(57)【要約】【課題】ボイドが少なく、電極部上に正確に位置合わせされたはんだバンプを形成でき、ファインピッチ化への対応が可能であるはんだバンプ形成方法及びはんだペーストを提供する。【解決手段】基板１の表面に相互間隔をおいて並べられた複数の電極部２の上にはんだバンプ３を形成する方法であって、基板１上に、電極部２を露出させた複数の孔部４１を有するレジスト層４を形成するレジスト層形成工程と、電極部２の外径Ｄの１／２倍よりも大きく孔部４１の開口径Ｈの１倍未満の平均粒径Ｓを有する複数のはんだ粒子３１からなるはんだ粉末とフラックス３２とを含有するはんだペースト３０を形成しておき、はんだペースト３０を孔部４１内に充填する埋め込み印刷工程と、孔部４１内のはんだペースト３０を加熱してはんだ粒子３１を溶融させ、電極部２上にはんだバンプ３を形成する熱処理工程とを有する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表面に相互間隔をおいて並べられた複数の電極部の上にはんだバンプを形成する方法であって、
前記基板上に、前記電極部を露出させた複数の孔部を有するレジスト層を形成するレジスト層形成工程と、
前記電極部の外径の１／２倍よりも大きく前記孔部の開口径の１倍未満の平均粒径を有する複数のはんだ粒子からなるはんだ粉末とフラックスとを含有するはんだペーストを形成しておき、該はんだペーストを前記孔部内に充填する埋め込み印刷工程と、
前記孔部内の前記はんだペーストを加熱して前記はんだ粒子を溶融させ、前記電極部上にはんだバンプを形成する熱処理工程とを有することを特徴とするはんだバンプ形成方法。
【請求項２】
平均粒径が１０μｍ以上１００μｍ以下で、粒径ばらつきが１５％以下のはんだ粒子からなるはんだ粉末と、フラックスとを含有してなることを特徴とするはんだペースト。
【請求項３】
前記フラックスの含有割合が質量比率で８質量％以上３０質量％以下であることを特徴とする請求項２に記載のはんだペースト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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形成方法及びはんだペーストに関する。
【背景技術】
【０００２】
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電極部上に形成しておき、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、ボール搭載法、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。この場合、はんだに含まれる溶剤が溶融時にガス化してバンプ中にボイドとなって残留すると、接合強度等の低下を生じるため、ボイドの少ないはんだバンプが求められている。
【０００３】
この観点では、例えば特許文献１に記載されているように、はんだペーストを用いた印刷法では、はんだペースト中に含まれるはんだ粉末が電極部上で溶融する際に、ガスが巻き込まれやすく、ボイドが残留しやすい。
一方、例えば特許文献２に記載されているように、基板に形成された電極部上にフラックスを配設し、このフラックスを介して電極部にはんだボールを搭載して行うボール搭載法を用いる場合には、ボイドの発生が少ないと言われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４２４９１６４号公報
【特許文献２】特許第４８１４７５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ボール搭載法では、予め電極部上にフラックスを塗布した後で、その電極部上にフラックスを介して個別にはんだボールを搭載する。このため、フラックスを電極部上に塗布する際と、はんだボールを搭載する際とに、別々のマスクを電極部に位置合わせすることが必要になり、これらのマスクを高精度に位置合わせすることが困難である。したがって、ボール搭載法では、工程が複雑になり、はんだバンプのファインピッチ化への対応が難しい。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、ボイドが少なく、電極部上に正確に位置合わせされたはんだバンプを形成でき、ファインピッチ化への対応が可能であるはんだバンプ形成方法及びはんだペーストを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のはんだバンプ形成方法は、基板の表面に相互間隔をおいて並べられた複数の電極部の上にはんだバンプを形成する方法であって、前記基板上に、前記電極部を露出させた複数の孔部を有するレジスト層を形成するレジスト層形成工程と、前記電極部の外径の１／２倍よりも大きく前記孔部の開口径の１倍未満の平均粒径を有する複数のはんだ粒子からなるはんだ粉末とフラックスとを含有するはんだペーストを形成しておき、該はんだペーストを前記孔部内に充填する埋め込み印刷工程と、前記孔部内の前記はんだペーストを加熱して前記はんだ粒子を溶融させ、前記電極部上にはんだバンプを形成する熱処理工程とを有する。
