JP4218175B2

JP4218175B2 - 感光性フラックス及びこれを用いた半田接合部

Info

Publication number: JP4218175B2
Application number: JP2000085624A
Authority: JP
Inventors: 猛八月朔日; 亮一岡田; 高橋　　豊誠; 謙介中村
Original assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Bakelite Co Ltd
Priority date: 2000-03-27
Filing date: 2000-03-27
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2020-03-27
Also published as: JP2001274192A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体パッケージをプリント配線板に搭載する際の半田接続に関し、さらには半導体チップを半導体搭載用基板にフリップチップ半田接続により搭載する際の感光性フラックスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の電子機器の高機能化並びに軽薄短小化の要求に伴い、電子部品の高密度集積化、さらには高密度実装化が進んできており、これらの電子機器に使用される半導体パッケージは、従来にも増して益々小型化かつ多ピン化が進んできている。
【０００３】
半導体パッケージはその小型化に伴って、従来のようなリードフレームを使用した形態のパッケージでは、小型化に限界がきているため、最近では回路基板上にチップを実装したものとして、ＢＧＡ（ＢａｌｌＧｒｉｄＡｒｒａｙ）や、ＣＳＰ（ＣｈｉｐＳｃａｌｅＰａｃｋａｇｅ）といった、エリア実装型の新しいパッケージ方式が提案されている。これらの半導体パッケージにおいて、半導体チップの電極と、従来型半導体パッケージのリードフレームの機能とを有する、半導体搭載用基板と呼ばれるプラスチックやセラミックス等各種絶縁材料と、導体配線で構成される基板の端子との電気的接続方法として、ワイヤーボンディング方式やＴＡＢ（ＴａｐｅＡｕｔｏｍａｔｅｄＢｏｎｄｉｎｇ）方式、さらにはＦＣ（ＦｌｉｐＣｈｉｐ）方式などが知られているが、最近では、半導体パッケージの小型化に有利な、ＦＣ接続方式を用いたＢＧＡやＣＳＰの構造が盛んに提案されている。
【０００４】
ＢＧＡやＣＳＰのプリント配線板への実装には、半田ボールで形成されたバンプによる、半田接合が採用されている。この半田接合には、フラックスが用いられ、ソルダーペーストが併用されることもある。特に半田ボールが使用される理由は、半田供給量を制御し易く、多量の半田を供給できるので、バンプが高くできるためである。また、ＢＧＡやＣＳＰの作製工程における、半導体チップの電極と半導体搭載用基板の端子との電気的接続方法にも、半田接合が使われる場合が多い。
【０００５】
一般に、半田接合のためには、半田表面と対する電極の、金属表面の酸化物などの汚れを除去すると共に、半田接合時の金属表面の再酸化を防止して、半田の表面張力を低下させ、金属表面に溶融半田が濡れ易くする、半田付け用フラックスが使用される。このフラックスとしては、ロジンなどの熱可塑性樹脂系フラックスに、酸化膜を除去する活性剤等を加えたフラックスが用いられている。
【０００６】
しかしながら、接合後にこのフラックスが残存していると、高温、多湿時に熱可塑性樹脂が溶融し、活性剤中の活性イオンも遊離するなど、電気絶縁性の低下やプリント配線の腐食などの問題が生じる。そのため現在は、半田接合後の残存フラックスを洗浄除去し、上記のような問題を解決しているが、洗浄剤の環境問題や、洗浄工程によるコストアップなどの欠点がある。
