(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プリント配線板、上記プリント配線板に半田ボールを介して実装されるＢＧＡパッケージよりなるＢＧＡパッケージ実装基板において、上記プリント配線板は、３層以上に積層されるとともに、その表面に導電部が配置された基材間に、上記基材よりも線膨張係数が小さい複数の低線膨張係数材層がそれぞれ配置され、上記プリント配線板の厚さ方向において、上記基材と上記低線膨張係数材層が対称的な配置となるように積層され、上記低線膨張係数材層は、カーボンアルミよりなり、その両積層面は絶縁層によって被覆されていることを特徴とするＢＧＡパッケージ実装基板。
【請求項２】
上記低線膨張係数材層は、上記ＢＧＡパッケージの下部を含む領域に、選択的に配置されたことを特徴とする請求項１記載のＢＧＡパッケージ実装基板。
【請求項３】
プリント配線板、上記プリント配線板に半田ボールを介して実装されるＢＧＡパッケージよりなるＢＧＡパッケージ実装基板において、上記プリント配線板は、３層以上に積層されるとともに、その表面に導電部が配置された基材間に、上記基材よりも線膨張係数が小さい複数の低線膨張係数材層がそれぞれ配置され、上記プリント配線板の厚さ方向において、上記基材と上記低線膨張係数材層が対称的な配置となるように積層され、上記基材はガラスエポキシ材であり、上記低線膨張係数材層は、ガラスエポキシ材よりなる層の中に、格子状に低線膨張係数材を織り込んだ構造であり、その両積層面は絶縁層によって被覆されていることを特徴とするＢＧＡパッケージ実装基板。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ＢＧＡ（Ball Grid Array ）パッケージをプリント配線板に実装してなるＢＧＡパッケージ実装基板に関し、熱的影響に起因するＢＧＡパッケージとプリント配線板との反りを抑制し、半田ボールによる接合強度を高めることが可能なＢＧＡパッケージ実装基板に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図７は特開平６−１０４１３９号公報に記載されているセラミックチップ部品をアルミ基板に実装するための構造である。１０１はセラミック、１０２はセラミック１０１と外部との電気的接続に用いるリード、１０３はリード１０２と実装基板となるアルミ基板１０５とを接続するための半田、１０４はリード１０２とアルミ基板１０５との間に介在させる銅箔、１０６はセラミック１０１の外周に設けられた電極であり、リード１０２は電極１０６の一部を外部に折り曲げた構造である。
【０００３】
セラミック１０１とその両端に金属の電極１０６を被せた構造からなるセラミックチップ部品においては、電極１０６の一部であるリード１０２を外部に折り曲げ、リード１０２の先端をアルミ基板１０５に半田付けした構造とすることで、熱変形による機械的ストレスを吸収させ、接続部におけるクラックの発生を防止していた。
【０００４】
また、図８は特開平８−１８１４５７号公報に記載されている線膨張係数調整材を積層するプリント配線板の構造である。２０１は線膨張係数調整材、２０２は導体、２０３は熱伝導材、２０４は制振合金、２０５は絶縁材である。プリント配線板を構成する層内に、線膨張係数が低い値のインバーや、超インバーを使用した線膨張係数整合材２０１を積層して、絶縁材２０５で使用しているガラスエポキシと組み合わせてプリント配線板自体の線膨張係数を、実装するセラミックパッケージ（図示せず。）の線膨張係数と同じにし、セラミックパッケージとプリント配線板とを接続する半田に亀裂や破断が生じるのを防ぐものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図７に示したセラミック部品実装基板は、電極をリード化することにより、多ピンの部品の場合は、部品実装面積が増大するため、部品の実装密度をあげることが困難となる問題点があった。
また、図８に示したプリント配線板は、低線膨張係数材のインバーによる線膨張を抑える作用がプリント配線板中心部の制振材料に対しては大きく働き、外側にある絶縁層に対しては働きにくくなっている。そのため、プリント配線板の反り、ねじれが発生しやすくなるという問題点があった。
