JPH11297886A - はんだバンプ形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 パッドピッチおよびパッド径が小さい場合に
均一な高さのはんだバンプの形成が可能であり、直径１
０５μｍ程度の微小径のはんだボールであってもパッド
に正確に供給できるようにする。 【課題達成手段】 以下の各工程を有する。ａ）各パッ
ドにフラックスを塗布し、ｂ）各パッドに対応する位置
にはんだボール１個分が入る開口部を形成したメタルマ
スクを重ねて開口部を各パッドに位置合せし、ｃ）所定
直径の多数のはんだボールを前記メタルマスクの上に載
せ、ｄ）各開口部にそれぞれ１個のはんだボールを落し
込みフラックスに付着させ、ｅ）メタルマスク表面をス
キージで擦ることにより各開口部に入らない余分なはん
だボールを除去し、ｆ）メタルマスクを除去し、ｇ）プ
リント配線板をリフロー炉で加熱しはんだボールを溶融
させて各パッドにはんだバンプを形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、プリント配線板
に半導体チップなどを高密度に実装するために用いるは
んだ突極電極を形成するはんだバンプ形成方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体チップの高集積化・多ピン化・高
密度化に対応して、パッケージ形態は４辺リード接続タ
イプであるＱＦＰパッケージに代わって、バンプ（突極
電極）を用いた面実装タイプであるＢＧＡ（Ball Grid
Array）パッケージが用いられるようになってきた。す
なわちこのＢＧＡパッケージは、パッケージを構成する
プリント配線板（基板）の表面に半導体チップを実装
し、モールドして裏面に接続端子としてボールバンプ
（あるいははんだバンプ）を格子状に形成させたパッケ
ージである。

【０００３】このＢＧＡパッケージでは、下面のボール
バンプ（あるいははんだバンプ）を、このパッケージを
実装するプリント配線板上の電極（パッド）に同様に形
成したはんだバンプに重ね、はんだバンプをリフローす
ることにより互いに接合するものである。この時溶融は
んだの表面張力によるセルフアライメント作用により、
パッケージとプリント配線板との位置ずれを自動調整さ
せるものである。

【０００４】このようにパッケージ側あるいはプリント
配線板側にはんだバンプを形成する方法として、クリー
ムはんだ印刷方式と、はんだボール実装方式とが公知で
ある。図５はクリームはんだ印刷方式を説明する図であ
る。この図において符号１０はプリント配線板（Print
Wiring Board，PWB）、１２はその表面に形成されたパ
ッドであり、このパッド１２以外の表面はソルダレジス
ト１４により被覆されている。

【０００５】１６はメタルマスクであり、金属板に両面
からエッチング処理を施すことによってパッド１２に対
応する多数の開口部１８が形成されている。このメタル
マスク１６は開口部１８をパッド１２に位置合わせして
プリント配線板１０に重ねられ、固定される（図５の
（Ａ））。このメタルマスク１６の上にはクリームはん
だ２０が供給され、メタルマスク１６の表面にスキージ
（へら）２２を当てて移動させることによってクリーム
はんだ２０をローリングさせ、各開口部１８内に所定量
のクリームはんだ２０を充填する（図３のＢ）。ここに
クリームはんだ２０は、粉末状はんだを粘性の高いフラ
ックスに混ぜてクリーム状にしたものである。

【０００６】このように各開口部１８にクリームはんだ
２０を充填してから、メタルマスク１６をプリント配線
板１０から剥がす（図５の（Ｃ））。この時開口部１８
に充填したクリームはんだ２０はパッド１２に付着して
残る。このプリント配線板１０をリフロー炉に入れて加
熱することによりパッド１２上のクリームはんだ２０を
溶融させれば、溶融したはんだははんだ自身の表面張力
によってパッド１２上の正しい位置に自動的に位置調整
され（セルフアライメント作用）、半球状になる。従っ
てこのまま冷やしてはんだを凝固させれば、一定高さか
つ一定形状のはんだバンプ２４が形成される（図５の
（Ｄ））。

