JP2008172189A - ハンダボールと基板とのボンディング方法、及びそのボンディング方法を使用したパッケージ構造体の製造方法 - Google Patents

ハンダボールと基板とのボンディング方法、及びそのボンディング方法を使用したパッケージ構造体の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 反応温度を低下させ、ボンディング面の強度を高め、材料コストを低減し、既存の製造プロセスと互換性があるハンダボールと基板とのボンディング方法、及びそのボンディング方法を使用したパッケージ構造体の製造方法を提供する。
【解決手段】 ハンダボールと基板とのボンディング方法は、以下のステップを含む。まず、電極層と基材層とを含む基板が供給される。電極層は、基材層上に配設される。続いて、バリア層が電極層上に形成される。そして、金属層がバリア層上に形成される。金属層の層厚は、約１０〜１８μｍである。さらに、ハンダボールが金属層上に配設される。その後、ハンダボール、金属層、バリア層、及び電極層は、反応温度まで加熱され、保持時間だけ保たれる。
【選択図】 図１(Ｃ)

Description

本発明は、一般に、ハンダボールと基板とのボンディング方法、及びそのボンディング方法を使用したパッケージ構造体の製造方法に関し、特に、無鉛製造プロセスにおいて適用されるハンダボールと基板とのボンディング方法、及びそのボンディング方法を使用したパッケージ構造体の製造方法に関する。この特許出願は、２００７年１月５日に出願された台湾特許出願（出願番号０９６１００５８０）の利益を享受するものであり、その内容は、引用することによってここに組み込まれる。
市場において電子製品の人気が急騰しているのにともない、製造業者は、増加する市場の需要を満たす多機能製品の開発に資本を投入している。また、電子製品がますます多くの機能を実行可能になるのにともない、電子部品の個数も同時に増加している。したがって、いかに効率的に様々な電子部品を基板上に統合するかが、製造プロセスにおける重要な話題となっている。一般に、錫・鉛共晶ハンダが、基板上への電子部品のボンディングに使用されている。しかしながら、鉛は重金属であり、環境を汚染するのみならず、人体に有害な可能性もある。したがって、製造業者は、環境に優しく、製品内の鉛量を低減させる無鉛ハンダの開発に資本を投入している。通常、無鉛ハンダの液化温度は、約２１７℃であり、従来の錫・鉛ハンダの液化温度よりも４０℃高い。すなわち、無鉛ハンダを採用する製造プロセスにおいては、製造プロセスの温度が増加し、基板と電子部品とに対するダメージを大きくする。その結果、無鉛製造プロセスの用途は、限られている。
現在、無鉛ハンダの液化温度を低下する方法が提供されている。この方法においては、インジウムやビスマス等の低溶融温度の金属が無鉛ハンダに添加される。２００３年５月１１日に発行された特許文献１において無鉛ハンダバンプの製造方法が開示されているように、無鉛ハンダ付けの材料の１つの例がインジウムである。しかしながら、インジウムは貴金属である。すなわち、インジウムは高価であり、無鉛ハンダの液化温度の低下は、多量のインジウムを必要とする。したがって、低溶融温度の金属を添加する方法は、製造コストの高騰のみならず、産業利用価値の低減も招来する。さらに、ボンディングプロセス後にハンダ表面に残存するインジウムの残留物は、ハンダ表面間の液化温度を低下する。いくつかの場合において、ハンダ表面間の液化温度は、電子製品の動作温度よりも低いかもしれず、シビアにハンダ表面の信頼性を低下させ、さらに製品の歩留まりに影響する。
台湾特許第５３１８６９号明細書
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、ハンダボールと基板とを、反応後に完全に消費される薄い金属層を介してハンダ付けし、反応温度を低下させ、ボンディング面の強度を高め、材料コストを低減し、既存の製造プロセスと互換性があるという利点を有するハンダボールと基板とのボンディング方法、及びそのボンディング方法を使用したパッケージ構造体の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の第１の態様によれば、ハンダボールと基板とのボンディング方法が提供される。まず、電極層と基材層とを含む基板が供給される。電極層は、基材層上に配設される。続いて、バリア層が電極層上に形成される。そして、金属層がバリア層上に形成される。金属層の層厚は、約１０〜１８μｍである。さらに、ハンダボールが金属層上に配設される。その後、ハンダボール、金属層、バリア層、及び電極層は、反応温度まで加熱され、保持時間だけ保たれる。
