JP5004549B2 - 電子部品の基板への搭載方法及びはんだ面の形成方法 - Google Patents

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Description

本発明は、はんだ接合により電子部品を基板上に実装する実装構造、特に、Au−S共晶合金面を用いて電子部品を基板上に搭載する方法に関する。また、本発明は、電子部品等を搭載する面として好適なはんだ面を形成する方法に関する。本発明は、電子部品をはんだ面接合により基板上に搭載するあらゆる種類の電子装置、例えば、シリコンインターボーザー、LED、光部品等に利用することができる。
従来、電子部品の基板に搭載するための接合用材料として、PbおよびSnを主成分とするはんだが用いられてきた。また、鉛を含まないはんだ合金も使用されている。このような無鉛はんだとして、従来、はんだ接合により電子部品を基板上に実装する場合、基板上の電極部分に金(Au)或いはすず(Sn)のめっきを施していた。或いは、Au−Sn合金のはんだペレットを使用していた。
図1ははんだ接合により電子部品を基板上に実装する従来例を示すもので、キャビティ付きの基板のステージ用電極上に半導体チップを実装する場合を示す。図1において、1はキャビティ付きの略矩形のシリコン基板で、周囲に枠状の突起部があり、中央部は窪んだキャビティ領域2とされた形状を有する。キャビティ領域2の中心部は半導体チップ搭載領域3であって、この領域には銅よりなるステージ用電極4が形成される。キャビティ領域2内の半導体チップ搭載部3の周辺には、搭載された半導体チップ5とボンディング・ワイヤ等(図示せず)で接続される多数の銅よりなる端子電極6が所定間隔おきに形成されている。端子電極の裏面側は、外部接続端子として形成されている。
このようなキャビティ付きシリコン基板1に電子部品5を搭載するには、従来、次のような方法で行われていた。
図1(a)において、シリコン基板1に孔開け加工等を施すと共に、エッチング等で中央に凹部を有するキャビティ形状2に構成し、孔部にスルーホールめっき等を施して、中央にステージ用電極4及び周辺に多数の端子電極6を形成する。なお、シリコン基板はキャビティ形状であるために、凹部の内部表面の平滑化処理をうまく行うことができず、ステージ用電極4及び端子電極6の表面は、図では誇張して示したように、凹凸がある形状である。
そして、中央のステージ用電極4の表面及び周辺の端子電極6の表面にそれぞれ金(Au)めっき7を施す。このように、ステージ用電極4および端子電極6の表面に金めっき7を施すのは、これらの半導体チップ5とステージ用電極4との密着性、及び端子電極6とボンディングワイヤ(図示せず)との接合性を良好にするためである。
図1(b)において、金(Au)めっき7が施されたステージ用電極4にAu−Snはんだペレット8が貼付される。このAu−Snはんだペレット8は、搭載する半導体チップ5とステージ用電極4との間の接合性を良好にするものである。
図1(c)においては、Au−Snはんだペレット8により半導体チップ5がシリコン基板1のステージ用電極4上に実装される。この半導体チップ5の実装は、リフロー又は半導体チップ5と電極4との同時加熱により行う。
その後、シリコン基板1上に実装した半導体チップ5の電極と端子電極6との間がボンディングワイヤ(図示せず)により接続される。
また、本発明に関連する先行技術しては、特開2006−35310号公報(特許文献1)がある。この先行技術によると、電子部品の基板実装用のはんだとして融点の比較的高い無鉛はんだを使用する場合であっても、リフロー時の熱による悪影響が生じず、電子部品内部の接合であるダイボンディング等に好適に用いることができる無鉛はんだ合金を得ることを目的とし、Cuを10質量%を超えて24.9質量%以下、Sbを5質量%以上含有し、残部がSnからなり、かつ、Snの含有量が70質量%を超える無鉛はんだとしている。また、Cuとともに、Ag、AuおよびPdからなる群から選択された1種以上の元素を所定量含有させること、また、Teを添加することが好ましく、PまたはGeを添加することも好ましい旨の開示がある。