【０００７】はんだボール実装方式では、プリント配線
板のパッドにフラックスを塗布した後、このプリント配
線板にパッドに対応する開口部を形成したメタルマスク
を重ねる。この開口部に予め用意した所定寸法のはんだ
ボールを１個ずつ供給してフラックスで仮止めした後、
メタルマスクを剥がし、リフロー加熱する。この場合は
んだボールの供給は、専用の装置（ボールプレーサーと
いう）を用いて行う。

【０００８】この装置（ボールプレーサ）はメタルマス
クの開口部に対応する位置に１個ずつのはんだボールを
負圧によって吸引する吸引ヘッドを備える。この吸引ヘ
ッドにはんだボールを吸引した状態でこの吸引ヘッドを
メタルマスク上に運び、負圧による吸引を止めてはんだ
ボールを各パッド上に落下させることによってはんだボ
ールを供給するものである。

【０００９】

【従来技術の問題点】前記のクリームはんだ印刷方式に
おいては、メタルマスク１６をプリント配線板１０から
剥がす際に開口部１８の内面にクリームはんだが多少残
留することが避けられない。

【００１０】図６はこの剥がしたメタルマスク１６にク
リームはんだが残留する様子を示す図である。この図６
で２６は開口部１８に残留したクリームはんだを示す。
この残留クリームはんだ２６の量が開口部１８によって
一定せず不均一になるため、パッド１２上に載るクリー
ムはんだ２０の量が不均一になり、はんだバンプ２４の
高さが不揃いになるという問題が生じる。

【００１１】この問題を解決するために、クリームはん
だの粘着指数や印刷機の版離れ速度（メタルマスクの剥
離速度）などの材料物性、設備条件の最適化、管理の厳
密化などが考えられるが、解決は困難であった。このよ
うなはんだバンプ２４の高さの不揃いがあると、実装す
る際に接続不良を生じさせる原因になる。

【００１２】一方はんだボール実装方式によれば、各パ
ッドに１個ずつのはんだボールが供給されるため、各パ
ッドへのはんだ供給量を均一化できる。しかし各パッド
にはんだボールを１個ずつ供給するためには専用の装置
（ボールプレーサー）が必要になり、この装置が複雑で
高価でもあるという問題がある。

【００１３】一方電子回路の小型化、高密度化に伴って
パッドピッチおよびパッド径を小さくすることが要求さ
れる。このためパッドへのはんだ供給量は一層厳密に管
理されることが求められる。しかし前記のクリームはん
だ印刷方式ではメタルマスクの開口部が一層小径化する
ため、クリームはんだの供給量管理は一層困難で、均一
高さのはんだバンプを形成することは不可能になる。

【００１４】また前記のはんだボール実装方式では、パ
ッドへのはんだ供給量が少なくなるのに伴って用いるは
んだボールをますます微小径化する必要が生じるが、従
来のボールプレーサではこのような微小径のはんだボー
ルを吸引することが不可能である。

【００１５】例えば従来のボールプレーサは直径約３０
０μｍ（０．３mm）のはんだボールの吸引に対応するも
のが可能であったが、直径約１０５μｍのはんだボール
に対しては、はんだボール吸引用の孔も小径にする必要
が生じる。しかしこのような小径な孔を機械加工するこ
とは極めて困難であり、このようなボールプレーサーを
製作することが不可能になるものである。

【００１６】

【発明の目的】本発明はこのような事情に鑑みなされた
ものであり、パッドピッチおよびパッド径が小さい場合
に均一な高さのはんだバンプの形成が可能であり、直径
１０５μｍ程度の微小径のはんだボールであってもパッ
ドに正確に供給することができるはんだバンプ形成方法
を提供することを目的とする。