本発明の第２の態様によれば、パッケージ構造体の製造方法が提供される。まず、電極層と基材層とを含む基板が供給される。基材層は、第１の表面と当該第１の表面とは反対側の第２の表面とを有し、電極層は、第１の表面上に配設される。続いて、バリア層が電極層上に形成される。そして、層厚が約１０〜１８μｍの金属層がバリア層上に形成される。さらに、第２の表面上にチップが供給され、チップと基板とがワイヤボンディングされる。続いて、ハンダボールが金属層上に配設される。その後、ハンダボール、金属層、バリア層、及び電極層は、反応温度まで加熱され、保持時間だけ保たれる。
このような本発明は、パッケージ構造体の要素が高温のために破損しないように反応温度を低下させることができるとともに、ボンディング面の強度を高めることができる。さらに、本発明は、金属層の層厚が薄いことから、材料コストを低減することができ、既存の基板上に金属層を形成するだけであるため、既存の製造プロセスとの互換性も実現することができる。
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。本発明の他の目的、特徴、及び利点は、望ましいものの限定されることはない具体例についての以下の詳細な記述から明らかとなるであろう。以下の記述は、添付した図面を参照してなされる。
２つの具体例が本発明を詳述するために開示される。しかしながら、本発明は、これら具体例に限定されるものではない。また、不要な要素は、本発明の特徴を明確化するために、本具体例においては省略される。
第１の実施の形態
図１(Ａ)乃至図１(Ｃ)を参照する。図１(Ａ)は、本発明の第１の実施の形態による基板、バリア層、及び金属層の構成を示す図である。図１(Ｂ)は、図１(Ａ)における金属層上に配設されたハンダボールを示す図である。図１(Ｃ)は、加熱して保持時間だけその温度を保った後の図１(Ｂ)におけるハンダボール、金属層、バリア層、及び電極層の構成を示す図である。
本発明の第１の実施の形態によるハンダボンディング方法は、以下のステップを含む。まず、電極層１２と基材層１１とを含む基板１０が供給される。電極層１２は、基材層１１上に配設される。そして、図１(Ａ)に示すように、バリア層１３と金属層１４とが、電極層１２上に連続して形成される。
続いて、図１(Ｂ)に示すように、ハンダボール１５が金属層１４上に配設される。
そして、ハンダボール１５、金属層１４、バリア層１３、及び電極層１２は、反応温度まで加熱される。その後、反応温度は、保持時間だけ保たれる。
上述した加熱及び温度の保持ステップの後に、金属層１４は、ハンダボール１５内で完全に溶融される。そして、図１(Ｃ)に示すように、ハンダボール１５とバリア層１３との間に金属間化合物１６が形成され、ハンダボール１５と基板１０とがともに密接にボンディングされる。
本発明の本実施の形態において、ハンダボール１５は、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ（ＳＡＣ）、又は、Ｓｎ−０．７Ｃｕ（ＳＣ）から構成される錫基の無鉛ハンダからなる。電極層１２は、銅又はアルミニウムからなる。バリア層１３は、ニッケルからなり、電極層１２上に電気メッキされるのが望ましい。バリア層１３の層厚は、ハンダボール１５（例えば錫からなる）が、電極層１２（例えば銅からなる）と反応するのを防ぐために、約３〜７μｍである。したがって、ハンダボール１５と基板１０との接合面のボンディング強度は、さらに改善される。さらに、金属層１４は、インジウムからなり、バリア層１３上に電気メッキされるのが望ましい。望ましくは、金属層１４の層厚は、約１０〜１８μｍである。上述した加熱及び温度の保持ステップの後に、金属層１４は、略完全に消費される。大規模集積回路チップやパッケージ構造体のパッケージ基板により、基板１０を例示することができる。大規模集積回路チップは、本発明の本実施の形態によるボンディング方法を用いてボンディングされたフリップチップであってもよい。ボールグリッドアレイ（ball grid array；ＢＧＡ）パッケージ構造体やフリップチップパッケージ構造体のパッケージ基板により、パッケージ基板を例示することができる。一方、本発明の本具体例において、ハンダボール１５と基板１０とをボンディングするための反応温度は、約１６０〜２００℃であり、保持時間は、約３〜５分である。
