(57)【要約】  使用環境温度が高温になる場合においても、高精度な接続信頼性を維持することが可能な、実装構造を提供する。  本発明の実装構造（１０）は、電子部品（１１）と、金属（１２）と、配線基盤（１３）と、抑制構造と、を備える。電子部品（１１）は第一の電極（１４）を有する。金属（１２）は、融点が１３０℃以下である。配線基板（１３）は、金属（１２）を介して第一の電極（１４）と電気的に接続された第二の電極（１５）を有する。抑制構造は、第一の電極（１４）及び第二の電極（１５）が形成された領域の外部に溶融状態の金属（１２）が流出することを抑制する。さらに、抑制構造（１４）は、電子部品及（１１）び配線基板（１２）の少なくとも一方に形成されている。
2012070381.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の電極を有する電子部品と、
融点が１３０℃以下の金属と、
前記金属を介して前記第一の電極と電気的に接続された第二の電極を有する配線基板と、
前記第一の電極及び前記第二の電極が形成された領域の外部に溶融状態の前記金属が流出することを抑制する抑制構造と、を備え、
前記抑制構造は、前記電子部品及び前記配線基板の少なくとも一方に形成されている、実装構造。
【請求項２】
前記金属の融点は４０℃以下である、請求項１に記載の実装構造。
【請求項３】
前記抑制構造は、前記電子部品及び前記配線基板の少なくともいずれか一方の表面に形成された段差を含む、請求項１または２に記載の実装構造。
【請求項４】
前記抑制構造は、前記電子部品及び前記配線基板の少なくともいずれか一方の表面に形成され、規則的に配列された柱状構造を含む、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の実装構造。
【請求項５】
前記配線基板は、前記金属が注入される窪みを有し、
前記窪みの底面には、前記第一の電極あるいは前記第二の電極が形成されており、
前記窪みの、前記配線基板の表面の面内方向における面積は、前記配線基板の表面から深さ方向に向かって大きくなっている、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の実装構造。
【請求項６】
前記金属の材料は、ガリウム及びインジウムの少なくとも一方を含む合金である、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の実装構造。
【請求項７】
前記第一の電極は、前記電子部品のうち、前記配線基板と対向する第一の面に形成され、
前記第一の電極は、前記第一の面に対して平行方向の長さよりも、前記第一の面に対して垂直方向の長さの方が大きい、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の実装構造。
【請求項８】
前記第一の電極の形状は、中空形状である、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の実装構造。
【請求項９】
前記第一の電極及び前記第二の電極のうち少なくとも一方の表面には、アスペクト比が０．０１以下の凹凸形状が形成されている、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の実装構造。
【請求項１０】
第一の電極を有する電子部品を、第二の電極を有する配線基板に実装する実装方法であって、
融点が１３０℃以下の金属を、前記第一の電極上及び前記第二の電極上の少なくともいずれか一方に供給する工程と、
前記配線基板に前記電子部品を実装する工程と、を含み
前記第一の電極と前記第二の電極とは、前記金属を介して電気的に接続され、
前記電子部品及び前記配線基板の少なくとも一方には、前記金属が、前記第一の電極及び前記第二の電極が形成された領域の外部に流出することを抑制するための抑制構造が形成されていることを特徴とする、実装方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品の実装構造及び実装方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器の軽量化、薄型化、小型化が急速に進んでおり、実装される電子部品に対しても、軽量化、薄型化、小型化が求められている。【０００３】
一方で、現在の多くの電子機器には、電子部品と配線基板を接続する材料として、固体の半田が用いられている。電子部品を配線基板に実装する際には、ニッケルや金の薄膜を形成した電極パッドに半田ペーストを印刷する。そして、半田の溶融温度以上の温度で、半田を加熱溶融させ、電極パッドと半田とを接続する。電子部品を配線基板に搭載する際には、常温下で、電子部品の電極パッドと配線基板の電極パッドとの位置あわせを行う。その後、電子部品と配線基板上の予備半田が溶融する温度まで昇温させる。そして、電子部品ならびに配線基板に半田が濡れ広がった後、温度を低下させる。このように、電子部品ならびに配線基板の温度を低下させて半田を凝固させることで、電子部品と配線基板との間に固体接続部を形成する。【０００４】
ところで、電子部品のパッケージ構造としては、ＱＦＰ（Ｑｕａｄ  Ｆｌａｔ  Ｐａｃｋａｇｅ）と呼ばれる構造がある。ＱＦＰは、電子部品の接続端子をパッケージ外周に配置し、その接続端子を配線基板に接続することで、電子部品と配線基板との間の電気信号の授受を行う構造である。【０００５】
しかし、ＱＦＰにおいては、パッケージの外周部のみにしか入出力端子を配置できない。従って、パッケージ中央付近に、接続端子が存在しないデッドスペースが生じてしまう。そのため、近年の情報量の拡大に伴う入出力端子数の増加に適合せず、高密度化に不向きであるという欠点がある。【０００６】
こうした課題を解決するため、電子部品の外周部と中央部の両方に外部接続端子を設けたＢＧＡ（Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）と呼ばれる構造が利用されている。ＢＧＡ構造は、半導体素子の全面に外部接続端子を形成し、高密度実装が可能な構造である。しかし、このような高密度実装の構造においても、以下のような問題がある。【０００７】
