JP4556901B2 - 金合金はんだボールの製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、金合金はんだボールをその形状及び寸法のバラツキが少なくかつ大量に製造する方法に関するものである。

一般に、ＧａＡｓ光素子、ＧａＡｓ高周波素子、熱伝素子などの半導体素子と基板との接合にＰｂ−Ｓｎ合金はんだボールが使用されている。このＰｂ−Ｓｎ合金はんだボールは、図２（ａ）に示されるように、表面に形状の均一な窪み２を形成したシリコン製基板１の表面に、図２（ｂ）に示されるように、Ｐｂ−Ｓｎ合金はんだペースト３を充填したのちリフロー処理することにより製造されている。リフロー処理することにより図２（ｃ）に示されるようにＰｂ−Ｓｎ合金はんだペースト３に含まれるＰｂ−Ｓｎ合金はんだ粉末は窪み２の中で溶融し凝集して球状のＰｂ−Ｓｎ合金はんだボール４となる。その後、Ｐｂ−Ｓｎ合金はんだボールに付着しているフラックスは通常の洗浄法により除去してＰｂ−Ｓｎ合金はんだボールが製造される（特許文献１参照）。

近年、Ｐｂ−Ｓｎ合金はんだは有害物質であるＰｂを主成分とするためにその使用が制限され、その使用が禁止されようとしている。そのために鉛フリーはんだが主に使用される傾向にあり、ＧａＡｓ光素子、ＧａＡｓ高周波素子、熱伝素子などの半導体素子と基板との接合にはＡｕ−Ｓｎ合金はんだボールまたはＡｕ−ＧｅはんだボールなどのＡｕ合金はんだボールが使用されようになってきた。前記Ａｕ−Ｓｎ合金はんだボールはＳｎ：１５〜２５質量％を含有し、残部がＡｕおよび不可避不純物からなる組成を有することが知られており、またＡｕ−ＧｅはんだボールはＧｅ：５〜１５質量％を含有し、残部がＡｕおよび不可避不純物からなる組成を有することも知られている。
特開平９−１５０２９０号公報

しかし、前記従来の表面に形状の均一な窪みを形成したシリコン製基板を用い、前記金合金はんだペーストを前記窪みに充填した後リフロー処理すると、溶融した金合金はんだは窪みの中央に大きな金合金ハンダボールが生成するものの、さらに大きな金合金ハンダボールの周囲に微細な金合金はんだボールが窪みの壁面に付着して生成し、そのために均一な寸法の金合金ハンダボールが得られない。また、シリコン製基板に表面が平滑でかつ均一な形状の窪みを形成しようとするとコストがかかるなどの欠点があった。

そこで、本発明者らは、低コストでかつ均一な形状の金合金ハンダボールを大量に得るべく研究を行った。その結果、
（イ）Ｓｎ：１５〜２５質量％を含有し、残部がＡｕおよび不可避不純物からなる組成を有する金合金はんだ並びにＧｅ：５〜１５質量％を含有し、残部がＡｕおよび不可避不純物からなる組成を有する金合金はんだを溶融して得られた溶融金合金はんだは、Ａｕを多く含むために表面張力が大きく、球状ボールになりやすいこと、
（ロ）前記溶融金合金はんだは、シリコン製基板よりもアルミナ製基板に乗せる方が均一な形状の球形になりやすく、アルミナ製平板の上に乗せるだけで均一な形状になること、
（ハ）前記アルミナ製基板の表面が滑らかであるほど溶融金合金はんだに対する濡れ性が低くなることから、表面粗さ：０．０５μｍ以下の表面滑らかなアルミナ製基板であることが好ましいこと、などの知見を得たのである。

この発明は、かかる知見にもとづいてなされたものであって、
（１）表面粗さ：０．０５μｍ以下の表面平滑な平板からなるアルミナ製基板の上に、厚さ方向に貫通した貫通孔を有する平板からなる被覆板を載置し、前記貫通孔に金合金はんだペーストを充填したのち前記貫通孔を有する被覆板を除去してアルミナ製基板上に金合金ペーストを残留させ、次いで前記アルミナ製基板上に残留した金合金ペーストをリフロー処理する金合金ハンダボールの製造方法、に特徴を有するものである。

