JP2021197387A - バンプ電極基板の形成方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】本開示は、ボイドの発生とバンプ高さのバラツキという問題を抑制しつつ、不濡れを抑制できるバンプ電極基板の形成方法を提供することを目的とする。【解決手段】基板に設けられた電極の上に第１フラックスを塗布することと、はんだ材料を搭載することと、該基板を加熱し、該電極にはんだバンプを形成することと、該はんだバンプを変形させて、該はんだバンプに平坦面又は窪み部を設けることと、該はんだバンプに第２フラックスを塗付することと、核部分と、該核部分の表面を覆うはんだ層とを有する、核材料を、該はんだバンプの上に搭載することと、該基板を加熱し、該はんだバンプと該はんだ層によって該核材料を該電極に接合することと、を備える。【選択図】図３
Description
本開示はバンプ電極基板の形成方法に関する。
Ｃｕ核ボールは、Ｃｕボール等の核部分の表面にはんだを被覆してはんだ層を形成したボール状の核材料である。核部分であるＣｕボール等は、はんだ層を被覆する前にＮｉを被覆することでＮｉ層が形成されていてもよい。本願では、Ｎｉ層が形成されたＣｕボール等も核部分と称する。Ｃｕ核ボールは、基板間を接合しつつ、基板間の距離を一定に保つスペーサの役割を果たす。Ｃｕ核ボールを用いることで、基板間のつぶれを抑制できる。またＣｕを有する核部分のＣｕはＳｎより導電性が高いので、核部分を通じて電流を流すことで、装置の通電性を改善したり、良好な耐エレクトロマイグレーションを得られたりする。
特許文献１には、Ｃｕ核ボールにおいては、はんだボールのように黄色度のみでは酸化膜厚を正確に管理することができないことと、はんだの溶融前において酸化膜厚を一定値以下で管理することが記載されている。
Ｃｕ核ボールを電極に接合する際、核部分がはんだ層で覆われた状態を維持することを想定しているが、核部分の表面にはんだ層が存在しない箇所が発生し得る。核部分の表面にはんだ層が存在しない状態で基板と基板、ＣＰＵと基板、又は部品と基板を接合しようとすると、「不濡れ」と呼ばれる問題が生じる。不濡れとは、例えばＮｉ層の表面にＮｉ層とはんだ層との反応によって金属間化合物が形成され、当該金属間化合物がはんだをはじくことで核部分の表面にはんだがつかなくなる問題である。
Ｃｕ核ボールを使用して積層基板の接合を行う場合、１次実装時にＣｕ核ボール上に不濡れが発生すると、２次実装時において、Ｃｕ核ボールが接合されていない側の基板の電極上にはんだペーストが塗付されていたとしても、前述の通り、Ｎｉ層の表面に形成された金属間化合物がはんだペーストをはじいてしまうため、不濡れが改善されない場合もある。
Ｃｕ核ボールを使用して積層基板の接合を行う場合、１次実装時にＣｕ核ボール上に不濡れが発生すると、２次実装時において、Ｃｕ核ボールが接合されていない側の基板の電極上にはんだペーストが塗付されていたとしても、前述の通り、Ｎｉ層の表面に形成された金属間化合物がはんだペーストをはじいてしまうため、不濡れが改善されない場合もある。
この不濡れという問題ははんだ量不足に起因するため、不濡れを解消するために、核部分を覆うはんだ層を厚くする改善策が考えられる。しかしながら、Ｃｕ核ボールは核部分の偏心制御、高真球度の達成及び生産性の観点より、電気めっきで大量生産することが主流であるため、電気めっき法で形成できるはんだ層の厚さに限界があった。また、はんだ層を厚くするほど、Ｃｕ核ボールの生産性が低下する問題も生じる。
別の改善策として、Ｃｕ核ボールを電極に接合する前に、電極にはんだペーストを塗付しておくことが考えられる。この場合、不濡れは抑制できるが、はんだペーストが原因となってボイドが発生したり、はんだバンプの高さがバラついたりする問題点があった。
本開示は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ボイドの発生とバンプ高さのバラツキという問題を抑制しつつ、不濡れを抑制できるバンプ電極基板の形成方法を提供することを目的とする。
本開示に係るバンプ電極基板の形成方法は、基板に設けられた電極の上に第１フラックスを塗布することと、はんだ材料を搭載することと、該基板を加熱し、該電極にはんだバンプを形成することと、該はんだバンプを変形させて、該はんだバンプに平坦面又は窪み部を設けることと、該はんだバンプに第２フラックスを塗付することと、核部分と、該核部分の表面を覆うはんだ層とを有する、核材料を、該はんだバンプの上に搭載することと、該基板を加熱し、該はんだバンプと該はんだ層によって該核材料を該電極に接合することと、を備えたことを特徴とする。
