JP2002231747A - Solder ball - Google Patents

Solder ball

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JP2002231747A
JP2002231747A JP2001028348A JP2001028348A JP2002231747A JP 2002231747 A JP2002231747 A JP 2002231747A JP 2001028348 A JP2001028348 A JP 2001028348A JP 2001028348 A JP2001028348 A JP 2001028348A JP 2002231747 A JP2002231747 A JP 2002231747A
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Japan
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solder
crucible
molten
solder balls
variation
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Masayoshi Date
正芳 伊達
Koji Sato
光司 佐藤
Takeshi Kuboi
健 久保井
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Hitachi Metals Ltd
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  • Manufacture Of Metal Powder And Suspensions Thereof (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a large quantity of solder balls in which the problem of variation in the melting temperature is solved. SOLUTION: A solder ball production system comprises a supply crucible 4 for supplying molten 3 continuously to a delivery crucible 1 through a siphon tube 2. The supply crucible 4 and the delivery crucible 1 are pressurized with N2-8%H2 mixture reducing gas atmosphere from a linked pressure unit 11 to push out a specified quantity of molten to the bottom part of the delivery crucible 1 through an orifice 5. A vibration generator 6 imparts a vibration to the molten in the vicinity of the orifice 5 through a shaking rod 7 thus dividing the specified quantity of molten into liquid drops 8 of uniform size which are then discharged into a solidification chamber 9 filled with nitrogen gas atmosphere and solidified to produce solder balls 10.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、はんだボールに関
するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a solder ball.

【0002】[0002]

【従来の技術】半導体パッケージに用いられるはんだボ
ールは、はんだのインゴットを線材に加工した後、その
線材を所定の長さに切断し、液体中ではんだの溶融温度
以上に加熱して形状を球状化することにより製造され
る。また、別の製法として均一液滴噴霧法があり、例え
ばJung-Hoon Chunらが米国特許5266098号で開示してい
るように、はんだ溶湯を保持し底部にノズルを有する出
湯ルツボと、該出湯ルツボの下に設置された冷却凝固部
とを具備し、出湯ルツボに圧力を加えて前記ノズルから
はんだ溶融粒を吐出し、冷却凝固部で溶融粒を凝固する
ことで製造することも提案されている。
2. Description of the Related Art A solder ball used in a semiconductor package is formed by processing a solder ingot into a wire, cutting the wire into a predetermined length, and heating the solder in a liquid to a temperature equal to or higher than the melting temperature of the solder to obtain a spherical shape. It is manufactured by Another manufacturing method is a uniform droplet spraying method.For example, as disclosed in U.S. Pat.No. 5,260,098 to Jung-Hoon Chun et al., A tapping crucible holding a molten solder and having a nozzle at the bottom, and a tapping crucible. It is also proposed to provide a cooling and solidifying unit installed under the container, apply pressure to the tapping crucible, discharge the molten solder particles from the nozzle, and solidify the molten particles in the cooling and solidifying unit. .

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、線材を
切断して製造する方法では、はんだのインゴットに成分
偏析があった場合、線材となったはんだボール素材にお
いても化学組成が不均一となる。このため、同一の線材
から定量切断して製造したはんだボールでも、各々のボ
ールで化学組成が不均一となる。このような化学組成の
バラツキは、はんだボールの溶融温度のバラツキとなっ
て表れていた。一方、均一液滴噴霧法により製造する場
合、はんだのインゴットをルツボで溶解し、得られた溶
湯から直接はんだボールを製造するため化学組成のバラ
ツキは少ない。ただし、米国特許5266098号で開示され
ている装置のように出湯ルツボ内を加圧するために、出
湯ルツボを加圧装置と連結して密閉空間とすることが必
要となる。その結果、出湯によるはんだ溶湯の減少に対
して溶湯、または母合金を追加供給することが困難であ
り、1バッチでの生産量は出湯ルツボに保持することが
できる溶湯の量で制約を受け、大量のはんだボールを製
造しようとすると複数回に分けて製造しなければならな
い。
However, in the method of manufacturing by cutting a wire, if the solder ingot has a component segregation, the chemical composition is not uniform even in the solder ball material as the wire. For this reason, even with solder balls manufactured by cutting a fixed amount from the same wire, the chemical composition of each ball is not uniform. Such a variation in the chemical composition appeared as a variation in the melting temperature of the solder ball. On the other hand, in the case of manufacturing by a uniform droplet spraying method, since the solder ingot is melted in a crucible and the solder ball is manufactured directly from the obtained molten metal, there is little variation in the chemical composition. However, in order to pressurize the inside of the tapping crucible as in the device disclosed in US Pat. No. 5,260,098, it is necessary to connect the tapping crucible with a pressurizing device to form a closed space. As a result, it is difficult to additionally supply the molten metal or the mother alloy with respect to the decrease in the molten solder due to the molten metal, and the production amount in one batch is limited by the amount of the molten metal that can be held in the molten metal crucible. If a large number of solder balls are to be manufactured, they must be manufactured in multiple steps.

