JP7041075B2 - パッケージ基板及びパッケージ基板の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、パッケージ基板及びパッケージ基板の製造方法に関する。
近年、集積回路の大容量化、高速化、低消費電力化が求められると共に、半導体パッケージの小型化や薄型化も求められている。半導体パッケージの小型化や薄型化を実現するために、ロジック系パッケージ基板やメモリ系パッケージ基板等の異なるパッケージ基板を積層するPackage on Package(PoP)等の3次元パッケージが提案されている。
基本的なPoPの構造は、電極が表面に配置された複数のパッケージ基板が、半田ボールを介して互いに積層された構造である。PoPでは、各パッケージ基板が半田ボールにより電気的に接続されている。
このような構造を有するPoPとして、特許文献1には、以下の積層型半導体パッケージが開示されている。
すなわち特許文献1には、それぞれ半導体素子の実装領域を有しており、互いに積層用半田ボールを介して積層される複数の第1のパッケージ基板と、該複数の第1のパッケージ基板に対応した大きさの多段凹部を有しており、該多段凹部に前記複数の第1のパッケージ基板が収容されるように前記複数の第1のパッケージ基板を覆い、接続用半田ボールを介して前記複数の第1のパッケージ基板のそれぞれに電気的に接続される基準電位配線を含んでいる第2のパッケージ基板と、前記複数の第1のパッケージ基板のうち最下段に位置する前記第1のパッケージ基板の下面及び前記第2のパッケージ基板の下端に設けられる実装用半田ボールとを備えており、前記複数の第1のパッケージ基板は、それぞれ前記多段凹部の対応する段部又は前記多段凹部の底面において前記基準電位配線に電気的に接続されることを特徴とする積層型半導体パッケージが開示されている。
特許文献1に開示された積層型半導体パッケージでは、パッケージ基板同士の電気的な接続には半田ボールが用いられている。
パッケージ基板をさらに小型化する場合には、パッケージ基板の表面に配置された電極をさらに密集させることが考えられる。このように電極を密集させようとすると、半田ボールも密集させる必要がある。その一方で、短絡を防ぐため、半田ボール同士の間には一定の空間が必要になる。半田ボールの形状は略球状であり、球は、空間を充填するには不利な形状である。つまり、半田ボールを密集させようとしても、形状的制約から半田ボールを充分に密集させることはできなかった。
そこで、パッケージ基板同士を電気的に接続するための手段として、柱状の金属ピンを用いることが試みられていた。
特許文献2には、導電性ポスト(柱状の金属ピン)を、はんだペーストを用いて第1の基板に立設し、その後、導電性ポストを、はんだペーストを用いて第2の基板に接続し、第1の基板と第2の基板とを電気的に接続する方法が開示されている。
特開2012-160693号公報 特開2016-48728号公報
特許文献2では、導電性ポストをはんだペーストを用いて第1基板に立設する際、まず、はんだペーストを加熱して溶融させ、その後、はんだペーストを冷却して固化させることにより導電性ポストを第1基板に固定することになる。
このように、はんだペーストを用いて導電性ポストを第1基板に固定する場合、はんだペーストが溶融する際に、はんだペーストの粘度が低くなりすぎ、導電性ポストが自重等により傾いてしまうという問題や、はんだペーストが溶融する際のはんだペーストの表面張力の変化により導電性ポストが傾いてしまうという問題があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、電気的な接続を可能にする金属ピンが傾くことなく立設されたパッケージ基板及び該パッケージ基板の製造方法を提供することである。
上記課題を解決するために、本発明者は鋭意検討を重ねた結果、低融点金属、高融点金属及び熱硬化性樹脂を含む導電性ペーストを、金属ピンをパッケージ基板に固定する手段とすることにより、金属ピンが傾くことなくパッケージ基板に立設できることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明のパッケージ基板は、基材と上記基材の表面に配置された電極とを備えるパッケージ基板であって、上記電極の上には、金属粉及び熱硬化性樹脂を含む導電性ペーストの硬化物を介して金属ピンが立設されており、上記金属粉は、低融点金属と、上記低融点金属の融点よりも高い融点を有する高融点金属とを含むことを特徴とする。
本発明のパッケージ基板では、パッケージ基板同士の接続手段である金属ピンが立設されている。金属ピンの形状は略柱状であるので、パッケージ基板同士の接続手段として略球状の半田ボールを用いるよりも、金属ピンを密集させることができる。従って、本発明のパッケージ基板を小型化することができ、さらに本発明のパッケージ基板が積層されたPoPを小型化及び薄型化することができる。
本発明のパッケージ基板では、電極の上に、導電性ペーストの硬化物を介して金属ピンが立設されている。つまり、本発明のパッケージ基板を製造する際には、導電性ペーストを用いて金属ピンが電極に固定されることになる。
例えば、半田を用いて金属ピンを電極に固定する場合には、半田が溶融した際に半田の粘度が低下しすぎたり、半田の表面張力が変化することにより金属ピンが傾く場合がある。
一方、上記導電性ペーストは、熱硬化性樹脂を含むので加熱により硬化する。そのため、上記導電性ペーストを用いて金属ピンを電極に固定する場合には、半田を用いる場合と比較して金属ピンが傾きにくい。従って、本発明のパッケージ基板では、金属ピンの傾きが小さい。
本発明のパッケージ基板では、上記金属粉は、低融点金属と、上記低融点金属の融点よりも高い融点を有する高融点金属とを含む。
金属粉が低融点金属を含むと、導電性ペーストを加熱する際に、低融点金属が軟化し、導電性ペーストの粘度が一旦低下する。その後、導電性ペーストの熱硬化性樹脂が硬化し、導電性ペーストの硬化物となる。
