凸塊電極、凸塊電極基板以及其制造方法

凸塊電極、凸塊電極基板以及其制造方法
【專利摘要】本發明涉及凸塊電極、凸塊電極基板以及其制造方法，研究焊料鍍層的熔融工序，以便在電極焊盤上可以將成為凸塊電極的核層的Cu球的中心在其水平截面上再現性良好地配置于所包覆的焊料的外殼的中心。具備接合于電極焊盤(12)上、施加焊料(14)到成為核層的Cu球(13)上的凸塊電極(30)，在凸塊電極(30)涂布助焊劑(16)之后，搭載于電極焊盤(12)上，加熱電極焊盤(12)以及Cu核球而將焊料鍍層(24)熔融的熔融工序中，將搭載有電極焊盤(12)以及Cu核球的基板(11)的加熱率設定為0.01[℃/sec]以上～不足0.3[℃/sec]的范圍。
【專利說明】凸塊電極、凸塊電極基板以及其制造方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及使用將焊料鍍層包覆于成為核層的芯材的焊料接合體而形成的凸塊電極，具有該凸塊電極的半導體芯片、印刷線路基板(以下稱為凸塊電極基板)以及其制造方法。

【背景技術】
[0002]近年來，由于智能手機等小型信息機器的發展，要求搭載于該機器的電子部件急速小型化。電子部件為了基于小型化的要求而應對連接端子的窄小化、電極間的細間距化、安裝面積等的縮小化，從平面的樹脂的封裝體轉而應用并列地設置有小球狀的電極的球柵陣列(以下稱為“BGA”)。BGA為IC芯片的表面安裝類型的封裝方法，在該封裝的周圍電極(管腳)不突出，因此具有安裝面積小即可的優點。
[0003]應用BGA的電子部件中，例如有中央處理器(CPU)等的半導體封裝體。半導體封裝體中，具有多個電極的半導體芯片用樹脂密封。在半導體芯片的電極上形成焊料凸塊。該焊料凸塊是將焊料成形為球狀的焊料球接合于半導體芯片的電極從而形成的。
[0004]應用BGA的半導體封裝體是接合通過加熱而熔融的焊料凸塊與印刷基板的導電性連接盤(電極焊盤)從而搭載于印刷基板上的。此外，為了應對進一步高密度安裝的要求，考慮半導體封裝體在高度方向堆積而成的三維層疊結構。
[0005]但是，希望將BGA用于采用三維層疊結構的半導體封裝體時，存在由于半導體封裝體的自重導致焊料球壓塌的問題。焊料球壓塌時，存在焊料從連接端子的電極漏出，電極間連接，產生短路的問題。
[0006]因此，作為電子部件的電極使用凸塊電極。凸塊電極是指使用在成為核層的芯材例如Cu球的表面包覆Ni鍍層，在其上包覆有焊料鍍層的Cu核球而形成的電極。對于使用芯材而形成的凸塊電極，電子部件安裝到印刷基板時，即便半導體封裝體的重量施加于凸塊電極，利用在焊料的熔點下不熔融的Cu球也可以支撐半導體封裝體。其結果，凸塊電極不會因半導體封裝體的自重而壓塌。
[0007]另一方面，至今將電子部件錫焊處理到印刷基板的規定的面的情況下，使用回流焊爐。用回流焊爐形成凸塊電極時，使用助焊劑或焊料糊劑來進行。焊料糊劑是混煉粉狀的焊料與助焊劑而成的。對于助焊劑、焊料糊劑等，在形成有多個電極焊盤的基板上將金屬掩模對準，在金屬掩模上滑動操作刮板，使其介由形成于金屬掩模的多個開口部涂布到電極焊盤上。助焊劑、焊料糊劑等除了使用金屬掩模直接涂布到電極焊盤上的方法以外，也可以采用基于球轉印方式、管腳轉印方式、分配方式、噴射方式等涂布方法。
[0008]助焊劑去除要進行錫焊的金屬表面的氧化膜、此外防止在錫焊工序中加熱處理時金屬表面再次氧化。助焊劑具有減小焊料的表面張力改善潤濕的作用。助焊劑是將松脂、觸變劑以及活性劑等固體成分用溶劑溶解而成的。
[0009]作為此種類型的相關技術，在專利文獻I中公開了一種電子部件的制造方法。根據該電子部件的制造方法，將Cu芯焊料球錫焊處理到電極焊盤時，將Cu球體積設為VcJf焊料鍍層的體積設為Vs，將Cu球的直徑設為Dc，將電極焊盤的直徑設為Dp時，在滿足焊料鍍層的體積Vs相對于Cu球體積Vc的比為0.05 ( Vs/Vc ( 0.5、并且電極焊盤的直徑Dp相對于成為芯的Cu球的直徑Dc的比為0.5彡Dp/Dc ^ 1.0時，芯存在于中心。
[0010]現有技術文獻
[0011]專利文獻
[0012]專利文獻1:日本特開2006-344624號公報


【發明內容】

[0013]發明要解決的問題
[0014]但是，根據以往例子的凸塊電極基板以及其制造方法，存在如下的問題。
[0015]1.在回流焊爐中將Cu核球錫焊處理到電極焊盤時，產生成為核層的芯材(芯)的Cu球接合于偏離電極焊盤的中心的位置(偏心)的問題。Cu球偏心時，出現焊料極其薄的部分，二次安裝中，產生由于金屬間化合物(Inter Metallic Compound:以下稱為IMC)的露出導致的未接合。此外，存在Cu球脫離電極焊盤而載置于基板上，從而難以確保基板間間隙為一定的問題。
