JP2005026579A - ハンダバンプ付き電子部品の実装方法およびこれに用いるフラックスフィル - Google Patents

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周一 竹内
Hidehiko Kira
秀彦 吉良
Kenji Koyae
健二 小八重
Norio Kainuma
則夫 海沼
Hiroshi Kobayashi
弘 小林
Takayoshi Matsumura
貴由 松村
Shigeo Matsunuma
繁男 松沼
Tomohisa Yagi
友久 八木
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Fujitsu Ltd
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Abstract

【課題】ハンダバンプを溶融する温度まで電子部品を加熱する必要がなく、低温で容易にかつ確実に電子部品を基板に実装することを可能にし、実装品の信頼性を向上させ、容易に電子部品を実装することを可能にする。
【解決手段】電極１４が形成された基板１２の表面に、フラックスの作用とアンダーフィル樹脂の作用とを有するフラックスフィル３０を塗布し、電子部品１０に形成されたハンダバンプ２０と前記電極１４とを各々接合するとともに、前記フラックスフィル３０によりアンダーフィル部を充填して、前記基板１２に電子部品１０を実装するハンダバンプ付き電子部品の実装方法において、前記電子部品１０に形成されたハンダバンプ２０を前記電極１４に接触させ、ハンダバンプ２０と電極１４との接触部分に超音波振動エネルギーを作用させることによってハンダバンプ２０を電極１４に接合させることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はハンダバンプ付き電子部品の実装方法およびこれに用いるフラックスフィルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、ハンダバンプを備えた半導体チップをフリップチップ接続により基板に実装するもっとも一般的な方法を示している。
図４（ａ）は半導体チップ１０を搭載する基板１２を示す。１４が基板１２の表面に形成した電極、１６が基板１２の表面を被覆するソルダーレジストである。図４（ｂ）は、ノズルからフラックス１８を吐出して、電極１４の表面をフラックス１８によって被覆した状態を示す。図４（ｃ）は、次に、ハンダバンプ２０と電極１４とを位置合わせし、フラックス１８の粘性を利用して、基板１２に半導体チップ１０を仮固定した状態を示す。
【０００３】
図４（ｄ）は、仮固定した半導体チップ１０を、ハンダリフローにより基板１２に接合した状態を示す。ハンダリフローの際に、フラックス１８の活性作用により酸化膜が除去され、ハンダバンプ２０が電極１４に溶着される。図４（ｅ）は、電極１４の周辺に残留しているフラックス１８を洗浄して除去した状態を示す。フラックス１８には電極等を腐蝕させる成分が含まれている。したがって、基板上１２に残留しているフラックス１８を洗浄して除去する必要がある。図４（ｆ）は、基板１２と半導体チップ１０との隙間部分にアンダーフィル樹脂２２を充填し、最終的に半導体チップ１０を基板１２に実装した状態である。
【０００４】
図５は、ハンダバンプを備えた半導体チップをフリップチップ法によって実装する他の方法を示す。
この実装方法では、基板１２の電極１４にフラックスを塗布するかわりに、フラックスの作用とアンダーフィル樹脂の作用を兼ねたフラックスフィル２４を電極１４とその周囲に比較的厚く塗布し（図５（ａ））、フラックスフィル２４を塗布した基板１２に、ハンダバンプ２０と電極１４とを位置合わせして半導体チップ１０を仮固定し（図５（ｂ））、ハンダリフローによりハンダバンプ２０を電極１４に溶着するとともにフラックスフィル２４を硬化させて半導体チップ１０を基板１２に実装する（図５（ｃ））。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示す実装方法の場合は、電極等に形成された酸化膜を除去するためにフラックス１８を使用するから、フラックス１８を洗浄する工程が必要になるという問題がある。また、半導体チップ１０が高密度化するとともにハンダバンプ２０が微細化し、半導体チップ１０と基板１２との間のアンダーフィル部の間隔が狭くなるために、アンダーフィル樹脂２２を充填しにくくなり、アンダーフィル樹脂２２を充填するための時間が長くかかるようになるという問題がある。
【０００６】
