JP2012160668A - 電子部品の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1電子部品1または第2電子部品3の少なくとも一方に、熱硬化性樹脂を含有する樹脂層5を形成する第1の工程と、第1接続用金属電極2と第2接続用金属電極4を当接させる第2の工程と、両接続用金属電極を半田接合させる第3の工程と、を有する電子部品の製造方法において、第3の工程において、板状体を有する加圧装置で加圧を維持しながら前記半田接合に用いる半田の融点以上の温度に加熱し、さらに、前記半田接合に用いる半田の融点以上の温度で加圧を開放する。
【選択図】図1
Description
前記第1電子部品の半田接合面および/又は前記第2電子部品の半田接合面に熱硬化性樹脂を含有する樹脂層を形成する第1の工程と、
前記第1接続用金属電極と、前記第2接続用金属電極と、を対向するように位置合わせし、前記半田接合に用いる半田の融点よりも低い温度で加熱および加圧して、前記第1接続用金属電極と、前記第2接続用金属電極とを当接させる第2の工程と、
前記当接させた第1電子部品と第2電子部品とを板状体を有する加圧装置により加圧し、前記加圧を保持した状態で前記第1接続用金属電極および/又は前記第2接続用金属電極を前記半田接合に用いる半田の融点よりも高い温度で加熱し、前記第1接続用電極と前記第2接続用金属電極とを半田接合させ、前記半田接合に用いる半田の融点以上の温度で加圧を開放する第3の工程と、
を、この順で行うことを特徴とする電子部品の製造方法。
(2) 前記第3工程の後に、さらに、前記熱硬化性樹脂を含有する樹脂層を前記半田接合に用いる半田の融点よりも低い温度に加熱することにより硬化させる第4の工程を行う上記(1)に記載の電子部品の製造方法。
(3) 前記第3の工程において、加圧を開放するのは前記樹脂層がゲル化した後である上記(1)又は(2)に記載の電子部品の製造方法。
(4) 前記第1接続用金属電極および/又は前記第2接続用金属電極は、その表面に半田を有するものである上記(1)ないし(3)のいずれかに記載の電子部品の製造方法。
(5) 前記樹脂層の250℃における熱重量減少が5%以下である上記(1)ないし(4)のいずれかに記載の電子部品の製造方法。
(6) 前記第2の工程における加熱は、半田の熱膨張率が30×10−6/℃以下となる加熱温度で行われる上記(1)ないし(5)のいずれかに記載の電子部品の製造方法。
(7) 前記第2の工程における加熱は、190℃以下となる加熱温度で行われる上記(1)ないし(6)のいずれかに記載の電子部品の製造方法。
(8) 前記第3の工程が、加圧流体により加圧した雰囲気下で半田接合されるものである、上記(1)ないし(7)のいずれかに記載の電子部品の製造方法。
(9) 前記第4の工程が、加圧流体により加圧した雰囲気下で前記熱硬化性樹脂を含有する樹脂層を硬化させるものである、上記(1)ないし(8)のいずれかに記載の電子部品の製造方法。
(10) 前記熱硬化性樹脂を含有する樹脂層がフラックス機能を有する化合物を含む、上記(1)ないし(9)のいずれかに記載の電子部品の製造方法。
本発明の電子部品の製造方法は、
第1接続用金属電極を有する第1電子部品と、第2接続用金属電極を有する第2電子部品と、を半田接合して製造する電子部品の製造方法であって、
前記第1電子部品の半田接合面および/又は前記第2電子部品の半田接合面に熱硬化性樹脂を含有する樹脂層を形成する第1の工程と、前記第1接続用金属電極と、前記第2接続用金属電極と、を対向するように位置合わせし、前記半田接合に用いる半田の融点よりも低い温度で加熱および加圧して、前記第1接続用金属電極と、前記第2接続用金属電極とを当接させる第2の工程と、前記当接させた第1電子部品と第2電子部品とを板状体を有する加圧装置により加圧し、前記第1接続用電極と前記第2接続用金属電極とを半田接合させ、前記半田接合に用いる半田の融点以上の温度で加圧を開放する第3の工程と、をこの順で行うことを特徴とする。特に、加圧、加熱により第1接続用金属電極と、第2接続用金属電極を半田接合させ、前記半田接合に用いる半田の融点以上の温度で加圧を開放することにより、空洞(エアギャップ)およびボイド(気泡)の発生をも抑制することができる。
