JPH11135908A - 配線基板の接続構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】配線基板を外部電気回路基板に表面実装する
際、高価な製造設備や煩雑な位置決め等の製造工程を必
要とせず、球状端子と配線基板の電極や外部電気回路基
板の配線導体との接合部に応力を集中させず、球状端子
に疲労亀裂を生じない高い接合信頼性を有し、高密度実
装が可能で小型化が実現できる配線基板の接続構造を提
供する。 【解決手段】配線基板の絶縁基体と外部電気回路基板の
絶縁基体の熱膨張率の差が８×１０^-6／℃以下である配
線基板と外部電気回路基板を、該配線基板及び外部電気
回路基板の表面に対して軸心が４５〜８０度の傾斜角を
有する球状端子で前記配線基板の電極と外部電気回路基
板表面の配線導体とを接続して表面実装した配線基板の
接続構造を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子が収容
搭載される半導体素子収納用パッケージや、半導体素子
の他にコンデンサや抵抗体等の各種電子部品が搭載され
る混成集積回路装置等に用いられる配線基板を、入出力
用の球状端子を介して外部電気回路基板に表面実装した
配線基板の接続構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体素子収納用パッケージや混
成集積回路装置等に用いられる配線基板は、一般にアル
ミナ質焼結体等の電気絶縁性のセラミック焼結体から成
る絶縁基体を用い、その上面の略中央部に設けた凹部周
辺から下面に、あるいはその内部及び表面に、タングス
テン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、マンガン（Ｍｎ）等
の高融点金属から成る複数の配線導体を配設すると共
に、各配線導体を絶縁基体内に設けた前記同様の高融点
金属から成るビアホール導体で互いに接続した構造を成
している。

【０００３】そして、前述のように構成された配線基板
は、例えば半導体素子収納用パッケージとして適用する
場合には、その絶縁基体の凹部底面に半導体素子をガラ
スあるいは樹脂、ロウ材等の接着剤を介して接着固定す
ると共に、該半導体素子の各電極を凹部周辺に位置する
配線導体にボンディングワイヤを介して電気的に接続
し、金属やセラミックスから成る蓋体を前記凹部を塞ぐ
ように前記接着剤と同様の封止材を介して接合し、絶縁
基体の凹部内に半導体素子を気密に収納することにより
半導体装置としていた。

【０００４】近年、高周波化及び高集積化が進むＩＣや
ＬＳＩ等の半導体素子を搭載する半導体素子収納用パッ
ケージや、各種電子部品が搭載される混成集積回路装置
等に適用される配線基板は、高速信号に対応でき、高密
度で小型軽量化の要求に応えるために、外部電気回路基
板の表面に直接実装すべく、前記配線基板の電極に半田
等の球状端子を設け、該球状端子を介して直接接続する
接続方法が採用されるようになってきている。

【０００５】この場合、前記球状端子は配線基板の下面
に多数配置され、該球状端子を外部電気回路基板の配線
導体上に載置当接させた後、前記球状端子を所定温度で
加熱溶融して前記配線導体に接続させることにより外部
電気回路基板上に配線基板を表面実装することが行われ
ており、配線基板に搭載された半導体素子や各種電子部
品の各電極は配線導体及びビアホール導体を介して外部
電気回路基板に電気的に接続されている。

【０００６】しかし、前記球状端子を介して外部電気回
路基板上に配線基板を表面実装した場合、配線基板と外
部電気回路基板を成す絶縁基体の熱膨張率及び形状の大
きさの違いによる熱容量が異なることから、熱膨張率差
及び冷却速度に差異を生じ、環境温度の変化や稼働時の
自己発熱等により球状端子には繰り返しの剪断歪みが負
荷され、中央部が膨らんだ樽形状を成す前記球状端子は
配線基板の電極及び外部電気回路基板の配線導体との接
合部において応力が集中して微小な亀裂を生じ易く、前
記繰り返しによりこの疲労亀裂が徐々に成長して電気的
特性が劣化し、接続信頼性に欠けるという問題があっ
た。

【０００７】更に、近年の半導体素子収納用パッケージ
や混成集積回路装置等に適用される配線基板は、各種電
子装置の用途の拡大により、その使用環境は従来よりも
多彩でかつより厳しいものとなっており、とりわけ自動
車の電子制御化の発展に伴って車載環境で用いられる場
合には、使用環境が厳しい上により高い信頼性が要求さ
れており、かかる電子装置では、高い信頼性を確保する
上で重要となるのが半田等による接合部であり、例え
ば、前記半田等の球状端子による表面実装法では、例え
ば即時剪断強度や熱疲労寿命等が優れていること等が接
合信頼性を確保する上で重要となっている。

