(実施の形態1)
以下、本発明の実施の形態1について、図面を用いて説明する。図1は、本発明の実施の形態1における積層基板の製造方法のフローチャートであり、図2は、同積層基板の断面図であり、図3から図12は、本実施の形態1における積層基板の製造方法の各工程の詳細図である。なお、図1から図12において、従来と同じものは同じ番号とし、その説明は簡略化してある。
まず図2を用いて本実施の形態における積層基板の構成を説明する。図2において、101は熱硬化性の樹脂基板であり多層に形成されている。そして、この層内はインナービア(図示せず)で各層の上面と下面が接続されている。また、各層の上面には銅箔パターン(図示せず)が敷設され、各電子回路を形成している。
そして、この基板101の上面には、ランドパターン104a,104bが形成されており、この基板101の上面に載置された半導体素子(電子部品の一例として用いた)105とランドパターン104aの間ははんだバンプ102で接続され、一方抵抗(電子部品の一例として用いた)106とランドパターン104bとの間は、はんだ(接続固定材の一例として用いた)107で接続されている。
なお、このはんだ107には、錫・銀・銅系を用いた鉛フリーはんだを用いている。これは有害な物質を含まず、環境へ悪影響を与えないためである。また、このはんだ107の代わりに、熱硬化性を有する導電性接着剤を用いることもできる。導電性接着剤を用いると、この導電性接着剤ははんだより溶融温度が高いので、例えば、近傍ではんだ接続等をして高温環境にしても半導体素子105や抵抗106が基板101から外れることはない。
108は、基板101と銅箔パターン109との間に挟まれた熱硬化性の樹脂であり、半導体素子105や抵抗106の外周を隙間がないように覆っている。
次に、本実施の形態1における積層基板の製造方法における各工程について、図1に示す工程の順に図3から図18を用いて説明する。図1は本実施の形態1における積層基板の製造フローチャートであり、図3は、フラックス塗布工程における積層基板の断面図である。図1、図3において、111は、フラックス塗布工程である。このフラックス塗布工程111では、半導体素子105(図5に示す)を装着するためのランドパターン104a上に、メタルスクリーン(図示せず)によってフラックス112を印刷する。
図4は、本実施の形態1におけるクリームはんだ印刷工程における積層基板の断面図である。図1、図4において、113は、フラックス塗布工程111の後に設けられたクリームはんだ印刷工程である。このクリームはんだ印刷工程113では、抵抗106(図5に示す)を装着するためのランドパターン104b上にスクリーン131を用いて、クリームはんだ2(接続固定材の一例として用いた)を印刷する。なお、このスクリーンはステンレス製のメタルスクリーンを用い、このスクリーン131には、フラックス112が塗布された位置に凹部126を形成してある。そしてこの凹部126は、クリームはんだ2印刷時に、フラックス112がスクリーン131に付着することを防ぐものである。
図5は、本実施の形態1の電子部品装着工程における積層基板の断面図である。図1、図5において、114はクリームはんだ印刷工程の後に設けられた電子部品装着工程であり、この電子部品装着工程114では、半導体素子105や抵抗106などが、自動実装機によって基板101の所定位置に装着される。なお、この半導体素子105の下面105a側には、複数のはんだバンプ102が形成されているものを用いる。
図6は、本実施の形態1のリフロー工程における積層基板の断面図である。図1、図6において、115は電子部品装着工程の後に設けられたリフロー工程であり、このリフロー工程115では、クリームはんだ2を融点温度よりも高くすることによって、クリームはんだ2を溶融させて、抵抗106とランドパターン104b、半導体素子105のバンプ102とランドパターン104aとをはんだ付け固定している。なお、本実施の形態1においては、このリフロー工程115は窒素雰囲気で行っている。これによって、基板101の表面の酸化を抑えることができ、基板101とプリプレグとの密着性を良くしている。
なお、このリフロー工程115の後に洗浄工程(図示せず)で洗浄し、フラックス112の残渣やはんだボールなどを清浄化している。そしてさらに、O2アッシャー処理や、シランカップリング処理などを行うとさらに良い。これは、これらの表面改質処理によって、基板101とプリプレグとの密着性を向上させることができるためである。
なお本実施の形態において、リフローはんだ付けを用いているのは、品質が高く良質なはんだ付けをするためであり、このリフローはんだ付けによれば、セルフアライメント効果によって、リフローはんだ付けされた部品は定位置に固定される。従って、部品が精度良く固定されるので、この部品に続くパターン線路の長さが一定になる。つまり、パターン線路をインダクタとして用いるような場合において、インダクタンス値が一定になり、電気性能が定められた値になる。このことは高周波回路においては特に重要なことである。
図7は、本実施の形態のプリプレグ積層工程における積層基板の断面図である。図1、図7において、116はリフロー工程の後に設けられたプリプレグ積層工程である。このプリプレグ積層工程116では、基板101上に孔付プリプレグ141(シートの一例として用いた)を積層する工程であり、この孔付プリプレグ141は、孔加工工程117で、プリプレグ12に予め半導体素子105と、抵抗106が挿入される孔142が加工されたものを用いる。なお、本実施の形態におけるプリプレグ12は、ガラス不織布に熱硬化性樹脂を含浸させ、乾燥させたものである。本実施の形態においては、熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を用いているが、これは、フェノールなど他の熱硬化性樹脂を用いても良い。また、本実施の形態1においては、ガラス不織布を用いたが、これはガラス織布であるとか、他のアラミド樹脂などの樹脂系繊維などによる布を用いても良い。
ここで、孔142と抵抗106の外周との間に空隙144を設けているので、抵抗106が装着された基板101に、孔付プリプレグ141を容易に積層することができる。
また、半導体素子105や抵抗106はリフローはんだ付けによって装着されるので、クリームはんだ2の溶融によるセルフアライメント効果で、位置精度良く所定の位置へ装着される。つまり、半導体素子105や抵抗106の位置精度が良好であるので、空隙144を小さくすることができる。従って、エポキシ樹脂108が隙間156,157へ流入しやすくできる。なお、本実施の形態において、空隙144は、約0.2mmとしている。これにより、たとえ抵抗106の装着位置が、所定の位置よりもずれて装着されたとしても容易にプリプレグ141を積層することができる。
