JP3323986B2 - 複合タングステンボール，その製造方法，それを用いた半導体パッケージ，及びメンブレン型プローブ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は，半導体素子を搭載
する半導体装置に関し，詳しくは，ボールによりフリッ
プチップ接続する導電性高精度接続部品を有する半導体
装置のパッケージ及びメンブレン型プローブ装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】高速化に対応したパッケージ（以下ＰＫ
Ｇと呼ぶ）の設計は，雑音対策が大切であり，実装技術
の今日的中心的課題になっている。従来賞用されてきた
ＱＦＰ（クワッドフラットパッケージ）は狭ピッチが限
界にきており，高速動作時に雑音の原因となるインダク
タンスが大きい。

【０００３】一方高密度ＰＫＧの切り札として登場した
ＣＳＰ（チップサイズパッケージ）は，ＰＫＧを極限近
くに小型化できるため次世代の携帯電話，ページャ等の
情報通信関連機器の小型化に大きく寄与する。

【０００４】しかも又，将来的にもＬＳＩチップの高集
積化にともなう，多ピン化，狭ピッチ化への対応や信号
伝搬の高速化や高周波化に最も有用な実装技術である。

【０００５】高密度実装の大きな流れとしてはＣＳＰ
（チップサイズパッケージ）にあり，このタイプとして
は，技術的完成度の高さからＦ／Ｃ ＢＧＡ（フリップ
チップボールグリッドアレイ）タイプが最も有望視され
ている（エレクトロニクス実装技術協会 ＳＨＭ会誌１
９９５，Ｖｏｌ．１１ Ｎｏ．５ ｐａｇｅｓ３〜８，
及び同誌Ｖｏｌ．１３，Ｎｏ．１，ｐａｇｅｓ１９〜２
４，参照）。しかも又フリップチップの方式としては，
図８（ｆ）に示した通り所謂Ｃ４法以外に，図８
（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），及び（ｅ）に示され
た方式も考案されている。

【０００６】図８は最近のフリップチップ工法の種々の
例を示す断面図である。

【０００７】図８（ａ）は，スタッドパンプ結合方式
（Ｓｔｕｄ ｂｕｍｐ ｂｏｎｄｉｎｇ）と呼ばれる方
式であり，絶縁性の基板５２に形成された電極５３と，
半導体（ＩＣ）チップ５１の裏面に形成された電極パッ
ド５７にバンプ５５及び半田５４を結合し，絶縁性の樹
脂５８で覆うものである。

【０００８】図８（ｂ）は，異方性導電フィルム方式
（ａｍｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｆ
ｉｌｍ）と呼ばれる方式であり，半導体チップ５１の裏
面に形成された電極パッド５７に基板５２に形成された
電極５３を円柱状のバンプ５５を介して接合し，紫外線
硬化型（ＵＶ）接着剤５９で接合部を覆って形成されて
いる。

【０００９】図８（ｃ）は，金バンプ半田接合方式（ｇ
ｏｌｄ ｂｕｎｐ ｓｏｌｄｅｒｉｎｇ）と呼ばれる方
式であり，半導体チップ５１の裏面に形成された電極パ
ッド５７に，バンプ５５を設け，このバンプ５５と基板
５２の電極５３とを，導電性ペースト６１を介して接合
し，封止剤６２によってこの接合部を覆ったものであ
る。

【００１０】図８（ｄ），は，微細バンプ結合方式（ｍ
ｉｃｒｏ ｂｕｍｐ ｂｏｎｄｉｎｇ）と呼ばれる方式
であり，異方性導電鋼６３を含む樹脂６４によりバンプ
５５と，電極５３とを結合したものである。

【００１１】図８（ｅ）は，金−金相互接続方式（ｇｏ
ｌｄ ｔｏ ｇｏｌｄ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏ
ｎ）と呼ばれる方式であり，半導体チップ５１裏面に形
成された電極パッド５７に，基板５２に形成された金か
らなる電極５３を金バンプ５６を介して圧着接合したも
のである。

【００１２】図８（ｆ）は，通称Ｃ４法と呼ばれる接続
方式（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｃｏｌｌａｐｓｅ ｃｈ
ｉｐ ｃｅｎｎｅｃｔｒｏｎ ｏｒ ｆｌｉｐ ｃｈｉ
ｐａｔｔａｃｋ）であり，半導体（ＩＣ）チップの裏面
に形成されたビアホール６５と基板５２の表面に形成さ
れた電極５３とを，半田バンプ６６を介し，さらに，こ
の半田バンプと電極５３と半田５４を介して接続し，こ
の接合部を絶縁性の樹脂５８で覆ったものである。

【００１３】さらに又現在注目されている実装工法は，
その信頼性からフリップチップ接続を用いるものの，現
実的に量産性に耐え，低温域で処理プロセスが可能な，
はんだボール，Ａｕバンプ，厚膜はんだバンプによるも
のが主体である。