【0004】ところで、半導体パッケージの製造方法と
して、シリコンウェハに配線を形成して多数の半導体素
子を形成した後、個片化(ダイシング)を行わずウェハ
の状態でパッケージの形態まで一括成形するウェハレベ
ルパッケージング(WLP)がある。この方法では端子と
なるはんだバンプをパッドに形成するために、シリコン
ウェハ上に一度に1〜10万個程度のはんだボールを搭載
し、加熱してバンプを形成する。しかしながら、この加
熱工程で溶融温度にバラツキを持ったはんだボールを用
いた場合、加熱温度によっては溶融が進行するはんだボ
ールと、溶融温度まで達しないはんだボールが混在する
こととなり、結果としてパッドとの接続不良を生じるこ
とになる。また全てのはんだボールを溶融するには、必
要以上に加熱温度を高めなければならないため、半導体
パッケージを構成する樹脂、例えばエポキシ樹脂やポリ
イミド樹脂をも高温にさらすことになり、熱による変
質、変形といったの不良の原因となる。このためウェハ
レベルパッケージングでは、出来る限り溶融温度のバラ
ツキが少ないはんだボールが大量に求められる。本発明
の目的は、溶融温度のバラツキの問題を解決した大量の
はんだボールを提供することである。
[0004] As a method of manufacturing a semiconductor package, a wafer is formed by forming wiring on a silicon wafer to form a large number of semiconductor elements and then forming the wafer in a package without performing dicing. There is level packaging (WLP). In this method, in order to form solder bumps serving as terminals on pads, about 1 to 100,000 solder balls are mounted on a silicon wafer at a time and heated to form bumps. However, when solder balls having a variation in the melting temperature are used in this heating step, depending on the heating temperature, solder balls that progress in melting and solder balls that do not reach the melting temperature will be mixed, and as a result, there will be a gap between the solder balls and the pads. A connection failure will occur. In order to melt all the solder balls, the heating temperature must be increased more than necessary, so that the resin constituting the semiconductor package, for example, an epoxy resin or a polyimide resin, is also exposed to a high temperature, and is deteriorated or deformed by heat. Causes a failure. For this reason, in wafer level packaging, a large amount of solder balls with as little variation in melting temperature as possible is required. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a large number of solder balls that solve the problem of variation in melting temperature.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明者は、はんだボー
ルの溶融温度のバラツキは、はんだボールの化学組成の
バラツキによるものであり、均一液滴噴霧法を用いて組
成バラツキの少ないはんだボールを大量に製造する方法
について検討した。その結果、はんだを出湯するルツボ
に、5kg以上のはんだを溶解、貯蔵可能な容量を持っ
た連続給湯装置を付加することにより、組成バラツキの
少ないはんだボールを連続して大量に製造できることを
見出した。すなわち本発明は、1000万個当りのはん
だボールの溶融温度のバラツキが、5℃以内であるはん
だボールである。
The inventor of the present invention has found that the variation in the melting temperature of the solder ball is due to the variation in the chemical composition of the solder ball. The method of mass production was discussed. As a result, it has been found that by adding a continuous hot water supply device having a capacity capable of dissolving and storing 5 kg or more of solder to a crucible for discharging solder, a large number of solder balls having a small variation in composition can be continuously manufactured. . That is, the present invention is a solder ball in which the variation in the melting temperature of the solder balls per 10 million pieces is within 5 ° C.

