JP2004006927A

JP2004006927A - 半田バンプを有する配線基板及び該配線基板の製造方法並びに半田バンプ形成用メタルマスク

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Publication number: JP2004006927A
Application number: JP2003188072A
Authority: JP
Inventors: Haruhiko Murata; 村田　晴彦; Takeshi Kobayashi; 小林　剛
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2004-01-08

Abstract

【課題】製品開発及び製造が容易で、コストも低く、好適に半田バンプを形成できる半田バンプ形成用メタルマスクを提供すること。
【解決手段】厚さ４０μｍのステンレス板２１に、厚さ２５μｍの感光性エポキシ樹脂によるエッチングレジスト２２を上下両面に貼り付ける。次に、露光・感光を行なって、メタルマスク１３の透孔１４の形成予定箇所のエッチングレジスト２２に、直径１４０μｍの穴を開ける。次に、エッチングレジスト２２を備えたステンレス板２１の両側に対して、硫フッ酸溶液を２ｋｇ／ｃｍ^２の圧力でシャワーして吹き付け、１３分間エッチングを行なう。これによって、ステンレス板２１に、開口端の径が１６０μｍ、中央部の径が１８０μｍの縦断面が略樽形状の透孔１４が形成される。その後、エッチングレジスト２２を除去することにより、本実施例のメタルマスク１３が完成する。
【選択図】　図７

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半田バンプを用いて半導体素子と配線基板とが接合される半田バンプを有する配線基板及び該配線基板の製造方法並びに半田バンプ形成用メタルマスク関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、いわゆるフリップチップ法によって、半導体素子（以下フリップチップと記す）をフリップチップ搭載用基板（以下単に配線基板と記す）に実装する場合には、下記の手順が採用されている。
【０００３】
例えば、フリップチップのパッド上に、高温半田からなるバンプを形成し、配線基板のパッド上に、高温半田より融点の低い共晶半田からなるバンプを形成し、お互いのバンプを接触させて加熱して、共晶半田のみを溶融させることで接合を行っている。
【０００４】
ここで、配線基板上に半田バンプを形成する手法の一つに、下記（１）〜（６）の手順で行うメタルマスクを用いた半田ペースト印刷法がある。
１）まず、配線基板となる基材の表面には、パッドとソルダーレジストが設けられている（図１０（ａ）参照）。
【０００５】
２）次に、ソルダーレジスト上にメタルマスクを載置する（図１０（ｂ））。
３）次に、メタルマスクを用いてスキージ印刷を行って、開口部分に半田ペーストを充填する（図１０（ｃ））。
４）次に、メタルマスクを除去する（図１０（ｄ））。
【０００６】
５）次に、リフロー炉に入れて、共晶半田粒を溶融させ、その後冷却して半田バンプを形成する（図１０（ｅ））。
６）次に、フラックスを除去し、表面に半田バンプを備えた配線基板を完成する（図１０（ｆ））。
【０００７】
そして、上述した半田ペーストの印刷に用いられるメタルマスクの種類としては、製法の違いによって、下記▲１▼〜▲３▼の３種類がある。
▲１▼エッチングマスク
図１１（ａ）に示す様に、エッチングマスクは、ステンレス板に感光性エッチングレジストを塗布し、露光現像で開口部にしたい所のエッチングレジストを除去し、硫フッ酸などでステンレス板の不要部分をエッチング除去し、その後エッチングレジストを除去して完成する。
【０００８】
▲２▼レーザー穴空けマスク
図１１（ｂ）に示す様に、レーザー穴空けマスクは、ステンレス板にＹＡＧレーザーで１つづつ穴をあけて製作する。尚、使用時には表裏を逆さまにして使用する。
【０００９】
▲３▼電鋳（アディティブ）マスク
図１１（ｃ）に示す様に、電鋳マスクは、感光性樹脂を塗布し、露光現像で開口部にしたい所以外の感光性樹脂を除去し、ステンレス板上に電解Ｎｉメッキを所定のマスク厚み分だけ行い、電解Ｎｉ製のマスクをステンレス板から外して完成する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前記▲１▼〜▲３▼のメタルマスクは、下記のような問題があり、一層の改善が求められている。
▲１▼エッチングマスクは、その製作が容易であるという利点はあるが、図１１（ａ）に示す様に、半田ペーストの転写性が悪いという問題があった。つまり、従来のエッチングマスクは、開口部断面中央付近にバリがあるので、半田ペーストを塗布した後、マスクを基板から離すときに、半田ペーストがバリにひっかかってマスクに持っていかれ、基板へ転写される開口内の半田ペーストの量が少なくなるという問題があった。
【００１１】
