JP4276550B2 - はんだ供給方法並びにこれを用いたはんだバンプの形成方法及び装置 - Google Patents

はんだ供給方法並びにこれを用いたはんだバンプの形成方法及び装置 Download PDF

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Description

本発明は、例えば半導体基板やインターポーザ基板の上に半球状のはんだバンプを形成してFC(flip chip)やBGA(ball grid array)を製造する際に用いられるはんだ供給方法、並びにこれを用いたはんだバンプの形成方法及び装置に関する。
近年、電子機器の小型化及び薄型化に伴い、電子部品の高密度実装技術が急速に進展している。この高密度実装を実現する半導体装置として、半球状のはんだバンプを有するFCやBGAが使われている。
パッド電極上にはんだバンプを形成する方法としては、溶融はんだにパッド電極を接触させる方法(溶融はんだ法)、パッド電極上にはんだペーストをスクリーン印刷してリフローする方法(スクリーン印刷法)、パッド電極上にはんだボールを載置してリフローする方法(はんだボール法)、パッド電極にはんだメッキを施す方法(メッキ法)等が一般的である。これら以外にも、例えば特許文献1に記載されたはんだバンプの形成方法が知られている。
図7に基いて、特許文献1に記載された形成方法を説明する。
この形成方法では、まず、はんだの融点以上に加熱された溶液80中にウエハ82を浸漬する。ウエハ82は、その銅電極81を下に向けてセットする。また、噴出装置90をウエハ82より下方に配置し、そのノズル91を上に向けてセットする。
ここで、加熱槽85内の溶融はんだ83と溶液80とは、はんだの融点よりやや高い温度、例えば200℃に温度制御される。
はんだ微粒化装置87は、溶融はんだ83と溶液80を液体導入管88から吸引し、これら2液を混合攪拌して溶融はんだ83を破砕し、微粒子化されたはんだ微粒子84を形成する。そして、はんだ微粒化装置87は、はんだ微粒子84を含んだ溶液80を混合液導出管89から噴出装置90に液送する。噴出装置90は、溶液80にはんだ微粒子84をノズル91からウエハ82の銅電極81に向けて上方へ噴射する。これにより、はんだ微粒子84はウエハ82の銅電極81に接触する。
溶液80中のはんだ微粒子84は、その表面が溶液80で被覆された状態となっているので、外気と接触することがない。このため、はんだ微粒子84の表面は、金属表面を保ち、活性状態にある。
溶液80中のはんだ微粒子84は、浸漬されたウエハ82の表面に接触すると、銅電極81との間にはんだ合金層を形成して銅電極81表面に付着することにより、銅電極81表面に溶融したはんだ皮膜(図示せず)が形成される。ノズル91から噴出されるはんだ微粒子84は、前記はんだ皮膜に吸着して、前記はんだ皮膜の膜厚が厚くなり、半球状のはんだバンプが形成される。
一方、銅電極81上に付着しなかったはんだ微粒子84は、溶液80との比重差により徐々に下降し、加熱槽85の底部に堆積する。そして、加熱槽85の底部に回収されたはんだ微粒子は、再利用される。
特公平7−114205号公報(第1図等)
しかしながら、図7に示したはんだバンプの形成方法は、はんだ微粒子84をノズル91から上向きに噴射するため、はんだ微粒子84の供給軌跡が漏斗状に拡散されたものとなる。そして、はんだ微粒子84は、溶液80内にて噴射されることから、噴射されたはんだ微粒子84は、ウエハ82の銅電極8に均一に接触しない場合がある。このことは、ウエ82内におけるはんだバンプの形成位置によって形成されるはんだバンプのサイズが不均一になることを意味する。そのため、はんだバンプの形成方法としては、不適切なものとなる。
これに代えて、溶融はんだ法を用いることも可能である。しかしながら、前記溶融はんだ法は、パッド電極のファインピッチ化に適するという特徴があるものの、はんだバンプのはんだ量が少なく、かつ、そのバラツキも大きいという欠点がある。また、スクリーン印刷法は、一括で容易にはんだバンプを形成することができるという特徴があるものの、ファインピッチのマスクを使用すると、目詰まりやはんだ量の不均一が発生しやすいので、ファインピッチ化に適さないという欠点がある。また、はんだボール法は、近年の傾向として一つの半導体装置に使われるはんだボールの数が極めて多くなり、しかもはんだボールの大きさも極めて小さくなっていることから、製造コストが高くつくという欠点がある。メッキ法は、近年普及しつつある鉛フリーはんだに対して適当なメッキ液がないという欠点がある。
そこで、本発明の目的は、基板内の異なる位置に供給されるはんだ微粒子の供給量を均一にするはんだ供給方法、並びにこれを用いたはんだバンプの形成方法及び装置を提供することにある。
前記目的を達成するため、本発明に係るはんだ供給方法は、はんだの融点以上に加熱された液体中に、金属膜を表面に有する基板を浸漬し、かつ、前記基板の金属膜を上向きにして前記基板を前記液体中にセットするセット工程と、前記液体中に浸漬した前記基板の上方位置に粒子密度が均一なはんだ微粒子群を形成するはんだ微粒子群形成工程と、前記はんだ微粒子群のはんだ微粒子を沈降させて、当該はんだ微粒子を前記基板の金属膜上に接触・堆積する堆積工程と、を有することを特徴とするものである。
本発明においては、はんだの融点以上に加熱された液体中に、金属膜を表面に有する基板を浸漬し、かつ、前記基板の金属膜を上向きにして前記基板を前記液体中にセットする。
次に、前記液体中に浸漬した前記基板の上方位置に粒子密度が均一なはんだ微粒子群を形成する。そして、はんだ微粒子群のはんだ微粒子を沈降させて、当該はんだ微粒子を前記基板の金属膜上に接触・堆積する。
本発明によれば、液体中に粒子密度が均一なはんだ微粒子群を形成し、このはんだ微粒子群のはんだ微粒子を基板の金属膜上に沈降させるため、金属膜上におけるはんだ微粒子の粒子密度を均一にすることができる。
