JP2004221617A - 半導体装置の実装方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱的ダメージを防止でき、優れた接続信頼性を有する、鉛フリーのボール電極を備えた半導体装置の実装方法を提供すること。
【解決手段】 複数の素子電極を有する半導体素子５と、複数の素子電極の少なくとも１つに電気的に接続されたボール電極１とを備えた半導体装置１００である。ボール電極１は、７〜９．５重量％の亜鉛を含み、残りが錫であるＳｎ−Ｚｎ系鉛フリー半田合金から構成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体装置の実装方法に関し、特に、複数のボール電極が二次元的に配列されたＢＧＡ（ボール・グリッド・アレイ）型の半導体装置の実装方法に関する。

半導体装置およびそれを用いた基板実装においては、はんだ接続が不可欠である。今日においても、錫−鉛共晶はんだ合金が広範囲にわたって利用されている。はんだ接続に、錫−鉛共晶はんだ合金が用いられる理由として、次のようなものが挙げられる。

まず、錫−鉛共晶はんだ合金の共晶点が低いことである。半導体装置そのものの耐熱温度はもとより、基板実装時に使用されるプリント配線板の耐熱温度と比較しても、錫−鉛共晶はんだ合金は、低温で融点に達する。このため、錫−鉛共晶はんだ合金を用いれば、半導体装置およびプリント配線板に熱的損傷を与えることなく、はんだ接続が可能である。もう一つの理由として、錫−鉛共晶はんだ合金は、接合信頼性に優れていることが挙げられる。確実な動作を保証する上で、接合信頼性が優れていることは重要なポイントとなる。
特願２０００−３２４５４６号公報

しかしながら、近年の地球環境問題に対し、鉛を含む製品の見直しや代替が行われている。すなわち、酸性雨により鉛が溶出し地下水を汚染し、その地下水を飲用することで人体に血液障害や中枢神経障害を引き起こすと言われており、鉛を含まないはんだが注目を浴びている。

鉛を含まないはんだ合金（以下、「鉛フリー半田合金」と呼ぶ。）は、ここ数年飛躍的に研究されており、成分の種類とその配合率との組み合わせで無限に近い種類のはんだ合金が開発されている。このことにより半導体装置を供給する側である半導体装置製造会社のはんだ合金組成と、半導体装置を受け入れる側であるセット組み立て会社のはんだ合金の組成が異なることが多い。

はんだ合金の組成が異なる場合であっても、例えば電解メッキのように、半導体装置側のはんだ合金がごく少量で、セット基板側のはんだ合金クリーム量に比べ極端に少ないときには、異なるはんだ合金組成による影響は生じにくいと言われている。しかしながら、たとえば、はんだ合金ボール電極を有するボールグリッドアレイパッケージ（以下、「ＢＧＡパッケージ」と呼ぶ）の場合、そのはんだ合金ボール電極は、実装基板側のクリーム半田量とほぼ同質量、同体積となるため、異なるはんだ合金組成による影響が大いに生じると言われている。つまり、リフロー炉によるＢＧＡパッケージはんだ接続の際に、異なるはんだ合金では融点が異なるため、はんだ合金ボール電極と実装基板側のクリーム半田との間で空気の巻き込みが起こり、ボイドが発生し、接続信頼性の低下につながるという現象が起こる。

今日、鉛フリー半田合金においては、特に、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダが盛んに研究開発されており、その他に、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ系ハンダも研究開発されている。また、これらの鉛フリー半田合金からなるクリーム半田の実用化もされており、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダの半田金属ボールの開発も行われている。一方、研究開発が盛んなＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ系ハンダとは別に、酸化しやすい欠点があるものの、溶融温度が比較的低いという長所を有するＳｎ−Ｚｎ系ハンダの研究も行われており、Ｓｎ−Ｚｎ系ハンダのクリーム半田も開発されている。ただし、Ｓｎ−Ｚｎ系ハンダからなる半田金属ボール電極は、今日においてまだ存在していないのが実情である。

本発明はかかる諸点に鑑みてなされたものであり、その目的は、接続信頼性に優れた半導体装置の実装方法を提供することである。

本発明による第１の半導体装置の実装方法は、ボール電極を有する半導体装置を実装基板にリフロー実装する半導体装置の実装方法であって、前記実装基板上に設けられた導体配線のうち、前記ボール電極が接触することとなる位置の周囲の部位上に、前記導体配線と接触したときの前記ボール電極に接触しないように、クリーム半田を塗布する工程（ａ）と、前記実装基板の前記導体配線上に、前記ボール電極を接触させる工程（ｂ）と、前記半導体装置および前記実装基板を、高温雰囲気のリフロー槽中に通す工程（ｃ）とを包含し、前記工程（ｃ）において、前記ボール電極が前記クリーム半田よりも先または同時に溶融して、前記ボール電極と前記導体配線とが接続される。

前記工程（ａ）において、前記クリーム半田は、前記導体配線上において略円環状に塗布されることが好ましい。

前記クリーム半田の塗布が連続的でなく、少なくとも一箇所以上の間隙が存在してもよい。

本発明による第２の半導体装置の実装方法は、ボール電極を有する半導体装置を実装基板に実装する、半導体装置の実装方法であって、前記ボール電極は、液相−固相共存領域を有する半田合金からなり、前記実装基板は、金属突起が設けられた導体配線を有しており、前記ボール電極を、前記金属突起に突き刺し、それによって、前記ボール電極に余分な空気を巻き込むこと無くはんだ接続を実行する。

ある好適な実施形態において、前記ボール電極は、鉛フリー半田合金から構成されている。

本発明によれば、半導体装置を実装基板に実装する際、ボール電極に余分な空気を巻き込むこと無くはんだ接続を実行することができるので、接続信頼性に優れた実装体を製造することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明による実施の形態を説明する。以下の図面においては、説明の簡潔化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されない。

（実施の形態１）
図１から図３は、本発明による実施形態１にかかる半導体装置１００の構成を模式的に示している。図１は、半導体装置１００をボール電極１側から見た底面図であり、図２は、半導体装置１００の側面図であり、そして、図３は、図２に示した構成の断面図である。

本実施形態の半導体装置１００は、複数のボール電極が二次元的に配列されているＢＧＡ（ボール・グリッド・アレイ）型の半導体装置であり、いわゆるＢＧＡパッケージである。半導体装置１００は、半導体集積回路が形成された半導体素子（半導体チップまたはＩＣチップ）５を含んでおり、半導体素子５に設けられた複数の素子電極（不図示）の少なくとも１つは、複数のボール電極１の少なくとも１と電気的に接続されている。なお、ボール電極１は、半導体装置１００と実装基板（例えば、プリント配線板）との間の熱膨張係数の差により生じる熱応力を吸収する、緩衝材的な役割も持っている。

本実施形態では、半導体素子５とボール電極１との電気的接続を行うための配線基板（インタポーザ）４の上に、半導体素子５が配置されている。配線基板４は、有機材料から構成されており、例えば、プラスチック基板（エポキシ基板など）である。配線基板４のうち、半導体素子５が配置された表面とは反対側の裏面上には、複数の裏面電極（ランド）が形成されており、各裏面電極上に、ボール電極１が載置されている。このボール電極１が配列された配線基板４の裏面が、半導体装置１００を実装基板（不図示）に実装するための実装面となる。

配線基板４の表面には、複数の表面電極（不図示）が形成されており、複数の表面電極の少なくとも１つと、半導体素子５の複数の素子電極の少なくとも１とが、金属細線（ワイヤー）８により電気的に接続されている。金属細線８は、ワイヤボンディングにより、各素子電極と各表面電極を接続するように形成される。配線基板４の表面には、半導体素子５および金属細線８を覆うように、モールド材（例えば、モールド樹脂）６が形成されている。なお、配線基板４の複数の表面電極の少なくとも１つは、複数の裏面電極の少なくとも１つと電気的に接続されており、これにより、配線基板４を介して、ボール電極１と半導体素子５との電気的接続が図られている。

