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JPH07154061A - はんだ付方法およびソルダーバンプ形成方法 - Google Patents

はんだ付方法およびソルダーバンプ形成方法

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Publication number
JPH07154061A
JPH07154061A JP6257358A JP25735894A JPH07154061A JP H07154061 A JPH07154061 A JP H07154061A JP 6257358 A JP6257358 A JP 6257358A JP 25735894 A JP25735894 A JP 25735894A JP H07154061 A JPH07154061 A JP H07154061A
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JP
Japan
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solder
stencil
weight percent
opening
pad
Prior art date
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Granted
Application number
JP6257358A
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English (en)
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JP2682807B2 (ja
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Yinon Degani
デガニ イノン
Thomas D Dudderar
ディクソン ドゥデラー トーマス
William L Woods
ロンゾ ウッズ ウイリアム
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
AT&T Corp
Original Assignee
American Telephone and Telegraph Co Inc
AT&T Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by American Telephone and Telegraph Co Inc, AT&T Corp filed Critical American Telephone and Telegraph Co Inc
Publication of JPH07154061A publication Critical patent/JPH07154061A/ja
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 リードレス集積回路パッケージを基板へ表面
実装するソルダーアセンブリにおいて、極めて多量のジ
ョイントボリュームと信頼性のある相互接続高さ（パッ
ド直径とほぼ同等の大きさを持つバンプ高度）とを達成
する。 【構成】 金属パッド上にソルダーペーストディポジッ
トをステンシル印刷し、ソルダーのリフロー温度まで加
熱し、溶融ソルダーを一つの塊に統合し、続く冷却期間
中に固化して金属パッド上にバンプを形成する。バンプ
は超厚ステンシルの開口部を通してステンシル印刷を行
うことにより形成される。開口部はステンシルの幅広の
表面に垂直な面での断面が台形であり、上部開口部は底
部開口部よりも小さく、開口部の壁は垂直面から１〜４
５度の角度で傾く。ソルダーペーストは粘着性が低く金
属使用量が高く、またソルダーペーストディポジットは
金属パッドの面積と同じか１．５：１から５：１の割合
でそれを上回る面積を覆う。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、リードレス集積回路パ
ッケージを基板へ表面実装するソルダーアセンブリに関
する。
【０００２】
【従来の技術】電子パッケージングの発展により、多数
の電子的に作動するデバイスに、一つあるいはそれ以上
の、集積回路（ＩＣ）パッケージをはじめとするソルダ
ーバンプパッケージが表面実装されたマウンティングボ
ードが使われるようになってきた。各ＩＣパッケージに
は一つあるいはそれ以上のＩＣチップやＩＣモジュール
などのＩＣユニットが含まれている。多くの相互接続は
パッケージ内で行われているものの、電源、接地、シグ
ナリング等パッケージ外への接続にはパッケージとボー
ド間に数多くの外部Ｉ／Ｏが必要である。これはＩＣパ