一般に、電子部品の線膨張係数と配線基板の線膨張係数は異なる。従って、電子部品が動作する際の発熱と冷却により、電子部品と配線基板の線膨張係数の不一致が発生する。そして、この線膨張係数の不一致によって、電子部品と配線基板とを接続する固化した半田に応力が生じ、固体金属材料に見られるクリープ現象が発生する。このクリープ現象によって生じたひずみが配線基板と電子部品の接続部分に蓄積することにより、配線基板と電子部品の接続部分にクラックが発生する。そして、そのクラックの成長によって、電子部品と配線基板との接続部分が断線に至るという問題がある。【０００８】
一方、近年の自動車の電子化に伴い、自動車のエンジンルームなどにおいて、１３０℃以上の高温環境下で電子機器が使用されるケースが増えている。このような環境下では、クリープ現象が特に発生しやすい。そのため、このような高温環境下でも高精度な接続信頼性を維持できる電子機器が必要とされている。【０００９】
高精度な接続信頼性を維持できる電子機器に関連する技術が、例えば特開平１１−１６３０４４９号公報（以下、特許文献１）、特開２００３−０２０４０４号公報（以下、特許文献２）および特開平４−２４０７４１号公報（以下、特許文献３）に記載されている。【００１０】
特許文献１には、電子部品と配線基板の間の半田接続部分に、アンダーフィル樹脂と呼ばれる液状の樹脂を充填、硬化させることで、半田接続部分を補強する方法が記載されている。この方法は、電子部品と配線基板との間に生じる応力を、半田接続部のみでなくアンダーフィル樹脂全面に分散させている。【００１１】
特許文献２には、電子部品と配線基板の間の接続部分に柔軟な応力緩和層を形成しクリープひずみを減少させる技術が記載されている。【００１２】
特許文献３には、接続部分に低融点金属を塗布する構造が記載されている。より具体的には、半導体側のバンプとして金バンプを用い、その先端に低融点金属を塗布して、半導体素子と配線基板とを接続する構造が記載されている。これにより、低融点金属が溶融する温度条件範囲における応力が緩和され、信頼性の向上が期待できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開平１１−１６３０４９号公報
【特許文献２】特開２００３−０２０４０４号公報
【特許文献３】特開平４−２４０７４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、特許文献１に記載の手法は、断線に至るまでの寿命を延ばすことが出来るものの、クリープ現象の発生を止めることはできない。そのため、クラックの発生および進展を完全に止めることはできない。従って、車のエンジンルームといった、高温になりやすい場所での使用が想定される電子機器の用途においては、接続信頼性が十分ではないという課題がある。【００１５】
また、特許文献２に記載の手法においても、断線に至るまでの寿命を延ばすことが出来るものの、絶縁層を含めたクラックの発生および進展を完全に止めることはできない。【００１６】
更に、特許文献３に記載の接続部および半導体素子全体は、樹脂により封止がなされている。低融点金属を用いて半導体素子と配線基盤との接続を行う場合、低融点金属溶融時の流出を防止すること、ならびに耐衝撃性、耐環境性の観点から、樹脂による封止は必要である。一方で、近年、半導体パッケージの薄型化、高密度化が求められており、半導体素子と配線基板の間のギャップは非常に狭くなっている。また封止樹脂には半導体素子と配線基板間の熱膨張差を緩和するため、無機フィラーが高充填されている。そのため、封止樹脂の流動性が阻害され狭ギャップ間の全てに封止樹脂を充填させることが困難であり、高信頼性の接続部を提供するのは難しい。【００１７】
本発明は、このような問題に鑑み、使用環境温度が高温になる場合においても、高精度な接続信頼性を維持することが可能な、実装構造及び実装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】
【００１８】
本発明の実装構造は、電子部品と、金属と、配線基盤と、抑制構造と、を備える。電子部位品は第一の電極を有する。金属は、融点が１３０℃以下である。配線基板は、金属を介して第一の電極と電気的に接続された第二の電極を有する。抑制構造は、第一の電極及び第二の電極が形成された領域の外部に溶融状態の金属が流出することを抑制する。さらに、抑制構造は、電子部品及び配線基板の少なくとも一方に形成されている。【００１９】
本発明の実装方法は、第一の電極を有する電子部品を、第二の電極を有する配線基板に実装する実装方法に係る。この態様において、融点が１３０℃以下の金属を、第一の電極上及び第二の電極上の少なくともいずれか一方に供給する工程と、配線基板に電子部品を実装する工程と、を含む。第一の電極と第二の電極とは、金属を介して電気的に接続される。電子部品及び配線基板の少なくとも一方には、金属が、第一の電極及び第二の電極が形成された領域の外部に流出することを抑制するための抑制構造が形成されている。
【発明の効果】
【００２０】
本発明における実装構造及び実装方法により、使用環境温度が高温になる場合においても、高精度な接続信頼性を維持することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態例における実装構造の構成の一例を示す。
【図２】本発明の第２の実施形態例における実装構造の構成の一例を示す。
【図３】本発明の第４の実施形態例における実装構造の構成の一例を示す。
【図４】本発明の第４の実施形態例における実装構造の構成の一部を示す。
【図５】本発明の第４の実施形態例における実装構造の構成の変形例を示す。
【図６】本発明の第５の実施形態例における実装構造の構成の一例を示す。
【図７】本発明の第５の実施形態例における実装構造の電極の変形例を示す。
【図８】本発明の第６の実施形態例における実装構造の構成の一例を示す。
