(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｎ：２０．５〜２３．５質量％を含有し、残りがＡｕおよび不可避不純物からなる組成を有するＡｕ−Ｓｎ合金溶湯を８００℃〜１０００℃に保持し撹拌しながらガスアトマイズした、素地中にＳｎリッチ初晶相が０．５〜３０面積％晶出している組織を有するＡｕ−Ｓｎ合金粉末とフラックスを混合して得られたＡｕ−Ｓｎはんだペーストを点状に塗布したのちリフロー処理することを特徴とするＡｕ−Ｓｎ合金バンプの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、大きなボイド、特にバンプ径の３０％を越える大きなボイドを内蔵することのないＡｕ−Ｓｎ合金バンプの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ＧａＡｓ光素子、ＧａＡｓ高周波素子、熱伝素子などの半導体素子と基板との接合、微細かつ高気密性が要求されるＳＡＷフィルター、水晶発振子などのパッケージ封止などにはＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストが使用されている。このＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストに含まれるＡｕ−Ｓｎ合金粉末は、Ｓｎ：２０質量％を含有し、残りがＡｕおよび不可避不純物からなる組成を有するＡｕ−Ｓｎ共晶合金粉末であることが知られており、このＡｕ−Ｓｎ共晶合金粉末は、通常、ガスアトマイズして得られることも知られている。
【０００３】
前記Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを基板の上に穴の明いたドライフィルム層を形成し、このドライフィルム層の穴にＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを埋めこんだのちリフロー処理して基板表面にＡｕ−Ｓｎ合金バンプを形成し、ドライフィルム層を除去して電極などとて使用することも知られている（非特許文献１参照）。
【非特許文献１】第１０回エレクトロニクスにおけるマイクロ接合・実装技術シンポジウム論文集Ｖｏｌ．１０．２００４  第９５〜１００ページ（社団法人  溶接学会  ２００４年２月５日発行）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、前記非特許文献１に記載のＳｎ：２０質量％を含有し、残りがＡｕおよび不可避不純物からなる組成を有するＡｕ−Ｓｎ合金粉末を含むペーストを用いて作製したＡｕ−Ｓｎ合金バンプの内部には大きなボイドが生成し残留して内蔵しており、かかる大きなボイドが内部に残留し内蔵しているＡｕ−Ｓｎ合金バンプを使用して半導体素子と基板などとを接合すると、接合部にも大きなボイドが残留し、この接合部の大きなボイドがクラックの起点となって信頼性のあるＡｕ−Ｓｎ合金はんだの接合部が得られない。この場合、Ａｕ−Ｓｎ合金バンプに内蔵ているボイドがバンプ径の３０％以下の小さいボイドである場合はクラックの起点となることはないので接合部の信頼性を低下させることはない。したがって、内部に大きなボイド、特にバンプ径の３０％を越える大きなボイドの内蔵することの少ないＡｕ−Ｓｎ合金バンプが求められていた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
そこで、本発明者らは、内部に大きなボイドを内蔵することのないバンプを得るべく研究を行った。その結果、Ｓｎ：２０．５〜２３．５質量％を含有し、残りがＡｕおよび不可避不純物からなる組成、並びに素地中にＳｎリッチ初晶相が０．５〜３０面積％晶出した組織を有するＡｕ−Ｓｎ合金粉末をフラックスに混合せしめて得られたＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを使用してリフロー処理することにより得られたＡｕ−Ｓｎ合金バンプは、バンプ内部に残留する大きなボイドが無くなる、という研究結果が得られたのである。