▲２▼レーザー穴空けマスクは、製造時にエッチングレジストや感光性樹脂などのフィルム作成の作業が要らず、しかも、開口部断面がテーパ状となるので、開口部に半田ペーストが残ることが少なく、基板への転写性が良いという利点があるが、個々の穴空けにレーザーを使用するため、穴数が多い場合にはコストが高くなるという問題があった。また、特にマスク開口径を小さくした場合には、図１１（ｂ）に示す様に、断面形状が下に広がるテーパとなるため、開口部上部の開口径もかなり小さくする必要があるので、この小さな上部開口径から半田ペーストを充填することになる。このため、半田ペーストの充填性が悪く、半田バンプの高さのバラツキが大きくフリップチップの接合性が低下するという問題があった。
【００１２】
また、マスク厚みが薄い場合には、穴明け時の加熱によるマスク素材の熱膨張により、寸法精度が低下するため、厚さ７０μｍ未満、特に５０μｍ以下の薄いマスクを精度よく製作することは困難である。さらに、マスク開口部内壁が荒れているため、開口部内への半田ペーストの充填性が低下する欠点もある。
【００１３】
▲３▼電鋳マスクは、開口部内周面が板面に対して垂直に切り立っているので、開口部が小さくても、半田ペーストの充填性、転写性ともに優れるという利点があるが、メッキでマスクを形成するためコストが高いという問題があった。また、マスク材質がＮｉ等のメッキで形成できる材質に限定され、Ｎｉ等はステンレスに比べて柔らかいので、マスク寿命が短いという問題があった。更に、マスク強度が低いため、マスク板厚が７０μｍ未満、更に言えば５０μｍ以下のものは製作困難で、かつ取扱も難しい、それを回避するため板厚を増やすと、開口内に充填される半田ボリュームが大きくなって、隣接バンプ間で半田ブリッジが生じ易いという問題があった。また、図１１（ｃ）に示す様に、開口部の側壁が板面に略垂直であるので、開口部の側壁に半田ペーストが付着してしまい、所望の量の半田ペーストを印刷できないことや、この付着量がばらつくので半田ペーストの量もばらつくことがあった。
【００１４】
そのため、従来では、求める半田バンプの高さに対して、使用するメタルマスクの板厚、開口径が精度良く計算で求めることができないので、手間のかかるマスク条件出しの作業、即ち、数種類のマスクを製作して実際に半田ペースト印刷を行ない、試行錯誤でマスク仕様を決定する作業が必要となり、製品開発、製造が容易ではないという大きな問題があった。
【００１５】
本発明は、メタルマスクの仕様（板厚、開口径等）を精度良く算出でき、マスクの製造が容易で、コストも低く、好適に半田バンプを形成できる半田バンプ形成用メタルマスクを提供するとともに、半田バンプを有する配線基板及び該配線基板の製造方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための請求項１の半田バンプ形成用メタルマスクの発明では、半田バンプを形成するために、配線基板に対して半田ペーストを印刷する際に用いられるメタルマスクにおいて、形成する半田バンプに対応したパターン穴の縦断面形状が、開口端の径より中央部の径が大きい略樽形状であることを特徴とする。
【００１７】
本発明では、メタルマスクのパターン穴の縦断面形状が略樽形状であるので、半田ペーストの印刷体積を正確に設定することができる。つまり、例えば従来の電鋳マスクでは、パターン穴の側壁に付着する半田ペーストの状態によって印刷体積にバラツキが生じるが、本発明では、図１（ａ）に示す様に、パターン穴の側壁の中央部に一定量の半田ペーストが安定して付着し、その印刷体積はパターン穴の（中央部より径の小さな）開口端の径とマスク板厚によって規定される円柱の体積となるので、常に所望の印刷体積とすることができる。また、従来のエッチングマスクの様に、パターン穴側壁の中央にバリがないので、その点からも転写性が向上する。そのため、高さのバラツキが小さく高さの揃ったバンプを形成できる。従って、例えばフリップチップ等の電子部品との接合性が向上する。
【００１８】
また、メタルマスクのパターン穴に、半田ペーストを例えばスキージ印刷で充填する場合には、図１（ｂ）に示す様に、パターン穴の図中上部の開口端で、開口側壁とマスク上面とがなす角が鋭角になっているので、例えば従来の上部開口端での角が略直角の電鋳マスクと比べて、確実に半田ペーストを充填することができる。よって、この点からも、バンプ高さのバラツキを低減できる。
【００１９】
従って、本発明では、所望の半田バンプの高さを得るのに適するメタルマスクの板厚、開口端径を精度良く計算で求めることができるので、手間のかかるマスク条件出しの作業が不要となり、製品開発、製造が容易となる。
ここで、半田ペースト印刷法による印刷体積（メタルマスクのパターン穴内やソルダーレジストの開口部等の開口部分に充填される半田ペーストの体積）の計算方法について説明する。尚、通常、基板表面には、パッドの周囲に（絶縁用の）ソルダーレジストが形成されているので、ソルダーレジストを有する場合を例に挙げて説明する。
【００２０】
図２に示す様に、半田ペーストの印刷を行う場合には、予め配線基板上のパッドの周囲にソルダーレジストを形成し、ソルダーレジスト上にメタルマスクを配置する。このとき、ソルダーレジストの開口部とメタルマスクのパターン穴とが、図の上下方向に連通する様にメタルマスクを配置する。
