JP2017188488A - はんだバンプの製造方法、及び、分散めっき液 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的簡単にはんだバンプの組成を精度良く制御可能なはんだバンプの製造方法、このはんだバンプの製造方法において用いられる分散めっき液を提供する。【解決手段】基材の表面に、Ｓｎ合金からなるはんだバンプを形成するはんだバンプの製造方法であって、前記Ｓｎ合金の合金元素を含むコア部３１とこのコア部３１を被覆するＳｎからなるシェル部３２とを備えたコアシェル粒子３０を、Ｓｎめっき液中に分散させた分散めっき液を用いて電解めっきを行い、Ｓｎめっき体を形成するめっき工程と、前記Ｓｎめっき体を溶融してＳｎ合金からなるはんだバンプを形成するリフロー工程と、を備えていることを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、基板の表面に形成されるはんだバンプの製造方法、このはんだバンプの製造方法に用いられる、及び、分散めっき液に関するものである。

近年、半導体デバイスの高集積化に伴い、はんだバンプを利用したフリップチップ実装技術が広く実施されている。
このようなはんだバンプは、半導体素子等の電極面に、電解めっきによってはんだめっき体を形成し、これをリフロー処理することによって形成されている。

上述のはんだバンプを構成するはんだ材として、最近では、例えば特許文献１に示すように、鉛フリーはんだが使用されている。
鉛フリーはんだとしては、例えば、ＳｎにＡｇやＢｉ等を添加した２元系合金、ＳｎにＡｇ及びＣｕ等を添加した３元系合金、さらにこれらの合金にＩｎ等の他の元素を添加した多元系合金が提案されている。

このようなＳｎ合金からなるはんだバンプを形成する方法としては、Ｓｎめっき液中に合金元素イオンを存在させて、種々の合金元素をＳｎと同時に還元析出させる方法や、Ｓｎめっき液及び合金元素のめっき液を用いて、Ｓｎ及び合金元素のめっき体を積層して形成し、これをリフロー処理して合金化する方法等が適用されている。

特開２００１−３０８１２９号公報

ところで、めっき液中に合金元素イオンを存在させ、合金めっきを行ってＳｎ合金からなるはんだバンプを形成する場合、析出のされやすさが合金元素によって異なることから、合金元素の濃度を厳しく管理したり、錯体を形成したり、添加剤を添加したりすることによって合金元素の析出状態を調整する必要があり、はんだバンプの組成を制御することが困難であった。特に、３元系以上の合金では、合金元素の数が多いことから、はんだバンプの組成を精度良く制御することができなかった。
また、Ｓｎ及び合金元素のめっき体を積層してリフロー処理する場合には、めっきを複数回実施する必要があり、はんだバンプの形成に多くの時間と労力を要するといった問題があった。

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、比較的簡単にはんだバンプの組成を精度良く制御可能なはんだバンプの製造方法、このはんだバンプの製造方法において用いられる分散めっき液を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明のはんだバンプの製造方法は、基材の表面に、Ｓｎ合金からなるはんだバンプを形成するはんだバンプの製造方法であって、前記Ｓｎ合金の合金元素を含むコア部とこのコア部を被覆するＳｎからなるシェル部とを備えたコアシェル粒子を、Ｓｎめっき液中に分散させた分散めっき液を用いて電解めっきを行い、前記コアシェル粒子を取り込んだＳｎめっき体を形成するめっき工程と、前記Ｓｎめっき体を溶融して、はんだバンプを形成するリフロー工程と、を備えていることを特徴としている。

このような構成とされた本発明のはんだバンプの製造方法においては、前記Ｓｎ合金の合金元素を含むコア部とこのコア部を被覆するＳｎからなるシェル部とを備えたコアシェル粒子を分散させた分散めっき液を用いて電解めっきを行っているので、合金元素をコアシェル粒子としてＳｎめっき体の内部に取り込むことが可能となる。
そして、リフロー工程において、Ｓｎめっき体を溶融することにより、コア部の合金元素とシェル部のＳｎとが合金化され、所定の組成のＳｎ合金からなるはんだバンプを形成することが可能となる。