[0016]i1.認為若在如專利文獻I所示的0.05彡Vs/Vc彡0.5、并且0.5彡Dp/Dc彡1.0的條件下進行錫焊則Cu球的中心配置于焊料外殼的中心。然而，在上述條件下，擔心出現焊料量少的情況。因此，擔心在回流焊處理后的焊料凸塊頂部MC露出的問題。MC與焊料的潤濕性差，因此存在二次安裝時，產生焊料的未接合部位的問題。在上述的條件之外時，Cu球的中心未配置到焊料外殼的中心的概率變高。由此，產生未接合、基板間間隙變得不均勻的問題。
[0017]因此，本發明是為了解決這樣的問題而作出的，其目的在于，研究焊料鍍層的熔融工序，提供可以將在電極焊盤上的成為核層的芯材的中心在其水平方向的切斷面上再現性良好地配置在所包覆的焊料的外殼的中心的凸塊電極、凸塊電極基板以及其制造方法。
[0018]用于解決問題的方案
[0019]本發明人等認為，對于在凸塊電極端子內部成為核層的芯材的中心位置偏移，焊料熔融溫度附近的升溫速度與形成凸塊電極的芯材的偏心具有密切的關系，發現該升溫速度在后述的基板加熱(回流焊處理)時的芯材偏心控制中發揮效果，從而想到了本發明。在此，芯材偏心控制是指控制升溫速度加熱基板、減緩來自電極焊盤的助焊劑或焊料糊劑中的助焊劑的爬升、并且減緩向電極焊盤的焊料流落。而且，是指，可以以將電極焊盤上的形成凸塊電極的芯材的中心在其水平截面上配置到焊料的外殼的中心的方式來進行的控制。
[0020]為了解決上述的問題的技術方案I記載的凸塊電極為使用焊料接合體而形成于電極焊盤上的凸塊電極，所述焊料接合體是焊料鍍層包覆于成為核層的芯材而成的，在將所述焊料接合體搭載于所述電極焊盤上之后，進行加熱使所述焊料鍍層熔融的工序中，力口熱率被設定為0.01 [°C/sec]以上?不足0.3 [°C/sec]的范圍。
[0021]技術方案2記載的凸塊電極基板由設置于規定的基板的電極焊盤和接合于前述電極焊盤的、技術方案I記載的凸塊電極構成。
[0022]技術方案3記載的凸塊電極基板的制造方法包括下述工序:將焊料鍍層包覆于成為核層的芯材而成的焊料接合體搭載于規定的基板的電極焊盤上的工序；和加熱前述基板而使包覆于前述芯材的焊料鍍層熔融的熔融工序，前述焊料鍍層的熔融工序中的前述基板的加熱率被設定為[0.01°C /sec]以上?不足0.3[°C /sec]的范圍。
[0023]對于技術方案4記載的凸塊電極基板的制造方法,根據技術方案3,搭載于前述電極焊盤上時，使用助焊劑。
[0024]發明的效果
[0025]根據技術方案I記載的凸塊電極以及技術方案2記載的凸塊電極基板，具備在使焊料接合體的焊料鍍層熔融的工序中將加熱率設定為0.01[°C /sec]以上?不足0.3[°C /sec]的范圍而進行了處理的芯材。通過該構成，可以提供在電極焊盤上的成為凸塊電極的核層的芯材的中心在其水平截面上配置到焊料鍍層的外殼的中心的高可靠度的凸塊電極基板。
[0026]根據技術方案3、4所述的凸塊電極基板的制造方法，將焊料鍍層的熔融工序中的基板的加熱率設定為0.01 [°C/sec]以上?不足0.3 [°C/sec]的范圍時，在加熱處理后，可以形成焊料的外殼的中心與芯材的中心共同存在于電極焊盤的中央的凸塊電極。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1為表示作為本發明的實施方式的凸塊電極基板100的構成例子的截面圖。
[0028]圖2為表示Cu芯偏心量的測定方法，其中圖2的(A)以及圖2的(B)為在與圖1中所示的電極焊盤的接合面平行的水平方向上的前述凸塊電極中表示Cu芯偏心量的測定例子的Y-Y箭頭方向截面圖。
[0029]圖3的(A)以及圖3的⑶為表示凸塊電極基板100的形成例子(例I)的截面圖。
[0030]圖4的(A)以及圖4的⑶為表示凸塊電極基板100的形成例子(例2)的截面圖。
[0031]圖5為表示第I回流焊分布的設定例子的圖表。
[0032]圖6為表示第I回流焊處理例的曲線圖。
[0033]圖7的㈧以及圖7的⑶為表示第I回流焊分布中的Cu芯偏心量相對于升溫速度的分布例子的圖表。
[0034]圖8為表示第I回流焊分布中的Cu芯偏心量相對于升溫速度的出現例子的圖表。
[0035]圖9為表示第2回流焊分布的設定例子的圖表。
[0036]圖10為表示第2回流焊處理例的曲線圖。
[0037]圖11的(A)以及圖11的⑶為表示第2回流焊分布中的Cu芯偏心量相對于升溫速度的分布例子的圖表。
