JP2016082124A - バンプ電極、バンプ電極の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】新たな構造のバンプ電極を提供する。また、このような新たな構造のバンプ電極の製造方法を提供する。【解決手段】基板１０と、銅を用い基板１０の上に設けられた第１導電層２３と、ニッケルを用い第１導電層２３の上に設けられた第２導電層２４と、スズを含み、第２導電層２４の上に設けられた半田バンプ３０と、を有し、第２導電層２４は、第１導電層２３に達する貫通孔２４ｘが設けられ、第１導電層２３は、貫通孔２４ｘと重なる凹部２３ｘが設けられ、半田バンプ３０は、貫通孔２４ｘおよび凹部２３ｘを充填し第１導電層２３と接しており、凹部２３ｘは、基板１０の法線方向からの視野において、貫通孔２４ｘよりも開口径が大きいバンプ電極１。【選択図】図１

Description

本発明は、バンプ電極、バンプ電極の製造方法に関するものである。

従来、銅（Ｃｕ）を形成材料とした第１導電層を有する電極パッドと、半田ボールと、を接続した電極構造（バンプ電極）が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。このようなバンプ電極は、例えば、ＢＧＡ（Ball grid array）構造を有する半導体パッケージに採用されている。

特開２００９−３０２５００号公報 特開２０１３−０２６３６７号公報

このようなバンプ電極の製造においては、電極パッドと半田ボールとを接触させ加熱することで、電極パッドと半田ボールとを接続する。その際、電極パッドと半田ボールとの界面において、半田に含まれるスズ（Ｓｎ）と電極パッドのＣｕとが合金を生成することが知られている。生成される合金は、半田ボールと電極パッドとの良好な導通を確保するとともに、半田ボールと電極パッドとの機械的強度を確保するために寄与する。

しかし、上記合金の生成反応が進行すると、第１導電層のＣｕを消費するため、第１導電層が薄膜化してしまう。このように第１導電層が薄膜化すると、半田ボールと電極パッドとの接合部の剥離を招くおそれがある。

一方で、上記電極構造を有する装置の製造工程においては、リフロー工程や、他の部品の実装、さらに実装した部品の除去と再実装（手直し、リワーク）など、複数回（例えば３回以上）の熱処理が想定される。これら複数回の熱処理のそれぞれで、上記合金生成反応が進行するため、第１導電層の薄膜化が進行し、上述したような接合部の剥離という不具合を生じやすい。

上記事情を考慮すると、第１導電層を厚く（例えば５μｍ以上）形成しておくことで、合金生成反応に伴う上記不具合を抑制することが考えられる。このような厚い第１導電層を有する電極パッドでは、複数回の熱処理で合金反応が進行したとしても第１導電層が消失するほどＣｕを消費することがなく、上記不具合を抑制することができる。

しかし、電極パッドの第１導電層を厚く成膜すると、種々の新たな不具合が想定される。
まず、厚い第１導電層をスパッタで形成しようとすると、長時間のスパッタ処理による温度上昇で、第１導電層を形成する対象物（例えば、シリコン基板やウエハ）に熱による応力が加わり、反りが生じるおそれがある。このような反りは、後段の製造工程における種々のエラーの要因となる。

また、対象物を十分に冷却したり、成膜レートを抑制したりすることで、上記反りを抑制することが考えられるが、タクトタイムの増加につながる。さらに、スパッタ処理とめっき処理とを組み合わせ、第１導電層を厚膜化する方法も考えられるが、そもそも厚い第１導電層とすると、加工時間が長くなり、生産性の低下につながる。また、スパッタ装置の他に、めっき処理のための設備が必要となる。

そのため、電極パッドの第１導電層を厚くすることなく、上記接合部の剥離を抑制することが可能な技術が求められていた。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、新たな構造のバンプ電極を提供することを目的とする。また、このような新たな構造のバンプ電極の製造方法を提供することをあわせて目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の一態様は、基板と、銅を用い前記基板の上に設けられた第１導電層と、ニッケルを用い前記第１導電層の上に設けられた第２導電層と、スズを含み、前記第２導電層の上に設けられた半田バンプと、を有し、前記第２導電層は、前記第１導電層に達する貫通孔が設けられ、前記第１導電層は、前記貫通孔と重なる凹部が設けられ、前記半田バンプは、前記貫通孔および前記凹部を充填し前記第１導電層と接しており、前記凹部は、前記基板の法線方向からの視野において、前記貫通孔よりも開口径が大きいバンプ電極を提供する。

