JP2009088431A - バンプ形成用ペースト、及びバンプ構造体 - Google Patents
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Abstract
【課題】電極に印刷塗布後、汎用鉛フリーはんだのリフロー熱処理条件（ピーク２４５℃）でバンプ形成でき、形成したバンプは、ピーク３００℃未満のリフロー熱処理条件では溶融せず、形状が、電極面を底部とした半球形状ではなく、上部が凹構造を有する球帯形状となる鉛フリーバンプ、及び前記バンプを有する半導体デバイスを提供する。
【解決手段】ロジン、活性剤、溶剤、及び増粘剤からなるフラックスと、第１の金属粒子と第２の金属粒子の混合体からなる導電性フィラーとで構成されることを特徴とするバンプ形成用ペースト。
【選択図】なし
Description
本発明は、電子機器の高密度実装に用いられるバンプ接続に関するもので、特に鉛フリーペーストによる半導体チップまたはパッケージ電極へのバンプ形成に関する。
半導体実装技術における接合方式は、ワイヤを用いて半導体チップと基板とを接合するワイヤボンディング方式、並びにバンプを用いるＴＡＢ（Tape Automated bonding）方式及びＦＣ（Flip Chip）方式がある。バンプは、ＴＡＢ方式やＦＣ方式において半導体チップ電極と実装基板電極とを接続したり、ＢＧＡ（Ball Grid Array）やＣＳＰ（Chip Size Package）等のパッケージを基板に接続するための金属突起媒体のことで、電気的接続と機械的保持の役割を担っている。
近年の電子機器では、高密度化の流れから、回路基板上に複数の半導体チップを搭載できるＦＣ方式の実装プロセスが多用される傾向にある。ＦＣ方式では、半導体チップの電極にバンプを形成し、基板の電極と位置合わせして搭載後、リフロー熱処理で接続するのが一般的である。通常、基板の電極には、リフロー熱処理で溶融するはんだが被膜されており、この部分が、バンプと溶融接合する。一方、バンプは、接続時の潰れによる短絡を防ぐ必要から、リフロー熱処理で溶融しない高融点金属が使用される。
近年の電子機器では、高密度化の流れから、回路基板上に複数の半導体チップを搭載できるＦＣ方式の実装プロセスが多用される傾向にある。ＦＣ方式では、半導体チップの電極にバンプを形成し、基板の電極と位置合わせして搭載後、リフロー熱処理で接続するのが一般的である。通常、基板の電極には、リフロー熱処理で溶融するはんだが被膜されており、この部分が、バンプと溶融接合する。一方、バンプは、接続時の潰れによる短絡を防ぐ必要から、リフロー熱処理で溶融しない高融点金属が使用される。
主要な高融点金属としては、Ａｕ、Ｐｂ−Ｓｎ高温はんだ（Ｐｂ含有率８５％以上）が挙げられる。Ａｕは、柔らかい材料で、半導体チップの歪みやバンプ高のばらつきを搭載時の加圧で吸収することができ、酸化の影響を受けず、基板電極のはんだとの濡れ性が良好などの利点があるが、非常に高価である。また、熱拡散し易いので、接合界面において基板電極はんだとＡｕ−Ｓｎ金属間化合物を形成し、カーケンダルボイドを生じて、接続信頼性を損なう欠点がある。一方、Ｐｂ−Ｓｎ高温はんだは、安価ではあるが、高濃度にＰｂを含有しているので、人体に有害であり、ＥＵの環境規制（ＲｏＨＳ）にあるよう製品には使用上の制限がある。また、Ｐｂ中の不純物であるＵ、Ｔｈ等の放射性元素からのα線による集積回路の誤差動も問題視されている。尚、バンプ形状は、はんだ金属を溶融形成するので、表面張力により球状になる特徴がある（特許文献１参照）。主なＰｂ−Ｓｎ高温はんだとしては、固相線２６８℃、液相線３０１℃からなるＰｂ−１０Ｓｎ合金、固相線３００℃、液相線３１４℃からなるＰｂ−５Ｓｎ合金等が知られている。
Ａｕバンプ形成は、ワイヤボンダを用いるボールバンピング法またはめっき法が主流となっている。はんだバンプ形成は、はんだボール搭載法、蒸着法、電解めっき法等があるが、何れも工程が多く、製造ロスが多くなるため、生産性が十分ではない。これに対し、スクリーン印刷法は、半導体チップ電極上にペーストを印刷、リフロー熱処理でバンプ形成するので、シンプルで安価な製造プロセスとして注目されている。
本発明者らは、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕで代表される鉛フリーはんだのリフロー熱処理条件（ピーク２４５℃）で溶融合金化し、合金形成後は、ピーク３００℃未満のリフロー熱処理条件では溶融しない高耐熱性の鉛フリー接続材料を提案している（特許文献２参照）。
尚、Ａｕバンプによる接合法としては、ＡＣＦ（Anisotropic Conductive Film）、ＡＣＰ（Anisotropic Conductive Paste）にて樹脂固着する方法もある。この方法は、基板電極にはんだ被膜を必要とせず、プロセスが簡単という利便性があるが、バンプと基板電極は金属結合していないので接続信頼性に劣る。また、導電性粒子をバンプと基板電極間に捕捉することで導電性を得るので、バンプ表面は平坦性が必要であり、従来のはんだバンプのような金属を溶融して表面張力で球状バンプを形成する材料は、表面がフラットにならないので、導電性粒子の捕捉性が悪く適さなかった。
