JP4819611B2

JP4819611B2 - ハンダ回路基板の製造方法

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Publication number: JP4819611B2
Application number: JP2006211860A
Authority: JP
Inventors: 孝志荘司; 丈和堺
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Showa Denko KK
Priority date: 2006-08-03
Filing date: 2006-08-03
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2026-08-03
Also published as: JP2008041803A; CN101513141B; CN101513141A

Description

本発明は、ハンダ回路基板の製造方法に関し、更に詳しくは、プリント配線板上に、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）構造等のＬＳＩチップを接続するための接続用バンプを形成する方法、ＬＳＩチップに設けられた接続用バンプを形成する方法に関する。

近年、プラスチック基板、セラミック基板、あるいはプラスチック等をコートした金属基板等の絶縁性基板上に、回路パターンを形成したプリント配線板が開発され、その回路パターン上にＩＣ素子、半導体チップ、抵抗、コンデンサ等の電子部品をハンダ接合して電子回路を構成させる手段が広く採用されている。

この場合、電子部品のリード端子を、回路パターンの所定の部分に接合させるためには、基板上の導電性回路電極表面に予めハンダ薄層を形成させておき、ハンダペーストまたはフラックスを印刷し、所定の電子部品を位置決め載置した後、ハンダ薄層またはハンダ薄層及びハンダペーストをリフローさせ、ハンダ接続させるのが一般的である。

また最近では電子製品の小型化のためハンダ回路基板にはファインピッチ化が要求され、ファインピッチの部品、例えば０．３ｍｍピッチのＱＦＰ（ＱｕａｄＦｌａｔＰａｃｋａｇｅ）タイプのＬＳＩ、ＣＳＰ（ＣｈｉｐＳｉｚｅＰａｃｋａｇｅ）、０．１５ｍｍピッチのＦＣ（ＦｌｉｐＣｈｉｐ）、ＢＧＡ構造のＬＳＩチップなどが多く搭載されている。このようなチップをハンダ回路基板に搭載するためには、チップに形成されたハンダバンプと、回路基板に形成したハンダバンプとを重ね、このハンダバンプをリフローすることにより両バンプを溶解接合する。
このためハンダ回路基板には、接続用バンプとよばれるハンダ回路基板面に対して盛り上がった電極部を形成する必要が有り、この電極部に対してはチップのファインピッチに対応できる精細なパターンが要求されている。

プリント配線板にハンダによる接続用バンプを形成するためには、電気メッキ法、無電解メッキ法、ＨＡＬ（ホットエアーレベラ）法、あるいはハンダ粉末のペーストを印刷しリフローする方法などが行われている。しかし、無電解メッキ法によるハンダバンプの製造方法は、ハンダ層を厚くするのが困難であり、電気メッキ法によるハンダバンプの製造方法は、複雑な回路に電流を流すのが困難であった。またＨＡＬ法、ハンダペーストの印刷による方法は、ファインピッチパターンへの対応が困難である。

ファインピッチのハンダ回路を形成する方法として、プリント配線板の導電性回路電極表面に、粘着性付与化合物を反応させることにより粘着性を付与し、該粘着部にハンダ粉末を付着させ、次いで該プリント配線板を加熱し、ハンダを溶解してハンダ回路を形成する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平７−７２４４号公報

特許文献１で開示された方法により、簡単な操作で微細なハンダ回路パターンを形成させ、信頼性の高い回路基板を提供することが可能となったが、この方法でハンダバンプを形成する場合、ハンダ回路基板のバンプを形成する粘着部に複数のハンダ粉末が付着してハンダバンプの高さが不均一となったり、該当箇所にハンダ粉末が付着せずに、ハンダバンプが欠損するといった問題点があった。これを解決するのが本願発明の目的である。

本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意努力検討した結果、本発明に到達した。即ち本発明は、
［１］プリント配線板上の導電性回路電極表面に粘着性を付与し、該粘着部にハンダ粉末を付着させ、次いで該プリント配線板を加熱し、ハンダを溶融してハンダ回路を形成するハンダ回路基板の製造方法において、回路電極部分をレジストで覆い、導電性回路電極部分に開口部を設け、該開口部の面積を円形とした場合の直径をＤ１、ハンダ粉末の直径をＤ２とし、回路電極部分のレジストの厚さをＤ３とした場合、該各開口部に、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３の間に式（１）の関係のハンダ粉粒子を１個だけ付着させることを特徴とするハンダ回路基板の製造方法、

