JP2010272814A - 回路基板、及びはんだバンプのクラックの修復方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 はんだバンプのクラック発生に伴う電気抵抗の増加を抑制できる。
【解決手段】 第１基板と、第１基板上に形成された第１電極と、所定の温度で液体となり、Ｓｎ（錫）と合金を形成する第１導電性物質と、第１電極上に備えられ、第１導電性物質を内部に備える第１カプセルと、第１カプセルを覆い、Ｓｎを含むはんだバンプと、を備え、第２電極を備えた第２基板と、第２電極上に備えられ、はんだバンプに覆われ、所定の温度で破壊される第２カプセルと、第２カプセル内に備えられ、所定の温度で液体となり、Ｓｎ（錫）と合金を形成する第２導電性物質と、を備える。
【選択図】図１１

Description

本発明は回路基板、及びはんだバンプのクラックの修復方法に関する。

半導体素子と回路基板とを電気的に接続する回路基板の実装構造に関し、高集積化したＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ Ｃｉｒｃｕｉｔ）の搭載が要求されている。そのため、回路基板の実装密度を向上させ、ＬＳＩの高集積化に伴った入出力ピン数を増加させる必要がある。そして、入出力ピン数の増加に対応するため、格子状に配列したはんだバンプを介して半導体パッケージと回路基板とを接合するＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）型の実装構造が実現されている。

このようなＢＧＡ型の実装構造を用いて半導体パッケージが搭載された電子機器が動作する際に、電子機器が低負荷状態から高負荷状態に移行すると、高負荷状態の電子機器の動作温度まで上昇し、半導体パッケージ及び回路基板が熱膨張する。セラミックパッケージとガラスエポキシ基板を例にとると、回路基板は、半導体パッケージよりも熱膨張率が大きい。そのため、回路基板の熱膨張量は大きくなり、半導体パッケージの熱膨張量は小さくなる。その結果、回路基板と半導体パッケージとの間に介在するはんだバンプに応力が発生する。

電子機器の高負荷状態及び低負荷状態が繰り返されると、回路基板の伸縮が繰り返されるため、応力がはんだバンプに繰返し発生する。応力がはんだバンプに繰返し発生すると、はんだバンプが金属疲労してクラックが発生する。発生したクラックは、はんだバンプと電極との界面で成長する。はんだバンプにクラックが発生すると、はんだバンプにおける回路基板と半導体パッケージ間の導電面積が減少するため、はんだバンプにおける電気抵抗が増加する。クラックがさらに進行すると、電気的接続が完全に破壊され、はんだバンプの断線が発生する。そのため、半導体パッケージ及び回路基板における実装信頼性が低下する問題が発生する。

上記問題に対処するため、半導体パッケージと回路基板との間に介在するはんだバンプ内に、伝導性液体を含む円柱状のコンテナを含むバンプ構造が提案されている（例えば、特許文献１）。コンテナは、半導体パッケージ及び回路基板上の電極に対して垂直に接するように配置されている。前述した伝導性液体は、空気に露出されると凝固する性質を有する。はんだバンプにクラックが発生した時に、はんだバンプに内包されたコンテナがクラックによって破壊され、コンテナ内部の伝導性液体がクラック内に滲出する。伝導性液体は空気に露出され、クラック内で凝固する。クラック内は伝導性物質によって充填される。そのため、クラックの発生によるはんだバンプの電気抵抗の増加が抑制される。

しかしながら、このようなバンプ構造を有するバンプを含む回路基板を製造する上において、コンテナ内の伝導性液体は空気中で凝固する性質を有するため、コンテナの製造工程は真空中で行う必要がある。そのため、コンテナの製造コストが上昇してしまう問題があった。
また、半導体パッケージと回路基板との間隔はコンテナの高さによって制約される。半導体パッケージ及び回路基板上の電極間にはんだバンプを形成するときに、コンテナの高さよりも低いはんだバンプが形成されることがある。このような場合、はんだバンプの表面張力を利用したセルフアライメント効果が失われてしまうため、半導体パッケージと回路基板が接続できなくなる問題があった。

特開２００８−９１９２６号公報

本発明は、はんだバンプのクラック発生に伴う電気抵抗の増加を抑制できる回路基板、及びはんだバンプのクラックの修復方法を提供することを目的とする。

本発明の課題を解決するため、本発明の第１の側面によれば、第１基板と、前記第１基板上に形成された第１電極と、所定の温度で液体となり、Ｓｎ（錫）と合金を形成する第１導電性物質と、前記第１電極上に備えられ、前記第１導電性物質を内部に備える第１カプセルと、前記第１カプセルを覆い、Ｓｎを含むはんだバンプと、を備える回路基板を提供することを特徴とする。

本発明の第２の側面によれば、Ｓｎを含有するはんだバンプ内に、所定の温度において液体となりＳｎと合金を形成する導電性物質を内部に備えたカプセルを配置し、前記はんだバンプにクラックが発生したとき前記カプセルが破壊され、前記カプセル内の前記導電性物質が前記カプセルの外に出ることで前記導電性物質が前記クラックを充填するはんだバンプのクラックの修復方法を提供することを特徴とする。

