JPH0318041A - 電気的接合部 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、絶縁体上に設けられた電極とチップ部品また
はペアチップとの電気的接合に関し、特に生産性および
信頼性に優れた電気的接合部に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、プリント基板等にチップ部品を実装する場合、実
装厚みを薄くするためにモールドパ・ンケジされた部品
を部品挿入用の孔に埋め込みチップ部品のリードとプリ
ント基板の電極をはんだリフロー法により接続していた
。この方法によりチップ部品の実装上の厚みがプリント
基板により一部相殺され通常の表面実装法に比べ薄くで
きるメリットがあった。しかしながらリードがあるため
にこの分が出っぱりとして残り、より薄い実装形熊を得
るには限界があった。

そこで、外部接続用の電極を表而に設け、リードをなく
したペアチップ部品をプリント基坂に埋め込み、ペアチ
ップとプリント基板上の電極を間一平面に保ちはんだフ
ロー法によって接続することによりリード部の厚みによ
る出っぱりが仰えられ薄く実装することができる。しか
しながら、この方法の場合、ペアチップとプリント基板
上の電極の間にギャップがあるために、通常の共晶系は
んだペーストを使用する場合、ギャップを充分小さくせ
ざるを得す、ペアチップの挿入に高い位置精度が要求さ
れ、しかも接続したものの再リフロ一に対する信頼性は
低い。はんだの代わりに導電性接着剤を用いる方法もあ
るが、接触抵抗、信頼性、更にコストの点で一般にはん
だより劣り適用できる範囲は限定されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来のペアチップ実装法では製造条件にシビアな管理が
要求され、再リフローに対する信頼性に劣り、また接触
抵抗、コストなどの点から適用分野に制限を受けていた
。

本発明の目的は、このような従来の諸欠点を解消し、特
にペアチップの高い位置精度を必要とせず、接触抵抗、
コストが通常のはんだと同等以上の性能をもち、薄くか
つ再リフローに対する信頼性の高い実装形態を実現する
電気的接合部を提供することにある。

更に、本発明を通常の表面実装法に適用すればはんだ量
のバラツキによる第６図、第７図のようなチップ立ちが
少なくなり、製造条件の管理が容易になり、また接合部
の再リフロー後の信頼性向上が達成されることを見出し
、本発明を完威した。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、絶縁体上に設けられた複数の電極とチップ部
品上に設けられた複数の電極が独立に電気的に接続され
た電気的接合部において、前記電極間が複数の金属粒を
含むはんだで接続され、かつ前記複数の金属粒の融点が
前記はんだより高く、かつ前記複数の金属粒の構成材質
の全部または一部に前記はんだの構威材質と異なる材質
を含むことを特徴とする電気的接合部である。

本発明に適用されるチップ部品とは、ホール素子、トラ
ンジスタ、ＩＣなどの能動素子や抵抗、コンデンサ、イ
ンダクタなどの受動素子から成り、その外観は外部接続
用の電極を設けたペアチップ形態や主要構成素子をモー
ルド材などでパッケージ化し外部接続用のリード線を設
けた形態などがある。このうち本発明が特に威力を発揮
するのは前者のペアチップ形態であり、その電極ははん
だ付け性の良い材料で構成されており、チップの表面に
平面あるいは曲面的に形成されている。

チップ部品を接続する相手側の電極は、チップ部品の周
囲の回一平面あるいは段差を持った位置やチップ部品と
向かい合う位置に形威されており、かつ樹脂やセラミ・
冫クを含む絶縁体上に形成されている． 接続するはんだ材料は、はんだ中に高融点金属粒を含む
ものである。

