JP3556922B2

JP3556922B2 - バンプ形成方法

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Publication number: JP3556922B2
Application number: JP2001136299A
Authority: JP
Inventors: 誠樹作山
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2001-05-07
Filing date: 2001-05-07
Publication date: 2004-08-25
Anticipated expiration: 2021-05-07
Also published as: JP2002334895A; US20030036255A1; KR100733556B1; KR20020085752A; TW494038B; US6524943B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バンプの形成方法に関する。より具体的には、プリント配線板、ウエハ、セラミック基板などに設けられた電極上に、マスクとして樹脂膜を使用してバンプを形成する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、プリント配線板やセラミック基板への電子部品の実装に関しては、高密度化の要求が年々増しており、かかる要求を満たす方式としてベアチップ実装方式が注目されている。ベアチップ実装方式においては、チップと基板配線との電気的接続をワイヤボンディングを介して達成する従来のフェイスアップ実装に代わり、金属バンプを介して達成するフェイスダウン実装が広く採用される傾向にある。
【０００３】
金属バンプを介してフェイスダウン実装する、いわゆる金属バンプ法によると、電子部品間に低抵抗な接続を形成することが期待できる。しかしながら、金属バンプ法においては、多くの技術的事項が要求されている。例えば、電子部品の電極が微細なピッチで設けられている場合に、当該電極上に微細なピッチで正確に金属バンプを形成することが要求される。特に半導体素子の電極に対して金属バンプを形成する際には、この要求が強い。また、電子部品間の安定した接続信頼性を得るために金属バンプの高さを一定に精度よく確保すること、及び製造コストを低減することなども要求されている。
【０００４】
フェイスダウン実装を行うための金属バンプを形成する方法としては、従来、メッキ法や蒸着法等が採用されてきたが、これらによると、多大な設備投資が必要であり、バンプ高さや金属組成の制御が難しいなどの問題も有していた。そこで最近では、低コストに金属バンプを形成でき、且つ、金属組成の自由度が高い、メタルマスク印刷法や樹脂マスク充填法が採用されている。
【０００５】
メタルマスク印刷法により金属バンプを形成する一連の工程を図２の（ａ）〜（ｅ）に示す。メタルマスク印刷法においては、まず、（ａ）基板２０上の電極部２１に対応した位置に予め開口部２２ａが設けられたメタルマスク２２を用意する。（ｂ）当該メタルマスク２２の開口部２２ａと基板２０上の電極部２１とを位置合わせして、メタルマスク２２を基板２０に載置する。（ｃ）印刷法により、所定のハンダ粉末を含んだハンダペースト２３をメタルマスク２２の開口部２２ａに供給する。（ｄ）メタルマスク２２を基板２０の表面から取り外した後、（ｅ）加熱処理を行うことによってハンダペースト２３中のハンダ粉末を溶融し、これにより基板２０の電極部２１の上に略球形の金属バンプ２４が形成される。例えば、特開平７−３０２９７２号公報には、このようなメタルマスク印刷法による金属バンプ形成方法が開示されている。
【０００６】
樹脂マスク充填法により金属バンプを形成する一連の工程を図３の（ａ）〜（ｅ）に示す。樹脂マスク充填法においては、まず、（ａ）電極部３１が設けられた基板３０上に樹脂膜３２を形成する。（ｂ）エッチング処理により、樹脂膜３２に対して基板３０の電極部３１を露出させる開口部３２ａを設ける。（ｃ）当該樹脂マスク３２の開口部３２ａに所定のハンダ粉末を含むハンダペースト３３を充填する。（ｄ）加熱処理を行うことによってハンダペース３３中のハンダ粉末を溶融し、これにより基板３０の電極部３１の上に略球形の金属バンプ３４が形成される。（ｅ）最後に樹脂マスク３２を基板３０表面から除去する。
【０００７】
