JP6642186B2

JP6642186B2 - はんだバンプの製造方法

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Publication number: JP6642186B2
Application number: JP2016064608A
Authority: JP
Inventors: 隆二植杉
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2016-03-28
Filing date: 2016-03-28
Publication date: 2020-02-05
Anticipated expiration: 2036-03-28
Also published as: JP2017183361A

Description

本発明は、半導体デバイスをフリップチップ実装等により基板に接続するために用いられるはんだバンプの製造方法に関する。

近年、高密度実装法としてフリップチップ実装が注目されており、多数のはんだバンプを半導体チップのウエハや基板に形成された金属製のパッド電極上に形成しておき、基板の上に半導体チップを搭載した後、加熱することによりはんだバンプを溶融して接合することが行われている。
このフリップチップ実装におけるはんだバンプは、メッキ法、ステンシルマスク法・ドライフィルム法などの印刷法、ボールマウント法、蒸着法などによってウエハや基板上に供給されたはんだを溶融（リフロー）することにより形成される。
ここで、はんだバンプを介して繋がる半導体チップと基板との接触又は基板同士の接触を抑制して電気的信頼性を高めるため、はんだバンプの高さを向上することが求められている。

高さのあるはんだバンプを形成する方法としては、厚いステンシルマスクを用いてはんだペーストを印刷し、リフローすることが考えられる。
また、特許文献１には、パッド電極上に一次はんだバンプを形成する工程と、この一次はんだバンプ上にスクリーン印刷によってはんだペーストを載置する工程と、このはんだペーストをリフローすることにより二次はんだバンプを形成する工程とを備えた半導体装置の製造方法が開示されている。さらに、二次はんだバンプを形成する工程において、はんだペーストに重力又は遠心力を加えつつリフローすることにより、二次はんだバンプの高さを高くできることが開示されている。
このような特許文献１記載の方法によれば、パッド電極のファインピッチ化に対応しつつ、はんだ量が多く十分な高さのはんだバンプを得ることができる。

特開２００３−３３２３７２号公報

しかしながら、厚いステンシルマスクを用いる方法では、印刷後のはんだペーストが形状を維持できず、良好なはんだバンプを形成できない。形状維持のためにはんだペーストの粘度を上げると、ウエハや基板への印刷が困難になる。
また、特許文献１に記載の方法では、はんだペーストの載置とリフローを複数回繰り返す必要があり、通常のはんだバンプの製造方法に比べて、大きな手間と時間を要するという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、簡便な工程で十分な高さを有するはんだバンプを製造できるはんだバンプの製造方法を提供することを目的とする。

本発明のはんだバンプの製造方法は、パッド電極を有する基板の表面にはんだペーストを塗布し、はんだペースト層を形成するはんだペースト塗布工程と、前記はんだペースト層の上から型材を前記基板に押しあて、前記はんだペーストを押しのけて前記型材と前記基板の表面とを接触させた後、前記型材を除去し、前記パッド電極上にはんだペースト柱を形成するはんだペースト層押圧工程と、前記はんだペースト柱を加熱してはんだバンプを形成するリフロー工程と、を備え、前記型材は、前記基板の表面と接触される接触部と、前記パッド電極に対応する位置に該パッド電極に対応する横断面形状に形成された孔部と、を有するとともに、前記型材の接触部は、弾性部材からなり、前記孔部から離れるにしたがって前記基板側に突出する傾斜面を有しており、前記はんだペースト層押圧工程において、前記接触部により押しのけられた前記はんだペーストが前記パッド電極上で前記孔部に充填されることを特徴とする。

このはんだバンプの製造方法においては、はんだペースト層押圧工程において、型材の接触部をはんだペースト層の上から基板に押しあて、はんだペーストを押しのけて型材の接触部と基板の表面とを接触させ、孔部に入り込んだはんだペーストでパッド電極上にはんだペースト柱を形成する。このため、はんだペーストの粘度が高くても、パッド電極上に孔部に沿った形状のはんだペースト柱を形成することができる。そして、はんだペーストの粘度が高ければ、横断面に対して高さが大きいはんだペースト柱でも、リフロー工程までその形状が維持される。このため、塗布工程、押圧工程、リフロー工程を一度実施するだけで、十分な高さを有するはんだバンプを製造できる。

