JP6004254B2 - ペースト用はんだ合金粉末、ペースト及びこれを用いたはんだバンプ - Google Patents

Description

本発明は、バンプ形成時に生じる突起を抑制することができるペースト用はんだ合金粉末、ペースト及びこれを用いたはんだバンプに関するものである。

半導体の高密度実装技術としてはんだバンプによる接合技術が一般に用いられている。このはんだバンプに用いるはんだ合金粉末としては、例えば特許文献１に記載のＰｂ−Ｓｎはんだ合金粉末などが知られている。また、近年の環境上の配慮等に対応して鉛フリーのはんだ合金の開発が進んでおり、この鉛フリーのはんだ合金としては、ＳｎＡｇ系やＳｎＡｇＣｕ系の合金はんだが知られている。

例えば、従来、特許文献２には、ＳｎＡｇＣｕ系の高温はんだが提案されている。この高温はんだは、Ａｇを３．０〜５．０重量％，Ｃｕを０．５〜３．０重量％、及び残部Ｓｎから成る組成を有するはんだ合金である。

特開２００９−２３３６８６号公報 特許第３０２７４４１号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、鉛フリーはんだとして代表的なＳｎＡｇＣｕ系はんだ合金粉末をペースト化し、そのペーストを用いて印刷・リフロー処理を行い、はんだバンプを形成すると、はんだバンプにニードル状の突起が発生してバンプ形状不良となる場合があった。このニードル状の突起は、隣接する他のはんだバンプに接触してショートを引き起こすおそれがあり、特に、近年のファインピッチのはんだバンプでは、隣接するバンプ同士が近接しており、ニードル状の突起の発生が大きな問題となる。また、ニードル状の突起が生じるとバンプ高さの均一性が悪くなり、フリップチップ接合時のアッセンブリの際に接合ができなくなる不都合もあった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、ニードル状の突起の発生を抑制可能なペースト用はんだ合金粉末、ペースト及びこれを用いたはんだバンプを提供することを目的とする。

本発明者らは、ＳｎＡｇＣｕ系のはんだ合金材料について鋭意検討の結果、特定の元素を微量に添加することでニードル状の突起の発生を抑制可能であることを突き止めた。

したがって、本発明は、上記知見から得られたものであり、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明に係るバンプ用はんだ合金材料は、Ａｇ：２．８〜４．２重量％、Ｃｕ：０．４〜０．６重量％を含有し、さらに、Ｉｎを５０〜１０００質量ｐｐｍ含有し、残部がＳｎ及び不可避不純物からなる成分組成を有していることを特徴とする。

このペースト用はんだ合金粉末では、Ｉｎを５０〜１０００質量ｐｐｍ含有しているので、リフロー処理等ではんだバンプを形成した際にニードル状の突起の発生を抑制し、良好なバンプ形状を得ることができる。
ニードル状の突起は、合金を構成するβ−Ｓｎ、Ａｇ_３Ｓｎ、Ｃｕ_６Ｓｎ_５のうち、Ａｇ_３Ｓｎが粗大化して板状になったものが、凝固時にバンプから出て発生したものであるが、このペースト用はんだ合金粉末では、Ｉｎが５０〜１０００質量ｐｐｍ含有されており、明確な機構は、現時点では分かっていないが、この含有量範囲のＩｎ添加により、はんだ組織が微細化した、又はＡｇ_３Ｓｎの粗大化を抑制したものと考えられる。

なお、Ｉｎを上記添加量範囲に設定した理由は、上記下限値よりも少ないまたは上記上限値を超えると、上記ニードル状の突起の発生を抑制する効果が認められないためである。

また、Ｉｎの添加量範囲は、好ましくは５０質量ｐｐｍ以上かつ１５０質量ｐｐｍ未満とされる。すなわち、Ｉｎの添加量が５０質量ｐｐｍ以上かつ１５０質量ｐｐｍ未満であると、通常、不純物が多いとボイド特性の低下などへの影響があるがＩｎは、ニードル抑制も実現し、かつ、この量であればボイド特性への影響も小さい。
なお、Ａｇ及びＣｕの含有量を上記範囲とした理由は、業界において、Ａｇ含有量が多い鉛フリー合金の主成分としては、Ｓｎ３Ａｇ０．５Ｃｕ，Ｓｎ４Ａｇ０．５Ｃｕ合金が一般的であるためである。

