JP2014027037A - 電子部品の実装方法及び中間シート - Google Patents

Abstract

【課題】疲労耐性が高いはんだバンプを容易に形成できる電子部品の実装方法、及びその実装方法で使用する中間シートを提供する。
【解決手段】回路基板１５の上に、複数の貫通穴２２と該貫通穴２２の壁面に付着した熱膨張性部材２３とを有する中間シート２１を挟んで電子部品１０を配置する。その後、電子部品１０のはんだバンプ１３の溶融温度以上に加熱して、はんだバンプ１３を溶融させ、溶融したはんだ１３ａと回路基板１５の端子１５ａとを中間シート２１の貫通穴２２を介して接触させる。次いで、中間シート２１の熱膨張性部材２３の膨張開始温度以上に加熱して、熱膨張性部材２３を膨張させる。これにより、円柱状又は中央部がくびれた形状のはんだバンプが得られる。
【選択図】図７

Description

本発明は、電子部品の実装方法及び中間シートに関する。

近年、携帯用電子機器の小型化及び高機能化が促進されており、それにともなって半導体装置（ＬＳＩ：Large Scale Integration）及びその他の電子部品のより一層の小型化及び薄型化が要望されている。

電子機器の小型化及び高機能化に好適な表面実装型半導体装置のひとつに、ＢＧＡ（Ball Grid Array）型半導体装置がある。ＢＧＡ型半導体装置は、支持基板と、支持基板上に搭載された半導体素子（チップ）と、支持基板の下に所定のピッチでグリッド状に並んだはんだバンプとを有する。

はんだバンプは、はんだ合金により球状に形成されている。半導体装置を回路基板（マザーボード）に実装する際には、リフロー炉内ではんだバンプを加熱して溶融させ、半導体装置と回路基板とをはんだバンプを介して電気的及び機械的に接合する。

特開平１０−１２５７２６号公報 特開２０００−３４０６０７号公報 特開２０１１−７１４３６号公報

疲労耐性が高いはんだバンプを容易に形成できる電子部品の実装方法、及びその実装方法で使用する中間シートを提供することを目的とする。

開示の技術の一観点によれば、絶縁性シートと、前記絶縁性シートの一方の面から他方の面に貫通する複数の貫通穴と、前記貫通穴の壁面に付着した熱膨張性部材とを有し、回路基板と電子部品との間に配置される中間シートが提供される。

また、開示の技術の他の一観点によれば、回路基板の上に、複数の貫通穴と該貫通穴の壁面に付着した熱膨張性部材とを有する中間シートを挟んで電子部品を配置する工程と、前記電子部品のはんだバンプの溶融温度以上に加熱して前記はんだバンプを溶融させ、溶融したはんだと前記回路基板の端子とを前記中間シートの前記貫通穴を介して接触させる工程と、前記中間シートの前記熱膨張性部材の膨張開始温度以上に加熱して前記熱膨張性部材を膨張させる工程とを有する電子部品の実装方法が提供される。

上記一観点に係る中間シート及び電子部品の実装方法によれば、はんだバンプの形状を、円柱状又は中央部がくびれた形状とすることができる。これにより、はんだバンプの疲労耐性が向上する。

図１（ａ），（ｂ）は、ＢＧＡ型半導体装置の回路基板への実装方法を示す図である。 図２は、図１（ａ），（ｂ）に示す方法の課題を説明する図である。 図３は、疲労耐性が高いはんだバンプの形状を示す模式図である。 図４は、図３に示すはんだバンプの形成方法の一例を示す模式図である。 図５（ａ）は第１の実施形態に係る中間シートを示す平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）にＩ−Ｉ線で示す位置における断面図である。 図６（ａ）〜（ｃ）は、中間シートの作製方法を示す斜視図である。 図７は、第１の実施形態に係る中間シートを使用した電子部品の実装方法を示す断面図（その１）である。 図８は、第１の実施形態に係る中間シートを使用した電子部品の実装方法を示す断面図（その２）である。 図９（ａ），（ｂ）は、第２の実施形態に係る中間シートを示す図である。 図１０（ａ）〜（ｄ）は、第２の実施形態に係る中間シートの作製方法を示す斜視図である。

