WO2010008033A1 - 配線基板及びチップ部品実装構造並びにチップ部品実装方法 - Google Patents

Abstract

　チップ部品の電気的導通の信頼性を向上させたチップ部品実装構造及びこれに用いる配線基板並びにチップ部品実装方法を提供する。 　端部に電極１５が設けられたチップ部品が、電極１５と対応する位置に形成された実装用パッド１４に導電部材１３を介して実装される配線基板１１であって、電極１５からの距離が大きくなる側で実装用パッド１４に隣接してソルダーレジスト１２上に形成された補助パッド１７とを有し、チップ部品が実装された際に、電極１５と実装用パッド１４及び補助パッド１７との間に導電部材１３によるフィレットが形成される。

Description

配線基板及びチップ部品実装構造並びにチップ部品実装方法

　本発明は、チップ部品が導電部材を用いて配線基板へ実装されている構造で、特に導電部材に無鉛はんだを用いたときにおいて、チップ部品長手方向での導電部材のフィレット断面形状における、チップ部品の電極下面からフィレット外部までの距離を長くすることで、電気的導通不良に至るまでのクラックの進展距離を長くし、電気的導通信頼性を向上させたチップ部品実装構造及びこれに用いる配線基板並びにチップ部品実装方法に関する。

　図１（ａ）に、本発明に関連するチップ部品の実装構造（以下、関連構造とも言う）の一例を示す。これは、２０１２Ｒや３２１６Ｒ、５０２５Ｒなどと呼ばれる配線基板平面方向における形状が長方形であるチップ部品の実装構造である。また、図１（ｂ）に、フィレット周辺部での実装構造断面を拡大して示す。

　図１に示す関連構造では、チップ部品のボディ部６の両端部に設けられた電極５と、配線基板１上に設けられた実装用パッド４とが、導電部材３を介して接続されている。なお、実装用パッド４の外周部にはソルダーレジスト２が存在しているため、導電部材３は実装用パッド４の領域外には、導電部材３の供給過多などのケースを除いては存在していない。

　実装用パッド４の形状は、チップ部品の電極５に対応した形状であり、長方形や正方形が一般的である。なお、特許文献１に記載発明のように、導電部材内のボイドを極力少なくするために、実装用パッドを分割する場合もある。

　導電部材３の材料としては「はんだ」を用いることが主流であり、特にＳｎとＰｂとの質量比率％が共晶組成近傍である鉛錫はんだ（Ｓｎ：Ｐｂ＝６０～６３％：４０～３７％）を用いるケースが多い。以下の説明は導電部材３がはんだであるものとし、はんだ３とも表記する。

　実装後、はんだ部に発生したクラックなどによって導通不良となったチップ部品については、特にコストが高い多層の配線基板が用いられている場合は、配線基板ごと廃棄するのではなく、はんだごてやホットエア、ヒータなどを用いて不良部品のみリペアを実施している。

　配線基板にはんだ実装したチップ部品は、使用環境下において電気が流れ発熱するため、使用時に熱膨張する。また、配線基板も同様に、配線パターンやチップ部品及びその他の電子部品の発熱により加熱されるため熱膨張する。熱膨張量は、材質の熱膨張係数に依存しており、同じ寸法であっても熱膨張係数の大きい材質ほど熱膨張量は大きくなる。

　一般的に、チップ部品のボディ部の材質はセラミック（熱膨張係数α＝１１～５ｐｐｍ）であるのに対し、配線基板の材質はＦＲ－４などのＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastic）材料（熱膨張係数α＝１０～５０ｐｐｍ）であるため、配線基板の材質の方が熱膨張係数は大きい。
　このため、チップ部品のボディ部６と配線基板１の熱膨張量との差から、チップ部品の電極５と実装用パッド４との間のはんだ接合部には応力がかかる。この応力がはんだ接合部へ繰り返しかかることで、はんだ３の剛性が低下していくため、はんだ接合部にはクラックが発生する。

