JP5573792B2

JP5573792B2 - はんだバンプ形成方法

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Publication number: JP5573792B2
Application number: JP2011162100A
Authority: JP
Inventors: 哲広堀田; 真史後藤; 豊隆小林
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2011-07-25
Filing date: 2011-07-25
Publication date: 2014-08-20
Anticipated expiration: 2031-07-25
Also published as: JP2013026559A

Description

本発明は、基板にはんだバンプを形成するはんだバンプ形成方法に関する。

従来、基板にはんだ付けをする方法として、基板の電極に予めはんだバンプを形成しておき、このはんだバンプではんだ付けを行う方法が広く用いられている。はんだバンプ形成方法として、次のような方法が従来より知られている。例えば、特許文献１には、マスクプレートを基板の表面に配置し、マスクプレートを介して基板の電極にクリームはんだを印刷する方法が記載されている。また、特許文献２には、加熱した金属板の上にはんだボールを配置し、基板を押し当てることによって、基板の電極にはんだバンプを形成する方法が記載されている。また、特許文献３には、基板の電極に向けてはんだとレーザービームを照射する方法（ジェットディスペンサ）が記載されている。

特開平１１−２７４７０６号公報特開平８−１７９５９号公報特開２００２−７６０４３号公報

近年、電子部品の小型化に伴い、実装密度を向上させることが求められている。すなわち、回路基板の表面に、狭いピッチで多数のはんだバンプを形成することが求められている。このような要求に対し、従来の方法ではんだバンプを形成した場合、以下のような問題が生じる。例えば、印刷によってはんだバンプを形成する方法は、印刷可能な寸法精度、塗布量に制約（下限）があるため、高密度化に対応できないという問題がある。また、ボールマウントによる方法は、多数の位置へはんだボールをマウントする必要があり、コストが高くなり、作業も困難になるという問題がある。また、はんだを射出する方法は、多数の位置へはんだペーストを精度良く飛ばすことが困難であるという問題がある。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、狭いピッチであっても、多数のはんだバンプを容易に、且つ、精度良く形成することができるはんだバンプの形成方法を提供することを目的とする。

本発明に係るはんだバンプの形成方法は、基板の表面に形成され、電極を有する接合凹部へはんだ粉末を供給する工程と、はんだ粉末が供給された基板を、はんだの溶融温度以上の温度に保たれた溶融フラックス浴へ浸漬させる工程と、基板を溶融フラックス浴から取り出す工程と、を有することを特徴とする。

本発明に係るはんだバンプの形成方法によれば、はんだ粉末が供給された基板を溶融フラックス浴へ浸漬させることで、各接合凹部へ供給されたはんだ粉末が溶融する。溶融したはんだは接合凹部の電極に接続され、基板が溶融フラックス浴から取り出されてはんだが固化することで、接合凹部の電極にはんだバンプが形成される。このとき、基板表面の接合凹部以外の部分にはんだ粉末が付着していたとしても、それらのはんだ粉末は溶融フラックス浴への浸漬により、溶融して基板から離れる。すなわち、はんだ粉末の供給の工程において、はんだバンプ形成位置以外の部分にはんだ粉末が付着する場合であっても、意図するはんだバンプ形成位置のみにはんだバンプを形成することができる。これにより、狭いピッチの接合凹部にはんだ粉末を供給する際に、供給位置や供給量に関して極めて高い精度を確保する必要が無くなる。すなわち、高い精度を要することなくはんだ粉末を供給し、基板全体を溶融フラックス浴に浸漬させることで、複数の接合凹部に正確にはんだバンプを形成することができる。また、基板全体がムラなく良好に加熱されるため、全てのはんだバンプが精度良く形成される。以上によって、狭いピッチであっても、多数のはんだバンプを容易に、且つ、精度良く形成することができる。

本発明に係るはんだバンプの形成方法において、溶融フラックス浴は、カルボン酸とエステルの混合物であることが好ましい。これにより、基板を溶融フラックス浴に浸漬させたときは、はんだ粉末の酸化被膜が除去される。また、そのまま酸素を排除した環境化にて、はんだ粉末の溶融によりはんだバンプを形成することができる。更に、基板を溶融フラックス浴から取り出すときに、はんだバンプの表面を保護被膜（酸化防止被膜）で覆うことができる。

