JP2001237259A - ハンダ合金、回路基板、半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

ハンダ合金、回路基板、半導体装置及びその製造方法

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JP2001237259A JP2000044827A JP2000044827A JP2001237259A JP 2001237259 A JP2001237259 A JP 2001237259A JP 2000044827 A JP2000044827 A JP 2000044827A JP 2000044827 A JP2000044827 A JP 2000044827A JP 2001237259 A JP2001237259 A JP 2001237259A
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solder
alloy
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Kozo Shimizu
浩三 清水
Masayuki Ochiai
正行 落合
Yasuo Yamagishi
康男 山岸
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Fujitsu Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 Ｐｂフリー化に対応してＳｎを主体としたハ
ンダ合金でフリップチップ接合を行うにあたり、回路基
板上に半導体素子を接合した際のハンダ合金に生じる針
状の突起物の発生を防止し、且つα線によるソフトエラ
ーを抑止する。 【解決手段】 本発明は、回路基板上に半導体素子をハ
ンダ合金からなるバンプにより接合する半導体装置を主
な対象とする。ここで、ハンダ合金は、Ｓｎ−Ａｇ系合
金であり、Ｓｎの含有量が９０（ｗｔ％）以上で且つＳ
ｎ中のα線量が０．０１（ｃｐｈ／cm2）以下であると
ともに、Ａｇの含有量が１．５（ｗｔ％）〜２．８（ｗ
ｔ％）の範囲内にあるものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ハンダ合金、当該
ハンダ合金を用いて半導体素子のベアチップをフリップ
チップ実装して構成される回路基板、半導体装置及びそ
の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年では、電子部品の高密度実装化に伴
い、入出力端子数の多端子化及び端子間のピッチの微細
化が進行し、半導体素子と基板の接合方法としては、ワ
イヤボンディング法に代わって、極めて配線長が短く一
括接合が可能なフリップチップ接合方法が主流となって
いる。
【０００３】フリップチップ接合では、ハンダバンプを
介して半導体素子と基板を直接接合している。この場
合、接合に用いられるハンダ材料として、これまでＰｂ
−Ｓｎ系の合金が多く使用されていた。
【０００４】しかしながら、Ｐｂは複数の同位体が存在
し、それら同位体はウラン（Ｕ）、トリウム（Ｔｈ）の
崩壊系列中の中間生成物あるいは最終生成物であり、崩
壊系列にはＨｅ原子を放出するα崩壊を伴うことから、
ハンダ中のＰｂよりα線を生じる。そして、そのα線が
半導体素子（例えば、ＣＭＯＳ素子）に到達してソフト
エラーを発生することが近年報告されている、また、Ｐ
ｂは土壌に流出すると酸性となって溶け出し環境に悪影
響を及ぼすことがわかっており、環境保護の面からもＰ
ｂを使わないハンダ材料が強く求められている。
【０００５】そこで、Ｐｂ系に代わるハンダ材料とし
て、放射性不純物の比較的少ないＳｎを主成分としたハ
ンダ材料が使われ始めている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】Ｓｎを主成分としたハ
ンダ材料、特に共晶組成であるＳｎ−３．５％Ａｇ、融
点：２２１℃のものとしては、これまで一般的に使われ
ていたＳｎ−Ｐｂ共晶ハンダ（融点：１８３℃）に比べ
