JP5218837B2

JP5218837B2 - はんだバンプの形成方法

Info

Publication number: JP5218837B2
Application number: JP2008277645A
Authority: JP
Inventors: 石川　　雅之; 昭裕増田; 将中川
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2008-10-29
Filing date: 2008-10-29
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2028-10-29
Also published as: JP2010109022A

Description

この発明は、Ｃｕパッドの表面にはんだペーストを用いてＳｎ膜を一層簡単に形成し、このＳｎ膜の上にはんだバンプを形成する方法に関するものである。

一般に、バンプをはんだペーストを用いて形成することは知られており、このバンプ形成用はんだペーストは、フラックス：５〜１５質量％を含有し、残部がはんだ合金粉末からなる混合体からなるもので、前記はんだ合金粉末は、平均粒径が０．１〜６０μｍの範囲内にあり、
Ｐｂ：３０〜６０質量％を含有し、残部がＳｎおよび不可避不純物からなる成分組成を有するＳｎ−Ｐｂ系合金粉末、
Ｓｎ：３〜１０質量％を含有し、残部がＰｂおよび不可避不純物からなる成分組成を有するＰｎ−Ｓｎ系合金はんだ合金粉末、
Ｓｎ：４０〜１００質量％を含有し、残部がＡｇ，Ｃｕ，Ｂｉ，Ｓｂ，ＩｎおよびＺｎの群よりえらばれた１種または２種以上からなる成分組成を有するＰｂフリーＳｎ基はんだ合金粉末、などが知られている。

さらに、前記フラックスは、ロジン、活性剤、チクソ剤および溶剤からなることが知られており、その配合組成は、活性剤：０．０５〜１０質量％、溶剤：２０〜５５質量％、チクソ剤：１．０〜１０質量％を含有し、さらに必要に応じてその他添加剤を０．０５〜５質量％を含有し、残部がロジンからなることが知られている。
前記ロジンの具体的なものとしては、ロジンおよびその変性ロジン等の誘導体からなるロジン系樹脂、合成樹脂、またはこれらの混合体などが知られており、前記ロジンおよびその変性ロジン等の誘導体からなるロジン系樹脂の具体的なものとしては、ガムロジン、トールロジン、ウッドロジン、重合ロジン、水素添加ロジン、ホルミル化ロジン、ロジンエステル、ロジン変性マレイン酸樹脂、ロジン変性フェノール樹脂、ロジン変性アルキド樹脂、その他各種ロジン誘導体等があり、合成樹脂の具体的なものとしては、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、フェノキシ樹脂、テルペン樹脂等がある。

また、溶剤の具体的なものとして、アルコール、ケトン、エステル、エーテル、芳香族系、炭化水素類等の溶剤が知られており、具体的には、ベンジルアルコール、エタノール、エチルアルコール、イソプロピルアルコール、ブタノール、ジエチレングリコール、エチレングリコール、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、ブチルカルビトール、イソプロピルアルコール、酢酸エチル、酢酸ブチル、安息香酸ブチル、アジピン酸ジエチル、ドデカン、テトラデセン、α−ターピネオール、テルピネオール、２−メチル２，４−ペンタンジオール、２−エチルヘキサンジオール、トルエン、キシレン、プロピレングリコールモノフェニルエーテル、ジエチレングリコールモノヘキシルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、ジイソブチルアジペート、へキシレングリコール、シクロヘキサンジメタノール、２−ターピニルオキシエタノール、２−ジヒドロターピニルオキシエタノールなどが単独またはこれらを混合したものが知られている。

また、チクソ剤の具体的なものとして、硬化ヒマシ油、カルナバワックス、アミド類、ヒドロキシ脂肪酸類、ジベンジリデンソルビトール、ビス（ｐ−メチルベンジリデン）ソルビトール類、蜜蝋、ステアリン酸アミド、ヒドロキシステアリン酸エチレンビスアミドなどが知られており、さらにこれらに必要に応じてカプリル酸、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、ベヘニン酸のような脂肪酸、１，２−ヒドロキシステアリン酸のようなヒドロキシ脂肪酸、酸化防止剤、界面活性剤、アミン類などを添加したものであっても良い。

