JP6781218B2 - フラックス及びソルダペースト - Google Patents
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Description
このはんだ合金を用いた接合方法としては、例えばはんだ合金粉末とフラックスとを混合したソルダペーストを基板に印刷して行う方法や、基板上に形成されたはんだ合金からなるはんだバンプを用いて行う方法が存在する。なおソルダペーストは前記はんだバンプの形成にも用いられることがある。
このドライフィルム工法を用いてはんだバンプを形成する場合、他のバンプ形成方法と比較して、はんだバンプ内のボイドが発生し易くなる現象や、フラックス残渣の除去時に基板上からはんだバンプがなくなってしまうミッシングバンプ現象が発生し易い。
そしてドライフィルム工法によるはんだバンプ形成の場合、開口部を形成するドライフィルム層の膜厚は、他の方法で用いるマスクと比較して厚いことが多い。そのためこの場合、ドライフィルム層表面から開口部底面までの高さ(開口部の深さ)がより高くなり、開口部の底部に溶融したはんだ合金が流れ難くなる一方で当該底部にフラックスが溜まり易くなるため、ミッシングバンプがより発生し易くなると考えられる。
なお、本発明が当該実施形態に限定されないのはもとよりである。
本実施形態に係るフラックスは、ロジン系樹脂と、活性剤と、チクソ剤と、溶剤とを含む。
なお、これらのロジン系樹脂の中でも、軟化点が100℃以下のものが好ましく用いられる。低軟化点のロジン系樹脂を使用することで、加熱(リフロー)時におけるフラックスの流動性を向上し得るため、はんだ合金(粉末)が沈降し易くなり、これによりミッシングバンプの発生抑制効果を向上し得る。
これらの中でも特に、硬化ひまし油が前記チクソ剤として好ましく用いられる。硬化ひまし油は、他のチクソ剤と比較して軟化点が低いため、加熱(リフロー)時におけるフラックスの流動性を向上し得る。そのため、はんだ合金(粉末)が沈降し易くなり、これによりミッシングバンプの発生抑制効果を向上し得る。
なお、これらは単独でまたは複数を組合せて使用することができる。
このような1価アルコールは、加熱(リフロー)温度が高い場合においても揮発し難い性質を有している。そのため、加熱(リフロー)時における溶剤の揮発量が抑えられ、フラックスの流動性低下が抑制される。これにより、加熱(リフロー)時に溶融したはんだ合金内にフラックスの成分が取り込まれ難くなりボイドの発生を抑制することができる。
また、はんだバンプの形成においても、加熱(リフロー)時に開口部の底部に溶融したはんだ合金が流れ易くなり、ミッシングバンプの発生も抑制することができる。これは開口部の深さがより深くなるドライフィルム工法によるはんだバンプ形成時においても同様であり、このような工法においてもミッシングバンプの発生を抑制することができる。
しかし、このようなエステル系溶剤は、活性剤やチクソ剤といった他のフラックス成分との溶解性が悪い場合が多い。そのため、通常はこのようなエステル系溶剤と併せて溶解性が高く沸点の低い他の溶剤を使用しなければフラックスとして使用できないことが多かった。
しかし本実施形態のフラックスは、前記溶剤として1分子中に含まれる炭素数が18以上24以下の1価アルコールを含むことにより、沸点の低い他の溶剤との併用が必須ではなく、これ単独の使用でも加熱(リフロー)時におけるフラックスの流動性低下を抑制することができる。但し、当該1価アルコールと他の溶剤との併用を排除するものではなく、適宜、組合せて使用することができる。
また前記1価アルコールの配合量はフラックス全量に対して30質量%以上60質量%以下であることが好ましく、35質量%以上55質量%以下がより好ましく、更には40質量%以上50質量%以下であることが好ましい。前記1価アルコールの配合量をこの範囲とすることで、はんだバンプのボイド抑制効果をより向上し得る。
前記酸化防止剤としては、例えばヒンダードフェノール系酸化防止剤、フェノール系酸化防止剤、ビスフェノール系酸化防止剤、ポリマー型酸化防止剤等が挙げられる。これらの中でも特にヒンダードフェノール系酸化防止剤が好ましく用いられる。