て融点が比較的近いことから、最近よく使われ始めてき
ている、このハンダ材料は電極材料のやＣｕとの反応速
度（拡散性）が速く、通常の半導体素子または回路基板
に設けられる電極の膜構成ではバンプ欠け等の不良を生
じるなどの問題点を有していたが、電極の膜構成、膜厚
及び製膜条件等を工夫することによって信頼性を確保し
てきている。
【０００７】しかしながら、Ｓｎ−Ａｇ系のハンダ材料
は、諸々の有害性をもつ放射性不純物が極めて少ないと
いう利点を有する反面、以下に示すような問題がある。
この問題は、近年における半導体装置に対する小型化の
要請から、半導体素子の更なる高集積化が進みつつある
という事情と密接な関連性がある。
【０００８】Ｓｎ−Ａｇ系のハンダ合金においては、ハ
ンダ付けプロセス中に図７に示すような針状の突起物が
発生することが光学顕微鏡で観察確認されている。これ
らの針状の突起物は最大長が２００（μm）〜３００
（μm）に達することから、ピッチサイズが２００（μ
m）以下といった微細なハンダ接合部位にこれら針状の
突起物が発生すると、隣接したハンダバンプと接触した
り、その突起物が発端となってイオンマイグレーション
等を引き起こし、その結果、ショート等の不良が発生し
て、接合信頼性が低下するといった問題がある。
【０００９】更に、半導体素子の高集積化に伴い、α線
によるソフトエラー発生を防止するため材料中のα線に
対する要求仕様も益々厳しくなり、α線量の低いＳｎを
用いる必要がある。この場合、低α線量のＳｎは高純度
であるために不純物が少なく、ハンダ合金が溶融凝固す
る過程において凝固の核が少ない。従って、この少ない
核に周囲の合金の融液が付着して結晶成長が発生する。
その結果、低純度のＳｎに比べて大きな針状の突起物が
頻発し易い傾向にある。
【００１０】他方、低純度のＳｎを用いる場合には、凝
固の核が多く存在しその核に合金の融液が付着するが、
基本の核数が多いために大きく成長することなく比較的
微細なグレインサイズに留まる。
【００１１】本発明は、前記課題に鑑みてなされたもの
であり、Ｐｂフリー化に対応してＳｎを主体としたハン
ダ合金でフリップチップ接合を行うにあたり、ファイン
ピッチ化に伴うソフトエラーの頻発に対応するために、
回路基板上に半導体素子を接合した際のハンダ合金に生
じる針状の突起物の発生を防止し、絶縁抵抗の低下を来
すことなく長疲労寿命であり、且つα線によるソフトエ
ラーを起こすことのないハンダ合金、これを用いた回路
基板、半導体装置及びその製造方法を提供することを目
的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、鋭意検討
の結果、以下に示す発明の諸態様に想到した。
【００１３】第１の態様は、Ｓｎ−Ａｇ系合金であるハ
ンダ合金を対象とする。当該ハンダ合金は、Ｓｎの含有
量が９０（ｗｔ％）以上で且つＳｎ中のα線量が０．０
１（ｃｐｈ／cm2）以下であるとともに、Ａｇの含有量
が１．５（ｗｔ％）〜２．８（ｗｔ％）の範囲内にある
ものである。
【００１４】第２の態様は、前記第１の態様の前記ハン
ダ合金を用いて、回路基板上に半導体素子を接合してな
る半導体装置である。
【００１５】ここで、前記ハンダ合金は、添加元素とし
てＣｕ，Ｚｎ，Ｉｎ，Ｓｂ，Ｂｉのうち少なくとも１種
類を含む組成とすることが好適である。
【００１６】更に、前記半導体素子と前記回路基板を前
記バンプによる１０００個所以上の端子間で接合するこ
とが好適である。
【００１７】第３の態様は、複数の半導体素子がそれぞ
れハンダ合金からなるバンプにより接合されてなる回路
基板であって、前記ハンダ合金は、Ｓｎ−Ａｇ系合金で
あり、Ｓｎの含有量が９０（ｗｔ％）以上で且つＳｎ中
のα線量が０．０１（ｃｐｈ／cm2）以下であるととも
に、Ａｇの含有量が１．５（ｗｔ％）〜２．８（ｗｔ
％）の範囲内にある。
【００１８】第４の態様は、前記第１の態様の前記ハン
ダ合金を用いて、回路基板上に半導体素子を接合してな
る半導体装置の製造方法である。
【００１９】
【作用】本発明では、Ａｇの含有量が９０（ｗｔ％）以
上のＳｎ−Ａｇ系合金であるハンダ合金において、Ｓｎ
中のα線量が０．０１（ｃｐｈ／cm2）以下とすること
