(57)【要約】 【課題】電極に印刷が可能であり、リフロー熱処理条件では再溶融しないバンプであって、接続時の潰れによる短絡を防止できるバンプを提供する。【解決手段】リフロー温度では再溶融しないはんだ合金から構成され、実装時の少なくとも接合面に複数の孔を有するバンプであって、バンプの断面における孔の合計面積÷バンプ全体の面積×１００で算出される孔の割合が５％〜８０％であることを特徴とするバンプ。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リフロー温度では再溶融しないはんだ合金から構成され、実装時の少なくとも接合面に複数の孔を有するバンプであって、バンプの断面における孔の合計面積÷バンプ全体の面積×１００で算出される孔の割合が５％〜８０％であることを特徴とするバンプ。
【請求項２】
接合面が半球状、平面状、または凹状である請求項１記載のバンプ。
【請求項３】
実装時の接合面と反対側の面が、半導体チップまたはパッケージの電極と接合している請求項１または２のいずれか一項に記載のバンプ。
【請求項４】
電極上に接合材料を有するプリント配線板と、請求項１〜３のいずれか一項に記載のバンプを熱処理して接合することを特徴とするバンプ接続構造体の製造方法。
【請求項５】
半導体チップまたはパッケージの電極上に形成された請求項１〜３のいずれか一項のバンプに接合材料を転写して、プリント配線板の電極と熱処理により接合することを特徴とするバンプ接続構造体の製造方法。
【請求項６】
接合材料が導電性ペーストを電極上に塗布したものであるか又はバンプに転写したものであって、該導電性ペーストが、ロジン、活性剤、溶剤、及び増粘剤からなるフラックスと、第１の金属粒子と第２の金属粒子の混合体からなる導電性フィラーであって、該導電性フィラーが、示差走査熱量測定で発熱ピークとして観測される準安定合金相を少なくとも１つと、吸熱ピークとして観測される融点を２１０〜２４０℃と３００〜４５０℃の２箇所に少なくとも１つずつ有するとともに、５０〜２０９℃には吸熱ピークとして観測される融点を有さないものであり、該導電性フィラーを熱処理することにより第２の金属粒子を溶融させ第１の金属粒子と接合させた接合体は示差走査熱量測定で吸熱ピークとして観測される融点を５０〜２４０℃に有さないか、または５０〜２４０℃の吸熱ピーク面積から観測される溶融時の吸熱量が、熱処理前の２１０〜２４０℃の吸熱ピーク面積から観測される溶融時の吸熱量の９０％以下になる導電性フィラーとで構成されるバンプ形成用ペ−ストであることを特徴とする請求項４または５のいずれか一項に記載のバンプ接続構造体の製造方法。
【請求項７】
プリント配線板の電極と、リフロー温度では再溶融しないはんだ合金から構成されたバンプが、該電極上に形成された接合材料を介して接続されており、さらに、該接合材料の一部がバンプの接合面に存在する複数の孔中に入り込んでいることを特徴とするバンプ接続構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バンプ及び該バンプを用いた接続構造体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
基板への半導体の実装形態は、ＳＭＴ実装（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｍｏｕｎｔｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）からＣＯＢ（Ｃｈｉｐ  Ｏｎ  Ｂｏａｒｄ）混載実装へと発展してきた。フリップチップ（ＦＣ）技術は、ベアチップ実装形態の流れの変化から生まれたもので、半導体チップまたはパッケージと、プリント配線板の接続に使われている。ＦＣは半導体チップのパッド部にハンダのボールを形成してプリント基板上またはセラミック基板上の回路において表面を下にしてフェースダウンによるハンダ付けをする方式で、ワイヤレスボンディングの一つである。
【０００３】
代表的なＦＣのプロセスにはＣ４工法（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｃｏｌｌａｐｓｅ  Ｃｈｉｐ  Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）、ＥＳＣ工法（Ｅｐｏｘｙ−Ｅｎｃａｐｓｕｌａ  Ｓｏｌｄｅｒ  Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ：樹脂先塗り金属結合）、ＡＣＦ工法（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｆｉｌｍ）などがある。Ｃ４工法はほかの部品との一括リフローが可能で、ＥＳＣ工法やＡＣＦ工法は接続に使う熱硬化性樹脂を熱圧着で硬化させる。
【０００４】
半導体実装技術における接合方式は、ワイヤを用いて半導体チップと基板とを接合するワイヤボンディング方式、並びにバンプを用いるＴＡＢ（Ｔａｐｅ  Ａｕｔｏｍａｔｅｄ
ｂｏｎｄｉｎｇ）方式及び前述したＦＣ（Ｆｌｉｐ  Ｃｈｉｐ）方式がある。バンプは、ＴＡＢ方式やＦＣ方式において半導体チップの電極と実装基板の電極とを接続したり、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）やＣＳＰ（Ｃｈｉｐ  Ｓｉｚｅ  Ｐａｃｋａｇｅ）等のパッケージを実装基板に接続するための金属突起媒体のことで、電気的接続と機械的保持の役割を担っている（非特許文献１参照）。
