JPH02504450A - 熱膨張不整合が許容可能なセラミックリードレスチップキャリア用プリント配線板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 熱膨張不整合が許容可能な セラミックリードレスチップキャリア 用の印刷回路板 本発明は一般的に印刷回路板に対するセラミックリードレスチップキャリアの表 面設置に関する。本発明は特に印刷回路板とチップキャリアとの間のはんだ結合 一体化の信頼性を高める方法および装置に関する。

２、従来技術の説明 セラミックリードレスチップキャリアのような電子装置の表面設置は、このよう な表面設置技術か使用される場合に電子部品の重量および体積を軽減できるため に一般的になっている。さらに回路密度を増加させる必要からもチップキャリア の表面設置は好ましいものである。

典型的に、セラミックリードレスチップキャリアははんだフィシまたは結合によ り印刷回路板表面に取付けられる。はんだ結合の一体化および信頼性は長期間に わたって維持され、多数回の温度およびパワーサイクルに耐え得ることが重要で ある。さらにはんだ結合は、航空電子工学において使用されるような多数の電子 システムにおいて発生する衝撃および振動に対して耐えることができなければな らない。

セラミックリードレスチップキャリアの表面設置は増加しており、それはチップ キャリアと印刷回路板との間のはんだ結合の信頼性および一体化に関係している 。結合の一体化に対するクラックおよび他の妨害か注目されている。結合クラッ クは主に印刷回路板とチップキャリアとの間の熱膨張係数の差によると考えられ ている。種々の異なる方法がはんだ結合クラックの可能性を減少するために実行 されている。これらの方法は、セラミックリードレスチップキャリアの熱膨張係 数に近い熱膨張係数を有する材料から印刷回路板を形成することを含む。さらに 、導電エポキシ混合物のようなりラックを生じにくい結合にはんだ結合を置換す ることも試みられている。これまで使用された種々の方法が種々の程度の成功を 収めてきているが、依然として印刷回路板にセラミックリードレスチップキャリ アを表面設置し、はんだ結合クラックの可能性をなくす方法を提供する必要かあ る。

発明の要約 本発明は、印刷回路板にセラミックリードレスチップキャリアを設置し、はんだ 結合クラックの可能性を減少してシステムの信頼性および一体化を高める方法お よび装置を提供する。

本発明は、回路板の上部層が回路板の主ボディの膨張または収縮率と無関係にチ ップキャリアと共に膨張および収縮するような印刷回路板の構成に基づいている 。

本発明による印刷回路板は下部表面および上部表面を有する膨張層を含み、膨張 層の上部表面が印刷回路板の上部表面を形成する。膨張層は上部および下部を有 する堅牢な支持層によって支持されている。膨張層の下部は、チップキャリアの フットプリントおよびはんだ結合部の直下に位置された領域を除いて堅牢な支持 層の上部に結合されている。この膨張層と堅牢な支持層との間の結合の行われて いない部分はチップキャリアフットプリントの下に位置する許容可能な膨張領域 を提供し、膨張層は堅牢な支持層の膨張および収縮率とは無関係にチップキャリ アと同じ量で膨張し収縮することができる。

本発明の特徴としては、膨張層は比較的薄くてフレキシブルであり、リードレス チップキャリアと膨張層間の熱膨張不整合により引起こされたり一ドレスチップ キャリアのはんだ結合に加えられる応力は非常に低いため、はんだ結合クラック の可能性が減少される。

本発明の特徴としては、ポリテトラフロロエチレン（以下ＰＴＦＥという）分散 液またはエマルジョンは結合が望ましくない箇所である膨張層の下部に供給され る。その後ＰＴＦＥ分散液は乾燥され、結合されない領域を形成するために硬化 される。続いて膨張層の堅牢な支持層に対する結合は、ＰＴＦＥ層によって設け られた結合されない領域を除く全ての区域を結合する。

