JP2016078095A - はんだバンプの形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ペースト印刷後のマスク剥離時のバンプ前駆体に欠けがなく、リフロー後のバンプの形状及び寸法が均一であり、かつバンプ内のボイドの発生が少ない。
【解決手段】開口部を有するマスクを基材上に配置し、この開口部内にフラックスとはんだ粉末とを含むはんだペーストを充填するように前記はんだペーストを印刷し、前記マスクを剥離した後、前記基材上のバンプ前駆体をリフロー処理してはんだバンプを形成する方法である。前記フラックスは、ロジン、溶剤及びチクソ剤を含有し、前記フラックスの酸価値が１００ｍｇＫＯＨ／ｇ以下であって、前記フラックスのハロゲン含有量が０．０３質量％以下であり、前記リフロー処理をギ酸ガス雰囲気下及び／又はギ酸が熱により分解されたガスの雰囲気下で行うことを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、活性剤を含まないはんだペーストを用いてギ酸ガス雰囲気下でリフロー処理してはんだバンプを形成する方法に関する。

従来、はんだ粉末とフラックスからなるはんだペーストを用いてはんだバンプを形成する方法として、フラックスに活性剤を含み、窒素雰囲気又は低酸素雰囲気下でリフローする方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この方法で用いるはんだペーストは、はんだ粉末、フラックスを所定の比率で混合してなり、はんだ粉末としては、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｐｂ−Ｓｎ系等の合金はんだ粉末で、粒径５μｍ〜３２μｍのものを用い、フラックスとしては、ロジン等の樹脂分、活性剤、チクソ剤、溶剤を含有しており、ハロゲンフリータイプ、活性（ＲＡ）タイプ、弱活性（ＲＭＡ）タイプ、水溶性タイプ等のものを用いている。

一方、抵抗素子、容量素子のような２端子を基板にはんだ付けする場合に２端子それぞれのはんだ量の不均一差を解消して、間隔が小さい部分をはんだ接合する際の信頼性を向上するために、はんだ粉末等の酸化皮膜に対する還元力を有する活性剤を含まないペーストを使用し、リフロー工程ではんだを溶融する際にギ酸ガスを噴霧してはんだ粉末等の酸化皮膜を還元する、部品搭載方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。この部品搭載方法で使用されるはんだペーストは、はんだ粉末とポリブデンのような有機材料からなり、フラックスを使用していない。

特開２０１４−１０７３７３号公報（段落[００１７]、[００２１]） 特開２００８−２４６５６３号公報（請求項３、段落[００１０]、[００１１]、[００１５]）

特許文献１に代表されるはんだバンプの形成方法では、リフロー工程におけるはんだ溶融時にはんだ粉末等の酸化皮膜を活性剤により還元している。この活性剤により還元する代わりに、特許文献２に示されるはんだペーストを用いて、これを印刷し、リフロー工程でのはんだ溶融時にギ酸ガスを噴霧する方法を適用した場合、特許文献２のはんだペーストでは、ペースト印刷後のマスク剥離時のバンプ前駆体に欠けを生じ、バンプ前駆体の形状が良好にならない不具合があった。

その一方、特許文献１に示されるロジン等の樹脂分、活性剤、チクソ剤、溶剤を含有するフラックスを含むはんだペーストを用いて、これを印刷し、リフロー工程でのはんだ溶融時にギ酸ガスを噴霧する方法を適用した場合、バンプ内に極端にボイドが多く発生する不具合があった。

本発明の目的は、ペースト印刷後のマスク剥離時のバンプ前駆体に欠けがなく、リフロー後のバンプの形状及び寸法が均一であり、かつバンプ内のボイドの発生が少ないはんだバンプの形成方法を提供することにある。

