JP2007142232A - バンプ付電子部品の実装方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ハンダ等による電気的導通の確実性の向上、高密度実装の達成、短サイクル時間、ボイドフリー実装、基板の反りの低減等を解決することを目的とする。
【解決手段】 金属バンプが形成された電子部品２６の実装方法であって、基板２１上に熱硬化性樹脂３０を塗布する工程と、前記電子部品２６を加熱圧着装置２７に保持した状態で、この方法における最高温度まで加熱する工程と、前記最高温度にて、前記電子部品のバンプ２９を前記基板の電極２２に押し付ける接合工程と、この状態を保ちながら、前記最高温度から最終温度まで温度を低下させ、その間に前記熱硬化性樹脂３０を硬化させる樹脂硬化工程と、最終温度に達したときに、前記加熱圧着装置２７を電子部品２６から離す工程とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、フリップチップなどのバンプ付電子部品を基板に実装するバンプ付電子部品の実装方法に関する。

フリップチップなどのバンプ付電子部品を基板に実装する方法として、熱硬化性樹脂を用いる方法が知られている。この方法では、電極が形成された基板の表面に熱硬化性樹脂を塗布し、この熱硬化性樹脂上にバンプ付電子部品を載置した後、圧着ツールによりバンプ付電子部品を押圧・加熱して、電子部品のバンプを基板の電極に圧着するか、またはハンダを溶融させて接合してバンプと基板電極との導通をとるとともに、樹脂を熱硬化させてバンプ付電子部品を基板に固着させる（特許文献１：特許第２８３０８５３号公報、特許文献２：特許第２８２３０１０号公報、特許文献３：特許第３３８５９３０号公報）。

例えば、特許文献１では、次の工程により実装がなされている。図６（ａ）に示すように、予め、電極２，３上に形成されたプリコート４，５を上から熱硬化性樹脂１０を塗布する。この熱硬化性樹脂１０は、半田の溶融温度（約１８３℃）よりも低い温度（例えば１３０℃）で硬化促進される。次に、図６（ｂ）に示すように、バンプ付電子部品６を基板１上へ搭載すると共に、下方へ押しつけ加熱を開始する。このとき、図７に示すように、ワークの温度は、ほぼ室温程度である。次に、図６（ｃ）に示すように、熱圧着ヘッド７による加熱によって、ワークの温度が上昇し、熱硬化性樹脂１０の硬化促進温度に達する。これにより、熱硬化性樹脂１０が硬化を開始する。そして、ワークの温度が、半田の溶融温度に達すると、図６（ｄ）に示すように、プリコート４，５が溶融し、バンプ９と接合する。この後、室温程度まで冷却すると、図６（ｄ）の位置関係を保ったまま、プリコート４，５が硬化し、電子部品の実装が完了する。

従来の工法は、熱硬化性樹脂の硬化をハンダの溶融より前に起こさせることにより、ハンダの横方向へのはみ出しを防止しようとするものであるが、樹脂が硬化して粘度が増加すると、逆にハンダの流動の妨げになるため、鉛フリーのハンダの採用が一般になってきた今日では、ハンダ接合の確実性を阻害することにつながる。また、図７に示すように、基板と電子部品とを一緒に低温から高温まで加熱することになるため、基板が加熱されている時間が長いという問題がある。例えば、多数のバンプ付き電子部品を高密度で基板上に実装するとき、多数の実装箇所に予め熱硬化性樹脂を一括して塗布することが行われる。このとき、一つの電子部品を実装する際に加熱時間が長いと、隣接する未実装箇所の熱硬化性樹脂が熱を受け、例えば流動性等の所定の特性を示さなくなることがある。また、このような低温から高温に上昇させる加熱プロファイルでは、基板を加熱する時間が長いために硬化樹脂にボイドが発生し易い。また、熱効果のために、ガラスエポキシ樹脂系基板、ビスマレイミド−トリアジン樹脂系基板等の有機基板に反りが生じたりすることがあった。

また、特許文献２にも同様の加熱プロファイルが示されている（特許文献２、図６、図９）。
特許第２８３０８５３号公報 特許第２８２３０１０号公報 特許第３３８５９３０号公報

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、ハンダ等による電気的導通の確実性の向上、高密度実装の達成、短サイクル時間、ボイドフリー実装、基板の反りの低減等を解決することを目的とする。

本発明は以下の事項に関する。

１． 下面に金属バンプが形成された電子部品を熱硬化性樹脂により基板に固着させ、前記金属バンプを基板の電極に導通させるバンプ付き電子部品の実装方法であって、
前記基板上に前記熱硬化性樹脂を塗布する工程と、
前記電子部品を加熱圧着装置で保持し、前記基板から離した状態で、前記電子部品の温度プロファイル中で最高温度まで加熱する工程と、
前記最高温度にて、前記電子部品のバンプを前記基板の電極に押し付ける接合工程と、
前記電子部品のバンプを前記基板の電極に押し付けた状態を保ちながら、前記最高温度から最終温度まで温度を低下させ、その間に前記熱硬化性樹脂を硬化させる樹脂硬化工程と、
最終温度に達したときに、前記加熱圧着装置を電子部品から離す工程と
を有する電子部品の実装方法。

