JP3973821B2 - 接合構造及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はプリント配線板とこれに実装する電子部品とを接合する接合構造及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
はんだボール（球状はんだ）を接合部材として電子部品をプリント配線板へはんだ接合する際には、プリント配線板へはんだボールを接合するためのランドを設けて、そこにはんだボールを溶融させて接合している。このようにして電子部品が実装されたプリント配線板は、様々な環境下で運用されるために周囲環境温度や電子部品の自己発熱などで熱が加わることにより、電子部品、及びプリント配線板のそれぞれが有する線膨張係数の違いによってせん断方向の力が発生し、はんだ接合部にせん断応力が付加される。
【０００３】
図１１、図１２、及び図１３は上記のような従来のはんだ接合構造を示す断面図である。図において、１は電子部品、２はＮｉめっき層３とともに電子部品１のはんだボール接合部であるランドを構成する銅箔、３はこの銅箔２上に設けたＮｉめっき層で、４は溶融したはんだボール５が電子部品１側のランドを超えて流れないようにマスクするソルダレジストである。５はＮｉめっき層３及びＮｉめっき層６に接合させたはんだボール、６は銅箔７とともにプリント配線板９のはんだボール接合部であるランドを構成するＮｉめっき層、７はＮｉめっき層６が表面上に形成された銅箔で、８は溶融したはんだボール５がプリント配線板９側のランドを超えて流れないようにマスクするソルダレジストである。９は電子部品１をはんだ接合により実装するプリント配線板である。また、電子部品１のはんだボール接合部のランド寸法（ランド面積）をａ、プリント配線板９のランド寸法（ランド面積）をｂとする。
【０００４】
次に概要について説明する。
先ず、図１１に示すようにａ＜ｂであると、周囲環境温度や電子部品１の自己発熱などで熱が加わることによって電子部品１とプリント配線板９のはんだ接合部にせん断方向の力が加わる。このせん断応力は接合面積の小さい電子部品１のはんだボール接合部に集中するために、応力の不均衡が発生して応力的に不利である電子部品１のはんだボール接合部が破断する。
【０００５】
逆に、図１２に示すようにａ＞ｂであると、周囲環境温度や電子部品１の自己発熱などで熱が加わることによって接合面積の小さいプリント配線板９のランド側にせん断応力が集中する。このため、上記と同様に、応力の不均衡が発生して応力的に不利となるプリント配線板９のランド側のはんだボール接合部が破断する。
【０００６】
このような応力集中による応力分布の不均衡を防ぐため、多くの場合、図１３に示すようにａ＝ｂとして、周囲環境温度や電子部品１の自己発熱などで熱が加わることによって発生するせん断応力の均衡を保ち、この応力が各はんだボール接合部に集中することを防いでいた。
【０００７】
この他のせん断応力によるはんだボール接合部の破断に対する対策として、特開平４−２４５４４８号公報に開示されたはんだ接合方法がある。このはんだ接合方法は、接合部材にプラスチック粒子を配合したはんだを使用し、周囲環境温度や電子部品の自己発熱などで熱が加わることによって応力が生じると、このプラスチック粒子が変形することで発生したせん断応力を吸収し、はんだボール接合部の破断を防止していた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来のはんだ接合方法及びはんだ接合構造は以上のように構成されているので、はんだ接合部の信頼性を確保するために、電子部品１のはんだボール接合部寸法とプリント配線板のランド側のはんだボール接合部寸法とを同一にするのが一般的であったが、このような構成をとるとはんだ接合部の高密度化に対応できないという課題があった。
【０００９】
上記課題を具体的に説明すると、近年の電子機器の小型化にともなってプリント配線板９上の配線や電子部品１内の配線の微細化、及びはんだ接合する端子間のピッチの縮小、配線密度の増大化が求められており、これらの配線経路を確保するためには電子部品１のはんだボール接合部寸法とプリント配線板９のランド側のはんだボール接合部寸法を小型化する必要がある。
このとき、小型化されるにともなって、電子部品１のはんだボール接合部及びプリント配線板９のはんだボール接合部を同一寸法とすると、これらの位置を精度良く合わせなければならない。
また、電子部品１のはんだボール接合部、及びプリント配線板９のはんだボール接合部のはんだとの接合面積が小さくなることから接合強度が減少する。
このため、プリント配線板９や電子部品１内の配線構造が制約を受けることから、両はんだボール接合部の寸法を同一にする構成にできない場合があった。
【００１０】
また、上記両はんだボール接合部の寸法を同一にしなくともよい特開平４−２４５４４８号公報に開示されるはんだ接合方法では、はんだ中のプラスチック粒子分布を均一にしなければならず製造が容易でなく、コストがかかるという課題があった。また、このようなプラスチック粒子が配合されたペースト状はんだは印刷法やディスペンスにより被接合部材間に供給されていたが、簡易に微細な被接合部材間に供給することが可能なはんだボールにする構成は開示されておらず、信頼性に問題があった。
【００１１】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、電子部品及び／若しくはプリント配線板におけるはんだ接合構造の接合層の外周に切り欠いたような凹状を設けて、せん断応力が接合層内に集中するようにしてはんだ接合部にかかる応力を緩和させる接合構造及びその製造方法を得ることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る接合構造は、２つの被接合部材のはんだ接合部の寸法が小さい一方側の接合層外周に厚さ方向に断面積が変曲する凹部を形成したものである。
