JP2001244286A - 球状電極、半導体デバイスの突起電極および実装基板の形成方法 - Google Patents

球状電極、半導体デバイスの突起電極および実装基板の形成方法

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JP2001244286A
JP2001244286A JP2000054741A JP2000054741A JP2001244286A JP 2001244286 A JP2001244286 A JP 2001244286A JP 2000054741 A JP2000054741 A JP 2000054741A JP 2000054741 A JP2000054741 A JP 2000054741A JP 2001244286 A JP2001244286 A JP 2001244286A
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forming
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Masahiro Yoshikawa
政廣 吉川
Ichiro Yamaguchi
一郎 山口
Kuniji Fujimori
城次 藤森
Koki Otake
幸喜 大竹
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高融点金属球をコアとして、その外周にはん
だ皮膜を形成した球状電極を簡易な設備で安価に形成す
ることができる球状電極形成方法等を提供する。 【解決手段】 吸着治具の吸着孔に金属球10を吸着し
(金属球吸着工程)、一方、プレート18の凹部20に
はんだペースト22を充填する(はんだペースト充填工
程)。金属球10を吸着した吸着孔16とはんだペース
ト22を充填した凹部20とを位置合わせして(位置合
わせ工程)、金属球10をはんだペースト22に当接さ
せた後、吸着治具14を離間する。窒素等の雰囲気中
で、加熱下、はんだペースト22を溶融させると、金属
球10をコアとしてその表面がはんだ皮膜24で被覆さ
れた球状電極26が形成される(はんだ皮膜形成工
程)。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、球状電極形成方法
および半導体デバイスの突起電極形成方法ならびに実装
基板形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、半導体デバイスの高密度化、高速
化および多ピン化に伴い、半導体デバイスの外部接続用
端子としてはんだバンプ等の突起電極を形成することが
行われている。また、複数の半導体デバイスをパッケー
ジ化したパッケージ裏面に同様の突起電極を形成するパ
ッケージ(BGA)が多用される傾向にある。
【0003】ここで使用される突起電極は、従来、例え
ば、フリップチップに用いる場合は、Au等の高融点金
属を材料として電気めっき法等によって突起電極に形成
する方法が採用される。一方、上記BGAの場合は、プ
レートの凹部に充填した低融点のはんだペーストを加熱
しながら、半導体デバイスに設けられた接続用電極と位
置合わせして、溶融したはんだ(はんだ金属)の表面張
力によって接続用電極上に金属球を形成して突起電極と
する方法が用いられ、この方法は、突起電極自体を独立
して形成した上で(突起電極と区別して球状電極と呼
ぶ。)、この球状電極を半導体デバイスに取り付けて突
起電極とする場合にも応用される。
【0004】これらのうち、後者のはんだ金属を用いて
突起電極を半導体デバイスに形成する方法あるいは球状
電極を半導体デバイスに取り付ける方法の場合、所望の
高さの突起電極を得ることは必ずしも容易ではなく、ま
た、実装加熱時にはんだが飛散しあるいは電子部品搭載
時にはんだがはみだす等によって、基板表面に微細な球
状のはんだボール等を発生し、あるいは突起電極が潰れ
る等すると短絡の原因となる。また、実装加熱時に突起
電極中のSn成分が基板または半導体デバイスの接続用
金属(バリアメタル)中に拡散すると、接続用金属が溶
食されて、突起電極と接続用金属との接合強度が低下す
る不具合もある。
【0005】上記の不具合を解消するものとして、予め