また、本発明において、前記はんだ微粒子群形成工程は、予めプレートの板面にはんだ微粒子の粒子密度を均一にしたはんだ微粒子群を形成しておき、当該プレートのはんだ微粒子群を液体中に浸漬して基板の上方位置にセットし、液体の熱により前記はんだ微粒子群を前記プレートから剥離する処理を行うものである。また、基板に接近させた高さ位置において前記はんだ微粒子群を前記プレートから剥離することが望ましいものである。
この構成によれば、金属膜に対するはんだ微粒子群の高さ位置を極めて低くすることができ、はんだ微粒子の沈降過程において外力の影響を極力小さく抑えることができる。このことは、金属膜上でのはんだ微粒子の粒子密度を向上させることに役に立つものである。
前記プレートを、はんだ微粒子の粒径より小径で上下面に開口する貫通孔を含む多孔質材から形成することが望ましいものである。
はんだ微粒子群が消費された後に、プレートを交換する必要があるが、このようにプレートを多孔質材にて形成することにより、交換の際にプレートを引き上げることにより液体に液流が発生させることを抑制することができ、金属膜からはんだ微粒子を引き離す外力を極力抑えることができる。
また、本発明に係るはんだ供給方法を利用することにより、金属膜上にはんだバンプ(はんだコーティング膜を含む。)を形成することが可能となる。すなわち、本発明に係るはんだバンプの形成方法は、はんだの融点以上に加熱された液体中に、金属膜を表面に有する基板を浸漬し、かつ、前記基板の金属膜を上向きにして前記基板を前記液体中にセットするセット工程と、前記液体中に浸漬した前記基板の上方位置に粒子密度が均一なはんだ微粒子群を形成するはんだ微粒子群形成工程と、前記はんだ微粒子群のはんだ微粒子を沈降させて、当該はんだ微粒子を前記基板の金属膜上に接触・堆積する堆積工程と、前記はんだ微粒子と前記基板の金属膜との界面に金属合金層が形成される期間を確保する皮膜形成工程とを有することを特徴とするものである。
本発明において、先ず、はんだの融点以上に加熱された液体中に、金属膜を表面に有する基板を浸漬し、かつ、前記基板の金属膜を上向きにして前記基板を前記液体中にセットする。次に、前記液体中に浸漬した前記基板の上方位置に粒子密度が均一なはんだ微粒子群を形成する。そして、前記はんだ微粒子群のはんだ微粒子を沈降させて、当該はんだ微粒子を前記基板の金属膜上に接触・堆積する。前記はんだ微粒子と前記基板の金属膜との界面に金属合金層が形成される期間を確保し、当該金属合金層を皮膜形成する。
本発明によれば、液体中に微粒子密度が均一なはんだ微粒子群を形成し、このはんだ微粒子群のはんだ微粒子を基板の金属膜上に沈降させるため、金属膜上におけるはんだ微粒子の粒子密度を均一にすることができ、したがって、金属膜上に形成されるはんだバンプを十分なはんだ量をもって形成することができる。
また、本発明において、前記皮膜形成工程の過程中に、前記はんだ微粒子と前記基板の金属膜との界面に金属合金層が形成され、かつはんだ微粒子同士が結合することにより、隆起したはんだバンプが形成されることが望ましいものである。
この構成によれば、金属膜上にはんだ微粒子を粒子密度を均一にして堆積することができ、かつ、前記はんだ微粒子と前記基板の金属膜との界面に金属合金層を十分なはんだ量をもって形成することができる。これにより、前記はんだ微粒子と前記基板の金属膜との界面を金属合金層により、確実に結合することができる。
また、前記基板の隣接する金属膜の相互間を隔離し、金属膜上におけるはんだ微粒子の結合を促進する。
金属膜間の部分に沈降したはんだ微粒子は、その下方に金属膜が存在しておらず、隣接する金属膜上のはんだ微粒子に接触すると、その表面張力により金属膜上のはんだ微粒子に吸引(引張られる)され、はんだ微粒子の粒が拡大成長され、十分なはんだ量をもつはんだバンプを得ることができることとなる。
上述したはんだ微粒子の表面張力に着目すると、前記金属膜相互を接近させることにより、ファインピッチのはんだバンプを形成することが可能となるものである。
このように、はんだ微粒子の表面張力を積極的に利用することにより、金属膜間のピッチが狭くても、十分なはんだ量をもってファインピッチのはんだバンプを容易に形成することができる。
また、前記はんだ微粒子群形成工程は、予めプレートの板面にはんだ微粒子の粒子密度を均一にしたはんだ微粒子群を形成しておき、当該プレートのはんだ微粒子群を液体中に浸漬して基板の上方位置にセットし、液体の熱により前記はんだ微粒子群を前記プレートから剥離する処理を行うものである。また、基板に接近させた高さ位置において前記はんだ微粒子群を前記プレートから剥離することが望ましいものである。
この構成によれば、金属膜に対するはんだ微粒子群の高さ位置を極めて低くすることができ、はんだ微粒子の沈降過程において外力の影響を極力小さく抑えることができる。このことは、金属膜上でのはんだ微粒子の粒子密度を向上させることに役に立つものである。前記プレートを、はんだ微粒子の粒径より小径で上下面に開口する貫通孔を含む多孔質材から形成することが望ましいものである。
また、前記液体には、フラックスを含むことが望ましいものである。また、前記液体が、はんだ微粒子及び金属膜の表面の酸化物を除去する還元作用を有することが望ましいものである。
このような構成によれば、液体中にはんだ微粒子を沈降させても、はんだ微粒子に悪影響を与えることを回避することができる。
また、前記はんだ微粒子の粒径を、隣接する金属膜相互の最短距離よりも小さく設定したことが望ましいものである。これにより、はんだ微粒子の表面張力を利用して必要なはんだ量を確保することができる。
本発明に係るはんだバンプの形成方法を実施するためのはんだバンプ形成装置は、液体槽内に充填してはんだの融点以上に加熱された液体中に、金属膜を表面に有する基板を、前記金属膜を上向きにしてセットするセット手段と、前記液体中に浸漬した前記基板の上方位置に粒子密度が均一なはんだ微粒子群を形成するはんだ微粒子群形成手段と、前記はんだ微粒子群のはんだ微粒子を沈降させて、当該はんだ微粒子を前記基板の金属膜上に接触・堆積させる堆積手段と、を有し、前記プレート上に前記基板をセットしている期間に、前記はんだ微粒子と前記基板の金属膜との界面に金属合金層が形成される期間を含めたことを特徴とするものである。
