JP3794766B2

JP3794766B2 - 半田層形成方法

Info

Publication number: JP3794766B2
Application number: JP26190296A
Authority: JP
Inventors: 靖久加賀; 久夫入江
Original assignee: Harima Chemicals Inc
Current assignee: Harima Chemicals Inc
Priority date: 1996-10-02
Filing date: 1996-10-02
Publication date: 2006-07-12
Anticipated expiration: 2016-10-02
Also published as: JPH10107415A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半田層形成方法に係り、特に、半田ブリッジが形成されず、供給ばらつきが少なく、十分な高さのバンプを形成することができる半田層形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子部品の形成や電子部品の電子機器への搭載には、半田による接続が広く用いられており、半田を供給する方法としては、メッキ法、蒸着法、ソルダペースト印刷法、置換析出型半田供給法等が知られている。
【０００３】
その中でも、ソルダペースト印刷法や置換析出型半田供給方法のような、半田粉とフラックスとを含む半田組成物を用いた半田供給方法は、供給工程が簡単であること、及び低コストで実施することができることから、樹脂基板やセラミックス基板等への半田供給に多用されている。
【０００４】
ソルダペースト印刷法を用いて素子を基板に実装する場合、まず、半田粉末をフラックス中に分散し、さらに必要な添加物を混入してなるペースト状の半田組成物を、マスクを用いて半田組成物を基板上の接合部である電極パッド上に塗布する。さらに、電極パッド上に供給された半田組成物上に、素子の端子が位置するように素子を配置し、この状態で加熱することにより、半田組成物を溶融させて素子と電極パッドとを接続する。その後、必要に応じて、基板を洗浄して残存したフラックスを除去する。
【０００５】
また、置換析出型半田供給法を用いて素子を基板に実装する場合、まず、金属Ｓｎ粉末と有機酸鉛塩とを含有する置換析出型半田組成物を、電極パッドが設けられた基板上にベタ塗りする。次に、これを加熱することにより、電極パッド上で置換反応が起こり、その結果、電極パッド上に半田プリコートを形成し、上記と同様にして電極パッドと素子を接続する。
【０００６】
この方法は、ベタ塗りにもかかわらず電極パッド上のみに半田を供給することができるので、微細な電極パターン上の実装に適している。
一般に、これらのような方法により、素子の基板への実装が行われているが、近年の電子機器の小型化に伴い、電子部品も小型化され、電極パッドの間隔を狭くすることが求められており、これにより新たな問題が生じている。
【０００７】
図２に、従来の半田供給法により生じる不具合の一例を示す。
従来の半田供給方法によると、図２の（ａ）に示されるように、半田粉２５同士が半田組成物層２４中で合体して半田ボール２６を形成し、さらに合体を繰り返すことにより、粗大半田ボール２９を形成する。
【０００８】
このような粗大半田ボール２９がバンプ２８と接触すると、粗大半田ボール２９がバンプ２８と合体してしまい、隣接するバンプ２７まで半田が広がるため、ブリッジが形成されてしまう。例え、半田がバンプ２７まで広がらなくとも、図２の（ｂ）に示すように、粗大半田ボールが合体したバンプ２８と、合体していないバンプ２７との間で、バンプのサイズに大きなばらつきが生じてしまうのである。
【０００９】
これを改善するためには、半田粉２５の粒径を小さくすれば良いが、その場合、別の問題が生ずる。
図３に、半田粉の粒径を小さくした場合に、従来の半田供給法により生じる不具合の一例を示す。
【００１０】