活性剤は、アミンのハロゲン化水素酸塩、有機ハロゲン化合物、有機酸、有機アミン、多価アルコールなどがあり、前記アミンのハロゲン化水素酸塩の具体的なものとして、ジフェニルグアニジン臭化水素酸塩、ジフェニルグアニジン塩酸塩、シクロヘキシルアミン臭化水素酸塩、エチルアミン塩酸塩、エチルアミン臭化水素酸塩、ジエチルアニリン臭化水素酸塩、ジエチルアニリン塩酸塩、トリエタノールアミン臭化水素酸塩、モノエタノールアミン臭化水素酸塩などがあり、
有機ハロゲン化合物の具体的なものとして、塩化パラフィン、テトラブロモエタン、ジブロモプロパノール、２，３−ジブロモ−１，４−ブタンジオール、２，３−ジブロモ−２−ブテン−１，４−ジオール、トリス（２，３−ジブロモプロピル）イソシアヌレートなどがあり、
有機酸の具体的なものとして、マロン酸、フマル酸、グリコール酸、クエン酸、リンゴ酸、コハク酸、フェニルコハク酸、マレイン酸、サルチル酸、アントラニル酸、グルタル酸、スベリン酸、アジピン酸、セバシン酸、ステアリン酸、アビエチン酸、安息香酸、トリメリット酸、ピロメリット酸、ドデカン酸などがあり、さらに有機アミンの具体的なものとして、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン、トリブチルアミン、アニリン、ジエチルアニリンなどがあり、
多価アルコールとしてはエリスリトール、ピロガロール、リビトールなどがあることが知られている（特許文献１参照）。

近年、半導体チップと基板との接合にはフリップチップ接合が行われている。このフリップチップ接合方法は、図１の断面図に示されるように、まず、基板１の表面に形成されたＣｕパッド５の側に開口部７を有するソルダーレジスト６を形成し、ついでソルダーレジスト６の開口部７内のＣｕパッド５の上にＳｎまたはＳｎ基はんだ合金膜２を形成する。このＳｎまたはＳｎ基はんだ合金膜２は、電気メッキ法、無電解メッキ法または浸漬メッキ法により形成され、１００％Ｓｎメッキ層、またはＡｇ，Ａｕ，Ｃｕ，Ｂｉ，Ｓｂ，ＩｎおよびＺｎの内の１種または２種以上を合計で０〜７質量％を含有し、残部がＳｎおよび不可避不純物からなるＳｎ基はんだ合金メッキ層からなることが知られており、このＳｎまたはＳｎ基はんだ合金メッキ層は厚さ：０．１〜５μｍを有することが知られている。
この開口部７内部のＳｎまたはＳｎ基はんだ合金メッキ層からなるＳｎまたはＳｎ基はんだ合金膜２の上にバンプを形成するには、図２の断面図に示されているように、ソルダーレジスト６の上にステンシルマスク３を載置し、ステンシルマスク３の開口部にバンプ形成用はんだペースト４を充填し、その後、図３の断面図に示されているようにステンシルマスク３を除去したのちリフロー処理すると、バンプ形成用はんだペースト８は溶融し、図４に示されるようにバンプ４が形成される。このバンプ４はその後必要に応じて頭部の押しつぶし処理（コイニング処理）を施してその頭部の高さを揃えることが行われる。
特開２００６−１６５３３６号公報

しかし、前記ソルダーレジスト６の開口部７内に電気メッキ法、無電解メッキ法または浸漬メッキ法などのメッキ法により形成したメッキ層からなるＳｎまたはＳｎ基はんだ合金膜２は、湿式処理により形成されることからその表面が酸化されやすい。この表面が酸化されたＳｎまたはＳｎ基はんだ合金膜２は、その上にバンプ形成用はんだペーストを印刷し、リフローしてバンプを形成しようとしても、酸化されたＳｎまたはＳｎ基はんだ合金膜２との濡れ性が悪いためにミッシングバンプ発生の原因となる。これを防止するために、一般に前記メッキ法により形成したＳｎまたはＳｎ基はんだ合金膜２はバンプ形成前に酸洗またはプラズマ処理などの表面酸化膜除去処理が施されるが、この酸洗またはプラズマ処理を行うために設備を必要とし、工程も増えることからコストがかかる。さらに、メッキ層からなるＳｎまたはＳｎ基はんだ合金膜２は湿式法により形成するために大きな設備を必要とし、手間がかかるとともに、メッキ浴は一般に浴寿命が比較的短いことから短期間で交換しなければならず不経済である。また、狭い幅を有する開口部７の底にメッキ法により形成したＳｎまたはＳｎ基はんだ合金膜２は表面粗さのバラツキが大きく、酸化度も大きいために、その上にバンプ形成用はんだペーストを印刷し、リフローしてバンプを形成しようとしても、酸化されたＳｎまたはＳｎ基はんだ合金膜２との濡れ性が悪いためにこれもミッシングバンプ発生の原因となる。

