JP3913531B2 - スペーサー、及びこれを用いた実装方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高密度かつ小型化が要求される半導体のパッケージング、高性能且つ高機能化及び小型携帯化が急速に進んでいる携帯電話、および、ビデオカメラ等のモバイル電子機器に関し、詳しくは、これらからの要求によりさらなる高密度で軽薄短小なエリア実装技術及びエリア実装装置など広範なニーズに対応可能な構造体及びその構造体を用いた実装方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のエリア実装方式の一種であるリフロー実装について図６に基づき説明する。図６（ａ）のように、プリント回路基板１０１上には、半導体パッケージの一種であるＢＧＡパッケージ１０６（Ｂａｌｌ・Ｇｒｉｄ・Ａｒｒａｙ）のソルダーバンプ１０５に対応するようにランド１０２が形成されている。ＢＧＡパッケージのソルダーバンプ１０５とプリント回路基板上のランド１０２を半田接合させるエリア実装では、初めに、マスクを用いたスクリーン印刷によって、マスクの開口部から半田ペースト１０３がランド１０２の上部に印刷される。
【０００３】
この時、半田ペースト１０３の印刷量はマスクの開口部の形状、マスク厚さ、及び半田ペースト１０３を印刷するスキージ速度の管理などでコントロールしているが、安定且つ定量的に半田ペースト１０３の印刷量を保つまでには至っていない。次工程での半田接合不良の発生は、半田ペースト１０３の印刷状態に起因する為、半田ペースト１０３を印刷した後で、その印刷状態を外観的に検査する必要がある。このような外観検査は、ＢＧＡパッケージ１０６がプリント回路基板１０１に実装された時、半田接合部分がＢＧＡパッケージ１０１の裏側に隠れてしまうような場合、すなわち、実装後に半田接合の不良を外観で発見することが困難な場合に特に必要になる。
【０００４】
図７（ａ）は、半田ペースト１０３の印刷量にバラツキが発生した時の半田接合不良の第１の状態図である。半田ペースト１０３がランド１０２上に印刷された形状が高さ方向にて十分でなく、且つ半田ペースト１０３印刷量が足りないために半田接合が不十分になり、導通不良が発生する。
【０００５】
これは、プリント回路基板１０１上のランド１０２形状を小さくすると同時にマスクの開口寸法を小さくする為、印刷形状が円錐形状となりランド１０２に対する印刷面積は良品と同程度であっても半田ペースト１０３印刷量が不十分になることからソルダーバンプ１０５とランド１０２間が導通不良になる。
【０００６】
上記の導通不良は、全ランド１０２の印刷状態の中で、ある一部のランド１０２だけに発生するため検出が困難である。
【０００７】
さらに半田接合が不十分な状態にて、プリント回路基板１０１に何らかの外的衝撃が加わった時に、半田接合部分が破断して二次的な導通不良を発生させる。
【０００８】
図７（ｂ）は、半田ペースト１０３の印刷量のバラツキにより生じる半田接合不良を示す状態図である。ランド１０２の面積に対して半田ペースト１０３を多めに印刷したために、ランド１０２から半田ペースト１０３がはみ出した状態になり、隣接するランド１０２間にてショートし導通不良になる。量産作業では、半田ペースト１０３印刷量が安定しない要因として使用されているマスクとスキージの繰り返し作業による接触部での磨耗現象によるものである。よって、マスク開口形状及びスキージ形状が変形し、印圧が変化する事で半田ペースト１０３印刷量が安定しなくなる。さらに、半田ペースト１０３印刷量が安定しない要因として、半田ペースト１０３の印刷工程を繰り返し実施していくと、マスク開口部に半田ペースト１０３が付着、残存し、やがて固着してしまう為である。
よって、マスク開口部とランドとの密着性が損なわれて半田ペースト１０３印刷量が安定しない。上記の要因は、微細なランド１０２への半田ペースト１０３印刷であるほど発生する。よって、微細なランド１０２の半田ペースト１０３印刷にはスキージ速度の管理及びマスク開口部からの半田ペースト１０３の抜け性を確保する必要がある。
【０００９】
図７（ｃ）は、半田ペースト１０３の印刷量にバラツキが発生した時の半田接合不良を示す状態図である。ＢＧＡパッケージ１０６の接合端子のピッチが従来の0.8mmから0.5ｍｍ、0.3mm、さらにそれ以下にファイン化されると半田ペースト１０３の印刷量を確保するために、半田粒子も同様に小径に推移せざるを得ない。これは、微細なマスク開口部に対して半田ペースト１０３の抜け性を確保し、安定的に半田ペースト１０３量を印刷するためである。
【００１０】
尚、半田ペースト１０３の抜け性は、マスク開口部の面積に対して半田粒子が最低５粒子並ぶ位を目安としている。半田粒度を小さくすることは、半田粒子の充填密度が上がり総粒子の表面積は、大きくなるため粒子一個当りのフラックス量は減少する事となる。よって、半田粒子及びフラックスの酸化は従来よりも速くなる。酸化された半田粒子と被酸化半田粒子とが混在した状態にて半田接合を実施した場合、半田粒子個々の溶融温度にバラツキが発生し、フィレット形成が出来なかった半田粒子がソルダーボール１０８として発生する。この固着していないソルダーボール１０８がプリント回路基板１０１のランド１０２周辺に発生することにより、隣接するランド１０２間にてショートされ導通不良となる。
