JPWO2008114711A1 - 微細はんだボール配置用水溶性粘着剤 - Google Patents

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Abstract

【課題】はんだボールのプリント基板への搭載は、はんだボールマウンターが使用されているが、粒径が0.2mm以下の微細なはんだボールでは、はんだボールの自重が軽いため静電気が発生すると、エアーの吹きつけや衝撃によって必要なはんだボールまで落下してしまう。さらに一回落下したはんだボールが自重が軽いため発生した静電気によって、再度吸着ヘッドに付着してしまうという問題点がある。【解決手段】メタルマスクなどのマスク上にはんだボールをバルク状に置き、ポリウレタンなどのスキージで掻き出すことで、モジュール基板の電極と同じ位置に開けられたマスクの孔からはんだボールを落下させて、モジュール基板上に塗布された粘着剤で固定することによって、再度マスクに付着させないという工程を用いる。この工程に使用する粘着剤は、分子量が２００以上、粘度が５０００ｍＰａ・ｓ以上、粘着力が５０〜３００ｇｆであって、エチレンオキサイド−ポリオキシエチレン共重合体非イオン活性剤、エチレンオキサイド−プロピレンオキサイド縮合付加エチレンジアミン、水溶性ウレタンオリゴマー、の高粘調液状物質又はＰＶＡエチレンオキサイド付加物、エーテルポリマー、ビニールピロリドン−酢酸ビニル共重合体の水溶性樹脂と液状物質の混合された系から選択される粘着性物質が適している。【選択図】なし

Description

本発明は、モジュール基板などのプリント基板にはんだバンプを形成するために用いられる微細なはんだボールを配置する配置方法およびそれに使用するはんだボール配置用水溶性粘着剤に関する。
BGAやCSPのような多機能部品は、モジュール基板と呼ばれる多機能部品用基板の裏面に多数の電極が設置されている。該多機能部品をプリント基板に実装する際は、はんだで接続する。一例として多機能部品を構成する基板の電極には予めはんだバンプを形成しておき、該はんだバンプをプリント基板上に印刷したソルダペーストと位置合わせをし、リフロー炉で加熱してはんだバンプを溶融させることにより多機能部品とプリント基板のはんだ付けを行っている。
ところで多機能部品用のはんだバンプは、モジュール基板上にはんだボールを使用して作られるのが一般的である。直接モジュール基板上にはんだボールを配置するときは、はんだボールをはんだボールマウンターと呼ばれる装置を用いて基板上にはんだボールを配置させる。はんだボールマウンターによるはんだボールの搭載方法は、特開平１１−３３０１２３号公報（特許文献１）などで開示されているように、瓶のはんだボールを升状の収納容器に入れ、収納容器からはんだボールマウンターの吸着ヘッドに吸着させ、吸引を止めて基板上に落下させるというのが主な工程である。
また、はんだボールシートと呼ばれるモジュール基板の電極配置と同一の位置にはんだを有したシートが用いられることもある。本出願人は、特開２００４−８００２４号公報（特許文献２）の所定パターンで設けられた複数のはんだボール挿入孔を備えたマスクと、該挿入孔に収容されたはんだボールと、該挿入孔の中にはんだボールを保持する固着剤から構成されていることを特徴とするはんだボール配置シートを開示している。
特開平１１−３３０１２３号公報 特開２００４−８００２４号公報