ボール電極１は、融点が１８０℃以上２００℃以下の鉛フリー半田合金から構成されている。鉛フリー半田合金は、実質的に鉛を含まない半田合金（Ｐｂ許容量０．１０質量％程度）であり、本実施形態では、次の組成を有する鉛フリー半田合金から、ボール電極１は構成されている。

（１）７〜９．５重量％の亜鉛を含み、残りが錫であるＳｎ−Ｚｎ系鉛フリー半田合金（２元系）；
（２）７〜９．５重量％の亜鉛と、１〜５重量％のビスマスとを含み、残りが錫であるＳｎ−Ｚｎ系鉛フリー半田合金（３元系、Ｂｉ入り）；
（３）７〜９．５重量％の亜鉛と、１〜５重量％のインジウムとを含み、残りが錫であるＳｎ−Ｚｎ系鉛フリー半田合金（３元系、Ｉｎ入り）；
（４）７〜９．５重量％の亜鉛と、１〜４重量％のビスマスと、１〜４重量％のインジウムとを含み、残りが錫であるＳｎ−Ｚｎ系鉛フリー半田合金（４元系）。

これらのＳｎ−Ｚｎ系鉛フリー半田合金の融点は、１８０℃以上２００℃以下（すなわち、１９０℃前後）であり、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系鉛フリー半田合金の融点（２１８℃前後）や、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ系鉛フリー半田合金の融点（２１５℃前後）と比較すると、大幅に融点（溶解温度）が低い。

一般に、鉛フリー半田合金の融点は、従来から使用されている錫−鉛共晶半田合金の融点よりも高く、それゆえ、鉛フリー半田合金のはんだ接続を行う場合には、通常よりも高温処理が必要となる。この高温処理は、半導体装置への熱的ダメージを与えてしまうことになる。また、熱的ダメージだけでなく、はんだ接続部の金属間化合物の変化により、接続信頼性の低下が起こることも考えられる。この高温時における接続信頼性低下の原因は、不明であるが、本願発明者の実験結果によれば、はんだ合金接続強度が、リフロー温度に依存していることは明らかであった。

本願発明者が行った実験結果を図４に示す。図４は、はんだ合金接続強度を表すボールシェア強度［ｇｆ］と、リフローピーク温度［℃］との関係を示すグラフである。なお、図中の参照（Ref）は、錫−鉛共晶半田合金を表している。一番上の鉛フリー半田合金の「Ｓｎ／２．５Ａｇ／２．５Ｂｉ／０．５Ｃｕ」は、２．５重量％の銀、２．５重量％のビスマス、０．５重量％の銅を含み、残りが錫であることを意味している。他の鉛フリー半田合金も同様の意味で表記してある。図４からわかるように、錫−鉛共晶半田合金では、リフロー温度の依存性は見られなかったが、他の鉛フリー半田合金では、リフロー温度の依存性が見られる。

本実施形態のボール電極１を構成する鉛フリー半田合金は、１８０℃以上２００℃以下の融点を有するものであるので、他の鉛フリー半田合金と比較して、半導体装置への熱的ダメージを大幅に低減させることができる。また、他の鉛フリー半田合金よりも低い高温で溶解させることができるので、はんだ接続部の金属間化合物の変化も抑制でき、接続信頼性の低下を抑制ないし緩和することができる。つまり、本実施形態の半導体装置１００は、１８０℃以上２００℃以下の融点を有するボール電極１を備えているので、半導体装置１００の裏面に位置するボール電極１を溶融接続する際に、低温でボール電極１が溶融する。このため、半導体装置１００への熱的ダメージを防止でき、加えて、はんだ接続部の金属間化合物の変化による接続信頼性の低下も回避できる。

なお、１８０℃以上２００℃以下の融点を有するのであれば、ボール電極１を構成する鉛フリー半田合金は、上記（１）から（４）に示したＳｎ−Ｚｎ系のものに限定されず、他のＳｎ−Ｚｎ系の鉛フリー半田合金でもよいし、また、Ｓｎ−Ｚｎ系以外の鉛フリー半田合金であってもよい。また、Ｓｎ−Ｚｎ系鉛フリー半田合金からなるボール電極は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系鉛フリー半田合金のボール電極と異なり、通常用いられる油中造粒法によっては作製することはできない。これは、Ｓｎ−Ｚｎ系鉛フリー半田合金が酸化し易いという性質を有していることに起因している。それゆえ、Ｓｎ−Ｚｎ系鉛フリー半田合金のボール電極を作製するには、還元雰囲気下でボール電極を形成するような工夫が必要となる。

次に、本願発明者が実験により求めたＳｎ−Ｚｎ系鉛フリー半田合金の特性を下記表１に示す。

表１は、合金組成比率（重量％）と、固相線および液相線（℃）と、強度および濡れ性の結果とを示している。表１中の一番上の合金組成のものは、９重量％の亜鉛、残りが錫からなる合金であり、この合金は、錫と亜鉛との共晶であり、その融点は、２００℃以下である。なお、鉛フリー半田合金の組成を簡便に表すために、例えば、９重量％の亜鉛、残りが錫からなる合金は、Ｓｎ−９Ｚｎと表記し、他の鉛フリー半田合金についても同様の表記を用いることとする。

Ｓｎ−９Ｚｎの場合、強度的には問題はなく、そして、濡れ性は悪いものの、ボール電極１としての用途であれば、その濡れ性の悪さは、さほど大きな問題とはならない。さらなる濡れ性を必要とする場合、錫と亜鉛との合金に、ビスマスまたはインジウムを単独で添加するか、あるいは、ビスマスとインジウムの両方を添加することが望ましい。本願発明者の実験によれば、強度と濡れ性とは、相反する関係にあることがわかっている。すなわち、ビスマスとインジウムを添加することにより、強度的には弱くなる一方で、濡れ性が改善されるという傾向があることがわかっている。ボール電極１の用途として、望ましい組成比の鉛フリー半田合金を挙げると次の通りである。（ａ）８．５〜９．５Ｚｎ−Ｓｎ、（ｂ）７．５〜８．５Ｚｎ−１〜４Ｂｉ−Ｓｎ、（ｃ）７．５〜９．５Ｚｎ−１〜４Ｉｎ−Ｓｎ、および、（ｄ）７．５〜８．５Ｚｎ−１〜２Ｂｉ−１〜２Ｉｎ。これらの（ａ）〜（ｃ）の鉛フリー半田合金であれば、強度と濡れ性とが比較的両立しているので、ボール電極１の用途として好適となる。

なお、（ａ）について、さらに好ましいものは、（８．８±０．２）Ｚｎ−Ｓｎである。また、（ｂ）についてさらに好ましいものは、（８．０±０．２）Ｚｎ−（３±０．２）Ｂｉ−Ｓｎであり、（ｃ）についてさらに好ましいものは、（９．０±０．２）Ｚｎ−（１±０．２）Ｉｎ−Ｓｎであり、そして、（ｄ）についてさらに好ましいものは、（８．０±０．２）Ｚｎ−（１±０．２）Ｂｉ−（２±０．２）Ｉｎ−Ｓｎである。

次に、図５を参照する。図５は、本実施形態の半導体装置１００を実装基板２に載置する際の構成を模式的に示している。実装基板２は、例えば、プリント基板であり、実装基板２の導体配線上には、ボール電極１に対応するように、クリーム半田（言い換えると、半田クリームまたは半田ペースト）３が塗布されている。各クリーム半田３にボール電極１を接触させるようにして、半導体装置１００を実装基板２上に載置させた後、これを高温雰囲気中のリフロー炉へ通過させると、基板実装工程が完了する。クリーム半田３の種類は、特に限定されないが、Ｓｎ−Ｐｂ系、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｚｎ系などの半田合金を用いることができる。ボール電極１と溶解温度が同じであることが好ましいという観点からは、ボール電極１と類似の組成のもの（例えば、Ｓｎ−Ｚｎ系鉛フリー半田合金）が好ましく、さらに、同じ組成のものであることがより好ましい。

