WO1995024113A1

WO1995024113A1 - Copper ball and method for producing the same

Info

Publication number: WO1995024113A1
Application number: PCT/JP1995/000248
Authority: WO
Inventors: Katuhiko Mukai; Keiji Nakano; Masaharu Yamamoto
Original assignee: Sumitomo Special Metals Co Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1994-03-01
Filing date: 1995-02-21
Publication date: 1995-09-08
Anticipated expiration: 1996-09-01

Description

明細書

Cuボール及び Cuボールの製造方法

技術分野

この発明は、 Cuボール及び Cuボールの製造方法に関するものであり、特に BGA(Ball Grid Array)タイプの半導体パッケージ用バンプとして有効な

Cuボール及び Cuボールの製造方法に係り、多数の所定寸法の柱状個片を治具に形成された複数の穴内に振込配置して、治具内で加熱溶融させ、その後所定の冷却時に溶融金属自体の表面張力の効果にて球状化させることにより、同時に多数の球状溶融凝固体を得ることが可能で、特に量産性に優れしかも寸法精度が高い Cuボール及び Cuボールの製造方法に関するものである。

背景技術

半導体パッケージにおける多ピン化の傾向は強まる一方であり、最近ではパッケージの裏面に複数のバンプを配置し、該バンプとプリント基板とを直接ハンダ付けする所謂 BGAタイプの半導体パッケージの開発がなされている。上記のバンプとしては所定組成からなるハンダ (Pb-Sn)のみにて構成されたものが知られているが、最近では電気的な特性や機械的な特性を考慮してコバール (Ni-Co-Fe合金)、 Cu、 42ァロイ (42Ni-Fe合金)等の金属球を芯材としてろう材を被覆したチップキヤリァ一が提案 (特開昭 62-112355号公報)されている。

特に Cuボールは、セラミックスパッケージのリードとして要求される大きな熱伝導性を有し、また、電気抵抗が小さなことに加え、球状にすることによリ熱膨張の影響を少なくできることから、セラミックスパッケージとの熱膨張係数の整合性がよく、コバールや 42ァロイなどと比較しても優れた特性を有しておリ、バンプとして有効であると推測される。

バンプとして使用するためには、 Cuボールの直径は、半導体パッケージの寸法ゃ該半導体パッケージに要求される電気特性、半導体パッケージ裏面とプリント基板との間隙寸法等に応じて、通常 0.5mm〜： Lmm程度の範囲で選定される、特に寸法精度 (真球度等)はハンダ層などのろう材を被着形成した後のバンプの寸法精度に直接影響するため高精度に仕上げる必要がある。すなわち、バンプの寸法精度が悪、と該バンプを介する半導体パッケージとプリント基板との安定した電気的な接続が確保できない等の問題が発生する。

先に記載したチップキヤリァ一の提案 (特開昭 62-112355号公報)においては、芯材となる Cu等の金属球の製造方法については具体的な記載がない。従来から数 ΙΟμπι程度の直径を有する Cuボールの製造方法としては、ァトマィズ法ゃボールミル法等の粉末冶金の技術分野における粉末製造法が適用されているが、上記の如き 0.5mm〜： Lmm程度の直径を有する Cuボールの製造方法には直径が大きいため寸法精度や歩留り等の観点から上記の製造方法を採用することが困難であり、例えば、溶融 Cuを所定温度からなる液体中に滴下し、溶融 Cu自体の表面張力にて球状化してそのまま凝固する所謂液体中滴下方法や金型によるフォーミング等の所謂機械的塑性加工方法にて製造されていた。し力し、液体中滴下方法や機械的塑性加工方法においては、比較的大径の Cuボールを得ることが可能であるが、いずれも作業性が悪く大量生産に不向きであり、特に液体中滴下方法では寸法精度のバラツキが大きく、 BGAタイプの半導体パッケージ用バンプとして要求される寸法精度を有する Cuボールを確保するためには非常に歩留りが悪くコストアップの要因となっている。また、機械的塑性加工方法においても球径に応じて種々の金型が必要となり、上記の作業性とともにコストアップの要因となっている。

この発明は、上記の問題点を解決し、特に BGA(Ball Grid Array)タイプの半導体パッケージ用バンプとして有効な量産性に優れしかも寸法精度が高い

Cuボール及び Cuボールの製造方法の提供を目的とする。

さらに、この発明の製造方法によって得られる寸法精度が高い Cuボールの外周面にハンダ、銀ろう、ニッケル、錫、金、銀のいずれか一種を被覆し、 Cuボールと同様な寸法精度を有するコーティング付き Cuボールの提供を目的とする。