【００１４】最も技術的完成度が高いと言われるＣ４法
に用いるべきフリッピングすべき導電性接続部品もはん
だバンプを利用するものが主流である。

【００１５】一歩進んで銅コアボールにはんだめっきを
施したものや，タングステンやモリブデンのコアボール
によるものも考案されつつある。しかし上記した銅コア
ボールに，はんだめっきを施したものは，直径バラツキ
やそれ自体のワレ・変形に不安が大きい。また，タング
ステンやモリブデンのコアボールによるものは，フリッ
プした後のチップとボールとの界面ワレの不安や直径の
バラツキの問題がある。

【００１６】特に，変形に関しては，フリッピングによ
り安定した接続状態を形成させるため，ボールに向かっ
たおしつける力，即ち押圧をかけてセットするため柔ら
かい材質では変形してしまい，また時としては割れ，ま
たリペア時の精度も保てなくなるという問題もあった。

【００１７】さらに又高密度実装が進む中で導電性接続
部品即ちここではボールの事を言うが，直径バラツキは
およそ直径±１０％程度にまでしか精度は上げられず，
格段の高精度を所望する場合実質的に２０μｍ程度，ボ
ール径がφ５０μｍにしてさえ１０μｍ程のバラツキを
余儀なくされ，実装におけるボールのコプラナリティー
はもとより結果として全体が小型化している背景も加味
され精度の向上は充分満足するとは言えない。さらに又
実用上はφ３００μｍ試作的にはφ１５０μｍ程度のボ
ールは発表されているがＣｕや半田でできたものであ
る。従って，押圧に充分耐え，かつ球径バラツキの極端
に少ない球が求められている。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】従来，小さい球体を得
るにはいくつかの方法が考えられている。その中で比較
的径のバラツキの小さいものを得る方法としてプラズマ
回転電極法がある。この方法は，タングステンの融点が
極めて高いことと，充分緻密で，充分加工度の保持され
たタングステン棒の使用が大切であった。従来のプラズ
マ回転電極法によれば，試料棒の径を２０〜３０ｍｍと
し，回転数を１００００ｒｐｍ程度に上昇させること
で，微小径としていた。しかし，前述した通りのタング
ステンの特徴から無理なパワーをかけ，結果として，球
形の不揃いや，径のバラツキの過大，例えば，１００〜
２００μｍを生じさせていた。

【００１９】また，高い実装密度の半導体パッケージに
おけるフリップチップにより半導体素子を構成させるに
は，小球体の径のバラツキは著しく小さい程良くしか
も，既述の押圧によるワレ，変形の不安のないものが望
ましい。その為の方法として，表面を研磨しなければ最
も望ましい径バラツキ即ち径の寸法交差は±２μｍ，少
なくとも±５μｍまでに高精度にするためには，所謂機
械加工を思い浮かべるなか，従来の，球を溝に入れ砥粒
によるラッピングが最も実現性のある方法と言える。し
かし，要求されるマイクロ球においては，溝の加工精度
及び砥粒と，この複合ボールとの分離等に課題が多く実
質的に目的のボールが得られないことが分かっている。

【００２０】しかしながら，従来において，加工性の良
い低融点もしくは軟質金属材料に眼を向けていたが次の
理由から不都合であった。

【００２１】即ち，銅コアに導電性の被覆層を備えてな
るボールでも，今量産に供し得るレベルとしては良い
が，さらに高精度が要求される。しかしながら，銅の場
合もしくは場合により切削の際変形抵抗が小さい為銅が
加工工具に触れながら加工する限り，安定した超高精度
な加工は困難である。さらに，実装後の変形も避け難い
という欠点も重大である。

【００２２】又さらに，加工と共にＰＫＧに実際に組み
こむ場合の，いずれにおいても，例えば方向性をもつ繊
維組織や，極部的に硬さや熱抵抗に偏りのある場合は，
均一で高精度なボールと成し難い。基本的にはある程度
以上の硬度がある方が望ましい。しかし，全体としての
硬度は充分あっても微視的にみれば軟らかい相が存在す
るものでも不適当である。

【００２３】ボール開発の難題が解決すれば，本発明の
目的とするＣ４法（フリップチップ接続）で超高精度の
ボールを有する半導体パッケージとなし得る為，解を得
たと言える。

【００２４】一方，プリント回路基板や半導体ウエハ等
の被検査基板の導通検査を行なうに際して確実に接触で
き，しかもバーンイン検査等の高温下での検査やファイ
ンピッチで形成された多数の電極を一括して検査する事
か出来る装置としてメンフラン型の検査装置は，いくつ
か考案されている。

