JP2004179188A - 外部電極形成体および外部電極構造 - Google Patents
外部電極形成体および外部電極構造 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】外部電極構造を構成する外部電極の強度の低下を防ぐことができる外部電極形成体、および外部電極構造を提供することである。
【解決手段】電子部品２４のランド２５に外部電極２６を形成するための外部電極形成体２０は、内包部材２２と接合材２３とを含んで構成される。接合材２３の体積Ｖが
【数１７】
と表される最小体積Ｖｍｉｎ以上であるので、外部電極２６の形状にくびれが生じないように外部電極２６を形成することができる。したがって外部電極２６に応力が集中する部分が生じにくくなり、接合材２３の体積Ｖに起因する外部電極２６の強度の低下を防ぐことができる。
【選択図】 図１
【解決手段】電子部品２４のランド２５に外部電極２６を形成するための外部電極形成体２０は、内包部材２２と接合材２３とを含んで構成される。接合材２３の体積Ｖが
【数１７】
と表される最小体積Ｖｍｉｎ以上であるので、外部電極２６の形状にくびれが生じないように外部電極２６を形成することができる。したがって外部電極２６に応力が集中する部分が生じにくくなり、接合材２３の体積Ｖに起因する外部電極２６の強度の低下を防ぐことができる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電極形成対象に外部電極を形成するための外部電極形成体、および外部電極形成体を用いて形成される外部電極構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気機器、たとえば携帯電話および携帯情報機器などの小形化および軽量化にともなって、半導体装置が小形化および軽量化されている。小形化および軽量化された半導体装置として、ベアチップ半導体装置およびチップサイズパッケージ（Ｃｈｉｐ Ｓｉｚｅ Ｐａｃｋａｇｅ：略称ＣＳＰ）構造の半導体装置がある。これら半導体装置の実装の高密度化のために、半導体装置と回路基板とを電気的および機械的に接続するための外部電極が、半導体装置に形成される。
【０００３】
図８は、従来の技術の外部電極構造１を示す断面図である。図９は、従来の技術の半導体装置３と回路基板５との実装構造６を示す断面図である。外部電極２は、半導体装置３のランド４に形成される。外部電極２は、全体が同一の金属材料から成る。半導体装置３は、外部電極２が加熱されることによって流動化され、回路基板５のランド７に機械的および電気的に接続される。
【０００４】
図１０は、従来の技術の半導体装置３の実装構造６を亀裂９が生じた状態で示す断面図である。半導体装置を実装するにあたって、外部電極２が加熱されるので、外部電極２と半導体装置３および回路基板５との熱膨張係数の違いによって、外部電極２の半導体装置３および回路基板５との接続部８に、熱応力に起因するひずみが発生する。このひずみによって外部電極２に金属疲労が生じ、外部電極２に亀裂９が発生する。亀裂９は時間の経過とともに進展し、やがて破断に至り、半導体装置３と回路基板５との接続不良が発生するおそれがある。
【０００５】
図１１は、他の従来の技術の半導体装置３と回路基板５との実装構造１２を示す断面図である。図１０に示すような課題を解決するために、接合材１０と内包部材１１とから成る外部電極１３があり、この外部電極１３の内包部材１１は、弾性を有する球形状の部材であって、接合材１０は内包部材１１を覆って設けられる。接合材１１ははんだから成り、内包部材１０は、合成樹脂から成る。この内包部材１０によって、熱応力を緩和している（たとえば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−２１３４００号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図１２は、図１１の半導体装置３に外部電極１３において、接合材１１が少ない場合の外部電極１３を示す断面図である。半導体装置３を回路基板に実装した場合に、半導体装置３と回路基板との間隔は、実装後の外部電極１３の高さに基づいて決まるので、前記間隔を大きくするためには、外部電極１３を構成する内包部材１０を大きくしなければならない。外部電極構造１４において、内包部材１０を大きくすると内包部材１０の体積に対して、外部電極１３を構成する接合材１１の体積が小さくなりやすく、この場合、外部電極１３が形成されるランド４の近傍において、外部電極１３にくびれが生じるおそれがある。くびれが生じると、くびれの部分に応力が集中し、亀裂１５が発生するおそれがあり、外部電極１３の強度が低下する。
【０００８】
したがって本発明の目的は、外部電極の強度の低下を防ぐことができる外部電極形成体および外部電極構造を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電極形成対象に設けられる円形状の被電極形成部に電気的および機械的に接合することによって、電極形成対象に外部電極を形成するための外部電極形成体であって、
略球形状の内包部材と、
内包部材を覆って設けられ、導電性を有するとともに、内包部材の融点および熱分解温度よりも低い融点を有する材料から成り、被電極形成部に電気的および機械的に接合される接合材とを含み、
被電極形成部の半径Ｐ、内包部材の半径Ｒ、および外部電極形成体を被電極形成部に接合したときの被電極形成部とは反対側部分における接合材の厚み寸法Ｚを用いて、内包部材の半径Ｒおよび厚み寸法Ｚの合計を半径とする仮想球体と被電極形成部との関係を表す角度θが、
【００１０】
【数４】
と表されるとき、
【００１１】
内包部材を覆って設けられる接合材の体積Ｖが、
【数５】
と表される最小体積Ｖｍｉｎ以上であることを特徴とする外部電極形成体である。
【００１２】
本発明に従えば、電極形成対象の被電極形成部に外部電極を形成するための外部電極形成体は、内包部材と接合材とを含んで構成される。被電極形成部は円形状であって、外部電極形成体は被電極形成部に電気的および機械的に接合され、外部電極が形成される。内包部材は、略球形状であり、接合材は、内包部材を覆って設けられる。接合材は、導電性を有するとともに、内包部材の融点および熱分解温度よりも低い融点を有する材料から成り、被電極形成部に電気的および機械的に接合される。したがって、接合材だけを溶融させて、外部電極を形成することができ、内包部材の形状は一定に保つことができる。これによって外部電極の突起高さを、内包部材の直径よりも高く形成することができるので、電極形成対象と、外部電極を介して電極形成対象に機械的および電気的に接合される電気部品との距離を、外部電極によって保つことができる。
【００１３】
また形成される外部電極の形状が、内包部材の半径Ｒおよび被電極形成部とは反対側部分における接合材の厚み寸法Ｚの合計を半径とする仮想球体を、被電極形成部の中心に載置し、被電極形成部の周縁から延びて仮想球体に外接する仮想円錐台を想定し、仮想球体と仮想円錐台とに囲まれた形状であるときの接合材の体積を最小体積Ｖｍｉｎとする。厚み寸法Ｚは、外部電極が形成される温度にて流動化された接合材が、接合材の内包部材に対する付着特性に基づいて決定される。厚み寸法Ｚに応じて、外部電極形成体の接合材の厚み寸法を変更することによって、接合材の体積Ｖが、前記最小体積Ｖｍｉｎの関係式である最小体積関係式によって求まる最小体積Ｖｍｉｎ以上にすることができる。したがって外部電極に応力が集中する部分が生じにくくなり、接合材の体積Ｖに起因する外部電極の強度の低下を防ぐことができる。
【００１４】
また本発明は、接合材の体積Ｖが、
【数６】
と表される最大体積Ｖｍａｘ以下であることを特徴とする。
【００１５】
本発明に従えば、接合材の体積Ｖは、外部電極が被電極形成部の周縁から延びる仮想球欠であるときの、接合材の体積を求める式である最大体積関係式によって求められる最大体積Ｖｍａｘ以下である。したがって接合材の体積Ｖの体積増加率に対して、大きい外部電極の突出高さの高さ増加率を得ることができる。
【００１６】
また本発明は、内包部材の表面は、銅、ニッケル、金および銀のうち、少なくとも１つ以上と不可避的不純物とを含む金属から成ることを特徴とする。
【００１７】