また、めっき条件によってコアシェル粒子の取り込み量を制御することができ、分散めっき液中におけるコアシェル粒子の投入濃度を厳密に管理する必要がない。
また、めっき液中に金属粒子を投入した場合、粒子表面金属の一部がめっき液中に溶出することが懸念され、この溶出した金属成分による汚染がめっき性へ影響を与えることが懸念される。本発明においては、シェル部がＳｎであることから、分散めっき液が汚染されることがなく、分散めっき液を長期間にわたって使用することができる。

さらに、一回のめっき工程によって合金元素をＳｎめっき体の内部に取り込むことができるので、複数回のめっきを行う必要がなく、所定の組成のはんだバンプを比較的簡単に製造することが可能となる。また、めっきすることが困難な元素であっても、Ｓｎめっき体の内部に取り込むことができ、リフローして合金化することが可能となる。
なお、はんだバンプを構成するＳｎ合金が複数の合金元素を含む場合には、コア部を複数の合金元素を所定の比率で含むものとしてもよいし、それぞれの合金元素をコア部とした複数種のコアシェル粒子を用いてもよい。

ここで、本発明のはんだバンプの製造方法においては、前記コア部が、Ｃｕ，Ａｇ，Ｉｎ，Ｓｂ，Ｃｏ，Ｎｉから選択される１種又は２種以上の元素を含むことが好ましい。
この構成のはんだバンプの製造方法によれば、前記コア部が、Ｃｕ，Ａｇ，Ｉｎ，Ｓｂ，Ｃｏ，Ｎｉから選択される１種又は２種以上の元素を含むことから、これらの合金元素を含むＳｎ合金からなるはんだバンプを形成することができる。

また、本発明のはんだバンプの製造方法においては、前記コアシェル粒子の粒径が１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内とされていることが好ましい。
この構成のはんだバンプの製造方法によれば、前記コアシェル粒子の粒径が１μｍ以上とされているので、コアシェル粒子の表面酸化を抑制することができる。よって、分散めっき液中にスラッジが発生することを抑制でき、分散めっき液の寿命延長を図ることができる。また、前記コアシェル粒子の粒径が１０μｍ以下とされているので、狭いピッチのはんだバンプを形成する場合にも適用することができる。

さらに、本発明のはんだバンプの製造方法においては、前記シェル部の厚さが０．５μｍ以上とされていることが好ましい。
この構成のはんだバンプの製造方法によれば、前記シェル部の厚さが０．５μｍ以上とされているので、コア部が分散めっき液内に露出することを確実に抑制でき、Ｓｎめっき体の内部に取り込ませることができる。また、分散めっき液の汚染を確実に抑制することができる。

また、本発明のはんだバンプの製造方法においては、前記分散めっき液における前記コアシェル粒子の投入濃度が１ｇ／Ｌ以上１００ｇ／Ｌ以下の範囲内とされていることが好ましい。
この構成のはんだバンプの製造方法によれば、前記分散めっき液における前記コアシェル粒子の投入濃度が１ｇ／Ｌ以上とされているので、コアシェル粒子を確実にＳｎめっき体の内部に取り込むことができ、所定の組成のはんだバンプを形成することができる。また、前記分散めっき液における前記コアシェル粒子の投入濃度が１００ｇ／Ｌ以下とされているので、分散めっき液の粘性が高くなることを抑制でき、めっき作業を良好に行うことができる。

さらに、本発明のはんだバンプの製造方法においては、前記めっき工程における電流密度が１Ａ／ｄｍ^２以上１０Ａ／ｄｍ^２以下の範囲内とされていることが好ましい。
この構成のはんだバンプの製造方法によれば、前記めっき工程における電流密度が１Ａ／ｄｍ^２以上とされているので、めっき作業を効率良く行うことができる。一方、前記めっき工程における電流密度が１０Ａ／ｄｍ^２以下とされているので、形成されるＳｎめっき体の内部にコアシェル粒子を確実に取り込むことができる。

