JP2005277154A

JP2005277154A - 超音波接合用積層板

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Publication number: JP2005277154A
Application number: JP2004089311A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Nakabayashi; 利之中林; Yuichi Tokuda; 裕一徳田
Original assignee: Nippon Steel Chemical Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Chemical and Materials Co Ltd
Priority date: 2004-03-25
Filing date: 2004-03-25
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2024-03-25
Also published as: KR101099397B1; JP4684566B2; KR20060044799A

Abstract

【課題】低温で短タクト、低抵抗な超音波実装技術において、その振動吸収の少ない高弾性で優れたフレキシブルプリント基板用積層板を提供する。
【解決手段】導体層と絶縁性樹脂層を有するプリント基板用積層板において、絶縁性樹脂層に用いられる樹脂の弾性率が23〜100 ℃の範囲で3×10⁹ Pa以上であり、23〜100 ℃の範囲にtan δのピークを示さないことを特徴とする超音波接合用積層板であり、この積層板は、ポリイミドのみからなる絶縁性樹脂層と銅箔層とからなることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子部品を基板に実装する際に用いられる基板材料用の積層板に関し、さらに詳しくは実装時に電子部品に形成されたバンプと基板上に形成された電極とを接合する際に超音波振動を利用した超音波実装法に最適な積層板に関する。

一般的に、半導体部品等の電子部品は、以下のようにして基板に実装される。すなわち、電子部品の電極と基板の電極とが電気的に接続され、且つ電子部品の電極と基板の電極との電気的接続部分が封止される。電気的接続部分の封止は、電気的接続部分を湿気や酸素等から保護するために行われる。

電子部品の電極と基板の電極とを電気的に接続する方法の一つに、フリップチップ接続という方法がある。フリップチップ接続を行う場合には、電子部品には、バンプと呼ばれる突起状の電極が形成される。フリップチップ接続では、電子部品は、電子部品のバンプを有する面が基板に向くように配置され、バンプと基板の電極とが直接あるいは導電性物質を介して電気的に接続される。このフリップチップ接続では、他の接続方法に比べて、電子部品の実装密度の向上と、電子部品の電極と基板の電極との電気的接続部分の電気的特性の向上が期待できる。なお、電気的接続部分の電気的特性の向上とは、具体的には、電気的接続部分の抵抗値やインダクタンスやキャパシタンスの低減である。

一般的に、バンプの材料には、金やはんだが用いられる。金バンプには、金めっきによって形成される金めっきバンプや、金線ワイヤボンディング技術を応用して形成される金スタッドバンプがある。また、一般的に、基板の電極（以下、基板電極とも記す。）には、錆等から電極を保護する目的と、バンプと基板電極との接続を良好にする目的から、金、ニッケル、錫、はんだ等によるめっきが施されている。

従来のフリップチップ接続には、いくつかの接続方法があるが、特許文献１に記載の超音波接合を利用した固相拡散接合は、低接続抵抗、高接合強度、短時間接合等の特徴があり注目されている。
特開２００３-１８８２１３号公報

超音波接合による接続方法は、前記方法などを用いて形成されたバンプを有するICチップをバンプが形成された面を下にして、電極が形成された回路基板と対向させICのバンプと基板の電極の位置あわせを行い、バンプと電極が接するようにした状態で僅かに加重をかけ、別途発振機で発生した電気エネルギーを振動子を介して超音波振動に変換し、IC及び基板の接合部に伝達される。このようにして、ICと基板に平行方向の超音波振動を付与し、同時に加重をかけることで接合部が昇温されICに形成されたバンプは変形するとともに回路基板上に形成された電極と固相拡散作用により界面で合金を生成しながら接合される。このような接合方法は非溶融接合であり、一般に拡散接合と呼ばれている。このように超音波接合は金属溶融温度まで加熱する手段を必要とせず、大きな加重をかけることによるICや回路基板へのダメージを軽減できることから、低コストを実現した理想の接合手段として期待されている。

