JP2009283628A - 半導体素子実装方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
樹脂製基板に半導体素子を実装する際の加熱温度を抑えることで、はんだ接合部の応力を低減して電子部品実装用基板と半導体素子との接続信頼性を高めることのできる半導体素子実装方法を提供する。
【解決手段】
電子部品実装用の樹脂製基板上に設けられた電極部に、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ組成物を供給する工程と、前記Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ組成物が供給された電極部に、Ｓｎ−Ａｇ系はんだボールを載置する工程と、前記Ｓｎ−Ａｇ系はんだボールの位置に対向するように、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ組成物が供給された半導体素子の電極部を合わせて、該半導体素子を前記Ｓｎ−Ａｇ系はんだボールに載置する工程と、前記Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ組成物の融点以上前記Ｓｎ−Ａｇ系はんだボールの融点未満の温度で加熱して、前記樹脂製基板側及び前記半導体素子側のＳｎ−Ｂｉ系はんだ組成物を溶融させて、前記Ｓｎ−Ａｇ系はんだボールを介して前記樹脂製基板に前記半導体素子を接合する工程と、を含むことを特徴とする半導体素子実装方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、樹脂製基板に半導体素子を実装する方法に関し、特に、従来よりも低温条件下にてフリップチップを実装する方法に関する。

従来、電子部品実装用基板に設けられた電極と半導体素子表面の電極とを接合する場合、Ｓｎ‐Ｐｂ共晶はんだが用いられていた。しかし、Ｐｂは人体に有毒な重金属であるため、環境配慮の観点から、Ｐｂフリーのはんだの使用が進められ、代替材料としてＳｎ−Ａｇ系のはんだ合金が使用され始めている。このとき、Ｓｎ−Ａｇ系はんだはＳｎ‐Ｐｂ共晶はんだよりも融点が約４０℃も高いことから、電子部品実装用基板上に半導体素子を実装する際に電子部品実装用基板の内部接合材料が融解することが問題となっている。

また、従来よりも高温にて半導体素子を実装することにより、電子部品実装用基板及び半導体素子にダメージを与えることとなる。さらに、半導体素子のチップの線膨張係数と電子部品実装用基板の線膨張係数の差から、従来よりも高温下で電子部品実装用基板に半導体素子をはんだ合金で接合する際に、はんだ接合部に高い応力が生じ接続信頼性に悪影響を与えることも問題となっている。特に、電子部品実装用基板に樹脂製基板を使用する場合には、前記線膨張係数の差が著しく、はんだ接合部にさらに大きな応力歪が生じることとなる。

さらに、近年、半導体素子自体の微細化に伴って配線間の静電容量が増大し、配線による不要な消費電力が増えていることから、その低減を図るためにLow-K材が用いられているが、Low-K材は機械的強度が低いことからも、はんだ接合部への応力を低減して接続信頼性を確保することが重要となっている。

そこで、特許文献１には、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだの代替材料であるＰｂフリーはんだ合金として、従来のＳｎ−Ｐｂ共晶はんだと同様に２２０〜２３０℃の温度ではんだ付けが可能である１０重量％〜２５重量％のＢｉ、１．５重量％〜３重量％のＡｇ、残りがＳｎ、及び不可避不純物で構成されるＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ系はんだが記載され、これにより回路基板の配線パターンと電子部品の電極とを接続するとしている。

しかし、特許文献１でも、依然として従来通りの温度にてはんだ付けを行うことから、はんだ接合部に生じる応力によって電子部品実装用基板と半導体素子との接続不良が生じ、また機械的強度が低いLow-K材が損傷するという問題がある。

さらに、Ｐｂフリーに対応した電極部位へのはんだ合金の供給方法として、Ｓｎ−Ａｇ系合金をはんだ材料としたボール搭載法が用いられることもある。ボール搭載法とは、ボール搭載部位にフラックスを供給した後に、はんだボールを搭載してはんだボールが溶融する温度以上に加熱してはんだボールを基板に接合するというものである。しかし、Ｓｎ−Ａｇ系はんだの融点が２１９℃であることから、ボール搭載法には、はんだボールの基板への接合温度が２５０℃前後の高温となり、電子部品実装用基板にダメージを与えてしまうという問題がある。

