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技術 はんだバンプの形成方法

出願人 三菱マテリアル株式会社
発明者 山本佳史石川雅之宇野浩規
出願日 2014年10月21日 (5年1ヶ月経過) 出願番号 2014-214518
公開日 2016年5月16日 (3年6ヶ月経過) 公開番号 2016-078095
状態 特許登録済
技術分野 はんだ付・ろう付材料 溶融はんだ付 印刷回路に対する電気部品等の電気的接続 バンプ電極
主要キーワード 印刷ダレ ギ酸ガス 総面積率 リフロー加熱処理 ジヒドロターピニルオキシエタノール 系合金はんだ 酸価値 予備加熱処理
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2016年5月16日)のものです。
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課題

ペースト印刷後のマスク剥離時のバンプ前駆体欠けがなく、リフロー後バンプの形状及び寸法が均一であり、かつバンプ内のボイドの発生が少ない。

解決手段

開口部を有するマスクを基材上に配置し、この開口部内にフラックスはんだ粉末とを含むはんだペースト充填するように前記はんだペーストを印刷し、前記マスクを剥離した後、前記基材上のバンプ前駆体をリフロー処理してはんだバンプを形成する方法である。前記フラックスは、ロジン溶剤及びチクソ剤を含有し、前記フラックスの酸価値が100mgKOH/g以下であって、前記フラックスのハロゲン含有量が0.03質量%以下であり、前記リフロー処理をギ酸ガス雰囲気下及び/又はギ酸が熱により分解されたガスの雰囲気下で行うことを特徴とする。

概要

背景

従来、はんだ粉末フラックスからなるはんだペーストを用いてはんだバンプを形成する方法として、フラックスに活性剤を含み、窒素雰囲気又は低酸素雰囲気下でリフローする方法が開示されている(例えば、特許文献1参照)。この方法で用いるはんだペーストは、はんだ粉末、フラックスを所定の比率で混合してなり、はんだ粉末としては、Sn−Ag−Cu系、Pb−Sn系等の合金はんだ粉末で、粒径5μm〜32μmのものを用い、フラックスとしては、ロジン等の樹脂分、活性剤、チクソ剤溶剤を含有しており、ハロゲンフリータイプ、活性(RA)タイプ、弱活性(RMA)タイプ、水溶性タイプ等のものを用いている。

一方、抵抗素子容量素子のような2端子基板はんだ付けする場合に2端子それぞれのはんだ量の不均一差を解消して、間隔が小さい部分をはんだ接合する際の信頼性を向上するために、はんだ粉末等の酸化皮膜に対する還元力を有する活性剤を含まないペーストを使用し、リフロー工程ではんだを溶融する際にギ酸ガス噴霧してはんだ粉末等の酸化皮膜を還元する、部品搭載方法が開示されている(例えば、特許文献2参照)。この部品搭載方法で使用されるはんだペーストは、はんだ粉末とポリブデンのような有機材料からなり、フラックスを使用していない。

概要

ペースト印刷後のマスク剥離時のバンプ前駆体欠けがなく、リフロー後のバンプの形状及び寸法が均一であり、かつバンプ内のボイドの発生が少ない。開口部を有するマスクを基材上に配置し、この開口部内にフラックスとはんだ粉末とを含むはんだペーストを充填するように前記はんだペーストを印刷し、前記マスクを剥離した後、前記基材上のバンプ前駆体をリフロー処理してはんだバンプを形成する方法である。前記フラックスは、ロジン、溶剤及びチクソ剤を含有し、前記フラックスの酸価値が100mgKOH/g以下であって、前記フラックスのハロゲン含有量が0.03質量%以下であり、前記リフロー処理をギ酸ガス雰囲気下及び/又はギ酸が熱により分解されたガスの雰囲気下で行うことを特徴とする。なし

目的

本発明の目的は、ペースト印刷後のマスク剥離時のバンプ前駆体に欠けがなく、リフロー後のバンプの形状及び寸法が均一であり、かつバンプ内のボイドの発生が少ないはんだバンプの形成方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
2件
牽制数
0件