これに対して、図５に示す実装方法の場合は、フラックス１８を使用しないからフラックス１８を洗浄する必要がなくなり、フラックスフィル２４がそのままアンダーフィル樹脂となるから、アンダーフィル工程も不要になるという利点がある。
しかしながら、フラックスフィル２４を使用する従来方法の場合は、ハンダリフローによってハンダバンプ２０と電極１４とを溶融接合するから、フラックスフィル２４に使用する樹脂にはフィラーを含まない樹脂が使用されている。フィラーを含有する樹脂材を使用するとハンダバンプ２０と電極１４との電気的接続の確実性が損なわれるおそれがあるからである。しかしながら、フィラーを含有しないアンダーフィル樹脂の場合には、デバイスとして十分な信頼性が得られないという問題がある。
【０００７】
また、フラックスフィル２４を使用する場合は、ハンダバンプ２０を溶融する際にフラックスフィル２４を硬化させるようにするから、ハンダバンプ２０の溶融温度以下で硬化する樹脂を使用することができない。ハンダは鉛フリー化への要請から、溶融温度が高温になる傾向にある。このため、フラックスフィル２４も高温で硬化するものが用いられることになる。最近のセンサー系デバイスなどでは高温に加熱すると機能が損傷してしまう製品があり、したがってこのようなデバイスを実装する方法としては不適であるという問題がある。
【０００８】
そこで、本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、電子部品が高密度化し電子部品に設けられたハンダバンプが微細化した場合にも、容易にかつ確実に電子部品を実装することができ、電子部品を過度に加熱等することなく実装することを可能にするハンダバンプ付き電子部品の実装方法およびこれに用いるフラックスフィルを提供するにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
すなわち、電極が形成された基板の表面に、フラックスの作用とアンダーフィル樹脂の作用とを有するフラックスフィルを塗布し、電子部品に形成されたハンダバンプと前記電極とを各々接合するとともに、前記フラックスフィルによりアンダーフィル部を充填して、前記基板に電子部品を実装するハンダバンプ付き電子部品の実装方法において、前記電子部品に形成されたハンダバンプを前記電極に接触させ、ハンダバンプと電極との接触部分に超音波振動エネルギーを作用させることによってハンダバンプを電極に接合させることを特徴とする。
なお、基板には電子部品と基板とのアンダーフィル部を充填するに十分な分量のフラックスフィルが塗布される。
【００１０】
また、前記電子部品を超音波振動させることにより、ハンダバンプと電極との接触部分に超音波振動エネルギーを作用させて、ハンダバンプを電極に接合させることを特徴とする。電子部品を超音波振動させることによって、ハンダバンプと電極との接触部分に超音波振動エネルギーが集中し、ハンダバンプを電極に確実に接合することが可能となる。
また、前記フラックスフィルとして、フィラー入りのフラックスフィルを使用することを特徴とする。フィラー入りのフラックスフィルを使用することにより、実装品の信頼性を向上させることができる。
また、ハンダバンプを電極に接合した後、フラックスフィルを加熱して硬化させることによって電子部品を確実に実装することができる。実装品の機能に悪影響を与えないように、低温で硬化するフラックスフィルを選択して使用することが有効である。
【００１１】
また、前記ハンダバンプ付き電子部品の実装方法において使用するフラックスフィルとして、樹脂からなる主剤と、樹脂の硬化剤および硬化促進剤と、フラックス作用をなすための有機酸と、フィラーとを含有しているフラックスフィルが有効に使用できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について添付図面とともに詳細に説明する。
図１、２は、本発明に係るハンダバンプ付き電子部品の実装方法を示す説明図である。図２は基板１２に電子部品としての半導体チップ１０を実装する方法を示す説明図、図１は半導体チップ１０の電極端子に形成されているハンダバンプ２０と基板１２に形成されている電極１４との接合部分を拡大して示す説明図である。
【００１３】
本発明に係るハンダバンプ付き電子部品の実装方法は、図５に示すフラックスフィル２４を使用して半導体チップ１０を実装する方法と同様に、フラックス作用とアンダーフィル作用を有するフラックスフィル３０を使用して電子部品を実装するものである。ただし、本発明においては、従来使用されているフラックスフィルとは異なり、フィラーを含有したフラックスフィルを使用して電子部品を実装する。