本発明のパッケージ基板を製造する際に、低融点金属を用いると、導電性ペーストが加熱されて粘度が一旦低下する際に、導電性ペーストが金属ピンに隙間なく接触することになる。その後、導電性ペーストは硬化するので、金属ピンが強固に固定される。
つまり、金属粉が低融点金属を含む場合、パッケージ基板では、金属ピンが電極の上に強固に固定されて立設されている。
また、金属粉が高融点金属を含むと、導電性ペーストの導電性を向上させることができる。
本発明のパッケージ基板では、上記導電性ペーストの硬化物と上記金属ピンとの間には、上記低融点金属と上記金属ピンとの合金が存在していることが望ましい。
導電性ペーストの硬化物と金属ピンとの間に、低融点金属と金属ピンとの合金が存在しているということは、導電性ペーストの硬化物の一部と金属ピンの一部が一体化していることになる。そのため、このようなパッケージ基板では、金属ピンが電極の上に強固に固定されて立設されている。
さらに、このような合金は、耐熱性に優れるので、パッケージ基板の耐熱性も向上させることができる。
なお、本明細書において、合金とは、低融点金属元素と金属ピンを構成する元素との混合物であってもよく、これら元素同士の金属間化合物であってもよい。
本発明のパッケージ基板では、上記低融点金属の融点は、180℃以下であることが望ましい。
低融点金属の融点が180℃を超えると、導電性ペーストを加熱した際に、導電性ペーストの粘度が一旦低下する前に熱硬化性樹脂の硬化が始まったり、導電性ペーストの粘度が低下する温度範囲が狭くなったりしやすくなる。そのため、パッケージ基板において、金属ピンが電極の上に強固に固定されにくくなる。
本発明のパッケージ基板では、上記低融点金属は、インジウム、錫、鉛及びビスマスからなる群から選択される少なくとも1種を含むことが望ましい。
これら金属は、低融点金属として適した融点及び導電性を備える。
本発明のパッケージ基板では、上記高融点金属の融点は、800℃以上であることが望ましい。
本発明のパッケージ基板では、上記高融点金属は、銅、銀、金、ニッケル、銀コート銅及び銀コート銅合金からなる群から選択される少なくとも1種を含むことが望ましい。
これら金属は導電性に優れる。そのため、パッケージ基板において金属ピンと電極との間の導電性を向上させることができる。
また、これら高融点金属は、低融点金属と合金を形成するため、連続した導電パスが得られる。
なお、導電性ペーストの硬化物に、金属粉として低融点金属が含まれず、高融点金属のみ含まれる場合、導電パスは、高融点金属同士の点接触及び高融点金属と金属ピンとの点接触のみになるので、金属ピンとパッケージ基板との間の接続抵抗値を低くすることは困難となる。
本発明のパッケージ基板では、上記金属ピンは、銅、銀、金及びニッケルからなる群から選択される少なくとも1種を含むことが望ましい。
これら金属は導電性に優れる。そのため、パッケージ基板同士を電気的に好適に接続することができる。
本発明のパッケージ基板の製造方法は、上記本発明のパッケージ基板を製造する方法であって、電極が表面に配置された基材を準備する基材準備工程と、上記電極の上に、金属粉及び熱硬化性樹脂を含む導電性ペーストを印刷する印刷工程と、上記導電性ペーストの上に金属ピンを配置する金属ピン配置工程と、上記導電性ペーストを加熱することにより、上記導電性ペーストを軟化させてから硬化させて上記導電性ペーストの硬化物とし、上記導電性ペーストの硬化物を介して、上記金属ピンを上記電極の上に立設する金属ピン立設工程とを含み、上記金属粉は、低融点金属と、上記低融点金属の融点よりも高い融点を有する高融点金属とを含むことを特徴とする。
本発明のパッケージ基板の製造方法は、上記本発明のパッケージ基板を製造する方法であって、電極が表面に配置された基材を準備する基材準備工程と、金属ピンの端部に、金属粉及び熱硬化性樹脂を含む導電性ペーストを付着させる導電性ペースト付着工程と、上記電極の上に、上記導電性ペーストを接触させて上記金属ピンを配置する金属ピン配置工程と、上記導電性ペーストを加熱することにより、上記導電性ペーストを軟化させてから硬化させて上記導電性ペーストの硬化物とし、上記導電性ペーストの硬化物を介して、上記金属ピンを上記電極の上に立設する金属ピン立設工程とを含み、上記金属粉は、低融点金属と、上記低融点金属の融点よりも高い融点を有する高融点金属とを含むことを特徴とする。
本発明のパッケージ基板では、パッケージ基板同士の接続手段である金属ピンが立設されている。金属ピンの形状は略柱状であるので、金属ピンを充分に密集させることができる。従って、本発明のパッケージ基板を小型化することができ、さらに本発明のパッケージ基板が積層されたPoPを小型化及び薄型化することができる。
図1(a)は、本発明のパッケージ基板の一例を模式的に示す概略側面図である。図1(b)は図1(a)の上面図である。 図2(a)は、半田ボールが配置されたパッケージ基板の一例を模式的に示す概略側面図である。図2(b)は、図2(a)の上面図である。 図3(a)は、図1(a)に示すパッケージ基板を含むPoPの一例を模式的に示す概略側面図である。図3(b)は、図2(a)に示すパッケージ基板を含むPoPの一例を模式的に示す概略側面図である。 図4は、本発明のパッケージ基板における電極、導電性ペーストの硬化物及び金属ピンの関係の一例を模式的に示す拡大断面図である。 図5は、本発明のパッケージ基板の製造方法の工程に含まれる基材準備工程を模式的に示す模式図である。 図6は、本発明のパッケージ基板の製造方法の工程に含まれる印刷工程を模式的に示す模式図である。 図7は、本発明のパッケージ基板の製造方法の工程に含まれる金属ピン配置工程を模式的に示す模式図である。 図8(a)及び(b)は、本発明のパッケージ基板の製造方法の工程に含まれる金属ピン立設工程を模式的に示す模式図である。 図9(a)及び(b)は、半田を用いてパッケージ基板の表面に配置された電極に、金属ピンを立設する方法の一例を模式的に示す模式図である。 図10は、本発明のパッケージ基板の製造方法の工程に含まれる導電性ペースト付着工程を模式的に示す模式図である。 図11は、本発明のパッケージ基板の製造方法の工程に含まれる金属ピン配置工程を模式的に示す模式図である。 図12(a)は、実施例1に係るパッケージ基板の導電性ペーストの硬化物と金属ピンとの境界のSEM写真である。図12(b)は、実施例1に係るパッケージ基板の導電性ペーストの硬化物と金属ピンとの境界における錫の分布を示すマッピング画像である。図12(c)は、実施例1に係るパッケージ基板の導電性ペーストの硬化物と金属ピンとの境界におけるビスマスの分布を示すマッピング画像である。図12(d)は、実施例1に係るパッケージ基板の導電性ペーストの硬化物と金属ピンとの境界における銅の分布を示すマッピング画像である。図12(e)は、実施例1に係るパッケージ基板の導電性ペーストの硬化物と金属ピンとの境界における銀の分布を示すマッピング画像である。
