(57)【要約】  本発明の目的は、プリント回路基板のＢＧＡ接合部を外力から保護するための保護板部材とプリント回路基板との固定構造における歪み低減固定構造を実現することである。この歪み低減固定構造は、保護板部材１を固定するプリント回路基板４の固定軸孔１６の周りに、プリント回路基板４の厚さの少なくとも１／２以上深いザグリ１３を形成する。ボルスタープレート１側の埋め込みボルト３とヒートシンク５側のバネ押さえ棒状ナット６とでプリント回路基板４を保護板部材１に締め付けたとき、固定部からプリント回路基板４に加わる撓み矯正力による歪みの大部分は、ザグリ部のエッジ部に集中し、ＢＧＡパッケージ２のバンプ１１の接合部に大きな歪みが波及することはない。
2008120280.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プリント回路基板を保護板部材に固定するための固定軸が貫通するプリント回路基板の貫通孔の周りにザグリを形成する、ことを特徴とする歪み低減固定構造。
【請求項２】
前記形成されたザグリ部分の残り板厚をａ、前記プリント回路基板の厚さをｂとしたとき、ｂ／２≧ａである、ことを特徴とする請求項１記載の歪み低減固定構造。
【請求項３】
前記保護板部材は、ボルスタープレート又はスティフナーである、ことを特徴とする請求項１記載の歪み低減固定構造。
【請求項４】
前記固定軸は、ボルスタープレートに立設された埋め込みボルト又はスティフナーのメネジに螺合するオネジである、ことを特徴とする請求項１記載の歪み低減固定構造。
【請求項５】
半導体部品と、
締結手段を貫通させるための第１の複数の貫通穴を有し、前記半導体部品からの熱を放熱する放熱板と、
前記締結手段を貫通させるための第２の複数の貫通穴と前記貫通穴周辺に形成されたザグリを有するとともに、前記半導体部品が実装されるプリント板と、
前記プリント板における前記半導体部品の実装面の裏面に配置され、前記半導体部品と前記プリント版との接合部を保護する保護板部材と、
前記第１の複数の貫通穴と前記第２の複数の貫通穴とを連通して、前記放熱板と前記プリント版と前記保護板部材とを固定する締結手段とを有することを特徴とする半導体実装構造。
【請求項６】
半導体部品と、
前記締結手段を貫通させるための貫通穴と前記貫通穴周辺に形成されたザグリを有するとともに、前記半導体部品が実装されるプリント板と、
前記プリント板における前記半導体部品の実装面の裏面に配置され、前記半導体部品と前記プリント版との接合部を保護する保護板部材と、
前記貫通穴を連通して、前記プリント版と前記保護板部材とを固定する締結手段とを有することを特徴とする半導体実装構造。
【請求項７】
前記締結手段はさらに、前記締結手段の一端と前記放熱板により保持されるバネとを有することを特徴とする請求項５又は６のいずれかに記載の半導体実装構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は歪み低減固定構造に係わり、更に詳しくは、プリント回路基板のＢＧＡ接合部を外力から保護するための保護板部材とプリント回路基板との固定構造における歪み低減固定構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、プリント回路基板のＢＧＡ（ball grid array）接合部を外力による衝撃から保護するために、プリント回路基板のＢＧＡパッケージ配設面の裏面に、ボルスタープレート又はスティフナーと呼ばれる保護板部材を配置して、この保護板部材とプリント回路基板とをボルト等で固く締め付けて固定している。【０００３】
図１は、従来の、プリント回路基板のＢＧＡパッケージ配設面の裏面にボルスタープレートを固定した状態を示す図である。
図１に示すように、ボルスタープレート１は、四隅に締め付け位置が設けられている分だけＢＧＡパッケージ２よりも大きく形成されている。その四隅の締め付け位置には埋め込みボルト３が立設されており、プリント回路基板４の上記埋め込みボルト３に対応する位置にはボルト貫通孔が予め開けられている。【０００４】
図１は、プリント回路基板４のボルト貫通孔に、ボルスタープレート１の埋め込みボルト３を貫通させ、埋め込みボルト３の頭部に、ヒートシンク５に保持されているバネ押さえ棒状ナット６の下端部を螺合させてバネ押さえ棒状ナット６を締め付け、プリント回路基板４とボルスタープレート１とを固定している状態を示している。【０００５】
