JP2016144812A - フラックス及び電子装置の製造方法 - Google Patents

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glycol polymer
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浩三 清水
Kozo Shimizu
浩三 清水
今泉 延弘
Nobuhiro Imaizumi
延弘 今泉
作山 誠樹
Seiki Sakuyama
誠樹 作山
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Fujitsu Ltd
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Fujitsu Ltd
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Abstract

【課題】半田接合後或いはフラックス洗浄後に残るフラックス残渣を抑制し、フラックス残渣に起因した電子装置の不良を抑制する。
【解決手段】半田30の接合に用いるフラックス40として、HO(CH2CH2O)nH〔nは4以上の整数〕で表されるエチレングリコール重合体を75重量%超含有するものを用いる。フラックス40中のエチレングリコール重合体として、加熱した時の蒸発が、接合する半田30の接合温度以上の温度で終了するもの、即ち、接合温度で半田30や端子21の表面に存在できるものを用いる。例えば、そのような性質を示す分子量のエチレングリコール重合体を用いる。このようなフラックス40により、半田接合後に残るフラックス残渣を抑制する。残ったフラックス残渣は、水を用いた洗浄で除去される。
【選択図】図2

Description

本発明は、フラックス、及びフラックスを用いた電子装置の製造方法に関する。
半導体素子や回路基板等の電子部品の端子に、フラックスを用いて半田を接合する技術が知られている。例えば、ロジンを含有するフラックスを用い、電子部品の端子表面や半田表面の酸化膜を還元除去し、端子に半田を接合する技術が知られている。また、半田接合後のフラックス残渣を洗浄(フラックス洗浄)する技術が知られている。
特開2011−83809号公報
半田の接合に用いるフラックスの成分によっては、半田接合或いはその後のフラックス洗浄の後に、フラックス残渣が残る場合がある。このような半田接合或いはフラックス洗浄の後に残るフラックス残渣は、半田やそれを接合した電子部品の腐食、品質の劣化を招く恐れがある。また、フラックス残渣は、それを起点としたイオンマイグレーションを引き起こし、半田のその周辺との絶縁抵抗の低下を招く恐れがある。
本発明の一観点によれば、半田の接合に用いるフラックスであって、下記一般式(1a)で表されるエチレングリコール重合体を75重量%超含有し、加熱した時の前記エチレングリコール重合体の蒸発が、前記半田の接合温度以上の温度で終了するフラックスが提供される。
HO(CH2CH2O)nH・・・(1a)
〔式(1a)中、nは4以上の整数である。〕
また、本発明の一観点によれば、上記のようなフラックスを用いて半田を電子部品の端子に接合する工程を含む電子装置の製造方法が提供される。
開示の技術によれば、半田接合後或いはフラックス洗浄後に残るフラックス残渣を抑制することが可能になる。これにより、フラックス残渣に起因した不良の発生を抑制することが可能になり、特性、信頼性の高い電子装置を実現することが可能になる。
半田接合方法の第1例を示す図である。 半田接合方法の第2例を示す図である。 半田接合後の状態の一例を示す図(その1)である。 半田接合後の状態の一例を示す図(その2)である。 エチレングリコール重合体の重量減少率の一例を示す図である。 半導体チップの構成例を示す図である。 半導体パッケージの構成例を示す図(その1)である。 半導体パッケージの構成例を示す図(その2)である。 回路基板の構成例を示す図である。
まず、半田の接合について説明する。
図1は半田接合方法の第1例を示す図である。図1(A)は第1例に係るフラックス配設工程の要部断面を模式的に示す図、図1(B)は第1例に係る半田配設工程の要部断面を模式的に示す図、図1(C)は第1例に係る半田接合工程の要部断面を模式的に示す図である。
この方法では、まず、図1(A)に示すような、端子11が設けられた電子部品10を準備する。電子部品10の端子11の配設面側には、端子11の少なくとも一部が露出するように、ソルダーレジスト等の保護膜12が設けられている。このような電子部品10の端子11の配設面側に、フラックス40を供給する。フラックス40には、端子11の表面、及び後述する半田30の表面に形成される酸化膜を還元する機能を有するものが用いられる。フラックス40は、スプレー法、塗布法、印刷法等の手法を用いて電子部品10上に供給することができる。
フラックス40の供給後、図1(B)に示すように、端子11上に半田30を設ける。半田30には、例えば、半田ボールを用いることができる。端子11上には、このような半田ボールのほか、半田粉末を含有する半田ペーストを印刷法等の手法を用いて設けてもよい。尚、半田ペーストを用いる場合には、その半田ペースト中にフラックスを含有させてもよい。
半田30の搭載後、或いは半田30の搭載と共に、加熱により半田30を溶融することで、図1(C)に示すように、半田30が電子部品10の端子11に接合される。この接合時には、先に電子部品10上に供給したフラックス40が、端子11の表面及び半田30の表面に形成される酸化膜を還元して除去する。これにより、半田30を、電子部品10の端子11に接合することが可能になる。
この図1に示すような方法により、端子11上に半田30が設けられた電子部品10(電子装置)が得られる。
尚、電子部品10には、複数の端子11が設けられていてもよい。この場合、図1に示すような方法により、各端子11上に半田30を接合することができる。
また、図2は半田接合方法の第2例を示す図である。図2(A)は第2例に係るフラックス配設工程の要部断面を模式的に示す図、図2(B)は第2例に係る半田配設工程の要部断面を模式的に示す図、図2(C)は第2例に係る半田接合工程の要部断面を模式的に示す図である。