【０００５】
近年の電子機器では、高密度化の流れから、回路基板上に複数の半導体チップを搭載できるＦＣ方式の実装プロセスが多用される傾向にある。ＦＣ方式では、半導体チップまたはパッケージの電極にバンプを形成し、基板の電極と位置合わせして搭載後、リフロー熱処理で接続するのが一般的である。通常、上記基板の電極には、リフロー熱処理で溶融する接合材料（はんだ等）が被膜されており、該接合材料が、バンプと溶融接合する。一方、バンプは、接続時の潰れによる短絡を防ぐ必要から、リフロー熱処理では溶融しない高融点金属が使用される。
【０００６】
主要なバンプ用の高融点金属としては、Ａｕ、Ｐｂ−Ｓｎ高温はんだ（Ｐｂ含有率８５％以上）が挙げられる。Ａｕは、柔らかい材料で、半導体チップの歪みやバンプ高のばらつきを搭載時の加圧で吸収することができ、酸化の影響を受けず、基板電極のはんだとの濡れ性が良好などの利点があるが、非常に高価である。また、熱拡散し易いので、接合界面において基板電極側の接合材料がはんだの場合にはＡｕ−Ｓｎ金属間化合物を形成し、カーケンダルボイドを生じて、接続信頼性を損なう欠点がある。
【０００７】
一方、Ｐｂ−Ｓｎ高温はんだは、安価ではあるが、高濃度にＰｂを含有しているので、人体に有害であり、ＥＵの環境規制（ＲｏＨＳ）等、製品に使用するには制限がある。また、Ｐｂ中の不純物であるＵ（ウラン）、Ｔｈ（トリウム）等の放射性元素からのα線による集積回路の誤作動も問題視されている。尚、バンプ形状は、はんだ金属を溶融形成するので、表面張力により球状になる特徴がある（特許文献１参照）。主なＰｂ−Ｓｎ高温
はんだ材料としては、固相線３００℃、液相線３１４℃からなるＰｂ−５Ｓｎ合金等が知られている。
【０００８】
Ａｕバンプ形成は、ワイヤボンダを用いるボールバンピング法またはめっき法が主流となっている。一方、Ｐｂ−Ｓｎ高温はんだバンプ形成は、はんだボール搭載法、蒸着法、電解めっき法等があるが、何れも工程が多く、製造ロスが多くなるため、生産性が十分ではない。これに対し、スクリーン印刷法は、半導体チップ電極上にペーストを印刷、リフロー熱処理でバンプ形成するので、シンプルで安価な製造プロセスとして注目されている。
【０００９】
従って、高温はんだを代替する印刷可能な材料でバンプを形成することが考えられる。鉛を含まないはんだ材料としては、Ｓｎ−Ａｇ、及びＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ非鉛はんだ材料がよく知られているが、これらの材料で形成されたバンプはリフロー温度で再溶融するため、溶融時の潰れによる短絡を防ぐことができない。また、接合界面において基板電極側の接合材料が溶融して隣の接続方向広がるため、高密度のバンプ接合には適さない。上述のように、電極上に印刷後リフローにすることでバンプを形成でき、形成されたバンプは該リフロー温度では再溶融せず、かつ高密度のバンプ接合時にショートが発生し難いバンプ接続構造体が求められていたが、すべてを満足するものはなかった。
一方、本発明者らは、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕで代表される鉛フリーはんだのリフロー熱処理条件（ピーク２４５℃）で溶融合金化し、合金形成後は、ピーク３００℃未満のリフロー熱処理条件では再溶融しない高耐熱性の鉛フリー接続材料を提案している（特許文献２参照）。
【００１０】
【特許文献１】特開２０００−２１６５３０号公報
【特許文献２】国際公開第２００６／１０９５７３号パンフレット
【非特許文献１】ＯＫＩテクニカルレビュー２００７年／１０月第２１１号Ｖｏｌ．７４Ｎｏ．３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、リフロー熱処理条件では再溶融しないバンプであって、接合時のバンプ接続構造体が隣の接続部方向には膨らまないで、接続時の潰れによる短絡を防止できるバンプ並びに、該バンプ接続構造体及びその製造方法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】
【００１２】
本発明者らは、上記課題を解決すべく検討を行った結果、バンプが接合面に複数の孔を有することにより接合界面において溶融した基板電極側の接合材料を吸収させるとの着想から本発明を完成するに至った。本発明は、下記のバンプ、バンプの製造方法、及び該バンプの接続構造体を提供する。
１．リフロー温度では再溶融しないはんだ合金から構成され、実装時の少なくとも接合面に複数の孔を有するバンプであって、バンプの断面における孔の合計面積÷バンプ全体の面積×１００で算出される孔の割合が５％〜８０％であることを特徴とするバンプ。
２．接合面が半球状、平面状、または凹状である上記１記載のバンプ。
３．実装時の接合面と反対側の面が、半導体チップまたはパッケージの電極と接合している上記１または２のいずれか一項に記載のバンプ。
４．電極上に接合材料を有するプリント配線板と、上記１〜３のいずれか一項に記載のバンプを熱処理して接合することを特徴とするバンプ接続構造体の製造方法。
５．半導体チップまたはパッケージの電極上に形成された上記１〜３のいずれか一項のバンプに接合材料を転写して、プリント配線板の電極と熱処理により接合することを特徴とするバンプ接続構造体の製造方法。
【００１３】