【００２５】しかし，今後益々ファインピッチビッチ化
される高密度バッケージを検査するには，極めて小さい
ピッチ及び安定材料による変形，変質の不安のない装置
でなければならぬ事と，特に検出端の強度が充分ありし
かも熱的，電気的に所望の性能を有する必要がある。

【００２６】ここで，プローブ基板は，べリリアやタン
グステンが試作されていても，心臓部とも言える検出端
の構造及び材質に適当なものがない為，精度を保持でき
ないか，従来表記の５００ピン以上，２５０ＭＨｚとな
る高密度実装パッケージの検査用プロープとしてはその
パッケージの量産拡大を拘束するかもしれない程の解決
すべき課題となっていた。

【００２７】そこで，本発明の技術的課題は，高品質で
信頼性の高い複合タングステンボール半導体チップへの
電気接点として用いた半導体パッケージを提供すること
にある。

【００２８】また，本発明の技術的課題は，高品質で信
頼性の高いタングステンボール半導体チップへの電気接
点として用いたメンブレン型プローブ装置を提供するこ
とにある。

【００２９】さらに，本発明の他の技術的課題は，上記
信頼性の高い複合タングステンボールとその製造方法を
提供することにある。

【００３０】

【課題を解決するための手段】本発明者らは，ボールは
電気と共に熱の伝達も大切な役割となっており，硬度が
銅より充分高く熱伝導も，４２アロイ，ステンレススチ
ール等に比べ大きなモリブデン，タングステンに注目し
た。さらに又，元々の原料となる金属粉の状態で凝集状
態となり易いモリブデンよりタングステンが，後工程で
結果としてポアの生成が起こりにくく好ましい事が判っ
た。また，緻密なインゴットは欠かせない。以上の観点
から，本発明をなすに至ったものである。

【００３１】本発明によれば，半導体パッケージに用い
られる複合タングステンボールであって，直径が６０μ
ｍ以下であり等方性の組織を備え，且つ直径のバラツキ
が±２μｍ以内である精密研磨が施された球状のコア
と，表面に形成された半田被覆層とを備えていることを
特徴とする複合タングステンボールが得られる。

【００３２】また，本発明によれば，前記複合タングス
テンボールにおいて，前記複合タングステンボールの直
径のバラツキが±３μｍ以内であることを特徴とする複
合タングステンボールが得られる。

【００３３】また，本発明によれば，前記複合タングス
テンボールにおいて，前記半田被覆層は，ＰｂＳｎ，Ａ
ｇＳｎ，ＺｎＳｎ，ＣｕＳｎの内の少なくとも一種から
なることを特徴とする複合タングステンボールが得られ
る。

【００３４】また，本発明によれば，半導体素子を搭載
するパッケージのフリップチップ接続するパッケージに
おいて，直径が６０μｍ以下であり等方性を備え，且つ
直径のバラツキが±２μｍ以内である精密研磨が施され
た球状のコアと，表面に形成された半田被覆層とを備え
た複合タングステンボールを有することを特徴とする半
導体パッケージが得られる。

【００３５】ここで，本発明においては，前記球状コア
は，４０〜６０μｍの範囲が好ましく，また，４０〜５
０μｍの範囲が，半導体パッケージへの使用上より好ま
しく，実質的に複合タングステンボールが，４０〜５０
μｍであることが最も好ましい。

【００３６】また，本発明によれば，前記半導体パッケ
ージにおいて，前記球状のコアは直径が４０〜６０μｍ
の範囲であることを特徴とする半導体パッケージが得ら
れる。

【００３７】また，本発明によれば，前記半導体パッケ
ージにおいて，前記半田被覆層は，ＰｂＳｎ，ＡｇＳ
ｎ，ＺｎＳｎ，ＣｕＳｎの内の少なくとも一種からなる
ことを特徴とする半導体パッケージが得られる。

【００３８】また，本発明のタングステンボールは，メ
ンブレン型プローブ装置に誠に都合が良く，はんだめっ
きが不要である事以外，まさに同様の技術内容を以て解
決出来る。ここで，タングステンは従来より針状のプロ
ーバー（ピン）に用いられており，電気的，熱的に申し
分無い材料と言える。しかも，本発明により高精度の寸
法を有するボールが出来ており，ニッケルめっきを施せ
ば，そのまま銀ロー付けしてもはんだつけしても良い。
実用的には，バーンイン等の様な１００℃以上の温度下
での検査または被検査回路を汚染させる事もないので極
めて有望である。

【００３９】即ち，本発明によれば，メンブレン型プロ
ーブ装置において，接続のために，直径が６０μｍ以下
であり等方性の組織を備え，且つ直径のバラツキが±２
μｍ以内である精密研磨が施された球状のコアを，複数
個搭載してなることを特徴とするメンブレン型プローブ
装置が得られる。

