特許 5692314 バンプ電極、バンプ電極基板及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5692314

(24)【登録日】2015年2月13日

(45)【発行日】2015年4月1日

(54)【発明の名称】バンプ電極、バンプ電極基板及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/60 20060101AFI20150312BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/92 602C

   H01L21/60 311S

【請求項の数】4

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2013-182296(P2013-182296)

(22)【出願日】2013年9月3日

(65)【公開番号】特開2015-50380(P2015-50380A)

(43)【公開日】2015年3月16日

【審査請求日】2014年5月15日

【早期審査対象出願】

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000199197

【氏名又は名称】千住金属工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001209

【氏名又は名称】特許業務法人山口国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】服部 貴洋

(72)【発明者】

【氏名】相馬 大輔

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 勇

【審査官】 井出 和水

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２００６／１２６５２７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平０７−１８３６５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−１３９０９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−３４４６２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−２７５８２８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／６０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

核層となる芯材にはんだめっきが被覆されたはんだ接合体を用いて電極パッド上に形成されたバンプ電極であって、
前記はんだ接合体が
前記電極パッド上に搭載された後、
加熱されて前記はんだめっきを溶融するリフロー処理工程において、
加熱率が０．０１［℃／sec］以上〜０．３［℃／sec］未満の範囲に設定されてなる
ことを特徴とするバンプ電極。

【請求項2】

所定の基板に設けられた電極パッドと
前記電極パッドに接合された、
請求項１に記載のバンプ電極とを備えることを特徴とするバンプ電極基板。

【請求項3】

核層となる芯材にはんだめっきが被覆されたはんだ接合体を
所定の基板の電極パッド上に搭載する工程と、
前記基板を加熱して前記芯材に被覆されたはんだめっきを溶融する溶融工程とを有し、
前記はんだめっきの溶融工程における前記基板の加熱率が０．０１［℃／sec］以上〜０．３［℃／sec］未満の範囲に設定されることを特徴とするバンプ電極基板の製造方法。

【請求項4】

前記電極パッド上に搭載する際、フラックスが使用されることを特徴とする請求項３に記載のバンプ電極基板の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、核層となる芯材にはんだめっきを被覆したはんだ接合体を用いて形成されたバンプ電極、このバンプ電極を有する半導体チップやプリント配線基板（以下、バンプ電極基板という）及びその製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

近年、スマートフォン等の小型情報機器の発達により、当該機器に搭載される電子部品は急速な小型化が要求されている。電子部品は、小型化の要求により接続端子の狭小化や、電極間のファインピッチ化、実装面積等の縮小化に対応するため、平面の樹脂のパッケージから小さいボール状の電極が並んで設置されたボールグリッドアレイ（以下、「ＢＧＡ」と称する）が適用されている。ＢＧＡは、ＩＣチップの表面実装タイプのパッケージ方法であり、当該パッケージの周囲に電極（ピン）が飛び出していないため、実装面積が小さくて済むという利点がある。

【0003】

ＢＧＡを適用した電子部品には、例えば中央処理装置（ＣＰＵ）等の半導体パッケージがある。半導体パッケージでは、複数の電極を有する半導体チップが樹脂で封止されている。半導体チップの電極には、はんだバンプが形成されている。このはんだバンプは、はんだを球状に成形したはんだボールを半導体チップの電極に接合することによって形成されている。

【0004】

ＢＧＡを適用した半導体パッケージは、加熱により溶融したはんだバンプとプリント基板の導電性ランド（電極パッド）とを接合することにより、プリント基板に搭載される。また、更なる高密度実装の要求に対応するため、半導体パッケージが高さ方向に積み重ねられた３次元積層構造が考案されている。

【0005】

しかし、３次元積層構造が採られた半導体パッケージにＢＧＡを適用しようとすると、半導体パッケージの自重によりはんだボールが潰れてしまうという問題がある。もしもはんだボールが潰れてしまうと、はんだが接続端子の電極からはみ出し、電極間が接続してしまい、短絡が発生するという問題がある。

【0006】

そこで、電子部品の電極としてバンプ電極が使用されている。バンプ電極とは、核層となる芯材、例えば、Ｃｕボールの表面にＮｉめっきが被覆され、その上にはんだめっきが被覆されたＣｕ核ボールを用いて形成されたものをいう。芯材を用いて形成されたバンプ電極は、電子部品がプリント基板に実装される際に、半導体パッケージの重量がバンプ電極に加わっても、はんだの融点では溶融しないＣｕボールにより半導体パッケージを支えることができる。この結果、半導体パッケージの自重によりバンプ電極が潰れることがない。

【0007】

一方、従来から、プリント基板の所定の面に電子部品をはんだ付け処理する場合に、リフロー炉が使用されている。リフロー炉でバンプ電極を形成する場合、フラックスまたははんだペーストを用いて行われる。はんだペーストはパウダー状のはんだとフラックスとを混練したものである。フラックスやはんだペースト等は、複数の電極パッドが形成された基板上にメタルマスクを位置合わせし、メタルマスク上でスキージを摺動操作し、メタルマスクに形成された複数の開口部を介して電極パッド上に塗布するようになされる。フラックスやはんだペースト等はメタルマスクを使って電極パッド上に直接塗布する方法以外にも、ボール転写方式やピン転写方式、ディスペンス方式、スプレー方式等による塗布方法も採られる。

【0008】

フラックスは、はんだ付けされる金属表面の酸化膜を除去し、また、はんだ付け工程における加熱処理時に金属表面が再酸化するのを防止する。フラックスは、はんだの表面張力を小さくして濡れを良くする作用がある。フラックスは、松脂、チキソ剤及び活性剤等の固形成分を溶剤で溶解させたものである。