具体的に、混合物のカルボン酸とエステルの比率は、カルボン酸：エステル＝５０：５０であることが好ましい。

本発明に係るはんだバンプの形成方法において、はんだ粉末を供給する工程の前に、Ｎｉを含有する事前フラックスを接合凹部の電極へ供給することが好ましい。電極にＣｕが含有されている場合にＮｉを含有する事前フラックスを供給することで、はんだバンプが形成される前に、電極の表面に金属間化合物（Ｎｉ−Ｃｕ）の保護層が形成される。これによって、はんだのＳｎと電極のＣｕとが反応するはんだ喰われを防止することができる。

本発明によれば、狭いピッチであっても、多数のはんだバンプを容易に、且つ、精度良く形成することができる。

本発明の実施形態に係るはんだバンプ形成方法によって、はんだバンプが形成された基板を示す断面図である。本発明の実施形態に係るはんだバンプ形成方法のフロー図である。本発明の実施形態に係るはんだバンプ形成方法の内容を示す概略図である。本発明の実施形態に係るはんだバンプ形成方法の内容を示す概略図である。

以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態に係るはんだバンプ形成方法によって、はんだバンプが形成された基板を示す断面図である。図１に示すように、基板１は、電極２が形成された回路基板である。基板１には、電極２を覆うようにレジスト層３が形成されている。レジスト層３のうち、はんだバンプ６が形成される位置には穴が形成され、電極２（配線の端部）が露出している。このように、基板１の表面１ａには、接合凹部４が形成される。接合凹部４は、底面に電極２を有している。基板１の表面１ａの接合凹部４には、電極２と電気的に接合されているはんだバンプ６が形成されている。電極２とはんだバンプ６との間には、保護層７が形成されている。

本実施形態に係るはんだバンプ形成方法によれば、実装密度の高密度化に対応可能である。すなわち、隣り合う接合凹部４の間隔が狭く、接合凹部４が小さくても、高い形状精度のはんだバンプ６を形成することができる。具体的に、接合凹部４の間隔（図１においてＰで示される寸法）が、３０μｍ〜１００μｍ程度の狭い間隔であってもよい。また、接合凹部４の大きさ（図においてＲで示される寸法）がφ１５μｍ〜φ５０μｍ程度の小さいものであってもよい。なお、本実施形態に係る方法は、前述のような高密度なはんだバンプのみならず、通常の密度のはんだバンプの形成にも採用してよい。

次に、図２〜図４を参照して、本実施形態に係るはんだバンプ形成方法について説明する。図２は、本実施形態に係るはんだバンプ形成方法のフロー図である。図３，４は、本実施形態に係るはんだバンプ形成方法の内容を示す概略図である。

図２に示すように、基板１を準備する基板準備工程から処理が開始される（ステップＳ１）。図３（ａ）に示すように、表面１ａに接合凹部４が形成された基板１を準備する。基板１において、基板１の材料は、ガラスエポキシ、フェノール、ポリイミド、ＢＴレジン、フッ素樹脂、アラミド、シリコン、セラミックのいずれか、またはそれらの組み合わせである。電極２の材料は、Ｃｕ、Ａｕ、Ｓｎはんだ材のいずれか、またはそれらの組み合わせである。レジスト層３の材料は、エポキシ、ポリイミドのいずれか、またはそれらの組み合わせである。

次に、基板１の接合凹部４に事前フラックス１１を供給する事前フラックス供給工程が行われる（ステップＳ２）。図３（ａ）に示すように、接合凹部４の底面の電極２の表面は、略全面が事前フラックス１１にて覆われる。Ｓ２で供給される事前フラックス１１として、Ｎｉ含有フラックスが用いられる。Ｎｉ含有フラックスを用いることにより、電極２がＣｕを含有する場合、電極２とはんだバンプ６との間にＮｉ−Ｃｕの金属間化合物の保護層７を形成することができる。