そこで、本発明者らは、かかる課題を解決すべく研究を行った結果、
（イ）Ｓｎ膜２を、電気メッキ法、無電解メッキ法または浸漬メッキ法に換えて、Ｓｎペーストを塗布してリフロー処理して形成すれば、このＳｎペーストを塗布してリフロー処理して形成したＳｎ膜２は、従来のメッキ法のような大きな設備を必要とすることなく簡単に形成することができ、また、このＳｎペーストをリフロー処理して形成したＳｎ膜２はその表面がフラックスにより被覆されていることから、メッキ層のように酸洗またはプラズマ処理などの表面酸化膜除去処理を施す必要が無く、さらに、このＳｎペーストをリフロー処理して形成したＳｎ膜２はメッキ層に比べて表面粗さが小さく、滑らかであって、ミッシングバンプを発生させることが少ない、
（ロ）市販されている通常のバンプ形成用Ｓｎ基はんだ合金ペーストをリフロー処理してメッキ膜と同じ厚さの５μｍ以下のＳｎ基はんだ合金膜を形成することは前記通常のバンプ形成用Ｓｎ基はんだ合金ペーストに含まれているＳｎ基はんだ合金粉末の粒径が大きいために困難であるが、平均粒径が最も微細な０．１〜３μｍの範囲内を有するＳｎ粉末を使用し、この平均粒径：０．１〜３μｍを有するＳｎ粉末に、通常のチクソ剤：０．１〜１質量％未満を含有したフラックス（通常のフラックスにはチクソ剤が１〜１０質量％含まれている）を２０〜３５質量％混合して得られたＳｎペーストを用いると、基板上のソルダーレジストの開口部のＣｕパッドの上に塗布することができ、その後、リフロー処理を施すと、基板上のソルダーレジストの開口部のＣｕパッド上に電気メッキ法、無電解メッキ法または浸漬メッキ法などのメッキ法により形成したメッキ層の厚さとほぼ同等の厚さを有するＳｎ膜を形成することができる、
（ハ）前記（ロ）記載のＳｎペーストの粘度は６０〜１２０Ｐａ・ｓを有することが好ましい、などの研究結果が得られたのである。

この発明は、かかる研究結果にもとづいてなされたものであって、前記チクソ剤含有量が０．１〜１質量％未満を含有したフラックスを「低チクソ剤フラックス」と記すと、
（１）基板の上に形成されているソルダーレジストの開口部内のＣｕパッド上に厚さ：１〜５μｍを有するＳｎ膜を形成し、このＳｎ膜の上にバンプ形成用はんだペーストを用いてバンプを形成する方法において、前記Ｓｎ膜は、チクソ剤：０．１〜１質量％未満を含有した低チクソ剤フラックス：２０〜３５質量％を含有し、残部が平均粒径：０．５〜３μｍのＳｎ粉末からなるＳｎペーストを塗布し、その後、リフロー処理して形成するはんだバンプの形成方法、
（２）前記Ｓｎペーストは、粘度：６０〜１２０Ｐａ・ｓを有する前記（１）記載のはんだバンプの形成方法、に特徴を有するものである。