第２の発明に係るバンプ用はんだペーストは、第１の発明のペースト用はんだ合金粉末と、フラックスとを混合したことを特徴とする。
第３の発明に係るはんだバンプは、上記第１の発明のペースト用はんだ合金粉末を用いて形成されたことを特徴とする。
すなわち、これらのバンプ用はんだペースト及びはんだバンプでは、上記第１の発明のペースト用はんだ合金粉末を用いて形成されているので、ニードル状の突起が生じず、良好なバンプ形状を有しており、ファインピッチのフリップチップであっても良好な接合が可能である。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係るペースト用はんだ合金粉末、ペースト及びこれを用いたはんだバンプによれば、Ｉｎを５０〜１０００質量ｐｐｍ含有しているので、ニードル状の突起の発生を抑制し、良好なバンプ形状を得ることができる。したがって、本発明によれば、ファインピッチの高密度フリップチップであっても良好な接合ができ、信頼性の高い高密度実装が可能になる。

本発明に係るペースト用はんだ合金粉末、ペースト及びこれを用いたはんだバンプの一実施形態において、はんだペースト印刷時の状態を示す簡易的な断面図である。 本実施形態において、リフロー処理のプロファイルを示すグラフである。 良好なはんだバンプを示すＳＥＭ写真である。 ニードル状の突起が生じたはんだバンプを示すＳＥＭ写真である。

以下、本発明に係るペースト用はんだ合金粉末、ペースト及びこれを用いたはんだバンプの一実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。

本実施形態におけるペースト用はんだ合金粉末は、Ａｇ：２．８〜４．２重量％、Ｃｕ：０．４〜０．６重量％を含有し、さらに、Ｉｎを５０〜１０００質量ｐｐｍ含有し、残部がＳｎ及び不可避不純物からなる成分組成を有している。このペースト用はんだ合金粉末の粒径は、例えば５〜１５μｍであり、平均粒径は、１０μｍである。なお、この平均粒径は、レーザー回折・散乱式粒度分析計（Ｎｉｋｋｉｓｏ社製ＭＴ３３００）により測定している。また、上記元素の含有量の分析は、高周波誘導結合プラズマ発光分析装置（日本ジャーレル・アッシュ社製ＩＣＡＰ−５７７）を用いて行っている。

このペースト用はんだ合金粉末の作製方法は、まず、所定含有量になるように秤量したＳｎ，Ａｇ，Ｃｕの各原料に加え、所定含有量になるように秤量したＩｎの添加元素をルツボ内で溶解させて合金の溶湯とし、さらにこの合金を、ガスアトマイズ法などの手法を用いて造粒することにより、例えばＳｎ−３重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕのはんだ合金粉末（固相線温度：２１７℃、液相線温度：２１７℃）とする。

また、このペースト用はんだ合金粉末を用いてはんだバンプを作製するには、まず上記ペースト用はんだ合金粉末とフラックスとを、例えばフラックス比率：１１質量％で混合してはんだペースト化する。このはんだペーストの粘度は、約１５０Ｐａ・ｓである。次に、図１に示すように、例えばバンプ形成用孔Ｈを設けたドライフィルムＦをＳｉウエハＷに貼り付け、該ＳｉウエハＷ上のバンプ形成用孔Ｈ内に配したアンダーバンプメタルＵＢＭ上に上記はんだペーストＰを印刷する。さらに、このはんだペーストＰに対して２回のリフロー処理（１ｓｔリフロー及び２ｎｄリフロー）を行ってはんだバンプＢを作製する。

上記フラックスは、一般的なフラックスを用いることができ、このフラックスには、通常、ロジン、活性剤、溶剤および増粘剤等が含まれる。また、フラックスとしては、ペーストの濡れ性の観点からＲＡやＲＭＡフラックス等が好ましい。
なお、１ｓｔリフローの後に、バンプ形状を整えるため、ドライフィルムＦを除去後、ＲＭＡポストフラックスを塗布し、再度２ｎｄリフローを行ってはんだバンプＢを得ている。
また、上記アンダーバンプメタルＵＢＭは、Ｃｕ又はＣｕにＯＳＰ（有機膜処理）を施したもの、Ａｕ／Ｎｉメッキ処理やＳｎメッキ処理を施したものである。

