JPH07118498B2 - 電気的接合部 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、絶縁体上に設けられた電極とチップ部品また
はベアチップとの電気的接合に関し、特に生産性および
信頼性に優れた電気的接合部に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、プリント基板等にチップ部品を実装する場合、実
装厚みを薄くするためにモールドパッケージされた部品
を部品挿入用の孔に埋め込みチップ部品のリードとプリ
ント基板の電極をはんだリフロー法により接続してい
た。この方法によりチップ部品の実装上の厚みがプリン
ト基板により一部相殺され通常の表面実装法に比べ薄く
できるメリットがあった。しかしながらリードがあるた
めにこの分が出っぱりとして残り、より薄い実装形態を
得るには限界があった。

そこで、外部接続用の電極を表面に設け、リードをなく
したベアチップ部品をプリント基板に埋め込み、ベアチ
ップとプリント基板上の電極を同一平面に保ちはんだフ
ロー法によって接続することによりリード部の厚みによ
る出っぱりが抑えられ薄く実装することができる。しか
しながら、この方法の場合、ベアチップとプリント基板
上の電極の間にギャップがあるために、通像の共晶系は
んだペーストを使用する場合、ギャップを充分小さくせ
ざるを得ず、ベアチップの挿入に高い位置精度が要求さ
れ、しかも接続したものの再リフローに対する信頼性は
低い。はんだの代わりに導電性接着剤を用いる方法もあ
るが、接触抵抗、信頼性、更にコストの点で一般にはん
だより劣り適用できる範囲は限定されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来のベアチップ実装法では製造条件にシビアな管理が
要求され、再リフローに対する信頼性に劣り、また接触
抵抗、コストなどの点から適用分野に制限を受けてい
た。

本発明の目的は、このような従来の諸欠点を解消し、特
にベアチップの高い位置精度を必要とせず、接触抵抗、
コストが通常のはんだと同等以上の性能をもち、薄くか
つ再リフローに対する信頼性の高い実装形態を実現する
電気的接合部を提供することにある。

更に、本発明を通常の表面実装法に適用すればはんだ量
のバラツキによる第６図、第７図のようなチップ立ちが
少なくなり、製造条件の管理が容易になり、また接合部
の再リフロー後の信頼性向上が達成されることを見出
し、本発明を完成した。

〔課題を解決するための手段〕

すなわち、本発明は以下のとおりである。

（１）絶縁体上に設けられた複数の電極とチップ部品上
に設けられた複数の電極が独立に電気的に接続された電
気的接合部において、前期電極間が複数の金属粒を含む
はんだで接続されその体積含有率が下式で表される体積
含有率で５〜20％の割合であり、かつ前記複数の金属粒
の融点が前記はんだの固相線温度より35℃以上高く、か
つ前記複数の金属粒の構成材質の全部または一部に前記
はんだの構成材質と異なる材質を含むことを特徴とする
電気的接合部。

（A/A＋Ｂ）×100（％） （ただし、Ａは金属粒の体積、Ｂははんだの体積であ
る。） （２）はんだが、すずを含む合金であり、かつ複数の金
属粒がAu、Ag、Niの単独、またはAu、Ag、Ni、Snのうち
のいずれかを含む金属あるいは合金で表面を覆った銅粒
である前記第１項記載の電気的接合部。

本発明に適用されるチップ部品とは、ホール素子、トラ
ンジスタ、ICなどの能動素子や抵抗、コンデンサ、イン
ダクタなどの受動素子から成り、その外観は外部接続用
の電極を設けたベアチップ形態や主要構成素子をモール
ド材などでパッケージ化し外部接続用のリード線を設け
た形態などがある。このうち本発明が特に威力を発揮す
るのは前者のベアチップ形態であり、その電極ははんだ
付け性の良い材料で構成されており、チップの表面に平
面あるいは曲面的に形成されている。

チップ部品を接続する相手側の電極は、チップ部品の周
囲の同一平面あるいは段差を持った位置やチップ部品と
向かい合う位置に形成されており、かつ樹脂やセラミッ
クを含む絶縁体上に形成されている。