発明の開示

この発明は、溶融金属が溶融金属自体の表面張力の効果にて球状化する作用を有効に活用することで上記の目的を達成するものであり、溶融凝固体からなリ、直径が 2mm以下で、かつ真球度が直径の 3%以下であることを特徴とする Cuボールを提供するものである。

さらに、上記の Cuボールの外周面に用途に応じてハンダ、銀ろう、ニッケル、錫、金、銀のいずれか一種を被覆してなることを特徴とするコーティング膜付きの Cuボールを併せて提供するものである。

また、 Cuボールを得る具体的な製造方法として、 Cu線を所定寸法の柱状個片に切断し、該個片を個片配置治具に形成された複数の穴内に個々に振込配置し、該治具とともに Cu個片を非酸化性雰囲気内にて溶融点以上の温度で加熱溶融し、さらに冷却して球状に凝固することを特徴とする Cuボールの製造方法を提供するものである。

この発明において、 Cuボールとは基本的に無酸素銅等の純度の高い Cu材を用いた球状の物を対象とするが、製造上における不可避的不純物が含有されたリ、機械的特性を向上させる等の種々の目的で少量の添加元素を含有したもの等をも対象とする。

この発明において、 Cuボールの直径は複数方向 (少なくとも直角 2方向)における測定値の最大値 Dmaxと最小値 Dminの和に 1/2を乗じた値 (直

径= (0111& + 01^11) 1/2)とし、また、真球度は上記の最大値 Dmaxと最小値 Dminの差 (真球度 = Dmax-Dmin)とし、さらに、真球度が直径の 3%以下であるとは、先に求めた真球度と直径からの計算値 (真球度 ÷直径 X 100%)が 3%以下であることを示す。また、この発明の製造方法において、振込配置とは、後述する実施例等によって詳細に説明するが、 Cu線を切断してなる所定寸法の柱状個片からなる Cu個片を予め個片配置治具に形成されている所要形状及び寸法からなる穴内に、該治具を振動させながら入れることを意味し、その振動手段等は公知の種々の手段を採用することができ、振動振幅や振動数を適宜選定する。

図面の説明

図 1は、この発明の Cuボールの素材となる円柱状の Cu個片を示す斜視説明図である。

図 2は、図 1の Cu個片を個片配置治具に振込配置した状態を示す平面説明図である。

図 3は、図 2の a-a縦断面説明図である。

図 4は、個片配置治具の穴部底面の一構成を説明する縦断面説明図である。図 5は、この発明の外周面に Ni層を介して銀ろうを被覆した構成からなる Cu ボールの縦断顕微鏡写真図である。

図 6は、この発明の銅ボールとコバール板とのろう付け後の縦断顕微鏡写真図である。

図 7は、比較例の外周面に Ni層を介することなく直接銀ろうを被覆した構成からなる Cuボールの縦断顕微鏡写真図である。

発明を実施するための最良の形態

この発明の目的を達成するためには、以下に示す種々の項目について最適な条件を選定することが望ましい。

例えば、 Cuボールの素材となる柱状の Cu個片の寸法は、断面円形や矩形の Cu線材ょリ切リ出す際に、最終製品となる Cuボールの体積に応じて決定するが、例えば図 1に示すごとき円柱状 Cu個片の外径 Dと長さ Lは、本発明者の実験によれば外径 Dと長さ Lとの比 L/Dが 0.7~1.5の範囲にある場合に、最も効率よく球状化すること力 ^確認できた。上記の Cu個片を振込配置する個片配置治具は、 Cuの溶融点において変形等を起こさない耐熱性を有することが必要であるだけでなく、該治具内にて Cu 個片が一旦溶融して凝固する際に、溶融 Cuの球状化を妨げる材料、すなわち溶融 Cuとの濡れ性が良い材料は好ましくなく、カーボン製、アルミナや炭化ケィ素等のセラミックス製、表面に酸化被膜を形成してなる耐熱鋼製等の使用が好ましい。

また、個片配置治具に形成される穴は、前記柱状の Cu個片の寸法によって決定するが、一つの穴内に同時に 2個以上の Cu個片が振込配置されないような円形、矩形などの形状及び直径や穴の深さなどの寸法とする必要がある。さらに、溶融 Cuの球状化を容易にし Cuボールの表面性状を良好にするためには、穴内の表面粗さを極力高精度、例えば、 Rmax≤30pmにすることが望ましい。

