JP2010177381A

JP2010177381A - 突起電極の形成方法及び形成装置

Info

Publication number: JP2010177381A
Application number: JP2009017283A
Authority: JP
Inventors: Motomichi Ito; 元通伊藤
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2009-01-28
Filing date: 2009-01-28
Publication date: 2010-08-12

Abstract

【課題】本発明は、例えば比較的体積の大きな突起電極を狭ピッチで電子部品に形成する場合のように、極めて近接した状態で複数の突起電極を形成することが可能な新規な突起電極の形成方法及び形成装置を提供することを目的としている。
【解決手段】本発明に係わる突起電極の形成方法は、電子部品の一面に複数の突起電極を形成する方法であって、所望の突起電極とほぼ同じ体積でかつ軸心に直交する断面における最大寸法が所望の突起電極の最大寸法未満となるよう形成された低融点金属を主体とした柱状の金属片をその端面が電子部品の一面に当接する姿勢で搭載冶具の貫通孔を通じて電子部品に搭載する搭載工程と、前記搭載工程の後に金属片を溶融し、冷却し、凝固せしめるリフロー工程とを含む突起電極の形成方法である。
【選択図】図３

Description

本発明は、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ−Ｇｒｉｄ−Ａｌｌａｙ）型半導体パッケージやＦＣ（Ｆｌｉｐ−Ｃｈｉｐ）型半導体素子など表面実装型電子部品における突起電極の製造方法及び形成装置に関するものである。

上記突起電極（バンプと通称される。）を有するＦＣ型半導体素子の一例を図４に示す。ＦＣ型半導体素子は、一定の回路パターンがＳｉ等に形成された素子本体Ｃと、素子本体Ｃの底面に形成され外部と信号の送受をする平面電極Ｃ１とを有し、この平面電極Ｃ１の一面Ｃ２に突起電極Ｂは形成されている。

突起電極Ｂは半田などの低融点金属を主体として構成され、半導体パッケージを形成する樹脂基板やセラミックス基板と半導体素子Ｃとの接続部を構成し、これらを電気的及び機械的に接続するものである。そして、半導体素子の小型化・高機能化のため従来から狭小な配列ピッチで突起電極Ｂを形成可能な技術が電気的接続の面から要請されてきたが、近年その要請に加えて、半導体素子の高速化による発熱量の増加及び半導体素子の起動・停止とにより生じる熱サイクルに起因する接続部の熱疲労クラックの発生を防止するため比較的体積の大きな突起電極Ｂを形成可能な技術が機械的接続の信頼性の面から要請されている。

上記要請に対応する技術が特許文献１に開示されている。特許文献１に記載された突起電極の形成方法は、「ボールグリッドアレイの半田バンプを形成するに当たり、マスクに配列された複数の貫通孔に、形状が維持できる程度の粘性を有する半田ペーストを充填し、前記充填された半田ペーストを、予備半田バンプとして型抜きすることによって前記貫通孔に対応した位置に設けてあるパッド上にそれぞれ配列させ、前記予備半田バンプをリフローさせて該予備半田バンプから半田バンプに変えることを特徴とする半田バンプ形成方法」である。

