JP6226424B2 - 接合材料、及び電子部品の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、接合材料、及び電子装置の製造方法に関し、より詳しくは2つ以上の電極を有する複数の電子部品の電極同士を接合するのに適した接合材料、及びこの接合材料を使用して電子装置を製造する電子装置の製造方法に関する。
チップ型電子部品の基板への表面実装のように異なる電子部品の電極同士を接合する手法として、はんだ付け方法が広く使用されている。
そして、接合材料としては、従来より、はんだ、熱硬化性樹脂、及び活性剤等を含有したはんだペーストが知られている。
例えば、特許文献1には、錫−ビスマス系のはんだよりなるはんだ粒子と、前記はんだの融点よりも高い温度で硬化する熱硬化性樹脂と、はんだ付け時の熱で活性化して前記はんだ表面の酸化膜を除去する活性剤を含むはんだペーストであって、前記活性剤が、前記はんだの融点以上の温度で活性化するようにしたはんだペーストが提案されている。
図4は、特許文献1に記載されたはんだ付け方法を説明する断面図であって、チップ型電子部品101がプリント基板102上に表面実装されている。すなわち、このチップ型電子部品101は、部品素体103の両端に外部電極104a、104bが形成されている。一方、プリント基板102は、前記外部電極104a、104bと対応するように、表面に一対のランド電極105a、105bが形成されている。そして、接合材料には、はんだ、熱硬化性樹脂及び活性剤を含有したはんだペーストが使用され、ランド電極105a、105bと外部電極104a、104bとははんだ106a、106bを介して接合されている。
すなわち、はんだ粒子が溶融する前に熱硬化性樹脂が硬化を開始すると、溶融したはんだが、熱硬化性樹脂中を十分に流動することができなくなり、その結果、はんだ粒子同士の接合がなされなかったり、はんだと電極とが接合されなくなり、電子部品同士の電気的接続性を損なうおそれがある。さらに、活性剤は、熱硬化性樹脂が硬化して流動性を失わないうちに溶融させ、はんだ粒子の表面と接触させる必要がある。
そこで、特許文献1では、熱硬化性樹脂の硬化温度がはんだ粒子の融点や活性剤の活性温度よりも高いはんだペーストを使用することにより、溶融したはんだ106a、106bを熱硬化性樹脂107a、107b中で十分に流動させ、かつ、活性剤をはんだ粒子に接触させることにより、活性剤とはんだ粒子とははんだ粒子の表面で酸化還元反応を生じ、これによりはんだ粒子表面の酸化皮膜を除去している。
また、特許文献1では、活性剤の活性温度をはんだ粒子の融点以上とし、これにより熱硬化性樹脂107a、107bの硬化作用を遅延させている。すなわち、熱硬化性樹脂107a、107bの硬化剤としても作用する活性剤の活性温度を高くすることで、熱硬化性樹脂107a、107bの硬化作用を遅延させることにより、溶融したはんだ106a、106bの流動を熱硬化性樹脂107a、107bによって阻止されないようにし、これによりセルフアライメントが低下するのを防止しようとしている。
特開2006−150413号公報(請求項1、段落番号〔0013〕、〔0031〕、図1等)
しかしながら、特許文献1では、熱硬化性樹脂107a、107bの硬化温度を活性剤の活性温度やはんだ106a、106bの融点よりも高くし、はんだ106a、106bの流動性を確保しようとしているものの、熱硬化性樹脂107a、107bの粘度が高い場合は、溶融したはんだ106a、106bを熱硬化性樹脂107a、107b中で十分に流動させるのが困難となる。すなわち、熱硬化性樹脂107a、107bの粘度が高く、該熱硬化性樹脂107a、107bが十分な流動性を有さない場合は、該樹脂中でのはんだの流動性も劣ることから、はんだ粒子同士やはんだ粒子と外部電極104a、104b及び/又はランド電極105a、105bとの接合性を十分に確保することができず、電気的接続性の信頼性を損なうおそれがある。
また、特許文献1では、基板102、部品素体103の下面、及び熱硬化性樹脂107a、107bによって囲まれる部分に空隙108が形成されることから、機械的強度、及び電気的接続性等の信頼性に劣るおそれがある。
上述のような空隙108が存在すると、使用時に一定のヒートサイクルが負荷された場合にチップ型電子部品101や基板102等の熱膨張率の相違から、プリント基板102には歪みが生じやすい。そして、このような歪みが繰り返し続くと、はんだ106a、106bの内部やはんだ106a、106aと外部電極104a、104b及び/又ランド電極105a、105bとの間で剥離やクラック等の構造欠陥が生じるおそれがあり、十分な機械的強度を確保できなくなり、また電気的接続性の信頼性を損なうおそれがある。
さらに、高温多湿下で長時間晒された場合は、はんだ106a、106bの近辺で水分を吸収してしまい、このため絶縁性の劣化等を招き、信頼性の低下を招くおそれがある。
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであって、電子部品の電極同士を接合させても機械的強度が良好で電気的接続性や絶縁性の信頼性が良好な電子装置の実現に適した接合材料、及びこの接合材料を使用した電子装置の製造方法を提供することを目的とする。
電子部品の電極同士を接合して電子装置を作製する場合、特許文献1のようにはんだ粒子、熱硬化性樹脂、及び活性剤を含有した接合材料が広く使用されている。この場合、〔背景技術〕の項でも述べたように、熱硬化性樹脂の硬化温度は、はんだ粒子の融点や活性剤の活性温度よりも高いのが望ましい。
本発明者らは、このような前提下、鋭意研究を行なったところ、はんだ粒子の融点において、該はんだ粒子を除くその他の含有成分の粘度を0.57Pa・s以下に抑制し、かつ活性剤の活性温度がはんだ粒子の融点よりも低い場合であっても50℃を超えて低くならないように接合材料を調製したところ、活性剤の活性作用(還元作用)を損なうことなく、熱硬化性樹脂を良好に流動させることができ、これにより機械的強度が良好で電気的接続性や絶縁性の信頼性が良好な電子装置を実現することが可能であるという知見を得た。
