JP5711195B2 - 電子部品の実装構造 - Google Patents

Description

この発明は、半導体もしくは半導体チップなどの電子部品をマザーボードなどの基板本体に取り付ける電子部品の実装構造に関するものである。

従来、半導体もしくは半導体チップなどの電子部品をマザーボードなどの基板本体に実装する方式としてランド・グリッド・アレー（ＬＧＡ）やボール・グリッド・アレー（ＢＧＡ）が知られている。前者のＬＧＡは、シート材に多数の導電性の金属ピンを貫通させたインターポーザーを基板本体と電子部品との間に配置し、その金属ピンの一端部（下端部）を基板本体の表面に設けられている接続パッドにソルダーボールによって接合する一方、電子部品における回路板を、ソケットを構成しているクリップなどによってインターポーザーに向けて押し付け、その回路板に形成されている接続パッドを前記金属ピンの他端部（上端部）に機械的に接触させて導通させる実装方式である。したがって、このＬＧＡによれば、電子部品はインターポーザーの金属ピンに接触しているだけであるから、クリップを外すなどのことにより、基板本体から容易に取り外すことができる。また、後者のＢＧＡは、電子部品を、その回路板とマザーボードなどの基板本体との間にソルダーボールを介在させて基板本体上に配置し、そのソルダーボールをリフローさせて電子部品を基板本体に接合する方式である。したがって、このＢＧＡによれば、電子部品は基板本体に対していわゆる溶着されているから、電子部品は基本的には取り外すことができない。

インターポーザーを使用した実装構造が特許文献１に記載されている。そのインターポーザーは、シリコンシートに多数の貫通孔を形成し、その貫通孔にハンダ材料からなる接続部材を挿入するとともにその接続部材の両端部を貫通孔から突出させて構成されている。それらの接続部材の下端部を基板本体の接続パッドに接触させた状態でインターポーザーを基板本体上に配置し、また接続部材の上端部に電子部品の接続パッドを接触させた状態に電子部品を基板本体上に配置し、その状態で接続部材をリフローさせて電子部品を基板本体に接合するように構成されている。

特開２００６−３５１９３５号公報

前述したＬＧＡによれば、電子部品をインターポーザーに向けて押し付けることにより、インターポーザーを介して電子部品を基板本体に装着し、電子部品はインターポーザーの金属ピンに機械的に接触しているだけであるから、電子部品の取り付けや取り外しが容易であり、電子部品を交換することも可能である。しかしながら、インターポーザーの金属ピンと電子部品の接続パッドとの接触はいわゆる金属接触であるから、多数存在している金属ピンと接続パッドといずれかの接触が不良になる可能性がある。これを防ぐためにインターポーザーの金属ピンと電子部品の接続パッドとの接触圧力を強くすると、金属ピンが変形してしまい、電子部品を交換するなどのことにより再度装着する場合に金属ピンと接続パッドとの接触不良が生じる。

これに対してＢＧＡによれば、電子部品の回路板における接続パッドと基板本体の接続パッドとをハンダ付けするから、電子部品および基板本体のそれぞれの接続パッドを確実に接続することができる。しかしながら、ハンダを再度溶融させない限り、電子部品を基板本体から取り外すことができず、電子部品の実装や交換の作業性が悪い。これは、上述した特許文献１に記載されている実装構造であっても同様であり、インターポーザーにおける接続部材がハンダ製であるから、電子部品を基板本体に一旦取り付けた後は、ハンダを再度溶融させない限り、電子部品を基板本体から取り外すことができない。

さらに、従来のインターポーザーや上記の特許文献１に記載されているインターポーザーは、その金属ピンあるいは接続部材の強度もしくは剛性が高いから、大きい荷重が掛かった場合に欠損したり変形したりし、これが要因で接続不良が生じる可能性がある。また、電子部品における接続パッドあるいは基板本体の接続パッドとの相対位置に僅かなずれが生じた場合、その位置のずれを補償する手段や機能がないので、この場合も接続不良が生じ易くなる可能性がある。

