(57)【要約】【課題】ソルダペースト印刷法によって、鉛フリーはんだを用いて、残渣レスのはんだ接合を実現するはんだ付け方法　（例：　はんだバンプを形成するか、はんだ実装を行う方法）　を提供する。【解決手段】ソルダペーストの塗布を印刷方式により行ってから、水素プラズマから得られた水素ラジカルの供給によりリフローを行う際に、リフロー温度で前記ソルダペーストのフラックス成分を揮発させる。【選択図】　　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソルダペーストの塗布を行ってから、該ソルダペーストのリフローを行う方法であって、リフロー温度で前記ソルダペーストのフラックス成分を揮発させることを特徴とするリフロー法。
【請求項２】
前記塗布を印刷方式により行う請求項１記載のリフロー法。
【請求項３】
前記ソルダペーストのはんだ合金が鉛フリーである請求項１または２記載のリフロー法。
【請求項４】
前記リフローを水素プラズマから得られた遊離基ガスの供給により行う請求項１ないし３のいずれかに記載のリフロー法。
【請求項５】
前記ソルダペーストのリフローによってバンプ形成を行う請求項１ないし４のいずれかに記載のリフロー法。
【請求項６】
前記ソルダペーストのリフローによってプリント基板への実装を行う請求項１ないし４のいずれかに記載のリフロー法。
【請求項７】
はんだ合金粉末と、リフロー温度で揮発する成分とだけから成る無残渣ソルダペースト。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ソルダペーストを使用する無残渣タイプのリフロー法に関する。特に、本発明は、バンプの形成またはプリント基板への実装に際してソルダペーストを使用する無残渣タイプのリフロー法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在の半導体実装分野では、環境問題からの規制により有毒物質である鉛を含むはんだの使用が禁止されるのを受けて、従来のＳｎ−Ｐｂ　共晶はんだから鉛フリーはんだへの移行が急ピッチで進められている。
【０００３】
一方、軽薄短小化を求められる情報機器に使用されるＩＣの高速化・高密度化に対する要求は相変わらず強く、その要求に対する１つの解として１９６０年代に提唱されたフリップチップ実装が見直され、高密度フリップチップ接続として現在その技術が普及しつつある。
【０００４】
そして、高密度フリップチップ接続の重要な技術に、微細なはんだバンプの形成技術がある。特に最近では、はんだの鉛フリー化、フリップチップ実装の増加という２つの理由により、鉛フリーはんだを用いた微細バンプの新しい形成プロセスが求められている。
【０００５】
このような背景から、従来にあっても種々試みられてきたが、従来の方法を用いて鉛フリーはんだを用いて微細バンプを形成しようとすると二つの問題点が生じてくる。
【０００６】
まず、第一にバンプの形成方法である。微細なバンプを形成する方法としては電解めっき法がある。しかし、この方法にはコストの高さと、組成の均一なバンプを同時に多数形成する際のめっき制御の難しさという問題点がある。
【０００７】
第二の問題点は、はんだのリフローを行う場合、有鉛・無鉛を問わず、はんだの溶融の際にはんだ表面の酸化膜を除去し、はんだがぬれ広がるのを化学的に助けるためにフラックスを使用するが、そのフラックス残渣の扱いである。
【０００８】
従来、リフロー後に残ったフラックス残渣は基板に対する腐食性を持つため、フロンや他の溶剤を用いて洗浄されてきた。しかし、これらの物質はオゾン層を破壊するという理由で使用が禁止されている。また、フリップチップ接続のように、微細なはんだ付けがおこなわれる場合はそもそも洗浄自体が困難である。
【０００９】
これらの問題を解決するべく、フラックスを用いないはんだ付け、すなわち、フラックスレスソルダリングに関する研究がおこなわれている。
ところで、はんだバンプの形成のためのフラックスレスソルダリングとして、水素を含むプラズマ中でのリフローに関する発明がすでに提案されているが、それでは、バンプを構成する材料であるはんだ層をめっき法や蒸着法にて形成する必要がある。しかし、均一な組成でかつ必要量の厚みを有するはんだ層を形成するために高度な技術と高額な装置が必要であり実用化には課題が多い。
【００１０】
例えば特開平１１−１６３０３６号公報に開示されているフラックスレス・プラズマ・リフロー法は、プラズマ照射によるめっき面の清浄化を行うものであり、残渣レスという点では評価されるが、この場合にもはんだ層形成にはめっき法を用いる必要があり、実用的とは云えない。
