電極接続部材、電子部品および接続構造
【課題】接続信頼性の高い電極接続部材を実現する。
【解決手段】本発明の電極接続部材１は、樹脂コア２と、樹脂コア２を覆うＣｕ被覆層３と、Ｃｕ被覆層を覆う半田層４とを備え、電子部品２０は、電極接続部材１によって回路基板１０に実装されている。Ｃｕ被覆層３の厚さは、樹脂コア２の直径の５％以上かつ７％以下であるので、Ｃｕランド２２ａと半田層４との界面、および、回路基板１０のＮｉめっき層１３と半田層４との界面における応力が緩和される。したがって、電子部品２０の接続信頼性をさらに向上させることができる。
【解決手段】本発明の電極接続部材１は、樹脂コア２と、樹脂コア２を覆うＣｕ被覆層３と、Ｃｕ被覆層を覆う半田層４とを備え、電子部品２０は、電極接続部材１によって回路基板１０に実装されている。Ｃｕ被覆層３の厚さは、樹脂コア２の直径の５％以上かつ７％以下であるので、Ｃｕランド２２ａと半田層４との界面、および、回路基板１０のＮｉめっき層１３と半田層４との界面における応力が緩和される。したがって、電子部品２０の接続信頼性をさらに向上させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品を回路基板に実装するための電極接続部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話等を代表とする電子機器の小型化、軽量化の要求に伴い、電子部品の小型化と高密度実装化が図られている。小型化された電子部品の例としては、パッケージのサイズをチップに極力近づけたＣＳＰ（Chip Size Package）などが挙げられる。
【０００３】
電子部品とその電子部品が実装される回路基板との接続端子部には、温度変化に伴う熱膨張係数の不整合により応力が印加される。これにより、温度変動が繰り返し起こると、接続端子が疲労し、破壊に至る。特に、ＣＳＰ等の小型化された電子部品とそれらの電子部品が実装される回路基板との接続部においては、応力の緩和構造を形成しにくい。このため、温度サイクル試験や落下衝撃試験における信頼性は著しく低下する。
【０００４】
そこで、接続端子として用いられる電極接続部材中に、前もって樹脂等から成るコアなどを設けることで応力を緩和させる方法が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２および特許文献３）。その代表例として、特許文献３には、電極接続部材に樹脂コア半田ボール等を用いる構成が開示されている。樹脂コア半田ボールは、樹脂コアの表面にＮｉやＣｕ等の被覆層が形成され、その上に半田層が形成されている構成である。これにより、リフロー実装時に半田が流れ落ちても被覆層はコア表面に残るため、良好な電気接続性が保たれる。
【０００５】
前記のようなコアを有する電極接続部材では、温度変動による熱応力を緩和させるだけでなく、落下衝撃等の応力を緩和させる効果を持つものもある。ただしＣｕを被覆層として用いる場合には、樹脂コアとＣｕとの密着力が弱いため、Ｃｕ被覆層の形成前に、樹脂コアの表面にＮｉ薄膜を形成する必要がある。しかしながら、このＮｉ薄膜が非常に薄い場合、Ｃｕ被覆層の形成時やリフロー実装時に、Ｎｉ薄膜がＣｕ被覆層中に固溶して消失してしまう。また、Ｃｕ被覆層の厚さが樹脂コアの直径の１％より小さい場合には、樹脂コアの熱膨張等に耐えられずにＣｕ被覆層にクラック等を生じてしまうので、一般的な電極接続部材でのＣｕ被覆層の厚さは、樹脂コア直径の約４％である。
【特許文献１】特開２００４−２７３４０１号公報（２００４年９月３０日公開）
【特許文献２】特開２００４−３４９４８７号公報（２００４年１２月９日公開）
【特許文献３】特開２００７−１０３７３７号公報（２００７年４月１９日公開）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記の電極接続部材でも、実装信頼性が低いという問題を生ずる。
【０００７】
図８は、一般的な電極接続部材９１によって回路基板１０に電子部品２０を実装した状態を示す部分断面図である。電極接続部材９１は、樹脂コア９２、Ｃｕ被覆層９３および半田層９４を有している。樹脂コア９２の直径は２４０μｍ、Ｃｕ被覆層９３の厚さは１０μｍ、半田層９４の厚さは約３０μｍである。すなわち、Ｃｕ被覆層９３の厚さは、樹脂コア９２の直径の約４％である。樹脂コア９２は、樹脂材から成る略球状のコアであり、半田層９４はＳｎを含有している。
【０００８】
回路基板１０の電極接続部材９１が設けられる部分には、Ｃｕランド１１、Ｎｉめっき層１２が形成され、Ｎｉめっき層１２と電極接続部材９１の半田層９４との間に、合金層１３が形成される。また、電子部品２０の回路基板１０との対向面には、保護膜２１ａ、Ｃｕパターン・保護膜混在層２２および保護膜２１ｂが形成され、保護膜２１ａ、Ｃｕパターン・保護膜混在層２２には、Ｃｕランド２２ａが形成され、Ｃｕランド２２ａと電極接続部材９１の半田層９４との間に、合金層が形成される。なお、当該合金層は非常に薄いため、図示していない。Ｎｉめっき層１２と半田層９４との間に形成される合金層１３およびＣｕランド２２ａと半田層９４との間に形成される合金層は、ＳｎやＣｕを主成分とする合金であり、非常に脆く構造上からも弱い。そのため信頼性試験においてはこれら合金層を起点としてクラックが発生する。
【０００９】
図９は、図８に示す状態で、信頼性試験を行った結果を示す表である。信頼性試験としては繰り返し曲げ試験、落下衝撃試験、熱サイクル試験を行った。各試験には、電極接続部材９１によって実装された電子部品２０をそれぞれ１０個ずつ使用しており、不良が発生した試験回数の平均を耐試験回数として示している。
【００１０】
ここで、落下衝撃試験や熱サイクル試験については、通常、耐試験回数が１０００回以上であることが求められる。しかしながら、図９に示すように、落下衝撃試験および熱サイクル試験の耐試験回数は、それぞれ５３４回および１，１６４回となっている。したがって、特に、落下衝撃試験における信頼性が確保できておらず、熱サイクル試験においても信頼性は十分とはいえない。
