(57)【要約】  【課題】温度上昇／温度下降を繰り返し受けても、半田や導電樹脂などの接合材或いはその近傍でクラック発生等の異常を生じ難い混成集積回路を提供する。  【解決手段】回路基板上の複数の回路上に、前記複数の回路を跨るように電子部品を搭載する表面実装法であって、前記電子部品下部の回路間空隙に絶縁層（Ａ）を配置し電子部品を搭載することを特徴とする表面実装方法、それを適用した混成集積回路と、そのための回路基板である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路基板上の複数の回路上に、前記複数の回路を跨るように電子部品を搭載する表面実装法であって、前記電子部品下部の回路間空隙に絶縁層（Ａ）を配置し電子部品を搭載することを特徴とする表面実装方法。
【請求項２】
回路基板上の複数の回路上に、導電性接合材を介して、前記複数の回路上に跨るように電子部品を搭載してなる混成集積回路であって、前記電子部品下部の回路間の空隙に絶縁層（Ａ）を配置してなることを特徴とする混成集積回路。
【請求項３】
絶縁層（Ａ）は、貯蔵弾性率と熱膨張率との積が１ｋＰａ／Ｋ以上１０ＭＰａ／Ｋ以下のものであることを特徴とする請求項２記載の混成集積回路。
【請求項４】
導電性接合材が半田からなることを特徴とする請求項２、または請求項３記載の混成集積回路。
【請求項５】
絶縁基板上に複数の回路を設け、電子部品を搭載する複数の回路の前記回路間の空隙に、絶縁層（Ａ）を前記回路表面高さにまで設けていることを特徴とする回路基板。
【請求項６】
絶縁基板が、金属板上に絶縁層（Ｂ）を設けたものであることを特徴とする請求項５記載の回路基板。
【請求項７】
絶縁層（Ｂ）は、貯蔵弾性率と熱膨張率との積が１ｋＰａ／Ｋ以上１０ＭＰａ／Ｋ以下のものであることを特徴とする請求項６記載の回路基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子やチップ抵抗、チップコンデンサなどの表面実装型電子部品を搭載した混成集積回路に関し、ことにチップ抵抗やチップコンデンサなどのように、複数の回路に跨って実装される表面実装型電子部品に関して、その接合に用いられる半田や導電樹脂などの導電性接合材の耐久性を向上させるための実装方法とそれを適用した混成集積回路に関する。また、それに用いる回路基板に関するもので、混成集積回路に用いられるプリント基板や金属ベース基板などの各種回路基板に適用して有効であり、特に熱膨張率の大きい金属ベース基板に適用するとき極めて効果的である。
【背景技術】
【０００２】
小型化や実装時の省力化などを可能にする表面実装を実現するために、各種の回路基板が用いられており、これらの回路基板に各種の表面実装電子部品を搭載した混成集積回路が用いられている。特に、高発熱性電子部品を実装する回路基板として、金属板上に無機フィラ−を充填したエポキシ樹脂等からなる絶縁層を設け、該絶縁層上に回路を設けた金属ベース回路基板が用いられている。
【０００３】
一方、車載用電子機器について、その小型化、省スペ−ス化と共に、電子機器をエンジンル−ム内に設置することが要望されている。エンジンル−ム内は温度が高く、温度変化が大きいなど過酷な環境であり、放熱性に優れ、長期信頼性の高い回路基板が必要とされる。
【０００４】
回路基板上の回路には各種の電子部品が半田や導電樹脂などを介して接合されている。しかし、実使用下における温度上昇／温度下降の繰り返しを長期に渡って受けていると、電子部品を固定している半田や導電樹脂などの接合材部分或いはその近傍にクラックが発生することがあり、その結果、熱の伝導経路が遮断され、機能が停止してしまう、或いは電気的信頼性が低下するという問題が発生する。
【０００５】
