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JP2003268403A - 微小銅ボールおよび微小銅ボールの製造方法 - Google Patents

微小銅ボールおよび微小銅ボールの製造方法

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JP2003268403A
JP2003268403A JP2002324834A JP2002324834A JP2003268403A JP 2003268403 A JP2003268403 A JP 2003268403A JP 2002324834 A JP2002324834 A JP 2002324834A JP 2002324834 A JP2002324834 A JP 2002324834A JP 2003268403 A JP2003268403 A JP 2003268403A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】従来の銅ボールは、真球度が低いため、これで
作られた銅核はんだボールは搭載機の吸着装置で吸着で
きず未搭載が発生してしまっていた。また従来の銅ボー
ルで作られた銅核はんだボールは、外被のはんだを溶融
させて電子部品に接合したときに、はんだ中のSnと銅ボ
ールのCuとが脆い金属間化合物を生成して接合強度を低
下させていた。 【解決手段】本発明の微小銅ボールは、Cu中にZnが0.01
〜0.5質量％含有しているため、はんだ中のSnと銅ボー
ルのCuとが結合するのを妨げて接合強度を低下させな
い。また本発明の銅ボールの製造方法は、表面張力の大
きいZn0.5〜40質量％、残部Cuからなる合金の小片をCu
の溶融温度以上で溶融して球状化する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、BGA、CSP、MCM等
の半導体電子部品（以下、単に電子部品という）のバン
プ形成に用いる銅核はんだボール用の微小銅ボールおよ
びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に電子部品のバンプ形成には、直径
が50〜1000μｍの微小はんだボールが用いられている。
該はんだボールは、全体が均一組成であり、電子部品の
電極に搭載した後、はんだボールを溶融させて電子部品
の電極にはんだバンプを形成するものである。そして電
子部品をプリント基板に実装するときは、はんだバンプ
とプリント基板のはんだ付け部とを一致させてからはん
だバンプを溶融させることにより電子部品とプリント基
板をはんだ付けする。
【０００３】電子部品の電極にはんだボールだけではん
だバンプを形成すると、電子部品をプリント基板に搭載
してからはんだバンプを溶融させたときに電子部品の重
さではんだバンプがつぶれて、隣接したはんだバンプ同
士が融合したり、はんだが電子部品の外部に流出したり
してしまうことがある。
【０００４】このような不都合に鑑み、従来より銅ボー
ルにはんだをメッキした「銅核はんだボール」がバンプ
に用いられていた。この銅核はんだボールは、電子部品
をプリント基板に実装するときに、銅ボール表面のはん
だメッキが溶融して電子部品の重量がバンプにかかって
も、銅ボールがそれを支えてつぶれるようなことがな
い。従って、銅核はんだボールは電子部品において信頼
性に優れた導通が得られるものである。
【０００５】BGA、CSP、MCM等の電子部品は、多数の電
極が設置され、その間隔は非常に狭くなっている。この
ような電子部品に用いる銅核はんだボールの銅ボール
は、大きさが正確に所定の大きさでなくてはならず、ま
た真球度の良好なのものが要求されている。ここでいう
真球度とは、銅ボールの（長径−短径）を（長径＋短
径）／２で割って、それを百分率で表したものである。
銅核はんだボール用の銅ボールとしては、真球度の平均
値（N＝100）は２％以下であることが望ましいとされて
いる。
【０００６】従来の銅核はんだボールに使用される銅ボ
ールの製造方法は、銅の細線を一定長に切断したチップ
を銅の溶融温度以上に加熱して球状化するものであっ
た。しかしながら従来の銅ボールの製造方法では、如何
に製造条件を変えても真球度が２％以下のものを得るこ
とが困難であった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ところで従来の製造方
法で得られた銅ボールは、真球度が悪いため、該銅ボー
ルにはんだメッキを行った場合にも銅核はんだボールに
その影響が残り、真球度の悪い銅核はんだボールとなっ
ていた。銅核はんだボールの真球度が悪いと、電子部品
への搭載時、銅核はんだボールが搭載装置の吸着器に吸
着できず、電子部品に未搭載になってしまうことがあっ
た。また従来の製造方法で得られた銅ボールにはんだメ
ッキを行って銅核はんだボールを作製し、該銅核はんだ
ボールで電子部品にバンプを形成した場合、接合強度が
弱くなるという問題もあった。本発明は、真球度が良好
