(57)【要約】【課題】積層して連結接続される基板にリフロー加熱による反りが発生しても、機械的および電気的に安定した連結接続状態が得られ、溶融半田の表面張力によるセルフアライメント効果と高い保持強度が得られる基板装置を実現すること。【解決手段】電子部品が実装された基板を含む複数の基板を積層し、これら基板相互間を連結部材を介して機械的に連結するとともに電気的に接続するように構成された基板装置において、  前記連結部材として、  前記基板相互間を機械的に連結するとともに電気的に接続する複数のコアレス半田ボールと、前記基板の相互間に実装された電子部品の取付高よりも広い間隔を確保できる高さを有する複数のスペーサ、を併用することを特徴とするもの。【選択図】  図１
2013219170.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子部品が実装された基板を含む複数の基板を積層し、これら基板相互間を連結部材を介して機械的に連結するとともに電気的に接続するように構成された基板装置において、
前記連結部材として、
前記基板相互間を機械的に連結するとともに電気的に接続する複数のコアレス半田ボールと、
前記基板の相互間に実装された電子部品の取付高よりも広い間隔を確保できる高さを有する複数のスペーサ、
を併用することを特徴とする基板装置。
【請求項２】
前記複数のスペーサは、樹脂コア半田ボールまたは銅コア半田ボールであることを特徴とする請求項１記載の基板装置。
【請求項３】
前記複数のスペーサは、端面が接着剤を介して対向する基板に固着されるスタッドであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の基板装置。
【請求項４】
前記積層される基板の一方は電子部品が実装されるモジュール基板であり、他方はマザー基板であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の基板装置
【請求項５】
前記積層される基板は半導体ベアチップであり、前記電子部品は半導体であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の基板装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板装置に関し、詳しくは、電子部品が実装された複数の基板相互間を機械的に連結するとともに電気的に接続する構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に電子機器では、機器の小型化や省電力化を実現するために、プリント基板に電子部品が実装された複数の基板を積層し、これら基板相互間を半田ボールを介して機械的に連結するとともに電気的に接続することにより基板の実装密度を高めることが行われている。
【０００３】
図５は従来から電子機器で用いられている基板装置の一例を示す構成説明図であって、上部のモジュール基板としての基板１０と下部のマザー基板としての基板２０とが樹脂コア半田ボール３０を介して機械的に連結するとともに電気的に接続するものであり、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は上部の基板１０の樹脂コア半田ボール３０との対向面図である。
【０００４】
図５において、基板１０は、プリント基板１１の両面に複数の電子部品１２ａ〜１２ｄが実装されて、所定の信号処理機能を有するモジュール基板として構成されている。プリント基板１１の基板２０と対向する面(裏面)には、図６に示すような構造を有する複数の樹脂コア半田ボール３０が実装されている。
【０００５】
図６は、樹脂コア半田ボール３０の具体例を示す断面構成説明図である。樹脂コア半田ボール３０は、ボール状に形成された樹脂コア３１の表面に銅の導電膜３２を介して半田膜３３が被着されたものである。このような樹脂コア半田ボール３０としては、たとえば積水化学工業株式会社製の「ミクロパールＳＯＬ（商品名）」が好適である。
【０００６】
再び図５において、樹脂コア半田ボール３０としては、その直径Ｌがプリント基板１１に実装される電子部品１２ｄの取付高Ｈよりも大きい（Ｌ＞Ｈ）ものを用いる。これにより、上部の基板１０を下部の基板２０に積層して樹脂コア半田ボール３０を介して連結接続したときに、プリント基板１１に実装された電子部品１２ｄが下部の基板２０の対向面と当たらないようにしている。
【０００７】
