JP2015126182A - プリント配線板 - Google Patents

Abstract

【課題】セラミック電子部品が実装されるプリント配線板において、セラミック電子部品とのはんだ接合部におけるクラックの発生を効果的に抑制する。
【解決手段】コア基材１１０の少なくとも片面に積層材１２０を一体に備え、積層材１２０上にセラミック材を基材とするセラミック電子部品１０がはんだ付けにより実装される多層構造のプリント配線板１００Ａにおいて、積層材１２０を汎用リジッド材よりも低弾性である弾性率が２０ＧＰａ以下の低弾性で柔軟性な富む素材とし、コア基材１１０のうち、セラミック電子部品１０の実装領域ＭＳ内に含まれる基材特定箇所の一部もしくは全部を除去してなる凹部１５０を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、プリント配線板に関し、さらに詳しく言えば、多層構造であってセラミック電子部品との接続信頼性を向上させる技術に関するものである。

セラミック電子部品、とりわけデジタルカメラ等に用いられるセンサー等の大型サイズのセラミック電子部品になると、その一辺が５０ｍｍを超えるものがある。ヒートサイクル試験は、接続信頼性を評価する試験として、プリント配線板に部品を実装した状態で実施されるが、特に、大型サイズのセラミック電子部品を実装したプリント配線板に対して、ヒートサイクル試験を行うとはんだ接合部にクラックが入り、最悪の場合、はんだ切断等による断線に至ることがある。

ヒートサイクル試験は、プリント配線板の信頼性試験に用いられる加速試験の一つで、各セットメーカーで条件は異なるが、低温と高温という環境を交互に繰り返し、これを所定のサイクル数実施する。その一例として、低温を−４０℃，高温を１２５℃に設定し、低温３０分，高温３０分を１サイクルとして、これを５００サイクル以上実施して断線が発生しないことを信頼性の判定基準としている。

ここで、図４により、セラミック電子部品実装用のプリント配線板の一例について説明する。このプリント配線板２００は、内層となるコア基材２１０の両面に、積層材２２０（上側積層材２２０ａ，下側積層材２２０ｂを含む）を一体的に積層してなる構造のプリント配線板である（製造方法に関しては、例えば特許文献１参照）。

この例において、コア基材２１０の両面には、内層回路２１１が形成されており、上側積層材２２０ａ側には、セラミック電子部品１０をはんだ付けするためのランド２２１が形成されている。ランド２２１と内層回路２１１は、ビアホール２４０内にメッキされた導体を介して接続されており、一般的に上側積層材２２０ａと下側積層材２２０ｂのはんだ付けランド以外の部分は、ソルダーレジスト２３０により被覆されている。

実装されるセラミック電子部品１０には、図５（ａ）に示すように、フラットパッケージ１１から複数本のリード端子１２が例えばガルウィング状に引き出されているリード端子型１０Ａと、図６（ａ）に示すように、フラットパッケージ１１の側面から底面にかけて複数の電極端子１３がＬ字状に形成されているリードレス型１０Ｂとがある。なお、リードレス型１０Ｂには、電極端子１３がフラットパッケージ１１の底面のみに配置されているものもある。

現状はリード端子型１０Ａが主流であるものの、高密度化への進展によりリードレス型１０Ｂが増えてきている。いずれにしても、リード端子１２もしくは電極端子１３は、積層材２２０（この例では上側積層材２２０ａ）上のランド２２１にはんだ付けにより接合されるが、ヒートサイクル試験において、はんだ接合部にクラックが発生しないようにするため、コア基材２１０と積層材２２０（２２０ａ，２２０ｂ）に、ともに熱膨張係数の小さな高機能リジッド材を用いる試みがなされている。

セラミック電子部品１０の基材であるセラミック材の熱膨張係数は４〜７ｐｐｍ／℃程度であるのに対し、汎用リジッド材の熱膨張係数は大凡１２〜１６ｐｐｍ／℃であり、熱膨張係数に大きな差がある。これに対して、高機能リジッド材の熱膨張係数は大凡３〜１０ｐｐｍ／℃と低い。

現在市場にある汎用リジッド材には、例えばガラス繊維の布にエポキシ樹脂を染みこませ熱硬化処理を施して板状に成形したＦＲ−４（Ｆｌａｍｅ Ｒｅｔａｒｄａｎｔ Ｔｙｐｅ４）等がある。一般的に汎用リジッド材は、高い弾性率（大凡２０〜３０ＧＰａ）を併せ持つ剛性の強い材料である。これに対して、高機能リジッド材は、さらに高い弾性率（大凡２５〜３５ＧＰａ）を持つ極めて剛性の強い材料である。