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、部品実装を高密度に行なうことができ、プリント配線板の反りやねじれを防止することが可能な高信頼性のＢＧＡパッケージ実装基板を得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明によるＢＧＡパッケージ実装基板は、プリント配線板、上記プリント配線板に半田ボールを介して実装されるＢＧＡパッケージよりなるＢＧＡパッケージ実装基板において、上記プリント配線板は、３層以上に積層されるとともに、その表面に導電部が配置された基材間に、上記基材よりも線膨張係数が小さい複数の低線膨張係数材層がそれぞれ配置され、上記プリント配線板の厚さ方向において、上記基材と上記低線膨張係数材層が対称的な配置となるように積層され、上記低線膨張係数材層は、カーボンアルミよりなり、その両積層面は絶縁層によって被覆されているものである。
【０００７】
また、この発明によるＢＧＡパッケージ実装基板は、上記のような構成において、上記低線膨張係数材層は、上記ＢＧＡパッケージの下部を含む領域に、選択的に配置されたものである。
【０００８】
さらに、この発明によるＢＧＡパッケージ実装基板は、プリント配線板、上記プリント配線板に半田ボールを介して実装されるＢＧＡパッケージよりなるＢＧＡパッケージ実装基板において、上記プリント配線板は、３層以上に積層されるとともに、その表面に導電部が配置された基材間に、上記基材よりも線膨張係数が小さい複数の低線膨張係数材層がそれぞれ配置され、上記プリント配線板の厚さ方向において、上記基材と上記低線膨張係数材層が対称的な配置となるように積層され、上記基材はガラスエポキシ材であり、上記低線膨張係数材層は、ガラスエポキシ材よりなる層の中に、格子状に低線膨張係数材を織り込んだ構造であり、その両積層面は絶縁層によって被覆されているものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１.
以下、この発明の実施の形態１におけるＢＧＡパッケージ実装基板の断面図を、図１に示し説明する。図１において符号１はプリント配線板、２はプリント配線板１とＢＧＡパッケージ３を接合する半田ボール、４はプリント配線板１を構成するガラスエポキシ基材（基材に相当する。）であり、このガラスエポキシ基材４は３層以上積層される。５はガラスエポキシ基材４間にそれぞれ配置されたガラスエポキシ基材４よりも線膨張係数が小さい低線膨張係数材層であり、この低線膨張係数材層５は一枚のプリント配線板１内に少なくとも２層以上含まれる。６はプリント配線板１に設けられた導電部、７はプリント配線板１内のガラスエポキシ基材４と低線膨張係数材層５との間に挟まれた絶縁層をそれぞれ示している。
【００１０】
プリント配線板１の積層構造は、まず、低線膨張係数材層５に対して絶縁処理を行い、その後、通常の基板製造用プレス器でそれぞれの層を重ね合わせてプレス処理を行うことで得られる。ＢＧＡパッケージ３のプリント配線板１への実装は、半田ボール２と導電部６との間に半田ペーストを配置して熱処理し、接合して行う。
【００１１】
このように形成されたＢＧＡパッケージ実装基板では、寒暖差がある使用環境の場合、プリント配線板１周辺温度の変化に従って、プリント配線板１で使用されているガラスエポキシ基材４が伸縮する。この時、プリント配線板１各層の線膨張係数が異なるため、材料の伸縮度合いがそれぞれ異なってくる。図1 のように、２層の低線膨張係数材層５を、プリント配線板１の３層のガラスエポキシ基材４間に対称となるように配置することにより、低線膨張係数材層５の伸縮抑制力がプリント配線板１各層に均等に働き、全層に渡って応力を均一化することができる。プリント配線板１の反り等を生じさせずに、プリント配線板１としての線膨張係数を低く抑えることが可能となる。この時のプリント配線板１としての線膨張係数は、低線膨張係数材層５の厚みの合計で制御することが可能である。
【００１２】
なお、プリント配線板１全体の線膨張係数αｔ  は以下の式であらわすことができる。
αｔ  = ΣE ｉ  αｉ  t ｉ  / ΣE ｉ  t ｉ  
Eｉ  : プリント配線板各層の縦弾性係数
t ｉ  : 各層の厚み
αｉ  : 各層の線膨張係数
i=1:低線膨張係数材層、  i=2 ：ガラスエポキシ基材
（t 3 ＝プリント配線板１の上面、  下面に位置するガラスエポキシ基材４の厚み）
【００１３】
また、低線膨張係数材とは、具体的には、炭素にアルミを含浸させたカーボンアルミよりなるものである。カーボンアルミの線膨張係数は５〜１０×１０−６／°Ｃである。
さらに、上述の例ではガラスエポキシ基材４を３層とし、それぞれの基材間に合計２層の低線膨張係数層５を配置した場合を示したが低線膨張係数材層５を厚み方向にバランスさせた構造とすれば、同様の効果を得ることが可能である。
【００１４】
実施の形態２.