６．接合材料が導電性ペーストを電極上に塗布したものであるか又はバンプに転写したものであって、該導電性ペーストが、ロジン、活性剤、溶剤、及び増粘剤からなるフラックスと、第１の金属粒子と第２の金属粒子の混合体からなる導電性フィラーであって、該導電性フィラーが、示差走査熱量測定で発熱ピークとして観測される準安定合金相を少なくとも１つと、吸熱ピークとして観測される融点を２１０〜２４０℃と３００〜４５０℃の２箇所に少なくとも１つずつ有するとともに、５０〜２０９℃には吸熱ピークとして観測される融点を有さないものであり、該導電性フィラーを熱処理することにより第２の金属粒子を溶融させ第１の金属粒子と接合させた接合体は示差走査熱量測定で吸熱ピークとして観測される融点を５０〜２４０℃に有さないか、または５０〜２４０℃の吸熱ピーク面積から観測される溶融時の吸熱量が、熱処理前の２１０〜２４０℃の吸熱ピーク面積から観測される溶融時の吸熱量の９０％以下になる導電性フィラーとで構成されるバンプ形成用ペ−ストであることを特徴とする上記４または５のいずれか一項に記載のバンプ接続構造体の製造方法。
７．プリント配線板の電極と、リフロー温度では再溶融しないはんだ合金から構成されたバンプが、該電極上に形成された接合材料を介して接続されており、さらに、該接合材料の一部がバンプの接合面に存在する複数の孔中に入り込んでいることを特徴とするバンプ接続構造体。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のバンプは、リフロー熱処理条件では再溶融しない高耐熱性を有し、接合時のバンプ接続構造体が隣の接続部方向には膨らまないで、接続時の潰れによる短絡を防止できる。  
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明のバンプは、リフロー温度では再溶融しないはんだ合金から構成され、実装時の少なくとも接合面に複数の孔を有する。ここで、バンプの実装時の接合面とは、バンプを形成した電極と接する面を底面とした時のバンプ上面をいい、反対側の面とは該電極と接する面のことをいう。孔の割合はバンプの断面写真における孔の合計面積÷バンプ全体の面積×１００で割合を算出するものとし、５％〜８０％が好ましく、２０％〜５０％がより好ましい。孔の割合が５％より多いと電極上の接合材料を吸収する能力にすぐれる。また、孔の量が８０％より少ないとバンプの強度にすぐれる。
【００１６】
以下、このような特性を有する好ましいはんだ材料の一例について説明する。
本発明のバンプ形成に使用可能なはんだ材料は、汎用鉛フリーはんだのリフロー条件（ピーク２４５℃）で金属粒子は溶融、接合して、内部にはフラックスを閉じ込めた複数の孔を有するものとなることが好ましい。また、接合後にはんだから押し出されるフラックス残渣は少ないことが好ましい。
フリップチップ接合は、材料のフラックスを閉じ込めた複数の孔に溶融した接続材料を取り込んで接合し、隣の接続部方向には膨らまず、短絡を防止できる実装が可能であり、複数の孔が接続材料で満たされることが望ましい。
【００１７】
本発明のバンプ形成に使用するはんだ材料は、ロジン、活性剤、溶剤、及び増粘剤からなるフラックスと、第１の金属粒子と第２の金属粒子の混合体からなる導電性フィラーであって、該導電性フィラーが、示差走査熱量測定（以下「ＤＳＣ」ともいう。）で発熱ピークとして観測される準安定合金相を少なくとも１つと、吸熱ピークとして観測される融点を２１０〜２４０℃と３００〜４５０℃の２箇所に少なくとも１つずつ有するとともに、５０〜２０９℃には吸熱ピークとして観測される融点を有さないものであり、該導電性フィラーを熱処理することにより第２の金属粒子を溶融させ第１の金属粒子と接合させた接合体は示差走査熱量測定で吸熱ピークとして観測される融点を５０〜２４０℃に有さな
いか、または５０〜２４０℃の吸熱ピーク面積から観測される溶融時の吸熱量が、熱処理前の２１０〜２４０℃の吸熱ピーク面積から観測される溶融時の吸熱量の９０％以下になる導電性フィラーとで構成されるバンプ形成用ペーストであることが好ましい。
尚、本発明におけるＤＳＣの温度範囲は、３０〜６００℃とし、発熱量または吸熱量が±１．５Ｊ／ｇ以上あるものを測定対象物由来のピークとして定量し、それ未満のピークは、分析精度の観点から除外するものとする。
【００１８】
本発明のバンプは、前記バンプ形成用ペ−ストを半導体チップまたはパッケージの電極上に印刷塗布後、リフロー熱処理して前記導電性フィラーを溶融形成することが好ましい。
導電性フィラーとして好ましい第１の金属粒子と第２の金属粒子の混合体を例示すると、ＤＳＣで発熱ピークとして観測される準安定合金相を少なくとも１つと吸熱ピークとして観測される融点を３００〜６００℃に少なくとも１つ有する第１の金属粒子と、発熱ピークとして観測される準安定合金相を有さず吸熱ピークとして観測される融点を２１０〜２４０℃に少なくとも１つ有する第２の金属粒子との混合体があげられる。この混合体は、第１の金属粒子由来のＤＳＣで発熱ピークとして観測される準安定合金相を少なくとも１つと、第２の金属粒子由来の吸熱ピークとして観測される融点を２１０〜２４０℃に少なくとも１つ有すると共に、第１の金属粒子と第２の金属粒子の反応物である新たな安定合金相由来の吸熱ピークとして観測される融点を３００〜４５０℃に少なくとも１つ有するものである。
【００１９】