本発明のパッケージ基板は、基材と上記基材の表面に配置された電極とを備えるパッケージ基板であって、上記電極の上には、金属粉及び熱硬化性樹脂を含む導電性ペーストの硬化物を介して金属ピンが立設されており、上記金属粉が、低融点金属と、上記低融点金属の融点よりも高い融点を有する高融点金属とを含んでいる構成であれば、他にどのような構成を含んでいてもよい。
このような本発明のパッケージ基板の一例について以下に具体的に説明する。しかしながら、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において適宜変更して適用することができる。
図1(a)は、本発明のパッケージ基板の一例を模式的に示す概略側面図である。
図1(b)は図1(a)の上面図である。
図2(a)は、半田ボールが配置されたパッケージ基板の一例を模式的に示す概略側面図である。図2(b)は、図2(a)の上面図である。
図3(a)は、図1(a)に示すパッケージ基板を含むPoPの一例を模式的に示す概略側面図である。
図3(b)は、図2(a)に示すパッケージ基板を含むPoPの一例を模式的に示す概略側面図である。
図1(a)に示す、パッケージ基板10は、基材20と基材20の表面21に配置された電極30とを備えるパッケージ基板である。
電極30の上には、金属粉及び熱硬化性樹脂を含む導電性ペーストの硬化物40を介して金属ピン50が立設されている。
一方、図2(a)に示す、パッケージ基板110は、基材120と基材120の表面121に配置された電極130とを備えるパッケージ基板である。
電極130の上には、半田ボール160が配置されている。
図1(a)及び(b)に示すように、金属ピン50の形状は略円柱状であるのに対し、図2(a)及び(b)に示すように、半田ボール160の形状は略球状である。
なお、図1(a)及び(b)、並びに、図2(a)及び(b)において、電極30と電極130は同じ大きさであり、金属ピン50及び半田ボール160の大きさは、これらのパッケージ基板を用いてPoPを作製するために必要な大きさである。
図2(b)に示すように、パッケージ基板110を上面視すると、基材120に配置された電極130の輪郭より、半田ボール160の輪郭の方が大きくなっている。半田ボール160同士が接触すると短絡が生じるため、パッケージ基板110では半田ボール160同士が接触しないように電極130が配置されている。そのため、パッケージ基板110では各電極130同士の間隔が広くなっている。
図1(b)に示すように、パッケージ基板10を上面視すると、基材20に配置された電極30の輪郭より、金属ピン50の輪郭の方が小さくなっている。そのため、パッケージ基板10では、金属ピン50同士の側面の接触を気にせずに電極30を配置することができる。そのため、パッケージ基板10では各電極30同士の間隔が狭くなっている。
つまり、パッケージ基板上に立体物を密集させる場合、略柱状の立体物の方が、略球状の立体物よりも有利である。
このような理由から、金属ピン50は、半田ボール160よりも、パッケージ基板上に密集することができる。従って、パッケージ基板10を、パッケージ基板110に対し小型化することができる。
図3(a)に示すように、パッケージ基板10の上には別のパッケージ基板11が積層されPoP1となる。この際、パッケージ基板11の底に配置された電極31と、金属ピン50の上部とは導電性ペーストの硬化物40を介して接続される。
また、図3(b)に示すようにパッケージ基板110の上には別のパッケージ基板111が積層されPoP101となる。この際、パッケージ基板110の底に配置された電極131は、半田ボール160の上部に接続されることになる。
図3(a)と図3(b)とを比較すると、パッケージ基板10の上にさらに別のパッケージ基板11が積層されたPoP1の方が、パッケージ基板110の上に別のパッケージ基板111が積層されたPoP101よりも幅が小さく薄い。
PoP1の方がPoP101よりも幅が小さい理由は、上記の通り、金属ピン50は、半田ボール160よりも、パッケージ基板上に密集させやすいためである。
PoP1の方がPoP101よりも薄い理由は、以下の通りである。
図2(a)に示すように、半田ボール160の上面は曲面状である。また、図3(b)に示すようにパッケージ基板111の底に配置された電極131の底面は平面状である。
半田ボール160と電極131とを接続する際には、半田ボール160の上面を溶融させてこれらを接続することになるが、半田ボール160が充分に電極131の底面を覆うことができるようにするため、半田ボール160は少し大きめのものが用いられる。
一方、図1(a)に示すように、金属ピン50の上面は平面状である。また、図3(a)に示すように、パッケージ基板11の底に配置された電極31の底面は平面状である。
さらに、金属ピン50の上面と、電極31の底面とは、熱硬化性樹脂の硬化物40を介して接続されている。
つまり、PoP1では、半田ボール160を用いた場合のように、半田ボール160の上面の溶融を考慮して金属ピン50を大きく設計する必要はない。
そのため、PoP1の方がPoP101より薄くすることができる。
