(57)【要約】【課題】高い放熱性があり、表面実装型で発熱を伴う高速ＭＰＵチップを実装するＩＣパッケージと電子回路基板の端子を接続させるための異方導電性ゴムコネクタ及びこれを用いた電気接続方法を提供する。【解決手段】回路基板(3)の電極(10)とボールグリッド形状(6)の電極構造の半導体(2)とを圧接接続するための異方導電性ゴムコネクタ(1)であって、ゴムコネクタ(1)は導電ゴム層と電気絶縁ゴム層からなる積層部、及び前記積層部の間に存在する電気絶縁ゴムからなるサポート部を含み、前記電気絶縁ゴム層又は前記電気絶縁ゴムからなるサポート部は、電気絶縁性の熱伝導性粒子を含み、半導体(2)からの発熱を前記電気絶縁ゴム層又は前記電気絶縁ゴムからなるサポート部から放熱する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路基板の電極とボールグリッド形状の電極構造の半導体とを圧接接続するための異方導電性ゴムコネクタであって、
前記ゴムコネクタは導電ゴム層と電気絶縁ゴム層からなる積層部、及び前記積層部の間に存在する電気絶縁ゴムからなるサポート部を含み、
前記電気絶縁ゴム層又は前記電気絶縁ゴムからなるサポート部は、電気絶縁性の熱伝導性粒子を含み、
前記半導体からの発熱を前記電気絶縁ゴム層又は前記電気絶縁ゴムからなるサポート部から放熱することを特徴とする異方導電性ゴムコネクタ。
【請求項２】
前記電気絶縁ゴム層又は前記電気絶縁ゴムサポート部の熱伝導性は０．５〜３Ｗ／ｍ・Ｋである請求項１に記載の異方導電性ゴムコネクタ。
【請求項３】
前記熱伝導性粒子は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、酸化珪素、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、及び窒化珪素から選ばれる少なくとも一つの粒子である請求項１に記載の異方導電性ゴムコネクタ。
【請求項４】
前記熱伝導性粒子は、平均粒子径０．２〜１５０μｍである請求項１又は３に記載の異方導電性ゴムコネクタ。
【請求項５】
前記熱伝導性粒子の添加量は、ゴム成分１００重量部に対して５〜３００重量部である請求項１３、又は４に記載の異方導電性ゴムコネクタ。
【請求項６】
回路基板電極とボールグリッド形状電極構造の半導体の電極とを請求項１〜５のいずれか１項に記載の異方導電性ゴムコネクタを介して圧接接続する際に、
前記半導体の球状電極が前記ゴムコネクタに対して径全体の２０％〜４０％を埋没させ、
前記ゴムコネクタの球状電極が埋没していない面と前記半導体背面の間隙が０．３ｍｍ以上０．６ｍｍ以下の間隙となるよう圧縮して接続することを特徴とする電気接続方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は表面実装型のボールグリッド形状の電極構造の半導体で特に発熱を伴う高速ＭＰＵチップと電子回路基板の端子を接続させるために用いられる、ゼブラ型異方導電性ゴムコネクタ及びその接続方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体パッケージの形状にはＱＦＰ(Quad Flat Package)、ＴＣＰ(Tape Carrier Package)、ＳＯＰ(Small Outline Package)等があるが、リードがパッケージ周辺に配置されるＱＦＰやＴＣＰでは多端子化が進み、狭ピッチが進むにつれＱＦＰの端子ピッチは０．３ｍｍ以下になり、リフローソルダリングの限界にきている。また、ＴＣＰの端子ピッチは０．１ｍｍ以下となり、後付け実装でも困難性が増している。そこで近年は端子をパッケージの背面（ＩＣチップ搭載面の逆側）にグリッドアレイ（面格子）を配列し、端子ピッチを１ｍｍ前後に保って実装を容易にするＰＧＡ(Pin Grid Array:裏面にグリッドアレイ状にピン端子を配列した挿入実装用パッケージ)や、このＰＧＡのピンを半田ボールに置き換えて、より小型化し、表面実装タイプにしたＢＧＡ(Ball Grid Array)が注目され、今日では多くの電子機器に採用されている。
