(57)【要約】【課題】回路基板とランドグリッドアレイ等の電子部品のリードレス接続における半田内の気泡を減少させ、接続の信頼性を向上させる。【解決手段】ランドグリッドアレイにおける部品電極１１はマトリクス状に配置しており、回路基板における回路基板電極２もマトリクス状に配置している。点線で示す部品電極１１に対し、回路基板電極２を角度θだけ傾ける。部品電極１１の辺と回路基板電極２の辺と交わる点をＰ１としたとき、点Ｐ１における溶融半田の断面形状は外側に対して凹形状となるので、溶融半田内の大型気泡が抜けやすい構造となる。本発明によれば、半田内における大型気泡が減少するので、リードレス半田の信頼性を向上させることが出来る。【選択図】図４
2010206166.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
部品電極がマトリクス状に形成されたランドグリッドアレイと回路基板電極がマトリクス状に形成された回路基板がリード線を用いないで半田によって直接接続された回路基板構造体であって、
前記回路基板電極は前記部品電極に対して、平面で見て所定の角度回転していることを特徴とする回路基板構造体。
【請求項２】
前記回路基板電極は、前記部品電極に対して１５度〜２０度回転していることを特徴とする請求項１に記載の回路基板構造体。
【請求項３】
部品電極がマトリクス状に形成されたランドグリッドアレイと回路基板電極がマトリクス状に形成された回路基板がリード線を用いないで半田によって直接接続された回路基板構造体であって、
前記回路基板電極の中心は、前記部品電極の中心に対して、所定の距離ずれており、半田が溶融したときに、前記回路基板および前記ランドグリッドアレイに働く力がゼロになるように、前記ずれている方向が複数となっていることを特徴とする回路基板構造体。
【請求項４】
部品電極がマトリクス状に形成されたランドグリッドアレイと回路基板電極がマトリクス状に形成された回路基板がリード線を用いないで半田によって直接接続された回路基板構造体であって、
前記回路基板電極の中心は、前記部品電極の中心に対して、所定の距離ずれており、
前記ずれの方向は、前記マトリクス状に形成された回路基板電極の中心線に対して、左右、または、上下に対して逆方向であることを特徴とする回路基板構造体。
【請求項５】
前記ずらす量は、回路基板電極のずらす方向に辺の１/８以上１/４以下であることを特徴とする請求項４に記載の回路基板構造体。
【請求項６】
部品電極がマトリクス状に形成されたランドグリッドアレイと回路基板電極がマトリクス状に形成された回路基板がリード線を用いないで半田によって直接接続された回路基板構造体であって、
前記回路基板電極の中心は、前記部品電極の中心に対して、所定の距離ずれており、
前記ずれの方向は、前記マトリクス状に形成された回路基板電極の中心線に対して、左右、および、上下に対して逆方向であることを特徴とする回路基板構造体。
【請求項７】
前記ずらす量は、回路基板電極のずらす方向に辺の１/８以上１/４以下であることを特徴とする請求項６に記載の回路基板構造体。
【請求項８】
部品電極がマトリクス状に形成されたランドグリッドアレイと回路基板電極がマトリクス状に形成された回路基板がリード線を用いないで半田によって直接接続された回路基板構造体であって、
前記回路基板電極における辺は、外方向に凹形状となっていることを特徴とする回路基板構造体。
【請求項９】
前記凹形状の量は、前記回路基板電極の前記凹形状となっている辺と直角方向の辺の長さの０．１倍〜０．２倍であることを特徴とする請求項７に記載の回路基板構造体。
【請求項１０】
部品電極がマトリクス状に形成されたランドグリッドアレイと回路基板電極がマトリクス状に形成された回路基板がリード線を用いないで半田によって直接接続された回路基板構造体であって、
前記回路基板電極は前記部品電極に対して、平面で見て所定の角度回転しており、
前記回路基板電極における辺は、外方向に凹形状となっていることを特徴とする回路基板構造体。
【請求項１１】
部品電極がマトリクス状に形成されたランドグリッドアレイと回路基板電極がマトリクス状に形成された回路基板がリード線を用いないで半田によって直接接続された回路基板構造体であって、
前記回路基板電極の中心は、前記部品電極の中心に対して、所定の距離ずれており、半田が溶融したときに、前記回路基板および前記ランドグリッドアレイに働く力がゼロになるように、前記ずれている方向が複数となっており、
前記回路基板電極における辺は、外方向に凹形状となっていることを特徴とする回路基板構造体。
【請求項１２】
