JP4368081B2 - チップ部品を実装した回路装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はチップ部品およびそれを実装した回路装置に関し、特に、回路装置を実装基板にリフローする工程に於いて回路装置が破損してしまうのを防止できるチップ部品およびそれを実装した回路装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
チップ抵抗やチップコンデンサ等の受動部品は、外部との電気的接続が考慮されて、その両端には厚膜電極または薄膜電極を有する。そして、半田等の導電ペーストを用いて、これら受動部品は実装基板に実装される。
【０００３】
また従来は、プリント基板等のインターポーザにチップ抵抗や半導体素子を実装して、回路装置を形成していた。しかし、このインターポーザは本来不必要な材料である。従って、インターポーザを採用した回路装置は、薄型化・軽量化が難しい問題点を有していた。更に、プリント基板等をインターポーザとして使用した場合、半導体素子等から発せられる熱の放熱性が悪い問題もあった。
【０００４】
そこで本出願人は、実装基板を不要にした軽量・薄型の回路装置を開発した。プリント基板等のインターポーザを不要にすることにより、回路装置の放熱性を向上することが可能になった。以下に、実装基板を不要にした回路装置１０の構成を説明する。
【０００５】
図４を参照して、実装基板を不要にした回路装置１０の構成を説明する。図４は回路装置１０の断面図であり、図４（Ｂ）はチップ部品１２Ｂが実装される部分の拡大図である。
【０００６】
回路装置１０は、導電パターン１１と、導電パターン１１の表面に形成されたメッキ膜１４と、メッキ膜１４の上部に実装された半導体素子１２Ａと、導電パターン１１上に半田１５Ｂを介して実装されたチップ部品１２Ｂと、半導体素子１２Ａと導電パターン１１との電気的接続を行う金属細線１５Ａと、上記要素を被覆し且つ全体を支持する絶縁性樹脂１３と、導電パターン１１の裏面に形成される接続電極１６とから構成されている。
【０００７】
上記した回路装置１０を構成する各要素の説明を行う。
【０００８】
導電パターン１１としては、Ｃｕを主材料とした導電箔、Ａｌを主材料とした導電箔、またはＦｅ−Ｎｉ等の合金から成る導電箔等を用いることができる。もちろん他の導電材料でも可能であり、特にエッチングできる導電材、レーザで蒸発する導電材が好ましい。
【０００９】
半導体素子１２Ａとしては、例えば、半導体ベアチップが採用される。そして、半導体素子１２Ａはフェイスアップで固着され、金属細線１５Ａを介して導電パターン１１Ｂとの電気的接続が行われている。
【００１０】
絶縁性樹脂１３としては、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂、ポリイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド等の熱可塑性樹脂を用いることができる。また絶縁性樹脂は、金型を用いて固める樹脂、ディップ、塗布をして被覆できる樹脂であれば、全ての樹脂が採用できる。本発明に於いて、絶縁性樹脂１３は半導体素子等を封止すると同時に、回路装置全体を支持する働きも有する。
【００１１】
図４（Ｂ）を参照して、チップ部品１２Ｂの説明を行う。チップ部品１２Ｂとしてはチップ抵抗、チップコンデンサ、コイル等を採用することができる。そして、チップ部品１２Ｂは半田を介して導電パターン１１に固着されている。
【００１２】
チップ部品１２Ｂの両端には、チップ部品１２Ｂとの接着性が考慮されてＡｇ膜１８Ａが形成される。更に、半田耐熱向上のために、Ａｇ膜１８Ａの表面にはＮｉ膜１８Ｂが形成される。更にまた、半田濡れ性を向上させるために、電極の最外殻にはＳｎ膜１８Ｃが形成される。このように、チップ部品１２Ｂの電極は、３層構造となっている。斯かる構造をとることにより、良好に半田付けを行うことが可能となる。