一例として、セラミック電子部品１０の熱膨張係数が７ｐｐｍ／℃，その一辺の長さが５０ｍｍ、ＦＲ−４（汎用リジッド材）の熱膨張係数が１４ｐｐｍ／℃で、ヒートサイクル試験の条件を低温−４０℃，高温１２５℃とした場合、熱伸縮の差は０．０６ｍｍとなる。

図５（ｂ）を参照して、リード端子型１０Ａの場合、上記熱伸縮の差はリード端子１２の変形により吸収され、はんだ材Ｓへの機械的なストレス集中がある程度緩和されるが、リード端子１２で吸収できる許容限度を超えると、はんだ材Ｓにクラックが発生することになる。

リードレス型１０Ｂの場合にはより深刻であり、図６（ｂ）に示すように、上記熱伸縮の差による機械的なストレスが直接的にはんだ材Ｓに加えられるため、クラックが発生しやすい。

この他、はんだ材Ｓにクラックが進行する要因として、プリント配線板２００自体がヒートサイクル試験で加えられる高低の熱により伸縮することによる反りや、配線形状等によるうねり等の発生がある。

このクラック発生および進行の問題は、実装されるセラミック電子部品１０のサイズが大型になるほど顕著になる。一例として、近年のデジタルカメラ等の高機能化により、それに搭載されるセラミック電子部品１０としてのセンサーも例えば一辺が５０ｍｍを超えるような大型サイズとなることから、はんだ接合部におけるクラックの発生が深刻な問題となっている。

特開２０１０−５６３７３号公報

したがって、本発明の課題は、セラミック電子部品が実装されるプリント配線板において、セラミック電子部品とのはんだ接合部におけるクラックの発生を効果的に抑制し、その接続信頼性を向上させることにある。

上記課題を解決するため、本発明は、基本的な構成として、コア基材の少なくとも片面に積層材を一体に備え、上記積層材上にセラミック材を基材とするセラミック電子部品がはんだ付けにより実装される多層構造のプリント配線板において、
上記積層材が、汎用リジッド材よりも低弾性である弾性率が２０ＧＰａ以下の低弾性で柔軟性な富む素材からなり、上記コア基材のうち、上記セラミック電子部品の部品実装領域内に含まれる基材特定箇所の一部もしくは全部が除去されていることを特徴としている。

好ましくは、上記積層材の弾性率は０．２〜６ＧＰａであり、このような低弾性基材としてはフレキシブル基材が最適である。

本発明の一態様として、当該プリント配線板の外表面側に配置されている上記積層材の表面上に、上記セラミック電子部品の部品実装領域が設定される態様においては、上記積層材は、少なくとも上記部品実装領域の裏面側に補強用の銅箔を備えていることが好ましい。

また、別の態様として、上記積層材の裏面側に上記セラミック電子部品の部品実装領域が設定される態様においては、上記裏面側の部品実装領域が露出されるように、上記基材特定箇所の全部を除去してなる凹部を備え、上記凹部内に上記セラミック電子部品が配置されることになる。

本発明において、上記コア基材が、上記セラミック電子部品のセラミック材とほぼ同等もしくはそれ以下の低熱膨張係数を有する高弾性の素材からなることが好ましい。この種の素材として、熱膨張係数が３〜１０ｐｐｍ／℃，弾性率が２５〜３５ＧＰａである高機能リジッド材が好ましく採用される。

本発明は、上記積層材上に実装される上記セラミック電子部品がリードレス型である場合に特に好適であるが、一般的なチップ部品が実装されてもよいことは勿論である。

本発明によれば、コア基材の少なくとも片面に積層材を一体に備え、積層材上にセラミック材を基材とするセラミック電子部品がはんだ付けにより実装される多層構造のプリント配線板において、積層材を汎用リジッド材よりも低弾性である弾性率が２０ＧＰａ以下の低弾性で柔軟性な富む素材（好ましくはフレキシブル基材）とし、コア基材のうち、セラミック電子部品の部品実装領域内に含まれる基材特定箇所の一部もしくは全部を除去することにより、部品実装領域においては、ヒートサイクル試験時等におけるセラミック電子部品の熱収縮に積層材が追従しやすくなり、はんだ接合部にかけられる機械的ストレスが軽減されることから、はんだ接合部におけるクラックの発生が効果的に抑制され、セラミック電子部品との接続信頼性が高められる。