図５に示した構成の要部拡大図を図６に示す。図６を参照しながら、本実施形態の半導体装置１００の詳細な構成を、以下、例示的に示す。

半導体装置（ＢＧＡパッケージ）１００のパッケージサイズは、６〜３１ｍｍであり、パッケージ厚さは、０．８〜３．０ｍｍである。配線基板４を構成するキャリア基材は、ＦＲ−４、ＢＴレジン等であり、本体部（コア）の厚さは、０．６ｍｍである。配線電極（裏面電極）となるランド９ａの材質は、主に、銅である。ランド９ａの直径φは、０．２〜０．７ｍｍであり、その箔厚ないし板厚は、６〜３５μｍである。この構成例では、ランド９ａを覆うようにメッキ９ｂが形成されており、メッキの材質は、主に、Ｎｉ／Ａｕである。ここで、Ｎｉ／Ａｕとは、下層から順に、ニッケルメッキと金メッキが形成されていることを意味する。半田ボール１に塗布されるフラックスは、樹脂系や水溶系のものを使用することができる。半田ボール１の直径は、０．２５〜０．７６ｍｍである。

また、実装基板２の条件を例示すると次の通りである。クリーム半田３の組成は、Ｓｎ−３７Ｐｂ系、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｚｎ系などのクリーム半田（半田ペースト）である。クリーム半田３のクリーム厚（メタルマスク厚）は、０．１〜０．１５ｍｍである。実装基板２上に設けられた配線電極となるランド１１ａの材質は、主に、銅である。ランド１１ａの直径φは、０．２〜０．８ｍｍであり、その厚さは、６〜３５μｍである。この構成例では、ランド１１ａを覆うようにメッキ１１ｂが形成されており、メッキの材質は、Ｎｉ／Ａｕが一般的に用いられる。また、メッキではなく、フラックス処理のみの場合もある。実装基板２の本体部は、有機基板である。実装基板２の厚さは、０．８〜１．６ｍｍである。実装基板２は、４〜８層からなる多層基板であり、両面に配線電極が設けられている。

外形寸法が大きいＢＧＡパッケージの場合、配線基板４の裏面に配置されたボール電極１に充分な熱が伝わらず未溶融となる現象が生じ得る。しかし、本実施形態の半導体装置１００の場合、ボール電極１は、低融点はんだ合金ボール電極であるので、この問題を解決することが可能である。なお、配線基板４の裏面に配列された複数のボール電極のすべてに、低融点はんだ合金ボール電極１を使用しなくてもよく、少なくとも一部に使用すれば、従来の構成よりも効果が得られる。例えば、図７に示すように、ＢＧＡパッケージ中央付近の領域７のみに、低融点はんだ合金ボール電極１を使用することも可能である。この領域７は、熱が伝わりにくいとされる場所であり、この領域にだけ、低融点はんだ合金ボール電極１を配列させても、不溶融の問題を解消させることができる。

図３に示した構成では、配線基板４の表面と半導体素子５の裏面とが接着され、配線基板４の表面の配線電極と半導体素子５の電極（素子電極）とは、金属細線８により電気的に接続されている。しかし、本実施形態の半導体装置は、この構造に限定されない。例えば、図８に示すように、配線基板４の表面の配線電極と半導体素子５の電極（素子電極）とを、突起電極８’により電気的に接続するようにしても良い。

また、図９に示すように、配線基板４の裏面上には、ボール電極１を載置される配線電極９の中央部分を露出し、かつ、電気的な接続を必要としない部分を被覆するソルダーレジスト１０が形成されていることが好ましい。ソルダーレジスト１０の開口部内に露出した導体配線９は、その表面が無垢のままであるか（または、フラックス処理が施された状態であるか）、あるいは、ニッケルおよび金などのメッキが施されてた状態となっている。そして、その導体配線９上に、ボール電極１が溶融接続されている。

図１に示した半導体装置１００の配線基板４には、有機材料から構成された基板を用いたが、これに代えて、セラミックタイプの半導体装置のように、セラミックからなる配線基板４を用いてもよい。この場合の条件を、図６を参照しながら例示的に示すと、次の通りである。まず、配線基板４を構成するキャリア基材は、セラミックであり、本体部（コア）の厚さは、約０．４ｍｍである。配線電極（裏面電極）となるランド９ａの材質は、タングステンやモリブデンである。ランド９ａの直径φは、０．２〜０．７ｍｍであり、その箔厚ないし板厚は、約２０μｍである。ランド９ａを覆うようにメッキ９ｂが形成されている場合、そのメッキの材質は、主に、Ｎｉ／Ａｕである。

また、配線基板４として他のインタポーザを用いても良い。例えば、リードフレームタイプの半導体装置のように、銅系または鉄系の金属材料からなるリードフレームを用いても良い。この場合、リードフレームのうち、ボール電極１が設けられる部位に、裏面電極を形成し、その上にボール電極１を溶融接続することができる。その裏面電極上には、例えば、ニッケルメッキとパラジウムメッキと金メッキとが下層から形成されていることが好ましく、また、錫およびビスマスなどのメッキが施されていても良い。

リードフレームタイプの構成条件を、再び図６を参照しながら例示的に示すと、次の通りである。配線基板４を構成するキャリア基材は、銅または鉄であり、本体部（コア）の厚さは、約０．１５〜０．３ｍｍである。配線電極（裏面電極）となるランド９ａの材質は、銅または鉄であり、リードフレームの一部として形成することも可能である。ランド９ａの直径φは、０．２〜０．７ｍｍであり、その箔厚ないし板厚は、０．１５〜０．３ｍｍである。ランド９ａを覆うようにメッキ９ｂが形成されている場合、そのメッキの材質は、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕである。ここで、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕとは、下層から順に、ニッケルメッキとパラジウムと金メッキが形成されていることを意味する。

さらに、配線基板４を用いずに、ＢＧＡパッケージを構成することも可能である。図１０は、配線基板４を設けずに、半導体素子（半導体チップ）１０７上に樹脂層１０８が形成された半導体装置２００の構成を模式的に示している。図１０（ａ）は、半導体装置２００の表面を一部切り欠いて示す斜視図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。

図１０に示した半導体装置２００は、半導体素子１０７上の樹脂層１０８上に、素子電極１０６に電気的に接続されたランド１１０が設けられており、そのランプ１１０上にボール電極１１２が載置された構造を有している。このボール電極１１２の全部または一部に、本実施形態のボール電極１を用いることができる。

半導体装置２００の構造をさらに説明すると、樹脂層１０８は、低弾性樹脂よりなる弾性体層であることが好ましく、樹脂層１０８上には、ランド１１０を露出するように、ソルダーレジスト１１１が形成されていることが好ましい。ランド１１０と、素子電極１０６とは配線層１０９によって接続されている。配線層１０９は、半導体製造プロセスを用いた技術によって、比較的容易に、樹脂層１０８上を引き回して延ばすような構造にすることができる。素子電極１０６から樹脂層１０８へと配線層１０９が延びる部分は、配線層１０９の断線が生じ易いので、樹脂層１０８を斜めに（チップ主面に対して鋭角に）形成することが好ましい。配線層９の下地が、弾性体層１０８である場合には、半導体装置２００を実装基板２上に実装する際などにおいて、半導体装置２００の加熱・冷却に伴い配線層１０９に熱応力などの応力が印加されても、配線層１０９に加わる応力が弾性体層１０８により緩和される。よって、基板実装時などにおける配線層１０９の断線を防止することができ、信頼性の高い配線構造を実現することができる。

弾性体層１０８は、弾性率（ヤング率）として１０〜２０００［ｋｇ／ｍｍ²
］の範囲にあることが好ましく、さらに１０〜１０００［ｋｇ／ｍｍ²］の範囲
にあることがより好ましい。また、弾性体層１０８の線膨張率は５〜２００［ｐｐｍ／℃］の範囲にあることが好ましく、さらに１０〜１００［ｐｐｍ／℃］の範囲にあることがより好ましい。弾性体層１０８は、例えばエステル結合型ポリイミドやアクリレート系エポキシ等のポリマーでよく、低弾性率を有し、絶縁性であればよい。またその厚みとしては、１〜１００［μｍ］であり、好ましくは３０［μｍ］である。