【００１７】

【発明の構成】この発明によればこの目的は、プリント
配線板の各パッド上にそれぞれ１個ずつのはんだボール
を供給しリフローすることにより各パッドにはんだバン
プを形成するはんだバンプ形成方法において、ａ）各パ
ッドにフラックスを塗布し、ｂ）各パッドに対応する位
置にはんだボール１個分が入る開口部を形成したメタル
マスクを重ねて開口部を各パッドに位置合せし、ｃ）所
定直径の多数のはんだボールを前記メタルマスクの上に
載せ、ｄ）各開口部にそれぞれ１個のはんだボールを落
し込みフラックスに付着させ、ｅ）メタルマスク表面を
スキージで擦ることにより各開口部に入らない余分なは
んだボールを除去し、ｆ）メタルマスクを除去し、ｇ）
プリント配線板をリフロー炉で加熱しはんだボールを溶
融させて各パッドにはんだバンプを形成する、以上の各
工程を有することを特徴とするはんだバンプ形成方法に
より達成される。

【００１８】ここに用いるメタルマスクには、略截頭円
錐状の開口部を形成し、この開口部の小径側が開口する
メタルマスクの面をプリント配線板に密着させ、開口部
の大径側の開口からはんだボールを供給するのが望まし
い。このような截頭円錐状の開口部を有するメタルマス
クは、次のように作ることができる。

【００１９】すなわち、ステンレス鋼板などの基板に光
硬化型（例えば紫外線硬化型）のレジストを塗布し、パ
ッド位置を露光して硬化させてレジストの柱を形成し、
基板に電解ニッケルメッキの厚付けなどにより金属メッ
キ層を形成し、レジストの柱を溶出させて除去し、基板
を剥し除去することにより金属メッキ層からなるメタル
マスクを作ることができる。

【００２０】この場合光（紫外線）露光により柱状に硬
化する部分は表面側が大径となり裏側（基板に密着した
側が小径）となるから、柱状に硬化して残るレジストは
截頭円錐状になる。

【００２１】このメタルマスクは、直径１０５μｍのは
んだボールに対しては、厚さを約１２０μｍ（０．１２
０mm）とし、開口部の開口径を小径側で約１３０μｍ
（０．１３０mm）、大径側で約１６０μｍ（０．１６０
mm）とするのがよい。

【００２２】

【作用】所定直径に高精度に管理されたはんだボールを
メタルマスクの上に供給し、必要に応じて水平振動ある
いは上下振動を加えながら一定径に管理されたはんだボ
ールを、同様に一定径に管理された開口部に１個づつ落
下させ、フラックスに付着して仮止めさせる。

【００２３】メタルマスク上面をスキージで擦り余分な
はんだボールを除去する。メタルマスクを剥してからは
んだボールをリフローさせれば、溶融したはんだが半球
状に盛り上がり、冷やすことによってはんだバンプを形
成することができる。ここに各パッドに供給されるはん
だボールの直径は一定であるからはんだバンプの高さも
均一に揃う。

【００２４】

【実施態様】図１は本発明の一実施態様における前半の
工程説明図、図２は同じく後半の工程説明図、図３は図
１におけるIII矢視部の拡大図、図４はメタルマスクの
製造工程図である。図１で符号１０はプリント配線板、
１２はパッド、１４ははんだレジストである。このプリ
ント配線板１０は半導体ベアチップを収容するためのパ
ッケージの一部であるプリント配線板であってもよい
し、ＢＧＡの端子を下面に有するＩＣパッケージを実装
するためのプリント配線板であってもよい。

【００２５】５０はフラックスであり、プリント配線板
１０の表面に塗布することによりその表面張力を利用し
てレジスト１４が無い部分すなわちパッド１２の上に集
める（図１の（Ａ））。このプリント配線板１０の上に
はメタルマスク５２が重ねられる（図１の（Ｂ））。こ
のメタルマスク５２は図４に示す方法で作られる。この
図４において符号５４はステンレス鋼板の薄板からなる
導電性の基板であり、その一方の面に紫外線硬化型レジ
スト５６が塗布される。レジスト５６は感光性ドライフ
ィルムを用いて形成してもよい。

【００２６】このレジスト５６の上に紫外線露光してパ
ッド１２の位置だけを硬化させる。例えばパッド１２を
写し込んだネガフィルムをレジスト５６の上に重ね、上
から露光してパッド１２に対応する位置だけを硬化させ
る。この時レジスト５６はその表面から厚さ方向に深く
硬化が進むから、断面が略逆截頭円錐状になるように硬
化する。従って硬化していないレジストを溶剤で除去す
れば、逆截頭円錐状の柱５８ができる（図１の
（Ｂ））。