【0009】

この種の関連技術として、特許文献１には電子部品の製造方法が開示されている。この電子部品の製造方法によれば、Ｃｕコアはんだボールを電極パッドにはんだ付け処理する場合、Ｃｕボール体積をＶｃとし、はんだめっき層の体積をＶｓとし、Ｃｕボールの直径をＤｃとし、電極パッドの直径をＤｐとしたとき、Ｃｕボール体積Ｖｃに対するはんだめっき層の体積Ｖｓの比が０．０５≦Ｖｓ／Ｖｃ≦０．５で、かつ、コアとなるＣｕボールの直径Ｄｃに対する電極パッドの直径Ｄｐの比が０．５≦Ｄｐ／Ｄｃ≦１．０を満たした際にコアが中心に存在するというものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特開２００６−３４４６２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

ところで、従来例に係るバンプ電極基板及びその製造方法によれば、次のような問題がある。
ｉ．リフロー炉でＣｕ核ボールを電極パッドにはんだ付け処理する際に、核層となる芯材（コア）のＣｕボールが電極パッドの中心から偏った位置（偏心）に接合されるという問題が発生している。Ｃｕボールが偏心すると、はんだの極端に薄い部分ができ、二次実装において、金属間化合物（Inter Metallic Compound : 以下IMC という）の露出による未接合が発生する。また、Ｃｕボールが電極パッドから外れ、基板に乗り上げることによって基板間のクリアランスを一定に保つことが困難になるという問題がある。

【0012】

ii．特許文献１に見られるような０．０５≦Ｖｓ／Ｖｃ≦０．５、かつ、０．５≦Ｄｐ／Ｄｃ≦１．０という条件で、はんだ付けすればＣｕボールの中心ははんだの外殻の中心に配置されると考えられる。しかしながら、上記の条件下では、はんだ量が少ないケースが出現するおそれがある。そのため、リフロー処理後のはんだバンプ頂部にＩＭＣが露出するという問題が懸念される。ＩＭＣとはんだとは濡れ性が悪いため二次実装時に、はんだの未接合箇所が発生してしまうという問題がある。上記の条件から外れた場合、Ｃｕボールの中心がはんだ外殻の中心には配置されない確率が高くなる。そうすると未接合や基板間クリアランスが不均一になるといった問題が生じてしまう。

【0013】

そこで、本発明はこのような課題を解決したものであって、はんだめっきの溶融工程を工夫して、電極パッド上における核層となる芯材の中心を、その水平方向の切断面で、被覆されたはんだの外殻の中心に再現性良く配置できるようにしたバンプ電極、バンプ電極基板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】

【0014】

本発明者らは、バンプ電極端子内部で核層となる芯材の中心の位置ずれについて、はんだ溶融温度近傍の昇温速度とバンプ電極を形成する芯材の偏心には密接な関係があると考え、当該昇温速度が、後述する基板加熱（リフロー処理）時の芯材偏心制御に効果を発揮していることを見出して本発明を想到した。ここに芯材偏心制御とは、昇温速度を制御して基板を加熱し、電極パッドからのフラックスまたははんだペースト中のフラックスの這い上がりを遅くし、かつ、電極パッドへのはんだの流れ落ちを遅くする。そして電極パッド上におけるバンプ電極を形成する芯材の中心を、その水平断面で、はんだの外殻の中心に配置できるようにする制御をいう。

【0015】

上述の課題を解決するための請求項１に記載のバンプ電極は、核層となる芯材にはんだめっきが被覆されたはんだ接合体を用いて電極パッド上に形成されたバンプ電極であって、前記はんだ接合体が前記電極パッド上に搭載された後、加熱されて前記はんだめっきを溶融するリフロー処理工程において、加熱率が０．０１［℃／sec］以上〜０．３［℃／sec］未満の範囲に設定されてなるものである。

【0017】

請求項２に記載のバンプ電極基板は、所定の基板に設けられた電極パッドと前記電極パッドに接合された、請求項１に記載のバンプ電極から構成されるものである。

【0018】

請求項３に記載のバンプ電極基板の製造方法は、核層となる芯材にはんだめっきが被覆されたはんだ接合体を所定の基板の電極パッド上に搭載する工程と、前記基板を加熱して前記芯材に被覆されたはんだめっきを溶融する溶融工程とを有し、前記はんだめっきの溶融工程における前記基板の加熱率が［０．０１℃／sec］以上〜０．３［℃／sec］未満の範囲に設定されるものである。

【0019】

請求項４に記載のバンプ電極基板の製造方法は、請求項３において、前記電極パッド上に搭載する際、フラックスが使用されるものである。

【発明の効果】

【0020】

請求項１に記載のバンプ電極及び請求項２に記載のバンプ電極基板によれば、はんだ接合体のはんだめっきを溶融する工程において、加熱率を０．０１［℃／sec］以上〜０．３［℃／sec］未満の範囲に設定処理された芯材を備えている。この構成によって、電極パッド上において、バンプ電極の核層を成す芯材の中心がその水平断面ではんだめっきの外殻の中心に配置された高信頼度のバンプ電極基板を提供できるようになる。

【0021】

請求項３、４に係るバンプ電極基板の製造方法によれば、はんだめっきの溶融工程における基板の加熱率が０．０１［℃／sec］以上〜０．３［℃／sec］未満の範囲に設定すると、加熱処理後において、はんだの外殻の中心と芯材の中心とが共に電極パッドの中央に存在するバンプ電極を形成できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明に係る実施形態としてのバンプ電極基板１００の構成例を示す断面図である。