【０００７】
また、半導体パッケージの小型化かつ多ピン化は、バンプの微細化を促し、バンプの欠落や半田ブリッジなどの製造上の問題点の他、接合強度、信頼性の低下なども懸念されている。そこで、バンプ接続部分の信頼性を得るため、チップと基板との間隙に、アンダーフィルと呼ばれる絶縁樹脂を充填して、バンプ接続部分を封止、補強する検討も盛んである。しかし、これには技術的難易度の高いアンダーフィルを充填し、硬化させる工程が必要となるため、製造工程が複雑で製造コストが高くなる問題がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、半導体パッケージの搭載時における、半田接合のこのような現状の問題点に鑑み、半田接合後の残存フラックスの洗浄除去が必要なく、高温、多湿雰囲気でも電気絶縁性を保持し、接合強度、信頼性の高い半田接合を可能とし、更に、写真法によりパターン精度の良いレジスト形成が、アルカリ水溶液を用いた現像で可能である感光性フラックスを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
即ち本発明は、少なくとも１つ以上のフェノール性水酸基を有する樹脂（Ａ）、その硬化剤として作用する樹脂（Ｂ）と、オルトキノンジアジド構造を有する感光剤（Ｃ）を必須成分とすることを特徴とする、露光、現像により、所定の位置にフラックスパターン形成を可能とする感光性フラックスであり、さらには、この感光性フラックスにより、樹脂補強されたことを特徴とする半田接合部である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明は、少なくとも１つ以上のフェノール性水酸基を有する樹脂（Ａ）である、フェノールノボラック樹脂、アルキルフェノールノボラック樹脂、ビフェノールノボラック樹脂、ナフトールノボラック樹脂、レゾルシノールノボラック樹脂、レゾール樹脂、または、ポリビニルフェノール樹脂を必須成分とし、オルトキノンジアジド構造を有する感光剤（Ｃ）の添加により得られる、ポジ型の感光性フラックスは、露光、現像により、所定の位置にフラックスパターン形成が可能であることを特徴とする。アルキルフェノールノボラック樹脂に関しては、アルキル基の炭素数が１〜４程度が好ましく、例えばメチル基、エチル基，ｎ−ブチル基、ｓｅｃ−ブチル基、ｔｅｒｔ−ブチル基、さらにはアリル基等であり、炭素数がそれを越える場合は親油性が増し、アルカリ現像性のために好ましくない。
【００１１】
また、本発明に用いるフェノール性水酸基を有する樹脂（Ａ）の、フェノール性水酸基は、その還元作用により、半田および金属表面の酸化物などの汚れを除去し、半田接合のフラックスとして作用する。このフェノール性水酸基としては、何ら制約するところはないが、半田接合のフラックスとしての作用を高めるため、フェノール性水酸基を有する樹脂（Ａ）は、フェノール性水酸基に対してのオルソ、パラ位に電子吸引基、メタ位に電子供与基を有するものが好ましい。
【００１２】
更に、その硬化剤として作用する樹脂（Ｂ）により、良好な硬化物を得ることができるため、半田接合後の洗浄除去が必要なく、高温、多湿雰囲気でも電気絶縁性を保持し、接合強度、信頼性の高い半田接合を可能とする。
【００１３】
本発明において用いる、フェノール性水酸基を有する樹脂（Ａ）は、フェノールノボラック樹脂、アルキルフェノールノボラック樹脂、ビフェノールノボラック樹脂、ナフトールノボラック樹脂、レゾルシノールノボラック樹脂、レゾール樹脂、または、ポリビニルフェノール樹脂の中の、少なくとも１種からなり、好ましくは、重量平均分子量２００００以下のものが良い。分子量が大きすぎると、半田接合時における感光性フラックスの流動性が低下し、半田接合を阻害するため好ましくない。但し、その他の配合剤の使用により、半田接合時における溶融粘度を、５０Ｐａ・ｓ以下に制御できれば何ら問題はない。この目的のために、液状の硬化剤を配合したり、溶剤を加えても良い。
