JP2000101014A - 半導体装置 - Google Patents

半導体装置

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JP2000101014A
JP2000101014A JP10267696A JP26769698A JP2000101014A JP 2000101014 A JP2000101014 A JP 2000101014A JP 10267696 A JP10267696 A JP 10267696A JP 26769698 A JP26769698 A JP 26769698A JP 2000101014 A JP2000101014 A JP 2000101014A
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JP
Japan
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lead
solder
solder bump
free solder
bump
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JP10267696A
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English (en)
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Takeshi Terasaki
健 寺崎
Hideo Miura
英生 三浦
Tasao Soga
太佐男 曽我
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/10Bump connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/15Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process
    • H01L2224/16Structure, shape, material or disposition of the bump connectors after the connecting process of an individual bump connector

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Abstract

(57)【要約】 【課題】鉛フリーはんだバンプを錫鉛共晶はんだと同等
以下の温度で外部回路基板と接続し、電子部品および基
板の破壊を防止する。 【解決手段】鉛フリーはんだバンプをそれよりも低融点
の接合部材を用いて、鉛フリーはんだと低融点はんだの
両融点間の適宜温度で接続することにより、電子部品お
よび基板の破壊を防止できる。また、鉛フリーはんだバ
ンプと接合部材の界面近傍にひずみが集中するため、急
速な破壊が生じる接合部材と基板の電極との接続界面で
の破壊を防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、はんだバンプを
用いて配線基板に電気的かつ機械的に接続する半導体装
置に係り、特に鉛フリーはんだを用いた場合の熱疲労寿
命向上に好適な半導体装置に関する。
【0002】
【従来の技術】はんだバンプを用いて配線基板に電気的
かつ機械的に接続する半導体装置において、例えば、は
んだバンプと該はんだバンプと異なる組成のはんだを用
いて接続する半導体装置が特開平4−31800号公報,特開
平5−508736 号公報などに開示されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】従来、電子部品と基板
の接続には、鉛入りのはんだが主に使われてきている。
しかし、廃棄された電子機器からはんだに含まれる鉛イ
オンが流出し、地下水脈や河川の汚染、さらには人体へ
の影響が懸念されている。
【0004】そこで、鉛を含まない鉛フリーはんだによ
る接続を行う必要がでてきた。環境負荷,接合性,コス
ト,信頼性など様々な面から検討した結果、錫銀共晶は
んだをベースに、融点降下と濡れ性改善に有効なビスマ
ス,銅,インジウムなどを添加した組成が代替材料とし
て有力となりつつある。
【0005】錫銀共晶はんだは、接続信頼性は従来の錫
鉛共晶はんだと同等以上であるが、融点が40℃程度高
くなる。そのため、電子部品および配線基板の中には、
耐熱性が確保できず、はんだ実装時に破壊を起こすもの
もある。したがって、はんだ実装温度は従来用いられて
きた錫鉛共晶はんだと同等程度が好ましい。
【0006】錫銀共晶はんだの融点を下げるためには、
ビスマスの添加が有効であるが、ビスマスの添加量の増
加に伴い材料が硬くかつもろくなる傾向にあるため、低
サイクル疲労寿命および接合界面の接続強度の低下が生
じる。近年の電子部品の高密度化に伴って増加している
はんだバンプによる実装では、破壊ははんだバンプと電
子部品および配線基板の電極部の界面近傍で生じる。そ
のため、鉛フリーはんだの場合、従来の錫鉛共晶はんだ
に比べてはんだと電極部の界面近傍での破壊防止が従来
以上に重要な課題となる。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記の課題は、電子部品
と配線基板を鉛フリーはんだバンプの融点より低い温度
で接続することで解決できる。また、接合部材と配線基
板の接合端以外にひずみ集中部を設けることによって解