本実施の形態においては、基板101の上面に厚さ0.2mmのプリプレグ141a〜141fの6枚からなるプリプレグ141がこの順に積層されている。この内、基板101の上面には、プリプレグ141aから141eまでの5枚のシートがこの順に積層されており、これらのシートに関しては、半導体素子105と、抵抗106が挿入される孔142が形成されている。このようにすることにより、本実施の形態では、プリプレグ141aから141eは同じものを使用できる。従って孔加工工程で同じものを製造すればよいので生産性が良い。また、孔142を金型などで加工する場合に、金型は1種類で良くなるので製造設備が低価格である。また、プリプレグ141aから141eを一括に加工することも可能であるので、非常に生産性が良好である。
なおこのとき、半導体素子105や抵抗106の上方にも空隙144aを設けておくと良い。これは、後述する一体化工程118で加えられる圧縮圧力により、半導体素子105や抵抗106が、破壊しないようにするためである。つまりこれは、エポキシ樹脂108が軟化する前に、半導体素子105や抵抗106へ圧縮圧力がかかることを防ぐものである。
なお、本実施の形態ではプリプレグの積層枚数は6枚としているが、これはさらに厚みの薄いプリプレグを用い積層枚数を増やすことや、2種類以上の厚みのプリプレグを混ぜて積層しても構わない。しかしその場合、プリプレグの積層回数が増加することとなるので、電子部品の高さの差へ対応できる範囲内で、できる限り積層枚数を少なくなるようにすることが望ましい。
そして、プリプレグ141eの上面には孔142が設けられていないプリプレグ141fが載置され、さらにこのプリプレグ141fの上面全体に銅箔145が設けられる。
なお本実施の形態ではプリプレグ141fと銅箔145を用いたが、これに代えていわゆる片面基板、や両面基板あるいは基板101と同じ多層基板などとしても良い。このように予め硬化された基板間にプリプレグ141が挟まれる構造とすれば、後述する冷却工程でのプリプレグ141の熱収縮によるソリが小さくできる。また、本実施の形態では、半導体素子105と抵抗106との間隔が狭いために、複数の電子部品に対応して1個の孔142を設けた。しかし電子部品間の間隔が充分にあり、この間の隙間にプリプレグ141これは夫々の部品毎に対応して孔を設けても良い。ただしこの場合にもプリプレグ141の装着性を保つ為に、夫々の電子部品とその電子部品夫々に対応する孔との間には、空隙を設けておくことが必要である。また、この場合夫々の電子部品の高さに応じて孔の深さも変えておくと良い。これは、樹脂を埋設する体積が小さくなり隙間156まで樹脂が充填されやすくなるためである。
次に118(図1に示す)は、プリプレグ積層工程で積層された基板101とプリプレグ141と銅箔145とを、はんだ107が溶融しない程度の温度で加熱圧着し、一体化する一体化工程である。以下にこの一体化工程118について、図1に示す工程の順で説明する。
図8は、本実施の形態1の一体化工程における一体化手段の断面図であり、図8を用いて、この一体化手段について詳細に説明する。151,152はプラテン(圧縮手段の一例として用いた)であり、このプラテン152側に基板101が搭載される。そしてこれらプラテン151,152と、伸縮壁153とで密封容器154が構成される。そして、この密封容器154には吸引機が接続されている。本実施の形態においては、プラテン152の外周部近傍に設けられた孔155から密封容器154内の空気を吸引する。
160は、プラテン151,152内に埋め込まれたヒータであり、このヒータによってプリプレグ141を加熱する。
162は、サーボモータであり、プラテン152の応答性や位置を精度良く駆動するために用いている。そしてさらに、サーボモータ162とプラテン152との間には、減速機構163が挿入される。そしてこの減速機構163では、回転運動を往復運動へと変換するとともに、サーボモータ162の回転を減速している。本実施の形態における減速機構163にはボールナット軸受けを用いているので、プラテン152の位置を精密に制御できる。このような場合は、ストッパ161を省略することも可能となる。なお、本実施の形態ではサーボモータ162を用いたが、これは一般的な油圧プレスなどを用いても良い。なおこの場合、厚み方向の精度は、ストッパ161の厚さを調整することで対応出来る。また、汎用の油圧プレスを用いることができるので、設備コストが安価とできる。
プラテン151,152には温度センサと、圧力センサと、位置センサ(図示せず)とを設け、これらセンサの出力と、メモリ(図示せず)とが、制御回路(図示せず)の入力へ接続されている。そして、この制御回路の出力はサーボモータ162と、ヒータ160と、真空化手段へ接続され、それらの動作を監視・制御している。なお、この制御回路には、クロックタイマの出力が接続されており、一体化工程118における時間の管理も行っている。また、エポキシ樹脂108は温度によって粘度が変化するため、本実施の形態ではエポキシ樹脂108を所要の粘度とすべく、ヒータ160の温度をコントロールしている。さらに、メモリには、一体化工程118におけるセンサ出力に対する判定データを格納し、制御回路はこれらの設定データと各センサからの出力とを比較・判定し、ヒータ160やサーボモータ162あるいは真空化手段などを制御している。
では、次にこのようにして構成された一体化手段を用いた一体化工程について詳細に説明する。図9は、本実施の形態の真空化工程における一体化手段の断面図である。図1、図8、図9において、119は、プリプレグ積層工程の後に設けられた真空化工程である。この真空化工程119において、プリプレグ積層工程116でプリプレグ141が基板101上に積層された積層基板を、プラテン151,152と、伸縮壁153によって構成された密封容器154内に収納する。なお、本実施の形態1において、プラテン151側は固定であり、プラテン152側が可動するものである。
そして、吸引機によって、プラテン152に設けられた孔155から密封容器154内の空気を抜き取り、密封容器154内を略真空状態にする。このとき、孔142内を略真空とすることが重要である。これは、孔142内を真空とすることで、後述する強制流入工程122で、プリプレグ141中のエポキシ樹脂108を、孔142内そして、基板101と半導体素子105との間の隙間156や、基板101と抵抗106間の隙間157などへ確実に充填するためである。本実施の形態1における隙間156は、約40μmから約350μmの寸法であり、隙間157は約10μmから約40μmである。
