(57)【要約】【課題】  セラミック基板と樹脂基板を多数のバンプで接続するＢＧＡ構造では、セラミック基板を大きくする程、外縁部に位置するバンプに対する熱応力の作用も大きくなり接続部が破壊されるため、必要な回路規模をセラミック基板上に形成出来ない。【解決手段】  熱応力破壊が生じない寸法領域以内に配置されたバンプをはんだ接合により固定し、それ以外の部分のバンプはバネ性の接触端子をセラミック基板に取り付け、圧接により樹脂基板の電極に摺動接触させる構成とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のランドが配列された第１の基板と、
複数のランドが配列され、前記第１の基板とは線膨張係数の異なる第２の基板と、
前記第１の基板のランドと前記第２の基板のランドとの間を接続し、ボールグリッドアレイを構成する複数のバンプと、
を備え、
前記バンプの一部は、前記第１、第２の基板の幅よりも小さい所定のはんだ接合領域内で、前記第１の基板のランド及び前記第２の基板のランドにはんだ付け接合され、
前記バンプの他の一部は、バネ性の接触端子で構成され、前記所定のはんだ接合領域の外部で前記前記第１の基板のランドにはんだ付け接合されるとともに、前記第２の基板のランドに対して圧接された、
基板接続構造。
【請求項２】
前記はんだ接合領域は、はんだで接続するバンプを熱応力破壊が生じない寸法領域以内に配置したことを特徴とする請求項１記載の基板接続構造。
【請求項３】
前記第１の基板はセラミック基板であり、前記第２の基板は樹脂基板であることを特徴とする請求項１または２記載の基板接続構造。
【請求項４】
前記請求項１乃至３のいずれかに記載の基板接続構造を有し、前記第１の基板に部品が実装されたことを特徴とする基板モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、線膨張係数が異なる異種の基板間を複数のバンプで接続する基板接続構造、及び基板モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電子回路が形成されたセラミック基板と樹脂基板とを接続する構造には、セラミック基板にリードやピンを取り付け、そのリードやピンを樹脂基板と接続する構造と、複数配列されたバンプ（突起状電極端子）で面接続するＢＧＡ（Ball Grid Array；ボールグリッドアレイ）型実装構造とがある。ＢＧＡ型実装構造は、最小面積で多電極の一括接続が可能であることから、近年採用する機器が増えている。
【０００３】
ＢＧＡ型実装構造では、所定の配列または格子状にボール状電極をバンプとして平面的に並べたことからＢＧＡと称されたが、バンプの電極形状はボール型とは限られず、各種形状及び材料のバンプを平面的に配列する構成全体をＢＧＡと称するようになってきている。バンプは金属ボール、プラスチックボールをめっきして導電性を付与したもの、はんだボール等が使われている。いずれのバンプにおいても、セラミック基板や樹脂基板とはんだ付けまたは接着により接合され、セラミック基板と樹脂基板を電気的に接続すると同時に機械的にも接合及び固定がなされる。
【０００４】
一方、セラミック基板と樹脂基板とでは線膨張係数に２倍以上の差があるため、ＢＧＡ型実装構造では、温度環境変化によるバンプ接合部の応力破壊が生じ易い。また、熱応力はセラミック基板の外縁部ほど大きく、熱応力破壊も外縁部から進行し徐々に内側のバンプ接合部に及ぶ。
【０００５】
このＢＧＡ型実装構造におけるバンプ接合部の応力破壊を防止する方法として、基板間に樹脂等アンダーフィル剤を充填して固定し、温度環境変化により線膨張差に起因する熱応力が発生しても、バンプ部における変移を抑制する技術がある（例えば、特許文献１参照）。また、セラミック基板と樹脂基板の間に線膨張係数が中間値を持つ中間層を入れた階層構造を設けることにより、バンプ接合部にて応力分散させる技術が知られている（例えば、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１１−１７０４４