決することができる。
【0008】本発明では、上記解決手段を達成するた
め、以下の手段を採用する。
【0009】(1)本願の第1の発明の特徴は、鉛フリ
ーはんだバンプと、該鉛フリーはんだバンプを有する電
子部品と、該電子部品を一つ以上搭載した配線基板と、
前記鉛フリーはんだバンプと前記配線基板を接続する前
記鉛フリーはんだバンプとは異なる材質の接合部材から
なる半導体装置において、前記接合部材の鉛フリーはん
だバンプに接している側の径が前記接合部材の配線基板
側の径および鉛フリーはんだバンプの最大外径より小さ
いことにある。
【0010】これらの特徴により、熱変形に起因してバ
ンプに生じるひずみが、鉛フリーはんだバンプの電子部
品側および接合部材の配線基板側の接合端ではなく、径
の小さい接合部材と鉛フリーはんだの接合端近傍に集中
するため、接続強度の弱い接合部材と配線基板の界面で
の破壊を防止することができる。
【0011】(2)本願による他の発明の特徴は、第1
の発明による半導体装置において、前記接合部材が前記
鉛フリーはんだバンプより低融点のはんだであり、前記
鉛フリーはんだバンプと前記低融点のはんだの両融点間
の適宜温度で接続することにある。
【0012】これにより、実装温度を鉛フリーはんだバ
ンプの融点以下にすることができ、上記した課題を解決
することができる。
【0013】(3)本願による第2の発明の特徴は、第
1の発明又は第2の発明において、前記鉛フリーはんだ
が、錫が95%以上と、残部が銀および銅およびビスマ
スとそれらに随伴する不純物とからなる成分組成であ
り、前記低融点はんだが、錫が40%以上と、残部がビ
スマスと銀と銅とそれらに随伴する不純物とからなる成
分組成であることである。
【0014】低融点はんだに上記の組成にすることによ
り、はんだ実装時の電子部品および基板の熱による損傷
を低減することができる。
【0015】(4)本願によるさらに他の発明の特徴
は、第1の発明又は第2の発明において、前記鉛フリー
はんだのバンプ内部に、前記鉛フリーはんだより比重が
軽く、かつ降伏応力が低い粒状の物質が分散しているこ
とにある。
【0016】これによって、ひずみが柔らかい粒状の物
質がある領域に集中するため、強度の弱い界面での破壊
を防ぐことができる。
【0017】(5)本願によるさらに他の発明の特徴
は、第1の発明および第2の発明において、前記Pbフ
リーはんだバンプと前記低融点はんだの界面近傍に、パ
ッド径の1/10以下の大きさの粒状の空洞が1つ以上
分散していることにある。
【0018】これによって、はんだのひずみが、剛性の
低い粒状の空洞がある領域に集中するため、弱い界面で
の破壊を防ぐことができる。
【0019】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図に
基づいて説明する。
【0020】(第1実施形態)図1は、本発明による半
導体装置の第1実施例を示す断面図である。
【0021】本実施例の半導体装置は、BGA(ボール
グリッドアレイ)1,テープBGA2,CSP(チップ
サイズパッケージ)3,WPP(ウエハープロセスパッ
ケージ)4,半導体素子5などの鉛フリーはんだバンプ
7を有する電子部品を、接合部材8を用いて配線基板6
に接続したものである。図2は本実施例の半導体装置の
鉛フリーはんだバンプ近傍を拡大したものである。鉛フ
リーはんだバンプ7は電子部品9の電極10上に形成さ
れる。また、接合部材8は配線基板の電極11と接続さ
れる。
【0022】鉛フリーはんだバンプ7の材質としては、
熱疲労特性に優れた錫銀共晶はんだが好ましい。該合金
の融点は220℃程度である。また、低融点化や濡れ性
の改善のために、ビスマス,インジウム,銅などが添加
されていてもよい。
【0023】接合部材8の材質としては、鉛フリーはん
だバンプ7との接合性の良さから、錫銀二元系共晶合金
にビスマスを5%以上添加した合金が好ましい。すなわ
ち、銀1〜5%程度,ビスマス5%以上、残りが錫およ
び1%以下の微量添加元素である。また、低融点化や濡
れ性の改善のために、インジウム,銅などが添加されて
いてもよい。具体的には、Sn−3Ag−5Bi,Sn
−2.8Ag−15Bi,Sn−1Ag−57Biなど
で、これらに1%以下の微量添加元素が含まれたものが
あげられる。それぞれの融点は約210℃,約180
℃,約140℃である。また、環境への影響の点で問題
があるが、従来多く使われ、接合性や疲労寿命特性に優
れた錫鉛共晶合金を用いても良い。接続強度の点で問題
がなければ、接続温度が低いという利点を持つ導電性樹
脂を用いてもよい。
【0024】接合部材8に鉛フリーはんだバンプ7より
低融点のはんだを用いて接続する場合、鉛フリーはんだ
バンプ7を電子部品9の電極10に形成し、配線基板6
の電極11に低融点はんだをペースト塗布またはメッキ
などの手段によって供給する。鉛フリーはんだバンプ7
の位置合わせを行い、鉛フリーはんだ7および低融点は
んだの両融点間の適宜温度で接続する。該適宜温度は、
鉛フリーはんだ7および低融点はんだの最低温度で規定
する。適宜温度になるように、はんだ実装装置の温度を
設定する。
【0025】図3に従来のはんだバンプ形状と破壊箇所
を示す。バンプ上下面に加わる熱変形により電子部品9
の電極10または配線基板6の電極11とはんだバンプ
7の界面近傍に大きなひずみが発生する。よって、ここ
からき裂が発生し、はんだ母材と電極との接合界面の強
度の弱い方をき裂が進展する。従来広く用いられている
錫鉛共晶はんだの場合は、はんだ母材中をき裂が進展す
る場合が多い。しかし、錫鉛共晶はんだ並みの融点を目
