JP2015003323A - ニードル低減はんだ合金粉末、ペースト及びこれを用いたはんだバンプ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ニードル状の突起の発生を抑制可能なバンプ用はんだ合金粉末、ペースト及びこれを用いたはんだバンプを提供する。
【解決手段】バンプ用はんだ合金粉末は、Ａｇ ： ２．０〜５．０質量％、Ｃｕ ： ０．１〜１．０質量％を含有し、さらに、Ｓｉを６０〜１０００質量ｐｐｍ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。また、バンプ用はんだペーストは、このはんだ合金粉末と、フラックスとを混合して形成されている。さらに、はんだバンプは、このバンプ用はんだ合金粉末を用いて形成されている。
【選択図】なし

Description

本発明は、バンプ形成時に生じるニードル状の突起を低減することができるはんだ合金粉末、ペースト及びこれを用いたはんだバンプ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、Ｐｂ−Ｓｎはんだ合金粉末などが知られている（例えば、特許文献１を参照）。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。

従来には、例えば、ＳｎＡｇＣｕ系の高温はんだが提案されている（例えば、特許文献２を参照）。この高温はんだは、Ａｇを３．０〜５．０質量％、Ｃｕを０．５〜３．０質量％含有し、残部がＳｎから成る組成を有するはんだ合金粉末を含んでいる。

特開２００９−２３３６８６号公報 特許第３０２７４４１号公報

しかしながら、上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
即ち、鉛フリーはんだとして代表的なＳｎＡｇＣｕ系はんだ合金粉末をペースト化し、そのペーストを用いて印刷・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、二−ドル状の突起の発生が大きな問題となる。また、この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、上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バンプ用はんだ合金粉末、ペースト及びこれを用いたはんだバンプ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について鋭意検討の結果、特定の元素を微量に添加することで、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。
（１）本発明に係るバンプ用はんだ合金材料は、Ａｇ：２．０〜５．０質量％、Ｃｕ：０．１〜１．０質量％を含有し、さらに、Ｓｉを６０〜１０００質量ｐｐｍ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ことを特徴とする。

このバンプ用はんだ合金粉末は、ＳｎＡｇＣｕの一般的な組成範囲であるＡｇ：２．０〜５．０重量％、Ｃｕ：０．１〜１．０重量％の組成を有するはんだ合金粉末を改善したものであって、Ｓｉを６０〜１０００質量ｐｐｍ含有しているので、リフロー処理等ではんだバンプを形成した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。
ニードル状の突起は、合金を構成するβ−Ｓｎ、Ａｇ_３Ｓｎ、Ｃｕ_６Ｓｎ_５のうち、Ａｇ_３Ｓｎが粗大化して板状になったものが、凝固時にバンプから出て発生したものであるが、このバンプ用はんだ合金粉末では、Ｓｉが６０〜１０００質量ｐｐｍ含有されており、明確な機構は、現時点では分かっていないが、この含有量範囲のＳｉ添加により、はんだ組織が微細化した、又はＡｇ_３Ｓｎの粗大化を抑制したものと考えられる。

なお、Ｓｉを上記添加量範囲に設定した理由は、上記下限値よりも少ない、又は、上記上限値を超えると、上記ニードル状の突起の発生を抑制する効果が認められないためである。

また、Ｓｉの添加量が６０質量ｐｐｍ以上かつ１０００質量ｐｐｍ以下であると、通常、不純物が多いとボイド特性の低下などへの影響があるが、Ｓｉは、ニードル抑制も実現し、かつ、この量であれば、ボイド特性への影響も小さい。
なお、Ａｇ及びＣｕの含有量を上記範囲とした理由は、当業界において、Ａｇ含有量が多い鉛フリー合金の主成分としては、Ｓｎ_３Ａｇ_０．５Ｃｕ、Ｓｎ_４Ａｇ_０．５Ｃｕ合金が一般的であるためである。

（２）本発明に係るバンプ用はんだペーストは、前記（１）に記載されたバンプ用はんだ合金粉末と、フラックスとを混合して得たことを特徴とする。
（３）本発明に係るはんだバンプは、前記（２）のバンプ用はんだペーストを用いて形成されたことを特徴とする。
即ち、これらのバンプ用はんだペースト及びはんだバンプでは、前記（１）に記載のバンプ用はんだ合金粉末を用いて形成されているので、ニードル状の突起が生じず、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。

以上に述べた本発明によれば、以下の効果を奏する。
即ち、本発明に係るバンプ用はんだ合金粉末、ペースト及びこれを用いたはんだバンプには、Ｓｉが６０〜１０００質量ｐｐｍ含有されているので、ニードル状の突起の発生を抑制し、良好な形状を有するバンプを得ることができる。したがって、本発明によれば、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。

本発明に係るバンプ用はんだ合金粉末、ペースト及びこれを用いたはんだバンプ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、リフロー処理のプロファイルを示すグラフである。 ニードル状の突起が生じた従来技術によるはんだバンプを示すＳＥＭ写真である。

