JP2006245469A

JP2006245469A - 実装球搭載・固定用ペースト

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Publication number: JP2006245469A
Application number: JP2005062188A
Authority: JP
Inventors: Shigeharu Uematsu; 重治植松; Motomichi Ito; 元通伊藤
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2005-03-07
Filing date: 2005-03-07
Publication date: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2025-03-07
Also published as: JP4655267B2

Abstract

【課題】マスクを用いたボール搭載方式において、実装球を欠落なくかつ正確に電極上に搭載・固定でき、電子部品に接続バンプを安定して形成できる実装球搭載・固定用ペーストを提供する。
【解決手段】電子部品の実装に用いられる導電性の実装球を接続面に搭載し、固定するためのペーストであって、回転粘度が回転速度２０ｒｐｍにおいて３５０ｄＰａ・ｓ以下、回転速度４ｒｐｍにおいて１３００ｄＰａ・ｓ以上であり、片持ち板バネ型カンチレバー法によって測定される０〜１２０℃の範囲での粘着力が７×１０^−４Ｎ／ｍｍ^２以上の実装球搭載・固定用ペーストである。好ましくは、ペーストを介して接続面に搭載した実装球に、接続面方向の力を付加することで測定される、ペーストに対する耐剪断固着力が、１０×１０^４ｍ／ｓ^２超である。
【選択図】図１４

Description

本発明は、電子部品とプリント基板ないし電子部品同士の電極間を接続するバンプの形成に使用する、はんだボールもしくは金属球といった微小実装球を、該接続面に搭載・固定するためのペーストに関するものである。

近年、携帯端末機器やノート型パソコンの高機能高速化、及び、薄型小型化が進むにつれて、それに内蔵される半導体部品や半導体部品を実装するパッケージには、薄型小型化と接続端子数の増加という、相反する性能が要求されている。この要求に応えるものとして、ＢＧＡ（ＢａｌｌＧｒｉｄＡｒｒａｙ）タイプやＦＣ（ＦｌｉｐＣｈｉｐ）等のエリアアレイ型の接続バンプを電極に形成した半導体部品、基板、ウェハ、又は、パッケージ等（以下、総じて電子部品と称する）が採用されている。

従来、電子部品の接続に用いるバンプを電極上に形成する方法としては、はんだ、銅や銀など接続材の粉末を含んだペーストを電極に印刷するペースト方式、導電性の微小ボール（実装球）を電極に搭載するボール搭載方式、接続材をめっきや蒸着する膜付け方式などがある。中でも、接続端子数増加の為、電極の配列は高密度化し、それに伴って接続バンプの大きさも小型化する近年の傾向に応じては、小型の接続バンプを形成する場合、接続バンプの配列精度や生産性の面で有利なボール搭載方式が採用されることが多い。

ボール搭載方式によれば、接続バンプは、少なくとも、接続面となる電極上にはんだペーストもしくはフラックスペースト（以下、総じてペーストと称する）を塗布する印刷工程と、該ペーストが塗布された電極に微小な実装球を搭載する搭載工程と、その実装球を加熱するなどして接続バンプを形成するバンプ形成工程を経て製造される方法が用いられている。

そこで、実装球を、ペーストを塗布した電極上に搭載することを目的として、その作業性を改善する手法が提案されている。たとえば、図１の搭載工程では、実装球８が入る大きさの孔を、電子部品（ワーク１）上の電極２の位置に合わせて多数開けたメタル製等のマスク（落し込みメタルマスク６）を準備して、そのマスク６を、ペースト４を塗布した後の電子部品の電極位置に合わせ密着させて置く。そして、そのマスク６の孔へ実装球８を落し込み、マスク６を電子部品より外すことで実装球を搭載するところ、この実装球をマスクの孔に落し込んだ後、マスク上面をスキージで擦り掻いて、余計な実装球を排除することにより、マスクの孔に１個の実装球を安定して供給する手法である（特許文献１）。
特開平１１−２９７８８６号公報