本開示に係る別のバンプ電極基板の形成方法は、電極と絶縁膜が露出した基板に対しフラックスを塗布することで、該フラックスが少なくとも該電極を覆うことと、該フラックスの上に、核部分と、該核部分の表面を覆うはんだ層とを有する、核材料と、はんだ材料とをのせることと、該基板を加熱し、該はんだ層と該はんだ材料によって該核材料を該電極に接合することと、を備えたことを特徴とする。
本開示のその他の特徴は以下に明らかにする。
本開示によれば、ボイドの発生とバンプ高さのバラツキという問題を抑制しつつ、不濡れを抑制できる。
実施の形態に係るバンプ電極基板の形成方法について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態．
図１から図６には、バンプ電極基板の形成方法の一例が示されている。図１は、最初の工程を示すバンプ電極基板の断面図である。基板１０には電極１４と絶縁膜１２が設けられている。これらは例えばプリント基板として提供され得る。そして、基板１０に設けられた電極１４の上に第１フラックス１６を塗布し、はんだ材料を搭載する。第１フラックス１６としては、ロジン系樹脂や、アクリル系樹脂・ポリエチレン樹脂等の合成樹脂を用いた樹脂系フラックス、ポリエチレングリコールに代表されるポリアルキレングリコールや末端（アルキル）エステル化ポリアルキレングリコール、末端（アルキル）エーテル化ポリアルキレングリコール、末端アミノ化ポリアルキレングリコール、末端(アルキル)アミノ化ポリアルキレングリコール、末端（アルキル）アミド化ポリアルキレングリコールなどを用いた水溶性フラックス、残渣成分が硬化樹脂となるエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を用いた熱硬化型フラックス等が挙げられるが特に限定されない。また樹脂成分を使用しない、または極少量使用して揮発性の高粘度、または固形溶剤をベース剤として用いる無洗浄フラックスでもよい。更に第１フラックス１６は、必要に応じて、樹脂成分のほかに活性剤（有機酸、アミン、有機ハロゲン化合物、アミンハロゲン化水素酸塩等）、チキソ剤、溶剤、その他添加剤（酸化防止剤・消泡剤・着色剤）等が添加されてもよい。後述のフラックスについても第１フラックス１６と同じ組成とすることができる。
図１から図６には、バンプ電極基板の形成方法の一例が示されている。図１は、最初の工程を示すバンプ電極基板の断面図である。基板１０には電極１４と絶縁膜１２が設けられている。これらは例えばプリント基板として提供され得る。そして、基板１０に設けられた電極１４の上に第１フラックス１６を塗布し、はんだ材料を搭載する。第１フラックス１６としては、ロジン系樹脂や、アクリル系樹脂・ポリエチレン樹脂等の合成樹脂を用いた樹脂系フラックス、ポリエチレングリコールに代表されるポリアルキレングリコールや末端（アルキル）エステル化ポリアルキレングリコール、末端（アルキル）エーテル化ポリアルキレングリコール、末端アミノ化ポリアルキレングリコール、末端(アルキル)アミノ化ポリアルキレングリコール、末端（アルキル）アミド化ポリアルキレングリコールなどを用いた水溶性フラックス、残渣成分が硬化樹脂となるエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を用いた熱硬化型フラックス等が挙げられるが特に限定されない。また樹脂成分を使用しない、または極少量使用して揮発性の高粘度、または固形溶剤をベース剤として用いる無洗浄フラックスでもよい。更に第１フラックス１６は、必要に応じて、樹脂成分のほかに活性剤（有機酸、アミン、有機ハロゲン化合物、アミンハロゲン化水素酸塩等）、チキソ剤、溶剤、その他添加剤（酸化防止剤・消泡剤・着色剤）等が添加されてもよい。後述のフラックスについても第１フラックス１６と同じ組成とすることができる。
図１Ａには、はんだボールであるはんだ材料１８Ａが示されている。図１Ｂには、プリフォームはんだである板状のはんだ材料１８Ｂが示されている。プリフォームはんだとして、例えば、はんだ材料１８Ｂに第１フラックス１６が塗布された構造を採用し得る。一例によれば、この構造を電極１４の上に搭載し得る。はんだ材料の形状として、図１Ａのはんだ材料１８Ａと、図１Ｂのはんだ材料１８Ｂを例示したが、別の例によれば、柱状やリング状等別の形状とすることができる。また、はんだ材料１８Ａ、１８Ｂのはんだ組成は特に限定されず、都度最適な組成を選択することができる。例えば、Ｓｎ単体の組成とすることもできるし、Ｓｎを主成分とする鉛フリーはんだ合金の合金組成とすることもできるし、Ｓｎ−Ｐｂはんだ合金の組成とすることもできる。はんだ材料１８Ａ又ははんだ材料１８Ｂを合金により構成する場合、鉛フリーはんだ組成の一例としては、例えば、Ｓｎ、Ｓｎ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ｉｎ合金、およびこれらに所定の合金元素を添加したものが挙げられる。添加する合金元素としては、例えばＡｇ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｓｂ、Ｐ、Ｆｅ、Ｂｉ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｐｔ、Ｐｄ等が挙げられる。
