JP2891085B2 - 半田ボール電極形成方法及びその半田ボール電極形成方法に用いる半田微細球位置決め治具 - Google Patents

半田ボール電極形成方法及びその半田ボール電極形成方法に用いる半田微細球位置決め治具

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    • H05K3/3457—Solder materials or compositions; Methods of application thereof

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半田ボール電極形成方
法及びその半田ボール電極形成方法に用いる半田微細球
位置決め治具の構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】Motorola社のOMPAC(Overmolded pad arr
ay carriers ：商品名) で代表されるBGA/SGA(Ball gri
d array / Solder grid array)と呼ばれるパッケージ
は、微細な半田球（φ0.5 〜0.7mm 程度）を1.0 、1.2
7、1.5mm 等のピッチでアレイ状に配列することで、数
百個の電極が高密度に取り出せ、コンパクトに半導体素
子を構成することが可能なパッケージである。パッケー
ジ（半導体素子本体）の一例を図４に示す。図におい
て、１はセラミックや樹脂積層板、銅張積層板等で構成
され、半導体チップ２を実装するための回路基板で、両
面にまたは多層に回路を形成したものである。回路基板
１の表面には、半導体チップ２を実装するためのダイパ
ッド３とワイヤボンディング用のインナーリード４、回
路基板１の表裏を電気的に接続するスルーホール５が形
成されている。裏面には、表面に実装された半導体チッ
プ２の入出力端子と接続され、かつ、接続電極として半
田微細球６をアレイ状にパッケージ本体（半導体素子本
体）に接合するための平面視略円形のパッド７が形成さ
れている。その他、８はボンディングワイヤ、９は封止
樹脂である。
【０００３】上記のように構成されたパッケージ（半導
体素子）の組み立ては、まず、回路基板１に形成された
ダイパッド３上に半導体チップ２をダイボンドし、ボン
ディングワイヤ８にて半導体チップ２上に形成されたボ
ンディングパッド（図示省略）とインナーリード４とを
接続した後、封止樹脂９を用いてトランスファー成形に
より表面を封止する。封止方法には他に液状樹脂塗布等
による方法、キャップ接合等の方法がある。その後、裏
面に半田微細球６をリフロー加熱による溶接等によって
パッド７に接合することによって完了する。
【０００４】上記のように構成したパッケージは、PGA
、TAB 、QFP 等の多ピン用パッケージの中で、表面実
装が可能で薄型に実装でき、電極ピッチが微細にならず
実装し易いという特徴がある。TAB 、QFP のパッケージ
は、アウターリードが0.3mm ピッチにしないと小型化で
きず、また、隣接するアウターリード間で短絡が発生し
やすく実装が難しいため多ピン用には不適当であるの
で、半田微細球を接続電極とするパッケージ（ BGA）は
多ピンタイプの半導体素子に最も適したものであると言
える。このパッケージの製造工程での課題は、如何に微
細な半田微細球をピッキングしてパッケージに取り付け
るかである。一つの方法としては、図５の断面図に示す
ように、アレイ状に穴１１ａを形成したツール１１（ツ
ール上部は図示省略）によって半田微細球１０を真空吸
着力で吸引してパッケージに取り付ける方法が文献に示
されている（文献：1993. International Electronics
Packaging Conference SanDiego,Carifornia September
12-15,1993「C-5 Solder Sphere Robotic Placement Ce
ll for Overmolded Pad Array Carrier 」）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記に示した通り、図
５に示したツールにより半田微細球を吸引してパッケー
ジに取り付ける方法では、ツールの各穴に半田微細球を
吸引する際の吸引ミスが発生するという問題点があっ
た。また、ツールとパッケージとを位置決めするために
位置決め精度の高い設備が必要で、さらに、半田微細球
がツールに吸引されたかどうかを確認するための認識用