図２は、従来の、プリント回路基板のＢＧＡパッケージ配設面の裏面にスティフナーを固定した状態を示す図である。図２に示すスティフナー７も、四隅に締め付け位置が設けられている分だけＢＧＡパッケージ２よりも大きく形成されている。その四隅の締め付け位置にはメネジが切られている。【０００６】
また、プリント回路基板４の上記メネジに対応する位置にはボルト貫通孔が予め開けられている。
図２は、プリント回路基板４のボルト貫通孔に、オネジ８を貫通させ、オネジ８の頭部に形成されているマイナス溝又はプラス溝を、マイナスドライバ又はプラスドライバで廻し込んでオネジ８を締め付け、プリント回路基板４とスティフナー７とを固定している状態を示している。【０００７】
ところで、プリント回路基板４は、ＢＧＡパッケージ２の実装により、基板に撓みや反りが発生しやすい。
図３は、従来のプリント回路基板のＢＧＡパッケージ配設面の裏面にボルスタープレートを固定する直前の状態を示す図である。図３に示すように、ＢＧＡパッケージ２を実装されたプリント回路基板４には撓み（又は反り）が発生している。【０００８】
したがって、プリント回路基板４のボルト貫通孔に、ボルスタープレート１の埋め込みボルト３を貫通させ、埋め込みボルト３の頭部に、ヒートシンク５に保持されているバネ押さえ棒状ナット６の下端部を螺合させただけで未だ締め付けを行っていない段階では、ボルスタープレート１の上面とプリント回路基板４の下面との間には、間隙９が形成されている。【０００９】
この状態から図３の矢印１０に示すようにバネ押さえ棒状ナット６を締め付けていくと、プリント回路基板４に発生していた撓みや反りが、ボルスタープレート１によって矯正され、プリント回路基板４は間隙なくボルスタープレート１に密着する。【００１０】
図４は、従来のプリント回路基板のＢＧＡパッケージ配設面の裏面にボルスタープレートを固定したことにより、図３に示したようにプリント回路基板４に発生していた撓みや反りが矯正された状態を示す図である。【００１１】
ところが、この矯正によって、プリント回路基板４に内部応力が生じて、ＢＧＡパッケージ２のバンプ１１の接合部、特にＢＧＡパッケージ２の外周のバンプ接合部に大きな歪みが発生する。【００１２】
図４には、バンプ１１の接合部に発生する歪み１２を模式的に示している。このようにバンプ接合部に大きな歪み１２が発生すると、接合部の疲労破壊を加速させる一因となり、接合部信頼性が低下し、ＢＧＡパッケージ２に封じ込められている例えばＣＰＵ(central processing unit）等の演算回路装置が誤作動を起こして装置全体の信頼性が低下するという問題を引き起こす。【００１３】
また、この問題は、図２に示したように、スティフナー７をプリント回路基板４に固定した場合にも同様に発生する。
【特許文献１】本発明に対比可能な先行技術文献は見当らない。
【発明の開示】
【００１４】
本発明は、上記従来の実状に鑑み、保護板部材とプリント回路基板との固定構造において可及的に歪みを低減させる歪み低減固定構造を提供することを目的とする。
本発明の歪み低減固定構造は、プリント回路基板を保護板部材に固定するための固定軸が貫通するプリント回路基板の貫通孔の周りにザグリを形成するように構成される。
【００１５】
この歪み低減固定構造において、例えば、上記ザグリ部の残り板厚をａ、上記プリント回路基板の厚さをｂとしたとき、ｂ／２≧ａであるように構成される。
また、上記保護板部材は、例えば、ボルスタープレート又はスティフナーであり、上記固定軸は、例えば、ボルスタープレートに立設された埋め込みボルト又はスティフナーのメネジに螺合するオネジであるように構成される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】従来のプリント回路基板のＢＧＡパッケージ配設面の裏面にボルスタープレートを固定した状態を示す図である。
【図２】従来のプリント回路基板のＢＧＡパッケージ配設面の裏面にスティフナーを固定した状態を示す図である。
【図３】従来のプリント回路基板のＢＧＡパッケージ配設面の裏面にボルスタープレートを固定する直前の状態を示す図である。
【図４】従来のプリント回路基板のＢＧＡパッケージ配設面の裏面にボルスタープレートを固定したときに発生する歪を説明する図である。
【図５】実施例１においてボルスタープレートに固定されるプリント回路基板の固定軸孔周りにザグリを追加形成してバネ押さえ棒状ナットでプリント回路基板を締め付けた状態を示す図である。
【図６】実施例１においてスティフナーに固定されるプリント回路基板の固定軸孔周りにザグリを追加形成してオネジでプリント回路基板を締め付けた状態を示す図である。