【図2】（Ａ）及び（Ｂ）は、図１に示される電極パッドの接合面と平行する水平方向での前記バンプ電極において、Ｃｕコア偏心量の測定例を示すＹ−Ｙ矢視断面図である。

【図3】（Ａ）及び（Ｂ）は、バンプ電極基板１００の形成例（その１）を示す断面図である。

【図4】（Ａ）及び（Ｂ）は、バンプ電極基板１００の形成例（その２）を示す断面図である。

【図5】第１のリフロープロファイルの設定例を示す表図である。

【図6】第１のリフロー処理例を示すグラフ図である。

【図7】（Ａ）及び（Ｂ）は、第１のリフロープロファイルにおける昇温速度対Ｃｕコア偏心量の分布例を示す表図である。

【図8】第１のリフロープロファイルにおける昇温速度対Ｃｕコア偏心量の出現例を示す表図である。

【図9】第２のリフロープロファイルの設定例を示す表図である。

【図10】第２のリフロー処理例を示すグラフ図である。

【図11】（Ａ）及び（Ｂ）は、第２のリフロープロファイルにおける昇温速度対Ｃｕコア偏心量の分布例を示す表図である。

【図12】第２のリフロープロファイルにおける昇温速度対Ｃｕコア偏心量の出現例を示す表図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、図面を参照しながら、本発明に係るバンプ電極、バンプ電極基板及びその製造方法について、まず、実施形態としてのバンプ電極３０及びバンプ電極基板１００の構成例について説明する。本例の場合では、芯材として球状のＣｕボールを選択し、このＣｕボールを被覆するＮｉめっきと、さらにその上にはんだめっきが施されたＣｕ核ボールと、このＣｕ核ボールを電極に載置するためにフラックスを用いた場合を説明する。

【0024】

図１に示すバンプ電極基板１００は、基板１１、電極パッド１２及びバンプ電極３０を有して構成される。バンプ電極３０はＣｕボール１３及びはんだ１４から構成されている。図中の１５は絶縁膜（層）である。電極パッド１２は円形状を有して、図示せずも所定のピッチで所定の基板１１に複数備えられる。Ｃｕボール１３は核層となる芯材の一例を構成する。図中、ＤはＣｕボール１３の球径であり、例えば、Ｄ＝１９０μｍ程度である。

【0025】

バンプ電極３０の核層となる芯材は、Ｃｕボール１３の他にはんだめっき２４が溶融する温度において非溶融である融点を有したＣｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｐｂ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｇｅ、Ｓｂ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ａｕ、Ｓｉ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｌａ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｇの金属単体、金属酸化物、金属混合酸化物、あるいは合金で構成されていてもよい。

【0026】

また、芯材は、はんだめっき２４よりも高融点を有する樹脂材料、炭素材料、あるいはセラミックス等の絶縁体で構成されていてもよい。樹脂材料、炭素材料、セラミックス自体に通電性はないが、芯材には金属を被覆するため、樹脂材料、炭素材料、セラミックスを核層とした核ボールを電極パッド上に接合した場合でも被覆した金属によって電極間で問題なく通電する。芯材に絶縁物を利用するのは、高周波数の信号伝送時の表皮効果を狙ったものである。

【0027】

芯材としての樹脂材料には、例えば、スチレン、α−メチルスチレン、ｐ−メチルスチレン、ｐ−クロロスチレン、クロロメチルスチレン等のスチレン誘導体；塩化ビニル；酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル等のビニルエステル類；アクリロニトリル等の不飽和ニトリル類；（メタ）アクリル酸メチル、（メタ）アクリル酸エチル、（メタ）アクリル酸ブチル、（メタ）アクリル酸２-エチルヘキシル、（メタ）アクリル酸ステアリル、エチレングリコール（メタ）アクリレート、トリフルオロエチル（メタ）アクリレート、ペンタフルオロプロピル（メタ）アクリレート、シクロヘキシル（メタ）アクリレート等の（メタ）アクリル酸エステル誘導体等の単量体を重合して得られる樹脂が挙げられ、これら単量体は単独で用いられても良いし、２種以上が併用されるものであっても良い。

【0028】

芯材の表面には、芯材が金属の場合は、ＮｉやＣｏ等でめっき処理を施しても良い。芯材にＮｉやＣｏ等をめっきしておくと、芯材にはんだめっきを被覆する際、芯材の元素がはんだめっきへ拡散するのを防止するバリアの役割を果たす。芯材が樹脂等の絶縁物の場合は、ＮｉやＣｏ等でめっき処理を施す前に芯材へＣｕめっき処理を施しても良い。Ｃｕめっきを施しておくとバンプ電極形成時にＣｕ部分が通電するようになる。絶縁物の芯材へのめっきには無電解めっきが用いられる。また、芯材の粒（球）径の大きさは、１〜１０００μｍであることが好ましい。この範囲にあると、球状の芯材を安定して製造でき、また、端子間が狭ピッチである場合の接続短絡を抑制することができる。

【0029】

芯材にめっきするはんだの組成についても特に限定はなく、はんだの組成元素はＳｎ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｓｂ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐ、Ｃｒ、Ｐｂ、Ｆｅ、Ａｌのうち少なくとも１つ以上からなり、芯材よりも液相温度が低い金属または合金が使用されていればよい。この際、芯材とはんだ合金の組成は必ず同一にはならないものとする。これらの中でも、はんだめっき被膜の合金組成は、落下衝撃特性の観点から、好ましくはＳｎ−３重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕ合金である。

【0030】

はんだめっき被膜の厚さは特に制限されないが、好ましくは１００μｍ(片側)以下であれば十分である。一般には２０〜５０μｍであればよい。この例では、芯材としてＣｕボール１３を用いた場合について説明をする。Ｃｕボール１３の表面には膜厚２μｍ程度のＮｉめっきが施され、その表面にはんだめっきが施されている。はんだめっきの膜厚は３０μｍ程度である。以下、Ｃｕボール１３の表面にはんだめっき２４が施されたものをＣｕ核ボール５０という（図３の（Ａ）参照）。Ｃｕ核ボール５０の全体の球径は２６５μｍ程度の大きさである。

