JP6573882B2 - カプセル化用のデュアルサイド補強フラックス - Google Patents

Description

１つ以上の局面は、一般的に電子産業に関連し、より具体的には、半導体をパッケージ化するための材料および方法に関する。

背景
基板レベルおよび部品レベルの両方で半導体のパッケージ化に使用される従来のアンダーフィル材料の代用品として使用することができる革新的な製品の需要が高まっている。

電子産業において、組立製造業者は、さまざまな条件の下でパッケージ化材料の処理を容易にするために、高安定性のアンダーフィル材料代用品を求めている。

概要
１つ以上の局面によれば、デュアルサイド補強材料および方法が提供される。

本開示の一局面は、組立プロセス中にデュアルサイド補強（dual-side reinforcement、ＤＳＲ）材料を素子上に塗布する方法に係る。一実施形態において、本方法は、プリント回路基板上に半田ペースト材料をプリントする工程と、ピックアンドプレース（pick-and-place）装置を用いて、ボールグリッドアレイ素子を選択する工程と、この素子をＰｏＰ（package on package）機械上にプリントされたフラックスに浸漬する工程と、この素子を基板上の半田ペーストパッドに配置する工程とを備える。

方法の一局面は、素子を基板に取り付けるために、基板に熱を適用することによって素子をリフローさせる工程をさらに含むことができる。方法は、基板に熱を適用することによって素子をリフローさせる工程の後に、硬化性ＤＳＲ材料を用いて、素子と基板との間の隙間を完全に充填する工程をさらに含むことができる。方法は、走査型電子顕微鏡を用いて、素子の下部の硬化性ＤＳＲ材料を分析する工程をさらに含むことができる。

本開示の別の局面は、アンダーフィル材料の特性および増強された室温安定性を備えるデュアルサイド補強材料に係る。一実施形態において、補強材料は、室温に安定である樹脂混合物、硬化剤、触媒、および少なくとも１つの他の添加剤を含む。

デュアルサイド補強材料の一局面は、従来のアンダーフィル材料の機械的特性を有する材料、および／または従来のアンダーフィル材料の落下衝撃特性を有する材料をさらに含む。

これらの例示的な局面および実施形態のさらなる他の局面、実施形態および利点は、以下により詳細に説明される。また、理解すべきことは、上述の記載および以下の詳細な説明は、さまざまな局面および実施形態を単に例示するものであり、特許請求の局面および実施形態の性質および特徴を理解するための概要または枠組みを提供することを意図していることである。添付の図面は、さまざまな局面および実施形態を例示するおよびさらに理解するために提供され、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する。図面は、本明細書の残りの部分とともに、記載および請求される局面および実施形態の原理および動作を説明するためのものである。

図面には、同様の参照番号は、一般に、異なる図面の同様の部分を示す。また、図面は、必ずしも縮尺通りに描かれておらず、その代わりに、開示された実施形態の原理を説明するために、強調で描かれることがある。図面は、これらの実施形態を限定する意図をしていない。明確化のために、各図面においてすべての部品を標記しないことがある。以下の説明において、さまざまな実施形態は、以下の図面を参照して説明される。

１つ以上の実施形態に係るデュアルサイド補強材料（ＤＳＲ）を塗布する方法のフローチャートである。 走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮影した１つ以上の実施形態に係るＤＳＲ材料により充填されたパッケージの写真である。 添付の実施例に説明した落下衝撃データを示す図である。 １つ以上の実施形態に係るＤＳＲ材料の粘度安定性を示すグラフである。 添付の実施例に説明した熱サイクル試験のデータを示す図である。 熱サイクル試験後の断面を示す図である。 添付の実施例に説明した落下衝撃データを示す図である。

詳細な説明
本明細書に記載のさまざまな実施形態は、以下の説明に記載されたまたは図面に例示された構成の詳細および部品の配置を限定するものではない。本明細書に開示された例示的なもの以外に、さまざまな方法で１つ以上の実施形態を実行または実施することは、可能である。