【0006】[0006]

【発明の実施の形態】上述したように、本発明の重要な
特徴は1000万個当りのはんだボールの溶融温度のバ
ラツキを、5℃以内にしたことにある。具体的には、例
えばSnと第2元素の共晶組成近傍からなるはんだを対象
とし、第2元素としてPb、Ag、Cu、Bi、In、Zn、Ni、S
b、Geからなるはんだ、さらにこれらの第2元素の複合
添加からなるはんだのインゴットをルツボに装入し、溶
融温度以上に加熱して溶解する。併せて5kg以上のは
んだを溶解、貯蔵可能な容量を持った連続給湯装置で同
組成のはんだを溶解しておき、溶湯をルツボ内に供給し
て組成が均一なはんだボールを連続して製造する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS As described above, an important feature of the present invention is that the variation in the melting temperature of solder balls per 10 million pieces is kept within 5 ° C. Specifically, for example, a solder consisting of a eutectic composition in the vicinity of Sn and a second element is targeted, and Pb, Ag, Cu, Bi, In, Zn, Ni, S
b, a solder made of Ge, and an ingot of a solder made of a composite addition of these second elements are charged into a crucible and melted by heating to a melting temperature or higher. In addition, 5 kg or more of the solder is melted, and the solder of the same composition is melted by a continuous hot water supply device having a storage capacity, and the molten metal is supplied into a crucible to continuously manufacture solder balls having a uniform composition. .

【0007】半導体パッケージを構成する樹脂の耐熱温
度は、例えばエポキシ樹脂の場合150〜250℃程度
である。一方、はんだの溶融温度は、Sn−Pb共晶は
んだで183℃、鉛フリーはんだとして有力な組成であ
る、mass%でAg3.0%、Cu0.5Cu%、残
部Snの合金で220℃程度である。確実にはんだ付け
するためには溶融温度以上に加熱する必要があるため、
はんだボールの溶融温度のバラツキは5℃以内であるこ
とが必要である。望ましくは2℃以内である。
The heat-resistant temperature of the resin constituting the semiconductor package is, for example, about 150 to 250 ° C. in the case of epoxy resin. On the other hand, the melting temperature of the solder is about 183 ° C. for the Sn—Pb eutectic solder, and about 220 ° C. for the alloy of mass%, which is a powerful composition as a lead-free solder, 3.0% Ag, 0.5Cu% Cu, and the balance Sn. is there. Since it is necessary to heat above the melting temperature for reliable soldering,
It is necessary that the variation in the melting temperature of the solder ball be within 5 ° C. Desirably, it is within 2 ° C.

【0008】またウェハレベルパッケージングでは、シ
リコンウェハ1枚当り1〜10万個程度のはんだボール
を一度に搭載して溶融する。このため連続してパッケー
ジングを行うためには、組成バラツキの少ないはんだボ
ールは、1000万個以上の単位で供給されることが必
要である。一般にウェハレベルパッケージングで使用さ
れるはんだボールの粒径は0.05〜1.0mmであ
り、粒径によってはんだボール1000万個に必要とな
るはんだ溶湯の総量は異なる。上述の連続給湯装置を用
いれば、5kg以上のはんだインゴットを一度に溶解、
貯蔵することができ、組成バラツキの少ない前記粒径の
はんだボールを1000万個以上製造することが可能で
ある。
In wafer level packaging, about 100,000 solder balls per silicon wafer are mounted and melted at a time. For this reason, in order to perform continuous packaging, it is necessary that solder balls having a small composition variation be supplied in units of 10 million or more. Generally, the particle size of solder balls used in wafer-level packaging is 0.05 to 1.0 mm, and the total amount of molten solder required for 10 million solder balls differs depending on the particle size. If the above continuous hot water supply device is used, 5 kg or more of solder ingot is melted at a time,
It can be stored, and it is possible to produce 10 million or more solder balls having the above-mentioned particle diameter with less variation in composition.