本発明の第１の実施の形態で開示された方法でハンダボール１５と基板１０とがボンディングされた後に、反応接合面の状態が解析された。以下に、解析結果の１組を開示する。ハンダボール１５の材料は、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕによって例示される。バリア層１３は、ニッケルによって例示される。金属層１４は、インジウムによって例示される。そして、電極層１２は、銅によって例示される。図２(Ａ)及び図３(Ａ)を参照する。図２(Ａ)は、１６０℃でともにボンディングされ、３分間保持された後のハンダボール１５とバリア層１３との接合面の要部を示す図である。図３(Ａ)は、図２(Ａ)の後方散乱電子像である。解析によると、インジウムからなる金属層１４は、バリア層１３とハンダボール１５との間に全く存在していなかった。すなわち、金属層１４は、完全に消費されていた。ハンダボール１５とバリア層１３との接合面に存在するＣｕ６Ｓｎ５からなる第１の金属間化合物１６ａがあったが、その第１の金属間化合物１６ａは、剥がれたような状態（peeling-like state）にあった。また、第１の金属間化合物１６ａの上に存在するＡｇＩｎ２からなる第２の金属間化合物１６ｂの層があった。第２の金属間化合物１６ｂの形状は不規則であった。
図２(Ｂ)及び図３(Ｂ)を参照する。図２(Ｂ)は、２００℃でともにボンディングされ、３分間保持された後のハンダボール１５とバリア層１３との接合面の要部を示す図である。図３(Ｂ)は、図２(Ｂ)の後方散乱電子像である。図２(Ｂ)及び図３(Ｂ)において、ハンダボール１５の材料は、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕによって例示される。バリア層１３は、ニッケルによって例示される。金属層１４は、インジウムによって例示される。そして、電極層１２は、銅によって例示される。解析によると、Ｃｕ６Ｓｎ５からなる第３の金属間化合物１６ｃのみが、ハンダボール１５とバリア層１３との接合面に存在していた。そして、剥がれたような金属間化合物は存在していなかった。さらに、Ａｇ３Ｓｎからなる第４の金属間化合物１６ｄがハンダボール１５内に見られた。インジウムからなる金属層１４は、バリア層１３とハンダボール１５との間に全く存在していなかった。
上述した解析結果によると、１０〜１８μｍの層厚でバリア層１３上に電気メッキされた金属層１４は、金属層１４、ハンダボール１５、バリア層１３、及び電極層１２が少なくとも１６０℃の反応温度まで加熱され、３分の保持時間だけ保たれた後、ハンダボール１５の内部で完全に溶融される。その結果、第１の金属間化合物１６ａ、第２の金属間化合物１６ｂ、第３の金属間化合物１６ｃ、及び第４の金属間化合物１６ｄは、ハンダボール１５と電極層１２との接合面に形成される。接合面は一体的に形成され、接合面の強度は高められる。さらに、インジウムからなる金属層１４は、無鉛ハンダの反応温度を、約２４０〜２７０℃から、約１６０〜２００℃にまで、有効に低下させる。
ハンダボール１５と基板１０とをボンディングするために、本発明の第１の実施の形態で開示されたボンディング方法によれば、ハンダボール１５と基板１０は、約１６０〜２００℃の反応温度まで加熱して約３〜５分の保持時間だけ温度を保った状態で、約１０〜１８μｍの層厚を有する金属層１４を介してともにボンディングされる。加熱及び温度の保持ステップの後に、金属層１４は、略完全に消費される。電極層１２の拡散が妨げられ、電極層１２とハンダボール１５との反応が防がれるように、バリア層１３は、ハンダボール１５と接触する。また、平坦で滑らかな金属間化合物１６がハンダボール１５と基板１０との接合面に形成され、接合面の強度が高められる。
第２の実施の形態
図４(Ａ)乃至図４(Ｄ)を参照する。図４(Ａ)は、本発明の第２の実施の形態による基板、バリア層、及び金属層の構成を示す図である。図４(Ｂ)は、図４(Ａ)における第２の表面にチップが供給された様子を示す図である。図４(Ｃ)は、図４(Ｂ)における金属層上に配設されたハンダボールを示す図である。図４(Ｄ)は、加熱して保持時間だけその温度を保った後の図４(Ｃ)におけるハンダボール、金属層、バリア層、及び電極層の構成を示す図である。