上記の混合体に、２４５℃の熱処理により第２の金属粒子の融点以上の熱履歴が与えられると、該第２の金属粒子が溶融し第１の金属粒子と接合する。これにより、第１の金属粒子と第２の金属粒子の間の熱拡散反応が加速的に進み、準安定合金相が消失して新たな安定合金相が形成される。即ち、ＤＳＣで発熱ピークとして観測される準安定合金相の存在が、該熱拡散反応の進行を助長する効果がある。ここで、上記熱処理の温度は、鉛フリーはんだのリフロー熱処理条件であるピーク温度２４０〜２６０℃の範囲で適宜設定することができるが、本発明における測定条件としてはピーク温度２４５℃で規定するものとする。
【００２０】
上記の熱拡散反応の進行とともに、第２の金属粒子の２１０〜２４０℃の融点を有する金属成分は、新たに形成される３００〜４５０℃の融点を有する安定合金相へ移動して減少する。つまり、上記の熱処理後の２１０〜２４０℃の吸熱ピーク面積から観測される第２の金属粒子由来の溶融時の吸熱量は該熱処理前に比べて減少するか、または消失する。
その一方で、第１の金属粒子と第２の金属粒子の反応により３００℃未満では溶融しない新たな安定合金相が形成される。
上記の混合体を２４５℃で熱処理した後の、５０〜２４０℃におけるＤＳＣの吸熱ピーク面積は、熱処理前の０〜９０％であることが好ましく、０〜７０％であることがより好ましい。該吸熱ピーク面積が９０％以下であれば、３００℃未満では溶融しない新たな安定合金相による高耐熱性を示す。尚、０％とは、該熱処理後は５０〜２４０℃におけるＤＳＣの吸熱ピークが消失することを意味する。
【００２１】
従って、上記導電性フィラーを溶融形成したバンプは、半導体チップまたはパッケージの電極と回路基板の電極をバンプ接続する際のリフロー熱処理温度が３００℃未満であれば、熱履歴を与えても全溶融することはないので、Ｐｂ−Ｓｎ高温はんだバンプの代替材料として使用することができる。
上記導電性フィラーを構成する第１の金属粒子は、前述のようにＤＳＣで発熱ピークとして観測される準安定合金相を少なくとも１つと吸熱ピークとして観測される融点を３００〜６００℃に少なくとも１つ有する金属粒子が例示される。
【００２２】
このような熱特性を示す金属粒子としては、Ｃｕ５０〜８０質量％とＡｇ、Ｂｉ、Ｉｎ、及びＳｎからなる群より選ばれる少なくとも１つ以上の元素２０〜５０質量％の組成を有する合金からなる金属粒子が好ましい。第２の金属粒子の主成分がＳｎである場合は、熱処理による接合強度を高くするために、第１の金属粒子におけるＣｕを５０質量％以上とすることが好ましい。また、準安定合金相を少なくとも１つと３００〜６００℃に融点を少なくとも１つ発現させるために、第１の金属粒子においてはＡｇ、Ｂｉ、Ｉｎ、及びＳｎからなる群より選ばれる少なくとも１つ以上の元素を１０質量％以上とすることが好ましい。
【００２３】
また、第１の金属粒子は、Ｃｕ５０〜８０質量％、Ｓｎ５〜２５質量％、Ａｇ５〜２５質量％、Ｂｉ１〜２０質量％、及びＩｎ１〜１０質量％の組成を有する合金からなる金属粒子がより好ましい。Ａｇ及びＢｉは、準安定合金相の発現を容易にするために、それぞれ５質量％以上及び１質量％以上とすることがより好ましい。ＳｎおよびＩｎは、熱処理時に第２の合金粒子との合金化を促進するために、それぞれ５質量％以上及び１質量％以上とすることがより好ましい。また、Ｃｕを５０質量％以上とするために、Ｓｎ、Ａｇ、Ｂｉ及びＩｎは、それぞれ２５質量％以下、２５質量％以下、２０質量％以下、及び１０質量％以下とすることがより好ましい。
上記において、さらにより好ましい第１の金属粒子は、Ｃｕ５０〜８０質量％、Ａｇ５〜１５質量％、Ｂｉ２〜１０％、Ｉｎ２〜１０％、及び残部Ｓｎの組成を有する合金からなる金属粒子である。
【００２４】
第２の金属粒子は、前述のようにＤＳＣで発熱ピークとして観測される準安定合金相を有さず吸熱ピークとして観測される融点を２１０〜２４０℃に少なくとも１つ有する金属粒子が例示される。
このような熱特性を示す金属粒子としては、Ｓｎを７０〜１００質量％含む金属粒子が好ましい。第１の金属粒子の主成分がＣｕである場合は、熱処理による接合強度を高くするために、第２の金属粒子におけるＳｎを７０質量％以上とすることが好ましい。また、Ｓｎは融点が２３２℃であるので、第２の金属粒子において２１０〜２４０℃に融点を発現させるためにも好ましい。Ｓｎ以外の成分としては、鉛フリーはんだで使用される金属元素、例えばＡｇ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｚｎ、を３０質量％以下とすることが好ましい。
また、第２の金属粒子は、Ｓｎ１００質量％、またはＳｎ７０〜９９質量％とＡｇ、Ｂｉ、Ｃｕ、及びＩｎからなる群より選ばれる少なくとも１つ以上の元素１〜３０質量％の組成を有する合金からなる金属粒子がより好ましい。
【００２５】
第１の金属粒子と第２の金属粒子の混合比は、第１の金属粒子１００質量部に対して、第２の金属粒子５０〜２００質量部が好ましく、５５〜１８６質量部がより好ましく、８０〜１８６質量部が最も好ましい。第１の金属粒子１００質量部に対して、第２の金属粒子が５０質量部以上であれば室温での接続強度が高く、第２の金属粒子が２００質量部以下であれば２６０℃での接続強度が高い。
上記金属粒子の粒子サイズは、バンプ形成方法に応じて定めることができる。例えば、スクリーン印刷法では、ペースト版抜け性を重視して、平均粒径２〜４０μｍの範囲で、粒度分布をブロードにとり、比較的真球度の高い粒子を使うことが好ましい。逆にディッピング法では、ペースト流動性を考慮して、粒度分布はシャープにするのが好ましい。