【図９】本発明の第７の実施形態例における実装構造の構成の一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の実施形態例について図面を参照しながら説明する。しかしながら、係る形態は本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００２３】
（第１の実施形態例）
本発明の第１の実施形態例における実装構造について、図１を用いて説明する。
【００２４】
本実施形態例における実装構造１０は、電子部品１１と、金属１２と、配線基板１３と、を備える。電子部品１１は第一の電極１４を有する。金属１２は、融点が１３０℃以下の金属である。そのため、本実施形態例における金属１２は、実装構造１０の使用環境温度が１３０℃以上となった場合、溶融状態となる。
【００２５】
また、第一の電極１４は、第二の電極１５と金属１２を介して電気的に接続される。
【００２６】
更に、電子部品１１及び配線基板１３のうち少なくとも一方は、第一の電極１４及び第二の電極１５が形成された領域の外部へ金属１２が流出することを抑制する抑制構造を有する。なお、本実施形態例における抑制構造は、配線構造１３に形成された段差１６である。
【００２７】
次に、実装構造１０の製造方法について述べる。
【００２８】
初めに、配線基板１３の第二の電極１５上に、金属１２を供給する。このとき、必要に応じてリフロー工程を行う。
【００２９】
次に、配線基板１３に、電子部品１１を実装する。このとき、第一の電極１４と第二の電極１５がそれぞれ金属１２と接触することにより、第一の電極１４は第二の電極１５と電気的に接続される。また、段差１６によって溶融状態の金属１２の流出が抑制されるため、第一の電極１４と第二の電極１５の電気的な接続状態は維持される。以上のようにして、本実施形態例における実装構造１０が製造される。
【００３０】
以上のように、本実施形態例における実装構造１０においては、金属１２を介して、電子部品１１と配線基板１３とが接続されている。
【００３１】
一般に、固体金属に発生するクリープ現象は、使用環境温度が高温になると発生し易く、１３０℃を超えると特に発生し易くなる。しかしながら、本実施形態例における金属１２は、融点が１３０℃以下の金属であるため、実装構造１０の使用環境温度が１３０℃以上となった場合には溶融状態となる。従って、第一の電極１４と第二の電極１５とは、使用環境温度が高温となった場合、溶融状態にある金属を介して電気的に接続されることになるため、接続部分にクリープ現象が発生しない。そのため、接続部分に発生するひずみやクラックを抑制することができる。これにより、本実施形態例における実装構造は、使用環境温度が高温になる場合においても、高精度な接続信頼性を維持することが可能となる。
【００３２】
また、段差１６により、第一の電極１４及び第二の電極１５が形成された領域の外部に溶融状態の金属１２が流出することが抑制されている。
【００３３】
そのため、第一の電極１４と第二の電極１５との間が電気的に接続されている状態は、溶融状態にある金属を介して維持される。また、金属１２が第一の電極１４及び第二の電極１５を除く他の金属と接触することで発生するショートも防止することができる。
【００３４】
また、本実施形態例においては、金属１２の流出を抑制する抑制構造として段差１６が用いられているが、抑制構造はこれに限られない。すなわち、以下の第２の実施形態例で述べるように、抑制構造として、段差１６に代えて、あるいは段差１６に加えて、電子部品１１及び配線基板１３の少なくともいずれか一方の表面に、規則的に配列した微細な柱状構造（ピラー）を形成することとしても良い。
【００３５】
なお、本実施形態例においては、融点が１３０℃以下の金属１２を用いることとしたが、融点が４０℃以下の金属を用いることがより好ましい。これは、後述する第２の実施形態例で述べるように、例えば、リフロー工程を省略できるなどの利点を有するためである。
【００３６】
（第２の実施形態例）
本発明の第２の実施形態例における実装構造について、図２を用いて説明する。
【００３７】
本実施形態例における実装構造２０は、電子部品２１と、金属２２と、配線基板２３と、を備える。
【００３８】
電子部品２１は、第一の電極２４を有する。なお、電子部品２１として、例えば、０．３ｍｍピッチ、２２８ピンのＣＳＰ（Ｃｈｉｐ  Ｓｉｚｅ  Ｐａｃｋａｇｅ）などを用いることができる。
【００３９】
金属２２は、融点が４０℃以下の金属である。実装構造２０の製造時の温度は、加熱処理時を除いて、通常４０℃程度の環境下で行われる。また、実装構造２０の使用時の温度は、４０℃以上となる場合が多い。そのため、本実施形態例における金属２２は、実装構造２０の通常の製造時及び使用時において、溶融状態にあることになる。
【００４０】
配線基板２３は、第二の電極２５と、窪み２６と、段差２７と、ナノピラー構造２８と、を有する。なお、ナノピラー構造２８は、規則的に配列した微細な柱状構造からなり、第二の電極２５の周囲に形成されている。
【００４１】
窪み２６は、金属２２が注入される窪みであり、底面に第二の電極２５を有する。
【００４２】
また、段差２７とナノピラー構造２８はそれぞれ、第一の電極２４及び第二の電極２５が形成された領域の外部に溶融状態にある金属２２が流出することを抑制するための抑制構造である。
【００４３】
すなわち、段差２７は、溶融状態にある金属２２が落下衝撃などの外力により流出し、他の金属と接触することによってショートが起こることを防止する役割をしている。また、段差２７は、電子部品２１と配線基板２３の間のギャップを調整する働きも有する。そのため、段差２７の高さは、第一の電極２４の、電子部品２１の表面に対して垂直方向の長さよりも低い。
【００４４】
また、配線基板２３の表面に形成されたナノピラー構造２８は、撥水、撥油性を示す。ナノピラー構造２８により、溶融した金属はナノピラー構造２８の外側に濡れ広がりにくくなる。そのため、ナノピラー構造２８によって、段差２７と同様に、ショートの発生を防止することができる。
【００４５】
更に、第一の電極２４は、窪み２６に注入された金属２２と接触している。これにより、第一の電極２４と第二の電極２５とは、溶融状態にある金属２２を介して、電気的に接続される。
【００４６】