本発明の一態様においては、ニッケルを用い前記基板と前記第１導電層との間に設けられた第３導電層とを有する構成としてもよい。

本発明の一態様は、銅を用いて形成された第１導電層と、ニッケルを用い前記第１導電層の上に形成された第２導電層と、を有する基板において、前記第２導電層に設けられた貫通孔を介して前記第１導電層をウェットエッチングし凹部を形成する工程と、前記貫通孔を覆ってスズを含む半田を配置する工程と、前記半田を配置した前記基板を加熱し、半田バンプを形成する工程と、を有し、前記凹部を形成する工程では、銅のエッチングレートがニッケルのエッチングレートよりも大きいエッチング液を用いて前記第１導電層をエッチングするバンプ電極の製造方法を提供する。

本発明の一態様においては、前記凹部を形成する工程に先立って、前記第２導電層に前記貫通孔を形成する工程を有する製造方法としてもよい。

本発明の一態様においては、前記エッチング液は、銅を選択的にエッチングする製造方法としてもよい。

本発明の一態様においては、銅およびニッケルをエッチング可能なエッチング液を用いて、前記貫通孔を形成する工程と前記凹部と形成する工程とを実施する製造方法としてもよい。

本発明によれば、新たな構造のバンプ電極を提供することができる。また、このような新たな構造のバンプ電極の製造方法を提供することができる。

本実施形態に係るバンプ電極を示す概略断面図である。 バンプ電極の平面図である。 バンプ電極の平面図である。 本実施形態に係るバンプ電極の製造方法を示す工程図である。 バンプ電極の製造方法の変形例を示す工程図である。

以下、図１〜図５を参照しながら、本発明の実施形態に係るバンプ電極、バンプ電極の製造方法、電子機器、電極基板について説明する。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の寸法や比率などは適宜異ならせてある。

［バンプ電極］
図１は、本実施形態に係るバンプ電極を示す概略断面図である。図に示すように、バンプ電極１は、基板１０と、基板１０上に設けられたＵＢＭ（under ball metal)層２０と、ＵＢＭ層２０上に設けられた半田バンプ３０と、を有している。本実施形態のバンプ電極は、例えば、ＢＧＡ構造を有する半導体パッケージの下部電極を構成している。

基板１０は、基板本体１１と絶縁層１２とを有している。
基板本体１１は、用途に応じて種々のものを採用することができる。本実施形態のバンプ電極１を半導体パッケージに採用する場合には、基板本体１１は半導体基板である。

絶縁層１２は、形成材料としてＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３など通常知られたものを採用することができる。絶縁層１２は、これらの形成材料を用いて、スパッタ、蒸着、ＣＶＤなど種々の方法により形成することができる。

ＵＢＭ層２０は、基板１０上に設けられた密着層２１と、密着層２１上に設けられた第３導電層２２と、第３導電層２２上に設けられた第１導電層２３と、第１導電層２３上に設けられた第２導電層２４と、を有している。

密着層２１は、基板１０および第３導電層２２の両方に対して良好な密着性を有する材料を用いて形成される。密着層２１を介して基板１０上に第３導電層２２を形成することで、第３導電層２２の剥離を抑制することができる。密着層２１は、例えばＴｉを形成材料としている。密着層２１の層厚は、例えば０．１８μｍである。

第３導電層２２は、ニッケル（Ｎｉ）を用い密着層２１の上に設けられている。第３導電層２２の層厚は、例えば０．５μｍ〜１μｍである。

第１導電層２３は、Ｃｕを用い第３導電層２２の上に設けられている。本実施形態の第１導電層２３には、断面視において複数（図では３つ）の凹部２３ｘが設けられている。第１導電層２３の層厚は、例えば０．８μｍ〜２μｍである。

第２導電層２４は、Ｎｉを用い第１導電層２３の表面を覆って設けられている。本実施形態の第２導電層２４には、断面視において複数（図では３つ）の貫通孔２４ｘが設けられている。第２導電層２４の層厚は、例えば１μｍ〜２μｍである。

第２導電層２４の貫通孔２４ｘは、第１導電層２３の凹部２３ｘと連通している。凹部２３ｘの開口径Ｗ２は、基板１０の法線方向からの視野において、貫通孔２４ｘの開口径Ｗ１よりも大きく形成されている。そのため、貫通孔２４ｘでは、第１導電層２３の端部から第２導電層２４が庇状に張り出した構成となっている。