上記個片配置治具の材質や穴の形状、寸法等の他、該個片配置治具は、 Cu 個片の振込配置及び溶融凝固後の Cuボールの取り出し等を容易にするために、実施例に示す構成の他種々の構成を採用することが可能である。

例えば、上面が平面状の平板状治具と厚さ方向に所定形状、寸法からなる複数の貫通孔を形成してなる平板状治具とからなり、 Cu個片の振込配置及び溶融凝固の際にはこれら一対の平板状治具を積層一体化して所定の穴部を形成し、溶融凝固後に一対の平板状治具を分離することで Cuボールを容易に取り出す構成としたり、あるいは厚さ方向に所定形状 ·寸法からなる複数の貫通孔を形成してなる平板状治具の該貫通孔内に平板状治具の厚さ方向に貫通孔と相似形からなる柱状治具を移動自在に揷入配置し、 Cu個片の振込配置及び溶融凝固の際には柱状治具を下降させて所定の穴部を形成し、溶融凝固後に柱状治具を上昇させて穴部から Cuボールを容易に取リ出す構成等が採用できる。

Cu個片を溶融凝固させる雰囲気は、該 Cu個片が溶融凝固する際に酸化物を形成し、寸法精度の低下、酸化物混入による電気的特性の不安定化、後に被着するハンダ、銀ろう等のコーティング材料との被着強度の低下等を招かないように非酸化性雰囲気とする必要があり、水素雰囲気、窒素雰囲気、水素と窒素との混合ガス雰囲気、真空等の雰囲気を選定することができる。

Cu個片の加熱溶融温度は、 Cu個片の溶融点 (1084°C)以上の温度であればよ、が、必要以上に高温にすることによって目的とする寸法精度が得られるわけではなく、また経済性や作業性等の観点からも 1100°C~1250°Cの範囲が好ましく、さらに 1150°C~1200°Cの範囲が好ましい。

また、加熱保持時間は加熱溶融温度に応じて選定するが、上記の温度範囲内であれば 10分以上程度で Cu個片の加熱溶融を達成することができる。必要以上に加熱保持時間を長くする必要はなく、通常は 10~25分、望ましくは 10分〜20分程度が良い。

Cu個片が加熱溶融した後の冷却は、溶融 Cuが該溶融 Cu自体の表面張力によって球状を維持した状態で凝固するよう実施することが必要であリ、凝固するまでの時間が短すぎると Cuボール内に空孔ができ、真球度を悪化させたリ、表面にボイドが生じる。

また、凝固するまでの時間が長すぎると表面張力が低下し、表面の平滑さがなくなり、凹凸が生じる等の問題点を有することから、冷却速度を 20°C/分 ~90°C/分の範囲で制御することが望ましく、さらに 50°C /分〜 80°C/分の範囲で制御することが望ましく、該冷却速度の制御方法としては、材料の送り速度の制御、雰囲気ガスの流量制御、あるいは冷却用水冷ジャケットの水温制御等の公知の方法が採用できる。

また、 Cu個片を個片配置治具に振込配置する前に非イオン系高級アルコール洗剤、中性洗剤や有機溶剤等によって洗浄 (脱脂)することによって、 Cuボール内への不純物の混入を防止することができる。

この発明の製造方法によれば、溶融凝固後の最終直径が小さい程寸法精度が向上する傾向にあリ、直径が 0.08mm程度の小径 Cuボールにまでこの発明の製造方法の適用が可能であることを確認した。例えば直径が 0.1mm程度の

Cuボールにおいては同時に得られるほぼ全数 (~1万個程度)の真球度が直径の 3%以下となり、直径が 0.08mm程度の Cuボールにおいても同様に真球度が直径の 3%以下となることが確認できた。

このような小径の Cuボールは、半導体と基板上に形成される配線部とをヮィャボンディングで接続することなく、該 Cuボールを介して直接接続する所謂フリップチップ用バンプとして用いることができる。

また、この発明の製造方法によれば、溶融凝固後の最終直径が 3mm程度までであれば比較的寸法精度が高い Cuボールを得ることができるが、 1.5mmを超えるに従って真球度が低下し、直径が 3mmになると真球度が直径の 3%以下となる Cuボールは同時に得られる全数量 (~1万個程度)の 40%程度となり、ノンプを使用目的とする場合は歩留りが悪くなる。最終直径が 2mm以下の