【００１４】
フェノール性水酸基を有する樹脂（Ａ）の配合量は、感光性フラックス全体の２０〜８０重量％が好ましい。２０重量％未満であると、半田および金属表面の酸化物などの汚れを除去する作用が低下し、半田接合できなくなってしまう。また、８０重量％より多いと、十分な硬化物が得られず、接合強度と信頼性が低下する。溶融粘度、酸化物除去性と硬化性のバランスが採れた配合による、本発明の感光性フラックスは、半田接合部周辺をリング状に補強する形で硬化するため、従来のフラックスによる半田接合と比較して、接合強度、信頼性を大幅に向上させることができる。
【００１５】
本発明に用いるフェノール性水酸基を有する樹脂（Ａ）の、硬化剤として作用する樹脂（Ｂ）としては、エポキシ樹脂やイソシアネート樹脂などが用いられる。具体的にはいずれも、ビスフェノール系、フェノールノボラック系、アルキルフェノールノボラック系、ビフェノール系、ナフトール系やレゾルシノール系などのフェノールベースのものや、脂肪族、環状脂肪族や不飽和脂肪族などの骨格をベースとして変性されたエポキシ化合物やイソシアネート化合物が挙げられる。また、本発明の感光性フラックスの硬化促進をするために、更に公知の硬化触媒を用いることができる。
【００１６】
本発明に用いるオルトキノンジアジド構造を有する化合物からなる感光剤（Ｃ）は、ポジ型感光性樹脂に広く用いられている感光剤であり、ナフトキノンジアジドのスルホン酸エステルが一般的であるが何ら制約するところはない。フェノール性水酸基を有する樹脂（Ａ）単独のアルカリ現像液に対する溶解性は、オルトキノンジアジド構造を有する感光剤（Ｃ）の添加で抑制されるが、露光部分は光反応によりインデンカルボン酸を生じるため溶解が促進されパターン形成を可能とする。
【００１７】
オルトキノンジアジド構造を有する感光剤（Ｃ）の配合量は、感光性フラックス全体の３〜３０重量％が好ましい。感光剤（Ｃ）の配合量が多すぎると、単位体積あたりのジアゾの濃度が増え、また、着色のため光透過率も低下し、光分解するために、より多くの光を必要とする。逆に、感光剤（Ｃ）の配合量が少なすぎると現像安定性が低下する。
【００１８】
フェノール性水酸基を有する樹脂（Ａ）の適切な選択と、オルトキノンジアジド構造を有する感光剤（Ｃ）の最適な配合量による、本発明の感光性フラックスは、所定の位置に、所望の量のフラックス供給が可能となるため、フラックス供給量の不足による半田接続不良や、過剰による半田ブリッジなどの問題を解決でき、特に微細な半田接続に好適である。
【００１９】
【実施例】
以下、実施例により更に具体的に説明するが、本発明はこれによって何ら限定されるものではない。
【００２０】
まず、フェノール性水酸基を有する樹脂（Ａ）、その硬化剤として作用する樹脂（Ｂ）と、オルトキノンジアジド構造を有する感光剤（Ｃ）を配合して、感光性フラックスワニスを調整し、その特性評価のため、半田ボールシェア強度試験、温度サイクル試験、および絶縁抵抗試験を行った。実施例および比較例の評価結果は、まとめて表１に示した。
【００２１】
実施例１．
ｍ，ｐ−クレゾールノボラック樹脂（ＰＡＳ−１、日本化薬(株)製，ＯＨ基当量１２０）を１００ｇと、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂（ＲＥ−４０４Ｓ、日本化薬(株)製、エポキシ基当量１６５）１４０ｇ、ジアゾナフトキノン（ＮＱＤ−１、日本化薬（株）製）２０ｇを、シクロヘキサノン６０ｇに溶解し、硬化触媒として２−フェニル−４，５−ジヒドロキシメチルイミダゾール０．２ｇを添加し、感光性フラックスワニスを作製した。得られた感光性フラックスワニスを塗布し、８０℃で１０分乾燥して、厚さ２０μｍの感光性フラックス膜を形成した後、この感光性フラックス膜の解像性を評価したところ、２００ｍＪ／ｃｍ²の露光量、２.５％テトラメチルアンモニウムハイドロ