【００２７】この基板５４はニッケルメッキ浴に入れら
れ、電解ニッケルメッキされる（図１の（Ｃ））。この
メッキ層６０はメタルマスク５２の厚さに相当する厚さ
に形成される。すなわち約１２０μｍ（０．１２０mm）
の厚さに厚付けメッキされる。なお前記レジスト５６の
厚さもこのメッキ層６０の厚さを考慮して十分な厚さに
塗布しておくのは勿論である。

【００２８】メッキ層６０を形成した後、レジストの柱
５８の部分が溶剤によって溶出される（図１の
（Ｄ））。そしてメッキ層６０を基板５４から剥がせ
ば、メッキ層６０によりメタルマスク５２ができ上が
る。このメタルマスク５２には、柱５８を溶出した後に
残る空洞により截頭円錐状の開口部６２が形成される。

【００２９】この実施態様では約０．２５mmピッチ、直
径約０．１３mmのパッド１２に、高さ７０μｍのはんだ
バンプを形成するものとする。この場合には開口部６２
は図３に示すように、大径側の口径が１６０μｍ（０．
１６mm）であり、小径側の口径が１３０μｍ（０．１３
mm）であるのが望ましい。またメタルマスク５２の厚さ
は約１２０μｍにするのがよい。

【００３０】このように作ったメタルマスク５２をプリ
ント配線板１０に重ね、開口部６２をパッド１２に位置
合わせして固定した後（図１の（Ｂ））、上に一定直径
（１０５μｍ）の多数のはんだボール６４を載せる（図
１の（Ｃ））。そして全体を水平に加振する（図１の
（Ｄ））。この時多少上下方向の加振を加えてもよい。

【００３１】この加振によりはんだボール６４は各開口
部６２に１個ずつ落下する。開口部６２の寸法ははんだ
ボール６４が１個だけ入り２個は入らないように決めら
れている。開口部６２は上の開口径が大きいからはんだ
ボール６４は円滑に開口部６２に入り、パッド１２に当
たる。

【００３２】次にメタルマスク５２の上をスキージ６６
で擦れば、開口部６２に入らなかった余分のはんだボー
ル６４がメタルマスク５２の上から除去される（図１の
（Ｅ））。また開口部６２に入ったはんだボール６４
は、パッドに塗布したフラックス５０に付着して仮止め
される。

【００３３】次にはんだボール６４を移動させることな
く、メタルマスク５２を静かに剥がし（図２の
（Ｆ））、リフロー炉に入れて加熱する（図２の
（Ｇ））。図２の（Ｇ）で６８はリフロー炉の赤外線ヒ
ータである。このリフロー加熱によってはんだボール６
４は溶融し、溶融はんだはその表面張力によってパッド
１２上に半球形に盛り上がる。従ってそのまま冷却すれ
ば半球状のはんだバンプ７０ができあがる。このはんだ
バンプ７０は約７０μｍの高さになる。

【００３４】この実施態様で用いるメタルマスク５２は
截頭円錐状の開口部６２を有するから、はんだボール６
４が開口部６２内壁の円錐面に導かれて円滑にパッド１
２上に落下し、はんだボール６４を正確な位置に安定さ
せることができる。なお広く用いられているメタルマス
クは金属板を両面からエッチングすることによって開口
部を形成するので、開口部の空洞の形状が両側の開口が
広く中間が狭い糸巻き型になる。このため、開口部に入
ったはんだボールがパッド上で大きく遊動することにな
り、はんだボールの位置決めが不安定になり易いが、図
４に示した実施態様によればこのような不都合がない。

【００３５】

【発明の効果】請求項１の発明は以上のように、はんだ
ボールをメタルマスクの開口部に落下させ、スキージに
よって余分なはんだボールを除去し、メタルマスクを剥
がしてリフロー加熱し、はんだバンプを形成するもので
あるから、微小径のはんだボールを正確かつ能率良く各
パッド上に供給することができる。このためパッドピッ
チおよびパッド直径が小さくなっても均一高さのはんだ
バンプを形成することができる。