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請求項1

開口部を有するマスク基材上に配置し、この開口部内にフラックスはんだ粉末とを含むはんだペースト充填するように前記はんだペーストを印刷し、前記マスクを剥離した後、前記基材上のバンプ前駆体リフロー処理してはんだバンプを形成する方法において、前記フラックスは、ロジン溶剤及びチクソ剤を含有し、前記フラックスの酸価値が100mgKOH/g以下であって、前記フラックスのハロゲン含有量が0.03質量%以下であり、前記リフロー処理をギ酸ガス雰囲気下及び/又はギ酸が熱により分解されたガスの雰囲気下で行うことを特徴とするはんだバンプの形成方法

請求項2

請求項3

前記はんだ粉末が、Sn−Ag−Cu系合金はんだ粉末、Sn−Cu系合金はんだ粉末、Sn−Ag系合金はんだ粉末又はPb−Sn系合金はんだ粉末である請求項1又は2記載の方法。

請求項4

前記フラックスが、溶剤が20〜60質量%、チクソ剤が1.0〜10質量%及びロジンが残部である請求項1ないし3いずれか1項に記載の方法。

請求項5

ロジン、溶剤及びチクソ剤を含有し、酸価値が100mgKOH/g以下であって、ハロゲン含有量が0.03質量%以下であるフラックスとはんだ粉末とを含むはんだペースト。

技術分野

0001

本発明は、活性剤を含まないはんだペーストを用いてギ酸ガス雰囲気下でリフロー処理してはんだバンプを形成する方法に関する。

背景技術

0002

従来、はんだ粉末フラックスからなるはんだペーストを用いてはんだバンプを形成する方法として、フラックスに活性剤を含み、窒素雰囲気又は低酸素雰囲気下でリフローする方法が開示されている(例えば、特許文献1参照)。この方法で用いるはんだペーストは、はんだ粉末、フラックスを所定の比率で混合してなり、はんだ粉末としては、Sn−Ag−Cu系、Pb−Sn系等の合金はんだ粉末で、粒径5μm〜32μmのものを用い、フラックスとしては、ロジン等の樹脂分、活性剤、チクソ剤溶剤を含有しており、ハロゲンフリータイプ、活性(RA)タイプ、弱活性(RMA)タイプ、水溶性タイプ等のものを用いている。

0003

一方、抵抗素子容量素子のような2端子基板はんだ付けする場合に2端子それぞれのはんだ量の不均一差を解消して、間隔が小さい部分をはんだ接合する際の信頼性を向上するために、はんだ粉末等の酸化皮膜に対する還元力を有する活性剤を含まないペーストを使用し、リフロー工程ではんだを溶融する際にギ酸ガスを噴霧してはんだ粉末等の酸化皮膜を還元する、部品搭載方法が開示されている(例えば、特許文献2参照)。この部品搭載方法で使用されるはんだペーストは、はんだ粉末とポリブデンのような有機材料からなり、フラックスを使用していない。

先行技術

0004

特開2014−107373号公報(段落[0017]、[0021])
特開2008−246563号公報(請求項3、段落[0010]、[0011]、[0015])

発明が解決しようとする課題

0005

特許文献1に代表されるはんだバンプの形成方法では、リフロー工程におけるはんだ溶融時にはんだ粉末等の酸化皮膜を活性剤により還元している。この活性剤により還元する代わりに、特許文献2に示されるはんだペーストを用いて、これを印刷し、リフロー工程でのはんだ溶融時にギ酸ガスを噴霧する方法を適用した場合、特許文献2のはんだペーストでは、ペースト印刷後のマスク剥離時のバンプ前駆体欠けを生じ、バンプ前駆体の形状が良好にならない不具合があった。

0006

その一方、特許文献1に示されるロジン等の樹脂分、活性剤、チクソ剤、溶剤を含有するフラックスを含むはんだペーストを用いて、これを印刷し、リフロー工程でのはんだ溶融時にギ酸ガスを噴霧する方法を適用した場合、バンプ内に極端ボイドが多く発生する不具合があった。

0007

本発明の目的は、ペースト印刷後のマスク剥離時のバンプ前駆体に欠けがなく、リフロー後のバンプの形状及び寸法が均一であり、かつバンプ内のボイドの発生が少ないはんだバンプの形成方法を提供することにある。