キサイド（ＴＭＡＨ）１分の現像で、ライン／スペース＝２０／２０μｍの解像度を有した。
【００２２】
実施例２．
実施例１で用いたｍ，ｐ−クレゾールノボラック樹脂１００ｇに代えて、ビスフェノールＡ型ノボラック樹脂(ＬＦ４７８１、大日本インキ化学工業(株)製、ＯＨ基当量１２０)１００ｇを用いた以外は、実施例１と同様にして、感光性フラックスワニスを作製した。この感光性フラックス膜の解像度は、ライン／スペース＝３０／３０μｍであった。
【００２３】
実施例３．
フェノールノボラック樹脂（ＰＲ−５１４７０、住友デュレズ(株)製、ＯＨ基当量１０５）を１００ｇと、ジアリルビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（ＲＥ−８１０ＮＭ、日本化薬(株)製、エポキシ基当量２２０）２１０ｇを、シクロヘキサノン８０ｇに溶解し、硬化触媒として２−フェニル−４，５−ジヒドロキシメチルイミダゾール０．３ｇを添加し、感光性フラックスワニスを作製した。この感光性フラックス膜の解像度は、ライン／スペース＝３０／３０μｍであった。
【００２４】
実施例４．
実施例１において、ジアゾナフトキノンを配合しなかった以外は、実施例１と同様にして、硬化性フラックスワニスを作製した。
【００２５】
１．半田ボールシェア強度試験
厚さ１２５μｍの銅板（ＥＦＴＥＣ６４Ｔ、古川電気工業(株)製）を用いて、ランド径３００μｍ、ランドピッチ０.５ｍｍを含む評価用回路を形成し、そのリードフレームを半導体封止材（ＥＭＥ−７３７２、住友ベークライト(株)製）でモールド封止した後、片面から研磨して、前記の評価用回路を露出させ、１０ｍｍ角の評価用パッケージを作製した。研磨の仕上げには、ＪＩＳ−Ｒ６２５２に規定された、耐水研磨紙１０００番を使用した。これをイソプロピルアルコールで洗浄した後、８０℃で３０分乾燥して、半田接合評価用パッケージとした。
【００２６】
前記評価用パッケージの評価用回路露出面の全面に、実施例１〜４で得られた感光性フラックスワニスを、それぞれ塗布し、８０℃で１０分乾燥して、厚さ２０μｍの感光性フラックス膜を形成した。実施例１〜３については、感光性フラックス膜に所定のパターンを載置して、高圧水銀灯露光装置を用い照射量２００ｍＪ／ｃｍ²で露光した。次いで、２.５％ＴＭＡＨ水溶液により２Ｋｇ／ｍ²のスプレー圧で現像し、ランド上に４００μｍ径の感光性フラックスを形成した。比較例として市販の半田フラックスＭＳＰ５１１（九州松下電器株式会社製）をそれぞれ塗布した。それぞれの評価用パッケージ回路のランド上に、３５０μｍ径の半田ボール（Ｓｎ−Ｐｂ系共晶半田、千住金属鉱業(株)製）６０個を搭載した後、ピーク温度を２４０℃に設定されたリフロー炉を通して、半田ボールを評価用パッケージに接合させた。その後実施例１〜４については、１５０℃で６０分熱処理して、感光性フラックスを硬化させた。前記市販のフラックスについては、ソルダーレジストの形成された評価用パッケージも準備した。
【００２７】
次に、得られた半田ボール付き評価用パッケージの、半田ボールシェア強度（デイジ社製万能型ボンドテスターＰＣ２４００Ｔによる）を測定した。それぞれ６０個の平均値を求め、その結果をまとめて表１に示した。尚、比較例としては、ソルダーレジストの形成されていないものを比較例１、ソルダーレジストの形成された半田ボール付き評価用パッケージを比較例２とした。
【００２８】
２．温度サイクル試験
