JPH06501821A - アドコン相互接続を使用したデバイスの表面マウント組立体 - 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】 アトコン相互接続を使用したデバイスの表面マウント組立体発明の技術分野 本発明は、アトコン相互接続を使用したデバイスの表面マウントアセンブリのた めの装置およびその方法に関する。

発明の背景 導電性接着剤は電子産業で広く使用されている。重要な応用には、ダイアタッチ およびプリント配線板（ＰＷＢ）の組立体がある。図１は、さらに大きな組立体 １の一部を形成するＰＷＢ上のデバイス２が、ＰＷＢ４に裏面マウントされたリ ードの矩形配置３を有し、これは複数のコネクタパッド５に対応し、続いて導体 ６に接続された例の概略図である。デバイス寸法が縮小し続け、ＰＷＢに接続さ れるべきデバイス上のリード数は増加し続け、隣接するリードまたはパッドの中 心間の距離（「ピッチ」　として知られる）は減少し続けるにつれて、隣接リー ドを短絡することなく導電性接着剤を等方的に正確につけることはますます困難 になる。代替アプローチは、板に垂直な方向（２方向）にのみ導電する非等方導 電性接着剤を使用することである。

非等方導電性接着剤（以下アトコン（接着性コネクタを意味する英語の略）とい う）は、「架橋」概念をもとに定式化された導電性接着材料の一種である。この 材料は、接着性複合物を形成する絶縁高分子基質中に導電性粒子を分散させるこ とによって調製される。一般的に、この接着性複合物は、導電性接着剤の薄膜の ステンシルプリント、スクリーンプリントまたは積層によって、ＰＷＢの表面に 付着される。ＰＷＢ４の一部、ＰＷＢ上のコネクタパッド５、アトコン７の領域 、およびコネクタパッドに接続されるリード３を有するデバイス２の概略図を図 ２に示す。

図３に概略を示すように、デバイスがＰＷＢ上に置かれ、設置力がＰＷＢ基板と デバイス上のリードの間からアトコンを追い出した後に、単一粒子の厚さを有す るアトコンの層が各リードとコネクタパッドの間に残る。個々の粒子はデバイス とＰＷＢの間の間隙に広がり、電気的相互接続を形成する。同様に、導体パッド を有する半導体チップが、ＰＷＢ上に表面マウントされる。

以前は、アトコン相互接続の形成は一般的に直列プロセスによって処理された。

この場合、各パッケージは整列され、圧力下に置かれ、硬化炉内で個別に硬化さ れた。このようなプロセスの例は、米国特許第４．６６７．４０１号（発行日： 　１９８７年５月２６日）および米国特許第４．８６８．６３７号（発行日：　 １９８９年９月１９日）（いずれも発明者はジェームズ・Ｒ，クレメンス他）、 または、ブライアン・サンによる論文「「ペーストコネクタ」：垂直導電性接着 剤」（コネクション・テクノロジー、１９８８年８月、３１〜３２ページ）にあ る。しかし、このタイプのプロセスは加えられる圧力の不十分な制御につながる 。この圧力は、非導電性接合の形成を伴う不十分なものから、リードおよび相互 接続の損傷を生じろ過大なものまで変動し得る。これらのプロセスは、高入出力 （Ｉｌｏ）表面マウントパッケージの場合も、極小チップの場合も実現が困難で あった。その理由は、低いスループットのためのみならず、組立プロセスがＰＷ Ｂ、パッケージ、および組立器具の同一平面性を必要とするためである。システ ムの非平面性は、歩留りおよび信頼性の問題につながり得る。さらに、極小半導 体チップは、チップを損傷する危険を冒さずに、小さい面積に大きい力を加える ことを必要とする。従って、異なる寸法のデバイスに一様に加圧するプロセス、 および、そのプロセスを実現する装置を含めて、上記の間圧点を克服する効率的 な方法が必要とされている。