[0038]圖12為表示第2回流焊分布中的Cu芯偏心量相對于升溫速度的出現例子的圖表。
[0039]附圖標記說明
[0040]11 基板
[0041]12 電極焊盤
[0042]13 Cu 球(芯材)
[0043]14 焊料
[0044]15絕緣膜
[0045]16 助焊劑
[0046]24 焊料鍍層
[0047]30 凸塊電極
[0048]50 Cu 核球
[0049]100凸塊電極基板

【具體實施方式】
[0050]以下，邊參照附圖邊對于本發明的凸塊電極、凸塊電極基板以及其制造方法進行說明，首先，對于作為實施方式的凸塊電極30以及凸塊電極基板100的構成例子進行說明。本例子的情況下，作為芯材選擇球狀的Cu球，針對包覆該Cu球的Ni鍍層、和進而在其上實施了焊料鍍層的Cu核球、以及將該Cu核球載置于電極而使用助焊劑的情況。
[0051]圖1中所示的凸塊電極基板100具有基板11、電極焊盤12以及凸塊電極30而構成。凸塊電極30由Cu球13以及焊料14構成。圖中的15為絕緣膜(層)。電極焊盤12具有圓形狀，雖未圖示但以規定的間距在規定的基板11上具備多個。Cu球13構成成為核層的芯材的一個例子。圖中，D為Cu球13的球徑，例如為D = 190 μ m左右。
[0052]凸塊電極30的成為核層的芯材除Cu球13之外，可以由具有在焊料鍍層24熔融的溫度下不會熔融的熔點的 Cu、N1、Ag、B1、Pb、Al、Sn、Fe、Zn、In、Ge、Sb、Co、Mn、Au、S1、Pt、Cr、La、Mo、Nb、Pd、T1、Zr、Mg的金屬單質、金屬氧化物、金屬混合氧化物、或者合金構成。
[0053]此外，芯材可以由具有高于焊料鍍層24的熔點的樹脂材料、碳材料、或者陶瓷等絕緣體構成。樹脂材料、碳材料、陶瓷自身沒有通電性，但將金屬包覆于芯材，因此即便將以樹脂材料、碳材料、陶瓷為核層的核球接合于電極焊盤上的情況下，通過包覆的金屬從而也可以在電極間沒有問題地通電。芯材中利用絕緣物是以高頻率的信號傳送時的集膚效應為目的的。
[0054]作為芯材的樹脂材料中，例如可以列舉出將下述單體聚合而得到的樹脂:苯乙烯、α -甲基苯乙烯、對甲基苯乙烯、對氯苯乙烯、氯甲基苯乙烯等苯乙烯衍生物；氯乙烯；醋酸乙烯酯、丙酸乙烯酯等乙烯酯類；丙烯腈等不飽和腈類；(甲基)丙烯酸甲酯、(甲基)丙烯酸乙酯、(甲基)丙烯酸丁酯、(甲基)丙烯酸2-乙基己酯、(甲基)丙烯酸硬脂酯、(甲基)丙烯酸乙二醇酯、(甲基)丙烯酸三氟乙酯、(甲基)丙烯酸五氟丙酯、(甲基)丙烯酸環己酯等(甲基)丙烯酸酯衍生物等，這些單體可以單獨使用、也可以并用2種以上。
[0055]芯材為金屬時，可以對芯材的表面用N1、Co等實施鍍覆處理。若預先將N1、Co等鍍覆到芯材，則將焊料鍍層包覆到芯材時發揮防止芯材的元素向焊料鍍層擴散的阻隔的作用。芯材為樹脂等絕緣物時，也可以在用N1、Co等實施鍍覆處理之前對芯材實施Cu鍍覆處理。若預先實施Cu鍍覆，則在凸塊電極形成時Cu部分變為通電。針對絕緣物的芯材的鍍覆使用化學鍍。此外，芯材的粒(球)徑的大小優選為I?1000 μπι。處于該范圍時，可以穩定地制造球狀的芯材，此外，可以抑制端子間為窄間距時的連接短路。
[0056]對于鍍覆到芯材的焊料的組成也沒有特別限定，焊料的組成元素包含Sn、Ag、Cu、B1、In、N1、Sb、Zn、Ge、Ga、Co、Fe、P、Cr、Pb、Fe、Al之中的至少I個以上，使用與芯材相比液相溫度低的金屬或合金即可。此時，芯材與焊料合金的組成一定不能相同。它們之中，從下落沖擊特性的觀點出發，焊料鍍層覆膜的合金組成優選為Sn-3重量％ Ag-0.5重量％ Cu
I=1-Wl O
[0057]對焊料鍍層覆膜的厚度沒有特別限制，優選若為ΙΟΟμπι(單側)以下則即足夠。通常若為20?50μπι即可。該例子中，對于作為芯材使用Cu球13的情況進行說明。在Cu球13的表面實施膜厚2μπι左右的Ni鍍覆，在其表面實施焊料鍍覆。焊料鍍層的膜厚為30 μ m左右。以下，將在Cu球13的表面實施有焊料鍍層24的Cu球稱為Cu核球50 (參照圖3的(A))。Cu核球50的整體的球徑為265 μ m左右的大小。
[0058]對于該Cu核球50，凸塊電極30的形成時，助焊劑16涂布到電極焊盤12之后，搭載于基板11的電極焊盤12上。接著，加熱基板11，從常溫升溫至焊料鍍層的液相溫度附近，由于助焊劑16的作用，Cu核球50的與助焊劑16接觸的部分的表面的氧化膜以及電極焊盤12的表面的氧化膜一同被去除。