１＞(D1−2×((D2−D3)×D3)^1/2)／D2≧０・・・・（１）

［２］プリント配線板が、ＬＳＩチップを接続するための接続用バンプを有する配線板であることを特徴とする上記［１］に記載のハンダ回路基板の製造方法、及び
［３］プリント配線板が、ＬＳＩチップに設けられた接続用バンプであることを特徴とする請求項１に記載のハンダ回路基板の製造方法、を開発することにより上記の課題を解決した。

本発明の製造方法により、より微細な回路パターンに対応でき、かつハンダバンプの高さが均一で、またハンダバンプの欠損がないハンダ回路基板の製造方法を提供することが可能となり、集積度が高く、かつ、信頼性の高い電子機器を提供することが可能となった。

本発明の対象となるプリント配線板は、プラスチック基板、プラスチックフィルム基板、ガラス布基板、紙基質エポキシ樹脂基板、セラミックス基板等に金属板を積層した基板、あるいは金属基材にプラスチックあるいはセラミックス等を被覆した絶縁基板上に、金属等の導電性物質を用いて回路パターンを形成した片面プリント配線板、両面プリント配線板、多層プリント配線板あるいはフレキシブルプリント配線板等である。その他、IC基板、コンデンサ、抵抗、コイル、バリスタ、ベアチップ、ウェーハ等への適用も可能である。

本願発明は特に、プリント配線板上にＢＧＡ構造等のＬＳＩチップを接続するための接続用バンプを有することを特徴とする。
本願発明において、接続用バンプを形成する際は、プリント配線板上の導電性回路電極表面に粘着性を付与し、該粘着部にハンダ粉末を付着させ、次いで該プリント配線板を加熱し、ハンダを溶融して接続用ハンダバンプを形成するが、バンプを形成するためにハンダ粉末を付着させる回路電極部分の周囲を予めレジストで被うことにより開口部を円状とし、円状の開口部の直径をＤ１、ハンダ粉末の直径をＤ２とし、回路電極部分のレジストの厚さをＤ３とした場合、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３の間に式（１）の関係があるようにすることを特徴とする。

このような方法でプリント配線板を製造することにより、バンプを形成する回路電極部分にハンダ粉末が安定して付着し、このハンダ粉末をリフローすることにより、ハンダバンプの欠損がなく、ハンダバンプの回路基板面に対する高さが一定であるプリント配線板を得ることができる。

本願発明では、ハンダバンプを形成する回路電極部分の周囲をレジストで被うことにより開口部を円状とするが、円状とは、好ましくは真円であるが、楕円であっても、四角であっても代用が可能である。開口部が真円以外の場合のＤ１は、その形状の内接円における直径とすれば、真円の場合と同様なハンダ粉末の付着状態を実現できる。

本願発明に用いるレジストとは、電子回路基板の製造に一般的に用いられる絶縁性のレジストであり、後で説明するプリント配線板上の導電性回路電極表面に粘着性を付与する工程において、粘着性が発現しない性質を有するレジストである。
また、本願発明では、ハンダバンプの形成部以外においても、ハンダ被覆が不要の導電性回路部分をレジスト等で覆い、粘着性付与化合物溶液で処理するのが好ましい。

本発明は、上記プリント配線板上のレジストを常法により開口させ、次いで該導電性回路電極表面を粘着性付与化合物と反応させることにより粘着性を付与し、該粘着部にハンダ粉末を付着させ、次いで該プリント配線板を加熱し、ハンダを溶融してハンダバンプおよびハンダ回路を形成するハンダ回路基板の製造方法を適用する。

回路を形成する導電性物質としては、ほとんどの場合銅が用いられているが、本発明ではこれに限定されず、後述する粘着性付与物質により表面に粘着性が得られる導電性の物質であればよい。これらの物質として、例えば、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｎｉ−Ａｕ、ハンダ合金等を含む物質が例示できる。

本発明で用いることが好ましい粘着性付与化合物としては、ナフトトリアゾール系誘導体、べンゾトリアゾール系誘導体、イミダゾール系誘導体、べンゾイミダゾール系誘導体、メルカプトべンゾチアゾール系誘導体及びべンゾチアゾールチオ脂肪酸等が挙げられる。これらの粘着性付与化合物は特に銅に対しての効果が強いが、他の導電性物質にも粘着性を付与することができる。

