JP2010062256A - Method of manufacturing semiconductor chip with bump - Google Patents

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Takanori Saito
貴範 齊藤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a new method of manufacturing a semiconductor chip with bumps by which the semiconductor chip with the bumps having flat top surface is easily manufactured. <P>SOLUTION: The method of manufacturing the semiconductor chip 2 with the bumps is a method of manufacturing a semiconductor chip having bumps which has the plurality of bumps for external electric connections, and includes a printing step of printing solder paste 3 on an electrode surface of the semiconductor chip, and a flattening step of obtaining the bumps 5 having flat top surfaces by carrying out a heat treatment while bringing a member 4 having flatness into contact with an upper surface of the printed solder paste. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、外部と電気的接続を行うための複数のバンプが電極表面に形成されているバンプ付き半導体チップの製造方法及び該方法により製造されたバンプ付き半導体チップに関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor chip with bumps in which a plurality of bumps for electrical connection with the outside are formed on an electrode surface, and a semiconductor chip with bumps manufactured by the method.

バンプは、TCP(Tape Carrier Package)、BGA(Ball Grid Array)、CSP(Chip Size Package)、FC(Flip Chip)などのパッケージや実装技術において、欠かせないものとなっている。バンプは、電気的接続と機械的保持の役割を担っているため、高さの均一性及び表面の平坦性が要求される。このため、高さの均一化及び平坦化の工程による高コストが要因の一つとなり、普及の障壁の1つとなっている。   Bumps are indispensable in packages and mounting technologies such as TCP (Tape Carrier Package), BGA (Ball Grid Array), CSP (Chip Size Package), and FC (Flip Chip). Since the bump plays a role of electrical connection and mechanical holding, the height uniformity and the flatness of the surface are required. For this reason, the high cost due to the process of leveling and flattening is one of the factors, which is one of the barriers to popularization.

主なバンプの材質としては、In合金、Au、ポリマーがある。現状、主流となっているのは、Auバンプ、はんだバンプであり、これらバンプ形成法には、様々な方式が開発されている。Auバンプは、TCPをはじめCSP、FC等にて採用されている。   Main bump materials include In alloy, Au, and polymer. At present, the mainstream is Au bumps and solder bumps, and various types of bump forming methods have been developed. Au bumps are used in TCP, CSP, FC, and the like.

はんだバンプはC4(Controlled Collapse Chip Connection)技術として有名である。はんだバンプの製造方法としては、はんだボール搭載法、蒸着法、電解めっき法等があるが、何れも工程数が多く、製造ロスが多くなるため、生産性が十分ではない。これらに対し、スクリーン印刷法は、半導体チップ電極上にはんだペーストを印刷し、印刷されたはんだペーストをリフロー熱処理し、はんだバンプを形成するという方法であるため、シンプルで安価な製造プロセスとして注目されており、ドライプロセス、低コスト、高精度化を目指し、スクリーン印刷法によるバンプ形成技術の開発が進んでいる。   Solder bumps are well known as C4 (Controlled Collapse Chip Connection) technology. As methods for producing solder bumps, there are a solder ball mounting method, a vapor deposition method, an electrolytic plating method, etc., but all of them have a large number of steps and a large production loss, so that productivity is not sufficient. On the other hand, the screen printing method is a method in which a solder paste is printed on a semiconductor chip electrode and the printed solder paste is subjected to reflow heat treatment to form solder bumps. Therefore, the screen printing method is attracting attention as a simple and inexpensive manufacturing process. Development of bump forming technology by screen printing is progressing aiming at dry process, low cost and high precision.

上述の通り、バンプには、平坦性であることが要求される。
バンプ表面の平坦化技術としては、CMP(Chemical Mechanical Polishing)技術が用いられている。しかしながら、CMP技術を用いたバンプの平坦化は、バンプ中央に窪みが発生するディッシングなどの技術的課題や、研磨薬液の処理等の環境的課題、更にはスループットの課題がある。
As described above, the bump is required to be flat.
A CMP (Chemical Mechanical Polishing) technique is used as a technique for planarizing the bump surface. However, the planarization of the bump using the CMP technique has a technical problem such as dishing in which a depression is generated in the center of the bump, an environmental problem such as processing of an abrasive solution, and a throughput problem.

特許文献1には、バイトを用いた切削加工により、バンプの表面及び絶縁膜の表面を連続して平坦化処理する方法が開示されている。しかしながら、装置管理が必要であり、残切削屑の処理や製造コストが高いため実用化には未だ問題を残している。
国際公開第2004/061935号パンフレット
Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-228561 discloses a method of continuously planarizing the surface of the bump and the surface of the insulating film by cutting using a cutting tool. However, equipment management is required, and the processing and manufacturing cost of the remaining cutting waste is high, so there are still problems in practical use.
International Publication No. 2004/061935 Pamphlet

本発明は、簡便に、上面が平坦なバンプ付き半導体チップを製造することを目的とする。   An object of the present invention is to easily manufacture a bumped semiconductor chip having a flat upper surface.

本発明者は、上記課題を解決すべく検討を行った結果、予想外に以下の本発明[1]〜[5]を完成するに至った。
[1]外部と電気的接続を行うための複数のバンプを有するバンプ付き半導体チップの製造方法であって、半導体チップの電極面にはんだペーストを印刷する印刷工程、及び前記印刷されたはんだペーストの上面に、平坦性を有する部材を接触させながら熱処理を行って上面が平坦なバンプを得る平坦化工程、を含むことを特徴とするバンプ付き半導体チップの製造方法。
As a result of studies to solve the above problems, the present inventors have unexpectedly completed the following present inventions [1] to [5].
[1] A method of manufacturing a bumped semiconductor chip having a plurality of bumps for electrical connection with the outside, a printing step of printing a solder paste on the electrode surface of the semiconductor chip, and the printed solder paste A method of manufacturing a semiconductor chip with bumps, comprising: a planarization step of obtaining a bump with a flat top surface by performing a heat treatment while bringing a member having flatness into contact with the top surface.