【００１１】
図６（ｂ）のように、ＢＧＡパッケージ１０６のグリットアレイ形状に配列された端子１０４上にソルダーバンプ１０５が形成されている。ソルダーバンプ１０５と半田ペースト１０３を印刷したプリント回路基板１０１のランド１０２とを位置合わせしながら載せる。尚、ＢＧＡパッケージの端子１０４径とプリント回路基板１０１のランド１０２径の関係は、１：１にて対応するのが通常となっている。
【００１２】
図８（ａ）は、ソルダーバンプ１０５とランド１０２の搭載のバラツキによる半田接合不良の第１の状態図である。これは、ＢＧＡパッケージ１０６を搭載した時に、ＢＧＡパッケージの端子１０４であるソルダーバンプ１０５が所定のランド１０２と位置がずれて、搭載された場合を示す。この時、ソルダーバンプ１０５とランド１０２の位置ズレによって、隣接するランド１０２間にてショートされ導通不良となる。
【００１３】
図８（ｂ）は、ソルダーバンプ１０５とランド１０２の搭載のバラツキによる半田接合不良の第２の状態図である。これは、ランド１０２上の半田ペースト１０３量が多い場合、ＢＧＡパッケージ１０６を搭載した時の衝撃力にて塗布されていた半田ペースト１０３が飛び散ることによりソルダーボール１０８が発生する。この原因によって、隣接するランド１０２間にてショートされ導通不良となる。
【００１４】
次に図６（ｃ）のように、ソルダーバンプ１０５とプリント回路基板１０１のランド１０２とが接触された状態にて、リフロー装置に流動される。リフロー装置内にて、ソルダーバンプ１０５とランド１０２上の半田ペースト１０３とが溶融化され半田接合される。通常のリフロー半田接合方式としては、まずリフロー装置を一定温度まで上昇させる。さらに、プリヒート工程にてプリント回路基板１０１及びＢＧＡパッケージ１０６の表面温度を均一化させる。上記のプリヒートの加熱時間を必要以上に実施した場合は、図８（ｂ）のようなソルダーボール１０８が発生する。また、プリヒートの温度を急激に上昇させた場合も同様にソルダーボール１０８等の実装不良が発生する。その後、半田溶融温度まで加熱させ、半田が溶融化する。その際、ソルダーバンプ１０５及び半田ペースト１０３が溶融化した状態にて、半田自身の表面張力がセルフアライメント効果を発生させ所定のランド１０２へ半田接合することができる。
【００１５】
ＢＧＡパッケージ１０６の表面温度とソルダーバンプ１０５の温度は、ＢＧＡパッケージ１０６のサイズによって差が生じるため、ＢＧＡパッケージ１０６のサイズ違いを混載実装する場合には、各ＢＧＡパッケージ１０６の耐熱温度範囲内で十分な半田接合性が得られるような半田接合条件を設定する必要がある。また、近年、鉛レス半田が採用され、その半田組成は単一金属がその成分の９０%を占めており、従来のSn-Pｂ半田よりも半田流動性が劣っており、前記セルフアライメント効果が低下する。さらにまた、鉛レス半田は、従来の半田温度では溶融接合できない高温域での接合条件となる為、ＢＧＡパッケージ１０６の端子及び他電子部品等の耐熱性が問題となる。その為、鉛レス半田の溶融温度と部品耐熱温度の範囲内にて半田接合性を確保する必要がある。
【００１６】
次に図６（ｄ）のように、ＢＧＡパッケージ１０６とプリント回路基板１０１との隙間に、アンダーフィル材１０７と称される樹脂材を流し込む。上記のアンダーフィル材１０７を塗布することにより、外部からの応力等が半田接合部に加わった場合に半田接合部の不良を発生させないための応力緩和及び保護を目的とする。その後、流し込まれるアンダーフィル材１０７には、熱硬化型の樹脂を使用するのが一般的であり、その熱硬化に適した加熱条件にて処理させることにより、樹脂が硬化される。今後のＢＧＡパッケージ１０６は、小面積且つ要求仕様を満足させるための入出力端子の多ピン化及びそれに対応した端子のファインピッチ化の方向に進んでいる。上記のＢＧＡパッケージ１０６の要求に対し、エリア実装専用のリフロー装置が必要となってくる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
従来のＢＧＡパッケージによるエリア実装においては、下記の課題があった。（１）半田ペーストの印刷精度のバラツキが、半田接合性に影響し実装不良となる。
（２）半田ペースト印刷工程を量産した時に、マスク開口部に半田ペーストが固着していくため、ランドとマスク開口部との密着性が損なわれる。
（３）半田粒子を小さくすることにより酸化する速度が速くなる。この酸化の影響により、ソルダーボールが発生する。
（４）鉛レス半田の採用により、限られた温度範囲内にて半田接合性を確保する必要がある。
【００１８】
そこで、本発明はこれらの課題を解決して、下記を実現しようとするものである。
（１）ＢＧＡパッケージの多ピンに対応した高密度のエリア実装の半田接合性を確保する。
（２）半田ペーストの印刷精度に影響さらずに、半田接合性を確保する。
（３）半田粒子の酸化が発生しにくいプロセスにて、半田接合性を確保する。