特に、金属ベ−ス回路基板は、熱放散性や経済的な理由から金属板としてアルミニウム板を用いることが多く、銅板などを用いる場合もある。しかし、これらの金属板と電子部品、特にチップ抵抗やチップコンデンサなどのセラミックチップ部品との熱膨張率の差が大きいため、同様な問題が発生する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、温度上昇／温度下降を繰り返し受けても、半田や導電樹脂などの接合材或いはその近傍でクラック発生等の異常を生じ難い、回路基板並びに混成集積回路を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、有限要素法を用いた熱弾塑性解析において、いろいろな回路基板上に種々の電子部品を半田により接合した混成集積回路について、２３３Ｋから４２３Ｋの範囲の熱サイクルを負荷する計算を行い、その結果、半田の塑性ひずみ範囲が特定の値以下となるような回路基板構造が好ましく、特定の実装方法を用いて回路基板を用いるときに、耐半田クラック性に富む、高い信頼性を有する混成集積回路が得られることを見出し、そして実験的検証を重ねて、本発明に至ったものである。
【０００８】
さらに、本発明者は、上記知見に基づき、いろいろに実験的に検討し、次の知見を得て本発明に至ったものである。即ち、半田或いはその近傍で発生するクラックは、混成集積回路に加熱冷却を繰り返すことにより、回路基板と電子部品との熱膨張差により発生する熱ひずみが半田に負荷されることにより発生すると考えられ、熱ひずみを回路基板の絶縁層で緩和することが重要になってくる。このとき、金属板と電子部品との間で発生する熱ひずみを充分に緩和するためには、絶縁層の配置が重要である。
【０００９】
さらに、本発明者は、電子部品の接合材として導電樹脂を用いた場合についても同様な実験を行い、接合材に半田を用いた場合に耐半田クラック性に富む、高い信頼性を有する混成集積回路となる特定の構造を有する回路基板が、電子部品の接合材として導電樹脂を用いた場合にも、導電性樹脂或いはその近傍のクラック発生の抑制に効果があることを見出した。
【００１０】
即ち、本発明は、回路基板上の複数の回路上に、前記複数の回路を跨るように電子部品を搭載する表面実装法であって、前記電子部品下部の回路間空隙に絶縁層（A）を配置し電子部品を搭載することを特徴とする表面実装方法である。
【００１１】
また、本発明は、回路基板上の複数の回路上に、導電性接合材を介して、前記複数の回路上に跨るように電子部品を搭載してなる混成集積回路であって、前記電子部品下部の回路間の空隙に絶縁層（Ａ）を配置してなることを特徴とする混成集積回路であり、好ましくは、絶縁層（Ａ）は、貯蔵弾性率と熱膨張率との積が１ｋＰａ／Ｋ以上１０ＭＰａ／Ｋ以下のものであることを特徴とする前記の混成集積回路であり、更に好ましくは、前記導電性接合材が半田からなることを特徴とする前記の混成集積回路である。
【００１２】
さらに、本発明は、絶縁基板上に複数の回路を設け、電子部品を搭載する複数の回路の前記回路間の空隙に、絶縁層（Ａ）を前記回路表面高さにまで配置してなることを特徴とする回路基板であり、好ましくは、絶縁基板が、金属板上に絶縁層（Ｂ）を設けたものであることを特徴とする前記の回路基板であり、絶縁層（Ｂ）は、貯蔵弾性率と熱膨張率との積が１ｋＰａ／Ｋ以上１０ＭＰａ／Ｋ以下のものであることを特徴とする前記の回路基板である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の表面実装方法によれば、実使用条件下で受ける厳しい温度変化によっても電子部品の接合材及びその周辺部にクラックを生じることがなく、信頼性の高い特徴を有する本発明の混成集積回路を提供することができる。