カメラまたは吸引バキューム等を備えた設備が必要であ
った。
【０００６】本発明は上記課題に鑑みなされたもので、
その目的とするところは、半田微細球をパッケージ（半
導体素子本体）に確実かつ容易に取り付けることができ
る半田ボール電極形成方法及びその半田ボール電極形成
方法に用いる半田微細球位置決め治具の構造を提供する
ことにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の半田ボール電極形成方法は、半田微
細球を半導体素子本体の接続電極とする半田ボール電極
形成方法において、半田濡れのない材料で構成された略
平板状の治具であって、表面に前記半導体素子本体を位
置決めする凹部を備えると共に、その凹部底面の所定位
置に前記半田微細球をその内部に配置することによって
前記半田微細球を位置決めする落とし込み穴を備えた半
田微細球位置決め治具を用い、前記半導体素子本体を前
記凹部に挿入し前記半田微細球位置決め治具の裏面を上
方に向けた状態で前記半田微細球を前記落とし込み穴内
部に配置する工程と、加熱して前記半導体素子本体に前
記半田微細球を接合する工程とを含むことを特徴とする
ものである。
【０００８】また、請求項２記載の半田ボール電極形成
方法は、半田微細球を半導体素子本体の接続電極とする
半田ボール電極形成方法において、略平板状の治具であ
って、表面に前記半導体素子本体を位置決めする凹部を
備えると共に、その凹部底面の所定位置に前記半田微細
球をその内部に配置することによって前記半田微細球を
位置決めする落とし込み穴を備えた半田微細球位置決め
治具を用い、少なくとも前記半導体素子本体の半田ボー
ル電極形成位置にフラックスを供給する工程と、前記半
導体素子本体を前記凹部に挿入し前記半田微細球位置決
め治具の裏面を上方に向けた状態で前記半田微細球を前
記落とし込み穴内部に配置し前記フラックスの粘着力に
よって前記半田微細球を前記半導体素子本体に付着させ
る工程と、半田微細球位置決め治具を前記半導体素子本
体から外して加熱し前記半導体素子本体に前記半田微細
球を接合する工程とを含むことを特徴とするものであ
る。
【０００９】また、請求項１記載の半田ボール電極形成
方法に用いる請求項３記載の半田微細球位置決め治具
は、半田濡れのない材料で構成された略平板状の治具で
あって、表面に前記半導体素子本体を位置決めする凹部
を備えると共に、その凹部底面の所定位置に前記半田微
細球をその内部に配置することによって前記半田微細球
を位置決めする落とし込み穴を備えたことを特徴とする
ものである。
【００１０】また、請求項２記載の半田ボール電極形成
方法に用いる請求項４記載の半田微細球位置決め治具
は、略平板状の治具であって、表面に前記半導体素子本
体を位置決めする凹部を備えると共に、その凹部底面の
所定位置に前記半田微細球をその内部に配置することに
よって前記半田微細球を位置決めする落とし込み穴を備
えたことを特徴とするものである。
【００１１】
【作用】図１及び図２に示すように、半田微細球位置決
め治具１５には、半導体素子本体１６を挿入する凹部１
５ａ、及び半田微細球１７を半導体素子本体１６の裏面
上に形成されたパッド１８上に位置決めするための落と
し込み穴１５ｂが形成されているので、半田微細球位置
決め治具１５に形成された凹部１５ａに BGA（ボール・
グリッド・アレイ）の半導体素子本体１６をセットし、
半田微細球位置決め治具１５を裏返し、半田微細球位置
決め治具１５の裏面１５ｃ上に半田微細球１７を多数転
がせば、半田微細球１７が必要個数のみ落とし込み穴１
５ｂに落ち込み、過剰な半田微細球１７は半田微細球位
置決め治具１５の裏面１５ｃ上から周囲にこぼれ落ちる
ので、確実にまた容易に必要量の半田微細球１７を半導
体素子本体１６の裏面に形成されたパッド１８上に配置
することができる。
【００１２】
【実施例】図１及び図２に基づき、前述した半田微細球
位置決め治具１５を用いて半田微細球１７を BGAの半導
体素子本体１６に接合し半田ボール電極を形成する方法
の一実施例について説明する。図１は半田微細球位置決
め治具１５に半導体素子本体１６を挿入し半田微細球位
置決め治具１５の裏面側を上方に向けた状態を示す断面
図、図２は半田微細球位置決め治具１５及び半導体素子
本体１６の斜視図である。
【００１３】まず、半導体素子本体１６の半田ボール電
極形成面（裏面）にフラックス１９をハケ、ローラー等
により塗布する。次に、半導体素子本体１６を半田ボー
ル電極形成面が半田微細球位置決め治具１５の底面と対