以下、圓面を参照して本発明を詳細に説明する。

第１図は、本発明の電気的接合部の一実施態様を示す断
面図である。第１１ｆｉにおいて、ｌは絶縁体４に設け
られた電極、２はチップ部品３に設けられた電極、３は
チップ部品、４は絶縁体で電極ｌと共に基板１１を形威
している。この基板ｌ１は少なくとも１組の絶縁体４と
電極ｌを含んでいれば、更に他の層が積層されていても
かまわない。５は電極ｌと２を接続し電気的に導通させ
るはんだ、６ははんだ５内に分散された金属粒、９はチ
ップ部品３を絶縁体４に固定する支持体を示す．電極！
、２の材質は、はんだ５との濡れ性がよいことが必要で
ある。実際には、電極との濡れ性のよいはんだを選択す
ることにより、銅、銀、金、白金、鉛、錫、鉄、ニッケ
ル、インジウム、アルミニウム、ステンレスが使用でき
るが、−ｉ的には、銅、銀、金が好ましく、経済性の点
からは特に銅が好ましい． 電極ｌおよび２はいかなる方法によって製造されたもの
であってもよく、電極の個数も２つのみに限らず、３つ
以上であってもよいこと勿論である．加えて、電極ｌお
よび２の配置形態も、第１図の例にのみ限られるもので
はなく、たとえば第２図（Ａ）〜（Ｄ）に示すような種
々の形態にも適用可能である．第２図（Ｄ）において、
２′は第３の電極を示す。

電極１と電極２との間の距離については、電極の形状や
塗布はんだの量などにもよるが、それらの最短距離が、
０．０５ｍｍ以上、さらには０．１Ｍ以上、特に０．３
嗣以上の場合において、本発明はその効果を顕著に発揮
する。

なお、接続方向に垂直な方向の電極の寸法（電極幅と定
義する）は、電極間最短Ｖ巨離が大きくなるにつれ、そ
の最短距離の４倍以下、さらには２倍以下、特に１倍以
下で本発明の効果を顕著に発揮する。

はんだ５の材質としては、電極及び金属粒と合金組織を
形戒が可能であれば任意のもので良く共晶系、非共品系
いずれも使用できる。例えば電極及び金属粒が銅の場合
、すずを含む合金、特にＳｎ−Ｐｂ合金が接合力も高く
好ましい。また電極が恨の場合にはＳｎ−Ｐｂ−Ａｇ合
金も使用可能である。

なお、本発明でいうはんだとは電極及び金属粒と合金組
織を形威可能な金属を含む合金を意味する。

金属粒６としては、はんだ５の園相線温度よりも高い融
点を持つことが必要であり、その温度は２０゜Ｃ以上、
好ましくは３５゛Ｃ以上、更に好ましくは５　Ｑ　’Ｃ
以上である。また、再リフローに対する安定性を確保す
るためには、その再リフロー温度より金属粒６の融点を
高く設定するのが好ましく、更に金属粒の構成材質の全
部または一部にはんだ５の構成材質以外のものを含むこ
ともできる。

上記の条件を満たし更にはんだ５との濡れ性が良く合金
組織を形戒可能なものとしては、Ａｇ＋　Ａｕ，Ｃｕ，
Ｐｔ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ａｊ！，Ｃｄ，Ｚｎ及び上記１種以
上の金属を含む合金など使用できる。また、上記のうち
いずれかを含む金属で表面を覆った金属粒、ガラス粒、
セラξツク粒、樹脂粒を使用しても良いし、２種以上の
材質の金属粒を同時に使用しても良い。以上のうちでは
、Ａｇ，Ａｕ，Ｃｕ，Ｐｔ，Ｎｉ及びＣｕ基合金、Ａｕ
ｇ合金、Ａｇ基合金、Ｎｉ　７５合金、及び上記金属で
表面を覆った金属粒などが好ましく、更にはＡｕ．Ａｇ
．Ｎｉの単独または表面をＡｕ，Ａｇ＋Ｎｉ，Ｓｎのう
ちのいずれかの金属あるいは合金で覆った銅粒が好まし
い。