【０００３】
しかし、近年の表面実装型ＩＣパッケージの端子数増加や端子ピンの微細化に伴い、ＢＧＡを半田実装した際に端子間ブリッジや半田不良など取り扱い上の問題がある。また、取り扱い上の問題だけでなく、表面実装型ＩＣパッケージの破壊、電子回路基板の回路端子の剥離などの問題もある。また、回路基板上にハンダ付けされた狭ピッチ、多端子の半導体を容易に回路基板から取り外す事ができず、高価な回路基板を他の部品と一緒に破棄せざるを得ない問題がある。
【０００４】
この課題を解決するために、従来はＢＧＡまたはＬＧＡ表面実装型ＩＣパッケージと回路基板の電極の接続を目的としたエラストマーシートには金属細線をその厚み方向に貫通させた金属細線型エラスチックコネクタを用いることが多くあった（特許文献１）。この金属細線型エラスチックコネクタは細線を厚み方向に垂直に埋設したタイプと金属細線を傾斜角度（オフセット）を設けて配列したものがある。垂直に埋設したタイプは接続時に圧縮のストレスが細線端子部にかかり、金属細線に座屈状態が生じて、接続抵抗値がまれに不安定になるという問題があった。
【０００５】
金属細線をオフセット配置したタイプは接続時の圧縮ストレスが分散するため、細線端子部での座屈は発生しにくいが、オフセットに合わせてＩＣパッケージ側と電子回路基板の端子位置を意図的に変える必要があることと、ＩＣパッケージがＢＧＡである場合は、ボールグリッドの球面端子と金属細線の接触状態が均一となりにくく、結果として接続抵抗が不安定となる問題があった（特許文献２）。
【０００６】
また、ＢＧＡ型のＩＣパッケージ、特に発熱を伴う高速ＭＰＵチップを電子回路基板と接続させるには、チップの放熱処理が実装信頼性や電子回路寿命の観点から必須であり、セラミック系パッケージのＢＧＡでも樹脂系パッケージのＢＧＡでも放熱処理が必要となる。
【０００７】
とくに比誘電率が小さく高速信号伝達に適し、ローコスト化の期待が高いことからセラミックパッケージ型ＢＧＡから樹脂パッケージ型ＢＧＡに切替が進んだ経緯があるが、一般にセラミック型より樹脂型の方が放熱処理がやりずらく、外付け放熱フィンで放熱対策を施すのが一般的であるものの、充分な放熱効果を得るのに、大型の放熱フィンを取り付けねばならず、ユニットの小型化が求められる情勢であるにもかかわらず、ユニットが大型になってしまうという問題があった。
【特許文献１】特公昭６０−３２２８２号公報
【特許文献２】特開平９−１６１８７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、これら従来の課題を解決するため、高い放熱性があり、表面実装型で発熱を伴う高速ＭＰＵチップを実装するＩＣパッケージと電子回路基板の端子を接続させるための異方導電性ゴムコネクタ及びこれを用いた電気接続方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の異方導電性ゴムコネクタは、回路基板の電極とボールグリッド形状の電極構造の半導体とを圧接接続するための異方導電性ゴムコネクタであって、前記ゴムコネクタは導電ゴム層と電気絶縁ゴム層からなる積層部、及び前記積層部の間に存在する電気絶縁ゴムからなるサポート部を含み、前記電気絶縁ゴム層又は前記電気絶縁ゴムからなるサポート部は、電気絶縁性の熱伝導性粒子を含み、前記半導体からの発熱を前記電気絶縁ゴム層又は前記電気絶縁ゴムからなるサポート部から放熱することを特徴とする。
【００１０】
