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技術 電子装置

出願人 三菱電機株式会社
発明者 藤野純司北村洋一竹内紀雄高木直
出願日 2001年12月28日 (18年10ヶ月経過) 出願番号 2001-400102
公開日 2003年7月11日 (17年4ヶ月経過) 公開番号 2003-197813
状態 拒絶査定
技術分野 半導体または固体装置のマウント
主要キーワード 光熱変換素子 配線取り出し口 配線セラミック基板 歪みセンサー 真空封止部材 素子パッド 外周パッド 裾広がり
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2003年7月11日)のものです。
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図面 (8)

課題

部品点数工程数を大幅に増大させないで、セラミック基板有機プリント配線基板接合するバンプ等にクラックが発生することを抑制する。

解決手段

素子搭載面の裏側に形成された第1の電極を有し、しかも側面には外周方向に互いに間隔をおいて配置された複数の外周接合面が形成された素子搭載基板と、素子搭載基板と所定間隔を隔てて対向するように配置され、しかも第1の電極に対向する位置に第2の電極が形成されるとともに外周接合面と対向する部位には対向接合面が形成された配線基板と、第1の電極と第2の電極を接合する主溶融性部材と、外周接合面と対向接合面を接合する溶融性補強部材電子装置を構成した。外周接合面は配線基板にほぼ垂直な方向に延びる半円筒状の形状を有していること、また、対向接合面は、素子搭載基板の側面よりも外方に配置されている部分を有していることが好ましい。

概要

背景

電子機器構成部品実装する際、半導体素子などを固定するセラミック基板とこのセラミック基板を搭載する有機プリント配線基板との接合に、ハンダバンプ半田ボール)を用いることが一般的に行われている。ところが、ハンダバンプを用いるBGA(Ball Grid Array)基板では、セラミック基板の熱膨張率が3ppm/℃程度であるのに対して、有機プリント配線基板の熱膨張率は20〜60ppm/℃と前者に比べて大きいため、昇温時にはセラミック基板と有機プリント配線基板の熱膨張率差に起因する応力が発生し、この応力により、接合されたハンダバンプやセラミック基板にクラックが発生し、導通不良が生じることがある。

このような2種類の熱膨張率の異なる基板の間に発生するクラックや導通不良を防止することを目的にして、様々な手法が提案されている。例えば、図7に示すように、固定棒を用いて2枚の基板の端部を固定する方法が特開平10−209213号公報に開示されている。

図7に示されている半導体装置の端部を表す断面図おいて、10はセラミックス製BGA基板、20はプリント基板、21は凹部、30、60はメタライズパッド、40、50は共晶ハンダ、70は高温ハンダボールバンプ)、80は固定棒、90、110は接合材、100は貫通穴である。セラミックス製BGA基板10の少なくとも2個所以上の角には貫通穴100が形成され、プリント基板20の貫通穴100に相対する箇所には固定棒80が設けられている。

プリント基板20に搭載されたセラミックス製BGA基板10は、温度変化膨張収縮するプリント基板20の変形を、固定棒80を介して抑えることができる。しかし、この方法では、セラミックス製BGA基板10に貫通穴100の形成と、プリント基板20には凹部21の形成が必要で、しかも固定棒80を凹部21に接合するために、高温ハンダボール(バンプ)70とは別に、はんだ付を実施する必要がある。このため、部品点数工程数が増大し、製造コストの上昇をまねくことが懸念される。さらに、固定棒80の寸法精度やはんだ付位置精度によっては、高温ハンダボール(バンプ)70がプリント基板20に届かないことが発生し、未接合不良が生じるといった不都合があった。

概要

部品点数や工程数を大幅に増大させないで、セラミック基板と有機プリント配線基板を接合するバンプ等にクラックが発生することを抑制する。

素子搭載面の裏側に形成された第1の電極を有し、しかも側面には外周方向に互いに間隔をおいて配置された複数の外周接合面が形成された素子搭載基板と、素子搭載基板と所定間隔を隔てて対向するように配置され、しかも第1の電極に対向する位置に第2の電極が形成されるとともに外周接合面と対向する部位には対向接合面が形成された配線基板と、第1の電極と第2の電極を接合する主溶融性部材と、外周接合面と対向接合面を接合する溶融性補強部材電子装置を構成した。外周接合面は配線基板にほぼ垂直な方向に延びる半円筒状の形状を有していること、また、対向接合面は、素子搭載基板の側面よりも外方に配置されている部分を有していることが好ましい。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
2件