前記酸化防止剤はこれらに限定されるものではなく、またその配合量は特に限定されるものではない。その一般的な配合量は、フラックス全量に対して0.5質量%から5質量%程度である。
ましく、更に好ましい配合量は5質量%以下である。
当該粘度の計測においては、先ず、本実施形態のフラックス4gをアルミシャーレに入れ、これを金網に載せ、リフロー装置を用いてリフローを行う。リフロー条件は図1に示す温度プロファイル(上記リフロー条件)に従う。
リフロー後のフラックスを常温まで戻し、これをE型粘度計を用いて計測する。なお、粘度計測条件は、回転数を10rpm、測定温度25℃とした。
本実施形態のソルダペーストは、本実施形態のフラックスとはんだ合金粉末とを公知の方法にて混合して作製できる。
なお、代表的なはんだ合金粉末としてはSn−Ag系はんだ合金、Sn−Ag−Cu系はんだ合金やSn−Ag−Cu−In系はんだ合金、Sn−Cu系はんだ合金といった鉛フリーはんだ合金粉末が用いられるが、鉛含有のはんだ合金粉末を用いてもよい。
本実施形態のソルダペーストを用いて形成されるはんだ接合部としては、例えば以下の方法により形成される。
即ち、基板上の予め定められた所定の位置に前記ソルダペーストを印刷し、更に当該基板上の所定の位置に電子部品を搭載し、これをリフローすることにより形成される。このように形成されたはんだ接合部は発生するボイドが少なく高い信頼性を有することから、半導体、電子機器等に好適に用いることができる。
本実施形態のソルダペーストを用いて形成されるはんだバンプは、例えば以下の方法により形成される。
先ず、基板上に所定のパターンを有する電極部及び絶縁層を形成する。この絶縁層は、液状のソルダレジスト、ドライフィルム等、所定の膜厚を有する絶縁成分からなる層を形成し得るものであれば、どのような方法により作製されていてもよい。
次いで、当該パターンに対応するメタルマスク(電極部上が開口しているもの)を前記絶縁層に接するように前記基板上に載せ、スキージ等を用いて前記ソルダペーストが前記電極部上の開口している領域に充填されるように印刷する。その後、当該基板をリフロー装置に入れて所定の温度プロファイルに従ってリフローする。リフロー後、前記基板上に残っているフラックス成分(フラックス残渣)を除去することにより、はんだバンプが形成される。
先ず、基板上に所定のパターンを有する電極部及び絶縁層を形成する。この絶縁層は、液状のソルダレジスト、ドライフィルム等、所定の膜厚を有する絶縁成分からなる層を形成し得るものであれば、どのような方法により作製されていてもよい。
次いで、前記絶縁層上にドライフィルム層を形成する。当該ドライフィルム層は、前記基板の所定の範囲上であって絶縁層に接するようにドライフィルムを貼り付け、これに対し所定のパターンによる露光・現像を行うことにより形成される。即ち、露光・現像により前記ドライフィルムのレジスト成分のうちはんだバンプを形成したい部分(電極部上)のレジスト成分が除去され、前記基板上に所定パターンのドライフィルム層が形成される。またこれにより、周囲が当該ドライフィルム層に囲まれた領域(開口部)が形成される。
そして、スキージ等を用いて前記ソルダペーストが前記開口部内に充填されるように印刷する。その後、当該基板をリフロー装置に入れて所定の温度プロファイル従ってリフローする。リフロー後、前記基板上に残っているフラックス成分(フラックス残渣)と前記ドライフィルム層を除去することにより、はんだバンプが形成される。
表1に示す組成及び配合にて各成分を混練し、実施例1から6、参考例7、8及び比較例1から7に係る各フラックスを作製した。なお、表1のうち、組成を表すものに係る数値の単位は、特に断り書きがない限り質量%である。
※2 ホルミル化ロジン(軟化点85〜95℃) ハリマ化成(株)製
※3 トリス(2,3−ジブロモプロピル)イソシアヌレート 日本化成(株)製
※4 ポリ8,13−ジメチル−8,12−エイコサジエン二酸無水物 岡村製油(株)製
※5 2−デシルテトラデカノール(炭素数24:分岐型) 新日本理化(株)製
※6 2−オクチルドデカノール(炭素数20:分岐型) 新日本理化(株)製
※7 イソエイコサノール(炭素数20:分岐型) 日産化学工業(株)製
※8 イソステアリルアルコール(炭素数18:分岐型) 高級アルコール工業(株)製
