| 【発明の名称】 |
配線基板の実装方法 |
| 【発明者】 |
【氏名】笹森 理一
【氏名】藤崎 昭哉
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| 【要約】 |
【課題】パッケージなど配線基板のプリント基板等の外部電気回路基板に強固に且つ長期にわたり安定した接続状態を維持できる高信頼性の配線基板の実装方法を提供する。
【解決手段】絶縁基板１と、絶縁基板１に配設されたメタライズ配線層２と、メタライズ配線層２と電気的に接続された複数の接続パッド６と、接続パッド６に取着されたボール状端子等の複数の接続端子７とを具備する配線基板Ａを、絶縁体９の表面に配線導体１０が被着形成された外部電気回路基板Ｂ上に載置し、接続端子７と配線導体１０との間にパルス電流を印加することにより、接続端子７と配線導体１０とを溶接する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】絶縁基板と、該絶縁基板に配設されたメタライズ配線層と、前記絶縁基板に取着され前記メタライズ配線層と電気的に接続された複数の接続パッドと、該接続パッドに取着された複数の接続端子とを具備する配線基板を、絶縁体の表面に配線導体が被着形成された外部電気回路基板上に載置し、前記配線基板の前記接続端子の一部あるいは全部と、前記外部電気回路基板の前記配線導体とを溶接してなることを特徴とする配線基板の実装方法。
【請求項２】前記溶接処理を、前記接続端子と前記配線導体との間にパルス電流を印加することにより行うことを特徴とする請求項１記載の配線基板の実装方法。
【請求項３】前記パルス電流の電流密度が１〜２０００Ａ／ｃｍ2 、パルス幅が０．０１〜１０００ｍｓｅｃである請求項１記載の配線基板の実装方法。
【請求項４】前記接続端子が、ボール状端子からなることを特徴とする請求項１記載の配線基板の実装方法。
【請求項５】前記接続端子がＡｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、ＺｎおよびＺｒの少なくとも１種からなることを特徴とする請求項１記載の配線基板の実装方法。
【請求項６】前記配線基板の絶縁基板が、セラミックスからなることを特徴とする請求項１記載の配線基板の実装方法。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、外部電気回路基板の表面に、接続端子を具備する配線基板を実装するのに適した実装方法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】従来より、配線基板は、絶縁基板の表面あるいは内部にメタライズ配線層が配設された構造からなる。また、この配線基板としての代表的な例として、半導体素子、特にＬＳＩ等の半導体素子を収容するための半導体素子収納用パッケージは、その表面および内部にＷやＭｏ等のメタライズ配線層が、またその底面に接続端子が配設された、アルミナセラミックス等からなる絶縁基板と、絶縁基板の上面中央部に半導体素子を収容するためのキャビティが形成され、キャビティは蓋体によって気密に封止される。
【０００３】そして、かかる半導体素子収納用パッケージは、絶縁基板下面または側面に設けられた接続端子と外部電気回路基板表面に形成された配線導体とを半田などによりロウ付けして電気的に接続することにより実装される。
【０００４】一般に、半導体素子の集積度が高まるほど、半導体素子に形成される電極数も増大するが、これに伴いこれを収納する半導体収納用パッケージにおける端子数も増大することになる。ところが、電極数が増大するに伴いパッケージ自体の寸法を大きくするにも限界があり、より小型化を要求される以上、パッケージにおける接続端子の形成密度を高くすることが必要となる。
【０００５】これまでのパッケージにおける端子の密度を高めるための構造としては、パッケージの下面に接続端子として、コバールなどの金属ピンを接続したピングリッドアレイ（ＰＧＡ）が最も一般的であるが、最近では、パッケージの４つの側面に導出された接続パッドに接続端子としてガルウイング状（Ｌ字状）の金属ピンが接続されたタイプのクワッドフラットパッケージ（ＱＦＰ）、パッケージの４つの側面に接続端子を兼ねた接続パッドを備えたリードレスチップキャリア（ＬＣＣ）、Ｓｉチップをフリップチップ実装したチップサイズパッケージ（ＣＳＰ）、さらに絶縁基板の接続パッドにボール状端子を多数配置したボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）等があり、これらの中でもＢＧＡが最も高密度化が可能であると言われている。