本発明に従えば、内包部材の表面は、銅、ニッケル、金および銀のうち、少なくとも１つ以上と不可避的不純物とを含む金属から成るので、接合材の内包部材に対する濡れ性が向上する。したがって接合材が、内包部材の表面の全面にわたって付着するように構成することができ、外部電極の表面を滑らかな曲面状に形成することができる。
【００１８】
また本発明は、内包部材は、半径方向に少なくとも２層以上の層構成を有し、最外層が金属から成り、最内層が非金属から成ることを特徴とする。
【００１９】
本発明に従えば、内包部材は、半径方向に少なくとも２層以上の層構成を有し、最外層が金属から成り、最内層が非金属から成るので、非金属の物性を外部電極形成体に反映させることができる。また最外層が金属から成るので、接合材の内包部材に対する濡れ性が向上する。したがって接合材が、内包部材の表面の全面にわたって付着するように構成することができ、外部電極の表面を滑らかな曲面状に形成することができる。
【００２０】
また本発明は、最内層は、合成樹脂から成ることを特徴とする。
本発明に従えば、最内層は、合成樹脂から成るので、合成樹脂の物性を外部電極形成体に反映させることができる。したがって外部電極に生じる応力を、合成樹脂の有する弾性によって緩和することがき、外部電極の強度を向上することができる。
【００２１】
また本発明は、接合材は、錫および鉛を含む合金から成ることを特徴とする。本発明に従えば、接合材は、錫および鉛を含む合金から成るので、接合材をより低い融点を有する材料にすることができる。したがって、より少ない熱量によって、外部電極を形成することができるので、外部電極を容易に形成することができる。また接合材の融点が低くなることによって、内包部材は、融点および熱分解温度がより低い材料を用いることができ、内包部材の材料を容易に選択することができる。
【００２２】
また本発明は、接合材は、鉛を除く残余の材料であって、錫、銀および銅のうち少なくとも１つ以上を含む金属から成ることを特徴とする。
【００２３】
本発明に従えば、接合材は、鉛を除く残余の材料であって、錫、銀および銅のうち少なくとも１つ以上を含む金属から成るので、鉛による環境への影響を排除することができる。
【００２４】
また本発明は、前記外部電極形成体が、電極形成対象の被電極形成部に電気的および機械的に接合されて構成される外部電極構造である。
【００２５】
本発明に従えば、外部電極構造は、前記外部電極形成体が、電極形成対象の被電極形成部に電気的および機械的に接合されて構成される。したがって、くびれを生じない外部電極を実現し、外部電極の強度を向上することができる外部電極構造を実現することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の一形態である外部電極形成体２０を用いて形成した外部電極構造２１を示す断面図である。図２は、外部電極形成体２０を示す断面図である。外部電極形成体２０は、略球形状に形成され、内包部材２２と接合材２３とを含んで構成される。接合材２３は、内包部材２２を覆って設けられ、導電性を有するとともに、内包部材２２の融点および熱分解温度よりも低い融点を有する材料から成る。接合材２３は、鉛（Ｐｂ）を除く残余の材料であって、錫（Ｓｎ）、銀（Ａｇ）および銅（Ｃｕ）のうち少なくとも１つ以上を含む金属から成り、具体的には、たとえばＳｎ−３．５ＡｇおよびＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕなどから成る。これらの材料の融点は摂氏２２０〜２３０度である。内包部材２２は、略球形状である。
【００２７】
外部電極構造２１は、外部電極形成体２０が電極形成対象である電子部品２４の被電極形成部であるランド２５に電気的および機械的に接合されて構成される。電子部品２４は、たとえばベアチップ半導体装置、ＣＳＰ型半導体装置およびウェハプロセスＣＳＰ型半導体装置などである。ランド２５は、電子部品２４に設けられ、円形状に形成され、ランド２５は、たとえば銅、ニッケル（Ｎｉ）および金（Ａｕ）のうち少なくとも１つ以上を含む金属から成る。
【００２８】
外部電極構造２１を構成する外部電極２６の形状が、内包部材２２の半径Ｒおよび接合材２３の厚み寸法Ｚの合計を半径とする仮想球体をランド２５の中心に載置し、ランド２５の周縁から延びて仮想球体に外接する仮想円錐台を想定し、仮想球体と仮想円錐台とに囲まれた形状であるときの接合材２３の体積を、最小体積Ｖｍｉｎとする。
【００２９】
ランド２５の周縁から延びて仮想球体に接する位置と仮想球体の中心とを結ぶ仮想直線と、ランド２５の中心と仮想球体の中心とを結ぶ仮想直線とが成す角度を角度θとする。ランド２５の半径Ｐ、内包部材２２の半径Ｒ、および外部電極形成体２０をランド２５に接合したときのランド２５とは反対側部分における接合材２３の厚み寸法Ｚを用いて、角度θが表せる。角度θは、半径Ｐを、半径Ｒと厚み寸法Ｚとの和で除した値の逆正接関数を求め、求めた値を２倍した値で表される。したがって角度θは、次式（１）で表される。ｔａｎ−１は、逆正接関数を示す。厚み寸法Ｚは、接合材２３の内包部材２２に対する付着特性に基づいて決まる値である。
【００３０】
【数７】
【００３１】
半径Ｒおよび厚み寸法Ｚの合計を半径とする仮想球体の体積から、内包部材２２の体積を除いた仮想中空球体の体積を体積Ｖ１とする。体積Ｖ１は、半径Ｒおよび厚み寸法Ｚの合計の３乗から半径Ｒの３乗を減じ、減じた値に円周率πを乗じて４倍して３で除した値である。したがって体積Ｖ１は、次式（２）によって表される。
【００３２】
【数８】
【００３３】
ランド２５の周縁から延びて仮想球体に外接する仮想円錐台を想定したとき、仮想円錐台の軸線方向一方の端面の半径は、ランド２５の半径Ｐであり、軸線方向他方の端面の半径Ｌは、仮想球体の半径と角度θとの関係から求まる。半径Ｌは、半径Ｒおよび厚み寸法Ｚの合計に、正弦関数に角度θを代入した値を乗じた値である。したがって半径Ｌは、次式（３）によって表される。ｓｉｎは、正弦関数を示す。
Ｌ＝（Ｒ＋Ｚ）×ｓｉｎθ …（３）
【００３４】
仮想円錐台の両端面間の距離である高さＨは、仮想球体の半径と角度θとの関係から求まる。高さＨは、１から余弦関数にθを代入した値を減じ、減じた値に半径Ｒおよび厚み寸法Ｚの合計を乗じた値である。したがって高さＨは、次式（４）によって表される。ｃｏｓは、余弦関数を示す。
Ｈ＝（Ｒ＋Ｚ）×（１−ｃｏｓθ） …（４）
【００３５】
仮想円錐台の体積を体積Ｖ２とする。仮想円錐台の体積Ｖ２は、半径Ｌと半径Ｐと高さＨとの関係から求まる。体積Ｖ２は、半径Ｌの２乗と半径Ｐの２乗と半径Ｌおよび半径Ｐの積との合計に、高さＨと円周率πとを乗じて、３で除して求められる。したがって体積Ｖ２は、次式（５）によって表される。
【００３６】
【数９】
【００３７】
式（５）に式（３）および式（４）を代入すると、仮想円錐台の体積Ｖ２は次式（６）によって表される。
【００３８】
【数１０】
【００３９】
仮想球体と仮想円錐台とが重複する領域である第１仮想球欠の体積を、体積Ｖ３とする。体積Ｖ３は、第１仮想球欠の軸線方向の距離である高さＨと、第１仮想球欠の半径と関係から求まる。体積Ｖ３は、第１仮想球欠の半径である半径Ｒおよび厚み寸法Ｚの合計の３倍から、高さＨを減じた値に、高さＨの２乗した値と円周率πとを乗じて、３で除して求められる。したがって体積Ｖ３は、次式（７）によって表される。
【００４０】
【数１１】
【００４１】
式（７）に式（４）を代入して整理すると、第１仮想球欠の体積Ｖ３は次式（８）によって表される。
【００４２】
【数１２】
【００４３】
外部電極２６のおける、接合材２３の最小体積Ｖｍｉｎは、仮想球体の体積Ｖ１、仮想円錐台の体積Ｖ２および第１仮想球欠の体積Ｖ３の関係から求まる。最小体積Ｖｍｉｎ、体積Ｖ１および体積Ｖ２の合計から体積Ｖ３を減じて求められる。したがって体積Ｖｍｉｎは、次式（９）によって表される。
Ｖｍｉｎ＝Ｖ１＋Ｖ２−Ｖ３ …（９）
【００４４】
式（９）に、式（２）、式（６）および式（８）を代入すると、体積Ｖｍｉｎは次式（１０）によって表される。
【００４５】
【数１３】
【００４６】
外部電極２６の形状が、内包部材２２の半径Ｒおよび厚み寸法Ｚの合計を半径とする仮想球体をランド２５の中心に載置し、ランド２５の周縁から延びて、仮想球体に外接する第２仮想球欠であるときの接合材２３の体積Ｖｍａｘとする。体積Ｖｍａｘは、第２仮想球欠の体積から内包部材２２の体積を減じて求められる。第２仮想球欠の体積を、体積Ｖ４とする。体積Ｖ４は、第２仮想球欠の軸線方向の高さＤと、第２仮想球欠の端面の半径であるランド２５の半径Ｐとによって求められる。体積Ｖ４は、半径Ｐを２乗して３倍した値および高さＤを２乗した値の合計に、高さＤと円周率πとを乗じて、６で除して求められる。したがって体積Ｖ４は次式（１１）によって表される。