図３の（ａ）に示すように、粒径の小さな半田粉３５を用いることにより、半田粉３５同士が半田組成物層３４の中で合体しても、粒径が極端に大きな半田ボールは形成されず、粒径の比較的小さな半田ボール３６が形成される。この半田ボール３６が、バンプ３７又は３８に合体しても、その粒径が小さいため、ブリッジは形成されず、バンプのサイズの大きなばらつきも生じない。
【００１１】
しかし、図３の（ｂ）に示すように、半田粉３５や半田ボール３６の粒径が小さいためにバンプの成長速度が遅くなり、結果として高さの低いバンプが形成されてしまう。
【００１２】
今日の電子部品、例えば、ＬＳＩ等は、１つの部品に対して多数のリードを有しており、これを基板に実装する場合、リードの長さ等のばらつきのために、一部のリードが電極パッドと接触できないことがある。このようなリードも確実に接続するためには、十分な高さのバンプにより電子部品のリードの長さのばらつきを吸収させて半田付けする必要があるが、上述のようにして得られるバンプでは高さが低いために、リードの長さのばらつきを吸収することができずに、接続不良起こすおそれがある。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、バンプ間のブリッジ及びサイズのばらつきがなく、かつ十分な高さのバンプを形成することが可能な半田層形成方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、半田組成物を所定の温度に加熱する際、半田粉融点への到達時間を短くすることにより半田の析出量が増加し、到達時間を長くすることにより半田供給量のばらつきが低減されることから、半田組成物の融点到達時間を局所的に制御することにより、所望の量の半田をばらつきなく供給することができることを見出した。
【００１５】
本発明は、導電部を有する良熱伝導性基板の前記導電部およびその近傍に半田組成物を供給し、これを加熱することにより前記導電部上に半田層としてバンプを形成する方法であって、前記良熱伝導性基板に、前記導電部及び前記良熱伝導性基板より熱伝導率の低い低熱伝導率層を形成する工程と、前記導電部及びその近傍に前記半田組成物を供給する工程と、前記良熱伝導性基板を熱風炉またはホットプレートで加熱し、前記半田組成物を加熱溶融状態にして、前記低熱伝導率層近傍の前記半田組成物の活性度に対して、前記導電部近傍の前記半田組成物の活性度を相対的に高める工程と、前記良熱伝導性基板を冷却する工程と、前記良熱伝導性基板を洗浄する工程と、を含み、前記導電部近傍の前記半田組成物の活性度を相対的に高める工程は、前記良熱伝導性基板の温度が半田の融点に対して＋１０〜＋７０℃となり且つ前記導電部と前記低熱伝導率層との温度差が１０℃以上となるように行うことを特徴とする半田層形成方法を提供する。
【００１６】
本発明で用いられる良熱伝導性基板は、シリコンウエハのような半導体基板、ガラス基板、セラミックス基板、メタルコア基板、高無機物充填樹脂基板等である。導電部に良好に熱を伝達するために、熱伝導率の高いものであることが好ましい。樹脂基板は熱伝導率が低いことから、良好に半田組成物の活性度を制御することができないため、好ましくない。
【００１７】
本発明で形成される低熱伝導率層は、導電部に比べて熱伝導率が小さい材料で構成されることが必要である。この差が大きいほど、低熱伝導率層と導電部との間に大きな温度差を形成することができる。この熱伝導率の差は、１Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1以上であることが好ましく、さらに好ましくは１０Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1以上である。
【００１８】
低熱伝導率層を構成する材料としては、高分子化合物等を用いることができ、ドライフィルム、液体レジスト及び伝着レジスト等を挙げることができる。