【００１４】
図１（ａ）は、電極１４を形成した基板１２の表面に、ノズル２６からフラックスフィル３０を吐出し、電極１４が形成されている領域をフラックスフィル３０によって被覆した状態を示す。図２（ａ）は、電極１４が形成された基板１２を示し、図２（ｂ）は、基板１２の表面にフラックスフィル３０を塗布した状態を示す。
【００１５】
本発明方法では、フィラーを含有したフラックスフィル３０を使用してハンダバンプ２０と電極１４とを確実に電気的に接続した状態で実装可能とするため、電子部品に対し超音波振動を加えてハンダバンプ２０と電極１４とを接合するようにしている。
図１（ｂ）は、電子部品としての半導体チップ１０に超音波振動を加えながら、ハンダバンプ２０を電極１４に押接して接合している状態を示す。半導体チップ１０に超音波振動を加えながら電極１４にハンダバンプ２０を押接させるようにすると、フラックスフィル３０中のフィラーがハンダバンプ２０によって電極１４の表面から押しのけられ、フラックスフィル３０に含有されているフィラーによって妨げられずに、ハンダバンプ２０を電極１４に接触させて接合することができる。フラックスフィル３０はフラックス作用を有するから、超音波振動エネルギーによって電極等の酸化被膜が除去され、超音波振動エネルギーのみによってハンダバンプ２０を電極１４に接合することができる。
【００１６】
図１（ｃ）は、ハンダバンプ２０が電極１４に接合され、半導体チップ１０が基板１２に実装された状態である。
図２（ｃ）は、半導体チップ１０を基板１２に位置合わせし、ハンダバンプ２０を電極１４に押接し、超音波振動を半導体チップ１０に作用させて、ハンダバンプ２０を電極１４に接合している状態を示す。
図２（ｄ）は、半導体チップ１０が基板１２に実装された状態を示す。ハンダバンプ２０が電極１４に接合され、半導体チップ１０と基板１２との間のアンダーフィル部にフラックスフィル３０が充填されている。
【００１７】
本実施形態の電子部品の実装方法は、半導体チップ１０を基板１２に実装する際に、ハンダリフロー等のハンダバンプ２０を加熱して溶融させる方法を利用することなく実装するものである。したがって、ハンダバンプ２０の溶融温度が高温になってきたような場合でも、ハンダバンプ２０を溶融する温度まで加熱する必要がない。
また、超音波振動によってハンダバンプ２０を電極１４に接合した後、アンダーフィル部を充填しているフラックスフィル３０を硬化させるようにするが、フラックスフィル３０として低温で硬化する樹脂材を選択することによって、電子部品を過度に加熱することなく実装することが可能となる。これによって、高温に敏感なデバイス等であっても容易に実装することが可能になる。
【００１８】
また、本実施形態の電子部品の実装方法によれば、半導体チップ１０を基板１２に接合した後にアンダーフィルする操作が不要となるから、実装工程を簡素化し、製造効率を向上させることが可能になる。アンダーフィル操作を不要としたことにより、ハンダバンプ２０が微細化し、高密度に配置されているような電子部品であっても容易に実装が可能となる。
また、フラックスフィル３０としてフィラー入りの樹脂材を使用することができることから、実装品の信頼性を向上させることが可能になるという利点もある。
【００１９】
なお、フィラー入りのフラックスフィル３０としては、電子部品に形成されているハンダバンプの材質や、基板１２に形成されている電極１４のめっき仕様等によって、適宜組成の樹脂材を使用することができる。
フラックスフィル３０は、樹脂の主剤、硬化剤、硬化促進剤、有機酸、カップリング剤、無機フィラーからなる。以下に、これらの組成別にフラックスフィル３０として使用する成分例を示す。これらの成分を適宜配合することによって、たとえば、１５０℃、１．０時間の熱量で硬化可能となるといったように、適宜特性を備えたフラックスフィル３０を得ることができる。
【００２０】
（主剤）
脂環式エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂等。これらの樹脂材は、単体もしくは混合して使用することができる。
（硬化剤）
メチルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、トリヘキシルテトラヒドロ無水フタル酸、無水メチルハイミック酸、ヘキサヒドロ無水フタル酸、トリアルキルテトラヒドロ無水フタル酸、テトラヒドロ無水フタル酸、メチルシクロヘキセンジカルボン酸無水物、無水ナジック酸等。
（硬化促進剤）