【００４７】
【数１４】
【００４８】
第２仮想球欠の高さＤと仮想球体の直径は等しいので、式（１１）の高さＤに、半径Ｒおよび厚み寸法Ｚの合計の２倍の値を代入すると、体積Ｖ４は次式（１２）によって表される。
【００４９】
【数１５】
【００５０】
体積Ｖｍａｘは、第２仮想球欠の体積から内包部材２２の体積を減じて求められるので、体積Ｖｍａｘは次式（１３）によって表される。
【００５１】
【数１６】
【００５２】
本実施の形態の外部電極形成体２０の接合材２３の体積Ｖは、式（１０）である最小体積関係式によって表される体積Ｖｍｉｎ以上かつ、式（１３）である最大体積関係式によって表される体積Ｖｍａｘ以下となるように外部電極形成体２０は構成される。本実施の形態の外部電極形成体２０は、ランド２５の半径Ｐより内包部材２２の半径Ｒの方が大きくなるように形成される。
【００５３】
図３は、外部電極形成体２０の内包部材２２を示す断面図である。内包部材２２は、略球形状であって、半径方向に少なくとも２層以上の層構成を有し、最外層が金属から成り、最内層が非金属から成り、本実施の形態の内包部材２２は、２層の層構成を有する。内包部材２２の最内層２７は、たとえば接合材２３の融点よりも高い熱分解温度を有する合成樹脂から成り、具体的には、エポキシ樹脂、ポリカーボネートおよびポリテレフタレートなどの有機重合体および有機共重合体などから成る。内包部材２２の表面である最外層２８は、銅、ニッケル、金および銀のうち、少なくとも１つ以上と不可避的不純物とを含む金属から成る。
【００５４】
図４は、外部電極形成体２０を用いて外部電極構造２１が形成される過程を示す断面図である。図４（ａ）は、フラックスから成るフラックス体２９をランド２５に配置する状態を示す図である。電子部品２４は、図示しないワークステージに真空吸着されて固定されている。フラックス体２９は、図示しないフラックスステージによって厚み寸法約１００μｍに形成される。フラックスステージに形成されたフラックス体２９は、フラックスピン３０に押し当てられて、フラックスピン３０に付着する。フラックスピン３０に付着したフラックス体２９は、フラックスピン３０が電子部品２４のランド２５に対向する位置に移動し、フラックスピン３０とともに、ランド２５に押し当てられる。押し当てられたフラックス体２９は、ランド２５に付着し、フラックスピン３０からは分離される。図４（ｂ）は、マウントヘッド３１に外部電極形成体２０が真空吸着されている状態を示す図である。外部電極形成体２０を収納している収納容器３２に、気流を送り、気流によって外部電極形成体２０を浮遊させる。マウントヘッド３１は、その内部３１ａを真空状態にすることによって、吸着力が発生し、その吸着力によって、マウントヘッド３１の吸着部３１ｂに浮遊している外部電極形成体２０が真空吸着される。図４（ｃ）は、外部電極形成体２０が電子部品のフラックス体２９に配置される状態を示す図である。外部電極形成体２０を真空吸着している状態のマウントヘッド３１を、電子部品２４のランド２５に対向する位置に移動し、外部電極形成体２０とフラックス体２９とが接触する位置で、マウントヘッド３１の真空状態を解除して、吸着力をなくし、マウントヘッド３１から外部電極形成体２０が分離される。図４（ｄ）は、外部電極形成体２０がランド２５のフラックス体２９に固定されている状態を示す図である。電子部品２４のランド２５に配置されているフラックス体２９に、フラックス体２９が有する粘着力によって、外部電極形成体２０は固定される。外部電極形成体２０が固定されている状態で、外部電極形成体２０を、接合材２３の融点より高くかつ内包部材２２の熱分解温度より低い温度に加熱し、接合材２３だけを溶融させる。図４（ｅ）は、外部電極２６がランド２５に形成された状態を示す図である。外部電極形成体２０の接合材２３が溶融したことのよって、ランド２５に外部電極２６が形成される。外部電極２６の突起高さは、内包部材２２の形状は一定なので、内包部材２２の直径よりも高くなる。
【００５５】
図５は、接合材２３の体積Ｖが、最小体積Ｖｍｉｎより小さい場合の外部電極構造４０を示す断面図である。外部電極形成体２０の内包部材２２の半径Ｒを１４１．５μｍに形成し、内包部材２２を覆う接合材２３の厚み寸法を８．５μｍに形成し、外部電極形成体２０の直径を３００μｍとして、外部電極４１を形成する場合、接合材２３の体積Ｖは２．２７×１０−１２ｍ３である。ランド２５の半径Ｐを１４０μｍでとし、外部電極４１のランド２５とは反対側部分の厚み寸法Ｚは、接合材２３の内包部材２２に対する付着特性である濡れ性に基づいて３μｍである。これらの値を最小体積関係式に代入すると、最小体積Ｖｍｉｎは３．６４×１０−１２ｍ３である。したがって接合材２３の体積Ｖは、最小体積Ｖｍｉｎより小さい。接合材２３の体積Ｖは、最小体積Ｖｍｉｎより小さい場合、外部電極４１にくびれが生じるので、くびれ部４１ａに応力が集中しやすくなり、くびれ部４１ａに亀裂が生じるおそれがある。
【００５６】
本実施の形態である外部電極形成体２０を用いて形成される外部電極構造２１は、接合材２３だけを溶融させて、外部電極２６を形成することができ、内包部材２２の形状は一定に保つことができる。したがって外部電極２６の突起高さを、内包部材２２の直径よりも高く形成することができるので、ランド２５と、外部電極２２を介してランド２５に機械的および電気的に接合される回路基板との距離を、外部電極２６によって保つことができる。
【００５７】
厚み寸法Ｚは、外部電極２６が形成される温度にて流動化された接合材２３が、接合材２３の内包部材２２に対する付着特性に基づいて決定される。厚み寸法Ｚを変更することによって、接合材２３の体積Ｖが、最小体積関係式によって求まる最小体積Ｖｍｉｎ以上にすることができる。接合材の体積Ｖが最小体積Ｖｍｉｎ以上であるので、外部電極２６の形状にくびれが生じないように外部電極２６を形成することができる。したがって外部電極２６に応力が集中する部分が生じにくくなり、接合材２３の体積Ｖに起因する外部電極２６の強度の低下を防ぐことができる。
【００５８】
本実施の形態の外部電極形成体２０を用いて形成される外部電極構造２１は、接合材２３の体積Ｖが、最大体積関係式によって求められる第２仮想球欠の体積である最大体積Ｖｍａｘ以下である。したがって接合材２３の体積Ｖの体積増加率に対して、大きい外部電極２６の突出高さの高さ増加率を得ることができる。
【００５９】
また外部電極形成体２０の内包部材２２の表面は、銅、ニッケル、金および銀のうち、少なくとも１つ以上と不可避的不純物とを含む金属から成るので、接合材２３の内包部材２２に対する濡れ性が向上する。したがって接合材２３が、内包部材２２の表面の全面にわたって付着するように構成することができ、外部電極２６の表面を滑らかな曲面状に形成することができる。
【００６０】
また外部電極形成体２０の内包部材２２は、半径方向に少なくとも２層以上の層構成を有し、最外層２８が金属から成り、最内層２７が非金属から成るので、非金属の物性を外部電極形成体２０に反映させることができる。また最外層２８が金属から成るので、接合材２３の内包部材２２に対する濡れ性が向上する。したがって接合材２３が、内包部材２２の表面の全面にわたって付着するように構成することができ、外部電極２６の表面を滑らかな曲面状に形成することができる。
【００６１】
また内包部材２２の最内層２７は、合成樹脂から成るので、合成樹脂の物性を外部電極形成体２０に反映させることができる。したがって外部電極２６に生じる応力を、合成樹脂の有する弾性によって緩和することがき、外部電極２６の強度を向上することができる。
【００６２】
また接合材２３は、錫および鉛を含む合金から成るので、接合材２３をより低い融点を有する材料にすることができる。したがって、より少ない熱量によって、外部電極２６を形成することができるので、外部電極２６を容易に形成することができる。また接合材２３の融点が低くなることによって、内包部材２２は、融点および熱分解温度がより低い材料を用いることができ、内包部材２２の材料を容易に選択することができる。
【００６３】
