JP5581701B2

JP5581701B2 - 高周波回路基板装置

Info

Publication number: JP5581701B2
Application number: JP2010007987A
Authority: JP
Inventors: 和宏山口
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-01-18
Filing date: 2010-01-18
Publication date: 2014-09-03
Anticipated expiration: 2030-01-18
Also published as: JP2011146625A

Description

この発明は、セラミック基板と樹脂基板をバンプで接続した高周波回路基板装置に関する。

従来、セラミック基板と樹脂基板を多数配列されたバンプで接合するＢＧＡ（Ball Grid Array；ボールグリッドアレイ）実装では、両者の線膨張係数に２倍以上の差があるため、両基板のバンプ間に樹脂等アンダーフィル剤を充填して固定することで、周囲温度変化により生じる熱応力を抑制し、バンプ接合部の破損を防止していた（例えば、特許文献１参照）。また、セラミック基板と樹脂基板の間に、線膨張係数が中間値を持つ線膨張中間層（ラミネート）を入れて２階建ての段積み構造とし、応力を分散させるバンプ実装技術も知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開平１１−１７０４４特開２００２−２３７５５３

しかしながら、このような従来のバンプ実装を行う場合、熱応力抑制策を何も取らない場合に比してセラミック基板寸法を大きくすることができるものの、線膨張係数差が大きい２種の構成物を接合する以上は、依然としてセラミック基板寸法の制約が残ってしまう。

また、特許文献１について言えば、アンダーフィルは誘電物質であることから、バンプに高周波電流が流れる高周波回路で使用すると電気的特性劣化が避けられず、製法としても、液状樹脂を流しこむことから樹脂の充填位置および量のコントロールが非常に難しくて煩雑なものとなっていた。

また、特許文献２について言えば、線膨張中間層を設けた複雑な段積み構成になると、高周波特性の劣化が避けられないだけでなく、高周波回路設計が非常に複雑となり、組立工数も増えて高価なものとなっていた。

したがって、高周波回路のＢＧＡ実装において、アンダーフィルや線膨張中間層を使用せずに、セラミック基板の大きさを熱応力破壊が生じない寸法に限定しているのが実情である。このように、ＢＧＡ実装は立体的に回路接続が出来ることから、回路基板や回路モジュールの小型化に大変有効な実装構成であるが、ＢＧＡ実装に伴う強度劣化に耐え得る寸法に限定しなければならないため、必要な回路規模を大きく構成することが出来なくなる場合が多い、という問題があった。

この発明による高周波回路基板装置は、セラミック基板と樹脂基板をバンプ接続する際に、セラミック基板に所要規模の高周波回路を形成しても、アンダーフィルや線膨張中間層を使用すること無く、バンプ接合部の熱応力破壊を防ぐことのできる基板接合構造を得ることを目的とする。

この発明による高周波回路基板装置は、複数のランドが配列されたセラミック基板と、複数のランドが配列された樹脂基板と、前記樹脂基板のランドと前記セラミック基板のランドの間に接合され、ボールグリッドアレイを構成する複数のバンプと、を備え、前記セラミック基板の外形幅は、前記ボールグリッドアレイの形成領域よりも大きく、前記ボールグリッドアレイが前記セラミック基板の中央部にのみ形成されたものである。

また、複数のランドが配列されたセラミック基板と、複数のランドが配列された樹脂基板と、前記樹脂基板のランドと前記セラミック基板のランドの間に接合され、ボールグリッドアレイを構成する複数のバンプと、を備え、前記ボールグリッドアレイを前記セラミック基板の一部にのみ形成し、前記セラミック基板がバンプにより支えられていない位置に、弾性樹脂からなる支持部材を設けても良い。

この発明によれば、バンプを配列して形成するＢＧＡ実装領域をバンプ接合部の熱応力破壊が生じない大きさの寸法領域に限定することができるため、セラミック基板全体の大きさに限定されずに、所要回路規模のＢＧＡ実装構造を得ることが可能となる。

この発明に係る実施の形態１によるセラミック基板と樹脂基板の接続構造の断面図を示す。この発明に係る実施の形態１によるセラミック基板のバンプ形成面を示す図である。この発明に係る実施の形態２によるセラミック基板と樹脂基板の接続構造の断面図を示す。この発明に係る実施の形態２によるセラミック基板のバンプ形成面を示す図である。この発明に係る実施の形態２の他の態様によるセラミック基板のバンプ形成面を示す図である。

