JPH02278788A - 半導体素子搭載プリント配線基板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野］ 本発明は１表面実装タイプの半導体素子搭載プリント配
線基板に関する。

〔従来技術］ プリント配線基板の実装方法としては、大別して挿入実
装方法と表面実装方法とがある。

そして、実装方法は、高密度及び多機能化をめざしてお
り、また上記挿入実装方法から表面実装方法へと移行し
つつある。かかる該表面実装方法は、バンケジング素子
による実装方法からペアチツブの直接実装方法へと移行
しつつある。

そして、上記ペアチップの実装方法において。

接続部は単位面積当りの電極数の増大により。

層ファイン化の傾向にある。そのため、かかる実装方法
の接続部は、厳しい環境温度変化による熱応力の集中を
受け、半田接合部の歪量が増大して痩労破壊を生ずる。

そのため、後述の寿命試験回数が例えば７００回以下と
なり、上記接続部の信頼性の低下が問題となっている。

かかる問題点に鑑み１例えば特開昭６１−２０８８８９
号公報によれば、第１０図に示すごとく。

金属基体９の上に熱放散用の絶縁性樹脂層８を形成し、
その上に導体回路部７を形成する提案が開示されている
。

一方２例えば特開昭６１−２９５６９２号公報によれば
、上記金属基体９として、インバー板と銅箔とからなる
高熱伝導性と低熱膨張係数の金属板を用いる提案が開示
されている。

しかして、上記問題点を解決するには２次の手段を採用
することが有効であることが知られる。

即ち、チップ素子と基板とは、その相互間の熱膨張係数
を可及的に等しくシ、また両者の熱膨張係数の差による
剪断応力を小さくする。そのためには、上記基板９の熱
膨張係数を可及的に小さくし、またチップ素子又は導体
回路部７と略等しい熱膨張係数にする必要がある。また
、基板９と導体回路部７との間には、熱放散性に優れた
樹脂絶縁層８を設け、基板９と導体回路部７とに蓄熱す
ることを回避する必要がある。

（解決しようとする諜Ｒ） しかしながら、上記従来技術には２次のような問題点が
ある。

即ち、°上記基板９の熱膨張係数を小さくするために、
上記銅張インバー板の片面のみに絶縁層８及び導体回路
部７を形成しても基板９には反りが生じ易い。

また、かかる複合基板においては、環境の変化によって
絶縁層８の厚さが適正でないと基板の反りが生じ易くな
り、そのため接続部の垂直応力が増大する。したがって
、接合部における信頼性は十分でない。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので
、接合部の歪量を低減し、チップ素子と基板との半田接
合における高信顛性を有する半導体素子搭載プリント配
線基板を提供しようとするものである。

〔課題の解決手段〕

本発明は、低熱膨張係数の基板と、該基板の両面に形成
した緩衝層と、該緩衝層の表面に形成した導体回路部と
よりなるプリント配線基板であって、上記導体回路部に
は半田バンプ電極が形成されたフリップチップ素子を半
田接合により搭載し。

また上記基板及び緩衝層は下記の式により決定される材
料よりなることを特徴とする半導体素子搭載プリント配
線基板にある。

ｔ　ｂ　／　Ｅ　ｂ　＞ ここで５ ｔｂ　：緩衝層の厚さ。

巳ｄｏ！ｌ衝層のヤング率 Δα：チップ素子と基板の熱膨張係数差。

ｄ：基板のそり挙動等によって決まる定数　　（３，０
ＸＩＯ−３騰）５ し、二半田の高さ Ｅｓ：半田のヤング率。

ｌ：チップ素子のサイズ （最外バンプ間距離／２） ただし、Ｌｂは、放熱性、成形性等を考慮し０．１５ｍ
＋＋＋以下とし、またＥｂはＣｕ箔密着力を考慮し２０
０ｋｇ／■２以上とする。

本発明において、上記低熱膨張係数の基板としては、下
記の複合材料等がある０例えば、アラミド繊維（ケプラ
ー繊維、エコール繊維等）、クォーツ繊維、カーボン繊
維、セラミック繊維（ＳｉＣ，Ｓｉｎ、、Ｓｔ、Ｎａ、
Ａ１．Ｏｚ、ＡＮＮ。