イミダゾール（２ーエチル−４−メチルイミダゾール、２−フェニルイミダゾール、２−フェニル−４−メチルイミダゾール、１−ベンジル−２−フェニルイミダゾール、１−ベンジル−２−メチルイミダゾール、１−シアノエチル−２−メチルイミダゾール、１−シアノエチル−２−エチル−４−メチルイミダゾール、１−メチル−２−エチルイミダゾール、）、有機ホスフィン（トリフェニルホスフィン、トリメタトリルホスフィン、テトラフェニルホスホニウムテトラフェニルボレート、トリフェニルホスフィントリフェニルボラン）、ジアザビシクロウンデセン、ジアザビシクロウンデセントルエンスルホン酸塩、ジアザビシクロウンデセンオクチル酸塩等。添加量は０．１〜４０重量部。
（有機酸）
無水こはく酸、無水安息香酸、無水酢酸等の無水物系。添加量は５〜５０重量部。有機酸はフラックス作用を奏する。
（カップリング剤）
β−（３、４エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシラン、γ−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、Ｎ−フェニル−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、γ−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、ヘキサメチルジシラザン、シリコーン系カップリング剤等。
（無機フィラー）
シリカ粉末、アルミナ粉末等。添加量は、０．１〜６７０重量部。
【００２１】
【実施例】
上述したフラックスフィルを使用して、実際に半導体チップを基板に実装した実施例について、以下に説明する。
（半導体チップの構成）
チップサイズ５ｍｍ×５ｍｍ。ハンダバンプは、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕからなり、直径８０μｍ。バンプ数５３０個で、チップ表面にエリア配列されている。
（基板の構成）
ビルドアップ基板である。電極はＣｕを導体とし、ニッケル、金めっきが施されたものである。
（フラックスフィルの構成）
主剤：ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂〔ＥＸＡ−８３０ＬＶＰ：大日本インキ化学製〕（添加量５０重量部）、ナフタレン型エポキシ樹脂〔ＨＰ−４０３２Ｄ：大日本インキ化学製〕（添加量５０重量部）
硬化剤：Ｍｅ−ＴＨＰＡ〔ＫＲＭ−２９１−５：旭電化製〕（添加量１００重量部）
硬化促進剤：イミダゾール〔１Ｍ２ＥＺ：四国化成製〕（添加量０．５重量部）
有機酸：無水こはく酸〔和光純薬製〕（添加量２０重量部）
カップリング剤：γ−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン〔ＫＢＭ−４０３：信越化学製〕（添加量１重量部）、ヘキサメチルジシラザン〔Ａ−１６６：信越化学製〕（添加量１重量部）
無機フィラー：シリカ粉末〔ＳＯ−Ｅ５：アドマテックス製〕（添加量３３４重量部）
【００２２】
上記フラックスフィルを基板上に適量塗布し、ホーンに半導体チップを支持した状態で、半導体チップを基板に位置合わせし、ハンダバンプを基板の電極に押圧させながら、水平方向に振動を加えた。
なお、半導体チップを接合する際に、基板を支持するステージの温度を１５０℃、半導体チップを支持する超音波装置のヘッドの温度を１００℃とし、超音波振動数５０ｋＨｚ、振幅４．０μｍ、荷重１０（ｇｆ／バンプ）として、超音波振動を３秒間加えた。この後、加熱炉で１５０℃、１時間加熱し、樹脂硬化させて実装品とした。
【００２３】
表１は、上記実施例の方法によって得られた実装品と、従来使用されているフラックスフィルを使用して得られた実装品について、熱サイクル試験を行った結果を示す。熱サイクル試験は、−６５℃／室温／１５０℃の各温度に１５分間ずつサンプルを曝すことによって行った。表１の数値は不良数／投入数を示す。
表１中で、Ａ社製、Ｂ社製とあるのは、従来のフィラーを含有していないフラックスフィルを使用し、上述した方法で半導体チップを実装した実装品である。また、通常のＣ４実装品とあるのは、図４に示す方法で半導体チップを実装した実装品である。
【表１】
Figure 2005026579
【００２４】
この熱サイクル試験の結果は、Ａ社製、Ｂ社製のフラックスフィルを使用した実装品は、いずれも不良となったのに対して、本実施例の実装品は、従来のＣ４実装品と同様の信頼性を有していることを示す。このことは、本実施例の実装品の場合は、ハンダバンプと基板の電極とが所要の接合強度によって接合されていること、フラックスフィルがフィラーを含有していることによって、半導体チップ１０と基板１２との接合部が所要の強度を確保できていることによるものと考えられる。