【特許文献２】特開２００２−２３７５５３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１、２に示されるようなバンプ接合部の応力破壊の防止方法を適用することで、熱応力抑制策を何も取らない場合よりはセラミック基板寸法を大きくすることが出来る。しかしながら、線膨張差が大きい２種の構成物を接合しているため、セラミック基板の外形寸法に依然として制約が残るという問題がある。このため、セラミック基板の大きさの選択自由度は低いままである。
【０００８】
また、特許文献１に示されるアンダーフィルは、誘電物質であるためバンプに高周波電流が流れる高周波回路では電気的特性の劣化が避けられず、また液状樹脂であるため製造時に充填量のコントロールが難しい、という問題がある。さらに、樹脂でセラミック基板全体が接着されるため、セラミック基板の交換は不可能である。
【０００９】
また、特許文献２のように線膨張中間層を設けると複雑な構成になるので、やはり高周波特性の劣化が避けられないだけでなく、高周波回路設計が非常に複雑になる。また、組み立て工程も増えて高価になるという問題もある。
【００１０】
このように高周波回路のＢＧＡ型実装構造においては、アンダーフィルや段積み構造を使用せず、セラミック基板の大きさを熱応力破壊が生じない寸法に限定しているのが実情である。
【００１１】
また、ＢＧＡ型実装構造は立体的に回路接続が出来るため、回路基板や回路モジュールの小型化に大変有効な実装構成である。しかしながら、ＢＧＡ型実装構造に耐え得る寸法に限定しなければならないため必要な回路規模を構成することが出来ない場合や、回路を分割していくつかのセラミック基板をそれぞれＢＧＡ型実装構造にするため、設計は煩雑化し、製造コストも増大するという問題があった。
【００１２】
この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、例えばセラミック基板と樹脂基板のような異種基板間の基板接続構造において、一方の基板である例えばセラミック基板に必要な規模の高周波回路を形成しても、アンダーフィルや段積み構造を使用することが無く、またバンプ接続部の熱応力破壊を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明による基板接続構造は、複数のランドが配列された第１の基板と、複数のランドが配列され、前記第１の基板とは線膨張係数の異なる第２の基板と、前記第１の基板のランドと前記第２の基板のランドとの間を接続し、ボールグリッドアレイを構成する複数のバンプと、を備え、前記バンプの一部は、前記第１、第２の基板の幅よりも小さい所定のはんだ接合領域内で、前記第１の基板のランド及び前記第２の基板のランドにはんだ付け接合され、前記バンプの他の一部は、バネ性の接触端子で構成され、前記所定のはんだ接合領域の外部で前記前記第１の基板のランドにはんだ付け接合されるとともに、前記第２の基板のランドに対して圧接されたものである。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、はんだ接続バンプにより第１の基板が第２の基板に固定され、同時にはんだ接続部以外の部分でバネ性の接触子が第２の基板に圧接されるので、例えばセラミック基板を構成する第１の基板全域の電極が、例えば樹脂基板を構成する第２の基板と電気的に接続できるとともに、第１の基板をより大きくしても熱応力破壊が生じない接続構造が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施の形態１によるセラミック基板と樹脂基板の基板接続構造を示す断面図である。
【図２】実施の形態１によるセラミック基板のバンプ形成部を示す側面図である。
