JPH1056102A - ボール・グリッド・アレイ・モジュール用プリント回路板 - Google Patents

ボール・グリッド・アレイ・モジュール用プリント回路板

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JPH1056102A
JPH1056102A JP9130646A JP13064697A JPH1056102A JP H1056102 A JPH1056102 A JP H1056102A JP 9130646 A JP9130646 A JP 9130646A JP 13064697 A JP13064697 A JP 13064697A JP H1056102 A JPH1056102 A JP H1056102A
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pads
grid array
ball grid
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フランチェスコ・ガルベッリ
Otsujiino Futefuaano
フテファーノ・オッジーノ
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 最終パッケージに対する反り効果を補正でき
るプラスチック・ボール・グリッド・アレイ電子パッケ
ージを提供すること。 【解決手段】 ボール・グリッド・アレイ電子モジュー
ルの製造に用いるプリント回路板（ＰＣＢ）は、表面に
はんだ合金の複数のほぼ球形の部分に接続可能な複数の
導電性金属パッド５０１、５０３を有し、パッド５０１
と５０３は異なる表面積を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、プリント回路板
（ＰＣＢ）に関し、より詳細にはボール・グリッド・ア
レイ（ＢＧＡ）電子モジュールの製造に用いるＰＣＢに
関する。
【０００２】
【従来の技術】最近の技術開発により、シングル・チッ
プ・モジュール（ＳＣＭ）タイプまたはマルチ・チップ
・モジュール（ＭＣＭ）タイプの電子モジュール製造用
の基板として、有機プリント回路板（ＰＣＢ）積層板の
使用が導入された。このモジュールは、電子回路（マザ
ー・ボード、バック・プレーン、アプリケーション・ボ
ード等）との電気接続用の複数の導電性パッドを備え
る。はんだ合金の小さな球形部分によって電気接続が得
られ、このことからこの種の電子モジュールはボール・
グリッド・アレイ（ＢＧＡ）と名付けられている。これ
らのモジュールは通常、プラスチック・ボール・グリッ
ド・アレイと呼ばれる。「プラスチック」との定義は、
セラミック製基板とは違ってＰＣＢが可とう性であるこ
とを示している。
【０００３】図１は、ＳＣＭタイプのＢＧＡモジュール
の断面の例である。積層板１０１の下側の面には複数の
導電性パッド１０３があり、各パッドははんだボール１
０５を備え、それが電子回路に接触してリフローされ、
それによって電気接続が実現される。モジュールの上側
の面には、能動素子を保護する成形（モールドされた）
キャップ１０９で覆われた能動素子１０７がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】プラスチックＢＧＡ技
術には、信頼性、堅牢性、製造コストなどの点で、ピン
・グリッド・アレイなど従来の技術と比べていくつかの
利点がある。しかしながら、依然として解決すべき問題
もある。プラスチックＢＧＡモジュールの欠点はいわゆ
るパッケージの反りであり、これについては３月３日に
米国カリフォルニア州サンノゼで開催されたIPC Printe
d Circuit Expoおよび第３９回年次総会の「Packaging
for the 90s: an Overview」と題する会合で討議されて
いる（「Circuit World Journal of the Institute of
Circuit technology」および「Technical Journal of t
he Printed Circuit and Interconnection Federation,
Volume 22 No. 3, 1996」に報告されている）。
【０００５】この反りは主として、製造の際にプラスチ
ックＢＧＡモジュールに使用される様々の材料の間の熱
膨張係数（ＣＴＥ）の相違によるものである。これらの
材料依存性ＣＴＥは、組立てからアプリケーション・ボ
ードへのモジュールの実装に至るまでの様々な工程段階
でモジュールの挙動に影響を与える。
