JP4512772B2 - 導電性ボール定置用マスクの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体パッケージ等の電子部品を面実装するための電極上に導電性バンプが形成されるが、該導電性バンプをはんだボール等の導電性ボールで形成する際に、はんだボール等の導電性ボールを開口部を有するマスクを介してスキージで電極面に定置する際に用いられるマスク、及びその製造方法に関する。

近年、半導体チップの高集積化、多ピン化、狭ピッチ化、信号伝達速度の高速化等に対応して、基板に半導体チップを実装し、モールドした半導体パッケージパッケージをプリント配線板に搭載する際に、４辺からのリード線による接合から、半導体パッケージの表面に導電性バンプを形成して接合するフリップチップ接合が広く行われている。この際の導電性バンプの形成方法としては、半導体パッケージの表面の電極部にクリームはんだ等の導電性ペーストを印刷し、又ははんだボール等の導電性ボールを定置した後、導電性ペーストや導電性ボールを溶融する方法等が開発され、それぞれ目的に応じて実用に供されている。

導電性ボールを定置する方法は、各電極部に導電性ボールを１個定置し、導電性ボールをリフローして導電性バンプを形成する。各電極部に導電性ボールを確実に１個定置する方法として種々の方法が提案されている。例えば、導電性ボールを吸着保持するマスクを備えた搭載治具により定置する方法、導電性ボールが通る開口部を有するマスクを介してスキージ等により定置する方法等がある。

開口部を有するマスクを介して行う方法としては、
特開平９−１０７０４５号公報、及び 特開平１１−２９７８８６号公報に開示されている。 前記の公開されている方法は、基板上にマスクを位置合わせしながら重ね、マスクの開口部に導電性ボールを１個落とし込み、マスクを基板から取り去って、落とし込んだ導電性ボールを基板上の電極部に定置する。

該方法は吸着保持方法に比して、設備が簡略で、作業性にも優れているが、問題点は、全ての開口部に確実に１個の導電性ボールを落とし込み、一方で複数の導電性ボールが開口部に引っ掛かったり、余剰の導電性ボールが開口部近辺に残るのを防止する点にある。
前記の特許文献２には、基板上の各電極部にフラックスを塗布し、マスクに導電性ボールを供給して各開口部に導電性ボールを１個落とし込みフラックスに付着させ、メタルマスク上の余剰の導電性ボールをスキージで掻き取って除去する方法が開示されている。しかし該方法においては、スキージでの掻き取りを強くすると、開口部に落とし込んでいた導電性ボールまでが掻き出されて、導電性バンプに欠けが生じたり、一方掻き取りを弱くすると開口部に複数の導電性ボールが引っ掛かり、導電性ボールの掻き残しが生じ、複数の導電性ボールが定置されてしまうと言う問題が発生している。

前記した問題を解決するために、
特開２００１−２６７７３１号公報には、電極上にフラックスの替わりに粘着膜を形成し、開口部に落とし込んでいた導電性ボールをしっかりとキャッチして掻き出されることを防いでいる。又、この際該公報には、メタルマスクの非開口部が成膜した粘着膜に接触するのを防止するためにマスクの粘着膜に接触する側に突起を設けることも提案されている。 しかし、該方法でも導電性ボールの掻き残しと、掻き出し過ぎの問題は完全には解決されてはいないし、且つ電極上に設けられた粘着膜は導電性ボールを溶融して導電性バンプを形成した際にバンプの形成に悪影響を及ぼす。

本発明の目的は、導電性ボールにより導電性バンプを形成する際に、開口部を有するマスクを介してスキージで導電性ボールを電子部品等の全ての電極に確実に１個定置できるマスクの製造方法を提供することにある。