なお、本実施形態の構成は、勿論、上述したＢＧＡ型の半導体装置に限らず、ボール電極を備えた半導体装置に広く適用できるものである。

次に、本実施形態の半導体装置１００（または２００）で用いるボール電極１の接合強度について説明する。本願発明者は、本実施形態のボール電極１の接合強度を評価するために、ボール電極１のシェア強度を実験により測定した。

このシェア強度は、図１１に示したシェア強度測定装置（ＲＨＥＳＣＡ（株）製ＰＴＲ−１０００）５０を用いて行った。シェア強度測定装置５０は、ボールシェアセンサ５１およびシェアツール５２を備えており、これらは上下移動可能である。ボール電極が接合されたサンプルは、ステージ５３上に配置され、ステージ５３は水平方向に移動可能である。

図１２を参照しながら、シェア強度測定方法を説明する。まず、図１２（ａ）に示すように、半田ボール（ボール電極）６１をプレート６３に載置する。この際、基板６３を加熱する前に、クリーム半田、または、酸化防止用にフラックス６２を塗布しておく。

半田ボール６１を溶融してプレート６３に接合すると、図１２（ｂ）に示した状態になる。半田ボール６１のボールサイズは、φ０．８ｍｍ程度であり、ボール６１との接続部の径は、φ０．６３５ｍｍである。次に、半田ボール６１が接合された基板６３を、ステージ５３上に載置する。

次いで、シェアツール５２を基板６３の表面に接触するまで降下させ、基板５３の表面の位置をテスタに認識させると、予め設定した距離（約０．１〜０．２ｍｍ）だけシェアツール５２を上昇させる。

その後、シェアツール５２を水平方向に速度０．３ｍｍ／ｍｉｎで移動させ、半田ボール６１に対して横方向から圧力を加えて、接合部の上方を通過させる。その結果、半田ボール６１の一部が基板６３上に残存すれば、一定以上の接合強度を有するものと判定する。また、測定したシェア強度（Ｎ）に基づいて、接合強度を判定する。

シェア強度の測定結果を図１３に示す。なお、塗布したのはフラックス６２のみで、Ｎｉ−Ａｕメッキを施した基板６３を使用した。サンプルは、（ａ）Ｓｎ−３７Ｐｂ、（ｂ）Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ、（ｃ）Ｓｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉ、（ｄ）Ｓｎ−０．２Ｂｉ、（ｅ）Ｓｎ−２．５Ａｇ−０．５Ｃｕ−１Ｂｉ、および（ｆ）Ｓｎ−５８Ｂｉである。サンプル（ｃ）が、本実施形態の鉛フリー半田合金である。各サンプルについて、開始後（Initial）、１５０℃保存で１週間後、１５０℃保存で３週間後、１５０℃保存で６週間後のシェア強度を測定した。シェア強度はＮで表し、最小値と最大値、そして平均値を図中に示している。

図１３から、何れのサンプルよりも、サンプル（ｃ）のシェア強度が高いことがわかる。しかも、開始後から６週間後を通して、どのサンプルよりも、サンプル（ｃ）のシェア強度が高かった。サンプル（ｃ）の開始後についての最小値は１７．３４Ｎ、最大値は２５．６５Ｎ、そして、平均値は２２．０５Ｎであった（個数ｎ＝２５のデータ）。このことは、本実施形態におけるボール電極１の接合強度が高く、それを備えた半導体装置１００の接続信頼性が優れていることを意味している。

（実施の形態２）
次に、図１４から図１８を参照しながら、本発明による実施形態２を説明する。なお、上記実施形態１と同様の説明は、説明の簡潔化のために、省略または簡略化する。

図１４は、基板実装時におけるボール電極１付近の拡大図である。ボール電極１の直下には、実装基板２の配線電極（ランド）１１上に塗布されたクリーム半田３が存在する。ここで、ボール電極１とクリーム半田３とが異なるはんだ合金から構成されている場合、それぞれ互いの融点が異なるため、接触付近での空気の巻き込み現象が起こり、ボイドが発生し得る。そのようなボイドが発生すると、ボール電極１の接続信頼性の低下にもつながる。

空気の巻き込みにより、ボイドが発生するメカニズムを図１５（ａ）〜（ｄ）に示す。なお、同図においては、図１４に示した構成を簡略化している。

まず、図１５（ａ）に示した状態（図１４の状態）から、図１５（ｂ）に示すように、ボール電極１とクリーム半田３とを直接接触させる。その後、溶融加熱すると、ボール電極１とクリーム半田３との融点が異なることにより、先に溶解したクリーム半田３が、ボール電極１の周囲を囲み、その際に、空気３０の巻き込みが起こる。次いで、ボール電極１も溶解するが、空気３０が抜けきらないと、はんだ接続が終了したときに、はんだ１中にボイド３２が生じてしまう。このボイド３２は、ボール電極１の接続信頼性を低下させることになる。なお、一度巻き込まれた空気３０が、粘性の高い溶融はんだ中から、きれいに全部抜け切るようにするのは非常に困難であると考えられる。

このボイド３２発生の問題を解決するため、本実施形態では、図１６に示すように、クリーム半田３を塗布する。すなわち、ボール電極１と接触しないように、ランド１１のうち、ボール電極１が位置する部位の周囲に、クリーム半田３を塗布する。なお、図１６（ａ）は、断面構成を示しており、図１６（ｂ）は、クリーム半田３の平面構成を示している。

そして、ボール電極１をランド１１に接触させた後、高温雰囲気のリフロー槽中を通過させて、ボール電極１をクリーム半田３よりも先または同時に溶融させる。そして、ボール電極１とランド１１とを接続する。本実施形態のボール電極１は、低融点はんだであるので、クリーム半田３よりも先または同時に溶解させることが可能である。

このようにすると、先または同時に、ボール電極１が溶解するので、クリーム半田３による空気３０の巻き込みが低減され、その結果、ボイド３２の発生を抑制または緩和することができる。

図１６に示した構成では、クリーム半田３を略円環状（円環状だけでなく、楕円環状、円形に近い多角形の環状も含む。）にしたが、クリーム半田３の塗布デザインを図１７（ａ）および（ｂ）の例に示すように改変しても構わない。図１７（ａ）は、空隙３１を一箇所設けた構成を示しており、図１７（ｂ）は、空隙３１を４箇所設けた構成を示している。特に、図１７（ａ）および（ｂ）のように、クリーム半田３が連続的に塗布されずに、一箇所以上の間隙３１が有る場合、空気（３０）の放出も容易に行われ、さらなるボイド低減の効果が期待できる。

また、次のような実装方法もボイド抑制に効果がある。図１８を参照しながら、さらに別の実装方法について説明する。図１８は、ランド１１上に金属突起１２が形成された構成を示している。

半田合金において、その凝固作用が起こる温度は液相線で決定される。液相線より高温においては液相が存在する。溶融作用が起こる温度は固相線で決定される。固相線より低温においては固相が存在する。この液相線と固相線との間には、液相と固相が共存する領域が存在する。従来の錫−鉛共晶はんだ合金は１８３℃の共晶点、すなわち液相線と固相線とが一致する点を持っている。

一方、鉛フリー半田合金においては、一般に、液相線と固相線が一致しないものが多い。このことは、表１からもわかる。液相線と固相線が一致しないということは、鉛フリー合金の状態図において、液相−固相共存領域を有することを意味している。この液相−固相共存領域を利用することにより、前述の半田合金ボール電極内部のボイド３２の発生を抑制することが可能となる。

図１８に示した半田合金ボール電極１は、液相−固相共存領域を持っており、それゆえ、共晶状態（固相状態）の半田合金よりも軟らかい半固溶状態になっている。したがって、実装基板２のランド１１上に設けられた金属突起１２（例えば、ニッケル金属の突起や、ニッケル−金メッキの突起）に、ボール電極１を突き刺すことができる。その結果、ボール電極１と金属突起１２とが直接的に接続するので、余分な空気（３０）を巻き込むこと無く、はんだ接続が可能となり、ボイド（３２）を抑制することが可能となる。