で、しかも銅核はんだボールにして電子部品にバンプを
形成した場合に接合強度が充分に強くなるという微小銅
ボールおよびその製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、Znは蒸気
圧が高く高温になると揮散してしまうこと、またCu-Zn
合金はCuに比べて溶融時に表面張力が大きいこと、そし
てZnはCuに対してSnよりも結合しやすいこと、等に着目
して本発明を完成させた。
【０００９】本発明は、直径が50〜1000μｍの球形であ
り、合金組成がZn0.01〜0.5質量％、残部Cuであること
を特徴とする微小銅ボールである。
【００１０】またもう一つの本発明は、Zn0.5〜40質量
％、残部Cuからなる合金を所定形状の小片に形成した
後、該小片を銅の溶融温度以上に加熱して球状化し、そ
の状態で冷却することを特徴とする微小銅ボールの製造
方法である。
【００１１】
【発明の実施の態様】本発明の銅ボールは、直径が50〜
1000μｍであるのは、最近のCSPやMCM等の電子部品はピ
ッチ間隔が120μｍ以下という微小になってきており、
該電子部品に使用するためには銅ボールの直径は50μｍ
以上のものが必要である。しかるに1000μｍを越える銅
ボールは電子部品には使用しないし、また直径が1000μ
ｍを越えるようになると銅ボールの製造時、溶融した銅
ボール自体の重さで球が変形して真球度が悪くなってし
まう。
【００１２】前述したように純銅のボールを用いて製造
した銅核はんだボールで電子部品にバンプを形成すると
接合部が弱くなってしまうものである。この原因は、銅
核はんだボールで電子部品にバンプを形成するときに、
銅核はんだボールのはんだを溶融させると、はんだ中の
Snと銅ボールのCuが金属間化合物を生成し、脆い合金層
となってしまうからである。しかるに本発明の銅ボール
は、Znが0.01〜0.5質量％、残部Cuであり、Cu中にZnが
少量含有されていることにより接合強度が低下すること
を抑制している。このようにCu中にZnが少量含有されて
いると、ZnがSnよりも優先的にCuと金属的に結合するた
めSnとCuの金属間化合物を生成しなくなり接合強度を低
下させるようなことがない。この効果はZnが0.01質量％
より少ないと現れず、0.5質量％を越えると今度ははん
だ付け性に影響がでてしまう。
【００１３】Cu中にZnが含有されていると、溶融したと
きに合金の表面張力が大きくなり、真球度の高い球とな
る。本発明の銅ボールの製造方法ではCu中にZnが0.5〜4
0質量％含有された合金を使用するが、Znの含有量が0.5
質量％より少ないと表面張力を大きくする作用が現れな
い。しかるにZn含有量が40質量％よりも多くなってもそ
れ以上の効果が期待できず、しかも溶融したときにZnが
揮散して体積の減量が多くなってしまい所定の球形のも
のを得ることが難しくなる。
【００１４】本発明に使用するCu-Zn合金としては、所
謂六四黄銅とか七三黄銅と呼ばれる真鍮を用いることが
できる。これらは一般の市販品であるため入手が容易で
安価である。
【００１５】本発明の銅ボールの製造方法では、Cu-Zn
合金を細線にし、これを一定長に切断してチップ状にし
たり、Cu-Zn合金板を打ち抜いて一定大の成形板にした
り、或いはCu-Zn合金粉とバインダーからなるペースト
を印刷や吐出で一定大のペースト塊にしたりしたものを
溶融させてもよい。
【００１６】Cu-Zn合金の細線チップ、成形板、ペース
ト塊等の小片はセラミックのような耐熱性の板上に置
き、セラミック板とともに炉中で加熱する。このときに
使用する耐熱性の板には底面が半球状となった円形の溝
を刻設しておき、小片を該溝内に置いて加熱するとさら
に真球度の高い銅ボールが得られる。
【００１７】本発明の製造方法でCu-Zn合金の小片を加
熱するときは、還元雰囲気中で行うと表面が円滑で真球
度の高い銅ボールを得ることができる。還元雰囲気と
は、水素、アンモニア分解ガス、一酸化炭素ガス等であ
る。またCu-Zn合金の小片を加熱するときに還元剤を用
いることもできる。該還元剤としてはCuの溶融温度で酸
化物を還元除去するとともに、再酸化を防ぐことができ
るものであり、例えば硬ロウ付けに用いるフラックスが
適している。この還元剤を用いるときには加熱炉内を還
元性雰囲気にせず、不活性雰囲気や大気でもよい。
【００１８】Cu-Zn合金の小片を加熱する温度はCuの溶
融温度である1083℃以上でなければならない。なぜなら
ばCu-Zn合金の融点はCuの融点よりも低いが、Cu-Zn合金
が溶融中にZnが揮散すると、Zn含有量が少なくなったCu
-Zn合金は最初のCu-Zn合金の融点よりも高くなり、Cuの
融点に近づくようになるからである。そのためZnが揮散
してZn含有量が少なくなっても溶融状態を保つために少
なくともCuの融点よりも高い温度で加熱する。
【００１９】
【実施例および比較例】（実施例１）図１に示すように
セラミック板１には底部が半球状となった多数の円形の
溝２…が刻設されている。溝２の直径Wは0.8mmであり、
深さDは0.88mmである。またCu-40Zn合金の細線（直径0.