また、本発明の回路基板は、前記特徴のある混成集積回路を容易に得られるように予め特定な構造を有しているので、これを用いて得られる混成集積回路は、実使用条件下で受ける厳しい温度変化によっても半田や導電樹脂などの接合材及びその周辺部にクラックを生じることがなく信頼性の高い特徴を容易に達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の実装方法は、回路基板上の複数の回路上に、前記複数の回路を跨るように、チップ抵抗やチップコンデンサなどの電子部品が半田或いは導電樹脂等の接合材により固定される時、或いは固定された後に、前記電子部品下部の回路間空隙のみに絶縁層（A）を配置することを技術上の手段とし、これにより電子部品の接合に用いられる半田や導電樹脂などの接合材の耐久性を従来に比べて格別に向上させる効果を達成することができる。
【００１５】
本発明の回路基板は、絶縁基板上に複数の回路が設けられた構造を有し、前記複数の回路に跨るように電子部品が搭載されるものである。更に、前記回路基板の回路上に、例えば半導体チップや抵抗チップなどの電子部品が半田或いは導電樹脂等の接合材により固定されており、特に、チップ抵抗やチップコンデンサなどのように、複数の回路に跨って用いられる表面実装型電子部品の接合に用いられる半田や導電樹脂などの接合材の耐久性を向上させたものは、本発明の混成集積回路に含まれる。
前記混成集積回路は、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等からなる各種樹脂ケース等に取り付けられる場合もあれば、エポキシ樹脂等に包埋される場合もあるし、電子部品は一つの回路に設けられていても構わないし、一つの電子部品が二つ以上の回路上に跨って設けられていても構わない。
また、本発明において、回路が単一の金属箔で構成されているものであっても、２つ以上の複数の金属層を積層したクラッド箔から構成されているものでも構わない。さらに、本発明において、絶縁層（Ｂ）は１層以上の単位絶縁層から構成され、単位絶縁層が一層であっても、複数の単位絶縁層から構成されていても構わない。
【００１６】
本発明に於いて、絶縁層（Ａ）は、電子部品をしっかり固定し半田の耐久性を維持するために、いろいろな無機充填剤を含有することが好ましい。また、絶縁層（Ａ）が多層構造を有する場合には、樹脂の種類、無機充填剤の種類、樹脂への添加剤等の種類、或いはそれらの量的割合を変更した少なくとも２種類以上の単位絶縁層で構成されている。例えば、単位絶縁層が３層以上で構成されている場合、いずれの単位絶縁層が異なる組成であっても、また隣り合う単位絶縁層が異なる組成で、隣り合わない単位絶縁層が同一組成であっても構わない。
【００１７】
一方、絶縁層（Ｂ）は、回路基板の熱放散性を高く維持するために、いろいろな無機充填剤を含有することが好ましい。また、絶縁層（Ｂ）が多層構造を有する場合には、樹脂の種類、無機充填剤の種類、樹脂への添加剤等の種類、或いはそれらの量的割合を変更した少なくとも２種類以上の単位絶縁層で構成されている。例えば、単位絶縁層が３層以上で構成されている場合、いずれの単位絶縁層が異なる組成であっても、また隣り合う単位絶縁層が異なる組成で、隣り合わない単位絶縁層が同一組成であっても構わない。尚、絶縁層（Ｂ）と絶縁層（Ａ）とは前記した通りに必ずしも同一の機能を有するものではないが、同一の材料を適用することも可能であるし、かえって、絶縁層（Ｂ）と絶縁層（Ａ）との両者の界面の強度が高くすることができること、生産しやすいこと等の理由から好ましい。
【００１８】
本発明において、接合材としては、半田であっても、導電樹脂であっても、電子部品と回路材とを接合するものであれば構わないが、接合材が半田であるときには、電子部品と金属ベース回路基板との接合力が高く、従って電子部品から発生する熱が容易に放散しやすいので、好ましい。接合材が半田の場合、その半田は、鉛−錫を含む各種の２元、３元系半田であっても、鉛を含まない各種の２元、３元系半田、例えば金、銀、銅、錫、亜鉛、ビスマス、インジウム、アンチモンなどを含む半田であっても構わない。
