JP4152006B2

JP4152006B2 - 端子形成治具

Info

Publication number: JP4152006B2
Application number: JP31282197A
Authority: JP
Inventors: 一斉木
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 1997-10-28
Filing date: 1997-10-28
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2017-10-28
Also published as: JPH11135678A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、集積回路チップを搭載する配線基板や、配線基板およびプリント基板に金属柱端子を形成するための治具に関する。
【０００２】
【従来技術】
配線基板を他の配線基板と接続するために設ける端子としては、リードやピン、あるいはボール状端子等が知られており、配線基板本体にピンを格子状に設けた配線基板は、ＰＧＡ型配線基板と、またボール状端子を格子状に設けた配線基板はＢＧＡ型配線基板と呼ばれることもある。
【０００３】
なお、ＰＧＡ型配線基板には、ピンの先端を他の配線基板に設けた取付パッドに突き当てつつハンダ付けして両者を接続する、バットジョイントＰＧＡ型配線基板と呼ばれるものがある。
【０００４】
図７（ａ）に示すのは、ＢＧＡ型配線基板１００をプリント基板１２０に接続した例であり、アルミナセラミックを主成分とする配線基板本体１０１の図中上面（第１面）１０１ａには、Ｓｉからなる集積回路チップ（以下、単にＩＣチップともいう）１１１が実装されている。具体的には、ＩＣチップ１１１の下面１１１ｂに形成されたＩＣ接続パッド１１２と、配線基板本体１０１の上面１０１ａに形成されたチップ接続パッド１０４との間を、Ｐｂ９５％−Ｓｎ５％高温ハンダからなるハンダバンプ１１３によって接続する、フリップチップ法により接続されている。
【０００５】
一方、プリント基板１２０は、ガラス−エポキシ樹脂複合材料（ＪＩＳ：ＦＲ−４）からなるプリント基板本体１２１と、その上面１２１ａに形成した銅からなる取付パッド１２２を備えており、配線基板本体１０１とは、その下面（第２面）１０１ｂに形成された表面金属層１０２に溶着した共晶ハンダボール１０３で接続している。
【０００６】
このようなＢＧＡ型配線基板１００とプリント基板１２０との接続体においては、配線基板本体１０１とプリント基板本体１２１との熱膨張率の違いによって、ハンダボール１０３に第２面１０１ｂに沿う方向（図中左右方向）のせん断応力が掛かる。球状のハンダボールは形成が容易である反面、高さと最大径がほぼ同一であり、ハンダボール製のピッチ（間隔）を狭くしようとすると、ＢＧＡ型配線基板本体とプリント基板１００の距離が小さくなる。このため、繰り返し熱応力により、特に外周側のハンダボール１０３の表面金属層１０２近傍で、破線で示すように、破断する不具合が生ずることがする。
【０００７】
これに対して、図７（ｂ）に示すパットジョイントＰＧＡ型配線基板２００においては、上記と同様にＩＣチップ２１１の下面２１１ｂに形成されたＩＣ接続パッド２１２と、配線基板本体２０１の上面２０１ａに形成されたチップ接続パッド２０４との間をハンダバンプ２１３によってフリップチップ接続している。
【０００８】
一方、プリント基板２２０との接続は、第２面（下面）２０１ｂの接続パッド２０２に銀ロウ（図示しない）によって接続されたコバール製のピン２０３の先端（図中下端）を、プリント基板本体２２１の上面２２１ａに形成した取付パッド２２２に突き当てて、共晶ハンダ２０５によってハンダ付け接続している。
【０００９】
このようなバッドジョイントにより接続した場合には、第２面２０１ｂに沿う方向（図中左右方向）のせん断応力を、ピン２０３が屈曲して吸収するため、破断しにくく、信頼性の高い接続することができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このバットジョイントＰＧＡ型配線基板２００においては、時には数百から数千にも上る多数でかつ微小なピン２０３を、配線基板本体２０１に銀ロウ等により前もって接続しておく必要があり、材料費や工程が掛かり、コストがかかる。