次に、本実施形態例における実装構造２０の製造方法について説明する。
【００４７】
初めに、配線基板２３にナノピラー構造２８を形成する方法について述べる。ナノピラー構造２８を形成する手法としては、ナノインプリント法などの手段を用いて成型する方法が挙げられる。具体的には、作業者や製造装置は、Ｎｉといった金属やＳｉ、石英ガラスなどのモールド型を準備し、これを加熱しながら被成形材料に押圧する方法である。被成型材料としては、樹脂が用いられる。
【００４８】
なお、ナノピラー構造２８のアスペクト比は１以上が望ましい。これは、ナノピラー構造２８が上述したような撥水、撥油性を示すためには、少なくとも１以上のアスペクト比が必要であるからである。
【００４９】
更に、ナノピラー構造２８のアスペクト比は５以下が望ましい。その理由は２つある。
【００５０】
１つ目の理由は、ナノピラー構造２８の強度の観点からの理由である。すなわち、ナノピラー構造２８のアスペクト比は、成型される樹脂の物理的な強度に影響を与える。そして、アスペクト比が５よりも高いモールド型を用いて樹脂を押圧成型すると、モールド型から樹脂を取り外す際に、樹脂自体の強度がモールド型と樹脂との間に生じるせん断力に勝てずに、樹脂が千切れてしまう。
【００５１】
２つ目の理由は、型押し時の歩留まりの観点からの理由である。すなわち、ナノピラー構造を形成する際に用いるモールド型の製造工程には、Ｓｉをエッチングすることによって得られたマスターを型としてＮｉなどの電鋳めっきをかけた後、ＮｉめっきをＳｉ型から引き剥がすという工程が含まれる。そのため、Ｓｉのエッチングの歩留まり、及びＮｉめっきをＳｉ型から引き剥がす際の歩留まりが発生する。そして、アスペクト比が５より高い場合、上述した歩留まりは顕著に悪化する。
【００５２】
以上のような理由から、ナノピラー構造２８のアスペクト比は５以下が望ましい。
【００５３】
またナノピラー構造２８の柱状構造の中心間のピッチは５００ｎｍ以下が好ましく、１００ｎｍ以下とするのがより好ましい。これは、柱状構造間のピッチは狭い方が、撥水、撥油性に優れあるため、溶融状態にある金属の流出をより抑制することができるためである。例えば、アスペクト比が１のナノピラー構造の柱状構造間のピッチを２７０ｎｍから１００ｎｍに微細化することで、ナノピラー構造の純水に対する接触角を、１００°未満から１５０°まで高めることが可能となる。
【００５４】
次に、配線基板２３に、段差２７を形成する方法について述べる。
【００５５】
段差２７を形成する方法としては、配線基板２３の表面にあるレジスト材料を成型加工する方法がある。あるいは、ホットメルト接着剤、膜圧の制御されたテープ形状の接着剤を用いる方法や、これらを組み合わせて用いる方法がある。なお、段差２７の材料としては、熱硬化樹脂や熱可塑性樹脂などが挙げられる。
【００５６】
ナノピラー構造２８及び段差２７を形成した後、配線基板２３の窪み２６に、溶融状態の金属２２を注入する。金属２２には、例えば、ＧａＩｎの合金（Ｇａ７５．５Ｉｎ２４．５）などが用いられる。
【００５７】
このＧａＩｎ合金は、水銀といった、他の代表的な溶融状態にある金属と比較して表面張力が低い。そのため、金属２２にＧａＩｎ合金を用いた場合、例えば、第一の電極２４上と接触する金属２２のアスペクト比を３以上に保持することが可能である。また、表面張力が低いことで、製造過程で生じる配線基板２３の反りやうねりが発生した場合においても、電極間の接続がし易くなるという効果が発生する。
【００５８】
また、ＧａＩｎ合金は、水銀と比較して、毒性が低いという特徴もある。更に、Ｇａ７５．５Ｉｎ２４．５合金の融点は１５．７℃であり、通常の製造ラインの環境温度（３０〜４０℃程度）よりも低い。そのため、ＧａＩｎ合金は、通常の製造ラインにおいて、封止樹脂の供給に用いられる加温機能つきシリンジなどにより安定した供給が可能である。
【００５９】
なお、金属２２はＧａ７５．５Ｉｎ２４．５に限定されるものではなく、Ｇａ６８．５Ｉｎ２１．５Ｓｎ１０（融点−１９℃）、Ｇａ６１Ｉｎ２５Ｓｎ１３Ｚｎ１（融点７．６℃）、Ｇａ（融点２９．８℃）、その他ＡｌとＧａの合金、ＡｇとＧａの合金など、融点が４０℃以下の種々の金属を用いることも可能である。
【００６０】
次に、作業者や製造装置は、電子部品２１と、金属２２が供給された配線基板２３との位置あわせを行う。その後、作業者や製造装置は、フリップチップマウンターを用いて配線基板２３上に電子部品２１を搭載する。このとき、第一の電極２４と第二の電極２５がそれぞれ金属２２と接触することにより、第一の電極２４と第二の電極２５は電気的に接続される。また、段差２７及びナノピラー構造２８によって、金属２２の流出が抑制される。
【００６１】
以上のようにして、本実施形態例における実装構造２０が製造される。
【００６２】
本実施形態例においては、第一の電極２４と第二の電極２５との接続には、融点が４０℃以下の金属２２が用いられている。そのため、第一の電極２４と第二の電極２５とは、実装構造２０の使用時においても、溶融状態にある金属によって電気的に接続されることとなる。従って、接続部分に固体金属を用いた場合に生じるクリープ現象が発生せず、接続部分の断線による不良の発生を抑制することができる。そのため、使用環境温度が高温になる場合においても、高精度な接続信頼性を維持することが可能となる。
【００６３】
また、溶融状態の金属２２を用いているため、製造過程において、金属２２をリフローする必要はない。そのため、固体の金属で２つの電極を接続する場合において問題となっていた、リフロー時に発生する熱によって生じる電子部品２１と配線基板２３との位置ずれや、配線基板２３の反りを防止することができる。
【００６４】
また、本実施形態例においては、段差２７及びナノピラー構造２８により、溶融状態の金属２２の流出が抑制される。そのため、第一の電極２４と第二の電極２５の電気的な接続状態は維持される。更に、溶融状態にある金属が他の電極と接触することによるショートの発生を抑制するという効果がある。
【００６５】
また、金属２２にＧａＩｎ合金を用いた場合には、第一の電極２４の表面に、数μｍ程度の薄膜アルミニウム層を形成しても良い。