【0031】

このＣｕ核ボール５０は、バンプ電極３０の形成時、電極パッド１２にフラックス１６が塗布された後、基板１１の電極パッド１２上に搭載される。次に、基板１１が加熱されて常温からはんだめっきの液相温度付近に昇温され、フラックス１６の作用により、Ｃｕ核ボール５０のフラックス１６に接している部分の表面の酸化膜と共に電極パッド１２の表面の酸化膜が除去される。

【0032】

この酸化膜の除去に継続して基板１１が更に昇温され、液相温度以上となるはんだめっきを溶融する工程において、電極パッド１２からのフラックス１６のＣｕ核ボール５０のはんだめっき２４の表面に這い上がって行く速さが遅くなされ、かつ、Ｃｕ核ボール５０のはんだめっき２４の表面にフラックス１６が這い上がり、はんだめっき２４の表面の酸化膜が除去されるにともない、酸化膜が除去された部分が電極パッド１２側へ流れ落ちるようになるが、上記のようにフラックス１６のＣｕ核ボール５０のはんだめっき２４の表面に這い上がって行く速さが遅くなされるので、電極パッド１２へのはんだ１４の流れ落ちが遅くなるように基板１１が加熱される温度制御がなされるものである。

【0033】

このようなフラックスの這い上がりを緩やかにし、はんだを覆う酸化膜を徐々に除去し、少しずつはんだを流れ落ちるように、はんだめっき溶融工程において、昇温制御するＣｕコア偏心制御がなされる。Ｃｕコア偏心制御は芯材偏心制御の一例である。このＣｕコア偏心制御によって、Ｃｕコア偏心量の極めて少ないバンプ電極基板１００を提供できるようになる（図２の（Ａ）参照）。

【0034】

ここで、図２の（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、Ｃｕコア偏心量の測定方法について説明する。この図２の（Ａ）及び（Ｂ）は、図１に示される電極パッドの接合面と平行する水平方向での前記バンプ電極３０において、Ｃｕコア偏心量の測定例を示すＹ−Ｙ矢視断面図である。

【0035】

図２の（Ａ）において、バンプ電極３０は、Ｃｕボール１３の表面に均等の厚みのはんだ１４の膜（外殻）で覆われたものである。なお、図中、電極パッド１２とはんだ１４が重なって見えている。このバンプ電極３０において、核層となった芯材の断面を円形と仮定したとき、Ｃｕボール１３の中心点をｏ１とし、Ｃｕボール１３を覆うはんだ１４の外殻の中心点をｏ２としたとき、Ｃｕコア偏心制御によってｏ１≒ｏ２のようにほぼ一致させることができる。以降、中心点ｏ１，ｏ２間（円心間）の距離をｘとする（ｘ＝０でｏ１=ｏ２)。例えば距離ｘは中心点ｏ１，ｏ２の差の絶対値によって与えられる。

【0036】

図２の（Ｂ）において、バンプ電極３０’は、Ｃｕボール１３の表面にはんだ被膜が形成されているが、Ｃｕボール１３が偏心したものである。リフロー処理時のＣｕボール１３の偏心が発生するメカニズムは、次の通りである。まず、常温からはんだめっき２４の液相温度付近に昇温され、フラックス１６の作用により、電極パッド１２の表面の酸化膜と共にＣｕ核ボール５０のフラックス１６に接している部分の表面の酸化膜が除去される。

【0037】

次に、基板１１が更に昇温され、液相温度以上となるはんだめっき２４の溶融工程において、フラックス１６がＣｕ核ボール５０のはんだめっき２４の表面を上方へ這い上がる。はんだめっき２４の表面全体の酸化膜が除去されると、はんだ１４がＣｕボール１３の下方へ流れ落ちる。このとき、加熱率の高いリフロープロセスによると、フラックス１６がＣｕボール１３の上方へ向かって急速に這い上がり、一度に多量のはんだ１４が流れ落ちてくる。これにより、Ｃｕボール１３が偏心すると考えられる。

【0038】

バンプ電極３０’において、Ｃｕボール１３の中心点ｏ１と、はんだ１４（めっき）の外殻の中心点ｏ２の位置ずれ量をＣｕコア偏心量と定義する。実際には、リフロー処理後のバンプ電極３０を基板１１と平行する水平方向に研磨してその断面を露出し、距離ｘを測定した。

【0039】

Ｃｕコア偏心制御では、全バンプ電極において円心間の距離ｘを１０μｍ以下に抑えることを目標とする。この目標を達成するために、はんだめっき２４の溶融工程において、従来方式よりも、ゆっくりとした加熱プロセスを採用する。そして、フラックス１６の這い上がりを緩やかにし、はんだめっき２４を覆う酸化膜を徐々に除去し、少しずつはんだ１４が流れ落ちる溶融プロセスとなるようにする。この溶融プロセスによって、Ｃｕボール１３が動き難い状態（状況）を形成し、リフロー処理後においても、電極パッド１２の中央にバンプ電極３０が存在する接合電極を形成できるようにした。

【0040】

続いて、図３及び図４を参照して、バンプ電極基板１００の形成例（その１，２）について説明をする。この例ではバンプ電極基板１００を製造する場合であって、はんだめっき２４の溶融工程において、加熱率を０．０１［℃／sec］〜０．３［℃／sec］の範囲に設定した。

【0041】

なお、本文中において、はんだめっき２４の状態とはバンプ電極３０を形成する際に、フラックス１６によりＣｕ核ボール５０を電極パッド１２に搭載し、その後の加熱によりＣｕ核ボール５０のはんだめっき２４が溶融し、かつ、フラックス１６の作用により表面の酸化膜が除去されるまでの状態をいい、表面の酸化膜が除去された状態をはんだ１４という。従って、バンプ電極形成の過程で、はんだめっき２４からはんだ１４への遷移過程においては、はんだめっき２４とはんだ１４が共存する状態が存在することになる。