上記２回のリフロー処理（１ｓｔリフロー及び２ｎｄリフロー）は、例えば図２に示すプロファイルにより行う。また、リフロー処理は、ベルト炉を使用し、窒素雰囲気中で行う。
このように作製したはんだバンプは、例えば直径約１００μｍ、高さ約７０μｍである。また、バンプピッチは、例えば１５０μｍである。

このように本実施形態のペースト用はんだ合金粉末では、Ｉｎを５０〜１０００質量ｐｐｍ含有しているので、リフロー処理等ではんだバンプを形成した際にニードル状の突起の発生を抑制し、良好なバンプ形状を得ることができる。
ニードル状の突起は、合金を構成するβ−Ｓｎ、Ａｇ_３Ｓｎ、Ｃｕ_６Ｓｎ_５のうち、Ａｇ_３Ｓｎが粗大化して板状になったものが、凝固時にバンプから出て発生したものであるが、このペースト用はんだ合金粉末では、Ｉｎが５０〜１０００質量ｐｐｍ含有されており、明確な機構は、現時点では分かっていないが、この含有量範囲のＩｎ添加により、はんだ組織が微細化した、又はＡｇ_３Ｓｎの粗大化を抑制したものと考えられる。

また、本実施形態のバンプ用はんだペースト及びはんだバンプでは、このペースト用はんだ合金粉末を用いて形成されているので、ニードル状の突起が生じず、良好なバンプ形状を有しており、ファインピッチのフリップチップであっても良好な接合が可能である。

次に、上記実施形態におけるペースト用はんだ合金粉末、ペースト及びこれを用いたはんだバンプに基づいて、はんだバンプを作製した実施例について、ニードル状の突起発生の有無に関して評価した結果を説明する。

まず、本発明の実施例として、表１に示す成分組成のはんだ合金粉末を作製し、表１に示すフラックス比率でフラックスを混ぜてはんだペーストとした。すなわち、本発明の実施例は、添加元素としてＩｎを５０〜１０００質量ｐｐｍ含有している。本実施例の各はんだペーストを用いて、上述したリフロー処理によってはんだバンプを形成した。そして、作製したはんだバンプを、ＳＥＭ及び光学顕微鏡で観察することで、ニードル状の突起について発生の有無を調べ、その発生率（以下、ニードル発生率と称す）を算出した。

なお、比較例として、本発明の範囲から外れる上記添加元素の含有量としたものを複数作製し、はんだバンプを作製して、同様にニードル発生率を求めた。これらの結果も併せて表１に示す。なお、比較例１，３〜７は、Ｉｎが本発明の範囲よりも少なく含有され、比較例２は、Ｉｎが本発明の範囲よりも多く含有されている。
なお、各実施例及び比較例において、測定したバンプ数はそれぞれ７５６個とした。

この結果からわかるように、上記比較例は、いずれもニードル発生率が１％を超えていた。これらに対し、本発明の実施例は、いずれもニードル発生率が１％未満であり、ニードル状の突起の発生が抑制されている。
なお、良好な通常のバンプ形状の例について、ＳＥＭ写真を図３に示す。また、検討の中で見つかったニードル状の突起が発生しているバンプ形状の例について、ＳＥＭ写真を図４に示す。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態及び上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

Ｂ…はんだバンプ、Ｆ…ドライフィルム、Ｐ…はんだペースト、ＵＢＭ…アンダーバンプメタル、Ｗ…Ｓｉウエハ

Claims (3)

1. フラックスと混合されてバンプ用はんだペーストに使用されるペースト用はんだ合金粉末であって、
   Ａｇ：２．８〜４．２重量％、Ｃｕ：０．４〜０．６重量％を含有し、
   さらに、Ｉｎを５０〜１０００質量ｐｐｍ含有し、残部がＳｎ及び不可避不純物からなる成分組成を有していることを特徴とするペースト用はんだ合金粉末。
2. 請求項１に記載のペースト用はんだ合金粉末と、フラックスとを混合したことを特徴とするバンプ用はんだペースト。
3. 請求項１に記載のペースト用はんだ合金粉末を用いて形成されたことを特徴とするはんだバンプ。