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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenmontage unter Verwendung einer aktivierten Harzzusammensetzung.
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Herkömmlicherweise wurden Techniken zur Oberflächenmontage für verschiedene Bauelemente, wie zum Beispiel BGA-Bauelemente, durch ein Verfahren durchgeführt, welches die Schritte umfasst, bei welchen eine Leiterplatte mit Flussmittel versehen wird, BGA-Bauelemente auf der Leiterplatte montiert werden, ein Reflow-Lötvorgang durchgeführt wird, ein Vorgang zur Reinigung und zum Entfernen von Flussmittel durchgeführt wird, der Raum zwischen der Leiterplatte und den BGA-Bauelementen mit einem Verfüllharz gefüllt wird und das Verfüllharz gehärtet wird. Das Flussmittel, das eine Verbindung enthält, die eine Carbonsäure als Aktivator enthält, wie etwa Kolophoniumharz, ist bekannt (Patentdokument 1, Anspruch 3).
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Im Stand der Technik ist aus der
US 5620831 A beispielsweise eine durch Photohärtung und durch Wärme aushärtbare Harzzusammensetzung bekannt, die ein durch Strahlungsenergie härtbares Harz, einen Verdünner, ein Epoxidharz und einen Härter aufweist, welche für die Verwendung einer Lötmaske vorgeschlagen wurde. Aus der
GB 2103621 A ist eine weitere Harzzusammensetzung bestehend aus einem Copolymer und einem polymerisierbaren Monomer, einem Epoxidharz, und einem Härter bekannt.
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In jüngerer Zeit besteht die Tendenz, die Anzahl der auf dem BGA-Bauelement montierten Chips zur funktionellen Verbesserung zu erhöhen und somit nimmt die Körpergröße des BGA-Bauelements entsprechend tendenziell zu.
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Mit der Größenzunahme kann jedoch das BGA-Bauelement selbst die gewünschte Reinigungswirkung beeinträchtigen und nicht entferntes Flussmittel (Flussmittelrest) wird in dem Schritt der Reinigung und des Entfernens von Flussmittel zurückgelassen. Folglich bestand die Möglichkeit, dass der in dem Flussmittelrest enthaltene Aktivator-Inhaltsstoff eine Korrosionsreaktion beim nachfolgenden Schritt der Warmhärtung des Verfüllharzes verursachen kann.
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Um dieses Problem zu lösen, wurde bereits ein reinigungsfreies Flussmittel (ein Flussmittel, bei dem die Notwendigkeit der Reinigung entfällt) vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Aktivierungskraft des Aktivators ausreichend gering ist, dass die Möglichkeit der Korrosion beschränkt ist (Patentdokument 2). Wenn jedoch ein derartiges reinigungsfreies Flussmittel verwendet wird, kann dieses reinigungsfreie Flussmittel selbst bei dem Schritt der Warmhärtung des Verfüllharzes Crackgas erzeugen und folglich das BGA-Bauelement zerstören.
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Mit der zunehmenden Größe des BGA-Bauelements können sich Verbindungsstellen in dem BGA-Bauelement störend auf den gewünschten Füllungseffekt im Schritt des Verfüllens des Verfüllharzes auswirken. Insbesondere wenn Oberflächenfehler auf der Oberfläche der Leiterplatte vorhanden sind (z. B. Unregelmäßigkeiten der Schaltung und/oder Unregelmäßigkeiten der Lotmaske), ist es oftmals unmöglich, jedes Loch und jede Ecke der Unregelmäßigkeiten vollständig mit dem Verfüllharz zu füllen und folglich können Leerräume und/oder nicht verfüllte Raum zurückbleiben, was die Qualität und Zuverlässigkeit des Produkts beträchtlich verschlechtert. Ferner ist es dann, wenn ein Fehler, wie zum Beispiel eine Leerstelle, übersehen wird und der nachfolgende Schritt der Härtung des Verfüllharzes durchgeführt wird, nicht mehr möglich, das Produkt zu reparieren, und ein derartiges fehlerhaftes Produkt wird Ausschuss. Dies führt zu einer direkten Verminderung des Ertragsprozentsatzes.
Patentdokument 1:
japanische Patentanmeldung Offenlegungsschrift Nr. 2004-152936 Patentdokument 2:
japanische Patentanmeldung Offenlegungsschrift Nr. 2002-237676 -
Kurzbeschreibung der Erfindung
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Im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen Probleme ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Oberflächenmontage zu schaffen, das dahingehend verbessert ist, dass sie die nachfolgend beschriebenen Effekte hat.