以上のように、本発明の実施形態によれば、鉛フリー半田合金からなるボール電極１に見られるボイド（３２）の発生を抑制することが可能である。また、充分に低い温度で溶融する半田合金ボール電極１を持つＢＧＡパッケージ（１００）を提供できるので、熱的ダメージ回避と高温リフローによる接続信頼性低下を防止することが可能となる。さらに、半田合金の液相−固相共存領域を利用することで同じくボイドの発生を抑制することが可能となる。加えて、半導体装置１００が、ボイド（３２）の発生を抑制して実装基板２に実装された、優れた接続信頼性を有する実装体も製造および提供することができる。なお、本実施形態の半導体装置１００または２００は、ＢＧＡパッケージの特長、すなわち、面実装可能、多ピン化対応可能、小型化などの長所も勿論兼ね備えているものである。

（実施の形態３）
次に、図１９から図２２を参照しながら、本発明による実施形態３を説明する。なお、上記実施形態１および２と同様の説明は、説明の簡潔化のために、省略または簡略化する。

本願発明者は、ＢＧＡパッケージ用ボール電極（例えば、図６中の符号１参照）と、基板実装用半田ペースト（例えば、図６中の符号３参照）と、実装基板における銅ランド（例えば、図６中の符号１１ａ参照）上の表面処理との各種組み合わせについて実験を行い、その組み合わせの相性を評価した。

まず、ボールシェア強度試験について評価を説明する。ボールシェア強度試験の実験方法は、実施形態１において図１１および図１２で説明したのと同様である。簡単に説明すると、実装基板の銅ランド部に半田ペーストを塗布し、ボール電極を搭載した後、リフローにて溶融接続し、次いで、リフロー直後、および、１５０℃の高温放置後に、シェア強度の測定を実施した。なお、高温放置の目的は、金属間化合物を加速成長させるためである。

このボールシェア強度試験において、用意したボール電極は、７種類である。その種類は、（１）Ｓｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉボール、（２）Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕボール、（３）Ｓｎ−３７Ｐｂボール、（４）Ｓｎ−０．２Ｂｉボール、（５）Ｓｎ−２．５Ａｇ−０．５Ｃｕ−１Ｂｉボール、（６）Ｓｎ−９Ｚｎボール、（７）Ｓｎ−９Ｚｎ−１Ｉｎボールである。半田ペースト（クリーム半田）は、３種類用意し、その種類は、Ｓｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉペースト、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕペースト、およびＳｎ−３７Ｐｂペーストである。そして、銅ランドの表面処理は、Ｎｉ／Ａｕメッキ処理（下層がＮｉ層でその上層がＡｕ層）、プリフラックス処理（Pre-flux処理）との２種類である。

ボールシェア強度試験の結果を図１９から図２２に示す。図１９から図２１は、それぞれ、Ｓｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉペースト、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕペースト、およびＳｎ−３７Ｐｂペーストを用いた場合の結果であり、各図において、７種のボール電極および銅ランド表面処理についてのグラフを示している。図２２は、参考としてペースト無し、フラックスのみで、リフロー接続した場合の結果を示している。図１９から図２２中の縦軸は、シェア強度（Ｎ）を示しており、横軸は、時間軸であり、開始時（Initial）、１６８時間後、５００時間後、１０００時間後の時点を示している。図２３は、リフローのプロファイルを示している。リフローは、各種半田ペーストの融点にあわせて条件が設定されている。

図１９に示すように、Ｓｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉの半田ペーストを用いた場合、高温放置により、Ｎｉ／Ａｕメッキ処理品の強度が上昇する一方で、プリフラックス処理品の強度は劣化することがわかった。特に、Ｓｎ−Ｚｎ系同士の組み合わせの場合（ボール電極及び半田ペーストの両方がＳｎ−Ｚｎ系からなる場合）において、その傾向が強く現れた。そして、図２０および図２１に示すように、ボール電極がＳｎ−Ｚｎ系である場合には、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕペースト、およびＳｎ−３７Ｐｂペーストを用いたときでも、同様の結果がみられた。

これらのことから、ボール電極及び半田ペーストの少なくとも一方に、Ｚｎが含まれている場合（Ｓｎ−Ｚｎ系の場合）、Ｎｉ／Ａｕメッキ処理では強度が上がり、一方、プリフラックス処理では強度が下がるということが導き出される。それゆえ、ボール電極及び半田ペーストの少なくとも一方がＳｎ−Ｚｎ系からなる場合には、ランドの表面処理として、Ｎｉ／Ａｕメッキ処理を行うことが好ましい。具体的には、図６に示した構成において、ランド（９ａ、１１ａ）の表面をＮｉ／Ａｕメッキ（９ｂ、１１ｂ）することが好適である。なお、ボール電極及び半田ペーストのいずれもＳｎ−Ｚｎ系でない場合には、ランド表面処理の差はみられなかった。

次に、サンプルの接合部分についてＳＥＭ画像（断面）を図２４および図２５に示す。図２４および図２５は、それぞれ、Ｓｎ−Ｚｎ系ボール電極を用いた場合において、銅ランドの表面をＮｉ／Ａｕメッキ処理をしたとき、プリフラックス処理をしたときについての様子を示している。

図２４に示すように、Ｎｉ／Ａｕメッキ処理の場合には、Ｎｉ／Ａｕメッキによって銅ランドが保護されていることがわかる。Ｎｉ／Ａｕメッキ処理の場合には、Ｎｉメッキ上にＺｎが堆積していることが元素分析により確認された。Ｎｉ／Ａｕメッキ中のＡｕは、ボール電極中に拡散したものと思われる。一方、図２５に示すように、プリフラックス処理の場合には、銅ランドは、亜鉛（Ｚｎ）によって喰われてしまい、銅ランドが存在していた箇所は、比較的もろいＣｕ−Ｚｎ合金層へと変化してしまっていた。言い換えると、プリフラックス処理の銅ランド（つまり、Ｎｉ／Ａｕメッキが無くて銅が剥き出しになっているランド）と、ボール電極内のＺｎ組成とによるＣｕ−Ｚｎ合金層が大きく成長していた。図２５からわかるように、Ｃｕ−Ｚｎ合金層と、ボール電極とは、良好に密着しておらず、両者の間に隙間が存在している。鉛有りの半田の場合には、このようなことは問題とならなかったことを考えると、このことは、鉛フリー半田に特有の問題かもしれない。図２５において、Ｃｕ−Ｚｎ合金層が大きく成長したことは、１５０℃という高温条件によって、その成長速度が加速されてしまうことに原因があるかもしれない。

したがって、ボール電極および半田ペーストの何れかにＺｎ組成を含む組み合わせにおいては、プリフラックス処理品では、Ｃｕ−Ｚｎ合金層の著しい成長により接続強度の低下を生じることになる。逆に、当該組み合わせにおいて、ランドにＮｉ／Ａｕメッキ処理を行うと、Ｎｉメッキ上にＺｎ組成が堆積することによって、接続強度が向上するものと思われる。

Ｎｉ／Ａｕメッキ処理した場合のＡｕメッキ厚は、所定の範囲にすることが望ましい。具体的に述べると、図６に示した構成において、実装基板２のランド（導体配線）１１ａ表面のＮｉ／Ａｕメッキ１１ｂのＡｕ厚、および、ＢＧＡパッケージの接続ランド（裏面電極）９ａ表面のＮｉ／Ａｕメッキ９ｂのＡｕ厚は、例えば、０を超え、０．５μｍ未満であることが好ましい。Ａｕは、Ｎｉの酸化を防止できればよいため、金フラッシュの状態の厚さ（例えば、０．００３μｍ）があれば十分である。製造プロセス上比較的容易に膜形成できるという観点を考慮すると、０．０３μｍ以上にすればよい。実験によると、Ａｕ厚が０．５μｍ程度を超えると、半田中のＺｎとメッキのＡｕとによるＡｕ−Ｚｎ層の存在が確認されるケースが発生し、強度劣化がもたらされることがわかった。したがって、Ａｕ厚は、０．６μｍ未満、または、０．５μｍ以下にすることが好ましく、強度劣化の要因をより排除する観点からは、０．３μｍ以下にすることが好適であり、０．０３μｍ以下にすることがさらに望ましい。なお、条件の選定を行えば、Ａｕ厚が例えば１μｍ程度でも、Ａｕ−Ｚｎ層による影響を受けにくくすることができるものと思われる。なお、Ｎｉ厚は、特に影響を及ぼさないので、製造条件や規格に応じて適宜設定すればよい。例えば、３〜５μｍにすればよく、典型的には５μｍ程度である。

