(57)【要約】【課題】  端子配列を有する電子部品が実装される回路基板において、電子部品パッケージと回路基板との線膨張係数差に起因する応力を低減して、亀裂や破断を効果的に防止すること。【解決手段】  複数の電極（１０８）で構成される電極配列を備えた電子部品（１０２）が搭載された回路基板（１００）であって、前記電子部品の前記電極の少なくとも一つの直下に穴（１０６ａ等）が設けられた絶縁層（１００ａ等）を備え、前記穴の底面にはパッド（１０４ａ等）が形成されており、前記電極の前記少なくとも一つと前記穴の底面に形成されたパッドとの間が、前記穴の内径よりも細く且つ当該穴の内側面に接触しないように形成された柱状導体（１１０ａ等）により接合されている。【選択図】図２ａ
2017059674.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電極で構成される電極配列を備えた電子部品が搭載された回路基板であって、
前記電子部品の前記電極の少なくとも一つの直下に穴が設けられた絶縁層を備え、
前記穴の底面にはパッドが形成されており、
前記電極の前記少なくとも一つと前記穴の底面に形成されたパッドとの間が、前記穴の内径よりも細く且つ当該穴の内側面に接触しないように形成された柱状導体により接合されている、
回路基板。
【請求項２】
前記回路基板は多層基板であって、前記絶縁層は当該回路基板の外表面を構成する絶縁体層を含む、
請求項１に記載の回路基板。
【請求項３】
前記絶縁層は、熱伝導性樹脂で構成されている、
請求項１に記載の回路基板。
【請求項４】
前記電子部品の前記電極配列は全体として多角形形状の配列を為し、
前記絶縁層には、前記多角形形状の頂点部分を含む所定の領域に配された前記電極のうちの、少なくとも一つの前記電極の直下に前記穴が設けられている、
請求項１ないし３のいずれか一項に記載の回路基板。
【請求項５】
前記回路基板を含み、車両に搭載されて当該車両が有する機能の少なくとも一部を制御する電子制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の電極端子で構成された端子配列（電極配列）を有する電子部品（例えばBGA型パッケージを用いた電子部品）が実装される回路基板に関し、特に、回路基板と電子部品パッケージとの線膨張係数差に起因して電子部品端子と回路基板上の回路パターンとの接合部に発生するせん断応力を低減して、当該接合部や回路基板に亀裂や分離が生ずるのを回避することのできる回路基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路の高機能化に伴い、ＣＰＵ（Central Processing Unit）のように多くの電極端子を必要とする電子部品では、ＢＧＡ（Ball Grid Array）等の格子状の端子配列を有するパッケージが用いられている。
【０００３】
また、このような高機能集積回路を用いた電子部品においては、動作時の発熱量が大きいことからパッケージの放熱特性を高める必要があり、上記パッケージ素材として熱伝導率の高いセラミックが用いられることが多い。
【０００４】
これに対し、上記電子部品が実装される回路基板の素材は、絶縁性や難燃性の観点から、通常はガラスエポキシが用いられることが多く、上記電子部品パッケージを構成するセラミックとは異なる線膨張係数を有するものとなっている。
【０００５】
このため、環境温度の変化や電子部品の動作等に伴う電子部品パッケージ等の温度変化に伴って、電子部品の端子と回路基板上のパッドとの間のハンダ接合部には、回路基板の面方向に沿うせん断応力が発生することとなり、当該応力により当該接合部に亀裂や破断が生じる場合がある。
【０００６】
特に車両用装置では、車両環境の温度変化範囲が広いことから、当該装置の動作に伴う装置内温度の上昇と相俟って、回路基板及び電子部品には極めて広い範囲の温度変化が発生することとなり、上記せん断応力に起因する接合部の亀裂や破断の発生確率は一層高くなる。
【０００７】
