JP2008117927A - バンプ電極の形成方法、その方法により形成されたバンプ電極および電子回路基板 - Google Patents

Abstract

【課題】微細で、高さが高く、導電性に優れたバンプ電極およびその形成方法を提供する。
【解決手段】基板上に導電性ペーストをスクリーン印刷してバンプを形成するバンプ電極の形成方法であって、導電性ペーストは、０．３μｍ〜１．３μｍの間に２つのピークを有する粒度分布である銅粉末と、有機ビヒクルと、ガラス粉末と、リン酸エステル系分散剤とを含むことを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、ＩＣ、ＬＳＩなどを実装する基板のバンプ電極の形成方法に関する。また、その方法により形成されたバンプ電極と、バンプ電極を備える電子回路基板に関する。

ＩＣ、ＬＳＩなどのチップの実装は、一方の基板上に設けられた電極パッドと他方の基板上の電極パッドとをハンダ付することにより行なわれるが、電極パッド同士を直接ハンダ付すると、基板間が狭くなり、基板間にフラックスやハンダ屑などの汚物が滞留し、品質および信頼性が低下するため、ハンダ付用の突起であるバンプが配置される。

基板上に形成するバンプは、基板間の電気的接続を保証するため、均一な高さに揃える必要があり、高さのバラツキが少なく、安価なバンプの形成方法として、たとえば、導電性の金属粉に、非導電性のガラス粉末を混入させたバンプ形成用のペーストと製版部材を用いて、基板上に印刷してバンプを形成する方法が紹介されている（特許文献１参照）。しかし、近年、電子回路基板および電子部品が小型化するにつれて、微細で、高さの高いバンプが求められるようになっており、有機成分以外の固形分である金属粉とガラス粉末により、微細で高さの高いバンプ電極を形成することは困難である。

また、バンプ電極を有する基板をマザーボードに実装する際、基板間隔を一定に保ち、高密度なバンプ電極による接続が可能な方法として、たとえば、ハンダより融点の高い金属からなる導体ペーストをスクリーン印刷し、焼成してコア電極を形成した後、コア電極の表面に、ハンダメッキ層を形成する方法が紹介されている（特許文献２参照）。この方法で形成したバンプ電極は、実装時の加熱温度（ハンダ溶融温度）では溶融しないコア電極を有するため、実装時にコア電極がスペーサの役割を果たし、両基板を一定間隔に保つことができる。また、基板の接合に寄与するハンダは、コア電極の表面に設けられた少量のものであるため、ショートなどの問題が起きにくく、高密度な接続が可能であると記載されている。

また、コア電極は、高さが５０μｍ〜５００μｍ、底面の直径が１００μｍ〜１０００μｍ、底面の直径に対する高さのアスペクトが比０．２５〜１．０で、断面を台形状とすることにより、実装時にコア電極がスペーサとして十分な強度を発揮するとある。しかし、コア電極の断面を台形状にすると、コア電極の中心部に窪みが生じ、接合する際に泡を噛み、ハンダ爆ぜが発生しやすい。
特公平３−４５９００号公報 特許第３３５４２２１号明細書

本発明の課題は、微細で、高さが高く、導電性に優れたバンプ電極およびその形成方法を提供することにある。また、実装密度の高い電子回路基板を提供することにある。

基板上に導電性ペーストをスクリーン印刷してバンプを形成するバンプ電極の形成方法であって、導電性ペーストは、０．３μｍ〜１．３μｍの間に２つのピークを有する粒度分布である銅粉末と、有機ビヒクルと、ガラス粉末と、リン酸エステル系分散剤とを含むことを特徴とする。銅粉末は、０．３μｍ〜０．６μｍの間に１つのピークを有する粒度分布である銅粉末と、０．９μｍ〜１．３μｍの間に１つのピークを有する粒度分布である銅粉末との混合物である態様が好ましい。ガラス粉末としては、軟化点の差が５０℃以上であるガラス粉末の混合物が好適である。このような方法により形成されたバンプ電極は、高さが３０μｍ以上であり、天面が上方に張り出した形状を有し、かかるバンプ電極を備える電子回路基板は高密度実装が可能である。