ッケージ上のリードレスソルダージョイントによって都
合よく行われている。ここでリードレスソルダージョイ
ントという用語はパッケージのフリップ側のコンタクト
パッドとボードのターミナルパッド間に電気的に導通す
るパスを設定するのにフレキシブルな導電性リードや硬
いピンが使用されていないことを意味するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】リードレスアタッチメ
ント技術の第一の目的は、それがペリメーターであろう
とエリアアレイであろうと、熱により引き起こされる疲
労の影響を最少にするために最高の相互接続高さを得る
ことである（これはリードつきパッケージの場合は、リ
ードコンプライアンスによって達成される）。このソル
ダージョイントの高さに対する要求は一般に、あるパッ
ド面積、ピッチなどに対して最大可能ソルダーバンプ／
ジョイント体積を求める努力と解釈することができる。
このため従来比較的大きなソルダープリフォームがソル
ダー体積を確保するために使用されている。この大体積
ソルダーバンプはＩＣパッケージ対ボードのスタンドオ
フ（ソルダージョイント内に熱によって引き起こされる
せん断歪みの形成を最少にするための直接的な手段とし
てのジョイント高さ）を最大にするために必要である。
Ｐ．Ｍ．ホールらの「プリント配線板に表面実装された
リードレスセラミックチップキャリアーに見られる熱変
形」IEEE Transactions on Components、 Hybrids and M
anufacturing Technology、Ｖｏｌ．ＣＨＭＴ−６、Ｎ
ｏ．４、１９８３年１２月、５４４−５５２頁を参照さ
れたい。この熱的ミスマッチ歪みはＩＣパッケージの大
きさと数の増加につれて増加する。部品の大きさが熱歪
みの大きさに与える影響および熱歪みの大きさがリード
レス相互接続の疲労寿命に及ぼす影響を理解するにはフ
ァン・ノストランド・ラインホルド著、マイクロエレク
トロニクス パッケージ ハンドブック、セクション
５−５、熱的ミスマッチおよび熱疲労、１９８９年版２
７７−３２０頁を参照されたい。
【０００４】１９８９年１１月７日にフランシス・ロ・
バスコらに対して発行された米国特許第４，８７８，６
１１号には基板上にリードレスＩＣパッケージを表面実
装する時のソルダージョイント形状を制御するための方
法が記載されている。このソルダージョイントアセンブ
リ技法はコントロールされたボリュームのソルダーをパ
ッケージと基板の両方のパッドへと塗布するために用い
られている。このソルダーボリュームディポジットは先
端を切り取った形の球形のバンプ、ソルダープリフォー
ムまたソルダーペーストディポジットなど様々な形を取
ることができる。この二つのユニットは互いにバンプ、
ソルダープリフォームあるいはペーストディポジットと
共に隣接して置かれ、機械的にお互いの位置を合わせて
保たれる。アセンブリをリフローし、ソルダージョイン
トの固化が行われる、パッケージと基板間の最終的な引
き離しは機械的にコントロールされ、その結果生じる固
化したジョイントの形状がコントロールされる。
【０００５】しかし、機械的にコントロールして引き離
しを行なうことは必ずしも常に実際的であり有利である
わけではない。従って基板上のＩＣパッケージのソルダ
ーアセンブリにおいて生じている問題、すなわち信頼性
のあるソルダージョイントを確立するに必要な十分な量
のソルダーを提供すること、と同時に隣接したソルダー
ジョイント間の短絡を回避すること、は依然として存在
している。
【０００６】
【課題を解決しようとする手段】本発明はソルダーバン
プを持つ少なくとも一つの部品を基板にはんだづけする
ための方法、およびＩＣパッケージなどの素子、基板あ
るいはその両者の金属パッド上にソルダーバンプを形成
するための方法を具現化するものである。このバンプは
金属パッド上にソルダーペーストディポジットをステン
シル印刷し、このソルダーペーストディポジットをソル
ターペーストディポジット中のソルダーのリフロー温度
まで加熱し、各ディポジットにおける溶融ソルダーを一
つの塊に統合し、続く冷却期間中に固化して金属パッド
上にバンプを形成することによって作られる。このバン
プは超厚ステンシルにおける開口部を通してステンシル
印刷を行なうことによって形成される。この開口部はス
テンシルの幅広の表面に垂直な面で横切った時の断面が
台形であり、上部開口部は底部開口部よりも小さく、開
口部の壁は垂直面から１から４５度の角度で傾いた斜面
となっている。このソルダーペーストは粘着性が低く金
属使用量が高く、またソルダーペーストディポジットは
金属パッドの面積と同じか１．５：１から５：１の割合
でそれを上回る面積を覆っている。この方法で形成され
たバンプは信頼性の高いソルダージョイントを形成す
る。
【０００７】
【実施例】図１にＩＣパッケージ１０が、マウントされ
