JP4749791B2 - はんだボールの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体基板の電極と回路基板の電極あるいは配線との相互間を接続するためのはんだボール及びはんだバンプの製造方法に関するものである。

最近の電子部品の小型化、高密度実装化に伴い、プリント配線基板等に電子部品を実装する際には、ＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）、ＣＳＰ（チップサイズパッケージ）技術が用いられるようになっている。また、これらの技術に採用される電極サイズも微細化の一途をたどっている。

これらの接合においては、半導体基板、電子部品、プリント基板等の上に配置された多数の電極にまずはんだバンプを形成する。電子部材上の電極へのはんだバンプ形成は、各電極にフラックスの粘着力を利用してはんだボールを粘着させ、ついで該電子部材を高温に熱してはんだボールをリフローさせることによって行なう。このはんだバンプを介して半導体基板等とプリント基板等との間を接合する。ここで、はんだバンプとは、銅あるいはアルミ配線電極上のメッキの上に半球状に盛り上がって形成されたはんだをいう。

半導体素子はますます小型化・高密度化が進み、基板上における隣接する電極間の間隔が狭まっている。そのため、従来のはんだボールを用いて図１０（ａ）に示すようにはんだボール１９を電極１７ａ上に配置し、半導体基板１６と回路基板１８との間を図１０（ｂ）に示すようにＢＧＡ接続しようとするとき、半導体基板１６と回路基板１８との間隔を狭めて両者の電極１７間にはんだボール１９を挟み込んだ際、図１０（ｃ）に示すように両電極に押されたはんだボール１９が変形して隣接するはんだボール同士が合体してしまうことがある。このようなはんだボール同士の合体を防止するためには、半導体基板１６と回路基板１８との間隔を狭めるに際し、両者の間隔をきわめて正確に制御することが必要となる。

特許文献１には、半導体素子を搭載するとともに電気接点としてマイクロボールを搭載した半導体装置のパッケージにおいて、マイクロボールはコアボールの周囲に導電膜を備えた複合マイクロボールからなり、コアボールは直径が３０〜１００μｍで十分良い転がり性を有し、その直径精度が優れており、導電膜は外周面に均一に形成された厚さ１０μｍ以上の半田めっき層を備えていることを特徴とする半導体パッケージが記載されている。これにより、複合マイクロボールを搭載して、パッケージのＺ軸の寸法精度を精密に制御できるように構成したものであるとしている。ここでパッケージのＺ軸とは、積載する高さ方向を示す軸を示す。コアボールは銅、金またはこれらの合金からなる。

廃棄された電子装置を廃棄処理するに際し、環境への影響を最少とするため、電子装置に使用するはんだ合金についても無鉛はんだ合金が要求されるようになっている。

無鉛はんだ合金としては、二元系ではＳｎにＡｇを３．５％含有した組成が共晶組成となり、融点は２２１℃と比較的低く、広く無鉛はんだとして使用されている。

電子部品に用いるはんだ合金については、優れた耐熱疲労特性を必要とする。特許文献２においては、電子機器用の無鉛はんだ合金として、Ａｇ３．０〜５．０％、Ｃｕ０．５〜３．０％、残部Ｓｎからなる耐熱疲労特性に優れた高温はんだが開示されている。Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金では、Ａｇ４．７％−Ｃｕ１．７％で三元共晶組成となることが報告されており、３％以上のＡｇを含有することによって共晶点近傍の組成として融点を下げ、はんだ合金としての使いやすさを実現している。

特開２００１−３１９９９４号公報 特開平５−５０２８６号公報

特許文献１に記載の複合マイクロボールは、銅などの金属コアと外周にはんだめっき層を備えた金属コアはんだボールである。半導体基板の電極と回路基板の電極との間をＢＧＡ接続するに際し、このような金属コアはんだボール１を用いて電極１７上に配置することにより、図８（ｂ）に示すようにはんだボール１を介して対面する両電極間の距離はコアとなる金属ボール２の直径より狭くなることができず、即ち両電極間の距離は金属ボール２の存在によって正確に制御することが可能になる。

