(57)【要約】【課題】脆く延性に乏しい材質の半田バンプに対応した適正組成の補強樹脂によって樹脂封止された電子部品実装構造を提供することを目的とする。【解決手段】電子部品の電極と樹脂基板の電極とを半田バンプによって接続するとともに、電子部品と樹脂基板との間に補強樹脂を充填して両者を接着する電子部品実装構造において、線膨張係数が１０ｐｐｍ〜３０ｐｐｍであり、且つ曲げ強さが１００Ｍｐａ以上ような物性を備えた樹脂材質を補強樹脂として採用する。これにより、補強樹脂の外縁部の高応力領域での電子部品と補強樹脂との口開きを防止するとともに補強樹脂の熱変位を抑制して、脆く延性に乏しい材質を用いた場合にあっても半田バンプの破断を有効に防止することができる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子部品の複数の電極と樹脂基板の複数の電極とを半田バンプによって接続するとともに、前記電子部品と樹脂基板との間に補強樹脂を充填して両者を接着する電子部品実装構造であって、前記補強樹脂の線膨張係数が１０ｐｐｍ〜３０ｐｐｍであり、且つ曲げ強さが１００Ｍｐａ以上であることを特徴とする電子部品実装構造。
【請求項２】
前記半田バンプが、鉛を含まない半田で形成されることを特徴とする請求項１記載の電子部品実装構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半田バンプが形成された電子部品を樹脂基板に実装する電子部品実装構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子をパッケージングして製造される電子部品を基板に実装する電子部品の実装構造として、電子部品に形成された半田バンプなどの突出電極を基板に接合した構造が知られている。このような実装構造において、実装後の接合信頼性を実現する上で求められるヒートサイクル時の熱応力レベル低減を目的として、電子部品と基板との間に補強樹脂を充填して封止する構造が広く用いられている。
【０００３】
このような実装構造に用いられる補強樹脂は、実装後の環境温度変化によって電子部品と基板との熱膨張率の差に起因して半田バンプの接合部に発生する熱応力を緩和することを目的としているため、この応力緩和機能のために適正な物性を備えたものであることが求められる。このため、従来より補強樹脂に求められる適正な物性を定めるための各種の提案がなされている（例えば特許文献１，２参照）。これらの特許文献に示す例では、いずれも半田バンプの相当塑性歪み範囲を低減させるような補強樹脂の物性値の範囲を線膨張係数とヤング率との組み合わせによって規定するようにしている。
【特許文献１】特開平１０−２８４６４９号公報
【特許文献２】特開２０００−１５０７２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年電子機器製造分野で用いられる接合用の半田種類の選択において、従来主に用いられていた鉛を含み環境負荷が大きいＰｂ−Ｓｎ系の共晶半田から、鉛成分を含まないいわゆる鉛フリー半田への代替が急速に進行している。ところが前述のように補強樹脂によって樹脂封止した実装構造において、半田バンプの材質として鉛フリー半田を用いた場合には、半田バンプが破断する不具合例が多数報告されている。
【０００５】
この不具合は、鉛フリー半田の採用により半田バンプ材質の物性が変わったにもかかわらず、従来と同様の成分組成の樹脂材質を補強樹脂として用いていたことによるものと推測され、鉛フリー半田のような脆く延性に乏しい材質の半田バンプに対応した適正組成の補強樹脂を用いた電子部品実装構造が要望されていた。
【０００６】
そこで本発明は、脆く延性に乏しい材質の半田バンプに対応した適正組成の補強樹脂によって樹脂封止された電子部品実装構造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】
【０００７】
本発明の電子部品実装構造は、電子部品の複数の電極と樹脂基板の複数の電極とを半田バンプによって接続するとともに、前記電子部品と樹脂基板との間に補強樹脂を充填して両者を接着する電子部品実装構造であって、前記補強樹脂の線膨張係数が１０ｐｐｍ〜３０ｐｐｍであり、且つ曲げ強さが１００Ｍｐａ以上である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、電子部品と樹脂基板との間に充填される補強樹脂として、線膨張係数が１０ｐｐｍ〜３０ｐｐｍであり、且つ曲げ強さが１００Ｍｐａ以上の物性を有する樹脂材質を採用することにより、補強樹脂の外縁部の高応力領域での電子部品と補強樹脂との
