JP5858600B2 - チップ実装方法 - Google Patents

Description

この発明は、熱硬化性の接着剤を介して、バンプを配設したチップを基板の上に実装するチップ実装方法に関する。

電子部品の小型化による回路の高密度・高精細化にともない、チップを基板に実装する方法として、フリップチップ実装方法が採られている。この方法は、チップの接合面に突起電極（バンプ）を形成し、その接合面を下に向けて基板上に積層、接合する方法であり、熱硬化性の接着剤を介してチップと基板とを接合する方法が知られている。具体的には、図３に示すように、接着剤２をプリント基板１に塗布し（第１の工程、図３（ａ））、ツールＴで保持したＩＣチップ３をプリント基板１上に実装し、ＩＣチップ３のスタッドバンプ４をプリント基板１に押圧する（第２の工程、図３（ｂ））。次に、スタッドバンプ４を押圧した状態で接着剤２が硬化する温度（硬化温度、２００℃）まで加熱する（第３の工程、図３（ｃ））ものである。

このように、第２の工程において、スタッドバンプ４をプリント基板１に押圧するのは、プリント基板１やスタッドバンプ４などに高い平坦度が得られていない場合があり、このような低い平坦度（歪み、たわみなど）を吸収して、プリント基板１とスタッドバンプ４との接合性を高めるためである。ここで、図４に示すように、スタッドバンプ４への荷重は、プリント基板１への実装・配置とほぼ同時に最大値となり、接着剤２の温度は、約５０℃から徐々に上昇し、２００℃のピーク温度に達する。そして、この２００℃の状態を約１０秒間維持して接着剤２が完全に硬化した後に、スタッドバンプ４への荷重を解除するとともに、加熱を停止するものである。

また、ＩＣチップの接続方法として、回路基板とＩＣチップとを所定の温度で加熱し、回路基板の伸び量とＩＣチップの伸び量の差を極小とする技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０００−３３２３９１号公報

ところで、上記の第３の工程においてツールＴから接着剤２を加熱して硬化させる場合に、接着剤２が徐々に硬化するとともに、ツールＴからの熱でプリント基板１も加熱される。そして、この加熱により、図３（ｃ）に示すように、接着剤２が完全に硬化する前に、プリント基板１の実装面が熱変形してしまう。しかも、上記のように、接着剤２が初期温度の５０℃から硬化温度の２００℃まで１５０℃上昇するため、プリント基板１の温度上昇も大きく、プリント基板１が大きく変形する。

このため、加熱前にスタッドバンプ４をプリント基板１に押圧しても、スタッドバンプ４とプリント基板１の実装面との間に間隙Ｓ（例えば約１μｍの隙間）が形成され（断線し）、スタッドバンプ４とプリント基板１との密着性が低下してしまう。このような密着性の低下を解消するために、スタッドバンプ４の押圧力（加圧力）を高めることが考えられるが、これでは、ＩＣチップ３などへの内部応力が高まり、ＩＣチップ３が接着剤２から剥離するおそれがある。つまり、信頼性が低下する。また、平坦度が高いプリント基板や、熱膨張率が小さいプリント基板などを用いることで、密着性の低下を解消することも可能であるが、このようなプリント基板は高額であり、多大な費用を要する。

一方、特許文献１の技術は、回路基板の反りやクラックなどの変形を低減することはできるが、基板が変形した場合に、回路基板とバンプとの密着性を維持することはできない。

そこで本発明は、加圧力を高めず、しかも、多様な基板に安定的にチップを実装することが可能なチップ実装方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、接合面にバンプが配設されたチップを、熱硬化性のエポキシ樹脂接着剤を介してガラス・エポキシ製の基板の上に実装するチップ実装方法であって、
前記基板の実装面に前記接着剤を塗布し、
前記基板の実装面に前記チップを配置して、第１の押圧力で前記バンプを前記基板に押圧し、
第１の加熱として、前記接着剤が硬化する硬化温度よりも低い予熱温度まで、前記接着剤を加熱し、
前記第１の押圧力よりも大きい第２の押圧力で、前記バンプを前記基板に押圧し、
その後、第２の加熱として、前記接着剤を前記硬化温度まで加熱するものであり、
前記予熱温度は、前記接着剤が完全には硬化しない範囲で、前記基板をできるだけ変形させるように設定され、
前記第２の押圧力は、前記バンプが前記基板の変形に追従して変形し前記基板に密着するように設定されており、
前記接着剤が２００℃で１０秒間加熱あるいは１５０℃で１００秒間加熱することで硬化するものであり、前記第１の加熱において５秒程度で５０℃から１５０℃に達するように加熱し、前記第２の加熱において２００℃で１０秒間加熱する、
ことを特徴とする。