現在では、従来の熱硬化性ポリマ系アンダーフィル材料は、パッケージ化材料として広く使用され、材料の機械的特性を増強または増加する。電子産業のカプセル化プロセスに広く使用されるアンダーフィル材料は、温度に敏感であるため、室温に曝される場合、早期硬化などの問題を引き起こす可能性がある。室温および空気に曝されることによって、アンダーフィル材料の粘度増加を引き起こす可能性があり、処理上の問題につながる。従来のアンダーフィル材料は、標準的なリフロープロセスとは異なる別の硬化プロセスで硬化される必要および−４℃より低い温度に保存される必要があるため、使用上いくつかの固有の欠点を有する。

１つ以上の実施形態によれば、本発明の材料および方法は、従来のアンダーフィル材料のこれらの欠点に対処することができる。いくつかの実施形態において、本明細書に開示された材料は、塗布されると従来のアンダーフィル材料として機能し、材料を硬化する標準的なリフロープロセスに使用されることができる。硬化後、材料は、アンダーフィル材料の特性および室温安定性を備える傾向があり、任意の追加の手段なしで保存され、使用されることができる。開示されたＤＳＲ材料は、優れた室温安定性を有する。いくつかの非限定的な実施形態において、ＤＳＲ材料は、室温では少なくとも２０日間安定である。開示された材料の粘度も安定である。有利には、標準的なリフロープロセスとは異なる別の硬化プロセスを設ける必要がない。

本明細書に使用されたリフロー半田付けは、一般的に、プリント回路基板の表面に、半田ペーストのプリントまたは分配もしくは半田予備成形物の配置もしくはその両方を行い、堆積された半田の中にまたは近くに部品を配置し、および組立体を半田をリフローさせるのに十分な温度に加熱するプロセスを指すことができる。

１つ以上の実施形態によれば、デュアルサイド補強（ＤＳＲ）材料は、従来のアンダーフィル材料の特性を備える上に、増強された室温安定性を備えることができる。少なくともいくつかの実施形態において、ＤＳＲ材料は、すべてが一般的に室温に安定である樹脂混合物、硬化剤、触媒、および少なくとも１つの他の添加剤を含む。

１つ以上の実施形態によれば、ＤＳＲ材料を塗布する方法が開示される。ＤＳＲ材料を塗布するために、１つの方法は、プリント回路基板上に半田ペースト材料をプリントする工程と、ピックアンドプレース装置を用いて、ボールグリッドアレイ素子を選択する工程と、素子をＰｏＰ（package on package）機械上にプリントされたフラックスに浸漬する工程と、素子を基板上の半田ペーストパッドに配置する工程とを備える。

「デュアルサイド補強材料」または「ＤＳＲ材料」という用語は、本明細書に使用された場合、一種のフラックスを含有する硬化性組成物を指しでもよい。この組成物は、樹脂、硬化剤、触媒および必要な任意の他の添加剤のうち１つ以上を含んでもよい。この組成物は、フラックス剤を含んでもよく含まなくてもよい。少なくともいくつかの実施形態において、フラックス剤は、含まれていない。たとえば、リフロープロセスに従ってＤＳＲ材料を加熱するときに、ＤＳＲ材料は、三次元架橋反応を行い、半田接点の周りにおよびＢＧＡボールと基板との間に隙間に硬質の固体塊を形成し、アンダーフィル材として作用する。

１つ以上の非限定的な実施形態によれば、ＤＳＲ材料は、重量％で以下の成分、すなわち、
ａ）３０〜４０重量％の高沸点有機溶媒、
ｂ）５〜１０重量％の異なる機能性を有するエポキシ樹脂、
ｃ）１５〜３０重量％の高分子量および二機能性を有する固形エポキシ樹脂、
ｄ）活性化剤として、３〜１０重量％のジカルボン酸、
ｅ）触媒として、２〜８重量％の芳香族アミン置換物、
ｆ）触媒として、１〜５重量％のホスフィン系塩、
ｇ）１〜５重量％の液体無水物型硬化剤／触媒、
ｈ）０．１〜４重量％の液体型応力改質剤、
ｉ）０．１〜３重量％の接着促進剤、および
ｊ）２０〜５０重量％の補強充填剤
のうち１つ以上を含むことができる。

