JP2005230830A - はんだ付け方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 品質の良好なはんだ付けを行う。
【解決手段】 錫単独または、錫と銀、鉛、銅、ビスマス、インジウム、亜鉛の１つまたは２つ以上の成分とを含む固体状のはんだを有する被処理物が配置された真空室を、真空状態に減圧させ、遊離基ガスを発生させて前記はんだの酸化膜を除去した後、前記遊離基ガスの発生を中止して、無酸化雰囲気で前記はんだをはんだの融点以上の温度にしてはんだを溶融する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、はんだ付け方法に関する。

シリコンウエハーまたはチップまたは基板上に、電気的接続を容易にするために、半球状のはんだであるはんだバンプを形成することがある。このはんだバンプの形成法として、例えば、特許文献１に開示されたものがある。

この特許文献１の技術は、はんだ付けに際して、フラックスを不要とするものである。この技術では、真空室内にはんだ付けされる基板を配置し、この基板上の所定の位置にはんだバンプを配置し、真空室を真空状態まで減圧し、その後に真空室に遊離基ガスとして水素ラジカルを供給しながら、はんだの溶融温度に真空室の温度を上昇させて、はんだを溶融し、その後に冷却する。従って、はんだが溶融している状態で、水素ラジカルの供給が行われている。

特開２００１−５８２５９号公報

しかし、この技術によってはんだ付けを行うと、ボイドが抜けずにバンプが膨張したり、ボイドがぬけて破裂したりすることが判っている。破裂は、はんだが溶融以上の温度に加熱されて液相状態になっていても、水素ラジカルの供給が継続されることによって、酸化膜が除去されると同時に液相状態のはんだからボイドが抜けることによって生じる。また、膨張は、溶融状態のはんだ内に水素ガスがトラップされることによって生じると考えられる。

本発明は、品質のよいはんだ付け方法を提供することを目的とする。

本発明によるはんだ付け方法は、固体状のはんだを有する被処理物が配置された真空室を真空状態に減圧させ、遊離基ガスを発生させ、はんだの酸化膜を除去した後、遊離基ガスの発生を中止して、無酸化雰囲気ではんだをはんだの融点以上の温度にしてはんだを溶融するものである。はんだとしては、錫単独または、錫と銀、鉛、銅、ビスマス、インジウム、亜鉛の１つまたは２つ以上の成分とを含むものを使用する。遊離基ガスとしては、例えば水素ラジカルを使用することができるが、この他に種々のものを使用することができる。

はんだは、その表面に酸化膜を有することが多いが、はんだの融点以下の温度でも、遊離基ガスにはんだを晒すことによって、酸化膜を除去することができる。従って、酸化膜を除去した後に、遊離基ガスの供給を中止した状態で、はんだの温度をはんだの融点以上の温度とすると、既に酸化膜が除去されているので、はんだが溶融温度以上の温度になっても、破裂のトリガが存在せず、破裂が生じにくい。また、溶融状態にはんだがなっても、遊離基ガスの供給が中止されているので、溶融状態のはんだにガスがトラップされることもない。

なお、被処理物に対するはんだの固定は、残渣が残らないフラックスまたは接着剤、例えばアルコールまたは有機酸を主成分とするものを使用することもできるし、或いは、基板に窪みを形成し、この窪みにはんだを配置することによってフラックスや接着剤を用いないではんだを固定することもできる。

以上のように、本発明によれば、品質の良好なはんだ付けを行うことができる。

本発明の１実施形態のはんだ付け方法に使用するはんだ付け装置は、図１に示すように、真空室２を有している。真空室２は、例えばチャンバー４を有し、チャンバー４は、下部室４ａと上部室４ｂとからなる。下部室４ａは、上縁に開口を有する箱形のもので、その開口を被蓋可能に上部室４ｂが、例えば蝶番によって結合されている。なお、下部室４ａを上部室４ｂが被蓋している状態では、両者の内部は気密状態となる。下部室４ａの底部には、排気手段、例えば真空ポンプ６が取り付けられている。被蓋状態において、真空ポンプ６を作動させることによって、真空室２の内部を真空状態とすることができる。なお、真空ポンプ６は、その排気速度を制御することができるものである。