【００２１】
つまり、このパターン穴及び開口部からなる開口部分に半田ペーストが充填されるので、開口部分の容積が、充填される半田ペーストの体積となる。また、半田ペースト中の半田の割合は決められているので、開口部分の容積を決めることにより、半田バンプの体積、ひいては、その体積から決まる半田バンプの高さを設定することができる。
【００２２】
例えば、図２及び下記の様に各部の寸法を設定した場合には、充填される半田ペーストの体積ＶＳは、下記式（１）にて算出される。
メタルマスクの開口端径　；ＤＭＭＯ
メタルマスクの厚み　　　；ＴＭＭ
ソルダーレジストの開口径；ＤＳＲＯ
ソルダーレジストの厚み　；ＴＳＲ
パッド径　　　　　　　　；ＤＰ
パッドの厚み　　　　　　；ＴＰ

尚、半田ペースト中約半分が半田（残りはフラックス）なので、半田ペーストの体積ＶＳの約半分が形成される半田バンプの体積Ｖとなる。
【００２３】
一方、半田ペーストから形成される半田バンプは、溶融時には表面張力によって概略球を切断した形状になるため、その体積Ｖは、パッド径ＤＰとバンプ高さＴから、以下ａ）、ｂ）の様に場合分けして計算できる。従って、パッド径ＤＰと希望バンプ高さＴから、メタルマスクの板厚ＴＭＭとパターン穴の開口端の径ＤＭＭＯを計算できる。
【００２４】
尚、以下の計算では、バンプ形状を構成する切断された球の半径をＬ、球の半径Ｌとバンプ高さＴとの差をｔとする。
ａ）図３（ａ）に示す様に、バンプが半球状より小さい場合
Ｌ^２＝ｒ^２＋ｔ^２、　　Ｔ＝Ｌ−ｔ　　から
Ｌ＝（ｒ^２／Ｔ＋Ｔ）／２　　　　　　　　　　　　　　　　…（２）
ｔ＝（ｒ^２／Ｔ−Ｔ）／２　　　　　　　　　　　　　　　　　…（３）
【００２５】
【数１】

【００２６】
ｂ）図３（ｂ）に示す様に、バンプが半球状より大きい場合
Ｌ^２＝ｒ^２＋ｔ^２、　　Ｔ＝Ｌ＋ｔ　　から
Ｌ＝（ｒ^２／Ｔ＋Ｔ）／２　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（２’）
ｔ＝（Ｔ−ｒ^２／Ｔ）／２　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　…（３’）
【００２７】
【数２】

【００２８】
従って、半田体積Ｖを２倍したもの（２Ｖ）が印刷体積ＶＳとなるので、メタルマスクの開口端径ＤＭＭＯは式（４）または（４’）と式（１）とから算出できる。
請求項２の半田バンプ形成用メタルマスクの発明では、メタルマスクのパターン穴は、メタルマスク用のメタル板をその両表面からエッチングして形成されてなることを特徴とする。
【００２９】
つまり、本発明では、図４に示す様に、例えばメタル板の両側にエッチングレジストを設けて、メタル板の両側からエッチングを行ない、従来のエッチングマスクよりもエッチングを進めて、オーバーエッチング状態とすることで、パターン穴の縦断面形状が略樽形状になり、前記請求項１にて述べた様に、従来のエッチングマスクの（中央部のバリによる）短所であった転写性が改善される。また、従来のレーザー穴空けマスクや電鋳マスクと比べても、その製造が容易であり、コストも約１０分の１と大幅に低減できる。
【００３０】
尚、本発明では、オーバーエッチングを行なうことにより、エッチングレジスト径に対して、従来よりもパターン穴の開口端径が大きくなるので、エッチングレジストの径を小さめに設定することが望ましい。
請求項３の半田バンプ形成用メタルマスクの発明では、メタルマスクの厚さが、２５〜５０μｍであることを特徴とする。
【００３１】
つまり、従来の電鋳マスクやレーザー穴明けマスクでは製造困難な厚さ７０μｍ未満、特に２５〜５０μｍの厚さのメタルマスクを使用することにより、小さな半田バンプをその体積及び高さのバラツキを抑制して、精密に形成することができる。
【００３２】
このメタルマスクの板厚を薄くすることによって、メタルマスクを配線基板から離す時にメタルマスク内に残る半田ペーストの量が減少し、メタルマスクのオーバーエッチングで開口部中央のバリがないことと合わせて、転写性が向上する。また、板厚を薄くすることで、同じ印刷体積を得るためにマスク開口端径を大きくできるので、さらにパターン穴内への半田ペーストの充填性を向上させることができる。また、印刷される半田ペーストの体積が、メタルマスクの板厚、メタルマスクの開口端径から計算される体積とほぼ一致する様になり、計算によって希望通りの体積の半田バンプを形成できるようになる。よって、半田バンプ高さのバラツキも小さくなる。
【００３３】
尚、前記請求項１〜３のメタルマスクは、単体で使用しても良いし、メッシュに貼り付けていわゆるコンビネーションマスクとしても良い。
このコンビネーションマスクとすることで、板厚の薄いマスクでも、歪みなくまっすぐに延ばされ、配線基板に密着するため、半田印刷でのペーストだれが発生しにくく、これによる半田ブリッジの発生も減少する。
【００３４】
また、前記請求項１〜３のいずれかに記載のメタルマスクの製造方法であって、該メタルマスク用のメタル板の両表面側からエッチングして、前記メタルマスクのパターン穴を、縦断面形状が開口端の径より中央部の径が大きい略樽形状とする工程を有することを特徴とする半田バンプ形成用メタルマスクの製造方法を採用できる。