　一般的に、チップ部品におけるクラックは、はんだフィレット部よりもチップ部品の電極５の下面部で発生することの方が多い。これは、チップ部品の電極５の下面部では、はんだフィレット部よりもはんだ量が少ないため、はんだ３が自身で応力を緩和する効果が小さいためである。

　３２１６Ｒや５０２５Ｒといったチップ部品のように配線基板平面方向の形状が長方形である場合、チップ部品と配線基板１との熱膨張・収縮量の差が長手方向において最大となるため、電極下面部で発生したクラックは電極５下面のはんだ部を長手方向に進展しやすいと推測される。その後、クラックははんだフィレット部に到達し、最後にはんだフィレット部を貫通する。クラックがはんだフィレット部を貫通すると、チップ部品の電極５と実装用パッド４とが完全に分離されるため、電気的導通不良が発生する。

　また、電子機器の高機能化・小型化に伴って高密度実装が求められている。このため、実装用パッド４の面積は縮小化されており、実装用パッド４の突き出し寸法（図１（ｂ）のＹｆ）も短くなってきている。そのため、チップ部品の長手方向におけるはんだフィレット断面形状での、チップ部品の電極５下面からはんだフィレット外部までの距離（図１（ｂ）両矢印箇所）も短くなってきており、クラックがはんだフィレット部を貫通しやすくなっている。

　さらに、環境面での規制を受けて鉛錫はんだから無鉛はんだへの転換が進んでいる。無鉛はんだは錫を主成分とし、銀、銅、亜鉛、ビスマス、インジウム、アンチモン、ニッケル、ゲルマニウムなどから構成されており、旧来の鉛錫共晶はんだ（Ｓｎ６３ｗｔ％、残りＰｂ）と比べて、引っ張り強度、クリープ強度が高く、延性が小さいという特性を持っている。このため、無鉛はんだは、はんだ自身で応力を吸収する効果が錫鉛はんだよりも小さく、はんだ接合部でクラックが発生すると、そのクラックが進展しやすい。
　また、鉛錫共晶はんだの溶融温度が１８３℃であるのに対し、無鉛はんだの溶融温度は１９０～２３０℃と高い。このため、電気的導通不良となったチップ部品をリペアするためには、鉛錫共晶はんだを用いた場合よりもはんだ接合部を高い温度に加熱する必要がある。従って、加熱温度が高まることにより、不良部品の周囲に存在する他の電子部品に与える熱負荷は大きくなり、また配線基板自体の反りも大きくなるため、周辺部品が故障する可能性が高くなる。

　ＱＦＰ（Quad Flat Package）やＴＳＯＰ（Thin Small-Outline Package）などのリード部品、チップ部品、ＣＳＰ（Chip Size Package）やＢＧＡ（Ball Grid Array）などの表面実装部品、フリップチップ部品などの数多くの部品を高密度で実装する配線基板は、高価であるため、不良部品のみをリペアすることが必須であるが、リペア時の熱負荷による周辺部品への悪影響があるため、チップ部品を含めた電子部品の電気的導通の信頼性を向上させる実装構造が求められている。

　チップ部品の電気的導通の信頼性を向上させる方法としては、特許文献１に記載されている発明のように、電子部品の電極に対応する配線基板上の実装パッドを分割し、はんだ内のボイドを極力少なくしてクラックの発生を抑制する方法が挙げられる。
　また、特許文献２に記載の発明のように、電子部品の電極を分割し、はんだがつかない箇所で応力を緩和して、クラックの発生を抑制するなどのクラックの発生を抑制する方法が挙げられる。

特開平１０－０７５０４２号公報 特開２０００－２６１１３１号公報

　しかし、高密度実装が求められている現状においては、実装用パッドの面積は縮小化されているため、実装用パッドを分割すると接合部のはんだ量はさらに少なくなってしまう。この場合、はんだ自身にかかる応力は大きくなるため、上記特許文献に記載の方法ではクラックの発生を抑制することは難しく、チップ部品の電気的導通の信頼性を向上させる効果は小さいと推測される。