また、通常、微細な金属粒子は表面が酸化されていることが多い。従って、上述の用途における熱処理による溶融、熱拡散を促進するためには、酸化膜を除去する活性剤を配合することが好ましい。
【００２６】
上記導電性フィラーを構成する第１の金属粒子及び第２の金属粒子の製造方法としては、該金属粒子内に準安定合金相や安定合金相を形成させるために、急冷凝固法である不活
性ガスアトマイズ法を採用することが望ましい。ガスアトマイズ法では、通常、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガスが使用されるが、本発明に関しては、ヘリウムガスを用いることが好ましく、冷却速度は、５００〜５０００℃／秒が好ましい。
バンプ形成用ペーストは、本発明の導電性フィラー、並びにロジン、活性剤、溶剤、及び増粘剤等の成分からなるフラックスで構成される。ペーストにおける導電性フィラーの含有率としては、８５〜９５質量％が好ましい。フラックスは、金属粒子からなる導電性フィラーの表面処理に最適で、該金属粒子の溶融、及び熱拡散を促進するものである。フラックスとしては、公知の材料、例えば特許文献２に記載されたフラックスが使用できるが、更に有機アミンを酸化膜除去剤として加えるとより効果的である。また、必要に応じて、公知のフラックスに溶剤を加えて粘度を調整したものを使用してもよい。
【００２７】
バンプ形成用ペーストは、リフロー熱処理において、溶融する第２の金属粒子と溶融しない第１の金属粒子を含有することから、濡れ上がりが少なく、熱処理後も印刷時に近い形状を保持する特性があるので、印刷条件により、リフロー後のバンプ形状を半球状、平面状、または凹状にできる。バンプ形状のコントロールは印刷のスキージ速度で調整できて、印刷した形状をリフロー後も保つことを特長とする。なお、バンプ上部の印刷形状コントロールはスキージ速度を高くするほど半球状になり、低くするほど凹状となる。
【００２８】
フラックスを閉じ込めた複数の孔の大きさや分布が均一にできるためにはリフロー温度（ピーク２４５℃）で溶融し難い第１の金属粒子と、全溶融する第２の金属粒子が均一に混合されたペースト状態であり、リフロー処理で接合する場合は流動し難い第１の金属粒子が複数の孔を有する構造となる役割を担っている。また、複数の孔を有するバンプは毛細管現象で表面張力により接続材料を孔内へ取り込むことを特長とする。
また、バンプに複数の孔を有していると、基板電極の接合材料が隣に広がることが抑制されるとともに、バンプを形成するはんだ合金と該接合材料との溶融接合を促進するので好ましい。複数の孔はバンプ全体に均一分布していると更に好ましい。
【００２９】
本発明のバンプ材料は接合材料と接合する際は、複数の孔に溶融したはんだを取り込むが、接合体は隣の接続部方向には膨らまないので、接続時の潰れによる短絡を防止でき、高密度ピッチで形成されたバンプからなる半導体チップ、パッケージとプリント配線板の接続が可能である。
本発明のバンプを、プリント配線板に実装する時の接合面と反対側の面が半導体チップまたはパッケージの電極と接合している状態にするには、バンプ形成用ペ−ストを半導体チップまたはパッケージの電極上に印刷塗布後リフロー熱処理してバンプを形成すればよい。
【００３０】
形成されたバンプを有する半導体チップまたはパッケージと、電極上に接合材料を有するプリント配線板とは、該接合材料と該バンプの接合面を接触させた状態で熱処理して接合することによって、バンプ接続構造体を製造することができる。ここで、電極材料としては、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｓｉなどが挙げられる。また、接合材料とはバンプを構成するはんだ合金と基板の電極との接続を良好にするために設けるもので、電極が銅の場合は、該電極上にメッキで形成したＳｎ、Ａｕ、Ｎｉ、またはＳｎＰｂ共晶合金などの薄膜が好ましく使用できる。
【００３１】
また、バンプを有する半導体チップまたはパッケージの該バンプの接合面に上記接合材料を転写した上で、該接合面とプリント配線板の電極を接触させた状態で熱処理して接合することによって、バンプ接続構造体を製造することもできる。具体的な転写方法としては、ペースト状にした電極材料を平滑な表面を有するガラス板等の基材上に塗布し、バンプを有する半導体チップまたはパッケージの該バンプの接合面を塗布面に押し付ける方法があげられる。
【００３２】
バンプを構成するはんだ合金とプリント配線板の電極とのぬれが良い場合には、上記接合材料をプリント配線板の電極またはバンプの接合面に形成することなく、バンプとプリント配線板の電極を直接接触させて熱処理することによって接続構造体を製造することも可能である。
尚、バンプは、上述のように半導体チップ或いはパッケージの電極側に形成するのが一般的であるが、バンプ形成用ペ−ストをプリント配線板の電極上に印刷塗布後リフロー熱処理して形成することも勿論可能である。この場合には、該バンプを有するプリント配線板に、半導体チップまたはパッケージの電極を実装する時の接合面と反対側の面が、プリント配線板の電極と接合している状態になる。
【００３３】
バンプ形成に適した半導体チップ或いはパッケージの電極金属は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｓｉ等が挙げられるが、より好ましくは、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕである。尚、Ａｕ以外は、金属表面が酸化され易いので、ペーストを印刷塗布する前に、電極面をフラックス等で表面処理したり、或いは、プリフラックスコートしておくと良好なバンプ形成が可能である。