的に、錫銀共晶はんだにビスマスを5%以上添加した場
合、はんだ母材より電極との接合界面の強度が大幅に弱
いため、接合界面をき裂が急速に進展する。
【0026】従って、本発明では、図4に示すようにひ
ずみ集中部を接合部材8と配線基板6の電極11との接
合界面ではなく、鉛フリーはんだバンプ7と接合部材8
との界面にする。よって、ここからき裂が発生し、接続
強度の優れた鉛フリーはんだバンプ7と接合部材8の界
面近傍でき裂が進展する。
【0027】(第2実施形態)図5は、本発明による半
導体装置の第2実施例を示す断面図である。
【0028】鉛フリーはんだバンプ7の内部に、鉛フリ
ーはんだより比重が軽く、かつ降伏応力が低い粒状の物
質12を分散させる。このことにより、粒状の物質12
のある領域の剛性が下がり、ひずみが集中するため、接
合部材8と配線基板6の電極11との接合界面での破壊
を防止できる。また、き裂の進展も粒状の物質12が阻
害するため、き裂進展寿命が長くなる利点もある。
【0029】粒状の物質12としては、樹脂などの有機
材料の表面に銅やニッケル,錫などの金属のメッキをし
たものなどがあげられる。鉛フリーはんだバンプ7は、
電子部品9の電極10上に鉛フリーはんだペーストを塗
布し、リフローして作成するのが一般的である。粒状の
物質12を鉛フリーはんだペーストの中に混ぜておくこ
とにより、リフロー後に鉛フリーはんだバンプ7の表面
に粒状の物質12が集まる。
【0030】また、図示していないが、接合部材8に鉛
フリーはんだバンプ7より低融点のはんだを用いた場
合、低融点のはんだの中に粒状の物質12を混ぜておい
てもよい。その場合、リフローなどの手段で接続した
後、接合部材8の鉛フリーはんだバンプ7との界面近傍
に粒状の物質12が集まり、その領域の剛性が小さくな
る。
【0031】(第3実施形態)図6は、本発明による半
導体装置の第3実施例を示す断面図である。
【0032】鉛フリーはんだバンプ7と接合部材8の界
面近傍に、電極部の直径の1/10以下の大きさの空洞
を1つ以上分散させる。このことにより、空洞のある領
域の剛性が低下し、ひずみが集中するため、接合部材8
と配線基板6の電極11との接合界面での破壊を防止で
きる。
【0033】空洞は、接合部材8にPbフリーはんだバ
ンプ7より低融点のはんだを用いた場合、低融点はんだ
のはんだペーストからはんだ実装時に発生するガスによ
り作成する。はんだペーストの種類やはんだ付け時の温
度プロファイルを最適にすることにより、電極部の直径
の1/10以下の大きさの空洞を1つ以上分散させるこ
とができる。
【0034】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、従
来の錫鉛共晶はんだと同等もしくはそれ以下の温度では
んだバンプを接合できるので、はんだ実装時の電子部品
や基板の損傷を防止することができる。
【0035】また、鉛フリーはんだバンプをそれより低
融点のはんだを用いて、鉛フリーはんだと低融点はんだ
の両融点間の適宜温度で接続することにより、鉛フリー
はんだで問題となる電極部とはんだの接合界面での急速
な破壊を防止することができ、熱疲労寿命を向上させる
ことができる。
【0036】これらによって、信頼性の高い半導体装置
を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態を示す半導体装置の断面
図である。
【図2】第1実施形態を示す半導体装置のはんだバンプ
近傍の拡大断面図である。
【図3】従来のはんだバンプ構造と熱疲労破壊箇所を示
した断面図である。
【図4】本発明のはんだバンプ構造と熱疲労破壊箇所を
示した断面図である。
【図5】本発明の第2実施形態を示すはんだバンプ構造
を示す断面図である。
【図6】本発明の第3実施形態を示すはんだバンプ構造
を示す断面図である。
【符号の説明】
1…電子部品(BGA)、2…電子部品(テープBG
A)、3…電子部品(CSP)、4…電子部品(WP
P)、5…電子部品(半導体素子)、6…配線基板、7
…鉛フリーはんだバンプ、8…接合部材、9…電子部
品、10…電子部品の電極、11…配線基板の電極、1
2…粒状の物質、13…粒状の空洞。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H01L 25/07 (72)発明者 曽我 太佐男 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 Fターム(参考) 4M105 AA01 AA14 BB01 FF03

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】鉛フリーはんだバンプと、該鉛フリーはん
    だバンプを有する電子部品と、該電子部品を一つ以上搭
    載した配線基板と、前記鉛フリーはんだバンプと前記配
    線基板を接続する前記鉛フリーはんだバンプとは異なる
    材質の接合部材からなる半導体装置において、 前記接合部材の前記鉛フリーはんだバンプに接している
    側の径が前記接合部材の前記配線基板側の径および前記
    鉛フリーはんだバンプの最大外径より小さいことを特徴
    とする半導体装置。
JP10267696A 1998-09-22 1998-09-22 半導体装置 Pending JP2000101014A (ja)

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Effective date: 20040224