JP2004273999A - 半田付け補助材 - Google Patents

Abstract

【課題】広い範囲の電子部品に対して適用可能であり、工程費用を低減することができるとともに高い実装信頼性を確保することができる半田付け補助材を提供することを目的とする。
【解決手段】半田バンプ付きの電子部品を基板に半田付けにより実装する際に、熱硬化性樹脂３ａに銀など半田の融点よりも高温の融点を有する貴金属を鱗片状に加工した金属粉７および半田の酸化膜除去作用を有する活性剤を混合した樹脂接着材３を、半田付け補助材として基板の回路電極２に供給しておき、半田付けの際にはこの樹脂接着材３をバンプ（６）と回路電極２の間に介在させる。これにより、バンプ（６）と回路電極２との間に隙間が存在する場合にあっても、溶融した半田６ａを金属粉７が形成するブリッジによって導いて回路電極２へ接触させることができ、隙間に起因する半田付け不良を防止することができる。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半田部が形成された第１の電極を第２の電極に半田付けする際に用いられる半田付け補助材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子部品を基板へ実装する方法として、半田付けが広く用いられている。この半田付けの方法として、従来のフラックスを用いる方法に替えて、酸化膜を除去する活性成分を含んだ樹脂接着材を半田付け補助材として用いる方法が知られている（例えば特許文献１参照）。この方法は、電子部品の外部接続用電極と基板の回路電極との間に活性成分を含んだ樹脂接着材を介在させるものであり、半田付け過程においては接合部分の酸化膜を活性成分によって除去して良好な接合性を確保するとともに、樹脂接着材を硬化させて半田接合部を補強する樹脂補強部を形成させるものである。この方法によれば、フラックスを用いる従来の半田付けによる電子部品実装過程において必要とされた洗浄工程を省くことができ、工程費用の低減とともに、実装後の信頼性を向上させることができるという優れた利点がある。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１７０７９７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電子部品の小型化や実装の高密度化の進展に伴い、半田接合用のバンプが形成された電子部品の実装に上述のような半田付け補助材を適用する場合において、次のような課題が生じている。
【０００５】
まず、小型・高密度実装では、微小サイズのバンプが多数形成された電子部品を対象とする。このため、同一の電子部品においてバンプサイズのばらつきが避けられず、電子部品を基板に搭載した状態では、サイズが他と比較して小さいバンプと基板の回路電極との間に隙間が生じ易い。しかもバンプ数が増大すると、部品搭載時の押圧によってバンプが押しつぶされにくくなることに伴って、この隙間発生の確率がさらに増大する傾向にある。
【０００６】
そしてこのような隙間が生じた状態で半田付けのための加熱が行われると、バンプが溶融して液状となった半田がバンプと回路電極との間に介在する樹脂接着材によって流動が妨げられ、回路電極の表面に到達しないまま冷却固化する半田付け不良を招き易い。そしてバンプサイズの微小化に伴ってセルフアライメント効果が低減することと相俟って、回路電極と正常に半田付けされないバンプが生じ易くなり、実装不良の発生頻度が増加する。
【０００７】
このように、従来の半田付け補助材を用いた半田付けは、工程費用の低減、高い実装信頼性の確保という優れた利点を有するものの、小型・高密度の電子部品を対象とした実装には適用が難しいという問題点があった。
【０００８】