基材特定箇所の一部もしくは全部を除去することに伴って、その分、当該プリント配線板自体の剛性（機械的強度）が弱くなることは否めないが、積層材の少なくとも実装領域の裏面側に補強用の銅箔を備えることにより、その剛性の不足分を多少なりとも補うことができる。

また、コア基材を、セラミック電子部品のセラミック材とほぼ同等もしくはそれ以下の低熱膨張係数を有する高弾性の素材、具体的には、熱膨張係数が３〜１０ｐｐｍ／℃，弾性率が２５〜３５ＧＰａである高機能リジッド材とすることにより、同様に、当該プリント配線板自体の剛性の不足分を補うことができる。

また、高機能リジッド材は、無機フィラーの含有率が多く熱伝導率が高いため、セラミック電子部品の実装時に熱が逃げやすいが、積層材として用いるフレキシブル基材は、高機能リジッド材よりも無機フィラーの含有率が少なく熱伝導率が低いことから、実装時の熱が逃げにくくなり、実装性が向上する。

また、製造コストについて言えば、高機能リジッド材よりもフレキシブル基材の方が安価であるため、積層材をフレキシブル基材とする分、コア基材と積層材をともに高機能リジッド材とする場合よりもコストを下げることができる。さらには、積層材としてフレキシブル基材を使用するものの、コア基材はリジッド材であることから、プリント配線板としては剛性が高いため、部品実装工程等の変更が不要であり、既存のリジッドプリント配線板の製造設備で対応することができる。

また、積層材の裏面側にセラミック電子部品の部品実装領域が設定される場合、すなわち、積層材裏面側の部品実装領域が露出されるように上記基材特定箇所の全部を除去してなる凹部を備える場合においては、その凹部内にセラミック電子部品が配置されるため、セラミック電子部品の高さを配線板内（凹部内）に吸収することができる。

本発明の第１実施形態に係る多層構成のプリント配線板を示す断面図。 上記第１実施形態の別の態様に係る多層構成のプリント配線板を示す断面図。 本発明の第２実施形態に係る多層構成のプリント配線板を示す断面図。 従来のセラミック電子部品実装用プリント配線板を示す断面図。 （ａ）リード端子型セラミック電子部品を示す斜視図、（ｂ）そのはんだ接合部を示す拡大断面図。 （ａ）リードレス型セラミック電子部品を示す斜視図、（ｂ）そのはんだ接合部を示す拡大断面図。

次に、図１ないし図３により、本発明のいくつかの実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

まず、図１を参照して、本発明の第１実施形態に係るプリント配線板１００Ａは、内層となるコア基材１１０と、その両面に一体的に積層された積層材１２０（上側積層材１２０ａ，下側積層材１２０ｂを含む）とを有する多層構成である。

この第１実施形態において、上側積層材１２０ａと下側積層材１２０ｂは、ビアホール１４０内にメッキされた導体を介して接続されており、上側積層材１２０ａ側には、セラミック電子部品１０をはんだ付けするためのランド１２１が形成されている。

通常のプリント配線板と同様に、上側積層材１２０ａと下側積層材１２０ｂのはんだ付けランド以外の部分は、一般的なプリント配線板と同じく、ソルダーレジスト１３０により被覆されている。なお、このプリント配線板１００Ａにおいて、必要に応じて下側積層材１２０ｂは省略されてもよい。

コア基材１１０は、好ましくは高機能リジッド材のような、セラミック電子部品１０のセラミック材とほぼ同等もしくはそれ以下の低熱膨張係数を有する高弾性（高剛性）の素材よりなる。これによれば、高機能リジッド材により、プリント配線板１００Ａ自体の反りやうねり等の発生が抑制される。

これに対して、積層材１２０（１２０ａ，１２０ｂ）には、弾性率が大凡２０〜３０ＧＰａである汎用リジッド材よりも低弾性（低剛性）で柔軟性に富む素材、好ましくはポリイミド樹脂，ＴＰＩ（非晶性ポリイミド樹脂），ＬＣＰ（液晶ポリマー）、もしくは弾性率を下げるための配合を行ったエポキシ樹脂を主材料とする接着剤を含むフレキシブル基材が用いられる。