図７は図５における樹脂コア半田ボール３０による連結部分の拡大模式図であり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は上部の基板１０の樹脂コア半田ボール３０との対向面図、（Ｃ）は下部の基板２０の樹脂コア半田ボール３０との対向面図である。
【０００８】
図７（Ｂ）において、プリント基板１１で構成される基板１０の樹脂コア半田ボール３０との対向面には、樹脂コア半田ボール３０の半田が溶融固着されるランドパターン１３が形成されるとともにこのランドパターン１３には端部が接続されるように配線パターン１４が形成され、その表面にはランドパターン１３とその周辺近傍が露出するようにしてソルダーレジスト１５が形成されている。
【０００９】
同様に、図７（Ｃ）において、プリント基板２１で構成される基板２０の樹脂コア半田ボール３０との対向面には、樹脂コア半田ボール３０の半田が溶融固着されるランドパターン２２が形成されるとともにこのランドパターン２２には端部が接続されるように配線パターン２３が形成され、その表面にはランドパターン２２とその周辺近傍が露出するようにしてソルダーレジスト２４が形成されている。
【００１０】
特許文献１には、樹脂コア半田ボールを用いた半導体パッケージに関する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００４−２４１５９４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、基板１０と基板２０を樹脂コア半田ボール３０を介して積層し機械的に連結するとともに電気的に接続するのにあたっては、たとえばリフロー炉で加熱する。このとき、図８（Ａ）、（Ｂ）に示すように、基板１０と基板２０の少なくともいずれか一方が反ることが知られている。これは、これら基板１０、２０が導体（金属）と絶縁体（樹脂）で構成されていて、加熱時における熱膨張係数の違いから形状変化が起きることによるものである。
【００１３】
樹脂コア半田ボール３０は、従来から用いられている半田ボールと比較すると、半田の量が著しく少ない。
【００１４】
この結果、基板１０、２０の反りを規制する強度が弱く、基板１０、２０間の距離が大きくなると接続不良を起こすという問題点があった。
【００１５】
また、リフロー加熱時の溶融半田の表面張力に依存するセルフアライメント効果（リフロー加熱中、半田の表面張力により表面実装部品が基板のランドパターンの中心に引き寄せられる効果）が低下するという問題点もあった。
【００１６】
さらに、リフロー加熱時には図５（Ａ）の状態から上下を反転させて基板１０を下面に配した状態でリフローを行うが、この状態における保持力が小さく、基板１０が基板２０から落下してしまうという問題点もあった。
【００１７】
本発明は、これらの課題を解決するものであり、その目的は、電子部品が実装された基板を含む複数の基板を積層しこれら基板相互間を連結部材を介して機械的に連結するとともに電気的に接続するのにあたり、積層して連結接続される基板にリフロー加熱による反りが発生しても、機械的および電気的に安定した連結接続状態が得られ、溶融半田の表面張力によるセルフアライメント効果と高い保持強度が得られる基板装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
電子部品が実装された基板を含む複数の基板を積層し、これら基板相互間を連結部材を介して機械的に連結するとともに電気的に接続するように構成された基板装置において、
前記連結部材として、
前記基板相互間を機械的に連結するとともに電気的に接続する複数のコアレス半田ボールと、
前記基板の相互間に実装された電子部品の取付高よりも広い間隔を確保できる高さを有する複数のスペーサ、
を併用することを特徴とする。
【００１９】
請求項２の発明は、請求項１記載の基板装置において、
前記複数のスペーサは、樹脂コア半田ボールまたは銅コア半田ボールであることを特徴とする。
【００２０】
請求項３の発明は、請求項１記載の基板装置において、
前記複数のスペーサは、端面が接着剤を介して対向する基板に固着されるスタッドであることを特徴とする。
【００２１】
請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の基板装置において、
前記積層される基板の一方は電子部品が実装されるモジュール基板であり、他方はマザー基板であることを特徴とする。
【００２２】