従来、接合部の分離を回避する方法としては、専ら、回路基板の基板面に対し垂直な方向に加えられる力により発生する当該回路基板の撓みに起因した、接合部への引張応力が引き起こす当該接合部の分離についての防止策が開示されている。このような引張応力による接合部分離の防止策として、例えば、回路基板上の電子部品実装領域の角部外側にＬ字形状の貫通孔を設ける構成や（特許文献１及び特許文献２参照）、上記実装領域の略中央部に貫通孔を設けると共に、当該実装領域の内側の、電子部品の端子が設けられていない領域に、小さな貫通孔を矩形状に配列して設ける構成（特許文献３）が知られている。
【０００８】
しかしながら、これらの特許文献に記載された回路基板は、当該回路基板の撓みの影響が接合部に及ばないようにするための特定の位置に貫通孔を設けたものであり、接合部に加わるせん断応力を低減するための手段を与えるものではない。したがって、上記従来の技術を用いても、接合部に発生するせん断応力を効果的に低減することはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００７−１６５４６９号公報
【特許文献２】特開平１１−１０３１３７号公報
【特許文献３】特開２００１−１４８５４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記の背景より、端子配列を有する電子部品が実装される回路基板においては、電子部品パッケージと回路基板との線膨張係数差に起因する回路基板上のパッドと電子部品端子とのハンダ接合部に生ずる応力を低減して、当該接合部や回路基板に生ずる亀裂や破断を効果的に防止することが求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一の態様は、複数の電極で構成される電極配列を備えた電子部品が搭載された回路基板であって、前記電子部品の前記電極の少なくとも一つの直下に穴が設けられた絶縁層を備え、前記穴の底面にはパッドが形成されており、前記電極の前記少なくとも一つと前記穴の底面に形成されたパッドとの間が、前記穴の内径よりも細く且つ当該穴の内側面に接触しないように形成された柱状導体により接合されている。
本発明の他の態様によると、前記回路基板は多層基板であって、前記絶縁層は当該回路基板の外表面を構成する絶縁体層を含む。
本発明の他の態様によると、前記絶縁層は、熱伝導性樹脂で構成されている。
本発明の他の態様によると、前記電子部品の前記電極配列は全体として多角形形状の配列を為し、前記絶縁層には、前記多角形形状の頂点部分を含む所定の領域に配された前記電極のうちの、少なくとも一つの前記電極の直下に前記穴が設けられている。
本発明の他の態様は、前記回路基板を含み、車両に搭載されて当該車両が有する機能の少なくとも一部を制御する電子制御装置である。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る回路基板の構成を示す図である。
【図２ａ】図１に示す回路基板のＡＡ断面矢視図である。
【図２ｂ】図１に示す回路基板のＢＢ断面矢視図である。
【図２ｃ】図１に示す回路基板のＣＣ断面矢視図である。
【図２ｄ】図１に示す回路基板のＤＤ断面矢視図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る回路基板の構成を示す図である。
【図４】図３に示す回路基板のＥＥ断面矢視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
〔第１実施形態〕
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る回路基板の構成を示す図である。
本回路基板１００は、例えば車両に搭載されて当該車両のエンジン制御を行う電子制御ユニット（ＥＣＵ、Electronic Control Unit）を構成する回路基板である。この回路基板１００には、矩形形状を為す領域（矩形領域）１２０内に格子状に配された電極端子の配列（以下、電極配列）を有する電子部品（例えばＢＧＡ型パッケージを用いたＣＰＵ）１０２が実装されている。回路基板１００上には、電子部品１０２の上記電極（図１では不図示）に対応する位置に、当該電極と接合されるパッド１０４（図示点線）が形成されている。したがって、回路基板１００上のパッド１０４も、電子部品１０２上の電極が配された矩形領域１２０に相当する回路基板１００上の矩形領域内に、格子状に配されることとなる。以下では、記載の冗長を避けて理解を容易にするため、上記「電子部品１０２上の電極が配された矩形領域１２０に相当する回路基板１００上の矩形領域」も矩形領域１２０と称するものとする。
