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JP4413543B2 - 電子部品用接着剤および電子部品実装方法 - Google Patents

電子部品用接着剤および電子部品実装方法 Download PDF

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  • Electric Connection Of Electric Components To Printed Circuits (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品を基板に接着するために用いられる電子部品用接着剤およびこの電子部品用接着剤材を用いた電子部品実装方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
電子部品を基板に実装する方法として、半田接合による方法が広く用いられている。実装される電子部品がファインピッチ部品である場合など、半田接合量が少なく接合強度が不十分である場合には、電子部品を接着剤で基板に固着して半田接合部を補強することが行われる。この実装方法において、電子部品の搭載に先立って基板の実装位置に予め熱硬化性樹脂の接着剤を塗布しておき、接着剤の上から電子部品を搭載するいわゆる「樹脂先塗り」が採用される場合がある。この方法によれば、リフロー工程において半田接合とともに熱硬化性樹脂の効果を同一工程で行えるという利点がある。
【0003】
このような「樹脂先塗り」の用途に使用される樹脂接着剤として、リフロー過程でのセルフアライメント特性、すなわち加熱により溶融した半田が基板の電極上で濡れ拡がる際に、溶融半田の表面張力により電子部品の端子やバンプが電極の位置にならう特性を備えた接着剤が知られている。このようなセルフアライメント型の接着剤として、従来より、熱可塑性樹脂の粉末をアルコールなどの溶媒に所定割合で溶解・分散させたタイプのもの(例えば特許文献1参照)や、熱硬化性樹脂に添加される硬化剤の種類や配合組成を調整することにより半田溶融温度において接着剤がまだ流動性を失わないようにしたもの(例えば特許文献2,3,4,5参照)が用いられている。
【0004】
【特許文献1】
特許第2573829号公報
【特許文献2】
特許第2682366号公報
【特許文献3】
特許第2639293号公報
【特許文献4】
特許第3147116号公報
【特許文献5】
特許第3146888号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述のセルフアライメント型の接着剤には、次のような難点がある。まず、特許文献1に示すような溶媒によって流動性を付与するタイプの接着剤では、リフロー時の加熱によって溶媒が気化したガスによって樹脂補強部の内部にボイドを生じやすく、十分な補強効果を得られない場合がある。
【0006】
また、特許文献2,3,4,5に示すような熱硬化性樹脂中の硬化剤によって半田接合時の流動性を確保するタイプの接着剤では、近年使用範囲が拡がっている鉛フリー半田を用いた実装方式に適用した場合に、十分な接合強度とセルフアライメント性を両立させることが難しいという難点がある。
【0007】
すなわち、Ag−Sn系の鉛フリー半田は従来使用されていたPb−Sn系の共晶半田よりも溶融温度が高いため、リフロー過程における半田溶融温度と許容最高加熱温度との幅が狭くなる。このため、熱硬化温度が高めになるように硬化剤の配合を設定するとリフロー時の加熱のみでは接着剤が完全硬化せずに接着強度が確保されない結果となる。これに対し、リフロー時の加熱によって熱硬化が完了するように熱硬化温度が低めとなるように硬化剤の配合を設定すると、半田溶融時に接着剤の流動性が失われてセルフアライメント性が阻害される。
【0008】
そこで本発明は、上述の諸課題を解消し十分な接着強度とセルフアライメント性を確保することができる電子部品用接着剤およびこの電子部品用接着剤を用いた電子部品実装方法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記載の電子部品用接着剤は、半田接合により基板に実装される電子部品を前記基板に接着するために用いられ、前記半田接合における電子部品のセルフアライメント現象を阻害しない電子部品用接着剤であって、エポキシ系、アクリル系のいずれか1つを含む主剤と主剤を熱硬化させる硬化剤とを含む熱硬化性樹脂中に、常温において固体であり加熱により液状に変化する性質を有し、テルペン樹脂、フェノール樹脂、キシレン樹脂、ユリア樹脂、メラニン樹脂、非結晶性ロジン、イミド樹脂、オレフィン樹脂、アクリル樹脂、アミド樹脂、ポリエステル樹脂から前記主剤に対して相溶性を有するものとして選ばれた少なくとも1つの固形樹脂を5〜75重量%の含有率で含有させた組成であり、常温における粘度が200Pa・sec以下である。