上述の実施の形態１においては、プリント配線板１全面に対して低線膨張係数材層５を張り合わせたものについて説明したが、この実施の形態２ではプリント配線板１の一部に低線膨張係数材よりなる層を配置する場合について説明する。図２はこの実施の形態２によるＢＧＡパッケージ実装基板を示すものであり、図において、符号８は部分的に配置された部分低線膨張係数材層（低線膨張係数材層に相当する。）であり、その他、同一符号は同一、若しくは相当部分を示すものである。
図２のような積層構造も、実施の形態１の場合同様に、部分低線膨張係数層８を絶縁処理後、プレスして得ることができる。
【００１５】
部分低線膨張係数材層８は、ＢＧＡパッケージ３の下部を含む領域に配置され、最小で、ＢＧＡパッケージ３に相当する大きさに形成される。実施の形態１の場合と同様に、ガラスエポキシ基材４の間に、均等にこの部分低線膨張係数材層８をプリント配線板１の厚み方向にバランスさせて配置する。このように、ＢＧＡパッケージ３の下部に選択的に膨張係数の小さな部材を配置しておくことによって、部分的にプリント配線板１の雰囲気温度に依存する熱膨張を抑制することが可能となる。
このような構造とすることにより、プリント配線板１に実装するパッケージの種類（プラスチックパッケージ、セラミックパッケージ等）に合わせて選択的にＢＧＡパッケージ３が実装されている部分のみ、線膨張係数を抑えることが可能となり、ＢＧＡパッケージの半田ボールによる接合の信頼性を高めることが可能となる。
【００１６】
なお、部分低線膨張係数材層８の大きさは、少なくともＢＧＡパッケージ３の下部を含む領域を占めるものであれば良く、ＢＧＡパッケージ３の下部よりもさらに広がりを持つ大きさとしても良い。また、同一のプリント配線板１の上に複数のＢＧＡパッケージ３を実装する場合は、部分低線膨張係数材層８も複数個配置することで、半田ボール２の接合信頼性を高めることができる。さらに、異なる線膨係数のＢＧＡパッケージ３を同一のプリント配線板１上に実装する場合においても同様にして接合信頼性を向上させることができる。
また、プリント配線板１全体の線膨張係数αｔ  は実施の形態１において示した式より求めることができる。実施の形態２の場合、ｉ＝４：部分低線膨張係数材層を示す。
【００１７】
実施の形態３.
上述の実施の形態１、２では、低線膨張係数材そのものを板状に成形して使用した例を示したが、この実施の形態３では、ガラスエポキシ材の中に、高強度な性質の低線膨張係数材を格子状に織り込んだ積層材料を使用する場合について説明する。
図３はこの発明の実施の形態３によるＢＧＡパッケージ実装基板の断面図および部分斜視図を示すものである。図において符号９は格子状低線膨張係数材層（低線膨張係数材層に相当する。）、９ａは格子状の低線膨張係数材、９ｂは格子状の低線膨張係数材９ａを埋設するように配置されたガラスエポキシ材である。
【００１８】
このような構造をとることでも、実施の形態1 と同様に、プリント配線板１側の雰囲気温度に依存する膨張を小さく抑制することが可能となり、ＢＧＡ接合の接合信頼性を確保することができる。
なお、高強度な性質の低線膨張係数材９ａとしては、インバー、超インバーまたはＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）などを用いることが可能である。
また、プリント配線板１全体の線膨張係数αｔ  は実施の形態１において示した式より求めることができる。実施の形態３の場合、ｉ＝５：格子状低線膨張係数材層を示す。
【００１９】
参考例１．
図４は、この発明の参考例１によるＢＧＡパッケージ実装基板の断面構造を示す図である。この参考例１によるＢＧＡパッケージ実装基板は、ＢＧＡパッケージ３の裏面に複数行複数列に設けられる電極の内、ＢＧＡパッケージ３の最外周の電極を半田ボールからリードに変更したものである。
