JP2012204717A

JP2012204717A - 電子機器、及び電子部品のリワーク方法

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Publication number: JP2012204717A
Application number: JP2011069340A
Authority: JP
Inventors: Yayoi Yajima; 弥生矢島; Kenichiro Fujii; 健一郎藤井
Original assignee: NEC Casio Mobile Communications Ltd
Current assignee: NEC Casio Mobile Communications Ltd
Priority date: 2011-03-28
Filing date: 2011-03-28
Publication date: 2012-10-22

Abstract

【課題】半導体パッケージを母基板へリワークするときのリフローによる熱応力が母基板に直接加わらないような半導体パッケージのリワーク方法を提供する。
【解決手段】リワーク部品１と母基板２との間に、リワーク部品１の各ボール電極１ａと対応する位置に孔４ａを開けて導電剤３を充填した異方性導電材料からなる半硬化状態の樹脂平板４を介在させる。樹脂平板４は、熱硬化性を有していてリワーク時においてリワーク部品１と母基板２とに接着される。また、樹脂平板４の孔４ａに充填された導電剤３がリワーク部品１のボール電極１ａと母基板２のランド２ａとを電気的に接続する。更に、取り外された半導体部品の切削後に塗布された半田ペースト５によりリワーク部品１のボール電極１ａと母基板２のランド２ａとが半田付けされ、かつ、アンダーフィル樹脂６が母基板２と樹脂平板４との隙間に充填される。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板に電子部品を表面実装した電子機器、及び基板に搭載された電子部品（例えば、半導体パッケージ）の追加または交換作業（リワーク）を行うための電子部品のリワーク方法に関する。

近年、パソコンや携帯電話機などの小型精密機器（電子機器）は日々を追って機能アップされてきている。したがって、それらの小型精密機器に搭載された母基板は、機能アップに対応させるために、新たな電子部品（例えば、半導体部品）の追加や交換などを行うためのリワークの頻度が高まってきている。

図８は、一般的に行われている半導体部品のリワーク工程の流れを示す断面模式図であり、（ａ）はリワーク前、(ｂ)はリワーク後、(ｃ)は（ｂ）のＡ部詳細図である。図８（ａ）に示すように、一般的に行われている半導体部品のリワーク工程では、例えば、両面実装基板からなる母基板２１の裏面側に裏面部品２２が搭載されている状態で、該母基板２１の表面側に半導体部品などのリワーク部品２３を搭載する。なお、このリワーク部品２３は、リワーク前部品（図示せず）を端子部分で削除して取り除いた後に搭載する。そして、図８（ｂ）に示すように、リワーク部品２３の母基板２１への搭載時においてリフローを行うことにより、リワーク部品２３のボール電極(バンプ)２４を母基板２１の対応するランド２５へ半田付けしている。

ところが、リワーク工程におけるリフロー時の加熱（リフロー加熱）により、図８（ｂ）に示すように、リワーク部品２３の近傍の母基板２１に反りが発生することがある。このようにして母基板２１に反りが発生すると、図８（ｃ）に示すように、母基板２１のランド２５の周辺にクラック２６が発生するおそれがある。このようなクラック２６がランド２５の周辺に発生すると、例えば、裏面部品２２が接続不良となって電子機器の信頼性を低下させてしまう。また、リフロー時の加熱によって生じる母基板２１や裏面部品２２の反りによって、リワーク部品２３の外周のボール電極２４が半田接続不良となったり、内周のボール電極の部分に半田が流れ過ぎてブリッジ等が発生したりする。

すなわち、母基板に搭載された半導体部品の追加や交換などを行うときに、既に搭載されている半導体部品の端子部分を切削したり、交換部品（リワーク部品）をリフローするために部分加熱して部品交換を行うと、母基板に搭載された周囲部品や裏面部品の半田付けパッドが、母基板の熱反りによって剥離するおそれがある。そのため、母基板全体を交換する必要が生じてくることもあるので、半導体パッケージのリワークにおけるコストが高くなってしまう。