【００３５】
このようにすると、従来のエッチングマスクの手法において、エッチングの時間等を調整するだけで容易にマスクを製造することができる。
請求項４の半田バンプを有する配線基板の発明では、配線基板のパッドの径が１５０μｍ以下で、かつパッド上に形成された半田バンプの高さが平均値で７０μｍ以下で、その高さのバラツキが平均値の±２０％の範囲内であることを特徴とする。
【００３６】
本発明では、配線基板のパッドの径が１５０μｍ以下で、半田バンプの高さが平均値で７０μｍ以下と小さい半田バンプの場合でも、その高さのバラツキが平均値の±２０％の範囲内と少ないので、例えばフリップチップとの接合性が高くなる。
【００３７】
特に、配線基板のパッドが、同一高さの半田バンプを形成するのに異なる量の半田を要するパッドが混在しているパッド群であることを特徴とする場合には、フリップチップ等との接合性が悪化しがちであるが、高さバラツキが少ないので、良好な接合性を得ることができる。
【００３８】
請求項５の半田バンプを有する配線基板の製造方法の発明では、電子部品との接続用の半田バンプを有する配線基板の製造方法において、請求項１〜３のいずれかに記載のメタルマスクを用いて、半田ペーストを配線基板のパッド上に印刷し、加熱して半田を溶融することにより、半田バンプを形成することを特徴とする。
【００３９】
本発明では、前記請求項１〜３のメタルマスクを用いて、半田バンプを形成するので、小さな半田バンプを形成する場合にも、バンプ高さのバラツキを少なくすることができる。それによって、例えばフリップチップとの接合性が向上する。
【００４０】
尚、電子部品との接続用の半田バンプを有する配線基板の製造方法において、前記請求項１〜３のいずれかに記載のメタルマスクを用いて、半田ペーストを配線基板のパッド上に印刷し、加熱して半田を溶融することにより、パッドの径が１５０μｍ以下で、かつ該パッド上に形成された半田バンプの高さが平均値で７０μｍ以下で、その高さのバラツキが該平均値の±２０％の範囲内である半田バンプを形成することを特徴とする半田バンプを有する配線基板の製造方法を採用できる。
【００４１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態の例（実施例）について説明する。
ここでは、半導体素子である集積回路チップ（以下フリップチップと称す）を、フェースダウンで実装する樹脂積層基板（フリップチップ搭載用配線基板、以下単に配線基板と称す）を例を挙げる。
【００４２】
本実施例では、個々の半田バンプに対応する多数のパターン穴（透孔）を有するメタルマスク及びその製造方法、並びにこのメタルマスクを使用し半田ペースト印刷法によって半田バンプを形成した配線基板及びその製造方法について説明する。
【００４３】
ａ）まず、本実施例におけるフリップチップ及び配線基板について説明する。図５（ａ）に示す様に、フリップチップ１は、外径１２．５×１８ｍｍ、板厚０．４ｍｍのＳｉ製のＬＳＩ素子であり、その板状の基材２の（接合側の）片面には、素子側半田バンプ３が、所定の配置パターンにて多数設けられている。
【００４４】
つまり、図５（ｂ）に拡大して示す様に、基材２上（図では下方）には、パッド径１４０μｍ×厚み１μｍのパッド（素子側パッド）４が、所定の配置パターンにて多数設けられ、その素子側パッド４上に、高さ７０μｍの９５Ｐｂ−５Ｓｎ（融点３１４℃）の高温半田からなる略半球状の素子側半田バンプ４が形成されている。尚、素子側パッド４は、Ｃｒ蒸着膜４ａの上にＣｕ蒸着膜４ｂが形成されたものである。
【００４５】
一方、図６（ａ）に示す様に、フリップチップ１を搭載する配線基板６は、特願平８−７６９６０号の実施例１に示したものと同様なものであり、外径２５×２５ｍｍ、板厚約１ｍｍの板状の基材７の（接合側の）片面には、基板側半田バンプ８が所定の配置パターンにて多数設けられている。
【００４６】
つまり、図６（ｂ）に拡大して示す様に、基材７上（図では上方）には、パッド径ＤＰ＝１４０μｍ×厚みＴＰ＝１５μｍのパッド（基板側パッド）９が、所定の配置パターンにて多数設けられ、その基板側パッド９上に、高さＴ＝６０μｍの３７Ｐｂ−６３Ｓｎ（融点１８３℃）の共晶半田からなる球を切断した形状の基板側半田バンプ８が形成されている。
【００４７】
前記基板側パッド９は、Ｃｕの表面にＮｉメッキを約５μｍ施したものであり、この基板側パッド９の周囲に、厚みＴＳＲ＝２０μｍのソルダーレジスト１１が形成されている。
このソルダーレジスト１１は、共晶半田の溶融時に共晶半田が他の場所に付着することを防止する絶縁層として設けられており、基板側パッド９の周囲を所定の間隔を保って囲む様に、直径ＤＳＲＯ＝２００μｍの開口部１２を備えている。
【００４８】
ｂ）次に、本実施例の要部である基板側半田バンプ８の形成に用いられるメタルマスク及びその形成方法に説明する。
図７に示す様に、厚さ４０μｍのステンレス板２１に、厚さ２５μｍの感光性エポキシ樹脂によるエッチングレジスト２２を上下両面に貼り付ける。