従来の金属コアはんだボールにおいて、金属コアボールの外周面にはんだ層を形成する方法としては、めっき方法が用いられていた。ところが、外周面に形成するはんだとしてＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系などの多成分系無鉛はんだ合金を用いた場合、はんだめっき時にめっき組成のずれが生じ、目標とする成分を有するはんだめっき層を形成することが困難となることがある。組成のずれが生じたはんだボールを用いてはんだバンプを形成すると、そのはんだバンプのはんだも組成がずれたバンプとなる。

本発明は、多成分系無鉛はんだ合金を用いた金属コアはんだボール又ははんだバンプにおいて、組成のずれを生じさせることのないはんだボール又ははんだバンプの製造方法を提供することを目的とする。

即ち、本発明の要旨とする所は以下の通りである。
（１）基板上に多数の島状はんだペースト領域４を形成し、各島状はんだペースト領域４に金属ボール２を配置し、その後基板上のはんだを溶融させ、さらにその後、金属ボールとはんだの結合体７を加熱した液相３１中に自由落下させ、金属コアはんだボール形状とすることを特徴とするはんだボールの製造方法。
（２）基板３は、溶融したはんだとの接触角が６０°以上であることを特徴とする上記（１）に記載のはんだボールの製造方法。
（３）基板３の材質は、カーボン、ガラス、セラミックスのいずれかであることを特徴とする上記（２）に記載のはんだボールの製造方法。
（４）はんだペースト領域４の形成は、はんだペースト１０を液滴ジェット１１として基板上に転写する方法、あるいははんだペースト１０をスクリーン印刷して基板上に転写する方法を用いることを特徴とする上記（１）乃至（３）のいずれかに記載のはんだボールの製造方法。
（５）島状はんだペースト領域４は、基板上に設けた凹部５に形成することを特徴とする上記（１）乃至（４）のいずれかに記載のはんだボールの製造方法。
（６）金属ボール２は銅ボールであることを特徴とする上記（１）乃至（５）のいずれかに記載のはんだボールの製造方法。

本発明の製造方法によるはんだボール及びはんだバンプは、多成分系無鉛はんだ合金を用いた場合でも成分のずれが生じないので、半導体基板の電極と回路基板の電極との間をＢＧＡ接続等するに際し、接続に無鉛はんだを用いることができ、さらに両電極間の距離は金属コアボールの存在によって正確に制御することが可能になる。

本発明方法で製造される金属コアはんだボール１は、中心部に金属ボール２を有し、外周面がはんだ９で被覆された形状を有する。金属ボール２の材質としては、導電性を有し、はんだのリフロー温度で固相を保持することのできる金属であれば限定はされないが、銅、金、銀、鉄あるいはこれら金属の合金を用いると特に好ましい。金属ボール２の直径をＤとしたとき、Ｄ：３０〜６００μｍとし、外周面のはんだ層の厚さは、Ｄ／１０〜Ｄ／２とする。金属ボール２を有することにより、接合する半導体基板１６の電極１７や回路基板１８の電極１７との間隔を正確に一定に保持することができる。また、金属ボール２の材質としてはんだ９に比較して電気伝導、熱伝導に優れる材質を選択することができるので、半導体素子の高速安定化にも寄与することができる。

本発明のはんだボール１の製造方法においては、図２（ａ）に示すように基板３上に多数の島状はんだペースト領域４を形成し、図２（ｂ）に示すように各島状はんだペースト領域４に金属ボール２を配置し、その後基板上のはんだを溶融させることを特徴とする。基板３には、溶融したはんだとの間で濡れ性の良くない材質のものを用いる。

図１の例に基づいて本発明の説明を行う。図１に示す例では、図１（ａ）に示すように基板３の島状はんだペースト領域４を形成すべき部位に凹部５が形成されている。図１（ｂ）は、基板３表面の凹部５に島状はんだペースト領域４が形成された状況を示す。

各島状はんだペースト領域４のはんだの量は、１個のはんだボールを構成するはんだの量と等しくする。図１（ｃ）に示すように各島状はんだペースト領域４に金属ボール２を配置すると、金属ボール２ははんだペーストの粘着力によってはんだペースト上に被着する。この状態で基板全体を熱してはんだを溶融させると、図１（ｄ）に示すようにはんだ９と金属ボール２とを一体化することができる。基板３と溶融はんだとの間は濡れ性が悪いので、はんだ９が基板３と接着することはない。また、各島状はんだペースト領域４はお互いに離れているので、相互に接触して２以上のはんだボール１が合体することもない。その後、図１（ｅ）に示すように、基板３からはんだボール１（金属ボールとはんだの結合体７）を回収する。

