JP2019188464A - フラックス複合型絶縁性シート、はんだ入りフラックス複合型絶縁性シート、はんだ入りフラックス複合体 - Google Patents

Abstract

【課題】製造労力の負担を軽減させることができ、しかも半導体パッケージやプリント配線基板における電極位置に対してはんだボールを高精度に固定することが可能なはんだ入りフラックス複合型絶縁性シートを提供する。【解決手段】はんだ溶融温度以下の融点を持つ熱可塑性樹脂であるフラックス６を、はんだ溶融温度より高い融点を持つ絶縁性繊維１２または絶縁性シートに含浸または貼着させてシート成形してなるフラックス複合型絶縁性シート１に平面視で半導体パッケージ３６の電極位置に応じて規則的に貫通孔５を設け、その貫通孔５にはんだ基材を配置させてなることを特徴とするはんだ入りフラックス複合型絶縁性シート。【選択図】図１

Description

本発明は、各種半導体パッケージをプリント配線基板に対して電気的接続方法に適用されるはんだ入りフラックス複合体、並びにこれらはんだ入りフラックス複合体を適用し、半導体パッケージ上に、はんだボールの実装方法に関するものである。

従来、各種電子部品をプリント配線基板に実装するため、はんだが用いられている。こうしたはんだは、錫を主体として様々な金属を添加して溶融、合金化して使用されている。フラックスは、はんだ付け箇所の酸化膜の除去や、はんだ付け箇所や溶融はんだの酸化防止、更にははんだの濡れ性の向上を図るために用いられる。

半導体パッケージのはんだ付けは、半導体パッケージの電極位置にフラックスを塗布して球体に成形したはんだボール（以下ＢＧＡと記載する：Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ：ボール グリッド アレイ）を搭載して加熱溶融させ、半導体パッケージの電極部分を成形している。半導体パッケージは、プリント配線基板に搭載されるときは、前述した半導体パッケージの電極位置に形成させたはんだボールをプリント配線基板に対向させる。プリント配線基板の電極の表面には予めフラックスを塗布するか、或いはソルダーペーストを塗布しておく。そして半導体パッケージをプリント配線基板と互いの電極位置に合わせた状態で載置し、加熱してはんだボールを溶融、凝固させる。これにより半導体パッケージとプリント配線基板との電気的接続を行う。

このようなＢＧＡを適用した半導体パッケージとプリント配線基板との接合方法には、ＢＧＡの正確な位置決めが困難であり高度の技術を要している。今後、半導体パッケージのさらなる小型化により搭載するＢＧＡがさらに微小化し１００μｍより小さくなる可能性をもち、ＢＧＡの高度な搭載方法の要求も発生している。また従来技術においては、はんだ溶融温度では溶融しない所定形状の貫通孔を設けた絶縁フィルムの貫通孔のうち所定の貫通孔に、あらかじめ円柱状のはんだを装着しておくことを特徴とする方法も考案されている。

特開２００１−２２３４６３号公報

上述の特許文献１の開示技術は半導体パッケージのＢＧＡ部分にその形状に合致した開口部を設けたはんだ溶融温度では溶解しない絶縁シートを設置し、はんだ溶解時の隣接するはんだとの障壁にし、はんだの短絡を防止する。さらに、この絶縁シートにはんだ溶融温度でより高い温度で効果する熱硬化接着シートを貼りあわせることで半導体パッケージと基板間を物理的に固着させて、半導体パッケージと基板間の接合強度を高める。また、はんだ溶融温度で溶融しない絶縁シート内に円柱状のはんだを半導体パッケージの電極位置に合致するように設置し、はんだ付け時には上下にフラックスを塗布して半導体パッケージと基板とを接合しようとするものである。

本発明は絶縁性のある繊維物質に熱可塑性樹脂を含浸させたもの、または絶縁性のフィルムに熱可塑性樹脂を貼りあわせたものに一定体積のはんだを固定するものである。さらに一定体積のはんだは絶縁性のある繊維物質に熱可塑性樹脂を含浸させたもの、または絶縁性のフィルムに熱可塑性樹脂を貼りあわせたものよりも突出してなければならない。

