JP5633776B2 - 電子部品用複合ボールの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）に代表されるエリアアレイ端子型パッケージの接続端子等に用いられるはんだめっき層を形成した電子部品用複合ボールの製造方法に関するものである。

近年、電子部品の実装密度の高密度化要求に対応するために、パッケージオンパッケージ（ＰＯＰ）やマルチチップモジュール（ＭＣＭ）等の３次元高密度実装の検討が進んでいる。これらの高さ方向への積み重ねによる密度向上を図ったパッケージをはんだボールでＢＧＡによる実装を行なった際には、パッケージ自体の重さに耐えられず、はんだボールが潰れてしまう場合がある。このはんだボールの潰れは、はんだボールが溶融して形成された接続端子同士の接続短絡を生じさせる可能性があり、高密度実装上支障となる。
上記問題を解決すべく、はんだよりも融点の高い、例えばＣｕからなるコアボールに、はんだを被覆した複合ボールによる実装が提案されている（特許文献１）。これは、はんだ層よりも融点の高いコアボールを有することで、実装時における接続端子のギャップ高さの潰れがなくなり、パッケージの３次元の高密度実装が可能となる。

特許文献１の複合ボールは、コアボールの表面にめっきによりはんだを被覆して製造することが提案されており、めっきにより形成した被覆層は、電気的、熱的に整合性のある実用に供しうる安定した成膜が得られ、転がり性に優れる点で優れている。
また、コアボールの表面にはんだを被覆する方法としては、陰極を槽内の円周部に、陽極を槽内中央部に配置し、水平方向に回転可能な密閉されためっき槽を用い、特定の高速回転によって電解めっき法によるはんだめっきを行なうことが開示されている（特許文献２）。これにより、凝集することなく均一な膜厚のはんだめっき層が形成できるといった改善が提案されている。

特開平１１−７４３１１号公報 特開平１１−９２９９４号公報

上述した特許文献２に開示される電解めっき方法においては、コアボールに対し均一な膜厚ではんだめっき層を形成できる点では有利であるが、このようなめっき方法であっても、めっき時の電流密度等の諸条件によっては、結晶の成長が不均一となり、その結果、表面に凹凸を生じる場合があった。
このような表面に凹凸を生じたボールでは、ボールの転がりが悪くなり、ボール搭載時の位置精度が低くなる。また、凹凸により画像検出が困難になるため、ボール搭載後の画像処理装置において欠損判定の際に不具合が生じる。さらに、バンプ形成時に凹凸に巻きこまれる有機成分が、リフロー時の溶融によってガス化し皮膜中にボイドとして残留し接合信頼性を下げる、あるいは皮膜中からガス成分が放出される際にボールが位置ずれを起こすといった問題が発生する。
本発明の目的は、はんだめっき層の表面に生じる凹凸をなくし平滑な表面を有する電子部品用複合ボールの製造方法を提供することである。

本発明者は、はんだめっきを施した電子部品用複合ボールの表面性状の改善を検討した結果、はんだめっき層の表面の凹凸に対して平滑化加工を加えることが可能であることを見出し、本発明に到達した。

すなわち本発明は、球体からなるコアボールの表面にはんだめっき層を有する電子部品用複合ボールの製造方法であって、０．１０ｍｏｌ／Ｌ以上のアンモニアを含む水溶液を保持した回転槽中で、前記複合ボール同士を接触させながら前記はんだめっき層の表面を平滑化加工する工程を具備する電子部品用複合ボールの製造方法である。

前記アンモニアは、０．３０ｍｏｌ／Ｌ以上含むことが好ましい。
また、前記水溶液のｐＨは、４〜６であることが好ましい。

本発明によれば、めっき処理によって形成されたはんだめっき層の表面の凹凸を抑制することができ、例えば半導体パッケージにおけるチップキャリアーとしての実用化にとって欠くことのできない技術となる。

本発明の複合ボールの外観の走査型電子顕微鏡による観察写真の一例を示す図である。 本発明の複合ボールの断面の走査型電子顕微鏡による観察写真の一例を示す図である。 本発明の複合ボールの外観の走査型電子顕微鏡による観察写真の別の例を示す図である。 平滑化加工前の複合体の外観および断面の走査型電子顕微鏡による観察写真の一例を示す図である。 比較例の複合ボールの外観の走査型電子顕微鏡による観察写真を示す図である。

従来、はんだめっき層を表面に形成した電子部品用複合ボールについては、はんだめっき技術の改良に注力されており、めっき後のめっき層の表面を別手段で改質しようという試みは成されていなかった。
本発明においては、はんだめっき層の表面状態の問題に鑑み検討した結果、はんだめっき工程の後処理として平滑化加工を加えることが可能であり、実際に平滑面の形成に成功したものである。

