(57)【要約】  【課題】回路基板のセラミック基板側に加わる熱応力を軽減し、セラミック基板のクラックの発生を防止し、熱ストレスによる信頼性を向上した回路基板を提供する。  【解決手段】メイン基板(17)上に複数枚の基板(11)が半田(19)により固着されている回路基板であって、前記複数枚の基板(11)は前記メイン基板(17)より相対的に熱膨張係数の小さい基板を含み、前記複数枚の基板(11)は、セラミック基板(12)と、前記セラミック基板(12)のメイン基板(17)側に前記セラミック基板(12)より高強度の基板(13)が貼り合わせられている。これにより、セラミック基板のメイン基板側に前記セラミック基板より高強度の基板が貼り合わされているので、回路基板のセラミック基板側に加わる熱応力は軽減され、セラミック基板にクラックが発生することを防止でき、回路基板の熱ストレスによる信頼性を向上させることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
メイン基板上に複数枚の基板が半田により固着されている回路基板であって、
前記複数枚の基板は前記メイン基板より相対的に熱膨張係数の小さい基板を含み、
前記複数枚の基板は、セラミック基板と、前記セラミック基板のメイン基板側に前記セラミック基板より高強度の基板が貼り合わせられていることを特徴とする回路基板。
【請求項２】
前記高強度の基板は、アルミナ基板である請求項１に記載の回路基板。
【請求項３】
前記アルミナ基板の厚みは、０．１９ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の範囲である請求項２に記載の回路基板。
【請求項４】
前記アルミナ基板は、厚さ方向に一つ以上の貫通孔が設けられ、前記貫通孔に導電ペーストが充填されて導通している請求項２に記載の回路基板。
【請求項５】
前記貫通孔は、その直径が０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下の範囲である請求項４に記載の回路基板。
【請求項６】
前記貫通孔の直径をＡ、前記アルミナ基板の厚みをＢとしたとき、０．９Ｂ≦Ａ≦２．５Ｂの関係にある請求項５に記載の回路基板。
【請求項７】
前記アルミナ基板上に配線パターンを設け、配線パターンは貫通孔に接続され、この配線パターンを介してセラミック基板に設けられた他の回路に接続されている請求項４に記載の回路基板。
【請求項８】
前記アルミナ基板に設けられた接続用の端子パッドと前記メイン基板に設けられた接続用の接続パッドとの接続は、球状に形成された樹脂と、この樹脂の外表面を覆う少なくとも１層の導電性を持つ金属と、更にこの金属の外表面を覆う半田層とで形成された樹脂ボールにより接続されている請求項２に記載の回路基板。
【請求項９】
前記樹脂ボールの金属層が銅である請求項８に記載の回路基板。
【請求項１０】
前記アルミナ基板に設けられた接続用の端子パッドと前記メイン基板に設けられた接続用の接続パッドとの接続は、金属で構成された半田ボールにより接続されている請求項２に記載の回路基板。
【請求項１１】
前記セラミック基板と、前記高強度基板とは、焼結により一体化されている請求項１に記載の回路基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品等が実装される回路基板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
以下、従来の回路基板について説明する。従来の回路基板は、図４に示すようにセラミックで形成された回路基板（以下、「セラミック基板」という）１の上に接着剤層２１を介して半導体集積回路２が装着されていた。また、このセラミック基板１の下面には端子パッド３が設けられ、半導体集積回路２と配線パターンやスルーホールで接続されていた。
【０００３】
樹脂で形成されたメイン基板４には、端子パッド３に対応した位置に接続パッド５が設けられていた。そして、この接続パッド５と端子パッド３とは、半田６で電気的かつ機械的に接続されていた。
【０００４】
なお、この本発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている
【特許文献１】特開平１０−１０７３９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、このような従来のセラミック基板１を樹脂で形成されたメイン基板４に載置して、半田６で電気的かつ機械的に固着すると、両材質の熱膨張係数の相違から以下のような問題が生ずる。
【０００６】
