「エ レ ク トロ ニ ク ス 実 装 学 会 誌 」11〔4〕292∼299(2008)
●研 究論文
無 電 解CuNipのSnAgCuは
ん だ バ ン プ 接 続 信 頼 性
曽 川
禎 道*,山
崎
隆 雄*,高
橋
信 明**
Connection
Reliability
of SnAgCu
Solder Bump
on Electroless
CuNiP
Yoshimichi SOGAWA*, Takao YAMAZAKI* and Nobuaki TAKAHASHI**
*NECデ バ イ ス プ ラ ッ トフ ォー ム 研 究 所(〒229-1198神 奈 川 県 相 模 原 市 下 九 沢1120) **NECエ レ ク トロ ニ ク ス生 産 本 部 実 装 技 術 部(〒229-1198神 奈 川 県 相模 原 市下 九 沢1120)
* Device Platform Research Laboratories, NEC Corporation (1120 Shimokuzawa, Sagamihara-shi, Kanagawa 229-1198)
** Packaging Engineering Division, Manufacturing Operations Unit, NEC Electronics (1120 Shimokuzawa, Sagamihara-shi, Kanagawa 229-1198)
概 要 本 研 究 で は低 コ ス ト ・高 信 頼 性uBMの 開発 を 日的 と して,Au表 面 処 理 を しな い無 電 解cuNiPのsuAgcuは ん だ バ ン プ 接 続 信 頼 性 に っ い て 検 討 を 行 った 。Cu含 有 量 が45at%のCuNiPで は接 続 信 頼 性 の 悪 化 要 因 と な り う る(Ni,Cu)3Sn4,Ni3P,
カ ー ケ ン ダル ボ イ ド,AuSn合 金 の 形 成 を 抑 制 で き,175℃,750hま で 良 好 な 長 期 接 続 信 頼 性 が 実 現 で き た。Au表 面 処 理 な し のCuNipで も,高 活 性 フ ラ ッ ク スを 用 い る こ とで 良 好 な は ん だ 接 続 が可 能 で あ り,耐 食性,バ リア性 に っ い て も問 題 な い こ と を 確 認 した。
Abstract
A low-cost method for the electroless deposition of CuNiP without Au surface finishing has been developed with highly reliable under-bump metallization (UBM). When SnAgCu solder was con-nected to an electroless CuNiP alloy containing 45% Cu, formations of (Ni,Cu)3Sn4, Ni3P, Kirkendall void, and Au-Sn alloy did not occur. Consequently, this enabled a reliable and long-lasting connec-tion for 750 hours at 175°C. The electroless CuNiP can be firmly connected to SnAgCu solder using active flux. The CuNiP-UBM has relatively good corrosion resistance, and provides a durable bar-rier against SnAgCu solder.
Key Words: Eeectroless CuNiP, SnAgCu Solder, Connection Reliability, Cu Content
1.緒 言
