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JP2012112008A - Ball for connection terminal, method for manufacturing the same, and method for forming connection structure - Google Patents

Ball for connection terminal, method for manufacturing the same, and method for forming connection structure Download PDF

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JP2012112008A
JP2012112008A JP2010263152A JP2010263152A JP2012112008A JP 2012112008 A JP2012112008 A JP 2012112008A JP 2010263152 A JP2010263152 A JP 2010263152A JP 2010263152 A JP2010263152 A JP 2010263152A JP 2012112008 A JP2012112008 A JP 2012112008A
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JP
Japan
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silver
layer
ball
connection terminal
core
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JP2010263152A
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Japanese (ja)
Inventor
Masaru Asada
賢 浅田
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Proterial Ltd
Original Assignee
Hitachi Metals Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a ball for a connection terminal which is inexpensive and adapted to high-temperature solder, and to provide a method for forming a connection structure using the same.SOLUTION: The ball 20A for the connection terminal includes a ball-like core 1 and a silver oxide layer 4 containing AgO and provided to surround the core 1. When the silver oxide layer is heated to 100°C or higher in the presence of a reducing agent, a sintered silver layer is formed. Since the silver layer does not melt until reaching the melting point of silver, the connection structure of high reliability at high temperature is obtained.

Description

本発明は、従来のはんだ被覆ボールに代表される接続端子用ボールおよびその製造方法ならびにそれを用いた接続構造の形成方法に関する。   The present invention relates to a connection terminal ball represented by a conventional solder-coated ball, a method of manufacturing the same, and a method of forming a connection structure using the same.

典型的な接続端子用ボールであるはんだ被覆ボールは、主に、電気・電子機器の部品を接続するのに用いられる。具体的には、はんだ被覆ボールは、例えば、部品周囲にリード端子を持つQFP(Quard Flat Package)や、比較的小型で、多ピン化が可能なBGA(Ball Grid Array)およびCSP(Chip Size Package)などの半導体パッケージの入出力端子に用いられる。   Solder-coated balls, which are typical connection terminal balls, are mainly used to connect parts of electrical and electronic equipment. Specifically, the solder-coated balls are, for example, QFP (Quad Flat Package) having lead terminals around the component, BGA (Ball Grid Array) and CSP (Chip Size Package) which are relatively small and can be multi-pinned. It is used for input / output terminals of semiconductor packages such as

はんだ被覆ボールは、例えば直径が0.1〜1.0mm程度の金属からなる微小球の表面に、鉛(Pb)を含むはんだ層が設けられた構成からなる。近年、鉛を含むはんだは、環境問題に対応して、無鉛はんだ(Pbフリーはんだ)に置き換えられつつある。このような事情に鑑み、特許文献1や特許文献2には、鉛を含まない錫−銀(Sn−Ag)系はんだ層によって表面が被覆され、加熱溶融時におけるボイドの発生が抑制されたはんだ被覆ボールを開示されている。   The solder-coated ball has a configuration in which a solder layer containing lead (Pb) is provided on the surface of a microsphere made of a metal having a diameter of about 0.1 to 1.0 mm, for example. In recent years, lead-containing solder is being replaced with lead-free solder (Pb-free solder) in response to environmental problems. In view of such circumstances, Patent Document 1 and Patent Document 2 describe solder whose surface is covered with a tin-silver (Sn-Ag) solder layer that does not contain lead, and generation of voids during heating and melting is suppressed. A coated ball is disclosed.

はんだは、はんだ付け温度により、中低温はんだ(溶融温度:約150℃から約250℃)と高温はんだ(溶融温度:約250℃から約300℃)とに大別される。中低温はんだは、主に、電子部品をプリント基板などに接続する際に使用され、高温はんだは、主に、電子部品の内部配線などを接続する際に使用される。   Solder is roughly classified into medium-low temperature solder (melting temperature: about 150 ° C. to about 250 ° C.) and high-temperature solder (melting temperature: about 250 ° C. to about 300 ° C.) depending on the soldering temperature. The medium / low temperature solder is mainly used when connecting an electronic component to a printed circuit board or the like, and the high temperature solder is mainly used when connecting an internal wiring or the like of the electronic component.

Sn−Ag系はんだ層の融点は約216℃であり、このはんだ層を備えたはんだ被覆ボールは、中低温域でのはんだ付けに好適に用いられる。しかしながら、Sn−Ag系はんだ層は、約250℃から約300℃の高温域になると再溶融し、ボールの変形などが生じるため、高温域でのはんだ付けに使用することはできない。   The melting point of the Sn—Ag solder layer is about 216 ° C., and the solder-coated ball provided with this solder layer is suitably used for soldering in the middle / low temperature range. However, the Sn—Ag-based solder layer cannot be used for soldering in a high temperature range because it remelts in a high temperature range of about 250 ° C. to about 300 ° C. and deforms the ball.

