(57)【要約】【課題】基板本体の表面に気泡の少ないハンダバンプを介して電子部品を確実且つ強固に実装し得るフリップチップ型の配線基板の製造方法を提供する。【解決手段】基板本体２の表面に導体のパッド６を形成する工程と、パッド６の上に該パッド６を構成する導体の融点よりも低融点の合金粉末を含む導電性ペースト８を形成する工程と、導電性ペースト８を加熱してハンダバンプ９に形成するリフロー工程と、を含み、係るリフロー工程は、パッド６と導電性ペースト８とを、０．５ｄｅｇ℃／秒以下の昇温速度により昇温し且つ低融点合金の融点±１０℃の温度帯で予熱する予熱ステップＳ１，Ｓ２と、かかる予熱ステップの後に、上記導電性ペースト８を溶融させるべく、上記低融点合金の融点よりも１０℃乃至３０℃高い温度に加熱することにより、上記導電性ペースト８をハンダバンプ９に形成する加熱ステップＳ３，Ｓ４と、を有する、配線基板１の製造方法。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板本体の表面に導体からなるパッドを形成する工程と、
上記パッドの上に当該パッドを構成する導体の融点よりも低融点の合金粉末を含む導電性ペーストを形成する工程と、
上記導電性ペーストを加熱してハンダバンプに形成するリフロー工程と、を含み、
上記リフロー工程は、上記パッドおよび上記導電性ペーストを、０．５ｄｅｇ℃／秒以下の昇温速度により昇温し且つ上記低融点合金の融点±１０℃の温度帯で予熱する予熱ステップと、
上記予熱ステップの後に、上記導電性ペーストを溶融させるべく、上記低融点合金の融点よりも１０℃乃至３０℃高い温度に加熱することにより、上記導電性ペーストをハンダバンプに形成する加熱ステップと、を有する、
ことを特徴とする配線基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板本体の表面にＩＣチップなどの電子部品を実装するフリップチップ型の配線基板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
フリップチップ型の配線基板は、その基板本体の表面に形成した導体からなるパッドの上にハンダバンプをリフローにより形成し、かかるハンダバンプの上にＩＣチップなどの電子部品における外部電極を載置し且つ再度リフローすることにより、上記電子部品の実装が成される。上記ハンダバンプは、上記パッドの導体よりも融点の低い合金粉末およびフラックスを含む導電性ペーストを、上記パッド上に印刷で形成し、これを一旦約１５０℃程度の温度域に加熱・保持した後、上記合金粉末の融点よりも高い温度に加熱するリフローによって成されている。
【０００３】
ところで、リフロー後のハンダバンプに気泡（ボイド）が含まれていると、配線基板の内部配線と実装された電子部品との導通性を低下させると共に、かかる電子部品の実装強度が低下するため、不用意な外力により電子部品が外れる事態が生じてしまう、という問題があった。
上記ハンダバンプ中の気泡を抑制するため、基板の第１面と第２面とに電子部品を順次実装するに際し、活性作用を有し且つ半田融点温度よりも高い加熱温度の熱硬化性樹脂を含む半田接合ペーストを後で実装対象面となる第２面に限定して用いる実装基板の製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、上記製造方法は、第１面および第２面に電子部品を順次実装する基板を対象とするため、第１面（表面）にのみ電子部品を実装する一般的なフリップチップ型の配線基板には、適用できない、という問題点があった。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−４７７７４号公報（第１〜８頁、図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、前述した背景技術における問題点を解決し、基板本体の表面に気泡の少ないハンダバンプを介してＩＣチップなどの電子部品を確実且つ強固に実装し得るフリップチップ型の配線基板の製造方法を提供する、ことを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するため、発明者らの鋭意研究および調査の結果、基板本体の表面に位置するパッド上に形成した導電性ペーストをリフローしてハンダバンプを形成するに際し、かかるリフロー工程の加熱温度履歴を適正化することに着目して成されたものである。
