(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半田ボールを使用して少なくとも組成が異なる複数種類の半田バンプを同一ワークの異なる電極上に形成する半田バンプの形成方法であって、前記ワークの複数の電極のうち特定部分の電極に前記半田ボールとは異なる半田組成成分を含んだ半田ペーストを塗布するペースト塗布工程と、ワークの全ての電極に同一組成の半田の半田ボールを供給するボール供給工程と、ワークを加熱して全ての半田ボールを溶融させることにより溶融半田中に前記半田ペーストの半田組成成分を溶け込ませて一体化させる溶融工程と、溶融半田を冷却して固化させる固化工程とを含むことを特徴とする半田バンプの形成方法。
【請求項２】
前記特定部分が複数種類存在し、各種類ごとに前記ペースト塗布工程を反復して行うことを特徴とする請求項１記載の半田バンプの形成方法。
【請求項３】
前記半田ペーストが塗布される特定部分の電極の寸法は他の電極の寸法よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の半田バンプの形成方法。
【請求項４】
前記特定部分の電極に塗布される半田ペーストが低融点化元素を含む半田ペーストであり、前記溶融工程において、低融点化元素を高融点型半田より成る半田ボールに溶け込ませて低融点化型の半田バンプを形成することを特徴とする請求項１記載の半田バンプの形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品の外部接続用の複数の電極上に半田バンプを形成する半田バンプの形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子部品の基板への実装には、半田バンプによる方法が広く用いられている。この方法は電子部品に予め半田の突出電極である半田バンプを形成しておき、この半田バンプを基板の回路電極に半田接合するものである。近年鉛による環境汚染防止の観点から、従来用いられていたスズ・鉛系の半田に替えて、鉛を成分として含まない鉛フリー型の半田が用いられるようになっており、半田バンプ形成にもこのタイプの半田が採用されるようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この鉛フリー型の半田を半田バンプ形成に用いた場合には、以下に説明するような不具合が生じていた。一般に鉛フリー型の半田は、従来のスズ・鉛の共晶半田と比較して融点が高く、電子部品の耐熱温度と充分な温度差を確保することが難しい。また鉛フリー型半田は、接合信頼性が確保されるような組成にすると融点が高くなり、融点が低くなるような組成を選択すると接合後の信頼性が低下するという特性がある。
【０００４】
すなわちリフロー時の電子部品の焼損を防止する目的で低融点型の半田によって半田バンプを形成すると実装後の信頼性に難点があるため、電子部品の外周部などリフローにおいて溶融しやすい部分には高融点型の半田を用いて半田バンプを、また内側部分など溶融しにくい部分には低融点型の半田を用いて半田バンプを形成することにより、接合信頼性と融点温度との相克を解決しようとする試みがなされている。しかしながら、このような組成が異なる複数種類の半田バンプを同一ワークに効率よく形成する技術は従来確立されておらず、このような要請を実現できる新技術が望まれていた。
【０００５】
そこで本発明は、複数種類の半田バンプを同一ワークの異なる電極上に同一形成過程で形成することができる半田バンプの形成方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の半田バンプの形成方法は、半田ボールを使用して少なくとも組成が異なる複数種類の半田バンプを同一ワークの異なる電極上に形成する半田バンプの形成方法であって、前記ワークの複数の電極のうち特定部分の電極に前記半田ボールとは異なる半田組成成分を含んだ半田ペーストを塗布するペースト塗布工程と、ワークの全ての電極に同一組成の半田の半田ボールを供給するボール供給工程と、ワークを加熱して全ての半田ボールを溶融させることにより溶融半田中に前記半田ペーストの半田組成成分を溶け込ませて一体化させる溶融工程と、溶融半田を冷却して固化させる固化工程とを含む。
【０００７】
請求項２記載の半田バンプの形成方法は、請求項１記載の半田バンプの形成方法であって、前記特定部分が複数種類存在し、各種類ごとに前記ペースト塗布工程を反復して行う。
【０００８】
請求項３記載の半田バンプの形成方法は、請求項１記載の半田バンプの形成方法であって、前記半田ペーストが塗布される特定部分の電極の寸法は他の電極の寸法よりも大きい。
【０００９】