本発明者らは、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕで代表される鉛フリーはんだのリフロー熱処理条件（ピーク２４５℃）で溶融合金化し、合金形成後は、ピーク３００℃未満のリフロー熱処理条件では溶融しない高耐熱性の鉛フリー接続材料を提案している（特許文献２参照）。
尚、Ａｕバンプによる接合法としては、ＡＣＦ（Anisotropic Conductive Film）、ＡＣＰ（Anisotropic Conductive Paste）にて樹脂固着する方法もある。この方法は、基板電極にはんだ被膜を必要とせず、プロセスが簡単という利便性があるが、バンプと基板電極は金属結合していないので接続信頼性に劣る。また、導電性粒子をバンプと基板電極間に捕捉することで導電性を得るので、バンプ表面は平坦性が必要であり、従来のはんだバンプのような金属を溶融して表面張力で球状バンプを形成する材料は、表面がフラットにならないので、導電性粒子の捕捉性が悪く適さなかった。
本発明は、電極に印刷塗布後、汎用鉛フリーはんだのリフロー熱処理条件（ピーク２４５℃）でバンプ形成でき、形成したバンプは、ピーク３００℃未満のリフロー熱処理条件では溶融せず、形状が、電極面を底部とした半球形状ではなく、上部が凹構造を有する球帯形状となる鉛フリーバンプを提供することを目的とする。また、前記バンプを有する半導体デバイスを提供することも本発明の目的である。
本発明者らは、上記課題を解決すべく検討を行った結果、本発明をなすに至った。
即ち、本発明の一は、ロジン、活性剤、溶剤、及び増粘剤からなるフラックスと、第１の金属粒子と第２の金属粒子の混合体からなる導電性フィラーであって、該導電性フィラーが、示差走査熱量測定で発熱ピークとして観測される準安定合金相を少なくとも１つと、吸熱ピークとして観測される融点を２１０〜２４０℃と３００〜４５０℃の２箇所に少なくとも１つずつ有するとともに、５０〜２０９℃には吸熱ピークとして観測される融点を有さないものであり、該導電性フィラーを熱処理することにより第２の金属粒子を溶融させ第１の金属粒子と接合させた接合体は示差走査熱量測定で吸熱ピークとして観測される融点を５０〜２４０℃に有さないか、または５０〜２４０℃の吸熱ピーク面積から観測される溶融時の吸熱量が、熱処理前の２１０〜２４０℃の吸熱ピーク面積から観測される溶融時の吸熱量の９０％以下になる導電性フィラーとで構成されることを特徴とするバンプ形成用ペ−ストである。
即ち、本発明の一は、ロジン、活性剤、溶剤、及び増粘剤からなるフラックスと、第１の金属粒子と第２の金属粒子の混合体からなる導電性フィラーであって、該導電性フィラーが、示差走査熱量測定で発熱ピークとして観測される準安定合金相を少なくとも１つと、吸熱ピークとして観測される融点を２１０〜２４０℃と３００〜４５０℃の２箇所に少なくとも１つずつ有するとともに、５０〜２０９℃には吸熱ピークとして観測される融点を有さないものであり、該導電性フィラーを熱処理することにより第２の金属粒子を溶融させ第１の金属粒子と接合させた接合体は示差走査熱量測定で吸熱ピークとして観測される融点を５０〜２４０℃に有さないか、または５０〜２４０℃の吸熱ピーク面積から観測される溶融時の吸熱量が、熱処理前の２１０〜２４０℃の吸熱ピーク面積から観測される溶融時の吸熱量の９０％以下になる導電性フィラーとで構成されることを特徴とするバンプ形成用ペ−ストである。
前記導電性フィラーは、第1の金属粒子１００質量部と第２の金属粒子５０〜２００質量部からなり、該第１の金属粒子は、Ｃｕ５０〜８０質量％、Ａｇ５〜１５質量％、Ｂｉ２〜１０％、Ｉｎ２〜１０％、及び残部Ｓｎからなる合金からなり、該第２の金属粒子は、Ｓｎ７０〜１００質量％の組成を有する合金からなることが好ましい。
本発明のニは、上記のバンプ形成用ペ−ストを半導体チップまたはパッケージの電極上に印刷塗布後、リフロー熱処理して前記導電性フィラーを溶融形成したバンプが、電極面を底部とした半球形状ではなく、上部が凹構造を有する球帯形状であることを特徴とするバンプ構造体である。
本発明の三は、上記バンプ形成用ペ−ストを半導体チップまたはパッケージの電極上に印刷塗布する工程、及びリフロー熱処理して前記導電性フィラーを溶融形成する工程からなることを特徴とするバンプ構造体の製造方法である。
本発明の四は、上記のバンプ構造体を有することを特徴とする半導体デバイスである。
本発明のニは、上記のバンプ形成用ペ−ストを半導体チップまたはパッケージの電極上に印刷塗布後、リフロー熱処理して前記導電性フィラーを溶融形成したバンプが、電極面を底部とした半球形状ではなく、上部が凹構造を有する球帯形状であることを特徴とするバンプ構造体である。
本発明の三は、上記バンプ形成用ペ−ストを半導体チップまたはパッケージの電極上に印刷塗布する工程、及びリフロー熱処理して前記導電性フィラーを溶融形成する工程からなることを特徴とするバンプ構造体の製造方法である。
本発明の四は、上記のバンプ構造体を有することを特徴とする半導体デバイスである。
本発明のバンプ形成用ペーストは、電極に印刷塗布後、汎用鉛フリーはんだのリフロー熱処理条件（ピーク２４５℃）でバンプ形成でき、形成したバンプは、ピーク３００℃未満のリフロー熱処理条件では溶融しない高耐熱性を有している。本発明のバンプは、鉛フリー材料であり、Ｐｂ−Ｓｎ高温はんだバンプ代替材料として利用できる。本発明のバンプは、形状が、電極面を底部とした半球形状ではなく、上部が凹構造を有する球帯形状なので、ＡＣＦ、ＡＣＰ接続において、導電性粒子捕捉性に優れたバンプ構造体として利用できる。