これらの理由から、金属ピン50を用いることにより、パッケージ基板10が積層されたPoP1を小型化及び薄型化することができる。
なお、後述するようにパッケージ基板10では、導電性ペーストの硬化物40を介して金属ピン50が基材20に対して傾くことなく立設されている。そのため、図3(a)に示すPoP1において、パッケージ基板11の底に配置された電極31と、金属ピン50の上部との接続には半田を用いてもよい。
パッケージ基板10では、金属ピン50の形状は、略柱状であれば特に限定されないが、例えば、略三角柱状、略四角柱状、略六角柱状等の角柱状であってもよく、略円柱状、略楕円柱状等であってもよい。
これらの中では四角柱状又は円柱状であることが望ましい。
金属ピン50が四角柱状である場合、その底面は、縦50~300μm、横50~300μmの略長方形であることが望ましい。
金属ピン50が円柱状である場合、その底面は直径が50~200μmの略円形であることが望ましく、70~150μmの略円形であることがさらに望ましい。
金属ピン50の底面が上記形状及び大きさであると、好適に金属ピン50を密集させることができる。
パッケージ基板10では、金属ピン50の密度は、100~500ピン/1パッケージであることが望ましく、300~400ピン/1パッケージであることがさらに望ましい。また、金属ピン50のピッチは、0.2~0.5mmであることが望ましい。金属ピン50のピッチとは、隣合う金属ピン50同士の間の距離のことを意味する。
このように、金属ピン50を密集させることにより、パッケージ基板10及びパッケージ基板10を積層したPoP1を小さくすることができる。
金属ピン50の高さは、特に限定されないが、50~500μmであることが望ましい。
金属ピン50の高さが上記範囲であると、パッケージ基板10を積層しPoP1の高さを低くすることができる。
パッケージ基板10では、金属ピンは、銅、銀、金及びニッケルからなる群から選択される少なくとも1種を含むことが望ましい。
これら金属は導電性に優れる。そのため、パッケージ基板同士を電気的に好適に接続することができる。
パッケージ基板10では、電極30の上に、導電性ペーストの硬化物40を介して金属ピン50が立設されている。つまり、パッケージ基板10を製造する際には、導電性ペーストを用いて金属ピン50が電極30に固定されることになる。
例えば、半田を用いて金属ピンを電極に固定する場合には、半田が溶融した際に半田の粘度が低下しすぎたり、半田の表面張力が変化することにより金属ピンが傾く場合がある。
一方、導電性ペーストは、熱硬化性樹脂を含むので加熱により硬化する。そのため、上記導電性ペーストを用いて金属ピンを電極に固定する場合には、半田を用いる場合と比較して金属ピンが傾きにくい。従って、パッケージ基板10では、金属ピン50の傾きが小さい。
また、パッケージ基板10では、導電性ペーストの硬化物40は、硬化した熱硬化性樹脂と、金属粉とを含む。
硬化した熱硬化性樹脂としては、特に限定されないが、アクリレート樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂等が硬化したものであることが望ましい。
より具体的な熱硬化性樹脂としては、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、臭素化エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、グリシジルアミン型エポキシ樹脂、1,6-ヘキサンジオールジグリシジルエーテル等のグリシジルエーテル型エポキシ樹脂、複素環式エポキシ樹脂、アミノフェノール型エポキシ樹脂等があげられる。
これらの熱硬化性樹脂は、単独で用いられていてもよく、併用されていてもよい。
また、硬化前の熱硬化性樹脂の硬化温度は後述する低融点金属の融点より10℃以上高いことが望ましい。また、熱硬化温度の上限は200℃であることが望ましい。
熱硬化性樹脂の硬化温度が、上記温度未満の場合、低融点金属が軟化する前に、熱硬化性樹脂が硬化してしまい、低融点金属と、金属ピンとが合金を形成しにくくなる。
また、熱硬化性樹脂の硬化温度は、160~180℃であることが望ましい。
また、金属粉は、低融点金属と、上記低融点金属の融点よりも高い融点を有する高融点金属とを含む。
金属粉は、低融点金属と、高融点金属を含めば、特に限定されないが、例えば、低融点金属粒子及び高融点金属粒子の混合物からなっていてもよく、低融点金属と高融点金属とが一体となった粒子からなっていてもよく、低融点金属粒子、高融点金属粒子及び低融点金属と高融点金属とが一体となった粒子の混合物からなっていてもよい。
金属粉が高融点金属を含むと、導電性ペーストの導電性を向上させることができる。
金属粉が低融点金属を含むと、導電性ペーストを加熱する際に、低融点金属が軟化し、導電性ペーストの粘度が一旦低下する。その後、導電性ペーストの熱硬化性樹脂が硬化し、導電性ペーストの硬化物となる。
パッケージ基板10を製造する際に、低融点金属を用いると、導電性ペーストが加熱されて粘度が一旦低下する際に、導電性ペーストが金属ピンに隙間なく接触することになる。その後、導電性ペーストは硬化するので、金属ピン50が強固に固定される。
つまり、金属粉が低融点金属を含むパッケージ基板では、金属ピン50が電極30の上に強固に固定されて立設されることになる。
また、導電性ペーストが低融点金属を含むと、導電性ペーストが硬化する際に金属ピン50と低融点金属との合金を形成する。そのため、金属ピン50が電極30の上に強固に固定されると共に導電性ペーストの導電性を向上させることができる。
さらに、このような合金は、耐熱性に優れるので、パッケージ基板の耐熱性も向上させることができる。
このように合金が存在する場合について、以下に図面を用いて説明する。
図4は、本発明のパッケージ基板における電極、導電性ペーストの硬化物及び金属ピンの関係の一例を模式的に示す拡大断面図である。