【００４０】また，本発明によれば，前記メンブレン型
プローブ装置において，前記球状のコアは，ニッケルめ
っきを施した後，ロー付けによりプローブ基板に接合し
てなることを特徴とするしたメンブレン型プローブ装
置。

【００４１】メンブレン型プローブ装置において，接続
のために，直径が６０μｍ以下であり等方性の組織を備
え，且つ直径のバラツキが±２μｍ以内の球状のコア
と，表面に形成された半田被覆層とを備えている複合タ
ングステンボールを，複数個搭載してなることを特徴と
するメンブレン型プローブ装置が得られる。

【００４２】また，本発明によれば，前記メンブレン型
プローブ装置において，前記タングステンボールは，ニ
ッケルめっきを施した後，ロー付けによりプローブ基板
に接合してなることを特徴とするしたメンブレン型プロ
ーブ装置が得られる。

【００４３】また，本発明によれば，球状のコアの表面
に半田被覆層を形成する半導体パッケージに用いられる
複合タングステンボールを製造する方法において，前記
球状のコアを，タングステン棒から回転プラズマ電極法
により微粒状粒体を形成し，前記微粒状粒体を精密研磨
して，直径が６０μｍ以下であり等方性を備え且つ直径
のバラツキが±２μｍ以内に形成することを特徴とする
複合タングステンボールの製造方法が得られる。

【００４４】また，本発明によれば，球状のコアの表面
に半田被覆層を形成する半導体パッケージに用いられる
複合タングステンボールを製造する方法において，前記
球状のコアを，タングステン棒から回転プラズマ電極法
により微粒状粒体を形成し，前記微粒状粒体を精密研磨
して，直径が６０μｍ以下であり等方性を備え且つ直径
のバラツキが±２μｍ以内に形成することを特徴とする
複合タングステンボールの製造方法が得られる。具体的
に，本発明の複合タングステンボールの製造方法におい
ては，球状のコアを，タングステン棒から回転プラズマ
電極法により微粒状粒体を形成し，前記微粒状粒体を得
た後，放電加工により得られた±２μｍ以上の精度のあ
る孔を開けた篩を通過させ，所望の直径より大きいもの
しか含まない素球とする。ついで，上下に挟んだメタル
ボンドダイヤ砥石により，その砥石間隔を所望の精度に
保たれたマイクロボールラッピング装置により，研磨砥
粒を用いずに，精密研磨する。この発明の大切な鍵がこ
のマイクロボールラッピング装置である。

【００４５】

【発明の実施の形態】以下，本発明の実施の形態につい
て説明する。

【００４６】図１及び図２は本発明の実施の形態による
半導体パッケージの構造を示す断面図である。

【００４７】図１は，第１の例によるパッケージで，Ｆ
Ｃ／ＢＧＡ（フリップチップ・ボール・グリッド・アレ
イ）タイプと呼ばれるパッケージで，フリップチップで
ある半導体チップ１と実装基板２間との間のＣ４／ＤＣ
Ａジョイントとして，本発明の複合タングステンボール
１０が使用されている。これらの接合部分は，封止樹脂
３が充填されている。尚，基板の下方に設けられている
のは，ボール・グリッド・アレイ（ＢＧＡ）結合４であ
る。

【００４８】図２は，第１の例と類似した第２の例によ
る評価ボールグリッドアレイに用いられるパッケージ
で，ＴＥＧ（特性評価素子）チップである半導体チップ
１と，実装基板（インターポーザー）２との間に，本発
明の複合タングステンボール１０が使用されている。こ
れらの接合部分は，封止樹脂３が充填されている。尚，
基板の下方には，ボール・グリッド・アレイ（ＢＧＡ）
結合４のボールとして，共晶半田ボールＰｂ３７：Ｓｎ
６３（ｗｔ％）が設けられている。

【００４９】図３は本発明の実施の形態によるメンブレ
ン型プローブ装置を示す断面図である。図３を参照する
と，メンブレン型プローブ装置５は，プローブ基板６を
上下に貫通して設けられた複数の導体パターン７と，プ
ローブ基板６の導体パターン７の下端に半田もしくは銀
ロー等のロー付けによるロー付け部９を介して設けられ
たタングステンボール８とを備えている。このタングス
テンボール８は，後に述べるタングステンボールのコア
１１の表面にＮｉめっきを施し，且つ半田被覆層を形成
してない複合タングステンボール１０の内の球状のコア
１１及び下地めっき層１２からなるものである。ここ
で，ｈはプローブ端の長さ精度であり，これボールの直
径の精度とほぼ等しい。