本発明においては、べンゾトリアゾール系誘導体は一般式（１）で表される。

（但し、Ｒ１〜Ｒ４は、独立に水素原子、炭素数が１〜１６、好ましくは、５〜１６のアルキル基、アルコキシ基、Ｆ、Ｂｒ、Ｃｌ、Ｉ、シアノ基、アミノ基またはＯＨ基を表す。）

ナフトトリアゾール系誘導体は一般式（２）で表される。

（但し、Ｒ５〜Ｒ１０は、独立に水素原子、炭素数が１〜１６、好ましくは、５〜１６のアルキル基、アルコキシ基、Ｆ、Ｂｒ、Ｃｌ、Ｉ、シアノ基、アミノ基またはＯＨ基を表す。）

イミダゾール系誘導体は一般式（３）で表される。

（但し、Ｒ１１、Ｒ１２は、独立に水素原子、炭素数が１〜１６、好ましくは、５〜１６のアルキル基、アルコキシ基、Ｆ、Ｂｒ、Ｃｌ、Ｉ、シアノ基、アミノ基またはＯＨ基を表す。）

べンゾイミダゾール系誘導体は一般式（４）で表される。

（但し、Ｒ１３〜Ｒ１７は、独立に水素原子、炭素数が１〜１６、好ましくは、５〜１６のアルキル基、アルコキシ基、Ｆ、Ｂｒ、Ｃｌ、Ｉ、シアノ基、アミノ基またはＯＨ基を表す。）

メルカプトべンゾチアゾール系誘導体は一般式（５）で表される。

（Ｒ１８〜Ｒ２１は、独立に水素原子、炭素数が１〜１６、好ましくは、５〜１６のアルキル基、アルコキシ基、Ｆ、Ｂｒ、Ｃｌ、Ｉ、シアノ基、アミノ基またはＯＨ基を表す。）

べンゾチアゾールチオ脂肪酸系誘導体は一般式（６）で表される。

（但し、Ｒ２２〜Ｒ２６は、独立に水素原子、炭素数が１〜１６、好ましくは、１または２のアルキル基、アルコキシ基、Ｆ、Ｂｒ、Ｃｌ、Ｉ、シアノ基、アミノ基またはＯＨ基を表す。）

これらの化合物のうち、一般式（１）で示されるべンゾトリアゾール系誘導体としてはＲ１〜Ｒ４は、一般には炭素数が多いほうが粘着性が強い。
一般式（３）及び一般式（４）で示されるイミダゾール系誘導体及びべンゾイミダゾール系誘導体のＲ１１〜Ｒ１７においても、一般に炭素数の多いほうが粘着性が強い。
一般式（６）で示されるべンゾチアゾールチオ脂肪酸系誘導体においては、Ｒ２２〜Ｒ２６は炭素数１または２が好ましい。

本発明では、該粘着性付与化合物の少なくとも一つを水または酸性水に溶解し、好ましくはｐＨ３〜４程度の微酸性に調整して用いる。ｐＨの調整に用いる物質としては、導電性物質が金属であるときは塩酸、硫酸、硝酸、リン酸等の無機酸をあげることができる。また有機酸としては、蟻酸、酢酸、プロピオン酸、リンゴ酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、酒石酸等が使用できる。該粘着性付与化合物の濃度は厳しく限定はされないが溶解性、使用状況に応じて適宜調整して用いるが、好ましくは全体として０．０５質量％〜２０質量％の範囲内の濃度が使用しやすい。これより低濃度にすると粘着性膜の生成が不十分となり、性能上好ましくない。

処理温度は室温よりは若干加温したほうが粘着性膜の生成速度、生成量が良い。粘着性付与化合物濃度、金属の種類などにより変わり限定的でないが、一般的には３０℃〜６０℃位の範囲が好適である。浸漬時間は限定的でないが、作業効率から５秒〜５分間位の範囲になるように他の条件を調整することが好ましい。

なおこの場合、溶液中に銅をイオンとして１００〜１０００ｐｐｍを共存させると、粘着性膜の生成速度、生成量などの生成効率が高まるので好ましい。

ここで使用する前述の粘着性付与化合物溶液にプリント配線板を浸漬するか、または溶液を塗布すると、導電性回路表面が粘着性を示す。

本発明の処理方法は前述した接続用ハンダバンプを有するプリント回路基板のみならず、ＬＳＩそのものの接続用ハンダバンプ部分、すなわち、ＢＧＡを有するＬＳＩチップやＣＳＰ（チップ・サイズ・パッケージ）ＬＳＩ等のバンプ形成としても有効に使用できるものであり、これらは本発明のハンダ回路基板に当然含まれるものである。

