JP4644963B2 - 硬化性フラックス及び半田接合部 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体パッケージをプリント配線板に搭載する際の半田接続に関し、さらには半導体チップを半導体搭載用基板にフリップチップ半田接続により搭載する際の硬化性フラックスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の電子機器の高機能化並びに軽薄短小化の要求に伴い、電子部品の高密度集積化、さらには高密度実装化が進んできており、これらの電子機器に使用される半導体パッケージは、従来にも増して益々小型化かつ多ピン化が進んできている。
【０００３】
半導体パッケージはその小型化に伴って、従来のようなリードフレームを使用した形態のパッケージでは、小型化に限界がきているため、最近では回路基板上にチップを実装したものとして、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）や、ＣＳＰ（Ｃｈｉｐ Ｓｃａｌｅ Ｐａｃｋａｇｅ）といった、エリア実装型の新しいパッケージ方式が提案されている。これらの半導体パッケージにおいて、半導体チップの電極と、従来型半導体パッケージのリードフレームの機能とを有する、半導体搭載用基板と呼ばれるプラスチックやセラミックス等各種絶縁材料と、導体配線で構成される基板の端子との電気的接続方法として、ワイヤーボンディング方式やＴＡＢ（Ｔａｐｅ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｂｏｎｄｉｎｇ）方式、さらにはＦＣ（Ｆｒｉｐ Ｃｈｉｐ）方式などが知られているが、最近では、半導体パッケージの小型化に有利な、ＦＣ接続方式を用いたＢＧＡやＣＳＰの構造が盛んに提案されている。
【０００４】
ＢＧＡやＣＳＰのプリント配線板への実装には、半田ボールで形成されたバンプによる、半田接合が採用されている。この半田接合には、フラックスが用いられ、ソルダーペーストが併用されることもある。特に半田ボールが使用される理由は、半田供給量を制御し易く、多量の半田を供給できるので、バンプが高くできるためである。また、ＢＧＡやＣＳＰの作製工程における、半導体チップの電極と半導体搭載用基板の端子との電気的接続方法にも、半田接合が使われる場合が多い。
【０００５】
一般に、半田接合のためには、半田表面と対する電極の、金属表面の酸化物などの汚れを除去すると共に、半田接合時の金属表面の再酸化を防止して、半田の表面張力を低下させ、金属表面に溶融半田が濡れ易くする、半田付け用フラックスが使用される。このフラックスとしては、ロジンなどの熱可塑性樹脂系フラックスに、酸化膜を除去する活性剤等を加えたフラックスが用いられている。
【０００６】
しかしながら、接合後にこのフラックスが残存していると、高温、多湿時に熱可塑性樹脂が溶融し、活性剤中の活性イオンも遊離するなど、電気絶縁性の低下やプリント配線の腐食などの問題が生じる。そのため現在は、半田接合後の残存フラックスを洗浄除去し、上記のような問題を解決しているが、洗浄剤の環境問題や、洗浄工程によるコストアップなどの欠点がある。
【０００７】
また、半導体パッケージの小型化かつ多ピン化は、バンプの微細化を促し、接合強度、信頼性の低下が懸念されている。そこで、バンプ接続部分の信頼性を得るため、チップと基板との間隙に、アンダーフィルと呼ばれる絶縁樹脂を充填して、バンプ接続部分を封止、補強する検討も盛んである。しかし、これには技術的難易度の高いアンダーフィルを充填し、硬化させる工程が必要となるため、製造工程が複雑で製造コストが高くなる問題がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、半導体パッケージの搭載時における、半田接合のこのような現状の問題点に鑑み、半田接合後の残存フラックスの洗浄除去が必要なく、高温、多湿雰囲気でも電気絶縁性を保持し、接合強度、信頼性の高い半田接合を可能とし、更には半田接合時の熱安定性に優れた硬化性フラックス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】
即ち本発明は、フラックス作用を有する結晶性のフェノールフタリン（Ａ）と、前記結晶性のフェノールフタリン（Ａ）の硬化剤として作用する樹脂（Ｂ）とを必須成分とし、前記結晶性のフェノールフタリン（Ａ）が再結晶法により精製・微粉化されたものであり、且つ微分散して存在してなることを特徴とする半田接合用の硬化性フラックスである。
【００１０】