携 帯 電 話 や ノ ー トPCな ど の 電 子 機 器 の 小 型 化 ・高 機 能 化 に 伴 い,高 密 度 実 装 へ の 要 求 が 高 ま っ て い る 。 こ の 要 求 を 満 た す た め,LSIの 電 極 パ ッ ド に は ん だ バ ン プ を 形 成 し て 基 板 と 接 続 す る フ リ ッ プ チ ッ プ 接 続 や,CSP(Chip Size Package),BGA(Ball Grid Array)な ど は ん だ バ ン プ を 用 い て 接 続 す る パ ッ ケ ー ジ が 増 加 し て い る 。 フ リ ッ プ チ ッ プ や CSP,BGAの 接 続 用 は ん だ 材 料 と し て は,環 境 対 策 の 観 点 か らSnAgCuやSnAgな ど の 鉛 フ リー は ん だ が 広 く使 用 さ れ て い る が,鉛 フ リ ー は ん だ 化 に よ る リ フ ロ ー 温 度 の 高 温 化 や,は ん だ 中 のSn比 率 の 増 大 に よ り は ん だ とUBM(Under Bump Metal)の 相 互 拡 散 が 進 行 し,接 続 強 度 が 低 下 す る 現 象 が し ば し ば 発 生 す る 。 こ の 長 期 接 続 信 頼 性 を 確 保 す る に は は ん だ を 接 続 す るUBM材 料 が 重 要 で あ る と 考 え ら れ る 。 uBM材 料 と し て 現 在 はcu,電 解Ni/Au,無 電 解NiP/Auな
ど が 用 い ら れ て い る が,こ れ ら のUBMは 下 記 の よ う な 課 題 が あ る 。 (1) Cuに お け る カ ー ケ ン ダ ル ボ イ ド と バ リ ア 性 (2) 電 解Ni/Auに お け る 電 気 リ ー ド
(3)無 電 解Nip/Auに
お け るPリ ッチ 層 の 形 成
(4) Auめ
っ き に伴 う接 続 強 度 の低 下
(5) Ni系UBMに
お け るNiリ ッチ な 金 属 間 化 合 物 の 形 成
(1) Cuの は ん だ に対 す る 初 期 の 接 続 強 度 は 良 好 だ が,Cu
とSnが 相 互 拡 散 して形 成 され るCu3Snな
ど の金 属 間 化 合 物
(IMC:IntermetallicCompound)に
お い て カ ー ケ ンダ ル ボ イ ド
が 発 生 し,接 続 強 度 が 低 下 す る こ とが報 告 され て い る1)∼3)。
ま たCu膜 厚 が 薄 い 場 合 に はCuが は ん だ 中 へ す べ て拡 散 し,
UBMと
して の バ リア機 能 を 果 た さ な い。
(2)電 解Ni/AuはCuに
比 べ 優 れ た バ リア 性 を 有 す る が,
LSIの 電 極 パ ッ ドにUBMを
形 成 す る場 合,シ
ー ド層 の形 成
や フ ォ トリ ソ工 程 が 必 要 な た め コ ス トが 高 くな る。 ま た プ
リ ン ト配 線 板 にUBMを
形 成 す る に は電 気 リー ド線 が 必 要
な た め 高 密 度 配 線 化 が 困 難 で あ る。
(3)無 電 解Nip/Auは,高
密 度 な配 線 基 板 や 狭 ピ ッチ のパ ッ
ドに対 して 低 コ ス トでUBM形
成 が 可 能 だ が,Nip中
のNi
が はん だ へ拡 散 す る こ とに よ り,Pが
濃 縮 した多 孔 質 のNi3P
層 が 形 成 され 接 続 強 度 が 低 下 しや す い4)∼10)。
(4) UBMの
表 面 に形 成 され るAuは,Niの
腐 食 防 止 と はん
だ 濡 れ 性 確 保 に有 用 だが,Auが
厚 い場 合 で はPリ
ッチ層 を
形 成 し た り,は ん だ 中 に 拡 散 したAuが 脆 弱 なAuSn合 金 を 形 成 し た りす る な ど,接 続 強 度 を 低 下 さ せ る 要 因 に な り う る4),8)・11)。
(5) Ni系 のUBMとSnAgな どCuを 含 ま な い は ん だ と を 接 続 す る と,接 続 界 面 でNi3Sn4な ど のNiリ ッ チ な 針 状IMC合 金 層 が 成 長 し,厚 く 形 成 さ れ た 場 合 に はIMC内 部 や IMC/UBM界 面 で 接 続 破 壊 を 引 き 起 こ し や す い3),8),12),13)。 な お,Ni3PやNiリ ッ チIMCに つ い て は,今 ま で に SnAgCuは ん だ やCuコ ア は ん だ ボ ー ル な どCuを 含 む は ん だ ボ ー ル を 用 い る こ と で 大 幅 に 抑 制 で き る こ と が 報 告 さ れ て い る4)∼10),14)。こ れ は は ん だ 中 に 含 ま れ るCuがUBMと の 界 面 でSnと 反 応 しCu6Sn5な ど のCuリ ッ チ なIMC層 を 形 成 す る こ と でNiの 拡 散 を 抑 制 し,Ni3Pや,Ni3Sn4な ど のNiリ ッ チIMCの 成 長 を 抑 制 す る た め と 考 え ら れ る 。 た だ し 高 温 状 態 で 長 時 間 使 用 さ れ る な ど 拡 散 が 進 行 す る 場 合 は,は ん だ 中 のCuが 枯 渇 す る こ と で し だ い にNi3PやNiリ ッ チIMCが 形 成 さ れ,接 続 強 度 が 低 下 す る 懸 念 が 残 る 。