図4に示すように、パッケージ基板10では、導電性ペーストの硬化物40と金属ピン50との間に、低融点金属と金属ピン50との合金70が存在している。
つまり、導電性ペーストの一部と金属ピン50の少なくとも一部が一体化していることになる。そのため、パッケージ基板10では、金属ピン50が電極30の上に強固に固定されて立設されている。
なお、合金70には、高融点金属由来の元素が含まれていてもよい。
導電性ペーストの硬化物40と金属ピン50との間に、合金70が存在しているかどうかは、エネルギー分散型X線分析(EDS)により確認することができる。
EDSの条件としては、走査型電子顕微鏡(日本電子(株)製、型番:JSM-7800F)に装着されているエネルギー分散型分光器(日本電子(株)製、型番:JED-2300)を使用し、加速電圧:3~15kV、3000倍で観察する条件があげられる。
パッケージ基板10では、低融点金属の融点は、180℃以下であることが望ましく、60~180℃であることがより望ましく、120~145℃であることがさらに望ましい。
低融点金属の融点が180℃を超えると、導電性ペーストを加熱した際に、導電性ペーストの粘度が一旦低下する前に熱硬化性樹脂の硬化が始まったり、導電性ペーストの粘度が低下する温度範囲が狭くなったりしやすくなる。そのため、パッケージ基板10において、金属ピン50が電極30の上に強固に固定されにくくなる。
なお、低融点金属の融点が60℃未満であると、導電性ペーストの粘度が低下する温度が低すぎるので、金属ピン50を電極30の上に固定する際に、金属ピン50が傾きやすくなる。一方、低融点金属の融点が、60℃以上であると、パッケージ基板10において金属ピン50が傾きにくくなる。
パッケージ基板10では、低融点金属は、インジウム、錫、鉛及びビスマスからなる群から選択される少なくとも1種を含むことが望ましく、錫であることがより望ましい。
これら金属は、低融点金属として適した融点及び導電性を備える。
パッケージ基板10では、高融点金属の融点は、800℃以上であることが望ましく、800~1500℃であることがより望ましく、900~1100℃であることがさらに望ましい。
また、高融点金属は、銅、銀、金、ニッケル、銀コート銅及び銀コート銅合金からなる群から選択される少なくとも1種を含むことが望ましい。
これら金属は導電性に優れる。そのため、パッケージ基板10において金属ピン50と電極30との間の導電性を向上させることができる。
パッケージ基板10において、金属粉が、上記低融点金属及び高融点金属を含む場合、導電性ペーストの硬化物40と金属ピン50との間の合金70は、錫と銅との合金であることが望ましい。
低融点金属と、高融点金属との重量比は、特に限定されないが、低融点金属:高融点金属=80:20~20:80であることが望ましい。
高融点金属の重量に対する低融点金属の重量の割合が、上記範囲より大きくなると本発明のパッケージ基板を製造する場合において、導電性ペーストを硬化させる際、一旦、導電性ペーストが柔らかくなりすぎ、金属ピンが傾きやすくなる。
高融点金属の重量に対する低融点金属の重量の割合が、上記範囲より小さくなると本発明のパッケージ基板を製造する場合において、導電性ペーストを硬化させる際、低融点金属が少ないことに起因し、低融点金属と、金属ピンとの合金が形成されにくくなる。その結果、金属ピンの固定が弱くなりやすくなる。
パッケージ基板10において、導電性ペーストの硬化物40中の金属粉の含有量は、80~95重量%であることが望ましい。
導電性ペーストの硬化物中の金属粉の含有量が80重量%未満だとパッケージ基板の抵抗値が高くなりやすい。
導電性ペーストの硬化物中の金属粉の含有量が95重量%を超えると本発明のパッケージ基板を製造する際に、導電性ペーストの粘度が高くなって印刷性が悪くなる。その結果、導電性ペーストの硬化物の印刷状態が悪くなりやすい。
なお、パッケージ基板10では、基材20の材料は、特に限定されずエポキシ樹脂、BTレジン(ビスマレイミドトリアジン)、ポリイミド、フッ素樹脂、ポリフェニレンエーテル、液晶ポリマー、フェノール樹脂、セラミック等であってもよい。
また、パッケージ基板10では、電極30の材料は、特に限定されず銅、スズ、ニッケル、アルミニウム、金、銀等であってもよい。
パッケージ基板10の大きさは、縦10~30mm、横10~50mmの略長方形であることが望ましい。
なお、本発明のパッケージ基板には、必要に応じて、半田ボールが配置されていてもよい。
すなわち、本発明のパッケージ基板では、金属粉及び熱硬化性樹脂を含む導電性ペーストの硬化物を介して立設された金属ピンと、半田ボールとが混在していてもよい。
次に、このような本発明のパッケージ基板の製造方法を以下の2例をあげて説明する。
(本発明のパッケージ基板の製造方法の第1例)
本発明のパッケージ基板の製造方法の第1例は、
(1)電極が表面に配置された基材を準備する基材準備工程と、
(2)上記電極の上に、金属粉及び熱硬化性樹脂を含む導電性ペーストを印刷する印刷工程と、
(3)上記導電性ペーストの上に金属ピンを配置する金属ピン配置工程と、
(4)上記導電性ペーストを加熱することにより、上記導電性ペーストを軟化させてから硬化させて上記導電性ペーストの硬化物とし、上記導電性ペーストの硬化物を介して、上記金属ピンを上記電極の上に立設する金属ピン立設工程とを含むことを特徴とする。
各工程について以下に図面を用いて説明する。
図5は、本発明のパッケージ基板の製造方法の工程に含まれる基材準備工程を模式的に示す模式図である。
図6は、本発明のパッケージ基板の製造方法の工程に含まれる印刷工程を模式的に示す模式図である。
図7は、本発明のパッケージ基板の製造方法の工程に含まれる金属ピン配置工程を模式的に示す模式図である。
図8(a)及び(b)は、本発明のパッケージ基板の製造方法の工程に含まれる金属ピン立設工程を模式的に示す模式図である。
(1)基材準備工程
図5に示すように、まず、電極30が表面21に配置された基材20を準備する。
基材20及び電極30の望ましい材料は、上記本発明のパッケージ基板の説明において記載した通りであるので、ここでの記載は省略する。