【００１３】
この発明に係る接合構造は、接合層がはんだより外部からの応力に強い材料からなるものである。
【００１４】
この発明に係るはんだ接合構造の製造方法は、被接合部材の表面上に形成した導電パターンをはんだに接合させる箇所のみを開口部として露出させてエッチングレジストでマスクする第１工程と、上記開口部及びこの周囲の導電パターンをエッチングして上記開口部の周囲にアンダーカットを形成する第２工程と、上記第２工程でエッチングした上記開口部及びこの周囲の導電パターン上に、はんだより外部からの応力に強い材料を積層して、外周に凹部を有する上記接合層を形成する第３工程とを備えるものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるはんだ接合構造を示す断面図であり、図２は周囲環境の変化や電子部品の自己発熱などによる温度変化で生じたせん断応力が図１のはんだ接合構造に加わったときの状態を説明する断面図である。図において、１ははんだボール５を介して接合される電子部品（被接合部材）、２はＮｉめっき層３ａとともに電子部品１のはんだボール接合部であるランドを構成する銅箔、３ａはこの銅箔２上に設けたＮｉめっき層（接合層）で、はんだボール５側及び電子部品１側の各端面の面積より両端面間の断面積が小さくなるように外周に切り欠いたような凹状１０を形成している。４ａは溶融したはんだボール５が電子部品１側のランド（Ｎｉめっき層３ａ）を超えて流れないようにマスクするソルダレジストである。５は溶融することでＮｉめっき層３ａ及びＮｉめっき層６と接合するはんだボール、６は銅箔７とともにプリント配線板９のはんだボール接合部であるランドを構成するＮｉめっき層、７はＮｉめっき層６が表面上に形成された銅箔で、８は溶融したはんだボール５がプリント配線板９側のランドを超えて流れないようにマスクするソルダレジストである。９は電子部品１をはんだ接合により実装するプリント配線板（被接合部材）である。１０はＮｉめっき層３ａの外周に形成した凹状である。また、プリント配線板９のランド側のはんだボール接合部寸法（ランド面積）をａ、電子部品１のはんだボール接合部寸法（ランド面積）をｂとする。
【００１６】
次に概要について説明する。
先ず、電子部品１のパッケージベース基板の端子部について説明する。パッケージベース基板の銅箔からなる導電パターン上には、ソルダレジストで端子部とする部分のみを開口して被覆されており、この開口部の銅箔２の表面上にＮｉめっき層３ａが設けられている。さらに、このＮｉめっき層３ａ上には金めっきを施しておく（図１でははんだボール５とＮｉめっき層３ａとを接合させた後の状態を示しているので、この金めっきの金ははんだボール５中に拡散しており図示されていない）。また、Ｎｉめっき層３ａには外周に切り欠いたような凹状１０を設けておく。上記端子部ははんだボール５を上記金めっきを施したＮｉめっき層３ａ上に配置し、リフローなどの方法ではんだボール５をＮｉめっき層３ａに溶着させて作成する。
【００１７】
このようなはんだボール５による端子部を有する電子部品１をプリント配線板９に実装したときのはんだ接合構造の一例が図１である。図では電子部品１のはんだボール接合部寸法ａがプリント配線板９のランド側のはんだボール接合部寸法ｂ以下である場合を示している。
【００１８】
このとき、周囲環境の変化や電子部品１の自己発熱などで温度変化が生じた場合、電子部品１及びプリント配線板９の線膨張係数の違いから、例えば図２中の矢印方向のようなせん断方向の力が発生する。この力による応力ははんだ接合部の寸法が小さい電子部品１側に集中するが、その中でも切り欠いたような凹状１０を有するＮｉめっき層３ａ内に集中する。これにより、はんだボール５及びこれとＮｉめっき層３ａとの接合部が受けるせん断応力は緩和されるので、これらが破断するまでの寿命は延びることになる。
【００１９】
また、Ｎｉははんだに比べて強度が高いために凹状１０に応力が集中しても、この凹状１０ははんだボール５及びこれとＮｉめっき層３ａの接合部よりも長い寿命を有するので、その結果として本願発明のはんだ接合構造も長寿命が得られる。
これを簡単に定量的に説明すると、従来技術において述べた図１１（ａ＜ｂ）の構成に冷熱衝撃試験（温度サイクル試験）を実施すると、２００〜３００サイクルではんだボール５との接合部にクラックや断線が生じていたが、Ｎｉめっき層３ａの外周に凹状１０を形成することにより、８００サイクル程度まではんだボール５との接合部にクラックや断線が生じなかった。これにより、本願発明の構成とすることにより、従来の２〜３倍の長寿命化を期待することができる。
【００２０】
また、従来のように信頼性を確保するために電子部品１のはんだボール接合部とプリント配線板９のランド側のはんだボール接合部を同一寸法にする必要はなくなるために、配線密度などの制約を受けることがなく、プリント配線板９や電子部品１内の配線自由度を向上させることができる。
【００２１】
次にこの実施の形態１によるはんだ接合構造の他の構成例を示す。
図３は実施の形態１によるはんだ接合構造の他の例（変形例１）を示す断面図であり、電子部品１側でなく、プリント配線板９側のＮｉめっき層に凹状１０を設けたものである。また、図４は周囲環境の変化や電子部品の自己発熱などによる温度変化で生じたせん断応力が図３のはんだ接合構造に加わったときの状態を説明する断面図である。図において、３は図１１，１２，１３と同様に外周に凹状を形成していない電子部品１側のＮｉめっき層（接合層）、６ａはプリント配線板９の導電パターンである銅箔７上に設けたＮｉめっき層（接合層）で、はんだボール５側及びプリント配線板９側の各端面の面積より両端面間の断面積が小さくなるように外周に切り欠いたような凹状１０を形成している。８ａは溶融したはんだボール５がプリント配線板９側のランド（Ｎｉめっき層６ａ）を超えて流れないようにマスクするソルダレジストである。なお、図１と同一構成要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００２２】