【0010】
請求項2記載の電子部品用接着剤は、請求項1記載の電子部品用接着剤であって、半田の酸化膜を除去する活性剤を含む
【0011】
請求項3記載の電子部品用接着剤は、請求項1記載または請求項2記載の電子部品用接着剤であって、前記固形樹脂の含有率が10〜40重量%である
【0013】
請求項記載の電子部品実装方法は、電子部品に形成された接続用電極を基板に形成された複数の電極に半田接合する電子部品実装方法であって、エポキシ系、アクリル系のいずれか1つを含む主剤と主剤を熱硬化させる硬化剤とを含む熱硬化性樹脂中に常温において固体であり加熱により液状に変化する性質を有し、テルペン樹脂、フェノール樹脂、キシレン樹脂、ユリア樹脂、メラニン樹脂、非結晶性ロジン、イミド樹脂、オレフィン樹脂、アクリル樹脂、アミド樹脂、ポリエステル樹脂から前記主剤に対して相溶性を有するものとして選ばれた少なくとも1つの固形樹脂を5〜75重量%の含有率で含有させた組成であり常温における粘度が200Pa・sec以下である電子部品用接着剤を前記基板の電極形成面と前記電子部品との間に介在させた状態で、前記接続用電極を前記電極に整合させて電子部品を基板に搭載する搭載工程と、前記基板を加熱して半田を溶融させるとともに、前記熱硬化性樹脂の硬化反応を促進させながら前記固形樹脂を液状に変化させる加熱工程と、前記基板を常温に戻すことにより前記固形樹脂および半田を固化させる固化工程とを含む。
【0014】
本発明によれば、常温において固体であり加熱により液状に変化する性質を有する固形樹脂を熱硬化性樹脂中に5〜75重量%の含有量で含有させた組成の電子部品用接着剤を用いることにより、常温域における強度と高温域における流動性を両立させることができ、実装後の十分な接着強度と半田接合過程におけるセルフアライメント性を確保することができる。
【0015】
【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電子部品用接着剤における固形樹脂の含有率とシェア強度との関係を示すグラフ、図5、図6、図7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8はリフロー炉における半田付時の加熱プロファイルを示す図である。
【0016】
まず図1,図2を参照して、電子部品実装方法について説明する。この電子部品実装方法は、電子部品に形成された接続用電極を基板に形成された複数の電極に半田接合するものである。
【0017】
図1(a)において、基板1には種類の異なる複数の電極2a、2b、2cが形成されている。電極2a、2b、2cには、種類の異なる電子部品の接続用電極がそれぞれ半田接合により接続される。電子部品の搭載に先立って、まず図1(b)に示すように、電極2b、2cの上面にはクリーム半田3が塗布され、次いで図1(c)に示すように、電極2aの両外側、電極2b、2cの中間には、電子部品用接着剤4(以下、単に「接着剤」4と略記する。)が塗布される。接着剤4は、リフロー工程までの間基板1に電子部品を仮止めするとともに、リフロー後は固化して電子部品を基板1に固着する補強樹脂としての機能を有している。
【0018】
ここで接着剤4には、半田接合時においては、溶融した半田によるセルフアライメント現象を阻害しない程度の流動性が要求され、半田接合後の固化した状態では電子部品を基板に固着するための補強用樹脂としての十分な接着力が要求される。補強用樹脂としての十分な接着力としては、後述する方法で測定したシェア強度が、常温(25℃)において10N以上必要である。また流動性については、実際に半田付けを行い、セルフアライメント現象を阻害するかどうかで判断する。
【0019】
ここでこのような特性を有する接着剤4の組成について説明する。接着剤4は、常温において固体であり加熱により液状に変化する性質を有する固形樹脂および無機フィラの粒子を熱硬化性樹脂中に含有させ、常温における粘度が200Pa・sec以下となるようにしている。固形樹脂の含有率は後述するように、5〜75重量%の範囲で、また無機フィラの含有率は30重量%以下の範囲で設定される。
【0020】
ここで、熱硬化性樹脂は、エポキシ系、アクリル系のいずれか1つを含む主剤と、この主剤を熱硬化させる硬化剤と、半田の酸化膜を除去する活性剤とを含んだ組成となっている。そして固形樹脂としては、テルペン樹脂、フェノール樹脂、キシレン樹脂、ユリア樹脂、メラニン樹脂、非結晶性ロジン、イミド樹脂、オレフィン樹脂、アクリル樹脂、アミド樹脂、ポリエステル樹脂から選ばれた少なくとも1つが熱硬化性樹脂中に混入される。これらの固形樹脂を選定する際には、主剤の成分との関連で、主剤に対して相溶性を有する固形樹脂が選ばれる。これにより、固形樹脂を主剤中に混入させる際に、気化性のガス分を含む溶媒を使用することなく流動性を備えた液状の樹脂を実現することが可能となっている。