- 1. Bei einem Verfahren zur Oberflächenmontage kann der Schritt der Reinigung von Flussmittel beseitigt werden, um nicht nur die Herstellungskosten zu reduzieren, sondern auch die Produktivität zu verbessern.
- 2. Weder Gasblasen noch Leerräume sind in einer aufgebrachten Harzschicht nach der Aushärtung vorhanden und somit kann die Zuverlässigkeit des Produkts verbessert werden.
- 3. Die aufgebrachte Harzschicht zeigt nach der Aushärtung eine ausreichend hohe thermische Stabilität, um die Gefahr zu beseitigen, dass die aufgetragene Harzschicht eine Korrosionsreaktion verursachen könnte und/oder Crackgas bei der Erwärmung erzeugen könnte (beispielsweise bei dem Schritt der Warmhärtung des Verfüllharzes).
- 4. Das Verfüllen des Verfüllharzes kann erleichtert werden. Wenn folglich ein BGA-Bauelement mit einer großen Körpergröße montiert wird, besteht keine Möglichkeit, dass eine Gasblase, eine Leerstelle oder ein anderer nicht verfüllter Raum in den mit dem Verfüllharz gefüllten und gehärteten Bereichen verbleibt. Auf diese Weise kann eine zuverlässige Verbindung (Anhaftung) sichergestellt werden und die Zuverlässigkeit des Produkts kann verbessert werden.
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Die vorstehend beschriebene Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung gelöst, die von der Erfinderin auf der Grundlage von Versuchsergebnissen entwickelt wurde.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren mit einer aktivierten Harzzusammensetzung, welche auf der Basis eines bei Raumtemperatur festen Epoxidharzes mit 100 Gewichtsanteilen eine Carboxyverbindung mit 1–10 Gewichtsanteilen, einen Härter mit 1–30 Gewichtsanteilen, wobei die Starttemperatur der Härtungsreaktion des Härters 150°C oder höher ist, und ein Lösemittel mit 10–300 Gewichtsanteilen enthält.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Oberflächenmontage, enthaltend die Schritte des Beschichtens zumindest einer mit Lot versehenen Oberfläche einer Leiterplatte mit der aktivierten Harzzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung, Beladens der Leiterplatte mit einem Bauelement zur Oberflächenmontage, Durchführens eines Reflow-Lötvorgangs und Warmhärtens der aufgetragenen Harzschicht.
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Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Oberflächenmontage, ferner enthaltend einen Schritt des Trocknens und/oder Erwärmens der aufgetragenen Harzschicht bei einer Temperatur, die einem Erweichungspunkt entspricht oder höher ist, jedoch niedriger als die Starttemperatur der Aushärtungsreaktion, bevor die Leiterplatte mit dem Bauelement für die Oberflächenmontage beladen wird.
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Die vorliegende Erfindung betrifft in einer bevorzugten Ausführung ein Verfahren zur Oberflächenmontage, ferner enthaltend einen Schritt des Verfüllens und der Aushärtung des Verfüllharzes, nachdem die aufgetragene Harzschicht warmgehärtet wurde.
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Das Verfahren mit der aktivierten Harzzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung kann verwendet werden, um die nachfolgend beschriebenen Effekte zu erzielen.
- 1. Bei einem Verfahren zur Oberflächenmontage kann der Schritt der Reinigung von Flussmittel beseitigt werden, um nicht nur die Herstellungskosten zu reduzieren, sondern auch die Produktivität zu verbessern.
- 2. Weder Gasblasen noch Leerräume sind in einer aufgebrachten Harzschicht nach der Aushärtung vorhanden und somit kann die Zuverlässigkeit des Produkts verbessert werden.
- 3. Die aufgebrachte Harzschicht zeigt nach der Aushärtung eine ausreichend hohe thermische Stabilität, um die Gefahr zu beseitigen, dass die aufgetragene Harzschicht eine Korrosionsreaktion verursachten könnte und/oder Crackgas bei der Erwärmung erzeugen könnte (beispielsweise bei dem Schritt der Warmhärtung des Verfüllharzes).