通常のモールド離型剤システムは、ラミネート回路板において層を結合するため に典型的に使用される接着剤（ポリイミドプリプレグ等）にはあまり良く作用し ない。他方、ＰＴＦＥ水性分散液は多数の接着剤と十分に作用する。硬化された ＰＴＦＥ層はまた成分配置動作における必須ステップである蒸気相はんだ付は状 況に耐える。さらに硬化されたＰＴＦＥ分散液の分離媒体としての使用は費用的 に有効であり、大量生産に対しそ容易に適合されることができる。

本発明の上記およびその他の多数の特徴および付加的な利点は、以下の説明およ び添付図面を参照することによってさらに理解されるであろう。

図面の簡単な説明 第１図はセラミックリードレスチップキャリアの設置前の印刷回路板の斜視図で ある。

第２図は本発明の第１の実施例によるセラミックリードレスチップキャリアをは んだ付けされた印刷回路板の断面図である。

第３図は本発明の別の実施例によるセラミックリードレスチップキャリアをはん だ付けされた印刷回路板の断面図である。

好ましい実施例の説明 本発明による好ましい印刷回路板は、第１図、第２図および第３図において１０ で示されている。第１図には、セラミックリードレスチップキャリア設置前の印 刷回路板１０が示されている。回路板ｌＯは複数のチップキャリア設置パッド１ ２を含む。種々の回路を接続する回路ラインは１４で示されている。

貫通孔は１Ｂで示されている。回路ラインおよび貫通孔は全ての印刷回路板の通 常の特徴であり、本発明の一部を成さないので、これらは説明のために示されて いるだけである。第２図において、セラミックリードレスチップキャリア１３が 設けられた後の印刷回路板１０の詳細な部分的断面図が示されている。

好ましい印刷回路板は、２０で示された堅牢な支持層に結合された膨張層１８を 含む。第２図において良く示されているように、支持層２０は多層積層回路板で あり、金属プレート２２、導熱接着層２４およびポリイミド含浸注入ガラスファ イバ層２６および２８を含み（以降ポリイミドファイバガラスと呼ぶ）、これら は接着層３０によって結合されている。金属プレート２２を設けることは任意で ある。良く知られているように、金属プレートは印刷回路板から熱を導熱して除 去することが望ましく、付加的な強さが望ましい場合に印刷回路板の一部として 含まれる。金属プレート２２が使用された場合、印刷回路板からの熱が金属プレ ート２２に伝達されることを保証するために導熱接着剤２４を使用することが望 ましい。

ポリイミドファイバガラス層２６および２８は必ずしもポリイミドファイバガラ スから構成される必要はない。エポキシファイバガラス、ポリイミド石英ファイ バ、アルミナ（セラミック）ファイバ基体、ポリイミドアラミツドファイバおよ び印刷回路板において典型的に使用されるその他の適切な複合材料のような他の 適切な印刷回路板材料も印刷回路板層として使用されることができる。層２６お よび２３８を結合するために使用される接着層３０はまた通常積層印刷回路板を 加工する際に使用される一般的に知られている接着剤のいずれであってもよい。

適切な接着剤の例はエポキシプリプレグ、ポリイミドプリプレグ等を含む。

金属層２２が使用される場合、それは約０．０３０インチ（０，０７８ｃｍ　） 乃至０．３００インチ（０，７６ｃｍ）の間の厚さを有することが好ましく、約 ０．０５０インチ（０，１３ｃｒＱ）乃至０．３００インチ（０，７６ｃｍ）の 間が最も好ましい。ポリイミドシート／＜ガラス層２６および２８は約０．００ ４インチ（０，ＯｌＯｅｍ　）乃至０．２５インチ（０，８４ｃｍ）の間の厚さ を有することが好ましく、約０．０９０インチ（０，２３ｃｍ）が最も好ましい 。２つの接着層２４および３０の厚さは約０．００４インチ（０，０１０ｅぷ） 乃至０．０１２インチ（０，０３０ｃｍ　）が好ましい。金属層に使用される特 定の金属はアルミニウム、銅および銅合金を含む通常の印刷回路板に使用される ものおよびその他の適切な導熱金属である。