本発明によれば、Ｓｎと合金を形成する導電性物質は、電子機器の通常の動作温度である室温から８０．０℃において液体となる。そのため、はんだバンプにクラックが発生し、クラックがカプセルを破壊すると、液体となった導電性物質がクラック内に滲出する。導電性物質は、はんだバンプに含まれるＳｎと反応してＳｎを含む合金を形成する。クラックは、Ｓｎを含む合金によって充填されるため、クラックの発生に伴うはんだバンプの電気抵抗の増加を抑制することができる。

図１は、実施例１に係る電極構造を示す図である。 図２は、実施例１に係る電極構造の製造工程を示す図である。 図３は、実施例１に係る電極構造の製造工程を示す図である。 図４は、実施例１に係る電極構造の製造工程を示す図である。 図５は、実施例１に係る半導体装置を示す図である。 図６は、実施例１に係る半導体装置の製造工程を示す図である。 図７は、実施例２に係る半導体パッケージの電極構造を示す図である。 図８は、実施例２に係る半導体パッケージの電極構造の製造工程を示す図である。 図９は、実施例２に係る半導体パッケージの電極構造の製造工程を示す図である。 図１０は、実施例２に係る半導体パッケージの電極構造の製造工程を示す図である。 図１１は、実施例２に係る半導体装置を示す図である。 図１２は、実施例２に係る半導体装置の製造工程を示す図である。 図１３は、実施例１及び実施例２で使用可能であるＧａ−Ｉｎ合金の状態図である。 図１４は、実施例１及び実施例２で使用可能であるＧａ−Ｓｎ合金の状態図である。