実施の形態１．
図１は、この発明に係る実施の形態１による高周波回路基板装置の、セラミック基板と樹脂基板との接続構造を示す断面図である。図２は、この発明に係る実施の形態１によるセラミック基板のバンプ形成面を示す図である。
図１、２において、実施の形態１による高周波回路基板装置１００は、セラミック基板１とセラミック基板６を、導体のバンプ４を介して接続することで構成される。セラミック基板１の一方の面には、部品２を実装するための回路パターン３が形成される。セラミック基板１の他方の面には、バンプ４を接合するための複数のランド５が配列されている。ランド５は、導体パターンによって構成され、セラミック基板１の中央に集中して配列される。樹脂基板６はガラスエポキシ樹脂やＢＴレジンなどの樹脂を素材として構成され、樹脂基板６の一方の面には、複数のランド７が配列されている。ランド７は導体パターンによって構成され、ランド５に対向する位置に配置されて、ランド５と同じ数および同じピッチで配列される。

セラミック基板１のランド５と樹脂基板６のランド７とがそれぞれバンプ４によって接合されることでＢＧＡ領域８が形成されて、ＢＧＡ実装構造が構成される。セラミック基板１と樹脂基板６を接合する際、熱応力破壊が生じない寸法以内にのみバンプを集めて、ＢＧＡ実装構造が形成されている。セラミック基板１の外形寸法（縦または横の外形幅）は、ＢＧＡ領域８の寸法（縦または横の領域幅）よりも大きく、例えば（縦または横の）寸法差が２０ｍｍ以上大きくなるようになされている。

ＢＧＡ実装構造は、基板同士の電気的接続を、基板面対基板面で接合する方法であり、基板面には所定の配列にボールまたはバンプと呼ぶ突起形状の電極を、格子状に平面的に並べることから、ＢＧＡと称されている。
ＢＧＡ実装構造では、半導体素子、受動素子等の部品をセラミック基板（ここではセラミック基板１）に搭載して形成した回路ブロックを、マザーボード（ここでは樹脂基板６）に最小面積で実装することができる。また、セラミック基板とマザーボード間の全接合点が最短接続及び一括同時接合できる利点がある。ボールまたはバンプには、半田、導体膜で覆われた樹脂、メッキ積上げ、金属ボール、等各種有り、用途、目的により使い分けられている。ここでは、これらを総てバンプと称する。

セラミック基板１の線膨張係数は、５〜７ＰＰＭ程度であるのに対し、樹脂基板５の線膨張係数は１６ＰＰＭ前後と、その差は２倍以上ある。このため、高周波回路基板装置１００が加熱されれば、樹脂基板６は大きく進展し、セラミック基板１の伸びは小さいことから、使用環境の温度変化により最外縁に位置するバンプ４の接続部に最大の熱応力が発生する。バンプ４をはんだなど接合工程の温度が高い方法で接合する場合には、その接合冷却後において、バンプ４の各接合部にセラミック基板１の中心方向に向かう引張り力が残留応力として残ることとなる。これら熱応力は、ＢＧＡ領域８の外縁部ほど大きく、中心部ほど小さい。また、ＢＧＡ領域８の領域寸法が大きいほど、外縁部の熱応力は増大する。各基板が晒される実使用環境では、７０〜１００℃程度の温度変化幅のヒートサイクルが加わるため、伸び縮みによる繰り返し応力が加わることとなる。

ＢＧＡ領域８の領域寸法が大きいほど使用環境の温度変化による熱応力は大きくなり、その寸法限度を超えるとＢＧＡ領域８の外周部からバンプ４接続点の構造劣化が進み、最終的には断裂となり、セラミック基板１と樹脂基板６との電気的接続を絶つ故障に至ることとなる。

従来のＢＧＡ実装構造では、セラミック基板１の全面にバンプ４を配列して、全面全てが樹脂基板６と接合されていた。このため、セラミック基板１の寸法はＢＧＡ領域８の寸法とほぼ同寸となり、セラミック基板１の寸法が大きくなるほどＢＧＡ外縁部の断裂が発生し易くなっていた。使用環境の温度変化があってもＢＧＡの断裂が生じないセラミック基板の寸法は、素材の線膨張係数と環境温度幅によっても異なってくるが、概ね２０ｍｍ角（□）以内が寸法限度となっていた。

一方、高周波回路基板１００では、セラミック基板１と樹脂基板６との間で、電気信号や電源の授受を行ってインターフェースを取るべきランド５およびランド７の数（インターフェース数または接続信号数）が実際には少ない。このように、回路面積に対するインターフェース数または接続信号数の比率が小さいので、セラミック基板１の全面にバンプ４を形成する必要が無い。

