JP2016155173A - 無フラックス接合用ソルダボール、その製造方法及びソルダバンプ形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】無フラックス接合用ソルダボール、その製造方法及びソルダバンプ形成方法を提供する。【解決手段】ソルダコアと、ソルダコアの表面上の第１金属層と、第１金属層上の第２金属層と、を含み、第１金属層は、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スズ（Ｓｎ）、クロム（Ｃｒ）、アンチモン（Ｓｂ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、アルミニウム（Ａｌ）、またはそれらの合金であり、第２金属層は、金（Ａｕ）である無フラックス接合用ソルダボール。この無フラックス接合用ソルダボールを利用すれば、信頼性の高いソルダバンプを短時間内に低廉なコストで、簡単な工程を介して形成することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、無フラックス接合用ソルダボール、その製造方法及びソルダバンプ形成方法に係り、さらに具体的には、信頼性の高いソルダバンプをさらに短時間内に、低廉な費用で、さらに簡単な工程を介して形成することができる無フラックス接合用ソルダボール、その製造方法及びソルダバンプ形成方法に関する。

ソルダボールをリフロー工程を介して接合する場合、ソルダボール表面の自然酸化膜を除去するために、フラックス使用が必要である。しかし、フラックスを使用した後、洗浄工程を経ても完全に除去されず、腐食による半導体素子の信頼性低下の一原因になった。また、フラックスは、高価であるために、半導体素子単価上昇の原因になる。

さらには、ソルダボールを基板上に載置させるピックアップ（pick-up）装置の場合、フラックスをドッティング（dotting）するツールがあるが、それは、周期的に洗浄しなければならないという問題点があり、稼働停止の一原因になっている。

発明が解決する課題

本発明が解決しようとする最初の技術的課題は、信頼性高いソルダバンプを、さらに短時間内に低廉なコストで、さらに簡単な工程を介して形成することができるソルダボールを提供することである。

本発明が解決しようとする第２の技術的課題は、信頼性高いソルダバンプを、さらに短時間内に低廉なコストで、さらに簡単な工程を介して形成することができるソルダボールの製造方法を提供することである。

本発明が解決しようとする第３の技術的課題は、前記ソルダボールを利用して、ソルダバンプを形成する方法を提供することである。

本発明は、前記最初の技術的課題をなすために、ソルダコアと、前記ソルダコアの表面上の第１金属層と、前記第１金属層上の第２金属層と、を含み、前記第１金属層は、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スズ（Ｓｎ）、クロム（Ｃｒ）、アンチモン（Ｓｂ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、アルミニウム（Ａｌ）、またはそれらの合金であり、前記第２金属層は、金（Ａｕ）である無フラックス接合用ソルダボールを提供する。

このとき、前記第１金属層と前記第２金属層との厚みの和は、０．０１μｍ以上であり、１μｍ未満でもある。また、前記第２金属層の厚みは、０．００５μｍ以上であり、０．９μｍ以下でもある。また、前記ソルダコアの融点が１８０℃ないし２５０℃でもある。

一実施形態において、前記無フラックス接合用ソルダボールは、前記ソルダコアの内部に支持用コアボールをさらに含んでもよい。このとき、前記支持用コアボールは、３００℃以下の温度では溶融されない物質にもなる。

本発明の他の様態は、ソルダコアと、前記ソルダコアの表面上の酸化防止金属層と、を含み、前記酸化防止金属層は、０．０１μｍ以上１μｍ未満の厚みを有する金（Ａｕ）層である無フラックス接合用ソルダボールを提供する。

本発明は、前記第２の技術的課題をなすために、ソルダコアを提供する段階と、前記ソルダコア上に第１金属層を形成する段階と、前記第１金属層上に第２金属層を形成する段階と、を含む無フラックス接合用ソルダボールの製造方法を提供する。ここで、前記第１金属層は、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スズ（Ｓｎ）、クロム（Ｃｒ）、アンチモン（Ｓｂ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、アルミニウム（Ａｌ）、またはそれらの合金であり、前記第２金属層は、金（Ａｕ）でもある。

また、前記製造方法は、前記第１金属層を形成する段階に先立って、前記ソルダコアの表面を酸で処理する段階をさらに含んでいてもよい。また、前記第１金属層と前記第２金属層との厚みの和は、０．０１μｍ以上であり、１μｍ未満でもある。

また、前記第１金属層を形成する段階、及び前記第２金属層を形成する段階は、電解メッキまたは無電解メッキによって遂行される。

本発明は、前記第３の技術的課題をなすために、ボンディングパッドを有する基板を提供する段階と、前記ボンディングパッド上に無フラックス接合用ソルダボールを提供する段階と、前記無フラックス接合用ソルダボールをリフローさせる段階と、を含むソルダバンプ形成方法を提供する。ここで、前記無フラックス接合用ソルダボールは、ソルダコアと、前記ソルダコアの表面上の第１金属層と、前記第１金属層上の第２金属層と、を含んでもよい。また、前記第１金属層は、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スズ（Ｓｎ）、クロム（Ｃｒ）、アンチモン（Ｓｂ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、アルミニウム（Ａｌ）、またはそれらの合金であり、前記第２金属層は、金（Ａｕ）である。

特に、前記ソルダバンプ形成方法では、前記ソルダボール上の自然酸化膜を除去するためのフラックスを適用する段階を設ける必要はない。さらに、前記リフローさせる段階は、１８０℃ないし３００℃の温度で、約１秒ないし約１分間遂行される。また、前記リフローさせる段階は、プリヒーティング（pre-heating）区間を有さなくともよい。