また、プリント配線板電極の接合材料として好ましいはんだ被膜は、Ｓｎ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ａｕ、Ｓｎ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇが挙げられるが、より好ましくは、Ｓｎ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕである。これらは、電極上にメッキまたは印刷により設けることができる。
【００３４】
また、本発明のバンプ製造に好ましく使用される第１の金属粒子と第２の金属粒子の混合体からなる導電性フィラーも上記接合材料として好ましく使用できる。すなわち、ロジン、活性剤、溶剤、及び増粘剤からなるフラックスと、第１の金属粒子と第２の金属粒子の混合体からなる導電性フィラーであって、該導電性フィラーが、示差走査熱量測定で発熱ピークとして観測される準安定合金相を少なくとも１つと、吸熱ピークとして観測される融点を２１０〜２４０℃と３００〜４５０℃の２箇所に少なくとも１つずつ有するとともに、５０〜２０９℃には吸熱ピークとして観測される融点を有さないものであり、該導電性フィラーを熱処理することにより第２の金属粒子を溶融させ第１の金属粒子と接合させた接合体は示差走査熱量測定で吸熱ピークとして観測される融点を５０〜２４０℃に有さないか、または５０〜２４０℃の吸熱ピーク面積から観測される溶融時の吸熱量が、熱処理前の２１０〜２４０℃の吸熱ピーク面積から観測される溶融時の吸熱量の９０％以下になる導電性フィラーとで構成されるバンプ形成用ペーストを、接合材料としてプリント配線板の電極に塗布することも好ましい。
【００３５】
実装時の少なくとも接合面に複数の孔を有するバンプと電極上に接合材料を有するプリント配線板とを熱処理により接合することで、該接合材料の一部が該バンプの接合面に存在する複数の孔中に入り込んだバンプ接続構造体を得ることができる。該バンプ接続構造体の孔の割合は接合前のバンプが有する孔の割合より小さくなり、強度の観点から０〜２０％であることが好ましく０〜１０％であることがより好ましい。
【００３６】
以上のとおり、本発明のバンプ接続構造体はバンプ複数の孔に接合材料を取り込んで、接続時の潰れによる短絡を防ぐ接合ができ、高密度ピッチに形成したバンプと接合材料の接合ができる半導体デバイスを製造することができる。
【実施例】
【００３７】
以下、本発明を実施例に基づいて説明する。なお、以下の実施例では、プリント配線板の電極または半導体チップもしくはパッケージにのかわりにＣｕ板を使用しているが、プリント配線板の電極等においても同様に実施できることはいうまでもない。
（１）第１の金属粒子の製造
Ｃｕ粒子６．５ｋｇ（純度９９質量％以上）、Ｓｎ粒子１．５ｋｇ（純度９９質量％以上）、Ａｇ粒子１．０ｋｇ（純度９９質量％以上）、Ｂｉ粒子０．５ｋｇ（純度９９質量％以上）、及びＩｎ粒子０．５ｋｇ（純度９９質量％以上）を黒鉛坩堝に入れ、９９体積％以上のヘリウム雰囲気で、高周波誘導加熱装置により１４００℃まで加熱、融解した。次に、この溶融金属を坩堝の先端より、ヘリウムガス雰囲気の噴霧槽内に導入した後、坩堝先端付近に設けられたガスノズルから、ヘリウムガス（純度９９体積％以上、酸素濃度０．１体積％未満、圧力２．５ＭＰａ）を噴出してアトマイズを行い、第１の金属粒子を作製した。この時の冷却速度は２６００℃／秒とした。
【００３８】
得られた第１の金属粒子を走査型電子顕微鏡（日立製作所（株）製：Ｓ−２７００）で観察したところ球状であった。この金属粒子を気流式分級機（日清エンジニアリング（株）製：ＴＣ−１５Ｎ）を用いて、１．６μｍの設定で分級した後に、そのオーバーカット粉を１０μｍ設定でもう一度分級して得られたアンダーカット粉を回収した。この回収された第１の金属粒子の体積平均粒径は２．７μｍであった。このようにして得られた第１の金属粒子を試料とし、島津製作所（株）製「ＤＳＣ−５０」を用い、窒素雰囲気下、昇温速度１０℃／分の条件で、３０〜６００℃の範囲において示差走査熱量測定を行った。その結果、得られた第１の金属粒子には、４９５℃、及び５１４℃に吸熱ピークが存在し、複数の融点を有することが確認できた。また、２５４℃の発熱ピークが存在し、準安定合金相を有することが確認できた。
【００３９】
（２）第２の金属粒子の製造
Ｓｎ粒子１０．０ｋｇ（純度９９質量％以上）を黒鉛坩堝に入れ、９９体積％以上のヘリウム雰囲気で、高周波誘導加熱装置により１４００℃まで加熱、融解した。次に、この溶融金属を坩堝の先端より、ヘリウムガス雰囲気の噴霧槽内に導入した後、坩堝先端付近に設けられたガスノズルから、ヘリウムガス（純度９９体積％以上、酸素濃度０．１体積％未満、圧力２．５ＭＰａ）を噴出してアトマイズを行うことにより、第２の金属粒子を作製した。この時の冷却速度は２６００℃／秒とした。
【００４０】
得られた第２の金属粒子を走査型電子顕微鏡（日立製作所（株）製：Ｓ−２７００）で観察したところ球状であった。この金属粒子を気流式分級機（日清エンジニアリング（株）製：ＴＣ−１５Ｎ）を用いて、５μｍの設定で分級した後に、そのオーバーカット粉を４０μｍ設定でもう一度分級して得られたアンダーカット粉を回収した。この回収された第２の金属粒子の体積平均粒径は６．５μｍであった。このようにして得られた第２の金属粒子を試料とし、島津製作所（株）製「ＤＳＣ−５０」を用い、窒素雰囲気下、昇温速度１０℃／分の条件で、３０〜６００℃の範囲において示差走査熱量測定を行った。その結果、得られた第２の金属粒子には、２４２℃の吸熱ピークが存在し、融点２３２℃（融解開始温度：通常、固相線温度と表示させる温度）を有することが確認できた。また、特徴的な発熱ピークは存在しなかった。
