JP3780088B2 - 電子部品の面実装用接合部材 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子部品の面実装用接合部材に係り、特にＳＯＮ（スモール・アウトライン・ノンリード）、ＱＯＮ（クワッド・アウトライン・ノンリード）、ＯＬ（アウタリード）、ＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）、ＬＧＡ（ランドグリッドアレイ）などの端子電極が形成された電子部品をマザーボード（プリント配線基板を含む）上に安定した実装ができる面実装用接合部材の構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子部品の一例である半導体パッケージとマザーボードの一例であるプリント配線基板（以下「ＰＣＢ」という場合もあり、セラミックスやプラスチック基板を含む）との接続する方法としては、半導体チップを封止した後、この封止済みの半導体パッケージをソケットを介してＰＣＢに接続する方法や、あるいはソケットを省略して、封止済みの半導体パッケージを直接ＰＣＢに半田接続する方法が一般的である。
ソケットを用いる方法では、ソケットの接続部の接続端子部、あるいは封止済み半導体パッケージのアウタリード部の機械的な変形により、半導体パッケージのアウタリードとＰＣＢとの熱膨張係数差に起因する応力や機械的な歪みが吸収され、一応良好な機械的な接続と電気的な接続が維持されている。
しかしながら、半導体パッケージとＰＣＢとの実装に占める容積が大きくなり電子装置の小型化、薄型化の傾向に対応する隘路になっている。
【０００３】
この容積が大きいと言う問題を解消する方法として、図４（Ａ）に示すように、半導体チップ６０の回路面に形成された複数の接続電極パッド６１に、半田クリームによって半田バンプ６２と称される半田の突起電極端子を形成し、ＰＣＢ６３の接続端子６４に直接半導体チップ６０を半田付けする、いわゆるフリップチップ方式が提案され、実用化されている。なお、ここで、６２ａは半田ボールを示し、６２ｂはフラックスを示す。
ところが、半導体チップ６０とＰＣＢ６３とを短い間隔で対向させ、直径が数十μｍの半田バンプ６２を用いて機械的に固着しているため、半導体チップ６０とＰＣＢ６３とにおける熱膨張係数差による変形が発生し、その応力の逃げ場がなく、応力が半田バンプ６２に集中し、それによって図４（Ｂ）に示すように、半田バンプ６２に脆性破壊（クラック）６５が生じて電気的接続を損なうと共に、半導体チップ６０を破壊する場合があるという問題があった。
この問題を抑制するするために、半導体チップとＰＣＢとの間にセラミックス基板を介在させるか、半田バンプを高く構成することも一部行われているが、いずれも容積の増大やコストを増加させるという問題があった。
【０００４】
半田バンプの代わりに、半導体チップの回路面に複数形成された接続電極パッドであるアルミニウム電極に、バリヤメタルを介して金バンプを形成し、可撓性を有する回路基板に実装して、熱膨張係数差による変形や応力を吸収し、この可撓性回路基板を通常のＰＣＢに実装するＴＡＢ方式が提案されている。
しかし、このＴＡＢ方式では、可撓性回路基板を介在させるために実装面積が大きくなると共に、半導体チップにバリヤメタルを形成するための工程の追加、及び金バンプ形成のための貴金属使用によるコストの増加の問題がある。
更に、半導体チップと微細な回路を有するＰＣＢとの接続に、このような貴金属を用いて簡単な耐湿樹脂封止処理を行った場合には、貴金属の溶出再結晶化による電極短絡事故を生じる場合があって半導体装置の信頼性の問題が生じる。
【０００５】
