JPH03165530A - 半田付け治具及び半田付け方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （Ｉｌｌり フリップチップ接合に適用される半田付け治具及び半田
付は方法に関し、 半田接合部を任意の高さのウェスト形状に変形させるこ
とを目的とし、 半導体素子をフリツプチップ接合により回路基板に半田
付けするのに使用される半田付け治具であって、該半導
体素子に取付けられた第１の吸引部材と、該第１の吸着
部材と対向配設され、該第１の吸着部材を吸引して該半
導体素子を該回路基板から離間させる方向に吸引力を与
える第２の吸引部材と、該回路基板に立設されて該第２
の吸引部材を支持しており、上記吸引力により変位する
該半導体素子と当接することにより該半導体素子の変位
をＭ制し、該半導体素子と該回路基板との離開寸法を一
定に保つスペーサと、により構成する。

また、半導体素子をフリツプチップ接合により回路基板
に半田付けする半田付は方法であって、該半導体素子又
は該回路基板の少なくとも一方に半田を設けた後、半田
付けして該半導体素子と該回路基板を仮接合し、次に、
該回路基板上に、該半導体素子を該回路基板から離間さ
せる方向に吸引力を与えると共に、該半導体素子の上記
吸引力による変位を所定位置にて規制する半田付け治具
を取付け、続いて、該半田付け治具が取付けられた回路
基板及び半導体素子を熱処理炉に通して該半田を溶融す
ると共に、該半田付け治具により該半導体素子を上記吸
引力にて変位させた後、上記所定位置にてその変位を規
１１Ｊすることにより、該半田をウェスト形状に形成す
る。

〔産業上の利用分野〕

本発明は半田付け治具及び半田付は方法に係り、特にフ
リップチップ接合に適用される半田付は治具及び半田付
は方法に関する。

一般に、フリップチップ接合方式による半田付けでは、
半導体素子の全面にパッド電極を設けることが可能とな
るため、多数のパッドを必要とする半導体素子の半田付
けに適用されている。

このフリップチップ接合は、半導体素子、回路基板の一
方、あるいは、その両方のパッド電極上に半田バンプを
形成し、両者の位置合わせの後、加熱することによって
行っていた。接合の際、溶融した半田の表面張力のため
、半田接合部は太鼓状の形状（球帯形状）となる。

ところが、この形状であると、熱膨脹差による歪み（熟
歪み）の応力が、半田と半導体素子、および、半田と回
路基板の界面に集中するため、半田接合部の信頼性を低
下させる。

従って、フリップチップ接合における半田自身の重要な
役割である、熱歪みの緩衝９１Ｊｌ！は、不十分となる
ため、半田と半導体素子、若しくは、半田と回路基板と
の界面付近でクラックが生じ、最終的に破断に至る。

そこで、半田溶融中に、半田接合部を球帯形状から、中
央部が括れた形（ウェスト形状）に変形させることによ
り、接合部界面付近に応力が集中しない方法が必要とな
る。

〔従来の技術〕

従来、フリップチップ接合による半田付けで半田接合部
をウェスト形状に変形させる手段としては、例えば半導
体素子に磁性材料を取付けると共に、リフ０−装厘（熱
処理炉）に電磁石を設け、磁力で半導体素子を回路基板
から離間させる方向へ付勢することにより、半田接合部
をウェスト形状にする方法が知られている。

これを図面を用いて具体的に説明する。第６図（Ａ）は
り７〇−処理前の状態を示している。図中、１は半導体
素子、２は回路基板、３は回路基板２に形成された半田
（半田バンプ。尚、梨地で示す）、４はリフロー装置、
５は半導体素子１に取付けられた磁性材料、６はリフロ
ー装置内に組み込まれた電磁石（尚、磁石であれば永久
磁石等でも可）、７はコンベヤーである。

第６図（Ａ）に示す状態より半導体素子１及び回路基板
２がコンベヤー７によりリフロー装置４内に入ると、半
田３は加熱されて溶融し、半導体素子１に形成されてい
るパッド電極（−示せず）と接合する。電磁石６はリフ
ロー１ｉ１！４の入口近傍の所定範囲においては設けら
れていないため、第６図（Ｂ）に示すように半田３は表
面張力により太鼓状形状となる。更にコンベヤー７によ
りリフロー装置ｆ４の奥に選むと、一体色した半導体素
子１及び回路基板２は電磁石６の配段位隨に到る。

半導体素子１の上部には磁性材料５が取付けであるため
、電磁石６により半導体素子１は上方向へ吸引される。

また半田３は依然溶融された状態となっているため、電
磁石６の吸引力により半導体素子１は上方へ変位し、よ
って半田３は引き延ばされてその形状は第６図（Ｃ）に
示すようにウェスト形状となる。従来では、上記のよう
にして半田３の接合部をウェスト形状に変形させていた
。