そこで、特許文献3には、銀ナノ粒子(粒径が数nmから数百nm程度の超微粒子)がバルク状態の銀よりもはるかに低い温度で溶融することに着目し、銀ナノ粒子の被覆層を備えた銀被覆ボールが提案されている。特許文献3に記載の銀被覆ボールは、ボール状のコアを覆うように平均粒径が約1nm以上50nm以下の銀超微粒子を含む被覆層で覆われている。この銀超微粒子は、約250℃から約300℃の融点を有している。また、一旦溶融後凝固した銀は、銀の融点(約960℃)までは再溶融しない。従って、特許文献3に記載の銀被覆ボールは、高温はんだ用の接続端子用ボールとして好適に用いることができる。   Therefore, Patent Document 3 focuses on the fact that silver nanoparticles (ultrafine particles having a particle size of several nanometers to several hundred nanometers) melt at a temperature much lower than silver in a bulk state. Silver-coated balls with layers have been proposed. The silver-coated ball described in Patent Document 3 is covered with a coating layer containing silver ultrafine particles having an average particle diameter of about 1 nm to 50 nm so as to cover the ball-shaped core. The silver ultrafine particles have a melting point of about 250 ° C. to about 300 ° C. Further, once solidified after solidification, the silver does not remelt until the melting point of silver (about 960 ° C.). Therefore, the silver-coated ball described in Patent Document 3 can be suitably used as a connection terminal ball for high-temperature solder.

特開2004−114123号公報JP 2004-114123 A 特開2004−128262号公報JP 2004-128262 A 国際公開第2006/126527号International Publication No. 2006/126527

巽裕章、外6名、「酸化銀マイクロ粒子を用いたナノ粒子その場生成による接合プロセスの開発」、溶接学会全国大会講演概要、第83集(2008−9)、p.406−407Hiroaki Tsuji, 6 others, “Development of joining process by in-situ generation of nanoparticles using silver oxide microparticles”, Abstracts of National Meeting of the Japan Welding Society, 83rd (2008-9), p. 406-407

しかしながら、特許文献3に記載の銀被覆ボールを製造するためには、銀超微粒子の分散液を必要とし、この分散液は高価であるという問題がある。   However, in order to produce the silver-coated balls described in Patent Document 3, a dispersion of ultrafine silver particles is required, and this dispersion has a problem that it is expensive.

本発明は、特許文献3に記載の銀被覆ボールよりも安価な高温はんだ用の接続端子用ボールおよびそれを用いた接続構造の形成方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a connection terminal ball for high-temperature solder, which is less expensive than the silver-coated ball described in Patent Document 3, and a method for forming a connection structure using the connection terminal ball.

本発明の接続端子用ボールは、ボール状のコアと、前記コアを包囲するように設けられたAg2Oを含む銀酸化物層とを有する。 The connection terminal ball of the present invention has a ball-shaped core and a silver oxide layer containing Ag 2 O provided so as to surround the core.

ある実施形態において、前記Ag2Oを含む銀酸化物層は、陽極酸化層を含む。 In one embodiment, the silver oxide layer containing Ag 2 O includes an anodized layer.

ある実施形態の接続端子用ボールは、前記コアの表面に形成されたバリア層をさらに有する。前記バリア層は、例えばNi層である。ある実施形態において、前記Ni層はNiめっき層である。前記Niめっき層の厚さは2μm超であることが好ましい。   In one embodiment, the connection terminal ball further includes a barrier layer formed on the surface of the core. The barrier layer is, for example, a Ni layer. In one embodiment, the Ni layer is a Ni plating layer. The thickness of the Ni plating layer is preferably more than 2 μm.

ある実施形態において、前記銀酸化物層の厚さは0.1μm以上50μm以下である。前記銀酸化物層の厚さは2μm超であることが好ましい。   In one embodiment, the thickness of the silver oxide layer is 0.1 μm or more and 50 μm or less. The thickness of the silver oxide layer is preferably more than 2 μm.

ある実施形態において、前記コアの平均粒径は0.05mm以上1.5mm以下である。   In one embodiment, the average particle size of the core is 0.05 mm or more and 1.5 mm or less.

ある実施形態において、前記コアは金属または樹脂で形成されている。また、前記コアは、銅(Cu)、金(Au)、白金(Pt)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、鉄(Fe)、マンガン(Mn)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)およびアルミニウム(Al)からなる群から選択される少なくとも1種の金属元素を含む金属単体または合金で形成されていてもよい。また、前記コアはシリコン(Si)で形成されてもよい。   In one embodiment, the core is made of metal or resin. The core is made of copper (Cu), gold (Au), platinum (Pt), nickel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe), manganese (Mn), titanium (Ti), molybdenum (Mo). And a single metal or an alloy containing at least one metal element selected from the group consisting of aluminum (Al). The core may be formed of silicon (Si).

本発明の接続端子用ボールの製造方法は、ボール状のコアを包囲するように銀メッキ層を形成する工程と、前記銀メッキ層の表面を陽極酸化することによって、Ag2Oを含む銀酸化物層を形成する工程とを包含する。 The method of manufacturing a connection terminal ball according to the present invention includes a step of forming a silver plating layer so as to surround a ball-shaped core, and a silver oxidation containing Ag 2 O by anodizing the surface of the silver plating layer. Forming a physical layer.