図２６から図２９は、Ａｕ−Ｚｎ層の存在が確認されたボール電極のＳＥＭ写真（断面）である。図２７は、図２６の拡大写真であり、図２９は、図２８の拡大写真である。これらの図では、Ａｕ厚が０．５μｍ程度を超える場合の例を示している。銅ランドとボール電極との間のスジのようにみえる箇所を元素分析で解析すると、そのスジはＡｕ−Ｚｎ層であることがわかった。また、このスジの部分には、Ｓｎ成分は実質的に存在していなかった。なお、図２６および図２８中には、ボール電極中のボイドが表示されている。

次に、耐熱疲労試験についての評価を説明する。本願発明者は、ＢＧＡパッケージを実装基板にリフロー実装した後、気相式温度サイクル試験にて耐熱疲労試験を行い、ボール電極と半田ペーストの各種組み合わせについて耐熱性を評価した。気相式温度サイクル試験は、−４０℃を１５分、そして＋１２５℃を１５分の３０分を１サイクルとし、接続抵抗を常時モニタリングしながら破断サイクル数の測定を行った。

試験に用いたＢＧＡパッケージの仕様を示すと、次の通りである。ＢＧＡパッケージは、ディジーチェーンサンプル（Daisy-chain sample）であり、パッケージタイプは、プラスチックボールグリッドアレイ（ＰＢＧＡ）である。パッケージサイズは３１ｍｍで、ピン数は４４１で、そして、ボールピッチは１．２７ｍｍである。Ｃｕランドの直径は０．６３５ｍｍであり、ボール直径は０．７６ｍｍである。ランドの表面処理は、Ｎｉ／Ａｕメッキ処理である。リフローは、図２３に示したプロファイルにて行った。この耐熱疲労試験の結果を表２に示す。

ボール電極は、Ｓｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉ（Ｓｎ−Ｚｎ系）、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系）、Ｓｎ−３７Ｐｂ（Ｐｂ有り）のものを使用し、半田ペーストも同様に３種のものを使用した。各組み合わせにおいて使用したＢＧＡパッケージのサンプル数（Ｎ）は、９個であり、表中の数字は、故障サイクル数を示し、表中の「−」は、２０００サイクル以上になったものを表している。

表２から、Ｓｎ−Ｚｎ系のボール電極に対しては、Ｓｎ−Ｚｎ系の半田ペーストを用いるのが最も良いことがわかる。それと比べると、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕの半田ペースト、および、Ｓｎ−３７Ｐｂの半田ペーストとの相性は良いとはいえない。一方、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕのボール電極の場合は、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕの半田ペースト、および、Ｓｎ−３７Ｐｂの半田ペーストとの相性は良いが、Ｓｎ−Ｚｎ系の半田ペーストとの相性は悪い。

これらのことから、ボール電極と半田ペーストとの好適な相性があることが導き出せ、そして、鉛フリー合金であっても、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のボール電極の知見を、そのまま、Ｓｎ−Ｚｎ系のボール電極に適用し切れないことがわかる。この例においては、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のボール電極は、同種のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の半田ペーストだけでなく、Ｓｎ−Ｐｂ系の半田ペーストに対する相性も良いのであるが、Ｓｎ−Ｚｎ系のボール電極は、同種のＳｎ−Ｚｎ系の半田ペーストに対する相性が特に良い。つまり、Ｓｎ−Ｚｎ系のボール電極を用いる場合は、同一組成の半田ペースト（すなわち、Ｓｎ−Ｚｎ系同士）を用いると、耐熱疲労特性の向上が期待できる。

図３０および図３１は、溶融状態の半田ボールのＳＥＭ写真（断面）を示している。図３０は、Ｓｎ−Ｚｎ系のボール電極（Ｓｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉボール）と、Ｓｎ−Ｚｎ系の半田ペースト（Ｓｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉペースト）との組み合わせの写真であり、そして、図３１は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のボール電極（Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕボール）と、Ｓｎ−Ｚｎ系の半田ペースト（Ｓｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉペースト）との組み合わせの写真である。なお、図３１は、図３２のトレース図である。図３２において、符号「１」はボール電極で、「３」は、半田ペースト（クリーム半田）、「９」「１１」はランドである。

図３０に示すように、Ｓｎ−Ｚｎ系同士の場合には、ボール電極と半田ペーストとが完全に溶融混合して、良好な状態となっている。一方、図３１に示すように、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系とＳｎ−Ｚｎ系との組み合わせの場合、すなわち、ボールの融点と比較して、半田ペーストの融点が低い組み合わせの場合には、ボール電極は、溶融せずに半田ペーストの溶融のみで接合している。図３２では、その状態をより分かりやすく示している。Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系とＳｎ−Ｚｎ系との組み合わせの場合では、このような半田ペーストのみの溶融による接合状態が発生するので、表２に示したような結果となるのではないかと推測される。

ＢＧＡパッケージと実装基板とのリフロー実装の条件は、ＢＧＡパッケージの供給を受けて、実装基板に実装する側によって都合の良い条件に合わせて決定されることが通常であり、言い換えると、ＢＧＡパッケージのボール電極の融点に合わせるよりもむしろ、実装基板上の半田ペースト（クリーム半田）の融点に合わせて決定されることが通常である。それゆえ、仮に、良品のＢＧＡパッケージを供給しても、図３１および図３２に示した状態の実装体が製造されてしまうと、結果として、不良の実装体が実現されてしまうことになりかねない。デバイスへのダメージを考慮して、低融点リフローを行いたいという実装メーカの要求下、鉛フリー半田合金の中で比較的良く使用されているＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダからなるボール電極を有するＢＧＡパッケージに対しても、低融点のＳｎ−Ｚｎ系半田ペーストを使用する可能性は十分考えられる。特にパソコンのＣＰＵに代表されるように２２０℃までしか温度を加えることができない場合もあるので、ＢＧＡパッケージがＣＰＵ用として適用された場合には、実装メーカは、おそらく、低融点のＳｎ−Ｚｎ系半田ペーストを使用する可能性が高く、そして、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダの融点（約２２０℃）よりも、Ｓｎ−Ｚｎ系半田ペーストの融点（約１９７℃）の温度に合わせてリフロープロファイルを設定することもまた予想される。そのような場合、図３１および図３２に示した現象が発生し得ることになると思われる。

そのような現象の発生を回避し、ＢＧＡパッケージのボール電極と実装基板上の半田ペーストとが、実装体においてより完全に溶融混合するようにするには、一方をＳｎ−Ｚｎのものにするだけよりも、両者をＳｎ−Ｚｎ系同士にすることが望ましい。言い換えると、比較的良く使用されているＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダからなるボール電極ではなく、Ｓｎ−Ｚｎ系ハンダからなるボール電極をＢＧＡのボール電極として使用し、ボール電極と半田ペーストとの両者をＳｎ−Ｚｎ系とすることが好ましい。両者をＳｎ−Ｚｎ系同士とした場合の実装体における溶融半田ボールは、Ｓｎ−Ｚｎ系鉛フリー半田合金から構成されることになる。より具体的には、その溶融半田ボールは、少なくとも錫および亜鉛を含み、かつ、鉛、銀、銅を実質的に含まないことになる。鉛、銀、銅を実質的に含まないとは、不純物レベルを超える範囲で含まないことを意味し、例えば、５００ｐｐｍ（質量ｐｐｍ）以下しか含まないことを言うこととする。上述したように、Ｓｎ−Ｚｎ系鉛フリー半田合金には、錫および亜鉛の他に、ビスマスまたはインジウム、あるいはその両方を含有させてもよい。