【００１９】
接合材が導電樹脂の場合、エポキシ或いはアクリル等の樹脂に、金、銀、銅などの金属或いは黒鉛などの導電性材料を１種類含むものであっても、これら金属或いは黒鉛などの導電性材料を２種類以上含むものであっても構わない。
【００２０】
本発明者らは、接合部或いはその近傍の耐クラック性に優れる表面実装方法を見いだすべく、実装方法、回路基板構造、材料について鋭意検討した結果、回路基板上の複数の回路上に、前記複数の回路を跨るように、チップ抵抗やチップコンデンサなどの電子部品が半田或いは導電樹脂等の接合材により固定される時或いは固定された後に、前記電子部品下部の回路間空隙に、ことに回路間空隙のみに絶縁層（A）を配置するときに、電子部品の接合部或いはその近傍の耐クラック性に優れる回路基板が得られるという知見を得て、本発明に至ったものである。
【００２１】
即ち、本発明は、回路基板の複数の回路上に、複数の回路を跨るように接合材を介して電子部品を搭載して混成集積回路を得るときに、前記電子部品下部の回路間空隙に、特に回路間空隙のみに、絶縁層（A）を配置することにより、実使用下での繰り返しの熱履歴を受けても前記接合層或いはその近傍にクラックが生じ難い、耐クラック性に優れた混成集積回路が得られるという知見に基づいたものである。
【００２２】
以下、図をもって、本発明を更に詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本発明の混成集積回路の一例を示す平面図で、図２は図１中のＡ−Ａ’部分での断面図を示す。本発明の混成集積回路は、絶縁基板１の一主面上に回路２が設けられている回路基板の回路２の所望部分に接合材３を介して表面実装型電子部品４が、複数の回路を跨るように搭載され、電子部品下部の回路間空隙に絶縁層（A）５を配置した構造を有している。
【００２４】
図３は、本発明の混成集積回路の別の一例を示す断面図である。本発明の混成集積回路は、金属板６の一主面上に絶縁層（Ｂ）７を介して回路２が設けられてなる回路基板の回路２の所望部分に接合材３を介して表面実装型電子部品４が、複数の回路を跨るように搭載され、電子部品下部の回路間空隙に絶縁層（A）５を配置した構造を有している。
【００２５】
本発明において、絶縁層（Ａ）、絶縁層（Ｂ）に用いられる樹脂としては、耐熱性、電気絶縁性に優れた樹脂であればどのようなものであっても良いが、耐熱性や寸法安定性の点から熱硬化性樹脂が好ましく、更に熱硬化性樹脂の中では、常温または加熱下で比較的低粘度で取扱い易く、硬化後に耐熱性や電気絶縁性や接着性等に優れるエポキシ樹脂が好ましい。
【００２６】
エポキシ樹脂としてはビスフェノールＦ型エポキシ樹脂などの可撓性を有しないエポキシ樹脂やダイマー酸エポキシ樹脂などの可撓性を有するエポキシ樹脂が使用できる。またアクリルゴムなどで予め変性したエポキシ樹脂も使用できる。硬化剤についてはフェノール樹脂などの可撓性を有しない硬化剤や脂肪族系炭化水素のジアミンなどの可撓性を有する硬化剤が使用でき、これらの硬化剤とエポキシ樹脂を組み合わせてよい。また、硬化促進剤についても必要に応じて使用してもよいし、これらの硬化剤以外にポリイミド樹脂、フェノキシ樹脂などの樹脂成分を使用してもよい。
【００２７】
絶縁層（Ａ）、絶縁層（Ｂ）に用いられる無機充填剤としては、電気絶縁性が良好で、しかも高熱伝導率のものが用いられ、このようなものとして酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化珪素、窒化ホウ素等があげられ、これらの単独でも複数を組み合わせても用いることができる。特に、酸化アルミニウムは粒子形状が球状で高充填可能なものが安価に、容易に入手できるという理由から好ましく、窒化アルミニウムは熱伝導率が高いという理由から好ましく、更に、窒化ホウ素は誘電率が低いという理由で好ましい。