[2]上記熱処理が、235℃以上かつ3秒以上の熱処理であり、上記はんだペーストが少なくとも2種の金属粒子を含み、ここで、第1の金属粒子が、示差走査熱量測定において発熱ピークを少なくとも1つ及び300〜600℃に吸熱ピークを少なくとも1つ有し、第2の金属粒子が、発熱ピークを有さず、かつ、210〜260℃に少なくとも1つの吸熱ピークを有する、前記[1]に記載の方法。 [2] The heat treatment is a heat treatment of 235 ° C. or more and 3 seconds or more, and the solder paste contains at least two kinds of metal particles, wherein the first metal particles have an exothermic peak in the differential scanning calorimetry. [1] having at least one and at least one endothermic peak at 300 to 600 ° C., wherein the second metal particles have no exothermic peak and at least one endothermic peak at 210 to 260 ° C. ] Method.

[3]前記[1]又は[2]に記載の方法によって製造されたバンプ付き半導体チップ。 [3] A bumped semiconductor chip manufactured by the method according to [1] or [2].

[4]前記バンプが、300℃では溶融しない粒状の合金相を有する構造であることを特徴とする、前記[3]に記載のバンプ付き半導体チップ。 [4] The bumped semiconductor chip according to [3], wherein the bump has a structure having a granular alloy phase that does not melt at 300 ° C.

[5]前記バンプの平均組成割合が、Cu:22質量%以上36質量%以下、Ag:3質量%以上6質量%以下、Sn:53質量%以上71質量%以下、Bi:1質量%以上3質量%以下、そしてIn:1質量%以上3質量%以下である、前記[3]又は[4]に記載のバンプ付き半導体チップ。 [5] The average composition ratio of the bumps is Cu: 22 mass% to 36 mass%, Ag: 3 mass% to 6 mass%, Sn: 53 mass% to 71 mass%, Bi: 1 mass% or more. The semiconductor chip with bumps according to [3] or [4], which is 3% by mass or less and In: 1% by mass or more and 3% by mass or less.

本発明の製造方法によれば、簡便に、上面が平坦なバンプ付き半導体チップを製造することができる。   According to the manufacturing method of the present invention, it is possible to easily manufacture a semiconductor chip with bumps having a flat upper surface.

外部と電気的接続を行うための複数のバンプを有するバンプ付き半導体チップの製造方法において、<1>半導体チップの電極面にはんだペーストを印刷する印刷工程、<2>前記印刷されたはんだペーストの上面に、平坦性を有する部材を接触させながら熱処理を行って上面が平坦なバンプを得る平坦化工程、を含むことを特徴とするバンプ付き半導体チップの製造方法について、以下、説明する。   In the method of manufacturing a bumped semiconductor chip having a plurality of bumps for electrical connection with the outside, <1> a printing step of printing a solder paste on the electrode surface of the semiconductor chip; <2> the printed solder paste; A method for manufacturing a bumped semiconductor chip, which includes a planarization step of obtaining a bump having a flat upper surface by performing a heat treatment while bringing a flat member into contact with the upper surface, will be described below.

<1>半導体チップの電極面にはんだペーストを印刷する印刷工程
電極が形成された半導体チップ(図1(a))の電極上に、はんだペーストを印刷する(図1(b))。
印刷工程においては、メタルマスクを用いたスクリーン印刷法により、半導体チップの電極面上にはんだペーストが塗布されることが好ましいが、例えば、ディスペンサー等を用いた吐出法を採用することもできる。
はんだペーストとしては、少なくとも2種の金属粒子の混合体からなる導電性フィラーを含むはんだペーストであることが好ましい。はんだペーストには、ロジン、活性剤、溶剤、及び増粘剤からなるフラックスと上記導電性フィラーを含むことが好ましい。はんだペーストにおける導電性フィラーの含有率としては、85〜95質量%が好ましい。フラックスは、金属粒子からなる導電性フィラーの表面処理に最適で、該金属粒子の溶融、及び熱拡散を促進するものである。フラックスとしては、公知の材料、例えば国際公開第2006/109573号パンフレットに記載されたフラックスが使用できるが、更に有機アミンを酸化膜除去剤として加えるとより効果的である。また、必要に応じて、公知のフラックスに溶剤を加えて粘度を調整したものを使用してもよい。
<1> Printing process for printing solder paste on electrode surface of semiconductor chip The solder paste is printed on the electrode of the semiconductor chip (FIG. 1A) on which the electrode is formed (FIG. 1B).
In the printing process, it is preferable to apply a solder paste onto the electrode surface of the semiconductor chip by a screen printing method using a metal mask, but for example, a discharge method using a dispenser or the like can also be employed.
The solder paste is preferably a solder paste containing a conductive filler made of a mixture of at least two kinds of metal particles. The solder paste preferably contains a flux composed of rosin, an activator, a solvent, and a thickener and the conductive filler. As a content rate of the electroconductive filler in a solder paste, 85-95 mass% is preferable. The flux is optimum for the surface treatment of the conductive filler made of metal particles, and promotes melting and thermal diffusion of the metal particles. As the flux, a known material, for example, a flux described in International Publication No. 2006/109573 pamphlet can be used, but it is more effective when an organic amine is further added as an oxide film removing agent. Moreover, you may use what adjusted the viscosity by adding the solvent to the well-known flux as needed.

上記導電性フィラーとして好ましい第1の金属粒子と第2の金属粒子の混合体を例示すると、第1の金属粒子が、示差走査熱量測定(以下、「DSC測定」ともいう。)において発熱ピークを少なくとも1つ及び300〜600℃に吸熱ピークを少なくとも1つ有する金属粒子であり、第2の金属粒子が、発熱ピークを有さず、かつ、210〜260℃に少なくとも1つの吸熱ピークを有する金属粒子であることが好ましい。DSC測定において発熱ピークが観測されるということは、準安定相を有する、ということであり、吸熱ピークを有するということは、融点を有するということである。
上記第1の金属粒子としては、DSC測定で発熱ピークとして観測される準安定合金相を少なくとも1つと、吸熱ピークとして観測される融点を210〜240℃と300〜450℃の2箇所に少なくとも1つずつ有するとともに、50〜209℃には吸熱ピークとして観測される融点を有さないものがより好ましい。
When a mixture of the first metal particles and the second metal particles that are preferable as the conductive filler is exemplified, the first metal particles have an exothermic peak in differential scanning calorimetry (hereinafter also referred to as “DSC measurement”). Metal particles having at least one and at least one endothermic peak at 300 to 600 ° C., wherein the second metal particle has no exothermic peak and has at least one endothermic peak at 210 to 260 ° C. Particles are preferred. The fact that an exothermic peak is observed in DSC measurement means that it has a metastable phase, and that it has an endothermic peak means that it has a melting point.
The first metal particles include at least one metastable alloy phase observed as an exothermic peak by DSC measurement, and at least one melting point observed as an endothermic peak at 210 to 240 ° C. and 300 to 450 ° C. It is preferable to have one each and have no melting point observed as an endothermic peak at 50 to 209 ° C.

