソルダーレジスト層１３は、ランドパターン１１の上面を島状に露出し且つ互いに離間した複数の開口部（以下、ランド開口と称する）を有するように、ランドパターン１１上に形成されている。

また、ソルダーレジスト層１３は、回路基板１００の表面において、ランドパターン１１の露出部分とサーマルビア１２の各々とを離間するように、サーマルビア１２の配列に沿って形成されている。サーマルビア１２の形成位置の各々において、ソルダーレジスト層１３は、サーマルビア１２の孔部を露出する開口部であるビア開口を有する。

ランドパターン１１の上面には、ランド開口を有するソルダーレジスト層１３によって覆われることにより、略円形の島状領域である丸パッド領域１１Ａと、それを囲む周縁領域１１Ｂと、が形成されている。図１では、上面視で矩形を描くように配列された複数のサーマルビア１２の内側の領域において、ランドパターン１１の上面に５つの丸パッド領域１１Ａが形成される場合を例として示している。丸パッド領域１１Ａの各々は、環形状のソルダーレジスト層１３に囲まれている。また、ランドパターン１１の中央の丸パッド領域１１Ａ以外の４つの丸パッド領域１１Ａの外周部には、環形状のソルダーレジスト層１３の外側に、矩形の外周を有する周縁領域１１Ｂが形成されている。

本実施例では、丸パッド領域１１Ａ及びそれを囲むソルダーレジスト層１３上にはんだ印刷を行うことにより、回路基板１００上にＩＣパッケージが搭載される。

図２は、図１に示す回路基板１００の一部の上面にＥ－ＰＡＤ付きのＩＣパッケージ２１が搭載された状態を模式的に示す平面図である。

上面視で矩形の形状を有するランドパターン１１の外側、すなわち複数のサーマルビア１２が矩形に配列された領域の外側には、ＩＣパッケージ２１のリードを接続するための複数の周辺端子パッド１４が設けられている。ＩＣパッケージ２１は、回路基板１００側に露出したＥ－ＰＡＤ（図２では図示を省略）とランドパターン１１の丸パッド領域１１Ａとがはんだを介して接続されるとともに、複数のリードと周辺端子パッド１４とがはんだを介して接続されることにより、回路基板１００上に搭載される。

図３は、本実施例の回路基板１００にはんだ印刷を行ってＩＣパッケージ２１を実装する際の断面の一部（すなわち、図２の一部）を示す断面図である。

ＩＣパッケージ２１は、Ｅ－ＰＡＤである露出パッド２２と、リード２３とを有する。なお、露出パッド２２は、例えば放熱用に設けられた部品側のサーマルパッドであり、ＩＣパッケージ２１を回路基板１００上に搭載する際に回路基板１００の上面と対向する位置（すなわち、搭載面側）に設けられている。

ＩＣパッケージ２１は、所謂「スタンドオフ」を有しており、図５に「ＳＡ」として示すように、リード２３の下面とＩＣパッケージ２１本体の下面とでは高さが異なっている。本実施例では、例えばＳＡ＝１５０μｍのスタンドオフ量を有する。

回路基板１００は、基板２４及び当該基板２４に形成されたランドパターン１１、サーマルビア１２、ソルダーレジスト層１３及び周辺端子パッド１４から構成されている。

ランドパターン１１は、サーマルビア１２を介して基板２４の裏面にまで延在するように形成されている。ランドパターン１１の上面には、ランド開口を有するソルダーレジスト層１３によって覆われ、島状の領域に区画されることにより、丸パッド領域１１Ａが形成されている。

ソルダーレジスト層１３は、ランドパターン１１の上面及び基板２４の上面に亘って形成されている。基板２４の上面に形成されたソルダーレジスト層１３は、例えばＳＢ＝２０～３０μｍの厚さを有する。

周辺端子パッド２５１４は、はんだ印刷２５によってＩＣパッケージ２１のリード２３に接合される。周辺端子パッド２５１４とリード２３とを接合するはんだは、例えばＳＣ＝３０μｍの粒径を有する。