本発明のバンプ形成用ペーストは、ロジン、活性剤、溶剤、及び増粘剤からなるフラッ
クスと、第１の金属粒子と第２の金属粒子の混合体からなる導電性フィラーであって、該導電性フィラーが、示差走査熱量測定（以下「ＤＳＣ」ともいう。）で発熱ピークとして観測される準安定合金相を少なくとも１つと、吸熱ピークとして観測される融点を２１０〜２４０℃と３００〜４５０℃の２箇所に少なくとも１つずつ有するとともに、５０〜２０９℃には吸熱ピークとして観測される融点を有さないものであり、該導電性フィラーを熱処理することにより第２の金属粒子を溶融させ第１の金属粒子と接合させた接合体は示差走査熱量測定で吸熱ピークとして観測される融点を５０〜２４０℃に有さないか、または５０〜２４０℃の吸熱ピーク面積から観測される溶融時の吸熱量が、熱処理前の２１０〜２４０℃の吸熱ピーク面積から観測される溶融時の吸熱量の９０％以下になる導電性フィラーとで構成されることを特徴とするものである。
クスと、第１の金属粒子と第２の金属粒子の混合体からなる導電性フィラーであって、該導電性フィラーが、示差走査熱量測定（以下「ＤＳＣ」ともいう。）で発熱ピークとして観測される準安定合金相を少なくとも１つと、吸熱ピークとして観測される融点を２１０〜２４０℃と３００〜４５０℃の２箇所に少なくとも１つずつ有するとともに、５０〜２０９℃には吸熱ピークとして観測される融点を有さないものであり、該導電性フィラーを熱処理することにより第２の金属粒子を溶融させ第１の金属粒子と接合させた接合体は示差走査熱量測定で吸熱ピークとして観測される融点を５０〜２４０℃に有さないか、または５０〜２４０℃の吸熱ピーク面積から観測される溶融時の吸熱量が、熱処理前の２１０〜２４０℃の吸熱ピーク面積から観測される溶融時の吸熱量の９０％以下になる導電性フィラーとで構成されることを特徴とするものである。
尚、本発明におけるＤＳＣの温度範囲は、３０〜６００℃とし、発熱量または吸熱量が±１．５Ｊ／ｇ以上あるものを測定対象物由来のピークとして定量し、それ未満のピークは、分析精度の観点から除外するものとする。
本発明のバンプは、前記バンプ形成用ペ−ストを半導体チップまたはパッケージの電極上に印刷塗布後、リフロー熱処理して前記導電性フィラーを溶融形成することを特徴とするものである。
本発明の導電性フィラーとして好ましい第1の金属粒子と第２の金属粒子の混合体を例示すると、ＤＳＣで発熱ピークとして観測される準安定合金相を少なくとも１つと吸熱ピークとして観測される融点を３００〜６００℃に少なくとも１つ有する第１の金属粒子と、発熱ピークとして観測される準安定合金相を有さず吸熱ピークとして観測される融点を２１０〜２４０℃に少なくとも１つ有する第２の金属粒子との混合体があげられる。この混合体は、第１の金属粒子由来のＤＳＣで発熱ピークとして観測される準安定合金相を少なくとも１つと、第２の金属粒子由来の吸熱ピークとして観測される融点を２１０〜２４０℃に少なくとも１つ有すると共に、第１の金属粒子と第２の金属粒子の反応物である新たな安定合金相由来の吸熱ピークとして観測される融点を３００〜４５０℃に少なくとも１つ有するものである。
本発明のバンプは、前記バンプ形成用ペ−ストを半導体チップまたはパッケージの電極上に印刷塗布後、リフロー熱処理して前記導電性フィラーを溶融形成することを特徴とするものである。
本発明の導電性フィラーとして好ましい第1の金属粒子と第２の金属粒子の混合体を例示すると、ＤＳＣで発熱ピークとして観測される準安定合金相を少なくとも１つと吸熱ピークとして観測される融点を３００〜６００℃に少なくとも１つ有する第１の金属粒子と、発熱ピークとして観測される準安定合金相を有さず吸熱ピークとして観測される融点を２１０〜２４０℃に少なくとも１つ有する第２の金属粒子との混合体があげられる。この混合体は、第１の金属粒子由来のＤＳＣで発熱ピークとして観測される準安定合金相を少なくとも１つと、第２の金属粒子由来の吸熱ピークとして観測される融点を２１０〜２４０℃に少なくとも１つ有すると共に、第１の金属粒子と第２の金属粒子の反応物である新たな安定合金相由来の吸熱ピークとして観測される融点を３００〜４５０℃に少なくとも１つ有するものである。
上記の混合体に、２４５℃の熱処理により第２の金属粒子の融点以上の熱履歴が与えられると、該第２の金属粒子が溶融し第１の金属粒子と接合する。これにより、第１の金属粒子と第２の金属粒子の間の熱拡散反応が加速的に進み、準安定合金相が消失して新たな安定合金相が形成される。即ち、ＤＳＣで発熱ピークとして観測される準安定合金相の存在が、該熱拡散反応の進行を助長する効果がある。ここで、上記熱処理の温度は、鉛フリーはんだのリフロー熱処理条件であるピーク温度２４０〜２６０℃の範囲で適宜設定することができるが、本発明における測定条件としてはピーク温度２４５℃で規定するものとする。
上記の熱拡散反応の進行とともに、第２の金属粒子の２１０〜２４０℃の融点を有する金属成分は、新たに形成される３００〜４５０℃の融点を有する安定合金相へ移動して減少する。つまり、上記の熱処理後の２１０〜２４０℃の吸熱ピーク面積から観測される第２の金属粒子由来の溶融時の吸熱量は該熱処理前に比べて減少するか、または消失する。
上記の熱拡散反応の進行とともに、第２の金属粒子の２１０〜２４０℃の融点を有する金属成分は、新たに形成される３００〜４５０℃の融点を有する安定合金相へ移動して減少する。つまり、上記の熱処理後の２１０〜２４０℃の吸熱ピーク面積から観測される第２の金属粒子由来の溶融時の吸熱量は該熱処理前に比べて減少するか、または消失する。
