電子部品接合構造体の製造方法及び該製造方法により得られた電子部品接合構造体
【課題】電子部品の高機能化及び多端子化が可能な電子部品接合構造体の製造方法及び電子部品接合構造体を提供することを目的とする。
【解決手段】基板上の電極金属上にはんだペーストを塗布する塗布工程、及び、該基板上の電極金属上に該はんだペーストを介して電子部品の電極端子を接触させた状態で、該はんだペーストを熱処理する熱処理工程を含む電子部品接合構造体の製造方法であって、該はんだペーストが、該基板上の電極金属と同じ材質の金属板に塗布したときの該金属板とはんだペーストとの接触面積をＡ、該はんだペーストを温度２３５℃〜２６０℃の範囲で熱処理した後の該金属板とはんだとの接触面積をＢとしたときに、０．７≦Ｂ／Ａ≦１．３を満たす電子部品接合構造体の製造方法。
【解決手段】基板上の電極金属上にはんだペーストを塗布する塗布工程、及び、該基板上の電極金属上に該はんだペーストを介して電子部品の電極端子を接触させた状態で、該はんだペーストを熱処理する熱処理工程を含む電子部品接合構造体の製造方法であって、該はんだペーストが、該基板上の電極金属と同じ材質の金属板に塗布したときの該金属板とはんだペーストとの接触面積をＡ、該はんだペーストを温度２３５℃〜２６０℃の範囲で熱処理した後の該金属板とはんだとの接触面積をＢとしたときに、０．７≦Ｂ／Ａ≦１．３を満たす電子部品接合構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子部品接合構造体の製造方法及び該製造方法により得られた電子部品接合構造体に関し、特にチップ部品や半導体パッケージ等の電子部品をはんだ等の接合材を用いてプリント配線基板等の回路基板に実装する、鉛フリーの電子部品接合構造体の製造方法及び電子部品接合構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の電子機器の軽量小型化・薄型化に伴い、電子機器の実装技術は、回路基板上の電極にはんだペーストをスクリーン印刷した後、電子部品をマウントし、リフロー炉を用いた加熱処理をすることにより電子部品を回路基板に接合して電子部品接合構造体を形成するという表面実装技術が主流となってきている。さらに、半導体装置等に用いられる電子部品の高機能化・軽量小型化・薄型化も急速に進展しており、これに伴い電子部品に配設されている電極端子とはんだ付け部も微細化及び多端子化する傾向にある。このように微細化し多端子化した電極端子を高い信頼性で回路基板に実装する電子部品の実装接合構造体が望まれている。
【０００３】
これらの電極端子と基板上の電極金属との接合に用いられるはんだは、一般的に、金属材料の接合に用いられ、溶融温度域（固相線温度から液相線温度の範囲）が４５０℃以下の合金材料とされる。従来、リフロー熱処理で使用するはんだ材料としては、一般的に融点１８３℃のＳｎ−３７Ｐｂ共晶はんだが用いられ、また、高耐熱性が要求される、電子部品の内部等で使用される高温はんだとしては、固相線２７０℃及び液相線３０５℃であるＳｎ−９０Ｐｂ等の高温はんだが広く用いられてきた。
【０００４】
しかし、近年、ＥＵの環境規制（ＷＥＥＥ、ＲｏＨＳ指令）にあるように、Ｐｂの有害性が問題となり、環境汚染を防止する観点から、はんだの鉛フリー化が急速に進んでいる。現在、Ｓｎ−３７Ｐｂ共晶はんだの代替としては、例えば融点２２０℃程度のＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕからなる鉛フリーはんだ（特許文献１，２参照）が提案され、リフロー熱処理として２４０℃から２６０℃程度の温度範囲が一般的となりつつある。
【０００５】
しかし、上述の共晶はんだ、高温はんだ、鉛フリーはんだの各材料は、融点以上の温度で液相を呈するため、はんだペーストとして印刷塗布した後、リフロー等の熱処理過程で溶融状態となり、電極端子及び基板上の電極金属に対して液状に濡れ広がる加工特性であった。特にはんだが印刷塗布される基板上の電極金属表面に関してははんだが大きく濡れ広がるために基板上の電極金属表面の露出部分がなくなり被覆厚さも一定でなくなるので、電子部品の高機能化・多端子化に対応させて、基板上の同一の電極金属の余白部に１つ以上の他の接合方式（例えば、金ワイヤーボンディングや嵌合式コネクティング、圧接導電性素材付加など）を安定的な品質・信頼性で実施できないという状況があった。
【０００６】
基板上の電極金属に塗布した接合材が加熱時に濡れ広がらないものとしては、導電性接着剤（典型的には接着剤樹脂に導電性粒子を分散させたもの）が挙げられる。しかしこれらははんだ材料とは異なり、接合部の導通は導電性粒子の接触によって実現され、接着力は接着剤樹脂による接着力に依拠するため、接合の耐熱性・信頼性の点では金属結合で接合するはんだに劣るものであった。そのため、電子部品接合構造体の高機能化・多端子化のために基板上の同一電極金属上で複合した接合方式を用いる場合、はんだと同じ金属結合を有する高耐熱・高信頼性の接続材料でありながら、接合の熱処理時に液状に溶融せず微小な電極上でも濡れ広がらずに印刷時の形状及び面積を維持できる接合材料、並びに該接合材料を用いて接合構造体を形成する方法が望まれていた。しかし効果的な解決策がないのが現状であった。
【０００７】
一方、本発明者らは、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕで代表される鉛フリーはんだのリフロー熱処理条件（具体的にはピーク２４５℃）で合金化し、合金形成後は、ピーク３００℃未満のリフロー熱処理条件では再溶融しない高耐熱性の鉛フリー接続材料を既に提案している（特許文献３参照）。
【０００８】
【特許文献１】特開平５−０５０２８６号公報
【特許文献２】特開平５−２２８６８５号公報
【特許文献３】国際公開第２００６／１０９５７３号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、塗布後の熱処理時におけるはんだの濡れ広がりが低減され、電子部品の高機能化及び多端子化が可能な電子部品接合構造体の製造方法及び電子部品接合構造体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】
【００１０】
本発明者らは、各種の金属の組成や粒子形態に関してはんだペースト材料のための検討を行ない、特定のはんだを用いることによって、通常のエレクトロニクス実装技術で用いられている印刷・部品マウント・リフロー熱処理といった一連の工程において、熱処理による接合部の形成前後での基板上の電極金属上のはんだ塗布面積の変化を低減できることを見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は、以下の通りである。
【００１１】
［１］ 基板上の電極金属上にはんだペーストを塗布する塗布工程、及び
該基板上の電極金属上に該はんだペーストを介して電子部品の電極端子を接触させた状態で、該はんだペーストを熱処理する熱処理工程、
を含む電子部品接合構造体の製造方法であって、
該はんだペーストが、該基板上の電極金属と同じ材質の金属板に塗布した時の該金属板とはんだペーストとの接触面積をＡ、該はんだペーストを温度２３５℃〜２６０℃の範囲で熱処理した後の該金属板とはんだとの接触面積をＢとしたときに、０．７≦Ｂ／Ａ≦１．３を満たす電子部品接合構造体の製造方法。
【００１２】
［２］ 上記塗布工程において、基板上の電極金属上の一部にはんだペーストを塗布し、かつ、上記熱処理工程の後に、さらに、基板上の電極金属のうちのはんだで覆われていない部分に物理的信号線接続による接合を形成する接合工程を行なう、上記［１］に記載の電子部品接合構造体の製造方法。
【００１３】
［３］ 上記はんだペーストが、導電性フィラーとして第１の金属粒子と第２の金属粒子とを含み、３０℃〜６００℃の範囲の示差走査熱量測定において、該第１の金属粒子が、少なくとも１つの発熱ピーク及び３００〜６００℃の少なくとも１つの吸熱ピークを有し、該第２の金属粒子が、発熱ピークを有さず、かつ２１０〜２６０℃に少なくとも１つの吸熱ピークを有する、上記［２］に記載の電子部品接合構造体の製造方法。
【００１４】
［４］ 上記第２の金属粒子がＳｎを主成分とする粒子である、上記［３］に記載の電子部品接合構造体の製造方法。
【００１５】
［５］ 上記第１の金属粒子が、Ｃｕ５０〜９０質量％と、Ａｇ、Ｂｉ、Ｉｎ、及びＳｎからなる群より選ばれる１種以上の元素１０〜５０質量％との組成を有する合金からなり、上記第２の金属粒子が、Ｓｎからなる、上記［３］又は［４］に記載の電子部品接合構造体の製造方法。
【００１６】
［６］ 上記［１］〜［５］のいずれかに記載の製造方法により得られた電子部品接合構造体。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の電子部品接合構造体の製造方法及び電子部品接合構造体によれば、塗布後の熱処理時におけるはんだの濡れ広がりが低減され、電子部品の高機能化及び多端子化が可能な電子部品接合構造体の製造方法及び電子部品接合構造体を提供することができる。また、本発明によれば、例えば、基板上の同一電極金属上に、はんだによる接合と他の方式（例えば、金ワイヤーボンディング、嵌合式コネクティング、圧接導電性素材付加等）による接合とを安定的な品質及び信頼性で形成することも可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の電子部品接合構造体の製造方法は、基板上の電極金属上にはんだペーストを塗布する塗布工程、及び、基板上の電極金属上にはんだペーストを介して電子部品の電極端子を接触させた状態で、はんだペーストを熱処理する熱処理工程を含む。
【００１９】
本発明において用いるはんだペーストは、基板上の電極金属と同じ材質の金属板に塗布した時の該金属板とはんだペーストとの接触面積をＡ、該はんだペーストを温度２３５℃〜２６０℃の範囲で熱処理した後の該金属板とはんだとの接触面積をＢとしたときに、０．７≦Ｂ／Ａ≦１．３を満たす。熱処理工程後にはんだの収縮によって電極とはんだとの接触面積が減少すると、電子部品接合構造体の接合部自体が電子部品の下に隠れて見えなくなってしまい外観検査が困難になる点、及び接合強度の観点から、Ｂ／Ａの値は、０．７以上である。また、基板上の電極金属上及び電極端子上への拡散及び変質の影響を抑える観点から、Ｂ／Ａの値は、１．３以下である。上記Ｂ／Ａの値は、０．８以上１．２以下であることが好ましく、０．９以上１．１以下であることがより好ましい。
【００２０】
本発明においては、Ｂ／Ａの値が上記範囲内であるはんだペーストを用いることによって、はんだペーストを熱処理して基板上の電極金属の電子部品接合部を形成する際に、はんだが濡れ広がらずに基板上の電極金属上に余白部分（すなわちはんだ被覆が形成されていない部分）を形成できる。これにより、他の物理的信号接続による接合を、はんだ接合部が形成された基板上の電極金属自身に付与することができ、より小面積及び小型の電子部品接合構造体を製造することができる。
【００２１】
以下、本発明において使用できるはんだペーストの好ましい例について説明する。
好ましいはんだペーストとしては、導電性フィラーを含むものが挙げられ、特に、導電性フィラーと、ロジン、活性剤、溶剤及び必要に応じて増粘剤を含む添加剤からなるフラックスとで構成されるペーストが特に好ましい。
【００２２】
上記導電性フィラーは、より典型的には、第１の金属粒子と第２の金属粒子とを含む。この場合、３０℃〜６００℃の範囲の示差走査熱量測定（以下、「ＤＳＣ測定」ともいう。）において、第１の金属粒子が、発熱ピークを少なくとも１つ及び３００〜６００℃に吸熱ピークを少なくとも１つ有し、第２の金属粒子が、発熱ピークを有さず、かつ、２１０〜２６０℃に少なくとも１つの吸熱ピークを有することが好ましい。
【００２３】
特に、第１の金属粒子としては、ＤＳＣ測定で発熱ピークとして観測される準安定合金相を少なくとも１つと、吸熱ピークとして観測される融点を２１０〜２４０℃及び３００〜４５０℃の２箇所にそれぞれ少なくとも１つずつ有するとともに、５０℃以上２１０℃未満には吸熱ピークとして観測される融点を有さないものがより好ましい。
【００２４】
なお、ＤＳＣ測定の温度範囲は３０〜６００℃、昇温速度は１０℃／分とし、発熱量又は吸熱量が±１．５Ｊ／ｇ以上あるものを測定対象物由来のピークとして定量し、それ未満のピークは、分析精度の観点から除外するものとする。また本明細書において「融点」とは、融解開始温度を意味し、ＤＳＣにおける固相線境界温度を指す。
【００２５】
また、第１の金属粒子と第２の金属粒子との組合せとしては、第１の金属粒子と第２の金属粒子との混合体が、ＤＳＣ測定において、第１の金属粒子由来の発熱ピークとして観測される準安定合金相を少なくとも１つと、第２の金属粒子由来の吸熱ピークとして観測される融点を２１０〜２４０℃に少なくとも１つ有するとともに、第２の金属粒子の２１０〜２４０℃に観察される融点（該融点が２つ以上存在する場合は最も低い融点）以上の温度で熱処理された後においては、第１の金属粒子と第２の金属粒子との反応物として新たな安定合金相が形成されており、該安定合金相由来の吸熱ピークとして観測される融点を３００〜４５０℃に少なくとも１つ有するものであることが好ましい。
【００２６】