Cuボールにおいては、同時に得られる Cuボール (~1万個程度)のうちの 90%程度以上の真球度が直径の 3%以下となり、特に 1.5mm以下の Cuボールにおいては、同時に得られるほぼ全数の Cuボールの真球度が直径の 3%以下となる。以上に示すように、この発明の製造方法は、特に直径が 0.08mm~3mmの Cuボールの製造に有効であるが、直径が 2mmを超える場合には、その真球度が低下することからバンプ以外の電気部材 (例えば、スィツチの接点等)として使用するのが好ましく、特にバンプとして使用する場合には直径が 2mm以下、好ましくは直径が 0.1mm~1.5mm、さらに好ましくは直径が

0.2mm〜1.0mmの Cuボールの製造に適用することが有効である。

さらに、この発明の製造方法によって得られた上記の寸法精度が高い

Cuボールの種々の被膜を形成することが可能であり、例えば、外周面に目的に応じてハンダ、銀ろう、ニッケル、錫、金、銀等を被覆し、 Cuボールと同様な寸法精度を有するコーティング膜付き Cuボールを得ることができる。後述する銀ろうを被覆する場合と同様に、必要においてハンダ、金等と Cuボールとの間に Niなどの下地膜を形成することが望ましい。

これらのコーティング膜は公知のめっき法や溶着法等の被着方法を採用することができ、例えば、バレルめつき等の電解めつき法によってハンダめっき層を被着形成することによって、ハンダ付き BGA用 Cuボールを得ることができる。

この場合、 Cuボールの外周面に被着形成されるハンダめつき層の厚さは、要求される寸法精度や半導体パッケージとプリント基板と固着強度等によって適宜選定することが望ましく、特に 50μπι以下であれば、 Cuボール自体が有する寸法精度と同様な寸法精度を維持し要求される固着強度を実現することができる。

上記のハンダ付き BGA用 Cuボールは、プラスチックス基板へのろう付けを可能とするが、セラミックス基板へのろう付けには銀ろうを被覆したものが好ましい。

すなわち、銀ろうを被覆した Cuボールを用いると、パッケージ側のセラミックス基板へのろう付け (800°C~900°C)を行った後、プリント基板に銅ボールをハンダにて溶着 (200°C~300°C)できることから、銀ろうとハンダとの溶融温度の差異を生かして Cuボールの位置ずれを発生させることなく、高精度の実装が可能になる。

上記の銀ろう付き BGA用 Cuボールは、先に説明した製造方法によって得られた寸法精度が高い Cuボールの表面に、銀ろうをめつき法または溶着法にて被着形成することによって得ることが可能である。しかし、例えば、めっき法では、 Ag-Cu合金のめつきあるい ίま Agと Cuの 2層めっきの 2通り考えられる、所定の組成の合金めつき浴を作成することが困難で組成のばらつきが生じ、また、 2層めつきの場合は各膜厚みの制御が困難でろう材の組成がばらつくだけでなく、いずれも付着量の制御が困難であり、量産規模で安定的に製造することは容易ではない。

また、溶着法では、必要以上に高温で Cuボールに銀ろうを溶着させると、 Cuボール内に銀ろうが拡散、すなわち、 Cuボールの表面の一部がろう材化して、銀ろう内の Cu量力増加してろう材の融点が高くなリ、セラミックス基板へのろう付け時に温度制御や取扱いが煩雑になる問題がある。

さらに、 Cuボール内に銀ろう力 ^拡散すると、たとえ高い真球度が得られた Cuボールであっても表面の一部がろう材化してその真球度力維持されなくなリ、バンプ高さの精度にばらつきが生じる問題がある。

従って、かかる Cuボールのろう材化を防止するためには、溶着温度をできるだけ低く、銀ろうの共晶温度〜 820°C程度の範囲に設定し、かつ溶着時間を 10分程度 (8分〜 12分)と極力短くすることが必要である。

しかし、これらの溶着温度を比較的広範囲にて設定でき、セラミック基板への溶着一体化作業時の温度制限等を緩和し、工業的規模の量産において有効である銀ろう付き BGA用の Cuボールとして、銀ろう力^; uボール内に拡散するのを防止するために Cuボールの表面に Ni層を介して銀ろうを被覆した構成からなる Cuボールを併せて提供する。

この構成の Cuボールにおいては、 Cuボールの外周面に被覆する Ni層は、拡散防止効果を得るため少なくとも 5μιηは必要であり、 15μπιを越えて被覆しても該効果は飽和するだけでなく、熱膨張係数の相違からかえつて剥離しやすくなるため、 5μπι~15μιηとする。

