JP4458835B2

JP4458835B2 - 半田バンプの形成方法及びその装置

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Publication number: JP4458835B2
Application number: JP2003415941A
Authority: JP
Inventors: 健二神原
Original assignee: Toray Engineering Co Ltd
Current assignee: Toray Engineering Co Ltd
Priority date: 2003-12-15
Filing date: 2003-12-15
Publication date: 2010-04-28
Anticipated expiration: 2023-12-15
Also published as: JP2005175336A

Description

本発明は、半田バンプの形成方法及びその装置に関するものである。

周知の如く、基板（例えば、シリコンウエハ等）の電極パッド上に半田バンプを形成することは広く実施されており、その為の諸々の形成方法が提案されているが、それらの内、半田を加熱溶融（リフロー）して冷却した後、フラックス残さを除去する為の後洗浄工程が不要で、しかも、電気的特性（電気伝導性や伝熱性等）を悪化させるボイドの形成を防止することができる所謂、フラックレスの形成方法が重視されている。

かかるフラックレスの形成方法の代表例として、半田粉末とフラックス成分（
ロジン、溶剤、活性剤、増粘剤等）とを混合した半田ペーストを用いないで、半田粉末のみを用いる方法、すなわち、図４（ａ）に示す如く、ビアホール１に半田粉末２を充填したマスク形成基板３を準備し、それを真空下で水素ラジカル等の還元性遊離基ガスを照射しながら加熱溶融する（例えば、下記特許文献１参照）方法が挙げられる。

しかし、上述のフラックレスの形成方法は、ビアホール１に半田粉末２を充填したマスク形成基板３を準備するに当って、大気圧下でマスク４上に半田粉末２を供給し、次いで、それをスキージで押し移送してビアホール１に充填している関係上、真空下で水素ラジカル等の還元性遊離基ガスを照射しながら加熱溶融（リフロー）しても、ビアホール１中の半田粉末層の表層（又は上層部分）２ａの還元が優先されて、還元が不十分な内層（又は下層部分）２ｂがそのままの状態でリフローされてしまうので、酸化物の還元除去が十分なバンプ形成が困難であると共に、かかる半田粉末層を、例えば、電極パッド５が形成されている基板６の下方のみから加熱すると、図４（ｂ）に示す如く、未溶解の上面側７が内包される姿に球状化されて図４（ｃ）に示す如くにボイド８が形成されてしまうといった欠点を有していた。

特開２００１−５８２５９号公報（図１，１１参照）。

本発明は、上述の欠点に鑑みて発明されたものであって、その第１の目的は、半田粉末のみを用いるバンプ形成に関し、半田粉末の酸化物の還元除去が十分なバンプを形成することができるようにすることである。

また、その第２の目的は、半田粉末のみを用いるバンプ形成に関し、半田粉末の酸化物の還元除去が十分なバンプを形成することができると共にボイドの形成を防止することができるようにすることである。

本発明においては、上述の第１の目的を達成する為に、電極パッドに対応してビアホールを形成するように前記電極パッドが形成されている基板面上にマスクを形成したマスク形成基板の前記ビアホールに対する半田粉末の充填を、真空下で還元性遊離基ガスを照射しながら前記マスクを用いる印刷法によって行い、次いで、前記ビアホールに充填された前記半田粉末に真空下で還元性遊離基ガスを照射しながら加熱溶融（リフロー）するようにしている。