ＵＢＭ層２０の厚みは、例えば２．５μｍ以上６μｍ未満となるように制御する。

半田バンプ３０は、通常知られた半田を用いて設けられている。用いる半田にはＳｎが含まれている。半田バンプ３０の幅（図中、符号Ｗで示す）は、例えば２００μｍ〜３００μｍ程度である。

半田バンプ３０は、一部が貫通孔２４ｘおよび凹部２３ｘを充填し、第１導電層２３と接している。そのため、半田バンプ３０は、第１導電層２３の端部から庇状に張り出した第２導電層２４の下に回り込む構成となっている。

また、半田バンプ３０は、第３導電層２２または第２導電層２４と接する部分において、半田に含まれるＳｎと、第３導電層２２または第２導電層２４の形成材料であるＮｉとの合金を生成している。

また、半田バンプ３０は、第１導電層２３と接する部分において、半田に含まれるＳｎと、第１導電層２３の形成材料であるＣｕとの合金を生成している。生成される合金は、半田バンプ３０と第１導電層２３との良好な導通を確保するとともに、半田バンプ３０と第１導電層２３との機械的強度を確保するために寄与する。

このような構成のバンプ電極１においては、半田バンプ３０を剥離させる方向に応力が加わった場合、半田バンプ３０のうち、庇状に張り出した第２導電層２４の下に回り込む部分が第２導電層２４に引っかかり、半田バンプ３０の剥離を妨げる。そのため、本実施形態のバンプ電極１では、半田バンプ３０と第１導電層２３との良好な導通が確保されるとともに、機械的強度が確保され、信頼性が高いバンプ電極１とすることができる。
なお、以下の説明では、このように半田バンプ３０の一部が第２導電層２４に引っかかり剥離強度が増す作用効果のことを「アンカー効果」と称する。

さらに、貫通孔２４ｘおよび凹部２３ｘが複数箇所に形成されるため、複数箇所で半田バンプ３０と第１導電層２３とが強固に結合する。

したがって、以上のような構成のバンプ電極１によれば、良好な導通を確保するとともに、アンカー効果により破損が抑制され信頼性が高いものとなる。

なお、本実施形態のバンプ電極１の「複数の貫通孔２４ｘ」や「複数の凹部２３ｘ」における「複数」とは、図１のような断面視野において認識される貫通孔２４ｘや凹部２３ｘに数に応じた表現である。そのため、平面視した時に貫通孔２４ｘや凹部２３ｘが複数である必要はない。

図２，３は、バンプ電極１の一例を示す平面図であり、第１導電層２３および第２導電層２４のみ示した図である。基板１０、第３導電層２２、半田バンプ３０など他の構成は図示を省略している。

図２（ａ）の第１導電層２３では、格子状に連続した１つの凹部２３ｘが設けられている。第２導電層２４にも同様に、格子状に連続した１つの貫通孔２４ｘが設けられている。

図２（ｂ）の第１導電層２３では、３×３のマトリクス状に配列した複数の凹部２３ｘが設けられている。また、第２導電層２４にも同様に、３×３のマトリクス状に配列した複数の貫通孔２４ｘが設けられている。

図３（ａ）の第１導電層２３では、平行に形成された３本の凹部２３ａ、２３ｂ、２３ｃと、３本の凹部２３ａ、２３ｂ、２３ｃと直交して設けられた凹部２３ｄと、が重なり連続した１つの凹部２３ｘが設けられている。また、第２導電層２４にも同様に、凹部２３ｘと相似形状の貫通孔２４ｘが設けられている。

図３（ｂ）の第１導電層２３では、平行に形成された３本の凹部２３ａ、２３ｂ、２３ｃと、２本の凹部２３ａ、２３ｂの一端を接続する凹部２３ｅと、２本の凹部２３ｂ，２３ｃの他端を接続する凹部２３ｆと、からなり連続した１つの凹部２３ｘが設けられている。また、第２導電層２４にも同様に、凹部２３ｘと相似形状の貫通孔２４ｘが設けられている。

ここで、図２（ａ）における線分Ａ−Ａの矢視断面図と、図２（ｂ）における線分Ｂ−Ｂの矢視断面図と、図３（ａ）における線分Ｃ−Ｃの矢視断面図と、図３（ｂ）における線分Ｄ−Ｄの矢視断面図とは、いずれも図１に示した断面図と同じものとなる。本実施形態のバンプ電極においては、図２（ａ）（ｂ）、図３（ａ）（ｂ）いずれの構成も採用することができる。