前記回路基板電極の形状は、前記回路基板電極上に供給されたソルダレジストの供給形状によって形づくられ、前記ソルダレジストが供給されない開口部を設けることで、前記回路基板電極を表面に露出させることによってパターン形成されていることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の回路基板構造体。
【請求項１３】
前記回路基板に接続される前記ランドグリッドアレイは、ＤＣ−ＤＣコンバータ、トランジスタアレイ、あるいは受動部品などの集合体であり、各信号端子と接続される電極の中で、同じ信号が流れる少なくとも２つの前記回路基板側の電極は前記ソルダレジストにより分割されているだけの１枚の金属箔によって形成されていることを特徴とする請求項１２に記載の回路基板構造体。
【請求項１４】
前記回路基板に接続される前記ランドグリッドアレイは、その電極の大部分が入力、出力、およびグランドの信号端子となる前記ＤＣ−ＤＣコンバータであり、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの入力、出力、グランド等、各信号端子と接続される前記回路基板側の電極の中で、同じ信号が流れる少なくとも２つの電極は前記ソルダレジストにより分割されているだけの1枚の金属箔によって形成されていることを特徴とする請求項１３に記載の回路基板構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ランドグリッドアレイ等の電子部品と回路基板とをリード線を用いず、鉛を用いない半田によって直接接続する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子部品と回路基板の接続には、半田が広く用いられているが、従来この半田には２２０℃付近で半田付けすることが出来るＳｎ−３７Ｐｂ（単位：質量％）が広く用いられてきた。しかし、鉛Ｐｂは環境負荷が大きいので、鉛を用いない半田の使用が求められている。鉛フリー半田合金は毒性が少ないが、一般的にぬれ性が悪い。本発明は、鉛フリー半田を用いてランドグリッドアレイ(LGA(Land Grid Array）)等の電子部品と回路基板とをリード線を用いずに接続する方法に関するものである。
【０００３】
鉛フリー半田では、濡れ性が悪いほかに、半田リフロー時に半田ペースト中のフラックスからのアウトガスに起因する巨大な気泡が発生し、この気泡は、半田が凝固した後も半田中に存在する。半田の中の気泡は接続強度を著しく減少させる。
【０００４】
半田中の気泡の存在を減少させるために、「特許文献１」には、回路基板を介して超音波振動を与え、間接的に溶融半田に微小振幅ではあるが高エネルギーで揺さぶりをかけることで、基板単位で半田接続部のフラックスアウトガス基因のボイド排出、あるいは溶融した半田バンプと溶融した半田ペーストの未接防止を行なう方法が記載されている。
【０００５】
また、「特許文献２」には、回路基板を介して加振するのではなく、半田が溶融している間に、ＢＧＡ（Ball Grid Array）やＬＧＡ（Land Grid Array）等のような一部の対象部品だけをクランプ付きの振動子に接続して、部品単位で直接超音波加振する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特願２００７−２６５０７０号公報
【特許文献２】特願２００８−１８０２４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
図１はランドグリッドアレイ１０と回路基板１をリードレス接続する様子を示す図である。図１(a)において、ランドグリッドアレイ１０には矩形状の部品電極１１がマトリクス状に形成されている。一方、回路基板１には、ランドグリッドアレイ１０の部品電極１１に対応して回路基板電極２がマトリクス状に形成されている。回路基板電極２には印刷等によって半田ペースト２０が形成されている。以後、部品電極１１のことをランドグリッドアレイ電極、回路基板電極２のことを基板ランドということもある。
【０００８】
図１（ｂ）は、ランドグリッドアレイ１０と回路基板１を半田によって接続した状態を示すものである。ランドグリッドアレイ１０(Land Grid Array)などのリードを持たない代わりにパッケージの底面に正方形の電極が形成された表面実装部品を、半田ペースト２０を用いてリフロー半田付けする際、部品電極１１と基板ランド間の狭間隙部に供給された半田ペースト２０からフラックスからのアウトガス起因の巨大な気泡１００が発生し、これが半田凝固後も半田中に残留する。
【０００９】
