JP4365351B2

JP4365351B2 - バンプ

Info

Publication number: JP4365351B2
Application number: JP2005197271A
Authority: JP
Inventors: 俊典小柏; 正幸宮入
Original assignee: Tanaka Kikinzoku Kogyo KK
Current assignee: Tanaka Kikinzoku Kogyo KK
Priority date: 2005-07-06
Filing date: 2005-07-06
Publication date: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2025-07-06
Also published as: JP2007019144A

Description

本発明は、半導体チップ等に形成されるバンプ及びその形成方法に関する。

チップオンボード（ＣＯＢ）やチップオングラス（ＣＯＧ）など、配線回路基板に半導体チップを直付けする基板の製造方法では、電極用のバンプが形成された半導体チップが用いられる。そして、半導体ウェハー（半導体チップ）の電極パッド上にバンプを形成する方法としては、従来は、めっき法を用いるものが一般的であった。めっき法によるバンプ形成方法では、基板表面に下地金属を蒸着した後、基板表面全体をレジストで被覆してレジストの所定の位置に貫通穴を形成し、貫通穴内の下地金属上にバンプとなる金属を所定厚さめっきし、その後、レジストおよび下地金属の不要部分をエッチング除去するという方法である。
特開平７−３０２９６７号公報

めっき法により形成されるバンプは、緻密で良好な電気伝導特性を有することから電極として有用であると考えられている。しかしながら、めっき法で形成したバンプには、使用過程において疲労破壊に起因すると考えられるクラックの発生、破断の問題がある。これは、電子機器の配線回路基板の使用過程における発熱、冷却によりバンプは伸縮を繰返すところ、バンプの熱膨張率と基板の熱膨張率との間に差があることから、バンプ伸縮の際に非線形ひずみが生じることによるものと考えられる。そして、かかる疲労破壊に起因してバンプが破断すると電子機器の動作不良の原因となり、また、破断しないまでもクラックが発生するとその抵抗値を上昇させ電子機器の信頼性に影響を与えることとなる。

そこで、本発明は、配線回路基板の使用過程における疲労破壊が抑制され、長期にわたって安定的使用が可能な耐久性に優れるバンプ、及び、その形成方法を提供することを課題とする。

本発明者等は、上記課題を解決するベく検討を行い、従来のめっき法によリ形成されるバンプから、金属粉ペーストの焼結による形成されるバンプへ移行することに着目した。金属粉を焼結することにより形成されるバンプでは、基となる金属粉の粒度、焼結条件にもよるが、多孔質で比較的柔らかく弾力性を有するものとなる。そして、この柔らかなバンプは、基板上で熱膨張、収縮してもひずみが緩和されており、疲労破壊が生じにくくなると考えられる。そして、本発明者等は、焼結法により形成されるバンプについて、金属粉の性状及び焼結後の組織の観点から好ましい状態のものとして、本発明に想到した。

即ち、本発明は、純度が９９．９重量％以上であり、平均粒径が０．００５μｍ〜１．０μｍである金粉、銀粉、白金粉、又はパラジウム粉から選択される一種以上の金属粉を焼結してなるバンプであって、焼結後の金属粉の粒子形状と焼結前の粒子形状とが略同一であり、金属粉粒子同士が表面接触する材料組織を有するバンプである。

以下、本発明につき詳細に説明する。本発明において、焼結する金属粉の純度、粒径を規定するのは、バンプとしたときの導電性を考慮するものである。つまり、純度が９９．９重量％未満であると必要な通電性を確保できないおそれがあるからである。また、金属粉の平均粒径については、１．０μｍを超える粒径の金属粉では、バンプ形状に成形する際に大きな隙間が生じ易くなり、最終的に必要な通電性を確保できないからである。尚、０．００５μｍを下限とするのはこの粒径未満の粒径では、ペーストとしたときに凝集しやすく、取扱いが困難となることを考慮するものである。