以下、実施形態について説明する前に、実施形態の理解を容易にするための予備的事項について説明する。

図１（ａ），（ｂ）は、ＢＧＡ型半導体装置の回路基板への実装方法を示す図である。

ＢＧＡ型半導体装置１０は、図１（ａ）のように、半導体素子（チップ）１１と、支持基板１２と、はんだバンプ１３とを有する。

支持基板１２の一方の面側には半導体素子１１が搭載され、他方の面側には多数の電極１２ａが所定のピッチでグリッド状に並んで配置されている。電極１２ａは、支持基板１２内に形成された導電層及びビア（いずれも図示せず）を介して半導体素子１１と電気的に接続されている。また、電極１２ａには、はんだ合金により球状に形成されたはんだバンプ１３が接合されている。

回路基板１５には、支持基板１２の各電極１２ａに整合する位置に、それぞれ電極１５ａが設けられている。半導体装置１０を回路基板１５に実装する際には、半導体装置１０を回路基板１５上に配置し、リフロー炉内ではんだバンプ１３を加熱して溶融状態とする。これにより、溶融状態のはんだが電極１５ａの上に濡れ広がる。その後、はんだを冷却して凝固させると、図１（ｂ）のように、半導体装置１０と回路基板１５とがはんだバンプ１３を介して電気的及び機械的に接続される。

ところで、半導体装置１０は稼働にともなって熱を発生するため、支持基板１２は半導体装置１０の稼働にともなって熱膨張する。一般的に、支持基板１２と回路基板１５との間のはんだバンプ１３は、図１（ｂ）のように中央部が膨らんだ樽形の形状をしている。このため、支持基板１２が熱膨張すると、はんだバンプ１３と電極１２ａ，１５ａとの接続部分に応力が集中する。

そして、支持基板１２が繰り返し熱膨張すると、図２に示すように、はんだバンプ１３と電極１２ａ及び電極１５ａとの接続部近傍に亀裂が発生し、断線や接続部の抵抗値の上昇等の不具合が発生することがある。

このような不具合を回避するために、はんだバンプ１３の形状を、円柱状又は図３のように中央部がくびれた形状とすることが提案されている。はんだバンプ１３を円柱状又は図３に示すような形状にすると、はんだバンプ１３と電極１２ａ及び電極１５ａとの接続部への応力集中が回避され、はんだバンプ１３の疲労耐性が向上する。

はんだバンプを円柱状又は図３に示す形状にするためには、例えば図４に模式的に示すように、溶融状態のはんだ１３ａ（はんだバンプ１３が溶融したもの）が回路基板１５に接触している状態で、支持基板１２を治具１９等により若干上昇させればよい。

しかし、この方法では、はんだ１３ａが溶融している間に支持基板１２を上昇させる機構が必要であり、設備コストが上昇する。また、製造工程数が増加するため、製造に要する時間が長くなるという欠点もある。

一方、はんだバンプを介して半導体装置と回路基板とを接合した後、半導体装置と回路基板との間に熱膨張性を有するアンダーフィルを充填し、再度はんだバンプの溶融温度よりも高い温度で加熱する方法が提案されている。この方法では、アンダーフィルの熱膨張により半導体装置と回路基板との間隔が広がり、はんだバンプが円柱状になる。

しかし、この方法では、半導体装置が実装された回路基板をリフロー炉から取り出し、半導体装置と回路基板との間の狭い隙間にアンダーフィルを均一に充填する工程が必要である。また、アンダーフィルを充填後、再度リフロー炉内で加熱してはんだバンプを溶融するとともにアンダーフィルを膨張させる工程も必要である。従って、工程が複雑になり、電子機器の製造コストが上昇する。

以下の実施形態では、疲労耐性が高いはんだバンプを容易に形成できる電子部品の実装方法、及びその実装方法で使用する中間シートについて説明する。

（第１の実施形態）
図５（ａ）は第１の実施形態に係る中間シートを示す平面図、図５（ｂ）は図５（ａ）にＩ−Ｉ線で示す位置における断面図である。

中間シート２１は、所定のピッチでグリッド状に配列した貫通穴２２が設けられた絶縁性シート２１ａと、貫通穴２２の壁面に付着した熱膨張性部材２３とを有する。熱膨張性部材２３は、熱膨張性マイクロカプセルが添加された樹脂により形成されている。

