JP2014082362A - 電子機器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】面積が大きく、高さばらつきが抑制されたはんだバンプを形成できる電子機器の製造方法を提供する。
【解決手段】凹部２が形成されたはんだバンプ形成治具１と、板状のはんだ部材３とを準備する工程と、凹部２にはんだ部材３を配置する工程と、電極５を含む基板４または電子部品を、はんだ部材３が設置された凹部２を電極５が覆うように配置する工程と、３はんだ部材３を加熱して溶融させ、電極５にはんだ部材３が固着することにより、はんだバンプを形成する工程とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、電子機器の製造方法に関し、特に、はんだバンプによる接続部を有する電子機器の製造方法に関する。

半導体素子等の能動部品や、コンデンサ、抵抗等の受動部品からなる電子部品と、配線が形成された基板とは、はんだにより接合されている。

一般に、はんだ接合の方法として２つの方法が存在する。第１の方法は、はんだペレットを用いる方法である。この方法では、はんだペレットを電子部品の電極に対応する基板上の電極部に配置して、該はんだペレットを電子部品と基板とで挟んだ状態で加熱することで、はんだ接合する。このため、はんだペレットを所定の位置に保持しておく必要があるが、電極サイズが小さい場合には、はんだペレットを保持しておくことが困難となる。また、はんだペレットを配置するため生産性が悪い。

第２の方法は、はんだバンプを用いる方法である。この方法では、予め、電子部品の電極にはんだバンプを形成しておき、一方、基板の電極には印刷等の方法によりソルダーペーストを供給しておく。電子部品と基板とを位置合わせした後、押しつけて加熱することにより、はんだバンプとソルダーペーストを溶融させてはんだ接合する。また、はんだバンプは、基板上の電極に形成することもあり、この場合にはソルダーペーストは用いないことが多い。なお、はんだバンプの形状は、微細な概球形として形成されることが多い。

基板にはんだバンプを形成する方法として、特開平８−５６０７１号公報には、基板の電極部に対応する位置に穴が設けられたマスクを基板に載置し、該穴にはんだボールを挿入してからはんだボールが動かないように拘束した状態でリフロー加熱炉で加熱して、基板上にはんだバンプを形成する方法が開示されている。

また、特開２００１−４４２３１号公報には、はんだバンプ形成用貫通孔を有するはんだバンプ形成用治具を基板表面に載置し、印刷用マスクを介してはんだペーストを印刷することによりはんだバンプ形成用貫通孔にはんだペーストを充填し、充填されたはんだペーストを溶融してはんだバンプを形成する方法が開示されている。また、特開２００１−４４２３１号公報では、平坦化治具を用いることで、上面を平坦にしたバンプを形成している。

一方、電力用半導体装置に用いられる電子部品や基板においては、はんだバンプによる接続部の電気抵抗または熱抵抗低減のため、はんだバンプは広い接合面積を確保できるように形成される必要がある。

特開平８−５６０７１号公報 特開２００１−４４２３１号公報

しかしながら、特開平８−５６０７１号公報のはんだボールを用いる方法では、マスク開口部に対し少し小さい径のはんだボールをリフロー加熱することによりはんだバンプを形成するため、はんだバンプははんだボールの径とほぼ同等の大きさに形成される。このとき、マスク開口部を広げて、大面積のはんだバンプを形成しようとすると、はんだボールと基板との濡れ広がり方によってはんだバンプの面積および高さにばらつきが生じる。ばらつきが生じたはんだバンプを用いてはんだ接合を行うと、接続不良の原因となる問題があった。

また、特開２００１−４４２３１号公報のソルダーペーストを用いる方法では、はんだをロジンなどに混ぜてペースト状にしたソルダーペーストを用いるため、ソルダーペーストにおけるはんだ粒子の含有量が例えば５０体積％程度と制限され、溶融後に体積が減少する。よって、はんだバンプの面積は、印刷領域の面積よりも小さく形成される問題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものである。本発明の主たる目的は、面積が大きく、高さばらつきが抑制されたはんだバンプを形成できる電子機器の製造方法を提供することにある。

ここで、はんだバンプの「面積」とは、はんだバンプにおいて電極を含む基板または電子部品と接合している面の面積をいう。また、はんだバンプの「高さ」とは、はんだバンプにおいて電極を含む基板または電子部品と接合している面を基準としたときの、該面の反対側に位置する面と該面との最短距離をいう。

