JP2017522741A - フリップチップ基板に小間隔で高いはんだボールバンプを形成する製作方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、チップのはんだボールの製作工程に関し、フリップチップ基板上に小間隔で高いはんだボールバンプを形成する製作方法を公開する。プロセスとして、一回目のはんだ印刷→一回目のリフロー→フラックスの洗浄→一回目のはんだボール平坦化→二回目のはんだ印刷→二回目のリフロー→フラックスの洗浄→二回目のはんだボール平坦化→はんだボールの検査というステップによって実施される。本発明は、従来のはんだペースト印刷装置に基づいて、二回目の印刷工程により、パッド同士間の小さい隙間に高いはんだボールバンプを形成することができ、チップと基板との間の接続の安定性を向上させることができる。また、新しい設備を追加する必要がないので、はんだボールバンプの高さに対する顧客の多様化要求を満たすことができる。前記方法により、はんだボールバンプの間隔が約１００〜１５０μｍであり、はんだボールの高さが２５〜４０μｍである製品を製作することができる。

Description

本発明は、チップのはんだボールの形成方法に関し、特にフリップチップ基板に小さい間隔で高いはんだボールバンプを形成する製作方法に関するものである。

電子装置の多機能化、小型軽量化、高性能化への発展に伴い、チップの配線はますます精密化になる傾向にあり、チップに接続される実装基板も一層精密化になる傾向にある。ワイヤボンディング（Wire bonding）という接続方法は、精密化の要求に叶えない。フリップチップ（Flip Chip）はワイヤボンディングよりもＩ／Ｏ（入出力）を一層精密に接続することができる接続方法である。チップ技術の発展につれて、実装基板上のチップに接続されるバンプ（bump）の密度も段々増加している。

現在、バンプはんだボールを製作する方法は主として、下記の方法がある。
（１）はんだペースト印刷法：所定のパターン（ステンシルの開口）が形成されたステンシル上にはんだペーストを印刷し、リフローと洗浄によってバンプを形成する。この方法は、はんだ合金を容易に変更でき、ＳＲＯ（solder resist opening、ソルダーレジスト開口部）とＭＭＯのずれを吸収し、既存の設備を使用でき、各種のパッド（Pad）上にバンプを形成することができ、生産稼働率がよく、位置決めの精密がよいという利点を有しているが、バンプボイド（Bump void）が出ることや、バンプの高さ（Bump Height、bump htと略称する）に制限があるという欠点も有している。
（２）はんだボール法：ステンシルまたはスクリーンフラックスを塗布した後にはんだボールを塗布し、その後、リフローと洗浄によってバンプを形成する。この方法の利点はバンプの高さ（Bump ht）が高く、バンプボイドが少ないことであり、欠点は、位置決めの精密がよくなく、ＳＲＯのずれを吸収することができず、成分が変化する時に汚染問題が発生する可能性が高いことである。
（３）ＳＪ（Super Jaffit）法：パッド上の所定の部位に粘着液を塗布し、それからパッド上に錫粉末を塗布した後、フラックスを塗布し、リフローと洗浄によってバンプを形成する。この方法の利点ははんだ膜の厚さの均一性がよいことであり、欠点は、はんだの高さを高くすることができず、成分が変化する時に汚染問題が発生する可能性が高いことである。
（４）ＳＳ（Super Solder）工法：基板上にＳｎ粉末と有機酸Ｐｂが混合されたはんだペーストを印刷し、リフローと洗浄によってバンプを形成する。この方法の利点は、印刷の精密度を確保する必要がなく、パッドの間にはんだのブリッジ（Bridge）が発生せず、バンプの高さの偏差が小さいことであり、欠点ははんだ合金の多種化に対応できないことである。

上述した工法において、はんだペースト印刷工法は、位置決めの精密度が高く、生産の効率がよく、様々なはんだペーストに対応できる利点を有している。実装基板の接続の精密化傾向の中、今後はんだペースト印刷方法がより広く応用されていくだろう。しかしながら、バンプの間隔（bump pitch）が狭くなることにより、バンプパッド同士の間の隙間も狭くなるので、印刷をするときのはんだブリッジを防止するため、ステンシルの開口を小さくしなければならない。ステンシルの開口が小さくなると、印刷時はんだペーストの良好な分離効果を確保するため、ステンシルの厚さも減少させなければならない。要するに、この工程によって製作されるバンプの高さは、ピッチが小さくなることに連れて低くなる傾向にある。

