JP2006344624A

JP2006344624A - 電子部品の製造方法

Info

Publication number: JP2006344624A
Application number: JP2005166518A
Authority: JP
Inventors: Motoki Wakano; 基樹若野; Nobuhiko Chiwata; 伸彦千綿; Masaru Fujiyoshi; 優藤吉
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2005-06-07
Filing date: 2005-06-07
Publication date: 2006-12-21

Abstract

【課題】Ｃｕコアはんだボールを使用して電子部品の接続端子となる電極を製造する上で、相手方となる別の基板等との接続強度の不足や接続信頼性不足の原因の一つとなる電極内部のＣｕボールの存在位置を、電極パッドの中央に容易に配置可能な製造方法を提供する。
【解決手段】Ｓｎを主成分とし２００〜２５０℃の融点を有するはんだめっき層を有し、コアとなるＣｕボールの体積Ｖ_Ｃに対するはんだめっき層の体積Ｖ_Ｓの比が、式０．０５≦Ｖ_Ｓ／Ｖ_Ｃ≦０．５の値を満たす、直径が０．０１ｍｍ〜１ｍｍのＣｕコアはんだボールを、コアとなるＣｕボールの直径Ｄ_Ｃに対する電極パッドの直径Ｄ_Ｐの比が０．５≦Ｄ_Ｐ／Ｄ_Ｃ≦１．０の値を満たす電極パッドに配置し、ついで加熱接合して接続端子となる電極を形成する電子部品の製造方法である。
【選択図】図１

Description

本発明はＣｕコアはんだボールを使用した接続強度の高い電子部品の製造方法に関する。

電子情報機器の発達ならびに高度なネットワークの整備による情報受発手段の飛躍的な向上に伴い、半導体チップの実装形態は直径φ７６０−φ３００μｍのはんだボールを接続材料としたＢＧＡ（ＢａｌｌＧｒｉｄＡｌｌｅｙ）が主流になりつつある。

今後、更なる高密度化・高速化・高性能化が要求されるにつれて、従来のはんだボールでは対応できない事が明らかになってきている。その理由の一つは、はんだボールにはＩ／Ｏ端子の増加に伴う電極の狭ピッチ化で、隣接するはんだボールの間隔が非常に狭いものとなり、わずかな変形でも互いに接触し、短絡するおそれがあることである。また、別の理由としては、従来のはんだボールによる接続部では、熱伝導が不足し、半導体チップが過熱したときに、接続部からの放熱性を確保しにくいことや、従来のはんだボールによる接続部では電気抵抗が十分低いとはいえず、高速化に伴う高周波対応が難しいことである。

そこで、ＢＧＡ用はんだボールとして、Ｃｕボールの表面にはんだ層を形成したＣｕコアはんだボールが開発されている。Ｃｕコアはんだボールは、構造上はんだボールのコアがＣｕであることから、はんだのみの接続部に比べ、電気伝導性並びに熱伝導性が良く、従来の問題点を解決できるものとして期待されている。
また、このＣｕコアはんだボールは、熱によりはんだ層が軟化あるいは溶融したとしてもコアとなるＣｕボールは変形しないため、基板とチップ間のスペーサーの役目を果たし、従来のはんだボールの場合における基板とチップ間の位置を正確に保つことができ、微少な位置ずれが問題となる精密接合部の形成にとって有効と考えられている。
また、通常のはんだと比較するとコアとなるＣｕボールは硬く、つぶれ難いという効果のため、高機能パッケージや３次元実装といった精密接合が必要なパッケージにも適すると考えられている。

基板とチップを接続するためのＣｕコアはんだボールを利用した接続端子のさらなる改良技術として、特許文献１では、コアとなるＣｕボールの表面に白金層を形成し、該白金層を被覆するはんだ層を形成したＣｕコアはんだボールを接続部材として用いることが開示されている。この特許文献１によれば、これにより基板とチップとの接合強度が優れたものとなるとされている。
特開平１１−１０３１５６号公報

Ｃｕコアはんだボールを用いて接続を行なう際、典型的には基板上に電極パッドをＣｕ層、Ｎｉめっき、Ａｕめっきの順で形成し、フラックスを乗せた後、その上にＣｕコアはんだボールを搭載して２００〜２５０℃でリフローすることにより接続端子となる電極（バンプ）を形成する。このとき接続端子が電極パッド中央に形成されたとしても、コアとなるＣｕボールがその接続端子の中心部からずれた状態で、すなわちＣｕボールが電極パッドの中央部から偏った状態で、固定されてしまう場合があった。

