JP4364991B2 - リードピン付き配線基板 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リードピン付き配線基板に関し、詳しくは半導体集積回路素子(IC)等の電子部品を搭載して封止するPGA(ピングリッドアレイ)タイプの配線基板(ICパッケージ)のように、樹脂やセラミックなどの絶縁材を主体として形成された配線基板であって、その主面に形成された多数のピン接合部(電極)に、リードピン(入出力端子)がロウ付けされた配線基板に関する。
【0002】
【従来の技術】
図8は、従来のPGAタイプの配線基板(以下、単に基板ともいう)100の一例である。このものは、その一主面103にICとの接合用の多数のパッド状の接合部(図示せず)を備えており、他方の主面104にはマザーボード(図示せず)に設けられたソケットへ差し込まれる多数のリードピン(以下、単にピンともいう)121を備えている。このピン121は、例えばネイル形状をなし、軸部より大径の大径部(頭部又はフランジともいわれる)123を基板101のピン接合部111に当接するようにしてロウ131でロウ付けされている。なお、図中115はソルダーレジスト層である。
【0003】
ところが、このようにピン121の大径部123の端部の接合面124をロウ付けにより基板101のピン接合部111に接合する場合には、接合強度が不足しがちであった。というのは、このような大径部123の端部の接合面124は通常平坦なため、これとピン接合部111間に介在するロウ131の量が少ないためである。すなわち、介在するロウ131の量が少ないため、ピン121の軸部122に外力が作用した時、ロウ131が応力吸収(緩和)作用を十分果たさないためと考えられる。とくに配線基板101が樹脂製のものにおいては、その性質上ロウ131に比較的低融点のハンダを用いざるを得ないため、接合強度が不足しがちであった。
【0004】
そこで、このような接合構造の配線基板では、図9に示したように、ピン121を基板101のピン接合部111にロウ付けしているロウ131が、大径部123全体を鋳ぐるみ状に覆うようにすることも考えられる。このようにしておけば、ピン121に引張り力が作用した時には、大径部123を覆うロウ131がある分、ピン121の接合強度のアップが図られるためである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このようにロウ131で大径部123を鋳ぐるみ状にしても、同図に示したように、大径部123の接合面124と反対面126の最外周縁127におけるロウ131の厚さは微小となる。したがって、多量のロウを用いる割には期待するほどの接合強度のアップが図られない。
【0006】
しかも、このようにロウ131で大径部123を鋳ぐるみ状にするということは、そこに濡れ広がる溶融ロウがピン121の軸部122の根元から先端側(図9下側)に濡れ広がる(這い上がる)ため、少なくとも軸部122の根元(隅角)の周面に付着することを意味する。このことは、外観不良を招くだけでなく、半導体装置等として組み立てられた後で、マザーボードのソケットにそのピンを差し込む際の支障となる場合がある。
【0007】
本発明は、PGAタイプの配線基板のようなリードピン付き配線基板における上記した問題点に鑑みて成されたものであり、その目的は次のようである。すなわち、基板のピン接合部にピンがロウ付けされた配線基板において、そのピンの接合強度を高め、電気的接続の信頼性の高いリードピン付き配線基板を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために請求項1に記載の本発明は、配線基板のピン接合部に、軸部より大径の大径部を有するリードピンがその大径部を介してロウ付けされたリードピン付き配線基板において、
前記リードピンの大径部の側面に凹状部が形成され、該凹状部に、前記リードピンをロウ付けしているロウが入り込んでいると共に、該凹状部が、前記リードピンの軸線方向において複数形成されていることを特徴とする。また、請求項2に記載の本発明は、配線基板のピン接合部に、軸部より大径の大径部を有するリードピンがその大径部を介してロウ付けされたリードピン付き配線基板において、