形成した高融点金属材料からなる金属球を、突起電極の
コアとして用い、その外周にはんだ等の皮膜を形成した
改良された球状電極が知られている。
【0006】上記球状電極を突起電極として半導体デバ
イスに取り付けると、治具の所定の位置を凹部に形成し
てその凹部に球状電極を配置して半導体デバイスの接合
用電極と接合することにより、球状電極を半導体デバイ
スの所定の位置に正確に取り付けることができる。ま
た、コアにした所定の寸法の金属球ははんだ付けの際に
溶融等等して変形することがないため、均一な高さの突
起電極を設けることができ、電気的接続を確実に行うこ
とができる。また、はんだはコアとなる金属球に被覆さ
れたものであるため、球状電極と接合用電極との接合時
に余剰のはんだが周囲に流出することがなく、さらにま
た、実装加熱時に突起電極中のSn成分がコアとなる金
属球中に拡散するため、接続用金属の溶食が防止される
ため、接合強度が低下することがなく短絡が防止され
る。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た金属球を突起電極のコアとして用い、その外周にはん
だ等の皮膜を形成した球状電極に関して、このような球
状電極を利用する技術について、すなわち、球状電極自
体については上記のように知られているが、球状電極を
得る好適な方法については、必ずしも明らかではない。
【0008】本出願人の知るところでは、例えば、はん
だ金属の皮膜を電気めっきによって形成する方法に関し
て、特開平10−200245号公報等で触れられてい
る程度である。なお、本出願人は、特開平11−312
700号公報においてバンプの形成方法を提案している
が、この方法は、治具の凹部に充填したはんだペースト
からはんだ金属球(コア)を形成した後に、これとは異
なる種類のはんだペーストを用いてはんだ付け方法によ
ってはんだ金属球の表面にはんだ金属皮膜を形成するも
のであり、低融点金属であるはんだ金属をコアとしてい
る点において、上記の高融点金属球をコアとする球状電
極とは本質的に相違する。
【0009】本発明は、高融点金属材料で形成された金
属球をコアとして用い、その外周にはんだ等の皮膜を形
成した球状電極を簡易な設備で安価に形成することがで
きる球状電極形成方法ならびにこの球状電極を使用した
半導体デバイスの突起電極形成方法および実装電極形成
方法を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明に係る球状電極形
成方法は、高融点金属材料で形成された金属球の表面に
はんだ付け方法によってはんだ皮膜(はんだ金属皮膜)
を形成する球状電極形成方法であって、プレートの凹部
にスキージングによってはんだペーストを充填するはん
だペースト充填工程と、吸着治具の吸着孔に該金属球を
吸着する金属球吸着工程と、該プレートの該凹部と該吸
着治具の該吸着孔とを対向させて位置合わせする位置合
わせ工程と、該プレートを加熱して該はんだペーストを
溶融した状態で、該はんだペーストに該金属球を埋め込
んで該金属球の表面に該はんだ皮膜を形成するはんだ皮
膜形成工程とを有することを特徴とする(請求項1に係
る発明)。
【0011】ここで、高融点金属材料とは、例えば、1
00〜400℃程度の低融点金属材料であるはんだ(は
んだ金属)の融点を超える高融点を有する金属をいい、
1000〜1500℃程度の融点を有するCu、Fe−
Ni−Co合金、42Ni−Fe合金等の金属からなる
材料をいう。また、球状電極とは、独立した物品として
予め形成したものであって、半導体デバイス等に取り付
けて突起電極とするためのものをいう。はんだ付け方法
等によって直接半導体デバイス等に形成される突起電極
(バンプ)と区別するためにこのように呼ぶこととす
る。
【0012】上記の発明の構成により、高融点金属球を
コアとすることによって所望の高さでかつ短絡の原因と
なることの少ない突起電極を提供するができる球状電極
の形成方法において、めっき設備等を用いることなく、
はんだ付け設備を用いてはんだ付け方法によってはんだ
皮膜を形成するため、簡易な設備で安価にはんだ皮膜を
形成することができる。また、はんだ付け方法を用いる
ため、めっき方法に比べると、形成されるはんだ皮膜の
材料として比較的高融点であるAg、Sb、Zn等を含
