(57)【要約】【課題】従来測定が困難であった、半導体チップの実装に用いる有機樹脂材料の硬化度を、実装状態に近い状態で、その場測定できるようにすることを目的とする。【解決手段】有機樹脂の硬化度を測定する誘電センサーであって、チップ状の形状を有する半導体または無機酸化物からなる基板の一面に、相対する一対の櫛形電極を有し、また、同じ面内に２個以上のバンプ状電極を有し、該バンプ状電極に、櫛形電極のそれぞれの電極が接続されている事を特徴とする誘電センサーおよびこれを用いた有機樹脂の硬化度測定方法である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機樹脂の硬化度を測定する誘電センサーであって、チップ状の形状を有する半導体または無機酸化物からなる基板の一面に、相対する一対の櫛形電極を有し、また、同じ面内に２個以上のバンプ状電極を有し、該バンプ状電極に、前記櫛形電極のそれぞれの電極が接続されている事を特徴とする誘電センサー。
【請求項２】
前記相対する一対の櫛形電極の間隔は、10〜120μｍの範囲にあることを特徴とする、請求項１に記載の誘電センサー。
【請求項３】
有機樹脂の硬化度測定方法であって、請求項１または２に記載の誘電センサーのバンプ状電極と電気回路配線基板の表面の配線を接触させ、電気的導通をとる工程と、前記誘電センサーと電気回路配線板の間に、硬化度を測定する有機樹脂を充填する工程と、前記誘電センサーおよび、前記電気回路配線板の外側から、熱および圧力を付加する工程を有し、前記熱および圧力を付加する工程中において、前記バンプ状電極と接触している配線に、交流電圧を印加し、印加した電圧に対する応答電圧とその変化から、有機樹脂の硬化度を算出する事を特徴とする、有機樹脂の硬化度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機樹脂材料の硬化度の進行を測定する方法に関し、特に半導体チップなどの電子部品を配線基板に実装する際の固定に用いられる、有機樹脂材料の硬化状態の測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
IT技術、エレクトロニクス技術の進展に伴い、LSIやICが実装された製品が急速に増加している。例えば、RFIDタグと呼ばれる製品は、微小なICチップがアンテナ配線に接続された基本構成をとるものであるが、タグを取り付けた製品の流通、在庫管理の効率化の目的で急速に広がっている。（非特許文献１）
RFIDタグにおいてよく用いられる実装技術としてNCPやACPなどと呼ばれる、有機樹脂を用いた実装方法がある。NCPとは、Non conductive paste；非導電性ペーストのことであり、ACPとは、Anisotropic Conductive Paste；異方性導電ペーストのことであり、有機樹脂中に導電性微粒子が分散された構成からなる。
どちらも、実装する際、ICチップとアンテナ基板の間に塗布し、有機樹脂が硬化する際の収縮により、ICチップの電極とアンテナを接触させるものである。有機樹脂としては、エポキシ系、ウレタン系、シリコーン系などが用いられる。導電性微粒子としては、金属粒子や金属膜で被覆された樹脂粒子などが用いられる。（非特許文献２）
図４、５に、一般的な有機樹脂を用いた実装例を示す。まず、高分子基材４上に形成された配線５、６を含む所定領域に、未硬化の有機樹脂８を塗布する。次に、実装するICチップなどの電子部品１５を位置合わせした上で載せた後、電子部品１５および、基材４に対して加熱手段１１と加圧手段１２により熱および圧力を一定時間与え、有機樹脂８を硬化させ実装を完了する。電子部品のバンプ電極１６と配線５、６間の接続および、接合箇所の封止を同時に行うことが可能であり、低コストな実装方法である。その他にも、ハンダ接合を用いた実装に比べ、低温プロセスであるとともに微小電極、峡ピッチな接合にも対応可能であるため、近年、有機基材上の接続技術として広く用いられている。
このような製品においてICチップと配線間の接続保持は非常に重要であるが、上述したように、塗布した有機樹脂が硬化する事によりIC電極と配線の良接触が確保され、その結果、良好な電気的接続が達成されるため、有機樹脂を適切に硬化させることは非常に重要である。
従来より、樹脂の硬化状態を測定する方法としては、IR法、ラマン法、熱分析法などがあるが、上述したような製品では、ICチップが1mm角程度と微小であるため、実際の実装箇所の樹脂硬化度の測定が難しく、測定用に別途樹脂試料が必要となる場合が多い。