そこで、このような不具合を改善するために種々の技術が提案されている。例えば、関連技術として、半導体チップと基板との間に、両者の熱膨張係数の相違によって生じる応力を分散させるためにアンダーフィル樹脂シートを介在させ、該アンダーフィル樹脂シートにあらかじめ形成されたホールに前記半導体チップのバンプを挿通させて基板への半田付け実装を行う技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この技術によれば、アンダーフィル樹脂シートの粘度が低下する温度（２００℃以上）より低い温度で半田付けのリフローを行っているので、半導体チップを基板へ半田付けするときの加熱ストレスはアンダーフィル樹脂シートによって吸収（分散）されるため、基板に熱応力ストレスが加わるおそれはなくなる。

また、他の関連技術として、回路基板における端子電極の接続部位に樹脂フィルムを介在させ、かつ端子電極の接続部位に対応する樹脂フィルムの部分に貫通孔をあけて、その貫通孔に導電性樹脂を充填することにより、回路基板の端子電極を導電性樹脂によって中継させて外部に露出させる技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。この技術によれば、樹脂フィルム及び導電性樹脂が半田付け加熱による熱応力を緩和させるので、回路基板や搭載する電子部品に熱ストレスによるダメージを与えるおそれはなくなる。

特開２００１−２４０２９号公報特開２００３−１４２５２８号公報

しかしながら、前記特許文献１に開示された技術は、半導体チップと基板との間に薄いアンダーフィル樹脂シートを介在させることによって、リフロー時の熱ストレスをアンダーフィル樹脂シートに吸収させているが、アンダーフィル樹脂シートにあけられた孔には導電剤は充填されていない。言い換えると、半導体チップのバンプは、薄いアンダーフィル樹脂シートの孔を通して基板のランドに直接半田付けされている。そして、半導体チップのバンプが２００℃弱の温度で半田付けされた後に、２２０℃以上の高温にすることによってアンダーフィル樹脂シートを硬化及び収縮させて、該半導体チップのバンプをタイトに包み込むことにより、バンプの周辺にボイド（空洞）を発生させないようにしている。すなわち、この技術は、薄いアンダーフィル樹脂シートを介在させることによって、半田付けリフロー時にバンプ部分に生じやすいボイドを除去するための技術であり、このような薄いアンダーフィル樹脂シートを半導体チップと基板との間に介在させても、本発明が目的としている基板の反りを抑制することはできない。

また、前記特許文献２に開示された技術は、回路基板の端子電極に対応する部分に孔のあいた樹脂フィルムを該回路基板の上に介在させ、その樹脂フィルムの貫通孔に導電性樹脂を充填して回路基板の端子電極を導電性樹脂によって外部に露出させて外部配線を半田付けすることにより、半田付け時の熱ストレスが直接基板側に伝わらないようにしているが、この技術では、半導体パッケージの多数のバンプを基板に半田付けするときの熱ストレスを抑制する技術に展開することはできない。さらには、薄い樹脂フィルムを回路基板上に介在させても、熱ストレスによる回路基板の反りを抑制することはできない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、リフロー加熱によって反りが生じないような電子部品実装基板を備えた電子機器、及び電子部品（例えば、半導体パッケージ）を母基板へリワークするときのリフローによる熱応力が母基板に直接加わらないような電子部品のリワーク方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、母基板と、電極が突出して設けられ、前記母基板の表面に前記電極を介して電気的に接続された状態で実装された電子部品と、前記電極と対応する位置に孔が形成され、前記基板と前記電子部品との間に、一方の面を前記基板に他方の面を前記電子部品にそれぞれ固定して設けられた異方性導電材料からなる樹脂基板と、前記樹脂基板の孔に充填された導電剤と、を備えることを特徴とする。