本発明の接続構造を形成する方法は、上記のいずれかの接続端子用ボールと、端子を有する基板とを用意する工程と、前記端子に前記接続端子用ボールを接触させた状態で、還元剤の存在下で、前記接続端子用ボールを100℃以上の温度に加熱する工程とを包含し、前記接続端子用ボールの前記コアと前記端子とが焼結された銀層によって接続された接続構造を形成する。前記還元剤は、アルコール類、カルボン酸類、またはアミン類を含ませることができる。還元を行う時の雰囲気は、特に拘る必要はなく、非酸化雰囲気であっても、大気(空気)であってもよい。   The method for forming the connection structure of the present invention includes a step of preparing any one of the above connection terminal balls and a substrate having terminals, and a reducing agent in a state where the connection terminal balls are in contact with the terminals. And heating the connection terminal ball to a temperature of 100 ° C. or higher in the presence of the connection terminal, wherein the core of the connection terminal ball and the terminal are connected by a sintered silver layer. Form. The reducing agent may include alcohols, carboxylic acids, or amines. The atmosphere for performing the reduction is not particularly limited, and may be a non-oxidizing atmosphere or air (air).

本発明によると、特許文献3に記載の銀被覆ボールよりも安価な高温はんだ用の接続端子用ボールおよびそれを用いた接続構造の形成方法が提供される。また、本発明によると、特許文献3に記載の銀被覆ボールよりも低い温度で処理しても接続構造を形成することができる接続端子用ボールが提供される。   According to the present invention, there are provided a connection terminal ball for high-temperature solder, which is cheaper than the silver-coated ball described in Patent Document 3, and a method for forming a connection structure using the same. In addition, according to the present invention, there is provided a connection terminal ball capable of forming a connection structure even when processed at a temperature lower than that of the silver-coated ball described in Patent Document 3.

(a)および(b)は、本発明による実施形態の接続端子用ボールの製造に用いられる銀被覆ボール10A、10Bの構造を模式的に示す断面図である。(A) And (b) is sectional drawing which shows typically the structure of silver covering ball | bowl 10A, 10B used for manufacture of the ball | bowl for connection terminals of embodiment by this invention. (a)および(b)は、本発明による実施形態の接続端子用ボール20A、20Bの構造を模式的に示す断面図である。(A) And (b) is sectional drawing which shows typically the structure of ball | bowl 20A, 20B for connecting terminals of embodiment by this invention. (a)〜(c)は、本発明による実施形態の接続端子用ボール20Aを用いて接続構造を形成する方法を説明するための模式図である。(A)-(c) is a schematic diagram for demonstrating the method of forming a connection structure using the connection terminal ball | bowl 20A of embodiment by this invention. 本発明による実施例の接続端子用ボールを還元剤(1−ウンデカノール)の存在下で加熱した時のDSC曲線を示す図である。It is a figure which shows the DSC curve when the ball | bowl for connection terminals of the Example by this invention is heated in presence of a reducing agent (1-undecanol).

以下、図面を参照して、本発明による実施形態の接続端子用ボールおよびその製造方法ならびに接続構造の形成方法を説明する。なお、本発明は例示する実施形態に限定されない。   Hereinafter, with reference to the drawings, a connection terminal ball according to an embodiment of the present invention, a manufacturing method thereof, and a connection structure forming method will be described. Note that the present invention is not limited to the illustrated embodiment.

本発明による実施形態の接続端子用ボールは、図2を参照して後述するように、ボール状のコアと、コアを包囲するように設けられた銀酸化物層とを有する。銀酸化物層を、還元剤の存在下で約100℃以上の温度で加熱分解すると、銀ナノ粒子が生成され、銀ナノ粒子は速やかに焼結され、銀層を形成する。銀ナノ粒子は焼結過程で粗大化する。銀ナノ粒子が焼結されて形成された銀層は、銀の融点(約960℃)までは溶融しないので、実施形態の接続端子用ボールを用いると、高温での信頼性の高い接続構造が得られる。加熱温度は約150℃以上であることが好ましい。銀ナノ粒子の生成に要する時間が長くなるからである。   As will be described later with reference to FIG. 2, the connection terminal ball according to the embodiment of the present invention has a ball-shaped core and a silver oxide layer provided so as to surround the core. When the silver oxide layer is thermally decomposed at a temperature of about 100 ° C. or higher in the presence of a reducing agent, silver nanoparticles are generated, and the silver nanoparticles are rapidly sintered to form a silver layer. Silver nanoparticles become coarse during the sintering process. Since the silver layer formed by sintering the silver nanoparticles does not melt up to the melting point of silver (about 960 ° C.), when the connection terminal ball of the embodiment is used, a reliable connection structure at a high temperature is obtained. can get. The heating temperature is preferably about 150 ° C. or higher. This is because the time required for the production of silver nanoparticles becomes longer.