この方法では、まず、図2(A)に示すような、保護膜12から露出する端子11上に半田30が設けられた電子部品10を準備し、その半田30の配設面側に、フラックス40を供給する。フラックス40には、半田30の表面、及び後述する端子21の表面に形成される酸化膜を還元する機能を有するものが用いられる。フラックス40は、スプレー法等の手法を用いて電子部品10及び半田30の上に供給することができる。
図2(B)に示すような、端子21が設けられた電子部品20を準備する。電子部品20の端子21の配設面側には、端子21の少なくとも一部が露出するように、ソルダーレジスト等の保護膜22が設けられている。このような電子部品20を、上記のようにフラックス40を供給した電子部品10に、互いの端子21と端子11の位置合わせを行って、対向させて配置する。
そして、半田30と端子21が接触する状態で、加熱により半田30を溶融することで、図2(C)に示すように、半田30が電子部品20の端子21に接合される。この接合時には、先に電子部品10側に供給したフラックス40が、半田30の表面及び端子21の表面に形成される酸化膜を還元して除去する。これにより、電子部品10の端子11上に設けられた半田30を、電子部品20の端子21に接合することが可能になる。
この図2に示すような方法により、電子部品10の端子11と、電子部品20の端子21とが、半田30を介して電気的に接続された電子装置1が得られる。
尚、電子部品10には、複数の端子11が設けられていてもよく、電子部品20には、電子部品10の複数の端子11に対応して、複数の端子21が設けられていてもよい。この場合、図2に示すような方法により、各端子11上に設けられた半田30を、各端子21に接合することができる。
また、図2(A)では、端子11上に半田30が設けられた電子部品10側にフラックス40を供給するようにしたが、半田30を接合する端子21が設けられた電子部品20側にフラックス40を供給してもよい。フラックス40は、電子部品20側にのみ供給されてもよいし、或いは電子部品10側と電子部品20側の双方に供給されてもよい。フラックス40を供給した電子部品20を、図2(B)のように電子部品10(フラックス40を供給した又は供給していない電子部品10)と位置合わせを行って対向させて配置し、図2(C)のように半田30を端子21に接合する。
また、図2には、端子11上に半田30が設けられた電子部品10と、端子21が設けられた電子部品20とを接合する場合を例示したが、接合前の電子部品10の端子11上と同様に、接合前の電子部品20の端子21上にも、半田が設けられていてもよい。このような電子部品10側若しくは電子部品20側、又は電子部品10側と電子部品20側の双方にフラックスを供給する。そして、端子21上に半田を設けた電子部品20を、端子11上に半田30を設けた電子部品10と位置合わせを行って対向させて配置し、互いの半田と半田30とを接合する。
上記の電子部品10及び電子部品20にはそれぞれ、例えば、半導体素子(半導体チップ)、半導体チップを備える半導体パッケージ、又は回路基板を用いることができる。尚、半導体チップ、半導体パッケージ、及び回路基板の構成例については後述する(図6〜図9)。
半田の接合には、上記のようにフラックスを用いる方法がある。半田の接合に用いるフラックスの1種として、従来、松脂を主成分としたロジン系フラックスが知られている。しかし、ロジン系フラックスを用いた場合には、次のようなことが起こり得る。
図3は半田接合後の状態の一例を示す図である。図3には、電子部品同士を半田で接合した電子装置の一例の要部断面を模式的に示す図である。
例えば、上記図2のような方法により、ロジン系のフラックス40を用いて、電子部品10の端子11上に設けられた半田30を、電子部品20の端子21に接合する。このような接合後には、図3に示すように、用いたフラックス40の残渣(フラックス残渣)40aが、半田30、端子11及び端子21(半田接合部)の周りに残る場合がある。
このようにフラックス残渣40aが残っていると、そのフラックス残渣40aによって、半田30、端子11及び端子21に腐食が生じたり、加熱時や通電時に半田30、端子11及び端子21からのイオンマイグレーションが生じたりする可能性がある。フラックス残渣40aに起因した腐食やイオンマイグレーションは、半田接合部の接合強度の低下、半田接合部の電気抵抗の上昇、周辺の導体部(他の半田接合部等)との絶縁抵抗の低下等を招く恐れがある。
そのため、上記のように端子11と端子21の間を半田30で接合した後には、フラックス残渣40aを除去するために、イソプロピルアルコール(IPA)等を用いた洗浄が行われることがある。しかし、ロジン系のフラックス40を用いた時に生じるフラックス残渣40aは、IPA等を用いた洗浄で十分に除去することができない場合がある。また、フラックス残渣40aの成分やIPA等が保護膜12や保護膜22に混入し、その膨潤、剥離を招く恐れがある。
半導体チップや回路基板等の電子部品10及び電子部品20の端子ピッチは例えば100μm以下と微細化が進み、用いる半田30の径が小さくなると、半田30を介して接合される電子部品10と電子部品20の間のギャップも狭くなる。このように端子11、端子21が狭ピッチ化された狭ギャップの空間には、洗浄液の導入、排出が難しくなり、そのため、フラックス残渣40aを十分に除去することが難しくなる場合がある。
フラックスとしては、上記のようなロジン系フラックスのほか、塩素等のハロゲンを成分に含んだ水溶性フラックスも用いられ得る。このような水溶性フラックスは、洗浄液に水を用いることが可能であるが、水による洗浄で十分にフラックス残渣やその成分を除去することができない場合があり、また、フラックス残渣の腐食性が強い場合がある。
以上のような点に鑑み、本実施形態では、半田30の接合に次のようなフラックスを用いる。
即ち、本実施形態では、半田30の接合に用いるフラックス40として、次式(1)で表されるエチレングリコール重合体を75重量%超含有するフラックスを用いる。
HO(CH2CH2O)nH・・・(1)
式(1)において、Hは水素原子、Cは炭素原子、Oは酸素原子である。重合度nは4以上の整数である。