【００１１】
また、ピン２０３の先端部の径が細いため、共晶ハンダ２０５を溶融させた際に位置ずれを生じていても、共晶ハンダ２０５の表面積がほとんど変化しない。したがって、ハンダボールの接続時と異なり、セルフアライメント効果がほとんど生じない。このため、配線基板２００とプリント基板２２０とを接続する際の位置決めを高精度に行う必要もある。
【００１２】
また、上記ではアルミナセラミックを主成分とした配線基板本体を用いた場合について説明した。しかし、配線基板本体３０１をガラス−エポキシ樹脂複合材料等の樹脂を含む材料で構成した場合、その上面（第１面）に実装するＩＣチップ３１１はＳｉ製であるため、熱膨張率が小さく（α＝３〜４×１０^−６／℃）、１０〜数１０×１０^−６／℃の値を持つ樹脂を含む材料の熱膨張率と大きく異なる。さらに、樹脂を含む材料はセラミック等と比較して柔らかい（剛性が低い）ため、例えば、図８（ａ）に示すように、ＩＣチップ３１１の実装されている領域が加熱時に下に凸となるような反り変形をしようとし、各ハンダボール３０３は上下に伸縮する応力を受ける。なお、図８（ａ）に示す変形は、変形量を大きく強調したものである。実際には、共晶ハンダボール３０３は変形しにくいため、その変形量はごく僅かである。このため、このような変形を引き起こす応力は、ハンダボール３０３を疲弊させ、ついには、図８（ｂ）に示すように、ＩＣチップ３１１が実装されている場所に対応する位置（ＩＣチップ対応位置）に形成されるハンダボール３０３が、破線で示すように選択的に不具合を生じることが判明した。
【００１３】
本発明は、かかる問題点を鑑みてなされたものであって、配線基板とこれを取り付ける取付基板との熱膨張率の違い等によって生じる基板の面に沿う方向の変形を吸収して、高い信頼性を得ることができる端子、更に、反り変形による上下方向の伸縮によって破壊しにくく接続信頼性の高い端子を製造可能とする治具を提供する、ことを課題とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の端子形成治具（請求項１）は、配線基板の一主平面に形成された表面金属層に金属を溶着させて、最大径よりも高さの高い金属柱端子を形成するための端子形成治具であって、少なくとも外表面は上記溶着金属と濡れない材質からなり、上記金属柱端子に対応した形状の複数の有底孔が形成され、係る有底孔は上記表面金属層と複数のハンダボールとを収容可能とするため、開口部と底部を除く中間部分が略一定の内径であり、且つ開口径に比して深く形成されていると共に、当該有底孔の底部に空気抜きの小孔が形成されている、ことを特徴とする。
【００１５】
このような端子形成治具を用いれば、溶融した複数のハンダボールを、最大径よりも高さの高い形状の金属柱端子に成形しつつ、配線基板の一主平面に設けられた表面金属層に固着させることができる。すなわち、溶融したハンダボールが表面張力等により球状や半球状などに変形するのを防止し、最大径よりも高さの高い金属柱端子を成形することができる。しかも、前記有底孔は、対応する表面金属層をその開口部に収容できる大きさであるため、当該表面金属層の上に上記金属柱端子を確実に形成することができる。更に、配線基板の一主平面上に複数の端子を配設する場合にも、一度に多数の金属柱端子を容易に形成することができる。
加えて、有底孔の底部に空気抜きの小孔が形成されているため、上記金属柱端子を形成するためのハンダボールを充填し、加熱・溶融させた際に、当該有底孔内の空気や新たに発生するガス等を容易に放出することができる。従って、係る空気などが有底孔内に閉じ込められ、開口部から無理に逃げようとして、爆発などを生じたり、金属柱端子に膨れ、ボイド、あるいは破壊などの不具合が及ぶ事態を防止することができる。しかも、有底孔が開口径に比べて深いため、空気抜き用の小孔がない場合には、上記不具合が発生し易いため、有益である。
【００１６】