この発明のバンプの形成方法は、Ｓｎ膜を、Ｓｎペーストをリフロー処理することにより形成することを特徴とするものであり、この発明のバンプの形成方法において基板のＣｕパッドにはんだ合金バンプを形成するには、図１の断面図に示されるように、まず、基板１の表面に形成されたＣｕパッド５の側に開口部７を有するソルダーレジスト６を形成し、ついでソルダーレジスト６の開口部７内のＣｕパッド５の上にＳｎペーストを塗布し、その後、リフロー処理することによりＣｕパッド５の上にＳｎ膜２を形成する。この時使用するＳｎペーストは、低チクソ剤フラックス：２０〜３５質量％を含有し、残部が平均粒径：０．５〜３μｍのＳｎ粉末からなる特殊なＳｎペーストを、ステンシルマスクを用いずにレジスト開口部のＣｕパッド５の上に埋め込み印刷することができる。このようにして形成されたＳｎ膜の上には溶融フラックスが付着しているので、洗浄して除去することが一層好ましい。
この開口部７内部のＳｎ膜２の上にバンプを形成するには、図２の断面図に示されているように、ソルダーレジスト６の上にステンシルマスク３を載置し、ステンシルマスク３の開口部７´にバンプ形成用はんだペースト４を充填し、その後、図３の断面図に示されているようにステンシルマスク３を除去したのちリフロー処理すると、バンプ形成用はんだペースト４は溶融し、図３に示されるようにバンプ３が形成される。このバンプ３はその後必要に応じて頭部の押しつぶし処理（コイニング処理）を施してその頭部の高さを揃えることが行われる。

この発明のバンプの形成方法においてＳｎ膜２を形成するには低チクソ剤フラックス：２０〜３５質量％を含有し、残部が平均粒径：０．５〜３μｍのＳｎ粉末からなる特殊なＳｎペーストを使用するが、この発明は、低チクソ剤フラックス：２０〜３５質量％を含有し、残部が平均粒径：０．５〜３μｍのＳｎ粉末からなる特殊なＳｎペーストを含むものである。したがって、この発明は、
（３）低チクソ剤フラックス：２０〜３５質量％を含有し、残部が平均粒径：０．５〜３μｍのＳｎ粉末からなるＳｎペーストに特徴を有するものである。
ここで、低チクソ剤フラックスとは、通常のバンプ形成用はんだペーストに使用されているフラックスにおいて、チクソ剤の含有量を０．１〜１質量％未満となるように少なくしたフラックスである。
したがって、この発明は、
（４）前記低チクソ剤フラックスは、活性剤：０．０５〜１０質量％、溶剤：２０〜５５質量％、チクソ剤：０．１〜１質量％未満を含有し、残部がロジンからなる配合組成を有する前記（３）記載のＳｎまたはＳｎ基はんだ合金膜を形成するためのＳｎペースト、に特徴を有するものである。
前記Ｓｎペーストに含まれる平均粒径：０．５〜３μｍの微細なＳｎ粉末は、Ｎ₂ガス雰囲気中にてＳｎイオンを始め、その他金属イオンを含む水溶液に還元剤である２価クロム水溶液を加えた後、一定時間攪拌混合することにより作製する。水溶液中には、はんだ微細粉末の凝集を防止するために分散剤を加えている。この時、水溶液のｐＨ、分散剤の種類、水溶液の混合速度を制御することで粉末の形状と粒径をコントロールできる。

この発明のバンプの形成方法において使用する特殊なＳｎペーストに含まれるＳｎ粉末の平均粒径を０．５〜３μｍの範囲内に定めたのは、平均粒径が０．５μｍ未満では粉末の表面が酸化され、Ｓｎペーストに含まれるＳｎ粉末が溶融後凝集しにくくなるので好ましくなく、一方、平均粒径が３μｍを越えるとソルダーレジストに形成された開口部に対する充填性が悪くなり、５μｍ以下のコート膜形成が困難となるので好ましくないという理由によるものである。
また、この発明のバンプの形成方法において使用する特殊なＳｎペーストを構成する低チクソ剤フラックスに含まれるチクソ剤は、通常より少なければ少ないほど良いが、粉末の沈降防止やステンシル印刷時のマスク除去後の形状保持特性を付与させるために入れる。しかし、この発明では平均粒径を０．５〜３μｍの微細なＳｎ粉末を用いるために沈降しにくくまたＣｕパッド上のソルダーレジスト開口部にステンシルマスクを用いず埋め込むことから形状保持特性を必要としないために低チクソ剤フラックスに含まれるチクソ剤の量を１質量％未満とした。しかし、低チクソ剤フラックスに含まれるチクソ剤の量が０．１質量％未満ではＳｎ粉末がペースト保管中に沈下するようになるので好ましくない。したがって、低チクソ剤フラックスに含まれるチクソ剤は０．１〜１質量％未満に定めた。