本発明の第２の実施の形態で開示されるパッケージ構造体の製造方法は、以下のステップを含む。まず、基材層２１と電極層２２とを含む基板２０が供給される。基材層２１は、第１の表面２１ａと当該第１の表面２１ａとは反対側の第２の表面２１ｂとを有する。電極層２２は、基材層２１上に配設される。本実施の形態において、電極層２２は、第１の表面２１ａの一部を被覆するのみである。そして、バリア層２３が電極層２２上に形成される。その後、図４(Ａ)に示すように、約１０〜１８μｍの層厚を有する金属層２４がバリア層２３上に形成される。金属層２４は、インジウムからなり、バリア層２３上に電気メッキされるのが望ましい。約３〜７μｍの層厚を有するバリア層２３は、ニッケルからなり、電極層２２上に電気メッキされるのが望ましい。電極層２２は、銅からなるのが望ましい。
続いて、図４(Ｂ)に示すように、チップ２７が第２の表面２１ｂ上に配設され、基板２０にワイヤボンディングされる。
続いて、図４(Ｃ)に示すように、ハンダボール２５が金属層２４上に配設される。ハンダボール２５は、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ、又は、Ｓｎ−０．７Ｃｕからなる錫基の無鉛ハンダである。
そして、ハンダボール２５、金属層２４、バリア層２３、及び電極層２２は、反応温度まで加熱され、保持時間だけ保たれる。
加熱及び温度の保持ステップの後に、金属層２４は、ハンダボール２５内で完全に溶融される。そして、図４(Ｄ)に示すように、ハンダボール２５とバリア層２３との間に金属間化合物２６が形成され、ハンダボール２５と基板２０とがともに密接にボンディングされる。
本発明の本実施の形態で開示されるパッケージ構造体の製造方法は、さらに、図５に示すように、チップ２７を封止するシーラント２８を第２の表面２１ｂ上に形成するステップを与える。図５に、本発明の第２の実施の形態によるパッケージ構造体の構成を示す。シーラント２８を形成するステップの後に、本発明の第２の実施の形態によるパッケージ構造体２００が完成する。本発明の本実施の形態においては、ボールグリッドアレイ（ball grid array；ＢＧＡ）パッケージ構造体により、パッケージ構造体２００を例示する。しかしながら、パッケージ構造体２００は、フリップチップパッケージ構造体によって例示することもできる。
本発明の本実施の形態で開示されたパッケージ構造体２００の製造方法によれば、ハンダボール２５と基板２０は、約１６０〜２００℃の反応温度まで加熱して約３〜５分の保持時間だけ温度を保った状態で、約１０〜１８μｍの層厚を有する金属層２４を介してともにボンディングされる。加熱及び温度の保持ステップの後に、金属層２４は、完全に消費される。本発明の本実施の形態において、金属層２４は、パッケージ構造体２００の要素が高温のために破損しないようにハンダボール２５と基板２０とをボンディングするための反応温度を低下させるために、インジウムからなるのが望ましい。また、滑らかな金属間化合物２６がハンダボール２５とバリア層２３との接合面に形成され、ボンディング面の信頼性が高められる。
以上説明したように、上述した本発明の望ましい実施の形態で開示されたハンダボールと基板とのボンディング方法及びパッケージ構造体の製造方法によれば、約１０〜１８μｍの層厚を有する金属層は、バリア層上に電気メッキされる。そして、ハンダボールと基板は、約１６０〜２００℃の反応温度まで加熱して約３〜５分の保持時間だけ温度を保った状態で、当該ハンダボールと当該基板とをボンディングするように反応する。加熱及び温度の保持ステップの後に、金属層は、略完全に消費され、金属間化合物がハンダボールと基板との接合面に形成される。本発明は、平坦で滑らかな金属間化合物を形成することにより、強度を増加させる利点とボンディング面の信頼性とを有する。また、インジウムからなる金属層は、低い反応温度のもとに、本発明の望ましい実施の形態によるボンディング方法を実行することができるように使用される。さらに、金属層の電気メッキの層厚が１０〜１８μｍしかないため、金属層の材料コストを低減することができる。さらにまた、本発明の望ましい実施の形態によるボンディング方法は、既存の基板上に金属層を電気メッキする必要があるだけであるため、既存の無鉛製造プロセスと互換性があるという有効な効果を奏する。
本発明が、一例を介して、また望ましい具体例として開示された一方で、本発明は、これに限定されるものではないことは理解されるべきである。むしろ、様々な変形例並びに同様の配置及び処理を包含するように意図されるべきである。したがって、添付した特許請求の範囲は、そのような変形例並びに同様の配置及び処理を全て包含するために、最も広い解釈として与えられるべきである。