以 上 の 点 を 考 慮 し て,今 回 わ れ わ れ は 最 も低 コ ス ト,か つ 高 密 度 にUBMを 成 膜 で き る 無 電 解 め っ き法 を 用 い,Nip-uBMの 中 に,Ni3PやNiリ ッ チIMcを 抑 制 す る 効 果 の あ る Cuを 加 え た 無 電 解CuNiPを 作 製 し,SnAgCu接 続 信 頼 性 を 評 価 し た 。 そ の 際 に,Cuの 含 有 量 を 最 適 化 す る こ と で カ ー ケ ン ダ ル ボ イ ドの 抑 制 と バ リ ア 性 の 確 保 も実 現 で き る と 考 え た 。 ま た は ん だ の 濡 れ 性 確 保 やUBMの 酸 化 防 止 を 目 的 と し て 用 い ら れ て い るAuめ っ き の 代 わ り に,今 回 は 高 活 性 フ ラ ッ ク ス に よ り 濡 れ 性 確 保 とUBMの 酸 化 膜 除 去 を 行 い,接 続 信 頼 性 を 低 下 さ せ る 脆 弱 なAuSn合 金 層 の 形 成 を 回 避 す る こ と も試 み た 。 以 下 に 詳 細 を 報 告 す る 。 2.実 験 方 法 試 料 の 仕 様 と 評 価 条 件 をTable1に 示 す 。 本 研 究 で 開 発 す るcuNiP-uBMはLsIチ ッ プ,プ リ ン ト配 線 板 の い ず れ の
Table 1. Sample specifications and test conditions
電 極 パ ッ ド に で も 適 用 可 能 だ が,今 回 はSi-TEGチ ッ プ の 130μmφA1電 極 上 に 無 電 解 め っ き に よ りUBMを5μm形 成 し評 価 を 行 っ た 。 作 製 し たUBMは リ フ ァ レ ン ス と し て の NiP/Au(Au膜 厚 は0.05μm)の ほ か,Au処 理 な し のNiP, Cu含 有 量 を30,45,60at%と 変 化 さ せ た3種 類 の 無 電 解 CuNiPで あ る(以 下Cu含 有 量 が30,45,60at%のCuNiP
を そ れ ぞ れ30CuNiP,45CuNiP,60CuNiPと 記 述 す る)。 成 膜 し たUBM上 に は150μmφ のSnAgCuバ ン プ を リ フ ロ ー で 溶 融 接 続 し た 後,150℃ お よ び1750Cで0∼1000hの 範 囲 で 高 温 保 管(HT)を 実 施 し た 。 な おAuを 成 膜 し て い な い UBMに は ん だ バ ン プ を 接 続 す る と き に は,酸 化 膜 を 除 去 し 濡 れ 性 良 く接 続 で き る よ う高 活 性 フ ラ ッ ク ス を 用 い た 。HT 後 は 接 続 強 度 評 価 と して バ ン プ シ ェ ア ・プ ル 強 度 を 各10バ ン プ に つ い て 測 定 し た 。 組 成 分 析 に はSEM.EDX,構 造 解 析 に はXRDを 用 い た 。 3.実 験 結 果 3.1接 続 強 度 評 価 Fig.1に 各 試 料 のHT保 管 時 間 に 対 す る バ ン プ シ ェ ア 強 度,バ ン プ プ ル 強 度 を 示 す 。1500C保 管 で は す べ て のUBM で1000hま で 高 い 接 続 強 度 が 得 ら れ た 。 し か し175。C保 管 の プ ル 強 度 試 験 で はNiP/Au,30cuNiP,60cuNiPに お い て 強 度 値 の 低 下 や,パ ッ ド に よ り 強 度 の ば ら つ き が 確 認 さ れ た 。 強 度 ば ら つ き を 表 す た めFig .2に 各 試 料 の175。c保 管 後 の プ ル 強 度 試 験 に お け る 平 均 値 一3σ の 値 を 示 す(σ: 標 準 偏 差)。 図 よ りNiP/Auで168h,30cuNiPで336h, 60cuNiPで500hに お い て 平 均 値 一3σ の 値 が50gfを 下 回 っ た 。NipはFig.1で 示 し た 接 続 強 度 の 平 均 値 は 良 好 で あ っ た が,336∼500hに か け て 強 度 が 低 い パ ッ ドが 発 生 し た た めFig.2の よ う に 平 均 値 一3σ の 値 が50gfの 値 を 下 回 っ た 。 