るプリント配線板等の基板１１の上方に少し離して示さ
れている。このＩＣパッケージの底部すなわちフリップ
側はコンタクトパッド１３（図２）上に置かれた複数の
ソルダーバンプ１２を持つ。ソルダーバンプ１２とコン
タクトパッド１３はボード１１上に設けられたターミナ
ルパッド１４に丁度向かい合う位置に置かれている。こ
の図において、コンタクトパッド、したがってバンプは
ＩＣパッケージの周辺に配置されている。しかしコンタ
クトパッドは図１に点線で示すように、コンタクトのグ
リッドアレーの形でパッケージやボードの上に配置され
ることもある。また、実際にはコンタクトパッドの幾つ
かにはソルダーバンプが設けられずに、それによってこ
のようなコンタクトパッドとそれに対応するボード上の
ターミナルパッド間の電気的な同通を避けることがあ
る。
【０００８】図２はＩＣパッケージ上のソルダーバンプ
１２がボード上の対応するターミナルパッド１４と突き
合わされて係合するように、ボード１１の上に置かれた
ＩＣパッケージ１０の断面を示す。典型的なソルダーバ
ンプ１２は先端を切り取った球形に類似した形をしてい
る。このバンプは調節されたボリュームのソルダーペー
ストをコンタクトパッド１３上に堆積し、加熱してソル
ダー材をペーストディポジット中で溶融し、このソルダ
ーをその後の冷却工程中に固化することによって形成さ
れる。このプロセスにおいて、ソルダーは前記の先端を
切り取った球形の形をとる。ＩＣパッケージ１０をボー
ド１１の上に置く前に、このボードあるいは少なくとも
ターミナルパッド１４に薄いフラックスの層を設けてお
く。このフラックスはパッケージとボード間のアライン
メントを保つのに有用であるような粘着、接着性を持つ
ものであることが好ましい。このアセンブリング工程
中、ＩＣパッケージとボードとが互いに整列する。バン
プ１３とターミナルパッド１４の横方向のアラインメン
トはＩＣパッケージとボードのプリアセンブリの間に行
われる。ソルダーが十分加熱されて溶けると、このパッ
ケージは溶融ソルダーの上に浮かび、引き続いて固化さ
れて図３に１６で示す固体のジョイントを形成する。
【０００９】図４に、ソルダーバンプ１２と１７がそれ
ぞれＩＣパッケージとボードの上に設けられたアセンブ
リを示す。図５にＩＣパッケージの上にソルダーバンプ
が形成され、ボードの上のターミナルパッドの上にソル
ダーペーストディポジット１８が形成されたアセンブリ
を示す。加熱すると、このパッケージとボード上のバン
プ、またはパッケージの上のバンプとボードの上のソル
ダーペーストディポジットはそれぞれ溶融し、再固化
し、図３に１６で示すジョイントに似たソルダージョイ
ントを形成する。もちろんこれらのジョイントの高さは
１６のジョイントよりも高い。
【００１０】ソルダーバンプ形成過程にはソルダーペー
ストディポジットをＩＣパッケージ、ボードあるいはそ
の両者のパッドの上にステンシル印刷し、リフローして
ソルダーバンプを形成する工程が含まれる。このペース
トにはソルダーアロイパウダーとフラックスビヒクルの
混合したものが含まれており、標準表面実装技法（ＳＭ
Ｔ）に基づいたプロセスである。このようなプリントペ
ーストベースのプロセスに対して従来は、アセンブリン
グされたパッケージにおいて、その後の使用中の熱によ
り引き起こされる疲労の影響を最少にするために必要な
相互接続ジョイントの高さを確保するために必要である
ソルダーバンプボリュームを提供することはできないだ
ろうと考えられていたようである。
【００１１】一般に、すべてのソルダーペーストはフラ
ックスとソルダーアロイパウダーの組み合わせでできて
いる。１９８９年ＴＡＢブックス社から発行されたＣ．
Ｃ．ジョンソン、Ｊ．ケブラー著のソルダーペースト技
術の４１−４３頁に記載されているように、このフラッ
クスとソルダーパウダーの組み合わせが、ソルダーペー
ストの印刷、スランプ、粘着性ならびに作用をコントロ
ールする。ソルダーペーストとしての使用に適したフラ
ックスは大量のソルダーアロイパウダーを保持すること
ができ（通常の金属使用量は体積％でパウダーが５０か
ら６０％のオーダーで残りがフラックスである）かつ、
ステンシル印刷性を提供するものである。またソルダー
の濡れを確実にし、リフロープロセス中のソルダーボー
ルのはがれ（いわゆるリフローソルダーボール）の形成
を最少にするために、リフロープロセス中にはんだ付け
されるパッドの濡らされる金属表面とパウダーの両者か
ら金属酸化物を除去しなくてはならない。
【００１２】従来のＳＭＴソルダーペーストはこのＳＭ
Ｔアセンブリ工程中、そしてリフローが終了するまでの
間、部品を回路基板へと保持するために高い粘着性を持
つ。残念ながらこの粘着性により、信頼性のあるソルダ
ージョイントを確立するために必要な、より多量のソル
ダーペーストを設けるために必要とされるより深いステ
ンシル開口部においてこのペーストがコントロール不可