本発明における平滑化加工では、回転槽内の水溶液中で複合ボール同士を接触させながら平滑化加工する方法を適用する。
これは、回転槽を使用すると、はんだめっき層を形成した複合ボールを流動させやすくなり、複合ボール同士あるいは複合ボールと回転槽の容器壁面との接触機会を増加することができ、平滑化加工を均一に行ない易いからである。
また、水溶液中で平滑化加工を行なうことにより、複合ボール同士、複合ボールと回転槽等の容器壁面との過度の摩擦を低減することができ、より精度の高い滑らかな表面を得ることができる。また、研磨により除去された研磨物の再付着を抑制するという効果もある。

本発明の電子部品用複合ボールの製造方法の最大の特徴とするところは、はんだめっき層の表面を、０．１０ｍｏｌ／Ｌ以上のアンモニアを含む水溶液を保持した回転槽中で前記はんだめっき層の表面を平滑化加工することにある。
回転槽内で保持する水溶液が酸性の溶液の場合、物理的な研磨による平滑効果に加え、腐食による化学的な研磨効果が得られることにより、短時間で平滑な表面状態が得られる。
しかしながら、図４に示すような、平滑化加工前の粒界を多く持つような表面を有する複合ボールに平滑化加工を行なうと、粒界を基点に腐食が始まるため物理的な研磨が進行し、全体的な凹凸が軽減されても粒界が残留する。
ここで、本発明者の検討によると、水溶液に所定量以上のアンモニアを添加すると、粒界を基点とした腐食が抑制され、より短時間で平滑な表面が得られることがわかった。
アンモニアによるはんだめっき層の平滑性向上に及ぼす作用は明確ではないが、平滑化加工の効果が得られる水溶液中のアンモニア濃度については、０．１０ｍｏｌ／Ｌ以上であり、これ未満では粒界での腐食が優先進行し、十分な平滑効果が得られないことがわかった。また、アンモニアを０．３０ｍｏｌ／Ｌ以上含むことが好ましい。

水溶液中で平滑化加工を行なうときに使用する水溶液の種類としては、酸化を防止する還元性のものや、はんだめっき層を軽く溶解して平滑化加工を促進する溶解性のものを選択してもよい。具体的には、ｐＨが４〜６の酸性水溶液を使用するとより効果的である。
酸性の水溶液は、はんだめっき表面および結晶粒界を軽く溶解するとともに、めっき層の平滑化によって生じた研磨物やメディアによる不純物を除去できるという効果も期待できる。好ましい酸性水溶液としては、スルホン酸系（メタンスルホン酸など）やカルボン酸系（シュウ酸など）溶液がある。
また、使用する水溶液として、電解めっき法によりはんだめっき層を形成する場合には、めっき層を形成するときに使用しためっき液にアンモニア濃度が０．１０ｍｏｌ／Ｌ以上となるようにアンモニアを添加することで調整して、電圧を印加しない状態でそのまま使用することも可能である。また、場合によっては、錯体形成剤の添加や、界面活性剤の添加等により液体の性質の調整を行なってもよい。
なお、アンモニアの添加は、平滑化加工前に水溶液中にアンモニア水溶液を適宜添加する。また、アンモニアの添加後は、水溶液のｐＨが若干高くなるため、使用する各種酸性水溶液と同種の酸性水溶液を添加して、ｐＨを４〜６に調整することが好ましい。

本発明において、平滑化加工を行なう装置としては、上述したように回転槽内の水溶液中で行なう。回転槽としては垂直ドラム式、水平ドラム式や傾斜ドラム式など適宜選択できる。
回転方向は、水平ドラム式では、重力による流動が起こらないため、停止や反転、速度の可変などの動作等を取り入れて、平滑化加工が均一に進むようにすることが望ましい。このような回転槽の運転条件は、回転槽の大きさ、処理する複合ボールのサイズや量によって適宜選択することができる。
また、はんだめっきを回転槽で行なう場合、めっき処理終了から電圧を印加しないで回転槽を回転することで、平滑化加工をめっき処理から連続して実施することが可能となる。本発明によって得られる電子部品用複合ボールの表面は、ＪＩＳ Ｂ ０６０１（２００１年）の測定において、Ｒｚ５μｍ以下、Ｒａ２μｍ以下とすることができる。

本発明における平滑化加工では、はんだめっき層の表面にメディアを接触させて平滑化加工することもできる。メディアとは、研磨剤等の媒体であり、メディアとはんだめっき層との接触により、はんだめっき層表面に物理的に応力を加え、凹凸面の変形あるいは物理的除去によって、表面の平滑化を行なうことができる。使用するメディアの材質としては、塊状の研磨石や成型研磨石のほか、有機物の研磨石などを用いることができ、処理するボールの材質、形状、個数、要求される表面の仕上がり状態等に合わせ、メディアの材質、形状、投入量を適宜選定することができる。