なお、本実施の形態1においては説明の便宜上、半導体素子105を1個、抵抗106を2個のみ装着したものを用いて説明している。しかし、実際にはさらに多くの電子部品が基板101上に装着される。また、積層基板の生産性を考慮すると、基板101のサイズは大きい方が望ましい。従って、実際にはもっと多くの箇所に空隙144や隙間156,157を有することとなる訳である。
そこで真空化工程119においては、これら数多くの空隙143,144や隙間156,157に存在する空気を完全に吸引することが重要と成る。これは、プリプレグ141内に空気が残ると、ボイドが発生しやすくなるためである。そこで、本実施の形態における積層工程116ではこのボイドを発生し難くするために、常温において粘性を有していない板体状のプリプレグ141を複数枚積層し、真空化工程119で、プリプレグ141が軟化する前に、孔142内を真空としている。これにより、プリプレグ141に粘性が生じ、プリプレグ141同士やプリプレグ141と基板101とが粘着する前に孔142内の空気を抜いてしまう訳である。そのためには、少なくともプリプレグ141の温度がガラス転移点よりも低い温度において真空化工程119を完了することが重要である。これによって、プリプレグ141に粘性が生じるまでに各プリプレグ141同士の間の隙間や、プリプレグ141と基板101との間の隙間などから完全に空気を抜くことができるので、空隙143,144や隙間156,157を確りと真空にすることができ、ボイドが発生し難くなる。
なお本実施の形態では、真空化工程119の開始と同時にヒータ160をオンとして、プラテン151,152への加熱を開始するとともに、サーボモータ162によりプラテン151,152を駆動し、積層基板へ所定の圧力を加える。そしてこれにより、伸縮壁153,153が縮まり、図8に示すように、プラテン152が矢印A方向へと持ち上げられる。そして、図9に示すように、基板101と積層されたプリプレグ141と銅箔145とは完全にプラテン151とプラテン152との間で規定の圧力で圧縮された状態となる。なお、本実施の形態では、ヒータ160の温度は約110℃の温度とし、圧力は約平方センチメートル当たり40kgの圧力としている。
図10は、本実施の形態の軟化工程における一体化手段の断面図である。図1、図10において、120は、真空化工程の後に設けられた軟化工程(第1の加熱工程の一例として用いた)である。本実施の形態においては、真空化工程119によってプラテン151,152が基板101と銅箔145とに接触した時点からプリプレグ141は加熱される。そして、ヒータ160の熱により、プリプレグ141に含浸したエポキシ樹脂108を軟化させる。本実施の形態においてはエポキシ樹脂108の温度を約110℃まで上昇させて、粘度を約2400pa・sまで低下させる。
プリプレグ141は、プラテン151,152によって圧縮されているので、プラテンを銅箔145の表面に密着させることができる。従って、ヒータ160の熱を確実にプリプレグ141へ伝えることができ、エネルギー効率が良く、省エネルギーな加熱手段を実現できる。
次に図11は、本実施の形態1の強制流入工程における一体化手段の断面図である。図1および図11において、122は、軟化工程120の後に設けられた強制流入工程である。この強制流入工程122では、プリプレグ141は略3分の2の厚みにまで圧縮される。このとき、プリプレグ141のガラス不織布に含まれたエポキシ樹脂108が流出し、空隙144や隙間156,157全体に充填される。
ここで、隙間156,157は、空隙144に比べて非常に小さいので、エポキシ樹脂108がこの隙間156,157へ流れ込むときに大きな圧力損失が発生する。また、エポキシ樹脂108は粘性流体であるので、基板101や半導体素子105や抵抗106との接触面で摩擦が発生する。さらに、半導体素子105はバンプ102を有しているので、エポキシ樹脂108が流れる通路の幅は、バンプ102によって縮小、拡大が繰り返される。従って特にこの隙間156におけるエポキシ樹脂108の圧力損失も発生する。そこで、これらの圧力損失や摩擦による流速の低下などで、エポキシ樹脂108の流れが停止してしまわないように、エポキシ樹脂108の粘度を出来るだけ長い時間の間低い状態に保つことが必要となる。そのために本実施の形態では、エポキシ樹脂108を供給圧力下においてできる限り短い時間で流動できる粘度とすることが重要である。そのために本実施の形態における軟化工程120におけるプリプレグの温度は、毎分約4.5℃の傾斜で上昇させている。そしてさらに、強制流入工程122においてプリプレグ141は、30分の間110℃の温度に保持されるとともに、40kg/cm2の圧力で圧縮が行われる。
これによってプリプレグ141の粘度は急激に小さくなり、加熱開始から約15分で流動が開始できる粘度にまで達する。そして開始から約25分後に粘度は最も小さくなり、約1500pa・sにまで達する。そして開始から50分まで110℃を維持している。このように本実施の形態では、最低粘度の状態を出来る限り長い時間維持するために、エポキシ樹脂108の粘度をできるだけ早く小さくし、空隙144や隙間156,157への充填を開始するタイミングを早くするとともに、110℃の温度を所定の時間維持することにより、熱硬化性樹脂であるために発生する加熱に伴う付加重合反応による硬化をできるだけ遅くし、加熱による粘度の上昇を抑制している。
ここで、軟化工程120においてプラテン151,152は、基板101やプリプレグ141を上下方向から挟んで加熱するので、これらプラテン151,152に設けられたヒータ160から近い場所と、遠い場所との間に温度差が生じ易い。一般に隙間156,157は、プラテン151,152から離れた位置に形成される。つまり、この隙間156,157の温度はエポキシ樹脂108の温度よりも低い。これら隙間156,157とエポキシ樹脂108との温度が均一となる前に、隙間156,157へエポキシ樹脂108が流入してしまうと、先端部のエポキシ樹脂108aの温度が低下する。その結果、隙間156,157へ流入したエポキシ樹脂108aの粘度が大きくなり、強制流入工程122においてそれ以上にエポキシ樹脂108aが隙間へ流れ込まず、ボイドなどの発生要因となってしまう。
そこで、本実施の形態では、強制流入工程122では約30分の間110℃の温度を維持させている。これによって、隙間156,157の温度もエポキシ樹脂108の温度とを同一とし、エポキシ樹脂108の温度低下による流入停止を防止している。なお、プラテン152の移動は、ストッパ161に当接することで静止する。