次に、基板１の接合凹部４にはんだ粉末１２を供給するはんだ粉末供給工程が行われる（ステップＳ３）。図３（ｂ）に示すように、接合凹部４に供給されたはんだ粉末１２は、少なくとも接合凹部４を覆う程度に供給される。はんだ粉末１２は、３μｍ〜３５μｍ程度の粒径である。例えばペースト状のはんだを小さい接合凹部４に供給する場合（例えばマスクプレートを用いてクリームはんだを印刷する場合や、はんだボールを接合凹部に押し当ててはんだバンプを形成する場合）、表面張力の影響によって溶融はんだは接合凹部４の底部（電極２が形成されている）へ至り難い。一方、はんだ粉末１２であれば、接合凹部４が小さくても、容易に底部（電極２が形成されている）へ至ることができる。はんだ粉末１２として、Ｓｎを含有するものや、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｐｂ、Ｂｉ等を有するものを用いることができる。

はんだ粉末１２を接合凹部４に供給する方法は、接合凹部４にはんだ粉末１２を供給できるものであれば特に限定されないが、例えば以下の方法が挙げられる。

例えば、基板１の表面１ａの略全面に対してはんだ粉末１２を供給してもよい。全ての接合凹部４に対して、一度にはんだ粉末１２を供給することができる（あるいは、所定範囲内の複数の接合凹部４に対して一度にはんだ粉末１２を供給し、これを表面１ａの全面に対して複数行うことで基板１の表面１ａの全ての接合凹部４にはんだ粉末１２を供給してもよい）。この場合、接合凹部４のみならず、レジスト層３にもはんだ粉末１２が供給されるが、後述のように、溶融フラックス浴１５に浸漬したときにレジスト層３の表面から離れ、接合凹部４のはんだのみが残る。この方法を採用する場合、複数の接合凹部４に対して一度にはんだ粉末１２を供給することができ、溶融フラックス浴１５で複数の接合凹部４のはんだ粉末１２を一度に溶融させることができる。すなわち、それぞれの接合凹部４のはんだの一つ一つについて処理する必要がなく、各工程において全ての接合凹部４のはんだを一括で処理することが可能となる。また、複数の接合凹部４に一度にはんだ粉末１２を供給するため、基板によってバンプのパターンが異なる場合であっても、設備を変更することなく、同一の工程で対応可能である。従って、高い汎用性ではんだバンプ６を形成することができる。

あるいは、接合凹部４に対応する位置に貫通孔を有するマスクを介してはんだ粉末１２を供給してもよい。このとき、例えばマスクを介してはんだペーストを接合凹部４に塗布する場合（例えば特許文献１の方法）、はんだバンプ形成位置のみに決められた量のはんだを正確に印刷する必要がある。よって、接合凹部４が狭いピッチであり、且つ接合凹部４が小さい場合、極めて高い精度のマスクが必要となる。また、マスクの貫通孔が小さい場合、表面張力の影響などによりはんだペーストを通すことができない。しかし、本実施形態では、供給時のはんだ粉末１２の一部が接合凹部４のみならず、レジスト層３の表面に付着することも許容されるため、はんだペーストを印刷する場合ほどの高い精度のマスクは要求されない。また、粉末状であるため、はんだ粉末１２は、マスクの貫通孔が小さくても通ることができる。レジスト層３に付着したはんだ粉末１２は、後述のように、溶融フラックス浴１５に浸漬したときにレジスト層３の表面から離れ、接合凹部４のはんだのみが残る。この方法を採用する場合、複数の接合凹部４に対して一度にはんだ粉末１２を供給することができ、溶融フラックス浴１５で複数の接合凹部４のはんだ粉末１２を一度に溶融させることができる。すなわち、それぞれの接合凹部４のはんだの一つ一つについて処理する必要がなく、各工程において全ての接合凹部４のはんだを一括で処理することが可能となる。マスクを用いることで、各接合凹部４に対するはんだ粉末１２の供給量が一定となり、はんだバンプ６の形状精度を確保することができる。