はんだボールマウンターによるはんだボールの配置では、はんだボールが升状の収納容器上で転がされて吸引孔上に移動するため、静電気によるはんだボール同士の吸着が問題となる。そのため特許文献１で開示されているように、余分に付着したはんだボールにエアーを吹き付けたり、吸着ヘッド自体に衝撃を与えて不要なはんだボールを除去する方法が行われている。ところが、はんだボールマウンターによるはんだボールの配置は、粒径が0.3mm位までは問題なく使用できるが、0.2mm以下では、はんだボールの自重が軽いため静電気が発生すると、エアーの吹きつけや衝撃によって必要なはんだボールまで落下してしまう。さらに特許文献１に記載のように、フラックスが塗布されたモジュール基板へのはんだボールの配置は、吸着ヘッドの吸引孔に食い込んだはんだボールを衝撃を与えることによって落下させるのが一般的であるが、はんだボールが0.2mm以下の微細なはんだボールでは、一回落下したはんだボールが自重が軽いため発生した静電気によって、再度吸着ヘッドに付着してしまう。BGAやCSPなどのモジュール基板のはんだバンプを形成するために使用するはんだボールのサイズは微細化しており、静電気の問題は避けて通れなくなっている。
本発明が解決しようとする課題は、モジュール基板のはんだバンプを形成するために、静電気を発生させないではんだボールを搭載する搭載方法を提供する事である。
本発明者らは、はんだボールの配置方法について鋭意研究した結果、静電気を発生させないで0.2mm以下の微細なはんだボールをモジュール基板上に配置させるには、従来のはんだボールマウンターでは不可能であること。ソルダペーストのように、マスク上に置かれたはんだボールをスキージでマスクの孔に入れ込む方がはんだボールに発生する静電気が少なく、効果的で有ること。この方法で、マスクの孔から落下したはんだボールを支持する粘着剤が特定のものでなければ、再度マスクに付着してしまうことを見出し本発明を本発明を完成させた。
本発明は基板電極パターンに対応して開口部を形成したメタルマスクなどのマスクを位置合せ後該マスク上にはんだボールをバルク状に置き、ゴムスキージなどで掻き均して該開口部にボールを落とし込みボールを配列させその後にマスクを剥がして該電極状にボールを残す工法に際して該電極上にボール搭載前に供給する仮固定用の粘着剤と粘着層形成方法に関する。
200μmピッチ以下のような微細ピッチパターンには従来技術のはんだボールマウンター法は前述のように無理であることが判っている。一方微細ボールを直接基板に載せる要請が強くあり、検討されている一般的な方法はボール搭載用フラックスをスクリーン印刷などの手段によって電極部に供給した後、ボール配列用マスクを基板と位置合せしてボールを配列させて該フラックスと接し仮固定された後、該マスクを剥がすとボールの一部がマスクに付着して基板にボール欠損部が発生しやすい。この原因は微細パターンではフラックス印刷に際して位置ズレが避けられずフラックスの一部がレジスト上にかかるためマスクとそのフラックスが接触しその部分のボールがマスクに取られることになる。

本発明ではそのような現状を考え鋭意研究した結果、フラックス供給方法を印刷法ではなく簡便でありながらも搭載性が優れる供給法を見出すとともに効果的な粘着剤を見出し本発明に到達した。
本発明に使用する粘着剤と特許文献２の粘着剤の違いを下記に述べる。
本発明では粘着剤の上のはんだボールが溶融して電極に濡れ広がる際にその粘着剤ははんだ濡れ性を妨げないことが重要であり更には溶融後の水系洗浄が充分できる両方の性能を備えている。一方特許文献２ではその粘着層が直接電極に接する構成でないため濡れ性は全く考慮しなくてもよく転写に際してのフラックスが濡れに直接関与する。次に本発明の粘着層は水溶性であり且つ粘着力が５０〜３００gfの粘着剤であり架橋反応は全く行っていないために洗浄性が本質的に大変優れている。一般の粘着剤は凝集力を高めるため架橋反応を行っており水溶性を兼ね備えることは一般には困難である。それを証明するために特許文献２に使用したウレタン系粘着剤を本発明に使用した時の性能を参考例として示す。