そして、本発明では、上記金属粉を焼結した後の組織として、焼結後の金属粉の粒子形状と焼結前の粒子形状とが略同一であること、即ち、金属粉が焼結前の粒子形状を略維持していること、及び、金属粉粒子同士が表面接触している。金属粉の焼結が進行すると、隣接する金属粉の粒子間距離が短くなり、球形の金属粉は楕円形、矩形、不定形へと変形する。このように焼結が進行したバンプは緻密であり導電性においては優れているが、反面、加工硬化し易く柔軟性に欠けるため、疲労破壊を生じ易くさせる。これに対し、金属粉の変形が生じていない状態で金属粉同士が面接触する組織を呈することで、適度な弾力性を有し、かつ、導電性も損なわれないこととなる。

そして、本発明に係るバンプは、その密度が、金属粉の密度の０.４５〜０．９５倍となっているものが好ましい。上記のように、焼結の進行によりバンプの緻密さは上昇し、その密度はバンプを構成する金属の密度に近似する。即ち、金属の密度の０．９５倍を超える密度のバンプは焼結が進行し、疲労破壊に対する耐久性に劣ることを示す。一方、バンプの密度が金属の０．４５倍未満となると、金属粉同士の接触が不十分となり導電性の確保が困難となる。尚、ここで基準となる金属粉の密度とは、焼結する金属粉と同一組成のバルク材（鋳造材）の密度を意味し、金属粉が複数の金属からなる場合、それらの割合に応じた合金の密度が基準となる。

このように、本発明に係るバンプは、金属粉を焼結してなるものであり、適度に焼結が進行しているものである。そして、本発明に係るバンプの機械的特性は、純金属（鋳造材、めっき材）と比較すると弾力性を有し、膨張・収縮によるひずみを吸収して疲労破壊の発生が抑制している。この弾力性について明確にすると、本発明に係るバンプは、引張試験で測定されるヤング率が純金属よりも顕著に低いが、強度（降伏強度）は純金属と同等かそれより高くなっている。具体的には、本発明の焼結材からなるバンプはバルク材に対し、ヤング率が０．２〜０．５倍と低いものの、降伏強度は０.８〜２.５倍となっている。そして、本発明に係るバンプは、純金属よりも弾性変形の領域が広範囲となっており、この弾性変形能によりひずみを吸収している。

尚、バンプの構成金属としては、金、銀、白金、又はパラジウムの少なくともいずれかよりなる。これらは、導電性が良好であることから、電極として有用であるからである。

次に、本発明に係るバンプの形成方法について説明する。これまで述べたように、本発明に係るバンプは、金属粉を焼結してなること、及び、その焼結を適度進行させることにより弾力性を具備させたことを特徴とする。ここで、金属粉の焼結の進行は、焼結温度に依存する。本発明者等は金属粉を適度に焼結させるための条件として、バンプを構成する金属の融点を基準として焼結温度の好適な範囲として、下記式を見出した。

この式においてＴｍはバンプを構成する金属粉の融点を示し、Ｔｓは設定する焼結温度である。また、これらの温度値はいずれも絶対温度基準である。焼結温度をかかる範囲とするのは、融点の０．５０倍を超える温度で焼結した場合、焼結が進みすぎ密度が高く上記した好適な材料組織を呈するバンプを得ることができないからである。また、融点の０．３倍未満の温度で焼結しても焼結が進行し難く金属粉の表面接触の少ない粗な組織を有するバンプが形成されるからである。そして、この焼結温度のより好ましい範囲は、バンプを構成する金属の融点の０．３５〜０．４５倍となる温度範囲である。

上記温度範囲で焼結する場合において、その焼結時間については、３０〜１２０分とするのが好ましい。あまりに短いと焼結炉の温度が安定していないため好ましくない。また、焼結時間をただ長くしても好ましい特性は得られない。尚、上記の範囲内であれば、機械的特性に変化はほとんどない。