[0059]緊接著該氧化膜的去除，基板11進一步被升溫，成為液相溫度以上的將焊料鍍層熔融的工序中，源自電極焊盤12的助焊劑16的在Cu核球50的焊料鍍層24的表面爬升行進速度變慢，并且，隨著在Cu核球50的焊料鍍層24的表面助焊劑16爬升、焊料鍍層24的表面的氧化膜被去除，氧化膜被去除的部分向電極焊盤12 —側流落，如上所述，由于助焊劑16的在Cu核球50的焊料鍍層24的表面爬升行進速度變慢，因此進行加熱基板11的溫度控制，使得焊料14向電極焊盤12的流落變慢。
[0060]以使這樣的助焊劑的爬升緩慢，緩慢地去除覆蓋焊料的氧化膜，一點一點地使焊料流落的方式，在焊料鍍層熔融工序中，進行升溫控制的Cu芯偏心控制。Cu芯偏心控制為芯材偏心控制的一個例子。通過該Cu芯偏心控制，從而可以提供Cu芯偏心量極少的凸塊電極基板100 (參照圖2的(A))。
[0061]在此，參照圖2的㈧以及圖2的(B)，對于Cu芯偏心量的測定方法進行說明。該圖2的(A)以及圖2的(B)為在與圖1所示的電極焊盤的接合面平行的水平方向上的前述凸塊電極30中表示Cu芯偏心量的測定例子的Y-Y箭頭方向截面圖。
[0062]圖2的(A)中，凸塊電極30為在Cu球13的表面用均等厚度的焊料14的膜(外殼)包覆的電極。需要說明的是，圖中，可見電極焊盤12與焊料14重疊。該凸塊電極30中，將成為核層的芯材的截面假定為圓形時，將Cu球13的中心點設為01、將覆蓋Cu球13的焊料14的外殼的中心點設為o2時，通過Cu芯偏心控制可以使其如ol ^ o2那樣大致相同。以下，將中心點ol、o2間(圓心間)的距離設為x(x = O時,ol = o2)。例如距離X通過中心點ol、o2的差的絕對值而得到。
[0063]圖2的⑶中，凸塊電極30’為在Cu球13的表面形成焊料覆膜但Cu球13為偏心的電極。回流焊處理時的Cu球13產生偏心的機理如下所述。首先，從常溫升溫至焊料鍍層24的液相溫度附近，利用助焊劑16的作用，電極焊盤12的表面的氧化膜以及Cu核球50的接觸助焊劑16的部分的表面的氧化膜一同被去除。
[0064]接著，在基板11進一步升溫，成為液相溫度以上的焊料鍍層24的熔融工序中，助焊劑16沿Cu核球50的焊料鍍層24的表面向上方爬升。去除焊料鍍層24的表面整體的氧化膜時，焊料14向Cu球13的下方流落。此時，根據加熱率高的回流焊工藝時，助焊劑16向Cu球13的上方急速爬升，大量的焊料14 一次性流落。由此，考慮Cu球13產生偏心。
[0065]凸塊電極30’中，將Cu球13的中心點ol與焊料14(鍍層)的外殼的中心點o2的位置偏移量定義為Cu芯偏心量。實際中，將回流焊處理后的凸塊電極30在與基板11平行的水平方向上研磨，露出其截面，測定距離X。
[0066]Cu芯偏心控制中，全部凸塊電極中，以將圓心間的距離X抑制到10 μπι以下為目標。為了達成該目標，焊料鍍層24的熔融工序中，與以往的方式相比采用緩慢進行的加熱工藝。并且，以成為使助焊劑16的爬升緩慢、緩慢地去除覆蓋焊料鍍層24的氧化膜、焊料14 一點一點地流落的熔融工藝的方式進行。通過該熔融工藝，形成Cu球13不易活動的狀態(狀況)，即便在回流焊處理后，也可以形成在電極焊盤12的中央存在凸塊電極30的接合電極。
[0067]接著，參照圖3以及圖4，對于凸塊電極基板100的形成例子(例1、例2)進行說明。該例子中，制造凸塊電極基板100的情況下，焊料鍍層24的熔融工序中，將加熱率設定為 0.01[°C /sec]?0.3[°C /sec]的范圍。
[0068]需要說明的是，本文中，焊料鍍層24的狀態是指在形成凸塊電極30時，通過助焊劑16將Cu核球50搭載于電極焊盤12上，通過之后的加熱使Cu核球50的焊料鍍層24熔融，并且至利用助焊劑16的作用去除表面的氧化膜為止的狀態，將去除了表面的氧化膜的狀態稱為焊料14。因此，在凸塊電極形成的過程，從焊料鍍層24向焊料14的遷移過程中，存在焊料鍍層24與焊料14共存的狀態。
[0069]將它們作為形成條件，首先，在圖3的(A)所示的規定基板11的電極焊盤12上涂布助焊劑16之后，在該電極焊盤12上搭載Cu核球50。電極焊盤12通過在銅箔基板上將圓形狀的平面電極(連接盤圖案)圖案化而得到。Cu核球50使用預先將焊料鍍層24實施到Cu球13上的球。本實施例/比較例中，成為核層的芯材使用Cu的純度為99.95%以上且直徑為190 μ m的Cu球13。
[0070]對于焊料鍍層24，對成為芯材的Cu球13實施膜厚2 μ m左右的Ni鍍覆，然后將由包含 Sn、Ag、Cu、B1、In、N1、Sb、Zn、Ge、Ga、Co、Fe、P、Cr、Pb、Fe、Al 之中的至少 I 個以上的、液相溫度與芯材相比低的金屬或合金構成的焊料14進行鍍覆。