第１の金属粒子と第２の金属粒子との混合体に、例えば２３５℃〜２６０℃の熱処理を加えることにより、第２の金属粒子の融点以上の熱が与えられると、該第２の金属粒子が第１の金属粒子との融合を開始し、第１の金属粒子と第２の金属粒子との間の熱拡散反応が加速的に進み、準安定合金相が消失して新たな安定合金相が形成される。即ち、ＤＳＣで発熱ピークとして観測される準安定合金相の存在は、該熱拡散反応の進行を助長する効果がある。ここで、上記熱処理の温度は、はんだの一般的なリフロー熱処理条件であるピーク温度２３５〜２６０℃の範囲で適宜設定することができる。
【００２７】
上記の熱拡散反応が進行するにしたがって、第２の金属粒子における２１０〜２６０℃の融点を有する金属成分は、新たに形成される３００〜４５０℃の融点を有する安定合金相へ移動して減少する。つまり、上記の熱処理後においては、２１０〜２４０℃の吸熱ピーク面積として観測される第２の金属粒子の溶融時の吸熱量は該熱処理前に比べて減少するか、又は消失する。その一方で、第１の金属粒子と第２の金属粒子との反応により、３００℃未満では溶融しない新たな安定合金相が形成される。
【００２８】
上記の混合体の５０〜２４０℃におけるＤＳＣの吸熱ピーク面積は、はんだの一般的リフロー熱処理条件であるピーク温度２３５〜２６０℃の範囲で熱処理した後において熱処理前の０〜９０％であることが好ましく、０〜７０％であることがより好ましい。該吸熱ピーク面積が熱処理後において熱処理前の９０％以下である場合、３００℃未満では溶融しない新たな安定合金相による高耐熱性をはんだに付与できる。なお、０％とは、該熱処理後は５０〜２４０℃におけるＤＳＣの吸熱ピークが消失することを意味する。
【００２９】
第１の金属粒子と第２の金属粒子との上記のような組合せを含む導電性フィラーを用いて構成したはんだペーストは、一般的なリフロー熱処理条件であるピーク温度２３５〜２６０℃の範囲において全てが溶融する液体状態を経ずに反応が進行し、第１の金属粒子と第２の金属粒子との融合が進行するため、電子部品の電極端子と基板上の電極金属との間を接合するためのはんだペーストの塗布及び熱処理の前後で発生する、基板上の電極金属とはんだペーストとの接触面積の拡大ないしは縮小の変化を所望の範囲内に収めることができる。
【００３０】
第１の金属粒子としては、Ｃｕ５０〜９０質量％と、Ａｇ、Ｂｉ、Ｉｎ、及びＳｎからなる群より選ばれる１種以上の元素１０〜５０質量％との組成を有する合金からなる金属粒子が好ましい。例えば第２の金属粒子の主成分がＳｎである場合において、はんだペーストの熱処理による接合強度を高くできる点で、第１の金属粒子におけるＣｕの含有率を５０質量％以上とすることが好ましい。また、ＤＳＣ測定において発熱ピークを少なくとも１つ及び３００〜６００℃に吸熱ピークを少なくとも１つ有するように容易に調整できる点で、第１の金属粒子においてはＡｇ、Ｂｉ、Ｉｎ、及びＳｎからなる群より選ばれる１種以上の元素の含有率を１０質量％以上とすることが好ましい。
【００３１】
また、第１の金属粒子としては、Ｃｕ５０〜８０質量％、Ｓｎ５〜２５質量％、Ａｇ５〜２５質量％、Ｂｉ１〜２０質量％、及びＩｎ１〜１０質量％の組成を有する合金からなる金属粒子がより好ましい。ＤＳＣ測定において発熱ピークを示す準安定合金相の形成を容易にするために、Ａｇの含有率は５質量％以上、Ｂｉの含有率は１質量％以上とすることがより好ましい。熱処理時に第１の金属粒子と第２の金属粒子との合金化を促進するために、Ｓｎの含有率は５質量％以上、Ｉｎの含有率は１質量％以上とすることがより好ましい。また、Ｃｕの含有率を５０質量％以上とするために、Ｓｎ、Ａｇ、Ｂｉ及びＩｎの含有率は、それぞれ２５質量％以下、２５質量％以下、２０質量％以下、及び１０質量％以下とすることがより好ましい。
【００３２】
さらにより好ましい第１の金属粒子は、Ｃｕ５０〜８０質量％、Ａｇ５〜１５質量％、Ｂｉ２〜１０質量％、Ｉｎ２〜１０質量％、及び残部Ｓｎの組成を有する合金からなる金属粒子である。
【００３３】
第２の金属粒子としては、Ｓｎを主成分とする粒子が好ましい。本明細書においてＳｎを主成分とする金属粒子とはＳｎを５０質量％超で含有する金属粒子を意味する。第２の金属粒子は、Ｓｎを７０〜１００質量％含む金属粒子であることがより好ましい。例えば第１の金属粒子の主成分がＣｕである場合において、はんだペーストの熱処理による接合強度を高くできる点で、第２の金属粒子におけるＳｎの含有率を７０質量％以上とすることが好ましい。また、Ｓｎの融点は２３２℃であるので、第２の金属粒子に２１０〜２６０℃の融点を発現させることが容易である点でも、第２の金属粒子がＳｎを主成分とすること、さらにＳｎを７０質量％以上含有することは好ましい。第２の金属粒子におけるＳｎ以外の成分としては、鉛フリーはんだで通常使用される金属元素、例えばＡｇ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｚｎ、を３０質量％以下含有することが好ましい。
【００３４】
また、第２の金属粒子としては、Ｓｎ１００質量％からなる金属粒子、又はＳｎ７０〜９９質量％と、Ａｇ、Ｂｉ、Ｃｕ、及びＩｎからなる群より選ばれる１種以上の元素１〜３０質量％との組成を有する合金からなる金属粒子がより好ましい。
第１の金属粒子と第２の金属粒子との好ましい典型的な組合せとしては、第１の金属粒子が、Ｃｕ５０〜９０質量％と、Ａｇ、Ｂｉ、Ｉｎ、及びＳｎからなる群より選ばれる１種以上の元素１０〜５０質量％との組成を有する合金からなり、第２の金属粒子がＳｎからなる組合せを例示できる。
【００３５】
第１の金属粒子と第２の金属粒子との組合せにおける混合比としては、第１の金属粒子１００質量部に対する第２の金属粒子の混合量が、５０〜２００質量部であることが好ましく、５５〜１８６質量部であることがより好ましく、８０〜１８６質量部であることが最も好ましい。第１の金属粒子１００質量部に対する第２の金属粒子の混合量が５０質量部以上である場合、電子部品接合構造体の接合部として形成した後のはんだ接合部の室温での接続強度が高く、第２の金属粒子の混合量が２００質量部以下である場合、例えばはんだの一般的なリフロー熱処理条件である２６０℃で熱処理した際に高い接続強度が得られる。
【００３６】
第１の金属粒子及び第２の金属粒子の粒子サイズは、はんだペーストの塗布方法に応じて適宜定めることができる。例えば、スクリーン印刷法では、ペースト版抜け性を重視して、体積平均粒径２〜４０μｍの範囲の粒度分布がブロードで比較的真球度の高い粒子を用いることが好ましい。またディスペンス法では、吐出塗布時のペースト流動性を考慮して、粒度分布をよりシャープにすることが好ましい。
【００３７】
通常、微細な金属粒子では表面が酸化されていることが多い。従って、はんだペーストの熱処理による溶融及び熱拡散を促進する目的で、はんだペーストには、酸化膜を除去するための活性剤を配合することが好ましい。
【００３８】
上記導電性フィラーを構成する第１の金属粒子及び第２の金属粒子の製造方法としては、金属粒子内に準安定合金相や安定合金相を形成させるために、急冷凝固法である不活性ガスアトマイズ法を採用することが望ましい。ガスアトマイズ法では、通常、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガスが使用されるが、ヘリウムガスを用いることが好ましく、冷却速度は５００〜５０００℃／秒が好ましい。
【００３９】
はんだペーストは、典型的には、上記導電性フィラー、並びにロジン、活性剤、溶剤、及び必要に応じて増粘剤を含む添加剤を含有するフラックスで構成される。はんだペーストにおける導電性フィラーの含有率としては、８５〜９５質量％が好ましい。フラックスは、金属粒子からなる導電性フィラーの表面処理に最適で、該金属粒子の溶融及び熱拡散を促進するものである。フラックスとしては公知の材料を使用でき、該公知の材料については例えば特開２００４−２２３５５９号公報に記載されている。フラックスは、酸化膜除去剤として有機アミンを更に含有することがより好ましい。また、必要に応じて、公知のフラックスにさらに溶剤を加えて粘度を調整したものを使用してもよい。
【００４０】
ロジンとしては、天然樹脂又はその変性樹脂を主成分とするものが挙げられる。変性樹脂としては重合ロジン、フェノール樹脂変性ロジン等が挙げられる。はんだペースト中のロジンの含有量は、４０〜５０質量％の範囲であることが好ましく、４２〜４８質量％の範囲であることがより好ましい。
【００４１】
活性剤としては、無機系及び有機系のものを使用でき、例えばアミン塩酸塩等のハロゲン系活性剤、有機酸系活性剤等が挙げられる。はんだペースト中の活性剤の含有量は、７〜１２質量％の範囲であることが好ましく、８〜１１質量％の範囲であることがより好ましい。
【００４２】
溶剤としては、例えばジエチレングリコールモノヘキシルエーテル、オクタンジオール等が挙げられる。はんだペースト中の溶剤の含有量は、３０〜４５質量％の範囲であることが好ましく、３５〜４０質量％の範囲であることがより好ましい。
【００４３】
増粘剤としては、例えばチクソ剤が挙げられる。はんだペースト中における、増粘剤を含む添加剤の含有量は、１０〜１５質量％の範囲であることが好ましい。
【００４４】
はんだペーストの粘度は、２５℃において１５０〜２５０Ｐａ・ｓの範囲であることが好ましく、１８０〜２３０Ｐａ・ｓの範囲であることがより好ましい。ペーストの流動性・印刷塗付工程において版抜けを良好に保つという観点から、該粘度が２５０Ｐａ・ｓ以下が好ましくペーストの流動性・印刷塗付工程において基板上の電極金属上での印刷ダレを防止する観点から、１５０Ｐａ・ｓ以上が好ましい。なお上記粘度とは、ＪＩＳ Ｚ ３２８４「ソルダペースト」規格に規定された方法で行ない、実際には該規格に準拠した粘度測定装置（例えば（株）マルコム製「ＰＣＵ−２０５」）を用いて該規格記載の条件で測定される値である。
【００４５】
はんだペーストが第１の金属粒子と第２の金属粒子とを含む場合、他の金属粒子との融合性を有する第２の金属粒子と、溶融しない第１の金属粒子との作用により、熱処理工程におけるはんだペーストの濡れ広がりが低減されるため、熱処理工程後にも塗布時に近い形状を保持し、電子部品の電極端子と基板上の電極金属との間を接合するためのはんだペーストの塗布及び熱処理の前後で発生する、基板上の電極金属とはんだペーストとの接触面積の拡大ないしは縮小の変化を所望の範囲内に収める効果が良好である。
【００４６】
本発明における基板上の電極金属を構成する金属としては、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｓｉ等の金属が挙げられ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕがより好ましい。これらはメッキや貼り合わせ等の各種処理で基板上の電極金属の表面部分として形成されていることができる。なお、はんだペーストを基板上の電極金属に塗布する場合は、はんだと基板上の電極金属との接続を良好にするために基板上の電極金属に対して表面被覆処理が行なわれているのが一般的であり、例えば銅電極では、一例として該電極上にメッキで形成したＳｎ、Ａｕ、Ｎｉ等の薄膜が形成されている。特に、上記金属のうちＡｕ以外は、金属表面が酸化され易いため、はんだペーストを塗布する前にフラックス等で表面処理したり、又はプリフラックスコートしたり、各種金属メッキやはんだ被覆を行なうことが好ましい。
【００４７】
塗布工程において、基板上の電極金属上にはんだペーストを塗布する手段としては、はんだペーストを一定の厚さ又は一定の塗布量で付与する手段が一般的であり、スクリーン印刷や転写印刷、ディスペンス吐出等が用いられる。
【００４８】
スクリーン印刷ではマスク版を用いた印刷機を使用できる。印刷機は、典型的には、基板を固定する機構と、メタルマスクと基板上の電極部分の位置合わせを行なう機構と、マスク版を基板に圧接し、そのマスク上からマスク下にある基板上の電極金属部分に対して開口部からペーストを塗布用のスキージで刷り込む機構とを有している。マスク版としてはメッシュタイプやメタルタイプなどの各種材質が存在するが、粒子サイズに幅広く対応し、工程での清掃も容易なメタルマスクタイプが一般に広く用いられている。
【００４９】
転写印刷は、はんだペーストの一定塗膜厚さの平塗り塗膜を一定のクリアランスを持つスキージなどで形成した後に、その塗膜をスタンパーで抜き取って基板の所定の電極位置にスタンプすることで、電極上にはんだペーストを一定量配置する方式であり、専用の転写印刷装置が用いられる。転写印刷装置は、平塗り塗膜を塗布する塗布機構と、基板を固定し基板の電極位置を合わせる機構と、３次元的にスタンパーを駆動させて抜き取り及び転写押印を行なう機構とを有している。転写印刷はスクリーン印刷に比べて塗布量がばらつきやすく、スタンパーの清掃管理など連続運転に注意を要することもあり、印刷方式としてはスクリーン印刷が主流になっている。
【００５０】
ディスペンス吐出は、基板上の電極部分に一定量のはんだペーストを吐出していく方式であり、ディスペンサー装置が用いられる。ディスペンサーは、シリンジ内に収められたはんだペーストに対して吐出に必要な圧力をオンデマンドでかけることによって一定量のはんだペーストをシリンジ先端のニードルから押し出すものであり、シリンジ自体を３次元的に駆動させ基板上の電極部分の位置を決めることで電極上に必要量のはんだペーストを吐出塗布する装置である。ニードルからの吐出という手法に起因して、ペースト自体がスクリーン印刷に比べて薄くなりにくいという欠点はあるが、工程上でのペーストのロスも少なく、吐出の位置や量がプログラムによって可変であるため、印刷マスク版を圧接しにくい段差や凹凸のある基板及び電子部品構造体へのペースト塗布が可能である。
