(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｎ：１〜６５質量％を含有し、残りがＰｂおよび不可避不純物からなり、前記不可避不純物として含まれるＮｉが２ｐｐｍ以下であることを特徴とするペースト用Ｐｂ−Ｓｎはんだ合金粉末。
【請求項２】
Ｓｎ：１〜６５質量％を含有し、残りがＰｂおよび不可避不純物からなり、前記不可避不純物として含まれるＮｉが２ｐｐｍ以下であることを特徴とするＰｂ−Ｓｎはんだ合金ボール。
【請求項３】
請求項１記載のＰｂ−Ｓｎはんだ合金粉末：８５〜９５質量％を含有し、残部がフラックスからなるはんだペースト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、窪み、凹凸、ボイドなどが発生することの少ないはんだバンプを形成するためのペースト用Ｐｂ−Ｓｎはんだ合金粉末に関するものであり、またこの発明は窪み、凹凸、ボイドなどが発生することの少ないはんだバンプを形成するためのＰｂ−Ｓｎはんだ合金ボールに関するものであり、さらにこの発明は前記ペースト用Ｐｂ−Ｓｎはんだ合金粉末を含むはんだペーストに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体の集積度および処理速度が増すにつれ、半導体パッケージの形態もますます進化し、高密度実装技術は飛躍的に向上している。この高密度実装において必要不可欠な技術がフリップチップ実装技術である。フリップチップ実装技術とは、基板と半導体チップとを実装する手法の一つで、チップのアクティブ面（トランジスタが形成されている面） と基板面とに、はんだバンプ（小突起）を形成して、フリップして（ひっくり返して）接合する技術であって、チップと基板とは最短距離で接続される。
【０００３】
これまで主流であったワイヤボンディング実装は、接合端子がチップ周辺のみの“列配置”であったのに対し、この手法はチップの“面配置”で単位面積当たりの端子数が圧倒的に多く設置出来るため、チップの小型化・薄型化・高速化に寄与している。また、接合部の距離が短いため、電気的ノイズについても圧倒的に有利となる。
【０００４】
前記はんだバンプを形成するためのはんだ合金として、Ｓｎ：１〜６５質量％を含有し、残部がＰｂおよび不可避不純物からなる成分組成を有するＰｂ−Ｓｎはんだ合金が知られている。
【０００５】
前記はんだバンプの形成方法としては、蒸着法、メッキ法、印刷法、ボールマウント法などがあるが、量産性、コストの面から印刷法が有利と考えられている。しかし、最近では、ハンダボールを用いたボールマウント法も、バンプ形成後のバンプ高さバラツキが小さいということより注目を集めており、ボールマウント法も高密度フリップチップバンプ用として採用されつつある。
印刷法は、パターンが形成されたステンシルを使い印刷する方法やステンシルの代わりにパターン付きレジストフィルムを使用する方法がある。所定のパターンに所定のはんだペーストをウエハや基板のＵＢＭ（アンダーバンプメタル)上に印刷塗布した後、リフローし、はんだバンプを形成する。このＵＢＭの最表面は、ＣｕやＣｕにＯＳＰ処理(有機膜処理)を施したもの、Ａｕ／Ｎｉメッキ処理やＳｎメッキ処理を施したものがある。前記はんだペーストはＳｎ：１〜６５質量％を含有し、残部がＰｂおよび不可避不純物からなる成分組成を有するＰｂ−Ｓｎはんだ合金粉末とフラックスからなり、前記はんだペーストは粘度が６０〜２５０Ｐａ・ｓの範囲内にあることが好ましく、このはんだペーストは平均粒径：０．１〜６０μｍのＰｂ−Ｓｎはんだ合金粉末：８５〜９５質量％を含有し、残部がフラックスからなる配合組成を有し、前記フラックスは活性剤：０．０５〜１０．０質量％、溶剤：２０〜５５質量％、増粘剤：１．０〜１０質量％を含有し、残部がロジンからなる配合組成を有していることが知られている。
また、ボールマウント法は、ウエハや基板のＵＢＭ（アンダーバンプメタル）上にフラックスを印刷や転写やディスペンスなどにより供給し、この上にハンダボールをマウンター(ボール搭載機)を用いて搭載した後、リフローし、はんだバンプを形成する方法である（特許文献１、２参照）。