【００６６】
ＧａＩｎ合金は、アルミニウムを溶融するという性質を持つ。そのため、金属２２としてのＧａＩｎ合金を第一の電極２４上に供給すると、ＧａＩｎ合金が第一の電極２４の表面に形成されたアルミニウム層を溶解し、第一の電極２４の酸化されていない表面と接点を形成しやすくなる。すなわち、第一の電極２４の表面にアルミニウム層を形成することで、第一の電極２４の酸化を抑制することができると共に、ＧａＩｎ合金の濡れが向上し接続抵抗を低減することが可能となるのである。
【００６７】
同様に、第二の電極２５の表面に、数μｍ程度の薄膜アルミニウム層を形成しても良い。
【００６８】
また、実装構造２０の耐落下衝撃性及び耐振動性を高めるため、電子部品２１の外周部には、配線基板２３への固定用の樹脂を供給することとしても良い。固定用の樹脂としては、実装構造２０の使用温度環境に応じた耐熱性を有し、室温で硬化可能な封止樹脂が望ましい。このような樹脂を用いれば、樹脂の加熱工程によって配線基板２３に反りを生じさせることがないからである。このような樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、アクリル樹脂などが挙げられる。
【００６９】
また、この固定用の樹脂に熱可塑性の樹脂を用いた場合、実装後に不具合が判明した際に、不良部品の交換が可能となる。そのため、不良部品の交換を必要とするような高付加価値な電子部品や、高多層の配線基板を用いる場合には、不具合が生じた際に除去可能な熱可塑性の樹脂を使用することが望ましい。また、熱可塑性の樹脂を用いた場合、実装構造２０の使用時に受ける熱衝撃の影響を吸収することもできる。このような樹脂としては、例えば、ウレタン樹脂、アクリル樹脂、ならびに熱硬化性の樹脂に熱可塑性の樹脂の粒子を分散させた樹脂などが挙げられる。
【００７０】
また、本実施形態例においては、配線基板２３に窪み２６が形成されることとしたが、これに限らない。すなわち、電子部品２１に、底面に第一の電極２４を有する窪みを形成することとしても良い。そして、実装構造の製造時には、該窪みに、金属２２を注入することとしても良い。
【００７１】
なお、本実施形態例においては、段差２７は配線基板２３に形成されることとしたが、これに限らない。すなわち、電子部品２１に段差が形成されることとしてもよい。
【００７２】
また、本実施形態例においては、配線基板２３にナノピラー構造２８が形成されることとしたが、これに限らない。すなわち、ナノピラー構造２８は、電子部品２１の第一の電極２４の周囲に形成されることとしても良い。この場合においても、ナノピラー構造２８は撥水、撥油性を示すため、溶融した金属がナノピラー構造２８の外側に濡れ広がることを防止することができる。
【００７３】
あるいは、ナノピラー構造２８は、電子部品２１の第一の電極２４の周囲及び配線基板２３の第二の電極２５の周囲のいずれにも形成されることとしても良い。この場合、電子部品２１の表面に形成されたナノピラー構造２８と配線基板２３の表面に形成されたナノピラー構造２８との間には空隙が形成され、全体として撥水、撥油性を示す。
【００７４】
更に、本実施形態例においては、融点が４０℃以下の金属２２を用いることとしたが、これに限らない。すなわち、融点が１３０℃以下の金属であれば、使用環境温度が１３０℃以上の高温になった場合に発生するクリープ現象を防ぐことが可能である。なお、融点が１３０℃以下の金属とは、例えば、Ｉｎ６６Ｂｉ３４（融点７２℃程度）、Ｓｎ１６Ｉｎ３０Ｂｉ５４（融点８１℃程度）、Ｓｎ１６Ｂｉ５２Ｐｂ３２（融点９５℃程度）、Ｓｎ４８Ｉｎ５２（融点１１７℃程度）である。
【００７５】
（第３の実施形態例）
本発明の第３の実施形態例における実装構造について説明する。本実施形態例の実装構造３０においては、第２の実施形態例における実装構造２０の段差２７の材料に熱可塑性樹脂を含めることとする。また、ナノピラー構造２８は、第二の電極２５の周囲だけでなく、第一の電極２４の周囲にも形成されている。その他の構成については、第２の実施形態例と同様であるため、説明は省略する。
【００７６】
一般に、配線基板に電子部品を実装した後は、電子部品と配線基板との接続状態の不具合を検出するため、導通テスト等の動作試験を行う。しかし、スーパーコンピュータやハイエンドサーバなどに用いられる大型多ピンの電子部品を実装する場合、動作試験を行うためには、電子部品と配線基板の間をエポキシ樹脂などの熱硬化樹脂で封止固定しなければならない。電子部品と配線基板の間の封止固定をしない場合、電子部品と配線基板の半田接続部への物理的負荷が非常に大きくなり、動作試験をすることが困難となるからである。
【００７７】
しかし、熱硬化樹脂で電子部品と配線基板との間を封止固定した場合、熱硬化樹脂が、電子部品及び配線基板に強固に密着することになる。そのため、動作試験により不具合を確認したとしても、熱硬化樹脂の除去を行うことが出来ず、配線基板を再利用することができない。特に、近年の高多層配線基板は、生産性に優れる有機材料で製造されていることが多い。有機配線基板は、セラミック基板と比較して耐熱性が低く熱硬化性樹脂の除去作業への耐性が低い。
【００７８】
一方、本実施形態例における実装構造３０においては、第一の電極２４と第二の電極２５とは、溶融状態にある金属２２によって電気的に接続されている。そのため、上述したような、熱硬化樹脂による、電子部品と配線基板との間の封止固定が不要である。
【００７９】
そして、段差２７の材料に熱可塑性樹脂を含めることにより、配線基板に電子部品を実装した後の動作試験によって不具合が確認された場合、電子部品の取り外しと交換が可能となる。
【００８０】
一般に、スーパーコンピュータ等に利用される電子部品や、高多層の配線基板は非常に高価である。そのため、本実施形態例のように、動作試験時に不具合が検出された場合に電子部品の取り外し及び交換を可能とすることで、大幅なコスト削減につながる。
【００８１】
また、熱可塑性樹脂は一般に、低弾性の樹脂である。そのため、仮に配線基板や電子部品に反りが生じていたとしても、低弾性の樹脂部分でその反りを緩和し、溶融状態にある金属が流出することを抑制することができる。