即ち、本発明の配線基板の製造方法は、基板本体の表面に導体からなるパッドを形成する工程と、上記パッドの上に当該パッドを構成する導体の融点よりも低融点の合金粉末を含む導電性ペーストを形成する工程と、かかる導電性ペーストを加熱してハンダバンプに形成するリフロー工程と、を含み、かかるリフロー工程は、上記パッドおよび上記導電性ペーストを、０．５ｄｅｇ℃／秒以下の昇温速度により昇温し且つ上記低融点合金の融点±１０℃の温度帯で予熱する予熱ステップと、係る予熱ステップの後に、上記導電性ペーストを溶融させるべく、上記低融点合金の融点よりも１０℃乃至３０℃高い温度に加熱することにより、上記導電性ペーストをハンダバンプに形成する加熱ステップと、を有する、ことを特徴とする。
【０００７】
付言すれば、本発明は、前記低融点合金は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金であると共に、前記予熱温度（Ｓ２）は、２００℃〜２２０℃の範囲である、配線基板の製造方法とすることも可能である。
また、上記予熱当初（Ｓ１）の昇温速度は、０．０５℃／秒〜０．５℃／秒、望ましくは０．１℃／秒〜０．２℃／秒である、配線基板の製造方法とすることも可能である。
【発明の効果】
【０００８】
前記本発明の配線基板の製造方法によれば、ハンダバンプを形成するリフロー工程では、先ず、パッドおよび前記導電性ペーストを、０．５ｄｅｇ℃／秒以下の昇温速度により緩やかに昇温し、且つ上記低融点合金の融点±１０℃の温度帯で予熱する予熱ステップが成される。このため、上記導電性ペーストに含まれるフラックスを十分に除去できるので、形成されるハンダバンプ中の気泡を確実に低減できる。しかも、上記予熱時間を管理することで、前記パッドを構成する導体の金属または当該パッドの表面に被覆したメッキ金属と、上記低融点合金の金属元素とが相互に拡散し、両者からなる金属間化合物をパッドとハンダバンプとの接合部付近に生成する事態を抑制することが可能となる。
従って、上記ハンダペースト上にＩＣチップや水晶振動子などの電子部品の外部電極を載置し且つ再リフローする際に、気泡による飛沫を防止して、上記電子部品と配線基板の内部配線との間で十分な導通が取れると共に、外力により電子部品がハンダバンプから不用意に外れる事態を防止することが可能となる。
【０００９】
尚、前記導電性ペーストに含まれる低融点合金をＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金とし、且つ前記予熱温度を２００℃〜２２０℃の範囲とすることで、本発明を具体的に実施できると共に、本発明の上述した効果を一層確実に得ることができる。
また、前記予熱当初（Ｓ１）の昇温速度を、０．０５℃／秒〜０．５℃／秒、望ましくは０．１℃／秒〜０．２℃／秒とすることで、形成されるハンダバンプ中の気泡を確実に低減することが可能となる。しかも、パッドの導体または当該パッドの表面に被覆したメッキ金属と、上記低融点合金の金属元素とが相互拡散し、両者の金属間化合物の生成を抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下において、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
図１は、例えばアルミナを主成分とする複数のセラミック層を積層した基板本体２の表面３付近の断面を示す。かかる基板本体２は、平面視が正方形または長方形を呈し、全体の厚みが約２ｍｍであり、アルミナなどを主成分とする複数のグリーンシートを積層し、それらの間に所定のパッターンで図示しない内部配線を予め形成し、且つこれら全体を焼成したものである。
図１に示すように、基板本体２の表面３には、内部配線とビア導体４を介して導通する複数のパッド６が形成される。かかるパッド６は、ＷまたはＭｏ粉末を含む導電性ペーストを、各ビア導体４の端面が露出する表面３に、スクリーン印刷して円盤形状に形成した後、上記焼成と同時に焼結したＷなどの導体である。
【００１１】
次に、各ビア導体４をメッキ電極との導体として、各パッド６の表面に対し、電解Ｎｉメッキと電解Ａｕメッキとを順次施し、厚み約４μｍのＮｉメッキ層と厚み約０．１〜０．３μｍのＡｕメッキ（何れも図示せず）とをそれぞれ被覆する。