前記リードピンの大径部の側面に凹状部が形成され、該凹状部に、前記リードピンがその軸線方向に引張られた際に抜け止めをなすように、前記リードピンをロウ付けしているロウが入り込んでいると共に、該凹状部が、前記リードピンの軸線方向において複数形成されていることを特徴とする。
【0009】
このような本発明のリードピン付き配線基板は、ピンをロウ付けしているロウが該凹状部に入り込んでいるため、ピンに軸線方向の引張り力が作用する時、このような凹状部のないピンをロウ付けしたものに比べると、その分、ピンの接合強度が高められる。すなわち、この凹状部があることでロウ付け面積が増える上に、そこに入り込んでいるロウがピンの抜け止め作用をするために接合強度が高められる。
【0010】
なお、前記各手段における前記凹状部は、前記大径部の側面の周囲にリング状に形成されているのが好ましいが、不連続で間隔をおいて複数設けられていてもよい。また、前記凹状部は、前記リードピンの軸線方向において複数形成されているが、前記大径部の側面においてネジ溝状(螺旋状)に設けられていてもよい。即ち、本発明におけるピンの前記凹状部は、ピンをロウ付けしているロウがそこに入り込んで、ピンがロウから抜けるのを止める作用をすることができるものであればよい。なお、ピンの軸線を含む平面で切断した時の凹状部の断面形状ないしその幅や深さは、入り込んだロウがピンの抜け止めに有効に作用するものであればよい。
【0011】
また、前記リードピンは、その大径部のうちの前記ピン接合部に対向する接合面に凸状部を設けたものとするとよい。このようにすると、ピン接合部と接合面との間に多くのロウを介在させることができるため、そのロウによる応力吸収作用が大きくなり、接合強度の向上に寄与するためである。この凸状部の形状は、基板側のピン接合部と、ピンの大径部との間に十分な量のロウを介在させることができればよい。したがって、凸状部の形状は円柱形、角柱形などとしてもよいが、円錐形、角錐形など、接合面において先細り形状となるように設けるのが好ましい。特に、前記大径部のうちの前記ピン接合部に対向する接合面の全体を凸と成す球面状とするのが、ピンの製造容易性や品質安定性から好ましい。
【0012】
なお、前記リードピンの軸線を含む平面で切断したときの前記ロウの切断面のうち、前記大径部の側面の外側における輪郭線(メニスカス形状)が略直線状又は凸となす曲線状となっているのが好ましい。つまり、この輪郭線が凹となす曲線状となっている(又はくびれのある状態)と、ピンに外力が作用した時、ロウに応力集中が起こり易く、ロウ付け(接合)部分の破壊が起き易いが、このようになっていると、その発生防止に有効だからである。
【0013】
そして、このようなメニスカス形状の確保のためには、ロウの濡れ広がり端が大径部の接合面と反対面における最外周縁を超える程度の量のロウを用いるのがよい。しかし、大径部を鋳ぐるむように多量のロウを用いると、ピンをソケットに差し込む際の支障の発生原因ともなる。これらを考慮すると、本発明のリードピン付き配線基板においては、前記リードピンをロウ付けしているロウの該リードピンの先端側への濡れ広がり端を、前記大径部のうちの前記ピン接合部に対向する接合面と反対面における最外周縁を超え、前記軸部に達しない位置までの間に存在させるのが好ましいといえる。特に好ましくは、前記輪郭線(メニスカス形状)が略直線状をなし、配線基板の主面と該輪郭線とのなす角度をθとしたとき、θ=55度〜80度の範囲にある場合である。
【0014】
そして前記各手段においてピン接合部のロウ付け面の径は、大径部の径より大きくするのが接合強度を高める上で好ましい。ここに、ピン接合部のロウ付け面の径とは、ピン接合部の周縁がソルダーレジストで被覆されていない場合には、その外径であり、被覆されている場合にはソルダーレジストの開口部の径である。なお、本明細書においてロウ(ろう材)は、ハンダを含むものであり、ハンダというときは、融点が450度以下のロウをいう。
【0015】
さらに本発明は、樹脂を素材とした配線基板で具体化する場合にとくに適する。また本発明の配線基板はPGAタイプの配線基板が代表的なものとして例示されるが、これに限定されるものではない。また本発明における配線基板には、ICパッケージに接合されてマザーボードとの接合部をなすインターポーザーのような基板も含まれる。