ＩＣパッケージ２１の露出パッド２２は、はんだ印刷２５によって、ランドパターン１１の丸パッド領域１１Ａに接合される。本実施例では、はんだ印刷２５の高さは例えばＳＤ＝１８０μｍとなる。

図４は、本実施例のはんだ印刷に用いるメタルマスク１５を示す平面図である。メタルマスク１５は、金属の薄板からなるマスク部１５Ａと、図１に示すランドパターン１１の上面（すなわち、ソルダーレジスト層１３によって区画された上面）の形状に沿って形成された孔部からなる開口部と、から構成されている。メタルマスク１５の開口部は、ランドパターン１１の丸パッド領域１１Ａに対応する形状を有する５つの円形の孔部からなる開口部１５Ｂと、周縁領域１１Ｂに対応する形状を有する孔部からなる開口部１５Ｃと、を含む。メタルマスク１５は、開口部１５Ｂを介して丸パッド領域１１Ａ及びそれを囲む環状のソルダーレジスト層１３上にはんだ印刷が行われるように、回路基板１００の素子搭載面に配置される。

次に、本実施例の回路基板１００の製造方法について、図５のフローチャートを参照して説明する。

まず、基板２４にサーマルパッドからなるランドパターン１１及びサーマルビア１２を形成する（ＳＴＥＰ１０１）。

次に、ランドパターン１１の上面を島状に露出し且つ互いに離間したランド開口（丸パッド領域１１Ａ及び周縁領域１１Ｂ）が形成されるように、ソルダーレジスト層１３を形成する（ＳＴＥＰ１０２）。

ＩＣパッケージ２１の露出パッド２２とランドパターン１１の丸パッド領域１１Ａとが互いに対向するように、回路基板１００の素子搭載面にＩＣパッケージ２１を載置する（ステップＳ１０３）。

リフロー処理により、はんだを融解させる。これにより、ＩＣパッケージ２１と回路基板１００とがはんだを介して電気的に接続される（ＳＴＥＰ１０４）。

以上の処理を経て、回路基板１００が製造され、ＩＣパッケージ２１が回路基板１００に搭載される。

本実施例の回路基板１００では、ランド開口を有するソルダーレジスト層１３がランドパターン１１の上面に形成されることにより、ランドパターン１１の上面が島状領域に区画され、丸パッド領域１１Ａが形成されている。このため、はんだ印刷を行った際、このような丸パッド領域１１Ａを有しない場合と比べて、はんだ印刷の高さを高くすることができる。これについて、以下説明する。

図６Ａ及び図６Ｂは、はんだ印刷を行なった際のランドパターン１１上のはんだの盛り上がりを模式的に示す断面図である。図６Ａは、本実施例とは異なりソルダーレジスト層１３よってランドパターン１１の上面に島状領域が形成されていない比較例のはんだ印刷によるはんだの盛り上がりを示している。図６Ｂは、本実施例の回路基板１００のように、ランド開口を有するソルダーレジスト層１３によってランドパターン１１の上面に島状領域が形成されている場合のはんだ印刷におけるはんだの盛り上がりを示している。

比較例のはんだ印刷では、ランドパターン１１の回路基板１００の上面に露出した領域全体にはんだ印刷がなされるため、重力の作用によってはんだＳＤは潰れた形状となる。このため、図６Ａに示すように、はんだＳＤと回路基板の素子搭載面とがなす接触角αは、角度のきわめて小さい鋭角となる。

これに対し、本実施例のように、ランドパターン１１の上面がソルダーレジスト層１３によって島状領域に区画され、丸パッド領域１１Ａが形成されている場合、丸パッド領域１３及びそれを囲む環状のソルダーレジスト層１３上にはんだ印刷がなされる。このため、ソルダーレジスト層１３の撥水性により、ソルダーレジスト層１３上のはんだＳＤが、溶解後に丸パッド領域１１Ａ側に移動する。これにより、丸パッド領域１１Ａ上のはんだＳＤが盛り上がり、接触角θは比較例の接触角αよりも大きくなる。