図６は、本発明の実施の他の形態の外部電極形成体を用いて形成した外部電極構造５１を示す断面図である。本実施の形態の外部電極構造５１は前述した外部電極構造２１と類似しており、対応する構成に同一の参照符を付し、異なる構成についてだけ説明し、同様の構成については説明を省略する。本実施の形態の外部電極形成体は、内包部材２２の最外層２８は銅から成り、接合材２３は、Ｓｎ−３．５Ａｇから成る。外部電極形成体の接合材２３の厚み寸法を１６μｍと形成し、外部電極形成体の直径を３００μｍとして、外部電極５２を形成する場合、接合材２３の体積Ｖは４．０６×１０−１２ｍ３である。ランド２５の半径Ｐを１４０μｍ、内包部材２２の半径Ｒを１３４μｍとし、外部電極５２のランド２５とは反対側部分の厚み寸法Ｚは、接合材２３の内包部材２２に対する付着特性である濡れ性に基づいて３μｍである。これらの値を最小体積関係式に代入すると、最小体積Ｖｍｉｎは３．５７×１０−１２ｍ３である。またこれらの値を最大体積関係式に代入すると、最大体積Ｖｍａｘは９．１３×１０−１２ｍ３である。したがって接合材２３の体積Ｖは、最小体積Ｖｍｉｎより大きくかつ最大体積Ｖｍａｘよりも小さい。ランド２５の半径Ｐと内包部材２２の半径Ｒと厚み寸法Ｚとの関係から、外部電極５２の形状は、内包部材２２の半径Ｒおよび厚み寸法Ｚの合計を半径とする仮想球体をランド２５の中心に載置し、ランド２５の周縁から延びて仮想球体に外接する仮想円柱を想定するとき、仮想球体と仮想円柱に囲まれる形状となる。
【００６４】
本実施の形態の外部電極形成体は、外部電極５２にくびれ部が生じないように外部電極構造５１を構成することができる。したがって前述の実施の形態である外部電極形成体２０を用いて形成される外部電極構造２１と同様の効果を達成することができる。
【００６５】
図７は、本発明の実施のさらに他の形態の外部電極形成体を用いて形成した外部電極構造６１を示す断面図である。本実施の形態の外部電極構造６１は前述した外部電極構造２１，５１と類似しており、対応する構成に同一の参照符を付し、異なる構成についてだけ説明し、同様の構成については説明を省略する。本実施の形態の外部電極形成体は、内包部材２２の半径Ｒおよび厚み寸法Ｚの合計よりも、ランドの半径Ｐの方が大きくなるように形成される。接合材２３の体積Ｖは、最小体積Ｖｍｉｎより大きくかつ最大体積Ｖｍａｘよりも小さい値である。
【００６６】
本実施の形態の外部電極形成体は、外部電極６２にくびれ部が生じないように外部電極構造６１を構成することができる。したがって前述の実施の形態である外部電極形成体を用いて形成される外部電極構造６１と同様の効果を達成することができる。
【００６７】
接合材は、鉛を除く残余の材料であって、錫、銀および銅のうち少なくとも１つ以上を含む金属から成るように構成してもよい。接合材は、たとえばＳｎ−３７Ｐｂなどから成り、Ｓｎ−３７Ｐｂの融点は約摂氏１８０度である。したがって鉛による環境への影響を排除することができる。
【００６８】
内包部材の最内層は、接合材よりも高い融点を有す材料である、たとえば銅、銀およびセラミックなどから成るように構成してもよい。これによって、電子部品と回路基板との間隔を内包部材によって確実に得ることができ、接続信頼性を向上することができる。
【００６９】
外部電極形成体を用いて外部電極形構造を形成する過程において、マウントヘッドに真空吸着されている外部電極形成体に、フラックス体を塗布してから、外部電極形成体とフラックス体とをランドに配置してもよい。これによって外部電極形成体を、フラックス体の粘着性によってランドに固定することができる。
【００７０】
外部電極形成体における接合材の厚み寸法が大きくなるにしたがって、外部電極形成体の真球度が低下するので、外部電極形成体がマウントヘッドに真空吸着されにくくなるおそれがある。したがって、接合材の体積Ｖが最小体積Ｖｍｉｎ以上かつ最大体積Ｖｍａｘ以下であって、小さい値であった方がよい。これによって接合材の厚み寸法を小さくすることができ、マウントヘッドに真空吸着されやすい外部電極形成体を形成することができる。
【００７１】
接合材が、錫および鉛を含む合金であるはんだから成る場合、フラックス体は接合材と同じはんだから成るように構成してもよい。したがって、外部電極構造の接合材の体積は、外部電極形成体の接合材の体積およびランドに配置されるフラックス体の体積の合計となる。
【００７２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、接合材の体積Ｖが、最小体積関係式によって求まる最小体積Ｖｍｉｎ以上であるので、外部電極の形状にくびれが生じないように外部電極を形成することができる。したがって外部電極に応力が集中する部分が生じにくくなり、接合材の体積Ｖに起因する外部電極の強度の低下を防ぐことができる。これによって、回路基板に電子部品を実装する場合、外部電極に亀裂が生じにくくなる。
【００７３】
また本発明によれば、接合材の体積Ｖは、最大体積Ｖｍａｘ以下である。したがって接合材の体積Ｖの体積増加率に対して、大きい外部電極の突出高さの高さ増加率を得ることができる。
【００７４】
また本発明によれば、接合材の内包部材に対する濡れ性が向上する。したがって接合材が、内包部材の表面の全面にわたって付着するように構成することができ、外部電極の表面を滑らかな曲面状に形成することができる。
【００７５】
また本発明によれば、接合部材の最内層の非金属の物性を、外部電極形成体に反映させることができる。また最外層が金属から成るので、接合材の内包部材に対する濡れ性が向上する。したがって接合材が、内包部材の表面の全面にわたって付着するように構成することができ、外部電極の表面を滑らかな曲面状に形成することができる。
【００７６】
また本発明によれば、最内層を形成する合成樹脂の物性を、外部電極形成体に反映させることができる。したがって外部電極に生じる応力を、合成樹脂の有する弾性によって緩和することがき、外部電極の強度を向上することができる。
【００７７】
また本発明によれば、接合材は、より低い融点を有する材料にすることができる。したがって、より少ない熱量によって、外部電極を形成することができるので、外部電極を容易に形成することができる。また接合材の融点が低くなることによって、内包部材は、融点および熱分解温度がより低い材料を用いることができ、内包部材の材料を容易に選択することができる。
【００７８】
また本発明によれば、接合材は、鉛を除く残余の材料であって、錫、銀および銅のうち少なくとも１つ以上を含む金属から成るので、鉛による環境への影響を排除することができる。
【００７９】
また本発明によれば、くびれを生じない外部電極を実現し、外部電極の強度を向上することができる外部電極構造を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態である外部電極形成体２０を用いて形成した外部電極構造２１を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の一形態である外部電極形成体２０を示す断面図である。
【図３】外部電極形成体２０の内包部材２２を示す断面図である。
【図４】外部電極形成体２０を用いて外部電極形構造２１が形成される過程を示す断面図である。
【図５】接合材２３の体積Ｖが最小体積Ｖｍｉｎより小さい場合の外部電極構造４０を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の他の形態である外部電極形成体を用いて形成した外部電極構造５１を示す断面図である。
【図７】本発明の実施のさらに他の形態である外部電極形成体を用いて形成した外部電極構造６１を示す断面図である。
【図８】従来の技術の外部電極構造１を示す断面図である。
【図９】従来の技術の半導体装置３と回路基板５との実装構造６を示す断面図である。
【図１０】従来の技術の半導体装置３と回路基板５との実装構造６を示す断面図である。
【図１１】他の従来の技術の半導体装置３と回路基板５との実装構造１２を示す断面図である。
【図１２】従来の技術である外部電極構造１４を示す断面図である。
【符号の説明】
２０ 外部電極形成体
２１，５１，６１ 外部電極構造
２２ 内包部材
２３ 接合材
２４ 電子部品
２５ ランド
２６，５２，６２ 外部電極
２７ 最内層
２８ 最外層
【発明の属する技術分野】