本発明はこのような知見に基づきなされたものであって、本発明に係る接合材料は、少なくとも第1の温度T1を融点とするはんだ粒子と、前記第1の温度T1よりも高い第2の温度T2で硬化を開始する熱硬化性樹脂と、前記第2の温度T2よりも低い第3の温度T3で活性化し、前記はんだ粒子の表面に形成された酸化皮膜を除去する活性剤とを含有し、前記第1の温度T1における前記はんだ粒子を除いた含有成分の粘度が0.57Pa・s以下であり、かつ、前記第1の温度T1及び前記第3の温度T3が、T1−T3<50を満足することを特徴としている。
これにより熱硬化性樹脂が硬化する前にはんだ粒子や活性剤が十分に流動し、熱硬化性樹脂が硬化する際には、溶融したはんだ粒子は、酸化皮膜が介在することなく、熱硬化性樹脂中を流動する他のはんだ粒子や電極と強固に接合する。また、熱硬化性樹脂の流動性が良好であることから、一の電子部品の電極上に接合材料を塗布するだけで、熱硬化性樹脂は電極接合部間に形成される間隙に流動して該間隙への充填が可能となり、電子装置の機械的強度の向上に寄与することができる。さらに一の電子部品の電極を含む表面上に接合材料を塗布した場合であっても、熱硬化性樹脂の流動作用と活性剤の活性作用とはんだ粒子の電極への濡れ作用とが相俟ってはんだ粒子は電極側に移動する。したがって、電極接合部でははんだ粒子同士、はんだ粒子と電極が強固に接合する一方、電極接合部間には熱硬化性樹脂のみが残存し、電子装置の機械的強度の向上絶縁性の信頼性向上に寄与することができる。
また、本発明の接合材料は、前記はんだ粒子は、主成分がSn−Bi系合金で形成されているのが好ましい。
さらに、本発明の接合材料は、前記はんだ粒子の含有量が、体積比率で50体積%以下であるのが好ましい。
これにより印刷性を損なうことなく、機械的強度の良好な電子装置を得ることが可能となる。
また、本発明の接合材料は、前記はんだ粒子の含有量が、体積比率で10体積%以上であるのが好ましい。
これにより電気特性を損なうことなく、機械的強度の良好な電子装置を得ることが可能になる。
さらに、本発明の接合材料は、前記はんだ粒子の含有量が、体積比率で15体積%以上であるのが好ましい。
これにより接合材料を一の電子部品の電極を含む表面上に塗布した場合であってもはんだ粒子を効率的に電極接合部に流動させることができる。
また、本発明に係る電子装置の製造方法は、2つ以上の電極が形成された複数の電子部品を有し、前記複数の電子部品のうちの一の電子部品と他の電子部品とを電気的に接続する電子装置の製造方法であって、上述したいずれかに記載の接合材料を前記一の電子部品の電極上に塗布した後、前記接合材料上に前記他の電子部品の電極を配し、加熱処理を行なって前記接合材料に含まれるはんだ粒子を溶融させると共に、前記接合材料に含まれる活性剤を活性化させて前記はんだ粒子の表面に形成された酸化皮膜を除去し、前記一の電子部品の電極と前記他の電子部品の電極とを前記溶融したはんだ粒子を介して接合させ、2つ以上の互いに電気的に絶縁された電極接合部を形成する一方、前記接合材料に含まれる熱硬化性樹脂を流動させ、前記電極接合部間に形成される間隙を前記熱硬化性樹脂で充填することを特徴としている。
これにより金属内部や金属と電極との間で剥離やクラック等の構造欠陥が抑制され、機械的強度や電気的接続性及び絶縁性の信頼性が向上した電子装置を得ることができる。
さらに、本発明に係る電子装置の製造方法は、2つ以上の電極を有する複数の電子部品を有し、一の電子部品と他の電子部品とを電気的に接続する電子装置の製造方法であって、上述したいずれかに記載の接合材料を前記一の電子部品の電極を含む表面上に塗布した後、前記接合材料上に前記他の電子部品を配し、加熱処理を行なって前記接合材料に含まれるはんだ粒子を溶融させると共に、前記接合材料に含まれる活性剤を活性化させて前記はんだ粒子の表面に形成された酸化皮膜を除去し、前記溶融したはんだ粒子を前記一の電子部品の電極と前記他の電子部品の電極との間に移動させて前記電極間を接合し、2つ以上の互いに電気的に絶縁された電極接合部を形成し、前記電極接合部間を前記接合材料に含まれる熱硬化性樹脂で充填することを特徴としている。
これにより短絡等が生じることもなく電気的接続性や絶縁性の良好な電子装置を得ることができる。
本発明の接合材料によれば、少なくとも第1の温度T1を融点とするはんだ粒子と、前記第1の温度T1よりも高い第2の温度T2で硬化を開始する熱硬化性樹脂と、前記第2の温度T2よりも低い第3の温度T3で活性化し、前記はんだ粒子の表面に形成された酸化皮膜を除去する活性剤とを含有し、前記第1の温度T1における前記はんだ粒子を除いた含有成分の粘度が0.57Pa・s以下であり、かつ、前記第1の温度T1及び前記第3の温度T3が、T1−T3<50を満足するので、熱硬化性樹脂が硬化する前にはんだ粒子や活性剤が十分に流動し、熱硬化性樹脂が硬化する際には、溶融したはんだ粒子は、酸化皮膜が介在することなく、熱硬化性樹脂中を流動する他のはんだ粒子や電極と強固に接合する。また、熱硬化性樹脂の流動性が良好であることから、一の電子部品の電極上に接合材料を塗布するだけで、熱硬化性樹脂は電極接合部間に形成される間隙に流動して該間隙への充填が可能となり、電子装置の機械的強度の向上に寄与することができる。さらに一の電子部品の電極を含む表面上に接合材料を塗布した場合であっても、熱硬化性樹脂の流動作用と活性剤の活性作用とはんだ粒子の電極への濡れ作用とが相俟ってはんだ粒子は電極側に移動する。したがって、電極接合部でははんだ粒子同士、はんだ粒子と電極が強固に接合する一方、電極接合部間には熱硬化性樹脂のみが残存し、電子装置の機械的強度の向上絶縁性の信頼性向上に寄与することができる。