【００１３】
図５を参照して、チップ部品１２Ｂの電極の具体的な形状を説明する。図５（Ａ）は電極として厚膜型端子電極を有するチップ部品１２Ｂの斜視図であり、図５（Ｂ）は電極として薄膜型端子電極を有するチップ部品１２Ｂの斜視図である。
【００１４】
具体的に、チップ部品１２Ｂがチップコンデンサの場合、Ａｇ膜１８Ａの厚さは２０〜１４０μｍであり、Ｎｉ膜１８Ｂの厚さは１〜６μｍであり、Ｓｎ膜１８Ｃの厚さは２〜１０μｍである。
【００１５】
そして、チップ部品１２Ｂがチップ抵抗の場合、Ａｇ膜１８Ａの厚さは１０〜２０μｍであり、Ｎｉ膜１８Ｂの厚さは３〜１０μｍであり、Ｓｎ膜１８Ｃの厚さは３〜１０μｍである。
【００１６】
上記に於いて、Ａｇ膜１８Ａの材料としてはＡｇの他に、Ａｇを含む合金等を用いる場合もある。また、Ｎｉ膜１８Ｂの材料としてはＮｉの他にＮｉを含む合金を用いる場合もある。また、Ｓｎ膜１８Ｃの材料としては、Ｓｎの他に半田、Ａｇ合金等を用いる場合もある。
【００１７】
上記の様な構成を有するチップ部品１２Ｂは、半田１５Ｂを用いて導電パターン１１に実装される。ここで用いる半田１５Ｂとしては高温半田が採用される。具体的に、高温半田の組成は例えば９５Ｐｂ−５Ｓｎである。ここで、（９５Ｐｂ−５Ｓｎ）とは、Ｐｂの重量比が９５％でありＳｎの重量比が５％であることを意味する。この様な組成を有する高温半田の固相線温度は、例えば２７０℃である。
【００１８】
外部電極１６について説明を行う。外部電極１６は導電パターン１１の裏面に形成され、回路装置１０が実装される実装基板との電気的接続を行う。外部電極１６は半田で形成され、その組成は例えば４０Ｐｂ−６０Ｓｎである。従って、接続電極１６Ｃを構成する半田の固相線温度は、例えば１８３℃である。
【００１９】
回路装置１０は、リフローによって接続電極１６を融解することにより、実装基板に実装される。リフロー時の温度は、接続電極１６を完全に融解させるために、外部電極１６を構成する半田の固相線温度よりも高い温度である。具体的にその温度は、例えば２２０℃である。
【００２０】
以上にて説明したように、チップ部品１２Ｂを導電パターン１１に実装するために使用する半田１５Ｂの固相線温度は、例えば３００℃と高い。それに対して、外部電極１６を構成する半田の固相線温度は１８３℃であり、半田１５Ｂの固相線温度よりも低い。従って、回路装置１０を約２２０℃の温度でリフローしても、半田１５Ｂは融解しない。
【００２１】
図６のグラフを参照して、半田のＰｂとＳｎとの割合と、固相線温度・液相線温度との関係を説明する。同グラフに於いて、点線で示されるのは固相線温度の変化であり、実線で示されるのは液相線温度の変化である。
【００２２】
ここで、固相線温度とは物体が溶解を始める温度であり、液相線温度とは物体が完全に溶解して液相となる温度である。そして、固相線温度と液相線温度の間の温度に於いては、物体は固相と液相が入り混じった状態となっている。
【００２３】
同グラフからも明らかなように、Ｐｂの重量割合が大きい半田の固相線温度および液相線温度は高い。それに対して、６０Ｐｂ−４０Ｓｎの半田の固相線温度および液相線温度は、１８３度Ｃであり非常に低い。また、６０Ｐｂ−４０Ｓｎの半田は、固相線温度と液相線温度が共に１８３度Ｃであるので、この温度を境にして半田は固相から液相に変化することになる。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ｓｎ膜１８Ｃを最外殻に有するチップ部品を半田１５Ｂを介して導電パターン１１に実装すると、チップ部品の最外殻メッキ層であるＳｎと接続半田との界面付近で共晶型合金が形成されてしまう。すなわち、回路装置１０を約２２０℃の温度でリフローにより基板に実装する際に、このＳｎ／Ｐｂ共晶型合金の部分は融解してしまう。この共晶型合金の部分は、融解することにより体積が膨張する。従って、絶縁性樹脂１３にクラックが発生したり、他の接合界面を剥離させたりしてしまう問題があった。
