JP2000315707A - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JP2000315707A
JP2000315707A JP11122593A JP12259399A JP2000315707A JP 2000315707 A JP2000315707 A JP 2000315707A JP 11122593 A JP11122593 A JP 11122593A JP 12259399 A JP12259399 A JP 12259399A JP 2000315707 A JP2000315707 A JP 2000315707A
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JP
Japan
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solder bump
lead
solder
electronic component
pad
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JP11122593A
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Japanese (ja)
Inventor
Takeshi Terasaki
健 寺崎
Hideo Miura
英生 三浦
Kiyomi Kojima
清美 小島
Akihiro Yaguchi
昭弘 矢口
Tadayoshi Tanaka
直敬 田中
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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
    • H01L2224/161Disposition
    • H01L2224/16151Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
    • H01L2224/16221Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
    • H01L2224/16225Disposition the bump connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/15Details of package parts other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
    • H01L2924/151Die mounting substrate
    • H01L2924/153Connection portion
    • H01L2924/1531Connection portion the connection portion being formed only on the surface of the substrate opposite to the die mounting surface
    • H01L2924/15311Connection portion the connection portion being formed only on the surface of the substrate opposite to the die mounting surface being a ball array, e.g. BGA

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To accomplish a highly reliable semiconductor device on which the fatigue life of a solder bump can be extended. SOLUTION: The diameter of the area equal to the area of the part, which comes in contact with the pad 9 or the pad 10 of a lead-free solder bump 7, is set as A size and the diameter of the sphere of the cubic volume equal to the cubic volume of the lead-free solder bump 7 is set as B size. In this case, when the A size of the solder bump 7 is formed in the size which is 0.8 to 1.1 times of the B size, the contact surface of the solder bump 7 and the pads 9 and 10 is increased, and the intensity of junction interface is increased. Also, in proportion to the A-size becoming larger, it becomes cylindrical shape, the regidity of the solder bump 7 itself becomes higher, and the amount of thermal deformation added to the solder bump 7 becomes small.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、はんだバンプを
用いてプリント基板に電気的かつ機械的に接続される半
導体装置に係り、特に鉛フリーはんだを用いた場合の疲
労寿命向上に好適な半導体装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor device electrically and mechanically connected to a printed circuit board using solder bumps, and more particularly to a semiconductor device suitable for improving fatigue life when using lead-free solder. About.

【0002】[0002]

【従来の技術】はんだバンプを用いて配線基板に電気的
かつ機械的に接続される半導体装置は、例えば、特開昭
62−73639号公報などに開示されている。
2. Description of the Related Art A semiconductor device electrically and mechanically connected to a wiring board by using solder bumps is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-73639.

【0003】従来、電子部品と基板との接続には、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。
[0003] Conventionally, lead-containing solder has been mainly used for connecting electronic components to a substrate. However, there is a concern that lead ions contained in the solder will flow out of the discarded electronic equipment, causing contamination of groundwater veins and rivers, and furthermore, effects on human bodies.

【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生じた。この鉛フリーはんだの材料
としては、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の材料が有力となりつつある。
[0004] Therefore, it has become necessary to perform connection using lead-free solder containing no lead. As a material for this lead-free solder, as a result of studying various aspects such as environmental load, bondability, cost, reliability, etc., based on tin silver eutectic solder, bismuth, copper, Materials having a composition to which indium or the like is added are becoming promising.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述した錫
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、材料が錫鉛共晶はんだより硬く、融
点も40℃程度高くなるため、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、鉛フリーはんだの実装
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。
However, the tin-silver eutectic solder described above has a connection reliability equal to or higher than that of the conventional tin-lead eutectic solder, but the material is harder than the tin-lead eutectic solder and the melting point is also higher. Since the temperature rises by about 40 ° C., heat resistance cannot be secured for some electronic components and wiring boards, and some of them may break down during solder mounting. Therefore, the mounting temperature of the lead-free solder is preferably equal to that of the conventionally used tin-lead eutectic solder.

【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、ビスマス添加量の増加
に伴い材料が硬くかつ脆くなる傾向にあり、低サイクル
疲労寿命および接合界面の接続強度が低下する。
In order to lower the melting point of the tin-silver eutectic solder,
Although the addition of bismuth is effective, the material tends to be hard and brittle with an increase in the amount of bismuth, and the low cycle fatigue life and the connection strength at the bonding interface are reduced.