本発明は、電極形成対象に外部電極を形成するための外部電極形成体、および外部電極形成体を用いて形成される外部電極構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気機器、たとえば携帯電話および携帯情報機器などの小形化および軽量化にともなって、半導体装置が小形化および軽量化されている。小形化および軽量化された半導体装置として、ベアチップ半導体装置およびチップサイズパッケージ（Ｃｈｉｐ Ｓｉｚｅ Ｐａｃｋａｇｅ：略称ＣＳＰ）構造の半導体装置がある。これら半導体装置の実装の高密度化のために、半導体装置と回路基板とを電気的および機械的に接続するための外部電極が、半導体装置に形成される。
【０００３】
図８は、従来の技術の外部電極構造１を示す断面図である。図９は、従来の技術の半導体装置３と回路基板５との実装構造６を示す断面図である。外部電極２は、半導体装置３のランド４に形成される。外部電極２は、全体が同一の金属材料から成る。半導体装置３は、外部電極２が加熱されることによって流動化され、回路基板５のランド７に機械的および電気的に接続される。
【０００４】
図１０は、従来の技術の半導体装置３の実装構造６を亀裂９が生じた状態で示す断面図である。半導体装置を実装するにあたって、外部電極２が加熱されるので、外部電極２と半導体装置３および回路基板５との熱膨張係数の違いによって、外部電極２の半導体装置３および回路基板５との接続部８に、熱応力に起因するひずみが発生する。このひずみによって外部電極２に金属疲労が生じ、外部電極２に亀裂９が発生する。亀裂９は時間の経過とともに進展し、やがて破断に至り、半導体装置３と回路基板５との接続不良が発生するおそれがある。
【０００５】
図１１は、他の従来の技術の半導体装置３と回路基板５との実装構造１２を示す断面図である。図１０に示すような課題を解決するために、接合材１０と内包部材１１とから成る外部電極１３があり、この外部電極１３の内包部材１１は、弾性を有する球形状の部材であって、接合材１０は内包部材１１を覆って設けられる。接合材１１ははんだから成り、内包部材１０は、合成樹脂から成る。この内包部材１０によって、熱応力を緩和している（たとえば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−２１３４００号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図１２は、図１１の半導体装置３に外部電極１３において、接合材１１が少ない場合の外部電極１３を示す断面図である。半導体装置３を回路基板に実装した場合に、半導体装置３と回路基板との間隔は、実装後の外部電極１３の高さに基づいて決まるので、前記間隔を大きくするためには、外部電極１３を構成する内包部材１０を大きくしなければならない。外部電極構造１４において、内包部材１０を大きくすると内包部材１０の体積に対して、外部電極１３を構成する接合材１１の体積が小さくなりやすく、この場合、外部電極１３が形成されるランド４の近傍において、外部電極１３にくびれが生じるおそれがある。くびれが生じると、くびれの部分に応力が集中し、亀裂１５が発生するおそれがあり、外部電極１３の強度が低下する。
【０００８】
したがって本発明の目的は、外部電極の強度の低下を防ぐことができる外部電極形成体および外部電極構造を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電極形成対象に設けられる円形状の被電極形成部に電気的および機械的に接合することによって、電極形成対象に外部電極を形成するための外部電極形成体であって、
略球形状の内包部材と、
内包部材を覆って設けられ、導電性を有するとともに、内包部材の融点および熱分解温度よりも低い融点を有する材料から成り、被電極形成部に電気的および機械的に接合される接合材とを含み、
被電極形成部の半径Ｐ、内包部材の半径Ｒ、および外部電極形成体を被電極形成部に接合したときの被電極形成部とは反対側部分における接合材の厚み寸法Ｚを用いて、内包部材の半径Ｒおよび厚み寸法Ｚの合計を半径とする仮想球体と被電極形成部との関係を表す角度θが、
【００１０】
【数４】
【００１１】
内包部材を覆って設けられる接合材の体積Ｖが、
【数５】
【００１２】
本発明に従えば、電極形成対象の被電極形成部に外部電極を形成するための外部電極形成体は、内包部材と接合材とを含んで構成される。被電極形成部は円形状であって、外部電極形成体は被電極形成部に電気的および機械的に接合され、外部電極が形成される。内包部材は、略球形状であり、接合材は、内包部材を覆って設けられる。接合材は、導電性を有するとともに、内包部材の融点および熱分解温度よりも低い融点を有する材料から成り、被電極形成部に電気的および機械的に接合される。したがって、接合材だけを溶融させて、外部電極を形成することができ、内包部材の形状は一定に保つことができる。これによって外部電極の突起高さを、内包部材の直径よりも高く形成することができるので、電極形成対象と、外部電極を介して電極形成対象に機械的および電気的に接合される電気部品との距離を、外部電極によって保つことができる。
【００１３】
また形成される外部電極の形状が、内包部材の半径Ｒおよび被電極形成部とは反対側部分における接合材の厚み寸法Ｚの合計を半径とする仮想球体を、被電極形成部の中心に載置し、被電極形成部の周縁から延びて仮想球体に外接する仮想円錐台を想定し、仮想球体と仮想円錐台とに囲まれた形状であるときの接合材の体積を最小体積Ｖｍｉｎとする。厚み寸法Ｚは、外部電極が形成される温度にて流動化された接合材が、接合材の内包部材に対する付着特性に基づいて決定される。厚み寸法Ｚに応じて、外部電極形成体の接合材の厚み寸法を変更することによって、接合材の体積Ｖが、前記最小体積Ｖｍｉｎの関係式である最小体積関係式によって求まる最小体積Ｖｍｉｎ以上にすることができる。したがって外部電極に応力が集中する部分が生じにくくなり、接合材の体積Ｖに起因する外部電極の強度の低下を防ぐことができる。
【００１４】
また本発明は、接合材の体積Ｖが、
【数６】
【００１５】
本発明に従えば、接合材の体積Ｖは、外部電極が被電極形成部の周縁から延びる仮想球欠であるときの、接合材の体積を求める式である最大体積関係式によって求められる最大体積Ｖｍａｘ以下である。したがって接合材の体積Ｖの体積増加率に対して、大きい外部電極の突出高さの高さ増加率を得ることができる。
【００１６】
また本発明は、内包部材の表面は、銅、ニッケル、金および銀のうち、少なくとも１つ以上と不可避的不純物とを含む金属から成ることを特徴とする。
【００１７】
本発明に従えば、内包部材の表面は、銅、ニッケル、金および銀のうち、少なくとも１つ以上と不可避的不純物とを含む金属から成るので、接合材の内包部材に対する濡れ性が向上する。したがって接合材が、内包部材の表面の全面にわたって付着するように構成することができ、外部電極の表面を滑らかな曲面状に形成することができる。
【００１８】
また本発明は、内包部材は、半径方向に少なくとも２層以上の層構成を有し、最外層が金属から成り、最内層が非金属から成ることを特徴とする。
【００１９】
本発明に従えば、内包部材は、半径方向に少なくとも２層以上の層構成を有し、最外層が金属から成り、最内層が非金属から成るので、非金属の物性を外部電極形成体に反映させることができる。また最外層が金属から成るので、接合材の内包部材に対する濡れ性が向上する。したがって接合材が、内包部材の表面の全面にわたって付着するように構成することができ、外部電極の表面を滑らかな曲面状に形成することができる。
【００２０】
また本発明は、最内層は、合成樹脂から成ることを特徴とする。
本発明に従えば、最内層は、合成樹脂から成るので、合成樹脂の物性を外部電極形成体に反映させることができる。したがって外部電極に生じる応力を、合成樹脂の有する弾性によって緩和することがき、外部電極の強度を向上することができる。
【００２１】
また本発明は、接合材は、錫および鉛を含む合金から成ることを特徴とする。本発明に従えば、接合材は、錫および鉛を含む合金から成るので、接合材をより低い融点を有する材料にすることができる。したがって、より少ない熱量によって、外部電極を形成することができるので、外部電極を容易に形成することができる。また接合材の融点が低くなることによって、内包部材は、融点および熱分解温度がより低い材料を用いることができ、内包部材の材料を容易に選択することができる。
