JP2011189390A

JP2011189390A - 鉄粉を含有する錫基の複合はんだ合金ボール、及び、それを利用したフリップチップのバンプ形成方法

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Publication number: JP2011189390A
Application number: JP2010058663A
Authority: JP
Inventors: shuan-sheng Wang; 王宣勝
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-03-16
Filing date: 2010-03-16
Publication date: 2011-09-29

Abstract

【課題】本発明は、フリップチップの工程をより効率的且つ簡素化させることができるとともに、回路基板と電子素子の結合を強化させることを可能にする、鉄粉を含有する錫基の複合はんだ合金ボール、及び、それを利用したフリップチップのバンプ形成方法を提供する。
【解決手段】極小の鉄粒子をはんだ合金ボール内に混ぜ合わせて、鉄粉を含有するはんだ合金ボールを形成させ、磁性部材によって複合はんだ合金ボールを吸いよせることにより、超微小はんだ合金ボールの位置決めを助け、鋼板の保持穴に落とし込み、さらに適切なボール除去工程により、余分なはんだ合金ボールを除去する。以上により、超微小はんだ合金ボールが静電気によって捕集される現象を避けることができ、バンプ形成工程を順調に行うことができ、微小回路基板と電子素子の結合を強化させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄粉を含有する錫基の複合はんだ合金ボール、及び、それを利用したフリップチップのバンプ形成方法に関し、特に、鉄粉を含有するはんだ合金ボールを回路基板上に搭載させ、効率的にはんだ付けを行うことを可能にする、フリップチップに適用される技術に関する。

近年の電子実装技術は、上流のチップ設計、製造能力の絶え間ない進歩により、高密度、高Ｉ／Ｏ数、高速度、及び高効率などを実現した電子素子の生産が可能になったこと、及び、下流の消費者が電子製品に対して、より軽く、薄く、短く、小さくといった切実な要求をするようになったことの、両面からの圧力を受けており、電子実装技術関連の業者は、市場のニーズに応えるために、体積の減少、歩留まりの増加、放熱効果の向上、コストの削減、及び信頼性の強化などを達成するべく新しい技術の絶え間ない開発を強いられている。高密度の実装を行う上で、フリップチップ方式は最も重要なボンディングの方法である。はんだは、自己集合性と再加工性を具えているため、フリップチップバンプの多くは、はんだ材料を使用している。その技術の鍵となるのがはんだバンプの製造と実装であり、従来のはんだバンプの製造方法は、主に電気めっきとはんだペースト印刷の二種類に分けられる。電気めっき法は、環境破壊の問題が生じること以外に、最大の障害になるのが、電気めっきははんだ合金の組成を特定するのが困難であるという点である。特に、鉛成分を含まないはんだを採用しなければならないという欧州連合の要求に対応させるため、そのめっき液の調合に関し、電気めっきのパラメータと安定性を制御するのが容易でなく、しかも、フォトマスクのコストが相当かかり、一般市場への普及と低価格化という要求に応えることはできない。従って、近年、ほとんどの電子実装技術関連の業者は、フリップチップによる実装の際に、次第にはんだペースト印刷を採用するようになってきている。しかしながら、フリップチップバンプのサイズを０．１ｍｍ以下にしなければならない場合、直径１０μｍの錫粉を採用したとしても、一つのはんだバンプは少数の錫粉より構成されることになり、リフローはんだ付け後に、確実に、はんだ接合部のサイズが不均一になってチップの共平面性が悪くなるという問題が生じる上、更に小さい錫粉を製造する場合に発生する、粉末の噴射、酸化、粒径選択、及び粉塵汚染等の問題を克服するのも困難である。また、もう一方で、はんだペーストによるフリップチップのバンプ形成は、通常、フラックスをリフローした後にはんだ内部に空洞が生じる現象がおこる。これらの要因により、はんだペースト印刷技術でフリップチップのバンプを生産するのは、厳しい挑戦といえる。このように、はんだペーストが細かいピッチ（０．１ｍｍ以下）で製造する能力が低いという欠点を解決するために、最新の方法としては、超微小はんだ合金ボール（０．１ｍｍ以下）を利用してはんだボールの搭載を行い、リフローはんだ付けでフリップチップのバンプを形成させる方法がある。しかしながら、超微小はんだボールの搭載過程においては、はんだボール表面が静電気の影響を受けるためはんだボールを正確な位置に配置することが難しいという問題があり、それを如何に克服するかが最大の課題であるが、現在のところ、これを完全に克服する技術は開発されていない。