発明の要約 本発明は、プリント配線板（ＰＷＢ）上にカプセル化された、および、カプセル 化されない、種々のリードまたはパッドデバイスのバッチ組立のための装置およ びその方法であって、製造可能性および信頼性の両方において顕著な改良点を示 すものである。圧力フレーム組立装置によって、導電性接着剤（アトコン）の硬 化中にさまざまなリードパッケージおよびパッド半導体チップに一様に分布した 圧力を加えることが可能となり、初期相互接続抵抗の変動が縮小され、それによ って、アトコン相互接続の信頼性が向上する。この圧力は、デバイスの輪郭およ びＰＷＢの隣接領域に適合して包囲する柔軟な、弾性的に伸張可能な膜への圧力 下の流体の外部付加によってデバイスに加えられる。

圧力の外部付加は、アトコンの硬化に必要な熱伝導性を高め、この技術に使用可 能なプロセスパラメータの領域を増大し、組立時間を縮小する。１００％の組立 歩留りが、さまざまな表面マウントパッケージで観察されており、これは、この システムが高い信頼性があることを示す。

図面の簡単な説明 図１は、ＰＷＢの一部、および、ＰＷＢに表面マウントされた矩形デバイスの斜 視図、 図２は、組立前の、アトコンの薄層を上に有するＰＷＢおよびリード導電性素子 の断面図、 図３は、図２の配置において、加圧後、アトコンの導電性粒子を介してデバイス のリードと電気的に接触するＰＷＢ上の導電性素子（パッド）を有する図、 図４は、アトコン相互接続のバッチ組立に使用される圧力フレーム装置の断面の 前面分解図、 図５は、閉じた動作位置における図４の圧力フレーム装置の断面の前面図、 図６は、図４の装置の分解斜視図、 図７は、図５の装置の斜視図、 図８は、ＰＷＢ上に表面マウントされた矩形デバイスおよびそのデバイスへのケ ーブルピグテール接続を有するＰＷＢの一部の斜視図、 図９は、ケーブルピグテール接続を有する図６の装置の斜視図である。

詳細な説明 ハンダづけ技術に対して、電気的非等方導電性接着剤（アトコン）による電子回 路の組立は、ＰＷＨの製造、および、環境への効果に多くの利点を提供する。接 着剤の硬化に要する温度が低いことは、パッケージおよびＰＷＢへの熱的および 物理的損傷をいずれも最小にする。接着システムは、ハンダ短絡または欠陥を形 成することなく、精細ピッチ要素の組立を可能にし、コストの少ない組立プロセ スをもたらす。環境的には、非等方導電性接着剤は、グロロフルオロカーボン（ ＣＦＣ）のような環境に有害な化学物質の洗浄フラックス残滓の必要性を除去し 、作業者が溶融波ハンダ浴またはりフロー炉からの鉛にさらされることを少なく する。

本発明を実現する装置を図４および５に示す。この装置の対応する斜視図も、そ れぞれ図６および７に示す。明確さのため、装置およびデバイスの要素は正確な 縮尺ではない。図４に分解図を示し、番号１１で全体を示す本装置は、ベース１ ２、スペーサ１３、膜１４およびリッド１５を有し、カバー１４の上の圧力下に 空気のような適当な流体を導入するための入口１６を有する。膜１４は、ポリシ ロキサンゴムのような柔軟な弾性的に伸張可能な材料からなり、スペーサとリッ ドの間に周囲で固定される。膜とリッドによって区画された制限された体積内に 流体を導入することによる圧力の下で、膜は、デバイスの表面、リードおよびベ ース１２上のＰＷＢの隣接する表面の輪郭に一致して適合する。膜は、加圧前に 、よれやしわがないように好ましくはぴんと張ってデバイスの上の空間に均一に 広げるよう注意をはらうべきである。よれやしわは、ＰＷＢおよびデバイスのカ バーの適合性に影響することがある。スペーサ１３には少なくとも１つの排気ボ ート１８が備えられ、カバー１４の下からの空気の排除を可能にする。スペーサ １３は、主にベース１２のフロア１９の洗浄を容易にするために、取り外し可能 ユニットとして備えられる。しかし、スペーサ１３は、永久的にまたは取り外し 可能にベース１２に固定することも可能である。グリッド（図示せず）を、オプ ションとして、ベース１２のフロア１９上に、またはその内部に備えることも可 能である。グリッドは、フロア上のロッドのスクリーンもしくはアレイまたはベ ースのフロア内もしくはフロア上に形成されたグレーティングの形などであるこ とが可能である。グリッドの主目的は、ＰＷＨの底とベースのフロアの間のエア ポケットの存在の可能性を縮小し、圧力および熱を加えた後にベースからＰＷＢ を取り外すことを容易にすることである。