更には、前記半田接合用の硬化性フラックスにより半田接合した半田接合部が、前記半田接合用の硬化性フラックスを加熱硬化されたフラックス樹脂により補強されてなることを特徴とする半田接合部である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明は、フラックス作用を有する結晶性の化合物（Ａ）と、その硬化剤として作用する樹脂（Ｂ）とを必須成分とする硬化性フラックスである。
【００１２】
本発明に用いるフラックス作用を有する結晶性の化合物（Ａ）は、その還元作用により、半田および金属表面の酸化物などの汚れを除去し、半田接合のフラックスとして作用するものである。
【００１３】
更に、本発明の硬化性フラックスを用いて接合された半田接合部は、結晶性の化合物（Ａ）と硬化剤として作用する樹脂（Ｂ）が硬化反応することで得られる樹脂硬化物により十分に補強されるため、接合強度、信頼性の高い半田接合が可能となる。
【００１４】
本発明に用いる、フラックス作用を有する結晶性の化合物（Ａ）としては、フェノール性水酸基、あるいは、カルボキシル基を有する化合物が挙げられ、例えば、フェノールフタリン、ジヒドロキシ安息香酸などが挙げられる。これらの内、好ましくは、フェノール性水酸基を有する結晶化合物が挙げられる。
【００１５】
前記化合物（Ａ）は、半田接合時の温度領域では、還元剤として働き、半田及び金属表面の酸化物などの汚れを除去して、半田接合のフラックスとして作用する。さらに、その硬化剤として作用する樹脂（Ｂ）により、半田接合温度付近、もしくは、それ以上の温度で良好な硬化物を形成するため、半田接合後の洗浄除去が必要なく、高温、多湿雰囲気でも電気絶縁性を保持できる。
【００１６】
化合物（Ａ）を精製・微粉化する方法としては、適当な溶剤を用いて再結晶させることで、精製・微紛化が同時に可能となる。その例を挙げると、まず、化合物（Ａ）を溶解性の高い溶剤に完全に溶解させ、溶解飽和状態にする。この溶液を、化合物（Ａ）がほとんど溶解しない溶剤に投入し、一気に結晶化させることで、微粒子状の化合物（Ａ）を析出させることができる。
【００１７】
このとき使用する溶剤は、比較的極性の高い溶剤が好ましい。例えば、メタノール、エタノール、アセトン、メチルエチルケトン、イソプロピルアルコール、テトラヒドロフラン、エチルセロソルブ、トルエン、シクロヘキサノン、キシレン、酢酸エチル、ジオキサン、ジエチルエーテル、ベンゼン等が挙げられるが、化合物（Ａ）の溶解性が高ければ、何ら制約するところはない。化合物（Ａ）がほとんど溶解しない溶剤としては、極性が低く、さらに、沸点が１５０℃以下の溶剤が好ましい。沸点が１５０℃以上であると、再結晶化した化合物（Ａ）の微粉末を吸引濾過した後、真空乾燥して溶剤を留去するときに非常に時間がかかるか、あるいはそのまま残ってしまう恐れがある。例えば、ペンタン、ヘキサン、シクロヘキサン、ヘプタン、オクタン等が挙げられるが、化合物（Ａ）の溶解性が低い溶剤であれば特に制限するところはない。
【００１８】
本発明は、硬化性フラックス中に、再結晶法により微粉末化された化合物（Ａ）を微結晶状態で分散して存在していることを特徴とする。微結晶状態で分散させることで、溶解した状態に比べて硬化剤との反応性を押さえられるため、熱安定性が飛躍的に向上する。結晶性の化合物（Ａ）の溶解温度は、半田リフロー時の予熱温度よりも高く場合、ピーク温度よりも低いことが望ましい。溶解温度が、半田リフロー時の予熱温度よりも低いと、予熱ゾーンで化合物（Ａ）と硬化剤との反応が進み、十分な流動性が得られなくなり、安定した半田接合性が確保できない場合がある。また、溶解温度が、リフロー時のピーク温度よりも高いと、結晶性の化合物（Ａ）が溶解しない場合があるため、十分なフラックス作用が得られず、安定した半田接合が達成されない恐れがある。但し、化合物（Ａ）が予熱温度以下で融解しても、予熱温度における反応性が十分低く、半田接合を阻害することがなければ何ら制約するところはない。
【００１９】
更に、その硬化剤として作用する樹脂（Ｂ）により、良好な硬化物を得ることができるため、半田接合後の洗浄除去が必要なく、高温、多湿雰囲気でも電気絶縁性を保持し、接合強度、信頼性の高い半田接合を可能とする。
【００２０】
フラックス作用を有する結晶性の化合物（Ａ）の、硬化剤として作用する樹脂（Ｂ）としては、エポキシ樹脂やイソシアネート樹脂などが用いられる。具体的にはいずれも、ビスフェノール系、フェノールノボラック系、アルキルフェノールノボラック系、ビフェノール系、ナフトール系やレソルシノール系などのフェノールベースのものや、脂肪族、環状脂肪族や不飽和脂肪族などの骨格をベースとして変性されたエポキシ化合物やイソシアネート化合物が挙げられる。これらは単独で使用しても２種以上を併用しても良い。