この発明は、上記の技術的課題に着目してなされたものであり、電子部品の取り付けおよび取り外しが容易でかつ良好な電気的導通を図ることのできる電子部品の実装構造を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、半導体を有する電子部品が、回路が形成されている基板本体に電気的に導通させられている電子部品の実装構造において、前記電子部品を前記基板本体に取り外し可能に固定するソケットと、前記基板本体に設けられている第一の接続パッドと、前記電子部品に設けられている第二の接続パッドと、前記各接続パッドを介して前記電子部品と前記基板本体との間に介在されているインターポーザーとを備え、前記インターポーザーは、電気絶縁性を備えた弾性材料からなるシート材と、導電性および弾性を備えた柱状に形成されている多数の接続ピン部とを備え、前記接続ピン部は、前記シート材を貫通しかつその上下両側に突出した状態で設けられているとともに、当該接続ピン部の一方の端部が導電性接合材によって前記第一の接続パッドに溶着され、前記ソケットによって前記電子部品が前記インターポーザーを介して前記基板本体に固定されている場合、前記第二の接続パッドが前記接続ピン部の他方の端部に押しつけられて電気的に導通可能に接触し、かつ前記電子部品と前記基板本体との間で前記接続ピン部に作用する厚さ方向の荷重により当該接続ピン部が高さ方向に圧縮されて弾性変形し、前記電子部品が前記基板から取り外された場合、前記荷重により厚さ方向に圧縮変形させられていた前記接続ピン部が高さ方向に弾性復帰するように構成されていることを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記シート材は、シリコンゴムによって構成され、かつ前記接続ピン部は、導電性粒子をシリコンゴム中に混入して構成されていることを特徴とする電子部品の実装構造である。

請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記導電性粒子は、磁化されて相互に磁気吸着していることを特徴とする電子部品の実装構造である。

この発明によれば、電子部品はその接続パッドをインターポーザーの接続ピン部に押しつけて接触させることによりインターポーザーを介して基板本体に電気的に接続することができ、したがって電子部品の基板本体に対する実装が容易であり、また電子部品の着脱あるいは交換を容易に行うことができる。電子部品をインターポーザーに対して押しつけてその接続パッドを接続ピン部に接触させる場合、接続ピン部が弾性を有しているから接続ピン部が弾性変形し、それに伴う反力により両者が接触する。そのため、寸法誤差などのずれを吸収して確実かつ強固に接触し、両者の間の電気抵抗（接触抵抗）を低減して確実に導通させることができる。また、電子部品をインターポーザー側あるいは基板本体側に押しつける荷重が大きい場合であっても、接続ピン部は弾性変形するので、その応力が特に大きくなることはなく、そのため接続ピン部の欠損や異常変形などを未然に防止もしくは抑制することができる。言い換えれば、電子部品を取り外した場合には接続ピン部が元の形状に近い形状に弾性復帰するので、電子部品を再度実装する場合にその接続パッドと接続ピン部とを確実に接触させ、導通させて両者の間の抵抗を低下させることができる。

この発明に係る実装構造の一例を示す模式図である。 その一部を拡大して示す部分的な断面模式図である。 そのインターポーザーの一例を示す図である。 その接続ピン部がシート材から突出している状態を示す部分拡大図である。 そのフレームの例を示す図である。

つぎにこの発明を具体例を参照して説明する。図１はこの発明に係る実装構造の一例を示す模式図であり、回路が形成されているマザーボードなどの基板本体１上にソケット２によって電子部品３が取り付けられている。基板本体１は従来知られているものと同様の構成であって、図１における上面に接続パッドが適宜に設けられており、またサーマルビアと称される熱伝導材４が厚さ方向に貫通して多数、設けられている。すなわち、基板本体１の上面側の熱を熱伝導材４によって下面側に伝達して下面側に放熱するように構成されている。