【0016】
【発明の実施の形態】
本発明の基板とは別の参考形態1を図1〜図3を参照しながら詳細に説明する。図1は、本参考形態1のリードピン付き配線基板100の側面図及びその要部(ピンの接合構造)拡大断面図、図2は図1の拡大図の平面図(ピンの先端側から見た図)、図3は図1の拡大断面図のさらなる拡大図である。このリードピン付き配線基板100は、平面視矩形をなし、複数の積層構造からなるエポキシ樹脂製基板101を主体とし、上主面103には、搭載する半導体集積回路素子IC接続用の電極(図示せず)が多数形成されていると共に、内部には図示はしないが各層の内部配線、層間接続用のビアが形成されている。そして、下主面104にはビアに接続された平面視、例えば円形の導体層(銅)が多数形成され、その表面にニッケルメッキ及び金メッキかけられてピン接合部111をなしている。
【0017】
なお、このような基板101の上下両主面103、104には、その略全面を覆うようにエポキシ樹脂からなるソルダーレジスト層115が所定の厚さで被覆形成されている。ただし、本参考形態1では、このソルダーレジスト層115は、ピン接合部111の表面周縁を所定の幅で被覆して開口され、ピン接合部111の中心寄り部位を同心状に露出させるように形成されている。因みに本例ではピン接合部(導体層)111の径D1は、1.55mmとされ、その露出部位(ソルダーレジスト層115の開口)の径D2つまりロウ付け面の径は、1.4mmに設定されている。
【0018】
一方、本参考形態1において接合されているピン121は、コバールや42アロイ等の鉄ニッケル系合金又は銅合金からなる断面円形の丸棒状の軸部(直径0.45mm)122をもつネイル形状のものであり、上端部には半径方向に突出する円形のフランジを有する大径部(頭部)123を同心状で備えている。なお、表面にはニッケルメッキ及び金メッキがかけられている。そして、その大径部123の側面125は略円筒状(短円柱状)をなし、その軸線G方向における中間部位には、断面が例えば半円弧状であり、同側面125の周囲にリング状をなすように凹状部(凹溝)129が周設されている。なお、本参考形態1では、大径部123のうちピン接合部111に対向(当接)する接合面124は全体が凸となす球面状に形成され、ピン接合部111に同心状に当接するように配置され、適量のハンダ131で側面125を含めてハンダ付けされている。
【0019】
さて、このような本参考形態1において、ピン121をハンダ付けしているハンダ131は、図示したようにピン121の側面125において凹状部129に入り込み、接合面124の反対面126に向かって薄くなるメニスカス形状を呈している。本参考形態1では、そのピン121の先端側への濡れ広がり端131aが、接合面124の反対面126において、最外周縁127を超え、軸部122に達しない位置までの間に存在しているが、最外周縁127に存在するようにしてもよい。なお、反対面126におけるハンダは薄層をなし、濡れ広がり端131aは、ピン121をその先端側の軸線G方向から見ると、反対面126に略同心円状に存在している(図2参照)。なお、このハンダ131は、半導体集積回路素子ICのハンダ付け温度より融点が高い組成のハンダ(例えば82Pb/10Sn/8Sb)とされている。
【0020】
因みに本参考形態1では凹状部129の幅は0.05mmであり、深さは0.03mmとされている。そしてピン121の大径部123の外径D3は、1.1mmとされ、ソルダーレジスト層115の開口の径D2より小さく設定されている。また、ピン接合部111に当接する接合面124は例えばR球約0.272mmとされ、大径部123の全厚さは0.27mmとされている。
【0021】
しかして、本参考形態1ではピン121を接合しているハンダ131は、大径部123の側面125の凹状部129に入り込んでおり、ピン121の軸線G方向において大径部123を係止している。したがって、ピン121に軸線G方向の引張り力が作用する時は、そこに入り込んでいるハンダ131が抜け止め作用をなすことから、このような凹状部129のないピンの接合に比べ、そこへのハンダの入り込みがある分、ピンの接合強度が高められる。