実施の形態１ではこの性質を利用して、樹脂基板６との接続が必要なバンプ４をセラミック基板１の中央部だけに集め、ＢＧＡ領域８の形成領域寸法を従来構成でもバンプ４の断裂が生じない程度の大きさの範囲内で形成している。具体的には、ＢＧＡ領域８の形成領域寸法を概ね２０ｍｍ角以内とする。

このようにすることで、セラミック基板１は中央のＢＧＡ領域８の部分を柱とする平屋根型或いは平傘型で樹脂基板６上に実装されこととなり、セラミック基板１と樹脂基板６の間でＢＧＡ領域８の周囲に形成される中空部の寸法分だけ、回路形成領域を拡大することができる。

また、搭載される部品重量や使用される機械的環境の制約によりセラミック基板１の最大寸法が決められるが、少なくとも従来面積比で９倍程度まで大きくすることが可能である。例えば、ＢＧＡ領域８の形成領域寸法が２０ｍｍ角であるとすれば、セラミック基板１の寸法を６０ｍｍ角とすることが可能である。

以上により、この実施の形態に係るセラミック基板１と樹脂基板６のＢＧＡ型実装構造による高周波回路基板装置は、複数のランド５が配列されたセラミック基板１と、複数のランド７が配列された樹脂基板６と、樹脂基板６のランド７とセラミック基板１のランド５の間に接合され、ボールグリッドアレイを構成する複数のバンプ４とを備え、セラミック基板１の外形幅は、前記ボールグリッドアレイの形成領域よりも大きく、前記ボールグリッドアレイが前記セラミック基板１の中央部にのみ形成されたことを特徴とする。
また、前記セラミック基板１の最大外形幅と、前記ボールグリッドアレイの形成領域におけるセラミック基板１の最大外形幅と同一方向での最大幅との差は、２０ｍｍ以上であっても良い。
また、前記セラミック基板１をバンプ接合した際に、バンプ接続部の破壊が生じない寸法範囲を、前記ボールグリッドアレイの形成領域としても良い。

このようにして、実施の形態によるセラミック基板１と樹脂基板６のＢＧＡ型実装構造では、バンプを配列して形成するＢＧＡ領域において、はんだ割れやセラミック割れなどのバンプ接合部における熱応力破壊が生じない大きさの寸法領域に限定しているため、ＢＧＡ領域に何らの熱応力破壊防止構造を設けなくても、熱応力破壊が生じることは無く、かつセラミック基板全体の大きさが限定されないので、必要な回路規模を形成したＢＧＡ実装構造を得ることが可能となる。

特に、アンダーフィルや線膨張中間層を用いた複雑な２段構造をとらずとも、セラミック基板の寸法を従来面積比で約９倍の大きさとすることが可能となり、所望の回路規模の高周波回路をセラミック基板上に形成することができる。

また、セラミック基板１と樹脂基板６のＢＧＡ接合部において、接合部周辺に何らの補強固定を行わないことから、高周波回路基板装置の組立工程は最小限で済むこととなり、高周波回路装置の低コスト化に有利な効果を得られる。

実施の形態２．
図３は、この発明に係る実施の形態２による高周波回路基板装置の、セラミック基板と樹脂基板との接続構造を示す断面図である。図４は、この発明に係る実施の形態２によるセラミック基板のバンプ形成面を示す図である。図５は、この発明に係る実施の形態２による他の態様のセラミック基板のバンプ形成面を示す。図３、４、５において、符号１〜７に示す構成は、実施の形態１の場合と類似の構成を示す。

この実施の形態２による図３、４に示す態様の高周波回路基板装置１００では、セラミック基板１と樹脂基板６の接合されるＢＧＡ領域８が、セラミック基板１の中央ではなく、基板端部に向かって偏った位置に設けてある。このため、ＢＧＡ領域８で支えるセラミック基板１の重量に偏りを生じないように、セラミック基板１の重量を共に支えるゴム状樹脂９が、セミック基板１の端に設けてあり、セラミック基板１が樹脂基板６に対して両持ちで支持される。ゴム状樹脂９は、弾性樹脂であれば良く、また図４の水平方向のみならず、さらに図４の上下方向にも配置されても良い。