なお、Ｂ社製のフラックスフィルは、１５０℃、１時間の加熱によって硬化しない条件の製品である。したがって、もっとも早く、不良発生している。
【００２５】
本発明の電子部品の実装方法では、超音波振動を利用してハンダバンプを電極に接合している。超音波振動を利用してハンダバンプを電極に確実に接合できるようにするためには、フラックスフィルが一定のフラックス作用を有していることが重要である。
図３は、本実施例で使用しているフラックスフィルがどの程度のフラックス作用を有しているかを実験した結果を示す。実験は、銅板上にフラックスフィルとハンダボール（球径０．７６ｍｍ）とをのせ、加熱しハンダボールを溶融して、ハンダボールの広がり率を測定することによって行った。広がり率＝（ハンダボールの球径−濡れ高さ）／ボール球形（％）
【００２６】
図３中で、Ａ社製、Ｂ社製とあるのは、従来のフラックスフィル（フラックス作用を備えている）を用いた場合である。また、比較例として、従来のＣ４実装品で使用するフラックスを使用した場合を示す。従来のＣ４実装品で使用するフラックスはもっともフラックス機能に優れているものであるが、本実施例で使用しているフィラー入りのフラックスフィルの場合も、従来のフラックスフィルと略同等の活性力があることが認められた。これによって、超音波振動によりハンダバンプを電極に接合する際に、フラックスフィルにより酸化膜が除去され、ハンダバンプを確実に電極に接合することが可能になる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明に係るハンダバンプ付き電子部品の実装方法によれば、上述したように、ハンダバンプと電極との接触部分に超音波振動エネルギーを作用させてハンダバンプを電極に接合することができるから、ハンダリフロー等によりハンダバンプを溶融する温度まで電子部品を加熱する必要がなく、低温で容易にかつ確実に電子部品を基板に実装することが可能になる。電子部品を過度に加熱することなく実装できることから、実装品の信頼性を向上させることができるとともに、きわめて容易に電子部品を実装することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るハンダバンプ付き電子部品の実装方法で、ハンダバンプと電極部分を拡大して示す説明図である。
【図２】本発明に係るハンダバンプ付き電子部品の実装方法を示す説明図である。
【図３】フラックスによるハンダの濡れ広がり率を測定した結果を示すグラフである。
【図４】フリップチップ接続によって半導体チップを実装する従来方法を示す説明図である。
【図５】フラックスフィルを用いて半導体チップを実装する従来方法を示す説明図である。
【符号の説明】
１０ 半導体チップ
１２ 基板
１４ 電極
１８ フラックス
２０ ハンダバンプ
２２ アンダーフィル樹脂
２４、３０ フラックスフィル

Claims (5)

  1. 電極が形成された基板の表面に、フラックスの作用とアンダーフィル樹脂の作用とを有するフラックスフィルを塗布し、
    電子部品に形成されたハンダバンプと前記電極とを各々接合するとともに、前記フラックスフィルによりアンダーフィル部を充填して、前記基板に電子部品を実装するハンダバンプ付き電子部品の実装方法において、
    前記電子部品に形成されたハンダバンプを前記電極に接触させ、
    ハンダバンプと電極との接触部分に超音波振動エネルギーを作用させることによってハンダバンプを電極に接合させることを特徴とするハンダバンプ付き電子部品の実装方法。
  2. 前記電子部品を超音波振動させることにより、ハンダバンプと電極との接触部分に超音波振動エネルギーを作用させて、ハンダバンプを電極に接合させることを特徴とする請求項１記載のハンダバンプ付き電子部品の実装方法。
  3. 前記フラックスフィルとして、フィラー入りのフラックスフィルを使用することを特徴とする請求項１記載のハンダバンプ付き電子部品の実装方法。
  4. ハンダバンプを電極に接合した後、フラックスフィルを加熱して硬化させることを特徴とする請求項１記載のハンダバンプ付き電子部品の実装方法。
  5. 請求項１〜４のいずれか一項記載のハンダバンプ付き電子部品の実装方法において使用するフラックスフィルであって、
    樹脂からなる主剤と、樹脂の硬化剤および硬化促進剤と、フラックス作用をなすための有機酸と、フィラーとを含有していることを特徴とするフラックスフィル。
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