また、前記リフローさせる段階は、前記ソルダボールの温度を、室温からリフロー温度に昇温させる段階を含む。このとき、前記ソルダボールの温度は、室温からリフロー温度に至るまで、経時的に線形的に上昇するか、あるいは上向き凸状である形態のプロファイルを有しながら上昇する。

本発明によれば、無フラックス接合用ソルダボールを利用して、信頼性の高いソルダバンプを、さらに短時間内に低廉なコストで、さらに簡単な工程を介して形成することが可能である。

本発明の一実施形態による無フラックス接合用ソルダボールを概念的に示した側断面図である。 本発明の他の実施形態による無フラックス接合用ソルダボールを示した側断面図である。 本発明の一実施形態による無フラックス接合用ソルダボールの製造方法を順序によって示したフローチャートである。 本発明の一実施形態によるソルダバンプ形成方法を順序によって示したフローチャートである。 本発明の一実施形態によるソルダバンプ形成方法を順序によって示した側断面図である。 本発明の一実施形態によるソルダバンプ形成方法を順序によって示した側断面図である。 本発明の一実施形態による無フラックス接合用ソルダボールを利用するときのリフロー温度プロファイルと、従来技術によるソルダボールを利用するときのリフロー温度プロファイルとをそれぞれ示した図面である。 実施形態１、比較例１及び比較例２のソルダボールに対して、リフロー工程において、ドウェル時間の間、及び冷却後の様子を示したイメージである。 実施形態１、比較例１及び比較例２のソルダボールに対して、リフロー工程において、ドウェル時間の間、及び冷却後の様子を示したイメージである。 ボンディングパッド上に配置された本発明の一実施形態によるソルダボールが、リフロー後に正常にソルダバンプに載置される様子を示した平面イメージである。 リフローされたソルダボールの望ましい例と、望ましくない例とのプロファイルを示した側方向概念図である。

以下、添付図面を参照し、本発明概念の望ましい実施形態について詳細に説明する。しかし、本発明概念の実施形態は、さまざまに異なる形態に変形され、本発明概念の範囲は、以下で詳細に説明する実施形態に限定されて解釈されてはならない。本発明概念の実施形態は、当業界で平均的な知識を有した者に、本発明概念をさらに完全に説明するために提供されるものであると解釈されることが望ましい。同一符号は、始終同一要素を意味する。さらに、図面での多様な要素と領域は、概略的に示されている。従って、本発明概念は、添付した図面に描かれた相対的な大きさや間隔によって制限されるものではない。

第１、第２のような用語は、多様な構成要素についての説明に使用される、前記構成要素は、前記用語によって限定されるものではない。前記用語は、１つの構成要素を他の構成要素から区別する目的のためのみに使用される。例えば、本発明概念の権利範囲を外れることなく、第１構成要素は、第２構成要素と命名され、反対に、第２構成要素は第１構成要素と命名される。

本出願で使用した用語は、ただ特定の実施形態についての説明に使用されたものであり、本発明概念を限定する意図ではない。単数の表現は、文脈上明白に異なって意味しない限り、複数の表現を含む。本出願において「含む」または「有する」というような表現は、明細書に記載された特徴、個数、段階、動作、構成要素、部分品、またはそれらの組み合わせが存在することを指定するものであり、一つまたはそれ以上の他の特徴、個数、動作、構成要素、部分品、またはそれらの組み合わせの存在または付加の可能性をあらかじめ排除するものではない。

異なって定義されない限り、ここに使用される全ての用語は、技術用語及び科学用語を含み、本発明概念が属する技術分野で当業者が共通して理解しているところと同一の意味を有する。また、一般的に使用される、事前に定義されたような用語は、関連技術の脈絡において、それらが意味するところと一貫する意味を有するものであると解釈されなければならず、そこに明示的に定義されない限り、過度に形式的な意味に解釈されてはならない。

ある実施形態が異なって具現可能な場合、特定の工程順序は、説明される順序と異なって遂行されることもある。例えば、連続して説明される２つの工程が、実質的に同時に遂行されることがあり、説明される順序と反対の順序によって遂行されることもある。

添付図面において、例えば、製造技術及び／または公差によって、図示された形状の変形が予想される。従って、本発明の実施形態は、本明細書に図示された領域の特定形状に制限されるものと解釈されてはならず、例えば、製造過程で引き起こされる形状の変化を含まなければならない。ここで使用される全ての用語「及び／または」は、言及された構成要素のそれぞれ、及び１以上の全ての組み合わせを含む。また、本明細書で使用される用語「基板」は、基板そのもの、または基板、及びその表面に形成された所定の層または膜などを含む積層構造体を意味する。また、本明細書において、「基板の表面」とは、基板それ自体の露出表面、または基板上に形成された所定の層または膜などの外側表面を意味する。

「主成分」とは、原子％を基準に、その成分が全体物質の構成物質において、最も多くの原子％を占めるということを意味する。

本発明は、ソルダコア上に、第１金属層及び第２金属層を順次含む無フラックス接合用ソルダボールを提供する。ここで、「無フラックス接合用」の意味は、前記ソルダボールを利用して、基板及び半導体装置、基板及び基板、または半導体装置及び半導体装置を物理的に連結する場合、導電体の表面に存在する自然酸化膜を除去するためのフラックスの適用が不要であるということを意味する。