【００１４】
また、説明のため、パッド１０４のうち矩形領域１２０の各頂点部分をそれぞれ含む所定の領域（以下、「頂点領域」という）内に配されたパッド（本実施形態では、矩形領域１２０の各頂点に位置するパッドと、当該各頂点のパッドに対し当該頂点を挟む２辺のそれぞれに沿って２個ずつ互いに隣接して配された４つのパッド）を、頂点領域パッド１０４ａ〜ｗと称する。
【００１５】
回路基板１００には、さらに、頂点領域の電極に対応する位置に穴１０６ａ〜ｗが設けられている。穴１０６ａ〜ｗは、回路基板１００を貫通しておらず底面（穴の底の面）を有しており、上記頂点領域パッド１０４ａ〜ｗは、穴１０６ａ〜ｗのそれぞれの底面に形成されている。
【００１６】
図２ａ、図２ｂ、図２ｃ、図２ｄは、それぞれ、図１に示す回路基板１００のＡＡ断面矢視図、ＢＢ断面矢視図、ＣＣ断面矢視図、ＤＤ断面矢視図である。各断面は、同様の構成を有しているので、以下、図２ａを例にとり、回路基板１００の断面構成について説明する。
【００１７】
図２ａにおいて、回路基板１００は３層基板であり、３つの絶縁層１００ａ、１００ｂ、１００ｃを備える。なお、図２ａには示していないが、絶縁層１００ａ、１００ｃの外表面、絶縁層１００ａと１００ｂとの境界面、及び絶縁層１００ｂと１００ｃとの境界面には、回路基板１００上に構成される電子回路に応じた導電性材料による導電パターンが形成されている。
【００１８】
電子部品１０２の底面（回路基板１００に対向する面）には、電極配列の一部を構成する電極１０８が形成されている。ここで、図２ａ〜図２ｄにおいては、電極１０８のうち、頂点領域に配された電極を電極１０８ａ〜ｗと称する。
【００１９】
頂点領域に配された電極１０８ａ〜ｗ以外の電極１０８のそれぞれは、例えばハンダ等の導電性材料から成る接合部１１２により、当該電極１０８に対応する回路基板１００上の位置に設けられたパッド１０４に接合される。このような電極１０８とパッド１０４との間の接合は、従来技術として公知のハンダバンプ（ハンダボール）等を用いた工法により行うことができる。
【００２０】
また、頂点領域の電極１０８ｃ、１０８ｄ、１０８ｅ、及び１０８ｆ、１０８ｇ、１０８ｈのそれぞれに対応する回路基板１００上の位置には、穴１０６ｃ、１０６ｄ、１０６ｅ、及び１０６ｆ、１０６ｇ、１０６ｈが設けられている。これらの穴１０６ｃ〜ｈは、回路基板１００の絶縁層１００ａの外表面から絶縁層１００ｃの内表面（絶縁層１００ｃの図示上側の面）に達するまで設けられており、当該絶縁層１００ｃの内表面の一部が穴１０６ｃ〜ｈの底面を構成している。
【００２１】
そして、当該穴１０６ｃ〜ｈの底面である回路基板１００の絶縁層１００ｃの内表面に、パッド１０４ｃ、１０４ｄ、１０４ｅ、１０４ｆ、１０４ｇ、１０４ｈが形成されている。ただし、穴１０６ｃ〜ｈの内側面は導電性材料の膜（又は層）は形成されていない。
【００２２】
さらに、本実施形態では、電子部品１０２の頂点領域の電極１０８ｃ〜ｈと回路基板１００上の対応するパッド１０４ｃ〜ｈとの間が、対応する穴１０６ｃ〜ｈの内径よりも細く、且つ穴１０６ｃ〜ｈの内側面に接触しないように形成された導電材料（本実施形態では接合用金属であるハンダ）から成る柱状導体１１０ｃ、１１０ｄ、１１０ｅ、及び１１０ｆ、１１０ｇ、１１０ｈにより接合されている。
【００２３】