通常の印刷回路板において、セラミックリードレスチップキャリアは積層された 支持層２０に直接的に結合される。しかしながら、本発明によると膨張層１８が 設けられている。膨張層１８は上面３２および下面３４を含む。膨張層１８の下 面３４は接着層３８によって支持層２０の上面３６に結合されている。第２図に 良く示されているように、接着層３８はチップキャリア１３の下の膨張層１８に 結合されていない。これは膨張層１８が支持層２０に結合されない非結合領域４ ０を残す。これは、膨張層１８が印刷回路板２０のその他の部分と無関係にチッ プキャリア１３と共に自由に膨張および収縮する膨張領域を提供する。第３図に 示され以下に論じられるような本発明の別の実施例において、支持層２０の膨張 層１８に対する接着を阻止するポリテトラフロロエチレン（ＰＴＦＥ）３９の層 が設けられる。

第２図および第３図に示されているように、チップキャリア１３ははんだフィシ または結合部４２によって膨張層１８の上面３２に取付けられる。チップキャリ ア１３およびはんだ結合部４２の下の領域は、チップキャリアのワットプリント として定められている。本発明によると、接着層３８はチップキャリアフットプ リントの下の位置では結合しない。非結合領域は第２図において４４および４６ で示されているフットプリントから少し外側に延在する。これは、チップキャリ アフットプリント直下にはない膨張層１８の非結合部分を形成する。この非結合 部分が設けられることが重要である。

膨張層１８は、ポリイミドフィルムのような低い弾性係数を有する材料から構成 されている。好ましいポリイミドフィルムはデュポン社によりＫＡＰＴＯＮの商 品名で販売されている。別のフレキシブルなフィルムは、それらが高温安定性お よび良好な結合特性を具備したポリイミドに類似した特性を有する限り可能であ る。これらのフィルムは、フィルムのフレキシビリティに悪影響を及ぼし得るガ ラス粒子またはビーズのような充填物を含んでいてはならない。

膨張層の厚さは、それがある程度のフレキシビリティを有する一方で、構造的に 強いようなものでなければならない。

０．０００５インチ（０，００１ｃｍ　）乃至０．００５インチ（０，０１３ｃ １１１）の間の層の厚さか適切である。支持層２０に膨張層１８を結合するため の適切な接着剤は、ポリイミドプリプレグ、エポキシプリプレグのような非流動 タイプの接着剤を含む。接着層の厚さは約０．１０インチ（０，２５ｃｍ）より 少なくなければならない。

ポリイミドフィルムは、ポリイミドシートが非常に薄いシートで形成されること ができ、一方構造的に強いので膨張層としての使用に好ましい。さらに、ポリイ ミドフィルムの弾性係数は非常に低い−（４，６Ｘｌ０５ｐｓｉ　）。したかっ て、チップキャリアの下の薄い膨張層の膨張および収縮は非常に低い応力をはん だ結合部４２に作用させるに過ぎない。この応力は実質的にはんだ結合の疲労応 力よりも下である。したがって、はんだ結合はクラックを形成しない。

適切な製造技術ならば膨張層１８がチップキャリアフットプリント下の位置で支 持層２０の上面３６に結合されないことを保証するために使用されることができ る。例えば、非結合フットプリント領域４０は接着剤３８がチップキャリア下の 領域に接着することを阻止するためにプリプレグ接着層をダイカットするか、も しくは膨張層１８の下面３４に種々のモールド剥離媒体を供給することによって 得ることかできる。さらに、通常の剥離材料の層またはシートは、膨張層の下面 ３４と支持層２０の上面３６との間に挿入されてもよい。

本発明の別の実施例によると、非結合フットプリント領域４０は膨張層１８の下 面３４にポリテトラフロロエチレン（ＰＴＦＥ）のエマルジョンの薄い層を設け ることによって形成される。ＰＴＦＥエマルジョンは乾燥され、接着層３８が膨 張層の下部３４に接着することを阻止する十分に限定されたＰＴＦＥ層３９層設 ９るために高温で融着される。