本発明者らは、マスクを介して導電性ボールを電子部品等の電極に定置する際の導電性ボールの掻き残しと掻き出し過ぎの問題を解決するためにマスクの構造、及びその製造方法の検討を行い、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、
導電性ボールが通過する開口部群からなる基本パターンを複数有する第一の層と、該第一の層の両面に基本パターン部は凹状に、基本パターン部以外の領域は凸状に段差が設けられたマスクを介してスキージにより導電性ボールを電極面に定置する際に用いられる複数面取り型のマスクの製造方法であって、
１．導電性ボールが通過する開口部群を有する導電性基板（第一の層）の片方の面に感光性樹脂を積層し、フォトリソグラフ法により電極面側又はスキージ側のどちらか一方の段差（段差１）の凹状部に対応する凸状段差を感光性樹脂で形成する工程、
２．前記した感光性樹脂で凸状段差が形成された面に電気メッキにより金属メッキ層（第二の層）を形成し、凹状部に対応する部分の感光性樹脂を剥離して第二の層で段差１を形成する工程、
３．第二の層を積層した導電性基板の段差１が形成された面とは反対側の面に感光性樹脂を積層し、フォトリソグラフ法により電極面側又はスキージ側のもう一方の段差（段差２）の凹状部に対応する凸状段差を感光性樹脂で形成する工程、
４．前記した段差２に対応する凸状段差が感光性樹脂で形成された面に電気メッキにより金属メッキ層（第三の層）を形成し、凹状部に対応する部分の感光性樹脂を剥離して第三の層で段差２を形成する工程、
からなることを特徴とする導電性ボールの定置用マスクの製造方法、及び
導電性ボールが通過する開口部群からなる繰返し基本パターンを複数有する第一の層と、該第一の層の両面に基本パターン部は凹状に、基本パターン部以外の領域は凸状に段差が設けられたマスクを介してスキージにより導電性ボールを定置する際に用いられる複数面取り型のマスクの製造方法であって、
１．導電性ボールが通過する開口部群を有する導電性基板（第一の層）の両面に感光性樹脂を積層し、フォトリソグラフ法により両面に段差（段差１及び段差２）の凹状部に対応する凸状段差を感光性樹脂で形成する工程、
２．両面に感光性樹脂で凸状段差が形成された導電性基板の両面に電気メッキにより金属メッキ層（第二の層及び第三の層）を形成し、段差１及び段差２の凹状部に対応する部分の感光性樹脂を剥離して第二の層と第三の層で、段差１及び段差２を形成する工程、
からなることを特徴とする導電性ボールの定置用マスクの製造方法、及び
前記第一の層が、
１．導電性を有するベース基板の片方の面に感光性樹脂を積層し、フォトリソグラフ法により導電性ボールの開口部に対応する突起を感光性樹脂で形成する工程、
２．前記した導電性を有するベース基板の突起が形成された面に電気メッキにより金属メッキ層（第一の層）を形成し、開口部に対応する部分の感光性樹脂を剥離して導電性ボール定置用の開口部を形成する工程、
から作られたことを特徴とする前記記載の導電性ボールの定置用マスクの製造方法、及び
前記した電極面側の段差の凹状部は基本パターンを１個又は２個以上包含し、スキージ側の段差の凹状部は基本パターンを１個又は２個以上包含することを特徴とする前記記載の導電性ボールの定置用マスクの製造方法、である。

導電性ボールをスキージでマスクの開口部を通して電極面に定置し、溶融して接続用の導電性バンプを形成する際に、本発明に従えば、導電性ボールをマスクの全ての開口部に確実に１個落とし込み、同時に余剰の導電性ボールを容易に掻き取れ、且つ耐溶剤性や耐久性に優れたメタルマスクを容易に作ることができる。その結果本発明の製造方法で作った導電性ボールの定置用メタルマスクを用いれば、電子部品等の全ての電極部に確実に１個の導電性ボールを搭載でき、形成した導電性バンプには欠けや余分なはんだの付着等の欠陥は発生しない。

