JP4137112B2 - 電子部品の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半田ボールを用いた電子部品の端子の形成方法に関し、特に、ベアチップや表面実装用パッケージの半田バンプの形成方法に関する。
表面実装型の電子部品、例えばボールグリッドアレイ(BGA)やチップサイズパッケージ(CSP)では、端子として半田ボールがよく用いられている。近年、電子部品の高密度実装の要求に伴って、電子部品において端子数の増加および端子ピッチの縮小が進んでいる。また、これを実現するために、端子に用いられる半田ボールの直径も縮小されてきている。
ここで、図7ないし図14を参照して、従来の、半田ボールを用いた端子の形成方法の一例について説明する。この方法では、まず、図7に示したように、電子部品本体(以下、単に本体という。)111を用意する。この本体111は、基板部112と、導体層113と、ソルダーレジスト層114とを有している。基板部112は、例えば半導体製造技術によって形成された所定の素子または回路を含んでいる。導体層113は、基板部112の1つの面(図7における上面)112aの上に配置されている。この導体層113は、上記素子または回路に接続されている。ソルダーレジスト層114は、面112aおよび導体層113の上面の上に配置されている。ソルダーレジスト層114には、導体層113の上面のうち、後に半田ボールを用いた端子が配置される部分(以下、端子配置部という。)113aを露出させる開口部が形成されている。次に、端子配置部113aの上に、図示しないフラックスを塗布した後、例えばスクリーン印刷によって半田ペースト115Pを塗布する。図8は、端子配置部113aの上にフラックスおよび半田ペースト115Pが配置された状態を示している。
次に、図9に示したように、半田ボール吸着治具120を用いて、多数の半田ボール101を収容した容器106内から、電子部品の端子に用いる複数の半田ボール101を拾い上げ、保持する。半田ボール吸着治具120は、それぞれ半田ボール101を収容する複数の吸着穴121と、これらの吸着穴121に接続された吸引路122とを有している。そして、この半田ボール吸着治具120では、図示しない吸引ポンプによって吸引路122内の気体を吸引することによって、各吸着穴121に半田ボール101を吸着させて、複数の半田ボール101を保持するようになっている。複数の吸着穴121の配置は、本体111における複数の端子配置部113aの配置に対応している。容器106には超音波振動が与えられ、これにより、容器106内に収容された複数の半田ボール101が互いに離れなくなることが防止される。
次に、図10に示したように、半田ボール吸着治具120によって保持された複数の半田ボール101が複数の端子配置部113aの真上に配置されるように、半田ボール吸着治具120を本体111の上方に配置する。
次に、図11に示したように、半田ボール吸着治具120による半田ボール101の保持を解除して、各端子配置部113aの上に各半田ボール101を搭載する。この時点で、各半田ボール101は、半田ペースト115Pによって端子配置部113aに対して仮接着される。
次に、図12に示したように、半田ボール101および半田ペースト115Pをリフローして、半田ボール101と端子配置部113aとを半田接合する。このようにして、本体111に対して複数の半田ボール101が取り付けられる。なお、半田ペースト115Pは、リフロー後に、半田ボール101と端子配置部113aとの接合部の周囲の配置される半田層115となる。
次に、図13に示したように、例えば、複数の半田ボール101が取り付けられた本体111を、容器130内に収容された有機溶剤131中に浸漬させて、本体111よりフラックス残渣を除去する。
以上の工程により、図14に示したように、本体111に対して、半田ボール101を用いた端子が形成される。電子部品は、本体111と、この本体111に形成された端子とを備えている。