本発明において、先ず、セット手段を用いて、はんだの融点以上に加熱された液体中に、金属膜を表面に有する基板を浸漬し、かつ、前記基板の金属膜を上向きにして前記基板を前記液体中にセットする。次に、はんだ微粒子形成手段を用いて、前記液体中に浸漬した前記基板の上方位置に粒子密度が均一なはんだ微粒子群を形成する。そして、堆積手段を用いて、前記はんだ微粒子群のはんだ微粒子を沈降させて、当該はんだ微粒子を前記基板の金属膜上に接触・堆積する。前記はんだ微粒子と前記基板の金属膜との界面に金属合金層が形成される期間を確保し、当該金属合金膜を皮膜形成する。
本発明によれば、液体中に粒子密度が均一なはんだ微粒子群を形成し、このはんだ微粒子群のはんだ微粒子を基板の金属膜上に沈降させるため、金属膜上におけるはんだ微粒子の粒子密度を均一にすることができ、したがって、金属膜上に形成されるはんだバンプを十分なはんだ量をもって形成することができる。
また、本発明において、前記皮膜形成工程の過程中に、前記はんだ微粒子と前記基板の金属膜との界面に金属合金層が形成され、かつはんだ微粒子同士が結合することにより、隆起したはんだバンプが形成されることが望ましいものである。
この構成によれば、金属膜上にはんだ微粒子を粒子密度を均一にして堆積することができ、かつ、前記はんだ微粒子と前記基板の金属膜との界面に金属合金群を十分なはんだ量をもって形成することができる。これにより、前記はんだ微粒子と前記基板の金属膜との界面を金属合金層により、確実に結合することができる。
また、前記基板の隣接する金属膜の相互間を隔離し、金属膜上におけるはんだ微粒子の結合を促進させたことが望ましいものである。また、前記金属膜相互を接近させることにより、ファインピッチのはんだバンプを形成させている。
また、前記はんだ微粒子群形成手段は、予めプレートの板面にはんだ微粒子の粒子密度を均一にしたはんだ微粒子群を形成しておき、当該プレートのはんだ微粒子群を液体中に浸漬して基板の上方位置にセットし、液体の熱により前記はんだ微粒子群を前記プレートから剥離する処理を行うものである。
この構成によれば、金属膜に対するはんだ微粒子群の高さ位置を極めて低くすることができ、はんだ微粒子の沈降過程において外力の影響を極力小さく抑えることができる。このことは、金属膜上でのはんだ微粒子の粒子密度を向上させることに役に立つものである。前記プレートを、はんだ微粒子の粒径より小径で上下面に開口する貫通孔を含む多孔質材から形成することが望ましいものである。
また、前記はんだ微粒子群形成手段は、前記プレートを下方に移動させて前記液体中に浸漬させることにより、基板に接近させた高さ位置にプレートをセットし、また、前記プレートを基板に対して上方に移動させて液体中から引き上げる処理を行うことにより、プレートの交換を行うことが望ましいものである。この場合、前記プレートを、はんだ微粒子の粒径より小径で上下面に開口する貫通孔を含む多孔質材から形成することが望ましいものである。
この構成によれば、金属膜とはんだ微粒子群との距離を極めて接近させてはんだ微粒子群を形成することができる。したがって、少ない液体を用いてはんだ微粒子を十分に沈降させることができる。これにより、液体の使用量を極力抑えることができるばかりでなく、装置の上下方向への高さ寸法を抑えることができる。
本発明によれば、基板の金属膜に向けてはんだ微粒子を粒子密度を均一に維持しながら供給することができ、基板の金属幕に供給されるはんだ量を均一に保つことができる。しかも、基板の金属膜とはんだ微粒子との接触時間を金属合金層が形成されるために必要な時間に確保することができ、金属膜上に正規のはんだ量をもつはんだバンプを形成することができる。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
図1及び図2に示すように、本発明に係るはんだ供給方法は基本的構成として、はんだの融点以上に加熱された液体(13)中に、金属膜(22)を表面(21)に有する基板(20)を浸漬し、かつ、前記基板(20)の金属膜(22)を上向きにして前記基板(20)を前記液体(13)中にセットするセット工程と、前記液体(13)中に浸漬した前記基板(20)の上方位置に粒子密度が均一なはんだ微粒子群(14)を形成するはんだ微粒子群形成工程と、前記はんだ微粒子群(14)のはんだ微粒子(14a)を沈降させて、当該はんだ微粒子(14a)を前記基板(20)の金属膜(22)上に接触・堆積する堆積工程と、を有することを特徴とするものである。
本発明のはんだ供給方法においては、はんだの融点以上に加熱された液体(13)中に、金属膜(22)を表面(21)に有する基板(20)を浸漬し、かつ、前記基板(20)の金属膜(22)を上向きにして前記基板(20)を前記液体(13)中にセットする(図1(a)、図2(a))。
次に、前記液体(13)中に浸漬した前記基板(20)の上方位置に粒子密度が均一なはんだ微粒子群(14)を形成する(図1(b)(c))。そして、はんだ微粒子群(14)のはんだ微粒子(14a)を沈降させて、当該はんだ微粒子(14a)を前記基板(20)の金属膜(22)上に接触・堆積する(図1(d)(e)、図2(b))。
また、本発明に係るはんだ供給方法を利用することにより、金属膜上にはんだバンプを形成することが可能となる。すなわち、本発明に係るはんだバンプの形成方法は、はんだの融点以上に加熱された液体(13)中に、金属膜(22)を表面に有する基板(20)を浸漬し、かつ、前記基板(20)の金属膜(22)を上向きにして前記基板(20)を前記液体(13)中にセットするセット工程と、前記液体(13)中に浸漬した前記基板(20)の上方位置に粒子密度が均一なはんだ微粒子群(14)を形成するはんだ微粒子群形成工程と、前記はんだ微粒子群(14)のはんだ微粒子(14a)を沈降させて、当該はんだ微粒子(14a)を前記基板(20)の金属膜(22)上に接触・堆積する堆積工程と、前記はんだ微粒子(14a)と前記基板(20)の金属膜(22)との界面に金属合金層(23a)が形成される期間を確保する皮膜形成工程と、を有することを特徴とするものである。