口開きを防止するとともに補強樹脂の熱変位を抑制して、脆く延性に乏しい材質を用いた場合にあっても半田バンプの破断を有効に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
次に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施の形態の電子部品実装構造を構成する電子部品および基板の斜視図、図２は本発明の一実施の形態の電子部品実装方法の工程説明図、図３は本発明の一実施の形態の電子部品実装構造におけるヒートサイクルによる変位の説明図、図４は本発明の一実施の形態の電子部品実装構造におけるバンプ破断のメカニズムの説明図、図５は本発明の一実施の形態の電子部品実装構造における補強樹脂の材質特性とサイクル寿命試験結果との相関を示すグラフである。
【００１０】
まず図１を参照して、電子部品実装構造について説明する。図１において、電子部品１の回路形成面に設けられた複数の電極１ａにはそれぞれ半田バンプ２が形成されている。電子部品１は半田バンプ２を下向きにしたフェイスダウン姿勢で、樹脂基板３に実装される。樹脂基板３はエポキシ樹脂にガラス繊維を混入したガラスエポキシ基板であり、樹脂基板３の上面の部品実装位置３ａには、電子部品１における半田バンプ２の配列に対応して複数の電極４が形成されている。
【００１１】
ここで、半田バンプ２を形成する半田種類としては、鉛を含まない鉛フリータイプの半田（ここでは、Ｓｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ（各組成のバラツキは±０．５ｗｔ％以内））で、弾性係数（ヤング率）が３０Ｇｐａ以上のものが用いられており、従来の鉛共晶半田と比較して、脆くて延性が低いという機械的性質を有している。なお鉛フリー半田として、上記以外にも、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系のものを使用してもよい。
【００１２】
次に図２を参照して、電子部品１を樹脂基板３に実装する実装方法について説明する。電子部品１の樹脂基板３への実装に際しては、まず図２（ａ）に示すように、樹脂基板３の上面に電極４を覆って樹脂接着剤５が塗布される。樹脂接着剤５は、電子部品１の実装後に硬化した状態では、電子部品１と樹脂基板３とを接着するとともに、電子部品１と樹脂基板３との間の実装隙間を封止して半田バンプ２の接合部を補強する補強樹脂として機能する。
【００１３】
次いで、図２（ｂ）に示すように、樹脂塗布後の樹脂基板３には電子部品１が搭載され、電子部品１を樹脂基板３に対して下降させることにより半田バンプ２を樹脂接着剤５を介して電極４に着地させる。そしてこの後、樹脂基板３はリフロー工程に送られ、ここで所定の加熱パターンにて加熱される。これにより、半田バンプ２が溶融して電極４に半田接合されるとともに、樹脂接着剤５が熱硬化して電子部品１と樹脂基板３との間を充填して接着する補強樹脂５＊が形成される。また樹脂接着剤５の一部は電子部品１の外部まではみ出した状態で硬化し、電子部品１と樹脂基板３との外縁部を補強する樹脂フィレット５ｆを形成する。これにより、電子部品１の複数の電極１ａと樹脂基板３の複数の電極４とを半田バンプ２によって接続するとともに、電子部品１と樹脂基板３との間に補強樹脂５＊を充填して両者を接着する構成の電子部品実装構造が完成する。
【００１４】
ここで、本実施の形態において補強樹脂として用いられる樹脂接着剤５の成分組成および物性について、（表１）を参照して説明する。
【００１５】
【表１】
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【００１６】
（表１）は、本実施の形態における樹脂接着剤５として使用可能な２種類の樹脂Ａ，Ｂの成分組成および物性値を、従来品と対比して示している。これらの樹脂はいずれも、主
剤としてのエポキシ樹脂に、熱硬化反応を発生するための硬化剤、熱硬化を促進するための促進剤、硬化後の樹脂に所望の機械的性質や熱特性を付与するためのフィラーおよびチキソ剤や界面活性剤などの添加剤を、各欄に示すｗｔ％の割合で配合した成分組成となっている。
【００１７】