図１は、本発明の一実施形態による無フラックス接合用ソルダボール１００を概念的に示した側断面図である。

図１を参照すれば、前記無フラックス接合用ソルダボール１００は、ソルダコア１３０上の第１金属層１１０、及び前記第１金属層１１０上の第２金属層１２０を含んでもよい。

前記ソルダコア１３０は、電気部品のソルダリングに使用される任意のソルダ組成物であればよく、特別に限定されるものではない。前記ソルダコア１３０は、例えば、スズ（Ｓｎ）−ニッケル（Ｎｉ）合金、Ｓｎ−ビスマス（Ｂｉ）合金、Ｓｎ−銀（Ａｇ）−銅（Ｃｕ）合金、Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ｚｎ合金、Ｓｎ−アンチモン（Ｓｂ）合金、Ｓｎ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｓｂ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ａｇ−金（Ａｕ）合金、Ａｕ−Ｓｂ合金、Ａｕ−インジウム（Ｉｎ）合金、Ｚｎ−Ａｌ合金、Ａｕ−ゾモニュム（Ｇｅ：ゲルマニウム）−Ｓｎ合金、Ｂｉ−Ｓｂ合金などでもあるが、それらに限定されるものではない。一実施形態において、前記ソルダコア１３０は、スズを主成分として有するスズ系ソルダコアでもある。

前記ソルダコア１３０の融点は、約１８０℃ないし約２５０℃でもある。前記ソルダコア１３０の溶融温度が一定しない場合には、約１８０℃ないし約３００℃の温度範囲で溶融状態を達成するものである。

前記ソルダコア１３０は、約１００μｍないし約８００μｍの直径Ｄ１を有する。一実施形態において、前記ソルダコア１３０の直径Ｄ１は、例えば、約１００μｍないし約５００μｍでもある。一実施形態において、前記ソルダコア１３０の直径Ｄ１は、例えば、約２００μｍないし約４００μｍでもある。

前記ソルダコア１３０の上には、第１金属層１１０が提供される。前記第１金属層１１０は、前記ソルダコア１３０の直接上に形成されてもよいし、他の物質層を介在させ、前記ソルダコア１３０の上に形成されてもよい。前記第１金属層１１０は、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スズ（Ｓｎ）、クロム（Ｃｒ）、アンチモン（Ｓｂ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、アルミニウム（Ａｌ）のような金属である。

前記第１金属層１１０の厚みは、例えば、約０．００２μｍないし約０．１μｍである。もし前記第１金属層１１０の厚みが過度に薄ければ、部分的に前記ソルダコア１３０の表面の露出する部分が発生してしまう。前記第１金属層１１０は、後述する第２金属層１２０を、ソルダコア１３０の表面に良好に付着させる機能を遂行することができる。そのために、ソルダコア１３０の表面が、前記第１金属層１１０外部に露出すれば、第２金属層１２０がソルダコア１３０と良好に付着しないことにもなる。

一方、前記第１金属層１１０の厚みが過度に厚ければ、リフロー時に起こる第１金属層１１０及び第２金属層１２０と、ソルダコア１３０との融解（dissolution）が不完全に起こることにもなる。

前記第１金属層１１０上には、第２金属層１２０が提供される。前記第２金属層１２０は、前記第１金属層１１０の直接上に形成される。前記第２金属層１２０は、金（Ａｕ）またはパラジウム（Ｐｄ）でもある。前記第２金属層１２０は、前記第１金属層１１０と異なる金属である。前記第２金属層１２０は、金（Ａｕ）であることが望ましい。しかし、本発明は、それに限定されるものではない。

前記第２金属層１２０の厚みは、約０．００５μｍないし約０．９μｍでもある。もし前記第２金属層１２０の厚みが過度に薄ければ、部分的に前記ソルダコア１３０及び／または前記第１金属層１１０の表面が露出する部分が存在することにもなる。前記第２金属層１２０は、前記ソルダコア１３０及び第１金属層１１０が、大気中の酸素などによって自然酸化されることを防止する酸化防止金属層としての機能を遂行する。そのために、前記ソルダコア１３０及び／または前記第１金属層１１０の表面が、前記第２金属層１２０の外部に露出すれば、表面が変色し、自然酸化膜によって、パッドとの接合力が低下するという問題が発生することになる。

一方、前記第２金属層１２０の厚みが過度に厚ければ、リフロー時に起こる第１金属層１１０及び第２金属層１２０と、ソルダコア１３０との融解が不完全に起こることにもなる。

前記第１金属層１１０の厚みと、前記第２金属層１２０の厚みとの和は、約０．０１μｍ以上であり、約１μｍ未満でもある。もし前記第１金属層１１０と、前記第２金属層１２０との厚みの和が０．０１μｍ未満であるならば、ソルダボール１００を適用するとき、フラックスを不要とする効果が十分ではなくなる。もし前記第１金属層１１０と、前記第２金属層１２０との厚みの和が１μｍ以上であるならば、ソルダボール１００が導電性パッドに脆弱に接合されたり接合されなくなったりもする。

一実施形態において、前記第１金属層１１０が省略され、第２金属層１２０だけ存在することもある。その場合、前記第２金属層１２０は、約０．０１μｍ以上、約１μｍ未満の厚みを有する。