図２ｂ、図２ｃ、図２ｄに示す各断面図も同様の構成を有しており、パッド１０４ｉ、１０４ｊ、１０４ｋ、１０４ｍ、１０４ｎ、１０４ｐ、１０４ｑ、１０４ｒ、１０４ｓ、１０４ｔ、１０４ｕ、１０４ｗ、１０４ａ、１０４ｂと、これらのパッドにそれぞれ対応する電子部品１０２の電極１０８ｉ、１０８ｊ、１０８ｋ、１０８ｍ、１０８ｎ、１０８ｐ、１０８ｑ、１０８ｒ、１０８ｓ、１０８ｔ、１０８ｕ、１０８ｗ、１０８ａ、１０８ｂとが、穴１０６ｉ、１０６ｊ、１０６ｋ、１０６ｍ、１０６ｎ、１０６ｐ、１０６ｑ、１０６ｒ、１０６ｓ、１０６ｔ、１０６ｕ、１０６ｗ、１０６ａ、１０６ｂの内径よりも細く且つ内側面に接触しないように形成された、導電性材料から成る柱状導体１１０ｉ、１１０ｊ、１１０ｋ、１１０ｍ、１１０ｎ、１１０ｐ、１１０ｑ、１１０ｒ、１１０ｓ、１１０ｔ、１１０ｕ、１１０ｗ、１１０ａ、１１０ｂにより接合されている。
【００２４】
なお、このような導電材料の柱状導体１１０ａ〜ｗは、例えば、パッド１０４ａ〜ｗと電極１０８ａ〜ｗとの間に配する当該導電材料（例えばハンダ）の量と当該導電材料を融解する際の温度とを適切に選ぶことにより形成することができる。
【００２５】
一般に、多角形形状の領域に配列された複数の電極端子で構成される電極配列を有する電子部品の当該電極配列を回路基板上のパッドにハンダ付けして固定する場合、当該電子部品の動作に伴う発熱や環境温度の変動により電子部品及び回路基板の温度が変動すると、電子部品と回路基板との線膨張係数差により、当該多角形形状の領域の頂点部及びその近傍領域に配されたパッドに最も大きなせん断応力が発生する。
【００２６】
上記の構成を有する回路基板１００は、電子部品１０２の電極配列のうち大きなせん断応力を発生しやすい矩形領域１２０の頂点領域内の電極１０８ａ〜ｗのそれぞれと、対応するパッド１０４ａ〜ｗとの間が、導電材料による柱状導体１１０ａ〜ｗによって接合されるので、パッド１０４ａ〜ｗのそれぞれにおける接合部分や当該パッド１０４ａ〜ｗに対向する電子部品１０２の各電極の接合部分にかかるせん断応力は、上記導電材料の柱状導体１１０ａ〜ｗが例えば撓むこと等により、当該柱状導体１１０ａ〜ｗに分散されて軽減される。
【００２７】
また、導電材料の柱状導体１１０ａ〜ｗは、穴１０６ａ〜ｗの内側面と接触しないように形成されているので、柱状導体１１０ａ〜ｗのそれぞれは、穴１０６ａ〜ｗの内側面から回路基板１００の面方向に沿った（横方向の）応力を受けることはなく、構造的に安定な状態が保たれると共に、パッド１０４ａ〜ｗ及び電極１０８ａ〜ｗに生ずるせん断応力を効果的に低減することができる。
【００２８】
さらに、電子部品１０２の電極配列のうち頂点領域以外の領域にある電極１０８は、ソルダレジスト等の他の素材を介在することなく、従来技術における通常のハンダバンプを用いた工法により回路基板１００上のパッド１０４に対し直近で接合されるので、電子部品１０２の動作時に発生する熱は回路基板１００へ効果的に伝導する。このため、電子部品１０２のパッケージの温度上昇が抑えられるので、当該パッケージに発生する歪（温度変動に伴う熱膨張歪）も軽減される。
【００２９】
なお、本実施形態では、電子部品１０２の電極が全体として矩形状の領域１２０に配列されるものとしたが、当該領域の形状は、矩形に限らず任意の数の辺で構成される多角形であってもよい。この場合には、当該多角形の頂点部分を含む所定の頂点領域の電極について、本実施形態と同様の柱状導体により回路基板上のパッドとの接合が行われるものとすることで、上述の効果を得ることができる。
【００３０】
また、本実施形態では、電極配列領域（矩形領域１２０）の各頂点に位置するパッドと、当該各頂点のパッドに対し当該頂点を挟む２辺のそれぞれに沿って２個ずつ互いに隣接して配された４つのパッドと、を頂点領域のパッドとし、当該頂点領域内のパッド１０４ａ〜ｗの全てについて穴１０６ａ〜ｗを設けて、柱状導体１１０ａ〜ｗにより対応する電極と接合するものとしたが、これに限らず、矩形領域１２０内の任意の位置の少なくとも一つのパッドについて、穴１０６ａ〜ｗと同様の穴を設けて、柱状導体１１０ａ〜ｗと同様の導電性の柱状導体により対応する電極との接合を行っても、当該パッド及び電極の接合部並びに電子部品１０２パッケージにおける一定の応力低減効果を得ることができる。また、上記少なくとも一つのパッドは、矩形領域１２０の頂点領域内のパッドから選択することで、より大きな応力低減効果を得ることができる。