【００２５】
回路装置１０では、Ｃｕを主材料とする導電パターン１１上にチップ部品１２Ｂが固着されている。ここで、Ｃｕは熱の伝導性が非常に良い材料である。従って、リフロー時の熱が、導電パターン１１を介して共晶型合金の部分に容易に到達してしまうのも、上記のような問題が発生してしまう原因の１つである。
【００２６】
また、従来例の説明では、実装基板を不要とした構成を有する回路装置１０について説明を行った。しかし、実装基板を使用するタイプの回路装置でも上記のような問題が発生する場合がある。
【００２７】
従って、本発明の目的は、チップ部品１２Ｂと半田１５Ｂとの界面に共晶型合金が形成されない回路装置１０を提供するのが目的である。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
本発明のチップ部品は、前述した課題に鑑みて成され、請求項１の発明のチップ部品は、メタル端子と、前記メタル端子を保護するＮｉ膜とから形成される電極を両端に有することを特徴とする。
【００２９】
請求項２の発明のチップ部品は、メタル端子と、前記メタル端子を保護するＮｉ膜とから形成される電極を両端に有するチップ部品であり、前記Ｎｉ膜を前記チップ部品の電極の最外殻とすることにより、前記チップ部品を半田を用いて実装する際に、前記チップ部品の電極と前記半田とで金属間化合物が形成され、前記金属間化合物の固相線温度は、リフロー時の温度よりも高いことを特徴とする。
【００３０】
請求項３の発明のチップ部品は、請求項１または請求項２の発明に於いて、前記チップ部品は、コンデンサ、抵抗またはコイルであることを特徴とする。
【００３１】
請求項４の発明のチップ部品は、請求項１〜請求項３のいずれかの発明に於いて、前記メタル端子は、Ａｇを主体とする材料から形成されることを特徴とする。
【００３２】
請求項５の発明のチップ部品は、請求項１〜請求項４のいずれかの発明に於いて、前記Ｎｉ膜は、Ｎｉを主体とする材料から形成されることを特徴とする。
【００３３】
請求項６の発明の回路装置は、請求項１〜請求項５のいずれか一項記載のチップ部品と、前記チップ部品が実装される導電パターンと、前記チップ部品と前記導電パターンとの電気的接続を行う半田と、前記チップ部品を被覆し且つ全体を支持する絶縁性樹脂とを有することを特徴とする。
【００３４】
請求項７の発明の回路装置は、請求項６の発明に於いて、前記半田には、塩素換算で０．７％以上のフラックスが添加されることを特徴とする。
【００３５】
請求項８の発明の回路装置は、請求項７の発明に於いて、前記フラックスは、ロジン系フラックスまたは水溶性フラックスであることを特徴とする。
【００３６】
請求項９の発明の回路装置は、請求項１〜請求項５のいずれか一項記載のチップ部品と、前記チップ部品が実装される導電パターンが表面に形成された基板と、前記チップ部品と前記導電パターンとの電気的接続を行う半田と、前記チップ部品を被覆し、全体を支持する絶縁性樹脂とを有することを特徴とする。
【００３７】
請求項１０の発明の回路装置は、請求項９の発明に於いて、前記基板は、絶縁金属基板、プリント基板、セラミック基板、またはアルミナ基板であることを特徴とする。
【００３８】
請求項１１の発明の回路装置は、請求項９または請求項１０の発明に於いて、前記半田には、塩素換算で０．７％以上のフラックスが添加されることを特徴とする。
【００３９】
請求項１２の発明の回路装置は、請求項１１の発明に於いて、前記フラックスは、ロジン系フラックスまたは水溶性フラックスであることを特徴とする。