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請求項1

素子搭載面の裏側に形成された第1の電極を有し、しかも側面には外周方向に互いに間隔をおいて配置された複数の外周接合面が形成された素子搭載基板と、前記素子搭載基板と所定間隔を隔てて対向するように配置され、しかも前記第1の電極に対向する位置に第2の電極が形成されるとともに前記外周接合面と対向する部位には対向接合面が形成された配線基板と、前記第1の電極と前記第2の電極を接合する主溶融性部材と、前記外周接合面と前記対向接合面を接合する溶融性補強部材を備えてなる電子装置

請求項2

主溶融性部材は、溶融性補強部材の融点以上の融点を有することを特徴とする請求項1記載の電子装置。

請求項3

主溶融性部材と溶融性補強部材は同じ組成を有する半田からなることを特徴とする請求項1記載の電子装置。

請求項4

外周接合面は配線基板にほぼ垂直な方向に延びる半円筒状の形状を有することを特徴とする請求項1記載の電子装置。

請求項5

対向接合面は、素子搭載基板の側面よりも外方に配置されている部分を有することを特徴とする請求項1記載の電子装置。

請求項6

側面には外周方向に互いに間隔をおいて形成された複数の外周接合面を有する素子搭載基板と、前記素子搭載基板の素子搭載面の裏側に所定間隔を隔てて対向するように配置された支持基板と、前記素子搭載面に対向するように配置された素子保護基板と、前記支持基板と前記素子搭載基板とを固定する基板保持部材と、前記素子保護基板と前記素子搭載基板の間隙を連続して包囲する壁状封止部材と、前記壁状封止部材の外側に設けられ、前記素子保護基板と前記支持基板の外周部位と前記外周接合面とを一体で接合する溶融性補強部材を備えてなる電子装置。

技術分野

0001

この発明は、電子装置に関わり、特に、電子装置を構成する複数の基板接合強度を向上させ、その電気的信頼性を高める技術に関する。

背景技術

0002

電子機器構成部品実装する際、半導体素子などを固定するセラミック基板とこのセラミック基板を搭載する有機プリント配線基板との接合に、ハンダバンプ半田ボール)を用いることが一般的に行われている。ところが、ハンダバンプを用いるBGA(Ball Grid Array)基板では、セラミック基板の熱膨張率が3ppm/℃程度であるのに対して、有機プリント配線基板の熱膨張率は20〜60ppm/℃と前者に比べて大きいため、昇温時にはセラミック基板と有機プリント配線基板の熱膨張率差に起因する応力が発生し、この応力により、接合されたハンダバンプやセラミック基板にクラックが発生し、導通不良が生じることがある。

0003

このような2種類の熱膨張率の異なる基板の間に発生するクラックや導通不良を防止することを目的にして、様々な手法が提案されている。例えば、図7に示すように、固定棒を用いて2枚の基板の端部を固定する方法が特開平10−209213号公報に開示されている。

0004

図7に示されている半導体装置の端部を表す断面図おいて、10はセラミックス製BGA基板、20はプリント基板、21は凹部、30、60はメタライズパッド、40、50は共晶ハンダ、70は高温ハンダボールバンプ)、80は固定棒、90、110は接合材、100は貫通穴である。セラミックス製BGA基板10の少なくとも2個所以上の角には貫通穴100が形成され、プリント基板20の貫通穴100に相対する箇所には固定棒80が設けられている。

0005

プリント基板20に搭載されたセラミックス製BGA基板10は、温度変化膨張収縮するプリント基板20の変形を、固定棒80を介して抑えることができる。しかし、この方法では、セラミックス製BGA基板10に貫通穴100の形成と、プリント基板20には凹部21の形成が必要で、しかも固定棒80を凹部21に接合するために、高温ハンダボール(バンプ)70とは別に、はんだ付を実施する必要がある。このため、部品点数工程数が増大し、製造コストの上昇をまねくことが懸念される。さらに、固定棒80の寸法精度やはんだ付位置精度によっては、高温ハンダボール(バンプ)70がプリント基板20に届かないことが発生し、未接合不良が生じるといった不都合があった。

発明が解決しようとする課題

0006

本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、部品点数や工程数を大幅に増大させること無く、簡便な方法で、セラミック基板と有機プリント配線基板などのように熱膨張率が異なる基板どうしを、多層に積層した場合に生じるクラックの発生を抑制することを目的としている。

課題を解決するための手段

0007

本発明にかかわる電子装置は、素子搭載面の裏側に形成された第1の電極を有し、しかも側面には外周方向に互いに間隔をおいて配置された複数の外周接合面が形成された素子搭載基板と、素子搭載基板と所定間隔を隔てて対向するように配置され、しかも第1の電極に対向する位置に第2の電極が形成されるとともに外周接合面と対向する部位には対向接合面が形成された配線基板と、第1の電極と第2の電極を接合する主溶融性部材と、外周接合面と対向接合面を接合する溶融性補強部材を備えてなるものである。