　また、実装用パッドの分割箇所は、樹脂などが充填されておらず空域となっているため、クラックの進展を抑制する効果が小さく、さらにチップ部品の電極下面からはんだフィレット外部までの距離は、従来の実装構造と変わっていないため、はんだ接合部にクラックが発生すると、急激に進展して電気的導通不良に至るという問題がある。

　本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであり、チップ部品の電気的導通の信頼性を向上させたチップ部品実装構造及びこれに用いる配線基板並びにチップ部品実装方法を提供することを目的とする。

　上記目的を達成するため、本発明は、第１の態様として、端部に電極が設けられたチップ部品が、電極と対応する位置に形成された実装用パッドに導電部材を介して実装される配線基板であって、電極からの距離が大きくなる側で実装用パッドに隣接して絶縁材料上に形成された補助パッドとを有し、チップ部品が実装された際に、電極と実装用パッド及び補助パッドとの間に導電部材によるフィレットが形成されることを特徴とする配線基板を提供するものである。

　また、上記目的を達成するため、本発明は、第２の態様として、上記本発明の第１の態様に係る配線基板と、チップ部品とを有することを特徴とするチップ部品実装構造を提供するものである。

　また、上記目的を達成するため、本発明は、第３の態様として、端部に電極が設けられたチップ部品を、電極と対応する位置に形成された実装用パッドと、電極からの距離が大きくなる側で実装用パッドに隣接するように絶縁材料上に形成された補助パッドとを備えた配線基板に導電部材を介して実装するチップ部品実装方法であって、電極とパッド及び補助パッドとの間に導電部材によるフィレットが形成されるようにチップ部品を実装することを特徴とするチップ部品実装方法を提供するものである。

　本発明によれば、チップ部品の電気的導通の信頼性を向上させたチップ部品実装構造及びこれに用いる配線基板並びにチップ部品実装方法を提供できる。

本発明に関連するチップ部品実装構造を示す図である。 本発明を好適に実施した第１の実施形態に係るチップ部品実装構造に適用される配線基板の構成を示す図である。 第１の実施形態に係るチップ部品実装構造を示す図である。 第１の実施形態に係るチップ部品実装構造においてクラックが進展した状態を示す図である。 本発明に関連するチップ部品実装構造においてクラックが進展した状態を示す図である。 本発明に関連するチップ部品実装構造においてクラックが進展した状態を示す図である。 補助パッドの長さを長くした場合の導電部材フィレットの形状を示す図である。 電極上面部を含めてフィレットが形成された状態を示す図である。 本発明を好適に実施した第２の実施形態に係るチップ部品実装構造に適用される配線基板の構成を示す図である。 第２の実施形態に係るチップ部品実装構造を示す図である。 本発明に関連するチップ部品実装構造において実装パッドの近傍に配線を設けた状態を示す図である。 第２の実施形態に係るチップ部品実装構造に適用される配線基板の別の構成を示す図である。

　〔第１の実施形態〕
　本発明を好適に実施した第１の実施形態について説明する。なお、以下の説明においては、配線基板平面方向における形状が長方形であるチップ部品を適用する場合を例とするが、適用するチップ部品は、ボディ端部に電気接続するための電極が設けられていて、配線基板上のパッドに導電部材を介して実装している構造であれば他の形状でもよい。

　図２（ａ）に、本実施形態に係るチップ部品実装構造に適用される配線基板の構成を示す。配線基板１１は、チップ部品の端部に設けられた電極と対応する位置に実装用パッド１４が形成されている。また、実装用パッド１４の外側では、ソルダーレジスト１２上に補助パッド１７が形成されている。
　図２（ｂ）に示すように、チップ部品が実装された際に、ボディ部１６の端部に形成された電極１５と実装用パッド１４及び補助パッド１７との間に導電部材１３によるフィレットが形成される。

　図３に、本実施形態に係るチップ部品実装構造を示す。図３（ａ）は、チップ部品長手方向の断面図、図３（ｂ）はフィレット周辺部を拡大した断面図である。
　ボディ部１６とボディ部１６の端部に形成された電極１５とから構成されるチップ部品は、電極１５と対応して配線基板１１上に設けられた実装用パッド１４と、実装用パッド１４のチップ部品長手方向外側でソルダーレジスト１２上面に設けられた補助パッド１７と、導電部材１３とを介して、配線基板１１に搭載・実装されている。なお、補助パッド１７の上面は、チップ部品の実装高さよりも低くなっている。