【００４０】
チップ部品の電極の最外殻にＮｉ膜を採用することにより、固相線温度の低い共晶型合金の形成を防止することができる。共晶型合金が生成されなければ、回路装置を実装基板に実装する際のリフロー時に、半田と母材との接合部が融解しない。従って、リフロー時に共晶型合金が融解して、絶縁性樹脂にクラックが発生してしまうのを防止することができる。
【００４１】
更に、チップ部品を導電パターンに実装する際に使用する半田に多量のフラックスを添加することにより、Ｎｉの半田付け性を向上させることができる。
【００４２】
【発明の実施の形態】
本発明に斯かる回路装置１０について、図１を参照しながら説明する。図１（Ａ）は回路装置１０の断面図であり、図１（Ｂ）はチップ部品１２Ｂが実装される部分の拡大図である。尚、従来例と同じ番号を付した部分は同一物を表している。
【００４３】
図１（Ａ）を参照して、本発明に係る回路装置１０は、導電パターン１１と、導電パターン１１の表面に形成されたメッキ膜１４と、メッキ膜１４の上部に実装された半導体素子１２Ａと、導電パターン１１上に半田１５Ｂを介して実装されたチップ部品１２Ｂと、半導体素子１２Ａと導電パターン１１Ｂとの電気的接続を行う金属細線１５Ａと、上記要素を被覆し且つ全体を支持する絶縁性樹脂１３と、導電パターン１１の裏面に形成される外部電極１６とから構成されている。
【００４４】
上記したように、本発明に斯かる回路装置１０の構造は基本的に従来例と同一である。本発明の特徴とする部分は、チップ部品１２Ｂの電極の構造にある。従って、本実施の形態ではこの点についてのみ説明を行う。
【００４５】
図１（Ｂ）を参照して、チップ部品１２Ｂの両端の電極には、チップ部品１２Ｂとの接着性が考慮されてＡｇ膜１８Ａが形成される。更に、半田中へのＡｇの拡散を防止するために、Ａｇ膜１８Ａの表面にはＮｉ膜１８Ｂが形成される。
【００４６】
本発明のポイントは、チップ部品１２Ｂの電極がＡｇ膜１８ＡとＮｉ膜１８Ｂとから構成されることにある。つまり、従来例のＳｎ膜１８Ｃを除去した構造と成っており、電極の最外殻はＮｉ膜１８Ｂで形成される。この様なチップ部品１２Ｂを半田１５Ｂを用いて実装することにより、Ｎｉ膜１８Ｂと半田１５Ｂとの界面には合金化合物が形成される。
【００４７】
この合金化合物は、従来のチップ部品の電極と半田とで形成されていたＳｎ／Ｐｂ共晶型合金とは性質が異なるものである。従来に於いて形成されたＳｎ／Ｐｂ共晶型合金は、固相線温度が低いために、リフロー時の温度（例えば２２０℃）で融解してしまう。それに対して、Ｎｉ膜１８Ｂと半田１５Ｂとの界面に形成される合金化合物は、固相線温度が約４００℃と非常に高く、リフロー時の温度（例えば２２０℃）でも融解しない。従って、リフロー時の加熱による樹脂のクラック発生や界面剥離等の問題は発生しない。
【００４８】
図２を参照して、本発明に斯かるチップ部品１２Ｂの電極の具体的な形状を説明する。図２（Ａ）は電極として厚膜型端子電極を有するチップ部品１２Ｂの斜視図であり、図２（Ｂ）は電極として薄膜型端子電極を有するチップ部品１２Ｂの斜視図である。
【００４９】
具体的に、チップ部品１２Ｂがチップコンデンサの場合、Ａｇ膜１８Ａの厚さは２０〜１４０μｍであり、Ｎｉ膜１８Ｂの厚さは１〜６μｍである。
【００５０】
そして、チップ部品１２Ｂがチップ抵抗の場合、Ａｇ膜１８Ａの厚さは１０〜２０μｍであり、Ｎｉ膜１８Ｂの厚さは３〜１０μｍである。
【００５１】
上記に於いて、Ａｇ膜１８Ａの材料としてはＡｇの他に、Ａｇを含む合金等を用いる場合もある。また、Ｎｉ膜１８Ｂの材料としてはＮｉの他にＮｉを含む合金を用いる場合もある。
【００５２】