（４）半田接合部を封止することにより、外部応力等による半田不具合を緩和及び保護させる。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の構造体は、素子のソルダーバンプと回路基板との間に設けられるスペーサーであって、加熱によりアンダーフィル機能の役割をする基材を備え、前記基材には素子に設けられたソルダーバンプの配置に対応するように貫通孔が設けられることとした。また、本発明による実装方法は、回路基板に設けられたランドの上に半田ペーストを設ける工程と、素子に設けられたソルダーバンプと、ソルダーバンプと対応する位置に貫通孔が設けられたスペーサーと、ランドとの位置が合うように貼り合せる工程と、ソルダーバンプを加熱することにより、ソルダーバンプを溶かしてランド上の半田ペーストと溶融一体化する工程とを有することとした。また、回路基板に設けられたランドの上に半田ペーストを設ける工程と、素子に設けられたソルダーバンプと、ソルダーバンプと対応する位置に貫通孔が設けられるとともに貫通孔の少なくとも一部に金属が設けられたスペーサーと、回路基板を、貫通孔の金属と前記ソルダーバンプが接触するように位置を合わせて貼り合せる工程と、ソルダーバンプを加熱することにより、前記ソルダーバンプを溶かして金属及び半田ペーストを溶融一体化する工程と、を備える実装方法とした。さらに、スペーサーを加熱することによりスペーサーを溶かして半田接合箇所に流れ出させる工程と、スペーサーを熱硬化する工程とを有することにより、ソルダーバンプとランドの半田接合箇所を封止することとした。
【００２０】
本発明の参考例のスペーサー（第１の構成）は、基材と該基材に半導体素子のパッケージであるＢＧＡパッケージのソルダーバンプの配置にホールを貫通させた貫通孔にて構成されたスペーサーであり、このスペーサーを該ソルダーバンプとプリント回路基板の間に挟み込むことにより該スペーサーが該ソルダーバンプのマスク機能を果たし、且つ加熱することによりアンダーフィル機能の役割をする。
【００２１】
この発明のスペーサーの第２の構成として、前記第１の構成のスペーサーの前記貫通孔の少なくとも一部分に金属が塗布されるスペーサーとした。
【００２２】
この発明のスペーサーの第３の構成として、前記第２の構成のスペーサーの前記金属として、金属有機化合物を有するスペーサーとした。
【００２３】
この発明の参考例では、ＢＧＡパッケージのソルダーバンプとプリント回路基板に配線されたランドとを、前記第１の構成のスペーサーを用いて接続させる方法として、ランド上にスクリーン印刷法を用いて半田ペーストを印刷する工程と、次に貫通孔及びプリント回路基板に配線されたランド及びソルダーバンプを位置を合せて貼り合せる工程と、更に該ソルダーバンプに熱源を供給させる工程と、加熱により該ソルダーバンプが溶かされ、該ランド上の半田ペーストと溶融一体化する工程とを有する実装方法とした。
【００２４】
この発明は、第１の構成のスペーサーを用いた実装手段であって更に、ソルダーバンプとランドの半田接合箇所を封止する実装方法として、該スペーサーに熱源を供給させる工程と、加熱によりスペーサーが溶けて前記半田接合箇所に流れ出す工程と、該スペーサーが熱硬化される工程とを有する実装方法とした。
【００２５】
この発明は、ＢＧＡパッケージのソルダーバンプとプリント回路基板に配線されたランドとを前記第２〜３の構成のスペーサーを用いて接続させる実装方法の第１手段として、該ランド上にスクリーン印刷法を用いて半田ペーストを印刷する工程と、次に貫通孔内の金属塗布箇所とソルダーバンプが接触状態にて、プリント回路基板に配線されたランドと位置を合せて貼り合せる工程と、更に該ソルダーバンプに熱源を供給させる工程と、加熱によりソルダーバンプが溶かされ金属及び該ランド上の半田ペーストとが溶融一体化する工程とを有する実装方法とした。
【００２６】
この発明は、第２〜３の構成のスペーサーを用いた実装手段であって更に、ソルダーバンプとランドの半田接合箇所を封止する実装方法として、該スペーサーに熱源を供給させる工程と、加熱によりスペーサーが溶けて前記半田接合箇所に流れ出す工程と、該スペーサーが熱硬化される工程とを有する実装方法とした。
【００２７】
この発明は、第１〜３の構成のスペーサーを用いた実装手段であって更に、ソルダーバンプとランドの半田接合箇所を封止する実装方法として、ＢＧＡパッケージとプリント回路基板との隙間にアンダーフィル材を塗布する工程と、アンダーフィル剤が熱硬化される工程とを有する実装方法とした。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明のスペーサーは、基材に半導体素子のパッケージであるＢＧＡパッケージのソルダーバンプの配置に貫通孔が構成されたスペーサーである。このスペーサーを使用して、ＢＧＡパッケージに形成されているソルダーバンプとプリント回路基板に配線されたランドとを半田接合させる実装プロセスとしては、マスクをプリント回路基板上に装着し、該マスクの上から半田ペーストを塗り込ませることにより、マスクに開けた穴の開口部よりプリント回路基板に配線されたランド上に半田ペーストが印刷される。次に、半田ペーストが印刷された該ランドの位置と、本発明であるスペーサーに設けられた貫通孔の位置とが合わさった状態にて本発明品のスペーサーをプリント配線基板に貼り合せる。さらに、貫通孔の位置と、ＢＧＡパッケージに形成されている各ソルダーバンプの位置とが合わさった状態にてスペーサー上にＢＧＡパッケージを搭載する。ＢＧＡパッケージの上部より加圧することにより、ソルダーバンプがスペーサーの貫通孔内輪に挿入された図２（ｂ）のような状態になる。