【００２１】
硬化剤として作用する樹脂（Ｂ）の配合量は、エポキシ基当量またはイアネート基当量が、化合物（Ａ）のフェノール性水酸基当量、あるいはカルボキシル基当量の０．５倍以上、１．５倍以下が好ましい。０．５倍未満であると、十分な硬化物が得られず、補強効果が小さくなり接合強度と信頼性が低下する。また、１．５倍より多いと、半田および金属表面の酸化物などの汚れを除去する作用が低下し、半田接合できなくなってしまう恐れがある。
【００２２】
また、本発明の硬化性フラックスには、上記成分以外に、硬化を促進するため、公知の硬化触媒を用いることができる。具体的には、２−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、ビス（２−エチル−４−メチル−イミダゾール）、２−フェニル−４−メチル−５−ヒドロキシメチルイミダゾール、２−フェニル−４，５−ジヒドロキシメチルイミダゾール、２−エチル−４−メチルイミダゾール、２−ウンデシルイミダゾール、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−フェニルイミダゾール、１−シアノエチル−２−エチル−４−メチルイミダゾール、１−アミノエチル−２−メチルイミダゾール、１−（シアノエチルアミノエチル）−２−メチルイミダゾール、１−シアノエチル−２−フェニル−４，５−ビス（シアノエトキシメチルイミダゾール）あるいはトリアジン付加型イミダゾール等が挙げられ、これらをエポキシアダクト化したものやマイクロカプセル化したものも使用できる。これらは単独で使用しても２種以上を併用しても良い。
更には、密着性や耐湿性を向上させるためのシランカップリング剤、ボイドを防止するための消泡剤、あるいは液状又は粉末の難燃剤等を添加することもできる。
【００２３】
本発明の硬化性フラックスは、前記成分を溶媒に溶解し混合して、硬化性フラックスのワニスとして、用いることができる。これに用いる溶媒としては、例えば、エチレングリコール等のアルコール系、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、メチルイソブチルケトン等のケトン系、エチルセルソルブ等のセルソルブ系、Ｎ−メチル−２−ピロリドン等のアミド系、酢酸エチル等のエステル系、テトラヒドロフラン等のエーテル系、トルエン等の芳香族系等が挙げられる。
【００２４】
本発明の硬化性フラックスは、前記のような配合とすることにより、溶融粘度、酸化物除去性と硬化性のバランスが採れ、半田接合時に、半田接合のフラックスとして作用し、同時に半田接合部周辺にメニスカスを形成して、更に加熱硬化して、該半田接合部をリング状に補強する形で硬化するため、従来のフラックスによる半田接合と比較して、接合強度と信頼性を大幅に向上させることができる。
【００２５】
本発明に用いる化合物（Ａ）は、再結晶法で微粉化されているため、粗大粒子が残存することがなく、フラックスの塗膜を形成する場合においても、残存する粗大粒子が起因で発生する、塗面の異常が少なくなる。機械的な粉砕による微粉化では、完全に粉砕されない粒子が残存し、粉砕後にふるいにかけて粒径をコントロールする場合があるが、この再結晶法では、２０μｍ以下のほぼ均一な微粉が得られるためその必要がない。
【００２６】
本発明の硬化性フラックスをソルダーレジストが形成された半導体パッケージに用いる場合は、機械的、電気的に接続するための半田ボールが搭載されるランド部分に、予め所定量の硬化性フラックスを塗布し、半田ボールをランド部の硬化性フラックス上に搭載する方法や、半田ボールに所定量の硬化性フラックス転写し、硬化性フラックスが転写した半田ボールをランド部に搭載する方法などがある。
【００２７】
また、半導体パッケージの半田ボールが搭載される面の回路パターン上全面に、スクリーン印刷やスピンコートなどの方法により硬化性フラックスを塗布し、乾燥させた後、該回路パターンの半田ボール搭載用のランド上に半田ボールを載せても良い。その後、半田リフローによって半田ボールをランド部に半田接合させると同時に、半田接合部周辺にメニスカスを形成させた後、さらに加熱により硬化性フラックスを硬化して、該半田接合部に樹脂補強を施すことができる。
【００２８】
【実施例】
以下、実施例により、更に具体的に説明するが、本発明はこれによって何ら限定されるものではない。
【００２９】
実施例１．