【００１１】
【特許文献１】特開平１１−１６３０３６号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
微細バンプ形成において、はんだの鉛フリー化に対応する必要があることと、さらに微細化に伴ってリフロー後の洗浄が困難になりつつあるという問題点がある。現時点でいくつかのフラックスレスプロセスが提案されているが、低コスト化が期待できる印刷法によるプロセスは発表されていない。フラックスレスとはんだペーストの印刷性とは本来相反する内容であるからである。
【００１３】
ここに、本発明の課題は、はんだペースト印刷法によって、鉛フリーはんだを用いて、残渣レスのはんだ接合を実現するはんだ付け方法を提供することである。
【００１４】
さらに本発明の具体的課題は、はんだペースト印刷法によって、鉛フリーはんだを用いて、残渣レス、つまり無洗浄のはんだ付けによってはんだバンプを形成する方法を提供することである。
さらに別の面からは、本発明の課題は、はんだペースト印刷法によって、鉛フリーはんだを用いて、残渣レスのはんだ付けによってはんだ実装を行う方法を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、かかる課題を解決すべく種々検討を重ね、プラズマ照射法の優位性に着目し、従来のソルダペーストの機能が、ソルダペーストの本来有するフラックス作用と印刷性とに分離可能であることに思い至り、その印刷性だけを利用するとともに、印刷用パターンの設けられた基板を用いて、バンプ形成もしくは実装を行う際に、加熱してソルダペーストのフラックス成分を蒸発または揮発（以下総称して「揮発」）させ、遊離基ガス、例えば水素ラジカルを供給することにより、それらにフラックス作用を発揮させることを着想し、本発明を完成した。
【００１６】
ここに、本発明は、ソルダペーストの塗布を行ってから、該ソルダペーストのリフローを行う方法であって、リフロー温度で前記ソルダペーストのフラックス成分を揮発させることを特徴とするリフロー法である。
【００１７】
本発明の１態様によれば、前記塗布は、印刷方式により行ってもよい。
また、前記ソルダペーストのはんだ合金は、好ましくは、鉛フリーである。
前記リフローは、ガスプラズマ、例えば水素プラズマから得られた遊離基ガス、例えば水素ラジカルの供給により行ってもよい。
【００１８】
本発明の別の態様によれば、前記ソルダペーストのリフローによってバンプ形成を行ってもよく、あるいは、プリント基板への実装を行ってもよい。
別の面からは、本発明は、はんだ合金粉末と、リフロー温度で揮発する成分とだけから成る、はんだ接合後に洗浄を要しない、無残渣ソルダペーストである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について具体的に説明する。
まず、本発明に近似する技術に、フラックスレスはんだ付け方法があるが、ソルダペーストを作るのに、添加物としてフラックスを含む必要があるために、本発明においてフラックスレスという方法は無理である。しかし、成分に活性剤を含まずに印刷性を引き出すのに必要なものだけを使用して、フラックス残渣が腐食性を持たないようなペーストを作ることは可能であり、それによってフラックスレスソルダリングと同様の効果を得られる。
【００２０】
このプロセスでは例えば水素ラジカルをはんだペーストのリフロー中に供給することによってフラックスの還元力を代替するのである。ただし、水素ラジカルによる還元力も十分でない場合には、安定したはんだ付けを実現するために、フラックス成分中に揮発性の活性成分を少量配合してもよい。
【００２１】
なお、本発明において使用するフラックスには活性成分が含まれない場合もあり、従来技術におけるフラックスとは区別されるが、本明細書においては、そのような場合も含めて便宜上「ソルダペースト」と言い「フラックス」と言う。　　所定の印刷特性を発揮し、リフロー温度で揮発してしまう成分としては、各種チキソ剤と呼ばれるものがあり、具体的には、ステアリン酸アミド等の低温チキソ剤を例示できる。その他、硬化ヒマシ油、ビス−Ｐ−メチルベンジリデンソルビトール等でもよい。
【００２２】
また、リフロー温度で揮発してしまうが、活性作用を示す成分としては、ブチル安息香酸、アジピン酸等の有機酸、コハク酸モノエタノールアミン等のアミン塩が例示される。
【００２３】