一方、半導体チップ等の電子部品とＰＣＢの安価な実装方法として、図５（Ａ）に示すように、これらの電子部品６７とＰＣＢ６８との接続に導電ペースト６９を用いて実装する方法がある。この方法は公知のプリント印刷の手法を用いて、導電ペースト６９を積み上げ突起電極を形成する。導電ペースト６９は、二液混合型あるいは熱硬化型の接着剤と、銀粒子及び／又はＰｄ粒子とを混練したもので、機械的接続と電気的接続とを同時に達成している。ここで、６９ａは導電性粒子、６９ｂは樹脂である。この導電ペーストを用いる実装は、接続電極間のピッチ寸法を充分広くし導電ペーストの接続電極からのはみ出し距離よりも大きいことが必要である。
ところが、この導電ペースト６９を用いても、図５（Ｂ）に示すように、電子部品６７とＰＣＢ６８との接合にあっては、前述した半田バンプや金属バンプと同様に、熱膨張係数差に起因する機械的な歪みや応力によるクラック７０の問題があり、電気的接続の信頼性に不安がある。
従って上述のように、電子部品とＰＣＢとの接続に用いる面実装用接合部材は、信頼性、コスト、及び実装容積（小型化）を考慮するとそれぞれに一長一短があり、半導体チップや半導体パッケージをＰＣＢに直接実装することによる経済効果は大きくなく、信頼性では不安定要素が存在している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、近年では装置の小型化、薄型化の傾向があり、半導体チップ等の電子部品の実装面積、実装容積、及び接続コストの低下が強く望まれている。
電子部品とＰＣＢとの接続の課題は、突起電極など面実装用接合部材の形成コストの低減、電極高さの縮小、金属溶出による再結晶短絡事故の要因となる高価な貴金属の廃止、熱膨張係数差に起因する接続部のクラック、接続剥がれの防止及び半導体チップの破壊防止にある。
本発明の目的は、上記課題を解消する面実装用接合部材を提供することであって、詳細には、例えば貴金属を用いずに、機械的、電気的な接続に優れた面実装用接合部材を提供することにある。即ち、熱膨張係数差を有する電子部品とマザーボードとを面実装用接合部材を介して接合された電子装置に加わる熱サイクルの繰り返し応力で生じる面実装用接合部材の塑性変形、延性破壊及び脆性破壊を防止することが可能で、長期信頼性の高い低コストの電子部品の面実装用接合部材を提供することにある。
更に、本発明の他の目的は、電子部品をマザーボード（被装着基板：例えばＰＣＢ）に実装した半導体装置などの電子装置の薄型化に対応する電子部品の面実装用接合部材を提供することにある。
更に、本発明の他の目的は、従来の表面実装技術を用いて、半導体チップや半導体パッケージ等の電子部品の実装コストを低減することができる電子部品の面実装用接合部材を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的に沿う請求項１記載の電子部品の面実装用接合部材は、電子部品をマザーボードに実装する際に、これらの電子部品とマザーボードとの間に介在し、これらを電気的に接続する面実装用接合部材であって、
前記面実装用接合部材は、フラックス、半田合金粉末、及び該半田合金粉末の溶融温度よりも高い耐熱性樹脂ファイバーを含む混合物を主体とし、接合状態では前記耐熱性樹脂ファイバーが溶融・硬化した半田合金内に均一に分散し、
前記面実装用接合部材は、前記半田合金粉末が２５〜５０体積％、前記耐熱性樹脂ファイバーが１５〜２５体積％、及び残部の主体が前記フラックスからなり、
しかも、前記耐熱性樹脂ファイバーは、ステープル形状となっている。
【０００８】
請求項２記載の電子部品の面実装用接合部材は、請求項１記載の電子部品の面実装用接合部材において、前記耐熱性樹脂ファイバーは、その直径が５〜３０μｍである。
請求項３記載の電子部品の面実装用接合部材は、請求項１及び２のいずれか１項に記載の電子部品の面実装用接合部材において、前記半田合金粉末の主体は、Ｓｎ／Ｐｂ、Ｓｎ／Ｂｉ／Ｐｂのいずれかである。
請求項４記載の電子部品の面実装用接合部材は、請求項１及び２のいずれか１項に記載の電子部品の面実装用接合部材において、前記半田合金粉末の主体は、Ｓｎ／Ｂｉ／Ａｇである。