また、上述の第２の目的を達成する為に、電極パッドに対応してビアホールを形成するように前記電極パッドが形成されている基板面上にマスクを形成したマスク形成基板の前記ビアホールに対する半田粉末の充填を、真空下で前記マスクを用いる印刷法によって行い、次いで、前記ビアホールに充填された前記半田粉末に真空下で還元性遊離基ガスを照射しながら前記マスク形成基板のマスク形成側及びマスク非形成側の両面側から加熱して溶融（リフロー）するようにしている。
また、本発明の半田バンプの形成装置は、請求項８に記載のように、還元性遊離基ガスを真空チャンバー内へ導入する遊離基ガス発生装置と、電極パッドに対応してビアホールを形成するように前記電極パッドが形成されている基板面上にマスクを形成したマスク形成基板を支持するステージ装置と、前記マスク上の半田粉末をスキージで押し移送して前記ビアホールに充填する印刷装置と、前記ビアホールに充填された半田粉末を加熱溶融する加熱装置と、前記マスク形成基板を前記ステージ装置から前記加熱装置へ移送したり或るいは前記加熱装置から前記ステージ装置へ移送したりする基板移送装置とを備え、かつ前記ステージ装置、印刷装置、加熱装置及び基板移送装置を前記真空チャンバー内に設置し、電極パッドに対応してビアホールを形成するように前記電極パッドが形成されている基板面上にマスクを形成したマスク形成基板の前記ビアホールに対する半田粉末の充填工程、及び、ビアホールに充填された前記半田粉末をリフローする工程を、チャンバー内を真空排気している状態で還元性遊離基ガスを照射しながら行う機構を有したことを特徴とする半田バンプの形成装置である。
また、本発明の半田バンプの形成装置は、請求項１０に記載のように、還元性遊離基ガスを真空チャンバー内へ導入する遊離基ガス発生装置と、電極パッドに対応してビアホールを形成するように前記電極パッドが形成されている基板面上にマスクを形成したマスク形成基板を支持する加熱ステージ装置と、前記マスク上の半田粉末をスキージで押し移送して前記ビアホールに充填する印刷装置と、前記マスク形成基板のマスク形成側から加熱するヒータとを備え、かつ前記ステージ装置、印刷装置及びヒータを前記真空チャンバー内に設置し、電極パッドに対応してビアホールを形成するように前記電極パッドが形成されている基板面上にマスクを形成したマスク形成基板の前記ビアホールに対する半田粉末の充填工程、及び、ビアホールに充填された前記半田粉末をリフローする工程を、チャンバー内を真空排気している状態で還元性遊離基ガスを照射しながら行う機構を有したことを特徴とする半田バンプの形成装置である。

上述の如く、本発明においては、リフローに先立ってのビアホールに対する半田粉末の充填を、真空下で還元性遊離基ガスを照射しながらのマスク印刷によって行うようにしているから、かかる印刷中において半田粉末を還元処理しながら充填することができ、その為、半田粉末のみを用いても、半田粉末の酸化物の還元除去が十分なバンプを形成することができる。

更に、上述の充填に加えて、真空下で還元性遊離基ガスを照射しながらマスク形成基板のマスク形成側及びマスク非形成側の両面側から加熱してリフローするようにしているから、半田粉末の酸化物の還元除去が十分なバンプを形成することができると共にボイドの形成も防止することができる。

上述の如く、本発明によると、半田粉末のみを用いてバンプを形成する際、半田粉末の酸化物の還元除去が十分なバンプを形成することができ、また、ボイドの形成も防止することができる。

本発明に係るバンプ形成装置の正面図である図１及び図１の平面図である図２において、還元性遊離基ガス発生装置１０は、マイクロ波発生器１１と、それから発振されるマイクロ波を伝送する導波管１２とを備えている。なお、導波管１２には、図示されていないが、前記マイクロ波をプラズマ室１３へ導入する為の導入口が設けられている。また、プラズマ化する為の還元性ガス（例えば、水素ガス）をプラズマ室１３へ供給する為の管路１４を設けている。

その為、前記還元性ガスを、前記マイクロ波によってプラズマ化して還元性遊離基ガスを発生させることができると共に、かかる還元性遊離基ガスを真空チャンバー１５へ導入することができる。還元性遊離基ガス（例えば、水素ラジカル）は、ガス分散板１６を通過して真空チャンバー１５へ導入される。