なお、電極が表面に配置された基材は公知の方法により作製することができる。
(2)印刷工程
(2-1)導電性ペーストの準備
本工程では、まず、導電性ペーストを作製する。
導電性ペーストは、金属粉と、熱硬化性樹脂とを混合することにより製造することができる。
作製する導電性ペーストにおいて、金属粉と熱硬化性樹脂との重量比は、特に限定されないが、熱硬化性樹脂:金属粉=20:80~5:95であることが望ましい。
また、作製する導電性ペーストにおいて、金属粉として、低融点金属及び高融点金属を用いる。
導電性ペーストに含まれる熱硬化性樹脂、低融点金属及び高融点金属の望ましい材料及び性質は、上記本発明のパッケージ基板の説明において記載した通りであるので、ここでの記載は省略する。
また、導電性ペーストを作製する際に、金属粉及び熱硬化性樹脂以外に、硬化剤、フラックス、硬化触媒、消泡剤、レベリング剤、有機溶剤、無機フィラー等を混合してもよい。
硬化剤としては、2-フェニル-4,5-ジヒドロキシメチルイミダゾール、2-フェニルイミダゾール、2-ウンデシルイミダゾール、2-ヘプタデシルイミダゾール、2-エチルイミダゾール、2-フェニルイミダゾール、2-エチル-4-メチルイミダゾール、1-シアノエチル-2-ウンデシルイミダゾール、1-シアノエチル-2-ウンデシルイミダゾリウムトリメリテイト等が挙げられる。
フラックスとしては、塩化亜鉛、乳酸、クエン酸、オレイン酸、ステアリン酸、グルタミン酸、安息香酸、シュウ酸、グルタミン酸塩酸塩、アニリン塩酸塩、臭化セチルピリジン、尿素、ヒドロキシエチルラウリルアミン、ポリエチレングリコールラウリルアミン、オレイルプロピレンジアミン、トリエタノールアミン、グリセリン、ヒドラジン、ロジン等が挙げられる。
(2-2)導電性ペーストの印刷
次に、図6に示すように、金属粉46及び熱硬化性樹脂47を含む導電性ペースト45を印刷する。
導電性ペースト45の印刷方法としては、特に限定されないが、スクリーン印刷等の公知の方法で行うことができる。
(3)金属ピン配置工程
次に、図7に示すように、導電性ペースト45の上に金属ピン50を配置する。
金属ピン50は、300~400ピン/1パッケージの密度となるように配置することが望ましい。
このように、金属ピン50を密集させることにより、製造するパッケージ基板を小さくすることができる。さらに、製造したパッケージ基板を積層したPoPも小さくすることができる。
金属ピン50の望ましい形状、材料は、上記本発明のパッケージ基板の説明において記載した通りであるので、ここでの記載は省略する。
(4)金属ピン立設工程
次に、図8(a)に示すように、導電性ペースト45を加熱することにより、導電性ペースト45を軟化させてから硬化させて導電性ペーストの硬化物40とする。これにより図8(b)に示すように、導電性ペーストの硬化物40を介して、金属ピン50を電極30の上に立設することができる。
導電性ペースト45を用いて金属ピン50を電極30に固定する場合には、半田を用いる場合と比較して金属ピン50が傾きにくい。
この原理を、半田を用いて金属ピンを電極に固定する場合と比較して説明する。
図9(a)及び(b)は、半田を用いてパッケージ基板の表面に配置された電極に、金属ピンを立設する方法の一例を模式的に示す模式図である。
図9(a)に示すように、金属ピン150を電極130の上に立設するために、半田161を用いる場合、まず、電極130の上に半田161を配置し、その上に金属ピン150を配置する。
次に、図9(b)に示すように、半田161を加熱して溶融させ、その後、半田161を冷却して固化させることにより金属ピン150を電極130に固定することになる。
このように、半田161を用いて金属ピン150を電極130に固定する場合、図9(b)に示すように、半田161を溶融させる際に、半田161の粘度が低下しすぎたり、半田161の表面張力が変化することにより金属ピン150が傾きやすくなる。このように金属ピン150が傾いた状態で半田161は冷却されて固化するので、金属ピン150が傾いた状態で金属ピン150は電極130に固定されやすくなる。
一方、図8(a)及び(b)に示すように、導電性ペースト45を用いて金属ピン50を電極30に立設する場合には、導電性ペースト45は、熱硬化性樹脂47を含むので加熱により硬化する。そのため、導電性ペースト45を用いて金属ピン50を電極30に固定する場合には、半田を用いる場合と比較して金属ピン50が傾きにくい。
さらに、金属ピン立設工程における導電性ペースト45の加熱温度は、低融点金属の融点よりも10℃以上高い温度であることが望ましい。また加熱温度の上限は、200℃であることがより望ましい。
加熱温度が、低融点金属の融点よりも10℃高い温度未満であると、低融点金属が軟化する前に、熱硬化性樹脂47が硬化してしまい、低融点金属と、金属ピン50とが合金を形成しにくくなる。
加熱温度が、200℃を超えると、導電性ペースト45の硬化物に含まれる金属粉や、硬化した熱硬化性樹脂及び金属ピンが劣化しやすくなる。
また、導電性ペースト45は、低融点金属と高融点金属とを含むので、導電性ペースト45を加熱する際に、低融点金属が軟化し、導電性ペースト45の粘度が一旦低下する。この際に、導電性ペースト45が金属ピン50に隙間なく接触することになる。
その後、導電性ペースト45は硬化するので、金属ピン50が強固に固定される。
つまり、金属粉が低融点金属を含むので、金属ピン50を電極30に強固に固定することができる。
なお、導電性ペースト45の粘度が一旦低下する際の、粘度の極小値は、40~200Pa・sであることが望ましく、60~180Pa・sであることがより望ましい。
また、金属粉が低融点金属を含むので、導電性ペースト45が硬化する際に、低融点金属は、金属ピン50との合金を形成する。そのため、金属ピン50が電極30の上に強固に固定されると共に導電性ペーストの硬化物40の導電性を向上させることができる。
さらに、このような合金は、耐熱性に優れるので、製造されるパッケージ基板の耐熱性も向上させることができる。