なお、図２（ａ）、図３（ａ）（ｂ）に示した第１導電層２３は、いずれも連続した１つの凹部２３を有する構成となっているが、図２（ａ）に示した第１導電層２３では、周囲を凹部２３ｘに囲まれ、島状に孤立した第１導電層２３αが２×２のマトリクス状に設けられている。このような第１導電層２３αは、外部応力により第３導電層２２から剥離するおそれがある。

一方、図３（ａ）（ｂ）に示した構成では、図２（ａ）のように孤立して設けられた第１導電層２３αがない。そのため、図３（ａ）（ｂ）に示す構成のほうが、図２（ａ）に示す構成よりも強度が高いと考えられ好ましい。

［バンプ電極の製造方法］
図４は、本実施形態のバンプ電極の製造方法を示す工程図である。
まず、図４（ａ）に示すように、基板１０上にＴｉを形成材料とする密着層２１、Ｎｉを形成材料とする第３導電層２２、Ｃｕを形成材料とする第１導電層２３Ａ、Ｎｉを形成材料とする第２導電層２４Ａを順次積層し、ＵＢＭ層２０Ａを形成する。各層の積層は、スパッタ法を用いて行い、密着層２１を０．２μｍ、第３導電層２２を０．５μｍ、第１導電層２３Ａを０．８μｍ、第２導電層２４Ａを１．０μｍ形成する。

このようなＵＢＭ層２０Ａは、５μｍ〜６μｍ程度の第１導電層を形成していた従来のバンプ電極と比べて、スパッタ処理による基板１０の温度上昇が抑制され、反りが抑制される。また、従来の構成よりも短時間でＵＢＭ層２０Ａを形成することができる。

次いで、図４（ｂ）に示すように、マスクを介したウェットエッチングにより、選択的に複数の貫通孔２４ｘ、および複数の貫通孔２４ｘとそれぞれ重なる複数の凹部２３ｘを形成し、電極基板２を得る。マスクパターンは、通常知られたフォトリソグラフィ法を用いて形成することができる。

その際、エッチング液として、ＣｕのエッチングレートがＮｉのエッチングレートよりも大きいものであって、ＣｕおよびＮｉをいずれもエッチング可能なものを用い、貫通孔２４ｘを形成する工程と凹部２３ｘと形成する工程とを連続して実施する。

このウェットエッチングにおいては、ＣｕとＮｉとのエッチングレートの違いにより、第２導電層２４のサイドエッチよりも第１導電層２３のサイドエッチの方が多く進行する。その結果、貫通孔２４ｘにおいて第１導電層２３の端部から庇状に張り出した第２導電層２４が形成される。

なお、図では凹部２３ｘが第１導電層２３を貫通し、底部から密着層２１が露出することとしているが、凹部２３ｘが第１導電層２３を貫通することなく、凹部２３ｘの底部に第１導電層２３が存在することとしてもよい。得られる電極基板２は、本発明における「電極基板」に該当する。

次いで、図４（ｃ）に示すように、貫通孔２４ｘを覆ってＳｎを含む半田３０Ａを配置する。半田３０Ａとしては、例えば、ＪＩＳ−Ｚ−３２８２（２００６）に記載された鉛含有はんだや、鉛フリーはんだを用いることができる。貫通孔２４ｘを覆うことができれば、溶融した半田を配置してもよく、半田ボールを配置してもよい。

次いで、半田３０Ａを配置した基板１０を、例えばピーク温度２６５℃、２２０℃以上の時間を６０秒保持して加熱し、半田バンプ３０を形成する。この加熱により、半田３０Ａが流動し、第１導電層２３の端部から庇状に張り出した第２導電層２４の下（図中、符号αで示す）に回り込む。

また、半田３０Ａと第１導電層２３との界面においては、半田３０Ａに含まれるＳｎと、第１導電層２３の形成材料であるＣｕとの合金生成反応が進行する。さらに半田３０Ａと第３導電層２２および半田３０Ａと第２導電層２４との界面においては、半田３０Ａに含まれるＳｎと、第３導電層２２、第２導電層２４の形成材料であるＮｉとの合金生成反応が進行する。
以上のようにして、本実施形態のバンプ電極１を形成することができる。