温度サイクル（ＴＣ）試験用プリント配線板に、前記市販のフラックスを塗布し、実施例、および比較例の前記半田ボール付き評価用パッケージを搭載して、ピーク温度２４０℃に設定されたリフロー炉を通して、評価用パッケージ実装基板をそれぞれ１０個ずつ作製した。この評価用パッケージ実装基板は、評価用パッケージ、および試験用プリント配線板を介して、６０個の半田ボール接合部が直列につながるように回路設計されている。
【００２９】
得られた評価用パッケージ実装基板の導通を確認後、−５０℃で１０分、１２５℃で１０分を１サイクルとするＴＣ試験を実施した。ＴＣ試験１０００サイクル後の断線不良数の結果をまとめて表１に示した。比較例としては、ソルダーレジストが形成されていないものを比較例１、ソルダーレジストが形成された半田ボール付き評価用パッケージを比較例２、さらに、ソルダーレジストが形成されており、アンダーフィルを充填したものを比較例３とした。比較例については、評価用パッケージ実装後、イソプロピルアルコールで洗浄して使用した。
【００３０】
３．絶縁抵抗試験
半田メッキが施された導体間隔１５０μｍのくし形パターンを有する、絶縁信頼性試験用プリント配線板を使用し、このプリント配線板に実施例１〜４で得られた感光性フラックスワニスを、それぞれ塗布し、８０℃で１０分乾燥して厚さ２０μｍの半田接合用レジスト膜を形成した。実施例１〜３については、高圧水銀灯露光装置を用い照射量２００ｍＪ／ｃｍ²で露光もした。比較例として、市販のフラックスを塗布した試験用プリント配線板も準備した。ピーク温度２４０℃に設定されたリフロー炉を通した後、実施例１〜４については、１５０℃で６０分熱処理して感光性フラックスを硬化させ、試験用プリント配線板とした。
【００３１】
このプリント配線板の絶縁抵抗を測定した後、８５℃／８５％の雰囲気中で、直流電圧５０Ｖを印加し、１０００時間経過後の絶縁抵抗を測定した。測定時の印加電圧は１００Ｖで１分とし、絶縁抵抗をまとめて表１にした。比較例としては、フラックスを洗浄していないものを比較例４とした。
【００３２】
【表１】

【００３３】
表１に示した評価結果から分かるように、本発明の感光性フラックスを用いた場合、従来のフラックスを用いた場合に比べて、半田ボールシェア強度では、約２倍という高い値を示し、また、ＴＣ試験では、断線不良の発生はほとんどなくなった。絶縁抵抗試験でもほとんど低下を示さず、本発明の感光性フラックスの効果が明白である。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の感光性フラックスは、半田接合後の残存フラックスの洗浄除去を必要とせず、高温、多湿雰囲気でも電気絶縁性を保持し、また、感光性フラックスが半田接合部周辺をリング状に補強する形で硬化するため、接合強度と信頼性の高い半田接合を可能にするので、半導体パッケージのプリント配線板への搭載における工程を簡素化して、製造コストを抑制し、また、半田接合の信頼性向上に極めて有用である。また、感光性を付与することで半田搭載部分のみに選択的に本フラックスを残すことが可能となる。

Claims

露光、現像により、所定の位置にフラックスパターン形成が可能であることを特徴とする感光性フラックスであって、
該感光性フラックスは、少なくとも１つ以上のフェノール性水酸基を有する樹脂（Ａ）、その硬化剤として作用する樹脂（Ｂ）と、オルトキノンジアジド構造を有する化合物からなる感光剤（Ｃ）とを必須成分とすることを特徴とする感光性フラックス。
フェノール性水酸基を有する樹脂（Ａ）が、フェノールノボラック樹脂、アルキルフェノールノボラック樹脂、ビフェノールノボラック樹脂、ナフトールノボラック樹脂、レゾルシノールノボラック樹脂、レゾール樹脂、及び、ポリビニルフェノール樹脂からなる群より選ばれる、少なくとも１種であることを特徴とする、請求項１記載の感光性フラックス。
請求項１または請求項２記載の感光性フラックスにより、樹脂補強されたことを特徴とする半田接合部。