[0071]本實施例/比較例中，焊料鍍層24的組成全部設為Sn-3重量％ Ag-0.5重量％ Cu。此外，基板11使用樹脂基板(開口徑:240 μπι、抗蝕層厚:15 μπι、表面處理:Cu-OSP)。助焊劑印刷時，將金屬掩模對準形成有多個電極焊盤的基板上，在金屬掩模上滑動操作刮板，介由形成于金屬掩模的多個開口部涂布助焊劑16。
[0072]接著，加熱基板11，從常溫升溫至達到焊料的液相溫度附近的溫度，去除Cu核球50以及電極焊盤12的與助焊劑16接觸的表面的氧化膜(第I熔融步驟)。第I熔融步驟的溫度條件將從常溫達到焊料14的液層溫度附近(210°C )的加熱溫度的加熱率(升溫速度)設定為例如2.0[°C /sec]。該第I熔融步驟中，通過助焊劑16去除電極焊盤12以及Cu核球50的與助焊劑16接觸的僅底面側的氧化膜。
[0073]接著，氧化膜的去除工序之后對基板11進行進一步升溫，移送到焊料鍍層24的熔融溫度(第2熔融步驟)。該第2熔融步驟的溫度條件，例如，將加熱溫度從210°C達到230°C的加熱率設定為0.01[°C/sec]以上?不足0.3 [°C/sec]的范圍。此時，成為焊料鍍層24熔融而移送至焊料14的狀態，產生Cu核球50的自對準現象與Cu球13沉入至電極焊盤12為止的現象(圖3的(B))。自對準現象是指Cu核球50自我調整地移動到電極焊盤12的中央的現象。
[0074]此外，此時，Cu核球50的表面仍被氧化膜包覆，焊料鍍層24從熱容量小的電極焊盤12側向Cu球13的頭頂部開始熔融。在該熔融即將開始之前，Cu球13的底部外殼的焊料鍍層24熔融，在其接觸部位(基部分)的周圍成為焊料14，開始擴展。其結果，Cu球13沉入至電極焊盤12。由于該狀態，Cu球13的表面的外殼的焊料鍍層24熔融、被氧化膜包覆的內部開始依次遷移至焊料14時，Cu球13脫離焊料鍍層24的束縛成為自由的狀態。
[0075]接著，如圖4的㈧所示，助焊劑16去除Cu核球50的焊料鍍層24的表面的氧化膜、并且向上方爬升。該例子中，焊料鍍層24的熔融溫度移送時，如圖中的向上的中空箭頭那樣，以使助焊劑16從電極焊盤12向Cu球13的爬升變慢的方式對基板11加熱(氧化膜的去除工序)。
[0076]并且，圖4的(B)中，焊料鍍層24的熔融工序中，如圖中的向下的中空箭頭那樣，以使焊料14從Cu球13向電極焊盤12的流落變慢的方式緩慢地對基板11加熱。該第2熔融步驟中，Cu核球50的整體的氧化膜被去除時，焊料14從Cu球13的周圍向電極焊盤12的方向流落(Cu芯偏心控制)。
[0077]在此，參照圖5?圖8，關于Cu芯偏心控制，可以列舉出第I回流焊分布的設定例子，比較2個實施例1、2與2個比較例1、2，考察Cu芯偏心量變為最少的作為上限的升溫速度。該考察中，對于N = 20的樣品，測定Cu芯偏心量，根據升溫速度與Cu芯偏心量的關系確定最適的上限的升溫速度。該例子中，使用高溫觀察裝置(山陽精工株式會社制造的SP-5000 DS)代替回流焊爐。
[0078]第I回流焊分布的設定例子中，作為第I熔融步驟，如圖5的圖表所示，為在300C (常溫)?至210°C的加熱溫度下，第I熔融步驟中的升溫速度為2.0[°C/SeC]的情況。第I熔融步驟在實施例1、2以及比較例1、2的任一之中為相同溫度條件。
[0079]第2熔融步驟為加熱溫度為210°C?230°C、其實施例1中升溫速度為0.1[°C /sec]、實施例2中升溫速度為0.2[°C /sec]、比較例I中升溫速度為0.3[°C /sec]、比較例2中升溫速度為2.0[°C /sec]的情況。
[0080]對于第3熔融步驟，將回流焊處理的峰值溫度設為245°C時，實施例1、2以及比較例1、2中任一個的加熱溫度為230°C?245°C、其升溫速度為2.0[°C /sec]。需要說明的是，對于降溫步驟，實施例1、2以及比較例1、2中任一個的冷卻溫度為自245°C至180°C，其降溫速度為2.0[°C /sec]。為高溫觀察裝置中的氧濃度為10ppm以下，助焊劑16使用WF-6450 (千住金屬工業株式會社制造)的情況。
[0081]圖6所示第I回流焊處理例子基于第I回流焊分布，縱軸為高溫觀察裝置中的加熱溫度[°C]。橫軸為基板11的回流焊時間[sec]。圖中的實線的粗線為實施例1，為加熱溫度210°C?230°C下的升溫速度為0.1 [°C /sec]的情況。虛線的粗線為實施例2，為升溫速度為0.2[°C /sec]的情況。點劃線的粗線為比較例1，為升溫速度為0.3[°C /sec]的情況。雙點劃線的細線為比較例2，為升溫速度為2.0[°C /sec]的情況。