圧力下に流体を導入することは、装置１１の構成部品（たとえばベース１２およ びリッド１５）が相互に分離する傾向をもたらす。従って、本装置には、部品を 一緒に保持する何らかの手段が備えられなければならない。本装置は、クランプ またはボルトまたはその他の固定手段によって一緒に保持することが可能である 。しかし、これらは、使用し組み立てるのが面倒であり、故障の危険もある。実 現可能な代替案は、例えば垂直ネジまたはレバーによって適当に動作可能な製本 用プレスのような単純なプレスの使用である。さらに実現可能な代替案は、積層 プレスのような産業用プレスの使用である。

好ましい実施例では、装置１１は典型的な積層プレス（図示せず）の上部圧盤２ ０と下部圧盤２１の間に配置可能である。装置を横切ってプレスによって加えら れる圧力は、装置の部品を一緒に保持し、膜とリッドの間の流体の漏れを防ぐの に十分であるが、スペーサおよびリッドの隣接部分間に位置する膜１４の部分を 損傷するほど大きくはないようにすべきである。ベース１２、スペーサ１３およ び柔軟膜１４は、加工される物品をベース上に置き、加工される物品を取り外す ために、プレスから取り外し可能である。リッド１５もまた、装置の残りの部分 とともにプレスから取り外し可能である。または、リッド１５は、プレスの上部 圧盤２０に固定され、それとともに垂直に移動可能であってもよい。同様に、ベ ース１２は下部圧盤２１に固定されることも可能である。好ましい実施例では、 スペーサ１３はベース１２から取り外し可能である。しかし、スペーサ１３はベ ース上に固定してもよい。または、スペーサ１３は、上部圧盤２０に付着し、リ ッドとともに垂直に移動することも可能である。後者の場合、膜１４をスペーサ とリッドの間に固定し、必要な場合に膜を交換することが可能なように配慮すべ きである。これは、スペーサ１３を取り外し可能にリッドに付着させることを必 要とすることもある。

装置１１の大きさは、ただ１つのＰＷＢを収容するのに十分であればよい。また は、いくつかのＰＷＢまたはそれぞれいくつかのＰＷＢの大きさであるＰＷＢシ ートを収容可能な大きさであって、積層プレスの大きさによってのみ制限される ことも可能である。

実施時には、ＰＷＢの組立体、ＰＷＢの接点パッド上のアトコン、およびアトコ ンに接触するリード（またはパッド）を有する少なくとも１つのデバイス（また は半導体チッカが、ベース１２のフロア１９上に置かれ、スペーサ１３がベース １２の周囲部分上に置かれ、膜１４がベースとスペーサに゛よって形成される空 洞を包囲してスペーサ１３上に置かれ、リッド１５がスペーサとリッドの間の膜 の周囲領域を固定するように膜１４上に置かれる。その後、装置１１は下部圧盤 ２１上に置かれ、プレスが起動されて圧盤２０をリッドと接触させる。圧力下の 適当な流体（例えば空気）が入口１６を通じて膜１４の上に導入され、カバー１ ４をデバイス、ならびに、ＰＷＢおよびベース１２の露出した上面と適合して接 触させる。圧力は、デバイス上のリードまたはパッド３とＰＷＢ上のパッド５の 接触面間から過剰の接着剤を除去し、薄い接着剤層が単一粒子の厚さで残り、接 着層中の粒子が接触面間の電気的接続を形成するように、デバイスをＰＷＢのほ うへ押し付けるように事前に選択される。しかし、この圧力は、デバイスを損傷 する（例えば、リードをつぶし、曲げ、または断線させる）はど過大であっては ならない。