また、本発明の電子装置の製造方法によれば、上述したいずれかに記載の接合材料を前記一の電子部品の電極上に塗布した後、前記接合材料上に前記他の電子部品の電極を配し、加熱処理を行なって前記接合材料に含まれるはんだ粒子を溶融させると共に、前記接合材料に含まれる活性剤を活性化させて前記はんだ粒子の表面に形成された酸化皮膜を除去し、前記一の電子部品の電極と前記他の電子部品の電極とを前記溶融したはんだ粒子を介して接合させ、2つ以上の互いに電気的に絶縁された電極接合部を形成する一方、前記接合材料に含まれる熱硬化性樹脂を流動させ、前記電極接合部間に形成される間隙を前記熱硬化性樹脂で充填するので、一の電子部品の電極上にのみ接合材料を塗布した場合であっても、接合材料の流動性が良好であることから、電極間はんだを介して強固に接合される。そして、熱硬化性樹脂は電極接合部間の間隙に流動して該間隙に充填されるので、使用時に一定のヒートサイクルが負荷された場合であっても、電子部品に歪み等が生じるのを抑制でき、金属同士の接合状態や金属と電極との接合状態を強固に維持できる。すなわち、金属内部や金属と電極との間で剥離やクラック等の構造欠陥が抑制され、機械的強度や電気的接続性及び絶縁性の信頼性が向上した電子装置を得ることができる。
また、本発明の電子装置の製造方法によれば、上述したいずれかに記載の接合材料を前記一の電子部品の電極を含む表面上に塗布した後、前記接合材料上に前記他の電子部品を配し、加熱処理を行なって前記接合材料に含まれるはんだ粒子を溶融させると共に、前記接合材料に含まれる活性剤を活性化させて前記はんだ粒子の表面に形成された酸化皮膜を除去し、前記溶融したはんだ粒子を前記一の電子部品の電極と前記他の電子部品の電極との間に移動させて前記電極間を接合し、2つ以上の互いに電気的に絶縁された電極接合部を形成し、前記電極接合部間を前記接合材料に含まれる熱硬化性樹脂で充填するので、接合材料の流動性が良好であり、また活性剤の作用によりはんだ粒子が容易に電極に接合することから、前記間隙にはんだボールが残存することもない。したがって、短絡等が生じることもなく電気的接続性や絶縁性の良好な電子装置を得ることができる。
特に、はんだ粒子としてSn−Bi系合金を使用した場合は、Sn−Bi系合金はヤング率が小さく,溶融した際の体積膨張率が小さいことから、溶融した金属が電極接合部間に吹き出すこともなく、したがって短絡やヒートサイクルに起因したクラック等の発生を抑制することができる。
本発明に係る電子装置の一実施の形態を示す断面図である。 本発明に係る電子装置の製造方法の第1の実施の形態を説明するための断面図である。 本発明に係る電子装置の製造方法の第2の実施の形態を説明するための断面図である。 特許文献1に記載された従来の電子装置の断面図である。
次に、本発明の実施の形態を詳説する。
図1は、本発明に係る電子装置の一実施の形態を示す断面図である。
この電子装置は、ランド電極1a、1bが形成されたプリント基板2(電子部品)と、部品素体3の両端に一対の外部電極4a、4bが形成されたチップ型電子部品5(電子部品)とがはんだ6を介して接合され、互いに電気的に絶縁された電極接合部7a、7bが形成されている。そして、電極接合部7a、7bの周囲が熱硬化性樹脂8で被覆されると共に、電極接合部7aと電極接合部7bとの間隙、すなわちプリント基板2上の電極非形成部と部品素体3との間には前記熱硬化性樹脂8が充填されている。
ここで、プリント基板2に使用される基板材料としては、特に限定されるものではなく、ガラスエポキシ、ベークライト等、任意の材料を使用することができる。
また、ランド電極1a、1bを形成する電極材料も特に限定されるものではなく、Ag、Cu,Ni等の任意の導電性材料を使用することができ、表面にAu皮膜等をめっき形成したものを使用してもよい。
また、チップ型電子部品5も、表面実装できるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、抵抗体、積層セラミックコンデンサ、圧電部品、コイル部品、各種ICチップ部品、半導体部品等を使用することができる。
また、外部電極4a、4bを形成する電極材料も特に限定されるものではなく、例えば、AgやCuで形成された下地電極の表面にNi皮膜やSn皮膜、Au皮膜等をめっき形成したものを使用することができる。
そして、本実施の形態では、電極接合部7aと電極接合部7bとの間隙に熱硬化性樹脂8が充填されているので、機械的強度が向上し、電気的接続性の信頼性が向上し、かつ、良好な絶縁性を得ることができ、耐久性向上を図ることができる。
すなわち、特許文献1のような従来の電子装置では、電極接合部7aと電極接合部7bとの間に空隙が形成されているため、使用時に一定のヒートサイクルが負荷されると、プリント基板2やチップ型電子部品5等との熱膨張率の相違に起因して厚みの薄いプリント基板2に歪みが生じ、その結果、機械的強度の低下を招いたり、電極接合部7a、7bでの電気的接続性の信頼性低下を招くおそれがある。また、高温多湿下、長時間晒されると、電極接合部7a、7bで吸湿して水分が該電極接合部7a、7bに浸入し、その結果、絶縁抵抗が低下し、信頼性を損なうおそれがある。
そこで、本実施の形態では、電極接合部7aと電極接合部7bとの間隙に熱硬化性樹脂8を充填することにより、プリント基板2が歪むのを回避し、また、歪んだとしても歪みによる応力を緩和し、これにより機械的強度及び電気的接続性の信頼性を向上させると共に、電極接合部7a、7bに水分が浸入するのを極力回避し、絶縁性の信頼性向上を図っている。
このように本電子装置では、電極接合部7a、7b間に熱硬化性樹脂8を充填しているので、機械的強度が向上し、はんだ6a、6bの内部やはんだ6a、6bとランド電極1a、1b及び/又は外部電極4a、4bとの間が剥離したり、クラック等の構造欠陥が生じるのを抑制することができる。そして、このように機械的強度が向上することから、はんだ6a、6bの内部での接合状態やはんだ6a、6bとランド電極1a、1b及び/又は外部電極4a、4bとの接合状態が強固なものとなり、電気的接続性の信頼性が向上する。また、上述したように電極接合部7a、7b間が熱硬化性樹脂8で充填されていることから、高温多湿下で長時間放置しても電極接合部が水分を吸湿するのを極力回避することが可能となり、絶縁性が向上し、良好な信頼性を有する電子装置を実現することが可能となる。