ところで、従来より種々の目的から、半田ボールに対して薄い被覆層を形成する技術が提案されている。特許文献1は、輸送中や登載中に半田ボールが傷付いて酸化することを防止すると共に、半田ボール吸着治具から半田ボールをリリースし易くするために、半田ボールに滑剤を被覆する技術を開示している。ここには、半田ボールの表面に脂肪族炭化水素系滑剤、高級脂肪族アルコール・高級脂肪酸系滑剤、脂肪酸アマイド系滑剤、金属石鹸系滑剤、脂肪酸エステル系滑剤、複合滑剤等の滑剤を均一に被覆し、その厚さとして、約1オングストローム(約0.1nm)と約10オングストローム(約1nm)という値が示されている。
特許文献2は、収容時において複数の半田ボール同士が微接着すること(互いに離れ難くなること)を防止するために、半田ボールに対して、フッ素樹脂をコーティングする技術を開示している。コーティングの厚さは、例えば、1〜20nmである。
特許文献3は、フラックスと共に半田ペーストを構成する半田粉末に対して、有機酸塩の被覆層を形成する技術を開示している。半田粉末の直径の例として10〜100μmという値が記載され、被覆層の厚さの例として0.1〜10μmという値が記載されている。
特開2000−288771号公報 特開2004−160514号公報 特開2000−317682号公報
図7ないし図14を用いて説明した従来の端子の形成方法では、以下のような問題点があった。まず、電子部品における端子数の増加および端子ピッチの縮小に伴って半田ボール101の直径が縮小されてくると、それに応じて、半田ボール吸着治具120の吸着穴121も小さくなってくる。すると、半田ボール吸着治具120を用いて複数の半田ボール101を拾い上げる際に半田ボール101を保持しない吸着穴121が存在したり、半田ボール101を端子配置部113aの上に搭載する前に半田ボール101が吸着穴121から脱落したりすることが起こり易くなる。また、端子数の増加、端子ピッチの縮小および半田ボール101の直径の縮小に伴い、半田ボール101が本体111における正しい位置に配置されない場合が起こり易くなる。このように、従来の端子の形成方法では、端子数の増加、端子ピッチの縮小および半田ボール101の直径の縮小に伴って、半田ボール101を本体111における端子配置部113aの上に搭載することに関して不良が発生し易くなるという問題点がある。
また、従来の端子の形成方法では、端子数の増加および端子ピッチの縮小に伴って、半田ペースト115Pを本体111における正しい位置に配置することが難しくなるという問題点がある。
また、従来の端子の形成方法では、フラックスを必要とすることから、フラックスを塗布する工程およびフラックス残渣を除去する工程が必要になると共に、フラックス残渣の除去のために用いる有機溶剤の回収および処理が必要になるという問題点がある。
このような問題点は、特許文献1ないし3に記載された各技術により解決することはできないし、その方法も示唆されていない。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、半田ボールを用いた電子部品の製造方法であって、半田ボールと電子部品の導電性領域との接続不良を抑制し、信頼性および歩留まりを向上させる電子部品の製造方法を提供することにある。
本発明に係る電子部品の製造方法は、半田よりなる球状のコアと、コアを被覆する被覆層とを備えた半田ボールであって、前記被覆層がコアの溶融温度より低い溶融温度の樹脂を含む、前記半田ボールを複数用意する工程と、電子部品上に形成された複数の導電性領域に対して半田ボールをそれぞれ配置する工程と、前記複数の半田ボールを加熱し、前記被覆層を0.01〜50Pa・sの粘度で溶融させ、半田ボールを導電性領域にリフロー接続する工程とを含む電子部品の製造方法。
好ましくは、半田ボールが加熱されたとき、被覆層は、0.01〜50Pa・sの粘度を有し、半田ボールが約150〜300度の範囲で加熱されるとき、被覆層の溶融温度は、150〜300度の範囲中の少なくとも20度の幅の温度範囲にある。半田ボールは、導電性領域への仮接着を容易にするため、搭載前に予備加熱されるようにしてもよい。
コアの直径は、30〜500μm、被覆層の厚さは、5〜100μmである。被覆層は、フラックス作用を有する成分を含むものであってもよい。被覆層は、例えば、エポキシ樹脂と、フラックス作用を有する成分としてのイミダゾール系硬化剤とを含む。なお、フラックス作用とは、金属酸化膜を除去する作用である。