ソケット２は、電子部品３を基板本体１に固定するためのものであって、ビス５によって基板本体１に固定される基台部６と、その基台部６にヒンジ７を介して閉じ方向に付勢されて取り付けられたクリップ部８とを備えている。基台部６は、基板本体１の上面で互いに対向して平行に配置された少なくとも一対の固定部を有し、それぞれの固定部がビス５によって基板本体１に固定されており、クリップ部８はその固定部にヒンジ７を介して取り付けられている。クリップ部８を閉じ方向に付勢する部材（図示せず）はヒンジ７に設けてあってもよく、あるいはヒンジ７とは別に設けられていてもよい。

基板本体１の上面と電子部品３との間にこの発明に係るインターポーザー９が介在させられている。このインターポーザー９は電子部品３と基板本体１の回路とを電気的に接続するためのものであって、上記のソケット２における基台部６によって保持されている。そのインターポーザー９の一例を図３に示してあり、ここに示す例は、フレーム１０の中央部にシート材１１を設け、そのシート材１１に多数の接続ピン部１２を設けて構成されている。

フレーム１０は、インターポーザー９の全体としての形態もしくは形状を保持すると同時に、電子部品３からの放熱を促進するためのものであって、ステンレス鋼や銅などの金属板に合成樹脂による絶縁を施して構成され、図３に示す例では、方形もしくは矩形に形成されている。このフレーム１０の中央部に設けられているシート材１１は、弾性材料によって薄膜（薄板）状に形成され、厚さ方向および面方向に弾性的に撓むことができるように構成されている。その弾性材料は、例えばシリコンゴムである。

他方、接続ピン部１２は、導電性を有する部分であって、シート材１１を貫通し、かつその上下両面側に突出した状態に設けられている。図４は、シート材１１の一方の面側に突出している接続ピン部１２の端部を示している。これらの接続ピン部１２は、図３に示す例では、シート材１１にマトリックス状に配列して設けられており、それぞれ弾性的に撓むことができるように構成されている。その構造を具体的に説明すると、各接続ピン部１２は、導電性粒子を弾性材中に混入させて構成されており、それらの導電性粒子は接続ピン部１２の各端部側に露出して接点を構成し、かつ弾性材の中で少なくともいずれかが接触して、全体として、接続ピン部１２の一端部から他端部に到る電気的な導通路を形成している。その導電性粒子は最大径が３０μｍ程度の微粒子であって、完全な球状である必要はなく、微粒子が凝集した異形形状であってよい。その導電性粒子の一例は、磁性の素材からなるものであって、例えばニッケルを使用することができる。より好ましくは、金でコーティングしたニッケル粒子を使用することができる。そして、これらの微粒子は磁化することにより相互に接触状態を維持するように構成されていてもよい。なお、この発明では、ニッケル以外に銅の微粒子を用いることができる。

これらの導電性粒子を混入してある弾性材は例えばシリコンゴムであり、その混合割合は体積比で、シリコンゴムが７５％に対して導電性粒子が２５％である。接続ピン部１２はこれらの混合物によって円柱状に形成され、上記のシート材１１を貫通するとともに上下両側に突出している。ここで、そのインターポーザー９の各部の寸法の一例を示すと、シート材１１の厚さは０．５ｍｍないし０．８ｍｍ、接続ピン部１２の長さは０．９ｍｍないし１．３ｍｍ、その外径は０．５ｍｍ程度、ピッチは１．０ｍｍ程度である。

なお、前述したフレーム１０の形状は、図５の（ａ）に示すように、シート材１１を配置する中央部が方形もしくは矩形に打ち抜かれた矩形枠状であってもよく、あるいは図５の（ｂ）に示すように、接続ピン部１２に相当する部分を丸孔状に多数打ち抜いた方形もしくは矩形の板状であってもよい。また、図１に示すインターポーザー９には、前述した基板本体１における熱伝導材４と同様の熱伝達ピン１３が貫通して設けられている。この熱伝達ピン１３は上記の接続ピン部１２が兼ねていてもよい。