基板と溶融したはんだとの間の濡れ性については、図３に示す基板３と溶融したはんだ９との接触角θが、ＳｎＰｂの濡れ角６０°以上であることとすると好ましい。これにより、基板３を熱したときに、溶融したはんだ９は自身の表面張力及びはんだ９と金属ボール２との間の界面張力により、はんだ９と金属ボール２とを一体化させることが可能になる。

基板３の材質としてテフロン（登録商標）、カーボン、ガラス、セラミックスのいずれかを選択することにより、はんだとの間に上記良好な濡れ性特性を実現することができる。

金属コアはんだボール１を高い生産性で製造するためには、１枚の基板３上にできるだけ多くの島状はんだペースト領域４を配置し、一度に多数のはんだボールを製造することが必要である。このため、本発明における島状はんだペースト領域４の形成は、はんだペースト１０を液滴ジェット１１として基板上に転写する方法、あるいはスクリーン１２を用いてはんだペースト１０をスクリーン印刷して基板上に転写する方法を用いることとすると好ましい。

はんだペースト１０を液滴ジェット１１として基板上に転写する方法について図４に基づいて説明を行う。図４（ａ）については基板表面６が平坦で凹部が存在しない場合、図４（ｂ）についてははんだペースト領域４を形成すべき位置に凹部５が存在する場合を示す。

図４に示すように、容器２２内にはんだペースト１０を格納し、容器２２にノズル２３を接続する。ノズル２３からは１回に一定量のはんだペースト１０を液滴ジェット１１として噴射することができる。ノズル２３の噴射方向を基板表面に向け、ノズルの位置を移動させつつ基板上にはんだペーストを噴射することにより、短時間に多数の島状はんだペースト領域４を基板上に形成することができる。

はんだペーストをスクリーン印刷して基板上に転写する方法について図５に基づいて説明を行う。図５（ａ）（ｂ）（ｃ）については基板表面６が平坦で凹部が存在しない場合、図５（ｄ）（ｅ）（ｆ）についてははんだペースト領域４を形成すべき位置に凹部５が存在する場合を示す。

島状はんだペースト領域４に対応する位置に開口２５を有するスクリーン１２を準備し、図５（ａ）（ｄ）に示すようにこのスクリーン１２を基板３の表面に配置した上で、スクリーン上にはんだペーストを塗布する。その結果、図５（ｂ）に示す例ではスクリーン１２の開口２５内部に、図５（ｅ）に示す例ではスクリーン１２の開口２５と凹部５の内部にはんだペースト１０が充填される。その後スクリーンを基板から排除すると、図５（ｃ）（ｆ）に示すように、スクリーンの開口位置に対応する部位に島状はんだペースト領域４が形成されている。

島状はんだペースト領域４を形成する基板３については、図１に示すように島状はんだペースト領域４を形成する位置に凹部５を設け、基板上の凹部５に島状はんだペースト領域４を形成することとすると好ましい。これにより、基板３を加熱してはんだを溶融させるに際し、溶融したはんだ９が容易に金属ボール２と一体化することができる。また、溶融したはんだ９が凹部５に拘束されるので基板上で移動することがなく、隣り合った溶融はんだ領域同士が合体することがない。さらに、スクリーン印刷によってはんだペーストを基板上に転写する方法を採用する場合には、はんだペーストを凹部内に充填することにより、はんだペースト容積を凹部の内容積と等しくすることができ、すなわち、各はんだペースト領域毎のはんだペースト容積を正確に一定に保持することが可能になる。

金属ボールを基板上の各島状はんだペースト領域に配置する方法について図６に示す例を用いて説明する。この例においては、金属ボール２を配列板２７に吸着し、基板上に金属ボール２を配列して吸着を解除する金属ボール配列装置２６を用いている。また、図６（ｂ）（ｃ）に示す例では基板３の表面は平坦であり、図６（ｄ）（ｅ）に示す例では基板３の表面に凹部５が形成されている。