概要について説明すると、図３の例では電子部品１のはんだボール接合部寸法≧プリント配線板９側のはんだボール接合部寸法となっているので、周囲環境の変化や電子部品１の自己発熱などで温度変化が生じた場合、寸法の小さいプリント配線板９側のＮｉめっき層６ａが図４に示す矢印方向にせん断応力を受ける。この場合も、図２と同様にＮｉめっき層６ａの凹状１０に応力が集中するので、はんだボール５及びこれとＮｉめっき層６ａの接合部が受けるせん断応力は緩和されるので、これらが破断するまでの寿命は延びることになる。
【００２３】
また、図５は実施の形態１によるはんだ接合構造の他の例（変形例２）を示す断面図であり、電子部品１側及びプリント配線板９側のＮｉめっき層３ａ，６ａに凹状１０を設けたものである。なお、図１及び図３と同一構成要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００２４】
概要について説明する。電子部品１側及びプリント配線板９側のＮｉめっき層３ａ，６ａの外周に切り欠いたような凹状１０を形成すると、周囲環境の変化や電子部品の自己発熱などによる温度変化で生じたせん断応力の不均衡を抑えるために電子部品１側もプリント配線板９側もはんだボール接合部寸法を同一にする必要がある。このとき、上記せん断応力は強度の高い各Ｎｉめっき層３ａ，６ａの凹状１０に集中するために、従来と比較してせん断応力に対する耐性が向上している。これより、従来のＮｉめっき層に凹状１０がない場合と比べてはんだ接合面積を小さくすることができるので、電子部品１内の配線、及びプリント配線板９の配線に対する自由度を向上させることができる。
【００２５】
以上のように、この実施の形態１によれば、電子部品１及び／若しくはプリント配線板９に設けたＮｉめっき層のうちの少なくとも一方に、はんだボール５側の端面の面積、電子部品１及び／若しくはプリント配線板９側の端面の面積より、両端面間の断面積が小さくなるように外周に凹状１０を形成したので、周囲環境の変化や電子部品１の自己発熱などの温度変化によって生じたせん断応力が、各Ｎｉめっき層３ａ，６ａの凹状１０に集中することから、はんだボール５及びこれとＮｉめっき層３ａ，６ａの接合部が受けるせん断応力を緩和することができ、これに対する耐性を向上させることができる。これにより、従来のように信頼性を確保するために電子部品１のはんだボール接合部とプリント配線板９のランド側のはんだボール接合部を同一寸法にする必要はなくなるために、配線密度などの制約を受けることがなく、プリント配線板９や電子部品１内の配線自由度を向上させることができる。
【００２６】
また、この実施の形態１によれば、電子部品１及び／若しくはプリント配線板９がはんだボール５より外部からの応力に強いＮｉから構成されるので、はんだに比べて強度が高いＮｉを使用することから、その凹状１０に上述したせん断応力が集中してもせん断応力に対する耐性を損なうことがない。
【００２７】
なお、上記実施の形態では、凹状を形成するめっき層にＮｉを使用した例を示したが、これに限らず、はんだよりも強度があり、一般なプリント配線板の導電パターンの表面処理となる金属であればよい。例えば、Ｎｉ以外の金属としてＰｄ、Ａｕなどが考えられる。
【００２８】
実施の形態２．
上記実施の形態１では外周に凹状を形成した接合層によるはんだ接合について示したが、この実施の形態２は外周に凹状を有する接合層の製造方法を示す。
【００２９】
図６〜１０はこの発明のはんだ接合構造における接合層の製造工程を示す断面図であり、プリント配線板９側の接合層の製造工程を示している。図において、１１はパターニング前のプリント配線板９表面上に形成されている薄膜銅層、１２は薄膜銅層１１をパターンニングするためのエッチングレジスト、１３は後述するソフトエッチングによって薄膜銅層１１の周囲に形成されたソルダレジスト８ａの下方部分がエッチングされることによって生じるソルダレジスト８ａのオーバハング（エッチングレジスト）、１４は後述する湿式めっきによって形成されるＮｉめっき層（接合層）、１５はＮｉめっき層１４の表面に形成した金めっき層である。なお、図１と同一構成要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００３０】
次に概要について説明する。
先ず、プリント配線板９に形成されたベタの薄膜銅層１１をパターンニングするために、図６に示すように薄膜銅層１１上にエッチングレジスト１２を塗布する。このとき、例えばはんだボール接合部のランドや配線パターンなどを形成する領域をマスクする。
【００３１】
次に、銅に対する通常のエッチング処理を施して図７に示すようにはんだボール接合部のランドや配線パターンなどを形成する。
【００３２】
パターン形成されたプリント配線板９のエッチングレジスト１２を剥離し、図８に示すようにソルダレジスト８ａを塗布して、はんだと接合する箇所のみを開口して薄膜銅層１１を露出させておく（第１工程）。
【００３３】
次に、図９に示すように、薄膜銅層１１の露出箇所に対してソフトエッチングを施し、薄膜銅層１１の露出部分を軽くエッチングする。その際、エッチング液がエッチングレジストとなるソルダレジスト８ａの下まで入り込むようにする。具体的には、例えば、通常の銅をエッチングするのに使用する過硫酸ソーダなどのエッチング液に浸漬させ、時間及び温度を適切に制御することで、薄膜銅層１１の表面を深さ５〜２０μｍ程度エッチングする。これにより、薄膜銅層１１の露出箇所、及び、この露出箇所周囲に形成されたソルダレジスト８ａの下方における薄膜銅層１１がエッチングされて、薄膜銅層１１のアンダーカットをソルダレジスト８ａがマスクするオーバハング１３が形成される（第２工程）。なお、上記エッチングの時間及び温度については、使用する薬液、装置などにより異なるため、これらの仕様を考慮して最適な条件を求めておく。