図６（ａ）〜（ｃ）は、中間シート２１の作製方法を工程順に示す斜視図である。

まず、図６（ａ）に示すような絶縁性の樹脂シート２１ａを用意する。樹脂シート２１ａは耐熱性が良好な樹脂により形成されたものであることが好ましく、例えばポリフェニルサルファサイド（ＰＰＳ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）又はポリイミド（ＰＩ）により形成されたものを使用すればよい。

樹脂シート２１ａのサイズは、実装する半導体装置のサイズに応じて設定すればよい。ここでは、樹脂シート２１ａのサイズが、５０ｍｍ（幅）×５０ｍｍ（長さ）×０．５ｍｍ（厚さ）であるとする。

次に、図６（ｂ）に示すように、ドリル加工、打ち抜き加工又はレーザ加工等の方法により、樹脂シート２１ａに貫通穴２２を形成する。貫通穴２２の直径は、実装する半導体装置のはんだバンプの直径に応じて設定する。本実施形態では、はんだバンプの直径が０．６ｍｍであり、貫通穴２２の直径が０．８５ｍｍであるとする。

貫通穴２２は半導体装置のはんだバンプに対応する位置に形成する。本実施形態では、貫通穴２２を、相互に直交する２つの方向（Ｘ方向及びＹ方向）に沿って１ｍｍのピッチで形成するものとする。

一方、熱膨張性部材２３の材料として、例えば室温硬化型シリコーン樹脂又は室温硬化型エポキシ樹脂を用意する。そして、その樹脂材料に、熱膨張性マイクロカプセルを、例えば１０vol％〜３０vol％程度の割合で添加する。熱膨張性マイクロカプセルは、例えば株式会社クレハ又は松本油脂製薬株式会社等から市販されているものを使用できる。

市販されている熱膨張性マイクロカプセルには多くの種類があるが、例えば粒径（膨張前の粒径）が５μｍ〜５０μｍ、体積膨張率が５０倍〜１００倍、膨張開始温度が１８０℃〜２２０℃の熱膨張カプセルを使用する。

はんだバンプが溶融する前に熱膨張性マイクロカプセルが膨張してしまうと、はんだバンプと回路基板の電極とを接合することができないことがある。このため、熱膨張性マイクロカプセルの膨張開始温度は、はんだバンプの溶融温度よりも高いことが好ましい。

次に、図６（ｃ）に示すように、樹脂シート２１ａの貫通穴２２内に、熱膨張性マイクロカプセルを添加した未硬化状態の樹脂２４を充填し、その後樹脂２４を硬化させる。

次いで、図６（ｄ）に示すように、ドリル加工、打ち抜き加工又はレーザ加工等の方法により、樹脂２４の中央部に貫通穴２４ａを形成する。貫通穴２４ａの直径は実装する半導体装置のはんだバンプの直径よりも若干大きくする。本実施形態では、前述したようにはんだバンプの直径が０．６ｍｍであるので、貫通穴２４ａの直径を０．７ｍｍとする。このようにして、図５（ａ），（ｂ）に示す中間シート２１が完成する。

図７〜図８は、上述の中間シート２１を使用した電子部品の実装方法を工程順に示す断面図である。

まず、図７（ａ）のように、回路基板１５の上に中間シート２１を配置する。このとき、回路基板１５の電極１５ａの中心と中間シート２１の貫通穴２２の中心とが一致するように、位置合わせを行う。

次に、図７（ｂ）に示すように、回路基板１５の上に、中間シート２１を挟んで半導体装置１０を配置する。このとき、半導体装置１０のはんだバンプ１３と回路基板１５の電極１５ａとが接触するように、位置合わせを行う。

次に、リフロー炉内ではんだバンプ１３をその溶融温度よりも高い温度に加熱する。これにより、図７（ｃ）に示すように、はんだバンプ１３が溶融して液状のはんだ１３ａとなり、この液状のはんだ１３ａが電極１５ａの表面に濡れ広がる。

次いで、中間シート２１を、熱膨張性マイクロカプセルの膨張開始温度以上に加熱する。この加熱はリフロー炉内で行ってもよいし、リフロー炉とは別の加熱炉内で行ってもよい。

この加熱により、熱膨張性部材２３中のマイクロカプセルが膨張を開始する。そして、図７（ｄ）に示すように、熱膨張性部材２３が支持基板１２を押し上げるとともに、溶融状態のはんだ１３ａの中央部を側方から締め付ける。これにより、はんだ１３ａが円柱状又は中央部がくびれた形状となる。