[0082]圖7的(A)所示的第I回流焊分布中的Cu芯偏心量相對于升溫速度的分布例子中，縱軸為加熱溫度為210°C?230°C時的Cu芯偏心量[μπι]。橫軸為實施例1、2以及比較例1、2中的升溫速度[°C /sec](圖中標記為“C/s”)。圖中的黑色的菱形為Cu芯偏心量的平均值(Average)。
[0083]該例子中，對于N = 20的樣品，將回流焊處理后的凸塊電極30在與基板11平行的水平方向上研磨，露出其截面，測定其中心點ol、o2間(圓心間)的距離X。實施例1中作為N = 20的樣品的平均值，Cu芯偏心量分布在4.4[μπι]的附近。實施例2中作為其平均值，Cu芯偏心量分布在6.3 [ μ m]的附近。比較例I中作為其平均值，Cu芯偏心量分布在15.0[ μ m]的附近。比較例2中作為其平均值，Cu芯偏心量分布在14.8[ μ m]的附近。
[0084]將表示這些關系的表總結于圖7的⑶中。如由該表表明的那樣，明確為了使Cu芯偏心量降低，若以不足0.3[°C /sec]的升溫速度進行加熱即可。
[0085]圖8所示的第I回流焊分布中的Cu芯偏心量相對于升溫速度的出現例子中，縱軸為出現個數[% ](存在概率)，以百分率表示加熱溫度為210°C?230°C時的該Cu芯偏心量相對于N = 20出現的個數。橫軸為實施例1、2以及比較例1、2中的升溫速度[°C /sec]。
[0086]圖中的左下斜線圖案的距離X為O彡X < 5[ μ m]的范圍，右下斜線圖案的距離x為5彡χ< 10[μπι]的范圍。橫線圖案的距離X為10彡X < 15[ym]的范圍、格子圖案的距離X為15彡χ<20[μπι]的范圍。梨皮圖案的距離X為20彡χ<25[ μπι]的范圍、磚圖案的距離X為25彡X < 30 [μ m]的范圍。波紋圖案的距離X為30彡x< 35 [μ m]的范圍，斜格子圖案的距離X為35彡X < 40 [ μ m]的范圍。棋盤圖案的距離x為40彡x < 45 [ μ m]的范圍。
[0087]該例子中，對于N = 20的樣品，實施例1 (升溫速度=0.1 [°C/sec])中N = 20的樣品中，其的80%處于O彡X < 5[ μπι]的范圍。包含5彡x< 10 [ym]的范圍的樣品時，占據其的90%。實施例2 (升溫速度=0.2 [°C /sec])中N = 20的樣品中，45%處于O彡x
<5[ym]的范圍。包含5彡X < 10[ym]的范圍的樣品時，占據其的85%。
[0088]比較例I (升溫速度=0.3 [ °C / sec])中N = 20的樣品中，35%處于0<x
<5 [ μ m]的范圍，即便包含5彡X < 10 [ym]的范圍的樣品，也為占據其的48%的水平。比較例2 (升溫速度=2.0[°C /sec])中N = 20的樣品中，20%處于O彡x < 5 [ μ m]的范圍，即便包含5彡x< 10[ym]的范圍的樣品，也為占據其的55%的水平。
[0089]如此，明確加熱溫度210°C?230°C下的Cu芯偏心控制中，凸塊電極30中，大體上達到將圓心間的距離X抑制到10 μπι以下的目的的升溫速度的上限若設定為不足0.3 [°C /sec]即可。
[0090]接著，參照圖9?圖12，關于Cu芯偏心控制，可以列舉出第2回流焊分布的設定例子，比較6個的實施例3?8和I個的比較例3，考察Cu芯偏心量變為最少的下限值的升溫速度。該考察中，對于N = 20的樣品，測定Cu芯偏心量，根據升溫速度與Cu芯偏心量的關系確定最適的下限的升溫速度。第2回流焊分布的設定例子中，作為第I熔融步驟，如圖9的圖表所示，為在30°C (常溫)?達到215°C的加熱溫度下，第I熔融步驟中的升溫速度為2.0[°C /sec]的情況。第I熔融步驟在實施例3?8以及比較例3的任一之中為相同溫度條件。
[0091]第2熔融步驟為加熱溫度為215°C?228°C、其實施例3中升溫速度為0.01 [°C /sec]、實施例4中升溫速度為0.05[°C /sec]、實施例5中升溫速度為0.10[°C /sec]、實施例6中升溫速度為0.13 [°C /sec]、實施例7中升溫速度為0.15 [°C /sec]、實施例8中升溫速度為0.20 [°C /sec]、比較例3中升溫速度為2.00 [°C /sec]的情況。