- 4. Das Verfüllen des Verfüllharzes kann erleichtert werden. Auch wenn folglich ein BGA-Bauelement mit einer großen Körpergröße montiert wird, besteht keine Möglichkeit, dass eine Gasblase, eine Leerstelle oder ein anderer nicht verfüllter Raum in den mit dem Verfüllharz gefüllten und gehärteten Bereichen verbleibt. Auf diese Weise kann eine zuverlässige Verbindung (Anhaftung) sichergestellt werden und die Zuverlässigkeit des Produkts kann verbessert werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine Draufsicht einer Leiterplatte, die in einer Ausführungsform der Erfindung (A) verwendet wird, und eine Schnittansicht entlang der Linie a-a' (B) in 1A;
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2 ist eine Unteransicht eines in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendeten BGA-Bauelements (A) und eine Schnittansicht entlang der Linie a-a' (B) in 2A; und
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3 zeigt mehrere Schnittansichten, die jeweilige Schritte eines Oberflächenmontageprozesses gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen.
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Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden auf der Grundlage der bevorzugten Ausführungsformen beschrieben.
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Eine aktivierte Harzzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält ein Epoxidharz, das bei Raumtemperatur fest ist. Das Epoxidharz hat die Funktion eines Matrixharzes. Zusätzlich kann das Epoxidharz auch mit einem Aktivator reagieren, der später detaillierter im Verlauf der Härtungsreaktion beschrieben wird, wodurch der Aktivator deaktiviert wird. Dadurch zeigt die aufgetragene Harzschicht nach der Aushärtung eine ausreichend hohe thermische Stabilität, um die Gefahr zu beseitigen, dass die aufgetragene Harzschicht eine Korrosionsreaktion verursachen und/oder Crackgas beim Erwärmen erzeugen könnte (zum Beispiel bei dem Schritt des Warmhärtens des Verfüllharzes). Der Erweichungspunkt des Epoxidharzes liegt vorzugsweise in einem Bereich von 70–150 (bevorzugter in einem Bereich von 80–100) °C. Genauer ausgedrückt kann das Epoxidharz aus einer Gruppe ausgewählt werden, die aus verschiedenen Epoxidharzen des Kresol-Novarac-Typs, Epoxidharzen auf Dicyclopentadienbasis, Feststoff-Epoxidharzen des Bisphenol-A-Typs und alicyclischen Feststoff-Epoxidharzen besteht.
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Die aktivierte Harzzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält eine Carboxyverbindung, die als ein Aktivator wirkt. Genauer ausgedrückt kann die Carboxyverbindung ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus p-Hydroxybenzoesäure, Dihydroxybenzoesäure, Phenylessigsäure, Abietinsäure, Copolymer wie etwa Styrol-Maleinsäureharz und Acrylsäure-Copolymer.
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Die aktivierte Harzzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält einen Härter. Eine Starttemperatur der Härtungsreaktion ist 150°C oder höher (vorzugsweise in einem Bereich von 160–200°C). Der Härter, der eine so hohe Reaktionsstarttemperatur hat, kann verwendet werden, um sicherzustellen, dass die Erwärmung für einen kurzen Zeitraum keine Härtungsreaktion verursacht, die durch kurzes Erwärmen auftritt, und es kann verhindert werden, dass die aktivierte Harzzusammensetzung in dem Reflow-Schritt gehärtet wird. Insbesondere kann Dicyandiamid als der Härter verwendet werden.
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Die aktivierte Harzzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält ein Lösemittel. Der Siedepunkt des Lösemittels ist vorzugsweise niedriger als die Starttemperatur der Härtungsreaktion und bevorzugter in einem Bereich von 150–200°C. Genauer ausgedrückt kann das Lösemittel ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Glykolether, Ethylen-Glykolether/-ester, Propylen-Glykolether/-ester und N-Methylpyrrolidon.
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Die aktivierte Harzzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung kann ferner weitere Zusatzstoffe enthalten, wie zum Beispiel Polydimethylsiloxan als Entschäumer sowie Silan-Kopplungsmittel.
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Die aktivierte Harzzusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung hat auf der Basis des Feststoff-Epoxidharzes mit 100 Gewichtsanteilen die folgenden Inhaltsstoffe: eine Carboxyverbindung in einem Bereich von 1–10 (vorzugsweise in einem Bereich von 2–5) Gewichtsanteilen, einen Härter in einem Bereich von 1–30 (vorzugsweise in einem Bereich von 2–7) Gewichtsanteilen und ein Lösemittel in einem Bereich von 10–300 (vorzugsweise in einem Bereich von 30–100) Gewichtsanteilen.