【0022】
なお、ロウ131の濡れ広がり端131aは、ソケットに差し込む際の支障がない位置に持ちくればよいが、本参考形態1のように反対面126において軸部122の根元に達しない位置に存在するようにしておくのが好ましい。この位置では、軸部122にハンダの付着がないので、ICを搭載、封止して半導体装置とした後、図示しないマザーボードのソケットにそのピン121を差し込んでセットする際に支障がでることはない。加えて、凹状部129に確実にハンダ131を入り込ませることができるためである。さらに、濡れ広がり端131aがこの位置にあるときは、リードピン121の軸部122の軸線Gを含む平面で切断したときのハンダの切断面のうち、大径部123の側面125の外側における輪郭線Sが略直線状をなし、その輪郭線Sにくびれを発生させないため接合強度のアップに有効だからである。基板101の主面104とこの輪郭線Sのなす角度をθとしたとき、本参考形態1ではθ=61度となるように設定されている。
【0023】
ここで、本参考形態1のサンプル基板(試料No.1)と、凹状部129がない点のみ異なるピンをハンダ付けした比較例(試料No.2)を各々2個つくり、各ピンの接合強度を確認した。ただし、各試料ともハンダ付けしたピン121の数は10本である。なお、接合強度は、ピンを軸方向に引張った場合と、軸方向に対し30度傾斜する方向に引張った場合におけるハンダ又はハンダ接合部近傍の破壊荷重又はピンの破壊(切断)荷重である。結果は表1に示した通りであるが、各試料とも引張り方向ごと10ピンづつ試験したときの平均値である。
【0024】
【表1】
Figure 0004364991
【0025】
表1に示されるように、試料No.1のものは、試料No.2の比較例に比べると、いずれの場合も、接合強度が上回っている。このことは、ピンの大径部の側面の凹状部に入り込んでいるハンダが確実にピンの接合強度アップに寄与していることを実証するものである。
【0026】
ここでこのようなピン121の接合法について詳述すれば次のようである。なお、ピン接合前の基板(ピンの接合前)101は、銅メッキを用いたサブトラクティブ法などで形成し、その後、例えば、フォトリソグラフィ技術を用い、感光性ソルダーレジスト層を塗布し、ピン接合部111の中央が開口するように形成されたマスクパターンを用いて露光し現像、硬化し、ソルダーレジスト層115を形成する。その後、ピン接合部などの露出する金属部にニッケルメツキ、及び金メッキをかけ、ピン接合部111に適量のハンダペーストをスクリーン印刷しておく。
【0027】
一方、基板101のピン接合部111の配置に対応し、ピン121が挿通可能の多数の小孔の設けられた所定の板状治具(図示せず)を用い、その小孔にニッケルメツキ、及び金メッキのかけられたピン121を大径部123を上にして挿入しておく。次いでその上に、基板101を位置決めして載置し、各ピン接合部111にピン121の大径部の接合面124が当接するようにセットし、ハンダペーストを加熱溶融する。こうすることで、多数のピン121はピン接合部111に一挙にハンダ付けされる。このとき、溶融ハンダは大径部123の側面125に濡れ広がると共に凹状部129に入り込み、固化後において前記した本発明の配線基板100となる。
【0028】
図4は、本発明に係るリードピン付き配線基板とは別の参考形態2(ピンの接合構造)を示すものであるが、ピン121の大径部123の側面125に設けた凹状部129を周方向において(軸線G方向から見て等角度間隔に)例えば4つに分割して設けた点のみが図1の参考形態1のものと相違するだけで、本質的相違点はない。したがって、同一部位には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。以下の各形態においても同様とする。
【0029】
また、図5は本発明の実施形態を示すものであるが、ピン121の大径部123の側面125に設けた凹状部129を軸線G方向において複数(例えば2)設けた点のみが図1の参考形態1のものと相違するだけで、本質的相違点はない。このものは、大径部123の厚さが厚い場合に有効である。
【0030】