電極パッド中心部に形成した接続端子なる電極と、相手方となる別の基板等の電極パッドとを接続する際に、接続端子中のＣｕボールの位置に偏りが生じると、Ｃｕボール表面に形成された金属間化合物の影響ではんだの濡れ上がりにばらつきが発生したり、Ｃｕボールの表面に存在するはんだ層厚みの位置的な偏りから温度サイクルの際に生じる応力が一カ所に集中したりする原因となる。これらは、最終的には接続端子部分の接続強度の不足や接続信頼性の不足となって現れる。

本発明の目的は、上記課題に鑑み、Ｃｕコアはんだボールを使用して電子部品の接続端子となる電極を製造する上で、相手方となる別の基板等との接続強度の不足や接続信頼性不足の原因の一つとなる電極内部のＣｕボールの存在位置を、電極パッドの中央に容易に配置可能な製造方法を提供することである。

本発明者は、接続端子内部のＣｕボールの位置ずれ抑制について、電極パッド、コアとなるＣｕボール、Ｃｕボール表面に形成するはんだめっき層との最適な関係を追求し、本発明に想到した。
すなわち、本発明は、Ｓｎを主成分とし２００〜２５０℃の融点を有するはんだめっき層を有し、コアとなるＣｕボールの体積Ｖ_Ｃに対するはんだめっき層の体積Ｖ_Ｓの比が、式０．０５≦Ｖ_Ｓ／Ｖ_Ｃ≦０．５の値を満たす、直径が０．０１ｍｍ〜１ｍｍのＣｕコアはんだボールを、コアとなるＣｕボールの直径Ｄ_Ｃに対する電極パッドの直径Ｄ_Ｐの比が０．５≦Ｄ_Ｐ／Ｄ_Ｃ≦１．０の値を満たす電極パッドに配置し、ついで加熱接合して接続端子となる電極を形成する電子部品の製造方法である。

本発明によれば、接続端子となる電極内部のＣｕボールの位置を電極パッドの中央に容易に配置可能となるため、通常のＢＧＡ実装に限らず、三次元実装用途を含む微少な位置ずれが問題となる精密接合部の形成にとっても欠くことのできない技術となる。

上述したとおり、電子部品の高性能化および高集積化に伴い電極の狭ピッチ化が進み、電極パット径Ｄ_ｐは１ｍｍ以下のサイズが通常使用されている。これに伴い、Ｃｕコアはんだボールも１ｍｍ以下の径とすることが求められている。また、接続端子の役割を担うために最低限の体積を有する必要がある。
そこで、本発明においては、０．０１ｍｍ〜１ｍｍの径を有するＣｕコアはんだボールの使用を前提として検討した。Ｃｕコアはんだボールは、別の基板等との接続端子となる電極を形成するためのものであるが、コアとなるＣｕボール部分は、実質的に溶解しないものである。したがって、電極形成のための加熱接合時では、電極パッドという台座に不安定に乗っている球体と同様である。そのため、電極パッドに対して、コアとなるＣｕボールが大きいほど不安定になる。、そこで、Ｃｕボールの直径Ｄ_ｃを電極パッド径Ｄ_Ｐの２倍以下に制限した。（０．５≦Ｄ_ｐ／Ｄ_ｃ）

本発明者は、このようにして調整したＣｕコアはんだボールにより、安定した接続が可能と考えていたのであるが、実際には、コアとなるＣｕボールの大きさを制限したにも係わらず、加熱接合後、電極パッド中心部からコアとなるＣｕボールがずれてしまう現象が散見された。
そこで、さらに検討を進めた結果、単純に電極パッドに対して、Ｃｕボールを小さくすればよいのではなく、Ｃｕボールの直径Ｄ_Ｃに対する電極パッドの直径Ｄ_Ｐの比が０．５≦Ｄ_Ｐ／Ｄ_Ｃ≦１．０という適正値があることを見出し、さらに、コアとなるＣｕボールの径だけでなくＣｕボールの体積とＣｕボールに形成するめっきの体積の関係Ｖ_ｓ／Ｖ_ｃを最適な範囲である０．０５≦Ｖ_Ｓ／Ｖ_Ｃ≦０．５に規制する事で、加熱接合後安定してＣｕボールを電極パッド中心に位置させることができたものである。
なお、本発明においては、はんだめっき層としては、Ｓｎを主成分とし２００〜２５０℃の融点を有するはんだめっき層を適用する。これは、通常、電子部品に対して使用されているはんだである。なお、Ｓｎを主成分として、Ａｇ或いはＣｕもしくはこれらの両方を添加した、実質的に鉛を含まない、はんだ層とすることが環境影響の点から好ましい。

