JP2017022190A

JP2017022190A - 実装構造体

Info

Publication number: JP2017022190A
Application number: JP2015136582A
Authority: JP
Inventors: 康寛鈴木; Yasuhiro Suzuki; 日野　裕久; Hirohisa Hino; 裕久日野; 行壮松野; Koso Matsuno; 穂菜美名和; Honami Nawa
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2015-07-08
Filing date: 2015-07-08
Publication date: 2017-01-26

Abstract

【課題】半導体部品をプリント配線板の第１の面に接着性樹脂を含むはんだペーストではんだ付けした回路基板において、第２の面のはんだ付け工程または、リペア工程で加熱する際、再溶融による体積膨張で発生するはんだ噴出を防止すること。
【解決手段】下面に複数の内電極２と外電極３とこれを囲むレジスト５を有する半導体部品１と、それぞれの内電極２上に形成されたはんだバンプ４と、それに対応した複数の接続電極７とそれを囲むレジスト８を有するプリント配線板６と、はんだバンプ４とプリント配線板６との間に介在し、はんだバンプ４とプリント配線板６上の接続電極７とを電気的に接続する接合部材１０と、それぞれの接合部を覆う接着性樹脂１１とを備える。外電極３は内電極２周囲を完全に囲っておらず、外周に１箇所以上の開口２０を有しており、実装後に外電極３のはんだ付け接合部の一部が接着性樹脂１１で覆われない実装構造体１００となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子部品を基板へ実装した実装構造体に関する。特に、電子機器に用いられているプリント配線板上に半導体部品など電子部品を、はんだ付けにより電気的に接続した実装構造体に関する。

近年、電子機器は小型化、高機能化が進み、携帯電話、パソコンなどのモバイル機器が普及してきている。これらに搭載される電子部品には半導体部品が多数使用さている。半導体パッケージは下面に接続端子であるＢＧＡ（ボール・グリット・アレイ）又は、ＬＧＡ（ランド・グリット・アレイ）を有する。このＢＧＡ（ボール・グリット・アレイ）やＬＧＡ（ランド・グリット・アレイ）をはんだ付けすることにより、半導体パッケージは、基板へ実装されている。

一方、モバイル機器は、用途から機器の落下衝撃などの機械的負荷に対する強度が必要とされている。従来のＱＦＰ（クワッド・フラット・パッケージ）のリード端子のように応力を吸収する機構を持たない場合はよい。しかし、ＢＧＡやＣＳＰなどの実装構造では、はんだ接続部の信頼性を確保することが重要である。

このような機械的負荷に対する信頼性を向上させるために、一般的には、補強用樹脂接着剤（アンダーフィル材）をプリント配線板と半導体部品の間に充填することより、プリント配線板と半導体部品との接合を強化する。

しかし、補強用樹脂接着剤を部品の下面に、均一に充填することが困難である。また、補強用樹脂接着剤を塗布などにより供給、熱などにより硬化させる工程が必要となるため生産性が悪かった。

このため、例えば、特許文献１記載方法では、フラックスに接着性樹脂を混合したはんだペーストを使用し、リフロー加熱工程ではんだ付けと同時に接合部を樹脂補強までしてしまう方法がある。

半導体部品とプリント配線板を接着性樹脂により均一に補強ができることで機械的負荷への信頼性を向上させると共に、リフロー加熱工程ではんだ付けと同時に硬化し接着されるため生産性を良くすることができる。

特許第５２０４２４１号公報

しかしながら、上記文献１に示すような接着性樹脂をフラックスに使用したはんだペーストによる実装構造では、はんだ付け接合部の周りが接着性樹脂で完全に覆われた実装構造になる場合がある。基板の両面への実装、基板のリワークなどでは、２回目のリフロー加熱工程が必要である。２回目のリフローにおいて、はんだ付け接合部のはんだ材は再溶融して体積膨張する。これにより、はんだ付け接合部の周囲を接着性樹脂に覆われた密閉部の内圧が高まり、接着性樹脂を破壊し、接続端子外へはんだ噴出（はんだフラッシュ）が起こる。結果、半導体部品とプリント配線基板との電気的な接続品質が損なわれるという課題を有している。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、両面実装、リワークなどの２回目のリフロー加熱工程において、はんだ付け接合部のはんだ材が再溶融し体積膨張しても、はんだ噴出（はんだフラッシュ）しない実装構造体を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、はんだバンプを有する内電極と、内電極を囲む外電極と、接続電極を有するプリント配線板と、内電極と接続電極との間に位置するはんだと、はんだの周囲を覆う接着性樹脂と、を備え、外電極は開口を有する実装構造体を用いる。