この発明の金合金ハンダボールの製造方法を図１に基づいて具体的に説明する。先ず、表面粗さ：０．０５μｍ以下の表面平滑な平板からなるアルミナ製基板５を用意する。この表面滑らかなアルミナ製基板５の上に、図１（ａ）に示されるように、厚さ方向に貫通した貫通孔６を有する平板からなる被覆板７を載置し、この被覆板７の貫通孔６に図１（ｂ）に示されるように一般に知られているＡｕ合金はんだペースト８を充填したのち、図１（ｃ）に示されるように前記貫通孔６を有する被覆板７を除去してアルミナ製基板５の上に金合金ペースト８を残留させ、次いでアルミナ製基板上に残留した金合金ペースト８をリフロー処理すると、図１（ｄ）に示されるように表面平滑なアルミナ製基板の上に形状が均一な球形の金合金ハンダボール９が形成される。

前記被覆板の貫通孔６に金合金はんだペーストを充填する方法は、アルミナ製基板５の上に載置された貫通孔６を有する被覆板７の上から金合金はんだペーストを印刷することにより前記貫通孔に金合金はんだペーストを充填することが一層効率的に充填することができる。したがって、この発明は、
（２）前記アルミナ製基板の上に載置された貫通孔を有する被覆板の上から金合金はんだペーストを印刷することにより前記貫通孔に金合金はんだペーストを充填する前記（１）記載の金合金ハンダボールの製造方法、に特徴を有するものである。

この発明の金合金ハンダボールの製造方法で使用するＡｕ合金はんだペーストは、アトマイズして得られたＡｕ合金はんだ粉末と市販のロジン、活性剤、溶剤および増粘剤からなるフラックスと５〜１５質量％を混合して作製されたもの、またはアトマイズして得られたＡｕ合金はんだ粉末とノンハロゲンフラックスとを混合して得られた三菱マテリアル株式会社製のＡｕ合金はんだペーストを使用することができる。

この発明の金合金ハンダボールの製造方法で使用するアルミナ製基板の表面の粗さを０．０５μｍ以下と規定した理由は、アルミナ製基板の表面粗さが小さいほど製造した金合金ハンダボールの粒径のバラツキが小さくなるので好ましいが、アルミナ製基板の表面粗さが０．０５μｍを越えると、大きな金合金ハンダボールの周囲に微細な金合金はんだボールが生成するようになり、製造した金合金ハンダボールの形状及び寸法にバラツキが生じるなどして好ましくないからである。ここで言う「表面粗さ」はＪＩＳＢ０６０１により規定されているＲａ（算術平均高さ）を示し、カットオフ値λｃ：０．２５、評価長さＬｎ：１．２５ｍｍにて算出したＲａ（μｍ）である。

この発明の方法によると、従来の方法と比べて金合金はんだボールを形状が均一で寸法にバラツキがなく製造することができ、さらにこの発明の方法は基板として平板を使用するところから製造コスト低く抑えることができる。

実施例１
表１に示される表面粗さの異なる平板からなるアルミナ製基板を用意した。さらに直径：１ｍｍの貫通孔を有し、厚さ：０．０５ｍｍを有する平板からなるＳＵＳ３０４ステンレス鋼製被覆板を用意した。さらに、Ｓｎ：２０質量％を含有し、残部がＡｕおよび不可避不純物からなる組成を有するＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末にノンハロゲンフラックスを混合した三菱マテリアル株式会社製のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用意した。

前記直径：１ｍｍの貫通孔を有し厚さ：０．０５ｍｍを有するＳＵＳ３０４ステンレス鋼製被覆板を表１に示される表面粗さの異なるアルミナ製基板の上に載置し、前記ステンレス鋼製被覆板の上から先に用意した三菱マテリアル株式会社製の金合金はんだペーストを印刷することにより貫通孔に前記金合金はんだペーストを充填し、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼製被覆板を外した後、昇温速度：４℃／ｍｉｎで加熱したのち温度：１５０℃に６０秒保持し、さらに昇温速度：４℃／ｍｉｎで加熱したのち温度：３２０℃に３０秒保持の条件のリフロー処理を施し、その後洗浄し乾燥することにより本発明法１〜５および比較法１を実施し、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだボールをそれぞれ１０００個づつ作製した。本発明法１〜５および比較法１によりそれぞれ作製した１０００個のＡｕ−Ｓｎ合金はんだボールの内の３０個をそれぞれ任意に取り出して、それぞれ３０個のＡｕ−Ｓｎ合金はんだボールの最大径の平均値Ｘおよび最小径の平均値Ｙを測定し、その差（Ｘ−Ｙ）をＡｕ−Ｓｎ合金はんだボールの形状バラツキとして求め、その結果を表１に示した。