【００８２】
段差２７の材料である熱可塑性樹脂の具体的な例としては、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂などが挙げられる。また、熱硬化性樹脂に熱可塑性樹脂の粒子を分散させ、ガラス転移温度以上の温度において樹脂の除去が可能な材料を段差２７に用いることとしても良い。
【００８３】
なお、配線基板２３の表面に形成されたソルダーレジストのガラス転移温度は、１００〜１２０℃程度のものが多い。そのため、段差２７に用いる熱可塑性樹脂としては、ガラス転移温度が、該ソルダーレジストのガラス転移温度よりも低いことが望ましい。
【００８４】
また、電子部品２１を配線基板２３から取り外す際には、熱可塑性樹脂を含む段差２７と配線基板２３との密着力を低減し、両者の接合を解除し易くする有機溶剤を用いることとしても良い。
【００８５】
更に、図２においては、第一の電極２４及び第二の電極２５の表面形状は、柱形状としたが、本実施形態例では柱形状に限られない。すなわち、第一の電極２４及び第二の電極２５の表面形状は、円錐形状や中空形状などでも良い。
【００８６】
本発明の第４の実施形態例における実装構造について、図３を用いて説明する。
【００８７】
本実施形態例における実装構造４０は、第２の実施形態例における実装構造２０と比較して、第一の電極２４の形状が異なる。また、ナノピラー構造２８は、第二の電極２５の周囲だけでなく、第一の電極２４の周囲にも形成されている。その他の構成については、第２の実施形態例と同様であるため、説明は省略する。
【００８８】
本実施形態例における実装構造４０の第一の電極４１は、電子部品２１のうち、配線基板２３と対向する面４２に形成される。そして、第一の電極４１は、面４２に対して平行方向の長さよりも、面４２に対して垂直方向の長さの方が大きい。
【００８９】
すなわち、第一の電極４１は、面４２に対して垂直方向の長さを、面４２に対して平行方向の長さで割った値であるアスペクト比が高い形状に加工されている。
【００９０】
そして、本実施形態例における第一の電極４１と第二の電極２５とは、溶融状態にある金属２２を介して、電気的に接続されている。また、本実施形態例においては、図４に示すように、溶融状態にある金属２２が、第一の電極４１を包み込むような状態となる。
【００９１】
一般的に、溶融状態の金属によって電極が濡れると、仮に電極に変形が起きても、水あめが糸を引くようにして、溶融状態の金属が変形する。そのため、電子部品と配線基板との接続状態を維持することができる。
【００９２】
しかし、製造過程で生じる配線基板の反りや、平坦性ばらつきが大きいと、電子部品の電極が溶融した金属に接触できない場合が生じる。この場合には、電子部品２１と配線基板２３との接続不良が発生する。
【００９３】
一方、本実施形態例においては、第一の電極４１は、面４２に対して平行方向の長さよりも、面４２に対して垂直方向の長さの方が大きいように形成されている。そのため、配線基板２３の反りや平坦性ばらつきが発生しても、第一の電極４１は溶融した金属２２と接触し易いため、電子部品２１と配線基板２３との接触不良は生じにくい。
【００９４】
なお、第一の電極４１を、アスペクト比の高い形状とする手法としては、ナノインプリント法などによる機械的な成型加工やエッチング、レーザ加工による方法が用いられる。
【００９５】
また、第一の電極４１のアスペクト比は、５以下が望ましい。例えば、第一の電極４１として、０．８ｍｍピッチのＣＳＰを用いる場合、第一の電極４１の幅（面４２に対して平行方向の長さ）は４００〜５００ｕｍ程度である。そのため、第一の電極４１の高さ（面４２に対して垂直方向の長さ）は２．５ｍｍ程度以下とすることが望ましい。
【００９６】
アスペクト比を５以下とすることが望ましいのは、アスペクト比を５よりも大きくすると、第２の実施形態例で述べたように、第一の電極４１の強度及び型押し時の歩留まりの観点から問題が生じるためである。
【００９７】
以上のように、本実施形態例においては、第一の電極４１をアスペクト比の高い形状とした。そのため、配線基板２３の反りや平坦性ばらつきなどにより、電子部品２１と配線基板２３との距離が一定でない場合でも、両者の接続不良が発生することを抑制することができる。
【００９８】
なお、第一の電極４１は、電極パッド４３と予備半田４４とで形成されることとしても良い。製造方法としては、例えば、電極パッド４３の表面に、スクリーン印刷法によって予備半田を形成する方法がある。この場合、図５（ａ）に示すように、電極パッド４３は面４２から突出していることとしても良い。あるいは、図５（ｂ）のように、電極パッド４３は面４２から突出していないこととしても良い。なお、電極パッド４３の表面の素材としては、例えば、Ｎｉ、金、アルミニウムなどが用いられる。また、予備半田４４としては、例えば、Ｐｂ９５Ｓｎ５、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金半田が用いられる。
【００９９】
（第５の実施形態例）
本発明の第５の実施形態例における実装構造について、図６を用いて説明する。
【０１００】
本実施形態例における実装構造５０は、電子部品２１が備える第一の電極５１と、配線基板２３が備える第二の電極５２のそれぞれの表面に、凹凸形状が形成されている。そのため、第２の実施形態例と比較して、金属２２と接触する第一の電極５１の表面積、及び、金属２２と接触する第二の電極５２の表面積が大きい。また、ナノピラー構造２８は、第二の電極５２の周囲だけでなく、第一の電極５１の周囲にも形成されている。その他の構成については、第２の実施形態例と同様であるため、説明は省略する。
【０１０１】
第一の電極５１及び第二の電極５２の表面に凹凸形状を形成する手法としては、ナノインプリント法などにより機械的な成型加工やエッチング、レーザ加工などの方法が挙げられる。
【０１０２】
