JP2002254194A - 電子機器およびはんだ - Google Patents

電子機器およびはんだ

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JP2002254194A JP2001376583A JP2001376583A JP2002254194A JP 2002254194 A JP2002254194 A JP 2002254194A JP 2001376583 A JP2001376583 A JP 2001376583A JP 2001376583 A JP2001376583 A JP 2001376583A JP 2002254194 A JP2002254194 A JP 2002254194A
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    • H01L2224/13138Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/13139Silver [Ag] as principal constituent
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    • H01L2224/131Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/13138Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/13144Gold [Au] as principal constituent
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    • H01L2224/13147Copper [Cu] as principal constituent
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    • 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
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    • 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
    • H01L2224/16235Disposition 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 the bump connector connecting to a via metallisation of the item
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    • H01L2224/29001Core members of the layer connector
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    • H01L2224/291Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/29101Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
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    • H01L2224/26Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/28Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/29Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/29001Core members of the layer connector
    • H01L2224/29099Material
    • H01L2224/291Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/29101Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
    • H01L2224/29111Tin [Sn] as principal constituent
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    • H01L2224/29001Core members of the layer connector
    • H01L2224/29099Material
    • H01L2224/2919Material with a principal constituent of the material being a polymer, e.g. polyester, phenolic based polymer, epoxy
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    • H01L2224/26Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/28Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
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    • H01L2224/29001Core members of the layer connector
    • H01L2224/29099Material
    • H01L2224/29198Material with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials in the form of a matrix with a filler, i.e. being a hybrid material, e.g. segmented structures, foams
    • H01L2224/29199Material of the matrix
    • H01L2224/29294Material of the matrix with a principal constituent of the material being a liquid not provided for in groups H01L2224/292 - H01L2224/29291
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    • H01L2224/28Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/29Structure, shape, material or disposition of the layer connectors prior to the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/29001Core members of the layer connector
    • H01L2224/29099Material
    • H01L2224/29198Material with a principal constituent of the material being a combination of two or more materials in the form of a matrix with a filler, i.e. being a hybrid material, e.g. segmented structures, foams
    • H01L2224/29298Fillers
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    • H01L2224/26Layer connectors, e.g. plate connectors, solder or adhesive layers; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/31Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/321Disposition
    • H01L2224/32151Disposition the layer 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
    • H01L2224/32221Disposition the layer 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
    • H01L2224/32225Disposition the layer 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
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    • H01L2224/31Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
    • H01L2224/32Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
    • H01L2224/321Disposition
    • H01L2224/32151Disposition the layer 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
    • H01L2224/32221Disposition the layer 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
    • H01L2224/32245Disposition the layer 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 metallic
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    • H01L2224/42Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/44Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/45Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/45001Core members of the connector
    • H01L2224/45099Material
    • H01L2224/451Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/45117Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 400°C and less than 950°C
    • H01L2224/45124Aluminium (Al) as principal constituent
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    • H01L2224/42Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/44Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process