課題を解決するための手段

0008

本発明の第1の観点は、開口部を有するマスクを基材上に配置し、この開口部内にフラックスとはんだ粉末とを含むはんだペーストを充填するように前記はんだペーストを印刷し、前記マスクを剥離した後、前記基材上のバンプ前駆体をリフロー処理してはんだバンプを形成する方法の改良である。その特徴ある点は、前記フラックスが、ロジン、溶剤及びチクソ剤を含有し、前記フラックスの酸価値が100mgKOH/g以下であって、前記フラックスのハロゲン含有量が0.03質量%以下であり、前記リフロー処理をギ酸ガス雰囲気下及び/又はギ酸が熱により分解されたガスの雰囲気下で行うことにある。但し、フラックスのハロゲン含有量は、イオン化するハロゲン含有量をいう。

0009

本発明の第2の観点は、第1の観点に基づく発明であって、前記ロジンが、重合ロジンエステルロジンエステルテルペン系樹脂石油系樹脂水素化ロジンエステルマレイン酸樹脂ロジン変性フェノール樹脂、ロジン変性キシレン樹脂ケトン樹脂又はアルキルフェノール樹脂であるはんだバンプの形成方法である。

0010

本発明の第3の観点は、第1又は第2の観点に基づく発明であって、前記はんだ粉末が、Sn−Ag−Cu系合金はんだ粉末、Sn−Cu系合金はんだ粉末、Sn−Ag系合金はんだ粉末又はPb−Sn系合金はんだ粉末であるはんだバンプの形成方法である。

0011

本発明の第4の観点は、第1ないし第3の観点のいずれかの観点に基づく発明であって、前記フラックスが、溶剤が20〜60質量%、チクソ剤が1.0〜10質量%及びロジンが残部であるはんだバンプの形成方法である。

0012

本発明の第5の観点は、ロジン、溶剤及びチクソ剤を含有し、酸価値が100mgKOH/g以下であって、ハロゲン含有量が0.03質量%以下であるフラックスとはんだ粉末とを含むはんだペーストである。

発明の効果

0013

本発明の第1の観点のはんだバンプの形成方法では、ロジン、溶剤及びチクソ剤からなるフラックスを用いるため、マスク開口部へのペースト充填性及びバンプ前駆体の形状保持性が高いことから、ペースト印刷後のマスク剥離時のバンプ前駆体に欠けがなく、リフロー後のバンプの形状及び寸法が均一となり、印刷性に優れる。フラックスの酸価値が100mgKOH/g以下であって、フラックスのハロゲン含有量が0.03質量%以下であるため、フラックスとはんだ粉末の酸化物との還元反応で生じる還元水の発生が少なく、バンプ内のボイドの発生が少ない。またリフロー処理をギ酸ガス雰囲気下及び/又はギ酸が熱により分解されたガスの雰囲気下で行うことにより、はんだ粉末等の酸化皮膜を還元してはんだ溶融を円滑にする。

0014

本発明の第2の観点のはんだバンプの形成方法では、ロジンとして、重合ロジンエステル、ロジンエステル、テルペン系樹脂、石油系樹脂、水素化ロジンエステル、マレイン酸樹脂、ロジン変性フェノール樹脂、ロジン変性キシレン樹脂、ケトン樹脂又はアルキルフェノール樹脂を用いることにより、フラックスの酸価値を100mgKOH/g以下にすることができる。

0015

本発明の第3の観点のはんだバンプの形成方法では、はんだ粉末として、Sn−Ag−Cu系合金はんだ粉末、Sn−Cu系合金はんだ粉末、Sn−Ag系合金はんだ粉末又はPb−Sn系合金はんだ粉末を用いることができる。

0016

本発明の第4の観点のはんだバンプの形成方法では、フラックス中の溶剤の組成割合を20〜60質量%とすることにより、はんだペーストの印刷性とバンプ前駆体の形状保持性を良好にする。またチクソ剤の組成割合を1.0〜10質量%にすることによりはんだペーストの粘度を調整してバンプ前駆体の形状保持性を良好にすることができる。

0017

本発明の第5の観点のはんだペーストは、ロジン、溶剤及びチクソ剤を含有し、酸価値が100mgKOH/g以下であって、ハロゲン含有量が0.03質量%以下であるフラックスとはんだ粉末とを含むため、ギ酸ガス雰囲気下でリフロー処理を行うはんだバンプの形成方法に使用すれば、はんだペーストの印刷性とバンプ前駆体の形状保持性が良好になり、バンプ内のボイドの発生が少なくなる。