上記の接続ピン部１２や熱伝達ピン１３と基板本体１との間、より正確には接続ピン部１２と基板本体１における接続パッドとの間および熱伝達ピン１３と基板本体１における熱伝達材４との間にハンダ（ソルダーボール）が配置され、これを加熱・溶融（リフロー）させることにより、接続ピン部１２および熱伝達ピン１３が基板本体１に溶着されている。これに対して、インターポーザー９の上面側には電子部品３が押し付けられて接触させられている。ここで、電子部品３の構成について説明すると、図１に示す例では、回路板１４の上面に半導体１５が接続して設けられている。その回路板１４の下面には、前記接続ピン部１２の上端を接触させる接続パッドが設けられ、また回路板１４の上面には半導体１５がハンダ（ソルダーボール）１６によって溶着され、その半導体１５が接続パッドに適宜に導通されている。また、回路板１４の上面には、半導体１５を覆うように熱拡散板１７が取り付けられている。この熱拡散板１７は図１に示す例では、上面側に凸となるように屈曲された金属製の部材であって、中央部内面を熱伝導性の高いペースト材もしくは接着剤などの熱媒体１８を介して前記半導体１５に接触させた状態で、両端部が回路板１４の上面に接着されている。そして、その熱拡散板１７の両端部（もしくは周縁部）が、前述したソケット２のクリップ部８によって押さえつけられて、電子部品３が基板本体１に固定されている。

すなわち、電子部品３における回路板１４の下面に設けられている接続パッドが、インターポーザー９における接続ピン部１２の上端に押し付けられて両者が機械的な接触によって導通している。その状態を図２に模式的に示してある。図２に示すように、基板本体１に設けられている接続パッド１９にインターポーザー９における接続ピン部１２がハンダ１６によって接合されている。これに対して接続ピン部１２の上端部には電子部品３の回路板１４に設けられている接続パッド２０が押し付けられて電気的に両者が接続されている。

接続ピン部１２は前述したように導電性の微粒子をシリコンゴムなどの弾性材に混入させることにより弾性変形するように構成されているから、電子部品３を上述したように押し付けた場合に圧縮力によって弾性的に圧縮変形する。したがって、接続ピン部１２の高さ（もしくは長さ）にばらつきがあったり、あるいは回路板１４における接続パッド２０の上下方向の位置にばらつきがあったりしても、そのばらつきを接続ピン部１２が弾性的に押しつぶされることにより吸収し、すべての接続パッド２０がそれぞれに対応した接続ピン部１２に対して確実に接触し、電気的に導通する。その場合、いずれかの接続ピン部１２に対する荷重が大きくなって大きく圧縮される場合があるが、接続ピン部１２は弾性変形できるように構成されているから、回路板１４が押し付けられることにより欠損したり破断したりすることはない。また、各接続パッド２０と接続ピン部１２との接触圧力はほぼ均等になる。さらに、インターポーザー９のシート材１１や電子部品３における回路板１４の厚さのばらつき、あるいは厚さ方向の変形などによって所定の接続パッド２０がインターポーザー９側に下がっている場合、接続ピン部１２を押し下げる荷重が作用するが、インターポーザー９のシート材１１が弾性を有しているので、その接続ピン部１２およびその周辺の部分が下側に弾性変形する。すなわち、接続パッド２０の上下方向の位置のずれがシート材１１の弾性変形によって吸収される。

この発明によるインターポーザー９あるいはこれを使用した実装構造では、接続ピン部１２やシート材１１の上記のような弾性変形により、接続ピン部１２と接続パッド２０とを、寸法や位置のずれを吸収して確実に接触させることができる。例えば、０．０４９Ｎ（ニュートン）以下の荷重を掛けて０．０１ｍｍ（１％）程度の圧縮を生じさせるだけで、電気抵抗は０．２Ω程度になり、０．１２７Ｎ（ニュートン）程度の荷重を掛けて０．０５ｍｍ（６％）程度の圧縮を生じさせると電気抵抗は０．０５Ω程度に低下し、それ以降は、荷重および変形量（変形率）が増大しても電気抵抗は０．０５Ω程度に維持された。この０．０５Ω程度の電気抵抗は回路や接続ピン部１２自体が元来有している抵抗であり、したがって接続パッド２０と接続ピン部１２との接触による抵抗は小さい接触圧力（荷重）によって極めて小さくすることができた。