そして、このようにしてエポキシ樹脂108を隙間156,157へ充填した後に、硬化工程123(図1に示す)によってエポキシ樹脂108を硬化させる。この硬化工程123は、はんだバンプ102やはんだ107の液相線温度以下で加熱し、プリプレグ141の流動性を失わせる第2の加熱工程と、この第2の加熱工程の後で、プリプレグ141を完全に硬化させる第3の加熱工程とを有している。
ここで第2の加熱工程では、はんだバンプ102、はんだ107の液相線温度よりも低い温度で、プリプレグ141が流動性を失うようにすることが重要となる。ここで、はんだバンプ102、はんだ107には、融点が約217℃の鉛フリーはんだを用いているので、第2の加熱工程でのエポキシ樹脂108が流動性を失う温度は、少なくとも約200℃以下とすることが望ましい。そこで、本実施の形態においては圧力が40kg/cm2であるので、エポキシ樹脂108は約150℃で流動性を失う。なお、このときのエポキシ樹脂108の粘度は、約24000pa・sである。
このように、第2の加熱工程でエポキシ樹脂108の流動性を失わせ、その後の第3の加熱工程でエポキシ樹脂108の温度を200℃まで上昇し、エポキシ樹脂108を確実に硬化させる。従って、第2の加熱工程において、エポキシ樹脂108は約150℃で流動性を失うので、半導体素子105と基板101との間や、抵抗106と基板101との間での接続が外れることはない。
次にプリプレグ141の硬化が完了すると、冷却工程124(図1に示す)へ移る。この冷却工程124では、ゆっくりとした勾配で冷却を行う。そのために、プラテン151,152に挟んだ状態のままで、ヒータ160の温度を制御しながら徐冷する。なおこの徐冷は、ガラス転移点以下(TMA測定法で160℃)の温度となるまで行い、その後プラテン151,152内に水を注入し、水冷によって急冷を行う。これにより、銅箔145やエポキシ樹脂108との線膨張係数の差によって生じる縮み量の差を小さくでき、積層基板のソリを小さくできる。また、基板101上の導体と、エポキシ樹脂108との界面での剥離などを防止することができる。
図12は、本実施の形態1の切断工程における切断手段の断面図である。図1、図12において、125は、強制流入工程122によって、基板101の外側へ流れ出した樹脂172を切除する切断工程である。この切断工程125において、171は積層基板を切断するダイシング歯であり、この切断工程125でダイシング歯171を回転させて、不要な樹脂172を切除する。なお、本実施の形態1においては、不要な樹脂172部分のみを切除するのではなく、基板101と樹脂172との双方を切断している。これは、基板101の端部より内側を切断することにより、積層基板の寸法を、基板101の伸縮などによらず、略一定寸法とするためである。
以上のように、一体化工程118では、軟化工程120によって急激に流動可能な温度まで加熱し、加熱・圧縮工程118aでは、プリプレグ141と基板101へ与える温度上昇を抑え、略一定の温度で維持しながら圧縮し、基板101とプリプレグ141とを一体化することで、積層基板(図2に示す)を完成する。なお、図2において最上層に設けた銅箔145はエッチングし、配線パターン109を形成する。従って、このパターン109を用い、最上層に電気回路やその配線及び端子等を形成することや、電子部品を装着することなどが可能となる。また、この銅箔145のエッチングを行わずにグランドへ接続すれば、グランドプレーンとしての使用やシールドとしての使用をすることもできる。
次に、一体化工程118において、エポキシ樹脂108が隙間156,157へ注入される動作について詳細に説明する。そこでまずエポキシ樹脂108の温度と、圧力ならびに粘度特性との関係について図面を用いて説明する。図13は、粘度試験器にて測定したエポキシ樹脂108の粘度特性図であり、横軸201が温度であり、第1の縦軸202は粘度を示している。図13において特性203は、軟化工程120と強制流入工程122における温度上昇の傾斜を一定とした場合の粘度曲線であり、特性204は、軟化工程120に対して強制流入工程122の温度上昇の傾斜を小さくした場合の粘度特性である。
軟化工程120と強制流入工程122における温度上昇を一定の傾斜となるようにした場合、昇温速度が小さくなり粘度の低下は小さくなる。これにより、最低粘度217の値が大きくなってしまうこととなる。従って強制流入工程122においてエポキシ樹脂108が隙間156へ流れ込み難くなってしまうこととなる。一方、強制流入工程122での温度上昇の傾斜を小さくあるいは略一定とし、その分軟化工程120における昇温速度を大きくした場合の方が、粘度の低下が大きく、最低粘度207の値が小さくなる。
この場合、樹脂108は、常温においては粘性を有せず、温度が上昇するにつれて軟化し粘度が低下する。温度206において最低粘度207となり、この温度206以上で粘度が増加し、硬化が促進される。本実施の形態におけるエポキシ樹脂108では、温度206が約133℃である場合に最低粘度207は約1150pa・sとなる。
ここで、エポキシ樹脂108の流動は、このエポキシ樹脂108へ加えられる圧力と、エポキシ樹脂108の粘度(温度)によって決定づけられる。例えば本実施の形態のように圧力が40kg/cm2である場合、エポキシ樹脂108は、温度211で流動を開始する流動開始粘度212となる。つまり、エポキシ樹脂108は、常温から温度211までの温度領域213(第1の温度領域の一例として用いた)において板体状であり、流動はしない。本実施の形態のように圧力が40kg/cm2である場合には、流動開始粘度は24000pa・sであり、そのときの、温度211は約90℃である。
次に、この温度211を超えると、エポキシ樹脂108の粘度は、温度206で最低粘度207まで低下する。そこで強制流入工程122は、温度211と温度206との間の温度領域214(第2の温度範囲の一例として用いた)で行われる。
この強制流入工程122が完了すると、硬化工程123でエポキシ樹脂108を硬化するが、この硬化工程123においても40kg/cm2の圧力が印加されている。エポキシ樹脂108は、温度206以上の温度領域215(第3の温度範囲の一例として用いた)になると徐々に硬化を始め、温度216で流動性を失う流動開始粘度212となる。なお、本実施の形態の圧力において、エポキシ樹脂108が流動性を失う温度は、150℃であり、その粘度は24000pa・sである。