特開2006−35310号公報
図1に示した従来技術のように、キャビティ付きシリコン基板のような、キャビティ内部の表面に対して研磨治具等の器具を操作することが困難であるため、内部表面の平滑化が困難なステージ電極や端子電極を有する基板のステージ電極上に電子部品(半導体チップ)を実装する場合には、ステージ電極や端子電極について表面の平滑化が困難であるため、表面の平滑化が十分でなく、実装した電子部品とステージ電極との間の密着性が良好でないと、という問題がある。また、これを解消するために、ステージ用電極や端子電極上に金めっきを施したり、更にステージ用電極にはAu−Snはんだペレットを使用する等、半導体チップ搭載面を平滑化するのに高価な手段を必要とする、という問題がある。
また、上述した先行技術(特許文献1)に開示されている無鉛はんだ合金においても、上述のようなキャビティ付きシリコン基板のような表面の平滑化が困難な基板に対して電子部品を密着性良く搭載することができるものではない。
そこで、本発明では、基板のはんだ面に電子部品を搭載する場合等に好適に使用することのできる、Au−Sn共晶合金からなる平滑化されたはんだ面を安価に形成し得るはんだ面の形成方法を提供することを課題とする。
更に、本発明は、キャビティ付きシリコン基板のような表面の平滑化が困難な基板であっても、電子部品を搭載するステージ電極面を平滑化して電子部品を好適に搭載することのできる基板への電子部品の搭載方法を提供することを課題とする。
上記の課題を達成するために、本発明によれば、基板の電極面にAuバンプを形成し、該Auバンプ上にSn系はんだシートを搭載し、該Sn系はんだシートとAuバンプをリフローしてAu−Sn共晶合金とし、該共晶合金を平滑化することを特徴とするはんだ面の形成方法が提供される。このように本発明では、基板の電極面にAuバンプを形成した後Sn系はんだシートとの間で、Au−Sn共晶合金とした上で、平滑化処理を行っているので、平滑なはんだ面を安価に形成することができる。
基板上の複数の電極面のそれぞれに1又は複数のAuバンプを形成し、これら複数のAuバンプのそれぞれに接触するように1枚のSn系はんだシートを搭載し、該Sn系はんだシートと複数のAuバンプをリフローしてAu−Sn共晶合金としたことを特徴とする。この場合において、複数のAuバンプと1枚のSn系はんだシートとの間で、1塊のAu−Sn共晶合金としているので、Au−Sn共晶合金は個々の電極面に接合され、且つ平滑化処理を行っているので、平滑なはんだ面を安価に形成することができる。
更にまた、本発明によると、基板の電極面にAuバンプを形成し、該Auバンプ上に多数個のSn系はんだボールを適用し、該Sn系はんだボールとAuバンプをリフローしてAu−Sn共晶合金とし、該共晶合金を平滑化することを特徴とする。この場合も、基板の電極面にAuバンプを形成した後Sn系はんだボールとの間で、Au−Sn共晶合金とした上で、平滑化処理を行っているので、平滑なはんだ面を安価に形成することができる。
この場合において、基板上の複数の電極面のそれぞれに1又は複数のAuバンプを形成し、これら複数のAuバンプの形成領域に、個々のSn系はんだボールを通過させる大きさの多数個の孔を有する振り込めマスクを用いて、該振り込めマスクの孔を介して前記Sn系はんだボールを適用することを特徴とする。
前記Auバンプをボンダーによりスタッドバンプとして形成することを特徴とする。この場合において、ボンダーとして、通常のワイヤボンディングにおいて使用されているワイヤボンダーを使用することができる。これにより、金のスタッドバンプを容易且つ安価に形成することができる。
また、本発明によると、基板の電極面にAuバンプを形成し、該Auバンプ上にSn系はんだシートを搭載し、該Sn系はんだシートとAuバンプをリフローしてAu−Sn共晶合金とし、該共晶合金を平滑化し、該平滑化した共晶合金の面上に電子部品を接合することを特徴とする基板への電子部品の搭載方法が提供される。本発明では、基板の電極面にAuバンプを形成した後Sn系はんだシートとの間で、Au−Sn共晶合金とした上で、平滑化処理を行った後に電子部品を平滑面に搭載しているので、電極面と電子部品との間の密着性を良好にすることができる。