【０００８】
はんだペーストに含有されるはんだ粒子の平均粒径を、電極部の外径の１／２倍よりも大きく、電極部に通じる孔部の開口径の１倍未満の大きさとしているので、孔部内に露出する電極部上には、その孔部内に充填されたはんだペーストに含有される１個のはんだ粒子のみを接触させることができる。また、電極部上に一点で接触したはんだ粒子を溶融させてはんだバンプを形成するので、はんだが点接触した部分から電極部上に徐々に濡れ広がっていくことにより、ボイドの少ないはんだバンプを得ることができる。
なお、このはんだバンプ形成方法では、孔部内に投入されるはんだ粒子の個数は１個に限られるものではない。レジスト層の厚みを変更することで、孔部の深さを容易に変更できることから、各孔部内に複数のはんだ粒子を積層した状態ではんだペーストを充填させることもできる。この場合にも、電極部上にはんだ粒子を一点で接触させることができるので、ボイドの少ないはんだバンプを得ることができる。また、一定の厚みに形成されたレジスト層により、各孔部内に充填されるはんだ粒子の個数を一定にできるので、高精度で均一なはんだバンプを形成できる。
また、複数設けられる孔部内の全てにはんだ粒子を確実に介在させ、各孔部内に露出する電極部上に１個のはんだ粒子のみを接触させるために、はんだ粒子の粒径ばらつきを１５％以下とすることが好ましい。
【０００９】
また、予め複数のはんだ粒子からなるはんだ粉末とフラックスとを混合したはんだペーストを形成しておき、このはんだペーストを孔部内に充填しているので、フラックスとはんだ粒子とを同時に孔部内に充填することができ、ボール搭載法のように、フラックスの塗布工程とはんだボールの搭載工程とを個別に設ける必要がなく、電極部と正確に位置合わせされたはんだバンプを形成できる。さらに、熱処理工程においてフラックスが蒸発した後においても、基板の表面にレジスト層が設けられているので、はんだ粒子が電極部上から転がり落ちることが防止でき、ファインピッチ化にも対応できる。
【００１０】
本発明のはんだペーストは、平均粒径が１０μｍ以上１００μｍ以下で、粒径ばらつきが１５％以下のはんだ粒子からなるはんだ粉末と、フラックスとを含有してなる。
【００１１】
このように構成されるはんだペーストは、本発明のはんだバンプ形成方法において好適に用いることができる。本発明のはんだペーストに含有されるはんだ粒子の平均粒径は、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粒子と異なり、粒径が大きく設けられている。したがって、この本発明のはんだペーストを用いることで、孔部内に露出する電極部上に、１個のはんだ粒子のみを接触させることができ、ボイドの少ないはんだバンプを得ることができる。また、はんだ粒子の粒径ばらつきを小さくすることで、複数設けられる孔部内の全てにはんだ粒子を確実に介在させることができ、ミッシングバンプの発生を防止できる。
【００１２】
ここで、前記フラックスの含有割合が質量比率で８質量％以上３０質量％以下であるとよい。なお、フラックスの含有割合は、はんだペースト全体に対する割合である。
【００１３】
フラックスの含有割合が３０質量％を超える場合、はんだペースト中のはんだ粒子の含有量が少なくなり、複数設けられる孔部内の全てにはんだ粒子を投入することが難しくなるおそれがある。一方、フラックスの含有割合が８質量％未満の場合、はんだペーストの流動性が不足して、複数設けられる孔部内の全てにはんだ粒子を介在させることが難しくなるおそれがある。
はんだ粒子の平均粒径は、１５μｍ以上８０μｍ以下がより好ましく、２０μｍ以上６０μｍ以下がさらに好ましい。はんだ粒子の粒径ばらつきの下限としては、特に制限はないが、例えば、製造の困難性から１％が下限とされる。また、はんだ粒子の粒径ばらつきは、１％以上１０％以下がより好ましく、１％以上５％以下がさらに好ましい。フラックスの含有割合は、８質量％以上３０質量％以下がより好ましく、８質量％以上２０質量％以下であることがさらに好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ボイドが少なく、電極部上に正確に位置合わせされたはんだバンプを形成でき、ファインピッチ化への対応が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係るはんだバンプ形成方法の実施形態を示すフロー図である。