更に、真空チャンバー１５内に、ステージ装置１７、印刷装置１８、加熱装置１９及び基板移送装置２０が設置されている。図示の如く、ステージ装置１７及び印刷装置１８は、還元性遊離基ガスを導入する分散板１６の下方に設置されている。

上述のステージ装置１７は、昇降及び回転自在に装着された円形のステージ２１を備え、かかるステージ２１に、図示されていないが、マスク形成基板３を位置決めする為のピン治具（例えば、マスク形成基板３の孔に嵌挿するピン）を装着している。また、マスク形成基板３は、図４に示す如く、基板６（例えば、シリコンウエハ）上に、感光性樹脂等でマスク４を形成している。マスク４は、基板６の電極パッド５と対応して複数のビアホール１（例えば、直径１５０μｍ、深さ５０μｍ）を形成している。なお、ビアホール１は、電極パッド５よりも大径に設けるのが好ましいが、必要に応じて、それと同径又は小径に設けてもよい。

また、印刷装置１８は、昇降及び回転自在に装着されたスキージ２２を備えている。その為、真空チャンバー１５内に設置されている粉末供給ステージ２３上の半田粉末２（例えば、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の半田粉末）を、かかるスキージ２２でマスク形成基板３のマスク４上へ押し移送し、そして、マスク４上へ押し移送した半田粉末２を更に押し移送してビアホール１に充填することができる。このように、マスク４を用いる印刷法によって、直径が１０μｍ程度の微細な半田粉末２をビアホール１に充填することができる。なお、上述のピン治具は、スキージ２２の移動に邪魔にならない位置に設けられている。

また、上述の充填に際し、スキージ２２を上方の待機位置から下降させて、半田粉末２の押し移送に適した所定レベルに位置決めし、次いで、図２に矢印で示す如く、軸２５の回転制御によって水平に所定角度に移動させる。上述の印刷法による充填は、通常は、ステージ２１を静止したままで行うが、必要ならば、スキージ２２を移動させると共にステージ２１を回転させてもよい。また、印刷の途中において、マスク形成基板３を支持しているステージ２１を所定角度に回転させてマスク４上の半田粉末２を印刷するのに適した位置へ移動させた上で印刷を続行するようにしてもよい。

上述の、還元性遊離基ガスの導入及び半田粉末２の充填は、真空チャンバー１５内を所定に減圧、すなわち、真空（例えば、１３．３Ｐａ〜１３３Ｐａ）に保った状態において行う。ゲート２７を開いてマスク形成基板３をステージ２１上にセットすると共にゲート２６を開いて粉末供給ステージ２３上に半田粉末２を供給する。次いで、ゲート２６，２７を閉じた後、真空ポンプ２８を運転して真空チャンバー１５内から排気して所定に減圧する。なお、粉末供給ステージ２３上への半田粉末２の供給及びステージ２１へのマスク形成基板３のセットは作業員が行う。

よって、マスク形成基板３上の半田粉末２を、真空下、スキージ２２で押し移送して掻き混ぜ、かつ、それに還元性遊離基ガス（例えば、水素ラジカル）を照射するから、半田粉末２の酸化物を完全ではないが、ある程度に還元（予備還元）することができる。還元性遊離基ガスの照射は、半田粉末２の充填中、続行する。

上述の半田粉末２は、フラックレス材料であって、諸々な孔径のビアホール１に充填することができ、しかも、還元作用を活用するのに適した材料である。しかし、その一方において、ビアホール１に充填してから還元性遊離基ガスを照射すると、上述の如く、ビアホール１中に形成されている半田粉末層の表層又は上層部分２ａの還元が優先されて内層又は下層部分２ｂの還元が不十分になって還元の不均一が惹起される。これは、還元性遊離基ガスが半田粉末層の内層部分へ流入するのに従って次第に還元力を失う為に惹起される。加えて、真空下で充填しないとボイドが容易に形成されてしまう。そこで、真空下でマスク４を用いる印刷法によってビアホール１に半田粉末２を充填し、かつその際、還元性遊離基ガスを照射しながら充填して予備的に還元することによって、上述の欠点を一挙に解消するようにしている。