尚、式(1)のn=2,3,4のエチレングリコール重合体、即ち、2分子、3分子、4分子のエチレングリコール(HOCH2CH2OH)の重合体はそれぞれ、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコールである。便宜上、5分子以上のエチレングリコールの重合体は、ポリエチレングリコールと称する。本実施形態に係るフラックスは、4分子以上のエチレングリコールの重合体(n≧4)、即ち、テトラエチレングリコール(TEG)、ポリエチレングリコール(PEG)を、75重量%超、好ましくは80重量%以上、含有するものである。
本実施形態に係るフラックスは、このようなエチレングリコール重合体のほか、粘度調整剤を含有してもよい。粘度調整剤としては、例えば、エポキシ樹脂が用いられる。
また、本実施形態に係るフラックスは、活性剤を含有してもよい。活性剤としては、例えば、有機酸や有機酸無水物が用いられる。活性剤として用いる有機酸や有機酸無水物としては、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、無水コハク酸、無水グルタル酸、アビエチン酸等、カルボン酸やカルボン酸無水物が挙げられる。
半田の接合に用いるフラックスの調整、選択にあたっては、まず接合する半田の種類(その融点)から接合時の温度条件(接合温度)を決定し、その接合温度に基づき、エチレングリコール重合体の種類(分子量又は平均分子量、蒸発温度)を決定する。ここで、半田の接合温度は、その半田の融点か、製造上その半田の融点よりも若干高い温度、例えば10℃〜50℃程度高い温度に設定される。また、エチレングリコール重合体の蒸発温度は、その分子量又は平均分子量(以下、これらを単に分子量とも言う)の増加に伴って上昇する傾向がある。
半田の接合にフラックスを用いるうえで、還元作用を示すエチレングリコール重合体は、半田が所定の接合温度で加熱されている時に、その半田やそれが接合される端子の表面を全体的に又は部分的に覆って存在していることを要する。半田や端子の表面に存在していないと、エチレングリコール重合体の還元作用が発揮されず、フラックスとしての機能が得られず、半田と端子の接合が行えない可能性があるためである。従って、フラックス中のエチレングリコール重合体は、半田の接合温度未満の温度において全て蒸発(揮発)してしまわないこと、即ち、接合時の加熱に伴うフラックス中のエチレングリコール重合体の蒸発が、半田の接合温度以上の温度まで終了しないことを要する。半田の接合温度に対し、このような性質を示す蒸発温度、分子量のエチレングリコール重合体を用いてフラックスを調整する、或いはそのようなエチレングリコール重合体を含有するフラックスを選択する。
一方、フラックス中のエチレングリコール重合体は、半田の接合温度までは半田や端子の表面に存在していながらも、接合の終了時点、即ち、加熱の終了時点(冷却の開始時点)では、蒸発して残存量が少なくなっているか、或いは消失していることが好ましい。要するに、半田の接合後にフラックス残渣として残るエチレングリコール重合体は、少ないほど良い。半田の接合終了時点でエチレングリコール重合体の残存量が少なくなっているか、或いは消失していれば、接合後の洗浄を不要とすることができるためである。半田の接合温度に対し、このような性質を示す蒸発温度、分子量のエチレングリコール重合体を用いてフラックスを調整する、或いはそのようなエチレングリコール重合体を含有するフラックスを選択すると、それを無洗浄フラックスとして使用することができる。
但し、半田の接合終了時点でエチレングリコール重合体が蒸発せずに残存していたとしても、エチレングリコール重合体自体は水溶性であるため、接合後に残存するエチレングリコール重合体は、水を用いた洗浄で除去することができる。従って、接合後にエチレングリコール重合体が残存したとしても、前述のようなロジン系フラックスを用いた時に生じるフラックス残渣のIPA等による洗浄と比べて、フラックス残渣を容易に洗浄、除去することができる。
上記のように、エチレングリコール重合体の蒸発温度は、その分子量の増加に伴って上昇する傾向がある。例えば、分子量が小さく蒸発温度の低いエチレングリコール重合体は、融点が低く接合温度の低い半田の接合に適用することができる。例えば、分子量が大きく蒸発温度の高いエチレングリコール重合体は、融点が高く接合温度の高い半田の接合に適用することができる。
半田の接合温度に基づく分子量を有するエチレングリコール重合体の含有量を75重量%超としてフラックスを調整する、或いは半田の接合温度に基づく分子量を有するエチレングリコール重合体の含有量が75重量%超のフラックスを選択する。フラックスの残部は、粘度調整剤や活性剤とすることができる。フラックス中のエチレングリコール重合体の含有量が75重量%以下では、半田や端子の表面に存在するエチレングリコール重合体の量が少なく、エチレングリコール重合体の十分な還元作用が得られない可能性がある。十分な還元作用を得るため、フラックス中には、所定の分子量を有するエチレングリコール重合体が75重量%超含有されていることが好ましく、80重量%超含有されていることがより好ましい。また、エチレングリコール重合体の組成が大きくなるほど、粘度調整剤等、水に溶解し難い成分の含有量が少なくなるため、水を用いた洗浄を行う場合、その洗浄後に残る残渣を一層抑制することが可能になる。
このような所定分子量のエチレングリコール重合体を75重量%超含有するフラックスを用い、上記図1及び図2のような半田の接合が行われる。
図4は半田接合後の状態の一例を示す図である。図4には、電子部品同士を半田で接合した電子装置の一例の要部断面を模式的に示す図である。
例えば、上記図2で述べたフラックス40として、所定分子量のエチレングリコール重合体を75重量%超含有するフラックスを用い、電子部品10の端子11上に設けられた半田30を、電子部品20の端子21に接合する。接合後には、例えば図4(A)に示すようなフラックス残渣40aの少ない状態、或いは図4(B)のようなフラックス残渣の無い状態を得ることができる。所定のエチレングリコール重合体を75重量%超含有するフラックスは、低残渣フラックス又は無洗浄フラックスとして使用することが可能である。
フラックス中に含有されるエチレングリコール重合体の選択のためには、予めエチレングリコール重合体の加熱に伴う重量変化に関する情報を取得しておくとよい。