尚、DSCによる測定は、30〜600℃の温度範囲で行うこととし、発熱量または吸熱量が±1.5J/g以上あるものを測定対象物由来のピークとして定量し、それ未満のピークは、分析精度の観点から除外するものとする。   In addition, the measurement by DSC shall be performed in a temperature range of 30 to 600 ° C., and a calorific value or an endothermic amount of ± 1.5 J / g or more is quantified as a peak derived from the measurement object, and peaks below that are determined. From the viewpoint of analysis accuracy, it shall be excluded.

上記の混合体に、210〜260℃の熱処理により第2の金属粒子の融点以上の熱履歴が与えられると、該第2の金属粒子が溶融し第1の金属粒子と接合する。これにより、第1の金属粒子と第2の金属粒子の間の熱拡散反応が加速的に進み、準安定合金相が消失して新たな安定合金相が形成される。すなわち、DSCで発熱ピークとして観測される準安定合金相の存在が、該熱拡散反応の進行を助長する効果がある。ここで、上記熱処理の温度は、鉛フリーはんだのリフロー熱処理条件であるピーク温度235〜260℃、好ましくは240〜260℃の範囲で適宜設定することができる。   When a heat history equal to or higher than the melting point of the second metal particles is given to the mixture by heat treatment at 210 to 260 ° C., the second metal particles are melted and joined to the first metal particles. Thereby, the thermal diffusion reaction between the first metal particles and the second metal particles proceeds at an accelerated rate, the metastable alloy phase disappears, and a new stable alloy phase is formed. That is, the presence of the metastable alloy phase observed as an exothermic peak by DSC has the effect of promoting the progress of the thermal diffusion reaction. Here, the temperature of the said heat processing can be suitably set in the range of the peak temperature 235-260 degreeC which is the reflow heat processing conditions of lead-free solder, Preferably it is 240-260 degreeC.

上記の熱拡散反応の進行とともに、第2の金属粒子の210〜260℃の融点を有する金属成分は、新たに形成される300〜450℃の融点を有する安定合金相となり減少する。つまり、上記の熱処理後の210〜240℃の吸熱ピーク面積から観測される第2の金属粒子由来の溶融時の吸熱量は該熱処理前に比べて減少するか又は消失する。その一方で、第1の金属粒子と第2の金属粒子の反応により300℃未満では溶融しない新たな安定合金相が形成される。   As the thermal diffusion reaction proceeds, the metal component having a melting point of 210 to 260 ° C. of the second metal particles is reduced to a newly formed stable alloy phase having a melting point of 300 to 450 ° C. That is, the endothermic amount at the time of melting derived from the second metal particles observed from the endothermic peak area of 210 to 240 ° C. after the heat treatment is reduced or disappears compared with that before the heat treatment. On the other hand, a new stable alloy phase that does not melt below 300 ° C. is formed by the reaction of the first metal particles and the second metal particles.

上記の混合体を245℃で熱処理した後の50〜240℃におけるDSCの吸熱ピーク面積は、熱処理前の0〜90%であることが好ましく、0〜70%であることがより好ましい。該吸熱ピーク面積が90%以下であれば、300℃未満では溶融しない新たな安定合金相による高耐熱性を示す。なお、0%とは、50〜240℃におけるDSCの吸熱ピークが該熱処理後に消失することを意味する。   The endothermic peak area of DSC at 50 to 240 ° C. after heat-treating the above mixture at 245 ° C. is preferably 0 to 90%, more preferably 0 to 70% before heat treatment. When the endothermic peak area is 90% or less, high heat resistance is exhibited by a new stable alloy phase that does not melt at less than 300 ° C. In addition, 0% means that the endothermic peak of DSC at 50 to 240 ° C. disappears after the heat treatment.

半導体チップ又はパッケージの電極と回路基板の電極をバンプ接続する際のリフロー熱処理温度が300℃未満であれば、上記導電性フィラーで溶融形成したバンプは熱履歴を与えても全溶融することはない。
第1の金属粒子としては、Cu50〜80質量%とAg、Bi、In、及びSnからなる群より選ばれる少なくとも1つ以上の元素20〜50質量%の組成を有する合金からなる金属粒子が好ましい。第2の金属粒子としては、210〜260℃に融点をもつ金属が好ましく、さらには220〜240℃に融点をもつ金属が好ましい。220〜240℃に融点をもつ金属粒子としてSn、SACが例示される。主成分がSnである場合は、熱処理による接合強度を高くするために、第1の金属粒子におけるCuを50質量%以上とすることが好ましい。また、準安定合金相を少なくとも1つと300〜600℃に融点を少なくとも1つ発現させるために、第1の金属粒子においてはAg、Bi、In、及びSnからなる群より選ばれる少なくとも1つ以上の元素を10質量%以上とすることが好ましい。
If the reflow heat treatment temperature at the time of bump connection between the electrode of the semiconductor chip or package and the electrode of the circuit board is less than 300 ° C., the bump formed by melting with the conductive filler will not be completely melted even if a thermal history is given. .
As the first metal particles, metal particles made of an alloy having a composition of 20 to 50% by mass of Cu and 50 to 80% by mass of at least one element selected from the group consisting of Ag, Bi, In, and Sn are preferable. . As the second metal particles, a metal having a melting point of 210 to 260 ° C is preferable, and a metal having a melting point of 220 to 240 ° C is more preferable. Sn and SAC are illustrated as a metal particle which has melting | fusing point in 220-240 degreeC. When the main component is Sn, it is preferable that Cu in the first metal particles is 50% by mass or more in order to increase the bonding strength by heat treatment. Further, in order to develop at least one metastable alloy phase and at least one melting point at 300 to 600 ° C., the first metal particles have at least one selected from the group consisting of Ag, Bi, In, and Sn. The element is preferably 10% by mass or more.