    • H01L2224/45Structure, shape, material or disposition of the wire connectors prior to the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/45001Core members of the connector
    • H01L2224/45099Material
    • H01L2224/451Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof
    • H01L2224/45138Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/45144Gold (Au) as principal constituent
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    • H01L2224/42Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/4805Shape
    • H01L2224/4809Loop shape
    • H01L2224/48091Arched
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    • H01L2224/481Disposition
    • H01L2224/48151Connecting 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
    • H01L2224/48221Connecting 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
    • H01L2224/48225Connecting 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
    • H01L2224/48227Connecting 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 connecting the wire to a bond pad of the item
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    • H01L2224/47Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/481Disposition
    • H01L2224/48151Connecting 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
    • H01L2224/48221Connecting 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
    • H01L2224/48245Connecting 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 metallic
    • H01L2224/48247Connecting 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 metallic connecting the wire to a bond pad of the item
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    • H01L2224/81401Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of less than 400°C
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    • 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
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    • H01L2924/157Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2924/15738Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950 C and less than 1550 C
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    • H01L2924/157Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2924/15738Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950 C and less than 1550 C
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】新規なはんだ接続による電子機器、特に温度階
層接続における高温側のはんだ接続を実現するはんだ材
料を提供する。 【課題手段】半導体装置と基板の接続部が、はんだ付け
後にはCu、Al、Au、Ag等の金属または金属合金
ボール1の周囲にSn等を含む化合物3が形成され、該
金属ボール1は該化合物3により連結される。ろう材は
Cu、Al、Au、Ag等の金属または金属合金ボール
1およびSnまたはInの金属ボール2の混合体を含む
ペーストで提供される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】電子機器のモジュール実装等
に有効な温度階層を用いてはんだ接続する技術に関す
る。
【0002】
【従来の技術】Sn-Pb系はんだにおいては、高温系はん
だとしてPbリッチのPb-5Sn(融点:314〜310℃)、Pb-10S
n(融点:302〜275℃)等を330〜350℃の温度ではんだ付
けし、その後、このはんだ付け部を溶かさないで、低温
系はんだのSn-37Pb共晶(183℃)で接続する温度階層接続
が行われてきた。このような温度階層接続は、チップを
ダイボンドするタイプの半導体装置や、フリップチップ
接続などの半導体装置などで適用されている。すなわ
ち、半導体装置内部で使用するはんだと、半導体装置自
身を基板に接続するはんだとの温度階層接続できること
がプロセスでも重要になっている。
【0003】一方、製品によっては部品の耐熱性の限界
から290℃以下での接続が要求されるケースがでてい
る。従来のSn-Pb系の中でこれに適した高温用組成域と
してPb-15Sn(液相:285℃)近傍が考えられる。しかし、
Snが多くなると低温の共晶(183℃)が析出してくる。ま
た、これよりSnが少なくなると液相温度が高くなるた
め、290℃以下での接続が困難となる。このため、プリ
ント基板に接続する2次リフロー用はんだがSn-Pb 共晶
であっても、高温用はんだ継手が再溶融する問題が避け
られなくなった。2次リフローはんだがPbフリー化され
ると、Sn-Pb 共晶より更に約20〜30℃高い240〜250℃で
接続することになるため、更に、困難となる。
【0004】即ち、はんだ付け温度が、330〜350℃もし
くは290℃レベルの温度階層可能な高温系のPbフリーは
んだ材料はないのが現状である。
【0005】この状況を以下に詳しく記す。現在、はん
だは環境の問題からPbフリー化が進んでいる。プリント
基板にはんだ付けするPbフリーはんだの主流はSn-Ag共
晶系、Sn-Ag-Cu共晶系、Sn-Cu共晶系になりつつあり、
これに伴い、表面実装におけるはんだ付け温度は通常24
0〜250℃である。これらのはんだと組み合わせて使用で
きる高温側の温度階層用Pbフリーはんだはない。最も可
能性のある組成として、Sn-5Sb(240〜232℃)はあるが、
リフロー炉内の基板上の温度ばらつき等を考慮すると、
これを溶かさないで接続できる高信頼性の低温側のはん
だはない。他方、高温系のはんだとしてAu-20Sn(融点:
280℃)は知られているが、硬い材料であり、コスト高の
ために使用が限定される。特に、熱膨張係数が大きく異
なる材料へのSiチップの接続、あるいは大型Siチップの
接続では、はんだが硬いため、Siチップを破壊させる恐
れがあるため使用されていない。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上記状況において、Pb
フリー化に対応でき、モジュール実装において部品の耐
熱性を越えない290℃以下で高温側のはんだで接続後(1
次リフロー)、更に該モジュールの端子を、プリント基
板等の外部接続端子にSn-3Ag-0.5Cu(融点:217〜221℃)
はんだで表面実装(2次リフロー)することが要求されて
いる。例えば、チップ部品と半導体チップとが搭載され
た携帯用製品のモジュール(一例として高周波モジュー
ル)が開発されており、チップ部品及び半導体チップは
高温系はんだによってモジュール基板に接続され、キャ
ップ封止、もしくは樹脂封止が要求されている。これら
のチップ部品は耐熱性の問題で、max290℃以下での接続
が要求されている。該モジュールをSn-3Ag-0.5Cuで2次
リフローを行う場合、はんだ付け温度は240℃前後に達
する。従って、Sn系はんだの中で最も高融点であるSn-5
Sbでも融点が232℃であること、また、チップ電極めっ
きにPb等が含まれると更に融点が下がることから、モジ
ュール内のチップ部品のはんだ付け部が2次リフローで
再溶融することは避けられない状況にある。このため、
はんだが、再溶融しても、問題が起こらないシステム、
プロセスが求められている。
【0007】これまでは、モジュール基板に、Pb系のは
んだを用いてmax290℃でチップをダイボンドし、チップ
部品をリフローした。ワイヤボンドされたチップ上には
柔かいシリコーンゲルを塗布し、モジュール基板上面を
Al等のキャップで保護し、Sn-Pb共晶を用いた2次リフ
ローで対応してきた。このため、2次リフローではモジ
ュール継手のはんだの一部が溶融しても、応力がかから
ないのでチップは動かず、高周波特性で問題はない。し
かし、Pbフリーはんだによる2次リフローが要求され、
かつ、コスト低減化のため、樹脂封止型モジュールの開
発が必須になってきた。これをクリアするためには、以
下の課題を解決することが要求されている。 1)max290℃以下での大気中リフロー接続が可能であるこ
と〔チップ部品 の耐熱保証温度;290℃〕。 2)2次リフロー(max260℃)で溶けないこと、もしくは溶
けてもチップが 動かないこと(高周波特性に影響する
ため)。 3)2次リフロー時にモジュール内のはんだが再溶融して
も、チップ部品 のはんだの体積膨張によるショートが
ないこと。
【0008】具体的にRF(Radio Frequency)モジュー
ルで評価した結果の課題を以下に示す。RFモジュール
においてチップ部品とモジュール基板との接続に、従来
のPb系はんだ(245℃の固相線を持つはんだであるが、チ
ップ部品の接続端子はSn-Pb系のはんだめっきが施され
ている。このため、低温のSn-Pb系共晶が形成されるた
め再溶融する)で接続し、絶縁性で弾性率を変えた各種
樹脂を用いて一括で覆うように封止したモジュールの2
次実装リフロー後のはんだの流れ出しによるショート発
生率を調べた。