峙するように凹部１５ａにはめ込み半導体素子本体１６
が凹部１５ａから外れないように保持する（保持手段は
図示及び説明を省略）。
【００１４】次に、図１に示すように、半田微細球位置
決め治具１５を裏返し半田微細球位置決め治具１５を少
し傾けた状態で半田微細球位置決め治具１５の裏面１５
ｃ上に半田微細球１７を大量に流し、落とし込み穴１５
ｂに半田微細球１７を落とし込み余分な半田微細球１７
を半田微細球位置決め治具１５の裏面１５ｃの外側に流
して除去する。さらに、半田微細球位置決め治具１５を
半導体素子本体１６に取り付けたまま、N2リフロー等に
より加熱し半田微細球１７を溶融させパッド１８に溶着
させる。但し、半田微細球１７が大きく歪まないよう、
また、半田微細球１７の表面が酸化されないようにN2リ
フローの条件を設定してやる必要がある。最後に、半田
微細球位置決め治具１５を半導体素子本体１６から外し
洗浄によりフラックス１９を除去する。このように、本
発明の半田微細球位置決め治具１５を用い、上述した工
程を実施することにより BGAの半導体素子本体１６に確
実にかつ容易に半田ボール電極を形成することができ
る。
【００１５】また、上述した半田ボール電極を形成する
方法で、フラックス１９を粘性の高いタイプのものにす
れば、半田微細球１７を落とし込み穴１５ｂに落とし込
んだ際に、フラックス１９の粘着力によって半田微細球
１７がパッド１８に付着しその位置が保持されるので、
半田微細球１７を配置した後に半田微細球位置決め治具
１５を半導体素子本体１６から外してリフロー等により
半田微細球１７をパッド１８に溶着させることもでき
る。この方法による場合は、半田微細球位置決め治具１
５の構成材料を選択する場合、耐熱性、半田濡れ性を考
慮する必要がなくなるので材料選択の幅が広がるという
利点がある。
【００１６】次に、半田微細球位置決め治具１５につい
て詳細に説明する。図１及び図２に示したように、半田
微細球位置決め治具１５の構造上の特徴は、まず、平板
の一方の面に半導体素子本体１６をセットできる凹部１
５ａを備えている点である。凹部１５ａのサイズは、半
導体素子本体１６の外形より各辺0.2mm 程度大きい角穴
状に形成されている。凹部１５ａの深さについては、半
導体素子本体１６を位置決めするためには、少なくとも
半導体素子本体１６の回路基板の部分が凹部１５ａ内に
配置されるように、回路基板の厚み以上の深さ寸法にす
る必要がある。また、製造工程で平板状のトレイ等に乗
せて、半田微細球位置決め治具１５を取り付けた半導体
素子本体１６を取り扱うのであれば、落とし込み穴１５
ｂに複数の半田微細球が入らないように半導体素子本体
１６の裏面を凹部１５ａの底面に密着または近接させる
必要があるので、半導体素子本体１６の厚み以下に凹部
１５ａの深さを設定する必要がある。
【００１７】凹部１５ａの底面には、半田微細球１７を
半導体素子１６の裏面上に形成されたパッド１８上に位
置決めするための平面視略円形の落とし込み穴１５ｂが
形成されている。落とし込み穴１５ｂの加工方法は、微
細穴を形成できる方法であれば特に限定されるものでは
ないが、フォトリソグラフィ手法及びエッチング法によ
り形成する方法等が穴位置精度または加工面の仕上がり
具合（加工面にバリが発生しない等）の点で望ましい。
図５に示したようなツールの場合は、半田微細球１０の
位置決めのために半田微細球１０を吸着する穴１１ａの
開口形状を碗状に形成しなければならないため加工が容
易ではなかったが、本発明の半田微細球位置決め治具１
５では単に平面視略円形等の貫通穴を形成すればよいの
で加工が容易である。
【００１８】次に、半田微細球位置決め治具１５の底面
の厚さt であるが、その寸法は半田微細球１７の球径の
60〜70% 程度が適切である。即ち、半田微細球１７を半
田微細球位置決め治具１５の落とし込み穴１５ｂ内に落
とし込む際、余分な半田微細球１７を除去するために半
田微細球位置決め治具１５を多少傾けても、一旦落とし
込み穴１５ｂに落ち込んだ半田微細球１７が落とし込み
穴１５ｂから出てしまわないように底面の厚さt を半田
微細球１７の半径より大きくする必要がある。また、１
つの落とし込み穴１５ｂに２個の半田微細球１７が落ち
込まないように半田微細球１７の球径より小さくする必
要がある。（半田微細球位置決め治具１５の底面の厚さ
t が球径と同程度の寸法であると、既に１個の半田微細
球１７が落ち込んでいる落とし込み穴１５ｂに２個目の
半田微細球１７が止まってしまうことが確認されてい
る）。例えば、球径が0.7mm であれば底面の厚さt は0.