本発明において導電性ボールは、電子部品等の搭載用の電極に定置された後、溶融して導電性バンプを形成する。用いられる導電性ボールとしては、低融点の導電性金属や合金のボール、例えばはんだボール等が挙げられる。
次に、本発明の製造方法で作られた導電性ボール定置用マスクの構造について先ず説明する。図１は本発明の製造方法で作られたマスクの１つの実施様態を表す。図２は図１の中の一つの基本パターン部分の拡大断面図で、（Ｘ）はＸ方向(スキージの移動方向)、（Ｙ）はＹ方向(スキージの移動方法に対し直交方向)の拡大断面を表す。１０は本発明の製造方法で作られたマスクを、１１は開口部群からなる基本パターン部を表し、１２は開口部、１４はスキージ側の凸部を、１５はスキージ側の凹部（図１においてはスキージの移動方向の全ての基本パターン部を包含している）を、又、１６は電極側の凸部を、１７は電極側の凹部（図２においては各基本パターン部毎に設けられている）を表し、２１は導電性ボールを表す。

本発明の製造方法で作られた導電性ボールの定置用マスクは、１つの電子部品等の電極群に対応する開口部１２の群からなる基本パターン１１を複数有し、開口部を有する第一の層１３と該層の両側面の基本パターン部以外の領域に電気メッキ法で設けられた凸状部１４、１６を形成する第二の層及び第三の層の積層体からなる。
前記した開口部は、１個の導電性ボールが容易に通過できる程度の大きさで、大き過ぎると開口部に複数の導電性ボールが落ち込んだり、引っ掛かったりして、マスクを取り去った際に複数の導電性ボールが搭載されるので好ましくない。確実に１個の導電性ボールを落とし込めるようにするには、通常開口部の直径は導電性ボールの直径の１．０５〜１．５倍程度が好ましい。

又、複数の導電性ボールが開口部に引っ掛かることを防ぐと共に導電性ボールの通過を容易にするには、開口部のスキージ側（上面）の大きさを電極側（下面）の大きさよりも少し小さくするほうが好ましく、この大きさの差としては導電性ボールの大きさの０．０５〜０．２倍程度である。例えば導電性ボールの直径が８０μｍの場合は、開口部の上面の大きさは8５〜１０５μｍ、下面の大きさは９０〜１２０μｍ程度である。

次にマスクのスキージ側の段差(凹凸)について説明する。通常マスクには数千から数万個の開口部があり、このような多数の開口部にスキージを移動させながら確実に１個の導電性ボールを開口部に落とし込み、且つ余剰の導電性ボールを全て掻き取る必要がある。マスクの厚と導電性ボールの大きさの関係から、もしマスクのスキージ側に凸部がなく、開口部に落ち込んだ導電性ボールの頂部がマスク表面から頭を出している場合は、スキージが移動する際に掃き出され易くなり、バンプ欠けが発生する。一方、導電性ボールの頂部がマスク表面より下に落ち込んでいる場合は、複数の導電性ボールが開口部に引っ掛かり、複数の導電性ボールが電極上に搭載され易くなる。

前記した問題を解決するために本発明においては、マスクのスキージ側の面の開口部群からなる基本パターン部分に凹状部を設ける。この場合、開口部に落ち込んだ導電性ボールの頂部は開口部を有する第一の層の表面から頭を出すが、マスクの最上層面(基本パターン部分を含まない領域に設けられた凸部の表面)からは頭が出ないように、且つ基本パターン部分の凹部に残存する余剰の導電性ボールはその頭部がマスクの最上面から飛び出すように段差の程度を制御する。このようにするとスキージが移動する際に開口部に落ち込んだ導電性ボールにはスキージが接触せず、導電性ボールが掻き取られることはない。一方、凹部に残存する余剰の導電性ボールはその頭部がマスクの最上層面から出ているのでスキージで容易に掻き取ることができる。この際、導電性ボールの直径の１／３以上、より好ましくは半分以上がマスクの最上面から飛び出していれば掻き取りがより容易になる。該凹状部は基本パターン毎に設けてもよいが、２個以上を包含して設けてもよく、特にスキージの移動方向に２個以上の基本パターンを包含する方が導電性ボールの掻き取り易さの点から好ましく、スキージの移動方向の全ての基本パターンを包含するのが最も好ましい。勿論スキージ面側の凸部は基本パターン部以外の領域の全てに、又は一部に設けてもよい。