【００５１】
塗布工程においては、小面積及び小型の電子部品接合構造体を形成する観点から、はんだペーストの塗布部分が基板上の電極金属の上面（すなわち基板側でない方の面）の面積の一部であることが好ましく、基板上の電極金属の上面の面積の２０〜８０％であることがより好ましい。
【００５２】
熱処理工程においては、基板上の電極金属上にはんだペーストを介して電子部品の電極端子を接触させた状態で、はんだペーストを熱処理する。熱処理工程は、典型的には部品マウント工程とリフロー熱処理工程との２つに分けて行なう。
【００５３】
部品マウント工程では、半導体やチップ部品などの各種電子部品をピックアップし基板の所定位置に接触させて置くマウンタ装置が用いられる。マウンタ装置は、電子部品を供給する機構と、該電子部品をピックアップする機構と、ピックアップした電子部品を、装置内に配置した基板の所定の電極位置に設定した圧力で置いていく機構とを有している。
【００５４】
リフロー熱処理工程は、基板上の電極金属上にはんだペーストを介して電子部品が配置された状態の基板に対して、一定の仕様の温度を印加する工程であり、一般的にはんだ熱処理に適合する炉を持つリフロー装置が用いられる。リフロー熱処理の際の加熱方式としては、赤外線印加や熱風印加などの方式が主流であり、リフロー熱処理時の炉内の雰囲気は空気の場合と窒素の場合があるが、電子部品やはんだ接合部の酸化による劣化を防ぐ意味で、近年の高密度高精度実装においては窒素雰囲気のリフローが多用されている。リフロー熱処理は通常、予熱部と本加熱部に分けられ、本加熱部は一般的にはんだが溶融及び接合する温度以上に設定され、本加熱部の最高温度は、共晶はんだの場合で２３５℃程度、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕで代表される鉛フリーはんだの場合で２４５〜２５５℃程度である。予熱部は、基板や電子部品の全体を均一に温め、本加熱部で活性状態となる前にはんだのフラックス成分を整える意味を持つため、２００℃程度以下の温度で保持される。
【００５５】
リフロー熱処理は、２３５℃以上である時間が３〜６０秒となるように行なうことが好ましい。導電性フィラーとして第１の金属粒子及び第２の金属粒子を用いる場合、第２の金属粒子が熱拡散するために、２３５℃以上である時間は３秒以上であることが好ましく、電子部品の保護の観点から、２３５℃以上である時間は６０秒以下であることが好ましい。２３５℃以上である時間は３０秒以上であることがより好ましい。さらに、リフロー熱処理は、ピーク温度２４５℃〜２６０℃で５〜３０秒行なうことが好ましい。熱処理は、大気中で行なってもよいが、窒素雰囲気中で行なうことがより好ましい。さらに好ましくは、熱処理は、はんだ用リフロー装置を用い、ピーク温度２１０℃〜２５０℃、酸素濃度１０００ｐｐｍ以下の窒素雰囲気で行なう。
【００５６】
従来の電子部品接合構造体においては、電子部品が接合された基板上の電極金属に予め配線パターンを介して別の電極部分を引き出しておくことによって、リフロー熱処理後のはんだ被覆が形成されない部分を形成し、この部分に、はんだ接合以外の他の物理的信号線接続による接合を形成する工程が用いられることが多い。
【００５７】
この場合、引き出し配線や別電極部を予め用意する必要があるため、電子部品接合構造体を構成する上で余分な面積が必要となり、小型化が妨げられていた。
【００５８】
本発明においては、熱処理時のはんだペーストの濡れ広がりが低減されるため、まず塗布工程において基板上の電極金属上の一部にはんだペーストを塗布し、熱処理工程を経た後、接合工程として、基板上の同一電極金属のうちのはんだで覆われていない部分に、物理的信号接続（より典型的にははんだ接合以外の物理的信号接続）による接合をさらに形成することが可能である。
【００５９】
すなわち、本発明の電子部品接合構造体の製造方法においては、基板上の電極金属のうち電気信号の入出力に関係する部分である上面（すなわち基板側でない方の面）に、電子部品がはんだ接合されている部分とはんだで覆われていない部分とを形成できる。該上面は、はんだ以外の物理的信号線接続（例えば、金ワイヤーボンディングや嵌合式コネクティング、圧接導電性素材付加など）で接合した部分を形成して基板上の電極金属の本来の機能を発現させるために重要な部分であるため、はんだ形成部分の面積を低減してはんだで覆われていない部分を基板上の電極金属上に確保し、基板上の同一電極金属上に複数種類の信号線接続を有する電子部品接合構造体を形成できることは、小面積化及び小型化の点で有利である。
【実施例】
【００６０】
以下、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００６１】
（１）第１の金属粒子の製造
Ｃｕ粒子６．５ｋｇ（純度９９質量％以上）、Ｓｎ粒子１．５ｋｇ（純度９９質量％以上）、Ａｇ粒子１．０ｋｇ（純度９９質量％以上）、Ｂｉ粒子０．５ｋｇ（純度９９質量％以上）、及びＩｎ粒子０．５ｋｇ（純度９９質量％以上）を黒鉛坩堝に入れ、９９体積％以上のヘリウム雰囲気で、高周波誘導加熱装置により１４００℃まで加熱、融解した。
【００６２】
次に、この溶融金属を坩堝の先端より、ヘリウムガス雰囲気の噴霧槽内に導入した後、坩堝先端付近に設けられたガスノズルから、ヘリウムガス（純度９９体積％以上、酸素濃度０．１体積％未満、圧力２．５ＭＰａ）を噴出してアトマイズを行ない、第１の金属粒子を作製した。この時の冷却速度は２６００℃／秒とした。
【００６３】
得られた第１の金属粒子を走査型電子顕微鏡（日立製作所（株）製：Ｓ−２７００）で観察したところ球状であった。この金属粒子を気流式分級機（日清エンジニアリング（株）製：ＴＣ−１５Ｎ）を用いて、１．６μｍの設定で分級した後に、そのオーバーカット粉を１０μｍ設定でもう一度分級して得られたアンダーカット粉を回収した。この回収された第１の金属粒子の体積平均粒径は２．７μｍであった。このようにして得られた第１の金属粒子を試料とし、島津製作所（株）製「ＤＳＣ−５０」を用い、窒素雰囲気下、昇温速度１０℃／分の条件で、３０〜６００℃の範囲において示差走査熱量測定を行なった。
【００６４】
その結果、得られた第１の金属粒子には、４９５℃、及び５１４℃に吸熱ピークが存在し、複数の融点を有することが確認できた。また、２５４℃の発熱ピークが存在し、準安定合金相を有することが確認できた。
【００６５】
（２）第２の金属粒子の製造
Ｓｎ粒子１０．０ｋｇ（純度９９質量％以上）を黒鉛坩堝に入れ、９９体積％以上のヘリウム雰囲気で、高周波誘導加熱装置により１４００℃まで加熱、融解した。次に、この溶融金属を坩堝の先端より、ヘリウムガス雰囲気の噴霧槽内に導入した後、坩堝先端付近に設けられたガスノズルから、ヘリウムガス（純度９９体積％以上、酸素濃度０．１体積％未満、圧力２．５ＭＰａ）を噴出してアトマイズを行なうことにより、第２の金属粒子を作製した。この時の冷却速度は２６００℃／秒とした。
【００６６】
得られた第２の金属粒子を走査型電子顕微鏡（日立製作所（株）製：Ｓ−２７００）で観察したところ球状であった。この金属粒子を気流式分級機（日清エンジニアリング（株）製：ＴＣ−１５Ｎ）を用いて、５μｍの設定で分級した後に、そのオーバーカット粉を４０μｍ設定でもう一度分級して得られたアンダーカット粉を回収した。この回収された第２の金属粒子の体積平均粒径は６．５μｍであった。このようにして得られた第２の金属粒子を試料とし、島津製作所（株）製「ＤＳＣ−５０」を用い、窒素雰囲気下、昇温速度１０℃／分の条件で、３０〜６００℃の範囲において示差走査熱量測定を行なった。その結果、得られた第２の金属粒子には、２４２℃の吸熱ピークが存在し、融点２３２℃（融解開始温度：通常、固相線温度と表示させる温度）を有することが確認できた。また、特徴的な発熱ピークは存在しなかった。
【００６７】
（３）導電性フィラー及びはんだペーストの熱特性
（参考例１）
上記第１の金属粒子と上記第２の金属粒子とを質量比１００：８３で混合した導電性フィラー（平均粒径３．４μｍ）を試料とし、島津製作所（株）製「ＤＳＣ−５０」を用い、窒素雰囲気下、昇温速度１０℃／分の条件で、３０〜６００℃の範囲において示差走査熱量測定を行なった。この測定により得られたＤＳＣチャートでは、２３３℃、３４８℃、及び３７８℃に吸熱ピークが存在することが確認された。２３３℃の吸熱ピークは、融点２２７℃（融解開始温度：固相線温度と表示させる温度）、吸熱量１６．１Ｊ／ｇである。また、特徴的に２５５℃に発熱ピークが存在していた。
【００６８】
次に、該導電性フィラー９０．２質量％、ロジン系フラックス９．８質量％を混合し、ソルダーソフナー（（株）マルコム製：「ＳＰＳ−１」）、脱泡混練機（松尾産業（株）製：「ＳＮＢ−３５０」）にかけてはんだペーストを作製した。このようにして得られたはんだペーストを試料として（株）マルコム製「ＰＣＵ−２０５」で粘度測定したところ、粘度２０４Ｐａ・ｓ、チクソ指数０．５０であった。
【００６９】
上記はんだペーストをアルミナ基板に載せ、窒素雰囲気下にて、ピーク温度２４５℃でリフロー熱処理した。熱処理装置は、（株）マルコム製のリフローシミュレータ「ＳＲＳ−１Ｃ」を使用した。温度プロファイルは、予備加熱ゾーンまでの昇温速度：１〜３℃／秒、予備加熱温度範囲を１３０℃→１９０℃、予備加熱時間を１１０〜１７０秒、本加熱ゾーンは２３５℃以上の部分を３０〜５０秒、ピーク温度２４５℃の範囲で制御する条件を採用した。この間、リフローシミュレータの観測窓より該ペーストを観察したが、はんだペースト中の導電性フィラーは液状に溶融しなかった。
【００７０】
この熱処理後のはんだペーストを試料とし、島津製作所（株）製「ＤＳＣ−５０」を用い、窒素雰囲気下、昇温速度１０℃／分の条件で、３０〜６００℃の範囲において示差走査熱量測定を行なった。この測定により得られたＤＳＣチャートでは、１３６℃、１７１℃、３４７℃、４２０℃に吸熱ピークの存在が検出された。この内、２４０℃以下の吸熱ピークは、１３６℃、１７１℃で、吸熱量は、３．９Ｊ／ｇである。よって５０〜２４０℃の吸熱量は、熱処理前の２１０〜２４０℃の吸熱ピーク面積から観測される溶融時の吸熱量の２４％に減少し、新たな安定合金相が形成されて融合体ができていることが確認された。
【００７１】
（参考例２）
上記第１の金属粒子と上記第２の金属粒子とを質量比１００：１８５で混合した導電性フィラー（平均粒径４．２５μｍ）を試料とし、島津製作所（株）製「ＤＳＣ−５０」を用い、窒素雰囲気下、昇温速度１０℃／分の条件で、３０〜６００℃の範囲において示差走査熱量測定を行なった。２３５℃、４０９℃に吸熱ピークが存在することが確認された。２３５℃の吸熱ピークは、融点２２３℃（融解開始温度：固相線温度と表示させる温度）、吸熱量２．７１Ｊ／ｇである。また、特徴的に２４８℃に発熱ピークが存在していた。
【００７２】
次に、該導電性フィラー８９．６質量％、ロジン系フラックス１０．４質量％を混合し、ソルダーソフナー（（株）マルコム製：「ＳＰＳ−１」）、脱泡混練機（松尾産業（株）製：「ＳＮＢ−３５０」）にかけてはんだペーストを作製した。このようにして得られたはんだペーストを試料として（株）マルコム製「ＰＣＵ−２０５」で粘度測定したところ、粘度２１４Ｐａ・ｓ、チクソ指数０．４５であった。
【００７３】
上記はんだペーストをアルミナ基板に載せ、窒素雰囲気下にて、ピーク温度２４５℃でリフロー熱処理した。熱処理装置は、（株）マルコム製のリフローシミュレータ「ＳＲＳ−１Ｃ」を使用した。温度プロファイルは、予備加熱ゾーンまでの昇温速度：１〜３℃／秒、予備加熱温度範囲を１３０℃→１９０℃、予備加熱時間を１１０〜１７０秒、本加熱ゾーンは２３５℃以上の部分を３０〜５０秒、ピーク温度２４５℃の範囲で制御する条件を採用した。この間、リフローシミュレータの観測窓より該ペーストを観察したが、はんだペースト中の導電性フィラーは液状に溶融しなかった。
【００７４】
この熱処理後のはんだペーストを試料とし、島津製作所（株）製「ＤＳＣ−５０」を用い、窒素雰囲気下、昇温速度１０℃／分の条件で、３０〜６００℃の範囲において示差走査熱量測定を行なった。１７７℃、１９４℃、４０１℃、４３０℃に吸熱ピークの存在が検出され、新たな安定合金相が形成されて融合体ができていることが確認された。
【００７５】
（４）はんだペーストの塗布、熱処理及び面積変化評価
（実施例１，比較例１）