図１（ｃ）は、ランドグリッドアレイ１０と回路基板１が接続された状態における半田接続部の拡大図である。図１（ｃ）における部品電極１１と回路基板電極２の間にはリフローによって溶融した半田が形成されている。半田内には気泡１００が存在している。残留する気泡１００については、その上位10％の直径の平均値がランドサイズの概ね0.7倍程度になることにより、半田接続強度を著しく低下させることが問題となっている。
【００１０】
半田内の気泡１００は、半田が溶融している状態において、外部に排出されることが望ましいが、その多くは内部に残留してしまう。この気泡残留（排出のしにくさ）は、リフロー時に溶融中の半田の側面形状にもよる。図２は溶融半田表面２２付近に気泡１００が発生した場合の例を示すものである。図２(a)は、溶融半田表面２２が平面状である場合に、溶融半田表面２２付近に気泡１００が発生した場合である。図２（ｂ）は溶融半田表面２２が外部に向けて凸形状をしている例である。図２（ｂ）のように、溶融半田表面２２が外部に向けて凸形状をしていると、半田表面にアウトガスの気泡１００が接近したとき、半田表面と気泡１００の間に存在する溶融半田２１が薄皮状になる部分２３が大きくなる。したがって、図２（ｂ）のような形状では、気泡１００が排出されにくい。
【００１１】
そして、鉛フリー半田は比較的表面張力が大きく、球状に凝集する性質が大きいため、薄皮状になるには大きな表面エネルギーが必要となる。従って、上記の場合、気泡１００が半田表面に接近するだけで、溶融半田２１の表面エネルギーは著しく増加してしまうため、気泡排出のための活性化エネルギー増加により、気泡１００は容易に排出されない。
【００１２】
現状では、この問題解決のためには、アウトガス発生の少ない半田ペースト２０を使用するしか方法がないが、ガスの発生量が減少する代わりに、ペーストの印刷性・半田のぬれ性悪化などの弊害がある。
【００１３】
本発明の課題は、リードレス半田接続において、半田内に含有される気泡１００を減少させ、信頼性の高いリードレス半田接続を実現することである。そして、これを実現するために、リフロープロセスの条件あるいはプロセス自体の改造や構成の変更をしたり、特別なフラックスを使用した半田ペーストを使用することなく、半田内部の気泡排出を可能とすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
第一の手段は、ランドグリッドアレイなどのリードを持たない表面実装部品を半田付けする際、図3に示すように、基板側ランドをその中心を軸にして回転させた位置に移すことにより、リフロー半田付け時の溶融半田の表面エネルギーを低減させ、気泡の排出を促進するものである。
【００１５】
第二の手段は、表面実装部品を半田付けする際、基板側ランドを半田溶融中に該表面実装部品に働く外力の総和がゼロになるように、表面実装部品電極の直下の位置からずらした位置に移すことにより、リフロー半田付け時の溶融半田の表面エネルギーを低減させ、気泡の排出を促進するものである。
【００１６】
第三の手段は、表面実装部品を半田付けする際、基板側ランドの少なくともランドの一辺を外部に向けてなめらかな凹形状とすることにより、リフロー半田付け時の溶融半田の表面エネルギーを低減させ、気泡の排出を促進するものである。
【００１７】
第四の手段は、上記第１の手段乃至第３の手段をいずれかを組み合わせることである。
【発明の効果】
【００１８】
本発明により、リフロープロセス条件や特別なフラックスを使用した半田ペーストを使用することなく、ランドグリッドアレイ接続部内の気泡の排出が可能になるので、熱疲労に強い半田接続部の形成が可能となる。これによって信頼性の高いリードレス半田が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ランドグリッドアレイと回路基板の接続の様子を示す斜視図である。
【図２】半田表面形状と気泡の状態を示す模式図である。
【図３】実施例１における回路基板電極と部品電極の関係を示す平面図である。
【図４】実施例１における回路基板電極と部品電極の関係を示す詳細図である。
【図５】実施例１における回路基板電極と部品電極の関係を示す斜視図である。
【図６】図５におけるＰ１、Ｐ２、Ｐ３を結ぶ断面図である。
【図７】電極寸法と電極ピッチの関係を示す平面図である。
【図８】実施例２の回路基板電極の配置を示す平面図である。
【図９】実施例２の回路基板電極の他の配置を示す平面図である。
【図１０】溶融半田のセルフアラインメントによる力の方向を示す模式図である。
【図１１】実施例３の回路基板電極の形状の例を示す平面図である。
【図１２】実施例４の回路基板電極と部品電極の関係を示す平面図である。
【図１３】ランドグリッドアレイを接続する該回路基板側の電極の各端子群、出力端子群および、グランド端子群の各々が、ソルダレジスト供給により分割されているだけの３枚の金属箔によって形成されている様子を示した斜視図である。