以上のように、本発明の半導体部品の実装構造体によれば、はんだ噴出を抑制でき、電気的な接続品質と耐機械的負荷を向上することができる。

実施の形態１における実装構造体の断面図（ａ）〜（ｄ）実施の形態１における半導体部品の電極と電極形状の平面図（ａ）〜（ｂ）実施の形態１における実装構造体の部分断面図（ａ）実施の形態２における半導体部品の電極構造の平面図、（ｂ）実施の形態２における実装構造体の部分断面図実施の形態３における半導体部品の電極配置図（ａ）〜（ｄ）実施の形態における実装構造体の実装方法と断面図

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

添付図面において、同じ構成要素については同じ符号を付与している。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における実装構造体１００を示した断面図である。

図１に示すように、半導体部品１は、下面に複数の内電極２と外電極３とこれを囲むレジスト５、それぞれの内電極２上に形成されたはんだバンプ４を有している。プリント配線板６は、半導体部品１の内電極２に対応した複数の接続電極７とそれを囲むレジスト８を有している。はんだバンプ４とプリント配線板６との間に介在し、はんだバンプ４とプリント配線板６上の接続電極７とを電気的に接続する接合部材１０と、それぞれのはんだ付け接合部を覆う接着性樹脂１１とを備える実装構造体１００である。接続電極７は、内電極２に対向して配置される。

なお、半導体部品１を例に説明するが、内電極２と外電極３を有するものならよい。

はんだバンプ４は、内電極２にのみ形成されている。はんだバンプ４は、Ｓｎ系単一合金または、Ｃｕ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｇｅ、アンチモン、ＭｇおよびＡｇの郡から選ばれる１種以上の元素とＳｎとの組み合わせによる合金組成を有するもので、使用する接合部材１０より融点の高いものを選択することが望ましい。すなわち、接合部材１０中のはんだの融点より高いものを選択することが好ましい。

接合部材１０は、はんだ合金である。Ｓｎと、Ｂｉ、Ａｇ、ＩｎおよびＣｕの郡から選ばれる２種もしくはそれ以上の元素との組み合わせからなる合金組成が用いられる。使用するはんだバンプ４より融点の低いものを選択することが望ましい。

接着性樹脂１１は、熱硬化性樹脂であり、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ビスマレイミド、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂、シリコーン樹脂、オキセタン樹脂など、様々な樹脂を含むことができる。これらは単独もしくは２種以上を組み合わせて用いてもよい。これらの中では、特にエポキシ樹脂が好適である。

＜電極構造＞
半導体部品１の電極の形状、仕様について説明する。図２（ａ）は、図１のＣＣ´断面図であり、電極の平面図である。図２（ｂ）、図２（ｃ）、図２（ｄ）は電極形状の平面図の一例である。

図２（ａ）に示すように、半導体部品１は、内電極２と外電極３とを有している。内電極２は円形形状であり、外電極３は、その周囲を囲むドーナツ状の形状である。両者は接触していないが、一部分なら繋がっていてもよい。内電極２は、方形でもよい。

外電極３は内電極２の周囲を囲んで形成されるが、図２（ｂ）〜図２（ｄ）に表すように、一箇所以上の開口２０を有する構成になっている。

また、内電極２は電気的な接合を有するが、外電極３は電気的な接続または、電気的な接続のないダミーのどちらで使用しても良い。外電極３の開口２０の長さ（Ｌ）は、外電極の外周長さの１０％〜５０％、外電極３と内電極２との間の最短の間隔距離（Ｓ）は、５ｕｍ〜１００ｕｍ形成される。

外電極３の開口２０の長さ（Ｌ）は、外電極の外周長さの１０％より小さいと、実装された接合状態は、はんだ付け接合部の接着性樹脂１１で覆われていない部分が狭くなり、はんだ噴出防止の効果が低減するためよくない。

また、長さ（Ｌ）が、外電極の外周長さの５０％を超えると、接着性樹脂１１がはんだ付け接合部を覆う部分が少ない接合状態となり、樹脂による補強効果が低減するためよくない。

