JP5085081B2 - 電子部品実装構造体 - Google Patents

Description

本発明は、移動型モバイル等の電子機器に搭載される電子部品実装構造体に関するものである。

携帯電話、ＰＤＡ等の移動型モバイルの高機能化、小型化の進展に伴い、これに搭載される電子部品には、更なる高密度実装化が要請されている。その結果、基板占有面積の大きいＱＦＰ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）に替わり、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）やＣＳＰ（Ｃｈｉｐ Ｓｉｚｅ Ｐａｃｋａｇｅ）等のフィリップチップタイプのものがパッケージの主流となってきている。ＢＧＡやＣＳＰは、接続端子が側方に設けられたＱＦＰとは異なり、パッケージの接合面に複数の半田ボール（半田バンプともいう）が配列されており、これらの半田ボールを基板側の接合端子に搭載した後に溶融させることで電気的な導通を得るとともに物理的な接合を図っている。また、半田付けされた接合部にヒートサイクルや落下衝撃による応力が集中して作用すると、半田が破断して電気的な導通が遮断されてしまうことがあるので、接合後のＢＧＡ、ＣＳＰと基板との隙間に樹脂を充填し、半田接合を補強することで接合信頼性を向上させている（特許文献１参照）。移動型モバイルは、使用者の不注意から床や地面に落下する事故が複数回発生することが想定され、特に耐衝撃性を向上させることが接合信頼性を確保する上で重要な課題である。

充填用の樹脂としては、一般にエポキシ系の熱硬化性樹脂が使用され、充填後の加熱により硬化し、ＢＧＡ、ＣＳＰと基板とを強固に接合する。しかし、一旦硬化すると除去が困難であるので、基板との接合後に行う導通試験により不良と判断されたＢＧＡやＣＳＰを新たなものにリペアすることは容易ではない。そこで、樹脂を充填する箇所をＢＧＡ、ＣＳＰの四隅の領域に限定し、接合面積を減少させることで、リペアに要する労力やコストの低減を図ることが行われている（特許文献２、３参照）。
特開２００４−１４６５３４号公報 特開２０００−２９９３５６号公報 特開２００２−１６１９２号公報

ＢＧＡ、ＣＳＰを基板に半田付けした電子部品実装構造体では、ヒートサイクル性と耐衝撃性、リペア性の各特性が高い水準で並立していることが望ましい。しかしながら、これらの特性はトレードオフの関係にあり、耐衝撃性を重視し、補強を補強するためにＢＧＡ、ＣＳＰと基板との隙間の全域に樹脂を充填すると、接合面積が増大するためリペア性が悪化していた。反対にリペア性を重視し、樹脂を充填する箇所をＢＧＡ、ＣＳＰの四隅の領域に限定すると、接合面積が減少するため十分な補強効果を得ることができなかった。

そこで本発明は、リペア性と耐衝撃性を両立させた電子部品実装構造体を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、電子部品と基板との間に面配置された複数の半田ボールを溶融させて前記電子部品と前記基板を接合させるとともに前記電子部品と前記基板との隙間に接合補強用の樹脂を充填して硬化させた電子部品実装構造体であって、前記樹脂が、熱硬化性を有するエポキシ樹脂を主成分としこれに可撓性樹脂を含む樹脂接着剤が硬化した樹脂であり、前記電子部品の少なくとも四隅にあたる箇所に充填されるとともに硬化後の引張伸び率が５％〜４０％である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記可撓性樹脂が、カルダノールエポキシ化物、ポリプロピレングリコールジグリシジルエーテル、ビスフェノールＡ−アルキレンオキサイド付加物のジグリシジルエーテル、重合脂肪酸ポリグリシジルエステル、ウレタンプレポリマーのうち少なくとも何れかを含む。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記樹脂がゴムをさらに含み、前記ゴムが、天然ゴム、スチレンゴム、ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ブチルゴム、ニトリルゴム、エチレンプロピレンゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴムのうち少なくとも何れかを含む。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れかに記載の発明において、硬化後の前記樹脂が前記電子部品と前記基板との間に面配置された複数の半田ボールの何れにも接触していない。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４の何れかに記載の発明において、前記樹脂のチキソ比が２以上である。

本発明によれば、硬化後の樹脂の除去容易性、基板再利用性等のリペア性に優れるとともに、落下時の衝撃に対して樹脂自体の伸びが許容され、破断することなく接合補強の役割を果たすことができ、耐衝撃性にも優れた電子部品実装構造体を実現することができる。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１（ａ）は本発明の実施の形態の電子部品実装構造体の側面図、図１（ｂ）は同平面図、図２は本発明の実施の形態の電子部品実装構造体を水平にした状態で自然落下させたときの半田ボールに発生する応力を有限要素法を用いて解析した結果を示した図である。