参考例１で作製したはんだペーストを縦２５ｍｍ×横２５ｍｍ、厚み０．３ｍｍのＡｕめっきＣｕ板（表面はＡｕ）に印刷塗布した。印刷パターン形成は、印刷機としてマイクロテック（株）製の「ＭＴ−３２０ＴＶ」を用い、版には０．２ｍｍ厚のメタルマスクを用いた。マスクの開孔は２ｍｍ×３ｍｍ（塗布接触面積６ｍm2）である。印刷条件は、速度：１０ｍｍ／ｓｅｃ、印圧：０．１ＭＰａ、スキージ圧：０．２ＭＰａ、背圧：０．１ＭＰａ、スキージはＲ８０−６０°、クリアランス：０ｍｍとした。この印刷パターンを窒素雰囲気下にて、ピーク温度２４５℃でリフロー熱処理した。熱処理装置は、（株）マルコム製のリフローシミュレータ「ＳＲＳ−１Ｃ」を使用した。温度プロファイルは、予備加熱ゾーンまでの昇温速度：１〜３℃／秒、予備加熱温度範囲を１３０℃→１９０℃、予備加熱時間を１１０〜１７０秒、本加熱ゾーンは２３５℃以上の部分を３０〜５０秒、ピーク温度２４５℃の範囲で制御する条件を採用した。比較例１としては、代表的な鉛フリーはんだ、ハリマ化成（株）製「マイクロソルダー」（Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ金属組成）を同一の条件で評価した。このようにして形成したはんだペースト印刷パターンの熱処理前後の上面写真を図１に示す。比較例１では、当該熱処理温度で完全に液状溶融したためにＡｕ表面上ではんだペーストが液体状に濡れ広がり、熱処理後のはんだの接触面積はもとの塗布接触面積の２．６倍のサイズになったが、実施例１のペーストでは液状溶融は見られず、面積変化についてももとの塗布接触面積の１．０倍（変化無し）に収まり、もとの設定上の印刷形状及び印刷面積を保っていた。なお、このＡｕめっきＣｕ板上の熱処理後のペーストを再度、上記と同じ条件でリフロー熱処理を加えて接触面積の変化を見たところ、比較例１ではさらに拡大したが、実施例は変化がなかった。
【００７６】
（実施例２，比較例２）
参考例１で作製したはんだペーストを縦２５ｍｍ×横２５ｍｍ、厚み０．３ｍｍのＣｕ板に印刷塗布した。印刷パターン形成は、印刷機としてマイクロテック（株）製の「ＭＴ−３２０ＴＶ」を用い、版には０．１ｍｍ厚のメタルマスクを用いた。マスクの開孔は３００μｍφ（塗布接触面積９００００μm2）である。印刷条件は、速度：１０ｍｍ／ｓｅｃ、印圧：０．１ＭＰａ、スキージ圧：０．２ＭＰａ、背圧：０．１ＭＰａ、スキージはＲ８０−６０°、クリアランス：０ｍｍとした。この印刷パターンを窒素雰囲気下にて、ピーク温度２４５℃でリフロー熱処理してバンプを形成した。熱処理装置は、（株）マルコム製のリフローシミュレータ「ＳＲＳ−１Ｃ」を使用した。温度プロファイルは、予備加熱ゾーンまでの昇温速度：１〜３℃／秒、予備加熱温度範囲を１３０℃→１９０℃、予備加熱時間を１１０〜１７０秒、本加熱ゾーンは２３５℃以上の部分を３０〜５０秒、ピーク温度２４５℃の範囲で制御する条件を採用した。比較例２としては、代表的な鉛フリーはんだ、ハリマ化成（株）製「マイクロソルダー」（Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ金属組成）を同一の条件で評価した。このようにして形成したはんだペースト印刷バンプの熱処理後のバンプ中央部分での断面写真を図２に示す。比較例２では、当該熱処理温度で完全に液状溶融したため、Ａｕに比べ比較的はんだの濡れ広がりが少ないＣｕ表面上でもバンプ形成時にはんだペーストが濡れ広がり、熱処理後のバンプ部におけるはんだのＣｕ板接触面積は３７４μｍφとなりもとの塗布接触面積の１．５５倍のサイズになったが、実施例２のペーストでは液状溶融は見られず、面積についても３２０μｍφで、面積変化はもとの塗布接触面積の１．１４倍に収まり、またもとの設定上の印刷形状及び印刷面積に対して１．３以下の値を示した。
【００７７】
（実施例３，比較例３）
縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ、厚み０．８０ｍｍのＦＲ−４基板（利昌工業（株）製「ＣＳ−３２８７」）の表面に厚み１８μｍの０．３ｍｍ角銅電極を０．３ｍｍギャップ間隔で２つ並べたものの中央を０．１ｍｍ幅の銅配線ブリッジパターンでつないだ基板上の電極金属を形成した（電極の表面処理は四国化成工業（株）製プリフラックス「タフエース」Ｆ−２、基板表面のソルダーレジストは太陽インキ製造（株）製「ＰＳＲ４０００」；厚み20μｍ）。参考例１で作製したはんだペーストをこの基板上の電極金属上に印刷塗布した。印刷パターン形成は、印刷機としてヤマハ発動機（株）製の「ＹＶＰ−Ｘｇ−ｗ」を用い、版には０．１ｍｍ厚のメタルマスクを用いて行なった。マスクの開孔は該０．３ｍｍ角電極部の中央位置を基準にして０．３ｍｍ角面積の６０％開孔率（開孔面積０．０５４ｍm2）の角孔である。印刷条件は、ダブルメタルスキージ（角度５５°）で印圧５０Ｎ、速度１０ｍｍ／ｓｅｃ、クリアランス：０ｍｍとした。この印刷パターンを窒素雰囲気下にて、ピーク温度２５０℃でリフロー熱処理した。熱処理装置は、エイテックテクトロン（株）製のリフロー炉「ＮＩＳ−２０−８２Ｃ」を使用した。温度プロファイルは、予備加熱ゾーンまでの昇温速度：１〜３℃／秒、予備加熱温度範囲を１３０℃→１９０℃、予備加熱時間を１１０〜１７０秒、本加熱ゾーンは２３５℃以上の部分を３０秒、ピーク温度２５０℃の範囲で制御する条件を採用した。
【００７８】
はんだペーストの上記の熱処理後の状態の上面写真を図３に示す。左右の０．３ｍｍ角電極内部にあるはんだペーストの熱処理後の接触面積は印刷塗布した面積と同じで、写真上の面積からの換算でも電極面積の約６０％となっており、印刷マスクの開孔率設定と変わらず電極表面上ではんだの接触面積の変化がないことが分かった。
【００７９】
比較例３として、実施例３と同条件で、はんだペーストのみを代表的な鉛フリーはんだ、千住金属工業（株）のエコソルダーペースト「Ｍ７０５−ＧＲＮ３６０−Ｋ２−Ｖ」（Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ）に変えて評価したところ、はんだペーストは熱処理後に０．３ｍｍ角電極内で広がって仕上がり面積が大きく変化していた。また、一部では中央の０．１ｍｍ幅の銅配線ブリッジパターンまではんだペーストが流れており左右の０．３ｍｍ角電極がつながっているものが見られた。
【００８０】
（５）電子部品の実装による電子部品接合構造体の形成
（実施例４，比較例４）
実施例３で用いたのと同じ、基板上の電極電極（すなわちマトリックス多数配置電極を有する基板の当該電極）に、参考例１で作製したはんだペーストを実施例３と同一の条件・装置・マスクによって印刷塗布した。この印刷パターンの左右間をまたいで、すなわち、左右隣接する一対の電極パターンにおいて左側電極の右側０．３ｍｍ角電極と右側電極の左側０．３ｍｍ角電極の各々端部側半分を均等に踏む形で、電子部品として０６０３サイズのチップ抵抗（ＫＯＡ（株）製；基板上の設置面積は縦０．３ｍｍ横０．６ｍｍ）をヤマハ発動機（株）製チップマウンタ「ＹＶ１００Ｘｇ」にて搭載した（部品押込み圧０．８Ｎ、押し込み高さ設定０ｍｍ）。その後、実施例２と同一の条件・装置を用いて窒素雰囲気下にて、ピーク温度２５０℃でリフロー熱処理した。
【００８１】
この電子部品接合構造体の上面写真を図４に示す。部品の０．３ｍｍ角電極の上の半分は該チップ抵抗が実装されており残りの半分は電極部分が露出しているが、はんだペーストは熱処理後に上記半分の電極面積の中に収まっていた。熱処理後のはんだ接触面積は印刷塗布時の接触面積に対して１．３倍以内で拡大するに収まっており、電極の周辺部は該はんだで覆われていない余白部分を残していた。
【００８２】
比較例４として、実施例４と同条件で、はんだペーストのみを代表的な鉛フリーはんだ、千住金属工業（株）のエコソルダーペースト「Ｍ７０５−ＧＲＮ３６０−Ｋ２−Ｖ」（Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ）に変えて評価した結果を図５に示す。はんだペーストは熱処理後に電極面積のうちチップ抵抗が載っていない半分の中で全体的に広がり、熱処理後のはんだ接触面積は印刷塗布時の接触面積に対して１．３倍を超えて拡大していた。
【００８３】
基板上の電極金属を、該基板上の電極金属上に搭載される電子部品の搭載投影面積範囲内にほぼ収めるような、いわゆる「フィレットレス実装」方式等において、従来の一般的なはんだでは液状に溶融したはんだが電子部品の電極端子に濡れ上がって移動し、基板上の電極金属と電子部品の電極端子との接合部分の品質が不安定になったり、電極端子部側面で膨れを形成してしまったりするため、実装品質のばらつきや強度劣化、隣接部品のショートなどが懸念されていた。しかし、本実施例において分かるように、本発明の製造方法で用いるはんだペーストは、上述のように、熱処理の際に基板上の電極金属の印刷接触面積からの拡大が少なく、さらに、電子部品の電極端子に対する濡れ上がりが少ない状態で電子部品を実装できるため、高密度なフィレットレス実装にも用いることができる。
【００８４】
（５）他の物理的信号線接続によって接合した部分を併せ持つ電子部品接合構造体の形成
（実施例５）
実施例３と同じ、基板上の電極金属を用い、中央の０．１ｍｍ幅の銅配線ブリッジパターンを削除して左右の０．３ｍｍ角電極を合体させた長方形電極パターン（縦０．３ｍｍ、横０．６ｍｍ）を形成し、その２つ（すなわち一対）を長方形長手方向に０．３ｍｍギャップ間隔で並べて配置し、銅表面にニッケル下地の金メッキを施した。得られた基板上の電極金属のギャップ寄りの内側半分に、参考例１で作製したはんだペーストを印刷塗布した。印刷パターン形成は、印刷機としてヤマハ発動機（株）製の「ＹＶＰ−Ｘｇ−ｗ」を用い、版には０．１ｍｍ厚のメタルマスクを用いて行なった。マスクの開孔は、該長方形の基板上の電極金属の面積の半分である０．３ｍｍ角の中心から６０％開孔率（開孔面積０．０５４ｍm2）の角孔である。印刷塗布の条件・装置・マスクは実施例３と同一である。この一対の長方形電極の間のギャップ部分をまたいで、すなわち、左右隣接する一対の電極パターンにおいて左側電極の右側０．３ｍｍ角相当の部分と右側電極の左側０．３ｍｍ角相当の部分を均等に踏む形で、電子部品として０６０３サイズのチップ抵抗（ＫＯＡ（株）製；基板上の設置面積は縦０．３ｍｍ横０．６ｍｍ）をヤマハ発動機（株）製チップマウンタ「ＹＶ１００Ｘｇ」にて搭載した（部品押込み圧０．８Ｎ、押し込み高さ設定０ｍｍ）。その後、実施例３と同一の条件・装置を用いて窒素雰囲気下にて、ピーク温度２５０℃でリフロー熱処理した。
【００８５】
得られた電子部品接合構造体のチップ抵抗を搭載実装している部分の外側両サイドにははんだペーストが熱処理後に広がっていないため、電極面積の半分は余白として金メッキの表面が露出していた。その約０．３ｍｍ角程度の金メッキ電極部分に半導体チップや電子部品モジュールで一般的に用いられる金ワイヤーをウエスト・ボンド社製ワイヤーボンダー；モデル５４００Ｂにてボンディングしたところ、電極表面にはんだが広がってきていないために表面が安定した金メッキ状態となり、金−金接合によるワイヤーボンディングを行なうことができた。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明は、電子部品の実装に適用でき、特にチップ部品や半導体パッケージ等の電子部品をはんだでプリント配線基板等の回路基板に実装する際に好適に適用できる。本発明によれば、電極部分を微小領域内で複合的な接合方式にて形成できるため、高機能化及び多端子化に対応した電子部品接合構造体の提供が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】実施例１及び比較例１における、熱処理前後のＡｕめっき金属板とはんだとの接触面積の変化を示した上面図に代わる写真である。
【図２】実施例２及び比較例２における、熱処理前後のＣｕ板とはんだとの接触状態及び接触面積変化を示した断面図に代わる写真である。
【図３】実施例３におけるはんだペーストの熱処理後の状態を示す上面図に代わる写真である。
【図４】実施例４において形成した電子部品接合構造体の上面図に代わる写真である。
【図５】比較例４において形成した電子部品接合構造体の上面図に代わる写真である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子部品接合構造体の製造方法及び該製造方法により得られた電子部品接合構造体に関し、特にチップ部品や半導体パッケージ等の電子部品をはんだ等の接合材を用いてプリント配線基板等の回路基板に実装する、鉛フリーの電子部品接合構造体の製造方法及び電子部品接合構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の電子機器の軽量小型化・薄型化に伴い、電子機器の実装技術は、回路基板上の電極にはんだペーストをスクリーン印刷した後、電子部品をマウントし、リフロー炉を用いた加熱処理をすることにより電子部品を回路基板に接合して電子部品接合構造体を形成するという表面実装技術が主流となってきている。さらに、半導体装置等に用いられる電子部品の高機能化・軽量小型化・薄型化も急速に進展しており、これに伴い電子部品に配設されている電極端子とはんだ付け部も微細化及び多端子化する傾向にある。このように微細化し多端子化した電極端子を高い信頼性で回路基板に実装する電子部品の実装接合構造体が望まれている。
【０００３】
これらの電極端子と基板上の電極金属との接合に用いられるはんだは、一般的に、金属材料の接合に用いられ、溶融温度域（固相線温度から液相線温度の範囲）が４５０℃以下の合金材料とされる。従来、リフロー熱処理で使用するはんだ材料としては、一般的に融点１８３℃のＳｎ−３７Ｐｂ共晶はんだが用いられ、また、高耐熱性が要求される、電子部品の内部等で使用される高温はんだとしては、固相線２７０℃及び液相線３０５℃であるＳｎ−９０Ｐｂ等の高温はんだが広く用いられてきた。
【０００４】
