JP7118298B1 - 応力緩和構造および応力緩和構造の製造方法 - Google Patents

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Abstract

本開示は、電子部品を搭載する電子基板の熱応力耐性を高めることを目的とする。本開示に係る応力緩和構造は、電子基板(101)と、電子基板(101)の上面上に形成された金属パターン(102)と、金属パターン(102)の上面上に形成された電子部品(105)と、金属パターン(102)の角、金属パターン(102)の角をレジスト(103)が覆う場合のレジスト(103)の角、電子基板(101)の外周部の表層、および電子基板(101)の外周部の上面上の少なくともいずれかに設けられる多孔質層(104)と、電子基板(101)の上面、金属パターン(102)、および電子部品(105)を封止する封止樹脂(106)と、を備える。

Description

本開示は、電子部品を搭載する電子基板の熱応力耐性を高める技術に関する。
構造体の端部または角の部分には応力が集中する。それらの応力が集中する箇所に接着剤を使用したり樹脂を注入したりする場合、温度サイクルによる熱膨張係数差、または水分の吸放湿による体積変化によって構造体の端部から接着剤または樹脂が剥がれたり、接着剤または樹脂にクラックが生じるという課題がある。また、中空構造を有する封止方法として箱型部材をキャップとして用い、接着固定する場合がある。この場合でも、熱応力によってキャップが剥がれたり、中空構造のため内部の水分が膨張し加熱時に水蒸気となるためキャップが取れたりするという課題がある。さらに、電子部品または実装基板は、製品に据え付ける際にねじ止め、カシメまたはリベットなどを打って固定される場合がある。この時、端部に応力が発生して実装基板が割れたり、電子部品の内部に応力がかかって信頼性を損ねたりするという課題がある。
これらの課題に対して、特許文献1では基板上のコーティング材に対する封止樹脂の密着性を向上させるために、コーティング材の角部にアールを設けることが記載されている。これにより、温度サイクルまたは客先実装時に生じる熱応力による封止樹脂の剥離が抑制される。
特開2015-15434号公報 特開2008-241641号公報
特許文献1の構成は、コーティング材の形状を工夫することによって封止樹脂がある場合に密着性の向上が見込まれるが、封止樹脂がない場合には対応できない。また、高い熱応力が加わった場合には効果が小さいという問題がある。
本開示は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、電子部品を搭載する電子基板の熱応力耐性を高めることを目的とする。
本開示の一つの応力緩和構造は、電子基板と、電子基板の上面上に形成された金属パターンと、金属パターンの上面上に形成された電子部品と、金属パターンの角、金属パターンの角をレジストが覆う場合のレジストの角、電子基板の外周部の表層、および電子基板の外周部の上面上の少なくともいずれかに設けられる多孔質層と、電子基板の上面、金属パターン、および電子部品を封止し、一部が多孔質層の細孔に入り込んだ封止樹脂と、を備え、多孔質層は、エポキシ化合物またはアクリル化合物からなる樹脂材料を含む。


本開示の一つの応力緩和構造によれば、多孔質層により、封止樹脂と電子基板等との間の密着性が高まるため、電子部品を搭載する電子基板の熱応力耐性を高めることができる。本開示の目的、特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
実施の形態1の応力緩和構造を示す断面図である。 実施の形態2の応力緩和構造を示す断面図である。 実施の形態3の応力緩和構造を示す断面図である。 実施の形態3の応力緩和構造を示す断面図である。 実施の形態4の応力緩和構造を示す断面図である。 実施の形態4の応力緩和構造を示す断面図である。 実施の形態5の応力緩和構造を示す断面図である。 実施の形態5の応力緩和構造を示す断面図である。 実施の形態6の応力緩和構造を示す断面図である。 実施の形態7の応力緩和構造を示す断面図である。 実施の形態8の応力緩和構造を示す断面図である。
<A.実施の形態1>
<A-1.全体構成>