次に、耐機械的曲げ試験についての評価を説明する。耐機械的曲げ試験として携帯機器のボタン押し込み操作時の繰り返しストレスを模倣した。具体的には、ＢＧＡパッケージを実装基板にリフロー実装した後、図３３（ａ）および（ｂ）に示すように、曲げスパン８０ｍｍ、曲げ量２ｍｍの曲げを加え、接続抵抗値が初期値より±１０％以上変動したサイクル数を寿命とした。その結果を下記表３に示す。なお、ボール電極と半田ペーストとの組み合わせは、表２に示したものと同様である。

表３中の「◎」「○」「×」は、それぞれ、平均寿命が現行水準（すなわち、Ｓｎ−３７Ｐｂのボール電極とＳｎ−３７Ｐｂの半田ペーストとの組み合わせの寿命）よりも優れるもの、同等もの、劣るものを表している。表３中における具体的な往復曲げ回数（寿命までの平均回数）を示すと次の通りである。
（１）ボール電極がＳｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉの場合
Ｓｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉペースト； ５００回以上（◎）
Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕペースト； 約４００回（◎）
Ｓｎ−３７Ｐｂペースト； 約２５０回（○）
（２）ボール電極がＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕの場合
Ｓｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉペースト； 約３００回（○）
Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕペースト； 約２６０回（○）
Ｓｎ−３７Ｐｂペースト； 約３００回（○）
（３）ボール電極がＳｎ−３７Ｐｂの場合
Ｓｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉペースト； 約３５０回（◎）
Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕペースト； 約２００回（×）
Ｓｎ−３７Ｐｂペースト； 約２５０回（○）
表３に示した結果からわかるように、Ｓｎ−Ｚｎ系同士の組み合わせは、他の組み合わせよりも優れていることが判明した。これは、図３０に示すように、Ｓｎ−Ｚｎ系同士の場合、ボール電極と半田ペーストとが完全に溶融混合して、良好な溶融半田ボールになることに起因していると思われる。

次に、ＢＧＡパッケージ側の配線電極（裏面電極）に、ボール電極を５種類をリフロー実装にて溶融接続した場合におけるボール電極の表面状態を観察し、その結果を図３４から図３８に示す。図３４から図３８は、それぞれ、Ｓｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉボール電極、Ｓｎ−９Ｚｎボール電極、Ｓｎ−９Ｚｎ−１Ｉｎボール電極、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕボール電極、Ｓｎ−３７Ｐｂボール電極の外観を表すＳＥＭ画像である。各図の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、３５倍、１００倍、５００倍の倍率の画像である。リフローのピーク温度は、半田ボールの融点＋３０℃とし、フラックスは、鉛フリーボール（図３４から図３７）については、アルファメタルズ ＲＭＡ３７６ＥＨＬＶのフラックスを使用し、Ｓｎ−Ｐｂ共晶ボール（図３８）については、千住金属５２９Ｄ−１のフラックスを使用した。なお、図３４から図３８に示した外観は、ボール電極４４１個を有するＢＧＡパッケージの１００個（すなわち、ボール電極４４１００個）を通じての傾向である。

図３７および図３８に示すように、Ｓｎ−３７Ｐｂボール電極およびＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕボール電極は、比較的キメ細かく、ボール全体も真球に近かった。一方、図３４から図３６に示すように、低融点化を狙ったＳｎ−Ｚｎ系ボール電極は、いずれも、表面に凹凸が生じた。Ｓｎ−Ｚｎ系ボール電極のうち、Ｓｎ−９Ｚｎボール電極では、特に凹みが激しかった（図３５参照）。実際、レーザ照射による検査において、この凹みによって、ボールの位置認識でエラーが発生した。Ｓｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉボール電極（図３４参照）、Ｓｎ−９Ｚｎ−１Ｉｎボール電極（図３６参照）については、Ｓｎ−９Ｚｎボール電極と比べて、大きな凹みは発生しなかった。したがって、レーザ照射によるボール認識が可能となり、外観という観点からは、ＳｎとＺｎとだけからなるボール電極（例えば、Ｓｎ−９Ｚｎ組成）よりも、Ｓｎ−９Ｚｎ組成に、ＢｉまたはＩｎを添加（あるいは両方を添加）することが効果的であると思われる。

Ｓｎ−９Ｚｎ組成に、ＢｉまたはＩｎを添加すると凹みが減少するのは、その添加により共晶点からズレが生じて、それが要因となって、ボールが真球に近くなり、凹みが減ったことになったのかもしれない。また、リフロープロファイルを変更することにより、凹みの減少を達成できる可能性もあるかもしれない。なお、レーザ照射によるボール認識では、エラーが生じる場合であっても、ボールの位置認識には、画像処理による手法や、場合によっては目視による手法も採用できるので、そのような手法の採用を検討してもよい。

図３４から図３８に示したボール電極の外観をより詳細に説明をすると、次の通りである。

図３４に示したＳｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉボール電極は、５種のボール電極中、最もシワが多く、図３４（ｃ）では、毛糸玉のようなスジがあることが判別できた。毛糸玉のようなスジは、Ｚｎ組成の部分かもしれない。このボールは、真球に近いため、レーザ照射による位置の識別は可能であった。また、引け巣と思われる穴が確認された。ここで、「引け巣」とは、半田の表面から内部にかけて形成される針状の結晶のようなものである。

図３５に示したＳｎ−９Ｚｎボール電極は、大きな凹みを有しており、この凹みにより、レーザ照射による位置の識別でエラーが生じた。Ｓｎ−Ｚｎ系であるのに、図３４のようなスジは見られなかった。また、引け巣と思われる穴が確認された。

図３６に示したＳｎ−９Ｚｎ−１Ｉｎボール電極は、小さい凹みを有しているものの、全体的に真球に近く、レーザ照射による位置の識別は可能であった。

図３７に示したＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕボール電極は、全体的にキメが細かく、真球に近いせいか、レーザ照射による位置の識別は可能であった。図３４に見られたようなシワは見当たらなかった。そして、引け巣と思われる穴が確認された。

図３８に示したＳｎ−３７Ｐｂボール電極は、５種のうちで一番真球に近く、レーザ照射による位置の識別は可能であった。引け巣と思われる穴が確認され、そして、放射状に延び得るシワが存在していた。

レーザ照射による位置の識別の観点からは、Ｓｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉボール電極、Ｓｎ−９Ｚｎ−１Ｉｎボール電極、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕボール電極は、同レベルとみなすことができる。

次に、ボール電極のボイド観察について説明する。温度サイクル試験投入前に、ボール電極のＸ線透過写真を撮ったところ、ボール電極および半田ペーストがＳｎ−Ｐｂ共晶半田同士以外のほとんどの組み合わせにおいて、ボール内部にボイドが発生し、特に、ボール電極および半田ペーストのいずれかにＺｎを含む組み合わせにおいてボイドが多発した。

ボイドの観察を行ったボール電極と半田ペーストとの組み合わせは、表２に示したものと同様であり、各組み合わせについてボイド発生率を示すと、次の通りである。なお、ボイド発生率は、４４１０ボール中に内部ボイドが発生する割合である。
（１）ボール電極がＳｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉの場合
Ｓｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉペースト； ９９．３％
Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕペースト； ９８．８％
Ｓｎ−３７Ｐｂペースト； １００％
（２）ボール電極がＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕの場合
Ｓｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉペースト； ５１．９％
Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕペースト； ９６．８％
Ｓｎ−３７Ｐｂペースト； ０．０％
（３）ボール電極がＳｎ−３７Ｐｂの場合
Ｓｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉペースト； ９６．２％
Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕペースト； ４８．５％
Ｓｎ−３７Ｐｂペースト； ０．０％