即ち、メイン基板４の熱膨張係数は、低温焼成セラミック基板１の熱膨張係数の略３倍である。このような熱膨張係数の異なる基板１，４同士が半田６で固着され、熱ストレスにさらされると、図５に示すように、お互いの基板１，４に応力が加わる。この応力でセラミック基板１には矢印７に示すように外側に向かって引っ張る力が働く。そのためセラミック基板１にクラックが入る可能性があった。
【０００７】
本発明は、前記従来の問題を解決するため、回路基板のセラミック基板側に加わる熱応力を軽減し、セラミック基板のクラックの発生を防止し、熱ストレスによる信頼性を向上した回路基板を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の回路基板は、メイン基板上に複数枚の基板が半田により固着されている回路基板であって、前記複数枚の基板は前記メイン基板より相対的に熱膨張係数の小さい基板を含み、前記複数枚の基板は、セラミック基板と、前記セラミック基板のメイン基板側に前記セラミック基板より高強度の基板が貼り合わせられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、セラミック基板のメイン基板側に前記セラミック基板より高強度の基板が貼り合わされているので、回路基板のセラミック基板側に加わる熱応力は軽減される。従って、セラミック基板にクラックが発生することを防止することができる。よって、回路基板の熱ストレスによる信頼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は、熱膨張係数の大きいメイン基板上に半田で固着されるとともに、前記メイン基板より熱膨張係数の小さい回路基板であって、前記回路基板は、セラミック基板と、このセラミック基板の前記メイン基板側に前記セラミック基板より高強度の基板が貼り合わせられているので、セラミック基板に熱応力が加わっても、クラックが発生することを防止することができる。よって、回路基板の熱ストレスに対する信頼性を向上させることができる。
【００１１】
前記高強度の基板は、アルミナ基板であることが好ましい。これによりセラミック基板の強度が増す。アルミナ基板の厚みは、０．１９ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の範囲であることが好ましい。
【００１２】
前記アルミナ基板は、厚さ方向に一つ以上の貫通孔が設けられ、前記貫通孔に導電ペーストが充填されて導通していることが好ましい。これにより、アルミナ基板に配線された導体をセラミック基板上に導通させることが出来る。
【００１３】
前記貫通孔は、その直径が０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下の範囲であることが好ましい。これにより、アルミナ基板に設けられた貫通孔への導電ペーストの充填性を良くすることができる。
【００１４】
また同様な理由から、前記貫通孔の直径をＡ、前記アルミナ基板の厚みをＢとしたとき、０．９Ｂ≦Ａ≦２．５Ｂの関係にあることが好ましい。
【００１５】
前記アルミナ基板上に配線パターンを設け、配線パターンは貫通孔に接続され、この配線パターンを介してセラミック基板に設けられた他の回路に接続されていることが好ましい。これにより配線パターンを有しているので、この配線パターンで接続パッドまで配線を敷設することができ、接続パッド配置の自由度が増す。
【００１６】
前記アルミナ基板に設けられた接続用の端子パッドと前記メイン基板に設けられた接続用の接続パッドとの接続は、球状に形成された樹脂と、この樹脂の外表面を覆う少なくとも１層の導電性を持つ金属と、更にこの金属の外表面を覆う半田層とで形成された樹脂ボールにより接続されていることが好ましい。これにより、半田内に形成された樹脂が応力を吸収するので、アルミナ基板に加わる応力が軽減される。
【００１７】
前記樹脂ボールの金属層が銅であることが好ましい。電気導通性を良好に保つためである。
【００１８】
前記アルミナ基板に設けられた接続用の端子パッドと前記メイン基板に設けられた接続用の接続パッドとの接続は、金属で構成された半田ボールにより接続されていることが好ましい。これにより、従来用いられている半田ボールを使ってアルミナ基板とメイン基板を接続することができる。
【００１９】
前記セラミック基板と、前記高強度基板とは、焼結により一体化するのが好ましい。これにより、両者は強力に貼り合わせることができる。
【００２０】
（実施の形態１）
以下、本発明の一実施の形態について、図面を用いて説明する。図１は、ガラス繊維織物にエポキシ樹脂を含浸させ硬化した、いわゆるガラスエポキシ基板（厚み２．５ｍｍ）からなるメイン基板１７の上に装着された回路基板１１の断面図である。この回路基板１１は厚さ０．６５ｍｍ、２５０メガパスカルの抗折強度を有する低温焼成セラミック基板１２と、この低温焼成セラミック基板１２の下側に貼り付けられた厚さ０．２８ｍｍのアルミナ基板１３とで構成されている。固着方法は、アルミナ基板１３に低温焼成セラミック基板１２を熱圧着（９０℃程度の温度と２０MＰａ程度の圧力）により貼り付けた後、約９００℃で焼結させて、一体化させている。