請求項５記載の電子部品の面実装用接合部材は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電子部品の面実装用接合部材において、前記耐熱性樹脂ファイバーは、弾性を有するエラストマ系樹脂、ポリイミド系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂、ウレタン系樹脂、ポリマー系樹脂、アクリル系樹脂から選択された一つからなる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１は本発明の一実施の形態に係る電子部品の面実装用接合部材の構成を示す断面図、図２は同電子部品の面実装用接合部材の接続状態を示す断面図、図３は本発明の他の実施の形態に係る電子部品の面実装用接合部材を用いて電子部品とマザーボードの実装状態を示す断面図である。
【００１０】
本発明の一実施の形態に係る電子部品の面実装用接合部材は、フラックス、半田合金粉末、及び半田溶融温度よりも高い耐熱性樹脂ファイバーを含む混合物からなっている。そして、この混合物の配合比率は、フラックスが４０体積％、半田合金粉末が３５体積％、耐熱性樹脂ファイバーが２５体積％となっている。ここで、耐熱性樹脂ファイバーは例えば、エラストマ系樹脂、ポリイミド系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂、ウレタン系樹脂、ポリマー系樹脂、アクリル系樹脂等から選択され、その直径が約５〜３０μｍ程度（好ましくは１０μｍ以下であるが、その直径を５μｍ未満とする場合も本発明は適用される）のステープル状となっている。なお、その表面にＳｎ、Ｔｉ、Ｉｎ、Ｐｂ、Ｐｂ−Ｓｎ、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ等の導電性金属から選択された一つが直接又は下地層を介してめっきされ導電性薄膜を形成することも可能である。このように、半田と濡れ性のよい導電性金属をめっきすることによって、半田合金粉末と耐熱性樹脂ファイバーとの比重がバランスし、半田合金粉末中に耐熱性樹脂ファイバーを均一に分散させることができる。
以上のようにして構成された混合物は加熱溶融されて接続硬化した後は、ステープル形状の耐熱性樹脂ファイバーが半田メタル（即ち、半田合金）中に均一に分散し、海綿状のフレックス半田となって、弾性を有するようになり、バンプ高さが低くても従来のような脆性破壊や延性破壊がなくなる。
【００１１】
ここで、半田合金粉末は全体の２５〜５０体積％でよく、あまり少ないと導電性が悪くなり、多くなると溶融して硬化した場合の半田メタルと耐熱性樹脂ファイバーの混合物が弾力性を持たなくなる。また、耐熱性樹脂ファイバーは、１５〜２５体積％程度でよく、あまり少ないと、最終的な混合物が硬くなり、多い場合には導電性が悪く、更に強度が下がる。また、耐熱性樹脂ファイバーの直径を５〜３０μｍとしているので、適当な弾性を有するフレックス半田が形成できる。
【００１２】
この電子部品の面実装用接合部材を用いて接続端子の一例であるバンプ１０を形成する場合には、図１に示すように、マザーボード（例えば、プリント回路基板）１１の電極端子１２の上にメタルマスクを用いたスクリーン印刷によって所定厚みのバンプ１０を形成する。ここで、１３はカバーレジストを示す。このバンプ１０は、半導体チップ１４の複数の電極パッド１５の位置に符合して形成する。
このバンプ１０を用いて、半導体チップ１４をマザーボード１１に搭載する場合には、半導体チップ１４の電極パッド１５をマザーボード１１のバンプ１０に整合する所定位置に配置して、リフロー炉に入れて加熱し、バンプ１０を溶融して、図２に示すように、半導体チップ１４の電極パッド１５と電極端子１２を、半田メタル中に耐熱性樹脂ファイバー１７が分散した弾力性を有するフレックス半田を形成して接合する。なお、図１のバンプ１０において、黒丸で示す１６は半田合金粉末を、その他の部分はフラックス１８を、１９はカバーレジストを示す。