また、この発明のバンプの形成方法において使用するＳｎペーストに含まれる低チクソ剤フラックスを２０〜３５質量％に定めたのは、２０質量％未満ではＳｎの量が多くなり、Ｓｎ膜の厚みが５μｍを越え、また、ペースト粘度が１２０Ｐａ・ｓを越えて充填性が悪くなるので好ましくなく、一方、３５質量％を越えて含有するとペースト粘度が６０Ｐａ・ｓ未満となってＳｎペーストに含まれるＳｎ粉末が沈降してしまうので好ましくないからである。
この発明において、バンプを形成するためのはんだペースト４は、通常の市販のはんだ合金粉末に通常のフラックスを混合したものであって、一般に市販されている公知のはんだペーストを使用することができる。

この発明の方法によると、乾式法で厚さ：１〜５μｍのメッキ層とほぼ同じ厚さのＳｎ膜を形成することができるので、従来の電気メッキ法、無電解メッキ法または浸漬メッキ法などの湿式法によりメッキ層を形成する場合と比べて大きな設備を使用することなく簡単にＳｎ膜を形成することができることからコストを低く抑えることができ、さらに、低チクソ剤フラックス：２０〜３５質量％を含有し、残部が平均粒径：０．５〜３μｍのＳｎまたはＳｎ基はんだ合金粉末からなるＳｎペーストを塗布し、その後、リフロー処理して形成されたＳｎ膜は、従来の電気メッキ法、無電解メッキ法または浸漬メッキ法により形成されたメッキ層に比べて表面酸化膜の生成が少ないことから酸化膜除去処理を施す必要が無く、また表面粗さが小さく滑らかであるところから、その後のバンプ形成用ペーストを用いたバンプ形成工程においてミッシングバンプや接合強度の低下を抑制できるなど優れた効果を奏するものである。

実施例１〜７および比較例１〜５：
表１に示される平均粒径を有するＳｎ粉末ａ〜ｅを用意した。また、ロジン、ハロゲン系活性剤（ジフェニルグアニジン臭化水素酸塩）、有機酸及びチクソ剤（水素添加ひまし油）を溶剤であるジエチレングリコールモノヘキシルエーテル、トリエチレングリコールと共に加熱溶解した後、冷却する工程を経て得られた表２に示される低チクソ剤フラックスＡ〜Ｅを作製した。
次に、表１に示される平均粒径を有するＳｎ粉末ａ〜ｅと表２に示されるフラックスＡ〜Ｅを表３に示される割合となるとなるように配合し混練することにより表３に示される粘度を有する本発明ペースト１〜７および比較ペースト１〜５を得た。
一方、ガラエポ基板の上に形成されたＣｕパッド側に開口径：１００μｍを有するソルダーレジスト（厚み：２０μｍ）を形成し、ソルダーレジストの開口部に表３の本発明ペースト１〜７および比較ペースト１〜５を埋め込み、その後、最大温度：２６０℃でリフロー処理を行った後、フラックス残渣を洗浄し、ソルダーレジストの開口部底部に表３に示される厚さを有するＳｎリフロー処理膜を形成した。
ついで、ソルダーレジストの上に開口部を有するステンシルマスク( マスク開口径：１３０μｍ、マスク厚み：４０μｍ、バンプピッチ１７５μｍ)を載置し、このステンシルマスクの開口部に通常のＰｂ系はんだペースト［市販のRMAフラックス１０重量％を含有し、残部が平均粒径１１．１μｍのはんだ合金粉末（成分組成：Ｓｎ：６３重量％を含有し、残部がＰｂおよび不可避不純物)からなり、ペースト粘度：２３５Ｐａ・ｓを有する］を印刷し、ステンシルマスクを除去してリフロー炉を用いて最大温度２２０℃でリフローし、５００個のバンプを前記Ｓｎリフロー処理膜上に形成した。その後、フラックス残渣を洗浄し、光学顕微鏡を用いてミッシングバンプ数をカウントし、その結果を表３に示した。