本明細書における「粘度」とは、レオメータ(型番:MCR302、製造元:Anton Parr社)を用い以下の条件で測定した粘度のことを意味する。
昇温速度:5℃/min
測定治具:PP25
振り角γ:0.1%
周波数f:1Hz
温度 :25~200℃
以上の工程を経て、本発明のパッケージ基板を製造することができる。
(本発明のパッケージ基板の製造方法の第2例)
本発明のパッケージ基板の製造方法の第2例は、
(1)電極が表面に配置された基材を準備する基材準備工程と、
(2)金属ピンの端部に、金属粉及び熱硬化性樹脂を含む導電性ペーストを付着させる導電性ペースト付着工程と、
(3)電極の上に、導電性ペーストを接触させて金属ピンを配置する金属ピン配置工程と、
(4)導電性ペーストを加熱することにより、導電性ペーストを軟化させてから硬化させて導電性ペーストの硬化物とし、導電性ペーストの硬化物を介して、金属ピンを電極の上に立設する金属ピン立設工程とを含むことを特徴とする。
すなわち、本発明のパッケージ基板の製造方法の第2例は、上記本発明のパッケージ基板の製造方法の第1例の(2)印刷工程及び(3)金属ピン配置工程を以下の、(2´)導電性ペースト付着工程及び(3´)金属ピン配置工程に置換したパッケージ基板の製造方法である。
図10は、本発明のパッケージ基板の製造方法の工程に含まれる導電性ペースト付着工程を模式的に示す模式図である。
図11は、本発明のパッケージ基板の製造方法の工程に含まれる金属ピン配置工程を模式的に示す模式図である。
(2´)導電性ペースト付着工程
まず、上記「(2-1)導電性ペーストの準備」に記載したように、金属粉及び熱硬化性樹脂を含む導電性ペーストを作製する。
次に、本工程では、図10に示すように、金属ピン50の端部51に、金属粉46及び熱硬化性樹脂47を含む導電性ペースト45を付着させる。
金属ピン50の端部51に導電性ペースト45を付着させる方法は、特に限定されず、例えばディップ法で付着させてもよい。
金属ピン50の望ましい形状、材料等、及び、導電性ペースト45の望ましい組成は上記の通りであるので、ここでの記載は省略する。
(3´)金属ピン配置工程
本工程では、図11に示すように、電極30の上に、金属ピン50の端部51に付着された導電性ペースト45を接触させて金属ピン50を配置する。
金属ピン50の望ましい密度は、上記の通りであるので、ここでの記載は省略する。
以下に本発明をより具体的に説明する実施例を示すが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
(1)基材準備工程
銅からなる電極が表面に配置されたエポキシ樹脂からなる基板を準備した。
(2)印刷工程
(2-1)導電性ペーストの準備
表1に示す割合で原材料を配合し、プラネタリーミキサーを用いて500rpmで30分撹拌し、導電性ペーストを作製した。
Figure 0007041075000001
表1中、原材料の数値は、重量部を意味する。
表1中、銀コート銅粉は、平均粒子径が2μmであり、銀の融点が962℃、銅の融点が1085℃である。
表1中、銀粉は、平均粒子径が5μmであり、融点が962℃である。
表1中、Sn42%-Bi58%合金は、平均粒子径が10μmであり、融点が139℃である。
表1中、Sn80%-Bi20%合金は、平均粒子径が5μmであり、融点が139℃である。
(2-2)導電性ペーストの印刷
得られた導電性ペーストを、穴径100μm、厚み60μmの開口部を複数有するメタルマスクを用いて印刷した。
(3)金属ピン配置工程
次に、導電性ペーストの上に、直径150μm、高さ200μmの略円柱状の銅からなる金属ピンを配置した。
(4)金属ピン立設工程
次に、導電性ペーストを、180℃で1時間加熱することにより導電性ペーストを軟化させてから硬化させて導電性ペーストの硬化物とした。
これにより導電性ペーストの硬化物を介して金属ピンを上記電極の上に立設した。
以上の工程を経て、実施例1に係るパッケージ基板を製造した。
(実施例2)及び(実施例3)、並びに、(比較例1)
導電性ペーストの原材料を表1に示す配合に変更した以外は実施例1と同様に、実施例2及び実施例3、並びに、比較例1に係るパッケージ基板を製造した。
(印刷性の評価)
実施例1~3及び比較例1に係るパッケージ基板を製造する際の「(2-2)導電性ペーストの印刷」において、導電性ペーストが印刷された箇所の個数を目視によりカウントし、印刷性を評価した。
評価基準は以下の通りである。なお、転写率(%)は、導電性ペーストがメタルマスクの開口部を介して基板に転写された箇所の数/メタルマスクの開口部の全数×100で算出する。評価結果を表2に示す。
○:転写率100%
△:転写率100%未満~80%
×:転写率80%未満
Figure 0007041075000002
(導電性ペーストの硬化物と金属ピンとの境界の観察)
製造された実施例1に係るパッケージ基板から、導電性ペーストの硬化物と金属ピンとの境界が含まれるように導電性ペーストの硬化物及び金属ピンを取り出した。
導電性ペーストの硬化物と金属ピンとの境界が切断面に表れるように、導電性ペーストの硬化物及び金属ピンを切断し、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察し、さらに切断面における錫、ビスマス、銅、銀をEDSにより元素分析しこれらの分布をマッピングした。結果を図12(a)~(e)に示す。
図12(a)は、実施例1に係るパッケージ基板の導電性ペーストの硬化物と金属ピンとの境界のSEM写真である。
図12(b)は、実施例1に係るパッケージ基板の導電性ペーストの硬化物と金属ピンとの境界における錫の分布を示すマッピング画像である。
図12(c)は、実施例1に係るパッケージ基板の導電性ペーストの硬化物と金属ピンとの境界におけるビスマスの分布を示すマッピング画像である。
図12(d)は、実施例1に係るパッケージ基板の導電性ペーストの硬化物と金属ピンとの境界における銅の分布を示すマッピング画像である。