【０００６】プラスチックＢＧＡモジュールに用いられ
る材料は、有機複合材（中程度ないし高いＣＴＥを持つ
積層板）からシリコン（低いＣＴＥを持つ能動素子）ま
でに及び、樹脂（すべて高いＣＴＥを持つエポキシ、ア
クリル、ウレタンなど）が広範に使用される。
【０００７】ＢＧＡモジュールの製造工程では、能動シ
リコン素子を積層基板に実装した後に最終キャップ・カ
バー１０９がモジュール上に置かれる（図１）。このカ
バーは、能動素子１０７を外部環境から保護し、モジュ
ールの移動および位置決め用の高速「ピック・アンド・
プレイス」装置に適した表面を提供するのに必要であ
る。現在、ブロブ・トップ（Blob Top）（グロブ・トッ
プ-Glob Topとも呼ばれる）法と被覆成形（overmoldin
g）法という２つの方法が一般に用いられている。ブロ
ブ・トップ法では、通常９０℃未満の比較的低温で液状
樹脂を供給する。被覆成形法では、通常約１８０℃の高
温で圧力によって型内に樹脂を射出する。
【０００８】いずれにしても樹脂供給温度は利用温度よ
り高く、どちらの方法でも重合の後に体積が減少する材
料が用いられる。これは、温度低下によって樹脂の収縮
が生じることを意味する。考慮すべきもう一つの側面
は、供給または射出される材料がモジュールの片側にの
み存在することである。
【０００９】上記の理由により、樹脂の収縮によって、
加工温度から室温に冷却したときにモジュール内に生じ
る張力が決定される。組立工程の終了時にモジュールは
変形を示し、積層板の４つのコーナが中央に対して持ち
上がる。これが上述のパッケージの反りであり、図２に
示したようにモジュールのボールの共面性に影響を与え
る。この「４つのコーナが持ち上がった」形状は、基板
積層板に接着またははんだ付けされる領域で補剛材の役
割をするシリコン素子の存在によって決定される。一
方、積層板は、シリコン素子が存在しない場所ではより
可とう性が高いため、樹脂の収縮によって誘発される力
に屈する。
【００１０】この反りは、パッケージをアプリケーショ
ン・ボードにはんだ付けするためのリフロー工程の間、
あるいはモジュールの使用寿命の間に重大な問題を引き
起こす可能性がある。すべてのボールを適切な接点では
んだ付けしたとしても、外側のボールがその立体形状に
影響しうる力を受けることは明らかである。接点の１つ
が開いたままである場合、これは通常、プラスチックＢ
ＧＡパッケージが不良となり工程をやり直す必要がある
ことを意味する。手作業による再加工は（不可能ではな
いにしても）極めて難しく、手作業で再加工したボール
接合部の信頼性が低いことが判明している。
【００１１】元の樹脂供給／射出温度に達するか、ある
いはそれを越える熱サイクルにモジュールを曝すと、反
りは減少する傾向にあり理論上は消失する。
【００１２】図３に、アプリケーション基板へのモジュ
ール（図１に示したようなＳＣＭタイプのもの）の取付
けに関する可能なリフロー・プロファイルと温度に関連
するモジュール挙動の例を示す。リフローの際、はんだ
合金ボールがつぶれて高さが低くなると同時に、モジュ
ールは上述の反りを失う傾向がある。これは、樹脂キャ
ップ（高いＣＴＥを持つ）の体積が温度の上昇に伴って
実質的に増大するためである。こうした状態では、ボー
ルをアプリケーション基板（図３.ｂ）上の接点に接合
することができる。温度が再び低下すると、樹脂の収縮
（およびそれによる反り）によりモジュールの辺縁部に
上向きの力が発生し、外側のはんだボールが完全に再凝
固する前に変形する傾向がある。したがって、ボールの
破損が全くないという最良の場合を想定しても、モジュ
ール上の位置に応じて異なる接合形状が得られる。図４
の断面に、ＳＣＭモジュールの場合のこれらの異なる形
状を概略的に示す。はんだボールは結果として、シリコ
ン素子が取り付けられる中央の領域では低く太くなり、
モジュールの縁部に向かうに従って高くなり円形が損な
われる。したがって、はんだボールは、常温でまたは製
品寿命時間での電力オン／オフのサイクルの間に受ける
応力比が異なる。
【００１３】上記の理由により、電子パッケージの反り
は切実であり周知の問題である。国際的な専門機関であ
るＪＥＤＥＣ（合同電子デバイス・エンジニアリング評
議会）では、最終パッケージへの反り効果の悪影響を抑
えるために、プラスチックＢＧＡモジュールの中央部に
対する縁部の共面度の最大値δを１５０μｍとしてい
る。この値は、モジュールのサイズとは関係ないことを
考慮すると極めて厳しく、既知の製造技術ではその遵守
を保証することはできない。
【００１４】本発明の目的は、上記の欠点を克服する技