【００２１】
このアルミナ基板１３は、抗折強度が３５０メガパスカルであり、低温焼成セラミック基板１２の２５０メガパスカルの抗折強度より約４割大きい。このようにして、低温焼成セラミック基板１２の実質上の抗折強度を大きくしている。
【００２２】
なお、低温焼成セラミック基板１２は、アルミナ約５０質量％とガラス約５０質量％の粉体に有機バインダーを加えて作成したグリーンシートを約９００℃で焼成したものである。
【００２３】
アルミナ基板１３は、アルミナ９６質量％（残余は不可避的天然元素）のアルミナ基板であり、アルミナ基板１３の上方から下方に向けて０．２ｍｍの貫通孔１４が設けられている。そして、この貫通孔１４には、銀を主成分とした導電ペースト１５が充填される。また、アルミナ基板１３の下面には貫通孔１４に接続された端子パッド１６が設けられている。
【００２４】
メイン基板１７の上面には、端子パッド１６に対応した位置に接続パッド１８が設けられており、その間を半田１９で固着している。このように、メイン基板１７と回路基板１１とは、半田１９で固着されている。ここで、回路基板１１の低温焼成セラミック基板１２は抗折強度の大きなアルミナ基板１３と焼結により貼り合されて一体化されているので、例えメイン基板１７の熱膨張係数が低温焼成セラミック基板１２の熱膨張係数より大きく、低温焼成セラミック基板１２に熱によるストレスが加わっても、低温焼成セラミック基板１２にクラックが生ずるようなことはない。
【００２５】
また、セラミック基板１２の上面にはエポキシ樹脂からなる接着剤層２１を介して半導体集積回路２が固定されており、セラミック基板１２と配線で繋がっている。この配線はアルミナ基板１３の上面に敷設された配線パターン２０に接続されている。この配線パターン２０は貫通孔１４に接続されており、この貫通孔１４に充填された導電ペースト１５を介してメイン基板１７に導かれる。結局、半導体集積回路２の信号はセラミック基板１２の配線を介して、配線パターン２０から導電ペースト１５と、端子パッド１６と、半田１９と、接続パッド１８をこの順に通過してメイン基板１７に導かれる。
【００２６】
このように、アルミナ基板１３上に配線パターン２０を設けて、この配線パターン２０で貫通孔１４に接続するので、貫通孔１４の位置を定間隔に設ける等、設計の自由度を大きくすることができる。
【００２７】
表１に、半田１９として６３Ｓｎ／３７Ｐｂからなる共晶半田のボールを用いた場合のアルミナ基板１３の厚みと、貫通孔（スルーホール）１４へ導電ペーストを充填したときのスルーホール充填性およびヒートサイクルの試験結果を示す。サンプルの厚みは０．６５ｍｍのセラミック基板１２に９６質量％アルミナ基板（残余は不可避的天然元素）１３を貼り合せ、セラミック基板１２上の半導体集積回路２のサイズは２５．４ｍｍ角、ピン数は１４４ピンであり、アルミナ基板１３に設けられた貫通孔１４の直径は０．２ｍｍとした。また、図６、図７に、ヒートサイクル回数とセラミック基板１２とメイン基板１７との間の接続抵抗値の変化を示す。図１２に、本実施例でのヒートサイクル条件を示す。ヒートサイクルの温度範囲は、−５５℃から＋１２５℃とした。試験開始温度は−５５℃であり、約１５分で１２５℃まで昇温し、１５分保持する。その後、−５５℃まで約１５分で降温し、−５５℃にて１５分保持する。以上の一連の温度変化を１サイクルとする。スルーホール充填性は、20倍の顕微鏡にてアルミナ基板１３の両面を観察し、（１）印刷側から見て、スルーホールの反対面まで導体ペーストが充填されていること、（２）印刷面、反対面について、導体ペーストの著しい飛び出し(0.1mm程度)が無いこと、（３）導体ペーストが充填されたスルーホールに貫通穴が無いこと、を目視評価し、Ａは良好、Ｂはやや良、Ｃは不可とした。
【００２８】
【表１】
2005072574.tif 000003
【００２９】