【図３】実施の形態２によるセラミック基板と樹脂基板の基板接続構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
実施の形態１．
図１は、この発明に係る実施の形態１によるセラミック基板と樹脂基板の基板接続構造を示す断面図である。図２は、実施の形態１によるセラミック基板のバンプ形成部を示す図であり、（ａ）はバンプ形成面を示す裏面図、（ｂ）はバンプ形成部を示す側面図である。図１、図２において、第１の基板であるセラミック基板１と第２の基板である樹脂基板５とが、はんだ接続用バンプ７を介して接合されて、ＢＧＡ型実装構造を有した基板モジュール１０を構成している。基板モジュール１０は、線膨張係数が倍以上異なる異種基板（セラミック基板１と樹脂基板５）間を一体的に結合したものとなっている。また、セラミック基板１と樹脂基板５の間には、バネ性接触端子９が設けられて、セラミック基板１と樹脂基板５の電気的な接続がなされている。セラミック基板１の表面（上面）には部品３が実装され、セラミック基板１の裏面（下面）にはバンプ形成部が設けられる。このバンプ形成部には、はんだ接続用バンプ７及びバネ性接触端子９がバンプとして接合されている。また、セラミック基板１には電子部品または電気部品等の部品が実装されるとともに、電気回路を構成する配線パターンが形成されている。
【００１７】
はんだ接続用バンプ７は、ボール状電極からなり、その電極形状はボール型とは限られず、各種形状及び材料のバンプから構成されても良い。また、はんだ接続用バンプ７は、金属ボール、プラスチックボールをめっきして導電性を付与したもの、はんだボール等が用いられる。
【００１８】
また、バネ性接触端子９は、バネ性を有した金属材料から構成された一種のバンプである。バネ性の接触端子９の形状は、螺旋状、コイル状、横倒しＵ字状、Ｓ字状、等圧接により反発力が生じ、摺動出来るものであればどのような形状でも良い。但し、バネ性接触端子９は、高周波信号の伝達ロスを最小に抑えるために、経路が短く出来る形状のもの、例えば図１、２に示すようなＳ字型及び横倒しＵ字型が好適である。
【００１９】
セラミック基板１の一方の面（上面）には導体からなる回路パターン２が形成されている。複数の部品３は、一部の回路パターン２上に取付けられて、電気的に回路パターン２の一部に接続されている。各部品３は、マイクロ波やミリ波帯の高周波信号に関して増幅、変調、周波数混合、信号整形、発振等の処理を行う高周波素子と、結合器、分配器、共振器、終端器、フィルタ、整合素子等の受動素子等からなる。セラミック基板１の他方の面（下面）の全域には、金属薄膜導体からなる複数個のバンプランド（以下、単にランドと記述する）４が、バンプ接合用に二次元配列されている。図２の例では、７行×９列の６３個の矩形状のランド４が形成されているが、ランド４の数や配列、及び形状はこれに限られない。ランド４は、セラミック基板１の表裏を貫通する図示しないビア（ＶＩＡ）を介して、回路パターン２に接続されている。ランド４は、マイクロ波やミリ波帯の高周波信号が給電される。また、ランド４は、部品３との間で伝送される低周波の信号、バイアス信号や制御信号が給電される。或いは、ランド４は、グランドに接続される。
【００２０】
樹脂基板５は、ガラスエポキシ樹脂やＢＴレジンなどの樹脂を素材として構成されるプリント配線基板である。樹脂基板５のセラミック基板１と対向する面（上面）には、金属薄膜導体からなる複数のランド６が、ランド４と上下に対応する同じ位置及びピッチで配列されている。樹脂基板５のセラミック基板１との対向面の裏面（下面）は、導体からなるグランドパターンや信号パターン等が形成されている。
【００２１】