以下、本発明の実施例１及び実施例２に係る回路基板、及びはんだバンプのクラックの修復方法が説明される。ただし、本発明は各実施例に限定されるものではない。

本発明の実施例１において、図１から図６、図１３及び図１４は、半導体装置７０、及び半導体装置７０の製造方法を詳細に説明するものである。

図１は、半導体装置７０に備えられた電極構造５０を示す。図１Ａは、電極構造５０の平面図である。図１Ｂは、図１ＡのＸ−Ｙ線に沿った断面図である。

図１Ａ及び図１Ｂは、回路基板１及び電極構造５０を示す。
回路基板１は、例えば、ガラスエポキシ基板、又は絶縁層と配線層とを積み上げて形成されるビルドアップ基板から形成されている。
電極構造５０は、電極パッド２、カプセル３、及び接着剤４を備える。図１Ａ及び図１Ｂに示すように、電極構造５０は、回路基板１上に備えられている。
電極パッド２は、回路基板１上に備えられている。電極パッド２は、例えば銅、ニッケルの上に金メッキが形成されている。電極パッド２は、例えば略円形の形状を有する。電極パッド２の直径は、例えば６００μｍである。電極パッド２の厚みは、例えば３０μｍから６０μｍである。
なお、電極パッド２には、窪み８が形成されている。窪み８は、例えば直径４０μｍから４５μｍ、及び深さ５μｍから１０μｍを有する。窪み８は、カプセル３が電極パッド２上に確実に固定されるために形成される。後述する図５Ｂに示すように、はんだバンプ１２にクラック１３が電極パッド２の表面近傍に発生した時に、カプセル３がクラック１３によって確実に破壊されるようにするためである。
カプセル３は、導電性物質５及び外殻６を備える。
カプセル３は、電極パッド２の窪み８上に接着剤４を介して形成される。電極パッド２の直径が例えば６００μｍである場合、カプセル３は、電極パッド２の中心から、例えば０μｍから２００μｍの位置に配置されることが望ましい。カプセル３が電極パッド２の中心から２００μｍよりも離れた位置に配置されると、後述する図５Ｂに示すように、カプセル３がクラック１３によって破壊された場合、導電性物質５がクラック１３からはんだバンプ１２の外へ溢れる可能性がある。はんだバンプ１２の外へ溢れた導電性物質５によって、隣接する複数の電極パッド２間が短絡する問題が発生する可能性がある。
導電性物質５は、例えば融点が１５．７℃から８０．０℃であり、且つＳｎ（錫）と合金を形成する物質を含むことが望ましい。導電性物質５は、例えばＧａ（ガリウム）、Ｇａ−Ｉｎ（インジウム）系合金、又はＧａ−Ｓｎ系合金を用いることができる。導電性物質５は、電子機器の動作温度である例えば室温から８０．０℃までの範囲において、液体であることが望ましい。導電性物質５としてＧａが用いられる場合、導電性物質５の融点は２９．８℃である。
図１３は、Ｇａ−Ｉｎ合金の状態図を示す。図１３において、縦軸はＧａ−Ｉｎ合金の温度（℃）を示す。図１３において、下部の横軸はＩｎの原子数％（ａｔ％）を示す。図１３において、上部の横軸はＩｎの重量％（ｗｔ％）を示す。図１３における実線は、Ｇａ−Ｉｎ合金の液相線を示す。Ｇａ−Ｉｎ合金の横軸が示す組成比において、液相線から上方の温度ではＧａ−Ｉｎ合金が全て液相で存在することを示す。
図１３の点Ａに示すように、Ｇａの融点は、２９．８℃である。図１３の点Ｂに示すように、Ｇａの原子数％及びＩｎの原子数％が８３．５：１６．５となるＧａ−Ｉｎ合金の融点は、１５．７℃である。図１３の点Ｃに示すように、Ｇａの原子数％及びＩｎの原子数％が６５．５：３５．５となるＧａ−Ｉｎ合金の融点は、８０℃である。
導電性物質５としてＧａ−Ｉｎ系合金が用いられる場合、導電性物質５の融点は１５．７℃から８０．０℃であることが望ましい。このような導電性物質５の融点を得るためには、図１３の液相線における点Ａ−点Ｂ―点Ｃの範囲で示すように、Ｉｎ−Ｇａ合金におけるＩｎの含有比は０原子数％から６５原子数％、及びＧａの含有比は３５原子数％から１００原子数％であることが望ましい。
図１４は、Ｇａ−Ｓｎ合金の状態図を示す。図１４において、横軸はＧａ−Ｓｎ合金の温度（℃）を示す。図１４において、下部の横軸はＳｎの原子数％（ａｔ％）を示す。図１４において、上部の横軸はＳｎの重量％（ｗｔ％）を示す。図１４における実線は、Ｇａ−Ｓｎ合金の液相線を示す。Ｇａ−Ｓｎ合金の横軸が示す組成比において、液相線から上方の温度ではＧａ−Ｓｎ合金が全て液相で存在することを示す。
図１４の点Ｄに示すように、Ｇａの融点は、２９．８℃である。図１４の点Ｅに示すように、Ｇａの原子数％及びＳｎの原子数％が９５：５となるＧａ−Ｓｎ合金の融点は、２０℃である。図１４の点Ｆに示すように、Ｇａの原子数％及びＳｎの原子数％が７５：２５となるＧａ−Ｓｎ合金の融点は、８０℃である。
導電性物質５としてＧａ−Ｓｎ系合金が用いられる場合、導電性物質５の融点は２０．０℃から８０．０℃であることが望ましい。このような導電性物質５の融点を得るためには、図１４の液相線における点Ｄ−点Ｅ―点Ｆの範囲で示すように、Ｇａ−Ｓｎ合金におけるＳｎの含有比は０原子数％から２５原子数％、及びＧａの含有比は７５原子数％から１００原子数％であることが望ましい。
外殻６は、導電性物質５を内包するように形成される。外殻６は、例えば、略円柱形状を有することが望ましい。外殻６の底面における直径は、例えば４０μｍから４５μｍである。外殻６の高さは、例えば５５μｍから６０μｍである。外殻６は、例えばＣｕ（銅）からなる円筒形状の容器の内壁に、密着層として例えばＮｉ（ニッケル）メッキ、酸化防止層として例えばＡｕ（金）メッキが順次積層形成されている。銅の容器は、例えば１μｍから２μｍの厚みで形成されている。密着層は、例えば１μｍから２μｍの厚みで形成されている。酸化防止層は、例えば１μｍから２μｍの厚みで形成されている。外殻６の内壁のＡｕメッキ上に、外郭６を形成する金属に対する導電性物質５に含まれるＧａ（ガリウム）の腐食作用を抑制するために、コーティング層として例えばポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）又はポリイミド（ＰＩ）が形成されている。コーティング層は、例えば１μｍから２μｍの厚みで形成されている。
接着剤４は、電極パッド２上に形成された窪み８上に形成されている。接着剤４は、電極パッド２上にカプセル３を接合するために形成されている。接着剤４は、例えば２μｍから３μｍの厚みによって形成されている。

図２から図４は、実施例１に係る電極構造５０の製造工程を示す図である。なお、製造工程において、図１Ａ及び図１Ｂに示す電極構造５０で説明した構成と同様の構成には同一の符号を付し、説明を省略する。

図２Ａは、導電性物質５を準備するようすを示す図である。導電性物質５は、前述した融点以下の温度に冷却され、略球形状に加工される。略球形状を有する導電性物質５の半径は、例えば２０μｍから２５μｍである。

図２Ｂは、外殻６を準備するようすを示す図である。

図２Ｃは、外殻６内に導電性物質５を配置するようすを示す図である。図２Ｃに示すように、導電性物質５は、外殻６内に配置される。導電性物質５が外郭６内に配置される際、導電性物質５及び外殻６の温度は、導電性物質５の形状を維持するために、不図示の冷却装置を用いて前述した融点以下の温度に冷却されることが望ましい。