その一方で、第１の金属粒子と第２の金属粒子の反応により３００℃未満では溶融しない新たな安定合金相が形成される。
上記の混合体を２４５℃で熱処理した後の、５０〜２４０℃におけるＤＳＣの吸熱ピーク面積は、熱処理前の０〜９０％であることが好ましく、０〜７０％であることがより好ましい。該吸熱ピーク面積が９０％以下であれば、３００℃未満では溶融しない新たな安定合金相による高耐熱性を示す。尚、０％とは、該熱処理後は５０〜２４０℃におけるＤＳＣの吸熱ピークが消失することを意味する。
上記の混合体を２４５℃で熱処理した後の、５０〜２４０℃におけるＤＳＣの吸熱ピーク面積は、熱処理前の０〜９０％であることが好ましく、０〜７０％であることがより好ましい。該吸熱ピーク面積が９０％以下であれば、３００℃未満では溶融しない新たな安定合金相による高耐熱性を示す。尚、０％とは、該熱処理後は５０〜２４０℃におけるＤＳＣの吸熱ピークが消失することを意味する。
従って、本発明の導電性フィラーを溶融形成したバンプは、半導体チップまたはパッケ
ージの電極と回路基板の電極をバンプ接続する際のリフロー熱処理温度が３００℃未満であれば、熱履歴を与えても全溶融することはないので、Ｐｂ−Ｓｎ高温はんだバンプの代替材料として使用することができる。
本発明の導電性フィラーを構成する第１の金属粒子は、前述のようにＤＳＣで発熱ピークとして観測される準安定合金相を少なくとも１つと吸熱ピークとして観測される融点を３００〜６００℃に少なくとも１つ有する金属粒子が例示される。
このような熱特性を示す金属粒子としては、Ｃｕ５０〜８０質量％とＡｇ、Ｂｉ、Ｉｎ、及びＳｎからなる群より選ばれる少なくとも１つ以上の元素２０〜５０質量％の組成を有する合金からなる金属粒子が好ましい。第２の金属粒子の主成分がＳｎである場合は、熱処理による接合強度を高くするために、第１の金属粒子におけるＣｕを５０質量％以上とすることが好ましい。また、準安定合金相を少なくとも１つと３００〜６００℃に融点を少なくとも１つ発現させるために、第１の金属粒子においてはＡｇ、Ｂｉ、Ｉｎ、及びＳｎからなる群より選ばれる少なくとも１つ以上の元素を１０質量％以上とすることが好ましい。
ージの電極と回路基板の電極をバンプ接続する際のリフロー熱処理温度が３００℃未満であれば、熱履歴を与えても全溶融することはないので、Ｐｂ−Ｓｎ高温はんだバンプの代替材料として使用することができる。
本発明の導電性フィラーを構成する第１の金属粒子は、前述のようにＤＳＣで発熱ピークとして観測される準安定合金相を少なくとも１つと吸熱ピークとして観測される融点を３００〜６００℃に少なくとも１つ有する金属粒子が例示される。
このような熱特性を示す金属粒子としては、Ｃｕ５０〜８０質量％とＡｇ、Ｂｉ、Ｉｎ、及びＳｎからなる群より選ばれる少なくとも１つ以上の元素２０〜５０質量％の組成を有する合金からなる金属粒子が好ましい。第２の金属粒子の主成分がＳｎである場合は、熱処理による接合強度を高くするために、第１の金属粒子におけるＣｕを５０質量％以上とすることが好ましい。また、準安定合金相を少なくとも１つと３００〜６００℃に融点を少なくとも１つ発現させるために、第１の金属粒子においてはＡｇ、Ｂｉ、Ｉｎ、及びＳｎからなる群より選ばれる少なくとも１つ以上の元素を１０質量％以上とすることが好ましい。
また、第１の金属粒子は、Ｃｕ５０〜８０質量％、Ｓｎ５〜２５質量％、Ａｇ５〜２５質量％、Ｂｉ１〜２０質量％、及びＩｎ１〜１０質量％の組成を有する合金からなる金属粒子がより好ましい。Ａｇ及びＢｉは、準安定合金相の発現を容易にするために、それぞれ５質量％以上及び１質量％以上とすることがより好ましい。ＳｎおよびＩｎは、熱処理時に第２の合金粒子との合金化を促進するために、それぞれ５質量％以上及び１質量％以上とすることがより好ましい。また、Ｃｕを５０質量％以上とするために、Ｓｎ、Ａｇ、Ｂｉ及びＩｎは、それぞれ２５質量％以下、２５質量％以下、２０質量％以下、及び１０質量％以下とすることがより好ましい。
本発明で、さらにより好ましい第１の金属粒子は、Ｃｕ５０〜８０質量％、Ａｇ５〜１５質量％、Ｂｉ２〜１０％、Ｉｎ２〜１０％、及び残部Ｓｎの組成を有する合金からなる金属粒子である。
第２の金属粒子は、前述のようにＤＳＣで発熱ピークとして観測される準安定合金相を有さず吸熱ピークとして観測される融点を２１０〜２４０℃に少なくとも１つ有する金属粒子が例示される。
本発明で、さらにより好ましい第１の金属粒子は、Ｃｕ５０〜８０質量％、Ａｇ５〜１５質量％、Ｂｉ２〜１０％、Ｉｎ２〜１０％、及び残部Ｓｎの組成を有する合金からなる金属粒子である。
第２の金属粒子は、前述のようにＤＳＣで発熱ピークとして観測される準安定合金相を有さず吸熱ピークとして観測される融点を２１０〜２４０℃に少なくとも１つ有する金属粒子が例示される。
このような熱特性を示す金属粒子としては、Ｓｎを７０〜１００質量％含む金属粒子が好ましい。第１の金属粒子の主成分がＣｕである場合は、熱処理による接合強度を高くするために、第２の金属粒子におけるＳｎを７０質量％以上とすることが好ましい。また、Ｓｎは融点が２３２℃であるので、第２の金属粒子において２１０〜２４０℃に融点を発現させるためにも好ましい。Ｓｎ以外の成分としては、鉛フリーはんだで使用される金属元素、例えばＡｇ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｎｉ、Ｚｎ、を３０質量％以下とすることが好ましい。