上述した特許文献１に開示される手法は、余剰な接続ボールを排除する点では有利である。しかし、マスクを電子部品から外した時には、搭載した実装球がペーストの介在によりマスクの孔に付着して持ち去られ、電極上に実装球を搭載できていない問題が懸念される。この実装球がマスクによって持ち去られてしまう問題は、ボール搭載方式を実用化する上で大きな課題となる。

本発明の目的は、ボール搭載方式においての、実装球がマスクの孔に持ち去られる問題を解決し、さらに実装球を電子部品の電極に安定して搭載することが可能な実装球搭載・固定用ペーストを提供することである。

本発明者らは、実装球がマスクによって持ち去られる問題について、その現象に絡むペーストの挙動を調査した。その結果、該挙動の抑制に最適な特性のペーストを採用することで、実装球を欠けなくかつ正確に電極上に搭載、そしてバンプ形成前の固定（仮固定）ができ、生産性を大きく改善できることを見いだし、本発明に到達した。

すなわち本発明は、電子部品の実装に用いられる導電性の実装球を接続面に搭載し、固定するためのペーストであって、回転粘度が回転速度２０ｒｐｍにおいて３５０ｄＰａ・ｓ以下、回転速度４ｒｐｍにおいて１３００ｄＰａ・ｓ以上であり、片持ち板バネ型カンチレバー法によって測定される０〜１２０℃の範囲での粘着力が７×１０^−４Ｎ／ｍｍ^２以上であることを特徴とする実装球搭載・固定用ペーストである。好ましくは、ペーストを介して接続面に搭載した実装球に、接続面方向の力を付加することで測定される、ペーストに対する耐剪断固着力が、１０×１０^４ｍ／ｓ^２超であることを特徴とする実装球搭載・固定用ペーストである。

本発明によれば、マスクを用いたボール搭載方式による、実装球の搭載工程の生産性を飛躍的に改善することができる。本発明は、ボール搭載方式の実用化にとって欠くことのできない技術となる。

上述したように、本発明の重要な特徴は、上述したマスクによる実装球の持ち去り課題を、その現象に介在するペーストの特性を調整することで抑制できるところにある。具体的には、搭載した実装球を接続面である電極上に仮固定する為に、回転粘度と粘着力、好ましくは耐剪断固着力をも最適に調整したペーストを採用したことにある。

なお、実装球とは、電子部品の電極間を導電接続するためのバンプ形成用微小ボールである。つまり公知の実装球も含むことに加えて、例えばＳｎ又はＣｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ｗ，Ｎｉ，Ｍｏ，Ａｌなどの金属を主体とした導電性ボール、若しくは、ポリプロピレン又はポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリアミド、酢酸セルロース、ポリエステル系などの樹脂を主体としたボール表面に、はんだなどの導電性金属をコーティングした導電性ボールを指し、概ね１０００μｍ径以下の微小ボールである。そして、本発明であれば、２００μｍ以下といった極微小のボールであっても、その正確な搭載が可能である。

始めに、実装球を使って接続バンプを形成するボール搭載方式について、一例を用いて詳しく説明する。接続バンプは、少なくとも、接続面である電極上にペーストを塗布する印刷工程と、該ペーストが塗布された電極に実装球を搭載する搭載工程（図１）と、その実装球を加熱するなどして接続バンプを形成するバンプ形成工程を経て製造される。

最初の印刷工程を、図２，３を用いて説明する。印刷工程は、始めに、図２の様に、接続バンプを形成したい電子部品（以下、ワーク１と称する）の電極２の位置に合わせて孔を開けたメタルマスク３を準備する。そして、図３に示す様に、メタルマスク３の孔位置とワーク１上の電極２の位置を合わせて、メタルマスク３とワーク１を密着させる。そして、印刷スキージ５によるスクリーン印刷方法で、実装球を仮固定する為のペースト４を、塗布する。