また、電極の材質にＣｕを用いる場合には、はんだボールの接合の際に、Ｃｕとはんだ中のＳｎとの金属間化合物が形成されるが、上記の通り、高温下での接合であるために金属間化合物層が厚くなり、原子の拡散速度の差異が原因で発生するカーケンダルボイドが生成しやすくなることからも、電子部品実装用基板と半導体素子との接続信頼性が得られない。
特開平１０−１６６１７８

本発明は上記事情に鑑み、電子部品実装用基板、特に樹脂製基板に半導体素子を実装する際の加熱温度を抑えることで、はんだ接合部の応力を低減して電子部品実装用基板と半導体素子との接続信頼性を高めるとともに、電子部品実装用基板や半導体素子が熱により受けるダメージを減らすことのできる半導体素子実装方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、電子部品実装用の樹脂製基板上に設けられた電極部に、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ組成物を供給する工程と、前記Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ組成物が供給された電極部に、Ｓｎ−Ａｇ系はんだボールを載置する工程と、前記Ｓｎ−Ａｇ系はんだボールの位置に対向するように、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ組成物が供給された半導体素子の電極部を合わせて、該半導体素子を前記Ｓｎ−Ａｇ系はんだボールに載置する工程と、前記Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ組成物の融点以上前記Ｓｎ−Ａｇ系はんだボールの融点未満の温度で加熱して、前記樹脂製基板側及び前記半導体素子側のＳｎ−Ｂｉ系はんだ組成物を溶融させて、前記Ｓｎ−Ａｇ系はんだボールを介して前記樹脂製基板に前記半導体素子を接合する工程と、を含むことを特徴とする半導体素子実装方法である。

上記態様は、Ｓｎ−Ａｇ系はんだボールは溶融させずに、電子部品実装用の樹脂製基板側の電極部及び半導体素子側の電極部に供給されたＳｎ−Ｂｉ系はんだ組成物を溶融させることで、Ｓｎ−Ａｇ系はんだボールとＳｎ−Ｂｉ系はんだ組成物とを接合させて、電子部品実装用の樹脂製基板に半導体素子を実装させるというものである。

本発明の第２の態様は、前記半導体素子を前記Ｓｎ−Ａｇ系はんだボールに載置する前に、前記Ｓｎ−Ａｇ系はんだボールの高さを同一にする平坦化処理を行うことを特徴とする半導体素子実装方法である。

本発明の第３の態様は、樹脂製基板に半導体素子を接合する際の温度が１３８〜２００℃であることを特徴とする半導体素子実装方法である。

本発明の第４の態様は、前記Ｓｎ−Ａｇ系はんだボールに代えてＳｎ−Ｃｕ系はんだボールを用いることを特徴とする半導体素子実装方法である。

本発明の第１の態様によれば、電子部品実装用の樹脂製基板側の電極部及び半導体素子側の電極部に供給されたＳｎ−Ｂｉ系はんだ組成物の融点以上Ｓｎ−Ａｇ系はんだボールの融点未満の温度で加熱してＳｎ−Ｂｉ系はんだ組成物を溶融させることにより、Ｓｎ−Ａｇ系はんだボールを介して電子部品実装用の樹脂製基板と半導体素子と接合させるので、電子部品実装用の樹脂製基板への半導体素子の接合温度は低減されて、線膨張係数の大きい樹脂製基板であってもはんだ接合部の応力を抑制でき、接続信頼性を確保できる。また、従来例と比較して接合温度が低いので、樹脂製基板や半導体素子が熱によりダメージを受けることを抑制できる。

また、溶融しないＳｎ−Ａｇ系はんだボールを介して、樹脂製基板の電極部と半導体素子の電極部とを一度の加熱工程で接合できるので、パッケージングの作業効率が向上する。

さらに、電極部の材質がＣｕの場合、電極部上にはんだボールを接合する際に、電極部とはんだとの間にＣｕとはんだ中のＳｎとからなる金属間化合物が形成されるが、接合温度を低減できることからこの金属間化合物層は薄層化されるので、金属間化合物層におけるカーケンダルボイドの生成を抑制し、電子部品実装用の樹脂製基板に半導体素子を接合する際の接続信頼性が確保できる。また、はんだボールは溶融させないので、電子部品実装用の樹脂製基板と半導体素子との間隔の制御が容易であり、この間隔を十分確保することで構造上の信頼性も向上する。

本発明の第２の態様によれば、電子部品実装用の樹脂製基板に載置されるＳｎ−Ａｇ系はんだボールの高さを一定にできるので、Ｓｎ−Ａｇ系はんだボールの大きさが相違しても電子部品実装用の樹脂製基板と半導体素子との間隔が均一化される。