更に、図２に示すように、スクリーン印刷により、各パッド６の上記メッキ層の上に、導電性ペースト８をほぼ円柱形（平均直径２００μｍ×高さ５０μｍ）にして個別に形成する。かかる導電性ペースト８は、粒径が約６〜１２μｍであるＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金（低融点合金）の粉末と、フラックスと、を含んでいる。尚、上記Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金の融点は２１６℃であり、パッド６の導体を構成するＷやＭｏの融点よりも低い。
【００１２】
次いで、各パッド６上に導電性ペースト８が形成された基板本体２を、バッチ式加熱炉またはトンネル式加熱炉（何れも図示せず）に挿入して、上記導電性ペースト８を次述する各ステップ沿って加熱するリフロー工程を行う。
図４に示すように、リフロー工程は、予熱ステップＳ１，Ｓ２、加熱ステップＳ３，Ｓ４、および降温ステップＳ５からなる。
【００１３】
予熱ステップＳ１，Ｓ２は、常温付近の上記パッド６および導電性ペースト８を、０．５ｄｅｇ℃／秒以下の昇温速度により緩やかに昇温（Ｓ１）し、上記Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金の融点２１６℃付近の温度、例えば２００℃〜２２０℃の温度帯で約８０〜１００秒間（ｔ２）にわたり予熱（Ｓ２）するものである。
これによれば、緩い昇温速度（２００〜２２０℃／ｔ１）で加熱し且つ上記温度帯で予熱するため、導電性ペースト８に含まれる前記フラックスをかなり除去できる。この結果、追って形成されるハンダバンプ中の気泡を低減することができる。しかも、予熱時間ｔ２を２００秒以下にしているため、パッド６の表面に被覆したメッキ金属：Ｎｉと、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金の金属元素：Ｓｎと、が相互拡散して両者の金属間化合物：ＳｎＮｉ３、Ｓｎ２Ｎｉ３、またはＳｎ４Ｎｉ３の生成を抑制することもできる。
【００１４】
上記予熱ステップの後で行う加熱ステップＳ３，Ｓ４は、図４に示すように、上記パッド６と導電性ペースト８とを上記Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金の融点２１６℃よりも例えば２４℃高い温度、２４０℃に２０秒間（ｔ４）加熱するものである。この結果、導電性ペースト８の表層付近におけるＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金の粉末が完全に溶融するため、図３に示すように、ほぼ半球形状のハンダバンプ９となる。
そして、最後に、上記パッド６およびハンダバンプ９を含む基板本体２を、常温付近に降温させる降温ステップＳ５が行われる。
以上のリフロー工程により、導電性ペースト８は、図３に示すように、ほぼ半球形状のハンダバンプ９になり、残ったフラックスを洗浄により除去することで、上記ハンダバンプ９を表面３に複数個有する配線基板１を得ることができる。
【００１５】
図５は、配線基板１の表面３に水晶振動子（電子部品）１０を実装するため、各ハンダバンプ９の上に水晶振動子１０の本体１２の底面１３に設られた外部電極１４を載置した状態を示す。かかる状態で、配線基板１と水晶振動子１０とをバッチ式加熱炉またはトンネル式加熱炉に挿入し、約２１０℃〜２４０℃に加熱する再リフローを行う。尚、上記外部電極１４は、例えばＣｕ系合金からなる。
その結果、前記Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金の融点２１６℃よりも高い温度でリフローした場合、図６に示すように、溶けた各ハンダバンプ９の頂部に水晶振動子１０の外部電極１４が溶着される。尚、上記合金の融点付近の温度で再リフローすると、バンプ９と外部電極１４とが接合される。
【００１６】
前記リフロー工程を経て製造された配線基板１を用いることにより、上記再リフローの際に、各ハンダバンプ９中の気泡が少ないため、水晶振動子１０の外部電極１４との溶着または接合を強固に行える。しかも、再リフローの加熱に伴い気泡が飛び出す際に発生する前記合金の飛沫を防止できるため、水晶振動子１０の底面１３に金属片が付着したり、かかる底面１３に露出する配線同士間でのショートを確実に防止することができる。