Ni層を Cuボール外周面に被覆する方法は特に限定しないが、量産性並びに膜厚精度からめっき法が好ましい。

銀ろうには公知の Ag-Cu合金等の種々の組成からなる材料が採用でき、組成に応じて加熱する溶着法にて上記 Ni層上に被覆するが、その膜厚さは要求される寸法精度や半導体パッケージとプリント基板と固着強度等によつて適宜選定することが望ましく、特に 50μπι以下であれば、 Cuボール自体が有する寸法精度と同様な寸法精度を維持し要求される固着強度を実現することができる。

Cuボール外周面に被覆する Ni層を介して設ける銀ろう層は、その膜厚みが均一であることが最も望ましい力均一でなくてもろう付けに必要な量が被覆され、ろう付け時にセラミックス基板のメタライズ部に銀ろうの一部が接触していれば、銀ろうの濡れ性により自然に付着する。

銀ろうの具体的な溶着法としては、例えば、 Ag-Cu合金線材ょリ所定寸法の柱状個片に切断し、該個片を溶着用個片配置治具に形成された複数の穴内に個々に振込配置し、同様に振込配置したこの発明による Cuボールと該治具とともに個片を非酸化性雰囲気内にて所定の温度範囲で加熱溶融し、該合金の濡れ性を利用して冷却後に Cuボールの外周面に球状に凝固させる方法が好ましく、 Ag-Cu合金線材が定寸切断されたことにより、被覆する銀ろう量の制御が高精度かつ容易になる。

この時の加熱温度は、先に説明したように Ni層を有しな、構成においては、銀ろうの共晶温度〜 820°C程度の範囲に設定することが必要であるが、 Ni 層を有する構成においては、銀ろうの共晶温度 ~銅の溶融点 (1084°C)の間の比較的広い温度範囲内にて設定でき、通常は 840°C~1000°Cの範囲にて 10分程度 (8〜 12分)保持することで良好な銀ろう膜を形成することができる。

また、非酸化性雰囲気としては、水素雰囲気、窒素雰囲気、水素と窒素との混合ガス雰囲気、真空等の雰囲気を選定することができる。

なお、溶着用個片配置治具に形成された穴の底面を、底面中心へ傾斜するテーパー面とすることによリ、振込配置した Cuボールと Ag-Cu合金の柱状個片とがよリ効果的に接触し、溶着厚みを均一化し易くなる。

この発明の作用を以下に説明する一実施例に基づいて詳細に説明する。図 1は、この発明の Cuボールの素材となる円柱状の Cu個片を示す斜視説明図であり、図 2は該 Cu個片を個片配置治具に振込配置した状態における平面説明図、図 3は図 2の a-a縦断面説明図、図 4は個片配置治具の穴部底面の構成を説明する縦断面説明図である。

以下の実施例においては、直径が 0.7mmの Cuボールを製造する場合を例にして説明する。

図 1は直径が 0.6mmの Cu線をプレスマシンによつて定寸切断し、直径

D = 0.6mm, 長さ L = 0.64mmの円柱状個片 (L/D = 1.07)とした Cu個片 1を示している。

上記の Cu個片 1を非イオン系高級アルコール洗剤で脱脂した後、図 2及び図 3 に示すカーボン製の平板状個片配置治具 2に形成されている径0₁ = 1.0111111、深さ = 0.91!1111の複数の穴 3内に振込配置する。なお、穴 3内の表面粗さは

Rmax = 20μπι程度に仕上げた。

さらに、個片配置治具 2とともに Cu個片 1を 1150°C (水素雰囲気)の電気炉内に 20分配置して加熱溶融した後、 25°C/分の冷却速度で冷却して凝固させ直径 0.7mmの Cuボールを作成した。なお、冷却速度の制御は製品の送り速度の調整で行った。

なお、上記の如く小径の Cuボールの製造に際しては、個片配置治具に形成される穴 3内の底面 3aを図 3のように平坦に形成すれば良いが、例えば直径が 2mmを超えるような大径の Cuボールの製造に際しては、凝固までの間に自重によって下部が偏平になることを防止するために、図 4に示すような穴 3内の底面 3aに予め最終の球に相当する凹状湾曲部 3bを形成しておくことが望ましい。

以上に示すように、この発明の製造方法においては、 Cuボールの素材となる Cu個片が Cu線をプレスマシン等によって定寸切断して得ることから体積のバラツキが少なく、また、体積の設定も容易に行うことができる。