また、第２の金属粒子は、Ｓｎ１００質量％、またはＳｎ７０〜９９質量％とＡｇ、Ｂｉ、Ｃｕ、及びＩｎからなる群より選ばれる少なくとも１つ以上の元素１〜３０質量％の組成を有する合金からなる金属粒子がより好ましい。
また、第２の金属粒子は、Ｓｎ１００質量％、またはＳｎ７０〜９９質量％とＡｇ、Ｂｉ、Ｃｕ、及びＩｎからなる群より選ばれる少なくとも１つ以上の元素１〜３０質量％の組成を有する合金からなる金属粒子がより好ましい。
第1の金属粒子と第２の金属粒子の混合比は、第1の金属粒子１００質量部に対して、第２の金属粒子５０〜２００質量部が好ましく、５５〜１８６質量部がより好ましく、８０〜１８６質量部が最も好ましい。第１の金属粒子１００質量部に対して、第２の金属粒子が５０質量部以上であれば室温での接続強度が高く、第２の金属粒子が２００質量部以下であれば２６０℃での接続強度が高い。
上記金属粒子の粒子サイズは、バンプ形成方法に応じて定めることができる。例えば、スクリーン印刷法では、ペースト版抜け性を重視して、平均粒径２〜４０μｍの範囲で、粒度分布をブロードにとり、比較的真球度の高い粒子を使うことが好ましい。逆にディッピング法では、ペースト流動性を考慮して、粒度分布はシャープにするのが好ましい。
また、通常、微細な金属粒子は表面が酸化されていることが多い。従って、上述の用途における熱処理による溶融、熱拡散を促進するためには、酸化膜を除去する活性剤を配合することが好ましい。
上記金属粒子の粒子サイズは、バンプ形成方法に応じて定めることができる。例えば、スクリーン印刷法では、ペースト版抜け性を重視して、平均粒径２〜４０μｍの範囲で、粒度分布をブロードにとり、比較的真球度の高い粒子を使うことが好ましい。逆にディッピング法では、ペースト流動性を考慮して、粒度分布はシャープにするのが好ましい。
また、通常、微細な金属粒子は表面が酸化されていることが多い。従って、上述の用途における熱処理による溶融、熱拡散を促進するためには、酸化膜を除去する活性剤を配合することが好ましい。
本発明の導電性フィラーを構成する第１の金属粒子及び第２の金属粒子の製造方法としては、該金属粒子内に準安定合金相や安定合金相を形成させるために、急冷凝固法である不活性ガスアトマイズ法を採用することが望ましい。ガスアトマイズ法では、通常、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガスが使用されるが、本発明に関しては、ヘリウムガスを用いることが好ましく、冷却速度は、５００〜５０００℃／秒が好ましい。
本発明のバンプ形成用ペーストは、本発明の導電性フィラー、並びにロジン、活性剤、溶剤、及び増粘剤等の成分からなるフラックスで構成される。ペーストにおける導電性フィラーの含有率としては、８５〜９５質量％が好ましい。フラックスは、金属粒子からなる導電性フィラーの表面処理に最適で、該金属粒子の溶融、及び熱拡散を促進するものである。フラックスとしては、公知の材料、例えば特許文献２に記載されたフラックスが使用できるが、更に有機アミンを酸化膜除去剤として加えるとより効果的である。また、必要に応じて、公知のフラックスに溶剤を加えて粘度を調整したものを使用してもよい。
本発明のバンプ形成用ペーストは、リフロー熱処理において、溶融する第２の金属粒子と溶融しない第１の金属粒子を含有することから、濡れ上がりが少なく、熱処理後も印刷時に近い形状を保持する特性があるので、マスク開口、印刷条件等により、バンプ形状をコントロールすることが出来る。
本発明のバンプ形成用ペーストは、本発明の導電性フィラー、並びにロジン、活性剤、溶剤、及び増粘剤等の成分からなるフラックスで構成される。ペーストにおける導電性フィラーの含有率としては、８５〜９５質量％が好ましい。フラックスは、金属粒子からなる導電性フィラーの表面処理に最適で、該金属粒子の溶融、及び熱拡散を促進するものである。フラックスとしては、公知の材料、例えば特許文献２に記載されたフラックスが使用できるが、更に有機アミンを酸化膜除去剤として加えるとより効果的である。また、必要に応じて、公知のフラックスに溶剤を加えて粘度を調整したものを使用してもよい。
本発明のバンプ形成用ペーストは、リフロー熱処理において、溶融する第２の金属粒子と溶融しない第１の金属粒子を含有することから、濡れ上がりが少なく、熱処理後も印刷時に近い形状を保持する特性があるので、マスク開口、印刷条件等により、バンプ形状をコントロールすることが出来る。
バンプ形状は、基板電極のはんだと溶融接合する場合は、先端の尖っている形状が好ましく、基板電極との金属結合を伴わないＡＣＦ、ＡＣＰ接続においては、導電性粒子の捕捉性を確保する為、平坦な形状が好ましい。
本発明のバンプ形成用ペーストを使用し、半導体チップまたはパッケージの電極上に印刷塗布後、リフロー熱処理して前記導電性フィラーを溶融形成することにより、上部が凹構造を有する球帯形状であるバンプ構造体とすることができる。
また、バンプ内部にボイドを有していると、基板電極のはんだとの溶融接合を促進するので好ましい。ボイドは、微細で、バンプ全体に均一分布していると更に好ましい。
尚、バンプは、半導体チップ或いはパッケージの電極側に形成するのが一般的であるが回路基板の電極側に形成することも勿論可能である。