以下、上述の印刷により半田粉末２の充填を終えると、スキージ２２を上方の待機位置へ移動させ、次いで、基板移送装置２０でマスク形成基板３を把持してステージ２１上から加熱装置１９の所へ移送する。

基板移送装置２０は、ステージ２１上のマスク形成基板３を一対のチャック３０a，３０bで把持して移送する。その際、一対のチャック３０a，３０bでマスク形成基板３を把持すると、ステージ２１が下方へ移動する。これによって、ステージ２１に装着されているピン（マスク形成基板３を位置決めしている治具）がマスク形成基板３の孔から抜き出されて離脱される。

次いで、一対のチャック３０a，３０bが加熱装置１９の方へ移動されてマスク形成基板３が加熱位置に位置決めされる。加熱装置１９は、上ヒータ３１と下ヒータ３２とを備えており、上ヒータ３１と下ヒータ３２との間の前記加熱位置にマスク形成基板３が一対のチャック３０a，３０bで把持されたままの姿で位置決めされる（図２に鎖線で示す）。

その為、マスク形成基板３のビアホール１に充填されている半田粉末２を、基板の上下両面側、すなわち、マスク形成側及びマスク非形成側の両面側から均一に加熱（例えば、２００℃）することができる。かかる加熱温度は、半田粉末の種類によって異なるが、一般的には、半田粉末２のリフロー（加熱溶融）に適した１８０℃〜２６０℃の範囲内から選択の所定温度である。加熱時間も所定に選択することができる。

なお、上述の加熱溶融（リフロー）中においても、還元性遊離基ガスの照射が続行される。ステージ装置１７上に照射される還元性遊離基ガスは、上ヒータ３１と下ヒータ３２との間の領域にも流れ、還元作用を有している。その為、かかるリフローにおいてボイド（気泡）の発生を効果的に防止することができる。

そして、上述のリフローを終えると、引き続いて、マスク形成基板３が一対のチャック３０a，３０bで把持されたままの姿でステージ２１の上方へ移動される。その為、還元性遊離基ガスを照射しながら、加熱されているマスク形成基板３を冷却することができる。

その際、マスク形成基板３がステージ２１の上方へ移動されると、降下していたステージ２１が上昇し、チャック３０a，３０bで把持されているマスク形成基板３の上記孔に上記ピン治具が嵌挿される。次いで、チャック３０aが左側へ移動されると共にチャック３０bが右側へ移動され、その後、上方の待機位置へ移動される。

このように、一つの真空チャンバー１５内で真空下、還元性遊離基ガスを照射しながら、半田粉末２の充填と加熱溶融（リフロー）と冷却とを行うことができる。管路１４からの還元ガス供給は、制御装置３３でガス供給源３４を所定に制御して行う。冷却を終えたバンプ形成済みのマスク形成基板３は、ゲート２７を開いて作業員がステージ２１上から真空チャンバー１５外へ取り出す。なお、還元性遊離基ガスの照射は、それに先立って停止する。

上述のバンプ形成においては、半田粉末の充填と半田粉末の加熱溶融とを真空チャンバー１５内の異なる箇所で行っているが、同一箇所で行ってもよい。この態様が図３に示されている。同図において、加熱ステージ装置４０は、レール４１で案内されて移動可能な台車４２上に昇降自在に装着されたステージ２１と、このステージ２１上に装着された下ヒータ３２とを備えている。

その為、真空チャンバー１５のゲート２７を開いた状態において、ステージ２１を降下させ、次いで、台車４２を左側へ移動させることにより、ステージ２１及び下ヒータ３２の一端側を真空チャンバー１５外へ突出させることができ、従って、その部分に作業員が、ビアホール１に半田粉末２を充填しようとするマスク形成基板３をセットすることができる。