【０００６】
この発明は、かかる研究結果にもとづいてなされたものであって、
Ｓｎ：２０．５〜２３．５質量％を含有し、残りがＡｕおよび不可避不純物からなる組成を有するＡｕ−Ｓｎ合金溶湯を８００℃〜１０００℃に保持し撹拌しながらガスアトマイズした、素地中にＳｎリッチ初晶相が０．５〜３０面積％晶出している組織を有するＡｕ−Ｓｎ合金粉末とフラックスを混合して得られたＡｕ−Ｓｎはんだペーストを点状に塗布したのちリフロー処理するＡｕ−Ｓｎ合金バンプの製造方法、に特徴を有するものである。
【０００７】
この発明の大きなボイドを内蔵することのないＡｕ−Ｓｎ合金バンプの製造方法で使用するＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストは下記の方法で作製する。まず、Ｓｎ：２０．５〜２３．５質量％を含有し、残りがＡｕおよび不可避不純物からなる組成を有するＡｕ−Ｓｎ合金を溶解して得られた溶湯を温度：６００℃〜１０００℃に保持し、機械撹拌しながらまたは機械撹拌したのちこの撹拌された溶湯を圧力：３００〜８００ｋＰａで加圧しながら噴射圧力：５０００〜８０００ｋＰａの圧力で直径：１〜２ｍｍを有する小径ノズルからノズルギャップ：０．３ｍｍ以下で不活性ガスを噴射してＳｎリッチ初晶相が０．５〜３０面積％晶出しているＡｕ−Ｓｎ合金粉末を製造する。前記撹拌は機械撹拌であることが好ましく、機械撹拌の内でもプロペラ撹拌が一層好ましい。前記機械撹拌に電磁撹拌のような電気的撹拌を併用してもよく、機械撹拌に電磁撹拌を併用することもできる。前記機械撹拌の回転速度は特に限定されるものではないが、６０〜１００ｒ．ｐ．ｍで３〜１０分間プロペラ撹拌することが好ましい。このＡｕ−Ｓｎ合金粉末の製造方法において、Ａｕ−Ｓｎ合金溶湯を機械撹拌すると、Ｓｎリッチ初晶相が成長して大きくなることが無く、さらにＡｕリッチ初晶相クラスターのないＡｕ−Ｓｎ合金溶湯が得られ、この撹拌して得られたＡｕ−Ｓｎ合金溶湯をアトマイズすることにより素地中にＳｎリッチ初晶相が０．５〜３０面積％晶出し、Ａｕリッチ初晶相の無いＡｕ−Ｓｎ合金粉末が得られる。このようにして得られたＡｕ−Ｓｎ合金粉末と市販のロジン、活性剤、溶剤および増粘剤からなるフラックスとを混合してＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを作製する。
【０００８】
Ｓｎ：２０．５〜２３．５質量％を含有し、残りがＡｕおよび不可避不純物からなる組成のＡｕ−Ｓｎ合金溶湯を機械撹拌せずにそのままガスアトマイズして得られたＡｕ−Ｓｎ合金粉末はＳｎリッチ初晶相が晶出することがあってもその量は極めて少なく、その量は０．４％を越えることはない。このＳｎリッチ初晶相晶出量の少ないＡｕ−Ｓｎ合金粉末と市販のフラックスとを混合して得られたＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを基板上に点状に塗布しリフロー処理して得られたバンプには、バンプ径の３０％を越える大きなボイドが内蔵するようになる。
一方、前記Ｓｎリッチ初晶相が０．５〜３０面積％晶出しておりかつＡｕリッチ初晶相の無い組織を有するＡｕ−Ｓｎ合金粉末は、Ｓｎ：２０．５〜２３．５質量％を含有し、残りがＡｕおよび不可避不純物からなる組成のＡｕ−Ｓｎ合金溶湯を機械撹拌し、この機会撹拌したＡｕ−Ｓｎ合金溶湯をアトマイズすることにより製造することができる。このＡｕ−Ｓｎ合金粉末と市販のフラックスの混合体であるＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを基板上に点状に塗布しリフロー処理して得られたバンプは内在するボイドの数は少なくなるとともに、バンプ径の３０％を越える大きなボイドの発生は全く見られなくなるのである。