セラミック基板１の中央部に位置する一部の複数のランド４（以下、ランド４ａ）は、その対向する位置にある樹脂基板５の一部の各ランド６と、それぞれはんだ接続用バンプ７によって、はんだ付けや超音波接合等によりはんだ接合される。はんだ接続用バンプ７は、所定の配列または格子状にボール状電極を平面的に並べＢＧＡを構成する。かくして、セラミック基板１の中央部に位置するはんだ接合領域としてのはんだ接続ＢＧＡ領域８が、複数のはんだ接続用バンプ７を介在したセラミック基板１と樹脂基板５の接合部を構成することとなる。
なお、はんだ接続ＢＧＡ領域８は、セラミック基板１の中央部からずれた周辺位置に設けられても良い。
【００２２】
また、はんだ接続ＢＧＡ領域８の外側に位置する一部の複数のランド４（以下、ランド４ｂ）は、その対向する位置にある樹脂基板５の一部の各ランド６と、それぞれバネ性接触端子９によってはんだ接合される。かくして、セラミック基板１のはんだ接続ＢＧＡ領域８の外側に位置するはんだ接続ＢＧＡ領域１１が、複数のバネ性接触端子９を介在したセラミック基板１と樹脂基板５の電気的な接続部を構成することとなる。
【００２３】
次に、実施の形態１によるセラミック基板と樹脂基板の基板接続構造を有した基板モジュール１０の特性について説明する。
セラミック基板１の線膨張係数は、一般的に５〜７ＰＰＭ程度であるのに対し、樹脂基板５の線膨張係数は１６ＰＰＭ前後と、その差は２倍以上ある。このため、加熱されれば樹脂基板５は大きく進展し、一方でセラミック基板１の伸びは小さいことから、使用環境の温度変化により、最外縁に位置するはんだ接続バンプ７の接合部に最大の熱応力が発生する。特に、はんだ接続バンプ７のはんだ接合工程後において、はんだ接続バンプ７の各接合部に、はんだ接続ＢＧＡ領域８の中心方向に向かう引張り力が残留応力として残る。これらの熱応力は、はんだ接続ＢＧＡ領域８の外縁部ほど大きく、中心部ほど小さい。また、はんだ接続ＢＧＡ領域８の領域寸法が大きいほど、外縁部の熱応力は増大する。各基板が晒される通常の実使用環境では、７０〜１００℃程度の温度変化幅のヒートサイクルが加わるため、伸び縮みによる繰り返し応力が加わることとなる。はんだ接続ＢＧＡ領域８の領域寸法が大きいほど、この使用環境の温度変化による熱応力は大きくなる。
【００２４】
このため一般的なＢＧＡ型実装構造では、はんだ接続ＢＧＡ領域の外縁部からはんだ接続バンプ接続点の構造劣化が進む。はんだ接続ＢＧＡ領域の領域寸法が限界値を超えると、最悪の場合は構造劣化によって最終的に断裂となり、セラミック基板と樹脂基板との電気的接続が切断される故障に至ることとなる。
【００２５】
例えば特許文献１、２に示すような従来のＢＧＡ型実装構造の場合、セラミック基板の全面にはんだ接続バンプを配列して、全てのはんだ接続バンプを樹脂基板のランドとはんだ接合している。セラミック基板の寸法は、はんだ接続ＢＧＡ領域の寸法とほぼ同寸となり、セラミック基板の寸法が大きくなるほど、はんだ接続ＢＧＡ領域外縁部の断裂が大きくなる構造となっている。特にセラミック基板は脆性材料からなるのでランドとの接合部周辺に断裂が生じ易く、またランドそのものにも断裂が生じることがある。このため何ら熱応力破壊対策を取らない場合、はんだ接続ＢＧＡ領域外縁部に断裂を生じないセラミック基板の大きさは、例えば２０ミリ角程度の寸法が限界であった。
【００２６】
しかしながら、実施の形態１による基板モジュール１０のＢＧＡ型実装構造は、この２０ミリ角程度の寸法限界値を保持した状態で、はんだによる接続でも断裂が生じない寸法領域をはんだ接続ＢＧＡ領域８としている。当該はんだ接続ＢＧＡ領域８の内側には、セラミック基板と樹脂基板のランド４ａ、６間を接続するはんだ接続バンプ７を設けている。また、はんだ接続ＢＧＡ領域８を超える領域外部の周辺位置（はんだ接続ＢＧＡ領域１１）には、はんだ付けバンプ（はんだ接続用バンプ７）ではなく、バネ性の接触端子９を設けることで、セラミック基板と樹脂基板のランド４ｂ、６間を接続している。
即ち、はんだ接続バンプ７を設けたはんだ接続ＢＧＡ領域８を、最大寸法領域が１辺２０ミリ以下の長方形状の区画内に限定した上で、はんだ接続ＢＧＡ領域８の周辺に、バネ性の接触端子９を設けたはんだ接続ＢＧＡ領域１１を具備している。
