半導体パッケージ向け
ボール搭載用フラックスについて

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ボール搭載用フラックスについて

金属酸化膜で覆われたはんだや母材金属にフラックスを供給し加熱すると、フラックス中のロジンや有機酸などのカルボン酸の還元作用で金属酸化膜は除去される。
はんだ付け温度まで加熱されると清浄化された溶融はんだと母材金属との界面で、母材金属の溶融はんだへの研究開発本部 ファイン・エレクトロニクス開発部
洗浄・はんだグループ

長坂 進介

Nagasaka Shinsuke1

溶解が生じる。同時に、溶融はんだと母材金属との界面で金属間化合物が形成される。その際、溶融はんだがフラックスによって被覆されているため溶融はんだの表面張力が低下し、その結果溶融はんだの母材金属へのぬ3はじめに図1れが促進される。

フラックスによるはんだの母材金属に対するぬれ挙動の模式図

ボール搭載用フラックスに求められる性能

2020年後半より世界的な半導体不足が継続しており、2022年現在でも緩和の兆しは見えてこない。

図 2 にボール搭載法によるバンプ形成プロセスの概要図を示す。スクリーン印刷によって基板上のパッド半導体は多くの電子機器に使用されており、今では私たちの生活に必要不可欠なものとなっている。社会開口部にフラックスを印刷転写した後、所定の位置にマイクロボールを配置し、リフロー（加熱工程）を行のあらゆるところで電子機器は使用され、電子機器にはさらなる小型化・高機能化・省電力化が求められてい、フラックス残さを洗浄後、バンプの画像検査を実施し完了となる。このようなバンプ形成プロセスにおり、これらを実現するためにフリップチップ実装技術が注目されている。フリップチップ実装とは、ベアおいてボール搭載用フラックスに求められる性能は次のように整理できる。

チップと呼ばれるシリコンウエハの小片に形成したバンプとインターポーザーと呼ばれる基板とを直接はんだ付けする工法で、ベアチップはフリップ（反転）して接続することとなる。あらかじめ球状に成形された小型のはんだボール（マイクロボール）をベアチップの電極上に直接搭載するボール搭載法のメリットは、バンプ高さのコントロールが容易で、高いコプラナリティ（共平面性）を有し、はんだの単一粒子を使用することでバンプ内ボイドがほぼ発生しない点にある。しかし、生産性を向上させるためにはボールを一括搭載する必要があり、歩留まりを向上させるためにはさまざまな工夫が必要となる。
本稿では、当社が得意とするロジンの変性技術やフォーミュレーション技術を駆使して開発したボール搭載用フラックスの製品群を紹介する。

a)にじみや目詰まりなくパッド開口部に所定量供給するための印刷性b)パッド開口部に配置したマイクロボールの位置ずれを抑制するための粘着性c)マイクロボールとパッドとを確実にはんだ接合するための十分な活性力d)電子機器の信頼性を損なう可能性のあるフラックス残さ除去のしやすさe)洗浄後のマイクロバンプ画像検査とコプラナリティを阻害しないように、バンプ表面形状を球状に保つためのフラックス被覆性f)マイクロボールと電極との接合部に空隙（ボイド）を発生させないこと
特に、フラックスの印刷性、粘着性、活性力が不十分であれば、マイクロボールとパッドが未接合となり、2ボールの転げ落ち（ミッシングボール）が多発し、ボール搭載法の生産性に大きく影響を及ぼす。

フラックスの基礎反応

フラックスとは、はんだ付けされる基板電極や部品、はんだ自身の金属酸化膜を除去することで清浄な接合面を作りだし、はんだのぬれ性を十分に確保するために使用される材料である。 図 1 にフラックスによるはんだの母材金属に対するぬれ挙動の模式図を示す。

