無電解めっきによるAuマイクロバンプ形成技術
Fabrication technology of Au micro-bump by electroless plating.

関東化学株式会社

技術・開発本部 中央研究所

第四研究室

德久智明

Tomoaki Tokuhisa
Central Research Laboratory, Technology & Development Division, Kanto Chemical Co., Inc.

つ“TSV 埋め込み法”や“マイクロバンプ形成法”といっ

1. はじめにた微 細 加 工 技 術の開 発がポイントとなる。本 報では、

近年、小型かつ高性能な電子機器が普及しており、（独）産業技術総合研究所（以下 産総研）と共同開発

最近のスマートフォンを例に挙げると、“携帯電話”という領域を超え、様々なアプリケーションを併せ持った“モバイル端末”として、幅広く利用されている。このような性能を実現するには、機器内部における半導体パッケージング技術が重要となり、IC チップと搭載基板との接続技術向上が大きな課題となる。
IC チップの 接 続 技 術 は、ワイヤボンディング（以 下WB）とフリップチップ（以下 FC）の 2 つが一般的である。
WB（図 1-a）は、Al、Au、Cuなどの金属ワイヤでチップと基板間を接続する。一方、FC（図 1-b）は、はんだやAu で形成したバンプという突起状の端子により、チップと基板間を接続する。FC の方が配線長を短縮でき、高速伝送性の向上や高密度化などに有効である。現在

図 1 ワイヤボンディングとフリップチップボンディングのパッケージング技術は、これら2 つを利用し、複数のチップを1 つの基板上にまとめたシステムインパッケージ（SiP）が主である 1）。
ここ数年さらなる高性能化に向けてパッケージング技術はめまぐるしく変遷しており、Siインターポーザを用いた 2.5D パッケージ、チップを積層する3D パッケージングといった新たな形態が、各デバイスメーカーの用途に応じて 模 索され ている（図 2）。2013〜2014 年 に TSV（Through Silicon Via：シリコン貫通電極）を利用した3D LSI が量産化される見通しで、当面 2.5D／3D パッケージングが主流になることが予想される 2）。
したがって、これらパッケージングを実用化するにあたり、微細化・高密度化に対応可能かつ高い信頼性を持

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図 2 2.5D／3D パッケージングの例

無電解めっきによるAu マイクロバンプ形成技術した ｢ 無電解めっきによるφ20μm 以下の Au マイクロバンプ形成技術 ｣を中心に紹介する。

しかしながら、無電解めっき故のメリットもいくつかある。たとえば、リード線が不要であるため独立回路にめっきできる、電流密度分布を考慮する必要がなく、バンプ

2. 現行のマイクロバンプ形成技術における課題

高さの均 一 性を撹 拌 等で容 易に制 御できるなどがある。表 1に電解めっきとの比較をまとめた。これらのことか

現在のマイクロバンプ材料には、鉛フリーはんだまたら、バンプ径がφ数μmオーダーのマイクロバンプ形成には Au が主に利用されている 3）〜6）。鉛フリーはんだは、関しては、電解めっきに比べて無電解めっきが有効な微細化・狭ピッチ化が進むにつれて、溶融時の濡れ広手法であると考える。そこで、無電解めっきによるマイクがりやウィスカの影響による接続不良が問題になると推ロバンプ形成技術の確立を目標に検討を行った。

測される 7）〜10）。そのため、接続信頼性の観点から、鉛2008 年から産総研と共同で、Au マイクロバンプを利

フリーはんだはマイクロバンプ材料としては適当ではな用した FC 接続の実用化検討を開始した 12）〜16）。目標とい。

するバンプサイズは、図 3 に示すようにバンプ径φ5〜20

一方、Au は耐食性に優れ、高い接続信頼性が期待μm、バンプ高さ10μm、ピッチ 30μm 以下と、当時まだできる。ただし、微細化に対応した形成法に課題があ実現されていない極めて微細なレベルであった。当社る。現行の Au マイクロバンプ形成法は、スタッド法と電は、これまでにプリント基板用ノーシアン無電解めっき浴

解めっきの 2 つが利用されている。スタッド法は、WBを“OTKシリーズ”を製品化していたので、これをベースに応用したもので圧着したワイヤを適当な長さで切断し、マイクロバンプ形成用無電解 Au めっき浴の開発を担当バンプを形成する。ただし、バンプサイズがワイヤ径に依した。