これらのうち、メタルマスク印刷法は、より微細なピッチでバンプを形成する際に、バンプの高さを制御することが困難となるという問題を有する。具体的には、メタルマスク２２の開口部２２ａを微細なピッチで形成すると、開口部２２ａにハンダペーストを供給した後にメタルマスク２２を取り外す際（図２（ｄ）の工程）、ハンダペースト２３が開口部２２ａに引っ掛かり、ハンダペースト２３の一部がメタルマスク２２と共に取り除かれてしまうのである。その結果、形成される金属バンプ２４の高さのバラつきが顕著となり、良好な電子部品実装を行うことが困難となってしまう。
【０００８】
これに対して、樹脂マスク充填法では、ハンダペースト３３を加熱溶融させた後に、図３（ｅ）に示すように、印刷マスクとしての樹脂膜３２を取り除くため、微細なピッチで設けられた電極３１に対しても、必要量のハンダペーストにより確実に金属バンプ３５を形成することができる。このように、樹脂マスク充填法は、メタルマスク印刷法よりも、近年の電子部品実装の高密度化に伴う金属バンプの微細ピッチ化の要求に適切に応える得るものであることが理解できよう。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の樹脂マスク充填法は、樹脂膜の除去に問題を有していた。具体的には、図３（ｄ）に示す工程において、ハンダペースト３３中のハンダ粉末を溶融する際、通常、ハンダ粉末を構成する金属の融点よりも３０〜５０℃高温で加熱されるのであるが、この加熱によって、樹脂膜の硬化反応が促進され、図３（ｅ）の工程で樹脂膜を除去する際、基板表面に樹脂膜の一部が残存してしまう場合があるのである。基板表面に樹脂膜が残存すると、良好な電子部品実装が阻害されてしまう。
【００１０】
そこで本発明は、このような従来の問題点を解決または軽減することを課題とし、樹脂膜を用いた金属バンプの形成において、樹脂膜の除去ないし剥離を良好に行うことがで、その結果、良好な電子部品実装をが可能となるバンプ形成方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明により提供されるバンプ形成方法は、電極部が設けられた基板表面に対して樹脂膜を形成する工程と、樹脂膜に対して、電極部が露出するように開口部を形成する工程と、固相線温度と液相線温度の間に固液共存の温度領域を有する組成の金属を含むバンプ形成材料を、開口部に充填する工程と、固相線温度以上であって、液相線温度未満に加熱する工程と、固相線温度未満に冷却する工程と、樹脂膜を除去した後、液相線温度以上に加熱する工程と、を含むことを特徴とする。ここで、合金の固相線温度とは、ある圧力下において、その温度未満では固体ないし固相の合金のみが存在する温度をいい、合金の液相線温度とは、ある圧力下において、その温度より高温では液体ないし液相の合金のみが存在する温度をいうものとする。そして、固相温度以上であって液相温度以下の温度では、固相と液相が共存する。
【００１２】
このような構成によると、基板表面からの樹脂膜の除去を、従来と比較して良好に行うことができる。具体的には、固相線温度と液相線温度の間に固液共存の温度領域を有する組成の合金を含むバンプ形成材料を所定の開口部に充填した後、固相線温度以上であって、液相線温度未満に加熱すると（以下、「１次加熱」という）、バンプ形成材料に含まれる合金の一部が固相から液相へと変化する。このとき、合金の液相同士は、その表面張力により、固相を巻き込んで一体化ないし凝集する傾向にある。その後、固相線温度未満に一旦冷却すると、液相に変化していた一部の合金が、一体化した状態で固相に変化し、当該バンプ形成材料全体が、電極部に対して概ね固定（以下、「仮固定」という）される。ただし、ここでいう冷却には放冷も含まれる。本発明では、このような状態で、マスクとして基板表面に形成されていた樹脂膜が除去可能となる。従来では、バンプ形成材料に含まれる金属を完全溶融させることによってバンプを電極部に固定し、その後、当該加熱工程（以下、「２次加熱」という）により硬化が不当に進行した樹脂膜を除去していた。これに対し本発明では、２次加熱よりも低温で行う１次加熱によりバンプ形成材料を電極部に仮固定し、その後、２次加熱を経る前に樹脂膜を除去するので、従来と比較して樹脂膜除去工程を容易に行うことができ、その結果、基板表面に樹脂膜が残存しない状態で、バンプを介して良好に電子部品を実装することが可能となるのである。
【００１３】