金属粉をバンプ形状に成形するためには、金属粉に適宜に有機溶剤を添加した金属ペーストの状態で成形することが好ましい。この有機溶剤としては、エステルアルコール、ターピネオール、パインオイル、ブチルカルビトールアセテート、ブチルカルビトール、カルビトールが好ましい。例えば、好ましいエステルアルコール系の有機溶剤として、２，２，４−トリメチル−３−ヒドロキシペンタイソブチレート（Ｃ_１２Ｈ_２４Ｏ_３）、を挙げることができる。本溶剤は、比較的低温で乾燥させることができるからである。

また、上記有機溶剤に加えて、金属ペーストは、アクリル系樹脂、セルロース系樹脂、アルキッド樹脂から選択される一種以上を含有しているものが好ましい。これらの樹脂等を更に加えると金属ペースト中の金属粉の凝集が防止されてより均質となり、偏りのないバンプが形成できるからである。尚、アクリル系樹脂としては、メタクリル酸メチル重合体を、セルロース系樹脂としては、エチルセルロースを、アルキッド樹脂としては、無水フタル酸樹脂を、それぞれ挙げることができる。そして、これらの中でも特にエチルセルロースが好ましい。

金属粉をバンプに成形する方法は特に限られるものはなく、例えば、バンプ形状の型を基板上に載置し、これに金属ペーストを充填しても良い。また、従来のめっき法によるバンプ形成と同様、レジストを使用しても良い。レジストを利用する場合、基板表面をレジストで被覆し、レジストの所定位置に貫通穴を形成し、金属ペーストを貫通穴に充填した後、基板表面からレジストを除去し、基板上に残された金属粉からなるバンプを焼結することでバンプを形成する。金属ペーストの充填方法としては、スピンコート法、スクリーン印刷法、インクジェット法、滴下したペーストをシリコンゴム製のへらで広げることで貫通穴内に充填する方法等、種々の方法を用いることができる。

尚、レジスト除去前には金属ペースト中の有機溶剤を乾燥することが好ましい。乾燥工程における乾燥温度は５０℃以下が好ましい。乾燥工程５０℃を超える温度に加熱すると、金属ペースト中の有機溶剤に接触しているレジストが流動し、レジスト成分が金属ペースト側（バンプ側）に流入するおそれがあるからである。なお、乾燥温度は、乾燥さえできれば低温でよいが、生産性を考慮すると、３０℃以上が好ましい。また、充填工程後には、基板を減圧チャンバーに入れる空気抜き工程を行っても良い。空気抜き工程を行うと、貫通穴に充填した金属ペーストに混入した空気をより確実に抜くことができ、結果として充填度を向上できる。

以上説明したように、本発明に係るバンプは、弾力性に富み、配線回路基板の使用過程で受けるひずみを吸収することができ、疲労破壊に起因する割れ、破断を生じさせることなく、長期にわたって安定的使用が可能である。

また、本発明に係るバンプの形成にはめっき法を用いることなくバンプを形成できる。従って、本発明では、めっき法では必須となる通電工程が必要ないため、下地金属の蒸着や除去といった手間がかかる工程が不要であり、簡単にバンプを形成できる。

以下、本発明に係るバンプ形成の好適な実施形態を説明する。

第１実施形態：まず、本発明に係るバンプの機械的特性について検討した。粒径０．２μｍ、純度９９．９％の球形状の金粉末を１００℃〜４１０℃の間の数点の温度で６０分間焼結して板材を製造し、これを引張試験片（寸法：長さ５０ｍｍ、厚さ１ｍｍ、平行部距離２０ｍｍ）に加工した。そして、引張試験を行い（引張速度０．５ｍｍ／ｈ）、ヤング率等の機械的特性を測定した。また、鋳造法にて製造した金の板材からも同様の試験片を製造し、比較試験した。表１は、その結果を示す。