請求項４記載の半田バンプの形成方法は、請求項１記載の半田バンプの形成方法であって、前記特定部分の電極に塗布される半田ペーストが低融点化元素を含む半田ペーストであり、前記溶融工程において、低融点化元素を高融点型半田より成る半田ボールに溶け込ませて低融点化型の半田バンプを形成する。
【００１１】
各請求項記載の発明によれば、複数種類の半田バンプを同一ワークの異なる電極上に形成するに際し、ワークの電極に半田ボールを供給するとともに特定部分の電極または半田ボールに、この半田ボールとは異なる半田組成成分を含んだペーストを供給し半田ボールが溶融した溶融半田中に半田組成成分を溶け込ませて一体化させることにより、組成が異なる複数種類の半田バンプを同一形成過程で形成することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１、図２、図３は本発明の実施の形態１の半田バンプの形成方法の工程説明図である。本実施の形態１では、ワークである半導体素子の外部接続用の電極に半田バンプを形成することにより電子部品を製造するものであり、溶融温度が異なる２種類の半田バンプを同一半導体素子の異なる電極上に同一形成過程で形成するようにしている。すなわち、半導体素子の電極のうち、外周部分には高融点型の半田によって、また半導体素子の内側部分には低融点型の半田によって半田バンプを形成する。
【００１３】
図１（ａ）において半導体素子１には半田バンプ形成用の電極２が形成されている。次にこれらの電極２のうち低融点型半田によって半田バンプが形成される特定部分の電極２ａ（内側部分の電極）には半田ボールとは異なる半田組成成分を含んだ半田ペースト４Ａが印刷される。なお、本明細書の以下の記述において、電極２を位置やサイズによって区別する必要がある場合のみ、異なる符号（２ａ，２ｂなど）を用いて記述し、区別する必要がない場合には、電極２と総称する。
【００１４】
まず図１（ｂ）に示すように、電極２ａの位置にのみパターン孔３ａが形成されたステンシルマスク３を装着し、ステンシルマスク３上に低融点化元素を多く含む半田ペースト４Ａ（例えば半田組成成分がＳｎ−（５０〜９０ｗｔ％）Ｂｉ）を供給した後に、スキージ５をステンシルマスク３上面に沿って摺動させることにより、電極２ａ上には低融点化元素を多く含む半田ペースト４Ａが印刷される。なお電極６上に半田ペースト４Ａを印刷によって供給する代わりに、ディスペンサなどを用いて個別に塗布するようにしてもよい。
【００１５】
次いで半田ペースト４Ａが印刷された半導体素子１の各電極２上には、同一組成、同一種類の半田ボール７が供給される。図１（ｃ）に示すように、高融点型半田（Ｓｎ−（２〜５ｗｔ％）Ａｇ−（０〜１ｗｔ％）Ｃｕ−（０〜１ｗｔ％）Ｂｉ（融点約２２０℃））で形成された半田ボール７を保持ツールとしての搭載ツール６によって保持し、半田ボール７の下端部にフラックス８を転写により塗布した後に、半導体素子１の各電極２に半田ボール７を位置合わせする。そして搭載ツール６を半導体素子１に対して下降させることにより、半田ボール７は半田ペースト４Ａが塗布された電極２ａ上および半田ペースト４Ａが塗布されていない電極２ｂ上に着地する。
【００１６】
次に半田ボール７が搭載された半導体素子１はリフロー工程に送られる。そして図２（ａ）に示すように、加熱されることにより全ての電極２上で半田バンプ７が溶融し、電極２と半田接合される。このとき、半田ペースト４Ａが塗布された電極２ａ上では、高融点型半田より成る半田ボール７が溶融した溶融半田中に半田ペースト４Ａの半田組成成分が溶け込み一体化する。そしてこの後冷却されることにより溶融半田が固化する。
【００１７】
これにより、半田ペースト４Ａが予め塗布された電極２ａ上では、高融点型半田にＢｉなどの低融点化元素が溶け込み、低融点型半田の半田バンプ９Ａが形成される。そして外周部の電極２ｂ上では、高融点型半田より成る半田ボール７がそのまま電極２ｂに半田接合され、高融点型半田の半田バンプ９Ｂが形成される。すなわち、上述の半田バンプ形成方法は、少なくとも組成が異なる複数種類の半田バンプを同一ワークの異なる電極上に同一過程、すなわち同一リフロー工程にて形成する形態となっている。
【００１８】
また図３（ａ）に示すように、半田ペースト４Ａが塗布される電極２’ａの寸法を、半田ペースト４Ａが塗布されない他の電極２ｂの寸法よりも大きく設定してもよい。これにより図３（ｂ），（ｃ）に示すように、電極２’ａ上で半田ボール７と半田ペースト４Ａが溶融し一体化して形成される半田バンプ９Ａの高さと、電極２ｂ上で形成される半田バンプ９Ｂの高さを、ほぼ同一の高さＨにそろえることができる。
【００１９】
すなわち、同一面積の電極上で異なる体積の溶融半田が固化した場合には、一般に高さの異なる半田バンプが形成されるが、図３に示す例のように半田ペースト４Ａの半田成分だけ半田体積が増加している電極２’ａについては、電極サイズＳを他の電極より大きく設定することにより、半田体積差に起因する半田バンプ高さのばらつきを減少させることができる。