[0092]對于第3熔融步驟，將回流焊處理的峰值溫度設為245°C時，實施例3?8以及比較例3中任一個的加熱溫度為228°C?245°C、其升溫速度為2.0[°C /sec]。需要說明的是，降溫步驟與實施例1、2以及比較例1、2同樣地操作，實施例3?8以及比較例3中任一個的冷卻溫度為245°C?180°C且其的降溫速度為2.0[°C /sec]。為高溫觀察裝置中的氧濃度為10ppm以下、助焊劑16使用WF-6450的情況。
[0093]圖10所示的第2回流焊處理例子基于第2的回流焊分布，縱軸為高溫觀察裝置中的加熱溫度[°c ]。橫軸為基板11的回流焊時間[sec]。圖中的實線的粗線為實施例3、為加熱溫度215°C?228°C下的升溫速度為0.01 [°C /sec]的情況，虛線的粗線為實施例4、為升溫速度為0.05 [°C /sec]的情況。
[0094]點劃線的粗線為實施例5、為升溫速度為0.10[°C /sec]的情況，雙點劃線的粗線為實施例6、升為溫速度為0.13[°C /sec]的情況。實線的細線為實施例7、為升溫速度為0.15[°C /sec]的情況，虛線的細線為實施例8、為升溫速度為0.20[°C /sec]的情況。點劃線的細線為比較例3、為升溫速度為2.0[°C /sec]的情況。
[0095]本發明的Cu芯偏心控制中，通過在焊料熔融溫度的±10[°C ]的區域中使升溫速度降低，從而抑制Cu芯偏心量。需要說明的是，還明確增加回流焊時間時，擔心由于MC的成長導致接合可靠性降低、或助焊劑16失活、凸塊電極的氧化膜增加等，因此使升溫速度降低的區域越窄越好。
[0096]圖11的(A)所示的第2回流焊分布中的Cu芯偏心量相對于升溫速度的分布例子中，縱軸為加熱溫度為215°C?228°C時的Cu芯偏心量[μ m]。橫軸為實施例3?8以及比較例3中的升溫速度[°C /sec]。
[0097]該例子中，對于N = 20的樣品，將回流焊處理后的凸塊電極30在與基板11平行的水平方向上研磨，露出其截面(參照圖2的Y-Y箭頭方向截面)，測定其中心點ol、o2間(圓心間)的距離X。實施例3中，作為N = 20的樣品的平均值，Cu芯偏心量分布于2.5[μπι]附近。實施例4中作為其平均值，Cu芯偏心量分布在3.9[ μ m]的附近。實施例5中作為其平均值，Cu芯偏心量分布在3.6 [ μ m]的附近。
[0098]實施例6中作為其平均值，Cu芯偏心量分布于4.0 [ μ m]的附近。實施例7中作為其平均值，Cu芯偏心量分布在6.8 [ μ m]的附近。實施例8中作為其平均值，Cu芯偏心量分布在7.3[μπι]的附近。比較例3中作為其平均值，Cu芯偏心量分布在14.8[ μπι]的附近。將這些關系總結示出于圖11的(B)中。如由該表表明的那樣，明確為了使Cu芯偏心量降低，若以不足0.3[°C /sec]的升溫速度進行加熱即可。
[0099]圖12所示的第2回流焊分布中的Cu芯偏心量相對于升溫速度的出現例子中，縱軸為出現個數[% ](存在概率)，以百分率表示加熱溫度為215°C?228°C時的該Cu芯偏心量相對于N = 20出現的個數。橫軸為實施例3?8以及比較例3中的升溫速度[°C /sec] ο
[0100]對于圖中的左下斜線圖案、右下斜線圖案、橫線圖案、格子圖案、梨皮圖案、磚圖案、波紋圖案、斜格子圖案以及棋盤圖案，與第I流分布中的Cu芯偏心量相對于升溫速度的出現例子中的圖案相同，因此省略其說明。
[0101]該例子中，對于N = 20的樣品，實施例3(升溫速度=0.01[°C/sec])中，N = 20的樣品中、其的90%處于O彡χ<5[μπι]的范圍。包含5彡χ< 10[μπι]的范圍的樣品時，占據其的100%。實施例4(升溫速度=0.05[°C /sec])中，其的70%處于O彡x < 5[ μ m]的范圍。包含5彡χ< 10[μπι]的范圍的樣品時，占據其的100%。
[0102]實施例5(升溫速度=0.10[°C/sec])中，其的80%處于O彡χ < 5[ μ m]的范圍。包含5彡X < 10 [μ m]的范圍的樣品時，占據其的100%。實施例6 (升溫速度=0.13 [°C /sec])中，其的70%處于O彡χ<5[μπι]的范圍。包含5彡x < 10[ym]的范圍的樣品時，占據其的100%。
[0103]實施例7 (升溫速度=0.15[°C/sec])中，其的45%處于O彡χ < 5[ μ m]的范圍。包含5彡X < 10[ym]的范圍的樣品時，占據其的80%。實施例8(升溫速度=0.2[°C /sec])中N = 20的樣品中，30%處于0<χ<5[μπι]的范圍。包含5 < χ < 10 [ μ m]的范圍的樣品時，占據其的80%。