【０００６】このボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）では、接続パッドに半田などからなるボール状端子が取着されており、このボール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、しかる後、前記端子を約２５０〜４００℃の温度で加熱溶融し、ボール状端子を配線導体に接合させたり、ボール状端子を高融点半田により形成し、この端子を低融点半田によってロウ付けして、外部電気回路基板上に実装することが行われている。このような実装構造により、半導体素子収納用パッケージの内部に収容されている半導体素子はパッケージのメタライズ配線層、接続パッド、接続端子を経由して外部電気回路と電気的に接続される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】一般に、これらのパッケージにおける絶縁基板として使用されているアルミナ、ムライトなどのセラミックスは、２００ＭＰａ以上の高強度を有し、しかもメタライズ配線層などとの多層化技術として信頼性の高いことで有用ではあるが、その熱膨張係数は約４〜７ｐｐｍ／℃程度であるのに対して、パッケージが実装される外部電気回路基板として最も多用されているガラス−エポキシ絶縁層にＣｕ配線層が形成されたプリント基板の熱膨張係数は１１〜１８ｐｐｍ／℃と非常に大きい。
【０００８】そのため、配線基板や半導体素子収納用パッケージに半導体素子を収容し、しかる後、プリント基板などに実装した場合、半導体素子の作動時に発する熱が絶縁基板とプリント基板の両方に繰り返し印加されると前記絶縁基板とプリント基板との熱膨張差に起因する大きな熱応力が発生する。この熱応力は、パッケージにおける端子数が３００以下の場合には影響ないが、端子数が３００を超えたり、パッケージのサイズが大型化するに従い、その熱応力が大きくなる。
【０００９】そのために、半導体素子の作動および停止の繰り返しにより熱応力が絶縁基板下面の接続パッドの外周部、及び外部電気回路基板の配線導体と端子との接合界面に作用し、パッケージ側の接続端子が外部電気回路基板における配線導体から剥離し、配線基板やパッケージと外部電気回路基板との接続信頼性が損なわれるという問題があった。特に、上記傾向は、前記ＱＦＰ、ＬＣＣおよびＢＧＡ型などの表面実装型のパッケージにおいて顕著である。
【００１０】また、外部電気回路基板に配線基板を実装した基板を、自動車用などの振動、衝撃などが印加される過酷な条件下で使用すると、前記と同様に配線基板と外部電気回路基板との接続信頼性が損なわれる虞があった。
【００１１】よって、本発明は、半導体素子収納用パッケージなどの配線基板を外部電気回路基板に表面実装する際に、強固に且つ長期にわたり安定した接続状態を維持できる高信頼性の配線基板の実装方法を提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題に対して検討を重ねた結果、パッケージ等の配線基板を、外部電気回路基板に接続する際に、配線基板側に取着された接続端子と、外部電気回路基板側の配線導体とをパルス電流の印加等により溶接処理することにより、接続端子と配線導体との接合強度を極めて強固にすることができることから、配線基板と外部電気回路基板との熱膨張差が大きい場合や、過酷な条件下での振動、衝撃等に対しても優れた耐久性を有し、長期にわたり安定した接続状態を維持できることを見いだし、本発明に至った。
【００１３】即ち、本発明の配線基板の実装方法は、絶縁基板と、該絶縁基板に配設されたメタライズ配線層と、前記絶縁基板に取着され前記メタライズ配線層と電気的に接続された複数の接続パッドと、該接続パッドに取着された複数の接続端子とを具備する配線基板を、絶縁体の表面に配線導体が被着形成された外部電気回路基板上に載置し、前記配線基板の前記接続端子の一部あるいは全部と、前記外部電気回路基板の前記配線導体とを溶接してなることを特徴とするものであり、前記溶接処理を、前記接続端子と前記配線導体との間にパルス電流を印加することにより行うこと、前記パルス電流の電流密度が１〜２０００Ａ／ｃｍ2 、パルス幅が０．０１〜１０００ｍｓｅｃであること、前記接続端子が、ボール状端子からなること、前記接続端子が、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、ＺｎおよびＺｒの少なくとも１種からなること、さらには、前記配線基板の絶縁基板が、セラミックスからなることを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明を一実施例の添付図面に基づき詳細に説明する。図１は、ＢＧＡ型の半導体素子収納用パッケージの実装構造を示した図である。このパッケージは、絶縁基板の表面あるいは内部にメタライズ配線層が配設された、いわゆる配線基板を基礎的構造とするものであり、Ａは半導体素子収納用パッケージ、Ｂは外部電気回路基板をそれぞれ示す。