また、本発明は、母基板に実装された電子部品に対してリワークを行うための電子部品のリワーク方法であって、交換対象の電子部品を電極部分で切削して前記母基板から除去する第１の工程と、前記母基板に残された電極の表面に半田ペーストを塗布する第２の工程と、除去された前記電子部品の電極と対応する位置に孔が形成され、かつ、前記孔に導電剤が充填された、異方性導電材料からなる半硬化状態の樹脂基板を準備する第３の工程と、前記母基板に残された前記電極の位置に前記樹脂基板に開けられた孔の位置を合わせ、前記樹脂基板を前記母基板の上に搭載する第４の工程と、新たな電子部品の電極が前記樹脂基板の孔に挿入するように、前記新たな電子部品を前記樹脂基板の上に搭載する第５の工程と、前記新たな電子部品が前記樹脂基板の上に搭載された状態で、加熱及び加圧によるリフロー処理を行う第６の工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、母基板に搭載されている半導体部品の切削や部分加熱加圧方式によってリワークを行うときのリフロー時の加熱によって発生する母基板の反りを抑制し、母基板に搭載されている周囲部品に与えるダメージを低減させることができる。また、リワーク部品のリワーク後における基板への接続状態の信頼性を向上させることができる。すなわち、本発明によれば、電子部品（例えば、半導体パッケージ）のリワーク性を改善した電極端子の接続構造を有する電子部品実装基板を実現することができる。また、このような電極端子の接続構造を備えた電子部品実装基板を実装した電子機器を実現することができる。

本発明の第１実施形態において、半導体パッケージを母基板にリワークした状態を示す断面図である。本発明の第１実施形態に係る半導体パッケージのリワークの流れを示す工程図である。本発明の第１実施形態に係る半導体パッケージのリワークの流れを示す工程図である。リワーク温度による半硬化樹脂の硬化と導電剤の接続タイミングを示す特性図である。本発明の第３実施形態において、孔の形状を任意にした樹脂平板の斜視図であり、（ａ）は円形孔の樹脂平板、（ｂ）は四角孔の樹脂平板を示す。本発明の第４実施形態において、構造を変化させた樹脂平板の斜視図であり、（ａ）は１層構造の樹脂平板、（ｂ）は３層構造の樹脂平板を示す。本発明の第５実施形態において、樹脂平板の孔に充填する導電剤を低融点の半田ボールにした状態を示す断面図である。一般的に行われている半導体部品のリワーク工程の流れを示す断面模式図であり、（ａ）はリワーク前、(ｂ)はリワーク後、(ｃ)は（ｂ）のＡ部詳細図である。

本発明に係る電子部品（例えば、半導体パッケージ）のリワーク方法は、ボール電極（バンプ）が配列された表面実装タイプのＢＧＡ（ＢａｌｌＧｒｉｄＡｒｒａｙ）型半導体パッケージの切削や部分加熱加圧法によるリワーク時において、リワーク部品の端子位置に対応する位置に孔を開けて導電剤を充填した、異方性導電材料からなる半硬化状態の樹脂平板を、母基板とリワーク部品との間に介在させたことを特徴としている。これによって、リワーク時のリフロー加熱による母基板の反りを抑制することができるので、電子部品（例えば、半導体パッケージ）と母基板との接続部分の信頼性が一段と向上する。尚、本発明において電子部品の「リワーク（追加または交換作業）」との用語は、「リペア（修理）」を含んだ概念として使用する。また、本発明において「異方性導電材料」との用語は、接着，導電，及び絶縁という３つの機能を同時に有する材料を意味している。

以下、本発明に係る電子部品のリワーク方法について、半導体パッケージを例に挙げて、図面を参照しながら好適な実施形態の幾つかを詳細に説明する。なお、各実施形態に用いる図面において、同一の構成要素は原則として同一符号を付し、かつ、重複する説明は可能な限り省略する。