次に、上記電子装置の作製に使用される接合材料について詳述する。
本接合材料は、少なくともはんだ粒子と、熱硬化性樹脂と、還元剤として作用する活性剤とを含有している。
本接合材料では、溶融したはんだ粒子が熱硬化性樹脂の中を流動し、他のはんだ粒子や外部電極4a、4b又はランド電極1a、1bと接触し、融着することにより接合する。また、溶融したはんだ粒子が熱硬化性樹脂中をできるだけ流動し易くし、かつ流動可能な時間が長いほど確実に接合させることが可能となる。
したがって、ランド電極1a、1bと外部電極4a、4bとをはんだ6a、6bを介して良好な状態で接合させるためには、熱硬化性樹脂中でのはんだ粒子の流動性が重要な要素となる。そして、この熱硬化性樹脂中でのはんだ粒子の流動性は、はんだ粒子の融点T1(第1の温度)において、該はんだ粒子を除いたその他の含有成分(熱硬化性樹脂、活性剤等)の粘度、すなわち、はんだ粒子を除く樹脂を主成分とする粘度(以下、単に「樹脂粘度」という。)に依存する。
そして、はんだ粒子の融点T1における樹脂粘度を0.57Pa・s以下とすることにより、熱硬化性樹脂の流動性が良好になり、したがって溶融したはんだの流動性も良好となり、はんだ粒子が他のはんだ粒子や外部電極4a、4b又はランド電極1a、1bと容易に接触して融着し、強固に接合させることが可能となる。
尚、樹脂粘度の下限は、ペースト化が可能であればよく、特に限定されるものではないが、通常は、0.001Pa・s以上に調製される。
また、はんだ粒子同士やはんだ粒子とランド電極1a、1a及び外部電極4a、4bとが融着するためには、はんだ粒子が溶融するのみでは不十分であり、はんだ粒子の表面に形成される酸化皮膜を除去する必要がある。すなわち、通常、はんだ粒子の表面には酸化皮膜が形成されており、はんだ粒子の内部が溶融してもはんだ粒子の表面には酸化皮膜が残存する。したがって、はんだ粒子の表面に酸化皮膜が形成された状態では、はんだ粒子は他のはんだ粒子やランド電極1a、1a及び外部電極4a、4bと酸化皮膜を介して接することとなり、所望の電気的接続性を確保できなくなるおそれがある。そして、斯かる事態を解消するためには接合材料中に還元性を有する活性剤を含有させ、はんだ粒子の表面に活性剤を接触させて酸化還元反応を生じさせ、酸化皮膜を除去する必要がある。
したがって、ランド電極1a、1bと外部電極4a、4bとの接合状態を良好なものとするには、熱硬化性樹脂中でのはんだ粒子の流動性を良好にすると共に、はんだ粒子の融点T1、熱硬化性樹脂の硬化温度T2、及び活性剤の活性温度T3(第3の温度)の相互の関係が重要となる。
そして、本実施の形態では、これら相互の関係が下記数式(1)〜(3)を満足するように接合材料の成分組成を調製している。
T1<T2…(1)
T3<T2…(2)
T1−T3<50…(3)
すなわち、はんだ粒子の融点T1及び活性剤の活性温度T3は熱硬化性樹脂の硬化温度T2よりも低く、活性剤の活性温度T3をはんだ粒子の融点T1よりも低い場合であっても50℃以上は低くない温度に設定している。
以下、はんだ粒子の融点T1、熱硬化性樹脂の硬化温度T2、及び活性剤の活性温度T3が上記(1)〜(3)を満足するようにした理由を述べる。
(1)はんだ粒子の融点T1と熱硬化性樹脂の硬化温度T2との関係
はんだ粒子の融点T1が、熱硬化性樹脂の硬化温度T2よりも高いと、はんだ粒子が溶融する前に熱硬化性樹脂が硬化を開始することから、はんだ粒子を熱硬化性樹脂中で十分に流動させることが困難となり、良好な接合状態を得るのが困難となる。
そこで、本実施の形態では、はんだ粒子の融点T1が熱硬化性樹脂の硬化温度T2よりも低くなるように、すなわち、T1<T2となるように接合材料の成分組成を調製している。
(2)熱硬化性樹脂の硬化温度T2と活性剤の活性温度T3との関係
活性剤の活性温度T3が、熱硬化性樹脂の硬化温度T2よりも高い場合は、熱硬化性樹脂の硬化が開始してから、活性剤が液状化して活性化することから、はんだ粒子表面で所望の酸化還元反応を生じさせるのが困難となり、はんだ粒子同士を良好な状態で接合することができなくなるおそれがある。
そこで、本実施の形態では、活性剤の活性温度T3が熱硬化性樹脂の硬化温度T2よりも低くなるように、すなわち、T3<T2となるように接合材料の成分組成を調製している。
(3)はんだ粒子の融点T1と活性剤の活性温度T3との関係
上述したようにはんだ粒子の融点T1及び活性剤の活性温度T3を熱硬化性樹脂の硬化温度T2よりも低くすることにより、熱硬化性樹脂が硬化する前にはんだ粒子及び活性剤が溶融し、はんだ粒子表面の酸化皮膜を活性剤の還元作用で除去しつつはんだ粒子を熱硬化性樹脂中で流動させることができ、はんだ粒子同士又ははんだ粒子と電極(ランド電極1a、1b、外部電極4a、4b)とを強固に接合することが可能となる。
しかしながら、活性温度T3がはんだ粒子の融点T1よりも50℃以上低くなると、活性剤ははんだ粒子が溶融するよりもかなり早期に液状化して流動する。したがって、はんだ粒子が溶融を開始した時点で効果的に酸化還元反応を生じさせるためには、予め大量の活性剤を含有させる必要がある。
ところが、大量の活性剤を接合材料中に含有させると、熱硬化性樹脂の硬化後の物性が劣ることになりかねず、電子装置の特性劣化を招くおそれがある。
そこで、本実施の形態では、活性剤の活性温度T3ははんだ粒子の融点T1よりも50℃以上低くならない温度、すなわち、T1−T3<50となるように接合材料の成分組成を調製している。
尚、活性剤の活性温度T3がはんだ粒子の融点T1よりも高い場合は、その程度は特に限定されるものではないが、活性剤の活性温度T3が高くなると、これに伴い熱硬化性樹脂の硬化温度T2も高くする必要があることから、活性剤の活性温度T3がはんだ粒子の融点T1よりも高い場合であっても、その温度差は50℃未満が好ましい。