Cu個片の個片配置治具への配置に際しても、振込配置を採用することによって、極めて容易に効率良く配置ができ、さらに、球状化に際しても、 Cu 個片を個片配置治具とともに加熱、冷却し、該治具内にて溶融 ·凝固するため、作業性が良く工業規模の生産においても非常に有効である。

得られた Cuボールの外周面に共晶ハンダメツキ層を形成し、 BGA(Ball Grid Array)タイプの半導体パッケージ用バンプとして有効なハンダ付き

Cuボールを得た。

同様に、得られた Cuボールの外周面に Ni層を介して銀ろう層を形成した構成、また Ni層を介することなく直接 Cuボールの外周面に銀ろう層を形成した構成からなる BGA(Ball Grid Array)タイプの半導体パッケージ用バンプとして有効な銀ろう付き Cuボールを得た。

実施例 1

上述の製造方法によって、直径 0.7mmの Cuボールを同時に 10,000個作成し、その中から 100個を抜き取り、その直径のバラツキと各々 Cuボールの真球度のバラツキを測定してその結果を表 1に直径のバラツキとして、表 2に真球度のバラツキとして示す。なお、直径、真球度ともに工具顕微鏡によって測定した。

上記の Cuボールの直径は、複数方向 (少なくとも直角 2方向)における測定値の最大値 Dmaxと最小値 Dminの和に 1/2を乗じた値 (直

径= (0111& + 0111111) 1/2)とし、該直径のバラツキは、直径の目標値と先に求めた測定値に基づく直径からの計算値 [直径のバラツキ ={ (目標値-測定値) /目標値 }X 100%]によって示す。

また、真球度は上記の最大値 Dmaxと最小値 Dminの差 (真球度 = Dmax - Dmin)とし、該真球度のバラツキは、先に求めた真球度と直径からの計算値 [真球度のバラッキ ={ (直径の最大値-直径の最小値) I (直径の最大値 +直径の最小値) X 1/2}X 100%]によって示す。

また、直径 0.09mm、直径 1.5mm及び直径 2.0mmの Cuボールを上記と同様な条件で同時に 10,000個作成し、その中から 100個を抜き取り、その直径のバラツキと真球度のバラツキを測定してその結果を表 1に直径のバラツキとして、表 2に真球度のバラツキとして示す。

なお、各々 Cuボールの素材となる円柱状の Cu個片の寸法は、

直径 D0.07mm X長さ L0.07mm、

直径 D1.3mmX長さ L1.3mm、

直径 D1.7mmX長さ L1.85mmであった。

直径 0.7mm 直径 0.09mm ¾1.5mm 直径 2.0mm Λ 1 C /IS 7賴 40個 3環

«J_ 1

土 1·ϋ%以卜 23個丄 41固 21個 19個

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±2.0¾> 下 2個 5個 14個 14個

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±3.0%を超える 0個 0個 0個 0個

A

口き口 + 1 100個 100個 100個 100個直径のバラツキ ={ (目標値-測定値)/目標値 }X 100%

真球度のバラツキ =

{ (直径の最大値-直径の最小値)/ (直径の最大値 +直径の最小値) X 1/2}X 100% 表 1よリ各々の Cuボールにおける直径のバラツキは、直径 0.7mmの場合 ±2.0%以下、直径 0.09mniの場合 ±2.0%以下、直径 1.5mmの場合 ±2.5%以下、直径 2.0mmの場合 ±3.0%以下の範囲内にあり、目標値に近い直径を有する Cuボールが得られることが分かる。

表 2よリ各々の Cuボールにおける真球度のバラツキは、直径 0.7mmの場合、直径 0.09mmの場合、直径 1.5mmの場合のいずれも 3.0%以下であり、直径 2.0mmの場合でも 3.0%を超えるのは極少数であることが分かる。特に直径 0.7mm及び直径 0.09mmの場合は全数の 90%以上が 2.0%以下のバラツキ内にあリ、極めて高い寸法精度 (真球度)を有することが分かる。

また、上記の各々直径からなる Cuボールを 10個ずつ取り出し、ほぼ中央部の断面を測定したが、レ、ずれにも空孔の存在は確認されなかった。

実施例 2

実施例 1によって得られた各々直径からなる Cuボールの外周面に公知のバレルメツキにて厚さ 15μπιの共晶ハンダメツキ層を形成した後に、再度真球度のバラツキを測定したところ、共晶ハンダメッキ層形成前の Cuボールのみの場合とほぼ同様の傾向にあることが確認された。