低熱伝導率層を構成する材料として絶縁体を用いると、導電部上に、導電部と電子部品のリードを接続するためのバンプを形成した後に、低熱伝導率層の除去を行う必要がないため、工程が簡略化されるので好ましい。低熱伝導率層を構成する絶縁体として、樹脂を用いることが好ましく、特に感光性樹脂を用いると、レ−ザ−等でパタ−ンを露光し現像することにより、容易に導電部間に所望の形状の低熱伝導率層を形成することができる。この低熱伝導率層の厚さは、用いる材料によって異なるが、５μｍ以上であることが好ましい。
【００１９】
また、本発明で形成される低熱伝導率層の大きさ及び形状は、半田供給量に影響を与える。これは、低熱伝導率層を形成することにより、導電部に沿って、低熱伝導率層で囲まれた溝が形成されるため、この溝に対してより効果的に半田粉が供給されるからである。特に、この開口部の形状は、導電部の形状の相似形であることが好ましく、開口部の面積は導電部の面積の約４倍であることが好ましい。
【００２０】
本発明では、良熱伝導性基板の加熱に、熱風炉またはホットプレートを用いる。この加熱温度は、用いる半田組成物により異なるが、半田の融点に対して＋１０〜＋７０℃である。加熱温度が融点に対して＋１０℃未満の場合、半田組成物中で半田粉同士の合体回数を増加させることができず、融点に対して＋７０℃を超える場合は、半田粉同士の合体が過剰に起こるため、半田粉の集合体である粗大な半田ボールが形成されてしまう。
【００２１】
本発明を好適に実施するための最高温度保持時間は、半田粉の粒径や良熱伝導性基板の熱容量などにより異なるが、１０〜１８０秒であることが好ましく、６０〜１２０秒であるとさらに好ましい。最高温度保持時間が６０秒未満の場合は、半田粉同士の合体が十分に行われないため、大きなサイズのバンプが形成されない。
【００２２】
また、本発明を好適に実施するための昇温速度は、４０〜４００℃／分であることが好ましい。昇温速度が４０℃／分未満の場合、半田組成物層内の温度が均一化されてしまい、不適である。
【００２３】
また、導電部と低熱伝導率層との間に温度差を生じさせ、それぞれの近傍の半田組成物層で温度差を生じさせるために、良熱伝導性基板の導電部が設けられた面の裏面から加熱することが好ましい。このように加熱すると、半田組成物層が直接加熱されず、導電部又は低熱伝導率層を介して加熱されるため、それらの温度差に対応して、半田組成物層のそれらの近傍の領域にも同様の温度差が良好に形成される。導電部と低熱伝導率層との間に形成する温度差は、１０℃以上とする。
【００２４】
本発明で用いられる半田組成物は、ソルダペースト又は半田析出用組成物等である。ソルダペーストとしては、半田粉末、フラックス及び添加物等を含むペースト状の混合物が用いられる。また、半田析出用組成物としては、Ｓｎ粉末や半田粉末等の金属粉末、有機酸塩、フラックス、及び添加物等を含むペースト状の混合物が用いられる。
【００２５】
半田粉末には、ＳｎとＰｂとの合金粉、Ｓｎ、Ｉｎ及びＰｂの合金粉、ＳｎとＡｇの合金粉等や、それらの混合物が用いられる。半田粉末の粒径は、２〜７０μｍの範囲であることが好ましく、金属Ｓｎ粉末の粒径は、５〜５０μｍであることが好ましい。
【００２６】
本発明の半田組成物の塗布は、スクリーン印刷等により行われる。
本発明の半田組成物の塗布は、所定領域に設けられている導電部群に対して、一体的に半田を供給するものである。すなわち、良熱伝導性基板上に設けられた全ての導電部に、または、良熱伝導性基板上にブロック状に導電部が設けられている場合等は、そのブロックごとに、半田を一体的に供給する。
【００２７】
また、本発明の良熱伝導性基板の冷却は、空冷等により行われる。
以下、本発明の半田層形成方法について、さらに詳しく説明する。
本発明の半田層形成方法は、良熱伝導性基板の導電部が形成されていない部分の少なくとも一部を、導電部よりも熱伝導率の低い低熱伝導率層で覆い、良熱伝導性基板を加熱することを特徴としている。
【００２８】