このように、本発明において使用するフラックスは、機能的には、印刷性だけを発揮するものであれば十分である。リフローのときの熱により揮発するものであれば、必要により適宜成分を添加することも可能である。場合によっては、一部残留しても、プラズマ照射により発生する水素ラジカルによる還元作用を害するものでなければ、許容される。例えば、一部のチキソ剤がフラックス成分の０．５　％以下というように極く少量だけ、無洗浄によって残留することは許容される。
【００２４】
したがって、本発明において用いるソルダペーストは、従来必要とされていたフラックス作用を有する成分、例えばロジンなどを必要とせず、ペースト化が可能であって、所定の印刷性を発揮できれば特に制限はない。ただし、「残渣レス」というが、リフロー後も残留する成分に関しては、水素ラジカルの作用を阻害するものは好ましくないが、無洗浄でもはんだ接合部の性能等を阻害しない限り、フラックス成分の０．５　％以下、好ましくは０．３　％以下程度は許容される。
【００２５】
次に、本発明において用いるプラズマ照射装置について説明すると、これは例えば、特開２００１−５８２５９　号公報に開示されたプラズマ照射装置を使用すればよく、詳細は略すが、添付図面を参照して説明すれば次の通りである。なお、以下の説明において遊離基ガスを生成するガスとして水素を用いる。
【００２６】
本発明において用いるプラズマ照射装置の１例を図１に示すが、本発明はこれにのみ制限されるものではなく、本発明の作用効果が発揮される限り適宜形式のものを使用できる。
【００２７】
図中、マグネトロン（図示せず）によって生成された２．４５ＧＨｚ　のマイクロ波１０が矩形導波管１２を通して、さらにスロットアンテナ１４から石英窓１６を介して、真空容器１８に入射してそこで表面波プラズマが生成される。
【００２８】
図示装置の場合、マイクロ波の出力は最大で３ｋｗ　であり、圧力が５０〜２５０Ｐａ　の領域で安定した高密度プラズマが得られる。
プラズマ照射装置２０における圧力は適宜調整可能となっている。
【００２９】
プラズマ照射装置２０に導入する水素の流量は、例えば、１０ｍｌ／ｍｉｎ〜５００ｍｌ／ｍｉｎ　の間に設定できる。装置内の圧力の設定は導入する水素の流量と排気側バルブをそれぞれ調節することによっておこなう。
【００３０】
プラズマ照射装置２０のプラズマ発生部２２とサンプル３０の間にはパンチングされた金属板（遮蔽板）２４が挿入されている。遮蔽板２４はアースされているので、プラズマ内で生成したイオンはそこでトラップされ、サンプル３０まで到達するのは水素ラジカルおよび水素分子となる。
【００３１】
遮蔽板を挿入しない状態でＮｉ薄膜を蒸着したＳｉウェハに水素プラズマを照射（１　分程度）すると、イオンによるダメージのために例えば、Ｎｉ薄膜がはがれるという現象がおきた。遮蔽板を挿入した場合は、２０分間プラズマ照射を行った場合でもＮｉ薄膜に変化は見られなかった。
【００３２】
かかるプラズマ照射装置を用いて行う本発明にかかるリフロー法は、本発明にかかるはんだクリームを用いる点を除いて通常のリフロー法と同様であってもよいが、代表的なリフローの手順を以下に示す。
【００３３】
まず、ヒータ３２を設定温度に加熱するが、水素圧力を所定値、例えば５０〜２５０Ｐａ　にするが、そのとき、各圧力に合わせてサンプルの温度が所定値、例えば２２５　℃〜２３０　℃を保つようにヒータ温度プログラムを組み、実行する。
【００３４】
これに先立って、リフロー処理すべきサンプル３０を導入するが、このこの時点では、リフトピン３４によってサンプル　（例：　ウェハ）　はヒータ上方にある。
次いで、各気圧に合わせた流量の水素を導入するが、このとき、排気側バルブを微調整して、目標の圧力にする。
【００３５】
このときリフトピン３４を下げることによってヒータ３２上にサンプル３０を載せる。サンプル３０の上面の温度が十分高くなったときに、プラズマ発生を開始する。プラズマ発生を開始してから、所定時間経過後、プラズマ発生および水素供給を停止し、冷却を開始する。このとき、リフトピン３４を上げ、搬送用アーム３６にサンプルを移し、冷却はアームに載せることによっておこなえばよい。
【００３６】
もちろん、以上のリフロー処理は、言わば実験室的操作を述べたものであり、実際の工業的生産ラインでは、さらに機能的に高度化されたものとなる。
次に、実施例によって本発明の作用効果をさらに具体的に説明する。
【００３７】
【実施例】
（実施例１）
本例では、図１に示すプラズマ照射装置を使用し、表１に示す組成のはんだペーストを用い、リフロー処理を行った。
【００３８】
はんだ粒子は、直径が５　〜１５μｍ　の粒子からなり、組成はＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ（ｍａｓｓ％）であった。この組成はＳｎ−Ｐｂ　に比べた場合に強度・熱疲労特性において優れているという特長をもつ。
