特許 6263885 はんだバンプ製造方法

(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】6263885

(24)【登録日】2018年1月5日

(45)【発行日】2018年1月24日

(54)【発明の名称】はんだバンプ製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/60 20060101AFI20180115BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/92 603B

   H01L21/92 603D

   H01L21/92 604E

   H01L21/92 604M

【請求項の数】4

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2013-149560(P2013-149560)

(22)【出願日】2013年7月18日

(65)【公開番号】特開2015-23129(P2015-23129A)

(43)【公開日】2015年2月2日

【審査請求日】2016年3月31日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006264

【氏名又は名称】三菱マテリアル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101465

【弁理士】

【氏名又は名称】青山 正和

(72)【発明者】

【氏名】山本 佳史

(72)【発明者】

【氏名】石川 雅之

(72)【発明者】

【氏名】宇野 浩規

(72)【発明者】

【氏名】山路 貴司

【審査官】 工藤 一光

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−４９２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１０９０２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特公昭５８−２１４３０（ＪＰ，Ｂ２）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ２１／６０−２１／６０７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板に設けたパッド上にはんだバンプを形成するはんだバンプ製造方法であって、
前記パッド上に、平均粒径５μｍ以下のはんだ粉末及びフラックスを混合してなる下地形成用ペーストを塗布し、リフローして厚み８μｍ以上２０μｍ以下の下地層を形成する下地層形成工程と、
平均粒径が前記下地形成用ペーストより大きいはんだ粉末及びフラックスを混合してなるバンプ形成用ペーストを前記下地層上に塗布し、リフローしてはんだバンプを形成するバンプ形成工程とを備えることを特徴とするはんだバンプ製造方法。

【請求項2】

前記下地形成用ペーストのフラックス比率が、前記バンプ形成用ペーストのフラックス比率よりも大きく設定されることを特徴とする請求項１記載のはんだバンプ製造方法。

【請求項3】

前記下地形成用ペーストは、前記はんだ粉末の平均粒径が１μｍ以上５μｍ以下で、フラックス比率が２０質量％以上４０質量％以下とされ、前記バンプ形成用ペーストは、前記はんだ粉末の平均粒径が５μｍを超えて１５μｍ以下で、フラックス比率が５質量％以上１５質量％以下とされることを特徴とする請求項１又は２に記載のはんだバンプ製造方法。

【請求項4】

前記はんだバンプ形成工程において形成する前記はんだバンプは、該はんだバンプに対するボイドの最大面積率が６％未満のはんだバンプであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のはんだバンプ製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、はんだペーストを用いたはんだバンプの製造方法に係り、はんだペーストを印刷してリフローさせることにより、はんだバンプを製造する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年では、高密度実装法としてフリップチップ実装が注目されており、多数のはんだバンプをウエハや基板に形成された金属製のパッド上に形成しておき、その上に半導体チップを搭載した後、加熱することによりはんだバンプを溶融して接合することが行われている。
ところが、はんだバンプの形成時に、すなわちリフロー時においてはんだペーストに含まれているフラックスに起因するガスが発生すると、ボイドとなってはんだバンプ中に介在することがあり、この場合には、バンプ高さのばらつきや、はんだと電極間の接合強度の低下等を生じ、長期信頼性を低下させるおそれがある。