焼結温度の上昇により、焼結体の密度、伸び、ヤング率、強度いずれも上昇している。これらの焼結体のなかで、Ｔｓ／Ｔｍが０．３〜０．５の範囲内のものは、密度（鋳造材に対する密度）が０．４５〜０．９５になっている。焼結体の特徴としては、ヤング率が低いのに対し、強度（降伏強度、引張強度）は比較的高く、特に、３００℃以上で焼結したものは強度が鋳造材を上回っている。これは、焼結体の方が弾性変形の傾向にあるのに対し、鋳造材は塑性変形の傾向にあることを意味する。

また、図１は、３１０℃、３８０℃、４１０℃で焼結した試料の材料組織を示す写真である。この写真からわかるように、焼結温度の上昇に伴い、金属粉の形状は変化し、４１０℃で焼結した試料では、焼結前の粒子形状とは大きく異なっており、また、接触面積も大きくなっていることがわかる。

第２実施形態：ここではコバール基板、銅基板の間にバンプを形成・接合し、熱サイクルを与えて疲労特性を検討した。図２（ａ）に示すような表面にニッケルめっき及び金めっきを施した銅板及びコバール板を用意し、コバール板上に金ペースト（第１実施形態と同様の金粉末に、有機溶剤としてエステルアルコール（２，２，４−トリメチル−３−ヒドロキシペンタイソブチレート（Ｃ_１２Ｈ_２４Ｏ_３））と、凝集防止剤であるエチルセルロースと混合して調製したもの）をスクリーン印刷法で塗布して乾燥・焼結させてバンプとし（直径１ｍｍ、高さ０．５ｍｍ）、これに銅板を重ねて熱圧着接合した。そして、この試料に−５５℃〜１２５℃の間での加熱・冷却を繰返す熱サイクルを付与し、図２（ｂ）のような回路にて銅板とコバール板との間の電気抵抗値を測定し、抵抗値の偏差として“１−（サイクル後抵抗値−サイクル前抵抗値）／（サイクル前抵抗値）”を計算した。銅板、コバール板は熱膨張係数が相違することから、耐久性に乏しいバンプは熱サイクル負荷に従い、基板との接合面付近で割れが生じ、抵抗値の上昇につながる。そこで、熱サイクル負荷による抵抗値の偏差を求めることで、バンプの割れ発生の程度を予測することができる。本実施形態では、上記式により求められる値が０．９０を下回ったときにバンプの破壊が生じたと判定した。表２は、その結果を示す。

表２から、焼結温度３８０℃以下（Ｔｓ／Ｔｍ＜０．５）の焼結体からなるバンプは、１０００回の熱サイクルによっても破断が生じない。特に、焼結温度３１０℃以下（Ｔｓ／Ｔｍ＜０．４５）のものでは１５００回のサイクルにも割れが生じなかった。これは、焼結体はひずみを受けても弾性変形によりこれを吸収する傾向があるため、熱サイクルによる耐久性が高いことを示している。一方、焼結温度を４１０℃とした焼結体から成るバンプは５００回までのサイクルには耐えられるものの、それ以上で破断が生じた。これは、焼結温度が高すぎたため、鋳造材により近い性質となり、ひずみを吸収しきれなくなったことによると考えられる。

各種温度で焼結したバンプの材料組織を示す写真。第２実施形態の試料形状及び熱サイクル試験での抵抗値測定回路を示す図。

Claims

純度が９９．９重量％以上であり、平均粒径が０．００５μｍ〜１．０μｍである金粉、銀粉、白金粉、又はパラジウム粉から選択される一種以上の金属粉を焼結してなるバンプであって、
その焼結温度Ｔｓを下記式で求められる温度範囲で設定し、焼結時間を３０〜１２０分間として焼結されてなり、
焼結後の金属粉の粒子形状と焼結前の粒子形状とが略同一であり、金属粉粒子同士が表面接触する材料組織を有し、その密度が金属粉の密度の０.４５〜０．９５倍であるバンプ。

ここで、Ｔｍはバンプ形状とした金属粉の融点（絶対温度）を示す。尚、焼結温度Ｔｓは絶対温度である。