ウレタン系粘着剤は150℃1分間熱架橋後、室温下3日間エージングして使用する。この粘着剤の粘着力は本発明粘着剤のタック力を決して下回ってはいないが濡れ性および洗浄性が劣り本用途には使用できないことが判る。
本発明は分子量が２００以上、粘度が５０００mPa・s以上、粘着力が５０〜３００gfであってエチレンオキサイドープロピレンオキサイド共重合体、エチレンオキサイドープロピレンオキサイド縮合付加エチレンジアミン、ウレタンオリゴマーの一つから選択される水溶性高粘調液状物質を粘着剤とする。更には他の粘着剤としてＰＶＡエチレンオキサイド付加物、ポリエーテル樹脂、ビニールピロリドンー酢酸ビニール共重合樹脂の水溶性樹脂1つと沸点が２００℃以上の水溶性液状物質を樹脂：液状の質量比２：１〜１：７の割合で混合し粘着力を５０〜３００gfとした水溶性粘着剤である。これらの粘着剤を微細はんだボール配列用の電極部に予め形成し該ボールを仮固定する。粘着層の形成法は従来のスクリーン印刷によるフラックス供給法と異なり該粘着剤を溶媒に希釈し基板上に過剰に供給しゴムスキージにより掻き均して窪みにある電極部に充填する。その後溶媒を乾燥炉中で揮散し粘着層が窪み内に形成できる。従来の印刷法のフラックス供給の問題点は前に述べたが本発明による効果を説明する。本発明では該粘着剤を溶媒に溶解して基板上に過剰に供給しスキージし乾燥する工程であるが基板上に残存する粘着剤は乾燥後極めて微量でありボール配列時のマスクと接触しても実用上問題ないレベルにあることが基礎になっている。つまり印刷法での位置ズレによる基板上のフラックス量の方が多いのである。
本発明を用いることによって、はんだボールマウンターでは静電気の発生によってモジュール基板上へのはんだボールの配置ができない0.2mm以下の微細なはんだボールの使用でも、確実にモジュール基板上へのはんだボールの配置が可能で、本発明の粘着剤を使用することによって、静電気や粘着剤の粘着性によってマスクに微細なはんだボールが付着することもない。
本発明に使用する粘着剤は、熱による架橋の工程を経ずとも静電気が発生しやすい微細なはんだボールをモジュール基板上に固定できる粘着性が必要であり、また粘着剤の粘着性が強すぎるとマスクを剥がすときにモジュール基板から剥がれなくなり、マスクを剥がす時に強い力を加えるとはんだボールがマスクと一緒に剥がれてしまうことがある。
粘着剤の粘着力が粘着力５０gf 以下であるとボール固定が不安定になる。粘着力が３００gfを超えると強過ぎのため基板上に微量でも残存した場合にマスクを剥がす時に支障が出る場合がある。そのため本発明の粘着剤の粘着力は、常温（２５℃）で５０〜３００ｇｆあることが必要である。より好ましくは、７０〜２５０ｇｆである。本発明の粘着剤であるエチレンオキサイド−プロピレンオキサイド共重合体、エチレンオキサイド−プロピレンオキサイド縮合付加エチレンジアミン、水溶性ウレタンオリゴマーから選ばれる水溶性高粘調液状物質及びＰＶＡエチレンオキサイド付加物、エーテルポリマー、ビニールピロリドン−酢酸ビニル共重合体の水溶性樹脂が液状物質であるグリコール類、グリセリン類と質量比２：１〜１：７の範囲に混合されて、JIS Z 3284 付属書９の粘着性試験を行ったときに、５０〜３００ｇｆの良好値を示す。
本発明の粘着剤を使用することで配置されたプリント基板の電極上のはんだボールは、プリント基板にスプレーや発泡などではんだ付けフラックスが塗布され、リフロー加熱されることによりはんだ付けされる。そのため本発明の粘着剤は、特にはんだ付け性を有する必要性は無いが、はんだ付け性を阻害しないことが必要である。一般的な粘着テープに使用している粘着剤や同じウレタン系でも特許文献２に記載の架橋が必要なウレタン系固着剤では、リフローはんだ付け時のはんだ付け性を阻害してしまい、良好なはんだバンプが形成できない。本発明の粘着剤であるエチレンオキサイド−プロピレンオキサイド共重合体、エチレンオキサイド−プロピレンオキサイド縮合付加エチレンジアミン、水溶性ウレタンオリゴマー、ＰＶＡエチレンオキサイド付加物、カルボキシル基含有ポリマー、ビニールピロリドン−酢酸ビニル共重合体及びグリコール類、グリセンリン類は、すべて後工程でのはんだ付け性を阻害しないで、良好なはんだ付けを可能とする。