【００３９】
フラックスは質量で、ペーストの９．５　〜１０．５％（容積では約５０％）を占める。活性剤としては活性の強いハロゲンは含まれておらず、残渣を除去する必要のない活性の弱い有機酸とアミン塩しか含まれていない。
【００４０】
基板は８　インチウェハにパターニングをしたものを使用した。この８　インチウェハには９．６　×９．６ｍｍ　のチップパターンが１０４　個あり（図２）、それぞれのチップには１８×１８＝３２４　個のパッドが設けられている（図３）。８インチウェハ一枚につき、１０４　×３２４　＝３４９９２　個のバンプが形成できることになる。
【００４１】
ソルダペーストの塗布は、ソルダペースト印刷機（谷電機工業：ＴＤ−４４２１　）によっておこなった。
このようにしてソルダペーストを塗布したウエハに次の手順でリフローを行った。
【００４２】
ウエハープラズマ照射装置に装入し、リフトピンに載せて、ヒータ上の載置した。ウエハ温度が２２５　℃〜２３０　℃を保つように加熱し、水素圧力は５０〜２００Ｐａ　でリフローをおこなった。
【００４３】
リフローに際しては、ヒータ上にサンプルを載せてから３　分経過した時点で出力２．５ｋＷ　の表面波プラズマの照射を開始した。整合器の調整はオートモードによって反射波出力を最小になるようにした。
【００４４】
プラズマ発生開始から１５秒から１　分経過したら、水素ラジカルの供給を停止し、リフトピンを上げ、搬送用アームにサンプルを移し、冷却した。
このときの結果を表２にまとめて示す。２種のフラックスによる結果は実質上同一であった。
【００４５】
比較例として、水素雰囲気で加熱し、プラズマ照射を行わなかった場合についてもその結果を示す。
各表において結果の欄に「◎」と「△」とあるのは、それぞれ、フラックス残渣の見られないバンプ形成が各塗布ソルダペーストについて行われたこと、および一部にバンプ形成が見られなかったことを示す。
【００４６】
表３は、ウエハ上にピッチ２１０　μｍ　で直径１６０　μｍ　のバンプを１０×１０列印刷して上述のリフロー処理を行ったときのはんだの濡れ性を評価したもので、いずれのソルダペーストについても同じ結果が得られた。◎は十分に濡れたことを示し、「×」ははんだの濡れが見られなかった場合を示す。
【００４７】
（実施例２）
チップ側ないしは基板側のはんだバンプを形成すべき場所に、本発明にかかるソルダペーストを印刷し、通常のはんだバンプを形成する手順の前にまず、チップと基板を接触させ、そのままの状態で、はんだを溶融させ、結果的にはんだバンプを介したチップと基板を接合する。
【００４８】
はんだ溶融によるバンプ形成と、そのあとの基板への接続を同時に行うことが可能となり、しかも、いずれもフラックスレスで接合が可能となる。プロセスが簡略化される。
【００４９】
このプロセスは、単なる水素ガス雰囲気では可能でなかった。また、水素プラズマから供給される水素イオンは直接、接合部に到達しないことから、この接合は、水素ラジカルによるはんだの還元作用によって実現されたものと結論される。
【００５０】
例として、リフロー条件を２００Ｐａ　、プラズマ発生による水素ラジカル供給時間１分でおこなった結果、６ｍｍ角のチップ上のバンプの溶融が確認できた。
本例は、ウエハ上へのバンプ形成を例にとって本発明の作用効果を説明したが、プリント基板への電子部品の実装にも同様の作用が発揮されることはこれまでの説明からも当業者には十分に理解できる。
【００５１】
【表１】
2004006818.tif 000002
【００５２】
【表２】
2004006818.tif 000003
【００５３】
【表３】
2004006818.tif 000004
【００５４】
【発明の効果】
以上、説明してきたように、本発明によれば、はんだ付けに際してフラックス残渣の問題がなく、良好なはんだ付け、特に印刷方式による微細バンプ形成、実装が可能となり、特にフラックス残渣の洗浄の必要性がないことから、フリップチップ実装には特に優れた実用性を示すものであり、その工業的意義は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明において用いるプラズマ照射装置の模式的説明図である。
【図２】実施例で用いた８インチウエハの模式的説明図である。
【図３】図２のウエハに設けられたチップの全体図である。
【図１】
2004006818.tif 000005
【図２】
2004006818.tif 000006
【図３】
2004006818.tif 000007