WO2015178374A1

WO2015178374A1 - はんだバンプの形成方法及びはんだボール固定用はんだペースト

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Publication number: WO2015178374A1
Application number: PCT/JP2015/064318
Authority: WO
Inventors: 司八十嶋; 将中川; 石川　雅之
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2014-05-20
Filing date: 2015-05-19
Publication date: 2015-11-26
Anticipated expiration: 2016-11-20
Also published as: TWI636140B; JP2015220396A; CN105900224B; CN105900224A; KR20170008718A; TW201610173A

Abstract

　このはんだバンプの形成方法は、基板の電極の上に、はんだペーストを塗布するとともに、前記はんだペーストの上に、はんだボールを搭載して仮固定する工程と、次いで、前記はんだペースト及び前記はんだボールをリフロー処理する工程を有する。　このはんだボール固定用はんだペーストは、はんだ粉末とフラックスとを含有し、はんだ粉末の平均粒径が０．１μｍ～１０μｍであり、フラックスの混合量が７５体積％～９３体積％である。

Description

はんだバンプの形成方法及びはんだボール固定用はんだペースト

　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、はんだボールを用いてはんだバンプを形成する方法に関する。
　本願は、２０１４年５月２０日に、日本に出願された特願２０１４－１０４３４５号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　近年、ネットワーク情報社会の急速な進展に伴い、半導体デバイスの高機能化・小型化に対応した高密度のチップの実装方法として、フリップチップ実装が普及している。このフリップチップ実装において、半導体デバイスを接続するためにウエハやインターポーザーに設けられるはんだバンプを、はんだボールを用いて形成する方法がある。はんだボールは、小球状のはんだであり、ウエハやインターポーザーの電極上に搭載して用いられる。
　一般に、ウエハとインターポーザーとの間のバンプはインナーバンプと称され、インターポーザーは、インナーバンプを介してウエハに実装される（フリップチップ実装）。一方、インターポーザーとマザーボード基板との間のバンプはアウターバンプと称される。このアウターバンプは、インナーバンプより大きなはんだボールを用いて形成され、インターポーザーは、アウターバンプによってマザーボード基板に接合される。
　インナーバンプとして、ウエハやインターポーザーにはんだボールを搭載する際には、まず、はんだボールを仮固定するためのフラックスを電極上に印刷し、その後、はんだボールを搭載する。そして、窒素雰囲気中のリフロー炉ではんだボールは溶融されてバンプとなる。しかしながら、フラックスがリフロー処理時に軟化し流動するため、搭載したはんだボールも流動する。これにより、電極上からはんだボールが転げ落ちてバンプが形成されないおそれがあった。また、特に狭ピッチ（間隔が狭いピッチ）では、隣同士のボールが溶融して結合するおそれがあり、はんだバンプの高さばらつきの原因になることがあった。

　特許文献１には、電極表面の酸化の防止及びはんだボールの濡れ性の向上等のために、電極の上にプリコート用はんだペーストを印刷等で塗ってリフロー処理することにより、電極の上に薄く均一で平滑性に優れるプリコートを形成し、そのプリコートの上にはんだボールを搭載してリフロー処理することが開示されている。
　これによれば、プリコートが電極に対して高い濡れ性を発揮するので、はんだボールのリフロー処理時には、プリコートのはんだとはんだボールのはんだとが互いに溶融して、電極の上にはんだバンプを好適に形成することができる。また、平滑で均一なプリコートが形成されるので、リフロー処理時のはんだボールの流動も低減できると想定される。

　特許文献１に記載のプリコート処理の手法は、従来より、主にアウターバンプの形成法として知られている。もちろん、インナーバンプの形成法としても用いられる技術ではある。ただし、はんだボールを用いた、より簡便で、より確実なインナーバンプ及びアウターバンプの形成方法が求められていた。

特開２０１２－１７９６２４号公報

　本発明は、このような背景の下、フラックスを印刷してボールを搭載・固着する手法や特許文献１に記載のプリコート処理を施してボールを搭載・接合する方法に代わり、より簡便でかつ確実にはんだボールを仮固定でき、歩留まり及び高さ精度を向上させたはんだバンプ（インナーバンプまたはアウターバンプ）を形成する方法、及びはんだボールを固定するためのはんだペーストを提供することを目的とする。

　本発明の一態様に係るはんだバンプの形成方法は、基板の電極の上に、はんだペーストを塗布するとともに、前記はんだペーストの上に、はんだボールを搭載して仮固定する工程と、次いで、前記はんだペースト及び前記はんだボールをリフロー処理する工程を有する。