本発明に用いられる治具の材料としては、耐熱性があり、かつ溶融した金属と濡れない材質であればよい。具体的には、黒鉛、ステンレス等が挙げられる。黒鉛を用いる場合には、熱膨張係数の異方比が小さい黒鉛材（例えば、１．２以下）が最適である。また、治具は治具全体が金属柱端子形成する溶融した金属と濡れない材質でできていることが好ましいが、すくなくとも表面（上面、有底孔内周面など）が上記金属に濡れない材質でできていさえすればよい。
【００１７】
上記配線基板の本体部分の材質としては、取付基板との接続時の熱に耐えることができ、取付基板との熱膨張率の違い等により起因する応力を受けても破壊しない材質から選択するとよい。発生する熱応力を小さくするために、ＩＣチップや取付基板の材質等を考慮して、ＩＣチップまたは取付基板の材質と同程度、あるいはこれらの中間の熱膨張を有する材質が適当であり、具体的にはアルミナ、ムライト、窒化アルミニウム等のセラミックやエポキシ、ポリイミド、ＢＴ、ポリウレタン等の樹脂、あるいはこれらの樹脂とガラスやポリエステル等の繊維との複合材、これらの樹脂とセラミック粉末との複合材等が挙げられる。
【００１８】
なお、本発明が対象とする配線基板としては、ＩＣチップ等の電子部品を搭載するための電子部品搭載用配線基板の他に、電子部品搭載用配線基板と取付基板との間に介在させ、両者を接続するために用いる中継用配線基板をも含んでいる。
また、金属柱端子を形成する金属材料としては、鉛（Ｐｂ）やスズ（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）やこれらを主体とする合金、例えばＰｂ−Ｓｎ系合金高温ハンダ（例えば、Ｐｂ９０％−Ｓｎ１０％合金、Ｐｂ９５％−Ｓｎ５％合金等）やＰｂ−Ｓｎ共晶ハンダ（Ｐｂ３６％−Ｓｎ６４％合金）、ホワイトメタルなどが挙げられる。これらの金属は、比較的柔らかく、熱膨張率の違いなどによって配線基板と取付基板間で発生する応力を変形によって吸収できるので、金属柱端子材料として好ましい。また、鉛、スズ等は再結晶温度が常温にあるので、塑性変形しても容易に再結晶する。したがって、繰り返し応力がかかっても容易に破断（破壊）に至らないので都合がよい。
【００１９】
また、本発明における金属柱端子とは、その最大径よりもその高さの高い略柱状とさていればよく、円柱形の他に、四角柱や三角柱などの角柱でも良い。ただし、応力が角部に集中するのを避けるためには、多角柱状のものがよく、さらには円柱状とするのが最適である。したがって、端子形成治具の有底孔の形状も、形成したい上記金属柱端子の形状に合わせて適宜選択される。つまり、有底孔のうち、開口部と底部を除く中間部分は、略一定の内径を有している。
【００２０】
また、有底孔の底部（底面）はどのような形状でも良く、平面となっていても、略逆半球状または略逆半円錐状などの形状になつていても良い。底面が平坦に形成されている場合、金属柱端子の先端が有底孔の底面に突き当たるような状態で、ハンダボールを溶融し金属柱端子を形成することにより、金属柱端子の高さを容易に揃えることができる。また、有底孔の底面は、かかる有底孔の内周面を構成する部材とは別体の部材で形成されていても良い。すなわち、端子形成治具は、貫通孔を有する部材と、該貫通孔の一方の開口部を塞ぐ部材とを組み合わせて構成してもよい。このように構成すると、端子形成治具の製造が容易である。
【００２１】
また、前記有底孔は、その開口部にテーパ部を有している、端子形成治具（請求項２）も本発明に含まれる。
【００２２】
請求項２の端子形成治具によれば、ハンダボールを有底孔に容易に充填することができる。すなわち、ハンダボールをペースト状態で有底孔内に充填しておき、これを溶融させて、配線基板の表面金属層に固着させ、金属柱端子を形成する場合には、上記ペーストを充填し易くなる。
【００２３】
更に、前記有底孔の底部に形成される空気抜きの小孔は、複数である、端子形成治具（請求項３）も本発明に含まれる。
【００２４】
請求項３の端子形成治具によれば、前記金属柱端子を形成するための金属材料を充填し、加熱・溶融させた際に、有底孔内の空気や新たに発生するガス等を一層容易に放出することができる。
【００２５】
また、前記有底孔の底部は、円錐状であり、当該底部の最深部に、前記小孔が形成されている、端子形成治具（請求項４）も本発明に含まれる。これによれば、前記金属柱端子を形成するための金属材料を充填し、加熱・溶融させた際に、有底孔内の空気や新たに発生するガス等を確実に放出することができる。