【００２２】
また本発明は、接合材は、鉛を除く残余の材料であって、錫、銀および銅のうち少なくとも１つ以上を含む金属から成ることを特徴とする。
【００２３】
本発明に従えば、接合材は、鉛を除く残余の材料であって、錫、銀および銅のうち少なくとも１つ以上を含む金属から成るので、鉛による環境への影響を排除することができる。
【００２４】
また本発明は、前記外部電極形成体が、電極形成対象の被電極形成部に電気的および機械的に接合されて構成される外部電極構造である。
【００２５】
本発明に従えば、外部電極構造は、前記外部電極形成体が、電極形成対象の被電極形成部に電気的および機械的に接合されて構成される。したがって、くびれを生じない外部電極を実現し、外部電極の強度を向上することができる外部電極構造を実現することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の一形態である外部電極形成体２０を用いて形成した外部電極構造２１を示す断面図である。図２は、外部電極形成体２０を示す断面図である。外部電極形成体２０は、略球形状に形成され、内包部材２２と接合材２３とを含んで構成される。接合材２３は、内包部材２２を覆って設けられ、導電性を有するとともに、内包部材２２の融点および熱分解温度よりも低い融点を有する材料から成る。接合材２３は、鉛（Ｐｂ）を除く残余の材料であって、錫（Ｓｎ）、銀（Ａｇ）および銅（Ｃｕ）のうち少なくとも１つ以上を含む金属から成り、具体的には、たとえばＳｎ−３．５ＡｇおよびＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕなどから成る。これらの材料の融点は摂氏２２０〜２３０度である。内包部材２２は、略球形状である。
【００２７】
外部電極構造２１は、外部電極形成体２０が電極形成対象である電子部品２４の被電極形成部であるランド２５に電気的および機械的に接合されて構成される。電子部品２４は、たとえばベアチップ半導体装置、ＣＳＰ型半導体装置およびウェハプロセスＣＳＰ型半導体装置などである。ランド２５は、電子部品２４に設けられ、円形状に形成され、ランド２５は、たとえば銅、ニッケル（Ｎｉ）および金（Ａｕ）のうち少なくとも１つ以上を含む金属から成る。
【００２８】
外部電極構造２１を構成する外部電極２６の形状が、内包部材２２の半径Ｒおよび接合材２３の厚み寸法Ｚの合計を半径とする仮想球体をランド２５の中心に載置し、ランド２５の周縁から延びて仮想球体に外接する仮想円錐台を想定し、仮想球体と仮想円錐台とに囲まれた形状であるときの接合材２３の体積を、最小体積Ｖｍｉｎとする。
【００２９】
ランド２５の周縁から延びて仮想球体に接する位置と仮想球体の中心とを結ぶ仮想直線と、ランド２５の中心と仮想球体の中心とを結ぶ仮想直線とが成す角度を角度θとする。ランド２５の半径Ｐ、内包部材２２の半径Ｒ、および外部電極形成体２０をランド２５に接合したときのランド２５とは反対側部分における接合材２３の厚み寸法Ｚを用いて、角度θが表せる。角度θは、半径Ｐを、半径Ｒと厚み寸法Ｚとの和で除した値の逆正接関数を求め、求めた値を２倍した値で表される。したがって角度θは、次式（１）で表される。ｔａｎ−１は、逆正接関数を示す。厚み寸法Ｚは、接合材２３の内包部材２２に対する付着特性に基づいて決まる値である。
【００３０】
【数７】
半径Ｒおよび厚み寸法Ｚの合計を半径とする仮想球体の体積から、内包部材２２の体積を除いた仮想中空球体の体積を体積Ｖ１とする。体積Ｖ１は、半径Ｒおよび厚み寸法Ｚの合計の３乗から半径Ｒの３乗を減じ、減じた値に円周率πを乗じて４倍して３で除した値である。したがって体積Ｖ１は、次式（２）によって表される。
【００３２】
【数８】
ランド２５の周縁から延びて仮想球体に外接する仮想円錐台を想定したとき、仮想円錐台の軸線方向一方の端面の半径は、ランド２５の半径Ｐであり、軸線方向他方の端面の半径Ｌは、仮想球体の半径と角度θとの関係から求まる。半径Ｌは、半径Ｒおよび厚み寸法Ｚの合計に、正弦関数に角度θを代入した値を乗じた値である。したがって半径Ｌは、次式（３）によって表される。ｓｉｎは、正弦関数を示す。
Ｌ＝（Ｒ＋Ｚ）×ｓｉｎθ …（３）
【００３４】
仮想円錐台の両端面間の距離である高さＨは、仮想球体の半径と角度θとの関係から求まる。高さＨは、１から余弦関数にθを代入した値を減じ、減じた値に半径Ｒおよび厚み寸法Ｚの合計を乗じた値である。したがって高さＨは、次式（４）によって表される。ｃｏｓは、余弦関数を示す。
Ｈ＝（Ｒ＋Ｚ）×（１−ｃｏｓθ） …（４）
【００３５】
仮想円錐台の体積を体積Ｖ２とする。仮想円錐台の体積Ｖ２は、半径Ｌと半径Ｐと高さＨとの関係から求まる。体積Ｖ２は、半径Ｌの２乗と半径Ｐの２乗と半径Ｌおよび半径Ｐの積との合計に、高さＨと円周率πとを乗じて、３で除して求められる。したがって体積Ｖ２は、次式（５）によって表される。
【００３６】
【数９】
式（５）に式（３）および式（４）を代入すると、仮想円錐台の体積Ｖ２は次式（６）によって表される。
【００３８】
【数１０】
仮想球体と仮想円錐台とが重複する領域である第１仮想球欠の体積を、体積Ｖ３とする。体積Ｖ３は、第１仮想球欠の軸線方向の距離である高さＨと、第１仮想球欠の半径と関係から求まる。体積Ｖ３は、第１仮想球欠の半径である半径Ｒおよび厚み寸法Ｚの合計の３倍から、高さＨを減じた値に、高さＨの２乗した値と円周率πとを乗じて、３で除して求められる。したがって体積Ｖ３は、次式（７）によって表される。
【００４０】
【数１１】
式（７）に式（４）を代入して整理すると、第１仮想球欠の体積Ｖ３は次式（８）によって表される。
【００４２】
【数１２】
外部電極２６のおける、接合材２３の最小体積Ｖｍｉｎは、仮想球体の体積Ｖ１、仮想円錐台の体積Ｖ２および第１仮想球欠の体積Ｖ３の関係から求まる。最小体積Ｖｍｉｎ、体積Ｖ１および体積Ｖ２の合計から体積Ｖ３を減じて求められる。したがって体積Ｖｍｉｎは、次式（９）によって表される。
Ｖｍｉｎ＝Ｖ１＋Ｖ２−Ｖ３ …（９）
【００４４】
式（９）に、式（２）、式（６）および式（８）を代入すると、体積Ｖｍｉｎは次式（１０）によって表される。
【００４５】
【数１３】
外部電極２６の形状が、内包部材２２の半径Ｒおよび厚み寸法Ｚの合計を半径とする仮想球体をランド２５の中心に載置し、ランド２５の周縁から延びて、仮想球体に外接する第２仮想球欠であるときの接合材２３の体積Ｖｍａｘとする。体積Ｖｍａｘは、第２仮想球欠の体積から内包部材２２の体積を減じて求められる。第２仮想球欠の体積を、体積Ｖ４とする。体積Ｖ４は、第２仮想球欠の軸線方向の高さＤと、第２仮想球欠の端面の半径であるランド２５の半径Ｐとによって求められる。体積Ｖ４は、半径Ｐを２乗して３倍した値および高さＤを２乗した値の合計に、高さＤと円周率πとを乗じて、６で除して求められる。したがって体積Ｖ４は次式（１１）によって表される。
【００４７】
【数１４】
第２仮想球欠の高さＤと仮想球体の直径は等しいので、式（１１）の高さＤに、半径Ｒおよび厚み寸法Ｚの合計の２倍の値を代入すると、体積Ｖ４は次式（１２）によって表される。
【００４９】
【数１５】
体積Ｖｍａｘは、第２仮想球欠の体積から内包部材２２の体積を減じて求められるので、体積Ｖｍａｘは次式（１３）によって表される。
【００５１】
【数１６】
本実施の形態の外部電極形成体２０の接合材２３の体積Ｖは、式（１０）である最小体積関係式によって表される体積Ｖｍｉｎ以上かつ、式（１３）である最大体積関係式によって表される体積Ｖｍａｘ以下となるように外部電極形成体２０は構成される。本実施の形態の外部電極形成体２０は、ランド２５の半径Ｐより内包部材２２の半径Ｒの方が大きくなるように形成される。
【００５３】
図３は、外部電極形成体２０の内包部材２２を示す断面図である。内包部材２２は、略球形状であって、半径方向に少なくとも２層以上の層構成を有し、最外層が金属から成り、最内層が非金属から成り、本実施の形態の内包部材２２は、２層の層構成を有する。内包部材２２の最内層２７は、たとえば接合材２３の融点よりも高い熱分解温度を有する合成樹脂から成り、具体的には、エポキシ樹脂、ポリカーボネートおよびポリテレフタレートなどの有機重合体および有機共重合体などから成る。内包部材２２の表面である最外層２８は、銅、ニッケル、金および銀のうち、少なくとも１つ以上と不可避的不純物とを含む金属から成る。
【００５４】