存するため、ある一定の大きさから微細化することは難しい。また、電解めっきは、析出速度が速く、液ライフが表 1 マイクロバンプ形成におけるめっき法の比較長いなど生産性に優れているものの、バンプ高さの面内均一性が電流密度分布に依存する 11）ため、バンプ径がφ数μm オーダーになると実用例はない。以上から、現行技術ではバンプ径φ数μm オーダーのマイクロバンプ形成に対応できないといえる。
3. 無電解めっきによるAuマイクロバンプ形成技術の検討
電解めっきとは別にもう1 つ一般的なめっき法として、
無電解めっきがある。無電解めっきは、置換型と還元型に大別され、本報では還元型無電解めっきのみを取り扱う。
無電解めっきは、析出速度が 1μm/hr 程度と遅く、電解めっきに比べ生産性に劣ることからAu マイクロバンプ形成に利用された報告はほとんどない。仮に析出速度を上げるために、Au 塩や還元剤の増量を行なうと浴寿命を低下させる原因となる。また、浴安定性の高いシアンタイプのめっき浴は、レジストや基材にダメージを与えることや毒物であるシアン化合物を含むため、Au マイクロバンプ向けの新規プロセス開発にはノーシアンタイプが必須と考える。

図 3 目標とするマイクロバンプの形態

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4. マイクロバンプ形成用無電解めっき浴の開発使用した 20）。析出をコントロールする添加剤には、含硫

当社“OTK シリーズ”は、ノーシアンタイプ、pH 中性、ど種々の添加剤を一から数種類添加し、様々な組み合処理温度 50℃前後とマイルドな操作条件で、Au 表面わせをトレースした。その結果、いくつかの条件で微細上を触媒として Auを還元析出させるため、“自己触媒パターンにおける高速析出を確認した。その析出速度型無電解 Au めっき”と呼ばれている。自己触媒型無電は、5〜10μm/90min であり、市販浴と比べて 3 倍以上

解 Au めっきの反応イメージを図 4 に示す。となった（図 5）。この開発浴を用いて、産総研と実用化黄化合物、含窒素化合物、界面活性剤、金属イオンなに向けた性能評価を行った。その評価の詳細を次項に示した。
表 2 めっき浴のベース組成

図 4 自己触媒型無電解 Auめっきの反応イメージ

マイクロバンプ形成における無電解 Au めっきの課題
は、析出速度を高速化することである。先にも述べたが、ノーシアンタイプが必須であり、かつ浴寿命の観点から、析出速度を上げるために Au 塩や還元剤の増量はできない。このほか析出高速化のため、浴の高温化、高 pH 化なども考えられるが、これらもレジストへのダメージや浴 寿 命 低 下の要 因となるため現 実 的ではない。
よって、基本条件を変更せずに高速化することが重要となる。以上を踏まえ我々が取り組んだ浴組成設計について示す。
長い間、微 細 配 線めっきとして Cuダマシンめっきが利用されている。Cuダマシンめっきは、トレンチやビアの図 5 市販品との析出速度の比較

埋め込みを行うために、塩化物イオン、ビス（3- スルホプロピル）
ジスルフィド（SPS）、ヤヌスグリーンB（JGB）、ポリエチレングリコール（PEG）といった添加剤により、めっき成長を制御している17）〜19）。このような析出メカニズムを Au めっきへ応用し、微細加工への可能性を検討し

5.1

ウエハめっき

テスト用ウエハは産総研で作製し、3inch Siウエハ（Au / Ti or Ni / Cu 配線）に、15mm 角のチップを9 チッた。

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5. ウエハ上へのマイクロバンプ形成と特性評価

めっき浴のベース組成は表 2 に示したように錯化剤にプあるいは 16 チップパターニングした。レジストパターン

亜硫酸塩−チオ硫酸塩、還元剤にアスコルビン酸塩をは、バンプ径φ10μm、ピッチ 30μm、バンプ数 1,200 バ

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ンプ / チップであり、3inchウエハ当たり10,000 バンプ程度になる。ウエハの概略図を図 6 に示す。

5.2

Au マイクロバンプの FE-SEM 観察

ウエハ上に形成した Au マイクロバンプの SEM 像をマイクロバンプ形 成 過 程の断 面イメージを図 7 に示

図 8 に示す。バンプ径φ5〜20μm、高さ10μm、ピッチす。まず、アルカリ洗浄により開口部内のレジスト残渣を30μm のマイクロバンプがチップ上に均一に形成される除去し、酸洗浄を経て、めっき液にウエハを浸漬すると様子が確認できる。

開口部内に Au が埋設される。めっき後、レジストを剥離マイクロバンプをFIB により断面加工し、FE-SEM によすると、Au マイクロバンプが形成される。基板上に形成り断面観察を行った。図 9 に添加剤の配合を変えて作した Au マイクロバンプの評価は、産総研にてバンプ高製したマイクロバンプの SEM 像を示す。どちらもバンプさ測定、FC 接続、接続強度測定、高周波特性評価を内部にボイドが形成されていないことが確認できた。