本発明の電気接続方法は、回路基板電極とボールグリッド形状電極構造の半導体の電極とを請求項１〜５のいずれか１項に記載の異方導電性ゴムコネクタを介して圧接接続する際に、前記半導体の球状電極が前記ゴムコネクタに対して径全体の２０％〜４０％を埋没させ、ゴムコネクタの球状電極が埋没していない面と半導体背面の間隙が０．３ｍｍ以上０．６ｍｍ以下の間隙となるよう圧縮して接続することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の異方導電性ゴムコネクタは、電気絶縁ゴム層又は電気絶縁ゴムからなるサポート部は、電気絶縁性の熱伝導性粒子を含み、半導体からの発熱をこの部分から放熱することにより、表面実装型で特に発熱を伴う高速ＭＰＵチップを内在するＢＧＡ型のＩＣパッケージと電子回路基板の端子の接続に好適である。また、本発明の電気接続方法は、前記異方導電性ゴムコネクタを使用して、圧縮接続することにより、安定した電気接続を得ることができ、回路基板からのＩＣパッケージの脱着が容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の異方導電性ゴムコネクタ（以下「エラスチックコネクタ」ともいう。）は、ＩＣパッケージのボールグリッドアレイ（面格子）端子と相対する電子回路基板の端子を接続させるに使用するコネクタであって、導電ゴムと電気絶縁ゴムとの積層体と、前記積層部の間に存在するサポート部を含む。そして、電気絶縁ゴム層又は電気絶縁ゴムからなるサポート部は、電気絶縁性の熱伝導性粒子を含み、半導体からの発熱をこの部分から放熱する。
【００１３】
熱伝導性粒子（熱伝導性フィラーともいう。）は酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、酸化珪素等の酸化物、あるいは水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム等の水酸化物、あるいは窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化珪素等の窒化物の少なくとも１種類又は２種類以上を混合したものが好ましい。
【００１４】
さらに、ボールグリッド端子とプリント基板間に前記エラスチックコネクタを挟み、導電ゴムと絶縁ゴムの積層体をボールグリッド端子が圧接し、ボールグリッド端子が前記積層体に全体径の２０〜４０％埋没させるのが好ましい。
【００１５】
また、ＩＣパッケージ背面とエラスチックコネクタの間隙が０．３ｍｍ以上０．６ｍｍ以下の間隙（空気層）であり、ボールグリッド端子間距離が接続前と変化しない接続方法とする。このようにすれば、エラスチックコネクタの熱伝導性と相まって高い放熱効果を得ることが出来る。
【００１６】
次に、本発明の一実施形態のエラスチックコネクタについて、図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態のエラスチックコネクタ１を表面実装型ＩＣパッケージのＢＧＡ２と電子回路基板３の電極１０との間に介在させ、ＢＧＡ２と電子回路基板３を固定具４で固定接続した状態を示している。５は導電ゴム層と電気絶縁ゴム層からなる積層ゴム、９は熱伝導性電気絶縁ゴム層からなるサポート部、６はＢＧＡ端子である。
【００１７】
図２はＢＧＡの球面端子６と電子回路基板の電極１０でエラスチックコネクタの導電ゴムと絶縁ゴムの積層部５を圧接している状態図である。ここで、球面端子６の積層部５に対する埋設量Ｙ２は球面端子径の２０〜４０％である。ＩＣパッケージ背面とエラスチックコネクタの間隙Ｙ１は０．４ｍｍ以上の空気層であることを示す。
【００１８】
図５Ａは本発明の接続方法において、ＢＧＡの球面端子６の状態を示したものである。リフロー実装のような加熱処理を必要としない。その結果として、半田端子の形状変化が発生しないことから、球面端子距離Ｘ１は変化しない。
【００１９】
図５Ｂは従来のリフロー接続であり、ＢＧＡの球面端子６は熱接合時に半田端子の形状変化により球面端子間距離Ｘ２はリフロー実装前の球面端子距離に比べ７０％に縮んでいる。
【００２０】
図３は本発明のエラスチックコネクタの１例を示す。本コネクタの構成は導電ゴム７と電気絶縁ゴム８及び熱伝導性電気絶縁ゴムからなるサポート部９で形成されており、導電ゴム７は各々電気絶縁ゴム８により電気的に隔離配置されており、厚み方向への導通性と横方向への絶縁性が得られている。
【００２１】