【００４９】
次に、露光・感光を行なって、メタルマスク１３の透孔１４の形成予定箇所のエッチングレジスト２２に、直径１４０μｍの穴を開ける。
次に、エッチングレジスト２２を備えたステンレス板２１の両側に対して、硫フッ酸溶液を２ｋｇ／ｃｍ^２の圧力でシャワーして吹き付け、１３分間エッチングを行なう。
【００５０】
これによって、ステンレス板２１に、開口端の径が１６０μｍ、中央部の径が１８０μｍの縦断面が略樽形状の透孔１４が形成される。
その後、エッチングレジスト２２を除去することにより、本実施例のメタルマスク１３が完成する。
【００５１】
尚、本実施例では、以下に述べる様に、配線基板６の基板側パッド９上に、高さ６０μｍの共晶半田からなる基板側半田バンプ８を半田ペースト印刷法で形成するので、基板側半田バンプ８は、製品１個当り１５００バンプ有り、また、半田印刷は製品９個に対して同時に行なうので、メタルマスク１３の透孔１４は１３５００穴開いている。
【００５２】
ｃ）次に、このメタルマスク１３を用いて行われる半田バンプを有する配線基板及びその製造方法について説明する。
半田ペーストとして、半田粒径１５〜３５μｍの共晶半田粒とフラックスとを有する半田ペーストを用いた。尚、フラックスとしては、還元力の弱い順に、Ｒ、ＲＭＡ、ＲＡの各タイプや、水溶性フラックスなど、どれでも使用できる。また、半田ペースト中のフラックスの含有量は体積で約半分である。
【００５３】
▲１▼まず、基板側半田バンプ８形成前の配線基板６は、図８（ａ）に示す様に、内部に導通部（図示せず）を有する樹脂積層基板である基材７の表面に、基板側パッド９とソルダーレジスト１１が設けられたものである。
ソルダーレジスト１１は、一般のフォトリソグラフィ技術により、基板側パッド９及びその周囲を除いた箇所に形成する。具体的には、ネガ型紫外線硬化のエポキシ樹脂接着剤を基材７の表面に印刷・乾燥し、ソルダーレジスト１１を形成したいところに紫外線を照射して、エポキシ樹脂を硬化させ、その後、炭酸ナトリウム溶液で不要部分の樹脂を溶解除去して、ソルダーレジスト１１を形成する。
【００５４】
▲２▼次に、図８（ｂ）に示す様に、ソルダーレジスト１１上にメタルマスク１３を載置する。このとき、ソルダーレジスト１１の各開口部１２とメタルマスク２３の各透孔１４とが一致する様にして載置する。
前記メタルマスク１３の厚みＴＭＭは４０μｍとごく薄くされており、開口端径ＤＭＭＯは、高さの低い基板側半田バンプ８を形成するために、１６０μｍと従来よりかなり小さく設定してある。
【００５５】
ここで、基板側パッド９の寸法、ソルダーレジスト１１の開口部１２の寸法、及びメタルマスク１３の透孔１４の寸法により規定される半田ペーストの充填量について説明する。
既に、前記図２にて説明した様に、ソルダーレジスト１１の開口部１２やメタルマスク１３の透孔１４等により形成される開口部分１６に充填される半田ペーストの体積ＶＳは、前記式（１）にて算出することができる。
【００５６】
また、前記図３にて説明した様に、半田バンプの体積Ｖは前記式（４）又は（４’）から算出することができる。さらに、前述したように、半田ペースト中の半田体積は約半分であるので、半田ペーストの体積ＶＳは半田バンプの体積Ｖの約２倍となる。
【００５７】
従って、この体積ＶＳとなる様に、与えられたソルダーレジスト１１の開口部１２及び基板側パッド９の寸法に応じて、メタルマスク１３の透孔１４の寸法（板厚、透孔径）を設定する。これによって体積ＶＳの半田ペーストを充填すれば、所望の体積及び高さの基板側半田バンプ８が得られる。
【００５８】
▲３▼次に、図８（ｃ）に示す様に、半田ペースト１７として、半田粒径１５〜３５μｍの共晶半田粒１７ａとフラックス１７ｂからなる半田ペースト１７を使用し、前記メタルマスク１３を用いてスキージ印刷を行う。これにより、前記開口部分１６に、所定の体積ＶＳに相当する半田ペースト１７が充填される。
【００５９】
▲４▼次に、図８（ｄ）に示す様に、メタルマスク１３を除去する。
▲５▼次に、図８（ｅ）に示す様に、この半田ペースト１７を充填した状態で、最高温度２１０℃の遠赤外線リフロー炉に入れて、共晶半田粒１７ａを溶融させ、その後冷却して基板側半田バンプ８を形成する。
【００６０】
▲６▼次に、図８（ｆ）に示す様に、フラックス１７ｂを除去し、表面に基板側半田バンプ８を備えた配線基板６を完成する。
尚、計算上の基板側パッド１個当りの基板側半田バンプの印刷体積は、約６．０×１０^−４ｍｍであり、高さ６２μｍの基板側半田バンプが形成される計算になる。
【００６１】
この様に、本実施例では、上述した構成により下記の効果を奏する。
（１）本実施例における実際の基板側半田バンプ８の高さは、平均６１μｍ、最小５０μｍ、最大７０μｍになり、バラツキが少なく、バンプ高さもほぼ計算通りである。これは、半田ペーストは粘性が高いため、メタルマスク１３の透孔１４の壁面に付着して転写されない分があり、若干の半田量が減少する。しかし、本例では、透孔１４が略樽形状でその中央部の径が大きくなっており、付着量が安定して透孔１４の開口端径を直径とする略円柱形状部分の半田ペーストが安定して転写されるためである。