続く搭載工程を、図４，５を用いて説明する。搭載工程では、図４に示す様に、ワーク１上のペースト付き電極７の位置に合わせて、実装球が通り抜ける大きさの貫通孔を多数開けた、ペースト塗布用のものとは別のメタルマスク（以下、落し込みメタルマスク６と称する）を準備する。次に、図５に示す様に、落し込みメタルマスク６の孔位置と、ワーク１上の、ペースト付き電極７の位置を合わせてから、落し込みメタルマスク６とワーク１を密着させる。そして、実装球８を落し込みメタルマスク６の孔に落し込んで、落し込みメタルマスク６をワーク１から外すことで、実装球をワーク１の電極７に搭載できる。更に、落し込みメタルマスク６を外す前には、その上面をスキージ９することで余剰な実装球を排除することが好ましい。

バンプ形成工程は、所定位置に搭載後の実装球に外部から熱、光や振動を与えて、ワークの電極上の実装球を接続バンプに形成する工程である。例えば、実装球がはんだで構成されている場合は、リフロー炉で、実装球をワークの電極上で溶融させて、接続バンプにする工程である。そして、以上の接続バンプ生産工程の流れの中で、本発明者が問題とするのが、搭載工程での、ワークから落し込みマスクを外す時の、実装球が落し込みメタルマスクの孔内に留まり、ワークの電極上から持ち去られる現象である。

そこで、本発明者らは、上記の落し込みマスクによる実装球の持ち去り現象を観察検討した結果、図６に示す通りの、落し込みマスクの孔内にはペーストが回り込んでおり、これに実装球が付着して持ち去られることを見つけた。更に検討を進めると、ワーク上の所定の電極位置にスクリーン印刷した筈のペーストが、その電極位置以外の、所定外のワーク表面に滲み流れ出ている現象も見いだした。つまり、ペーストの塗布後には、このペーストが所定の電極位置に留まらずに電極外へ流れ出すと、これが次工程での落し込みマスクの孔縁にまで及んで、孔内がペースト汚染され、実装球の付着要因となって持ち去りが生じるのである。

以上から、落し込みマスクの孔を汚染しないよう、ペーストが所定位置の電極上に留まるペーストを検討した結果、それは、このような電極上で拘束されないペーストが流れ出す環境に相当する、すなわち低回転環境下での回転粘度が高いペーストとすることが有効であることを突きとめた。すなわち、本発明の実装球搭載・固定用ペーストは、回転速度４ｒｐｍという低い回転環境においては、１３００ｄＰａ・ｓ以上とう高い回転粘度を有するペーストである。これにより、ボール搭載方式による接続バンプ形成の位置不良・欠損不良を抑えることが可能である。なお、上記の回転粘度は、ＪＩＳ−Ｚ８８０３の粘度測定手法に準じて、測定すればよい。

ここで、上記のペーストの流れ出しを防止するのみであれば、そのペーストの粘度を単に高くすればよいところ、本発明の「ボール搭載方式」に供される実装球搭載・固定用ペーストとなると、それでは不足する。つまり、低回転環境下では、上記の通りの、高い粘度が求められる一方で、逆に高回転環境下では、下記の、低い粘度が求められるのであって、環境差によっての粘度が最適に異なるペーストとする必要がある。

すなわち、ボール搭載方式におけるペーストの印刷工程は、多数の孔を有したマスクによるスクリーン印刷で行われるところ、その印刷状態が悪く、結果として、電極上に塗布されたペーストが少なければ、実装球を電極上に確実に搭載・固定（バンプ形成工程前の仮固定）できない。この場合、電極上の所定位置より実装球がずれてしまい、所定外のワーク位置に接続バンプが形成されてしまう。

そこで、本発明者らは、既述の実装球搭載工程におけるペースト環境に併せて、ペースト印刷工程でのペーストの曝される環境をも観察検討した。その結果、スキージ中のペーストは、スクリーン印刷のマスク上を概ね１５〜４０ｐｐｍ程度の回転速度で、ペースト全体が転がる挙動を示しながら、マスクの孔へ込められていく動きを呈していることを知見した。そして、このスキージ中にペーストが円滑に回転できないと、マスクの孔に十分量のペーストが入らない。