円柱状のはんだを絶縁フィルムに装着するため、はんだの個体体積が一定にさせるには高度の技術が必要になり産業向きではない。また、はんだ溶融温度では溶解しないフィルムで全体を固定された円柱状のはんだは、溶解時のセルフアライメント効果（位置がずれて装填された電極が、はんだの濡れ広がり力で位置が修正される現象）で修正しにくく、溶融されたはんだの挙動を固定してしまい実用性に欠けている。

本発明は上述した問題点を鑑みて案出されたものであり、はんだの溶融温度で溶解する熱可塑性樹脂を用いたことを特徴としている。そして、その熱可塑性樹脂にさらにはんだ付け用活性剤を含有させ、はんだ付け用フラックスとしての特性を兼ね備えた樹脂としている。

この熱可塑性樹脂にはんだ付け用活性剤を含有させた樹脂中に、一定体積のはんだを半導体パッケージの電極位置に応じて規則的に配置させたものを半導体パッケージの電極部分に合致するように載置してはんだの溶融温度まで加熱して請求項５記載のはんだ基材の実装を試みる。

その結果、所定の位置に配置されたはんだ基材が加熱より熱可塑性樹脂であるはんだ付け用活性剤を含有した樹脂は流動性を発揮し、所定の位置に配置したはんだ基材が移動してしまう。それにより所定の半導体パッケージの電極位置にはんだボールの形成が不可能になってしまう。また、半導体パッケージとプリント配線基板とを本発明のはんだ入りフラックス複合絶縁シートを間に挟み加熱しはんだ溶融させて電気的接合を試みる場合にも同様の結果が確認できる。

上述したはんだの溶融温度まで加熱時にはんだ基材が移動することを抑制するために、本発明を適用したはんだ入りフラックス複合絶縁性シートは熱可塑性樹脂が溶融した時の流動に対抗できるように、はんだ溶融温度では溶融しない絶縁シートを複合させたものある。即ち、絶縁性フィルム内の繊維物質を通じてはんだボールが移動不能となるように固定させたものである。

このはんだ溶融温度では溶融しない絶縁シートは、プリント基板に使用されているFR-1品種の紙基材フェノール樹脂に使用しているクラフト紙シート、FR-4品種に使用されているガラス繊維シート、PI品種であるポリイミドシートなどがある。

クラフト紙シート、ガラス繊維シートは繊維質のために、熱可塑性であるフラックスが含浸させて使用することが可能である。また、ポリイミドなどの耐熱性のあるフィルム樹脂においては、熱可塑性であるフラックスを箔状に圧伸させたものを片面、または両面に貼着させて使用することが望ましい。

このフラックス複合絶縁シートに半導体パッケージの電極位置に応じて規則的に配置した開口部を設ける。この開口部に略一定体積のはんだを配置する。産業的にはこの略一定体積のはんだは体積管理が容易なＢＧＡが望ましい。ＢＧＡを開口部すべてに配置し、熱可塑性樹脂であるフラックスの融点を超え、はんだが溶融する温度未満まで加熱することにより熱可塑性樹脂であるフラックスが溶解し粘性のある特徴をもって配置したＢＧＡを固定する。

この製法により以下の請求項３に係る発明が具現化できる。

ポリイミドなど耐熱性のあるフィルム樹脂製の樹脂フィルムに半導体パッケージの電極位置に応じて規則的に配置した貫通孔を設ける。この貫通孔開口部に略一定体積のはんだを配置する。産業的には略一定体積のはんだは体積管理が容易なＢＧＡが望ましい。ＢＧＡを開口部すべてに配置し、その上面に熱可塑性であるフラックスを箔状に圧伸させたものを覆いかぶせたのちに、フラックスの融点を超え、はんだが溶融する温度未満まで加熱することにより熱可塑性樹脂であるフラックスが溶解し粘性のある特徴をもって配置したＢＧＡを固定する。この熱可塑性であるフラックスを箔状に圧伸させたものはＢＧＡを配置する前の開口部を設けたポリイミドなど耐熱性のあるフィルム樹脂の下面に設置してからＢＧＡを配置することも可能であり、さらに前述のように上面に覆いかぶせることも望ましい。