能なほど保持されてしまうので、きわめて厚いステンシ
ルが使用を制限されているのである。その結果、ある面
積のステンシル開口部を通して堆積することのできる、
従来型のＳＭＴペーストの体積は厳しく制限されてお
り、より厚いステンシルを使用するという単純なことで
これを簡単に増加することはできない。
【００１３】本発明のプロセスによればしかし、特別に
最適化したソルダーペースト、台形の断面形状を持つ
（図６参照）超厚ステンシルとを独自に組み合わせ、ま
たパッド領域を大幅にオーバープリントすることによっ
て、例外的なジョイントボリュームと信頼性のある相互
接続高さとが達成される。このプロセスは従来のＳＭＴ
装置を用いて容易に実施することができる。
【００１４】この特別に最適化したソルダーペーストに
は、極めて厚いステンシルを通じて再現性のある印刷を
行い、リフローさせるために加熱された時に極めてスラ
ンプが少なく、各ソルダーペーストディポジットがリフ
ローの際に単一のソルダーボールに統合され、後に残さ
れるソルダーボールの割合が体積で１パーセント以下で
あることが要求される。またリフロー後に残る残査はプ
ロセス完了の際、ソルダーバンプ付きパッケージを洗浄
せずにテストできるように、高い表面絶縁抵抗を持ち、
プローブテストが行なえることが好ましい。超厚ステン
シルで使用するため特別に最適化されたこのソルダーペ
ースト、以後ＹＤソルダーペーストと呼ぶ、はＹＤフラ
ックスと一種あるいは２種以上のソルダーアロイパウダ
ーを含む。その組成と製法については下記に記載する。
このＹＤフラックス（およびそれによるＹＤペースト）
は大量のペースト堆積に必要な、極めて厚いステンシル
を通じて容易に印刷できるように低い粘着性を持つよう
にフォーミュレートされている。このＹＤフラックスは
残査形成性が低く、不活性雰囲気中でリフローが行われ
ればその後の洗浄の必要がない。これによって最終的に
ボードへとはんだ付けされる時にはいずれにせよリフラ
ックスを経験しなければならない、ＩＣパッケージのポ
ストパンピング洗浄の必要性がなくなる。
【００１５】１９９３年５月１８日にイノン・デガニに
対して発行された米国特許第５，２１１，７６４号に記
載されているように、ソルダーペーストのためのフラッ
クスビヒクルには下記の基本成分が含まれる；溶媒、酸
化物除去成分および印刷性能を向上するための流動性添
加物。本発明によれば、ステンシル印刷に適したフラッ
クスビヒクルは１から１０重量パーセント（ｗｔ％）の
有機酸、１から５ｗｔ％の分子量が５０，０００以上の
ポリマーからなる流動性添加物、６０から９８ｗｔの溶
媒系および０から２５ｗｔ％の残査が高い表面絶縁性を
持つような添加物を含む。厚いステンシルを通じて印刷
する上で役立つ前記の低い粘着性を提供するためには、
米国特許第５，２１１，７６４号に記載の先のフラック
スを前記の流動性添加物をその濃度範囲の下端で使用す
る、すなわち４から５重量％ではなく、流動性添加物を
１から３重量パーセント使用する。これによって粘着性
が低いペーストが作れるが、これは金属使用量が高くな
るのでスランプが低くなる。
【００１６】ＹＤフラックス組成の一例をあげる。 化合物 重量％の範囲 好ましい重量パーセント セバシン酸 １−３ ２．５ ４−ヒドロキシ安息香酸プロピル ２０−３０ ２５ エチルセルロース １−３ １．５ 二量体化ロジン １−５ ３ テトラ安息香酸ペンタエリトリトール １−５ ３ ヒマシ油 １−５ ３ トリプロピレングリコール 残部 残部
【００１７】ＹＤフラックス組成の別の例をあげる。 化合物 重量％の範囲 好ましい重量パーセント ４−ヒドロキシ安息香酸 １−８ ６．０ ４−ヒドロキシ安息香酸プロピル ２０−３０ ２５．０ エチルセルロース １−３ １．５ 水素添加ロジンガム ０−２５ １４．０ トリプロピレングリコール 残部 残部
【００１８】本発明のバンピングプロセスにおいて使用
されるステンシル１９（図６）は従来のＳＭＴステンシ
ルに比べ２から３倍厚い。従来のステンシルが３から１
０ミルの厚みであるのに対し、本プロセスのステンシル
は厚みが３０ミルにもなる。特定の実施例においては、
下記の例３に記載してあるように、このステンシルは２
１ミルの厚みを持つ。これは従来のＳＭＴステンシルの
約３倍の厚みである。さらに、このステンシルはステン
シルの幅の広い表面に垂直な面で切った断面が台形であ
る、開口部２０を持つ。ここで上部、すなわちペースト
の入り口の部分は底部の開口部よりもやや小さい。開口
部の壁は先端のカットされた円錐形、先端のカットされ
たピラミッド型、あるいはその他の形状をしており、壁
が垂直面から１から４５、好ましくは５から１０度の範
囲で傾いている。この開口部の形状は、ペーストのＹＤ
ソルダーフラックスの持つ低粘着性とあいまって印刷後
のこの特製ペーストのステンシルからの離脱を極めて容
易にしている。