なお、はんだ接続ＢＧＡ領域８は、長方形状に限られず、円形状もしくは楕円形状に配置されても構わない。この場合、概ね１辺２０ミリ程度の正方形の対角線長を直径または長径とする円形状または楕円形状の寸法領域が、はんだ接続ＢＧＡ領域８の寸法限界値となる。
【００２７】
さらに、このバネ性の接触端子９は、セラミック基板１側に対し、はんだ付けや溶接、ろう接等の方法によって、そのランド４ｂへの接続固定が行われている。また、樹脂基板５側は、バネ性の接触端子９をランド６に接合固定せず、圧接により接触させている。このバネ性の接触端子９とランド６の接触によって、セラミック基板１と樹脂基板５とが電気的に接続されている。
【００２８】
また、実施の形態１による基板モジュール１０を製造する場合、セラミック基板１を樹脂基板５にはんだ付け接合する前に、はんだ接続バンプ７及びバネ性の接触端子９が予めセラミック基板１のランド４ａ及び４ｂにそれぞれ接続される。そして、セラミック基板１のはんだ接続バンプ７を樹脂基板５のランド６にはんだ付け接合する際には、セラミック基板１の全体を樹脂基板５に加圧してはんだ付けし、はんだ温度から冷却した後に、加圧力を外す。
【００２９】
このとき、バネ性の接触端子９は押し縮められた状態を保持するので反発力が生じ、その反発力により、バネ性の接触端子９と樹脂基板５のランド６とが確実に接続を保つことが出来るようになる。
【００３０】
また、周囲温度変化により樹脂基板１に伸び縮みが生じても、バネ性の接触端子９で接続された部分は固定されていない構造なので摺動し、熱応力によるはんだ接続バンプ７の断裂が生じることはない。
【００３１】
かくして、この実施の形態１によるセラミック基板１と樹脂基板５のＢＧＡ型実装構造では、アンダーフィルや複雑な２段構造をとらないので、セラミック基板１の寸法自由度は従来よりも向上し、所望の回路規模の高周波回路をセラミック基板１に形成することが出来るようになる。また、ランド４ａ及びはんだ接続バンプ７をより高周波な信号の伝送に選択的に用いるとともに、ランド４ｂ及びバネ性の接触端子９をより低周波な信号の伝送に選択的に用いることができる。これによって、セラミック基板１と樹脂基板５の間で固着されたはんだ接続バンプ７を用いることで、高周波信号を安定して伝送することが可能となる。
【００３２】
また、セラミック基板１は、はんだ接続ＢＧＡ領域８により樹脂基板５とはんだ付け接合で固定されているため、バネ性の接触端子９の接触を保つための圧接構造や補強も必要ない。このことから、組み立て工程は、従来のＢＧＡ実装工程より然程増えることがなく、高周波回路装置の低コスト化にも有効である。
【００３３】
以上説明した通り、実施の形態１による基板接続構造は、複数のランド（４）が配列された第１の基板であるセラミック基板（１）と、複数のランド（６）が配列され、前記第１の基板とは線膨張係数の異なる第２の基板である樹脂基板（５）と、前記第１の基板のランドと前記第２の基板のランドとの間を接続し、ボールグリッドアレイを構成する複数のバンプと、を備え、前記バンプの一部（はんだ接続バンプ７）は、前記第１、第２の基板の幅よりも小さい所定のはんだ接合領域（はんだ接続ＢＧＡ領域８）内で、前記第１の基板のランド及び前記第２の基板のランドにはんだ付け接合され、前記バンプの他の一部は、バネ性の接触端子（９）で構成され、前記所定のはんだ接合領域の外部（はんだ接続ＢＧＡ領域１１）で前記前記第１の基板のランドにはんだ付け接合されるとともに、前記第２の基板のランドに対して圧接され、摺動接触している。また、前記はんだ接合領域は、はんだで接続するバンプを熱応力破壊が生じない寸法領域以内（例えば、１辺の長さが２０ｍｍ以下の長方形領域の内側）に配置したことを特徴とする。また、当該基板接続構造を有して、前記第１の基板に部品（３）が実装されて基板モジュール（１０）を構成しても良い。
【００３４】