また、熱可塑性であるフラックスを箔状に圧伸させたものを覆いかぶせる、または下面に設置するのは、熱可塑性であるフラックスが含浸させた手法にも適用することは可能である。

これにより以下の請求項４にかかる発明が具現化できる。

即ち、請求項１に係るフラックス複合型絶縁性シートは、はんだ溶融温度以下の融点を持つ熱可塑性樹脂であるフラックスを、はんだ溶融温度より高い融点を持つ絶縁性シートに複合させてなることを特徴とする。

請求項２に係るフラックス複合型絶縁性シートは、はんだ溶融温度以下の融点を持つ熱可塑性樹脂であるフラックスを、はんだ溶融温度より高い融点を持つ絶縁性繊維に含浸または貼着させてシート成形したことを特徴とする。

請求項３に係るはんだ入りフラックス複合型絶縁性シートは、請求項１又は２記載のフラックス複合型絶縁性シートに平面視で半導体パッケージの電極位置に応じて規則的に貫通孔を設け、その貫通孔にはんだ基材を配置させてなることを特徴とする。

請求項４に係るはんだ入りフラックス複合体は、請求項３記載のはんだ入りフラックス複合型絶縁性シートに、両面または片面にはんだ溶融温度より低い融点を持つフラックスをシート成形し貼着したことを特徴とする。

請求項５に係る半導体パッケージの電気的接続方法は、請求項４記載のはんだ入りフラックス複合体を、そのはんだ基材の配置位置が半導体パッケージの電極位置に合うように載置した上でこれを加熱することにより、上記はんだ基材を溶融させ、半導体パッケージの電極位置上にはんだ基材を実装することを特徴とする。

はんだ入りフラックス複合体を、そのはんだ基材の配置位置がプリント配線基板の電極位置に合うように載置し、更に当該はんだ入りフラックス複合体上に、そのはんだ基材の配置位置が半導体パッケージの電極位置に合うようにこれを載置し、これら載置することにより構成される積層体を加熱することにより、上記はんだ基材を溶融させることで、上記プリント配線基板と上記半導体パッケージの互いの電極を電気的に接続することを特徴とする。

上述した構成からなる本発明によれば、加熱によりフラックス複合型絶縁性繊維体から溶出したフラックスが効果を発揮しはんだ基材溶融とともに、はんだ基材とプリント配線基板間をさらにはんだ基材と半導体パッケージの電極部分ともに電気的な接続を実現することができる。

加熱の過程ではんだ基材は、絶縁性繊維を介して、加熱により自由に移動してしまうのを防止することができ、さらに、絶縁性繊維ははんだ基材の高さよりも低い厚みを使用しなければならない。それにより、熱可塑性であるフラックスが溶融し流動性を発揮することにより、プリント配線基板と半導体パッケージの高さが可変となり、溶融はんだの自由度が増加するために、はんだ基材の溶解位置をプリント配線基板の電極の位置と、半導体パッケージの電極の位置を高精度に合わせることが可能となる。絶縁性繊維は、絶縁性を示すものであるから、はんだ基材の周囲を絶縁させることができ、電極間におけるはんだ基材を介した電気的接続がショートしてしまうのを防止することができる。

本発明を適用したはんだ入りフラックス複合体の斜視図と側面の拡大図である。 はんだ入りフラックス複合体のはんだ溶融温度より高い融点を持つ絶縁性シート作製方法について説明するための図である。 はんだ入りフラックス複合体のはんだ溶融温度より高い融点を持つ絶縁性シートにはんだ溶解温度以下の融点をもつ熱可塑性樹脂であるフラックスの圧伸させたフィルムを貼着する作製方法について説明するための図である。 半導体パッケージにはんだ入りフラックス複合体を用いるてはんだボールを接合する例を示す図である。 半導体パッケージとプリント基板を一回の加熱で溶融接合する行程を説明するための図である。