インターポーザー1の上面(半田接合面)には、例えば、銅等の導電性金属材料で構成される所定のパターンに形成された第1接続用金属電極2が設けられている。各第1接続用金属電極2の形状は、特に限定されるものではなく、球状、楕円状、円柱状、円錐状等が挙げられる。また、第1接続用金属電極2の酸化防止や第2接続用金属電極との接合性を向上する目的で、Ag、Sn、Au等の金属がメッキや蒸着等の手法により第1接続用金属電極2を覆うように構成されていても良い。このような第1接続用金属電極としては、具体的には、電極パッド、バンプ等が挙げられる。
また、インターポーザー1には、その厚さ方向に貫通して、図示しない複数のビア(スルーホール:貫通孔)が形成されていても良い。
また、第1接続用金属電極および第2接続用金属電極の少なくとも一方は、その表面に半田を有するもの(半田バンプ、半田電極)であることが好ましい。
第1接続用金属電極2および/又は第2接続用金属電極4に用いられる半田としては、特に限定されるものではないが、Sn、Ag、Bi、Zn、Cu、Zn、In、Sb等から選ばれる金属の合金であることが好ましく、特に、Sn−Pb、Sn−Ag、Sn−Ag−Cu、Sn−Biが好ましく、さらに、環境や人体に影響を及ぼす可能性があるPbを含まない、Sn−Ag、Sn−Ag−Cu、Sn−Bi、Sn−Zn−Biがより好ましい。
一方、第1接続用金属電極および第2接続用金属電極の両方が半田を有するものでなくとも、両接続用金属電極を当接する前に、少なくとも一方の接続用金属電極にメッキにより半田層を形成することにより、本発明を実施することが出来る。
また、インターポーザー1と半導体チップ3との間の間隙は熱硬化性樹脂を含有する樹脂層5が充填され、インターポーザー1と半導体チップ3との接合強度を向上させる機能や、前記間隙への異物や水分の浸入を防止する機能を有しており、信頼性の高い電子部品10を得ることができる。
このような電子部品10は、例えば、以下のようにして製造することができる。
図2は、第1接続用金属電極を有する第1電子部品と、第2接続用金属電極(半田電極)を有する第2電子部品とを接合する本発明の電子部品の製造方法を説明するための縦断面図である。
本実施形態では、図(2−a)に示すように、インターポーザー21には、金属電極22が形成されており、金属電極22は、例えば、ポリイミド・エポキシ・シアネート・ビスマレイミドトリアジン(BTレジン)等の各種樹脂材料で構成された絶縁基板に銅箔を張り合わせた銅張り積層板の銅箔を所定の回路形状にエッチングすることにより得ることができる。
また、図(2−a)に示すように、半導体チップ23には、半田電極24が形成されており、半田電極24は、例えば、金属電極(図示しない)上にメッキ、スクリーン印刷、半田ペースト塗布等の手法により得ることができる。
[ただし、式中、nは、0以上20以下の整数を表す。]
また、このようなフラックス機能を有する化合物は、熱硬化性樹脂を含有する樹脂層25中において、均一に分散していることが好ましい。上述のように、均一に分散することにより、フラックス機能を有する化合物は、金属電極22と半田電極との界面に効率よく移動して、これら同士を直接接触させることができる。その結果、接合部26の接続信頼性を向上させることができる
また、前記樹脂層の250℃における熱重量減少が5%以下であることが好ましい。これにより樹脂層のアウトガスの発生をより効果的に防止することができる。また、仮にアウトガスが発生した場合でも、樹脂層中をアウトガスが移動し難いため、半田接合時および半田接合後の気泡の発生をより効果的に防止することができる。
また、本発明における前記樹脂層の250℃における熱重量減少とは、熱重量/示差熱同時測定装置(セイコーインスツルメンツ(株)製、TG/DTA6200)を用いて、昇温速度10℃/分で測定した際の250℃における熱重量減少量を指す。
前記樹脂層の250℃における熱重量減少を5%以下に調整する方法としては、特に限定されるわけではないが、熱硬化性樹脂、硬化剤、フラックス機能を有する化合物中の軟化点や含有量、さらに、低分子成分の含有量を適宜調整することにより行うことができる。
半田の融点以上における熱膨張係数は、金属材料物性値計算ソフトウェア・データベースJMatPro(Sente Software社製)により算出することができる。半田の融点以下における熱膨張係数は、熱機械特性分析装置(モード:圧縮、荷重:50N、昇温速度:5℃/分)により算出することができる。