バンプの高さが低い場合には、基板とチップとの間の接続不良問題がより発生しやすくなる。したがって、小間隔のバンプについて、新しい製作方法を採用することによりバンプの高さを増加させることは、基板とチップとの間の接続不良問題を解決し、接続の安定性を向上させる面で重要である。

本発明が解決しようとする課題は、フリップチップ基板上に小間隔で高いはんだボールバンプを形成する製作方法を提供することである。この方法により、パッドの小間隔で高いはんだボールバンプを製作し、基板とチップとの間の接続安定性を向上させることができる。

本発明の技術的事項は次のとおりである。
フリップチップ基板上に小間隔で高いはんだボールバンプを形成する製作方法であって、
第一ステンシルをフリップチップ基板上に載せ、一回目のスクリーン印刷をし、はんだペーストをフリップチップ基板に印刷するステップＳ１と、
ステップＳ１で獲得した基板に対して一回目のリフローをすることにより、基板にソルダージョイントを形成し、且つ、はんだペースト中のフラックスを基板の表面に析出させるステップＳ２と、
一回目の基板洗浄をすることにより、フラックスを除去するステップＳ３と、
一回目の洗浄した基板をコイニング装置に送入し、基板上のソルダージョイントに対して一回目の平坦化処理をすることにより、各ソルダージョイントの頂上部に平坦部を形成するステップＳ４と、
第二ステンシルをステップＳ４によって平坦化された基板に載せ、二回目のスクリーン印刷をして、はんだペーストを基板のソルダージョイント上に印刷するステップＳ５と、
ステップＳ５で獲得した基板に対して二回目のリフローをして、基板上に新しいソルダージョイントを形成し、かつ再度、はんだペースト中のフラックスを基板の表面に析出させるステップＳ６と、
二回目の基板洗浄をすることにより、フラックスを除去するステップＳ７と、
二回目の洗浄した基板を再びコイニング装置に入れ、基板上の新しいソルダージョイントに対して二回目の平坦化処理をすることにより、各ソルダージョイントの頂上部に新しい平坦部を形成するステップＳ８とを含み、
上述したステップによりフリップチップ基板上に小間隔で高いはんだボールバンプを獲得する。

フリップチップ基板上に小間隔で高いはんだボールバンプを形成する前記製作方法において、前記第二ステンシルの膨張収縮係数は第一ステンシルの膨張収縮係数より１００．０１％〜１００．０２％小さい。

フリップチップ基板上に小間隔で高いはんだボールバンプを形成する前記製作方法において、前記第二ステンシルの厚さは第一ステンシルの厚さの２／３である。

フリップチップ基板上に小間隔で高いはんだボールバンプを形成する前記製作方法において、前記第二ステンシルのメッシュは第一ステンシルのメッシュより１０〜２０μｍ小さい。

本発明は、従来のはんだペースト印刷装置に基づいて二回印刷をすることにより、パッド同士間の狭い隙間に高いはんだボールバンプを形成することができ、チップと基板との間の接続の安定性を向上させることができるとともに、新しい設備を追加する必要がないので、はんだボールバンプの高さに対する使用者の多様化の要求に対応できる。前記工法により、はんだボールバンプの間隔が約１００〜１５０μｍで、はんだボールの高さが２５〜４０μｍのフリップチップを製作することができる。

は本発明のフリップチップ基板上に小間隔で高いはんだボールバンプを形成する製作方法の工程プロセス図である。 一実施例において一回目の平坦化工程が処理した時のソルダージョイントと、従来方法で平坦化工程が処理した時ソルダージョイントとを比較する効果比較図である。

フリップチップのパッド上に形成される小間隔のはんだボールバンプの高さを向上させるため、図１に示すとおり、本発明は次の製作工程を採用する。
一回目のはんだペースト印刷→一回目のリフロー→フラックスの洗浄→はんだボールの一回目平坦化→二回目のはんだペースト印刷→二回目のリフロー→フラックスの洗浄→はんだボールの二回目平坦化→はんだボールの検査。