【００２９】
本発明のスペーサーは、微細形状の貫通孔が個々のランドに分断させる枠組みの役割を果たす。要するに、ランド上の半田ペーストが個々に隔離され、該スペーサーの上にＢＧＡパッケージ端子のソルダーバンプを存在させることで半田接合の為の閉ざされた空間を確立する事ができる。
【００３０】
次に、上記の貼り合わさった状態にてリフロー装置内に流動し、プリヒートによりＢＧＡパッケージ及びプリント回路基板を加熱させる。この時、ＢＧＡパッケージに形成されている端子を介してソルダーバンプも加熱され、尚且つプリント回路基板のランドを介して半田ペーストも加熱される。リフロー装置の温度設定は、ソルダーバンプが溶融する温度まで上昇させる。溶融温度にて加熱されたソルダーバンプは溶融化され、前記スペーサーの貫通孔の内部にてランド上の半田ペーストと接触し、溶融一体化される。本発明によるスペーサーの貫通孔の範囲内にて半田接合されるため、隣接しているランドから隔離でき、確実な半田接合を実施することが出来る。
【００３１】
次に、リフロー装置を該スペーサーが溶解する温度まで上昇させる。半田溶融温度にて加熱された該スペーサーは溶解化し、その後に熱硬化する。本発明のスペーサーは、外部からの応力等が半田接合部に加わった場合に半田接合部の不良を発生させないための応力緩和及び保護を目的とする。これは、プリント回路基板を搭載した製品が落下により衝撃ストレスを受けた場合、このストレスはＢＧＡパッケージとその半田接合部に集中することになる。ＢＧＡパッケージの半田接合部は、ＱＦＰパッケージのようなリードフレームを持たないため、一番弱い箇所に応力が集中し接合部周辺で破壊が発生する。要するに、半田接合部の周辺を本発明のスペーサーにて固定させ保護することにより、強度アップが図れる。さらに、本発明のスペーサー自体がアンダーフィル材の役割を兼ね備えているので、製造工程への負担が減少できる。上述のスペーサーの貫通孔のグリットアレイ配列に関しては、ＢＧＡパッケージのソルダーバンプの配列によって決定される。ＢＧＡパッケージのソルダーバンプの配列は、入出力仕様及びサイズ等により端子数が異なり、限られた面積内に多くの端子を配列させている。よって、本発明のスペーサーの貫通孔をＢＧＡパッケージの仕様に合わせて配列させることにより、多品種なＢＧＡパッケージに使用することができる。
【００３２】
さらに、本発明のスペーサーを使用した半田接合プロセスに於いて、貫通孔の開口率とソルダーバンプとの関係は非常に重要である。要するに、貫通孔の開口率で枠取りされた範囲内にて、ソルダーバンプを半田接合させる実装プロセスである。上記のような第２構成のスペーサーに於いては、該貫通孔の内輪部の少なくとも一部分に金属が塗布した構成のスペーサーである。このスペーサーを用いて、ＢＧＡパッケージに形成されているソルダーバンプとプリント回路基板に配線されたランドとを半田接合させる。
【００３３】
実装プロセスとしては、マスクをプリント回路基板上に装着し、該マスクの上から半田ペーストを塗り込ませることにより、マスク板に開けた穴の開口部よりプリント回路基板に配線されたランド上に半田ペーストが印刷される。
【００３４】
次に、半田ペーストが印刷された該ランドの位置と、本発明であるスペーサーに設けられた貫通孔の内輪に形成されている金属の位置とが合わさった状態にて本発明品のスペーサーをプリント配線基板に貼り合せる。さらに、前記貫通孔の金属の位置と、ＢＧＡパッケージに形成されているソルダーバンプの位置とが合わさった状態にてスペーサー上にＢＧＡパッケージを搭載する。
【００３５】
本発明のスペーサーは、微細形状の貫通孔が個々のランドに分断させる枠組みの役割を果たす。要するに、ランド上の半田ペーストが個々に隔離され、該スペーサーの上にＢＧＡパッケージ端子のソルダーバンプを存在させることで半田接合の為の閉ざされた空間を確立することができる。
【００３６】
さらに、前記ＢＧＡパッケージの上部より加圧することにより、該ソルダーバンプが該スペーサーの貫通孔内輪に形成されている金属部が接触された状態になる。本発明のスペーサー内の該金属と前記ソルダーバンプとを接触させることにより、個々の表面に形成されている酸化膜を破壊することになる。よって、該金属と該ソルダーバンプとの接触部分は、導通性及び熱伝導性が良くなって、確実な半田接合を実施することが出来る。
【００３７】