ＴｉＣ，Ｔｉ０ｇ　、ＴｉＮ、Ｚｒ０ｚ　、ボロンサイ
アロン等の単体又は複合繊維）等の低熱膨張係数の繊維
と９合成樹脂（エポキシ、ポリイミド。

ポリエステル、フェノール、フッ素、ボリプタジエン等
の各種樹脂）との複合材料である。また上記基板として
は、インバー、銅張インバー、４２７０イ等の鉄−ニッ
ケル合金、モリブデン、ポリシリコン、コバール等があ
る。

また、上記緩衝層は、上記基板の表面及び裏面にバラン
スよく形成する。該緩衝層は、環境温度の変化によって
１例えば半田接合部に加わる熱応力を後述のショックア
ブソーバ−のごとき原理により吸収し除去するためのも
のである。なお、かかる熱応力としては、前記フリップ
チップ素子と基板との熱膨張係数の差によって主として
生ずる剪断応力と、基板の反り挙動によって生ずる垂直
応力とがある。

また、上記緩衝層としては、ポリオレフィン系。

エポキシ系、ポリイミド系、フェノール系、ポリエステ
ル系、ポリブタジェン系、フッ素系、ポリサルフォン、
ポリエーテルサルフオン、ポリエーテルイミド、ポリフ
ェニレンサルファイド、ポリアリルサルフォン、ポリブ
チレンテレフタレートポリエチレンテレフタレート　ポ
リプロピレン。

ポリメチルメタクリレート　ポリカーボネート。

ボリアリレート、ポリアミドイミド、ポリエーテルエー
テルケトン等の熱可塑性樹脂等の耐熱性高分子材料があ
る。

また、上記導体回路部は、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、ニ
ッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）等により形成し、その厚さ
は１８〜３５μｍにすることが好ましい。また１該導体
回路部は、印刷法、エツチング法、メツキ法（無電解メ
ツキ、！気メツキ）等により形成する。また、上記フリ
ップチップ素子は１代表的な表面実装素子である。

また１本発明においては、基板は、熱膨張係数がＯ〜３
０．０ＸＩＯ−７°Ｃ２特に２．０ｘｌＯ＆〜４．０Ｘ
１０−／”Ｃであることが好ましい。

また、上記の緩衝層は、ヤング率が１６００ｋｇ／　ｒ
ｍ　”以下、特に２００〜５００ｋｇ／ｍｍ’であるこ
とが好ましい、なお、該ヤング率は、−６５°Ｃ〜１２
５°Ｃの範囲において、前記計算式（１）を常に満足す
るものである。

また、上記緩衝層の厚さは、０．０２〜０．１５酎、特
に０．０５〜０．１５ｍ５であることが好ましい。

上記緩衝層の厚さ、ヤング率、基板とチップ素子の熱膨
張係数差、基板の反り量等に関連する材料は、上記計算
式（１）により決定される。

（作用及び効果） 本発明にかかるプリント配線基板においては。

基板は低熱膨張係数の材料よりなる。そのため。

基板の熱膨張係数は上記導体回路部、チップ素子等の熱
膨張係数に近似したものとなる。したがって、該基板と
チップ素子との熱膨張係数差による剪断応力は生じ難く
なる。

また１本プリント配線基板においては、上記基板と導体
回路部との間に一定の厚さの緩衝層を形成している。そ
のため、主として該基板の反りによって生ずる垂直応力
をショックアブソーバ−のごとき原理により吸収し除去
することができる。

上記に関してもう少し具体的に説明すれば、上記緩衝層
の材料は１例えばヤング率が５ｏＯｋｇ／ｆｆ１１”以
下であることにより、緩衝層自体に上記応力による弾性
変形が生ずる。その作用により、上記ショックアブソー
バ−のごとき原理により、たとえ基板に反りが生じても
上記緩衝層が基板と導体回路部の間で、あたかもスプリ
ングバネのごとき働きをする。そのため、基板の反りに
よって生じた垂直応力は、上記緩衝層によって吸収され
て接続部等において生した熱応力は緩和される（第４図
参照）。また、上記緩衝層は低ヤング率のため弾性変形
による緩衝層自体の発生応力は小さく。

その反力として加わる半田への応力は小さい。

なお、該緩衝層は、基板のそりをなるべく小さくするた
め、上記基板の両面にバランスよく均一の厚さで形成す
る必要がある。

したがって１本発明によれば、接合部の歪量を低減し、
チップ素子と基板との半田接合部の信頼性が高い１表面
実装タイプの半導体素子搭載プリント配線基板を提供す
ることができる。