一方、マスクの下面（電極側）の段差は、前記した特許文献３にも開示されているように、電極部に塗布されているフラックスがマスクを重ねた際にマスクと接触するのを防ぐ役割を果たす。それ故に、フラックスの塗布されていない部分に対応する部分に凸部を設ければよい。マスクはスキージ圧で撓み易いので、マスクの外周辺部だけでなく、１個又は１個以上の基本パターンを包含するように段差を設けるのが好ましい。勿論該凸部は基本パターン部以外の領域の全てに、又は一部に設けてもよい。

本発明のマスクは開口部を有する第一の層、該層の両側面に設けられた凸部の層の３層からなるが、各層の厚さは、導電性ボールの大きさ、導電性ボールが定置される電子部品等の基板表面の形状によって異なる。通常基板表面には電極、レジスト膜が形成されており、且つ電極面にはフラックスが塗布されている。マスクを基板に重ね、導電性ボールを開口部に落とし込んだ際に、前記したように、導電性ボールの頭部がマスクの最上面より下になるように、且つ開口部を有する第一の層の表面よりは上になるようにすればよい。導電性ボールの第一の層の表面から突き出る程度は、導電性ボールの直径の２０〜５０％が好ましい。２０％未満の場合は複数の導電性ボールが開口部に引っ掛かり易くなり、５０％を超えるとマスクのスキージ側の段差が大きくなり、余剰の導電性ボールの掻き取りが難しくなる。各層の割合は、製造方法も考慮すると、マスクの総厚に対して、第一の層、スキージ側の凸部の層、電極側の凸部の層の割合が、それぞれ２０〜５０％、１０〜４０％、３０〜５０％程度である。

本発明のマスクの製造方法としては、マスクの各層を別途作製して接着剤等で貼り合わせる方法、スポット溶接する方法、熱拡散接合する方法等あるが、マスクの歪、マスク洗浄剤等による剥がれ、製造の容易さから、第一の層の両面に設けられる凸部を形成する第二、及び第三の層は第一の層の両側に電気メッキ法で金属を積層するのが好ましい。

第一の層を作製する方法は、電気メッキ法による方法、金属板や樹脂フィルムにレーザー光によるアブレーション法、エッチング法、放電加工法等により開口部を形成する方法が公知である。これらの中で壁面が滑らかな開口部が形成し易い点からは第一の層も電気メッキ法で作るのが好ましい。
本発明においては、マスクの両面の凹状部は第二、及び第三の層の開口部に相当する。即ち、第一、第二、及び第三の層を電気メッキ法で作る場合は、各層共に下記に記した電気メッキ法によるメタルマスクの製造方法と同じ方法で作ることができる。

電気メッキ法によるメタルマスクの製造方法とは、導電性を有するベース基板にフォトリソグラフ法を用いて開口部に対応する部分の凸部を感光性樹脂で作り、メッキ浴に浸漬して所望する膜厚の金属の電気メッキを行う。次に凸部を形成している感光性樹脂を除去するとベース基板上に開口部を有するメタルマスクが積層された状態で得られ、メタルマスクとして用いる場合はベース基板を剥離する。
この際用いられる導電性を有するベース基板としては、ニッケル、銅、鉄等やこれらの合金等の導電性金属板、樹脂フィルム等の非導電性基材に導電性金属をスパッタ、蒸着、無電解メッキにより積層した基板が挙げられる。

開口部に対応する部分の凸部を感光性樹脂で作るには、前記した導電性を有するベース基板にドライフィルム、液状レジスト等の感光性樹脂をラミネート又は塗布して積層する。次に感光性樹脂がネガ型の場合は開口部に相当する部分は紫外線を透過し、それ以外の部分は紫外線を透過しないガラスマスク、又はフィルムマスクを通して感光性樹脂層を露光したり、又は直接収束したレーザー光を感光性樹脂層に照射して露光した後、現像する。未露光部（開口部に相当する部分以外の領域）の感光性樹脂は現像により除去され、開口部に対応する部分に感光性樹脂で凸部が形成される。
一方、金属メッキに用いられる金属としては、ニッケル、クローム、銅、錫等やこれらの合金が挙げられる。マスクの強度、硬度等からはニッケル及びニッケル合金が好ましい。