【0007】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方式では、破壊は、はん
だバンプと電子部品あるいは配線基板上に形成されたパ
ッドとの界面近傍で生じる。
In the mounting method using solder bumps, which has been increasing with the recent increase in the density of electronic components, destruction occurs near the interface between the solder bumps and the pads formed on the electronic component or the wiring board.

【0008】鉛フリーはんだは、材料が従来の錫鉛共晶
はんだに比べて硬く、はんだ母材の強度が界面の強度よ
りも強い場合があるため、従来以上にはんだとパッドの
界面での破壊防止が重要な課題となる。
[0008] Lead-free solder is harder than conventional tin-lead eutectic solder, and the strength of the solder base material may be higher than the strength of the interface. Prevention is an important issue.

【0009】本発明の目的は、はんだバンプの疲労寿命
が向上され、信頼性の高い半導体装置を実現することで
ある。
An object of the present invention is to realize a highly reliable semiconductor device with improved fatigue life of solder bumps.

【0010】[0010]

【発明を解決する手段】上記目的は、鉛フリーはんだバ
ンプの、電子部品および配線基板上に形成されたパッド
と接する部分の面積と鉛フリーはんだバンプの体積の関
係を最適化することによって達成できる。
The above object can be achieved by optimizing the relationship between the area of the lead-free solder bump in contact with the pad formed on the electronic component and the wiring board and the volume of the lead-free solder bump. .

【0011】また、上記目的は、鉛フリーはんだバンプ
と電子部品および配線基板上に形成されたパッドとの接
触角を最適にすることによっても達成することができ
る。
The above object can also be achieved by optimizing a contact angle between a lead-free solder bump and a pad formed on an electronic component or a wiring board.

【0012】つまり、上記目的を達成するため、本発明
は次のように構成される。 (1)はんだバンプと、このはんだバンプを有する電子
部品と、この電子部品を一つ以上搭載した配線基板とを
備える半導体装置において、上記はんだバンプと、上記
電子部品又は上記配線基板上に形成されたパッドと接す
る部分の面積と等しい面積の円の直径が、上記はんだバ
ンプの体積と等しい体積の球の直径の0.8倍以上1.
1倍以下である。
That is, in order to achieve the above object, the present invention is configured as follows. (1) In a semiconductor device including a solder bump, an electronic component having the solder bump, and a wiring board on which one or more of the electronic component is mounted, the semiconductor device is formed on the solder bump, the electronic component, or the wiring board. The diameter of a circle having an area equal to the area of the portion in contact with the pad is 0.8 times or more the diameter of a sphere having a volume equal to the volume of the solder bump.
It is less than 1 time.

【0013】上記特徴により、熱変形に起因してはんだ
バンプとパッドの界面近傍に生じるひずみが低減でき、
はんだバンプの熱疲労破壊を抑制することができる。
[0013] According to the above feature, the distortion generated near the interface between the solder bump and the pad due to thermal deformation can be reduced.
Thermal fatigue damage of the solder bumps can be suppressed.

【0014】(2)はんだバンプと、このはんだバンプ
を有する電子部品と、この電子部品を一つ以上搭載した
配線基板とを備える半導体装置において、上記はんだバ
ンプと、このはんだバンプが接している上記電子部品又
は上記配線基板上に形成されたパッドとの接触角が55
°以上90°以下である。
(2) In a semiconductor device including a solder bump, an electronic component having the solder bump, and a wiring board on which one or more of the electronic component is mounted, the above-mentioned solder bump is in contact with the solder bump. The contact angle with the electronic component or the pad formed on the wiring board is 55
It is not less than 90 ° and not more than 90 °.

【0015】これにより、はんだバンプとパッドの接合
端近傍のひずみ集中を防止することができ、はんだバン
プの疲労破壊を抑制することができる。
Thus, it is possible to prevent the concentration of strain near the joint end between the solder bump and the pad, and to suppress the fatigue breakdown of the solder bump.

【0016】(3)好ましくは、上記(1)又は(2)
において、はんだバンプの材質は鉛フリーはんだであ
る。
(3) Preferably, the above (1) or (2)
, The material of the solder bump is lead-free solder.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて説明する。 (第1実施形態)図1は、本発明による半導体装置の第
1の実施形態である半導体装置の概略断面図である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. (First Embodiment) FIG. 1 is a schematic sectional view of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.