法を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、ボール
・グリッド・アレイ電子モジュールの製造に用いるプリ
ント回路板（ＰＣＢ）であって、第１の面上にはんだ合
金の複数のほぼ球形の部分に接続可能な複数の導電性金
属パッドを有し、前記パッドが異なる表面積を有するこ
とを特徴とするＰＣＢが提供される。
【００１６】さらに、本発明によれば、ＰＣＢを備える
プラスチック・ボール・グリッド・アレイ・モジュール
であって、第１の面にはんだ合金の複数のほぼ球形の部
分に接続可能な複数の導電性金属パッドを有し、前記パ
ッドが異なる表面積を有し、かつ第２の面に少なくとも
１つの電子素子を有するプラスチック・ボール・グリッ
ド・アレイ・モジュールが提供される。
【００１７】本発明の上記その他の利点は、添付の図を
参照すればよりよく理解されよう。
【００１８】
【発明の実施の形態】プラスチックＢＧＡモジュールは
本質的に、モジュール・ボールとアプリケーション基板
の表面との間に接合部を形成するためにはんだペースト
を添加するかどうかにかかわらず、２工程で組み立てる
ことができる。どちらの場合も、モジュールの「４つの
コーナが持ち上がった」形状によって、組立作業の最終
結果への厳しい歩留まり効果が決定される可能性があ
る。
【００１９】はんだペーストの添加を伴う組立工程の場
合、共晶はんだペースト（通常はスズ−鉛合金）をスク
リーン印刷によって塗布面に供給する。次いで、ＢＧＡ
モジュールを通常、「ピック・アンド・プレイス」機構
によってスクリーン印刷されたペースト上に載せる。ス
クリーン印刷されたペーストの量および厚さを変化させ
てモジュールの反りを補正することができるが、この手
法はボールの共面性の偏差が少ない場合にのみ有効であ
る。また、１つのアプリケーション・ボード上にそれぞ
れ異なる必要性を有する異なる構成要素が実装される可
能性があり、これらすべての必要性が与えられたとして
はんだペーストの量はそれらの折り合いをつけなければ
ならないことに留意されたい。
【００２０】はんだペーストを使わない組立工程の場
合、ＢＧＡモジュールはアプリケーション・ボードの金
属パッドに直接載せられ、中央のボールのみが直接接触
する。外側のボールは、上述の反りにより離れる。先に
述べたリフローの後のはんだボールの変形よりいっそう
悪い別の危険性、すなわちモジュールが片側に「傾斜」
して反対側の接点が完全に離れる可能性がある。
【００２１】本発明によれば、モジュールの下側の面に
ある、はんだボールを取り付ける金属パッドは、モジュ
ール上でのその位置に応じて差別化された幾何形状を有
する。
【００２２】好ましい実施形態では、金属パッドは２つ
の異なる寸法を有する。パッドに対応するシリコン素子
の有無を、「ゲーティング要因」として使用することが
好ましい。ＳＣＭタイプ（すなわち、通常は中央に１つ
のシリコン・チップのみを有する）のモジュールを考え
た場合、金属パッドは中央の面積がより広くモジュール
の縁部付近の面積がより狭いことになる。
【００２３】この差別化された幾何形状により、モジュ
ールの自然変形が打ち消され、パッケージの反りの効果
が平均される。
【００２４】図５は、基準面に対するプラスチックＢＧ
Ａモジュールの断面図であり、金属パッドの差別化され
た幾何形状の例とそれによってモジュールに与えられる
低減された反り効果を示す。中央の４つのパッド５０１
は、縁部近傍のパッド５０３より面積が広い。
【００２５】はんだボールを金属パッドに取り付けると
き、濡らすべき接触面積がより広い中央のボールがパッ
ド全体に分散することになり、その結果最終的なボール
の高さが低くなる。これにより、反りの影響のために基
準面から離れていた外側のパッドが、共面度の値δを小
さくし反りの悪影響を打ち消すことができる。
【００２６】この差別化された幾何形状によって達成さ
れる追加の効果は、モジュールをアプリケーション・ボ
ード上でリフローするときに、広くなったパッド（この
例では中央のもの）との接合部が、はんだ付け面積が広
くなったために堅牢性の向上を示すことである。
【００２７】図６は、プラスチックＢＧＡモジュール上
での２つの異なる大きさのパッドの配置例である。これ
は底面図を示しており、ここでは４×４個の中央のパッ
ドは外側のパッドより面積が広い。これは、この例がＳ
ＣＭタイプ（すなわち、１つの能動シリコン素子のみを
持つ）のプラスチックＢＧＡモジュールを参照している
ためである。当然のことながら、別の種類の電子モジュ
ールではパッドは異なる配置をとることができる。好ま
