JP2013214704A

JP2013214704A - はんだバンプの製造方法

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Publication number: JP2013214704A
Application number: JP2012219372A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Ishikawa; 石川　　雅之; Takashi Yamaji; 貴司山路; Hironori Uno; 浩規宇野
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2012-03-06
Filing date: 2012-10-01
Publication date: 2013-10-17
Anticipated expiration: 2032-10-01
Also published as: JP6111584B2

Abstract

【課題】ニードル状の突起の発生を抑制可能なはんだバンプの製造方法を提供すること。
【解決手段】Ａｇ：２．８〜４．２重量％、Ｃｕ：０．４〜０．６重量％を含有し、残部がＳｎ及び不可避不純物からなる成分組成を有しているバンプ用はんだ合金粉末と、フラックスとを混合したはんだペーストをリフロー処理してはんだバンプを製造する方法であって、前記リフロー処理が、前記バンプ用はんだ合金粉末の融点より高い温度で加熱してはんだバンプの原形を形成する第１リフロー工程と、前記はんだ合金バンプの融点より高い温度で加熱して前記はんだバンプの形状を整える第２リフロー工程とから構成され、前記第２リフロー工程が、最大温度が２４０℃以上であること、前記はんだバンプが溶融している２１７℃以上の時間が３５ｓｅｃ以上であること及び最大温度から１５０℃までの冷却速度が３．５℃／ｓｅｃ以上であることの全てを満たしている。
【選択図】図３

Description

本発明は、バンプ形成時に生じる突起を抑制することができるはんだバンプの製造方法に関するものである。

半導体の高密度実装技術としてはんだバンプによる接合技術が一般に用いられている。このはんだバンプに用いるはんだ合金粉末としては、例えば特許文献１に記載のＰｂ−Ｓｎはんだ合金粉末などが知られている。また、近年の環境上の配慮等に対応して鉛フリーのはんだ合金の開発が進んでおり、この鉛フリーのはんだ合金としては、ＳｎＡｇ系やＳｎＡｇＣｕ系の合金はんだが知られている。

例えば、従来、特許文献２には、ＳｎＡｇＣｕ系の鉛フリーはんだが提案されている。この鉛フリーはんだは、Ａｇを３．０〜５．０重量％，Ｃｕを０．５〜３．０重量％、及び残部Ｓｎから成る組成を有するはんだ合金である。

特開２００９−２３３６８６号公報特許第３０２７４４１号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、鉛フリーはんだとして代表的なＳｎＡｇＣｕ系はんだ合金粉末を用いてペースト化後、印刷・リフロー処理を行い、はんだバンプを形成すると、はんだバンプにニードル状の突起が発生してバンプ形状不良となる場合があった。このニードル状の突起は、隣接する他のはんだバンプに接触してショートを引き起こすおそれがあり、特に、近年のファインピッチのはんだバンプでは、隣接するバンプ同士が近接しており、ニードル状の突起の発生が大きな問題となる。また、ニードル状の突起が生じるとバンプ高さの均一性が悪くなり、フリップチップ接合時のアッセンブリの際に接合ができなくなる不都合もあった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、ニードル状の突起の発生を抑制可能なはんだバンプの製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、ＳｎＡｇＣｕ系のはんだ合金材料を用いたはんだペーストのリフロー処理について鋭意検討の結果、２回目のリフロー工程において、特定の条件に設定することで、ニードル状の突起の発生を抑制可能であることを突き止めた。

したがって、本発明は、上記知見から得られたものであり、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明に係るはんだバンプの製造方法は、Ａｇ：２．８〜４．２重量％、Ｃｕ：０．４〜０．６重量％を含有し、残部がＳｎ及び不可避不純物からなる成分組成を有しているバンプ用はんだ合金粉末と、フラックスとを混合したはんだペーストをリフロー処理してはんだバンプを製造する方法であって、前記リフロー処理が、前記バンプ用はんだ合金粉末の融点より高い温度で加熱してはんだバンプの原形を形成する第１リフロー工程と、前記はんだ合金バンプの融点より高い温度で加熱して前記はんだバンプの形状を整える第２リフロー工程とから構成され、前記第２リフロー工程が、最大温度が２４０℃以上であること、前記はんだバンプが溶融している２１７℃以上の時間が３５ｓｅｃ以上であること及び最大温度から１５０℃までの冷却速度が３．５℃／ｓｅｃ以上であることの全てを満たしていることを特徴とする。