第一の電極５１及び第二の電極５２の表面に微細な柱状構造を施す場合、柱状構造の中心間のピッチは５００ｎｍ以上が好ましい。柱状構造のピッチは狭くなる程、撥水性が向上し、金属２２の濡れ性が低下するからである。例えば、ピッチが比較的狭い（１５０ｎｍ程度）の柱状構造とした樹脂上に水を滴下すると、まるで水銀がガラス上を転がるような状態となることが知られている。また、アスペクト比の大きい加工を施す場合、柱状構造の中心間のピッチを５００ｎｍ未満とすると、歩留まりの悪化等の問題が生じるからである。
【０１０３】
なお、第一の電極５１及び第二の電極５２の表面に形成される凹凸形状のアスペクト比は、０．０１以下とすることが好ましい。アスペクト比が高いほど電極表面の撥水性が高まり、電極表面に金属２２が濡れ広がりにくくなるからである。
【０１０４】
以上のように、本実施形態例においては、金属２２と接触する第一の電極５１の表面積、及び、金属２２と接触する第二の電極５２の表面積が大きい。そのため、実装構造５０の使用時において、溶融状態にある金属２２と、第一の電極５１及び第二の電極５２との接続抵抗を低減することができる。
【０１０５】
なお、金属２２と接触する第一の電極５１の表面積、及び、金属２２と接触する第二の電極５２の表面積を大きくする第一の電極５１や第二の電極５２の形状は、第一の電極５１と第二の電極５２の表面に形成された凹凸形状に限られない。
【０１０６】
例えば、図７（ａ）に示すように、第一の電極５１に中空形状の孔が加工されていても良い。あるいは、図７（ｂ）に示すように、第一の電極５１が、平面状の電極パッドと、中空形状の予備半田とから構成されることとしても良い。なお、図７には、電子部品２１に形成された第一の電極５１を、斜め下から観察した図である。
【０１０７】
同様に、第二の電極５２に、中空形状の孔加工を施すこととしても良い。
【０１０８】
（第６の実施形態例）
本発明の第６の実施形態例における実装構造について、図８を用いて説明する。
【０１０９】
本実施形態例における実装構造６０は、第４の実施形態例の実装構造４０の構造の窪み２７を図８に示される窪み６１のような形状としている。その他の構造については、実装構造４０と同様であるため、説明は省略する。
【０１１０】
図８に示すように、本実施形態例における窪み６１は、配線基板２３の表面の面内方向における面積が、配線基板２３の表面から深さ方向に向かって大きくなる形状を有する。本実施形態例においては、窪み６１の側面は、配線基板２３の表面に垂直な方向に対して傾斜している。
【０１１１】
窪み６１がこのような形状を有することにより、実装構造６０を振動が激しい環境下で使用した場合でも、溶融状態にある金属２２が窪み６１から流出することを抑制できる。その結果、金属２２が他の領域の金属と接触することによって生じるショートを防止することができる。他の領域の金属とは、例えば、第一の電極４１及び第二の電極２５以外の電極や、該電極と接触している金属である。
【０１１２】
なお、本実施形態例においては、窪み６１は、窪み６１の側面が傾斜している構造としたが、このような構造に限られない。例えば、窪み６１の側面が段差を有し、配線基板２３の表面の面内方向における面積が、配線基板２３の表面から深さ方向に向かって段階的に大きくなる形状を窪み６１は有しても良い。このような形状の場合でも、溶融状態にある金属２２が窪み６１から流出しにくい構造とすることができるため、振動が激しい環境下で使用した場合でも、ショートの発生を防止することができる。
【０１１３】
（第７の実施形態例）
本発明の第７の実施形態例における実装構造について、図９を用いて説明する。
【０１１４】
本実施形態例における実装構造７０は、チップ７１と、金属７２と、配線基板７３と、導波路構造７４と、を備える。
【０１１５】
チップ７１は、発光領域７５と、第一の電極７６と、を有する。金属７２は、融点が４０℃以下の金属である。そのため、金属７２は、実装構造７０の製造時及び使用時において、溶融状態にある。配線基板７３は、窪み７７と、窪み７７の底面に形成された第二の電極７８と、を有する。窪み７７は、金属７２が注入される窪みである。導波路構造７４は、光導波路７９を有し、配線基板７３上に形成されている。また、第一の電極７６と第二の電極７８とは、金属７２を介して電気的に接続されている。
【０１１６】
そして、チップ７１は、発光領域７５から発光された光が光導波路７９に結合するように固定されている。チップ７１と導波路構造７４とは、チップ７１と導波路構造７４との位置関係にずれが生じないよう、樹脂８０によって固定されている。
【０１１７】
なお、導波路構造７４の端面のうち、発光領域７５の直下に位置する端面８１は、配線基板７３の表面の垂直方向に対して斜めに形成された傾斜端面となっている。そのため、端面８１が傾斜していない場合と比較して、発光領域７５から発光された光の、光導波路７９への結合効率が向上する。
【０１１８】
本実施形態例においては、チップ７１と配線基板７３との接続は、溶融状態にある金属７２によって実現されている。従って、製造過程において、金属７２をリフローする必要はない。そのため、リフロー時に発生する熱によってチップ７１と導波路構造７４との位置ずれが生じることはなく、光軸調整が容易である。光軸調整が完了した後、チップ７１と導波路構造７４とが樹脂８０によって固定される。
【０１１９】
なお、樹脂８０としては、例えば、硬化収縮率の低い紫外線硬化型の接着剤を用いることができる。
【０１２０】
本実施形態例における実装構造７０は、配線基板７３が窪み７７を有し、窪み７７に金属７２が注入される構造とされているが、このような構造に限らない。例えば、チップ７１が、底面に第一の電極７６を備える窪みを有する構造としても良い。そして、該窪みに、金属７２を注入することとしても良い。あるいは、チップ７１と配線基板７３のいずれもが、金属７２を注入するための窪みを有することとしても良い。あるいは、チップ７１及び配線基板７３のいずれも、窪みを有しないこととしても良い。
【０１２１】
また、本実施形態例における第一の電極７６及び第二の電極７８のうち少なくとも一方は、電極パッドと予備半田とで構成されることとしても良い。
【０１２２】
また、本実施形態例における端面８１には、金属膜が形成されることとしても良い。これにより、発光領域７５から発光された光の、光導波路７９への結合効率が更に向上する。
【０１２３】