本発明のバンプ形成用ペーストを使用し、半導体チップまたはパッケージの電極上に印刷塗布後、リフロー熱処理して前記導電性フィラーを溶融形成することにより、上部が凹構造を有する球帯形状であるバンプ構造体とすることができる。
また、バンプ内部にボイドを有していると、基板電極のはんだとの溶融接合を促進するので好ましい。ボイドは、微細で、バンプ全体に均一分布していると更に好ましい。
尚、バンプは、半導体チップ或いはパッケージの電極側に形成するのが一般的であるが回路基板の電極側に形成することも勿論可能である。
バンプ形成に適した電極金属は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ａl、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｓｉ等が挙げられるが、より好ましくは、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕである。
尚、Ａｕ以外は、金属表面が酸化され易いので、ペーストを印刷塗布する前に、電極面をフラックス等で表面処理したり、或いは、プリフラックスコートしておくと良好なバンプ形成が可能である。
また、回路基板電極のはんだ被膜は、Ｓｎ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇが挙げられるが、より好ましくは、Ｓｎ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕである。
以上のとおり、本発明のバンプ形成用ペ−ストを使用し，該バンプ形成用ペ−ストを半導体チップまたはパッケージの電極上に印刷塗布する工程、及びリフロー熱処理して前記導電性フィラーを溶融形成する工程を採用することにより、上部が凹構造を有する球帯形状であるバンプ構造体及びそのようなバンプ構造体を有する半導体デバイスを製造することができる。
尚、Ａｕ以外は、金属表面が酸化され易いので、ペーストを印刷塗布する前に、電極面をフラックス等で表面処理したり、或いは、プリフラックスコートしておくと良好なバンプ形成が可能である。
また、回路基板電極のはんだ被膜は、Ｓｎ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇが挙げられるが、より好ましくは、Ｓｎ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕである。
以上のとおり、本発明のバンプ形成用ペ−ストを使用し，該バンプ形成用ペ−ストを半導体チップまたはパッケージの電極上に印刷塗布する工程、及びリフロー熱処理して前記導電性フィラーを溶融形成する工程を採用することにより、上部が凹構造を有する球帯形状であるバンプ構造体及びそのようなバンプ構造体を有する半導体デバイスを製造することができる。
以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
（１）第１の金属粒子の製造
Ｃｕ粒子６．５ｋｇ（純度９９質量％以上）、Ｓｎ粒子１．５ｋｇ（純度９９質量％以上）、Ａｇ粒子１．０ｋｇ（純度９９質量％以上）、Ｂｉ粒子０．５ｋｇ（純度９９質量％以上）、及びＩｎ粒子０．５ｋｇ（純度９９質量％以上）を黒鉛坩堝に入れ、９９体積％以上のヘリウム雰囲気で、高周波誘導加熱装置により１４００℃まで加熱、融解した。次に、この溶融金属を坩堝の先端より、ヘリウムガス雰囲気の噴霧槽内に導入した後、坩堝先端付近に設けられたガスノズルから、ヘリウムガス（純度９９体積％以上、酸素濃度０．１体積％未満、圧力２．５ＭＰａ）を噴出してアトマイズを行い、第１の金属粒子を作製した。この時の冷却速度は２６００℃／秒とした。
（１）第１の金属粒子の製造
Ｃｕ粒子６．５ｋｇ（純度９９質量％以上）、Ｓｎ粒子１．５ｋｇ（純度９９質量％以上）、Ａｇ粒子１．０ｋｇ（純度９９質量％以上）、Ｂｉ粒子０．５ｋｇ（純度９９質量％以上）、及びＩｎ粒子０．５ｋｇ（純度９９質量％以上）を黒鉛坩堝に入れ、９９体積％以上のヘリウム雰囲気で、高周波誘導加熱装置により１４００℃まで加熱、融解した。次に、この溶融金属を坩堝の先端より、ヘリウムガス雰囲気の噴霧槽内に導入した後、坩堝先端付近に設けられたガスノズルから、ヘリウムガス（純度９９体積％以上、酸素濃度０．１体積％未満、圧力２．５ＭＰａ）を噴出してアトマイズを行い、第１の金属粒子を作製した。この時の冷却速度は２６００℃／秒とした。
得られた第１の金属粒子を走査型電子顕微鏡（日立製作所（株）製：Ｓ−２７００）で観察したところ球状であった。この金属粒子を気流式分級機（日清エンジニアリング（株）製：ＴＣ−１５Ｎ）を用いて、１．６μｍの設定で分級した後に、そのオーバーカット粉を１０μｍ設定でもう一度分級して得られたアンダーカット粉を回収した。この回収された第１の金属粒子の体積平均粒径は２．７μｍであった。このようにして得られた第１の金属粒子を試料とし、島津製作所（株）製「ＤＳＣ−５０」を用い、窒素雰囲気下、昇温速度１０℃／分の条件で、３０〜６００℃の範囲において示差走査熱量測定を行った。その結果、得られた第１の金属粒子には、４９５℃、及び５１４℃に吸熱ピークが存在し、複数の融点を有することが確認できた。また、２５４℃の発熱ピークが存在し、準安定合金相を有することが確認できた。
（２）第２の金属粒子の製造