図において、符号１０はＢＧＡパッケージ３の最外周に位置すべき電極を半田ボールから変更したリードであり、このリード１０をＢＧＡパッケージ３の上面の外周部に配置し、そこから突き出した先端部をプリント配線板１に接合することで電気的接続を行う。また、２ａはＢＧＡパッケージ３の電極のうち最外周以外に配置された電極に相当する内部側半田ボールを示している。
【００２０】
熱ストレスを受けた場合、最も応力が大きくなり、クラック等、半田接合部の破壊が発生しやすいのがＢＧＡパッケージ３の外周部、特に最外周である。この部分に配置されるべき半田ボールのみ、リード化することにより、リード１０による熱応力緩和を行なうことが可能となるとともに、他の電極を半田ボールのまま残しておくことにより、パッケージ部品の実装密度の低下を防ぐことが可能である。
なお、プリント配線板１を実施の形態１〜３において示したいずれかの構造とすることによって、より熱ストレスの耐性を強化することが可能であることは言うまでもない。
【００２１】
参考例２．
図５はＢＧＡパッケージ３の裏面に複数行複数列に設けられたパッドのうち、最外周のパッドのピッチを狭めたピン配列を示すＢＧＡパッケージ３の裏面の平面図である。符号１１ａはＢＧＡパッケージ３の裏面に、複数行複数列に配置されたパッドのうちの、最外周に位置するパッド（以下、最外周パッドとする。）、１１ｂはその他のパッド（以下、内部側パッドとする。）を示している。それぞれのパッド上には半田ボール２が配置され、プリント配線板１側との接続は半田ボール２を介して行われる。
【００２２】
この参考例２によるＢＧＡパッケージ実装基板は、図５に示したように、最外周パッド１１ａのピッチを、他の内部側パッド１１ｂの通常ピッチよりも狭くした構造のＢＧＡパッケージ３を用いることで、最外周パッド１１ａでの半田ボール２によるプリント配線板１との接合点を多くしたものである。内部側パッド１１ｂの通常のパッドピッチは１．２７ｍｍである場合、最外周パッド１１ａの狭めたパッドピッチは１．０ｍｍとすることができ、また、最小でパッドピッチを０．８ｍｍまでとすることができる。
【００２３】
これにより、熱応力が大きくなるＢＧＡパッケージ３の外周部において、半田ボール２による接合部分が多くなるため、熱応力が分散、緩和でき、半田接合部の信頼性の向上を図ることが可能となる。また、ＢＧＡパッケージとしての実装密度を保った上で、さらに、外周部に位置する最外周パッド１１ａのみを高密度化することにより、基板設計難度を上げずに、ＢＧＡパッケージ３全体のサイズも小さくできる効果も得られる。
なお、プリント配線板１を実施の形態１〜３において示したいずれかの構造とすることによって、より熱ストレスの耐性を強化することが可能であることは言うまでもない。
【００２４】
参考例３．
図６はＢＧＡパッケージ３とプリント配線板１との間に、中間の線膨張係数を有する中間基板を挿入した状態のＢＧＡパッケージ実装基板を示す断面図であり、図において、符号１２はセラミックよりなるＢＧＡパッケージ３( α=6〜7ppm) とプリント配線板１(17〜20ppm)の中間的な線膨張係数( α=11 〜13ppm)を有する中間基板であり、１３は中間基板１２とプリント配線板との間の半田接合を示すものである。この場合、具体的には中間基板１２としてガラスポリイミドなどを用いることが可能である。
【００２５】
これにより、ＢＧＡパッケージとしての実装密度を保った上で、さらに、プリント配線板１とセラミックよりなるＢＧＡパッケージ３との線膨張係数の差による熱応力を、中間基板１２で段階的に緩和することが可能であり、ＢＧＡパッケージ３側の接合部およびプリント配線板１側の半田接合部における信頼性も確保することが可能となる。
さらに、この場合、中間基板１２として適合する材料は、基板材料として完全なものである必要がなく、プリント配線板１と部品パッケージ材質の線膨張係数に応じて、自由に選択することが可能である。従って、材料選定および材料の入手が容易になる。
【００２６】
また、ＢＧＡパッケージ３がセラミックパッケージである場合について主に述べたが、これに限らず、異なる線膨張係数のＢＧＡパッケージ３を、中間基板１２を介してプリント配線板１に実装することも可能である。その場合、中間基板１２の線膨張係数も異なる線膨張係数に合わせて調整する。
