JP4387265B2 - 突起電極の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、はんだ付け等による電子部品の実装のために半導体基板やプリント配線板の上に形成される突起電極の製造方法に関する。本明細書では、半導体基板、プリント配線板、インターポーザ基板等を、単に「基板」という。また、突起電極の表面がはんだで被覆されたものも「突起電極」といい、この場合のはんだで被覆される部分を「コア」という。

突起電極を有する電子部品がＦＣ（flip chip）やＢＧＡ（ball grid array）であり、ＦＣやＢＧＡはその突起電極を介して他の基板に実装される。これとは逆に、突起電極が設けられた基板上に、裸の電子部品を実装する技術もある。従来の一般的な突起電極の製造方法は、スクリーン印刷法やディスペンス法などを用いて基板の下部電極上にはんだペーストを塗布し、このはんだペーストを加熱してリフローする、というものである。これにより、半球状のはんだから成る突起電極が得られる。

次に、本発明の前提となる従来の突起電極について説明する（例えば特許文献１参照）。図４［１］は、この種の突起電極を示す断面図である。以下、この図面に基づき説明する。

突起電極８０は、基板８１上に設けられたコア８２と、コア８２の表面９０に設けられた球状のはんだ層８３とから成る。コア８２の表面９０は、基板８１に接する側面９１と、側面９１の上方に位置する上面９２と、上面９２と側面９１との境界に位置する角部９３とに分かれている。コア８２は、基板８１上の図示しない下部電極上に、銅メッキ等より形成されている。はんだ層８３は、例えばコア８２上にはんだペーストを塗布し、これをリフローすることにより形成されている。

突起電極８０によれば、はんだリフロー時に溶融しないコア８２の表面９０にはんだ層８３を有するので、全体がはんだから成る突起電極に比べて、はんだリフローによって形が崩れにくい、突起電極８０の高さを高くできる等の利点がある。

特開平１０−７０１２７（図３）

しかしながら、従来の突起電極８０では次のような問題があった。

図４［２］に示すように、コア８２の角部９３を境に、はんだ層８３が側面９１と上面９２とで分かれてしまうことがあった。その結果、特に上面９２側のはんだ量が少ないと、実装後にはんだ付け不良を起こすことがあった。この現象は、はんだ層８３全体のはんだ量が少ないほど顕著になる。一方、これを防ぐためにはんだ層８３全体のはんだ量を単純に増やそうとすると、隣接する突起電極８０同士の短絡を招くので、ファインピッチへの対応が困難になる。

そこで、本発明の目的は、はんだ濡れ性を改善した突起電極の製造方法を提供することにある。

角部９３を境にはんだ層８３が側面９１と上面９２とで分かれてしまうのは、角部９３のはんだ濡れ性が悪いためと考えられる。図５は、固体金属表面のはんだ濡れを示す説明図である。以下、図４及び図５に基づき、コア８２の角部９３について、はんだ濡れ性が悪い理由について説明する。

図５［１］は、平らな固体金属１００の表面のはんだ濡れを示し、はんだ付けの一般的な説明に用いられるものである。はんだは、加熱されて溶融し、溶融はんだ１０１となっている。溶融はんだ１０１は、液体フラックス１０２の作用によって、固体金属１００上に濡れ広がっている。このとき、溶融はんだ１０１の濡れは三つの力Ａ，Ｂ，Ｃの作用によって作られることがわかる。つまり、三つの力Ａ，Ｂ，Ｃが平衡状態になったとき、溶融はんだ１０１が一定の広がりを示す。Ａは、液体の曲面に接する方向に作用するものであり、液体の表面張力、すなわち溶融はんだ１０１の表面積を最小にしようとする力である。Ｂは、固体金属１００と液体フラックス１０２との界面に作用する力である。Ｃは、溶融はんだ１０１と固体金属１００との間の界面張力を表す。ＣとＢは固体金属１００表面に沿って互いに相反する方向に働き、ＡとＣはそれぞれの金属に特有のものである。一般に固体と液体の濡れの良否は、次のヤングの関係式によって表される。

Ｂ＝Ｃ＋Ａｃｏｓθ ・・・（１）
∴ｃｏｓθ＝（Ｂ−Ｃ）／Ａ ・・・（２）
この式（１）において、θは、溶融はんだ１０１の接触角であり、小さいほどはんだ濡れ性が良い。