ここで樹脂Ａ，Ｂと従来品との組成を比較すると、樹脂Ａ，Ｂはいずれも従来品よりも主剤および硬化剤の配合比率を小さくし、フィラーの配合比率を大きくした成分組成となっている。そしてこのような成分組成により、線膨張係数については従来品の値（４０〜５０ｐｐｍ）と比較して小さな値（２５〜３０ｐｐｍ）を得るとともに、曲げ強度（ＪＩＳＫ−６９１１）については、従来品の値（９０Ｍｐａ）と比較して大きな値（樹脂Ａについては１２０Ｍｐａ、樹脂Ｂについては１００Ｍｐａ）を得ている。すなわち、補強樹脂として用いられる樹脂Ａ，Ｂはいずれも、線膨張係数が１０ｐｐｍ〜３０ｐｐｍの範囲内にあり、且つ曲げ強さが１００Ｍｐａ以上となっている。
【００１８】
次に、上述の電子部品実装構造において、環境温度の変動によるヒートサイクルが負荷された際の実装構造各部の変位状態について説明する。電子部品１が実装された樹脂基板３が電子機器に組み込まれた使用状態において、環境温度が変動すると電子部品実装構造を構成する各部はそれぞれの材質固有の線膨張係数で伸縮する。
【００１９】
このとき、電子部品１の主材質であるシリコンや、樹脂基板３の主材質であるガラスエポキシ、また樹脂接着剤５が硬化した補強樹脂５＊の線膨張係数はそれぞれ異なるため、これらが相互に密着した各部には自由な熱伸縮が相互に拘束されることによる熱応力が発生する。そしてこの熱応力によるクラック発生などの影響は、図３（ａ）に示すコーナ部６において最も顕著に現れることが経験的に知られている。
【００２０】
図３（ｂ）は、コーナ部６における電子部品１および樹脂基板３の変位状態を示している。電子部品１の線膨張係数に比較すると樹脂基板３の線膨張係数の方が大きいため、ヒートサイクルにおける温度上昇時には樹脂基板３の方が電子部品１よりも熱膨張による変位が大きい。このため、コーナ部６においては、樹脂基板３が電子部品１に対して外側に相対的に変位（実線矢印参照）することにより、樹脂基板３は上向きのそり変形を生じるように熱変形する。そして温度下降時には、この反対に樹脂基板３の方が電子部品１に対して内側に相対的に変位（破線矢印参照）することにより、樹脂基板３は下向きのそり変形を生じるように熱変形する。
【００２１】
電子部品実装構造の使用状態において上述のヒートサイクルが反復して負荷されると、電子部品１と樹脂基板３との接合部には、材料疲労によりコーナ部６を起点としてクラックや半田バンプ２の破断などの破壊が生じる。このバンプ破断に至るメカニズムは、まず図４（ａ）に示すように、コーナ部６の近傍の樹脂フィレット５ｆに上下方向のクラックＣ１が生じることによって始まる。
【００２２】
このようなクラックＣ１の発生は、電子部品１と樹脂基板３の熱膨張差に起因する熱応力のレベルが最も高いコーナ部６近傍において、熱応力の応力値が樹脂フィレット５ｆを形成する樹脂材質の破壊強度、すなわち曲げ強度によって許容される応力値を超えることによって生じるものと推測される。したがって、樹脂接着剤５の種類として、従来品よりも曲げ強度に優れた前述の樹脂Ａ，Ｂを用いることにより、バンプ破断の引き金となるクラックＣ１の発生を抑制することができる。
【００２３】
このようにして生じたクラックＣ１が樹脂フィレット５ｆを貫通して樹脂基板３の上面まで到達し、コーナ部６における樹脂フィレット５ｆの補強効果が低下すると、ヒートサイクルによる熱応力は、図４（ｂ）に示すように、補強樹脂５＊と電子部品１の下面との
接合界面に集中するようになる。そしてこの後、補強樹脂５＊と電子部品１の下面との間には、電子部品１のコーナ近傍を起点としてクラックＣ２が発生し、いわゆる口開き状態となる。ここで発生した口開き領域はヒートサイクルの反復によって次第に樹脂基板３の内部側に向かって伝播しながら伸展し、最外縁の半田バンプ２を含んだ範囲において電子部品１は補強樹脂５＊から剥離する。
【００２４】
そしてこのような状態において半田バンプ２自体は周囲を補強樹脂５＊によって固められているため、ヒートサイクル時には半田バンプ２は補強樹脂５＊とともに熱変位し、熱応力は電子部品１の下面と半田バンプ２との接合部近傍に集中して作用するようになる。そして半田バンプ２がこの繰り返し応力に耐えられなくなると、図３（ｃ）に示すように、半田バンプ２には電子部品１の下面の電極１ａとの接合部近傍にクラックＣ３が生じ、やがて半田バンプ２の完全な破断に至る。
【００２５】
ここで、半田バンプ２の材質として前述のような組成の鉛フリー半田など延性が低い種類の半田材質を用いている場合には、熱応力を半田バンプ２の延性によって吸収する度合いが小さいことから破断に至りやすい。このような場合にあっても、樹脂接着剤５として硬化後の線膨張係数が従来品と比較して小さい物性を備えた樹脂Ａ，樹脂Ｂを用いることにより、補強樹脂５＊の線膨張係数の値を電子部品１の線膨張係数の値に極力近づけることができる。このためヒートサイクルによる熱変位において半田バンプ２を水平方向にせん断する方向の応力値を低減して、半田バンプ２の破断発生を抑制することができる。