次に、基板を加熱する工程に処理を進める。図２は、加熱後のバンプ電極基板を示す断面図である。この工程では、基板１０を加熱し、電極１４にはんだバンプ２０を形成する。一例によれば、リフロー装置を用いて、基板周囲の温度を２４０℃程度までゆっくり上昇させる予備加熱処理と、２４０℃程度の温度を維持する加熱処理と、室温まで温度を低下させる冷却処理を基板に施す。はんだ材料を溶融させる別の加熱処理を採用してもよい。
次に、はんだバンプを変形させる工程に処理を進める。この工程では、はんだバンプ２０を変形させて、はんだバンプ２０に平坦面又は窪み部を設ける。図３Ａには、平坦面２０ａが形成されたはんだバンプ２０が示されている。平坦面２０ａは、例えば、コイニング装置によって形成され得る。コイニング装置とは、加圧ブロックをはんだバンプに押し当てて、はんだバンプを平坦化する装置である。例えば、特開２０１２−１０４７９１号公報にはそのようなコイニング装置が開示されている。
図３Ｂには、窪み部２０ｂが形成されたはんだバンプ２０が示されている。一例によれば、コイニング装置の加圧ブロックに凸部を設け、その凸部をはんだバンプ２０に押し当てることで、窪み部２０ｂを形成する。例えば、窪み部２０ｂの断面形状は、Ｖ字型又はＵ字型とすることができる。
前述の加熱によってはんだバンプ２０が電極１４に接合しているので、はんだバンプ２０を変形させる処理を安定して行うことができる。
次に、上述のとおり変形したはんだバンプに第２フラックスを塗付する。図４は、はんだバンプ２０に第２フラックス２２が塗布されたことを示す図である。はんだバンプ２０が窪み部２０ｂを有するときは図３Ｂの構成に第２フラックスを塗布する。第２フラックスは、第１フラックスと同じものを使用してもよく、別のフラックスを使用してもよい。
次に、核材料２４をはんだバンプ２０の上に搭載する。図５には、はんだバンプ２０の上に搭載された核材料２４が示されている。この例では、核材料２４は、核部分２４ａと、核部分２４ａを覆うＮｉ層２４ｂと、Ｎｉ層を覆うはんだ層２４ｃを備える。一例によれば、核部分２４ａはＣｕとしたり、Ｃｕを含有する材料としたりすることができる。別の例によれば、核部分２４ａの材料として、はんだ層２４ｃより融点が高く、導電性が高い材料を採用することができる。Ｎｉ層２４ｂとはんだ層２４ｃはメッキ法によって形成し得る。
以下に核部分２４ａの構成例を記載する。
・核部分２４ａの組成
一例によれば、核部分２４ａは、Ｃｕ単体の組成とすることもできるし、Ｃｕを主成分とする合金組成とすることもできる。核部分２４ａを合金により構成する場合、Ｃｕの含有量は５０質量％以上である。また、核となるボールとしては、Ｃｕ以外にも、Ｎｉ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｐｂ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｇｅ、Ｓｂ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ａｕ、Ｓｉ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｌａ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｇの金属単体や合金、金属酸化物、あるいは金属混合酸化物により構成しても良いし、樹脂材料によって構成しても良い。
・核部分２４ａの組成
一例によれば、核部分２４ａは、Ｃｕ単体の組成とすることもできるし、Ｃｕを主成分とする合金組成とすることもできる。核部分２４ａを合金により構成する場合、Ｃｕの含有量は５０質量％以上である。また、核となるボールとしては、Ｃｕ以外にも、Ｎｉ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｐｂ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｇｅ、Ｓｂ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ａｕ、Ｓｉ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｌａ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｇの金属単体や合金、金属酸化物、あるいは金属混合酸化物により構成しても良いし、樹脂材料によって構成しても良い。