上記製造方法では、半田ボールのリフロー接続時に、被覆層の溶融によりコアが導電性領域に接触し、次いで、コアが導電性領域の導電性部材と半田接合される。そして、コアの導電性領域と対向する側が溶融された被覆層によって露出され、被覆層は、前記コアと導電性部材との接合部の周辺に広がる。周辺に広がった被覆層は、接続された半田ボールを補強する補強層となる。
半田ボールは、半導体チップの主面に形成された電極に接続されるものでもよいし、半導体パッケージの主面に形成された導電性領域に接続されるものでもよい。さらに、半田ボールは、配線基板に形成された導電性領域に接続されるものでもよい。これらの半田ボールは、バンプ電極またはバンプ端子として機能する。
本発明に係る電子部品の製造方法では、コアの溶融温度より低い溶融温度の被覆でコアを被覆して半田ボールを形成し、この半田ボールを電子部品の導電性領域に接合するようにしたので、半田ボールを吸着治具等により吸着する際に操作性が容易になり、電子部品への半田ボールの接合不良を軽減することができる。好ましくは、コアの直径が30〜500μmの範囲内であるのに対し、被覆層の厚さが5〜100μmの範囲内であり、マイクロボールの直径は、コアの直径と等しい直径の半田ボールに比べて大きくなり、その点においても操作性が容易となり、同時に、コアの直径と等しい直径の半田ボールを用いた場合と同等のバンプまたは端子を形成することが可能になる。
また、半田ボールの被覆層がフラックス作用を有する成分を含んでいる場合には、フラックスを用いることなく、フラックスを用いた場合と同様に金属酸化膜を除去して電子部品の端子を形成することが可能になる。さらに、リフロー工程において、コアと導電性領域との接合部の周辺に広がった被覆層は、リフロー工程の後において、導電性領域に接合された半田ボールを補強する補強層を簡単に形成することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。始めに、図1および図2を参照して、本発明の一実施の形態に係る電子部品の端子の形成方法において用いられるマイクロボールおよびその製造方法について説明する。図1は、本実施の形態におけるマイクロボールにおけるコアを示す断面図である。図2は、本実施の形態におけるマイクロボールの断面図である。図2に示したように、本実施の形態におけるマイクロボール1は、半田よりなる球状のコア2と、コア2を覆う被覆層3とを備えている。コア2を構成する半田は、鉛を含まない半田でもよいし、鉛含有半田でもよい。被覆層3は、樹脂を含んでいる。コア2の直径は、30〜500μmの範囲内である。被覆層3の厚さは、5〜100μmの範囲内である。
また、150〜300℃の範囲中の少なくとも20℃の幅の温度範囲において、被覆層3は溶融し、被覆層3の粘度は0.01〜50Pa・sの範囲内となる。この条件は、コア2を構成する半田が溶融する温度において、被覆層3も溶融することを規定している。なお、一般的に、鉛を含まない半田の溶融温度は、およそ260〜280℃であり、鉛含有半田の溶融温度は、およそ220〜240℃である。
また、被覆層3の粘度が上記の条件を満たすならば、被覆層3に含まれる樹脂は、熱硬化性樹脂でもよいし、熱可塑性樹脂でもよい。また、被覆層3は、樹脂と他の材料とを含む樹脂組成物によって構成されていてもよい。また、被覆層3は、フラックス作用を有する成分を含んでいてもよい。この場合、被覆層3は、エポキシ樹脂と、フラックス作用を有する成分としてのイミダゾール系硬化剤とを含んでいてもよい。
また、被覆層3は、常温(25℃)において流動性を有してない。また、常温(25℃)における被覆層3のタック性(粘着性)は、複数のマイクロボール1の被覆層3同士が接着しない程度に、十分に小さい。