現実には、実装箇所の樹脂温度を測定する事は容易ではないため、測定結果と実装状態の硬化度を結びつける事は難しい。また、上述したように、有機基材に対して実装する場合、熱による基材の変形や劣化を避けるため、出来るだけ低温で実装を行うことになるが、その場合、樹脂の硬化が充分でなくなる恐れがある。従って、基材の変形度合いと樹脂の硬化度合いが両立する実装条件を見出す必要があり、そのためには、実際に実装中の樹脂の硬化度を監視する事が必要となる。
【０００３】
硬化度を監視する方法として、従来、動的機械測定、超音波測定法、誘電率測定などがある。特に、誘電率測定法は、硬化度によって樹脂の誘電率が大きく変化する事を利用するものであり、未硬化の状態から測定が可能な点が優れている。一般的に、平行電極を有するセルに試料樹脂を挟み測定する方法と、平面櫛型電極を有するセンサーに樹脂を接触させて測定する方法がある。（非特許文献３）
しかし、上述したような製品では、樹脂材料はICと配線間に挟まれほとんど表に露出していないため、測定用センサーを樹脂に接触させることが難しく、実際の実装工程中の硬化
度を監視することは非常に困難であった。
【非特許文献１】木浦成俊編、「ユビキタス社会のRFIDタグ徹底解説」、株式会社電子ジャーナル、2003年12月19日、ｐ．10−77。
【非特許文献２】高薄一弘発行、「最新版 エポキシ樹脂のエレクトロニクスへの応用  目的・用途に合わせた最適配合・機能性付与技術」第１版、株式会社技術情報協会、2003年11月26日、ｐ．230−244。
【非特許文献３】福嶋邦彦発行、「樹脂の硬化度・硬化挙動の測定と評価方法」初版、サイエンス＆テクノロジー株式会社、2007年7月13日、ｐ．3―6，552。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述してきたように、有機樹脂を用いた実装においては、接合する電極と配線の間の良接触が重要であり、そのためには、有機樹脂材料の適切な硬化が非常に重要である。従って、実際の実装構成での硬化度測定が必要であり、さらに、実装条件の最適化や品質管理のためには、硬化状態を監視する方法が必要となる。しかしながら、実装箇所の樹脂が微小であり、さらに、表にほとんど露出していないため、従来の方法では、測定が困難であった。
本発明は以上のような従来の技術が持つ問題点に着目してなされたものであって、有機樹脂による電子部品の実装において、実際の実装状態に近い状態での硬化度をその場測定できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するための手段として、請求項１に記載の発明は、有機樹脂の硬化度を測定する誘電センサーであって、チップ状の形状を有する半導体または無機酸化物からなる基板の一面に、相対する一対の櫛形電極を有し、また、同じ面内に２個以上のバンプ状電極を有し、該バンプ状電極に、櫛形電極のそれぞれの電極が接続されている事を特徴とする誘電センサーである。
また、請求項２に記載の発明は、前記相対する一対の櫛形電極の間隔は、10〜120μｍの範囲にあることを特徴とする、請求項１に記載の誘電センサーである。
また、請求項３に記載の発明は、有機樹脂の硬化度測定方法であって、請求項１または２に記載の誘電センサーのバンプ状電極と電気回路配線基板の表面の配線を接触させ、電気的導通をとる工程と、前記誘電センサーと電気回路配線板の間に、硬化度を測定する有機樹脂を充填する工程と、前記誘電センサーおよび、前記電気回路配線板の外側から、熱および圧力を付加する工程を有し、前記熱および圧力を付加する工程中において、前記バンプ状電極と接触している配線に、交流電圧を印加し、印加した電圧に対する応答電圧とその変化から、有機樹脂の硬化度を算出する事を特徴とする、有機樹脂の硬化度測定方法である。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の誘電センサーは、有機樹脂の硬化度を測定する誘電センサーであって、チップ状の形状を有する半導体または無機酸化物からなる基板の一面に、相対する一対の櫛形電極を有し、また、同じ面内に２個以上のバンプ状電極を有し、該バンプ状電極に、櫛形電極のそれぞれの電極が接続されている事を特徴とするため、基板として実際のICチップに用いられているシリコン等の半導体や無機酸化物等と同じ基板材料を用いており、その形状も実際のICチップと同様のものとし、バンプ状電極についても、実際のICチップと同材料、同形状のものを用いることによって、実際のICチップを有機樹脂を用いて実装した場合の硬化挙動に近似した状況を再現することができる。
【０００７】
また、本発明の誘電センサーにおいて、櫛型電極の対向する電極の間隔を、10〜120μmの間から選択した場合には、有機基板の影響を受けずに、ICチップと配線基板の間の薄い
有機樹脂層のみの誘電率を測定することが可能であり、その結果、より感度良く硬化度を測定する事が可能となる。
【０００８】