従 来 のNip/Auに お け る 平 均 値 一3σ の 初 期 値 が お よ そ100 gfで あ る こ と を 考 え る と50gfは そ の 半 値 で あ り接 合 強 度 が か な り低 下 して い る と い え る 。 ま た,こ れ ら の 試 料 に お い て 強 度 が 低 か っ た パ ッ ドに お け る 破 壊 モ ー ドは は ん だ 破 壊 (は ん だ で 壊 れ,パ ッ ドに は ん だ が 残 る 状 態)で は な か っ た 。 こ れ に 対 し45CuNiPは750hま で 平 均 値 −3σ が65gfを 上 回 り,破 壊 モ ー ド も は ん だ 破 壊 と な っ て お り,ほ か のUBM に 比 べ る と 接 続 強 度 ば ら つ き が 小 さ く長 期 接 続 信 頼 性 に 最 も優 れ て い た 。 3.2は ん だ 接 続 界 面 のSEM観 察 こ こ で,接 続 強 度 が 低 下 し た 原 因 と破 壊 モ ー ドに つ い て 考 察 す る た め,断 面SEM観 察 を 行 っ た 。Fig.3に 各 種UBM の175。C,336h後 の プ ル 強 度 測 定 前 の 断 面SEM像 を 示 す 。 そ の 結 果NiP/Au,NiP,30CuNiPで は は ん だ とUBMの 間 に 2種 類 のIMC層 が 存 在 す る こ と が わ か っ た 。SEM-EDXに よ る 組 成 分 析 よ り,は ん だ に 近 いIMC層(図 中A)はCuリ ッ チ な(Cu,Ni)6Sn5で,UBMに 近 いIMC層(図 中B)がNiリ ッ
Fig. 1 Relationship between HT time and bump connection strength for various UBM materials
Fig. 2 Relationship of HT time at 175•Ž and x-3„q(x average value of bump pull strength; „q: standard deviation)
チ な(Ni,Cu)3Sn4で あ る と 考 え ら れ る 。 こ れ に 対 し45CuNiP と60CuNiPで はIMC層 がCuリ ッ チ な(Cu,Ni)6Sn5単 層 構 造 と な っ て い た 。Fig.4にNiPとSnAgCuを 接 続 し た 界 面 のHT 試 験 前 の 断 面SEM像 を 示 す が,UBM中 にCuを 全 く含 ま な
いNiPに お い て も接 続 界 面 に はCuリ ッ チ な(Cu,Ni)6Sn5の み が 確 認 さ れ,(Ni,Cu)3Sn4が 全 く 存 在 し て い な か っ た ・ つ ま りFig.3に お け る(Ni,Cu)3Sn4は 初 期 か ら 存 在 し て い た の で は な く,HT試 験 の 進 行 と と も に 形 成 さ れ た こ と が 示 唆 さ れ る。 各 種UBM材 料 に よ り こ の よ う なIMC層 の 違 い が 見 ら れ た 原 因 はUBM中 のCu含 有 量 の 差 と考 え ら れ る。 す な わ ち, Cu含 有 量 が 少 な いNiP/Au,NiP,30CuNiPで は 初 期 の 段 階 で こ そSnAgCu中 のCuと 反 応 し界 面 に(Cu,Ni)6Sn5が 形 成 さ れ た も の の,HT時 間 の 経 過 と と も にUBM中 の 主 成 分 で あ るNiが は ん だ へ 拡 散 す る こ と に よ り,(Ni,Cu)3Sn4がUBM近
Fig. 3 SEM images of connection
interface before pull strength test (HT condition: 175/336h)
Fig. 4 SEM images of connection interface between NiP and solder before HT
傍 で 形 成 さ れ た と.考 え ら れ る 。 こ れ に 対 し45CuNiP, 60CuNiPで はUBM中 のCu含 有 量 が 多 い た め175QC ,336h 後 もIMCが(Cu,Ni)6Sn5単 層 を 維 持 で き た と 考 え ら れ る 。
な お,Fig.3に 示 すNiP/AuはNiPの 場 合 と ほ ぼ 同 じ構 造 で あ る が,AuSn4(図 中C)が 点 在 し て い る こ と と (Cu,Ni)6Sn5層(図 中A)にAuが 微 量 含 ま れ て い る 点 がNiP