次に、マイクロボール1の製造方法について説明する。まず、図1に示したように、コア2を形成する。コア2の形成方法は、従来の半田ボールの形成方法と同様である。次に、図2に示したように、コア2を覆うように被覆層3を形成する。被覆層3は、例えば、特許文献3に記載されている被覆層の形成方法と同様の以下の方法によって形成することができる。この方法では、まず、被覆層3を構成する樹脂または樹脂組成物を有機溶剤に溶解させてなる溶液を作製する。次に、連続して落下する複数のコア2に対して、吹き付け装置を用いて、溶液を霧状に吹き付ける。これにより、コア2の表面に溶液が付着する。次に、溶液が付着して落下するコア2に対して、吹き付け装置の下方に配置した熱風乾燥機によって熱風を吹き付けて、コア2の表面から有機溶剤を蒸発させる。これにより、コア2の表面には、被覆層3を構成する樹脂または樹脂組成物よりなる層が形成される。そして、コア2に対して溶液の吹き付ける処理と、コア2の表面から有機溶剤を蒸発させる処理を、繰り返し実行することにより、所望の厚さの被覆層3を形成することができる。なお、被覆層3の形成方法は、上記の方法に限られるわけではない。
次に、図3ないし図6を参照して、本実施の形態に係る電子部品の端子の形成方法について説明する。この方法では、まず、図3に示したように、マイクロボール吸着治具20を用いて、多数のマイクロボール1を収容した容器6内から、電子部品の端子に用いる複数のマイクロボール1を拾い上げ、保持する。マイクロボール吸着治具20は、それぞれマイクロボール1を収容する複数の吸着穴21と、これらの吸着穴21に接続された吸引路22とを有している。そして、このマイクロボール吸着治具20では、図示しない吸引ポンプによって吸引路22内の気体を吸引することによって、各吸着穴21にマイクロボール1を吸着させて、複数のマイクロボール1を保持するようになっている。複数の吸着穴21の配置は、後で説明する電子部品本体における複数の端子配置部の配置に対応している。容器6には超音波振動が与えられ、これにより、容器6内に収容された複数のマイクロボール1が互いに離れなくなることが防止される。
次に、図4に示したように、電子部品本体(以下、単に本体という。)11を用意する。この本体11は、基板部12と、導体層13と、ソルダーレジスト層14とを有している。基板部12は、例えば半導体製造技術によって形成された所定の素子または回路を含んでいる。導体層13は、基板部12の1つの面(図4における上面)12aの上に配置されている。この導体層13は、上記素子または回路に接続されている。ソルダーレジスト層14は、面12aおよび導体層13の上面の上に配置されている。ソルダーレジスト層14には、導体層13の上面のうち、後にマイクロボールを用いた端子が配置される導電性領域(以下、端子配置部という。)13aを露出させる開口部が形成されている。
次に、マイクロボール吸着治具20によって保持された複数のマイクロボール1が複数の端子配置部13aの真上に配置されるように、マイクロボール吸着治具20を本体11の上方に配置する。次に、マイクロボール吸着治具20によるマイクロボール1の保持を解除して、各端子配置部13aの上に各マイクロボール1を搭載する。なお、端子配置部13aの上にマイクロボール1を搭載する前に、被覆層3が若干溶融する温度(例えば150℃)で、本体11を加熱しておくことが好ましい。これにより、端子配置部13aの上にマイクロボール1を搭載したときに、被覆層3が若干溶融して、マイクロボール1を端子配置部13aに対して仮接着することができる。
次に、図5および図6に示したように、マイクロボール1をリフローする。以下、この工程をリフロー工程と呼ぶ。図5は、リフロー工程における途中の段階を示している。図6は、リフロー工程の最終段階を示している。リフローの時間は、例えば10〜30秒である。リフローの温度は、コア2を構成する半田が溶融する温度である。具体的には、コア2を構成する半田が、鉛を含まない半田の場合には、リフローの温度は、例えば260〜280℃である。また、コア2を構成する半田が、鉛含有半田の場合には、リフローの温度は、例えば220〜240℃である。
図5に示したように、リフロー工程では、始めに被覆層3が溶融する。その結果、コア2は、その自重によって下降する。そして、コア2は、端子配置部13aに接触する。その後、図6に示したように、被服層3は、その低粘性により幾分流れ出し、コア2の頂部2aを露出させる。流れ出した被服層3aは、コア2と端子配置部13aとの接合部の周辺に広がり、コア2の接合部の補強層として働く。さらに、コア2が溶融し、コア2と端子配置部13aとが半田接合される。このようにして、コア2によって電子部品のバンプ端子が形成される。リフロー工程後、コア2の外周面のうち、端子配置部13aとは反対側に配置された頂部2aは、被覆層3によって覆われずに外部に露出している。