半田１５Ｂに添加するフラックスについて説明する。本発明では、半田付け性が悪いＮｉ膜１８Ｂと半田１５Ｂとの拡散を促すためにフラックスを用いている。フラックスを使用することにより、Ｎｉ膜１８Ｂの表面に形成される酸化膜を除去することができる。更に、半田付け時のＮｉ膜１８Ｂの再酸化をも防止することができる。
【００５３】
ここで用いるフラックスの種類は、大きく分けて２つある。１つはロジン系フラックスであり、もう１つは水溶性フラックスである。ロジン系フラックスは、ロジン系樹脂を含み、半田付け後に洗浄を行うタイプのフラックスである。そしてこのロジン系フラックスには、活性剤としてカルボン酸類やアミンハロゲン化塩が加えられる。
【００５４】
水溶性フラックスは、溶剤に非イオン系界面活性剤を溶融したもので、半田付け後の残渣は温水で洗浄除去が可能である。活性剤としてはアミン酸塩等が使用される。
【００５５】
通常の場合、半田に含まれるフラックスの量は、例えば塩素換算で０．３％程度である。しかし本発明の場合、Ｎｉ膜１８Ｂの半田付け性の悪さが考慮されて多量のフラックスが使用される。具体的に、本発明において使用するフラックスの量は、例えば塩素換算で０．７％程度である。このように多量のフラックスを使用することにより、Ｎｉ膜１８Ｂの半田付け性を向上させることができる。
【００５６】
以上の説明に於いては、ＰｂとＳｎとから構成される半田を用いて説明を行った。しかし環境への配慮から、Ｐｂを用いない半田が使用されるようになった。このようにＰｂを使用しない半田を、一般的に鉛フリー半田という。本発明に於いても、鉛フリー半田を使用することが可能である。具体的に、鉛フリー半田の組成としては、Ｓｎ−５８Ｂｉ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ、Ｓｎ−２Ａｇ−７．５Ｂｉ−０．５Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ、Ｓｎ−３．５ＡｇおよびＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ等が挙げられる。
【００５７】
図３を参照して、プリント基板２１等のインターポーザを用いた回路装置２０について説明を行う。図３（Ａ）は回路装置２０の断面図であり、図３（Ｂ）は図３（Ｂ）はチップ部品１２Ｂが実装される部分の拡大図である。
【００５８】
図３（Ａ）を参照して、本発明に係る回路装置２０は、プリント基板２１と、プリント基板２１上に形成された導電パターン１１と、導電パターン１１の表面に形成されたメッキ膜１４と、メッキ膜１４の上部に実装された半導体素子１２Ａと、導電パターン１１上に半田１５Ｂを介して実装されたチップ部品１２Ｂと、半導体素子１２Ａと導電パターン１１Ｂとの電気的接続を行う金属細線１５Ａと、上記要素を被覆する絶縁性樹脂１３と、プリント基板２１の裏面に形成される外部電極１６とから構成されている。
【００５９】
このように、回路装置２０の構成はプリント基板２１以外の構成は回路装置１０と同様である。ここでプリント基板の替わりに絶縁金属基板、セラミック基板またはアルミナ基板を使用することが可能である。
【００６０】
回路装置２０は、外部電極１６と半田１５Ｂとの間にプリント基板２１を有する。従って、基板を不要にした回路装置１０と比較すると、リフロー時に半田１５Ｂに伝わる熱量は少ない。それにもかかわらず、従来に於いては、半田１５ＢとＳｎ膜１８Ｃとで形成された共晶型合金が、リフロー時に融解してしまう問題が発生していた。
【００６１】
このような問題も、回路装置１０と同じように、Ｎｉ膜１８Ｂを半田１５Ｂで直接半田付けすることによって解決することができる。
【００６２】
チップ部品１２Ｂの形状は、回路装置１０の場合と同様である。また半田１５Ｂに添加されるフラックスの種類およびその量も、回路装置１０の場合と同様である。従ってこれらの説明は省略する。
【００６３】
【発明の効果】
