JP5765606B2 - 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、特許文献２に開示されるように、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おり、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が可能であることを見いだし、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を用意し、次いで前記コアボールを包囲するようにはんだめっき層を形成して複合体とし、次いで前記はんだめっき層の表面を平滑化加工する電子部品用複合ボールの製造方法である。

前記平滑化加工は、前記はんだめっき層の表面にメディアを接触させて行なうことが好ましい。
また、前記平滑化加工は、前記複合体同士を接触させて行なうことが好ましい。

また、前記平滑化加工は、回転槽内の液体中で行なうことが好ましい。
また、前記液体は、ｐＨ４〜６の水溶液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別の例を示す図である。 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。 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。

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平滑化加工することにある。
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。

本発明の平滑化加工には、例えば、はんだめっき層の表面に形成された凹凸を変形させたり、機械的に除去する物理的手法や、酸洗等により凹凸を除去する化学的手法等が適用できる。

簡便な平滑化加工として、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とすることができる。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、処理する複合体の材質、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。

本発明においては、上記メディアの使用は必須ではなく、はんだめっき層を形成した複合体自身をメディアとして作用させ、前記複合体同士を接触させて行なう平滑化加工であってもよい。こうすることで、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、複合体同士の接触のみに頼るかは適宜選択することができる。

本発明における平滑化加工では、はんだめっき層表面へ物理的に応力を加える手段として、攪拌等により複合体同士、あるいは複合体と添加されるメディアを流動させることにより、複合体やメディアに摩擦力を付与して凹凸面を変形させ、はんだめっき層の表面の平滑化を行なうことができる。ここで、複合体やメディアを流動させるには、容器（槽）内の複合体やメディアを攪拌棒等により攪拌する方法や、容器（槽）を回転させる方法が適用できる。
ここで、回転槽を使用すると、はんだめっき層を形成した複合体を流動させやすくなり、複合体同士、複合体と回転槽の容器壁面あるいは添加されるメディア等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、液体中で行なうことにより、複合体同士、複合体と回転槽等の容器壁面、あるいは添加されるメディア等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。

液体中で平滑化加工を行なう場合、使用する液体の種類としては、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、純水でもよいが、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、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、使用する液体として、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を、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。

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−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。

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液体中で行なうことが好ましく、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、処理する複合体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も可能である。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、ＪＩＳＢ０６０１測定において、Ｒｚ５μｍ以下、Ｒａ２μｍ以下とすることができる。

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。めっき液は、Ｓｎ２２ｇ／Ｌ、Ａｇ１ｇ／Ｌを含んだメタンスルホン酸めっき液（ｐＨ４）を用意し、めっき装置には、対角長さが６０ｍｍ、幅が１１０ｍｍの六角柱形状の水平軸にて垂直方向に回転する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体を得た。
はんだめっき層を形成したままの複合体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５に示す。図５に示すように、複合体の表面には凹凸が形成されていることがわかる。

次に、得られた複合体を全て、内径が２８０ｍｍ、高さが４０ｍｍの円筒形の、垂直軸にて水平回転が可能な回転槽内に移し、次いでＳｎ２２ｇ／Ｌ、Ａｇ１ｇ／Ｌを含み、液のｐＨを３．０、４．０、５．０および６．０に調整したメタンスルホン酸めっき液を４リットル入れ、回転数５００ｒｐｍ、正転と反転の周期が１０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体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、いずれのｐＨに調整しためっき液においても、平滑化加工を１時間実施することで、図５の平滑化を実施しない複合体に比べ、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、ｐＨが高くなるに従い、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、ｐＨを４．０に調整したメタンスルホン酸めっき液中で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５の平滑化加工を実施しない複合体に比べ、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、図２Ｃに示すように、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 Ｂ０６０１（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体では、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ｐＨを高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、ｐＨ４．０〜６．０においては、５時間の平滑化加工により、平滑な表面が得られることを確認した。

実施例１と同じ条件で複合体を得た後、得られた複合体を全て、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、次いで純水（ｐＨ７）を４リットル入れ、回転数５００ｒｐｍ、正転と反転の周期が１０秒からなる回転を５時間、メディアを用いないで複合体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、純水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５の平滑化加工を実施しない複合体に比べ、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。

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２５×２５μｍとして任意の５点に対し、ＪＩＳ Ｂ０６０１（２００１年）に規定される最大高さＲｚを測定した。
その結果、比較例である平滑化加工前の複合体では、ボール５個の最大高さＲｚの最大値が７．８９μｍ、最小値が３．９６μｍ、平均値が５．９２μｍであったのに対し、本発明例の平滑化加工を５時間実施した電子部品用複合ボールでは、ボール５個の最大高さＲｚの最大値が３．３５μｍ、最小値が１．０６μｍ、平均値が１．９３μｍと、はんだめっき層の表面が平滑になり、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を確認できた。

実施例１と同じ条件で複合体を得た後、得られた複合体を全て、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、次いでメディアとして直径４５０μｍのＣｕボールを５万８千個（２５ｇ）装入した。そして、Ｓｎ２２ｇ／Ｌ、Ａｇ１ｇ／Ｌを含んだメタンスルホン酸めっき液（ｐＨ４．０）を４リットル入れ、回転数５００ｒｐｍ、正転と反転の周期が１０秒からなる回転を５時間、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４に示す。図４に示すように、メディアを投入して平滑化加工を実施することにより、実施例１で得られた図１のメディアを投入せずに同一時間の平滑化加工を実施したものと同等な表面を得ることができ、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を確認できた。

Claims (1)

1. 球体からなるコアボールを用意し、次いで前記コアボールを包囲するようにはんだめっき層を形成して複合体とし、次いでｐＨ４〜６の水溶液を入れた回転槽内で、メディアを用いないで前記複合体同士を接触させて前記はんだめっき層の表面を平滑化加工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。