【０００８】そこで、かかる問題を解消するために、図
２に示すように球状端子２１の形状を制御してその高さ
２２を高くすることにより接合部における配線基板２３
と外部電気回路基板２４を成す絶縁基体の熱膨張率の差
によって生じる応力の集中を低減させることが提案され
ている（特許第２５５９４０８号公報参照）。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記提
案では配線基板２３と外部電気回路基板２４に直立した
球状端子２１の高さ２２を高くすることにより配線基板
２３と外部電気回路基板２４の絶縁基体の熱膨張差によ
って生じる応力の集中は低減されるものの、配線基板２
３と外部電気回路基板２４の絶縁基体の大きさに左右さ
れる熱容量の差による冷却速度の違いから発生する球状
端子２１の疲労亀裂は避け難いという課題があった。

【００１０】また、前記球状端子２１を得るためには特
殊な機械装置を用いると共に配線基板２３にピン（不図
示）を、外部電気回路基板２４にはピンと係合する孔
（不図示）を設け、該ピンと孔とにより位置決めした上
で前記機械装置により球状端子の形状を制御しており、
その製造設備の増加と製造工程が極めて煩雑で工程数の
増加を招くことから製造コストが増大し、かつ球状端子
の高さを高くすることは配線基板と外部電気回路基板と
の接続構造が嵩だかとなって小型化の要求に反し、高密
度実装の妨げになるという課題があった。

【００１１】

【発明の目的】本発明は前記課題に鑑み成されたもの
で、その目的は、配線基板を外部電気回路基板に表面実
装する際、高価な製造設備や煩雑な位置決め等の製造工
程を必要とせずに、前記球状端子と配線基板の電極や外
部電気回路基板の配線導体との接合部の応力の集中を回
避できると共に、熱容量の差による冷却速度の違いから
発生する球状端子の疲労亀裂も防止した、高い接合信頼
性を有し、高密度実装が可能で小型化が実現できる配線
基板の接続構造を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者等は前記課題に
対して鋭意検討した結果、配線基板の電極と外部電気回
路基板表面の配線導体とを接続する球状端子の軸心が、
表面実装する配線基板及び／又は外部電気回路基板の表
面に対してほぼ直立した状態にある場合、かかる球状端
子に生じる疲労亀裂は配線基板及び外部電気回路基板の
絶縁基体の熱膨張差及び熱容量の差異による冷却速度の
差から発生する剪断応力を主たる原因とするものであ
り、球状端子の配線基板の電極側と外部電気回路基板の
配線導体側の接続位置を相互にずらせて傾けることによ
り、球状端子の高さを低くしても前記配線基板及び外部
電気回路基板の絶縁基体の熱膨張差及び熱容量の差異に
よる冷却速度の差から発生する剪断応力が、複数の球状
端子で効果的に緩和又は係止されて集中せず、接合信頼
性が向上することを知見し、本発明に至った。

【００１３】即ち、本発明の配線基板の接続構造は、配
線基板の絶縁基体と外部電気回路基板の絶縁基体の熱膨
張率の差が８×１０^-6／℃以下である配線基板と外部電
気回路基板を、該配線基板及び外部電気回路基板の表面
に対して軸心が４５〜８０度の傾斜角を有する球状端子
で前記配線基板の電極と外部電気回路基板表面の配線導
体とを接続して表面実装したことを特徴とするものであ
る。

【００１４】

【作用】本発明の配線基板の接続構造によれば、配線基
板の絶縁基体と外部電気回路基板の絶縁基体の熱膨張率
の差が８×１０^-6／℃以下である配線基板と外部電気回
路基板を、軸心が４５〜８０度の傾斜角を有する球状端
子で接合したことから、前記熱膨張率の差及び熱容量の
差異による冷却速度の差から発生する剪断応力が前記傾
斜角を有する球状端子で緩和又は係止されて該剪断応力
が分散され、その結果、前記疲労亀裂の発生や、過酷な
稼働条件下における亀裂の成長が抑制、防止されること
により電気的特性が長期にわたって維持され、接続信頼
性が向上することになる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の配線基板の接続構
造について図面に基づき詳細に説明する。

【００１６】図１は、本発明の配線基板の接続構造の一
実施例を示す球状端子の軸心を通る要部の拡大断面図で
ある。

【００１７】図において、１は球状端子２を介して配線
基板３を外部電気回路基板４に表面実装した配線基板の
接続構造であり、配線基板３の電極５及び外部電気回路
基板４の配線導体６には、金属被膜１１が被着され、そ
の軸心７が所定の傾斜角８で傾斜した球状端子２で互い
に接続されて、配線基板３が外部電気回路基板４に表面
実装されている。