前記基板は、周囲部が枠状に形成され且つ中央部の凹部に前記電極面が形成されたキャビティ付きシリコン基板であり、前記凹部内の中心部に電子部品搭載用ステージ電極が形成され、該凹部内のステージ電極の周囲に複数の端子電極が形成されたものであり、前記共晶合金の面上に電子部品を接合した後、該電子部品と前記複数の端子電極との間でワイヤボンディングが行われることを特徴とする。これにより、キャビティ付きシリコン基板のような、表面の平滑化が困難な電極上に電子部品を実装する場合においても、安価な方法で電極の表面の平滑化を確保することができ、実装した電子部品とステージ電極との間の密着性を良好にすることができる。
電子部品搭載用ステージ電極は複数の電極面からなり、該電極面のそれぞれに1又は複数のAuバンプを形成し、これら複数のAuバンプのそれぞれに接触するように1枚のSn系はんだシートを搭載し、該Sn系はんだシートと複数のAuバンプをリフローしてAu−Sn共晶合金とすることを特徴とする請求項5に記載の基板への電子部品の搭載方法。この場合において、複数のAuバンプと1枚のSn系はんだシートとの間で、1塊のAu−Sn共晶合金とされ、Au−Sn共晶合金は個々の電極面に接合され且つ平滑化処理されているので、実装した電子部品とステージ電極との間の密着性を良好にすることができる。
更にまた、本発明によると、基板の電極面にAuバンプを形成し、該Auバンプ上に多数個のSn系はんだボールを適用し、該Sn系はんだボールとAuバンプをリフローしてAu−Sn共晶合金とし、該共晶合金を平滑化し、該平滑化した共晶合金の面上に電子部品を接合することを特徴とする基板への電子部品の搭載方法が提供される。本発明では、基板の電極面にAuバンプを形成した後Sn系はんだボールとの間で、Au−Sn共晶合金とした上で、平滑化処理を行った後に電子部品を平滑面に搭載しているので、電極面と電子部品との間の密着性を良好にすることができる。
この場合においても、電子部品搭載用ステージ電極は複数の電極面からなり、該電極面のそれぞれに1又は複数のAuバンプを形成し、これら複数のAuバンプの形成領域に、個々のSn系はんだボールを通過させる大きさの多数個の孔を有する振り込めマスクを用いて、該振り込めマスクの孔を介して前記Sn系はんだボールを適用することが可能である。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
図2及び図3は本発明の実施形態に係る電子部品を基板に実装する方法を工程順に説明する図であり、図2(a)〜(f)は前半の工程、図3(a)〜(e)は後半の工程をそれぞれ示す。
まず、図2(a)において、キャビティ付き基板を形成するための所定の厚さのシリコンウエハ10を準備する。次に図2(b)において、シリコンウエハ10上に第一次のレジスト12が塗布され、パターニングされる。このパターニングにより、次の工程で穴あけ加工をするレジストの部位に開口12a、12bが形成される。これらの開口12a、12bは、電子部品を搭載するためのステージ電極を形成する複数の部位(12a)及びワイヤボンディングする端子電極を形成する部位(12b)に相当する。
図2(c)において、第一次穴あけ加工を行う。この穴開け加工にあたっては、ドライエッチング又はウェットエッチングにより行うのが好適である。必要により、形成される穴がテーバ状となるように、穴加工の始め点及び終点を規制した等方性エッチングが行われる。これにより、レジスト12の開口部12a、12bに相当する部位に穴14、16が形成される。中央にある複数の穴14はステージ電極を形成する部位、周囲部にある複数の穴16は端子電極を形成する部位に相当する。
図2(d)において、シリコンウエハ10上に第二次のレジスト12が塗布され、パターニングされる。このパターニングにより、次の工程で基板のキャビティを形成するレジストの部位に開口12cが形成される。この開口12cは、前の工程で穴加工した、ステージ電極を形成する部位及び端子電極を形成する部位を含み且つ基板の外周領域に残された矩形状の枠ないしダムの内側領域に相当する。