Ｓｎ粒子１０．０ｋｇ（純度９９質量％以上）を黒鉛坩堝に入れ、９９体積％以上のヘリウム雰囲気で、高周波誘導加熱装置により１４００℃まで加熱、融解した。次に、この溶融金属を坩堝の先端より、ヘリウムガス雰囲気の噴霧槽内に導入した後、坩堝先端付近に設けられたガスノズルから、ヘリウムガス（純度９９体積％以上、酸素濃度０．１体積％未満、圧力２．５ＭＰａ）を噴出してアトマイズを行うことにより、第２の金属粒子を作製した。この時の冷却速度は２６００℃／秒とした。
Ｓｎ粒子１０．０ｋｇ（純度９９質量％以上）を黒鉛坩堝に入れ、９９体積％以上のヘリウム雰囲気で、高周波誘導加熱装置により１４００℃まで加熱、融解した。次に、この溶融金属を坩堝の先端より、ヘリウムガス雰囲気の噴霧槽内に導入した後、坩堝先端付近に設けられたガスノズルから、ヘリウムガス（純度９９体積％以上、酸素濃度０．１体積％未満、圧力２．５ＭＰａ）を噴出してアトマイズを行うことにより、第２の金属粒子を作製した。この時の冷却速度は２６００℃／秒とした。
得られた第２の金属粒子を走査型電子顕微鏡（日立製作所（株）製：Ｓ−２７００）で観察したところ球状であった。この金属粒子を気流式分級機（日清エンジニアリング（株）製：ＴＣ−１５Ｎ）を用いて、５μｍの設定で分級した後に、そのオーバーカット粉を４０μｍ設定でもう一度分級して得られたアンダーカット粉を回収した。この回収された第２の金属粒子の体積平均粒径は６．５μｍであった。このようにして得られた第２の金属粒子を試料とし、島津製作所（株）製「ＤＳＣ−５０」を用い、窒素雰囲気下、昇温速度１０℃／分の条件で、３０〜６００℃の範囲において示差走査熱量測定を行った。その結果、得られた第２の金属粒子には、２４２℃の吸熱ピークが存在し、融点２３２℃（融解開始温度：通常、固相線温度と表示させる温度）を有することが確認できた。また、特徴的な発熱ピークは存在しなかった。
（３）熱処理による融点変化
上記第１の金属粒子と上記第２の金属粒子とを重量比１００：８３で混合した導電性フィラー（平均粒径３．４μｍ）を試料とし、島津製作所（株）製「ＤＳＣ−５０」を用い、窒素雰囲気下、昇温速度１０℃／分の条件で、３０〜６００℃の範囲において示差走査熱量測定を行った。この測定により得られたＤＳＣチャートを図１に示す。この図に示すように、２３３℃、３４８℃、及び３７８℃に吸熱ピークが存在することが確認された。２３３℃の吸熱ピークは、融点２２７℃（融解開始温度：固相線温度と表示させる温度）、吸熱量１６．１Ｊ／ｇである。また、特徴的に２５５℃に発熱ピークが存在していた。
上記第１の金属粒子と上記第２の金属粒子とを重量比１００：８３で混合した導電性フィラー（平均粒径３．４μｍ）を試料とし、島津製作所（株）製「ＤＳＣ−５０」を用い、窒素雰囲気下、昇温速度１０℃／分の条件で、３０〜６００℃の範囲において示差走査熱量測定を行った。この測定により得られたＤＳＣチャートを図１に示す。この図に示すように、２３３℃、３４８℃、及び３７８℃に吸熱ピークが存在することが確認された。２３３℃の吸熱ピークは、融点２２７℃（融解開始温度：固相線温度と表示させる温度）、吸熱量１６．１Ｊ／ｇである。また、特徴的に２５５℃に発熱ピークが存在していた。
次に、該導電性フィラー９０．２質量％、ロジン系フラックス質量９．８％を混合し、ソルダーソフナー（（株）マルコム製：ＳＰＳ−１）、脱泡混練機（松尾産業（株）製：
ＳＮＢ−３５０）にかけてバンプ形成用ペーストを作製した。このようにして得られたバンプ形成用ペーストを試料として（株）マルコム製「ＰＣＵ−２０５」で粘度測定したところ、粘度２０４Ｐａ・ｓ、チクソ指数０．５０であった。
上記バンプ形成用ペーストをアルミナ基板に載せ、窒素雰囲気下にて、ピーク温度２４５℃でリフロー熱処理した。熱処理装置は、光洋サーモシステム（株）製のメッシュベルト式連続熱処理装置を使用した。温度プロファイルは、全工程が５分で、熱処理開始から１分３０秒で１４５℃に達し、その後は徐々に昇温、３分１５秒でピーク温度２４５℃に到達後、徐々に温度が降下、熱処理終了時は、１８７℃になる条件を採用した。
ＳＮＢ−３５０）にかけてバンプ形成用ペーストを作製した。このようにして得られたバンプ形成用ペーストを試料として（株）マルコム製「ＰＣＵ−２０５」で粘度測定したところ、粘度２０４Ｐａ・ｓ、チクソ指数０．５０であった。
上記バンプ形成用ペーストをアルミナ基板に載せ、窒素雰囲気下にて、ピーク温度２４５℃でリフロー熱処理した。熱処理装置は、光洋サーモシステム（株）製のメッシュベルト式連続熱処理装置を使用した。温度プロファイルは、全工程が５分で、熱処理開始から１分３０秒で１４５℃に達し、その後は徐々に昇温、３分１５秒でピーク温度２４５℃に到達後、徐々に温度が降下、熱処理終了時は、１８７℃になる条件を採用した。
この熱処理後のバンプ形成用ペーストを試料とし、島津製作所（株）製「ＤＳＣ−５０」を用い、窒素雰囲気下、昇温速度１０℃／分の条件で、３０〜６００℃の範囲において示差走査熱量測定を行った。この測定により得られたＤＳＣチャートを図２に示す。この図に示すように、１３６℃、１７１℃、３４７℃、４２０℃に吸熱ピークが存在することが確認された。この内、２４０℃以下の吸熱ピークは、１３６℃、１７１℃で、吸熱量は、３．９Ｊ／ｇである。よって５０〜２４０℃の吸熱量は、熱処理前の２１０〜２４０℃の吸熱ピーク面積から観測される溶融時の吸熱量の２４％に減少し、新たな安定合金相が形成され、３００℃未満では溶融しない高耐熱性が確認された。
（４）バンプ形成