このはんだバンプの製造方法では、第２リフロー工程が、最大温度が２４０℃以上であること、はんだバンプが溶融している２１７℃以上の時間が３５ｓｅｃ以上であること及び最大温度から１５０℃までの冷却速度が３．５℃／ｓｅｃ以上であることの全てを満たしているので、第２リフロー工程ではんだバンプの形状を整える際にニードル状の突起の発生を抑制し、良好なバンプ形状を得ることができる。

なお、Ａｇ及びＣｕの含有量を上記範囲とした理由は、業界において、Ａｇ含有量が多い鉛フリー合金の主成分としては、Ｓｎ−３重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕ，Ｓｎ−４重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕ合金が一般的であるためである。

第２の発明に係るはんだバンプの製造方法は、第１の発明において、前記第２リフロー工程が、最大温度が２４０〜２４５℃であり、前記はんだバンプが溶融している２１７℃以上の時間が３５〜４５ｓｅｃであることを特徴とする。
すなわち、このはんだバンプの製造方法では、第２リフロー工程が、最大温度が２４０〜２４５℃であり、はんだバンプが溶融している２１７℃以上の時間が３５〜４５ｓｅｃであるので、さらにボイドの発生を抑制して、より良好なバンプ形状を得ることができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係るはんだバンプの製造方法によれば、第２リフロー工程が、最大温度が２４０℃以上であること、はんだバンプが溶融している２１７℃以上の時間が３５ｓｅｃ以上であること及び最大温度から１５０℃までの冷却速度が３．５℃／ｓｅｃ以上であることの全てを満たしているので、第２リフロー工程ではんだバンプの形状を整える際にニードル状の突起の発生を抑制し、良好なバンプ形状を得ることができる。したがって、本発明で作製したはんだバンプによれば、ファインピッチの高密度フリップチップであっても良好な接合ができ、信頼性の高い高密度実装が可能になる。

本発明に係るはんだバンプの製造方法の一実施形態において、はんだペースト印刷時の状態を示す簡易的な断面図である。本実施形態において、第１リフロー工程のプロファイルの例を示すグラフである。本実施形態において、第２リフロー工程のプロファイルの例を示すグラフである。良好なはんだバンプを示すＳＥＭ写真である。ニードル状の突起が生じたはんだバンプを示すＳＥＭ写真である。ボイドが生じたはんだバンプを示すＳＥＭ写真である。

以下、本発明に係るはんだバンプの製造方法の一実施形態について、図１から図３を参照して説明する。

本実施形態におけるはんだバンプの製造方法は、Ａｇ：２．８〜４．２重量％、Ｃｕ：０．４〜０．６重量％を含有し、残部がＳｎ及び不可避不純物からなる成分組成を有しているバンプ用はんだ合金粉末と、フラックスとを混合したはんだペーストをリフロー処理してはんだバンプを製造する方法であって、上記リフロー処理が、バンプ用はんだ合金粉末の融点より高い温度で加熱してはんだバンプの原形を形成する第１リフロー工程（以下、１ｓｔリフローとも称す）と、はんだ合金バンプの融点より高い温度で加熱してはんだバンプの形状を整える第２リフロー工程（以下、２ｎｄリフローとも称す）とから構成されている。

また、上記第２リフロー工程が、最大温度が２４０℃以上であること、はんだバンプが溶融している２１７℃以上の時間（溶融時間）が３５ｓｅｃ以上であること及び最大温度から１５０℃までの冷却速度が３．５℃／ｓｅｃ以上であることの全てを満たしている。
さらに、第２リフロー工程が、最大温度が２４０〜２４５℃であり、はんだバンプが溶融している２１７℃以上の時間が３５〜４５ｓｅｃであることが望ましい。
上記バンプ用はんだ合金粉末の粒径は、例えば５〜１５μｍであり、平均粒径は、１０．０〜１１．０μｍである。なお、この粒径は、レーザー回折・散乱式粒度分析計（Ｎｉｋｋｉｓｏ社製ＭＴ３３００）により測定している。