【０００９】
この発明のＡｕ−Ｓｎ合金バンプに含まれるＳｎの含有量を２０．５〜２３．５質量％に限定したのは、バンプに含まれるＳｎの含有量が２０．５質量％未満ではＡｕリッチ初晶相が晶出し、融点が高くなって融液粘性が高くなり、ペースト溶融中に発生したガスが基板近傍にトラップされてバンプ内部にボイドが残留するので好ましくなく、一方、Ｓｎの含有量が２３．５質量％を越えると、溶湯を機械撹拌しても粗大なＳｎリッチ初晶相が晶出するようになり、またＳｎリッチ初晶相が全体で３０面積％を越えて晶出するようにることによってボイドがバンプの内部から抜け難くなってバンプ内部に残留するので好ましくないからである。
【００１０】
この発明のＡｕ−Ｓｎ合金バンプを作製するために使用するＡｕ−Ｓｎ合金ペーストに含まれるＡｕ−Ｓｎ合金粉末に晶出するＳｎリッチ初晶相を０．５〜３０面積％晶出するように限定したのは、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末の断面に晶出するＳｎリッチ初晶相の量が０．５面積％未満ではＡｕリッチ初晶相が生成してしまい、このＡｕリッチ相は、他の共晶組織部とは融点が高くなるため、同じ温度では融液粘性が高く、ペースト溶融中に発生したガスがトラップされてボイド発生の原因となるので好ましくなく、一方、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末の断面にＳｎリッチ初晶相が３０面積％越えて晶出すると、明らかに粉末の融点が高温へシフトして行き、Ｓｎリッチ初晶相の比率が高くなり、共晶点よりシフトすることで融点が高くなり、融液の粘度が高くなって流動性が低下し、ペースト溶融時に発生するガスをトラップしてボイド発生の原因となるので好ましくないからである。この発明のＡｕ−Ｓｎ合金バンプを作製するために使用するＡｕ−Ｓｎ合金ペーストに含まれるＡｕ−Ｓｎ合金粉末に晶出するＳｎリッチ初晶相の晶出量の一層好ましい範囲は１０〜２０面積％である。
【発明の効果】
【００１１】
この発明のＡｕ−Ｓｎ合金バンプは内部にバンプ径の３０％を越える大きなボイドが内蔵することがないところから、従来のＡｕ−Ｓｎ合金バンプに比べてボイド起点によるクラックが発生する可能性が低くて接合部の信頼性が優れており、半導体装置の不良品発生率も減少してコストを低減することができ、産業上優れた効果をもたらすものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
表１に示される成分組成を有するＡｕ−Ｓｎ合金を高周波溶解炉により溶解し、得られた溶湯を表１に示される温度に保持しながら、表１に示される回転数で表１に示される時間プロペラを回転させて溶湯を機械撹拌しながらまたは機械撹拌したのち、溶湯に表１に示される圧力をかけ、高周波溶解炉の底部に設けられたノズルから溶湯を落下させ、同時にノズルの周囲にノズルギャップ：０．２ｍｍとなるように設けられた表１に示される直径のガスノズルから落下する溶湯に向かってＡｒガスを表１に示される噴射圧力で噴射させることによりガスアトマイズ粉末を作製し、このガスアトマイズ粉末を篩でふるうことにより平均粒径：２０μｍを有するＡｕ−Ｓｎ合金粉末を作製した。
を作製した。
【００１３】
これらＡｕ−Ｓｎ合金粉末を樹脂埋めして断面研磨し、断面をＥＰＭＡにて撮影し、このＥＰＭＡ画像において、粉末断面直径：１５μｍのもの１０サンプルを無作為に選定し、画像処理ソフトを用いてＳｎリッチ初晶相の粉末断面積に対するＳｎリッチ初晶相の占める面積％を求め、その結果を表１に示した。
これらＡｕ−Ｓｎ合金粉末に市販のＲＭＡフラックスをフラックス比率：７質量％混合してＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト１〜１１を作製した。