図2(e)において、キャビティを形成するための第二次穴あけ加工を行う。この穴開け加工にあたっては第一次穴開け加工の場合と同様ドライエッチング又はウェットエッチングにより行われる。これにより、基板の中央部にキャビティ18が形成され、このキャビティ18内部領域の中心部にステージ電極を形成するための複数の穴14が、周囲部に端子電極を形成する複数の穴16が残される。キャビティ18の内側は例えば1辺が約1.8mm程度の正方形であり、基板の外側は例えば1辺が約2.5mm程度の正方形である。
図2(f)において、残りのレジストを除去した後、シリコン基板10の表面に酸化膜が形成され、更にキャビティ18内部の穴14及び16に貫通電極20、22が形成される。これらの貫通電極20、22は銅のスルーホール電解めっき等により形成することができる。中心領域にある複数の貫通電極20は電子部品を搭載するためのステージ電極であり、周囲領域にある複数の貫通電極22はワイヤボンディングにより接続するための端子電極である。
図3(a)において、中央領域にある複数の貫通電極20に金 (Au)のスタッドバンプ24が形成される。スタッドバンプ24は、ワイヤボンディングする際に使用されるポンダー(図示せず)により形成することができる。即ち、金 (Au)ワイヤをボンダー先端から排出して電極20に接触させた直後に、ボンダー先端を電極20から離し且つワイヤを切断することにより、図示のように、電極20に接触した側が膨らみ上端が尖った形状のスタッド状金パンプ24となる。これらのスタッドバンプ24は、電子部品(図示せず)の搭載領域に存在するすべてのステージ電極20について形成する。
この場合において、中心部の1つのステージ用電極20に対して複数のスタッドバンプ24を形成しても良く、また、複数のステージ用電極20のそれぞれに1又は複数のスタッドバンプ24を形成しても良い。
図3(b)において、ステージ電極20の電子部品搭載領域上のスタッドバンプ24の上から、この領域に、電子部品搭載領域の大きさ(例えば1辺約1.0mm程度の正方形)に相当する板状のSn系はんだシート26を搭載する。このはんだシート26は、Sn系はんだペレットをシート状に形成したものである。Sn系はんだシート26に代えて、Sn−Au系、Sn−Ag系、Sn−Ag−Cu系はんだシートを用いてもよい。
図3(c)において、加熱炉にてリフローを行う。これにより、電子部品搭載領域上にSn系はんだシート26とスタッド状金パンプ24とのSn−Au系はんだ共晶合金28が形成される。
図3(d)において、共晶合金28の層を平滑化する。平滑化にあたっては、通常コイニングにより、200〜250℃の温度下で共晶合金28を上方から平滑面を有する治具(図示せず)でたたく作用をすることにより、共晶合金28の上面が平滑化される。
図3(e)において、共晶合金28の上面に電子部品30を搭載すると共に、電子部品30の上面の電極とシリコン基板の端子電極22との間をボンディングワイヤ32により電気的に接続する。
上記のような本発明の実施形態において、Auスタッドバンプ24を形成する場合の金線は、Auの組成99.99%(4N)〜99.9999%(6N)のものを使用するとして、この場合のSn系はんだ材料は、例えば、
Sn3.5Ag(Sn96.5質量%、Ag3.5質量%)、
Sn3.0Ag0.5Cu(Sn96.5質量%、Ag3.0質量%、Cu0.5質量%)、
Sn9Zn(Sn91.0質量%、Zn9.0質量%)、
Sn8Zn1Bi(Sn91.0質量%、Zn8.0質量%、Bi1.5質量%)、
等である。
例えば、Auワイヤ(線)80mgを使った場合、Sn3.5Agを20.73mg使用すると、Au:Snの比率は、約80:20の共晶組成に近くなる。また、例えば、Auワイヤ(線)80mgを使った場合、Sn3.0Ag0.5Cuを20.73mg使用すると、Au:Snの比率は、約80:20の共晶組成に近くなる。
このように、Au:Snの比率が30〜90質量%になるようにする。また、Au:Snの共晶組成は、80:20が好適である。