本発明のハンダ回路基板の製造方法に使用するハンダ粉末の金属組成としては、例えばＳｎ−Ｐｂ系、Ｓｎ−Ｐｂ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｐｂ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ｐｂ−Ｂｉ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｐｂ−Ｃｄ系が挙げられる。また最近の産業廃棄物におけるＰｂ排除の観点から、Ｐｂを含まないＳｎ−Ｉｎ系、Ｓｎ−Ｂｉ系、Ｉｎ−Ａｇ系、Ｉｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ｚｎ系、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｓｂ系、Ｓｎ−Ａｕ系、Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｇｅ系、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｓｂ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｚｎ系、Ｓｎ−Ｃｕ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｓｂ系、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｓｂ−Ｚｎ系、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｃｕ−Ｚｎ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｓｂ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｓｂ−Ｚｎ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｚｎ系、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系が好ましい。

上記の具体例としては、Ｓｎが６３質量％、Ｐｂが３７質量％の共晶ハンダ（以下６３Ｓｎ／３７Ｐｂと表す。）を中心として、６２Ｓｎ／３６Ｐｂ／２Ａｇ、６２．６Ｓｎ／３７Ｐｂ／０．４Ａｇ、６０Ｓｎ／４０Ｐｂ、５０Ｓｎ／５０Ｐｂ、３０Ｓｎ／７０Ｐｂ、２５Ｓｎ／７５Ｐｂ、１０Ｓｎ／８８Ｐｂ／２Ａｇ、４６Ｓｎ／８Ｂｉ／４６Ｐｂ、５７Ｓｎ／３Ｂｉ／４０Ｐｂ、４２Ｓｎ／４２Ｐｂ／１４Ｂｉ／２Ａｇ、４５Ｓｎ／４０Ｐｂ／１５Ｂｉ、５０Ｓｎ／３２Ｐｂ／１８Ｃｄ、４８Ｓｎ／５２Ｉｎ、４３Ｓｎ／５７Ｂｉ、９７Ｉｎ／３Ａｇ、５８Ｓｎ／４２Ｉｎ、９５Ｉｎ／５Ｂｉ、６０Ｓｎ／４０Ｂｉ、９１Ｓｎ／９Ｚｎ、９６．５Ｓｎ／３．５Ａｇ、９９．３Ｓｎ／０．７Ｃｕ、９５Ｓｎ／５Ｓｂ、２０Ｓｎ／８０Ａｕ、９０Ｓｎ／１０Ａｇ、９０Ｓｎ／７．５Ｂｉ／２Ａｇ／０．５Ｃｕ、９７Ｓｎ／３Ｃｕ、９９Ｓｎ／１Ｇｅ、９２Ｓｎ／７．５Ｂｉ／０．５Ｃｕ、９７Ｓｎ／２Ｃｕ／０．８Ｓｂ／０．２Ａｇ、９５．５Ｓｎ／３．５Ａｇ／１Ｚｎ、９５．５Ｓｎ／４Ｃｕ／０．５Ａｇ、５２Ｓｎ／４５Ｂｉ／３Ｓｂ、５１Ｓｎ／４５Ｂｉ／３Ｓｂ／１Ｚｎ、８５Ｓｎ／１０Ｂｉ／５Ｓｂ、８４Ｓｎ／１０Ｂｉ／５Ｓｂ／１Ｚｎ、８８．２Ｓｎ／１０Ｂｉ／０．８Ｃｕ／１Ｚｎ、８９Ｓｎ／４Ａｇ／７Ｓｂ、８８Ｓｎ／４Ａｇ／７Ｓｂ／１Ｚｎ、９８Ｓｎ／１Ａｇ／１Ｓｂ、９７Ｓｎ／１Ａｇ／１Ｓｂ／１Ｚｎ、９１．２Ｓｎ／２Ａｇ／０．８Ｃｕ／６Ｚｎ、８９Ｓｎ／８Ｚｎ／３Ｂｉ、８６Ｓｎ／８Ｚｎ／６Ｂｉ、８９．１Ｓｎ／２Ａｇ／０．９Ｃｕ／８Ｚｎなどが挙げられる。また本発明に用いるハンダ粉末として、異なる組成のハンダ粉末を２種類以上混合したものでもよい。

はんだバンプ形成において、バンプを高く形成するには１電極に１粉末を付着することが望ましい。このときハンダ粉末を付着させる回路電極部分の周囲をレジストで被うことにより開口部を円状とし、円状の開口部の直径をＤ１、ハンダ粉末の直径をＤ２とし、回路電極部分のレジストの厚さをＤ３とした場合、