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Das Verfahren zur Oberflächenmontage gemäß der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Gemäß diesem Verfahren wird in einem ersten Schritt zumindest die Oberfläche eines Lötpads (3A, 2) auf der Leiterplatte (3A, 1) mit der aktivierten Harzzusammensetzung (3B, 3) gemäß vorliegender Erfindung beschichtet. Vorzugsweise wird die gesamte Oberfläche der Leiterplatte beschichtet oder nur die Oberfläche des Lötpads kann mit der aktivierten Harzzusammensetzung beschichtet werden. Es ist auch möglich, wenigstens die Oberfläche des Lötpads (3C, 9) des für die Oberflächenmontage vorgesehenen Bauelements (3C, 4) mit der aktivierten Harzzusammensetzung zu beschichten. Mit anderen Worten kann die gesamte Oberfläche des für die Oberflächenmontage vorgesehenen Bauelements oder nur die Lötperle mit der aktivierten Harzzusammensetzung beschichtet werden. Die Dicke der durch diesen Beschichtungsvorgang gebildeten aufgetragenen Harzschicht liegt gewöhnlich in einem Bereich von 10–50 μm.
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Anschließend wird die aufgetragene Harzschicht (3B, 3) getrocknet und das Lösemittel wird entfernt. Die aufgetragene Harzschicht nach der Trocknung bildet normalerweise einen nicht haftenden Auftragsfilm. Trocknungsbedingungen können beispielsweise 10–30 Minuten bei einer Temperatur von 80–120°C sein.
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Dann wird die aufgetragene Harzschicht vorzugsweise auf eine Temperatur erwärmt, die höher ist als der Erweichungspunkt, aber niedriger als die Starttemperatur der Härtungsreaktion des Epoxidharzes. Mit einer derartigen kontrollierten Erwärmung entwickelt die aufgetragene Harzschicht normalerweise Klebrigkeit und erleichtert die Oberflächenmontage der Bauelemente. Die Erwärmungsbedingungen können beispielsweise 1–10 Minuten bei einer Temperatur in einem Bereich von 80–130°C sein.
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Es sei angemerkt, dass sowohl einer der Schritte als auch beide Schritte der Trocknung der aufgetragenen Harzschicht (3B, 3) und der Schritt der Erwärmung der aufgetragenen Harzschicht bei einer Temperatur, die dem Erweichungspunkt entspricht oder höher ist, ausgeführt oder weggelassen werden können. Wenn sie ausgeführt werden, können diese beiden Schritte aufeinanderfolgend oder auf einmal durchgeführt werden.
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Nun wird das Bauelement für die Oberflächenmontage (3B, 4) auf die Leiterplatte geladen. Die vorliegende Erfindung erlaubt die Oberflächenmontage eines relativ großen Bauelements, beispielsweise die Handhabung eines Bauelements mit 50 mm × 50 mm oder größer. Beispiele für Bauelemente für die Oberflächenmontage umfassen Gehäuse-Bauelemente (beispielsweise BGA-Bauelemente, CSP-Bauelemente, MPM-Bauelemente, IPM-Bauelemente und IGBT-Bauelemente) und Halbleiterchips.
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Auf den Schritt der Beladung mit dem Bauelement folgt der Schritt des Reflow-Lötens (3D). Der Schritt des Reflow-Lötens kann beispielsweise über eine Zeitdauer in einem Bereich von 1–10 min bei einer Temperatur in einem Bereich von 240–300°C ausgeführt werden. In diesem Schritt tritt keine Härtungsreaktion auf, wie vorstehend beschrieben wurde. Zusätzlich werden im Verlauf dieses Reflow-Lötens Gasblasen, Leerstellen oder Feuchtigkeit in der aufgetragenen Harzschicht in Form von Dampf aus der aufgetragenen Harzschicht entfernt. Folglich sind in der aufgetragenen Harzschicht nach der Härtung keine Gasblasen, Leerstellen oder Feuchtigkeit vorhanden.
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Auf den Schritt des Reflow-Lötens folgt ein Schritt der Warmhärtung der aufgetragenen Harzschicht (3E). Dieser Schritt der Warmhärtung kann beispielsweise während einer Zeitdauer in einem Bereich von 1–4 Stunden bei einer Temperatur in einem Bereich von 150–200°C durchgeführt werden. In diesem Schritt reagiert die Carboxyverbindung, die als Aktivator dient, mit dem Epoxidharz und wird deaktiviert. Folglich besteht nicht die Gefahr, dass die Zuverlässigkeit des Produkts aufgrund einer Korrosionsreaktion oder dergleichen verschlechtert werden könnte.
