JPH11135678A

JPH11135678A - 端子形成治具

Info

Publication number: JPH11135678A
Application number: JP9312821A
Authority: JP
Inventors: Hajime Saiki; 一斉木
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1997-10-28
Filing date: 1997-10-28
Publication date: 1999-05-21
Anticipated expiration: 2017-10-28
Also published as: JP4152006B2

Abstract

(57)【要約】【課題】金属を配線基板の一主面上に溶着させた柱状の
金属柱端子を容易に製造できる端子形成治具。【解決手段】配線基板の一主平面上において、金属柱端
子を固着させる表面金属層に対応した位置に、有底孔Ｎ
１および空気抜き穴Ｎ２を備えたカーボン製の端子形成
治具Ｎ。この有底孔Ｎ１に金属柱端子の金属材料を投入
（充填）し、表面金属層を位置合わせして配線基板をセ
ットし、金属材料を溶融させることにより、容易に柱状
の金属柱端子を形成できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、集積回路チップを
搭載する配線基板や、配線基板およびプリント基板に金
属柱端子を形成するための治具に関する。

【０００２】

【従来技術】配線基板を他の配線基板と接続するために
設ける端子としては、リードやピン、あるいはボール状
端子等が知られており、配線基板本体にピンを格子状に
設けた配線基板は、ＰＧＡ型配線基板と、またボール状
端子を格子状に設けた配線基板はＢＧＡ型配線基板と呼
ばれることもある。

【０００３】なお、ＰＧＡ型配線基板には、ピンの先端
を他の配線基板に設けた取付パッドに突き当てつつハン
ダ付けして両者を接続する、バットジョイントＰＧＡ型
配線基板と呼ばれるものがある。

【０００４】図７（ａ）に示すのは、ＢＧＡ型配線基板
１００をプリント基板１２０に接続した例であり、アル
ミナセラミックを主成分とする配線基板本体１０１の図
中上面（第１面）１０１ａには、Ｓｉからなる集積回路
チップ（以下、単にＩＣチップともいう）１１１が実装
されている。具体的には、ＩＣチップ１１１の下面１１
１ｂに形成されたＩＣ接続パッド１１２と、配線基板本
体１０１の上面１０１ａに形成されたチップ接続パッド
１０４との間を、Ｐｂ９５％−Ｓｎ５％高温ハンダから
なるハンダバンプ１１３によって接続する、フリップチ
ップ法により接続されている。

【０００５】一方、プリント基板１２０は、ガラス−エ
ポキシ樹脂複合材料（ＪＩＳ：ＦＲ−４）からなるプリ
ント基板本体１２１と、その上面１２１ａに形成した銅
からなる取付パッド１２２を備えており、配線基板本体
１０１とは、その下面（第２面）１０１ｂに形成された
表面金属層１０２に溶着した共晶ハンダボール１０３で
接続している。

【０００６】このようなＢＧＡ型配線基板１００とプリ
ント基板１２０との接続体においては、配線基板本体１
０１とプリント基板本体１２１との熱膨張率の違いによ
って、ハンダボール１０３に第２面１０１ｂに沿う方向
（図中左右方向）のせん断応力が掛かる。球状のハンダ
ボールは形成が容易である反面、高さと最大径がほぼ同
一であり、ハンダボール製のピッチ（間隔）を狭くしよ
うとすると、ＢＧＡ型配線基板本体とプリント基板１０
０の距離が小さくなる。このため、繰り返し熱応力によ
り、特に外周側のハンダボール１０３の表面金属層１０
２近傍で、破線で示すように、破断する不具合が生ずる
ことがする。

【０００７】これに対して、図７（ｂ）に示すバットジ
ョイントＰＧＡ型配線基板２００においては、上記と同
様にＩＣチップ２１１の下面２１１ｂに形成されたＩＣ
接続パッド２１２と、配線基板本体２０１の上面２０１
ａに形成されたチップ接続パッド２０４との間をハンダ
バンプ１１３によってフリップチップ接続している。