4mm程度が適当である。
【００１９】次に、半田微細球位置決め治具１５の構成
材料であるが、半田微細球位置決め治具１５を半導体素
子１６にセットしたままで半田微細球１７を溶融させる
場合は、前述したように半田微細球溶融時にも半田と溶
着せず、半田の溶融点以上の温度にも耐える材料とする
必要がある。例えば、Al製とすれば、半田溶融時にも半
田微細球１７と溶着せず、エッチング法により微細な落
とし込み穴１５ｂを容易に形成することができる。微細
な落とし込み穴１５ｂを容易に形成できる材料であれば
セラミックまたは耐熱性プラスチックを用いることもで
きる。フラックスによって半田微細球をパッド上に位置
決めし、半田微細球位置決め治具１５を半導体素子１６
から外して半田微細球１７を溶融させる場合は、半田微
細球位置決め治具１５の構成材料は微細な落とし込み穴
１５ｂを形成できる材料であればよい。
【００２０】また、半田微細球位置決め治具１５を半導
体素子本体１６に取り付けた状態でリフロー等により加
熱する場合、落とし込み穴１５ｂの丸穴径は、半田微細
球１７が溶融して半導体素子本体に溶着した状態の半田
微細球１７の球径を考慮して設定する必要がある。つま
り、図３（ａ）に示すように、半径r0の半田微細球が回
路基板１３上に形成された半径R1の基板側ランド１４に
溶着して、（ｂ）に示すように、半径r0よりやや大きい
半径r1の略球状に変形したとすると、初期の半田微細球
体積V0と溶着後の半田微細球体積V1は次式で表されるの
で、次式より半径r1を求め、直径 2・r1に適当なクリア
ランス（例えば、0.1mm 程度）を加えた寸法に落とし込
み穴１５ｂの丸穴径を設定する必要がある。
【００２１】
【数１】
【００２２】例えば、初期半田微細球１７の半径r0=0.3
5mm 、基板側ランド１４の半径R1=0.35mm の場合は、溶
着後の半田微細球１７の半径r1は約0.38mmとなるので落
とし込み穴１５ｂの丸穴径はφ0.85mm程度とするのが望
ましい。
【００２３】なお、落とし込み穴は平面視略円形である
と説明したが、平面視略多角形の貫通孔としてもよい。
この場合は、多角形の内接円について実施例に示した計
算方法を用い径を求めて多角形のサイズを設定すればよ
い。
【００２４】
【発明の効果】以上のように、請求項３記載の半田微細
球位置決め治具を用いた請求項１記載の半田ボール電極
形成方法または請求項４記載の半田微細球位置決め治具
を用いた請求項２記載の半田ボール電極形成方法によれ
ば、複雑な設備を用いなくとも、半田微細球を確実に、
かつ容易に半導体素子本体上に形成されたパッド上に配
置することができる。また、半田微細球位置決め治具の
構造が簡単で手軽に形成することができるため、設計変
更が生じた場合でも容易に対応することができる。さら
に、半田微細球位置決め治具の交換が容易で、かつ半田
微細球位置決め治具交換のみで半導体素子の品種変更が
できるため、少量多品種の傾向がある多ピンパッケージ
の生産を行う場合に有利である。
【００２５】また、請求項３記載の半田微細球位置決め
治具を用いた請求項１記載の半田ボール電極形成方法に
よれば、半田微細球がパッドに溶着するまで半田微細球
を位置決めすることができるので、工程での半導体素子
本体の取扱が容易となり作業性の向上を図ることができ
る。
【００２６】さらに、請求項２記載の半田ボール電極形
成方法によれば、フラックスの粘着力によって半田微細
球がパッドに付着し位置決めされ、リフロー工程前に半
導体素子本体から半田微細球位置決め治具を取り外すこ
とができるので、請求項１記載の半田ボール電極形成方
法の場合に比べて、半田微細球位置決め治具の構成材料
選択の幅が広がる。また、半田微細球を半導体素子本体
に配置する際に半田微細球位置決め治具を半導体素子本
体にセットすればよいので、半導体素子本体と同数の半
田微細球位置決め治具を用意する必要がなく、半田微細
球位置決め治具
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半田ボール電極形成方法の一実施