【0042】

これらを形成条件にして、まず、図３の（Ａ）に示す所定の基板１１の電極パッド１２上にフラックス１６を塗布した後、当該電極パッド１２上にＣｕ核ボール５０を搭載する。電極パッド１２は銅箔基板に円形状の平面電極（ランドパターン）をパターニングすることで得られる。Ｃｕ核ボール５０には、予め、Ｃｕボール１３にはんだめっき２４を施したものを使用する。本実施例・比較例において、核層となる芯材にはＣｕの純度が９９．９５％以上で直径が１９０μｍのＣｕボール１３を使用した。

【0043】

はんだめっき２４については、芯材となるＣｕボール１３に膜厚２μｍ程度のＮｉめっきを施した後に、Ｓｎ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｓｂ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐ、Ｃｒ、Ｐｂ、Ｆｅ、Ａｌのうち少なくとも１つ以上からなる、液相温度が芯材よりも低い金属または合金から構成されているはんだ１４をメッキする。

【0044】

本実施例・比較例においては、はんだめっき２４の組成は全てＳｎ−３重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕとした。また、基板１１には樹脂基板（開口径：２４０μｍ、レジスト厚：１５μｍ、表面処理：Ｃｕ−ＯＳＰ）を使用する。フラックス印刷時、複数の電極パッドが形成された基板上にメタルマスクを位置合わせし、メタルマスク上でスキージを摺動操作し、メタルマスクに形成された複数の開口部を介してフラックス１６を塗布する。

【0045】

次に、基板１１を加熱して常温からはんだの液相温度付近に至る温度に昇温し、Ｃｕ核ボール５０及び電極パッド１２のフラックス１６と接している表面の酸化膜を除去する（第１溶融ステップ）。第１溶融ステップの温度条件は、常温からはんだ１４の液層温度付近（２１０℃）に至る加熱温度の加熱率（昇温速度）を例えば、２．０［℃／sec］に設定する。この第１溶融ステップで、フラックス１６により電極パッド１２及びＣｕ核ボール５０のフラックス１６と接している底面側のみの酸化膜が除去される。

【0046】

次いで、酸化膜の除去工程に継続して基板１１を更に昇温し、はんだめっき２４の溶融温度に移行する（第２溶融ステップ）。この第２溶融ステップの温度条件は、例えば、加熱温度２１０℃から２３０℃に至る加熱率を０．０１［℃／sec］以上〜０．３［℃／sec］未満の範囲に設定する。このとき、はんだめっき２４が溶融してはんだ１４に移行する状態となり、Ｃｕ核ボール５０のセルフアライメント現象とＣｕボール１３が電極パッド１２まで沈み込む現象が発生する（図３の（Ｂ））。セルフアライメント現象とは、Ｃｕ核ボール５０が電極パッド１２の中央に自己整合的に移動する現象をいう。

【0047】

また、このときＣｕ核ボール５０の表面はまだ酸化膜によって覆われているが、はんだめっき２４は、熱容量の小さい電極パッド１２の側からＣｕボール１３の頭頂部に向かって溶融し始める。この溶融開始直前で、Ｃｕボール１３の底部外殻のはんだめっき２４が溶融してその接触部位（裾部分）の周囲ではんだ１４となって広がり始める。この結果、Ｃｕボール１３が電極パッド１２まで沈み込むようになる。この状態から、Ｃｕボール１３の表面の外殻のはんだめっき２４が溶融して酸化膜で覆われた内部がはんだ１４に順次遷移し始めると、Ｃｕボール１３ははんだめっき２４の拘束から免れて自由な状態となる。

【0048】

次いで、図４の（Ａ）に示すようにフラックス１６がＣｕ核ボール５０のはんだめっき２４の表面の酸化膜を除去しつつ、上方へ這い上がるようになる。この例では、はんだめっき２４の溶融温度移行時、図中の上向きの白抜き矢印のように、電極パッド１２からＣｕボール１３へのフラックス１６の這い上がりが遅くなるように基板１１を加熱する（酸化膜の除去工程）。

【0049】

そして、図４の（Ｂ）において、はんだめっき２４の溶融工程では、図中の下向きの白抜き矢印のように、Ｃｕボール１３から電極パッド１２へのはんだ１４の流れ落ちを遅くするように基板１１をゆっくり加熱する。この第２溶融ステップで、Ｃｕ核ボール５０の全体の酸化膜が除去されると、はんだ１４がＣｕボール１３の周囲から電極パッド１２の方へ流れ落ちるようになる（Ｃｕコア偏心制御）。

【0050】

ここで、図５〜図８を参照して、Ｃｕコア偏心制御に関し、第１のリフロープロファイルの設定例を挙げて、２つの実施例１，２と２つの比較例１，２とを比較してＣｕコア偏心量が最も少なくなる上限としての昇温速度を考察する。この考察ではＮ＝２０のサンプルについて、Ｃｕコア偏心量を測定し、昇温速度とＣｕコア偏心量との関係から最適な上限の昇温速度を特定する。この例では、リフロー炉に代えて高温観察装置（山陽精工（株）製ＳＰ−５０００ ＤＳ）を用いた。

【0051】

第１のリフロープロファイルの設定例では、第１溶融ステップとして、図５の表図に示すように、３０℃（常温）〜２１０℃に至る加熱温度で、第１溶融ステップにおける昇温速度が２．０［℃／sec］の場合である。第１溶融ステップは実施例１，２及び比較例１，２のいずれも同じ温度条件である。