を前提とし、Ａｇの組成を１．５（ｗｔ％）〜２．８
（ｗｔ％）の低濃度に限定することにより、以下のよう
な作用効果が期待される。
【００２０】Ｓｎ−Ａｇ系（特にＳｎ−３．５（ｗｔ
％）Ａｇ近傍の合金）合金は、Ｓｎを主成分とした場
合、（図１参照）溶融中はＳｎ及びＡｇ3Ｓｎの２相で
構成される。Ｓｎ−Ａｇ系に発生しがちな針状の突起物
は、Ｘ線回折等の分析結果よりＡｇ3Ｓｎ5であることが
判明しており、このことから、Ａｇの重量比が３．５
（ｗｔ％）より多い場合、ハンダ合金は液相から固相に
変わる際はＡｇ3Ｓｎが徐々に析出する状態となること
が推定され、従ってその結晶が成長することによって、
ハンダ合金のバンプ径よりも大きな突起物を生じる。
【００２１】そこで、Ａｇの組成を３．５（ｗｔ％）か
ら減少させることにより、固液混合状態の場合ではＳｎ
と液相の状態で存在して、ハンダ合金の温度の低下とと
もにＳｎ相とＡｇ3Ｓｎが同時に凝固析出する。この時
の冷却過程では、結晶成長の核となる比較的大きなＡｇ
3Ｓｎ5の存在割合は共晶組成（３．５（ｗｔ％）Ａｇ）
以上の場合と比較すると明らかに低いことから、針状の
突起物の成長する確率は極めて小さいことがわかる。
【００２２】上記の結果を基づき、Ａｇ組成の具体的な
適正範囲を考察する。
【００２３】Ｓｎ−Ａｇ系のハンダ合金で接合を行った
際に、電極材料のＡｕ，Ｎｉ及びＣｕ等とＳｎが反応し
てそれぞれ金属化合物を形成し（図２参照）、ハンダ合
金中のＳｎ成分が減少する。その減少量を確率的に算出
したところ（図３参照）、２．８（ｗｔ％）となり、上
記の結果を踏まえれば、この値をもってＡｇ組成の適正
上限値とするのが妥当である。
【００２４】また、Ａｇの下限値については、Ａｇの組
成比が１．５（ｗｔ％）以上あれば、Ｓｎ単相時に１３
℃以下の温度で発生する可能性のあるβ−Ｓｎからα−
Ｓｎ（スズペスト）への変態を防止するには、Ａｇの含
有量を１．５（ｗｔ％）以上とする必要があり（表１,
２参照）、この値をもってＡｇ組成の適正下限値とする
のが妥当である。
【００２５】そして、Ｓｎ中におけるα線量の低減化の
要請を考慮するに、例えばトランジスタのゲート長を
０．２（μｍ）以下とする場合に対応するには、当該α
線量を０．０１（ｃｐｈ／cm2）以下とする必要があ
る。Ａｇの含有量が例えば３．５（ｗｔ％）であれば、
当該α線量を低くすることにより針状の突起物が発生す
るが、Ａｇの含有量を上記の範囲とすることにより、当
該突起物の発生が抑止される（表１,２参照）。
【００２６】以上の考察結果から、Ｓｎ,Ａｇの含有量
及びＳｎ中のα線量を前記適正値とすれば、例えば回路
基板上に半導体素子を接合した際のハンダ合金に生じる
針状の突起物の発生を防止し、絶縁抵抗の低下を来すこ
となく長疲労寿命であり、且つα線によるソフトエラー
を起こすことのないハンダ合金が実現する。
【００２７】
【発明の実施の形態】以下、本発明を適用した好適な実
施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２８】本実施形態では、本発明のハンダ合金を用
いてフリップチップ接合法により構成される半導体装置
（回路基板）をその製造方法と共に説明する。図４は、
本実施形態の製造方法を工程順に示す概略断面図であ
る。この製造方法は、いわゆるディンプルプレート法と
称される手法である。
【００２９】先ず、図４（ａ）に示すように、表面にＣ
ＭＯＳトランジスタ等の所望の半導体素子が形成されて
なるシリコン基板１において、前記半導体素子の膜厚
０．１（μm）程度のＡｌ電極上にＴｉをスパッタ法に
より膜厚０．１（μm）程度、Ｎｉを電解メッキ法によ
り膜厚３（μm）程度に順次成膜し、各電極層２を形成
する。ここでは、電極層２の個数としては１０００以上
の場合を主な対象としている。
【００３０】続いて、図４（ｂ）に示すように、ディン
プルプレート３の表面に、シリコン基板１の各電極層２
に対応するように各溝４を形成する。
【００３１】続いて、図４（ｃ）に示すように、ディン
プルプレート３の各溝４内をハンダ合金粉末及びフラッ
クスを含有するペースト８で充填する。ここで、ハンダ