〔実施例〕

第１実施例 本例にかかるプリント配線基板につき、第１図〜第５図
を用いて説明する。

即ち、本例のプリント配線基板は、第１図に示すごとく
、低熱膨張係数の基板１と、該基板１の表面及び裏面の
両面に形成した緩衝層２と、該緩衝層２の表面に形成し
た導体回路部３とよりなる。

また、上記導体回路部３には、第２図に示すごとく、半
田バンプ電極が形成されたフリップチップ素子５を半田
接続部６を介して搭載する。

上記基板１は、銅張インバー又はケブラー繊維により強
化した複合基板を用いる。上記銅張インバーとしては、
インバー板の表面及び裏面に銅板を張り合わせたクラン
ド材を使用する。インバー板の熱膨張係数は、０．２Ｘ
ＩＯ−×０．５〜ＩＯ−’／’Ｃ，また銅の熱膨張係数
は１７．０ＸＩＯｈ　／　’ｃ程度である。そのため、
銅インバーとしては、熱膨張係数を０．２Ｘ１０−”−
１７，０ＸＩＯ〜６／゛Ｃの範囲で自由に制限すること
ができる。

しかして１本例で使用する銅張インバーを芯材とした基
板の熱膨張係数は、第３図に示すごとく。

緩衝層２の厚さｔ、が１例えば１００μｍであるときは
、緩衝層のヤング率は約ｓｏＯｋｇ／−２以下が適正値
であると考えられる。

上記ケブラー繊維とは、アラミド繊維の別名で。

芳香族ポリアミド繊維ともいい、この繊維は、優れた比
強度に加えて、低延伸性（低熱膨張係数）。

耐腐食性、屈曲性等の特性を有する。

上記緩衝層２は、後述の第１表に示すごとくポリオレフ
ィン、変性エポキシ、変性フェノールフッ素等の各種樹
脂よりなる。また、緩衝層２は厚さはいずれも約１００
μｍとし、熱圧プレス成形法により形成する。ここで、
ｕｉ衝面層２ヤング率は、いずれも５００ｋｇ／瞳２以
下の材料を使用する。

上記導体回路部３は、銅箔よりなり、厚さは１８〜３５
μｍである。また、該上記基板１の表裏面に緩衝層２を
形成した銅張積層板の表面には。

フォトレジスト法、印刷法によりエツチングレジストを
形成し、その後エツチングにより導体回路部を形成する
。

なお、上記フリップチップ素子は、約５ａｍ角の大きさ
を存し、半田バンプを極が形成されている。

本例のプリント配線基板は、上記のごとく構成されてい
るので８次の作用効果を有する。

即ち、基板１は低熱膨張係数の銅張インバーよりなる。

そのため３基板１の熱膨張係数は上記導体回路部３．上
記フリップチップ素子５の熱膨張係数に近似したものと
なる。

また、上記基板１と導体回路部３との間には。

例えば約１０（ＩＩＩｍ厚さのＵｉ衝Ｎ２を形成してい
る。そのため、該基板ｌの反りの挙動によって生ずる垂
直応力を５第４図に示すシゴックアプソバーのごとき原
理により吸収し除去することができる。

即ち、第４図は、左方に従来の、右方に本発明の状態を
している。同図より知られるごとく、左方において上記
緩衝層２を設けてない基Ｆｉ１においては、基板１に反
りが発生した場合、チップ素子５は半田接合部６と共に
基板ｌに引っ張られ半田接合部の発生応力が大きくなる
。これに対して５右方に示す本発明においては、緩衝層
２を設けているので、該緩衝層２があたかもスプリング
バネのごとき働きをする。この作用により、緩衝層２の
材料のヤング率が１例えば５００　ｋｇ／ｍ”以下であ
る場合、上記応力に対し緩衝層の弾性変形により半田接
合部に加わる歪を吸収する（第５図参照）。そのため、
たとえ基＃ｙｉ１に反りが生じても、その反りによって
生じた垂直応力は緩衝層２によって吸収されて、半田接
合部６等に生じた熱応力は緩和される。

更に加えて、緩衝層２は、上記基Ｆｉ１の表面及び裏面
にバランスよく均一の厚さで形成されているため、基ｖ
ｉ１に反りが生じにくくなる。

したがって１本例によれば、後述の寿命回数試験におい
て１例えば１２００回以上の目標寿命を有する。信幀性
の高い１表面実装タイプの半導体素子搭載プリント配線
基板を得ることができる。