【0009】なお、具体的な製造装置の一例を示せば、
図1に示すとおり、出湯ルツボ(1)にサイフォン管(2)を
通して連続的に溶湯(3)を供給する供給ルツボ(4)を備え
たはんだボール製造装置を用いる。供給ルツボ(4)と出
湯ルツボ(1)加圧装置(11)と連係されており、N-8%
混合還元性ガス雰囲気で加圧することにより、出湯
ルツボ(1)の底部にはオリフィス(5)と呼ぶ孔を通して一
定量の溶湯を押し出す。振動発生器(6)で発せられた振
動は加振棒(7)を介して、オリフィス(5)近傍の溶湯(3)
に振動を付与することで、この一定量の溶湯を均一なサ
イズに分断し、液滴(8)としてN不活性ガス雰囲気で
満たされた凝固チャンバ(9)内に排出され、凝固チャン
バ内(9)で凝固した液滴は、はんだボール(10)となり、
後に回収されることになるのである。
[0009] Incidentally, an example of a specific manufacturing apparatus is as follows.
As shown in FIG. 1, a solder ball manufacturing apparatus having a supply crucible (4) for continuously supplying a molten metal (3) to a tapping crucible (1) through a siphon tube (2) is used. It is linked with the supply crucible (4) and the tapping crucible (1) and the pressurizing device (11), and N 2 -8%
By pressurizing in a H 2 mixed reducing gas atmosphere, a certain amount of molten metal is pushed out through a hole called an orifice (5) at the bottom of the tapping crucible (1). Vibration generated by the vibration generator (6) is transmitted to the molten metal (3) near the orifice (5) via the vibrating rod (7).
By applying vibration to the solidified material, the fixed amount of molten metal is divided into uniform sizes, and discharged as liquid droplets (8) into a coagulation chamber (9) filled with an N 2 inert gas atmosphere. Droplets solidified in (9) become solder balls (10),
It will be recovered later.

【0010】[0010]

【実施例】はんだボールの化学組成のバラツキによる溶
融状態の違いを観察するため、ガラス窓越しに溶融状態
を観察できるバッチ式リフロー装置を用い、目視による
観察とCCDカメラによるモニタリングを行った。ma
ss%でAg2.9%、Cu0.5%、残部Snからな
るはんだのインゴットを用意し、直径300μmのはん
だボールを2通りの方法で5000万個ずつ作製し、そ
のうちの1000万個を評価した。1つは、はんだのイ
ンゴットを直径100μmに伸線し、球状化したときに
直径300μmとなるように定量切断した後、油中にて
球状化することにより作製した。1つは、均一液滴噴霧
法を用い、1kgのインゴットをルツボで溶解し、併せ
て連続給湯装置で同組成のはんだを10kg溶解し、そ
れを給湯することで一度に作製した。なお、均一液適法
はんだボールの製造は、図1に示すはんだボール製造装
置を用いた。
EXAMPLE In order to observe the difference in the molten state due to the variation in the chemical composition of the solder balls, a batch type reflow apparatus capable of observing the molten state through a glass window was used for visual observation and monitoring with a CCD camera. ma
A solder ingot composed of 2.9% of Ag, 0.5% of Cu, 0.5% of Cu and the balance of Sn was prepared, and 50 million pieces of 300 μm-diameter solder balls were produced by two methods, and 10 million of them were evaluated. . One was prepared by drawing a solder ingot to a diameter of 100 μm, cutting it quantitatively so as to have a diameter of 300 μm when spheroidized, and then spheroidizing in oil. First, a 1 kg ingot was melted with a crucible using a uniform droplet spraying method, and 10 kg of a solder having the same composition was melted with a continuous hot water supply device, and the molten solder was supplied at a time. In addition, the solder ball manufacturing apparatus shown in FIG.