【図７】実施例１においてプリント回路基板のＢＧＡパッケージの配設面の裏面にボルスタープレート１を固定する直前の状態を示す図である。
【図８】実施例１においてプリント回路基板をボルスタープレートに固定したとき歪がザグリ部底面のエッジ周囲とバンプの接合部とに分散される状態を模式的に示す図である。
【図９】ザグリの形成されていないプリント回路基板への歪みゲージの取り付け状態を示す図である。
【図１０】図９の状態からボルスタープレートのバネ押さえ棒状ナットでプリント回路基板を締め付けた状態を示す図である。
【図１１】固定軸孔周りにザグリの形成されているプリント回路基板への歪みゲージの取り付け状態を示す図である。
【図１２】図１１に示す歪みゲージの取り付け状態からボルスタープレートのバネ押さえ棒状ナットでプリント回路基板を締め付けた状態を示す図である。
【図１３】ザグリが形成されていないプリント回路基板（従来）とザグリが形成されている実施例のプリント回路基板（発明）の各位置Ａ、Ｂ、Ｃ、及びＤにおける最大歪みを示す一覧表である。
【図１４】プリント板厚とザグリ部の板厚との関係において３種類の試料について最大歪みの低減率を評価した図表である。
【図１５】図１４の評価表のデータから得られるザグリ部の板厚とＭａｘ歪との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
【００１７】
１    ボルスタープレート
２    ＢＧＡパッケージ
３    埋め込みボルト
４    プリント回路基板
５    ヒートシンク
６    バネ押さえ棒状ナット
７    スティフナー
８    オネジ
９    間隙
１１    バンプ
１２    歪み
１３    ザグリ
１４    締め付け方向
１５    歪みゲージ
１６    固定軸孔
１７    近似曲線
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
実施例１
図５は、実施例１において、ボルスタープレート１に固定されるプリント回路基板４の固定軸孔周りにザグリ１３を追加形成して、バネ押さえ棒状ナット６でプリント回路基板４を締め付けた状態を示している。【００１９】
図６は、同じく実施例１において、スティフナー７に固定されるプリント回路基板４の固定軸孔周りにザグリ１３を追加形成して、オネジ８でプリント回路基板４を締め付けた状態を示している。【００２０】
図５及び図６おいて、破線丸ａ、ｂ、ｃ、ｄで囲んで示すプリント回路基板の固定軸孔周りには、いずれもザグリ１３が形成されている。
図７は、実施例１において、プリント回路基板４のＢＧＡパッケージ２の配設面の裏面にボルスタープレート１を固定する直前の状態を示す図である。【００２１】
図７に示すように、ＢＧＡパッケージ２を実装されたプリント回路基板４には撓み（又は反り）が発生している。
図７に示すように、埋め込みボルト３の頭部に、ヒートシンク５側のバネ押さえ棒状ナット６の下端部を螺合させただけで未だ締め付けを行っていない段階では、ボルスタープレート１の上面とプリント回路基板４の下面との間には、プリント回路基板４の撓みに基づく間隙９が形成されている。【００２２】
この状態から図７の矢印１４に示すようにバネ押さえ棒状ナット６を締め付けていくと、プリント回路基板４に発生していた撓みや反りがボルスタープレート１によって矯正されることによる歪は、ザグリ部底面のエッジ周囲に集中する歪１２ａと、バンプ１１の接合部に発生する歪１２ｂとに分散される。【００２３】
図８は、プリント回路基板４をボルスタープレート１に固定したとき、歪がザグリ部底面のエッジ周囲に集中する歪１２ａと、バンプ１１の接合部に発生する歪１２ｂとに分散される状態を模式的に示す図である。【００２４】
図８に示すように、大きな歪１２ａはザグリ部底面のエッジ周囲で吸収され、小さな歪１２ｂのみがバンプ接合部に加わるだけになり、バンプ１１の接合部に与える歪みを低減させることができる。【００２５】
この歪み低減の原理は次の２点と考えられる。すなわち第１には、「ＢＧＡパッケージ２の基板曲げ強度」＞「ザグリが形成された基板固定部の曲げ強度」となっているため、固定部に発生する矯正力（歪み）の大部分は、曲げ強度の弱い固定部で吸収されるからであると考えられる。【００２６】
第２には、ザグリの深さの分だけ、ＢＧＡパッケージ２の周辺部のバンプ１１から固定部までの距離が増加し、その距離が増加した分だけ、固定部からバンプ１１に伝わる歪みが軽減されるからであると考えられる。【００２７】