【0003】

そこで、特許文献１では、ウエハに形成されたパッド上に、はんだ粉末及びフラックスを混合してなる下地形成用ペーストを塗布して予め下地層を形成しておき、その下地層上に下地形成用ペーストと同種のはんだ粉末及びフラックスを混合してなり、下地形成用ペーストよりもフラックスの割合を少なくしたバンプ形成用ペーストによりはんだバンプを形成することとしている。
この場合、フラックス含有量の多い下地形成用ペーストにより下地層を形成する際に、パッド表面の清浄度がフラックスにより向上され、またはんだ含有量を少なくしていることから、はんだがパッド表面に濡れ拡がり易くなる。このため、パッド上に下地層が薄く形成され、大きなボイドの発生を防止することができる。そして、下地層の上にバンプ形成用ペーストを用いてはんだバンプを形成することで、大きなボイドのないはんだバンプを形成でき、バンプ高さの均一性も向上できることが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１３‐４９２９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１では、下地形成用ペーストに含まれるはんだ量を少なくして、はんだの濡れ性を向上させるとともに、パッド上に形成する下地層を薄く形成することによりボイドの発生を抑えることとしているが、基板の小型化等の影響から、はんだバンプも小径化が進められており、ボイドの影響を受け易くなってきていることから、さらなる対策が望まれている。

【0006】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、ボイド発生の抑制効果が高いはんだバンプ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】

【0007】

本発明は、基板に設けたパッド上にはんだバンプを形成するはんだバンプ製造方法であって、前記パッド上に、平均粒径５μｍ以下のはんだ粉末及びフラックスを混合してなる下地形成用ペーストを塗布し、リフローして厚み８μｍ以上２０μｍ以下の下地層を形成する下地層形成工程と、平均粒径が前記下地形成用ペーストより大きいはんだ粉末及びフラックスを混合してなるバンプ形成用ペーストを前記下地層上に塗布し、リフローしてはんだバンプを形成するバンプ形成工程とを備えることを特徴とする。

【0008】

ボイド発生の要因として、ペースト中のはんだ粉末がパッド表面に均一に存在せずに、また、はんだ粉末間の隙間が大きく局所的に空孔があったりすると、パッド表面にフラックスのみが存在する箇所が生じることにより、はんだが溶融する際にパッドに濡れ拡がり難くなり、パッドとの界面にボイドが捕捉され易くなることが考えられる。
本発明では、はんだバンプ形成前に、パッド上に下地層を形成するとともに、下地形成用ペースト中のはんだ粉末の平均粒径を５μｍ以下とすることで、パッド表面にはんだ粉末を均一に存在させ、パッドと下地層との界面にボイドが発生することを防止できる。また、下地層を厚み２０μｍ以下に薄く形成していることから、下地形成用ペーストのリフロー時に発生したガスを脱出させやすく、また、下地層の厚み以上の大きなボイドが発生し得ないので、下地層をパッドに対して強固に付着形成することができる。そして、このように予め形成された下地層にバンプ形成用ペーストを塗布してはんだバンプを形成することとしているので、バンプ形成用ペーストに下地形成用ペーストのはんだ粉末の平均粒径よりも大きい粒径のはんだ粉末を用いても、ボイドがパッド界面に捕捉されることがなく、はんだバンプに介在するボイドを低減させることができる。

【0009】

本発明のはんだバンプ製造方法において、前記下地形成用ペーストのフラックス比率が、前記バンプ形成用ペーストのフラックス比率よりも大きく設定されているとよい。
フラックス含有量の多い下地形成用ペーストにより下地層を形成する際に、パッド表面の清浄度がフラックスにより向上され、またフラックス比率が高い分、はんだ含有量が少なくなっていることから、はんだがパッド表面に濡れ拡がり易くなる。このため、パッド上に下地層が薄く形成され、大きなボイドの発生を防止することができる。一方、バンプ形成用ペーストにおいてはフラックス比率を高くしないので、ペーストの粘性を保つことができ、はんだを溶融させて表面張力で球状のはんだバンプが形成される際に、バンプ高さを高くして形成できる。また、大きなボイドのないはんだバンプを形成できるので、バンプ高さの均一性も向上させることができる。