２． 前記電子部品のバンプを前記基板の電極に押し付けた直後に、前記熱硬化性樹脂の温度が、その温度プロファイル中の最高温度に達することを特徴とする上記１記載の実装方法。

３． 前記基板の電極には、ハンダがプレコートされており、前記接合工程においてハンダが溶融することを特徴とする上記１または２記載の実装方法。

４． 前記樹脂硬化工程において、前記加熱圧着装置が強制冷却されることを特徴とする上記１〜３のいずれかに記載の実装方法。

５． 前記最終温度が、前記熱硬化性樹脂の硬化物のガラス転移温度より低いことを特徴とする上記１〜４のいずれかに記載の実装方法。

本発明によれば、ハンダ等による電気的導通の確実性の向上、高密度実装の達成、短サイクル時間、ボイドフリー実装、基板の反りの低減等を解決することができる。

次に図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の実装工程の1例を示し、図２には、実装工程中の熱硬化性樹脂の温度変化を示す温度プロファイルの１例を示す。

図１（ａ）に示すように、電極２２上に、ハンダプレコート２４を形成した基板２１を用意する。必要により、図に示すように、保護箇所をソルダーレジスト２３で覆っておくことが好ましい。基板２１をボンディングステージ２０上に載せた後、または載せる前に熱硬化性樹脂３０を塗布しておく。

一方、加熱・冷却手段２８を備えた加熱圧着装置２７に、バンプ２９を形成したＬＳＩ等の電子部品２６を搭載する。

次に、加熱・冷却手段２８により、加熱圧着装置２７を急速に加熱する。この温度は電子部品に加わる温度プロファイル中で最高温度であり、また、この例のようにハンダプレコートを用いる場合には、ハンダの溶融温度以上が好ましい。

ほぼ最高温度に加熱されている状態で、図１（ｂ）に示すように、バンプ２９と電極２２の位置が合うようにしながら、電子部品２６を基板２１に押し付ける。このとき図２に示すように樹脂温度は２４９．５℃まで急速に加熱される。即ち、電子部品２６が押し付けられた直後に、その熱を受けて、熱硬化性樹脂の温度は、その温度変化の中の最高温度に達する。バンプ２９とハンダプレコート２４が接触すると、ハンダプレコートはただちに溶融する。最高温度での接触時間は、好ましくは１秒以下、さらに好ましくは０．５秒以下である。このとき、熱硬化性樹脂３０は、押し付けの圧力と、加熱による流動性の向上により広がり、電子部品２９と基板２１の間隙を充填する。

その後、加熱・冷却手段に２８により、加熱圧着装置２７をただちに冷却する。この例では、図２に示すように比較的直線的に、６秒間で温度を低下させ、樹脂の最終温度が１５８．３℃に到達したところで終了した。このとき、図１（ｃ）に示すように、熱硬化性樹脂は実質的に硬化しており（硬化物３０ｂ）、電子部品２６が基板２１に接着固定される。そこで、加熱圧着装置２７を引き上げて、実装を完了する。ここで最終温度とは、加熱圧着装置が電子部品を保持／密着して温度を制御している期間の最後の温度である。

熱硬化性樹脂は、エポキシ系樹脂等の樹脂と硬化剤等を含む組成物であり、従来から電子部品の実装プロセスで使用されるものと同様のものを使用することができ、ハンダの溶融温度より低い温度で硬化する。熱硬化性樹脂の硬化速度は、ハンダの溶融時間より遅いため、最高温度でハンダが溶融したときには、熱硬化性樹脂はすぐには硬化せず、最高温度から最終温度に到達する時間内に硬化が完了する。この例では、ヘンケルジャパン製ＦＰ−５０００を使用して実験を行った。

本発明のこの形態では、ハンダの溶融・接合が、樹脂硬化の前に生じるので、溶融ハンダの流動の妨げにならず、確実なハンダ接合ができる。

最高温度から最終温度に至る温度（冷却）プロファイルは、熱硬化性樹脂の種類とプロセス設計に依存する。しかし、従来の低温から高温に上げる温度プロファイルに比べて、樹脂およびハンダ等の材料を同一にするのであれば、本発明の方法では、実装１サイクルの工程時間を確実に短くできる。また、本発明に、より適した材料選択もできる。本発明の実装方法は、このように短サイクルであるために熱の蓄積が少なく、本発明では、隣接箇所において実装前の熱硬化性樹脂に対する熱の影響が極めてすくない。従って、隣接箇所を実装する際に、熱硬化性樹脂の変化がほとんどないので、高密度実装であっても影響なく短サイクルの実装を行うことができる。また、基板が高温に保持される時間が短いために、硬化樹脂、ソルダーレジスト等のボイドの発生を実質上なくすことができる。