図２は、本発明の他の実施形態による無フラックス接合用ソルダボール２００を示した側断面図である。図２を参照すれば、前記無フラックス接合用ソルダボール２００は、ソルダコア２３０上に、第１金属層２１０及び第２金属層２２０を順に含んでもよい。また、前記ソルダコア２３０の内部に、支持用コアボール２４０をさらに含んでもよい。

前記支持用コアボール２４０は、一般的な金属または有機材料からなるものであってもよく、有機／有機複合材または有機／無機複合材からなるものであってもよい。前記支持用コアボール２４０の材料は、特別に限定されるものではなく、３００℃以下の温度では溶融されない物質である。

例えば、前記有機材料の支持用コアボール２４０は、プラスチック材質のコアボール２４０であってもよく、前記プラスチック材質のコアボール２４０は、エポキシ系、メラミン−ホルムアルデヒド系、ベンゾグアナミン−ホルムアルデヒド系、ジビニルベンゼン、ジビニルエーテル、オリゴジアクリレートまたはポリジアクリレート、アルキレンビスアクリルアミド樹脂のような熱硬化性樹脂を含むプラスチックコア；ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリスチレン、ナイロン、ポリアセタル樹脂のような熱可塑性樹脂を含むプラスチックコア；天然ゴムや合成ゴムのような弾性体コアなどを含んでいてもよい。また、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂とを混用した樹脂によって形成されたプラスチックコアを含んでいてもよい。

また、プラスチック材質のコアボール２４０は、重合体合成方法を利用して形成される。一例として、懸濁、乳化、分散重合法のような合成方法を介して、約２０μｍないし約３００μｍの直径を有するように形成される。

金属材質の支持用コアボール２４０は、例えば、純粋Ｃｕ、またはＣｕの合金などから構成される。

図３は、本発明の一実施形態による無フラックス接合用ソルダボールの製造方法を順序によって示したフローチャートである。図３を参照すると、ソルダコア１３０，２３０が提供される（Ｓ１）。前記ソルダコア１３０，２３０は、図１及び図２を参照して詳細に説明したので、ここでは詳細な説明を省略する。

前記ソルダコア１３０，２３０は、大気状態で保管すれば、表面に自然酸化膜が形成される。そのような自然酸化膜は、他の金属物質のメッキ、蒸着、接合を妨害することにもなるので、酸処理を介して自然酸化膜を除去する（Ｓ２）。

前記酸は、例えば、フッ酸（hydrofluoric acid）、塩酸（hydrochloric acid）、硫酸（sulfuric acid）、硝酸（nitric acid）、リン酸（phosphoric acid）、またはそれらの組み合わせでもあるが、本発明は、それらに限定されるものではない。

次に、前記ソルダコア１３０，２３０上に、第１金属層１１０，２１０を形成する（Ｓ３）。前記第１金属層１１０，２１０は、メッキ（plating）、蒸着（deposition）のような方法によって形成される。一実施形態において、前記第１金属層１１０，２１０は、電解メッキ方法または無電解メッキ方法を遂行して形成される。

前記第１金属層１１０，２１０を形成するとき、前記第１金属層１１０，２１０の表面の粗度（roughness）を向上させるために、光沢材（brightener）が使用されたりもする。すなわち、光沢材を使用することにより、さらに滑らかな表面の第１金属層１１０，２１０を得ることもできる。前記光沢材は、例えば、ポリエチレングリコールなどのポリエーテル系化合物のような酸素含有有機化合物；３級アミン化合物、４級アンモニウム化合物のような窒素含有有機化合物；及び／またはスルホネート基を有する硫黄含有有機化合物などでもあるが、それらに限定されるものではない。

しかし、光沢材を使用して滑らかに得られた第１金属層１１０，２１０によって、むしろ前記第１金属層１１０，２１０と前記第２金属層１２０，２２０との接着性が劣化するために、第１金属層１１０，２１０の形成時に光沢材の使用を省略してもよい。

図１及び図２を参照して説明したように、前記第１金属層１１０，２１０は、例えば、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スズ（Ｓｎ）、クロム（Ｃｒ）、アンチモン（Ｓｂ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、アルミニウム（Ａｌ）のような金属でもあり、例えば、約０．００２μｍないし約０．１μｍの厚みを有する。

次に、前記第１金属層１１０，２１０上に、第２金属層１２０，２２０を形成する（Ｓ４）。前記第２金属層１２０，２２０は、メッキ、蒸着などの方法によって形成される。一実施形態において、前記第２金属層１２０，２２０は、電解メッキまたは無電解メッキ方法を遂行して形成される。前記第２金属層１２０，２２０は、金（Ａｕ）またはパラジウム（Ｐｄ）でもあり、例えば、約０．００５μｍないし約０．９μｍの厚みを有する。一実施形態において、第１金属層１１０，２１０を形成せずに、第２金属層１２０，２２０だけ形成する場合には、前記第２金属層１２０，２２０は、０．０１μｍ以上１μｍ未満の厚みを有するように形成される。

そのように、第２金属層１２０，２２０の形成を完了した後には、洗浄工程及び乾燥工程を遂行することができる。

図４は、本発明の一実施形態によるソルダバンプ形成方法を順序によって示したフローチャートである。図５Ａ及び図５Ｂは、本発明の一実施形態によるソルダバンプ形成方法を順序によって示した側断面図である。