よって、はんだ噴出防止と補強効果を両立させる長さ（Ｌ）は１０％〜５０％が最適となる。

外電極３と内電極２との最短の間隔距離（Ｓ）は、少しでも隙間があれば問題ないが、プリント配線板の設計上５ｕｍより小さいものは作製困難である。

また、外電極３と内電極２との間の最短の間隔距離（Ｓ）が、１００ｕｍより大きいと、内電極２と外電極３の間に接着性樹脂１１が溜まってしまい、はんだ付け接合部の外側を接着性樹脂１１で覆う部分が少ない接合状態となり、補強効果が低減されるためよくない。現行のＢＧＡ部品で主に使用されている０．３ｍｍピッチ〜１．０ｍｍピッチの部品電極設計において、最短の間隔距離（Ｓ）は５ｕｍ〜１００ｕｍが最適となる。

＜実装構造体＞
図３（ａ）、図３（ｂ）は、実施の形態１の実装構造体１００の部分断面図である。図３（ａ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ´線における部分断面図、図３（ｂ）は、図２（ａ）のＢ−Ｂ´線における部分断面図である。

図３（ａ）で示されるように、外電極３のある部分については、半導体部品１の外電極３のはんだ付け接合部を完全に覆った状態である。

また、図３（ｂ）に示されるように、外電極３を開けた部分については、はんだ付け接合部が接着性樹脂１１で覆われない状態となる。

よって、外電極３のはんだ付け接合部の一部が接着性樹脂１１で覆われない実装構造体１００を作製することができる。プリント配線板６の接続電極７の寸法に関しては、どのようなサイズでも問題ないが、半導体部品１の外電極３と同寸もしくは、大きくすることが望ましい。

また、外電極３のはんだ付け接合部に接着性樹脂１１で一部覆われない接合状態を形成できるため、再加熱（２次面実装、リワークなど）時に接合部材１０が再溶融した場合でも、この接着性樹脂１１で覆われていない部分より、体積膨張で発生する内圧を逃がすことが可能となり、はんだ噴出による接続部形状異常、接続品質不良を防止することができる。

さらに、外電極３に設けられた開き部分以外は、はんだ付け接合部を接着性樹脂１１で覆われた接合状態が形成できるため、熱的応力や機械的応力に対し、向上させることができる。

（実施の形態２）
図４（ａ）は、図２（ａ）に対応する図であり、電極の平面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢＢ‘断面図である。説明しない事項は、実施の形態１と同様である。
図４（ａ）に示すように、実施の形態２では、レジスト５が開き部分で細くなり、内電極２とレジスト５間が大きく開いている。
半導体部品１の外電極３の開けた部分のレジスト５の一部を削減し、レジスト５と外電極３との最短の距離を大きくした構造にすることで、接着性樹脂１１の濡れ上がりを防ぐ効果が得られる。

実装工程の部品搭載時、供給されたはんだペースト９が部品に押されることにより、半導体部品１のレジスト５に接触してしまい、接着性樹脂１１の濡れ上がりを促進させることがある。レジスト５の一部を削減することは実装構造体１００を形成する上で効果的である。

また、レジスト５の高さは内電極２、外電極３の高さより、低くすることが望ましい。

（実施の形態３）
図５は、半導体部品１の電極の配置図を示したものである。記載しない事項は、実施の形態１，２と同様である。

図５に示すように、半導体部品１の外電極３の空いた部分を部品中心へ向けて配置することにより、熱的応力、機械的応力の集中する接合部外側に接着性樹脂１１で覆われた接合部を配置することにより、熱的応力、機械的応力に対し、高い効果が得られる。

また、加熱による部品の反り挙動に対し、外電極３の開口２０（Ｌ）の寸法を変化させることが望ましい。例えば、半導体部品１が下反りの場合、部品中央部ははんだ付け接合部が潰れ、接合高さが低くなり、部品外側部は接合部が浮き、接合高さが高くなるため、部品中央部は外電極３の開口２０（Ｌ）を長くし、部品端部へ向けて外電極３の開口２０（Ｌ）の寸法を小さくいていく構造となる。このことにより、接着性樹脂１１の濡れ上がりを防ぐことができ、実施の形態１の実装構造体１００を形成することに有効である。

（実装工程）
図６（ａ）〜図６（ｄ）は、実装構造体１００と、両面に半導体部品が実装された実装構造体１０１とを作製するための実装工程の断面図である。実装工程について説明する。この実装方法は、実施の形態１〜３のいずれの構造にも適用できる。