【0018】本発明の第1の実施形態である半導体装置
は、BGA(ボールグリッドアレイ)1、テープBGA
2、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、この鉛フリ
ーはんだバンプ7を介して配線基板6に接続したもので
ある。
The semiconductor device according to the first embodiment of the present invention includes a BGA (ball grid array) 1 and a tape BGA.
2. An electronic component having a lead-free solder bump 7, such as a CSP (chip size package) 3, a WPP (wafer process package) 4, or a semiconductor element 5, connected to a wiring board 6 via the lead-free solder bump 7. It is.

【0019】ここで、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。この合金の融点は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。
Here, the material of the lead-free solder bump 7 is preferably a tin-silver eutectic solder having excellent thermal fatigue characteristics. The melting point of this alloy is about 220 ° C. In order to lower the melting point and improve the wettability, bismuth, indium,
Copper or the like may be added.

【0020】低融点化の点では、錫銀二元系共晶合金に
ビスマスを3%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3%以上、残りが錫およ
び1%以下の微量添加元素である。また、更なる低融点
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。
From the viewpoint of lowering the melting point, an alloy in which bismuth is added to a tin-silver binary eutectic alloy in an amount of 3% or more is preferable. That is, about 1 to 5% of silver, 3% or more of bismuth, and the rest are tin and 1% or less of trace addition elements. In order to further lower the melting point and improve the wettability, indium, copper, and the like may be added.

【0021】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好ま
しくないが、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。
Specifically, Sn-3Ag-5Bi, Sn
-2.8Ag-15Bi, Sn-1Ag-57Bi, etc., which contain a trace addition element of 1% or less. Each melting point is about 210 ° C, about 180
° C, about 140 ° C. Further, although not preferable in view of the influence on the environment, a tin-lead eutectic alloy which is conventionally widely used and has excellent bonding properties and fatigue life characteristics may be used.

【0022】鉛フリーはんだバンプ7の形成方法として
は、鉛フリーはんだをはんだボールやはんだペーストや
メッキなどの方法で電子部品8のパッド9上に供給し、
電子部品全体をリフロー加熱などの方法で、鉛フリーは
んだの融点以上の温度に加熱して作成する。
As a method of forming the lead-free solder bump 7, a lead-free solder is supplied onto the pad 9 of the electronic component 8 by a method such as solder ball, solder paste, or plating.
The entire electronic component is formed by heating to a temperature higher than the melting point of the lead-free solder by a method such as reflow heating.

【0023】電子部品1〜5を鉛フリーはんだバンプ7
により配線基板6に接続する場合、配線基板6のパッド
10に同種の鉛フリーはんだをペーストまたはメッキな
どの手段によって供給する。そして、鉛フリーはんだバ
ンプ7の位置合わせを行い、適当な温度で、鉛フリーは
んだバンプ7と配線基板6とを接続する。
The electronic components 1 to 5 are replaced with lead-free solder bumps 7
When the connection is made to the wiring board 6, the same type of lead-free solder is supplied to the pads 10 of the wiring board 6 by means such as paste or plating. Then, the position of the lead-free solder bump 7 is adjusted, and the lead-free solder bump 7 and the wiring board 6 are connected at an appropriate temperature.

【0024】従って、配線基板6と接続後の鉛フリーは
んだバンプ7の体積は、鉛フリーはんだバンプ7の形成
時に供給されたはんだ量と、接続時にペーストあるいは
メッキなどの手段によってパッド10に供給されたはん
だ量との和となる。
Accordingly, the volume of the lead-free solder bump 7 after connection with the wiring board 6 is supplied to the pad 10 by means such as paste or plating at the time of connection and the amount of solder supplied when the lead-free solder bump 7 is formed. It is the sum of the solder amount.

【0025】配線基板6の材質としては、ガラスエポキ
シ積層基板や、比較的安価な紙フェノール基板などがあ
げられる。また、高密度実装に適したビルトアップ基板
や、はんだ接続信頼性に優れたセラミック基板などもあ
り、配線基板6の材質は、特には限定されるものではな
い。
Examples of the material of the wiring board 6 include a glass epoxy laminated board and a relatively inexpensive paper phenol board. In addition, there are a built-up board suitable for high-density mounting, a ceramic board having excellent solder connection reliability, and the like, and the material of the wiring board 6 is not particularly limited.