以下、本発明を実施するための形態としてのはんだ入りフラックス複合型絶縁性シートについて、図面を参照しながら詳細に説明をする。

本発明を適用したはんだ入りフラックス複合型絶縁性シート１は、図１に示すように、はんだ基材２を配列させてなる。はんだ基材２は、平面視で、後述する半導体パッケージの電極位置に応じた規則的な配置とされている。

フラックス複合型絶縁性シート１は、絶縁性繊維１２を含み、これに対して更に熱可塑性であるフラックス１１を複合させることにより構成されている。

絶縁性繊維１２の例としては、ガラス繊維や紙等で構成されるが、これに限定されるものではなく、いかなる絶縁性の繊維材料で構成されていてもよい。

このような絶縁性繊維１２を含むフラックス複合型絶縁性シート１は、いわゆるプリプレグの如き基板材料を構成するものである。

図１（ａ）に示すようなはんだ入りフラックス複合型絶縁性シート１に含浸させるフラックス、または図３（ｂ）に示すような圧伸した箔状のフラックス６を被覆することで使用するフラックス、または図１（ｂ）に示すような絶縁性繊維１２を含むフラックスを使用する。このフラックス６は、溶融温度より低い融点を持ち、何れも割れかけが発生せず、かつ、常温における表面のベタツキがないものを使用することが望ましい。

含浸させるフラックス６は、フラックス全質量に対する質量％で、エチレン−酢酸ビニル共重合体：２０％〜９０％、脂肪酸及び脂肪酸アマイドの合計：０％〜５０％、ロジン：０％〜３０％を含有する熱可塑性樹脂である。さらにそこにはんだ付け用のフラックス効果を兼ね備えるために活性剤を添加するものである。

はんだ基材２は、一定体積のはんだである必要があり、略球形状のはんだボールで構成される場合に限定されるものではなく、線状のはんだを立設させるようにして配置するようにしてもよい。かかる場合におけるはんだ基材２の平面視での形状は通常の線はんだと同様に略円形とされていてもよいが、他のいかなる形状とされていてもよい。はんだ基材２は一定体積のはんだであることが必要であり、かつ表面から裏面にかけて連続的に設けられていることが前提となる。

このようなはんだ基材２をフラックス複合型絶縁性シート１に配列させる場合には、図２（ａ）に示すように、はんだ基材２の配置位置に対して貫通孔５を開ける。即ち、はんだ基材２の配置位置は、半導体パッケージの電極位置に対応しているため、この貫通孔５の形成位置も半導体パッケージの電極位置に対応したものとなっている。

貫通孔５が形成されたフラックス複合型絶縁性シート１上に、はんだボールからなるはんだ基材２を散布すると、このはんだ基材２は、図２（ｂ）に示すように貫通孔５に入り込むことになる。

次にこのはんだ基材２が貫通孔５に入り込んだはんだ入りフラックス複合型絶縁性シート１を加熱する。この加熱は、リフロー炉等において行うようにしてもよい。加熱温度は、はんだの融点よりも低い温度とする。その結果、図２（ｃ）に示すようにフラックス複合型絶縁性シート１内に含浸しているフラックスが溶解し、この溶解したフラックス６がはんだ基材２を固定するように周囲に流れ拡がる。この状態で加熱を停止し、温度を室温まで冷却することにより、融解したフラックス６が固化する。その結果、はんだ基材２はフラックス６を介して貫通孔５内に固定されることになる。

次に、フラックス複合型絶縁性シート１を構成するシート体として図３に示すような絶縁性シート６０を用いる場合について説明をする。この絶縁性シート６０は、絶縁材料からなるシート体で構成される。この絶縁性シート６０を構成する絶縁材料の例としては、プリント基板に使用されているFR-1品種の紙基材フェノール樹脂に使用しているクラフト紙シート、FR-4品種に使用されているガラス繊維シート、PI品種であるポリイミドシートなどがある。