0018

次に本発明を実施するための形態を説明する。

0019

〔はんだペーストの内容〕
本発明のはんだペーストは、はんだペースト100質量%に対して、フラックスを5〜20質量%の割合で含有し、残部がはんだ粉末からなる混合体である。はんだ粉末としては、Sn−Ag−Cu系合金はんだ粉末、Sn−Cu系合金はんだ粉末、Sn−Ag系合金はんだ粉末又はPb−Sn系合金はんだ粉末が例示される。またはんだ粉末の平均粒径は、例えば、0.1〜30μmの範囲内にある。これにより、マスク開口部へのペースト充填性及びバンプ前駆体の形状保持性を高めることができる。バンプ形成を狭ピッチにするためには、はんだ粉末の平均粒径は、0.1〜10μmの範囲内にあることが好ましい。

0020

本発明のフラックスは、ロジン、溶剤及びチクソ剤を含有し、酸価値が100mgKOH/g以下であって、ハロゲン含有量が0.03質量%以下の特性を有する。酸価値を100mgKOH/g以下とするのは、酸価値がこの値を超えると、フラックスとはんだ粉末の酸化物との還元反応で生じる還元水の発生が多くなり、形成されたバンプ内のボイドが多くなるためである。またハロゲン含有量が0.03質量%を超えると、フラックスとはんだ粉末の酸化物との還元反応で生じる還元水の発生が多くなり、同様に形成されたバンプ内のボイドが多くなるためである。酸価値は50mgKOH/g以下が好ましく、ハロゲン含有量は0.01質量%以下が好ましい。ハロゲンとしては、塩素及び/又は臭素が挙げられる。

0021

本発明のフラックスの配合組成は、溶剤が20〜60質量%、チクソ剤が1.0〜10質量%及びロジンが残部である。溶剤が20質量%未満では、はんだペーストがペースト状になりにくい。また溶剤が60質量%を超えると、バンプ前駆体の形状保持性が不良となる。チクソ剤が1.0質量%未満でははんだペーストの粘度が低下し、10質量%を超えると、はんだペーストが固くなりすぎる。好ましいフラックスの配合組成は、溶剤が30〜50質量%、チクソ剤が2〜8質量%及びロジンが残部である。

0022

本発明のフラックスに含まれるロジンとしては、フラックスの酸価値を100mgKOH/g以下にするために、重合ロジンエステル(酸価:10〜25)、ロジンエステル(酸価:50以下)、テルペン系樹脂(酸価:45〜90)、石油系樹脂(1以下)、水素化ロジンエステル(酸価:20以下)、マレイン酸樹脂(酸価:50以下)、ロジン変性フェノール樹脂(酸価:30以下)、ロジン変性キシレン樹脂(酸価:75以下)、ケトン樹脂(酸価:1以下)又はアルキルフェノール樹脂(酸価:85〜100)が好適に用いられる。

0024

本発明のフラックスに含まれるチクソ剤としては、硬化ひまし油水素添加ひまし油カルナバワックスアミド類ヒドロキシ脂肪酸類、ジベンジリデンソルビトールビス(p−メチルベンジリデンソルビトール類、蜜蝋ステアリン酸アミドヒドロキシステアリン酸エチレンビスアミド等が用いられる。更にこれらに必要に応じてカプリル酸ラウリン酸ミリスチン酸パルミチン酸ステアリン酸ベヘニン酸のような脂肪酸、1,2−ヒドロキシステアリン酸のようなヒドロキシ脂肪酸、酸化防止剤界面活性剤アミン類等を添加して用いられる。

0025

〔はんだバンプの形成工程〕
はんだバンプの形成工程は、印刷工程と、ギ酸ガス雰囲気下でのリフロー加熱工程と、フラックス残渣等を洗浄する洗浄工程とからなる。印刷工程では、シリコンウェーハガラスエポキシ樹脂基板等の基材上に開口部を有するマスクを配置し、この開口部内にはんだペーストを充填するようにはんだペーストを印刷する。印刷後、マスクを基材から剥離(版抜け)して、基材上にバンプ前駆体を形成する。本発明のはんだペーストは、ロジン、溶剤及びチクソ剤からなるフラックスを用いるため、マスク開口部へのペースト充填性及びバンプ前駆体の形状保持性が高いことから、ペースト印刷後のマスク剥離時のバンプ前駆体に欠けがく、リフロー後のバンプの形状及び寸法が均一となり、印刷性に優れる。