一方、図５［２］は、固体金属１００の表面が原点Ｏにおいて平面から角度φだけ折れ曲がっている場合の、原点Ｏでのはんだ濡れを示す。この場合、原点Ｏが図４の角部９３に相当する。また、力Ａ，Ｂ，Ｃの大きさは図５［１］のときと同じであるとする。このとき、溶融はんだ１０１の接触角をθ’とすると、ヤングの関係式によって次式が成り立つ。

Ｂｃｏｓφ＝Ｃ＋Ａｃｏｓθ’ ・・・（３）
∴ｃｏｓθ’＝（Ｂｃｏｓφ−Ｃ）／Ａ ・・・（４）
ここで、０＜ｃｏｓφ＜１であるから、式（２）と式（４）とを比較して、
θ’＞θ ・・・（５）
が得られる。

つまり、平面からの角度φが大きいほど、接触角θ’が大きくなる、すなわちはんだ濡れ性が悪くなる。図４の角部９３は、角度φが９０°に近いので、はんだ濡れ性が非常に悪いのである。その結果、図４［２］に示すように、側面９１の溶融はんだが角部９３を乗り越えられないため、上面９２のはんだ量が少なくなってしまうのである。

本発明は、この知見に基づき、コアの角部のはんだ濡れ性を改善するためになされたものである。以下、本発明に係る製造方法によって製造された突起電極を、単に「本発明に係る突起電極」という。すなわち、本発明に係る突起電極は、基板上に設けられたコアと、このコアの表面を覆うはんだ層とから成り、全体として半球状を呈するものである。そして、コアの表面は、基板に接する側面と、側面の基板に接しない側に位置する上面と、上面と側面との境界に位置する面取り面とを備えている。本発明では、従来のコアの角部を面取り面に加工しているので、すなわち図５［２］で言えば角度φを小さくしているので、形状に起因するはんだ濡れ性が改善される。なお、角部とは面と面との交線のことである。

このとき、面取り面は凸状の曲面とすることが好ましい。その理由を図６に基づき説明する。図６では、固体金属１００の表面を円筒面とし、その円筒面の曲率（曲率半径の逆数）を様々な値にしている。ここで、前述のヤングの関係式は、接線方向の力で構成されるので、曲率に関係なく成り立つと考えられる。そのため、どのような曲率の固体金属１００に対しても、溶融はんだ１０１の接触角θは一定になる。つまり、面取り面を凸状の曲面とすることは、図５［２］で言えば角度φを零にすることに等しい。なお、「凸状の曲面」とは、曲率が一定の曲面に限定するものではなく、曲率が連続的に変化する滑らかな曲面も含まれる。

面取り面は平面としてもよい。このとき、上面と面取り面との境界部分及び面取り面と側面との境界部分は、前述した理由により、それぞれ凸状の曲面とすることが好ましい。

上面と面取り面とは互いに一体化された一体面としてもよい。このときも、一体面は凸状の曲面とすることが好ましい。

突起電極は、銅、銀、金及びニッケルのいずれか一つから成り、その表面に錫メッキ、金メッキ、ニッケル−金メッキ及びはんだメッキのいずれか一つの処理が施された、としてもよい。突起電極の材料の具体例を挙げたものである。

また、本発明に係る突起電極は、表面がはんだによって被覆される、としてもよい。このはんだは、例えば、錫、インジウム、銀、銅、亜鉛、ビスマス、アンチモン、ゲルマニウム、アルミニウム、ニッケル、鉛及び金の中から選ばれた少なくとも一つの元素を含む合金である。

また、本発明に係る製造方法は、本発明に係る突起電極を製造する方法であって、コア形成工程、面取り面形成工程及びはんだ層形成工程を備えている。そして、コア形成工程では、基板上にコアを形成する。面取り面形成工程では、コア形成工程で形成されたコアに面取り面を形成する。はんだ層形成工程は、面取り面形成工程で面取り面が形成されたコアの表面にはんだ層を形成する。

また、面取り面形成工程では、コアにバフ研磨又はバレル研磨を施すことによって面取り面を形成する。

本発明に係る突起電極の製造方法によれば、コアの角部を面取り面に加工することにより、コアの表面にはんだ層を形成するときのはんだ濡れ性を改善できる。したがって、はんだ層がコアの側面と上面とに分かれてしまうことを防止できるので、実装時のはんだ付けの歩留り及び実装後のはんだ付けの信頼性を向上できる。

換言すると、コアの側面の溶融はんだが面取り面に沿ってコアの上面に濡れ広がるため、はんだ層が上面と側面との境界部分で途切れるような不具合を生じることが無く、必要最小限のはんだ量で信頼性の高いはんだ接合が得られるとともに、ファインピッチへの対応も可能となる。