【００１４】
次に、これらＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト１〜１１を用いて、下記の測定を行った。
まず、縦：１０ｍｍ、横：１０ｍｍ、厚さ：１ｍｍの寸法を有するＳｉからなる板を用意し、この板の表面に厚さ：０．５μｍのＡｌスパッタ膜を形成したのちその上に厚さ：０．５μｍのＮｉ−Ｖ合金スパッタ膜を形成し、その上に１．０μｍのＣｕスパッタ膜を形成し、このＣｕスパッタ膜を形成した板の上に直径：９５μｍの穴を有し、厚さ：７０μｍを有するドライフィルム層を形成し、前記ドライフィルム層の穴に前記Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト１〜１１を充填し、リフロー処理（プレヒート１５０℃／６０秒＋本ヒート３２０℃／６０秒）することにより直径：８０μｍ、高さ：６０μｍの寸法を有するＡｕ−Ｓｎ合金バンプ１〜１１をそれぞれ１０００個作製した。これらＡｕ−Ｓｎ合金バンプ１〜１１の断面を１０００倍の金属顕微鏡で観察し、その断面の組織写真を撮り、その組織写真を図１〜１１に示した。その後、前記組織写真に基づいてＡｕ−Ｓｎ合金バンプ１〜１１の断面積に対するＳｎリッチ初晶相の占める面積％を画像処理ソフトを用いて測定し、それらの測定結果を表１に示した。
さらにＡｕ−Ｓｎ合金バンプ１〜１１をそれぞれ２４０個抽出し、この２４０個のＡｕ−Ｓｎ合金バンプ１〜１１をそれぞれ透過Ｘ線装置を用いてバンプに内蔵しているボイドの数および径を測定し、ボイド径をバンプ径に対する比率で求め、ボイド径がバンプ径の１０％以下のボイド、ボイド径がバンプ径の１０％越え〜２０％以下のボイド、ボイド径がバンプ径の２０％越え〜３０％以下のボイドおよびボイド径がバンプ径の３０％越えるボイドとに分類し、それらの分類されたボイドの数を求め、それらの結果を表２に示した。
【００１５】
【表１】
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【００１６】
【表２】
0004826735.tif 000003
【００１７】
図１〜１１および表２に示される結果から、Ｓｎ：２０．５〜２３．５質量％を含有するＡｕ−Ｓｎ合金バンプ４〜８(本発明バンプ)はバンプ径に対し３０％を越える大きなボイドが発生することはないが、Ｓｎ：１８．１〜１８．９質量％を含有するＡｕ−Ｓｎ合金バンプ１〜２（比較バンプ）、Ｓｎ：２０．１質量％を含有するＡｕ−Ｓｎ合金バンプ３（従来バンプ）およびＳｎ：２４．１〜３０．０質量％を含有するＡｕ−Ｓｎ合金バンプ９〜１１（比較バンプ）はいずれもバンプ径に対し３０％を越える大きなボイドが発生するので好ましくないことがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】Ａｕ−Ｓｎ合金バンプ１の断面の金属顕微鏡組織写真である。
【図２】Ａｕ−Ｓｎ合金バンプ２の断面の金属顕微鏡組織写真である。
【図３】Ａｕ−Ｓｎ合金バンプ３の断面の金属顕微鏡組織写真である。
【図４】Ａｕ−Ｓｎ合金バンプ４の断面の金属顕微鏡組織写真である。
【図５】Ａｕ−Ｓｎ合金バンプ５の断面の金属顕微鏡組織写真である。
【図６】Ａｕ−Ｓｎ合金バンプ６の断面の金属顕微鏡組織写真である。
【図７】Ａｕ−Ｓｎ合金バンプ７の断面の金属顕微鏡組織写真である。
【図８】Ａｕ−Ｓｎ合金バンプ８の断面の金属顕微鏡組織写真である。
【図９】Ａｕ−Ｓｎ合金バンプ９の断面の金属顕微鏡組織写真である。
【図１０】Ａｕ−Ｓｎ合金バンプ１０の断面の金属顕微鏡組織写真である。
【図１１】Ａｕ−Ｓｎ合金バンプ１１の断面の金属顕微鏡組織写真である。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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