また、第1の金属粒子は、Cu60〜70質量%、Sn10〜20質量%、Ag5〜15質量%、Bi3〜7質量%、及びIn3〜7質量%の組成を有する金属粒子がより好ましい。準安定合金相の発現を容易にするために、Agは7質量%以上、Biは4質量%以上とすることがより好ましい。熱処理時に第2の金属粒子との合金化を促進するために、Snは12質量%以上、Inは4質量%以上とすることがより好ましい。また、Cuを60質量%以上とするために、Sn、Ag、Bi及びInは、それぞれ18質量%以下、12質量%以下、6質量%以下、及び6質量%以下とすることがより好ましい。   The first metal particles are more preferably metal particles having a composition of Cu 60 to 70% by mass, Sn 10 to 20% by mass, Ag 5 to 15% by mass, Bi 3 to 7% by mass, and In 3 to 7% by mass. In order to facilitate the development of the metastable alloy phase, it is more preferable that Ag is 7% by mass or more and Bi is 4% by mass or more. In order to promote alloying with the second metal particles during the heat treatment, it is more preferable that Sn is 12% by mass or more and In is 4% by mass or more. Moreover, in order to make Cu 60 mass% or more, it is more preferable that Sn, Ag, Bi, and In are 18 mass% or less, 12 mass% or less, 6 mass% or less, and 6 mass% or less, respectively.

さらにより好ましい第1の金属粒子は、Cu63〜67質量%、Ag8〜12質量%、Bi4〜6%、In4〜6%、及び残部Snの組成を有する金属粒子である。   Even more preferable first metal particles are metal particles having a composition of Cu 63 to 67% by mass, Ag 8 to 12% by mass, Bi 4 to 6%, In 4 to 6%, and the balance Sn.

第2の金属粒子としては、Snを70〜100質量%含む金属粒子が好ましい。第1の金属粒子の主成分がCuである場合は、熱処理による接合強度を高くするために、第2の金属粒子におけるSnを70質量%以上とすることが好ましい。また、Snは融点が232℃であるので、第2の金属粒子において210〜240℃に融点を発現させるためにも好ましい。Sn以外の成分としては、鉛フリーはんだで使用される金属元素、例えばAg、Al、Bi、Cu、Ge、In、Ni、Zn、を30質量%以下とすることが好ましい。   As the second metal particles, metal particles containing 70 to 100% by mass of Sn are preferable. When the main component of the first metal particles is Cu, it is preferable that the Sn content in the second metal particles is 70% by mass or more in order to increase the bonding strength by heat treatment. Moreover, since Sn has a melting point of 232 ° C., it is also preferable for causing the second metal particles to have a melting point of 210 to 240 ° C. As a component other than Sn, it is preferable that a metal element used in lead-free solder, for example, Ag, Al, Bi, Cu, Ge, In, Ni, Zn, is 30% by mass or less.

また、第2の金属粒子は、Sn100質量%又はSn70〜99.9質量%とAg、Bi、Cu、及びInからなる群より選ばれる少なくとも1つ以上の元素0.1〜30質量%の組成を有する合金からなる金属粒子がより好ましい。   Further, the second metal particles are composed of Sn 100 mass% or Sn 70-99.9 mass% and at least one element selected from the group consisting of Ag, Bi, Cu, and In, 0.1-30 mass%. More preferred are metal particles made of an alloy having

第1の金属粒子と第2の金属粒子の混合比は、第1の金属粒子100質量部に対して、第2の金属粒子30〜100質量部が好ましく、40〜90質量部がより好ましく、50〜85質量部が最も好ましい。第1の金属粒子100質量部に対して、第2の金属粒子が50質量部以上であれば室温での接続強度が高く、第2の金属粒子が85質量部以下であれば260℃での接続強度が高い。   The mixing ratio of the first metal particles and the second metal particles is preferably 30 to 100 parts by mass of the second metal particles, more preferably 40 to 90 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the first metal particles. 50-85 mass parts is the most preferable. If the second metal particle is 50 parts by mass or more with respect to 100 parts by mass of the first metal particle, the connection strength at room temperature is high, and if the second metal particle is 85 parts by mass or less, the connection at 260 ° C. High connection strength.

上記金属粒子の粒子サイズは、バンプ形成方法に応じて定めることができる。例えば、スクリーン印刷法では、ペースト版抜け性を重視して、平均粒径2〜40μmの範囲で、粒度分布をブロードにとり、比較的真球度の高い粒子を使うことが好ましい。逆にディッピング法では、ペースト流動性を考慮して、粒度分布はシャープにするのが好ましい。   The particle size of the metal particles can be determined according to the bump forming method. For example, in the screen printing method, it is preferable to use particles having a relatively high sphericity with a broad particle size distribution in the range of an average particle size of 2 to 40 μm, with emphasis on the ability to remove the paste plate. Conversely, in the dipping method, it is preferable to sharpen the particle size distribution in consideration of paste fluidity.

また、通常、微細な金属粒子は表面が酸化されていることが多いので、上述の用途における熱処理において溶融、熱拡散を促進するために、酸化膜を除去する活性剤を配合することが好ましい。   In general, since the surface of fine metal particles is often oxidized, it is preferable to add an activator for removing the oxide film in order to promote melting and thermal diffusion in the heat treatment in the above-described application.

導電性フィラーを構成する第1の金属粒子及び第2の金属粒子の製造方法としては、該金属粒子内に準安定合金相や安定合金相を形成させるために、急冷凝固法である不活性ガスアトマイズ法を採用することが望ましい。ガスアトマイズ法では、通常、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガスが使用されるが、本発明に関しては、ヘリウムガスを用いることが好ましく、冷却速度は、500〜5000℃/秒が好ましい。   As a method for producing the first metal particles and the second metal particles constituting the conductive filler, an inert gas atomization which is a rapid solidification method in order to form a metastable alloy phase or a stable alloy phase in the metal particles. It is desirable to adopt the law. In the gas atomization method, an inert gas such as nitrogen gas, argon gas, or helium gas is usually used, but in the present invention, helium gas is preferably used, and the cooling rate is preferably 500 to 5000 ° C./second. .