本発明の電子機器の製造方法は、凹部が形成されたはんだバンプ形成治具と、板状のはんだ部材とを準備する工程と、凹部にはんだ部材を配置する工程と、電極を含む基板または電子部品を、はんだ部材が設置された凹部を電極が覆うように配置する工程と、はんだ部材を加熱して溶融させ、電極にはんだ部材が固着することにより、はんだバンプを形成する工程とを備える。

これにより、面積が大きく、高さばらつきが抑制されたはんだバンプを形成することができる。

本発明の電子機器の製造方法は、板状のはんだ部材を用いるため、面積の大きいはんだバンプを形成することができる。また、はんだ部材は凹部と基板または電子部品の電極とで覆われた状態で溶融されてはんだバンプを形成するため、はんだバンプの高さは凹部の深さに制限でき、高さばらつきを抑制することができる。

本実施の形態１に係る電子機器の製造方法において、準備する工程（Ｓ０１）の一例を説明するための断面図である。 本実施の形態１に係る電子機器の製造方法において、配置する工程（Ｓ０２）の一例を説明するための断面図である。 本実施の形態１に係る電子機器の製造方法において、配置する工程（Ｓ０３）の一例を説明するための断面図である。 本実施の形態１に係る電子機器の製造方法において、形成する工程（Ｓ０４）の一例を説明するための断面図である。 図２の部分上面図である。 本実施の形態２に係る電子機器の製造方法において、準備する工程（Ｓ０１）の一例を説明するための断面図である。 本実施の形態２に係る電子機器の製造方法において、配置する工程（Ｓ０２）の一例を説明するための断面図である。 本実施の形態２に係る電子機器の製造方法において、配置する工程（Ｓ０３）の一例を説明するための断面図である。 本実施の形態２に係る電子機器の製造方法において、形成する工程（Ｓ０４）の一例を説明するための断面図である。 本実施の形態２に係る電子機器の製造方法により形成したはんだバンプを用いてはんだ接合した電子機器の部分概略図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付してその説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
図１を参照して、本実施の形態１に係る電子機器の製造方法について説明する。本実施の形態１に係る電子機器の製造方法は、はんだバンプによる接続部を有する電子機器の製造方法であり、凹部が形成されたはんだバンプ形成治具と、板状のはんだ部材とを準備する工程（Ｓ０１）と、凹部にはんだ部材を配置する工程（Ｓ０２）と、電極を含む基板または電子部品を、はんだ部材が設置された凹部を電極が覆うように配置する工程（Ｓ０３）と、はんだ部材を加熱して溶融させ、電極にはんだ部材が固着することにより、はんだバンプを形成する工程（Ｓ０４）とを備える。

まず、図１を参照して、準備する工程（Ｓ０１）では、複数の凹部が形成されたはんだバンプ形成冶具１を準備する。はんだバンプ形成冶具１を構成する材料としては、はんだが濡れにくい材料であり、例えば、ステンレスやアルミニウムなどである。はんだバンプ形成冶具１は、はんだバンプを形成する基板もしくは電子部品と接続可能に設けられ、接続時にはんだバンプを形成する領域と対向する領域に凹部２が形成されている。本実施の形態１においては、複数の凹部２は、同一の寸法で構成されている。このとき、凹部２は、平坦な底面部を有している。また、本実施の形態において、複数の凹部２の立体形状は、所望のはんだバンプ形状に応じて選択できる。例えば平面形状を円形として、所望のはんだバンプの高さと同程度の高さとして構成されている。

さらに工程（Ｓ０１）では、板状のはんだ部材３を準備する。はんだ部材３は板状に構成されており、その平面形状は、所望のはんだバンプ形状に応じて、例えば凹部２の平面形状と相似となるように構成されている。本実施の形態においては、凹部２およびはんだ部材３は円形状である。また、凹部２の平面形状の面積（以下凹部２の面積という）は、はんだ部材３の平面形状の面積（以下はんだ部材３の底面積という）よりも大きくなるように構成されている。

また、はんだ部材３の厚み（高さ）は、上述のように板状である限りにおいて、所望のはんだバンプ形状に応じて選択でき、凹部２に収まるように構成される。具体的には、はんだ部材３の厚み（高さ）ｈは、凹部２の深さＨよりも小さい厚みとなるように設けられる。また、はんだ部材３の厚みｈは、はんだ部材３の溶融時の厚みが凹部２の深さＨよりも大きい厚みとなるように設けられる。

はんだ部材３は、ロジンなどを含まない。そのため、加熱による体積減少を抑制することができ、はんだバンプの面積は、はんだ部材３の底面積と同程度に形成することができる。よって、はんだ部材３は、要求されるはんだバンプの面積に応じて、該面積と同程度の底面積を有するものが準備される。