【0026】図2は、本発明の第1の実施形態である半
導体装置の鉛フリーはんだバンプ7近傍を拡大した図あ
る。鉛フリーはんだバンプ7は、電子部品8のパッド9
と配線基板6のパッド10とに接続される。電子部品8
および配線基板6のパッド存在面側には配線を保護する
ためのソルダーレジスト11が塗布されている。
FIG. 2 is an enlarged view of the vicinity of the lead-free solder bump 7 of the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. The lead-free solder bumps 7 are connected to the pads 9 of the electronic component 8.
And the pad 10 of the wiring board 6. Electronic components 8
In addition, a solder resist 11 for protecting the wiring is applied on the pad existing surface side of the wiring board 6.

【0027】ソルダーレジスト11の塗布領域やパッド
9、10の大きさにより、はんだバンプ7とパッド9、
10との接続界面近傍の形状は、図2の(a)〜(c)
に示す形となる。電子部品8側と配線基板6側とで、は
んだバンプ7のパッド接続界面近傍の形状が異なってい
ても何ら問題はない。
The solder bumps 7 and the pads 9 and 9 depend on the application area of the solder resist 11 and the size of the pads 9 and 10.
2 (a) to 2 (c) show the shapes in the vicinity of the connection interface with 10.
The shape is shown below. There is no problem even if the shape of the solder bump 7 near the pad connection interface is different between the electronic component 8 side and the wiring board 6 side.

【0028】図2の(a)は、ソルダーレジスト11が
パッド9、10の一部(周縁部)を覆っている場合で、
パッド9、10と配線基板6との接合強度を増加するこ
とができるという利点があるが、はんだバンプ7とパッ
ド9、10との界面の強度はやや弱い。
FIG. 2A shows a case where the solder resist 11 covers a part (peripheral portion) of the pads 9 and 10.
There is an advantage that the bonding strength between the pads 9 and 10 and the wiring board 6 can be increased, but the strength of the interface between the solder bumps 7 and the pads 9 and 10 is somewhat weak.

【0029】図2の(b)は、ソルダーレジスト11が
パッド9、10を覆わず、かつ鉛フリーはんだ7がパッ
ド側面にまで濡れている場合である。パッド側面へのは
んだのぬれにより、はんだバンプ7とパッド9、10と
の界面の強度は強く、疲労寿命は比較的良好である。
FIG. 2B shows a case where the solder resist 11 does not cover the pads 9 and 10, and the lead-free solder 7 is wet to the side surfaces of the pads. Due to the wetting of the solder on the side surfaces of the pads, the strength of the interface between the solder bumps 7 and the pads 9, 10 is high, and the fatigue life is relatively good.

【0030】図2の(c)は、ソルダーレジスト11が
パッド9、10を覆わず、かつ鉛フリーはんだ7がパッ
ド側面にまでは濡れていない場合である。
FIG. 2C shows a case where the solder resist 11 does not cover the pads 9 and 10, and the lead-free solder 7 does not wet the side surfaces of the pads.

【0031】鉛フリーはんだバンプ7のパッド9又は1
0と接する部分の面積と等しい面積の円の直径A(以
下、A寸法と記す)を図2に示す。図2には電子部品8
側しか示していないが、配線基板6側も同様である。
Pad 9 or 1 of lead-free solder bump 7
FIG. 2 shows the diameter A (hereinafter, referred to as A dimension) of a circle having an area equal to the area of the portion in contact with 0. FIG. 2 shows the electronic component 8.
Although only the side is shown, the same applies to the wiring board 6 side.

【0032】図2の(a)の場合、A寸法はソルダーレ
ジスト11の開口径とほぼ等しくなる。図2の(b)の
場合は、A寸法はパッド9又は10の直径とほぼ等し
い。図2の(c)の場合は、A寸法は、パッド9又は1
0の直径より小となる。
In the case of FIG. 2A, the dimension A is substantially equal to the opening diameter of the solder resist 11. In the case of FIG. 2B, the dimension A is substantially equal to the diameter of the pad 9 or 10. In the case of FIG. 2C, the dimension A is the pad 9 or 1
0 is smaller than the diameter.