※9 2−ヘキシルデカノール(炭素数16:分岐型) 新日本理化(株)製
※10 セバシン酸ビス(2−エチルヘキシル) 大八化学工業(株)製
各溶剤成分について、220℃における重量減少率を測定した。
当該重量減少率の測定は、次の条件で行った。即ち、示差熱熱重量同時測定装置(製品名:STA7200RV、(株)日立ハイテクサイエンス製)を用い、試料10mg、昇温速度10℃/min、N2(300ml/min)雰囲気下で220℃まで昇温させた
後の重量減少率を測定した。その結果を表2に示す。
図2に示すように、基板1上に電極2、絶縁層3、ドライフィルム層4及び開口部5を形成する。このような構成を有する基板1は、例えば以下の方法により作製される。
先ず、基板1(サイズ:250mm×75mm)上に所定のパターンを有する電極2及び絶縁層3を形成した。絶縁層3は、液状のソルダレジスト、ドライフィルム等、所定の膜厚を有する絶縁成分からなる層を形成し得るものであれば、どのような方法により作製されていてもよい。なお、絶縁層3の表面(上面)における開口径は直径85μmとなるようにした。
次いで、絶縁層3上にドライフィルム層4を形成した。ドライフィルム層4は、基板1の所定の範囲上であって絶縁層3に接するようにドライフィルム(製品名:WB−5040、デュポン社製)を貼り付け、これに対し所定のパターンによる露光・現像を行うことにより形成した。即ち、露光・現像により前記ドライフィルムのレジスト成分のうちはんだバンプを形成したい部分(電極2上)のレジスト成分を除去し、基板1上に所定パターンのドライフィルム層4を形成した。なお、ドライフィルム層4の高さ(厚さ)は38μm、幅は35μmとなるようにし、ドライフィルム層4の表面(上面)における開口径は直径115μmとなるようにし、またピッチ幅(図2のAからBまでの距離)は150μmとなるようにした。これにより、周囲がドライフィルム層4に囲まれた領域(開口部5)が形成された。
そして、ウレタンスキージを用いて実施例1から6、参考例7、8及び比較例1から7に係る各ソルダペーストが開口部5内に充填されるように各基板1に印刷した。なお、印刷回数は一方向で10回とした。
その後、各ソルダペーストが印刷された各基板1をリフロー装置(製品名:TNP25−538EM、(株)タムラ製作所製)に入れて図1に示す温度プロファイルに従って窒素雰囲気下(酸素濃度100ppm以下)にて、プリヒートなし、ピーク温度260℃、昇温レート及び降温レート2℃/秒でリフローした。そして当該リフロー後、各基板1上に残っているフラックス成分(フラックス残渣)及びドライフィルム層4を除去することにより、はんだバンプを形成した。
次いで、形成されたはんだバンプにフラックス(製品名:BF−30、(株)タムラ製作所製)を塗布し、上記はんだバンプ形成時のリフロー条件と同じ条件にてリフローを行い、各試験基板を作製した。なお、ドライフィルム層4の除去は剥離液(製品名:クリンスルーA−04:花王(株)製)を用い、超音波洗浄装置(製品名:ASU−3M、アズワン(株)製)を用いて1分間振動を与えることにより行った。また各基板1に設けられるパッド数は7,200個とした。
・最大ボイド径(%)
◎:最大ボイド径が0%以上20%以下
○:最大ボイド径が20%超25%以下
△:最大ボイド径が25%超30%以下
×:最大ボイド径が30%超
・平均ボイド径(%)
○:平均ボイド径が0%以上15%以下
△:平均ボイド径が15%超
・ボイド発生率(%)
◎◎:ボイド発生率が0%以上25%以下
◎:ボイド発生率が25%超以上35%以下
○:ボイド発生率が35%超45%以下
△:ボイド発生率が45%超50%以下
×:ボイド発生率が50%超
上記ボイド試験と同様の条件にて各試験基板を作製した。
各試験基板について、ミッシングバンプが発生したはんだバンプの数を計測し、以下の基準に従い評価した。その結果を表3に示す。
○:ミッシングバンプなし(発生ゼロ)
×:ミッシングバンプあり
当該粘度の計測においては、先ず、実施例1から6、参考例7、8及び比較例1から7に係る各フラックス4gをそれぞれアルミシャーレに入れ、これらを金網に載せ、リフロー装置(製品名:TNP25−538EM、(株)タムラ製作所製)を用いてリフローを行った。なおリフロー条件は図1に示す温度プロファイルに従った。