合金は、Ｓｎ−Ａｇ系合金であり、Ｓｎの含有量が９０
（ｗｔ％）以上で且つＳｎ中のα線量が０．０１（ｃｐ
ｈ／cm2）以下であるとともに、Ａｇの含有量が１．５
（ｗｔ％）〜２．８（ｗｔ％）の範囲内にあるものであ
る。このハンダ合金は、添加元素としてＣｕ，Ｚｎ，Ｉ
ｎ，Ｓｂ，Ｂｉのうち少なくとも１種類を含む組成とす
ることが好適である。
【００３２】続いて、図４（ｄ）に示すように、ディン
プルプレート３をハンダ合金の融点以上の所定温度で加
熱する。このとき、ペースト８のハンダ合金粉末が融解
し、フラックスの作用により一体化して球状となり、各
溝４内で当該ハンダ合金からなるハンダボール５が形成
される。
【００３３】続いて、図４（ｅ）に示すように、シリコ
ン基板１上の各電極層２にハンダボール５が対応するよ
うにディンプルプレート３をシリコン基板１に対して位
置合わせし、ハンダボール５を電極層２上に転写する。
【００３４】続いて、図４（ｆ）に示すように、ディン
プルプレート３をシリコン基板１から除去することによ
り、シリコン基板１の各電極層２上に前記ハンダ合金か
らなるハンダバンプ６が形成される。このときの各ハン
ダバンプ６近傍の様子を図５に示す。
【００３５】続いて、図４（ｇ）に示すように、回路基
板７上の所定部位に各ハンダバンプ６が対応するように
シリコン基板１を回路基板７に対して位置合わせし、ハ
ンダバンプ６によりシリコン基板１と回路基板７を接合
し、フリップチップ接合体１１を作製する。
【００３６】しかる後、フリップチップ接合体１１の樹
脂を用いた封止などの諸々の後処理を行い、半導体装置
を完成させる。
【００３７】
【実施例】以下、上述した本実施形態により製造される
半導体装置のハンダバンプについての各種機能を更に詳
細に検討する。
【００３８】本実施例では、図４（図５）の製造工程に
用いたハンダ合金において、Ａｇの含有量、Ｓｎ中のα
線量をそれぞれ変え、針状の突起物の発生状況、ＰＣ
Ｔ、熱サイクル、ソフトエラー発生率、βＳｎからαＳ
ｎへの変態についてそれぞれ調べた。
【００３９】図６にはＳｎ中のα線量とソフトエラー発
生率との関係を調べた測定結果を、更に表１,２にハン
ダ材料の組成、突起物の発生状況、ＰＣＴ、熱サイクル
試験及びソフトエラー発生率等の測定結果をそれぞれ示
す。
【００４０】
【表１】
【００４１】
【表２】
【００４２】ここで、ハンダバンプ６の個数について
は、２０００バンプ,８０００バンプの２種類のシリコ
ン基板を用意し、ハンダ合金のＳｎ中におけるα線量
は、表１に示すように、１．０（ｃｐｈ／cm2）、０．
１（ｃｐｈ／cm2）、及び０．０１（ｃｐｈ／cm2）以下
の３種類、ハンダ合金中のＡｇの含有量は、０．１（ｗ
ｔ％）〜５．０（ｗｔ％）までの範囲について調べた。
従って、シリコン基板のサンプル数は、表１に示すよう
に、ハンダ合金が不純物を含むものも算入して２０００
バンプ,８０００バンプの各々について２５種類とし
た。
【００４３】各サンプルについて、光学顕微鏡により針
状結晶の有無を観察した。その結果、Ｓｎ−３．５（ｗ
ｔ％）Ａｇの組成で発生率２％（１つの半導体素子あた
り数十個）の割合で観察された針状の突起物を、１．５
（ｗｔ％）〜２．８（ｗｔ％）ＡｇのＡｇ組成において
完全に防止することができた。Ｃｕ，Ｚｎ，Ｉｎ，Ｂ
ｉ，Ｓｂを混合した７−４〜７−８の各サンプルにおい
ても当該突起物は発生しない。更に、１０００バンプを
超える高密度のバンプ実装においても針状の突起物は発
生しないことも確認できた。
【００４４】また、Ｓｎ中のα線量と突起物形状の発生
率の関係も併せて表１に記載する。Ｓｎ−３．５（ｗｔ
％）Ａｇの組成において、Ｓｎ中のα線量を１．０→
０．１→０．０１（ｃｐｈ／cm2）のように徐々に低く
すると針状の突起物の発生する割合が上昇してゆくこと
がわかる。しかし、Ａｇの組成比を２．８（ｗｔ％）以
下とすることでα線量を低くしても針状の突起物は発生
しない。
【００４５】実際に、図４の製造方法にしたがって半導
体素子と回路基板とのフリップチップ接合体を作製し、
１２５℃，８５％ＲＨ，５Ｖの印可電圧の各条件でＰＣ
Ｔ試験を実施した結果、１００時間以上の絶縁性を確保