接続するはんだ材料は、はんだ中に高融点金属粒を含む
ものである。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。

第１図は、本発明の電気的接合部の一実施態様を示す断
面図である。第１図において、１は絶縁体４に設けられ
た電極、２はチップ部品３に設けられた電極、３はチッ
プ部品、４は絶縁体で電極１と共に基板11を形成してい
る。この基板11は少なくとも１組の絶縁体４と電極１を
含んでいれば、更に他の層が積層されていてもかまわな
い。５は電極１と２を接続し電気的に導通させるはん
だ、６ははんだ５内に分散された金属粒、９はチップ部
品３を絶縁体４に固定する支持体を示す。

電極１、２の材質は、はんだ５との濡れ性がよいことが
必要である。特に、樹脂やガラスをバインダーとした導
電ペーストで形成されたものよりも、少なくとも表面が
金属のみで形成した法が、はんだ濡れ性の点で好まし
い。実際には、電極との濡れ性のよいはんだを選択する
ことにより、銅、銀、金、白金、鉛、錫、鉄、ニッケ
ル、インジウム、アルミニウム、ステンレスが使用でき
るが、一般的には、銅、銀、金が好ましく、経済性の点
からは特に銅が好ましい。

電１および２はいかなる方法によって製造されたもので
あってもよく、電極の個数も２つのみに限らず、３つ以
上であってもよいこと勿論である。加えて、電極１およ
び２の配置形態も、第１図の例にのみ限られるものでは
なく、たとえば第２図（Ａ）〜（Ｄ）に示すような種々
の形態にも適用可能である。第２図（Ｄ）において、
２′は第３の電極を示す。

電極１と電極２との間の距離については、電極の形状や
塗布はんだの料などにもよるが、それらの最短距離が、
0.05mm以上、さらには0.1mm以上、特に、0.3mm以上の場
合において、本発明はその効果を顕著に発揮する。

なお、接続方向に垂直な方向の電極の寸法（電極幅と定
義する）は、電極間最短距離が大きくなるにつれ、その
最短距離の４倍以下、さらには２倍以下、特に１倍以下
で本発明の効果を顕著に発揮する。

はんだ５の材質としては、電極及び金属粒と合金組織を
形成が可能であれば任意のもので良く共晶系、非共晶系
いずれも使用できる。例えば電極及び金属粒が銅の場
合、すずを含む合金、特にSn−Pb合金が接合力も高く好
ましい。また電極が銀の場合にはSn−Pb−Ag合金も使用
可能である。

なお、本発明でいうはんだとは電極及び金属粒と合金組
織を形成可能な金属を含む合金を意味する。

金属粒６としては、はんだ５の固相線温度よりも高い融
点を持つことが必要であり、その温度は、好ましくは35
℃以上、更に好ましくは50℃以上である。また、再リフ
ローに対する安定性を確保するためには、その再リフロ
ー温度より金属粒６の融点を高く設定するのが好まし
く、更に金属粒の構成材質の全部または一部にはんだ５
の構成材質以外のものを含むこともできる。

上記の条件を満たし更にはんだ５との濡れ性が良く合金
組織を形成可能なものとしては、Ag,Au,Cu,Pt,Ni,Fe,A
l,Cd,Zn及び上記１種以上の金属を含む合金など使用で
きる。また、Snあるいは上記のうちいずれかを含む金属
で表面を覆った金属粒、ガラス粒、セラミック粒、樹脂
粒を使用しても良いし、２種以上の材質の金属粒を同時
に使用しても良い。以上のうちでは、Ag,Au,Cu,Pt,Ni及
びCu基合金、Au基合金、Ag基合金、Ni基合金、及びSnあ
るいは上記金属で表面を覆った金属粒などが好ましく、
更にはAu,Ag,Niの単独または表面をAu,Ag,Ni,Snのうち
のいずれかの金属あるいは合金で覆った銅粒が好まし
い。

金属粒の粒径は、接合の信頼性、プロセス性などを考え
ると１〜150μｍ、好ましくは１〜75μｍ、更に好まし
くは１〜50μｍ程度である。形状は、球形より不定形の
方がはんだとの界面面積が大きくとれ信頼性上好まし
い。