【0010】

本発明のはんだバンプ製造方法において、前記下地形成用ペーストは、前記はんだ粉末の平均粒径が１μｍ以上５μｍ以下で、フラックス比率が２０質量％以上４０質量％以下とされ、前記バンプ形成用ペーストは、前記はんだ粉末の平均粒径が５μｍを超えて１５μｍ以下で、フラックス比率が５質量％以上１５質量％以下とされるとよい。
また、前記はんだバンプ形成工程において形成する前記はんだバンプは、該はんだバンプに対するボイドの最大面積率が６％未満のはんだバンプであるとよい。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、小径のはんだ粉末を用いた下地形成用ペーストにより予め下地層を形成した後に、はんだバンプを形成することで、パッドとの界面に生じるボイドを低減でき、ボイド発生の抑制効果を高められるとともに、接合信頼性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明のはんだバンプ製造方法の下地層形成工程を（ａ）〜（ｃ）に工程順に模式的に示した断面図である。

【図2】本発明のはんだバンプ製造方法のバンプ形成工程を（ａ）と（ｂ）に工程順に模式的に示した断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、基板１上に形成されたバンプ形成用パッド（Ｕｎｄｅｒ Ｂｕｍｐ Ｍｅｔａｌ，以下、単にパッドという）２に対して、はんだバンプ４を形成する工程を順に示したものである。本実施形態のはんだバンプ製造方法は、図１に示すように、レジスト層６の開口部７内に配置されるパッド２上に、下地用のはんだ粉末及びフラックスを所定のフラックス比率で混合してなる下地形成用ペースト３０を、ステンシルマスクを用いた印刷、もしくは、ステンシルマスクを用いず直接レジスト層６の開口部７に印刷充填することにより、所定厚さで塗布し（図１（ｂ））、リフローして下地層３を形成する（図１（ｃ））。次いで、この下地層３上に、下地用のはんだ粉末と同種のはんだ粉末で、下地用のはんだ粉末より平均粒径が大きいはんだ粉末及びフラックスを混合してなるバンプ形成用ペースト４０をステンシルマスクを用いた印刷により、所定量供給し（図２（ａ））、リフローして略球状のはんだバンプ４を形成する（図２（ｂ））。

【0014】

はんだバンプ４を形成する前の基板１のバンプ形成位置には、図１（ａ）に示すように、配線パターン（図示略）上にパッド２が設けられるとともに、このパッド２を開口部７に臨ませた状態でレジスト層６が設けられている。これらパッド２及びレジスト層６は公知の回路基板形成技術により形成される。

【0015】

また、下地形成用ペースト３０及びバンプ形成用ペースト４０を構成するはんだ粉末としては、例えば、Ｓｎ‐Ａｇ‐Ｃｕ系、Ｐｂ‐Ｓｎ系等の合金粉末が用いられる。また、フラックスとしては、ロジン等の樹脂分、活性剤、チクソ剤、溶剤を含有しており、ハロゲンフリータイプ、活性（ＲＡ）タイプ、弱活性（ＲＭＡ）タイプ、水溶性タイプ等のものを用いることができる。
そして、下地形成用ペースト３０は、はんだ粉末の平均粒径が１μｍ以上５μｍ以下のはんだ粉末と、フラックスとを混合したものであり、フラックス比率が２０質量％以上４０質量％以下とされる。また、バンプ形成用ペースト４０は、はんだ粉末の平均粒径が５μｍを超えて１５μｍ以下のはんだ粉末と、フラックスとを混合したものであり、フラックス比率が５質量％以上１５質量％以下とされ、下地形成用ペースト３０のフラックス比率は、バンプ形成用ペースト４０のフラックス比率よりも大きく設定されている。