また、本実施形態例の実装構造７０の、図９に示す黒円内の領域については、第１の実施形態例乃至第６の実施形態例に記載の実装構造を適用することとしても良い。
【０１２４】
上記の実施形態例の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
【０１２５】
（付記１）第一の電極を有する電子部品と、融点が１３０℃以下の金属と、第二の電極を有する配線基板と、を備え、前記第一の電極と前記第二の電極とは、前記金属を介して電気的に接続され、前記電子部品及び前記配線基板の少なくとも一方には、前記金属が、前記第一の電極及び前記第二の電極が形成された領域の外部に流出することを抑制するための抑制構造が形成されている、実装構造。
【０１２６】
（付記２）前記金属の融点は４０℃以下である、付記１に記載の実装構造。
【０１２７】
（付記３）前記抑制構造には、前記電子部品及び前記配線基板の少なくともいずれか一方の表面に形成された段差が含まれる、付記１または２記載の実装構造。
【０１２８】
（付記４）前記第一の電極の、前記電子部品の表面に対して垂直方向の長さは、前記段差の高さよりも高い、付記３に記載の実装構造。
【０１２９】
（付記５）前記抑制構造には、前記電子部品及び前記配線基板の少なくともいずれか一方の表面に形成された、規則的に配列した柱状構造が含まれる、付記１乃至４のいずれか一つに記載の実装構造。
【０１３０】
（付記６）前記柱状構造の中心間のピッチは、５００ｎｍ以下である、付記５に記載の実装構造。
【０１３１】
（付記７）前記柱状構造のアスペクト比が１以上である、付記５または６に記載の実装構造。
【０１３２】
（付記８）前記電子部品と前記配線基板の少なくとも一方は、前記金属が注入される窪みを有し、前記窪みの底面には、前記第一の電極あるいは前記第二の電極が形成されている、付記１乃至７のいずれか一つに記載の実装構造。
【０１３３】
（付記９）前記配線基板は前記窪みを有し、前記窪みの、前記配線基板の表面の面内方向における面積は、前記配線基板の表面から深さ方向に向かって大きくなっている、付記８に記載の実装構造。
【０１３４】
（付記１０）前記電子部品と前記配線基板とは、前記金属の外周部において、樹脂により接着されている、付記１乃至９のいずれか一つに記載の実装構造。
【０１３５】
（付記１１）前記金属の材料は、ガリウム及びインジウムの少なくとも一方を含む合金である、付記１乃至１０のいずれか一つに記載の実装構造。
【０１３６】
（付記１２）前記第一の電極は、第一の電極パッドと、前記第一の電極パッドの表面に形成された第一の半田と、からなる、付記１乃至１１のいずれか一つに記載の実装構造。
【０１３７】
（付記１３）前記第一の電極は、前記電子部品のうち、前記配線基板と対向する第一の面に形成され、前記第一の電極は、前記第一の面に対して平行方向の長さよりも、前記第一の面に対して垂直方向の長さの方が大きい、付記１乃至１２のいずれか一つに記載の実装構造。
【０１３８】
（付記１４）前記第一の電極の形状は、中空形状である、付記１乃至１３のいずれか一つに記載の実装構造。
【０１３９】
（付記１５）前記第一の電極及び前記第二の電極のうち少なくとも一方の表面には、アスペクト比が０．０１以下の凹凸形状が形成されている、付記１乃至１４のいずれか一つに記載の実装構造。
【０１４０】
（付記１６）前記第一の電極及び前記第二の電極のうち少なくとも一方の表面には、アルミニウム層が形成されている、付記１乃至１５のいずれか一つに記載の実装構造。
【０１４１】
（付記１７）前記配線基板の表面には、光導波路を備える導波路構造が形成され、前記電子部品は発光領域を有し、前記電子部品と前記導波路構造とは、樹脂によって接着され、前記発光領域から発光された光は、前記導波路に結合する、付記１乃至１６のいずれか一つに記載の実装構造。
【０１４２】
（付記１８）前記導波路構造の端面のうち、前記発光領域の直下に位置する端面は、前記配線基板の表面の垂直方向に対して斜めに形成された傾斜端面である、付記１７に記載の実装構造。
【０１４３】
（付記１９）前記傾斜端面には金属膜が形成されている、付記１８に記載の実装構造。
【０１４４】
（付記２０）第一の電極を有する電子部品を、第二の電極を有する配線基板に実装する実装方法であって、融点が１３０℃以下の金属を、前記第一の電極上及び前記第二の電極上の少なくともいずれか一方に供給する工程と、前記配線基板に前記電子部品を実装する工程と、を備え、前記第一の電極と前記第二の電極とは、前記金属を介して電気的に接続され、前記電子部品及び前記配線基板の少なくとも一方には、前記金属が、前記第一の電極及び前記第二の電極が形成された領域の外部に流出することを抑制するための抑制構造が形成されている、実装方法。
【０１４５】
（付記２１）前記金属の融点は４０℃以下である、付記２０に記載の実装方法。
【０１４６】
この出願は、２０１０年１１月２２日に出願された日本出願特願２０１０−２５９７２７号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【符号の説明】
【０１４７】
１０、２０、４０、５０、６０、７０  実装構造
１１、２１  電子部品
１２、２２、７２  金属
１３、２３、７３  配線基板
１４、２４、４１、５１、７６  第一の電極
１５、２５、５２、７８  第二の電極
１６、２７  段差
２６、６１、７７  窪み
２８  ナノピラー構造
４２  面
４３  電極パッド
４４  予備半田
７１  チップ
７４  導波路構造
７５  発光領域
７９  光導波路
８０  樹脂
８１  端面
【図１】
2012070381.tif 000003
【図２】
2012070381.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2012070381.tif 000011
【国際調査報告】
2012070381.tif 000012
2012070381.tif 000013
2012070381.tif 000014
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