さらに、プリント配線板１を実施の形態１〜３において示したいずれかの構造とすることによって、より熱ストレスの耐性を強化することが可能であることは言うまでもない。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、ＢＧＡパッケージを実装するプリント配線板を、３層以上に積層されるとともに、その表面に導電部が配置された基材間に、上記基材よりも線膨張係数が小さい複数の低線膨張係数材層をそれぞれ配置し、プリント配線板の厚さ方向において、基材と低線膨張係数材層が対称的な配置となるように積層するものとし、低線膨張係数材層は、カーボンアルミよりなり、その両積層面は絶縁層によって被覆されている状態となるように構成することで、プリント配線板の厚み方向に複数枚の低線膨張係数材層をバランスさせて配置することができ、熱的影響によるプリント配線板の反りを小さく抑制することが可能であり、ＢＧＡパッケージとプリント配線板との半田ボールによる接合信頼性を確保することが可能なＢＧＡパッケージ実装基板を得ることができる。
【００２８】
また、この発明によれば、低線膨張係数材層をプリント配線板内のＢＧＡパッケージの下部を含む領域に、選択的に配置することにより、ＢＧＡパッケージを実装した領域のプリント配線板の熱的影響による反りを選択的に小さく抑制することが可能となるとともに、プリント配線板に複数個のＢＧＡパッケージを実装する場合において、それぞれのＢＧＡパッケージの線膨張係数に応じた低線膨張係数材層をプリント配線板内に配置し、熱的影響を小さく抑制することが可能なＢＧＡパッケージ実装基板を得ることができる。
【００２９】
さらに、この発明によれば、ＢＧＡパッケージを実装するプリント配線板を、３層以上に積層されるとともに、その表面に導電部が配置された基材間に、上記基材よりも線膨張係数が小さい複数の低線膨張係数材層をそれぞれ配置し、プリント配線板の厚さ方向において、基材と低線膨張係数材層が対称的な配置となるように積層するものとし、基材をガラスエポキシ材とし、低線膨張係数材層を、格子状の低線膨張係数材をガラスエポキシ材よりなる層の中に織り込んだ構造とし、その低線膨張係数材層の両積層面は絶縁層によって被覆されている状態となるように構成することで、上記の場合と同様に、熱的影響によるプリント配線板の反りを小さく抑制することが可能であり、ＢＧＡパッケージとプリント配線板との半田ボールによる接合信頼性を確保することが可能なＢＧＡパッケージ実装基板を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１によるＢＧＡパッケージ実装基板の断面図である。
【図２】 この発明の実施の形態２によるＢＧＡパッケージ実装基板の断面図である。
【図３】  この発明の実施の形態３によるＢＧＡパッケージ実装基板の断面図および部分斜視図である。
【図４】  この発明の参考例１によるＢＧＡパッケージ実装基板の断面図である。
【図５】  この発明の参考例２によるＢＧＡパッケージの裏面側を示す平面図である。
【図６】  この発明の参考例３によるＢＧＡパッケージ実装基板の断面図である。
【図７】 従来の技術によるパッケージ実装基板の断面図である。
【図８】 従来の技術によるプリント配線板の断面図である。
【符号の説明】
１. プリント配線板  ２. 半田ボール  ２ａ. 内部側半田ボール
３. ＢＧＡパッケージ  ４. ガラスエポキシ基材  ５. 低線膨張係数層
６. 導電部 ７. 絶縁層 ８. 部分低線膨張係数材層
９. 格子状低線膨張係数材層 ９ａ. 低線膨張係数材
９ｂ. ガラスエポキシ材 １０. リード １１ａ. 最外周パッド
１１ｂ. 内部側パッド １２. 中間基板 １３. 半田接合。
【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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