以上から、実装球を電極上に確実に搭載・固定できるよう、所定量のペーストが電極上に印刷できるペーストを検討した結果、それは、このようなスキージ中のペーストが呈する環境に相当する、すなわち高回転環境下での回転粘度が低いペーストとすることが有効であることを突きとめた。すなわち、本発明の実装球搭載・固定用ペーストは、回転速度２０ｒｐｍという高い回転環境においては、３５０ｄＰａ・ｓ以下とう低い回転粘度を有するペーストである。これにより、電極上にペーストを安定して塗布でき、ボール搭載方式による接続バンプ形成の位置不良・欠損不良を抑えることが可能である。なお、上記の回転粘度も、同じくＪＩＳ−Ｚ８８０３の粘度測定手法に準じて、測定すればよい。

以上の、本発明の実装球搭載・固定用ペーストの有する高・低回転粘度の関係について説明しておくと、それは図７の通りの領域である。図７に示されている複数の具体例は後述の実施例にあるＮｏ．１〜９であるが、従来のペーストでは高・低回転環境の両粘度共に適正不足がある。なお、この高・低回転の粘度の関係において、本発明のペーストに好ましくは、回転速度４ｒｐｍの時の回転粘度が１４００〜１５００ｄＰａ・ｓ、回転速度２０ｒｐｍの時の回転粘度が２５０〜３５０ｄＰａ・ｓの領域である。

そして、粘度が最適に調整されたペーストの使用により、実装球を電極上の所定位置に搭載できたとしても、その実装球を仮固定しているペーストの粘着力自体、更には次のバンプ形成工程中の高温環境化にてペーストの粘着力自体が弱いと、上記の電極上のペースト量が少ない場合と同様に、搭載した実装球が電極位置より動いてしまい、良好な接続バンプを形成できない。そこで、本発明の実装球搭載・固定用ペーストは、加熱によるバンプ形成を採用する場合であっても、その時の実装球の位置ずれを防止する手法として、概ね加熱温度領域をも想定した０〜１２０℃迄の粘着力が高いものである。具体的には、下記の片持ちバネ型カンチレバー法によって測定される０〜１２０℃の範囲での粘着力が７×１０^−４Ｎ／ｍｍ^２以上のペーストである。

ペーストの粘着力測定は、片持ち板バネ型カンチレバー法で行った。本測定方法は、例えば特開２００１−２２８０７３にも紹介されている通りの知られたものではあるが、その測定原理は、板バネ（カンチレバー）の片側先端を粘着力の測定対象に粘着させて、それとは反対側を持ち上げて行き、板バネが測定対象より外れた瞬間の引上変位量を測定する。そして、その引上げ変位量を、フックの法則に従って、板バネのバネ定数から力（粘着力）に変換するものである。

本発明の場合の測定作業を図８で説明する。まず、所定のバネ定数を有した板バネ１０の片側先端を、水平に設置した銅板１１の上にスキージ塗布したペースト１２に、本発明では該片側先端に取り付けたφ１ｍｍの半円状のはんだバンプ１３を介して粘着させ、その位置をスケール１４の原点とする。次に、板バネ１０の反対側を鉛直方向に引上げていき、粘着部分が剥れたところの引上変位量を測定する。そして、板バネ１０のバネ定数および粘着面積から引上変位量を単位面積あたりの粘着力に変換する。尚、測定中のペースト１２の温度調整には、銅板１１の下面からペルチェ素子１５（もしくはヒータなど）を使用することが好ましい。

また、本発明の実装球搭載・固定用ペーストは、その接続面に仮固定された状態を想定しての、耐剪断固着力の確保が好ましい。つまり、実装球の搭載工程と次のバンプ形成工程との間で、ワークの移動がある場合を考えると、この時、仮固定された実装球には力が付加され、実装球の位置ずれが懸念される。そして、接続バンプの形成装置の作業効率を考慮すれば、そのワークの移動はベルトコンベア方式などによる水平かつ高速の移動が想定でき、瞬間的には９．８×１０^４ｍ／ｓ^２もの加速度がワークにかかれば、実装球が容易に動く懸念がある。