例を示す断面図である。
【図２】本発明に係る半田ボール電極形成方法の一実施
例を示す斜視図である。
【図３】半田微細球の溶着前後の状態を説明する説明図
である。
【図４】BGAパッケージの半導体素子の一例を示す断面
図である。
【図５】従来の半田ボール電極形成方法の一例を示す断
面図である。
【符号の説明】
１５ 半田微細球位置決め治具 １５ａ 凹部 １５ｂ 落とし込み穴 １６ 半導体素子本体 １７ 半田微細球 １９ フラックス
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−270290（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−257989（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−238693（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H05K 3/34 H05K 3/24 H01L 21/60 H01L 23/12

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半田微細球を半導体素子本体の接続電極
    とする半田ボール電極形成方法において、半田濡れのな
    い材料で構成された略平板状の治具であって、表面に前
    記半導体素子本体を位置決めする凹部を備えると共に、
    その凹部底面の所定位置に前記半田微細球をその内部に
    配置することによって前記半田微細球を位置決めする落
    とし込み穴を備えた半田微細球位置決め治具を用い、前
    記半導体素子本体を前記凹部に挿入し前記半田微細球位
    置決め治具の裏面を上方に向けた状態で前記半田微細球
    を前記落とし込み穴内部に配置する工程と、加熱して前
    記半導体素子本体に前記半田微細球を接合する工程とを
    含むことを特徴とする半田ボール電極形成方法。
  2. 【請求項２】 半田微細球を半導体素子本体の接続電極
    とする半田ボール電極形成方法において、略平板状の治
    具であって、表面に前記半導体素子本体を位置決めする
    凹部を備えると共に、その凹部底面の所定位置に前記半
    田微細球をその内部に配置することによって前記半田微
    細球を位置決めする落とし込み穴を備えた半田微細球位
    置決め治具を用い、少なくとも前記半導体素子本体の半
    田ボール電極形成位置にフラックスを供給する工程と、
    前記半導体素子本体を前記凹部に挿入し前記半田微細球
    位置決め治具の裏面を上方に向けた状態で前記半田微細
    球を前記落とし込み穴内部に配置し前記フラックスの粘
    着力によって前記半田微細球を前記半導体素子本体に付
    着させる工程と、半田微細球位置決め治具を前記半導体
    素子本体から外して加熱し前記半導体素子本体に前記半
    田微細球を接合する工程とを含むことを特徴とする半田
    ボール電極形成方法。
  3. 【請求項３】 半田濡れのない材料で構成された略平板
    状の治具であって、表面に前記半導体素子本体を位置決
    めする凹部を備えると共に、その凹部底面の所定位置に
    前記半田微細球をその内部に配置することによって前記
    半田微細球を位置決めする落とし込み穴を備えたことを
    特徴とする請求項１記載の半田ボール電極形成方法に用
    いる半田微細球位置決め治具。
  4. 【請求項４】 略平板状の治具であって、表面に前記半
    導体素子本体を位置決めする凹部を備えると共に、その
    凹部底面の所定位置に前記半田微細球をその内部に配置
    することによって前記半田微細球を位置決めする落とし
    込み穴を備えたことを特徴とする請求項２記載の半田ボ
    ール電極形成方法に用いる半田微細球位置決め治具。
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