【００３１】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態に係る回路基板について説明する。本実施形態の回路基板では、回路基板と電子部品との間に、電気的な絶縁層として熱伝導性の高い電気絶縁材料（例えば、熱伝導性樹脂）のシートが配され、当該シートには、電子部品の電極と回路基板上の対応するパッドとに挟まれた部分に穴が設けられており、当該穴の内部に設けられた柱状導体により当該電極と当該パッドとの接合が行われる。
【００３２】
図３は、本発明の第２の実施形態に係る回路基板の構成を示す図であり、図４は、図３に示す回路基板のＥＥ断面矢視図である。
【００３３】
回路基板３００には、絶縁シート３０２を挟んで、電子部品３０４が搭載されている。絶縁シート３０２は、熱伝導性があって（例えば、熱伝導率が所定値以上であって）、且つ電気的に絶縁性のある（例えば、電気抵抗が所定以上である）素材から成る。電子部品３０４は、全体として矩形形状の領域内に格子状に配置された電極配列を有し、回路基板３００上には電子部品３０４の各電極３１０（図４参照。図３においては不図示）に対応する位置に、パッド３０６（図示点線）が形成されている。
【００３４】
また、絶縁シート３０２のうち、電子部品３０４の電極と回路基板３００上の対応するパッド３０６との間の部分には穴３０８が設けられており、当該穴３０８の内径よりも細く、且つ穴３０８の内側面と接触しないように形成された導電材料の柱状導体３１２により当該電極３１０と当該パッド３０６との間が接合されている。このような柱状導体３１２は、絶縁シート３０２にダメージを与えない程度の温度で融解することが可能な低融点ハンダを用いて、当該低融点ハンダの量と融解温度とを適切に選ぶことにより作成することができる。
【００３５】
上記の構成を有する回路基板３００は、第１の実施形態における回路基板１００と同様に、電子部品３０４の矩形状の領域に配列された電極３１０のそれぞれについて、当該電極に対応するパッド３０６との間が、導電材料による柱状導体３１２によって接合されるので、パッド３０６の接合部分や電極３１０の接合部分にかかるせん断応力は、それぞれ柱状導体３１２によって分散されて軽減される。
【００３６】
また、柱状導体３１２は、穴３０８の内面と接触しないように形成されるので、柱状導体３１２のそれぞれは、それらの近傍に存在する絶縁シート３０２からの応力を受けることがない。このため、柱状導体３１２は、構造的な安定性が保たれると共に、パッド３０６及び電極３１０に生ずるせん断応力を効果的に低減することができる。
【００３７】
なお、第１の実施形態において説明したように多角形形状の領域に配された電極配列においては、当該多角形の頂点部分の電極と回路基板上のパッドとの接合部に最も大きなせん断応力がかかることから、導電材料の柱状導体による接合は、頂点領域に位置するパッド及び電極についてのみ行うものとしてもよい。具体的には、頂点領域にのみ絶縁シート３０２を用いて上記導電材料の柱状導体により接合を行うものとし、頂点領域以外の領域については、絶縁シート３０２に代えて当該絶縁シート３０２と同じ厚さのサブ基板を配して、電子部品３０４の電極とサブ基板上のパッドとの間で通常の（柱状導体を用いない）接合を行なうものとすることができる。なお、絶縁シート３０２は、電子部品３０２や回路基板３００に加わる応力を緩和する観点からは、適度な弾性を有していることが望ましい。
【符号の説明】
【００３８】
１００、３００・・・回路基板、１０２、３０４・・・電子部品、１０４、１０４ａ〜ｗ、３０６・・・パッド、１０６、１０６ａ〜ｗ、３０８・・・穴、１０８、１０８ａ〜ｗ、３１０・・・電極、１１０ａ〜ｗ、３１２・・・柱状導体、１１２・・・接合部、１２０・・・矩形領域、３０２・・・絶縁シート。
【図１】
2017059674.tif 000003
【図２ａ】
2017059674.tif 000004
【図２ｂ】
2017059674.tif 000005
【図２ｃ】
2017059674.tif 000006
【図２ｄ】
2017059674.tif 000007
【図３】
2017059674.tif 000008
【図４】
2017059674.tif 000009