【0009】図2はモジュールにおけるチップ部品の2
次実装リフロー時に、はんだ流れの原理を示す流れ出し
の説明図であり、図3は同じくチップ部品のはんだ流れ
の一例を示す斜視図である。
【0010】はんだ流れ出しによるショートのメカニズ
ムはモジュール内のはんだの溶融膨張圧力により、チッ
プ部品と樹脂の界面、または樹脂とモジュール基板の界
面を剥離させ、そこにはんだがフラッシュ状に流れ込
み、表面実装部品の両端の端子が繋がって短絡に至るも
のである。
【0011】この結果、はんだの流れ出しによるショー
ト発生率は樹脂の弾性率に比例して起きていることが分
かった。従来の高弾性エポキシ樹脂は不適合であり、柔
らかいシリコーン樹脂の場合は180℃(Sn-Pb共晶の融点)
における弾性率が低い場合に、ショートが発生しないこ
とも分かった。
【0012】しかし、低弾性樹脂としては実用的にはシ
リコーン樹脂になるため、基板分割工程の時、樹脂の特
性から分割しきれないで残る場合があり、レーザ等の切
り込み部を入れる工程が新たに必要になる。他方、一般
のエポキシ系樹脂の場合、硬いためショートが発生し、
不適合であるが、機械的分割は可能である。但し、180
℃で短絡を起こさないくらいに柔かくすることは特性
上、難しい状況にある。機械的保護を兼ねて、かつ、は
んだの流れを防止できる樹脂封止が可能ならば、ケース
やキャップなどで覆う必要がないのでコスト低減化が図
れる。
【0013】本発明の目的は、全く新規なはんだペース
ト、はんだ接続法、はんだ継手構造を提供することであ
る。また、本発明の他の目的は、高温時に接続強度が維
持できるはんだを用いた温度階層接続を提供するもので
ある。また、本発明の他の目的は、高温時に接続強度が
維持できるはんだを用いて、温度階層接続された電子機
器を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本願において開示される発明のうち、代表的なもの
の概要を簡単に説明すれば、次の通りである。すなわ
ち、本発明は、電子部品と基板を接続するはんだとし
て、CuボールとSnはんだボールを有するはんだペースト
を用いるものである。また、本発明は、電子部品と基板
を接続するはんだとして、表面にSnめっきされたCuボー
ルを有するはんだペーストを用いるものである。また、
電子部品と基板を有する電子機器であって、該電子部品
の電極と該基板の電極は、Cuボールと、CuとSnの
化合物を有する接続部により接続され、かつ該Cuボー
ル同士は該CuとSnの化合物で連結するものである。
また、本発明は、電子部品を搭載した一次基板がプリント
基板やマザーボード等の二次基板に実装されている電子
機器において、電子部品と一次基板との接続をCuボール
とSnはんだボールを有するはんだペーストをリフローす
ることにより行い、一次基板と二次基板との接続をSn-
(2.0〜3.5)mass%Ag-(0.5〜1.0)mass%Cuはんだをリフロ
ーすることにより行うものである。
【0015】例えば、温度階層接続を考えると、既に接
続した高温側のはんだは、一部が溶融しても、他の部分
が溶融しなければ、後付けのはんだ接続時のプロセスに
耐えられる強度を十分に確保できる。
【0016】金属間化合物の融点は高く、金属間化合物
で結合された個所は300℃でも、接合強度を十分確保で
きるので、高温側の温度階層接続用として利用できる。
そこで、我々は、Cu(もしくはAg,Au,Al,プラスチック)
ボールもしくはこれらのボール表面にSn等のめっきを施
したものと、Sn系はんだボールとを体積比で約50%配合
したペーストを用いて接続した。これによって、Cuボー
ル同志が接するもしくは近接している個所は、その周り
の溶融したSnと反応してCu-Sn間の拡散によりCu6Sn5金
属間化合物が形成され、これによって、Cuボール間の接
続強度を高温で確保することができる。この化合物の融
点は高く、250℃のはんだ付け温度では十分な強度を確
保している(Snの部分のみ溶融する)ので、プリント回路
基板への2次リフロー実装時において剥がれたりするこ
とはない。従って、2次リフロー時におけるモジュール
のはんだ付け部は、高融点の化合物の連結による弾性的
結合力で高温強度を確保し、温度サイクル時には柔軟な
Snの柔かさで寿命を確保する機能を分担する複合材であ
り、高温の温度階層接続用として十分使用できるもので
ある。
【0017】この他、望ましい融点を持つ硬い、剛性の
強いはんだ、例えばAn-20Sn、Au-(50〜55)Sn(融点:309
〜370℃)、An-12Ge(融点:356℃)等の場合でも、粒状の
粒子を使用し、柔かい、弾性のあるゴム粒子を分散混入
させ、もしくは低融点のSn、In等の柔かいはんだを該は
んだ間に分散混入させることにより、該はんだの固相線
温度以上でも接続強度を有し、変形に対しては金属粒子
間にある柔かいSnもしくはInもしくはゴムで緩和するこ
とにより、はんだの弱点を補完する新たな効果が期待で
きる。
【0018】次に、樹脂封止したRFモジュール構造で
の解決手段を示す。はんだによる短絡の対策手段として
は、2次実装リフローにおいてモジュール内部のはん
だが溶融しない構造とするか、もしくはモジュール内
部のはんだが溶融してもはんだの溶融膨張圧力を小さく
して部品と樹脂の界面や樹脂とモジュール基板の界面で
の剥離を引き起こさない構造とするなどが考えられる
が、樹脂設計が難しい。
【0019】他方、硬度の低いゲル状の樹脂などを用
いて溶融した内部のはんだの溶融膨張圧力を緩和するこ
とが考えられるが、保護力(機械的強度)が小さいため、
ケースやキャップで覆って保護することになり、これは
コストアップのため採用できない。
【0020】図13(後述)は樹脂封止構造とした場合に
おける現用はんだを用いた場合と、本案を用いた場合と
の溶融はんだの流れに対する見方の比較を示す。Pb系は
んだの体積膨張は3.6%である〔金属材料理工学;河上益
夫、p1442〕。本案継手構造では2次リフロー実装時の2
40℃前後ではSnのみ溶融するので、CuボールとSnボール
との体積比率は約50%であることを考慮すると、溶融直
後の体積膨張は1.4%であり、Pb系はんだの約1/2.5倍で
ある。他方、再溶融の状態を考慮すると、現用はんだは
再溶融すると、瞬時に3.6%膨張するため、硬い樹脂では
樹脂が変形できず、圧力が高まりチップ部品と樹脂の界
面に溶融はんだが流れ込むことになる。このため、樹脂
は柔らかいことが必要条件である。他方、本案では、図
1(後述)のチップ断面モデルでも分かるように、Cu粒子
間は主にCu6Sn5化合物で連結されている。Cu粒子間の隙
間にあるSnが溶融しても、Cu粒子が連結された構造のた
め動かないので、樹脂による圧力は連結されたCuの反発
力で拮抗し、溶融Snへの圧力はかかりにくい状況になっ
ている。更に、接合部の体積膨張は現用はんだの1/2.5
と低いことから、両者の相乗効果を考慮すると、Snがチ
ップ部品界面を伝わって流れる可能性は低いことが予想
される。従って、該モジュールを本案接続構造にするこ
とで、かつ、若干柔らかくしたエポキシ系樹脂で封止す
ることが可能で、容易に切断加工できる低コストのRF
モジュールを提供することができる。
【0021】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。
【0022】(実施例1)図1は、本発明における接続
構造の概念について示したものである。また、はんだ付
け前の状態と、はんだ付け後の状態とを示している。図
1の上段は、粒径約30μmのCuボール1(もしくはAg、A
u、Al、Cu-Sn合金等、もしくはこれらにAuめっき、Ni/A
uめっき等を施したもの、もしくはこれらにSnめっき等
を施したものでも可能)、及び粒径約30μmのSnはんだボ
ール2(融点:232℃)をフラックス4を介して適度に少
量分散させたペーストを用いた例である。このペースト
を250℃以上でリフローするとSnはんだボール2は溶融
し、溶融Sn3がCuボール1を濡れるように拡がり、Cuボ
ール1間に比較的均一に存在することとなる。Cuボール
は球状である必要はなく、表面に凹凸が激しいもので
も、棒状であっても、樹枝状を混ぜたものでも良い。そ
の場合は、CuとSnとの体積比が異なり、Cuが隣接Cuと接
する状態になっていれば良い。球状が優れている点は印
刷性にある。接合後、Cu同志が絡み合うことが高温での
強度を確保する上で必要である。Cu同志で拘束され過ぎ
て、動きが取れないようでははんだ付け時に自由度がな
く、変形性に欠けるので問題である。最終的には樹枝状
晶が接触で繋がれて、弾性的な動きをするのが理想的と
考える。従って、Cuの樹枝状晶をSn等で一旦包んで球状
化し、それを混ぜる方法もある。なお、Cu、Snの粒子径
はこれに限定されるものではない。
【0023】リフロー温度はできる限り高くすることに
より、Cu6Sn5化合物が短時間に形成されるので、化合物
形成のためのエージング工程は不要になる。Cu6Sn5化合
物の形成が不十分な場合、部品耐熱の範囲で短時間のエ
ージングを行い、Cuボール1間強度を確保する必要があ
る。この化合物の融点は約630℃と高く、機械的特性は
悪くないので、強度上の問題はない。高温で長時間エー
ジングしすぎるとCu3Sn化合物がCu側に成長する。Cu3Sn
の機械的性質は一般に硬く、脆いとみなされているが、
はんだ内部でCu粒子周囲にCu3Snが生成されても、温度
サイクル試験等に対して寿命に影響がなければ問題はな
い。実験では高温、短時間でCu3Snが十分生成されて
も、強度上での問題はなかった。これは、これまでも経
験してきたように、接合界面に長く沿って形成される場
合と、今回のように、個々の粒子の周囲に形成された場
合では、破壊に及ぼす影響も異なってくることが考えら
れる。今回のケースは化合物周囲の柔らかいSnによる補
完効果も大きいものと考えられる。
【0024】以上のようにCuボール1間を化合物(Cu6Sn
5)を介して接合させるので、その後に240℃前後のリフ
ロー炉を通るとしても、その接合部分(Cu6Sn5)、Cuボー
ル1ともに溶融せずに接続強度を確保することができ
る。なお、Cuボール1間の接続信頼性からして、化合物
(Cu6Sn5)は数μm程度生成されることが好ましい。ま
た、Cuボール間を接触に近い距離にすることがCuボール
1間を化合物形成させる上で好ましく、Sn量を調整する
ことで可能である。しかし、隣接Cu粒子すべてが化合物
で結合する必要はなく、むしろ、確率的に、化合物によ
る連結がない部分が存在することが、変形の自由度があ
って望ましい。ある領域内で拘束されれば、強度上の問
題はない。なお、フラックス4は洗浄タイプ及び無洗浄
タイプが可能である。
【0025】図1の下段は、前述のCuボール1に数μm
のSnめっき等を施した例である。Snめっきが薄いことに
よるSn量が不足する場合は、同一ボール径のSnボールで
補充する。CuにSnめっき処理をすることで溶融Sn3がボ
ールに沿って濡れ拡がりやすくなり、よりCuボール1間
を均等の間隔にしやすくなる。また、ボイドレス化に対
しても大きな効果がある。なお、はんだめっきはリフロ
ー時に酸化被膜が破れて、表面張力の作用でCuボール同
志が吸引されるように接近して、Cu6Sn5化合物が形成さ
れる。なお、SnにBi等を微量添加(1〜2%)することで、
はんだの流動性を向上させ、端子上へのぬれ性を向上さ
せる効果がある、但し、Biが多いと脆さがでてくるので
望ましくない。
【0026】次にこの接続構造を有するLSIパッケー
ジ、部品等の電子部品をプリント基板に実装する。この
際、温度階層接続が必要となる。例えば、プリント基板
の接続端子部にSn-3Ag-0.5Cu(融点:221〜217℃)はんだ
ペーストを印刷し、LSIパッケージ、部品等の電子部品
を搭載後、240℃で大気中(窒素中でも可能)でリフロー
することができる。このSn-(2.0〜3.5)mass%Ag-(0.5〜