本発明による実施形態の接続端子用ボールは、酸化銀(I)(Ag2O)および/または酸化銀(II)(AgO)を還元することによって銀ナノ粒子が生成されるという現象を利用している。この現象自体は、非特許文献1に開示されている。非特許文献1に記載されているように、酸化銀マイクロ粒子(粒径1〜2μm程度)を含む酸化銀ペーストに還元剤(トリエチレングリコール:TEG)を添加混合したものを加熱すると、酸化銀ペーストが150℃に鋭い発熱ピークを伴いながら銀に還元される。酸化銀が還元分解される過程で、銀ナノ粒子(粒径10〜40nm程度)が生成され、銀ナノ粒子は生成後すぐに焼結される。銀ナノ粒子の生成と焼結は約100℃で起こり、接合される基材の表面にナノオーダの厚さの銀層が形成され、これが結合に寄与する。なお、上記非特許文献1には、酸化銀として、酸化銀(I)(Ag2O)だけが記載されているが、酸化銀(II)(AgO)についても同様の現象が起こる。この方法は、酸化銀マイクロ粒子を用いるので、接続端子用ボール(コアの平均粒径:0.05mm以上1.5mm以下)を均一に被覆することが難しい。また、酸化銀マイクロ粒子も高価であるという問題がある。 The connection terminal ball according to the embodiment of the present invention utilizes a phenomenon that silver nanoparticles are generated by reducing silver (I) (Ag 2 O) and / or silver (II) (AgO). ing. This phenomenon itself is disclosed in Non-Patent Document 1. As described in Non-Patent Document 1, when a mixture obtained by adding a reducing agent (triethylene glycol: TEG) to a silver oxide paste containing silver oxide microparticles (particle size of about 1 to 2 μm) is heated, silver oxide is obtained. The paste is reduced to silver with a sharp exothermic peak at 150 ° C. In the process of reductive decomposition of silver oxide, silver nanoparticles (particle size of about 10 to 40 nm) are generated, and the silver nanoparticles are sintered immediately after generation. Generation and sintering of silver nanoparticles occurs at about 100 ° C., and a silver layer having a nano-order thickness is formed on the surfaces of the substrates to be joined, which contributes to bonding. The above Non-Patent Document 1, as silver oxide, but silver oxide (I) (Ag 2 O) is described, occurs similar phenomenon silver oxide (II) (AgO). Since silver oxide microparticles are used in this method, it is difficult to uniformly coat the connection terminal balls (average particle diameter of the core: 0.05 mm or more and 1.5 mm or less). In addition, silver oxide microparticles are also expensive.

本発明による実施形態の接続端子用ボールは、以下のようにして製造されるので、安価であり、且つ、銀酸化物層の厚さの均一性が高い。   Since the connection terminal ball according to the embodiment of the present invention is manufactured as follows, the connection terminal ball is inexpensive and has high uniformity in the thickness of the silver oxide layer.

図1(a)および(b)に、本発明による実施形態の接続端子用ボールの製造に用いられる銀被覆ボール10A、10Bの模式的な断面図を示す。   1A and 1B are schematic cross-sectional views of silver-coated balls 10A and 10B used for manufacturing a connection terminal ball according to an embodiment of the present invention.

図1(a)に示す銀被覆ボール10Aは、ボール状のコア1と、コアを包囲するように設けられた銀層2とを有している。コア1は金属または樹脂で形成されており、典型的には銅(Cu)で形成されている。コア1は、金(Au)、白金(Pt)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、鉄(Fe)、マンガン(Mn)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)およびアルミニウム(Al)からなる群から選択される少なくとも1種の金属元素を含む金属単体または合金で形成されていてもよい。また、コアはシリコン(Si)で形成されてもよい。   A silver-coated ball 10A shown in FIG. 1A includes a ball-shaped core 1 and a silver layer 2 provided so as to surround the core. The core 1 is made of metal or resin, and is typically made of copper (Cu). The core 1 is made of gold (Au), platinum (Pt), nickel (Ni), cobalt (Co), iron (Fe), manganese (Mn), titanium (Ti), molybdenum (Mo), and aluminum (Al). You may form with the metal simple substance or alloy containing the at least 1 sort (s) of metal element selected from the group. The core may be formed of silicon (Si).

コア1の平均粒径は例えば0.05mm以上1.5mm以下であり、用途によって適宜選択される。銀層2は、例えば、電解めっき法または無電解めっき法によって形成された銀めっき層である。銀めっきは、公知のバレルめっき法によって行われる。銀層2の厚さは、最終的な銀酸化物層の厚さが1μm以上50μm以下となるように適宜設定される。なお、銀層2は銀の融点(約960℃)までは溶融しないので、銀被覆ボール10Aを接続構造の形成に用いることはできない。   The average particle diameter of the core 1 is, for example, not less than 0.05 mm and not more than 1.5 mm, and is appropriately selected depending on the application. The silver layer 2 is a silver plating layer formed by, for example, an electrolytic plating method or an electroless plating method. Silver plating is performed by a known barrel plating method. The thickness of the silver layer 2 is appropriately set so that the final thickness of the silver oxide layer is 1 μm or more and 50 μm or less. Since the silver layer 2 does not melt up to the melting point of silver (about 960 ° C.), the silver-coated ball 10A cannot be used to form a connection structure.