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図2

ボール搭載法によるバンプ形成プロセスの概要図

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ボール搭載用フラックスの差別化技術

当社は持続可能な天然資源であるロジンにこだわり、これまで培ってきたフラックスのフォーミュレーションミッシングボール発生率

WHP–121、WHP–123およびWHP–125のミッシングボール発生率を確認するために実機試験を行った。

技術を駆使することで、ミッシングボールの抑制だけでなく、バンプ表面凹みを顕著に抑制できるボール搭載

具体的には、バンプピッチ130μmで70 ～ 85μmのマイクロボールを数千個搭載し、ミッシングボール発生用フラックスを開発した。 図 3 にフラックス洗浄後のバンプ表面形状の様子を示す。当社従来品のフラックス率を算出した。ミッシングボール発生率を 表 2 に示す。ミッシングボール発生率は、Snめっき電極においを使用するとバンプ表面に多数の凹みが生じているのに対し、新規開発品であるパインフラックスWHP–121て従来品では1.6%発生していたものが、WHP–121では0.4%まで低減できた。Auめっき電極においては、（以下、WHP–121）を使用するとバンプ表面に凹みはな

従来品では、ミッシングボールが2.2%発生するところ、WHP–123では0.8%まで低減できた。OSP被膜Cuく、球状を維持していることがわかる。ベース樹脂として電極（Cu–OSP）
においては、従来品ではミッシングボールが2.8%発生するところ、WHP–125では1.0%まで高耐熱かつ高活性な特殊なロジンを使用することでマイ低減できた。一般的に、ミッシングボール発生率は1%以下であることが望ましく、いずれの製品においてもクロボールへのフラックス被覆性を向上させ、リフロー基板の不良率低減に貢献できると考えられる。

加熱中のボール表面の再酸化を防止している。その結果、リフロー加熱終了後の冷却時にバンプ表面の凝固時期のずれを抑制し、凝固後の球状を維持できている。
図35

フラックス洗浄後のバンプ表面形状の様子

電極材質

当社従来品

WHP–121

Snめっき

1.6%

0.4%

Auめっき

2.2%

Cu–OSP2.8%
表2ボール搭載用フラックスの製品群

当社ボール搭載用フラックスは、100μm以下のマイクロボール搭載に対応している。 表 1 に当社ボール搭載用フラックスの製品群を示す。WHP–121はSnめっき電極に、パインフラックスWHP–123（ 以下、WHP–123）はAuめっき電極に、パインフラックスWHP–125（以下、WHP–125）はCu-OSP（OrganicSolderability Preservative）電極にそれぞれ最適となるよう処方を調整している。各製品共通の特長は、ミッシングボール抑制に加え、リフロー後のバンプ表面形状に凹みなく球状を維持できる点である。さらに、リフロー後のフラックス残さは当社準水系洗浄剤パインアルファ ST–180Kで容易に洗浄できる。よって、次工程のマイクロバンプ画像検査で誤検出することなく、生産性向上に貢献できる。

7WHP–123

WHP–1250.8%
1.0%

ボール搭載用フラックスのミッシングボール発生率

おわりに

当社のボール搭載用フラックスは、ミッシングボール抑制、凹みのないバンプ表面形状、洗浄しやすいフラックス残さといった特徴を有する。今後、電子機器の小型化・高機能化・省電力化を実現させるため、マイクロボールサイズをより小さく、バンプピッチをより狭くする必要があり、ボール搭載用フラックスに対する要求特性もより高度なものになっていくと考えられる。また、比較的環境負荷の低い希釈型洗浄剤

項目

WHP–121

WHP–123

WHP–125への対応や水溶性のボール搭載用フラックスのニーズも存在する。このような状況において、これまで当社

対応電極

Snめっき

Auめっき

Cu–OSPが培ってきたロジンとフラックスの技術をさらに向上させることで、これらのニーズに応え、社会の発展に対応ボールサイズ100μm以下のマイクロボール

対応ボール材質

Sn–3.0Ag–0.5Cu、Sn–0.7Cu

バンプ表面形状

凹みのない球状フラックス残さの洗浄性

パインアルファ ST–180Kで洗浄可

ボイド

ボイドの発生ゼロ表1

貢献していきたい。

ボール搭載用フラックスの製品群

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