【０００８】一方、プリント基板２２０との接続は、第
２面（下面）２０１ｂの接続パッド２０２に銀ロウ（図
示しない）によって接続されたコバール製のピン２０３
の先端（図中下端）を、プリント基板本体２２１の上面
２２１ａに形成した取付パッド２２２に突き当てて、共
晶ハンダ２０５によってハンダ付け接続している。

【０００９】このようなバッドジョイントにより接続し
た場合には、第２面２０１ｂに沿う方向（図中左右方
向）のせん断応力を、ピン２０３が屈曲して吸収するた
め、破断しにくく、信頼性の高い接続することができ
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このバットジ
ョイントＰＧＡ型配線基板２００においては、時には数
百から数千にも上る多数でかつ微小なピン２０３を、配
線基板本体２０１に銀ロウ等により前もって接続してお
く必要があり、材料費や工程が掛かり、コストがかか
る。

【００１１】また、ピン２０３の先端部の径が細いた
め、共晶ハンダ２０５を溶融させた際に位置ずれを生じ
ていても、共晶ハンダ２０５の表面積がほとんど変化し
ない。したがって、ハンダボールの接続時と異なり、セ
ルフアライメント効果がほとんど生じない。このため、
配線基板２００とプリント基板２２０とを接続する際の
位置決めを高精度に行う必要もある。

【００１２】また、上記ではアルミナセラミックを主成
分とした配線基板本体を用いた場合について説明した。
しかし、配線基板本体３０１をガラス−エポキシ樹脂複
合材料等の樹脂を含む材料で構成した場合、その上面
（第１面）に実装するＩＣチップ３１１はＳｉ製である
ため、熱膨張が小さく（α＝３〜４×１０−６／℃）、
１０〜数１０×１０−６／℃の値を持つ樹脂を含む材料
の熱膨張率と大きく異なる。さらに、樹脂を含む材料は
セラミック等と比較して柔らかい（剛性が低い）ため、
例えば、図８（ａ）に示すように、ＩＣチップ３１１の
実装されている領域が加熱時に下に凸となるような反り
変形をしようとし、各ハンダボール３０３は上下に伸縮
する応力を受ける。なお、図８（ａ）に示す変形は、変
形量を大きく強調したものである。実際には、共晶ハン
ダボール３０は変形しにくいため、その変形量はごく僅
かである。このため、このような変形を引き起こす応力
は、ハンダボール３０３を疲弊させ、ついには、図８
（ｂ）に示すように、ＩＣチップ３１１が実装されてい
る場所に対応する位置（ＩＣチップ対応位置）に形成さ
れたハンダボール３０３が、破線で示すように選択的に
不具合を生じることが判明した。

【００１３】本発明は、かかる問題点を鑑みてなされた
ものであって、配線基板とこれを取り付ける取付基板と
の熱膨張率の違い等によって生じる基板の面に沿う方向
の変形を吸収して、高い信頼性を得ることができる端
子、更に、反り変形による上下方向の伸縮によっても破
壊しにくく接続信頼性の高い端子を製造可能ならしめる
治具を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】まず、請求項１に記載の
解決手段は、配線基板の一主平面に形成された表面金属
層に金属を溶着させて、最大径よりも高さの高い金属柱
端子を形成するための端子形成治具であって、少なくと
も外表面は上記金属と濡れない材質からなり、上記外部
接続端子に対応した形状の複数の有底孔が形成された端
子形成治具である。

【００１５】このような端子形成治具を用いれば、溶融
した金属を最大径よりも高さの高い金属柱端子の形状に
成形しつつ、配線基板の一主平面に設けられた表面金属
層に固着させることができる。すなわち、本発明の治具
を用いることによって、溶融した金属が表面張力等によ
り球状や半球状などに変形するのを防止し、最大径より
も高さの高い金属柱端子を成形することができる。しか
も、配線基板の一主平面上に複数の端子を配設する場合
にも、一度に多数の金属柱端子を容易に形成することが
できる。