図２Ｄは、導電性物質５が内部に配置された外郭６を加工するようすを示す図である。図２Ｄに示すように、導電性物質５が内部に配置された外郭６の開口を、例えばかしめ加工によって密封する。また、外郭６の開口をろう付けをして密封してもよい。この密封工程によって、外郭６内部の導電性物質５の温度が融点以上に到達し、導電性物質５が液体となっても、導電性物質５が外郭６の外へ流出することを抑制することができる。この密封工程によって、導電性物質５が外郭６によって内包されたカプセル３が形成される。

図３Ａは、電極パッド２を備えた回路基板１を準備するようすを示す図である。

図３Ｂは、回路基板１上に備えられた電極パッド２を覆うようにレジスト層７を形成するようすを示す図である。図３Ｂに示すように、レジスト層７は、例えばレジスト液を用いるスピンコーティング法によって、回路基板１上の電極パッド２を覆うように形成される。次いで、不図示の金属性マスクを回路基板１上に配置してレジスト層７を露光現像することによって、直径４０μｍから４５μｍの大きさを有するレジスト層７の開口７ａが電極パッド２上に形成される。電極パッド２の一部は、レジスト層７の開口７ａによって露出される。なお、レジスト層７は、スピンコーティング法の他に、感光性ドライフィルムを回路基板１上に貼り付け、露光現像を行うことによって形成されてもよい。

図３Ｃは、電極パッド２に窪み８を形成するようすを示す図である。図３Ｃに示すように、レジスト層７をマスクとして不図示の酸、又はエッチング溶液を回路基板１上に吹き付けることによって、レジスト層７の開口７ａによって露出した電極パッド２がエッチングされる。電極パッド２がエッチングされることによって、電極パッド２に窪み８が形成される。窪み８は、例えば直径４０μｍから４５μｍの大きさを有し、５μｍから１０μｍの深さを有する。電極パッド２に窪み８が形成されたあと、レジスト層７は回路基板１上から除去される。

図３Ｄは、電極パッド２に形成された窪み８上に接着剤４を形成するようすを示す図である。図３Ｄに示すように、例えば不図示のディスペンサを用いることによって、接着剤４が窪み８上に形成される。接着剤４は、導電性を有し、且つ後述するはんだバンプ１２の融点以上で硬化する性質を有することが望ましい。接着剤４は、例えば銀を含む一液性のエポキシ系接着剤を用いることができる。

図４Ａは、窪み８上に形成された接着剤４上にカプセル３が配置されるようすを示す図である。図４Ｂは、図４ＡのＸ−Ｙ線に沿った断面図である。
図４Ａ及び図４Ｂに示すように、カプセル３は、例えば不図示の治具を用いて、窪み８上に形成された接着剤４上に配置される。カプセル３が接着剤４上に形成された後、カプセル３及び電極パッド２の間に介在する接着剤４が硬化し、カプセル３が電極パッド２上に接合される。このように、前述した図２Ａから図４Ｂに示した工程を得て、電極構造５０が形成される。

図５Ａは、実施例１に係る半導体装置７０を示す図である。半導体装置７０は、図１Ｂに図示した電極構造５０に加えて半導体パッケージの電極構造６０を備える。なお、先の図１Ａ及び図１Ｂに記した構成要素と同一の構成要素には、同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図５Ａに示すように、半導体パッケージの電極構造６０は、半導体パッケージ１０、電極パッド１１、はんだバンプ１２、及び絶縁被覆層１５から構成されている。
半導体パッケージ１０は、不図示の半導体素子をパッケージに実装したものである。半導体パッケージ１０は、はんだバンプ１２を備えることによって、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）型の実装構造を有する。
電極パッド１１は、半導体パッケージ１０上に備えられている。電極パッド１１は、半導体パッケージ１０に実装された不図示の半導体素子に電圧を印加するために形成されている。電極パッド１１は、例えば銅又はニッケルの上に金メッキが形成されている。
はんだバンプ１２は、回路基板１上の電極パッド２と、半導体パッケージ１０上の電極パッド１１との間を電気的に接続する接着部材である。はんだバンプ１２は、例えば直径６００μｍの大きさで形成されている。はんだバンプ１２は、例えば、Ｓｎ−Ｐｂ（鉛）系合金、Ｓｎ−Ｂｉ（ビスマス）系合金、Ｓｎ−Ｉｎ系合金、Ｓｎ−Ｚｎ（亜鉛）系合金、Ｓｎ−Ａｇ（銀）系合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ（銅）系合金、又はＳｎ−Ｃｕ系合金を含むことが望ましい。はんだバンプ１２は、電極パッド２上のカプセル３を内包するように形成されている。
絶縁被覆層１５は、半導体パッケージ１０上及び電極パッド１１の外周上を覆うように形成されている。絶縁被覆層１５の厚みは、例えば５μｍから２０μｍである。絶縁被覆層１５は、絶縁性及び機械的強度が高く、耐熱性、耐薬品性及び難燃性に優れた材料から形成されることが望ましい。絶縁被覆層１５は、例えばポリイミドから形成されている。