【００５０】本発明の実施の形態による複合タングステ
ンボールを使用すれば，針状のいわゆるプローブピンの
様に位置合わせ時にパターンを損傷する恐れもない。

【００５１】しかもまた，従来の高密度実装パッケージ
用検査プローブ装置において，検出用の針の先端を丸く
加工出来ても針全体の長さの精度が得られ難い。

【００５２】しかし，本発明の実施の形態による高精度
のタングステンボールを接続用に搭載するメンブレン型
装置にすることで，高密度配線が施された配線回路に対
しても，その微小な接点部，パッド，導体部等の被接触
部に対して，多点同時に高い信頼性をもって確実に接触
出来，しかも被検査回路を汚染することもない試験検査
構造体が得られる。

【００５３】図４は本発明の実施の形態による複合タン
グステンボール１０の概略構成を示す断面図である。図
４に示すように，複合タングステンボール１０は，球状
のコア１１とその上に設けられた下地めっき層１２と，
表面に設けられた半田被覆層１３とを備えている。粒径
Ｄ１は，球状のコア１１の径を示し，粒径Ｄ２は複合タ
ングステンボール１０の直径を示す。

【００５４】図４の複合タングステンボールは，次のよ
うに製造されている。

【００５５】棒状に加工した直径６〜８ｍｍの外皮切削
後電解研磨したタングステンバーをプラズマ回転電極法
により溶解・球形化し（棒は２５０００ｒｐｍ以上，望
ましくは３００００ｒｐｍで回転させ，特別な高速スピ
ンドルを組み合わせて，高速度及び安定回転させ
る。），これを精密研磨により径をそろえつつ，偏芯も
同時に矯正し高精度な所望タングステンの球状のコアを
得る。

【００５６】図５は精密研磨装置の概略構成を示す正面
図，図６は図５の精密研磨装置の研磨部の構成を主に示
す図で，上砥石，下砥石，及び円筒堰の部分は断面端面
を示している。また，図７は，図６の上駆動板より上の
部分を取り除いた平面図である。図５を参照すると，精
密研磨装置２０は，下支持部材４０に支持された下駆動
部と下支持部材４０上に支持脚部４２を介して固定され
た上支持部材に支持された上駆動部とを備えている。下
駆動部には，下支持部材４０を貫通したこの下支持部材
４０に回転可能に支持された下駆動軸２７とこの下駆動
軸２７の下端部に設けられた下駆動用歯車２８とを備
え，また，下駆動軸２７の上端には，下駆動板２６が設
けられている。上支持部材４１には，上支持部材４１に
対して上下及び回転移動可能に設けられた上駆動軸２２
と，上駆動軸２２の上端に設けられた上駆動用歯車と，
上駆動軸２２の下端に，前記下駆動板２６に対向して設
けられたした上駆動板２５と，前記上支持部材４１と前
記上駆動板２５との間に設けられた押圧スプリング２４
とを備えている。この上駆動板２５と下駆動板２６との
間には，研磨部３０が設けられている。

【００５７】図６に示すように，研磨部３０は，上駆動
板２５に設けられた上基板３１と，この上基板３１上に
設けられた上砥石３２と，上砥石３２の上に設けられた
円筒堰３３とを備え，一方，下駆動板２６に設けられた
下基板３５と，この下基板３５上に設けられた上砥石３
４とを備えている。上駆動板２５には，下方に突出した
隙間ゲージ２９を備え，この隙間ゲージ２９は，挿入さ
れるボール３６が所望の直径以下にならない様に電気的
感知回路を有する。

【００５８】このように，互いに逆方向に回転する砥石
を備えた研磨部３０を，一定ので削り続けるための押圧
用スプリング２４で抑えつつラッピングする。所望の直
径以下にならない様に電気的感知回路を有するスキ間ゲ
ージ２９作動させると共に，先述の押圧用スプリング２
４を５００球あたり７〜１０グラムの力とし，過度の押
圧によるボールの回転不均−や停滞による太鼓形になる
ことを防ぐ。

【００５９】研磨部３０の詳細について述べる。粗研磨
は＃２０００ダイヤをメタルボンドした上砥石３２と下
砥石３４と，４０〜５０ミクロン狙いなら＃８０００，
５０〜６０ミクロンなら＃４０００のそれぞれを組み入
れた砥石を挟み研する仕上げ研磨板で構成させる２段階
で行う。円筒堰３３は，図７に示す通り円筒堰３３の中
心は回転基板の中心２１とは，その円筒堰の直径以上偏
心させて行う。円筒堰３３自体は，この堰３３の高さ即
ち所望直径寸法として設定させる。ボール３６を研磨部
３０から放逸させない為の円筒堰３３と同様にボール３
６の無い状態での共擦りにより標準状態を設定する。

【００６０】さきの，押圧用スプリング２４による押さ
えつけを保持させつつラッピングし，隙間ゲージ２９が
所望の値を検出した所で終了となる。このことで円筒堰
３３と同じ寸法になると，この円筒堰３３の中のボール
３６は全て最大径が，円筒堰３３と一致する。逆にまた
元々の堰より小さい素球は，存在しない訳で，結果とし
て全てのボールが所望の超精密直径を有するボールとな
った。また，直径に影響しない大きい欠陥は緻密なタン
グステンを用いて素球を作製しており工程全体としても
それぞれの意昧が作用している。