図４及び図５Ａを参照すれば、ボンディングパッド１０５を有する基板１０１が提供される（ＳＰ１）。前記基板１０１は、パッケージ基板であってもよく、半導体基板であってもよい。さらに、前記基板１０１は、ガラス基板であってもよい。

前記基板１０１が半導体基板である場合、前記基板１０１は、ＩＩＩ−Ｖ族物質及びＩＶ族物質のうち少なくとも一つからなる。前記ＩＩＩ−Ｖ族物質は、少なくとも１つのＩＩＩ族元素と、少なくとも１つのＶ族元素とを含む二元系、三元系または四元系の化合物でもある。前記ＩＩＩ−Ｖ族物質は、ＩＩＩ族元素としてＩｎ、Ｇａ及びＡｌのうち少なくとも１つの元素と、Ｖ族元素として、Ａｓ、Ｐ及びＳｂのうち少なくとも１つの元素とを含む化合物でもある。

例えば、前記ＩＩＩ−Ｖ族物質は、ＩｎＰ、Ｉｎ_ｚＧａ_１−ｚＡｓ（０≦ｚ≦１）及びＡｌ_ｚＧａ_１−ｚＡｓ（０≦ｚ≦１）から選択される。前記二元系化合物は、例えば、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ及びＧａＳｂのうちいずれか一つでもある。前記三元系化合物は、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＡｌＩｎＡｓ、ＩｎＧａＳｂ、ＧａＡｓＳｂ及びＧａＡｓＰのうちいずれか一つでもある。前記ＩＶ族物質は、Ｓｉ及び／またはＧｅでもある。しかし、本発明の技術的思想による薄膜を形成するために使用可能なＩＩＩ−Ｖ族物質及びＩＶ族物質は、前述の例示したところに限定されるものではない。

前記基板１０１がパッケージ基板である場合、前記基板１０１は、印刷回路基板（ＰＣＢ：printed circuit board）、セラミックス基板またはインターポーザ（interposer）でもある。前記印刷回路基板は、柔軟印刷回路基板（ＦＰＣＢ：flexible ＰＣＢ）または硬質（rigid）ＰＣＢでもある。

前記基板１０１が印刷回路基板である場合、前記基板１０１は、基板ベース、そして上面及び下面の少なくとも一面に形成されたボンディングパッド１０５を含んでもよい。ボンディングパッド１０５は、基板ベースの上面及び下面を覆うソルダレジスト層によって露出される。基板ベースは、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミドのうちから選択される少なくとも１つの物質からなる。例えば、基板ベースは、ＦＲ４、四官能性エポキシ（tetrafunctional epoxy）、ポリフェニレンエーテル（polyphenylene ether）、エポキシ／ポリフェニレンオキシド（epoxy/polyphenylene oxide）、ビスマレイミドトリアジン（ＢＴ：bismaleimide triazine）、サーマウント（Thermount）、シアネートエステル（cyanate ester）、ポリイミド（polyimide）及び液晶高分子（liquid crystal polymer）のうちから選択される少なくとも１つの物質を含んでもよい。

ボンディングパッド１０５は、Ｎｉ／Ａｕ、ＥＮＩＧ、ＥＮＥＰＩＧ、Ｃｕ−ＯＳＰベア（bare）Ｃｕからもなる。基板ベースには、ボンディングパッド１０５と電気的に連結された内部配線が形成される。前記内部配線は、基板ベース内に形成されるが、それに限定されるものではなく、基板ベースの上面及び／または下面に形成されて前記ソルダレジスト層によって覆われていてもよい。ボンディングパッド１０５は、基板ベースの上面及び下面に、銅箔（Ｃｕ foil）を被せた後でパターニングされた回路配線のうち、それぞれ前記ソルダレジスト層によって露出された部分でもある。

前記基板１０１がインターポーザである場合、基板ベースは、例えば、シリコンウェーハから形成される。

次に、前記ボンディングパッド１０５上に、無フラックス接合用ソルダボール１００が提供される（ＳＰ２）。前記無フラックス接合用ソルダボール１００は、図１を参照して説明したので、ここでは詳細な説明を省略する。また、図５Ａでは、図１の無フラックス接合用ソルダボール１００が配置されるように図示されているが、図２の無フラックス接合用ソルダボール２００が配置されてもよい。

次に、図４及び図５Ｂに示すように、前記ソルダボール１００をリフローさせる（ＳＰ３）。ソルダボール１００をリフローさせるために、前記ソルダボール１００の温度、及び／または前記リフローが進められる空間の温度を上昇させる。前記ソルダボール１００の温度が、前記ソルダコア１３０のリフロー温度以上になれば、ソルダボール１００の形態が変形し、ソルダバンプ１００ａになる。前記ソルダボール１００が十分にリフローされた後、温度を下降させ、ソルダバンプ１００ａを硬化させることができる。

前記リフローさせる段階は、前記ソルダボール１００を、約１８０℃ないし約３００℃の温度範囲で、約１秒ないし約１分間加熱することによって遂行される。

前記無フラックス接合用ソルダボール１００，２００を利用して、ボンディングパッド上にソルダバンプを形成する場合、ソルダボール表面の自然酸化膜を除去するためのフラックス適用段階が不要であり、行われない。

リフローのために、前記ソルダボール１００の温度を上昇させれば、溶融点、例えば、ＳＡＣ３０５組成のソルダコアを有するソルダボールの場合、約２１８℃の温度で、ソルダコアが溶融され始め、第１金属層と第２金属層との金属層が相互融解され、前記ソルダコアと相互混合（intermix）される。