この発明によれば、チップのバンプを第１の押圧力で基板に押圧した状態で、接着剤が予熱温度まで加熱され、これにより、基板も加熱されて熱変形（第１の変形）する。続いて、バンプが第２の押圧力で基板に押圧され、接着剤が硬化温度まで加熱される。これにより、接着剤が完全に硬化するとともに、基板が熱変形（第２の変形）する。

請求項１に記載の発明によれば、接着剤を予熱温度まで加熱することで基板が第１の変形をしても、その後、第２の押圧力でバンプを基板に押圧することで、バンプと基板とが密着する。さらに、接着剤を硬化温度まで加熱することで基板が第２の変形をするが、予熱温度から硬化温度までの温度差を小さく設定することで、第２の変形量が小さくなり、バンプと基板との密着性を維持することが可能となる。つまり、チップを基板に安定して実装することが可能となる。しかも、接着剤が硬化しない予熱温度の時点で第２の押圧力でバンプを押圧するため、バンプの加圧力・押圧力を高める必要がなく、また、基板の変形に応じてバンプが基板に密着するため、平坦度が高い基板や熱膨張率が小さい基板などを用いる必要もない。つまり、多様な基板に対して、安定的にチップを実装することが可能となる。

本発明の実施の形態に係わるチップ実装方法の手順を示す概略図であって、（ａ）は、プリント基板の実装面に接着剤を塗布した状態を示す図、（ｂ）は、プリント基板の実装面にチップを実装し、スタッドバンプを第１の押圧力で押圧する状態を示す図、（ｃ）は、接着剤を予熱温度まで加熱した状態を示す図、（ｄ）は、接着剤を加熱したままスタッドバンプを第２の押圧力で押圧した状態および接着剤を硬化温度まで加熱した状態を示す図である。 図１のチップ実装方法における接着剤の温度変化とスタッドバンプへの荷重変化を示すグラフである。 従来のチップ実装方法の手順を示す概略図であって、（ａ）は、プリント基板の実装面に接着剤を塗布した状態を示す図、（ｂ）は、プリント基板の実装面にチップを実装し、スタッドバンプを押圧した状態を示す図、（ｃ）は、接着剤を硬化温度まで加熱した状態を示す図である。 図３のチップ実装方法における接着剤の温度変化とスタッドバンプへの荷重変化を示すグラフである。

次に、この発明の実施の形態について、図面を用いて詳しく説明する。

図１は、この実施の形態に係わるチップ実装方法の手順を示しており、このチップ実装方法は、接合面にバンプを備えたチップを、接着剤を介して基板に実装、接合する方法である。この実施の形態では、プリント基板（基板）１の材質がガラス・エポキシ（ＦＲ−４）であり、接着剤２が、所定の条件で硬化する、具体的には、２００℃で１０秒間加熱あるいは１５０℃で１００秒間加熱することで硬化するエポキシ樹脂接着剤で、ＩＣチップ（チップ）３の接合面に、多数の金ボール状のスタッドバンプ（バンプ）４を備えている場合について説明する。

まず、図１（ａ）に示すように、プリント基板１の実装面に接着剤２を塗布する。塗布する量は、プリント基板１の実装面とＩＣチップ３の接合面とを重ね合わせたときに、プリント基板１とＩＣチップ３との間に隙間がなく、適正に接合される程度の量とする。このとき、プリント基板１を５０℃に保温する。

次に、図１（ｂ）に示すように、プリント基板１の実装面にＩＣチップ３を実装・配置し、第１の押圧力でスタッドバンプ４をプリント基板１に押圧する。ここで、第１の押圧力は、スタッドバンプ４がほとんどつぶれず、かつ、後述する第１の加熱によってプリント基板１が大きく変形するのを抑制可能な大きさに設定されている。つまり、スタッドバンプ４をプリント基板１に接触させる程度では、第１の加熱によってプリント基板１が大きく変形するため、このような変形を抑制可能な押圧力とし、かつ、後述する第２の押圧力も考慮して設定されている。例えば、この実施の形態では、３ｋｇｆに設定されている。そして、このような押圧を、図２に示すように、後述する第１の加熱が完了するまで（接着剤２が後述する予熱温度１５０℃に達するまで）維持する。

さらに、スタッドバンプ４を第１の押圧力で押圧するタイミングと同時に、図１（ｃ）に示すように、接着剤２の加熱を開始する。この加熱は、ＩＣチップ３を保持するツールＴによって行われる。

この加熱により、図２に示すように、接着剤２およびプリント基板１の温度が上昇し、その温度が予熱温度に達した時点で、スタッドバンプ４の押圧力を第１の押圧力から第２の押圧力に上昇させる。ここで、予熱温度までの加熱を第１の加熱とし、この予熱温度は、接着剤２が完全に熱硬化する温度（硬化温度）よりも低い温度で、第１の加熱によってプリント基板１をできるだけ変形させ、かつ、接着剤２が硬化しない温度に設定されている。つまり、接着剤２が硬化しない範囲で、できるだけ高く設定し、後述する第２の加熱によるプリント基板１の変形が小さくなるように、予熱温度が設定され、この実施の形態においては、１５０℃に設定されている。