と 異 な っ て い た 。 次 に,Fig.5に175QC,336h後 に お い て 接 続 強 度 が 低 下し たNiP/Au,NiP,30CuNiPの プ ル 強 度 測 定 後 の 断 面SEM 像 を 示 す 。SEM像 よ りCu含 有 最 が 低 い こ れ ら の 試 料 で は, (Cu,Ni)6Sn5と(Ni,Cu)3Sn4のIMC界 面 で 破 壊 が 発 生 し て い る こ と が わ か っ た 。 し た が ってFig .1,Fig.2で 示 した336hに
お け るNiP/Au,NiP,30cuNiP接 続 強 度 の 低 ドは(Ni ,cu);Sn.1 の 形 成 が 原 因 と 考 え ら れ る 。 一方Fig.6に は45cuNiPと60CuNiPの175。G500h後 の 断 面SEM像 を 示 す 。500hに お い て 接 続 強 度 が 低 下 し た 60cuNiPで は(CU,Ni)Sn5とuBMの 界 面 に,カ ー ケ ン ダ ル ボ イ ドと 考 え ら れ る 大 き な 空 隙 が 発 生 して い た 。 こ れ に 対 し 接 続 強 度 を 維 持 し て い た45cuNiPで は500h後 で もIMCは (Cu,Ni)6Sn5の み か ら構 成 さ れ て お り,ま た60CuNiPで 発 生 し た カ ー ケ ン ダ ル ボ イ ド も 存 在 し な い こ と が 確 認 さ れ た 。 以 上 の よ う に,UBM中 のCu含 有 量 が30at%以下 と 少 な い 場 合 はHT時 間 の 進 行 と と も に(Cu,Ni)6Sn5/(Ni ,Cu)3Snlの IMC界 面 破 壊 が 発 生 し接 続 強 度 が 低下 し や す くな る一 方 で, Cu含 有 量 が60at%ま で 増 加 す る とUBM/IMC界 面 で カ ー ケ ン ダ ル ボ イ ドを 発 生 し接 続 強 度 が 低 下 す る こ と が わ か っ た 。 つ ま りUBM中 のCu含 有 量 に は 最 適 値 が 存 在 し,SnAgCu に 対 して は45at%程 度 が 最 適 で あ っ た 。 3.3接 続 界 面 のXRDに よ る 構 造 解 析 こ こ でUBM中 のCu含 有 量 の 違 い に よ る 接 続 界 面 の 結 晶 構 造 を 詳 細 に 調 べ る た め,微 小XRD分 析 を 実 施 し た 。Fib , 7にNiP,30CuNiP,45CuNiPの175℃,750h後 に お け る 接 続 界 面 のXRI)測 定 結 果 を 示 す 。XRD分 析 結 果 よ り,UBM 中 のCu含 有 量 の 増 人 に 伴 っ て(Ni,Cu)3Sn4に 起 因 す る と 考 え ら れ る ピ ー ク が 低 減 す る こ と が 確 認 で き た 。 特 に45CuNip で は(Ni,Cu .)3Sn.4に起 因 す る ピ ー ク が ほ と ん ど確 認 さ れ な か っ た 。 エ レ ク トロ ニ ク ス 実 装 学 会 誌Vol.ll No .4 (2008)295
Fig. 5 SEM images of connection interface after pull strength test (HT condition: 175•Ž/336 h)
Fig. 6 SEM images of connection interface after HT (HT condition: 175•Ž/500 h)
Fig. 7 XRD profile of connection interface after HT (HT condition: 175•Ž/750 h)
こ の よ う に,UBM中 のCuは(Ni,Cu)3Sn4の 抑 制 に 大 き な 効 果 が あ り,45CuNiPで は175℃,750hま で(Cu,Ni)6Sn5単 層 構 造 を 維 持 で き て い る こ と が 示 さ れ た 。 そ し て こ の こ と が45CuNipの 良 好 な 接 続 信 頼 性 に 寄 与 し て い る と 考 え られ
る 。
3.445CuNiPに お け るAuSn合 金 とNi3P抑 制 効 果 cuNiPで はUBM中 にcuが 含 ま れ,さ ら に 表 面 にAu処 理 を 施 し て い な い の で,Nip/Auに お い て 接 続 強 度 の 低下 要 因 と な り う るAuSn合 金 とNi3Pの 抑 制 効 果 も 期 待 で き る 。 そ こ でNiP/Auと45CuNiPのSnAgCu接 続 後 の 断 面 構 造 を 比 較