流体は、圧縮流体（例えば空気）の適当なソース（図示せず）に接続された入口 １６を通じて膜１４上に送られ、膜をＰＷＢおよ・、′にその上のデバイスのほ うへ押し付ける。膜によってデバイス上に及ぼされる圧力は、組立体を損傷する ことなく、デバイスのリード（またはパッド）とＰＷＢの金属化部分の間の連続 な導電路を確立するように、リード（またはパッド）をアトコン中の金属粒子と 接触させるのに十分なだけである。ボンディングのために必要な圧力を提供可能 な市販の空気圧縮機は、空気圧力のソースとして有用である。５〜５００プサイ の範囲内の流体圧力が膜に加えられる。膜を通じてデバイスに作用する実際の圧 力は、加える圧力によるものと膜の伸張によって加えられる力による圧力の組合 せであるため、加える圧力よりも若干大きい。

＝一般的に、５〜２５プサイの範囲（好ましくは１５プサイ）の流体圧力が、は とんどのＩＣパッケージアプリケーションには十分である。例外は、非カプセル 化半導体チップのような非常に小さいパッケージ（例えば８分の１インチ角以下 ）の場合で、これはより高い圧力（例えば２００〜３（）０プサイ程度）の付加 を必要とする。

実施例では、実験に使用されたアトコンの高分子基質は、ビスフェノールＦ（大 Ｈ本インキ化学、エビクロン８３０（登録商標））のジグリシジルエーテルから 調製された。溶融シリカチキソトロープ（カボット、ＴＳ−７２０）が、１００ 樹脂中（ｐｈｒ）５　（７）濃度でウェアリング（登録商標）混合器によってエ ポキシ樹脂中に分散された。１００樹脂中１〜１０の範囲のチオキソトロープ濃 度が有用である。この混合物に、１０　ｐｈｒの２−エチル、＋メチルイミダゾ ール硬化試薬（パシフィック・アンカー−ケミカル、ＥＭＩ−２４）が導電性粒 子とともに加えられた。アトコンをうまく調製するため、金属粒子の濃度は、Ｐ ＷＢとデバイスのリードまたはパッドの間（Ｚ方向）の信頼性のある電気伝導を 保証するように接着剤複合物中に十分な数の粒子が存在するように制御されなけ ればならない。一方、隣接する導体パッドとリードの間（ｘ−ｙ方向）では電気 的絶縁が維持される。実際、隣接するリード３または隣接する導体パッド５の間 に短絡を生じることなく最大量の導電性粒子を与えるような、接着剤複合物中の 金属粒子のこのような要求される体積濃度を得るよう努めるべきである。さらに 、機械的に強固な相互接続を維持するために十分な接着性能が必要である。物質 は手動で混合され、使用前に３０分間真空（１５μｍＨｇ）下で排気された。実 施例では、粒子は、大きさ８〜２０μｍで平均直径が１４μｍの銀メツキガラス 球（ボッターズ・インダストリーズから取得可能）であった。これらは、１０〜 １５体積％（２６〜３２重量％）、好ましくは１２．５体積％（２９重量％）の 量が加えられた。

テストＰＷＢ上のパッケージの組立体が複数ステッププロセスに従って実現され た。アトコンが混合され、排気され、ドクター・ブレードおよびシムを使用して 厚さ約２ミルで、または、手動ステンシルプリンタ（ヘンリー・マンＡＰ−８１ ０）によって厚さ約５ミルで、ＰＷＢ上に謄写された。いくつかのパッケージが 手動で、いくつかは適当な器具（例えば、マエックスまたは単一サイトハンダづ け器［５５５Ｍ］　）を使用して、謄写されたＰＷＢ上に置かれた。組み立てら れた板は装置１１内に置かれ、続いてこの装置は圧盤２０と２１の間に置かれ、 接着剤相互接続が図５のように熱および圧力の下で硬化された。