かくして、熱応力破壊が生じない所定寸法のはんだ接合領域（はんだ接続ＢＧＡ領域８）以内に配置されたはんだ接続バンプ７を、はんだ接合により固定し、それ以外の部分（はんだ接続ＢＧＡ領域１１）のバンプはバネ性の接触端子９をセラミック基板１に取り付けて、圧接により樹脂基板５の電極に摺動接触させる構成とすることによって、はんだ接続バンプ７がはんだ付け接合される際に、セラミック基板１全体を樹脂基板５に押し付けておくことにより、はんだ接続バンプ７が接合完了した際には、バネ性接触端子９はその反発力で接続を保つようにしている。
【００３５】
このように熱応力破壊が生じない寸法領域以内のはんだ接続バンプ７ははんだ接合し、それ以外の部分のバンプはバネ性の接触端子９として圧接により樹脂基板５の電極に摺動接触させる構成としたので、はんだ接続バンプ７によりセラミック基板１が樹脂基板５に固定され、同時にはんだ接続部以外の部分でバネ性の接触子９が樹脂基板５に圧接されるため、セラミック基板１全域の電極が樹脂基板５と電気的に接続できるとともに、大型のセラミック基板であっても熱応力破壊が生じない面接続構造を得ることができる。
【００３６】
実施の形態２．
図３は実施の形態２によるセラミック基板と樹脂基板の基板接続構造を示す断面図である。図３において、セラミック基板１と樹脂基板５が、はんだ接続用バンプ７を介して接合されて、ＢＧＡ型実装構造を有した基板モジュール１０を構成している。このセラミック基板と樹脂基板からなる基板モジュール１０は、線膨張係数が倍以上異なる異種基板間を一体的に結合したものとなっている。また、セラミック基板１と樹脂基板５の間には、バネ性接触端子９が設けられて、セラミック基板１と樹脂基板５の電気的な接続がなされている。セラミック基板１の表面（上面）には部品３が実装され、セラミック基板１の裏面（下面）にはバンプ形成部が設けられる。このバンプ形成部には、はんだ接続用バンプ７及びバネ性接触端子９がバンプとして接合されている。図３において、符号１〜９は、実施の形態１と同じものもしくは同一相当のものである。
【００３７】
一方、実施の形態２の基板モジュール１０は、実施の形態１の図１に示すものとははんだ接続ＢＧＡ領域８の位置が異なる。実施の形態２のはんだ接続ＢＧＡ領域８は、セラミック基板１の中央部から基板端部（側面）に向かって、中央位置から任意に偏在した所定の位置に設けられている。はんだ接続用バンプ７は、その偏った位置に在るはんだ接続ＢＧＡ領域８の内側に設けられて、セラミック基板１と樹脂基板５の間をはんだ接続により固定している。
【００３８】
実施の形態２の基板モジュール１０は、はんだ接続ＢＧＡ領域８以外の全域または所望の位置に、バネ性の接触端子９を設けることにより、セラミック基板１全域の電極（ランド４）を、樹脂基板５と有効に電気的な接続を行うことができるので、所望の回路規模の高周波回路形成や、機器の設計自由度を高く出来る効果がある。
【００３９】
また、電子回路が形成されたセラミック基板１と線膨張係数が異なる樹脂基板５を面接続して構成する電子機器において、信頼性向上及びセラミック基板サイズ拡大に有効である。
【００４０】
なお、実施の形態１、２で説明した基板接続構造は、セラミック基板１と樹脂基板５の接合のように、線膨張係数の差が大きい（例えば倍以上）異種基板間を、バンプ接合によって電気的に接続する構成物全般について、適用することが可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１  セラミック基板、２  回路パターン、３  部品、４  ランド、５  樹脂基板、６  ランド、７  はんだ接続バンプ、８  はんだ接続ＢＧＡ領域、９  バネ性の接触端子、１１０  基板モジュール、１１  はんだ接続ＢＧＡ領域。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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