本発明における基板としては、例えば、シリコンウエハやガラス繊維強化エポキシ樹脂製の回路基板などを用いることができる。基板上には、例えば銅、ニッケル、金などにより構成される電極部が所定の箇所に複数設けられている。
【００１４】
基板上に形成されるマスクとしての樹脂膜には、例えば、アクリル系、エポキシ系、イミド系のいずれか又はこれらを組み合わせた感光性樹脂を用い、エッチングには、フォトリソグラフィ（露光・現像法）を使用するのが好ましい。ただし、本発明の樹脂膜としては、非感光性の樹脂を用いることもでき、その場合、エッチングには、レーザなどを使用する。樹脂膜の形態としては、フィルム状であっても液状であってもよい。また、微細なピッチで設けられた電極部上に高いバンプを形成するという観点から、樹脂膜の膜厚は、３０〜１５０μ m であることが好ましい。
【００１５】
樹脂膜の剥離には、水酸化ナトリウム水溶液などのような強アルカリの剥離液、モノエタノールアミン水溶液や水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液などの有機アルカリ剥離液、及び、これらに所定の添加剤を加えたものを用いることができる。添加剤は、剥離される樹脂膜を細片に破壊して、剥離残りを防止する作用を示すものが好ましい。
【００１６】
金属バンプ形成用のバンプ形成材料は、好ましくは、粉末化した金属を、フラックスを混合してペースト状としたものである。フラックスとしては、ロジン樹脂、チクソ剤、活性剤、溶剤等を混練したものを用いることができる。
【００１７】
本発明において、バンプ形成材料に含まれる合金としては、Ｓｎ、Ｐｂ、Ａｇ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｚｎ等から選択された１又は２以上の種類を組合せた組成を用いることができる。具体的には、例えば、Ｓｂ−Ｓｎ合金、Ｓｎ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ｉｎ合金、Ｓｎ−Ｐｂ合金、Ｓｎ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ｚｎ合金、Ｓｎ−Ｐｂ−Ｓｂ合金が挙げられる。更に具体的には、５％Ｓｎ−９５％Ｐｂ合金、４３％Ｓｎ−５７％Ｂｉ合金、４８％Ｓｎ−５２％Ｉｎ合金が挙げられる。
【００１８】
ロジンは、主としてハンダペーストの粘着性を増進するためのものであり、重合ロジン、水素添加ロジン、エステル化ロジン等を用いることができる。
【００１９】
チクソ剤は、主としてハンダペーストに対して形態保持性を付与するものであり、硬化ひまし油、ステアリン酸アミド等を用いることができる。
【００２０】
活性剤は、加熱処理時においてハンダ粉末表面及び電極部表面に形成される酸化膜等を除去することにより、ハンダ粉末表面及び電極部表面を清浄化して電極部に対するハンダの濡れ性を向上させ、良好な金属バンプの形成に寄与するものである。活性剤としては、有機酸及び／又は有機アミンを用いることができる。例えば、セバシン酸、コハク酸、アジピン酸、グルタル酸、トリエタノールアミン、モノエタノールアミン等から選択された１又は２以上の有機酸及び／又は有機アミンを使用することができる。
【００２１】
溶剤は、可溶成分を溶かし込み、フラックスビヒクルをペースト状とするためのものである。溶剤としては、ハンダの組成によって変化するハンダの融点に応じて、融点付近あるいはそのような温度以上の沸点を有する１又は２以上の溶剤を組み合わせて使用する。例えば、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ｎ−ブチルフェニルエーテル、２−メチル−２，４−ペンタンジオール、ジエチレングリコールモノブチルエーテルなどの高級アルコールやグリコールエーテル系の溶剤から１又は２以上を選択して使用することができる。
【００２２】
上述のハンダペーストを充填するために樹脂膜に形成される開口部は、好ましくは、対応する電極部の面積の２５倍以下の開口面積で形成される。ハンダペーストの溶融の際に、電極上にハンダ成分が寄り集まらないという事態を回避して、球形状の良好なバンプを形成するためである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施の形態について、図１（ａ）〜（ｇ）を参照しつつ、具体的に説明する。
【００２４】
まず、図１（ａ）に示すように、バンプを形成する対象となる基板１０を用意する。基板１０の表面には、予め、複数の電極部１１が所定のピッチで設けられている。また、基板１０の表面には、電極部１１に導通した配線部（図示せず）が形成されている。