請求項５の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の基板装置において、
前記積層される基板は半導体ベアチップであり、
前記電子部品は半導体であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
これらにより、積層された基板に加熱に伴う反りが発生しても、機械的および電気的に安定した連結接続状態が得られるとともに、溶融半田の表面張力によるセルフアライメント効果と高い保持強度も得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施例を示す構成説明図である。
【図２】図１における樹脂コア半田ボール３０による連結部分の拡大模式図である。
【図３】図１における樹脂コア半田ボール３０による連結部分の他の拡大模式図である。
【図４】図１の基板装置で発生する基板１０の反りの説明図である。
【図５】従来の基板装置の一例を示す構成説明図である。
【図６】樹脂コア半田ボール３０の具体例を示す断面構成説明図である。
【図７】図５における樹脂コア半田ボール３０による連結部分の拡大模式図である。
【図８】図５の基板装置で発生する基板１０の反りの説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示す構成説明図であり、図５と共通する部分には同一の符号を付けている。図１と図５の異なる点は、図１では基板相互間を機械的に連結するとともに電気的に接続するために従来から周知のコアレス半田ボールを用いるとともに、基板の相互間に実装された電子部品の取付高よりも広い間隔を確保できる高さを有するスペーサとしての樹脂コア半田ボールを併用しているのに対し、図５では基板相互間を機械的に連結するとともに電気的に接続するために樹脂コア半田ボールのみを用いていることである。
【００２６】
図１において、基板１０は、プリント基板１１の両面に複数の電子部品１２ａ〜１２ｄが実装されて、所定の信号処理機能を有するモジュール基板として構成されている。プリント基板１１の基板２０と対向する面(裏面)の四隅近傍には図６に示すような構造を有する複数の樹脂コア半田ボール３０が実装されるとともに、これら樹脂コア半田ボール３０の間には各辺に沿うように離散的に樹脂コア半田ボール３０に比べて半田の量が十分多い従来から周知であるコアレス半田ボール４０が複数個実装されている。
【００２７】
なお、これら樹脂コア半田ボール３０およびコアレス半田ボール４０としては、それらの直径Ｌがプリント基板１１に実装される電子部品１２ｄの取付高Ｈよりも大きい（Ｌ＞Ｈ）ものを用いる。これにより、上部の基板１０を下部の基板２０に積層して樹脂コア半田ボール３０およびコアレス半田ボール４０を介して連結接続したとき、プリント基板１１に実装された電子部品１２ｄが下部の基板２０の対向面と当たらないようにしている。
【００２８】
これら樹脂コア半田ボール３０およびコアレス半田ボール４０は、それぞれ以下のように機能する。
【００２９】
樹脂コア半田ボール３０は、上部の基板１０を下部の基板２０に積層したときに、プリント基板１１に実装された電子部品１２ｄが下部の基板２０の対向面と当たらないようにするための間隔Ｌを確保するスペーサとして機能するものであり、図５で用いる樹脂コア半田ボール３０のようにリフロー加熱によって上部の基板１０と下部の基板２０を機械的に連結するとともに電気的に接続する接続部材としての目的では使用しない。
【００３０】
図２は図１における樹脂コア半田ボール３０による連結部分の拡大模式例図であり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は上部の基板１０の樹脂コア半田ボール３０との対向面図、（Ｃ）は下部の基板２０の樹脂コア半田ボール３０との対向面図である。
【００３１】
図２（Ｂ）において、プリント基板１１で構成される基板１０の樹脂コア半田ボール３０との対向面には、樹脂コア半田ボール３０の半田が溶融固着されるランドパターン１３が形成されているが、このランドパターン１３には図７のような配線パターンの端部は接続されていない。その表面にはランドパターン１３とその周辺近傍が露出するようにしてソルダーレジスト１５が形成されている。
【００３２】
図２（Ｃ）において、プリント基板２１で構成される基板２０の樹脂コア半田ボール３０との対向面には、樹脂コア半田ボール３０の半田が溶融固着されるランドパターンは形成されず、その全表面にはソルダーレジスト２４が形成されている。