【図２】図１のはんだバンプ形成方法の各工程ごとの変化を示す基板の要部断面図である。
【図３】埋め込み印刷工程を説明する基板の要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に係るはんだバンプ形成方法の実施形態について説明する。
図２（ｄ）は本発明の方法が適用されるはんだバンプ３が形成された基板１を示しており、基板１の表面に相互間隔をおいて並べられた複数の電極部（電極パッド）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り、図２（ｄ）では、基板１の表面に電極部２が積層され、この電極部２の周囲の基板１の表面に絶縁層（ソルダーレジスト層）５が形成されている。
電極部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。
【００１７】
次に、このように構成されたはんだバンプ３を基板１の電極部２の上に形成する方法について説明する。
このはんだバンプ形成方法においては、図１のフロー図に示すように、基板１上に、電極部２を露出させた複数の孔部４１を有するレジスト層４を形成するレジスト層形成工程（Ｓ１）、はんだペースト３０を孔部４１内に充填する埋め込み印刷工程（Ｓ２）、孔部４１内のはんだペースト３０を加熱してはんだバンプ３を形成する熱処理工程（Ｓ３）、レジスト層除去工程（Ｓ４）、洗浄工程（Ｓ５）を経て、基板１の電極部２の上にはんだバンプ３が形成される。
以下、工程順に説明する。
【００１８】
（レジスト層形成工程：Ｓ１）
図２（ａ）に示すように、基板１の表面にレジスト層４を形成し、電極部２をレジスト層４の孔部４１を介して露出させておく。この場合、レジスト層４は、基板１の表面にアクリル系感光材等からなるドライフィルムを積層することにより形成でき、このレジスト層４に、各電極部２を露出させる孔部４１を形成しておく。また、各孔部４１の開口径（内径）Ｈは、電極部２の外径Ｄ（又は幅）よりも若干大きい寸法に設定され、孔部４１の開口径Ｈは、基板１の電極部２上に形成すべきはんだバンプ３の大きさ、外径に応じて設定される。
【００１９】
（埋め込み印刷工程：Ｓ２）
図３に示すように、スキージ８を用いたスクリーン印刷により、レジスト層４の上からはんだペースト３０を塗布して、孔部４１内にはんだペースト３０を充填する。はんだペースト３０としては、電極部２の外径Ｄの１／２倍よりも大きく、孔部４１の開口径Ｈの１倍未満の平均粒径Ｓを有する複数のはんだ粒子３１からなるはんだ粉末とフラックス３２とが含有されるものを形成しておく。
【００２０】
具体的には、はんだペースト３０は、平均粒径が１０μｍ以上１００μｍ以下で、粒径ばらつきが１５％以下のはんだ粒子からなるはんだ粉末と、フラックスとを含有してなり、フラックスの含有割合が質量比率で８質量％以上３０質量％以下とされるものであることが好ましい。
フラックスの含有割合が３０質量％を超える場合、はんだペースト３０中のはんだ粒子３１の含有量が少なくなり、複数設けられる孔部４１内の全てにはんだ粒子３１を投入することが難しくなるおそれがある。一方、フラックスの含有割合が８質量％未満の場合、はんだペーストの流動性が不足して、複数設けられる孔部内の全てにはんだ粒子を投入することが難しくなるおそれがある。
【００２１】
また、はんだ粉末を構成するはんだ粒子３１は、材料としては前述した合金の中から選択され、粉末製造方法、ガスアトマイズ法、水アトマイズ法、遠心力アトマイズ法、油中分散法等によって製造されるものであり、１０μｍ以上１００μｍ以下の平均粒径Ｓで分級した、粒径ばらつきが１５％以下のものとされる。フラックス３２としては、ロジン等の樹脂分、活性剤、チクソ剤、溶剤等を含有しており、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、低残渣タイプ、無残渣タイプ等のものを用いることができる。
【００２２】
そして、このように構成されるはんだペースト３０の塗布は、図３に示すように、スキージ８をレジスト層４の表面に接触させ、所定の押圧力を作用させた状態でスキージ８の間からはんだペースト３０を押し出しながら孔部４１内を埋めるようにして移動方向Ｍに移動して行う。このスキージング操作により、スキージ８の間から押し出されたはんだペースト３０が図２（ｂ）に示すように、孔部４１内に充填される。
【００２３】