１つ以上の実施形態によれば、材料の安定性および所望粘度は、エポキシ樹脂と硬化剤との比によって決められる。使用された触媒は、一般に室温では低い反応性を有すべきであり、架橋反応は、高温（処理温度）のみで起こるべきである。好ましくは、架橋反応は、半田を溶融した後に開始すべきある。半田を溶融する前にエポキシ樹脂が架橋反応する場合、架橋されたエポキシ樹脂は、硬くなる。硬化されたエポキシ樹脂によって、溶融半田は、電子回路基板上の適切な接点を形成することができない場合がある。１つ以上の実施形態によれば、エポキシ樹脂と硬化剤とを組み合わせることによって、半田を溶融した後、高温で架橋反応を誘発することができる。硬化／架橋されたエポキシ樹脂は、半田接点の周りにカラーを形成することができ、半田接点に加えられる応力を低減することができる。

少なくともいくつかの実施形態において、これらの成分は、所望の割合で混合され、たとえば三本の粉砕ロールなどにより粉砕されることができる。たとえばＦＯＧ＜１０ミクロンであることを確認した後、粉砕処理を停止してもよい。その後、粉砕した試料を所望量の補強剤と混合することによって、最終ＤＳＲ製品を得ることができる。

１つ以上の非限定的な実施形態によれば、ＤＳＲ材料の粘度は、約１００〜５００Ｐａ．Ｓの範囲内にあっでもよい。一般的に半田の融点を超えるべきであるピーク硬化温度を決定するために、ＤＳＲ材料の熱量測定特性は、ＤＳＣによって測定されることができる。ＤＳＲ材料のガラス転移温度（Ｔｇ）および熱膨張率（ＣＴＥ）は、熱機械分析装置（ＴＭＡ）によって測定されることができる。材料の貯蔵弾性率は、動的機械分析（ＤＭＡ）によって測定されることができる。

いくつかの実施形態によれば、ＤＳＲ材料を塗布するための方法が提供される。この方法において、ＤＳＲ材料は、ＰｏＰ機械によって容易に塗布されることができる。アンダーフィル材料として機能することが意図されたＤＳＲ材料は、流動性を有しなくてもよい。ＰｏＰによってＤＳＲ材料（場合によって、「フラックス」として呼ばれる）を塗布した後、ＤＳＲ材料は、標準ＳＭＴリフロー条件の下で架橋反応することができる。

図１は、ＤＳＲ材料を塗布する方法の例示的な実施形態を示している。図示のように、方法は、プリント回路基板上に半田ペースト材料をプリントする工程と、ピックアンドプレース装置を用いて、ボールグリッドアレイ素子を選択する工程と、素子をＰｏＰ（package on package）機械上にプリントされたフラックスに浸漬する工程と、素子を基板上の半田ペーストパッド上に配置する工程とを備えることができる。リフロー工程の後、素子と基板との間の隙間は、硬化性ＤＳＲ材料を用いて完全に充填することができる。

１つ以上の実施形態によれば、方法のさまざまな処理パラメータを制御することができる。これらの処理パラメータは、たとえば、浸漬時間、浸漬深さおよび浸漬部品の引上速度を含むことができる。浸漬時間は、ＢＧＡの各半田ボールに付着させるフラックスの量を決定するため、重要であり得る。各ボールに付着されるフラックスの量は、組み立てられたパッケージの最終的な機械的信頼性を影響することができる。より長い浸漬時間は、より高いパッケージ機械的特性をもたらすことができる。一般的には、浸漬時間は、パッケージのサイズに応じて変更されてもよい。いくつかの非限定的な実施形態において、推奨の浸漬時間は、約０．１秒〜約５秒であってもよい。浸漬深さは、最終パッケージの高い機械的強度の達成に寄与することができる。いくつかの非限定的な実施形態において、浸漬深さは、所定のパッケージおよび所定のパッケージの最終的な機械的信頼性の需要に応じて、約５０％〜約９０％まで変化されてもよい。いくつかの特定の実施形態において、推奨の浸漬深さは、ＢＧＡパッケージのボール高さの約９０％である。引上速度は、一般的には、機器が部品をＤＳＲ材料のフラックストレイから引き上げる速度として認識される。パッケージを処理する前に、異なる種類のパッケージの引上速度を最適化する必要がある。