【００３３】
したがって、図２の樹脂コア半田ボール３０は、基板１０のランドパターン１３とは半田で連結接続されるものの基板２０とは接続されず、２枚の基板１０と２０との電気的接続および機械的接続は行わず、２枚の基板１０と２０の間に挟まって、プリント基板１１に実装された電子部品１２ｄが下部の基板２０の対向面と当たらないようにするための間隔Ｌを確保するスペーサとしてのみ機能する。
【００３４】
図３は図１における樹脂コア半田ボール３０による連結部分の他の拡大模式例図であって、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は上部の基板１０の樹脂コア半田ボール３０との対向面図、（Ｃ）は下部の基板２０の樹脂コア半田ボール３０との対向面図である。
【００３５】
図３（Ｂ）において、プリント基板１１で構成される基板１０の樹脂コア半田ボール３０との対向面には、図２（Ｂ）と同様に、樹脂コア半田ボール３０の半田が溶融固着されるランドパターン１３が形成されているが、このランドパターン１３には図７のような配線パターンの端部は接続されていない。その表面にはランドパターン１３とその周辺近傍が露出するようにしてソルダーレジスト１５が形成されている。
【００３６】
図３（Ｃ）において、プリント基板２１で構成される基板２０の樹脂コア半田ボール３０との対向面にも、図２（Ｂ）と同様に、樹脂コア半田ボール３０の半田が溶融固着されるランドパターン２２が形成されているが、このランドパターン２２には図７のような配線パターンの端部は接続されていない。その表面にはランドパターン２２とその周辺近傍が露出するようにしてソルダーレジスト２４が形成されている。
【００３７】
これにより、図３の樹脂コア半田ボール３０は、基板１０のランドパターン１３および基板２０のランドパターン２２と半田で連結接続されるが、これらランドパターン１３および２２には配線パターンの端部が接続されていないことから、２枚の基板１０と２０との電気的接続や配線パターンの先に接続される電気部品の電気的接続には寄与することはない。したがって、２枚の基板１０と２０の間に挟まって、プリント基板１１に実装された電子部品１２ｄが下部の基板２０の対向面と当たらないようにするための間隔Ｌを確保するスペーサとして機能するとともに、機械的な連結部材として機能することになる。
【００３８】
再び図１において、コアレス半田ボール４０は、
１）リフロー加熱によって上部の基板１０と下部の基板２０を機械的に連結するとともに電気的に接続する
２）リフロー加熱時の溶融半田の表面張力により表面実装部品が基板のランドパターンの中心に引き寄せられるセルフアライメント効果を発揮させる
３）リフロー加熱時に図１（Ａ）の状態から上下を反転させて基板１０を下面に配した状態における保持力を確保する
ために使用する。
【００３９】
図４は、図１のように基板１０と基板２０が樹脂コア半田ボール３０およびコアレス半田ボール４０を介して積層された基板装置をリフロー加熱した場合に発生する基板１０の反りの説明図であって、（Ａ）は基板１０の両端が基板２０に対して下向きに反る場合を示し、（Ｂ）は基板１０の両端が基板２０に対して上向きに反る場合を示している。このような反りは、従来と同様に、基板１０、２０が導体（金属）と絶縁体（樹脂）で構成されていて、加熱時における熱膨張係数の違いから形状変化が起きることによるものと考えられる。
【００４０】
（Ａ）に示すように、基板１０の両端が基板２０に対して下向きに反ると、電子部品１２ｂおよび１２ｄが実装されている基板１０の中央部分は基板２０との間隔が広がるように上向きに反ることになる。このとき、コアレス半田ボール４０は樹脂コア半田ボール３０に比べて半田の量が十分多いことから、基板１０の中央部分と基板２０との間隔が広がるのに応じて引き伸ばされて縦方向に変形する。これにより、基板１０と基板２０とがコアレス半田ボール４０を介して機械的に連結されるとともに電気的に接続された安定状態を確保できる。
【００４１】
これに対し、（Ｂ）に示すように基板１０の両端が基板２０に対して上向きに反ると、電子部品１２ｂおよび１２ｄが実装されている基板１０の中央部分は基板２０との間隔が狭まるように下向きに反ることになる。このとき、コアレス半田ボール４０は樹脂コア半田ボール３０に比べて半田の量が十分多いことから、基板１０の中央部分と基板２０との間隔が狭まるのに応じて押し潰されて横方向に変形する。
【００４２】