特開平８−３１８３０号公報

本発明は、例えば上記した比較的体積の大きな突起電極を狭ピッチで電子部品に形成する場合のように、極めて近接した状態で複数の突起電極を形成することが可能な新規な突起電極の形成方法及び形成装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成する本発明に係わる突起電極の形成方法は、電子部品の一面に複数の突起電極を形成する方法であって、所望の突起電極とほぼ同じ体積でかつ軸心に直交する断面における最大寸法が所望の突起電極の最大寸法未満となるよう形成された低融点金属を主体とした柱状の金属片をその端面が電子部品の一面に当接する姿勢で搭載冶具の貫通孔を通じて電子部品に搭載する搭載工程と、前記搭載工程の後に金属片を溶融し、冷却し、凝固せしめるリフロー工程とを含む突起電極の形成方法である。かかる突起電極の形成方法によれば、搭載工程において所望の突起電極とほぼ同体積の低融点金属を主体とした金属片を電子部品の一面（以下被搭載面と言う場合がある。）に搭載し、それをリフロー工程で溶融し、冷却し、凝固せしめることにより、所望の体積を有する突起電極が形成される。ここで、上記金属片は、搭載冶具の貫通孔を通じ確実に被搭載面に搭載されるとともに、その端面が被搭載面に当接する姿勢で搭載されるので、搭載された後もその姿勢は被搭載面において安定して保持される。さらに、金属片の軸心に直交する断面における最大寸法は所望の突起電極の最大寸法未満となるよう形成されているので、極めて近接した状態で複数の突起電極を形成する場合においても、被搭載面に搭載された隣接した金属片同士の間の平面視における間隔を確保することができ、リフロー工程において溶融した金属片同士が触れて短絡が生じることが回避される。また、上記構成とすることで、搭載冶具において強度を確保する部分である非開口部分（貫通孔以外の部分）の割合が向上し、高い剛性が搭載冶具に付与され、もって安定して確実に金属片は搭載される。

なお、かかる突起電極の形成方法は、図４に示すように、平面視において前記突起電極の最大寸法をＤ、前記突起電極間のピッチをＰとしたとき、ＤとＰは１＜Ｐ／Ｄ＜１．５となる関係となる突起電極を形成する場合に有効である。

さらに、搭載工程において被搭載面に搭載された金属片の移動を規制するとともに、リフロー工程において溶融した金属片同士が接触することを回避するためには、リフロー工程において、搭載冶具の貫通孔で保持したまま金属片を溶融し、冷却し、凝固せしめることが望ましい。

上記目的を達成する本発明に係わる突起電極の形成装置は、電子部品の一面に複数の突起電極を形成する装置であって、低融点金属を主体とした柱状の金属片を挿通可能な貫通孔と貫通孔周囲に設けられた非開口部とを有する搭載冶具を含む搭載部とリフロー部とを有し、搭載冶具の非開口部には軸心を水平にした姿勢で貫通孔に向い金属片を案内する案内溝が形成されている突起電極の形成装置であり、特に上記形成方法を実施するのに好適な装置である。かかる形成装置によれば、電子部品に対し位置あわせされた搭載冶具に供給された金属片は搭載冶具の貫通孔を通じて電子部品の一面に搭載され、その後リフロー部によりリフローされて突起電極が形成される。ここで、搭載冶具の非開口部には軸心を水平にした姿勢で貫通孔に向い金属片を案内する案内溝が形成されてので、搭載冶具に供給された金属片は、それに適宜な移動動作を加えることにより案内溝で案内されて貫通孔に向かい、その後円滑に貫通孔へ挿入される。

上記課題を解決するための手段の欄の説明のとおり、本発明によれば、極めて近接した状態で複数の突起電極を形成することが可能な新規な突起電極の形成方法及び形成装置を提供するという本発明の目的を達成することができる。

本発明に係わる突起電極の形成方法により円柱状の半田片が搭載された半導体ウエハを示す斜視図である。本発明に係わる突起電極の形成方法を実施するための形成装置の概略構成図である。本発明に係わる突起電極の形成方法の工程を示す図である。ＦＣ型半導体素子の構成を示す斜視図である。

以下、本発明について、その実施態様の一例に基づき図１〜３を参照しつつ説明する。なお、以下説明する実施態様では、図１に示すように複数の半導体素子Ｃを含む半導体ウエハ（以下ウエハと言う。）Ｗに形成された平面電極Ｃ１の被搭載面（一面）に、低融点金属を主体とした金属片である円柱状の半田片７を所定の配列パターンで搭載し、突起電極を形成する場合を例として説明するが、本発明はかかる実施例に限定されることはなく例えば個々の電子部品に突起電極を形成する場合、角柱状の金属片を使用する場合又は半田以外の低融点金属であるＩｎやＢｉなどを含む金属片を使用する場合など本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適用することができる。