その後、はんだ１３ａを冷却して凝固させると、半導体装置１０の回路基板１５への実装が完了し、図８のように円柱状又は中央部がくびれた形状のはんだバンプ１３が得られる。この半導体装置１０が実装された回路基板１５を所定の筐体に組み込み、電子機器が完成する。

本実施形態においては、上述したように貫通穴２２と、貫通穴２２の壁面に付着した熱膨張性部材２３とを有する中間シート２１を使用するので、円柱状又は中央部がくびれた形状のはんだバンプ１３が容易に得られる。また、本実施形態では、はんだバンプ１３の形状が円柱状又は中央部がくびれた形状となるので、はんだバンプ１３の疲労耐性が高く、電子機器の信頼性が向上する。

（第２の実施形態）
図９（ａ），（ｂ）は、第２の実施形態に係る中間シートを示す図である。図９（ａ）は中間シートの貫通穴の壁面に付着した熱膨張性部材の膨張前の状態を示し、図９（ｂ）は熱膨張性部材の膨張後の状態を示している。

第１の実施形態と同様に、中間シート３１は、所定のピッチでグリッド状に配列した貫通穴３２が設けられた絶縁性シート３１ａと、貫通穴３２の壁面に付着した熱膨張性部材３３とを有する。

熱膨張性部材３３は、図９（ａ）に示すように、中間シート３１の厚さ方向に積層した３層の樹脂層３３ａ，３３ｂ，３３ｃを有する。これらの樹脂層３３ａ，３３ｂ，３３ｃには、いずれも熱膨張性マイクロカプセル３５が含まれている。

本実施形態では、下層の樹脂層３３ａ及び上層の樹脂層３３ｃの熱膨張性マイクロカプセルの含有率は、いずれも１０vol％である。また、それらの樹脂層３３ａ，３３ｃの間に配置された樹脂層３３ｂの熱膨張性マイクロカプセルの含有率は、３０vol％である。更に、樹脂層３３ａ，３３ｃの厚さはいずれも０．１２ｍｍであり、樹脂層３３ｂの厚さは０．２６ｍｍである。

上述したように、本実施形態では熱膨張性部材３３を３層構造とし、中央の樹脂層３３ｂの熱膨張性マイクロカプセルの含有率を、その上側及び下側の樹脂層３３ａ，３３ｃの熱膨張性マイクロカプセルの含有率よりも高くしている。

そのため、図９（ｂ）に示すように、樹脂層３３ｂが樹脂層３３ａ，３３ｃよりも大きく膨張し、はんだバンプの中央部がより細くなる。

なお、樹脂層３３ａ〜３３ｃの厚さや熱膨張性マイクロカプセルの含有率、及び添加する熱膨張性マイクロカプセルの種類等を種々変化させることにより、はんだバンプの形状を種々変化させることができる。また、熱膨張性部材３３の層数は、３層に限定するものではなく、２層又は４層以上であってもよい。

図１０（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態に係る中間シート３１の作製方法を工程順に示す斜視図である。

まず、図１０（ａ）に示すように、絶縁性の樹脂シート３１ａを用意し、その樹脂シート３１ａに貫通穴３２を形成する。

次に、図１０（ｂ）に示すように、熱膨張性マイクロカプセルを１０vol％含有する樹脂を貫通穴３２内に注入した後、その樹脂を硬化させて、厚さが０．１２ｍｍの樹脂層３３ａを形成する。

その後、熱膨張性マイクロカプセルを３０vol％含有する樹脂を貫通穴３２内に注入した後、その樹脂を硬化させて、厚さが０．２６ｍｍの樹脂層３３ｂを形成する。更に、熱膨張性マイクロカプセルを１０vol％含有する樹脂を貫通穴３２内に注入した後、その樹脂を硬化させて、厚さが０．１２ｍｍの樹脂層３３ｃを形成する。

このようにして、図１０（ｃ）に示すように貫通穴３２内に３層構造の熱膨張性部材３３を形成した後、熱膨張性部材３３の中央部に貫通穴３４ａを形成する。このようにして、図９（ａ）に示す本実施形態に係る中間シート３１が完成する。