　すなわち、はんだペーストの粘着力によって、はんだボールを電極上に仮固定する。また、はんだペーストがはんだ粉末を含む場合、リフロー処理時には、従来技術のフラックスだけではんだボールを仮固定する場合と異なり、このはんだ粉末がはんだボールとともに溶融して一体化する。このため、はんだボールが転げ落ちることはない。なお、基板としては、前述したウエハ、インターポーザーのいずれをも含む。

　本発明の一態様に係るはんだバンプの形成方法において、前記はんだペーストは、はんだ粉末を含有し、前記はんだ粉末の平均粒径が０．１μｍ～１０μｍであってもよい。
　はんだ粉末の平均粒径が大き過ぎると、電極上の塗布厚さ（はんだペーストの塗膜の厚さ）に高さばらつきが生じるおそれがあり、そのはんだペースト上に搭載したはんだボールに傾きが生じ易い。また、はんだ粉末の平均粒径が大きいと、ボイドも発生し易くなる。一方、はんだ粉末の平均粒径が小さ過ぎると、はんだ粉末の製造が困難になるとともに、リフロー処理時に溶融し難くなる。このような観点から、はんだ粉末の平均粒径は０．１μｍ～１０μｍが好ましい。

　本発明の一態様に係るはんだバンプの形成方法において、前記はんだペーストは、フラックスを含有し、前記はんだペースト中の前記フラックスの混合量は７５体積％～９３体積％であってもよい。
　フラックスの量が多過ぎると、従来技術のフラックスだけではんだボールを仮固定する場合と同様の状態となって、はんだボールが転げ落ち易くなる。フラックスの量が少な過ぎると、相対的にはんだ粉末の量が多くなることから、はんだペーストの塗膜の厚さに高さばらつきが生じるおそれがある。このような観点から、はんだペースト中のフラックス量は、７５体積％～９３体積％が好ましい。

　本発明の一態様に係るはんだボール固定用はんだペーストは、はんだ粉末とフラックスとを含有し、前記はんだ粉末の平均粒径が０．１μｍ～１０μｍであり、前記フラックスの混合量が７５体積％～９３体積％である。
　このようなはんだ粉末とフラックスとを含有したはんだペーストを用いることにより、はんだボールを簡便で確実に仮固定することができる。

　本発明の一態様によれば、はんだペーストを塗布してはんだボールを搭載するという簡便な方法で、はんだボールを仮固定でき、はんだボールの転げ落ちを防止して、確実にはんだバンプ（インナーバンプ、アウターバンプ）を形成でき、歩留まり、高さ精度を向上させることができる。

本発明の一実施形態の方法を適用してバンプ電極を形成する工程を順に示した断面図である。

　以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。ここでは、インナーバンプ向けインターポーザーに形成する場合（インターポーザーのうち、インナーバンプが形成される箇所にはんだバンプを形成する場合）を記載する。ここでは記載しないが、インナーバンプ向けウエハ側に形成する場合（ウエハのうち、インナーバンプが形成される箇所にはんだバンプを形成する場合）、アウターバンプ向けの場合（インターポーザーとマザーボード基板のうち、アウターバンプが形成される箇所にはんだバンプを形成する場合）も、大きな違いはなく、いずれにも本実施形態を適用することができる。
　図１（ｄ）が本実施形態の方法を適用して形成されたバンプ電極１０を示しており、基板１の電極パッド２の上にはんだバンプ３が形成されている。フリップチップ実装では、多数のはんだバンプが形成されるが、図１には、はんだバンプ３を１個のみ記載した。
　基板１は、半導体パッケージ用有機基板と、この有機基板の表面に形成された回路層、絶縁層等を具備する。基板１の表面に電極パッド２が露出している。電極パッド２には、Ｓｎ又はＡｕ／Ｎｉ／Ｃｕなどのメタライズ層を使用することも可能であるが、Ｃｕ又は酸化防止膜をコートさせたＣｕを用いるのが好適である。
　また、はんだバンプ３となるはんだボールやはんだボール固定用はんだペーストの材料としては、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－Ａｇ－Ｃｕ合金等のように、Ｓｎと添加成分からなるＳｎ系合金が好適である。より具体的には、後述する実施例に記載の組成を有する合金が挙げられる。