また、活性剤の体積含有量は、上述した電子装置の特性等を考慮し、通常は、接合材料全体に対して0.1〜16体積%とされる。
また、接合材料中のはんだ粒子の含有量は、特に限定されるものではないが、体積比率で50体積%以下が好ましい。はんだ粒子の体積含有量が50体積%を超えると、はんだ粒子の体積含有量が過剰となり、接合材料の流動性が悪くなるため、通常の印刷速度(例えば、50mm/sec)でスクリーン印刷すると、いわゆる印刷かすれが生じ易くなる。したがって、はんだ粒子の体積含有量が50体積%を超えると、印刷速度を低下させざるを得ず、生産性を考慮すると好ましくない。
一方、本発明者らの研究結果により、はんだ粒子の体積含有量が10体積%以上であれば良好な電気的接合性と機械的強度が得られることが確認されている。ただし、はんだ粒子の体積含有量が15体積%未満になると、はんだ粒子の体積含有量が少なくなるため、接合材料をプリント基板の電極非形成部にも塗布した場合、溶融したはんだ粒子同士が距離的に離れてしまって融着しきれないはんだ粒子が存在し、電極非形成部にはんだボールが残留するおそれがある。
したがって、はんだ粒子の体積含有量は、10体積%以上50体積%以下が好ましく、さらには15体積%以上50体積%以下がより好ましい。
このように本接合材料によれば、はんだ粒子の融点T1及び活性剤の活性温度T3が熱硬化性樹脂の硬化温度T2よりも低いので、熱硬化性樹脂が硬化する前にはんだ粒子や活性剤が十分に流動する。そして、熱硬化性樹脂が硬化する際には、溶融したはんだ粒子は、酸化皮膜が介在することなく、熱硬化性樹脂中を流動する他のはんだ粒子やランド電極1a、1bや外部電極4a、4bと強固に接合する。また、樹脂粘度が0.57Pa・s以下と低く、熱硬化性樹脂の流動性が良好であることから、プリント基板2のランド電極1a、1b上に接合材料を塗布するだけで、熱硬化性樹脂は電極接合部7a、7b間に形成される間隙にも流動して該間隙への充填が可能となり、電子装置の機械的強度の向上に寄与する。
また、プリント基板2のランド電極1a、1aを含む表面上に接合材料を塗布した場合であっても、熱硬化性樹脂の流動作用と活性剤の活性作用とはんだ粒子の電極への濡れ作用とが相俟ってはんだ粒子は電極側に移動する。したがって、電極接合部7a、7bははんだ粒子同士、はんだ粒子とランド電極1a、1b及び外部電極4a、4bが強固に接合する一方、電極接合部7a、7b間には熱硬化性樹脂のみが残存し、電子装置の機械的強度の向上や絶縁性の信頼性向上を図ることが可能となる。
そして、このようなはんだ粒子としては、融点T1が上記数式(1)、(3)を満たすものであれば特に限定されるものではないが、融点T1の高いはんだ粒子を使用すると硬化温度T2の高い熱硬化性樹脂を使用しなければならず、したがって加熱温度も高くしなければならないことから、Sn−Bi系合金やSn−Pb系合金等の低融点のはんだ粒子を使用するのが好ましい。
特に、Sn−Bi系合金は、ヤング率が小さく、溶融した際の体積膨張率が小さく、より好ましい。すなわち、Sn−Bi系合金は、ヤング゛率が小さく,溶融した際の体積膨張率が小さいことから、溶融した際に金属が電極間に吹き出すのを回避することができ、短絡の発生やヒートサイクルでのクラックの発生を効果的に抑制することができる。また、Sn−Bi系合金は、非鉛系であることから環境負荷を軽減できるという利点もある。
また、はんだ粒子以外の含有成分は、樹脂粘度が0.57Pa・s以下であり、かつ数式(1)〜(3)を満足するように調製されればよく、材料種は特に限定されるものではない。例えば、熱硬化性樹脂は、通常、樹脂材料に硬化剤を添加して形成されるが、樹脂材料としては、エポキシ系樹脂を使用するのが一般的であり、硬化剤としては、例えばイミダゾール類、アミン類、トリアジン類等を使用することができる。また、活性剤としては、例えば、アジピン酸、グルタル酸、コハク酸等が広く知られており、粘度調整剤としてはポリアミド系化合物が知られている。
そして、本接合材料は、これら各種の樹脂材料、硬化剤、活性剤、粘度調整剤等が、樹脂粘度が0.57Pa・s以下となり、かつ数式(1)〜(3)を満足するように、適宜調合して作製される。
図2は、上記接合材料を使用した電子装置の製造方法の第1の実施の形態を説明するための断面図である。
まず、図2(a)に示すように、プリント基板2の表面に形成されたランド電極1a、1b上に接合材料9a、9bを塗布する。
次いで、図2(b)に示すように、ランド電極1a、1b上に外部電極4a、4bが位置するようにチップ型電子部品5をプリント基板2に載置する。
そして、加熱処理を行うと、接合材料9a、9b中の熱硬化性樹脂が硬化を開始する前にはんだ粒子10及び活性剤が溶融し、活性剤の活性作用(還元作用)によってはんだ粒子10の表面の酸化皮膜が除去される。これによりはんだ粒子10同士、及びはんだ粒子10とランド電極1a、1b及び外部電極4a、4bとが融着し、図2(c)に示すように、はんだ6a、6bとランド電極1a、1b及び外部電極4a、4bとが接合した電極接合部7a、7bを形成する。そして、熱硬化性樹脂8は外部電極4a、4bの端面の一部を被覆すると共に、部品素体3とプリント基板2との間隙に流動し、該間隙に充填される。
このように本第1の実施の形態では、本発明の接合材料9a、9bをプリント基板2のランド電極1a、1b上に塗布した後、接合材料9a、9b上にチップ型部品5の外部電極4a、4bを配し、加熱処理を行なって接合材料9a、9b中のはんだ粒子10を溶融させると共に、活性剤を活性化させてはんだ粒子10の表面に形成された酸化皮膜を除去し、ランド電極1a、1bと外部電極4a、4bとを溶融したはんだ6a、6bを介して接合させて互いに電気的に絶縁された電極接合部7a、7bを形成する一方、接合材料9a、9b中の熱硬化性樹脂を流動化させ、電極接合部7a、7b間に形成される間隙を熱硬化性樹脂8で充填するので、接合材料9a、9bの流動性が良好であることから、ランド電極1a、1bと外部電極4a、4bとははんだ6を介して強固に接合される。そして、熱硬化性樹脂8は電極接合部7a、7b間の間隙にも流動して該間隙に充填されるので、基板実装後の使用時においてプリント基板2に歪み等が生じるのを抑制でき、また、歪み等が生じたとしてもその応力を緩和することができるため、機械的強度や電気的接続性の信頼性向上を図ることができる。