図1は、実施の形態1の応力緩和構造1001を示す断面図である。応力緩和構造1001は、電子基板101、金属パターン102、レジスト103、多孔質層104、電子部品105、および封止樹脂106を備える。
電子基板101上には金属によりパターンが描写されることにより回路が構成される。また、電子基板101上には、電子部品105を実装するための金属パッドが設けられる。本明細書では、これらのパターンおよび金属パッドをまとめて金属パターン102と称する。
金属パターン102の角部はレジスト103に覆われる。レジスト103は、電子部品105の実装工程時に、はんだまたはその他の異物から金属パターン102を保護するためのものである。
金属パターン102の上には電子部品105が搭載される。電子部品105は、例えば半導体素子、抵抗またはコンデンサーである。
金属パターン102およびレジスト103は、精巧に作られるほどそれらの角部のアールが小さくなる。そのため、電子部品105を封止樹脂106で封止する際に、金属パターン102またはレジスト103の角部に応力が集中する。
そこで、応力緩和構造1001では、応力が集中するレジスト103の角部を多孔質層104で覆うことにより、応力を緩和すると共に、封止樹脂106の密着性を高めている。
<A-2.多孔質層>
多孔質層104は、多孔質構造を有する有機樹脂からなる。多孔質層104が有する多孔質構造は、モノリス構造、メソポーラス構造、ハニカム構造、または層状構造である。多孔質構造により応力緩和効果が得られる。
また、封止樹脂106が多孔質層104の細孔に入り込むことで封止樹脂106の接着面積が増大すると共に、封止樹脂106が多孔質層104に対して3次元的に接触するためアンカー効果が得られ、多孔質層104と封止樹脂106との密着性が高まる。
また、多孔質層104の材料として封止樹脂106との密着性の良い材料を選択することによって、多孔質層104と封止樹脂106との密着性が高まる。
その結果、電子部品105を金属パターン102に実装して封止樹脂106による樹脂封止を行う際に、封止樹脂106の高い密着性が得られる。そして、応力緩和構造1001を備える電気機器の信頼性が向上する。
多孔質層104に用いられる有機樹脂材料は、封止樹脂106よりもヤング率が低いものとすることにより、より応力緩和効果が得られる。
多孔質層104に用いられる有機樹脂材料として、エポキシ化合物(エポキシ樹脂)またはアクリル化合物(アクリル樹脂)がある。
多孔質層104に用いられるエポキシ樹脂には、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ジフェニルメタン型エポキシ樹脂、複数の芳香族環含有のエポキシ樹脂が挙げられる。ここで挙げたエポキシ樹脂の1種が単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。
多孔質層104に用いられる硬化剤として、芳香族アミン、芳香族酸無水物、脂肪族アミン類、またはこれらの変性品などがある。ここで挙げた硬化剤の1種が単独で用いられてもよいし、2種以上が併用されてもよい。
多孔質層104の形成方法は以下の通りである。まず、有機樹脂材料、硬化剤および孔形成材を含む混合物を、印刷法またはディップ法などの塗布手法を用いて電子基板101上の任意の場所に形成する。その後、混合物を熱硬化させることにより、複数の孔を備えた多孔質層を形成する。次に、水または有機溶剤による洗浄を行って孔形成材を除去する。こうして、多孔質層104が形成される。上記では熱硬化について述べたが、UV硬化など他の公知の効果方法が用いられてもよい。
上記の多孔質層104の形成プロセスは、一般的な電子基板の製造装置で対応が可能であるため、既存の生産ラインを大きく変えずに実現できることがメリットである。
多孔質層104にアクリル樹脂が用いられる場合は、まず、ポリメタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸ブチル、またはポリメタクリル酸エステルに代表されるPMMAの1種または複数種を水-有機溶媒の混合溶媒に溶解させたものを、電子基板101上に塗布する。塗布方法として、上述した印刷法またはディップ法が用いられてもよいし、スプレー法またはバーコート法などが用いられてもよい。エポキシ樹脂と同様、塗布後に乾燥および洗浄を行うことでモノリス構造を得ることが可能である。アクリル樹脂は、分子量を変化させることで細孔径をコントロールすることが可能である。アクリル樹脂の場合も、一般的な電子基板の製造装置で多孔質層104を形成できることはエポキシ樹脂の場合と同様である。