次に、貼り合わさった状態にてリフロー装置内に流動し、プリヒートによりＢＧＡパッケージ及びプリント回路基板を加熱させる。この時、ＢＧＡパッケージに形成されている端子を介してソルダーバンプも加熱され、さらにプリント回路基板のランドを介して半田ペーストも加熱される。リフロー装置の温度設定をソルダーバンプが溶融する温度まで上昇させる。溶融温度にて加熱されたソルダーバンプは溶融化され、スペーサーの貫通孔内輪の金属と合金化反応を起し、ソルダーバンプと金属は金属溶融接合される。さらに、金属溶融接合されたソルダーバンプ及び金属は、スペーサーの貫通孔内部にてランド上の半田ペーストと接触し、溶融一体化される。本発明によるスペーサーの貫通孔の範囲内にて半田接合されるため、隣接しているランドから隔離でき、確実な半田接合を実施することが出来る。これは、貫通孔の限られた範囲にて半田接合を実施する事は、余分な半田ペーストが隣接するランドに流れ込むことを防ぐのに都合がよい。
【００３８】
さらに、半田ペースト内のフラックスは、スペーサーによって個々にランドとソルダーボールを一対で隔離している為、環境温度が上昇する事で確実にソルダーボールに付着することができる。
【００３９】
よって、環境温度が上がることにより、プリント回路基板上のランドに熱が伝わって半田ペーストの活性化が良くなり、確実な半田接合を実施することが出来る。環境温度を上げる手段としては、プリント回路基板側から加熱する方法があるが、本発明のスペーサーを使用することにより同様の効果を得られることとなる。次に、リフロー装置を該スペーサーが溶解する温度まで上昇させる。半田溶融温度にて加熱された該スペーサーは溶解し、その後に熱硬化する。本発明のスペーサーは、外部からの応力等が半田接合部に加わった場合に、半田接合部の不良を発生させないための応力緩和及び保護を目的とする。さらに、本発明のスペーサー自体がアンダーフィル材の役割を兼ね備えているので、製造工程への負担が減少できる。
【００４０】
本発明のスペーサーに形成する金属を薄膜形状にすることにより、該ソルダーバンプと金属部の接触範囲が安定する。それにより、接触部分の導電性及び熱伝導性が安定的に良くなり、確実な半田接合を実施することが出来る。
【００４１】
さらに、従来技術にて半田接合不良の原因であった、半田ペーストの印刷量のバラツキを改善するために、半田溶融化する金属の厚みにてランド面積に対する半田量を代用して、半田ペースト側は予備半田程度に抑えることにより、確実な半田接合を実施することが出来る。
【００４２】
さらに、図４は貫通孔の内輪に金属及び該金属上に半田フラックスを塗布した構成のスペーサーである。金属の内輪にフラックスを塗布することにより、金属の酸化防止及び半田塗れ性の維持などの役割を果たす。プリント回路基板のランド表面にプリフラックッスを塗布することにより、ランドの酸化防止及び半田塗れ性の維持などの役割を果たす。さらにまた、本発明の実装プロセスにて、ランド上の表面状態のバラツキは非常に重要であり、プリフラックスを塗布させることによりソルダーボールの防止、及び、ランド上の半田接合性を確保するための補助手段になる。さらに、金属はＢＧＡパッケージの耐熱温度より低く溶融する材質にする必要がある。要するに、実装プロセスに於いてリフロー装置内でＢＧＡパッケージの樹脂が加熱される環境が発生ために、金属部分が溶融される温度をＢＧＡパッケージの耐熱温度より低く設定する必要がある。よって、本発明の実装プロセスの最大加熱温度を、ＢＧＡパッケージの耐熱温度以下とする。
【００４３】
上述した第３構成のスペーサーに於いては、金属として、金属有機化合物を焼成させて形成した金属化合物及び金属単体を使用する構成のスペーサーである。本発明の実装プロセスで要求される金属の特徴としては、半田ペースト及びソルダーバンプとの溶融性が良好で且つ半田と同一成分が含まれていること。そこで、スズ、銀、亜鉛、銅、ビスマス等を主成分とした金属化合物及び金属単体が本発明の金属として例示できる。さらに、上記スペーサーに於いては、前記基材に方向性の意味を持ったアライメントマークを形成する必要がある。本発明の実装プロセスに於いて、ＢＧＡパッケージ及びスペーサー及びプリント回路基板との方向性を考慮しなければならない。よって、基材にスペーサーの方向性を持たせたアライメントマークを取り付けることで、位置ズレ等を防止することが可能となる。
【００４４】
【実施例】
以下図面に基づいて本発明の実施例を説明する。
【００４５】
本発明による第１〜３構成のスペーサー５の断面構成を図１に示す。スペーサー５は、基材１に貫通孔２が設けられた構造である。貫通孔２は半導体素子のパッケージであるＢＧＡパッケージのソルダーバンプ８の配置に対応するように基材１に設けられている。基材１は熱硬化性の樹脂であり、熱及び湿度による膨張性、収縮性が少なく吸湿性が低い特性を持っている。さらに基材１は、加熱されることにより接着力が増す特徴を持っている。図１（ａ）は基材１の構成の断面構成図である。
【００４６】
図１（ｂ）は、基材１が、ポリイミド等をベースに前述の特徴を持つ熱硬化性樹脂を背面処理した構成である場合を示している。貫通孔２は、基材1に対して円錐形状のホールを開けたものである。貫通孔２の配列は、グリットアレイ形状に構成されている。貫通孔２の加工手段としては、メカニカルに貫通させる手段または溶剤により溶かす手段さらにレーザー加工手段がある。貫通孔のグリットアレイの配列としては、ソルダーバンプ８配列の座標を元にして、基材１に貫通孔２を設けることにより多品種なＢＧＡパッケージ６にスペーサー５を活用できる。貫通孔２の開口率としては、ソルダーバンプ８の球径によって違いがある。ＢＧＡパッケージ６に形成されているソルダーバンプ８は、限られたパッケージエリアに多ピンの入出力信号を配線している。