以下、本発明についてより詳細に説明する。

フリップチップ基板上に小間隔で高いはんだボールバンプを形成する製作方法は、次のステップを含む。
Ｓ１において、まず、第一ステンシルとフリップチップ基板の仕様サイズがほぼ同じであるものを選用する。次に、第一ステンシルを基板上に載せ、一回目のスクリーン印刷をし、はんだペーストを基板上に印刷し、はんだペーストの厚さをできるだけ厚くする。第一ステンシルのメッシュは円形であるが、パッドの設計により、例えば四角形、楕円形等の別形状にしてもよく、その直径は具体的な需要によって設計することができる。
Ｓ２において、ステップＳ１で獲得した基板をリフロー装置に入れ、一回目のリフローをする。一回目のリフローが処理した後、基板上に球状のソルダージョイント（バンプ、はんだボールバンプ、はんだボールとも呼ばれる）を形成し、はんだペースト中のフラックスを基板の表面に析出させる。
Ｓ３において、基板の一回目洗浄をすることにより、はんだペーストから基板の表面に析出したフラックスを除去する。
Ｓ４において、一回目の洗浄が処理した基板をコイニング装置に送入し、基板上のソルダージョイントに対して一回目の平坦化処理をすることにより、各ソルダージョイントの頂上部に平坦エリアを形成する。一般製品の平坦部より大きく、このような平坦部により、二回目のはんだペースト印刷を容易にし、良好なはんだボールバンプを形成し、はんだのブリッジを防止することができる。
Ｓ５において、サイズが基板とほぼ同じである第二ステンシルを、ステップＳ４によって平坦化された基板に載せ、二回目のスクリーン印刷をし、はんだペーストを基板のソルダージョイントの上に印刷する。第二ステンシルのメッシュは円形であるが、パッドの設計により、他の形状、例えば四角形、楕円形等にしてもよく、その直径は具体的な需要によって設計することができる。
Ｓ６において、ステップＳ５で獲得した基板を再びリフロー装置に入れ、二回目のリフローをする。二回目のリフローが処理した後、基板上に新しいソルダージョイントを形成し、今回もはんだペースト中のフラックスを基板の表面に析出させる。
Ｓ７において、基板を再び洗浄することにより、はんだペーストから基板の表面に析出したフラックスを再び除去する。
Ｓ８において、二回目の洗浄した基板を再びコイニング装置に送入し、基板上の新ソルダージョイントに対して二回目の平坦化処理をすることにより、各ソルダージョイントの頂上部に新しい平坦部を形成する。二回目の平坦化が処理したはんだボールの直径は、顧客の仕様に合わせて設計することができるが、標準の中心値に合わせるのが好ましい。
前述したステップにより高いはんだボールバンプを獲得し、はんだボールバンプに対して検査をする。

前述したステップにおいて、はんだボールバンプを検査するため、はんだペースト検査装置を使用する。前記はんだボールバンプが形成されている基板をはんだペースト検査装置に送入し、はんだボールバンプを１つずつ検査する。検査項目は、はんだボールの高さが標準を超えているかを検査すること、はんだボールの直径が標準を超えているかを検査すること、はんだボールの形状に異常がないかの検査等を含む。

以下、図２により、前記製作方法のステップＳ４における、前記ソルダージョイントに対する一回目、二回目の平坦化処理を説明する。該ステップで採用する平坦化圧力（はんだボールバンプ当たりへの平坦化圧力３５〜４０ｇを単位とする。備考、同じ圧力で、１０００個のはんだボールを平坦化させる場合と、１００００個のはんだボールを平坦化させる場合とは、はんだボールの高さは異なる。平坦化させられるはんだボールの数が多ければ多いほど、必要な圧力が大きくなるので、一個のはんだボールバンプを平坦化させるための圧力で示す。すなわち、はんだボールバンプ当たりへの平坦化圧力を比較単位とする）は、通常のはんだボールバンプを製作するときの平坦化圧力（はんだボールバンプ当たりへの平坦化圧力である２５〜３０ｇ）より大きい。平坦化圧力ははんだペーストのタイプ及びメーカによって異なるため、ここに記載されている平坦化圧力は相対的な範囲であり、すべてのはんだペーストのタイプを含んで言うものではない。それにより、直径がより大きい平坦部を獲得することができる。例えば、一回目の平坦化処理した後の平坦部の直径Ｄ２は、一般の製品が平坦化されたときのバンプの平坦部の直径Ｄ１より大きいが、高さＨ２はＨ１より低い。その結果、一回目の平坦化工程が処理した後、はんだボールの直径が大きい（すなわち、高さが低い）ため、二回目の印刷をするとき、より多いはんだペーストをはんだボール上に載せ、はんだボールの辺縁への拡散を防止し、はんだペーストがはんだボールの辺縁へ拡散することによりはんだペーストのブリッジ（短絡）が発生するリスクを避けることができる。すなわち、上述したステップの目的は、二回目の印刷をするとき、はんだペーストのブリッジリスクを避けることにある。