【００１９】前記のステンシルは開口部が開口部底部の
直径「Ｄ」（すなわち四角の一辺）の高さ「ｈ」（すな
わちステンシルの厚み）に対する比が＞１．５：１、好
ましくは≧２．５：１となるよう設計されている。また
この直径Ｄの、隣接する二つのパッドの中心間の距離
「ｐ」に対する比は、おおよそＤ：ｐ＝２：３、限界値
はＤ：ｐ≦３：４である。ステンシルの開口部２０の中
にペーストディポジット２１が入っている様子が図６に
描かれている。
【００２０】多量のソルダーバンプボリュームを達成す
るため、このプロセスでは１．５から５の割合、好まし
くは３から４の割合でソルダーペーストでパッドのオー
バープリントをすることが必要である。これはステンシ
ルの底部開口部の断面が各ソルダーペーストディポジッ
トが印刷されている、コンタクトパッド１３（あるいは
ターミナルパッド１４）の面積の１．５から５倍の広さ
の領域を覆うような大きさに作られているということで
ある。このように極端なオーバープリントがあると、リ
フロー中に従来のＳＭＴソルダーペーストの多くは一般
に多数の望ましくない、遊離したボールの形で、統合さ
れなかったソルダーを多量に残査として残すのである
が、これらの遊離したボールは、もし最終的にそれらが
ゆるみ、移動し始めると、電気的短絡などを引き起こ
し、信頼性の上で問題が生じてしまうため除去しなくて
はならない。そのためアセンブリに先立ち洗浄工程が必
要となる。しかし、もっと問題なのはソルダーリフロー
中の統合に変動が生じ、これにより短絡やソルダーバン
プ自身のボリューム、従って、高さにおける制御不能な
偏差が生じることであろう。例えば、二つのソルダーペ
ーストディポジットが一つにつながり、リフロー中に一
つの大きなデポジットを形成して二つのパッドに橋わた
しをする、あるいは一つのデポジットの一部が隣接する
デポジットに部分的にくっつき、リフロー後に異なる大
きさの二つのバンプが生じる、あるいは一つのパッドが
ソルダーなしで２番目のパッドが２倍量のソルダーを持
つなどである。しかしこのような変動は特別に最適化し
たＹＤソルダーペーストでは生じない。各オーバープリ
ントされたソルダーペーストデポジットは極わずかな部
分を除きすべて一つの、完全にコンタクトパッドにくっ
ついた大きな体積を持つバンプへと統合される。これに
より洗浄を行なうことなく、バンプからバンプへの一貫
した均一性と信頼性のある性能が保証される。
【００２１】最後に、適当なソルダーアロイの選択につ
いて考慮しなくてはならない。ソルダーアロイの組成
は、一般に通常バンプ工程にとって決定的に重要ではな
く、例えば通常のソルダーアロイにはＳｎ／Ｐｂ（６３
／３７、６０／４０および５／９５ｗｔ％）、Ｓｎ／Ａ
ｇ（９６．５／３．５ｗｔ％）、Ｓｎ／Ｓｂ（９５／５
ｗｔ％）、Ｓｎ／Ｚｎ（９４／６ｗｔ％）、Ｓｎ／Ｂｉ
（４２／４８ｗｔ％）およびＳｎ／Ｐｂ／Ｂｉ（４３／
４３／１４ｗｔ％）がある。しばしば、他の部品のアセ
ンブリを基板へと配置しウエーブソルダするのはバンプ
付きＩＣパッケージを取り付ける前に行なわれる。従っ
てバンプ付きＩＣパッケージをボードに取り付ける工程
はボードを上下逆さまにして行なうことが必要となるこ
とがある。その結果、スルーホール部品をしかるべき位
置にウエーブソルダーするのに従来用いられていたソル
ダーアロイの溶融点、またはそれ以上でリフローするソ
ルダーアロイを使用することにより、このような部品が
ゆるみ基板から落ちることが起こりうる。このような従
来のアロイの一例はＳｎ／Ｐｂ共融合金、あるいは共融
に近い合金であり、融点が１８３度あるいはそれ以上の
ものである。従って、より低い融点を持つソルダーアロ
イをバンピングペーストに使用しなくてはならない。Ｐ
ｂ含量の小さな変動によって影響を受けないことがわか
っている、融点が１８３度以下である、Ｓｎ／Ｐｂ／Ｂ
ｉ（４３／４３／１４）パウダーはこのＹＤソルダーペ
ーストには最も適しているであろう。このアロイはパウ
ダーの形で市販されているが、特に前記のＳｎ／Ｂｉア
ロイと比較すると、すぐれた疲労特性を持つ（しかし、
一般に使用されているＳｎ／Ｐｂアロイにはかなわな
い。）
【００２２】下記に本発明のフラックスとソルダーペー
スト組成ならびに本発明の方法を例を上げて説明する。
【００２３】例１ ＹＤフラックス１．５ｋｇを製造するために、約９０ｇ
の４−ヒドロキシ安息香酸、２１０ｇの水素添加ロジ
ン、２２．５ｇのエチルセルロースならびに３７５ｇの
４−ヒドロキシ安息香酸プロピルをホットプレートに載
せ、マグネティックスターラーを入れた２リットルのガ
ラスビーカーの中で８０２ｇのトリプロピレングリコー
ルと混合する。混合物の温度を摂氏１２０から１３０度
まで上げ、その温度で２５分間攪はんしながら保つ。こ
のフラックスをついで室温まで冷却する。
【００２４】例２ 例１のフラックスとＳｎ／Ｐｂ／Ｓｉ４３／４３／１４