図1(b)に示す銀被覆ボール10Bは、コア1の表面に形成されたバリア層3をさらに有する点において、図1(a)の銀被覆ボール10Aと異なる。バリア層3は、コア1を構成する元素が銀層2に拡散するのを防止する。例えば、コア1が銅で形成されていると、銅が銀層2中に拡散し、銀層2の均一性を損なうことがある。これを防止するためには、ニッケル(Ni)でバリア層3を形成することが好ましい。Ni層3は、例えば、公知のめっき法で形成されたNiめっき層であってよい。バリア層3の厚さは、例えば、1μm以上5μm以下である。バリア効果を確実にするためには、バリア層3の厚さは2μm超であることが好ましい。   A silver-coated ball 10B shown in FIG. 1B is different from the silver-coated ball 10A shown in FIG. 1A in that it further includes a barrier layer 3 formed on the surface of the core 1. The barrier layer 3 prevents the elements constituting the core 1 from diffusing into the silver layer 2. For example, if the core 1 is made of copper, copper may diffuse into the silver layer 2 and impair the uniformity of the silver layer 2. In order to prevent this, it is preferable to form the barrier layer 3 with nickel (Ni). The Ni layer 3 may be, for example, a Ni plating layer formed by a known plating method. The thickness of the barrier layer 3 is, for example, 1 μm or more and 5 μm or less. In order to ensure the barrier effect, the thickness of the barrier layer 3 is preferably more than 2 μm.

図2(a)および(b)に、本発明による実施形態の接続端子用ボール20A、20Bの模式的な断面図を示す。接続端子用ボール20A、20Bはそれぞれ、図1(a)および(b)に示した銀被覆ボール10A、10Bの銀層2を酸化することによって得られる。   2A and 2B are schematic cross-sectional views of connection terminal balls 20A and 20B according to an embodiment of the present invention. The connection terminal balls 20A and 20B are obtained by oxidizing the silver layer 2 of the silver-coated balls 10A and 10B shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b), respectively.

図2(a)に示す接続端子用ボール20Aは、ボール状のコア1と、コア1を包囲するように設けられた銀酸化物層4とを有している。最終的に得られる接合構造の接合強度は、銀酸化物層4が厚いほど高くなり、銀酸化物層4の厚さは2μm超10μm以下が好ましい。但し、接合強度は接合時の加圧条件にも依存する。接続端子用ボール20Aを用いた接合では、接続端子用ボール20Aと端子とが接触する一点に力が集中するので、十分に大きな力を加えると、銀酸化物層4の厚さが0.1μmでも接合できる場合がある。銀酸化物層4とコア1との間には、酸化されなかった銀層2bが残っている。   A connection terminal ball 20 </ b> A shown in FIG. 2A has a ball-shaped core 1 and a silver oxide layer 4 provided so as to surround the core 1. The junction strength of the finally obtained junction structure becomes higher as the silver oxide layer 4 is thicker, and the thickness of the silver oxide layer 4 is preferably more than 2 μm and 10 μm or less. However, the bonding strength also depends on the pressing conditions during bonding. In the joining using the connection terminal ball 20A, the force concentrates at one point where the connection terminal ball 20A and the terminal are in contact with each other. Therefore, when a sufficiently large force is applied, the thickness of the silver oxide layer 4 becomes 0.1 μm. But sometimes it can be joined. Between the silver oxide layer 4 and the core 1, an unoxidized silver layer 2b remains.

また、図2(b)に示す接続端子用ボール20Bは、ボール状のコア1と、コア1の表面に形成されたバリア層3と、コア1およびバリア層3を包囲するように設けられた銀酸化物層4とを有している。銀酸化物層4とコア1との間には、酸化されなかった銀層2bが残っている。   The connection terminal ball 20B shown in FIG. 2B is provided so as to surround the ball-shaped core 1, the barrier layer 3 formed on the surface of the core 1, and the core 1 and the barrier layer 3. And a silver oxide layer 4. Between the silver oxide layer 4 and the core 1, an unoxidized silver layer 2b remains.

ここで、銀酸化物には、よく知られているように、Ag2OとAgOとがある。Ag2Oを酸化銀とよび、AgOを過酸化銀と呼ぶことがある。Ag2OおよびAgOのいずれも還元によって銀ナノ粒子を生成し、銀ナノ粒子は容易に焼結される。ただし、酸素の含有量が少ないので、還元の容易さから、酸化銀(I)(Ag2O)が好ましい。従って、銀酸化物層4はAg2Oを含むことが好ましい。銀層2を酸化する際には、Ag2Oを効率的に生成する方法を用いることが好ましい。例えば、銀層2の表面を陽極酸化することによって、Ag2Oを含む銀酸化物層を形成することができる。銀層を陽極酸化することによって銀酸化物層(陽極酸化層)を、実質的にAg2Oのみで構成されるようにすることができる。 Here, as is well known, silver oxide includes Ag 2 O and AgO. Ag 2 O is sometimes called silver oxide, and AgO is sometimes called silver peroxide. Both Ag 2 O and AgO produce silver nanoparticles by reduction, and the silver nanoparticles are easily sintered. However, since the oxygen content is small, silver (I) oxide (Ag 2 O) is preferable from the viewpoint of ease of reduction. Accordingly, the silver oxide layer 4 preferably contains Ag 2 O. When the silver layer 2 is oxidized, it is preferable to use a method for efficiently producing Ag 2 O. For example, a silver oxide layer containing Ag 2 O can be formed by anodizing the surface of the silver layer 2. By anodizing the silver layer, the silver oxide layer (anodized layer) can be substantially composed only of Ag 2 O.