1.0)mass%Cuはんだは、従来のSn-Pb共晶はんだに置き換
わる標準的なはんだとして取り扱われているが、Sn-Pb
共晶はんだよりも融点が高いことから、それに対応でき
る高温系Pbフリーはんだの開発が要求されている。前
述の如く、既に接合されているCu-Cu6Sn5間で高温での
強度を確保するとともに、リフロー時のプリント基板の
変形等で発生する応力には十分耐えられるレベルになっ
ている。従って、プリント基板との2次リフローにSn-
(2.0〜3.5)mass%Ag-(0.5〜1.0)mass%Cuを用いても、高
温用はんだとしての機能を有することから、温度階層接
続を実現することができる。なお、この場合のフラック
スは洗浄レス用としてRMA(Rosin Mild Activated)タ
イプもしくは洗浄用としてRA(Rosin Activated)タイプ
があり、洗浄、無洗浄、共に可能である。
【0027】(実施例2)図2は素子13を中継基板14に
Au-20Snはんだ7等で接合し、ワイヤボンド8後、洗浄
レスタイプの上記ペーストを用い、AlもしくはFe-Ni等
にNi-Auめっきを施したキャップ9周囲を中継基板にリ
フローで接合10する。このとき、絶縁特性を重視すれば
フラックスは塩素の含まない系で窒素雰囲気での接続が
望ましいが、ぬれ性を確保できない場合、RMAタイプの
弱活性ロジンで封止する方法がある。この素子は完全な
封止性を要求するものではなく、フラックスが十分な絶
縁特性を確保していれば、フラックスが存在する状態で
も長時間保持しても素子への影響はない。キャップ封止
の目的は主に機械的保護である。封止の方法としては封
止部をパルス電流による抵抗加熱体15等で加圧接合する
ことも可能である。この場合、封止部に沿ってデイスペ
ンサーで塗布し、細い連続したパターン12を形成する
(図2(b))。
【0028】パターンの断面A-A′を拡大したモデルを
右側に示す。Cuボール1とSnボール2はフラックス4で
保持されている。この上からパルス電流による抵抗加熱
体15で加圧接合すると、ペーストは図2(c)のように平
坦化される。平坦化された断面B-B′を右側に拡大し
た。中継基板6とキャップ9間のはんだの接続部はこの場
合、30μmのCuボールを使用すると、1〜1.5個分(約5
0μm)の間隙になる。パルスヒータによる加圧接合条件
は最大350℃、5秒で行ったので、Cuボール1と中継基板
の端子6、Cuボール1とキャップ9との接触部はキャップ
表面にCu系もしくはNi系のめっきが厚く形成されている
限り、容易にCu6Sn5もしくはNi3Sn4の化合物を短時間に
形成するため、エージング工程は一般に不要である。ペ
ースト塗布幅は意図的に狭くとり、加圧により、例え
ば、幅250μm×高さ120μmの断面で塗布されると、加圧
後、粒子1個乃至1.5個分の厚さになるので約750μm
幅に広がることになる。
【0029】この封止したパッケージには外部接続用端
子11として、予めSn-0.75Cu共晶はんだボールを供給し
ておき、プリント基板上には、はんだペーストが印刷さ
れた状態で、他の部品と同様に位置決めし、搭載され、
リフローで表面実装される。リフロー用はんだにはSn-3
Ag(融点:221℃、リフロー温度:250℃)、Sn-0.75Cu(融
点:228℃、リフロー温度:250℃)、Sn-3Ag-0.5Cu(融
点:221〜217℃、リフロー温度:240℃)等が使用され
る。これまでのSn-Pb共晶はんだの実績から、Cu-Cu6Sn5
間は十分な強度が確保されているため、リフロー時に封
止部等が剥がれることはない。なお、Cu箔同志をこのは
んだペーストで接合したラップ型継手を270℃でせん断
引張試験(引張速度:50mm/min)を行ったところ、約0.3k
gf/mm2の値が得られたことにより、高温での強度は十分
確保していることを確認した。
【0030】キャップ部がNi-AuめっきされたAlもしく
はFe-Ni系の場合、Ni膜厚が約3μm形成していれば、Ni-
Snの合金層成長速度は175℃以上ではCu-Snの合金層成長
速度より早いので(例えばD.Olsen他;Reliability Phys
ics,13th AnnualProc.,pp80-86,1975)、高温エージング
によりNi3Sn4の合金層も十分形成される。但し、合金層
の性質としてはCu6Sn5が優れるので、Niに対しては厚く
成長させることは望ましくないが、高温エージング時間
は長くできないので、成長しすぎて脆化することを恐れ
る心配はない。Snよりも合金層成長速度が遅く、かつ実
績のあるSn-40PbはんだのデータからSnの成長速度の概
略を予測することができる。Sn-40PbはんだのNiに対す
る成長速度は、短時間であれば280℃でも10時間で1μm
以下であり(170℃、8時間で1μmのデータもある)、脆化
は問題にならない。NiめっきのSnによる合金層成長に関
しては、電気めっき、化学めっき等の種類で合金層成長
速度が大きく異なることは知られている事実である。む
しろ、ここでは接合強度を確保する必要から速い合金層
成長速度を望んでいる。他方、Sn-40PbはんだのCuに対
する成長速度として170℃、6時間で1μmのデータがあ
る(単純に固相状態と仮定して、変換すると230℃、1時
間で1μm成長することになる)。350℃、5秒間での本接
続実験ではCu粒子間では、max5μmのCu6Sn5が生成され
ている個所があることを観察できたことから、高温では
んだ付けした場合、エージング工程は一般に不要と思わ
れる。
【0031】このペースト方式ではボイドをなくすこと
が重要課題でもある。このため、Cu粒子に対してはんだ
のぬれ性を向上させること、及びはんだの流動性を良く
することが重要である。このため、CuボールへのSnめっ
き、Sn-Cuはんだめっき、Sn-Biはんだめっき、Sn-Agは
んだめっき、及びSn-0.7Cu共晶はんだボールの採用、は
んだボールへのBi添加などは効果のある手段である。
【0032】また、はんだボールはSnに限らず、Sn-Cu
共晶系はんだボール、Sn-Ag共晶系はんだボール、Sn-Ag
-Cu共晶系はんだボールもしくはこれらにIn,Zn,Bi等の
いずれか一つ以上を添加したはんだボールであっても良
い。これらの場合もSnが大部分を占める組成となるの
で、所望の化合物を生成することができる。また、二種
類以上のはんだボールが混合しても良い。これらはSnよ
り融点が低い分、一般的には高温での合金層成長が速く
なる傾向がある。
【0033】(実施例3)図2のダイボンド7も本案の
ペーストが使用できる。本案ペーストで接続後、洗浄し
て、ワイヤボンデイングを行う。なお、これまではダイ
ボンド用にAu-20Sn接合が使用されてきたが、信頼性の
観点から小さなチップに限定されていた。また、Pb系で
あればPb-10Sn等が使用されてきた。本案の接合はある
程度面積の広いものでも展開できる。接合部の間隙は厚
いほど寿命で高信頼性になるが、高融点金属のボール径
との応用が可能である。薄くする場合は粒子径を小さく
することで可能である。接続法によっては、粒子径を小
さくして厚くすることも可能である。Cu粒子径は5〜10
μmでも可能であり、更に微細粒が混入しても可能であ
る。Siチップ(裏面のメタライズとしてCr-Cu-Au、Niめ
っき他)とCuボール間、Cuボールと基板上の接続端子間
の化合物はSnとCu、SnとNiのいずれもあり得る。合金層
成長が少ないことから、脆化の問題はない。
【0034】(実施例4)高温はんだの接続部分は、後
工程のリフロー時に耐えられれば良く、その時にかかる
応力は小さいと考えられる。そこで、金属ボールの替わ
り、接続端子の片面もしくは両面を荒らして、Cuもしく
はNi等の突起を形成することにより、突起の接触部のと
ころで確実に合金層を形成し、他の部分ははんだで接合
された状態になり、ボールと同じような効果がある。は
んだはデイスペンサーで片方の端子上に塗布し、上から
パルス電流による抵抗加熱体で突起部を食い込ませなが
らはんだを溶融させ、高温でダイボンドすることで、突
起部のアンカー効果と接触部の化合物形成により、リフ
ロー時に応力的に耐えるだけの強度を有することができ
る。図3(a)は基板19のCuパッド18上に表面をエッチン
グ20で荒らし、その上にSn系のはんだ2ペーストを塗布
した接続部断面モデルである。この時、Sn系はんだの中
にCu微粒子等を混ぜても良い。部品端子部75の裏面は平
坦でも良いが、ここではCuもしくはNiめっき等を施し、
表面をエッチング20で荒らした。図3(b)は加熱加圧で
接合した状態で、高めの温度でリフローすることで接触
部は化合物が形成され強くなる。このため、外部接続端
子を基板の端子上に接続する後工程のリフローでは、こ
の部分が剥離することはない。
【0035】(実施例5)エージングで拡散濃度を増
し、低温から高融点側に化合物が3段階くらいの変化が
あるAu-Sn接合は、比較的低い温度で、温度変化が少な
い範囲で各種の化合物が形成される。Au-Sn接合で、良
く知られている組成はAu-20Sn(280℃共晶)であるが、28
0℃の共晶温度を保持するSnの組成域は約10から37%の範
囲である。Snが多くなると脆くなる傾向はある。Auが少
ない系で実現できそうな組成領域として、Snは55から70
%までと考える。この組成範囲では252℃の相が現れるが
(Hansen;Constitution of Binary Alloys,McGRAW-HILL
1958)、前工程(1次リフロー)で接続した個所が後工
程(2次リフロー)の接続で252℃に達する可能性は低い
と考えられるので、この組成域でも温度階層接続の目的
は達成できるものと考える。化合物としてはAuSn2からA
uSn4が形成される範囲である。ダイボンドもしくはキャ
ップの封止部に適用することが可能である。更に安全サ
イドを考えるならSn:50〜55%で309℃の固相線、max370
℃の液相線になるので、252℃の相を析出をさけること
ができる。図4はSiチップ25裏面に予めNi(2μm)-Auめ
っき(0.1μm)を施し、例えばリードフレーム19上のタブ
にはNi(2μm)22-Snめっき(2〜3μm)23を施した断面モデ
ルである。窒素雰囲気で加熱、加圧のダイボンデイング
により、更には必要に応じてエージングを加えることに
より、Snの一部はNi-Snの合金層に消費され、残りはAu-
Snの合金層を形成することになる。Snが多いとSnと AuS
n4の低い共晶点(217℃)が形成されるので、これを形成
しないようにSn量を制御する必要がある。微細な金属粒
子とSn等とを混ぜたペーストを塗布しても良い。Au-Sn
のダイボンドは350〜380℃の高温で行われるので、膜厚
と温度と時間等を制御することで、AuSn2よりSnが少な
い化合物を作ることにより、252℃以上の融点を確保で
きるので、後工程のリフロープロセスでは問題はないと
考えられる。
【0036】以上説明したように、Snの融点よりかなり
高い300℃レベルで溶かすことにより、拡散が活発にな
り化合物を形成させて、高温での強度を確保することが
でき、温度階層接続における高温側の高信頼接続を実現
することができた。
【0037】なお、これまで説明してきた金属ボール
は、単体金属(例えば、Cu、Ag、Au、Al、Ni)、合金
(例えば、Cu合金、Cu-Sn合金、Ni-Sn合金)、化合物
(例えば、Cu6Sn5化合物)もしくはこれらの混合物を含
むボールのいずれかであれば良い。すなわち、溶融する
Snとの間で化合物を生成して金属ボール間の接続を確保
できるものであればよい。従って、一種類の金属ボール
に限らず、二種類以上の金属ボールを混合させてもよ
い。これらをAuめっき、もしくはNi/Auめっき、もしく
はSnの単体金属めっき、もしくはSnを含む合金めっきを
用いて処理したものであってもよい。また、樹脂ボール