【００４１】
（３）熱処理による融点変化
（参考例１）
上記第１の金属粒子と上記第２の金属粒子とを重量比１００：８３で混合した導電性フィラー（平均粒径３．４μｍ）を試料とし、島津製作所（株）製「ＤＳＣ−５０」を用い、窒素雰囲気下、昇温速度１０℃／分の条件で、３０〜６００℃の範囲において示差走査熱量測定を行った。この測定により得られたＤＳＣチャートを図１に示す。この図に示すように、２３３℃、３４８℃、及び３７８℃に吸熱ピークが存在することが確認された。２３３℃の吸熱ピークは、融点２２７℃（融解開始温度：固相線温度と表示させる温度）、吸熱量１６．１Ｊ／ｇである。また、特徴的に２５５℃に発熱ピークが存在していた。
【００４２】
次に、該導電性フィラー９０．２質量％、ロジン系フラックス質量９．８％を混合し、
ソルダーソフナー（（株）マルコム製：ＳＰＳ−１）、脱泡混練機（松尾産業（株）製：ＳＮＢ−３５０）にかけてバンプ形成用ペーストを作製した。このようにして得られたバンプ形成用ペーストを試料として（株）マルコム製「ＰＣＵ−２０５」で粘度測定したところ、粘度２０４Ｐａ・ｓ、チクソ指数０．５０であった。
上記バンプ形成用ペーストをアルミナ基板に載せ、窒素雰囲気下にて、ピーク温度２４５℃でリフロー熱処理した。熱処理装置は、光洋サーモシステム（株）製のメッシュベルト式連続熱処理装置を使用した。温度プロファイルは、全工程が５分で、熱処理開始から１分３０秒で１４５℃に達し、その後は徐々に昇温、３分１５秒でピーク温度２４５℃に到達後、徐々に温度が降下、熱処理終了時は、１８７℃になる条件を採用した。
【００４３】
この熱処理後のバンプ形成用ペーストを試料とし、島津製作所（株）製「ＤＳＣ−５０」を用い、窒素雰囲気下、昇温速度１０℃／分の条件で、３０〜６００℃の範囲において示差走査熱量測定を行った。この測定により得られたＤＳＣチャートを図２に示す。この図に示すように、１３６℃、１７１℃、３４７℃、４２０℃に吸熱ピークが存在することが確認された。この内、２４０℃以下の吸熱ピークは、１３６℃、１７１℃で、吸熱量は、３．９Ｊ／ｇである。よって５０〜２４０℃の吸熱量は、熱処理前の２１０〜２４０℃の吸熱ピーク面積から観測される溶融時の吸熱量の２４％に減少し、新たな安定合金相が形成され、３００℃未満では溶融しない高耐熱性が確認された。
【００４４】
（参考例２）
上記第１の金属粒子と上記第２の金属粒子とを重量比１００：１８５で混合した導電性フィラー（平均粒径４．２５μｍ）を試料とし、島津製作所（株）製「ＤＳＣ−５０」を用い、窒素雰囲気下、昇温速度１０℃／分の条件で、３０〜６００℃の範囲において示差走査熱量測定を行った。２３５℃、４０９℃に吸熱ピークが存在することが確認された。２３５℃の吸熱ピークは、融点２２３℃（融解開始温度：固相線温度と表示させる温度）、吸熱量２．７１Ｊ／ｇである。また、特徴的に２４８℃に発熱ピークが存在していた。
次に、該導電性フィラー８９．６質量％、ロジン系フラックス質量１０．４％を混合し、ソルダーソフナー（（株）マルコム製：ＳＰＳ−１）、脱泡混練機（松尾産業（株）製：ＳＮＢ−３５０）にかけてバンプ形成用ペーストを作製した。このようにして得られたバンプ形成用ペーストを試料として（株）マルコム製「ＰＣＵ−２０５」で粘度測定したところ、粘度２１４Ｐａ・ｓ、チクソ指数０．４５であった。
【００４５】
上記バンプ形成用ペーストをアルミナ基板に載せ、窒素雰囲気下にて、ピーク温度２４５℃でリフロー熱処理した。熱処理装置は、光洋サーモシステム（株）製のメッシュベルト式連続熱処理装置を使用した。温度プロファイルは、全工程が５分で、熱処理開始から１分３０秒で１４５℃に達し、その後は徐々に昇温、３分１５秒でピーク温度２４５℃に到達後、徐々に温度が降下、熱処理終了時は、１８７℃になる条件を採用した。
この熱処理後のバンプ形成用ペーストを試料とし、島津製作所（株）製「ＤＳＣ−５０を用い、窒素雰囲気下、昇温速度１０℃／分の条件で、３０〜６００℃の範囲において示差走査熱量測定を行った。１７７℃、１９４℃、４０１℃、４３０℃に吸熱ピークが存在することが確認された。
【００４６】
（４）バンプ形成
（実施例１）
参考例１で作製したバンプ形成用ペーストを２．５ｍｍ×２．５ｍｍ、厚み０．２５ｍｍのＡｕ／Ｎｉめっきを施したＣｕ板に印刷塗布し、焼成炉光洋サーモシステム（株）製のメッシュベルト式連続熱処理装置で、条件は全工程が５分で、熱処理開始から１分３０秒で１４５℃に達し、その後は徐々に昇温、３分１５秒でピーク温度２４５℃に到達後、徐々に温度が降下、熱処理終了時は、１８７℃で窒素雰囲気下にてリフローした。印刷パターン形成は、印刷機としてマイクロテック（株）製の「ＭＴ−３２０ＴＶ」を用い、版
には、メタルマスクを用いた。マスク開孔は、０．３ｍｍφで、厚みは、０．１ｍｍである。印刷条件は、速度：１．０ｍｍ／ｓｅｃ、印圧：０．１ＭＰａ、スキージ圧：０．２ＭＰａ、背圧：０．１ＭＰａ、スキージはＲ８０−６０°、クリアランス：０ｍｍとした。このようにして得られたバンプの中心付近の断面写真を図３に示す。該断面写真をＷｉｎｄｏｗｓ（登録商標）用汎用画像処理パッケージＷｉｎＲＯＯＦを用いて２値化処理した結果、孔の割合は３１．２％であり、内部は複数の孔を均一に有していることが確認できた。なお、バンプ上部の印刷形状コントロールはスキージ速度を高くするほど半球状になり、低くするほど凹状となる。条件と結果の一例を以下に記す。