図4は、スタッドパンプを用いないでSn−Au系はんだシート26のみを用いた例である。即ち、図2(a)〜(f)の工程の後、図4(a)のように、ステージ電極20の電子部品搭載領域上に矩形のSn−Au系はんだシート26を搭載する。そして、図4(b)において、リフローにより、ステージ電極20に溶融接合させる。更に、図4(c)において、コイニング等によりはんだシート26の表面を平滑化し、図4(d)において、はんだシート26上に電子部品30を搭載し、電子部品30の上面の電極とシリコン基板の端子電極22との間をボンディングワイヤ32により電気的に接続する。
図5は、スタッドパンプやはんだシートのいずれも用いないで、電子部品30を直接ステージ電極20上に接合した例である。即ち、図2(a)〜(f)の工程の後、図5において、複数のステージ電極20上にはんだバンプ34を搭載し、或いは、電子部品30の底面にステージ電極20に対応する位置に予めはんだバンプ34を付着させておき、電子部品30を基板のステージ上に搭載した後、リフローすることにより、バンプ34により電子部品30とステージ電極20とを接合する。
図6は、図3に示した実施形態におけるはんだシートに代えてはんだボールを用いた場合の実施形態を示す。図2及び図3で説明した点と異なる部分のみ説明する。
図6(a)に示す工程は、図3(a)に示す工程と同じであって、中央領域にある複数の貫通電極20に金 (Au)のスタッドバンプ24を形成した状態を示す。
図6(b)及び図6(c)において、ステージ電極20の電子部品搭載領域上のスタッドバンプ24の上から、これら複数のAuバンプの形成領域、即ち、電子部品搭載領域の大きさ(例えば1辺約1.0mm程度の正方形)に相当するこの領域全体にわたって、多数個の孔を有する振り込めマスク40を用いて、この振り込めマスク40の孔を介してSn系はんだボール42を適用する。
振り込めマスク40の孔は板状のマスク板であって、複数のAuバンプの形成領域(電子部品搭載領域)に対応する領域全体に分散して多数配置されており、各孔ははんだボール42を各1個ずつ通過させることのできる大きさないし直径を有する。振り込めマスク40ははんだボール42の形成領域が、Auバンプの形成領域と一致するように、シリコン基板10の周囲の枠の上に位置決めして載置され、全体として所定量となるように多数のはんだボール42が振り込めマスク40の上面に充填され、各はんだボール42は振り込めマスク40の多数の孔を介して下方に落下される。シリコン基板10のAuバンプの形成領域の全体にわたってはんだボール42が適用された後、振り込めマスク40が取り外され、次の工程に移る。
図6(d)において、加熱炉にてリフローを行う。これにより、電子部品搭載領域上にはんだボール42とスタッド状金パンプ24とのSn−Au系はんだ共晶合金44が形成される。この場合において、スタッド状金パンプ24はリフロー前からステージ電極20に固着されているので、はんだボール42とスタッド状金パンプ24とではんだ共晶合金44が形成される際に、この共晶合金が所定の位置からずれることはない。
図6(e)において、図3(d)の工程と同様、共晶合金44の層を平滑化する。平滑化にあたっては、通常コイニングにより、200〜250℃の温度下で共晶合金44を上方から平滑面を有する治具(図示せず)でたたく作用をすることにより、共晶合金44の上面が平滑化(44a)される。
図6(f)において、図3(e)の工程と同様、共晶合金44aの上面に電子部品30を搭載すると共に、電子部品30の上面の電極とシリコン基板の端子電極22との間をボンディングワイヤ32により電気的に接続する。
以上添付図面を参照して本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の精神ないし範囲内において種々の形態、変形、修正等が可能である。
以上説明したように、本発明によれば、基板のはんだ面に電子部品を搭載する場合等に好適に使用することのできる、Au−Sn共晶合金からなる平滑化されたはんだ面を安価に形成することができる。また、電子部品を搭載した場合に、接合するはんだ面が平坦であり、電子部品と電極との密着性が良好となる。