0026

リフロー加熱工程では、まず予備加熱として、窒素雰囲気下又は低酸素雰囲気下で、基材上に形成されたバンプ前駆体をはんだ粉末の融点より低い温度、例えば160〜200℃の温度で加熱を行ない、フラックス中のボイド源である溶剤を揮発させる。その後、はんだ粉末の融点より高い温度、例えば217〜230℃の温度で加熱し、はんだ粉末を溶融する。ギ酸は予備加熱の前からリフロー炉に導入しても良く、またはんだ粉末の融点の直前でリフロー炉に導入しても良い。ギ酸ガスの還元力によりはんだ粉末等の酸化皮膜が還元される。次の冷却工程で溶融したはんだを冷却すると、表面張力により略半球状のはんだバンプが形成される。続いてはんだバンプが形成された基材を洗浄工程に移し、フラックス残渣等を洗浄除去する。こうして形成されたはんだバンプ内には、使用したはんだペースト中のフラックスの酸価値が100mgKOH/g以下であって、ハロゲン含有量が0.03質量%以下であったため、フラックスとはんだ粉末の酸化物との還元反応で生じる還元水の発生が少なく、ボイドの発生が少なくなる。

0027

次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。

0028

<実施例1>
αテルピネオールの溶剤55質量%と水素添加ひまし油のチクソ剤3.5質量%とジフェニルグアニジン臭化水素酸塩の活性剤0.1質量%と残部がアルキルフェノール樹脂のロジンからなるフラックスと、96.5質量%Sn−3質量%Ag−0.5質量%Cuからなる平均粒径3.5μmのSn−Ag−Cu系合金はんだ粉末(以下、SAC305という。)とを、フラックス含有率12.0質量%の割合で、混合してはんだペーストを調製した。またフラックスの酸価値は100mgKOH/gで、そのハロゲン含有量は0.03質量%であった。このはんだペーストを、基材であるガラスエポキシ樹脂基板上に配置されたメタルマスクの開口部内に充填するように、印刷し、このマスクを剥離した後、バンプ前駆体が形成された上記基板を窒素雰囲気下、150〜200℃の温度で1分間保持して、予備加熱処理した。また、ギ酸は予備加熱の前よりリフロー炉に導入した。続いて、230〜250℃の温度でリフロー加熱処理した後、冷却し、1600個のはんだバンプを形成した。上記基板上に形成されたバンプの寸法は、直径95μm、高さ43μmであり、バンプピッチは150μmであった。

0029

<実施例2>
ロジンとして、ロジンエステルを用い、活性剤を添加していないこと以外、実施例1と同じフラックス及び実施例1と同じはんだ粉末を使用して、実施例1と同様にしてはんだペーストを調製した。このフラックスの酸価値は5mgKOH/gで、そのハロゲン含有量は検出限界以下(N.D.)であった。このはんだペーストを用いて実施例1と同様の方法ではんだバンプを形成した。

0030

<実施例3>
はんだ粉末として、95.5質量%Sn−4質量%Ag−0.5質量%Cuからなる平均粒径15.6μmのSn−Ag−Cu系合金はんだ粉末(以下、SAC405という。)を用いた以外、実施例2と同じフラックスを使用して、フラックス含有率9.0質量%の割合で、混合してはんだペーストを調製した。このフラックスの酸価値は5mgKOH/gで、そのハロゲン含有量は検出限界以下であった。このはんだペーストを用いて実施例1と同様の方法ではんだバンプを形成した。

0031

<実施例4>
はんだ粉末として、99.3質量%Sn−0.7質量%Cuからなる平均粒径6.8μmのSn−Cu系合金はんだ粉末(以下、Sn0.7Cuという。)を用いた以外、実施例2と同じフラックスを使用して、フラックス含有率10.4質量%の割合で、混合してはんだペーストを調製した。このフラックスの酸価値は5mgKOH/gで、そのハロゲン含有量は検出限界以下であった。このはんだペーストを用いて実施例1と同様の方法ではんだバンプを形成した。