　次に、このように構成されたバンプ電極１０を基板１の上に製造する方法（バンプの形成方法）について、図１に示す工程順に説明する。
（レジスト層形成工程）
　予め、基板１の上にレジスト層１１を形成し、このレジスト層１１に露光、現像処理を施すことにより、レジスト層１１のうち、各電極パッド２に相当する位置に開口部１２を形成する（図１（ａ））。これにより、開口部１２を介して各電極パッド２の上面が露出した状態とする。このレジスト層１１の厚さは、例えば１５μｍ～２０μｍとされ、開口部１２の内径は、得られるはんだバンプ３の外径に対応して設定される。

（はんだペースト塗布工程）
　次に、図１（ｂ）に示すように、厚み１０μｍ～３０μｍのステンシルマスク１３でレジスト層１１の上面を覆う。なお、ステンシルマスク１３には、レジスト層１１の開口部１２に相当し、かつはんだペースト１４を充填する部分に、開口部が設けられている。ステンシルマスク１３でレジスト層１１を覆った状態で、スクリーン印刷により、基板１のレジスト層１１の上方から、はんだペースト１４を塗布して、レジスト層１１の開口部１２内にはんだペースト１４を充填する。
　このはんだペースト（本実施形態のはんだボール固定用はんだペースト）１４は、はんだ粉末とフラックスとを含有し、粘着性を有する。
　はんだ粉末は、アトマイズ法等によって製造され、その材料は、前述した合金の中から選択できるが、後述するはんだボール１５と同じ材料によって構成される。はんだ粉末の平均粒径は、０．１μｍ～１０μｍであり、好ましくは２μｍ～６μｍである。
　また、フラックスは、ロジン等の樹脂成分、活性剤、チクソ剤、及び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、水溶性タイプ等のフラックスを用いることができる。
　フラックス中の樹脂成分としては、ガムロジン、ウッドロジン、トール油ロジン、不均化ロジン、重合ロジン、水素添加ロジンおよびこれらの誘導体等のロジン類、ならびにこれらの編成物であるロジン系変性樹脂等が挙げられる。
　活性剤としては、有機酸、非解離性のハロゲン含有化合物、解離型のハロゲン含有化合物、アミン類、イミダゾール類などが挙げられる。
　有機酸としては、プロピオン酸、酪酸、吉草酸、カプロン酸、エナント酸、カプリン酸、ラウリル酸、ミリスチン酸、ペンタデシル酸、パルミチン酸、マルガリン酸、ステアリン酸、ツベルクロステアリン酸、アラキジン酸、ベヘン酸、リグノセリン酸、グリコール酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸、アゼライン酸、セバシン酸、フマル酸、マレイン酸、酒石酸、ジグリコール酸、ダイマー酸、レブリン酸、乳酸、アクリル酸、安息香酸、サリチル酸、アニス酸、クエン酸、ピコリン酸等が挙げられる。
　非解離性のハロゲン含有化合物としては、２，３－ジブロモプロパノール、２，３－ジブロモブタンジオール、１，４－ジブロモ－２－ブタノール、トリブロモネオペンチルアルコール等の臭素化アルコール；１，３－ジクロロ－２－プロパノール、１，４－ジクロロ－２－ブタノール等の塩素化アルコール；３－フルオロカテコール等のフッ素化アルコール；その他のこれらに類する化合物が挙げられる。
　解離型のハロゲン含有化合物としては、メチルアミン、ジメチルアミン、トリメチルアミン、エチルアミン、ジエチルアミン、トリエチルアミン、ｎ－プロピルアミン、ジ－ｎ－プロピルアミン、トリ－ｎ－プロピルアミン、イソプロピルアミン、ジイソプロピルアミン、ブチルアミン、ジブチルアミン、トリブチルアミン、シクロヘキシルアミン、モノエタノールアミン、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン等の比較的炭素数の小さいアミンの塩化水素酸塩および臭化水素酸塩；イミダゾール、２－メチルイミダゾール、２－エチルイミダゾール、２－メチル－４－メチルイミダゾール、２－メチル－４－エチルイミダゾール、２－エチル－４－エチルイミダゾール、２－プロピルイミダゾール、２－プロピル－４－プロピルイミダゾール等のイミダゾールの塩化水素酸塩および臭化水素酸塩等が挙げられる。
　チクソ剤としては、飽和脂肪酸アミド、飽和脂肪酸ビスアミド類；ジベンジリデンソルビトール類；硬化ヒマシ油等が挙げられる。
　溶剤としては、ヘキシルジグリコール、（２－エチルヘキシル）ジグリコール、フェニルグリコール、ブチルカルビトール、オクタンジオール、αテルピネオール、βテルピネオール、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、トリメリト酸トリス（２－エチルヘキシル）、セバシン酸ビス（２－エチルヘキシル）等が挙げられる。
　フラックス中の樹脂成分の含有量は、３０質量％～５０質量％であり、好ましくは４０質量％～５０質量％である。
　フラックス中の活性剤の含有量は、０．１質量％～５質量％であり、好ましくは０．５質量％～３質量％である。
　フラックス中のチクソ剤の含有量は、０質量％～１０質量％であり、好ましくは３質量％～８質量％である。
　フラックス中の溶剤の含有量は、３０質量％～６５質量％であり、好ましくは４０質量％～６０質量％である。
　はんだ粉末とフラックスとの混合比率は、フラックスの混合量（混合比率）が７５体積％～９３体積％となるように設定される。フラックスの混合量は、好ましくは７５体積％～８９体積％である。