本発明の第１の観点は、開口部を有するマスクを基材上に配置し、この開口部内にフラックスとはんだ粉末とを含むはんだペーストを充填するように前記はんだペーストを印刷し、前記マスクを剥離した後、前記基材上のバンプ前駆体をリフロー処理してはんだバンプを形成する方法の改良である。その特徴ある点は、前記フラックスが、ロジン、溶剤及びチクソ剤を含有し、前記フラックスの酸価値が１００ｍｇＫＯＨ／ｇ以下であって、前記フラックスのハロゲン含有量が０．０３質量％以下であり、前記リフロー処理をギ酸ガス雰囲気下及び／又はギ酸が熱により分解されたガスの雰囲気下で行うことにある。但し、フラックスのハロゲン含有量は、イオン化するハロゲン含有量をいう。

本発明の第２の観点は、第１の観点に基づく発明であって、前記ロジンが、重合ロジンエステル、ロジンエステル、テルペン系樹脂、石油系樹脂、水素化ロジンエステル、マレイン酸樹脂、ロジン変性フェノール樹脂、ロジン変性キシレン樹脂、ケトン樹脂又はアルキルフェノール樹脂であるはんだバンプの形成方法である。

本発明の第３の観点は、第１又は第２の観点に基づく発明であって、前記はんだ粉末が、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金はんだ粉末、Ｓｎ−Ｃｕ系合金はんだ粉末、Ｓｎ−Ａｇ系合金はんだ粉末又はＰｂ−Ｓｎ系合金はんだ粉末であるはんだバンプの形成方法である。

本発明の第４の観点は、第１ないし第３の観点のいずれかの観点に基づく発明であって、前記フラックスが、溶剤が２０〜６０質量％、チクソ剤が１．０〜１０質量％及びロジンが残部であるはんだバンプの形成方法である。

本発明の第５の観点は、ロジン、溶剤及びチクソ剤を含有し、酸価値が１００ｍｇＫＯＨ／ｇ以下であって、ハロゲン含有量が０．０３質量％以下であるフラックスとはんだ粉末とを含むはんだペーストである。

本発明の第１の観点のはんだバンプの形成方法では、ロジン、溶剤及びチクソ剤からなるフラックスを用いるため、マスク開口部へのペースト充填性及びバンプ前駆体の形状保持性が高いことから、ペースト印刷後のマスク剥離時のバンプ前駆体に欠けがなく、リフロー後のバンプの形状及び寸法が均一となり、印刷性に優れる。フラックスの酸価値が１００ｍｇＫＯＨ／ｇ以下であって、フラックスのハロゲン含有量が０．０３質量％以下であるため、フラックスとはんだ粉末の酸化物との還元反応で生じる還元水の発生が少なく、バンプ内のボイドの発生が少ない。またリフロー処理をギ酸ガス雰囲気下及び／又はギ酸が熱により分解されたガスの雰囲気下で行うことにより、はんだ粉末等の酸化皮膜を還元してはんだ溶融を円滑にする。

本発明の第２の観点のはんだバンプの形成方法では、ロジンとして、重合ロジンエステル、ロジンエステル、テルペン系樹脂、石油系樹脂、水素化ロジンエステル、マレイン酸樹脂、ロジン変性フェノール樹脂、ロジン変性キシレン樹脂、ケトン樹脂又はアルキルフェノール樹脂を用いることにより、フラックスの酸価値を１００ｍｇＫＯＨ／ｇ以下にすることができる。

本発明の第３の観点のはんだバンプの形成方法では、はんだ粉末として、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金はんだ粉末、Ｓｎ−Ｃｕ系合金はんだ粉末、Ｓｎ−Ａｇ系合金はんだ粉末又はＰｂ−Ｓｎ系合金はんだ粉末を用いることができる。

本発明の第４の観点のはんだバンプの形成方法では、フラックス中の溶剤の組成割合を２０〜６０質量％とすることにより、はんだペーストの印刷性とバンプ前駆体の形状保持性を良好にする。またチクソ剤の組成割合を１．０〜１０質量％にすることによりはんだペーストの粘度を調整してバンプ前駆体の形状保持性を良好にすることができる。

本発明の第５の観点のはんだペーストは、ロジン、溶剤及びチクソ剤を含有し、酸価値が１００ｍｇＫＯＨ／ｇ以下であって、ハロゲン含有量が０．０３質量％以下であるフラックスとはんだ粉末とを含むため、ギ酸ガス雰囲気下でリフロー処理を行うはんだバンプの形成方法に使用すれば、はんだペーストの印刷性とバンプ前駆体の形状保持性が良好になり、バンプ内のボイドの発生が少なくなる。