【図１４】実施例５における回路基板電極と部品電極の関係を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、実施例を用いて本発明の内容を詳細に説明する。
【実施例１】
【００２１】
本実施例では、回路基板電極２を部品電極１１に対してその中心の軸を回転させる。この様子を図３に示す。図３は部品電極１１と回路基板電極２の位置関係を示す平面図である。図３において、点線で示す部品電極１１（ランドグリッドアレイ側電極）に対して実線で示す回路基板電極２（基板側ランド）を回転させている。
【００２２】
図３のような構成によって、ランドを回転させない場合と比較して、半田側面の表面積が増大するため、ランドグリッドアレイ１０側電極と基板ランド間に供給された半田が溶融しても半田表面の一部は外部に向けて平面か凹面を形成し、半田の側面から気泡排出性が向上することになる。すなわち、半田表面が凹形状となれば、図２で説明した凸形状にある場合の反対の現象が起こり、半田表面から気泡１００が抜けやすくなる。
【００２３】
図４を用いて本実施例をさらに詳細に説明する。いま、正方形の部品電極１１（ランドグリッドアレイ１０側電極）に対する正方形の回路基板電極２（基板側ランド）の回転角をθ°とした場合を考えることにする。このとき、部品電極１１の辺と回路基板電極２の辺が交差する点と部品電極１１あるいは回路基板電極２の中止とを結ぶ線は、θ/2傾いていることになる。
【００２４】
図５は、部品電極１１と回路基板電極２の位置関係を示す斜視図である。図４における部品電極１１と回路基板電極２の辺が交わる点Ｐに対応する部品電極１１の位置がＰ１であり、回路基板電極２に対応する位置がＰ３である。部品電極１１と回路基板電極２は半田の厚さだけ離れている。Ｐ１とＰ３の中間の位置がＰ２である。図５において、＝のマークはＰ１とＰ２の間隔とＰ３とＰ２の間隔が同じであることを表している。
【００２５】
図５において、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３で示す付近の半田表面は凹面化しやすく、気泡１００にはこの場所に向かう力が働くことになる。すなわち、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を結ぶ線は外側に向かって凹形状となっている。この状態を図６に示す。図６に示すように、溶融半田２１は内部の気泡１００に対しては凸形状となっているので、この気泡１００は、半田の表面を破壊して容易に外部に抜けていく。
【００２６】
図４および図５において、気泡１００が外部に抜けるようにするためにＰ１、Ｐ２、Ｐ３を結ぶ線の形状を凹形状とするための角度θは４５度で最大となる。しかし、図７に示すような、ランドピッチＱ：ランドサイズＳの比、あるいは電極ピッチＱ：電極サイズＳの比が5：3程度の一般的なランドグリッドアレイ実装の場合、θが概ね20°を超えると、ブリッジが発生しはじめる。また、 概ね15°以下では効果が減少するため、 θは15°乃至20°であることが望ましい。
【００２７】
本実施例における具体的なプロセスの例は次のとおりである。すなわち、部品電極ピッチ：1.2mm、部品電極形状：正方形、部品電極サイズ：0.7mm、部品電極数：77のランドグリッドアレイ１０、および、半田合金組成：Sn-3Ag-0.5Cuの半田ペースト２０を用いて、半田ペースト印刷厚：0.15mmとしてリフロー半田付けを実施した。
【００２８】
半田付けに使用したプリント基板は、基板基材：ＦＲ−4、基板厚：1.6mm、ランド銅箔厚：18μmのものを用意した。なお、基板のランド配置は、ランドピッチ、ランド形状、ランドサイズが、ランドグリッドアレイ１０と同じで、ランド外周の4辺がランド配列方向に平行なもの（従来仕様Ａ）と、基板のランドをその中心を軸にして18°回転させた位置に移したもの（改良仕様Ａ）を用意した。
【００２９】
従来仕様を100個と改良仕様Ａを100個、リフロー半田付け後、全ての半田接続部のＸ線透視観察を実施した。その結果、残留する気泡１００について、その上位10％の直径の平均値は、従来仕様Ａについては、0.45mmになったが、改良仕様Ａについては、0.34mmになった。
【００３０】
また、-55〜125℃、1サイクル/時の条件で温度サイクル試験を実施した。その結果、従来仕様Ａにおいて、気泡１００が全く存在しない場合の寿命が約1500サイクルではあるが、平均寿命は約800サイクルになった。一方、改良仕様Ａの平均寿命は約1100サイクルになった。したがって、本案を適用した改良仕様Ａの場合、その平均寿命が改善されていることがわかった。