【００１６】本発明に用いられる治具の材料としては、
耐熱性があり、かつ溶融した金属と濡れない材質であれ
ばよい。具体的には、黒鉛、ステンレス等が挙げられ
る。黒鉛を用いる場合には、熱膨張係数の異方比が小さ
い黒鉛材（例えば、１．２以下）が最適である。また、
治具は治具全体が金属柱端子形成する溶融した金属と濡
れない材質でできていることが好ましいが、すくなくと
も表面（上面、有底孔内周面など）が上記金属に濡れな
い材質でできていさえすればよい。

【００１７】上記配線基板の本体部分の材質としては、
取付基板との接続時の熱に耐えることができ、取付基板
との熱膨張率の違い等により起因する応力を受けても破
壊しない材質から選択するとよい。発生する熱応力を小
さくするために、ＩＣチップや取付基板の材質等を考慮
して、ＩＣチップまたは取付基板の材質と同程度、ある
いはこれらの中間の熱膨張を有する材質が適当であり、
具体的にはアルミナ、ムライト、窒化アルミニウム等の
セラミックやエポキシ、ポリイミド、ＢＴ、ポリウレタ
ン等の樹脂、あるいはこれらの樹脂とガラスやポリエス
テル等の繊維との複合材、これらの樹脂とセラミック粉
末との複合材等が挙げられる。

【００１８】なお、本発明が対象とする配線基板として
は、ＩＣチップ等の電子部品を搭載するための電子部品
搭載用配線基板の他に、電子部品搭載用配線基板と取付
基板との間に介在させ、両者を接続するために用いる中
継用配線基板をも含んでいる。また、金属柱端子を形成
する金属材料としては、鉛（Ｐｂ）やスズ（Ｓｎ）、亜
鉛（Ｚｎ）やこれらを主体とする合金、例えばＰｂ−Ｓ
ｎ系合金高温ハンダ（例えば、Ｐｂ９０％−Ｓｎ１０％
合金、Ｐｂ９５％−Ｓｎ５％合金等）やＰｂ−Ｓｎ共晶
ハンダ（Ｐｂ３６％−Ｓｎ６４％合金）、ホワイトメタ
ルなどが挙げられる。これらの金属は、比較的柔らか
く、熱膨張率の違いなどによって配線基板と取付基板間
で発生する応力を変形によって吸収できるので、金属柱
端子材料として好ましい。また、鉛、スズ等は再結晶温
度が常温にあるので、塑性変形しても容易に再結晶す
る。したがって、繰り返し応力がかかっても容易に破断
（破壊）に至らないので都合がよい。

【００１９】また、本発明における金属柱端子とは、そ
の最大径よりその高さの高い略柱状とされていればよ
く、円柱状の他に、四角柱や三角柱などの角柱でも良
い。ただし、応力が角部に集中するのを避けるために
は、多角柱状のものがよく、さらには円柱状とするのが
最適である。したがって、端子形成治具の有底孔の形状
も、形成したい上記金属柱端子の形状に併せて適宜選択
される。つまり、有底孔の開口部の内径よりも深さが大
きく形成されているとよい。また、有底孔のうち、開口
部と底部を除く中間部分は、略一定の内径を有している
か、あるいは開口部に向かって徐々に径大となるように
するとよい。

【００２０】ただし、加工の容易性や強度の点からも筒
状（円柱状）の有底孔が有利である。また、有底孔の底
部（底面）はどのような形状でも良く、平面になってい
ても、略逆半球状または略逆円錐状などの形状になって
いても良い。底面が平坦に形成されている場合は、金属
柱端子の先端が有底孔の底面に突き当たるような状態
で、金属材料を溶融し金属柱端子を成形することによ
り、金属柱端子の高さを容易に揃えることができる。ま
た、有底孔の底面は有底孔内周面を構成する部材とは別
体の部材で形成されていても良い。すなわち、端子形成
治具を貫通孔を有する部材と、該貫通孔の一方の開口部
を塞ぐ部材とを組み合わせて構成してもよい。このよう
な構成にすると、端子形成治具の製造が容易である。さ
らには、空気（ガス）抜きのための穴が形成されていて
も良い。