しかし、近年、ＥＵの環境規制（ＷＥＥＥ、ＲｏＨＳ指令）にあるように、Ｐｂの有害性が問題となり、環境汚染を防止する観点から、はんだの鉛フリー化が急速に進んでいる。現在、Ｓｎ−３７Ｐｂ共晶はんだの代替としては、例えば融点２２０℃程度のＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕからなる鉛フリーはんだ（特許文献１，２参照）が提案され、リフロー熱処理として２４０℃から２６０℃程度の温度範囲が一般的となりつつある。
【０００５】
しかし、上述の共晶はんだ、高温はんだ、鉛フリーはんだの各材料は、融点以上の温度で液相を呈するため、はんだペーストとして印刷塗布した後、リフロー等の熱処理過程で溶融状態となり、電極端子及び基板上の電極金属に対して液状に濡れ広がる加工特性であった。特にはんだが印刷塗布される基板上の電極金属表面に関してははんだが大きく濡れ広がるために基板上の電極金属表面の露出部分がなくなり被覆厚さも一定でなくなるので、電子部品の高機能化・多端子化に対応させて、基板上の同一の電極金属の余白部に１つ以上の他の接合方式（例えば、金ワイヤーボンディングや嵌合式コネクティング、圧接導電性素材付加など）を安定的な品質・信頼性で実施できないという状況があった。
【０００６】
基板上の電極金属に塗布した接合材が加熱時に濡れ広がらないものとしては、導電性接着剤（典型的には接着剤樹脂に導電性粒子を分散させたもの）が挙げられる。しかしこれらははんだ材料とは異なり、接合部の導通は導電性粒子の接触によって実現され、接着力は接着剤樹脂による接着力に依拠するため、接合の耐熱性・信頼性の点では金属結合で接合するはんだに劣るものであった。そのため、電子部品接合構造体の高機能化・多端子化のために基板上の同一電極金属上で複合した接合方式を用いる場合、はんだと同じ金属結合を有する高耐熱・高信頼性の接続材料でありながら、接合の熱処理時に液状に溶融せず微小な電極上でも濡れ広がらずに印刷時の形状及び面積を維持できる接合材料、並びに該接合材料を用いて接合構造体を形成する方法が望まれていた。しかし効果的な解決策がないのが現状であった。
【０００７】
一方、本発明者らは、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕで代表される鉛フリーはんだのリフロー熱処理条件（具体的にはピーク２４５℃）で合金化し、合金形成後は、ピーク３００℃未満のリフロー熱処理条件では再溶融しない高耐熱性の鉛フリー接続材料を既に提案している（特許文献３参照）。
【０００８】
【特許文献１】特開平５−０５０２８６号公報
【特許文献２】特開平５−２２８６８５号公報
【特許文献３】国際公開第２００６／１０９５７３号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、塗布後の熱処理時におけるはんだの濡れ広がりが低減され、電子部品の高機能化及び多端子化が可能な電子部品接合構造体の製造方法及び電子部品接合構造体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】
【００１０】
本発明者らは、各種の金属の組成や粒子形態に関してはんだペースト材料のための検討を行ない、特定のはんだを用いることによって、通常のエレクトロニクス実装技術で用いられている印刷・部品マウント・リフロー熱処理といった一連の工程において、熱処理による接合部の形成前後での基板上の電極金属上のはんだ塗布面積の変化を低減できることを見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明は、以下の通りである。
【００１１】
［１］ 基板上の電極金属上にはんだペーストを塗布する塗布工程、及び
該基板上の電極金属上に該はんだペーストを介して電子部品の電極端子を接触させた状態で、該はんだペーストを熱処理する熱処理工程、
を含む電子部品接合構造体の製造方法であって、
該はんだペーストが、該基板上の電極金属と同じ材質の金属板に塗布した時の該金属板とはんだペーストとの接触面積をＡ、該はんだペーストを温度２３５℃〜２６０℃の範囲で熱処理した後の該金属板とはんだとの接触面積をＢとしたときに、０．７≦Ｂ／Ａ≦１．３を満たす電子部品接合構造体の製造方法。
【００１２】
［２］ 上記塗布工程において、基板上の電極金属上の一部にはんだペーストを塗布し、かつ、上記熱処理工程の後に、さらに、基板上の電極金属のうちのはんだで覆われていない部分に物理的信号線接続による接合を形成する接合工程を行なう、上記［１］に記載の電子部品接合構造体の製造方法。
【００１３】
［３］ 上記はんだペーストが、導電性フィラーとして第１の金属粒子と第２の金属粒子とを含み、３０℃〜６００℃の範囲の示差走査熱量測定において、該第１の金属粒子が、少なくとも１つの発熱ピーク及び３００〜６００℃の少なくとも１つの吸熱ピークを有し、該第２の金属粒子が、発熱ピークを有さず、かつ２１０〜２６０℃に少なくとも１つの吸熱ピークを有する、上記［２］に記載の電子部品接合構造体の製造方法。
【００１４】
［４］ 上記第２の金属粒子がＳｎを主成分とする粒子である、上記［３］に記載の電子部品接合構造体の製造方法。
【００１５】
［５］ 上記第１の金属粒子が、Ｃｕ５０〜９０質量％と、Ａｇ、Ｂｉ、Ｉｎ、及びＳｎからなる群より選ばれる１種以上の元素１０〜５０質量％との組成を有する合金からなり、上記第２の金属粒子が、Ｓｎからなる、上記［３］又は［４］に記載の電子部品接合構造体の製造方法。
【００１６】
［６］ 上記［１］〜［５］のいずれかに記載の製造方法により得られた電子部品接合構造体。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の電子部品接合構造体の製造方法及び電子部品接合構造体によれば、塗布後の熱処理時におけるはんだの濡れ広がりが低減され、電子部品の高機能化及び多端子化が可能な電子部品接合構造体の製造方法及び電子部品接合構造体を提供することができる。また、本発明によれば、例えば、基板上の同一電極金属上に、はんだによる接合と他の方式（例えば、金ワイヤーボンディング、嵌合式コネクティング、圧接導電性素材付加等）による接合とを安定的な品質及び信頼性で形成することも可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の電子部品接合構造体の製造方法は、基板上の電極金属上にはんだペーストを塗布する塗布工程、及び、基板上の電極金属上にはんだペーストを介して電子部品の電極端子を接触させた状態で、はんだペーストを熱処理する熱処理工程を含む。
【００１９】
本発明において用いるはんだペーストは、基板上の電極金属と同じ材質の金属板に塗布した時の該金属板とはんだペーストとの接触面積をＡ、該はんだペーストを温度２３５℃〜２６０℃の範囲で熱処理した後の該金属板とはんだとの接触面積をＢとしたときに、０．７≦Ｂ／Ａ≦１．３を満たす。熱処理工程後にはんだの収縮によって電極とはんだとの接触面積が減少すると、電子部品接合構造体の接合部自体が電子部品の下に隠れて見えなくなってしまい外観検査が困難になる点、及び接合強度の観点から、Ｂ／Ａの値は、０．７以上である。また、基板上の電極金属上及び電極端子上への拡散及び変質の影響を抑える観点から、Ｂ／Ａの値は、１．３以下である。上記Ｂ／Ａの値は、０．８以上１．２以下であることが好ましく、０．９以上１．１以下であることがより好ましい。
【００２０】
本発明においては、Ｂ／Ａの値が上記範囲内であるはんだペーストを用いることによって、はんだペーストを熱処理して基板上の電極金属の電子部品接合部を形成する際に、はんだが濡れ広がらずに基板上の電極金属上に余白部分（すなわちはんだ被覆が形成されていない部分）を形成できる。これにより、他の物理的信号接続による接合を、はんだ接合部が形成された基板上の電極金属自身に付与することができ、より小面積及び小型の電子部品接合構造体を製造することができる。
【００２１】
以下、本発明において使用できるはんだペーストの好ましい例について説明する。
好ましいはんだペーストとしては、導電性フィラーを含むものが挙げられ、特に、導電性フィラーと、ロジン、活性剤、溶剤及び必要に応じて増粘剤を含む添加剤からなるフラックスとで構成されるペーストが特に好ましい。
【００２２】
上記導電性フィラーは、より典型的には、第１の金属粒子と第２の金属粒子とを含む。この場合、３０℃〜６００℃の範囲の示差走査熱量測定（以下、「ＤＳＣ測定」ともいう。）において、第１の金属粒子が、発熱ピークを少なくとも１つ及び３００〜６００℃に吸熱ピークを少なくとも１つ有し、第２の金属粒子が、発熱ピークを有さず、かつ、２１０〜２６０℃に少なくとも１つの吸熱ピークを有することが好ましい。
【００２３】
特に、第１の金属粒子としては、ＤＳＣ測定で発熱ピークとして観測される準安定合金相を少なくとも１つと、吸熱ピークとして観測される融点を２１０〜２４０℃及び３００〜４５０℃の２箇所にそれぞれ少なくとも１つずつ有するとともに、５０℃以上２１０℃未満には吸熱ピークとして観測される融点を有さないものがより好ましい。
【００２４】
なお、ＤＳＣ測定の温度範囲は３０〜６００℃、昇温速度は１０℃／分とし、発熱量又は吸熱量が±１．５Ｊ／ｇ以上あるものを測定対象物由来のピークとして定量し、それ未満のピークは、分析精度の観点から除外するものとする。また本明細書において「融点」とは、融解開始温度を意味し、ＤＳＣにおける固相線境界温度を指す。
【００２５】
また、第１の金属粒子と第２の金属粒子との組合せとしては、第１の金属粒子と第２の金属粒子との混合体が、ＤＳＣ測定において、第１の金属粒子由来の発熱ピークとして観測される準安定合金相を少なくとも１つと、第２の金属粒子由来の吸熱ピークとして観測される融点を２１０〜２４０℃に少なくとも１つ有するとともに、第２の金属粒子の２１０〜２４０℃に観察される融点（該融点が２つ以上存在する場合は最も低い融点）以上の温度で熱処理された後においては、第１の金属粒子と第２の金属粒子との反応物として新たな安定合金相が形成されており、該安定合金相由来の吸熱ピークとして観測される融点を３００〜４５０℃に少なくとも１つ有するものであることが好ましい。
【００２６】
第１の金属粒子と第２の金属粒子との混合体に、例えば２３５℃〜２６０℃の熱処理を加えることにより、第２の金属粒子の融点以上の熱が与えられると、該第２の金属粒子が第１の金属粒子との融合を開始し、第１の金属粒子と第２の金属粒子との間の熱拡散反応が加速的に進み、準安定合金相が消失して新たな安定合金相が形成される。即ち、ＤＳＣで発熱ピークとして観測される準安定合金相の存在は、該熱拡散反応の進行を助長する効果がある。ここで、上記熱処理の温度は、はんだの一般的なリフロー熱処理条件であるピーク温度２３５〜２６０℃の範囲で適宜設定することができる。
【００２７】
上記の熱拡散反応が進行するにしたがって、第２の金属粒子における２１０〜２６０℃の融点を有する金属成分は、新たに形成される３００〜４５０℃の融点を有する安定合金相へ移動して減少する。つまり、上記の熱処理後においては、２１０〜２４０℃の吸熱ピーク面積として観測される第２の金属粒子の溶融時の吸熱量は該熱処理前に比べて減少するか、又は消失する。その一方で、第１の金属粒子と第２の金属粒子との反応により、３００℃未満では溶融しない新たな安定合金相が形成される。
【００２８】
上記の混合体の５０〜２４０℃におけるＤＳＣの吸熱ピーク面積は、はんだの一般的リフロー熱処理条件であるピーク温度２３５〜２６０℃の範囲で熱処理した後において熱処理前の０〜９０％であることが好ましく、０〜７０％であることがより好ましい。該吸熱ピーク面積が熱処理後において熱処理前の９０％以下である場合、３００℃未満では溶融しない新たな安定合金相による高耐熱性をはんだに付与できる。なお、０％とは、該熱処理後は５０〜２４０℃におけるＤＳＣの吸熱ピークが消失することを意味する。
【００２９】
第１の金属粒子と第２の金属粒子との上記のような組合せを含む導電性フィラーを用いて構成したはんだペーストは、一般的なリフロー熱処理条件であるピーク温度２３５〜２６０℃の範囲において全てが溶融する液体状態を経ずに反応が進行し、第１の金属粒子と第２の金属粒子との融合が進行するため、電子部品の電極端子と基板上の電極金属との間を接合するためのはんだペーストの塗布及び熱処理の前後で発生する、基板上の電極金属とはんだペーストとの接触面積の拡大ないしは縮小の変化を所望の範囲内に収めることができる。
【００３０】
第１の金属粒子としては、Ｃｕ５０〜９０質量％と、Ａｇ、Ｂｉ、Ｉｎ、及びＳｎからなる群より選ばれる１種以上の元素１０〜５０質量％との組成を有する合金からなる金属粒子が好ましい。例えば第２の金属粒子の主成分がＳｎである場合において、はんだペーストの熱処理による接合強度を高くできる点で、第１の金属粒子におけるＣｕの含有率を５０質量％以上とすることが好ましい。また、ＤＳＣ測定において発熱ピークを少なくとも１つ及び３００〜６００℃に吸熱ピークを少なくとも１つ有するように容易に調整できる点で、第１の金属粒子においてはＡｇ、Ｂｉ、Ｉｎ、及びＳｎからなる群より選ばれる１種以上の元素の含有率を１０質量％以上とすることが好ましい。
【００３１】