の表面をNi/Au、Ni/Sn、Ni/Cu/Sn、Cu/Ni、Cu/Ni/Auの
いずれかのめっきを施したものであっても良い。樹脂ボ
ールを混ぜることで応力緩和作用が期待できる。
【0038】(実施例6)次に、他の金属ボールとして
Alを使用する場合を説明する。高融点の金属は一般に硬
いが、低コストで柔らかい金属として純Alがある。純Al
(99.99%)は柔らかい(Hv17)が、通常はSnにぬれにくい
のでNi/Auめっき、もしくはNi/Sn、Ni/Cu/Snめっき等を
施すことにより、容易にSnをぬらすことができる。真空
中で高温では拡散し易いので、接続条件しだいではAg入
りのSn系はんだを使用すること等でAl等とのAl-Ag化合
物を形成することも可能となる。この場合は、Al表面へ
のメタライズは不要であり、コスト上でのメリットは大
きい。Alに反応し易いようにSnの中に微量のAg,Zn,Cu,N
i等を入れても良い。Al表面を完全にぬらす場合と、ま
だら状にぬらすこともできる。まだら状にすることは応
力がかかった場合、接合強度を確保していれば、変形時
に拘束が小さくなることから変形し易く、かつ、ぬれて
いない部分は摩擦損出としてエネルギーを吸収してくれ
るので、変形能に優れた材料となる。20〜40μm位のAl
線にSn、Ni-Sn、Ag等のめっきを施し、切断して粒状に
することも可能である。Al粒子は窒素中でアトマイズ法
などで低コストで多量に製造することが可能である。表
面を酸化させないで製造することは困難を伴うので、最
初、酸化されてもメタライズ処理を施すことで酸化膜を
除去できる。
【0039】(実施例7)次に、Auボールについて説明
する。AuボールについてはSnは容易にぬれるので短時間
の接続ならばメタライズは不要である。但し、はんだ付
け時間が長いと、Snが顕著に拡散し、脆いAu-Sn化合物
の形成に不安が残る。このため、柔らかい構造とするに
はAu拡散の少ないInめっきなども有力であり、Ni、Ni-Au
等をバリアにしても良い。バリア層は極力薄くすること
で、Auボールが変形し易くなる。Auとの合金層成長が抑
えられるメタライズ構成であれば、他の構成でも良い。
ダイボンドで短時間で接合させる場合、粒界に生ずる合
金層は薄いので、バリアを設けなくてもAuの柔軟性によ
る効果は大いに期待できる。AuボールとInはんだボール
の組み合わせも可能である。
【0040】(実施例8)次に、Agボールについて説明
する。Agボールについても、Cuボール同様であるが、Ag
3Sn化合物の機械的性質の硬さ等は悪くはないので、通
常プロセスでAg粒子間を化合物で連結することも可能で
ある。Cu等の中に混ぜた使用も可能である。
【0041】(実施例9)次に、金属ボールとして金属
材料を使用する場合を説明する。合金系の代表例として
Zn-Al系、Au-Sn系がある。Zn-Al系はんだの融点は330〜
370℃の範囲が主で、Sn-Ag-Cu、Sn-Ag、Sn-Cu系はんだ
との階層接続を行うには適した温度域にある。Zn-Al系
の代表例として、Zn-Al-Mg、Zn-Al-Mg-Ga、Zn-Al-Ge、Z
n-Al-Mg-Ge、更にはこれらにSn、In、Ag、Cu、Au、Ni等
のいずれか一つ以上を含有したものを含む。Zn-Al系は
酸化が激しいこと、はんだの剛性が高いこと等のため、
Siを接合した場合Siチップに割れを起こす恐れが指摘さ
れており(清水他:「タ゛イアタッチ向けPbフリーはんだ用Zn-A
l-Mg-Ga合金」Mate99,1999-2)、単に金属ボールとして
使用するとこれらの課題を解決しなければならない。
【0042】そこで、これらの課題をクリアする必要か
ら、はんだの剛性を下げるために、Ni/はんだめっき、N
i/Cu/はんだ、Ni/Ag/はんだ、もしくはAuめっきした耐
熱性のプラスチックボールをZn-Al系ボールの中に均一
に分散させて、ヤング率の低減を図った。この分散粒子
はZn-Alボールに比べ、小さく均一に分散させることが
望ましい。変形時に柔らかい弾性を有する1μmレベルの
プラスチックボールが変形することにより、熱衝撃緩
和、機械的衝撃緩和の効果は大である。Zn-Al系はんだ
ボールのなかにゴムが分散されると、ヤング率が低減す
る。Zn-Al系はんだのボール間にプラスチックボールが
ほぼ均一に入るので、短時間の溶融ではこの分散は大き
くくずれない。熱分解温度が約400℃であるプラスチッ
クボールであれば、抵抗加熱体による接合でははんだ内
部で有機が分解することはない。
【0043】Zn-Alは酸化され易いので、保管時のこと
も考慮すると、表面にCu置換のSnめっきを施すことが望
ましい。このSn、Cuは接続時に少量ならばZn-Alはんだ
に溶解する。Snが表面に存在することで、例えば、Cuス
テム上のNi/Auめっき上への接続が容易である。200℃以
上の高温下においては、NiとSnとの合金層(Ni3Sn4)成長
速度はCu6Sn5以上に大であることから、化合物形成が不
十分のために接合ができないようなことはない。
【0044】なお、プラスチックボール以外に更にSnボ
ールを5〜50%混入することでZn-Al系はんだ間にSn層が
入り込み、一部はZn-Alボール同志が接合されるが、他
の部分は主に低温の比較的に柔らかいSn-Zn相、及び残
されたSn等が存在するので、変形はこのSn、Sn-Zn相と
プラスチックボールのゴムが吸収する。特にプラスチッ
クボールとSn層との複合作用により、更に剛性を緩和す
ることが期待できる。なお、この場合も、Zn-Al系はん
だの固相線温度は280℃以上を確保しているので、高温
での強度上の問題はない。
【0045】また、Zn-Al系はんだボールにSnめっきを
施し、ボールに固溶しきれないSn相を意図的に残すこと
により、変形をSn層で吸収させることで、Zn-Alの剛性
を緩和させることもできる。更に剛性緩和のため、メタ
ライズとはんだで被覆した1μmレベルのプラスチックボ
ールを混ぜた状態で使用することにより、耐衝撃性が向
上し、ヤング率は低下する。Zn-Al系(Zn-Al-Mg,Zn-Al-G
e,Zn-Al-Mg-Ge,Zn-Al-Mg-Ga等)はんだボールにSn、In等
のボール、更にはSnめっきされたプラスチックボールの
ゴムを分散混入したペーストを用いることにより、同様
に耐温度サイクル性、耐衝撃性を緩和し、高信頼性を確
保することができる。Zn-Al系はんだのみでは硬く(約Hv
120〜160)、剛性が高いので大型Siチップは、破壊する
恐れがある。そこで、一部、ボール周辺に軟らかい低温
のSnの層、Inの層が存在することにより、また、ゴムが
ボール周囲に分散されることにより、変形させる効果が
でて剛性が低下する。
【0046】(実施例10)図5は携帯電話等に使用され
る信号処理用に使われる比較的出力の小さなモジュール
等が、□15mmを超える大型になった場合にモジュールと
プリント基板間の熱膨張係数差を、リードで緩和するフ
ラットパック型パッケージ構造をプリント基板に実装し
た一例を示す。この種の形態は熱伝導性に優れた中継基
板に素子裏面をダイボンドし、ワイヤボンドで中継基板
の端子部にひきまわされる方式が一般的である。数個の
チップと周囲にR,C等のチップ部品を配し、MCM
(マルチ・チップ・モジュール)化している例が多い。従
来のHIC(Hybrid IC)、パワーMOSIC等は代表例
である。モジュール基板材料としてSi薄膜基板、低熱膨
張係数で高熱伝導のAlN基板、低熱膨張係数のガラスセ
ラミック基板、熱膨張係数がGaAsに近いAl2O3基板、高
耐熱性で熱伝導を向上させたCu等のメタルコア有機基板
等がある。
【0047】図5(a)はSi基板35上にSiチップを実装し
た例である。Si基板35上ではR,C等は薄膜で形成できる
のでより高密度実装が可能であり、ここではSiチップ8
のフリップチップ実装構造を示した。Siチップをダイボ
ンデイングで接続し、端子をワイヤボンデイングで接続す
る方式も可能である。図5(b)はプリント基板49への実
装はQFP-LSI型モジュール構造とし、柔らかいCu系リー
ド29を採用した例である。Cuリード29上のメタライズは
Ni/Pd、Ni/Pd/Au、Ni/Sn等が一般的である。リード29と
Si基板35との接続は本案のペーストで加圧、加熱接続し
たものである。リードの場合、端子列に一文字状にテ゛イス
ヘ゜ンサーで供給したり、あるいは各端子ごとに印刷で供給
して、加圧、加熱により各端子に分離させることは可能
である。SiチップのAu、もしくはCuバンプ34はSi中継基
板35に本案のペーストを供給して接続する。あるいは、
基板側の端子にSnめっきして、Au-Sn、Cu-Sn接合も可能
である。また、他の接続方法としてAuのボールバンプに
して、基板上にはSnめっき端子の場合、熱圧着するとAu
-Sn接合になり250℃のリフロー温度に十分耐えられる接
合となる。また、耐熱性の導電ペーストの使用も可能で
ある。チップ上には保護のためシリコーンゲル26、もし
くはフィラーあるいはフィラー及びシリコーン等のゴム
を混入して低熱膨張で、かつ、ある程度の柔軟性を有
し、流動性と硬化後の機械的強度を維持したエポキシ系
樹脂、シリコーン樹脂等でリード端子部を含めて保護、
補強することが可能である。これによって、これまでの
大きな課題であった温度階層をつけた鉛フリーでの接続
を実現することができる。
【0048】なお、Si基板に代えて、AlN基板、ガラス
セラミック基板、Al2O3基板等の厚膜基板を用いた場
合、R,C等はチップ部品での搭載が基本になる。また、
厚膜ペーストでレーザートリミングによる形成方法もあ
る。厚膜ペーストによるR,Cの場合、上記Si基板と同様
な実装方式が可能である。
【0049】図5(b)はSiもしくはGaAs等のチップ8を熱
伝導性、機械的特性に優れるAl2O3基板19上にフェース
アップで搭載し、パルスの抵抗加熱体で加圧接続し、チ
ップ部品をリフロー接続後、洗浄し、ワイヤボンデイン
グする方式である。図5(a)と同様に樹脂封止が一般的
である。樹脂は図5(a)に示した石英フィラー及びシリ
コーン等のゴムを分散した低熱膨張で熱衝撃を緩和でき
るエポキシ樹脂、もしくはシリコーン樹脂、もしくは両
者が何らかの形で混ざった樹脂である。なお、ここでは
チップ、チップ部品搭載までは分割しない状態の大型基
板で行い、その後分割してリードを接合後、樹脂を被覆
する。GaAsとAl2O3とは熱膨張係数が近く、本ペースト
はんだはCuが約50%含まれ、しかも、Cu粒子で連結され
た構造なので、優れた熱伝導特性を有する構造でもあ
る。熱放散性を更に良くするためには、チップ直下部の
メタライズ下にサーマルビアを設けることで、基板の裏
面からの放熱も可能である。これらの端子への本案のペ
ースト供給は印刷、もしくはデイスペンサーで行う。リ
ード29とAl2O3基板との接続部分となるはんだ接合部33
にも、本案のペーストが使用できる。
【0050】Alフィン接続の場合、無洗浄タイプが可能
ならば、フィンの周囲を取り巻く形状にデイスペンサ
ー、印刷でペーストを供給し、抵抗加熱体、レーザ、光
ビーム等で加圧接続するか、もしくはリフローでチップ
部品と同時に一括接続が可能である。Al材の場合はメタ
ライズとしてNiめっき等が施される。フィン接続の場
合、無洗浄化で実現するには箔に加工してN2雰囲気で抵
抗加熱体で加圧接続することになる。
【0051】図5(c)はメタル39を内蔵するメタルコア
基板に実装し、Alフィン31で封止したモジュール構造の
一部を示す。チップ13はフェースダウン構造で、熱放散
用のダミー端子45を設けて、メタルコア基板のメタル39
に直接接続することもできる。接続はLGA(Lead Grid Ar
ray)方式で、チップ側電極はNi/AuもしくはAg-Pt/Ni/Au
で、基板側電極はCu/Ni/Auで、本案のペーストで接合し
たものである。低熱膨張で耐熱性のポリイミドもしくは
同様に耐熱性のあるビルドアップ基板を使用すれば、素