【００２１】すなわち、請求項２に記載の解決手段は、
前記有底孔の底部には、空気抜きのための手段が設けら
れていることを特徴とする請求項１に記載の端子形成治
具である。

【００２２】空気抜きのための手段としては、空気抜き
の穴を形成しておくことが挙げられる。空気抜きの穴を
形成しておくことにより、上記金属柱端子を形成する金
属材料を有底孔で加熱溶融させた際に、有底孔内の空気
やあらたに発生したガス等を有底孔内から放出すること
ができる。したがって、それらの空気が有底孔内に閉じ
こめられ、有底孔の上方の開口部から無理に逃げようと
したりして、爆発したり、金属柱端子の形状に膨れやボ
イド、破壊等の不具合を生じさせることを防止できる。
特に本発明の端子形成治具では、有底孔が、開口径に比
して深く形成されるので、このような空気抜きの穴（小
孔）がない場合には、上記不具合が発生しやすい傾向に
あり、空気抜きの穴が有効に機能する。なお、このよう
な空気抜きの穴は、必要に応じて適当数設ければよい。

【００２３】次いで、請求項３に記載の解決手段は、前
記有底孔は、開口部近傍が開口面に向かって徐々に径大
に形成されていることを特徴とする請求項１または２の
いずれかに記載の端子形成治具である。

【００２４】本発明の端子形成治具を用いれば、有底孔
の開口部近傍が開口面に向かって徐々に径大とされてい
るので、金属柱端子を形成するための金属材料を有底孔
内に入れやすくなる。

【００２５】すなわち、金属材料をペーストの状態で有
底孔内に充填しておき、ペーストを溶融させて、配線基
板の表面金属層に固着させ、金属柱端子を形成する場合
には、有底孔内にペーストを充填し易くなる。また、有
底孔内にボール状（球状）や小片の金属材料を投入して
おき、それらを溶融させて金属柱端子を形成する場合に
も、金属材料を投入しやすくなる。

【００２６】また、このような端子形成治具を用いた場
合、金属柱端子の基端部（固着部近傍）は、有底孔開口
部の形状に倣って徐々に径大に形成される。このように
基端部が徐々に径大に形成された金属柱端子は固着部分
の面積が金属端子の中間部分の径に比して大きく、また
応力の集中が固着面に生じにくいことから、耐久性が高
く優れている。

【００２７】次いで、請求項４に記載の解決手段は、配
線基板の一主平面に形成された表面金属層に金属を溶着
させて、最大径よりも高さの高い金属柱端子を形成する
ための端子形成治具であって、少なくとも外表面は上記
金属と濡れない材質からなり、上記外部接続端子に対応
した形状の複数の貫通孔が形成された端子形成治具であ
る。

【００２８】上記請求項１乃至３の端子形成治具は、有
底孔の開口部から金属材料を入れておき、配線基板の表
面金属層によりその開口部を塞ぐように配線基板を配
し、加熱して金属材料を溶融して金属柱端子を形成する
ことが考えられる。これに対し、本発明の請求項４にか
かる端子形成治具を用いれば、第１面と第２面を有す
る略板形状の治具を用意し、第１面と第２面を貫通す
る貫通孔のうち第２面側開口部を表面金属層で塞ぐよう
に配線基板を配し、第２面側開口部より金属材料を入
れ、金属材料を加熱・溶融させることで金属柱端子を
形成することができる。すなわち、請求項４に記載の端
子形成治具を用いても、耐久性に優れた金属柱端子を有
する配線基板を多数同時に形成可能である。

【００２９】

【発明の実施の形態】

（実施形態１）次に、発明の実施の形態を、図と共に説
明する。図１は、本実施形態に用いられるカーボン製の
端子形成治具Ｎの正面図である。上面Ｎ２には、金属柱
端子を形成しようとする表面金属層に対応した位置に、
直径０．７ｍｍ、深さ約１．８ｍｍの有底孔Ｎ１が形成
されている。有底孔Ｎ１の底部Ｎ４は、図２（ａ）に示
すように、円錐状に形成されており、さらに最深部には
端子形成治具Ｎを下方に貫通する空気抜きのための穴Ｎ
２（φ０．２ｍｍ）が形成されている。