図3は電子装置の製造方法の第2の実施の形態を説明するための断面図である。
まず、図3(a)に示すように、プリント基板2の電極1a、1bを含む表面に接合材料11を塗布する。
次いで、図3(b)に示すように、ランド電極1a、1b上に外部電極4a、4bが位置するようにチップ型電子部品5をプリント基板2に載置する。
そして、加熱処理を行うと、接合材料11中の熱硬化性樹脂が硬化を開始する前にはんだ粒子12及び活性剤が溶融し、活性剤の活性作用(還元作用)によってはんだ粒子12の表面の酸化皮膜が除去される。これにより溶融したはんだ粒子は電極(ランド電極1a、1b、外部電極4a、4b)側に引き付けられるようにして移動し、はんだ粒子同士、及びはんだ粒子と上記電極とが融着して電極接合部7a、7bを形成する。そして、はんだ粒子12が電極側に移動することから、図3(c)に示すように、熱硬化性樹脂8のみが部品素体3とプリント基板2との間隙に残存する。
このように本第2の実施の形態では、本発明の接合材料11をプリント基板2のランド電極1a、1bを含む表面上に塗布した後、接合材料11上にチップ型電子部品5を配し、加熱処理を行なって接合材料11中のはんだ粒子12を溶融させると共に、接合材料11中の活性剤を活性化させてはんだ粒子12の表面に形成された酸化皮膜を除去し、溶融したはんだ粒子12をランド電極1a、1bと外部電極4a、4bとの間に移動させて電極間を接合し、2つ以上の互いに電気的に絶縁された電極接合部7a、7bを形成し、電極接合部7a、7b間に形成される間隙を接合材料11の熱硬化性樹脂8で充填するので、接合材料の流動性が良好であり、また活性剤の作用によりはんだ粒子が容易に電極に接合することから、前記間隙にはんだボールが残存することもなく、したがって短絡等が生じることもなく電気的接続性や絶縁性の良好な電子装置を得ることができる。
尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。上記実施の形態では一の電子部品としてプリント基板2を使用し、他の電子部品としてチップ型電子部品5を使用したが、これらに限定されるものではない。例えば、基板についてもプリント基板の他、アルミナ基板、シリコン基板、セラミック多層基板等各種基板に適用できるのはいうまでもない。また、他の電子部品としてもチップ型電子部品に限らず、実装するための電極を2つ以上有するものであれば良い。
また、本発明は、2種類以上の電子部品を接合する場合に広く適用することが可能である。
次に、本発明の実施例を具体的に説明する
〔接合材料の作製〕
樹脂材料として分子量380の液状のビスフェノールA型エポキシ樹脂(以下、「エポキシ樹脂(1)」という。)、分子量900の固形のビスフェノールA型エポキシ樹脂(以下、「エポキシ樹脂(2)」という。)、及びターシャル−ブチルグリシジルエーテル(以下、「t−BuGE」という。)を用意した。
はんだ粒子としてSnとBiとの含有比率が、重量比でSn:Biが42:58(以下、「Sn−58Bi」という。)、30:70((以下、「Sn−70Bi」という。)、20:80(以下、「Sn−80Bi」という。)の3種類のSn−Bi合金を用意した。
また、活性剤として、アジピン酸、グルタル酸、コハク酸、デカン酸、フマル酸を用意した。
また、樹脂の硬化剤として、2−フェニル−4−メチル−5−ヒドロキシメチルイミダゾール(以下、「イミダゾール化合物」という。)、2,4−ジアミノ−6−[2’−エチル−4’−メチルイミダゾリル−(1’)]−エチル−s−トリアジン(以下、「トリアジン化合物」という。)、変性ポリアミン、フェノール樹脂を用意し、粘度調整剤としてポリアミド系化合物、アクリロニトリル−ブタジエン共重合体(以下、「ニトリルゴム」という。)、微粉シリカ、カーボンブラックを用意した。
次いで、上記各材料が体積%で表1となるように、各種材料を秤量した。そして、これら秤量物をプラネタリーミキサーで,約60分間真空撹拌し、これにより試料番号1〜23の接合材料を作製した。
表1は、試料番号1〜23の接合材料の材料種と体積%を示している。
Figure 0006226424
〔評価試料の作製〕
Niからなる下地層の表面にAu皮膜が形成された一対のランド電極を有するガラスエポキシ製のプリント基板を用意した。尚、ランド電極の大きさは、縦1.8mm、横1.1mmであった。
また、Niからなる下地層の表面にSn皮膜が形成された一対の外部電極を有する抵抗値が10Ωのチップ型抵抗器を用意した。尚、このチップ型抵抗器の大きさは、縦3.2mm、横1.6mm、高さ1.6mmであった。
次に、厚みが80μmで縦1.8mm、横1.1mmの開口部を有するメタルマスクを使用し、試料番号1〜23の各接合材料を印刷速度50mm/secでランド電極上に印刷して塗布した。
次いで、ランド電極上に外部電極が位置するようにチップ型抵抗器をマウンタで実装し、200℃に設定されたリフロー炉を通過させ、試料番号1〜23の第1の評価試料を各120個ずつ作製した。
同様に、チップ型抵抗器の平面積と略同一の開口部を有するメタルマスクを使用し、試料番号1〜23の各接合材料を印刷速度50mm/secでプリント基板上に印刷して塗布した。
次いで、ランド電極上に外部電極が位置するようにチップ型抵抗器をマウンタで実装し、200℃に設定されたリフロー炉を通過させ、試料番号1〜23の第2の評価試料を各120個ずつ作製した。
〔評価試料の物性と特性評価〕
(はんだ粒子の融点T1及び活性剤の活性温度T3の測定)