【００３１】
本実施例の効果をまとめると次のようになる。すなわち、巨大な気泡１００は図６におけるＰ２点付近より、自然に排出され、残留する気泡１００については、その上位10％の直径の平均値がランドサイズの概ね0.5倍程度になる。
【００３２】
温度サイクル試験により、半田接続部に熱機械的ストレスを与える試験を実施すると、気泡１００が全く存在しない場合の寿命をLとした場合、本実施例における平均寿命は0.7L程度になる。しかし、本実施例を適用しない場合、多くの接続部に巨大なボイドの残留があり、その平均寿命は0.5Lであるので、これと比較すると、大きく改善されていることになる。
【実施例２】
【００３３】
第２に実施例は、基板側ランドをその中心を軸にして回転させた位置に移す代わりに、表面実装部品を半田付けする際、基板側ランドを、半田溶融中に該表面実装部品に働く外力の総和がゼロになるように、表面実装部品電極１１の直下の位置からずらした位置に移すものである。こうすることによって、リフロー半田付け時の溶融半田２１の表面エネルギーを低減させ、気泡１００の排出を促進するものである。
【００３４】
図８に本実施例の１例を示す。図８(a)は従来の回路基板１における回路基板電極２の配置である。図８（ｂ）は本実施例での回路基板１における回路基板電極２の配置である。図８(a)は回路基板電極２が均等に配置されているが、図８（ｂ）は中央線Ｃの部分において電極間隔が大きくなっており、中央線の右側および左側において、電極間隔は図８(a)と同じである。
【００３５】
この効果は、ずらし量が大きいほど大きくなる。図７は、回路基板ランド２の配置例を示すものである。図７において、ランドピッチはＱ、ランドサイズはＳである。例えば、ランドピッチ：ランドサイズ比が5：3程度の一般的なランドグリッドアレイ１０実装の場合、ずらし量がランドサイズのおおむね8分の1以上で効果が現れはじめる。しかし、ずらし量がランドサイズのおおむね5分の1以上でブリッジが現れはじめること、ずらし量がランドサイズのおおむね4分の1以上でランドグリッドアレイ１０電極や基板ランドへの半田のぬれ拡がり不良が現れはじめること、を考慮すれば、ずらし量はランドサイズの8分の1乃至4分の1以下であることが望ましい。
【００３６】
なお、基板側ランドのずらし方向については、図８に示すように、該表面実装部品を二分する中心線を中心に、そこから両側にずらした位置に移すことの他に、図９に示すように、該表面実装部品中心点を中心とし、そこから放射状にずらした位置に移すことも可能である。また、図８では、回路基板電極２を中心線をはさんで左右にずらしているが、回路基板１を横方向に中心線を挟んで上下方向にずらしても同様な効果を得ることが出来る。
【００３７】
図８および図９に示すような場合、全ての接続部における気泡排出効果を一様にするために、ずらし量は全て同じにする必要がある。つまり、全ての接続部におけるずらし量が一様になっていないと、半田中の気泡１００が部品の一部の接続部に偏在し、この気泡１００が部品パッケージを傾斜させる危険性があるからである。
【００３８】
なお、基板側ランドを半田溶融中に該表面実装部品に働く外力の総和がゼロになるようにするとは次のような意味である。すなわち、図１０は、回路基板電極２と部品電極１１の中心がずれた状態で半田接続した状態を示す。このような配置で半田を溶融した場合、回路基板電極２と部品電極１１の間、あるいは、回路基板１とランドグリッドアレイ１０の間には、溶融半田２１によるセルフアラインメント効果によって、Ｆで示すような力が働く。
【００３９】
したがって、回路基板電極２と部品電極１１のずれがすべて同じ方向であると、回路基板１とランドグリッドアレイ１０の中心がずれてしまうことになる。これに対して、図８あるいは図９に示すように、回路基板電極２と部品電極１１のずれる位置を中心線から左右あるいは上下に振り分ければ図１０に示す力Ｆは相殺されて、回路基板１とランドグリッドアレイ１０の中心位置がずれることは無い。
本実施例の具体的なプロセスは次の通りである。すなわち、部品電極ピッチ：1.2mm、部品電極形状：正方形、部品電極サイズ：0.7mm、部品電極数：88（8行11列）のランドグリッドアレイ１０、および、半田合金組成：Sn-3Ag-0.5Cuの半田ペースト２０を用いて、半田ペースト印刷厚：0.15mmとしてリフロー半田付けを実施した。
【００４０】
半田付けに使用したプリント基板は、基板基材：ＦＲ−4、基板厚：1.6mm、ランド銅箔厚：18μmのものを用意した。なお、基板のランド配置は、ランドピッチ、ランド形状、ランドサイズが、ランドグリッドアレイ１０と同じで、ランド外周の4辺がランド配列方向に平行なもの（従来仕様Ｂ）と、基板のランドを44（4行11列）個ずつ、2分割し、その分割する直線からそれぞれのランドを0.15ｍｍずつ遠ざけたもの（改良仕様Ｂ）も用意した。