従来例：
ガラエポ基板の上に形成されたＣｕパッド側に開口径：１００μｍを有するソルダーレジスト（厚み：２０μｍ）を形成し、ソルダーレジストの開口部底部に通常の浸漬メッキ法により、厚み：２μｍを有する浸漬Ｓｎメッキ層を形成した。
ついで、ソルダーレジストの上に実施例１〜７および比較例１〜５で用意した開口部を有するステンシルマスク( マスク開口径：１３０μｍ、マスク厚み：４０μｍ、バンプピッチ１７５μｍ)を載置し、このステンシルマスクの開口部に実施例１〜７および比較例１〜５で用意した通常のＰｂ系はんだペースト［市販のRMAフラックス１０質量％を含有し、残部が平均粒径１１．１μｍのはんだ合金粉末（成分組成：Ｓｎ：６３質量％を含有し、残部がＰｂおよび不可避不純物)からなり、ペースト粘度：２３５Ｐａ・ｓを有する］を印刷し、ステンシルマスクを除去してリフロー炉を用いて最大温度２２０℃でリフローし、５００個のバンプを前記Ｓｎメッキ膜上に形成した。その後、フラックス残渣を洗浄し、光学顕微鏡を用いてミッシングバンプ数をカウントし、その結果を表３に示した。

表１〜３に示される結果から、本発明ペースト１〜７を使用した実施例１〜７により作製したバンプは、Ｓｎ浸漬メッキ層を使用した従来例により作製したバンプに比べて、ミッシングバンプの数が少ないことが分かる。また、比較ペースト１〜５を使用した比較例１〜５により作製したバンプは、比較例２、５で実施例と比べてミッシングバンプが多くなり、比較例１では若干のフラックス残渣がＳｎコート膜上に見られ、さらに比較例４は実施例と比べてペーストの印刷性（埋め込み性）が悪く、さらに比較例３ではＳｎ膜の厚さが５μｍを超えており、コート膜としては厚すぎるので好ましくないことがわかる。

基板のＣｕパッド側にＳｎまたはＳｎ基はんだ合金膜およびソルダーレジストを形成した状態を示す断面説明図である。基板表面のソルダーレジストの上にステンシルマスクを載置し、のソルダーレジストおよびステンシルマスクの開口部内部にペーストを充填した状態を示す断面説明図である。ペーストを充填したのちステンシルマスクを除去した状態を説明するための断面説明図である。ＳｎまたはＳｎ基はんだ合金膜上にバンプを形成した状態を説明するための断面説明図である。

１：基板、２：ＳｎまたはＳｎ基はんだ合金膜、３：ステンシルマスク、４：バンプ、５：Ｃｕパッド、６：ソルダーレジスト、７：開口部、８：はんだ合金ペースト、

Claims

基板の上に形成されているソルダーレジスト開口部内のＣｕパッド上に厚さ：１〜５μｍを有するＳｎ膜を形成し、このＳｎ膜の上にバンプ形成用はんだペーストを用いてはんだバンプを形成する方法において、前記Ｓｎ膜は、チクソ剤：０．１〜１質量％未満を含有した低チクソ剤フラックス：２０〜３５質量％を含有し、残部が平均粒径：０．５〜３μｍのＳｎ粉末からなるＳｎペーストを塗布し、その後、リフロー処理して形成することを特徴とするはんだバンプの形成方法。
前記Ｓｎペーストは、粘度：６０〜１２０Ｐａ・ｓを有することを特徴とする請求項１記載のはんだバンプの形成方法。
チクソ剤：０．１〜１質量％未満を含有した低チクソ剤フラックス：２０〜３５質量％を含有し、残部が平均粒径：０．５〜３μｍのＳｎ粉末からなることを特徴とする請求項１または２記載のはんだバンプ形成方法におけるＳｎ膜を形成するためのＳｎペースト。
前記低チクソ剤フラックスは、活性剤：０．０５〜１０質量％、溶剤：２０〜５５質量％、チクソ剤：０．１〜１質量％未満を含有し、残部がロジンからなる配合組成を有することを特徴とする請求項３記載のＳｎペースト。