JP3236181B2

JP3236181B2 - ハンダ付け方法

Info

Publication number: JP3236181B2
Application number: JP31239994A
Authority: JP
Inventors: デガニイノン
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1993-11-24
Filing date: 1994-11-24
Publication date: 2001-12-10
Anticipated expiration: 2016-12-10
Also published as: JPH07178591A; US5385290A; KR100337096B1; KR950013646A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、素子を基板にハンダ付
けする方法に関し、特に、そのハンダペーストの組成に
関する。

【０００２】

【従来技術の説明】素子と接続用基板との間に塗布され
るハンダは、展剤とその中に分散したハンダ（ハンダ粒
子）の両方を有する。ハンダ材料は、融点が３５０℃以
下の合金で、展剤は、接着性素材の中にハンダ材料の粒
子を含有する媒体で、溶融点まで加熱されたときにハン
ダ粒子の溶融を促進し分散させる機能を有する。このよ
うな展剤とハンダ粒子を組み合わせて、ペーストを形成
する。このペーストは、素子と基板に様々な方法で塗布
される。このようにハンダを塗布する一つのアプローチ
としては、ハンダ付けされるべき領域に対応する開口を
有するステンシルを介して、ペーストを塗布することで
ある。このような方法の利点は、比較的安価で、その実
行速度が早い点である。ハンダペーストを塗布する他の
方法は、溶融状態で塗布する、あるいは、ピンに付けて
塗布する方法があるが、これらに関しては、J.S.Hwang
著“Solder Paste in Electronic Packaging”（１９８
９年、VanNostrand Reinhold社(ニューヨーク)刊）の１
７２〜１７４ページと１８０〜１８１ページを参照のこ
と。

【０００３】ハンダペーストが接続領域に正確に塗布さ
れるとしても、問題は依然として残る。例えば、素子が
ペーストの上に配置されたときに、ハンダペーストは、
誘電体基板領域の上を隣接する接続用金属線にまで拡散
する。リフローすると、これは、金属線間のハンダブリ
ッジとなる。ある接続用ラインから、隣の接続用ライン
にハンダペーストが侵入すると短絡してしまう。あるい
は、拡散したハンダペーストは、隣接する接続ラインの
間でリフローが起きると分離し、ハンダの過剰領域とハ
ンダの不足領域との間でハンダの接合が行われてしま
う。このような場合には、信頼性の問題が発生する。同
様に、素子の端部近傍にあるパッド上のハンダペースト
は、素子の下の部分からはみ出すことがある。これに関
しては、図１において、ハンダペースト３が素子２の下
からはみ出してリフローすると、ハンダが不足した接合
部分やハンダの塊が発生して、これらは、どちらも信頼
性に欠けることになる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のような問題点を
解決するような通常の方法は、短絡が発生しないように
接合ラインを充分に離間させることである。しかし、基
板上に電気的に接合される素子の密度は、近年増加する
傾向にあり、そのために、金属の接合用ラインのスペー
スを増加させることは好ましくない。従って、本発明の
目的は、接合領域が近接しても、互いに短絡することの
ないハンダ方法、および、ハンダペースト材料を提供す
ることである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】微細な接合空間、すなわ
ち、接合用金属ラインの間を２５ミル（６３５μｍ）以
下にすることは、本発明によれば、ハンダペースト内
に、特定のサイズのハンダ粒子を分散することにより達
成できる。本発明のハンダペーストは、２つの大きさに
分類できるハンダ粒子を含有する。本明細書において、
粒子のサイズは、粒子の体積と同一の体積を有する球の
直径を以て有効直径として定義する。この第１のグルー
プの大きさは、大きな粒子で、ハンダペーストが基板に
塗布されたときに、素子にかかる圧縮力がハンダペース
トにかからないようにして、ペーストが拡散するのを防
止する。例えば、図１において、ハンダペーストがまず
塗布され、大きな粒子が素子２の下に存在しない場合に
は、ハンダペースト３が素子２から外側にはみ出す。大
きな粒子が素子４の下に存在する場合には、ハンダペー
スト３が素子２から外側にはみ出すことはない。大きな
粒子１が、素子４にかかる力を受けるからである。