・核部分２４ａの真球度：０．９５以上
核部分２４ａは、スタンドオフ高さを制御する観点から真球度が０．９５以上が好ましいが、特に限定はされない。真球度は、より好ましくは０．９９０以上である。本発明において、真球度とは真球からのずれを表す。真球度は、例えば、最小二乗中心法（ＬＳＣ法）、最小領域中心法（ＭＺＣ法）、最大内接中心法（ＭＩＣ法）、最小外接中心法（ＭＣＣ法）など種々の方法で求められる。詳しくは、真球度とは、５００個の各核部分２４ａの直径を長径で割った際に算出される算術平均値であり、値が上限である１．００に近いほど真球に近いことを表す。本発明での長径の長さ、および直径の長さとは、ミツトヨ社製のウルトラクイックビジョン、ＵＬＴＲＡ ＱＶ３５０−ＰＲＯ測定装置によって測定された長さをいう。
核部分２４ａは、スタンドオフ高さを制御する観点から真球度が０．９５以上が好ましいが、特に限定はされない。真球度は、より好ましくは０．９９０以上である。本発明において、真球度とは真球からのずれを表す。真球度は、例えば、最小二乗中心法（ＬＳＣ法）、最小領域中心法（ＭＺＣ法）、最大内接中心法（ＭＩＣ法）、最小外接中心法（ＭＣＣ法）など種々の方法で求められる。詳しくは、真球度とは、５００個の各核部分２４ａの直径を長径で割った際に算出される算術平均値であり、値が上限である１．００に近いほど真球に近いことを表す。本発明での長径の長さ、および直径の長さとは、ミツトヨ社製のウルトラクイックビジョン、ＵＬＴＲＡ ＱＶ３５０−ＰＲＯ測定装置によって測定された長さをいう。
・核部分２４ａの直径：１〜１０００μｍ
本発明を構成する核部分２４ａの直径は特に限定されないが、１〜１０００μｍであることが好ましい。この範囲にあると、球状の核部分２４ａを安定して製造でき、また、端子間が狭ピッチである場合の接続短絡を抑制することができる。
本発明を構成する核部分２４ａの直径は特に限定されないが、１〜１０００μｍであることが好ましい。この範囲にあると、球状の核部分２４ａを安定して製造でき、また、端子間が狭ピッチである場合の接続短絡を抑制することができる。
一例によれば、図５の核部分２４ａはボール形状である。しかしながら、核部分２４ａの形状は特に限定されない。例えば、核部分の形状を円柱又は角柱とすることができる。核部分を円柱又は角柱とすることで、核材料も円柱又は角柱となる。円柱又は角柱の核部分を採用する場合は、底面を電極１４に対向させる。
以下にはんだ層２４ｃの構成例を記載する。
・はんだ層２４ｃの組成
はんだ層２４ｃのはんだ組成は特に限定されず、都度最適な組成を選択することができる。例えば、Ｓｎ単体の組成とすることもできるし、Ｓｎを主成分とする鉛フリーはんだ合金の合金組成とすることもできるし、Ｓｎ−Ｐｂはんだ合金の組成とすることもできる。はんだ層２４ｃを合金により構成する場合、鉛フリーはんだ組成の一例としては、例えば、Ｓｎ、Ｓｎ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ｉｎ合金、およびこれらに所定の合金元素を添加したものが挙げられる。添加する合金元素としては、例えばＡｇ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｓｂ、Ｐ、Ｆｅ、Ｂｉ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｐｔ、Ｐｄ等が挙げられる。はんだ層２４ｃの厚さは、特に制限されないが、例えば１００μｍ（片側）以下であれば十分である。一般には５〜５０μｍであれば良い。
・はんだ層２４ｃの組成
はんだ層２４ｃのはんだ組成は特に限定されず、都度最適な組成を選択することができる。例えば、Ｓｎ単体の組成とすることもできるし、Ｓｎを主成分とする鉛フリーはんだ合金の合金組成とすることもできるし、Ｓｎ−Ｐｂはんだ合金の組成とすることもできる。はんだ層２４ｃを合金により構成する場合、鉛フリーはんだ組成の一例としては、例えば、Ｓｎ、Ｓｎ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ｉｎ合金、およびこれらに所定の合金元素を添加したものが挙げられる。添加する合金元素としては、例えばＡｇ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｓｂ、Ｐ、Ｆｅ、Ｂｉ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｚｎ、Ｍｎ、Ｐｔ、Ｐｄ等が挙げられる。はんだ層２４ｃの厚さは、特に制限されないが、例えば１００μｍ（片側）以下であれば十分である。一般には５〜５０μｍであれば良い。