はんだペーストは、リフロー熱処理において、溶融する第2の金属粒子と溶融しない第1の金属粒子を含有することから、濡れ広がりがなく、スクリーン印刷後のペースト形状をリフロー後にも崩すことなく維持できる。また、バンプの外部接続面は均一に平坦化できると、外部電極と接続する際の負荷(温度、圧力)を最小にすることが可能であるので好ましい。   Since the solder paste contains the second metal particles that melt and the first metal particles that do not melt in the reflow heat treatment, the solder paste does not spread out and can be maintained without breaking the paste shape after screen printing. Further, it is preferable that the external connection surfaces of the bumps can be uniformly flattened because the load (temperature, pressure) when connecting to the external electrodes can be minimized.

バンプ形成に適した電極金属は、Cu、Ag、Au、Ni、Sn、Al、Ti、Pd、Si等が挙げられるが、より好ましくは、Cu、Ag、Auである。なお、Au以外は金属表面が酸化され易いので、ペーストを印刷塗布する前に、電極面をフラックス等で表面処理したり又はプリフラックスコートしておくと良好なバンプ形成が可能である。また、回路基板電極のはんだ被膜は、Sn、Sn−Ag、Sn−Cu、Sn−Bi、Sn−Bi−Ag、Sn−Ag−Cuなどが挙げられるが、より好ましくは、Sn、Sn−Ag、Sn−Ag−Cuである。   Examples of the electrode metal suitable for bump formation include Cu, Ag, Au, Ni, Sn, Al, Ti, Pd, and Si, and more preferably Cu, Ag, and Au. Since the surface of the metal other than Au is easily oxidized, good bump formation is possible if the electrode surface is surface-treated with a flux or pre-flux coated before the paste is printed and applied. Examples of the solder coating on the circuit board electrode include Sn, Sn—Ag, Sn—Cu, Sn—Bi, Sn—Bi—Ag, and Sn—Ag—Cu, and more preferably Sn, Sn—Ag. Sn-Ag-Cu.

<2>前記印刷されたはんだペーストの上面に、平坦性を有する部材を接触させながら熱処理を行って上面が平坦なバンプを得る平坦化工程
続いて、半導体チップの電極面に平坦性を有する部材4を印刷したはんだペーストの上面に対向するように接触させながら、熱処理を行う(図1(c))。熱処理により、半導体ペーストは上部が平坦化されたバンプとなる(図1(d))。
平坦性を有する部材の材質は、リフロー時のはんだ中金属が溶融しても付着しない材質が好ましく、例えば、ガラス、セラミック、高耐熱樹脂が挙げられる。
<2> A flattening step for obtaining a bump having a flat top surface by performing a heat treatment while bringing a flat member into contact with the upper surface of the printed solder paste. Subsequently, a member having flatness on the electrode surface of the semiconductor chip Heat treatment is performed while contacting the upper surface of the solder paste printed with 4 (FIG. 1 (c)). By the heat treatment, the semiconductor paste becomes bumps whose upper part is flattened (FIG. 1D).
The material of the flat member is preferably a material that does not adhere even if the metal in the solder at the time of reflow is melted, and examples thereof include glass, ceramic, and high heat resistance resin.

熱処理は、最低温度が235℃以上より好ましくは245℃以上で、3〜60秒行うことが好ましい。第2の金属粒子が熱拡散するために3秒以上であることが好ましく、半導体チップの保護の観点から、60秒以内が好ましい。さらに、熱処理のピーク温度が、245℃〜260℃で3〜30秒行うことが好ましい。熱処理は、大気雰囲気中で行ってもよいが、窒素雰囲気中で行う方がより好ましい。さらに好ましくは、熱処理は、はんだ用リフロー装置を用い、ピーク温度235℃〜250℃、酸素濃度1000ppm以下の窒素雰囲気で行う。続いて、前記平坦性を有する部材をとり除く。除く際には、バンプになるべく応力が掛からないようにすることが好ましい。   The heat treatment is preferably performed at a minimum temperature of 235 ° C. or more, more preferably 245 ° C. or more for 3 to 60 seconds. In order for the second metal particles to thermally diffuse, it is preferably 3 seconds or more, and preferably within 60 seconds from the viewpoint of protecting the semiconductor chip. Furthermore, it is preferable to perform the heat treatment at a peak temperature of 245 ° C. to 260 ° C. for 3 to 30 seconds. The heat treatment may be performed in an air atmosphere, but is more preferably performed in a nitrogen atmosphere. More preferably, the heat treatment is performed using a solder reflow apparatus in a nitrogen atmosphere having a peak temperature of 235 ° C. to 250 ° C. and an oxygen concentration of 1000 ppm or less. Subsequently, the member having flatness is removed. When removing, it is preferable that stress is not applied to the bump as much as possible.

上記製造方法によって得られたバンプ付き半導体チップのバンプは、数回のリフローによるバンプ同士の短絡を防ぐ観点から、300℃では溶融しない粒状の合金相を有する構造であることが好ましい。また、バンプの金属組成は、Cu:22質量%以上36質量%以下、Ag:3質量%以上6質量%以下、Sn:53質量%以上71質量%以下、Bi:1質量%以上3質量%以下、In:1質量%以上3質量%以下であることが好ましい。   The bumps of the semiconductor chip with bumps obtained by the above manufacturing method preferably have a structure having a granular alloy phase that does not melt at 300 ° C. from the viewpoint of preventing short-circuiting between the bumps due to several reflows. The metal composition of the bumps is Cu: 22 mass% to 36 mass%, Ag: 3 mass% to 6 mass%, Sn: 53 mass% to 71 mass%, Bi: 1 mass% to 3 mass% Hereinafter, In: 1% by mass or more and 3% by mass or less is preferable.

上記製造方法によって得られたバンプ付き半導体チップのバンプ上面は、平坦となる。平坦性は、以下の測定方法によって、確認することができる。
バンプ上面の測定方法はCu基板にφ300μm、厚み0.1mmのメタルマスクでスクリーン印刷後、リフロー熱処理したサンプルをエポキシにて包埋して硬化する。硬化後のサンプルについて断面研磨を行い、そしてバンプ中央付近をカメラ付き光学顕微鏡で写真撮影する。
The bump upper surface of the semiconductor chip with bumps obtained by the above manufacturing method is flat. The flatness can be confirmed by the following measurement method.
The bump upper surface is measured by screen printing on a Cu substrate with a metal mask having a diameter of 300 μm and a thickness of 0.1 mm, and embedding and curing the reflow-treated sample with epoxy. The cured sample is subjected to cross-sectional polishing, and the vicinity of the center of the bump is photographed with an optical microscope equipped with a camera.