《第１実施形態》
図１は、本発明の第１実施形態において半導体パッケージを母基板にリワークした状態を示す断面図である。図１に示すように、半導体パッケージのリワーク時において、リワーク部品１（すなわち、リワークによって交換された新しいＢＧＡ型半導体パッケージ）と母基板２との間に、リワーク部品１のそれぞれのボール電極１ａと対応する位置に孔４ａを開けて導電剤３を充填した、異方性導電材料からなる半硬化状態の樹脂平板４を介在させる。

樹脂平板４は、リワークによる加熱及び加圧によって硬化する熱硬化性を有していて、リワーク時においてリワーク部品１と母基板２とに接着されている。また、樹脂平板４の孔４ａに充填された導電剤３が、リワーク部品１のボール電極１ａと母基板２のランド２ａとを電気的に接続している。さらに、取り外された半導体部品（図示せず）の切削後に塗布された半田ペースト５によって、リワーク部品１のボール電極１ａと母基板２のランド２ａとが半田付けされている。また、取り外された半導体部品の切削後に塗布されたアンダーフィル樹脂６が、母基板２と樹脂平板４との隙間に充填されている。

このとき、樹脂平板４の一方の面がリワーク部品１と接着し、該樹脂平板４の他方の面が母基板２と接着することにより、リワーク時のリフロー加熱によって生じる母基板２の反りを抑制することができる。さらに、リワーク部品１のリワーク完了後には、樹脂平板４は補強材として作用するので、リワーク部品１のボール電極１ａと母基板２のランド２ａとの接続状態の信頼性を向上させることができる。

すなわち、本発明の第１実施形態に係る半導体パッケージのリワーク方法においては、図１に示すように、リワーク部品１の多数のボール電極１ａと対応する位置に開けられた孔４ａに導電剤３を充填した異方性導電材料からなる半硬化状態の樹脂平板４を、リワーク部品１と母基板２との間に介在させ、かつ、リワーク部品１と母基板２は、樹脂平板４の孔４ａに充填された導電剤３によって接続された構成を実現している。

次に、本発明の第１実施形態に係る半導体パッケージのリワーク方法の処理工程について説明する。図２は、本発明の第１実施形態に係る半導体パッケージのリワークの流れを示す工程図である。

まず、図２（ａ）のリワーク対象部材準備工程に示すように、リワーク対象部材（すなわち、リワークを行う母基板２とリワークによって取り替えるリワーク前部品１０）を準備する。このときのリワーク前部品１０は、アンダーフィル樹脂６が塗布されたリワーク対象ＢＧＡである。

次に、図２（ｂ）の切削工程に示すように、リワーク前部品１０の半田付け部分を母基板２のパッド上に薄く残すように、半田付け部分を平らな状態に切削して該リワーク前部品１０を除去する。そして、切断された半田付けの平らな部分に半田ペースト５を塗布する。なお、母基板２のパッド上には前工程でアンダーフィル樹脂６が塗布されている。

次に、図２（ｃ）の導電剤の充填工程に示すように、これから搭載するリワーク部品１のボール電極１ａと対応する位置に多数の孔４ａが開けられた半硬化状態の樹脂平板４の各孔４ａに、あらかじめ導電剤３を充填（印刷）する。なお、半硬化状態の樹脂平板４の厚さは、リワーク部品１のバンプ（ボール電極１ａ）の高さ以下とし、孔４ａの径はバンプ（ボール電極１ａ）の径以上とする。また、樹脂平板４の材質は熱硬化系の樹脂（例えば、エポキシ系樹脂）とする。

その後、図３（ａ）の樹脂平板の搭載工程に示すように、図２（ｃ）の導電剤の充填工程で用意した、孔４ａに導電剤３の充填された樹脂平板４を、図２（ｂ）の切削工程で準備した母基板２の上に搭載する。このとき、樹脂平板４と母基板２とが密着するように、少し強めの荷重７を加えて樹脂平板４を母基板２の上に搭載する。