図１［１］は、本発明に係る突起電極の第一実施形態を示す断面図である。以下、この図面に基づき説明する。

本実施形態の突起電極１０は、基板１１上に設けられたコア１２と、コア１２の表面２０に設けられたはんだ層１３とから成る。そして、コア１２の表面２０は、基板１１に接する側面２１と、側面２１の基板１１に接しない側（すなわち上方）に位置する上面２２と、上面２２と側面２１との境界に位置する面取り面２３とを備えている。

基板１１は、半導体基板、プリント配線板、インターポーザ基板等であり、表面に図示しない下部電極を有し、その下部電極上にコア１２が形成される。コア１２は、良好な導電性を有するとともにはんだ層１３よりも高融点の金属、例えば銅、銀、金、ニッケル等から成る。コア１２の形状は、円柱状や角柱状である。はんだ層１３は、例えばＳｎ−Ｐｂ（融点１８３℃）、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ（融点２１８℃）、Ｓｎ−Ａｇ（融点２２１℃）、Ｓｎ−Ｃｕ（融点２２７℃）等から成る。面取り面２３は、後述するようにバフ研磨、バレル研磨等によって、凸状の曲面に仕上げられている。

突起電極１０によれば、従来のコアの角部を面取り面２３に加工しているので、形状に起因するはんだ濡れ性を改善できる。したがって、側面２１の溶融はんだが面取り面２３を簡単に乗り越えて上面２２へ広がるため、上面２２のはんだ量が十分に確保される。

図１［２］は、本発明に係る突起電極の第二実施形態を示す断面図である。以下、この図面に基づき説明する。ただし、図１［１］と同じ部分は同じ符号を付すことにより説明を省略する。

本実施形態の突起電極３０では、面取り面３１が平面になっている。そして、面取り面３１と側面２１との境界部分及び面取り面３１と上面２２との境界部分には、それぞれ角部３２，３３が形成されている。しかし、角部３２，３３は、従来のコアの角部に比べて角度が緩やかであることから、はんだ濡れ性が改善されている。このような形状は、例えば研磨条件を適宜設定することによって実現される。

図１［３］は、本発明に係る突起電極の第三実施形態を示す部分拡大断面図である。以下、この図面に基づき説明する。ただし、図１［２］と同じ部分は同じ符号を付すことにより説明を省略する。

本実施形態では、面取り面３４が平面部３５及び曲面部３６，３７によって構成されている。曲面部３６は側面２１と平面部３５との境界部分に位置し、曲面部３７は上面２２と平面部３５との境界部分に位置する。曲面部３６，３７は、凸状の曲面である。曲面部３６，３７によって平面部３６と側面２１及び上面２２とが角部を生ずることなく緩やかに接続しているので、はんだ濡れ性が改善されている。このような形状は、例えば研磨条件を適宜設定することによって実現される。

図２は、本発明に係る突起電極の第四実施形態及びその製造方法を示す断面図であり、図２［１］〜図２［３］の順に工程が進行する。以下、この図面に基づき説明する。ただし、図１と同じ部分は同じ符号を付すことにより説明を省略する。

まず、図２［１］に示すように、基板１１上にコア１２を形成する。コア１２の側面２１と上面２２との境界部分には、角部２４が生じている。コア１２の形成工程は、例えばフォトリソグラフィ技術と銅メッキ技術とを用いるが、従来と同じであるので詳しい説明は省略する。

続いて、図２［２］に示すように、コア１２の角部２４を除去して面取り面を形成し、その面取り面と上面２２とを一体化した一体面４１を形成する。このとき、後述するように、コア１２に例えばバフ研磨、バレル研磨等を施して、一体面４１を形成する。一体面４１は、凸状の曲面になっている。このような形状は、例えば研磨条件を適宜設定することによって実現される。

最後に、一体面４１が形成されたコア１２の表面２０に、はんだ層１３を形成する。はんだ層１３の形成工程は、例えばはんだペーストの塗布及びリフロー、溶融はんだ槽への浸漬等を用いるが、従来と同じであるので詳しい説明は省略する。

本実施形態の突起電極４０によれば、コア１２に面取り加工を施して、面取り面と上面２２とを一体化させた一体面４１を形成することにより、一体面４１と側面２１とが角部を生ずることなく緩やかに接続しているので、はんだ濡れ性が改善される。

図３は図２［２］の面取り面形成工程の具体例を示す断面図であり、図３［１］はバフ研磨、図３［２］は電解研磨（参考形態）、図３［３］はバレル研磨である。以下、この図面に基づき説明する。ただし、図２と同じ部分は同じ符号を付すことにより説明を省略する。