本発明の第１の実施の形態による基板、バリア層、及び金属層の構成を示す図である。 図１(Ａ)における金属層上に配設されたハンダボールを示す図である。 加熱して保持時間だけその温度を保った後の図１(Ｂ)におけるハンダボール、金属層、バリア層、及び電極層の構成を示す図である。 １６０℃でともにボンディングされ、３分間保持された後のハンダボールとバリア層との接合面の要部を示す図である。 ２００℃でともにボンディングされ、３分間保持された後のハンダボールとバリア層との接合面の要部を示す図である。 図２(Ａ)の後方散乱電子像である。 図２(Ｂ)の後方散乱電子像である。 本発明の第２の実施の形態による基板、バリア層、及び金属層の構成を示す図である。 図４(Ａ)における第２の表面にチップが供給された様子を示す図である。 図４(Ｂ)における金属層上に配設されたハンダボールを示す図である。 加熱して保持時間だけその温度を保った後の図４(Ｃ)におけるハンダボール、金属層、バリア層、及び電極層の構成を示す図である。 本発明の第２の実施の形態によるパッケージ構造体の構成を示す図である。
符号の説明
１０，２０ 基板
１１，２１ 基材層
１２，２２ 電極層
１３，２３ バリア層
１４，２４ 金属層
１５，２５ ハンダボール
１６，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ，２６ 金属間化合物
２７ チップ
２８ シーラント
２００ パッケージ構造体

Claims (10)

  1. ハンダボールと基板とのボンディング方法であって、
    基材層と当該基材層上に配設された電極層とを備える前記基板を供給するステップと、
    バリア層を前記電極層上に形成するステップと、
    層厚が約１０〜１８μｍの金属層を前記バリア層上に形成するステップと、
    前記ハンダボールを前記金属層上に配設するステップと、
    前記ハンダボール、前記金属層、前記バリア層、及び前記電極層を反応温度まで加熱するステップと、
    保持時間だけ前記反応温度を保つステップとを備えること
    を特徴とするボンディング方法。
  2. インジウムからなる前記金属層は、前記バリア層上に電気メッキされること
    を特徴とする請求項１記載のボンディング方法。
  3. ニッケルからなる前記バリア層は、前記電極層上に電気メッキされること
    を特徴とする請求項１記載のボンディング方法。
  4. 前記ハンダボールは、錫基の無鉛ハンダからなるものであること
    を特徴とする請求項１記載のボンディング方法。
  5. 前記反応温度は、約１６０〜２００℃であり、
    前記保持時間は、約３〜５分であり、
    前記保持時間だけ前記反応温度を保った後に、前記金属層は、略完全に消費されること
    を特徴とする請求項１記載のボンディング方法。
  6. 第１の表面と当該第１の表面とは反対側の第２の表面とを有する基材層と、前記第１の表面上に配設された電極層とを備える前記基板を供給するステップと、
    バリア層を前記電極層上に形成するステップと、
    層厚が約１０〜１８μｍの金属層を前記バリア層上に形成するステップと、
    前記第２の表面上にチップを供給し、前記チップと前記基板とをワイヤボンディングするステップと、
    前記ハンダボールを前記金属層上に配設するステップと、
    前記ハンダボール、前記金属層、前記バリア層、及び前記電極層を反応温度まで加熱するステップと、
    保持時間だけ前記反応温度を保つステップとを備えること
    を特徴とするパッケージ構造体の製造方法。
  7. インジウムからなる前記金属層は、前記バリア層上に電気メッキされ、
    ニッケルからなる前記バリア層は、前記電極層上に電気メッキされること
    を特徴とする請求項６記載のパッケージ構造体の製造方法。
  8. 前記ハンダボールは、錫基の無鉛ハンダからなるものであること
    を特徴とする請求項６記載のパッケージ構造体の製造方法。
  9. 前記反応温度は、約１６０〜２００℃であり、
    前記保持時間は、約３〜５分であり、
    前記保持時間だけ前記反応温度を保った後に、前記金属層は、略完全に消費されること
    を特徴とする請求項６記載のパッケージ構造体の製造方法。
  10. 前記パッケージ構造体は、ボールグリッドアレイ（ball grid array；ＢＧＡ）パッケージ構造体又はフリップチップ（flip chip）パッケージ構造体であること
    を特徴とする請求項６記載のパッケージ構造体の製造方法。
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