本発明の第３の態様によれば、電子部品実装用の樹脂製基板への半導体素子の接合温度の上限値である２００℃は、Ｓｎ−Ａｇ系はんだボールの融点である２１９℃を大きく下回る温度であって、かつ従来例よりも低温なので、はんだ接合部における応力を確実に低減でき、さらに電子部品実装用の樹脂製基板や半導体素子への熱によるダメージを確実に抑制できる。また、前記接合温度の下限値が、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ組成物の融点である１３８℃なので、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ組成物を確実に溶融させて電子部品実装用の樹脂製基板に半導体素子を実装することができる。

本発明の第４の態様によれば、Ｓｎ−Ａｇ系はんだボールよりも融点の高いＳｎ−Ｃｕ系はんだボールを用いるので、はんだボールの溶融を確実に防止でき、電子部品実装用の樹脂製基板と半導体素子との間隔を的確に制御できる。

次に、本発明の実施形態例に係る半導体素子実装方法を図面を用いながら説明する。図１は、本発明の実施形態例に係る半導体素子実装方法を示す概略図である。

本発明の実施形態例に係る半導体素子実装方法は、まず、図１（a）に示すように、電子部品実装用の樹脂製基板１の表面を厚さ３０μｍのソルダーレジスト７でコーティングし、銅電極部２の部位についてはこのソルダーレジスト７を除去して、銅電極部２を露出させたソルダーレジスト開口部５を電子部品実装用の樹脂製基板１表面に形成する。なお、本実施形態例では、ソルダーレジスト開口部５は、直径１３０μｍ、深さ３０μｍの円柱状の空間であって、その底部から樹脂製基板１表面に配置された銅電極部２が露出している。

次に、図１（b）に示すように、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ組成物３をソルダーレジスト開口部５内に供給する。

本実施形態例では、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ組成物３として、低融点のはんだ合金であるＳｎ４２−Ｂｉ５８はんだ粉をペースト成分であるビヒクルに５０質量％含有させた、はんだペースト材料であるソルダーペーストを使用する。なお、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ組成物３には、機械的強度を高める等の目的で、必要に応じて、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｇｅなどの元素を少量添加してもよい。また、ビヒクルには、ロジン（松やに）、レジン（合成樹脂）等の樹脂成分を主成分としたものを使用し、必要に応じて、有機酸（例えば、マロン酸、コハク酸など）、チクソ剤、耐酸化剤などを添加してもよい。

このＳｎ−Ｂｉ系はんだ組成物３の供給方法は特に限定されないが、印刷法が簡易な点で優れている。印刷法には、例えば、印刷パターンを形成するためのマスクを電子部品実装用の樹脂製基板１にコンタクトさせて、この電子部品実装用の樹脂製基板１にソルダーペーストを転写により塗布するコンタクト印刷法がある。

Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ組成物３の供給量は特に限定されないが、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ組成物３を溶融させたときに、ソルダーレジスト開口部５内壁とＳｎ−Ａｇ系はんだボール４との間に生じるソルダーレジスト開口部５内の空隙が、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ組成物３により全て埋められる量以下とするのが好ましい。この供給量を超えてＳｎ−Ｂｉ系はんだ組成物３をソルダーレジスト開口部５に供給すると、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ組成物３を溶融させたときに硬くて脆いＳｎ−Ｂｉ系はんだ組成物３がソルダーレジスト開口部５から溢れ出てしまい、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ組成物３とＳｎ−Ａｇ系はんだボール４との間の接続信頼性が低下し、さらに、溢れ出たＳｎ−Ｂｉ系はんだ組成物３により隣接する銅電極部２同士が短絡するからである。

一方、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ組成物３の供給量が不足してはんだフィレットが形成されないと、Ｓｎ−Ａｇ系はんだボール４と樹脂製基板１との接続強度が劣化するので、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ組成物３の供給量は、前記ソルダーレジスト開口部５に最低限のはんだフィレットを形成させる量以上とするのが好ましい。

次に、図１（c）に示すように、Ｓｎ−Ａｇ系はんだボール４をＳｎ−Ｂｉ系はんだ組成物３上に載置する。はんだボールの供給方法には、例えば、はんだボールを保持する保持ヘッドにより、はんだボールの貯留部から樹脂製基板１の直上まではんだボールを運び、この保持ヘッドから樹脂製基板１の銅電極部２上にＳｎ−Ａｇ系はんだボール４を載せる方法がある。