(表面の最凸部の高さと表面の最凹部の高さの差)÷バンプ表面の長さを求め、これが5%以下であれば、平坦であるとした。
バンプの形状としては、円錐台が好ましく、バンプ中央を電極面に対して垂直に切断した場合の断面では、台形であることが好ましい。
(Difference between the height of the most convex part on the surface and the height of the most concave part on the surface) / the length of the bump surface was obtained.
As a shape of the bump, a truncated cone is preferable, and a trapezoid is preferable in a cross section when the center of the bump is cut perpendicular to the electrode surface.

以下、本発明を以下の非制限的実施例に基づいて説明する。
(1)第1の金属粒子の製造
Cu粒子6.5kg(純度99質量%以上)、Sn粒子1.5kg(純度99質量%以上)、Ag粒子1.0kg(純度99質量%以上)、Bi粒子0.5kg(純度99質量%以上)、及びIn粒子0.5kg(純度99質量%以上)を黒鉛坩堝に入れ、99体積%以上のヘリウム雰囲気で、高周波誘導加熱装置により1400℃まで加熱、融解した。次に、この溶融金属を坩堝の先端より、ヘリウムガス雰囲気の噴霧槽内に導入した後、坩堝先端付近に設けられたガスノズルから、ヘリウムガス(純度99体積%以上、酸素濃度0.1体積%未満、圧力2.5MPa)を噴出してアトマイズを行い、第1の金属粒子を作製した。この時の冷却速度は2600℃/秒とした。
The invention will now be described on the basis of the following non-limiting examples.
(1) Production of first metal particles 6.5 kg of Cu particles (purity 99 mass% or more), 1.5 kg of Sn particles (purity 99 mass% or more), 1.0 kg of Ag particles (purity 99 mass% or more), Bi 0.5 kg of particles (purity 99% by mass or more) and 0.5 kg of In particles (purity 99% by mass or more) were put in a graphite crucible and heated to 1400 ° C. with a high frequency induction heating device in a helium atmosphere of 99% by volume or more. Melted. Next, after introducing the molten metal from the tip of the crucible into a spray tank in a helium gas atmosphere, helium gas (purity 99 vol% or more, oxygen concentration 0.1 vol%) is supplied from a gas nozzle provided near the crucible tip. Less than the pressure of 2.5 MPa), atomization was performed to produce first metal particles. The cooling rate at this time was 2600 ° C./second.

得られた第1の金属粒子を走査型電子顕微鏡(日立製作所(株)製:S−2700)で観察したところ球状であった。この金属粒子を気流式分級機(日清エンジニアリング(株)製:TC−15N)を用いて、1.6μmの設定で分級した後、そのオーバーカット粉を10μm設定でもう一度分級して得られたアンダーカット粉を回収した。回収された第1の金属粒子の体積平均粒径は2.2μmであった。このようにして得られた第1の金属粒子を試料とし、島津製作所(株)製「DSC−50」を用い、窒素雰囲気下、昇温速度10℃/分の条件で、30〜600℃の範囲において示差走査熱量測定を行った。得られた第1の金属粒子には、495℃、及び514℃に吸熱ピークが存在し、複数の融点を有することが確認できた。また、254℃の発熱ピークが存在し、準安定合金相を有することが確認できた。   When the obtained 1st metal particle was observed with the scanning electron microscope (Hitachi, Ltd. product: S-2700), it was spherical. The metal particles were classified by using an airflow classifier (manufactured by Nissin Engineering Co., Ltd .: TC-15N) at a setting of 1.6 μm, and then the overcut powder was classified again at a setting of 10 μm. Undercut powder was collected. The recovered first metal particles had a volume average particle size of 2.2 μm. The first metal particles thus obtained were used as samples, and “DSC-50” manufactured by Shimadzu Corporation was used, and the temperature was 30 to 600 ° C. under a temperature increase rate of 10 ° C./min in a nitrogen atmosphere. Differential scanning calorimetry was performed over the range. It was confirmed that the obtained first metal particles had endothermic peaks at 495 ° C. and 514 ° C. and had a plurality of melting points. Moreover, the exothermic peak of 254 degreeC existed and it has confirmed that it had a metastable alloy phase.

(2)第2の金属粒子の製造
Sn粒子10.0kg(純度99質量%以上)を黒鉛坩堝に入れ、99体積%以上のヘリウム雰囲気で、高周波誘導加熱装置により1400℃まで加熱、融解した。次に、この溶融金属を坩堝の先端より、ヘリウムガス雰囲気の噴霧槽内に導入した後、坩堝先端付近に設けられたガスノズルから、ヘリウムガス(純度99体積%以上、酸素濃度0.1体積%未満、圧力2.5MPa)を噴出してアトマイズを行うことにより、第2の金属粒子を作製した。この時の冷却速度は2600℃/秒とした。
得られた第2の金属粒子を気流式分級機(日清エンジニアリング(株)製:TC−15N)を用いて、5μmの設定で分級した後、そのオーバーカット粉を40μm設定でもう一度分級して得られたアンダーカット粉を回収した。回収された第2の金属粒子の体積平均粒径は7.1μmであった。このようにして得られた第2の金属粒子を試料とし、島津製作所(株)製「DSC−50」を用い、窒素雰囲気下、昇温速度10℃/分の条件で、30〜600℃の範囲において示差走査熱量測定を行った。得られた第2の金属粒子には、242℃の吸熱ピークが存在し、融点232℃(融解開始温度:通常、固相線温度と表示させる温度)を有することが確認できた。また、特徴的な発熱ピークは存在しなかった。
(2) Production of Second Metal Particles 10.0 kg of Sn particles (purity 99% by mass or more) were put in a graphite crucible and heated and melted to 1400 ° C. with a high frequency induction heating device in a helium atmosphere of 99% by volume or more. Next, after this molten metal is introduced from the tip of the crucible into a spray tank in a helium gas atmosphere, helium gas (purity 99 vol% or more, oxygen concentration 0.1 vol%) is supplied from a gas nozzle provided near the crucible tip. The second metal particles were produced by performing atomization by ejecting a pressure of less than 2.5 MPa. The cooling rate at this time was 2600 ° C./second.
The obtained second metal particles were classified using an airflow classifier (manufactured by Nissin Engineering Co., Ltd .: TC-15N) at a setting of 5 μm, and then the overcut powder was classified again at a setting of 40 μm. The resulting undercut powder was collected. The recovered second metal particles had a volume average particle size of 7.1 μm. The second metal particles thus obtained were used as samples, and “DSC-50” manufactured by Shimadzu Corporation was used, and the temperature was 30 to 600 ° C. under a nitrogen atmosphere under a temperature rising rate of 10 ° C./min. Differential scanning calorimetry was performed over the range. It was confirmed that the obtained second metal particles had an endothermic peak of 242 ° C. and had a melting point of 232 ° C. (melting start temperature: usually a temperature indicated as a solidus temperature). There was no characteristic exothermic peak.