なお、弾性率について、コア基材１１０として用いられる高機能リジッド材の弾性率は２５〜３５ＧＰａ程度で、この高剛性により、このプリント配線板１００Ａ全体の剛性（機械的強度）が担われる。これに対して、フレキシブル基材の弾性率は０．２〜６ＧＰａであることが好ましい。この弾性率の測定値はＤＭＡ法（リジッド材：曲げモード、フレキシブル基材：引張モード）による。なお、コア基材１１０として、汎用リジッド材（弾性率２０〜３０ＧＰａ程度）が用いられてもよい。

このプリント配線板１００Ａに実装されるセラミック電子部品１０は、図５（ａ）に示したリード端子型１０Ａもしくは図６（ａ）に示したリードレス型１０Ｂのいずれであってもよい。

また、リード端子型１０Ａの場合には、そのリード端子１２が図５（ｂ）に示す態様ではんだ材Ｓによりランド１２１上にはんだ付けされ、リードレス型１０Ｂの場合には、その電極端子１３が図６（ｂ）に示す態様ではんだ材Ｓによりランド１２１上にはんだ付けされるが、共晶はんだよりも鉛フリーはんだの方がクラックが発生しやすいことが知られている。

先にも説明したように、セラミック電子部品１０の基材であるセラミック材の熱膨張係数は４〜７ｐｐｍ／℃程度であり、これに対して、一般的な汎用リジッド材からなるコア基材の熱膨張係数は大凡のところ１２〜１６ｐｐｍ／℃である。また、ヒートサイクル試験において繰り返し加えられる高低の熱により、プリント配線板自体に反りやうねり等が発生する。

これらの要因によって、ヒートサイクル試験時に、図５（ｂ），図６（ｂ）に示すはんだ材Ｓに機械的なストレスが集中的に加えられ、これが原因で、そのはんだ接合部にクラックが発生することになる。

このようなクラックの発生を防止するため、この第１実施形態では、セラミック電子部品１０の部品実装領域ＭＳには、上側積層材１２０ａのみを残し、部品実装領域ＭＳに含まれるコア基材１１０の一部分もしくは全部、および下側積層材１２０ｂの対応する部分を除去するようにしている。これにより、部品実装領域ＭＳにおいて、上側積層材１２０ａの下方には凹部１５０が形成される。

これによれば、部品実装領域ＭＳにおいては、ヒートサイクル試験時等におけるセラミック電子部品１０の熱収縮に上側積層材１２０ａが追従しやすくなることから、はんだ接合部にかけられる機械的ストレスが軽減され、はんだ接合部におけるクラックの発生が効果的に抑制され、セラミック電子部品１０との接続信頼性が高められる。

なお、部品実装領域ＭＳに対応するコア基材１１０の一部分もしくは全部、および下側積層材１２０ｂの対応する部分（以下、「基材特定箇所」ということがある。）を除去することに伴って、その分、プリント配線板１００Ａの剛性が弱くなることは否めないが、フレキシブル基材よりなる上側積層材１２０ａの少なくとも部品実装領域ＭＳの裏面側に、補強用の銅箔１２２を残すことにより、その剛性の不足分を多少なりとも補うことができる。

また、上記基材特定箇所の全部を除去せずに、図１の想像線で示すように、コア基材１１０のうちの上側積層材１２０ａ側の一部分１１０ａを残すようにしてもよく、このような態様も本発明に含まれる。

上記基材特定箇所を除去するには、コア基材１１０に積層材１２０を一体的に接合したのち、切削によるザグリ加工により除去するようにしてもよいし、あらかじめコア基材１１０や下側積層材１２０ｂの部品実装領域ＭＳに対応する部分を窓抜き加工して積層することによりプリント配線板１００Ａを構築するようにしてもよい。

いずれにしても、コア基材１１０と積層材１２０は、常法にしたがって、プリプレグや弾性率を下げるための配合を行った接着材等により一体に積層されてよい。

上記第１実施形態において、積層材１２０は、コア基材１１０の両面に各１層として設けられているが、図２に、プリント配線板１００Ａの別の例として、上側積層材１２０ａ，下側積層材１２０ｂをともに２層、コア基材１１０を４層とした８層ビルドアップ（２＋４＋２）構成のプリント配線板を示す。このように、積層材１２０を片面２層（２枚）以上としてもよいし、コア基材１１０も多層構造（３層以上）としてもよい。