【００３４】
この後、湿式めっきによってＮｉめっきを施す。このとき、図１０に示すように、めっき液はソルダレジスト８ａのオーバハング１３の下方まで回り込むのでソルダレジスト８ａの端部を巻き込むような形となる。このようにしてＮｉめっきをＮｉめっき層１４が所定の厚さになるまで継続する。これにより、ソルダレジスト８ａを巻き込むことでＮｉめっき層１４の外周に切り欠いたような凹状１０が形成される（第３工程）。Ｎｉめっき完了後は、無電解めっきを施してＮｉめっき層１４の表面に金めっき層１５を形成して処理を完了する。
【００３５】
以上のように、この実施の形態２によれば、被接合部材の表面上に形成した薄膜銅層１１をはんだボール５に接合させる箇所のみを開口部として露出させてソルダレジスト８ａでマスクし、開口部、及び、この周囲に形成されたソルダレジスト８ａの下方における薄膜銅層１１をソフトエッチングし、このエッチングした開口部、及び、この周囲に形成されたソルダレジスト８ａの下方における薄膜銅層１１上に、はんだボール５より外部からの応力に強い材料の湿式めっきを施して、外周に凹状１０を有する接合層を形成するので、外周に凹状を有する接合層を簡易に形成することができる。また、ソフトエッチングにおける条件を調整することで凹状１０を所望の断面積に形成することができる。
【００３６】
なお、上記実施の形態ではＮｉを使用して凹状を形成する例を示したが、これに限らず、はんだよりも強度があり、一般なプリント配線板の導電パターンの表面処理となるＰｄ、Ａｕなどにおいても上述の方法により接合層を形成することができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、２つの被接合部材のはんだ接合部の寸法が小さい一方側の接合層外周に厚さ方向に断面積が変曲する凹部を形成するので、周囲環境の変化や電子部品の自己発熱などの温度変化によって生じたせん断応力が、接合層の凹状に集中することから、接合部材及びこれと接合層との接合部が受けるせん断応力を緩和することができ、これに対する耐性を向上させることができる効果がある。これにより、従来のように信頼性を確保するために被接合部材間のはんだ接合部を同一寸法にする必要はなくなるために設計上の自由度を向上させることができ、はんだ接合部の高密度化を図ることができる。
【００３８】
この発明によれば、接合層がはんだより外部からの応力に強い材料からなるので、接合層の凹状にせん断応力が集中しても、これに対する耐性を損なうことがないという効果がある。
【００３９】
この発明の接合構造の製造方法によれば、被接合部材の表面上に形成した導電パターンをはんだに接合させる箇所のみを開口部として露出させてエッチングレジストでマスクする第１工程と、開口部及びこの周囲の導電パターンをエッチングして上記開口部の周囲にアンダーカットを形成する第２工程と、第２工程でエッチングした開口部及びこの周囲の導電パターン上に、はんだより外部からの応力に強い材料を積層して、外周に凹部を有する上記接合層を形成する第３工程とを備えるので、外周に凹状を有する接合層を簡易に形成することができる効果がある。また、アンダーカット形成工程における条件を調整することで凹状を所望の断面積に形成することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１によるはんだ接合構造を示す断面図である。
【図２】 図１のはんだ接合構造にせん断応力が加わったときの状態を説明する断面図である。
【図３】 実施の形態１によるはんだ接合構造の他の例を示す断面図である。
【図４】 図３のはんだ接合構造にせん断応力が加わったときの状態を説明する断面図である。
【図５】 実施の形態１によるはんだ接合構造の他の例を示す断面図である。
【図６】 この発明のはんだ接合構造における接合層の製造工程を示す断面図である。
【図７】 この発明のはんだ接合構造における接合層の製造工程を示す断面図である。
【図８】 この発明のはんだ接合構造における接合層の製造工程を示す断面図である。
【図９】 この発明のはんだ接合構造における接合層の製造工程を示す断面図である。
【図１０】 この発明のはんだ接合構造における接合層の製造工程を示す断面図である。
【図１１】 従来のはんだ接合構造を示す断面図である。
【図１２】 従来のはんだ接合構造を示す断面図である。
【図１３】 従来のはんだ接合構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 電子部品（被接合部材）、２ 銅箔、３，３ａ Ｎｉめっき層（接合層）、４，４ａ ソルダレジスト、５ はんだボール、６ Ｎｉめっき層（接合層）、７ 銅箔、８，８ａ ソルダレジスト、９ プリント配線板（被接合部材）、１０ 凹状、１１ 薄膜銅層、１２ エッチングレジスト、１３ オーバハング（エッチングレジスト）、１４ Ｎｉめっき層（接合層）、１５ 金めっき層。
【発明の属する技術分野】
この発明はプリント配線板とこれに実装する電子部品とを接合する接合構造及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
はんだボール（球状はんだ）を接合部材として電子部品をプリント配線板へはんだ接合する際には、プリント配線板へはんだボールを接合するためのランドを設けて、そこにはんだボールを溶融させて接合している。このようにして電子部品が実装されたプリント配線板は、様々な環境下で運用されるために周囲環境温度や電子部品の自己発熱などで熱が加わることにより、電子部品、及びプリント配線板のそれぞれが有する線膨張係数の違いによってせん断方向の力が発生し、はんだ接合部にせん断応力が付加される。