図３（ａ）に示すように、はんだ基材２の配置位置に対して貫通孔５を絶縁性シート６０に開ける。即ち、はんだ基材２の配置位置は、半導体パッケージの電極位置に対応しているため、この貫通孔５の形成位置も半導体パッケージの電極位置に対応したものとなっている。ポリイミドなど耐熱性のあるフィルム樹脂からなる絶縁性シート６０は、図３（ｂ）に示すように、フィルムに半導体パッケージの電極位置に応じて規則的に配置した貫通孔５を設ける。この貫通孔５に一定体積のはんだ基材２を配置する。但し、このはんだ基材２は、望ましくは一定体積とされているものの、これに限定されるものではなく、体積が多少ばらついてもよい。産業的にはこの一定体積のはんだ基材２は体積管理が容易なＢＧＡが望ましい。ＢＧＡを貫通孔５すべてに配置し、その上面に熱可塑性であるフラックス６を箔状に圧伸させたものを被覆する。このフラックス６の被覆は、絶縁性シート６の上面又は下面の何れか一方又は両方に対して行う。次に、フラックス６の融点を超え、はんだが溶融する温度未満まで加熱することにより熱可塑性樹脂であるフラックス６が溶解する。その結果、図３（ｃ）に示すように、粘性のある特徴を有するＢＧＡを固定することができる。このような作用を奏するためには、はんだ溶融温度以下の融点を持つ熱可塑性樹脂であるフラックスを、はんだ溶融温度より高い融点を持つ絶縁性シート６０に複合させることが前提となる。

この熱可塑性であるフラックス６を箔状に圧伸させたものはＢＧＡを配置する前の貫通孔５を設けたポリイミドなど耐熱性のあるフィルム樹脂からなる絶縁性シート６０の下面に被覆してからＢＧＡを配置することも可能であり、さらに前述のように上面に覆いかぶせることも望ましい。

また、熱可塑性であるフラックス６を箔状に圧伸させたものを被覆する、または下面側から被覆するのは、熱可塑性を呈するフラックス６が含浸させた手法にも適用することは可能である。

次に半導体パッケージ３６の電極７６上にはんだ基材を実装する上ではんだ入りフラックス複合体４を用いる例について説明をする。先ず図４に示すように、はんだ入りフラックス複合体４を、そのはんだ基材２の配置位置が半導体パッケージ３６の電極７６の位置に合うように載置する。

これら載置することにより構成される積層体を加熱することにより、はんだ基材２を溶融させることで、半導体パッケージ３６の電極７６の位置上にはんだ基材２を電気的に接続することが可能となる。この加熱の過程では、リフロー炉等を利用して、少なくともはんだ基材２の融点以上まで加熱する。このリフローによる加熱を通じて、はんだ基材２とフラックス複合型絶縁性シート１に含浸させている熱可塑を呈するフラックス６を溶解させることができ、はんだ基材２と半導体パッケージ３６間を電気的に接続することができる。このときフラックス複合型絶縁性シート１から溶出したフラックスによりこのはんだ基材２による電気的な接続を実現することができる。

次に図５に示すように半導体パッケージ３６とプリント基板３５を本発明のはんだ入りフラックス複合体を適用して１回のはんだ溶解で半導体パッケージ３６の電極７６とプリント基板３５の電極７５を電気的に接続する方法を説明する。

半導体パッケージ３６の電極７６とはんだ基材２が互いに位置が合致するように、またプリント基板３５の電極７５の位置ともはんだ基材２が合致するようにはんだ入りフラックス複合体４を挟み込むように載置する。

次にこれらを加熱することにより、はんだ基材２を溶融させることで、半導体パッケージ３６の電極７６とプリント配線基板３５の電極７５をはんだ基材２を介在して電気的に接続することが可能となる。この加熱の過程では、リフロー炉等を利用して、少なくともはんだ基材２の融点以上まで加熱するこのときフラックス複合型絶縁性シート１から溶出した熱可塑を呈するフラックス６によりこのはんだ基材２による電気的な接続を実現することができる。