また、封止樹脂106との密着性を高めるための表面処理として、電子基板101に大気およびアルゴンプラズマ処理、深紫外光処理、コロナ放電処理といった物理的処理を行ってもよい。
電子基板101に化学処理としてシランカップリング剤を塗布することでも同様の効果が得られる。例えば、エポキシ樹脂に対して2-(3,4-エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、3-グリシドキシプロピルメチルジトキシシラン、3-グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3-グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、N-2-(アミノエチル)-3-アミノプロピルメチルジメトキシシラン、3-アミノプロピルトリメトキシシラン、3-トリエトキシシリル-N-(1,3-ジメチル-ブチリデン)プロピルアミン、N-フェニル-3-アミノプロピルトリメトキシシラン、N-(ベニルベンジル)-2-アミノエチル-3-アミノプロピルトリメトキシシラン塩酸塩などをプライマーとして用いてもよい。
<B.実施の形態2>
図2は、実施の形態2の応力緩和構造1002を示す断面図である。応力緩和構造1002は、電子基板101、金属パターン102、多孔質層104、電子部品105、および封止樹脂106を備える。
応力緩和構造1002は、応力緩和構造1001と異なり、金属パターン102の角部を覆うレジスト103が存在しない場合を想定している。この場合、電子部品105を封止樹脂106で封止する際に、金属パターン102の角部に応力が集中する。そこで、応力緩和構造1002では、多孔質層104が金属パターン102の角部を覆う。
応力緩和構造1002では、金属パターン102の角部を覆うように多孔質層104が設けられているため、封止樹脂106と金属パターン102との密着性が高まり、金属パターン102からの封止樹脂106の剥離が抑制される。応力緩和構造1002は、金属パターン102に金メッキなど、封止樹脂106の接着性の悪いメッキが施されている場合に特に有効である。
<C.実施の形態3>
図3は、実施の形態3の応力緩和構造1003を示す断面図である。応力緩和構造1003は、多孔質層104の形成箇所のみが実施の形態1の応力緩和構造1001と異なる。
応力緩和構造1003において、多孔質層104は電子基板101の外周部の上面上に設けられる。本明細書において電子基板101の外周部とは、電子基板101の端と金属パターン102との間の部分のことである。
電子基板101において、熱応力はその中心から端部にかけて大きくなるため、熱応力による電子基板101の変形量は端部において最も大きい。そのため、図3に示されるように、多孔質層104が電子基板101の外周部の上面上に設けられることによって、電子基板101と封止樹脂106との密着性が向上し、応力緩和構造1003を備える電気機器の信頼性が向上する。
図3において、多孔質層104は電子基板101の外周部のうち端部よりも内側に設けられている。しかし、図4に示されるように、多孔質層104は電子基板101の端部の上面上に設けられてもよく、同様の効果を奏する。
<D.実施の形態4>
図5は、実施の形態4の応力緩和構造1004を示す断面図である。応力緩和構造1004は、多孔質層104の形成箇所のみが実施の形態3の応力緩和構造1003と異なる。多孔質層104は、応力緩和構造1003において電子基板101の外周部の上面上に設けられるが、応力緩和構造1004においては電子基板101の外周部の表層に設けられる。
電子部品105を大きな電子基板101の金属パターン102上に実装するため、電子部品105をネジ留めや羽目合わせによって電子基板101に物理的に固定したり、フローおよびリフローはんだ付けもしくは作業者によるはんだごてを用いたはんだ付けにより電子基板101に固定することがある。前者の場合では、電子部品105が電子基板101の端に固定されることで、電子基板101に機械的な変形に伴う応力が発生する。後者の場合では、電子部品105内の熱応力差による変形が発生することで電子基板101の端にクラックが発生したり、封止樹脂106が電子基板101から剥離したりすることがある。