Fig. 8 SEM images of connection interface between SnAgCu solder and NiP/Au or 45CuNiP
Fig. 9 Barrier property against SnAgCu solder for 45CuNiP
し た 。Fig.8に 両 者 の175。c,750h後 の 断 面sEM観 察 像 を 示 す 。
45cuNiPで は も と も とUBMの 表 面 にAu処 理 を し て い な い の で,当 然 の こ と な が ら接 続 界 面 にAuSn合 金 が 全 く発 生 し て い な か っ た 。 ま た45CuNipで は 従 来 のUBMで 観 察 さ れ るNi3P層 の 形 成 も 大 幅 に 抑 制 さ れ て い る こ と が 判 明 し た 。 こ れ はCuを 含 むCuNipは は ん だ 中 のSnと 相 互 拡 散 し や す く な っ て い る た め,Niが 一 方 的 に は ん だ へ 拡 散 す る NiPと は 拡 散 機 構 が 異 な っ て い る た め と 考 え られ る。 な お,実 際 の 接 続 強 度 評 価 に お い て も45CuNiPで はAuSn 合 金 やNi3P層 に 起 因 す る 破 壊 モ ー ドは 発 生 して お ら ず,こ の こ と も高 い 信 頼 徃 が 得 ら れ た 一 因 と 考 え ら れ る 。 3.545CuNiPの バ リ ア 性
CuNiPで はNiPに 比 べ てSnへ 拡 散 し や す いCu成 分 が 含 ま れ て い る の で,NiPに 比 べ る と 長 期 的 な バ リ ア 性 が 弱 い こ と が 懸 念 さ れ る 。 そ こ で,長 期 接 続 信 頼 性 に 優 れ て い た 45CuNiPの バ リ ア 性 に つ い て 評 価 し た 。 ま ず,バ リ ア 性 評 価 を す る た め150℃ と175℃ で3000hま で のHT試 験 し た 試 料 の 断 面 観 察 を 行 い,UBMの 減 少 厚 を 測 定 し た 。 そ し て そ の 結 果 を も と にUBM減 少 の 活 性 化 エ ネ ル ギ を 算 出 し 寿 命 を 求 め た 。 な お 活 性 化 エ ネ ル ギ は 反 応 に よ っ て 決 ま る 値 で あ る た め,反 応 が 異 な る と 活 性 化 エ ネ ル ギ も 変 化 し て し ま う こ と が 懸 念 さ れ る 。 し か し な が ら 今 回 の 系 で は, SnAgCUの 融 点 で あ る220QC以下 の 温 度 範 囲 で,CuNiPが は ん だ へ 徐 々 に 拡 散 してIMCが 形 成 さ れ る メ カ ニ ズ ム に 大 き な 変 化 は 確 認 さ れ な か っ た 。 し た が っ て150℃ と175℃ の 測 定 か ら 算 出 し た 活 性 化 エ ネ ル ギ の 値 を も と に,100℃ で のUBM減 少 厚 を あ る 程 度 予 測 で き る と 考 え ら れ る 。Fig .9 に 計 算 結 果 を 示 す 。 図 よ り100℃,10年 を 保 証 す る の に 必 要 なUBMの 膜 厚 を 求 め る と 約0.33μmで あ る こ と が 明 ら か と な っ た 。 こ の 値 に は 多 少 の 誤 差 が 含 ま れ て い る と 想 定 さ れ る が,UBMを2∼3μm程 度 形 成 す る こ と に よ り,電 極 パ ッ ド用UBMと し て 実 用 上 十 分 な バ リ ア 性 が 確 保 で き る と 考 え ら れ る 。 3.645CuNiPの 耐 食 性 一 般 に 用 い ら れ るNi系 のUBMで は ,は ん だ 濡 れ 性 向 上 や 腐 食 防 止 の 目 的 で フ ラ ッ シ ュAuめ っ き が 施 さ れ て い る が,今 回 評 価 し た 無 電 解CuNiPで は 表 面 にAuを 形 成 し て エ レ ク ト ロ ニ ク ス 実 装 学 会 誌Vo1 .ll No.4(2008) 297
Fig. 10 Corrosion test results for various UBM materials
い な い の で,耐 食 性 が 悪 い こ と が 懸 念 さ れ る 。 そ こ で, 45CuNiPを 含 む 各 種UBMに つ い て,50mV/minの 電 位 走 査 速 度 と−1V∼+0.5Vの 範 囲 で ア ノ ー ド分 極 測 定 を 行 い,そ の 耐 食 性 を 評 価 し た 。 腐 食 溶 液 と し て は 窒 素 置 換5%NaCl 水 溶 液 を 用 い た 。 比 較 材 料 と し て はCu,NiP/Au(0.05μm), NiPを 用 い た 。