そこで本発明は、広い範囲の電子部品に対して適用可能であり、工程費用を低減することができるとともに高い実装信頼性を確保することができる半田付け補助材を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の半田付け補助材は、半田部が形成された第１の電極を第２の電極に半田付けする際に前記半田部と前記第２の電極の間に介在させる液状の半田付け補助材であって、半田付け時の加熱によって前記半田部が溶融した半田の流動を妨げずに固化する樹脂と、前記半田部の融点よりも高温の融点を有する金属粉を含む。
【００１０】
請求項２記載の半田付け補助材は、請求項１記載の半田付け補助材であって、前記樹脂が、常温で液状で且つ前記加熱によって硬化する熱硬化性樹脂を含む。
【００１１】
請求項３記載の半田付け補助材は、請求項１記載の半田付け補助材であって、前記樹脂が、常温で液状で且つ前記加熱によって硬化する熱硬化性樹脂に、熱可塑性樹脂の樹脂粉を混合して成る。
【００１２】
請求項４記載の半田付け補助材は、請求項１、２および３のいずれか１つに記載の半田付け補助材であって、前記樹脂が、前記半田部の酸化膜を除去する能力を有する活性剤を含む。
【００１３】
請求項５記載の半田付け補助材は、請求項１、２、３および４のいずれか１つに記載の半田付け補助材であって、前記金属粉の含有割合が、体積比で５〜４０％である。
【００１４】
請求項６記載の半田付け補助材は、請求項１、２、３、４および５のいずれか１つに記載の半田付け補助材であって、前記金属粉が、大気中で酸化膜を生成せず且つ前記半田部が溶融した流動状態の半田が金属粉の表面に沿って濡れ拡がりやすい材質より成る。
【００１５】
請求項７記載の半田付け補助材は、請求項６記載の半田付け補助材であって、前記金属粉が、少なくとも銀、パラジウム、金のいずれかである。
【００１６】
本発明によれば、半田部が形成された第１の電極を第２の電極に半田付けする際に、半田付け時の加熱によって半田部が溶融した半田の流動を妨げずに固化する樹脂と半田部の融点よりも高い融点を有する金属粉を含む構成の半田補助材を半田部と第２の電極の間に介在させることにより、半田部と第２の電極との間に隙間が存在する場合にあっても、半田部が溶融した半田を金属粉が形成するブリッジによって導いて第２の電極へ接触させることができ、隙間に起因する半田付け不良を防止することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１，図２は本発明の一実施の形態の電子部品実装方法の工程説明図、図３は本発明の一実施の形態の半田付け補助材を用いた半田接合過程の説明図、図４は本発明の一実施の形態の半田付け補助材の供給方法の説明図である。
【００１８】
まず図１，図２を参照して、本発明の半田付け補助材を用いた半田付け方法による電子部品実装について説明する。図１（ａ）において、基板１には回路電極２（第２の電極）が形成されている。図２（ｂ）に示すように、回路電極２の上面には、樹脂接着材（樹脂）３が供給される。樹脂接着材３は、以下に説明する電子部品４を基板１へ実装するための半田付けにおいて、半田付け補助材として用いられるものであり、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂に、後述する添加成分を混合したものである。ここでは、樹脂接着材３は回路電極２上にスクリーン印刷によって供給される。
【００１９】
接着材供給後の基板１には、電子部品４が搭載される。図１（ｃ）に示すように、電子部品４は下面に外部接続用の電極５（第１の電極）を備えており、外部接続用電極５には半田部としてのバンプ６が形成されている。バンプ６は、微細粒状の半田ボールを外部接続用電極５に半田接合して形成される。ここで半田ボールのサイズのばらつきなどの原因によって、バンプ形成後のバンプ６の高さはばらついており、電子部品４のバンプ６の中には、平均的なサイズのバンプ６よりも幾分高さが低い寸足らずのバンプ（図１（ｃ）において（６）で示すバンプ参照）が発生する。
【００２０】