【００６１】面積で３０〜４０％の余裕率を残して，１
バッチ凡そ３千〜５千球処理した結果，５百球のランダ
ム抜き取りによる測定で最大５１．５μｍ，最小４８．
４μｍで，全ての球が±２μｍに入っていた。

【００６２】しかし，篩の不良率とわずか，だが上述砥
石の不均一な損耗により，このレベルの達成は厳しい管
理が必要である。このことを加昧すると量産での比較的
容易に得られる実態予想は，若干劣る±３μｍの精度と
なる。この精度でもパッケージの要求レベルにはＣ４法
にも供し得て，十分実用性がある。当然十分好ましくは
±２μｍ精度である。±３μｍの量産において，一度に
多くのタングステンボールを処理する場合や，±２μｍ
の精度を確実に満たす場合は，前述のメタルボンドの砥
石中の砥粒の比率（濃度）を市販の２倍以上にすること
と，ダイヤ砥粒間の目詰まりを防止するため，粘性の弱
い洗油等の媒体を適宜円筒堰に注入すれば良い。ダイヤ
粒子も鋭角綿が露出した状態で，タングステンと接触し
易くすることも重要である。

【００６３】次いで，フリップチップに接合する導電性
ボールとなす為に必要な被覆層の形成となる。基本的に
半導体素子（チップ）をフリッピングで組み立てるには
５×１０³ ｇｆ／μｍ² 以上の押圧が必要とされ，かつ
又この時のチップの平坦性を支配するボールは，ＰＧＫ
の信頼性から少なくとも直径の±５μｍのバラツキに制
御されている必要がある。今日的に必要とされているボ
ールの径は実質的に製造可能である必要性もあり，およ
そφ１００〜１２０μｍが限界である。ここで，従来の
ＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）のボール（およそφ３
５０〜７５０μｍ）での直径の±１０％のバラツキで
は，軟質ボールの変位による組立精度を期待するのは無
理がある。最近のＦＣ−ボールの径バラツキの許容幅は
径に対する一定比率での決め方は実質的でなく，例えば
チップのサイズ及び導電性接続部品としてのボール径の
所望レベルを考慮すべきである。本発明によれば従来な
し得なかったφ４０〜６０μｍの球において±２μｍの
超高精度を達する事ができる。

【００６４】又この事により被覆層を含むボールの径で
精度を決めなくて良い。加熱しながらフリッピングする
事で表面層のはんだはとけて変形し導電性通路としてだ
け働く事となり，ＰＫＧの精度はコアであるタングステ
ンの球に依る事となる。本発明の特長と言える。しかも
又組み立てる際のはんだは他部分へ流れてしまう程多く
ては困るものの，２〜３μｍの厚みでは基板又はチップ
へのはい廻り不足を生じる危険がある為５μｍ以上が必
要である。

【００６５】タングステンの表層は銅，金あるいはニッ
ケルの内の１種からなる下地ストライクめっきを施した
後，ホウフッ化浴での電気めっきにより実現される。特
に撹拌羽根による液の撹拌と，浴槽底部にもうけられた
振動発生器の両用により，タングステン球への荷電と，
均一めっき厚を達成させるためのボール浮遊化を実現し
た。もちろんこの浴槽は外側に冷却ジャケットを有し２
５〜２７℃を越えない様にして錫の酸化と，デンドライ
トの発生を防ぐ。

【００６６】厚膜はんだめっきが必須であり，不均一撹
拌の解消は電流密度の管理と同様大切である（めっきが
進行すると表面積が急増する）。

【００６７】このようにしたボールを有するフリプチッ
プ接続した半導体パッケージは，高速化に対応しかつイ
ンダクタンスの小さい高信頼性パッケージを供給する事
ができる様になった。所謂ＦＣ−ＣＳＰ（フリップチッ
プ−チップサイズパッケージ）に実用性のあるコーティ
ング（はんだめっき被覆）ボールが得られる。

【００６８】得られた複合タングステンボールは，図４
に示すように，真円度０．５μｍだった。直径Ｄ１の実
測値としては平均５０．０μｍ，最大５１．５μｍ，最
小４８．６μｍ，標準偏差０．７８３，（検査試料数ｎ
＝３００）であった。従来得られるφ１００μｍ程度の
球より十分小さく高精度であった。また，ころがり性も
良好であった。