以下、本発明に係るバンプ用はんだ合金粉末、ペースト及びこれを用いたはんだバンプの実施形態について、図を参照しながら、説明する。

本実施形態におけるバンプ用はんだ合金粉末は、Ａｇ ： ２．０〜５．０質量％、Ｃｕ：０．１〜１．０質量％を含有し、さらに、Ｓｉを６０〜１０００質量ｐｐｍ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。このバンプ用はんだ合金粉末の粒径は、５〜１５μｍであり、平均粒径は、１０μｍである。この平均粒径は、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。また、上記元素及び不純物の含有量の分析は、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）を用いて行った。
なお、上記の不可避不純物に関する分析結果について、表２に示した。

このバンプ用はんだ合金粉末の作製方法は、先ず、Ｓｎ、Ａｇ、Ｃｕの各原料に加え、所定含有量になるように秤量したＳｉの添加元素をルツボ内で熔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、表１に記載の合金組成を有するはんだ合金粉末とする。なお、Ｓｉの添加には、９９．９９９９％のＳｉ箔材を用いた。

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、先ず、上記造粒されたバンプ用はんだ合金粉末と、別途に用意したフラックスとを、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化する。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ウェハＷに貼り付け、該Ｓｉウェハ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リフロー処理及び２ｎｄリフロー処理）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、溶剤および増結剤等が含まれる。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。
なお、１ｓｔリフロー処理の後に、バンプ形状を整えるため、ドライフィルムＦを除去後、ＲＭＡポストフラックスを塗布し、再度の２ｎｄリフロー処理を行ってはんだバンプＢを得ている。
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２回のリフロー処理は、例えば、図２に示すプロファイル（１ｓｔリフロープロファイル：太線、２ｎｄリフロープロファイル：細線）により行う。また、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、高さ約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バンプ用はんだ合金粉末では、Ｓｉを６０〜１０００質量ｐｐｍ含有しているので、リフロー処理等ではんだバンプを形成した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。
ニードル状の突起は、合金を構成するβ−Ｓｎ、Ａｇ_３Ｓｎ、Ｃｕ_６Ｓｎ_５のうち、Ａｇ_３Ｓｎが粗大化して板状になったものが、凝固時にバンプから出て発生したものであるが、このバンプ用はんだ合金粉末では、Ｓｉが６０〜１０００質量ｐｐｍ含有されており、明確な機構は、現時点では分かっていないが、この含有量範囲のＳｉ添加により、はんだ組織が微細化した、又は、Ａｇ_３Ｓｎの粗大化を抑制したものと考えられる。

また、本実施形態のはんだバンプでは、このバンプ用はんだ合金粉末を用いて形成されているので、ニードル状の突起が生じず、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バンプ用はんだ合金粉末、ペースト及びこれを用いたはんだバンプに基づいて、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、実施例１〜９について、表１に示す成分組成のはんだ合金粉末を作製し、表３に示すフラックス比率でフラックスを混ぜてはんだペーストとした。即ち、本実施例は、添加元素として、Ｓｉを６０〜１０００質量ｐｐｍ含有している。本実施例の各はんだペーストを用いて、上述したリフロー処理によってはんだバンプを形成した。そして、作製したはんだバンプを、ＳＥＭ及び光学顕微鏡で観察することで、ニードル状の突起について発生の有無を調べ、その発生率（以下、異形バンプ発生率と称す）を算出した。その結果が、表３の「異形バンプ発生率（％）」欄に示されている。なお、異形バンプ発生率は、（異形バンプ数）／（観察バンプ数）×１００の式で算出された。

なお、本実施例と比較するための比較例として、比較例１〜４を用意し、本発明の範囲から外れる上記添加元素の含有量としたものを複数作製し、はんだバンプを作製して、同様にニードル発生率を求めた。これらの結果も併せて表１に示す。なお、比較例１、３は、Ｓｉが本発明の範囲よりも少なく含有され、即ち、その含有量は、不可避不純物程度であり、比較例２、４は、Ｓｉが本発明の範囲よりも多く含有されている。
なお、各実施例及び比較例において、測定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、上記比較例１〜４のいずれも、ニードル発生率が１％を超えていた。これらに対し、本発明による実施例１〜９では、いずれも、ニードル発生率が１％未満であり、ニードル状の突起の発生が抑制されていることが確認された。
なお、ニードル状の突起が発生している従来技術によるバンプ形状の例について、ＳＥＭ写真を図３に示した。

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
Ｈ バンプ形成用孔
Ｐ はんだペースト
ＵＢＭ アンダーバンプメタル
Ｗ Ｓｉウェハ

Claims (3)

1. Ａｇ ： ２．０〜５．０質量％、Ｃｕ ： ０．１〜１．０質量％を含有し、
   さらに、Ｓｉを６０〜１０００質量ｐｐｍ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ことを特徴とするバンプ用はんだ合金粉末。
2. 請求項１に記載のバンプ用はんだ合金粉末と、フラックスとを混合したことを特徴とするバンプ用はんだペースト。
3. 請求項２に記載のバンプ用はんだペーストを用いて形成されたことを特徴とするはんだバンプ。