あるいは、はんだ粉末供給ノズルを接合凹部４の上方にセットし、当該ノズルから所定量のはんだ粉末１２を供給し、隣の接合凹部４へ移動してはんだ粉末１２を供給してよい。このとき、例えばジェットディスペンサによりはんだバンプを形成する場合（例えば特許文献３の方法）は、はんだバンプ形成位置のみに決められた量のはんだを正確に供給する必要がある。よって、接合凹部４が狭いピッチであり、且つ接合凹部４が小さい場合、位置合わせや供給量について極めて高い精度が要求される。しかし、本実施形態では、供給時のはんだ粉末１２の一部が接合凹部４のみならず、レジスト層３の表面に付着することも許容されるため、ジェットディスペンサほどの高い精度は必要とされない。レジスト層３に付着したはんだ粉末１２は、後述のように、溶融フラックス浴１５に浸漬したときにレジスト層３の表面から離れ、接合凹部４のはんだのみが残る。各接合凹部４に対するはんだ粉末１２の供給量を制御することで、はんだバンプ６の形状精度を確保することができる。

次に、接合凹部４にはんだ粉末１２が供給された基板１を溶融フラックス浴１５へ浸漬させる浸漬工程を行う（ステップＳ４）。図３（ｃ）及び図４（ａ）に示すように、完全に溶融フラックス浴１５内に漬かるように、基板１を溶融フラックス浴１５に浸漬させる。このとき、接合凹部４のはんだ粉末１２がこぼれないように、基板１の表面１ａの姿勢を保つ。

溶融フラックス浴１５の温度は、少なくともはんだ粉末１２の溶融温度以上に保たれている。例えば、溶融フラックス浴１５は２２０℃〜２６０℃程度に保たれていることが好ましい。溶融フラックス浴１５は、カルボン酸（溶質）とエステル（溶媒）の混合物である。溶質であるカルボン酸は、例えば、飽和脂肪酸（バルミチン酸、ステアリン酸など）が挙げられる。溶媒であるエステルは、例えば、カルボン酸エステルである。カルボン酸エステルとして、アルコールをカルボン酸がエステル化した化合物であり、高級脂肪酸とグリセリン（３価のアルコール）とのエステルである油脂が例示される。溶融フラックス浴１５の混合物におけるカルボン酸とエステルの比率は、カルボン酸：エステル＝１０：９０〜９０：１０であることが好ましく、カルボン酸：エステル＝５０：５０とすることが特に好ましい。

次に、溶融フラックス浴１５の中で基板１を保持する保持工程を行う（ステップＳ５）。図４（ｂ）に示すように、基板１を溶融フラックス浴１５に浸漬させた状態で所定時間保持し、はんだ粉末１２を溶融させる。基板１を浸漬させる時間は、例えば５〜１０秒程度である。

基板１が溶融フラックス浴１５内に保持されることで、接合凹部４に供給されたはんだ粉末１２は、溶融して電極２に接続されたはんだバンプ６として形成される。このとき、基板１の全体が溶融フラックス浴１５に浸漬しているため、それぞれの接合凹部４のはんだ粉末１２を同時にムラなく溶融処理することができる。また、電極２上を覆っている事前フラックス１１が、電極２の表面に金属間化合物の保護層７を形成する。例えば、電極２がＣｕを含有し、事前フラックス１１がＮｉ含有フラックスであった場合、Ｎｉ−Ｃｕの金属間化合物による保護層７が形成される。当該保護層７が、はんだのＳｎと電極２のＣｕが反応することによるはんだ喰われを防止する。

一方、基板１の表面１ａのうち接合凹部４以外の部分、すなわちレジスト層３上に付着していたはんだ粉末１２Ｅも溶融する。レジスト層３は溶融したはんだに対する濡れ性が良くないため、溶融はんだ６Ｅは、レジスト層３の表面から離れ、溶融フラックス浴１５内に流れて行く。これにより、はんだバンプ６が接合凹部４のみに形成される。

次に、溶融フラックス浴１５から基板１を取り出す取り出し工程が行われる（ステップＳ６）。溶融していたはんだが冷えて固まることで、基板１の電極２に形成されるはんだバンプ６が完成する。以上により、図２に示すフローが終了する。