例えば、接続端子用ボール20Aを用いて、例えば、図3(a)〜(c)に示すようなプロセスで接続構造を形成することができる。   For example, using the connection terminal balls 20A, a connection structure can be formed, for example, by a process as shown in FIGS.

まず、図3(a)に示すように、接続端子用ボール20Aと、端子18を有する基板30とを用意する。基板30は、例えばBGAやCSPのインターポーザである。端子18は、例えば、銅(Cu)層12と、ニッケル(Ni)層14と、金(Au)層16との積層体で構成されている。端子18を構成する各金属層は、例えばめっき法で形成される。   First, as shown in FIG. 3A, a connection terminal ball 20A and a substrate 30 having terminals 18 are prepared. The substrate 30 is, for example, a BGA or CSP interposer. The terminal 18 is composed of, for example, a stacked body of a copper (Cu) layer 12, a nickel (Ni) layer 14, and a gold (Au) layer 16. Each metal layer constituting the terminal 18 is formed by, for example, a plating method.

次に、図3(b)に示すように、端子18に接続端子用ボール20Aを接触させた状態で、還元剤の存在下で、接続端子用ボール20Aを約100℃以上、好ましくは約250℃以上の温度に加熱する。還元剤としては、アルコール類、カルボン酸類、またはアミン類を単独でまたは複数種類を混合して用いることができる。還元を行う時の雰囲気は、還元雰囲気(例えば水素雰囲気)である必要はなく、非酸化雰囲気(例えば不活性ガス雰囲気または窒素雰囲気)であっても、大気(空気)であってもよい。被接合部または被接合体の酸化の怖れがない場合、例えば、被接合部が貴金属で形成されている場合、大気中で行えばよい。銀酸化物層4を還元剤の存在下で約100℃以上の温度に加熱すると、還元分解され銀ナノ粒子が生成され、銀ナノ粒子を含む層6が形成される。銀酸化物層4はAg2Oを含むことが好ましい。 Next, as shown in FIG. 3B, in a state where the connection terminal ball 20A is in contact with the terminal 18, the connection terminal ball 20A is moved to about 100 ° C. or more, preferably about 250 in the presence of a reducing agent. Heat to a temperature above ℃. As the reducing agent, alcohols, carboxylic acids, or amines can be used alone or in admixture of plural kinds. The atmosphere for performing the reduction need not be a reducing atmosphere (for example, a hydrogen atmosphere), and may be a non-oxidizing atmosphere (for example, an inert gas atmosphere or a nitrogen atmosphere) or air (air). When there is no fear of oxidation of the bonded portion or the bonded body, for example, when the bonded portion is formed of a noble metal, the bonding may be performed in the atmosphere. When the silver oxide layer 4 is heated to a temperature of about 100 ° C. or more in the presence of a reducing agent, it is reductively decomposed to produce silver nanoparticles, and a layer 6 containing silver nanoparticles is formed. The silver oxide layer 4 preferably contains Ag 2 O.

接続端子用ボール20Aを上記の温度範囲内でさらに加熱すると、生成された銀ナノ粒子は速やかに焼結され、図3(c)に示すように、銀ナノ粒子が焼結されて形成された銀層8を形成する。このとき、酸化されずに残存していた銀層2bも銀ナノ粒子を含む層6とともに一体的に銀層8を構成する。但し、銀ナノ粒子は焼結によって粗大化する。このようにして、銀層8を介した接続構造が形成される。銀層8は溶融を経ずに形成されているので、接合部はほぼ点であるが、十分な接合強度を有している。また、銀層8は、銀の融点(約960℃)までは溶融しないので、高温においても高い接合強度を有している。   When the connecting terminal ball 20A is further heated within the above temperature range, the generated silver nanoparticles are rapidly sintered, and the silver nanoparticles are sintered and formed as shown in FIG. 3 (c). A silver layer 8 is formed. At this time, the silver layer 2b remaining without being oxidized also forms the silver layer 8 together with the layer 6 containing silver nanoparticles. However, silver nanoparticles become coarse by sintering. In this way, a connection structure through the silver layer 8 is formed. Since the silver layer 8 is formed without melting, the joint portion is almost a point, but has a sufficient joint strength. Further, since the silver layer 8 does not melt up to the melting point of silver (about 960 ° C.), it has high bonding strength even at high temperatures.