【０００６】しかし、この大きな粒子の使用のみでは、
全体的な解決にはならない。大きな素子のみを用いる
と、塗布されたハンダペーストが劣化する。それゆえ
に、大粒子と小粒子とを組み合わせることによって、望
ましい結果を得ることができる。ある実施例において
は、平均のサイズが３０μｍの粒子と、平均のサイズが
７５μｍの粒子とを混合して、９ミル（２２８．６μ
ｍ）の直径で、３〜４ミル（７６．２〜１０１．６μ
ｍ）の高さを形成し、１３ミル（３３０．２μｍ）のセ
ンターに配置された６ミル（１５２．４μｍ）の直径の
パッドの上に、ハンダをデポジットした。ハンダをリフ
ローすると、接続用ラインの間に短絡が発生することな
く、良好な電気的接続が可能となった。このため、本発
明は、マルチチップモジュールの応用について、特に利
点があり、また、集積回路用の能動接続線を直接基板に
（フリップチップ形態）ハンダ付けすることができる。

【０００７】

【実施例】本発明のハンダペーストは、２つの大きさの
グループに分類できる粒子（大粒子と小粒子）を展剤内
に分散させた構成をとる。この展剤の組成は、本発明に
必ずしも必要不可欠な一定の構成をとらなければならな
いというものではない。ハンダペーストのステンシル用
の展剤の組成は、C. C. Thomson他著の“Solder Paste
Technology”（１９８９年、TAB Booke Inc.(ペンシル
バニア州)刊）に記載されている。この粒子は、ハンダ
ペーストの３５〜６５体積パーセントを占め、残りは、
接着剤を含む展剤の体積である。

【０００８】小粒子は、プリントの輪郭をより明確に規
定することができる。しかし、粒子があまりにも小さす
ぎると、その大きな表面積においては、所定量のハンダ
ペースト内でハンダが酸化されてしまい、好ましくな
い。この小粒子の平均直径は、２０μｍ以上である。

【０００９】ハンダペーストに用いられるハンダパウダ
ー内の大粒子の直径（Ｄ_big）と、体積分率（ｆ_big）
は、単純な関係式で決定できる。堆積されるべきハンダ
ペーストの所望の体積（Ｖ_dep）が必要となるようなあ
る種の応用については、ｎ個の大粒子が、圧縮抵抗を確
保するために、各堆積物内に必要である。ハンダペース
トのハンダの体積分率を（ｆ_paste）とし、各大粒子の
体積を（Ｖ_b）とすると、Ｖ_bとＤ_bigは、それぞれ次の
とおりである。

【数２】一般的な条件において、代表的なパラメータは、次のと
おりである。

【数３】そして、１０ミル（２５４μｍ）の直径と４ミル（１０
１．６μｍ）の高さの円筒状の堆積においては、次式が
導かれる。

【数４】

【００１０】この堆積されたハンダペーストは、高さｈ
を有し、ここで、ｈ≧Ｄ_big≧６０％（ｈ）であり、そ
して、ハンダペーストは、ハンダ付けされるべきパッド
に対応する幅を有する。Ｖ_depは、マルチチップモジュ
ールのような応用に対しては、１００〜１，０００立方
ミル（１６．３９ｘ１０^-4ｍｍ³〜１６．３９ｘ１０^-5
ｍｍ³）のオーダで、そして、さらに、表面搭載用に対
しては、２，０００〜２０，０００立方ミル（３２．８
ｘ１０^-5-4ｍｍ³〜３２８ｘ１０^-5ｍｍ³）である。この
ハンダペーストの容量は、その応用分野に大きく依存
し、一般的に、その量は、１００〜２０，０００立方ミ
ル（１６．３９ｘ１０^-4ｍｍ³〜３２８ｘ１０^-5ｍｍ³）
の間である。さらに、大粒子の分率は、ハンダ付けされ
るべき隣接パッド間のピッチの細かさに依存する。１９
ミル（４８２．６μｍ）以下の細かいピッチに対して
は、ｆ_bigは０．５以下で、１９ミル（４８２．６μ
ｍ）以上の大きなピッチに対しては、ｆ_bigは０．６６
以下でもよい。何れにしても、ｎは０．５以上である。
大粒子は、Ｄ_bigの８０％〜１２０％以内の有効直径を
有する場合には、直径Ｄ_bigを有するものとする。一
方、小粒子は、Ｄ_bigの６０％以下の有効直径を有する
ものとする。これは、好ましくは、Ｄ_bigの５０％以
下、さらに好ましい場合には、Ｄ_bigの４０％以下であ
る。このようにして計算されたＤ_bigがｈより大きい場
合には、実際のＤ_bigに用いられる値は、ｈ≧Ｄ_big≧６
０％（ｈ）の範囲内に入らなければならない。適当なサ
イズの粒子と、それを確保する方法は、前掲のJ. S. Hw
angの論文の９１〜９９ページに記載されている。粒子
同士の混合、および、展剤を用いての粒子の全体混合に
ついては、従来の混合装置を用いて行うことができる。
本発明によるハンダペーストのハンダ方法は、予めハン
ダペーストでもってプリントされた基板に素子を配置
し、その後、３〜６分かけて、ハンダ合金の溶融点以下
１０〜３０℃の温度に加熱する。その後、この温度を徐
々にハンダペーストの溶融点近傍に上昇させ、その温度
範囲で、１５〜６０秒、そして、その溶融点プラス３０
℃のピーク温度で保持する。基板上の素子の搭載は、表
面搭載技術を含む一般的な方法によって行うことができ
る。