【００１５】図１における半導体素子収納用パッケージＡは、絶縁基板１の表面および内部には配線回路層２が被着形成されており、絶縁基板１表面にガラス、樹脂等の接着剤を介して接着固定された半導体素子３と電気的に接続されている。そして、絶縁基板１表面に実装された半導体素子３は、蓋体４を絶縁基板１表面に接合することにより形成されるキャビティ５内に気密に封止されている。
【００１６】一方、絶縁基板１の底面には、多数の接続パッド６が被着形成され、この接続パッド６は、絶縁基板１の内部に配設された配線回路層２によって絶縁基板１に実装された半導体素子３と電気的に接続されている。
【００１７】また、接続パッド６には、外部電気回路基板と接続するための接続端子７が被着されている。図１の例においては、接続端子７は、ボール状端子から構成され、各接続パッド６に半田８等により接続されている。
【００１８】一方、外部電気回路基板Ｂは、絶縁体９と配線導体１０により構成されており、絶縁体９は、例えば、ガラス−エポキシ系複合材料などのように４０〜４００℃における熱膨張係数が１２〜１６ｐｐｍ／℃の絶縁材料からなり、一般にはプリント基板等が用いられる。また、このようなプリント基板の場合、基板Ｂ表面に形成される配線導体１０は、絶縁体９との熱膨張係数の整合性と、良電気伝導性の点で、通常、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｂ−Ｓｎなどの金属導体から形成される。
【００１９】一般に、上記図１の半導体素子収納用パッケージＡを外部電気回路基板Ｂに実装する場合には、パッケージＡのボール状端子（接続端子）７を外部電気回路基板Ｂの配線導体１０上に載置当接させ、しかる後、ボール状端子７が溶融する温度に加熱するか、あるいはボール状端子７を低融点の半田を用いて配線導体１０に実装される。このような半田による接合の場合、配線導体１０と接合材としての半田間には、必然的に界面が存在しており、その界面に応力が集中的に作用して、配線導体１０からボール状端子７が容易に剥離しやすい。
【００２０】これに対して、本発明では、ボール状端子７を配線導体１０上に載置当接させた後、少なくともボール状端子７と配線導体１０間を溶接処理する。金属部材間を溶接する方法としては、両部材間に高電圧を印加して放電溶接する方法や、一定電流を印加して通電加熱する方法等が知られているが、放電溶接法では、パッケージＡ内に収容された半導体素子３に高電圧が印加されてしまい、素子を破壊する虞があり、通電加熱法では、溶接時に発熱を伴う結果、絶縁基板１や外部電気回路基板Ｂを傷める虞がある。
【００２１】そこで、本発明によれば、ボール状端子７と配線導体１０間に所定のパルス電流を印加して溶接することが望ましい。パルス電流の印加によれば、瞬間的な電流の印加によってボール状端子７と配線導体１０間の接触部に極微小領域でプラズマが発生して溶接が進行する。そのため、両者間の接合部には界面が存在しないために応力が分散され、強固な接合状態を保つことができる。
【００２２】ここで、前記ボール状端子７は、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、ＺｎおよびＺｒの少なくとも１種からなることが望ましい。従来から使用されているＰｂやＳｎの低融点金属からなるボール状端子では、配線導体やメッキと反応して、Ｃｕ−Ｓｎ，Ａｇ−Ｓｎ等の合金を生じる場合が多く、接続信頼性を劣化させる原因となっている。また、この場合、Ｐｂの凝集が生じ、その凝集部位に応力が集中し接続信頼性が損なわれる虞がある。また、ロウ付けの際には、フラックスを使用する必要があり実装後の洗浄に手間がかかる。さらに接続端子中にボイドを生じさせる原因にもなりうる。パルス電流の印加によれば、瞬間的な電流の印加によってボール状端子７と配線導体１０間の接触部にごく微小領域でプラズマが発生して半田等と比較して高融点の金属材料においても溶接が進行する。そのため、両者間の接続部には界面が存在しないために応力が分散され、強固な接合状態を保つことができる。