行った。

図 8 マイクロバンプの SEM 像と高さ測定
図 6 テスト用ウエハの概略図

図 7 マイクロバンプ形成過程

図 9 FIBにより断面加工したマイクロバンプの SEM 像

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図 10 コプレーナ線路の構造と伝送経路

図 11 Cu 配線からAu バンプおよびパッドの形成過程

5.3

配線形成からAu パッドおよび Au マイクロバンプ形成まFC 接続と高周波特性評価

バンプ特性評価は、コプレーナ線路を用いた高周波でのプロセスを図 11 に示す。はじめに絶縁層、バリア信号の伝送試験を行った。図 10 に評価に使用したコプ層、シード層を形成し、フォトレジストによる配線パターンレーナ線路の構造と伝送経路を示す。今回のコプレーを形成する。電解Cuめっきにより配線パターンを形成し、ナ線路は特性インピーダンスが 50Ωとなるように設計さスパッタリングや蒸着によりバリア層 Ti、シード層 Auを成れている。伝送経路は、2 つのバンプを経由する場合と膜する。リフトオフした後、再度フォトレジストを塗布しパッしない場合との 2 パターンを評価し、両者を比較することドおよびマイクロバンプパターンを形成し、パターン内部でバンプ接続部の高周波特性を確認した。

を無電解 Au めっきで埋め込み、レジストならびにシード

この試 験に使 用したチップならびに搭 載 基 板の Cu

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層を除去するとAu バンプとAu パッドが形成される。

無電解めっきによるAu マイクロバンプ形成技術

図 12 めっき後の Au バンプおよびパッドの SEM 像と高さ測定

図 14 フリップチップ接続したチップ断面の SEM 像

このように形成したコプレーナ線路上の Au バンプとAu パッドの SEM 像を図 12 に示す。このようにパッドおよびバンプ高さが均一な様子が確認でき、バンプ高さは10μm 程度となった。
これらチップと搭 載 基 板を用い、FC 接 続を行った。
その接続過程を図 13 に示す。O 2 プラズマアッシングによりバンプとパッド表面をクリーニングし、温度 325℃、荷重 194Mpa で FC 接続した。このように接続したチップの断面をFE-SEM で観察した結果、接続性が良好な様子が確認できた。その SEM 像を図 14に示した。バン
プ高さが FC 接続により40〜50％減少していることがわ
図 13 フリップチップ接続過程

かる。

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図 15 ベクトルネットワークアナライザ(VNA)によるS パラメータ測定

図 16 10Gbps 信号伝送試験におけるアイパターン

この接続したチップを使用し、高周波特性を評価し送が可能なことが確認できたといえる。以上から、無電た。ベクトルネットワークアナライザ（VNA）によるS パラ解めっきにより形成したマイクロバンプが高周波デバイスメータ測定を行い、インサーションロス（挿入損失）とリフに十分対応可能なことが示唆される。

レクションロス（反射損失）の結果を図 15 に示した。挿入損失は、40GHz において、バンプを経由した場合（グラフの実線）は、2.5dB ほど損失が増大したが、実用上問題ないレベルである。また、10GHz で -2.2dBとなり、現行デバイスを想定しても十分に損失が小さいといえる。一方、反射損失は 2 つのバンプを経由しても-20dB程度となっており、高い品質といえる。

226. 応用技術の検討
この技術を応用した検討例を3 点示す。
①エリアアレイ型マイクロバンプ
バンプ径φ10μm、ピッチ 20μm、チップサイズ 4mm角のエリアアレイ型のバンプ形成である。1 チップのバン

高速伝送特性評価として、10Gbps 信号伝送試験に

プ数は 4 万個、3inchウエハあたり64 万個となる。形成

おけるアイパターンを図 16 に示した。2 つのバンプを経したマイクロバンプを FE-SEM で 観 察した 結 果（図由することで 8% ほど伝送特性の低下はみられるが、ア18-a）、バンプの 未 析 出なく、高さ 3μm（めっき時 間：イ開口は十分な高さが得られており、10Gbps の高速伝90min）のバンプが均一に形成できている様子が確認

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無電解めっきによるAu マイクロバンプ形成技術できた（図 17-a）。
②マイクロビア埋め込みめっき
現行のビア埋め込み手法は電解 Cu めっきが一般的に利用されている。高コストなAuを埋め込んだ報告はな
く、また無電解 Auめっきの実施例もない。そこで、ビア埋め込みへの汎用性を確認するため、実際に埋め込みめっきを試みた。ビア径φ10μm、深さ30μm（アスペクト比 3）の埋め込みを試験したところ、ボイドが形成される

参考文献
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図 17 マイクロバンプ形成法の応用技術

7. まとめ
無 電 解めっきによるマイクロバンプ形 成 技 術の実用性評価を行った結果、バンプ径φ20μm 以下、高さ10μm の Au マイクロバンプを均一に形成できた。高周波特性評価の結果、無電解めっきにより形成した Au マイクロバンプが実用性能に適応できることを確認した。また、応用技術として、様々なマイクロ構造体形成への利用が期待される。

15）野村建太朗 , 横島時彦 , 加藤史樹 , 山地泰弘 , 根本俊介 , 菊地克弥 , 仲川博 , 越地耕二 , 青柳昌宏 , 岩井良太 , 德久智明 ,加藤勝 , 第 24 回エレクトロニクス実装学会講演大会講演論文
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