電子部品４の基板１への実装は、加熱によりバンプ６を溶融させて回路電極２の上面に半田付けすることにより行われ、これにより、それぞれの外部接続用電極５が対応する回路電極２に電気的に接続されるとともに、電子部品４は溶融半田が固化して形成された半田接合部によって基板１に固着される。この実装過程においては、図１（ｄ）に示すように、それぞれのバンプ６を回路電極２に位置合わせして電子部品４を基板１に対して下降させる。
【００２１】
そして、バンプ６を樹脂接着材３が供給された回路電極２に着地させ、電子部品４を所定の押圧力Ｆで基板１に対して押圧する。これにより、平均的なサイズのバンプ６は、バンプ高さに多少のばらつきがあっても高めのバンプ６が押圧力によって高さ方向につぶされることにより、下端部が回路電極２の上面に接触する。これに対し、寸足らずのバンプ（６）は、他のバンプ６が多少押しつぶされて電子部品４全体がその分だけ下降しても、なお下端部が回路電極２の表面に接触せず、バンプ下面と回路電極２との間に隙間が生じた状態となる。
【００２２】
樹脂接着材３について説明する。前述のように樹脂接着材３は、常温で液状で且つ後述する半田付け過程における加熱により熱硬化する熱硬化性樹脂３ａを基材としており、添加成分として金属粉７と活性剤とを含有している（図３（ａ）参照）。ここで、熱硬化性樹脂３ａは、半田付け時の加熱によってバンプ６が溶融した半田の流動を妨げずに固化する硬化特性を有するもの、すなわち、バンプ６を構成する半田の融点温度に昇温した状態において、十分な流動性を保っているようなものが用いられる。
【００２３】
金属粉の材質としては、バンプ６に用いられる半田の融点よりも高い融点を有し、しかも大気中で酸化膜を生成せず且つバンプ６が溶融した流動状態の半田が金属粉の表面に沿って濡れ拡がりやすい材質（例えば銀、パラジウム、金などの貴金属）が用いられる。そして樹脂接着材３への添加は、これらの金属を鱗片状に加工したものを、体積比で５〜４０％の割合で熱硬化性樹脂３ａに混合することにより行われる。また活性剤は、バンプ６の表面に生成した半田の酸化膜を除去する目的で添加されるものであり、このような酸化膜除去能力を有するカルボン酸などの有機酸が用いられる。
【００２４】
図１に示す半田付け方法を用いた電子部品実装では、回路電極２上に樹脂接着材３が供給された状態の基板１に電子部品４を搭載することにより、寸足らずのバンプ（６）についてはバンプ下面と回路電極２との間生じた隙間内に樹脂接着材３が介在している。すなわち、バンプ６が形成された外部接続用電極５を回路電極２に半田付けする際に、バンプ６と回路電極２の間に、上述のような組成の液状（流動状態）の半田付け補助材である樹脂接着材３を介在させる形態となっている。
【００２５】
次に、バンプ６を溶融させて回路電極２に半田接合する半田付け過程について説明する。図１（ｄ）に示す部品搭載後の基板１は、リフロー炉に送られ加熱される。このとき図２（ａ）に示すように、平均的な高さのバンプ６については下端部が回路電極２に接触した状態で、また寸足らずのバンプ（６）については、下端部と回路電極２の間に樹脂接着材３が介在した状態で、加熱が行われる。
【００２６】
そしてこの加熱により、バンプ６，（６）とも、回路電極２に半田接合されるが、このときの半田の挙動は、バンプ下端部が回路電極２に接触しているか否かによって異なったものとなる。すなわち、バンプ下端部が回路電極２に接触しているバンプ６では、バンプ６が加熱によって溶融すると、溶融状態の半田６ａは直ちに半田濡れ性のよい材質の回路電極２の表面に沿って良好に濡れ拡がり、外部接続用電極５は回路電極２と半田６ａによって連結される。このとき、樹脂接着材３中に含まれる活性剤によってバンプ６表面の酸化膜が除去されるため、良好な半田接合性が確保される。
【００２７】