図5はエチレングリコール重合体の重量減少率の一例を示す図である。
図5の横軸は温度[℃]、縦軸は重量減少率[%]である。図5には、一定量のエチレングリコール重合体(TEG,PEG)を、室温から500℃まで昇温加熱した時の、エチレングリコール重合体の重量減少率を測定した結果の一例を示している。
図5において、TEGは、テトラエチレングリコール(n=4)である。PEG200は、平均分子量200のポリエチレングリコールである。PEG300は、平均分子量300のポリエチレングリコールである。PEG400は、平均分子量400のポリエチレングリコールである。PEG600は、平均分子量600のポリエチレングリコールである。PEG1000は、平均分子量1000のポリエチレングリコールである。PEG2000は、平均分子量2000のポリエチレングリコールである。
図5より、加熱による温度上昇に伴うエチレングリコール重合体の重量減少の推移は、エチレングリコール重合体の種類、即ちその分子量によって異なる。エチレングリコール重合体の分子量が大きくなるほど、蒸発によって重量が急激に減少し始める温度が高温側にシフトし、重量減少率が100%になる温度、即ち、エチレングリコール重合体が全て蒸発してしまう温度が高温側にシフトする。
この図5に示すような情報を取得しておき、接合する半田の接合温度と、例えば重量減少率が100%になる温度や50%になる温度といった所定重量減少率になる温度とから、フラックスに用いるエチレングリコール重合体の分子量を選択することができる。即ち、接合温度まで半田や端子の表面に残存するような分子量のエチレングリコール重合体を選択する。或いは更に、接合の際の加熱終了時点(冷却開始時点)で残存量が少ないか消失するような分子量のエチレングリコール重合体を選択すれば、低残渣フラックス又は無洗浄フラックスとして使用することのできる組成のフラックスが実現可能になる。
半田の接合温度は、ビスマス(Bi)やインジウム(In)といった元素を添加したSn系半田等、所謂低融点半田と称されるものでも100℃超である。また、図5より、接合温度400℃超では、半田や端子の表面に残存するエチレングリコール重合体の量が少なくなり、十分な還元作用が得られない可能性が生じる。このような点に鑑み、エチレングリコール重合体を用いたフラックスを適用する場合の半田の接合温度は、例えば、100℃〜400℃の範囲とすることができる。
次に、実施例について説明する。
Figure 2016144812
表1の結果を取得するに際し、ここでは、上記図1に示したような方法を用い、端子群を備えた電子部品上にフラックスを供給し(図1(A))、各端子上に半田を設け(図1(B))、所定の接合温度で加熱して(図1(B))、半田の接合を行っている。
端子には、銅(Cu)を用いている。半田には、スズ(Sn)を主体とし、銀(Ag)及びCuを含むSn−Ag−Cu半田(Ag:3.0wt%,Cu:0.5wt%)を用いている。このSn−Ag−Cu半田の融点は217℃であり、加熱は、窒素(N2)雰囲気中、240℃〜250℃、ここでは245℃の条件で行っている。即ち、ここでの接合温度は245℃である。
このような端子と半田を接合するために用いるフラックスとして、エチレングリコール重合体を含有するフラックスを用い、半田付け性、接合後で洗浄前のフラックス残渣量、及び接合後のフラックス洗浄性について評価した。結果の一例を表1の実施例1〜14にそれぞれ示している。
表1には比較のため、フラックスとして、ロジン系フラックスを用いた場合の結果の一例を比較例1に、ハロゲンを含有する水溶性フラックスを用いた場合の結果の一例を比較例2に、それぞれ示している。
更に、表1には比較のため、フラックスとして、エチレングリコール、ジエチレングリコール、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、トリエチレングリコールを用いた場合の結果を、それぞれ比較例3〜7に示している。
表1の「半田付け性」は、端子群の全てに半田が接合された場合を「○」、端子群のうち一部に半田が接合されなかった場合を「△」、端子群の全てに半田が接合されなかった場合を「×」とした。
表1の「フラックス残渣量」は、半田が接合されたものの外観を目視で検査することで評価し、少ないものを「少」、多いものを「多」、中程度のものを「中」とした。フラックス残渣が少ないものとは、洗浄を行わなくても電子部品が製品として使用可能な程度のものであり、フラックス残渣が多いものとは、電子部品を製品として使用するためには洗浄を行うことが望ましい程度のものである。
表1の「フラックス洗浄性」は、半田の接合後、洗浄を行った時に、フラックス残渣を十分に除去することができた場合を「○」、フラックス残渣を十分に除去することができなかった場合を「×」とした。実施例1〜14のエチレングリコール重合体を用いた場合、及び比較例2の水溶性フラックスを用いた場合の洗浄には、洗浄液に水を用いた。比較例1のロジン系フラックスを用いた場合の洗浄には、洗浄液にIPAを用いた。
尚、比較例3〜7については、半田が端子群に接合されなかったため、フラックス残渣量及びフラックス洗浄性の評価は行っていない。
比較例3〜7及び実施例1〜8では、表1の「フラックス成分」に示したものをフラックスとして使用し、粘度調整剤や活性剤等の添加物は含有していない。
実施例9〜14では、平均分子量300のポリエチレングリコールと、活性剤として5重量%〜20重量%のコハク酸、L−グルタル酸、アジピン酸、無水コハク酸、無水グルタル酸、アビエチン酸を含有するものを、フラックスとして使用している。
尚、表1の「フラックス成分」に示したポリエチレングリコールに付した200、300、400、600、1000、1540、2000の数字は、ポリエチレングリコールの平均分子量を表している。
表1について、まず比較例1〜7の結果について述べる。
フラックスとして、比較例1のロジン系フラックスを用いた場合、半田付け性は端子群の全てに半田が接合されて良好なものの、フラックス残渣量が多く、IPAを用いた洗浄でも十分にフラックス残渣を除去することができなかった。
フラックスとして、比較例2のハロゲン含有水溶性フラックスを用いた場合、半田付け性は端子群の全てに半田が接合されて良好であり、フラックス残渣も少ないものの、水を用いた洗浄では十分にフラックス残渣を除去することができなかった。