金属ボール配列装置２６の配列板２７は、多数の吸引口２８を有する。吸引口２８の直径は金属ボール２の直径より小さく、吸引口２８の配置位置は基板上の島状はんだペースト領域４に対応して配置される。図６（ａ）に示すように配列板２７の背後には吸引装置３０が設けられ、吸引口２８を通して空気を吸引することができる。吸引口２８から空気を吸引しつつ、図６（ａ）に示すように金属ボール２を多数収容したトレー２９に金属ボール配列装置の配列板２７を接近させると、金属ボール２が各吸引口２８に吸着される。この状態で配列板２７を基板３上に移動し、図６（ｂ）（ｄ）に示すように各金属ボール２を各島状はんだペースト領域４に接触させ、この状態で配列板２７の吸引を解除すると、図６（ｃ）（ｅ）に示すように各金属ボール２を各島状はんだペースト領域４に被着することができる。

本発明で用いるはんだペーストとしては、はんだ粉の粒度分布が５〜２５μｍで主サイズが１５μｍであるものや、１５〜５０μｍで主サイズが２５μｍ、２５〜７５μｍで主サイズが４０μｍであり、フラックスと混合され、その粘度が５０Ｐａ・ｓ〜４００Ｐａ・ｓであるペーストとすると好ましい。

基板上の各島状はんだペースト領域４に金属ボール２を配置した状態で基板全体を加熱することにより、基板上のはんだを溶融させることができる。溶融したはんだ９と基板３とは濡れ性が悪く、一方溶融したはんだ９と金属ボール２との間は濡れ性が良いので、はんだ９は基板３には溶着せず、金属ボール２を包み込むようにリフローする。この状態で基板全体を常温に戻すと、金属ボールとはんだが一体化した結合体を得ることができる。

金属ボールとはんだの結合体７は、製造条件によっては図１（ｄ）に示すようにそのままではんだ９が金属ボール２を包み込んだ金属コアはんだボール１の形態を形成していることもあるが、このままではまだ結合体の中心と金属ボールの中心が一致した金属コアはんだボールの形状を形成せず、図７（ａ）に示すような金属ボールとはんだの結合体７の形態を有していることが多い。

本発明においては、基板上のはんだを溶融させた後、図７（ｂ）に示すように金属ボールとはんだの結合体７を加熱した液相３２中に自由落下させることにより、金属コアはんだボール形状とすることができる。液相３２としては、はんだの溶融温度において液相を保持する液体を用いることができる。たとえば、シリコーンオイル、大豆・なたね等の植物油や鉱物油を用いることができる。

図７（ｂ）に示すように、液容器３１の上部に加熱装置３３を設け、容器内の液相のうち上部に液相温度をはんだ溶融温度以上の温度とした高温領域３４を形成し、下部に液相温度をはんだ溶融温度以下の低温に保持した低温領域３５を形成する。この状態で容器３１の上方から液層内に金属ボールとはんだの結合体７を投入すると、結合体７は液相内を自由落下する。結合体７が液相上部の高温領域３４を通過するときにはんだが溶融し、はんだの界面張力によってはんだが金属ボールを完全に取り囲んで金属コアはんだボール１の形状を形成する。結合体がさらに液相内を自由落下して容器下部の低温領域３５に入ると、はんだが凝固し、最終的に固相の金属コアはんだボール１が形成される。

形成した金属コアはんだボール１については、その直径が許容範囲内に入ることが重要である。本発明においては、ふるいあるいはロール分級器を用いて直径が上下限に外れたものを排除することができる。

本発明のはんだボールの金属コアとして用いる金属ボール２の材質は、銅を用いることが最も好ましい。第１に銅は電気伝導性と熱伝導性が良好である。第２に、半導体素子等の電極同士をハンダ接合するに際し、金属ボール２が銅であればはんだボールをリフローするときに金属ボール２が固相を保持するので、電極間の間隔を金属ボール２の直径に等しい距離に正確に確保することができる。さらに金属ボール２の材質としては、はんだの主成分であるすずより電気・熱伝導に優れている金、銀、鉄を用いることとしてもよい。