　配線基板１１の平面方向における形状が長方形であるチップ部品（２０１２Ｒ、３２１５Ｒ、５０２５Ｒなど）では、チップ部品のボディ部１６の端部に設けられた電極１５を結ぶ方向が、チップ部品のボディ部１６の長手方向となる。換言すると、電極１５はチップ部品のボディ部１６の長手方向の両端部に設けられている。

　導電部材１３は、はんだや導電性樹脂である。はんだ材料としては、Ｓｎ－Ｐｂ系、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ系、Ｓｎ－Ａｇ系、Ｓｎ－Ｃｕ系、Ｓｎ－Ｓｂ系、Ｓｎ－Ｚｎ系、Ｓｎ－Ｉｎ系などがあるが、いずれかに限定されることはない。

　補助パッド１７の材料としては、金属（Ｃｕなど）や導電性樹脂などを適用可能であるが、導電部材１３に対する濡れ性を有する材料であれば、いずれかに限定されることはない。また、導電部材１３に対する濡れ性を有さない材料であっても、導電部材１３に濡れるように表面に表面処理（Ａｕめっきなど）を施すことにより、補助パッド１７として適用することが可能である。なお、導電部材１３に対する濡れ性を有する材料に対して、濡れ性をより高めるために表面処理を施しても良いことは言うまでもない。

　電極１５の下面部と実装用パッド１４との間に存在する導電部材１３で発生したクラックがフィレット部を進展していく状態において、本実施形態に係るチップ部品実装構造の効果について説明する。図４に、本実施形態に係るチップ部品実装構造におけるクラックの進展状態、図５、図６に、上記特許文献に代表される関連構造におけるクラックの進展状態を示す。フィレット部を進展したクラックの長さは、いずれの実装構造においても同じであるが、本実施形態に係るチップ部品実装構造では、クラック１８がフィレット内で留まっているのに対し、関連構造では、クラック８がフィレット部を貫通している。このため、図５、図６に示すチップ部品実装構造では、チップ部品は電気的導通不良の状態となっている。

　本実施形態にかかるチップ部品実装構造においてクラック１８がフィレット内に留まる理由は、チップ部品の長手方向におけるフィレット断面形状での、電極１５の下面からフィレット外部までの距離が、本実施形態に係るチップ部品実装構造の方が長いためである。

　本実施形態に係るチップ部品実装構造では、フィレットがチップ部品の電極１５の側面部と実装用パッド１４及び補助パッド１７間で形成されている。チップ部品の長手方向におけるフィレット断面形状での、電極１５の下面からフィレット外部までの距離は、チップ部品の実装高さＨ’、実装用パッド１４の突き出し寸法Ｙｆ、補助パッド１７のチップ部品長手方向の寸法Ｙｄに依存しており、電極１５の下面からフィレット外部までの距離が最も長くなるように、Ｈ’＝Ｙｆ＋Ｙｄとしている。
　図７（ａ）に示すように、Ｙｄが大きくすれば電極１５の下面からフィレット外部までの距離が長くなるように思われるが、図７（ｂ）に示すように、Ｙｄが大きくなると実際にはフィレットの裾の中央部が下に凸の曲線状となるため、電極１５の下面からフィレット外部までの距離は短くなってしまう。よって、Ｙｄは（Ｈ’－Ｙｆ）の近傍の値とすることが好ましい。

　一方、図５に示すチップ部品実装構造では、フィレットはチップ電極５と実装用パッド４間のみで形成されている。近年の高密度実装化に伴い、実装用パッド４の突き出し寸法Ｙｆは小さくなっており、一般的にはＨ’＞Ｙｆとなっている。そのため、図６に示すように、電極下面からフィレット外部までの距離も短くなる傾向にある。