【００２０】
またこのようにサイズの大きい電極２’ａを用いる場合には、図３（ｄ）に示すようにステンシルマスク３の電極２’ａに対応したパターン孔３’ａの開孔サイズＢを電極２’ａよりも小さく設定してもよい。これにより、図３（ｅ）に示すように半田ペースト４Ａを印刷した後半田ボール７の搭載時に、半田ペースト４Ａが電極２’ａ上からはみ出して、隣接電極とつながって半田ブリッジを形成することによる不具合を防止することができる。
【００２１】
（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２の半田バンプの形成方法の工程説明図である。本実施の形態２は、溶融温度が異なる３種類の半田バンプを同一形成過程で形成するものである。
【００２２】
図４（ａ）において、半導体素子１１には電極２０（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ）が形成されている。これらの電極のうち、２種類の特定部分の電極（中央に位置する電極２０ａ、電極２０ａの外側に位置する電極２０ｂ）には、それぞれ異なる種類の半田ペーストが塗布される。まず電極２０ａにはディスペンサ１０Ａによって低融化元素を多く含む半田ペースト４Ａ（半田組成成分がＳｎ−（５０〜９０ｗｔ％）Ｂｉ）が塗布される。次に図４（ｂ）に示すように、電極２０ｂにはディスペンサ１０Ｂによって半田ペースト４Ａとは異なる組成の半田の半田ペースト４Ｂが塗布される。半田ペースト４Ｂは、低融点化元素の含有量を半田ペースト４Ａよりも少なくした組成となっている。ここで電極２０ｂの外側の電極２０ｃには、半田ペースト４Ｂの塗布は行われない。
【００２３】
この後、電極２０ａ，２０ｂ上にそれぞれ半田ペースト４Ａ、４Ｂが塗布された半導体素子１１に対して、半田ボール７が供給される。図４（ｃ）に示すように、同一組成の高融点型半田で形成された半田ボール７を保持した搭載ツール６０を半導体素子１１上に移動させ、電極２０ａ，２０ｂ，２０ｃに半田ボール７を位置合わせする。そして搭載ツール６０を半導体素子１１に対して下降させることにより、半田ボール７は半田ペースト４Ａが塗布された電極２０ａ、半田ペースト４Ｂが塗布された電極２０ｂおよび電極２０ｃ上に着地する。
【００２４】
この後実施の形態１と同様に、半導体素子１１はリフロー工程に送られ（図２参照）、加熱されることにより半田ボール７が溶融し、電極２０ａ，２０ｂ，２０ｃと半田接合される。このとき、電極２０ａ上では実施の形態１と同様に低融点型半田の半田バンプ１９Ａが形成される。そして電極２０ｂ上では、高融点型半田より成る半田ボール７と半田ペースト４Ｂ中の半田成分が溶融して電極２０ｂに半田接合され、半田バンプ１９Ｂが形成される。半田ペースト４Ｂは低融点化元素の含有量が半田ペースト４Ａよりも少ないことから、半田バンプ１９Ｂの融点温度は半田バンプ１９Ａの融点温度よりも高くなる。また電極２０ｃ上では、半田ボール７がそのまま溶融して半田接合され、融点温度が半田バンプ１９Ｂよりも更に高い高融点型の半田バンプ１９Ｃが形成される。
【００２５】
すなわち本実施の形態２は、半導体素子１１の電極２０に複数種類の特定部分の電極２０ａ，２０ｂが存在し、各種類ごとに半田ペーストを塗布するペースト塗布工程を反復して行う形態となっている。なお、電極２０ｂに半田ペーストを塗布する際に、半田ペースト４Ａと同一組成のものを用い、塗布量を変えて塗布するようにしてもよい。この方法によっても、リフロー後に形成される半田バンプ１９Ｂの融点温度を半田バンプ１９Ａと異なったものとすることができる。
【００２６】
（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３の半田バンプの形成方法の工程説明図である。本実施の形態３は、実施の形態１と同様に、半導体素子１の電極２に溶融温度が異なる２種類の半田バンプを同一形成過程で形成するものであり、半田バンプ形成用に電極上に供給される半田ボールのうち、特定の半田ボールに当該半田ボールが供給される電極上に形成される半田バンプの半田組成成分を含んだ半田ペーストを塗布するようにしている。
【００２７】
図５（ａ）において、搭載ツール６には同一組成の高融点型半田で形成された半田ボール７が保持されている。半田ボール７のうち、低融点型半田の半田バンプが形成される電極２ａに対応した半田ボール７には、予め下端部に半田ペースト４Ａが塗布されている。半田ペースト４Ａは実施の形態１にて示すものと同様である。また、半導体素子１の電極２ａ，２ｂ上には、フラックス８が塗布されている。
【００２８】
次いで、搭載ツール６を半導体素子１に対して下降させることにより、保持した半田ボール７をフラックスが塗布された電極２ａ，２ｂに着地させる。これにより、半田ペースト４Ａが塗布された半田ボール７は電極２ａ上に、また半田ペースト４Ａが塗布されていない半田ボール７は電極２ｂ上に供給される。