子13を本案のペースト36を用いて直接搭載する温度階層
を設けたモジュール実装が可能である。高発熱チップの
場合、熱はサーマルビアを介してメタル39に伝導される
ことも可能である。サーマルビア中はCu粒子が接触した
状態で入っているので、熱がメタルに即伝導される熱伝
導性に優れた構造である。ここでは、キャップ31を接続
する部分についても、本案のペースト36を用いて接続し
てあり、これらのペースト36は一括して印刷することが
可能である。
【0052】なお、本案の素子への実施例として、RF
モジュールの一例を取り上げたが、各種移動体通信機用
のバンドパスフィルタとして使用されているSAW(弾
性表面波)素子構造、PA(高周波電力増幅器)モジュー
ル、Li電池監視用モジュール、他のモジュール、素子
等に対しても同様である。また、製品分野としては、モ
バイル製品を中心とする携帯電話、ノートパソコン等に
限らずデジタル化時代を迎え、新たな家電品等に使用で
きるモジュール実装品を含む。本案のはんだはPbフリー
はんだの高温階層用として使用できることは言うまでも
ない。
【0053】(実施例11)図6は一般的なプラスチック
パッケージに適用した例である。従来はSiチップ25裏面
が42Alloyのタブ53上に導電ペースト54で接着されてい
る。素子は金線8などによるワイヤボンデイングによりリ
ード29に繋がれ、樹脂5でモールドされる。その後、リ
ードにはPbフリー化に対応したSn系のめっきが施され
る。従来はプリント基板実装に対して、融点;183℃のS
n-37Pb共晶はんだが使用できたので、max220℃でリフロ
ー接続ができた。しかし、Pbフリー化になるとSn-3Ag-
0.5Cu(融点;217〜221℃)でリフロー接続を行うことに
なるので、リフロー温度は240℃前後となり、従来に比
べて最高温度が約20℃高くなる。このため、従来、Siチ
ップ25と42Alloyのタブ53の接続に使用されていた耐熱
性の導電ペーストでは、高温での接着力が低下し、信頼
性に影響を及ぼすことが予想される。そこで、導電ペー
ストの代わりに本案のはんだペーストを使用すること
で、ダイボンドで290℃前後で、Pbフリー化接続ができ
る。このプラスチックパッケージへの応用は、Siチップ
とタブとを接続するプラスチックパッケージ構造すべて
に適用できる。リードの形状については、構造上、Gull
Wingタイプ、Flatタイプ、J-Leadタイプ、Butt-Leadタ
イプ。Leadlessタイプがあるが、何れの場合にも適用可
能であることは言うまでもない。
【0054】(実施例12)図7は高周波用RFモジュー
ル実装への応用を更に具体化したものである。図7(a)
はモジュールの断面図であり、図7(b)は上面のAlフィ
ン31を透かしてみた平面図のモデルである。
【0055】実際の構造は、電波を発生する1x1.5mmチ
ップ13のMOSFET素子がマルチバンド化に対応するため、
数個フェースアップ接続で搭載されており、更に周辺に
は効率良く電波を発生させる高周波回路がR,C部品17等
で形成されている。チップ部品も小型化され、1005、06
03等が使用されていて、モジュールの縦横寸法も7×1
4程度の小型で高密度実装されている。
【0056】ここでは、はんだの機能面のみを考慮し、
代表して素子を1個、チップ部品を1個搭載したモデル
の例で示す。なお、後述するようにチップ13、チップ部
品17は本案のはんだペーストにより基板43に接続されて
いる。Si(もしくはGaAs)チップ13の端子は基板43の有す
る電極にワイヤボンデイング8により接続され、さらにス
ルーホール44、配線45を介して基板裏面の外部接続部と
なる端子46と電気的に接続される。チップ部品17は基板
の有する電極とはんだ接続され、さらにスルーホール4
4、配線45を介して基板裏面の外部接続部となる端子46
と電気的に接続される。チップ13はシリコーンゲルで被
覆される場合が多い(この図では省略)。チップ下は熱放
散のためのサーマルビア44で裏面の熱放散用端子42に導
かれている。このサーマルビアはセラミック基板の場合
は熱伝導性に優れるCu系の厚膜ペーストで充填される。
比較的耐熱性に劣る有機基板を使用する場合は本案のペ
ーストを使用することにより、チップ裏面接続、チップ
部品接続、及びサーマルビア等に250〜290℃の範囲では
んだ付けが可能である。また、モジュール全体を覆うAl
フィン31と基板43とは、かしめ等で固定されている。本
モジュールは、プリント基板などに対して外部接続部と
なる端子46とのはんだ接続により実装されるものであ
り、温度階層接続が必要となるものである。
【0057】図7(c)は、プリント基板49に、このRF
モジュール以外に、BGAタイプの半導体装置及びチッ
プ部品17を搭載した例である。半導体装置は、半導体チ
ップ25を中継基板14上に本案のはんだペーストを用いて
フェースアップの状態で接続し、半導体チップ25の端子
と中継基板14の端子とをワイヤボンデイング8により接続
したものであり、その周りは樹脂封止されている。例え
ば、半導体チップ25は中継基板14に抵抗加熱体を用いて
290℃、5秒間ではんだペーストを溶融させてダイボンデ
イングを行う。また、中継基板14の裏側にははんだボー
ル端子30が形成されている。はんだボール端子30には、
例えば、Sn-3Ag-0.5Cuのはんだが用いられている。ま
た、基板49の裏面にも、ここではTSOP-LSI等の半導体装
置がはんだ接続されており、いわゆる両面実装の例とな
っている。
【0058】この両面実装法としては、まず、プリント
基板49上の電極部分18に、例えばSn-3Ag-0.5Cuのはんだ
ペーストを印刷する。そして、TSOP-LSI50等の半導体装
置の搭載面側からはんだ接続を行うために、TSOP-LSI50
を搭載し、max240℃でリフロー接続する。次に、チップ
部品、モジュール、半導体装置を搭載し、max240℃でリ
フロー接続することで両面実装を実現する。このよう
に、先に耐熱性のある軽い部品をリフローし、後で、耐
熱性のない、重い部品を接続するのが一般的である。後
でリフロー接続する場合、最初に接続した側のはんだを
落下させないことが必要条件であり、再溶融させないこ
とが理想である。
【0059】リフロー、リフローの両面実装の場合、既
に実装した裏面の継手温度がはんだの融点以上に達する
場合もあるが、部品が落下しなければ問題はない場合が
多い。リフローの場合は、基板面及び基板の上下面の温
度差が少ないため、基板の反りが少なく、軽量部品は溶
けても表面張力の作用で落下しない。なお、本案のCuボ
ール、Snの組合せを代表例で示したが、請求項で示した
他の組合せについても同様に有効であることは言うまで
もない。
【0060】(実施例13)次に、RFモジュールを更に
低コスト化するために、本案のペーストを用いた樹脂封
止方式について以下に示す。図8は樹脂封止方式のRF
モジュール組立工程(a)、とその後に、モジュールをプ
リント基板に実装する2次実装組立工程(b)を示す。図
9は図8に示したRFモジュール組立工程(a)の順を示
す断面モデルを示す。Al2O3多層セラミック基板43の寸
法は□100〜150mmと大きく、後でモジュール基板ごとに
分割するためのブレーク用のスリット62が設けられてい
る。Al2O3多層基板43上のSiチップ13がダイボンドされ
る位置にはキャビテイ(窪み)61が形成され、その面はCu
厚膜/Ni/Auめっき、もしくはAg-Pt/Ni/Auが施されてい
る。ダイボンド直下には何本かのサーマルビア(Cu厚膜
導体等が充填されている)44が形成され、基板裏側の電
極45に繋がれ、多層プリント基板49を通して熱放散され
る仕組みになっている〔図9(d)〕。これにより、数ワ
ットの高出力チップの発熱もスムーズに熱放散される。
Al2O3多層基板43の電極材はAg-Pt厚膜導体を用いた。中
継基板(ここではAl2O3)の種類、製法によってはCu厚膜
導体(もしくはW-Ni、Ag-Pd導体も可能である)もある。
チップ部品が搭載される電極部はAg-Pt厚膜/Ni/Auめっ
きの構成である。なお、Siチップ側の裏面電極は、ここ
ではTi/Ni/Au薄膜を用いたが、これに限定されるもので
はなく、Cr/Ni/Au等の一般に使用されている薄膜でも可
能である。
【0061】Siチップ13のダイボンドとチップ部品17の
リフロー(詳細は後述)後、Al2O3多層基板洗浄後にワイ
ヤボンデイング8が行われる〔図9(b)〕。更に、樹脂を
印刷で供給し、図9(c)の断面を得る。樹脂はシリコー
ン樹脂、または低弾性エポキシ樹脂で一括で覆うよう
に、図10に示すようにスキージ65を用いて印刷して、
Al2O3多層基板43上に一括封止部73を形成する。樹脂硬
化後、レーザ等により認識マークを入れ、基板を分割し
て特性チェックを行う。図11はAl2O3多層基板を分割
して完成したモジュールをプリント基板に搭載し、リフ
ロー後の斜視図を示す。モジュールはLGA構造とするこ
とで、プリント基板への高密度実装を可能にする。
【0062】図8(a)のモジュール組立工程順を参照し
ながら補足すると、本案のペーストはチップ部品に対し
ては印刷で供給し、キャビテイ部のチップ13 に対しては
デイスペンサーで供給する。まず、チップ抵抗、チップ
コンデンサー等の受動素子17を搭載する。次に、1x1.5m
m のチップ13を搭載すると同時に加熱体で290℃で、軽
く均等にSiチップを押し付けて平坦化をはかってダイボ
ンドを行う。Siチップ13のダイボンドとチップ部品17の
リフローは主にAl2O3多層基板下のヒーター加熱により
一連の工程で行われる。ボイドをなくすため、Cuボール
にはSnめっきしたものを使用した。290℃ではCuボール
は軟化気味で、Snは高温で流動性を良くさせ、Cu、Niと
の反応を活発化させる。Cu粒子同志、Cu粒子とメタライ
ズ間は接触している状態であれば、接触部分は化合物が
形成される。一度、化合物が形成されると化合物の融点
は高いので、2次リフローの250℃でも溶融することは
ない。また、ダイボンドでは2次リフロー温度よりも高
いので、Snは十分ぬれ拡がり、化合物化するので、2次
リフロー時には化合物層が高温での強度を十分確保する
ので、樹脂封止した構造でも、Siチップが動くことはな
い。また、低融点のSnが再溶融しても、既により高温で
の熱履歴を受けているので、250℃でも流れだすことは
ない。このため、Siチップは2次リフロー時には、静止
状態のままであり、モジュール特性に影響を及ぼすこと
はない。
【0063】本案ペーストを用いた場合と、従来のPb系
はんだ(290℃でリフロー可能)用いた場合の樹脂が及ぼ
す影響について以下に記す。図12は従来のPb系はんだ
(固相線:245℃)を用い、フィラー入りの高弾性エポキ
シ系樹脂(メタライズとして一般に使用されているSnも
しくはSn-Pbめっきチップ部品の場合、このはんだが再
溶融するときの融点は、Sn-Pbの共晶相が形成されるの
で約180℃に低下する。従って、この樹脂による圧力に
より、はんだの流れ出し温度である180℃における樹脂
の弾性率は1000MPaである)68を用いて封止したモジュー
ルを用いて、プリント基板にSn-Pb共晶はんだで2次リ
フロー(220℃)接続した場合に(図11に示した実装状態
に近い構成で、はんだ30組成はここではSn-Pb共晶を使
用)、チップ部品17ではんだ流れ出し71によるショート
が起きた現象をモデル化したものである。Pb系はんだの
融点は固相線:245℃であるが、チップ部品電極にSn-Pb
はんだめっきが施され、かつ、基板側にはAuめっきが施
されており、融点は180℃前後になっている。従って、
2次リフロー(220℃)では再溶融状態になっている。Pb
系はんだが固体から液体に変化するとき、はんだは3.6%
の体積膨張が急激に起こる。チップ部品の側面のフィレ
ットを形成しているPb系はんだ76の再溶融膨張圧70と樹