そして、その後、台車４２を右側へ移動させ、次いで、ステージ２１を上昇させることにより、図示の如くにマスク形成基板３を、印刷レベルに位置決めすることができる。なお、マスク形成基板３は、真空チャンバー１５内に取り付けられているマスク板４３の貫通穴４４に嵌め込まれて位置決めされる。

一方、印刷装置１８は、充填用のスキージ２２ａと仕上用のスキージ２２ｂとを備えているが、かかるスキージ２２ａ，２２ｂは、昇降及び水平移動が自在に装着されている。その為、マスク板４３上の半田粉末２を、両スキージ２２ａ，２２ｂで押し移送してマスク形成基板３のマスク４上に印刷することによってビアホール１に充填することができる。その際、真空下、半田粉末２を押し移送して掻き混ぜ、かつそれに還元性遊離基ガス（例えば、水素ラジカル）を照射するから、半田粉末２の酸化膜を完全ではないが、ある程度に予備的に還元することができる。

以下、上述の印刷により半田粉末２の充填を終えると、引き続いて、半田粉末２を加熱溶融する。これは、上ヒータ３１を揺動させてマスク形成基板３の上面に接触させてから上ヒータ３１及び下ヒータ３２に通電して行う。なお、上ヒータ３１は、マスク板４３に図示矢印のように揺動自在に取り付けられている。また、半田粉末２の充填及び加熱溶融は、真空下、還元性遊離基ガスを照射しながら行う。そして、加熱溶融後（リフロー後）、加熱を停止するが、還元性遊離基ガスの照射を続行し、所定時間冷却する。

上述のように、半田粉末２の充填と半田粉末層の加熱溶融とを真空チャンバー１５内の同一箇所で行うことができる。そして、冷却を終えた後、ゲート２７を開いた状態において、ステージ２１を降下させてマスク板４３の貫通穴４４から、冷却を終えたバンプ形成済みのマスク形成基板３をその下方へ抜き出し、次いで、台車４１を左側へ移動させて真空チャンバー１５外へ取り出す。なお、還元性遊離基ガスの照射は、それに先立って停止する。

上述の還元性遊離基ガスは、還元性ガスをマイクロ波によってプラズマ化したガスであって、その代表例として水素ラジカルが挙げられるが、プラズマ化によって遊離基を発生するガスである限り他のガス、例えば、水素含有プラズマ等であってもよい。還元性遊離基ガスは、水素ガス等の還元性ガスよりも還元力が著しく強い。プラズマ励起電源として、例えば、高周波１３．５６ＭＨZやマイクロ波２．４５ＧＨＺの電源を使用することができる。プラズマ照射時間は、初期の還元においては、半田粉末２の充填時間であり、加熱溶融後（リフロー後）は１分程度である。なお、加熱ステージ装置４０は、水平可動型に設けるのが好ましいが、必要に応じて固定型に設けてもよい。半田粉末は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系やＳｎ−Ｃｕ等の無鉛半田粉末に限定されず、Ｐｂ−Ｓｎ系等の鉛入り半田粉末であってもよい。

バンプ形成装置の正面図である。図１の平面図図である。他のバンプ形成装置の正面図である。加熱溶融（リフロー）時におけるボイド形成態様を示し、図４（ａ）はビアホールに半田粉末を充填した姿を示す図、図４（ｂ）は半田粉末の球状化状態を示す図、図４（ｃ）はボイドが形成された姿を示す図である。

符号の説明

１：ビアホール
２：半田粉末
３：マスク形成基板
４：マスク
５：電極パッド
６：基板
８：気泡
１０：還元性遊離基ガス発生装置
１７：ステージ装置
１８：印刷装置
１９：加熱装置
２０：基板移送装置
３１：上ヒータ
３２：下ヒータ
４０：加熱ステージ装置