　つまり、このはんだペースト１４は、通常のはんだバンプ形成用のはんだペーストに用いられているはんだ粉末とは異なり、平均粒径が小さく、また、フラックスの混合比率（混合量）も大きい。
　開口部１２内を埋めるようにはんだペースト１４を塗布し、次いでステンシルマスク１３を除去すると、ステンシルマスク１３の厚さの分、レジスト層１１の開口部１２から上方にわずかに突出した状態を有するように、はんだペースト１４が塗布される。このはんだペースト１４の塗布量としては、塗布厚さが５μｍ～３０μｍとなる量が望ましい。ここで、はんだペースト１４の塗布厚さとは、レジスト層１１の上面から突出した部分の厚さであり、塗布厚さは、好ましくは５～２０μｍである。

（はんだボール搭載工程）
　はんだペースト１４が乾燥しないうちに、はんだペースト１４の上に、はんだボール搭載機（図示略）を用いて、はんだボール１５を搭載する（図１（ｃ））。前述したように、基板１上のレジスト層１１には複数の開口部１２が形成されており、各開口部１２にはんだボール１５が搭載される。
　このはんだボール１５としては、バンプ間のピッチ（距離）にもよるが、例えば、ボール径が７０μｍ～９０μｍのはんだボールを用いる。

　このはんだボール１５をはんだペースト１４の上に搭載すると、その重量により、図１（ｃ）に示すようにはんだボール１５の一部がはんだペースト１４内に沈み込んだ状態となる。はんだペースト１４は、粘着性を有しているので、はんだボール１５の下面にはんだペースト１４が粘着する。これにより、はんだペースト１４の上にはんだボール１５が仮固定される。なお、はんだペースト１４は、通常、乾燥固化せず、前述したように、はんだペースト１４の粘着性で、はんだボール１５は仮固定される。

（リフロー処理工程）
　次に、リフロー処理を行い、はんだペースト１４及びはんだボール１５を加熱して溶融させる。このリフロー処理では、窒素雰囲気、低酸素雰囲気、又は還元雰囲気中で、加熱する。加熱温度（リフロー処理温度）は、はんだボール及びはんだペーストに用いられているはんだの融点（液相線温度）より３０℃～５０℃高い温度に設定する。
　このリフロー処理においては、はんだペースト１４に含まれるフラックスが、はんだペースト１４中のはんだ粉末及びはんだボール１５の表面の酸化膜や汚れを除去し、その後に溶融されるはんだ粉末やはんだボール１５は電極に濡れ、バンプを形成する。

　このリフロー処理により、図１（ｄ）に示すように、基板１の電極パッド２の上にはんだバンプ３が形成され、バンプ電極１０が形成される。
　なお、このリフロー処理工程において、リフロー処理温度（はんだの融点（液相線温度）＋３０℃～５０℃）に至る昇温プロファイルが二段階以上の温度プロファイルとなるように加熱してもよく、温度がはんだ溶融温度に到達するまでの間に、はんだ溶融温度より低い温度で所定の時間保持する予熱処理を伴う温度プロファイルを適用してもよい。

　このようにして、はんだペーストの粘着力を利用してはんだボールを仮固定しているので、安定してはんだボールを搭載することができる。また、リフロー処理時にも、フラックスだけではんだボールを仮固定する場合と異なり、はんだペースト中のはんだ粉末が溶融してはんだボールと一体化するので、はんだボールが転げ落ちることはない。
　この場合、はんだペースト中のはんだ粉末の平均粒径が０．１μｍ～１０μｍと小さいので、はんだペーストを塗布したときの厚さ（塗布厚さ）にばらつきが生じることが少なく、ボイドの発生も防止できる。また、はんだペースト中のフラックスの混合比率（混合量）が大きいので、同様に、塗布厚さにばらつきが生じることが少ない。