[0104]與之相對，根據比較例3 (升溫速度=2.0[°C /sec]), N = 20的樣品中，20%處于
O^ X < 5 [ μ m]的范圍，即便包含5彡x< 10 [ym]的范圍的樣品，也為占據其的55 %的水平。
[0105]上述的加熱溫度215°C?228°C下的Cu芯偏心控制中，升溫速度為0.13 [°C /sec]以下時Cu芯偏心量全部為ΙΟμπι以下(100%)。認為這是由于，焊料熔融溫度附近的升溫速度在回流焊處理后的Cu芯偏心控制中發揮效果。由此，明確從沒有由于MC的成長導致接合可靠性的降低的擔心、工業上也可以使用的回流焊時間的極限速度的觀點出發，凸塊電極30中，大體上達到將圓心間的距離X抑制到10 μ m以下的目的的升溫速度的下限值若設為 0.01[°C /sec]即可。
[0106]如此，根據作為實施方式的凸塊電極30以及凸塊電極基板100，無論加熱溫度，若將加熱率設定在0.01 [°C/sec]以上?不足0.3[°C/sec]的范圍，則可以控制Cu球13的偏心。該Cu球13的偏心控制、即以使助焊劑16從電極焊盤12的爬升變慢、并且使焊料14向電極焊盤12的流落變慢的方式對基板11進行加熱，具備焊料14熔融而成的Cu球13。
[0107]根據該構成，可以提供在電極焊盤12上作為成為核層的芯材的Cu球13的中心在其水平截面配置到焊料14的外殼的中心的高可靠度的凸塊電極基板100。
[0108]此外，根據作為實施方式的凸塊電極基板100的制造方法，電極焊盤12以及Cu球13的氧化膜的去除后的焊料鍍層24的熔融工序中，以使助焊劑16從電極焊盤12向Cu球13的爬升變慢、并且使焊料14從Cu球13向電極焊盤12的流落變慢的方式對基板11進行加熱。
[0109]根據該構成，可以形成助焊劑16的爬升變緩慢、緩慢地去除覆蓋焊料鍍層24的氧化膜、焊料14 一點點地流落的熔融工藝。因此，Cu球13的表面被均等的厚度的焊料14的膜(外殼)包覆，Cu球13成為不易活動的狀態(狀況)，在加熱處理后，可以形成焊料14的外殼的中心與Cu球13的中心共同存在于電極焊盤12的中央的凸塊電極30。
[0110]該實施方式中，對于芯材為Cu球13的情況進行說明，并不限定于此，芯材即便為Cu、N1、Ag、B1、Pb、Al、Sn、Fe、Zn、In、Ge、Sb、Co、Mn、Au、S1、Pt、Cr、La、Mo、Nb、Pd、T1、Zr、Mg的金屬單質、金屬氧化物、金屬混合氧化物、或者合金的情況下也得到同樣的效果。進而，芯材可以由在焊料鍍層熔融的溫度下非熔融的樹脂材料等構成。
[0111]此外，無論以往的例子那樣的焊料鍍層的體積Vs相對于Cu球體積Vc的比為0.05 ( Vs/Vc ( 0.5、并且電極焊盤12的直徑Dp相對于成為芯的Cu球的直徑Dc的比為0.5 ( Dp/Dc ( 1.0的條件，都可以在回流焊處理后，將Cu球13的中心配置于焊料14的外殼的中心。
[0112]需要說明的是，本實施例中，對于將助焊劑16涂布到電極焊盤12上的情況進行說明，但不限于此，也可以使用焊料糊劑代替助焊劑16。
[0113]產業h的可利用件
[0114]本發明極其適合用于可適用于IC芯片的表面安裝類型的封裝方法即BGA的凸塊電極基板以及其錫焊方法。
【權利要求】
1.一種凸塊電極，其特征在于，其為使用焊料接合體而形成于電極焊盤上的凸塊電極，所述焊料接合體是焊料鍍層包覆于成為核層的芯材而成的， 在將所述焊料接合體搭載于所述電極焊盤上之后，進行加熱使所述焊料鍍層熔融的工序中，加熱率被設定為0.01 [1/86(:]以上?不足0.3 [1/86(:]的范圍。
2.一種凸塊電極基板，其特征在于，其具備設置于規定的基板的電極焊盤和接合于所述電極焊盤的權利要求1所述的凸塊電極。
3.一種凸塊電極基板的制造方法，其特征在于，其包括下述工序: 將焊料鍍層包覆于成為核層的芯材而成的焊料接合體搭載于規定的基板的電極焊盤上的工序；和 加熱所述基板而使包覆于所述芯材的焊料鍍層熔融的熔融工序， 所述焊料鍍層的熔融工序中的所述基板的加熱率被設定為0.01 [1 /860]以上?不足0.3〔。。/860]的范圍。
4.根據權利要求3所述的凸塊電極基板的制造方法，其特征在于，搭載于所述電極焊盤上時，使用助焊劑。
【文檔編號】H01L23/488GK104425389SQ201410446263
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2014年9月3日 優先權日:2013年9月3日
【發明者】服部貴洋, 相馬大輔, 佐藤勇 申請人:千住金屬工業株式會社