そこで、この実装球と接続面間にはペーストが介在していることから、この仮固定の状態を想定した時の、接続面方向に対する耐剪断固着力が高いペーストとすることが好ましく、接続バンプ形成の更なる信頼性の向上となる。具体的には、ペーストを介して接続面に搭載した実装球に、接続面方向の力を付加することで測定される、ペーストに対する耐剪断固着力が、１０×１０^４ｍ／ｓ^２超である実装球搭載・固定用ペーストである。

本発明の耐剪断固着力とは、実装球側面より掛かる力（加速度）である。この加速度の測定方法を、図９で説明する。銅板１６の平面上に、測定対象となるペースト１７をスキージ印刷により約５〜１０μｍ程度の均一な厚みになる様に塗り広げ、その上に試験用実装球１８を搭載する。ペースト１７で仮固定されている実装球に対して、剪断工具１９により接続面方向に力を加えて、試験用実装球１８を介してのペースト１７の剪断力を測定する。そして、その測定値を試験用実装球１８の質量で割ることで求められる。

種々の特性を有する表１のロジン系ペーストＮｏ．１〜９を準備した。なお、Ｎｏ．９は従来のペーストである。そして、それらのペーストについて上記の測定要領による回転粘度（図７）、粘着力、耐剪断固着力を測定した。

回転粘度は、東機産業株式会社製ＴＶ−１０形粘度計を用い、測定開始前には、測定する回転数（４および２０ｒｐｍ）で２分間のペーストへの回転を与えてから粘度測定を行った。

粘着力の測定は、上記の片持ち板バネ型カンチレバー法において、板バネの変形量を測定し、その板バネのバネ定数から変形量を粘着力測定値として算出した。そして、これを０〜１２０℃の範囲で測定し、その１０回測定した各最低値の平均を評価した。使用する片持ち型板バネは、ペーストの粘着力でも変形できるものであり、バネ定数７．５４Ｎ／ｍｍの板バネを用いた。板バネのペーストが接触する先端には、φ１ｍｍの半円状はんだバンプを取り付けている。

剪断力測定には、Dage Precision Industries社製シアテスターＳｅｒｉｅｓ４０００と、そのテスターに接続するシア測定ユニットＢＳ５ＫＧを使用した。この時、試験用実装球にはφ３００μｍのはんだボールを用いた。剪断工具の先端は、ペーストに直接付着しない様に基板面から２０μｍの高さに設置し、試験用実装球を２００μｍ／ｓの速度で押して測定を行った。それら結果の特性数値を表１に示す。なお、粘着力の測定においては、Ｎｏ．１（本発明），Ｎｏ．７（比較例），Ｎｏ．９（従来例）のチャートを、図１０に示しておく。

そして、１５０μｍピッチのアレイ配列の電極を有したプリント配線基板を準備し、これに同ピッチでバンプを形成するための、φ８０μｍのＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ（質量％）組成のはんだボールの搭載を行った。搭載に先駆けては、メタルマスクにより、表１のそれぞれのペーストを電極上にスキージ印刷してから、続く落し込みメタルマスクによるはんだボールの搭載を行った。そして、続くバンプ形成工程は、該基板をベルトコンベアにてリフロー炉に移動させ、図１１に示す温度プロファイルの、窒素雰囲気でのリフロー加熱を行い、接続バンプを形成した。リフロー固定後の、バンプ抜けを調査した結果を、全体数に占める抜けバンプ数の割合として、表２に示す。

なお、表２には、ペースト印刷時の塗布状況（塗布量、滲み）と、はんだボール搭載時の搭載状況（持ち去り、位置ずれ）も、評価結果を示した。それぞれの評価基準については、欠陥の確認されないものを“○”として、一部欠陥が確認されるものの使用には十分であるものは“△”で、そして、使用に耐えられないものを“×”とした。