【００１１】
このように、電極接続部材９１中に樹脂コア９２を設け、接続端子における応力を緩和してもその効果は十分ではなく、所定の耐試験回数を経る前に、接続部においてクラックが生じてしまう。このため、回路基板１０・電子部品２０と電極接続部材９１との界面における応力をさらに緩和する必要がある。
【００１２】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、回路基板と電極接続部材との界面、および電子部品と電極接続部材との界面における応力を緩和し、接続信頼性の高い電極接続部材を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る電極接続部材は、上記課題を解決するために、略球状のコアと、前記コアを覆う１つ以上の導電性の被覆層と、前記被覆層を覆う１つ以上の半田層とを有する電極接続部材であって、前記被覆層の厚さは、前記コアの直径の５％以上かつ７％以下であることを特徴としている。
【００１４】
上記の構成によれば、被覆層の厚さは、コアの直径の５％以上かつ７％以下であり、従来構成における被覆層に比べ、相対的に厚く形成されている。これにより、本発明に係る電極接続部材によって電子部品を回路基板に実装した場合、被覆層周辺に応力を分散させることができるので、回路基板と電極接続部材との界面、および電子部品と電極接続部材との界面における応力がさらに緩和される。したがって、上記界面におけるクラックが生じにくくなり、接続信頼性の高い電極接続部材を実現できるという効果を奏する。
【００１５】
本発明に係る電極接続部材では、前記コアは樹脂材から成り、前記半田層のヤング率は、前記コアのヤング率よりも大きく、かつ、前記被覆層のヤング率よりも小さいことが好ましい。
【００１６】
上記の構成によれば、コアは樹脂材から成り、コアのヤング率が被覆層および半田層に比べて低い。これにより、電極接続部材によって電子部品を回路基板に実装した場合、電子部品と回路基板との熱膨張の差により変形が生じ、電極接続部材に熱応力が印加されても、コアがある程度自由に変形するので、熱応力を低減することができる。特に、急激な温度変化や落下衝撃により大きな負荷がかかる場合でも、コアによって当該負荷を低減することができる。したがって、より接続信頼性を向上させることができる。
【００１７】
本発明に係る電極接続部材では、前記被覆層のうち少なくとも１つは、Ｃｕ又はＣｕを主成分とする合金により形成されていることが好ましい。
【００１８】
上記の構成によれば、良好な電気伝導性を確保することができる。
【００１９】
本発明に係る電極接続部材では、前記半田層のうち少なくとも１つは、Ｓｎを含有していてもよい。
【００２０】
本発明に係る電子部品は、前記電極接続部材を外部接続端子として有することを特徴としている。
【００２１】
上記の構成によれば、回路基板と電極接続部材との界面、および電子部品と電極接続部材との界面における応力が小さいので、上記界面におけるクラックが生じにくく、電子部品の接続信頼性を向上させることができる。
【００２２】
本発明に係る接続構造は、電子部品間を電気的に接続する接続構造であって、一方の電子部品の電極と他方の電子部品の電極とを、前記電極接続部材によって電気的に接続することを特徴としている。また、本発明に係る接続構造は、回路基板間を電気的に接続する接続構造であって、一方の回路基板の配線と他方の回路基板の配線とを、前記電極接続部材によって電気的に接続することを特徴としている。また、本発明に係る接続構造は、電子部品と回路基板とを電気的に接続する接続構造であって、前記電気部品の電極と前記回路基板の配線とを、前記電極接続部材によって電気的に接続することを特徴としている。
【００２３】
上記の構成によれば、回路基板と電極接続部材との界面、および電子部品と電極接続部材との界面における応力が小さいので、信頼性の高い電子部品間、回路基板間および電子部品−回路基板間の接続構造を実現することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る電極接続部材は、以上のように、略球状のコアと、前記コアを覆う１つ以上の導電性の被覆層と、前記被覆層を覆う１つ以上の半田層とを有する電極接続部材であって、前記被覆層の厚さは、前記コアの直径の５％以上かつ７％以下であるので、接続信頼性の高い電極接続部材を実現できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明の一実施形態について図１ないし図７に基づいて説明すると以下の通りである。
【００２６】
図２は、本実施の形態に係る電極接続部材１を示す断面図である。電極接続部材１は、樹脂コア２、Ｃｕ被覆層３および半田層４を有している。Ｃｕ被覆層３は樹脂コア２を覆っており、半田層４はＣｕ被覆層３を覆っている。樹脂コア２の直径は２４０μｍ、Ｃｕ被覆層３の厚さは１２．５μｍ、半田層４の厚さは約３０μｍである。すなわち、Ｃｕ被覆層３の厚さは、樹脂コア２の直径の約５％である。なお、樹脂コア２、Ｃｕ被覆層３および半田層４の材質は、図８に示す樹脂コア９２、Ｃｕ被覆層９３および半田層９４と同一である。また、半田層４は、一般にＳｎを含有するＳｎ−Ａｇ系半田等が適しているが、Ｓｎを含まないＩｎ−Ａｇ系半田やＩｎ−Ｂｉ系半田であってもよい。
【００２７】
なお、樹脂コア２とＣｕ被覆層３との間には、Ｃｕ被覆層３を形成するための、Ｎｉを主成分とするＮｉ被覆層が存在する場合があるが、非常に薄いため図示していない。前記Ｎｉ被覆層が非常に薄い場合には、リフロー等を用いた接続時にＣｕ被覆層３中に固溶して消失する。
【００２８】