中間シート３１を使用した電子部品の実装方法は基本的に第１の実施形態と同様であるので、ここでは説明を省略する。

以上の諸実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。

（付記１）絶縁性シートと、
前記絶縁性シートの一方の面から他方の面に貫通する複数の貫通穴と、
前記貫通穴の壁面に付着した熱膨張性部材とを有し、
回路基板と電子部品との間に配置されることを特徴とする中間シート。

（付記２）前記熱膨張性部材は、熱膨張性マイクロカプセルを含有する樹脂により形成されていることを特徴とする付記１に記載の中間シート。

（付記３）前記熱膨張性部材は、前記絶縁性シートの厚さ方向に積層されて膨張率が相互に異なる複数の樹脂層により形成されていることを特徴とする付記１又は２に記載の中間シート。

（付記４）回路基板の上に、複数の貫通穴と該貫通穴の壁面に付着した熱膨張性部材とを有する中間シートを挟んで電子部品を配置する工程と、
前記電子部品のはんだバンプの溶融温度以上に加熱して前記はんだバンプを溶融させ、溶融したはんだと前記回路基板の端子とを前記中間シートの前記貫通穴を介して接触させる工程と、
前記中間シートの前記熱膨張性部材の膨張開始温度以上に加熱して前記熱膨張性部材を膨張させる工程と
を有することを特徴とする電子部品の実装方法。

（付記５）前記中間シートの前記熱膨張性部材は、熱膨張性マイクロカプセルを含有する樹脂により形成されていることを特徴とする付記４に記載の電子部品の実装方法。

（付記６）前記熱膨張性部材は、前記中間シートの厚さ方向に積層されて膨張率が相互に異なる複数の樹脂層により形成されていることを特徴とする付記４又は５に記載の電子部品の実装方法。

（付記７）回路基板と、
はんだバンプを介して前記回路基板上に実装された電子部品と、
前記回路基板と前記電子部品との間に配置され、前記はんだバンプに対応する位置に設けられた貫通穴と該貫通穴の壁面に付着した熱膨張性部材とを備えた中間シートとを有し、
前記熱膨張性部材が前記はんだバンプの側部に接触し、前記はんだバンプが円柱状又は中央部がくびれた形状であることを特徴とする電子機器。

１０…半導体装置、１１…半導体素子、１２…支持基板、１２ａ…電極、１３…はんだバンプ、１３ａ…はんだ（溶融状態のはんだ）、１５…回路基板、１５ａ…電極、２１，３１…中間シート、２１ａ，３１ａ…樹脂シート、２２，３２…貫通穴、２３，３３…熱膨張性部材、２４…樹脂、３３ａ，３３ｂ，３３ｃ…樹脂層、３５…熱膨張性マイクロカプセル。

Claims (5)

1. 絶縁性シートと、
   前記絶縁性シートの一方の面から他方の面に貫通する複数の貫通穴と、
   前記貫通穴の壁面に付着した熱膨張性部材とを有し、
   回路基板と電子部品との間に配置されることを特徴とする中間シート。
2. 前記熱膨張性部材は、熱膨張性マイクロカプセルを含有する樹脂により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の中間シート。
3. 前記熱膨張性部材は、前記絶縁性シートの厚さ方向に積層されて膨張率が相互に異なる複数の樹脂層により形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の中間シート。
4. 回路基板の上に、複数の貫通穴と該貫通穴の壁面に付着した熱膨張性部材とを有する中間シートを挟んで電子部品を配置する工程と、
   前記電子部品のはんだバンプの溶融温度以上に加熱して前記はんだバンプを溶融させ、溶融したはんだと前記回路基板の端子とを前記中間シートの前記貫通穴を介して接触させる工程と、
   前記中間シートの前記熱膨張性部材の膨張開始温度以上に加熱して前記熱膨張性部材を膨張させる工程と
   を有することを特徴とする電子部品の実装方法。
5. 回路基板と、
   はんだバンプを介して前記回路基板上に実装された電子部品と、
   前記回路基板と前記電子部品との間に配置され、前記はんだバンプに対応する位置に設けられた貫通穴と該貫通穴の壁面に付着した熱膨張性部材とを備えた中間シートとを有し、
   前記熱膨張性部材が前記はんだバンプの側部に接触し、前記はんだバンプが円柱状又は中央部がくびれた形状であることを特徴とする電子機器。

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