各加熱の過程ではんだ基材２は、絶縁性繊維１２を介して、加熱により自由に移動してしまうのを防止することができ、はんだ基材２の溶解位置をプリント配線基板３５の電極７５の位置と、半導体パッケージ３６の電極７６の位置に高精度に合わせることが可能となる。絶縁性繊維１２は、絶縁性を示すものであるから、はんだ基材２の周囲を絶縁させることができ、電極７５、７６間におけるはんだ基材２を介した電気的接続がショートしてしまうのを防止することができる。

このように、本発明は、半導体パッケージ３６をプリント配線基板３５に対して電気的に接続する上での工数を減らすことで製造労力の負担を軽減させることができ、しかも半導体パッケージ３６やプリント配線基板３５における電極位置に対してはんだ基材２を高精度に固定することが可能となる。

なお本発明は、はんだ入りフラックス複合体４として具現化される場合に限定されるものではなく、これに利用されるフラックス複合型絶縁性シート１として具現化されるものであってもよい。

１ フラックス複合型絶縁性シート
２ はんだ基材
４ フラックス複合体
５ 貫通孔
６ フラックス
１１ フラックス
１２ 絶縁性繊維
３５ プリント配線基板
３６ 半導体パッケージ
６０ 絶縁フィルム
６０ 絶縁性シート
７５、７６ 電極
８０ 積層体

即ち、請求項１に係るはんだ入りフラックス複合型絶縁性シートは、はんだ溶融温度以下の融点を持つ熱可塑性樹脂であるフラックスを、はんだ溶融温度より高い融点を持つ絶縁性シートに含浸または貼着させてなり、当該絶縁性シートに平面視で半導体パッケージの電極位置に応じて規則的に貫通孔が設けられ、その貫通孔に、線状のはんだ基材が立設されるようにして配置されて固定されてなり、上記フラックスは、フラックス全質量に対する質量％で、エチレン−酢酸ビニル共重合体：２０％〜９０％、脂肪酸及び脂肪酸アマイドの合計：０％〜５０％、ロジン：０％〜３０％を含有することを特徴とする。

請求項２記載の半導体パッケージの電気的接続方法は、請求項１記載のはんだ入りフラックス複合型絶縁性シートを、そのはんだ基材の配置位置が半導体パッケージの電極位置に合うように載置した上でこれを加熱することにより、上記はんだ基材を溶融させ、半導体パッケージの電極位置上にはんだ基材を実装することを特徴とする。

Claims (5)

1. はんだ溶融温度以下の融点を持つ熱可塑性樹脂であるフラックスを、はんだ溶融温度より高い融点を持つ絶縁性シートに複合させてなることを特徴とするフラックス複合型絶縁性シート。
2. はんだ溶融温度以下の融点を持つ熱可塑性樹脂であるフラックスを、はんだ溶融温度より高い融点を持つ絶縁性繊維またはシートに含浸または貼着させてシート成形したことを特徴とするフラックス複合型絶縁性シート。
3. 請求項１又は２記載のフラックス複合型絶縁性シートに平面視で半導体パッケージの電極位置に応じて規則的に貫通孔を設け、その貫通孔にはんだ基材を配置させてなることを特徴とするはんだ入りフラックス複合型絶縁性シート。
4. 請求項３記載のはんだ入りフラックス複合型絶縁性シートに、両面または片面にはんだ溶融温度より低い融点を持つフラックスをシート成形し貼着したことを特徴とするはんだ入りフラックス複合体。
5. 請求項４記載のはんだ入りフラックス複合体を、そのはんだ基材の配置位置が半導体パッケージの電極位置に合うように載置した上でこれを加熱することにより、上記はんだ基材を溶融させ、半導体パッケージの電極位置上にはんだ基材を実装することを特徴とする半導体パッケージの電気的接続方法。

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