以下、本発明を図面に基づいて説明する。図１は、本発明により得られるＢＧＡタイプの電子部品の接続端子部の一例を示す断面図である。
図１においては、コアとなるＣｕボール２ははんだ層１１で覆われ、基板８に形成された電極パッド９の中央に配置され、接続端子となる電極１２を形成しているものである。なお図１において電極パッドの周囲はソルダーレジスト１０で覆われているものである。
次に、図１の電子部品を得るための工程を図２及び図３を用いて説明する。
図２は、本発明に使用するＣｕコアはんだボール１の一例を示す断面図であり、コアとなるＣｕボール２と、はんだめっき層３で構成されている。

図２に示すＣｕコアはんだボールを、基板８の電極パッド９に配置する。基板８の電極パッド９としては、図３に示すように、Ｃｕ層７上にＮｉめっき層６、Ａｕめっき層５の順で配置したものを用いることができる。これらは無電解めっきにより形成することができる。また、図３に示すようにＣｕコアはんだボールの固定するにはフラックス４を用いることができる。
図３のように配置した後、加熱して、電極パッド９上に接続端子となる電極１２を形成する。そうすると理想的には図１に示す電極が得られる。一方、Ｃｕボールが中央からずれた好ましくない形態を図示すると、図４のようになる。

上述した図２〜３に示す工程に従って、図１に示す電極１２の形成を試みた。
ここで、はんだめっき層３としては、共晶組成である融点が２２１℃のＳｎ−３．５ｍａｓｓ％Ａｇ、Ｃｕボールとしては、純度９９．９９％以上のＣｕを用いた。また、基板はＦＲ−４基板とし、ソルダーレジスト１０を配置して、Ｃｕ層７は５０μｍ、その上にＮｉめっき層６は５μｍ、Ａｕめっき層５は０．０５μｍの電極パッド９をそれぞれ無電解めっきによって形成した。また、加熱接合のためのリフロー温度は、最高温度を２４０±５℃とした。
本実施例及び比較例では、基板上に１００点の電極１２を形成し、形成した電極の中からランダムに選んだ１０点のバンプ中におけるパッド中央に対するＣｕボールの位置ずれ距離を測定した。測定は、図４に示すように電極パッドの中心位置に対するＣｕボールの位置ずれ量を求めるものである。

本実施例及び比較例で検討したＣｕコアはんだボールの諸条件並びに電極バッド径と、測定されたＣｕボール位置ずれ量を表１に纏めて示す。
表１に示す通り、０．５≦Ｄ_Ｐ／Ｄ_Ｃ≦１．０の範囲においてＶ_Ｓ／Ｖ_Ｃ≦０．５という要件を全て満足したときに初めて、Ｃｕボールがパッド中央付近に位置する形態となることが確認された。
なお、表１には記載していないが、はんだめっき層３をＶ_Ｓ／Ｖ_Ｃが０．０５未満という薄いレベルのものとした場合は、接合の作用を担うはんだ量が少なく不適と判断した。

本発明のＢＧＡタイプの電子部品の接続端子部の一例を示す断面図。本発明に使用するＣｕコアはんだボールの一例を示す断面図。Ｃｕコアはんだボールを電極パッド上に配置した状態の一例を示す図Ｃｕボール位置ずれを説明する図。

符号の説明

１Ｃｕコアはんだボール
２Ｃｕボール
３はんだめっき層
４フラックス
５Ａｕめっき層
６Ｎｉめっき層
７Ｃｕ層
８基板
９電極パッド
１０ソルダーレジスト
１１はんだ層
１２電極

Claims

Ｓｎを主成分とし２００〜２５０℃の融点を有するはんだめっき層を有し、コアとなるＣｕボールの体積Ｖ_Ｃに対するはんだめっき層の体積Ｖ_Ｓの比が、式０．０５≦Ｖ_Ｓ／Ｖ_Ｃ≦０．５の値を満たす、直径が０．０１ｍｍ〜１ｍｍのＣｕコアはんだボールを、コアとなるＣｕボールの直径Ｄ_Ｃに対する電極パッドの直径Ｄ_Ｐの比が０．５≦Ｄ_Ｐ／Ｄ_Ｃ≦１．０の値を満たす電極パッドに配置し、ついで加熱接合して接続端子となる電極を形成することを特徴とする電子部品の製造方法。