図７は、ソルダーレジスト層１３によってランドパターン１１の上面に丸パッド領域１１Ａが形成されていない比較例の回路基板に、スタンドオフを有するＥ－ＰＡＤ付きのＩＣパッケージ２１を実装した際のはんだ接合例を示す断面図である。

比較例の回路基板では、ランド開口を有するソルダーレジスト層１３がランドパターン１１の上面に形成されておらず、丸パッド領域１１Ａのような島状領域が形成されていない。このため、図６Ａを用いて説明したように、重力の作用によってランドパターン１１上のはんだ印刷の高さが低くなる。

また、比較例の回路基板では、サーマルビア１２の開口部の縁とランドパターン１１の上面とがソルダーレジスト層１３によって隔てられていないため、印刷されたはんだがサーマルビア１２の貫通孔の内部に流入する。このため、はんだ印刷の高さがさらに低くなってしまう。

したがって、図７に示す比較例の回路基板では、はんだ印刷の高さが露出パッド２２を接続するのに十分ではなく、露出パッド２２が未接続になってしまう虞がある。

これに対し、図３に示す本実施例の回路基板１００では、ソルダーレジスト層１３によって区画された丸パッド領域１１Ａ上にはんだが印刷されるため、図４Ｂを用いて説明したように、表面張力の作用によってはんだ印刷の高さが高くなる。また、丸パッド領域１１とサーマルビア１２の開口部の縁とがソルダーレジスト層１３によって隔てられているため、サーマルビア１２の貫通孔へのはんだの流入が防止される。

また、本実施例の回路基板１００では、上面視で矩形の形状を有するランドパターン１１の内周に沿って複数のサーマルビア１２が形成され、その内側の領域に小さい丸パッド領域１１Ａが複数個（本実施例では、５個）形成されている。このため、例えば当該領域内に大きい丸パッド領域が１つのみ形成されているような場合と比べて、はんだの形状を表面張力によって、より液滴形状にすることができる。

すなわち、はんだ等の液滴は、溶解すると表面張力により表面積を小さくしようとする。液滴の体積が十分に小さいうちは、その質量も小さいため、重力の作用よりも表面張力による作用の方が支配的になり、液滴形状は球形に近くなる。これに対し、液滴の体積が大きくなると、その質量も大きくなり、重力の作用が支配的になるため、液滴は潰れた形状となる。そこで、本実施例の回路基板１００では、丸パッド領域１１Ａの面積を小さくすることにより、はんだ体積を小さくして表面張力の作用が支配的になるようにすることで、液滴形状を球形に近づけ、はんだ印刷の高さが高くなるようにしている。

以上のように、本実施例の回路基板１００によれば、ソルダーレジスト層１３によってランドパターン１１の上面が区画され、略円形の島状領域が形成されている。そして、当該島状領域に対してはんだ印刷を行うことにより、はんだ印刷の高さを高くすることができる。したがって、スタンドオフを有する露出パッド付き部品を実装する際に、露出パッドが未接続になることを防止し、はんだ接合性を向上させることが可能となる。

次に、本発明の実施例２について説明する。

本実施例の回路基板は、実施例１の回路基板１００と同様の回路基板構造を有し、はんだ印刷に用いるメタルマスクの構成において、実施例１と異なる。

図８は、本実施例のメタルマスク３５の形状を示す平面図である。メタルマスク３５は、金属の薄板からなるマスク部３５Ａと、開口部３５Ｂと、を有する。メタルマスク３５の開口部３５Ｂは、中央の孔部は図１の丸パッド領域１１Ａに対応する形状を有するが、その周囲の孔部は図１の丸パッド領域１１Ａよりも大きい形状、すなわち丸パッド領域１１Ａと周縁領域１１Ｂとの両方を包含する領域に対応する形状を有する。