そして、硬化工程123では、エポキシ樹脂108を約200℃の温度まで上昇させて、60分間その温度で保持する。その後、プラテン151,152に挟んだままで、ヒータ160の温度を調節しながら、約1℃/分の割合で徐冷する徐冷工程を有している。
以上のように、軟化工程120での温度上昇に比べ、強制流入工程122での温度上昇を小さくするとともに、強制流入工程122での温度を温度211(流動開始粘度212)と温度206(最低粘度207)との間の温度とすることによって、規定の供給圧力においてエポキシ樹脂108が隙間156へ流れ込み可能となるようにする訳である。これにより、エポキシ樹脂108は圧力で強制的に流動し、孔142や隙間156がエポキシ樹脂108で確実に充填されることとなる。
ここで、プリプレグ141は、軟化工程120での温度上昇の傾斜によって最低粘度が変化するので、軟化工程120や強制流入工程122における温度設定は重要である。そこでまず、エポキシ樹脂が隙間156へ流動する動作と温度との関係について図面を用いて以下詳細に説明する。
図14は、本実施の形態1の強制流入工程における半導体素子105の要部拡大図であり、図15は本実施の形態の一体化工程118における特性図である。図14において、エポキシ樹脂108は、プラテン152の圧縮により、その先端部のエポキシ樹脂108aが隙間156へ流入する。このとき、空隙144に比べて隙間156は非常に小さく、エポキシ樹脂108aは、縮小管を通過する粘性流体と考えられる。従って、半導体素子105の角105bの近傍で渦221が発生し、圧力損失が発生する。
また、はんだバンプ102においては、縮小管の後に拡大管を通過する粘性流体として考えられ、縮小管と拡大管とを繰返し通過することとなるのであるから、はんだバンプ102を通過するエポキシ樹脂108も、大きな圧力損失が発生することとなる。
さらに、樹脂の強制流入は、温度211(流動開始粘度212)と温度206(最低粘度207)との間で行われるようにする訳であるので、エポキシ樹脂108の粘性は、約24000pa・sから1150pa・sにある。つまりこの温度領域214においてエポキシ樹脂108は、粘性流体である。従って、エポキシ樹脂108aと半導体素子105の下面105aとの間で摩擦が生じる。そこで、このように樹脂を狭い隙間156などへ強制的に流入させるためには、これらの圧力損失や摩擦抵抗によってエポキシ樹脂108aの流速が0とならないようにすることが必要である。従って、エポキシ樹脂108aの流速をできるだけ大きくするためには、出来る限り最低粘度207自身の粘度を小さくするとともに、出来る限り低い粘度でエポキシ樹脂108を隙間へ流し込むことが重要となる。
そこで、エポキシ樹脂108aの流速をできるだけ大きくするためには、強制流入工程122におけるエポキシ樹脂108は、できる限り最低粘度207(温度206)に近い粘度(温度)とすることが望ましい。ところが、圧力損失や摩擦によるエネルギー損失分は、熱エネルギーへ変換されるので、隙間156へ流れ込むエポキシ樹脂108aの温度は、強制流入工程122におけるエポキシ樹脂108の設定温度よりも高くなると考えられる。
ここで、エポキシ樹脂108は、温度206を超えると粘度が大きくなるので、隙間156へ流れ込むエポキシ樹脂108aの温度は、温度206(図14)以下の温度とすることが必要である。そこで、エポキシ樹脂108の硬化を防ぐために、強制流入工程122におけるプリプレグ141の温度(粘度)は、硬化を始める温度206(最低粘度207)に対し、隙間156流入での温度上昇以上に低い温度218(高い粘度)とする訳である。
また、エポキシ樹脂108aへ供給される圧力の大きさに比例して流入速度も大きくなる。そしてこの流入速度に比例して、エポキシ樹脂108aの温度上昇も大きくなる。従って、プラテン152の圧力は、摩擦熱により温度上昇したエポキシ樹脂108aの温度が、温度206を超えないような圧力としておくことも必要である。
なお、ここでは説明の便宜上半導体素子105が1個、抵抗が2個としているが、実際にはもっと多くの種類の部品がさらに数多く装着される。そのような場合、エポキシ樹脂108がそれぞれの隙間へ流入する時間のタイミングは異なる。これは、空隙143や空隙144の大きさや、ヒータ160の配置などに起因して発生するプリプレグ141内での温度ばらつきなどによるものと考えられる。
以上の理由により本実施の形態における強制流入工程122でのエポキシ樹脂108の温度は、温度206よりも隙間156への流入による温度上昇分以上に低くすることが必要である。また、隙間156の温度がエポキシ樹脂108の温度よりも低いような場所においても、強制流入工程122でのエポキシ樹脂108の温度が、隙間156の温度でエポキシ樹脂108の温度が低下しても温度211以下に下がらないようにしなければならない。
ではここで、本実施の形態における実際の一体化工程118での温度、圧力などについて図面を用いて説明する。図15(a)は、本実施の形態における時間と樹脂温度および粘度との関係図であり、図15(b)は圧力、図15(c)は真空度を示している。図15(a)、(b)、(c)において、横軸231は時間であり、図15(a)の第1縦軸232が温度、第2縦軸233が粘度を示す。また、図15(b)の縦軸234は圧力であり、図15(c)の縦軸235は真空度を示している。
図15(c)において、本実施の形態の真空化工程119では、時間236で真空度237とする。具体的には、時間236は約4分であり、真空度237は約37torrとしている。なお、このとき同時にプリプレグ141への圧力の供給を開始し、約1分で規定の40kg/cm2の圧力に達する。そしてさらに、ヒータ160の加熱も同時にスタートしておく。
図15(a)において特性曲線238はプリプレグ141の温度であり、特性曲線239はエポキシ樹脂108の粘度を示している。真空化工程119が完了した後の軟化工程120では、エポキシ樹脂108を供給圧力において流動可能な粘度248とすべく、温度240にまで上昇させる。なお本実施の形態における温度240は、約90℃である。そして温度上昇の傾斜を約4.5℃/分とすることで、開始より約15分で温度は温度240となり、粘度は粘度248にまで下げることができる。なお、本実施の形態において40kg/cm2の圧力でエポキシ樹脂108が流動を開始する粘度248は約24000pa・sである。
そして軟化工程120でエポキシ樹脂108を流動可能な粘度まで下げた後に強制流入工程122を行う。この強制流入工程122は、温度を温度241にまで上げることにより、圧力237でエポキシ樹脂108を隙間156へ流れ込ませる工程である。そしてそのために本実施の形態では、エポキシ樹脂108の温度を温度241にまで上げて約30分間その温度のままで維持する。なお強制流入工程122の温度241は約110℃としている。