【特許文献１】特開２００１−９５８８号公報
【特許文献２】特開２００６−１６５３３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のＳｎ：１〜６５質量％を含有し、残部がＰｂおよび不可避不純物からなる成分組成を有するＰｂ−Ｓｎはんだ合金粉末をフラックスに混合して得られたはんだペーストを使用して作製した微小はんだバンプは、印刷条件やリフロー条件をいかに変えようとも、バンプ内部にバンプサイズの３０％以上の空孔（以下、この空孔をボイドという）が発生し、また、バンプサイズの１０％以上のボイド数もバンプ総数に対して４％以上発生することがあり、このため、基板に実装した後の信頼性試験において、熱ひずみや衝撃によりボイドが起点となりクラックが進行するなど長期信頼性が得られないという問題があった。
また、バンプ表面にバンプ直径に対して１０〜５０％ほどの球状の窪みがバンプ総数に対して５％前後発生することがあり、この窪みが発生すると、バンプ高さ不足による接合不良が発生するので好ましくない。更には、バンプ表面に小さな凹凸が生じ、表面の表面積が増大し、表面が酸化されやすく、フリップチップ実装における接合時（リフロー時）に、もう一方のバンプとの接合界面にボイドが発生することがあるので好ましくない。
さらに、ウエハや基板のＵＢＭ（アンダーバンプメタル）上にフラックスを印刷や転写やディスペンスなどにより供給し、この上に従来のＳｎ：１〜６５質量％を含有し、残部がＰｂおよび不可避不純物からなる成分組成を有するＰｂ−Ｓｎはんだ合金ボールをマウンター（ボール搭載機）を用いて搭載した後、リフローすることにより形成したはんだバンプにも同じような現象が見られるので好ましくなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そこで、本発明者らは、バンプ内部のボイド、バンプ表面の窪み、凹凸などの発生が少ないはんだバンプを形成すべく研究を行った。その結果、
（イ）Ｐｂ−Ｓｎ合金はんだペーストに含まれるＰｂ−Ｓｎはんだ合金粉末に不可避不純物として含まれるＮｉがはんだバンプのボイド、窪み、凹凸などの発生に大きく影響を及ぼし、従来のＰｂ−Ｓｎはんだ合金粉末にはＮｉが２ｐｐｍを越えて含まれていたが、Ｎｉ含有量が２ｐｐｍ以下のＰｂ−Ｓｎはんだ合金粉末に市販のフラックスを配合して得られたペーストを使用して得られたはんだバンプには、ボイド、窪み、凹凸などの発生が極めて少なくなる、
（ロ）Ｎｉ含有量が２ｐｐｍ以下のＰｂ−Ｓｎはんだ合金ボールを使用して作製したバンプにも、ボイド、窪み、凹凸などの発生が極めて少なくなる、などの研究結果が得られたのである。
【０００８】
この発明は、かかる研究結果に基づいてなされたものであって、
（１）Ｓｎ：１〜６５質量％を含有し、残りがＰｂおよび不可避不純物からなり、前記不可避不純物として含まれるＮｉが２ｐｐｍ以下であるＰｂ−Ｓｎはんだ合金粉末。
（２）Ｓｎ：１〜６５質量％を含有し、残りがＰｂおよび不可避不純物からなり、前記不可避不純物として含まれるＮｉが２ｐｐｍ以下であるＰｂ−Ｓｎはんだ合金ボール、
（３）前記（１）記載のＰｂ−Ｓｎはんだ合金粉末：８５〜９５質量％を含有し、残部がフラックスからなるはんだペースト、に特徴を有するものである。
【０００９】
前記不可避不純物として含まれるＮｉが２ｐｐｍ以下であるこの発明のＰｂ−Ｓｎはんだ合金粉末は、Ｎｉ含有量が２ｐｐｍ以下のＰｂ原料およびＮｉが２ｐｐｍ以下のＳｎ原料を選び出し、このＰｂ原料およびＳｎ原料を溶解し、得られた溶湯を不活性ガスアトマイズすることにより作製することができる。そして、この発明のＰｂ−Ｓｎはんだ合金粉末の粒径は平均粒径：２〜１５μｍの範囲内にあることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
この発明のＰｂ−Ｓｎはんだ合金粉末を含むはんだペーストおよびはんだボールを使用して形成したはんだバンプは、バンプ内部にボイドの発生が少なくさらにバンプ表面に窪み、凹凸などの発生が少ないことから接合信頼性が高く、半導体最終製品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】