【0016】

以下、この基板１のパッド２の上にはんだバンプ４を形成する方法を、下地層形成工程、バンプ形成工程の順に分けて説明する。
（下地層形成工程）
まず、レジスト層６の開口部７内に配置されたパッド２上に、下地層３形成する。具体的には、図１（ｂ）に示すように、下地形成用ペースト３０を開口部７内（充填空間Ｓ）に充填し、そのままリフローすることによりはんだを溶融させるとともにフラックスを除去し、下地層３を形成する（図１（ｃ））。この下地層３の厚みｔは２０μｍ以下とされ、パッド２周辺に形成されたレジスト層６の高さよりも低く形成される。なお、本実施形態では、フラックスを除去したが、フラックスが残留していても構わない。
下地形成用ペースト３０中のはんだ粉末の平均粒径を５μｍ以下とすることで、パッド２の表面にはんだ粉末を均一に存在させ、パッド２と下地層３との界面にボイドが発生することを防止できる。また、下地層３を薄く形成することにより、下地形成用ペースト３０のリフロー時に発生したガスを脱出させやすく、また、下地層３の厚みｔ以上の大きなボイドが発生し得ないので、下地層３をパッド２に対して強固に付着形成することができる。

【0017】

一方、下地形成用ペースト３０を構成するはんだ粉末の平均粒径が１μｍ未満では、粉末表面の酸化が進み、リフロー時の還元ガスの発生量が増加するため、下地形成用ペースト３０のはんだ粉末の平均粒径は１μｍ以上５μｍ以下とすることがより好ましい。

【0018】

（バンプ形成工程）
次いで、バンプ形成用ペースト４０を、下地層３に及びパッド２に対してさらに供給し、リフローしてはんだバンプ４を形成する。具体的には、図２（ａ）に示すように、充填空間Ｓ内にバンプ形成用ペースト４０を充填し、そのままリフローすることにより、バンプ形成用ペースト４０のはんだ粉末とともに下地層３を溶融させ、フラックスを除去する（図２（ｂ））。その後冷却すると、表面張力により基板１のパッド２上に略半球状のはんだバンプ４が形成される。はんだバンプ４のバンプ高さは、例えば４０μｍ程度に形成される。

【0019】

バンプ形成用ペースト４０を充填空間Ｓ内に充填してリフローするとき、パッド２上には既に下地層３が形成されており、この下地層３にはボイドが殆ど存在しないことから、リフローによりバンプ形成用ペースト４０が溶融されると溶融した下地層３とともに、パッド２上にはんだが凝集する。これにより、ボイドが低減されたはんだバンプ４がパッド２上に形成される。そして、予め形成された下地層３にバンプ形成用ペースト４０を塗布してはんだバンプ４を形成することとしているので、バンプ形成用ペースト４０に下地形成用ペースト３０のはんだ粉末の平均粒径よりも大きい粒径のはんだ粉末を用いても、ボイドがパッド２の界面に捕捉されることがなく、はんだバンプ４に介在するボイドを低減させることができる。

【0020】

また、下地形成用ペースト３０のフラックス含有量を多くしているので、下地層３を形成する際に、パッド２表面の清浄度がフラックスにより向上され、またフラックス比率が高い分、はんだ含有量が少なくなっていることから、はんだがパッド２表面に濡れ拡がり易くなる。このため、パッド２上に下地層３が薄く形成され、大きなボイドの発生を防止することができる。なお、下地形成用ペースト３０のフラックス含有量が多くなると経時変化によりペーストが分離しやすくなることから、フラックス比率は２０質量％以上４０質量％以下とすることがより好ましい。
一方、バンプ形成用ペースト４０においてはフラックス比率を高くしないので、ペーストの粘性を保つことができ、はんだを溶融させて表面張力で球状のはんだバンプ４が形成される際に、バンプ高さを高くして形成できる。また、大きなボイドのないはんだバンプ４を形成できるので、バンプ高さの均一性も向上させることができる。
なお、バンプ形成用ペースト４０は、はんだ粉末の平均粒径を５μｍを超えて１５μｍ以下、フラックス比率を５質量％以上１５質量％以下とすることが好ましい。

【0021】

以上説明したように、本発明のはんだバンプ製造方法によれば、ボイドのない薄い下地層３をパッド２上に形成した後に、その下地層３上にバンプ形成用ペースト４０を供給してリフローするので、内部に大きなボイドが介在することなく、フリップチップ実装の接合信頼性の高いはんだバンプ４を得ることができる。