応力緩和構造1005では、電子基板101の中でも変形量の大きい外周部の表層に多孔質層104が配置されるため、電子基板101自体が曲がりやすくなる他、電子基板101の外周部と中心部とで曲げ状態を変えることが可能である。従って、電子基板101の外周部においてクラックまたは封止樹脂106の剥離が生じたとしても、電子部品105の実装部または金属パターン102に及ぶ影響を少なくできる。電子基板101の外周部の表層における少なくとも1箇所以上に多孔質層104が設けられることにより、電子基板101の曲げ応力が緩和する。その結果、電子基板101のクラックまたは封止樹脂106の剥離という問題が解消される。
多孔質層104の形成自体は実施の形態1で説明した通りであるが、その前に多孔質層104を形成する穴を電子基板101の表層に形成する。穴は、ドリルまたはレーザーによる切削、もしくはエッチングなどの化学的な処理により形成される。穴の深さは、電子基板101の厚さに応じて可変であり、電子基板101を貫通してもよい。
図5において、多孔質層104は電子基板101の外周部のうち端部よりも内側の表層に設けられている。しかし、図6に示されるように、多孔質層104は電子基板101の端部の表層に設けられてもよく、同様の効果を奏する。
実施の形態1-4では、多孔質層104の様々な形成箇所を説明した。多孔質層104は、上記で説明した箇所の少なくともいずれかに設けられればよい。すなわち、多孔質層104は、金属パターン102の角、金属パターン102の角をレジスト103が覆う場合のレジスト103の角、電子基板101の外周部の表層、および電子基板101の外周部の上面上の少なくともいずれかに設けられる。これに加えて、実施の形態1-4の応力緩和構造1001-1004は、電子基板101と、電子基板101の上面上に形成された金属パターン102と、金属パターン102の上面上に形成された電子部品105と、電子基板101の上面、金属パターン102、および電子部品105を封止する封止樹脂106と、を備える。従って、実施の形態1-4の応力緩和構造101-104によれば、封止樹脂106と、電子基板101、金属パターン102、またはレジスト103との密着性を高めることができる。
<E.実施の形態5>
図7は、実施の形態5の応力緩和構造1005を示す断面図である。応力緩和構造1005は、電子基板101、金属パターン102、レジスト103、多孔質層104、電子部品105、およびキャップ107を備える。応力緩和構造1005において、多孔質層104は電子基板101の外周部の表層の少なくとも一部に設けられる。
応力緩和構造1005は、電子部品105が封止樹脂106ではなくキャップ107によって中空状態で封止される点で実施の形態4の応力緩和構造1004と異なる。キャップ107は電子部品105の用途に応じて金属、セラミック、またはプラスチック製である。キャップ107は、接着剤によって電子基板101の外周部の上面に接着される接着面と、電子基板101に接着された状態で金属パターン102、レジスト103、および電子部品105を収納する内部空間とを備える。
応力緩和構造1005において、多孔質層104は電子基板101の外周部の表層に設けられる。従って、電子基板101の応力が緩和される。多孔質層104の構造および材料は実施の形態1で説明した通りである。なお、多孔質層104に用いられる有機樹脂材料は、キャップ107と電子基板101とを接着する接着剤よりもヤング率が低いものとすることにより、より応力緩和効果が得られる。
また、多孔質層104は、キャップ107が電子基板101に接着された状態で、キャップ107の電子基板101に対する接着面と重なる位置に設けられる。すなわち、キャップ107は電子基板101に接着された状態で多孔質層104に接触する。これにより、キャップ107と電子基板101との接着強度が向上する。
また、多孔質層104により空気の通り道が確保される。電子部品105に用いられる電子基板材料は、通常の保管環境では空気中の水分を吸うことで吸湿する。中空構造のデバイスでは吸湿した電子部品105をそのままはんだ付けを行うと、はんだ付け時の熱によって電子部品105からキャップ107内に水分が蒸発し、キャップ107内の圧力が高まってキャップ107が外れるトラブルが起こり得る。しかし、多孔質層104により空気の通り道が確保されるため、上記のトラブルが抑制される。