本発明における平滑化加工は、あくまで複合ボール同士を接触させながら行なう平滑化加工であって、上記メディアの使用は必須ではない。本発明によれば、メディアを用いないで平滑化加工することにより、メディア起因として問題となる、平滑化加工時に不純物が表面に付着したり、不純物が押し込まれたりすることがない、という利点がある。
なお、メディアによる研磨力等の付与といった作用と、上記不純物の付着等の問題とを鑑みて、メディアを使用するか、複合ボール同士の接触のみに頼るかは適宜選択することができる。

本発明において、対象とするコアボールは、典型的には５０〜１５００μｍの直径を有するものである。１５００μｍを超えるサイズのものは、電子部品用途としては多くはなく、５０μｍよりも小径のサイズではハンドリング性の問題から、あまり用途が多くないからである。
電子部品用途としてコアボールの材質としては、コアボールに良導体としての特性を求める場合は、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ等の金属単体あるいは合金が選択されるが、そうでない場合はセラミックスや樹脂の球体であってもよい。

また、はんだめっき層としては、厚さは０．０１μｍから５０μｍの厚さが典型的である。この厚さは、はんだとして要求される特性に基づいて適宜選択されるものである。
電子部品として典型的なはんだ組成系は、Ｓｎ−Ｂｉ、Ｓｎ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｕであり、通常融点が３００℃以下のものが使用される。
はんだめっき層を形成する方法としては、電解めっき法、非電解めっき法や溶融めっき法など適宜選択できる。
本発明においては、はんだめっき層の平滑化加工が重要であり、はんだめっき層とコアボールの間に別の層が存在していてもかまわない。例えば、コアボールにＣｕを用いたときのはんだによるＣｕコアボールの喰われを防止する目的で形成するＮｉバリア層などが典型である。

先ず、球体からなるコアボールとして、直径が２００μｍのＣｕボールの表面に、厚さが２μｍの下地層となるＮｉめっきを施したものを６７万個用意した。めっき液には、Ｓｎ２２ｇ／Ｌ、Ａｇ１ｇ／Ｌを含んだメタンスルホン酸めっき液（ｐＨ＝４．０）を用意した。めっき装置には、水平軸にて垂直方向に回転する、対角長さが６０ｍｍ、幅が１１０ｍｍの六角柱形状の回転槽を具備するバレルめっき装置を用いて、回転槽をめっき液に浸漬して、はんだめっき層を形成した。
めっき条件は、回転槽の回転数を８０ｒｐｍ、電流密度を０．１５Ａ／ｄｍ^２とし、同一方向の回転のみで電気めっきを６時間行ない、厚さが２５μｍのＳｎ−３％Ａｇ（質量％）はんだめっき層を形成して複合ボールを得た。
はんだめっき層を形成したままの複合ボールの外観および断面を、走査型電子顕微鏡で観察した結果を図４に示す。図４に示すように、複合ボールの表面には凹凸が形成されていることがわかる。

次に、得られた複合ボールを全て、垂直軸にて水平回転が可能な、内径が２８０ｍｍ、高さが４０ｍｍの円筒形の回転槽内に移した。次いで、水溶液として、Ｓｎ２２ｇ／Ｌ、Ａｇ１ｇ／Ｌを含むメタンスルホン酸めっき液に、アンモニア濃度がそれぞれ０．１９、０．３４、０．４６、および０．６０ｍｏｌ／Ｌとなるようにアンモニアを添加し、ｐＨ＝４．０になるようにメタンスルホン酸水溶液を添加して調整を行ない回転槽内に保持した。次いで、回転数５００ｒｐｍ、正転と反転の周期が６秒からなる回転を１、３、５時間、メディアを用いないで複合ボール同士を接触させて平滑化加工を実施して、電子部品用複合ボールを得た。また、比較例として、ｐＨ＝３．０のアンモニアを含まないメタンスルホン酸水溶液を用いて平滑化加工した複合ボールも作製した。
本発明のはんだめっき層の表面を平滑化加工した電子部品用複合ボールの一例の外観を、走査型電子顕微鏡で観察した結果を図１に示す。尚、図中の電子部品用複合ボール以外に見える不定形な模様は、観察時に混入した異物であり、本発明の電子部品用複合ボールと直接関係がないものである。
図１に示すように、０．１９ｍｏｌ／Ｌ以上のアンモニアを含んだ水溶液中で平滑化加工を１時間実施することにより、図４の平滑化を実施しない複合ボールおよび図５のｐＨ＝３．０のアンモニアを含まないメタンスルホン酸水溶液中で平滑化加工した複合ボールに比べ、はんだめっき層の表面が平滑になっていることが確認できた。
また、平滑化加工を３時間実施することにより、はんだめっき層の表面をより平滑にすることができ、平滑化加工を５時間実施することで、ほぼ真球形状を得ることができ、半導体パッケージ等の電子部品用複合ボールとして最適なボールが得られることが確認できた。また、水溶液中のアンモニア濃度を高くするにつれて、より短時間ではんだめっき層の表面を平滑にすることができることを確認した。