金属粒の量については、多すぎると金属粒間にはんだが
充満できず接続抵抗の上昇や信頼性低下となり、少なす
ぎると接続の歩留まりが劣り、また本発明で接続した部
品等をはんだリフロー法により別の基板等に接続する際
に、そのリフロー熱によるはんだの再溶融により、接続
部がが断線する場合もある。具体的には体積比で、金属
粒／（金属粒＋はんだ）の地が5Vol％以上20Vol％以下
が好ましい。

上記の金属粒量であれば、接続部のはんだを再溶融させ
てもその中に分散されている金属粒により流動性が抑え
られるため接続が断線することはない。

第１図及び第２図に示した電気的接合部を得る方法を第
３図（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）を参照して説明する。

工程（１）： 第３図（Ａ）に示すように、はんだ粒5
A、金属粒６およびフラックス７を混合したはんだペー
ストをスクリーン印刷法その他の方法によって電極１お
よび２の上に、これら電極にまたがるように被着、すな
わち付着または塗布する。

工程（２）： はんだ粒5A固相線未満の温度で予備加熱
した後、はんだ粒5Aの固相線以上かつ金属粒６の融点未
満の温度で、はんだペーストをリフローさせてから冷却
して凝固させる。この工程によって、はんだ粒5Aは溶融
して合体して、溶融していない金属粒６を分散させ、ま
た、接合部の表面にははんだペースト中のフラックスか
ら生成された残留物が残る。このようにリフローしたは
んだは冷却凝固して第３図（Ｂ）に示すように、電極１
と２との間を電気的に導通させるはんだ５、金属粒６及
びフラックス残留物８となる。

工程（３）： その後、第３図（Ｂ）に示されるフラッ
クス残留物を除去して第３図（Ｃ）に示す如き電気的接
合部を得る。

このようにして得られた電気的接合部は、その製造工程
が簡単であるにもかかわらず、リフロー時に発生するガ
スやはんだ自体の表面張力による盛り上がりの高さによ
る導通不良を生ずることがなく、電極間を確実に電気的
に接合して両電極間の電気的導通をとることができる。
しかもまた、電極とはんだとの接合強度が高く、また接
合部の比抵抗を著しく低くすることができる。更に従来
のものに較べて再リフローに対する信頼性が高くなる。

また、はんだブリッジによる導通は、リフロー工程の初
期のある期間内で少なくとも一部が溶融したはんだが残
りの金属粒同士を合体させることにより起こり、通常の
電極の形状配置の下では、いったん電極間のはんだブリ
ッジが起これば、その後完全にはんだを溶融させた状態
にしても、また、その後に冷却凝固させても、はんだブ
リッジは保たれる。すなわち、電極の寸法や位置関係な
どによる規制はあるものの、基本的には、上述のリフロ
ー温度条件を満足する限り、用いるはんだ粒の固相線−
金属粒の融点間および金属粒の融点以上のいずれの温度
でリフローさせてもよい。はんだ粒5Aの粒径は、はんだ
ペーストの印刷・塗布性を考慮すると、150μｍ以下、
さらには75μｍ以下が好ましい。また、粘度偏析を避け
るためには、均一の粒径のものを使用した法が好まし
い。

フラックス７としては、樹脂系フラックス、特に活性化
樹脂フラックスが好ましい。これはロジン系天然樹脂ま
たはその変性樹脂を主成分とし、これに活性剤・有機溶
剤・粘度調整剤・その他の添加剤がされたものである。
一般に、変性樹脂には重合ロジン、フェノール樹脂変性
ロジンなど、活性剤には無機系および有機系フラック
ス、その中でも特にアミン塩酸塩や有機酸系のフラック
ス、有機溶剤はカルビトール系、エーテル系のものが用
いられる。なお、金属粒の種類によっては無機系フラッ
クスを使用してもよい。

フラックス量については、リフローしたはんだ粒間およ
びはんだ粒−金属粒間の一体化を引き起こすのに充分量
が必要であるが、例えば金属粒が銅の場合には、はんだ
粒の５重量％以上、好ましくは７重量％以上、さらには
10重量％以上が好ましい。なお、フラックス量は金属粒
量の割合が増すに従って、印刷・塗布性が劣らない範囲
で増やす必要がある。