【００３６】ここにメタルマスクの開口部は、截頭円錐
状に形成すれば、この開口部大径側開口からはんだボー
ルを供給してパッド上に正確に位置決めすることができ
る（請求項２）。このようなメタルマスクは、導電性の
基板に光硬化型（例えば紫外線硬化型）レジストを塗布
し、パッドに対応する位置を露光して硬化させてレジス
トの柱を形成し、金属メッキを厚付けしてからレジスト
を除去し、メッキ層を基板から剥がすことにより作るこ
とができる（請求項３）。

【００３７】この場合基板をステンレス鋼板とし、金属
メッキを電解ニッケルメッキとすることができる（請求
項４）。ピッチが約０．２５mm、直径が約０．１３mmの
パッドに約１０μｍの高さのはんだバンプを形成する場
合には、微小径のはんだボールの直径を約０．１０５mm
とし、メタルマスクの開口部を最大径約０．１６mm、最
小径約０．１３mmの截頭円錐形とし、メタルマスクの厚
さを約１２０μｍとするのがよい（請求項５）。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施態様の前半工程を示す図

【図２】同じく後半工程を示す図

【図３】図１におけるIII矢視部の拡大図

【図４】メタルマスクの製造工程を示す図

【図５】従来のクリームはんだ印刷方式の説明図

【図６】同じくその不都合を説明する図

【符号の説明】

１０ プリント配線板 １２ パッド １４ はんだレジスト ５０ フラックス ５２ メタルマスク ５４ 基板 ５６ 光硬化型レジスト ５８ レジストの柱 ６０ ニッケルメッキ層 ６２ 開口部 ６４ はんだボール ６６ スキージ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プリント配線板の各パッド上にそれぞれ
   １個ずつのはんだボールを供給しリフローすることによ
   り各パッドにはんだバンプを形成するはんだバンプ形成
   方法において、 ａ）各パッドにフラックスを塗布し、 ｂ）各パッドに対応する位置にはんだボール１個分が入
   る開口部を形成したメタルマスクを重ねて開口部を各パ
   ッドに位置合せし、 ｃ）所定直径の多数のはんだボールを前記メタルマスク
   の上に載せ、 ｄ）各開口部にそれぞれ１個のはんだボールを落し込み
   フラックスに付着させ、 ｅ）メタルマスク表面をスキージで擦ることにより各開
   口部に入らない余分なはんだボールを除去し、 ｆ）メタルマスクを除去し、 ｇ）プリント配線板をリフロー炉で加熱しはんだボール
   を溶融させて各パッドにはんだバンプを形成する、 以上の各工程を有することを特徴とするはんだバンプ形
   成方法。
2. 【請求項２】 メタルマスクの開口部は略截頭円錐状に
   形成され、前記メタルマスクの前記開口部の小径側が開
   口する面をプリント配線板に密着させ、前記開口部の太
   径側開口からはんだボールを供給する請求項１のはんだ
   バンプ形成方法。
3. 【請求項３】 工程ｂ）に用いるメタルマスクは、 ｂ−１）基板の表面にパッドの位置に光硬化型レジスト
   を塗布し、 ｂ−２）パッドの位置を露光してはんだボール直径より
   僅かに太径の略截頭円錐状のレジストの柱を形成し、 ｂ−３）基板の表面に金属メッキ層を形成し、 ｂ−４）レジストの柱を溶出除去し、 ｂ−５）基板を除去する、 ことにより形成される請求項２のはんだバンプ形成方
   法。
4. 【請求項４】 基板はステンレス鋼板であり、金属メッ
   キ層は厚付け電解ニッケルメッキで形成される請求項３
   のはんだバンプ形成方法。
5. 【請求項５】 はんだボール直径は約１０５μｍであ
   り、メタルマスクは厚さ約１２０μｍであり、開口部は
   その開口径が約１３０μｍおよび約１６０μｍの截頭円
   錐状である請求項４のはんだバンプ形成方法。