金属粒の粒径は、接合の信頼性、プロセス性などを考え
ると１〜１５０μｍ、好ましくは１〜７５μｍ、更に好
ましくは１〜５０ｌｌｍ程度である。

形状は、球形より不定形の方がはんだとの界面面積が大
きくとれ信頼性上好ましい。

金属粒の量については、多すぎると金属粒間にはんだが
充満できず接続抵抗の上昇や信頼性低下となり、少なす
ぎると接続の歩留まりが劣り、また本発明で接続した部
品等をはんだリフロ一法により別の基板等に接続する際
に、そのリフロー熱によるはんだの再溶融により、接続
部が断線する場合もある。具体的には体積比で、金属粒
／（金属粒＋はんだ）の値が０．５　Ｖｏｌ％以上６７
％Ｖｏｆｆｉ％以下、２　Ｖｏｌ％以上５０Ｖｏｌ％以
下が好ましく、特に５　Ｖｏｌ％以上２０ＶＯｌ％以下
が好ましい。

上記の金属粒量であれば、接続部のはんだを再溶融させ
てもその中に分散されている金属粒により流動性が抑え
られるため接続が断線することはない。

第１圓及び第２図に示した電気的接合部を得る方法を第
３図（Ａ）　、（Ｂ）および（Ｃ）を参照して説明する
。

工程（１）：　　第３図（Ａ）に示すように、はんだ粒
５Ａ、金属粒６およびフラックス７を 混合したはんだペーストをスクリーン 印刷法その他の方法によって電極１お よび２の上に、これら電極にまたがる ように被着、すなわち付着または塗布 する。

工程（２）：　　はんだ粒５Ａ園相線未満の温度で予備
加熱した後、はんだ粒５Ａの同相線 以上かつ金属粒６の融点未満の温度で、はんだペースト
をリフローさせてから 冷却して凝固させる。この工程によっ て、はんだ粒５Ａは熔融して合体して、溶融していない
金属粒６を分散させ、 また、接合部の表面にははんだペース ト中のフラックスから生成された残留 物が残る。このようにリフローしたは んだは冷却凝固して第３図（Ｂ）に示すように、電極ｌ
と２との間を電気的に 導通させるはんだ５、金属粒６及びフ ラックス残留物８となる。

工程（３）：　　その後、第３１ｍ（Ｂ）に示されるフ
ラックス残留物を除去して第３図（Ｃ）に示す如き電気
的接合部を得る。

このようにして得られた電気的接合部は、その製造工程
が簡単であるにもかかわらず、リフロ一時に発生するガ
スやはんだ自体の表面張力による盛り上がりの高さによ
る導通不良を生ずることがなく、電極間を確実に電気的
に接合して両電極間の電気的導通をとることができる。

しかもまた、電極とはんだとの接合強度が高く、また接
合部の比抵抗を著しく低くすることができる．更に従来
のものに較べて再リフローに対する信頼性が高くなる。

また、はんだブリッジによる導通は、リフロー工程の初
期のある期間内で少なくとも一部が溶融したはんだが残
りの金属粒同士を合体させることにより起こり、通常の
電極の形状配置の下では、いったん電極間のはんだブリ
ッジが起これば、その後完全にはんだを溶融させた状態
にしても、また、その後に冷却凝固させても、はんだブ
リッジは保たれる。すなわち、電極の寸法や位置関係な
どによる規制はあるものの、基本的には、上述のりフロ
ー温度条件を満足する限り、用いるはんだ粒の固相線一
金属粒の融点間および金属粒の融点以上のいずれの温度
でリフローさせてもよい．はんだ粒５Ａの粒径は、はん
だペーストの印刷・塗布性を考慮すると、１５μｍ以下
、さらには７・５μｍ以下が好ましい。また、粘度偏折
を避けるためには、均一の粒径のものを使用した方が好
ましい。