この際、はんだペースト３０に含有されるはんだ粒子３１が、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粒子と異なり、平均粒径Ｓが大きく、さらに電極部２の外径Ｄの１／２倍以上で、かつ、孔部４１の開口径Ｈの１倍未満の大きさとされていることから、孔部４１内に露出する電極部２上には、孔部４１内に充填されたはんだペースト３０に含有される１個のはんだ粒子３１のみを接触させることができる。また、図２に示す基板１においては、孔部４１の深さ（レジスト層４の厚み）は、はんだ粒子３１を１個だけ収納可能な深さ、すなわち、はんだ粒子３１の平均粒径Ｓよりもわずかに深く設定されている。このため、各孔部４１内には、それぞれ１個のはんだ粒子３１のみを収容できる。なお、孔部４１内に収まりきらずに、孔部４１からハミ出した状態のはんだ粒子３１は、レジスト層４の表面を移動するスキージ８により掻き取られる。
【００２４】
（熱処理工程：Ｓ３）
図２（ｂ）に示すように、各孔部４１内にはんだペースト３０を充填した後、その孔部４１内のはんだペースト３０をはんだの融点以上に加熱することによりはんだ粒子３１を溶融し、図２（ｃ）に示すように、電極部２上にはんだバンプ３を形成する。具体的には、熱処理工程（Ｓ３）は、窒素雰囲気あるいは低酸素雰囲気又は還元雰囲気中ではんだペースト３０に用いられているはんだ粒子３１の融点（液相線温度）より２０℃〜３０℃高い温度で加熱して行う。この熱処理により、図２（ｃ）に示すように、溶融したはんだが電極部２上で表面張力によってはんだバンプ３を形成する。この際、はんだ粒子３１は、その下端の一点で電極部２に接触しているので、その点接触した部分からはんだが電極部２上に半径方向外方に向かって徐々に濡れ広がっていくことにより、電極部２との界面にボイドが残存することが防止され、ボイドの少ないはんだバンプ３が得られる。
【００２５】
（レジスト層除去工程：Ｓ４）
その後、冷却して電極部２の上のはんだバンプ３を固化させた後、図２（ｄ）に示すように、レジスト層剥離液により基板１の表面に形成されたレジスト層４を溶解して除去する。
【００２６】
（洗浄工程：Ｓ５）
最後に、基板１を洗浄してフラックス残渣等を除去することにより、電極部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。
【００２７】
上述したように、本実施形態のはんだバンプ形成方法では、はんだペースト３０に含有されるはんだ粒子３１の平均粒径Ｓが、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粒子と異なり、平均粒径が大きく、さらに電極部２の外径Ｄの１／２倍よりも大きく、電極部２に通じる孔部４１の開口径Ｈの１倍未満の大きさとされているので、孔部４１内に露出する電極部２上には、その孔部４１内に充填されたはんだペースト３０に含有される１個のはんだ粒子３１のみを接触させることができる。そして、電極部２上に一点で接触したはんだ粒子３１を溶融させてはんだバンプ３を形成するので、ボイドの少ないはんだバンプ３を得ることができる。
また、はんだペースト３０中のはんだ粉末の粒径ばらつきを１５％以下とし、フラックスの含有割合を質量比率で８質量％以上３０質量％以下とするはんだペースト３０を用いることで、複数設けられる孔部４１内の全てにはんだ粒子３１を確実に介在させることができ、ミッシングバンプの発生を防止できる。
【００２８】
なお、上記実施形態では、孔部４１内に投入されるはんだ粒子３１の個数を１個に設定していたが、これに限られるものではない。レジスト層４の厚みを変更することで、孔部４１の深さを容易に変更でき、各孔部４１内に複数のはんだ粒子３１を積層した状態ではんだペースト３０を充填させることもできる。この場合にも、電極部２上にはんだ粒子３１を一点で接触させることができるので、ボイドの少ないはんだバンプ３を得ることができる。また、一定の厚みに形成されたレジスト層４により、各孔部４１内に充填されるはんだ粒子３１の個数を一定にできるので、高精度で均一なはんだバンプ３を形成できる。
【００２９】
また、予め複数のはんだ粒子３１からなるはんだ粉末とフラックス３２とを混合したはんだペースト３０を形成しておき、このはんだペースト３０を孔部４１内に充填しているので、フラックス３２とはんだ粒子３１とを同時に孔部４１内に充填することができ、ボール搭載法のように、フラックスの塗布工程とはんだボールの搭載工程とを個別に設ける必要がなく、電極部２と正確に位置合わせされたはんだバンプ３を形成できる。さらに、熱処理工程（Ｓ３）においてフラックス３２が軟化した後においても、基板１の表面にレジスト層４が設けられているので、フラックス３２の軟化による流れ出しとともに、はんだ粒子３１が電極部２上から転がり落ちることが防止でき、ファインピッチ化にも対応できる。