55mm）を0.789mmに切断してチップ３に成形しておき、
溝２内に前記チップ３を一個ずつ投入する。溝内にチッ
プが投入されたセラミック板を炉内に置き、炉内にアン
モニア分解ガスを充填するとともに、炉を加熱して炉内
温度を銅の融点以上の1150℃に昇温する。このとき炉内
温度がCu-40Zn合金の融点以上になると、チップは溶融
して球状となる。その後、加熱を止めて炉内を冷却する
と図２のようにセラミック板１の溝２内で銅ボール４が
成形される。このようにして得られた銅ボールは直径が
0.604mmとなり、真球度が1.14％であった。該銅ボール
の成分分析を行ったところ、Zn含有量が0.26質量％、残
部がＣｕであった。
【００２０】(実施例２)Cu-30Zn合金の薄板（厚さ0.03m
m）を直径0.8mmに打ち抜き円板を得る。該円板をセラミ
ック板上に載置し、実施例１と同一条件で溶融、冷却を
行った。ここで得られた銅ボールは、直径が0.583mm、
真球度が1.58％であった。そして銅ボールの成分分析で
はZnが0.18質量％，残部がCuであった。
【００２１】（実施例３）Cu-10Zn合金の粉末（粒度45
〜36μｍ）とバインダー（ほう砂、弗化物、溶剤）から
なるペーストを印刷によりセラミック板上に定量塗布し
て多数のペースト塊にする。該セラミック板を窒素が充
填された不活性雰囲気炉内で1150℃で加熱し、その後冷
却して銅ボールを得た。ここで得られた銅ボールは、直
径が0.52mm、真球度が1.81％であった。そして銅ボール
の成分分析ではZnが0.15質量％、残部Ｃｕであった。
【００２２】（比較例１）純銅の細線（直径0.55mm）を
0.476mmに切断してチップに成形する。該チップを実施
例１と同一条件で溶融、冷却を行った。ここで得られた
銅ボールは、直径が0.602mm、真球度が2.38％であっ
た。
【００２３】実施例１、２、３および比較例１で得られ
た銅ボールの表面に63Sn-Pbはんだを厚さ30μｍにメッ
キして銅核はんだボールを作製した。これらの銅核はん
だボールを用いてBGAにバンプを形成し、バンプの引っ
張り強度を測定した。その結果、実施例の銅ボールを用
いた銅核はんだボールの平均引っ張り強度は14.7Nであ
り、比較例で得られた銅ボールを用いた銅核はんだボー
ルの平均引っ張り強度は12.1Nであった。
【００２４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の銅ボール
は、銅核はんだボールにしてバンプを形成したときにCu
中のZnがバリアーとなってCuとSnの脆い金属間化合物の
生成を抑制するため、バンプと電子部品の接合強度が低
下するようなことがないという信頼性に優れたものとな
る。また本発明の銅ボールの製造方法は、溶融時にCuよ
りも表面張力の大きいCu-Zn合金を用いて球状化するこ
とから、真球度の良好な銅ボールが得られるものであ
る。また本発明の銅ボールの製造方法は、Cu-Zn合金の
溶融時にZnがほとんど揮散してしまい、溶融後にはCuと
Snの金属間化合物の生成を抑制するに適した量のZnを残
すことができることから銅核はんだボールとして使用し
たときに強度の強い接合部が得られるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の銅ボールの製造方法における加熱前の
Cu-Zn合金の小片の状態
【図２】本発明の銅ボールの製造方法における加熱後の
銅ボールの状態
【符号の説明】
１ セラミック板 ２ 溝 ３ Cu-Zn合金の小片 ４ 銅ボール

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】直径が50〜1000μｍの球形であり、合金組
    成がZn0.01〜0.5質量％、残部Cuであることを特徴とす
    る微小銅ボール。
  2. 【請求項２】Zn0.5〜40質量％、残部Cuからなる合金を
    所定形状の小片に形成した後、該小片を銅の溶融温度以
    上に加熱して球状化し、その状態で冷却することを特徴
    とする微小銅ボールの製造方法。
  3. 【請求項３】前記小片は、Cu-Zn合金の細線を一定長に
    切断したチップであることを特徴とする請求項２記載の
    微小銅ボールの製造方法。
  4. 【請求項４】前記小片は、Cu-Zn合金の板を一定大に打
    ち抜いた成形板であることを特徴とする請求項２記載の
    微小銅ボールの製造方法。
  5. 【請求項５】前記小片は、Cu-Zn合金の粉末とバインダ
    ーでペースト状にし、該ペーストを一定大にしたペース
    ト塊であることを特徴とする請求項２記載の微小銅ボー
    ルの製造方法。
  6. 【請求項６】前記小片は、還元雰囲気中で加熱を行うこ
    とを特徴とする請求項２〜５記載の微小銅ボールの製造
    方法。
  7. 【請求項７】前記小片は、還元剤を用いて加熱を行うこ
    とを特徴とする請求項２〜５記載の微小銅ボールの製造
    方法。
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