【００４７】
ソルダーバンプ８の球径に合わせて貫通孔２の開口率を決定することにより多品種なＢＧＡパッケージ６にスペーサー５を活用できる。本発明の第２構成のスペーサーとして、該貫通孔２の内輪部の少なくとも一部分に金属が塗布した構成になっている。金属４を貫通孔２に塗布させる手段として、ディスペンサーにより金属４を個々の貫通孔２に対して塗布する。その後、スペーサー５全体を焼成することにより、貫通孔２の少なくとも一部分に金属４が塗布される。この時、金属が焼成されることにより有機成分が乾燥され、貫通孔２の内輪部分に薄膜形状に塗布される事となる。さらに、貫通孔２に対して金属４を塗布後にフラックッス材１４を塗布する構成がある。
【００４８】
図４（ａ）のように、スペーサー５に形成する金属４の内輪にフラックス１４を塗布することにより、金属４の酸化防止及び半田塗れ性の維持などの役割を果たす。
【００４９】
図４（ｂ）のように、プリント回路基板１１のランド１０表面にプリフラックッス１５を塗布することにより、ランド１０の酸化防止及び半田塗れ性の維持などの役割を果たす。ランド１０上の表面状態のバラツキは非常に重要であり、プリフラックス１５を塗布することによりソルダーボールの防止、及び、ランド１０上の半田接合性の確保するための補助手段になる。金属４の溶融化する温度として、ＢＧＡパッケージ６表面が加熱され、表面樹脂の形状変化が発生する耐熱温度より低い溶融温度にて溶融化する材質を選定することにより、多品種なＢＧＡパッケージ６にスペーサー５を活用できる。
【００５０】
本発明の第３構成のスペーサーとして、金属４を金属有機化合物から焼成させて形成した金属化合物及び金属単体を使用する構成となっている。金属４としては、スズ、銀、亜鉛、銅、ビスマス等を主成分とした金属化合物及び金属単体である。金属４の主成分としては、半田ペースト材９と同等の溶融温度特性をもっているのが好ましい。さらに、図１のように、スペーサー５の一角に切り欠きを設けることにより、ＢＧＡパッケージ６及びプリント回路基板１１との搭載する向きを合わせることが可能となる。本発明の第１構成のスペーサー５を使用した実装プロセスの第１の実施例を以下に記載する。
【００５１】
図５（ａ）のように、プリント回路基板１１とマスク１６を張り合わせ、マスク１６上の半田ペースト９をスキージ１７により矢印１８方向に移動させることにより、マスク１６の開口部より半田ペースト９が押し出され、プリント回路基板１１に配線されているランド１０上に印刷される。
【００５２】
次に、図５（ｂ）のように、スペーサー５に設けられたアライメントマーク３を、アライメントマーク認識手段１９により読み取ってスペーサー５とプリント回路基板１１とを貼り合せる。この時、半田ペースト９が印刷されたランド１０の位置と、スペーサー５に設けられた貫通孔２の位置とが合わさった状態にて貼り合せる。さらに、スペーサー５に設けられたアライメントマーク３を、アライメントマーク認識手段１９により読み取ってスペーサー５とＢＧＡパッケージ６を貼り合せる。
【００５３】
図２（ａ）は、本発明の第１構成のスペーサー５の状態図である。上記の工程にて、ＢＧＡパッケージ６とスペーサー５及びプリント回路基板１１が貼り合わさった状態である。この時のスペーサー５は、微細形状の貫通孔２が個々のランド１０に分断させる枠組みの役割を果たす。
【００５４】
次に、図５（ｃ）で示すように、加圧手段２０により矢印２１方向に加圧することにより、ソルダーバンプ８がスペーサー５の貫通孔２内輪に挿入された状態になる。
【００５５】
図２（ｂ）は、本発明の第１構成のスペーサー５の状態図である。上記の工程にて、ランド１０上の半田ペースト９が個々に隔離され、スペーサー５の上にＢＧＡパッケージ端子７のソルダーバンプ８を存在させることで半田接合の為の閉ざされた空間の形態を確立できる。
【００５６】
次に、図５（ｄ）のように、ＢＧＡパッケージ６とスペーサー５及びプリント回路基板１１が貼り合わさった状態で、搬送手段２５により加熱手段２２に流動される。さらに、加熱温度制御手段２３によりプリヒートの温度まで上昇させ、ＢＧＡパッケージ６及びプリント回路基板１１を加熱させる。加熱手段２２としては、リフロー炉に流動させ環境温度を上昇させる方式及びリフロー炉に流動させスポット的にエアーを吹付けるエアーリフロー方式及び温風を直接吹付ける温風供給方式がある。
【００５７】
図２（ｃ）は、本発明の第１構成のスペーサー５の状態図である。上記の工程にて、ＢＧＡパッケージ端子７を介してソルダーバンプ８も加熱され、尚且つプリント回路基板１１のランド１０を介して半田ペースト９も加熱される。次に、加熱温度制御手段２３によって、ソルダーバンプ８が溶融する温度まで上昇させる。
【００５８】