第２実施例 本例のプリント配線基板につき、第６図を用いて説明す
る。

即ち１本例のプリント配線基板は、上記第】実施例にお
けるプリント配線基板に代えて２両面多層構造のプリン
ト配線基板としたものである。その他の構成は、上記第
１実施例と同様とした。つまり２本例のプリント配線基
板は、緩衝層２１の表面及び内部に多層の導体回路部３
１を有し、また表面と裏面の導体回路部３１を導通する
スルーホール４を有する。

しかして９本例のプリント配線基板は、上記第１実施例
におけるプリント配線基板と同様に、基板１１と導体回
路部３１との間に緩衝層２１を有する。そのため、プリ
ント配線基板上にフリップチップ素子を半田接合しても
、緩衝層２１の作用により半田接合部に発生する応力は
小さく、高い接続信頼性が得られる。

したがって２本例によれば、上記第１実施例と同様の効
果を得ることができる。

第３実施例 本例にかかるプリント配線基板の性能試験につき、前記
第１図〜第３図を用いて説明する。

即ち１本例は、基板１及び緩衝層２につき、各種の材料
を用いてプリント配線基板を作成し、このプリント配線
基板につき、基板１の熱膨張係数。

緩衝層２のヤング率及び厚さ、フリップチップ素子５を
半田接合した後の寿命回数を測定するものである。

まず、寿命回数試験は、第２図に示すごと（導体回路部
３０表面にフリップチップ素子５を半田接合６により搭
載したサンプルについて行なう。

即ち、該サンプルにつき、下記の気相冷熱試験を繰り返
し行なうものである。

この試験は、サンプルを一６５°Ｃ下で３０分間放置し
５その後１２５°Ｃ下で３０分間放置することを繰り返
して行なうものである。そして、上記半田接合６が電気
的に導通不良状態１例えば基板１等の膨張収縮、半田接
合６の熱歪等により該半田接合６が断線状態となった時
を終点とし、その時点におけるサイクル数を寿命回数と
する。なお第１表における平均寿命とは、ワイブル解析
により求めたもので、全体の５０％が故障してしまう寿
命を意味する。

また、ヤング率の測定方法は、上記緩衝層２の中央部（
標線開路Ｎ）を所定形状に調整したものにつき恒温槽付
オートグラフマイクロメータ（サンプル形状測定Ｊ！ｓ
）及び歪計（歪ゲージによる測定機）を用いて行なう。

また、前処理として、２４時間状Ｂ調節を行なう、そし
て、上記試験機により、−６５°Ｃ２常温、８０°Ｃ，
１２５”Ｃの各温度下で引張速度５閣／ｍｉｎで行なう
。また、サンプル数は、ｎ−４につき上記各温度条件毎
に計１６点つき試験を行った。

なお、この試験において、ポアソン比、降伏点。

破壊強度についても同時に測定した。このうち上記緩衝
層２のヤング率及びフリップチップ素子５を搭載したプ
リント配線基板の寿命回数（平均寿命）についての試験
結果は、下記第１表〜第３表の通りである。

なお、第１表及び第２表は５本発明の試験結果であり、
また第３表は比較例の試験結果である。

また１表中の最適範囲とは、基板の熱膨張係数。

緩衝層のヤング率及び厚さのうち、いずれかの特性値が
範囲外であっても、目標寿命サイクル回数が１２００回
以上のものを得ることができる範囲をいう、また０表中
評価の○は合格、Δは準合格。

×は不合格を示す。

上記の試験結果より知られるごとく５本発明において、
基板材料の熱膨張係数の適正値は、１゜ｏｘｔｏ−’〜
５．　０　×１０−’／’Ｃ，最適値は２゜０１０−ｂ
〜４．　　ＯＸ　１０−６／’Ｃ，緩衝層２の材料のヤ
ング率は適正値は１０００　ｋｇ／ｒｒｒｒａ”以下、
最適値は５００ｋｇ／ｗａ”以下、緩衝層２の厚さは１
００μｍ前後１例えば５０〜１５０μｍである。

したがって２本例によれば、この条件を満たす材料を使
用することにより、寿命試験におけるサイクル回数が１
例えば１２００回以上のプリント配線基板を提供するこ
とができる。

第４実施例 本例にかかるプリント配線基板の各種測定結果につき、
第１図、第２図及び第７図〜第９図を用いて説明する。

即ち２本例は、基板１の熱膨張係数５緩衝Ｎ２のヤング
率及び厚さの適正範囲につき、他の条件を変えて各種の
試験品を作成し、上記第３実施例と同様の測定方法によ
り、熱膨張係数、ヤング率及び厚さを測定するものであ
る。