図４は、外部電極形成体２０を用いて外部電極構造２１が形成される過程を示す断面図である。図４（ａ）は、フラックスから成るフラックス体２９をランド２５に配置する状態を示す図である。電子部品２４は、図示しないワークステージに真空吸着されて固定されている。フラックス体２９は、図示しないフラックスステージによって厚み寸法約１００μｍに形成される。フラックスステージに形成されたフラックス体２９は、フラックスピン３０に押し当てられて、フラックスピン３０に付着する。フラックスピン３０に付着したフラックス体２９は、フラックスピン３０が電子部品２４のランド２５に対向する位置に移動し、フラックスピン３０とともに、ランド２５に押し当てられる。押し当てられたフラックス体２９は、ランド２５に付着し、フラックスピン３０からは分離される。図４（ｂ）は、マウントヘッド３１に外部電極形成体２０が真空吸着されている状態を示す図である。外部電極形成体２０を収納している収納容器３２に、気流を送り、気流によって外部電極形成体２０を浮遊させる。マウントヘッド３１は、その内部３１ａを真空状態にすることによって、吸着力が発生し、その吸着力によって、マウントヘッド３１の吸着部３１ｂに浮遊している外部電極形成体２０が真空吸着される。図４（ｃ）は、外部電極形成体２０が電子部品のフラックス体２９に配置される状態を示す図である。外部電極形成体２０を真空吸着している状態のマウントヘッド３１を、電子部品２４のランド２５に対向する位置に移動し、外部電極形成体２０とフラックス体２９とが接触する位置で、マウントヘッド３１の真空状態を解除して、吸着力をなくし、マウントヘッド３１から外部電極形成体２０が分離される。図４（ｄ）は、外部電極形成体２０がランド２５のフラックス体２９に固定されている状態を示す図である。電子部品２４のランド２５に配置されているフラックス体２９に、フラックス体２９が有する粘着力によって、外部電極形成体２０は固定される。外部電極形成体２０が固定されている状態で、外部電極形成体２０を、接合材２３の融点より高くかつ内包部材２２の熱分解温度より低い温度に加熱し、接合材２３だけを溶融させる。図４（ｅ）は、外部電極２６がランド２５に形成された状態を示す図である。外部電極形成体２０の接合材２３が溶融したことのよって、ランド２５に外部電極２６が形成される。外部電極２６の突起高さは、内包部材２２の形状は一定なので、内包部材２２の直径よりも高くなる。
【００５５】
図５は、接合材２３の体積Ｖが、最小体積Ｖｍｉｎより小さい場合の外部電極構造４０を示す断面図である。外部電極形成体２０の内包部材２２の半径Ｒを１４１．５μｍに形成し、内包部材２２を覆う接合材２３の厚み寸法を８．５μｍに形成し、外部電極形成体２０の直径を３００μｍとして、外部電極４１を形成する場合、接合材２３の体積Ｖは２．２７×１０−１２ｍ３である。ランド２５の半径Ｐを１４０μｍでとし、外部電極４１のランド２５とは反対側部分の厚み寸法Ｚは、接合材２３の内包部材２２に対する付着特性である濡れ性に基づいて３μｍである。これらの値を最小体積関係式に代入すると、最小体積Ｖｍｉｎは３．６４×１０−１２ｍ３である。したがって接合材２３の体積Ｖは、最小体積Ｖｍｉｎより小さい。接合材２３の体積Ｖは、最小体積Ｖｍｉｎより小さい場合、外部電極４１にくびれが生じるので、くびれ部４１ａに応力が集中しやすくなり、くびれ部４１ａに亀裂が生じるおそれがある。
【００５６】
本実施の形態である外部電極形成体２０を用いて形成される外部電極構造２１は、接合材２３だけを溶融させて、外部電極２６を形成することができ、内包部材２２の形状は一定に保つことができる。したがって外部電極２６の突起高さを、内包部材２２の直径よりも高く形成することができるので、ランド２５と、外部電極２２を介してランド２５に機械的および電気的に接合される回路基板との距離を、外部電極２６によって保つことができる。
【００５７】
厚み寸法Ｚは、外部電極２６が形成される温度にて流動化された接合材２３が、接合材２３の内包部材２２に対する付着特性に基づいて決定される。厚み寸法Ｚを変更することによって、接合材２３の体積Ｖが、最小体積関係式によって求まる最小体積Ｖｍｉｎ以上にすることができる。接合材の体積Ｖが最小体積Ｖｍｉｎ以上であるので、外部電極２６の形状にくびれが生じないように外部電極２６を形成することができる。したがって外部電極２６に応力が集中する部分が生じにくくなり、接合材２３の体積Ｖに起因する外部電極２６の強度の低下を防ぐことができる。
【００５８】
本実施の形態の外部電極形成体２０を用いて形成される外部電極構造２１は、接合材２３の体積Ｖが、最大体積関係式によって求められる第２仮想球欠の体積である最大体積Ｖｍａｘ以下である。したがって接合材２３の体積Ｖの体積増加率に対して、大きい外部電極２６の突出高さの高さ増加率を得ることができる。
【００５９】
また外部電極形成体２０の内包部材２２の表面は、銅、ニッケル、金および銀のうち、少なくとも１つ以上と不可避的不純物とを含む金属から成るので、接合材２３の内包部材２２に対する濡れ性が向上する。したがって接合材２３が、内包部材２２の表面の全面にわたって付着するように構成することができ、外部電極２６の表面を滑らかな曲面状に形成することができる。
【００６０】
また外部電極形成体２０の内包部材２２は、半径方向に少なくとも２層以上の層構成を有し、最外層２８が金属から成り、最内層２７が非金属から成るので、非金属の物性を外部電極形成体２０に反映させることができる。また最外層２８が金属から成るので、接合材２３の内包部材２２に対する濡れ性が向上する。したがって接合材２３が、内包部材２２の表面の全面にわたって付着するように構成することができ、外部電極２６の表面を滑らかな曲面状に形成することができる。
【００６１】
また内包部材２２の最内層２７は、合成樹脂から成るので、合成樹脂の物性を外部電極形成体２０に反映させることができる。したがって外部電極２６に生じる応力を、合成樹脂の有する弾性によって緩和することがき、外部電極２６の強度を向上することができる。
【００６２】
また接合材２３は、錫および鉛を含む合金から成るので、接合材２３をより低い融点を有する材料にすることができる。したがって、より少ない熱量によって、外部電極２６を形成することができるので、外部電極２６を容易に形成することができる。また接合材２３の融点が低くなることによって、内包部材２２は、融点および熱分解温度がより低い材料を用いることができ、内包部材２２の材料を容易に選択することができる。
【００６３】
図６は、本発明の実施の他の形態の外部電極形成体を用いて形成した外部電極構造５１を示す断面図である。本実施の形態の外部電極構造５１は前述した外部電極構造２１と類似しており、対応する構成に同一の参照符を付し、異なる構成についてだけ説明し、同様の構成については説明を省略する。本実施の形態の外部電極形成体は、内包部材２２の最外層２８は銅から成り、接合材２３は、Ｓｎ−３．５Ａｇから成る。外部電極形成体の接合材２３の厚み寸法を１６μｍと形成し、外部電極形成体の直径を３００μｍとして、外部電極５２を形成する場合、接合材２３の体積Ｖは４．０６×１０−１２ｍ３である。ランド２５の半径Ｐを１４０μｍ、内包部材２２の半径Ｒを１３４μｍとし、外部電極５２のランド２５とは反対側部分の厚み寸法Ｚは、接合材２３の内包部材２２に対する付着特性である濡れ性に基づいて３μｍである。これらの値を最小体積関係式に代入すると、最小体積Ｖｍｉｎは３．５７×１０−１２ｍ３である。またこれらの値を最大体積関係式に代入すると、最大体積Ｖｍａｘは９．１３×１０−１２ｍ３である。したがって接合材２３の体積Ｖは、最小体積Ｖｍｉｎより大きくかつ最大体積Ｖｍａｘよりも小さい。ランド２５の半径Ｐと内包部材２２の半径Ｒと厚み寸法Ｚとの関係から、外部電極５２の形状は、内包部材２２の半径Ｒおよび厚み寸法Ｚの合計を半径とする仮想球体をランド２５の中心に載置し、ランド２５の周縁から延びて仮想球体に外接する仮想円柱を想定するとき、仮想球体と仮想円柱に囲まれる形状となる。
【００６４】
本実施の形態の外部電極形成体は、外部電極５２にくびれ部が生じないように外部電極構造５１を構成することができる。したがって前述の実施の形態である外部電極形成体２０を用いて形成される外部電極構造２１と同様の効果を達成することができる。
【００６５】