以下に核材料２４の製造方法の一例を記載する。
核材料２４を構成する核部分２４ａについて、材料となるＣｕ材はセラミックのような耐熱性の板である耐熱板に置かれ、耐熱板とともに炉中で加熱される。耐熱板には底部が半球状となった多数の円形の溝が設けられている。溝の直径や深さは、核部分２４ａの粒径に応じて適宜設定されている。また、Ｃｕ細線が切断されて得られたチップ形状のＣｕ材（以下、「チップ材」という。）は、耐熱板の溝内に一個ずつ投入される。
核材料２４を構成する核部分２４ａについて、材料となるＣｕ材はセラミックのような耐熱性の板である耐熱板に置かれ、耐熱板とともに炉中で加熱される。耐熱板には底部が半球状となった多数の円形の溝が設けられている。溝の直径や深さは、核部分２４ａの粒径に応じて適宜設定されている。また、Ｃｕ細線が切断されて得られたチップ形状のＣｕ材（以下、「チップ材」という。）は、耐熱板の溝内に一個ずつ投入される。
溝内にチップ材が投入された耐熱板は、還元性ガス、例えばアンモニア分解ガスが充填された炉内で１１００〜１３００℃に昇温され、３０〜６０分間加熱処理が行われる。このとき炉内温度がＣｕの融点以上になると、チップ材は溶融して球状となる。その後、炉内が冷却され、耐熱板の溝内で核部分２４ａが成形される。冷却後、成形された核部分２４ａは、Ｃｕの融点未満の温度である８００〜１０００℃で再度加熱処理が行われてもよい。
また、別の方法としては、るつぼの底部に設けられたオリフィスから溶融Ｃｕが滴下され、この液滴が冷却されて核部分２４ａが造球されるアトマイズ法や、熱プラズマがＣｕカットメタルを１０００℃以上に加熱して造球する方法がある。
核部分２４ａの原料であるＣｕ材としては、例えばペレット、ワイヤ、ピラーなどを用いることができる。
上述のようにして作製された核部分２４ａやめっき液を流動させて核部分２４ａにはんだ層２４ｃを形成する方法としては、公知のバレルめっき等の電解めっき法、めっき槽に接続されたポンプがめっき槽中にめっき液に高速乱流を発生させ、めっき液の乱流により核部分２４ａにはんだ層２４ｃを形成する方法、めっき槽に振動板を設けて所定の周波数で振動させることによりめっき液が高速乱流攪拌され、めっき液の乱流により核部分２４ａにはんだ層２４ｃを形成する方法等がある。
めっき処理後、大気中やＮ2雰囲気中で乾燥して、本発明に係る核材料２４を得ることができる。
次に、核材料２４を搭載した基板を加熱する。図６は、加熱後のバンプ電極基板の断面図である。基板をリフロー等の手段によって加熱し、はんだバンプ２０とはんだ層２４ｃを溶融させる。これにより、はんだバンプ２０とはんだ層２４ｃがはんだ３０となり、はんだ３０によって核材料２４を電極１４に接合することができる。
このような基板の加熱の一例を説明するが、本発明は下記に限定されない。
基板１０を加熱して常温からはんだの液相温度付近に至る温度に昇温し、核材料２４及びはんだバンプ２０の第２フラックス２２と接している表面の酸化膜を除去する（第１溶融ステップ）。この第１溶融ステップで、第２フラックス２２によりはんだバンプ２０及び核材料２４の第２フラックス２２と接している底面側のみの酸化膜が除去される。
基板１０を加熱して常温からはんだの液相温度付近に至る温度に昇温し、核材料２４及びはんだバンプ２０の第２フラックス２２と接している表面の酸化膜を除去する（第１溶融ステップ）。この第１溶融ステップで、第２フラックス２２によりはんだバンプ２０及び核材料２４の第２フラックス２２と接している底面側のみの酸化膜が除去される。
次いで、酸化膜の除去工程に継続して基板１０を更に昇温し、はんだ層２４ｃの溶融温度に移行する（第２溶融ステップ）。このとき、はんだ層２４ｃが溶融してはんだバンプ２０に移行する状態となり、核材料２４のセルフアライメント現象と核部分２４ａが電極１４まで沈み込む現象が発生する（図６）。セルフアライメント現象とは、核材料２４が電極１４の中央に自己整合的に移動する現象をいう。
また、このとき核材料２４の表面はまだ酸化膜によって覆われているが、はんだ層２４ｃは、熱容量の小さい電極１４の側から核部分２４ａの頭頂部に向かって溶融し始める。この溶融開始直前で、核部分２４ａの底部外殻のはんだ層２４ｃが溶融してその接触部位（裾部分）の周囲で広がり始める。この結果、核部分２４ａが電極１４まで沈み込むようになる。この状態から、核部分２４ａの表面の外殻のはんだ層２４ｃが溶融して酸化膜で覆われた内部がはんだ層２４ｃに順次遷移し始めると、核部分２４ａははんだ層２４ｃの拘束から免れて自由な状態となる。