図6は本発明とは別の参考形態3を示すものであるが、ピン121の大径部123の側面125に設けた凹状部129をその反対面126寄り位置に設けた点のみが図1の参考形態1のものと相違するだけである。
【0031】
なお、いずれの凹状部129もプレス成形などで容易に形成できる。とくに図1の参考形態1のように大径部123の側面125にリング状の凹状部129のあるピン121は、大径部123に倣った凹面形状をもつ金型で、軸素材(線材)の一端部を軸線G方向に2回プレスを繰り返すことで自動的に形成できる。
【0032】
また、前記参考形態及び本発明の実施の形態ではピン121の大径部123の接合面124に凸状部として球面部を設けたが、このような球面部は、ピンのロウ(ハンダ)付け温度において溶融しない融点をもつロウをリフロー(溶着)することでも形成できる。
【0033】
なお、ピンをロウ付けするロウ(ハンダ)は、IC等の電子部品のハンダ付け温度で溶融しないものから、配線基板の材質などに応じて適宜のものを選択して用いればよい。例えば、樹脂製配線基板では、Pb−Sn系ハンダ(37Pb−73Sn共晶ハンダ、50Pb−50Snハンダ、82Pb−10Sn−8Sbハンダ等)、Sn−Ag系ハンダ(96.5Sn−3.5Ag系ハンダ等)、Sn−Sb系ハンダ(95Sn−5Sbハンダ)等が挙げられる。また、セラミック製の配線基板では、Ag−Cuなどの銀ロウ材や、Au−Si、Au−Sn、Au−Ge等の金系ロウ材、95Pb−5Sn、90Pb−10Sn等の高温ハンダ等が挙げられる。
【0034】
ピン接合部の平面形状及びピンの軸線G方向から見た大径部の形状は、通常は円形であるが、その形状は円形に限定されるものではない。また、ピン接合部に対向する大径部の接合面に設ける凸状部は、図6中に2点鎖線で示したように、平坦な接合面224の一部を凸状部225としてもよい。前記もしたように凸状部は、球面状でなく凸と成す多面体でもよいし、先細り形状の錐体或いは柱体など、ピン接合部と大径部間に介在するハンダの量を増大できるものであればよい。なおハンダ付け面をなす、大径部の接合面は、粗面化して接合面積が増えるようにしておくのがより好ましい。
【0035】
さて次に、本発明とは別の参考形態4について図7を参照して説明する。ただし、本参考形態4はロウ付けされているピン121の大径部123が軸部122の端にないものであり、そのような大径部123の側面125に凹状部129を設け、その凹状部129にハンダを入り込ませた形でロウ付けされている点のみが相違するだけで、図1に示した参考形態1のものと本質的な相違はない。したがって、相違点のみ説明し、同一部位には同一の符号を付すに止める。すなわち、前記参考形態及び本発明の実施の形態では、ネイル形状のピンをその端部にある大径部を介してハンダ付けした場合で説明したが、このものは基板のピン接合部(導体層)111が平坦でなく、その中央にホール113がある一方、ピン121が大径部123を軸部122の端から距離をおいて備えると共に大径部123の側面125に凹状部129が形成されたものである。なお、大径部123の接合面124側は全体が凸状(球面状)とされている。
【0036】
すなわち、本参考形態4では、ピン121の大径部123の接合面124側にある軸部122の端部128をホール113に挿入状とし、接合面124をピン接合部111に当接するようにし、そして側面125の凹状部129にハンダが入り込む状態でハンダ付けされている。かくして、この場合も、前記参考形態及び本発明の実施の形態と同様の効果がある。
【0037】
上記においては、リードピン付き配線基板としてPGAタイプのエポキシ樹脂製の配線基板において具体化したが、本発明の基板は、ポリイミド樹脂、BT樹脂、PPE樹脂など基板の材質にかかわらず具体化できることはいうまでもない。また樹脂製の配線基板に限らず、セラミック製又はガラスセラミック製の配線基板にも適用できるし、ガラス−樹脂(エポキシ樹脂、BT樹脂)製などのように有機繊維に、前記した樹脂を含浸させたもののような複合材料からなる配線基板にも適用できる。さらに、単層、多層構造の基板にかかわらず適用できる。また本発明はPGAタイプに限られず、リードピンがピン接合部にロウ付けされる配線基板において広く具体化できるものであり、その要旨を逸脱しない範囲において適宜に設計変更して具体化できる。