シリコン基板に電子部品を搭載する従来の方法を示す。 本発明によるシリコン基板への電子部品の搭載方法の前工程を示す。 図2に示した工程に続く本発明による電子部品の搭載方法の後工程を示す。 Au−Snはんだシートを用いたはんだ面の形成方法を示す。 はんだバンプによる電子部品の搭載方法を示す。 図3に示した実施形態におけるはんだシートに代えてはんだボールを用いた場合の実施形態を示す。
符号の説明
10 キャビティ付きシリコン基板
18 キャビティ
20 ステージ用電極
22 端子電極
24 スタッド(Au)バンプ
26 Sn系はんだシート
28 Au−Sn共晶合金
30 電子部品
32 ボンディングワイヤ
40 振り込めマスク
42 Sn系はんだボール

Claims (10)

  1. 基板の電極面にAuバンプを形成し、該Auバンプ上にSn系はんだシートを搭載し、該Sn系はんだシートとAuバンプをリフローしてAu−Sn共晶合金とし、該共晶合金を平滑化することを特徴とするはんだ面の形成方法。
  2. 基板上の複数の電極面のそれぞれに1又は複数のAuバンプを形成し、これら複数のAuバンプのそれぞれに接触するように1枚のSn系はんだシートを搭載し、該Sn系はんだシートと複数のAuバンプをリフローしてAu−Sn共晶合金としたことを特徴とする請求項1に記載のはんだ面の形成方法。
  3. 基板の電極面にAuバンプを形成し、該Auバンプ上に多数個のSn系はんだボールを適用し、該Sn系はんだボールとAuバンプをリフローしてAu−Sn共晶合金とし、該共晶合金を平滑化することを特徴とするはんだ面の形成方法。
  4. 基板上の複数の電極面のそれぞれに1又は複数のAuバンプを形成し、これら複数のAuバンプの形成領域に、個々のSn系はんだボールを通過させる大きさの多数個の孔を有する振り込めマスクを用いて、該振り込めマスクの孔を介して前記Sn系はんだボールを適用することを特徴とする請求項3に記載のはんだ面の形成方法。
  5. 前記Auバンプをボンダーによりスタッドバンプとして形成することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のはんだ面の形成方法。
  6. 基板の電極面にAuバンプを形成し、該Auバンプ上にSn系はんだシートを搭載し、該Sn系はんだシートとAuバンプをリフローしてAu−Sn共晶合金とし、該共晶合金を平滑化し、該平滑化した共晶合金の面上に電子部品を接合することを特徴とする基板への電子部品の搭載方法。
  7. 電子部品搭載用ステージ電極は複数の電極面からなり、該電極面のそれぞれに1又は複数のAuバンプを形成し、これら複数のAuバンプのそれぞれに接触するように1枚のSn系はんだシートを搭載し、該Sn系はんだシートと複数のAuバンプをリフローしてAu−Sn共晶合金とすることを特徴とする請求項6に記載の基板への電子部品の搭載方法。
  8. 基板の電極面にAuバンプを形成し、該Auバンプ上に多数個のSn系はんだボールを適用し、該Sn系はんだボールとAuバンプをリフローしてAu−Sn共晶合金とし、該共晶合金を平滑化し、該平滑化した共晶合金の面上に電子部品を接合することを特徴とする基板への電子部品の搭載方法。
  9. 電子部品搭載用ステージ電極は複数の電極面からなり、該電極面のそれぞれに1又は複数のAuバンプを形成し、これら複数のAuバンプの形成領域に、個々のSn系はんだボールを通過させる大きさの多数個の孔を有する振り込めマスクを用いて、該振り込めマスクの孔を介して前記Sn系はんだボールを適用することを特徴とする請求項8に記載のはんだ面の形成方法。
  10. 前記基板は、周囲部が枠状に形成され且つ中央部の凹部に前記電極面が形成されたキャビティ付きシリコン基板であり、前記凹部内の中心部に電子部品搭載用ステージ電極が形成され、該凹部内のステージ電極の周囲に複数の端子電極が形成されたものであり、前記共晶合金の面上に電子部品を接合した後、該電子部品と前記複数の端子電極との間でワイヤボンディングが行われることを特徴とする請求項6〜9のいずれか1項に記載の基板への電子部品の搭載方法。
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