金属ボール２は、その表面にバリアメタルコーティングを有していると好ましい。バリアメタルコーティングを施すことにより、外周面のはんだと内部の金属ボールとの間の反応を防止することができる。その結果として、ハンダ接合電極の接合信頼性を高めることができる。バリアメタルの材質としてはＮｉ又はＮｉ−Ｐ合金を用いることができ、バリアメタルコーティングの厚さは０．５〜５μｍであり、好ましくは１μｍとすればよい。

本発明のはんだボールに用いるはんだ９の材質としては、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のような多元系の無鉛はんだ成分を用いると特に好ましい。このような多元系無鉛はんだ成分を用いる場合、従来のように金属ボールにはんだをメッキしてはんだボールを製造しようとすると、はんだ成分の組成ずれを発生させていたのに対し、本発明の製造方法で製造した場合には、多元系無鉛はんだ成分であっても組成ずれを発生させないからである。多元系無鉛はんだ成分としては、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系のような低融点はんだを用いることとしても良い。もちろん、通常の有鉛はんだ成分のはんだを用いることとしてもよい。

上記本発明の金属コアはんだボールを用いて半導体基板等の電極同士を接合するに際しては、図８（ａ）に示すようにまず一方の側の素子（この場合は半導体基板１６）の電極１７ａ上に金属コアはんだボール１を被着する。その後、図８（ｂ）に示すように他方の側の素子（この場合は回路基板１８）を上記素子に近づけ、他方の側の素子上の電極１７ｂを上記はんだボール１に接触させて全体を高温に加熱し、はんだをリフローさせて両電極間を接合する。図８（ｃ）に示すように、一方の側の素子の電極１７ａ上に金属コアはんだボール１を被着した後、素子全体を加熱してはんだをリフローし、電極１７ａ上にはんだバンプ８を形成し、その後他方の側の素子を接触させて両電極間を接合することとしても良い。

本発明においては、上記のように金属コアはんだボールを素子の電極上に被着して金属コアはんだバンプを形成するかわりに、図９（ａ）に示すように、基板表面の電極１７ａ上にはんだペースト１０を配置し、図９（ｂ）に示すようにはんだペースト１０を配置した電極１７ａに金属ボール２を配置し、その後基板全体を加熱することにより図９（ｃ）に示すように電極１７ａ上のはんだを溶融させて金属コアはんだバンプ８とすることができる。

電極１７ａ上へのはんだペースト１０の配置は、はんだペーストを液滴ジェットとして電極上に転写する方法、あるいははんだペーストをスクリーン印刷して電極上に転写する方法を用いることができる。液滴ジェットによる転写方法、スクリーン印刷による転写方法いずれも、前記はんだボールの製造方法における方法をそのまま利用することができる。

図９（ｃ）に示すように半導体基板等の電極１７ａ上に金属コアはんだバンプ８を形成し、その後、他方の側の素子を上記素子に近づけ、他方の側の素子上の電極１７ｂを上記はんだバンプ８に接触させて全体を高温に加熱し、はんだをリフローさせて図９（ｄ）に示すように両電極間を接合する。これにより、両電極間にははんだリフロー時に固相を維持する金属ボールが介在しているので、両電極の間隔を正確に金属ボールの直径と等しく保持することができる。金属ボール２を電極１７ａに配置した直後の最初のはんだリフローは行わず、はんだ領域を両電極で挟み込んだ後にはじめてはんだリフローを行うこととしても良い。

本発明のはんだバンプの製造方法に用いるはんだペースト及び金属ボールとしては、前記はんだボールの製造方法に用いたと同様のはんだペースト及び金属ボールを用いることができる。

本発明の金属コアはんだボールあるいは金属コアはんだバンプを用いて半導体基板等の電極同士を接合すると、はんだリフロー時に金属ボールが固相を保持し、両電極間の距離を正確に金属ボールの直径と等しく保持することができる。そのため、両電極間の距離が近すぎることによる隣接はんだ同士の接合不良の発生を防止することができる。

また、本発明においてははんだメッキの工程を含まないので、多成分系の無鉛はんだをはんだ組成として選択するに際しても、はんだ組成のずれが発生することがない。

φ１００μｍの銅ボールに鉛フリーはんだ層を２５μｍコーティングし、本発明の金属コアはんだボールを形成した。銅ボールの表面にコーティングするはんだとして表１のはんだペーストを使用した。