最初に、本実施の形態の電子部品実装構造体について、図１を参照して説明する。同図において、電子部品実装構造体１は、基板２と電子部品３との間に面配置された複数の半田ボール４を溶融させて電子部品３と基板２とを接合させ、電子部品３と基板２との隙間に接合補強用の樹脂５を充填して硬化させた構造となっている。半田ボール４は、電子部品３側の複数の接合端子３ａに予め電気的に導通させたバンプ状に設けられており、これらの半田ボール４を基板２側の複数の接合端子２ａに当接させた後に溶融させることで両端子が半田付けされ、電子部品３が基板２に電気的、物理的に接合された状態で実装される。電子部品３は、ＩＣチップをパッケージングしたＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）やＣＳＰ（Ｃｈｉｐ Ｓｉｚｅ Ｐａｃｋａｇｅ）の他にパッケージングされていないベアチップも使用することができる。

樹脂５は、熱硬化性を有するエポキシ樹脂を主成分とし、これに可撓性樹脂を配合したもので構成されている。配合される可撓性樹脂としては、カルダノールエポキシ化物、ポリプロピレングリコールジグリシジルエーテル、ビスフェノールＡ−アルキレンオキサイド付加物のジグリシジルエーテル、ＤＧＥＢＡ・重合脂肪酸付加物、重合脂肪酸ポリグリシジルエステル、ウレタンプレポリマーがあり、これらのうち少なくとも何れかを配合した樹脂５の硬化後の引張伸び率が５％〜４０％の範囲内になるように各樹脂の配合比率が調整される。

樹脂５は、実装後の電子部品３と基板２との隙間であって電子部品３の四隅にあたる箇所に半田ボール４に接触しないように充填される。充填された樹脂５が表面張力の作用により電子部品の中心寄りに移動し、半田ボール４に接触することがないようにチキソ比が２以上であることが望ましい。なお、チキソ比とは、２５℃中にてＥ型回転型粘度計（３°コーン使用）における回転数０．５ｒｐｍで測定した粘度を回転数５．０ｒｐｍで測定した粘度で除して求めた数値である。

電子部品実装構造体１は、電子部品３の四隅が基板２と補強接合され、硬化後の樹脂５が半田ボール４に接触しないようにされているので、実装後に不良品であると判断された電子部品３を新たな電子部品に交換する際の樹脂５の除去が容易であり、また、基板２側の接合端子２ａを破壊することなく樹脂５を除去することができるので、基板の再利用が可能である。このように、電子部品実装構造体１は、硬化後の樹脂の除去容易性、基板再利用性ともに高く、リペア性に優れている。

次に、本実施の形態の電子部品実装構造体の耐衝撃性について説明する。上述した電子部品実装構造体１の耐衝撃性について検証するため、以下に示す条件下で落下試験を行った。硬化後の引張弾性率および引張伸び率の異なる複数の樹脂Ａ〜Ｇを用いて接合補強した電子部品実装構造体１の基板面を水平にした状態でプラスチック製の試験治具に固定し、１５０ｃｍの高さから３０回自然落下させた際の半田ボール４の破断の有無を耐衝撃性の評価項目とした。落下高さの１５０ｃｍは、電子部品実装構造体１を搭載した携帯電話等の移動型モバイルを手にしたときの高さを基準としており、使用者の不注意や事故により落下させた場合を想定したものである。

また、本発明者らは上記落下試験によって半田ボールに発生する応力の経時変化を有限要素法（ＦＥＭ）を用いて解析した。図２はその解析結果である。図２によれば、自然落下した電子部品実装構造体１が床や地面に衝突すると、半田ボール４には経時的に引張応力と圧縮応力が交互に発生する。衝突から約１ｍｓｅｃ経過時では、基板２が下凸状に撓んで電子部品３との隙間が縮むため、半田ボール４には圧縮応力（マイナス側の引張応力）が発生している。衝突から約２ｍｓｅｃ経過時では、基板２が上凸状に撓んで電子部品３との隙間が伸びるため、半田ボール４には引張応力が発生している。衝突から約３ｍｓｅｃ経過時に最大引張応力が発生し、その後漸減している。また、半田ボールに発生する最大引張応力は落下直後の１回目のピーク（波形の山）ではなく、その後のピークで発生している。これは、衝突時に加えられた外力により基板２と電子部品３が互いに異なる周期で振動し、これらの振動のピークが重なったときに電子部品３との隙間が大きく引き伸ばされて半田ボールに発生する引張応力も最大化するものと考えられる。このような周期的な引張応力（伸び）は半田ボールのみならず四隅を補強する樹脂にも同様に発生するものと考えられる。

半田ボール４に発生する応力は、基板２と電子部品３との隙間の伸縮の程度に比例すると考えられるので、基板２と電子部品３との隙間の伸縮率が小さければ発生応力をより小さく抑えることができる。この思想に基づくと、電子部品の四隅を補強する樹脂は引張弾性率の高い方が補強効果に優れていることになる。しかし、落下試験では引張弾性率の高い樹脂でも十分な補強効果を確認できなかった。そこで本発明者らは以下の仮説を行った。