この真空室２の内部、例えば下部室４ｂ側には、加熱手段、例えば加熱装置８が設けられている。この加熱装置８は、被処理物、例えばはんだバンプを形成するシリコンウエハー１０を、表面側で支持可能な平板状の支持台１２を有している。この支持台１２は、熱容量が小さい材質、例えばセラミックまたはカーボン製であり、その内部にヒーター１４が埋設されている。なお、ヒーター１４に代えて赤外線加熱を使用することもできる。

なお、このヒーター１４の加熱用電源は、真空室２の外部に設けられており、ヒーター１４の導線は、真空室２の気密状態を保ったまま、外部に導出され、加熱用電源に接続されている。

図示していないが、支持台１２の裏面全面に接触可能な大きさの冷却装置が、真空室２内に、支持台１２の裏面側に接触及び非接触可能に設けられている。この冷却装置は、流体、例えば水によって支持台１２を冷却するものである。

ヒーター１４が通電され、被処理物１０を加熱している間には、冷却装置は、支持台１２と非接触であるが、ヒーター１４への通電が絶たれたとき、支持台１２の裏面に接触して、支持台１２を冷却する。支持台１２が熱容量の小さいものであるので、急速な加熱が行え、かつ急速な冷却が可能である。

チャンバー４の上部室４ｂには、遊離基ガス発生手段、例えば水素ラジカル発生装置１６が設けられている。この水素ラジカル発生装置１６は、プラズマ発生手段によって、水素ガスをプラズマ化して、水素ラジカルを発生させるものである。この水素ラジカル発生装置１６は、マイクロ波発生器１８を上部室４ｂの外部に有し、これにおいて発振されたマイクロ波を伝送する導波管２０を、上部室４ｂの上壁上に有している。この導波管２０は、マイクロ波導入窓２２を有している。このマイクロ波導入窓２２は、支持台１２と対面するように、かつ支持台１２の全面を覆う形状に形成されている。従って、マイクロ波は、図１に矢印で示すように、支持台１２の全面を覆う広い領域にわたって、上部室４ｂ内に侵入する。

この導入窓２２の近傍において、水素ガス供給管２４が、上部室４ｂ内に設けられている。この水素ガス供給管２４は、真空室４の外部に設けられた水素ガス源２５から水素ガスを上部室４ｂ内に供給するためのものである。水素ガス源２５は、チャンバー４内への供給量を制御可能なものである。この供給された水素ガスが、マイクロ波導入窓２２を介して導入されたマイクロ波によってプラズマ化されて、水素ラジカルを発生する。この水素ラジカルは、上部室４ｂの内部にイオンのような不要な荷電粒子を捕集するために設けられた金網２６を通って、被処理物１０の全域に向かう。なお、水素ガス供給管２４は、複数本、設置することができる。

水素ガス源２５、真空ポンプ６を制御するために制御装置２８が設けられている。この制御装置２８における制御に利用するために、チャンバー４には圧力計２７が設けられている。

このはんだ付け装置を用いた本発明の１実施形態のはんだ付け方法は、例えば次のように行われる。先ず、上部室４ｂを開いて、既に形成してあるシリコンウエハーまたはプリント配線基板を、被処理物１０として、支持台１２上に配置する。その被処理物１０の上に、はんだバンプの元となる複数個のはんだ層またははんだボールを間隔をおいて配置する。はんだとしては、錫単独、または錫と銀、鉛、銅、ビスマス、インジウム、亜鉛の１つまたは２つ以上の成分とを含む固体状のものを使用する。はんだ層または半田ボールは、直接に被処理物１０の上に配置される。例えば、半田ボール１３を使用する場合、図３に示すように、被処理物１０の上面に窪み１５を形成し、この窪み１５内に半田ボール１３を配置することによって、半田ボール１３を固定する。

その後に、上部室４ｂを閉じ、真空ポンプ６を作動させて、チャンバー４内を、例えば図２に示すように、約０．０１Ｔｏｒｒ（約１．３３Ｐａ）まで排気し、チャンバー４内を真空状態とする。水素ガスをチャンバー４内に供給する。このときのチャンバー４内の圧力は、例えば約０．１乃至１Ｔｏｒｒ（約１３．３Ｐａ乃至１３３．３Ｐａ）である。