Fig.10に 各 種UBMの ア ノ ー ド分 極 曲 線 測 定 結 果 を 示 す 。 45cuNiPやNiPの 耐 食 性 は 表 面 がAuに 覆 わ れ て い るNiP/Au
に 比 べ る と 悪 い も の の,電 極 材 料 と し て 用 い ら れ るCuと ほ ぼ 同 等 の 耐 食 性 を 示 す こ と が わ か っ た 。 Cuは フ ラ ッ ク ス に よ る 酸 化 膜 除 去 に よ り 良 好 な は ん だ 接 続 性 が 得 ら れ る こ と か ら,は ん だ 濡 れ 性 さ え 確 保 で き れ ば Auめ っ き が な いCuNiPもUBMと し て 使 用 可 能 だ と 考 え ら れ る 。 現 実 に はCuNiPの 濡 れ 性 はCuよ り は 若 干 悪 い も の の 最 適 な 高 活 性 フ ラ ッ ク ス を 用 い る こ と で 前 述 し た よ う な 高 い 接 続 強 度 を 実 現 で き る 。 4.結 論 長 期 接 続 信 頼 性 に 優 れ たUBMを 開 発 す る た め,Au処 理 な しの 無 電 解CuNiPのSnAgCuは ん だ バ ン プ 接 続 信 頼 性 に つ い て 検 討 し た 。Cu含 有 量 が45at%のCuNiPで は175℃, 750h後 で も 接 続 信 頼 性 の 悪 化 要 因 と な り う る(Ni,Cu)3Sn4, Ni3P,カ ー ケ ン ダ ル ボ イ ド,AuSn合 金 の 形 成 を 抑 制 で き, 良 好 な 長 期 接 続 信 頼 性 が 実 現 で き た 。Au表 面 処 理 な し の CuNiPで も,高 活 性 フ ラ ッ ク ス を 用 い る こ と で 良 好 な は ん だ 接 続 が 可 能 で あ り,耐 食 性,バ リ ア 性 に つ い て も 問 題 な い こ と を 確 認 し た 。 し た が っ て,Cuを45at%含 むCuNiPは,FC-BGAや プ リ ン ト配 線 板 の 電 極 の 低 コ ス ト ・高 信 頼 性UBM材 料 と し て の 適 用 が 期 待 さ れ る 。 (2007.9.28-受 理) 文 献 1) 石 川 信 二,林 浩 史,末 永 誠,大 野 恭 秀:“ 高 温 は ん だ とCu板 の 接 合 部 に お け る カ ー ケ ン ダ ル ボ イ ド の 生 成 ”,エ レ ク ト ロ ニ ク ス 実 装 学 会 誌,Vol.9, No.4, pp.269-277, 2006 2) 伴 充 行,島 内 優:“ 電 子 部 品 の 信 頼 性 評 価 お よ び 不 具 合 解 析 技 術 ”,JFE技 報,No.13, pp.97-102, 2006
3) P. L. Tu, Y. C. Chan, K. C. Hung and J. K. L. Lai:•gGrowth Kinet-ics of Intermetallic Compounds in Chip Scale Package Solder Joint•h.Scrinta Mater., No.44. pp.317-323, 2003
4) 広 瀬 明 夫,小 林 紘 二 郎:“ 電 子 デ バ イ ス 実 装 に お け る 鉛 プ リ ー化 の 最 新 動 向Sn-Ag系 鉛 フ リー は ん だ 実 装 に お け る 微 細 界 面 構 造 と 継 手 信 頼 性 ”,金 属,Vol.74, No.12, pp. 1253-1257, 2004 5) 上 西 啓 介,広 瀬 明 夫,小 林 紘 二 郎:“Sn-Ag系 鉛 フ リ ー は ん だ 接 合 部 の 信 頼 性 に 及 ぼ す 銅 表 面め っ き の 影 響 ”,銅 と 銅 合 金,Vo1.43, pp.251-255, 2004
6) K. Uenishi, S. Sakatani, T. Yamamoto and K. Kobayashi:•gBGA Joint Microstructure of Sn-Ag Based Solders with Au/Ni-P Plating•h,Trans. Mater. Res. Soc. Jpn., Vol.29, No.5, pp. 1995-1999,2004
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