できた。また、同様のフリップチップ接合体を用いて１
２５℃で３０分、−５５℃で３０分の各条件で熱サイク
ル試験を行った結果、２００サイクル以上の十分な長疲
労寿命を確認した。
【００４６】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、Ｐｂフリー化に対応してＳｎを主体としたハンダ合
金でフリップチップ接合を行うにあたり、ファインピッ
チ化に伴うソフトエラーの頻発に対応するために、回路
基板上に半導体素子を接合した際のハンダ合金に生じる
針状の突起物の発生を防止し、絶縁抵抗の低下を来すこ
となく長疲労寿命であり、且つα線によるソフトエラー
の発生を起こすことのないハンダ合金、これを用いた半
導体装置及びその製造方法が実現する。
【００４７】
【発明の効果】本発明のハンダ合金によれば、Ｐｂフリ
ー化に対応してＳｎを主体としたハンダ材料で構成し、
バンプに生じがちな針状の突起物の発生を防止でき、且
つα線の発生を抑止することが可能となる。
【００４８】そして、前記ハンダ合金を用いてフリップ
チップ接合を行うにあたり、ファインピッチ化に伴うソ
フトエラーの頻発に対応して、バンプに生じがちな針状
の突起物の発生を防止でき、絶縁抵抗の低下を来すこと
なく長疲労寿命であり、且つα線によるソフトエラーを
起こすことのない半導体装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｓｎ−Ａｇ系合金の状態図である。
【図２】電極材料とハンダ合金中のＳｎとが界面で反応
して形成された金属化合物の顕微鏡写真である。
【図３】Ｓｎ−Ａｇ系のハンダ合金におけるＡｇの含有
率と針状突起物発生率との関係を示す特性図である。
【図４】本実施形態のフリップチップ接合法による半導
体装置の製造方法を工程順に示す概略断面図である。
【図５】形成されたハンダバンプ近傍の様子を拡大して
示す概略断面図である。
【図６】Ｓｎ−Ａｇ系のハンダ合金におけるＳｎ中のα
線量とソフトエラー発生率との関係を調べた測定結果を
示す特性図である。
【図７】Ｓｎ−Ａｇ系のハンダ合金に発生した針状の突
起物を示す顕微鏡写真である。
【符号の説明】
１ シリコン基板 ２ 電極層 ３ ディンプルプレート ４ 溝 ５ ハンダボール ６ ハンダバンプ ７ 回路基板 ８ ペースト １１ フリップチップ接合体
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山岸 康男 神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番 １号 富士通株式会社内 Ｆターム(参考） 5F044 KK18 KK19 QQ03 QQ04

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 回路基板上に半導体素子をハンダ合金か
    らなるバンプにより接合する半導体装置であって、 前記ハンダ合金は、Ｓｎ−Ａｇ系合金であり、Ｓｎの含
    有量が９０（ｗｔ％）以上で且つＳｎ中のα線量が０．
    ０１（ｃｐｈ／cm2）以下であるとともに、Ａｇの含有
    量が１．５（ｗｔ％）〜２．８（ｗｔ％）の範囲内にあ
    ることを特徴とする半導体装置。
  2. 【請求項２】 前記半導体素子と前記回路基板を前記バ
    ンプによる１０００個所以上の端子間で接合することを
    特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
  3. 【請求項３】 複数の半導体素子がそれぞれハンダ合金
    からなるバンプにより接合されてなる回路基板であっ
    て、 前記ハンダ合金は、Ｓｎ−Ａｇ系合金であり、Ｓｎの含
    有量が９０（ｗｔ％）以上で且つＳｎ中のα線量が０．
    ０１（ｃｐｈ／cm2）以下であるとともに、Ａｇの含有
    量が１．５（ｗｔ％）〜２．８（ｗｔ％）の範囲内にあ
    ることを特徴とする回路基板。
  4. 【請求項４】 前記ハンダ合金は、添加元素としてＣ
    ｕ，Ｚｎ，Ｉｎ，Ｓｂ，Ｂｉのうち少なくとも１種類を
    含む組成であることを特徴とする請求項１に記載の半導