【００２６】
次に図５を参照して、図１に示す電子部品実装構造における補強樹脂の材質特性とサイクル寿命試験結果との相関を求めるために行った寿命サイクル試験および試験結果について説明する。この寿命サイクル試験においては、辺サイズがそれぞれ６ｍｍ，１２ｍｍの正方形チップであって、鉛フリー半田による半田バンプが０．５ｍｍピッチで形成された２種類のテストサンプルを用いて、図１に示す電子部品実装構造を構成し、−４０℃〜１２０℃のヒートサイクルを反復負荷してバンプ破断に至るまでの寿命サイクル数を求めた。そしてここでは、補強樹脂の材質特性、すなわち曲げ強度と線膨張係数をそれぞれ系統的に変化させた場合の複数の試験結果を求めることにより、曲げ強度および線膨張係数と寿命サイクルとの相関をそれぞれ求めた。
【００２７】
図５（ａ）は曲げ強度と寿命サイクルとの相関、図５（ｂ）は線膨張係数と寿命サイクルとの相関をそれぞれ示している。まず、曲げ強度との相関においては、曲げ強度の値が９０Ｍｐａから１００Ｍｐａに増加すると寿命サイクルが大きく増加する結果を示しており、曲げ強度が１００Ｍｐａ以上においては寿命サイクルはほぼ横這いとなっている。そして、９０Ｍｐａにおける寿命サイクル数は実用上の寿命判定基準として採用される１０００サイクルには到達しておらず、この結果は、従来品（曲げ強度９０Ｍｐａ）を補強樹脂として用いた電子部品実装構造においてバンプ破断が頻発していた不具合事例と符合している。
【００２８】
また線膨張係数との相関においては、線膨張係数の値がある範囲以下である場合には寿命サイクル数には大きな変動は見られないが、線膨張係数の値がある範囲を超えて増加すると寿命サイクルが急激に低下する傾向を示している。すなわち線膨張係数が３０ｐｐｍを超えると寿命サイクルが実用上の寿命判定基準として採用される１０００サイクルを下回り、その後も線膨張係数の増加に伴って寿命サイクルがさらに低下する結果となっている。そしてこの結果も、従来品（線膨張係数４０〜５０ｐｐｍ）を補強樹脂として用いた電子部品実装構造において、バンプ破断が頻発していた不具合事例と符合している。
【００２９】
そして本実施の形態に示す電子部品実装構造においては、補強樹脂として、線膨張係数が２５ｐｐｍ〜３０ｐｐｍであり、且つ曲げ強さが１００Ｍｐａ以上となるような成分組
成の樹脂材質を採用していることから、鉛フリー半田のように延性の低い半田を用いた半田バンプを介して電子部品の電極と基板の電極とを接続する構成においても、寿命サイクル数を増大させることができる。もちろん、図５（ｂ）の試験結果に示すように、線膨張係数がさらに小さく１０ｐｐｍ〜３０ｐｐｍの範囲にあるような樹脂を用いても良いことは言うまでもない。
【００３０】
すなわち上記説明したように本発明によれば、鉛フリー半田によって形成された半田バンプを有する電子部品を実装した電子部品実装構造において、脆く延性に乏しい材質の半田バンプに対応した適正組成の樹脂材質を補強樹脂として採用することにより、実装後の使用状態でのヒートサイクルにおける半田バンプの寿命を延長して、製品の信頼性を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の電子部品実装構造は、補強樹脂の外縁部の高応力領域での電子部品と補強樹脂の口開きを防止するとともに補強樹脂の熱変位を抑制して、脆く延性に乏しい材質を用いた場合にあっても半田バンプの破断を有効に防止することができるという効果を有し、鉛フリー半田によって半田バンプが形成された電子部品を樹脂基板に実装する電子部品実装構造に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施の形態の電子部品実装構造を構成する電子部品および基板の斜視図
【図２】本発明の一実施の形態の電子部品実装方法の工程説明図
【図３】本発明の一実施の形態の電子部品実装構造におけるヒートサイクルによる変位の説明図
【図４】本発明の一実施の形態の電子部品実装構造におけるバンプ破断のメカニズムの説明図
【図５】本発明の一実施の形態の電子部品実装構造における封止樹脂材質特性とサイクル寿命試験結果との相関を示すグラフ
【符号の説明】
【００３３】
１  電子部品
２  半田バンプ
３  樹脂基板
４  電極
５  樹脂接着剤
５＊  補強樹脂
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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