本発明のマスクの製造方法の一つとしては、第二の層と第三の層を順次積層する方法が挙げられる。具体的には、前記したメタルマスクの製造方法と同じ方法に従って、開口部を設けた導電性基板（第一の層に相当する）を前記メタルマスクの製造におけるベース基板とし、該ベース基板の片面に開口部を有する金属の電気メッキ層を積層し、段差を有する第二の層を形成する。この際必要ならば他方の導電性の面がメッキされないようにマスクする。次に第二の層面をマスクし、他方の導電性の面（その前の工程で該面がマスクされていれば、マスクを剥離して）に前記したメタルマスクの製造方法に従って開口部を有する金属の電気メッキ層を積層し、段差を有する第三の層を形成した後、第二の層上のマスクを剥離する。
該方法では、工程数が多くなるが、第二の層と第三の層の金属の種類と組成、及びメッキ条件を変更でき、それぞれの層の物性や膜厚を別々に制御できる。

本発明のマスクの別の製造方法としては、第二の層と第三の層を同時に積層する方法で、開口部を設けた導電性基板（第一の層）の両面に前記したメタルマスクの製造方法と同じ方法で開口部を有する金属の電気メッキ層を積層し、第一の層の両側に第二の層と第三の層で同時に凸状部（段差）を形成する。該方法では第二の層と第三の層の膜厚や物性は同じになる。

本発明のマスクの第一の層を電気メッキ法で作製するには、ステンレス板等の導電性ベース基板に前記したメタルマスクの製造方法と同じ方法で開口部を有する金属の電気メッキ層を積層する。このようにして第一の層を作製した場合、次に第二の層と第三の層を順次積層する際はベース基板を剥離せずに、一方、第二の層と第三の層を同時に積層する際はベース基板を剥離して次の工程で用いればよい。

本発明のマスクの第一の層を電気めっき法で作り、第二、第三の層を電気メッキ法で順次積層して作る工程を図３に示す。導電性基板１９の片面に感光性樹脂で開口部に対応する凸部を形成し（ａ）、凸部を形成した面に電気メッキ層を形成し（ｂ）、感光性樹脂を除去し開口部を有する第一の層を形成する（ｃ）。次に第一の層の上に感光性樹脂で一方（例えば電極側）の凹部に対応する凸部を形成し（ｄ）、電気メッキ層を形成し（ｅ）、感光性樹脂を除去し第二の層を形成する（ｆ）。更に、第二の層の逆面上に感光性樹脂で他方（スキージ側）の凹部に対応する凸部を形成し（ｇ）、電気メッキ層を形成し（ｈ）、感光性樹脂を除去し第三の層を形成する（ｉ）。（ｈ）の電気メッキ層を形成する際に、裏面がメッキされるのを防止するために裏面をマスキング材２０で保護されている。勿論必要ならば側面もマスクしてもよい。

本発明のマスクを用いて導電性ボールを電子部品の電極に定置し、導電性バンプを形成する方法について説明する。
半導体パッケージ等の電子部品の電極にフラックスを塗布し、該電子部品の上に本発明のマスクを位置合わせして配置する。この際電子部品面の電極とマスクの開口部のと位置合わせのためにマスクに位置決め穴１８を設けてもよい。又本発明のマスクはアルミ、ステンレス、銅等からなる金属枠に貼り付けて用いてもよい。
次に導電性ボールをマスク上に供給し、スキージをマスク上を移動させながら導電性ボールを開口部に１個落とし込み、同時に余剰の導電性ボールを掻き取る。最後にマスクを電子部品から取り去ると導電性ボールが電極上に１個定置され、加熱炉ではんだをリフローすれば導電性バンプが電極上に形成される。