示差走査熱量計(セイコーインスツルメンツ社製DSC6200)を使用し、はんだ粒子及び活性剤のそれぞれについてDSC(示差走査熱量分析)測定を行った。そして、合金であるはんだ粒子については、測定チャートにおける吸熱ピークのうち、一番高温側のピーク温度をはんだ粒子の融点T1とし、活性剤については吸熱を示したピーク温度を活性温度T3とした。
(樹脂粘度と硬化温度T2の測定)
接合材料中、はんだ粒子を除いた試料を別途作製し、レオメータ(ティー・エー・インスツルメンツ社製AR-G2)を使用して樹脂粘度を測定した。尚、レオメータのギャップサイズを500μm、昇温速度を7.5℃/minに設定し、測定周波数を100Hzに設定して測定した。
また、樹脂粘度の測定と併せて温度−粘度特性を測定し、粘度が上昇し始める温度を求め、熱硬化性樹脂の硬化温度T2とした。
(電気特性)
第1の評価試料については、ナノボルト/マイクロオーム・メータ(アジレント社製34420A)を使用し、プリント基板上のランド電極間の抵抗値を測定し、電気特性を評価した。すなわち、測定値が10±1Ωの範囲を超えるものが120個中、全く発生なかった試料を良品(○)とし、120個中、1つでも発生した試料を不良品(×)とし、第1の評価試料の電気特性を評価した。
また、第2の評価試料についても、第1の評価試料と同様の方法で、電気特性を評価した。
(熱硬化性樹脂の充填状態)
第1の評価試料の各試料について、マイクロスコープ(キーエンス社製VHX900)を使用して断面観察し、部品素体とプリント基板との間隙に熱硬化性樹脂が充填されているか否かを目視で判断した。そして、完全に充填されていると判断された試料を良品とし(○)、空隙等が視認され、充填状態が不完全であると判断された試料を不良品(×)とし、熱硬化性樹脂の充填状態を評価した。
(はんだボールの有無)
第2の評価試料の各試料について、マイクロフォーカスX線透視装置(島津製作所社製SMX−1000)を使用してチップ型抵抗器の上面からX線透過観察を行い、プリント基板とチップ型抵抗器との間にはんだボールが10個以上認められた試料を不良品とし(×)、10個未満の試料を良品(○)とし、電極接合部間におけるはんだボールの有無を評価した。
尚、はんだボールの有無の評価は、必ずしも必要な特性であるわけではなく、電気特性が良品であれば問題は生じない。ただし、電気特性が良品であれば問題は生じないが、ロット間のばらつき等、量産性を考えるとはんだボールが存在しない方が好ましい。
(印刷性)
接合材料をランド電極又はプリント基板上に50mm/secの印刷速度でスクリーン印刷した際に、試料中に印刷のかすれ状態が一つでも認められた試料を不良品とし(×)、かすれ状態が皆無であると認められた試料を良品(○)とし、印刷性を評価した。
表2はその測定結果を示している。
Figure 0006226424
また、試料番号12は、第1及び第2の評価試料共、印刷性は良好であったが、第1の評価試料では、プリント基板と部品素体との間隙への熱硬化性樹脂の充填状態が不完全であった。また、第2の評価試料では、プリント基板と部品素体との間にはんだボールが10個以上存在する試料が認められ、さらに電気特性も劣化することが分かった。これは、樹脂粘度が1.22Pa・sであり、0.57Pa・sを超えているため、熱硬化性樹脂の流動性が悪く、このため第1の評価試料ではプリント基板と部品素体との間隙に熱硬化性樹脂が十分に流動せず、熱硬化性樹脂の充填状態が不完全な試料が生じたものと思われる。また、第2の評価試料においても、上述したように熱硬化性樹脂の流動性が悪いため、溶融したはんだが完全には電極側に移動せず、電極間の接続ができなかったものと思われる。
また、試料番号17〜23では含有成分種やその配合量を変えているが、いずれも樹脂粘度が1.23〜2.20Pa・sと高く、試料番号12と同様の結果が得られた。
また、試料番号13〜15は、印刷性及び第1の評価試料での熱硬化性樹脂の充填状態については良好であったが、その他は良好な結果が得られなかった。
すなわち、試料番号13では、樹脂粘度が0.45Pa・sと低いため流動性は良好であるが、活性剤の活性温度T3がはんだ粒子の融点T1よりも50℃以上低いため、はんだ粒子が溶融を開始する前に活性剤が液状化して活性化し、消費してしまう。このためはんだ粒子が溶融を開始した時点では活性剤の含有量が少なくなって十分にはんだ粒子表層面の酸化皮膜を除去できず、第1の評価試料では電気的接続性が低下した。
また、この試料番号13では、第2の評価試料においても、はんだ粒子表面の酸化皮膜を十分に除去できていないため、電極側に移動できないはんだ粒子が増加し、このため他のはんだ粒子や電極に接合できず、抵抗値が高いものが生じ、電気特性が低下した。
また、試料番号14及び15は、樹脂粘度が0.57Pa・sと低く、流動性が良好であり、熱硬化性樹脂の充填状態は良好であったが、活性剤の活性温度T3が熱硬化性樹脂の硬化温度T2よりも高く、熱硬化性樹脂の硬化が開始してから活性剤が活性化することから、活性剤が十分な還元作用を呈することができず、試料番号13と同様、第1及び第2の評価試料では電気的接続性が低下した。
試料番号16は、樹脂粘度が0.66Pa・sと高く、流動性に劣るため、熱硬化性樹脂の充填状態も不十分であった。また、はんだ粒子の融点T1が熱硬化性樹脂の硬化温度T2と同一であるため、はんだ粒子が熱硬化性樹脂中を流動することができず、このため第1及び第2の評価試料では電気的接続性が低下した。
これに対し試料番号1〜11は、樹脂粘度が0.57Pa・s以下であり、熱硬化性樹脂T2がはんだ粒子の融点T1や活性剤の活性温度T2よりも高く、活性剤の活性温度T3ははんだ粒子の融点T1より低くても50℃以内であるので、第1及び第2の評価試料では、間隙への熱硬化性樹脂の充填状態が良好で機械的強度に優れ、かつ電気的接続性が良好な電子装置を得ることができた。