ソルダーを使用して５．０ｋｇのペーストを作るため
に、３７５ｇの前記フラックスと４６２５ｇのＳｎ／Ｐ
ｂ／Ｂｉ４３／４３／１４ソルダーパウダー（−３２５
＋５００メッシュ）を混合する。混合はキッチンエイド
・ミキサーのステンレスのミキシングボールにフラック
スを入れ、４０ＲＰＭで攪はんしながらソルダーパウダ
ーをゆっくりと加えることによって行なう。前記のフラ
ックスとパウダーを約１分間混合すると均一なペースト
が得られる。フラックスあるいはパウダーの残留分があ
れば、それをこすりとってペーストに加え、さらにペー
ストを３０秒間混合する。得られたペーストを都合のよ
い量に小分けし（例えば１２５ｍｌ）プラスチックびん
に入れて保存する。
【００２５】例３ 例２のＹＤソルダーペーストを用いてウエハー上のＩＣ
回路１０ユニットアレーにソルダーバンプを形成する。
一つのユニットのフリップ側を図７に示す。ここにはコ
ンタクトパッド１３の１０×１０のグリッドアレーとそ
れに付随する導電体の図が示されている。導電体に接触
するソルダーによって電気的コンタクトが形成されない
ように、コンタクトパッドは露出し、一方導電体は絶縁
されている。このアレーにおけるパッドは直径が３２か
ら３５ミルで、１００ミルのピッチで配列されている。
すなわちパッドの中心は隣接するパッドの中心から１０
０ミルの距離にあるということである。例２のペースト
を、６０ミルの直径の上部開口部と６４ミルの直径の底
部開口部を持つ、２１ミルの厚みのステンシルを用いて
印刷した。底部開口部は前記のデバイス上のコンタクト
パッドに隣接している。リフローにより、このソルダー
ペーストディポジットはコンタクトパッドの直径とほと
んど同じ大きさのバンプ高さをもたらした。
【００２６】上述のステンシル印刷ソルダーペーストバ
ンピング技術は、高いスループット、比較的大量の塗布
のためのＳＭＴ適合バッチプロセスとして開発された。
設計どおり、これにより一貫してパッド直径とほぼ同等
の大きさを持つバンプ高度と、これまで常にプリフォー
ムの使用が必要であり、それに伴って配置、フラックス
塗布、安定化等の問題が生じていた性能とが得られる。
本発明のバンピング技術は多層マザーボードによってル
ーティングに対する要求が緩和される製品に使用するた
めの細ピッチ設計にも応用することができる。このよう
な設計、一例をあげると３０ミルの直径のパッドと６０
ミルのピッチ等であるが、においては、特に上にあげた
１００ミルのピッチで３５ミルのパッドという配置と比
較するとオーバープリントの機会はかなり制限を受け
る。しかし、このような細いピッチのアレイに対して、
開口部はより狭いが、同じように配分したステンシル
と、同じフラックス系を用いた実験によると、やはり３
０ミルのバンプ高さが得られている。これは必然的に減
少したオーバープリントにもかかわらず、ペースト中の
「金属使用量」（すなわちソルダーパウダーの比率）を
効果的に増加することによって達成された。しかし、こ
れをもし現存のペーストとフラックスの組み合わせに単
にパウダーを多く加えるだけで行なおうとしても、その
結果印刷性が失われるために、バンプボリュームには何
等の向上も見られないことであろう。この問題を避ける
ため、金属の使用量を増加させるに際し、一方のパウダ
ーがもう一方の隙間にうまくはまるような、大きく異な
るサイズ（すなわちメッシュ）のソルダーアロイパウダ
ーを使用した。それによってＹＤソルダーペーストの金
属含有量を直接的に増加させ、印刷性能の点で大きく妥
協することなく、堆積させたペースト中により多くのソ
ルダーアロイを確保したのである。もちろんこの「マル
チパウダー」アプローチには適切なパウダーサイズ（す
なわち「カット」）の組み合わせが必要であるが、これ
は印刷されたソルダーバンプの体積を増加させる上で極
めて効果的である。このような「マルチパウダー」ＹＤ
ペーストはたとえさらに大きなバンプボリュームが求め
られたとしても、前記の１００ミルのピッチのグリッド
アレーのバンピングに対しても簡単に調製することがで
きるであろう。細ピッチ設計における過剰のオーバープ
リンティングなしで十分なバンプボリュームをもたらす
ためのもう一つのアプローチとしてはソルダーペースト
の「ダブル−プリンティング」がある。これは中度のオ
ーバープリンティング、すなわちパッド領域の１．５か
ら３倍の、第一のバンプ形成と、このバンプのリフロー
形成と、このバンプの上にソルダーペーストを印刷し、
もう一度このバンプ中のソルダーとバンプの上のソルダ
ーペーストディポジット中のソルダーをリフローするこ
とによって行われる。このやり方によれば、ソルダージ
ョイントは一回の印刷で得られることのできる高さを上
回り、細ピッチパッド間の短絡の恐れもない。
【００２７】
【発明の効果】以上述べた如く、本発明によれば、特別
に最適化したソルダーペーストと台形の断面形状を持つ