フラックスとして、比較例3のエチレングリコール、比較例4のジエチレングリコール(n=2)及び比較例7のトリエチレングリコール(n=3)を用いた場合には、端子群の全てに半田が接合されず、半田付け性が認められなかった。ジエチレングリコール誘導体である比較例5のジエチレングリコールジメチルエーテル及び比較例6のジエチレングリコールジエチルエーテルを用いた場合も同様であり、端子群の全てに半田が接合されず、半田付け性が認められなかった。
続いて、実施例1〜14の結果について述べる。
フラックスとして、実施例1のテトラエチレングリコールを用いた場合、半田付け性は端子群のうち一部に半田が接合されなかったものの、フラックス残渣量は少なく、更にその水溶性のため洗浄性も良好であった。
上記図5に示したように、この表1の結果を得た245℃の接合温度の条件では、テトラエチレングリコール(TEG)の重量減少率が90%以上となる。このことから、テトラエチレングリコールは、接合温度である245℃に到達するまでに蒸発が進み、245℃の接合時点では半田や端子の表面に存在する量が少なくなって、還元作用を十分に発揮していないと考えられる。一方、このように蒸発が進み、245℃の接合時点で半田や端子の表面に存在する量が少なくなっていることで、フラックス残渣量は少なくなっていると考えられる。
テトラエチレングリコールは、BiやInといった元素を添加したSn系半田等、Sn−Ag−Cu半田よりも低い接合温度で行われる半田の接合では、接合時点で半田や端子の表面に存在する量が増えることで、十分な還元作用を発揮し得ると考えられる。尚、接合温度が低くなることでフラックス残渣量が増える可能性があるが、これは水を用いた洗浄で比較的容易に除去することが可能である。
また、フラックスとして、実施例2のポリエチレングリコール200、実施例3のポリエチレングリコール300、実施例4のポリエチレングリコール400を用いた場合、半田付け性は端子群の全てに半田が接合されて良好であった。フラックス残渣量も少なく、更にその水溶性のため洗浄性も良好であった。
上記図5より、実施例2〜4のポリエチレングリコール(PEG200,PEG300,PEG400)は、接合温度245℃でもある程度の量が半田や端子の表面に存在していると考えられる。そのため、十分な還元作用を得ながら、蒸発によってフラックス残渣量を抑えることが可能になっていると考えられる。
フラックスとして、実施例5のポリエチレングリコール600、実施例6のポリエチレングリコール1000を用いた場合、半田付け性は端子群の全てに半田が接合されて良好であった。フラックス残渣量は中程度であるが、その水溶性のため洗浄性は良好であった。
上記図5より、実施例5,6のポリエチレングリコール(PEG600,PEG1000)は、接合温度245℃でも、実施例2〜4のポリエチレングリコール(PEG200,PEG300,PEG400)よりも更に多い量が、半田や端子の表面に存在していると考えられる。そのため、十分な還元作用が得られる一方、フラックス残渣量が増加していると考えられる。但し、フラックス残渣は、水を用いた洗浄で比較的容易に除去することが可能である。
フラックスとして、実施例7のポリエチレングリコール1540、実施例8のポリエチレングリコール2000を用いた場合、半田付け性は端子群の全てに半田が接合されて良好であった。フラックス残渣量は、実施例5のポリエチレングリコール600や実施例6のポリエチレングリコール1000を用いた場合よりも更に多くなるが、その水溶性のため洗浄性は良好であった。
上記図5より、実施例8のポリエチレングリコール(PEG2000)は、接合温度245℃でも、実施例6のポリエチレングリコール(PEG1000)と同程度かそれ以上の量が、半田や端子の表面に存在していると考えられる。そのため、実施例7のポリエチレングリコール1540や実施例8のポリエチレングリコール2000では、十分な還元作用が得られる一方、フラックス残渣量が増加していると考えられる。
実施例5〜8で用いたようなポリエチレングリコールは、この表1の結果を得た245℃の接合温度よりも高い接合温度で行われる半田の接合では、接合時点で半田や端子の表面に存在する量が減ることで、フラックス残渣量を減らすことが可能と考えられる。
フラックスとして、実施例9〜14のように、ポリエチレングリコール300に各種有機酸又は有機酸無水物を添加したものを用いた場合も、半田付け性は端子群の全てに半田が接合されて良好であった。フラックス残渣量も少なく、更にその水溶性のため洗浄性も良好であった。
各種ポリエチレングリコールにはそれぞれ、活性が高くなって十分な還元作用が得られ易い温度がある。例えば、テトラエチレングリコールでは233℃、ポリエチレングリコール200では240℃、ポリエチレングリコール300では292℃、ポリエチレングリコール400では360℃、ポリエチレングリコール600では380℃、ポリエチレングリコール1000では393℃である。ポリエチレングリコール300に各種有機酸又は有機酸無水物を添加したものでは290℃程度である。また、ジエチレングリコールでは180℃、ジエチレングリコールジメチルエーテルでは78℃、トリエチレングリコールでは203℃である。半田の接合温度が、このような高い活性が得られ易い温度に近いほど、高い還元作用が得られる。フラックスに用いるエチレングリコール重合体の選択にあたっては、半田の接合温度とエチレングリコール重合体の分子量との関係性のほか、このような高い活性が得られ易い温度も考慮することが好ましい。
更に実施例について述べる。
第1例として、半田バンプ径40μm、ピッチ80μmの半導体デバイスと、同じくピッチ80μmの端子を備えた回路基板とを、表1の実施例1〜6に示した、平均分子量200〜1000のポリエチレングリコールをフラックスに用いて接合した。半田バンプにはSn−Ag−Cu半田(融点217℃)を用い、半導体デバイスの半田バンプと、回路基板の端子とを対向させ、N2雰囲気中、リフローすることで、半田バンプと端子の接合を行った。接合温度は245℃とした。この接合により得られた電子装置について、電気的に問題がないことを確認した後、−55℃〜125℃の温度サイクル試験を500サイクル行った結果、抵抗上昇は10%以下と良好であった。電気的に問題がなかった電子装置について、121℃、湿度85%の環境下に1000時間放置した後に同じ温度サイクル試験を行っても、抵抗上昇は10%以下と良好であった。