このとき、Ｓｎ−Ａｇ系はんだボール４の大きさにばらつきがある場合には、樹脂製基板１とフリップチップ１１との間隔を一定にするために、Ｓｎ−Ａｇ系はんだボール４の載置後にＳｎ−Ａｇ系はんだボール４の平坦化処理を行ってもよい。平坦化処理には、例えば、ロールではんだボールを潰す方法、真上からはんだボールを押しつぶすスタンピング法、切削加工ではんだボールの先端部を平坦化する方法などがある。

本実施形態例で使用するＳｎ−Ａｇ系はんだボール４の組成は、Ｓｎ９６．５−Ａｇ３．０−Ｃｕ０．５であり、形状は直径１６０μｍの球形である。また、機械的強度を高める等の目的で、必要に応じて、Ｎｉ、Ｐ、Ｚｎ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｇｅなどの元素を少量添加してもよい。

一方、半導体素子（例えばフリップチップ）には、バリア膜１４に囲まれた電極部１２に上記印刷法等にてＳｎ−Ｂｉ系はんだ組成物１３を供給して、電極部１２上にＳｎ−Ｂｉ系はんだ組成物膜を形成させる。このバリア膜１４により、はんだ組成物１３の電極部１２周辺への拡散が防止される。

次に、図１（d）に示すように、フリップチップ１１の回路面を下向きにして、この電極部１２を電子部品実装用の樹脂製基板１に設けられた所定のＳｎ−Ａｇ系はんだボール４に対向させて載置する。

次に、フリップチップ１１を搭載した樹脂製基板１を、例えばリフロー炉を用いて、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ組成物３、１３の融点以上Ｓｎ−Ａｇ系はんだボール４の融点未満の温度で加熱処理する。その結果、図１（e）に示すように、前記加熱温度により、Ｓｎ−Ａｇ系はんだボール４は溶融させずに、樹脂製基板１側のＳｎ−Ｂｉ系はんだ組成物３とフリップチップ１１側のＳｎ−Ｂｉ系はんだ組成物１３とを一度の加熱処理で溶融させることで、樹脂製基板１側のＳｎ−Ｂｉ系はんだ組成物３、Ｓｎ−Ａｇ系はんだボール４及びフリップチップ１１側のＳｎ−Ｂｉ系はんだ組成物１３から構成されるはんだ接合部６を一度の加熱工程で形成させて電子部品実装用の樹脂製基板１にフリップチップ１１を実装する。

樹脂製基板１とフリップチップ１１とを接合する際の加熱温度の下限は、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ組成物３、１３の融点である１３８℃以上であり、溶融が不十分であることによる弱い接合状態を防ぐ点から、その下限は１５０℃が好ましい。また、加熱温度の上限は、Ｓｎ−Ａｇ系はんだボール４の融点である２１９℃未満であり、熱により樹脂製基板１やフリップチップ１１が損傷するのを抑制し、また線膨張係数の違いから生じる樹脂製基板１とフリップチップ１１とのはんだ接合部６の応力歪を低減させる点から、その上限は２００℃が好ましく、特に１８０℃が好ましい。

このように、従来よりも低温にて電子部品実装用の樹脂製基板１にフリップチップ１１を実装できるので、加熱・冷却時における樹脂製基板１とフリップチップ１１との線膨張係数の差異から生じるはんだ接合部６の応力を低減することができ、接続信頼性が向上する。さらに、一回の加熱処理工程でＳｎ−Ａｇ系はんだボール４に樹脂製基板１の銅電極部２とフリップチップ１１の電極部１２の両方を一括に接合させることで樹脂製基板１にフリップチップ１１を実装するので、生産効率に優れている。

次に、本発明の他の実施形態例を説明する。前記実施形態例では、ソルダーレジスト開口部５は、直径１３０μｍ、深さ３０μｍの円柱状の空間であり、載置されるＳｎ−Ａｇ系はんだボール４の直径は１６０μｍであったが、Ｓｎ−Ａｇ系はんだボール４がソルダーレジスト開口部５に載置可能な限り、この寸法に限定されるものではない。例えば、樹脂製基板１とフリップチップ１１との間隔を小さくして部品全体をコンパクトにしたい場合には、Ｓｎ−Ａｇ系はんだボール４がソルダーレジスト開口部５の底部に当接するようソルダーレジスト開口部５の寸法を前記実施形態例より大きく（例えば１８０μｍ）、及び／またはＳｎ−Ａｇ系はんだボール４を前記実施形態例より小さく（例えば直径１００μｍ）して、樹脂製基板１からのＳｎ−Ａｇ系はんだボール４の突出量を小さくしてもよい。