【００２９】
この後実施の形態１と同様に半導体素子１はリフロー工程に送られ（図２参照）、加熱されることにより半田ボール７が溶融し、電極２と半田接合される。このとき、電極２ａ上では実施の形態１と同様に低融点型半田の半田バンプ９Ａが形成される。そして外周部の電極２ｂ上では、高融点型半田より成る半田ボール７が溶融して電極２ｂに半田接合され、高融点型の半田バンプ９Ｂが形成される。
【００３０】
なお、実施の形態１の図３（ａ）に示す例と同様に、半田ペースト４Ａが塗布された半田ボール７が着地する電極２ａの寸法を、他の電極の寸法よりも大きく設定してもよい。これにより実施の形態１に示す例と同様に、半田ボール７と電２ａ極上の半田ペースト４Ａが溶融して一体化し固化して形成される半田バンプの高さを他の半田バンプと均一にそろえることができる。
【００３１】
上記説明したように、各実施の形態に示す半田バンプ形成方法は、複数種類の半田バンプを同一ワークの異なる電極上に形成するに際し、ワークの電極に半田ボールを供給するとともに特定部分の電極または半田ボールに半田ボールと異なる半田組成成分を含んだペーストを供給し半田ボールが溶融した溶融半田中に半田組成成分を溶け込ませて一体化させることにより、組成が異なる複数種類の半田バンプを同一形成過程（同一リフロー工程）で形成するものである。
【００３２】
この半田バンプ形成方法を用いることにより、半導体素子の外部接続用電極に半田バンプを形成して成る電子部品の製造において、同一半導体素子の角部に位置する半田バンプを高融点型半田で、内側部に位置する半田バンプを低融点型半田で形成することができる。そしてこのようにして製造された電子部品を半田バンプを半田接合することにより基板に実装した電子部品の実装構造では、リフロー時の伝熱状態の悪い内側部分の半田バンプには低融点型半田を用いていることから、電子部品の耐熱温度よりも低い温度で半田バンプを確実に溶融させ、電子部品の電極を基板に導通させることができる。
【００３３】
また高融点型半田は伝熱条件の良好な角部のバンプに用いられていることから、リフロー温度を過度に高温に設定することなく確実に溶融させることができる。そして高融点型半田は接合信頼性に優れていることから、実装後のヒートサイクルによる熱応力が集中しやすい電子部品の角部分の接合部の破断を防止することができる。これにより、鉛フリー型半田の半田バンプを用いて、実装後の信頼性を確保するという課題を実現することができる。
【００３４】
また１回のリフロー工程で組成が異なる複数種類のバンプを形成することができるので、バンプが形成されるワークへの熱履歴（加熱回数）が増加することがない。さらに半田ペーストの組成を最終的に形成したいバンプの組成に応じて選択するので、半田ボールはベースとなる組成のものを一種類だけ準備しておけばよいので、半田ボールの在庫管理の負担を軽減することができる。
【００３５】
各実施の形態において、低融点化元素としてＢｉを使用したが、Ｉｎ等他の低融点化元素を使用してもよい。さらには、特定部分の電極の融点を低融点とする目的以外（例えば機械的性質の改善）の目的にも本発明を適用することができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、複数種類の半田バンプを同一ワークの異なる電極上に形成するに際し、ワークの電極に半田ボールを供給するとともに特定部分の電極または半田ボールに当該電極上に形成される半田バンプの半田組成成分を含んだペーストを供給し半田ボールが溶融した溶融半田中に半田組成成分を溶け込ませて一体化させるようにしたので、組成が異なる複数種類の半田バンプを同一形成過程で形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の半田バンプの形成方法の工程説明図
【図２】本発明の実施の形態１の半田バンプの形成方法の工程説明図
【図３】本発明の実施の形態１の半田バンプの形成方法の工程説明図
【図４】本発明の実施の形態２の半田バンプの形成方法の工程説明図
【図５】本発明の実施の形態３の半田バンプの形成方法の工程説明図
【符号の説明】
１，１１  半導体素子
２，２ａ，２ｂ，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ  電極
４Ａ，４Ｂ  半田ペースト
６，６０  搭載ヘッド
７  半田ボール
９Ａ，９Ｂ，１９Ａ，１９Ｂ，１９Ｃ  半田バンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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