この時、加圧部はあらかじめ加熱されているものでもよく、また、加圧後に加熱を開始されるものでもよい。
前記加熱する方法としては、特に限定されるわけではないが、コンスタントヒート方式、パルスヒート方式等が挙げられるが、加熱するタイミングを適宜変更することができる、パルスヒート方式が好ましい。
なお樹脂層のゲル化は、ホットプレート上に樹脂組成物をおき、樹脂組成物が流動性を失い、粘性が急激に増加し、凝固するまでの時間を測定した。
このような加圧流体による加圧と、上述した板状体を有する加圧装置による加圧を組み合わせて行ってもよい。
[5]前記第3工程の後に、図(2−f)に示すように、金属電極22と半田電極24を溶融接合させたインターポーザー21と半導体チップ23の積層体30を、半田電極24の半田(半田接合に用いた半田)の融点より低い温度に加熱することにより、熱硬化性樹脂を含有する樹脂層25を硬化させる第4の工程を行ってもよい。これにより、封止部27を形成し、インターポーザー21と半導体チップ23の接合体40得ることができる。
また、接合部26の半田が再溶融してしまい電気的接続が不安定になることを防止することができる。
1.熱硬化性樹脂を含有する樹脂層用樹脂ワニスの調製
フェノールノボラック樹脂(住友ベークライト社製、PR55617)15.0重量部と、液状ビスフェノールA型エポキシ樹脂(大日本インキ化学工業社製、EPICLON−840S)45.0重量部と、フラックス機能を有する化合物であるフェノールフタリン(東京化成工業社製)15.0重量部と、成膜性樹脂としてビスフェノールA型フェノキシ樹脂(東都化成社製、YP−50)24.4重量部と、硬化促進剤として2―フェニルー4−メチルイミダゾール(四国化成工業社製、2P4MZ)0.1重量部と、シランカップリング剤としてβ−(3,4エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン(信越化学工業社製、KBM−303)0.5重量部とを、メチルエチルケトンに溶解し、樹脂濃度50%の樹脂ワニスを調製した。
得られた樹脂ワニスを、基材ポリエステルフィルム(東レ株式会社製、ルミラー)に厚さ50μmとなるように塗布して、100℃、5分間乾燥して、厚さ25μmの熱硬化性樹脂を含有する樹脂層(フィルム)を得た。
得られた接着フィルムを、熱重量/示差熱同時測定装置(セイコーインスツルメンツ(株)製、TG/DTA6200)を用い昇温速度10℃/分で加熱重量減少を測定し、250℃の減少量を測定値とした結果、加熱重量減少は0.95重量%であった。
得られた接着フィルムを230℃のホットプレート上に置き、接着フィルムがゲル化するまでの時間(秒)を測定した結果、50秒であった。
<第1の工程>
半田バンプ(Sn96.5/Ag3.5、融点221℃)を有する半導体チップ(サイズ10mm×10mm、厚さ0.3mm)に、得られた熱硬化性樹脂を含有する樹脂層(フィルム)を真空ラミネーターで、100℃、0.8MPa、30秒の条件でラミネートして、熱硬化性樹脂を含有する樹脂層付きの半導体チップを得た。
<第2の工程>
次に、Ni/Auパッドを有する回路基板を用意し、熱硬化性樹脂を含有する樹脂層付きの半導体チップの半田バンプとNi/Auパッドが重なるように位置合わせを行い、フリップチップボンダー(澁谷工業(株)社製 DP−200)により120℃、0.05MPa、7秒の条件で半田バンプとNi/Auパッドの当接を行い、回路基板/半導体チップの積層体を得た。
<第3の工程>
得られた回路基板/半導体チップの積層体を、フリップチップボンダー(澁谷工業(株)社製 DP−200)により、空気雰囲気下、230℃、0.7MPa、210秒の条件で加圧、加熱し、半田バンプとNi/Auパッドを溶融接合させ、さらに、接合部の温度が230℃の時に加圧を開放した。
<第4の工程>
半田バンプとNi/Auパッドを接合させた回路基板/半導体チップの積層体を市販の加熱型オーブンに投入し、180℃、60分の熱履歴を加えることにより熱硬化性樹脂を含有する樹脂層を硬化させ、電子部品を製造した。