【００２３】その結果、前記配線基板と外部電気回路の熱膨張係数差から生じる応力や、過酷な使用条件下での振動、衝撃の付加に対しても優れた耐久性を有し、接続端子７と配線導体１０との接続不良が発生するのを防止することができ、これによって例えば、パッケージ内に収納された半導体素子と外部電気回路基板とを長時間にわたり正確に、且つ強固に電気的に接続させることが可能となる。
【００２４】印加するパルス電流は、そのボール状端子７や配線導体１０が電流の印加によって溶接するに十分な条件の電流を印加する。具体的には、その電流密度が１〜２０００Ａ／ｃｍ2 、パルス幅が０．０１〜１０００ｍｓｅｃであり、さらにはパルス間隔が３秒以下であることが望ましい。
【００２５】このボール状端子７と配線導体１０間へのパルス電流の印加処理は、例えば、ボール状端子７と配線導体１０とに対して、パルス電流印加のための電極を当接させて個々に電流を印加してもよいが、例えば、ボール状端子７と電気的に接続されている接続パッド６、配線回路層２、あるいはそれらと電気的に接続された電流印加用のダミー配線を例えば絶縁基板１の側面に引出し、場合によっては外部電気回路基板Ｂの配線導体１０に対しても同様に電流印加用のダミー配線を設けて、それらの間にパルス電流を印加してもよい。
【００２６】その場合、ボール状端子７と配線導体１０との間が溶接されるのみならず、ボール状端子７と接続パッド６との間も溶接されることになり、さらに強固な接続が可能となる。
【００２７】なお、上記のボール状端子７と配線導体１０との溶接とは、図２に示すように、ボール状端子７と配線導体１０との接触部にネック１１が形成された状態を意味するものであり、このネックの幅ｘがボール状端子の直径ｙに対して、０．１倍以上であることが望ましい。このネック１１は、ボール状端子７と配線導体１０が異なる金属からなる場合には、それらの合金によって形成される。
【００２８】また、上記の本発明の実装方法では、ボール状端子７と配線導体１０とを半田等を用いることなく溶接する場合について説明したが、本発明の方法によれば、半田等によってボール状端子７と配線導体１０とを仮止めした後、パルス電流を印加処理することによりボール状端子７と配線導体１０と溶接して接合することもできる。
【００２９】上記のＢＧＡ型パッケージの実装方法においては、ボール状端子７と配線導体１０との溶接は、必ずしもパッケージの絶縁基板１の底面に取着されたすべてのボール状端子７と配線導体１０に対して処理する必要はなく、例えば、パッケージＡの底面に取着された多くのボール状端子７のうちの一部分、例えば、最も外側に取着されたボール状端子７とこれに対応する配線導体１０とを溶接処理し、他の部分は通常の半田により接合することによっても、パッケージＡの外部電気回路基板Ｂへの実装の信頼性を十分に高めることが可能である。
【００３０】さらに、これまでの説明では、接続端子がボール状端子からなるＢＧＡ型パッケージの実装方法について説明したが、本発明の実装方法によれば、ＱＦＰ型パッケージにおいては、接続端子７としてパッケージの４つの側面に導出された接続パッドに接続端子としてガルウイング状（Ｌ字状）の金属ピンと基板Ｂの配線導体１０とを当接して、そこに所定のパルス電流を印加することにより、金属ピンと配線導体１０とを溶接して実装することができる。
【００３１】
【実施例】実施例１９６％アルミナ材料（４０〜４００℃における熱膨張係数７．５×１０-6／℃）を絶縁基板とし、メタライズ配線層、スルーホール導体および基板の底面に接続パッドをタングステンによって、絶縁基板と１６００℃の窒素水素混合雰囲気中で焼成した。その後、接続パッドにＮｉおよびＡｕメッキを施した後、接続パッドに対して、直径が１ｍｍのＰｂ１０重量％−Ｓｎ９０重量％の高融点半田からなるボール状端子を低融点半田（Ｐｂ４０重量％−Ｓｎ６０重量％）によって取着してＢＧＡ型パッケージ用配線基板を作製した。なお、ボール状端子は、１ｃｍ2 当たり３０端子の密度で配線基板下面全体に形成した。なお、各接続パッドに対しては、ボール状端子に対して電流印加処理ができるように、パルス電流印加用ダミー配線を形成した。
【００３２】一方、外部電気回路基板として、ガラス−エポキシ基板からなる４０〜４００℃における熱膨張係数が１３ｐｐｍ／℃の絶縁体の表面に銅箔からなる配線導体が形成されたプリント基板を準備した。
【００３３】そして、上記プリント基板の上に、配線導体とパッケージ用配線基板のボール状端子が接触するように載置した後、前記配線基板のダミー配線とプリント基板の配線導体間に表１に示すような電流密度、パルス間隔のパルス電流を印加した。なお、パルス幅はパルス間隔と同じに設定した。