脂圧力69とが強い力でバランスを保ち、構造上弱い個所
であるチップ上面の樹脂との界面を剥がし、はんだ流れ
出しにより、反対側の電極部への短絡が高い確率(70%)
で発生した。この短絡現象は高温(180℃)における樹脂
の弾性率を下げることで、その発生率を低減できること
も分かった。エポキシ系樹脂では柔らかくすることは限
界があるので、柔らかいシリコーン樹脂にフィラー等を
入れて弾性率を上げた検討を行った。この結果、180℃
での弾性率が10MPa以下の場合は、はんだの流れ出しが
ないことが分かった。更に弾性率を上げて、180℃で200
MPaにすると2%の発生があった。これより、再溶融する
はんだ構造では樹脂の弾性率として、180℃で200MPa以
下である必要がある。
【0064】そこで、本案ペースト構造における流れ出
しに及ぼす影響について、従来はんだと比較考察結果を
図13に示す。前述したように、本案ペーストで接合す
ると、溶融部分のSnが占める体積は約半分で、Sn自体の
値が小さいことも関係して、この体積膨張率は1.4%とな
り、Pb系はんだの1/2.6と比べて小さい値を示す。更に
は、図13中の現象モデルで示すように、Cu粒子間が点
接触状態で接合されているので、Snは溶けても樹脂から
の圧力は拘束されているCu粒子の反作用にあい、つぶさ
れないので、溶融はんだの場合と全く異なった現象にな
ることが予想される。即ち、Snの流れ出しによる電極間
の短絡が起こる確率が低いことが予想される。このた
め、フィラーが入っても柔らかめに設計したエポキシ系
樹脂であても、はんだの流れ出しを防止できる。なお、
図13の結果から、完全溶融したと仮定し、体積膨張率
に反比例した樹脂の弾性率が許容されると、単純に仮定
すると500MPaに相当する。実際はCu粒子による反発力の
効果が期待できるので更に、高い弾性率を有する樹脂で
も流れ出しは起こらないことが予想される。エポキシ系
樹脂で可能であれば、基板分割が機械的に可能のため、
レーザ等により樹脂にも切り込み部を設けなくても可能
で、量産性効率も向上する。
【0065】上記モジュール実装は他のセラミック基
板、有機のメタルコア基板、ビルドアップ基板にも適用
できる。また、チップ素子はフェースアップ、フェース
ダウンでも良い。また、モジュールとしては弾性表面波
モジュール、パワーMOSIC、メモリモジュール、マルチ
チップモジュール等にも応用できるものである。
【0066】(実施例14)次に、モータドライバーIC等
の高出力チップの樹脂パッケージへの適用例を示す。図
14(a)はリードフレーム51と熱拡散板52とを張り合わ
せてかしめた平面図である。図14(b)はパッケージの
断面図であり、図14(c)はその一部の拡大である。こ
れは、本案のはんだペーストを用いて熱拡散板(ヒート
シンク)52上に半導体チップ25を接合したものである。
そして、リード51と半導体チップ25の端子とをワイヤボ
ンデイング8により接続し樹脂封止している。リード材料
はCu系である。
【0067】図15はパッケージの工程図を示す。ま
ず、リードフレーム51と熱拡散板52とをかしめ接合す
る。そしてかしめ接合された熱拡散板52上にははんだペ
ースト36を供給して半導体チップ25をダイボンドする。
ダイボンド接続された半導体チップ25は、更に図示する
ように、リード51と金線8などによりワイヤボンデイング
される。その後、樹脂封止され、ダム切断後、Sn系はん
だめっきが施される。そして、リード切断成形され、熱
拡散板の切断が行われ完成する。Siチップの裏面電極
は、Cr-Ni-Au、Cr-Cu-Au、Ti-Pt-Au等の一般に使用され
るメタライズであれば可能である。Auが多い場合も、Au
-Snの融点の高いAuリッチ側の化合物が形成されれば良
い。ダイボンド接合については、はんだを印刷で供給
後、パルスの抵抗加熱体で、初期加圧1kgf、300℃で5秒
間で行った。
【0068】大型のチップに対しては、特に硬いZn-Al
系の場合、ゴム、低膨張フィラーを入れて高信頼性にす
ることが好ましい。
【0069】(実施例15)図16はBGA、CSPの例
で、チップ25と中継基板14とは270℃でも強度を確保で
きるCuボール80のPbフリー階層接続のパッケージであ
る。これまではチップとセラミック系の中継基板との接
続には、Pb-(5〜10)Snの高融点はんだを使用して階層を
確保したが、Pbフリー化になるとそれに代わるものがな
い。そこで、Sn系はんだを用い、化合物化することで、
リフロー時にはんだの部分は溶けても、接合している部
分は溶けず、接合強度を有する構造を提案するものであ
る。図16(a)はBGA、CSPの断面モデルで、中継
基板としてはビルドアップ基板、メタルコア基板、セラ
ミック系ノ基板等ガ考えられるが、ここではビルドアッ
プ基板等の有機系基板を取り上げた。バンプ形状は(b)
はボール、(c)はワイヤボンドバンプ、(d)は変形し易い
構造のCuめっきバンプの拡大である。外部接続端子は、
CuパッドもしくはNi/Auめっき83上にボールもしくはペ
ーストでSn-Ag-Cu系はんだ30が供給される。
【0070】図16(a)の場合、Siチップ25側の薄膜電
極82上にSnを蒸着、めっき、ペースト、金属ボールとは
んだボールとを複合してなるペースト等で供給し、その
上にCu、Ag、Au等のボールもしくはAlにAuめっきしたボ
ール等の金属ボール80、もしくはメタライズした有機の
樹脂ボールを熱圧着し、薄膜電極材(Cu,Ni,Ag等)との接
触部84及びその近傍でSnとの金属間化合物84を形成させ
ることで、リフローに耐える接続を可能にできる。次
に、該チップに形成されたボール電極を、予め、金属ボ
ールとはんだ(Sn、Sn-Ag、Sn-Ag-Cu、Sn-Cu等にIn、B
i、Znを含むものでも可能)ボールとを混合してなるペ
ースト等でを供給した中継基板(Al2O3、AlN、有機、ヒ゛ル
ト゛アッフ゜、メタルコア)の電極上に位置決めし、熱圧着すること
で、同様に中継基板電極83とSnとの金属間化合物84を形
成させることで、280℃に耐える構造体となる。バンプ
高さのばらつきがあっても複合ペーストが吸収してくれ
る。そして、はんだバンプ部とSiチップ電極部への応力
負担が少なく、バンプの寿命向上、落下等の衝撃に対す
る機械的保護のため、ヤング率:50〜15000Mpa、熱膨張
係数:10〜60×10-6/℃の流動性に優れる無溶剤系の樹
脂81を充填した高信頼BGA、CSPとすることができ
る。
【0071】以下、図16の(b)、(c)、(d)のプロセス
について記す。図17は、図16(b)に示したCuボール8
0方式におけるSiチップ25と中継基板14間の接続プロセ
スを示す。Siチップ20上の電極端子82はこの場合はTi/P
t/Auとしたが、特に限定されるものではない。ウエハプ
ロセスの段階で各チップ上の薄膜電極82にSnめっき、も
しくはSn-Ag-Cu系はんだ、もしくは金属ボールとはんだ
ボールとを複合したぺ−スト85等を供給する。Auは主に
表面酸化防止のためで約0.1μm以下と薄く、このため、
溶融後ははんだ中に固溶する。PtとSnとの化合物層はPt
3Sn、PtSn2等多種存在する。ボール径80が大きい場合
は、ボール固定用はんだ85を厚く供給できる印刷方式が
望ましい。なお、予め、ボールにはんだめっきしたもの
を使用しても良い。
【0072】図17(a)はSnめっき23された端子上にフ
ラックス4を塗布後、150μmの金属ボール(Cuボール)80
をメタルマスクのガイドで位置決め固定した状態であ
る。ウエハもしくはチップ上のどのボールも薄膜電極82
中央部に確実に接触するように、平坦なパルス電流の抵
抗加熱体等で290℃、5秒間で加圧溶融させる。チップ内
のCuボール寸法のばらつきにより、電極部と接触しない
ものが中にはあるが、高温におけるCuの塑性変形も関係
するが、接近していれば、合金層が形成する可能性は高
い。仮に合金層ができなくSn層で接触しているバンプが
幾つか発生しても、大多数のバンプが合金層を形成して
いれば、問題はない。複合ペースト34の場合は、Cuボー
ルが電極部に接触しなくても接続後はCuボールの連結で
電極部と繋がり、高温時にも強度を有する。
【0073】溶融後の電極部の断面は図17(b)にな
り、Cuボールは端子に接触し、接触した個所84はPt-S
n、Cu-Snとの化合物で連結される。この状態では完全に
化合物で連結されなくても、後工程での加熱、加圧等に
より合金層が成長し連結される場合もある。周辺にはSn
のフィレットが形成されるが、Cu全体にはぬれ広がらな
い場合が多い。ボールを接続後、ウエハもしくはチップ
ごとに洗浄後(ウエハの場合はチップごとに切断する)、
パルス電流の抵抗加熱体で該チップの裏面を吸着し、ボ
ール端子をビルドアップ中継基板14の電極端子83上の複
合ペースト36に位置決め固着し、窒素を吹き付けて290
℃、5秒間で加圧溶融させる。後工程で樹脂充填しない
場合はフラックスを用いても良い。
【0074】図17(c)は加圧溶融後の断面で、Siチッ
プ側の電極端子82から、中継基板側の電極端子83までは
高融点の金属、金属間化合物等41がシリーズに繋がって
いるので、この後のリフロー工程でも、剥がれることは
ない。ボールバンプの高さのばらつきで、中継基板上の
電極に接触しないバンプも中には存在するが、金属間化
合物で連結されるのでリフロー時でも問題はない。
【0075】図16(c)はSiチップ側のワイヤボンデイン
グ端子(Cr/Ni/Au等)48にCu、Ag、Au等のワイヤバンピン
グ端子86等で熱圧着(超音波を加える場合もある)で接続
した例である。ワイヤバンピング端子の特徴はキャピラ
リーで変形した形状とネック部のちぎれである。ネック
部のちぎれによる高さのばらつきは大きいが、加圧時に
平坦化されるものもあるが、CuとSnとの混合ペーストで
連結されるので問題はない。ワイヤバンピング端子とし
て、Snに良くぬれて、かつ軟らかい材料であるAu、Ag、
Cu、Alがある。Alの場合はAlにぬれるはんだに限定され
るので、選択幅は狭いが可能である。 (b)と同様に、狭
い間隙の洗浄は作業上困難を伴うので、洗浄レスプロセ
スを前提とする。そして位置決め後、窒素を吹き付けて
熱圧着することで、同様に中継基板電極とSnとの金属間
化合物41を形成させることができる。(b)と同様に、280
℃に耐える接続構造となる。
【0076】図16(d)のプロセスを図18に示す。ウ
エハプロセスで、Siチップ25の素子上にCu端子87とポリ
イミド絶縁膜90等でリロケーションし、Cuめっき88によ
りバンプを形成する方式である。ホトレジ89とCuめっき
88技術を用い、単調なバンプでなく、平面方向の応力に
対して変形し易く細いネック部を設けたCuめっきバンプ
構造91である。図18(a)はウエハプロセスで形成する
断面モデルで、リロケーションした端子上で応力集中が
ないように、変形し易い構造をホトレジ89とめっきで形
成後、ホトレジを除去するとCuバンプが形成される。図
18(b)は中継基板14上にCuとSnとの複合ペーストを塗
布後に該チップのCuバンプ91を位置決めし、窒素雰囲気
中、フラックスレスで加圧、加熱(290℃,5秒)すると、C
uバンプとCu端子間がCu6Sn5の金属間化合物84で結合さ
れた断面を示す。
【0077】(実施例16)次に、はんだペーストの金属
ボール(代表組成としてCuを選定)とはんだボール(代表
組成としてSnを選定)の適正比率を検討するため、Cuに
対するSnの重量比率(Sn/Cu)をふった結果を図19に示
す。評価法は、リフロー後の断面観察により、Cu粒子同
士の接触、接近状況等から、ペーストとしての適正配合
量を検討した。使用したフラックスは通常の洗浄レスタ
イプである。Cu、Snの粒径は、ここでは20〜40μmと比
較的大きな粒子を用いた。この結果、少なくともSn/Cu
比率として、0.6〜1.4の範囲が望ましく、更に絞ると0.