フェノールフタリン（東京化成(株)製）１５０ｇを、アセトン７５０ｇ中に入れ撹拌し、完全に溶解させた。この溶液をヘキサン７５０ｇ中に入れて撹拌し、フェノールフタタリンの微結晶を生成させ、吸引濾過、真空乾燥させて、フェノールフタリンの微粉（平均粒径１５μｍ、１００μｍ以上の粗粒０．１％以下）を１４９ｇ得た。
上記で微粉化したフェノールフタリン１００ｇをビスフェノールＦ型エポキシ（日本化薬(株)製、ＲＥ−４０４Ｓ、エポキシ当量１６５）１４０ｇと３本ロールで混練し、さらにシクロヘキサノン６０ｇ、硬化触媒として２−フェニル−４，５−ジヒドロキシメチルイミダゾール０．２ｇを添加し、硬化性フラックスワニスを作製した。
【００３０】
銅板（古河電気工業(株)製、商品名ＥＦＴＥＣ６４Ｔ）上に、上記で得られた硬化性フラックスワニスを、それぞれ１００μｍ塗布し、硬化性フラックス膜を形成した。このフラックス膜にスジ、ムラ、凝集、異物の発生の有無を目視で確認して塗膜安定性の試験を行った。スジ、ムラ、凝集が全くないものを○、１ヶ所でも発生するものを×とした。
【００３１】
厚さ１２５μｍの銅板（古河電気工業(株)製、商品名ＥＦＴＥＣ６４Ｔ）を用いて、ランド径３００μｍ、ランドピッチ０．８ｍｍを含む評価用回路を形成し、そのリードフレームを半導体封止材（住友ベークライト(株)製、商品名ＥＭＥ−７３７２）で、モールド封止した後、片面から研磨して、前記の評価用回路を露出させ、２０ｍｍ角の評価用パッケージを作製した。研磨の仕上げには、ＪＩＳ−Ｒ６２５２に規定された、耐水研磨紙１０００番を使用した。これをイソプロピルアルコールで洗浄した後、８０℃で３０分乾燥して、半田接合評価用パッケージとした。
半田接合評価用パッケージの半田ボール搭載面上に、上記で得られた硬化性フラックスワニスを、それぞれ５０μｍ厚で塗布し、硬化性フラックス膜を形成した。前記塗膜を形成した評価用パッケージ回路のランド上に、５００μｍ径の半田ボール（Ｓｎ−Ｐｂ系共晶半田、千住金属鉱業（株）製）を搭載し、ピーク温度２４０℃に設定されたリフロー炉を通して、半田ボールを半田接合評価用パッケージのランドに接合させた。そのときの半田接合安定性を導通抵抗ミリオームメータ（アジレント・テクノロジー社製）により、１０個の評価用パッケージ（８００個の半田ボール）について半田接合安定性を評価した。半田ボールと評価用パッケージ回路との導通抵抗が、全て５ｍΩ以下の場合を○、半田ボールと評価用パッケージ回路との導通抵抗が５ｍΩより大きいものがあった場合を△、接合不良の半田ボールがあったものを×とした。
【００３２】
比較例１．
再結晶により微粉末化したフェノールフタリン１００ｇに代えて、平均粒径が１５０μｍのフェノールフタリン１００ｇを用いた以外は、実施例１と同様にして、硬化性フラックスワニスを作製した。得られた硬化性フラックスワニスを用いて、実施例１と同様にして、塗膜安定性と、半田接合安定性を評価した。
【００３３】
比較例２．
再結晶により微粉末化したフェノールフタリン１００ｇに代えて、乳鉢で粉砕した平均粒径が１５μｍのフェノールフタリン（１００μｍ以上の粗粒０．５％）１００ｇを用いた以外は、実施例１と同様にして、硬化性フラックスワニスを作製した。得られた硬化性フラックスワニスを用いて、実施例１と同様にして、塗膜安定性と、半田接合安定性を評価した。
【００３４】
【表１】

【００３５】
表１に示した評価結果から分かるように、本発明の再結晶法により微粉化されたフラックス作用を有する結晶性化合物を用いた硬化性フラックスの場合、フラックスの塗布工程における塗膜安定性が向上し、塗布量にバラツキを抑えることが可能であることを示している。また、半田接合部の接合安定性も良好である。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の硬化性フラックスは、半田接合後の残存フラックスの洗浄除去が必要なく、半田接合時の熱安定性に優れ、高温、多湿雰囲気でも電気絶縁性を保持し、接合強度、信頼性の高い半田接合部を得ることができる。

Claims (2)

1. フラックス作用を有する結晶性のフェノールフタリン（Ａ）と、前記結晶性のフェノールフタリン（Ａ）の硬化剤として作用する樹脂（Ｂ）とを必須成分とし、前記結晶性のフェノールフタリン（Ａ）が再結晶法により精製・微粉化されたものであり、且つ微分散して存在してなることを特徴とする半田接合用の硬化性フラックス。
2. 請求項１に記載の半田接合用の硬化性フラックスにより半田接合した半田接合部が、前記半田接合用の硬化性フラックスを加熱硬化されたフラックス樹脂により補強されてなることを特徴とする半田接合部。