【0033】また、鉛フリーはんだバンプ7の体積と等
しい体積の球の直径BをB寸法と定義する。本発明者
が、上述の3種類のバンプ形状(図2の(a)、
(b)、(c))について、実験および数値解析によ
り、鉛フリーはんだバンプの疲労寿命比とA寸法をB寸
法で割った値C(以下、C値と記す)との関係を検討し
た結果を図3に示す。ここで、疲労寿命比とは、各C値
での疲労寿命(電気的な断線が発生する時点)を疲労寿
命の許容値で割った値である。
The diameter B of a sphere having a volume equal to the volume of the lead-free solder bump 7 is defined as B dimension. The present inventor has determined that the above three types of bump shapes (FIG. 2A,
For (b) and (c)), the results of examining the relationship between the fatigue life ratio of the lead-free solder bump and the value C obtained by dividing the A dimension by the B dimension (hereinafter referred to as C value) by experiments and numerical analysis. Is shown in FIG. Here, the fatigue life ratio is a value obtained by dividing the fatigue life at each C value (at the time when electrical disconnection occurs) by the allowable value of the fatigue life.

【0034】上述の3種類のいずれの場合についても、
図3に示すように、A寸法がB寸法の0.8倍以上で、
疲労寿命の許容値を上回ることがわかった。さらに、C
値が0.8以上で、C値の疲労寿命向上の効果が大きく
なることがわかった。
In any of the above three cases,
As shown in FIG. 3, the dimension A is at least 0.8 times the dimension B,
It was found that the fatigue life exceeded the allowable value. Further, C
It was found that when the value was 0.8 or more, the effect of improving the fatigue life of the C value was increased.

【0035】これは、以下の原因の複合効果によるもの
と考えられる。つまり、A寸法が大きくなることによ
り、鉛フリーはんだバンプ7とパッド9、10との接触
面積が増加するため、接合界面の強度が上昇する。
This is considered to be due to a combined effect of the following causes. That is, as the dimension A increases, the contact area between the lead-free solder bump 7 and the pads 9 and 10 increases, so that the strength of the bonding interface increases.

【0036】また、A寸法が大きくなるに従い、A寸法
とはんだバンプ7の最大外径との差が小さくなり、その
形状は、径が大きく高さの低い円柱形状に近づいてい
く。このため、はんだバンプ7自体の剛性が高くなり、
電子部品8や配線基板6が受け持つ熱変形量が増加す
る。その結果、はんだバンプ7に加わる熱変形量が小さ
くなる。
Further, as the dimension A increases, the difference between the dimension A and the maximum outer diameter of the solder bump 7 decreases, and the shape approaches a cylindrical shape having a large diameter and a small height. Therefore, the rigidity of the solder bump 7 itself increases,
The amount of thermal deformation assigned to the electronic component 8 and the wiring board 6 increases. As a result, the amount of thermal deformation applied to the solder bump 7 is reduced.

【0037】電子部品8又は配線基板6のどちらか一方
への応力集中を避けるため、電子部品8側のはんだバン
プ7のA寸法と配線基板6側のA寸法とは等しいことが
望ましい。異なる場合はA寸法のどちらか小さい方がB
寸法の0.8倍以上1.1倍以下であればよい。これ
は、A寸法が大の方より小の方の部分が、先に破壊し易
い傾向にあるので、電子部品8又は配線基板6のどちら
か小さい方のA寸法をB寸法の0.8倍以上1.1倍以
下とするものである。
In order to avoid stress concentration on either the electronic component 8 or the wiring board 6, it is desirable that the A dimension of the solder bump 7 on the electronic component 8 side be equal to the A dimension on the wiring board 6 side. If different, the smaller of the A dimensions is B
What is necessary is just 0.8 times or more and 1.1 times or less of the dimension. This is because the smaller A dimension of the electronic component 8 or the wiring board 6 is smaller than the larger B dimension by 0.8 times the smaller dimension of the electronic component 8 or the wiring board 6 because the smaller dimension of the electronic component 8 tends to be broken first. At least 1.1 times.

【0038】なお、A寸法がB寸法の1.1倍より大き
い場合、はんだ供給量が少ないため、良好な形状のバン
プが形成されないことが、本発明者の検討で明らかとな
っている。
The present inventor has clarified that when the dimension A is larger than 1.1 times the dimension B, the amount of solder supplied is small, so that a bump having a good shape cannot be formed.