本発明の分散めっき液は、上述のはんだバンプの製造方法に用いられる分散めっき液であって、合金元素を含むコア部とこのコア部を被覆するＳｎからなるシェル部とを備えたコアシェル粒子が、Ｓｎめっき液中に分散されていることを特徴としている。
この構成の分散めっき液によれば、合金元素を含むコア部とこのコア部を被覆するＳｎからなるシェル部とを備えたコアシェル粒子が分散されているので、電解めっきを行った際に、コアシェル粒子をＳｎめっき体の内部に取り込むことになり、合金元素を含むＳｎめっき体を形成することができる。また、分散めっき液の汚染を抑制することができる。

以上のように、本発明によれば、比較的簡単にはんだバンプの組成を精度良く制御可能なはんだバンプの製造方法、このはんだバンプの製造方法において用いられる分散めっき液を提供することが可能となる。

本発明の実施形態であるはんだバンプの製造方法を説明図であり、（ａ）がレジスト形成工程、（ｂ）がめっき工程、（ｃ）がレジスト剥離工程、（ｄ）がリフロー工程を示す。 本発明の実施形態であるはんだバンプの製造方法を示すフロー図である。 本発明の実施形態である分散めっき液に分散されたコアシェル粒子の概略説明図である。 本発明の実施形態であるＳｎめっき体の断面説明図である。

以下に、本発明の実施形態であるはんだバンプの製造方法、分散めっき液について、添付した図面を参照して説明する。
本実施形態であるはんだバンプの製造方法は、図１（ｄ）に示すように、基板１の表面にＳｎ合金からなるはんだバンプ１０を形成するものである。

本実施形態をＳｎ−Ａｇ−Ｃｕの３元系のＳｎ合金からなるはんだバンプ１０を形成するものを例として説明する。具体的には、本実施形態であるはんだバンプ１０の組成は、Ａｇを３．０ｍａｓｓ％以上５．０ｍａｓｓ％以下、Ｃｕを０．５ｍａｓｓ％以上２．０ｍａｓｓ％以下含み、残部がＳｎ及び不可避不純物とされている。

本実施形態のはんだバンプの製造方法は、図１及び図２に示すように、基板１の表面にレジスト層１５を形成するレジスト形成工程Ｓ０１と、レジスト層１５が形成された基板１の表面に電解めっきによって合金元素（本実施形態では、Ｃｕ，Ａｇ）を含むＳｎめっき体２０を形成するめっき工程Ｓ０２と、レジスト層１５を剥離するレジスト剥離工程Ｓ０３と、上述のＳｎめっき体２０を溶融してはんだバンプ１０を形成するリフロー工程Ｓ０４と、を備えている。

（レジスト形成工程Ｓ０１）
まず、図１（ａ）に示すように、基板１の表面に、レジスト層１５をパターン状に形成する。パターン状に形成されたレジスト層１５によって、基板１表面が露呈された開口部１６が形成されることになる。なお、本実施形態では、レジスト層１５の厚さｔ（開口部１６の深さ）は、１０μｍ以上１００μｍ以下の範囲内とすることが好ましい。また、レジスト層１５の幅Ｗは、１０μｍ以上１００μｍ以下の範囲内とすることが好ましい。さらに、開口部１６の幅は、１０μｍ以上１００μｍ以下の範囲内とすることが好ましい。

（めっき工程Ｓ０２）
次に、図１（ｂ）に示すように、レジスト層１５（開口部１６）が形成された基板１の表面に、本実施形態である分散めっき液を用いて電解めっきを行うことにより、開口部１６とされていた領域にＳｎめっき体２０を形成する。
この分散めっき液においては、酸性水溶液（例えば硫酸）にＳｎイオンを含有しており、さらに、図３に示すように、Ｓｎ合金に含まれる合金元素（本実施形態では、Ａｇ、Ｃｕ）をコア部３１とするとともにこのコア部３１を被覆するＳｎをシェル部３２としたコアシェル粒子３０が分散されている。