１．スキージ速度７ｍｍ／秒はバンプ形状は凹状
２．スキージ速度１０ｍｍ／秒はバンプ形状は平面状
３．スキージ速度２０ｍｍ／秒はバンプ形状は半球状
【００４７】
＜接合材料被膜の形成＞
一方、接合材料被膜方法について、印刷パターン形成は、印刷機としてマイクロテック（株）製の「ＭＴ−３２０ＴＶ」を用い、版には、メタルマスクを用いた。マスク開孔は、０．３ｍｍφで、厚みは、０．１ｍｍであり、印刷条件は、速度：１．０ｍｍ／ｓｅｃ、印圧：０．１ＭＰａ、スキージ圧：０．２ＭＰａ、背圧：０．１ＭＰａ、スキージはＲ８０−６０°、クリアランス：０ｍｍ、として、リフローは光洋サーモシステム（株）製のメッシュベルト式連続熱処理装置を使用した。温度プロファイルは、全工程が５分で、熱処理開始から１分３０秒で１４５℃に達し、その後は徐々に昇温、３分１５秒でピーク温度２４５℃に到達後、徐々に温度が降下、熱処理終了時は、１８７℃の条件で２．５ｍｍ×２．５ｍｍ、厚み０．２５ｍｍのＡｕ／Ｎｉめっきを施したＣｕ板に、接合材料として千住金属工業株式会社のエコソルダーペーストＭ７０５−ＧＲＮ３６０−Ｋ２−Ｖ（Ｓｎ／３．０Ａｇ／０．５Ｃｕ）を１００μｍ厚のメタルマスクを用いて印刷することで被膜した。
【００４８】
＜バンプと接合材料の接合＞
接合材料を被膜した上記Ｃｕ板に、バンプ形成した上記Ｃｕ板をフリップして、前記同様のリフロー条件で、窒素雰囲気下にてリフロー熱処理した。リフローする際はカプトンテープで基板の両端２箇所をズレ防止のため固定した。
フリップチップで接合したバンプの中心付近の断面写真を図４に示す。該断面写真をＷｉｎｄｏｗｓ（登録商標）用汎用画像処理パッケージＷｉｎＲＯＯＦを用いて２値化処理した結果、孔の割合は８．４％に減少しており、複数の孔を有したバンプは接合材料を取り込んで接合し、隣の接続部方向には膨らまないことが確認できた。この形状は、短絡を防止でき高密度の実装が可能であり、優れた接続信頼性を期待できる。
【００４９】
（実施例２）
参考例２で作製したバンプ形成用ペーストを２．５ｍｍ×２．５ｍｍ、厚み０．２５ｍｍのＣｕ板に印刷塗布し、焼成炉光洋サーモシステム（株）製のメッシュベルト式連続熱処理装置で、条件は全工程が５分で、熱処理開始から１分３０秒で１４５℃に達し、その後は徐々に昇温、３分１５秒でピーク温度２４５℃に到達後、徐々に温度が降下、熱処理終了時は、１８７℃で窒素雰囲気下にてリフローした。印刷パターン形成は、印刷機としてマイクロテック（株）製の「ＭＴ−３２０ＴＶ」を用い、版には、メタルマスクを用いた。マスク開孔は、０．３ｍｍφで、厚みは、０．１ｍｍである。印刷条件は、速度：１．０ｍｍ／ｓｅｃ、印圧：０．１ＭＰａ、スキージ圧：０．２ＭＰａ、背圧：０．１ＭＰａ、スキージはＲ８０−６０°、クリアランス：０ｍｍとした。
バンプ形成した２．５ｍｍ×２．５ｍｍ、厚み０．２５ｍｍのＣｕ板を２．５ｍｍ×２．５ｍｍ、厚み０．２５ｍｍのＣｕ板にフリップチップして、前記同様のリフロー条件で、窒素雰囲気下にてリフロー熱処理した。リフローする際は固定はしなかった。該バンプは一度目のリフロー熱処理時に近い形状をリフロー後も保ちＣｕ板に、フリップチップで
接続されていることが確認できた。バンプの中心付近の断面写真をとって、Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標）用汎用画像処理パッケージＷｉｎＲＯＯＦを用いて２値化処理した結果、孔の割合は２３．４％であった。
【００５０】
以上、説明したように本発明のバンプとして実施例記載のバンプ形成用ペーストを使用して形成した場合は、電極に印刷塗布後、汎用鉛フリーはんだのリフロー熱処理条件（ピーク２４５℃）でバンプを形成でき、ピーク３００℃未満のリフロー熱処理条件では溶融せず、バンプは接合する際に、リフロー熱処理条件（ピーク２４５℃）で溶融した接合材料を複数の孔に取り込んで接合し、バンプ接続構造体の接続部は隣の接続部方向には膨らまないことが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明のバンプは、フリップチップ実装用のバンプとして、Ｐｂ−Ｓｎ高温はんだバンプ、Ａｕめっきバンプの代替材料としての利用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】実施例で作製した第１の金属粒子と第２の金属粒子を重量比１００：８３で混合した導電性フィラーを試料とした示差走査熱量測定により得られたＤＳＣチャートである。
【図２】実施例で作製したバンプ形成用ペーストを窒素雰囲気下にて、ピーク温度２４５℃でリフロー熱処理したものを試料とした示差走査熱量測定により得られたＤＳＣチャートである。
【図３】Ｃｕ基板にバンプ形成後、バンプ中央付近の断面写真の図である。
【図４】接続材料を被膜したＣｕ基板にバンプ形成したＣｕ基板をフリップチップして、溶融、接合させたサンプルの中央付近の断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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