このような第１の加熱により、図１（ｃ）に示すように、プリント基板１が熱変形（第１の変形）し、スタッドバンプ４とプリント基板１の実装面とに間隙Ｓが形成されるおそれ、つまり密着性が低下するおそれがある。しかしながら、スタッドバンプ４の押圧力が第２の押圧力に上昇することで、図１（ｄ）に示すように、スタッドバンプ４がプリント基板１の変形に追従して変形し、スタッドバンプ４とプリント基板１とが密着する。ここで、第２の押圧力は、プリント基板１の第１の変形を吸収して（変形に追従して）、かつ、プリント基板１に密着し、かつ、できるだけ小さくなるように設定され、この実施の形態では、従来の押圧力と同様に、１５ｋｇｆに設定されている。

続いて、接着剤２およびプリント基板１の温度がさらに上昇し、図２に示すように、その温度が２００℃（硬化温度）に達すると、その温度および第２の押圧力を１０秒間継続、維持する。これにより、接着剤２が完全に硬化するとともに、プリント基板１が熱変形（第２の変形）し、その後、ツールＴによる加熱と押圧とを解除、停止するものである。ここで、予熱温度から硬化温度までの加熱を第２の加熱とし、硬化温度および維持時間は、接着剤２の材質や第１の加熱によって設定される。

このようなチップ実装方法によれば、接着剤２を１５０℃まで加熱することで、プリント基板１が第２の変形に比べて大きく変形するが、スタッドバンプ４の押圧力を３ｋｇｆから１５ｋｇｆに上昇させることで、スタッドバンプ４とプリント基板１との密着性が維持（再密着）される。その後、接着剤２を２００℃まで加熱しても、１５０℃から２００℃までの温度上昇であるため、プリント基板１の変形量が小さく、スタッドバンプ４とプリント基板１との密着性を維持することができる。

このように、ＩＣチップ３をプリント基板１に安定して実装することが可能となる。しかも、接着剤２が硬化しない予熱温度の時点で第２の押圧力でスタッドバンプ４を押圧するため、スタッドバンプ４の加圧力・押圧力を高める必要がなく、上記のように、従来の押圧力と同じ力でよい。この結果、ＩＣチップ３などへの内部応力が、高くなることもない。また、プリント基板１の第１の変形に応じてスタッドバンプ４がプリント基板１に密着するため、平坦度が高いプリント基板１や熱膨張率が小さいプリント基板１などを用いる必要もない。つまり、多様なプリント基板１に対して、安定的かつ安価にＩＣチップ３を実装することが可能となる。

さらに、接着剤２やツールＴなどチップ実装に使用するものは、従来のチップ実装方法で使用するものと同様であり、すべて既存品を使用可能であるため、チップ実装を容易かつ低コストに行うことが可能となる。また、押圧力（第２の押圧力）や加熱温度（硬化温度）が従来の押圧力や加熱温度と同じであるため、実装設備を大きく変更する必要がなく、しかも、サイクル時間（実装時間）が大きく変わることもないため、高い生産性を維持することができる。

以上、この発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成は上記の実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。例えば、上記の実施の形態では、２００℃の状態を１０秒間維持して接着剤２を完全に硬化させているが、接着剤２の硬化特性やプリント基板１の変形量などに応じて、より低い温度で長時間維持したり、より高い温度で短時間維持したりして接着剤２を硬化させてもよい。

１ プリント基板（基板）
２ 接着剤
３ ＩＣチップ（チップ）
４ スタッドバンプ（バンプ）
Ｔ ツール

Claims (1)

1. 接合面にバンプが配設されたチップを、熱硬化性のエポキシ樹脂接着剤を介してガラス・エポキシ製の基板の上に実装するチップ実装方法であって、
   前記基板の実装面に前記接着剤を塗布し、
   前記基板の実装面に前記チップを配置して、第１の押圧力で前記バンプを前記基板に押圧し、
   第１の加熱として、前記接着剤が硬化する硬化温度よりも低い予熱温度まで、前記接着剤を加熱し、
   前記第１の押圧力よりも大きい第２の押圧力で、前記バンプを前記基板に押圧し、
   その後、第２の加熱として、前記接着剤を前記硬化温度まで加熱するものであり、
   前記予熱温度は、前記接着剤が完全には硬化しない範囲で、前記基板をできるだけ変形させるように設定され、
   前記第２の押圧力は、前記バンプが前記基板の変形に追従して変形し前記基板に密着するように設定されており、
   前記接着剤が２００℃で１０秒間加熱あるいは１５０℃で１００秒間加熱することで硬化するものであり、前記第１の加熱において５秒程度で５０℃から１５０℃に達するように加熱し、前記第２の加熱において２００℃で１０秒間加熱する、
   ことを特徴とするチップ実装方法。