〔発明が解決しようとする課題） しかるに、上記したウェスト形状の形成方法では、半導
体素子１を吸引する手段（電磁石６）をリフロー装［４
に設けていたため、リフロー装置４の構造が複雑となり
、装置が大型化すると共に装置のコストが轟くなるとい
う課題があった。

また、半田接合部をウェスト形状にするために、半導体
素子１を変位させる量は、数十μ−と小さなオーダであ
る。従来では、この変位量の寸法出しを電磁石６の下面
とコンベヤー７の上面により行なわなければならず、ま
たコンベヤー７の移動中に回路基板２が上下に変位しな
いよう構成しなくてはならず、各装置や機器に高い精度
が要求されるという課題があった。

更に、上記のように＾コストでかつ高精度にリフロー装
置４やコンベヤー７を作成しても、設計変更等により半
導体素子１や回路基板２の厚さに変更が生じた場合、こ
れに容易に対応することができないという課題があった
。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、半田接
合部を任意の高さのウェスト形状に変形させ得る半田付
け治具及び半田付は方法を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、本発明では、半導体素子（
１５）をフリツプチップ接合により回路基板（１４）に
半田付けするのに使用される半田付は治具において、 半導体素子（１５）に取付けられた第１の吸引部材（１
１）と、 この第１の吸着部材（１１）と対向配設され、第１の吸
着部材（１１）を吸引して上記半導体素子（１５）を回
路基板（１４）から＠閤させる方向に吸引力を与える第
２の吸引部材（１２）と、上記回路基板（１４）に立設
されて第２の吸引部材（１２）を支持しており、上記吸
引力により変位する半導体素子（１５）と当接すること
によりこの半導体素子（１５）の変位をＭ制し、半導体
素子（１５）と回路基板（１４）とのＩＩＩ寸法を一定
に保つスペーサ（１３）と、 により構成したことを特徴とするものである。

また、半導体素子（１５）をフリツプチップ接合により
回路基板（１４）に半田付けする半田付は方法において
、 半導体素子（１５）又は回路基板（１４）の少なくとも
一方に半田（１６）を設けた後、半田付けして半導体素
子（１５）と回路基板（１４）を仮接合し、 次に、この回路基板（１４）上に、半導体素子（１５）
を回路基板（１４）から離間させる方向に吸引力を与え
ると共に、半導体素？（１５）の上記吸引力による変位
を所定位置にて規制する半田付け治具（１０）を取付け
、 続いて、この半田付け治具（１０）が取付けられた回路
基板（１４）及び半導体素子（１５）を熱処理炉（１７
）に通して半田（１６）を溶融すると共に、半田付け治
具（１０）により半導体素子（１５）を上記吸引力にて
変位させた後、上記所定位置にてその変位をＭｔｌＪす
ることにより半田（１６）をウェスト形状に形成するこ
とを特徴とするものである。

（作用） 上記構成とすることにより、半導体素子（１５）を吸引
する手段（１１，１２）は熱処理炉ではなく半田付け治
具（１０）に設けられるため、従来の簡単な構成の熱処
理炉をそのまま用いることが可能となる。

また、第１及び゛第２の吸引部材（１１，１２）による
吸引力により半導体素子（１５）は＠路基板（１４）か
ら離開する方向に変位し、これに伴ない半田（１６）は
引き伸ばされウェスト形状となる。この際、半導体素子
（１５）の変位は半田付は治具（１０）により所定位置
でＩｌｌされるため、半田（１６）が剥されることはな
く熱歪みによる応力を緩衝するのに適したウェスト形状
とすることができる。

更に、半田付け治具（１０）は回路基板（１４）の上部
に取付けられるため、スペーサ（１３）は回路基板（１
４）の厚さにより影響を受けることはなく、よって回路
基板（１４）の厚さに拘らず半田（１６）の形状を任意
のウェスト形状とすることができる。

〔実施例〕

次に本発明の実施例について図面と共に説明する。第１
図は本発明の一実施例である半田付は治具１０を示して
いる。この半田付は治具１０は、第１の吸引部材となる
磁性板材１１．第２の吸引部材となる磁石１２．及びス
ペーサ１３とにより構成される極めて簡単な構造とされ
ており、後述する半田付は方法において用いられるもの
である。

また、図中、１４は回路基板を、１５は半導体素子を、
１６は半田（梨地で示す）を夫々示している。尚、説明
の便宜上、回路基板１４．半導体素子１５．半田１６を
総称して半導体装置９という。