次に、工程（Ｓ０２）では、凹部２にはんだ部材３が配置される。凹部２の底面部上にはんだ部材３を載置する。

次に、図２を参照して、工程（Ｓ０３）では、電極５を含む基板４（または電子部品）を、はんだ部材３が設置された凹部２を電極５が覆うように配置する。このとき、はんだ部材３の厚みｈは凹部２の深さＨよりもわずかに小さいため、凹部２は基板４によって塞がれた状態となる。図５は、工程（Ｓ０３）におけるはんだバンプ形成冶具１に対する上面図である。図２および図５を参照して、凹部２の面積は、上述のようにはんだ部材３の底面積より大きく、かつ電極５よりも小さくなるように形成されている。

次に、図３および図４を参照して、工程（Ｓ０４）では、はんだ部材３を加熱して溶融させ、電極５にはんだ部材３が固着することにより、はんだバンプ７を形成する。具体的には、はんだ部材３は、溶融すると表面張力により角部がとれ、円弧状に変形することで厚みを増す。これにより、はんだ部材３の厚みｈは、凹部２の深さＨよりもわずかに小さいように設けられているが、溶融することによってはんだ部材３は電極５に達する。その後、加熱を終了して冷却することで、はんだバンプ７が形成される。

加熱は、例えば加熱炉において実施される。また加熱は、はんだ部材３が設置された凹部２の開口部が電極５により塞がれている状態で、実施される。これにより、はんだ部材３が凹部２より溢れ出ることを抑制でき、電極５の周囲にソルダレジストを設けない場合にも、短絡を防止することができる。

本工程（Ｓ０４）では、加熱時に、例えば加熱炉内の移動等により生じるはんだバンプ形成冶具１と基板４との位置ずれ、または基板４の反りを防止するために、はんだバンプ形成冶具１と基板４とを任意の方法で固定してもよい。例えば、電極５を含む基板４（または電子部品）を、はんだ部材３が設置された凹部２を電極５が覆うように、はんだバンプ形成冶具１と基板４とを接続した状態において、基板４上に重り（図示せず）を載せてもよい。また、はんだバンプ形成冶具１と基板４とをクランプ（図示せず）により固定してもよい。

図４は、工程（Ｓ０４）において、冷却後に基板４をはんだバンプ形成冶具１から分離した状態を示す。このとき、先の工程（Ｓ０１）において、はんだ部材３の厚みｈは、はんだ部材３の溶融時の厚みが凹部２の深さＨよりも大きい厚みとなるように設けられてるため、溶融後に冷却され形成されたはんだバンプ７は底面部８を有している。つまり、はんだバンプ７の高さは、凹部２の深さＨにより制限されている。このとき、形成されたはんだバンプ７は、凹部２の底面に接した状態で冷却されることにより、凹部２の底面を反映した底面部８を有している。これを言い換えると、はんだバンプ７の高さは、凹部２の深さＨにより制限されている。

以上のように、本実施の形態に係る電子機器の製造方法によれば、板状のはんだ部材３を用いるため、はんだバンプ７は、従来のはんだバンプよりも面積を広く形成することができる。また、ソルダーペーストを用いた場合と違って、リフロー加熱による体積減少がないため、供給したはんだ部材３とほぼ同面積のはんだバンプ７を形成することができる。また、はんだバンプ７の高さは、凹部２の深さＨに規制されているため、高さばらつきを抑制することができる。

なお、本実施の形態において、凹部２およびはんだ部材３の平面形状は、任意の平面形状とすることができる。例えば、長方形または六角形としてもよい。

（実施の形態２）
次に、図６〜９を参照して、本実施の形態２について説明する。本実施の形態に係る電子機器の製造方法は、基本的には、実施の形態１と同様の構成を備えるが、面積および高さの異なるはんだバンプ７ａ，７ｂを形成する点で異なる。

この場合、工程（Ｓ０１）では、深さＨおよび面積の異なる複数の凹部２ａ，２ｂを備えるはんだバンプ形成冶具１と、厚さおよび底面積の異なる複数のはんだ部材３ａ，３ｂが準備される。凹部２ａ、２ｂは、はんだバンプ７をそれぞれ所定の高さ、および面積として形成するため、当該厚みおよび当該面積に応じて構成されている。さらにはんだ部材３ａ，３ｂは、上記のように構成された凹部２ａ、２ｂに応じて、該凹部２ａ、２ｂにそれぞれ収まるように構成されている。具体的には、はんだ部材３ａは、凹部２ａに対応するように準備され、はんだ部材３ｂは、凹部２ａより深さが浅く面積の大きい凹部２ｂに対応するように、はんだ部材３ａに対して厚みが薄くかつ面積が大きいものが準備される。