まず、突起電極を形成する素材である半田片について図１及び４を参照して説明する。図１に示す半田片７はＳｎにＡｇ・Ｃｕ・Ｂｉが添加された鉛を含まない半田を主体とした金属片であり、その直径ｄは、図４における突起電極Ｂの平面視における最大直径Ｄよりも小さく、更にその体積が突起電極Ｂの体積とほぼ同一となるよう長さＬは調整されている。この半田片７は、例えば上記組成からなる直径ｄの半田ワイヤーを長さＬで切断したり、突起電極Ｂと同体積の半田ボールを直径ｄまで転動しながら圧延して縮径することで形成することができる。

次に、突起電極の形成装置の一例について図２を参照して説明する。突起電極の形成装置１の概略構成を示す図２（ａ）において、符号１０は半田片をウエハに搭載する搭載部であり、符号２０は搭載部１０でウエハに搭載された半田片をリフローするリフロー部である。搭載部１０については下記詳述するが、リフロー部２０は、概略、半田片が搭載されたウエハを内包可能な気密室を備えた筐体と、この気密室の内部を所定の雰囲気（減圧、真空、非酸化雰囲気等）に制御する雰囲気制御手段と、室温から半田片が溶融する程度の温度域にて半田片を加熱する加熱手段とで構成されており、半田片が搭載されたウエハを搬送する搬送部３０を介して搭載部１０と結合されている。

搭載部１０の構成について説明する。搭載部１０の構成を示す図２（ｂ）において、符号１１は、ウエハＷが載置されるテーブルであり、本体部１１１とウエハＷよりもやや大きな直径で本体部１１１の中央に形成されウエハＷが水平な姿勢で装着される装着凹部１１２を備え、半田片７が搭載されるべき平面電極Ｃ１の被搭載面Ｃ２を上方にして載置されたウエハＷが水平方向に移動しないように構成されている。なお、テーブル１１に真空吸着機構を設けたり、装着凹部１１２の底面に粘着部材等を配設することにより、装着凹部１１２に載置されたウエハＷを固定されるようにすれば好ましい。

符号１２は搭載冶具である矩形平板状のマスクである。マスク１２の平面視の大きさはウエハＷより大きく、ウエハＷの平面電極Ｃ１の配列パターンに対応し形成された貫通孔１２１と非開口部１２２を備えている。そして、貫通孔１２１は、軸心を立てた状態で半田片７が挿通可能なように半田片７より僅かに直径の大きな断面円形状に形成されている。この貫通孔１２１の形状は特に限定されることなく、その水平方向の断面形状は、略円形状や略矩形状、略三角形状、略長孔状、略瓢箪状或いはそれらの組み合わせなど適宜選択することができ、さらに軸心方向の断面形状も、長方形状又は台形状、上下に台形が組み合わされた鼓形状或いはそれらの組み合わせなど適宜選択することができる。

マスク１２の非開口部１２２においてウエハＷと相対する底面には図示しない突起部が設けられており、この突起部は、ウエハＷにマスク１２が位置合わせされたときに平面電極Ｃ１を避けた位置に設けられている。したがって、マスク１２がウエハＷと位置合わせされたときウエハＷの上面に突起部が当接し、図２（ｃ）に示すようにマスク１２の底面と平面電極Ｃ１と被搭載面Ｃ２との間には一定の間隙ｇが形成される。そして、マスク１２の全体の厚みＴは、突起部により形成される上記間隙ｇの大きさをｔ１、非開口部１２２の厚みをｔ２、半田片７の長さをLとしたとき、Ｔ＝ｔ１＋ｔ２（式１）、１×Ｌ＜Ｔ＜２×Ｌ（式２）を満足するよう調整されており、一つの貫通孔１２１に２個以上の半田片７が挿入されないようになされている。