次に、図３（ａ）の樹脂平板の搭載工程において樹脂平板４と母基板２とが密着した状態になったら、図３（ｂ）の交換部品の搭載工程に示すように、新規に交換するためのリワーク部品１を、母基板２上の樹脂平板４の上に搭載する。このとき、リワーク部品１のそれぞれのボール電極１ａが樹脂平板４の対応する孔４ａに挿入するようにリワーク部品１を搭載する。さらに、図３（ａ）の樹脂平板の搭載工程と同様に、リワーク部品１と樹脂平板４とが密着するように、少し強めの荷重７を加えて搭載する。これにより、リワーク部品１と樹脂平板４と母基板２とが互いに密着した状態となる。

次に、図３（ｃ）のリフロー工程に示すように、リワーク部品１と樹脂平板４と母基板２とを密着させた状態でリフローを行い、リワーク部品１と樹脂平板４と母基板２とを確実に接合させる。

ここで、図３（ｃ）のリフロー工程における樹脂平板４の硬化と導電剤３の硬化のタイミングついて説明する。図４は、リワーク温度による半硬化樹脂の硬化と導電剤の硬化タイミングを示す特性図であり、横軸に時間、縦軸に温度を示している。すなわち、図４に示すように、樹脂平板４の硬化と導電剤３の硬化のタイミングは、まず、時刻ｔ１における温度θ１のときに半硬化状態の樹脂平板４が硬化し、さらに温度を上昇させて、リワーク部品１と母基板２との剛性を高くした状態で（すなわち、時刻ｔ２における温度θ２のときに）導電剤３が硬化する。

そのため、樹脂平板４は、孔４ａに充填した導電剤３より硬化温度の低い材料を用意する必要がある。なお、ここでは印刷済みの基材を母基板２へ搭載したが、先に母基板２へ基材を搭載してから印刷処理を行ってもよい。また、リワーク前部品１０の削除時に母基板２へ塗布するアンダーフィル樹脂６については、必要に応じて追加塗布してもよい。

《第２実施形態》
本発明の第２実施形態に係る半導体パッケージのリワーク方法おいては、半導体パッケージをリワークするときに限定されることなく、リフロー加熱によって生じる反りの大きい半導体部品を母基板へ初期搭載するときにおいても、その半導体部品の反りを抑制して母基板へ搭載することができる。また、リフロー加熱によって生じる反りの大きい母基板へ半導体部品を初期搭載するときにおいても、母基板の反りを抑制して半導体部品を搭載することができる。

《第３実施形態》
図５は、本発明の第３実施形態において、孔の形状を任意にした樹脂平板の斜視図であり、（ａ）は平面視で円形の孔４ａを有する樹脂平板４、（ｂ）は平面視で四角形の孔８ａを有する樹脂平板８を示している。すなわち、第１実施形態では、図５（ａ）に示すように、樹脂平板４の孔４ａの形状を円形にしたが、これに限ることなく、半導体パッケージのバンプの形状に合わせて、図５（ｂ）に示すように、樹脂平板８の孔８ａの形状を四角形にしてもよいし、その他の形状にしてもよい。

《第４実施形態》
図６は、本発明の第４実施形態において、構造を変化させた樹脂平板の斜視図であり、（ａ）は１層構造の樹脂平板４、（ｂ）は３層構造の樹脂平板９を示している。すなわち、第１実施形態では、図６（ａ）に示すように、１層構造の熱硬化性樹脂からなる樹脂平板４にしたが、図６（ｂ）に示すように、タック剤１１、セラミック１２、及び接着剤１３からなる３層構造の樹脂平板９にしてもよい。

《第５実施形態》
図７は、本発明の第５実施形態において、樹脂平板の孔に充填する導電剤を低融点の半田ボールにした状態を示す断面図である。すなわち、図７に示すように、樹脂平板４の孔４ａに充填する導電剤を低融点半田ボール１５にしてもよい。この場合の充填方法は、樹脂平板４の孔４ａに低融点半田ボール１５を入れ、樹脂平板４の下にあらかじめ貼付された粘着シート１４に付着した低融点半田ボール１５以外の低融点半田ボール（図示せず）は、樹脂平板４を逆さまにして廃棄する。すなわち、粘着シート１４の上に樹脂平板４を載せてから低融点半田ボール１５を充填する。また、導電剤３は、低融点の半田ペーストや、ＡＣＰ（ＡｎｔｉｓｏｔｒｏｐｉｃＣｏｎｄｕｃｔｉｖｅＰａｓｔｅ：異方性導電ペースト）などであってもよい。なお、粘着シート１４は、リワーク部品１の搭載時に該リワーク部品１を押し付けて半田バンプにて突き破って接続する。