【0021】
図3は、接着剤4における固形樹脂の含有率(重量%)と、前述の常温におけるシェア強度との関連を示している。比較のために、固形樹脂を含まない従来品についても同様なシェア強度を測定した。このシェア強度の測定は、まず平らな平面上に0.1mmの厚さで塗布した接着剤に1608サイズの矩形チップを浸漬して引き上げることで矩形チップの下面に接着剤を転写し、アルミ板に搭載する。このアルミ板をリフロー炉において実際の半田付け時の加熱プロファイル(図8)に従って加熱処理し、常温に冷却した後にシェア強度を測定した。シェア強度の測定は、アルミ板の上面から0.1〜0.2mmの高さの矩形チップの長辺に、シェアテスターの治具を50mm/min.の速度で押し当てて剥離させた際の力を測定した。
【0022】
図3のグラフに示すように、固形樹脂の含有率の増加に伴ってシェア強度は急速に上昇し、含有率5%にてシェア強度10Nに到達する。そして含有率20%で最高のシェア強度を示し、以下含有率の増加に伴ってシェア強度は漸減し75%を超えるとシェア強度10Nを下回るようになる。また固形樹脂を含まない従来品(熱硬化性樹脂)は、図8の加熱プロファイルでは熱硬化のために必要な熱量が不足するので十分硬化しきれず、接着力も著しく弱い。したがって、前述の樹脂部6の強度条件を満たす接着剤6a中の固形樹脂の含有率の範囲は、図3に示す範囲A(5〜75%)であることが判る。なおグラフから判るように、範囲B(10〜40%)を選定すればより望ましい結果を得ることができる。
【0023】
このような接着剤4が電子部品の仮止め用に塗布された基板1に対して、図2(a)に示すように、3種類の電子部品5,6,7が搭載される。電子部品5は下面に接続用電極である半田バンプ5aが形成されたバンプ付部品であり、バンプ5aには予めフラックス(図示省略)が転写されている(図4参照)。また電子部品6は両側面に接続用電極である端子6aが形成された矩形チップであり、電子部品7は両側面に接続用電極であるリード7aを備えたリード部品である。
【0024】
これらの電子部品5,6,7は、接着剤4を基板1の電極形成面と電子部品との間に介在させた状態で、それぞれの接続用電極であるバンプ5a、端子6aおよびリード7aを、基板1の電極2a、2b、2cにそれぞれ整合させて、基板1に搭載される(搭載工程)。これにより、図2(b)に示すように、電子部品5,6,7は接着剤4によって基板1に仮止め固定され、この状態でリフロー装置に送られる。そしてここで基板1を加熱して電極2a上のバンプ5aおよび電極2b、2c上のクリーム半田3を溶融させるとともに、接着剤4中の熱硬化性樹脂の硬化反応を促進させながら、熱硬化性樹脂に含有される固形樹脂を液状に変化させる(加熱工程)。
【0025】
そしてこの後、基板1をリフロー装置から取り出して基板1を常温に戻すことにより、接着剤4中の固形樹脂およびバンプ5a、溶融した半田(クリーム半田3)を固化させる(固化工程)。これにより、電子部品5では溶融した半田が電極2aと接合した状態で固化した半田接合部5cが形成され、電子部品6では溶融した半田が電極2aと端子6aとを連結した半田フィレットが形成され、また電子部品7ではリード7aが半田sに包み込まれて電極2cの上面に半田接合される。そして電子部品5,6,7は、固化した接着剤4によって基板1に固定される。
【0026】
次に、図4,図5を参照して上述の半田接合過程における電子部品5の挙動について説明する。図2に示す電子部品5の搭載動作においては、電子部品3は基板1に対して必ずしも常に正しく位置合わせされるとは限らず、図4(a)に示すように、バンプ5aが電極2aに対して水平方向にずれ量dだけ偏った位置に着地した状態のまま、電子部品5が接着剤4によって仮止めされる場合がある。このような場合にあっても、リフロー過程において基板1が加熱され半田接合が行われる際には、図4(b)に示すように、半田のセルフアライメント作用によって位置ずれ状態が解消され、電極2a上の正しい位置に半田接合部5cが形成される。
【0027】
この半田接合過程について、図5を参照して説明する。図5は、半田接合されるバンプ5aと電極2aとの組み合わせのうち、接着剤4に最も近い位置にある外側の電極2a*とバンプ5a*との半田接合の過程を示すものである。一般に半田の表面には大気暴露によって酸化膜が生成しており、電子部品5を基板1に搭載した状態では、図5(a)に示すように、酸化膜5bで覆われた状態のバンプ5a*が電極2a*上にフラックス8を介して着地する。