【００１３】
図２には、接合状態のフレックス半田１０ａを示すが、半田メタル２０の内部に耐熱性樹脂ファイバー１７が分散して海綿状態となっている。これによって、半田メタル２０に弾性が生じて、仮に、半導体チップ１４とマザーボード１１の間に熱膨張差があっても、これを吸収して、バンプの破壊や、半導体チップ１４の破壊を防止できる。
【００１４】
図３には、他の実施の形態に係る電子部品とマザーボードの実装状態を示すが、図に示すように、電子部品の一例である半導体チップ２２は、端子ボール２３を介してセラミックス基板２４に連結されている。セラミックス基板２４と半導体チップ２２の接合部分は、アンダーフィル樹脂２５が充填されて全体をシールしている。
一方、セラミックス基板２４は、マザーボード２６にフレックス半田２７によって連結されている。このバンプは、前述した電子部品の面実装用接合部材から形成されている。なお、図３において、２８、２９はカバーレジストを示す。
このようにして、フレックス半田２７によって、セラミックス基板２４とマザーボード２６が接合されているので、温度変化に伴う熱膨張差に起因する接合不良や故障を防止でき、更には、小型で薄い装置を提供できる。
【００１５】
以上、この電子部品の面実装用接合部材を、半導体チップとインターポーザ、及びインターポーザとＰＣＢ等の電子部品とマザーボードとの接合部材として適用した場合について説明したが、本発明の特徴とするところは、フラックス、半田合金粉末及び耐熱性樹脂ファイバーとの混合物で構成された面実装用接合部材を加熱溶融することにより、溶融した半田メタル内に耐熱性樹脂ファイバーが分散した海面状態のフレックス半田を形成することにあり、当然、半導体パッケージにも適用できる。
これによって、本発明の電子部品の面実装用接合部材は、ＳＯＮ（スモール・アウトライン・ノンリード）、ＱＯＮ（クワッド・アウトライン・ノンリード）、ＯＬ（アウタリード）、ＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）、ＬＧＡ（ランドグリッドアレイ）などの端子電極に予めフレックス半田を形成するプリコート処理にも適用することができる。即ち、本発明の面実装用接合部材は、電子部品とマザーボードとの間の熱膨張差に起因する応力を吸収する応力緩衝接合材として適用することができる。
なお、前記半田合金粉末の主体は、Ｓｎ／Ｐｂ、Ｓｎ／Ｂｉ／Ｐｂのいずれか、又はＳｎ／Ｂｉ／Ａｇとするのが好ましい。
【００１６】
【発明の効果】
請求項１〜５記載の電子部品の面実装用接合部材において、面実装用接合部材は、フラックス、半田合金粉末及び耐熱性樹脂ファイバーの混合物を主体して構成されているので、この面実装用接合部材をリフローすることにより、半田合金粉末が溶融した半田メタル内に耐熱性樹脂ファイバーが分散して海綿状態となり、フレックス性を有する半田メタルが形成され、熱サイクルによって生じる電子部品とマザーボードとの膨張係数差による応力を吸収することができる。
その結果として、接合部材の延性破壊及び脆性破壊を防ぎ信頼性の高い電子装置を提供することができる。
そして、耐熱性樹脂ファイバーがステープル状となっているので、隣り合う繊維の絡みが発生し、より弾性を有するフレックス半田となる。
また、接合部材は、半田合金粉末が２５〜５０体積％、耐熱性樹脂ファイバーが１５〜２５体積％、及び残部の主体がフラックスからなっているので、溶融状態で半田メタル部分が薄くなることが無く適切な接続機能を維持することができる。
請求項２記載の電子部品の面実装用接合部材において、直径が５〜３０μｍの耐熱性樹脂ファイバーを用いた構成としているので、半田メタル内での耐熱性樹脂ファイバーの初期状態を維持し、フレックス性を有する均一な海綿状のフレックス半田を形成し、安定した接続が可能となる。