上述のはんだ粒5A、金属粒６およびフラックス７で構成
されたはんだペーストは、スクリーン印刷法あるいはデ
ィスペンサなどを用いた方法により電極部に付着あるい
は塗布される。付着または塗布は第３図（Ａ）に示した
ように、接続しようとする電極１および２のすべての上
にまたがるように行う必要がある。

予備加熱は、リフロー時の急激な温度上昇による基板へ
の熱応力を緩和するためと同時に、フラックス中の揮発
成分を完全に放散させてリフロー時のガス発生を抑える
効果があり、かかる予備加熱を行うことが好ましい。予
備加熱の条件は基板の材質や構造などによって異なる
が、はんだの融点よりも低い温度、より好ましくははん
だの融点よりも20℃〜60℃低い温度とする。例えば、S
n:Pb＝63:37の組成のはんだ（共晶はんだ）の場合に
は、温度120℃〜160℃で予備加熱することが好ましい。
これより高すぎると、フラックスが硬化し、はんだ付着
性が悪くなり、逆に低すぎると、フラックスの揮発成分
の放散が不充分でガスの滞留を起こし、はんだ不濡れの
原因となる。加熱時間も基板の熱容量、はんだペースト
の量、フラックスの量や種類、加熱方式などにより異な
るが、基板の表面および内部が規定の温度に達してから
１〜３分間程度の間にわたって予備加熱することが好ま
しい。

リフロー温度は、接合強度の点から、はんだの融点より
も５℃以上高い温度とする。さらには20℃以上高い温度
とするのが好ましい。上限温度は基板の耐熱性によって
定められるが、あまり高すぎると、フラックスが炭化し
て活性作用がなくなるので、注意が必要である。時間の
設定は予備加熱の場合と同様にであるが、数秒以上あれ
ばよい。

加熱方法としては、熱風加熱、赤外線加熱、ペーパーフ
ェーズソルダリング、レーザー加熱、ホットプレート、
抵抗加熱、はんだごて加熱などがあるが、より高い導通
の再現性を得るためには、はんだが溶融し始めてから、
リフローのピーク温度に達するまでの昇温速度は遅い法
が好ましく、熱風加熱や赤外線加熱が特に好ましい。

リフロー後、たとえば第３図（Ｂ）に示すように、はん
だ５、チップ部品３及び絶縁体４の表面にフラックス残
留物８が生成されるが、その除去のために、必要に応じ
て洗浄を行う。洗浄剤として、トリクロロトリフルオロ
エタンに代表されるフロン系溶剤や、１−１−１トリク
ロルエタンなどの塩素系溶剤を用いてシャワー洗浄・超
音波洗浄や蒸気洗浄などを行えばよい。

〔実施例〕

次に、本発明を実施例により詳述するが、本発明はかか
る実施例にのみ限定されるものではない。

実施例１ 既知の方法によって、第１図及び第４図に示すように基
板11にチップ部品３を埋め込み、電極１及びチップ部品
の電極２を同一平面上に形成した（電極１及び２の寸法
は各々0.3mm×0.3mm×0.03mmt、0.2mm×0.2mm×0.03mm
t）。ｌの値としては250μｍ、800μｍの２通りのもの
を用意した。なお、電極１及び２の材質はいずれも銅で
あった。

次に、メタルマスクを用いたスクリーン印刷法によっ
て、各々のｌのものに対し、下記組成よりなるはんだペ
ーストを２つの電極１および２上に、これら電極にま
たがって塗布した。