図５Ｂは、内部にクラック１３を含むはんだバンプ１２によって、電極構造５０と半導体パッケージの電極構造６０を電気的に接続した半導体装置７１を示す図である。
先ず、図５Ｂに示すように、半導体装置７１に係るはんだバンプ１２にクラック１３が発生する経緯を説明する。半導体装置７１が搭載された不図示の電子機器が動作する際に、電子機器が低負荷状態から高負荷状態に移行すると、電子機器の動作温度が通常の電子機器の動作温度から、高負荷状態の電子機器の動作温度まで上昇し、電極構造５０における回路基板１、及び半導体パッケージの電極構造６０における半導体パッケージ１０が熱膨張する。回路基板１の熱膨張係数は、例えば１６ｐｐｍである。半導体パッケージ１０の熱膨張係数は、例えば１２ｐｐｍである。従って、回路基板１は半導体パッケージ１０よりも熱膨張係数が大きい。そのため、回路基板１の熱膨張量は大きくなり、半導体パッケージ１０の熱膨張量は小さくなる。その結果、回路基板１と半導体パッケージ１０との間に介在するはんだバンプ１２に応力が発生する。

電子機器の高負荷状態及び低負荷状態が繰り返されると、回路基板１の伸縮が繰り返されるため、応力がはんだバンプ１２に繰返し発生する。応力がはんだバンプ１２に繰返し発生すると、はんだバンプ１２が疲労破壊してクラック１３が発生する。発生したクラック１３は、はんだバンプ１２と電極パッド２との界面で成長する。はんだバンプ１２にクラック１３が発生すると、はんだバンプ１２における回路基板１と半導体パッケージ１０間の導電面積が減少するため、はんだバンプ１２における電気抵抗が増加する。クラック１３がさらに進行すると、電気的接続が完全に破壊され、はんだバンプ１２の断線が発生する。そのため、半導体パッケージ１０及び回路基板１における実装信頼性が低下する問題が発生する。

図５Ｂに示すように、はんだバンプ１２にクラック１３が発生すると、導電性物質５を内包するカプセル３はクラック１３によって破壊される。導電性物質５は、電子機器の使用環境温度である例えば室温から８０℃までの範囲において、液体となる性質を有する。そのため、液体である導電性物質５はクラック１３内に滲出する。滲出した導電性物質５は、Ｇａを含むため、はんだバンプ１２に含まれるＳｎと反応してＧａ−Ｓｎ系合金１４が形成される。Ｇａ−Ｓｎ系合金１４は導電性を有するため、クラック１３の発生に伴うはんだバンプ１２の電気抵抗の増加を抑制することができる。

次に、電極パッド２上に備えられるカプセル３内の導電性物質５の体積と、はんだバンプ１２に形成されるクラック１３の体積との関係について説明する。はんだバンプ１２の直径が例えば６００μｍ、はんだバンプ１２に発生するクラック１３の幅が例えば１μｍであると仮定すると、はんだバンプ１２がクラック１３によって完全に断線した場合のクラック１３の体積は、概ね２８３０００μｍ^３となる。
一方、半径が例えば２５μｍである略球体の形状を有する導電性物質５の体積は、概ね６５５００μｍ^３となる。このような導電性物質５を内包するカプセル３が、電極パッド２上に例えば４個配置されると、電極パッド２上の導電性物質５の体積は、概ね２６２０００μｍ^３となる。このような構成にすれば、前述したクラック１３の体積と導電性物質５の体積が概ね等しくなる。そのため、導電性物質５によってはんだバンプ１２に発生したクラック１３を概ね充填することが可能となる。
しかし、導電性物質５の体積がはんだバンプ１２におけるクラック１３の体積よりも大きくなると、導電性物質５がクラック１３からはんだバンプ１２の外へ溢れてしまう。はんだバンプ１２の外へ溢れた導電性物質５によって、隣接する複数の電極パッド２間が短絡する問題が発生してしまう。そのため、導電性物質５の体積は、クラック１３の体積以下であることが望ましい。

図６は、実施例１に係る半導体装置７０の製造方法を示す図である。なお、製造方法において、図５Ａに示す半導体装置７０で説明した構成と同様の構成には同一の符号を付し、説明を省略する。

図６Ａは、電極構造５０を準備するようすを示す図である。

図６Ｂは、半導体パッケージ１０、電極パッド１１、はんだバンプ１２、及び絶縁被覆層１５を有する半導体パッケージの電極構造６０を準備するようすを示す図である。
図６Ｂに示すように、半導体パッケージの電極構造６０におけるはんだバンプ１２は、回路基板１上の電極パッド２と対向するように配置される。この際、回路基板１上の電極パッドを覆うように、不図示のはんだペーストが塗布されることが望ましい。