符号１３は、ウエハＷに位置合わせされたマスク１２の上面に対し平行に配設された複数本のワイヤー１３１の束と、その複数のワイヤー１３１を支持する一対の支持部１３２とで構成された振込手段である。振込手段１３は、リニアモータ１４のスライダー１４１にその支持部１３２が固定されており、ワイヤー１３１がマスク１２の上面に当接しつつマスク１２の上面に対し図示矢印Ａ方向に略水平方向に移動する構成となっている。なお、半田片７ａに直接当接するワイヤー１３１は、半田片７が帯電しないように導電性のあるもので構成することが望ましい。かかる構成の振込手段１３によれば、マスク１２の上面に供給された半田片７ａは、振込手段１３で掃引されながら移動しつつ貫通孔１２１に挿入される。貫通孔１２１に挿入されなかった余剰の半田片７は、貫通孔１２１の形成領域外へ掃き出されて回収される。

振込手段としては、マスク１２とテーブル１１とを一体的に傾動させることで供給された半田片７ａをマスク１２の上面で転動させて貫通孔１２１へ挿入する構成を採用することもできる。また、上記ワイヤー１４１に代えて、例えばブラシ・ゴム板または樹脂板などを用いたスクレーパー、エアスクレーパー若しくはマスク１２の上面に対して鉛直方向にワイヤーを配したブラシ等を使用することもできる。

なお、本態様のマスク１２には円柱状の半田片７を搭載するための好ましい構成として、その非開口部１２２に有底の案内溝１２３が形成されている。この案内溝１２３は、各貫通孔１２１をほぼ連結するように振込手段１３の進行方向（図示Ａ）に沿って平行に形成されており、矢印Ａ方向からの貫通孔１２１の周辺の拡大断面視である図２（ｃ）に示すように、マスク１２に供給された半田片７ａを軸心を水平にした姿勢で保持することができる。しかして、この案内溝１２３に上記姿勢で保持された半田片７ａは、案内溝１２３により案内されつつ貫通孔１２１へ向い振込手段１３で移動され、円滑に貫通孔１２１へ挿入される。なお、マスク１２に案内溝１２３を設ける場合には、半田片７ａの移動を阻害しないよう、マスク１２の上面から案内溝１２３の底面までの深さをｔ３としたとき、上記式１及び２に加えて、Ｔ−Ｌ＞ｔ３（式３）を満足する、すなわち貫通孔１２１に挿入され平面電極Ｃ１に搭載された半田片７ｂの上端面の位置が案内溝１２３の底面よりも下方に位置するようマスク１２を調整しておくことが好ましい。

上記形成装置１を用いた突起電極の形成方法について図３を参照して説明する。まず、図３（ａ）に示すように、準備されたウエハＷに、必要に応じて平面電極Ｃ１の被搭載面Ｃ２にフラックスｆを塗布する。なお、このフラックスｆの塗布は必ずしも必要な工程ではなく、例えば被搭載面Ｃ２や半田片の表面が比較的清浄で接合を阻害するような酸化膜が生じていない場合や、酸化膜が生じている場合でもフラックスに替え還元性雰囲気の中でリフロー工程を行う場合にはフラックスを塗布する必要はない。次いで、そのウエハＷを、被搭載面Ｃ２が上方に向いた水平な姿勢でテーブルの装着凹部（いずれも図示せず）にセットする。

次いで、半田片の搭載工程である。図３（ｂ）に示すように、形成装置は、貫通孔１２１が平面電極Ｃ１に対して一致するように水平方向においてマスク１２をウエハＷに位置合わせをし、さらにマスク１２の突起部がウエハＷの上面と接触する状態となるよう上下方向において位置決めする。すると、マスクＷの底面と被搭載面Ｃ２との間には所定の間隙が形成され、マスクＷの底面にフラックスｆが付着することが回避される。