従来例１
表面に形状の均一な１０００個の窪みを形成したシリコン製基板を用意し、この窪みに実施例１で用意したＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを充填したのち実施例１と同じ条件でリフロー処理を施し、その後洗浄し乾燥することにより従来法１を実施し、それによって１０００個のＡｕ−Ｓｎ合金はんだボールを製造した。従来法１で製造した１０００個のＡｕ−Ｓｎ合金はんだボールの内の３０個を任意に取り出して、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだボールの最大径の平均値Ｘおよび最小径の平均値Ｙを測定し、その平均値の差（Ｘ−Ｙ）を金合金はんだボールの形状のバラツキとして求め、その結果を表１に示した。

実施例２
Ｇｅ：１２質量％を含有し、残部がＡｕおよび不可避不純物からなる組成を有するＡｕ−Ｇｅ合金はんだ粉末にノンハロゲンフラックスを混合した三菱マテリアル株式会社製のＡｕ−Ｇｅ合金はんだペーストを用意し、このＡｕ−Ｇｅ合金はんだペーストを用いて実施例１と同様にしてアルミナ製基板の上に載置したステンレス鋼製被覆板の貫通孔に前記金合金はんだペーストを充填し、ＳＵＳ３０４ステンレス鋼製被覆板を外した後、昇温速度：４℃／ｍｉｎで加熱したのち温度：２５０℃に６０秒保持し、さらに昇温速度：４℃／ｍｉｎで加熱したのち温度：３８０℃に３０秒保持の条件のリフロー処理を施し、その後洗浄し乾燥することにより本発明法６〜１０および比較法２を実施し、Ａｕ−Ｇｅ合金はんだボールをそれぞれ１０００個づつ作製した。本発明法６〜１０および比較法２によりそれぞれ作製した１０００個のＡｕ−Ｇｅ合金はんだボールの内の３０個をそれぞれ任意に取り出して、それぞれ３０個のＡｕ−Ｇｅ合金はんだボールの最大径の平均値Ｘおよび最小径の平均値Ｙを測定し、その差（Ｘ−Ｙ）をＡｕ−Ｇｅ合金はんだボールの形状バラツキとして求め、その結果を表２に示した。

従来例２
表面に形状の均一な１０００個の窪みを形成したシリコン製基板を用意し、この窪みに実施例２で用意したＡｕ−Ｇｅ合金はんだペーストを充填したのち実施例２と同じ条件でリフロー処理を施し、その後洗浄し乾燥することにより従来法２を実施し、それによって１０００個のＡｕ−Ｇｅ合金はんだボールを製造した。従来法２で製造した１０００個のＡｕ−Ｇｅ合金はんだボールの内の３０個を任意に取り出して、Ａｕ−Ｇｅ合金はんだボールの最大径の平均値Ｘおよび最小径の平均値Ｙを測定し、その平均値の差（Ｘ−Ｙ）を金合金はんだボールの形状のバラツキとして求め、その結果を表２に示した。

表１〜２に示される結果から、本発明法１〜１０により得られた金合金はんだボールは、従来法１〜２および比較法１〜２により得られた金合金はんだボールに比べて形状のバラツキが小さいところから、一層球形に近い金合金はんだボールが得られることが分かる。

この発明のＡｕ合金はんだボールの製造方法を説明するための断面説明図である。 従来のＡｕ合金はんだボールの製造方法を説明するための断面説明図である。

符号の説明

１：シリコン製基板、２：窪み、３：Ｐｂ−Ｓｎ合金はんだペースト、４：Ｐｂ−Ｓｎ合金はんだボール、５：アルミナ製基板、６：貫通孔、７：被覆板、８：Ａｕ合金はんだペースト、９：金合金はんだボール

Claims (4)

1. 表面粗さ：０．０５μｍ以下の表面平滑な平板からなるアルミナ製基板の上に、厚さ方向に貫通した貫通孔を有する平板からなる被覆板を載置し、前記貫通孔に金合金はんだペーストを充填したのち前記貫通孔を有する被覆板を除去してアルミナ製基板上に金合金ペーストを残留させ、次いで前記アルミナ製基板上に残留した金合金ペーストをリフロー処理することを特徴とする金合金ハンダボールの製造方法。
2. 前記アルミナ製基板の上に載置された貫通孔を有する被覆板の上から金合金はんだペーストを印刷することにより前記貫通孔に金合金はんだペーストを充填することを特徴とする請求項１記載の金合金ハンダボールの製造方法。
3. 前記金合金はんだペーストは、Ｓｎ：１５〜２５質量％を含有し、残部がＡｕおよび不可避不純物からなることを特徴とする請求項１または２記載の金合金ハンダボールの製造方法。
4. 前記金合金はんだペーストは、Ｇｅ：５〜１５質量％を含有し、残部がＡｕおよび不可避不純物からなることを特徴とする請求項１または２記載の金合金ハンダボールの製造方法。

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