図２（ｄ）は、本発明の第１構成のスペーサー５の状態図である。上記の工程にて、溶融温度にて加熱されたソルダーバンプ８は溶融化され、スペーサー５の貫通孔２の内部にてランド１０上の半田ペースト９と接触し、溶融一体化される。スペーサー５の貫通孔２の範囲内にて半田接合されるため、隣接しているランド１０から隔離でき、確実な半田接合を実施することが出来る。
【００５９】
次に、図５（ｅ）のように、加熱温度制御手段２３によって、スペーサー５が溶融する温度まで上昇させる。
【００６０】
図２（ｅ）は、本発明の第１構成のスペーサー５の状態図である。上記の工程にて、溶融温度に加熱されたスペーサー５は熱容量に反応してマスク形状を崩しながら、ＢＧＡパッケージ６とプリント回路基板１１の空間に流れ込み、その後に熱硬化する。スペーサー５は、外部からの応力等が半田接合部に加わった場合に半田接合部の不良を発生させないための応力緩和及び保護を目的とする。さらに、スペーサー５自体がアンダーフィル材の役割を兼ね備えているので、製造工程への負担が減少できる。尚、図２（ｄ）の状態から、アンダーフィル材をＢＧＡパッケージ６の周辺に塗布し、再度熱処理を実施し、硬化させる方法も好ましい。
【００６１】
本発明の第２および第３構成のスペーサー５を使用した実装プロセスの第２の実施例を以下に記載する。図５（ａ）のように、プリント回路基板１１とマスク１６を張り合わせ、マスク１６上の半田ペースト９をスキージ１７により矢印１８方向に移動させることにより、マスク１６の開口部より半田ペースト９が押し出され、プリント回路基板１１に配線されているランド１０上に印刷される。次に、図５（ｂ）のように、スペーサー５に設けられたアライメントマーク３を、アライメントマーク認識手段１９により読み取ってスペーサー５とプリント回路基板１１とを貼り合せる。この時、半田ペースト９が印刷されたランド１０の位置と、スペーサー５に設けられた貫通孔２の内輪に形成されている金属４の位置とが合わさった状態にて貼り合せる。この時、半田ペースト９が印刷されたランド１０の位置と、スペーサー５に設けられた貫通孔２の位置とが合わさった状態にて貼り合せる。さらに、スペーサー５に設けられたアライメントマーク３を、アライメントマーク認識手段１９により読み取ってスペーサー５とＢＧＡパッケージ６を貼り合せる。
【００６２】
図３（ａ）は、本発明の第２〜３構成のスペーサー５の状態図である。上記の工程にて、ＢＧＡパッケージ６とスペーサー５及びプリント回路基板１１が貼り合わさった状態である。この時のスペーサー５は、微細形状の貫通孔２が個々のランド１０に分断させる枠組みの役割を果たす。次に、図５（ｃ）のように、加圧手段２０により矢印２１方向に加圧することにより、ソルダーバンプ８がスペーサー５の貫通孔２内輪に挿入された状態になる。
【００６３】
図３（ｂ）は、本発明の第２〜３構成のスペーサー５の状態図である。上記の工程にて、ランド１０上の半田ペースト９が個々に隔離され、スペーサー５の上にＢＧＡパッケージ端子７のソルダーバンプ８を存在させることで半田接合の為の閉ざされた空間を確立する事ができる。さらに、ＢＧＡパッケージ６の上部より加圧することにより、ソルダーバンプ８がスペーサー５の貫通孔２内輪に形成されている金属４部が接触された状態になる。スペーサー５内の金属４とソルダーバンプ８とを接触させることにより、個々の表面に形成されている酸化膜を破壊することになる。よって、金属４とソルダーバンプ８との接触部分は、導通性及び熱伝導性が良くなって、確実な半田接合を実施することが出来る。次に、図５（ｄ）のように、ＢＧＡパッケージ６とスペーサー５及びプリント回路基板１１が貼り合わさった状態で、搬送手段２５により加熱手段２２に流動される。さらに、加熱温度制御手段２３によりプリヒートの温度まで上昇させ、ＢＧＡパッケージ６及びプリント回路基板１１を加熱させる。
【００６４】
図３（ｃ）は、本発明の第２〜３構成のスペーサー５の状態図である。上記の工程にて、ＢＧＡパッケージ端子７を介してソルダーバンプ８も加熱され、尚且つプリント回路基板１１のランド１０を介して半田ペースト９も加熱される。
【００６５】
次に、加熱温度制御手段２３によって、ソルダーバンプ８が溶融する温度まで温度を上昇させる。溶融温度にて加熱されたソルダーバンプ８は溶融化され、スペーサー５の貫通孔２内輪の金属４と合金化反応を起し、ソルダーバンプ８と金属４は金属溶融接合される。さらに、金属溶融接合されたソルダーバンプ８及び金属４は、スペーサー５の貫通孔２内部にてランド１０上の半田ペースト９と接触し、溶融一体化される。スペーサー５の貫通孔２の範囲内にて半田接合されるため、隣接しているランド１０から隔離でき、確実な半田接合を実施することが出来る。これは、貫通孔２の限られた範囲にて半田接合を実施するため、環境温度を封じ込める役割を果たし、プリント回路基板１１上のランド１０に熱が伝わって半田ペースト９の活性化が良くなり、確実な半田接合を実施することが出来る。次に図５（ｅ）のように、加熱温度制御手段２３によって、スペーサー５が溶融する温度まで上昇させる。
【００６６】