図７を参照して、工程（Ｓ０２）では、凹部２ａの底面上にはんだ部材３ａを、凹部２ｂの底面上にはんだ部材２ｂを、それぞれ配置する。図６および８を参照して、工程（Ｓ０３）では、はんだバンプ７ａ，７ｂの面積に応じた電極５ａ，５ｂを含む基板４（または電子部品）を、電極５ａが凹部２ａを、電極５ｂが凹部２ｂを覆うように配置する。図９を参照して、はんだ部材３ａ，３ｂを一様に加熱して溶融させ、電極５ａ，５ｂにはんだ部材３ａ，３ｂが固着することにより、底面部８ａ，８ｂを有するはんだバンプ７ａ，７ｂを形成する。

このように、実施の形態１と同様に工程（Ｓ０２）〜工程（Ｓ０４）に施すことで、異なる面積および高さを有するはんだバンプ７ａ，７ｂを同時に形成することができる。従来のソルダーペーストを用いてはんだバンプを形成する方法では、異なる高さのはんだバンプ７を同時に形成することが困難であったが、本実施の形態に係る電子機器の製造方法では、これを容易に形成することができる。さらに、はんだバンプ７ａ，７ｂの高さは、凹部２ａ，２ｂの深さに制限できるため、所望の高さに対するばらつき（誤差）を抑制することができる。

図１０を参照して、このように形成されたはんだバンプ７ａ，７ｂが形成された基板４は、例えば、高さの異なる電子部品１０および電極１１が設けられた第２の基板９と容易に接合することができる。このとき、はんだバンプ７ａ，７ｂの高さを適用に構成しておくことで、第２の基板９の表面に設けられた電子部品１０の高さのばらつきに依らず、基板４と第２の基板９との間隔を一定に保つことができる。図１０の例では、はんだバンプ７ａの高さは、例えば、はんだバンプ７ｂと電子部品１０とが接続されたときの高さの合計と同等となるように構成してもよい。また、はんだバンプ７ｂは、電子部品１０と広い接合面積を有するように構成されているため、電子部品１０とはんだバンプ７ｂとの接合部の電気抵抗低減または熱抵抗低減を図ることができる。これにより、例えば、電子部品１０が電力用半導体素子を含む場合において、本実施の形態に係る電子機器の製造方法は特に有利に適用できる。

なお、本実施の形態において、複数の凹部２は深さＨおよび面積が異なり、はんだ部材３は厚みｈおよび底面積が異なるように準備されるが、これに限られるものではない。例えば、複数の凹部２は、深さＨまたは平面形状のいずれか一方が異なるように形成されてもよい。また、複数のはんだ部材３は、厚みｈまたは底面積のいずれか一方が異なるように準備されてもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ はんだバンプ形成冶具、２，２ａ，２ｂ 凹部、３，３ａ，３ｂ はんだ部材、４ 基板、５，５ａ，５ｂ，１１ 電極、７，７ａ，７ｂ はんだバンプ、８，８ａ，８ｂ 底面部、９ 第２の基板、１０ 電子部品。

Claims (4)

1. 凹部が形成されたはんだバンプ形成治具と、板状のはんだ部材とを準備する工程と、
   前記凹部に前記はんだ部材を配置する工程と、
   電極を含む基板または電子部品を、前記はんだ部材が設置された前記凹部を前記電極が覆うように配置する工程と、
   前記はんだ部材を加熱して溶融させ、前記電極に前記はんだ部材が固着することにより、はんだバンプを形成する工程とを備える、電子機器の製造方法。
2. 前記準備する工程において、前記凹部は底面部を有し、かつ、前記凹部の深さよりも小さい厚みを有する前記はんだ部材を準備する、請求項１に記載の電子機器の製造方法。
3. 前記準備する工程では、
   前記深さの異なる複数個の前記凹部が形成された前記はんだバンプ形成冶具と、前記厚みの異なる複数個の前記はんだ部材とが準備され、
   前記配置する工程では、
   前記凹部の前記深さに応じて、前記厚みの異なる前記はんだ部材が配置される、請求項２に記載の電子機器の製造方法。
4. 前記準備する工程では、
   平面形状の異なる複数個の前記凹部が形成された前記はんだバンプ形成冶具と、平面形状の異なる複数個の前記はんだ部材とが準備され、
   前記配置する工程では、
   前記凹部の前記平面形状に応じて、前記平面形状の異なる前記はんだ部材が配置される、請求項２または３に記載の電子機器の製造方法。

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