また、接続ピン部１２が弾性変形することにより、位置や形状のずれをその弾性変形で吸収することができ、そのため、接続ピン部１２と接続パッド２０との接触面積が、相対的なずれのない場合の面積に対して２０％程度であっても両者の間の接触抵抗の増大は特には認められなかった。

さらに、この発明に係るインターポーザー９およびこれを使用した実装構造では、電子部品３はインターポーザー９に接触しているだけで溶着されていないので、電子部品３を容易に取り外すことができ、また再度装着することができる。その場合、接続ピン部１２は電子部品３が取り外されて圧縮力が作用しなくなることによりその形状が弾性復帰する。そのため、電子部品３を再度実装する場合に、接続ピン部１２と接続パッド２０とが当初想定した状態と同様な状態で接触する。すなわち、この発明によれば、電子部品３を繰り返し取り外し、また実装しても接触抵抗が増大することがなく、電子部品３の接続の再現性を向上させることができる。より具体的は、高々２．９４２Ｎ（ニュートン）程度の荷重を掛ければ、電気抵抗が０．０５Ω程度以下に安定し、良好な接続状態の再現性に優れていることが認められた。

なお、この発明は上述した具体例に限定されないのであって、接続ピン部１２の配列は必要に応じて適宜に変更してよい。また、サーマルビアに相当する熱伝達ピン１３は設けなくてもよい。さらに、この発明における基板本体は、プリント配線板であってもよい。

１…基板本体、 ２…ソケット、 ３…電子部品、 ９…インターポーザー、 １０…フレーム、 １１…シート材、 １２…接続ピン部、 １４…回路板、 １５…半導体、 １６…ハンダ（ソルダーボール）、 １９…接続パッド、 ２０…接続パッド。

Claims (3)

1. 半導体を有する電子部品が、回路が形成されている基板本体に電気的に導通させられている電子部品の実装構造において、
   前記電子部品を前記基板本体に取り外し可能に固定するソケットと、
   前記基板本体に設けられている第一の接続パッドと、
   前記電子部品に設けられている第二の接続パッドと、
   前記各接続パッドを介して前記電子部品と前記基板本体との間に介在されているインターポーザーとを備え、
   前記インターポーザーは、
   電気絶縁性を備えた弾性材料からなるシート材と、
   導電性および弾性を備えた柱状に形成されている多数の接続ピン部とを備え、
   前記接続ピン部は、前記シート材を貫通しかつその上下両側に突出した状態で設けられているとともに、当該接続ピン部の一方の端部が導電性接合材によって前記第一の接続パッドに溶着され、
   前記ソケットによって前記電子部品が前記インターポーザーを介して前記基板本体に固定されている場合、前記第二の接続パッドが前記接続ピン部の他方の端部に押しつけられて電気的に導通可能に接触し、かつ前記電子部品と前記基板本体との間で前記接続ピン部に作用する厚さ方向の荷重により当該接続ピン部が高さ方向に圧縮されて弾性変形し、
   前記電子部品が前記基板から取り外された場合、前記荷重により厚さ方向に圧縮変形させられていた前記接続ピン部が高さ方向に弾性復帰するように構成されている
   ことを特徴とする電子部品の実装構造。
2. 前記シート材は、シリコンゴムによって構成され、かつ
   前記接続ピン部は、導電性粒子をシリコンゴム中に混入して構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の電子部品の実装構造。
3. 前記導電性粒子は、磁化されて相互に磁気吸着していることを特徴とする請求項２に記載の電子部品の実装構造。

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