しかしながら、フリップチップ接続における超音波接合は実際に接合温度を常温まで下げてしまうと接続信頼性に問題があり、結局ある程度の温度まで昇温させて実施されているのが現状である。
その原因の一つとして、超音波振動の熱エネルギーへの変換効率の低さが挙げられる。すなわち、ICと回路基板の位置決め時に仮止めとして用いられる有機高分子系接着剤や、回路基板の絶縁材料として用いられるポリイミドなどの耐熱性樹脂による振動吸収などによるロスは無視することはできない。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、ICなどの電子部品の電極と基板の電極との接続部分の接続信頼性が良好で、特に超音波接合による非溶融接合において短時間で効率的に電子部品を基板に実装できるようにした積層板材料を提供することにある。

すなわち本発明は、導体層と絶縁性樹脂層を有するプリント基板用積層板において、絶縁性樹脂層に用いられる樹脂の弾性率が23〜100 ℃の範囲で3×10⁹ Pa以上であり、23〜100 ℃の範囲にtan δのピークを示さないことを特徴とする超音波接合用積層板である。
また、本発明は、積層板が、ポリイミドのみからなる絶縁性樹脂層と銅箔層とからなる前記の積層板である。
更に、本発明は、ポリイミドが芳香族ジアミン類と芳香族テトラカルボン酸二無水物との重合により生成したポリイミド前駆体溶液を導体上に塗布し、溶媒を除去したのち、加熱することにより脱水閉環させて得られる前記の積層板である。

以下本発明を詳細に説明する。
本発明において導体層として使用される導電性金属箔としては、厚みが５〜１５０μｍである銅、アルミニウム、鉄、銀、パラジウム、ニッケル、クロム、モリブデン、タングステン、亜鉛及びそれらの合金等を挙げることができ、好ましくは銅または銅と他の金属との銅合金である。銅の場合は圧延銅箔と電解銅箔があるがいずれも使用することができる。なお、接着力の向上を目的として、その表面にサイディング、ニッケルメッキ、銅−亜鉛合金メッキ、あるいはアルミニウムアルコラート、アルミニウムキレート、シランカップリング剤等による化学的または機械的な表面処理を施してもよい。

本発明において、絶縁性樹脂層は上記特性を満足する各種の樹脂が使用可能であるが、ポリイミドが好ましい。以下、絶縁性樹脂層として使用される樹脂を、ポリイミドで代表させて説明する。
絶縁層として使用されるポリイミドとは、イミド環構造を有する樹脂の総称であり、例えばポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエステルイミドなどが挙げられる。そして、絶縁性樹脂層をポリイミドから形成する場合、好ましくは、熱膨張係数が３０×10^-6（1/K）の低熱膨張性を有するポリイミド樹脂層を形成できるポリイミドである。さらに好ましくは、該低熱膨張性を有するポリイミド樹脂層の上下に接着性の優れる熱可塑性ポリイミド樹脂からなる２層を配置して、少なくとも三層のポリイミド層からなるものが望ましい。導体層である導電性金属箔上にポリイミド層からなる絶縁層を形成する場合の方法として、ポリイミドまたはポリイミド前駆体溶液を塗布・乾燥したのち必要により加熱処理を行うことでポリイミド系樹脂層を形成する手段を用いることが望ましい。

ここで、低熱膨張ポリイミド系樹脂としては、その線膨張係数が３０×１０^-6（１／Ｋ）以下が好ましく、フイルムの耐熱性、可撓性において優れた性能を有するものがよい。ここで線膨張係数は、イミド化反応が十分に終了した試料を用い、サーモメカニカルアナライザー（ＴＭＡ）を用いて２５０℃に昇温後、１０℃／分の速度で冷却し、２４０〜１００℃の範囲における平均の線膨張係数を求めたものである。このような性質を有する低熱膨張ポリイミド系樹脂の具体例としては、たとえば下記一般式（I）で表される単位構造を有するポリイミド系樹脂が望ましい。

（但し、式中Ｒは独立に、炭素数1〜６の低級アルキル基、低級アルコキシ基またはハロゲンを示し、ｎは０〜４の整数を示す）

また、熱可塑性ポリイミド系樹脂としては、そのガラス転移点温度が３５０℃以下のものであればいかなる構造のものであってもよいが、好ましくは加熱加圧下で圧着した際にその界面の接着強度が十分であるものがよい。ここでいう熱可塑性ポリイミド系樹脂とは、ガラス転移点以上の通常の状態で必ずしも十分な流動性を示さなくてもよく、加圧によって接着可能なものも含まれる。このような性質を有する熱可塑性ポリイミド系樹脂の具体例としては、下記一般式（II）や一般式（III）で表される単位構造を有するものである。