【００６２】
従って、本実施例では、求める基板側半田バンプ８の高さによって、使用するメタルマスク１３の板厚、透孔径（開口端径）が精度良く計算で求められるので、手間のかかるマスク条件出しの必要がなく、製品開発、製造が容易になるという利点がある。
【００６３】
また、バンプ高さのバラツキが少ないので、フリップチップ１の接合性に優れている。
（２）従来の電鋳マスクでは、その透孔の壁面がマスク板面に対して垂直で本実施例の様に鋭角ではないため充填性が悪い。このため、本実施例のメタルマスク１３の様なパッド径、バンプ高さが小さい基板側半田バンプ８をバンプ高さのバラツキを小さくしつつ形成することはできない。また、その材質の強度不足のためにマスク板厚を薄くできない。また、従来のレーザー穴明けマスク（レーザーマスク）でも、透孔の壁面が荒れているため、また、上面の開口端径を比較的小さく設計する必要があるため、半田ペーストの充填性が悪い。このため、バンプ高さのバラツキを小さくしつつ、高さの小さい半田バンプを形成することができない。また、寸法精度不良となるため、マスク板厚を薄くすることができない。
【００６４】
一方、本実施例のようなエッチングマスクを用いれば、メタル板厚最小２５μｍ程度、透孔径を最小１４０μｍまで小さくできるため、より小さな基板側半田バンプ８の形成にも対応できる。例えば、ソルダーレジスト１１の開口径１６０μｍ、ソルダーレジスト１１の厚み２０μｍ、パッド径１２０μｍ、パッド厚み１５μｍとしたときに、半田バンプ高さ５０±８μｍの基板側半田バンプ８を形成することもできる。
【００６５】
（３）本実施例では、エッチングによりメタルマスク１３を形成できるため、レーザー穴空けマスクや電鋳マスクに比べて、マスクコストが低い。
（４）本実施例では、メタルマスク１３の材質として、ステンレス板を使用できるので、Ｎｉからなる電鋳マスクに比べてマスク寿命が長く、製造コストを低減できる。
【００６６】
（５）本実施例では、マスク製作の設備は、従来のエッチングマスクと全く同じであり、エッチング条件を変更するだけで良いので、量産が容易である。
＜実験例＞
次に、本実施例の効果を確認するために行った実験例について説明する。
【００６７】
本実験例では、前記実施例のメタルマスクを使用して半田バンプ（基板側半田バンプ）を形成し、その半田バンプ高さのバラツキを測定したものである。
（実験条件）
図９（ａ）、（ｂ）に示す様に、非ビア部パッド２１箇所とビア部パッド４箇所が配置され（合計２５箇所）、ソルダーレジスト開口径：２００μｍ、ソルダーレジスト厚み：２０μｍ、基板側パッド径：１４０μｍ、基板側パッド厚み（下地Ｃｕパッド厚さ）：１５μｍの構成を有する配線基板に対して、下記表１に示す様な本実施例のエッチングマスクを使用して、半田バンプを形成した。
【００６８】
ここで、ビア部パッドとは、半田バンプを形成するパッドが下層の配線層と接続するビアの役割をも兼ねて形成され、凹みを持つ表面を有するパッドを指す。この凹みの大きさは、絶縁層の厚さ等によって適宜決定されるが、本例では、深さ４０μｍ、直径７０μｍの略円柱形の凹部となっている。一方、非ビア部パッドとは、半田バンプを形成するパッドがビアの役割を兼ねないタイプのパッドであり、平坦な表面を有するパッドを指す。
【００６９】
また、比較例として、同じく電鋳マスク（板厚７０μｍ、開口径１８０μｍ）、レーザーマスク（板厚７０μｍ、上端開口径１６０μｍ、下端開口径１７０μｍ）を用いて、同様に半田バンプを形成した。尚、同じ種類のマスクを使用してそれぞれ３枚の配線基板に対して半田バンプを形成した。
【００７０】
そして、各パッド上に形成される半田バンプ高さを、下記▲１▼〜▲４▼の手順で測定した。
▲１▼「下地Ｃｕパッドの厚み」の測定
顕微鏡を用い、焦点をまず樹脂層表面で合わせる。次に、焦点をＣｕパッドの上部に合わせ、この間の顕微鏡鏡筒部の上下移動量から、下地Ｃｕパッド厚みを測定する。
【００７１】
▲２▼前記実施例の手法にて半田バンプを形成する。
▲３▼「下地Ｃｕパッドの厚み＋半田バンプ高さ」の測定
顕微鏡を用い、焦点をまず樹脂層表面で合わせる。次に、焦点を半田バンプの頂部に合わせ、この間の顕微鏡鏡筒部の上下移動量から、「下地Ｃｕパッドの厚み＋半田バンプ高さ」を測定する。
【００７２】
▲４▼「半田バンプ高さ」の計算
前記▲３▼「下地Ｃｕパッドの厚み＋半田バンプ高さ」−前記▲１▼「下地Ｃｕパッドの厚み」によって、半田バンプ高さを計算で求める。
その結果を、下記表１に記す。
【００７３】
【表１】

【００７４】
尚、前記表１において、計算バンプ高さは、メタルマスク等の寸法から算出される計算上のバンプ高さである。また、ＡＶＥは平均値を示し、ＳＤは標準偏差を示し、ＭＡＸは最大値を示し、ＭＩＮは最小値を示し、Ｒはレンジ（範囲）を示している。
【００７５】
この表１において、計算バンプ高さと実測したバンプ高さとの差が小さければ、計算によってマスクの透孔の寸法等を決定できることを示す。
本例のエッチングマスクでは、計算バンプ高さ６３μｍに対し、実測値は３枚の配線基板の各々の非ビア部とビア部の２５箇所のパッド（計７５箇所）を総合して、平均６１μｍとほぼ等しい値となった。即ち、本例でのエッチングマスクによれば、ほぼ計算通りの高さを有する半田バンプが得られることが判る。