図７は、本発明の実施のさらに他の形態の外部電極形成体を用いて形成した外部電極構造６１を示す断面図である。本実施の形態の外部電極構造６１は前述した外部電極構造２１，５１と類似しており、対応する構成に同一の参照符を付し、異なる構成についてだけ説明し、同様の構成については説明を省略する。本実施の形態の外部電極形成体は、内包部材２２の半径Ｒおよび厚み寸法Ｚの合計よりも、ランドの半径Ｐの方が大きくなるように形成される。接合材２３の体積Ｖは、最小体積Ｖｍｉｎより大きくかつ最大体積Ｖｍａｘよりも小さい値である。
【００６６】
本実施の形態の外部電極形成体は、外部電極６２にくびれ部が生じないように外部電極構造６１を構成することができる。したがって前述の実施の形態である外部電極形成体を用いて形成される外部電極構造６１と同様の効果を達成することができる。
【００６７】
接合材は、鉛を除く残余の材料であって、錫、銀および銅のうち少なくとも１つ以上を含む金属から成るように構成してもよい。接合材は、たとえばＳｎ−３７Ｐｂなどから成り、Ｓｎ−３７Ｐｂの融点は約摂氏１８０度である。したがって鉛による環境への影響を排除することができる。
【００６８】
内包部材の最内層は、接合材よりも高い融点を有す材料である、たとえば銅、銀およびセラミックなどから成るように構成してもよい。これによって、電子部品と回路基板との間隔を内包部材によって確実に得ることができ、接続信頼性を向上することができる。
【００６９】
外部電極形成体を用いて外部電極形構造を形成する過程において、マウントヘッドに真空吸着されている外部電極形成体に、フラックス体を塗布してから、外部電極形成体とフラックス体とをランドに配置してもよい。これによって外部電極形成体を、フラックス体の粘着性によってランドに固定することができる。
【００７０】
外部電極形成体における接合材の厚み寸法が大きくなるにしたがって、外部電極形成体の真球度が低下するので、外部電極形成体がマウントヘッドに真空吸着されにくくなるおそれがある。したがって、接合材の体積Ｖが最小体積Ｖｍｉｎ以上かつ最大体積Ｖｍａｘ以下であって、小さい値であった方がよい。これによって接合材の厚み寸法を小さくすることができ、マウントヘッドに真空吸着されやすい外部電極形成体を形成することができる。
【００７１】
接合材が、錫および鉛を含む合金であるはんだから成る場合、フラックス体は接合材と同じはんだから成るように構成してもよい。したがって、外部電極構造の接合材の体積は、外部電極形成体の接合材の体積およびランドに配置されるフラックス体の体積の合計となる。
【００７２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、接合材の体積Ｖが、最小体積関係式によって求まる最小体積Ｖｍｉｎ以上であるので、外部電極の形状にくびれが生じないように外部電極を形成することができる。したがって外部電極に応力が集中する部分が生じにくくなり、接合材の体積Ｖに起因する外部電極の強度の低下を防ぐことができる。これによって、回路基板に電子部品を実装する場合、外部電極に亀裂が生じにくくなる。
【００７３】
また本発明によれば、接合材の体積Ｖは、最大体積Ｖｍａｘ以下である。したがって接合材の体積Ｖの体積増加率に対して、大きい外部電極の突出高さの高さ増加率を得ることができる。
【００７４】
また本発明によれば、接合材の内包部材に対する濡れ性が向上する。したがって接合材が、内包部材の表面の全面にわたって付着するように構成することができ、外部電極の表面を滑らかな曲面状に形成することができる。
【００７５】
また本発明によれば、接合部材の最内層の非金属の物性を、外部電極形成体に反映させることができる。また最外層が金属から成るので、接合材の内包部材に対する濡れ性が向上する。したがって接合材が、内包部材の表面の全面にわたって付着するように構成することができ、外部電極の表面を滑らかな曲面状に形成することができる。
【００７６】
また本発明によれば、最内層を形成する合成樹脂の物性を、外部電極形成体に反映させることができる。したがって外部電極に生じる応力を、合成樹脂の有する弾性によって緩和することがき、外部電極の強度を向上することができる。
【００７７】
また本発明によれば、接合材は、より低い融点を有する材料にすることができる。したがって、より少ない熱量によって、外部電極を形成することができるので、外部電極を容易に形成することができる。また接合材の融点が低くなることによって、内包部材は、融点および熱分解温度がより低い材料を用いることができ、内包部材の材料を容易に選択することができる。
【００７８】
また本発明によれば、接合材は、鉛を除く残余の材料であって、錫、銀および銅のうち少なくとも１つ以上を含む金属から成るので、鉛による環境への影響を排除することができる。
【００７９】
また本発明によれば、くびれを生じない外部電極を実現し、外部電極の強度を向上することができる外部電極構造を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態である外部電極形成体２０を用いて形成した外部電極構造２１を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の一形態である外部電極形成体２０を示す断面図である。
【図３】外部電極形成体２０の内包部材２２を示す断面図である。
【図４】外部電極形成体２０を用いて外部電極形構造２１が形成される過程を示す断面図である。
【図５】接合材２３の体積Ｖが最小体積Ｖｍｉｎより小さい場合の外部電極構造４０を示す断面図である。
【図６】本発明の実施の他の形態である外部電極形成体を用いて形成した外部電極構造５１を示す断面図である。
【図７】本発明の実施のさらに他の形態である外部電極形成体を用いて形成した外部電極構造６１を示す断面図である。
【図８】従来の技術の外部電極構造１を示す断面図である。
【図９】従来の技術の半導体装置３と回路基板５との実装構造６を示す断面図である。
【図１０】従来の技術の半導体装置３と回路基板５との実装構造６を示す断面図である。
【図１１】他の従来の技術の半導体装置３と回路基板５との実装構造１２を示す断面図である。
【図１２】従来の技術である外部電極構造１４を示す断面図である。
【符号の説明】
２０ 外部電極形成体
２１，５１，６１ 外部電極構造
２２ 内包部材
２３ 接合材
２４ 電子部品
２５ ランド
２６，５２，６２ 外部電極
２７ 最内層
２８ 最外層
Claims (8)
- 電極形成対象に設けられる円形状の被電極形成部に電気的および機械的に接合することによって、電極形成対象に外部電極を形成するための外部電極形成体であって、
略球形状の内包部材と、
内包部材を覆って設けられ、導電性を有するとともに、内包部材の融点および熱分解温度よりも低い融点を有する材料から成り、被電極形成部に電気的および機械的に接合される接合材とを含み、
被電極形成部の半径Ｐ、内包部材の半径Ｒ、および外部電極形成体を被電極形成部に接合したときの被電極形成部とは反対側部分における接合材の厚み寸法Ｚを用いて、内包部材の半径Ｒおよび厚み寸法Ｚの合計を半径とする仮想球体と被電極形成部との関係を表す角度θが、
内包部材を覆って設けられる接合材の体積Ｖが、
- 接合材の体積Ｖが、
- 内包部材の表面は、銅、ニッケル、金および銀のうち、少なくとも１つ以上と不可避的不純物とを含む金属から成ることを特徴とする請求項１または請求項２記載の外部電極形成体。
- 内包部材は、半径方向に少なくとも２層以上の層構成を有し、最外層が金属から成り、最内層が非金属から成ることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の外部電極形成体。
- 最内層は、合成樹脂から成ることを特徴とする請求項４記載の外部電極形成体。
- 接合材は、錫および鉛を含む合金から成ることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の外部電極形成体。
- 接合材は、鉛を除く残余の材料であって、錫、銀および銅のうち少なくとも１つ以上を含む金属から成ることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の外部電極形成体。
- 請求項１〜７のいずれかに記載の外部電極形成体が、電極形成対象の被電極形成部に電気的および機械的に接合されて構成される外部電極構造。
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