上記で得られた、０．４６ｍｏｌ／Ｌのアンモニアを含んだ水溶液中で１、３、５時間の平滑化加工を実施した電子部品用複合ボールの断面を走査型電子顕微鏡で観察した結果を図２に示す。図２Ａに示すように、断面をみても、本発明例の電子部品用複合ボールは、平滑化加工を１時間実施することで、図４Ｂの平滑化加工を実施しない複合ボールに比べ、はんだめっき層の表面が平滑になっていることが確認できた。
また、図２Ｂに示すように、平滑化加工を３時間実施することにより、はんだめっき層の表面をより平滑にすることができ、ほぼ真球形状を得ることができた。

次に、キーエンス社製レーザー顕微鏡（ＶＫ−９７００）を用いて、任意に抽出した５個の電子部品用複合ボールについて表面粗さを測定した。測定条件は、測定寸法を１００×１００μｍとして、測定寸法内の表面積およびＪＩＳ Ｂ ０６０１（２００１年）に規定される、算術平均粗さＲａを測定した。測定結果を表１に示す。平滑化加工前の複合ボールでは、Ｒａが１．８０５μｍであったのに対し、本発明の平滑化加工を実施した電子部品用複合ボールは、処理時間の経過に伴い、またアンモニア添加量を多くするとともに平滑化の効果がより高くなることが確認できた。特に、アンモニア添加量が０．３４ｍｏｌ／Ｌ以上添加したときには、３時間の平滑化加工により、Ｒａが０．３０μｍ以下の平滑な表面が得られることを確認した。

実施例１と同じ条件で複合ボールを得た後、得られた複合ボールを全て、実施例１と同じ垂直軸にて水平回転が可能な回転槽内に移した。次いで、水溶液として、Ｓｎ２２ｇ／Ｌ、Ａｇ１ｇ／Ｌを含むメタンスルホン酸めっき液に、アンモニア濃度がそれぞれ０．２２、０．３６、０．５０、および０．６４ｍｏｌ／Ｌとなるようにアンモニアを添加し、ｐＨ＝５．０になるようにメタンスルホン酸水溶液を添加して調整を行ない、回転槽内に保持した。次いで、回転数５００ｒｐｍ、正転と反転の周期が６秒からなる回転を５時間、メディアを用いないで複合ボール同士を接触させて平滑化加工を実施して、電子部品用複合ボールを得た。
本発明のはんだめっき層の表面を平滑化加工した電子部品用複合ボールの一例の外観を、走査型電子顕微鏡で観察した結果を図３に示す。図３に示すように、本発明の電子部品用複合ボールは、アンモニアを０．２２ｍｏｌ／Ｌ以上含ませることにより、ｐＨ＝５．０の水溶液中で平滑化加工を実施することでも、実施例１で得た電子部品用複合ボールと同等の平滑な表面を得ることができ、図４の平滑化加工を実施しない複合ボールおよび図５のｐＨ＝３．０のアンモニアを含まないメタンスルホン酸水溶液中で平滑化加工した複合ボールに比べ、はんだめっき層の表面が平滑になっていることが確認できた。

Claims (3)

1. 球体からなるコアボールの表面にはんだめっき層を有する電子部品用複合ボールの製造方法であって、前記コアボールの表面にはんだめっき層を形成するはんだめっき工程と、前記はんだめっき工程の後処理工程として、０．１０ｍｏｌ／Ｌ以上のアンモニアを含み、ｐＨが４〜６の水溶液を保持した回転槽中で、前記複合ボール同士を接触させながら前記はんだめっき層の表面を平滑化加工する工程とを具備することを特徴とする電子部品用複合ボールの製造方法。
2. 前記アンモニアを０．３０ｍｏｌ／Ｌ以上含むことを特徴とする請求項１に記載の電子部品用複合ボールの製造方法。
3. 前記水溶液は、前記はんだめっき工程で用いためっき液にアンモニアを添加したものであることを特徴とする請求項１または２に記載の電子部品用複合ボールの製造方法。