有したものを使用することができ、したがって、接合強
度を向上させる等、特性をコントロールすることが可能
となる。また、めっき方法に比べると、特に、皮膜を肉
厚に形成した場合において、厚みをより均一にすること
ができる。
【0013】また、本発明に係る半導体デバイスの突起
電極形成方法は、上記本発明の球状電極形成方法によっ
て形成された球状電極を半導体デバイスに転写すること
によって該半導体デバイスに突起電極を形成することを
特徴とし(請求項2に係る発明)、また、本発明に係る
実装基板形成方法は、本発明の半導体デバイスの突起電
極形成方法によって形成された前記突起電極を有する半
導体デバイスを1または2以上基板に実装することを特
徴とする(請求項3に係る発明)。
【0014】ここで、半導体デバイスは、基板に突起電
極を取り付けるときのその基板を含むものとする。ま
た、実装基板とは、1または2以上の半導体デバイスを
基板に搭載したものをいう。
【0015】上記の各発明の構成により、前記した本発
明の好適な球状電極を突起電極として設けた半導体デバ
イスおよび実装基板を得ることができる。
【0016】なお、めっき方法の場合、形成された球状
電極を1つずつプレートの凹部に配置した上で半導体デ
バイスの接合用電極と接合することを必要とするため、
取り扱いが煩雑であり、また、球状電極間に品質バラツ
キを生じ得る。これに対して、本発明の場合は、凹部を
半導体デバイスの接合用電極形成位置と対応させて精密
に形成したプレートを予め準備しておき、凹部内に球状
電極を形成した後、接合用電極を形成した半導体デバイ
スと直接位置決めすることにより、容易且つ正確に突起
電極を設けた半導体デバイスを得ることが出来る。
【0017】
【発明の実施の形態】本発明に係る球状電極形成方法、
半導体デバイスの突起電極形成方法および実装基板形成
方法の好適な実施の形態(以下、本実施の形態例とい
う。)について、図を参照して、以下に説明する。
【0018】本実施の形態例に係る球状電極形成方法に
ついて、図1〜図5を参照して説明する。
【0019】まず、市販品を購入する等の適宜な方法に
よって真球状の金属球10を多数個準備する。この金属
球10は、はんだ金属とは異なり高融点を有する金属材
料で形成されたものであり、例えば、融点が1083℃
であるCu材料を用いて100μmφの球に形成され
る。なお、このCuに代えて、Fe−Ni−Co合金の
球(通称コバール:融点1500℃)等を用いてもよ
い。
【0020】この金属球10を適当なトレイ12に収容
する。一方、吸着治具14を準備する。この吸着治具1
4には、多数の吸着孔16が後述するプレート(はんだ
球形成治具)18の凹部20と同一のピッチで精密に形
成されており、吸着治具14の吸着孔16はプレート1
8の凹部20と鏡対称の関係にある。この吸着治具14
をトレイ12の上方に配置し、真空源を付勢しながら下
動して、吸着孔16に金属球10を吸着する(金属球吸
着工程 図1参照)。
【0021】上記吸着治具14とは別にプレート18を
準備する。このプレート18は、例えば、(100)結
晶面のSi基板であり、多数の凹部20が異方性エッチ
ングにより形成されている。凹部20は、逆四角錐状で
あり幅広の開口面を有し、例えば、上記100μmφの
金属球10に後述する金属分約54vol%のはんだペ
ースト22を用いて厚み10μmのはんだ皮膜24を形
成する場合は、開口面が約145μm□程度に形成され
る。ちなみに、100μmφの金属球に厚み20μmの
はんだ皮膜を形成する場合には約190μm□程度の開
口面寸法とする。前記したように、プレート18の凹部
20は吸着治具14の吸着孔16と鏡対称の関係となる
ように形成されている。このプレート18の凹部20
は、同時に、後述する半導体デバイス28の接続用電極
30と同一のピッチで精密に形成されており、鏡対称の
関係にある。なお、以下の方法によって形成される球状
電極を使用する半導体デバイスを特定しないとき、すな
わち、形成された球状電極を一旦保管しておいて、適宜
必要に応じて任意の半導体デバイスの突起電極として利
用するときには、プレート18の凹部20の配置は吸着
治具14の吸着孔16の配置との関係のみが考慮され
る。なお、プレート18として、Si基板に代えて、例
えば、感光性ガラスを用い、この感光性ガラスにエッチ