超厚ステンシルとを組み合わせ、またパッド領域を大幅
にオーバープリントすることによって、極めて多量のジ
ョイントボリュームと信頼性のある相互接続高さ（パッ
ド直径とほぼ同等の大きさを持つバンプ高度）とを達成
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ソルダーアセンブリ操作に先立ち、基板上のタ
ーミナルパッドの上方にソルダーバンプ付きＩＣパッケ
ージを配置した模様を示す分解図である。
【図２】リフローソルダリングを行なう前の基板上に配
置したソルダーバンプ付きＩＣパッケージの断面図であ
る。
【図３】リフローソルダージョイントによって接続され
たパッケージと基板の断面図である。
【図４】リフローソルダリングを行なう前のソルダーバ
ンプ付き基板上におかれたソルダーバンプ付きＩＣパッ
ケージの断面図である。
【図５】リフローソルダリングを行なう前のソルダーペ
ーストディポジット付き基板上におかれたソルダーバン
プ付きＩＣパッケージの断面図である。
【図６】ＩＣパッケージあるいは基板上のパッドの上に
ステンシル板とソルダーペーストディポジットがおかれ
ている様子を示す断面図である。
【図７】１０×１０のコンタクトパッドグリッドアレー
を持つ、ＩＣパッケージのフリップ側の図である。
【符号の説明】
１０ ＩＣパッケージ １１ 基板 １２ ソルダーバンプ １３ コンタクトパッド １４ ターミナルパッド １６ ジョイント １７ ソルダーバンプ １８ ソルダーペーストディポジット １９ ステンシル ２０ 開口部 ２１ ソルダーペーストディポジット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 トーマス ディクソン ドゥデラー アメリカ合衆国、07928 ニュージャージ ー、チャタム、スクール アベニュー 30 (72)発明者 ウイリアム ロンゾ ウッズ アメリカ合衆国、71047 ルイジアナ、ケ イスビル、ドーチェスター 6095

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも一つの部品のメタルパッド上
    に複数のソルダーバンプを形成するステップと、 ソルダーバンプ付きの部品を基板上の隣接するパッドへ
    置くステップと、 前記ソルダーバンプを、リフローするのに十分な温度へ
    と加熱するステップと、 前記ソルダーバンプを再固化し、前記部品を前記基板へ
    結合するステップとからなる、少なくとも一つの部品を
    基板へはんだ付けする方法において、 前記バンプの形成が、ソルダーペーストディポジットを
    前記部品の前記パッドの上にステンシル印刷し、前記ソ
    ルダーペーストディポジットをソルダーペースト中のソ
    ルダーのリフロー温度へ加熱し、前記ソルダーを固化さ
    せ、前記部品の前記パッド上にバンプを形成することに
    よって行われ、 前記ステンシル印刷が超厚ステンシルの開口部を通して
    行われ、 前記開口部は前記ステンシルの幅広の表面に垂直な面で
    切った時に台形の断面を持ち、 前記開口部の上部開口部が底部開口部よりも小さく、 前記開口部の壁が垂直面から１から４５度の範囲の角度
    で傾いており、 前記ソルダーペーストが粘着性の低い、金属含有量の高
    い特性を持ち、 前記ソルダーペーストディポジットが前記メタルパッド
    の面積と同じか１．５：１から５：１の割合でそれを上
    回る面積を覆っていることを特徴とする少なくとも一つ
    の部品を基板へとはんだ付けする方法。
  2. 【請求項２】 前記ステンシルが１２から３０ミルの厚
    みを持つことを特徴とする請求項１の方法。
  3. 【請求項３】 前記ソルダーペーストディポジットによ
    って覆われる面積が前記パッドの面積の少なくとも３．
    ５倍の広さであることを特徴とする請求項１の方法。
  4. 【請求項４】 前記開口部の壁が前記ステンシルの幅広
    の表面に垂直な面から５から１０度傾いていることを特
    徴とする請求項１の方法。
  5. 【請求項５】 前記台形の底部の有効直径が前記台形の
    高さよりも１．５から５倍の割合で大きいことを特徴と
    する請求項１の方法。
  6. 【請求項６】 前記ソルダーがＳｎ／Ｐｂ、Ｓｎ／Ａ
    ｇ、Ｓｎ／Ｓｂ、Ｓｎ／Ｚｎ、Ｓｎ／ＢｉおよびＳｎ／
    Ｐｂ／Ｂｉソルダーアロイならびにその組合せからなる
    群から選ばれることを特徴とする請求項１の方法。
  7. 【請求項７】 前記ソルダーがＳｎ／Ｐｂ／Ｂｉ（４３
    ／４３／１４）ソルダーパウダーであることを特徴とす
    る請求項１の方法。
  8. 【請求項８】 前記ソルダーペーストがソルダー粒子と
    フラックスビヒクルを含有し、前記フラックスビヒクル