続けて、形成装置１は、貫通孔１２１の個数以上の半田片をマスク１２の上面に供給し、振込手段の進行方向（図示Ａ）において供給された半田片７ａの後方にワイヤー１３１が位置し、さらにマスク１２の上面にワイヤー１３１が接する位置に位置するよう振込手段をセットする。そして、マスク１２の上面にワイヤー１３１を当接させながら振込手段を水平移動することにより半田片７ａを掃引し、半田片７ａを移動させて貫通孔１２１へ挿入する。このとき、半田片７ａは、案内溝１２３において水平な姿勢を維持したまま貫通孔１２１へ案内されるので、貫通孔１２１へ円滑に挿入される。そして、形成装置は、全ての貫通孔１２１に半田片７ｂが挿入されたことを確認した後、残余の半田片７ａをマスク１２から除去し、図３（ｃ）に示すようにマスク１２をウエハＷから取り外す。ここで、同図に示すように、上記搭載工程によりウエハＷに搭載された隣接する半田片７ｂの間には平面視において充分な間隔が形成されている。

次にリフロー工程である。形成装置は、上記搭載工程で全ての平面電極Ｃ１に半田片７ｂが搭載されたウエハＷを、搬送部を通じて搬送しリフロー部の気密室の中にセットする。そして、形成装置の雰囲気制御手段は、半田片７ｂの加熱中の酸化を防止するため気密室の内部を減圧雰囲気とし、さらにその加熱手段は半田の溶融温度程度まで所定の加熱パターンで加熱することにより半田片７ｂを溶融する。そして一定の時間が経過して半田片７ｂが溶融した後、形成装置は、一定の冷却パターンで溶融した半田を冷却して溶融した半田を凝固せしめ、図３（ｄ）に示すように所望の大きさの突起電極Ｂを形成する。ここで、搭載工程において隣接する半田片７ｂの間には充分な間隔を設けているので、溶融した半田同士が互いに触れることなく、個々に独立した突起電極Ｂが形成される。その後、突起電極Ｂが形成されたウエハＷは気密室からアンロードされる。

なお、上記リフロー工程では、マスク１２をウエハＷから外した状態で半田片７ｂをリフローしたが、搭載工程においてマスク１２を取り外さず、マスク１２をウエハＷに装着したまま半田片７ｂをリフローしてもよい。これにより、リフロー工程において溶融した半田同士が接触することを回避することができ、突起電極の短絡を防止することができる。なお、この場合には、貫通孔１２１の内面やマスク１２の底面には溶融半田との濡れ性を低下させる処理、例えばＮｉ被覆処理を施すことにより付着防止層であるＮｉ層を形成しておくことが望ましい。

１突起電極の形成装置
１０搭載部
１１テーブル
１２マスク
１３振込手段
１４リニアモータ
２０リフロー部
７半田片
Ｗ半導体ウエハ
Ｂ突起電極
Ｃ半導体素子
Ｃ１平面電極
ｆフラックス

Claims

電子部品の一面に複数の突起電極を形成する方法であって、所望の突起電極とほぼ同じ体積でかつ軸心に直交する断面における最大寸法が所望の突起電極の最大寸法未満となるよう形成された低融点金属を主体とした柱状の金属片をその端面が電子部品の一面に当接する姿勢で搭載冶具の貫通孔を通じて電子部品に搭載する搭載工程と、前記搭載工程の後に金属片を溶融し、冷却し、凝固せしめるリフロー工程とを含む突起電極の形成方法。
平面視において、前記突起電極の最大寸法をＤ、前記突起電極間のピッチをＰとしたとき、ＤとＰは１＜Ｐ／Ｄ＜１．５となる関係である請求項１に記載の突起電極の形成方法。
前記リフロー工程において、前記搭載冶具の貫通孔で保持したまま金属片を溶融し、冷却し、凝固せしめる請求項１又は２のいずれかに記載の突起電極の形成方法。
電子部品の一面に複数の突起電極を形成する装置であって、低融点金属を主体とした柱状の金属片を挿通可能な貫通孔と前記貫通孔周囲に設けられた非開口部とを有する搭載冶具を含む搭載部とリフロー部とを有し、前記搭載冶具の非開口部には軸心を水平にした姿勢で前記貫通孔に向い金属片を案内する案内溝が形成されている突起電極の形成装置。