【００４１】
従来仕様Ｂを100個と改良仕様Ｂを100個、リフロー半田付け後、全ての半田接続部のＸ線透視観察を実施した。その結果、残留する気泡１００について、その上位10％の直径の平均値は、従来仕様Ｂについては、0.46mmになったが、改良仕様Ｂについては、0.33mmになった。
【００４２】
また、-55〜125℃、1サイクル/時の条件で温度サイクル試験を実施した。その結果、従来仕様Ｂにおいて、気泡１００が全く存在しない場合の寿命が約1200サイクルではあるが、平均寿命は約550サイクルになった。一方、改良仕様Ｂの平均寿命は約900サイクルになった。よって、本案を適用した改良仕様Ｂの場合、その平均寿命が改善されていることがわかった。
【００４３】
本実施例の効果をまとめると次のとおりである。すなわち、巨大な気泡１００は自然に排出され、残留する気泡１００については、その上位10％の直径の平均値がランドサイズの概ね0.5倍程度になる。また、温度サイクル試験により、半田接続部に熱機械的ストレスを与える試験を実施すると、気泡１００が全く存在しない場合の寿命をLとすると、本発明を適用した場合の平均寿命は0.6L程度になる。一方、本実施例を適用しない場合、多くの接続部に巨大なボイドの残留があり、その平均寿命0.5Lであるので、これと比較すると、大きく改善されていることになる。
【実施例３】
【００４４】
第３の実施例は、図１１に示すように、基板側ランドにランドサイズの0.1倍以上の深さの、凹みを設けるものである。図１１において、ランドサイズはＬであり、凹みの量はＲである。すなわち、Ｒは０．１Ｌよりも大きくする。これによって、溶融半田表面２２にさらに広い凹面が形成できる。
【００４５】
この凹み部深さはランドサイズの0.2倍程度を超えると、ランド角部へ半田ぬれ拡がりが困難となるため、凹みの深さはランドサイズの0.1乃至0.2倍程度が望ましい。また、この凹みを、曲率半径の小さい曲線や急な角度で曲がる折れ線で凹みを形成すると、半田がその形状に倣ってぬれ拡がることが困難になる。そのため、凹みはなるべく滑らかな形状である必要がある。なお、この滑らかな凹みは、一本の二次曲線や円弧、あるいはこれら複数を滑らかにつなげて形成することが可能である。
【００４６】
以下に本実施例の具体的なプロセスを示す。すなわち、部品電極ピッチ：1.2mm、部品電極形状：正方形、部品電極サイズ：0.7mm、部品電極数：90（9行10列）のランドグリッドアレイ１０、および、半田合金組成：Sn-3Ag-0.5Cuの半田ペースト２０を用いて、半田ペースト印刷厚：0.15mmとしてリフロー半田付けを実施した。半田付けに使用したプリント基板は、基板基材：ＦＲ−4、基板厚：1.6mm、ランド銅箔厚：18μmのものを用意した。
【００４７】
なお、基板のランド配置は、ランドピッチ、ランド形状、ランドサイズが、ランドグリッドアレイ１０と同じで、ランド外周の4辺がランド配列方向に平行なもの（従来仕様Ｃ）と、全基板のランドの一辺に0.12mmの深さの一つの円弧で形成した凹みを設けたもの（改良仕様Ｃ）を用意した。
【００４８】
従来仕様Ｃを100個と改良仕様Ｃを100個、リフロー半田付け後、全ての半田接続部のＸ線透視観察を実施した。その結果、残留する気泡１００について、その上位10％の直径の平均値は、従来仕様Ｃについては、0.48mmになったが、改良仕様Ｃについては、0.35mmになった。
【００４９】
また、-55〜125℃、1サイクル/時の条件で温度サイクル試験を実施した。その結果、従来仕様Ｃにおいて、気泡１００が全く存在しない場合の寿命が約1050サイクルではあるが、平均寿命は約500サイクルになった。一方、改良仕様Ｃの平均寿命は約750サイクルになった。よって、本案を適用した改良仕様Ｃの場合、その平均寿命が改善されていることがわかった。
【００５０】
また、基板側ランドの凹みの深さをランドサイズの0.15倍とし、この凹みを1種類の円弧で形成した場合、巨大な気泡１００はこの凹み部より、自然に排出され、残留する気泡１００については、その上位10％の直径の平均値がランドサイズの概ね0.5倍程度になるという結果を得た。
【００５１】
また、温度サイクル試験により、半田接続部に熱機械的ストレスを与える試験を実施すると、気泡１００が全く存在しない場合の寿命をLとすると、平均寿命は0.7L程度になった。しかし、本案を適用しない場合、多くの接続部に巨大なボイドの残留があり、その平均寿命0.5Lであるので、これと比較すると信頼性は大幅に改善されていることになる。
【実施例４】
【００５２】