0008

また、主溶融性部材は、溶融性補強部材の融点以上の融点を有するものである。

0009

また、主溶融性部材と溶融性補強部材は同じ組成を有する半田からなるものである。

0010

また、外周接合面は配線基板にほぼ垂直な方向に延びる半円筒状の形状を有するものである。

0011

また、対向接合面は、素子搭載基板の側面よりも外方に配置されている部分を有するものである。

0012

また、側面には外周方向に互いに間隔をおいて形成された複数の外周接合面を有する素子搭載基板と、素子搭載基板の素子搭載面の裏側に所定間隔を隔てて対向するように配置された支持基板と、素子搭載面に対向するように配置された素子保護基板と、支持基板と素子搭載基板とを固定する基板保持部材と、素子保護基板と素子搭載基板の間隙を連続して包囲する壁状封止部材と、壁状封止部材の外側に設けられ、素子保護基板と支持基板の外周部位と外周接合面とを一体で接合する溶融性補強部材を備えてなるものである。

発明を実施するための最良の形態

0013

実施の形態1
本発明に係る電子装置の実施の形態1を、図1に示す断面図を用いて説明する。セラミック基板(素子搭載基板)1は、例えば、数枚のセラミックグリーンシートを積層・焼成したLTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)で、層間には配線パタンが形成されており、この配線パタンを介してセラミック基板1の上面および下面にそれぞれ形成されている素子パッド3とバンプパッド4A(第1の電極)の導通が確保される。セラミック基板1の四方の外周には、図2に示すように、半円筒状貫通孔キャスタレーション)6が外周方向に適当な間隔を空けて形成されており、その内面メタライズされて、外周パッド(外周接合面)5を形成している。

0014

半円筒状貫通孔6は、セラミック基板1の数枚分の大きさを有するグリーンシートをパンチング等を行うことによって貫通孔を形成し、この後、この形成された貫通孔に沿ってグリーンシートを切断することによって、容易に形成される。

0015

セラミック基板1の上面には、シリコンセンサー(歪みセンサーなど)、薄膜磁気ヘッド、半導体素子などの素子2が搭載され、この素子2は素子パッド3と接続されている。素子パッド3、バンプパッド4Aおよび外周パッド5は、セラミックのグリーンシートに銀ペーストなどの電極材印刷あるいは塗布したのち、焼成することによって形成される。

0016

プリント基板(配線基板)7の上面(セラミック基板と対向する面)には、バンプパッド4Aと対向する位置にバンプパッド4B(第2の電極)が形成されている。また外周パッド5(半円筒状貫通孔6)と対向する位置にはバンプパッド4C(対向接合面)が形成されている。プリント基板7にバンプパッド4B、4Cを形成するには通常のプリント印刷の手法を適応できる。

0017

バンプパッド4Aとバンプパッド4Bははんだロー材等からなるバンプ(主溶融性部材)8で、また外周パッド5とバンプパッド4Cは同じくはんだ、ロー材等からなる補強部材(溶融性補強部材)9で、それぞれ接合されている。

0018

図3(a)〜図3(d)はセラミック基板1とプリント基板7を接合する方法を説明するための図である。先ず、治具(図示せず)を用いて、セラミック基板1の素子搭載面の裏側(バンプパッド4Aが形成された面)にバンプ8を保持する(図3(a)参照)。このようにセラミック基板1とバンプ8が位置決めされた状態で、セラミック基板全体をバンプ8の融点以上にまで昇温し、バンプパッド4Aにバンプ8の片側を接合する。

0019

次いで、バンプ8がバンプパッド4Aに接合されたセラミック基板1を裏返し、バンプ8がバンプパッド4Bと対向するように、セラミック基板1とプリント基板3との位置決めを行う(図3(b)参照)。このように位置決めされた状態で、全体を再び昇温し、バンプ8とバンプパッド4Bを接合させる(図3(c)参照)。

0020

次いで、半円筒状貫通孔6にクリーム半田などの、バンプ8よりも融点の低い溶融性部材を、半円筒状貫通孔6を埋める程度の量、塗布し、全体を昇温すると、この溶融性部材が溶着し、外周パッド5とバンプパッド4Cを接合する補強部材9が形成される(図3(d)参照)。すなわち、半円筒状の外周パッド5は、所定容積の空間を提供するため、溶融性部材を塗布する際、充分な量の溶融性部材を保持するのに好都合である。また半円筒状であるため角が無く、このため四角形状のように隅に溶融性部材が未塗布になることが少ない。