被覆層3が、フラックス作用を有する成分を含んでいる場合には、リフロー工程において、被覆層3が溶融したときに、フラックス作用を有する成分によって、端子配置部13aの表面の金属酸化膜が除去される。これにより、コア2と端子配置部13aとの濡れ性が増し、両者を良好に接合させることが可能になる。
被覆層3に含まれる樹脂が熱可塑性樹脂である場合には、リフロー工程後、被覆層3の温度が低下すると、被覆層3は固化し、コア2を用いた端子を補強するための補強層となる。被覆層3に含まれる樹脂が熱硬化性樹脂である場合には、リフロー工程後の電子部品に対して、コア2を構成する半田が溶融する温度よりも低い温度で、比較的長時間の熱処理を施すことによって、被覆層3を硬化させる。これにより、被覆層3は、コア2を用いた端子を補強するための補強層となる。被覆層3を硬化させるための熱処理の温度は、例えば150〜200℃であり、熱処理の時間は、例えば30〜60分である。
電子部品は、本体11と、この本体11に形成された端子とを備えている。この電子部品は、例えば実装用基板に実装される。その際、端子は、実装用基板における導体層に接続される。端子を構成するコア2の外周面のうち、端子配置部13aとは反対側に配置された一部は、被覆層3によって覆われずに外部に露出している。そのため、端子を実装用基板における導体層に接続する際に、被覆層3が妨げになることはない。
以上説明したように、本実施の形態におけるマイクロボール1は、半田よりなる球状のコア2と、コア2を覆う被覆層3とを備えている。コア2の直径は30〜500μmの範囲内であり、被覆層3の厚さは5〜100μmの範囲内である。このマイクロボール1によれば、コア2の直径と等しい直径の半田ボールを用いた場合と同等の端子を形成することが可能になる。
一方、マイクロボール1の直径は、コア2の直径と等しい直径の半田ボールに比べて大きくなる。従って、本実施の形態におけるマイクロボール1は、コア2の直径と等しい直径の半田ボールに比べて、取り扱いが容易である。具体的には、本実施の形態によれば、マイクロボール吸着治具20の吸着穴21の大きさを、コア2よりも直径が大きなマイクロボール1の大きさに合わせたものとすることができる。そのため、本実施の形態によれば、電子部品における端子数の増加および端子ピッチの縮小に伴ってコア2の直径を小さくした場合でも、吸着穴21の大きさは、あまり小さくする必要はない。そのため、本実施の形態によれば、マイクロボール吸着治具20を用いて複数のマイクロボール1を拾い上げる際にマイクロボール1を保持しない吸着穴21が存在したり、マイクロボール1を端子配置部13aの上に搭載する前にマイクロボール1が吸着穴21から脱落したりすることを防止することができる。また、本実施の形態によれば、マイクロボール1は、端子となるコア2よりも大きいので、マイクロボール1を本体11における正しい位置に配置することが容易になる。以上のことから、本実施の形態によれば、マイクロボール1を、本体11における端子配置部13aの上に搭載することに関する不良の発生を防止することができる。
また、本実施の形態によれば、電子部品の端子の形成方法において、半田ペーストを塗布する工程が不要になるので、工程数を少なくすることができる。
また、本実施の形態によれば、電子部品の端子の形成方法において、フラックスを塗布する工程およびフラックス残渣を除去する工程が不要になるので、フラックス残渣の除去のために用いる有機溶剤の回収および処理が不要になる。従って、本実施の形態によれば、電子部品の端子の形成方法において、工程数を少なくすることができる。但し、本実施の形態において、被覆層3はフラックス作用を有する成分を含んでいてもよく、この場合には、フラックスを用いることなく、フラックスを用いた場合と同様に金属酸化膜を除去して電子部品の端子を形成することが可能になる。
また、本実施の形態によれば、電子部品の端子の形成方法において、溶融した被覆層が端子配置部の周辺に存在することにより、当該被覆層が補強層として機能することが可能である。