　従って、リフロー処理により得られるはんだバンプの高さばらつきを小さくすることができ、高密度の実装に有利である。

　はんだボール及びボール固定用はんだペーストには、同一のはんだ種（はんだ合金）を使用した。はんだ合金として、Ｓｎ－３．０質量％Ａｇ－０．５質量％Ｃｕ（略してＳＡＣ３０５と記載する）、Ｓｎ－０．７質量％Ｃｕ、又はＰｂ－６３質量％Ｓｎを用いた。表１に示す平均粒径を有するはんだ粉末を用い、表１のフラックスの混合比率ではんだ粉末とフラックスを混合して、はんだペーストを作製した。厚さ２０μｍのレジスト層に直径７５μｍの開口部を２０００個形成した。これら開口部内にはんだペーストを塗布した。次いで、直径が９０μｍのはんだボールを搭載した。このはんだボールは、ボール固定用はんだペースト中のはんだ粉末と同一の組成を有する。

　そして、窒素雰囲気下で、はんだの融点より３０℃高い温度で６０秒間のリフロー処理工程を施した。次いで、はんだボールが転げ落ちたか否かを確認するとともに、はんだバンプの高さのばらつきを測定した。
　はんだボールが転げ落ちた状態をミッシングといい、このミッシングが５個以上生じていた試料をＤ（ｂａｄ）と評価した。ミッシングが１～４個生じていた試料をＣ（ｆａｉｒ）と評価した。ミッシングが生じていなかった試料をＢ（ｇｏｏｄ）とした。
　はんだバンプの高さばらつきは、以下のように評価した。各はんだバンプの高さを測定して、その標準偏差σを求めた。３σの値が１０μｍ未満の試料をＡ（ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ）と評価した。３σの値が１０μｍ以上１５μｍ未満であり、はんだバンプの高さに若干のばらつきが認められる試料をＢ（ｇｏｏｄ）と評価した。３σの値が１５μｍ以上であった試料をＣ（ｆａｉｒ）と評価した。
　これらの結果を表１に示す。なお、表１中の“はんだ粉末の融点”は、はんだ粉末を構成するはんだ合金の融点である。

　この表１に示されるように、はんだペーストにはんだボールを搭載してリフロー処理することにより、はんだボールの転げ落ちの発生を防止することができた。また、はんだ粉末の平均粒径とフラックス混合量を調整することで、より一層、はんだボールの転げ落ちを抑制することができ、かつはんだバンプの高さのばらつきも抑制できた。

　なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要件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。

　本実施形態のはんだバンプの形成方法及びはんだボール固定用はんだペーストにより、簡便な方法で、はんだボールを仮固定でき、はんだボールの転げ落ちを防止できる。また、はんだバンプの高さのばらつきを抑制できる。これにより、高い歩留りで、精度良くはんだバンプ（インナーバンプ、アウターバンプ）を形成できる。従って、本実施形態のはんだバンプの形成方法及びはんだボール固定用はんだペーストは、フリップチップ実装の工程に好適に適用できる。

１…基板
２…電極パッド
３…はんだバンプ
１０…バンプ電極
１１…レジスト層
１２…開口部
１３…ステンシルマスク
１４…はんだペースト
１５…はんだボール

Claims

　基板の電極の上に、はんだペーストを塗布するとともに、前記はんだペーストの上に、はんだボールを搭載して仮固定する工程と、
　次いで、前記はんだペースト及び前記はんだボールをリフロー処理する工程を有することを特徴とするはんだバンプの形成方法。
　前記はんだペーストは、はんだ粉末を含有し、前記はんだ粉末の平均粒径が０．１μｍ～１０μｍであることを特徴とする請求項１記載のはんだバンプの形成方法。
　前記はんだペーストは、フラックスを含有し、前記はんだペースト中の前記フラックスの混合量は７５体積％～９３体積％であることを特徴とする請求項１又は２記載のはんだバンプの形成方法。
　はんだ粉末とフラックスとを含有し、前記はんだ粉末の平均粒径が０．１μｍ～１０μｍであり、前記フラックスの混合量が７５体積％～９３体積％であることを特徴とするはんだボール固定用はんだペースト。