【０００３】
図１１、図１２、及び図１３は上記のような従来のはんだ接合構造を示す断面図である。図において、１は電子部品、２はＮｉめっき層３とともに電子部品１のはんだボール接合部であるランドを構成する銅箔、３はこの銅箔２上に設けたＮｉめっき層で、４は溶融したはんだボール５が電子部品１側のランドを超えて流れないようにマスクするソルダレジストである。５はＮｉめっき層３及びＮｉめっき層６に接合させたはんだボール、６は銅箔７とともにプリント配線板９のはんだボール接合部であるランドを構成するＮｉめっき層、７はＮｉめっき層６が表面上に形成された銅箔で、８は溶融したはんだボール５がプリント配線板９側のランドを超えて流れないようにマスクするソルダレジストである。９は電子部品１をはんだ接合により実装するプリント配線板である。また、電子部品１のはんだボール接合部のランド寸法（ランド面積）をａ、プリント配線板９のランド寸法（ランド面積）をｂとする。
【０００４】
次に概要について説明する。
先ず、図１１に示すようにａ＜ｂであると、周囲環境温度や電子部品１の自己発熱などで熱が加わることによって電子部品１とプリント配線板９のはんだ接合部にせん断方向の力が加わる。このせん断応力は接合面積の小さい電子部品１のはんだボール接合部に集中するために、応力の不均衡が発生して応力的に不利である電子部品１のはんだボール接合部が破断する。
【０００５】
逆に、図１２に示すようにａ＞ｂであると、周囲環境温度や電子部品１の自己発熱などで熱が加わることによって接合面積の小さいプリント配線板９のランド側にせん断応力が集中する。このため、上記と同様に、応力の不均衡が発生して応力的に不利となるプリント配線板９のランド側のはんだボール接合部が破断する。
【０００６】
このような応力集中による応力分布の不均衡を防ぐため、多くの場合、図１３に示すようにａ＝ｂとして、周囲環境温度や電子部品１の自己発熱などで熱が加わることによって発生するせん断応力の均衡を保ち、この応力が各はんだボール接合部に集中することを防いでいた。
【０００７】
この他のせん断応力によるはんだボール接合部の破断に対する対策として、特開平４−２４５４４８号公報に開示されたはんだ接合方法がある。このはんだ接合方法は、接合部材にプラスチック粒子を配合したはんだを使用し、周囲環境温度や電子部品の自己発熱などで熱が加わることによって応力が生じると、このプラスチック粒子が変形することで発生したせん断応力を吸収し、はんだボール接合部の破断を防止していた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来のはんだ接合方法及びはんだ接合構造は以上のように構成されているので、はんだ接合部の信頼性を確保するために、電子部品１のはんだボール接合部寸法とプリント配線板のランド側のはんだボール接合部寸法とを同一にするのが一般的であったが、このような構成をとるとはんだ接合部の高密度化に対応できないという課題があった。
【０００９】
上記課題を具体的に説明すると、近年の電子機器の小型化にともなってプリント配線板９上の配線や電子部品１内の配線の微細化、及びはんだ接合する端子間のピッチの縮小、配線密度の増大化が求められており、これらの配線経路を確保するためには電子部品１のはんだボール接合部寸法とプリント配線板９のランド側のはんだボール接合部寸法を小型化する必要がある。
このとき、小型化されるにともなって、電子部品１のはんだボール接合部及びプリント配線板９のはんだボール接合部を同一寸法とすると、これらの位置を精度良く合わせなければならない。
また、電子部品１のはんだボール接合部、及びプリント配線板９のはんだボール接合部のはんだとの接合面積が小さくなることから接合強度が減少する。
このため、プリント配線板９や電子部品１内の配線構造が制約を受けることから、両はんだボール接合部の寸法を同一にする構成にできない場合があった。
【００１０】
また、上記両はんだボール接合部の寸法を同一にしなくともよい特開平４−２４５４４８号公報に開示されるはんだ接合方法では、はんだ中のプラスチック粒子分布を均一にしなければならず製造が容易でなく、コストがかかるという課題があった。また、このようなプラスチック粒子が配合されたペースト状はんだは印刷法やディスペンスにより被接合部材間に供給されていたが、簡易に微細な被接合部材間に供給することが可能なはんだボールにする構成は開示されておらず、信頼性に問題があった。
【００１１】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、電子部品及び／若しくはプリント配線板におけるはんだ接合構造の接合層の外周に切り欠いたような凹状を設けて、せん断応力が接合層内に集中するようにしてはんだ接合部にかかる応力を緩和させる接合構造及びその製造方法を得ることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る接合構造は、２つの被接合部材のはんだ接合部の寸法が小さい一方側の接合層外周に厚さ方向に断面積が変曲する凹部を形成したものである。
【００１３】
この発明に係る接合構造は、接合層がはんだより外部からの応力に強い材料からなるものである。
【００１４】