【００１８】ここで、球状端子２の軸心７とは、球状端
子２の配線基板３側の接続面の中心１２と、外部電気回
路基板４側の接続面の中心１３とを結ぶ線を指し、該軸
心７の傾斜角８とは、前記それぞれの接続面の中心１
２、１３を結ぶ線が通る垂直な断面における該線と配線
基板の表面９及び外部電気回路基板の表面１０とが成す
角度を指す。

【００１９】また、本発明の配線基板の接続構造は、例
えば、配線基板のメタライズ金属層から成る配線取り出
し部上に金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）等
の金属被覆とオーバーコート層を被着形成して電極を形
成し、該電極部に半田ペーストを印刷した後、前記電極
部とは所定のずれを有するように配線基板の場合と同様
の金属被覆とオーバーコート層を被着形成した外部電気
回路基板の配線導体上に載置し、２００〜２７０℃の温
度で加熱溶融して接続することにより得ることができ
る。

【００２０】本発明において、配線基板と外部電気回路
基板の絶縁基体の熱膨張率の差が８×１０^-6／℃を越え
ると、発生する剪断応力が前記傾斜角を有する球状端子
では緩和又は係止できなくなり、その結果、配線基板の
電極及び外部電気回路基板の配線導体と球状端子との接
合部に前記応力が集中して微小な亀裂を生じ易く、前述
の環境温度の変化や稼働時の自己発熱等により疲労亀裂
が成長して電気的特性が劣化して不適当となる。

【００２１】かかる熱膨張率の差を考慮すると、適用可
能な配線基板及び外部電気回路基板の絶縁基体として
は、例えばアルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）、窒化珪素（Ｓｉ₃
Ｎ₄ ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）やガラスセラミッ
ク等のセラミック焼結体、及びシリコーン系、アセチレ
ン系、ピロール系、エポキシ系等の有機樹脂から成るも
のが挙げられる。

【００２２】一方、本発明における配線基板と外部電気
回路基板の絶縁基体の熱膨張率の差が前記条件を満足す
るとしても、配線基板の電極と外部電気回路基板表面の
配線導体とを接続する球状端子の軸心傾斜角が配線基板
及び外部電気回路基板の表面に対して４５度未満の場合
には、球状端子の配線基板側の接合部の中心と外部電気
回路基板側の接合部の中心とのずれが大きく接合不良が
生じ易く、歩留りが低下すると共に、耐久性が劣化し易
い。

【００２３】また、球状端子の軸心傾斜角が８０度を越
えると、球状端子の配線基板及び外部電気回路基板との
接合端部に生じる歪みは、前記熱膨張率の差がない場合
には配線基板と外部電気回路基板の熱容量の差異による
冷却速度の差から発生する剪断応力を原因とするもので
あり、前記熱膨張率の差が大きくなると配線基板と外部
電気回路基板の絶縁基体の熱膨張率の差から発生する剪
断応力が原因となって亀裂を発生し易くなり不適当であ
る。

【００２４】従って、球状端子の軸心傾斜角は４５〜８
０度の範囲に限定される。

【００２５】更に、本発明の配線基板の接続構造におい
ては、図１に示すように球状端子２の外形形状は中央部
が膨らんだ樽形状は勿論、配線基板側あるいは外部電気
回路基板側にすぼまった形状等、いかなる形状でも適用
可能であるが、球状端子２の配線基板側の接合面の径１
４と、外部電気回路基板側の接合面の径１５との相関
が、配線基板の電極側に対する外部電気回路基板の配線
導体側の比率として０．６〜１．５の範囲内であれば、
配線基板と外部電気回路基板の電気的な接合性及び接合
歩留りの点ではより望ましいものである。

【００２６】また、球状端子２の他の相関としては、前
記外部電気回路基板側の接合面の径１５に対する球状端
子２の高さ１６の比率が０．４〜１．０の範囲内である
と、配線基板と外部電気回路基板の絶縁基体の反りの影
響を受けず、かつ球状端子の形状変化も極めて小さく、
接合性の点ではより望ましいものである。

【００２７】尚、球状端子２を接続する配線基板３の電
極５及び外部電気回路基板４表面の配線導体６には、球
状端子２を強固に接続して剥がれを防止するために金属
被膜１１及びオーバーコート層１７を被着形成すること
が望ましく、それらは互いに密着しても、隙間を設けて
被着形成しても良い。