請求項３記載の電子部品の面実装用接合部材においては、半田合金粉末の主体は、Ｓｎ／Ｐｂ、Ｓｎ／Ｂｉ／Ｐｂのいずれかであり、請求項４記載の電子部品の面実装用接合部材は、半田合金粉末の主体は、Ｓｎ／Ｂｉ／Ａｇであるので、耐久性を有するフレックス半田を形成でき、これによって、長期の寿命をする電子部品が製造可能となる。
請求項５記載の電子部品の面実装用接合部材において、耐熱性樹脂ファイバーは、エラストマ系樹脂、ポリイミド系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂、ウレタン系樹脂、ポリマー系樹脂、アクリル系樹脂から選択された弾力性を有する樹脂を用いているので、半田メタル中で安定した分散状態を維持すると共に、膨張係数差により生じる応力を吸収する応力緩和機能を向上させることができる。なお、耐熱性樹脂ファイバーに、エラストマ系樹脂又はシリコン系樹脂又はウレタン系樹脂又はポリマー系樹脂を使用するのがより好ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る電子部品の面実装用接合部材の構成を示す断面図である。
【図２】同電子部品の面実装用接合部材の接続状態を示す断面図である。
【図３】他の実施の形態に係る電子部品の面実装用接合部材を用いて電子部品とマザーボードの実装状態を示す断面図である。
【図４】（Ａ）、（Ｂ）は従来例に係る電子部品の接合部材の一例である半田バンプ（半田クリーム）の使用状況を示す説明図である。
【図５】（Ａ）、（Ｂ）は従来例に係る電子部品の接合部材の一例である導電ペーストの使用状況を示す説明図である。
【符号の説明】
１０：バンプ、１０ａ：フレックス半田、１１：マザーボード、１２：電極端子、１３：カバーレジスト、１４：半導体チップ、１５：電極パッド、１６：半田合金粉末、１７：耐熱性樹脂ファイバー、１８：フラックス、１９：カバーレジスト、２０：半田メタル、２２：半導体チップ、２３：端子ボール、２４：セラミックス基板、２５：アンダーフィル樹脂、２６：マザーボード、２７：フレックス半田、２８：カバーレジスト、２９：カバーレジスト

Claims (5)

1. 電子部品をマザーボードに実装する際に、これらの電子部品とマザーボードとの間に介在し、これらを電気的に接続する面実装用接合部材であって、
   前記面実装用接合部材は、フラックス、半田合金粉末、及び該半田合金粉末の溶融温度よりも高い耐熱性樹脂ファイバーを含む混合物を主体とし、接合状態では前記耐熱性樹脂ファイバーが溶融・硬化した半田合金内に均一に分散し、
   前記面実装用接合部材は、前記半田合金粉末が２５〜５０体積％、前記耐熱性樹脂ファイバーが１５〜２５体積％、及び残部の主体が前記フラックスからなり、
   しかも、前記耐熱性樹脂ファイバーは、ステープル形状となっていることを特徴とする電子部品の面実装用接合部材。
2. 前記耐熱性樹脂ファイバーは、その直径が５〜３０μｍであることを特徴とする請求項１記載の電子部品の面実装用接合部材。
3. 前記半田合金粉末の主体は、Ｓｎ／Ｐｂ、Ｓｎ／Ｂｉ／Ｐｂのいずれかであることを特徴とする請求項１及び２のいずれか１項に記載の電子部品の面実装用接合部材。
4. 前記半田合金粉末の主体は、Ｓｎ／Ｂｉ／Ａｇであることを特徴とする請求項１及び２のいずれか１項に記載の電子部品の面実装用接合部材。
5. 前記耐熱性樹脂ファイバーは、弾性を有するエラストマ系樹脂、ポリイミド系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂、ウレタン系樹脂、ポリマー系樹脂、アクリル系樹脂から選択された一つからなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電子部品の面実装用接合部材。

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