図６（ａ）は、接続電極７へはんだペースト９が供給されたプリント配線板６へ半導体部品１を実装する前の状態の断面図を示したものである。

図６（ｂ）は、プリント配線板６へ半導体部品１が接合された状態の実装構造体１００の断面図を示したものである。

図６（ｃ）は、片面が実装されたプリント配線板６の裏面の接続電極７へはんだペースト９が供給されたプリント配線板６へ半導体部品１を実装する前の状態の断面図を示したものである。

図６（ｄ）は、プリント配線板６の両面に半導体部品１が接合された状態の実装構造体１０１の断面図である。

図６（ａ）に示すように、プリント配線板６の接続電極７上に、Ｓｎと、Ｂｉ、Ａｇ、ＩｎおよびＣｕの郡から選ばれる２種もしくはそれ以上の元素との組み合わせからなる合金組成のはんだ粉末と、熱硬化性の接着性樹脂と硬化剤を含むフラックスを混合したはんだペースト９（樹脂とはんだ粉末の混合ペースト）を印刷供給する。

その後、半導体部品１の内電極２上に形成されたはんだバンプ４と、プリント配線板６の接続電極７上に印刷供給されたはんだペースト９との位置合わせを行い、はんだバンプ４とはんだペースト９を接触させるように、プリント配線板６上に半導体部品１を搭載する。

その後、加熱装置（リフロー炉など）を用い、はんだペースト９を加熱して、はんだ粉末を溶融させる。溶融した接合部材１０が、はんだバンプ４および、プリント配線板６の接続電極７の表面と触れ合う状態（金属拡散状態）となり、はんだペースト９は、接合部材１０と接着性樹脂１１とに分離する。

分離した接着性樹脂１１は、接合部材１０の周囲に配置される。その後、接着性樹脂１１が熱硬化して補強樹脂となるとともに、接合部材１０が固化して、はんだバンプ４とプリント配線板６の接続電極７とを電気的に接続する。また、接着性樹脂１１は、接合部材１０によって接続されたはんだバンプ４とプリント配線板６を覆って補強する。

よって、上記実装工程により、図６（ｂ）に示す実施の形態１の半導体部品１の実装構造体１００を形成することができる。また、２次面実装時の接合部材１０の再溶融によるはんだ噴出を防止できるので、図６（ｃ）に示すように１次面実装時と同様の工程で２次面実装にも使用でき、図６（ｄ）に示すような両面実装された実装構造体１０１を形成することができる。

（なお）
実施の形態１，２、３は組み合わせることができる。
半導体部品１を構成に含むものとして説明でしたが、半導体部品１は必須の構成要素でない。半導体部品１でなく、内電極２、外電極３が存在すればよい。半導体部品１でなく、部品、基板などいろいろな部材でもよい。

電子機器におけるプリント配線板、一般に応用できる。例えば、ＣＣＤ素子、フォログラム素子、チップ部品等の電子部品の接続用およびそれらを基板に接合する用途に用いることができる。これらの素子、部品、または基板を内蔵する製品、例えば、スマートフォン、携帯電話、パソコン、デジタルカメラ、ポータブルＡＶ機器等へ使用することができる。

１半導体部品
２内電極
３外電極
４はんだバンプ
５レジスト
６プリント配線板
７接続電極
８レジスト
９はんだペースト
１０接合部材
１１接着性樹脂
２０開口
１００実装構造体
１０１実装構造体

Claims

はんだバンプを有する内電極と、
前記内電極を囲む外電極と、
接続電極を有するプリント配線板と、
前記内電極と前記接続電極との間に位置するはんだと、
前記はんだの周囲を覆う接着性樹脂と、を備え、
前記外電極は開口を有する実装構造体。
前記開口の長さは、前記外電極の外周の長さの１０％〜５０％である請求項１記載の実装構造体。
前記外電極と前記内電極との距離が５ｕｍ〜１００ｕｍである、請求項１または２記載の実装構造体。
前記外電極は、電気接続用の電極でない請求項１から３のいずれか１項に記載の実装構造体。
前記外電極の外周にレジストを有し、
前記開口と前記レジストとの距離を、他の前記外電極と前記レジストとの距離より大きくした請求項１〜４のいずれか１項に記載の実装構造体。
少なくとも前記開口に相当する部分の前記レジストを無い請求項５に記載の実装構造体。
部品は、複数の前記内電極と複数の前記外電極と
複数の前記開口と、を有し、
前記部品の中心から外側へ行くに従い、前記開口の寸法を大きくした請求項１〜６のいずれか１項に記載の実装構造体。
前記はんだバンプは、前記はんだより、融点の高い合金材料により形成されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の実装構造体。