【0028】
このとき、外側に塗布された接着剤4は基板1上を内側に向かって流動する傾向にあり、この流動によって接着剤4が、バンプ5a*の表面と付着したフラックス8との接触界面に進入する場合がある(矢印a参照)。そしてこの接着剤4の流動は、加熱によって接着剤4の熱硬化反応が進行する過程での一時的な粘度低下に伴ってさらに促進され、図5(b)に示すように、フラックス8がバンプ5a*表面の酸化膜5bから分離するに至る。
【0029】
一般に、バンプ4の表面からフラックス7が分離されると、半田接合過程においても酸化膜4aが残留したままとなって半田接合を阻害するが、本実施の形態においてはこのような状態が発生した場合にあっても、以下に説明するように良好な半田接合結果を得ることができる。すなわち、接着剤4には酸化膜除去能力を有する活性剤が含まれていることから、酸化膜5bはこの活性作用によって除去される。そしてさらに加熱されることによってバンプ5a*が溶融し、フラックス8によって覆われた電極2a*の表面に良好に半田接合される。
【0030】
このとき、溶融半田の表面張力に由来するセルフアライメント効果によって溶融状態のバンプ5a*は電極2a*の上面に吸い寄せられ、リフロー前の位置ずれ状態が解消されて電極2a*とバンプ5a*の位置がほぼ一致する(図4(b)参照)。また、高さ方向のバンプ高さばらつきも半田の沈み込みにより吸収され、接合性が向上する。そしてこの溶融半田が冷却固化することにより、図5(d)に示すように、電極2a*上の正しい位置に半田接合部5c*が位置した状態で、電子部品5は基板1に実装される(図4(b)参照)。
【0031】
この半田溶融時において、接着剤4の成分である熱硬化性樹脂中の固形樹脂が液状に変化することにより、接着剤4は半田溶融温度に加熱された状態においても流動性を失わず、セルフアライメント現象を阻害することがない。そして、この半田接合過程が完了した後には、接着剤4は熱硬化性樹脂が熱硬化を完了することによる硬化とともに、加熱によって一旦液状化した固形樹脂が再び固化することによって完全な固定状態となり、電子部品5の外縁部を基板1に固着し、電極2a上面の半田接合部5cを補強する樹脂補強部として機能する。
【0032】
次に、図6を参照して上述の半田接合過程における電子部品6の挙動について説明する。電子部品6を基板1に対して搭載する際には、矩形状の電子部品6の水平面内での方向が必ずしも正しく合わされて搭載されるとは限らず、図6(b)に示すように、両端の端子6aがクリーム半田3が供給された電極2bから位置ずれした状態で搭載される場合がある。
【0033】
このような場合においても、半田接合過程において電極2b上のクリーム半田3が溶融した溶融半田に端子6aが接触すると、溶融半田のセルフアライメント作用によって端子6aは電極2bの中心に向かって吸い寄せられ、リフロー前の位置ずれ状態が解消されて電極2cと端子6aの中心線がほぼ一致する。このとき、電極2cの間に塗布された接着剤4は、前述の場合と同様に、半田溶融温度に加熱された状態においても流動性を失わず、セルフアライメント現象を阻害することがない。
【0034】
次に、図7を参照して上述の半田接合過程における電子部品7の挙動について説明する。電子部品7を基板1に対して搭載する際には、電子部品7の側面から延出したリード7aが電極2c上のクリーム半田3に十分に接触するとは限らず、図7(a)に示すように、接着剤4によって下面を仮止めされた状態でリード7aがクリーム半田7から離れた浮き上がり状態となる場合がある。
【0035】
このような場合においても、半田接合過程において接着剤4が加熱されて流動性が増大することにより、電子部品7の高さ位置が低下してリード7aが電極2c上のクリーム半田3に接触するようになる。そしてクリーム半田3が溶融した溶融半田にリード7aが接触すると、溶融半田のセルフアライメント作用によってリード7aは溶融半田によって包み込まれ、リフロー前の浮き上がり状態が解消されて電極2cの上面に良好な状態で半田接合される。このとき、電極2cの間に塗布された接着剤4は、前述の場合と同様に半田溶融温度に加熱された状態においても流動性を失わず、セルフアライメント現象を阻害することがない。
【0036】
上記説明したように、本実施の形態に示す電子部品用接着剤は、常温において固体であり加熱により液状に変化する性質を有する固形樹脂を熱硬化性樹脂中に5〜75重量%の含有量で含有させた組成となっている。これにより、常温域における接着強度と高温域における流動性を両立させることができ、実装後の十分な接着強度と半田接合過程におけるセルフアライメント性を確保することができる。
【0037】
