JP4767160B2

JP4767160B2 - チップ部品の搭載方法

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Publication number: JP4767160B2
Application number: JP2006346989A
Authority: JP
Inventors: 国英岩元
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2006-12-25
Filing date: 2006-12-25
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2026-12-25
Also published as: JP2008159830A

Description

本発明は半導体素子等のチップ部品を回路基板等のチップ部品支持体上に半田を用いて搭載するチップ部品の搭載方法に関するものである。

従来から、多くの機器や装置に回路装置が組み込まれている。その回路装置の中に、チップ部品をチップ部品支持体上に半田などを用いて搭載したものがある。回路部品としては例えば半導体素子が用いられ、チップ部品支持体としては例えばセラミック基板にチップ部品搭載用導体膜が形成された回路基板が用いられる。このような回路装置は、半導体部品に形成されている回路配線が回路基板の回路配線と電気的に接続されるようになっており、この構成により所定の機能が働くようになっている。

上記回路装置は次のような従来のチップ部品の搭載方法により製造される。先ず、セラミックス基板に形成されたチップ部品搭載用導体膜の上面に半田ペーストを塗布し、しかる後に半導体素子をチップ部品搭載用導体膜に半田ペーストを介して載せるように回路基板上に配置する。そして、半田ペーストを加熱してフラックスを液化させてチップ部品搭載用導体膜の表面の半田濡れ性を高めるとともに半田を溶融させ、しかる後に半田を冷却して固化させることにより回路基板と半導体素子とが機械的に接合されるとともに、回路基板の回路配線と半導体部品の回路配線とが電気的に接続される。

従来、半田ペーストの溶融と固化を行なう過程で、半田ペーストの表面の大部分をチップ部品が覆っているために、半田ペースト内のフラックスを含む有機成分のうち気化する成分が放出されずに残り、残った気体が固化した半田の内部にボイドを形成するという問題点があった。ボイドが内部に多く存在している半田は、強度が弱く、また、ボイドを起点とするクラックが発生しやすいので、信頼性が低い。さらに、半田の密度が低くなることから、半導体素子のように発熱するようなチップ部品を採用している場合には、半田がチップ部品に発生した熱を吸収性しにくくなるので、チップ部品の性能を低下させることになる。

このような問題点に対し、例えば、半導体素子をチップ部品搭載用導体膜に載せる際に、半田ペーストとこの半田ペーストよりも融点が高くて厚みが厚い半田部材とを介しておくことにより、厚みが厚い半田部材によってチップ部品と半田ペーストの表面との間に隙間が形成され、半田ペーストの表面から半田ペーストのフラックスを含む有機成分のうち気化する成分を充分に放出させ、固化した後の半田をボイドが少なくなるように形成していた（例えば、特許文献１を参照。）。
特開平８−293670号公報

しかしながら、このような搭載方法を採用した場合には、固化した半田は、種類の異なる半田を溶融して固化させたものであるために場所によって熱膨張係数が異なっており、そのため温度サイクルにより劣化しやすく、製品寿命が短くなるおそれがあった。

また、導体膜上に載せる工程が、２種類の半田のそれぞれについて別々に必要なので、工数が多いチップ部品の搭載方法になるという問題点もある。

本発明は上記のような従来のチップ部品の搭載方法における問題点に鑑み案出されたものであり、その目的は、半田の内部のボイドを少なくしたチップ部品の搭載方法を提供することにある。

本発明のチップ部品の搭載方法は、下面に導体膜が形成された四角形状のチップ部品を準備するとともに、前記チップ部品を搭載し固定する四角形状の固定領域および該固定領域の一辺の両端からそれぞれ引き出されたガイド領域を有するチップ部品搭載用導体膜が上面に形成された支持基体を準備する第１工程と、前記チップ部品搭載用導体膜の上面に半田を配置する第２工程と、前記チップ部品を、下面の一辺側の両端を前記チップ部品搭載用導体膜の前記ガイド領域に前記半田を介して載せるように前記支持基体上に配置する第３工程と、前記半田を加熱して溶融させて溶融した前記半田によって前記チップ部品を前記チップ部品搭載用導体膜の前記ガイド領域から前記固定領域上に移動させ、しかる後に、前記半田を冷却して固化させて前記チップ部品搭載用導体膜上に前記チップ部品を接合する第４工程とを含むものである。