次いで、第２フラックス２２がはんだ層２４ｃの表面の酸化膜を除去しつつ、上方へ這い上がるようになる。この例では、はんだ層２４ｃの溶融温度移行時、はんだバンプ２０から核部分２４ａへの第２フラックス２２の這い上がりが遅くなるように基板１０を加熱する（酸化膜の除去工程）。
そして、核部分２４ａから電極１４へのはんだ層２４ｃの流れ落ちを遅くするように基板１０をゆっくり加熱する。この第２溶融ステップで、はんだ層２４ｃの全体の酸化膜が除去されると、はんだ層２４ｃが核部分２４ａの周囲から電極１４の方へ流れ落ちるようになる。
本実施形態に係るバンプ電極基板の形成方法によれば、核材料２４を電極１４に接合する際に、はんだ層２４ｃだけでなく、はんだバンプ２０も利用できるので、十分な量のはんだで核部分２４ａを電極１４に固定することができる。したがって、図６に示されるように、核部分の一部にはんだが存在しない不濡れの問題を抑制することができる。しかも、核材料２４のはんだ層２４ｃを厚くする必要がないので、はんだ層をメッキで厚く形成することによるコスト増加を回避できる。また、上述の例では、微細なはんだ粉末とフラックスを混ぜ合わせたクリーム状のはんだである「はんだペースト」を使用しないので、後述するボイドの問題が抑制される。
図７、８は別の例に係るバンプ電極基板の形成方法を示す図である。主として、図１から６を参照しつつ説明したバンプ電極基板の形成方法との相違点を説明する。このバンプ電極基板の形成方法では、まず、電極と絶縁膜が露出した基板に対しフラックスを塗布する。図７Ａ、図７Ｂには、電極１４と絶縁膜１２が露出した基板に、フラックス４０が塗布されたことが示されている。フラックス４０は、少なくとも電極１４を覆う。一例によれば、図７Ａに示すようにフラックス４０は、電極１４と、電極１４の周囲の絶縁膜１２とに塗布される。別の例によれば、図７Ｂに示すように絶縁膜１２の上面よりも電極１４の上面を低くして、その電極１４の上面にフラックスを塗布することができる。
次に、フラックス４０の上に核材料２４とはんだ材料１８Ａをのせる。核材料２４の核部分２４ａは上述のように様々な形状とし得る。はんだ材料１８Ａについても上述のとおり様々な変形が可能である。一例によれば、フラックス４０の上に、Ｃｕ又はＣｕを含有する核部分２４ａと核部分２４ａの表面を覆うはんだ層２４ｃとを有する核材料２４と、はんだ材料１８Ａとをのせる。
一例によれば、核材料２４とはんだ材料１８Ａとをフラックス４０の上にのせる際、核材料２４とはんだ材料１８Ａの一方を電極１４の上に、他方を絶縁膜１２の上にのせることができる。具体的には、電極１４の上に核材料２４をのせて絶縁膜１２の上にはんだ材料１８Ａをのせてもよいし、電極１４の上にはんだ材料１８Ａをのせて絶縁膜１２の上に核材料２４をのせてもよい。
別の例によれば、核材料２４とはんだ材料１８Ａの両方を電極１４の上にのせてもよい。この場合は電極１４がある程度大きい面積を有する。
一例によれば、フラックス４０は、核材料２４とはんだ材料１８Ａを仮固定し得る。例えばある程度の粘性を有するフラックスを利用することで、核材料２４とはんだ材料１８Ａを仮固定することができる。例えば粘性を有する水溶性フラックスは、核材料２４とはんだ材料１８Ａの仮固定を可能とする。
次に、基板を加熱する。図８は図７Ａの基板を加熱した後のバンプ電極基板の断面図である。図９は図７Ｂの基板を加熱した後のバンプ電極基板の断面図である。基板を加熱すると、はんだ層２４ｃとはんだ材料１８Ａが溶融し、核材料２４を電極１４に接合するはんだ４２となる。こうして不濡れが抑制されたバンプ電極基板を提供することができる。
図７−９を参照しつつ説明した例は、１つの電極に対して少なくとも１つの核材料と少なくとも１つのはんだ材料を提供し、基板を加熱するだけで核材料を電極に接合できるので、工程簡素化に好適である。他方、電極パターンがある程度低密度でなければ、ある電極に提供された核材料とはんだ材料が、別の電極に提供された核材料とはんだ材料に影響を及ぼしてしまうおそれがある。
次に、実施例１、２、３及び比較例１、２について説明する。以下の表１には、実施例１、２、３、比較例１、２のバンプ形成方法、Ｃｕ核ボールの仕様、ハンダ組成、ボール粒径、不濡れの有無、ボイドの有無及びバンプ高さのばらつきが記載されている。
実施例１のバンプ電極基板は、以下の方法で作製した。基板の電極上にフラックス（ＷＦ−６３１７：千住金属工業（株）製）を塗付し、はんだボールを電極の上に搭載し、リフロー処理によりはんだを電極に接合し、はんだバンプ電極を形成した。基板は、電極パッドがＣｕ−ＯＳＰ処理され、電極パッドの開口サイズが直径０．２４ｍｍ、電極同士のピッチ間が０．５ｍｍのものを使用した。リフロー処理方法は、２４５℃ピークの三角プロファイルに設定した。その後、万力で基板とバンプを挟み加圧することによりはんだバンプを平坦化し、平坦化されたはんだバンプの上にＣｕ核ボールをのせてリフローすることで得られるものである。図１０は、実施例１のバンプ電極基板の形成の各段階における外観を示す図である。コイニング後のはんだは、略円形の電極とほぼ同じ面積の平坦面としたが、特に同じ面積に限定されない。