アスペクト比が大きく、高さが３０μｍ以上の微細で導電性が良好なバンプ電極を提供できる。

本発明のバンプ電極の形成方法は、スクリーン印刷法により導電性ペーストを基板上に形成する工程を備え、基板上に印刷する導電性ペーストは、０．３μｍ〜１．３μｍの間に２つのピークを有する粒度分布である銅粉末と、有機ビヒクルと、ガラス粉末と、リン酸エステル系分散剤とを含む。粒径の異なる銅粉末を混合することにより、大きい粒径の銅粉末の隙間に小さい粒径の銅粉末が入り込み、導電成分が最密充填されるため、有機成分以外の固形成分（銅粉末とガラス粉末）の比率が高い導電性ペーストを作製できる。このような導体密度が高い導電性ペーストを塗布するため、焼成時の収縮を抑え、直径２５０μｍ以下の微細なバンプ電極を形成でき、高さが３０μｍ以上のアスペクト比が大きいバンプ電極を形成することが可能である。また、銅粉末を使用するため、マイグレーションが少なく、導電性に優れたバンプ電極が得られる。したがって、本発明のバンプ電極を備える電子回路基板は、電子装置の小型化と回路の集積化に十分対応できる。

銅粉末の粒径は、導電性ペーストの焼結性を高める点で、０．３μｍ以上が好ましく、ペースト化を容易にする点で、１．３μｍ以下が好ましい。銅粉末は、０．３μｍ〜１．３μｍの間に２つのピークを有する粒度分布であるものを用い、このような銅粉末としては、最密充填をより効果的に行なうことができ、固形成分の比率が高いペーストを作り易くなる点、および、焼成時の収縮を効果的に抑制できる点で、０．３μｍ〜０．６μｍの間に１つのピークを有する粒度分布である銅粉末Ｃ₁と、０．９μｍ〜１．３μｍの間に１つのピークを有する粒度分布である銅粉末Ｃ₂との混合物を好ましく使用することができる。また、混合後の銅粉末の最密充填性を高める点で、銅粉末Ｃ₁とＣ₂の混合比は、１０〜５０：５０〜９０が好ましく、２０〜４５：６５〜８０がより好ましい。本明細書において、粒度分布は、レーザ回折散乱法により測定する。

銅粉末は、球形の銅粒子からなるもののほか、扁平形状などの銅粒子からなるものも用いることができるが、球形の銅粒子からなるものを用いると、銅粉末の混合時に最密充填しやすくなり、直径２５０μｍ以下の微細なバンプ電極であっても、高さ３０μｍ以上の大きなアスペクト比を有するバンプ電極を形成しやすくなる点で有利である。

ガラス粉末として、軟化点の差が５０℃以上であるガラス粉末の混合物を使用する態様が好ましい。このようなガラス粉末の混合物を使用すると、低軟化点のガラス粉末がまず軟化して基板と金属との接着強度を確保し、続いて高軟化点のガラス粉末が金属の焼結とともに軟化して液相を形成し、金属粉体の焼結を促進することができるため、さらに信頼性の高いバンプを作製できる。また、ガラス粉末の軟化点は、銅の焼結温度を考慮して、５００℃〜８００℃が好適である。このようなガラスには、Ｓｉ−Ｂ−Ｚｎ−Ｎａ系ガラス（軟化点５３０℃）とＳｉ−Ｂ−Ｚｎ−Ｃａ系ガラス（軟化点６００℃）、またはＳｉ−Ｂ−Ｚｎ−Ｌｉ系ガラス（軟化点５２０℃）とＳｉ−Ｂ−Ｚｎ−Ｃｕ系ガラス（軟化点６５０℃）などがある。ガラス粉末は、環境に配慮してＰｂを含まない種類が好ましい。

リン酸エステル系分散剤を用いることにより、銅粉末の分散性が向上するため、固形分の濃度が高くても、微細なパターンをスクリーン印刷により形成でき、レベリング性が良いため、天面が上方に張り出した形状のバンプ電極を形成することができる。このような天面が上方に張り出した形状を有するバンプ電極は、ハンダ付を行なう際の泡噛みを抑え、ハンダ爆ぜを防止することができる。