磁性材料１１は、例えば−辺１０Ｍの正方形状で厚さ０
．２．（以下、正方形状を口で、厚さをｔで示す）のコ
バールよりなる板材であり、半導体素子１５の上面に取
付けられている。磁石１２は磁性材料である５ｓ−Ｇｏ
を磁化した構成とされている。スペーサ１３は例えばコ
バールよりなる柱状部材であり、磁石１２の下面四隅位
置に配設され磁石１２を支持するものである。

尚、回路基板１４は例えばアルミナ基板（０３５ａｍ、
　　０．６履ｔ）で構成されており、また半導体素子１
５は例えばシリコン（０１０履、０．３履ｔ）で構成さ
れており、更に半田１６はＩｎにより構成されている。

また第１図に示す半導体装置は、半田付は治具１０を用
いない通常のりフロー処理を既に行なっており、よって
回路基板１４と半導体素子１５は半田１６により接合さ
れており、また半田１６の形状は表面張力により太鼓状
の形状となっている。

上記構成とされた半田付は治具１０は、回路基板１４上
に磁性板材１１が磁石１２の下面と対向するように取付
けられる。即ち、本発明に係る半田付は治具１０により
、磁性板材１１を吸引する磁石１２は、リフロー装置で
はなく回路基板１４に取付けられることになる。

また、第１図に示す半田付は治具１０が回路基板１４上
に配設された状態で、磁石１２の下面と磁性板材の上面
との離間寸法Ｘは、所定寸法（例えば５０μｍ）となる
よう構成されている。これは、スペーサ１３の長さを適
宜設定することにより容易に調整することができる。こ
の１１１１間寸沫Ｘは、半田１６をウェスト形状に変形
するために半導体素子１５を変位させる寸法であり、こ
の離間寸法Ｘを大きくとると、半田１６の括れは矧くな
り、また離間寸法ｘを小さくすると半田１６の括れは太
くなる。上記のようにスペーサ１４の長さを調整するこ
とにより離間寸法Ｘは任意に設定することができるため
、半田１６の括れ（即ち、半田１６のウェスト形状）を
自在に調整できる。よって、半田１６の形状を熱歪みに
よる応力を緩衝させるのに最も適した形状とすることが
できる。

また、スペーサ１３は回路基板１４上に設けられるもの
であり、磁石１２の＾さは回路基板１４の上面を基準と
して位置決めされる。よって、回路基板１４の厚さ寸法
に拘らず磁石１２の位置決めを行なうことができる。

第２図は第１図に示す取付は治具１０を取付けた半導体
装Ｈ９をリフロー装Ｍ１７に入れ加熱した状態を示して
いる。加熱により半田１６は再び溶融し、半導体素子１
５は回路基板１４に対し若’ＴＩにわたり上下方向へ変
位可能となる。また、半導体素子１５の上面には磁性板
材１１が設けられており、かつその上部には磁石１２が
スペーサ１３により対向配置されている。よって、磁石
１２の磁力により半導体素子１５は吸引され上方へ変位
する。これに伴ない半田１６も上方へ引き上げられ、よ
って半田１６の形状は太鼓状形状よりウェスト形状に変
化する。

この際、半導体素子１５の変位量（即ち、離開寸法Ｘ）
は、スペーサ１３の長さを調整することにより、半田１
６の形状が熱歪みによる応力を緩衝させるのに最も適し
たウェスト形状となるよう設定されている。これにより
、半導体素子１５と半田１６の接合界面に作用する応力
を緩和でき、フリップチップ接合の信頼性を向上させる
ことができる。

次に、上記半田付は治具１０を用いた回路基板１４と半
導体素子１５との半田付は方法について説明する。

先ず、回路基板１４の上面に形成されているパッドＴｉ
極に半田１６（半田バンプ）をめっき或は蒸着ａ等によ
り形成する。続いてその上部に半導体素子１５をペース
トを介して載置した上で、第３図に示すようにリフロー
装＠１７に通して加熱処理を行ない、半導体素子１５を
回路基板１４に仮接合する。この時、半田１６は表面張
力により太鼓状の形状となっている。

続いて仮接合を行なった半導体装ｗ９を冷却した後、前
述した半田付は治具１０を回路基板１４上に取付ける（
この状態は第１図に示す状態である）。この際、回路基
板が第４図に示されるような大型回路基板１８であり、
複数個の種類の異なる（大きさ、厚さ等が異なる）半導
体素子１９ａ〜１９ｃを搭載するものである場合には、
各半導体素子１９ａ〜１９ｃに対応した半田付け治具２
０ａ〜２０ｃを夫々作成し、これを各半導体素子１９ａ
〜１９ｃに取付けることにより、各半導体素子１９ａ〜
１９Ｃを接合する半田に一括的にウェスト形状を形成さ
せることができる。