ングによって凹部を形成してもよい。
【0022】このプレート18の凹部20に、へら21
等を用いてスキージングによって、はんだペースト22
を充填する(はんだペースト充填工程 図2参照)。は
んだペースト22は、はんだ(はんだ金属)として共晶
温度が221℃のSn96.5−Ag3.5を約54v
ol%含有し、その残余はフラックスである。なお、は
んだペースト22充填の際、余剰のはんだペースト22
は掻き取り除去される。ここで、はんだ材料として、S
n96.5−Ag3.5に代えて、これ以外のPbフリ
ーはんだを用いてもよく、また、融点が314℃である
Sn5−Pb95等の一般的な高温はんだや、共晶温度
が183℃であるSn63−Pb37等の共晶はんだを
用いてもよい。これらのはんだペースト22の材料と前
記金属球10の材料の種類の組み合わせは適宜変更する
ことができる。
【0023】ついで、金属球10を吸着した吸着治具1
4をプレート18の上方に配置し、金属球10を吸着し
た吸着孔16とはんだペースト22を充填した凹部20
とを位置合わせして(位置合わせ工程)、吸着治具14
を下動し、金属球10をはんだペースト22に当接させ
る(図3参照)。そして、吸着治具14の真空源を減勢
して吸着を解除することにより、はんだペースト22中
のフラックスの粘着力によって金属球10が吸着孔16
より離脱し、はんだペースト22上に配置される(図4
参照)。
【0024】ついで、金属球10が配置されたプレート
18を窒素または水素雰囲気中で、はんだペースト22
が溶融する温度、この場合、例えば、250〜350℃
程度に加熱する(図5参照)。これにより、溶融したは
んだペースト22は、表面張力によって、金属球10の
表面を流れ、最終的には金属球10の表面を完全に被覆
し、金属球10からなるコアがはんだ皮膜24で被覆さ
れた球状電極26が形成される(はんだ皮膜形成工
程)。形成されるはんだ皮膜24の厚みは、例えば、2
0μm程度であり、金属球10の表面全体にわたって均
一に形成される。なお、はんだ皮膜24の厚みは、前記
はんだペースト充填工程において、凹部20の開口径を
変えて凹部20へのはんだペーストの充填量を調整する
ことによって、所望の寸法に調整される。このとき、高
融点の金属球10は、溶融等による変形を生じることが
ないために金属球10は真球状の原形状が維持され、ま
た、はんだペースト22との合金化等を生じることもな
い。なお、この場合、吸着工程において金属球10を吸
着治具14に配置する前に、予め金属球10を水素雰囲
気中で加熱処理等して金属球10表面に形成されうる酸
化膜除去処理を行っておくと、金属球10のはんだ濡れ
性が向上し、はんだ皮膜形成工程において、より良好な
はんだ皮膜24を形成することができて好ましい。
【0025】以上説明した本実施の形態例に係る球状電
極形成方法によれば、高融点金属球をコアとすることに
よって所望の高さでかつ短絡の原因となることの少ない
突起電極用の球状電極を得ることができ、この場合、め
っき設備等を用いることなく、はんだ付け設備を用いて
はんだ付け方法によってはんだ皮膜を形成するため、簡
易な設備で安価にはんだ皮膜24を形成することができ
る。また、はんだ付け方法を用いるため、めっき方法に
比べると、形成されるはんだ皮膜の材料として比較的高
融点であるAg、Sn、Zn等を加えたものを使用する
ことができ、したがって、接合強度を向上させる等、特
性をコントロールすることが可能となる。また、プレー
ト18の凹部20はエッチング技術により精度よく形成
することができるため、めっき方法に比べると、特に、
皮膜を肉厚に形成した場合において、厚みをより均一に
することができる。
【0026】また、球状電極26を直ちに突起電極とし
て使用しないときには、球状電極26をプレート18に
配置したそのままの状態で保管しておくと、プレート1
8の凹部20に残存するはんだペースト22中のロジン
成分によって球状電極26がプレート18に接着され、
固定されるため、好適であり、さらにまた、球状電極2
6の表面が同様に残存するロジン成分によって保護さ
れ、酸化を受けることが防止されるため、好適である。
なお、球状電極26を配置したプレート18を窒素封入
したパック中に保管してもよい。
【0027】また、球状電極26を配置したプレート1