図６Ｃは、回路基板１上の電極パッド２と、半導体パッケージの電極構造６０におけるはんだバンプ１２とを対向させて熱処理するようすを示す図である。
図６Ｃに示すように、半導体パッケージの電極構造６０は、回路基板１上の電極パッド２上に、不図示のリフロー処理によって、電極パッド１１上のはんだバンプ１２を加熱して溶融させることによって接続される。この際に、電極パッド２上に形成されたカプセル３は、はんだバンプ１２によって内包される。このように、前述した図６Ａから図６Ｃに示した工程を経て、半導体装置７０が完成する。

実施例１に係る半導体装置７０によれば、Ｓｎと合金を形成する導電性物質５は、電子機器の通常の動作温度である室温から８０．０℃において液体となる。そのため、はんだバンプ１２にクラック１３が発生し、クラック１３がカプセル３を破壊すると、液体となった導電性物質５がクラック１３内に滲出する。導電性物質５は、はんだバンプ１２に含まれるＳｎと反応してＳｎを含む合金を形成する。クラック１３は、Ｓｎを含む合金によって充填されるため、クラック１３の発生に伴うはんだバンプ１２の電気抵抗の増加を抑制することができる。

本発明の実施例２において、図７から図１４は、半導体装置７２、及び半導体装置７２の製造方法を詳細に説明するものである。

図７は、半導体装置７２に備えられた半導体パッケージの電極構造６１を示す。図７Ａは、半導体パッケージの電極構造６１の平面図である。図７Ｂは、図７ＡのＸ−Ｙ線に沿った断面図である。なお、図１Ａ及び図１Ｂに示す電極構造５０、及び図５Ａに示す半導体パッケージの電極構造６０で説明した構成と同様の構成には同一の符号を付し、説明を省略する。

図７Ａ及び図７Ｂは、半導体パッケージ１０、半導体パッケージの電極構造６１、及び絶縁被覆層１５を示す。
半導体パッケージ１０は、図５Ａに示す半導体パッケージ１０と同様に、半導体素子をパッケージに実装したものである。
半導体パッケージの電極構造６１は、電極パッド１１、カプセル３、及び接着剤４を備える。図７Ａ及び図７Ｂに示すように、半導体パッケージの電極構造６１は、半導体パッケージ１０上に備えられている。
電極パッド１１は、図５Ａに示す電極パッド１１と同様に、半導体パッケージ１０上に備えられている。
なお、電極パッド１１には、図１Ａ及び図１Ｂに示す電極パッド２と同様に、窪み８が形成されている。後述する図１１Ｂに示すように、窪み８は、カプセル３が電極パッド１１上に確実に固定されるために形成される。後述する図１１Ｂに示すように、はんだバンプ１２にクラック１３が電極パッド１１の表面近傍に発生した時に、カプセル３がクラック１３によって確実に破壊されるようにするためである。
カプセル３は、図１Ａ及び図１Ｂに示す電極構造５０と同様に、導電性物質５及び外殻６を備える。図１Ａ及び図１Ｂに示す電極構造５０と同様に、電極パッド１１の直径が例えば６００μｍである場合、カプセル３は、電極パッド１１の中心から、例えば０μｍから２００μｍの位置に配置されることが望ましい。
導電性物質５は、図１Ａ及び図１Ｂに示す電極構造５０と同様に、例えば融点が１５．７℃から８０．０℃であり、且つＳｎ（錫）と合金を形成する物質を含むことが望ましい。
外郭６は、図１Ａ及び図１Ｂに示す電極構造５０と同様に、導電性物質５を内包するように形成される。
接着剤４は、図１Ａ及び図１Ｂに示す電極構造５０と同様に、電極パッド１１上に形成された窪み８上に形成されている。接着剤４は、電極パッド１１上にカプセル３を接合するために形成されている。
絶縁被覆層１５は、図５Ａに示す絶縁被覆層１５と同様に、半導体パッケージ１０上及び電極パッド１１の外周上を覆うように形成されている。

図８から図１０は、実施例２に係る半導体パッケージの電極構造６１の製造工程を示す図である。なお、製造方法において、図２から図４に示す電極構造５０の製造工程、ならびに図７Ａ及び図７Ｂに示す半導体パッケージの電極構造６１で説明した構成と同様の構成には同一の符号を付し、説明を省略する。

図８Ａは、図２Ａと同様に、導電性物質５を準備するようすを示す図である。

図８Ｂは、図２Ｂと同様に、外殻６を準備するようすを示す図である。

図８Ｃは、図２Ｃと同様に、外殻６内に導電性物質５を配置するようすを示す図である。

図８Ｄは、図２Ｄと同様に、導電性物質５が内部に配置された外郭６を加工するようすを示す図である。

図９Ａは、電極パッド１１及び絶縁被覆層１５を備えた半導体パッケージ１０を準備するようすを示す図である。

図９Ｂは、半導体パッケージ１０上に備えられた電極パッド１１を覆うようにレジスト層７を形成するようすを示す図である。図９Ｂに示すように、レジスト層７は、図３Ｂに示す工法と同様の工法によって、半導体パッケージ１０上の電極パッド１１を覆うように形成される。次いで、図３Ｂに示す工法と同様の工法によって、直径４０μｍから４５μｍの大きさを有するレジスト層７の開口７ａが電極パッド１１上に形成される。電極パッド１１の一部は、レジスト層７の開口７ａによって露出される。