(3)熱処理による融点変化
上記第1の金属粒子と上記第2の金属粒子とを重量比100:82で混合した導電性フィラー(平均粒径4.0μm)を試料とし、島津製作所(株)製「DSC−50」を用い、窒素雰囲気下、昇温速度10℃/分の条件で、30〜600℃の範囲において示差走査熱量測定を行った。この測定により得られたDSCチャートを図2に示す。図2に示すように、233℃、352℃、及び380℃に吸熱ピークが存在することが確認された。233℃の吸熱ピークは、融点221℃(融解開始温度:固相線温度と表示させる温度)、吸熱量16.4J/gである。また、257℃に特徴的な発熱ピークが存在していた。
(3) Melting point change by heat treatment The conductive filler (average particle size of 4.0 μm) obtained by mixing the first metal particles and the second metal particles at a weight ratio of 100: 82 was used as a sample. Differential scanning calorimetry was performed in the range of 30 to 600 ° C. under the condition of a temperature rising rate of 10 ° C./min under a nitrogen atmosphere using “DSC-50”. The DSC chart obtained by this measurement is shown in FIG. As shown in FIG. 2, it was confirmed that endothermic peaks exist at 233 ° C., 352 ° C., and 380 ° C. The endothermic peak at 233 ° C. has a melting point of 221 ° C. (melting start temperature: a temperature indicated as a solidus temperature) and an endothermic amount of 16.4 J / g. Further, a characteristic exothermic peak at 257 ° C. was present.

次に、該導電性フィラー90.0質量%、ロジン系フラックス質量10.0%を混合し、ソルダーソフナー((株)マルコム製:SPS−1)、脱泡混練機(松尾産業(株)製:SNB−350)にかけてバンプ形成用ペーストを作製した。このようにして得られたバンプ形成用ペーストを試料として(株)マルコム製「PCU−205」で粘度測定したところ、粘度179Pa・s、チクソ指数0.52であった。   Next, 90.0% by mass of the conductive filler and 10.0% by mass of rosin-based flux are mixed, and solder softener (manufactured by Malcolm Co., Ltd .: SPS-1), defoaming kneader (manufactured by Matsuo Sangyo Co., Ltd.) : SNB-350) to produce a bump forming paste. The viscosity was measured with “PCU-205” manufactured by Malcolm Co., Ltd. using the obtained paste for bump formation as a sample. The viscosity was 179 Pa · s and the thixo index was 0.52.

上記バンプ形成用ペーストをアルミナ基板に塗布後、マルコム(株)製のSRS−1Cでプレヒートゾーンまでの条件が2℃/秒、プレヒートゾーンが130℃から190℃を110秒、プレヒートゾーンから本加熱までが2℃/秒、本加熱が250℃を15秒間、235℃を30秒間保持するとして酸素濃度は1000ppm以下の窒素雰囲気下にて、熱処理した。この熱処理後のバンプ形成用ペーストを試料とし、島津製作所(株)製「DSC−50」を用い、窒素雰囲気下、昇温速度10℃/分の条件で、30〜600℃の範囲において示差走査熱量測定を行った。この測定により得られたDSCチャートを図3に示す。図3に示すように、138℃、175℃、351℃、430℃に吸熱ピークが存在することが確認された。この内、240℃以下の吸熱ピークは、138℃、175℃で、吸熱量は、1.4J/gである。よって50〜240℃の吸熱量は、熱処理前の210〜240℃の吸熱ピーク面積から観測される溶融時の吸熱量の8%に減少し、新たな安定合金相が形成され、300℃未満では溶融しない高耐熱性が確認された。   After applying the above paste for bump formation to an alumina substrate, SRS-1C manufactured by Malcolm Co., Ltd., the conditions up to the preheating zone are 2 ° C./second, the preheating zone is 130 ° C. to 190 ° C. for 110 seconds, and the main heating from the preheating zone The heat treatment was performed in a nitrogen atmosphere with an oxygen concentration of 1000 ppm or less assuming that the temperature was maintained at 2 ° C./second, and the main heating was maintained at 250 ° C. for 15 seconds and 235 ° C. for 30 seconds. Using this heat-treated paste for bump formation as a sample, using a “DSC-50” manufactured by Shimadzu Corporation, a differential scanning in the range of 30 to 600 ° C. under a temperature increase rate of 10 ° C./min in a nitrogen atmosphere. Calorimetry was performed. The DSC chart obtained by this measurement is shown in FIG. As shown in FIG. 3, it was confirmed that endothermic peaks exist at 138 ° C., 175 ° C., 351 ° C., and 430 ° C. Among these, the endothermic peak at 240 ° C. or lower is 138 ° C., 175 ° C., and the endothermic amount is 1.4 J / g. Therefore, the endothermic amount at 50 to 240 ° C. is reduced to 8% of the endothermic amount at the time of melting observed from the endothermic peak area at 210 to 240 ° C. before the heat treatment, and a new stable alloy phase is formed. High heat resistance that does not melt was confirmed.