積層部５の導電ゴム７と電気絶縁ゴム８の積層ピッチは、ＢＧＡ球面端子ピッチの１／４以下に設定する。それ以上の積層ピッチに設定すると、積層ピッチのスキューや圧接時のたわみに起因した、球面端子と隣接する電子回路端子との電気的リーク現象が発生する恐れがある。なお、積層部５と熱伝導性電気絶縁ゴムからなるサポート部９のピッチは実装対象となるＢＧＡの球面端子ピッチに等しくする。図４は図３の積層部５のＩ−Ｉ線断面図を示す。
【００２２】
図３に示されるエラスチックコネクタに用いられる電気絶縁ゴム８の材質としては、ウレタンゴム、ＥＰＤＭ、ＳＢＲ、ＮＢＲなどが挙げられるが、電気絶縁性能および耐候性の観点からシリコーンゴムであることが望ましい。
【００２３】
また、熱伝導性電気絶縁ゴムからなるサポート部９の材質も同様の観点からシリコーンゴムであることが望ましく、添加される熱伝導性粒子は酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化亜鉛、酸化珪素等の酸化物、あるいは水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム等の水酸化物、あるいは窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化珪素等の窒化物から１種又は２種以上が選ばれる。またそれらの形状は粉状、繊維状、針状、燐片状、球状などである。絶縁ゴムに添加されるのは金属酸化物あるいは窒化物が好適である。熱伝導性フィラーはそれらの材質によって選択された公知のシランカップリング剤で表面処理されていても良い。また、前記フィラーの大きさは、粒子の場合は平均粒子径０．２〜１５０μｍが好ましく、他の形状のものも、概ねこれに順ずる範囲が好ましい。
【００２４】
前記熱伝導性フィラーの添加量は絶縁性エラストマー成分１００重量部に対してフィラーが５〜３００重量部の範囲が好ましい。さらに好ましくは、１０〜２００重量部の範囲である。
【００２５】
この配合から得られる熱伝導性電気絶縁ゴムは１．４Ｗ／ｍ・Ｋ以下の熱伝導率を得ることにより、好適な放熱効果が得られる。
【００２６】
例示した材料からなる絶縁ゴムは１０12Ω・ｃｍ以上の体積低効率のものが使用される。
【００２７】
また絶縁ゴム７のゴム硬度は２０〜８０度、絶縁ゴム８のゴム硬度は５０〜９０度の範囲が好ましい。
【００２８】
また、導電ゴム７の材質も同様の観点からシリコーンゴムであることが望ましく、添加される導電付与材は、少なくともポリアセチレン等の導電性高分子、カーボンブラック粉末、金属粉末、金属繊維等から１種又は２種以上が選ばれる。例えばシリコーンゴム１００重量部に対して、
銀粉末を３００重量部配合して、導電度を１０-2Ω・ｃｍ以下の導電ゴムとする。またゴム硬度は６０〜８０度の範囲が好ましい。
【実施例】
【００２９】
以下、実施例を用いて更に詳しく説明する。まず、物性値の測定方法について説明する。
（１）平均粒子径、最大粒子径の測定方法と算出方法
レーザー解析法による粒度分布測定を使用した。粒度測定は堀場製作所レーザ回折粒度測定器（ＬＡ９２０）、島津製作所レーザ回折粒度測定器（ＳＡＬＤ２１００）などを用いて測定することができる。
（２）導電性の測定方法
ＪＩＳ−Ｋ−６２４９に従う。
（３）熱伝導性の測定方法
ＡＳＴＭ−Ｄ５４７０に従う。
（４）ゴム硬度
ＪＩＳ−Ｋ−６２４９に従う。
【００３０】
（実施例１）
ＢＧＡ（４００端子、１．０ピッチ、半田ボール（直径０．５ｍｍφ））用にエラスチックコネクタを作成した。先ず、導電ゴムとして、東レダウコーニング社製のシリコーンゴムコンパウンド５０重量部と、平均粒径１２μｍの不定形銀粉を２００重量部及び過酸化物加硫剤を１．５重量部混練りし、等速ロール間で圧延し、約５ｍｍの圧延シート厚みを得た。
【００３１】
次に、電気絶縁ゴムとして、東レダウコーニング社製のシリコーンゴムコンパウンド１００重量部と過酸化物加硫剤０．７重量部混練りし、等速ロール間で圧延し、約５ｍｍの圧延シート厚みを得た。
【００３２】
これら二種類の圧延シートを、それぞれ導電ゴムと絶縁ゴムが交互となるよう貼り合せ、二本ロール間で７ｍｍに再圧延した。さらに圧延後のシートを重ねて、同様の圧延を繰返し、積層ピッチが約０．１ｍｍとなるまで繰返した。