図7において、多孔質層104は電子基板101の外周部のうち端部よりも内側の表層に設けられている。しかし、図8に示されるように、多孔質層104は電子基板101の端部の表層に設けられてもよく、同様の効果を奏する。
<F.実施の形態6>
図9は、実施の形態6の応力緩和構造1006を示す断面図である。応力緩和構造1006は、多孔質層104の形成箇所のみが実施の形態5の応力緩和構造1005と異なる。多孔質層104は、応力緩和構造1005では電子基板101の外周部の表層に形成されたが、応力緩和構造1006ではキャップ107の電子基板101に対する接着面に設けられる。すなわち、キャップ107の電子基板101に対する接着面に凹部が設けられ、この凹部に多孔質層104が形成される。キャップ107が電子基板101に接着された状態で、多孔質層104は電子基板101の外周部の上面に接触する。
多孔質層104の形成自体は実施の形態1で説明した通りであるが、その前に型抜きによりキャップ107の接着面に凹部を形成する。
キャップ107に設けられた多孔質層104は応力緩和に寄与しないが、水蒸気を排出することが可能である。そのため、キャップ107内の圧力が高まってキャップ107が外れるトラブルを抑制することができる。また、キャップ107はその材質によっては接着剤との相性が悪く、電子基板101から剥離しやすい場合がある。そのような場合でも、多孔質層104に接着性の良い材料を選択することによって、キャップ107と電子基板101との接着性を高めることができる。
<G.実施の形態7>
図10は、実施の形態10の応力緩和構造1007を示す断面図である。応力緩和構造1007は、実施の形態5の応力緩和構造1005と実施の形態6の応力緩和構造1006とを組み合わせた構造である。すなわち、応力緩和構造1007は、電子基板101とキャップ107との接触領域において、電子基板101とキャップ107の両方に多孔質層104を備える。多孔質層104以外の応力緩和構造1007の構成は、実施の形態5,6の応力緩和構造1005,1006と同様である。
電子基板101に設けられる多孔質層104と、キャップ107に設けられる多孔質層104とで、材料および構造は同一でも異なっていてもよい。
応力緩和構造1007は、電子基板101とキャップ107の両方に多孔質層104を備えるため、いずれか一方にのみ多孔質層104を備える実施の形態5,6の応力緩和構造1005,1006に比べて電子部品105を外気に近い環境に置くことができる。電子部品105に求められる気密性のレベル、または水蒸気によるキャップ107内の圧力の上昇程度に応じて、実施の形態5-7の応力緩和構造1005-1007を選択することにより、適切な製品設計が可能である。
すなわち、実施の形態5-7の応力緩和構造1005-1007を総合すると、応力緩和構造は、電子基板101と、電子基板101の上面上に形成された金属パターン102と、金属パターン102の上面上に形成された電子部品105と、接着剤により電子基板101の上面に接着される接着面を有し、金属パターン102および電子部品105を収納する内部空間を有するキャップ107と、電子基板101とキャップ107とが接着する領域において、電子基板101の表層およびキャップ107の表層の少なくともいずれか一方に設けられた多孔質層104と、を備える。多孔質層104は電子基板101の外周部の表層に設けられるため、電子基板101の応力が緩和される。また、キャップ107は電子基板101に接着された状態で多孔質層104に接触するため、キャップ107と電子基板101との接着強度が向上する。また、多孔質層104により空気の通り道が確保されるため、キャップ107内の圧力が高まってキャップ107が外れるトラブルが抑制される。
<H.実施の形態8>
図11は、実施の形態8の応力緩和構造1008を示す断面図である。応力緩和構造1008は、電子基板101、金属パターン102、レジスト103および多孔質層104を備える。
実施の形態4の応力緩和構造1004と異なり、応力緩和構造1008は電子部品105および封止樹脂106を備えていない。
多孔質層104は、図11においては電子基板101の外周部の表層に形成されているが、電子基板101の外周部の上面上に形成されていてもよい。