本発明に使用する高粘調液状粘着剤は次のものが好適である。
１． エチレンオキサイドープロピレンオキサイド共重合体
三洋化成工業製 ニューポール75H-90000（高粘調、分子量15000）などが該当
２． エチレンオキサイドープロピレンオキサイド縮合付加エチレンジアミン
アデカ製 プルロニックTR-704（高粘調、分子量約300） などが該当
３． ウレタンオリゴマー
根上工業製 UN-1000（高粘調、分子量約12000） などが該当
水溶性樹脂と沸点２００℃以上の液状物質混合系粘着剤の例は
４． ＰＶＡエチレンオキサイド付加物
日本合成化学製 ゴーセファイマーLW-100（水溶性樹脂） などが該当
５． ポリエーテル樹脂
日本触媒製 PX3-EH1000N（水溶性樹脂） などが該当
６． ビニールピロリドンー酢酸ビニール共重合
ISP TECHNOLOGIES, INC. 社製 PVP/VA I-535（水溶性樹脂） などが該当
７． グリコール類（液状）
ポリエチレングリコール#600（分子量約600、沸点約250℃）などが該当
８． グリセリン類（液状）
グリセリン（分子量90、沸点290℃） などが該当
本発明の水溶性粘着剤を作製し、その粘着性を比較する。
水溶性粘着剤の組成および試験結果を表1に示す。
Figure 2008114711
水溶性粘着剤の作製方法は、次の通り。
高粘調液状物質単独、水溶性樹脂と液状物質混合系のいずれの場合も水単独又は水ーアルコール又は水可溶性溶剤混合溶媒中で攪拌溶解することによって溶液を得ることができる。水溶性ウレタンオリゴマーの例では水とイソプロピルアルコール１：１混合溶媒中に水溶性ウレタンオリゴマーを加え攪拌し粘着性溶液を得る。
作製した水溶性粘着剤の粘着性をJIS Z 3284 付属書９の手順に従って、測定する。
測定装置として、レスカ社製タッキネス テスター、スライドガラスの代わりに50×50mmのタフピッチ銅板を用いた。測定結果を表１に示す。
次に、本発明の水溶性粘着剤がはんだ付けを阻害しないか調べる。JIS Z 3284 付属書９の粘着性の試料調製方法と同様に、50×50mmのタフピッチ銅に厚さ0.2mmで直径6.5mmの孔が開けられたメタルマスクを用いて、水溶性粘着剤を印刷する。水溶性粘着剤の中央にはんだ組成Sn-3.0Ag-0.5Cuで、直径0.3mmのはんだボールを置き、千住金属製フラックスをスプレーで塗布する。加熱方法およびはんだ広がりの測定方法は、JIS Z 3197.8.3.1.1 はんだ広がり法に準じる。本発明では、ぬれ性を阻害しないことが確認できればよいので、判定方法として、広がり率７０％以上を○、広がり率７０％未満を×と判定した。
最後に、本発明の水溶性粘着剤の水に対する洗浄性を調べる。JIS Z 3284 付属書９の粘着性の試料調製方法と同様に、３×３mmのタフピッチ銅に厚さ0.2mmで直径6.5mmの孔が開けられたメタルマスクを用いて、水溶性粘着剤を印刷する。２０℃に調製した非イオン水中に１分間揺動、浸漬する。完全に水溶性粘着剤が洗浄されているものを○。少しでも残渣が残っているものを×と判定した。