前記製作方法のステップＳ４において、第二ステンシルの膨張収縮係数は第一ステンシルの膨張収縮係数より１００．０１％〜１００．０２％小さい。一回目のリフローした後、基板の膨張収縮が約１００．０１％〜１００．０２％小さくなるが、印刷時第二ステンシルの膨張収縮と製品の膨張収縮とがマッチするように、第二ステンシルとして膨張収縮係数が小さいものを使う。したがって、印刷されるはんだペーストが一回目印刷でできたバンプに合わせられ、はんだのブリッジリスクを低減することができる。

前記製作方法のステップＳ４において、第二ステンシルの厚さは第一ステンシルの厚さの２／３である。第二ステンシルの厚さを薄くすることにより、二回目のはんだペースト印刷時のはんだ印刷量が低下するという技術的効果を奏することができる。一回目のバンプが形成された後、はんだボール同士間の間隔が小さくなるので、二回目のはんだ印刷量が多いと、はんだのブリッジが発生し易い恐れがある。

前記製作方法のステップＳ４において、第二ステンシルのメッシュは第一ステンシルのメッシュより１０〜２０μｍ小さい。一回目のスクリーン印刷用ステンシルのメッシュは通常、バンプのパッドより約２０〜３０μｍ大きいので、二回目のスクリーン印刷用ステンシルのメッシュが１０〜２０μｍ縮小されても、依然としてパッドより大きい。また、はんだペーストを印刷するとき、ステンシルと基板との間に隙間があって、メッシュをソルダージョイントに載せる必要がない。メッシュを縮小することは、一回目のバンプが既に形成されたからであり、印刷時のはんだペーストのブリッジ発生リスクを低減するため、メッシュを縮小するのである。このような設計を採用する目的は２つがある。１つは、メッシュを縮小することによりはんだの印刷量を低減し、二回目印刷時のはんだペーストのブリッジ発生リスクを低減することができる。もう１つは、メッシュが縮小された後、二回目の印刷時にはんだペーストがはんだボール同士間の隙間に拡散する量が少なくなるので、これもはんだペーストのブリッジ発生リスクを低減することができる。

Claims (4)

1. フリップチップ基板上に小間隔で高いはんだボールバンプを形成する製作方法であって、
   第一ステンシルをフリップチップ基板に載せ、一回目のスクリーン印刷をし、はんだペーストをフリップチップ基板に印刷するステップＳ１と、
   ステップＳ１で獲得した基板に対して一回目のリフローをすることにより、基板にソルダージョイントを形成し、かつはんだペースト中のフラックスを基板の表面に析出させるステップＳ２と、
   一回目の基板洗浄をすることにより、フラックスを除去するステップＳ３と、
   一回目の洗浄した基板をコイニング装置に送入し、基板上のソルダージョイントに対して一回目の平坦化処理をすることにより、各ソルダージョイントの頂上部に平坦部を形成するステップＳ４と、
   第二ステンシルをステップＳ４によって平坦化された基板に載せ、二回目のスクリーン印刷をし、はんだペーストを基板のソルダージョイントの上に印刷するステップＳ５と、
   ステップＳ５で獲得した基板に対して二回目のリフローをし、基板に新しいソルダージョイントを形成し、かつはんだペースト中のフラックスを基板の表面に析出させるステップＳ６と、
   二回目の基板洗浄をすることにより、フラックスを再び除去するステップＳ７と、
   二回目の洗浄した基板を再びコイニング装置に送入し、基板上の新しいソルダージョイントに対して二回目の平坦化処理をすることにより、各ソルダージョイントの頂上部に新しい平坦部を形成するステップＳ８とを含み、
   上述したステップにより前記高いはんだボールバンプを獲得することを特徴とするフリップチップ基板上に小間隔で高いはんだボールバンプを形成する製作方法。
2. 前記第二ステンシルの膨張収縮係数は前記第一ステンシルの膨張収縮係数より１００．０１％〜１００．０２％小さいことを特徴とする請求項１に記載のフリップチップ基板上に小間隔で高いはんだボールバンプを形成する製作方法。
3. 前記第二ステンシルの厚さは前記第一ステンシルの厚さの２／３であることを特徴とする請求項１に記載のフリップチップ基板上に小間隔で高いはんだボールバンプを形成する製作方法。
4. 前記第二ステンシルのメッシュは前記第一ステンシルのメッシュより１０〜２０μｍ小さいことを特徴とする請求項１に記載のフリップチップ基板上に小間隔で高いはんだボールバンプを形成する製作方法。