これに対し、バンプ（６）においては、回路電極との間に隙間があることから、外部接続用電極５と回路電極２の半田６ａによる連結は、図３に示すような過程を経て行われる。図３（ａ）は、リフロー工程における加熱開始時の状態を示している。ここでバンプ（６）の下端部と回路電極２の表面２ａとの間に介在する樹脂接着材３中の金属粉７は、鱗片状のものを多く含んでいることから、ランダムな姿勢で多数存在する金属粉７によって、バンプ（６）の下端部と回路電極２の表面２ａとを結ぶ金属粉７のブリッジが、高い確率で形成される（図３（ａ）にて矢印ａで示す部分参照）。
【００２８】
ここでブリッジとは、金属粉７が相互に近接した状態で連続的に一繋がりとなって存在する状態をいう。そして近接した状態とは、１つの金属粉７の表面を濡らして覆っている流動状態の半田が表面張力によってある厚みを形成するときに、その半田厚みの表面が隣接する他の金属粉７に接触するような間隔で複数の金属粉７が存在する状態をいう。
【００２９】
すなわち、多数の金属粉７がこのような近接状態で連続して存在することにより、一繋がりの一方側の金属粉７に接触した半田は、半田濡れ性のよい金属より成る金属粉７の表面を包み込んで濡れ拡がることによって、順次隣接する金属粉７に接触する。そしてこの濡れ拡がりによる半田の流動が一繋がりの他方側まで連続して生じることにより、これらの一繋がりの金属粉７は、図３（ｂ）に示すように、バンプ（６）の下端部と回路電極２の表面２ａとを結んで半田を流動させるブリッジとして機能する。
【００３０】
このとき、金属粉７の材質として通常用いられる半田の融点よりも融点が高い銀などの貴金属を用いていることから、半田の融点よりもさらに高温に加熱された場合においても、金属粉７は確実に固体状態で存在する。すなわち、樹脂接着材３中に半田粒子を含有させたクリーム半田を用いる半田付け方法では、リフロー時の加熱によって樹脂接着材３中の半田粒子も同時に溶融してしまい、隙間内で溶融半田を橋渡しするブリッジ機能が得られないのに対し、本発明の半田付け補助材では、上述のブリッジ機能を確実に果たすことができる。
【００３１】
ここで、金属粉７の形状として、前述の金属を鱗片状に加工したものを用いることにより、鱗片形状の長手方向を隙間の橋渡し方向に向けた姿勢で存在する金属粉７によってブリッジを形成し易くなり、比較的低い含有率で効率よくブリッジを形成することができる。なお、樹脂接着材３中の金属粉７の混合割合が過度に大きくなると、半田付け後の半田接合部の脆化を招くおそれがあるが、金属粉７の混合割合を前述の５〜４０％（体積比）の範囲で設定することにより、ブリッジ形成効果と半田接合部の強度確保とを両立させることができる。
【００３２】
そしてこのようなブリッジを伝って半田６ａが電極表面２ａに一旦到達すると、流動状態の半田６ａは半田濡れ性の良好な電極表面２ａにそって濡れ拡がる。この半田６ａの濡れ拡がりにより、電極表面２ａ近傍の樹脂接着材３は外側に押しのけられ、当初回路電極２との間に隙間を生じていたバンプ（６）においても、外部接続用電極５は半田６ａによって回路電極２と全面的に連結される。この場合においても、樹脂接着材３中に含まれる活性剤によって良好な半田接合性が確保される。
【００３３】
ここで、前述のように熱硬化性樹脂３ａとして、バンプ６を構成する半田の融点温度に昇温した状態において十分な流動性を保っているようなものが用いられているため、上述の半田付け過程においてバンプ６，（６）が溶融した半田６ａの流動が妨げられることなく、外部接続用電極５と回路電極２の半田付けが良好に行われる。そして熱硬化性樹脂３ａが加熱されて熱硬化反応が進行する過程において、昇温により一旦粘度が低下した熱硬化性樹脂３ａはバンプの周囲に沿って這い上がり、後述する樹脂補強部を形成する。
【００３４】
図３（ｃ）は、リフロー工程における所定の加熱サイクルを終了して、冷却された状態を示している。すなわち、バンプが溶融した半田６ａが冷却によって固化することにより、外部接続用電極５と回路電極２とを半田接合により連結する半田接合部１６が形成される。この半田接合部１６の電極表面２ａ近傍には、半田付け過程において半田中に取り込まれた金属粉７が合金状態あるいは固溶状態で存在している。そして半田接合部１６の周囲には、熱硬化性樹脂３ａが熱硬化した樹脂補強部１３が形成される。