0021

また、バンプパッド4Cは、上から見たとき、セラミック基板1で姿が全部隠れているように配置されているよりも、一部分、好ましくは全面積の半分以上が、セラミック基板1から外側にはみ出るように配置されていることが、補強部材9の補強効果を高める上で好ましい。すなわち、このようにバンプパッド4Cを配置すると、補強部材9は、外方に広がる裾広がりの形状を呈する。この外方に裾広がりな形状は、セラミック基板1の側面から下にストン落ちた形状に比べ、はるかに強度を高める。

0022

また、上記の説明ではバンプ8の融点が補強部材9の融点よりも高い場合を想定して説明したが、バンプ8と補強部材9に同じ組成の半田を用いることも可能である。この場合、図3(a)に示す段階で、バンプ8と同じ組成の溶融性部材を外周パッド5に接合させておく。こうすれば、補強部材9のみを溶着させるために基板全体を昇温する工程を省くことが出来る。

0023

また、セラミック基板1の周囲を補強部材9で完全に封じることは、セラミック基板1とプリント基板3の隙間に存在する空気、およびバンプ8に発生する熱を閉じ込めることになるので好ましくない。半円筒状貫通孔6は、互いに、適当な間隙を設けて配置されていることが必要である。

0024

本発明にかかる電子装置は、昇温によってセラミック基板1とプリント基板7に反りが生じるように応力が発生しても、補強部材9がセラミック基板1の端部をプリント基板7に強固に固定するため、バンプ8に加わる応力が低減される。このためバンプ8にクラックが入ったり、セラミック基板1に亀裂が入ることが抑制される。

0025

また、補強部材9は溶着時に溶融するため、はんだ付位置精度によって、補強部材9がバンプパッド4Cに届かずに未接合不良が生じるといった不都合も生じない。つぎに、本発明の効果を実施例に基づいて説明する。

0026

実施例1.セラミック基板(30mm×30mm)には、900℃で焼成された厚さ1mmのものを使用した。セラミック基板の中央部には、φ0.5mmのバンプパッド4Aを1mmピッチで729個(27列×27行)、また外周側面には、2mmピッチで幅1.2mm、深さ0.2mmの半円筒状貫通孔6を一辺につき12個形成した。プリント基板(30mm×30mm)には厚さ1.6mmのものを使用し、中央部には、φ0.5mmのバンプパッド4Bを1mmピッチで729個(27列×27行)形成した。

0027

バンプ8には融点183℃のはんだ(63Sn-37Pb)を用い、バンプパッド4A、4Bと230℃で接合した。形成されたバンプ8の高さは0.4mmであった。ここでは、外周パッド5とバンプパッド4Cの接合にクリーム半田ではなく、糸はんだ(融点:183℃)を用いることにし、はんだごてを使用してはんだ付けを行った。

0028

次に、以上のようにして作成した電子装置の耐クラック性を評価するために、ヒートサイクル試験(-40℃〜+125℃、15min./15min.)を行った。図4(a)、(b)はヒートサイクル試験を100サイクル実施した後の電子装置の断面観察写真である。図4(a)は比較のために評価した、補強部材9が設けられていない従来の電子装置の断面、(b)は補強部材9が形成されている本発明にかかわる電子装置の断面をそれぞれ表している。図4(a)にはセラミック基板の内部に拡がるクラックが観察されたが、図4(b)にはどこにもクラックを発見できなかった。

0029

図5はヒートサイクル試験(-40℃〜+125℃、15min./15min.)の回数と、クラックが発生したバンプの数の関係を表している。補強部材9のない電子装置(白丸)では、10サイクルからクラックが発生し始め、300サイクル経るころにはほぼ全バンプでクラックの発生を確認した。それに対し、補強部材の設けられた電子装置(黒丸)では、1000サイクル経るまで、全くクラックが発見されなかった。

0030

実施の形態2.図6は、この発明の実施の形態2にかかわる電子装置を説明するための断面図である。実施の形態2では、セラミック基板1に対向する面に、プリント基板ではなく、金属基板が配置されている。同図において、11はキャップ(素子保護基板)、12はキャリア(支持基板)、13は真空封止部材、14は基板接合部材、15は窓、16は配線取り出し口である。

0031

素子2を搭載するセラミック基板1の外周部には、実施の形態1と同様、半円筒状貫通孔6(外周パッド5)が形成されている。補強部材9は、セラミック基板1とキャリア12を接合するだけではなく、キャップ11も同時に接合している。素子2からの配線は、キャップ11に設けられた配線取り出し口16から外部に取り出す。