本発明は、フリップチップの工程をより効率的且つ簡素化させることができるとともに、回路基板と電子素子の結合を強化させることを可能にする、鉄粉を含有する錫基の複合はんだ合金ボール、及び、それを利用したフリップチップのバンプ形成方法を提供することを目的とする。

本発明による鉄粉を含有する錫基の複合はんだ合金ボール、及び、それを利用したフリップチップのバンプ形成方法は、極小の鉄粒子をはんだボール内に混ぜ合わせ、鉄粉を含有するはんだ合金ボールを形成させ、磁性部材によって複合はんだ合金ボールを吸いよせることにより、超微小はんだ合金ボールの位置決めを助けて、鋼板の保持穴に落とし込ませ、さらに適切なボール除去工程によって、余分なはんだ合金ボールを除去する。以上によって、超微小はんだ合金ボールが静電気によって捕集される現象が生じるのを避けることができ、バンプ形成工程を順調に行うことができる。

本発明によるフリップチップのバンプ形成方法を示した説明図である。

本発明は、主に、二段階の技術特徴からなる。一つ目は、回路基板と電子素子の結合強度を強化するために、鉄粉をはんだ合金ボール内に混ぜ合わせ、複合はんだ合金ボールを形成させる技術であり、二つ目は、はんだ合金ボールをフリップチップのバンプ形成に適用する技術であり、これらの技術は、製造過程を簡略化する効果も兼ね備えている。

鉄粉を含有する錫基の複合はんだ合金ボールの製造方法について説明する。鉄は、はんだ内の溶解度と拡散能力が極めて低いため、粗大化する心配がない。文献によると、鉄を添加すると、はんだの常温の引張強度を効果的に向上させることができ、特に、高温クリープに対する抵抗性の高さは突出していて、強化されていないはんだと比較するとおよそ５倍以上も高い。鉄とはんだの湿潤性を向上させるために、本発明の好ましい実施例では、鉄粉表面に錫をめっきして、その表面に金属間化合物ＦｅＳｎ２を形成させる。これにより、製造過程は複雑になるものの、鉄粉末と錫の熔湯を融合させやすくなる。また、均一に散布するために、さらに磁場の環境作用を利用する。また、本発明は、化学めっき法を採用する。その主な理由としては、化学めっきは電流が必要なく、電流遮断や分布が不均一になるといった問題が生じないため、めっき層が均一且つ平坦になるということが挙げられる。また、化学めっきにおいては、めっき液内の還元剤を利用して、錫イオンを還元させ鉄粉の表面に堆積させるが、この表面には自己触媒めっき反応が生じ、第一層の金属錫が形成された後、この錫層は、自己触媒によって次の錫層を形成させるため、化学めっきは自己触媒めっき（ＡｕｔｏｃａｔａｌｙｔｉｃＰｌａｔｉｎｇ）とも呼ばれる。さらに、本発明で製造する鉄粒子で強化された無鉛複合はんだは、Ｓｎ３Ａｇ０．５Ｃｕの棒はんだと、表面が錫でめっきされた鉄粒子を用いて複合はんだ合金を形成させており、異なる比率の鉄粒子を含む複合はんだを形成させることにより、はんだ熱耐性を強化する目的を達成する。

製造過程では、まず、化学めっき（ｃｈｅｍｉｃａｌｐｌａｔｉｎｇ）によって鉄粉表面に錫をめっきする。化学めっきとは、水溶液中の金属イオンを化学的に還元する方法であり、電気を使わないで錫金属を鉄粉上にめっきすることができ、そのめっき層は、連続して形成されるとともに、自己触媒作用（ａｕｔｏｃａｔａｌｙｔｉｃ）を有する。化学めっき液の調合に関しては、以下の特性を具えている必要がある。（１）還元剤の酸化還元電位は、金属イオンを還元させ、金属を析出させるのに充分である。（２）めっき浴は安定していて、使用していない時には析出は起こらず、触媒作用をもつ被めっき部材の表面に接触してはじめて、金属めっき層の析出を素早く開始する。（３）ｐＨ値、温度によって析出速度を制御できる。（４）析出した金属は触媒作用を具えていて、自己触媒めっきを行うことでめっき層が連続して形成され、それにより必要なめっき層の厚さを得ることができる。（５）めっき液の反応生成物はめっき液の機能を妨げず、めっき液の寿命を長くさせる。