図３は、図２に示す電極接続部材１によって回路基板１０に電子部品２０を実装した状態を示す断面図である。電子部品２０は、パッケージのサイズがチップサイズにほぼ等しいＷＬ−ＣＳＰ（Wafer Level Chip Size Package）であり、半導体チップの電極、あるいは半導体チップの電極と電気的に接続するための接続パッドが、電極接続部材１と半田で電気的に接続されることにより、回路基板１０に実装されている。
【００２９】
図１は、電極接続部材１によって回路基板１０に電子部品２０を実装した状態の接続構造を示す部分断面図であり、図２の枠ａ内の電極接続部分の拡大図である。回路基板１０および電子部品２０は、図８に示す回路基板１０および電子部品２０と同一であり、Ｃｕランド１１，Ｎｉめっき層１２，合金層１３，保護膜２１ａ・２１ｂ，Ｃｕパターン・保護膜混在層２２およびＣｕランド２２ａも、図８におけるものと略同一であるので、細部の説明は省略する。また、Ｃｕランド２２ａと電極接続部材１の半田層４との間には、合金層が形成されているが、当該合金層は非常に薄いため、図示していない。
【００３０】
合金層１３や、Ｃｕランド２２ａと半田層４との間に形成される合金層は、ＳｎやＣｕを主成分とする合金であり非常に脆い。そこで、本実施の形態に係る電極接続部材１では、Ｃｕ被覆層３の厚さが樹脂コア２の直径の約５％となるようにＣｕ被覆層３を形成している。すなわち、図８に示す従来の電極接続部材９１（Ｃｕ被覆層９３の厚さが樹脂コア９２の直径の約４％）に比べ、樹脂コアに対するＣｕ被覆層の厚さを相対的に厚くしている。これにより、Ｃｕ被覆層周辺に応力を分散させて、合金層に印加される応力を緩和し、クラックの発生を抑制している。
【００３１】
また、半田層４のヤング率は、樹脂コア２のヤング率よりも大きく、Ｃｕ被覆層３のヤング率よりも小さい。すなわち、樹脂コア２のヤング率を、Ｃｕ被覆層３および半田層４に比べ小さくしている。これにより、電子部品２０と回路基板１０との熱膨張の差により変形が生じ、電極接続部材１に熱応力が印加されても、樹脂コア２のヤング率が小さいため、樹脂コア２は、ある程度自由に変形する。したがって、熱応力を低減することができ、特に、急激な温度変化や落下衝撃により大きな負荷がかかる場合でも、樹脂コア２によって当該負荷を低減することができる。
【００３２】
続いて、電極接続部材１によって実装された電子部品２０に対する信頼性試験の結果を示す。
【００３３】
図４は、図１に示す状態で、信頼性試験を行った結果を示す表である。図９における信頼性試験と同様、繰り返し曲げ試験、落下衝撃試験、熱サイクル試験を行い、各試験には電極接続部材１によって回路基板１０に実装された電子部品２０をそれぞれ１０個ずつ使用し、不良が発生した試験回数の平均を耐試験回数として示している。
【００３４】
図４と図９とを比較すると、繰り返し曲げ試験、落下衝撃試験、熱サイクル試験のいずれにおいても、従来の電極接続部材９１によって実装された電子部品２０に比べ、本実施の形態の電極接続部材１によって実装された電子部品２０のほうが接続信頼性が高いことが分かる。すなわち、Ｃｕ被覆層３を厚くすることで接続信頼性が格段に向上している。また、前述のように、落下衝撃試験や熱サイクル試験については、通常、耐試験回数が１０００サイクル以上であることが求められる。これに対し、本実施の形態では、落下衝撃試験および熱サイクル試験の耐試験回数は、それぞれ１，４３５回および１，５２８回であり、十分な接続信頼性が確保できている。
【００３５】
続いて、回路基板・電子部品と電極接続部材との間の界面に印加される応力の、シミュレーションによる解析について、図１、図８および図５に基づいて説明する。
【００３６】
当該シミュレーションでは、電子部品２０の１つの電極接続部のみをモデル化して解析を行った。具体的には、温度変化−４０℃〜１２５℃において、クラックが発生する部分、すなわち、電子部品２０のＣｕランド２２ａと半田層４・９４との界面、或いは、回路基板１０のＮｉめっき層１３と半田層４・９４との界面に印加される熱応力を計算した。なお、電子部品２０のＣｕランド２２ａと半田層４・９４との間、或いは回路基板１０のＮｉめっき層１３と半田層４・９４との間には合金層が形成されるが、いずれの合金層も厚さが約２〜４μｍ以下であるため、シミュレーションにおいてはモデル化せず無視している。
【００３７】
図５は、前記シミュレーションによる、従来構成および本実施の形態に係る構成における、Ｎｉめっき層と半田層との界面に印加される相当応力の相対値を示す表である。上段には、図８に示す電極接続部材９１によって実装された電子部品２０における、Ｎｉめっき層１３と半田層９４との界面に印加される相当応力を１として表記している。これに対し、下段に示すように、図１に示す電極接続部材１によって実装された電子部品２０における、Ｎｉめっき層１３と半田層４との界面に印加される相当応力は、０．９３となっている。
【００３８】
このように、本実施の形態では、Ｃｕ被覆層３の厚さが、従来構成であるＣｕ被覆層９３の厚さに比べ１．２５倍となっているので、Ｎｉめっき層と半田層との界面に印加される相当応力がさらに緩和されていることが分かる。
【００３９】
続いて、Ｃｕ被覆層の厚さの範囲を決定するためのシミュレーションによる熱応力解析について、図６および図７に基づいて説明する。
【００４０】
当該シミュレーションでは、図６に示すように、２つの回路基板１０を電極接続部材３１によって接続した構成において、電極接続部材３１と回路基板１０との界面の熱応力解析を行った。電極接続部材３１を構成する樹脂コア３２、Ｃｕ被覆層３３および半田層３４の材質は、図１に示す樹脂コア２、Ｃｕ被覆層３および半田層４と同一である。シミュレーションでは、樹脂コア３２および半田層３４の厚さを一定にして、Ｃｕ被覆層３３の厚さを樹脂コア３２の直径の０％〜９％の範囲で１％単位で変化させ、温度変化−４０℃〜１２５℃において、半田層３４とＮｉめっき層１２との界面に印加される相当応力を計算した。
【００４１】
図７（ａ）は、Ｃｕ被覆層厚と前記界面に印加される相当応力との関係を示す表である。ここで、Ｃｕ被覆層厚とは、樹脂コア３２の直径に対するＣｕ被覆層３３の厚さを意味し、Ｃｕ被覆層厚が４％である場合の相当応力の値を１としている。