図12(e)は、実施例1に係るパッケージ基板の導電性ペーストの硬化物と金属ピンとの境界における銀の分布を示すマッピング画像である。
図12(a)~(e)において、符号40で示す部分が導電性ペーストの硬化物部分であり、符号50で示す部分が金属ピン部分である。
図12(b)~(e)において、符号46b、46c、46d及び46eで示す部分はそれぞれ、錫、ビスマス、銅及び銀が分布している部分である。
図12(b)及び(d)において、符号70で示す部分は錫と銅との合金である。
図12(b)及び(d)に示すように、導電性ペーストの硬化物と金属ピンとの間には、錫と銅との合金が存在していた。つまり、導電性ペーストの硬化物の一部と金属ピンの一部が一体化していた。
従って、実施例1のパッケージ基板では、金属ピンは、電極の上に強固に固定されていた。
(金属ピンの傾き観察)
製造された実施例1~3、及び、比較例1に係るパッケージ基板の金属ピンの傾きを目視により観察し評価した。
評価結果は以下の通りである。結果を表3に示す。
◎:金属ピンが傾いている割合が5%未満であった。
○:金属ピンが傾いている割合が5~10%であった。
×:金属ピンが傾いている割合が10%を超えていた。
Figure 0007041075000003
これらの結果より、実施例1~3に係るパッケージ基板では、金属ピンに傾きが少なく、パッケージ基板を積層するのに適していることが判明した。
1、101 PoP
10、110 パッケージ基板
20、120 基材
21、121 基材の表面
30、31、130、131 電極
40 導電性ペーストの硬化物
45 導電性ペースト
46 金属粉
47 熱硬化性樹脂
50、150 金属ピン
51 金属ピンの端部
70 合金
160 半田ボール
161 半田

Claims (9)

  1. 基材と前記基材の表面に配置された電極とを備えるパッケージ基板であって、
    前記電極の上には、金属粉及び熱硬化性樹脂を含む導電性ペーストの硬化物を介して金属ピンが立設されており、
    前記金属粉は、低融点金属と、前記低融点金属の融点よりも高い融点を有する高融点金属とを含み、
    前記電極側の前記金属ピンの端部は平坦であり、
    前記熱硬化性樹脂の硬化温度は前記低融点金属の融点より10℃以上高く、
    前記導電性ペーストの硬化物と、前記金属ピンとの間に、前記低融点金属と前記金属ピンとの合金が形成されていることを特徴とするパッケージ基板。
  2. 前記導電性ペーストの硬化物と前記金属ピンとの間には、前記低融点金属と前記金属ピンとの合金が存在している請求項1に記載のパッケージ基板。
  3. 前記低融点金属の融点は、180℃以下である請求項1又は2に記載のパッケージ基板。
  4. 前記低融点金属は、インジウム、錫、鉛及びビスマスからなる群から選択される少なくとも1種を含む請求項1~3のいずれかに記載のパッケージ基板。
  5. 前記高融点金属の融点は、800℃以上である請求項1~4のいずれかに記載のパッケージ基板。
  6. 前記高融点金属は、銅、銀、金、ニッケル、銀コート銅及び銀コート銅合金からなる群から選択される少なくとも1種を含む請求項1~5のいずれかに記載のパッケージ基板。
  7. 前記金属ピンは、銅、銀、金及びニッケルからなる群から選択される少なくとも1種を含む請求項1~6のいずれかに記載のパッケージ基板。
  8. 請求項1~7のいずれかに記載のパッケージ基板の製造方法であって、
    電極が表面に配置された基材を準備する基材準備工程と、
    前記電極の上に、金属粉及び熱硬化性樹脂を含む導電性ペーストを印刷する印刷工程と、
    前記導電性ペーストの上に金属ピンを配置する金属ピン配置工程と、
    前記導電性ペーストを加熱することにより、前記導電性ペーストを軟化させてから硬化させて前記導電性ペーストの硬化物とし、前記導電性ペーストの硬化物を介して、前記金属ピンを前記電極の上に立設する金属ピン立設工程とを含み、
    前記金属粉は、低融点金属と、前記低融点金属の融点よりも高い融点を有する高融点金属とを含み、
    前記金属ピンの少なくとも一方の端部は平坦であり、
    前記熱硬化性樹脂の硬化温度は前記低融点金属の融点より10℃以上高く、
    前記金属ピン配置工程では、前記金属ピンの平坦な端部が前記導電性ペーストに接触するように、前記金属ピンを配置し、
    前記金属ピン立設工程では、前記導電性ペーストの硬化物と前記金属ピンとの間に、前記低融点金属と前記金属ピンとの合金が形成されるように前記導電性ペーストを加熱することを特徴とするパッケージ基板の製造方法。
  9. 請求項1~7のいずれかに記載のパッケージ基板の製造方法であって、
    電極が表面に配置された基材を準備する基材準備工程と、
    金属ピンの端部に、金属粉及び熱硬化性樹脂を含む導電性ペーストを付着させる導電性ペースト付着工程と、
    前記電極の上に、前記導電性ペースト接触させて前記金属ピンを配置する金属ピン配置工程と、
    前記導電性ペーストを加熱することにより、前記導電性ペーストを軟化させてから硬化させて前記導電性ペーストの硬化物とし、前記導電性ペーストの硬化物を介して、前記金属ピンを前記電極の上に立設する金属ピン立設工程とを含み、
    前記金属粉は、低融点金属と、前記低融点金属の融点よりも高い融点を有する高融点金属とを含み、
    前記金属ピンの少なくとも一方の端部は平坦であり、
    前記熱硬化性樹脂の硬化温度は前記低融点金属の融点より10℃以上高く、
    前記導電性ペースト付着工程では、前記金属ピンの平坦な端部に前記導電性ペーストを付着させ
    前記金属ピン立設工程では、前記前記導電性ペーストの硬化物と前記金属ピンとの間に、前記低融点金属と前記金属ピンとの合金が形成されるように前記導電性ペーストを加熱することを特徴とするパッケージ基板の製造方法。
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