ＰＴＦＥエマルジョンは、非常に微細なＰＴＦＥ粒子の懸濁水溶液であることが 好ましい。粒子の大きさは、約０．１乃至０．２５ミクロンの間であることが好 ましい。エマルジョンはシルクスクリーンによって膨張層の下部３４に供給され ることが好ましい。エマルジョン水溶液中のＰＴＦＨの濃度は、使用されるシル クスクリーンの穴の寸法に応じて重さで５５乃至７５％の間でなければならない 。３２５メツシユのシルクスクリーンが使用された場合、約６５重量％のＰＴＦ Ｅ′ａ度が良好に作用することが発見された。シルクスクリーン処理は良く知ら れている通常のシルクスクリーン技術にしたがって実行される。

必須ではないが、ＰＴＦＥ粒子はエマルジョン水溶液の持続を助ける湿潤剤の被 覆を含んでいることが好ましい。湿潤剤被覆を有するＰＴＦＥ粒子はデュポン社 のＴＥＦＬＯＮ１２０−　Ｆ　Ｅ　Ｐ分散液を利用する二とかできる。ＴＥＦＬ ＯＮ１２０粒子上での湿潤剤の識別は知られていない。しかしながら、既知の湿 潤剤は所望のエマルジョン特性を生成するならば使用されることかでき、融着の 前またはその期間中に加熱により蒸発されるか、もしくは別の方法でＰＴＦＥか ら除去されることかできると考えられている。

粒子の例として、ＴＥＦＬＯＮ　１２０−ＦＥＰ分散液の６５重重二のエマルジ ョン水溶液が準備された。溶液はフレキシブルなポリイミドシート上で３２５メ ツシニのシルクスクリーンを使用して選択的にシルクスクリーン処理された。エ マルジョンは１２５℃で３０分間乾燥された後、湿潤剤の被覆を除去するために ５００°Ｆ　（２８０℃）で焼成された。その後残りのＰＴＦＥ粒子は固体の成 形されたＰＴＦＥの層を形成するために５２５　’　Ｆ　（２７４℃）で融着さ れた。

ＰＴＦＥ層は、フレキシブルシートが前記のように回路板に結合されたときに接 着層がＰＴＦＥ層の位置のフレキシブルなポリイミドシートに結合することを阻 止する。

ＰＴＦＥは比較的純度が高い。しかしながら、接着層に関するＰＴＦＨの非結合 特性が失われない場合、少量の不純物または添加物があってもよい。

ＰＴＦＥ粒子はまた噴射またはエマルジョン水溶液のシルクスクリーンによるも のと同一の限定された形状の表面を形成することができる別の技術によって選択 的に供給されてもよい。メチルエチルケトン（ＭＥＫ）および別の適切な溶媒は 、エマルジョンが噴射されたときにそれらがあまり急速になくならなければ噴射 用として使用されることができる。アセトンは噴射またはシルクスクリーン用の ＰＴＦＥ粒子の溶媒またはキャリアとしてあまり良く作用しない。これはアセト ンが急速に蒸発するためである。融着後の最終のＰＴＦＥ層３９層設９るだけ薄 く、しかもフレキシブルな膨張層１８と支持層２０との間の接着を阻止しなけれ ばならない。約０．０００１インチ（０，０００２ｃｍ）乃至０．０００３イン チ（０，０００６ｃｍ）のＰＴＦＥ層の厚さが好ましい。

粒子の融着温度は約５２５°Ｆ　（２７４℃）以上であるべきである。５４０　 ’　Ｆ　（２８２℃）より上の温度は、薄層への粒子の融着に要する時間を短縮 するので好ましい。さらに、ＰＴＦＥエマルジョンは膨張層１８の代わりに支持 層２８に供給されてもよいことに留意すべきである。いずれの場合においても、 融着されたＰＴＦＥ層は接着剤が供給されたとき膨張層１８と支持層２０間の接 着を阻止する。しかしながら、ＰＴＦＥエマルジョンは膨張層１８に供給される ことが好ましい。

第２図および第３図に示されているようなリードレスセラミックチップキャリア （以降ＬＣＣＣと呼ぶ）に対して試験が行われ、ＬＣＣＣの寸法は８４Ｉ１０． ５０ミルの中心であった。