また、Ｚｎ系以外の組成のボイドは、小径で幾つか集まる傾向が見られたが、Ｚｎ系ボイドは大径でボール断面積の半分以上を占めるものが多くみられた。基板実装前のディジーチェーンサンプル（ボール電極を有するＢＧＡパッケージであって、基板実装メーカに供給する前のサンプル）では、ボイドは見られなかったことを考えると、ボイド発生因子としては、リフロープロセスやフラックスなどの諸条件に大きく関与していると思われる。ボール電極、半田ペーストや半田組成の少なくとも一方にＺｎを組成に含む場合、実際のデバイス（実装体）および実装工程では、ボイドの発生が問題となると推測され、それゆえに、上記実施形態２に示した技術を用いて、ボイドの発生を抑制または緩和することが非常に意義を有することとなる。

本発明による半導体装置は、低融点の鉛フリー半田合金から構成されたボール電極を備えている。したがって、より低温度で半田接続を実行することができ、その結果、半導体装置への熱的ダメージを防止でき、接続信頼性の低下も回避できる。また、本発明によれば、半導体装置を実装基板に実装する際、ボール電極に余分な空気を巻き込むこと無くはんだ接続を実行することができるので、接続信頼性に優れた実装体を製造することができる。

また、半導体装置が有するボール電極がＳｎ−Ｚｎ系鉛フリー半田合金から構成されている場合に、実装基板上に設けられた導体配線上に、Ｓｎ−Ｚｎ系鉛フリー半田合金から構成されたクリーム半田を供給して、実装体を製造すると、実装体の信頼性を向上させることができる。さらに、ボール電極およびクリーム半田の少なくとも一方がＳｎ−Ｚｎ系鉛フリー半田合金から構成されている場合に、裏面電極および導体配線の表面に、下層から順にニッケルメッキと金メッキとが形成されていれば、プリフラックス処理した場合と比較して、信頼性に優れた実装体を実現することができる。

以上説明したように、本発明に係る半導体装置の実装方法は、電子機器内で半導体装置と基板との接続手段等として用いられ、鉛フリー化を実現する技術として有用である。

本発明による実施形態１にかかる半導体装置の裏面を模式的に示す底面図である。 実施形態１にかかる半導体装置の側面を模式的に示す側面図である。 実施形態１にかかる半導体装置の断面を模式的に示す断面図である。 ボールシェア強度とリフローピーク温度との関係を示すグラフである。 実施形態１の半導体装置と配線基板との構成を示す側面図である。 実施形態１の半導体装置と配線基板との要部拡大図である。 実施形態１にかかる半導体装置の裏面を模式的に示す底面図である。 実施形態１にかかる半導体装置の改変例の断面を模式的に示す断面図である。 ボール電極周辺を示す要部拡大図である。 （ａ）は、実施形態１にかかる半導体装置の改変例の構成を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は、Ｂ−Ｂ線に沿った断面図である。 シェア強度測定装置の構成を模式的に示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、シェア強度測定方法を説明するための工程図である。 シェア強度の測定結果を示すグラフである。 ボール電極およびクリーム半田の周辺を示す要部拡大図である。 （ａ）〜（ｄ）は、ボイド３２の発生機構を説明するための図である。 （ａ）は、クリーム半田周辺の構造を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は、クリーム半田のパターンを示す平面図 （ａ）および（ｂ）は、クリーム半田のパターンを示す平面図である。 ボール電極および金属突起の周辺を示す要部拡大図である。 Ｓｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉペーストを用いた場合におけるボールシェア強度試験の結果を示すグラフである。 Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕペーストを用いた場合におけるボールシェア強度試験の結果を示すグラフである。 Ｓｎ−３７Ｐｂペーストを用いた場合におけるボールシェア強度試験の結果を示すグラフである。 ペーストを用いずに、フラックスのみでリフロー接続した場合におけるボールシェア強度試験の結果を示すグラフである。 リフローのプロファイルを示すグラフである。 Ｎｉ／Ａｕメッキ処理をした場合におけるサンプルの接合部分のＳＥＭ画像を示す図面代用写真である。 プリフラックス処理をした場合におけるサンプルの接合部分のＳＥＭ画像を示す図面代用写真である。 ボール電極のＳＥＭ画像を示す図面代用写真である。 図２６の一部を拡大した画像を示す図面代用写真である。 ボール電極のＳＥＭ画像を示す図面代用写真である。 図２８の一部を拡大した画像を示す図面代用写真である。 Ｓｎ−Ｚｎ系同士の組み合わせについての溶融状態の半田ボールのＳＥＭ画像を示す図面代用写真である。 Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系とＳｎ−Ｚｎ系との組み合わせについての溶融状態の半田ボールのＳＥＭ画像を示す図面代用写真である。 図３１のトレース図である。 （ａ）および（ｂ）は、耐機械的曲げ試験の手法を説明するための図である。 （ａ）から（ｃ）は、Ｓｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉボール電極の外観を撮影したＳＥＭ画像を示す図面代用写真である。 （ａ）から（ｃ）は、Ｓｎ−９Ｚｎボール電極の外観を撮影したＳＥＭ画像を示す図面代用写真である。 （ａ）から（ｃ）は、Ｓｎ−９Ｚｎ−１Ｉｎボール電極の外観を撮影したＳＥＭ画像を示す図面代用写真である。 （ａ）から（ｃ）は、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕボール電極の外観を撮影したＳＥＭ画像を示す図面代用写真である。 （ａ）から（ｃ）は、Ｓｎ−３７Ｐｂボール電極の外観を撮影したＳＥＭ画像を示す図面代用写真である。

符号の説明

１ ボール電極
２ 実装基板
３ クリーム半田
４ 配線基板
５ 半導体素子
６ モールド材
７ パッケージ中央付近
８ 金属細線
８’突起電極
９ 配線電極
９ａ 配線電極
９ｂ 表面処理（メッキなど）
１０ ソルダーレジスト
１１ 導体配線（配線電極またはランド）
１１ａ 導体配線
１１ｂ 表面処理（メッキなど）
１２ 金属突起
５０ シェア強度測定装置
５１ ボールシェアセンサ
５２ シェアツール
５３ ステージ
６１ 半田ボール（ボール電極）
６２ クリーム半田またはフラックス
６３ 実装基板
１００ 半導体装置（ＢＧＡパッケージ）
１０６ 素子電極
１０７ 半導体素子（半導体チップ）
１０８ 樹脂層
１０９ 配線層
１１０ ランド
１１１ ソルダーレジスト
１１２ ボール電極
２００ 半導体装置（ＢＧＡパッケージ）

Claims (5)

1. ボール電極を有する半導体装置を実装基板にリフロー実装する半導体装置の実装方法であって、
   前記実装基板上に設けられた導体配線のうち、前記ボール電極が接触することとなる位置の周囲の部位上に、前記導体配線と接触したときの前記ボール電極に接触しないように、クリーム半田を塗布する工程（ａ）と、
   前記実装基板の前記導体配線上に、前記ボール電極を接触させる工程（ｂ）と、
   前記半導体装置および前記実装基板を、高温雰囲気のリフロー槽中に通す工程（ｃ）と
   を包含し、
   前記工程（ｃ）において、前記ボール電極が前記クリーム半田よりも先または同時に溶融して、前記ボール電極と前記導体配線とが接続される、半導体装置の実装方法。
2. 前記工程（ａ）において、前記クリーム半田は、前記導体配線上において略円環状に塗布される、請求項１に記載の半導体装置の実装方法。
3. 前記クリーム半田の塗布が連続的でなく、少なくとも一箇所以上の間隙が存在する、請求項１または２に記載の半導体装置の実装方法。
4. ボール電極を有する半導体装置を実装基板に実装する、半導体装置の実装方法であって、
   前記ボール電極は、液相−固相共存領域を有する半田合金からなり、
   前記実装基板は、金属突起が設けられた導体配線を有しており、
   前記ボール電極を、前記金属突起に突き刺し、それによって、前記ボール電極に余分な空気を巻き込むこと無くはんだ接続を実行する、半導体装置の実装方法。
5. 前記ボール電極は、鉛フリー半田合金から構成されている、請求項１から４の何れか一つに記載の半導体装置の実装方法。