実施例1の第3の工程において、フリップチップボンダー(澁谷工業(株)社製 DP−200)により230℃、0.7MPa、210秒の条件で加圧、加熱し、半田バンプとNi/Auパッドを溶融接合させるのに代えて、市販のパルスヒート型熱圧着機により、230℃、1.6MPa、210秒の条件で加圧、加熱し、半田バンプとNi/Auパッドを溶融接合させ、さらに、接合部の温度が230℃の時に加圧を開放した以外は、実施例1と同様に電子部品を製造した。
実施例1の第3の工程において、フリップチップボンダー(澁谷工業(株)社製 DP−200)により230℃、0.7MPa、210秒の条件で加圧、加熱し、半田バンプとNi/Auパッドを溶融接合させるのに代えて、熱プレスかつ加圧流体による加圧が可能な接合装置により、加圧:0.3MPa、230℃、加圧流体圧(加圧力):0.8MPaのAir、210秒の条件で加圧、加熱し、半田バンプとNi/Auパッドを溶融接合させ、さらに、接合部の温度が230℃の時に加圧を開放した以外は、実施例1と同様に電子部品を製造した。
実施例1の第4の工程において、市販の加熱型オーブンに投入し、180℃、60分の熱履歴を加えることにより熱硬化性樹脂を含有する樹脂層を硬化させるに代えて、市販の加圧対応型オーブンにおいて窒素ガスによりオーブン内部を加圧力0.8MPaで加圧しつつ、180℃、60分間の熱履歴を加えることにより熱硬化性樹脂を含有する樹脂層を硬化させ、電子部品を製造した。
実施例2の第4の工程において、市販の加熱型オーブンに投入し、180℃、60分の熱履歴を加えることにより熱硬化性樹脂を含有する樹脂層を硬化させるに代えて、市販の加圧対応型オーブンにおいて窒素ガスによりオーブン内部を加圧力0.8MPaで加圧しつつ、180℃、60分間の熱履歴を加えることにより熱硬化性樹脂を含有する樹脂層を硬化させ、電子部品を製造した。
実施例3の第4の工程において、市販の加熱型オーブンに投入し、180℃、60分の熱履歴を加えることにより熱硬化性樹脂を含有する樹脂層を硬化させるに代えて、市販の加圧対応型オーブンにおいて窒素ガスによりオーブン内部を加圧力0.8MPaで加圧しつつ、180℃、60分間の熱履歴を加えることにより熱硬化性樹脂を含有する樹脂層を硬化させ、電子部品を製造した。
実施例6の第3の工程において、加圧を開放する温度230℃から221℃に代えた以外は、実施例6と同様に電子部品を製造した。
実施例6の第3の工程において、加圧を開放する温度230℃から240℃に代えた以外は、実施例6と同様に電子部品を製造した。
実施例1の第1の工程において、半田バンプ(Sn96.5/Ag3.5、融点221℃)を有する半導体チップの代わりに、半田バンプ(Sn63/Pb37、融点183℃)を有する半導体チップを用い、また、第3の工程において、接合させる温度を230℃から195℃へ、また、加圧を開放する温度を230℃から195℃へ、さらに、第4の工程において、市販の加熱型オーブンで180℃、60分熱硬化性樹脂を含有する樹脂層を硬化させるのに代えて、市販の加圧対応型オーブンで、窒素ガスによりオーブン内部を0.8MPaで加圧しつつ、165℃、120分で硬化させた以外は、実施例1と同様に電子部品を製造した。
実施例1の第1の工程において、半田バンプ(Sn96.5/Ag3.5、融点221℃)を有する半導体チップの代わりに、半田バンプ(Sn89/Zn8/Bi3、融点195℃)を有する半導体チップを用い、また、第3の工程において、接合させる温度を230℃から210℃へ、また、加圧を開放する温度を230℃から210℃へ、さらに、第4の工程において、市販の加熱型オーブンで180℃、60分熱硬化性樹脂を含有する樹脂層を硬化させるのに代えて、市販の加圧対応型オーブンで、窒素ガスによりオーブン内部を0.8MPaで加圧しつつ、180℃、60分で硬化させた以外は、実施例1と同様に電子部品を製造した。
実施例1の第3の工程において、接合部の温度が100℃の時に加圧を開放した以外は、実施例1と同様に電子部品を製造した。
実施例1の第3の工程において、加圧、加熱の時間を1秒間に変更した以外は、実施例1と同様に電子部品を製造した。
半田の融点以上における熱膨張係数は、金属材料物性値計算ソフトウェア・データベースJMatPro(Sente Software社製)により算出した。
半田の融点以下における熱膨張係数は、熱機械特性分析装置(モード:圧縮、荷重:50N、昇温速度:5℃/分)により算出した。
<空洞及びボイド>