【実施例】
【００１７】
ここで、本発明の具体的な実施例について、比較例と併せて説明する。
アルミナを主成分とし、縦×横：１００ｍｍ×１００ｍｍ・厚み：２ｍｍの外形である基板本体２を同じ製造条件で複数個用意した。これらの基板本体２の表面３には、直径：約１００μｍ×厚み：約２０μｍでＷを主成分とパッド６が縦×横：２×３個ずつ合計６個が格子状の配置で形成されている。
各基板本体２における各パッド６の表面に対し、同じ条件で電解Ｎｉメッキを施して、厚みが３．５μｍのＮｉメッキ層を個別に被覆した。更に、かかるＮｉメッキ層の表面に対し、同じ条件で電解Ａｕメッキを施して、厚みが０．３μｍのＡｕメッキ層を個別に被覆した。
【００１８】
次に、各基板本体２における各パッド６の上記メッキ層の上に、同じスクリーン印刷により、ほぼ円柱形（平均直径２００μｍ×高さ５０μｍ）の導電性ペースト８を個別に形成した。かかる導電性ペースト８は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金の粉末を９０wt％、フラックスを１０wt％を含む。
各パッド６上に導電性ペースト８が形成された各基板本体２を、トンネル式加熱炉に挿入し、表１に示す異なる昇温速度で個別に加熱・昇温（Ｓ１）し且つ２１６℃±１０℃に１００秒間保持（Ｓ２）する前記リフロー工程における予熱ステップＳ１，Ｓ２を施した。
引き続き、上記各基板本体２を２４０℃で２０秒間加熱・保持する前記リフロー工程における加熱ステップＳ３，Ｓ４を施して、前記導電性ペースト８をハンダバンプ９に形成した複数の配線基板（１）を得た。
表１に示す昇温速度別に各配線基板（１）を実施例１〜４と比較例１，２とに区分し、各例ごとに２０個の配線基板（１）を製造した。
【００１９】
各例の配線基板（１）の表面３に水晶振動子（電子部品）１０を実装すべく、前記図５に示したように、各ハンダバンプ９の上に水晶振動子１０の本体１２の底面１３に設られけた外部電極１４を載置した。かかる状態で、各例の配線基板（１）と水晶振動子１０とをトンネル式加熱炉に挿入し、２４０℃に２０秒間加熱する再リフローを行った。
図６に示すように、各例の配線基板（１）の表面３上に実装された水晶振動子１０の本体１２の上面中央に、接着剤１６を介してロッド１８を垂直に立設した。
【００２０】
各例の配線基板（１）を固定し且つ個々の配線基板（１）ごとに、図６中の矢印で示すように、上記ロッド１８に軸方向に沿った荷重を加えて引っ張る破壊試験を行った。そして、何れかの位置で破壊（破断）した際の破壊モードと破断強度とを測定し、それらを表１に示した。
尚、破断強度は、１個の配線基板（１）における６箇所のパッド６、ハンダバンプ９、および外部電極１４の接合部の全てが破壊された際における、各例の配線基板（１）での６箇所のパッド６ごとの平均値を算出した。
また、破壊モードは、図７の左側に示すように、パッド６とハンダバンプ９との間で破壊したものをＡモード、図７の右側中央寄りに示すように、ハンダバンプ９と外部電極１４との間で破壊したものをＣモード、図７の右端寄りに示すように、ハンダバンプ９の中間で破壊したものをＤモードとして区分した。尚、表１に示すように、上記ＡモードとＣモードとが混在したものをＢモードとした。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
尚、上記破壊する前の各例の配線基板（１）ごとに、ハンダバンプ９中の気泡が発生した割合（％）をＸ線で測定し、そのうちで直径が３０μｍを越える気泡の割合（％、平均値）を個別に算出した。それらも表１に示した。
表１によれば、実施例１〜４の配線基板１では、直径が３０μｍ超であるボイドの割合（３０μｍを越えるボイドが確認されたバンプ数／検査した総バンプ数）が８％以下であった。これは、前記リフロー工程の予熱ステップＳ１での昇温速度を０．４ｄｅｇ℃／秒以下と低くし且つ前記温度帯で予熱（Ｓ２）したため、導電性ペースト８中のフラックス成分を十分除去できたことによるものである。特に、予熱ステップＳ１での昇温速度が０．０４ｄｅｇ℃／秒と最もゆっくり昇温した実施例４では、気泡の発生率は最小となった。