このように良熱伝導性基板を加熱すると、導電部に比べて低熱伝導率層の方が熱伝導率が低いため、温度の上昇速度が遅く、導電部と低熱伝導率層との間に温度差が生じる。この温度差により、導電部の近傍の半田組成物と低熱伝導率層の近傍の半田組成物との間に温度差が形成される。高温の、すなわち、導電部の近傍の半田組成物中では、半田粉の活性度が高くなり半田粉同士の合体回数が増加し、大きなサイズのバンプを形成する。一方、低温の、すなわち、低熱伝導率層の近傍の半田組成物中では、半田融点に到達する時間まで活性度は低いままであり、半田粉同士の合体回数は少なく、粒径の大きな半田ボールは形成されない。
【００２９】
以上のように、低熱伝導率層の近傍で形成される半田ボールは粒径が小さいため、例え、半田ボールがバンプと接触合体しても、バンプ間にブリッジが形成されることはなく、バンプ間のサイズのばらつきも生じない。さらに、選択的に導電部の近傍の半田組成物の半田融点到達時間を短くすることにより、十分な大きさのバンプを形成することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る半田層形成方法を示す工程図である。
まず、導電部である電極パッド１２が形成された良熱伝導性基板１１に、感光性樹脂を塗布する。これに、レーザービーム描画装置を用いて、隣接する電極パッド１２の間隙を描画し、現像することにより、低熱伝導率層１３を形成する。
【００３１】
次に、図１の（ａ）に示すように、電極パッド１２及び低熱伝導率層１３が設けられた良熱伝導性基板１１に、半田粉１５とフラックスとを含む半田組成物をスクリーン印刷法により塗布して、半田組成物層１４を形成する。
【００３２】
良熱伝導性基板１１の半田組成物層１４が形成された面の反対側から、ホットプレートにより良熱伝導性基板１１を加熱して、電極パッド１２と低熱伝導層１３との間に温度差を形成する。これにより、電極パッド１２の近傍の半田組成物層１４と、低熱伝導率層１３の近傍の半田組成物層１４との間に温度差が形成され、低熱伝導率層１３の近傍の半田粉１５に比べて、電極パッド１２の近傍の半田粉１５の活性度が高くなる。
【００３３】
その結果、図１の（ｂ）、（ｃ）に示されるように、電極パッド１２の近傍の半田粉１５同士の合体回数が増加し、電極パッド１２上に大きなサイズのバンプ１７、１８が形成される。それに対し、低熱伝導率層１３の近傍の半田粉は、合体回数が少ないままであるので、半田ボール１６のサイズは大きくはならない。
【００３４】
このように、バンプ１７、１８のサイズが大きく、半田ボール１６のサイズが小さいので、半田ボール１６がバンプ１７又は１８と合体しても、バンプ１７とバンプ１８との間のサイズの違いはほとんど生じない。
【００３５】
以上のようにして、バンプ１７、１８を形成した後、空冷し、洗浄することにより、図１の（ｄ）に示される構造を得る。
以下、本発明の効果を明確にするために、実施例について説明する。
【００３６】
（実施例１）
熱伝導率が約１６０Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1のＣｒ−Ｎｉ−Ａｕ電極パッド１２が形成されたシリコンウエハに、熱伝導率が約０．２Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1の感光性樹脂を塗布した。これに、レーザービーム描画装置を用いて、隣接する電極パッドの間隙を描画し、現像することにより、膜厚２０μｍの低熱伝導率層を形成した。
【００３７】
次に、粒径２０μｍの金属Ｓｎ粉末を５０重量％、有機酸鉛塩を２０重量％、フラックスを３０重量％含む半田析出用組成物を調製した。
この半田析出用組成物を、上記ウエハにスクリーン印刷法によりベタ塗りして、半田組成物層を形成し、これを、基板の半田組成物層が形成された面の反対側から、ホットプレートにより、２２０℃で６０秒間加熱した。
【００３８】
これを空冷した後、洗浄して不要な半田組成物を除去することにより、ウエハへの半田供給を行った。
以上のようにして半田が供給されたウエハを検査したところ、ブリッジは検出されず、バンプのサイズは十分に大きく、また、バンプのサイズに目立ったばらつきは見出されなかった。
【００３９】
また、このようにして得られた基板に、Ｓｎ５％−Ｐｂ９５％の半田バンプを有するフリップラップを実装したところ、接続不良は発生しなかった。