次に本発明を実施するための形態を説明する。

〔はんだペーストの内容〕
本発明のはんだペーストは、はんだペースト１００質量％に対して、フラックスを５〜２０質量％の割合で含有し、残部がはんだ粉末からなる混合体である。はんだ粉末としては、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金はんだ粉末、Ｓｎ−Ｃｕ系合金はんだ粉末、Ｓｎ−Ａｇ系合金はんだ粉末又はＰｂ−Ｓｎ系合金はんだ粉末が例示される。またはんだ粉末の平均粒径は、例えば、０．１〜３０μｍの範囲内にある。これにより、マスク開口部へのペースト充填性及びバンプ前駆体の形状保持性を高めることができる。バンプ形成を狭ピッチにするためには、はんだ粉末の平均粒径は、０．１〜１０μｍの範囲内にあることが好ましい。

本発明のフラックスは、ロジン、溶剤及びチクソ剤を含有し、酸価値が１００ｍｇＫＯＨ／ｇ以下であって、ハロゲン含有量が０．０３質量％以下の特性を有する。酸価値を１００ｍｇＫＯＨ／ｇ以下とするのは、酸価値がこの値を超えると、フラックスとはんだ粉末の酸化物との還元反応で生じる還元水の発生が多くなり、形成されたバンプ内のボイドが多くなるためである。またハロゲン含有量が０．０３質量％を超えると、フラックスとはんだ粉末の酸化物との還元反応で生じる還元水の発生が多くなり、同様に形成されたバンプ内のボイドが多くなるためである。酸価値は５０ｍｇＫＯＨ／ｇ以下が好ましく、ハロゲン含有量は０．０１質量％以下が好ましい。ハロゲンとしては、塩素及び／又は臭素が挙げられる。

本発明のフラックスの配合組成は、溶剤が２０〜６０質量％、チクソ剤が１．０〜１０質量％及びロジンが残部である。溶剤が２０質量％未満では、はんだペーストがペースト状になりにくい。また溶剤が６０質量％を超えると、バンプ前駆体の形状保持性が不良となる。チクソ剤が１．０質量％未満でははんだペーストの粘度が低下し、１０質量％を超えると、はんだペーストが固くなりすぎる。好ましいフラックスの配合組成は、溶剤が３０〜５０質量％、チクソ剤が２〜８質量％及びロジンが残部である。

本発明のフラックスに含まれるロジンとしては、フラックスの酸価値を１００ｍｇＫＯＨ／ｇ以下にするために、重合ロジンエステル（酸価：１０〜２５）、ロジンエステル（酸価：５０以下）、テルペン系樹脂（酸価：４５〜９０）、石油系樹脂（１以下）、水素化ロジンエステル（酸価：２０以下）、マレイン酸樹脂（酸価：５０以下）、ロジン変性フェノール樹脂（酸価：３０以下）、ロジン変性キシレン樹脂（酸価：７５以下）、ケトン樹脂（酸価：１以下）又はアルキルフェノール樹脂（酸価：８５〜１００）が好適に用いられる。

本発明のフラックスに含まれる溶剤としては、アルコール、ケトン、エステル、エーテル、芳香族系、炭化水素類等の溶剤が用いられる。具体的には、ベンジルアルコール、エタノール、エチルアルコール、イソプロピルアルコール、ブタノール、ジエチレングリコール、エチレングリコール、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、ブチルカルビトール、イソプロピルアルコール、酢酸エチル、酢酸ブチル、安息香酸ブチル、アジピン酸ジエチル、ドデカン、テトラデセン、αテルピネオール、２−メチル２，４−ペンタンジオール、２−エチルヘキサンジオール、トルエン、キシレン、プロピレングリコールモノフェニルエーテル、ジエチレングリコールモノヘキシルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、ジイソブチルアジペート、へキシレングリコール、シクロヘキサンジメタノール、２−ターピニルオキシエタノール、２−ジヒドロターピニルオキシエタノールなどが単独又はこれらを混合して用いられる。