本発明において、先ず、はんだの融点以上に加熱された液体(13)中に、金属膜(22)を表面に有する基板(20)を浸漬し、かつ、前記基板(20)の金属膜(22)を上向きにして前記基板(20)を前記液体(13)中にセットする(図2(a))。次に、前記液体(13)中に浸漬した前記基板(20)の上方位置に粒子密度が均一なはんだ微粒子群(14)を形成する(図1(b)(c))。そして、前記はんだ微粒子群(14)のはんだ微粒子(14a)を沈降させて、当該はんだ微粒子(14a)を前記基板(20)の金属膜(22)上に接触・堆積する(図2(b))。前記はんだ微粒子(14a)と前記基板(20)の金属膜(21)との界面に金属合金層(23a)が形成される期間を確保し、当該金属合金層(23a)を皮膜形成する(図2(c))。
上述した本発明に係るはんだ供給方法を利用して、次のように本発明に係るはんだバンプの形成方法を構築する。
すなわち、前記はんだ微粒子群形成工程において、予めプレートの板面にはんだ微粒子の粒子密度を均一にしたはんだ微粒子群を形成しておき、当該プレートのはんだ微粒子群を液体中に浸漬して基板の上方位置にセットし、液体の熱により前記はんだ微粒子群を前記プレートから剥離する処理を行う。
(実施形態1)
図1及び図2に基いて、本発明に係るはんだバンプの形成方法と、そのはんだバンプ形成装置について説明する。
図1に示すように、本実施形態に係るはんだバンプ形成装置は、セット手段1(液体槽11)と、はんだ微粒子群形成手段2(プレート40)と、堆積手段3(液体13)とを有しており、セット手段1により液体13中に基板20をセットしている期間に、はんだ微粒子14aと基板20の金属膜22との界面に金属合金層23aが形成される期間を含めたことを特徴とするものである。
セット手段1は、はんだの融点以上に加熱された液体13中に、金属膜22を表面に有する基板20を、金属膜22を上向きにしてセットするためのものである。図1に示すセット手段1は、液体槽11の底部で基板20を支え、金属膜22を表面21に有する基板20を、金属膜22を上向きにしてセットしている。
なお、液体槽11内の液体13は、図示しない加熱機器によりはんだの融点以上に加熱されている。また、前記液体13には、フラックスや、はんだ微粒子14a及び金属膜22の表面に形成された酸化物を除去する還元作用を有する有機酸が含まれている。
はんだ微粒子群形成手段2は、液体13中に浸漬された基板20の上方位置に粒子密度が均一なはんだ微粒子群14を形成するものである。
堆積手段3は、はんだ微粒子群14のはんだ微粒子14aを沈降させて、はんだ微粒子14aを基板20の金属膜22上に接触・堆積させるものであり、はんだ微粒子14aの自重、液体13の粘性及び液体13に発生する熱対流を利用している。
堆積手段3を具体的に説明すると、均一に分散して供給されたはんだ微粒子14aは、液体13中を基板20に向けて沈降する。この場合、はんだ微粒子14aは微粒子であり、しかも、液体13中を沈降するため、その粘性による抵抗を受けて沈降速度が抑制され、液体13中を浮遊した状態で、はんだ微粒子14aの自重及び液体13に発生する熱対流により、基板20に向けて沈降する。
供給されたはんだ微粒子14aは、プレート40の下面に対応する液体13の面内に粒子密度を均一にして分散される。さらに、はんだ微粒子群14のはんだ微粒子14aがタイムラグをもって基板20に向けて次々に沈降する。
そして、はんだ微粒子14aが基板20まで沈降すると、基板20の金属膜22が上向きに、しかもほぼ水平姿勢にセットされているため、はんだ微粒子14aは、基板20の金属膜22に接触して金属膜2上に堆積される。
本発明は、基板20の金属膜2上にはんだ微粒子14aが接触・堆積されることに着目し、液体槽11内に前記基板20をセットしている期間に、はんだ微粒子14aと基板20の金属膜2との界面に金属合金層23aが形成される期間を含めている。
したがって、液体槽11内に基板20をセットしている期間を確保することにより、はんだ微粒子14aと基板20の金属膜22との界面での金属合金層23aの形成と、はんだ微粒子14a同士の結合を促進させることにより、隆起したはんだバンプ23が形成されることとなる。
基板20の隣接する金属膜22の相互間を隔離し、金属膜2上におけるはんだ微粒子14aの結合を促進させている。すなわち、はんだ微粒子14aは、液体13中を沈降する間に溶融し、その表面張力により粒状の形状を保ったまま沈降し、基板20の金属膜22に接触する。基板20の隣接する金属膜22の相互間を隔離すると、基板20上において金属膜22が存在しない領域に沈降したはんだ微粒子14aは、液体13の熱対流などの影響を受けて、隣接する金属膜22上のはんだ微粒子14aに接触し、その表面張力により金属膜2上のはんだ微粒子14aに吸引され、十分なはんだ量をもつはんだバンプ23が形成されることとなる。また、上述したはんだ微粒子の結合促進作用を利用して、金属膜22相互を接近させることにより、ファインピッチのはんだバンプ23を形成させることが可能となる。はんだバンプ23には、膜状のものに限らず、半球状や突起状のものも含む。
はんだ微粒子14aを形成するためのはんだは、例えば、Sn−Pb(融点183℃)、Sn−Ag−Cu(融点218℃)、Sn−Ag(融点221℃)、Sn−Cu(融点227℃)等を使用する。また、はんだには、はんだバンプ形成用のはんだに限らず、半導体チップのダイボンディング用のはんだや、例えば銅管の接合用に用いられる「軟ろう」と呼ばれるもの等も含まれるとともに、当然のことながら鉛フリーはんだも含まれる。
液体13としては、はんだと反応しない不活性液体や、はんだ表面の酸化膜を除去する作用を有する液体(例えば後述する有機酸など)を用いることが好ましい。液体13は、はんだの融点以上の沸点を有するとともに、はんだと反応しない液体であれば、いずれの溶剤を用いても良い。この液体13としては、例えばフッ素系高沸点溶剤やフッ素系オイルなどを用いることが可能である。