【００３５】
このとき樹脂接着材３中に含まれる活性剤は、熱硬化した樹脂補強部１３内に閉じこめられ、実装後に回路電極２や外部接続用電極５を腐食させることがない。このため、従来のフラックスを用いる半田付けにおいて必要とされた洗浄処理を排除することができ、実装後の信頼性を確保しながら工程費用を低減することが可能となっている。
【００３６】
図２（ｃ）は、このようにして外部接続用電極５と回路電極２を連結する半田接合部１６、半田接合部１６の周囲を補強する樹脂補強部１３が、全ての外部接続用電極５と回路電極２について形成された状態を示している。すなわち、半田付けの対象となる外部接続用電極５と回路電極２の組み合わせにおいて、当初は寸足らずのバンプ（６）については下端部と回路電極２の間に隙間が生じていた場合にあっても、本実施の形態に示す半田付け補助材および半田付け方法を適用することにより、良好な半田付けを行うことができる。
【００３７】
なお上述の例では、樹脂接着材３を供給する工程において、回路電極２に樹脂接着材３を印刷にする例を示しているが、これ以外にも各種の方法を用いることができる。例えば図４（ａ）に示すように、ディスペンサ８によって樹脂接着材３を吐出させることにより、回路電極２へ供給するようにしてもよい。
【００３８】
また、図４（ｂ）に示すように、基板１上における回路電極２の形成範囲全面に樹脂接着材３を塗布するいわゆる「べた塗り」によって樹脂接着材３の供給を行うようにしてもよい。さらには、図４（ｃ）に示すように、回路電極２に樹脂接着材３を供給する替わりに、電子部品４のバンプ６の下面側に、樹脂接着材３を転写によって付着させることによって、樹脂接着材３を供給するようにしてもよく、いずれに方法によっても、バンプ６と回路電極２との間に樹脂接着材３を介在させることができる。
【００３９】
すなわち、上述の電子部品実装における半田付け方法は、バンプ６が形成された外部接続用電極５を基板１の回路電極２に半田付けする半田付け方法であって、半田付け時の加熱によってバンプ６が溶融した半田の流動を妨げずに固化する熱硬化性樹脂３ａにバンプ６の半田よりも高い融点を有する金属粉７を混合した樹脂接着材３をバンプ６もしくは回路電極２の少なくとも一方に塗布する第１の工程と、外部接続用電極５のバンプ６を回路電極５を位置あわせすることにより樹脂接着材３をバンプ６と回路電極２との間に介在させる第２の工程と、加熱によってバンプ６を溶融させて金属粉７の表面伝いに濡れ拡がらせることにより溶融した半田を回路電極２に接触させる第３の工程と、第３の工程の後に樹脂接着材３を固化させる第４の工程とを含む形態となっている。そして、第４の工程においては、第３の工程の加熱時の熱を利用して熱硬化性樹脂３ａを熱硬化させることにより、樹脂接着材３を固化させるようにしている。
【００４０】
なお上記例では、樹脂接着材３の基材として、常温で液状で加熱によって硬化する熱硬化性樹脂３ａを用いるようにしているが、この熱硬化性樹脂３ａ中に熱可塑性樹脂から成る樹脂粉を混合するようにしてもよい。この場合には、樹脂接着材３中の熱可塑性樹脂の樹脂粉はリフロー時の加熱によって液化して熱硬化性樹脂とともに流動し、液化した熱可塑性樹脂は熱硬化性樹脂の硬化が進行した後に冷却される過程で再び固化する。
【００４１】
すなわち、この場合には、第４の工程において第３の工程の加熱時の熱を利用して熱硬化性樹脂を熱硬化させた後に、冷却することによって前記熱可塑性樹脂を固化させて樹脂接着材３の固化を行う形態となっている。このように樹脂接着材３の基材となる熱硬化性樹脂３ａに熱可塑性樹脂を混合することにより、加熱条件が不適切で熱硬化性樹脂３ａの熱硬化が完全に行われないような場合においても、常温に冷却された後には熱可塑性樹脂が確実に固化することによって、樹脂接着材３の固化後の強度が確保されるという効果がある。
【００４２】