【００４２】
図７（ｂ）は、Ｃｕ被覆層厚と前記界面に印加される相当応力との関係を示すグラフであり、図７（ａ）に示す表をグラフ化し、近似曲線を追加したものである。グラフ中の破線は、前記近似曲線が変曲点を持つＣｕ被覆層厚の値を示している。なお、Ｃｕ被覆層厚が４％以下の範囲が、従来構成に対応している。変曲点も考慮した場合、Ｃｕ被覆層厚が５％から７％であれば、従来構成に係る電極接続部材に比べて印加される相当応力が大きく緩和されることが分かる。
【００４３】
以上のように、Ｃｕ被覆層の厚さを樹脂コアの直径の５％から７％とすることにより、クラック発生源となる界面に印加される応力をさらに緩和し、電極接続部材による接続信頼性を大幅に向上させることができる。また、図６の構成は、２つの回路基板を電極接続部材によって接続した構成であるので、Ｃｕ被覆層の厚さを樹脂コアの直径の５％から７％とすることにより、回路基板と半田間の熱膨張の差異による半田（の強度的に最も弱い部分）に印加される応力を低減できることを意味している。
【００４４】
なお、図６に示す構成で、例えば、Ｃｕ被覆層の厚さを樹脂コアの直径の５％とした場合、応力低減の効果は、約１％であり、図１に示す構成（電子部品を電極接続部材によって回路基板に実装した構成）に比べ低減効果が小さいが、シミュレーションによる静的な解析（定常解析）における結果であるため、実際の衝撃的な負荷がかかる状況下では、低減効果はより大きく現れる。
【００４５】
また、樹脂コア２・３２を被覆する被覆層は、Ｃｕに限らず、Ｃｕを主成分とする合金であってもよく、例えば、半田とＣｕとが合金化したものであってもよい。これにより、さらに良好な導電性を確保することができる。さらに、前記被覆層は、Ｃｕと近い物性（ヤング率、熱膨張係数等）を示す材料を成分とする導電性の金属（Ｎｉ等）であってもよい。被覆層としてＮｉを用いる場合、Ｎｉ被覆層の上にＡｕめっきを施す。なお、半田層を形成した場合に、当該Ａｕめっき層は、半田中に固溶して消失するが、一部が消失せずに残存する場合もある。これらの構成であっても、被覆層の厚さを樹脂コアの直径の約５％〜７％とすることにより、従来よりも接続信頼性を大幅に向上させることができる。
【００４６】
また、本発明の電極接続部材は、電子部品−回路基板間の接続、および回路基板間の接続だけでなく、電子部品間の接続に用いてもよい。
【００４７】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、電極接続部材にて電気的に接続される、チップ部品、回路部品、基板部品、電子部品および電気部品に好適に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施形態を示すものであり、電極接続部材によって回路基板に電子部品を実装した状態を示す部分断面図である。
【図２】前記電極接続部材を示す断面図である。
【図３】図２に示す電極接続部材によって回路基板に電子部品を実装した状態の接続構造を示す断面図である。
【図４】図１に示す状態で、信頼性試験を行った結果を示す表である。
【図５】シミュレーションによる、従来構成および本発明の実施形態に係る構成における、Ｎｉめっき層と半田層との界面に印加される相当応力の相対値を示す表である。
【図６】２つの回路基板を電極接続部材によって接続した状態の接続構造を示す断面図である。
【図７】（ａ）は、図６に示す状態において、Ｃｕ被覆層厚と半田層・Ｎｉめっき層の界面に印加される相当応力との関係を示す表であり、（ｂ）は、当該関係を示すグラフである。
【図８】一般的な電極接続部材によって回路基板に電子部品を実装した状態の接続構造を示す部分断面図である。
【図９】図８に示す状態で、信頼性試験を行った結果を示す表である。
【符号の説明】
【００５０】
１ 電極接続部材
２ 樹脂コア（コア）
３ Ｃｕ被覆層（被覆層）
４ 半田層
１０ 回路基板
２０ 電子部品
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品を回路基板に実装するための電極接続部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話等を代表とする電子機器の小型化、軽量化の要求に伴い、電子部品の小型化と高密度実装化が図られている。小型化された電子部品の例としては、パッケージのサイズをチップに極力近づけたＣＳＰ（Chip Size Package）などが挙げられる。
【０００３】
電子部品とその電子部品が実装される回路基板との接続端子部には、温度変化に伴う熱膨張係数の不整合により応力が印加される。これにより、温度変動が繰り返し起こると、接続端子が疲労し、破壊に至る。特に、ＣＳＰ等の小型化された電子部品とそれらの電子部品が実装される回路基板との接続部においては、応力の緩和構造を形成しにくい。このため、温度サイクル試験や落下衝撃試験における信頼性は著しく低下する。
【０００４】
そこで、接続端子として用いられる電極接続部材中に、前もって樹脂等から成るコアなどを設けることで応力を緩和させる方法が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２および特許文献３）。その代表例として、特許文献３には、電極接続部材に樹脂コア半田ボール等を用いる構成が開示されている。樹脂コア半田ボールは、樹脂コアの表面にＮｉやＣｕ等の被覆層が形成され、その上に半田層が形成されている構成である。これにより、リフロー実装時に半田が流れ落ちても被覆層はコア表面に残るため、良好な電気接続性が保たれる。
【０００５】