本発明の硬化度測定方法は、請求項１または２に記載の誘電センサーのバンプ状電極と電気回路配線基板の表面の配線を接触させ、電気的導通をとる工程と、前記誘電センサーと電気回路配線板の間に、硬化度を測定する有機樹脂を充填する工程と、前記誘電センサーおよび、前記電気回路配線板の外側から、熱および圧力を付加する工程を有し、前記熱および圧力を付加する工程中において、前記バンプ状電極と接触している配線に、交流電圧を印加し、印加した電圧に対する応答電圧とその変化から、有機樹脂の硬化度を算出する事を特徴とする、有機樹脂の硬化度測定方法であるから、本発明の誘電センサーを、測定したい有機樹脂を塗布した配線基板の上に載せ、実際の実装条件と同じ温度、圧力を課した場合の硬化度を、誘電率の変化から測定することができる。
【０００９】
以上、本発明の誘電センサーおよび硬化度測定方法を用いることにより、実際の実装工程に非常に近い状態での有機樹脂の硬化挙動を測定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】
本発明に関する、誘電センサーと硬化度測定方法について、図面を用いさらに詳しく説明する。図１は、本発明の誘電センサーにおける、櫛形電極およびバンプ電極の形成例を示す模式図である。また図２は、本発明の誘電センサーを有機樹脂を塗布した配線基板の上に搭載した状態を示す模式図である。また図３は、本発明の誘電センサーを用いて、有機樹脂の硬化の進行を測定する方法を示す概念図である。
【００１１】
基板１としては、硬化度を測定しようとする有機樹脂を使用して実装する実際の半導体チップと同じ材質、形状のチップ基板を使用することが望ましい。一般的には、シリコン単体やアルミナ等の無機酸化物単体が使用されることが多い。このチップ形状の基板1の片面に、互いに対向した一対の櫛型電極2を形成する。この櫛型電極間に電圧が印加されると電場３が発生する。発生した電場の、面に垂直な方向の広がりは、電極２の間隔に強く影響される。一般的に、電極間隔の1/3程度で電場３は弱まることが知られている。
実際のチップを配線基板に実装する場合、チップの底面と配線基板の間隔は、50μm以下、実際には、3〜50μｍとなる場合が多い。櫛型電極２の間隔が広すぎると、電場は有機樹脂８を越え、高分子基材４まで浸入してしまい、硬化度の測定感度に問題が生じる。一方、間隔が狭すぎると、センサー１０に近接した領域だけの測定となり適切ではない。従って櫛形電極の間隔を10〜120μmの範囲とすることにより、高分子基材４の影響を受けずに、薄い有機樹脂層８のみの誘電率を感度よく測定することができる。
【００１２】
なお、本誘電センサー１０に用いる一つの櫛型電極２の電極数は、特に限定するものではないが、充分な測定感度を得るためには、８本以上であることが望ましい。また、電極の幅についても限定するものではないが、電極間隔の半分以下である事が望ましい。また、電極の材料についても、導体であれば特に限定するものではないが、有機樹脂材料自身や添加剤の影響を受けにくい、金（Au）や白金（Pt）が望ましい。また、その作成方法については、真空製膜であっても電解メッキ法であっても構わない。
【００１３】
バンプ電極９の個数については、図１では、４隅にバンプ電極を形成し、その２つづつを相対する櫛形電極に接続したが、ひとつづつを接続して、他の２つは、何も接続せずダミーとしても良い。バンプ電極は最低限２つあれば良いが、２つよりも４つの方が、実装する際に安定した実装が可能となる。
本発明の硬化度測定法では、図２、３に示すように有機樹脂８を塗布した配線基板７の上に誘電センサー１０を載せた後、センサーの上方に設置した加熱手段１１及び加圧手段１２により、加熱・加圧を行い、有機樹脂８を熱硬化させる。硬化工程中は、電圧印加及び電圧測定手段１３により、配線基板７上の配線５、６を通じて、誘電センサーに交流電圧が印加され、電場３が発生し、それに対する応答電圧を電圧印加及び電圧測定手段１３により測定する。
この時、櫛形電極２に印加する交流電圧の周波数としては、50Hz〜100Hzが適当である。
加熱手段としては、ヒーター等公知の加熱手段が使用できる。また加圧手段としては、平面プレス機等公知の加圧手段が使用できる。これらは、実際の実装工程に用いられる方法と同様の方法を採用すべきである。
測定された応答電圧の変化から、解析手段１４により、樹脂材料の誘電損失および、イオン粘度、硬化度指標を求める。硬化度指標とは、時間に対するイオン粘度の変化をプロットし、イオン粘度カーブが平坦になった点を硬化度100％として換算することにより、硬化度の値を求めるものである。
【００１４】