上記説明したように、本発明に示す半田付け補助材およびこの半田付け補助材を用いた半田付け方法は、バンプ６が形成された外部接続用電極５を回路電極２に半田付けする際に、半田付け時の加熱によってバンプ６が溶融した半田の流動を妨げずに固化する樹脂接着材３と、半田部を構成する半田の融点よりも高い融点を有する金属粉とで半田補助材を構成し、半田付けに際しては、この半田補助材をバンプ６と回路電極２の間に介在させるようにしたものである。
【００４３】
これにより、バンプ６と回路電極２との間に隙間が存在する場合にあっても、バンプ６が溶融した半田を金属粉が形成するブリッジによって導いて回路電極２へ接触させることができ、隙間に起因する半田付け不良を防止することができる。さらに、樹脂接着材３中に活性剤を混合することにより、半田接合性を確保してより良好な接合品質が確保される。
【００４４】
すなわち、本発明を適用することにより、小型・高密度実装で微小サイズのバンプが多数形成された電子部品を対象とする場合において、バンプサイズのばらつきによってバンプと基板の回路電極との間に隙間が生じている状態においても、バンプが回路電極と正常に半田付けされない実装不良の発生を有効に防止することができる。これにより、工程費用の低減、高い実装信頼性の確保という優れた利点を有する半田付け方法を、小型・高密度実装を含めた広い範囲の電子部品に対して適用することができる。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、半田部が形成された第１の電極を第２の電極に半田付けする際に、半田付け時の加熱によって半田部が溶融した半田の流動を妨げずに固化する樹脂と、半田部の融点よりも高い融点を有する金属粉を含む構成の半田補助材を半田部と第２の電極の間に介在させるようにしたので、半田部と第２の電極との間に隙間が存在する場合にあっても、半田部が溶融した半田を金属粉が形成するブリッジによって導いて第２の電極へ接触させることができ、隙間に起因する半田付け不良を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の電子部品実装方法の工程説明図
【図２】本発明の一実施の形態の電子部品実装方法の工程説明図
【図３】本発明の一実施の形態の半田付け補助材を用いた半田接合過程の説明図
【図４】本発明の一実施の形態の半田付け補助材の供給方法の説明図
【符号の説明】
１ 基板
２ 回路電極
３ 樹脂接着材
４ 電子部品
５ 外部接続用電極
６ バンプ
７ 金属粉

Claims (7)

1. 半田部が形成された第１の電極を第２の電極に半田付けする際に前記半田部と前記第２の電極の間に介在させる液状の半田付け補助材であって、半田付け時の加熱によって前記半田部が溶融した半田の流動を妨げずに固化する樹脂と、前記半田部の融点よりも高温の融点を有する金属粉を含むことを特徴とする半田付け補助材。
2. 前記樹脂が、常温で液状で且つ前記加熱によって硬化する熱硬化性樹脂を含むことを特徴とする請求項１記載の半田付け補助材。
3. 前記樹脂が、常温で液状で且つ前記加熱によって硬化する熱硬化性樹脂に、熱可塑性樹脂の樹脂粉を混合して成ることを特徴とする請求項１記載の半田付け補助材。
4. 前記樹脂が、前記半田部の酸化膜を除去する能力を有する活性剤を含むことを特徴とする請求項１、２および３のいずれか１つに記載の半田付け補助材。
5. 前記金属粉の含有割合が、体積比で５〜４０％であることを特徴とする請求項１、２，３，および４のいずれか１つに記載の半田付け補助材。
6. 前記金属粉が、大気中で酸化膜を生成せず且つ前記半田部が溶融した流動状態の半田が金属粉の表面に沿って濡れ拡がりやすい材質より成ることを特徴とする請求項１、２，３，４および５のいずれか１つに記載の半田付け補助材。
7. 前記金属粉が、少なくとも銀、パラジウム、金のいずれかであることを特徴とする請求項６記載の半田付け補助材。

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