当該ペーストはスクリーン印刷で所定量を浅いディンプルを形成したテフロン（登録商標）基板に転写した。スクリーン印刷に使用した印刷マスクの開口径は１７０μｍφ、印刷マスク厚みは１００μｍである。ここで使用印刷マスクの設定に際しては、はんだ比重を７．３５、ペースト比重を４．５４、印刷マスク厚みを１００μｍとした場合のコーティング必要体積から、印刷マスクの開口径は１７０μｍφとした。

次に、テフロン（登録商標）基板上の当該印刷位置（はんだペースト転写位置）に、φ１００銅ボール（球径分布：１００±３μｍ）をボールマウンターで吸着、位置合わせ後、転写されたペースト上に、銅ボールを配列した。同基板を２４５℃ピークのリフロー炉でリフローした。銅ボール下半球部に各鉛フリーはんだが塊状に接合された個片を、５％フラックス成分を添加した上部２４０℃、中間部１８０℃、下部１４０〜１６０℃のオイル炉中に投入し、銅ボール下半球部に接合した塊状はんだを銅ボール全体に回り込むように再溶解した。

再溶解後、得られた銅コアはんだボールの球径精度を同じく表１に示す。これにより、設定目標通りの最終直径がφ１５０μｍである銅コアボールが形成できた。

φ２００μｍの銅ボールに鉛フリーはんだ層を５０μｍコーティングし、本発明の金属コアはんだボールを形成した。銅ボールの表面にコーティングするはんだとして表２のはんだペーストを使用した。

当該ペーストはスクリーン印刷で所定量を浅いディンプルを形成したカーボン基板に転写した。スクリーン印刷に使用した印刷マスクの開口径は６０２μｍφ、印刷マスク厚みは、２００μｍである。ここで使用印刷マスクの設定に際しては、はんだ比重を７．３５、ペースト比重を４．５４、印刷マスク厚みを２００μｍとした場合のコーティング必要体積から、印刷マスクの開口径は６０２μｍφとした。

次に、カーボン基板上の当該印刷位置（はんだペースト転写位置）に、φ２００銅ボール（球径分布：２００±５μｍ）をボールマウンターで吸着、位置合わせ後、転写されたペースト上に、銅ボールを配列した。同基板を２４５℃ピークのリフロー炉でリフローした。銅ボール下半球部に各鉛フリーはんだが塊状に接合された個片を、５％フラックス成分を添加した上部２４０℃、中間部１８０℃、下部１４０〜１６０℃のオイル炉中に投入し、銅ボール下半球部に接合した塊状はんだを銅ボール全体に回り込むように再溶解した。

再溶解後、得られた銅コアはんだボールの球径精度を同じく表２に示す。これにより、設定目標通りの最終直径がφ３００μｍである銅コアボールが形成できた。

φ５００μｍの銅ボールに鉛フリーはんだ層を１００μｍコーティングし、本発明の金属コアはんだボールを形成した。銅ボールの表面にコーティングするはんだとして表３のはんだペーストを使用した。

当該ペーストは液滴ジェットであるはんだペーストディスペンサーを用いて一回あたりの噴出量が約０．２２ｍｍ³となるように調整し、ガラス基板に２ｍｍ間隔にペースト塗布した。ここで噴出量の設定に際しては、はんだ比重を７．３５、ペースト比重を４．５４とした場合のコーティング必要体積から、一回あたりの噴出量を約０．２２ｍｍ³とした。

次に、ガラス基板上の２ｍｍ間隔に噴出塗布されたペースト位置に、φ５００銅ボール（球径分布：５００±５μｍ）を銅ボールを当該ペースト中心部に各１個配置した。同基板を２４５℃ピークのリフロー炉でリフローした。銅ボール下半球部に各鉛フリーはんだが塊状に接合された個片を、５％フラックス成分を添加した上部２４０℃、中間部１８０℃、下部１４０〜１６０℃のオイル炉中に投入し、銅ボール下半球部に接合した塊状はんだを銅ボール全体に回り込むように再溶解した。