8〜1.0の範囲である。粒径は大きくても50μm以下でな
いと、ファイン化に対応できない。通常は20〜30μmレ
ベルが使い易い。ファイン化(ピッチ、端子径、間隙等)
に対して余裕のある粒径として、5〜10μmレベルの微
細粒も可能である。しかし、あまり微細化し過ぎると、
表面積が多くなるため、フラックスの還元能力に限界が
あり、はんだボール残留の問題、およびCu-Sn合金化が
加速されることにより、Snの柔らかい特性が失われる恐
れもある。はんだ(Sn)は最終的に溶けるので粒径には関
係しないが、ペーストの状態でCuとSnとを均一に分散さ
せる必要があるので、両者の粒径をそろえることが基本
である。なお、Cu粒子表面ははんだがぬれ易くするた
め、Snめっきを約1μm施すことが必要である。これに
より、フラックスへの負担を減らすことができる。
【0078】複合はんだの剛性を低減させるためには、
金属とはんだの中にメタライズされた柔らかいプラスチ
ックボールを分散させることは効果がある。特に硬い金
属の場合には変形、熱衝撃に対して、変形を吸収してく
れるので信頼性向上に有効である。同様に、複合はんだ
にメタライズされたインバー、シリカ、アルミナ、Al
N、SIC等の低熱膨張を分散させることで、継手の応力を
低減させるので高信頼かが期待できる。なお、合金は機
械的特性よりも、融点をさげる新たな材料として注目さ
れるが、一般に硬い材料のため、メタライズされたAl等
の柔らかい金属ボール、プラスチックボール等を分散さ
せることで、改質を図ることができる。
【発明の効果】本願発明によって開示される発明のう
ち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明す
れば以下の通りである。本発明によれば、温度階層接続
において、高温時に接続強度が維持できるはんだを提供
できる。また、本発明によれば、高温時に接続強度が維
持できるはんだを用いた温度階層接続方法を提供するこ
とができる。また、本発明によれば、高温時に接続強度
が維持できるはんだを用いて接続された電子機器を提供
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 接続用ペーストの材料、構成を示す断面モデ
ル図。
【図2】 適用例の断面モデルとペースト供給法と接合
状態のモデル図
【図3】 表面エッチングパターンに適用した場合の断
面図
【図4】 合金化しやすいめっきに適用した場合の接合
前の断面図
【図5】 モジュールをプリント基板に実装した断面モ
デルの図
【図6】 プラスチックパッケージの断面モデル図
【図7】 RFモジュール実装の断面のモデル図
【図8】 RFモジュール実装のプロセスフローチャート
【図9】 RFモジュールのプロセス順の断面モデル図
【図10】 RFモジュールの実装基板への実装状態の斜
視図
【図11】 RFモジュールの組立における樹脂印刷方法
の斜視図
【図12】 RFモジュールの比較例におけるはんだ流れ
の原理を示す断面及び斜視図
【図13】 RFモジュールにおける比較例と本案の現象
の比較
【図14】 高出力樹脂パッケージの平面、断面モデル
【図15】 高出力樹脂パッケージのプロセスを示すフ
ローチャート面
【図16】 複合体のボールで接続したCSP接続部断
面モデルの図
【図17】 CuボールバンプのBGA,CSP断面モデ
【図18】 変形構造CuめっきバンプのBGA,CSP
断面モデル
【図19】 Sn/Cu比率と接合適正域の関係
【符号の説明】
1.Cuボール 22.Niめっき 2.Snボール 23.Snめっき 3.溶融Sn 24.Ni-Snめっ
き 4.フラックス 25.Siチップ 5.Snめっき 26.シリコーン
ゲル 6.中継基板の端子 27.Cu-Sn複合
はんだ 7.Au-20Snはんだ 28.軟らかい樹
脂 8.ワイヤボンド 29.リード 9.キャップ 30.Sn-Ag-Cu系
Pbフリーはんだ 10.接合部 31.Alフィン 11.外部接続端子 32.フィンとの
接合部 12.印刷パターン 33.リードとの
接合部 13.素子 34.バンプ 14.中継基板 35.Si基板 15.抵抗加熱体 36.複合はんだ
ペースト 16.メタライズ 37.端子 17.チップ部品 38.端子(Cuパ
ッド) 18.Cuパッド 39.Cu 19.基板 40.有機材 20.エッチング 41.Cuスルーホ
ール導体 21.溶融はんだ 42.Ag-Pd導体 43.Al2O3基板 44.厚膜スルー
ホール導体 45.W-Ni導体 46.Ag-Pt/Ni/Au電極 47.かしめ部 48.樹脂 49.ワイヤボンデイング端子 50.TQFP-LSI 51.リードフレーム 52.熱拡散板 53.タブ 54.導電ペースト 61.キャビテイ 62.スリット 63.半導体装置 64.多数個段取りAl2O3
多層セラミック基板 65.スキージ 66.メタルマスク 67.樹脂塗布済み基板 68.高硬度樹脂 69.樹脂圧力 70.はんだ再溶融膨
張圧 71.はんだ流れ出し 72.接続端子 73.一括封止部 74.Cu6Sn5 75.部品端子部 76.Pb系はんだ 80.金属ボール(Cuボール) 81.低熱膨張、低剛
性樹脂 82.薄膜電極 83.電極端子 84.接触部(金属間化合物) 85.ボール固定用は
んだ 86.ワイヤハ゛ンヒ゜ンク゛端子 87.Cu端子 88.Cuめっき 89.ホトレジ 90.ポリイミド絶縁膜 91.Cuバンプ
───────────────────────────────────────────────────── 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) B23K 35/30 310 B23K 35/30 310B 310C C22C 5/02 C22C 5/02 5/06 5/06 13/00 13/00 28/00 28/00 B H05K 3/34 512 H05K 3/34 512C (72)発明者 中塚 哲也 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 (72)発明者 三浦 一真 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 (72)発明者 根岸 幹夫 群馬県高崎市西横手町1番地1 日立東部 セミコンダク タ株式会社内 (72)発明者 中嶋 浩一 群馬県高崎市西横手町1番地1 日立東部 セミコンダク タ株式会社内 (72)発明者 遠藤 恒雄 東京都小平市上水本町五丁目20番1号 株 式会社日立製作所半導体グループ内 Fターム(参考) 5E319 BB04 BB08 BB09 CC33 GG20

Claims (20)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】少なくともSnボールもしくはInボール
    のどちらかと、該SnもしくはInより融点の高い金属
    ボールを有することを特徴とするはんだ。
  2. 【請求項2】請求項1において、前記金属ボールはCu
    ボールであることを特徴とするはんだ。
  3. 【請求項3】請求項1において、前記金属ボールはAl
    ボールであることを特徴とするはんだ。
  4. 【請求項4】請求項1において、前記金属ボールはAg
    ボールであることを特徴とするはんだ。
  5. 【請求項5】請求項1において、前記金属ボールはAu
    ボールであることを特徴とするはんだ。
  6. 【請求項6】請求項1において、前記金属ボールはCu
    合金ボール、Cu―Sn合金ボール、Ni―Sn合金ボ
    ール、Zn−Al系合金ボール、Au−Sn系合金ボー
    ルのいずれかであることを特徴とするはんだ。
  7. 【請求項7】請求項1から6のいずれか1項に記載のは
    んだであって、さらにプラスチックボールを有すること
    を特徴とするはんだ。
  8. 【請求項8】請求項1から6のいずれか1項に記載のは
    んだであって、さらにメタライズされたインバー、シリ
    カ、アルミナ、ALN、SICの粒子の少なくとも1つを有す
    ることを特徴とするはんだ。
  9. 【請求項9】請求項1から6のいずれか1項に記載のは
    んだであって、さらにBiを有することを特徴とするは
    んだ。
  10. 【請求項10】請求項1から6のいずれか1項に記載の
    はんだであって、前記金属ボールの表面はSnまたはS
    n合金めっきされていることを特徴とするはんだ。
  11. 【請求項11】請求項1から6のいずれか1項に記載の
    はんだであって、前記金属ボールの径は5μmから10
    μmであることを特徴とするはんだ。
  12. 【請求項12】請求項1から6のいずれか1項に記載の
    はんだであって、前記金属ボールの径は20μmから4
    0μmであることを特徴とするはんだ。
  13. 【請求項13】請求項1から6のいずれか1項に記載の
    はんだであって、前記SnボールもしくはInボールと
    前記金属ボールの比率が0.6から1.4であることを
    特徴とするはんだ。
  14. 【請求項14】請求項1から6のいずれか1項に記載の
    はんだであって、前記SnボールもしくはInボールと
    前記金属ボールの比率が0.8から1.0であることを
    特徴とするはんだ。
  15. 【請求項15】請求項1から6のいずれか1項に記載の
    はんだであって、前記はんだのSnまたはInの融点は
    Sn−Ag−Cu系はんだの融点より低く、該金属ボールの融
    点はSn−Ag−Cu系はんだより高いことを特徴とするはん
    だ。
  16. 【請求項16】CuボールとSnボールを有するはんだ
    であって、該Snの融点以上において、該はんだは該C
    uボールの一部と該SnボールによりCu6Sn5を含
    む化合物を形成し、該Cuボール同士はCu6Sn5を
    含む化合物により結合されていることを特徴とするはん
    だ。
  17. 【請求項17】CuボールとSnボールを有するはんだ
    であって、該Snボールが融解したとき、該Snは該C
    uボールの隙間を埋め、かつ該Cuボールの表面の少な
    くとも一部にはCu6Sn5を含む化合物が形成され、
    該Cuボール同士はCu6Sn5を含む化合物により結
    合される状態となることを特徴とするはんだ。
  18. 【請求項18】請求項16または17に記載のはんだで
    あって、該Cuボールの径は5μmから10μmである
    ことを特徴とするはんだ。
  19. 【請求項19】請求項16または17に記載のはんだで
    あって、該Cuボールの径は20μmから40μmであ
    ることを特徴とするはんだ。
  20. 【請求項20】請求項16または17に記載のはんだで
    あって、前記Snボールと前記Cuボールの比率が0.
    6から1.4であることを特徴とするはんだ。
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