前記のようなコアを有する電極接続部材では、温度変動による熱応力を緩和させるだけでなく、落下衝撃等の応力を緩和させる効果を持つものもある。ただしＣｕを被覆層として用いる場合には、樹脂コアとＣｕとの密着力が弱いため、Ｃｕ被覆層の形成前に、樹脂コアの表面にＮｉ薄膜を形成する必要がある。しかしながら、このＮｉ薄膜が非常に薄い場合、Ｃｕ被覆層の形成時やリフロー実装時に、Ｎｉ薄膜がＣｕ被覆層中に固溶して消失してしまう。また、Ｃｕ被覆層の厚さが樹脂コアの直径の１％より小さい場合には、樹脂コアの熱膨張等に耐えられずにＣｕ被覆層にクラック等を生じてしまうので、一般的な電極接続部材でのＣｕ被覆層の厚さは、樹脂コア直径の約４％である。
【特許文献１】特開２００４−２７３４０１号公報（２００４年９月３０日公開）
【特許文献２】特開２００４−３４９４８７号公報（２００４年１２月９日公開）
【特許文献３】特開２００７−１０３７３７号公報（２００７年４月１９日公開）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記の電極接続部材でも、実装信頼性が低いという問題を生ずる。
【０００７】
図８は、一般的な電極接続部材９１によって回路基板１０に電子部品２０を実装した状態を示す部分断面図である。電極接続部材９１は、樹脂コア９２、Ｃｕ被覆層９３および半田層９４を有している。樹脂コア９２の直径は２４０μｍ、Ｃｕ被覆層９３の厚さは１０μｍ、半田層９４の厚さは約３０μｍである。すなわち、Ｃｕ被覆層９３の厚さは、樹脂コア９２の直径の約４％である。樹脂コア９２は、樹脂材から成る略球状のコアであり、半田層９４はＳｎを含有している。
【０００８】
回路基板１０の電極接続部材９１が設けられる部分には、Ｃｕランド１１、Ｎｉめっき層１２が形成され、Ｎｉめっき層１２と電極接続部材９１の半田層９４との間に、合金層１３が形成される。また、電子部品２０の回路基板１０との対向面には、保護膜２１ａ、Ｃｕパターン・保護膜混在層２２および保護膜２１ｂが形成され、保護膜２１ａ、Ｃｕパターン・保護膜混在層２２には、Ｃｕランド２２ａが形成され、Ｃｕランド２２ａと電極接続部材９１の半田層９４との間に、合金層が形成される。なお、当該合金層は非常に薄いため、図示していない。Ｎｉめっき層１２と半田層９４との間に形成される合金層１３およびＣｕランド２２ａと半田層９４との間に形成される合金層は、ＳｎやＣｕを主成分とする合金であり、非常に脆く構造上からも弱い。そのため信頼性試験においてはこれら合金層を起点としてクラックが発生する。
【０００９】
図９は、図８に示す状態で、信頼性試験を行った結果を示す表である。信頼性試験としては繰り返し曲げ試験、落下衝撃試験、熱サイクル試験を行った。各試験には、電極接続部材９１によって実装された電子部品２０をそれぞれ１０個ずつ使用しており、不良が発生した試験回数の平均を耐試験回数として示している。
【００１０】
ここで、落下衝撃試験や熱サイクル試験については、通常、耐試験回数が１０００回以上であることが求められる。しかしながら、図９に示すように、落下衝撃試験および熱サイクル試験の耐試験回数は、それぞれ５３４回および１，１６４回となっている。したがって、特に、落下衝撃試験における信頼性が確保できておらず、熱サイクル試験においても信頼性は十分とはいえない。
【００１１】
このように、電極接続部材９１中に樹脂コア９２を設け、接続端子における応力を緩和してもその効果は十分ではなく、所定の耐試験回数を経る前に、接続部においてクラックが生じてしまう。このため、回路基板１０・電子部品２０と電極接続部材９１との界面における応力をさらに緩和する必要がある。
【００１２】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、回路基板と電極接続部材との界面、および電子部品と電極接続部材との界面における応力を緩和し、接続信頼性の高い電極接続部材を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る電極接続部材は、上記課題を解決するために、略球状のコアと、前記コアを覆う１つ以上の導電性の被覆層と、前記被覆層を覆う１つ以上の半田層とを有する電極接続部材であって、前記被覆層の厚さは、前記コアの直径の５％以上かつ７％以下であることを特徴としている。
【００１４】
上記の構成によれば、被覆層の厚さは、コアの直径の５％以上かつ７％以下であり、従来構成における被覆層に比べ、相対的に厚く形成されている。これにより、本発明に係る電極接続部材によって電子部品を回路基板に実装した場合、被覆層周辺に応力を分散させることができるので、回路基板と電極接続部材との界面、および電子部品と電極接続部材との界面における応力がさらに緩和される。したがって、上記界面におけるクラックが生じにくくなり、接続信頼性の高い電極接続部材を実現できるという効果を奏する。
【００１５】
本発明に係る電極接続部材では、前記コアは樹脂材から成り、前記半田層のヤング率は、前記コアのヤング率よりも大きく、かつ、前記被覆層のヤング率よりも小さいことが好ましい。
【００１６】
上記の構成によれば、コアは樹脂材から成り、コアのヤング率が被覆層および半田層に比べて低い。これにより、電極接続部材によって電子部品を回路基板に実装した場合、電子部品と回路基板との熱膨張の差により変形が生じ、電極接続部材に熱応力が印加されても、コアがある程度自由に変形するので、熱応力を低減することができる。特に、急激な温度変化や落下衝撃により大きな負荷がかかる場合でも、コアによって当該負荷を低減することができる。したがって、より接続信頼性を向上させることができる。
【００１７】
本発明に係る電極接続部材では、前記被覆層のうち少なくとも１つは、Ｃｕ又はＣｕを主成分とする合金により形成されていることが好ましい。
【００１８】
上記の構成によれば、良好な電気伝導性を確保することができる。
【００１９】
本発明に係る電極接続部材では、前記半田層のうち少なくとも１つは、Ｓｎを含有していてもよい。
【００２０】
本発明に係る電子部品は、前記電極接続部材を外部接続端子として有することを特徴としている。
【００２１】
上記の構成によれば、回路基板と電極接続部材との界面、および電子部品と電極接続部材との界面における応力が小さいので、上記界面におけるクラックが生じにくく、電子部品の接続信頼性を向上させることができる。