これにより、溶媒によって流動性を付与するタイプの接着剤を用いる場合の不具合、すなわちリフロー時の加熱によって溶媒が気化したガスによって樹脂補強部の内部にボイドを生じる不具合が発生せず、したがって内部欠陥のない樹脂補強部を形成して十分な補強効果を得ることができる。
【0038】
また、熱硬化性樹脂中の硬化剤の配合割合の調整によって半田接合時の流動性を確保するタイプの接着剤では、近年使用範囲が拡がっている鉛フリー半田を用いた実装方式に適用した場合に、十分な接合強度とセルフアライメント性を両立させることが難しいという難点があるが、本実施の形態に示す接着剤4では、加熱によって液状となる固形樹脂分を配合することにより、半田溶融時における接着剤の流動性を確保することができるという利点がある。
【0039】
また固形樹脂は常温に冷却されることにより固化して接着強度に寄与することから、加熱条件の変動など何らかの理由で熱硬化性樹脂が完全に硬化しなかったような場合においても、実装後の接着強度を十分に確保することが可能となっている。
【0040】
【発明の効果】
本発明によれば、常温において固体であり加熱により液状に変化する性質を有する固形樹脂を熱硬化性樹脂中に5〜75重量%の含有量で含有させた組成の電子部品用接着剤を用いたので、常温域における強度と高温域における流動性を両立させることができ、実装後の十分な接着強度と半田接合過程におけるセルフアライメント性を確保することができる。
【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電子部品用接着剤における固形樹脂の含有率とシェア強度との関係を示すグラフ
【図4】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5】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6】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7】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8】リフロー炉における半田付時の加熱プロファイルを示す図
【符号の説明】
1 基板
2a、2b、2c 電極
3 クリーム半田
4 接着剤
5,6,7 電子部品
5a バンプ
5b 酸化膜
5c 半田接合部
6a 端子
7a リード

Claims (4)

  1. 半田接合により基板に実装される電子部品を前記基板に接着するために用いられ、前記半田接合における電子部品のセルフアライメント現象を阻害しない電子部品用接着剤であって、エポキシ系、アクリル系のいずれか1つを含む主剤と主剤を熱硬化させる硬化剤とを含む熱硬化性樹脂中に、常温において固体であり加熱により液状に変化する性質を有し、テルペン樹脂、フェノール樹脂、キシレン樹脂、ユリア樹脂、メラニン樹脂、非結晶性ロジン、イミド樹脂、オレフィン樹脂、アクリル樹脂、アミド樹脂、ポリエステル樹脂から前記主剤に対して相溶性を有するものとして選ばれた少なくとも1つの固形樹脂を5〜75重量%の含有率で含有させた組成であり、常温における粘度が200Pa・sec以下であることを特徴とする電子部品用接着剤。
  2. 半田の酸化膜を除去する活性剤を含むことを特徴とする請求項1記載の電子部品用接着剤。
  3. 前記固形樹脂の含有率が10〜40重量%であることを特徴とする請求項1または請求項2記載の電子部品用接着剤。
  4. 電子部品に形成された接続用電極を基板に形成された複数の電極に半田接合する電子部品実装方法であって、エポキシ系、アクリル系のいずれか1つを含む主剤と主剤を熱硬化させる硬化剤とを含む熱硬化性樹脂中に常温において固体であり加熱により液状に変化する性質を有し、テルペン樹脂、フェノール樹脂、キシレン樹脂、ユリア樹脂、メラニン樹脂、非結晶性ロジン、イミド樹脂、オレフィン樹脂、アクリル樹脂、アミド樹脂、ポリエステル樹脂から前記主剤に対して相溶性を有するものとして選ばれた少なくとも1つの固形樹脂を5〜75重量%の含有率で含有させた組成であり常温における粘度が200Pa・sec以下である電子部品用接着剤を前記基板の電極形成面と前記電子部品との間に介在させた状態で、前記接続用電極を前記電極に整合させて電子部品を基板に搭載する搭載工程と、前記基板を加熱して半田を溶融させるとともに、前記熱硬化性樹脂の硬化反応を促進させながら前記固形樹脂を液状に変化させる加熱工程と、前記基板を常温に戻すことにより前記固形樹脂および半田を固化させる固化工程とを含むことを特徴とする電子部品実装方法。
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