フラ・ンクス７としては、樹脂系フラックス、特に活性
化樹脂ブラックスが好ましい。これはロジン系天然樹脂
またはその変性樹脂を主成分とし、これに活性剤・有機
溶剤・粘度調整剤・その他の添加剤が添加されたもので
ある。一般に、変性樹脂には重合ロジン、フェノール樹
脂変性ロジンなと、活性剤には無機系および有機系フラ
ックス、その中でも特にアミン塩酸塩や有機酸系のフラ
ンクス、有機溶剤はカルビトール系、エーテル系のもの
が用いられる．なお、金属粒の種類によっては無機系フ
ラックスを使用してもよい。

フラックス量については、リフローしたはんだ粒問およ
びはんだ粒一金属粒間の一体化を引き起こすのに充分な
量が必要であるが、例えば金属粒が銅の場合には、はん
だ粒の５重量％以上、好ましくは７重量％以上、さらに
は１０ｍｌ％以上が好ましい。なお、フラックス量は金
属粒量の割合が増すに従って、印刷・塗布性が劣らない
範囲で増やす必要がある。

上述のはんだ粒５Ａ，金属粒６およびフラックス７で構
成されたはんだペーストは、スクリーン印刷法あるいは
ディスペンサなどを用いた方法により電極部に付着ある
いは塗布される。付着または塗布は第３図（Ａ）に示し
たように、接続しようとする電極１および２のすべての
上にまたがるように行う必要がある． 予備加熱は、リフロー時の急激な温度上昇による基板へ
の熱応力を緩和するためと同時に、フランクス中の揮発
成分を完全に放散させてリフロ時のガス発住を抑える効
果があり、かかる予備加熱を行うことが好ましい。予備
加熱の条件は基板の材質や構造などによって異なるが、
はんだの融点よりも低い温度、より好ましくははんだの
融点よりも２０゛Ｃ〜６０’Ｃ低い温度とする。例えば
、Ｓｎ：　Ｐｂ＝６３：３７の組成のはんだ（共品はん
だ）の場合には、温度１　２　０　’Ｃ〜１　６　０　
’Ｃで予備加熱することが好ましい。これより高すぎる
と、フラックスが硬化し、はんだ付着性が悪くなり、逆
に低すぎると、フランクスの揮発成分の放散が不充分で
ガスの滞留を起こし、はんだ不濡れの原因となる。加熱
時間も基板の熱容量、はんだペーストの量、フラックス
の量や種類、加熱方式などにより異なるが、基板の表面
および内部が規定の温度に達してから１〜３分間程度の
間にわたって予備加熱することが好ましい。

フロー温度は、接合強度の点から、はんだの融点よりも
５゜Ｃ以上高い温度とする。さらには２ｏ゜Ｃ以上高い
温度とするのが好ましい。上限温度は基板の耐熱性によ
って定められるが、あまり高ずぎると、フラックスが炭
化して活性作用がなくなるので、注意が必要である。時
間の設定は予備加熱の場合と同様であるが、数秒以上あ
ればよい。

加熱方法としては、熱風加熱、赤外線加熱、ペパーフエ
ーズソルダリング、レーザー加熱、ホットプレート、抵
抗加熱、はんだごて加熱などがあるが、より高い導通の
再現性を得るためには、はんだが溶融し始めてから、リ
フローのピーク温度に達するまでの昇温速度は遅い方が
好ましく、熱風加熱や赤外線加熱が特に好ましい。

リフロー後、たとえば第３図（Ｂ）に示すように、はん
だ５、チップ部品３及び絶縁体４の表面にフラックス残
留物８が生戒されるが、その除去のために、必要に応じ
て洗浄を行う。洗浄剤として、トリクロロトリフルオ口
エタンに代表されるフロン系溶剤や１−ｌ−１　トリク
ロルエタンなどの塩素系溶剤を用いてシャワー洗浄・超
音波洗浄や蒸気洗浄などを行えばよい。