本発明のフラックスに含まれるチクソ剤としては、硬化ひまし油、水素添加ひまし油、カルナバワックス、アミド類、ヒドロキシ脂肪酸類、ジベンジリデンソルビトール、ビス（ｐ−メチルベンジリデン）ソルビトール類、蜜蝋、ステアリン酸アミド、ヒドロキシステアリン酸エチレンビスアミド等が用いられる。更にこれらに必要に応じてカプリル酸、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、ベヘニン酸のような脂肪酸、１，２−ヒドロキシステアリン酸のようなヒドロキシ脂肪酸、酸化防止剤、界面活性剤、アミン類等を添加して用いられる。

〔はんだバンプの形成工程〕
はんだバンプの形成工程は、印刷工程と、ギ酸ガス雰囲気下でのリフロー加熱工程と、フラックス残渣等を洗浄する洗浄工程とからなる。印刷工程では、シリコンウェーハ、ガラスエポキシ樹脂基板等の基材上に開口部を有するマスクを配置し、この開口部内にはんだペーストを充填するようにはんだペーストを印刷する。印刷後、マスクを基材から剥離（版抜け）して、基材上にバンプ前駆体を形成する。本発明のはんだペーストは、ロジン、溶剤及びチクソ剤からなるフラックスを用いるため、マスク開口部へのペースト充填性及びバンプ前駆体の形状保持性が高いことから、ペースト印刷後のマスク剥離時のバンプ前駆体に欠けがく、リフロー後のバンプの形状及び寸法が均一となり、印刷性に優れる。

リフロー加熱工程では、まず予備加熱として、窒素雰囲気下又は低酸素雰囲気下で、基材上に形成されたバンプ前駆体をはんだ粉末の融点より低い温度、例えば１６０〜２００℃の温度で加熱を行ない、フラックス中のボイド源である溶剤を揮発させる。その後、はんだ粉末の融点より高い温度、例えば２１７〜２３０℃の温度で加熱し、はんだ粉末を溶融する。ギ酸は予備加熱の前からリフロー炉に導入しても良く、またはんだ粉末の融点の直前でリフロー炉に導入しても良い。ギ酸ガスの還元力によりはんだ粉末等の酸化皮膜が還元される。次の冷却工程で溶融したはんだを冷却すると、表面張力により略半球状のはんだバンプが形成される。続いてはんだバンプが形成された基材を洗浄工程に移し、フラックス残渣等を洗浄除去する。こうして形成されたはんだバンプ内には、使用したはんだペースト中のフラックスの酸価値が１００ｍｇＫＯＨ／ｇ以下であって、ハロゲン含有量が０．０３質量％以下であったため、フラックスとはんだ粉末の酸化物との還元反応で生じる還元水の発生が少なく、ボイドの発生が少なくなる。

次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。

＜実施例１＞
αテルピネオールの溶剤５５質量％と水素添加ひまし油のチクソ剤３．５質量％とジフェニルグアニジン臭化水素酸塩の活性剤０．１質量％と残部がアルキルフェノール樹脂のロジンからなるフラックスと、９６．５質量％Ｓｎ−３質量％Ａｇ−０．５質量％Ｃｕからなる平均粒径３．５μｍのＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金はんだ粉末（以下、ＳＡＣ３０５という。）とを、フラックス含有率１２．０質量％の割合で、混合してはんだペーストを調製した。またフラックスの酸価値は１００ｍｇＫＯＨ／ｇで、そのハロゲン含有量は０．０３質量％であった。このはんだペーストを、基材であるガラスエポキシ樹脂基板上に配置されたメタルマスクの開口部内に充填するように、印刷し、このマスクを剥離した後、バンプ前駆体が形成された上記基板を窒素雰囲気下、１５０〜２００℃の温度で１分間保持して、予備加熱処理した。また、ギ酸は予備加熱の前よりリフロー炉に導入した。続いて、２３０〜２５０℃の温度でリフロー加熱処理した後、冷却し、１６００個のはんだバンプを形成した。上記基板上に形成されたバンプの寸法は、直径９５μｍ、高さ４３μｍであり、バンプピッチは１５０μｍであった。