このバンプ用はんだ合金粉末の作製方法は、まず、所定含有量になるように秤量したＳｎ，Ａｇ，Ｃｕの各原料をルツボ内で溶解させて合金の溶湯とし、さらにこの合金を、ガスアトマイズ法などの手法を用いて造粒することにより、例えばＳｎ−３重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕのはんだ合金粉末（固相線温度：２１７℃、液相線温度：２１７℃）とする。

また、このバンプ用はんだ合金粉末を用いてはんだバンプを作製するには、まず上記バンプ用はんだ合金粉末とフラックスとを、例えばフラックス比率：１１質量％で混合してはんだペーストとする。このはんだペーストの粘度は、約１５０Ｐａ・ｓである。次に、図１に示すように、例えばバンプ形成用孔Ｈを設けたドライフィルムＦをＳｉウエハＷに貼り付け、該ＳｉウエハＷ上のバンプ形成用孔Ｈ内に配したアンダーバンプメタルＵＢＭ上に上記はんだペーストＰを印刷する。さらに、このはんだペーストＰに対して２回のリフロー処理（１ｓｔリフロー及び２ｎｄリフロー）を行ってはんだバンプＢを作製する。

上記フラックスは、一般的なフラックスを用いることができ、このフラックスには、通常、ロジン、活性剤、溶剤および増粘剤等が含まれる。また、フラックスとしては、ペーストの濡れ性の観点からＲＡやＲＭＡフラックス等が好ましい。
また、上記アンダーバンプメタルＵＢＭは、Ｃｕ又はＣｕにＯＳＰ（有機膜処理）を施したもの、Ａｕ／Ｎｉメッキ処理やＳｎメッキ処理を施したものである。

上記１ｓｔリフローでは、例えば図２に示す温度プロファイルでリフロー処理を行い、バンプ用はんだ合金粉末を溶融させると共にフラックスを蒸発させることで、はんだバンプの原形が形成される。
さらに、１ｓｔリフローの後に、バンプ形状を整えるため、ドライフィルムＦを除去後、ＲＭＡタイプのポストフラックスを塗布し、例えば図３に示す温度プロファイルで再度２ｎｄリフローを行ってはんだバンプＢを得ている。

すなわち、１ｓｔリフローでは、ドライフィルムＦの内壁に一部が接して傾いた形状のバンプとなるため、ドライフィルムＦを外した後に、再度リフローを行ってバンプ形状を球形に整える。この２ｎｄリフローでは、上述した最大温度、溶融時間及び冷却速度の設定範囲内とした温度プロファイルでリフロー処理を行う。
また、これらのリフロー処理は、ベルト炉を使用し、窒素雰囲気中で行う。
このように作製したはんだバンプは、例えば直径約１００μｍ、約高さ７０μｍである。また、バンプピッチは、例えば１５０μｍである。

このように本実施形態のはんだバンプの製造方法では、最大温度が２４０℃以上であること、はんだバンプが溶融している２１７℃以上の時間が３５ｓｅｃ以上であること及び最大温度から１５０℃までの冷却速度が３．５℃／ｓｅｃ以上であることの全てを満たしているので、第２リフロー工程ではんだバンプの形状を整える際にニードル状の突起の発生を抑制し、良好なバンプ形状を得ることができる。

さらに、第２リフロー工程において、最大温度を２４０〜２４５℃とし、はんだバンプが溶融している２１７℃以上の時間が３５〜４５ｓｅｃであるので、さらにボイドの発生を抑制して、より良好なバンプ形状を得ることができる。
また、この製造方法で作製したはんだバンプは、ニードル状の突起やボイドが生じず、良好なバンプ形状を有しており、ファインピッチのフリップチップであっても良好な接合が可能である。

次に、上記実施形態におけるはんだバンプの製造方法に基づいて、はんだバンプを作製した実施例について、ニードル状及びボイドの突起発生の有無に関して評価した結果を説明する。