《まとめ》
以上、本発明に係る半導体パッケージのリワーク方法の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、本発明の具体的に構成は、これらの実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもそれらは本発明に含まれる。

本発明によれば、リワーク作業工程に限らず、電子部品を回路基板へ表面実装するような一般的な半導体製造工程や、アンダーフィル樹脂を塗布した電子部品を高密度に実装した母基板を有する電子機器や携帯機器などの製造工程において有効に利用することができる。

１リワーク部品
１ａボール電極
２母基板
２ａランド
３導電剤
４樹脂平板
４ａ孔
５半田ペースト
６アンダーフィル樹脂
７荷重
８樹脂平板
８ａ孔
９樹脂平板
１０リワーク前部品
１１タック剤
１２セラミック
１３接着剤
１４粘着シート
１５低融点半田ボール
２１母基板
２２裏面部品
２３リワーク部品
２４ボール電極
２５ランド
２６クラック

Claims

母基板と、
電極が突出して設けられ、前記母基板の表面に前記電極を介して電気的に接続された状態で実装された電子部品と、
前記電極と対応する位置に孔が形成され、前記基板と前記電子部品との間に、一方の面を前記基板に他方の面を前記電子部品にそれぞれ固定して設けられた異方性導電材料からなる樹脂基板と、
前記樹脂基板の孔に充填された導電剤と、
を備えることを特徴とする電子機器。
前記樹脂基板は、前記母基板の表面における前記電子部品が実装された領域にのみ設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電子機器。
前記導電剤が、前記電子部品の電極と前記母基板とを電気的に接続していることを特徴とする請求項１または２に記載の電子機器。
前記母基板と前記樹脂基板との隙間に、アンダーフィル樹脂が充填されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電子機器。
前記樹脂基板は、前記導電剤より硬化温度が低い樹脂材料によって形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電子機器。
前記樹脂基板の孔は、平面視で前記電極に略等しい形状に形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電子機器。
前記樹脂基板が、多層構造を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の電子機器。
前記導電剤は、低融点半田ボール、低融点半田ペースト、または異方性導電ペーストのいずれかであることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の電子機器。
母基板に実装された電子部品に対してリワークを行うための電子部品のリワーク方法であって、
交換対象の電子部品を電極部分で切削して前記母基板から除去する第１の工程と、
前記母基板に残された電極の表面に半田ペーストを塗布する第２の工程と、
除去された前記電子部品の電極と対応する位置に孔が形成され、かつ、前記孔に導電剤が充填された、異方性導電材料からなる半硬化状態の樹脂基板を準備する第３の工程と、
前記母基板に残された前記電極の位置に前記樹脂基板に開けられた孔の位置を合わせ、前記樹脂基板を前記母基板の上に搭載する第４の工程と、
新たな電子部品の電極が前記樹脂基板の孔に挿入するように、前記新たな電子部品を前記樹脂基板の上に搭載する第５の工程と、
前記新たな電子部品が前記樹脂基板の上に搭載された状態で、加熱及び加圧によるリフロー処理を行う第６の工程と、
を含むことを特徴とする電子部品のリワーク方法。
前記第６の工程において、第１のリフロー温度で前記樹脂基板を硬化させ、前記第１のリフロー温度より高い第２のリフロー温度で、前記導電剤が硬化して前記電子部品の電極と前記母基板とを電気的に接続することを特徴とする請求項９に記載の電子部品のリワーク方法。