図９Ｃは、電極パッド１１に窪み８を形成するようすを示す図である。図９Ｃに示すように、図３Ｃに示す工法と同様の工法によって、レジスト層７の開口７ａによって露出した電極パッド１１がエッチングされる。電極パッド１１がエッチングされることによって、電極パッド１１に例えば直径４０μｍから４５μｍの大きさを有し、５μｍから１０μｍの深さを有する窪み８が形成される。電極パッド１１に窪み８が形成されたあと、レジスト層７は半導体パッケージ１０上から除去される。

図９Ｄは、電極パッド１１に形成された窪み８上に接着剤４を形成するようすを示す図である。図９Ｄに示すように、図３Ｄに示す工法と同様の工法によって、接着剤４が窪み８上に形成される。

図１０Ａは、窪み８上に形成された接着剤４上にカプセル３が配置されるようすを示す図である。図１０Ｂは、図１０ＡのＸ−Ｙ線に沿った断面図である。
図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、カプセル３は、例えば不図示の治具を用いて、窪み８上に形成された接着剤４上に配置される。カプセル３が接着剤４上に形成された後、カプセル３及び電極パッド１１の間に介在する接着剤４が硬化し、カプセル３が電極パッド１１上に接合される。このように、前述した図８Ａから図１０Ｂに示した工程を得て、半導体パッケージの電極構造６１が形成される。

図１１Ａは、実施例２に係る半導体装置７２を示す図である。半導体装置７２は、図１０Ｂに図示した半導体パッケージの電極構造６１に加え、電極構造５０及びはんだバンプ１２を備える。なお、先の図１Ａ、図１Ｂ、図５Ａ、図７Ａ及び図７Ｂに記した構成要素と同一の構成要素には、同一の参照符号を付し、説明を省略する。
はんだバンプ１２は、回路基板１上の電極パッド２と、半導体パッケージ１０上の電極パッド１１との間を電気的に接続する接着部材である。はんだバンプ１２は、図５Ａに示すはんだバンプ１２と同様に、例えば直径６００μｍの大きさで形成されている。はんだバンプ１２は、図５Ａに示すはんだバンプ１２と同様に、例えば、Ｓｎ−Ｐｂ（鉛）系合金、Ｓｎ−Ｂｉ（ビスマス）系合金、Ｓｎ−Ｉｎ系合金、Ｓｎ−Ｚｎ（亜鉛）系合金、Ｓｎ−Ａｇ（銀）系合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ（銅）系合金、又はＳｎ−Ｃｕ系合金を含むことが望ましい。はんだバンプ１２は、電極パッド２上のカプセル３、及び電極パッド１１上のカプセル３を内包するように形成されている。

図１１Ｂは、内部にクラック１３を含むはんだバンプ１２によって、電極構造５０と半導体パッケージの電極構造６１を電気的に接続した半導体装置７３を示す図である。
先ず、図１１Ｂに示すように、半導体装置７３に係るはんだバンプ１２にクラック１３が発生する経緯を説明する。半導体装置７３が搭載された不図示の電子機器が動作する際に、電子機器が低負荷状態から高負荷状態に移行すると、図５Ｂに示す半導体装置７１と同様に、電子機器の動作温度が通常の電子機器の動作温度から、高負荷状態の電子機器の動作温度まで上昇し、電極構造５０における回路基板１、及び半導体パッケージの電極構造６１における半導体パッケージ１０が熱膨張する。セラミックパッケージとガラスエポキシ基板を例にとると、回路基板１は半導体パッケージ１０よりも熱膨張係数が大きい。そのため、回路基板１の熱膨張量は大きくなり、半導体パッケージ１０の熱膨張量は小さくなる。その結果、回路基板１と半導体パッケージ１０との間に介在するはんだバンプ１２に応力が発生する。

電子機器の高負荷状態及び低負荷状態が繰り返されると、回路基板１の伸縮が繰り返されるため、応力がはんだバンプ１２に繰返し発生する。応力がはんだバンプ１２に繰返し発生すると、はんだバンプ１２が金属疲労してクラック１３が発生する。発生したクラック１３は、はんだバンプ１２と電極パッド１１との界面で成長する。はんだバンプ１２にクラック１３が発生すると、はんだバンプ１２における回路基板１と半導体パッケージ１０間の導電面積が減少するため、はんだバンプ１２における電気抵抗が増加する。クラック１３がさらに進行すると、電気的接続が完全に破壊され、はんだバンプ１２の断線が発生する。そのため、半導体パッケージ１０及び回路基板１における実装信頼性が低下する問題が発生する。