本発明のチップ部品およびそれを実装した回路装置によれば、以下に示すような効果を奏することができる。
【００６４】
第１に、チップ部品の電極の最外殻をＮｉ膜で形成することにより、半田を用いてチップ部品を導電パターンに実装する際に、半田とＮｉ膜との界面に金属間化合物を生成することができる。この金属間化合物は、固相線温度が非常に高い物質である。従って、チップ部品が実装された回路装置をリフローで基板に実装する際に、共晶型合金が融解して回路装置が破損してしまうのを防止することができる。
【００６５】
第２に、半田に多量のフラックスを添加することにより、チップ部品の電極のＮｉ膜表面に形成された酸化膜を除去することができる。従って、Ｎｉ膜の半田付け性を向上させ、半田とチップ部品との結合を強固にすることができる。
【００６６】
第３に、従来のチップ部品の電極はＡｇ膜、Ｎｉ膜およびＳｎ膜とで形成されていたが、本発明に斯かるチップ部品の電極はＡｇ膜およびＮｉ膜のみで形成されている。従って、チップ部品の構造を簡素化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に斯かるチップ部品およびそれを実装した回路装置を説明する図である。
【図２】本発明に斯かるチップ部品の電極の形状を説明する図である。
【図３】本発明に斯かるチップ部品およびそれを実装した回路装置を説明する図である。
【図４】従来の回路装置を説明する図である。
【図５】従来の回路装置に実装するチップ部品の電極の形状を説明する図である。
【図６】半田の組成と、固相線温度および液相線温度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ 回路装置
１１ 導電パターン
１２Ｂ チップ部品
１５Ｂ 半田
１８Ａ Ａｇ膜
１８Ｂ Ｎｉ膜

Claims (6)

1. 複数の導電パターンと、前記複数の導電パターンの内の第１の導電パターンと、前記第１の導電パターンと電気的に接続された半導体素子と、前記複数の導電パターンの内の一対の第２の導電パターンと、前記一対の第２の導電パターンに、両端に位置する電極が第１の半田を介して電気的に接続されて実装されたチップコンデンサまたはチップ抵抗から成るチップ部品と、前記導電パターン、前記半導体素子、前記チップ部品および前記第１の半田を被覆した絶縁性樹脂から成る封止部と、前記封止部の裏面に設けられ、第２の半田を設けるための、前記封止部の裏面に位置する電極とを有するチップ部品を実装した回路装置であり、
   前記チップ部品の前記両端に位置する電極には、最表面にＮｉ膜が設けられ、前記第１の半田と前記Ｎｉ膜との界面は、前記Ｎｉと前記第１の半田との金属間化合物が形成され、
   前記金属間化合物は、前記第２の半田の溶融時の温度よりも高い融点であり、前記回路装置がリフローされる際に溶融しない事を特徴としたチップ部品を実装した回路装置。
2. 前記導電パターンの裏面が、前記封止部の裏面に位置する電極である請求項１に記載のチップ部品を実装した回路装置。
3. 前記複数の導電パターンは、プリント基板上に設けられ、前記導電パターンの裏面が、前記プリント基板の裏面に設けられた電極である請求項１に記載のチップ部品を実装した回路装置。
4. 前記プリント基板の代わりに、金属基板、セラミック基板またはアルミナ基板が用いられる請求項３に記載のチップ部品を実装した回路装置。
5. チップ部品に設けられた前記Ｎｉ膜の下層にはＡｇ膜が設けられる請求項１、請求項２、請求項３または請求項４に記載のチップ部品を実装した回路装置。
6. 前記金属間化合物は、固相線温度が約４００度である請求項１または請求項２に記載のチップ部品を実装した回路装置。

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