(4)バンプ形成
上記バンプ形成用ペーストを2.5mm×2.5mm、厚み0.25mmのCu基板にφ300μm、厚み100μmのバンプ形成用メタルマスクを使用してメタルスキージでハンド印刷後、印刷された面側の縁4辺に50μm厚みのカプトンテープをスペーサーとして用いスライドガラスを乗せた状態でマルコム(株)製のSRS−1Cでプレヒートゾーンまでの条件が2℃/秒、プレヒートゾーンが130℃から190℃を110秒、プレヒートゾーンから本加熱までが2℃/秒、本加熱が250℃を15秒間、235℃を30秒間保持するとして酸素濃度は1000ppm以下の窒素雰囲気下にて、熱処理した。このようにして得られたバンプを図4に示す。バンプ中央を電極面に対して垂直に切断した断面の(表面の最凸部の高さと表面の最凹部の長さの差÷バンプ表面の長さ)を求めたところ、2.2%であり平坦なバンプが形成されることが確認できた。バンプ断面を日立ハイテクノロジー製の走査型電子顕微鏡(S−3400N)、堀場製作所製のエネルギー分散型X線分析装置(EMAX ENERGY)を用い元素分析した結果、金属組成はCu:35.7質量%、Ag:5.5質量%、Sn:53.2質量%、Bi:2.8質量%、In:2.8質量%であった。
(4) Bump formation The bump forming paste is printed after hand printing with a metal squeegee using a bump forming metal mask of φ300 μm and thickness of 100 μm on a 2.5 mm × 2.5 mm, 0.25 mm thick Cu substrate. The conditions up to the preheat zone were 2 ° C / second and the preheat zone was 130 ° C with SRS-1C manufactured by Malcolm Co., Ltd. in a state where a glass slide was placed on the four edges on the surface side using a Kapton tape having a thickness of 50 µm. To 190 ° C. for 110 seconds, preheating zone to main heating at 2 ° C./second, main heating at 250 ° C. for 15 seconds, and 235 ° C. for 30 seconds under oxygen atmosphere of 1000 ppm or less in a nitrogen atmosphere. . The bumps thus obtained are shown in FIG. When the cross section of the bump center cut perpendicular to the electrode surface (the difference between the height of the most convex part on the surface and the length of the most concave part on the surface ÷ the length of the bump surface) is 2.2% It was confirmed that a flat bump was formed. As a result of elemental analysis of the bump cross-section using a scanning electron microscope (S-3400N) manufactured by Hitachi High-Technology and an energy dispersive X-ray analyzer (EMAX ENERGY) manufactured by HORIBA, the metal composition was Cu: 35.7% by mass. , Ag: 5.5% by mass, Sn: 53.2% by mass, Bi: 2.8% by mass, and In: 2.8% by mass.

本発明の製造方法によれば、バンプ付き半導体チップのバンプ上面を簡便に平坦化させることができる。   According to the manufacturing method of the present invention, the bump upper surface of the semiconductor chip with bumps can be easily flattened.

本発明の実施の形態によるバンプ付き半導体チップの製造方法を工程順に示す概念断面図である。It is a conceptual sectional view showing a manufacturing method of a semiconductor chip with a bump by an embodiment of the invention in order of a process. 実施例で作製した第1の金属粒子と第2の金属粒子を重量比100:82で混合した導電性フィラーを試料とし、示差走査熱量測定により得られたDSCチャートである。6 is a DSC chart obtained by differential scanning calorimetry using a conductive filler obtained by mixing the first metal particles and the second metal particles prepared in Examples at a weight ratio of 100: 82 as a sample. 窒素雰囲気下にて、ピーク温度245℃でリフロー熱処理後のバンプ形成用ペーストを試料とした示差走査熱量測定により得られたDSCチャートである。6 is a DSC chart obtained by differential scanning calorimetry using a bump forming paste after a reflow heat treatment at a peak temperature of 245 ° C. as a sample in a nitrogen atmosphere. Cu基板に平坦なバンプを形成した結果である。This is a result of forming flat bumps on the Cu substrate.

符号の説明Explanation of symbols

1 半導体チップ上の電極
2 半導体チップ
3 印刷されたはんだペースト
4 平坦性を有する部材
5 バンプ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrode on semiconductor chip 2 Semiconductor chip 3 Printed solder paste 4 Member having flatness 5 Bump

Claims (5)

外部と電気的接続を行うための複数のバンプを有するバンプ付き半導体チップの製造方法であって、半導体チップの電極面にはんだペーストを印刷する印刷工程、及び前記印刷されたはんだペーストの上面に、平坦性を有する部材を接触させながら熱処理を行って上面が平坦なバンプを得る平坦化工程、を含むことを特徴とするバンプ付き半導体チップの製造方法。   A method for manufacturing a bumped semiconductor chip having a plurality of bumps for electrical connection with the outside, a printing step of printing a solder paste on the electrode surface of the semiconductor chip, and an upper surface of the printed solder paste, A method of manufacturing a semiconductor chip with bumps, comprising: a planarization step of obtaining a bump having a flat upper surface by performing heat treatment while contacting a member having flatness. 上記熱処理が、235℃以上かつ3秒以上の熱処理であり、上記はんだペーストが少なくとも2種の金属粒子を含み、ここで、第1の金属粒子が、示差走査熱量測定において発熱ピークを少なくとも1つ及び300〜600℃に吸熱ピークを少なくとも1つ有し、第2の金属粒子が、発熱ピークを有さず、かつ、210〜260℃に少なくとも1つの吸熱ピークを有する、請求項1に記載の方法。   The heat treatment is a heat treatment of 235 ° C. or more and 3 seconds or more, and the solder paste contains at least two kinds of metal particles, wherein the first metal particles have at least one exothermic peak in differential scanning calorimetry. And at least one endothermic peak at 300 to 600 ° C, and the second metal particles have no exothermic peak and at least one endothermic peak at 210 to 260 ° C. Method. 請求項1又は2に記載の方法によって製造されたバンプ付き半導体チップ。   A semiconductor chip with bumps manufactured by the method according to claim 1. 前記バンプが、300℃では溶融しない粒状の合金相を有する構造であることを特徴とする、請求項3に記載のバンプ付き半導体チップ。   4. The bumped semiconductor chip according to claim 3, wherein the bump has a structure having a granular alloy phase that does not melt at 300 [deg.] C. 前記バンプの平均組成割合が、Cu:22質量%以上36質量%以下、Ag:3質量%以上6質量%以下、Sn:53質量%以上71質量%以下、Bi:1質量%以上3質量%以下、そしてIn:1質量%以上3質量%以下である、請求項3又は4に記載のバンプ付き半導体チップ。   The average composition ratio of the bumps is Cu: 22 mass% to 36 mass%, Ag: 3 mass% to 6 mass%, Sn: 53 mass% to 71 mass%, Bi: 1 mass% to 3 mass% The semiconductor chip with bumps according to claim 3 or 4, wherein In and 1% by mass or more and 3% by mass or less.
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