それを介して、ソルダボールがボンディングパッド１０５と良好に接合される。さらに具体的には、フロー性を帯びるソルダボールは、ボンディングパッド１０５との湿潤性（wettability）を有しながら、ボンディングパッド１０５の全体上部表面と接触することになる。また、自由表面の方は、自体の表面エネルギーを最小化させるために、丸い形態を帯びながら、ソルダバンプ１００ａを形成することになる。

図６は、本発明の一実施形態による無フラックス接合用ソルダボール１００，２００を利用するときのリフロー温度プロファイルと、従来技術によるソルダボールを利用するときのリフロー温度プロファイルとをそれぞれ示した図面である。

図６を参照すれば明らかなように、従来技術によるソルダボールを利用すれば、経路Ｏ−Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｏ”の温度プロファイルに沿ってリフローさせることが必要である。しかし、本発明の実施形態による無フラックス接合用ソルダボール１００，２００を利用すれば、単にＯ’−Ｂ−Ｃ−Ｄ−Ｏ”の温度プロファイルに沿ってリフローさせることでも十分である。

さらに具体的には、従来技術によるソルダボールを利用すれば、表面に自然酸化膜が形成されるために、それを除去するためにフラックスを提供する段階が、リフロー段階に先行して必要であり、リフロー段階では、そのようなフラックスを活性化させるためのプリヒーティング（pre-heating）タイムが必要である。

すなわち、ソルダボールの温度をプリヒーティング温度まで上げ（ＯＡ）、プリヒーティング時間の間その温度を維持する（ＡＢ）。プリヒーティングタイム（ＡＢ）の間、ソルダボールの表面に存在したフラックスが活性化されて自然酸化膜を除去することができる。自然酸化膜が十分に除去された後、さらにソルダボールの温度をリフロー温度Ｔｒｆ以上の温度に上昇させる（ＢＣ）。前記リフロー温度Ｔｒｆは、前記ソルダボールのリフローが起こる最低温度でもある。従って、前記ソルダボールは、リフロー温度Ｔｒｆ、またはそれより高い温度で流動性を有する。

前記ソルダボールの温度がリフロー温度Ｔｒｆ以上に維持されるリフロータイムの間、前記ソルダボールがリフローされる。前記ソルダボールの温度と、リフロー温度Ｔｒｆとの差、及び冷却速度などを考慮し、ソルダボールに対する加熱を止めれば（Ｄ時点）、リフローされて形成されたソルダバンプは徐々に冷却され、リフロー温度Ｔｒｆ未満に冷却して硬化される。

一方、本発明の実施形態による無フラックス接合用ソルダボール１００，２００を利用すれば、高価なフラックスを使用する必要がなく、プリヒーティングタイムが不要であり、すぐにリフロー温度Ｔｒｆ以上の温度に昇温させるだけでも十分である。

さらに具体的には、時間Ｏ’において、ソルダボールの温度を、室温から昇温させ始める。その後、リフロー温度Ｔｒｆ以上にソルダボールの温度を上昇させた後（Ｏ’Ｃ）、一定時間の間、ソルダボールがリフローされる（ＣＤ）。一実施形態において、前記ソルダボールの温度は、室温からリフロー温度に至るまで、経時的に線形的に上昇する。図６に示した温度プロファイルでは、ソルダボールの温度を上昇させるＯ’Ｃ区間において、線形的に温度が上昇するように図示されているが、一実施形態において、上向き凸状である形態の温度プロファイルを有しながら温度を上昇させてもよい。ここで、ある温度プロファイルの形態が上向き凸状であるということは、プロファイル上の任意の２点を直線で連結したとき、その間の温度プロファイルが、前記直線より上に位置するということを意味する。

ソルダボールがリフロー温度以上の温度に留まる時間をドウェルタイム（dwell time）ともいう。すなわち、図６において、リフロータイムと表示された時間は、ドウェルタイムとされる。ソルダボールは、ドウェルタイムの間リフローされ、ソルダバンプ１００ａ（図５Ｂ）を形成することができる。

従来技術によるソルダボールと、本発明の実施形態による無フラックス接合用ソルダボールとを比較すれば、従来技術によるソルダボールは、リフローにＯＯ”の時間が必要である一方、本発明の実施形態による無フラックス接合用ソルダボールは、Ｏ’Ｏ”の時間だけでも十分である。フラックスの活性化に要求される時間ＯＯ’は、リフローに必要な全体時間ＯＯ”のおよそ１／３ないしおよそ１／２に達するために、本発明の実施形態による無フラックス接合用ソルダボールを使用すれば、相当な時間を節約し、高い生産性を維持することができる。また、プリヒーティングに消費するエネルギーを節約することができ、生産コスト低減にも寄与することができる。

また、フラックスを使用する場合には、リフローが完了した後、フラックスを除去するための洗浄工程が別途に必要である。また、洗浄工程を経ても、微量のフラックスが残存し、製品腐食の原因にもなる。

一方、本発明の実施形態による無フラックス接合用ソルダボールを利用すれば、フラックスを除去するための洗浄工程が省略され、フラックス残渣物がもたらす問題点が防止されるという効果がある。

以下、具体的な実施例及び比較例をもって、本発明の構成及び効果についてさらに詳細に説明するが、それら実施例は、単に本発明をさらに明確に理解させるためのもので、本発明の範囲を限定するものではない。