本発明のチップ部品の搭載方法によれば、チップ部品を搭載するチップ部品搭載用導体膜は、固定領域の一辺の両端からそれぞれ引き出されたガイド領域を有する構成とした。そして、チップ部品を、下面の一辺側の両端をチップ部品搭載用導体膜のガイド領域に半田を介して載せるように支持基体上に配置することとした。このようにしておいて半田を加熱すると、半田が溶融する前は、チップ部品が固定領域には配置されておらず、遮るものがないので、チップ部品搭載用導体膜の上面に配置した半田の内部に含まれるフラックス等の有機成分が気化すると、容易に半田の外へ放出されることになる。半田が溶融し始める頃には、有機成分のうち気化する成分の多くが半田の外へ放出されている。そして、半田が溶融すると、チップ部品の下面の導体膜と支持基体上のチップ部品搭載用導体膜との間で溶融した半田の強い表面張力による引っ張り合いが生じる。このとき、チップ部品搭載用導体膜において、ガイド領域は、固定領域の一辺の両端からそれぞれ引き出された面積の小さな領域であるため、固定領域と比較して溶融した半田の表面張力による引っ張り力が小さい。従って、半田が溶融するとチップ部品はチップ部品搭載用導体膜のガイド領域を通過して固定領域上に移動することとなる。このように、本発明のチップ部品の搭載方法によれば、半田が溶融と固化を行なう過程で半田の内部の気化する成分が充分に放出されるので、固化した後の半田の内部のボイドを少なくしたチップ部品の搭載方法とすることができる。

以下に、本発明のチップ部品の搭載方法およびチップ部品支持体について添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１（ａ）〜（ｄ）は本発明のチップ部品の搭載方法の実施の形態の一例を説明するための平面図であり、図２（ａ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線断面図であり、図２（ｂ）は図１（ｂ）のＢ−Ｂ’線断面図であり、図２（ｃ）は図１（ｃ）のＣ−Ｃ’線断面図であり、図２（ｄ）は図１（ｄ）のＤ−Ｄ’線断面図である。同図において、１はチップ部品、２は支持基体、３はチップ部品搭載用導体膜、４は半田である。

チップ部品１は、例えば上面に能動回路パターンが形成されたシリコン半導体基板等の半導体回路素子である。下面にはＡｕ等の導体膜が蒸着等により全面に形成されている。

支持基体２は、例えば絶縁基板であり、絶縁体の材料としては窒化珪素・アルミナ・ムライト・ガラスセラミックス等のセラミックス材料や、エポキシ・ポリアミド等の有機樹脂材料が用いられる。

支持基体２の上面に形成されたチップ部品搭載用導体膜３は、例えば銅を主成分とするメタライズ膜の表面にニッケル層および金層を形成したものである。

チップ部品搭載用導体膜３の上面に配置した半田４は、錫・銀・銅を主成分とする鉛フリーのクリーム半田である。クリーム半田には、金属成分以外にロジンまたはパラフィン中にアミンおよびハロゲン化合物を分散させてなるフラックスが含まれており、このようなフラックスをＩＰＡ（イソプロピルアルコール）等の有機成分に溶解させてクリーム半田中に分散させている。

本発明のチップ部品の搭載方法は以下のように行なわれる。

（第１工程）先ず、チップ部品１とチップ部品搭載用導体膜３が上面に形成された支持基体２とを準備する。チップ部品１は、複数の半導体回路素子領域が縦横の並びに配置してなるウエハをダイシングカットすることにより、四角形状の半導体回路素子として得ることができる。支持基体２としては窒化珪素基板を用いる。チップ部品搭載用導体膜３は、銅導体を焼き付けたメタライズ膜の表面に先ずニッケル層をメッキにより形成し、さらにその表面に金層をメッキにより形成したものを用いる。

本発明のチップ部品の搭載方法においては、チップ部品搭載用導体膜３に特徴がある。具体的には、図１（ａ）に示すように、チップ部品搭載用導体膜３は、チップ部品１を搭載し固定する四角形状の固定領域３ａおよび固定領域３ａの一辺の両端からそれぞれ引き出されたガイド領域３ｂを有する構成とする。固定領域３は、チップ部品１の下面の形状に合わせた形状をしており、チップ部品１の下面と同等か少し広い面積とする。ガイド領域３ｂは、引き出された長さＬは0.3〜1.0ｍｍとし、引き出された幅Ｗは0.3ｍｍ以上で且つチップ部品１の寸法Ｘに対し１／３の寸法以下とする。