このようにして、軟化工程120では出来る限り早く粘度248以下となるように素早く加熱し、強制流入工程122では、エポキシ樹脂108の温度を温度241で略一定に保つことによって、エポキシ樹脂108の負荷重合反応は進行し難くなり、長時間低い粘度を維持できることとなる。従って、粘度248を過ぎてから30分経過した時点においても、エポキシ樹脂108は粘度242以下の粘度で維持される。これにより強制流入工程122の圧力237によってエポキシ樹脂108を確りと隙間156へ流動させることができる。なお、本実施の形態において粘度242は、約3550pa・sである。
ここで、本実施の形態において最低粘度243は、約1160pa・sであり、このときのエポキシ樹脂108の温度244は、125℃である。つまり本実施の形態では、エポキシ樹脂108の摩擦熱による温度上昇分を考慮し、強制流入工程122は最低粘度243となる温度244に対して、約15度低い温度241で行っている。これにより隙間156へ流入するエポキシ樹脂の温度が硬化を開始する温度244を超えることが無いので、エポキシ樹脂108を確りと隙間156へ充填することが出来る。
次に強制流入工程122でエポキシ樹脂108の隙間156への充填が完了した後に、硬化工程123が行われる。この硬化工程123では、エポキシ樹脂108の温度を圧力237においてエポキシ樹脂108が流動を失う温度である温度245以上の温度にまで上昇させる。これによりエポキシ樹脂108は完全に流動しない状態となる。なお、本実施の形態において圧力237で流動性を失う粘度は、流動を開始する粘度248と略同じであるので、約24000pa・sである。そして加熱工程123ではエポキシ樹脂108の温度を200℃にまで上げ、約60分間維持して完全に硬化させる。
以上のような積層基板の製造法を用いることにより、半導体素子105や抵抗106と基板101との間の隙間156,157へエポキシ樹脂108を容易に流入させることができるので、中間材などを用いなくても半導体素子105や抵抗106と基板101との間にエポキシ樹脂108を確実に充填することができる。従って、予め半導体素子105や抵抗106などと基板101との間の隙間156,157に、中間材などを充填することなく、プリプレグ141と基板101との一体化工程118で同時に隙間156,157へエポキシ樹脂108を確実に充填することができる積層基板の製造方法を提供することができる。
また、中間材を別途注入する工程が必要なく、また中間材も不必要となるので、低価格な積層基板を実現できる。
さらに、強制流入工程122において狭い隙間156,157へ確りとエポキシ樹脂108を充填できる。従って、ボイドの発生もしにくくなり、信頼性の高い積層基板を実現することができる。
なお、プリプレグ141は熱硬化性樹脂であるので、一旦熱硬化された後は、たとえ再度加熱されても可塑状態には戻らない。従って、一旦樹脂108で封止された半導体素子105の固定は保持される。また、エポキシ樹脂108は略150℃の温度までは粘度はだんだん下がる。従って、このように樹脂108は、粘度が小さくなり、流動性が増して、狭い隙間にも十分に充填することができる。また、ガラス不織布にエポキシ樹脂が含浸されているので、軟化工程120や、強制流入工程122において、エポキシ樹脂108を流動させても、基板としての体裁を維持することができるので、寸法精度の良好な積層基板を実現することができる。
また、圧力237においてエポキシ樹脂108が流動性を失う温度245は、はんだ107の融点よりも低くすることが重要である。これは、硬化工程123の加熱によりはんだ107が溶ける前にエポキシ樹脂108が固まっているようにするためである。つまり、はんだ107が溶ける温度において、エポキシ樹脂108は、はんだ107の周りを覆った状態で固まっているので、たとえはんだ107が溶けてもはんだ107が流れ出さないので、信頼性が良好である。
なお本実施の形態における硬化工程123の温度246(図15)は、はんだ107の溶融点以下としている。つまり、はんだ107には硬化工程123の温度より溶融点の高い高温はんだを用いている。このようにすれば、硬化工程123の熱ではんだ107が溶けることがないので、さらに信頼性の高い配線基板が実現できる。
さらに、プリプレグ141には半導体素子105と抵抗106との間に空隙143を有する孔142が設けられているので、たとえ基板101から突出する電子部品が装着されていたとしても容易に遊挿することができ、組み立ては容易である。
また、この強制流入工程における温度は半導体素子105や抵抗106を接続固定するはんだが溶融しない程度に低い温度(150℃)で一体化するので、この一体化により接続固定が破壊されることはなく、半導体素子105と抵抗106は強固な接続固定を保つことができる。
更にまた、半導体素子105と抵抗106は基板101に装着されているので、この基板101の状態で検査をすることができ、積層基板完成後における良品率が向上する。
なお、本実施の形態においては、プリプレグ141を6枚用いたが、これは厚みの厚いプリプレグ1枚でも良い。その場合、積層工程116を短時間で行うことができるので、低価格な積層基板を得ることができる。
さらに、本実施の形態では強制流入工程122の温度は一旦温度241を超えるオーバーシュート部247(図15)を設けている。これにより、軟化工程120での温度上昇の傾斜を大きくすることができるので、素早くエポキシ樹脂108の粘度を下げることができる。したがって、強制流入工程122において長い時の間低い粘度を維持でき、エポキシ樹脂108の流動性が良くなる。
ここで、本実施の形態におけるオーバーシュート部247での最高温度は、115℃としている。なおこのオーバーシュート部247における最高温度は、供給圧力で硬化を開始する温度244(125℃)よりも低くしておくことが重要である。そして、このオーバーシュートは、出来る限りエポキシ樹脂108が隙間156へ流れ込むより前に収束させておくことが望ましい。つまり摩擦熱などでエポキシ樹脂108の温度が上昇しても、エポキシ樹脂108の温度が温度244を超えないようにするためである。そこで本実施の形態ではオーバーシュート部247において241を超えた時点から、温度がピークとなる時点までの時間を約7分としている。
(実施の形態2)