まず、基板１の材料の熱膨張係数の適正範囲については
、第２図に示すごとき試験品に５間角のチップ素子５を
搭載したものを、第４表に示す条件下で２種作成し試験
に供した。なお、チップ素子５の搭載に際しては、すべ
て半田接合により行った。そして、その試験結果は、第
７図のグラフ及び第４表に示す通りであった。

また、緩衝層２のヤング率の適正範囲、Ｉ面層２の厚さ
の適正範囲についても、上記と同様に試験に供した。そ
して、その試験結果は、第８図及び第９図のグラフ、及
び第４表に示すとおりであった。

上記第７図及び第４表より知られるごとく、基板１材料
の熱膨張係数の適正範囲は、０〜３０゜ＯＸ　１０−”
／’Ｃ，最適範囲は２．０Ｘ１０−’〜４″。

ＯＸ　１０−”／”Ｃである。ここで、最適範囲とは上
記緩衝層２のヤング率及び厚さが適正範囲外であっても
、目標寿命サイクル回数が１２００回以上のものを得る
ことができる範囲をいう。

また、第８図及び第４表より知られるごとく。

緩衝層２のヤング率の適正範囲は、２００〜１６００ｋ
ｇ／ＩＩＩＩｌ、Ｎ＆適範囲は２００〜５００　ｋｇｌ
ｏｎ”である。なお、下限値は、導体回路部３の銅の密
着によって制約されたものと考えられる。

また、第９図及び第４表より知られるごとく。

緩衝層２の厚さの適正範囲は、０．０２〜０．　１５ａ
ｍ、最適範囲は０．０５〜０．１５ｍｍである。

以上のごとく１本発明にかかるプリント配線基板におい
ては、基板ｌの熱膨張係数はＯ〜３０゜ＯＸ　１０−’
／”Ｃ，緩衝層２のヤング率は２００〜１６００　ｋｇ
／ｍｍ”　、緩衝層２の厚さは０．０２〜０．１５ｍｍ
がそれぞれの適正範囲となる。これは。

上記（１）式を満たすものである。

したがって２本発明によれば、上記（１）式を満足する
各材料を使用することにより、目標寿命のサイクル回数
が１２００回以上の半導体素子搭載プリント配線基板を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第５図は第１実施例を示し、第１図はプリント
配線基板の断面図、第２図はフリップチップ素子搭載の
プリント配線基板の一部断面図。 第３図は緩衝層の厚さとヤング率との関係を示すグラフ
、第４図は従来品と本発明品における垂直応力吸収の説
明図、第５図は緩衝層のヤング率と半田接合部の厚さと
の関係を示す説明図、第６図は第２実施例にかかるプリ
ント配線基板の断面図。 第７図〜第９図は第４実施例を示し、第７図は寿命サイ
クル回数と基板の熱膨張係数との関係を示すグラフ、第
８図は寿命サイクル回数と緩衝層のヤング率との関係を
示すグラフ、第９図は寿命サイクル回数と緩衝層の厚さ
との関係を示すグラフ。 第１０図は従来のプリント配線基板の断面図である。 出 代 基板 緩衝層。 導体回路部。 スルーホール。 フリップチップ素子。 半田接合部 願人 日　　本 埋入

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　低熱膨張係数の基板と，該基板の両面に形成した緩衝
   層と，該緩衝層の表面に形成した導体回路部とよりなる
   プリント配線基板であって， 上記導体回路部には半田バンプ電極が形成されたフリッ
   プチップ素子を半田接合により搭載し，また上記基板及
   び緩衝層は下記の計算式（１）により決定される材料よ
   りなることを特徴とする半導体素子搭載プリント配線基
   板。 ▲数式、化学式、表等があります▼・・（１） ここで， ｔ＿ｂ：緩衝層の厚さ， Ｅｄ：緩衝層のヤング率， Δα：チップ素子と基板の熱膨張係数差， ｄ：基板のそり挙動等によって決まる定 数（３．０×１０＾−＾３ｍｍ）， ｔ＿ｓ：半田の高さ， Ｅｓ：半田のヤング率， ｊ：チップ素子のサイズ （最外バンプ間距離／２） ただし，ｔ＿ｂは，放熱性，成形性等を考慮し，０．１
   ５ｍｍ以下とし，またＥｂはＣｕ箔密着力を考慮し２０
   ０ｋｇ／ｍｍ＾２以上とする。