【0039】以上のように、本発明の第1の実施形態に
よれば、はんだバンプ7のA寸法をB寸法の0.8倍以
上1.1倍以下となるように形成したので、はんだバン
プ7とパッド9、10との接触面積が増加し、接合界面
の強度が上昇する。また、A寸法が大きくなるに従い、
円柱形状に近づき、はんだバンプ7自体の剛性が高くな
り、はんだバンプ7に加わる熱変形量が小さくなる。
As described above, according to the first embodiment of the present invention, the solder bump 7 is formed so that the dimension A is 0.8 times or more and 1.1 times or less the dimension B. The contact area between the pad 7 and the pads 9 and 10 increases, and the strength of the bonding interface increases. Also, as the A dimension increases,
As the shape approaches the column shape, the rigidity of the solder bump 7 itself increases, and the amount of thermal deformation applied to the solder bump 7 decreases.

【0040】したがって、はんだバンプの疲労寿命が向
上され、信頼性の高い半導体装置を実現することができ
る。
Therefore, the fatigue life of the solder bump is improved, and a highly reliable semiconductor device can be realized.

【0041】(第2実施形態)図4は、本発明の第2の
実施形態である半導体装置の要部断面図である。この図
4に示す要部は、はんだバンプ7の形状が、図2の
(c)と同様であるが、はんだバンプ7とパッド9、1
0との接触角が55°以上90°以下であることが特徴
である。
(Second Embodiment) FIG. 4 is a sectional view of a main part of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention. The main part shown in FIG. 4 has the same shape of the solder bump 7 as that of FIG.
It is characterized in that the contact angle with 0 is 55 ° or more and 90 ° or less.

【0042】ここで、はんだバンプ7とパッド9、10
との接触角は、図4に示すように、鉛フリーはんだバン
プ7とパッド9またはパッド10との接合端から50ミ
クロン離れた場所で定義する。つまり、はんだバンプ7
とパッド9またはパッド10との接合端Oを中心とする
半径0.05mmの円がパッド9又は10の表面と接す
る点をα、上記円がはんだバンプ7と接する点をβとす
れば、直線O−αと直線O−βとのなす角度を接触角と
定義する。
Here, the solder bumps 7 and the pads 9, 10
As shown in FIG. 4, the contact angle is defined at a position 50 μm away from the joint end between the lead-free solder bump 7 and the pad 9 or the pad 10. That is, the solder bump 7
If the point where a circle having a radius of 0.05 mm centered on the joint end O between the pad 9 and the pad 9 contacts the surface of the pad 9 or 10 is α, and the point where the circle contacts the solder bump 7 is β, a straight line is obtained. The angle between O-α and the straight line O-β is defined as a contact angle.

【0043】図5は、本発明者らが実験および解析によ
り明らかにした疲労寿命比と上記接触角との関係を示す
グラフである。ここで、疲労寿命比とは、各接触角での
疲労寿命を疲労寿命の許容値で割った値である。
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the fatigue life ratio and the above-mentioned contact angle, which were clarified by experiments and analysis by the present inventors. Here, the fatigue life ratio is a value obtained by dividing the fatigue life at each contact angle by the allowable value of the fatigue life.

【0044】接合端は応力特異場であり、その特異性は
接触角に依存する。しかし、鉛フリーはんだのような塑
性変形を起こしやすい材料に関しては、応力特異性の接
触角依存性が明らかではなかった。
The joint end is a stress singular field, and its singularity depends on the contact angle. However, the contact angle dependence of the stress singularity was not clear for a material such as lead-free solder which is liable to undergo plastic deformation.

【0045】本発明者の検討により、図5に示すよう
に、鉛フリーはんだの場合、接触角が55°以上で特異
性が小さくなり、疲労寿命の許容値を上回ることが明ら
かとなった。さらに、接触角が55°以上で、接触角の
疲労寿命向上の効果が大きくなっていくことが判明し
た。
As shown in FIG. 5, the study by the present inventor has revealed that in the case of lead-free solder, the specificity is reduced when the contact angle is 55 ° or more, and exceeds the allowable fatigue life. Further, it has been found that when the contact angle is 55 ° or more, the effect of improving the fatigue life of the contact angle increases.

【0046】ここで、接触角が90°以上の場合、接合
端のひずみ集中は小さいので、疲労寿命の点では好まし
いが、一般的に行われるはんだ接合プロセスでは実現は
困難である。
Here, when the contact angle is 90 ° or more, since the strain concentration at the joint end is small, it is preferable from the viewpoint of fatigue life, but it is difficult to realize by a generally performed solder joint process.