また、第１の金属粒子としては、Ｃｕ５０〜８０質量％、Ｓｎ５〜２５質量％、Ａｇ５〜２５質量％、Ｂｉ１〜２０質量％、及びＩｎ１〜１０質量％の組成を有する合金からなる金属粒子がより好ましい。ＤＳＣ測定において発熱ピークを示す準安定合金相の形成を容易にするために、Ａｇの含有率は５質量％以上、Ｂｉの含有率は１質量％以上とすることがより好ましい。熱処理時に第１の金属粒子と第２の金属粒子との合金化を促進するために、Ｓｎの含有率は５質量％以上、Ｉｎの含有率は１質量％以上とすることがより好ましい。また、Ｃｕの含有率を５０質量％以上とするために、Ｓｎ、Ａｇ、Ｂｉ及びＩｎの含有率は、それぞれ２５質量％以下、２５質量％以下、２０質量％以下、及び１０質量％以下とすることがより好ましい。
【００３２】
さらにより好ましい第１の金属粒子は、Ｃｕ５０〜８０質量％、Ａｇ５〜１５質量％、Ｂｉ２〜１０質量％、Ｉｎ２〜１０質量％、及び残部Ｓｎの組成を有する合金からなる金属粒子である。
【００３３】
第２の金属粒子としては、Ｓｎを主成分とする粒子が好ましい。本明細書においてＳｎを主成分とする金属粒子とはＳｎを５０質量％超で含有する金属粒子を意味する。第２の金属粒子は、Ｓｎを７０〜１００質量％含む金属粒子であることがより好ましい。例えば第１の金属粒子の主成分がＣｕである場合において、はんだペーストの熱処理による接合強度を高くできる点で、第２の金属粒子におけるＳｎの含有率を７０質量％以上とすることが好ましい。また、Ｓｎの融点は２３２℃であるので、第２の金属粒子に２１０〜２６０℃の融点を発現させることが容易である点でも、第２の金属粒子がＳｎを主成分とすること、さらにＳｎを７０質量％以上含有することは好ましい。第２の金属粒子におけるＳｎ以外の成分としては、鉛フリーはんだで通常使用される金属元素、例えばＡｇ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｚｎ、を３０質量％以下含有することが好ましい。
【００３４】
また、第２の金属粒子としては、Ｓｎ１００質量％からなる金属粒子、又はＳｎ７０〜９９質量％と、Ａｇ、Ｂｉ、Ｃｕ、及びＩｎからなる群より選ばれる１種以上の元素１〜３０質量％との組成を有する合金からなる金属粒子がより好ましい。
第１の金属粒子と第２の金属粒子との好ましい典型的な組合せとしては、第１の金属粒子が、Ｃｕ５０〜９０質量％と、Ａｇ、Ｂｉ、Ｉｎ、及びＳｎからなる群より選ばれる１種以上の元素１０〜５０質量％との組成を有する合金からなり、第２の金属粒子がＳｎからなる組合せを例示できる。
【００３５】
第１の金属粒子と第２の金属粒子との組合せにおける混合比としては、第１の金属粒子１００質量部に対する第２の金属粒子の混合量が、５０〜２００質量部であることが好ましく、５５〜１８６質量部であることがより好ましく、８０〜１８６質量部であることが最も好ましい。第１の金属粒子１００質量部に対する第２の金属粒子の混合量が５０質量部以上である場合、電子部品接合構造体の接合部として形成した後のはんだ接合部の室温での接続強度が高く、第２の金属粒子の混合量が２００質量部以下である場合、例えばはんだの一般的なリフロー熱処理条件である２６０℃で熱処理した際に高い接続強度が得られる。
【００３６】
第１の金属粒子及び第２の金属粒子の粒子サイズは、はんだペーストの塗布方法に応じて適宜定めることができる。例えば、スクリーン印刷法では、ペースト版抜け性を重視して、体積平均粒径２〜４０μｍの範囲の粒度分布がブロードで比較的真球度の高い粒子を用いることが好ましい。またディスペンス法では、吐出塗布時のペースト流動性を考慮して、粒度分布をよりシャープにすることが好ましい。
【００３７】
通常、微細な金属粒子では表面が酸化されていることが多い。従って、はんだペーストの熱処理による溶融及び熱拡散を促進する目的で、はんだペーストには、酸化膜を除去するための活性剤を配合することが好ましい。
【００３８】
上記導電性フィラーを構成する第１の金属粒子及び第２の金属粒子の製造方法としては、金属粒子内に準安定合金相や安定合金相を形成させるために、急冷凝固法である不活性ガスアトマイズ法を採用することが望ましい。ガスアトマイズ法では、通常、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガスが使用されるが、ヘリウムガスを用いることが好ましく、冷却速度は５００〜５０００℃／秒が好ましい。
【００３９】
はんだペーストは、典型的には、上記導電性フィラー、並びにロジン、活性剤、溶剤、及び必要に応じて増粘剤を含む添加剤を含有するフラックスで構成される。はんだペーストにおける導電性フィラーの含有率としては、８５〜９５質量％が好ましい。フラックスは、金属粒子からなる導電性フィラーの表面処理に最適で、該金属粒子の溶融及び熱拡散を促進するものである。フラックスとしては公知の材料を使用でき、該公知の材料については例えば特開２００４−２２３５５９号公報に記載されている。フラックスは、酸化膜除去剤として有機アミンを更に含有することがより好ましい。また、必要に応じて、公知のフラックスにさらに溶剤を加えて粘度を調整したものを使用してもよい。
【００４０】
ロジンとしては、天然樹脂又はその変性樹脂を主成分とするものが挙げられる。変性樹脂としては重合ロジン、フェノール樹脂変性ロジン等が挙げられる。はんだペースト中のロジンの含有量は、４０〜５０質量％の範囲であることが好ましく、４２〜４８質量％の範囲であることがより好ましい。
【００４１】
活性剤としては、無機系及び有機系のものを使用でき、例えばアミン塩酸塩等のハロゲン系活性剤、有機酸系活性剤等が挙げられる。はんだペースト中の活性剤の含有量は、７〜１２質量％の範囲であることが好ましく、８〜１１質量％の範囲であることがより好ましい。
【００４２】
溶剤としては、例えばジエチレングリコールモノヘキシルエーテル、オクタンジオール等が挙げられる。はんだペースト中の溶剤の含有量は、３０〜４５質量％の範囲であることが好ましく、３５〜４０質量％の範囲であることがより好ましい。
【００４３】
増粘剤としては、例えばチクソ剤が挙げられる。はんだペースト中における、増粘剤を含む添加剤の含有量は、１０〜１５質量％の範囲であることが好ましい。
【００４４】
はんだペーストの粘度は、２５℃において１５０〜２５０Ｐａ・ｓの範囲であることが好ましく、１８０〜２３０Ｐａ・ｓの範囲であることがより好ましい。ペーストの流動性・印刷塗付工程において版抜けを良好に保つという観点から、該粘度が２５０Ｐａ・ｓ以下が好ましくペーストの流動性・印刷塗付工程において基板上の電極金属上での印刷ダレを防止する観点から、１５０Ｐａ・ｓ以上が好ましい。なお上記粘度とは、ＪＩＳ Ｚ ３２８４「ソルダペースト」規格に規定された方法で行ない、実際には該規格に準拠した粘度測定装置（例えば（株）マルコム製「ＰＣＵ−２０５」）を用いて該規格記載の条件で測定される値である。
【００４５】
はんだペーストが第１の金属粒子と第２の金属粒子とを含む場合、他の金属粒子との融合性を有する第２の金属粒子と、溶融しない第１の金属粒子との作用により、熱処理工程におけるはんだペーストの濡れ広がりが低減されるため、熱処理工程後にも塗布時に近い形状を保持し、電子部品の電極端子と基板上の電極金属との間を接合するためのはんだペーストの塗布及び熱処理の前後で発生する、基板上の電極金属とはんだペーストとの接触面積の拡大ないしは縮小の変化を所望の範囲内に収める効果が良好である。
【００４６】
本発明における基板上の電極金属を構成する金属としては、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｓｉ等の金属が挙げられ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕがより好ましい。これらはメッキや貼り合わせ等の各種処理で基板上の電極金属の表面部分として形成されていることができる。なお、はんだペーストを基板上の電極金属に塗布する場合は、はんだと基板上の電極金属との接続を良好にするために基板上の電極金属に対して表面被覆処理が行なわれているのが一般的であり、例えば銅電極では、一例として該電極上にメッキで形成したＳｎ、Ａｕ、Ｎｉ等の薄膜が形成されている。特に、上記金属のうちＡｕ以外は、金属表面が酸化され易いため、はんだペーストを塗布する前にフラックス等で表面処理したり、又はプリフラックスコートしたり、各種金属メッキやはんだ被覆を行なうことが好ましい。
【００４７】
塗布工程において、基板上の電極金属上にはんだペーストを塗布する手段としては、はんだペーストを一定の厚さ又は一定の塗布量で付与する手段が一般的であり、スクリーン印刷や転写印刷、ディスペンス吐出等が用いられる。
【００４８】
スクリーン印刷ではマスク版を用いた印刷機を使用できる。印刷機は、典型的には、基板を固定する機構と、メタルマスクと基板上の電極部分の位置合わせを行なう機構と、マスク版を基板に圧接し、そのマスク上からマスク下にある基板上の電極金属部分に対して開口部からペーストを塗布用のスキージで刷り込む機構とを有している。マスク版としてはメッシュタイプやメタルタイプなどの各種材質が存在するが、粒子サイズに幅広く対応し、工程での清掃も容易なメタルマスクタイプが一般に広く用いられている。
【００４９】
転写印刷は、はんだペーストの一定塗膜厚さの平塗り塗膜を一定のクリアランスを持つスキージなどで形成した後に、その塗膜をスタンパーで抜き取って基板の所定の電極位置にスタンプすることで、電極上にはんだペーストを一定量配置する方式であり、専用の転写印刷装置が用いられる。転写印刷装置は、平塗り塗膜を塗布する塗布機構と、基板を固定し基板の電極位置を合わせる機構と、３次元的にスタンパーを駆動させて抜き取り及び転写押印を行なう機構とを有している。転写印刷はスクリーン印刷に比べて塗布量がばらつきやすく、スタンパーの清掃管理など連続運転に注意を要することもあり、印刷方式としてはスクリーン印刷が主流になっている。
【００５０】
ディスペンス吐出は、基板上の電極部分に一定量のはんだペーストを吐出していく方式であり、ディスペンサー装置が用いられる。ディスペンサーは、シリンジ内に収められたはんだペーストに対して吐出に必要な圧力をオンデマンドでかけることによって一定量のはんだペーストをシリンジ先端のニードルから押し出すものであり、シリンジ自体を３次元的に駆動させ基板上の電極部分の位置を決めることで電極上に必要量のはんだペーストを吐出塗布する装置である。ニードルからの吐出という手法に起因して、ペースト自体がスクリーン印刷に比べて薄くなりにくいという欠点はあるが、工程上でのペーストのロスも少なく、吐出の位置や量がプログラムによって可変であるため、印刷マスク版を圧接しにくい段差や凹凸のある基板及び電子部品構造体へのペースト塗布が可能である。
【００５１】
塗布工程においては、小面積及び小型の電子部品接合構造体を形成する観点から、はんだペーストの塗布部分が基板上の電極金属の上面（すなわち基板側でない方の面）の面積の一部であることが好ましく、基板上の電極金属の上面の面積の２０〜８０％であることがより好ましい。
【００５２】
熱処理工程においては、基板上の電極金属上にはんだペーストを介して電子部品の電極端子を接触させた状態で、はんだペーストを熱処理する。熱処理工程は、典型的には部品マウント工程とリフロー熱処理工程との２つに分けて行なう。
【００５３】
部品マウント工程では、半導体やチップ部品などの各種電子部品をピックアップし基板の所定位置に接触させて置くマウンタ装置が用いられる。マウンタ装置は、電子部品を供給する機構と、該電子部品をピックアップする機構と、ピックアップした電子部品を、装置内に配置した基板の所定の電極位置に設定した圧力で置いていく機構とを有している。
【００５４】
リフロー熱処理工程は、基板上の電極金属上にはんだペーストを介して電子部品が配置された状態の基板に対して、一定の仕様の温度を印加する工程であり、一般的にはんだ熱処理に適合する炉を持つリフロー装置が用いられる。リフロー熱処理の際の加熱方式としては、赤外線印加や熱風印加などの方式が主流であり、リフロー熱処理時の炉内の雰囲気は空気の場合と窒素の場合があるが、電子部品やはんだ接合部の酸化による劣化を防ぐ意味で、近年の高密度高精度実装においては窒素雰囲気のリフローが多用されている。リフロー熱処理は通常、予熱部と本加熱部に分けられ、本加熱部は一般的にはんだが溶融及び接合する温度以上に設定され、本加熱部の最高温度は、共晶はんだの場合で２３５℃程度、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕで代表される鉛フリーはんだの場合で２４５〜２５５℃程度である。予熱部は、基板や電子部品の全体を均一に温め、本加熱部で活性状態となる前にはんだのフラックス成分を整える意味を持つため、２００℃程度以下の温度で保持される。
【００５５】
リフロー熱処理は、２３５℃以上である時間が３〜６０秒となるように行なうことが好ましい。導電性フィラーとして第１の金属粒子及び第２の金属粒子を用いる場合、第２の金属粒子が熱拡散するために、２３５℃以上である時間は３秒以上であることが好ましく、電子部品の保護の観点から、２３５℃以上である時間は６０秒以下であることが好ましい。２３５℃以上である時間は３０秒以上であることがより好ましい。さらに、リフロー熱処理は、ピーク温度２４５℃〜２６０℃で５〜３０秒行なうことが好ましい。熱処理は、大気中で行なってもよいが、窒素雰囲気中で行なうことがより好ましい。さらに好ましくは、熱処理は、はんだ用リフロー装置を用い、ピーク温度２１０℃〜２５０℃、酸素濃度１０００ｐｐｍ以下の窒素雰囲気で行なう。
【００５６】