【００２８】また、前記金属被膜とオーバーコート層の
厚さは、一般的には金属被膜としては１μｍ以上、オー
バーコート層は１０μｍ以上あれば良いが、球状端子材
料の濡れ性及び熱疲労寿命等の耐久性を考慮すると金属
被膜の厚さは３〜１０μｍで、かつオーバーコート層の
厚さは２０〜５０μｍの範囲内にあることがより好適で
ある。

【００２９】本発明における前記球状端子材料としては
特に限定されるものではないが、錫（Ｓｎ）６３％と鉛
（Ｐｂ）３７％に代表される半田や、銀（Ａｇ）等から
成る各種導電性材料等が適用でき、とりわけ前記金属被
膜との濡れ性や接合性等からは前記半田が好適である。

【００３０】一方、前記電極や配線導体にはタングステ
ン（Ｗ）やモリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）等の高
融点金属やその合金、あるいは銅（Ｃｕ）等の材料が用
いられるが、接合強度や製造コストの観点からは配線基
板の電極としてはタングステン（Ｗ）やモリブデン（Ｍ
ｏ）が、外部電気回路基板の配線導体としては銅（Ｃ
ｕ）が最も望ましい。

【００３１】更に、前記金属被膜は電極や配線導体に密
着して球状端子を強固に接着させ得るものであればいか
なるものでも良く、例えばニッケル（Ｎｉ）やニッケル
／金（Ｎｉ／Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、錫（Ｓｎ）等の被膜
が挙げられるが、メッキ法等の簡単な方法で前記電極や
配線導体表面に強固に被着でき、半田等の球状端子との
濡れ性を考慮するとニッケル／金（Ｎｉ／Ａｕ）あるい
は銅（Ｃｕ）が望ましい。

【００３２】他方、オーバーコート層としては、配線基
板の電極及び外部電気回路基板表面の配線導体がその製
造工程や稼働中の熱履歴により絶縁基体から剥離するの
を防止できれば特に限定されるものではなく、例えば、
アルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）等のセラミックコーティング層
や各種有機樹脂層が適用できる。

【００３３】

【実施例】本発明の配線基板の接続構造を評価するに際
し、先ず、Ａｌ₂ Ｏ₃ を主成分とし、ＳｉＯ₂ 、Ｍｇ
Ｏ、ＣａＯ等の焼結助剤を混合して調製した泥漿を、周
知のドクターブレード法やカレンダーロール法等のテー
プ成形技術により、厚さ約３００μｍのセラミックグリ
ーンシートに成形し、該セラミックグリーンシートの所
定位置に打ち抜き加工を施してビアホールを形成した。

【００３４】一方、Ｗを主成分とする粉末に、アルミナ
粒子を適量添加し、周知の有機バインダー、可塑剤、溶
剤を添加して混練機で混練して配線用の導電ペーストを
作製した。

【００３５】次に、得られたセラミックグリーンシート
上に前記配線回路用ペーストを用いて配線回路をスクリ
ーン印刷法で形成すると共に、ビアホール部分にも前記
スクリーン印刷法あるいは圧力充填法により前記配線回
路用ペーストを充填し、更に、配線基板の表層部となる
セラミックグリーンシート上には電極を被着形成し、そ
れらを積層したものを水素（Ｈ₂ ）と窒素（Ｎ₂ ）の混
合ガスから成る還元性雰囲気中、約１６００℃の温度で
焼成して、厚さが約１．２５ｍｍの５層から成り、後述
する測定法で測定した熱膨張率が７×１０^-6／℃の評価
用の配線基板を作製した。

【００３６】かくして得られた配線基板の電極の周縁部
を覆うようにアルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃）を主成分とするコ
ーティング材から成るオーバーコート層を、次いでＮｉ
メッキの後にＡｕメッキから成る金属被膜を形成した。

【００３７】一方、外部電気回路基板としては、銅（Ｃ
ｕ）から成る配線導体を有し、フィラーを添加して熱膨
張率を調整したプリント基板を準備し、前記配線基板と
同様にして前記配線基板を表面実装する配線導体の該当
部分に、金属被膜とオーバーコート層を被着形成した。

【００３８】ここで、得られた配線基板及び外部電気回
路基板の熱膨張率は、それぞれの絶縁基体から試験片を
切り出し、熱膨張測定装置（ＴＭＡ）により計測した。

【００３９】次いで、前記配線基板の電極上、及び外部
電気回路基板の配線導体上の所定の傾斜角設定位置に、
スクリーン印刷法でＳｎ６３％−Ｐｂ３７％の半田から
成るペーストを用いてそれぞれ端子部を印刷形成した。