直径２５０μｍの３％Ａｇ、０．５％Ｃｕを含むスズ系無鉛ソルダボール表面上に、第１金属層と第２金属層とを、下記表１のように形成した。第１金属層及び第２金属層について、対応する金属層がない場合には、Ｘで表示した。

その後、Ｎｉ／Ａｕパッドフィニッシュ（pad finish）に対する接合性能試験を行った。接合性能試験を行うために、フラックス適用なしに、Ｎｉ／Ａｕパッドフィニッシュ上にソルダボールを提供した後、２４０℃において３０秒間リフローを行った。

前記接合性能試験を行った結果、前記表１から分かるように、第１金属層及び第２金属層のいずれも存在しないソルダコア自体（比較例１）は、フラックス適用なしには、接合が不可能であると分かった。また、表面に金（Ａｕ）の第２金属層がないソルダボールも接合が不可能であるか（比較例３及び４）、接合が起きても、不安定性によって接合が脆弱である（比較例５）ということが分かった。

また、第１金属層なしに、第２金属層（金）だけが存在する場合、所定厚み範囲では、接合が良好に行われるように示されているが（実施例１２ないし１４）、その厚み範囲を外れ、過度に厚いか薄い場合には、接合が行われないということが分かった（比較例６及び７）。それは、第２金属層の厚みが過度に薄ければ、酸化防止効果が十分ではなく、過度に厚ければ、リフロー時、ソルダコアと第２金属層との相互融解が脆弱に行われるためであると推定される。

また、第１金属層と第２金属層との厚みの和が過度に厚い場合（比較例２，８及び９）、同様にボンディングパッドとの接合が不可能であると分かった。それは、第１金属層と第２金属層との厚みが過度に厚く、リフロー時間内に、第１金属層と第２金属層とが十分にソルダコアと相互融解をなすことができないためであると推定される。

図７Ａ及び図７Ｂは、実施例１、比較例１及び比較例２のソルダボールに対して、リフロー工程において、ドウェル時間の間、及び冷却後の様子を示したイメージである。特に、図７Ｂは、図７Ａの各ソルダボールを矢印方向から見た様態である。

実施例１の場合には、リフロー工程を経ながら、ソルダボールがボンディングパッドと適切に接合され、当初の球形を外れたということが分かった。比較例１及び比較例２の場合には、当初の球形形態をほとんどそのまま維持したまま、接合がなされない様子が観察された。

また、実施例１ないし１４、及び比較例１ないし９のソルダボールに対して大気条件の高温（１２５℃）で、４８時間放置した後の変色いかんを観察する高温変色実験を行った。変色いかんは、初期の照度値、及び４８時間経過後の照度値を観察して判断された。照度値は、照度測定機を利用して測定し、放置後の照度値が、初期照度値から０ないし２以内に変化したならば、変色が実質的にないもの（「Ｘ」）で判定した。また、照度値の変化が、３ないし９であるならば、若干の変色があるもの（「Δ」）と判定し、照度値の変化が１０以上であるならば、変色がはなはだしいもの（「Ｏ」）と判定した。

表１から分かるように、表面に何らの金属層も形成されていない比較例１のソルダボールは、若干の変色が観察され、表面にニッケルの金属層が形成された比較例３のソルダボールは、相当な変色が観察された。そのような変色は、酸化に起因したものであり、ニッケルの金属層が普通の大気状況では、ソルダコアよりさらに酸化に脆弱であるということが分かる。

さらに、実施例１ないし１４、及び比較例１ないし９のソルダボールに対して、高湿（８５％）条件の高温（１２５℃）で、４８時間放置した後の変色いかんを観察する高温高湿変色実験を行った。照度値の測定方法と判定方法は、高温変色実験と同一に遂行された。

表１から分かるように、高温高湿条件では、ソルダコア（比較例１）も相当な変色が起こるということが分かった。特に、具体的な実験データを参照すれば、比較例１のソルダボールは、比較例３のソルダボールよりさらに変色がはなはだしいということが分かった。具体的には、比較例１のソルダボールは、初期照度値が７５であったが、４８時間放置した後には、４３に低下した。比較例３のソルダボールは、初期照度値が７５であったが、４８時間の放置後には、５１に低下した。従って、いかなる金属層も形成されていない比較例１のソルダコアは、高湿条件に特にさらに脆弱であるということが分かった。

図８は、ボンディングパッド上に配置された本発明の一実施形態による、ソルダボールがリフロー後に正常にソルダバンプに載置される様子を示した平面イメージである。図９は、リフローされたソルダボールの望ましい例と、望ましくない例とのプロファイルを示した側方向概念図である。

図８（ａ）を参照すれば、ソルダボールのサイズに対して、適切な広さよりさらに広い広さを有するボンディングパッド上に、実施例１のソルダボールを配置した後、それをリフローさせた。その結果、図８（ｂ）から分かるように、いずれも全体ボンディングパッドを覆うように、適当な湿潤性を示した。

図９から分かるように、ソルダボールの湿潤性が不足する場合、ソルダボールに比べ、比較的大きいサイズのボンディングパッド３０５上でリフローを行えば、ボンディングパッド３０５の上部表面の一部についてのみ覆うソルダバンプ１００ｃが得られる。一方、ソルダボールの湿潤性が十分である場合、ソルダボールに比べ、比較的大きいサイズのボンディングパッド３０５上でも、リフローによってボンディングパッド３０５の上部表面の全体を覆うソルダバンプ１００ｂが得られる。