ＰＷＢは、１００〜３５０　’Ｃの範囲の温度で、好ましくは１２５℃で、主に ベース１２の底から加熱される。成分、接着剤基質組成、および硬化速度条件に 依存して、より高い温度が有用となる。所望の範囲の熱を提供するために、熱は 次のようなさまざまな方法で供給可能である。例えば、ａ）ベース１２と下部圧 盤２１の間に配置されたホットブレートｂ）ベースに埋め込まれた加熱コイル、 またはＣ）下部圧盤内に備えられた適当な加熱手段（例えば、加熱コイル、電気 、熱湯または蒸気加熱）である。装置の底部を加熱する場合と同様にして、装置 の上から追加加熱を加えることも可能である。しかし、硬化時間の増大を避ける ため、上部加熱は、底部加熱に要するものの一部のみでなければならない。これ は主に装置の部品（例えばリッド１５および上部圧盤２（すによるベース１２お よび下部圧盤２１の冷却を避けるためのものである。上部加熱温度は３０〜３５ ０　’Ｃの範囲であり、好ましくは５５℃である。または、加熱配置を逆にし、 好ましい高温を装置１１のとから加え、低温を下から加えることも可能である。

圧力は、ベース１２およびスペーサ１３によって形成される空洞上に位置する柔 軟伸張可能膜１４によってベース上の組立体に加えられる。膜１４上に流体によ って及ぼされる圧力は膜を伸張させ、パッケージと適合して接触するように膜を 押し付ける。膜は、圧力下で個々のパッケージ寸法に適合するように十分伸張可 能でなければならない。これによって、ＰＷＢに垂直な方向への一様な加圧が保 証される。膜は、流体によって加えられる力が取り除かれればもとの非伸張位置 に戻るような弾性材料でなければならない。ワイヤスクリーンが、加熱されるベ ースからＰＷＢを分離するグリッドとして使用され、膜がスペーサ１３内の排気 ポート１８へのアクセスを封じないようにする。

３０秒〜６０分の硬化時間（平均２〜４分）が、各組立体硬化作業のために使用 された。

上記の装置の汎用性は、さまざまなリード（接続）を有するデバイスを使用して テストされた。これらのデバイスには、１００個の２リード離散抵抗、５０ミル ピツチハンダガルウイングリードを有する１２個の１４リ一ド小型集積回路（Ｓ ＯＩＣ）、および、２５ミルピツチハンダガルウイングリードを有する４５個の １３２リードデイジーチエーンプラスチツク矩形平坦パツケージ（ＰＱＦＰ）（ 合計３．１４８個の相互接続）が含まれる。使用されたＰＷＢは、ガラスファイ バ強化エポキシからなり、銅箔を装備し、ハンダで被覆された耐火第４級（ＰＲ −４）板である。

抵抗、５ＯＩＣおよびＰＱＦＰは、上記のように組み立てられ、硬化され、短絡 および相互接続がテストされた。すべてのパッケージについて、１００％の実現 可能相互接続の組立体歩留りが観察された。実現可能相互接続は、２リード抵抗 および１４リード５ＯＩＣテハ１００　ｍΩ未満、１３２リードＰＱＦＰ　テは 各１６リードあたり１、Ω未満（ＰＷＢおよび内部パッケージディジーチェーン の抵抗寄与を含む）の抵抗値として定義された。いずれの隣接するリードおよび パッドの間にも短絡は観察されなかった。

本発明は、ＰＷＢ上の導体への柔軟フラットケーブル（またはケーブルピグテー ル）の接続に使用可能である。例えば、図８および９に示すように、接点（図示 せず）を備えたフラットケーブル１７の端部が、ＰＷＢ上に堆積されたアトコン によってＰＷＢ上の導体６に接続される。図８には単一デバイスへのこのような 接続を示し、図９にはケーブルが少なくとも２個のデバイスに接続される場合を 示す。ケーブルが装置１１の周囲より長く延びる場合、スペーサ１３が排気ポー ト１８の代わりに、またはそれに加えて細長い開口２２が備えられ、ケーブルが 開口２２を通して装置１１の外へ延びることを可能にする。