（第２工程）次に、図１（ｂ）および図２（ｂ）に示すように、チップ部品搭載用導体膜３の上面に半田４を配置する。半田４は、材料として、錫・銀・銅の金属成分と、アミン、ハロゲン化物、ロジン、ＩＰＡを含む有機成分とを含む半田ペーストとする。そして、チップ部品搭載用導体膜３よりも少し小さめに開口部が形成されたメタルマスクを準備して、チップ部品搭載用導体膜３に、メタルマスクの開口部の位置を合わせて半田ペーストをスクリーン印刷することにより、この半田パターンの形状・厚みに応じた半田ペーストから成る半田４を、チップ部品搭載用導体膜３の上面に配置する。

（第３工程）次に、図１（ｃ）および図２（ｃ）に示すように、チップ部品１を、下面の一辺側の両端をチップ部品搭載用導体膜３のガイド領域３ｂに半田４を介して載せるように支持基体２上に配置する。このとき、チップ部品１はガイド領域３ｂ上の半田４の粘着力によって仮固定される。また、チップ部品搭載用導体膜３の固定領域３ａ上にはチップ部品１を配置しないように注意する。

（第４工程）そして、半田４を加熱して溶融させる。半田４を加熱すると、先ず、半田４に含まれるアミン、ハロゲン化物等の活性化物がチップ部品搭載用導体膜３の表面の酸化皮膜を破壊し、溶融したロジンが露出したチップ部品搭載用導体膜３の金属面を覆っていく。次に、半田４に含まれる錫・銀・銅が溶融して、ロジンを押しのけながらチップ部品搭載用導体膜３の表面の隅々に行き渡ろうとする。

第３工程のようにしておいて半田４を加熱すると、半田４が溶融する前は、チップ部品１が固定領域３ａには配置されておらず、遮るものがないので、チップ部品搭載用導体膜３の上面に配置した半田４の内部に含まれるフラックス等の有機成分が気化すると、容易に半田４の外へ放出されることになる。半田４が溶融し始める頃には、有機成分のうち気化する成分の多くが半田４の外へ放出される。そして半田４が溶融すると、チップ部品１の下面の導体膜と支持基体２上のチップ部品搭載用導体膜３との間で溶融した半田４の強い表面張力による引っ張り合いが生じる。このとき、チップ部品搭載用導体膜３において、ガイド領域３ｂは、固定領域３ａの一辺の両端からそれぞれ引き出された面積の小さな領域であるため、固定領域３ａと比較して溶融した半田４の表面張力による引っ張り力が小さい。従って、図１（ｄ）および図２（ｄ）に示すように、半田４が溶融するとチップ部品１はチップ部品搭載用導体膜３のガイド領域３ｂを通過して固定領域３ａ上に移動することとなる。

また、チップ部品１の下面の導体膜のうち半田４と接触している領域は、面積としてはかなり小さなものであり、半田４の金属成分が溶融する前にフラックスがチップ部品１の下面の導体膜には濡れ広がりにくいので、チップ部品搭載用導体膜３の半田濡れ性を損なうことが少なく、チップ部品１のガイド領域３ｂ上から固定領域３ａ上への移動がスムーズに行なわれる。

以上のように、溶融した半田４によってチップ部品１をチップ部品搭載用導体膜３のガイド領域３ｂから固定領域３ａ上に移動させ、しかる後に、半田４を冷却して固化させてチップ部品搭載用導体膜３上にチップ部品１を接合する。

ところで、本発明のチップ部品の搭載方法を用いると、半田４が溶融した後にチップ部品１がチップ部品搭載用導体膜３の上をガイド領域３ｂから固定領域３ａへと大きく移動するので、溶融した半田４は、チップ部品１によって均されることになるので、搭載後の半田４は全体的に厚みが均一になりやすく、搭載されたチップ部品１の傾きを小さくすることができる。例えば、チップ部品１を搭載した後にチップ部品１と支持基体２との間でワイヤーボンディングを行なう場合、チップ部品１の傾きが小さくなることにより、ワイヤーボンディング装置のキャピラリーの先端部分がチップ部品１に全体的に接触しやすくなるので、チップ部品１と支持基体２に形成された回路配線との電気的な接続が良好に行なわれる。

本発明のチップ部品の搭載方法を採用して、寸法が35×35×1.0ｍｍの窒化珪素からなる支持基体２の上面に、寸法が5.5×5.5ｍｍの固定領域３ａおよび固定領域３ａの一辺の両端から引き出された寸法が0.5×0.5ｍｍのガイド領域３ｂを有するチップ部品搭載用導体膜３を形成し、ガイド領域３ｂに、錫・銀・銅を主成分とする厚みが0.15ｍｍの半田４を介して、寸法が５×５×0.3ｍｍのシリコン単結晶基板から成る半導体素子としてのチップ部品１を搭載した。本発明のチップ部品の搭載方法を採用したものについて６個のサンプルを作製し、半田４の断面積におけるボイドの面積比率を測定してみると、６個のサンプルのいずれも３％以下であった。また、チップ部品１の傾き角を測定してみると、６個のサンプルのいずれも１°以下であった。