＜実施例２＞
ロジンとして、ロジンエステルを用い、活性剤を添加していないこと以外、実施例１と同じフラックス及び実施例１と同じはんだ粉末を使用して、実施例１と同様にしてはんだペーストを調製した。このフラックスの酸価値は５ｍｇＫＯＨ／ｇで、そのハロゲン含有量は検出限界以下（Ｎ．Ｄ．）であった。このはんだペーストを用いて実施例１と同様の方法ではんだバンプを形成した。

＜実施例３＞
はんだ粉末として、９５．５質量％Ｓｎ−４質量％Ａｇ−０．５質量％Ｃｕからなる平均粒径１５．６μｍのＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金はんだ粉末（以下、ＳＡＣ４０５という。）を用いた以外、実施例２と同じフラックスを使用して、フラックス含有率９．０質量％の割合で、混合してはんだペーストを調製した。このフラックスの酸価値は５ｍｇＫＯＨ／ｇで、そのハロゲン含有量は検出限界以下であった。このはんだペーストを用いて実施例１と同様の方法ではんだバンプを形成した。

＜実施例４＞
はんだ粉末として、９９．３質量％Ｓｎ−０．７質量％Ｃｕからなる平均粒径６．８μｍのＳｎ−Ｃｕ系合金はんだ粉末（以下、Ｓｎ０．７Ｃｕという。）を用いた以外、実施例２と同じフラックスを使用して、フラックス含有率１０．４質量％の割合で、混合してはんだペーストを調製した。このフラックスの酸価値は５ｍｇＫＯＨ／ｇで、そのハロゲン含有量は検出限界以下であった。このはんだペーストを用いて実施例１と同様の方法ではんだバンプを形成した。

＜実施例５＞
はんだ粉末として、９７．７質量％Ｓｎ−２．３質量％Ａｇからなる平均粒径５．２μｍのＳｎ−Ａｇ系合金はんだ粉末（以下、Ｓｎ２．３Ａｇという。）を用いた以外、実施例２と同じフラックスを使用して、フラックス含有率１１．３質量％の割合で、混合してはんだペーストを調製した。このフラックスの酸価値は５ｍｇＫＯＨ／ｇで、そのハロゲン含有量は検出限界以下であった。このはんだペーストを用いて実施例１と同様の方法ではんだバンプを形成した。

＜実施例６＞
はんだ粉末として、３７質量％Ｐｂ−６３質量％Ｓｎからなる平均粒径９．８μｍのＰｂ−Ｓｎ系合金はんだ粉末（以下、Ｐｂ６３Ｓｎという。）を用いた以外、実施例２と同じフラックスを使用して、フラックス含有率９．８質量％の割合で、混合してはんだペーストを調製した。このフラックスの酸価値は５ｍｇＫＯＨ／ｇで、そのハロゲン含有量は検出限界以下であった。このはんだペーストを用いて実施例１と同様の方法ではんだバンプを形成した。

＜比較例１＞
αテルピネオールの溶剤５５質量％と水素添加ひまし油のチクソ剤３．５質量％とジフェニルグアニジン臭化水素酸塩の活性剤０．４質量％と残部が水添ロジンのロジンからなるからなる、活性剤入りのフラックスを用い、実施例１と同じはんだ粉末を使用して、実施例１と同様にしてはんだペーストを調製した。このフラックスの酸価値は１５０ｍｇＫＯＨ／ｇで、そのハロゲン含有量は０．１質量％であった。このはんだペーストを用いて実施例１と同様の方法ではんだバンプを形成した。

＜比較例２＞
平均分子量３００以下のポリブデンと平均分子量５００程度のポリブデンを質量比で５：１の割合で混合した。この有機材料と実施例１と同じはんだ粉末を、有機材料含有率１０質量％の割合で、混合して、実施例１と同様にしてはんだペーストを調製した。この有機材料の酸価値は０．０１ｍｇＫＯＨ／ｇ未満で、そのハロゲン含有量は検出限界以下であった。このはんだペーストを用いて実施例１と同様の方法ではんだバンプを形成した。