また第2例として、半田バンプ径40μm、ピッチ80μmの半導体デバイスと、同じくピッチ80μmの端子を備えた回路基板とを、表1の実施例9〜14に示した、有機酸又は有機酸無水物を添加した平均分子量300のポリエチレングリコールをフラックスに用いて接合した。半田バンプにはSn−Ag−Cu半田(融点217℃)を用い、半導体デバイスの半田バンプと、回路基板の端子とを対向させ、N2雰囲気中、リフローすることで、半田バンプと端子の接合を行った。接合温度は245℃とした。この接合により得られた電子装置について、電気的に問題がないことを確認した後、−55℃〜125℃の温度サイクル試験を500サイクル行った結果、抵抗上昇は10%以下と良好であった。電気的に問題がなかった電子装置について、121℃、湿度85%の環境下に1000時間放置した後に同じ温度サイクル試験を行っても、抵抗上昇は10%以下と良好であった。更に、電気的に問題がなかった電子装置について、130℃、湿度85%、4Vバイアスの高加速度寿命試験を行った結果、96時間を経過しても絶縁抵抗の劣化がないことを確認した。
エチレングリコール重合体を75重量%超含有するフラックスを用いることで、良好な半田付け性が得られ、且つ接続信頼性に優れた電子装置が得られる。尚、エチレングリコール重合体を75重量%超含有するフラックスの組成の一例を表2に示す。
Figure 2016144812
例えば、フラックスには、75重量%のエチレングリコール重合体に、粘度調整剤として2種類のエポキシ(エポキシ−1,2)をそれぞれ10重量%、及び各種活性剤を5重量%添加したものを用いることができる。粘度調整剤は、還元作用を示すエチレングリコール重合体が半田等の表面に留まり易くなるよう、フラックスを高粘度化するために添加される。無水コハク酸、無水グルタル酸、アジピン酸、L−グルタル酸等の活性剤は、半田濡れ性、半田付け性、フラックス洗浄性の向上等のために添加される。
半田の接合温度に基づき、エチレングリコール重合体の分子量を選択し、それを75重量%超含有し、例えば表2のように粘度調整剤や活性剤を所定量添加することで、半田の接合に用いるフラックスを調整することができる。
以上説明したように、本実施形態では、半田の接合に用いるフラックスとして、重合度4以上のエチレングリコール重合体を75重量%超含有するものを用いる。ここで、フラックス中のエチレングリコール重合体は、半田の接合条件に基づいてその分子量が選択され、半田の接合温度未満の温度で全て蒸発しないこと、即ち、蒸発が半田の接合温度以上の温度まで終了しないものが選択される。
このような、エチレングリコール重合体を主成分とするフラックスを用いることで、良好な半田付け性を実現することが可能になる。更に、接合温度に対して適切に分子量を選択することで、フラックス残渣を抑制することが可能になる。接合後にフラックス残渣が残るとしても、水を用いた洗浄によって除去することができる。
本実施形態に係るフラックスは、フラックス残渣の要因となるロジンやチキソ剤、活性剤成分の1種であるアミン塩を含有しないか、含有してもごく微量とすることができる。そのため、IPA等の洗浄液を用いた洗浄でも除去が難しいようなフラックス残渣の発生を抑制することができる。更に、ソルダーレジストのような保護膜に対して有害な成分を含まないフラックスを実現することができる。
本実施形態に係るフラックスは、エチレングリコール重合体が主成分であり、フラックス残渣は主にエチレングリコール重合体となる。そのため、接合温度に対して適切に分子量を選択し、フラックスとして作用させながら、加熱後の冷却までに蒸発させるようにすれば、フラックス残渣を減らすか或いは無くすことができ、低残渣フラックス或いは無洗浄フラックスとしての使用が可能になる。たとえフラックス残渣が生じたとしても、主にエチレングリコール重合体であるフラックス残渣は、水を用いた洗浄で除去することが可能であり、洗浄にIPA等の有機溶剤を用いることを不要とすることができる。
所定のエチレングリコール重合体を所定量含有する上記フラックスによれば、フラックス残渣に起因した腐食やイオンマイグレーションの発生、絶縁抵抗の低下等の不良を抑制し、特性、信頼性の高い電子装置を実現することが可能になる。
尚、重合度4以上のエチレングリコール重合体を75重量%超含有し、半田の接合温度未満の温度で全て蒸発しないものであれば、フラックス中には、複数種の分子量、複数種の平均分子量のエチレングリコール重合体が含有されていてもよい。
以上、エチレングリコール重合体を用いたフラックスについて説明した。このようなフラックスを用いて接合する電子部品(10,20等)には、前述のように、半導体チップ、半導体チップを備える半導体パッケージ、又は回路基板を用いることができる。半導体チップ、半導体パッケージ、回路基板の構成例について、以下の図6〜図9を参照して説明する。
図6は半導体チップの構成例を示す図である。尚、図6には、半導体チップの一例の要部断面を模式的に図示している。
図6に示す半導体チップ3100は、トランジスタ等の素子が設けられた半導体基板3110と、半導体基板3110上に設けられた配線層3120とを有する。
半導体基板3110には、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、シリコンゲルマニウム(SiGe)等の基板のほか、ガリウムヒ素(GaAs)、インジウムリン(InP)等の基板が用いられる。このような半導体基板3110に、トランジスタ、容量、抵抗等の素子が設けられる。図6には素子の一例として、MOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタ3130を図示している。
MOSトランジスタ3130は、半導体基板3110に設けられた素子分離領域3110aにより画定された素子領域に設けられる。MOSトランジスタ3130は、半導体基板3110上にゲート絶縁膜3131を介して形成されたゲート電極3132と、ゲート電極3132の両側の半導体基板3110内に形成されたソース領域3133及びドレイン領域3134とを有する。ゲート電極3132の側壁には、絶縁膜のスペーサ3135(サイドウォール)が設けられる。