以下、本発明の実施の形態2について、図面を用いて説明する。図16は、本発明の実施の形態における積層基板の製造方法のフローチャートである。なお、図17から図19において、図1から図12と同じものは同じ番号とし、その説明は簡略化してある。実施の形態1においては、基板101上に6枚のプリプレグ141を積層したが、本実施の形態では、基板101上に厚さが約1mmのプリプレグを1枚積層するものである。
では、図16の工程の順序に従って、各工程の詳細を説明する。本実施の形態において、実施の形態1と同様に、基板101上に半導体素子105や抵抗106を装着し、リフロー工程115ではんだ付けする。300は、リフロー工程115の後に設けられ、プリプレグ(シートの一例として用いた)を基板101上に宙吊りする宙吊り工程であり、301は、宙吊り工程300の後に設けられた減圧・積層工程である。以下に、この宙吊り工程300と減圧・積層工程301について、図17、図18を用いて説明する。図17は、本実施の形態2における宙吊り工程における宙吊り手段の断面図であり、図18は同、減圧・積層工程における減圧・積層手段の断面図である。
まず、宙吊り工程300(図16)について説明する。図17において、密封容器311(密閉手段の一例として用いた)は、プラテン152(圧縮手段の一例として用いた)と、基板101の側面側を囲むガイド312と、このガイド312の上端部に設けられた傾斜部313とを有し、このガイド312の上方に開口部314を有する構成としている。このように構成された密封容器311のガイド312内へ基板101を挿入する。ここで、ガイド312と基板101との間の隙間は、片側で約0.5mmとし、このガイド312によって基板101が位置決めされる。
そして、この開口部314を覆うように、プリプレグ(シートの一例として用いた)302を載置する。このとき、プリプレグ302の幅315は、ガイド312の幅316よりも大きく、傾斜部313の開口寸法313aよりも小さな寸法としておく。このようにして、宙吊り工程300において、プリプレグ302は、傾斜部313によって宙吊り状態で保持されることとなる。そして、このプリプレグ302の上に銅箔145が積層される。つまり、本実施の形態において傾斜部313は、プリプレグ302と半導体素子105や抵抗106とが接触しないようにそれらの間に隙間を形成させるために、プリプレグ302を宙吊りする宙吊り手段となる。
なお、本実施の形態におけるプリプレグ302は、できる限り早く粘性を低下させることによって加熱を小さくし、少ないエネルギーで積層基板を製造できるようにするために、常温において粘性を有したエポキシ樹脂317を用いている。従って、プリプレグ302の端部302aが、傾斜部313に密着する。これによって、プラテン152、ガイド312、傾斜部313およびプリプレグ302とによって密封されることとなる。つまり、本実施の形態2においては、プリプレグ302自体が密封容器311の蓋を成すものである。
そして、真空化手段(図示せず)は、プリプレグ302によって蓋された状態で、ガイド312に設けた孔318から空気を吸引する。この減圧化によって密封容器311内が負圧となり、プリプレグ302は傾斜部313とガイド312に沿って下方へ移動する。本実施の形態2においては、孔318はガイド312の下端部の近傍に設けてある。なお、孔318は、減圧によって降下するプリプレグ面よりも下側に設けておくことが望ましい。これによって、孔318から空気を抜いてもプリプレグ302が吸引されず、確実に真空化することができる。
図18は、本実施の形態の減圧・積層工程における減圧積層手段の断面図である。図18に示すように、プリプレグ302は、半導体素子105上面や抵抗106の上面に接する状態で停止し、プリプレグ302が基板101上へ積層される。この状態において、プリプレグ302は、真空化による負圧がかかった状態で保持される。
これによって、半導体素子105や抵抗106とプリプレグ302との間に空気が入った気泡が残ることがない。従って、プリプレグ302と半導体素子105の上面105cや抵抗106の上面106aとの間での密着性を向上することができ、信頼性の高い積層基板を得ることができる。
図19は、一体化工程303における一体化手段の断面図である。図19において、303は、減圧・積層工程の後に設けられた一体化工程である。この一体化工程303では、上側プラテン321がプリプレグ302を加熱・圧縮・冷却することで、隙間156,157へもエポキシ樹脂317を充填するとともに、基板101とプリプレグ302とを一体化している。
この一体化工程303において、まず304は、減圧・積層工程301の後に設けられた軟化工程であり、この軟化工程304では、プラテン152と上側プラテン321に設けられたヒータ160を加熱し、プリプレグ302を流動可能な温度まで軟化させる。なお、本実施の形態2におけるプリプレグ302は、常温において略流動性を有する状態となっているものを用いているので、軟化工程における熱の供給を少なくできる。従って省エネルギーである。
そして、軟化工程304の後に設けた強制流入工程305において、実施の形態1と同様に、エポキシ樹脂317を流入する訳である。本実施の形態においても、流入による摩擦熱や圧力損失などによる温度上昇によって、隙間156,157へ流入するエポキシ樹脂317が、硬化を始める温度を超えないようにプラテン321を移動させることが重要である。これにより、エポキシ樹脂317の温度が約100℃の状態で、隙間156,157へ強制的に流入させるので、隙間156,157へ別途中間材を注入する必要はない。なお、本実施の形態2において、エポキシ樹脂317が硬化を始める温度は、約110℃から150℃であり、この110℃から150℃において約10分保持するとエポキシ樹脂317は付加荷重反応が始まるものを用いている。
ここで、プリプレグ302に孔を設けないので、本実施の形態において半導体素子105や抵抗106の周囲に形成される隙間331は、実施の形態1で形成される空隙143,144よりも大きくなる。そこで、本実施の形態における強制流入工程305の温度は100℃とすることで、確りと隙間331や隙間156,157へエポキシ樹脂317を充填できる。
306は強制流入工程305の後に設けられた硬化工程であり、この硬化工程306で150℃とすることでエポキシ樹脂317を完全に硬化させている。そして、硬化工程306で完全に硬化させた後、徐冷工程124で徐々に冷却し、その後に切断工程125で切断する。
そして、本実施の形態においても強制流入工程305での温度傾斜を、軟化工程304での温度上昇の傾斜よりも小さくすることが重要である。このようにすることで、素早くプリプレグ141の粘度が小さくなるとともに、その最小粘度の値を小さくできる。従って強制流入工程305において確りと樹脂を隙間へ流入させることができる。