【0047】以上のことから、鉛フリーはんだバンプの
疲労寿命向上に好適な接触角は55°以上90°以下と
なる。
As described above, the contact angle suitable for improving the fatigue life of the lead-free solder bump is 55 ° or more and 90 ° or less.

【0048】以上のように、本発明の第2の実施形態に
よれば、はんだバンプ7とパッド9、10との接触角を
55°以上90°以下となるように形成したので、はん
だバンプの疲労寿命が向上され、信頼性の高い半導体装
置を実現することができる。
As described above, according to the second embodiment of the present invention, since the contact angle between the solder bump 7 and the pads 9 and 10 is formed to be 55 ° or more and 90 ° or less, the solder bump The fatigue life is improved, and a highly reliable semiconductor device can be realized.

【0049】なお、上述した本発明第1の実施形態及び
第2の実施形態におけるはんだバンプ7の形状は、はん
だ供給量、バンプ押し付け荷重、ソルダーレジスト開口
径、パッド径などを最適化することにより実現できる。
はんだバンプ7の形状は、主に溶融はんだの表面張力と
バンプ7に加わる外力との釣り合いで決定される。
The shape of the solder bumps 7 in the first and second embodiments of the present invention is determined by optimizing the amount of solder supplied, the bump pressing load, the solder resist opening diameter, the pad diameter, and the like. realizable.
The shape of the solder bump 7 is determined mainly by the balance between the surface tension of the molten solder and the external force applied to the bump 7.

【0050】したがって、液体の表面張力解析を基礎と
したとした解析によりはんだバンプ形状を予測すること
ができる。この解析技術については、下記の文献に記載
されている。 文献1、Wassink, R.J.,竹本他訳、ソルダリング イン
エレクトロニクス、第2章、(1986)、日刊工業
新聞社。 文献2、Borgesen, P., et al., Mechanical Design Co
nsideration for AreaArray Solder Joints: IEEE Tran
sactions on Components, Hybrids and Manufacturing
Technology, Vol.16, No. 5, 523(1993)。
Therefore, the shape of the solder bump can be predicted by an analysis based on the surface tension analysis of the liquid. This analysis technique is described in the following literature. Reference 1, Wassink, RJ, Takemoto et al., Soldering in Electronics, Chapter 2, (1986), Nikkan Kogyo Shimbun. Reference 2, Borgesen, P., et al., Mechanical Design Co
nsideration for AreaArray Solder Joints: IEEE Tran
sactions on Components, Hybrids and Manufacturing
Technology, Vol. 16, No. 5, 523 (1993).

【0051】また、上述した本発明の第1の実施形態と
第2の実施形態とを組み合わせた形状、つまり、鉛フリ
ーはんだバンプと前記電子部品および前記配線基板上に
形成されたパッドと接する部分の面積と等しい面積の円
の直径が、前記鉛フリーはんだバンプの体積と等しい体
積の球の直径の0.8倍以上1.1倍以下であり、か
つ、はんだバンプとパッドとの接触角を55°以上90
°以下とすることもできる。
Further, the shape obtained by combining the first and second embodiments of the present invention described above, that is, a portion in contact with the lead-free solder bump and the electronic component and the pad formed on the wiring board. The diameter of a circle having an area equal to the area of the ball is 0.8 to 1.1 times the diameter of a sphere having a volume equal to the volume of the lead-free solder bump, and the contact angle between the solder bump and the pad is 55 ° or more 90
° or less.

【0052】さらに、上述した例は、本発明を鉛フリー
はんだに適用した場合の例であるが、本発明を鉛入りの
はんだに適用することも可能であり、その疲労寿命を向
上させることができる。
Further, the above-described example is an example in which the present invention is applied to lead-free solder. However, the present invention can be applied to lead-containing solder, and the fatigue life can be improved. it can.

【0053】[0053]

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、は
んだバンプの体積と、はんだバンプと電子部品および配
線基板上に形成されたパッドと接する部分の面積を最適
化することにより、はんだバンプの疲労寿命向上をコス
トアップ無しで実現することができる。
As described above, according to the present invention, by optimizing the volume of the solder bump and the area of the portion in contact with the pad formed on the electronic component and the wiring board, the solder bump is improved. It is possible to improve the fatigue life of the bump without increasing the cost.