（但し、式中Ａｒ₁は独立にその炭素数が１２以上の２価の芳香族基である。）

ここで、２価の芳香族基Ａｒ₁の具体例としては、例えば次に示す２〜４環の芳香族基を挙げることができる。

ポリイミド層が複数のポリイミド層からなる場合、低熱膨張性ポリイミド層(L）と熱可塑性ポリイミド層(H）の厚みの比（L/H)を、２〜１００となるようにして、絶縁性樹脂層全体としての熱膨張率を低くして、全体としても３０×10^-6（1/K）以下を満足させることが好ましい。

本発明の積層体は、片面または両面導体積層体であることができる。片面導体積層体の製造方法としては、ポリイミド前駆体溶液またはポリイミド溶液に、公知の酸無水物系やアミン系硬化剤等の硬化剤、シランカップリング剤、チタネートカップリング剤、エポキシ化合物等の接着性付与剤、ゴム等の可撓性付与剤等の各種の添加剤や触媒を加えて導電性金属箔へ塗工し、次いで熱処理により熱硬化して片面導体積層体を得ることができる。両面導体積層体は片面導体積層体の樹脂層側に導電性金属箔を熱圧着したり、２枚の片面導体積層体を張り合わせたりすることにより得ることができる。

導電性金属箔上へ複数のポリイミド層を設ける場合の塗工は、そのポリイミド溶液の形で行うことができるが、好ましくはその前駆体溶液の形で、複数の前駆体溶液の一括または逐次の塗工あるいはイミド閉環温度以下での脱溶剤処理の後、前駆体のポリイミドへの加熱変換を一括して行うのが好ましい。完全にポリイミドに変換された層の上にさらに別のポリイミド系前駆体溶液を塗工し、熱処理してイミド閉環させると、各ポリイミド系樹脂層間の接着力が充分に発揮されないことがあり、製品の品質を低下させる原因になる。

導電性金属箔上にポリイミド系樹脂溶液あるいはその前駆体溶液（ポリアミック酸溶液）の塗工の方法としては、例えばナイフコーター、ダイコーター、ロールコーター、カーテンコーター等を使用して公知の方法により行うことができ、特に厚塗りを行う場合にはダイコーターやナイフコーターが適している。また、塗工に使用するポリイミド系前駆体溶液のポリマー濃度は、ポリマーの重合度にもよるが、通常５〜３０重量％、好ましくは１０〜２０重量％である。ポリマー濃度が５重量％より低いと一回のコーティングで充分な膜厚が得られず、また、３０重量％より高くなると溶液粘度が高くなりすぎて塗工しずらくなる。

導電性金属箔に均一な厚みに塗工されたポリアミック酸溶液は、次に熱処理によって溶剤が除去され、さらにイミド閉環される。この場合、急激に高温で熱処理すると、樹脂表面にスキン層が生成して溶剤が蒸発しずらくなったり、発泡したりするので低温から徐々に高温まで上昇させながら熱処理していくのが望ましい。この際の最終的な熱処理温度としては、通常３００〜４００℃が好ましく、４００℃以上ではポリイミドの熱分解が徐々に起こり始め、また、３００℃以下ではポリイミド皮膜が導電性金属箔上に充分に配向せず、平面性の良い片面導体積層体が得られない。このようにして形成された絶縁体としてのポリイミド層の全体の厚みは通常１０〜１５０μｍである。

本発明の積層板が有する絶縁性樹脂層に用いられる樹脂は、弾性率が２３℃〜１００℃の間で3×10⁹ Pa以上であり、かつ、tanδのピークがない材料である。
本発明でいう弾性率について説明する。一般的に高分子材料に正弦的に変化する応力を与えると、歪は同じ周波数で位相がδだけ遅れた正弦波形となる。応力σ，歪ε，位相差δとして、次式より粘弾性パラメータを求めることができる。
貯蔵弾性率 E’= σ/ε cosδ
損失弾性率 E”= σ/ε sinδ
損失正接 tanδ = E”/ E’