Claims

電極パッドに対応してビアホールを形成するように前記電極パッドが形成されている基板面上にマスクを形成したマスク形成基板の前記ビアホールに半田粉末を充填し、次いで、前記半田粉末に真空下で還元性遊離基ガスを照射しながら加熱溶融する半田バンプの形成方法において、前記半田粉末の充填を、真空下で還元性遊離基ガスを照射しながら前記マスクを用いる印刷法によって行うことを特徴とする半田バンプの形成方法。
前記加熱溶融を、前記マスク形成基板のマスク形成側及びマスク非形成側の両面側から加熱して行うことを特徴とする請求項１に記載の半田バンプの形成方法。
前記充填と前記加熱溶融とを一つの真空チャンバー内で行うことを特徴とする請求項２に記載の半田バンプの形成方法。
前記還元性遊離基ガスが水素ラジカルであることを特徴とする請求項３に記載の半田バンプの形成方法。
前記充填と前記加熱溶融とを真空チャンバー内の異なる箇所で行うことを特徴とする請求項４に記載の半田バンプの形成方法。
前記充填と前記加熱溶融とを真空チャンバー内の同一箇所で行うことを特徴とする請求項４に記載の半田バンプの形成方法。
前記加熱溶融後、前記真空下での水素ラジカル照射をしながら冷却することを特徴とする請求項５又は６に記載の半田バンプの形成方法。
還元性遊離基ガスを真空チャンバー内へ導入する遊離基ガス発生装置と、電極パッドに対応してビアホールを形成するように前記電極パッドが形成されている基板面上にマスクを形成したマスク形成基板を支持するステージ装置と、前記マスク上の半田粉末をスキージで押し移送して前記ビアホールに充填する印刷装置と、前記ビアホールに充填された半田粉末を加熱溶融する加熱装置と、前記マスク形成基板を前記ステージ装置から前記加熱装置へ移送したり或るいは前記加熱装置から前記ステージ装置へ移送したりする基板移送装置とを備え、かつ前記ステージ装置、印刷装置、加熱装置及び基板移送装置を前記真空チャンバー内に設置し、電極パッドに対応してビアホールを形成するように前記電極パッドが形成されている基板面上にマスクを形成したマスク形成基板の前記ビアホールに対する半田粉末の充填工程、及び、ビアホールに充填された前記半田粉末をリフローする工程を、チャンバー内を真空排気している状態で還元性遊離基ガスを照射しながら行う機構を有したことを特徴とする半田バンプの形成装置。
前記遊離基ガス発生装置を、前記ステージ装置の上方から還元性遊離基ガスを導入するように設置すると共に前記加熱装置を、前記マスク形成基板のマスク形成側に設置された上ヒータとマスク非形成側に設置された下ヒータとで構成したことを特徴とする請求項８に記載の半田バンプの形成装置。
還元性遊離基ガスを真空チャンバー内へ導入する遊離基ガス発生装置と、電極パッドに対応してビアホールを形成するように前記電極パッドが形成されている基板面上にマスクを形成したマスク形成基板を支持する加熱ステージ装置と、前記マスク上の半田粉末をスキージで押し移送して前記ビアホールに充填する印刷装置と、前記マスク形成基板のマスク形成側から加熱するヒータとを備え、かつ前記ステージ装置、印刷装置及びヒータを前記真空チャンバー内に設置し、電極パッドに対応してビアホールを形成するように前記電極パッドが形成されている基板面上にマスクを形成したマスク形成基板の前記ビアホールに対する半田粉末の充填工程、及び、ビアホールに充填された前記半田粉末をリフローする工程を、チャンバー内を真空排気している状態で還元性遊離基ガスを照射しながら行う機構を有したことを特徴とする半田バンプの形成装置。
前記加熱ステージ装置を、前記マスク形成基板を前記真空チャンバー内からチャンバー外へ移動させ得るように水平動自在に設けたことを特徴とする請求項１０に記載の半田バンプの形成装置。
前記還元性遊離基ガスが水素ラジカルであることを特徴とする請求項８〜１１のいずれか一つに記載の半田バンプの形成装置。