【００２６】
更に、前記有底孔は、当該有底孔の内周面を形成する貫通孔を有する第１部材と、係る貫通孔を塞ぎ且つ空気抜きの小孔を有する第２部材とにより、形成されている、端子形成治具（請求項５）も本発明に含まれる。これによれば、有底孔およびその底部に開口する小孔（穴）の形成が、２つの部材により、容易に行うことができる。
【００２８】
なお、本発明により得られる配線基板は、配線基板本体の一主平面に設けた表面金属層の上に、最大径よりも高さが高い金属柱端子が形成されているため、当該配線基板と取付基板との熱膨張率の違いになどより生じる基板の平面方向に沿った変形を容易に吸収することができ、高い接続信頼性を奏することが可能となる。更に、反り変形による上下方向の伸縮に対しても、上記金属柱端子が破壊しにくいため、接続信頼性に一層優れた配線基板となる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
次に、本発明の実施の形態を、図面と共に説明する。
図１は、本実施形態に用いられるカーボン製の端子形成治具Ｎの正面図である。上面Ｎ３には、金属柱端子を形成しようとする表面金属層に対応した位置に、直径０．７ｍｍ、深さ１．８ｍｍの有底孔Ｎ１が形成されている。有底孔Ｎ１の底部Ｎ４は、図２（ａ）に示すように、円錐形状に形成されており、さらに最深部には端子形成治具Ｎを下方に貫通する空気抜きのための穴（小孔）Ｎ２（φ０．２ｍｍ）が形成されている。
【００３０】
このような端子形成治具Ｎは、カーボン製の板にドリル加工により、有底孔Ｎ１および穴Ｎ２を穿孔することにより形成される。
次いで、上記端子形成治具を用いて金属柱端子を有する配線基板を製造する方法について、図３（ａ）〜（ｃ）を参照しつつ、説明する。
まず、図３（ａ）に示すように、カーボン製の端子形成治具Ｎと配線基板１を用意する。配線基板はアルミナを主成分とするセラミック製であり、その表面にはタングステンメタライズ層とニッケルメッキ層により構成された表面金属層２が形成されている。柱状端子形成治具Ｎの凹部Ｎ１内に、ハンダボールＤ１を投入（図３では３個）しておき、その上方に、セラミック製の配線基板１上に形成された表面金属層２が有底孔Ｎ１に対応するように位置決めし、両者を重ねる（図３（ｂ）参照）。
【００３１】
その後、本体１と治具Ｎとを共に反転させて上下逆にし、ハンダボールＤ１と表面金属層２とを接触させる（図３（ｃ）参照）。この状態で加熱・冷却すれば、金属柱端子３を確実に表面金属層２に溶着させることができる（図４参照）。図４は、金属柱端子３が形成された配線基板１を示す斜視図であり、図中の上面にはＩＣチップが搭載されるが、ここでは図示せず、ＩＣチップ接続パッド４のみ示すこととする。
【００３３】
また、本実施形態で用いた端子形成治具Ｎと別形態の治具として、図２（ｂ）に示すように、有底孔Ｎ１の開口部近傍が、上面Ｎ３に向かって徐々に径大になるように形成したものを用いても良い。この場合、テーパ部Ｎ５を有しているので、ハンダボールを投入し易いというメリットがある。
【００３４】
（参考形態）
次いで、参考形態の端子形成治具について、図５を参照しつつ、説明する。
図５に示す参考形態の端子形成治具Ｍは、金属柱端子３を形成する表面金属層２に対応した位置に直径０．７ｍｍ、高さ（深さ）２．２ｍｍの貫通孔Ｍ１を形成したステンレスからなる板状の端子形成治具である。ステンレスは耐熱性があり、溶融したハンダにも濡れにくい性質を有する。
【００３５】
次に、上記端子形成治具Ｍを用いて金属柱端子３を形成する方法について、図６（ａ）〜（ｂ）を参照しつつ説明する。
図６（ａ）に示すように、表面金属層２を形成した面を上にするように配線基板１を配置し、その上に各貫通孔Ｍ１と表面金属層２とが対応するようにして、端子形成治具Ｍを載置する。さらに、直径０．６５ｍｍのハンダボールＣを貫通孔Ｍ１内にそれぞれ３個ずつ投入する。次いで、ハンダボールＣを溶融させると、図６（ｂ）に示すように金属柱端子３が表面金属層２に溶着するとともに、互いに一体化する。金属柱端子３の側面は貫通孔Ｍ１の内周面に倣い、先端部は表面張力により半球状とされた金属柱端子が形成される。この金属柱端子３は、いずれも一定の直径を有するハンダボールＣを３個溶融させて形成したものであるので、体積が一定となるため、その高さを揃えることができる。