ＬＣＣＣは、０．０９インチ（０，２４ｃｍ）の厚さのポリイミドガラス印刷回 路板（ＰＷＢ）構造を含んでいた。膨張層は０．００１インチ（０，２４ｃｍ） の厚さを有するＥ　ｎｋａによって形成されたフレキシブルなポリイミドシート であった。この試験の目的は、何らかの損傷が振動下においてＬＣＣＣはんだ結 合部、非結合領域における薄いフレキシブルな膨張層、およびＰＷＢ自体の領域 中に発生するかどうかを発見することであった。試験の結果、このＰＷＢは損傷 されずに高い振動入力を与えられることが認められた。

一般的に、堅牢なＦＥＢのＬＣＣＣはんだ結合部は、堅牢な回路板が高い共振周 波数を有しているため振動試験に対して良好な耐性を有する。ＰＷＢが共振性で ある場合、ＬＣＣＣのはんだ結合部は高い応力を有する。ＰＷＢの固有周波数が 電子システムの動作振動周波数（ファン、モータ等）よりも高いならば、振動が ＰＷＢの信頼性に与える影響は最小である。ＰＷＢが共振性である場合、それは 波形で振動する。この波形はＬＣＣＣからＰＷＢを引張り、はんだ結合部に高い 応力を与える傾向がある。

ヒートシンクが使用されない場合、本発明の従属層として動作するＰＷＢはそれ 程高い堅牢さははない。しかしながら、二の層のＰＷＢは標準的なＰＷＢとは異 なって機能する。薄くフレキシブルな上音層は、薄層がはんだ結合部に高い応力 を与えずに膨張または収縮することができるためＬＣＣＣとＰＷＢとの間の移動 不整合に耐える。これは表面設置装置のはんだ結合の故障（振動による）を解決 するものである。

パワーサイクル試験も実行された。従属して動作する層のＰＷＢは全てその最悪 の条件下で試験された。最初に、ＰＷＢは一５５℃に冷却された。次に各ＬＣＣ ＣはＬＣＣＣに結合されたチップ抵抗によって加熱された。８４−１１０ＬＣＣ Ｃは４．５ワツトを消費する３個の抵抗を使用し、６８−１１０ＬＣＣＣは３ワ ツトを消費する２個の抵抗を使用し、４８−ＩｌｏＬＣＣＣは１．５ワツトを消 費する１個の抵抗を使用した。ＰＷＢは１．２００サイクルに対して試験され、 はんだ結合部はクラックを生じなかった。

さらに、熱シヨツク試験が実行された。試験方法は以下の通りであった。ＰＷＢ は全て熱シヨツク機中に置かれた。これらの回路板は高温室から冷凍室へおよび その逆に交互にシフトされた。高温室の温度は＋１２５℃であり、冷凍室は一５ ５℃であった。各室におけるＰＷＢの滞在期間は２０分間であった。

２．０００サイクルの熱シヨツク試験後、はんだ結合部の故障はなかった。全て のはんだ結合部は試験前と同じ様子であった。

Ｐ　ＷＨの熱インピーダンスを測定するために、チップ抵抗はＬＣＣＣの中心空 洞で結合された。それはパワーサイクルに使用されたものと同じ構造を有してい た。熱電対はＬＣＣＣ空洞中のＬＣＣＣ壁土およびＰＷＢ上に設けられた。

各ＬＣＣＣのパワー消費および各熱電対の温度が測定された。

ＰＷＢの熱インピーダンスが計算された。試験結果は、従属して動作する層のＰ ＷＢか標準のポリイミドガラスＰＷＢと同じ熱特性を有していることを示した。

本発明の実施例は上記のように記載されているが、当業者は記載されたものは単 なる例示であり、本発明の技術的範囲を逸脱することなく種々の代替物、適用お よび修正が実行されることを理解すべきである。したがって、本発明はここに示 されたような特定の実施例に限定されるものではなく、以下の請求の範囲の各請 求項によってのみに限定されるものある。