本実施例のメタルマスク３５は開口部３５Ｂの面積が大きいため、実施例１のメタルマスク１５を用いた場合と比べて、はんだ印刷の量を増やすことができる。

したがって、本実施例のメタルマスク３５によれば、はんだ印刷の量を増やすことにより、スタンドオフを有する露出パッド付き部品を実装する際のはんだ接合性をさらに向上させることができる。

なお、本発明の実施形態は、上記実施例に記載したものに限られない。例えば、上記実施例では、複数のサーマルビア１２が矩形のランドパターン１１の内周に沿って設けられ、その内側にランドパターン１２の上面が島状に露出するように、ランド開口を有するソルダーレジスト層１３が形成される場合を例として説明した。しかし、サーマルビア１２の形成位置及びソルダーレジスト層１３によるランド開口の形状はこれに限られない。

例えば、図９に示すように、ソルダーレジスト層１３によってランドパターン１１の上面の丸パッド領域１１Ａのみが露出するように（すなわち、図１に示す周縁領域１１Ｂが露出しないように）ランド開口が形成され、その丸パッド領域１１Ａの間を縫うように複数のサーマルビア１２が形成されていてもよい。

かかる構造によれば、サーマルビア１２の数を増やすことができるため、放熱性能をより向上させることが可能となる。

図１０はかかる構造の回路基板に対応するメタルマスク４５の形状を示す平面図である。メタルマスク４５では、丸パッド領域１１Ａに対応する部分にのみ開口部４５Ｂが形成されている。

また、上記実施例では、ランド開口を有するソルダーレジスト層１３によってランドパターン１１の上面が区画され、略円形の島状領域である丸パッド領域１１Ａが形成される場合を例として説明した。しかし、島状領域の形状は略円形に限られず、接合する露出パッド付き部品の種類や露出パッドの形状等に応じて適宜変更可能である。

また、上記実施例では、露出パッド付き部品の例としてＩＣパッケージが搭載される場合を例として説明したが、本発明の回路基板構造は、他の種類の様々な露出パッド付き部品を搭載する場合に適用することが可能である。

１００ 回路基板
１１ ランドパターン
１１Ａ 丸パッド領域
１１Ｂ 周縁領域
１２ サーマルビア
１３ ソルダーレジスト
１４ 周辺端子パッド
１５ メタルマスク
１５Ａ マスク部
１５Ｂ 開口部
２１ ＩＣパッケージ
２２ 露出パッド
２３ リード
２４ 基板
２５ はんだ印刷

Claims (5)

1. 露出パッドを有する実装部品を搭載する回路基板構造であって、
   回路基板と、
   前記回路基板上面に設けられ、前記露出パッドとはんだを介して接続されかつ前記回路基板に設けられた貫通ビアを介して裏面にまで延在しているランドパターンと、
   前記ランドパターンの上に形成されたソルダーレジスト層と、
   を有し、
   前記ソルダーレジスト層は、前記ランドパターンの上面を島状に露出しかつ互いに離間した複数のランド開口を有することを特徴とする回路基板構造。
2. 前記複数のランド開口の各々は、略円形の形状を有することを特徴とする請求項１に記載の回路基板構造。
3. 前記サーマルビアは、前記ランドパターンの内縁に沿って生成されており、
   前記ソルダーレジスト層は、前記サーマルビアを露出するビア開口を有し、
   前記ランド開口と前記ビア開口とは離間していることを特徴とする請求項１又は２に記載の回路基板構造。
4. 露出パッドを有する実装部品を搭載する回路基板の製造方法であって、
   回路基板に貫通ビアと、前記貫通ビアを介して前記回路基板の裏面まで延在するランドパターンと、を形成するステップと、
   前記ランドパターン上に、前記ランドパターンの上面を島状に露出しかつ互いに離間した複数のランド開口を有するソルダーレジスト層を形成するステップと、
   を含むことを特徴とする回路基板の製造方法。
5. 前記ランドパターンの上面の前記島状に露出した領域上にはんだを印刷するステップと、
   前記はんだを溶解して前記ランドパターンの上面と前記露出パッドとを接続するステップと、
   を含むことを特徴とする請求項４に記載の回路基板の製造方法。
   

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