半田付け治具１０が取付けられると、続いて半導体装置
９はリフロー装置ｔ１７に入れられ、再び加熱される。

この時用いられるリフロー装置１１７は、一般に従来よ
り用いられている吸引手段（例えばＮ磁石）を有しない
ものである。即ち、半田１６にウェスト形状を形成させ
るため半導体素子１５を吸引する手段は、半田付け治具
１０に設けられているため、リフロー装ｖ１１７は従来
から用いられているリフロー装置をそのまま用いること
ができる。これにより、リフロー装Ｗ１１７の小型化及
び低コスト化を図ることができる。

リフ０−装置１７により加熱処理が行なわれると、半田
１６は再び溶融し、半導体素子１５は変位可能となる。

また、磁性板材１１は磁石１２に吸弓１されているため
、半導体素子１５は磁性板材１１と共に上方へ変位し、
これに伴ない半田１６も引き上げられ、第２図に示すよ
うに、半田１６はウェスト形状となる。このウェスト形
状は前述したようにスペーサ１３の長さを調整すること
により、最も熱歪みによる影響が発生しない形状となる
よう構成されている。

続いて半導体装Ｎ９をリフロー装ｗ！１７から取り出し
、冷却した上で半田付け治具１０を取外すことにより、
第５図に示すように、回路基板１４と半導体１１１１５
とがウェスト形状を有した半田１６により接合された半
導体装Ｉ１９が形成される。

上記した半田付は方法によれば、例えば設計変更等によ
り回路基板１４．半導体素子１５の厚さ寸法や形状に変
更があったとしても、磁石１２の形状やスペーサ１３の
長さを変更するだけの簡単な作業で対応することが可能
である。

尚、上記実施例では吸引手段として磁力を用いた構成を
示したが、これに限らｆｌ例えばバキュームノズルを用
いて半導体素子を吸い上げるような吸引手段を用いても
良い。

（発明の効果〕 上述の如く、本発明によれば、リフロー装置に半導体素
子を吸引する手段を設ける必要がなくなるため、リフロ
ー装置の小型化及び低コスト化を図ることができ、また
０路基板の厚さ←よらず半田の中央部を任意の形状に括
れさせることができよって熱歪みによる応力を有効に緩
衝させることができるためフリップチップ接合の信頼性
を向上させることができる等の特長を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である半田付け治具を示す図
、 第２図は第１図に示す状態より加熱され半導体素子が上
方へ＠着された状態を示す図、第３図は半導体素子を回
路基板に仮結合している状態を示す図、 第４図は複数個の半導体素子を搭載する大型回路基板に
半田付け治具を取付けた状態を示す図、第５図は半田付
けが完了した半導体装置を示す図、 第６図は従来における半田付は方法の一例を説明するた
めの図である。 図において、 ９は半導体装置、 １０は半田付け治具、 １１は磁性板材、 １２は磁石、 １３はスペーサ、 １４は回路基板、 １５は半導体素子、 １６は半田、 １７はリフロー装置、 １８は大型回路基板 を示す。 第 図 第２図 第３図 第４図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体素子（１５）をフリツプチップ接合により
   回路基板（１４）に半田付けするのに使用される半田付
   け治具であつて、 該半導体素子（１５）に取付けられた第１の吸引部材（
   １１）と、 該第１の吸着部材（１１）と対向配設され、該第１の吸
   着部材（１１）を吸引して該半導体素子（１５）を該回
   路基板（１４）から離間させる方向に吸引力を与える第
   ２の吸引部材（１２）と、該回路基板（１４）に立設さ
   れて該第２の吸引部材（１２）を支持しており、上記吸
   引力により変位する該半導体素子（１５）と当接するこ
   とにより該半導体素子（１５）の変位を規制し、該半導
   体素子（１５）と該回路基板（１４）との離間寸法を一
   定に保つスペーサ（１３）と、 により構成したことを特徴とする半田付け治具。
2. （２）半導体素子（１５）をフリップチップ接合により
   回路基板（１４）に半田付けする半田付け方法であって
   、 該半導体素子（１５）又は該回路基板（１４）の少なく
   とも一方に半田（１６）を設けた後、半田付けして該半
   導体素子（１５）と該回路基板（１４）を仮接合し、 次に、該回路基板（１４）上に、該半導体素子（１５）
   を該回路基板（１４）から離間させる方向に吸引力を与
   えると共に、該半導体素子（１５）の上記吸引力による
   変位を所定位置にて規制する半田付け治具（１０）を取
   付け、 続いて、該半田付け治具（１０）が取付けられた回路基
   板（１４）及び半導体素子（１５）を熱処理炉（１７）
   に通して該半田（１６）を溶融すると共に、該半田付け
   治具（１０）により該半導体素子（１５）を上記吸引力
   にて変位させた後、上記所定位置にてその変位を規制す
   ることにより、該半田（１６）をウェスト形状に形成す
   ることを特徴とする半田付け方法。