図３（ｄ）は、本発明の第２〜３構成のスペーサー５の状態図である。上記の工程にて、溶融温度に加熱されたスペーサー５は熱容量に反応してマスク形状を崩しながら、ＢＧＡパッケージ６とプリント回路基板１１の空間に流れ込み、その後に熱硬化する。スペーサー５は、外部からの応力等が半田接合部に加わった場合に半田接合部の不良を発生させないための応力緩和及び保護を目的とする。さらに、スペーサー５自体がアンダーフィル材の役割を兼ね備えているので、製造工程への負担が減少できる。
【００６７】
尚、図３（ｃ）の状態から、アンダーフィル材をＢＧＡパッケージ６の周辺に塗布し、再度熱処理を実施し、硬化させる方法も好ましい。
【００６８】
【発明の効果】
この発明によれば、以上説明したように、次のような効果が得られる。
【００７２】
貫通孔の配列をＢＧＡパッケージの仕様に合わせることにより多品種なＢＧＡパッケージに本発明のスペーサーを活用することができる。
【００７３】
さらに、貫通孔の開口率をソルダーバンプの球径に合わせて決定させることにより多品種なＢＧＡパッケージに本発明のスペーサーを活用することができる。
【００７４】
さらにまた、ランド上の半田ペーストが個々に隔離され、本発明のスペーサー上にＢＧＡパッケージ端子のソルダーバンプを存在させることで半田接合の為の閉ざされた空間の形態を確立する事ができる。
【００７５】
さらに、本発明のスペーサー内の金属とソルダーバンプとを接触させることにより、個々の表面に形成されている酸化膜を破壊することになり、接触部分が導通性及び熱伝導性が良くなって、確実な半田接合を実施できる。さらに、半田ペーストの印刷量のバラツキを改善するために、半田溶融化する金属の厚みにてランド面積に対する半田量を代用して、半田ペースト側は予備半田程度に抑えることにより、確実な半田接合を実施できる。
【００７６】
本発明によるスペーサーの貫通孔の範囲内にて半田接合されるため、隣接しているランドから隔離でき、確実な半田接合を実施できる。
【００７７】
ＢＧＡパッケージの半田接合部は、ＱＦＰパッケージのようなリードフレームを持たないため、一番弱い箇所に応力が集中し接合部周辺で破壊が発生するよって、半田接合部の周辺を本発明のスペーサーにて固定させ保護することにより、強度アップがはかれる。
【００７８】
さらに、本発明のスペーサー自体がアンダーフィル材の役割を兼ね備えているので、製造工程への負担が減少できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるスペーサーの構成を示す断面図である。
【図２】本発明によるスペーサーを用いてパッケージと回路基板を実装する、本発明における工程を模式的に示す状態図である。
【図３】本発明によるスペーサーを用いてパッケージと回路基板を実装する、本発明における工程を模式的に示す状態図である。
【図４】貫通孔の内輪に金属、及び、フラックスが設けられたスペーサーを用いて実装する場合を模式的に示す状態図である。
【図５】本発明の実装プロセスを模式的に示す工程図である。
【図６】従来の実装プロセスを模式的に示す工程図である。
【図７】従来技術に於ける半田ペースト印刷量にバラツキが発生した時の半田接合不良を説明する状態図である。
【図８】従来技術に於けるソルダーバンプとランドの搭載のバラツキによる半田接合不良を説明する状態図である。
【符号の説明】
１ 基材
２ 貫通孔
４ 金属
５ スペーサー
６ ＢＧＡパッケージ
８ ソルダーバンプ
１０ ランド
１１ 回路基板

Claims (6)

1. 素子のソルダーバンプと回路基板との間に設けられるスペーサーであって、加熱によりアンダーフィル機能の役割をする基材を備え、前記基材には素子に設けられたソルダーバンプの配置に対応するように貫通孔が設けられ、前記貫通孔の少なくとも一部分に金属が設けられたことを特徴とするスペーサー。
2. 前記金属が金属有機化合物であることを特徴とする請求項１に記載のスペーサー。
3. 回路基板に設けられたランドの上に半田ペーストを設ける第一の工程と、
   素子に設けられたソルダーバンプと、前記ソルダーバンプと対応する位置に貫通孔が設けられるとともに前記貫通孔の少なくとも一部に金属が設けられたスペーサーと、前記回路基板とを、前記貫通孔の金属と前記ソルダーバンプが接触するように位置を合わせて貼り合せる第二の工程と、
   前記ソルダーバンプを加熱することにより、前記ソルダーバンプを溶かして前記金属と前記半田ペーストを溶融一体化する第三の工程と、を備えることにより、前記ソルダーバンプと前記ランドが半田接合することを特徴とする実装方法。
4. 前記スペーサーを加熱することによりスペーサーを溶かして半田接合箇所に流れ出させる工程と、前記スペーサーを熱硬化する工程とを有することにより、ソルダーバンプとランドの半田接合箇所を封止することを特徴とする請求項３に記載の実装方法。
5. 前記ランド表面にプリフラックスを設ける工程を備えることを特徴とする請求項３または４に記載の実装方法。
6. 前記金属の表面にフラックスを設ける工程を備えることを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載の実装方法。

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