　チップ部品の電極下面部で発生したクラックは、電極下面の導電部材をチップ部品の長手方向に進展し、フィレット部に到達する。その後、フィレット部を進展し、クラックがフィレット部を貫通すると、チップ部品の電極と実装用パッドとは完全に分離されるため、電気的導通不良が発生する。このため、電極下面からフィレット外部までの距離が長いほど、クラックがフィレット部を貫通しにくくなるため、電気的導通の寿命は長くなる。

　このように、本実施形態に係るチップ部品実装構造では、チップ部品の電極１５－実装用パッド１４間に加えて、チップ部品の電極１５－補助パッド１７間でもフィレットを形成するため、チップ部品の長手方向に関してフィレット断面において電極下面からフィレット外部までの距離が長くなり、チップ部品の電気的導通の信頼性が向上する。
　特に、自身による応力緩和性能が鉛錫はんだよりも低く、且つ高融点の無鉛はんだを導電部材１３として用いた場合には、この効果が顕著に得られる。

　なお、以上の説明においては、補助パッド１７の寸法ＹｄがＨ’＝Ｙｆ＋Ｙｄを満たす場合を例としたが、補助パッド１７を設けることで、電極１５下面からフィレット外部までの距離が長くなりさえすれば、同様の効果が得られる。

　また、上記の説明においては、フィレットがチップ部品の電極１５の側面部と実装用パッド１４と補助パッド１７との間に形成されている場合を例としたが、図８に示すように、チップ部品の電極１５の上面部を含めてチップ部品の電極１５と実装用パッド１４と補助パッド１７との間にフィレットが形成される構造であっても、電極１５下面からフィレット外部までの距離が長くなるため、同様の効果が得られる。

　本実施形態においては、チップ部品の大きさについて特に限定はしていないが、チップ部品のボディ部１６が大きいほど（長手方向長さが長いほど）、チップ部品の電極１５とパッド間の導電部材接合部にかかる応力は大きくなり、クラックは発生・進展しやすくなる。特に、一般的に５０２５Ｒと呼ばれるチップ部品（配線基板平面方向における形状が長方形で、長手方向の長さが約５ｍｍ、短手方向の長さが約２．５ｍｍ）よりも大きいチップ部品については、導電部材接合部にクラックが発生しやすく、また進展もしやすいため、上記の効果が特に顕著に得られる。

　また、本実施形態においては、フィレット部の導電部材量も、関連構造と比べて多くなるため、チップ部品の電極１５と実装用パッド１４との間の導電部材接合部にかかる応力が自身で緩和されやすくなり、電極下でのクラック発生を抑制する効果も見込まれる。

　このように、本実施形態にかかるチップ部品実装構造は、クラックが導電部材フィレット部を貫通しにくく、チップ部品の電気的導通の信頼性が向上する。

　〔第２の実施形態〕
　本発明を好適に実施した第２の実施形態について説明する。
　図９に、本実施形態に係るチップ部品実装構造に適用される配線基板の構成を示す。また、図１０に、本実施形態に係るチップ部品実装構造を示す。図１０（ａ）は、チップ部品長手方向の断面図、図１０（ｂ）はフィレット周辺部を拡大した断面図である。
　本実施形態にかかるチップ部品実装構造及びこれに用いられる配線基板は、補助パッド１７の直下の配線基板１１上に配線１９の少なくとも一部が形成されており、補助パッド１７と配線１９との間にソルダーレジスト１２が介在している点で第１の実施形態と相違する。

　実装用パッドの近傍に配線を設ける場合、特許文献のような構造においては、実装用パッド４の部品長手方向外側箇所に設ける必要がある。しかし、図１１（ａ）に示すように実装用パッド４の長さをそのままで配線９を設けると、分配線基板１の表面でチップ部品を実装可能な面積は、配線９を設けた分減少してしまい、高密度実装の妨げとなる。一方、図１１（ｂ）に示すように実装用パッド４を短くしてそこに配線９を設けると、高密度実装は実現できるが、電極下面からフィレット外部までの距離が短くなるため、チップ部品の電気的導通の信頼性が低下する。
　すなわち、関連構造においては、実装用パッド４の近傍に配線９を設けると、高密度実装の実現とチップ部品の電気的導通の信頼性とがトレードオフの関係になってしまう。