実施例２のバンプ電極基板は、実施例１と同じ工程で形成されるものである。実施例１で用いたはんだボールの粒径は０．３ｍｍであったが、実施例２で用いたはんだボールの粒径は０．１７ｍｍである。したがって、実施例２は実施例１よりも小さいはんだボールを用いている点で実施例１と相違する。図１１は、実施例２のバンプ電極基板の形成の各段階における外観を示す図である。
実施例３のバンプ電極基板は、フラックスを塗付した電極上にはんだボールとＣｕ核ボールを載せてリフロー処理することで得られるものである。基板は、電極同士のピッチ間が１ｍｍである以外は実施例１と同じ条件のものを使用した。リフロー処理方法は、実施例１と同条件である。図１２は、実施例３のリフロー前の外観とリフロー後の外観を示す図である。リフロー前の外観では、電極の上と、電極の周囲の絶縁膜の上とにフラックスが塗布されたことが分かる。Ｃｕ核ボールは電極の上にあり、はんだボールの少なくとも一部は絶縁膜の上にある。この状態でリフロー処理を施すと、溶融したはんだボールが電極に濡れることで引っ張られ、電極上において、はんだボールとＣｕ核ボールがはんだ付けされる。
比較例１のバンプ電極基板は、電極の上にはんだペーストを設け、そのはんだペーストの上にＣｕ核ボールをのせて、リフロー処理することで得られる。はんだペーストとは、微細なはんだ粉末とフラックスを混ぜ合わせたクリーム状のはんだである。比較例１にて用いたはんだペーストは、はんだ組成がＳｎ−３質量％Ａｇ−０．５質量％Ｃｕのものである。比較例１におけるはんだペーストの印刷に使用したマスクの仕様は、はんだマスクの開口径がφ０．２４ｍｍで厚みが０．０１ｍｍである。図１３は、比較例１のバンプ電極基板の外観を示す図である。
比較例２のバンプ電極基板は、実施例１と同じフラックスを塗布した電極上に、Ｃｕ核ボールを載せてリフロー処理することで得られるものである。比較例２では、Ｃｕ核ボールがその表面に有するはんだ層のみによって、Ｃｕ核ボールと電極が接合される。
不濡れ、ボイド及びバンプ高さのばらつきについての試験方法の詳細は下記の通りである。同条件のはんだバンプ電極を１試料につき３０個作成し、それぞれ下記評価を行った。
（１）不濡れの有無
エポキシ樹脂でモールド後、ストルアス製研磨装置「ＴｅｇｒａＰｏｌ ２５」にて断面研磨し、ＦＥ−ＥＰＭＡ（電界放出型電子プローブマイクロアナライザ、日本電子製ＪＸＡ−８５３０Ｆ）を使用し、目視にて下記基準にて評価した。
不濡れが０個：○
不濡れが１個以上：×
（２）継手のボイド有無
透過Ｘ線写真 （装置:Ｎｏｒｄｓｏｎ Ｄａｇｅ製ＸＤ７６００ＮＴ）を使用し、目視にて下記基準にて評価した。
ボイドが０個：○
ボイドが１個以上：×
（３）バンプ高さのばらつき
リアルカラーコンフォーカル顕微鏡 （装置：ＬａｓｅｒＴｅｃ製ＯＰＴＥＬＩＣＳ Ｃ１３０）を使用し、下記基準にて評価した。
バンプの高さばらつきが３μｍ以下：○
バンプの高さばらつきが３μｍ超：×
（１）不濡れの有無
エポキシ樹脂でモールド後、ストルアス製研磨装置「ＴｅｇｒａＰｏｌ ２５」にて断面研磨し、ＦＥ−ＥＰＭＡ（電界放出型電子プローブマイクロアナライザ、日本電子製ＪＸＡ−８５３０Ｆ）を使用し、目視にて下記基準にて評価した。
不濡れが０個：○
不濡れが１個以上：×
（２）継手のボイド有無
透過Ｘ線写真 （装置:Ｎｏｒｄｓｏｎ Ｄａｇｅ製ＸＤ７６００ＮＴ）を使用し、目視にて下記基準にて評価した。
ボイドが０個：○
ボイドが１個以上：×
（３）バンプ高さのばらつき
リアルカラーコンフォーカル顕微鏡 （装置：ＬａｓｅｒＴｅｃ製ＯＰＴＥＬＩＣＳ Ｃ１３０）を使用し、下記基準にて評価した。
バンプの高さばらつきが３μｍ以下：○
バンプの高さばらつきが３μｍ超：×
上述した「（１）不濡れの有無」については、バンプを形成した後の試料をエポキシ樹脂で埋めた後、断面研磨を施して評価した。上述した「（２）継手のボイドの有無」と「（３）バンプ高さのばらつき」については、バンプを形成した試料をそのまま使用して評価した。
図１４は、実施例１−３と比較例１に係るバンプ電極基板のリフロー後の外観を示す図である。実施例１のはんだボールの体積は、実施例２のはんだボールの体積より大きく、比較例１のはんだペーストの体積より大きい。実施例２のはんだボールの体積と、比較例１のはんだペーストの体積は等しい。はんだ材料をコイニングなどの手段で変形させることで、はんだペーストを印刷によって提供する場合と比べて、はんだの供給量を増やすことができる。