実施例 3

実施例 1と同様な製造方法によって、直径 0.94mmの Cuボールを同時に

10,000個作成し、電解 Niめっきにて厚さ ΙΟμπιの Ni層を形成した。真球度のバラツキは前述の直径 0.7mmの Cuボールの場合と同等であつた。

次に、外径 0.48mm、長さ 5.0mmに定寸切断した 72Ag-Cuろう材 (融点

780°C)を、非イオン系高級アルコール洗剤で脱脂した後、力一ボン製の平板状溶着用個片配置治具に形成されている径 1.3mm、深さ 5.0mmの複数の穴 (底面 120°開き角度でテーパー面を形成、表面粗さは Rniax = 20pm程度)内に振込配置した。また、上記 Ni層を外周面に設けた Cuボールを同様に洗浄した後、すでに 72Ag-Cuろうが振込配置されている平板状溶着用個片配置治具に振込配置し、該溶着用個片配置治具とともにろう材片と Cuボールを 860°C冰素と窒素の混合ガス雰囲気)の電気炉内に 10分配置して加熱溶融した後、 10°C/分の冷却速度で冷却して凝固させ、銀ろうを被覆した Cuボールを作成した。

サンプルとして 100個を抜き出して付着した銀ろう量を測定したところ、平均値 0.0905nmi³、偏差 0.0003mm³であった。また、銀ろうの平均被覆厚みは 29.5μπιであった。

上述のこの発明による外周面に Ni層を介して銀ろうを被覆した Cuボールを切断した顕微鏡 (75倍)写真図を図 5に示すが、 Ni層がバリアとなって銀ろうの拡散がなく、均一に溶着していることが分かる。なお、図 5のサンプルでは Cu ボールの中心を正確に切断することが困難であつため、被覆した銀ろうに大きな偏肉が見えるが、膜厚計での測定では上記の平均被覆厚みであることを確認しており、もし多少の偏肉があつたとしても、ろう付けに必要な量が被覆され、ろう付け時にセラミックス基板のメタライズ部に銀ろうの一部が接触していれば、銀ろうの濡れ性により自然に付着する。

さらに、この発明の外周面に Ni層を介して銀ろうを被覆した Cuボールをコバール基板にろう付けした後、これを板厚み方向に縦断した顕微鏡 (220倍)写真図を図 6に示すが、球体の Cuボールと基板との間の隙間に銀ろうが充填された状態となり、銀ろうが Cuボール内に拡散することもなく、良好なろう付けが完了していることが分かる。

また比較のため、同一の直径 0.94mmの Cuボールを用い、外周面に Ni層を形成することなく上述の溶着条件 (860°C X 10分)で直接 72Ag-Cuろう材を被覆した後の切断した顕微鏡 (75倍)写真図を図 7に示すが、銀ろうが Cuボール内に拡散していることが分かる。この発明による外周面に Ni層を介して銀ろうを被覆した Cuボールは、実施例の結果からも明らかなように、 Ni層がバリアとなつて銀ろうの拡散がなく、均一に溶着しており、しかも、直径及び真球度ともにバラツキが少なく、極めて高レ、寸法精度 (真球度)を有する Cuボールであることから、銀ろうの被覆後も寸法精度がすぐれていることから、特に CBGAタイプの半導体パッケージ用バンプとして有効である。また、セラミック基板への溶着等に際しても、該溶着温度の自由度が比較的広範囲に設定することが可能になることから、結果として作業性を向上することとなる。

実施例 4

Cuボールの外周面に Ni層を形成することなく銀ろうの加熱溶融温度を

800°Cとする以外は実施例 3と同様な製造方法によって、直径 0.94mmの

Cuボールの外周面に銀ろうを被着形成してなる銀ろう付き Cuボールを作成した。

実施例 3とほぼ同様な性状からなる銀ろう膜が形成され、また銀ろうが

Cuボール内に拡散していないことを確認した。さらに、この発明の Cuボールを 800°Cにてコバール基板にろう付けしたところ、銀ろうが Cuボール内に拡散することなく良好なろう付けが完了していることを確認した。

産業上の利用可能性

以上に示すように、この発明の製造方法によれば、直径及び真球度ともにバラツキが少なく、極めて高い寸法精度 (真球度)を有する Cuボールを得ることができる。

また、この発明では、 Cu線の切断工程、 Cu個片の個片配置治具への配置ェ程、 Cu個片の溶融、凝固工程ともに作業効率が高い方法を採用していることから、工業規模の生産においても非常に効率よく、かつ寸法精度の高い