表１から明らかなように、スルーホール充填性は、アルミナ基板の厚みに関係する。本実施例では、アルミナ基板厚が０．６３５ｍｍでは、スルーホール内の導体ペーストが十分に充填されなかった。これは、スルーホールの直径よりスルーホールの深さが大きいため、導体ペーストの充填が不十分になり、印刷側から反対側まで導体ペーストが届かなくためである。アルミナ基板厚が０．１９ｍｍから０．５ｍｍの範囲では、スルーホール内の導体ペーストを、完全に充填することが出来た。アルミナ基板厚が０．１５ｍｍでは、スルーホールの直径よりスルーホールの深さが小さいため、スルーホール内部に導体ペーストが保持されず、貫通穴が発生した。スルーホール充填性から見た適正なアルミナ基板１３の厚みは、アルミナ基板１３に設けられた貫通孔１４の直径が０．２ｍｍのとき、０．１９ｍｍから０．５ｍｍである。アルミナ基板を貼り付けていないサンプルでは、信頼性が確保されるのは５０サイクルまでであるが（図５）、本実施例の適正な厚みのアルミナ基板を貼り付けたサンプルでは、１００サイクルまで信頼性が向上した（図７）。すなわち、本実施例の共晶半田のボールを用いた接続では、従来に比べて２倍の信頼性を実現できる。
【００３０】
表２は、半田１９として樹脂ボールを用いた場合のアルミナ基板１３の厚みと、貫通孔（スルーホール）１４へ導電ペーストを充填したときのスルーホール充填性およびヒートサイクルの試験結果を示す。サンプルは、厚みが０．６５ｍｍのセラミック基板１２に９６質量％アルミナ基板１３を貼り合せ、セラミック基板１２上の半導体集積回路２のサイズは２５．４ｍｍ角、ピン数は１４４ピンであり、アルミナ基板１３に設けられた貫通孔１４の直径が０．２ｍｍとした。また、図８から図１１にヒートサイクル回数とセラミック基板１２とメイン基板１７との間の接続抵抗値の変化を示す。
【００３１】
【表２】
2005072574.tif 000004
【００３２】
表２の結果で説明したとおり、適正なアルミナ基板１３の厚みは、アルミナ基板１３に設けられた貫通孔１４の直径が０．２ｍｍのとき、０．１９ｍｍから０．５ｍｍである。アルミナ基板１３を貼り付けていないサンプルでは、信頼性が確保されるのは４００サイクルまでであるが（図８）、本実施例の適正な厚みのアルミナ基板を貼り付けたサンプルでは７５０サイクルまで信頼性が向上した（図９、図１０、図１１）。すなわち、本実施例を用いると、樹脂ボールを用いた接続では、従来に比べて約１．９倍の信頼性を実現できる。
【００３３】
本実施例では、基板はセラミック基板に９６質量％アルミナ基板を貼り合せたもの、セラミック基板の厚みは０．６５ｍｍ、半導体集積回路２のサイズは２５．４ｍｍ角、ピン数は１４４ピンのものをサンプルとした。ここで、セラミック基板の厚みは０．６５ｍｍとしたが、これに限るものではない。
【００３４】
図２は、回路基板１１とメイン基板１７とを電気的・機械的に接続する樹脂ボール２９の断面図である。図２において、２５は球形状の樹脂コアであり、２６はその外側を覆うニッケル層である。また、２７はニッケル２６を覆う銅層であり、２８は銅層２７を覆う半田層である。そして、全体としても球形状をしている。この樹脂ボール２９には銅層２７が含まれているので電気伝導性が高い。
【００３５】
図３は、この樹脂ボール２９で回路基板１１の端子パッド１６と、メイン基板１７の接続パッド１８を電気的かつ機械的に接続した断面図である。このような樹脂ボール２９を用いることにより、樹脂コア２５が熱応力に対して変形して歪みを吸収するので、回路基板１１とメイン基板１７の熱膨張係数が異なっても、回路基板１１とメイン基板１７にストレスが発生することを防止することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明にかかる回路基板は、高強度の基板を低強度の基板に貼り付けることにより熱膨張係数の違いによる二種の材料間の応力によるクラックを防止するものであり、セラミック基板等を用いた機器に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施の形態におけるメイン基板上に装着された回路基板の断面図
【図２】同、メイン基板と回路基板を接続する半田の断面図
【図３】同、半田で接続されたメイン基板と回路基板の断面図
【図４】従来のメイン基板上に装着された回路基板の断面図
【図５】同、熱応力が加わった場合の説明のための断面図
【図６】アルミナなし＋半田ボールの接続抵抗値変化を示すグラフ
【図７】アルミナ厚み０．５０ｍｍ＋半田ボールの接続抵抗値変化を示すグラフ
【図８】アルミナなし＋樹脂ボールの接続抵抗値変化を示すグラフ
【図９】アルミナア厚み０，１９ｍｍ＋樹脂ボールの接続抵抗値変化を示すグラフ
【図１０】アルミナ厚み０．２８ｍｍ＋樹脂ボールの接続抵抗値変化を示すグラフ
【図１１】アルミナ厚み０．５０ｍｍ＋樹脂ボールの接続抵抗値変化を示すグラフ
【図１２】ヒートサイクル条件を示す図
【符号の説明】
【００３８】
１１  印刷基板
１２  セラミック基板
１３  アルミナ基板
１７  メイン基板
１９  半田
２９  樹脂ボール
【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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