０．３μｍ〜１．３μｍの間に２つのピークを有する粒度分布である銅粉末と、有機ビヒクルと、ガラス粉末と、リン酸エステル系分散剤とを含む導電性ペーストを調製し、導電性ペーストを基板上にスクリーン印刷する。スクリーン印刷法を採用することにより、バンプの高さと幅を容易に均一化することができる。有機ビヒクルとして、たとえば、エチルセルロース系樹脂をα−ターピオネール系溶剤で溶解したものを好ましく用いることができる。スクリーン印刷後、乾燥し、焼結して、バンプ電極を形成する。導電性材料の焼結によりバンプ電極を形成するため、ハンダバンプに比べて、耐熱性と強度に優れたバンプ電極を提供することができる。

（実施例１〜９）
０．３μｍ〜０．６μｍの間に１つのピークを有する粒度分布であり、粒子形状が球形の第１の銅粉末２７質量部と、０．９μｍ〜１．３μｍの間に１つのピークを有する粒度分布であり、粒子形状が球形の第２の銅粉末６３質量部と、エチルセルロース系のビヒクル７質量部と、Ｓｉ−Ｂ−Ｚｎ系ガラス粉末２質量部と、リン酸エステル系分散剤１質量部とを攪拌し、３本ロールミルで混合して導電性ペーストを得た。各実施例における銅粉末のピーク（粒径μｍ）を表１に示す。表１に示すように、実施例１〜９における導電性ペーストは、銅粉末の粒度分布が０．３μｍ〜１．３μｍの間に２つのピークを有していた。

版厚６０μｍで、貫通孔の底面径が１８０μｍのメタルマスクと、硬度７０の角スキージを用いて、セラミック基板上に導電性ペーストをスクリーン印刷した。印刷後、１５０℃で１０分間かけて乾燥し、６５０℃で焼成し、バンプ電極を備えた電子回路基板を得た。得られた電子回路基板のバンプ電極について、平均高さと平均直径を測定した。平均高さと平均直径は、ランダムに選んだ１０個のバンプ電極についての算術平均値で表した。また、これらのバンプ電極について、天面が上方に張り出した形状を有するかどうかを評価した。

さらに、これらの結果を総合評価し、バンプ電極の高さが３０μｍ以上であり、バンプ電極の天面が上方に張り出した形状を有する場合は「良好」と評価し、いずれかの評価項目において上記の基準を満たさない場合はすべて「不良」と評価した。その結果を表１に示す。表１の結果から明らかなとおり、実施例１〜９のいずれも、バンプ電極は、高さが３０μｍ以上であり、直径は２５０μｍ以下であり、天面は上方に張り出した形状を有していたため、総合評価は「良好」であった。

（比較例１〜３）
銅粉末として、０．３μｍ〜１．３μｍの間に１つのピークを有する粒度分布である第１の銅粉末を９０質量部配合し、第２の銅粉末を配合しなかった以外は、実施例１と同様にして、バンプ電極を備えた電子回路基板を得た。得られた電子回路基板のバンプ電極について、平均高さと平均直径を測定し、これらのバンプ電極について、天面が上方に張り出した形状を有するかどうかを評価した。結果を表１に示す。表１の結果から明らかなとおり、比較例１と３では、バンプ電極の天面は凹状を呈していた。また、比較例２では、バンプ電極の高さが３０μｍ以下であった。したがって、いずれも総合評価は「不良」であった。

（比較例４〜６）
第１の銅粉末として、０．３μｍ〜１．３μｍの間に１つのピークを有する粒度分布である銅粉末を２７質量部配合し、第２の銅粉末として、１．３μｍを越える領域に１つのピークを有する粒度分布である銅粉末を６３質量部を配合した以外は実施例１と同様にして、バンプ電極を備えた電子回路基板を得た。得られた電子回路基板のバンプ電極について、平均高さと平均直径を測定し、これらのバンプ電極について、天面が上方に張り出した形状を有するかどうかを評価した。これらの結果を表１に示す。表１の結果から明らかなとおり、バンプ電極の天面は凹状を呈していたため、いずれも総合評価は「不良」であった。

（比較例７）
第１の銅粉末として、０．３μｍ未満の領域に１つのピークを有する粒度分布である銅粉末を２７質量部配合し、第２の銅粉末として、０．３μｍ〜１．３μｍの領域に１つのピークを有する粒度分布である銅粉末を６３質量部を配合した以外は実施例１と同様にして、バンプ電極を備えた電子回路基板を得た。得られた電子回路基板のバンプ電極について、平均高さと平均直径を測定し、これらのバンプ電極について、天面が上方に張り出した曲率を有するかどうかを評価した。これらの結果を表１に示す。表１の結果から明らかなとおり、バンプ電極は、高さが３０μｍ未満であり、天面は凹状を呈していたため、総合評価は「不良」であった。