まず、本発明の実施例として、表１に示す成分組成のはんだ合金粉末を作製し、表１に示すフラックスを、同表のフラックス比率で混ぜてはんだペーストとした。各はんだペーストを用いて、上述した２回のリフロー処理によってはんだバンプを形成した。
なお、２ｎｄリフローの温度プロファイルは、表２に示すように、実施例１〜５の５種類を採用した。なお、はんだ合金粉末に含まれている不可避不純物の各元素の含有量も表１に併せて示す。

上記実施例において、Ｆｅ，Ｎｉ，Ａｓ等の不可避不純物の含有量が大幅に少なく、ニードル発生率及びボイド率が元々少ないはんだ合金粉末を用いても確認的に評価した結果も表１に示す。
各元素の含有量の分析は、高周波誘導結合プラズマ発光分析装置（日本ジャーレル・アッシュ社製ＩＣＡＰ−５７７）を用いて行っている。

このように作製した各はんだバンプを、ＳＥＭ及び光学顕微鏡で観察することで、ニードル状の突起及びボイドについて発生の有無を調べ、その発生率（以下、ニードル状の突起の発生率についてはニードル発生率と称し、ボイドの発生率についてはボイド率と称す）を算出した。なお、ボイド率に関しては、バンプ径に対して、２５％以上のボイド径を有するボイドが一つでも発生したものは、不合格とした。

なお、比較例として、本発明の設定範囲から外れる２ｎｄリフロー条件で複数作製し、はんだバンプを作製して、同様にニードル発生率及びボイド率を求めた。すなわち、比較例における２ｎｄリフローの温度プロファイルは、表２に示すように、比較例１〜４の４種類を採用した。なお、比較例における２ｎｄリフロー以外の条件、すなわち１ｓｔリフロー等の他の条件は、実施例と同様とした。これらの結果も併せて表１に示す。
なお、各実施例及び比較例において、１条件での観察したバンプ数はそれぞれ７５６個とした。

この結果からわかるように、不可避不純物の含有量が大幅に少ないはんだ合金粉末を使用した場合を除いた比較例では、いずれもニードル発生率が１％を超えてしまっているのに対し、本発明の実施例は、いずれもニードル発生率が１％未満であり、ニードル状の突起が抑制されている。また、本発明の実施例のうち、第２リフロー工程が、最大温度が２４０〜２４５℃であり、はんだバンプが溶融している２１７℃以上の時間が３５〜４５ｓｅｃであるものは、いずれもボイド評価が合格であり、ボイドの発生が抑制されている。
なお、良好な通常のバンプ形状の例について、ＳＥＭ写真を図４に示す。また、検討の中で見つかったニードル状の突起が発生しているバンプ形状の例について、ＳＥＭ写真を図５に示す。さらに、検討の中で見つかったボイドが発生しているバンプ形状の例について、ＳＥＭ写真を図６に示す。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態及び上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

Ｂ…はんだバンプ、Ｆ…ドライフィルム、Ｐ…はんだペースト、ＵＢＭ…アンダーバンプメタル、Ｗ…Ｓｉウエハ

Claims

Ａｇ：２．８〜４．２重量％、Ｃｕ：０．４〜０．６重量％を含有し、残部がＳｎ及び不可避不純物からなる成分組成を有しているバンプ用はんだ合金粉末と、フラックスとを混合したはんだペーストをリフロー処理してはんだバンプを製造する方法であって、
前記リフロー処理が、前記バンプ用はんだ合金粉末の融点より高い温度で加熱してはんだバンプの原形を形成する第１リフロー工程と、前記はんだ合金バンプの融点より高い温度で加熱して前記はんだバンプの形状を整える第２リフロー工程とから構成され、
前記第２リフロー工程が、最大温度が２４０℃以上であること、前記はんだバンプが溶融している２１７℃以上の時間が３５ｓｅｃ以上であること及び最大温度から１５０℃までの冷却速度が３．５℃／ｓｅｃ以上であることの全てを満たしていることを特徴とするはんだバンプの製造方法。
請求項１に記載のバンプの製造方法において、
前記第２リフロー工程が、最大温度が２４０〜２４５℃であり、前記はんだバンプが溶融している２１７℃以上の時間が３５〜４５ｓｅｃであることを特徴とするはんだバンプの製造方法。