【００６９】次に，本発明によるボールの製造の具体例
について説明する。

【００７０】（具体例）通常に製造された，２〜５μｍ
のＷ粉末から焼結，塑性加工を施してφ６〜１０ｍｍ程
度の棒状緻密加工体を得る。次いでこのタングステン棒
の先端を４５°傘状にしたものを円柱の芯を中心に３５
０００ｒｐｍ以上の回転を与えながら，プラズマをあ
て，タングステンを融解させながら，微粒状粒体として
所謂サイクロン状の不活性ガス容器内にて捕集する。

【００７１】タングステン棒の径と回転数等を制御して
ほぼ球状タングステンを得る。

【００７２】次いで篩により６４〜７５μｍの粒度分布
を持つものをとり出し，平行平面研磨機に装てんする。
平行研磨板のスキ間を５０μｍに正確に調整し，＃２０
００ダイヤ砥粒を介在させて，偏芯回転させながら研磨
調粒する。この時先に節分する時の下限の粒径は所望粒
径より少なくとも１０μｍは大きいサイズで行なう事
で，節分でのミススルーサイズ品の混入を避け，全体に
正確に５０μｍにした時全てのタングステンが５０μｍ
となり，この均粒球の粒径バラツキは平行平面板への押
圧（およそ数ｇ），研磨板の取りつけ部の目止めの徹
底，チャージ量（球の充てん量は平行研磨板の径により
特に過充てんはバラツク要因）等をコントロールするも
バラツキ自体は存在する。しかしながらこ方法は球の装
置というよりも加工・調粒からくるもので，ほぼ±２μ
ｍという超高精度にし得る。

【００７３】次に通常のバレル方式にて，Ｎｉ０．１〜
０．３μｍの下地めっきを施す。

【００７４】はんだは６．４ＰｂＳｎはんだ用の浴液を
用意。ホウ弗化浴にて電解めっきを行なった。しかしこ
こで注意すべきはタングステン球が充分よく浮遊化する
事と，電極によく接触し，よく離れる事である。浴液は
チラー装置につながるジャケット冷却部を保有しており
２５℃越えない様コントロールされる事と，撹拌により
浴液にコアが生じない様留意しなけばならない。約１０
分間めっきを行ない，およそ片側７〜８μｍのＰｂＳｎ
はんだめっきを有するボールを得た。

【００７５】実際に得られたボールはよく転がり組み立
てる上でも取り扱い易い。

【００７６】フリッピングでの変形・ワレに対する実証
として潰し試験を実施してある。６５〜７４μｍに調粒
したタングステン及び銅ボールを超硬で挟み圧縮破断試
験をした所，タングステンは５ｋｇｆ以上で若干変形す
るにとどまり，銅は５０ｇでも変形が開始した。球のＳ
ＥＭ写真により変形開始時の推定耐荷重はタングステン
が０．２２ｇｆ／μｍ² 銅が０．００２２ｇｆ／μ
ｍ² 。既述した一般のフリッピング時の押圧０．００５
ｇｆ／μｍ² では銅球は耐久が不足しており，タングス
テンは充分耐える事が判る。上記具体例においては，Ｐ
ｂＳｎ半田のみ用いたが，半田被覆層として，ＡｇＳ
ｎ，ＣｕＳｎのめっきについても，充分機能は得られ
る。

【００７７】

【発明の効果】以上説明したように，本発明によれば，
高品質で信頼性の高い複合タングステンボール半導体チ
ップへの電気接点として用いた半導体パッケージを提供
することができる。

【００７８】また，本発明によれば，上記信頼性の高い
複合タングステンボールとその製造方法を提供すること
ができる。

【００７９】また，本発明によれば，フリップチップボ
ールの主要な位置に複合タングステンボールを，即ち一
部のボールにのみ使用しても所望の電気的，熱的接合と
共にパッケージのコブラナリテイーを高レベルに保て実
用的に信頼性の高い半導体パッケージを提供することが
できる。

【００８０】さらに，本発明によれば，高精度のタング
ステンボールを接続用に搭載するにすることで，針状の
いわゆるプローブピンの様に位置合わせ時にパターンを
損傷する恐れもなく，高密度配線が施された配線回路に
対しても，その微小な接点部，パッド，導体部等の被接
触部に対して，多点同時に高い信頼性をもって確実に接
触出来，しかも被検査回路を汚染することもないメンブ
レン型プローブ装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態による半導体パッケージの
構造の一例を示す断面図である。