また、図２に示すように、コア基材１１０内に適宜内層回路１１１を形成することもできるし、ビアホールについても、上側積層材１２０ａと下側積層材１２０ｂとの間を貫通するビアホール１４０のほかに、上記内層回路１１１同士を接続するインタースティシャルビアホール１４０ａやレーザービアホール１４０ｂ等が採用されてよく、既存のビア形成技術、ビア接続方法によるものをすべて使用することができる。

次に、図３を参照して、本発明の第２実施形態に係るプリント配線板１００Ｂについて説明する。

このプリント配線板１００Ｂは、図２に例示した８層ビルドアップ（２＋４＋２）と同じ層構成であるが、図３では図２のプリント配線板１００Ａが左右反転かつ上下反転した状態で示されている。したがって、図２と比べて、上側積層材１２０ａ（２層）と下側積層材１２０ｂ（２層）の位置が入れ替わっている。

図３に示すように、第２実施形態に係るプリント配線板１００Ｂでは、上記第１実施形態と異なり、コア基材１１０の基材特定箇所の全部を除去してなる凹部１５０内にセラミック電子部品１０が実装される。

そのため、積層された２層の上側積層材１２０ａ１，１２０ａ２のうち、内層側の上側積層材１２０ａ２で、凹部１５０の底面となる裏面側にはんだ付け用のランド１２１が形成され、このランド１２１に対して、セラミック電子部品１０がはんだ材Ｓによりはんだ付けされる。なお、この第２実施形態において、上側積層材１２０ａと下側積層材１２０ｂは、ともに１層（１枚）構成であってもよい。

これによれば、上記第１実施形態と同じく、部品実装領域ＭＳにおいては、ヒートサイクル試験時等におけるセラミック電子部品１０の熱収縮に上側積層材１２０ａ２が追従しやすくなり、はんだ接合部にかけられる機械的ストレスが軽減され、はんだ接合部におけるクラックの発生が効果的に抑制され、セラミック電子部品１０との接続信頼性が高められるばかりでなく、セラミック電子部品１０の高さを凹部１５０内に収めることができる。

なお、上記各実施形態において、部品実装領域ＭＳが複数箇所に存在する場合、凹部１５０は、その部品実装領域ＭＳごとに設けられ、上側積層材１２０ａを残した部分に実装するだけではなく、同じく下側積層材１２０ｂに部分に実装することもできる。

図３の第３実施形態について言えば、セラミック電子部品１０を凹部１５０内に実装しているが、凹部１５０と対応する上側積層材１２０ａ１の表面にもセラミック電子部品１０を実装することができる。

１０ セラミック電子部品
１０ａ セラミック電子部品（リード端子型）
１０ｂ セラミック電子部品（リードレス型）
１００ プリント配線板
１１０ コア基材
１１１ 内層回路
１２０（１２０ａ，１２０ｂ） 積層材
１２１ ランド
１３０ ソルダーレジスト
１４０ ビアホール
ＭＳ 部品実装領域
Ｓ はんだ材

Claims (7)

1. コア基材の少なくとも片面に積層材を一体に備え、上記積層材上にセラミック材を基材とするセラミック電子部品がはんだ付けにより実装される多層構造のプリント配線板において、
   上記積層材が、汎用リジッド材よりも低弾性である弾性率が２０ＧＰａ以下の低弾性で柔軟性な富む素材からなり、上記コア基材のうち、上記セラミック電子部品の部品実装領域内に含まれる基材特定箇所の一部もしくは全部が除去されていることを特徴とするプリント配線板。
2. 上記積層材の弾性率が、０．２〜６ＧＰａであることを特徴とする請求項１に記載のプリント配線板。
3. 上記積層材が、フレキシブル基材からなることを特徴とする請求項１または２に記載のプリント配線板。
4. 当該プリント配線板の外表面側に配置されている上記積層材の表面上に、上記セラミック電子部品の部品実装領域が設定されており、上記積層材は、少なくとも上記部品実装領域の裏面側に補強用の銅箔を備えていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のプリント配線板。
5. 上記積層材の裏面側に、上記セラミック電子部品の部品実装領域が設定されており、上記裏面側の部品実装領域が露出されるように、上記基材特定箇所の全部を除去してなる凹部を備えていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のプリント配線板。
6. 上記コア基材が、上記セラミック電子部品のセラミック材とほぼ同等もしくはそれ以下の低熱膨張係数を有する高弾性の素材からなることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のプリント配線板。
7. 上記コア基材が、熱膨張係数が３〜１０ｐｐｍ／℃，弾性率が２５〜３５ＧＰａである高機能リジッド材からなる請求項６に記載のプリント配線板。

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