液体槽11は、例えばステンレスや耐熱性樹脂などからなる容器に、液体13をはんだの融点以上(例えば融点+50℃)に保つための図示しない電熱ヒータや冷却水配管等が設置されたものである。
図2は図1の部分拡大断面図であり、図2(a)は図1(a)〜(c)に対応し、図2(b)は図1(d)(e)に対応し、図2(c)は図1(f)に対応する。以下、本実施形態に係るはんだバンプの形成装置により、基板20の金属膜22にはんだバンプ23を形成する場合について説明する。
まず、本実施形態で使用する基板20について説明する。図1及び図2に示す基板20にはシリコンウエハを用いている。基板20の表面21には、金属膜22としてのパッド電極が形成されている。パッド電極22上には、本実施形態の形成方法によってはんだバンプ23が形成される。基板20に形成された図示しない電気回路などは、はんだバンプ23を介して、他の半導体チップや配線板に電気的及び機械的に接続される。パッド電極22は、形状が例えば円であり、直径cが例えば40μmである。隣接するパッド電極22の中心間の距離dは、例えば80μmである。はんだ微粒子14aの直径bは、例えば3〜15μmである。
パッド電極22は、基板20上に形成されたアルミニウム電極24と、アルミニウム電極24上に形成されたニッケル群25と、ニッケル群25上に形成された金群26とからなる。ニッケル群25及び金群26はUBM(under barrier metal又はunder bump metallurgy)群である。基板20上のパッド電極22以外の部分は、保護膜(絶縁膜)27で覆われている。
次に、パッド電極22の形成方法について説明する。まず、基板20上にアルミニウム電極24を形成し、アルミニウム電極24以外の部分にポリイミド樹脂によって保護膜27を形成する。これらは、例えばフォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて形成される。続いて、アルミニウム電極24表面にジンケート処理を施した後に、無電解めっき法を用いてアルミニウム電極24上にニッケル群25及び金群26を形成する。このUBM群を設ける理由は、アルミニウム電極24にはんだ濡れ性を付与するためである。
はんだが濡れるため(金属合金層が形成されるため)、前述した「ある時間」(以下「はんだ濡れ時間」という。)が必要である。前記特許文献1の技術では、下向きのパッド電極に対してはんだ微粒子を噴き上げて接触させるため、はんだ微粒子がパッド電極に接する時間が一瞬でしかないので、はんだ濡れ性が悪いと考えられる。
本発明者は、液体中ではんだ微粒子同士が接触しても、これらが合体して大きいはんだ微粒子になるものは少ない、ということを見出した。したがって、ファインピッチの金属膜に対しても、はんだブリッジ等が発生しない。更に、はんだ皮膜のはんだ量は、はんだ微粒子の供給量を変えることにより容易に調整できる。しかも、はんだ微粒子は、極めて小さいことにより多量に供給されるので、液体中に均一に分散する。したがって、はんだ皮膜のはんだ量のバラツキも少ない。
はんだ微粒子は液体中を沈降し、かつはんだ微粒子の表面が液体による油膜で覆われている。そのため、はんだ微粒子が沈降する期間では、合体することがない。しかし、金属膜上に接触付着した全体としてのはんだ微粒子は、沈降して来る個々のはんだ微粒子を吸引することとなる。
本発明のはんだ供給方法において、沈降して金属膜上又ははんだ皮膜上に接したはんだ微粒子を、その状態ではんだ濡れが起こるまで一定時間以上保持する、というものである。はんだ濡れが起こるまでの一定時間とは、前述のはんだ濡れ時間のことである。したがって、金属膜上又ははんだ皮膜上に接したはんだ微粒子を、その状態ではんだ濡れ時間以上保持することにより、確実にはんだ濡れを起こすことができる。ここでいう「はんだ濡れ」とは、金属膜上に到達したはんだ微粒子が金属膜表面に広がってはんだ皮膜を形成することに限らず、はんだ皮膜上に到達したはんだ微粒子が広がってはんだ皮膜を厚くすることも含むものとする。
本発明のはんだ供給方法は、基板上に沈降させるはんだ微粒子を、その沈降の速度が一定範囲内のものに限る、というものである。液体中のはんだ微粒子は、大きいものほど沈降速度も大きく、小さいものほど沈降速度も小さい。一方、はんだ微粒子が大きいとはんだブリッジを生じやすくなり、はんだ微粒子が小さいとその表面が酸化しやすくなる。したがって、沈降速度が一定範囲内のはんだ微粒子を選択することにより、はんだブリッジの発生を抑えられ、かつ酸化膜によるはんだ濡れ性の低下を抑えられる。具体的には、多量のはんだ微粒子を一斉に沈降させ、大きいはんだ微粒子が基板近傍を沈降する時間及び小さいはんだ微粒子が基板近傍を沈降する時間に、それらのはんだ微粒子が基板上に到達しないように、基板を退避させたり、基板をシャッタで覆ったりすればよい。一部のはんだ微粒子は液体13に発生する熱対流の影響を受けて上昇する場合もあるため、基板を退避させたり、基板をシャッタで覆ったりすることが望ましい場合もある。
液体中において、基板はパッド電極側を上にして浸漬されている。このとき、基板上の液体中にはんだ微粒子を供給すると、はんだ微粒子は重力によって自然沈降し基板上に到達する。基板のパッド電極上に到達したはんだ微粒子は、重力によってそこに留まり、はんだ濡れ時間が経過するとパッド電極表面に広がってはんだ皮膜を形成する。続いて、そのはんだ皮膜上に到達したはんだ微粒子は、重力によってそこに留まり、同じようにはんだ濡れ時間が経過すると広がってはんだ皮膜を厚くする。これが繰り返されて、はんだ皮膜が成長してはんだバンプとなる。
前述したように、本発明者は、液体中を沈降中のはんだ微粒子同士が接触しても、これらが合体して大きいはんだ微粒子になるものは少ない、ということを見出した。したがって、ファインピッチのパッド電極に対しても、はんだブリッジ等が発生しない。更に、はんだバンプのはんだ量は、はんだ微粒子の供給量を変えることにより容易に調整できる。しかも、はんだ微粒子は、パッド電極に比べて極めて小さいことにより多量に供給されるので、液体中に均一に分散する。したがって、はんだバンプのはんだ量のバラツキも少ない。