【００３３】
こうして作成した導電ゴムと絶縁ゴムの積層体を複数層積み重ねて、金型内に挿入し、積み重ね高さ方向に３％の圧縮をかけながら、１５０℃、４時間の加熱加硫を行った。このようにして作成された積層ブロックを積層方向に垂直に０．６ｍｍに裁断し、積層裁断品を得た。
【００３４】
次に、熱伝導性電気絶縁ゴムとして、東レダウコーニング社製のシリコーンゴムコンパウンド
１００重量部と、最大粒径１００μｍの窒化ホウ素粉を１５重量部及び過酸化物加硫剤を０．７重量部混練りし、プレス成型にて、厚み０．４５ｍｍのプレスシートを得た。
【００３５】
厚み０．６ｍｍの積層裁断品と、厚み０．４５ｍｍのプレスシート（熱伝導性電気絶縁ゴム）をそれぞれ複数枚、東レダウコーニング製シリコーン系接着剤（ＳＥ９１４０）を介して接合し、縦
１５０ｍｍ、横１５０ｍｍの寸法のブロックとした。このブロックを０．８ｍｍの厚みでスライスして、ＢＧＡの外寸法と同じ形状に裁断することで、エラスチックコネクタを得た。
【００３６】
前記の手順で得られたエラスチックコネクタをＣＰＵ型ＢＧＡ（４００端子、端子ピッチ１．０ｍｍ）に半田ボールが０．１ｍｍ食い込むよう圧接した。また、ＩＣパッケージ背面とエラスチックコネクタの間隙０は０．４ｍｍとした。こうして接続したＢＧＡとエラスチックコネクタの実装形態を図６に示す。図６において、１１は異方導電性ゴムコネクタ（エラスチックコネクタ）、１２はＣＰＵを実装したボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）、１３は電子回路基板、１４はヒートシンク、１５はアルミニウム製ヒートスプレッダー、１６は富士高分子工業製の伝導シート（製品名“ＸＲ−Ｊ”）、１７はアルミニウム製ソケット、１８は熱伝対であり温度測定箇所を示す。
【００３７】
この時のＢＧＡの温度測定結果を図７に、また比較として従来の接続方法であるＢＧＡをリフロー実装した形態での温度測定結果を図８に示す。その結果、本発明の実施例品は、約１５℃の温度低減効果が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明のエラスチックコネクタを表面実装型ＩＣパッケージのＢＧＡと電子回路基板との間に接続した１例断面図。
【図２】本発明の一実施形態におけるＢＧＡの球面端子と電子回路基板の電極でエラスチックコネクタの導電ゴムと絶縁ゴムの積層部を圧接している状態の拡大断面図。
【図３】本発明のエラスチックコネクタの１例平面図。
【図４】図３の積層部Ｉ−Ｉ線の断面図。
【図５】Ａは本発明の一実施形態における接続方法を示す断面図、Ｂは従来のリフロー接続を示す断面図。
【図６】本発明の一実施形態におけるＢＧＡとエラスチックコネクタの実装形態を示す断面図。
【図７】本発明の一実施例におけるＢＧＡの温度測定結果を示すグラフ。
【図８】従来の接続方法におけるＢＧＡの温度測定結果を示すグラフ。
【符号の説明】
【００３９】
１，１１  異方導電性ゴムコネクタ（エラスチックコネクタ）
２，１２  ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）
３，１３  電子回路基板
４  ＢＧＡ及びエラスチックコネクタの固定具
５  積層部
６  ＢＧＡ端子
７  導電ゴム
８  電気絶縁ゴム
９  サポート部
１０  電子回路基板の電極
１４  ヒートシンク
１５  ヒートスプレッダー
１６  伝導シート
１７  ソケット
１８  熱伝対
Ｘ１  本発明の接続方法におけるＢＧＡの球面端子間距離
Ｘ２  従来接続方法におけるＢＧＡの球面端子間距離
Ｙ１  ＩＣパッケージ背面とエラスチックコネクタの間隙
Ｙ２  球面端子の積層部に対する埋設量
【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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