0032

<実施例5>
はんだ粉末として、97.7質量%Sn−2.3質量%Agからなる平均粒径5.2μmのSn−Ag系合金はんだ粉末(以下、Sn2.3Agという。)を用いた以外、実施例2と同じフラックスを使用して、フラックス含有率11.3質量%の割合で、混合してはんだペーストを調製した。このフラックスの酸価値は5mgKOH/gで、そのハロゲン含有量は検出限界以下であった。このはんだペーストを用いて実施例1と同様の方法ではんだバンプを形成した。

0033

<実施例6>
はんだ粉末として、37質量%Pb−63質量%Snからなる平均粒径9.8μmのPb−Sn系合金はんだ粉末(以下、Pb63Snという。)を用いた以外、実施例2と同じフラックスを使用して、フラックス含有率9.8質量%の割合で、混合してはんだペーストを調製した。このフラックスの酸価値は5mgKOH/gで、そのハロゲン含有量は検出限界以下であった。このはんだペーストを用いて実施例1と同様の方法ではんだバンプを形成した。

0034

<比較例1>
αテルピネオールの溶剤55質量%と水素添加ひまし油のチクソ剤3.5質量%とジフェニルグアニジン臭化水素酸塩の活性剤0.4質量%と残部が水添ロジンのロジンからなるからなる、活性剤入りのフラックスを用い、実施例1と同じはんだ粉末を使用して、実施例1と同様にしてはんだペーストを調製した。このフラックスの酸価値は150mgKOH/gで、そのハロゲン含有量は0.1質量%であった。このはんだペーストを用いて実施例1と同様の方法ではんだバンプを形成した。

0035

<比較例2>
平均分子量300以下のポリブデンと平均分子量500程度のポリブデンを質量比で5:1の割合で混合した。この有機材料と実施例1と同じはんだ粉末を、有機材料含有率10質量%の割合で、混合して、実施例1と同様にしてはんだペーストを調製した。この有機材料の酸価値は0.01mgKOH/g未満で、そのハロゲン含有量は検出限界以下であった。このはんだペーストを用いて実施例1と同様の方法ではんだバンプを形成した。

0036

評価試験
実施例1〜6及び比較例1〜2で用いたフラックス又は有機材料の酸価値及びそのハロゲン含有量は次の方法で測定した。また実施例1〜6及び比較例1〜2で得られたはんだペーストを印刷した後のバンプ前駆体の形状保持性及び実施例1〜6及び比較例1〜2で得られたはんだバンプ内の最大ボイド率を次の方法により測定し評価した。
(a) フラックスの酸価値
フラックスの酸価値は、JIS Z 3197に準拠して測定した。
(b) フラックスのハロゲン含有量
フラックスのハロゲン含有量は、JIS Z 3197に準拠して測定した。
(c) バンプ前駆体の形状保持性
ペーストを印刷した後の基材を目視、又は光学顕微鏡で観察し、ミッシング印刷ダレ、バンプ前駆体の欠け等が発生していなければ良好と判断した。ミッシング等が発生していると不良と判断した。
(d) バンプ内の最大ボイド率
形成したはんだバンプの内部に発生したボイドを透過型X線により観察し、各バンプにどの程度の大きさのボイドが発生しているかを評価した。ボイド率はバンプ面積に対して発生しているボイド総面積率であり、1600バンプ測定した中の最もボイド率が高いものを最大ボイド率とする。

0037

実施例

0038

<評価の結果>
表1から明らかなように、従来のはんだペーストと同様にフラックスに活性剤を使用した比較例1では、バンプ前駆体の形状保持性が良好であったが、バンプ内の最大ボイド率は9.5%と高かった。これはフラックスとはんだ粉末の酸化物との還元反応で生じる還元水の発生が多いためと考えられる。また比較例2の前記特許文献2に準じたはんだペーストはペーストの流動性が悪く、マスク開口部への充填性が悪いため印刷ができず、バンプを形成することができなかった。そのためボイド率は測定不能であった。これらの比較例1、2に対して実施例1〜6では、バンプ前駆体の形状保持性は全て良好であり、バンプ内の最大ボイド率は5.8%以下と小さかった。

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