【0011】次に、シリコンウェハにNiバリアめっき
を有する直径250μmのパッドを1万個形成したもの
を用意し、パッド上にフラックスを塗布した後、はんだ
ボールを各パッドに1個ずつ搭載した。こうしてはんだ
ボールを搭載したシリコンウェハをバッチ式リフロー装
置で加熱し、はんだの溶融および未溶融の確認を目視お
よびCCDカメラで行った。加熱条件は、まずフラック
スとはんだボールを反応させ、表面の酸化膜を還元して
はんだボール表面を活性化するために、150〜170
℃で3分間保持した。次に、はんだボールを溶融するた
めにさらに加熱した。ここで最高加熱温度は、該組成の
はんだの溶融温度が約220℃であるため、216〜2
32℃の間で2℃刻みに設定し、その温度で1分間保持
した。このようにしてはんだボールの溶融状況を観察し
た結果を表1に示す。
Next, a silicon wafer having 10,000 pads having Ni barrier plating and a diameter of 250 μm formed thereon was prepared, a flux was applied on the pads, and one solder ball was mounted on each pad. Thus, the silicon wafer on which the solder balls were mounted was heated by a batch type reflow device, and the melting and unmelting of the solder were confirmed visually and by a CCD camera. The heating conditions are as follows: first, the flux is reacted with the solder ball, and the oxide film on the surface is reduced to activate the solder ball surface.
C. for 3 minutes. Next, the solder balls were further heated to melt them. Here, the maximum heating temperature is 216 to 2 because the melting temperature of the solder having the composition is about 220 ° C.
The temperature was set in increments of 2 ° C between 32 ° C and held at that temperature for 1 minute. Table 1 shows the results of observing the melting state of the solder balls in this manner.

【0012】[0012]

【表1】 [Table 1]

【0013】線材から成形したはんだボールでは、最高
加熱温度218℃から溶融が見られたが、230℃まで
加熱しても溶融しないはんだボールが見られた。一方、
大量生産可能にした、均一液滴噴霧法により作製したは
んだボールでは、最高加熱温度220℃を超えると溶融
が始まり、224℃以上加熱した場合、全てのはんだボ
ールが溶融し、溶融温度のバラツキが少ないことが分か
る。
In the solder ball formed from the wire, melting was observed from the maximum heating temperature of 218 ° C., but the solder ball was not melted even when heated to 230 ° C. on the other hand,
For solder balls made by the uniform droplet spraying method, which can be mass-produced, melting starts when the maximum heating temperature exceeds 220 ° C, and when heated to 224 ° C or more, all solder balls melt and the dispersion of the melting temperature varies. It turns out that there are few.

【0014】[0014]

【発明の効果】本発明によればはんだボールの溶融温度
のバラツキを飛躍的に改善することができ、はんだボー
ルの実用化にとって欠くことのできない技術となる。
According to the present invention, the variation in the melting temperature of solder balls can be remarkably improved, and this is an indispensable technique for practical use of solder balls.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】はんだボール製造装置の一例を示す模式図であ
る。
FIG. 1 is a schematic view showing an example of a solder ball manufacturing apparatus.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1.出溶ルツボ、2.サイフォン管、3.溶湯、4.供
給ルツボ、5.オリフィス、6.振動発生器、7.加震
棒、8.液滴、9.凝固チャンバ、10.はんだボー
ル、11.加圧装置
1. 1. Dissolved crucible; 2. siphon tube; 3. molten metal; 4. supply crucible; Orifice, 6. 6. vibration generator; Shaking rod, 8. Droplets, 9. Coagulation chamber; 10. 10. solder balls, Pressurizing device

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 1000万個当りのはんだボールの溶融
温度のバラツキが、5℃以内であることを特徴とするは
んだボール。
1. A solder ball, wherein the variation of the melting temperature of the solder ball per 10 million pieces is within 5 ° C.
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