【0052】

第２溶融ステップは加熱温度が２１０℃〜２３０℃で、その実施例１で昇温速度が０．１［℃／sec］、実施例２で昇温速度が０．２［℃／sec］、比較例１で昇温速度が０．３［℃／sec］であり、比較例２では昇温速度が２．０［℃／sec］の場合である。

【0053】

第３溶融ステップは、リフロー処理のピーク温度を２４５℃としたとき、実施例１，２及び比較例１，２のいずれも加熱温度が２３０℃〜２４５℃で、その昇温速度が２．０［℃／sec］である。なお、降温ステップは実施例１，２及び比較例１，２のいずれも冷却温度が２４５℃から１８０℃でその降温速度が２．０［℃／sec］である。高温観察装置における酸素濃度は１００ｐｐｍ以下で、フラックス１６にはＷＦ−６４５０（千住金属工業製）を用いる場合である。

【0054】

図６に示す第１のリフロー処理例は、第１のリフロープロファイルに基づくものであって、縦軸は高温観察装置における加熱温度［℃］である。横軸は基板１１のリフロー時間［sec］である。図中の実線の太線は実施例１であって、加熱温度２１０℃〜２３０℃における昇温速度が０．１［℃／sec］の場合である。破線の太線は実施例２であって、昇温速度が０．２［℃／sec］の場合である。一点鎖線の太線は比較例１であって、昇温速度が０．３［℃／sec］の場合である。二点鎖線の細線は比較例２であって昇温速度が２．０［℃／sec］の場合である。

【0055】

図７の（Ａ）に示す第１のリフロープロファイルにおける昇温速度対Ｃｕコア偏心量の分布例において、縦軸は加熱温度が２１０℃〜２３０℃のときのＣｕコア偏心量［μｍ］である。横軸は実施例１，２及び比較例１，２における昇温速度［℃／sec］（図中Ｃ／ｓ］と表記する）である。図中の黒印の菱形はＣｕコア偏心量の平均値（Average）である。

【0056】

この例では、Ｎ＝２０のサンプルについて、リフロー処理後のバンプ電極３０を基板１１と平行する水平方向に研磨してその断面を露出し、その中心点ｏ１，ｏ２間（円心間）の距離ｘを測定した。実施例１ではＮ＝２０のサンプルの平均値として４．４［μｍ］の付近にＣｕコア偏心量が分布している。実施例２ではその平均値として６．３［μｍ］の付近にＣｕコア偏心量が分布している。比較例１ではその平均値として１５．０［μｍ］の付近にＣｕコア偏心量が分布している。比較例２ではその平均値として１４．８［μｍ］の付近にＣｕコア偏心量が分布している。

【0057】

これらの関係を示す表を図７の（Ｂ）にまとめている。この表から分かるように、Ｃｕコア偏心量を低下させるためには、０．３［℃／sec］未満の昇温速度での加熱を行えばよいことが明確となった。

【0058】

図８に示す第１のリフロープロファイルにおける昇温速度対Ｃｕコア偏心量の出現例において、縦軸は出現個数［％］（存在確率）であり、加熱温度が２１０℃〜２３０℃のときのＮ＝２０に対する当該Ｃｕコア偏心量が出現した個数を百分率で示したものである。横軸は実施例１，２及び比較例１，２における昇温速度［℃／sec］である。

【0059】

図中の左下斜線模様は距離ｘが０≦ｘ＜５［μｍ］の範囲のものであり、右下斜線模様は距離ｘが５≦ｘ＜１０［μｍ］の範囲のものである。横線模様は距離ｘが１０≦ｘ＜１５［μｍ］の範囲のものであり、格子模様は距離ｘが１５≦ｘ＜２０［μｍ］の範囲のものである。梨地模様は距離ｘが２０≦ｘ＜２５［μｍ］の範囲のものであり、煉瓦模様は距離ｘが２５≦ｘ＜３０［μｍ］の範囲のものである。波地模様は距離ｘが３０≦ｘ＜３５［μｍ］の範囲のものであり、斜め格子模様は距離ｘが３５≦ｘ＜４０［μｍ］の範囲のものである。市松模様は距離ｘが４０≦ｘ＜４５［μｍ］の範囲のものである。

【0060】

この例では、Ｎ＝２０のサンプルについて、実施例１（昇温速度＝０．１［℃／sec］）ではＮ＝２０のサンプル中、その８０％が０≦ｘ＜５［μｍ］の範囲に有る。５≦ｘ＜１０［μｍ］の範囲のものを含めるとその９０％を占めている。実施例２（昇温速度＝０．２［℃／sec］）ではＮ＝２０のサンプル中、４５％が０≦ｘ＜５［μｍ］の範囲に有る。５≦ｘ＜１０［μｍ］の範囲のものを含めるとその８５％を占めている。

【0061】

比較例１（昇温速度＝０．３［℃／sec］）ではＮ＝２０のサンプル中、３５％が０≦ｘ＜５［μｍ］の範囲に有り、５≦ｘ＜１０［μｍ］の範囲のものを含めてもその４８％を占める程度である。比較例２（昇温速度＝２．０［℃／sec］）ではＮ＝２０のサンプル中、２０％が０≦ｘ＜５［μｍ］の範囲に有り、５≦ｘ＜１０［μｍ］の範囲のものを含めてもその５５％を占める程度である。

【0062】

このように加熱温度２１０℃〜２３０℃におけるＣｕコア偏心制御では、バンプ電極３０において円心間の距離ｘを１０μｍ以下に抑えるという目的をほぼ達成する昇温速度の上限は０．３［℃／sec］未満に設定すればよいことが明確となった。