ただし、試料番号8は、電気的接続性は良好であるものの、はんだ粒子の体積含有量が10体積%と少なく、このため距離的に離れすぎて融着できないはんだ粒子が存在し、電極非形成部にはんだボールの存在が確認された。
また、試料番号11は、はんだ粒子の体積含有量が55体積%と過剰であるため、50mm/secの印刷速度では印刷かすれが生じ、したがって印刷性に劣ることが確認された。
参考例
樹脂材料として、実施例と同様、エポキシ樹脂(1)、エポキシ樹脂(2)、及びt−BuGEを用意した。
はんだ粒子としてSnとPbとの含有比率が、重量比でSn:Pbが60:40(以下、「Sn−40Pb」という。)のSn−Pb合金を用意した。
また、活性剤として、アジピン酸、グルタル酸、及びコハク酸を用意した。
また、樹脂の硬化剤として、イミダゾール化合物を用意した。
次いで、各種材料が体積%で表3となるように秤量した。そして、これら秤量物をプラネタリーミキサーで,約60分間真空撹拌し、これにより試料番号31〜35の接合材料を作製した。
表3は、試料番号31〜35の接合材料の材料種と体積%を示している。
Figure 0006226424
次いで、実施例と同様の方法・手順で、試料番号31〜35の第1及び第2の評価試料を作製した。
そして、実施例と同様の方法・手順で、はんだ粒子の融点T1、活性剤の活性温度T3、樹脂粘度、硬化温度T2を測定し、電気特性、熱硬化性樹脂の充填状態、はんだボールの有無を評価した。
表4はその測定結果を示している。
Figure 0006226424
試料番号35は、樹脂粘度が1.18Pa・sと高く、このため実施例1の試料番号13と同様の理由から、電気特性や熱硬化性樹脂の充填状態も良くなく、機械的強度に劣り、またはんだボールの存在が確認された。
これに対し試料番号31〜34は、樹脂粘度が0.57Pa・s以下であり、熱硬化性樹脂の硬化温度T2がはんだ粒子の融点T1や活性剤の活性温度T3よりも高く、活性剤の活性温度T3ははんだ粒子の融点T1よりも低いが50℃以内であるので、第1及び第2の評価試料では熱硬化性樹脂の充填状態が良好で機械的強度に優れ、かつ電気的接続性が良好な電子装置を得ることができた。
プリント基板とチップ型電子部品の部品素体との間に形成された間隙を熱硬化性樹脂で充填し、これにより機械的強度や電気接続性の信頼性、絶縁性の信頼性を向上させることができる電子装置を実現する。
1a、1b ランド電極
2 プリント基板(電子部品)
3 部品素体
4a、4b 外部電極
5 チップ型電子部品(電子部品)
6a、6b はんだ(金属)
7a、7b 電極接合部
8 熱硬化性樹脂
9a、9b 接合材料
10 はんだ粒子(金属粒子)
11 接合材料
12 はんだ粒子(金属粒子)

Claims (7)

  1. 少なくとも第1の温度T1を融点とするはんだ粒子と、前記第1の温度T1よりも高い第2の温度T2で硬化を開始する熱硬化性樹脂と、前記第2の温度T2よりも低い第3の温度T3で活性化し、前記はんだ粒子の表面に形成された酸化皮膜を除去する活性剤とを含有し、
    前記第1の温度T1における前記はんだ粒子を除いた含有成分の粘度が0.57Pa・s以下であり、
    かつ、前記第1の温度T1及び前記第3の温度T3が、
    T1−T3<50
    を満足することを特徴とする接合材料。
  2. 前記はんだ粒子は、主成分がSn−Bi系合金で形成されていることを特徴とする請求項1記載の接合材料。
  3. 前記はんだ粒子の含有量は、体積比率で50体積%以下であることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の接合材料。
  4. 前記はんだ粒子の含有量は、体積比率で10体積%以上であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の接合材料。
  5. 前記はんだ粒子の含有量は、体積比率で15体積%以上であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれかに記載の接合材料。
  6. 2つ以上の電極が形成された複数の電子部品を有し、前記複数の電子部品のうちの一の電子部品と他の電子部品とを電気的に接続する電子装置の製造方法であって、
    請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の接合材料を前記一の電子部品の電極上に塗布した後、前記接合材料上に前記他の電子部品の電極を配し、
    加熱処理を行なって前記接合材料に含まれるはんだ粒子を溶融させると共に、前記接合材料に含まれる活性剤を活性化させて前記はんだ粒子の表面に形成された酸化皮膜を除去し、前記一の電子部品の電極と前記他の電子部品の電極とを前記溶融したはんだ粒子を介して接合させ、2つ以上の互いに電気的に絶縁された電極接合部を形成する一方、前記接合材料に含まれる熱硬化性樹脂を流動させ、前記電極接合部間に形成される間隙を前記熱硬化性樹脂で充填することを特徴とする電子装置の製造方法。
  7. 2つ以上の電極を有する複数の電子部品を有し、一の電子部品と他の電子部品とを電気的に接続する電子装置の製造方法であって、
    請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の接合材料を前記一の電子部品の電極を含む表面上に塗布した後、前記接合材料上に前記他の電子部品を配し、
    加熱処理を行なって前記接合材料に含まれるはんだ粒子を溶融させると共に、前記接合材料に含まれる活性剤を活性化させて前記はんだ粒子の表面に形成された酸化皮膜を除去し、前記溶融したはんだ粒子を前記一の電子部品の電極と前記他の電子部品の電極との間に移動させて前記電極間を接合し、2つ以上の互いに電気的に絶縁された電極接合部を形成し、前記電極接合部間を前記接合材料に含まれる熱硬化性樹脂で充填することを特徴とする電子装置の製造方法。
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