また、前記型材の接触部は、弾性部材からなり、前記孔部から離れるにしたがって前記基板側に突出する傾斜面を有するので、押圧工程において、接触部の傾斜面が、はんだペースト層をスムーズに押しのけながら基板に近づいてゆき、基板表面に到達すると基板の表面にならった形状に弾性変形して、傾斜面の先端側から順に基板の表面と密着してゆく。これにより、パッド電極以外の基板表面のはんだペーストを確実に除去しながら、パッド電極上に孔部に沿った形状のはんだペースト柱を形成することができる。

本発明のはんだバンプ製造方法によれば、簡便な工程で十分な高さを有するはんだバンプを製造できる。

本発明に係るはんだバンプの製造方法の実施形態を示すフローチャートである。図１のはんだバンプの製造方法のうち、基板にはんだペーストを塗布し、そのはんだペースト層に型材を配置するまでの変化を（Ａ）から（Ｃ）の順に示す断面図である。図２の状態から型材を基板に押しあて、はんだペースト柱を形成した後、リフロー処理するまでの変化を（Ｄ）から（Ｆ）の順に示す断面図である。はんだバンプの製造方法において用いられる型材の（Ａ）が断面図、（Ｂ）が（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う平面図である。型材の変形例を示す図３（Ｃ）同様の断面図である。

以下、本発明に係るはんだバンプの製造方法の実施形態について説明する。
＜はんだバンプ＞
図３（Ｆ）は本発明の方法が適用されるはんだバンプを示しており、基板１上の複数のパッド電極２の上にそれぞれはんだバンプ３が形成されている。
基板１は、シリコンウエハ又は樹脂絶縁基板等からなり、表面に回路層、絶縁層等が形成されるものである。図３（Ｆ）では、基板１の表面にパッド電極２が積層され、このパッド電極２の周囲の基板１の表面に絶縁層５が形成されており、
パッド電極２は銅又は銅合金を用いるのが好適であるが、ニッケル又はニッケル合金を用いてもよい。また、はんだバンプ３となるはんだの材料としては、Ｓｎ−Ａｇ合金、Ｐｂ−Ｓｎ合金、Ｓｎ−Ｂｉ合金、Ｓｎ−Ｚｎ合金、Ｓｎ−Ｓｂ合金、Ｓｎ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ａｕ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金等、Ｓｎと添加成分からなるＳｎ系合金が好適である。

次に、このように構成されたはんだバンプ３を基板１の上に形成する方法について説明する。
＜型材＞
本実施形態においては、後述するはんだペースト柱１７を形成するために、図２（Ｃ）及び図４に示すような型材１１が用いられる。この型材１１は、板状の基部１１１と、基部１１１の一面に設けられはんだペースト柱１７の高さよりも厚いシート状の肉厚部１１４とを備える。そして、肉厚部１１４は、基板１の表面と接触される接触部１１２と、パッド電極２に対応する位置及び形状の孔部１１３と、を有する。接触部１１２は、肉厚部１１４の基部１１１と逆側の部分であり、孔部１１３は、肉厚部１１４の厚さ方向に形成された空洞で構成されている。
基部１１１と肉厚部１１４とは、別の部材で形成されていてもよく、一体に形成されていてもよいが、少なくとも接触部１１２は、弾性部材で形成されている。そして、接触部１１２は、孔部１１３から離れるにしたがって基板１側に突出する傾斜面１１２Ａを有する。図４の符号１１２Ｂは、接触部１１２の先端における稜線を示し、傾斜面１１２Ａの最も基部１１１側の端部により形成される。この稜線１１２Ｂは、図示例では、接触部１１２の周縁に沿って形成されるとともに、孔部１１３が縦横に行列状に並んでいるので、孔部１１３の間の中間位置に縦横に沿って形成されている。
接触部１１２の弾性部材としては、後述するはんだペースト層押圧工程において、はんだペースト１５を押しのけることができる程度の硬さと、基板１の表面にならった形状に変形できる程度の弾性を有して、基板１の表面と密着できるものであればよい。このような弾性部材としては、例えば、天然ゴム、クロロプレンゴム、ニトリルブタジエンゴム、エチレンプロピレンゴム、スチレンブタジエンゴム、ブチルゴム、ブタジエンゴム、イソプレンゴム、ウレタンゴム、アクリルゴム、フッ素ゴム、シリコーンゴムなどを用いることができる。