　本実施形態に係るチップ部品実装構造においては、第１の実施形態と同様に、チップ部品の電極１５の下面からフィレット外部までの距離は、特許文献のような構造よりも長くなっているため、電気的導通の信頼性が向上する。さらに、補助パッド１７と配線１９とがソルダーレジスト１２を介して立体的に配置されているため、高密度な配線形成／実装構造の実現が可能である。

　本実施形態に係るチップ部品の実装構造は、補助パッド１７の直下にソルダーレジスト１２などの絶縁部材を介して配線やパッドが形成されているため、高密度実装が実現されている。なお、クラックが導電部材１３のフィレット部を貫通しにくく、チップ部品の電気的導通の信頼性が向上するという第１の実施形態と同様の効果が得られることは言うまでもない。

　なお、ここでは補助パッド１７－配線１９間にソルダーレジスト１２を介在させた構造を例としたが、補助パッド１７－配線１９間で導通がとられない材料であるならば、任意の材料を介在させて同様の効果を得ることができる。
　また、本実施形態においては、補助パッド１７の直下に配線１９を設けているが、配線に限定されることなく、図１２に示すように、配線基板１１内部の配線層２２と導通するバイヤホール２０と接続されたパッド２１などを設けても良く、いずれにおいても高密度な実装が可能となる。

　このように、本実施形態に係るチップ部品実装構造は、高密度の部品実装・配線形成とチップ部品の電気的導通の信頼性向上とを両立できる。

　なお、上記各実施形態は本発明の好適な実施の一例であり、本発明はこれらに限定されることはなく、様々な変形が可能である。

　この出願は、２００８年７月１６日に出願された日本出願特願２００８－１８４５９０を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

　１、１１　　配線基板
　２、１２　　ソルダーレジスト
　３、１３　　導電部材
　４、１４　　実装用パッド
　５、１５　　電極
　６、１６　　ボディ部
　８、１８　　クラック
　９、１９　　配線
　１７　　補助パッド
　２０　　バイヤホール
　２１　　パッド
　２２　　配線層
 
 

Claims (8)

1. 　端部に電極が設けられたチップ部品が、前記電極と対応する位置に形成された実装用パッドに導電部材を介して実装される配線基板であって、
   　前記電極からの距離が大きくなる側で前記実装用パッドに隣接して絶縁材料上に形成された補助パッドとを有し、
   　前記チップ部品が実装された際に、前記電極と前記実装用パッド及び前記補助パッドとの間に前記導電部材によるフィレットが形成されることを特徴とする配線基板。
2. 　前記補助パッドの上面は、前記導電部材に対する濡れ性を有することを特徴とする請求項１記載の配線基板。
3. 　前記導電材料が無鉛はんだであることを特徴とする請求項１又は２記載の配線基板。
4. 　前記実装用パッドの前記電極の端部からの突き出た部分の長さと、前記補助パッドとの長さとの和が、前記チップ部品の実装高さと略同一であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の配線基板。
5. 　配線の少なくとも一部が前記絶縁材料介して前記補助パッドの直下に形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の配線基板。
6. 　バイヤホールを介して内部の配線層と接続されたパッドの少なくとも一部が、前記絶縁材料を介して前記補助パッドの直下に形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の配線基板。
7. 　請求項１から６のいずれか１項記載の配線基板と、前記チップ部品とを有することを特徴とするチップ部品実装構造。
8. 　端部に電極が設けられたチップ部品を、前記電極と対応する位置に形成された実装用パッドと、前記電極からの距離が大きくなる側で前記実装用パッドに隣接するように絶縁材料上に形成された補助パッドとを備えた配線基板に導電部材を介して実装するチップ部品実装方法であって、
   　前記電極と前記実装用パッド及び前記補助パッドとの間に前記導電部材によるフィレットが形成されるように前記チップ部品を実装することを特徴とするチップ部品実装方法。
    

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