次に、本発明の実施形態に係るはんだバンプの形成方法について説明する。
まず、図1(a)及び図2(a)に示すように、液体槽11内の液体13中に、基板20を表面21が上になるように位置付ける。基板20の表面21には、パッド電極22が形成されている。液体13ははんだの融点以上に加熱されている。
続いて、図1(b)〜(e)及び図2(b)に示すように、プレート40からはんだ微粒子14aを液体13中へ供給し、液体13中において、基板20の上方位置に、粒子密度が均一なはんだ微粒子群14を形成する。はんだ微粒子群14に含まれるはんだ微粒子14aを基板20に向けて沈降させる。
液体13中において、基板20はパッド電極22側を上にして浸漬されている。このとき、基板20上の液体13中にはんだ微粒子14aを供給すると、はんだ微粒子14aは沈降して基板20上に到達する。基板20のパッド電極22上に到達したはんだ微粒子14aは、重力によってそこに留まり、はんだ濡れ時間に期間中にはんだ微粒子14aとパッド電極22との界面に金属合金層23aが形成され、金属合金層23aは、はんだ微粒子14aがパッド電極22と接触する毎にパッド電極22の全面に拡大して形成される。そして、金属合金層23aによりパッド電極22に結合したはんだ微粒子14aが次々に沈降するはんだ微粒子14aとの結合を繰り返して、はんだバンプ23として成長する(図1(f)及び図2(c))。
はんだ濡れ時間とは、はんだ微粒子14とパッド電極22との間に金属合金層23aが形成されるために必要な時間であって、経験的にはんだ濡れ時間には、例えば数秒〜数十秒を要する。
また、本発明者は、液体13中を沈降する過程において上述したように、はんだ微粒子14a同士が接触しても、これらが合体して大きいはんだ微粒子になるものは少ない、ということも見出した。したがって、ファインピッチのパッド電極22に対しても、はんだブリッジ等が発生しない。特に、隣接するパッド電極22同士の周端間の最短距離aよりも、はんだ微粒子14aの直径bを小さくするとよい。この場合、隣接する二つのパッド電極22上にそれぞれ到達したはんだ微粒子14a同士は、接触しないため合体してはんだブリッジを形成することがない。
更に、はんだバンプ23のはんだ量は、プレート40に付着するはんだ微粒子14aの供給量を変えることにより容易に調整できる。しかも、はんだ微粒子14aは、パッド電極22に比べて極めて小さいことにより多量に供給されるので、液体13中に均一に分散する。したがって、はんだバンプ23のはんだ量のバラツキも少ない。
なお、本発明は、言うまでもないが、上記実施形態1に限定されるものではない。上述した実施形態では、基板20としてシリコンウエハ(FC)を用いたが、基板20として配線板(BGA)を用いてもよい。また、液体13として、液体中にフラックス又は前述の有機酸を含有させたものを用いたが、液体13が、フラックス或は上述した有機酸の作用を有するものを用いてもよい。更に、金属膜22としての電極の材料は、アルミニウムに限らず、Al‐Si、Al‐Si‐Cu、Al‐Cu、Cuなどを用いてもよい。更に、はんだ微粒子の酸化膜を例えば塩酸で除去した後に、このはんだ微粒子を液体槽11の液体13中に投入してもよい。
次に、図1〜図6に基いて、実施形態1を更に具体化した実施例1について説明する。
本実施例は、はんだ微粒子群形成工程において、予めプレート40の板面にはんだ微粒子14aの粒子密度を均一にしたはんだ微粒子群14を形成しておき、プレート40のはんだ微粒子群14を液体13中に浸漬して基板20の上方位置にセットし、液体13の熱によりはんだ微粒子群14をプレート40から剥離する処理を行う。以下、本実施例に係るはんだバンプの形成方法と、そのはんだバンプ形成装置について説明する。
図3に示すように、本実施例のはんだバンプ形成装置は、セット手段1と、はんだ微粒子群形成手段2と、堆積手段3とを有しており、セット手段1により液体13中に基板20をセットしている期間に、はんだ微粒子14aと基板20の金属膜2との界面に金属合金層23aが形成される期間を含めたことを特徴とするものである。
セット手段1は、はんだの融点以上に加熱された液体13中に、金属膜2を表面に有する基板20を、金属膜22を上向きにしてセットするためのものである。図3に示すセット手段1は、液体槽11の内底部11cで基板20を支え、金属膜22を表面21に有する基板20を、前記金属膜2を上向きにしてセットしている。
はんだ微粒子群形成手段2は、液体13中に浸漬された基板20の上方位置に粒子密度が均一なはんだ微粒子群14を形成するものであって、本実施例に係るはんだ微粒子群形成手段2は、予めプレート40の板面にはんだ微粒子14aの粒子密度を均一にしたはんだ微粒子群14を形成しておき、プレート40のはんだ微粒子群14を液体中に浸漬して基板20の上方位置にセットし、液体13の熱によりはんだ微粒子群14をプレート40から剥離する構成としたものである。
本実施例に係るはんだ微粒子群形成手段2は、図4に示すように、プレート40に加えて、上下動治具42と、クランプ治具43とを有し、液体13の熱を利用している。
上下動治具42は図4に示すように、プレート40を保持したクランプ治具43を液体槽11内の基板20に向けて下降させ、プレート40を基板20に接近させた高さ位置にセットする(図1(c))。そして、プレート40を液体槽11内の液体13中に浸漬し、液体13が保有している熱をプレート40に加えてはんだ微粒子群14をプレート40から剥離する。
本実施例に係る液体槽11のサイズは、液体槽11の底辺の長さをla、基板20の直径をlwf、プレート40の直径をLとした場合に、la>L>lwfの関係が成立するように設定する。また、液体槽11内に充填する液体13の液面高さgは、液体13の活性力に対応して設定する。この場合、本実施例は、はんだ微粒子群14をプレート40に形成しておき、プレート40のはんだ微粒子群14を基板20に接近した高さ位置から剥離するため、液体13の液面高さgは、極めて低く設定することが可能である。このことは、液体13の使用量を極端に少なくすることが可能である。