しい実施形態では、パッドは円形であり、中央のパッド
の面積は他のパッドより２５％広い。
【００２８】当然のことながら、特定のモジュールの必
要性により適した他の配置、形状、および比率が可能で
ある（たとえば、３種以上の異なるパッド寸法）。ただ
し、この単に大きさを２倍にしたパッドを用いた場合で
も、プラスチックＢＧＡモジュールにおける基準面に対
するボールの共面性の偏差δを、ＪＥＤＥＣ（合同電子
デバイス・エンジニアリング評議会）によって提案され
ている上述の１５０μｍの閾値の範囲内に維持できるこ
とが判明している。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術のＢＧＡモジュールを示す概略図であ
る。
【図２】プラスチックＢＧＡモジュールへの反り効果を
示す概略図である。
【図３】リフロー工程でのプラスチックＢＧＡモジュー
ルの挙動を示す概略図である。
【図４】反り効果によるプラスチックＢＧＡモジュール
のはんだボールの変形を示す概略図である。
【図５】本発明の好ましい実施形態の断面図である。
【図６】本発明の好ましい実施形態による、プラスチッ
クＢＧＡモジュールの金属パッドの差別化された幾何形
状の平面図である。
【符号の説明】
１０１ 積層板 １０３ 導電性パッド １０５ はんだボール １０７ 能動素子 １０９ 成形キャップ（最終外被） ５０１ 中央の４つのパッド ５０３ 縁部近傍のパッド
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フテファーノ・オッジーノ イタリア20059 ミラノ ヴィメルカーテ ヴィア・ブレンタ 13

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ボール・グリッド・アレイ電子モジュール
    の製造に用いるプリント回路板（ＰＣＢ）であって、第
    １の表面上にはんだ合金の複数のほぼ球形の部分に接続
    可能な複数の導電性金属パッドを有し、前記複数のパッ
    ドが異なる表面積を有することを特徴とするＰＣＢ。
  2. 【請求項２】前記導電性金属パッドが、第１の表面積を
    有する第１組のパッドと第２の表面積を有する第２組の
    パッドを含むことを特徴とする、請求項１に記載のＰＣ
    Ｂ。
  3. 【請求項３】第１組のパッドがＰＣＢの中央部にあり、
    第２組のパッドがＰＣＢの周辺部にあることを特徴とす
    る、請求項２に記載のＰＣＢ。
  4. 【請求項４】第１の表面積が第２の表面積より広いこと
    を特徴とする、請求項２または３に記載のＰＣＢ。
  5. 【請求項５】請求項１ないし４のいずれか一項に記載の
    ＰＣＢを備え、ＰＣＢが第２面に少なくとも１つの電子
    素子を有するプラスチック・ボール・グリッド・アレイ
    ・モジュール。
JP9130646A 1996-06-19 1997-05-21 ボール・グリッド・アレイ・モジュール用プリント回路板 Pending JPH1056102A (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
GB9612769.1 1996-06-19
GB9612769A GB2314463A (en) 1996-06-19 1996-06-19 PCB mounting pad arrangement for plastic ball grid array module

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JPH1056102A true JPH1056102A (ja) 1998-02-24

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JP9130646A Pending JPH1056102A (ja) 1996-06-19 1997-05-21 ボール・グリッド・アレイ・モジュール用プリント回路板

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EP (1) EP0814511A3 (ja)
JP (1) JPH1056102A (ja)
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CN (1) CN1168617A (ja)
GB (1) GB2314463A (ja)
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