リフロー後の各フラックスを常温まで戻し、これをE型粘度計(製品名:RE150U、東機産業(株)製)を用いて計測した。なお、粘度計測条件は、回転数を10rpm、測定温度25℃とした。そして計測した粘度について、以下の基準に従い評価した。その結果を表3に示す。
◎:15Pa・s以下
○:15Pa・s超25Pa・s以下
△:25Pa・s超30Pa・s以下
×:30Pa・s超
一方、220℃における重量減少率が低いエステル系溶剤を使用した比較例1は、他のフラックス成分が溶けきらず、フラックスとして使用できない状態であった。このように、比較例1についてはフラックス及びソルダペーストが作製できない状態であったため、各試験の評価結果については「計測不可」と表記している。
また1分子中に含まれる炭素数が18以上24以下の1価アルコール以外の溶剤のみを使用した比較例2から4及び7はリフロー時における流動性低下を抑制し難いため、はんだバンプにおけるボイド発生率がいずれも50%を超えており、他のボイド試験結果及び/またはミッシングバンプ試験の結果も各実施例に係るソルダペーストよりも劣ることが分かる。
更には、1分子中に含まれる炭素数が18以上24以下の1価アルコールの配合量が、フラックス全量に対して30質量%未満である比較例5、及び60質量%超である比較例6においては、ボイド発生率が50%を超えていることが分かる。
2 電極
3 絶縁層
4 ドライフィルム層
5 開口部
Claims (9)
- ロジン系樹脂と、活性剤と、チクソ剤と、溶剤とを含むフラックスであって、
前記溶剤として1分子中に含まれる炭素数が18以上24以下の1価アルコールを含み、
前記1価アルコールの配合量はフラックス全量に対して40質量%以上50質量%以下であり、
前記活性剤にはポリ8,13−ジメチル−8,12−エイコサジエン二酸無水物が含まれることを特徴とするフラックス。 - 前記1価アルコールの1分子中に含まれる炭素数は18以上20以下であることを特徴とする請求項1に記載のフラックス。
- 前記1価アルコールは分岐型アルコールまたは不飽和アルコールであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のフラックス。
- 前記1価アルコールは、オレイルアルコール、イソステアリルアルコール、イソエイコサノール、2−オクチルドデカノールまたは2−デシルテトラデカノールの少なくとも1種から選ばれることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のフラックス。
- 前記ロジン系樹脂の配合量はフラックス全量に対して30質量%以上40質量%以下であることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のフラックス。
- 前記ロジン系樹脂には軟化点が100℃以下のロジン系樹脂が含まれることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のフラックス。
- 請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のフラックスであって、常温からピーク温度である260℃まで昇温レート2℃/秒の条件で昇温させ、当該ピーク温度に達した後は降温レート2℃/秒の条件で冷却させるリフロー条件にて加熱した後の粘度が30Pa・s以下であることを特徴とするフラックス。
- 請求項1から請求項7のいずれか1項に記載のフラックスと、はんだ合金粉末とを含むことを特徴とするソルダペースト。
- 基板上に電極部及び第1の絶縁層を形成し、
前記電極部上に開口領域が形成されるように前記第1の絶縁層上に第2の絶縁層を形成し、
請求項8に記載のソルダペーストを前記電極部上の開口領域に充填されるように印刷し、
前記電極部上の開口領域に前記ソルダペーストが充填される前記基板を加熱して前記基板上にフラックス残渣を形成し、
前記フラックス残渣及び前記第2の絶縁層を除去することによりはんだバンプを形成することを特徴とするはんだバンプの形成方法。
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