〔実施例〕

次に、本発明を実施例により詳述するが、本発明はかか
る実施例にのみ限定されるものではない．実施例ｌ 既知の方法によって、第１図及び第４図に示すように基
板ｌ１にチップ部品３を埋め込み、電極１及びチップ部
品の電極２を同一平面上に形威した（電極ｌ及び２の寸
法は各々０．３ｍｍ　Ｘ　０．３ｍｍ　Ｘ　０．０３Ｉ
ＩＩＩｌｔ、０．２ｍｍＸ０．２ｍｍＸ０．０３ｍｍｔ
）。ｌの値としては２５０μｍ、８００μｍの２通りの
ものを用意した。

次に、メタルマスクを用いたスクリーン印刷法によって
、各々のｉのものに対し、下記組成よりなるはんだペー
ストのを２つの電極工および２上に、これら電極にまた
がって塗布した。

はんだペーストの はんだ粒材質　　Ｓｎ／Ｐｂ／Ａｇ＝　６２／３６／２
はんだ粒径　　　最高４０μｍ はんだ粒形状　　不定形 金属粒材質　　　銀 金属粒径　　　　最高４０ａｍ 金属粒形状　　　不定形 フラックス　　　弱活性口ジン 混合比　　　　　（体積比） （はんだ粒）：（金属粒）：（フラックス）＝９０　：
　１０　：　１０５ その後、１　２　０　”Ｃの熱風オーブン中で１０分間
予備加熱した後、２１５゜Ｃ熱風オーブン中で３分間リ
フローさせ、ついで１−１−１　｝リクロルエタンで超
音波洗浄して表面のフランクス残留物を除去して第３図
（Ｃ）の如き電気的接合部を製造した。

得られた接合部はいずれの電極配置においても、リフロ
ーしたはんだはほぼ１００％の収率で第３ｌｍ　（Ｃ）
に示すように２電極間にまたがるようにプリッジされて
おり、接合強度も通常のはんだと比べて何ら遜色はなか
った。また、２３０″Ｃ×３０ｓｅｃの条件で再リフロ
ーしたところ接続部の断線の発生はみられなかった。

実施例２ 既知の方法によって、第５図に示すように基板ｌｌ上に
チップ部品３を設置し、電極ｌとチップ部品の電極２に
１５０μｍの段差を設けた。電極ｌ及び２の寸法は実施
例１と同様であった。

次に実施例１で用いた、はんだペーストのを２つの電極
１および２上にまたがるように塗布した．その後、１２
０゜Ｃの熱風オーブン中で１０分間予備加熱した後、２
１５゜Ｃの熱風オーブン中で３分間リフローさせ、つい
で１−１−１　｝リクロルエタンで超音波洗浄して表面
のフランクス残留物を除去して第２１ｍ（Ａ）の如き電
気的接合部を得た。

得られた接合部は、リフローしたはんだがほぼ１００％
の収率で第２図（Ａ）のように２電極間にまたがるよう
にブリッジされており、接合強度も通常のはんだと比べ
て何ら遜色はなかった。なお、２３０″ＣＸ３０ｓｅｃ
の条件で再リフローしたところ接続部の断線の発生はみ
られなかった。

比較例１ 実施例１で使用したはんだペースト■の代わりにＳｎ／
Ｐｂ＝６３／３７合金のはんだペースト（千住金属工業
■製、商品名；　ＳＰＴ−５５−６３）を用いる以外は
、実施例Ｉ及び２と全く同様にして電気的接合部を得た
。得られた接合部は２電極間にまたがるようにブリッジ
されているものは、第４図の形態では５％以下、第５図
の形態では０％であった。

実施例３ チップ部品を接続しようとする基板上に配設された４つ
の電極（　０．２ｍｍ　Ｘ　０．２ｍｍ　Ｘ　０．０３
＋ｕｍ　ｔ）に実施例１で使用したペーストのを塗布し
た。塗布量は４つの電極のうちの１点を他の同じ塗布量
の３点の半分の量に設置した。その後サイズ、位置とも
基板上の電極と同様の電極をもったチップ部品を電極間
が向かい合うようにセットし７た。