国際調査報告 国際調糞報告

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. （１）セラミックリードレスチップキャリアの下部が結合された位置の下の印刷 回路板の上部表面上の領域はチップキャリアフットプリントを限定し、前記セラ ミックリードレスチップキャリアは膨脹および収縮を行う印刷回路板の上部表面 に結合された下部を含むセラミックリードレスチップキャリアを設置する印刷回 路板において、 下部表面および前記印刷回路板の上部表面を形成する上部表面を有する膨脹層と 、 下部および上部表面を有する堅牢な支持層と、前記膨脹層の下部表面がチップキ ャリアフットプリントで前記支持層の上部表面に結合されないように前記チップ キャリアフットプリントの下の接着手段に隙間が設けられ、それによって前記支 持層とは無関係に膨脹および収縮期間中前記膨脹層を前記セラミックリードレス チップキャリアと共に膨脹および収縮させる前記支持層の上部表面に前記膨脹層 の下部を結合する前記膨脹層の下部と前記支持層の上部表面との間の接着層とを 含む印刷回路板。
2. （２）前記膨脹層はポリイミドの薄いフィルムを含む請求項１記載の印刷回路板 。
3. （３）前記膨脹層は約０．０００５インチ（０．００１ｃｍ）乃至０．００５イ ンチ（０．０１３ｃｍ）の厚さである請求項２記載の印刷回路板。
4. （４）前記膨脹層はフレキシブルなポリイミドである請求項３記載の印刷回路板 。
5. （５）前記支持層は積層された複数の個々の層を含む請求項１記載の印刷回路板 。
6. （６）前記個々の層には金属、ガラス、セラミックまたは堅牢なプラスチックが 含まれる請求項５記載の印刷回路板。
7. （７）前記接着手段は前記膨脹層と前記支持層との間に接着層を含む請求項１記 載の印刷回路板。
8. （８）前記接着手段はポリイミドプリプレグおよびエポキシプリプレグから成る グループから選択された接着剤を含む請求項７記載の印刷回路板。
9. （９）前記接着層は約０．１０インチ（０．２５ｃｍ）より薄い厚さである請求 項７記載の印刷回路板。
10. （１０）セラミックリードレスチップキャリアおよび前記膨脹層の上部表面に前 記セラミックリードレスチップキャリアを結合する設置手段を含み、前記セラミ ックリードレスチップキャリアの膨脹および収縮に伴う前記膨脹層の膨脹および 収縮が前記設置手段のクラックを防止する請求項１記載の印刷回路板。
11. （１１）前記チップキャリアフットプリントにおいて前記膨脹層の下部表面と前 記印刷回路板の上部表面の間に設けられたポリテトラクロロエチレンの薄層を含 み、前記ポリテトラクロロエチレンの薄層は前記接着手段が前記チップキャリア フットプリントの下の前記膨脹層の下面に結合しないように位置されている請求 項１記載の印刷回路板。
12. （１２）前記ポリテトラフロロエチレンの薄層は約０．０００１インチ（０．０ ００２ｃｍ）乃至０．０００３インチ（０．０００６ｃｍ）の厚さを有する請求 項１１記載の印刷回路板。
13. （１３）前記ポリテトラフロロエチレンの薄層は、前記膨脹層の下部表面にポリ テトラフロロエチレン粒子のエマルジョン水溶液を供給し、 前記薄層に前記ポリテトラクロロエチレン粒子を融着するのに十分な時間の間お よび十分な温度で前記エマルジョンを加熱することによって形成される請求項１ １記載の印刷回路板を形成する方法。
14. （１４）前記エマルジョン水溶液は５５乃至７５重量％のポリテトラクロロエチ レン粒子を含む請求項１３記載の方法。
15. （１５）前記ポリテトラクロロエチレン粒子は湿潤剤の表面被覆を含む請求項１ ４記載の方法。
16. （１６）前記ポリテトラクロロエチレン粒子の寸法は約０．１ミクロン乃至０． ２５ミクロンである請求項１３記載の方法。
17. （１７）ポリテトラクロロエチレン粒子の前記エマルジョン水溶液はシルクスク リーンによって前記膨脹層の下部表面に選択的に供給される請求項１３記載の方 法。
18. （１８）前記融着されたポリテトラクロロエチレン粒子の薄層は約０．０００１ インチ（０．０００２ｃｍ）乃至０．０００３インチ（０．０００６ｃｍ）の厚 さを有する請求項１３記載の方法。