はんだペースト はんだ粒材質 Sn/Pb/Ag＝62/36/2 はんだ粒径 最高40μｍ はんだ粒形状 不定形 金属粒材質 銀 金属粒系 最高40μｍ 金沿粒形状 不定形 フラックス 弱活性ロジン 混合比 （体積比） （はんだ粒）：（金属粒）：（フラックス） ＝90:10:105 その後、120℃の熱風オーブン中で10分間予備加熱した
後、215℃熱風オーブン中で３分間リフローさせ、つい
で１−１−１トリクロルエタンで超音波洗浄して表面の
フラックス残留物を除去して第３図（Ｃ）の如き電気的
接合部を製造した。得られた接合部はいずれの電極配置
においても、リフローしたはんだはほぼ100％の収率で
第３図（Ｃ）に示すように２電極間にまたがるようにブ
リッジされており、接合強度も通常のはんだと比べて何
ら遜色はなかった。また、230℃×30seeの条件で再リフ
ローしたところ接続部の断線の発生はみられなかった。

実施例２ 既知の方法によって、第５図に示すように基板11上にチ
ップ部品３を設置し、電極１とチップ部品の電極２に15
0μｍの段差を設けた。電極１及び２の寸法は及び材質
は実施例１と同様であった。

次に実施例１で用いた、はんだペーストを２つの電極
１および２上にまたがるように塗布した。

その後、120℃の熱風オーブン中で10分間予備加熱した
後、215℃の熱風オーブン中で３分間リフローさせ、つ
いで１−１−１トリクロルエタンで超音波洗浄して表面
のフラックス残留物を除去して第２図（Ａ）の如き電気
的接合部を得た。

得られた接合部は、リフローしたはんだがほぼ100％の
収率で第２図（Ａ）のように２電極間にまたがるように
ブリッジされており、接合強度も通常のはんだと比べて
何ら遜色はなかった。なお、230℃×30secの条件で再リ
フローしたところ接続部の断線の発生はみられなかっ
た。

比較例１ 実施例１で使用したはんだペーストの代わりにSn/Pb
＝63/37合金のはんだペースト（千住金属工業（株）
製、商品名（;SPT−55−63）を用いる以外は、実施例１
及び２と全く同様にして電気的接合部を得た。得られた
接合部は２電極間にまたがるようにブリッジされている
ものは、第４図の形態では５％以下、第５図の形態では
０％であった。

実施例３ チップ部品を接続しようとする基板上に配設された４つ
の電極（0.2mm×0.2mm×0.03mmt）に実施例１で使用し
たペーストを塗布した。この時の電極の材質は銅であ
った。塗布量は４つの電極のうちの１点を他の同じ塗布
量の３点の半分の量に設定した。その後サイズ、位置と
も基板上の電極と同様の電極をもったチップ部品を電極
間が向かい合うようにセットした。

その後、120℃の熱風オーブン中で10分間予備加熱した
後、215℃の熱風オーブン中で３分間リフローさせ、つ
いで１−１−１トリクロルエタンで超音波洗浄して表面
のフラックス残留物を除去して第２図（Ｃ）の如き電気
的接合部を得た。得られた接合部、リフローしたはんだ
はほぼ100％の収率で第２図（Ｃ）のように２電極間に
またがるようにブリッジされており、チップ立ちによる
断線もなく接合強度も通常のはんだと比べて何ら遜色は
なかった。

なお、230℃×30secの条件で再リフローしたところ、接
続部の断線の発生はみられなかった。

比較例２ 実施例３におけるはんだペーストに代えてSn/Pb＝63/
37合金のはんだペースト〔千住金属工業（株）製、商品
名:SPT−55−63〕を用いる以外は、実施例３と全く同様
にして電気的接合部を形成した。得られた接合部は第６
図のように供給はんだ量の少ない方でチップ部品３が立
ち上がっており、電極１と２のブリッジは不可能であっ
た。

実施例４ 下記第１表に示すはんだペースト〜を用いる以外
は、実施例１〜３と全く同様にして電気的接合部を形成
した。なお、各々のペーストのはんだ粒、金属粒の粒径
及び形状、またはフラックスの材質ははんだペースト
と同様であった。

いずれの電気的接合部においても、リフローしたはんだ
はほぼ100％の収率で２電極間にまたがるようにブリッ
ジされており、接合強度も通常のはんだと比べて何ら遜
色はなかった。また230℃×30secの条件で再リフローし
たところ接続部の断線の発生はなく、その後の信頼性も
良好であった。