チャンバー４内の圧力が上記の圧力になると、ヒーター１４に通電し、被処理物１０を加熱し、はんだの融点よりも低い温度、例えば摂氏約１５０度まで加熱し、この状態を維持する。この温度の状態において、マイクロ波発生器１８を作動させて、チャンバー４内に水素ラジカルを発生させる。この水素ラジカルの発生状態を例えば約１分継続する。これによって、融点よりも低い温度において、はんだに付属する酸化膜が水素ラジカルによって還元されて除去される。

その後、マイクロ波発生器１８を停止させ、水素ラジカルの発生を中止し、チャンバー４内は真空ポンプ６によって約０．０１Ｔｏｒｒ（約１．３３Ｐａ）まで真空引きされ、その後に図示しない窒素ガス源から窒素ガスが供給され、チャンバー４内の圧力は、例えば約０．１乃至１Ｔｏｒｒ（約１３．３Ｐａ乃至１３３．３Ｐａ）に戻される。そして、ヒーター１４への通電量を増加し、被処理物１０の温度をはんだの融点以上の温度とする。これによって、被処理物１０上のはんだが溶融し、はんだバンプが形成される。はんだが溶融し、はんだバンプが形成されると、ヒーター１４への通電が絶たれ、冷却装置が支持台１２に接触し、被処理物１０の冷却が行われる。この冷却も急速に行われ、例えば約１分で室温に戻される。なお、冷却の開始とほぼ同時に、大気圧とされる。なお、真空ポンプ６、水素ガス供給源２５及び窒素ガス供給源の制御は、チャンバー４に設けた圧力計２７からの圧力信号に基づいて、制御部２８が行っている。

このように、還元力の強い遊離基ガス、例えば水素ラジカルを被処理物１０に供給しているので、フラックスを使用しないでも、はんだ酸化物を還元することができる。しかも、はんだの融点よりも低い温度状態で、水素ラジカルを被処理物１０に供給しているので、はんだが溶融する前に酸化膜を除去できる。酸化膜を除去した後に、窒素ガスを導入した無酸化雰囲気ではんだを溶融し、冷却しているので、水素ガスが溶融状態のはんだにトラップされることがなく、仮にはんだ内のボイドが発生したとしても、酸化膜は既に除去されているので、酸化膜の除去がトリガとなってバンプが破裂することもない。

例えば、はんだボールとして直径が４００μｍのＳｎ−３７Ｐｂ（融点摂氏１８３度）とＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ（融点摂氏２２０度）のものを使用して、室温、摂氏５０度、摂氏１００度、摂氏１５０度の状態で、遊離基ガスの供給をかつ６０秒間にわたって行い、その後融点以上の温度である２２５度まで加熱する実験を行った。この結果形成されたはんだバンプを、走査電子顕微鏡及びＸ線透過によって観察したが、いずれにおいてもボイドは発生していなかった。また、このようにして製造したはんだバンプの剪断強度は、Ｓｎ−３７Ｐｂで３．２乃至４．８Ｎであり、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕで３乃至５．５Ｎの範囲にあり、充分な接合強度が得られた。

上記の実施の形態では、被処理物へのはんだの固定は、被処理物に窪みを形成し、これにはんだを配置したが、残渣が残らないフラックスまたは接着剤、例えばアルコールまたは有機酸を主成分とするフラックスまたは接着剤を使用して、はんだを被処理物に固定することもできる。

また、上記の実施の形態では、被処理物の上にはんだバンプを形成したが、上記の実施の形態によってシリコンウエハーまたはプリント配線基板の電極パッド上に形成したはんだバンプに、さらに、別のシリコンウエハーまたはプリント配線基板の電極を接触させ、チャンバー４を真空状態として、はんだの融点以上の温度で遊離基ガスを発生させ、はんだを溶融し、その後に冷却して、２つのシリコンウエハーまたは２つのプリント配線基板のはんだ付けを行うことも可能である。このはんだ付け処理では、フラックスも接着剤も使用していない。なお、チャンバー４を真空状態に減圧した後、はんだの融点以下の温度で遊離基ガスを発生して、はんだを溶融させても良い。