【実施例】
【００３０】
次に、本発明の効果を確認するために行った試験結果について説明する。
表１に示すように、はんだペーストを用いた埋め込み印刷法（実施例１，２及び比較例１，２）と、はんだボールを用いたボール搭載法（比較例３）とにより、基板の表面に形成された電極部にはんだバンプを形成した。
本試験において用いた基板は、ガラスエポキシからなる絶縁基板の表面に銅の回路層が形成されたものであり、複数設けられる電極部の周囲の基板の表面に厚み１３μｍの絶縁層（ソルダーレジスト層）を形成することにより、絶縁層から露出する部分の電極部の外径Ｄを３５μｍに設けている。また、各電極部は、基板の表面に相互に７０μｍの間隔をおいて並べられており、基板の表面には合計２０００個の電極部が設けられている。
【００３１】
また、実施例１，２及び比較例１，２の埋め込み印刷法では、予め基板の表面に、電極部を露出させる開口径Ｈが５０μｍの孔部を有する厚み３０μｍのレジスト層（アクリル系感光材のドライフィルム）を形成した。そして、表１に示す条件のはんだ粒子からなるはんだ粉末とフラックスとを混合してはんだペーストを形成し、スキージを用いたスクリーン印刷により、レジスト層の上からはんだペーストを塗布して、孔部内にはんだペーストを充填した。
【００３２】
一方、比較例３のボール搭載法では、基板の表面にレジスト層を形成せずに、フラックス塗布用のステンシルマスクを用いて各電極部上にフラックスを塗布した後で、フラックス塗布用のステンシルマスクをボール搭載用のステンシルマスクに付け替えて、ボール搭載用のステンシルマスク上にはんだボールを振り込むことで、電極部上にフラックスを介して個別にはんだボールを搭載した。はんだボールには、表１に示すはんだ組成を有する平均粒径が直径３５μｍ、粒径ばらつきが５％のものを用いた。
【００３３】
なお、粒径ばらつきは、下記の（１）式で算出したものである。
粒径ばらつき（％）＝｛（Ｄ９０粒径−Ｄ１０粒径）／平均粒径｝×１００  …（１）
（１）式のＤ９０粒径、Ｄ１０粒径、平均粒径は、それぞれマイクロトラック法（レーザー回折・散乱法）により測定した。この場合、Ｄ９０粒径は体積累積９０％粒径、Ｄ１０粒径は体積累積１０％粒径、平均粒径は体積累積５０％粒径を示す。
【００３４】
このようにしてはんだペーストを充填又ははんだボールを搭載した基板について、電極部上にはんだペースト又ははんだボールが存在しない個所の個数を数えた。結果を表１の「ミッシングバンプ個数」に示す。
【００３５】
次に、これらのはんだペーストを充填又ははんだボールを搭載した基板を窒素雰囲気中で最高温度２４０℃で加熱することではんだ粒子を溶融させ、電極部上にはんだバンプを形成した。その後、各基板を洗浄してフラックス残渣を除去し、透過Ｘ線顕微鏡により各基板に形成されたはんだバンプを真上から観察した。そして、各はんだバンプについて、その観察視野内におけるはんだバンプの面積に対するボイドの面積を測定した。なお、１つのはんだバンプ内に複数のボイドが有る場合には、ボイドの面積を足し合わせて比率を算出した。そして、得られた結果のうち、最もボイド比率が大きかったものを最大ボイド比率とし、表１に記載した。
【００３６】
【表１】
2018206953.tif 000003
【００３７】
表１の結果からわかるように、はんだペーストに含有されるはんだ粒子の平均粒径Ｓを、電極部の外径Ｄの１／２倍よりも大きく、電極部に通じる孔部の開口径Ｈの１倍未満の大きさとした実施例１及び実施例２では、ミッシングバンプは確認されず、最大ボイド比率を小さくすることができた。なお、はんだペーストに含有されるはんだ粒子の平均粒径Ｓが、孔部の開口径Ｈよりも大きい比較例１では、２０００個の電極部の全てにおいてミッシングバンプが確認された。また、はんだペーストに含有されるはんだ粒子の平均粒径Ｓが、電極部の外径Ｄよりも小さい比較例２では、ミッシングバンプは生じなかったが、最大ボイド比率が大きくなった。さらに、ボール搭載法を用いた比較例３では、ミッシングバンプが生じた。
【００３８】
なお、本発明は、上記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、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。
【符号の説明】
【００３９】
１  基板
２  電極部
３  はんだバンプ
４  レジスト層
５  絶縁層
８  スキージ
３０  はんだペースト
３１  はんだ粒子
３２  フラックス
４１  孔部
【図１】
2018206953.tif 000004
【図２】
2018206953.tif 000005
【図３】
2018206953.tif 000006