【0063】

続いて、図９〜図１２を参照して、Ｃｕコア偏心制御に関し、第２のリフロープロファイルの設定例を挙げて、６つの実施例３〜８と１つの比較例３とを比較してＣｕコア偏心量が最も少なくなる下限値の昇温速度を考察する。この考察でもＮ＝２０のサンプルについて、Ｃｕコア偏心量を測定し、昇温速度とＣｕコア偏心量との関係から最適な下限の昇温速度を特定する。

【0064】

第２のリフロープロファイルの設定例では、第１溶融ステップとして、図９の表図に示すように、３０℃（常温）〜２１５℃に至る加熱温度で、第１溶融ステップにおける昇温速度が２．０［℃／sec］の場合である。第１溶融ステップは実施例３〜８及び比較例３のいずれも同じ温度条件である。

【0065】

第２溶融ステップは加熱温度が２１５℃〜２２８℃で、その実施例３で昇温速度が０．０１［℃／sec］、実施例４で昇温速度が０．０５［℃／sec］、実施例５で昇温速度が０．１０［℃／sec］、実施例６で昇温速度が０．１３［℃／sec］、実施例７で昇温速度が０．１５［℃／sec］、実施例８で昇温速度が０．２０［℃／sec］、比較例３で昇温速度が２．００［℃／sec］の場合である。

【0066】

第３溶融ステップは、リフロー処理のピーク温度を２４５℃としたとき、実施例３〜８及び比較例３のいずれも加熱温度が２２８℃〜２４５℃で、その昇温速度が２．０［℃／sec］である。なお、降温ステップは実施例１，２及び比較例１，２と同様にして、実施例３〜８及び比較例３のいずれも冷却温度が２４５℃〜１８０℃でその降温速度が２．０［℃／sec］である。高温観察装置における酸素濃度は１００ｐｐｍ以下で、フラックス１６にはＷＦ−６４５０を用いる場合である。

【0067】

図１０に示す第２のリフロー処理例は、第２のリフロープロファイルに基づくものであって、縦軸は高温観察装置における加熱温度［℃］である。横軸は基板１１のリフロー時間［sec］である。図中の実線の太線は実施例３であって、加熱温度２１５℃〜２２８℃における昇温速度が０．０１［℃／sec］の場合であり、破線の太線は実施例４であって昇温速度が０．０５［℃／sec］の場合である。

【0068】

一点鎖線の太線は実施例５であって、昇温速度が０．１０［℃／sec］の場合であり、二点鎖線の太線は実施例６であって、昇温速度が０．１３［℃／sec］の場合である。実線の細線は実施例７であって、昇温速度が０．１５［℃／sec］の場合であり、破線の細線は実施例８であって、昇温速度が０．２０［℃／sec］の場合である。一点鎖線の細線は比較例３であって、昇温速度が２．０［℃／sec］の場合である。

【0069】

本発明に係るＣｕコア偏心制御では、はんだ溶融温度の±１０［℃］の領域で昇温速度を低下させることにより、Ｃｕコア偏心量を抑制するようにした。なお、リフロー時間を増加すると、ＩＭＣの成長による接合信頼性が低下したり、フラックス１６の失活、バンプ電極の酸化膜増加等が懸念されるので、昇温速度を低下させる領域は狭い方がよいことも明確となった。

【0070】

図１１の（Ａ）に示す第２のリフロープロファイルにおける昇温速度対Ｃｕコア偏心量の分布例において、縦軸は加熱温度が２１５℃〜２２８℃のときのＣｕコア偏心量［μｍ］である。横軸は実施例３〜８及び比較例３における昇温速度［℃／sec］である。

【0071】

この例でも、Ｎ＝２０のサンプルについて、リフロー処理後のバンプ電極３０を基板１１と平行する水平方向に研磨してその断面（図２のＹ−Ｙ矢視断面参照）を露出し、その中心点ｏ１，ｏ２間（円心間）の距離ｘを測定した。実施例３ではＮ＝２０のサンプルの平均値として２．５［μｍ］付近にＣｕコア偏心量が分布している。実施例４ではその平均値として３．９［μｍ］の付近にＣｕコア偏心量が分布している。実施例５ではその平均値として３．６［μｍ］の付近にＣｕコア偏心量が分布している。

【0072】

実施例６ではその平均値として４．０［μｍ］の付近にＣｕコア偏心量が分布している。実施例７ではその平均値として６．８［μｍ］の付近にＣｕコア偏心量が分布している。実施例８ではその平均値として７．３［μｍ］の付近にＣｕコア偏心量が分布している。比較例３ではその平均値として１４．８［μｍ］の付近にＣｕコア偏心量が分布している。これらの関係を図１１の（Ｂ）に示す表にまとめている。この表から分かるように、Ｃｕコア偏心量を低下させるためには、０．３［℃／sec］未満の昇温速度での加熱を行えばよいことが明確となった。

【0073】

図１２に示す第２のリフロープロファイルにおける昇温速度対Ｃｕコア偏心量の出現例において、縦軸は出現個数［％］（存在確率）であり、加熱温度が２１５℃〜２２８℃のときのＮ＝２０に対する当該Ｃｕコア偏心量が出現した個数を百分率で示したものである。横軸は実施例３〜８及び比較例３における昇温速度［℃／sec］である。

【0074】

図中の左下斜線模様、右下斜線模様、横線模様、格子模様、梨地模様、煉瓦模様、波地模様、斜め格子模様及び市松模様については、第１のリフロープロファイルにおける昇温速度対Ｃｕコア偏心量の出現例におけるものと同一であるのでその説明を省略する。

【0075】

この例では、Ｎ＝２０のサンプルについて、実施例３（昇温速度＝０．０１［℃／sec］）ではＮ＝２０のサンプル中、その９０％が０≦ｘ＜５［μｍ］の範囲に有る。５≦ｘ＜１０［μｍ］の範囲のものを含めるとその１００％を占めている。実施例４（昇温速度＝０．０５［℃／sec］）では、その７０％が０≦ｘ＜５［μｍ］の範囲に有る。５≦ｘ＜１０［μｍ］の範囲のものを含めるとその１００％を占めている。