また、上記の実施の形態によってはんだバンプを形成したシリコンウエハーまたはプリント配線基板を２つ準備し、これらのはんだバンプを接触させた状態でチャンバー内に配置し、チャンバー４を真空状態に減圧し、はんだの融点以上の温度で遊離基ガスを発生し、接触しているはんだをそれぞれ溶融させて、その後に冷却して、はんだ付けを行うことも可能である。なお、チャンバー４を真空状態に減圧した後、はんだの融点以下の温度で遊離基ガスを発生して、はんだを溶融させても良い。

また、上記の実施の形態によって電極パッド上にはんだバンプを形成したシリコンウエハーまたはプリント配線基板と、上記の実施の形態によって電極パッド上にはんだメッキを形成したシリコンウエハーまたはプリント配線基板とを準備し、これらのはんだバンプとはんだメッキとを接触させた状態でチャンバー内に配置し、チャンバー４を真空状態に減圧し、はんだの融点以上の温度で遊離基ガスを発生し、接触しているはんだをそれぞれ溶融させて、その後に冷却して、はんだ付けを行うことも可能である。なお、チャンバー４を真空状態に減圧した後、はんだの融点以下の温度で遊離基ガスを発生して、はんだを溶融させても良い。

また、上記の実施の形態によって電極パッド上にはんだバンプを形成したシリコンウエハーまたはプリント配線基板を１つ準備し、シリコンウエハーまたはプリント配線基板の電極パッド上にソルダーペーストを塗布したものをもう１つ準備し、はんだバンプとソルダーペーストとを接触させた状態でチャンバー内に配置し、チャンバー４を真空状態に減圧し、はんだの融点以上の温度で遊離基ガスを発生し、接触しているはんだバンプとソルダーペーストをそれぞれ溶融させて、その後に冷却して、はんだ付けを行うことも可能である。なお、チャンバー４を真空状態に減圧した後、はんだの融点以下の温度で遊離基ガスを発生して、はんだを溶融させても良い。

上記の実施の形態では、はんだとしてＳｎ−３７Ｐｂ、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕを示したが、これらに限ったものではなく、例えば錫単独または、錫と銀、鉛、銅、ビスマス、インジウム、亜鉛の１つまたは２つ以上の成分とを含むものを使用することができ、固体状であればはんだボールに限らず、はんだメッキ等でも可能である。また、はんだ付け装置のチャンバー１４は、被処理物をチャンバー１４内に送り込む入口と、チャンバー１４から被処理物を送り出す出口とを設け、これら入口及び出口に半真空部分を設け、被処理物を連続処理可能とすることもできる。

本発明の１実施形態のはんだ付け方法に使用する装置の概略図である。 上記はんだ付け方法のおける図１の装置に温度及び圧力の変化状態を示す概略図である。 図１の装置における被処理物へのはんだボールの固定の過程を示す斜視図である。

符号の説明

２ 真空室
１０ 被処理物
１６ 遊離基ガス発生装置

Claims (3)

1. 錫単独または、錫と銀、鉛、銅、ビスマス、インジウム、亜鉛の１つまたは２つ以上の成分とを含む固体状のはんだを有する被処理物が配置された真空室を、真空状態に減圧させ、
   その後、遊離基ガスを発生させて前記はんだの酸化膜を除去した後、
   前記遊離基ガスの発生を中止して、無酸化雰囲気で前記はんだをはんだの融点以上の温度にしてはんだを溶融する
   はんだ付け方法。
2. 請求項１記載のはんだ付け方法において、前記被処理物に対して前記はんだが固定され、この固定は、前記被処理物に窪みを形成し、この窪みに前記はんだを配置したものであるはんだ付け方法。
3. 請求項１記載のはんだ付け方法において、前記被処理物に対して前記はんだが固定され、この固定はアルコールまたは有機酸を主成分とするフラックスまたは接着剤を介して行われているはんだ付け方法。

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