【００２２】
本発明に係る接続構造は、電子部品間を電気的に接続する接続構造であって、一方の電子部品の電極と他方の電子部品の電極とを、前記電極接続部材によって電気的に接続することを特徴としている。また、本発明に係る接続構造は、回路基板間を電気的に接続する接続構造であって、一方の回路基板の配線と他方の回路基板の配線とを、前記電極接続部材によって電気的に接続することを特徴としている。また、本発明に係る接続構造は、電子部品と回路基板とを電気的に接続する接続構造であって、前記電気部品の電極と前記回路基板の配線とを、前記電極接続部材によって電気的に接続することを特徴としている。
【００２３】
上記の構成によれば、回路基板と電極接続部材との界面、および電子部品と電極接続部材との界面における応力が小さいので、信頼性の高い電子部品間、回路基板間および電子部品−回路基板間の接続構造を実現することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る電極接続部材は、以上のように、略球状のコアと、前記コアを覆う１つ以上の導電性の被覆層と、前記被覆層を覆う１つ以上の半田層とを有する電極接続部材であって、前記被覆層の厚さは、前記コアの直径の５％以上かつ７％以下であるので、接続信頼性の高い電極接続部材を実現できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明の一実施形態について図１ないし図７に基づいて説明すると以下の通りである。
【００２６】
図２は、本実施の形態に係る電極接続部材１を示す断面図である。電極接続部材１は、樹脂コア２、Ｃｕ被覆層３および半田層４を有している。Ｃｕ被覆層３は樹脂コア２を覆っており、半田層４はＣｕ被覆層３を覆っている。樹脂コア２の直径は２４０μｍ、Ｃｕ被覆層３の厚さは１２．５μｍ、半田層４の厚さは約３０μｍである。すなわち、Ｃｕ被覆層３の厚さは、樹脂コア２の直径の約５％である。なお、樹脂コア２、Ｃｕ被覆層３および半田層４の材質は、図８に示す樹脂コア９２、Ｃｕ被覆層９３および半田層９４と同一である。また、半田層４は、一般にＳｎを含有するＳｎ−Ａｇ系半田等が適しているが、Ｓｎを含まないＩｎ−Ａｇ系半田やＩｎ−Ｂｉ系半田であってもよい。
【００２７】
なお、樹脂コア２とＣｕ被覆層３との間には、Ｃｕ被覆層３を形成するための、Ｎｉを主成分とするＮｉ被覆層が存在する場合があるが、非常に薄いため図示していない。前記Ｎｉ被覆層が非常に薄い場合には、リフロー等を用いた接続時にＣｕ被覆層３中に固溶して消失する。
【００２８】
図３は、図２に示す電極接続部材１によって回路基板１０に電子部品２０を実装した状態を示す断面図である。電子部品２０は、パッケージのサイズがチップサイズにほぼ等しいＷＬ−ＣＳＰ（Wafer Level Chip Size Package）であり、半導体チップの電極、あるいは半導体チップの電極と電気的に接続するための接続パッドが、電極接続部材１と半田で電気的に接続されることにより、回路基板１０に実装されている。
【００２９】
図１は、電極接続部材１によって回路基板１０に電子部品２０を実装した状態の接続構造を示す部分断面図であり、図２の枠ａ内の電極接続部分の拡大図である。回路基板１０および電子部品２０は、図８に示す回路基板１０および電子部品２０と同一であり、Ｃｕランド１１，Ｎｉめっき層１２，合金層１３，保護膜２１ａ・２１ｂ，Ｃｕパターン・保護膜混在層２２およびＣｕランド２２ａも、図８におけるものと略同一であるので、細部の説明は省略する。また、Ｃｕランド２２ａと電極接続部材１の半田層４との間には、合金層が形成されているが、当該合金層は非常に薄いため、図示していない。
【００３０】
合金層１３や、Ｃｕランド２２ａと半田層４との間に形成される合金層は、ＳｎやＣｕを主成分とする合金であり非常に脆い。そこで、本実施の形態に係る電極接続部材１では、Ｃｕ被覆層３の厚さが樹脂コア２の直径の約５％となるようにＣｕ被覆層３を形成している。すなわち、図８に示す従来の電極接続部材９１（Ｃｕ被覆層９３の厚さが樹脂コア９２の直径の約４％）に比べ、樹脂コアに対するＣｕ被覆層の厚さを相対的に厚くしている。これにより、Ｃｕ被覆層周辺に応力を分散させて、合金層に印加される応力を緩和し、クラックの発生を抑制している。
【００３１】
また、半田層４のヤング率は、樹脂コア２のヤング率よりも大きく、Ｃｕ被覆層３のヤング率よりも小さい。すなわち、樹脂コア２のヤング率を、Ｃｕ被覆層３および半田層４に比べ小さくしている。これにより、電子部品２０と回路基板１０との熱膨張の差により変形が生じ、電極接続部材１に熱応力が印加されても、樹脂コア２のヤング率が小さいため、樹脂コア２は、ある程度自由に変形する。したがって、熱応力を低減することができ、特に、急激な温度変化や落下衝撃により大きな負荷がかかる場合でも、樹脂コア２によって当該負荷を低減することができる。
【００３２】
続いて、電極接続部材１によって実装された電子部品２０に対する信頼性試験の結果を示す。
【００３３】
図４は、図１に示す状態で、信頼性試験を行った結果を示す表である。図９における信頼性試験と同様、繰り返し曲げ試験、落下衝撃試験、熱サイクル試験を行い、各試験には電極接続部材１によって回路基板１０に実装された電子部品２０をそれぞれ１０個ずつ使用し、不良が発生した試験回数の平均を耐試験回数として示している。
【００３４】
図４と図９とを比較すると、繰り返し曲げ試験、落下衝撃試験、熱サイクル試験のいずれにおいても、従来の電極接続部材９１によって実装された電子部品２０に比べ、本実施の形態の電極接続部材１によって実装された電子部品２０のほうが接続信頼性が高いことが分かる。すなわち、Ｃｕ被覆層３を厚くすることで接続信頼性が格段に向上している。また、前述のように、落下衝撃試験や熱サイクル試験については、通常、耐試験回数が１０００サイクル以上であることが求められる。これに対し、本実施の形態では、落下衝撃試験および熱サイクル試験の耐試験回数は、それぞれ１，４３５回および１，５２８回であり、十分な接続信頼性が確保できている。