比較例３ 既知の方によって、第１図及び第４図に示すように基板
11にチップ部品３を埋め込み、電極１及びチップ部品の
電極２を同一平面上に形成した。電極１及び２の寸法
は、各々0.3mm×0.3mm×0.3mmt、0.2mm×0.2mm×0.03mm
t、ｌの値として250μｍのものを用意した。なお、電極
１及び２の材質は銅であった。

次に、この基板に対し以下の２種のはんだペーストを実
施例１と同様の方法、形状に塗布しリフローさせ、はん
だの異なる２種の電気的接合部を得た。

〔はんだペーストの組成〕 はんだ粒材質 Sn/Pb＝63/37 はんだ粒径 300メッシュ はんだ粒形状 不定形 金属粒材質 銀 金属粒径 350メッシュ 金属粒形状 不定形 フラックス 弱活性ロジン 混合比（体積比） はんだ粒：金属粒：フラックス ＝98:2:105 金属粒の体積含有率 2vol％ 〔はんだペーストの組成〕 はんだ粒材質 Sn/Pb＝63/37 はんだ粒径 300メッシュ はんだ粒形状 不定形 金属粒材質 銀 金属粒径 350メッシュ 金属粒形状 不定形 フラックス 弱活性ロジン 混合比（体積比） はんだ粒：金属粒：フラックス ＝70:30:105 金属粒の体積含有率 30vol％ その後、実施例１と同様の方法でリフローさせ、２種の
はんだによる電極間接続された回路基板を得た。

リフローしたはんだのうち２電極間にまたがってブリッ
ジされているものは、はんだペーストで85％、はんだ
ペーストで95％であった。

更に、230℃×30secの条件で再リフローしたところ、初
期導通のあった接合部のうち、のはんだで約40％、
のはんだで約20％のもので、接合部はんだの破壊が起こ
り断線が発生した。

〔発明の効果〕

本発明によれば、従来の共晶系のはんだペーストを使用
した場合に比べてチップ部品上の電極と基板上の電極と
のギャップを広くとれるのでチップ部品の位置決めに高
い精度を必要とせずに、高密度の実装を可能とする。更
に接合部の接触抵抗、信頼性は従来のものと何ら遜色は
なく、しかも再リフローに対する安定性は従来のものに
比べてはるかに向上する。

また、本発明を通常の表面実装法に適用すればはんだペ
ーストの塗布量のバラツキによるチップ立ちが激減する
立、従来のはんだでは実現不可能であった第２図（Ａ）
の形態も可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明電気的接合部の一実施態様を示す断面
図、第２図（Ａ）〜（Ｄ）は本発明の電気的接合部の種
々の実施態様を示す断面図、第３図（Ａ）ないし（Ｃ）
は本発明の電気的接合部の製造工程の一実施態様を説明
する断面図、第４図及び５図は本発明実施例における電
極を説明する斜視図、第６及び第７図は従来のはんだペ
ーストを用いて得た電気的接合部の一例を示す断面図で
ある。 １……電極、2,2′……電極、３……チップ部品、４…
…絶縁体、５……はんだ、5A……はんだ粒、６……金属
粒、７……フラックス、８……フラックス残留物、９…
…支持体、10……はんだ、11……基板

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】絶縁体上に設けられた複数の電極とチップ
   部品上に設けられた複数の電極が独立に電気的に接続さ
   れた電気的接合部において、前期電極間が複数の金属粒
   を含むはんだで節沿されその体積含有率が下式で表され
   る体積含有率で５〜20％の割合であり、かつ前記複数の
   金属粒の融点が前記はんだの固相線温度より35℃以上高
   く、かつ前記複数の金属粒の構成材質の全部または一部
   に前記はんだの構成材質と異なる材質を含むことを特徴
   とする電気的接合部。 （A/A＋Ｂ）×100（％） （ただし、Ａは金属粒の体積、Ｂははんだの体積であ
   る。）
2. 【請求項２】はんだが、すずを含む合金であり、かつ複
   数の金属粒がAu、Ag、Niの単独、またはAu、Ag、Ni、Sn
   のうちのいずれかを含む金属あるいは合金で表面を覆っ
   た銅粒である特許請求の範囲第１項記載の電気的接合
   部。