本実施例に係るはんだ微粒子群形成手段2としての上下動治具42は、プレート40を下方に移動させて液体13中に浸漬させることにより、基板に接近させた高さ位置にプレート40をセットし(図1(c))、また、プレート40を基板20に対して上方に移動させて液体13中から引き上げる構成としている。
上下動治具42は、プレート40が液体槽11の液体13に接触するまでクランプ治具43を急速に下降させ(図4(a))、プレート40が液体槽11の液体13に接触する手前位置から緩やかに、具体的にはプレート40が液体13中に浸漬する過程で液体13に液流が発生しない程度の緩やかな速度でクランプ治具43を下降させ、プレート40を基板20に接近した高さ位置にセットするための速度制御を実行する。
また、上下動治具42は、プレート40が液体の液体13中を上昇する過程、及び液体13から引き離れる際にクランプ治具43を緩やかに、具体的にはプレート40を上昇及び引き上げる過程で液体13に液流が発生しない程度の緩やかな速度でクランプ治具43を上昇させ、プレート40が液体13から引き上げられた時点から急速にクランプ治具43を上昇させるための速度制御を実行する。
プレート40を液体槽11内の液体13に浸漬させる、或は液体13から引き上げる際に、液体13に液流が生じにくくするために、プレート40を、はんだ微粒子14aの粒径より小径で上下面に開口する貫通孔40aを含む多孔質材から形成することが望ましいものである。
この多孔質のプレート40を用いることにより、図6(a)に示すように、プレート40を液体13中に浸漬させる際に、プレート40が液体13の液面付近の空気44を押圧する際に通気性を確保し、液体13に液流が発生するのを防止する。また、図6(b)に示すように、プレート40を液体13から引き上げる際に、液体13の液面とプレート40の下面との間に生じる真空45に対する通気性を確保し、液体13に液流が発生するのを防止する。
堆積手段3は、はんだ微粒子群14のはんだ微粒子14aを沈降させて、はんだ微粒子14aを基板20の金属膜2上に接触・堆積させるものであり、はんだ微粒子14aの自重,液体13の粘性及び液体13に発生する熱対流を利用している。
本発明は、基板20の金属膜2上にはんだ微粒子14aが接触・堆積されることに着目し、液体槽11の内底部11c上に基板20をセットしている期間に、はんだ微粒子14aと基板20の金属膜2との界面に金属合金層23aが形成される期間を含めている。
したがって、液体槽11の内底部11c上に基板20をセットしている期間を確保することにより、はんだ微粒子14aと基板20の金属膜2との界面での金属合金層23aの形成と、はんだ微粒子14a同士の結合を進行させることにより、隆起したはんだバンプ23を形成することとなる。
次に、本実施例に係るはんだバンプの形成装置を用いて基板の金属膜上にはんだバンプを形成する方法について説明する。
まず、図4(a)に示すように、上下動治具42によりクランプ治具43を、プレート40が液体11内の液体13から引き上げられた高さ位置にセットし、クランプ治具43にプレート40をセットする。プレート40には、はんだ微粒子14aの粒子密度を均一にしたはんだ微粒子群14を形成しておく。そして、プレート40のはんだ微粒子群14を下向きにしてプレート40をクランプ治具43にセットする。
一方、図1(a)に示すように、液体槽11内の液体13中に、基板20を表面21が上になるように位置付ける。基板20の表面21には、パッド電極22が形成されている。液体13ははんだの融点以上に加熱されている。
次に図1(b)及び図4(a)に示すように、上下動治具42を動作させて、プレート40が液体槽11の液体13に接触するまでクランプ治具43を急速に下降させ、図1(c)に示すように、プレート40が液体槽11の液体13に接触する手前位置から緩やかに、具体的にはプレート40が液体13中に浸漬する過程で液体13に液流が発生しない程度の緩やかな速度でクランプ治具43を下降させ、プレート40を基板20に接近した高さ位置にセットする。
図1(c)に示すように、プレート40が液体槽11内の液体13中に浸漬されると、はんだ微粒子群14をプレート40に接着している接着剤が、液体13が保有している熱を受けて溶解される。これにより、図1(d)(e)に示すように、はんだ微粒子群14がプレート40から剥離され、はんだ粒子群14のはんだ微粒子14が基板20に向けて沈降する。
図1(e)に示すように、基板20のパッド電極22上に到達したはんだ微粒子14aは、重力によってそこに留まる。そして、図2(b)(c)に示すように、はんだ濡れ時間の期間中にはんだ微粒子14aとパッド電極22との界面に金属合金層23aが形成され、金属合金層23aは、はんだ微粒子14aがパッド電極22と接触する毎にパッド電極2の全面に拡大して形成される。そして、金属合金層23aによりパッド電極22に結合したはんだ微粒子14aが次々に沈降するはんだ微粒子14aとの結合を繰り返してはんだバンプ23として成長する。はんだ濡れ時間とは、はんだ微粒子14とパッド電極22との間に金属合金層23aが形成されるために必要な時間であって、経験的にはんだ濡れ時間には、例えば数秒〜数十秒を要する。
その他の構成は、図1及び図2に示す実施形態と同じである。
実施形態1における各工程を示す断面図であり、図1(a)〜(f)の順に工程が進行する。 実施形態1におけるはんだバンプ形成過程を示す拡大断面図であり、図1(a)〜(c)の順に工程が進行する。 実施例1における方法及び装置を示す概略構成図である。 実施例1におけるはんだ微粒子群形成手段を示す構成図であり、図4(a)はプレートを液体中に浸漬する前の状態を示し、図4(b)はプレートを液体中に浸漬した状態を示す。 実施例1におけるプレート及び基板を示す図であり、図5(a)はプレートの下面を示す図、図5(b)は基板に形成された金属膜を示す図である。 実施例1における多孔質プレートを用いる場合のメリットを説明する断面図であり、図6(a)はプレートを液体中に浸漬させるときを示し、図6(b)はプレートを液体中から引き上げるときを示す。 従来のはんだバンプの形成方法を示す概略断面図である。