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、マイクロボールにおける被覆層は、互いに材料の異なる2つ以上の層によって構成されていてもよい。この場合、例えば、被覆層における最も外側の層は、被覆層のタック性を小さくするための層であってもよい。さらに本発明は、ベアチップの電極、半導体パッケージの端子、プリント配線基板のランド電極等へのバンプの形成にマイクロボールを用いることができる。
本発明の一実施の形態におけるマイクロボールのコアを示す断面図である。 本発明の一実施の形態におけるマイクロボールの断面図である。 本発明の一実施の形態に係る電子部品の端子の形成方法における一工程を示す断面図である。 図3に示した工程に続く工程を示す断面図である。 図4に示した工程に続く工程を示す断面図である。 図5に示した工程に続く工程を示す断面図である。 従来の端子の形成方法における一工程を示す断面図である。 図7に示した工程に続く工程を示す断面図である。 図8に示した工程に続く工程を示す断面図である。 図9に示した工程に続く工程を示す断面図である。 図10に示した工程に続く工程を示す断面図である。 図11に示した工程に続く工程を示す断面図である。 図12に示した工程に続く工程を示す断面図である。 図13に示した工程に続く工程を示す断面図である。
符号の説明
1…マイクロボール、2…コア、3…被覆層、11…電子部品本体、12…基板部、13…導体層、13a…端子配置部、14…ソルダーレジスト層、20…マイクロボール吸着治具。

Claims (11)

  1. 半田よりなる球状のコアと、コアを被覆する被覆層とを備えた半田ボールであって、前記被覆層がコアの溶融温度より低い溶融温度の樹脂を含む、前記半田ボールを複数用意する工程と、
    基板部上のソルダレジスト層に形成された開口部によって露出された複数の導体層に対して半田ボールをそれぞれ配置する工程と、
    前記複数の半田ボールを加熱し、前記被覆層を0.01〜50Pa・sの粘度で溶融させ、前記コアの導体層と対向する側が、溶融された被覆層によって露出され、前記被覆層は、前記コアと導電性部材との接合部の周辺の前記ソルダレジスト層上に広がり、前記コアを導体層にリフロー接続する工程と、
    前記リフロー工程後に、前記接合部の周辺の前記ソルダレジスト層上に広がった被覆層がコアの接合部の補強層を形成する工程と、
    を含む電子部品の製造方法。
  2. 半田ボールは、150〜300度の範囲で加熱され、被覆層の溶融温度は、150〜300度の範囲中の少なくとも20度の幅の温度範囲にある、請求項1に記載の製造方法。
  3. 半田ボールは、導体層に配置される前に予備加熱される、請求項1に記載の製造方法。
  4. 前記コアの直径は、30〜500μmであり、前記被覆層の厚さは、5〜100μmである、請求項1ないし3いずれか1つに記載の製造方法。
  5. 前記被覆層は、フラックス作用を有する成分を含む請求項1ないし4いずれか1つ記載の製造方法。
  6. 前記被覆層は、エポキシ樹脂と、フラックス作用を有する成分としてのイミダゾール系硬化剤とを含む、請求項1ないし5いずれか1つに記載の製造方法。
  7. 半田ボールがリフロー接続されるとき、被覆層の溶融によりコアが導体層に接触し、次いで、コアが導体層と半田接合される、請求項1ないし6いずれか1つに記載の製造方法。
  8. 前記半田ボールを導体層に配置する工程は、吸着装置に形成された複数の吸着穴で半田ボールを吸着し、吸着された半田ボールを各導体層に配置する、請求項1ないし7のいずれか1つに記載の電子部品の製造方法。
  9. 半田ボールは、半導体チップの主面に形成された電極に接続される、請求項1ないし8いずれか1つに記載の製造方法。
  10. 半田ボールは、半導体パッケージの主面に形成された導体層に接続される、請求項1ないし8いずれか1つに記載の製造方法。
  11. 半田ボールは、配線基板に形成された導体層に接続される、請求項1ないし8いずれか1つに記載の製造方法。
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