以上のように、本発明によれば、実際の実装工程に非常に近い状態での有機樹脂の硬化挙動をその場測定することが可能となる。特に、本発明の誘電センサーでは、櫛型電極の間隔を適切に選択することにより、有機基板の影響を受けずに、ICチップと配線基板の間の薄い有機樹脂層のみの誘電率を測定可能であり、その結果、感度よく硬化度を測定する事が可能である。
【実施例１】
【００１５】
本発明の誘電センサーを作成するために、基材として厚さ500μｍ、１mm角のシリコンチップを用いた。まず、シリコンチップの片方の面に、フォトリソグラフィーにより、一つの電極数８本、電極幅20μｍ、電極長さ500μm、電極間隔100μmの電極を、対向させたPt薄膜櫛形電極を形成した。次に、チップの４隅に無電解メッキにより、厚さ20μｍ、100μm角の金バンプ電極を形成した。バンプ電極を形成する際、櫛形電極とバンプ電極は電気的に接続させた。
配線基板として、厚さ200μmのPET基板の上に、無電解メッキにより厚さ10μmの銅薄膜を形成し、パターンエッチングにより、2本の配線を形成したものを用いた。配線間の距離は0.6mmとした。
次に、この配線基板の2本の配線の中間に、熱硬化性エポキシ樹脂をシリンジにより塗布した後、配線間の直上から誘電センサーを載せ、センサーの２つの電極と2本の配線を接触させた。
次に、上下からプレート状のヒーターで加熱・加圧を行い、エポキシ樹脂を硬化させた。ヒーター温度、荷重、加熱時間はそれぞれ、150℃、0.5N、60秒で行った。硬化させる際、100Hzの正弦交流電圧を配線に印加させ、誘電センサーから電場を発生させ、硬化進行によるエポキシ樹脂の誘電率変化の情報を含む、応答電圧の振幅と位相を、ロックインアンプを用いて測定した。
次に、パソコンにより、測定した電圧から、エポキシ樹脂の硬化工程中の複素誘電率の変化を求め、その誘電損失成分から、最終的に樹脂の硬化進行を表わす、硬化度指標を求めた。
時間に対する硬化度指標の変化を表１に示した。
ここで、加熱温度、圧力、時間および、印加電圧周波数は、上記したものに特に限定するものではなく、測定する実際の樹脂の性質および、実際の実装工程の条件を基に決定すればよい。
＜比較実験＞
実施例１と同じ誘電センサー、配線基板、エポキシ樹脂を用い、また、実施例１と同じヒーター温度、圧力によって誘電センサーの実装を行った。ただし、加熱時間を、それぞれ、10、30、60秒経過した時にヒーターをセンサー及び配線基板から離し、加熱時間が異なる3条件の試料を作成した。硬化後、それぞれの試料について、誘電センサーを注意深く配線基板から剥がして、エポキシ樹脂を露出させ、フーリエ変換赤外分光法（FT-IR法)により、樹脂の硬化度を測定した。実施例１に示した本発明の方法で測定したエポキシ樹脂の硬化進行と従来法である比較実験との比較結果を表１にまとめた。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
表１の結果より、本発明の誘電センサーおよび硬化度測定方法によって測定した硬化度指標は、従来の方法であるFT-IR法から測定した硬化度と良い一致を示しており、本発明の方法で感度良く硬化度を測定出来ることが分かる。さらに、本発明では、加熱時間45秒以降ではほぼ一定の硬化度に達する事も分かる。このように本発明の方法によれば、一度の測定で、必要な硬化時間を把握する事が出来る。
本発明は、半導体チップなどの電子部品を配線基材に実装する際の固定に用いられる、有機樹脂材料の硬化状態を、実際の実装工程と同じ構成、硬化条件でモニタ測定することが出来る。また、一度の測定で電子部品の硬化進展を測定することが出来るため、実装工程の条件最適化を迅速・効率的に行う事が出来る。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の誘電センサーにおける、櫛形電極およびバンプ電極の形成例を示す模式図
【図２】本発明の誘電センサーを、有機樹脂を塗布した配線基板の上に搭載した状態を示す模式図
【図３】本発明の誘電センサーを用いて、有機樹脂の硬化進行を測定する方法を示す概念図
【図４】電子部品を有機樹脂を用いて配線基板に実装する場合の、一般的な状態を示す模式図
【図５】電子部品を有機樹脂を用いて配線基板に実装する、一般的な方法を示す模式図
【符号の説明】
【００１９】
１・・・基板
２・・・櫛形電極
３・・・電場
４・・・高分子基材
５・・・配線
６・・・配線
７・・・配線基板
８・・・有機樹脂
９・・・バンプ電極
１０・・・誘電センサー
１１・・・加熱手段
１２・・・加圧手段
１３・・・電圧印加手段および電圧測定手段
１４・・・解析手段
１５・・・電子部品
１６・・・バンプ電極
【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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