【００１１】次に、本発明の具体例を示す。具体例１Ｓｉ製ＭＣＭ上に、１０４個のシリコンのアレイを組み
立てるに際し、シリコン製ウェハの基板の接点パッドの
上に、ハンダペーストをプリントし、シリコンチップ
を、このハンダペーストの上に搭載し、そして、この
後、このようにして得られた構造体をハンダペーストの
溶融点以上の温度に加熱して、このようにして組み立て
られたウェハを室温まで冷却する。各ＭＣＭモジュール
は、４個のＳｉチップを有する。各チップは、直径が６
ミル（１５２．４μｍ）の金属化パッドの種々のアレイ
を有する。このアレイは、１２個、１６個、１９個、２
０個のパッドで、それぞれピッチが、１３ミル（３３
０．２μｍ）、１５ミル（３８１μｍ）、２０ミル（５
０８μｍ）、１８ミル（４５７．２μｍ）である。用い
られたハンダペーストは、１１重量％のロジン系のフラ
ックスで、平均直径が２．６ミル（６６．０４μｍ）の
大粒子が２２重量％と、平均直径が１．２ミル（３０．
４８μｍ）の小粒子が６７重量％を占めた。このハンダ
ペーストを、シリコン基板ウェハの上に、３ミル（７
６．２μｍ）の厚さのステンレス製のステンシルに設け
た９ミル（２２８．６μｍ）の直径の開口を介してプリ
ントした。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のハンダプロセスを用いることによる素
子と基板との間のハンダ状態を表す断面図。

【符号の説明】

１大きな粒子２素子３小さな粒子４素子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平４−43488（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−149094（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−154288（ＪＰ，Ａ) 特開平３−230894（ＪＰ，Ａ) 特開平６−140756（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 35/22 - 35/26 B23K 35/363

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】２つの部品をハンダ付けする方法におい
て、前記２つの部品の少なくとも１つの接触部分に、体積Ｖ
_ｄｅｐのハンダペーストを用意し、前記ハンダペーストは、ハンダ粒子と展剤とを含有し、前記粒子は、前記ハンダペーストの３５〜６５体積％を
占有し、前記粒子の３４％以上は小粒子から形成され、
残りは大粒子であり、前記大粒子は、直径Ｄ_ｂｉｇの８０％〜１２０％の範囲
の有効直径を有するハンダ粒子であり、ここで、ｈ≧Ｄ
_ｂｉｇ≧６０％ｈで、ｈは、堆積された体積Ｖ_ｄｅｐのハンダペーストの高さ
で、Ｄ_ｂｉｇは、ｈか、または、次式で表される値のうち、
小さい方の値で、【数１】ここで、ｆ_{ｐａｓｔｅ}は、前記ペースト内のハンダ粒子
の体積分率で、ｆ_ｂｉｇは、前記大粒子の体積分率で、ｎは、０．５以上であり、ｎは、圧縮抵抗を確保するた
めに体積Ｖ _ｄｅｐのハンダペーストが必要なときの前記
大粒子の数であり、前記小粒子は、直径Ｄ_ｂｉｇの６０％以下の有効直径を
有するはんだ粒子であることを特徴とするハンダ付け方
法。
【請求項２】前記粒子の全体積の５０％以上は、小粒
子であることを特徴とする請求項１の方法。
【請求項３】前記部品は、集積回路を含むことを特徴
とする請求項１の方法。
【請求項４】前記部品は、マルチチップモジュールを
形成するように接触させられていることを特徴とする請
求項１の方法。