本実施形態においては、コア部３１は、ＡｇとＣｕとを含んでおり、コア中心部３１ａがＣｕからなっており、コア中心部３１ａのＣｕの周囲にＡｇ層３１ｂが被覆された構成となっている。このコア部３１におけるＣｕとＡｇの含有比率は、形成されるはんだバンプ１０におけるＣｕとＡｇの組成比に従って適宜設定される。また、このコア部３１の粒径ｄは、０．５μｍ以上５μｍ以下の範囲内とされている。
また、シェル部３２は、Ｓｎで構成されており、その被覆厚さｍが０．５μｍ以上とされており、好ましくは１．０μｍ以上とされている。

そして、本実施形態においては、コアシェル粒子３０の粒径Ｄは、１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内とされており、好ましくは１μｍ以上５μｍ以下の範囲内とされている。
また、コアシェル粒子３０自体の組成は、Ａｇを３０ｍａｓｓ％以上５０ｍａｓｓ％以下、Ｃｕを５ｍａｓｓ％以上２０ｍａｓｓ％以下含み、残部がＳｎ及び不可避不純物とすることが好ましい。
なお、このコアシェル粒子３０は、例えば特開２０１２−１５２７８２号公報に記載された製造方法によって製造される。

このコアシェル粒子３０は、分散剤（例えばセラミックス微粒子用分散剤、ポリカルボン酸系のものが好ましい）とともにＳｎめっき液内に投入される。ここで、コアシェル粒子３０の投入濃度は、１ｇ／Ｌ以上１００ｇ／Ｌ以下の範囲内とされており、好ましくは１０ｇ／Ｌ以上５０ｇ／Ｌ以下の範囲内とされている。
また、このめっき工程Ｓ０２においては、電解めっきにおける電流密度が１Ａ／ｄｍ^２以上１０Ａ／ｄｍ^２以下の範囲内とされており、好ましくは１Ａ／ｄｍ^２以上５Ａ／ｄｍ^２以下の範囲内とされている。

このめっき工程Ｓ０２によって形成されたＳｎめっき体２０においては、分散めっき液中のＳｎイオンとともにコアシェル粒子３０が析出することにより、図４に示すように、Ｓｎ母相２１中に、合金元素からなるコア部３１が分散された構造とされている。
なお、このめっき工程Ｓ０２において、Ｓｎめっき体２０に取り込まれるコアシェル粒子３０の量は、めっき条件によって制御可能であり、分散めっき液中におけるコアシェル粒子３０の投入濃度を厳密に制御する必要はない。

（レジスト剥離工程Ｓ０３）
次に、図１（ｃ）に示すように、レジスト層１５を剥離し、Ｓｎめっき体２０を露出させる。

（リフロー工程Ｓ０４）
次に、図１（ｄ）に示すように、上述のＳｎめっき体２０を溶融し、合金元素からなるコア部３１をＳｎ母相２１中に溶け込ませ、所定の組成のＳｎ合金からなるはんだバンプ１０を形成する。
なお、このリフロー工程Ｓ０４においては、ギ酸等の還元ガス雰囲気、不活性ガス雰囲気、窒素ガス雰囲気、あるいは、低酸素雰囲気（酸素量５０ｐｐｍ以下）、または、真空雰囲気（圧力１００Ｐａ以下）で、２３０℃以上２５０℃以下の温度で、３０秒以上１２０秒以下保持する条件で、Ｓｎめっき体２０を溶融させることが好ましい。また、昇温パターンとして、段階的に温度を上昇させるものを採用してもよい。
このリフロー工程Ｓ０４により、溶融したＳｎめっき体２０が表面張力によってボール状に丸くなり、このまま冷却されることで、図１（ｄ）に示すように、ボール状をなすはんだバンプ１０が形成される。

以上のような構成とされた本実施形態によれば、めっき工程Ｓ０２において使用される分散めっき液が、酸性水溶液（例えば硫酸）にＳｎが溶解されるとともに、はんだバンプ１０を構成するＳｎ合金の合金元素（本実施形態ではＡｇ、Ｃｕ）をコア部３１とし、このコア部３１を被覆するＳｎをシェル部３２としたコアシェル粒子３０が分散されていることから、電解めっきを行った際に、シェル部３２がＳｎとされたコアシェル粒子３０はＳｎと同様に析出されることになり、形成されたＳｎめっき体２０の中に、コア部３１として合金元素を取り込むことが可能となる。
そして、リフロー工程Ｓ０４において、Ｓｎめっき体２０を溶融することにより、コア部３１として取り込まれた合金元素がＳｎ母相２１中に溶け込み、所定の組成のＳｎ合金（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金）からなるはんだバンプ１０を形成することが可能となる。