【００１１】
実施例１
市販のＰｂ原料およびＳｎ原料の中からＮｉが２ｐｐｍ以下であるＰｂ原料およびＳｎ原料を選び出し、このＰｂ原料およびＳｎ原料を溶解し、得られた溶湯を不活性ガスアトマイズすることにより表１に示される平均粒径を有し、Ｓｎ：１０質量％を含有し、残部がＰｂおよび不可避不純物を有し、前記不可避不純物として含まれるＮｉ量が表１に示される本発明Ｐｂ−Ｓｎはんだ合金粉末１〜５を作製した。前記不可避不純物として含まれるＮｉ量はＩＣＰ分析装置（高周波アルゴンプラズマ発光分光分析装置（Ｓｅｉｋｏ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ＳＰＳ１７００ＨＶＲ））を用い、ＪＩＳ  Ｚ  ３１９０に準拠して測定した。
さらに、市販のＰｂ原料およびＳｎ原料を選別せずに溶解し、得られた溶湯を不活性ガスアトマイズすることにより表１に示される平均粒径を有し、Ｓｎ：１０質量％を含有し、残部がＰｂおよび不可避不純物を有する従来Ｐｂ−Ｓｎはんだ合金粉末１〜２を作製し、不可避不純物として含まれるＮｉ量を同様にして求め、その結果を表１に示した。
【００１２】
【表１】
0005003551.tif 000002
【００１３】
さらに、市販のＲＭＡタイプのフラックスを用意し、表１に示される本発明Ｐｂ−Ｓｎはんだ合金粉末１〜５および従来Ｐｂ−Ｓｎはんだ合金粉末１〜２と市販されているフラックス（ＲＭＡタイプ）を、ハンダ粉末：フラックス＝８９質量％：１１質量％の混合比で混錬することによりいずれも粘度：約２００Ｐａ・ｓを有する本発明はんだペースト１〜５および従来はんだペースト１〜２を作製した。これらはんだペーストをパターン形成されたメタルマスク（開口径：１２０μｍ、厚み：７０μｍ）を用いて、ウエハ（シリコン基板／Ａｌ／ＮｉＶ／Ｃｕにより構成されたＵＢＭ（アンダーバンプメタル）を有する）に印刷し、ベルト炉を使用し、窒素雰囲気中、最大温度：３４０℃の条件のリフロー処理を行った後、形成された１０００個のバンプについて、バンプ表面に形成された５μｍ以上の径を有する窪みの数および凹凸の有無を光学顕微鏡（×２００倍）にて観察し、その結果を表２に示した。さらにバンプ内部のボイドを透過Ｘ線を用いて観察し、バンプ径の１０％以上の大きさを有するボイドの数を測定し、その結果を表２に示した。
【００１４】
【表２】
0005003551.tif 000003
【００１５】
表１〜２に示される結果から、本発明Ｐｂ−Ｓｎはんだ合金粉末１〜５を含むはんだペーストは、従来Ｐｂ−Ｓｎはんだ合金粉末１を含むはんだペーストに比べて窪みおよび凹凸の発生が無く、さらにボイドの発生数が少ないことがわかる。
【００１６】
実施例２
市販のＰｂ原料およびＳｎ原料の中からＮｉが２ｐｐｍ以下であるＰｂ原料およびＳｎ原料を選び出し、このＰｂ原料およびＳｎ原料を溶解し、得られた溶湯を不活性ガスアトマイズすることにより表３に示される平均粒径を有し、Ｓｎ：６３質量％を含有し、残部がＰｂおよび不可避不純物を有し、前記不可避不純物として含まれるＮｉ量が表３に示される本発明Ｐｂ−Ｓｎはんだ合金粉末６〜１０を作製した。前記不可避不純物として含まれるＮｉ量はＩＣＰ分析装置（高周波アルゴンプラズマ発光分光分析装置（Ｓｅｉｋｏ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ＳＰＳ１７００ＨＶＲ））を用い、ＪＩＳ  Ｚ  ３１９０に準拠して測定した。
さらに、市販のＰｂ原料およびＳｎ原料を選別せずに溶解し、得られた溶湯を不活性ガスアトマイズすることにより表３に示される平均粒径を有し、Ｓｎ：６３質量％を含有し、残部がＰｂおよび不可避不純物を有する従来Ｐｂ−Ｓｎはんだ合金粉末３〜４を作製し、不可避不純物として含まれるＮｉ量を同様にして求め、その結果を表３に示した。
さらに、市販のＰｂ原料およびＳｎ原料を選別せずに溶解し、得られた溶湯を不活性ガスアトマイズすることにより表３に示される平均粒径を有し、Ｓｎ：６３質量％を含有し、残部がＰｂおよび不可避不純物を有する従来Ｐｂ−Ｓｎはんだ合金粉末３〜４を作製し、不可避不純物として含まれるＮｉ量を同様にして求め、その結果を表３に示した。