【００２５】
このような基板１０に対して、図１（ｂ）に示すように、各電極部１１を覆うようにフィルム状の感光性樹脂膜１２を載置して圧着する。樹脂膜１２は、液状樹脂をスピンコートにより基板１０の表面に塗布し、それを熱硬化することにより形成してもよい。
【００２６】
次いで、図１（ｃ）に示すように、樹脂膜１２の各電極部１１に対応する箇所に対して、所定のフォトマスク（図示せず）を介しての露光処理、及び、その後の現像処理を施すことにより、各電極部１１が露出するように開口部１２ａを形成する。
【００２７】
次いで、図１（ｄ）に示すように、開口部１２ａにハンダペースト１３を充填する。ハンダペースト１３の充填に際しては、樹脂膜１２の上面に余分なハンダペーストが多量に残存しないようにすることが望ましく、そのためには、例えば、スキージを用いて樹脂膜１２の上面に塗着している余分なハンダペーストを掻き取る作業を行えばよい。本実施形態では、ハンダペースト１３には、単一種類の合金が含まれている。この合金は粉末状であって、固相線温度と液相線温度の間に固液共存の温度領域を有する組成で構成されている。
【００２８】
次いで、図１（ｅ）に示す１次加熱工程において、ハンダペースト１３に含まれている合金の固相線温度と液相線温度の中間の温度にまで加熱し、その加熱状態を所定時間維持する。ハンダペースト１３に含まれる合金の固相線温度と液相線温度の中間の温度では、当該合金は、一部が固相から液相へと変化し、他の一部が固相状態をとり、固相と液相とによる平衡状態にある。また、合金以外のロジン樹脂等の成分の大半がハンダペースト１３から揮発消失する。すると、図１（ｅ）に示すように、液相に変化した合金や僅かに残存するロジン樹脂等の表面張力によって、開口部１２ａに残ったハンダペースト材料は略球形に寄り集まる。その後、固相線温度未満に一旦冷却すると、液相に変化していた一部の合金が、一体化した状態で固相に変化し、当該ハンダペースト材料全体が電極部に対して仮固定される。すなわち、１次加熱によって溶解していないという熱履歴を有する合金成分を内包した未完成のバンプ１４が電極部１１上に形成されることとなる。
【００２９】
未完成バンプ１４を形成した後、図１（ｆ）に示すように、樹脂膜１２を基板１０の表面から除去ないし剥離する。剥離液は、用いた樹脂膜１２を除去するための適切な溶剤を選択する。このとき、樹脂膜１２は、合金成分を完全に溶融するための２次加熱工程を経ていないため、穏やかな条件で容易に除去できる。
【００３０】
次に、図１（ｇ）に示す２次加熱工程において、合金の液相線温度以上に加熱し、その加熱状態を所定時間維持する。これにより、１次加熱工程で一度融解した合金成分も、１次加熱工程で融解していない合金成分も、全て融解する。これを冷却すると、合金成分が全て融解した完全なバンプ１４’が基板１０の電極部１１上に形成されることとなる。
【００３１】
【実施例】
次に、本発明の実施例について説明する。
【００３２】
【実施例１】
＜ハンダペーストの調製＞
合金としての５０％Ｓｎ−５０％Ｐｂの組成のハンダ（固相線温度：１８３℃、液相線温度：２３８℃）を平均粒径２０μｍに粉末化し、これを体積比１：１でフラックスと混ぜてハンダペーストを調製した。フラックスは、ロジン樹脂としてのポリペール５０％、溶剤としのジエチレングリコールモノブチルエーテル２０％および２−メチル−２，４−ペンタンジオール２０％、活性剤としてのセバシン酸８％、チクソ剤としての硬化ひまし油２％（いずれも体積百分率）を予め混錬したものを用いた。
【００３３】
＜バンプの形成＞
電極部が３０万個（電極径：７０μｍ、ピッチ：１５０μｍ）設けられたウエハに、５０μｍ厚のフィルム状のアクリル系感光性樹脂膜（商品名：ＮＩＴ−２５０、ニチゴー・モートン社製）を熱圧着（１００℃、圧力３．５ｋｇ／ｍｍ 2 ）した。次いで、ガラスマスクを用いて、電極部に対応した箇所を露光し、その後、１．０％炭酸ナトリウム水溶液でエッチング現像することによって、電極部に対応する箇所に直径１３０μｍの開口部を形成した。次いで、上述のハンダペーストを樹脂膜上に塗布し、これをウレタンスキージを用いて印刷法により開口部に充填した。次いで、５０％Ｓｎ−５０％Ｐｂハンダの固相線温度よりも高温である２２０℃で１分間、１次加熱することによって、ハンダを概ね一体化させた。次いでこれを冷却し、未完全バンプとして電極部に仮固定した。そして、１０％モノエタノールアミン水溶液中に浸漬し、樹脂膜を取り除いた。その後、電極部に仮固定されているハンダに対してフラックス（商品名：Ｒ５００３、アルファメタルズ社製）を塗布し、５０％Ｓｎ−５０％Ｐｂハンダの液相線温度よりも高温である２７５℃で２分間、２次加熱することによってハンダを完全に溶融一体化させた。これを冷却し、完全なバンプを電極部上に形成した。