最高温度から最終温度までは、好ましくは、１０秒以下であり、特に好ましくは4秒以下である。

また、最終温度は、熱硬化性樹脂硬化物のＴｇより低いことが好ましい。また同様に、基板がガラスエポキシ樹脂系基板、ビスマレイミド−トリアジン樹脂系基板等のようなポリマー材料を主体とする場合に、そのＴｇより低いことが好ましい。本発明では、熱の蓄積が少ないことから、基板の収縮および基板の反りは少ないが、最終温度を熱硬化性樹脂硬化物のＴｇおよび／または基板材料のＴｇより低く設定することが好ましい。これは、たとえば鉛フリーハンダを使用したときのように、ハンダ接合部が脆い場合に、樹脂のＴｇ以上で圧力を開放すると接合部が破断する可能性があるが、硬化物や基板材料のＴｇ未満まで冷却して、接合部をしっかり保持した状態で圧力を開放することが好ましいからである。

また、図２のプロファイルに従って作製されたアセンブリを顕微鏡で観察したところ、図４に示すように、熱硬化性樹脂硬化物中にボイドの発生が全くなかった。また、熱硬化性樹脂硬化物のフィレット形状、即ち電子部品からはみ出している熱硬化性樹脂硬化物の形状については、流れが短く良好な形状を示した。

一方、比較のために、上の例と同じ部品、材料を使用し、図３に示す温度プロファイル(樹脂の温度変化)で電子部品を基板上に実装した。この温度プロファイルでは、電子部品を予熱した状態で基板に押し付けて１４３．８℃に保った後、１９４．４℃にて熱硬化性樹脂を硬化させ、それから２６４．５℃まで温度を上昇させてハンダを溶融させた。この比較例では、１サイクルの時間が長く、また熱の蓄積が大きい。また作製したアセンブリを顕微鏡観察したところ、図５に示すように、多数のボイドが発生していた。

以上の説明では、バンプの接合時に最高温度となり、その後、温度が単調に低下するプロファイルを示したが、本発明では、バンプの接合時に最高温度となるのであれば、温度を下降させた後に再度昇温させてもよい。例えば、１５０℃程度まで２秒程度で急冷して、その間に樹脂をある程度硬化させつつ構造を固定し、再度温度を上昇（最高温度未満）させて樹脂を完全硬化させるというプロセスも、特定の用途では好ましい。この形態でも、ボイドの発生の抑制、ハンダ接合の確実性等の効果を奏する。

また、基板の電極上のハンダプレコートが、接合時に溶融する形態を示したが、溶融しない条件を選ぶこともできる。

さらに、基板の電極がハンダプレコートではなく、金メッキ等のメッキが施されていてもよい。これらの場合は、ハンダが溶融することによる確実な接合という効果がないのは当然であるが、隣接箇所に対する熱の影響の低減、短サイクル等のその他の効果を享受することができる。

また、図１では、熱硬化性樹脂３０はソルダーレジストの上にのみ塗布されているが、電極２２（ハンダプレコート２４）の上をも覆うようにして塗布してもよい。

加熱・冷却手段もどのようなものでもよく、ヒータ、高温または低温の気体または液体の熱媒体の循環等によって適宜行うことができる。

本発明を使用して、フリップチップなどのバンプ付電子部品を基板に実装することができる。

本発明の実施形態の実装方法を説明する図である。 本発明の実施形態の温度プロファイルを説明する図である。 従来の実装方法の温度プロファイルを示すずである。 本発明の実施形態により接合されたアセンブリの顕微鏡写真である。 従来の実装方法により接合されたアセンブリの顕微鏡写真である。 従来の実装方法を説明する図である。 従来の実装方法で使用される温度プロファイルを説明する図である。

符号の説明

２０ ボンディングステージ
２１ 基板
２２ 電極
２３ ソルダーレジスト
２４ ハンダプレコート
２６ 電子部品
２７ 加熱圧着装置
２８ 加熱・冷却手段
２９ バンプ
３０ 熱硬化性樹脂

Claims (5)

1. 下面に金属バンプが形成された電子部品を熱硬化性樹脂により基板に固着させ、前記金属バンプを基板の電極に導通させるバンプ付き電子部品の実装方法であって、
   前記基板上に前記熱硬化性樹脂を塗布する工程と、
   前記電子部品を加熱圧着装置で保持し、前記基板から離した状態で、前記電子部品の温度プロファイル中で最高温度まで加熱する工程と、
   前記最高温度にて、前記電子部品のバンプを前記基板の電極に押し付ける接合工程と、
   前記電子部品のバンプを前記基板の電極に押し付けた状態を保ちながら、前記最高温度から最終温度まで温度を低下させ、その間に前記熱硬化性樹脂を硬化させる樹脂硬化工程と、
   最終温度に達したときに、前記加熱圧着装置を電子部品から離す工程と
   を有する電子部品の実装方法。
2. 前記電子部品のバンプを前記基板の電極に押し付けた直後に、前記熱硬化性樹脂の温度が、その温度プロファイル中の最高温度に達することを特徴とする請求項１記載の実装方法。
3. 前記基板の電極には、ハンダがプレコートされており、前記接合工程においてハンダが溶融することを特徴とする請求項１または２記載の実装方法。
4. 前記樹脂硬化工程において、前記加熱圧着装置が強制冷却されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の実装方法。
5. 前記最終温度が、前記熱硬化性樹脂の硬化物のガラス転移温度より低いことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の実装方法。