【００１７】
【表３】
0005003551.tif 000004
【００１８】
さらに、市販のＲＡタイプのフラックスを用意し、表３に示される本発明Ｐｂ−Ｓｎはんだ合金粉末６〜１０および従来Ｐｂ−Ｓｎはんだ合金粉末３〜４と市販されているフラックス（ＲＡタイプ）を、ハンダ粉末：フラックス＝８９．５質量％：１０．５質量％の混合比で混錬することによりいずれも粘度：約２５０Ｐａ・ｓを有する本発明はんだペースト６〜１０および従来はんだペースト３〜４を作製した。これらはんだペーストをパターン形成されたメタルマスク（開口径：１２０μｍ、厚み：７０μｍ）を用いて、ウエハ（シリコン基板／Ａｌ／ＮｉＶ／Ｃｕにより構成されたＵＢＭを有する）に印刷し、ベルト炉を使用し、窒素雰囲気中、最大温度：２３０℃の条件のリフロー処理を行った後、形成された１０００個のバンプについて、バンプ表面に形成された５μｍ以上の径を有する窪みの数および凹凸の有無を光学顕微鏡（×２００倍）にて観察し、その結果を表４に示した。さらにバンプ内部のボイドを透過Ｘ線を用いて観察し、バンプ径の１０％以上の大きさを有するボイドの数を測定し、その結果を表４に示した。
【００１９】
【表４】
0005003551.tif 000005
【００２０】
表３〜４に示される結果から、本発明Ｐｂ−Ｓｎはんだ合金粉末６〜１０を含むはんだペーストは、従来Ｐｂ−Ｓｎはんだ合金粉末３〜４を含むはんだペーストに比べて窪みおよび凹凸の発生が無く、さらにボイドの発生数が少ないことがわかる。
【００２１】
実施例３
市販のＰｂ原料およびＳｎ原料の中からＮｉが２ｐｐｍ以下であるＰｂ原料およびＳｎ原料を選び出し、このＰｂ原料およびＳｎ原料を溶解し、得られた溶湯を不活性ガス中にて穴のあいた純度カーボンモールドに注入し、溶湯表面に圧力を加えることにより溶滴としてＰｂ−Ｓｎはんだ合金の融点より高い温度に設定されたシリコンオイル中に滴下し、冷却することにより表５に示される平均粒径を有し、Ｓｎ：５質量％を含有し、残部がＰｂおよび不可避不純物を有し、前記不可避不純物として含まれるＮｉ量が表５に示される本発明Ｐｂ−Ｓｎはんだ合金ボール１〜５を作製した。前記不可避不純物として含まれるＮｉ量はＩＣＰ分析装置（高周波アルゴンプラズマ発光分光分析装置（Ｓｅｉｋｏ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ＳＰＳ１７００ＨＶＲ））を用い、ＪＩＳ  Ｚ  ３１９０に準拠して測定した。
さらに、市販のＰｂ原料およびＳｎ原料を選別せずに溶解し、得られた溶湯を不活性ガス中にて穴のあいた純度カーボンモールドに注入し、溶湯表面に圧力を加えることにより溶滴としてＰｂ−Ｓｎはんだ合金の融点より高い温度に設定されたシリコンオイル中に滴下し、冷却することにより表５に示される平均粒径を有し、Ｓｎ：５質量％を含有し、残部がＰｂおよび不可避不純物を有する従来Ｐｂ−Ｓｎはんだ合金ボール１〜２を作製し、不可避不純物として含まれるＮｉ量を同様にして求め、その結果を表５に示した。
【００２２】
さらに、ウエハ（シリコン基板／Ａｌ／ＴｉＷ／ＮｉＶ／Ｃｕにより構成されたＵＢＭを有する）のＵＢＭ上に、市販のフラックスを印刷し、その上に表５に示される本発明Ｐｂ−Ｓｎはんだ合金ボール１〜５および従来Ｐｂ−Ｓｎはんだ合金ボール１をボール搭載機を用いて搭載した。その後、ベルト炉を使用し、窒素雰囲気中、最大温度：３４５℃の条件のリフロー処理を行った後、形成された１０００個のバンプについて、表面の５μｍ以上の径を有する窪み数、凹凸の有無を光学顕微鏡（×２００倍）にて観察し、さらにバンプ径の１０％以上の大きさを有するボイドを透過Ｘ線を用いて観察し、バンプ径の１０％以上の大きさを有するボイドの数を測定し、その結果を表５に示した。
【００２３】
【表５】
0005003551.tif 000006
【００２４】
表５に示される結果から、本発明Ｐｂ−Ｓｎはんだ合金ボール１〜５は、従来Ｐｂ−Ｓｎはんだ合金ボール１〜２に比べて窪みの数が少なく、さらに凹凸の発生が無く、さらにボイドの発生数が少ないことがわかる。