【００３４】
＜結果＞
本実施例においては、１次加熱後の樹脂膜の剥離は良好に行うことができた。また、形成したバンプの高さは、８０μｍ±３μｍであり、高さのバラつきの少ない高精度なバンプを形成することができた。実施例１について、合金組成、固相線温度、液相線温度、１次加熱温度、および２次加熱温度を、表１に掲げる。以下、実施例２〜５についても同様である。
【００３５】
【実施例２】
合金としての２０％Ｓｎ−８０％Ｐｂの組成のハンダ（固相線温度：１８３℃、液相線温度：２７７℃）を用いて、実施例１と同様に、ハンダペーストを調製した。そして、このハンダペーストを用いて、実施例１と同様の方法により、バンプを形成した。ただし、１次加熱温度は２４０℃とし、２次加熱温度は３２０℃とした。その結果、１次加熱後の樹脂膜の剥離は良好に行うことができた。また、形成したバンプの高さは、８０μｍ±３μｍであり、高さのバラつきの少ない高精度なバンプを形成することができた。
【００３６】
【実施例３】
合金としての１０％Ｓｎ−９０％Ｐｂの組成のハンダ（固相線温度：２７５℃、液相線温度：３００℃）を用いて、実施例１と同様に、ハンダペーストを調製した。そして、このハンダペーストを用いて、実施例１と同様の方法により、バンプを形成した。ただし、１次加熱温度は２８５℃とし、２次加熱温度は３４０℃とした。その結果、１次加熱後の樹脂膜の剥離は良好に行うことができた。また、形成したバンプの高さは、８０μｍ±３μｍであり、高さのバラつきの少ない高精度なバンプを形成することができた。
【００３７】
【実施例４】
合金としての９２％Ｓｎ−８％Ｓｂの組成のハンダ（固相線温度：２３８℃、液相線温度：２５１℃）を用いて、実施例１と同様に、ハンダペーストを調製した。そして、このハンダペーストを用いて、実施例１と同様の方法により、バンプを形成した。ただし、１次加熱温度は２４０℃とし、２次加熱温度は２８０℃とした。その結果、１次加熱後の樹脂膜の剥離は良好に行うことができた。また、形成したバンプの高さは、８０μｍ±３μｍであり、高さのバラつきの少ない高精度なバンプを形成することができた。
【００３８】
【実施例５】
合金としての１０％Ｓｎ−８５％Ｐｂ−５％Ｓｂの組成のハンダ（固相線温度：２３９℃、液相線温度：２７７℃）を用いて、実施例１と同様に、ハンダペーストを調製した。そして、このハンダペーストを用いて、実施例１と同様の方法により、バンプを形成した。ただし、１次加熱温度は２６０℃とし、２次加熱温度は３００℃とした。その結果、１次加熱後の樹脂膜の剥離は良好に行うことができた。また、形成したバンプの高さは、８０μｍ±３μｍであり、高さのバラつきの少ない高精度なバンプを形成することができた。
【００３９】
【表１】

【００４０】
【発明の効果】
本発明によると、マスクとして樹脂膜を用いたバンプ形成方法において、樹脂膜の硬化を抑制し、樹脂膜を基板表面から容易に除去ないし剥離することができる。その結果、形成されたバンプを介して良好な電子部品実装が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るバンプ形成方法の一連の工程を表す断面図である。
【図２】従来のメタルマスク印刷法の一連の工程を表す断面図である。
【図３】従来の樹脂膜充填法の一連の工程を表す断面図である。
【符号の説明】
１０，２０，３０基板
１１，２１，３１電極部
１２，３２樹脂膜
２２メタルマスク
１２ａ，２２ａ，３２ａ開口部
１３，２３，３３ハンダペースト
１４’，２４，３４バンプ

Claims

電極部が設けられた基板表面に対して樹脂膜を形成する工程と、
前記樹脂膜に対して、前記電極部が露出するように開口部を形成する工程と、
固相線温度と液相線温度の間に固液共存の温度領域を有する組成の金属を含むバンプ形成材料を、前記開口部に充填する工程と、
前記固相線温度以上であって、前記液相線温度未満に加熱する工程と、
前記固相線温度未満に冷却する工程と、
前記樹脂膜を除去した後、前記液相線温度以上に加熱する工程と、を含むことを特徴とする、バンプ形成方法。