貯蔵弾性率は１周期あたり貯蔵され完全に回復されるエネルギーの尺度、損失弾性率は１周期あたり熱として失われるエネルギーの尺度、損失正接は失われるエネルギーと保存されるエネルギーの比を表す。一般にE’、E”、tanδは周波数（試料に与える応力）、試料温度によって変化するが、本発明では実装温度の範囲である常温（２３℃）〜１００℃で弾性率の低下が小さい樹脂材料を用いる。上記貯蔵弾性率が２３℃〜１００℃の間で3×10⁹ Pa以上を維持するポリイミド樹脂であり、かつ、tanδのピークがない材料である。弾性率が3×10⁹ Paより低下する材料を用いると、エネルギーの伝達効率が低下し、樹脂によるエネルギー損失が増加するため超音波振動の効率が低下し好ましくない。

本発明の積層体は、超音波接合用のフレキシブルプリント基板用に好適に使用される。

本発明によれば、ICなどの電子部品を配線基板上に超音波接合法により実装する際に基板の絶縁層による振動エネルギーのロスを最小に抑えることができ、低音、短時間の実装を可能ならしめ、コスト低減及び生産性向上に大きく寄与できる積層板を提供することができる。

以下、実施例及び比較例に基づいて，本発明の実施の形態を具体的に説明する。なお、粘弾性の測定用の試料は23℃、50％RH調湿、5×33mmとし、DMA測定条件は温度23〜200℃、昇温速度5℃/min、周波数15.9Hz、ストレイン0.1％とした。

実施例に用いられる略語は、次の通りである。
PMDA・・・・・・無水ピロメリット酸
BPDA ・・・・・・3,3',4,4'-ビフェニルテトラカルボン酸
DAPE ・・・・・・4,4'-ジアミノジフェニルエーテル
MT ・・・・・・4,4'-ジアミノ-2,2'-ジメチルビフェニル
BAPP ・・・・・・2,2-ビス(4-(4‐アミノフェノキシ)フェニル)プロパン
TPE ・・・・・・1,3-ビス(4-アミノフェノキシ)ベンゼン
DMAc ・・・・・・ジメチルアセトアミド

合成例１
DMAc 425 gに、MT 18.719 g及びDADE 11.760 gを1 Lのセパラブルフラスコの中で撹拌しながら溶解させた。次に、PMDA 25.305 gとBPDA 8.532 gをこの溶液に少しずつ投入して、重合反応を行った。その結果、高粘度のポリイミド前駆体溶液Aを得た。B型粘度計で、粘度を測定した結果、23 ℃で255ポイズであった。

合成例２
合成例１と同様に、DMAc 425 gにBAPP 43.150 gを溶解させた後、この溶液に、PMDA 19.087 gとBPDA 4.543 gを投入して、重合反応を行った。その結果、高粘度のポリイミド前駆体溶液Bを得た。粘度を測定した結果、23 ℃で40ポイズであった。

合成例３
DMAc 425 gにMT 28.078 gとTPE 4.297 gを1 Lのセパラブルフラスコの中で撹拌しながら溶解させた。次に、PMDA 25.305 gとBPDA 8.532 gをこの溶液に少しずつ投入して、重合反応を行った。その結果、高粘度のポリイミド前駆体溶液Cを得た。B型粘度計で、粘度を測定した結果、23 ℃で320ポイズであった。

合成例４
合成例３と同様にDMAc 425 gにBAPP 43.150 gを溶解させた後、この溶液に、PMDA 21.333 gとBPDA 1.514 gを投入して、重合反応を行った。その結果、高粘度のポリイミド前駆体溶液Dを得た。粘度を測定した結果、23 ℃で20ポイズであった。

前記ポリイミド前駆体溶液Bを、厚みが18μmの電解銅箔 (三井金属鉱山株式会社製NA-VLP)上にイミド転化後のフィルム厚みが3μmになるようにバーコートした。その後、130 ℃で5 min乾燥した。次に、乾燥したポリイミドフィルムBの上に、積層するようにポリイミド前駆体溶液Aを、イミド転化後のフィルム厚みが34μmになるようにバーコートして、130 ℃で5 min乾燥した。さらに同様に、このフィルムの上にポリイミド前駆体溶液Bをイミド転化後の厚みが3μmになるようにバーコートして、130 ℃で5 min乾燥した。このようにして得られた積層体を真空恒温槽に投入して200 ℃で30 min、300 ℃で30 min、350 ℃で30 min熱処理をして、ポリイミド層の厚みが40μmの積層板を得た。得られた積層板をパターニングし、リード表面に金めっきを施し、フレキシブル基板を得た。