上記とは反対に、樹脂製基板１とフリップチップ１１との間隔を空けて両者の接触を防止したい場合には、ソルダーレジスト開口部５の寸法を前記実施形態例より小さく（例えば８０μｍ）、及び／またはＳｎ−Ａｇ系はんだボール４を前記実施形態例より大きく（例えば直径２００μｍ）して、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ組成物３の溶融接合後にＳｎ−Ａｇ系はんだボール４がソルダーレジスト開口部５の底部に当接しない態様にして、樹脂製基板１からのＳｎ−Ａｇ系はんだボール４の突出量を大きくしてもよい。ただし、Ｓｎ−Ａｇ系はんだボール４の大きさは、短絡を回避するために、隣接するはんだボールと接触しない寸法が上限となる。

このとき、ソルダーレジスト開口部５へのＳｎ−Ｂｉ系はんだ組成物３の供給量は、前記実施形態例と同様に、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ組成物３が供給過剰となってソルダーレジスト開口部５から溢れ出ないように、また供給不足となってはんだフィレットが形成できなくならないように調節するのが好ましい。

前記実施形態例では、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ組成物３として、低融点のはんだ合金であるＳｎ４２−Ｂｉ５８はんだ粉をペースト成分であるビヒクルに５０質量％含有させた、はんだペースト材料であるソルダーペーストを使用したが、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ粉は低融点であれば上記組成に限定されるものではなく、またＳｎ−Ｂｉ系はんだ組成物がペースト状であればビヒクルの含有量は上記に限定されない。また、前記実施形態例では、ペースト成分にビヒクルを用いたが、この代わりにフラックス成分を用い、これをはんだ粉と混練りしてはんだペーストを作成してもよい。

また、前記実施形態例では、融点２１９℃のＳｎ−Ａｇ系はんだボール４を用いたが、この代わりに、加熱処理工程におけるはんだボールの溶融を確実に抑えるために、融点２２７℃と、より融点の高いＳｎ−Ｃｕ系はんだボールを用いてもよい。

従来よりも低温域で電子部品実装用の樹脂製基板に半導体素子を実装できるので、加熱・冷却時におけるはんだ接合部への応力を低減でき、また、樹脂製基板や半導体素子にかかる熱によるダメージを抑えることができるので、電子部品の分野で利用価値が高い。

本発明の実施形態例に係る半導体素子実装方法を示す概略図である。

符号の説明

１ 樹脂製基板
２ 銅電極部
３、１３ Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ組成物
４ Ｓｎ−Ａｇ系はんだボール
５ ソルダーレジスト開口部
６ はんだ接合部
１１ フリップチップ
１２ 電極部

Claims (4)

1. 電子部品実装用の樹脂製基板上に設けられた電極部に、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ組成物を供給する工程と、
   前記Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ組成物が供給された電極部に、Ｓｎ−Ａｇ系はんだボールを載置する工程と、
   前記Ｓｎ−Ａｇ系はんだボールの位置に対向するように、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ組成物が供給された半導体素子の電極部を合わせて、該半導体素子を前記Ｓｎ−Ａｇ系はんだボールに載置する工程と、
   前記Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ組成物の融点以上前記Ｓｎ−Ａｇ系はんだボールの融点未満の温度で加熱して、前記樹脂製基板側及び前記半導体素子側のＳｎ−Ｂｉ系はんだ組成物を溶融させて、前記Ｓｎ−Ａｇ系はんだボールを介して前記樹脂製基板に前記半導体素子を接合する工程と、を含むことを特徴とする半導体素子実装方法。
2. 前記半導体素子を前記Ｓｎ−Ａｇ系はんだボールに載置する前に、前記Ｓｎ−Ａｇ系はんだボールの高さを同一にする平坦化処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子実装方法。
3. 前記温度が１３８〜２００℃であることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子実装方法。
4. 前記Ｓｎ−Ａｇ系はんだボールに代えてＳｎ−Ｃｕ系はんだボールを用いることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体素子実装方法。

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