尚、スティフナー７にプリント回路基板４を固定した場合も全く同様の結果が得られるが、以下、説明を簡単にするため、ボルスタープレート１についてのみ説明する。
ここで、上記のように、プリント回路基板４の固定軸孔周りにザグリを形成することにより、ボルスタープレート１とバネ押さえ棒状ナット６により、プリント回路基板４を強固に固定しても、曲げ強度の弱いザグリ部底面のエッジ部に歪みが集中し、バンプ１１の接合部における撓みや反りの矯正が軽減され、歪みが小さく抑えられる効果があることを以下に検証する。【００２８】
先ず、歪み測定のために使用する機器として、株式会社協和電業製のデータアナライザＥＤＸ−１５００Ａと、歪みゲージＫＦＧ−１−１２０−Ｄ１７−１６Ｍ２Ｌ２Ｓを用意する。【００２９】
次に、固定軸孔周りにザグリが形成されていない従来通りのプリント回路基板のＢＧＡパッケージの近傍（４箇所）に上記の歪みゲージを取り付ける。
図９は、ザグリ１３の形成されていないプリント回路基板４への歪みゲージの取り付け状態を示す図である。歪みゲージの取り付けは、歪みゲージ１５及び白２本、青２本、赤２本、合計６本のケーブルを、瞬間接着剤でプリント回路基板４の所定の位置に取り付ける。【００３０】
これらの歪みゲージ１５を取り付けるＢＧＡパッケージ２の近傍４箇所は、図９に示すように、プリント回路基板４の固定軸孔１６から最近位置のバンプ（ＢＧＡパッケージ２の四隅のバンプ）までの距離を半径として描いた円周上のＢＧＡパッケージ２に出来るだけ近接した位置である。【００３１】
これらの取り付け位置記号は、図９の左下角を位置Ａ、右下角を位置Ｂ、左上角を位置Ｃ、右上角を位置Ｄとした。
固定軸孔１６から歪みゲージ１５の取り付け位置Ａ、Ｂ、Ｃ、又はＤまでの距離と、固定軸孔１６からＢＧＡパッケージ２の最も大きな歪みを受ける四隅のバンプまでの距離を同一であるように設定したので、歪みゲージ１５の取り付け位置で測定される歪みの値は、四隅のバンプ接合部で発生する歪みとほぼ同一であるとみることができる。【００３２】
図９に示す歪みゲージ１５の取り付け後に、歪みゲージ１５から出ている６本のケーブル（歪みゲージ１５が４個で合計２４本のケーブル）を、図外のデータアナライザに接続する。【００３３】
図１０は、図９に示す歪みゲージ１５の取り付けて各ケーブルを図外のデータアナライザに接続した状態から、ボルスタープレート１のバネ押さえ棒状ナット６でプリント回路基板４を締め付けた状態を示す図である。【００３４】
図１１は、固定軸孔１６の周りにザグリ１３の形成されているプリント回路基板４への歪みゲージ１５の取り付け状態を示す図である。この歪みゲージ１５の取り付け位置及び取り付け状態は、図９の場合と全く同一である。【００３５】
図１２は、図１１に示す歪みゲージ１５の取り付け状態から、ボルスタープレート１のバネ押さえ棒状ナット６でプリント回路基板４を締め付けた状態を示す図である。
図１０及び図１２ともに、バネ押さえ棒状ナット６は、位置Ａ、位置Ｄ、位置Ｂ、及び位置Ｃの順で締め付けていった。また、この締め付けでは、トルク５．０Ｋｇｆ・ｃｍで締め付けるように統一した。【００３６】
そして、そのとき、発生する歪値（με）を歪みゲージ１５で測定した結果をデータアナライザで記録し、比較した。
このときの評価用サンプル仕様は、「ＴＥＧ基板：□１１０ｍｍ×ｔ４ｍｍ」、「ＰＫＧ：□４７．５ｍｍセラミックパッケージ」、「ＢＧＡ：Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ（数量：２１１６個）」である。【００３７】
図１３は、ザグリが形成されていないプリント回路基板（従来）と、ザグリ１３が形成されている実施例のプリント回路基板（発明）の各位置Ａ、Ｂ、Ｃ、及びＤにおける最大歪みを示す一覧表である。【００３８】
４箇所の位置Ａ、Ｂ、Ｃ、及びＤにおける最大歪みは、従来例では位置Ａにおいて測定された４３４．３με、発明例では位置Ｂで測定された２１５．７μεである。すなわちザグリを形成した基板構成では、バンプの接合部に発生する最大歪みを、ザグリの無い基板構成の場合の半分以下にすることができることが判明する。【００３９】
従来例と発明例で評価が逆転している測定位置Ｄは、プリント回路基板４の反り、バンプ１１の平坦度などのバラツキによるものと考えられる。
ここで、上記のザグリの深さと歪みの低減効果との関係を調べるために、更に試料を追加して上記同様の歪み測定を行った。【００４０】