再溶解後、得られた銅コアはんだボールの球径精度を同じく表３に示す。これにより、設定目標通りの最終直径がφ７００μｍである銅コアボールが形成できた。

金属コアはんだボールの使用においては、その接合信頼性を明らかにすることが重要である。そこで、本発明の金属コアはんだボールの接合信頼性に関する評価を行った。本発明の金属コアはんだボールとして、実施例１で作製した、表１の２のＣｕコアボールを適用し、比較例としてＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕのはんだボール（ＳＡＣ）を適用し、両者の接合信頼性を比較した。

（実験方法）
ＢＧＡ（Ball Grid Array）／ＣＳＰ（Chip Size Package）等に用いられるはんだボールの接合信頼性評価方法として、はんだバンプ形成後のＳｈｅａｒ／Ｐｕｌｌ強度試験を行った。評価対象とした本発明例のＣｕコアボールは実施例１で作製した、表１の２のＣｕコア径Φ１５０μｍ、ボール外径Φ２００μｍのＣｕコアボール（以下、Ｃｕコアと記す）であり、比較対象はΦ２００μｍのＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ鉛フリーはんだボール（以下ＳＡＣと記す）を用いた。

（Ｓｈｅａｒ／Ｐｕｌｌ強度試験方法）
Ｓｈｅａｒ／Ｐｕｌｌ強度試験装置としてＤＡＧＥ社製４０００を用いた。Ｓｈｅａｒ試験は測定高さ１０μｍ、測定速さ３００μｍ／ｓｅｃ、Ｐｕｌｌ試験は測定速さ２５０μｍ／ｓｅｃで行い、測定点はそれぞれ２０点行った。

（評価実験結果）
第１に、プリント基板上にボールバンプを実装する評価を行った。

本発明及び比較例のボールを実装するプリント基板はピッチ０．４５ｍｍ、パッド径１６０μｍのものを用い、リフロー温度２５０℃、Ｆｌｕｘには水溶性のＷＳ６０９（アルファメタルズ社製）を用いた。リフロー後のボールバンプの外観上は、本発明のＣｕコアは比較的光沢面が多く、比較例のＳＡＣはデンドライトによるがさついた面が多いという違いが見られた。

第２に、まずＳｉチップ上にはんだバンプを実装し、その後はんだバンプを実装したＳｉチップとプリント基板をＦｌｉｐ Ｃｈｉｐ接続する評価を行った。

Ｓｉチップ上にはんだバンプを実装しリフロー後のはんだバンプ断面組織の観察を行った。本発明のＣｕコアボールははんだバンプ内部にＣｕのコアが存在していることが確認できた。また、プレーティングはんだ部分もＣｕコアの周囲に存在していることがわかった。この時点ではバンプ高さ等にＣｕコアとＳＡＣ３０５とで大きな差は観察されなかった。

はんだバンプを実装したＳｉチップとプリント基板をＦｌｉｐ Ｃｈｉｐ接続した後の断面組織を観察した。この断面組織観察によると、プリント基板のＣｕ電極とＳｉチップの間の距離は、本発明のＣｕコアで１７０μｍ、比較例のＳＡＣで１００μｍであった。当初の狙いどおり、Ｃｕコアボールを用いることで、はんだバンプが潰れるのを抑制する効果があることが分る。

（Ｓｈｅａｒ／Ｐｕｌｌ強度試験結果）
Ｓｈｅａｒ／Ｐｕｌｌ強度評価結果を行ったところ、Ｓｈｅａｒ強度はＣｕコアで１９０ｇ、ＳＡＣで１６５ｇであり、Ｐｕｌｌ強度はＣｕコアで１２０ｇ、ＳＡＣで１７５ｇであった。これらの値は、フリップチップ接合した場合の接合強度としては十分な値である。以上から本発明Ｃｕコアボールが、バンプ高さを所定に保ち且つ、通常のはんだボールと同等の接合信頼性を有し、実用上有効に機能することが確認できた。