【００７６】
一方、電鋳マスクでは、計算バンプ高さ９２μｍに対して実測平均で６４μｍと大きく食い違っている。従って、所望の高さのバンプを得るのに計算だけでなく、繰り返し試作してマスクの各寸法を決める条件出し作業が必要となる。
同様に、レーザーマスクでも、計算バンプ高さ８７μｍに対して実測平均で６７μｍと、電鋳マスクを用いた場合ほどではないにしろ、かなり食い違った値となった。従って、レーザーマスクでも条件出し作業が必要となる。
【００７７】
次いで、各バンプの高さのバラツキについて検討する。
非ビアパッド部上に形成した半田バンプ（各２１個×３）について見ると、本例のエッチングマスクは、平均６１μｍ、最大７０μｍ、最小５３μｍであり、バラツキは小さい（６１±９μｍ＝６１μｍ±１５％程度）。これは、本例のマスクが、転写性、充填性とも良好で、安定した量の半田ペーストを印刷できることを示している。
【００７８】
一方、電鋳マスクでは、平均６６μｍ、最大７７μｍ、最小５５μｍと、バラツキがやや大きくなっている（６６±１１μｍ＝６６μｍ±１７％程度）。これは、電鋳マスクの透孔側壁に付着する半田ペースト量が安定しないために、印刷される半田ペースト量も安定しないためと思われる。
【００７９】
また、レーザーマスクでは、平均６９μｍ、最大８２μｍ、最小４７μｍとバラツキがかなり大きい（６９±２２μｍ＝６９μｍ±３２％程度）。これは、レーザーマスクにおいては、上端開口径が小さいためあるいは開口の内壁が荒れているため充填性が悪く、十分に充填されない場合があるために、各々のバンプにおける半田量が安定しないためと考えられる。
【００８０】
更に、ビア部パッドに形成した半田バンプ（各４個×３）について検討する。
本例のエッチングマスクでは、平均６１μｍ、最大７０μｍ、最小５０μｍであり、やはりバラツキは小さい（６１±１１μｍ＝６１μｍ±１８％程度）。これは、本例のマスクによれば、透孔の側壁に付着する半田ペースト量が安定しているためである。
【００８１】
一方、電鋳マスクでは、平均５７μｍ、最大６７μｍ、最小４５μｍであり、バラツキはやや大きくなっている（５７±１２μｍ＝５７μｍ±２１％程度）。これは、透孔の側壁に付着する半田ペースト量が安定していないためと考えられる。
【００８２】
また、レーザーマスクでは、平均５７μｍ、最大７１μｍ、最小４０μｍであり、バラツキが大きい（５７±１７μｍ＝５７μｍ±３０％程度）。
更に、非ビア部パッドとビア部パッドとの間でバンプ高さを比較すると、本例のエッチングマスクでは、非ビア部、ビア部とも、平均６１μｍとバンプ高さに差が生じない。
【００８３】
これは、本例のマスクは、半田ペーストの充填性がよく、パッド凹部内まで十分に半田ペーストが充填されるため、凹部のあるビア部パッドと凹部のない非ビア部パッド間で、バンプ高さに違いを生じなかったためと考えられる。
このため、本例のマスクでは、非ビア部及びビア部の全てのパッド（各２５個×３）で統計をとっても、平均６１μｍ、最大７０μｍ、最小５０μｍであり、バラツキは小さい（６１±１１μｍ＝６１μｍ±１８％程度）
一方、電鋳マスクでは、非ビア部は平均６６μｍ、ビア部は平均５７μｍと高さが大きく異なっている。これは、電鋳マスクでは、半田ペーストの充填性が良くないために、パッド凹部内に半田ペーストを十分に充填できないため、結果として、この凹部のある分、半田バンプの高さが小さくなったものと考えられる。また、全てのパッドについて見ると、平均６４μｍ、最大７７μｍ、最小４５μｍと、さらにバラツキが大きくなる（６４±１９μｍ＝６４μｍ±３０％程度）。　また、レーザーマスクでは、非ビア部は平均６９μｍ、ビア部は平均５７μｍと、さらに差が大きくなっている。これは、レーザーマスクでは、半田ペーストの充填性が悪いために、パッド凹部内に半田ペーストを十分に充填できないため、その分、半田バンプの高さが小さくなったものと考えられる。さらに、全てのパッドで統計をとると、平均６７μｍ、最大８２μｍ、最小４０μｍと、非常にバラツキが大きい（６７±２７μｍ＝６７μｍ±４０％程度）。
【００８４】
このように、半田バンプの高さバラツキの大きい配線基板では、この半田バンプを介してフリップチップを接続する場合に、接続不良を生じる危険がある。
なお、充填性が悪いために、ビア部パッドにおいてパッド凹部内に半田ペーストが十分に充填されないまま、リフローして半田バンプを形成した場合、凹部内に閉じ込められた空気により、半田バンプ内にボイドが形成される場合がある。この場合には逆に、見掛けの半田バンプ高さが高くなったり、ボイド内の空気が外部に抜けてボイドがつぶれる時に、溶融した半田を吹き飛ばして不具合を生じる危険があり、この点からも充填性が悪いのは好ましくない。
【００８５】
このように、本例のエッチングマスクで形成した半田バンプは、計算（設計）通りの高さ（体積）を持つ。従って、何度もマスクを試作する条件出し作業は不要となる。また、充填性、転写性が良好であるので、一定量の半田ペーストを印刷でき、高さのバラツキの小さい半田バンプを形成できるので、フリップチップ等の電子部品との接続において、安定・確実に接続できる。