【００３５】
続いて、回路基板・電子部品と電極接続部材との間の界面に印加される応力の、シミュレーションによる解析について、図１、図８および図５に基づいて説明する。
【００３６】
当該シミュレーションでは、電子部品２０の１つの電極接続部のみをモデル化して解析を行った。具体的には、温度変化−４０℃〜１２５℃において、クラックが発生する部分、すなわち、電子部品２０のＣｕランド２２ａと半田層４・９４との界面、或いは、回路基板１０のＮｉめっき層１３と半田層４・９４との界面に印加される熱応力を計算した。なお、電子部品２０のＣｕランド２２ａと半田層４・９４との間、或いは回路基板１０のＮｉめっき層１３と半田層４・９４との間には合金層が形成されるが、いずれの合金層も厚さが約２〜４μｍ以下であるため、シミュレーションにおいてはモデル化せず無視している。
【００３７】
図５は、前記シミュレーションによる、従来構成および本実施の形態に係る構成における、Ｎｉめっき層と半田層との界面に印加される相当応力の相対値を示す表である。上段には、図８に示す電極接続部材９１によって実装された電子部品２０における、Ｎｉめっき層１３と半田層９４との界面に印加される相当応力を１として表記している。これに対し、下段に示すように、図１に示す電極接続部材１によって実装された電子部品２０における、Ｎｉめっき層１３と半田層４との界面に印加される相当応力は、０．９３となっている。
【００３８】
このように、本実施の形態では、Ｃｕ被覆層３の厚さが、従来構成であるＣｕ被覆層９３の厚さに比べ１．２５倍となっているので、Ｎｉめっき層と半田層との界面に印加される相当応力がさらに緩和されていることが分かる。
【００３９】
続いて、Ｃｕ被覆層の厚さの範囲を決定するためのシミュレーションによる熱応力解析について、図６および図７に基づいて説明する。
【００４０】
当該シミュレーションでは、図６に示すように、２つの回路基板１０を電極接続部材３１によって接続した構成において、電極接続部材３１と回路基板１０との界面の熱応力解析を行った。電極接続部材３１を構成する樹脂コア３２、Ｃｕ被覆層３３および半田層３４の材質は、図１に示す樹脂コア２、Ｃｕ被覆層３および半田層４と同一である。シミュレーションでは、樹脂コア３２および半田層３４の厚さを一定にして、Ｃｕ被覆層３３の厚さを樹脂コア３２の直径の０％〜９％の範囲で１％単位で変化させ、温度変化−４０℃〜１２５℃において、半田層３４とＮｉめっき層１２との界面に印加される相当応力を計算した。
【００４１】
図７（ａ）は、Ｃｕ被覆層厚と前記界面に印加される相当応力との関係を示す表である。ここで、Ｃｕ被覆層厚とは、樹脂コア３２の直径に対するＣｕ被覆層３３の厚さを意味し、Ｃｕ被覆層厚が４％である場合の相当応力の値を１としている。
【００４２】
図７（ｂ）は、Ｃｕ被覆層厚と前記界面に印加される相当応力との関係を示すグラフであり、図７（ａ）に示す表をグラフ化し、近似曲線を追加したものである。グラフ中の破線は、前記近似曲線が変曲点を持つＣｕ被覆層厚の値を示している。なお、Ｃｕ被覆層厚が４％以下の範囲が、従来構成に対応している。変曲点も考慮した場合、Ｃｕ被覆層厚が５％から７％であれば、従来構成に係る電極接続部材に比べて印加される相当応力が大きく緩和されることが分かる。
【００４３】
以上のように、Ｃｕ被覆層の厚さを樹脂コアの直径の５％から７％とすることにより、クラック発生源となる界面に印加される応力をさらに緩和し、電極接続部材による接続信頼性を大幅に向上させることができる。また、図６の構成は、２つの回路基板を電極接続部材によって接続した構成であるので、Ｃｕ被覆層の厚さを樹脂コアの直径の５％から７％とすることにより、回路基板と半田間の熱膨張の差異による半田（の強度的に最も弱い部分）に印加される応力を低減できることを意味している。
【００４４】
なお、図６に示す構成で、例えば、Ｃｕ被覆層の厚さを樹脂コアの直径の５％とした場合、応力低減の効果は、約１％であり、図１に示す構成（電子部品を電極接続部材によって回路基板に実装した構成）に比べ低減効果が小さいが、シミュレーションによる静的な解析（定常解析）における結果であるため、実際の衝撃的な負荷がかかる状況下では、低減効果はより大きく現れる。
【００４５】
また、樹脂コア２・３２を被覆する被覆層は、Ｃｕに限らず、Ｃｕを主成分とする合金であってもよく、例えば、半田とＣｕとが合金化したものであってもよい。これにより、さらに良好な導電性を確保することができる。さらに、前記被覆層は、Ｃｕと近い物性（ヤング率、熱膨張係数等）を示す材料を成分とする導電性の金属（Ｎｉ等）であってもよい。被覆層としてＮｉを用いる場合、Ｎｉ被覆層の上にＡｕめっきを施す。なお、半田層を形成した場合に、当該Ａｕめっき層は、半田中に固溶して消失するが、一部が消失せずに残存する場合もある。これらの構成であっても、被覆層の厚さを樹脂コアの直径の約５％〜７％とすることにより、従来よりも接続信頼性を大幅に向上させることができる。
【００４６】
また、本発明の電極接続部材は、電子部品−回路基板間の接続、および回路基板間の接続だけでなく、電子部品間の接続に用いてもよい。
【００４７】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、電極接続部材にて電気的に接続される、チップ部品、回路部品、基板部品、電子部品および電気部品に好適に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施形態を示すものであり、電極接続部材によって回路基板に電子部品を実装した状態を示す部分断面図である。
【図２】前記電極接続部材を示す断面図である。
【図３】図２に示す電極接続部材によって回路基板に電子部品を実装した状態の接続構造を示す断面図である。