【0054】また、はんだバンプと電子部品および配線
基板上に形成されたパッドとの接触角を最適化すること
により、疲労寿命を向上させることができる。
Further, the fatigue life can be improved by optimizing the contact angle between the solder bump and the pad formed on the electronic component and the wiring board.

【0055】これらによって、はんだバンプの疲労寿命
が向上され、信頼性の高い半導体装置を実現することが
できる。
As a result, the fatigue life of the solder bump is improved, and a highly reliable semiconductor device can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1実施形態である半導体装置の概略
断面図である。
FIG. 1 is a schematic sectional view of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】第1の実施形態である半導体装置のはんだバン
プ近傍の拡大図である。
FIG. 2 is an enlarged view near a solder bump of the semiconductor device according to the first embodiment;

【図3】鉛フリーはんだバンプのパッドと接する面積と
鉛フリーはんだバンプの体積との関係が疲労寿命に及ぼ
す影響を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing the effect of the relationship between the area of a lead-free solder bump in contact with a pad and the volume of the lead-free solder bump on fatigue life.

【図4】本発明の第2実施形態である半導体装置のはん
だバンプ構造を示す断面図である。
FIG. 4 is a sectional view showing a solder bump structure of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.

【図5】鉛フリーはんだバンプとパッドの接触角とが疲
労寿命に及ぼす影響を示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing the effect of a contact angle between a lead-free solder bump and a pad on fatigue life.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 電子部品(BGA) 2 電子部品(テープBGA) 3 電子部品(CSP) 4 電子部品(WPP) 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 電子部品 9 電子部品のパッド 10 配線基板のパッド 11 ソルダーレジスト REFERENCE SIGNS LIST 1 electronic component (BGA) 2 electronic component (tape BGA) 3 electronic component (CSP) 4 electronic component (WPP) 5 electronic component (semiconductor element) 6 wiring board 7 lead-free solder bump 8 electronic component 9 electronic component pad 10 wiring Substrate pad 11 Solder resist

フロントページの続き (72)発明者 小島 清美 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 矢口 昭弘 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 田中 直敬 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 Fターム(参考) 5F044 KK01 KK11 LL01 QQ02 RR01Continuing from the front page (72) Inventor Kiyomi Kojima 502, Kandachicho, Tsuchiura-shi, Ibaraki Pref. Machinery Research Laboratories, Hitachi, Ltd. (72) Inventor Naotaka Tanaka 502 Kandachi-cho, Tsuchiura-shi, Ibaraki F-term in Machinery Research Laboratory, Hitachi, Ltd. (Reference) 5F044 KK01 KK11 LL01 QQ02 RR01

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】はんだバンプと、このはんだバンプを有す
る電子部品と、この電子部品を一つ以上搭載した配線基
板とを備える半導体装置において、 上記はんだバンプと、上記電子部品又は上記配線基板上
に形成されたパッドと接する部分の面積と等しい面積の
円の直径が、上記はんだバンプの体積と等しい体積の球
の直径の0.8倍以上1.1倍以下であることを特徴と
する半導体装置。
1. A semiconductor device comprising: a solder bump; an electronic component having the solder bump; and a wiring board on which one or more of the electronic component is mounted. A semiconductor device, wherein a diameter of a circle having an area equal to an area of a portion in contact with a formed pad is 0.8 to 1.1 times a diameter of a sphere having a volume equal to the volume of the solder bump. .
【請求項2】はんだバンプと、このはんだバンプを有す
る電子部品と、この電子部品を一つ以上搭載した配線基
板とを備える半導体装置において、 上記はんだバンプと、このはんだバンプが接している上
記電子部品又は上記配線基板上に形成されたパッドとの
接触角が55°以上90°以下であることを特徴とする
半導体装置。
2. A semiconductor device comprising a solder bump, an electronic component having the solder bump, and a wiring board on which one or more of the electronic component is mounted, wherein the solder bump is in contact with the electronic component. A semiconductor device, wherein a contact angle with a component or a pad formed on the wiring board is 55 ° or more and 90 ° or less.
【請求項3】請求項1又は2記載の半導体装置におい
て、はんだバンプの材質は鉛フリーはんだであることを
特徴とする半導体装置。
3. The semiconductor device according to claim 1, wherein the material of the solder bump is a lead-free solder.
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