0032

このように、セラミック基板1と対向する支持基板に、金属基板を使用しても、補強部材9はセラミック基板1とキャリア12(及びキャップ11)の熱膨張率の差に起因して接合部材およびセラミック基板にクラックが発生することを防止できる。

0033

実施例2.素子2に、測定精度を確保するために真空封止しておく必要がある光熱変換素子を用いた。キャップ(厚さ0.5mm)11とキャリア(厚さ1mm)12はコバールで作成した。キャップ11には素子2が外部の光を感じることが出来るように、シリコン製の窓15を設けた。真空封止部材13にははんだ(95Sn-5Sb)を、基板接合部材14にはダイボンド(銀ペースト:DM4130LD)をそれぞれ使用した。

0034

あらかじめ、外周パッド5にクリーム半田を塗布しておき、素子2を搭載したセラミック基板1をキャップ11とキャリア12で挟むようにして、真空封止と金属部材の接合を同時に行った。この時、外周パッド5に供給したクリームはんだが補強部材9を同時に形成した。

0035

以上のように作成した実施の形態2に係る電子装置でも、充分な耐クラック性を確認できた。

0036

なお、実施の形態1と2では、熱膨張率の異なる2種類の基板を接合する例を示したが、熱膨張率の等しい基板を接合する場合、例えば素子を搭載するセラミック基板(小)とこのセラミック基板を支持する配線セラミック基板(大)を固定する場合、にも本発明を適用出来ることは言うまでもない。

発明の効果

0037

本発明にかかわる電子装置は、素子搭載面の裏側に形成された第1の電極を有し、しかも側面には外周方向に互いに間隔をおいて配置された複数の外周接合面が形成された素子搭載基板と、素子搭載基板と所定間隔を隔てて対向するように配置され、しかも第1の電極に対向する位置に第2の電極が形成されるとともに外周接合面と対向する部位には対向接合面が形成された配線基板と、第1の電極と第2の電極を接合する主溶融性部材と、外周接合面と対向接合面を接合する溶融性補強部材を備えていることにより、主溶融性部材にクラックが発生することを抑制できる。

0038

また、主溶融性部材は、溶融性補強部材の融点以上の融点を有することにより、主溶融性接合性部材の接合を、溶融性補強部材の接合と同時にまたはそれよりも早くに行うことが出来る。

0039

また、主溶融性部材と溶融性補強部材は同じ組成を有する半田からなることにより、主溶融性部材と溶融性補強部材の接合を同時に行うことが出来る。

0040

また、外周接合面は配線基板にほぼ垂直な方向に延びる半円筒状の形状を有することにより、溶融性補強部材を適当量、保持することが出来る。

0041

また、対向接合面は、素子搭載基板の側面よりも外方に配置されている部分を有することにより、裾広がりの溶融性補強部材を形成することが出来る。

0042

また、側面には外周方向に互いに間隔をおいて形成された複数の外周接合面を有する素子搭載基板と、素子搭載基板の素子搭載面の裏側に所定間隔を隔てて対向するように配置された支持基板と、素子搭載面に対向するように配置された素子保護基板と、支持基板と素子搭載基板とを固定する基板保持部材と、素子保護基板と素子搭載基板の間隙を連続して包囲する壁状封止部材と、壁状封止部材の外側に設けられ、素子保護基板と支持基板の外周部位と外周接合面とを一体で接合する溶融性補強部材を備えていることにより、素子を保護しつつ、主溶融性部材にクラックが発生することを抑制できる。

図面の簡単な説明

0043

図1本発明にかかる電子装置(実施の形態1)の断面を表す図である。
図2半円筒状貫通孔とバンプパッドが形成されたセラミック基板の外観を表す図である。
図3セラミック基板とプリント基板をバンプを用いて接合する工程を説明するための図である。
図4ヒートサイクル試験を100回実施した後の電子装置の断面を比較するための図である。
図5ヒートサイクル試験の結果を説明するための図である。
図6実施の形態2にかかる電子装置の断面を表す図である。
図7従来の電子装置(半導体装置)の断面を表す図である。

--

0044

1セラミック基板(素子搭載基板)、 2素子、 3素子パッド、 4A、4B、4Cバンプパッド(第1の電極、第2の電極、対向接合面)、 5外周パッド(外周接合面)、 6半円筒状貫通孔、 7プリント基板(配線基板)、 8バンプ(主溶融性部材)、 9補強部材(溶融性補強部材)、11キャップ(素子保護基板)、12キャリア(支持基板)、13真空封止部材、14基板接合部材、15 窓

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