次に、この実施の形態２による図５に示す態様の高周波回路基板装置では、セラミック基板１と樹脂基板６の接合されるＢＧＡ領域８を、セラミック基板１の中央に設けている。図５ではセラミック基板１の大きさが非常に長い場合を示しており、セラミック基板１の重量を支える必要がある基板両端部にゴム状樹脂９を設けている。これによって、セラミック基板１は、樹脂基板６に対してＢＧＡ領域８と少なくとも２つ以上のゴム状樹脂９の少なくとも３個所以上で支持される。ゴム状樹脂９は、図４の水平方向のみならず、さらに図４の上下方向に配置されても良い。

なお、ゴム状樹脂９は、セラミック基板１と樹脂基板６の双方に接着してあっても一方にのみ接着してあっても構わない。ただし、ゴム状樹脂９をセラミック基板１と樹脂基板６の双方に接着する場合は、双方の線膨張差から発生する変移を吸収し得る材質を選ぶと良く、例えばテフロン（登録商標）樹脂や弾性を有したナノチューブから成る樹脂体などを用いるのが良い。

以上により、この実施の形態に係るセラミック基板１と樹脂基板６のＢＧＡ型実装構造による高周波回路基板装置は、複数のランド５が配列されたセラミック基板１と、複数のランド７が配列された樹脂基板６と、樹脂基板６のランド７とセラミック基板１のランド５の間に接合され、ボールグリッドアレイを構成する複数のバンプ４とを備え、前記ボールグリッドアレイをセラミック基板１の一部にのみ形成し、セラミック基板１がバンプ４により支えられていない位置に、弾性樹脂からなる支持部材（ゴム状樹脂９）を設けたことを特徴とする。

この実施の形態２によるセラミック基板１と樹脂基板６のＢＧＡ型実装構造では、支えとなるゴム状樹脂９を用いて複数個所でセラミック基板１を支持することができるので、ＢＧＡ領域８の形成位置は回路構成上所望の位置に設けることが可能となり、セラミック基板１の寸法自由度及び回路規模の自由度は格段に増すこととなる。

この発明は、特に接続信号数が少ない高周波回路基板の接合に有効であるが、ＢＧＡ領域寸法が従来構成でもバンプ接合部に断裂が生じない大きさを超えない範囲で用いる限り、デジタル回路基板の接合にも有効である。またセラミック基板と樹脂基板との接合のように線膨張の差が大きいものをバンプにより接合する構成物全般に対しても適用可能である。

１セラミック基板、２部品、３回路パターン、４バンプ、５ランド、６樹脂基板、７ランド、８ＢＧＡ領域、９ゴム状樹脂、１００高周波回路基板装置。

Claims

複数のランドが配列されたセラミック基板と、
複数のランドが配列された樹脂基板と、
前記樹脂基板のランドと前記セラミック基板のランドの間に接合され、ボールグリッドアレイを構成する複数のバンプと、
を備え、
前記セラミック基板をバンプ接合した際にバンプ接続部の破壊が生じない寸法範囲を、前記ボールグリッドアレイの形成領域とし、
前記セラミック基板の最大外形幅は、前記ボールグリッドアレイの形成領域よりも２０ｍｍ以上大きく、前記ボールグリッドアレイが前記セラミック基板の中央部にのみ形成された高周波回路基板装置。
複数のランドが配列されたセラミック基板と、
複数のランドが配列された樹脂基板と、
前記樹脂基板のランドと前記セラミック基板のランドの間に接合され、ボールグリッドアレイを構成する複数のバンプと、
を備え、
前記ボールグリッドアレイを前記セラミック基板の一端部に向かって偏った位置にのみに形成し、前記ボールグリッドアレイ領域で支える前記セラミック基板の重量に偏りを生じないように、前記セラミック基板が前記バンプにより支えられていない前記セラミック基板の他端部に、前記セラミック基板の重量を前記ボールグリッドアレイ領域とともに支える弾性樹脂からなる支持部材を設け、前記セラミック基板を前記樹脂基板に対して前記ボールグリッドアレイ領域及び支持部材の両持ちで支持する、
または前記ボールグリッドアレイを前記セラミック基板の中央部にのみに形成し、前記セラミック基板が前記バンプにより支えられていない前記セラミック基板の重量を支える必要がある基板両端部に、前記弾性樹脂からなる支持部材を設け、前記セラミック基板を、前記樹脂基板に対して前記ボールグリッドアレイ領域及び少なくとも２つ以上の前記支持部材の少なくとも３個所以上で支持する、
ことを特徴とした高周波回路基板装置。