    体装置。
  5. 【請求項５】 回路基板上に半導体素子をハンダ合金か
    らなるバンプにより接合する半導体装置の製造方法にお
    いて、 前記ハンダ合金は、Ｓｎ−Ａｇ系合金であり、Ｓｎの含
    有量が９０（ｗｔ％）以上で且つＳｎ中のα線量が０．
    ０１（ｃｐｈ／cm2）以下であるとともに、Ａｇの含有
    量が１．５（ｗｔ％）〜２．８（ｗｔ％）の範囲内にあ
    ることを特徴とする半導体装置の製造方法。
  6. 【請求項６】 Ｓｎ−Ａｇ系合金であり、Ｓｎの含有量
    が９０（ｗｔ％）以上で且つＳｎ中のα線量が０．０１
    （ｃｐｈ／cm2）以下であるとともに、Ａｇの含有量が
    １．５（ｗｔ％）〜２．８（ｗｔ％）の範囲内にあるこ
    とを特徴とするハンダ合金。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012216616A (ja) * 2011-03-31 2012-11-08 Internatl Business Mach Corp <Ibm> 半導体接合装置
JP5408401B1 (ja) * 2013-06-19 2014-02-05 千住金属工業株式会社 Ｃｕ核ボール

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7012333B2 (en) * 2002-12-26 2006-03-14 Ebara Corporation Lead free bump and method of forming the same
US7070088B2 (en) * 2004-03-09 2006-07-04 Texas Instruments Incorporated Method of semiconductor device assembly including fatigue-resistant ternary solder alloy
KR100902163B1 (ko) * 2007-03-28 2009-06-10 한국과학기술원 취성파괴 방지를 위한 무연솔더와 금속 표면의 합금원소접합방법
JP5714191B1 (ja) * 2013-05-29 2015-05-07 新日鉄住金マテリアルズ株式会社 半田ボールおよび電子部材
JP5590260B1 (ja) * 2014-02-04 2014-09-17 千住金属工業株式会社 Ａｇボール、Ａｇ核ボール、フラックスコートＡｇボール、フラックスコートＡｇ核ボール、はんだ継手、フォームはんだ、はんだペースト、Ａｇペースト及びＡｇ核ペースト
US11545444B2 (en) 2020-12-31 2023-01-03 International Business Machines Corporation Mitigating cooldown peeling stress during chip package assembly
US11824037B2 (en) 2020-12-31 2023-11-21 International Business Machines Corporation Assembly of a chip to a substrate

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012216616A (ja) * 2011-03-31 2012-11-08 Internatl Business Mach Corp <Ibm> 半導体接合装置
JP5408401B1 (ja) * 2013-06-19 2014-02-05 千住金属工業株式会社 Ｃｕ核ボール
WO2014203348A1 (ja) * 2013-06-19 2014-12-24 千住金属工業株式会社 Ｃｕ核ボール
US10147695B2 (en) 2013-06-19 2018-12-04 Senju Metal Industry Co., Ltd. Cu core ball

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