【図４】図１に示す状態で、信頼性試験を行った結果を示す表である。
【図５】シミュレーションによる、従来構成および本発明の実施形態に係る構成における、Ｎｉめっき層と半田層との界面に印加される相当応力の相対値を示す表である。
【図６】２つの回路基板を電極接続部材によって接続した状態の接続構造を示す断面図である。
【図７】（ａ）は、図６に示す状態において、Ｃｕ被覆層厚と半田層・Ｎｉめっき層の界面に印加される相当応力との関係を示す表であり、（ｂ）は、当該関係を示すグラフである。
【図８】一般的な電極接続部材によって回路基板に電子部品を実装した状態の接続構造を示す部分断面図である。
【図９】図８に示す状態で、信頼性試験を行った結果を示す表である。
【符号の説明】
【００５０】
１ 電極接続部材
２ 樹脂コア（コア）
３ Ｃｕ被覆層（被覆層）
４ 半田層
１０ 回路基板
２０ 電子部品
【特許請求の範囲】
【請求項１】
略球状のコアと、前記コアを覆う１つ以上の導電性の被覆層と、前記被覆層を覆う１つ以上の半田層とを有する電極接続部材であって、
前記被覆層の厚さは、前記コアの直径の５％以上かつ７％以下であることを特徴とする電極接続部材。
【請求項２】
前記コアは樹脂材から成り、前記半田層のヤング率は、前記コアのヤング率よりも大きく、かつ、前記被覆層のヤング率よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の電極接続部材。
【請求項３】
前記被覆層のうち少なくとも１つは、Ｃｕ又はＣｕを主成分とする合金により形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電極接続部材。
【請求項４】
前記半田層のうち少なくとも１つは、Ｓｎを含有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電極接続部材。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の電極接続部材を外部接続端子として有することを特徴とする電子部品。
【請求項６】
電子部品間を電気的に接続する接続構造であって、
一方の電子部品の電極と他方の電子部品の電極とを、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電極接続部材によって電気的に接続することを特徴とする接続構造。
【請求項７】
回路基板間を電気的に接続する接続構造であって、
一方の回路基板の配線と他方の回路基板の配線とを、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電極接続部材によって電気的に接続することを特徴とする接続構造。
【請求項８】
電子部品と回路基板とを電気的に接続する接続構造であって、
前記電気部品の電極と前記回路基板の配線とを、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電極接続部材によって電気的に接続することを特徴とする接続構造。
【請求項１】
略球状のコアと、前記コアを覆う１つ以上の導電性の被覆層と、前記被覆層を覆う１つ以上の半田層とを有する電極接続部材であって、
前記被覆層の厚さは、前記コアの直径の５％以上かつ７％以下であることを特徴とする電極接続部材。
【請求項２】
前記コアは樹脂材から成り、前記半田層のヤング率は、前記コアのヤング率よりも大きく、かつ、前記被覆層のヤング率よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の電極接続部材。
【請求項３】
前記被覆層のうち少なくとも１つは、Ｃｕ又はＣｕを主成分とする合金により形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電極接続部材。
【請求項４】
前記半田層のうち少なくとも１つは、Ｓｎを含有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電極接続部材。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の電極接続部材を外部接続端子として有することを特徴とする電子部品。
【請求項６】
電子部品間を電気的に接続する接続構造であって、
一方の電子部品の電極と他方の電子部品の電極とを、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電極接続部材によって電気的に接続することを特徴とする接続構造。
【請求項７】
回路基板間を電気的に接続する接続構造であって、
一方の回路基板の配線と他方の回路基板の配線とを、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電極接続部材によって電気的に接続することを特徴とする接続構造。
【請求項８】
電子部品と回路基板とを電気的に接続する接続構造であって、
前記電気部品の電極と前記回路基板の配線とを、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電極接続部材によって電気的に接続することを特徴とする接続構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−７０６９９（Ｐ２００９−７０６９９Ａ）
【公開日】平成２１年４月２日（２００９．４．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２３８３７２（Ｐ２００７−２３８３７２）
【出願日】平成１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月２日（２００９．４．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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