次に、プリント基板のはんだボールの配置方法として、水溶性ウレタンオリゴマーの例を示す。電極ピッチ150μmで電極数10000個を有し、電極部開口径80μmで高さ20μmのソルダレジストが塗布されたプリント基板を準備して、表１に記載の水溶性ウレタンオリゴマー組成物をスプレーでプリント基板一面に塗布した。その後ゴムブレードでプリント基板表面を掻き落とした。これを観察するとソルダレジスト表面には目視では殆ど目立たないが実体顕微鏡下では若干の液滴が残っていた。電極部には液状の粘着剤組成物が充填されていた。その後このプリント基板を乾燥のため、150℃で2分間乾燥炉に入れ取り出し常温に戻した。この基板を実体顕微鏡で観察するとソルダレジスト表面には全く液滴は観察されなかったが、電極部には粘着物が充填されていた。該電子部品電極の位置に対応して作成した厚さ100μmで、開口径φ100μmの磁石に付くステンレススチール製マスクと、該プリント基板を位置合せし、プリント基板裏に配置した電磁式マグネットを作動させて密着させた。次いではんだ組成が錫：銀：銅質量比率96.5：3.0：0.5であって、直径が70μmのはんだボールを穴数より過剰の量をマスク上に載せ、ブラシで移動させて該マスク開口部に該はんだボールを100%配列した。その後、該マグネットの電源を切り、該マスクを水平に引き上げたところ、配列していた該ボールは該電極上に形成している粘着性組成物に固定され100%が搭載できた。該マスク裏面には該粘着性組成物は一切付着せず、同様な工程を繰り返しても問題なくボール搭載が確認出来た。次いで窒素雰囲気のリフロー炉中、ピーク温度設定270℃、7秒間で通過する温度プロファイルによって、該はんだボールは該電極に濡れてはんだバンプが形成できた。従って電極上の粘着性組成物ははんだぬれ性を阻害しないことが確認できた。
本発明の水溶性粘着剤は、そのまま粘着剤としての使用の他に、水溶性フラックス成分と混合して粘着性フラックスとしても用いることができる。その場合は、後からスプレーなどでのフラックス塗布は不要となる。

Claims (6)

  1. 沸点が２００℃以上であり、分子量が２００以上、粘度が５０００mPa・s以上、粘着力が５０〜３００gfであってエチレンオキサイドープロピレンオキサイド共重合体、エチレンオキサイドープロピレンオキサイド縮合付加エチレンジアミン、ウレタンオリゴマーから選択される高粘調液体物質から構成させていることを特徴とするはんだボール配置用水溶性粘着剤。
  2. 前記、高粘調液体物質が、エチレンオキサイド−プロピレンオキサイド共重合体、エチレンオキサイドープロピレンオキサイド縮合付加エチレンジアミン反応物であることを特徴とする請求項１に記載のはんだボール配置用水溶性粘着剤。
  3. 前記、高粘調液体物質が、水溶性ウレタンオリゴマーであることを特徴とする請求項１に記載のはんだボール配置用水溶性粘着剤。
  4. ＰＶＡエチレンオキサイド付加物、ポリエーテル樹脂、ビニールピロリドンー酢酸ビニール共重合樹脂の水溶性樹脂から選択される1つ以上と、グリコール類、グリセリン類から選択される沸点が２００℃以上の水溶性液状物質を樹脂：液状物質の質量比２：１〜１：７の割合で混合し粘着力を５０〜３００gfとした水溶性粘着剤。
  5. 前記、水溶性樹脂類が、ＰＶＡエチレンオキサイド付加物、ポリエーテルポリマー及びビニールピロリドン−酢酸ビニル共重合体であることを特徴とする請求項４に記載のはんだボール配置用水溶性粘着剤。
  6. 電極部以外をソルダレジストによってマスクしたプリント基板の電極にはんだボール配置用水溶性粘着剤を塗布した後、はんだ配置用マスクの開口部を電極部と一致させてプリント基板のレジスト上に載せ、スキージでプリント基板の電極と同位置、同一形状にはんだボールを掃くことによってはんだボールをプリント基板の電極上に配置させるプリント基板のはんだボールの配置方法。
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