また、コアシェル粒子３０は、上述のようにＳｎと同様に析出することから、めっき条件によってコアシェル粒子３０の析出量を制御することができ、分散めっき液中におけるコアシェル粒子３０の投入濃度を厳密に管理する必要はなく、形成されるはんだバンプ１０の組成制御を比較的簡単に行うことができる。すなわち、コアシェル粒子３０を適宜補給して一定量の投入濃度を維持しておけば、所定の組成のはんだバンプ１０を形成することが可能となる。

さらに、シェル部３２がＳｎであることから、分散めっき液が汚染されることがなく、分散めっき液を長期間にわたって使用することができる。
また、一回のめっき工程Ｓ０２によって、合金元素がコア部３１としてＳｎめっき体２０の中に分散されることから、複数回のめっきを行う必要がなく、所定の組成のはんだバンプ１０を比較的簡単に製造することが可能となる。

また、本実施形態においては、コアシェル粒子３０の粒径Ｄが１μｍ以上とされているので、コアシェル粒子３０の表面酸化を抑制することができ、分散めっき液中にスラッジが発生することを抑制し、分散めっき液の寿命延長を図ることができる。また、コアシェル粒子３０の粒径Ｄが１０μｍ以下とされているので、狭いピッチのはんだバンプ１０を形成する際にも適用することができる。
なお、狭いピッチのはんだバンプ１０を安定して形成するためには、コアシェル粒子３０の粒径Ｄの上限を５μｍ以下とすることが好ましい。

さらに、本実施形態においては、Ｓｎからなるシェル部３２の被覆厚さｍが０．５μｍ以上とされているので、コア部３１が分散めっき液内に露出することを確実に抑制でき、Ｓｎと同様にコアシェル粒子３０を析出させることができる。また、分散めっき液の汚染を確実に抑制することができる。
なお、コア部３１の露出を確実に抑制するためには、シェル部３２の被覆厚さｍを１μｍ以上とすることが好ましい。

また、本実施形態においては、分散めっき液におけるコアシェル粒子３０の投入濃度が１ｇ／Ｌ以上とされているので、コアシェル粒子３０を確実にＳｎめっき体２０の内部に取り込むことができ、所定の組成のはんだバンプ１０を形成することができる。また、分散めっき液におけるコアシェル粒子３０の投入濃度が１００ｇ／Ｌ以下とされているので、分散めっき液の粘性が高くなることを抑制でき、めっき作業を安定して行うことができる。
なお、コアシェル粒子３０を確実にＳｎめっき体２０の内部に取り込ませるためには、分散めっき液におけるコアシェル粒子３０の投入濃度の下限を１０ｇ／Ｌ以上とすることが好ましい。一方、分散めっき液の粘性をさらに抑制するためには、分散めっき液におけるコアシェル粒子３０の投入濃度の上限を５０ｇ／Ｌ以下とすることが好ましい。

さらに、本実施形態においては、めっき工程Ｓ０２における電流密度が１Ａ／ｄｍ^２以上とされているので、めっき作業を効率良く行うことができる。一方、めっき工程Ｓ０２における電流密度が１０Ａ／ｄｍ^２以下とされているので、コアシェル粒子３０をＳｎめっき体２０の内部に確実に取り込むことができる。
なお、コアシェル粒子３０をＳｎめっき体２０の内部にさらに確実に取り込むためには、めっき工程Ｓ０２における電流密度の上限を５Ａ／ｄｍ^２以下とすることが好ましい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施形態では、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金からなるはんだバンプを形成するものとして説明したが、これに限定されることはなく、他のＳｎ合金からなるはんだバンプを対象としてもよい。なお、めっきが困難な元素（Ａｌ，Ｔｉ等）をコア部とし、Ｓｎからなるシェル部で被覆することにより、これらの元素を含有するＳｎ合金からなるはんだバンプを形成することも可能となる。