また、基板１０の両端近傍には基板１０を基板２０に積層したときにプリント基板１１に実装された電子部品１２ｄが下部の基板２０の対向面と当たらないようにするための間隔Ｌを確保するスペーサとして機能する樹脂コア半田ボール３０が実装されていることから、電子部品１２ｄと下部の基板２０の対向面との間隔Ｌｄは、
Ｌｄ＝樹脂コア半田ボール３０の直径Ｌ−基板１０の反りＳ−電子部品１２ｄの高さＨ
となる。したがって、電子部品１２ｄの高さＨと基板１０の反りＳに対して樹脂コア半田ボール３０の直径Ｌを適切に選定することにより、間隔Ｌｄ＞０となり、電子部品１２ｄが基板２０の対向面に当たらないようにできる。
【００４３】
このように、基板１０と基板２０を積層し連結部材を介して機械的に連結するとともに電気的に接続するのにあたり、連結部材として樹脂コア半田ボール３０とコアレス半田ボール４０を併用することで、積層された基板１０と基板２０の少なくとも一方にリフロー加熱に伴う反りが発生しても、機械的および電気的に安定した連結接続状態が得られるとともに、コアレス半田ボール４０の溶融半田の表面張力によるセルフアライメント効果と高い保持強度も得ることができる。
【００４４】
なお、上記実施例では、連結部材として樹脂コア半田ボール３０を用いる例を示しているが、銅コア半田ボールを使ってもよい。
【００４５】
これらコア入り半田ボールは基板間の間隔を確保するために用いているので、必ずしもコア入り半田ボールでなくてもよく、スタッド（スペーサー）を半田付けや接着剤で固定するものでもよい。
【００４６】
また、上記実施例では、樹脂コア半田ボール３０を基板１０の四隅近傍に設け、これら樹脂コア半田ボール３０の間には各辺に沿うように離散的にコアレス半田ボール４０を設ける例を示したが、樹脂コア半田ボール３０は電気的な接続が不要な適宜の場所であってもよく、その個数も４個に限るものではない。また、コアレス半田ボール４０の数も必要に応じて増減してもよい。
【００４７】
基板１０はモジュール基板に限るものではなく、プリント基板であればよく、たとえば半導体パッケージ用基板でもよい。
【００４８】
同様に、基板２０もマザーボードに限るものではなく、プリント基板であればよい。
【００４９】
これら基板１０、２０の材質はＦＲ４やセラミックであってもよいし、層構成も限定するものではなく、作製工程もセミアディティブやフルアディティブなど何でもよい。
【００５０】
基板１０、２０は半導体ベアチップでもよい。
【００５１】
上記実施例では、２枚の基板１０、２０を積層しているが、３枚以上を積層してもよいし、多段に重ねてもよい。
【００５２】
基板装置を構成する電子部品の実装基板は、基板１０に限るものではなく、基板２０側でもよいし、基板１０、２０の両方であってもよく、電子部品の個数と実装位置は実施例に限定されるものではなく、適宜変更してもよい。
【００５３】
さらに、電子部品は半導体であってもよいし、半導体以外であってもよい。
【００５４】
以上説明したように、本発明によれば、電子部品が実装された基板を含む複数の基板を積層しこれら基板相互間を連結部材を介して機械的に連結するとともに電気的に接続するのにあたり、積層して連結接続される基板にリフロー加熱による反りが発生しても、機械的および電気的に安定した連結接続状態が得られ、溶融半田の表面張力による電子部品のセルフアライメント効果と高い保持強度が得られる基板装置を実現できる。
【符号の説明】
【００５５】
１０  基板（モジュール基板）
１１  プリント基板
１２  電子部品
１３  ランドパターン
１４  配線パターン
１５  ソルダーレジスト
２０  基板（マザーボード）
２１  プリント基板
２２  ランドパターン
２４  ソルダーレジスト
３０  樹脂コア半田ボール
３１  樹脂コア
３２  導電膜
３３  半田膜
４０  コアレス半田ボール
【図１】
2013219170.tif 000003
【図２】
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【図３】
2013219170.tif 000005
【図４】
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【図５】
2013219170.tif 000007
【図６】
2013219170.tif 000008
【図７】
2013219170.tif 000009
【図８】
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