１＞（Ｄ１−２×（（Ｄ２−Ｄ３）×Ｄ３）^1/2）／Ｄ２≧０

の範囲で粉末を選択することで１電極に１粉末を付着することができ、好ましくは

０．９≧（Ｄ１−２×（（Ｄ２−Ｄ３）×Ｄ３）^1/2）／Ｄ２≧０．０５

の範囲である。

以下、実施例により本発明を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例１）
粘着性付与化合物溶液として、一般式（３）のＲ１２のアルキル基がＣ１１Ｈ２３、Ｒ１１が水素原子であるイミダゾール系化合物の２質量％水溶液を、酢酸によりｐＨを約４に調整して用いた。該水溶液を４０℃に加温し、これに塩酸水溶液により前処理した前記プリント配線板を３分間浸漬し、銅回路表面に粘着性物質を生成させた。

次いで該プリント配線板を、図１に示すような、容器内部の寸法が２５０ｍｍ×１２０ｍｍ×１２０ｍｍ、該容器にプリント配線板を水平方向に投入する投入口を有するハンダ粉末付着装置に入れた。容器には、水及び組成が９６．５Ｓｎ／３．５Ａｇで粒径７０μｍのはんだ粉末を、約４００ｇ入れた。ハンダ粉末付着装置を傾けて、ハンダ粉末が配線板（電極径に触れないようにして入れた。配線板をハンダ粉末付着装置に入れた後、１０秒間、容器を左右に３０°傾動させてハンダ粉末をプリント配線板に付着させた。傾動の周期は５秒／回とした。

その後、装置からプリント配線板を取り出し、純水で軽く洗浄した後、プリント配線板を乾燥させた。
このプリント配線板を２４０℃のオーブンに入れ、ハンダ粉末を溶融し、銅回露出部上に厚さ約２０μｍの９６．５Ｓｎ／３．５Ａｇハンダ薄層を形成した。
結果を表に示した。

プリント配線板上の導電性回路電極表面に粘着性を付与し、該粘着部にハンダ粉末を付着させて、該ハンダを溶融してハンダ回路を形成するハンダ回路基板の製造方法により、簡単な操作で微細なハンダ回路パターンを形成させ、信頼性の高い回路基板を提供することが可能となったが、この方法でハンダバンプを形成する場合、ハンダ回路基板のバンプを形成する粘着部に、ハンダ粉末の粒度の不均一さに基づき、複数のハンダ粉末が付着してハンダバンプの高さが不均一となったり、該当箇所にハンダ粉末が付着せずに、ハンダバンプが欠損するといった問題点があった。これに対し、特定した粒径のハンダ粉末を用いることにより、各開口部に１個のハンダ粉末を付着させることにより、より微細な回路パターンに対応でき、かつハンダバンプの高さが均一で、またハンダバンプの欠損がないハンダ回路基板の製造方法を提供することが可能となり、集積度が高く、かつ、信頼性の高い電子機器を提供出来た。

ハンダ粒子付着装置を用いた本願発明のハンダ粒子付着の１実施例。

Claims

ハンダ粉末を含む水を容器に入れ、該容器を傾けて前記水を容器の下部に貯留し、導電性回路電極表面に粘着性を付与したプリント配線板を、前記水の存在している部位より上方に配置し、次いで容器を水平方向に傾動して前記プリント配線板をハンダ粉末を含む水中に浸漬し、前記粘着部を付与した部分にハンダ粉末を付着させ、次いで該プリント配線板を加熱し、ハンダを溶融してハンダ回路を形成するハンダ回路基板の製造方法であって、回路電極部分をレジストで覆い、導電性回路電極部分に開口部を設け、該開口部の面積を円形とした場合の直径をＤ１、ハンダ粉末の直径をＤ２とし、回路電極部分のレジストの厚さをＤ３とした場合、該各開口部に、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３の間に式（１）の関係のハンダ粉粒子を１個だけ付着させることを特徴とするハンダ回路基板の製造方法。

１＞(D1−2×((D2−D3)×D3)^1/2)／D2≧０・・・・（１）
プリント配線板が、ＬＳＩチップを接続するための接続用バンプを有する配線板であることを特徴とする請求項１に記載のハンダ回路基板の製造方法。
プリント配線板が、ＬＳＩチップに設けられた接続用バンプであることを特徴とする請求項１に記載のハンダ回路基板の製造方法。