8から球状電極26を取り出して、球状電極26単独で
取り扱うときには、例えば、球状電極26を配置したプ
レート18をキシレン等の有機溶剤中に浸漬した後、ア
ルコール中で約1min程度超音波洗浄することによ
り、容易に凹部20から剥離して球状電極26を取り出
すことができ、このようにした取り出された球状電極2
6は保管が容易である。
【0028】つぎに、上記本実施の形態例に係る球状電
極形成方法によって形成された球状電極26を半導体デ
バイスに転写することによって該半導体デバイスに突起
電極を形成する本実施の形態例に係る半導体デバイスの
突起電極形成方法について、図6、図7を参照して説明
する。
【0029】まず、突起電極を形成しようとする半導体
デバイス28を準備する。この半導体デバイス28に
は、多数の接続用電極30が予め形成されている。この
接続用電極30は、例えば、融点1455℃のNi金属
を用いてめっきによって形成したものである。前記した
ように、好適には、半導体デバイス28の接続用電極3
0は、プレート18の凹部20と同一のピッチで精密に
形成されており、鏡対称の関係にある。なお、半導体デ
バイス28に代えて基板を準備してもよい。
【0030】そして、接続用電極30の形成面を前記球
状電極26の形成面に向けて、接続用電極30と球状電
極26とを位置合わせし、当接させて、半導体デバイス
28をプレート18に戴置する(図6参照)。
【0031】ついで、250〜300℃程度の雰囲気温
度下で、当接部位の球状電極26のはんだ皮膜24を溶
融させることにより、球状電極26が接続用電極30に
接合される。
【0032】最後に、この状態で、雰囲気温度を200
〜225℃程度に保持することにより、球状電極26が
プレート18から分離し、半導体デバイス28に転写さ
れ、その後、通常のウエットバック処理を行って、突起
電極32を有する半導体デバイスが形成される(図
7)。なお、使用後のプレート18は、付着して残存し
たはんだ皮膜24やフラックスを酸洗浄によって除去す
ることによって、再使用可能である。
【0033】上記した本実施の形態例に係る半導体デバ
イスの突起電極形成方法によれば、本発明の好適な球状
電極26を突起電極32として設けた半導体デバイス2
8を得ることができる。
【0034】また、凹部20を半導体デバイス28の接
合用電極30形成位置と対応させて精密に形成したプレ
ート18を予め準備しておき、凹部20内に球状電極2
6を形成した後、接合用電極30を形成した半導体デバ
イス28と直接位置決めするため、容易且つ正確に突起
電極32を設けた半導体デバイス28を得ることができ
る。
【0035】つぎに、本実施の形態例に係る半導体デバ
イスの突起電極形成方法によって形成された半導体デバ
イスを基板に実装する本実施の形態例に係る実装基板の
形成方法について、図8を参照して説明する。
【0036】まず、半導体デバイス28を実装しようと
する基板34を準備する。この基板34には、多数の接
続用電極36が予め形成されている。この接続用電極3
6は、例えば、融点1455℃のNi金属を用いてめっ
きによって形成したものである。そして、接続用電極3
6の形成面に前記突起電極32の形成面を向けて、接続
用電極36と突起電極32とを位置合わせ、当接させ
て、基板34に半導体デバイス28を戴置する(図8参
照)。この状態で、雰囲気温度を250〜300℃程度
に保持して当接部位の突起電極32のはんだ皮膜24を
溶融させることにより、突起電極32が接続用電極36
に接合され、実装基板38が完成する。この場合、基板
34に実装する半導体デバイス28は1つであってもよ
く、また、2以上の複数であってもよい。複数実装され
る半導体デバイス28は、複数の半導体デバイス28を
一括してパッケージに収容したBGA等であってもよ
い。
【0037】上記した本実施の形態例に係る半導体デバ
イスの突起電極形成方法によれば、本発明の好適な球状
電極26を突起電極32として設けた半導体デバイス2
8を基板34に実装した実装基板38を得ることができ
る。
【0038】
【発明の効果】請求項1に係る球状電極形成方法によれ
ば、はんだペースト充填工程と、吸着工程と、位置合わ
せ工程と、はんだ皮膜形成工程とを有するため、簡易な
設備で安価にはんだ皮膜を形成することができ、また、
