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JP3891346B2 - 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 Download PDF

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Description

【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、真球度が２％以下、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銅核はんだボール用の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、該小片を還元雰囲気中で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真球度が２％以下、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の銅核はんだボール用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1000μｍ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0.5〜40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0.03mm）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 (5)

  1. 真球度が２％以下、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銅核はんだボール用の微小銅ボール。
  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、該小片を還元雰囲気中で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請求項１に記載の銅核はんだボール用微小銅ボールの製造方法。
  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記載の銅核はんだボール用微小銅ボールの製造方法。
  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記載の銅核はんだボール用微小銅ボールの製造方法。
  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記載の銅核はんだボール用微小銅ボールの製造方法。
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