図３［１］に示すバフ研磨について説明する。バフ４０は、例えば綿布やサイザル麻布を基材としたものであり、回転台４１上に固定されている。バフ４０上にはスラリー状の研磨剤４２が載置されている。そして、研磨剤４２上にコア１２を基板１１ごと押し付けて、バフ４０を高速で回転させる。このとき、コア１２の角部２４は、上面２２と側面２１との二面から研磨されることにより、上面２２及び側面２１よりも研磨速度が大きいので、図１及び図２に示すような面取り面の形状を得やすい。なお、角部２４の研磨速度が上面２２及び側面２１と同じか又は小さいと、角部２４を除去できない。また、バフ４０の回転とは逆方向に、基板１１側も回転させてもよい。

ここで参考形態として、図３［２］に示す電解研磨について説明する。前処理として、全てのコア１２が同電位になるように、基板１１全面に例えばスパッタリングによって銅から成るメッキ電極５０を形成しておく。そして、メッキ電極５０陽極とし、鉛又はステンレス鋼から成る電極板５１を陰極とし、これらを電解液５２中に浸漬する。ここで、メッキ電極５０と電極板５１とに直流電源５３（又は交流電源を併用）から電圧を印加する。このとき、コア１２の角部２４は、上面２２や側面２１よりも先鋭になっていることにより、上面２２及び側面２１よりも電界が集中する。つまり、角部２４は上面２２及び側面２１よりも研磨速度が大きいので、図１及び図２に示すような面取り面の形状を得やすい。

図３［３］に示すバレル研磨について説明する。図示しないバレル（barrel：樽）内に、コア１２が形成された基板１１とともに、メディア６０、水６１及びコンパウンド（図示せず）を入れる。メディア６０は、球状の固形砥粒を用いている。ここで、バレルを回転させると、メディア６０がコア１２に衝突することにより、コア１２が研磨される。このとき、コア１２の角部２４は、上面２２や側面２１よりも水６１中に突き出していることにより、上面２２及び側面２１よりもメディア６０が衝突しやすい。つまり、角部２４は上面２２及び側面２１よりも研磨速度が大きいので、図１及び図２に示すような面取り面の形状を得やすい。ここでは、バレルを回転させる回転バレル研磨を説明したが、バレルを振動させる振動バレル研磨や、磁性体メディアと交番磁界とを用いる電磁バレル研磨等を用いてもよい。

なお、上記実施形態は、言うまでもなく、本発明を限定するものではない。例えば、はんだ層は、前述したはんだの具体例から成るものとしても良い。

本発明に係る突起電極の実施形態を示し、図１［１］は第一実施形態を示す断面図、図１［２］は第二実施形態を示す断面図、図１［３］は第三実施形態を示す部分拡大断面図である。 本発明に係る突起電極の第四実施形態及びその製造方法を示す断面図であり、図２［１］〜図２［３］の順に工程が進行する。 図２［２］の面取り面形成工程の具体例を示す断面図であり、図３［１］はバフ研磨、図３［２］は電解研磨（参考形態）、図３［３］はバレル研磨である。 従来の突起電極を示す断面図であり、図４［１］は理想的な状態であり、図４［２］は問題のある状態である。 固体金属表面のはんだ濡れを示す説明図であり、図５［１］は固体金属表面が平らな場合であり、図５［２］は固体金属表面が曲がっている場合である。 様々な曲率の固体金属表面のはんだ濡れを示す説明図である。

１０，３０，４０ 突起電極
１１ 基板
１２ コア
１３ はんだ層
２０ コアの表面
２１ 側面
２２ 上面
２３，３１,３４ 面取り面
４１ 一体面

Claims (2)

1. 基板上に上面及び側面からなるコアを形成するコア形成工程と、
   前記コアにバフ研磨を施すことによって前記上面と前記側面との境界に面取り面を形成する面取り面形成工程と、
   前記側面、前記上面及び前記面取り面の全てをはんだ層で覆って全体として半球状に形成するはんだ層形成工程と、
   を備えたことを特徴とする突起電極の製造方法。
2. 基板上に上面及び側面からなるコアを形成するコア形成工程と、
   前記コアにバレル研磨を施すことによって前記上面と前記側面との境界に面取り面を形成する面取り面形成工程と、
   前記側面、前記上面及び前記面取り面の全てをはんだ層で覆って全体として半球状に形成するはんだ層形成工程と、
   を備えたことを特徴とする突起電極の製造方法。

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