その後、１　２　０　”Ｃの熱風オーブン中で１０分間
予備加熱した後、２１５゜Ｃの熱風オーブン中で３分間
リフローさせ、ついで１４−１｝リクロルエタンで超音
波洗浄して表面のフラックス残留物を除去して第２図（
Ｃ）の如き電気的接合部を得た。得られた接合部は、リ
フローしたはんだはほぼ１００％の収率で第２図（Ｃ）
のように２電極間にまたがるようにプリッジされており
、チップ立ちによる断線もなく接合強度も通常のはんだ
と比べて何ら遜色はなかった。

なお、２３０゜ＣＸ３０ｓｅｃの条件で再リフローした
ところ、接続部の断線の発生はみられなかった． 比較例２ 実施例３におけるはんだペースト■に代えてＳｎ／Ｐｂ
　＝６３／３７合金のはんだペースト（千住金属工業■
製、商品名：　ＳＰＴ−５５−６３　）を用いる以外は
、実施例３と全く同様にして電気的接合部を形成した。

得られた接合部は第６図のように供給はんだ量の少ない
方でチップ部品３が立ち上がっており、電極１と２のブ
リッジは不可能であった。

実施例４ 下記第１表に示すはんだペースト■〜■を用いる以外は
、実施例１〜３と全く同様にして電気的接合部を形成し
た。なお、各々のペーストのはんだ粒、金属粒の粒径及
び形状、またフラックスの材質ははんだペーストのと同
様であった。

いずれの電気的接合部においても、リフローしたはんだ
はほぼ１００％の収率で２電極間にまたがるようにプリ
ッジされており、接合強度も通常のはんだと比べて何ら
遜色はなかった。また２３０”ＣＸ３０ｓｅｃの条件で
再リフロ−し７たところ接続部の断線の発生はなく、そ
の後の信頼性も良好であった。

第　　　１　　　表 〔発明の効果〕 本発明によれば、従来の共晶系のはんだペーストを使用
した場合に比べてチップ部品上の電極と基板上の電極と
のギャップを広くとれるのでチップ部品の位置決めに高
い精度を必要とせずに、高密度の実装を可能とする。更
に接合部の接触抵抗、信頼性は従来のものと何ら遜色は
なく、しかも再リフロ一に対する安定性は従来のものに
比べてはるかに向上する． また、本発明を通常の表面実装法に適用すればはんだペ
ーストの塗布量のバラッキによるチップ立ちが激減する
他、従来のはんだでは実現不可能であった第２図（Ａ）
の形態も可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明電気的接合部の一実施態様を示す断面図
、第２図（Ａ）〜（Ｄ）は本発明の電気的接合部の種々
の実施態様を示す断面図、第３図（八）ないし（Ｃ）は
本発明の電気的接合部の製造工程の一実施態様を説明す
る断面図、第４及び５図は本発明実施例における電極を
説明する斜視図、第６及び７図は従来のはんだペースト
を用いて得た電気的接合部の一例を示す断面圓である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. １．絶縁体上に設けられた複数の電極とチップ部品上に
   設けられた複数の電極が独立に電気的に接続された電気
   的接合部において，前記電極間が複数の金属粒を含むは
   んだで接続され、かつ前記複数の金属粒の融点が前記は
   んだより高く、かつ前記複数の金属粒の構成材質の全部
   または一部に前記はんだの構成材質と異なる材質を含む
   ことを特徴とする電気的接合部。
2. ２．はんだが、すずを含む合金であり、かつ複数の金属
   粒がＡｕ，Ａｇ，Ｎｉの単独、またはＡｕ，Ａｇ，Ｎｉ
   ，Ｓｕのうちいずれかを含む金属あるいは合金で表面を
   覆った銅粒である特許請求の範囲第１項に記載の電気的
   接合部。