また、本実施形態では、コア部として合金元素であるＡｇとＣｕを含有するものとして説明したが、これに限定されることはなく、Ａｇをコア部とするコアシェル粒子と、Ｃｕをコア部とするコアシェル粒子と、を所定の濃度比で分散めっき液に投入してもよい。この場合であっても、Ｓｎめっき体の内部に、Ａｇからなるコア部とＣｕからなるコア部を取り込むことができ、リフローすることで所定の組成のはんだバンプを形成することができる。

さらに、レジスト層の厚さ、レジスト層の幅（開口部の間隔）、レジスト層の間隔（開口部の開口幅）は、本実施形態に記載された範囲に限定されることはなく、適宜設計変更してもよい。
また、リフロー工程Ｓ０４の条件についても、本実施形態に記載された範囲に限定されることはなく、適宜設計変更してもよい。

以下に、本発明の有効性を確認するために行った確認実験の結果について説明する。

被めっき材として、Ｓｉウェハの表面に、開口径φ１００ｍｍ、開口深さ５０ｍｍの開口部を有するパターンのレジスト層を形成したものを準備した。
めっき液として、硫酸を１００ｇ／Ｌ、Ｓｎ^２＋を５０ｇ／Ｌ、添加剤を５０ｍｌ／Ｌを含有するものと準備した。

そして、表１に示すコアシェル粒子を準備し、当該コアシェル粒子と同重量の分散剤（サンノプコ株式会社製ノプコスパース４４−Ｃ）とともにＳｎめっき液に添加した。なお、Ｓｎめっき液への投入濃度を表１に示す。
コアシェル粒子を分散させたＳｎめっき液（分散めっき液）を用いて、表１に示す電流密度で電解めっきを行い、上述のレジスト層付きＳｉウェハの表面にＳｎめっき体を形成した。
レジスト層を剥離後、Ｓｎめっき体をギ酸雰囲気下、２４０℃で６０秒間保持した後に急冷する条件でリフロー処理し、はんだバンプを形成した。

得られたはんだバンプについて、その組成をＸＲＦ法によって分析した。分析結果を表１に示す。

本発明例１〜４によれば、所望の組成のＳｎ合金からなるはんだバンプを形成可能であることが確認された。

１０ はんだバンプ
２０ Ｓｎめっき体
２１ Ｓｎ母相
３０ コアシェル粒子
３１ コア部
３２ シェル部

Claims (7)

1. 基材の表面に、Ｓｎ合金からなるはんだバンプを形成するはんだバンプの製造方法であって、
   前記Ｓｎ合金の合金元素を含むコア部とこのコア部を被覆するＳｎからなるシェル部とを備えたコアシェル粒子を、Ｓｎめっき液中に分散させた分散めっき液を用いて電解めっきを行い、前記コアシェル粒子を取り込んだＳｎめっき体を形成するめっき工程と、
   前記Ｓｎめっき体を溶融して、はんだバンプを形成するリフロー工程と、を備えていることを特徴とするはんだバンプの製造方法。
2. 前記コア部が、Ｃｕ，Ａｇ，Ｉｎ，Ｓｂ，Ｃｏ，Ｎｉから選択される１種又は２種以上の元素を含むことを特徴とする請求項１に記載のはんだバンプの製造方法。
3. 前記コアシェル粒子の粒径が１μｍ以上１０μｍ以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のはんだバンプの製造方法。
4. 前記シェル部の厚さが０．５μｍ以上とされていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のはんだバンプの製造方法。
5. 前記分散めっき液における前記コアシェル粒子の投入濃度が１ｇ／Ｌ以上１００ｇ／Ｌ以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のはんだバンプの製造方法。
6. 前記めっき工程における電流密度が１Ａ／ｄｍ^２以上１０Ａ／ｄｍ^２以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のはんだバンプの製造方法。
7. 合金元素を含むコア部とこのコア部を被覆するＳｎからなるシェル部とを備えたコアシェル粒子が、Ｓｎめっき液中に分散されていることを特徴とする分散めっき液。

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