化学めっきを行う前に、本発明の一実施形態では、まず、脱脂剤で鉄粉を洗浄する。なお、脱脂剤は酸性の界面活性剤の混合液であり、操作温度は５０℃、液体に浸す時間は一分間である。その後、さらに脱イオン水で洗浄する。次に、マイクロエッチング液で鉄粒子の表面を粗面化して、錫面の付着力を向上させる。なお、マイクロエッチングの時間は５秒間である。さらに、めっき槽のめっき液が汚れたり希釈したりするのを防ぐために、事前に、室温で化学めっき液内に１分間浸すことで、鉄粉がめっき槽のめっき液と直接反応するのを避けることができるとともに、めっき液の酸当量と錫当量を維持することができる。次に、化学めっきを行い、置換反応によって鉄粉表面にめっきする。その後、化学めっきをし終えた試験片をエタノールに浸し２分間洗浄し、さらに８０℃の熱水で２〜３度洗浄して、試験片に残留した化学めっき液を完全に洗浄し、最後に、鉄粉を乾燥させる。鉄粉のめっきが完成した後、さらに、Ｓｎ３Ａｇ０．５Ｃｕはんだの熔湯と均等に混ぜ合わせ、溶錬して複合はんだ合金ボールを形成させる。以上のように、本発明の製造過程によって形成されたはんだ合金ボールは鉄の成分をその内部に含有している。

また、０．１ｍｍ以下の超微細はんだボールの搭載技術に関して、周知の方法としては、鋼板にフラックスをスクリーン印刷した後、特殊技術を用いて、微小はんだボールを鋼板の保持穴に落とし込み、リフローはんだ付けによるはんだボールの実装を行い、ウェハー上に、１５０μｍの高密度ピッチで８０μｍのはんだボールを搭載する方法や、或いは、精密度の高い超微細のパイプではんだボールを搬送し、はんだボールが、出口のはんだパッドの位置に達した後、レーザー光束ではんだを素早く加熱し、チップのはんだパッド上に熔融させる方法がある。しかしながら、超微細はんだボールの搭載過程で遭遇する最も深刻な問題として、はんだボールを微小化した後に、静電気によって捕集される現象がある。このため、微細はんだボールの搭載を制御する方法は、バンプ形成技術の発展における重要な鍵であり、前述した周知の方法では効果的に制御することは難しい。超微小はんだボールの搭載に関する難題を解決するため、本発明は、磁性をもつ鉄粉を混ぜた複合はんだ合金ボールを使用する。図１に示すように、本発明のフリップチップのバンプ形成方法は以下の通りである。基板１の底部に磁性部材２を設け、その磁性によってはんだ合金ボール３を吸いつけることにより、はんだ合金ボール３を鋼板４の細微な保持穴４１内に落とし込むとともに、基板１のはんだパッド１１上方に配置させ、その後、へら板５或いは真空ボール除去装置６を用いて、鋼板４表面の余分なはんだ合金ボール３を除去し、フリップチップのバンプ形成を完成させる。この過程においては、磁力の吸引作用を受けることにより、超微小はんだ合金ボール３が静電気によって捕集される現象を避けることができ、順調に基板１上に超微小はんだ合金ボール３を搭載することができ、後続のはんだ付け作業によって、一連の工程が全て完了する。

フリップチップのバンプ形成が完了した回路基板における各部材の結合強度を測るために、積載重量を加えて様々な高さと方向から落下させるという耐衝撃性試験を行った。その結果、本発明の製造過程により完成した製品のはんだ付け強度は、従来のはんだバンプによる製品より大幅に優れていることが分かった。以上のことからわかるように、本発明の技術は、実用性と進歩性を兼ね備えているとともに、産業上の利用価値も高いことから、本発明は発明特許の要件を満たしているといえる。

１基板
２磁性部材
３はんだ合金ボール
４鋼板
５へら板
６真空ボール除去装置
１１はんだパッド
４１保持穴

Claims

はんだボール内に微小の鉄粒子を混合させることを特徴とする、鉄粉を含有する錫基の複合はんだ合金ボール。
請求項１に記載のはんだ合金ボールをバンプ形成の基材とし、バンプ形成の工程は、基板の底部に磁性部材を設け、その磁気によりはんだ合金ボールを吸いよせ、それにより、はんだ合金ボールを、鋼板の細微な保持穴に落とし込むとともに、基板のはんだパッド上方に配置させ、さらに、ボール除去装置で、鋼板表面の余分なはんだ合金ボールを除去することで、フリップチップのバンプ形成が完成することを特徴とする、フリップチップのバンプ形成方法。