すなわち、実施の形態8の応力緩和構造1008は、電子基板101と、電子基板101の上面上に形成された金属パターン102と、電子基板101の外周部の表層および電子基板101の外周部の上面上の少なくともいずれかに設けられる多孔質層104とを備える。
封止樹脂106による封止が行われない電子基板101であっても、電子基板101の外周部に多孔質層104が設けられることによって、金属パターン102上に電子部品を実装する際の熱応力による電子基板101の反りが緩和される。また、ねじ止めまたはカシメなどで電子基板101の外周部が物理的に固定される際に、電子基板101の応力が緩和される。
応力緩和構造1008では、電子基板101の中でも変形量の大きい外周部の表層に多孔質層104が配置されるため、電子基板101自体が曲がりやすくなる他、電子基板101の外周部と中心部とで曲げ状態を変えることが可能である。従って、電子基板101の外周部においてクラックが生じたとしても、電子部品の実装部または金属パターン102に及ぶ影響を少なくできる。電子基板101の外周部の表層における少なくとも1箇所以上に多孔質層104が設けられることにより、電子基板101の曲げ応力が緩和する。その結果、電子基板101のクラックが抑制される。
電子基板101の外周部の表層に多孔質層104を形成する方法は、実施の形態1,4で説明した通りである。
なお、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。上記の説明は、すべての態様において、例示である。例示されていない無数の変形例が想定され得るものと解される。
101 電子基板、102 金属パターン、103 レジスト、104 多孔質層、105 電子部品、106 封止樹脂、107 キャップ、1001-1008 応力緩和構造。

Claims (5)

  1. 電子基板と、
    前記電子基板の上面上に形成された金属パターンと、
    前記金属パターンの上面上に形成された電子部品と、
    前記金属パターンの角、前記金属パターンの角をレジストが覆う場合の前記レジストの角、前記電子基板の外周部の表層、および前記電子基板の外周部の上面上の少なくともいずれかに設けられる多孔質層と、
    前記電子基板の上面、前記金属パターン、および前記電子部品を封止し、一部が前記多孔質層の細孔に入り込んだ封止樹脂と、を備え、
    前記多孔質層は、エポキシ化合物またはアクリル化合物からなる樹脂材料を含む、
    応力緩和構造。
  2. 電子基板と、
    前記電子基板の上面上に形成された金属パターンと、
    前記金属パターンの上面上に形成された電子部品と、
    前記金属パターンの角、前記金属パターンの角をレジストが覆う場合の前記レジストの角、前記電子基板の外周部の表層、および前記電子基板の外周部の上面上の少なくともいずれかに設けられる多孔質層と、
    前記電子基板の上面、前記金属パターン、および前記電子部品を封止する封止樹脂と、を備え、
    前記多孔質層は、前記封止樹脂よりもヤング率が低い樹脂材料を含む、
    応力緩和構造。
  3. 電子基板と、
    前記電子基板の上面上に形成された金属パターンと、
    前記金属パターンの上面上に形成された電子部品と、
    接着剤により前記電子基板の上面に接着される接着面を有し、前記金属パターンおよび前記電子部品を収納する内部空間を有するキャップと、
    前記電子基板と前記キャップとが接着する領域において、前記電子基板の表層および前記キャップの表層の少なくともいずれか一方に設けられた多孔質層と、を備え、
    前記多孔質層は、前記接着剤よりもヤング率が低い樹脂材料を含む、
    応力緩和構造。
  4. 前記多孔質層は、エポキシ化合物またはアクリル化合物からなる樹脂材料を含む、
    請求項3に記載の応力緩和構造。
  5. 電子基板の上面上に、エポキシ化合物またはアクリル化合物からなる樹脂材料、硬化剤および孔形成材を含む混合物を塗布する工程と、
    前記混合物を熱硬化した後、洗浄を行って前記孔形成材を除去することにより前記樹脂材料を含む多孔質層を形成する工程と、
    前記多孔質層上に封止樹脂を形成し、前記多孔質層の細孔に前記封止樹脂を入り込ませる工程と、を備えた、
    応力緩和構造の製造方法。
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