図１１Ｂに示すように、はんだバンプ１２にクラック１３が発生すると、図５Ｂに示す半導体装置７１と同様に、導電性物質５を内包するカプセル３はクラック１３によって破壊される。導電性物質５は、電子機器の使用環境温度である例えば室温から８０℃までの範囲において、液体となる性質を有する。そのため、液体である導電性物質５はクラック１３内に滲出する。滲出した導電性物質５は、Ｇａを含むため、はんだバンプ１２に含まれるＳｎと反応してＧａ−Ｓｎ系合金１４が形成される。Ｇａ−Ｓｎ系合金１４は導電性を有するため、クラック１３の発生に伴うはんだバンプ１２の電気抵抗の増加を抑制することができる。

図１２は、実施例２に係る半導体装置７２の製造方法を示す図である。なお、製造方法において、図５Ａに示す半導体装置７０、図６に示す半導体装置７０の製造方法、及び図１１Ａに示す半導体装置７２で説明した構成と同様の構成には同一の符号を付し、説明を省略する。

図１２Ａは、図６Ａと同様に、電極構造５０を準備するようすを示す図である。

図１２Ｂは、半導体パッケージ１０、電極パッド１１、及び絶縁被覆層１５を有する半導体パッケージの電極構造６１、ならびにはんだバンプ１２を準備するようすを示す図である。
図１２Ｂに示すように、先ず、不図示のメタルマスクを用いて半導体パッケージ１０の電極パッド１１上に不図示のはんだメッキ印刷される。次いで、例えばリフロー法による加熱工程により、溶融したはんだメッキの表面張力によってはんだメッキが電極パッド１１上に凝集することにより、電極パッド１１上にはんだバンプ１２が形成される。はんだバンプ１２は、半導体パッケージ１０における電極パッド１１上のカプセル３を内包するように形成される。次いで、半導体パッケージ１０の電極パッド１１上に形成されたはんだバンプ１２は、回路基板１上の電極パッド２と対向するように配置される。この際、回路基板１上の電極パッド２を覆うように、不図示のフラックスが塗布されることが望ましい。

図１２Ｃは、回路基板１上の電極パッド２と、半導体パッケージ１０の電極パッド１１上に形成されたはんだバンプ１２とを対向させて熱処理するようすを示す図である。
図１２Ｃに示すように、半導体パッケージの電極構造６１は、回路基板１上の電極パッド２上に、不図示のリフロー処理によって、電極パッド１１上のはんだバンプ１２を加熱して溶融させることによって接続される。この際に、電極パッド２上に形成されたカプセル３は、はんだバンプ１２によって内包される。このように、前述した図１２Ａから図１２Ｃに示した工程を経て、半導体装置７２が完成する。

実施例２に係る半導体装置７２によれば、実施例１に係る半導体装置７０に加えて、半導体パッケージの電極構造６１に導電性物質５を内包するカプセル３が形成されている。そのため、電極パッド１１近傍のはんだバンプ１２にクラック１３が発生する場合においても、クラック１３は、Ｓｎを含む合金によって充填されるため、クラック１３の発生に伴うはんだバンプ１２の電気抵抗の増加を抑制することができる。

１ 回路基板
２ 電極パッド
３ カプセル
４ 接着剤
５ 導電性物質
６ 外殻
７ レジスト層
７ａ 開口
８ 窪み
１０ 半導体パッケージ
１１ 電極パッド
１２ はんだバンプ
１３ クラック
１４ Ｇａ−Ｓｎ系合金
１５ 絶縁被覆層
５０ 電極構造
６０ 半導体パッケージの電極構造
６１ 半導体パッケージの電極構造
７０ 半導体装置
７１ 半導体装置
７２ 半導体装置
７３ 半導体装置

Claims (6)

1. 第１基板と、
   前記第１基板上に形成された第１電極と、
   所定の温度で液体となり、Ｓｎ（錫）と合金を形成する第１導電性物質と、
   前記第１電極上に備えられ、前記第１導電性物質を内部に備える第１カプセルと、
   前記第１カプセルを覆い、Ｓｎを含むはんだバンプと、
   を備えることを特徴とする回路基板。
2. 第２電極を備えた第２基板と、
   前記第２電極上に備えられ、前記はんだバンプに覆われ、前記所定の温度で破壊される第２カプセルと、
   前記第２カプセル内に備えられ、前記所定の温度で液体となり、Ｓｎ（錫）と合金を形成する第２導電性物質と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の回路基板。
3. 前記所定の温度は、電子機器の動作温度であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回路基板。
4. 前記導電性物質は、Ｇａ（ガリウム）及びＩｎ（インジウム）、又はＧａ及びＳｎを含むことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回路基板。
5. Ｓｎを含有するはんだバンプ内に所定の温度において液体となりＳｎと合金を形成する導電性物質を内部に備えたカプセルを配置し、
   前記はんだバンプにクラックが発生したとき前記カプセルが破壊され、
   前記カプセル内の前記導電性物質が前記カプセルの外に出ることで前記導電性物質が前記クラックを充填する
   ことを特徴とするはんだバンプのクラックの修復方法。
6. 前記所定の温度は、電子機器の動作温度であることを特徴とする請求項５に記載のはんだバンプのクラックの修復方法。