【００２３】
一方、表１に示すように、比較例１，２の配線基板では、ハンダバンプ９中における気泡の発生割合が１０％以上となった。これは、予熱ステップＳ１での昇温速度を０．６ｄｅｇ℃／秒以上と高くしたため、前記温度帯で予熱（Ｓ２）したにも拘わらず、導電性ペースト８中のフラックス成分を十分除去できなかったことによるものである。
また、表１によれば、実施例１〜４の配線基板１では、破壊した位置が全てハンダバンプ９と外部電極（チップ）１４との間（Ｃモード）であった。これは、パッド６とハンダバンプ９との接合部付近における金属間化合物の生成が少なかったため、この位置よりも接合強度が低い上記位置で破壊したものである。
【００２４】
以上のような実施例１〜４の配線基板１の結果から、本発明の作用が理解され且つその効果が裏付けられた。
尚、表１に示すように、実施例１，３の破断強度は、最少となった。これは、前記リフロー工程の予熱ステップＳ１での昇温速度を０．４ｄｅｇ℃／秒以下としたため、各パッド６の表面のメッキ金属：Ｎｉと、導電性ペースト８中のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金の金属元素：Ｓｎとが相互拡散し、両者の金属間化合物：ＳｎＮｉ３などがパッド６とハンダバンプ９との接合部付近に生成し、かかる接合部の強度を僅かに低下させたものと推定される。従って、予熱ステップＳ１，Ｓ２での昇温速度と予熱時間とを、破壊試験時に前記ＣモードよりもＡモードで破壊するように、調整することが肝要である。
【００２５】
本発明は、以上において説明した実施の形態および実施例に限定されない。
前記基板本体２は、樹脂または金属製のコア基板と、その表面および裏面の少なくとも一方に形成した複数の樹脂層と、これらの間に設けた内部配線とを含む形態としても良い。
また、前記パッド６は、前記基板本体２の表面３に限らず、これと対向する裏面にも併設しても良く、かかる裏面のパッド６に対しても前記各工程を施して前記ハンダバンプ９を形成しても良い。即ち、本発明の前記「表面」には、基板本体の裏面も包含されている。上記表面３および裏面にパッド６を併設した基板本体２の場合、前記各工程を表・裏面の全てのパッド６に対し同時行っても、表面３と裏面とのパッド６に分けて行っても良い。
更に、前記パッド６は、前記基板本体２の表面３内に凹んで形成され且つ平面視が正方形または長方形を呈するキャビティの底面に形成しても良い。
尚、前記導電性ペーストに粉末として含まれる低融点合金には、前記Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金のほか、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｐｂ−Ｓｎ系、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｚｎ系合金などを用いても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の製造方法における一工程を示す概略断面図。
【図２】図１に続く工程を示す概略断面図。
【図３】図２に続く工程を示す概略断面図。
【図４】本発明のリフロー工程の温度履歴を示す概略図。
【図５】本発明により得られた配線基板の表面に電子部品を実装する工程を示す概略図。
【図６】表面に電子部品を実装した上記配線基板およびその破壊試験を示す概略図。
【図７】上記破壊試験後の実施例および比較例の配線基板を示す概略図。
【符号の説明】
【００２７】
１……………配線基板
２……………基板本体
３……………表面
６……………パッド
８……………導電性ペースト
９……………ハンダバンプ
Ｓ１，Ｓ２…予熱ステップ
Ｓ３，Ｓ４…加熱ステップ
【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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【図６】
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【図７】
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