【００４０】かくして得られた配線基板の端子部を外部
電気回路基板の端子部と接触させて載置した後、リフロ
ー炉にて各端子部を２３０℃の温度で加熱溶融して配線
基板と外部電気回路基板を接続し、高さが０．４ｍｍの
球状端子を介して外部電気回路基板上に配線基板を表面
実装した評価用の配線基板の接続構造を有する試料を作
製した。

【００４１】尚、前記同様にして配線基板の端子部及び
外部電気回路基板の端子部を一致させて載置当接させ、
前記同様に接続させたものを比較例とした。

【００４２】かくして得られた評価用の配線基板の接続
構造を有する試料を用いて、配線基板及び外部電気回路
基板の絶縁基体の熱膨張率の差から発生する剪断応力の
影響を調べるために、−４０℃と１２５℃のガルデン液
中にそれぞれ５分間交互に浸漬する温度サイクル試験を
行い、２５０サイクル毎に球状端子に発生する亀裂の進
展を電気的導通の有無を測定し、導通不良を生じたサイ
クル数で熱疲労寿命を評価した。

【００４３】また、同様に配線基板及び外部電気回路基
板の熱容量の差から生じる冷却速度の差による剪断応力
の影響を調べるために、−４０℃と１２５℃の気槽中に
それぞれ３０分間交互に浸漬する温度サイクル試験を行
い、２５０サイクル毎に球状端子に発生する亀裂の進展
を電気的導通の有無を測定し、導通不良を生じたサイク
ル数で熱疲労寿命を評価した。

【００４４】更に、前記試料について球状端子部を含む
断面を研磨加工して鏡面仕上げした後、走査型電子顕微
鏡を用いて写真撮影し、該写真より軸心の傾斜角及び球
状端子の配線基板側の接合面の径、外部電気回路基板側
の接合面の径、球状端子の高さをそれぞれ３点以上計測
し、その平均値を求めた。

【００４５】以上の計測結果より、球状端子の配線基板
側の接合面の径φ₁ と、外部電気回路基板側の接合面の
径φ₂ との相関、及び外部電気回路基板側の接合面の径
φ₂に対する球状端子の高さｈの比率を算出した。

【００４６】

【表１】

【００４７】表から明らかなように、球状端子の軸心を
直立させた比較例の試料番号２２及び２３は、導通不良
が液槽の熱衝撃試験では１７５０サイクル以下で、気槽
の熱衝撃試験では２５００サイクル以下で発生してお
り、本発明の請求範囲外である試料番号６、７、１１、
１２、１６、１７、２１でも液槽の熱衝撃試験は１７５
０サイクル以下で、また気槽の熱衝撃試験も２５００サ
イクル以下で導通不良を生じているのに対して、本発明
ではいずれも液槽の熱衝撃試験では２０００サイクル未
満、気槽の熱衝撃試験でも３０００サイクル未満では導
通不良は認められなかった。

【００４８】尚、本発明は前記実施例に限定されるもの
ではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々
の変更が可能である。

【００４９】

【発明の効果】本発明の配線基板の接続構造は、配線基
板の絶縁基体と外部電気回路基板の絶縁基体の熱膨張率
の差が８×１０^-6／℃以下である配線基板と外部電気回
路基板を、該配線基板及び外部電気回路基板の表面に対
して軸心が４５〜８０度の傾斜角を有する球状端子で前
記配線基板の電極と外部電気回路基板表面の配線導体と
を接続して表面実装したことから、温度変化が繰り返し
加わるような過酷な条件下でも球状端子に短時間で疲労
亀裂が発生することがなく、電気的特性を長時間維持で
き高い接合信頼性を有するのは勿論、球状端子の高さを
低く、小さく形成することができ、従って高密度実装が
可能となり、小型軽量化の要求を満足した優れた配線基
板の接続構造を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の配線基板の接続構造の一実施例を示す
球状端子の軸心を通る要部を拡大した断面図である。

【図２】従来の配線基板の接続構造の要部を拡大した断
面図である。

【符号の説明】

１ 配線基板の接続構造 ２ 球状端子 ３ 配線基板 ４ 外部電気回路基板 ５ 電極 ６ 配線導体 ７ 軸心 ８ 傾斜角 ９ 配線基板の表面 １０ 外部電気回路基板の表面

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】熱膨張率の差が８×１０^-6／℃以下である
   配線基板と外部電気回路基板の各々の電極と配線導体を
   球状端子を介して接続した配線基板の接続構造であっ
   て、前記球状端子の軸心が配線基板及び外部電気回路基
   板の表面に対して４５〜８０度の傾斜角を有することを
   特徴とする配線基板の接続構造。