一般に、硬化後の引張弾性率が比較的高い樹脂５を用いて補強を行うと、基板２と電子部品３との隙間の伸縮率を小さく抑えることができるが、その反面、引張伸び率が小さくなる。その結果として、衝突により生じた基板２の撓みによる電子部品との隙間の伸び率が硬化後の樹脂５の引張伸び率を超えてしまい、樹脂５に亀裂が生じて最終的には破断にまで至る。破断した樹脂５は、当初の目的である接合補強の役割を果たすことができなくなるので、その後の振動のピークで許容応力を超える過大な応力が半田ボール４に発生し、半田が破断することになる。

上記の仮説に基づき、樹脂の引張伸び率を異ならせた電子部品実装構造体の落下試験を行った。下記の表１は、樹脂Ａ〜Ｇを用いて落下試験を行った際の耐衝撃性評価を示している。

なお、引張伸び率とはＪＩＳＫ６９１１の試験において引張強さに対応する伸び（数１）で規定される。ＪＩＳＫ７１１３においては「引張破壊伸び」として規定されている。

引張伸び率が０．８％〜２．５％の範囲では、１回の落下で半田ボールの破断が確認された（耐衝撃性評価は不合格）。一方、引張伸び率が５％〜３７％の範囲では、３０回の落下時点で何れの半田ボールにおいても破断が確認されなかった（耐衝撃性評価は合格）。これにより、硬化後の引張伸び率が比較的小さい樹脂Ａ〜Ｄを用いると、接合補強を目的とした樹脂が１回の衝撃で破断してしまい、結果として半田ボール自体に過大な応力が発生することになって半田ボールが破断に至るが、引張伸び率が比較的大きい樹脂Ｅ〜Ｇを用いると、基板２と電子部品３との隙間の伸びをある程度許容し、半田ボール自体に発生する応力は大きくなるが、樹脂が破断しにくくなるので、本体の接合補強の役割を果たして半田ボールの破断を防止していることがわかる。従って、樹脂Ｅ、Ｆ、Ｇを電子部品の四隅にあたる箇所に充填すると、耐衝撃性に優れるとともにリペア性にも優れた電子部品実装構造体を実現することができる。

なお、樹脂Ａ〜Ｇは、エポキシ樹脂に配合する可撓性樹脂の品種や配合率を変えることで調合しており、可撓性樹脂をそのまま補強用の樹脂として用いた場合には、硬化後の引張伸び率が理論的には４０％程度になる。本試験では、可撓性樹脂をそのまま用いた樹脂について、試験用に用意した可撓性樹脂をそのまま用いた樹脂Ｇ（実際の引張伸び率３７％）により試験を行っており、この場合でも耐衝撃性評価は合格であることを実証した。

また、補強用の樹脂に天然ゴム、スチレンゴム、ブタジェンゴム、クロロプレンゴム、ブチルゴム、ニトリルゴム、エチレンプロピレンゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴムの少なくとも何れかのゴムを含めて樹脂の耐衝撃性を高めるようにしてもよい。

本発明によれば、硬化後の樹脂の除去容易性、基板再利用性等のリペア性に優れるとともに、落下時の衝撃に対して樹脂自体の伸びが許容され、破断することなく接合補強の役割を果たすことができ、耐衝撃性にも優れるという利点を有し、移動型モバイル等の電子機器に搭載する電子デバイスとして有用である。

（ａ）本発明の実施の形態の電子部品実装構造体の側面図、（ｂ）同平面図 本発明の実施の形態の電子部品実装構造体を水平にした状態で自然落下させたときの半田ボールに発生する応力を有限要素法を用いて解析した結果を示した図

符号の説明

１ 電子部品実装構造体
２ 基板
３ 電子部品
４ 半田ボール
５ 樹脂

Claims (5)

1. 電子部品と基板との間に面配置された複数の半田ボールを溶融させて前記電子部品と前記基板を接合させるとともに前記電子部品と前記基板との隙間に接合補強用の樹脂を充填して硬化させた電子部品実装構造体であって、
   前記樹脂が、熱硬化性を有するエポキシ樹脂を主成分としこれに可撓性樹脂を含む樹脂接着剤が硬化した樹脂であり、前記電子部品の少なくとも四隅にあたる箇所に充填されるとともに硬化後の引張伸び率が５％〜４０％である電子部品実装構造体。
2. 前記可撓性樹脂が、カルダノールエポキシ化物、ポリプロピレングリコールジグリシジルエーテル、ビスフェノールＡ−アルキレンオキサイド付加物のジグリシジルエーテル、重合脂肪酸ポリグリシジルエステル、ウレタンプレポリマーのうち少なくとも何れかを含む請求項１に記載の電子部品実装構造体。
3. 前記樹脂がゴムをさらに含み、前記ゴムが、天然ゴム、スチレンゴム、ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ブチルゴム、ニトリルゴム、エチレンプロピレンゴム、シリコーンゴム、ウレタンゴムのうち少なくとも何れかを含む請求項１または２に記載の電子部品実装構造体。
4. 硬化後の前記樹脂が前記電子部品と前記基板との間に面配置された複数の半田ボールの何れにも接触していない請求項１乃至３の何れかに記載の電子部品実装構造体。
5. 前記樹脂のチキソ比が２以上である請求項１乃至４の何れかに記載の電子部品実装構造体。

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