【0076】

実施例５（昇温速度＝０．１０［℃／sec］）では、その８０％が０≦ｘ＜５［μｍ］の範囲に有る。５≦ｘ＜１０［μｍ］の範囲のものを含めるとその１００％を占めている。実施例６（昇温速度＝０．１３［℃／sec］）では、その７０％が０≦ｘ＜５［μｍ］の範囲に有る。５≦ｘ＜１０［μｍ］の範囲のものを含めるとその１００％を占めている。

【0077】

実施例７（昇温速度＝０．１５［℃／sec］）では、その４５％が０≦ｘ＜５［μｍ］の範囲に有る。５≦ｘ＜１０［μｍ］の範囲のものを含めるとその８０％を占めている。実施例８（昇温速度＝０．２［℃／sec］）ではＮ＝２０のサンプル中、３０％が０≦ｘ＜５［μｍ］の範囲に有る。５≦ｘ＜１０［μｍ］の範囲のものを含めるとその８０％を占めている。

【0078】

これらに対して、比較例３（昇温速度＝２．０［℃／sec］）によれば、Ｎ＝２０のサンプル中、２０％が０≦ｘ＜５［μｍ］の範囲に有り、５≦ｘ＜１０［μｍ］の範囲のものを含めてもその５５％を占める程度である。

【0079】

上述の加熱温度２１５℃〜２２８℃におけるＣｕコア偏心制御では、昇温速度が０．１３［℃／sec］以下で、Ｃｕコア偏心量が全て１０μｍ以下（１００％）となっている。これは、はんだ溶融温度近傍の昇温速度がリフロー処理後のＣｕコア偏心制御に効果を発揮しているものと考えられる。これにより、ＩＭＣの成長による接合信頼性の低下の恐れがなく、工業的にも使用できるリフロー時間の限界速度である点からバンプ電極３０において円心間の距離ｘを１０μｍ以下に抑えるという目的をほぼ達成する昇温速度の下限値は０．０１［℃／sec］に設定すればよいことが明確となった。

【0080】

このように、実施形態としてのバンプ電極３０およびバンプ電極基板１００によれば、加熱温度に関わらず、加熱率を０．０１［℃／sec］以上〜０．３［℃／sec］未満の範囲に設定すれば、Ｃｕボール１３の偏心を制御できる。このＣｕボール１３の偏心制御、すなわち、電極パッド１２からのフラックス１６の這い上がりが遅くされ、かつ、電極パッド１２へのはんだ１４の流れ落ちを遅くするように基板１１が加熱され、はんだ１４が溶融されてなるＣｕボール１３が備えられるものである。

【0081】

この構成によって、電極パッド１２上において、核層となった芯材を成すＣｕボール１３の中心がその水平断面ではんだ１４の外殻の中心に配置された高信頼度のバンプ電極基板１００を提供できるようになった。

【0082】

また、実施形態としてのバンプ電極基板１００の製造方法によれば、電極パッド１２及びＣｕボール１３の酸化膜の除去後のはんだめっき２４の溶融工程において、電極パッド１２からＣｕボール１３へのフラックス１６の這い上がりを遅くし、かつ、Ｃｕボール１３から電極パッド１２へのはんだ１４の流れ落ちを遅くするように基板１１を加熱するようにした。

【0083】

この構成によって、フラックス１６の這い上がりが緩やかになり、はんだめっき２４を覆う酸化膜が徐々に除去され、少しずつはんだ１４が流れ落ちる溶融プロセスとすることができる。このため、Ｃｕボール１３の表面が均等の厚みのはんだ１４の膜（外殻）で覆われ、Ｃｕボール１３が動き難い状態（状況）とすることができ、加熱処理後において、はんだ１４の外殻の中心とＣｕボール１３の中心とが共に電極パッド１２の中央に存在するバンプ電極３０を形成できるようになった。

【0084】

この実施形態では、芯材についてＣｕボール１３の場合について説明したが、これに限られることはなく、芯材がＣｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｐｂ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｇｅ、Ｓｂ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ａｕ、Ｓｉ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｌａ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｍｇの金属単体、金属酸化物、金属混合酸化物、あるいは合金の場合であっても同様な効果が得られる。さらに芯材は、はんだめっき層が溶融する温度で非溶融である樹脂材料等で構成されていてもよい。

【0085】

また、従来例のようなＣｕボール体積Ｖｃに対するはんだめっき層の体積Ｖｓの比が０．０５≦Ｖｓ／Ｖｃ≦０．５かつ、コアとなるＣｕボールの直径Ｄｃに対する電極パッド１２の直径Ｄｐの比が０．５≦Ｄｐ／Ｄｃ≦１．０といった条件に関わらず、リフロー処理後において、Ｃｕボール１３の中心をはんだ１４の外殻の中心に配置できるようになる。

【0086】

なお、本実施例においては、電極パッド１２上にフラックス１６を塗布した場合について説明したが、これに限らず、フラックス１６の代わりにはんだペーストを用いてもよい。

【産業上の利用可能性】

【0087】

本発明は、ＩＣチップの表面実装タイプのパッケージ方法であるＢＧＡに適用可能なバンプ電極基板及びそのはんだ付け方法に適用して極めて好適である。

【符号の説明】

【0088】

１１ 基板
１２ 電極パッド
１３ Ｃｕボール（芯材）
１４ はんだ
１５ 絶縁膜
１６ フラックス
２４ はんだめっき
３０ バンプ電極
５０ Ｃｕ核ボール
１００ バンプ電極基板

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】