【００３７】
（実施形態２）
また、前記実施形態１においては、一体に形成された端子形成治具Ｎを用いたが、図９（ａ）に示すように、２つ以上の部材を組み合わせた端子形成治具Ｌを用いてもよい。実施形態２における端子形成治具Ｌは、図９（ａ）に示すように、底面Ｌ２を有する有底孔Ｌ１を備えている。また、底面Ｌ２には、空気抜き穴（小孔）Ｌ３が形成されている。
【００３８】
この端子形成治具Ｌは、図９（ｂ）に示す第１部材Ｐおよび第２部材Ｑによって構成されている。すなわち、第１部材Ｐには有底孔の内側面を形成する貫通孔Ｐ１が形成されている。また、第２部材Ｑには空気抜き穴Ｌ３が形成されている。このような第１部材Ｐと第２部材Ｑとを、第２部材Ｑの上面Ｑ１が貫通孔Ｐ１を塞ぐように組み合わせることにより、図９（ａ）に示すような底面Ｌ２を有する有底孔Ｌ１が形成される。このように端子形成部材を二つの部材により形成することにより、有底孔の形成が容易になる。
【００３９】
以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲内において、適宜変更して適用できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１にかかる端子形成治具Ｎの正面図。
【図２】実施形態１にかかる端子形成治具Ｎの部分拡大断面図。
【図３】端子形成治具Ｎを用いて金属柱端子３を形成する工程の説明図。
【図４】金属柱端子３を有する配線基板１の斜視図。
【図５】参考形態にかかる端子形成治具Ｍの部分拡大断面図。
【図６】上記端子形成治具Ｍを用いて金属柱端子３を形成する工程の説明図。
【図７】従来の技術にかかり、集積回路チップを実装した配線基板をプリント基板に接続した状態を示す説明図であり、（ａ）は配線基板とプリント基板とを球状のハンダボールで接続した状態、（ｂ）は配線基板に設けたピンをプリント基板に突き当てて接続した状態を示す。
【図８】集積回路チップを実装し、樹脂を含む材料からなる配線基板本体を有するＢＧＡ型配線基板をプリント基板に接続したものにおいて、（ａ）は、これを加熱したときの変形を強調して示す模式図、（ｂ）は接続端子の破断場所を説明する説明図。
【図９】実施形態２にかかる端子形成治具Ｌの部分拡大断面図。
【符号の説明】
Ｎ、Ｌ：端子形成治具
Ｎ１、Ｌ１：有底孔
Ｐ１：貫通孔
Ｎ２、Ｌ３：空気（ガス）抜き穴（小孔）
Ｎ４、Ｌ２：底部
Ｄ１、Ｃ：ハンダボール
Ｐ：第１部材
Ｑ：第２部材
１，１００，２００，３００：配線基板
２，１０２：表面金属層
３：金属柱端子

Claims

配線基板の一主平面に形成された表面金属層に金属を溶着させて、最大径よりも高さの高い金属柱端子を形成するための端子形成治具であって、
少なくとも外表面は上記溶着金属と濡れない材質からなり、
上記金属柱端子に対応した形状の複数の有底孔が形成され、係る有底孔は上記表面金属層と複数のハンダボールとを収容可能とするため、開口部と底部を除く中間部分が略一定の内径であり、且つ開口径に比して深く形成されていると共に、当該有底孔の底部に空気抜きの小孔が形成されている、
ことを特徴とする端子形成治具。
前記有底孔は、その開口部にテーパ部を有している、
ことを特徴とする請求項１に記載の端子形成治具。
前記有底孔の底部に形成される空気抜きの小孔は、複数である、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の端子形成治具。
前記有底孔の底部は、円錐状であり、当該底部の最深部に、前記小孔が形成されている、
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の端子形成治具。
前記有底孔は、当該有底孔の内周面を形成する貫通孔を有する第１部材と、係る貫通孔を塞ぎ且つ空気抜きの小孔を有する第２部材とにより、形成されている、
ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の端子形成治具。