符号の説明
1 セット手段
2 はんだ微粒子群形成手段
3 堆積手段
11 液体槽
13 液体
14 はんだ微粒子群
14a はんだ微粒子
20 基板
21 基板の表面
22 金属膜(パッド電極)
40 プレート
42 上下動治具
43 クランプ治具

Claims (19)

  1. はんだの融点以上に加熱された液体中に、金属膜を表面に有する基板を浸漬し、かつ、前記基板の金属膜を上向きにして前記基板を前記液体中にセットするセット工程と、
    予めプレートの板面にはんだ微粒子の粒子密度を均一にしたはんだ微粒子群を形成しておき、当該プレートのはんだ微粒子群を液体中に浸漬して基板の上方位置にセットし、液体の熱により前記はんだ微粒子群を前記プレートから剥離することにより、前記はんだ微粒子群を供給するはんだ微粒子群形成工程と、
    供給される前記はんだ微粒子群のはんだ微粒子を沈降させて、当該はんだ微粒子を前記基板の金属膜上に接触・堆積する堆積工程と、
    を有することを特徴とするはんだ供給方法。
  2. 基板に接近させた高さ位置において前記はんだ微粒子群を前記プレートから剥離することを特徴とする請求項1に記載のはんだ供給方法。
  3. 前記プレートを、はんだ微粒子の粒径より小径で上下面に開口する貫通孔を含む多孔質材から形成することを特徴とする請求項1に記載のはんだ供給方法。
  4. はんだの融点以上に加熱された液体中に、金属膜を表面に有する基板を浸漬し、かつ、前記基板の金属膜を上向きにして前記基板を前記液体中にセットするセット工程と、
    予めプレートの板面にはんだ微粒子の粒子密度を均一にしたはんだ微粒子群を形成しておき、当該プレートのはんだ微粒子群を液体中に浸漬して基板の上方位置にセットし、液体の熱により前記はんだ微粒子群を前記プレートから剥離することにより、前記はんだ微粒子群を供給するはんだ微粒子群形成工程と、
    供給される前記はんだ微粒子群のはんだ微粒子を沈降させて、当該はんだ微粒子を前記基板の金属膜上に接触・堆積する堆積工程と、
    前記はんだ微粒子と前記基板の金属膜との界面に金属合金層が形成される期間を確保する皮膜形成工程と、
    を有することを特徴とするはんだバンプの形成方法。
  5. 前記皮膜形成工程の過程中に、前記はんだ微粒子と前記基板の金属膜との界面に金属合金層が形成され、かつはんだ微粒子同士が結合することにより、隆起したはんだバンプが形成されることを特徴とする請求項4に記載のはんだバンプの形成方法。
  6. 前記基板の隣接する金属膜の相互間を隔離し、金属膜上におけるはんだ微粒子の結合を促進することを特徴とする請求項5に記載のはんだバンプの形成方法。
  7. 前記金属膜相互を接近させることにより、ファインピッチのはんだバンプを形成することを特徴とする請求項6に記載のはんだバンプの形成方法。
  8. 基板に接近させた高さ位置において前記はんだ微粒子群を前記プレートから剥離することを特徴とする請求項4に記載のはんだバンプの形成方法。
  9. 前記プレートを、はんだ微粒子の粒径より小径で上下面に開口する貫通孔を含む多孔質材から形成することを特徴とする請求項4に記載のはんだバンプの形成方法。
  10. 前記液体がフラックスを含むことを特徴とする請求項4に記載のはんだバンプの形成方法。
  11. 前記液体が、はんだ微粒子及び金属膜の表面の酸化物を除去する還元作用を有することを特徴とする請求項4に記載のはんだバンプの形成方法。
  12. 前記はんだ微粒子の粒径を、隣接する金属膜相互の最短距離よりも小さく設定したことを特徴とする請求項4に記載のはんだバンプの形成方法。
  13. 液体槽内に充填してはんだの融点以上に加熱された液体中に、金属膜を表面に有する基板を、前記金属膜を上向きにしてセットするセット手段と、
    予めプレートの板面にはんだ微粒子の粒子密度を均一にしたはんだ微粒子群を形成しておき、当該プレートのはんだ微粒子群を液体中に浸漬して基板の上方位置にセットし、液体の熱により前記はんだ微粒子群を前記プレートから剥離することにより、前記はんだ微粒子群を供給するはんだ微粒子群形成手段と、
    供給される前記はんだ微粒子群のはんだ微粒子を沈降させて、当該はんだ微粒子を前記基板の金属膜上に接触・堆積させる堆積手段とを有し、
    前記セット手段上に前記基板をセットしている期間に、前記はんだ微粒子と前記基板の金属膜との界面に金属合金層が形成される期間を含めたことを特徴とするはんだバンプの形成装置。
  14. 前記セット手段上に前記基板をセットしている期間に、前記はんだ微粒子と前記基板の金属膜との界面での金属合金層の形成と、はんだ微粒子同士の結合を進行させることにより、隆起したはんだバンプを形成することを特徴とする請求項13に記載のはんだバンプの形成装置。
  15. 前記基板の隣接する金属膜の相互間を隔離し、金属膜上におけるはんだ微粒子の結合を促進させたことを特徴とする請求項13に記載のはんだバンプの形成装置。
  16. 前記金属膜相互を接近させることにより、ファインピッチのはんだバンプを形成させたことを特徴とする請求項15に記載のはんだバンプの形成装置。
  17. 前記はんだ微粒子群形成手段は、基板に接近させた高さ位置において前記はんだ微粒子群を前記プレートから剥離することを特徴とする請求項13に記載のはんだバンプの形成装置。
  18. 前記はんだ微粒子群形成手段は、前記プレートを下方に移動させて前記液体中に浸漬させることにより、基板に接近させた高さ位置にプレートをセットし、また、前記プレートを基板に対して上方に移動させて液体中から引き上げることを特徴とする請求項13に記載のはんだバンプの形成装置。
  19. 前記プレートを、はんだ微粒子の粒径より小径で上下面に開口する貫通孔を含む多孔質材から形成したことを特徴とする請求項13に記載のはんだバンプの形成装置。
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