【実施例】

【0022】

次に、本発明の効果を確認するために行った試験結果について説明する。
表１に示すように、含有するはんだ粉末の平均粒径や成分、フラックス比率等を変更して作製した下地形成用ペースト及びバンプ形成用ペーストを用いて基板上に複数のはんだバンプを形成した試料を形成し、各試料について発生したボイドを確認した。
なお、下地用形成ペースト及びバンプ形成用ペーストのフラックスには、活性（ＲＡ）タイプのものを用いた。

【0023】

各試料は、開口径１１０μｍ、厚み２０μｍでパターンされたレジスト層を備える基板上に下地形成用ペーストを印刷し、窒素雰囲気中で最高温度２４０℃にてリフローすることにより下地層を形成した。次に、純水系洗浄剤を用いて洗浄し、この下地層の上に、バンプ形成用ペーストを印刷して、窒素雰囲気中で最高温度２４０℃にてリフローすることによりはんだバンプを形成した。それぞれの基板には、２５００個のはんだバンプを形成した。
そして、形成したはんだバンプの内部に発生したボイドを透過型Ｘ線により観察し、各バンプにどの程度の大きさのボイドが発生したかをカウントした。ボイドの大きさは、はんだバンプの直径に対するボイドの直径の比率として算出した。また、一つのはんだバンプに複数個のボイドが発生した場合には、そのうちの最も大きいボイドについてカウントした。なお、表１のボイド発生バンプ数の各欄において、各ボイド面積率のサイズを有するボイドの分布範囲を表示する。表２の左の数値は「以上」、右の数値は「未満」を示し、例えば、「０％〜２％」は、０％以上２％未満であることを示す。
これらの結果を表２に示す。なお、比較例３〜５については、下地層を形成することなく、パッドに直接バンプ形成用ペーストを印刷してはんだバンプを形成した。

【0024】

大きなボイドが発生したはんだバンプが数多く発生した基板は不良であるので、一つのはんだバンプに対して、その内部に面積率６％以上のサイズを有するボイド、もしくは面積率４％以上のサイズを有するボイドが発生したバンプ数が１０個以上である場合は、不良と判断し、表２に「ＮＧ」と表記した。一方、良好な結果（ボイドが６％未満又は、４％以上６％未満のボイドが１０個未満）が得られた試料は「ＯＫ」と表記した。なお、ボイドの最大面積率は、６％未満であることが望ましい。

【0025】

【表1】

【0026】

【表2】

【0027】

表２から明らかなように、実施例１〜１５では、面積率６％以上のボイドが介在することがなく、発生するボイドの分布も４％未満に集中しており、良好な結果を得られた。これら実施例１〜１５は、下地層の厚みｔが２０μｍ以下とされ、下地形成用ペーストを構成するはんだ粉末の平均粒径が５μｍ以下とされるとともに、バンプ形成用ペーストを構成するはんだ粉末の平均粒径が下地形成用ペーストのはんだ粉末の平均粒径よりも大きいものとされる。
なお、実施例１〜１５のうち、下地形成用ペーストを構成するはんだ粉末の平均粒径が１μｍ未満の０．５μｍとされる実施例７と、フラックス比率が４０質量％を超えて４２質量％とされる実施例９では、他の実施例と比べて面積率２％以上４％未満のボイド発生数が多くなった。

【0028】

一方、比較例１は、下地形成用ペーストのはんだ粉末の平均粒径が５μｍを超えるものであり、比較例１，２は共に、下地層の厚みｔが２０μｍを超えるものであった。

【0029】

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

【符号の説明】

【0030】

１ 基板
２ パッド
３ 下地層
４ はんだバンプ
５ 配線パターン
６ レジスト層
７ 開口部
３０ 下地形成用ペースト
４０ バンプ形成用ペースト

【図1】

【図2】