    が１から１０ｗｔ％の有機酸、１から５ｗｔ％の５０，
    ０００以上の分子量を持つポリマーからなる流動性添加
    物、６０から９８ｗｔ％の溶媒系、および０から２５ｗ
    ｔ％の、残査が高い表面絶縁を保つような添加物とを含
    有することを特徴とする請求項１の方法。
  9. 【請求項９】 前記フラックスビヒクルが１から８重量
    パーセントの４−ヒドロキシ安息香酸、１から３重量パ
    ーセントのエチルセルロース、１５から３０重量パーセ
    ントの４−ヒドロキシ安息香酸プロピル、０から２５重
    量パーセントの水素添加ロジンガム、および残部がトリ
    プロピレングリコールであることを特徴とする請求項８
    の方法。
  10. 【請求項１０】 前記フラックスビヒクルが６．０重量
    パーセントの４−ヒドロキシ安息香酸、１．５重量パー
    セントのエチルセルロース、２５重量パーセントの４−
    ヒドロキシ安息香酸プロピル、１４重量パーセントの水
    素添加ロジンガム、そして５３．５重量パーセントのト
    リプロピレングリコールであることを特徴とする請求項
    ９の方法。
  11. 【請求項１１】 ソルダーペーストディポジットを素子
    の金属パッド上にステンシル印刷するステップと、 前記ソルダーを溶融するために熱を加えるステップと、 溶融したソルダーを固化し、前記パッドに先端をカット
    された球の形のソルダーバンプを形成するステップとか
    らなる、素子の金属パッドの上にソルダーバンプを形成
    する方法において、 前記ステンシル印刷が超厚ステンシルの開口部を通じて
    行われ、 前記開口部が前記ステンシルの幅広の表面に垂直な面で
    切った時に台形の断面を持ち、 前記開口部の上部開口部が底部開口部よりも小さく、 前記開口部の壁が垂直面より１から４５度傾いており、 前記ソルダーペーストが低い粘着性と、高い金属使用量
    という特性を持ち、 前記ソルダーペーストディポジットが前記金属パッドの
    面積と等しいかあるいは１．５：１から５：１の比率で
    それを上回る面積を覆っていることを特徴とする素子の
    金属パッドの上にソルダーバンプを形成する方法。
  12. 【請求項１２】 前記ステンシルが１２から３０ミルの
    厚みであることを特徴とする請求項１１の方法。
  13. 【請求項１３】 前記ソルダーペーストディポジットに
    よって覆われる面積が前記パッドの面積の少なくとも
    ３．５倍の広さであることを特徴とする請求項１１の方
    法。
  14. 【請求項１４】 前記開口部の壁が前記ステンシルの幅
    広の表面に垂直な面から５から１０度傾いていることを
    特徴とする請求項１１の方法。
  15. 【請求項１５】 前記台形の底部の有効直径が前記台形
    の高さよりも１．５から５倍の割合で大きいことを特徴
    とする請求項１１の方法。
  16. 【請求項１６】 前記ソルダーがＳｎ／Ｐｂ、Ｓｎ／Ａ
    ｇ、Ｓｎ／Ｓｂ、Ｓｎ／Ｚｎ、Ｓｎ／ＢｉおよびＳｎ／
    Ｐｂ／Ｂｉソルダーアロイならびにその組合せからなる
    群から選ばれることを特徴とする請求項１１の方法。
  17. 【請求項１７】 前記ソルダーがＳｎ／Ｐｂ／Ｂｉ（４
    ３／４３／１４）ソルダーパウダーであることを特徴と
    する請求項１１の方法。
  18. 【請求項１８】 前記ソルダーペーストがソルダー粒子
    とフラックスビヒクルを含有し、前記フラックスビヒク
    ルが１から１０ｗｔ％の有機酸、１から５ｗｔ％の５
    ０、０００以上の分子量を持つポリマーからなる流動性
    添加物、６０から９８ｗｔ％の溶媒系、および０から２
    ５ｗｔ％の、残査が高い表面絶縁を持つような添加物を
    含有することを特徴とする請求項１１の方法。
  19. 【請求項１９】 前記フラックスビヒクルが１から８重
    量パーセントの４−ヒドロキシ安息香酸、１から３重量
    パーセントのエチルセルロース、１５から３０重量パー
    セントの４−ヒドロキシ安息香酸プロピル、０から２５
    重量パーセントの水素添加ロジンガム、および残部がト
    リプロピレングリコールであることを特徴とする請求項
    １８の方法。
  20. 【請求項２０】 前記フラックスビヒクルが６．０重量
    パーセントの４−ヒドロキシ安息香酸、１．５重量パー
    セントのエチルセルロース、２５重量パーセントの４−
    ヒドロキシ安息香酸プロピル、１４重量パーセントの水
    素添加ロジンガム、そして５３．５重量パーセントのト
    リプロピレングリコールであることを特徴とする請求項
    １９の方法。
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