この発明に係るはんだ接合構造の製造方法は、被接合部材の表面上に形成した導電パターンをはんだに接合させる箇所のみを開口部として露出させてエッチングレジストでマスクする第１工程と、上記開口部及びこの周囲の導電パターンをエッチングして上記開口部の周囲にアンダーカットを形成する第２工程と、上記第２工程でエッチングした上記開口部及びこの周囲の導電パターン上に、はんだより外部からの応力に強い材料を積層して、外周に凹部を有する上記接合層を形成する第３工程とを備えるものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるはんだ接合構造を示す断面図であり、図２は周囲環境の変化や電子部品の自己発熱などによる温度変化で生じたせん断応力が図１のはんだ接合構造に加わったときの状態を説明する断面図である。図において、１ははんだボール５を介して接合される電子部品（被接合部材）、２はＮｉめっき層３ａとともに電子部品１のはんだボール接合部であるランドを構成する銅箔、３ａはこの銅箔２上に設けたＮｉめっき層（接合層）で、はんだボール５側及び電子部品１側の各端面の面積より両端面間の断面積が小さくなるように外周に切り欠いたような凹状１０を形成している。４ａは溶融したはんだボール５が電子部品１側のランド（Ｎｉめっき層３ａ）を超えて流れないようにマスクするソルダレジストである。５は溶融することでＮｉめっき層３ａ及びＮｉめっき層６と接合するはんだボール、６は銅箔７とともにプリント配線板９のはんだボール接合部であるランドを構成するＮｉめっき層、７はＮｉめっき層６が表面上に形成された銅箔で、８は溶融したはんだボール５がプリント配線板９側のランドを超えて流れないようにマスクするソルダレジストである。９は電子部品１をはんだ接合により実装するプリント配線板（被接合部材）である。１０はＮｉめっき層３ａの外周に形成した凹状である。また、プリント配線板９のランド側のはんだボール接合部寸法（ランド面積）をａ、電子部品１のはんだボール接合部寸法（ランド面積）をｂとする。
【００１６】
次に概要について説明する。
先ず、電子部品１のパッケージベース基板の端子部について説明する。パッケージベース基板の銅箔からなる導電パターン上には、ソルダレジストで端子部とする部分のみを開口して被覆されており、この開口部の銅箔２の表面上にＮｉめっき層３ａが設けられている。さらに、このＮｉめっき層３ａ上には金めっきを施しておく（図１でははんだボール５とＮｉめっき層３ａとを接合させた後の状態を示しているので、この金めっきの金ははんだボール５中に拡散しており図示されていない）。また、Ｎｉめっき層３ａには外周に切り欠いたような凹状１０を設けておく。上記端子部ははんだボール５を上記金めっきを施したＮｉめっき層３ａ上に配置し、リフローなどの方法ではんだボール５をＮｉめっき層３ａに溶着させて作成する。
【００１７】
このようなはんだボール５による端子部を有する電子部品１をプリント配線板９に実装したときのはんだ接合構造の一例が図１である。図では電子部品１のはんだボール接合部寸法ａがプリント配線板９のランド側のはんだボール接合部寸法ｂ以下である場合を示している。
【００１８】
このとき、周囲環境の変化や電子部品１の自己発熱などで温度変化が生じた場合、電子部品１及びプリント配線板９の線膨張係数の違いから、例えば図２中の矢印方向のようなせん断方向の力が発生する。この力による応力ははんだ接合部の寸法が小さい電子部品１側に集中するが、その中でも切り欠いたような凹状１０を有するＮｉめっき層３ａ内に集中する。これにより、はんだボール５及びこれとＮｉめっき層３ａとの接合部が受けるせん断応力は緩和されるので、これらが破断するまでの寿命は延びることになる。
【００１９】
また、Ｎｉははんだに比べて強度が高いために凹状１０に応力が集中しても、この凹状１０ははんだボール５及びこれとＮｉめっき層３ａの接合部よりも長い寿命を有するので、その結果として本願発明のはんだ接合構造も長寿命が得られる。
これを簡単に定量的に説明すると、従来技術において述べた図１１（ａ＜ｂ）の構成に冷熱衝撃試験（温度サイクル試験）を実施すると、２００〜３００サイクルではんだボール５との接合部にクラックや断線が生じていたが、Ｎｉめっき層３ａの外周に凹状１０を形成することにより、８００サイクル程度まではんだボール５との接合部にクラックや断線が生じなかった。これにより、本願発明の構成とすることにより、従来の２〜３倍の長寿命化を期待することができる。
【００２０】
また、従来のように信頼性を確保するために電子部品１のはんだボール接合部とプリント配線板９のランド側のはんだボール接合部を同一寸法にする必要はなくなるために、配線密度などの制約を受けることがなく、プリント配線板９や電子部品１内の配線自由度を向上させることができる。
【００２１】
次にこの実施の形態１によるはんだ接合構造の他の構成例を示す。
図３は実施の形態１によるはんだ接合構造の他の例（変形例１）を示す断面図であり、電子部品１側でなく、プリント配線板９側のＮｉめっき層に凹状１０を設けたものである。また、図４は周囲環境の変化や電子部品の自己発熱などによる温度変化で生じたせん断応力が図３のはんだ接合構造に加わったときの状態を説明する断面図である。図において、３は図１１，１２，１３と同様に外周に凹状を形成していない電子部品１側のＮｉめっき層（接合層）、６ａはプリント配線板９の導電パターンである銅箔７上に設けたＮｉめっき層（接合層）で、はんだボール５側及びプリント配線板９側の各端面の面積より両端面間の断面積が小さくなるように外周に切り欠いたような凹状１０を形成している。８ａは溶融したはんだボール５がプリント配線板９側のランド（Ｎｉめっき層６ａ）を超えて流れないようにマスクするソルダレジストである。なお、図１と同一構成要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００２２】