本実施例は以上で説明した実施例１〜実施例３を組み合わせることである。これによって、上記実施例１〜実施例３を単独で実施する場合よりも効果を上げることも可能である。
【００５３】
図１２は実施例１と実施例３を組み合わせた例である。図１２(a)は回路基板電極２と部品電極１１が合わされた状態の平面図であり、図１２（ｂ）は図１２(a)の部分詳細図である。図１２(a)において、回路基板電極２は点線で示す部品電極１１に対してθ度傾いている。また、回路基板電極２の１辺において、ランドサイズＬに対して０．１倍の深さの凹みを設けている。
【００５４】
このことにより、回路基板電極２と部品電極１１を傾けた効果と回路基板電極２に凹部を形成した効果とがあいまって、実施例１あるいは実施例３の場合よりもより、溶融半田表面２２には、大きな凹部が形成される。したがって、残留する気泡１００の大きさも、より小さくすることが出来る。
【００５５】
図１２では、P点の両側に曲率半径の異なる2種類の円弧を滑らかに繋げた曲線で凹みを形成している。すなわち、図１２（ｂ）において、曲線３は第１の円弧であり、曲線４は第２の円弧であり、第１の円弧と第２の円弧は曲率半径が異なっている。しかし、電極中心を通り、傾きθ/２度の直線と、曲線３および曲線４は１点で交わるようにしている。そして、このときの深さＱは０．１Ｌである。
【００５６】
図１２に示す構成においては、気泡１００はこの凹み部より、自然に排出され、残留する気泡１００については、その上位10％の直径の平均値がランドサイズの概ね0.3倍程度になる。温度サイクル試験により、半田接続部に熱機械的ストレスを与える試験を実施すると、気泡１００が全く存在しない場合の寿命をLとすると、平均寿命は0.8L程度になった。しかし、本案を適用しない場合、多くの接続部に巨大なボイドの残留があり、その平均寿命0.5Lであるので、信頼性は大きく改善されていることになる。
【００５７】
本実施例の具体的なプロセスは次のとおりである。部品電極ピッチ：1.2mm、部品電極形状：正方形、部品電極サイズ：0.7mm、部品電極数：77のランドグリッドアレイ１０、および、半田合金組成：Sn-3Ag-0.5Cuの半田ペースト２０を用いて、半田ペースト印刷厚：0.15mmとしてリフロー半田付けを実施した。半田付けに使用したプリント基板は、基板基材：ＦＲ−4、基板厚：1.6mm、ランド銅箔厚：18μmのものを用意した。
【００５８】
基板のランド配置は、ランドピッチ、ランド形状、ランドサイズが、ランドグリッドアレイ１０と同じで、基板のランドをその中心を軸にして18°回転させた位置に移したもの（改良仕様Ａ）と、この改良仕様Ａのランドの一辺に0.12mmの深さの二種類の円弧を滑らかに繋いで形成した凹みを設けたもの（改良仕様Ａ‘）を用意した。
【００５９】
改良仕様Ａを100個と改良仕様Ａ‘を100個、リフロー半田付け後、全ての半田接続部のＸ線透視観察を実施した。その結果、残留する気泡１００について、その上位10％の直径の平均値は、改良仕様Ａについては、0.35mmになったが、改良仕様Ａ‘については、0.20mmになった。
【００６０】
また、-55〜125℃、1サイクル/時の条件で温度サイクル試験を実施した。その結果、改良仕様Ａの平均寿命は約1100サイクルであったが、改良仕様Ａ‘の平均寿命は約1200サイクルになった。よって、本案を適用した改良仕様Ａ‘の場合、その平均寿命がさらに改善されていることがわかった。
【実施例５】
【００６１】
さらに、上記実施例１〜実施例４においては、各々の基板側電極はエッチングで個々に分離することにより形成された物であるが、該回路基板に接続されるランドグリッドアレイは、その種類によっては、放熱効率を高めることや基板側電極と基板基材との接着強度を高める必要性がある。
【００６２】
このことを考慮して、該回路基板側の電極で、各信号端子と接続される電極の中で、同じ信号が流れる少なくとも２つの電極は、ソルダレジスト供給により分割されているだけの１枚の金属箔によって形成されていることがある。このような構成は、ランドグリッドアレイが、ＤＣ−ＤＣコンバータ、トランジスタアレイ、あるいは受動部品の集合体のような部品であり、電極のいくつかは同じ信号を流して使用する部品である場合には、該電極を１枚の金属箔で形成できるため、有効な手段である。
【００６３】
しかし、同じ信号を流して使用するランドグリッドアレイ側の各信号端子、同じ信号を流して使用する回路基板側の電極を、各々大きな１枚の金属箔によって形成しこのまま使用すると、はんだ接続部内に残留するフラックスアウトガス起因のボイドのサイズは接続部のサイズに相関して大きくなる。また、さらに、ボイドの発生位置が接続部中央部付近になるほど、接続部内に残留しやすくなるというデメリットがあり、はんだ接続部の強度が低下するため、接続信頼性上良くない。一方、この手段により、基板側の電極面積を広くすることが可能となり、部品内で発生した熱量を基板基材内への短時間で伝えることができるようになるため、放熱性を高めることが可能になるというメリットがある。