【００２８】
又、前記無機充填剤の添加量は絶縁層（Ａ）、絶縁層（Ｂ）をなす樹脂組成物中４０〜７５体積％が好ましい。４０体積％未満では放熱性の効果が低下し実用上用途が制限されることがあるし、７５体積％を超えると樹脂中への分散が難しくなるし、また接着性の低下やボイド残存による耐電圧の低下をきたすためである。
【００２９】
さらに、絶縁層（Ａ）と絶縁層（Ｂ）は、同じ組成であっても、異なる組成であっても構わないが、２００Ｋから４５０Ｋの温度範囲において、貯蔵弾性率と熱膨張率との積が１ｋＰａ／Ｋ以上１０ＭＰａ／Ｋ以下のものが好ましく、１０ｋＰａ／Ｋ以上１ＭＰａ／Ｋ以下のものが特に好ましい。この値が小さいと扱いにくくなり、大きいと接合材への負担が大きくなるからである。
【００３０】
本発明において、絶縁層（Ｂ）全体の厚みは１０〜５００μｍ程度あれば充分であるが、２０〜１５０μｍとするときは金属ベース回路基板を生産性高く製造できるという利点も有することから好ましい。
【００３１】
回路を構成する金属箔としては、銅、アルミニウム、ニッケル、鉄、錫、金、銀、モリブデン、チタニウムのいずれか、これらの金属を２種類以上含む合金、或いは前記金属又は合金を使用したクラッド箔等を用いることができる。尚、前記金属箔の製造方法は電解法でも圧延法で作製したものでもよく、また、金属箔上にはＮｉメッキ、Ｎｉ−Ａｕメッキ、半田メッキなどの金属メッキがほどこされていてもかまわない。尚、絶縁層（Ｂ）との接着性の点から、前記金属箔の絶縁層（Ｂ）に接する側の表面はエッチングやメッキ等により予め粗化処理されていることが一層好ましい。
【００３２】
金属板は、アルミニウム、鉄、銅およびそれらの合金、もしくはこれらのクラッド材等からなり、その厚みは特に規定するものではないが、熱放散性に富みしかも経済的であることから、厚み０．５〜５．０ｍｍのアルミニウムが一般的に選択される。
尚、本発明の回路基板の製造方法に関しては、無機充填剤を含有する樹脂に適宜硬化剤等の添加剤を添加した絶縁材料を複数準備し、金属板及び／又は金属箔上に１層又は多層塗布しながら、必要に応じて加熱処理等を施して、硬化させ、その後金属箔よりエッチング等により回路形成する方法、或いは予め絶縁材料からなるシ−トを作製しておき、前記シートを介して金属板や金属箔を張り合わせた後エッチング等により回路形成する方法等の従来公知の方法で得ることができる。
【実施例１】
【００３３】
〔実施例１〜３、比較例１〜３〕
厚さ１．０ｍｍの銅箔内蔵積層プリント基板の回路銅箔をエッチングしてパッド部を有する所望の回路を形成して、回路基板を作成した。
【実施例２】
【００３４】
〔実施例４〜６、比較例４〜６〕
２．０ｍｍの厚さのアルミニウム板上に、酸化アルミニウムを６０体積％含有するビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（油化シェルエポキシ（株）製）からなる樹脂組成物Ｂにより、硬化後の厚さが１２０μｍの絶縁層（Ｂ）を形成し、４２３Ｋで１５分加熱して半硬化させた。
【００３５】
更に、半硬化した樹脂組成物Ｂの上に、厚さ７０μｍの銅箔をプレス積層した後、４２３Ｋで５時間の条件で樹脂組成物Ｂを更に硬化させ、次に、銅箔をエッチングしてパッド部を有する所望の回路を形成して、回路基板を作成した。
【００３６】