本実施形態に係るはんだバンプの形成方法の作用・効果について説明する。

本実施形態に係るはんだバンプの形成方法によれば、はんだ粉末１２が供給された基板１を溶融フラックス浴１５へ浸漬させることで、各接合凹部４へ供給されたはんだ粉末１２が溶融する。溶融したはんだは接合凹部４の電極２に接続され、基板１が溶融フラックス浴１５から取り出されてはんだが固化することで、接合凹部４の電極２にはんだバンプ６が形成される。このとき、基板１の表面１ａの接合凹部４以外の部分にはんだ粉末１２Ｅが付着していたとしても、それらのはんだ粉末１２Ｅは溶融フラックス浴１５への浸漬により、溶融して基板１から離れる。すなわち、はんだ粉末１２の供給の工程において、はんだバンプ形成位置以外の部分にはんだ粉末１２Ｅが付着する場合であっても、意図するはんだバンプ形成位置のみにはんだバンプ６を形成することができる。これにより、狭いピッチの接合凹部４にはんだ粉末１２を供給する際に、供給位置や供給量に関して極めて高い精度を確保する必要が無くなる。すなわち、高い精度を要することなくはんだ粉末１２を供給し、基板１全体を溶融フラックス浴１５に浸漬させることで複数の接合凹部４に正確にはんだバンプ６を形成することができる。また、基板１全体がムラなく良好に加熱されるため、全てのはんだバンプが精度良く形成される。以上によって、狭いピッチであっても、多数のはんだバンプ６を容易に、且つ、精度良く形成することができる。

また、はんだバンプの形成方法において、溶融フラックス浴１５は、カルボン酸とエステルの混合物である。これにより、基板１を溶融フラックス浴１５に浸漬させたときは、はんだ粉末１２の酸化被膜が除去される。また、そのまま酸素を排除した環境化にて、はんだ粉末１２の溶融によりはんだバンプ６を形成することができる。更に、基板１を溶融フラックス浴１５から取り出すときに、はんだバンプ６の表面を溶融フラックス浴１５の混合物による保護被膜（酸化防止被膜）で覆うことができる。

また、はんだバンプの形成方法において、はんだ粉末１２を供給する工程の前に、Ｎｉを含有する事前フラックス１１を接合凹部４の電極へ供給する。電極２にＣｕが含有されている場合にＮｉを含有する事前フラックス１１を供給することで、はんだバンプ６が形成される前に、電極２の表面に金属間化合物（Ｎｉ−Ｃｕ）の保護層７が形成される。これによって、はんだのＳｎと電極２のＣｕとが反応するはんだ喰われを防止することができる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、はんだ粉末１２を供給する前に、電極に事前フラックス１１を供給しなくともよい。また、溶融フラックス浴の混合物も実施形態に例示したものに限らず、はんだを溶融させることができるものであれば特に限定されない。

１…基板、２…電極、３…レジスト層、４…接合凹部、６…はんだバンプ、７…保護層、１１…Ｎｉを含有する事前フラックス、１２…はんだ粉末、１５…溶融フラックス浴。

Claims

基板の表面に形成され、電極を有する接合凹部へはんだ粉末を供給する工程と、
前記はんだ粉末が供給された前記基板を、はんだの溶融温度以上の温度に保たれた溶融フラックス浴へ浸漬させ、前記はんだ粉末を溶融させる工程と、
前記基板を前記溶融フラックス浴から取り出す工程と、を有することを特徴とするはんだバンプ形成方法。
前記溶融フラックス浴は、カルボン酸とエステルの混合物であることを特徴とする請求項１記載のはんだバンプ形成方法。
前記混合物のカルボン酸とエステルの比率は、カルボン酸：エステル＝５０：５０であることを特徴とする請求項２記載のはんだバンプ形成方法。
前記はんだ粉末を供給する工程の前に、Ｎｉを含有する事前フラックスを前記接合凹部の前記電極へ供給することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のはんだバンプ形成方法。