再び図８（ｂ）を参照すれば、リフロー後に、相対的に広いボンディングパッド面積に対して、その全体を覆うソルダバンプが形成されるという点で、本発明の実施形態によるソルダボールは、適切な湿潤性を有するということが分かる。

以上で説明したように、本発明の実施形態について詳細に記述したが、本発明が属する技術分野において当業者であるならば、特許請求の範囲に定義された本発明の精神及び範囲を外れずに、本発明をさまざまに変形して実施することができるであろう。従って、本発明の今後の実施形態の変更は、本発明の技術を外れるものとはならないであろう。

本発明の無フラックス接合用ソルダボール、その製造方法及びソルダバンプ形成方法は、例えば、半導体装置関連の技術分野に効果的に適用可能である。

１００，２００ ソルダボール
１００ａ，１００ｂ，１００ｃ ソルダバンプ
１０１，３０１ 基板
１０５，３０５ ボンディングパッド
１１０，２１０ 第１金属層
１２０，２２０ 第２金属層
１３０，２３０ ソルダコア
２４０ 支持用コアボール

Claims (16)

1. ソルダコアと、
   前記ソルダコアの表面上の第１金属層と、
   前記第１金属層上の第２金属層と、を含み、
   前記第１金属層は、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スズ（Ｓｎ）、クロム（Ｃｒ）、アンチモン（Ｓｂ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、アルミニウム（Ａｌ）、またはそれらの合金であり、
   前記第２金属層は、金（Ａｕ）である無フラックス接合用ソルダボール。
2. 前記第１金属層と前記第２金属層との厚みの和が０．０１μｍ以上であり、１μｍ未満であることを特徴とする請求項１に記載の無フラックス接合用ソルダボール。
3. 前記第２金属層の厚みが０．００５μｍ以上であり、０．９μｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の無フラックス接合用ソルダボール。
4. 前記ソルダコアの融点が１８０℃ないし２５０℃であることを特徴とする請求項１に記載の無フラックス接合用ソルダボール。
5. 前記無フラックス接合用ソルダボールは、前記ソルダコアの内部に、支持用コアボールをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の無フラックス接合用ソルダボール。
6. 前記支持用コアボールは、３００℃以下の温度では溶融されない物質からなることを特徴とする請求項５に記載の無フラックス接合用ソルダボール。
7. ソルダコアを提供する段階と、
   前記ソルダコア上に第１金属層を形成する段階と、
   前記第１金属層上に第２金属層を形成する段階と、を含み、
   前記第１金属層は、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スズ（Ｓｎ）、クロム（Ｃｒ）、アンチモン（Ｓｂ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、アルミニウム（Ａｌ）、またはそれらの合金であり、
   前記第２金属層は、金（Ａｕ）である無フラックス接合用ソルダボールの製造方法。
8. 前記第１金属層を形成する段階に先立って、前記ソルダコアの表面を酸で処理する段階をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の無フラックス接合用ソルダボールの製造方法。
9. 前記第１金属層と前記第２金属層との厚みの和が０．０１μｍ以上であり、１μｍ未満であることを特徴とする請求項７に記載の無フラックス接合用ソルダボールの製造方法。
10. 前記第１金属層を形成する段階、及び前記第２金属層を形成する段階は、電解メッキまたは無電解メッキによって遂行されることを特徴とする請求項７に記載の無フラックス接合用ソルダボールの製造方法。
11. ボンディングパッドを有する基板を提供する段階と、
    前記ボンディングパッド上に無フラックス接合用ソルダボールを提供する段階と、
    前記無フラックス接合用ソルダボールをリフローさせる段階と、を含み、
    前記無フラックス接合用ソルダボールは、
    ソルダコアと、
    前記ソルダコアの表面上の第１金属層と、
    前記第１金属層上の第２金属層と、を含み、
    前記第１金属層は、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、スズ（Ｓｎ）、クロム（Ｃｒ）、アンチモン（Ｓｂ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、アルミニウム（Ａｌ）、またはそれらの合金であり、
    前記第２金属層は、金（Ａｕ）であるソルダバンプ形成方法。
12. 前記ソルダボール上に、自然酸化膜を除去するためのフラックスを適用する段階が含まれないことを特徴とする請求項１１に記載のソルダバンプ形成方法。
13. 前記リフローさせる段階が、１８０℃ないし３００℃の温度で、約１秒ないし約１分間遂行されることを特徴とする請求項１１に記載のソルダバンプ形成方法。
14. 前記リフローさせる段階にプリヒーティング区間なしにも、ソルダパンプが形成されることを特徴とする請求項１３に記載のソルダバンプ形成方法。
15. 前記リフローさせる段階は、前記ソルダボールの温度を、室温からリフロー温度に昇温させる段階を含み、
    前記ソルダボールの温度は、室温からリフロー温度に至るまで、経時的に線形的に上昇するか、あるいは上向き凸状である形態のプロファイルを有しながら上昇することを特徴とする請求項１３に記載のソルダバンプ形成方法。
16. ソルダコアと、
    前記ソルダコアの表面上の酸化防止金属層と、を含み、
    前記酸化防止金属層は、０．０１μｍ以上１μｍ未満の厚みを有する金（Ａｕ）層である無フラックス接合用ソルダボール。