比較例として、ガイド領域３ｂを有しないチップ部品搭載用導体膜３が上面に形成された支持基体２を準備し、チップ部品１を、チップ部品搭載用導体膜３の固定領域３ａに半田４を介して載せるように支持基体２上に配置し、半田４を加熱して溶融させ、しかる後に、半田４を冷却して固化させてチップ部品搭載用導体膜３上にチップ部品１を接合したものについて６個のサンプルを作製した。この比較例について半田４の断面積におけるボイドの面積比率を測定してみると、６個のサンプルのいずれも35％以上であった。また、チップ部品１の傾き角を測定してみると、６個のサンプルのうち４個が１°を超えていた。なお、径が100μｍ以下のワイヤーを用いてワイヤーボンディングする場合は、チップ部品１の傾きが１°を超えると、接合不良の発生が顕著に増加する。

このように、本発明のチップ部品の搭載方法によれば、半田４の溶融と固化を行なう過程で半田４の内部から気化する成分が充分に放出されて、固化した後の半田４の内部のボイドを少なくしたチップ部品の搭載方法とすることができる。

支持基体２の上面にチップ部品搭載用導体膜３が形成されたチップ部品支持体は、例えば、他に配線や電極パッドが形成された回路基板である。チップ部品支持体がこのような回路基板である場合は、上面にチップ部品１が搭載され、チップ部品１に形成されている回路配線が回路基板の回路配線と電気的に接続されることにより回路装置が構成され、所定の機能が働くようになる。

また、本発明のチップ部品支持体によれば、支持基体２の上面に、四角形状の固定領域３ａおよび該固定領域３ａの一辺の両端からそれぞれ引き出されたガイド領域３ｂを有するチップ部品搭載用導体膜３が形成されていることから、チップ部品搭載用導体膜３上にチップ部品１を半田４を介して配置したときに位置がずれていても、両ガイド領域３ｂ上の融解した半田４の表面張力が両側から引っ張って自動的にチップ部品１の位置を合わせるので、チップ部品１を支持基体２上のチップ部品搭載用導体膜３の固定領域３ａの上面に精度良く搭載することができる。

なお、本発明は上述した実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更や改良等が可能である。

例えば、上述した本発明のチップ部品の搭載方法の一例においては、図１（ａ）〜（ｄ）に示すように、チップ部品搭載用導体膜３のガイド領域３ｂは四角形状をしているが、これに限定されるものではなく、例えば、図３（ａ）に平面図で示すような三角形状としてもよく、図３（ｂ）に平面図で示すような半円形状としてもよい。

（ａ）〜（ｄ）は、本発明のチップ部品の搭載方法の実施の形態の一例を説明するための平面図である。（ａ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線断面図であり、（ｂ）は図１（ｂ）のＢ−Ｂ’線断面図であり、（ｃ）は図１（ｃ）のＣ−Ｃ’線断面図であり、（ｄ）は図１（ｄ）のＤ−Ｄ’線断面図である。（ａ）および（ｂ）は、本発明のチップ部品の搭載方法の実施の形態の他の例を示す、チップ部品搭載用導体膜の平面図である。

符号の説明

１・・・チップ部品
２・・・支持基体
３・・・チップ部品搭載用導体膜
３ａ・・・固定領域
３ｂ・・・ガイド領域
４・・・半田

Claims

下面に導体膜が形成された四角形状のチップ部品を準備するとともに、前記チップ部品を搭載し固定する四角形状の固定領域および該固定領域の一辺の両端からそれぞれ引き出されたガイド領域を有するチップ部品搭載用導体膜が上面に形成された支持基体を準備する第１工程と、
前記チップ部品搭載用導体膜の上面に半田を配置する第２工程と、
前記チップ部品を、下面の一辺側の両端を前記チップ部品搭載用導体膜の前記ガイド領域に前記半田を介して載せるように前記支持基体上に配置する第３工程と、
前記半田を加熱して溶融させて溶融した前記半田によって前記チップ部品を前記チップ部品搭載用導体膜の前記ガイド領域から前記固定領域上に移動させ、しかる後に、前記半田を冷却して固化させて前記チップ部品搭載用導体膜上に前記チップ部品を接合する第４工程とを含むチップ部品の搭載方法。