実験によると、十分な接合強度を得るためには250℃以上の温度まで加熱することが好ましい。接合強度は、加熱温度が高いほど増大するが、約400℃を超えると強度の増大率は小さくなる。接合構造の耐熱温度にもよるが、スループット等を考慮すると、加熱温度は400℃以下が好ましい。また、加熱とともに、加圧することが好ましく、圧力は0.1MPa以上20MPa以下の範囲内が好ましい。圧力が0.1MPa未満であると十分な接合力が得られないことがあり、20MPaを超えると、接合部にダメージを与える恐れがある。加熱および加圧する時間は、温度にも依存するが、概ね1分以上60分以下である。温度が低いほど、銀ナノ粒子の生成・焼結に要する時間が長くなる。例えば、加熱温度(最高到達温度)を100℃、圧力を2.5MPaとすると、十分な接合強度を得るためには30分〜60分(昇温時間を含む)保持することが好ましい。コアに樹脂(例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET))を用いる場合は、樹脂の耐熱性や強度を考慮して、加熱温度、圧力を設定すればよい。   According to experiments, it is preferable to heat to a temperature of 250 ° C. or higher in order to obtain sufficient bonding strength. The bonding strength increases as the heating temperature increases. However, when the heating temperature exceeds about 400 ° C., the rate of increase in strength decreases. Although depending on the heat resistance temperature of the bonded structure, the heating temperature is preferably 400 ° C. or lower in consideration of the throughput and the like. Moreover, it is preferable to pressurize with heating, and the pressure is preferably in the range of 0.1 MPa to 20 MPa. If the pressure is less than 0.1 MPa, a sufficient bonding force may not be obtained, and if it exceeds 20 MPa, the bonded portion may be damaged. Although the time for heating and pressurizing depends on the temperature, it is generally from 1 minute to 60 minutes. The lower the temperature, the longer the time required to generate and sinter silver nanoparticles. For example, when the heating temperature (maximum temperature reached) is 100 ° C. and the pressure is 2.5 MPa, it is preferable to hold for 30 minutes to 60 minutes (including the temperature rising time) in order to obtain sufficient bonding strength. When a resin (for example, polyethylene terephthalate (PET)) is used for the core, the heating temperature and pressure may be set in consideration of the heat resistance and strength of the resin.

以下に、実施例を示す。   Examples are shown below.

Cuボール(コアの直径0.5mm)にNiめっきを施した後、ストライク銀めっきおよび銀めっき(厚付け)を行った。各めっき条件を以下に示す。   After Cu plating (core diameter 0.5 mm) was Ni-plated, strike silver plating and silver plating (thickening) were performed. Each plating condition is shown below.

Niめっき(厚付け)条件:
めっき液の組成:硫酸ニッケル240g/L、塩化ニッケル45g/L、硼酸30g/L、めっき温度:50℃、電流密度:0.1A/dm2、めっき時間:120分
得られたNiめっき膜の厚さは3μmであった。
Ni plating (thickening) conditions:
Composition of plating solution: nickel sulfate 240 g / L, nickel chloride 45 g / L, boric acid 30 g / L, plating temperature: 50 ° C., current density: 0.1 A / dm 2 , plating time: 120 minutes The thickness was 3 μm.

ストライク銀めっき条件:
めっき液の組成:シアン化銀2g/L、シアン化カリウム75g/L、めっき温度:20〜30℃、電流密度:0.3A/dm2、めっき時間:60秒(厚さは0.1μm以下で測定不可)
Strike silver plating conditions:
Composition of plating solution: silver cyanide 2 g / L, potassium cyanide 75 g / L, plating temperature: 20 to 30 ° C., current density: 0.3 A / dm 2 , plating time: 60 seconds (thickness measured at 0.1 μm or less) Impossible)

銀めっき(厚付け)条件:
めっき液の組成:シアン化銀45g/L、シアン化カリウム110g/L、炭酸カリウム10g/L、めっき温度:20〜30℃、電流密度:0.1A/dm2、めっき時間:120分
得られた銀めっき皮膜の厚さは10μmであった。
Silver plating (thickening) conditions:
Composition of plating solution: silver cyanide 45 g / L, potassium cyanide 110 g / L, potassium carbonate 10 g / L, plating temperature: 20 to 30 ° C., current density: 0.1 A / dm 2 , plating time: 120 minutes The thickness of the plating film was 10 μm.

銀めっき皮膜を以下の条件で陽極酸化を行った。   The silver plating film was anodized under the following conditions.

陽極酸化条件:
電解液:水酸化カリウム(または水酸化ナトリウム):3mol/L、陽極酸化温度:20〜30℃、電流密度:0.1A/dm2、陽極酸化時間:120分
Anodizing conditions:
Electrolytic solution: potassium hydroxide (or sodium hydroxide): 3 mol / L, anodizing temperature: 20-30 ° C., current density: 0.1 A / dm 2 , anodizing time: 120 minutes

上記の陽極酸化によって、厚さ10μmの銀めっき皮膜の内、表面から約4μmの部分が陽極酸化され、Ag2Oを含む銀酸化物層が形成された。 By the anodic oxidation, a portion of about 4 μm from the surface of the 10 μm thick silver plating film was anodized to form a silver oxide layer containing Ag 2 O.