【００３０】このような端子形成治具Ｎは、カーボン製
の板にドリル加工により、有底孔Ｎ１および穴Ｎ２を穿
孔することにより形成される。次いで、上記端子形成治
具を用いて金属柱端子を有する配線基板を製造する方法
について、図３（ａ）〜（ｃ）を参照しつつ、説明す
る。まず、図３（ａ）に示すように、カーボン製の端子
形成治具Ｎと配線基板１を用意する。配線基板はアルミ
ナを主成分とするセラミック製であり、その表面にはタ
ングステンメタライズ層とニッケルメッキ層により構成
された表面金属層２が形成されている。柱状端子形成治
具Ｎの凹部Ｎ１内に、ハンダボールＤ１を投入（図３で
は３個）しておき、その上方に、セラミック製の配線基
板１上に形成された表面金属層２が有底孔Ｎ１に対応す
るように位置決めし、両者を重ねる（図３（ｂ）参
照）。

【００３１】その後、本体１と治具Ｎとを共に反転させ
て上下逆にし、ハンダボールＤ１と表面金属層と接触さ
せる（図３（ｃ）参照）。この状態で加熱・冷却すれ
ば、金属柱端子３を確実に表面金属層３に溶着させるこ
とができる（図４参照）。図４は、金属柱端子３が形成
された配線基板１を示す斜視図であり、図中上面にはＩ
Ｃチップが搭載されるが、ここでは図示せず、ＩＣチッ
プ接続パッド４のみ示すこととする。

【００３２】上記実施形態１では、ハンダボールＤ１を
投入した例を示したが、有底孔Ｎ１内に他の金属片や粉
末を投入した場合、あるいはペースト状の金属材料を充
填した場合にも適用できる。

【００３３】また、本実施形態で用いた端子形成治具Ｎ
と別形態の治具として、図２（ｂ）に示すように、有底
孔Ｎ１の開口部近傍か、上面Ｎ３に向かって徐々に径大
になるように形成したものを用いても良い。この場合、
テーパ部Ｎ５を有しているので、ハンダボールや金属
片、金属粉、金属ペースト等を投入（充填）し易いとい
うメリットがある。

【００３４】（実施形態２）次いで、本発明の実施形態
２の端子形成治具について、図５を参照しつつ、説明す
る。図５に示す端子形成治具Ｍは、金属柱端子３を形成
する表面金属層２に対応した位置に直径０．７ｍｍ、高
さ（深さ）２．２ｍｍの貫通孔Ｍ１を形成したステンレ
スからなる板状の端子形成治具である。ステンレスは耐
熱性があり、溶融したハンダにも濡れにくい性質を有す
るものである。

【００３５】次に、上記端子形成治具Ｍを用いて金属柱
端子３を形成する方法について、図６（ａ）〜（ｂ）を
参照しつつ説明する。図６（ａ）に示すように、表面金
属層２を形成した面を上にするように配線基板１を配置
し、その上に各貫通孔Ｍ１と表面金属層２とが対応する
ようにして、端子形成治具Ｍを載置する。さらに、直径
０．６５ｍｍのハンダボールＣを貫通孔Ｍ１内にそれぞ
れ３個ずつ投入する。次いで、ハンダボールＣを溶融さ
せると、図６（ｂ）に示すように金属柱端子３が表面金
属層２に溶着するとともに、互いに一体化する。金属柱
端子３の側面は貫通孔Ｍ１の内周面に倣い、先端部は表
面張力により半球状とされた金属柱端子が形成される。
この金属柱端子３は、いずれも一定の直径を有するハン
ダボールＣを３個溶融させて形成したものであるので、
体積が一定となるため、その高さを揃えることができ
る。