上記バンプ形成用ペーストを２．５ｍｍ×２．５ｍｍ、厚み０．２５ｍｍのＡｕめっき／Ｎｉ基板に印刷塗布し、窒素雰囲気下にて、前記の熱処理方法で、ピーク温度２４５℃でリフロー熱処理した。印刷パターン形成は、印刷機としてマイクロテック（株）製の「ＭＴ−３２０ＴＶ」を用い、版には、メタルマスクを用いた。マスク開孔は、０．３ｍｍφで、厚みは、０．１ｍｍである。印刷条件は、速度：１．０ｍ／ｍｉｎ、印圧：０．１ＭＰａ、スキージ圧：０．２ＭＰａ、背圧：０．１ＭＰａ、スキージアタック角度：２０°、クリアランス：０ｍｍ、印刷回数１回とした。
このようにして得られたバンプを（株）キーエンス製デジタルマイクロスコープで計測した３Ｄ画像を図３に示す。図３からバンプ形状が、上部が凹構造を有する球帯形状になっていることが確認できた。
上記バンプ形成用ペーストを２．５ｍｍ×２．５ｍｍ、厚み０．２５ｍｍのＡｕめっき／Ｎｉ基板に印刷塗布し、窒素雰囲気下にて、前記の熱処理方法で、ピーク温度２４５℃でリフロー熱処理した。印刷パターン形成は、印刷機としてマイクロテック（株）製の「ＭＴ−３２０ＴＶ」を用い、版には、メタルマスクを用いた。マスク開孔は、０．３ｍｍφで、厚みは、０．１ｍｍである。印刷条件は、速度：１．０ｍ／ｍｉｎ、印圧：０．１ＭＰａ、スキージ圧：０．２ＭＰａ、背圧：０．１ＭＰａ、スキージアタック角度：２０°、クリアランス：０ｍｍ、印刷回数１回とした。
このようにして得られたバンプを（株）キーエンス製デジタルマイクロスコープで計測した３Ｄ画像を図３に示す。図３からバンプ形状が、上部が凹構造を有する球帯形状になっていることが確認できた。
次に前記バンプの中心で断面プロファイル計測した結果を図４に示す。図４から、バンプが、底辺３６２μｍ、上辺２１６μｍ、高さ１０９μｍで、上辺部に、深さ１８μｍの凹構造を有する球帯形状になっていることが確認できた。この形状は、従来のはんだバンプのような電極面を底部とした半球形状とは異なり、ＡＣＦ、ＡＣＰ接続において、バンプ表面で導電性粒子を捕捉し易い構造となっており、優れた接続信頼性を期待できる。
[結果まとめ]
以上、説明したように本発明のバンプ形成用ペーストは、電極に印刷塗布後、汎用鉛フリーはんだのリフロー熱処理条件（ピーク２４５℃）でバンプ形成でき、形成したバンプは、ピーク３００℃未満のリフロー熱処理条件では溶融しない高耐熱性があり、形状は、上部が凹構造を有する球帯形状であることが確認できた。
[結果まとめ]
以上、説明したように本発明のバンプ形成用ペーストは、電極に印刷塗布後、汎用鉛フリーはんだのリフロー熱処理条件（ピーク２４５℃）でバンプ形成でき、形成したバンプは、ピーク３００℃未満のリフロー熱処理条件では溶融しない高耐熱性があり、形状は、上部が凹構造を有する球帯形状であることが確認できた。
本発明のバンプ形成用ペーストは、電極に印刷塗布後、汎用鉛フリーはんだのリフロー熱処理条件（ピーク２４５℃）でバンプ形成でき、形成したバンプは、ピーク３００℃未満のリフロー熱処理条件では溶融しない高耐熱性を有している。本発明のバンプは、鉛フリー材料でありＰｂ−Ｓｎ高温はんだバンプ代替材料としての利用が期待できる。本発明のバンプは、形状が、電極面を底部とした半球形状ではなく、上部が凹構造を有する球帯形状なので、ＡＣＦ、ＡＣＰ接続において、導電性粒子捕捉性に優れたバンプ構造体としての利用が期待できる。
Claims (5)
- ロジン、活性剤、溶剤、及び増粘剤からなるフラックスと、第１の金属粒子と第２の金属粒子の混合体からなる導電性フィラーであって、該導電性フィラーが、示差走査熱量測定で発熱ピークとして観測される準安定合金相を少なくとも１つと、吸熱ピークとして観測される融点を２１０〜２４０℃と３００〜４５０℃の２箇所に少なくとも１つずつ有するとともに、５０〜２０９℃には吸熱ピークとして観測される融点を有さないものであり、該導電性フィラーを熱処理することにより第２の金属粒子を溶融させ第１の金属粒子と接合させた接合体は示差走査熱量測定で吸熱ピークとして観測される融点を５０〜２４０℃に有さないか、または５０〜２４０℃の吸熱ピーク面積から観測される溶融時の吸熱量が、熱処理前の２１０〜２４０℃の吸熱ピーク面積から観測される溶融時の吸熱量の９０％以下になる導電性フィラーとで構成されることを特徴とするバンプ形成用ペ−スト。
- 前記導電性フィラーが、第1の金属粒子１００質量部と第２の金属粒子５０〜２００質量部からなり、該第１の金属粒子は、Ｃｕ５０〜８０質量％、Ａｇ５〜１５質量％、Ｂｉ２〜１０％、Ｉｎ２〜１０％、及び残部Ｓｎからなる合金からなり、該第２の金属粒子は、Ｓｎ７０〜１００質量％の組成を有する合金からなることを特徴とする請求項１に記載のバンプ形成用ペ−スト。
- 請求項１〜２のいずれかに記載のバンプ形成用ペ−ストを半導体チップまたはパッケージの電極上に印刷塗布後、リフロー熱処理して前記導電性フィラーを溶融形成したバンプ構造体であって、上部が凹構造を有する球帯形状であることを特徴とするバンプ構造体。
- 請求項１〜２のいずれかに記載のバンプ形成用ペ−ストを半導体チップまたはパッケージの電極上に印刷塗布する工程、及びリフロー熱処理して前記導電性フィラーを溶融形成する工程からなることを特徴とする請求項３に記載のバンプ構造体の製造方法。
- 請求項３記載のバンプ構造体を有することを特徴とする半導体デバイス。
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