図１４は、ザグリの深さの代わりに、ザグリの深さに反比例するザグリ部の残り板厚（以下、単にザグリ部の板厚という）をａとし、ザグリを入れる前のプリント回路基板４の厚さ（以下、単にプリント板厚という）をｂとして、３種類の試料について歪みの評価をした図表である。【００４１】
図１４の図表は、左端に三種類の試料であるサンプル１、２、及び３を示し、続いて右方へプリント板厚ｂ、ザグリ（ザグリの深さ）、ザグリ部の厚さ（残り板厚）ａ、ゲージ箇所Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ毎の歪み値、それら歪み値のＭａｘ値、歪みの低減効果（％）を示している。なお、寸法の単位はｍｍ、歪み値の単位はμεである。【００４２】
また、歪みの低減効果の基準値は、サンプル１の歪みのＭａｘ値を取っている。ここでサンプル１及び２は、図１３に示した従来例と発明例である。この図１４では、更にサンプル３を追加している。【００４３】
図１４に示すように、サンプル１のプリント板厚ｂ＝４．００（ｍｍ）、ザグリ（ザグリの深さ）＝０．００（ｍｍ）、ザグリ部の厚さ（残り板厚）ａ＝４．００（ｍｍ）である。つまり、ザグリは形成されていない。そして歪のＭａｘ値は図１３にも示したように４３４．３（με）である。【００４４】
また、サンプル２のプリント板厚ｂ＝４．００（ｍｍ）、ザグリ（ザグリの深さ）＝２．００（ｍｍ）、ザグリ部の厚さ（残り板厚）ａ＝２．００（ｍｍ）である。つまり、ザグリ部の厚さ（残り板厚）ａは、プリント板厚ｂの１／２である。そして歪のＭａｘ値は図１３にも示したように２１５．７（με）である。これは、サンプル１のＭａｘ値４３４．３（με）を１００（％）としたとき、５０．３％となる。【００４５】
また、サンプル３のプリント板厚ｂ＝４．００（ｍｍ）、ザグリ（ザグリの深さ）＝３．００（ｍｍ）、ザグリ部の厚さ（残り板厚）ａ＝１．００（ｍｍ）である。つまり、ザグリ部の厚さ（残り板厚）ａは、プリント板厚ｂの１／４である。そして歪のＭａｘ値は１３４．８（με）である。これは、サンプル１のＭａｘ値４３４．３（με）を１００（％）としたとき、６９．０％となる。【００４６】
図１５は、上記の評価表のデータから得られるザグリ部の板厚とＭａｘ歪との関係を示す特性図である。同図は横軸にザグリ部の板厚（ｍｍ）を０から４．５まで示し、縦軸にＭａｘ歪（με）を０から５００まで示している。【００４７】
ここに示す特性図は、図１４のサンプル１、２、３のザグリ部の板厚ａ＝４．０、２．０、１．０にそれぞれ対応する歪みのＭａｘ値４３４．３、２１５．７、１３４．８をそれぞれ四角の黒点で右側から左側へプロットして、その近似曲線を例えば最小二乗法等で求めたものである。【００４８】
同図の近似曲線１７は、左下がりの直線になっており、図１４の評価表及びこ図１５の特性図を合わせ考えると、ザグリ部の厚さをａ、プリント回路基板の厚さをｂとしたとき、ｂ／２≧ａであるようにザグリを形成すると、歪が５０％近傍から逐次低下する歪み低減効果が得られることが判明する。【００４９】
また、図１５の近似曲線１７からは、プリント回路基板とボルスタープレート又はスティフナーとの十分な固定強度が得られるなら、ザグリの厚さは深いほど（ザグリ部の厚さが薄いほど）効果が得られるということになる。
【図１】
2008120280.tif 000003
【図２】
2008120280.tif 000004
【図３】
2008120280.tif 000005
【図４】
2008120280.tif 000006
【図５】
2008120280.tif 000007
【図６】
2008120280.tif 000008
【図７】
2008120280.tif 000009
【図８】
2008120280.tif 000010
【図９】
2008120280.tif 000011
【図１０】
2008120280.tif 000012
【図１１】
2008120280.tif 000013
【図１２】
2008120280.tif 000014
【図１３】
2008120280.tif 000015
【図１４】
2008120280.tif 000016
【図１５】
2008120280.tif 000017
【国際調査報告】
2008120280.tif 000018
2008120280.tif 000019
2008120280.tif 000020
2008120280.tif 000021
2008120280.tif 000022
2008120280.tif 000023
2008120280.tif 000024