【0038】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明のリードピン付き配線基板においては、リードピンをロウ付けしているロウが大径部の側面の凹状部に入り込んでいるため、ピンに引張り力が作用する時、その凹状部に入り込んでいるロウがピンの抜け止め作用をする。したがって、このような凹状部のないピンを接合した配線基板に比べ、その分、ピンの接合強度が高められ、電気的接続の信頼性の高いリードピン付き配線基板となすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るリードピン付き配線基板とは別の参考形態1の一部破断側面図及びその要部(ピンの接合構造)拡大図。
【図2】図1の拡大図の一部破断平面図(ピンの先端側から見た図)。
【図3】図1の拡大断面図のさらなる拡大図。
【図4】本発明に係るリードピン付き配線基板とは別の参考形態2の要部拡大断面図。
【図5】本発明に係るリードピン付き配線基板の実施形態の要部拡大断面図。
【図6】本発明に係るリードピン付き配線基板とは別の参考形態3の実施形態の要部拡大断面図。
【図7】本発明に係るリードピン付き配線基板とは別の参考形態4の実施形態の要部拡大断面図。
【図8】従来のリードピン付き配線基板の一部破断側面図及びそのピンの接合構造の拡大断面図。
【図9】従来のリードピン付き配線基板のピンの接合構造の拡大断面図。
【符号の説明】
100 リードピン付き配線基板
101 基板
103、104 基板の主面
111 ピン接合部
115 ソルダーレジスト層
121 リードピン
122 リードピンの軸部
123 リードピンの大径部
124 大径部の接合面(凸状部)
125 リードピンの大径部の側面
126 大径部の反対面
127 大径部の反対面における最外周縁
129 凹状部
131 ロウ(ハンダ)
131a ロウのリードピンの先端側への濡れ広がり端
D2 ピン接合部のロウ付け面の径
D3 大径部の径
G リードピンの軸線
S ロウの切断面のうち大径部の側面の外側における輪郭線
θ 配線基板の主面と輪郭線とのなす角度

Claims (8)

  1. 配線基板のピン接合部に、軸部より大径の大径部を有するリードピンがその大径部を介してロウ付けされたリードピン付き配線基板において、
    前記リードピンの大径部の側面に凹状部が形成され、該凹状部に、前記リードピンをロウ付けしているロウが入り込んでいると共に、該凹状部が、前記リードピンの軸線方向において複数形成されていることを特徴とするリードピン付き配線基板。
  2. 配線基板のピン接合部に、軸部より大径の大径部を有するリードピンがその大径部を介してロウ付けされたリードピン付き配線基板において、
    前記リードピンの大径部の側面に凹状部が形成され、該凹状部に、前記リードピンがその軸線方向に引張られた際に抜け止めをなすように、前記リードピンをロウ付けしているロウが入り込んでいると共に、該凹状部が、前記リードピンの軸線方向において複数形成されていることを特徴とするリードピン付き配線基板。
  3. 前記凹状部が、前記大径部の側面の周囲にリング状に形成されている請求項1又は2記載のリードピン付き配線基板。
  4. 前記大径部のうちの前記ピン接合部に対向する接合面に凸状部を設けた請求項1〜3のいずれか1項に記載のリードピン付き配線基板。
  5. 前記大径部のうちの前記ピン接合部に対向する接合面の全体を凸と成す球面状とした請求項1〜3のいずれか1項に記載のリードピン付き配線基板。
  6. 前記リードピンの軸線を含む平面で切断したときの前記ロウの切断面のうち、前記大径部の側面の外側における輪郭線が略直線状又は凸となす曲線状である請求項1〜5のいずれか1項に記載のリードピン付き配線基板。
  7. 前記ピン接合部のロウ付け面の径が、前記大径部の径より大きい請求項1〜6のいずれか1項に記載のリードピン付き配線基板。
  8. 前記配線基板が、樹脂を素材とした請求項1〜7のいずれか1項に記載のリードピン付き配線基板。
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