【００６４】
図１３は、ランドグリッドアレイ１０を接続する該回路基板１側の電極の入力端子群、出力端子群および、グランド端子群の各々が、３枚の金属箔（回路基板電極２）を回路基板１に供給したソルダレジスト３０の開口部３１により分割形成されている様子を示した図である。本実施例は、実施例４に上記の考え方を組み合わせた例である。これによって、実施例４を単独で実施する場合と比較すれば、放熱効率を高めることや基板側電極と基板基材との接着強度効果を上げることが可能となる。
【００６５】
図１４は実施例４に上記の考え方を組み合わせた一例を示した図である。図１４は、図１３における該回路基板電極上に供給されたソルダレジスト３０における開口部３１の形状を変更することによって形づくられている。また、該回路基板側の電極の入力端子、出力端子および、グランド端子の各々の形状、すなわちソルダレジスト開口部３１の形状は、図１２（ｂ）と同一形状としている。
【００６６】
従って、本実施例は具体的には次のとおりとなる。すなわち、部品電極ピッチ：1.2mm、部品電極形状：正方形、部品電極サイズ：0.7mm、部品電極数：77のランドグリッドアレイ１０、および、半田合金組成：Sn-3Ag-0.5Cuの半田ペースト２０を用いて、半田ペースト印刷厚：0.15mmとしてリフロー半田付けを実施した。半田付けに使用したプリント基板は、基板基材：ＦＲ−4、基板厚：1.6mm、ランド銅箔厚：18μmのものを用意した。
【００６７】
基板のランド配置は、ランドピッチ、ランド形状、ランドサイズが、ランドグリッドアレイ１０と同じで、基板のランドをその中心を軸にして18°回転させた位置に移し、この基板ランドの一辺に0.12mmの深さの二種類の円弧を滑らかに繋いで形成した凹みを設けており、上記ランド形状は銅箔をエッチングすることによって個々に分離して形成したもの（実施例４で使用したものと同一の、改良仕様Ａ‘）、を用意した。
【００６８】
また、これと比較するため、ランドグリッドアレイを接続する該回路基板側の電極の入力端子群、出力端子群および、グランド端子群の各々が、ソルダレジスト供給により分割されているだけの１枚の金属箔によって形成されており、各々のランドはソルダレジストを供給しない部分の形状を改良仕様Ａ‘と同一にすることによって作製したもの（改良仕様Ａ“）も用意した。
【００６９】
改良仕様Ａ‘を100個と改良仕様Ａ“を100個、リフロー半田付け後、全てのはんだ接続部のＸ線透視観察を実施した。その結果、残留する気泡１００について、その上位10％の直径の平均値は、改良仕様Ａ‘、Ａ“ともに、0.20mmになった。
【００７０】
また、-55〜125℃、1サイクル/時の条件で温度サイクル試験を実施した。その結果、改良仕様Ａ‘、Ａ“ともに、平均寿命は約1200サイクルであり、接続信頼性は損なわれることがないことがわかった。
【００７１】
さらに、本ランドグリッドアレイ稼動時のパッケージ表面温度を同一気温条件化で測定したところ、改良仕様Ａ‘では、51℃であるのに対して、Ａ“では、46℃であることがわかり、該回路基板側の電極の入力端子群、出力端子群および、グランド端子群の各々が、ソルダレジスト供給により分割されているだけの１枚の金属箔によって形成することにより、部品で発生した熱の基板への放熱性能が向上していることも確認できた。
以上説明したように、本実施例を適用し、ランドグリッドアレイを接続する回路基板側の電極を、銅箔エッチングによって個々に電極を分離して形成せずに、該回路基板側の電極の入力端子群、出力端子群および、グランド端子群の各々が、ソルダレジスト供給により分割されているだけの１枚の金属箔によって形成すれば、接続信頼性を損なうことなく部品で発生した熱の基板への放熱性能を向上できる。
【符号の説明】
【００７２】
１・・・回路基板
２・・・回路基板ランド（回路基板電極）
３・・・第１の円弧
４・・・第２の円弧
１０・・・ランドグリッドアレイ
１１・・・ランドグリッドアレイ電極（部品電極）
２０・・・半田ペースト
２１・・・溶融半田
２２・・・溶融半田表面
２３・・・溶融半田（薄皮状部分）
３０・・・ソルダレジスト
３１・・・ソルダレジスト開口部
１００・・・気泡。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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