また、孔部１１３は、はんだバンプ３が形成されるべき基板１の各パッド電極２の配置に対応する位置にパッド電極２に対応する横断面形状に形成されている。パッド電極２が絶縁層５の開口部５ａに円形に露出している場合は、孔部１１３も横断面円形に形成される。
この場合、孔部１１３の内径は、パッド電極２上に形成すべきはんだバンプ３の大きさ、外径によって設定される。パッド電極２が、同じ大きさで一定の相互間隔で配置されている場合は、孔部１１３もすべて同じ内径（容積）でパッド電極２と同じ相互間隔で配置されるが、パッド電極２の大きさが部位によって異なる場合は、このパッド電極２の配置に対応して孔部１１３の容積も部位によって異なるように設定される。
孔部１１３には、後述のはんだペースト層押圧工程において、はんだペースト１５が充填されることとなる。このため、孔部１１３は、はんだペースト１５を収容する十分な容積が必要である。また、高いはんだバンプ３を形成するために、孔部１１３のアスペクト比（深さ／開口径）は、０．５以上であることが好ましい。

＜はんだバンプの製造方法＞
本実施形態のはんだバンプの製造方法は、図１のフローチャートに示すように、パッド電極２を有する基板１の表面にはんだペースト１５を塗布し、はんだペースト層１６を形成するはんだペースト塗布工程と、はんだペースト層１６の上から型材１１を基板１に押しあて、はんだペースト１５を押しのけて型材１１と基板１の表面とを接触させた後、型材１１を除去し、パッド電極２上にはんだペースト柱１７を形成するはんだペースト層押圧工程と、はんだペースト柱１７を加熱してはんだバンプ３を形成するリフロー工程と、を備える。
以下、工程順に説明する。

（はんだペースト塗布工程）
図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、基板１の上にスクリーン印刷によりスキージ２１を用いてはんだペースト１５を塗布してはんだペースト層１６を形成する。基板１のはんだペースト層１６を形成する部分は枠状のマスク２２で囲った状態としておく。
このはんだペースト１５は、はんだ粉末とフラックスとを混合したものであり、はんだ粉末の平均粒径は例えば０．１μｍ以上１０μｍ以下とされる。また、フラックスとしては、ロジン等の樹脂分、活性剤、チクソ剤、溶剤を含有しており、ハロゲンフリータイプ、活性（ＲＡ）タイプ、弱活性（ＲＭＡ）タイプ、水溶性タイプ、低残渣・無残渣タイプ等のものを用いることができる。
はんだ粉末とフラックスとの混合比率は、例えば、フラックスが７５体積％以上９３体積％以下となるように設定される。
はんだペースト１５の粘度は、例えば、１２０Ｐａ・ｓ以上５００Ｐａ・ｓ以下であることが好ましい。粘度が１２０Ｐａ・ｓ以上であれば、高いはんだペースト柱１７を形成しても形状を維持することができ、高さのあるはんだバンプ３を形成できる。一方、粘度が５００Ｐａ・ｓ以下であれば、十分な印刷性が確保でき、均一な厚さのはんだペースト層１６を形成できる。はんだペースト１５の粘度は１５０Ｐａ・ｓ以上４００Ｐａ・ｓ以下であることがより好ましく２００Ｐａ・ｓ以上３５０Ｐａ・ｓ以下であることがさらに好ましい。尚、ここでの粘度値は、株式会社マルコム製二重円筒型粘度計ＰＣＵ−２０５にて、ＪＩＳ規格測定法に基づいて、温度２５℃の測定時に得られた、回転数１０ｒｐｍでの値を指す。
このはんだペースト塗布工程により、図２（Ｂ）に示すように、絶縁層５及びその開口部５ａ内に露出しているパッド電極２の上を一体に覆うようにはんだペースト層１６が形成される。
はんだペースト層１６の厚さは、目標とするはんだペースト柱１７の高さ、孔部１１３の容積に応じて適宜、設定すればよい。例えば、印刷作業性の観点から１０μｍ以上５００μｍ以下とするとよい。

（はんだペースト層押圧工程）
図２（Ｃ）に示すように、はんだペースト層１６の上に型材１１を配置する。この場合、型材１１の接触部１１２をはんだペースト層１６に向け、各孔部１１３が基板１の各パッド電極２に対向するように配置する。
そして、型材１１を基板１に押しあて、はんだペースト１５を押しのけて型材１１と基板１の表面とを接触させた後、型材１１を除去し、図３（Ｅ）に示すようにパッド電極２上にはんだペースト柱１７を形成する。
このとき、接触部１１２の傾斜面１１２Ａが、はんだペースト層１６をスムーズに押しのけながら基板１に近づいてゆき、基板１表面に到達すると、まず接触部１１２の稜線１１２Ｂが絶縁層５に当接し、絶縁層５の表面にならった形状に弾性変形しながら、傾斜面１１２Ａの先端側から順に基板１（絶縁層５）の表面と密接し、傾斜面１１２Ａと絶縁層５との間のはんだペースト１５をパッド電極２上の孔部１１３に押しのける。そして、図３（Ｄ）に示すように、押しのけられたはんだペースト１５が孔部１１３に充填され、この孔部１１３に入り込んだはんだペースト１５によりパッド電極２上にはんだペースト柱１７が形成される。この図３（Ｄ）では、型材１１の接触部１１２は押し潰され、絶縁層５の表面に密接している。