本発明の製造方法で作られたマスクは半導体パッケージ等の電子部品をフリップチップ接合する際の接続端子である導電性バンプを導電性ボールで形成する際に、導電性ボールを電極に定置する際に利用できる。

本発明の一実施様態のマスクのスキージ側の平面図 図１における基本パターン部の拡大断面図 本発明のマスクの製造工程の一実施様態を表す図

符号の説明

１０ 導電性ボール定置マスク
１１ 開口部を包含する基本パターン
１２ 開口部
１３ 第一の層
１４ スキージ側の凸部
１５ スキージ側の凹部
１６ 電極側の凸部
１７ 電極側の凹部
１８ 位置決め孔
１９ 導電性基板
２０ マスキング材
２１ 導電性ボール
Ｘ スキージの移動方向
Ｙ スキージの移動方向に対して直角方向

Claims (4)

1. 導電性ボールが通過する開口部群からなる基本パターンを複数有する第一の層と、該第一の層の両面に基本パターン部は凹状に、基本パターン部以外の領域は凸状に段差が設けられたマスクを介してスキージにより導電性ボールを電極面に定置する際に用いられる複数面取り型のマスクの製造方法であって、
   １．導電性ボールが通過する開口部群からなる繰返し基本パターンを複数有する導電性基板（第一の層）の片方の面に感光性樹脂を積層し、フォトリソグラフ法により電極面側又はスキージ側のどちらか一方の段差（段差１）の凹状部に対応する凸状段差を感光性樹脂で形成する工程、
   ２．前記した感光性樹脂で凸状段差が形成された面に電気メッキにより金属メッキ層（第二の層）を形成し、凹状部に対応する部分の感光性樹脂を剥離して第二の層で段差１を形成する工程、
   ３．導電性基板の段差１が形成された面とは反対側の面に感光性樹脂を積層し、フォトリソグラフ法により電極面側又はスキージ側のもう一方の段差（段差２）の凹状部に対応する凸状段差を感光性樹脂で形成する工程、
   ４．前記した段差２に対応する凸状段差が感光性樹脂で形成された面に電気メッキにより金属メッキ層（第三の層）を形成し、凹状部に対応する部分の感光性樹脂を剥離して第三の層で段差２を形成する工程、
   からなることを特徴とする導電性ボールの定置用マスクの製造方法。
2. 導電性ボールが通過する開口部群からなる繰返し基本パターンを複数有する第一の層と、該第一の層の両面に基本パターン部は凹状に、基本パターン部以外の領域は凸状に段差が設けられたマスクを介してスキージにより導電性ボールを定置する際に用いられる複数面取り型のマスクの製造方法であって、
   １．導電性ボールが通過する開口部群を有する導電性基板（第一の層）の両面に感光性樹脂を積層し、フォトリソグラフ法により両面に段差（段差１及び段差２）の凹状部に対応する凸状段差を感光性樹脂で形成する工程、
   ２．両面に感光性樹脂で凸状段差が形成された導電性基板の両面に電気メッキにより金属メッキ層（第二の層及び第三の層）を形成し、段差１及び段差２の凹状部に対応する部分の感光性樹脂を剥離して第二の層と第三の層で、段差１及び段差２を形成する工程、
   からなることを特徴とする導電性ボールの定置用マスクの製造方法。
3. 第一の層が、
   １．導電性を有するベース基板の片方の面に感光性樹脂を積層し、フォトリソグラフ法により導電性ボールの開口部に対応する突起を感光性樹脂で形成する工程、
   ２．前記した導電性基材の突起が形成された面に電気メッキにより金属メッキ層（第一の層）を形成し、開口部に対応する部分の感光性樹脂を剥離して導電性ボール定置用の開口部を形成する工程、
   から作られたことを特徴とする請求項１、又は２記載の導電性ボールの定置用マスクの製造方法。
4. 電極面側の段差の凹状部は基本パターンを１個又は２個以上包含し、スキージ側の段差の凹状部は基本パターンを１個又は２個以上包含するすることを特徴とする請求項１から３いずれかに記載の導電性ボールの定置用マスクの製造方法。
   

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