次に、前記操作で得た各々の回路基板の銅箔パッド間にチップサイズ２．０ｍｍ×１．２５ｍｍ、３．２ｍｍ×２．５ｍｍの２種類のチップ抵抗を各５個ずつ搭載し図１に示すような混成集積回路とした。チップ抵抗の搭載に際しては、実施例１、４および比較例１、４については、鉛−錫共晶半田を用い、５００Ｋの温度でリフローにより半田付けを行なった。また、実施例２、５、比較例２、５については、錫−銅−銀からなる半田を用い、５５０Ｋの温度でリフローにより半田付けを行った。さらに、実施例３、６、比較例３、６については、銀−エポキシからなる導電性接着剤を用い、３８５Ｋの温度でリフローにより接合した。
【００３７】
次に、実施例１〜６については、酸化珪素−エポキシからなる樹脂組成物Ａを電子部品下部の回路間の空隙に充填し、４３５Ｋの温度で硬化させ、絶縁層（Ａ）とした。
【００３８】
尚、上記樹脂組成物Ａ並びに樹脂組成物Ｂのそれぞれについて、上述の樹脂組成物の硬化条件と同一の条件で硬化させた試片を用意し、貯蔵弾性率と熱膨張率を測定した。貯蔵弾性率は、動的粘弾性測定器（東洋ボールドウィン社製；ＲＨＥＯＶＩＢＲＯＮ  ＤＤＶ−３−ＥＰ型）を用い、周波数１１Ｈｚ、昇温速度２℃／分の条件で、熱膨張率は、熱機械的分析装置（セイコー電子工業社製；ＴＭＡ１２０）により測定した。
【００３９】
樹脂組成物Ａの２３０Ｋ、３００Ｋ、４２０Ｋの貯蔵弾性率は、それぞれ、２２ＧＰａ、１８ＧＰａ，６ＧＰａであった。また、熱膨張率は同様に１５ｐｐｍ／Ｋ、１５ｐｐｍ／Ｋ、６０ｐｐｍ／Ｋであり、各温度の貯蔵弾性率と熱膨張率の積は、３３０ｋＰａ／Ｋ、２７０ｋＰａ／Ｋ、３６０ｋＰａ／Ｋであった。
【００４０】
また、樹脂組成物Ｂの２３０Ｋ、３００Ｋ、４２０Ｋの貯蔵弾性率は、それぞれ、１４ＧＰａ、８．６ＧＰａ，７７ＭＰａであった。また、熱膨張率は同様に１８ｐｐｍ／Ｋ、１８ｐｐｍ／Ｋ、６７ｐｐｍ／Ｋであり、各温度の貯蔵弾性率と熱膨張率の積は、２５２ｋＰａ／Ｋ、１５５ｋＰａ／Ｋ、５．２ｋＰａ／Ｋであった。
【００４１】
上記各々の混成集積回路に関して、液相中において２３３Ｋ７分保持後４２３Ｋ７分保持を１サイクルとして所定回数処理するヒートサイクル試験を行い、試験後に各々の混成集積回路を光学顕微鏡で主に接合部分のクラックの発生の有無を観察した。その結果は、表１に示した通り、比較例１〜６では、クラックの発生が認められたのに対し、実施例１〜６は、２０００回のヒートサイクルでもクラックの発生は少ないことが確認された。さらに、実施例４〜５は、３０００回のヒートサイクルでもクラックの発生はなく、異常のないことが確認され、本発明のものが耐クラック性に優れていることが明瞭である。
【００４２】
【表１】
2005039113.tif 000003
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明の表面実装方法を用いれば、実使用条件下で受ける厳しい温度変化によっても電子部品の接合材及びその周辺部にクラックを生じることがなく信頼性の高い混成集積回路を提供することができる。
【００４４】
さらに、本発明の回路基板は、実使用条件下で受ける厳しい温度変化によっても半田や導電樹脂などの接合材及びその周辺部にクラックを生じることがなく信頼性の高い混成集積回路を提供することができる。
【００４５】
また、本発明の混成集積回路は、例えば、２３３Ｋ〜４２３Ｋの繰り返しのような厳しい温度変化を受けた際にも、接合材及びその周辺部にクラックを生じることがなく、信頼性が高く産業上有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施例に係る混成集積回路の平面図。
【図２】図１におけるＡ−Ａ’断面図。
【図３】本発明の混成集積回路の他の一例を示す断面図。
【符号の説明】
【００４７】
１  絶縁基板
２  回路
３  接合材
４  表面実装電子部品
５  絶縁層（Ａ）
６  金属板
７  絶縁層（Ｂ）
【図１】
2005039113.tif 000004
【図２】
2005039113.tif 000005
【図３】
2005039113.tif 000006