【００８６】
特に本例では、高さのバラツキやすい寸法の小さなバンプにおいて、高さバラツキを２０％以下に抑えることができる。
更に、本例のマスクは、同一高さの半田バンプとするのに、異なる量の半田（半田ペースト）を要するパッドが混在しているパッド群（例えば具体的にはビア部パッドと非ビア部パッドの両方）を持つ配線基板に適用するのが好ましい。充填性が良好なため、必要な量の半田ペーストを十分に充填でき、パッドの違いに拘らず、高さバラツキが小さい半田バンプを形成できるからである。
【００８７】
尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
【００８８】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１の半田バンプ形成用メタルマスクの発明では、パターン穴の縦断面形状が略樽形状であるので、充填性に優れるとともに、メタルマスクを剥す際の転写性に優れており、よって、精密に所望の印刷体積とすることができる。そのため、バンプ高さのバラツキを低減でき、例えばフリップチップの接合性が向上する。
【００８９】
また、求める半田バンプの高さに対して、使用するメタルマスクの板厚、透孔径が精度良く計算で求めることができるので、手間のかかるマスク条件出しの作業が不要となり、製品開発、製造が容易であり、コストも低減できる。
請求項２の半田バンプ形成用メタルマスクの発明では、メタルマスクのパターン穴は、メタルマスク用のメタル板をその両表面からエッチングして形成するので、従来のレーザー穴空けマスクや電鋳マスクと比べても、その製造が容易であり、コストも低減できる。
【００９０】
請求項３の半田バンプ形成用メタルマスクの発明では、メタルマスクの厚さが、２５〜５０μｍと薄いので、小さな半田バンプを形成する場合には、その体積及び高さのバラツキを抑制して、精密に半田バンプを形成することができる。
請求項４の半田バンプを有する配線基板の発明では、配線基板のパッドの径が１５０μｍ以下で、半田バンプの高さが平均値で７０μｍ以下と小さい場合でも、その高さのバラツキが平均値の±２０％の範囲内と少ないので、例えばフリップチップとの接合性が高くなる。
請求項５の半田バンプを有する配線基板の製造方法の発明では、前記請求項１〜３のメタルマスクを用いて、半田バンプを形成するので、小さな半田バンプを形成する場合にも、バンプ高さのバラツキを少なくすることができる。それによって、例えばフリップチップと接合性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のメタルマスクによる作用を説明する説明図である。
【図２】充填される半田ペーストの体積の設定方法を示す説明図である。
【図３】半田バンプの各部の寸法の関係を示す説明図である。
【図４】エッチングによりメタルマスクを形成する手順を示す説明図である。
【図５】実施例にかかるフリップチップを示し、（ａ）はその平面図、（ｂ）は素子側半田バンプ近傍を拡大して示す断面図である。
【図６】実施例にかかる配線基板を示し、（ａ）はその平面図、（ｂ）は基板側半田バンプ近傍を拡大して示す断面図である。
【図７】実施例にかかるメタルマスクをエッチングにより形成する手順を示す説明図である。
【図８】実施例にかかる基板側半田バンプの形成方法を示す説明図である。
す断面図である。
【図９】実験例にかかり、（ａ）は半田バンプ形成前の配線基板を示す平面図、（ｂ）は半田バンプ及びその近傍を示す断面図である。
【図１０】従来技術を示す説明図である。
【図１１】従来技術を示す説明図である。
【符号の説明】
１…フリップチップ（集積回路チップ，半導体素子）
２…基材
３…素子側半田バンプ
４…素子側パッド
６…配線基板（フリップチップ搭載用配線基板）
８…基板側半田バンプ
９…基板側パッド

Claims

半田バンプを形成するために、配線基板に対して半田ペーストを印刷する際に用いられるメタルマスクにおいて、
前記形成する半田バンプに対応したパターン穴の縦断面形状が、開口端の径より中央部の径が大きい略樽形状であることを特徴とする半田バンプ形成用メタルマスク。
前記メタルマスクのパターン穴は、該メタルマスク用のメタル板をその両表面からエッチングして形成されてなることを特徴とする前記請求項１に記載の半田バンプ形成用メタルマスク。
前記メタルマスクの厚さが、２５〜５０μｍであることを特徴とする前記請求項１又は２に記載の半田バンプ形成用メタルマスク。
配線基板のパッドの径が１５０μｍ以下で、かつ該パッド上に形成された半田バンプの高さが平均値で７０μｍ以下で、その高さのバラツキが該平均値の±２０％の範囲内であることを特徴とする半田バンプを有する配線基板。
電子部品との接続用の半田バンプを有する配線基板の製造方法において、
前記請求項１〜３のいずれかに記載のメタルマスクを用いて、半田ペーストを配線基板のパッド上に印刷し、加熱して半田を溶融することにより、前記半田バンプを形成することを特徴とする半田バンプを有する配線基板の製造方法。