１つ以上の実施形態によれば、ＤＳＲ材料は、従来のアンダーフィル材料の特性を備える上に、優れた室温安定性を有する。従来のアンダーフィル材料は、室温に不安定であり、その粘度が処理中に流動性および硬化性に負の影響を与える。本明細書に開示されたＤＳＲ材料は、室温に安定であり、アンダーフィル材料のすべての有利な機械的特性を有する。

本明細書に記載された方法および組成物は、プリント回路基板の製造、ＬＥＤの組立、太陽電池の製造、半導体の製造およびダイの取付を含むがこれらに限定されない用途に使用されることができる。

本明細書に開示された材料および方法のこれらおよび他の実施形態の機能および利点は、以下の実施例からより完全に理解されるであろう。以下の実施例は、開示された材料および方法の利点を説明することを意図しているが、開示された材料および方法の完全な範囲を例示するものではない。

図２に示されたように、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて、部品の下部の硬化性ＤＳＲ材料に対する分析を行った。ＳＥＭ画像から、基板とＢＧＡ部品との間の隙間が硬化性ＤＳＲ材料により完全に充填され、かつ空洞が存在しないことが分かる。空洞を生成せず、隙間を完全に充填するＤＳＲ材料は、基板上の部品の機械的信頼性を増強することができる。

図３に示されたように、ＤＳＲ材料の落下衝撃特性は、標準的なアンダーフィル材料StayChip３０８２と比較した。

図３のワイブルプロットは、標準ＳＭＴ半田ペースト、アンダーフィル材料StayChip３０８２を含有する標準ＳＭＴ半田ペースト、およびＤＳＲ材料（ＮＨＨＶ４＋４０％Ｓｉ）を含有する標準ＳＭＴ半田ペーストの落下衝撃データを示している。比較によって、アンダーフィル材料を含有する半田ペーストの落下衝撃特性は、標準半田ペーストに比べてはるかに高いであることが分かる。

また、ＤＳＲ材料が充填およびリフローされた基板と同等であることが確認された。落下衝撃データから、ＤＳＲ材料がアンダーフィル材料と同様に振る舞うことが確認された。

Malcom粘度計を用いてＤＳＲ材料の安定性を測定し、一定の時間間隔でＤＳＲ材料の粘度を測定した。Malcom粘度計からの粘度データは、図４に示されている。ＤＳＲ材料は、優れた安定性を示した。

熱サイクル試験は、ＩＰＣ標準９７０１Ａに従って（０℃（１０分）〜＋１２５℃（１０分）の間に１０００サイクルで）行われた。１０００サイクルの後、故障を解析するために、ＢＧＡの横断面観察および顕微鏡観察を行った。最大５つの連続的な読取走査のうち公称抵抗が２０％増加すると、故障と定義された。データは、図５に示されている。図示のように、いずれかペーストの電気抵抗は、２０％を超えて増加しなかった。図６は、熱サイクル後の断面を示している。

ＳＨ２およびＮＨＨＶ４−Ｓの両方は、（１０分間の滞留時間で）０℃から＋１２５℃まで１０００熱サイクルを受けた。１０００熱サイクルを受けたＳＨ２およびＮＨＨＶ４−Ｓにおいて、半田ボールまたはフラックス材料に亀裂が観察されなかった。Ｓｎ３Ａｇ０．５Ｃｕ ＣＶＰ３９０半田ペーストにおいて、ＳＨ２またはＮＨＨＶ４−Ｓを添加しない場合、７５０熱サイクルの後に亀裂が現れた。したがって、ＳＨ２およびＮＨＨＶ４−Ｓは、熱サイクル試験中に（ＣＴＥの不整合による）周期膨張に対する追加の抵抗力を半田接点に与えた。