このフレキシブル基板に対し、超音波フリップチップ実装を以下の条件で実施して、COFを製造した。
実装条件 : 基板温度= 100℃、接合時間=1s、圧力=0.5N/bump、超音波振動周波数=40 kHz、超音波フリップチップボンダ : NAW-1260A(日本アビオニクス).
得られたCOF 100個について、その接続を検査したところ、全数とも正常な接続が確認された。また、積層板の導体を全面エッチオフしたフィルムについて、DMA(Dynamic Mechanical Analysis : 動的熱機械測定)による粘弾性測定を行った。外部から15.9 Hzの周期的な振動を与え、生じた振動ひずみまたは振動応力を測定して、貯蔵弾性率E'、損失弾性率E''、損失正接tanδ (δ : 位相角の遅れ)の温度依存性を求めた結果を図１、図２及び図３に示す。23 ℃におけるE'は4.4 GPa、100 ℃におけるE'は4.3 GPaで、23〜100 ℃の間は常に3 GPa以上であった。また、この間にtanδのピークは観察されなかった。

ポリイミド前駆体溶液Bの代わりにポリイミド前駆体溶液Dを使用し、ポリイミド前駆体溶液Aの代わりにポリイミド前駆体溶液Cを使用した他は実施例１と同様な操作を行って、ポリイミド層の厚みが40μmの積層板を加工してフレキシブル基板を得た。このフレキシブル基板を使用して実施例１と同様にしてCOFを製造した。超音波実装後のCOF 100個について検査したところ、全数とも正常な接続が確認された。また、積層板の導体を全面エッチオフしたフィルムの粘弾性測定を行った結果、23 ℃におけるE'は7.8 GPa、100 ℃におけるE'は8.1 GPaで23〜100 ℃の間は常に3 GPa以上であった。また、この間にtanδのピークは観察されなかった。

比較例１
片面銅張積層板（新日鐵化学株式会社製、 LB18-50-18KEポリイミド層の厚み50μm)を使用して、これを加工してフレキシブル基板を得た。このフレキシブル基板を使用して実施例１と同様にしてCOFを製造した。超音波実装後のCOF 100個について検査したところ、10個の接続異常が確認された。また、積層板の導体を全面エッチオフしたフィルムの粘弾性測定を行った結果、23 ℃におけるE'は4.6 GPa、100 ℃におけるE'は2.0 GPaで23〜100 ℃の間に3 GPa未満のものがあった。また、この間にtanδのピークが観察された(図３)。

比較例２
両面銅張積層板（株式会社有沢製作所製、LVS1035EA、ポリイミド層の厚み46μm)を使用して、これを加工してフレキシブル基板を得た。このフレキシブル基板を使用して実施例１と同様にしてCOFを製造した。超音波実装後のCOF 100個について検査したところ、15個の接続異常が確認された。また、積層板の導体を全面エッチオフしたフィルムの粘弾性測定を行った結果、23 ℃におけるE'は2.3 GPa、100 ℃におけるE'は1.7 GPaで23〜100 ℃の間は3 GPa未満であった。また、この間にtanδのピークが観察された(図３)。

温度と貯蔵弾性率の関係を示すグラフ温度と損失弾性率の関係を示すグラフ温度とtanδの関係を示すグラフ

Claims

導体層と絶縁性樹脂層を有するプリント基板用積層板において、絶縁性樹脂層に用いられる樹脂の弾性率が23〜100 ℃の範囲で3×10⁹ Pa以上であり、23〜100 ℃の範囲にtan δのピークを示さないことを特徴とする超音波接合用積層板。
積層板が、ポリイミドのみからなる絶縁性樹脂層と銅箔層とからなる請求項1記載の積層板。
ポリイミドが、芳香族ジアミン類と芳香族テトラカルボン酸二無水物との重合により生成したポリイミド前駆体溶液を導体上に塗布し、溶媒を除去したのち、加熱することにより脱水閉環させて得られたものであることを特徴とする請求項２記載の積層板。