＜評価試験＞
実施例１〜６及び比較例１〜２で用いたフラックス又は有機材料の酸価値及びそのハロゲン含有量は次の方法で測定した。また実施例１〜６及び比較例１〜２で得られたはんだペーストを印刷した後のバンプ前駆体の形状保持性及び実施例１〜６及び比較例１〜２で得られたはんだバンプ内の最大ボイド率を次の方法により測定し評価した。
(a) フラックスの酸価値
フラックスの酸価値は、ＪＩＳ Ｚ ３１９７に準拠して測定した。
(b) フラックスのハロゲン含有量
フラックスのハロゲン含有量は、ＪＩＳ Ｚ ３１９７に準拠して測定した。
(c) バンプ前駆体の形状保持性
ペーストを印刷した後の基材を目視、又は光学顕微鏡で観察し、ミッシングや印刷ダレ、バンプ前駆体の欠け等が発生していなければ良好と判断した。ミッシング等が発生していると不良と判断した。
(d) バンプ内の最大ボイド率
形成したはんだバンプの内部に発生したボイドを透過型Ｘ線により観察し、各バンプにどの程度の大きさのボイドが発生しているかを評価した。ボイド率はバンプ面積に対して発生しているボイド総面積率であり、１６００バンプ測定した中の最もボイド率が高いものを最大ボイド率とする。

＜評価の結果＞
表１から明らかなように、従来のはんだペーストと同様にフラックスに活性剤を使用した比較例１では、バンプ前駆体の形状保持性が良好であったが、バンプ内の最大ボイド率は９．５％と高かった。これはフラックスとはんだ粉末の酸化物との還元反応で生じる還元水の発生が多いためと考えられる。また比較例２の前記特許文献２に準じたはんだペーストはペーストの流動性が悪く、マスク開口部への充填性が悪いため印刷ができず、バンプを形成することができなかった。そのためボイド率は測定不能であった。これらの比較例１、２に対して実施例１〜６では、バンプ前駆体の形状保持性は全て良好であり、バンプ内の最大ボイド率は５．８％以下と小さかった。

Claims (5)

1. 開口部を有するマスクを基材上に配置し、この開口部内にフラックスとはんだ粉末とを含むはんだペーストを充填するように前記はんだペーストを印刷し、前記マスクを剥離した後、前記基材上のバンプ前駆体をリフロー処理してはんだバンプを形成する方法において、
   前記フラックスは、ロジン、溶剤及びチクソ剤を含有し、前記フラックスの酸価値が１００ｍｇＫＯＨ／ｇ以下であって、前記フラックスのハロゲン含有量が０．０３質量％以下であり、前記リフロー処理をギ酸ガス雰囲気下及び／又はギ酸が熱により分解されたガスの雰囲気下で行うことを特徴とするはんだバンプの形成方法。
2. 前記ロジンが、重合ロジンエステル、ロジンエステル、テルペン系樹脂、石油系樹脂、水素化ロジンエステル、マレイン酸樹脂、ロジン変性フェノール樹脂、ロジン変性キシレン樹脂、ケトン樹脂又はアルキルフェノール樹脂である請求項１記載の方法。
3. 前記はんだ粉末が、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金はんだ粉末、Ｓｎ−Ｃｕ系合金はんだ粉末、Ｓｎ−Ａｇ系合金はんだ粉末又はＰｂ−Ｓｎ系合金はんだ粉末である請求項１又は２記載の方法。
4. 前記フラックスが、溶剤が２０〜６０質量％、チクソ剤が１．０〜１０質量％及びロジンが残部である請求項１ないし３いずれか１項に記載の方法。
5. ロジン、溶剤及びチクソ剤を含有し、酸価値が１００ｍｇＫＯＨ／ｇ以下であって、ハロゲン含有量が０．０３質量％以下であるフラックスとはんだ粉末とを含むはんだペースト。