【図２】本発明の実施の形態による半導体パッケージの
構造の他の一例を示す断面図である。

【図３】本発明の実施の形態によるメンブレン型プロー
ブ装置を示す部分断面図である。

【図４】本発明の実施の形態による複合タングステンボ
ールの構成を概略的に示す断面図である。

【図５】本発明の実施の形態による精密研磨装置の概略
構成を示す正面図である。

【図６】図５の精密研磨装置の研磨部を主に示す図であ
る。

【図７】図６の研磨部の動作説明に供せられる図であ
り，上基板側から見た平面図である。

【図８】（ａ）乃至（ｆ）は，最近の技術によるフリッ
プチップ工法の種々の例の説明に供せられる図である。

【符号の説明】

１ 半導体チップ ２ 実装基板 ３ 封止樹脂 ４ ＢＧＡ結合 ５ メンブレン型プローブ装置 ６ プローブ基板 ７ 導体パターン ８ タングステンボールコア ９ ロー付け部 １０ 複合タングステンボール １１ コア １２ 下地めっき層 １３ 半田被覆層 ２０ 精密研磨装置 ２１ 中心 ２２ 上駆動軸 ２３ 上駆動用歯車 ２４ 押圧用スプリング ２５ 上駆動板 ２６ 下駆動板 ２７ 下駆動軸 ２８ 下駆動用歯車 ２９ 隙間ゲージ ３０ 研磨部 ３１ 上基板 ３２ 上砥石 ３３ 円筒堰 ３４ 下砥石 ３５ 下基板 ３６ ボール ３７ 上基板の回転方向 ３８ 下基板の回転方向 ３９ ２番目以降の堰用地 ４０ 下支持部材 ４１ 上支持部材 ４２ 支持脚部 ５１ 半導体チップ ５２ 基板 ５３ 電極 ５４ 半田 ５５ バンプ ５６ 金バンプ ５７ 電極パッド ５８ 樹脂 ５９ ＵＶ接着剤 ６１ 導電性ペースト ６２ 封止剤 ６３ 異方性導電鋼 ６４ 樹脂 ６５ ビアホール ６６ 半田バンプ

フロントページの続き (72)発明者 水上 正彦 富山県富山市岩瀬古志町２番地 東京タ ングステン株式会社富山製作所内 (72)発明者 土井 良彦 東京都台東区東上野五丁目24番８号 東 京タングステン株式会社内 (56)参考文献 特開 平８−153727（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−63788（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−293753（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−237129（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−20150（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−288271（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−199538（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−306956（ＪＰ，Ａ) 特開 平11−74311（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/60 H01L 21/66 H01L 23/12

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体パッケージに用いられる複合タン
   グステンボールであって，直径が６０μｍ以下であり等
   方性の組織を備え，且つ直径のバラツキが±２μｍ以内
   である精密研磨が施された球状のコアと，表面に形成さ
   れた半田被覆層とを備えていることを特徴とする複合タ
   ングステンボール。
2. 【請求項２】 請求項１記載の複合タングステンボール
   において，前記複合タングステンボールの直径のバラツ
   キが±３μｍ以内であることを特徴とする複合タングス
   テンボール。
3. 【請求項３】 請求項１記載の複合タングステンボール
   において，前記半田被覆層は，ＰｂＳｎ，ＡｇＳｎ，Ｚ
   ｎＳｎ，ＣｕＳｎの内の少なくとも一種からなることを
   特徴とする複合タングステンボール。
4. 【請求項４】 半導体素子を搭載するパッケージのフリ
   ップチップ接続するパッケージにおいて，直径が６０μ
   ｍ以下であり等方性を備え，且つ直径のバラツキが±２
   μｍ以内である精密研磨が施された球状のコアと，表面
   に形成された半田被覆層とを備えた複合タングステンボ
   ールを有することを特徴とする半導体パッケージ。
5. 【請求項５】 請求項４記載の半導体パッケージにおい
   て，前記球状のコアは直径が４０〜６０μｍの範囲であ
   ることを特徴とする半導体パッケージ。
6. 【請求項６】 請求項４記載の半導体パッケージにおい
   て，前記半田被覆層は，ＰｂＳｎ，ＡｇＳｎ，ＺｎＳ
   ｎ，ＣｕＳｎの内の少なくとも一種からなることを特徴
   とする半導体パッケージ。
7. 【請求項７】 メンブレン型プローブ装置において，接
   続のために，直径が６０μｍ以下であり等方性の組織を
   備え，且つ直径のバラツキが±２μｍ以内である精密研
   磨が施された球状のコアを，複数個搭載してなることを
   特徴とするメンブレン型プローブ装置。
8. 【請求項８】 請求項７記載のメンブレン型プローブ装
   置において，前記球状のコアは，ニッケルめっきを施し
   た後，ロー付けによりプローブ基板に接合してなること
   を特徴とするしたメンブレン型プローブ装置。
9. 【請求項９】 球状のコアの表面に半田被覆層を形成す
   る半導体パッケージに用いられる複合タングステンボー
   ルを製造する方法において，前記球状のコアを，タング
   ステン棒から回転プラズマ電極法により微粒状粒体を形
   成し，前記微粒状粒体を精密研磨して，直径が６０μｍ
   以下であり等方性を備え且つ直径のバラツキが±２μｍ
   以内に形成することを特徴とする複合タングステンボー
   ルの製造方法。