このようなMOSトランジスタ3130等が設けられた半導体基板3110上に、配線層3120が設けられる。配線層3120は、半導体基板3110に設けられたMOSトランジスタ3130等に電気的に接続された導体部3121(配線及びビア)と、導体部3121を覆う絶縁部3122とを有する。図6には一例として、MOSトランジスタ3130のソース領域3133及びドレイン領域3134に電気的に接続された導体部3121を図示している。導体部3121には、Cu等の各種導体材料が用いられる。絶縁部3122には、酸化シリコン等の無機絶縁材料や、樹脂等の有機絶縁材料が用いられる。
配線層3120の最表面の導体部3121は、外部接続用の端子3121aとなる部位を含む。端子3121a上には、半導体チップ3100と他の電子部品との接合時に、或いは接合前に予め、半田(例えば上記の半田30)が接合される。
図7は半導体パッケージの構成例を示す図である。尚、図7(A)及び図7(B)にはそれぞれ、半導体パッケージの一例の要部断面を模式的に図示している。
図7(A)に示す半導体パッケージ3200は、パッケージ基板3210(回路基板)と、パッケージ基板3210上に搭載された半導体チップ3220と、半導体チップ3220を封止する封止層3230とを有する。
パッケージ基板3210には、例えば、プリント基板が用いられる。パッケージ基板3210は、導体部3211(配線及びビア)と、導体部3211を覆う絶縁部3212とを有する。導体部3211には、Cu等の各種導体材料が用いられる。絶縁部3212には、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等の樹脂材料、そのような樹脂材料をガラス繊維や炭素繊維に含浸した複合樹脂材料等が用いられる。
このようなパッケージ基板3210上に、半導体チップ3220が、樹脂や導電性ペースト等のダイアタッチ材3240で接着、固定され、ワイヤ3250でパッケージ基板3210に電気的に接続(ワイヤボンディング)される。パッケージ基板3210上の半導体チップ3220及びワイヤ3250は、封止層3230で封止される。封止層3230には、エポキシ樹脂等の樹脂材料、そのような樹脂材料に絶縁性フィラーを含有させた材料等が用いられる。
パッケージ基板3210の、半導体チップ3220の搭載面と反対側の表面の導体部3211は、外部接続用の端子3211aとなる部位を含む。端子3211a上には、半導体パッケージ3200と他の電子部品との接合時に、或いは接合前に予め、半田(例えば上記の半田30)が接合される。
尚、パッケージ基板3210上には、複数の半導体チップ3220が搭載されてもよく、また、半導体チップ3220のほか、チップコンデンサ等の他の電子部品が搭載されてもよい。
図7(B)に示す半導体パッケージ3300は、パッケージ基板3310(回路基板)と、パッケージ基板3310上に搭載された半導体チップ3320と、半導体チップ3320を覆う封止層3330とを有する。
パッケージ基板3310には、例えば、プリント基板が用いられる。パッケージ基板3310は、Cu等の導体部3311(配線及びビア)と、導体部3311を覆う樹脂材料等の絶縁部3312とを有する。
このようなパッケージ基板3310に、半導体チップ3320が、それに設けられた半田3340(バンプ)で電気的に接続(フリップチップボンディング)される。パッケージ基板3310と半導体チップ3320の間には、アンダーフィル材3341が充填される。パッケージ基板3310上の半導体チップ3320は、封止層3330で封止される。封止層3330には、エポキシ樹脂等の樹脂材料、そのような樹脂材料に絶縁性フィラーを含有させた材料等が用いられる。
パッケージ基板3310の、半導体チップ3320の搭載面と反対側の表面の導体部3311は、外部接続用の端子3311aとなる部位を含む。端子3311a上には、半導体パッケージ3300と他の電子部品との接合時に、或いは接合前に予め、半田(例えば上記の半田30)が接合される。
尚、パッケージ基板3310上には、複数の半導体チップ3320が搭載されてもよく、また、半導体チップ3320のほか、チップコンデンサ等の他の電子部品が搭載されてもよい。
半導体パッケージには、次の図8に示すような所謂擬似SoC(System on Chip)を用いることもできる。
図8は半導体パッケージの構成例を示す図である。尚、図8には、半導体パッケージの別例の要部断面を模式的に図示している。
図8に示す半導体パッケージ3400は、樹脂層3410と、樹脂層3410に埋設された複数(ここでは一例として2つ)の半導体チップ3420と、樹脂層3410上に設けられた配線層3430(再配線層)とを有する。
半導体チップ3420は、その端子3420aの配設面が露出するように樹脂層3410に埋設される。配線層3430は、Cu等の導体部3431(再配線及びビア)と、導体部3431を覆う樹脂材料等の絶縁部3432とを有する。
配線層3430の最表面の導体部3431は、外部接続用の端子3431aとなる部位を含む。導体部3431により、半導体チップ3420の端子3420aの位置が、外部接続用の端子3431aの位置に再配置される。端子3431a上には、半導体パッケージ3400と他の電子部品との接合時に、或いは接合前に予め、半田(例えば上記の半田30)が接合される。
尚、樹脂層3410には、1つ又は3つ以上の半導体チップ3420が埋設されてもよく、また、半導体チップ3420のほか、チップコンデンサ等の他の電子部品が埋設されてもよい。
図9は回路基板の構成例を示す図である。尚、図9(A)及び図9(B)にはそれぞれ、回路基板の一例の要部断面を模式的に図示している。
図9(A)には、回路基板3500として、複数の配線層を含む多層プリント基板を例示している。回路基板3500は、上記図7(A)に示したパッケージ基板3210及び上記図7(B)に示したパッケージ基板3310と同様、Cu等の導体部3511(配線及びビア)と、導体部3511を覆う樹脂材料等の絶縁部3512とを有する。