（実施例１０）
本実施例では、ガラス粉末として、Ｓｉ−Ｂ−Ｚｎ−Ｎａ系ガラス粉末（軟化点５３０℃）と、Ｓｉ−Ｂ−Ｚｎ−Ｃａ系ガラス粉末（軟化点６００℃）を使用し、Ｓｉ−Ｂ−Ｚｎ−Ｎａ系ガラス：Ｓｉ−Ｂ−Ｚｎ−Ｃａ系ガラス＝３：７（質量比率）で混合したものを用いた以外は、実施例１と同様にしてバンプ電極を形成した。本実施例のバンプ電極は、実施例１のバンプ電極と比較して、基板との接着強度が大きく、信頼性が高いことがわかった。

（実施例１１）
第１の銅粉末として、０．３μｍにピークを有する粒度分布である銅粉末を２７質量部配合し、第２の銅粉末として、０．７μｍにピークを有する粒度分布である銅粉末を６３質量部を配合した以外は実施例１と同様にして、バンプ電極を備えた電子回路基板を得た。得られた電子回路基板のバンプ電極について、平均高さと平均直径を測定し、これらのバンプ電極について、天面が上方に張り出した曲率を有するかどうかを評価した。これらの結果を表１に示す。表１の結果から明らかなとおり、バンプ電極は、高さが５８μｍであり、直径は１８９μｍであり、天面は上方に張り出した形状を有していたため、総合評価は「良好」であった。

（実施例１２）
第１の銅粉末として、０．７μｍにピークを有する粒度分布である銅粉末を２７質量部配合し、第２の銅粉末として、１．３μｍにピークを有する粒度分布である銅粉末を６３質量部を配合した以外は実施例１と同様にして、バンプ電極を備えた電子回路基板を得た。得られた電子回路基板のバンプ電極について、平均高さと平均直径を測定し、これらのバンプ電極について、天面が上方に張り出した曲率を有するかどうかを評価した。これらの結果を表１に示す。表１の結果から明らかなとおり、バンプ電極は、高さが５２μｍであり、直径は２０６μｍであり、天面は上方に張り出した形状を有していたため、総合評価は「良好」であった。

（実施例１３）
第１の銅粉末として、０．８μｍにピークを有する粒度分布である銅粉末を２７質量部配合し、第２の銅粉末として、１．２μｍにピークを有する粒度分布である銅粉末を６３質量部を配合した以外は実施例１と同様にして、バンプ電極を備えた電子回路基板を得た。得られた電子回路基板のバンプ電極について、平均高さと平均直径を測定し、これらのバンプ電極について、天面が上方に張り出した曲率を有するかどうかを評価した。これらの結果を表１に示す。表１の結果から明らかなとおり、バンプ電極は、高さが４９μｍであり、直径は２０１μｍであり、天面は上方に張り出した形状を有していたため、総合評価は「良好」であった。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明のバンプ電極を備える電子回路基板は、電子装置の小型化と回路の集積化に対応することができる。

Claims (5)

1. 基板上に導電性ペーストをスクリーン印刷してバンプを形成するバンプ電極の形成方法であって、前記導電性ペーストは、０．３μｍ〜１．３μｍの間に２つのピークを有する粒度分布である銅粉末と、有機ビヒクルと、ガラス粉末と、リン酸エステル系分散剤とを含むことを特徴とするバンプ電極の形成方法。
2. 前記銅粉末は、０．３μｍ〜０．６μｍの間に１つのピークを有する粒度分布である銅粉末と、０．９μｍ〜１．３μｍの間に１つのピークを有する粒度分布である銅粉末との混合物である請求項１に記載のバンプ電極の形成方法。
3. 前記ガラス粉末は、軟化点の差が５０℃以上であるガラス粉末の混合物である請求項１または２に記載のバンプ電極の形成方法。
4. 請求項１〜３に記載の方法により形成されたバンプ電極であって、高さが３０μｍ以上であり、天面が上方に張り出した曲率を有するバンプ電極。
5. 請求項４に記載のバンプ電極を備える電子回路基板。