ＦＩＧ、Ｉ ＦＩＣ，２ ＦＩＧ、３ ＦＩＧ、５ ＦＩＧ、６ ＦＩＧ、８ ＦＩＧ、９ 国際珈杏謡牛

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. １．ベースと、 スペーサと、 弾性的に伸張可能な膜と、 堅固なリッドと、 からなり、 スペーサは、ベースの周辺部上に位置し、ベースとともにプリント配線板（ＰＷ Ｂ）、導電性接着剤（アドコン）および少なくとも１つのデバイスからなる組立 体が入る空洞を画成し、デバイスはリードまたはパッドを有し、このリードまた はパッドはアドコンを通してＰＷＢ上のバツドまたは導体に導電的に相互接続さ れるものであり、 膜は、空洞を包囲し、スペーサと周辺で係合し、リッドは、膜上にあり、スペー サとリッドの周辺領域との間で膜を周辺で固定し、このリッドには、リッドと膜 の間に圧力下で流体を導入するための入口が備えられることを特徴とする、プラ スチックカプセル化されたデバイスを表面マウントする装置。
2. ２．装置の部品が圧縮流体の影響下で分離しないよう保持する固定手段を有する ことを特徴とする請求項１の装置。
3. ３．固定手段が、膜上に加えられる圧力下で装置の部品が分離しないよう保持す る圧盤を有するプレス装置からなることを特徴とする請求項２の装置。
4. ４．膜の材質がポリシロキサンであることを特徴とする請求項１の装置。
5. ５．アドコンの硬化を促進するために少なくともベースを加熱する加熱手段を有 することを特徴とする請求項１の装置。
6. ６．加熱手段が、１００〜３５０℃の温度的ベースを加熱することを特徴とする 請求項１の装置。
7. ７．前記温度が約１２５℃であることを特徴とする請求項６の装置。
8. ８．リッドを３０〜３５０℃の温度に加熱する加熱手段を有することを特徴とす る請求項１の装置。
9. ９．リッド加熱温度が約５５℃であることを特徴とする請求項８の装置。
10. １０．流体が５〜５００プサイの範囲内の圧力下で供給されることを特徴とする 請求項１の装置。
11. １１．前記圧力範囲が５〜２５プサイであることを特徴とする請求項１０の装置 。
12. １２．流体が空気であることを特徴とする請求項１の装置。
13. １３．プリント配線板（ＰＷＢ）上の導体バツド上に導電性接着剤（アドコン） を塗布するステップと、 導電性リードまたはパッドを有する少なくとも１つのデバイスを、そのリードま たはパッドがＰＷＢ上の導体パッドと整合するように、アドコンと接触させて組 み立てるステップと、その組立体を、ベースおよびスペーサからなる空洞内に入 れるステップと、 弾性的に伸張可能な材料の膜でその空洞を包囲するステップと、 膜を伸張させ、その膜を前記デバイスと適合して接触させるように、膜上に均一 に分布した流体圧力を加えるステップと、デバイス上およびＰＷＢ上の導体を導 電性相互接続状態に保持するようにアドコンを硬化するステップとからなること を特徴とする、導電性リードまたはパッドを有する少なくとも１つのデバイスを ＰＷＢ上に表面マウントする方法。
14. １４．膜がポリシロキサンからなることを特徴とする請求項１３の方法。
15. １５．硬化ステップが組立体を加熱するステップによって促進されることを特徴 とする請求項１３の方法。
16. １６．加熱ステップが、１００〜３５０℃の範囲の温度で底部から組立体を加熱 することによって実行されることを特徴とする請求項１５の方法。
17. １７．前記温度が約１２５℃であることを特徴とする請求項１６の方法。
18. １８．加熱ステップがさらに、３０〜３５０℃の範囲の温度で上部から組立体を 加熱することによって実行されることを特徴とする請求項１５の方法。
19. １９．前記温度が約５５℃であることを特徴とする請求項１８の方法。
20. ２０．流体圧力が５〜５００プサイの範囲の圧力で加えられることを特徴とする 請求項１３の方法。
21. ２１．前記圧力範囲が５〜２５プサイであることを特徴とする請求項２０の方法 。