得られた電子部品を切断し、硬化物の断面を研磨した。次いで、半導体チップ、回路基板及び隣接する2つの半田接合部で囲まれた部分を、任意に10箇所選択し、各部分のマイクロボイドの有無を金属顕微鏡にて観察した。各符号は、以下の通りである。
◎:空洞及びボイドが全く観察されなかった場合
○:空洞及びボイドはあるが、その大きさが5μm以下である場合
×:空洞及びボイドがあり、その大きさが5μm以上である場合
得られた電子部品について、任意に選択した隣接する2箇所の半田接合部の接続抵抗を、デジタルマルチメータにより測定した。次いで、他に9点、隣接する2箇所の半田接合部を任意に選択し、同様に、接続抵抗を測定し、合計10点の導通接続の測定を行った。
各符号は、以下の通りである。
○:10点全てで導通が取れた場合
×:1点でも導通不良があった場合
第3の工程の処理時間に関して、サンプルをセットして第3の工程の処理を終えた後にサンプルを取り出すまでの時間を測定した。各符号は、以下のとおりである。
◎:第3の工程の処理時間が30秒未満である場合
○:第3の工程の処理時間が30秒以上、220秒未満である場合
×:第3の工程の処理時間が220秒以上である場合
また、実施例1〜10の電子部品は、導通信頼性にも優れていた。これにより、半田バンプとNi/Auパッドが確実に溶融接合されていることが示唆された。更に実施例1〜10の電子部品は第3の工程の処理時間が220秒未満であり、生産性に優れる処理時間であった。
2、22 金属電極(第1接続用金属電極)
3、23 半導体チップ(第2電子部品)
4、24 半田電極(第2接続用金属電極)
5、25 樹脂層
10 電子部品
26 接合部
27 封止部
30 積層体
40 接合体
Claims (10)
- 第1接続用金属電極を有する第1電子部品と、第2接続用金属電極を有する第2電子部品と、を半田接合して製造する電子部品の製造方法であって、
前記第1電子部品の半田接合面および/又は前記第2電子部品の半田接合面に熱硬化性樹脂を含有する樹脂層を形成する第1の工程と、
前記第1接続用金属電極と、前記第2接続用金属電極と、を対向するように位置合わせし、前記半田接合に用いる半田の融点よりも低い温度で加熱および加圧して、前記第1接続用金属電極と、前記第2接続用金属電極とを当接させる第2の工程と、
前記当接させた第1電子部品と第2電子部品とを板状体を有する加圧装置により加圧し、前記加圧を保持した状態で前記第1接続用金属電極および/又は前記第2接続用金属電極を前記半田接合に用いる半田の融点よりも高い温度で加熱し、前記第1接続用電極と前記第2接続用金属電極とを半田接合させ、前記半田接合に用いる半田の融点以上の温度で加圧を開放する第3の工程と、
を、この順で行うことを特徴とする電子部品の製造方法。 - 前記第3工程の後に、さらに、前記熱硬化性樹脂を含有する樹脂層を前記半田接合に用いる半田の融点よりも低い温度に加熱することにより硬化させる第4の工程を行う請求項1に記載の電子部品の製造方法。
- 前記第3の工程において、加圧を開放するのは前記樹脂層がゲル化した後である請求項1又は2に記載の電子部品の製造方法。
- 前記第1接続用金属電極および/又は前記第2接続用金属電極は、その表面に半田を有するものである請求項1ないし3のいずれかに記載の電子部品の製造方法。
- 前記樹脂層の250℃における熱重量減少が5%以下である請求項1ないし4のいずれかに記載の電子部品の製造方法。
- 前記第2の工程における加熱は、半田の熱膨張率が30×10−6/℃以下となる加熱温度で行われる請求項1ないし5のいずれかに記載の電子部品の製造方法。
- 前記第2の工程における加熱は、190℃以下となる加熱温度で行われる請求項1ないし6のいずれかに記載の電子部品の製造方法。
- 前記第3の工程が、加圧流体により加圧した雰囲気下で半田接合されるものである、請求項1ないし7のいずれかに記載の電子部品の製造方法。
- 前記第4の工程が、加圧流体により加圧した雰囲気下で前記熱硬化性樹脂を含有する樹脂層を硬化させるものである、請求項1ないし8のいずれかに記載の電子部品の製造方法。
- 前記熱硬化性樹脂を含有する樹脂層がフラックス機能を有する化合物を含む、請求項1ないし9のいずれかに記載の電子部品の製造方法。
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