図１５は、実施例１−３と比較例１のバンプ電極の透過Ｘ線観察結果を示す図である。実施例１−３では、３０個のバンプ電極を観察したが、ボイドは見られなかった、他方、比較例１では、３０個のバンプ電極を観察したところ、すべてのバンプ電極においてボイドが見られた。この結果から、はんだペーストの使用がボイドの原因となることが分かる。
図１６、１７は、実施例１−３と比較例のそれぞれについてのバンプ高さのばらつきを示す図である。コンフォーカル顕微鏡にて同一条件の複数のバンプ高さを測定し、ばらつきを算出した。図１６には、実施例１の複数のバンプ電極のバンプ高さと、実施例３の複数のバンプ電極の高さが示されている。実施例１のバンプ高さの標準偏差σは１．９μｍであり、実施例３のバンプ高さの標準偏差σは１．６μｍであり、どちらも小さいばらつきとなっていることを確認した。
図１７には、実施例２の複数のバンプ電極のバンプ高さと、比較例１の複数のバンプ電極の高さが示されている。実施例２のバンプ高さの標準偏差σは１．５μであり、比較例１のバンプ高さの標準偏差σは３．７μｍであった。この結果から、実施例２ではバンプ高さのばらつきを小さくできるのに対し、比較例１ではバンプ高さのばらつきが大きくなってしまうことが分かった。
比較例２では、上記の表１に示されるように、核部分の一部にはんだが存在しない不濡れの問題が全ての試料にて生じた。図１８は、比較例２の方法で形成されたバンプ電極基板の断面ＳＥＭ写真である。このＳＥＭ写真には、核部分２４ａの一部がはんだ層２４ｃに覆われていないことが示されている。
基板上の電極にＣｕ核ボールを接合することを１次実装と称し、１次実装の後にＣｕ核ボールをＰＣＢ（プリント回路基板）に接合することを２次実装と称することがある。比較例２のように１次実装において不濡れが発生すると、２次実装時にも不濡れが発生する場合がある。図１９は、比較例２のバンプ電極基板を、ペーストを電極上に塗付したＰＣＢに２次実装した後に得られた断面ＳＥＭ写真である。図１９から明らかなように、２次実装された比較例２の核部分２４ａには不濡れが発生している。
１０ 基板、 １２ 絶縁膜、 １４ 電極、 １６ 第１フラックス、 １８Ａ，１８Ｂ はんだ材料、 ２０ はんだバンプ、 ２０ａ 平坦面、 ２０ｂ 窪み部、 ２２ 第２フラックス、 ２４ 核材料、 ２４ａ 核部分、 ２４ｂ Ｎｉ層、 ２４ｃ はんだ層
Claims (10)
- 基板に設けられた電極の上に第１フラックスを塗布することと、はんだ材料を搭載することと、
前記基板を加熱し、前記電極にはんだバンプを形成することと、
前記はんだバンプを変形させて、前記はんだバンプに平坦面又は窪み部を設けることと、
前記はんだバンプに第２フラックスを塗付することと、
核部分と、前記核部分の表面を覆うはんだ層とを有する、核材料を、前記はんだバンプの上に搭載することと、
前記基板を加熱し、前記はんだバンプと前記はんだ層によって前記核材料を前記電極に接合することと、を備えたバンプ電極基板の形成方法。 - 前記はんだ材料ははんだボールである請求項1に記載のバンプ電極基板の形成方法。
- 前記はんだ材料はプリフォームはんだである請求項１に記載のバンプ電極基板の形成方法。
- 前記はんだ材料を搭載する際には、前記はんだ材料に前記第１フラックスが塗布された構造が、前記電極の上に搭載される請求項３に記載のバンプ電極基板の形成方法。
- 前記平坦面は、コイニング装置によって形成される請求項１から４のいずれか１項に記載のバンプ電極基板の形成方法。
- 前記核材料はＣｕ核ボールである請求項１から５のいずれか１項に記載のバンプ電極基板の形成方法。
- 前記核材料の形状は円柱又は角柱である請求項１から５のいずれか１項に記載のバンプ電極基板の形成方法。
- 電極と絶縁膜が露出した基板に対しフラックスを塗布することで、前記フラックスが少なくとも前記電極を覆うことと、
前記フラックスの上に、核部分と、前記核部分の表面を覆うはんだ層とを有する、核材料と、はんだ材料とをのせることと、
前記基板を加熱し、前記はんだ層と前記はんだ材料によって前記核材料を前記電極に接合することと、を備えたバンプ電極基板の形成方法。 - 前記フラックスは、前記電極と、前記電極の周囲に塗布され、
前記核材料と前記はんだ材料とを前記フラックスの上にのせる際、前記核材料と前記はんだ材料の一方が前記電極の上にあり、他方は前記絶縁膜の上にある、請求項８に記載のバンプ電極基板の形成方法。 - 前記フラックスは水溶性フラックスであり、前記水溶性フラックスが前記核材料と前記はんだ材料を仮固定する請求項８又は９に記載のバンプ電極基板の形成方法。
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