表２の通り、本発明の特性を有するペーストは良好なバンプの形成を達成している。中でも、剪断固着力にも優れるＮｏ．１のバンプ抜け率は、０．０１％と特に良い生産性を示している。

一方、比較例はバンプ抜け率が０．１％以上と高い。中でも、低回転環境での粘度が低いために滲みが顕著なＮｏ．４，５，６のバンプ抜け率は、１７％にも及び、生産性が低い。また、低回転環境での粘度は十分に高いものの、高回転環境での粘度も高いＮｏ．８は、十分量のペーストが塗布できず、そして、回転粘度自体は良好であるものの、粘着力に劣るＮｏ．７は、やはりバンプ抜け率が高い。本発明の回転粘度を満たさない従来のＮｏ．９は、バンプ抜け率が高い。

図１２，１３に示すのは、本発明のＮｏ．１と、比較例のＮｏ．４，６、従来例のＮｏ．９のそれぞれにおける、ペースト塗布状態の基板を示した拡大写真である。本発明によるペーストの塗布状態は滲みが無く、良好であることがわかる。一方、比較例および従来例にはペーストの激しい滲みが確認される。図１４は、Ｎｏ．１のリフロー固定後の接続バンプを示した走査型電子顕微鏡写真であって、良好なバンプ形成が達成されていることがわかる。

ボール搭載方式での、実装球の搭載工程の一例を説明する断面図である。ボール搭載方式での、ペースト印刷工程の一例を説明する構成図である。ボール搭載方式での、ペースト印刷工程の一例を説明する構成図である。ボール搭載方式での、実装球の搭載工程の一例を説明する構成図である。ボール搭載方式での、実装球の搭載工程の一例を説明する構成図である。ボール搭載方式における実装球の搭載工程での、落し込みマスクの孔内に付着した実装球の一例を示す顕微鏡写真と、その模式図である。本発明および従来の実装球搭載・固定用ペーストの回転粘度を説明する図である。本発明の粘着力測定に用いる、片持ち板バネ型カンチレバー法を説明する構成図である。本発明の耐剪断固着力の測定方法を説明する構成図である。本発明および比較、従来の実装球搭載・固定用ペーストの粘着力の一例を示す図である。実施例で用いた、バンプ形成工程時のリフロー温度プロファイルを示す図である。本発明および比較の実装球搭載・固定用ペーストをスクリーン印刷した基板の、一例を示す顕微鏡写真である。比較および従来の実装球搭載・固定用ペーストをスクリーン印刷した基板の、一例を示す顕微鏡写真である。本発明の実装球搭載・固定用ペーストを用いて形成した接続バンプの一例を示す顕微鏡写真である。

符号の説明

１．ワーク、２．電極、３．メタルマスク、４．ペースト、５．印刷スキージ、６．落し込みメタルマスク、７．ペースト付き電極、８．実装球、９．スキージ、１０．板バネ、１１．銅板、１２．ペースト、１３．はんだバンプ、１４．スケール、１５．ペルチェ素子、１６．銅板、１７．ペースト、１８．試験用実装球、１９．剪断工具

Claims

電子部品の実装に用いられる導電性の実装球を接続面に搭載し、固定するためのペーストであって、回転粘度が回転速度２０ｒｐｍにおいて３５０ｄＰａ・ｓ以下、回転速度４ｒｐｍにおいて１３００ｄＰａ・ｓ以上であり、片持ち板バネ型カンチレバー法によって測定される０〜１２０℃の範囲での粘着力が７×１０^−４Ｎ／ｍｍ^２以上であることを特徴とする実装球搭載・固定用ペースト。
ペーストを介して接続面に搭載した実装球に、接続面方向の力を付加することで測定される、ペーストに対する耐剪断固着力が、１０×１０^４ｍ／ｓ^２超であることを特徴とする請求項１に記載の実装球搭載・固定用ペースト。