（実施例２）
良熱伝導性基板にガラス基板を用いたこと以外は、実施例１と同様にして半田供給を行った。
【００４０】
これを検査した結果、ブリッジは検出されず、バンプのサイズは十分に大きく、また、バンプのサイズに目立ったばらつきは見出されなかった。
また、このようにして得られた基板に、ワイヤボンディングによりＡｕ突起を設けてＡｌ電極に固着したダイを実装したところ、接続不良は発生しなかった。
【００４１】
（実施例３）
良熱伝導性基板にセラミックス基板を用いたこと以外は、実施例１と同様にして半田供給を行った。
【００４２】
その結果、ブリッジは検出されず、バンプのサイズは十分に大きく、また、バンプのサイズに目立ったばらつきは見出されなかった。
また、このようにして得られた基板に、ワイヤボンディングによりＡｕ突起を設けてＡｌ電極に固着したダイを実装したところ、接続不良は発生しなかった。
【００４３】
なお、上記実施例におけるベタ塗りとは、所定領域に設けられた導電部（電極パッド）群及びその近傍に対して半田組成物を一体的に供給する塗り方をいう。この場合、図４（ａ）に示すように、複数の電極パッド４１を含む電極パッド群Ａと電極パッド群Ｂとに対して別々に半田組成物４２を供給しても良く、図４（ｂ）に示すように、複数の電極パッド４１を含む電極パッド群及びその近傍に対して一体に半田組成物４２を供給しても良い。
【００４４】
【発明の効果】
以上示したように、本発明では、導電部が設けられた良熱伝導性基板面の、導電部が形成されていない部分の少なくとも一部を、導電部よりも熱伝導率の低い低熱伝導率層で覆い、良熱伝導性基板を加熱することにより、導電部及び低熱伝導率層に接して設けられた半田組成物層内に温度勾配が形成されて、半田組成物内の半田粉の活性度が制御される。これにより、導電部に接した半田組成物中の半田粉同士の合体回数が大幅に増加するため、大きなサイズのバンプが形成され、他方で、低熱伝導率層に接した半田組成物中の半田粉同士の合体回数は減少するため、大きなサイズの半田ボールが形成されるのが防がれる。したがって、バンプ間のブリッジ及びサイズのばらつきがなく、かつ十分な高さのバンプを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る半田層形成方法を示す工程図。
【図２】従来の半田供給法により生じる不具合の一例を示す断面図。
【図３】半田粉の粒径を小さくした場合に、従来の半田供給法により生じる不具合の一例を示す断面図。
【図４】本発明の実施例に係る半田組成物の供給方法を示す概略図。
【符号の説明】
１１…良熱伝導性基板、１２…電極パッド、１３…低熱伝導率層、１４…半田組成物層、１５…半田粉、１６…半田ボール、１７…バンプ、１８…バンプ、２１…基板、２２…電極パッド、２４…半田組成物層、２５…半田粉、２６…半田ボール、２７…バンプ、２８…バンプ、２９…粗大半田ボール、３１…基板、３２…電極パッド、３４…半田組成物層、３５…半田粉、３６…半田ボール、３７…バンプ、３８…バンプ、４１…電極パッド、４２…半田組成物。

Claims

導電部を有する良熱伝導性基板の前記導電部およびその近傍に半田組成物を供給し、これを加熱することにより前記導電部上に半田層としてバンプを形成する方法であって、
前記良熱伝導性基板に、前記導電部及び前記良熱伝導性基板より熱伝導率の低い低熱伝導率層を形成する工程と、
前記導電部及びその近傍に前記半田組成物を供給する工程と、
前記良熱伝導性基板を熱風炉またはホットプレートで加熱し、前記半田組成物を加熱溶融状態にして、前記低熱伝導率層近傍の前記半田組成物の活性度に対して、前記導電部近傍の前記半田組成物の活性度を相対的に高める工程と、
前記良熱伝導性基板を冷却する工程と、
前記良熱伝導性基板を洗浄する工程と、
を含み、前記導電部近傍の前記半田組成物の活性度を相対的に高める工程は、前記良熱伝導性基板の温度が半田の融点に対して＋１０〜＋７０℃となり且つ前記導電部と前記低熱伝導率層との温度差が１０℃以上となるように行うことを特徴とする半田層形成方法。