概要について説明すると、図３の例では電子部品１のはんだボール接合部寸法≧プリント配線板９側のはんだボール接合部寸法となっているので、周囲環境の変化や電子部品１の自己発熱などで温度変化が生じた場合、寸法の小さいプリント配線板９側のＮｉめっき層６ａが図４に示す矢印方向にせん断応力を受ける。この場合も、図２と同様にＮｉめっき層６ａの凹状１０に応力が集中するので、はんだボール５及びこれとＮｉめっき層６ａの接合部が受けるせん断応力は緩和されるので、これらが破断するまでの寿命は延びることになる。
【００２３】
また、図５は実施の形態１によるはんだ接合構造の他の例（変形例２）を示す断面図であり、電子部品１側及びプリント配線板９側のＮｉめっき層３ａ，６ａに凹状１０を設けたものである。なお、図１及び図３と同一構成要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００２４】
概要について説明する。電子部品１側及びプリント配線板９側のＮｉめっき層３ａ，６ａの外周に切り欠いたような凹状１０を形成すると、周囲環境の変化や電子部品の自己発熱などによる温度変化で生じたせん断応力の不均衡を抑えるために電子部品１側もプリント配線板９側もはんだボール接合部寸法を同一にする必要がある。このとき、上記せん断応力は強度の高い各Ｎｉめっき層３ａ，６ａの凹状１０に集中するために、従来と比較してせん断応力に対する耐性が向上している。これより、従来のＮｉめっき層に凹状１０がない場合と比べてはんだ接合面積を小さくすることができるので、電子部品１内の配線、及びプリント配線板９の配線に対する自由度を向上させることができる。
【００２５】
以上のように、この実施の形態１によれば、電子部品１及び／若しくはプリント配線板９に設けたＮｉめっき層のうちの少なくとも一方に、はんだボール５側の端面の面積、電子部品１及び／若しくはプリント配線板９側の端面の面積より、両端面間の断面積が小さくなるように外周に凹状１０を形成したので、周囲環境の変化や電子部品１の自己発熱などの温度変化によって生じたせん断応力が、各Ｎｉめっき層３ａ，６ａの凹状１０に集中することから、はんだボール５及びこれとＮｉめっき層３ａ，６ａの接合部が受けるせん断応力を緩和することができ、これに対する耐性を向上させることができる。これにより、従来のように信頼性を確保するために電子部品１のはんだボール接合部とプリント配線板９のランド側のはんだボール接合部を同一寸法にする必要はなくなるために、配線密度などの制約を受けることがなく、プリント配線板９や電子部品１内の配線自由度を向上させることができる。
【００２６】
また、この実施の形態１によれば、電子部品１及び／若しくはプリント配線板９がはんだボール５より外部からの応力に強いＮｉから構成されるので、はんだに比べて強度が高いＮｉを使用することから、その凹状１０に上述したせん断応力が集中してもせん断応力に対する耐性を損なうことがない。
【００２７】
なお、上記実施の形態では、凹状を形成するめっき層にＮｉを使用した例を示したが、これに限らず、はんだよりも強度があり、一般なプリント配線板の導電パターンの表面処理となる金属であればよい。例えば、Ｎｉ以外の金属としてＰｄ、Ａｕなどが考えられる。
【００２８】
実施の形態２．
上記実施の形態１では外周に凹状を形成した接合層によるはんだ接合について示したが、この実施の形態２は外周に凹状を有する接合層の製造方法を示す。
【００２９】
図６〜１０はこの発明のはんだ接合構造における接合層の製造工程を示す断面図であり、プリント配線板９側の接合層の製造工程を示している。図において、１１はパターニング前のプリント配線板９表面上に形成されている薄膜銅層、１２は薄膜銅層１１をパターンニングするためのエッチングレジスト、１３は後述するソフトエッチングによって薄膜銅層１１の周囲に形成されたソルダレジスト８ａの下方部分がエッチングされることによって生じるソルダレジスト８ａのオーバハング（エッチングレジスト）、１４は後述する湿式めっきによって形成されるＮｉめっき層（接合層）、１５はＮｉめっき層１４の表面に形成した金めっき層である。なお、図１と同一構成要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００３０】
次に概要について説明する。
先ず、プリント配線板９に形成されたベタの薄膜銅層１１をパターンニングするために、図６に示すように薄膜銅層１１上にエッチングレジスト１２を塗布する。このとき、例えばはんだボール接合部のランドや配線パターンなどを形成する領域をマスクする。
【００３１】
次に、銅に対する通常のエッチング処理を施して図７に示すようにはんだボール接合部のランドや配線パターンなどを形成する。
【００３２】
パターン形成されたプリント配線板９のエッチングレジスト１２を剥離し、図８に示すようにソルダレジスト８ａを塗布して、はんだと接合する箇所のみを開口して薄膜銅層１１を露出させておく（第１工程）。
【００３３】
次に、図９に示すように、薄膜銅層１１の露出箇所に対してソフトエッチングを施し、薄膜銅層１１の露出部分を軽くエッチングする。その際、エッチング液がエッチングレジストとなるソルダレジスト８ａの下まで入り込むようにする。具体的には、例えば、通常の銅をエッチングするのに使用する過硫酸ソーダなどのエッチング液に浸漬させ、時間及び温度を適切に制御することで、薄膜銅層１１の表面を深さ５〜２０μｍ程度エッチングする。これにより、薄膜銅層１１の露出箇所、及び、この露出箇所周囲に形成されたソルダレジスト８ａの下方における薄膜銅層１１がエッチングされて、薄膜銅層１１のアンダーカットをソルダレジスト８ａがマスクするオーバハング１３が形成される（第２工程）。なお、上記エッチングの時間及び温度については、使用する薬液、装置などにより異なるため、これらの仕様を考慮して最適な条件を求めておく。
【００３４】