【００３４】また、一部の試料に対しては、表１の条件で通電処理を施した。一部の試料に対しては最外側に取着されたボール状端子についてのみ処理を施し、他のボール状端子に対しては低融点半田によって実装した。さらに、従来例として、電流印加処理することなく、すべてのボール状端子を実装した（試料Ｎo.１、７、９、１５）。
【００３５】得られた実装基板に対して、以下の評価を行った。まず、処理を施した後のパッケージ用配線基板とプリント基板とのボール状端子と配線導体との接触部のネック幅ｘを測定しボール状端子の直径ｙとのネック比（ｘ／ｙ）を算出した。
【００３６】また、実装基板に対して、大気雰囲気にて−４０℃と１２５℃の各温度に制御した恒温槽に試験サンプルを１５分／１５分の保持を１サイクルとして最高１０００サイクルの熱サイクルを印加した。そして、１００サイクル毎のボール状端子とプリント基板の配線導体間の電気抵抗を測定して抵抗変化が表れた時のサイクル数を表１に示した。
【００３７】さらに、ＭＩＬ−ＳＴＤ−８８３Ｃに基づき２０〜２０００Ｈｚまでの振動を連続して印加し、同様にボール状端子とプリント基板の配線導体間の電気抵抗を測定して抵抗変化が表れるまでの時間を最高２８８０秒まで測定し、その結果を表１に示した。
【００３８】実施例２実施例１と同様にして、アルミナセラミックスからなる絶縁基板とし、メタライズ配線層、スルーホール導体および基板の側面に接続パッドをタングステンによって、絶縁基板と１６００℃の窒素水素混合雰囲気中で焼成した。その後、接続パッドにＮｉおよびＡｕメッキを施した後、接続パッドに対して、直径が０．２５ｍｍの４２アロイからなる金属線をＬ字状に折り曲げて作製された金属リードを前記低融点半田によって取着してＱＦＰ型パッケージ用配線基板を作製した。なお、金属リードは、側面の１ｃｍ当たり２０端子の密度で形成した。
【００３９】そして、実施例１と同様にして処理を施した後のＱＦＰ型パッケージ用配線基板とプリント基板とのＬ字状端子と配線導体との接触部のネック幅ｘを測定しＬ字状端子の金属線の直径ｚとのネック比（ｘ／ｚ）を算出した。また、実施例１と同様にして、熱サイクル試験、振動試験を行い、その結果を表１に示した。なお、従来例として、電流印加処理することなく、すべての端子を低融点半田を用いて実装し（試料Ｎo.６）、同様に評価した。
【００４０】実施例３実施例１と同様にして、アルミナセラミックスからなる絶縁基板とし、メタライズ配線層、スルーホール導体および基板の側面に接続パッドをタングステンによって、絶縁基板と１６００℃の窒素水素混合雰囲気中で焼成した。その後、接続パッドにＮｉおよびＡｕメッキを施した後、接続パッドに対して、直径が１ｍｍの表１に示した金属からなるボール状端子を低融点半田（Ｐｂ４０重量％−Ｓｎ６０重量％）によって取着してＢＧＡ型パッケージ用配線基板を作製した。なお、ボール状端子は、１ｃｍ2 当たり３０端子の密度で配線基板下面全体に形成した。また、各接続パッドに対しては、ボール状端子に対して電流印加処理ができるように、パルス電流印加用ダミー配線を形成した（試料Ｎｏ．９〜３１）。
【００４１】得られた実装基板に対して、実施例１と同様の評価を行った。
【００４２】
【表１】
【００４３】表１の結果から明らかなように、溶接処理を施した本発明品は、従来のものに比較して、熱サイクル試験、衝撃試験においても優れた耐久性を示し、パッケージのプリント基板への実装の信頼性が非常に高いものであった。
【００４４】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明の配線基板の実装方法によれば、配線基板の接続端子と外部電気回路基板の配線導体とを溶接により強固に接続させることができる結果、両者の熱膨張差による熱応力や、外部からの振動、衝撃などに対しても優れた耐久性と接続信頼性を示し、信頼性の高い配線基板の実装構造を実現できる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００６６３３
【氏名又は名称】京セラ株式会社
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| 【出願日】 |
平成１０年（１９９８）３月３０日 |
| 【代理人】 |
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| 【公開番号】 |
特開平１１−２４３２７５ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）９月７日 |
| 【出願番号】 |
特願平１０−８４６００ |
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