【００３６】なお、本実施形態においてはハンダボール
Ｃを貫通孔Ｍ１に投入したが、一定形状あるいは一定体
積の金属片を所定個数投入すればよく、形状を問わな
い。また、貫通孔内に一定重量の金属粉を投入（充填）
するようにしてもよい。

【００３７】（実施形態３）また、上記実施形態１およ
び２においては、一体に形成された端子形成治具を用い
たが、図９（ａ）に示すように２つ以上の部材を組み合
わせた端子形成治具を用いてもよい。実施形態３におけ
る端子形成治具Ｌは、図９（ａ）に示すように、底面Ｌ
２を有する有底孔Ｌ１を備えている。また、底面Ｌ２に
は、空気抜き穴Ｌ３が形成されている。

【００３８】この端子形成治具Ｌは、図９（ｂ）に示す
第１部材Ｐおよび第２部材Ｑによって構成されている。
すなわち、第１部材Ｐには有底孔の内側面を形成する貫
通孔Ｐ１が形成されている。また、第２部材Ｑには空気
抜き穴Ｌ３が形成されている。このような第１部材Ｐと
第２部材Ｑとを、第２部材Ｑの上面Ｑ１が貫通孔Ｐ１を
塞ぐように組み合わせることにより、図９（ａ）に示す
ような底面Ｌ２を有する有底孔Ｌ１が形成される。この
ように端子形成部材を二つの部材により形成することに
より、有底孔の形成が容易になる。

【００３９】以上において、本発明を実施形態に即して
説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるもので
はなく、発明の範囲内において、適宜変更して適用でき
ることは言うまでもない。

【図面の説明】

【図１】実施形態１にかかる端子形成治具Ｎの正面図。

【図２】実施形態１にかかる端子形成治具Ｎの部分拡大
断面図。

【図３】端子形成治具Ｎを用いて金属柱端子３を形成す
る工程を説明する説明図。

【図４】金属柱端子３を有する配線基板１の斜視図。

【図５】実施形態２にかかる端子形成治具Ｍの部分拡大
断面図。

【図６】端子形成治具Ｍを用いて金属柱端子を形成する
工程を説明する説明図。

【図７】従来技術にかかり、集積回路チップを実装した
配線基板をプリント基板に接続した状態を示す説明図で
あり、（ａ）は配線基板とプリント基板とを球状のハン
ダボールで接続した状態、（ｂ）は配線基板に設けたピ
ンをプリント基板に突き当てて接続した状態を示す。

【図８】集積回路チップを実装し、樹脂を含む材料から
なる配線基板本体を有するＢＧＡ型配線基板をプリント
基板に接続したものにおいて、（ａ）は、これで加熱し
たときの変形を強調して示す模式図、（ｂ）は接続端子
の破断場所を説明する説明図。

【図９】実施形態３にかかる端子形成治具Ｌの部分拡大
断面図。

【符号の説明】

Ｎ、Ｍ、Ｌ：端子形成治具Ｎ１、Ｌ１：有底孔Ｍ１、Ｐ１：貫通孔Ｎ２、Ｌ３：空気（ガス）抜き穴Ｄ１、Ｃ：ハンダボール１、１００、２００、３００：配線基板２、１０２：表面金属層３：金属柱端子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】配線基板の一主平面に形成された表面金属
層に金属を溶着させて、最大径よりも高さの高い金属柱
端子を形成するための端子形成治具であって、少なくとも外表面は上記金属と濡れない材質からなり、
上記外部接続端子に対応した形状の複数の有底孔が形成
された端子形成治具。
【請求項２】前記有底孔の底部には、空気抜きのための
手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載
の端子形成治具。
【請求項３】前記有底孔は、開口部近傍が開口面に向か
って徐々に径大に形成されていることを特徴とする請求
項１または２に記載の端子形成治具。
【請求項４】配線基板の一主平面に形成された表面金属
層に金属を溶着させて、最大径よりも高さの高い金属柱
端子を形成するための端子形成治具であって、少なくとも外表面は上記金属と濡れない材質からなり、
上記外部接続端子に対応した形状の複数の貫通孔が形成
された端子形成治具。