本発明のはんだボールの製造方法を示す図であり、（ａ）は凹部を有する基板の断面図、（ｂ）は島状はんだペースト領域を形成した状況を示す断面図、（ｃ）は島状はんだペースト領域に金属ボールを配置した状況を示す断面図、（ｄ）は基板上のはんだを溶融した後の状況を示す断面図、（ｅ）ははんだボールを回収する状況を示す断面図である。 本発明のはんだボールの製造方法を示す斜視図であり、（ａ）は基板表面に島状はんだペースト領域を形成した状況を示す図、（ｂ）は島状はんだペースト領域に金属ボールを配置した状況を示す図である。 はんだと基板との接触角θを説明する断面図である。 本発明のはんだペーストを液滴ジェットとして基板上に転写する方法を示す図であり、（ａ）は凹部を有しない基板を用いた場合、（ｂ）は凹部を有する基板を用いた場合を示す。 本発明のはんだペーストをスクリーン印刷して基板上に転写する方法を示す図であり、（ａ）〜（ｃ）は凹部を有しない基板を用いた場合、（ｄ）〜（ｆ）は凹部を有する基板を用いた場合を示す。 金属ボール配列装置を用いて基板上の各島状はんだペースト領域に金属ボールを配置する方法を示す図であり、（ａ）は金属ボール配列装置で金属ボールを吸着する状況を示す図、（ｂ）（ｃ）は凹部を有しない基板上に金属ボールを配置する状況を示す図、（ｄ）（ｅ）は凹部を有する基板上に金属ボールを配置する状況を示す図である。 金属ボールとはんだの結合体を加熱した液相中に自由落下させ、金属コアはんだボール形状とする本発明方法を示す断面図である。 金属コアはんだボールを用いて電極間の接合を行う状況を示す図であり、（ａ）は電極上に金属コアはんだボールを配置した状況を示す断面図、（ｂ）は電極間の接合を行った状況を示す断面図、（ｃ）は一方の電極上で金属コアバンプを形成する状況を示す断面図である。 基板表面の電極上に金属コアはんだバンプを形成する状況を示す図であり、（ａ）は基板表面の電極上にはんだペーストを配置する状況を示す断面図、（ｂ）ははんだペーストを配置した電極に金属ボールを配置する状況を示す断面図、（ｃ）は基板上のはんだを溶融させて金属コアはんだバンプとする状況を示す断面図、（ｄ）は電極間の接合を行った状況を示す断面図である。 金属コアを有しない従来のはんだボールを用いて電極間の接合を行う状況を示す図であり、（ａ）は電極上に金属コアはんだボールを配置した状況を示す断面図、（ｂ）は正常に電極間の接合を行った状況を示す断面図、（ｃ）は電極間の距離が近すぎて隣接する電極間のはんだが合体した状況を示す断面図である。

符号の説明

１ はんだボール
２ 金属ボール
３ 基板
４ 島状はんだペースト領域
５ 凹部
６ 基板表面
７ 金属ボールとはんだの結合体
８ バンプ
９ はんだ
１０ はんだペースト
１１ 液滴ジェット
１２ スクリーン
１６ 半導体基板
１７ 電極
１８ 回路基板
１９ はんだボール
２１ 液滴ジェット発生機
２２ 容器
２３ ノズル
２５ 開口
２６ 金属ボール配列装置
２７ 配列板
２８ 吸引口
２９ トレー
３０ 吸引装置
３１ 容器
３２ 液相
３３ 加熱装置
３４ 高温領域
３５ 低温領域
４１ はんだボール供給
４２ 直径上限外れはんだボール
４３ 直径下限外れはんだボール
４４ 直径合格はんだボール
θ 接触角

Claims (6)

1. 基板上に多数の島状はんだペースト領域を形成し、各島状はんだペースト領域に金属ボールを配置し、その後基板上のはんだを溶融させ、さらにその後、金属ボールとはんだの結合体を加熱した液相中に自由落下させ、金属コアはんだボール形状とすることを特徴とするはんだボールの製造方法。
2. 前記基板は、溶融したはんだとの接触角が６０°以上であることを特徴とする請求項１に記載のはんだボールの製造方法。
3. 前記基板の材質は、カーボン、ガラス、セラミックスのいずれかであることを特徴とする請求項２に記載のはんだボールの製造方法。
4. はんだペースト領域の形成は、はんだペーストを液滴ジェットとして基板上に転写する方法、あるいははんだペーストをスクリーン印刷して基板上に転写する方法を用いることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のはんだボールの製造方法。
5. 前記島状はんだペースト領域は、前記基板上に設けた凹部に形成することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のはんだボールの製造方法。
6. 前記金属ボールは銅ボールであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のはんだボールの製造方法。

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