Cuボールを容易に得ることができ、 Cuボールを安価で提供することが可能となる。さらに、必要に応じて Cuボールの外周面にハンダゃ銀ろう等を被覆しても、この発明の Cuボールが本来有する極めて高 V、寸法精度 (真球度)を維持することが可能であリ、特に BGA(Ball Grid Array)タイプの半導体パッケージ用バンプとして有効な量産性に優れしかも寸法精度が高く安価な Cuボールの提供が可能となる。

Claims

請求の範囲

1. 溶融凝固体からなり、直径が 2mm以下でかつ真球度が直径の 3%以下である Cuボール。

2. 請求項 1において、直径が 0.08mm以上である Cuボール。

3. 請求項 2において、直径力 ¾.lmn！〜 1.5mmである Cuボール。

4. 請求項 2において、直径が 0.2mn！〜 1.0mmである Cuボール。

5. 請求項 1において、外周面にハンダ、銀ろう、ニッケル、錫、金、銀のいずれか一種が被覆されている Cuボール。

6. 請求項 5において、外周面に Ni層を介して銀ろうが被覆されている Cuボール。

7. Cu線を所定寸法の柱状個片に切断し、該個片を個片配置治具に形成された複数の穴内に個々に振込配置し、該治具とともに Cu個片を非酸化性雰囲気内にて溶融点以上の温度で加熱溶融させた後、冷却して球状に凝固させることを特徴とする Cuボールの製造方法。

8. 請求項 7において、 Cu線を所定寸法に切断した柱状個片の外径 Dと長さ Lとの比 L/Dが 0.7~1.5の範囲である Cuボールの製造方法。

9. 請求項 7において、個片配置治具がカーボン製、セラミック製、表面に酸化被膜を形成してなる耐熱鋼製の、ずれか一種からなる Cuボールの製造方法。

10. 請求項 9において、個片配置治具に形成された複数の穴内の表面粗さが Rmax≤30pmである Cuボールの製造方法。

11. 請求項 7において、加熱温度範囲が 1100°C~1250°Cであり、加熱保持時間が 10分以上である Cuボールの製造方法。

12. 請求項 11において、加熱温度範囲が 1150°C~1200°Cであり、加熱保持時間が 10分 ~25分である Cuボールの製造方法。

13. 請求項 7において、冷却速度が 20°C /分〜 90°C/分である Cuボールの製造方法。

14. 請求項 13において、冷却速度が 50°C /分〜 80°C/分である Cuボールの製造方法。

15. 請求項 7において、 Cu線を所定寸法に切断した柱状個片を個片配置治具に振込配置する前に非イオン系高級アルコール洗剤、中性洗剤、有機溶剤のいずれか一種にて洗浄する Cuボールの製造方法。

16. 請求項 7において、 Cuボールの直径が 3mm以下である Cuボールの製造方法。

17. 請求項 16において、 Cuボールの直径が 0.08mm以上である Cuボールの製造方法。

18. Cu線を所定寸法の柱状個片に切断し、該 Cu個片を Cu個片配置治具に形成された複数の穴内に個々に振込配置し、該治具とともに Cu個片を非酸化性雰囲気内にて溶融点以上の温度で加熱溶融させた後、冷却して球状に凝固させた Cuボールと、所定の銀ろう組成からなる合金線材ょリ所定寸法の柱状個片に切断した合金個片とを、ともに溶着用個片配置治具に形成された複数の穴内に振込配置し、該溶着用個片配置治具とともに Cuボールと合金個片を非酸化性雰囲気内にて所定温度で加熱溶融し、該合金の濡れ性を利用して冷却後に Cuボール表面に所定の銀ろう組成からなる合金を凝固させることを特徴とする Cuボールの製造方法。

19. 請求項 18において、加熱溶融温度が、銀ろう組成からなる合金線材の共晶温度〜 820°Cの温度範囲であり、加熱保持時間が 8分〜 12分である Cuボールの製造方法。

20. 請求項 18において、溶着用配置治具に振込配置する Cuボールの表面に Ni層が被覆されている Cuボールの製造方法。

21. 請求項 20において、加熱溶融温度が、銀ろう組成からなる合金線材の共晶温度〜 Cuの溶融点の間の温度範囲であり、加熱保持時間が 8分〜 12分である Cuボールの製造方法。

22. 請求項 21において、加熱溶融温度が、 840°C~1000°Cの温度範囲である Cuボールの製造方法。

23. 請求項 18において、 Cu個片が無酸素銅からなり、合金個片が 72Ag-Cu からなる Cuボールの製造方法。