はんだの組成の選択の自由度が高いという効果を得るこ
とができ、また、はんだ皮膜の厚みをより均一にするこ
とができる。
【0039】また、請求項2に係る半導体デバイスの突
起電極形成方法によれば、本発明の球状電極形成方法に
よって形成された球状電極を半導体デバイスに転写し、
また、請求項3に係る実装基板形成方法によれば、本発
明の半導体デバイスの突起電極形成方法によって形成さ
れた突起電極を有する半導体デバイスを1または2以上
基板に実装するため、本発明の好適な球状電極を突起電
極として設けた半導体デバイスおよび実装基板を得るこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施の形態例に係る球状電極形成方法を説明
するためのものであり、金属球を吸着治具に吸着する金
属球吸着工程を示す図である。
【図2】本実施の形態例に係る球状電極形成方法を説明
するためのものであり、プレートにはんだペーストを充
填するはんだペースト充填工程を示す図である。
【図3】本実施の形態例に係る球状電極形成方法を説明
するためのものであり、プレートに吸着治具を当接する
状態を示す図である。
【図4】本実施の形態例に係る球状電極形成方法を説明
するためのものであり、吸着治具を離間する状態を示す
図である。
【図5】本実施の形態例に係る球状電極形成方法を説明
するためのものであり、金属球にはんだ皮膜を形成する
はんだ皮膜形成工程示す図である。
【図6】本実施の形態例に係る半導体デバイスの突起電
極形成方法を説明するためのものであり、半導体デバイ
スに球状電極を有するプレートを当接させた状態を示す
図である。
【図7】本実施の形態例に係る半導体デバイスの突起電
極形成方法を説明するためのものであり、半導体デバイ
スに突起電極が形成された状態を示す図である。
【図8】本実施の形態例に係る実装基板形成方法を説明
するためのものであり、基板に半導体デバイスを搭載し
た状態を示す図である。
【符号の説明】
10 金属球 12 トレイ 14 吸着治具 16 吸着孔 18 プレート 20 凹部 22 はんだペースト 24 はんだ皮膜 26 球状電極 28 半導体デバイス 30、36 接続用電極 32 突起電極 34 基板 38 実装基板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 21/92 604H 23/12 Z (72)発明者 藤森 城次 神奈川県川崎市中原区上小田中4丁目1番 1号 富士通株式会社内 (72)発明者 大竹 幸喜 神奈川県川崎市中原区上小田中4丁目1番 1号 富士通株式会社内 Fターム(参考) 5E319 AA03 AB05 BB04 BB05 CC33 CD04 5F044 QQ02 QQ03 QQ04 RR01

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 高融点金属材料で形成された金属球の表
    面にはんだ付け方法によってはんだ皮膜を形成する球状
    電極形成方法であって、 プレートの凹部にスキージングによってはんだペースト
    を充填するはんだペースト充填工程と、 吸着治具の吸着孔に該金属球を吸着する金属球吸着工程
    と、 該プレートの該凹部と該吸着治具の該吸着孔とを対向さ
    せて位置合わせする位置合わせ工程と、 該プレートを加熱して該はんだペーストを溶融した状態
    で、該はんだペーストに該金属球を埋め込んで該金属球
    の表面に該はんだ皮膜を形成するはんだ皮膜形成工程と
    を有することを特徴とする球状電極形成方法。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の球状電極形成方法によっ
    て形成された前記球状電極を半導体デバイスに転写する
    ことによって該半導体デバイスに突起電極を形成するこ
    とを特徴とする半導体デバイスの突起電極形成方法。
  3. 【請求項3】 請求項2記載の半導体デバイスの突起電
    極形成方法によって形成された前記突起電極を有する半
    導体デバイスを1または2以上基板に実装することを特
    徴とする実装基板形成方法。
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