この後、湿式めっきによってＮｉめっきを施す。このとき、図１０に示すように、めっき液はソルダレジスト８ａのオーバハング１３の下方まで回り込むのでソルダレジスト８ａの端部を巻き込むような形となる。このようにしてＮｉめっきをＮｉめっき層１４が所定の厚さになるまで継続する。これにより、ソルダレジスト８ａを巻き込むことでＮｉめっき層１４の外周に切り欠いたような凹状１０が形成される（第３工程）。Ｎｉめっき完了後は、無電解めっきを施してＮｉめっき層１４の表面に金めっき層１５を形成して処理を完了する。
【００３５】
以上のように、この実施の形態２によれば、被接合部材の表面上に形成した薄膜銅層１１をはんだボール５に接合させる箇所のみを開口部として露出させてソルダレジスト８ａでマスクし、開口部、及び、この周囲に形成されたソルダレジスト８ａの下方における薄膜銅層１１をソフトエッチングし、このエッチングした開口部、及び、この周囲に形成されたソルダレジスト８ａの下方における薄膜銅層１１上に、はんだボール５より外部からの応力に強い材料の湿式めっきを施して、外周に凹状１０を有する接合層を形成するので、外周に凹状を有する接合層を簡易に形成することができる。また、ソフトエッチングにおける条件を調整することで凹状１０を所望の断面積に形成することができる。
【００３６】
なお、上記実施の形態ではＮｉを使用して凹状を形成する例を示したが、これに限らず、はんだよりも強度があり、一般なプリント配線板の導電パターンの表面処理となるＰｄ、Ａｕなどにおいても上述の方法により接合層を形成することができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、２つの被接合部材のはんだ接合部の寸法が小さい一方側の接合層外周に厚さ方向に断面積が変曲する凹部を形成するので、周囲環境の変化や電子部品の自己発熱などの温度変化によって生じたせん断応力が、接合層の凹状に集中することから、接合部材及びこれと接合層との接合部が受けるせん断応力を緩和することができ、これに対する耐性を向上させることができる効果がある。これにより、従来のように信頼性を確保するために被接合部材間のはんだ接合部を同一寸法にする必要はなくなるために設計上の自由度を向上させることができ、はんだ接合部の高密度化を図ることができる。
【００３８】
この発明によれば、接合層がはんだより外部からの応力に強い材料からなるので、接合層の凹状にせん断応力が集中しても、これに対する耐性を損なうことがないという効果がある。
【００３９】
この発明の接合構造の製造方法によれば、被接合部材の表面上に形成した導電パターンをはんだに接合させる箇所のみを開口部として露出させてエッチングレジストでマスクする第１工程と、開口部及びこの周囲の導電パターンをエッチングして上記開口部の周囲にアンダーカットを形成する第２工程と、第２工程でエッチングした開口部及びこの周囲の導電パターン上に、はんだより外部からの応力に強い材料を積層して、外周に凹部を有する上記接合層を形成する第３工程とを備えるので、外周に凹状を有する接合層を簡易に形成することができる効果がある。また、アンダーカット形成工程における条件を調整することで凹状を所望の断面積に形成することができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１によるはんだ接合構造を示す断面図である。
【図２】 図１のはんだ接合構造にせん断応力が加わったときの状態を説明する断面図である。
【図３】 実施の形態１によるはんだ接合構造の他の例を示す断面図である。
【図４】 図３のはんだ接合構造にせん断応力が加わったときの状態を説明する断面図である。
【図５】 実施の形態１によるはんだ接合構造の他の例を示す断面図である。
【図６】 この発明のはんだ接合構造における接合層の製造工程を示す断面図である。
【図７】 この発明のはんだ接合構造における接合層の製造工程を示す断面図である。
【図８】 この発明のはんだ接合構造における接合層の製造工程を示す断面図である。
【図９】 この発明のはんだ接合構造における接合層の製造工程を示す断面図である。
【図１０】 この発明のはんだ接合構造における接合層の製造工程を示す断面図である。
【図１１】 従来のはんだ接合構造を示す断面図である。
【図１２】 従来のはんだ接合構造を示す断面図である。
【図１３】 従来のはんだ接合構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 電子部品（被接合部材）、２ 銅箔、３，３ａ Ｎｉめっき層（接合層）、４，４ａ ソルダレジスト、５ はんだボール、６ Ｎｉめっき層（接合層）、７ 銅箔、８，８ａ ソルダレジスト、９ プリント配線板（被接合部材）、１０ 凹状、１１ 薄膜銅層、１２ エッチングレジスト、１３ オーバハング（エッチングレジスト）、１４ Ｎｉめっき層（接合層）、１５ 金めっき層。
Claims (3)
- ２つの被接合部材間を各々接合層を介してはんだ接合する接合構造において、
上記２つの被接合部材のはんだ接合部の寸法が小さい一方側の接合層外周に厚さ方向に断面積が変曲する凹部を形成したことを特徴とする接合構造。 - 接合層は、はんだより外部からの応力に強い材料からなることを特徴とする請求項１記載の接合構造。
- ２つの被接合部材間を各々接合層を介してはんだ接合する接合構造の製造方法において、
上記被接合部材の表面上に形成した導電パターンをはんだに接合させる箇所のみを開口部として露出させてエッチングレジストでマスクする第１工程と、
上記開口部及びこの周囲の導電パターンをエッチングして上記開口部の周囲にアンダーカットを形成する第２工程と、
上記第２工程でエッチングした上記開口部及びこの周囲の導電パターン上に、はんだより外部からの応力に強い材料を積層して、外周に凹部を有する上記接合層を形成する第３工程と
を備えたことを特徴とする接合構造の製造方法。
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