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Der gehärtete Film (die aufgetragene Harzschicht nach der Härtung) (3E, 10), die auf diese Weise gebildet wird, absorbiert (ebnet) Unregelmäßigkeiten der Leiterplatte in einem gewissen Ausmaß und erleichtert den nachfolgenden Schritt des Füllens mit dem Verfüllharz.
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Anschließend werden der Einbau in ein Gehäuse und, sofern gewünscht, das Verfüllen und Aushärten des Verfüllharzes (3F, 11) durchgeführt. Genauer ausgedrückt werden zwischen der Leiterplatte und dem Bauelement zur Oberflächenmontage zurückgebliebene Leerräume mit dem Verfüllharz gefüllt und das Harz wird gehärtet.
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Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden auf der Grundlage des Beispiels des Weiteren genauer beschrieben.
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Beispiel 1
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Eine homogene Paste der aktivierten Harzzusammensetzung, die aus den folgenden Inhaltsstoffen zusammengesetzt ist, wurde hergestellt.
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Zusammensetzung: Epoxidharz des Kresol-Novolac-Typs (Erweichungspunkt 94°C) mit 100 Gewichtsanteilen; p-Hydroxybenzoesäure mit 4 Gewichtsanteilen; Dicyanamid mit 5 Gewichtsanteilen; und Propylenglykol-Methyletheracetat mit 50 Gewichtsanteilen.
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Die Oberfläche einer 100 mm × 100 mm Leiterplatte (Pad-Abstand 0,6 mm, Pad-Durchmesser 0,3 mm) (1) wurde mittels Siebdruck mit der Paste aus der aktivierten Harzzusammensetzung beschichtet. Diese Leiterplatte wurde 20 min lang auf eine Temperatur von 100°C erwärmt, um die aufgetragene Harzschicht zu trocknen. Die aufgetragene Harzschicht auf der Leiterplatte wurde auf Raumtemperatur gekühlt, um die feste Harzschicht zu erhalten, die keine Klebrigkeit hat und eine Bleistifthärte HB der Oberfläche aufweist.
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Dann wurde die Leiterplatte auf 120°C erwärmt, um die aufgetragene Harzschicht zu erweichen und eine Klebrigkeit zu erzeugen. Ein BGA-Bauelement von 70 mm × 70 mm (Lötperlen-Abstand 0,6 mm; Lötperlen-Durchmesser 0,3 mm) wurde auf die Leiterplatte geladen. Die Leiterplatte mit dem darauf geladenen BGA-Bauelement wurde anschließend durch eine Reflow-Vorrichtung geführt, die auf eine Temperatur von 260°C eingestellt war, und dadurch verlötet.
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Wie vorstehend beschrieben, wurde die Leiterplatte mit dem darauf verlöteten BGA-Bauelement gekühlt, um die feste Harzschicht mit Bleistifthärte HB zu erhalten. Diese feste Harzschicht wurde erneut auf eine Temperatur von 120°C erwärmt, wodurch die Harzschicht erneut erweicht wurde und wiederum Klebrigkeit entwickelte. Dann wurde die Leiterplatte mit dem darauf verlöteten BGA-Bauelement 2 Stunden lang auf eine Temperatur von 190°C erwärmt, um die aufgetragene Harzschicht zu härten. Auf der Basis von Messungen nach dem Härtungsschritt wurde bestätigt, dass die aufgetragene Harzschicht vollständig auf eine Oberflächen-Bleistifthärte von 8H gehärtet wurde.
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Das BGA-Bauelement wurde von einem durch die vorstehend beschriebenen Schritte erhaltenen Teil der Leiterplatte physisch abgezogen und die gehärtete aufgetragene Harzschicht wurde unter Verwendung einer 20-fach vergrößernden Linse betrachtet. Keine Leerstellen bedingt durch Gasblasen und/oder Feuchtigkeit wurden beobachtet.
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Die verbleibende Leiterplatte wurde mit dem Verfüllharz gefüllt und 60 min lang auf eine Temperatur von 150°C erwärmt, um das Verfüllharz zu härten. Auf diese Weise wurde das Produkt mit dem montierten BGA-Bauelement fertiggestellt. Eine Röntgenuntersuchung des fertig gestellten Produkts zeigte, dass die Leiterplatte vollständig mit dem Verfüllharz verfüllt war, ohne dass Gasblasen oder Leerstellen vorhanden waren.