（リフロー工程）
はんだペースト層押圧工程で形成されたはんだペースト柱１７を加熱してはんだバンプ３を形成する。
まず、はんだペースト柱１７をはんだの融点以上に加熱することにより溶融する。この加熱は、窒素雰囲気あるいは低酸素雰囲気または還元雰囲気中で、はんだペースト１５に用いられているはんだの融点（液相線温度）より３０℃〜５０℃高い温度、例えば、１８０〜３５０℃にて加熱する。この加熱により、図３（Ｆ）に示すように、溶融したはんだはパッド電極２上で表面張力によってはんだバンプ３を形成する。
その後、冷却してパッド電極２の上のはんだバンプ３を固化させる。
（洗浄工程）
最後に、必要に応じて洗浄してフラックス残渣等を除去することにより、パッド電極２の上にはんだバンプ３が形成された基板１が得られる。

本実施形態のはんだバンプの製造方法によれば、はんだペースト層押圧工程において、型材１１を基板１に押しあて、はんだペースト１５を押しのけて型材１１と基板１の表面とを接触させ、孔部１１３に入り込んだはんだペースト１５ではんだペースト柱１７を形成するので、はんだペースト１５の粘度が高くても、パッド電極２上に孔部１１３に沿った形状のはんだペースト柱１７を形成することができる。そして、はんだペースト１５の粘度が高ければ、高さがあるはんだペースト柱１７でも、リフロー工程までその形状が維持される。このため、はんだペースト塗布工程、はんだペースト層押圧工程、リフロー工程を一度実施するだけで、十分な高さを有するはんだバンプ３を製造できる。
また、型材１１の接触部１１２が、弾性部材からなり、孔部１１３から離れるにしたがって基板１側に突出する傾斜面１１２Ａを有するので、はんだペースト層押圧工程において、傾斜面１１２Ａの先端側から順に基板１の表面と密着してゆき、パッド電極２以外の基板１表面のはんだペースト１５を確実に除去しながら、パッド電極２上に孔部１１３に沿った形状のはんだペースト柱１７を形成することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、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。
例えば、本実施形態では、接触部１１２が弾性部材からなり傾斜面１１２Ａを有する構成の型材１１を用いたが、樹脂等の硬質部材からなり、図５に示す型材１２のように、接触部１１２が平坦で傾斜面がない構成としてもよい。この場合でも、はんだペースト層押圧工程において、はんだペースト１５を押しのけて型材１２と基板１の表面とを接触させ、孔部１１３に入り込んだはんだペースト１５ではんだペースト柱１７を形成することが可能である。

１基板
２パッド電極
３はんだバンプ
５絶縁層
５ａ開口部
１１、１２型材
１１１基部
１１２接触部
１１２Ａ傾斜面
１１２Ｂ稜線
１１３孔部
１１４肉厚部
１５はんだペースト
１６はんだペースト層
１７はんだペースト柱

Claims

パッド電極を有する基板の表面にはんだペーストを塗布し、はんだペースト層を形成するはんだペースト塗布工程と、
前記はんだペースト層の上から型材を前記基板に押しあて、前記はんだペーストを押しのけて前記型材と前記基板の表面とを接触させた後、前記型材を除去し、前記パッド電極上にはんだペースト柱を形成するはんだペースト層押圧工程と、
前記はんだペースト柱を加熱してはんだバンプを形成するリフロー工程と、を備え、
前記型材は、前記基板の表面と接触される接触部と、前記パッド電極に対応する位置に該パッド電極に対応する横断面形状に形成された孔部と、を有するとともに、前記型材の接触部は、弾性部材からなり、前記孔部から離れるにしたがって前記基板側に突出する傾斜面を有しており、
前記はんだペースト層押圧工程において、前記接触部により押しのけられた前記はんだペーストが前記パッド電極上で前記孔部に充填される
ことを特徴とするはんだバンプの製造方法。