回路基板3500の最表面の導体部3511は、外部接続用の端子3511aとなる部位を含む。端子3511a上には、回路基板3500と他の電子部品との接合時に、或いは接合前に予め、半田が接合される。
図9(B)には、回路基板3600として、ビルドアップ工法を用いて形成されるビルドアップ基板を例示している。回路基板3600は、コア基板3610と、コア基板3610上に設けられた絶縁層3620と、絶縁層3620を介して設けられた導体パターン3630と、異なる導体パターン3630間を接続するビア3640とを有する。コア基板3610には、セラミックス材料や有機材料等が用いられる。絶縁層3620には、プリプレグ等の絶縁材料が用いられる。導体パターン3630及びビア3640には、Cu等の導体材料が用いられる。
回路基板3600の最表面の導体パターン3630は、外部接続用の端子3630aとなる部位を含む。端子3630a上には、回路基板3600と他の電子部品との接合時に、或いは接合前に予め、半田(例えば上記の半田30)が接合される。
例えば、図6のような半導体チップ3100、図7及び図8のような半導体パッケージ3200,3300,3400、図9のような回路基板3500,3600を、上記電子部品(10,20等)に用いることが可能である。
尚、接合する電子部品の組合せとしては、例えば、半導体チップと回路基板の組合せ、半導体パッケージと回路基板の組合せ、半導体チップと半導体パッケージの組合せがある。このほか、接合する電子部品の組合せとしては、半導体チップ同士の組合せ、半導体パッケージ同士の組合せ、回路基板同士の組合せもある。
以上説明した実施の形態に関し、更に以下の付記を開示する。
(付記1) 半田の接合に用いるフラックスであって、
下記一般式(1a)で表されるエチレングリコール重合体を75重量%超含有し、
加熱した時の前記エチレングリコール重合体の蒸発が、前記半田の接合温度以上の温度で終了することを特徴とするフラックス。
HO(CH2CH2O)nH・・・(1a)
〔式(1a)中、nは4以上の整数である。〕
(付記2) 前記エチレングリコール重合体は、加熱した時の蒸発が前記接合温度以上の温度で終了する分子量を有することを特徴とする付記1に記載のフラックス。
(付記3) 前記接合温度が100℃〜400℃であることを特徴とする付記1又は2に記載のフラックス。
(付記4) 前記接合温度が240℃〜250℃の時、前記エチレングリコール重合体の分子量は200〜1000であることを特徴とする付記1乃至3のいずれかに記載のフラックス。
(付記5) 有機酸又は有機酸無水物を含有することを特徴とする付記1乃至4のいずれかに記載のフラックス。
(付記6) フラックスを用いて半田を第1電子部品の第1端子に接合する工程を含み、
前記フラックスは、
下記一般式(1b)で表されるエチレングリコール重合体を75重量%超含有し、
加熱した時の前記エチレングリコール重合体の蒸発が、前記半田の接合温度以上の温度で終了することを特徴とする電子装置の製造方法。
HO(CH2CH2O)nH・・・(1b)
〔式(1b)中、nは4以上の整数である。〕
(付記7) 前記半田と前記第1端子の少なくとも一方の上に前記フラックスを設ける工程と、
前記フラックスを設けた後、前記半田と前記第1端子を接触させ、前記接合温度で加熱する工程と
を含むことを特徴とする付記6に記載の電子装置の製造方法。
(付記8) 前記半田は、第2電子部品の第2端子上に設けられていることを特徴とする付記6又は7に記載の電子装置の製造方法。
(付記9) 前記半田を前記第1端子に接合する工程後に、水を用いて洗浄する工程を更に含むことを特徴とする付記6乃至8のいずれかに記載の電子装置の製造方法。
1 電子装置
10,20 電子部品
11,21 端子
12,22 保護膜
30,3340 半田
40 フラックス
40a フラックス残渣
3100,3220,3320,3420 半導体チップ
3110 半導体基板
3110a 素子分離領域
3120,3430 配線層
3121,3211,3311,3431,3511 導体部
3121a,3211a,3311a,3420a,3431a,3511a,3630a 端子
3122,3212,3312,3432,3512 絶縁部
3130 MOSトランジスタ
3131 ゲート絶縁膜
3132 ゲート電極
3133 ソース領域
3134 ドレイン領域
3135 スペーサ
3200,3300,3400 半導体パッケージ
3210,3310 パッケージ基板
3230,3330 封止層
3240 ダイアタッチ材
3250 ワイヤ
3341 アンダーフィル材
3410 樹脂層
3500,3600 回路基板
3610 コア基板
3620 絶縁層
3630 導体パターン
3640 ビア

Claims (6)

  1. 半田の接合に用いるフラックスであって、
    下記一般式(1a)で表されるエチレングリコール重合体を75重量%超含有し、
    加熱した時の前記エチレングリコール重合体の蒸発が、前記半田の接合温度以上の温度で終了することを特徴とするフラックス。
    HO(CH2CH2O)nH・・・(1a)
    〔式(1a)中、nは4以上の整数である。〕
  2. 前記エチレングリコール重合体は、加熱した時の蒸発が前記接合温度以上の温度で終了する分子量を有することを特徴とする請求項1に記載のフラックス。
  3. 有機酸又は有機酸無水物を含有することを特徴とする請求項1又は2に記載のフラックス。
  4. フラックスを用いて半田を第1電子部品の第1端子に接合する工程を含み、
    前記フラックスは、
    下記一般式(1b)で表されるエチレングリコール重合体を75重量%超含有し、
    加熱した時の前記エチレングリコール重合体の蒸発が、前記半田の接合温度以上の温度で終了することを特徴とする電子装置の製造方法。
    HO(CH2CH2O)nH・・・(1b)
    〔式(1b)中、nは4以上の整数である。〕
  5. 前記半田は、第2電子部品の第2端子上に設けられていることを特徴とする請求項4に記載の電子装置の製造方法。
  6. 前記半田を前記第1端子に接合する工程後に、水を用いて洗浄する工程を更に含むことを特徴とする請求項4又は5に記載の電子装置の製造方法。
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