また、一体化工程303の前に減圧・積層工程301を有しているので、半導体素子105や抵抗106とプリプレグ302との間に空気が入った気泡が残ることがない。従って、プリプレグ302と半導体素子105の上面105cや抵抗106の上面106aとの間での密着性を向上することができ、信頼性の高い積層基板を得ることができる。
また、実施の形態1のようにプリプレグ302には、予め半導体素子105や抵抗106に対応した孔を設けなくても良いので、実施の形態1における孔加工工程117が不要となる。従って、低価格な積層基板を得ることができる。
さらに、本実施の形態2においては、部品の高さに応じた孔が不要となるので、プリプレグ302は、1枚でも良い。従って、プリプレグ302を1枚積層すれば良いので、低価格な積層基板を得ることができる。
さらにまた、プリプレグ302は、傾斜部313の上に載せるだけで良いので、積層作業を非常に容易に行うことができる。従って低価格な積層基板を実現できる。
その上さらに、孔318はガイド312に設けてあるので、基板101とガイド312との間の隙間を小さくできる。従って、ガイド312は、基板101を精度良く位置決めするとともに、プリプレグ302が外側へ流出することを防止する。従って、エポキシ樹脂317は、隙間331や隙間156,157へ流れるので、ボイドなどの発生がなく、確りと隙間156,157へエポキシ樹脂317を充填することができる。
(実施の形態3)
本実施の形態は、実施の形態2の減圧・積層手段の他の例であり、実施の形態2における減圧・積層工程に置き換えて用いることが出来るものである。そして、本実施の形態における各工程は、実施の形態2と同じである。そこで本実施の形態3においては、減圧・積層工程の減圧・積層手段に関してのみ説明する。図20、図21は本実施の形態の減圧・積層工程における減圧・積層手段の断面図であり、図22は、同強制流入工程における積層基板の断面図である。なお、図20、図21、図22において、図17から図19と同じものは、同じ番号とし、その説明は簡略化している。
図20において、プラテン151,152と伸縮壁153とによって密封容器154(密封手段の一例として用いた)が形成される。そして、予め半導体素子105や抵抗106などの電子部品がリフローはんだ付けされた基板101が、プラテン152の所定位置に搭載される。
401は、プラテン151に設けられた支軸402へ回転自在に連結された保持爪である。この保持爪401は、バネ(図示せず)によって内側方向に向けて付勢されており、プリプレグ302を挟んで保持している。このとき、保持爪401とプラテン151は、プリプレグ302が基板101と対向する位置となるように保持する。そして、このプラテン151と保持爪401より成る宙吊り手段は、プリプレグ302と半導体素子105や抵抗106とが接触しないようにしている。これによって、プリプレグ302と半導体素子105や抵抗106との間に、隙間403が形成される。そして吸引機(図示せず)によって、孔155から空気を抜き、減圧・真空化することによって、密封容器154内が負圧となり、プラテン152が上昇する。
図21は、本実施の形態3の減圧・積層工程における減圧積層手段の断面図である。図21に示すように、真空化によってプリプレグ302は、半導体素子105上面や抵抗106の上面に接する状態で停止し、プリプレグ302が基板101上へ積層される。この状態において、プリプレグ302は、真空化による負圧が加わった状態で保持される。
これによって、半導体素子105や抵抗106とプリプレグ302との間に空気が入った気泡が残ることがない。従って、プリプレグ302と半導体素子105の上面105cや抵抗106の上面106aとの間での密着性を向上することができ、信頼性の高い積層基板を得ることができる。
図22は、一体化工程303における一体化手段の断面図である。図22に示したように一体化工程303では、上側プラテン321がプリプレグ302を加熱・圧縮・冷却することで、隙間156,157へもエポキシ樹脂317を充填するとともに、基板101とプリプレグ302とを一体化している。
なお、この場合保持爪401の先端401aがプラテン152へ当接する位置で停止する。つまり、この保持爪401は、実施の形態1におけるストッパ161としての役割も行っている。
本実施の形態において、保持爪401はプリプレグ302の全周を覆うように設けている。これによって、一体化工程303において、エポキシ樹脂317の流動時に保持爪401は、エポキシ樹脂317の外側への流出を阻止する。従って、エポキシ樹脂317は、隙間331や隙間156,157へ流れるので、ボイドなどの発生がなく、確りと隙間156,157へエポキシ樹脂317を充填することができる。また、プリプレグ302の外への流出を少なくできるので、その分プリプレグを小さくできる。従って、使用するプリプレグ302を少なくできるので低価格な積層基板を得ることができる。ここで、熱硬化性樹脂は、一般に一旦硬化させると再利用できない。従って、プリプレグ302の使用量を削減することは、環境的な側面においても非常に重要な点になる。
そして、一体化工程303が完了すると、保持爪401が外側(図22の矢印方向)へ回動し、プリプレグ302を開放する。これによって、プラテン151が上方向へ開放され、基板101が取り出せることとなる。
以上のように一体化工程303の前に減圧・積層工程301を有しているので、半導体素子105や抵抗106とプリプレグ302との間に空気が入った気泡が残ることがない。従って、プリプレグ302と半導体素子105の上面105cを抵抗106の上面106aとの間での密着性を向上することができ、信頼性の高い積層基板を得ることができる。
また、実施の形態1のようにプリプレグ302には、予め半導体素子105や抵抗106に対応した孔を設けなくても良いので、実施の形態1における孔加工工程117が不要となる。従って、低価格な積層基板を得ることができる。
さらに、本実施の形態3においては、部品の高さに応じた孔が不要となるので、プリプレグ302は、1枚でも良い。従って、プリプレグ302を1枚積層すれば良いので、低価格な積層基板を得ることができる。
さらにまた、プリプレグ302は、保持爪401内に挟み込むだけで良いので、積層作業を非常に容易に行うことができる。従って低価格な積層基板を実現できる。
なお、本実施の形態3においては、プリプレグ302を宙吊り状態としたが、これは基板101側を宙吊りしても良く、この場合においても同様の効果を奏することができる。