開示されたＤＳＲ材料の落下衝撃特性は、落下条件Ｂ（１５００Ｇ、０．５ｍｓパルス、半正弦曲線）を使用するＪＥＤＥＣ規格ＪＥＳＤ２２−Ｂ１１１「携帯式電子製品の部品の基板レベル落下試験方法」に従って、従来の半田ペーストの落下衝撃特性と比較した。故障の検出は、５回の連続落下の間に、１回目の落下に続き、３回の追加落下を断続的に行うことによって定義された。

データは、図７に示されている。ＮＨＨＶ４−ＳおよびＳＨ２の落下衝撃特徴寿命は、従来の半田ペーストのみを用いた場合よりもそれぞれ約２倍および３倍であった。ＳＨ５−Ｆの落下衝撃特徴寿命は、従来の半田ペーストのみを用いた場合よりもほぼ６倍高かった。

理解すべきことは、本明細書に説明された組成物および方法の実施形態は、および本明細書に記載された構造および配置の詳細に適用されると限らないことである。これらの組成物および方法は、他の実施形態に実施可能であり、さまざまな方法で実行または実現可能である。特定の実現例は、例示の目的のみで本明細書に記載され、限定する意図をしていない。特に、任意の１つ以上の実施形態に関連して説明された作用、要素および特徴は、任意の他の実施形態における同様の役割から除外されることを意図していない。

また、本明細書に使用された語法表現および専門用語は、説明の目的のためであり、限定と見なされるべきではない。本明細書において、「含む」（including）、「備える」（comprising）、「有する」（having）、「含有する」（containing）、「包含する」（involving）およびそれらの変形は、その後に列挙される項目およびそれらの均等物に加えて、追加の構成も含むことを意味する。

上記では、少なくとも１つの実施形態のいくつかの側面を説明したが、理解すべきことは、さまざまな変更、修正および改良は、当業者にとって容易に想起されることである。このような変更、修正および改良はは、本開示の一部であり、本開示の範囲内にあると意図されている。したがって、前述の説明および図面は、例示に過ぎない。

Claims (9)

1. 組立プロセス中にデュアルサイド補強（ＤＳＲ）材料を素子上に塗布する方法であって、
   プリント回路基板上に半田ペースト材料をプリントする工程と、
   ピックアンドプレース装置を用いて、ボールグリッドアレイ素子を選択する工程と、
   前記素子をＰｏＰ（package on package）機械上にプリントされたフラックスに浸漬する工程と、
   前記素子を前記プリント回路基板上の半田ペーストパッドに配置する工程と、
   前記素子を前記プリント回路基板に取り付けるために、前記プリント回路基板に熱を適用することによって前記素子をリフローさせる工程と、
   硬化性ＤＳＲ材料を用いて、前記素子と前記プリント回路基板との間の隙間を充填する工程とを備え、
   ここにおいて、前記ＤＳＲ材料は、エポキシ樹脂および硬化剤を含み、
   エポキシ樹脂および硬化剤の組み合わせは、半田を溶融した後、架橋反応を高温でのみ誘発する、方法。
2. 走査型電子顕微鏡を用いて、前記素子の下部の前記硬化性ＤＳＲ材料を分析する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 浸漬時間は、０．１秒〜５秒であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 浸漬深さは、５０％〜９０％であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 前記ＤＳＲ材料はジカルボン酸を含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記ＤＳＲ材料は芳香族アミン置換物を含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記ＤＳＲ材料はホスフィン系塩を含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記ＤＳＲ材料は液体無水物型硬化剤を含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記ＤＳＲ材料は１００〜５００Ｐａ．Ｓの範囲内の粘度を有する、請求項１に記載の方法。