上述のようにして得られた接続端子用ボールを、還元剤としての1−ウンデカノール(和光純薬工業株式会社製)に浸漬した後、接合実験に供した。Cu板にAgめっき(厚さ約4μm)を施した2枚の基板の間に、単一の接続端子用ボールを配置し、大気中で、2.5MPaで加圧した状態で、室温から250℃まで加熱した。昇温時間(昇温速度:10℃/分)を含む加熱時間は150秒であった。室温まで冷却後、接合強度を評価した結果、十分な接合強度を有していることを確認した。   The connection terminal balls obtained as described above were immersed in 1-undecanol (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) as a reducing agent, and then subjected to a joining experiment. A single connection terminal ball is arranged between two substrates obtained by applying Ag plating (thickness: about 4 μm) to a Cu plate, and the pressure is increased from room temperature to 250 MPa in a state of being pressurized at 2.5 MPa in the atmosphere. Heated to ° C. The heating time including the temperature raising time (temperature raising rate: 10 ° C./min) was 150 seconds. As a result of evaluating the bonding strength after cooling to room temperature, it was confirmed that the bonding strength was sufficient.

また、上記1−ウンデカノールが付着した接続端子用ボールについて示差走査熱量測定(DSC)を行った結果を図4に示す。昇温速度は10℃/分とした。図4からわかるように、190℃付近に還元反応による発熱ピークが観察されている。   Moreover, the result of having performed differential scanning calorimetry (DSC) about the ball | bowl for connection terminals to which the said 1-undecanol adhered was shown in FIG. The heating rate was 10 ° C./min. As can be seen from FIG. 4, an exothermic peak due to the reduction reaction is observed at around 190 ° C.

このように、実施例の接続端子用ボールを還元剤の存在下で加熱すると、銀酸化物層が還元され、銀ナノ粒子が生成し、銀ナノ粒子が焼結された銀層が形成され、銀層を介した接合構造が形成される。   Thus, when the connection terminal ball of the example is heated in the presence of a reducing agent, the silver oxide layer is reduced, silver nanoparticles are generated, and a silver layer in which the silver nanoparticles are sintered is formed, A junction structure through the silver layer is formed.

本発明は、半導体装置や回路基板における接続構造、特に高温での信頼性が要求される接続構造の形成に用いられる。   The present invention is used for forming a connection structure in a semiconductor device or a circuit board, in particular, a connection structure requiring high temperature reliability.

1 コア
2、2b Ag層(Agめっき層)
3 バリア層(Ni層)
4 銀酸化物層
6 銀ナノ粒子を含む層
8 銀ナノ粒子が焼結されて形成された銀層
10A、10B 銀被覆ボール
12 Cu層
14 Ni層
16 Au層
18 端子(パッド)
20A、20B 接続端子用ボール
30 基板
1 Core 2, 2b Ag layer (Ag plating layer)
3 Barrier layer (Ni layer)
4 Silver oxide layer 6 Layer containing silver nanoparticles 8 Silver layer formed by sintering silver nanoparticles 10A, 10B Silver-coated balls 12 Cu layer 14 Ni layer 16 Au layer 18 Terminal (pad)
20A, 20B Connection terminal ball 30 Substrate

Claims (8)

ボール状のコアと、
前記コアを包囲するように設けられたAg2Oを含む銀酸化物層と
を有する、接続端子用ボール。
A ball-shaped core,
A connection terminal ball comprising: a silver oxide layer containing Ag 2 O provided so as to surround the core.
前記銀酸化物層は、陽極酸化層を含む、請求項1に記載の接続端子用ボール。   The connection terminal ball according to claim 1, wherein the silver oxide layer includes an anodized layer. 前記コアの表面に形成されたバリア層をさらに有する、請求項1または2に記載の接続端子用ボール。   The connection terminal ball according to claim 1, further comprising a barrier layer formed on a surface of the core. 前記銀酸化物層の厚さは0.1μm以上50μm以下である、請求項1から3のいずれかに記載の接続端子用ボール。   The connection terminal ball according to claim 1, wherein the silver oxide layer has a thickness of 0.1 μm or more and 50 μm or less. 前記コアの平均粒径は0.05mm以上1.5mm以下である、請求項1から4のいずれかに記載の接続端子用ボール。   The connection terminal ball according to claim 1, wherein the core has an average particle diameter of 0.05 mm or more and 1.5 mm or less. 前記コアは金属または樹脂で形成されている、請求項1から3のいずれかに記載の接続端子用ボール。   The connection terminal ball according to claim 1, wherein the core is made of metal or resin. ボール状のコアを包囲するように銀メッキ層を形成する工程と、
前記銀メッキ層の表面を陽極酸化することによって、Ag2Oを含む銀酸化物層を形成する工程と
を包含する、接続端子用ボールの製造方法。
Forming a silver plating layer so as to surround the ball-shaped core;
Forming a silver oxide layer containing Ag 2 O by anodizing the surface of the silver plating layer.
請求項1から6のいずれかに記載の接続端子用ボールと、端子を有する基板とを用意する工程と、
前記端子に前記端子用ボールを接触させた状態で、還元剤の存在下で、前記接続端子用ボールを100℃以上の温度に加熱する工程と
を包含し、
前記接続端子用ボールの前記コアと前記端子とが焼結された銀層によって接続された接続構造を形成する方法。
Preparing a connection terminal ball according to any one of claims 1 to 6 and a substrate having a terminal;
Heating the connection terminal ball to a temperature of 100 ° C. or higher in the presence of a reducing agent in a state where the terminal ball is in contact with the terminal.
A method of forming a connection structure in which the core of the connection terminal ball and the terminal are connected by a sintered silver layer.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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