従来の電子部品接合構造体においては、電子部品が接合された基板上の電極金属に予め配線パターンを介して別の電極部分を引き出しておくことによって、リフロー熱処理後のはんだ被覆が形成されない部分を形成し、この部分に、はんだ接合以外の他の物理的信号線接続による接合を形成する工程が用いられることが多い。
【００５７】
この場合、引き出し配線や別電極部を予め用意する必要があるため、電子部品接合構造体を構成する上で余分な面積が必要となり、小型化が妨げられていた。
【００５８】
本発明においては、熱処理時のはんだペーストの濡れ広がりが低減されるため、まず塗布工程において基板上の電極金属上の一部にはんだペーストを塗布し、熱処理工程を経た後、接合工程として、基板上の同一電極金属のうちのはんだで覆われていない部分に、物理的信号接続（より典型的にははんだ接合以外の物理的信号接続）による接合をさらに形成することが可能である。
【００５９】
すなわち、本発明の電子部品接合構造体の製造方法においては、基板上の電極金属のうち電気信号の入出力に関係する部分である上面（すなわち基板側でない方の面）に、電子部品がはんだ接合されている部分とはんだで覆われていない部分とを形成できる。該上面は、はんだ以外の物理的信号線接続（例えば、金ワイヤーボンディングや嵌合式コネクティング、圧接導電性素材付加など）で接合した部分を形成して基板上の電極金属の本来の機能を発現させるために重要な部分であるため、はんだ形成部分の面積を低減してはんだで覆われていない部分を基板上の電極金属上に確保し、基板上の同一電極金属上に複数種類の信号線接続を有する電子部品接合構造体を形成できることは、小面積化及び小型化の点で有利である。
【実施例】
【００６０】
以下、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００６１】
（１）第１の金属粒子の製造
Ｃｕ粒子６．５ｋｇ（純度９９質量％以上）、Ｓｎ粒子１．５ｋｇ（純度９９質量％以上）、Ａｇ粒子１．０ｋｇ（純度９９質量％以上）、Ｂｉ粒子０．５ｋｇ（純度９９質量％以上）、及びＩｎ粒子０．５ｋｇ（純度９９質量％以上）を黒鉛坩堝に入れ、９９体積％以上のヘリウム雰囲気で、高周波誘導加熱装置により１４００℃まで加熱、融解した。
【００６２】
次に、この溶融金属を坩堝の先端より、ヘリウムガス雰囲気の噴霧槽内に導入した後、坩堝先端付近に設けられたガスノズルから、ヘリウムガス（純度９９体積％以上、酸素濃度０．１体積％未満、圧力２．５ＭＰａ）を噴出してアトマイズを行ない、第１の金属粒子を作製した。この時の冷却速度は２６００℃／秒とした。
【００６３】
得られた第１の金属粒子を走査型電子顕微鏡（日立製作所（株）製：Ｓ−２７００）で観察したところ球状であった。この金属粒子を気流式分級機（日清エンジニアリング（株）製：ＴＣ−１５Ｎ）を用いて、１．６μｍの設定で分級した後に、そのオーバーカット粉を１０μｍ設定でもう一度分級して得られたアンダーカット粉を回収した。この回収された第１の金属粒子の体積平均粒径は２．７μｍであった。このようにして得られた第１の金属粒子を試料とし、島津製作所（株）製「ＤＳＣ−５０」を用い、窒素雰囲気下、昇温速度１０℃／分の条件で、３０〜６００℃の範囲において示差走査熱量測定を行なった。
【００６４】
その結果、得られた第１の金属粒子には、４９５℃、及び５１４℃に吸熱ピークが存在し、複数の融点を有することが確認できた。また、２５４℃の発熱ピークが存在し、準安定合金相を有することが確認できた。
【００６５】
（２）第２の金属粒子の製造
Ｓｎ粒子１０．０ｋｇ（純度９９質量％以上）を黒鉛坩堝に入れ、９９体積％以上のヘリウム雰囲気で、高周波誘導加熱装置により１４００℃まで加熱、融解した。次に、この溶融金属を坩堝の先端より、ヘリウムガス雰囲気の噴霧槽内に導入した後、坩堝先端付近に設けられたガスノズルから、ヘリウムガス（純度９９体積％以上、酸素濃度０．１体積％未満、圧力２．５ＭＰａ）を噴出してアトマイズを行なうことにより、第２の金属粒子を作製した。この時の冷却速度は２６００℃／秒とした。
【００６６】
得られた第２の金属粒子を走査型電子顕微鏡（日立製作所（株）製：Ｓ−２７００）で観察したところ球状であった。この金属粒子を気流式分級機（日清エンジニアリング（株）製：ＴＣ−１５Ｎ）を用いて、５μｍの設定で分級した後に、そのオーバーカット粉を４０μｍ設定でもう一度分級して得られたアンダーカット粉を回収した。この回収された第２の金属粒子の体積平均粒径は６．５μｍであった。このようにして得られた第２の金属粒子を試料とし、島津製作所（株）製「ＤＳＣ−５０」を用い、窒素雰囲気下、昇温速度１０℃／分の条件で、３０〜６００℃の範囲において示差走査熱量測定を行なった。その結果、得られた第２の金属粒子には、２４２℃の吸熱ピークが存在し、融点２３２℃（融解開始温度：通常、固相線温度と表示させる温度）を有することが確認できた。また、特徴的な発熱ピークは存在しなかった。
【００６７】
（３）導電性フィラー及びはんだペーストの熱特性
（参考例１）
上記第１の金属粒子と上記第２の金属粒子とを質量比１００：８３で混合した導電性フィラー（平均粒径３．４μｍ）を試料とし、島津製作所（株）製「ＤＳＣ−５０」を用い、窒素雰囲気下、昇温速度１０℃／分の条件で、３０〜６００℃の範囲において示差走査熱量測定を行なった。この測定により得られたＤＳＣチャートでは、２３３℃、３４８℃、及び３７８℃に吸熱ピークが存在することが確認された。２３３℃の吸熱ピークは、融点２２７℃（融解開始温度：固相線温度と表示させる温度）、吸熱量１６．１Ｊ／ｇである。また、特徴的に２５５℃に発熱ピークが存在していた。
【００６８】
次に、該導電性フィラー９０．２質量％、ロジン系フラックス９．８質量％を混合し、ソルダーソフナー（（株）マルコム製：「ＳＰＳ−１」）、脱泡混練機（松尾産業（株）製：「ＳＮＢ−３５０」）にかけてはんだペーストを作製した。このようにして得られたはんだペーストを試料として（株）マルコム製「ＰＣＵ−２０５」で粘度測定したところ、粘度２０４Ｐａ・ｓ、チクソ指数０．５０であった。
【００６９】
上記はんだペーストをアルミナ基板に載せ、窒素雰囲気下にて、ピーク温度２４５℃でリフロー熱処理した。熱処理装置は、（株）マルコム製のリフローシミュレータ「ＳＲＳ−１Ｃ」を使用した。温度プロファイルは、予備加熱ゾーンまでの昇温速度：１〜３℃／秒、予備加熱温度範囲を１３０℃→１９０℃、予備加熱時間を１１０〜１７０秒、本加熱ゾーンは２３５℃以上の部分を３０〜５０秒、ピーク温度２４５℃の範囲で制御する条件を採用した。この間、リフローシミュレータの観測窓より該ペーストを観察したが、はんだペースト中の導電性フィラーは液状に溶融しなかった。
【００７０】
この熱処理後のはんだペーストを試料とし、島津製作所（株）製「ＤＳＣ−５０」を用い、窒素雰囲気下、昇温速度１０℃／分の条件で、３０〜６００℃の範囲において示差走査熱量測定を行なった。この測定により得られたＤＳＣチャートでは、１３６℃、１７１℃、３４７℃、４２０℃に吸熱ピークの存在が検出された。この内、２４０℃以下の吸熱ピークは、１３６℃、１７１℃で、吸熱量は、３．９Ｊ／ｇである。よって５０〜２４０℃の吸熱量は、熱処理前の２１０〜２４０℃の吸熱ピーク面積から観測される溶融時の吸熱量の２４％に減少し、新たな安定合金相が形成されて融合体ができていることが確認された。
【００７１】
（参考例２）
上記第１の金属粒子と上記第２の金属粒子とを質量比１００：１８５で混合した導電性フィラー（平均粒径４．２５μｍ）を試料とし、島津製作所（株）製「ＤＳＣ−５０」を用い、窒素雰囲気下、昇温速度１０℃／分の条件で、３０〜６００℃の範囲において示差走査熱量測定を行なった。２３５℃、４０９℃に吸熱ピークが存在することが確認された。２３５℃の吸熱ピークは、融点２２３℃（融解開始温度：固相線温度と表示させる温度）、吸熱量２．７１Ｊ／ｇである。また、特徴的に２４８℃に発熱ピークが存在していた。
【００７２】
次に、該導電性フィラー８９．６質量％、ロジン系フラックス１０．４質量％を混合し、ソルダーソフナー（（株）マルコム製：「ＳＰＳ−１」）、脱泡混練機（松尾産業（株）製：「ＳＮＢ−３５０」）にかけてはんだペーストを作製した。このようにして得られたはんだペーストを試料として（株）マルコム製「ＰＣＵ−２０５」で粘度測定したところ、粘度２１４Ｐａ・ｓ、チクソ指数０．４５であった。
【００７３】
上記はんだペーストをアルミナ基板に載せ、窒素雰囲気下にて、ピーク温度２４５℃でリフロー熱処理した。熱処理装置は、（株）マルコム製のリフローシミュレータ「ＳＲＳ−１Ｃ」を使用した。温度プロファイルは、予備加熱ゾーンまでの昇温速度：１〜３℃／秒、予備加熱温度範囲を１３０℃→１９０℃、予備加熱時間を１１０〜１７０秒、本加熱ゾーンは２３５℃以上の部分を３０〜５０秒、ピーク温度２４５℃の範囲で制御する条件を採用した。この間、リフローシミュレータの観測窓より該ペーストを観察したが、はんだペースト中の導電性フィラーは液状に溶融しなかった。
【００７４】
この熱処理後のはんだペーストを試料とし、島津製作所（株）製「ＤＳＣ−５０」を用い、窒素雰囲気下、昇温速度１０℃／分の条件で、３０〜６００℃の範囲において示差走査熱量測定を行なった。１７７℃、１９４℃、４０１℃、４３０℃に吸熱ピークの存在が検出され、新たな安定合金相が形成されて融合体ができていることが確認された。
【００７５】
（４）はんだペーストの塗布、熱処理及び面積変化評価
（実施例１，比較例１）
参考例１で作製したはんだペーストを縦２５ｍｍ×横２５ｍｍ、厚み０．３ｍｍのＡｕめっきＣｕ板（表面はＡｕ）に印刷塗布した。印刷パターン形成は、印刷機としてマイクロテック（株）製の「ＭＴ−３２０ＴＶ」を用い、版には０．２ｍｍ厚のメタルマスクを用いた。マスクの開孔は２ｍｍ×３ｍｍ（塗布接触面積６ｍm2）である。印刷条件は、速度：１０ｍｍ／ｓｅｃ、印圧：０．１ＭＰａ、スキージ圧：０．２ＭＰａ、背圧：０．１ＭＰａ、スキージはＲ８０−６０°、クリアランス：０ｍｍとした。この印刷パターンを窒素雰囲気下にて、ピーク温度２４５℃でリフロー熱処理した。熱処理装置は、（株）マルコム製のリフローシミュレータ「ＳＲＳ−１Ｃ」を使用した。温度プロファイルは、予備加熱ゾーンまでの昇温速度：１〜３℃／秒、予備加熱温度範囲を１３０℃→１９０℃、予備加熱時間を１１０〜１７０秒、本加熱ゾーンは２３５℃以上の部分を３０〜５０秒、ピーク温度２４５℃の範囲で制御する条件を採用した。比較例１としては、代表的な鉛フリーはんだ、ハリマ化成（株）製「マイクロソルダー」（Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ金属組成）を同一の条件で評価した。このようにして形成したはんだペースト印刷パターンの熱処理前後の上面写真を図１に示す。比較例１では、当該熱処理温度で完全に液状溶融したためにＡｕ表面上ではんだペーストが液体状に濡れ広がり、熱処理後のはんだの接触面積はもとの塗布接触面積の２．６倍のサイズになったが、実施例１のペーストでは液状溶融は見られず、面積変化についてももとの塗布接触面積の１．０倍（変化無し）に収まり、もとの設定上の印刷形状及び印刷面積を保っていた。なお、このＡｕめっきＣｕ板上の熱処理後のペーストを再度、上記と同じ条件でリフロー熱処理を加えて接触面積の変化を見たところ、比較例１ではさらに拡大したが、実施例は変化がなかった。
【００７６】
（実施例２，比較例２）
参考例１で作製したはんだペーストを縦２５ｍｍ×横２５ｍｍ、厚み０．３ｍｍのＣｕ板に印刷塗布した。印刷パターン形成は、印刷機としてマイクロテック（株）製の「ＭＴ−３２０ＴＶ」を用い、版には０．１ｍｍ厚のメタルマスクを用いた。マスクの開孔は３００μｍφ（塗布接触面積９００００μm2）である。印刷条件は、速度：１０ｍｍ／ｓｅｃ、印圧：０．１ＭＰａ、スキージ圧：０．２ＭＰａ、背圧：０．１ＭＰａ、スキージはＲ８０−６０°、クリアランス：０ｍｍとした。この印刷パターンを窒素雰囲気下にて、ピーク温度２４５℃でリフロー熱処理してバンプを形成した。熱処理装置は、（株）マルコム製のリフローシミュレータ「ＳＲＳ−１Ｃ」を使用した。温度プロファイルは、予備加熱ゾーンまでの昇温速度：１〜３℃／秒、予備加熱温度範囲を１３０℃→１９０℃、予備加熱時間を１１０〜１７０秒、本加熱ゾーンは２３５℃以上の部分を３０〜５０秒、ピーク温度２４５℃の範囲で制御する条件を採用した。比較例２としては、代表的な鉛フリーはんだ、ハリマ化成（株）製「マイクロソルダー」（Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ金属組成）を同一の条件で評価した。このようにして形成したはんだペースト印刷バンプの熱処理後のバンプ中央部分での断面写真を図２に示す。比較例２では、当該熱処理温度で完全に液状溶融したため、Ａｕに比べ比較的はんだの濡れ広がりが少ないＣｕ表面上でもバンプ形成時にはんだペーストが濡れ広がり、熱処理後のバンプ部におけるはんだのＣｕ板接触面積は３７４μｍφとなりもとの塗布接触面積の１．５５倍のサイズになったが、実施例２のペーストでは液状溶融は見られず、面積についても３２０μｍφで、面積変化はもとの塗布接触面積の１．１４倍に収まり、またもとの設定上の印刷形状及び印刷面積に対して１．３以下の値を示した。
【００７７】
（実施例３，比較例３）
縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ、厚み０．８０ｍｍのＦＲ−４基板（利昌工業（株）製「ＣＳ−３２８７」）の表面に厚み１８μｍの０．３ｍｍ角銅電極を０．３ｍｍギャップ間隔で２つ並べたものの中央を０．１ｍｍ幅の銅配線ブリッジパターンでつないだ基板上の電極金属を形成した（電極の表面処理は四国化成工業（株）製プリフラックス「タフエース」Ｆ−２、基板表面のソルダーレジストは太陽インキ製造（株）製「ＰＳＲ４０００」；厚み20μｍ）。参考例１で作製したはんだペーストをこの基板上の電極金属上に印刷塗布した。印刷パターン形成は、印刷機としてヤマハ発動機（株）製の「ＹＶＰ−Ｘｇ−ｗ」を用い、版には０．１ｍｍ厚のメタルマスクを用いて行なった。マスクの開孔は該０．３ｍｍ角電極部の中央位置を基準にして０．３ｍｍ角面積の６０％開孔率（開孔面積０．０５４ｍm2）の角孔である。印刷条件は、ダブルメタルスキージ（角度５５°）で印圧５０Ｎ、速度１０ｍｍ／ｓｅｃ、クリアランス：０ｍｍとした。この印刷パターンを窒素雰囲気下にて、ピーク温度２５０℃でリフロー熱処理した。熱処理装置は、エイテックテクトロン（株）製のリフロー炉「ＮＩＳ−２０−８２Ｃ」を使用した。温度プロファイルは、予備加熱ゾーンまでの昇温速度：１〜３℃／秒、予備加熱温度範囲を１３０℃→１９０℃、予備加熱時間を１１０〜１７０秒、本加熱ゾーンは２３５℃以上の部分を３０秒、ピーク温度２５０℃の範囲で制御する条件を採用した。
【００７８】
はんだペーストの上記の熱処理後の状態の上面写真を図３に示す。左右の０．３ｍｍ角電極内部にあるはんだペーストの熱処理後の接触面積は印刷塗布した面積と同じで、写真上の面積からの換算でも電極面積の約６０％となっており、印刷マスクの開孔率設定と変わらず電極表面上ではんだの接触面積の変化がないことが分かった。
【００７９】
比較例３として、実施例３と同条件で、はんだペーストのみを代表的な鉛フリーはんだ、千住金属工業（株）のエコソルダーペースト「Ｍ７０５−ＧＲＮ３６０−Ｋ２−Ｖ」（Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ）に変えて評価したところ、はんだペーストは熱処理後に０．３ｍｍ角電極内で広がって仕上がり面積が大きく変化していた。また、一部では中央の０．１ｍｍ幅の銅配線ブリッジパターンまではんだペーストが流れており左右の０．３ｍｍ角電極がつながっているものが見られた。
【００８０】
（５）電子部品の実装による電子部品接合構造体の形成
（実施例４，比較例４）
実施例３で用いたのと同じ、基板上の電極電極（すなわちマトリックス多数配置電極を有する基板の当該電極）に、参考例１で作製したはんだペーストを実施例３と同一の条件・装置・マスクによって印刷塗布した。この印刷パターンの左右間をまたいで、すなわち、左右隣接する一対の電極パターンにおいて左側電極の右側０．３ｍｍ角電極と右側電極の左側０．３ｍｍ角電極の各々端部側半分を均等に踏む形で、電子部品として０６０３サイズのチップ抵抗（ＫＯＡ（株）製；基板上の設置面積は縦０．３ｍｍ横０．６ｍｍ）をヤマハ発動機（株）製チップマウンタ「ＹＶ１００Ｘｇ」にて搭載した（部品押込み圧０．８Ｎ、押し込み高さ設定０ｍｍ）。その後、実施例２と同一の条件・装置を用いて窒素雰囲気下にて、ピーク温度２５０℃でリフロー熱処理した。
【００８１】
この電子部品接合構造体の上面写真を図４に示す。部品の０．３ｍｍ角電極の上の半分は該チップ抵抗が実装されており残りの半分は電極部分が露出しているが、はんだペーストは熱処理後に上記半分の電極面積の中に収まっていた。熱処理後のはんだ接触面積は印刷塗布時の接触面積に対して１．３倍以内で拡大するに収まっており、電極の周辺部は該はんだで覆われていない余白部分を残していた。
【００８２】
比較例４として、実施例４と同条件で、はんだペーストのみを代表的な鉛フリーはんだ、千住金属工業（株）のエコソルダーペースト「Ｍ７０５−ＧＲＮ３６０−Ｋ２−Ｖ」（Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ）に変えて評価した結果を図５に示す。はんだペーストは熱処理後に電極面積のうちチップ抵抗が載っていない半分の中で全体的に広がり、熱処理後のはんだ接触面積は印刷塗布時の接触面積に対して１．３倍を超えて拡大していた。
【００８３】
基板上の電極金属を、該基板上の電極金属上に搭載される電子部品の搭載投影面積範囲内にほぼ収めるような、いわゆる「フィレットレス実装」方式等において、従来の一般的なはんだでは液状に溶融したはんだが電子部品の電極端子に濡れ上がって移動し、基板上の電極金属と電子部品の電極端子との接合部分の品質が不安定になったり、電極端子部側面で膨れを形成してしまったりするため、実装品質のばらつきや強度劣化、隣接部品のショートなどが懸念されていた。しかし、本実施例において分かるように、本発明の製造方法で用いるはんだペーストは、上述のように、熱処理の際に基板上の電極金属の印刷接触面積からの拡大が少なく、さらに、電子部品の電極端子に対する濡れ上がりが少ない状態で電子部品を実装できるため、高密度なフィレットレス実装にも用いることができる。
【００８４】
（５）他の物理的信号線接続によって接合した部分を併せ持つ電子部品接合構造体の形成
（実施例５）
実施例３と同じ、基板上の電極金属を用い、中央の０．１ｍｍ幅の銅配線ブリッジパターンを削除して左右の０．３ｍｍ角電極を合体させた長方形電極パターン（縦０．３ｍｍ、横０．６ｍｍ）を形成し、その２つ（すなわち一対）を長方形長手方向に０．３ｍｍギャップ間隔で並べて配置し、銅表面にニッケル下地の金メッキを施した。得られた基板上の電極金属のギャップ寄りの内側半分に、参考例１で作製したはんだペーストを印刷塗布した。印刷パターン形成は、印刷機としてヤマハ発動機（株）製の「ＹＶＰ−Ｘｇ−ｗ」を用い、版には０．１ｍｍ厚のメタルマスクを用いて行なった。マスクの開孔は、該長方形の基板上の電極金属の面積の半分である０．３ｍｍ角の中心から６０％開孔率（開孔面積０．０５４ｍm2）の角孔である。印刷塗布の条件・装置・マスクは実施例３と同一である。この一対の長方形電極の間のギャップ部分をまたいで、すなわち、左右隣接する一対の電極パターンにおいて左側電極の右側０．３ｍｍ角相当の部分と右側電極の左側０．３ｍｍ角相当の部分を均等に踏む形で、電子部品として０６０３サイズのチップ抵抗（ＫＯＡ（株）製；基板上の設置面積は縦０．３ｍｍ横０．６ｍｍ）をヤマハ発動機（株）製チップマウンタ「ＹＶ１００Ｘｇ」にて搭載した（部品押込み圧０．８Ｎ、押し込み高さ設定０ｍｍ）。その後、実施例３と同一の条件・装置を用いて窒素雰囲気下にて、ピーク温度２５０℃でリフロー熱処理した。
【００８５】
得られた電子部品接合構造体のチップ抵抗を搭載実装している部分の外側両サイドにははんだペーストが熱処理後に広がっていないため、電極面積の半分は余白として金メッキの表面が露出していた。その約０．３ｍｍ角程度の金メッキ電極部分に半導体チップや電子部品モジュールで一般的に用いられる金ワイヤーをウエスト・ボンド社製ワイヤーボンダー；モデル５４００Ｂにてボンディングしたところ、電極表面にはんだが広がってきていないために表面が安定した金メッキ状態となり、金−金接合によるワイヤーボンディングを行なうことができた。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明は、電子部品の実装に適用でき、特にチップ部品や半導体パッケージ等の電子部品をはんだでプリント配線基板等の回路基板に実装する際に好適に適用できる。本発明によれば、電極部分を微小領域内で複合的な接合方式にて形成できるため、高機能化及び多端子化に対応した電子部品接合構造体の提供が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】実施例１及び比較例１における、熱処理前後のＡｕめっき金属板とはんだとの接触面積の変化を示した上面図に代わる写真である。
【図２】実施例２及び比較例２における、熱処理前後のＣｕ板とはんだとの接触状態及び接触面積変化を示した断面図に代わる写真である。
【図３】実施例３におけるはんだペーストの熱処理後の状態を示す上面図に代わる写真である。
【図４】実施例４において形成した電子部品接合構造体の上面図に代わる写真である。
【図５】比較例４において形成した電子部品接合構造体の上面図に代わる写真である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上の電極金属上にはんだペーストを塗布する塗布工程、及び
前記基板上の電極金属上に前記はんだペーストを介して電子部品の電極端子を接触させた状態で、前記はんだペーストを熱処理する熱処理工程、
を含む電子部品接合構造体の製造方法であって、
前記はんだペーストが、前記基板上の電極金属と同じ材質の金属板に塗布したときの前記金属板とはんだペーストとの接触面積をＡ、前記はんだペーストを温度２３５℃〜２６０℃の範囲で熱処理した後の前記金属板とはんだとの接触面積をＢとしたときに、０．７≦Ｂ／Ａ≦１．３を満たす電子部品接合構造体の製造方法。
【請求項２】
前記塗布工程において、前記基板上の電極金属上の一部に前記はんだペーストを塗布し、
かつ、前記熱処理工程の後に、さらに、前記基板上の電極金属のうちのはんだで覆われていない部分に物理的信号線接続による接合を形成する接合工程を行なう、請求項１に記載の電子部品接合構造体の製造方法。
【請求項３】
前記はんだペーストが、導電性フィラーとして第１の金属粒子と第２の金属粒子とを含み、３０℃〜６００℃の範囲の示差走査熱量測定において、前記第１の金属粒子が、少なくとも１つの発熱ピーク及び３００〜６００℃の少なくとも１つの吸熱ピークを有し、前記第２の金属粒子が、発熱ピークを有さず、かつ２１０〜２６０℃に少なくとも１つの吸熱ピークを有する、請求項１又は２に記載の電子部品接合構造体の製造方法。
【請求項４】
前記第２の金属粒子がＳｎを主成分とする粒子である、請求項３に記載の電子部品接合構造体の製造方法。
【請求項５】
前記第１の金属粒子が、Ｃｕ５０〜９０質量％と、Ａｇ、Ｂｉ、Ｉｎ、及びＳｎからなる群より選ばれる１種以上の元素１０〜５０質量％との組成を有する合金からなり、前記第２の金属粒子が、Ｓｎからなる、請求項３又は４に記載の電子部品接合構造体の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の製造方法により得られた電子部品接合構造体。
【請求項１】
基板上の電極金属上にはんだペーストを塗布する塗布工程、及び
前記基板上の電極金属上に前記はんだペーストを介して電子部品の電極端子を接触させた状態で、前記はんだペーストを熱処理する熱処理工程、
を含む電子部品接合構造体の製造方法であって、
前記はんだペーストが、前記基板上の電極金属と同じ材質の金属板に塗布したときの前記金属板とはんだペーストとの接触面積をＡ、前記はんだペーストを温度２３５℃〜２６０℃の範囲で熱処理した後の前記金属板とはんだとの接触面積をＢとしたときに、０．７≦Ｂ／Ａ≦１．３を満たす電子部品接合構造体の製造方法。
【請求項２】
前記塗布工程において、前記基板上の電極金属上の一部に前記はんだペーストを塗布し、
かつ、前記熱処理工程の後に、さらに、前記基板上の電極金属のうちのはんだで覆われていない部分に物理的信号線接続による接合を形成する接合工程を行なう、請求項１に記載の電子部品接合構造体の製造方法。
【請求項３】
前記はんだペーストが、導電性フィラーとして第１の金属粒子と第２の金属粒子とを含み、３０℃〜６００℃の範囲の示差走査熱量測定において、前記第１の金属粒子が、少なくとも１つの発熱ピーク及び３００〜６００℃の少なくとも１つの吸熱ピークを有し、前記第２の金属粒子が、発熱ピークを有さず、かつ２１０〜２６０℃に少なくとも１つの吸熱ピークを有する、請求項１又は２に記載の電子部品接合構造体の製造方法。
【請求項４】
前記第２の金属粒子がＳｎを主成分とする粒子である、請求項３に記載の電子部品接合構造体の製造方法。
【請求項５】
前記第１の金属粒子が、Ｃｕ５０〜９０質量％と、Ａｇ、Ｂｉ、Ｉｎ、及びＳｎからなる群より選ばれる１種以上の元素１０〜５０質量％との組成を有する合金からなり、前記第２の金属粒子が、Ｓｎからなる、請求項３又は４に記載の電子部品接合構造体の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の製造方法により得られた電子部品接合構造体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−８０５３３（Ｐ２０１０−８０５３３Ａ）
【公開日】平成２２年４月８日（２０１０．４．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２４４７０４（Ｐ２００８−２４４７０４）
【出願日】平成２０年９月２４日（２００８．９．２４）
【出願人】（３０９００２３２９）旭化成イーマテリアルズ株式会社 (771)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月８日（２０１０．４．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月２４日（２００８．９．２４）
【出願人】（３０９００２３２９）旭化成イーマテリアルズ株式会社 (771)
【Ｆターム（参考）】
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