以上のような構成のバンプ電極の製造方法によれば、信頼性が高いバンプ電極を容易に製造することができる。

また、以上のような構成の電極基板を用いれば、信頼性が高いバンプ電極が容易に得られる。

なお、本実施形態においては、ＵＢＭ層２０には第３導電層２２を形成することとしたが、第３導電層２２を設けない構成としても、本発明の効果を得ることができる。

また、本実施形態においては、ＣｕおよびＮｉをいずれもエッチング可能なエッチング液を用い、貫通孔２４ｘを形成する工程と凹部２３ｘと形成する工程とを連続して実施することとしたが、もちろん、貫通孔２４ｘを形成する工程と、凹部２３ｘと形成する工程とを段階的に実施してもよい。

図５は、バンプ電極の製造方法の変形例を示す工程図である。
まず、図５（ａ）に示すように、第２導電層２４に貫通孔２４ｘを形成する。貫通孔２４ｘの形成方法はエッチングであってもよく、第２導電層２４Ａを形成する前に予め貫通孔２４ｘに対応するマスクを形成しておき、第２導電層２４Ａの形成後に当該マスクを除去する、いわゆるリフトオフ法であってもよい。

次いで、図５（ｂ）に示すように、第１導電層２３をウェットエッチングし、凹部２３ｘを形成する。この場合、凹部２３ｘを形成するためのエッチング液として、上述のバンプ電極の製造方法で説明したようなエッチング液を用いることとしてもよく、Ｃｕを選択的にエッチングする高選択のエッチング液を用いることとしてもよい。このような高選択のエッチング液を用いて凹部２３ｘを形成すると、凹部２３ｘの形成時にＮｉ製の第３導電層２２をエッチングしてしまうことがなく好ましい。

上述したようなバンプ電極や、バンプ電極の製造方法で製造したバンプ電極は、例えば、ＢＧＡ構造を有する半導体パッケージ（電子部品）に採用することができる。

また、このような電子部品、およびこのような電子部品を実装する電子機器においては、バンプ電極から半田バンプが剥離しにくく、信頼性が高いものとなる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

１…バンプ電極、２…電極基板、２４，２４Ａ…第２導電層、１０…基板、１１…基板本体、１２…絶縁層、２０，２０Ａ…ＵＢＭ層、２１…密着層、２２…第３導電層、２３，２３Ａ…第１導電層、２３ｘ…凹部、２４ｘ…貫通孔、３０…半田バンプ、３０Ａ…半田、Ｗ１…貫通孔２４ｘの開口径、Ｗ２…凹部２３ｘの開口径

Claims (6)

1. 基板と、
   銅を用い前記基板の上に設けられた第１導電層と、
   ニッケルを用い前記第１導電層の上に設けられた第２導電層と、
   スズを含み、前記第２導電層の上に設けられた半田バンプと、を有し、
   前記第２導電層は、前記第１導電層に達する貫通孔が設けられ、
   前記第１導電層は、前記貫通孔と重なる凹部が設けられ、
   前記半田バンプは、前記貫通孔および前記凹部を充填し前記第１導電層と接しており、
   前記凹部は、前記基板の法線方向からの視野において、前記貫通孔よりも開口径が大きいバンプ電極。
2. ニッケルを用い前記基板と前記第１導電層との間に設けられた第３導電層とを有する請求項１に記載のバンプ電極。
3. 銅を用いて形成された第１導電層と、ニッケルを用い前記第１導電層の上に形成された第２導電層と、を有する基板において、前記第２導電層に設けられた貫通孔を介して前記第１導電層をウェットエッチングし凹部を形成する工程と、
   前記貫通孔を覆ってスズを含む半田を配置する工程と、
   前記半田を配置した前記基板を加熱し、半田バンプを形成する工程と、を有し、
   前記凹部を形成する工程では、銅のエッチングレートがニッケルのエッチングレートよりも大きいエッチング液を用いて前記第１導電層をエッチングするバンプ電極の製造方法。
4. 前記凹部を形成する工程に先立って、前記第２導電層に前記貫通孔を形成する工程を有する請求項３に記載のバンプ電極の製造方法。
5. 前記エッチング液は、銅を選択的にエッチングする請求項４に記載のバンプ電極の製造方法。
6. 銅およびニッケルをエッチング可能なエッチング液を用いて、前記貫通孔を形成する工程と前記凹部と形成する工程とを実施する請求項４に記載のバンプ電極の製造方法。

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