JP2012019244A - 半導体装置、回路配線基板及び半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】回路配線基板20と半導体パッケージ10とを実装させた半導体装置1において、回路配線基板20の表面にパターニングされた電極21と、半導体パッケージ10に電極端子としてアレイ状に形成された半田11とが中間層30を介して電気的に接続されていることを特徴とする。中間層30は、加熱処理によって電極21の上に成長させた層であり、半田11の主たる成分及び電極21の主たる成分を共に含有している。これにより、半田11にかかる応力が緩和され、オープン不良が抑止された、信頼性の高い半導体装置1の実現が可能になる。
【選択図】図1
Description
図6は実装方法を説明する要部断面模式図であり、(A)は実装前のBGAと回路配線基板の要部断面模式図であり、(B)は実装後のBGAと回路配線基板の要部断面模式図である。
また、回路配線基板20は、半導体パッケージ10に形成された半田11の主たる成分と、電極21の主たる成分を共に含有するCuSn合金を主たる成分とする層(中間層30)を電極21の上に備えていることを特徴とする。
図1は半導体装置の実装構造を説明する要部断面模式図である。実装後の半導体装置1は、樹脂で封止されたBGA型の半導体パッケージ10と、回路配線基板20と、半導体パッケージ10と回路配線基板20とを電気的に接続するボール状の半田11を備えた構造をしている。半田11は、ボール状であり、電極端子として半導体パッケージ10にアレイ状に形成されている。
ところで、CuSn層自体は、半田11と電極21とを直接的に接合させた場合でも、リフローによって半田11と電極21との界面に生成することが知られている。但し、リフローのみでの加熱処理で生成するCuSn層の膜厚は、1μm程度またはそれ以下であり、非常に薄く、半田11にかかる応力を充分に減少させることができない。
具体的には、半田11を構成する材料の主成分であるSnに対し、Bi(ビスマス)、In(インジウム)、Zn(亜鉛)、Ag、Cuの少なくとも一つの元素を添加した材料を用いている。このような元素をSnに添加すると、半田11自体の融点を下げることができる。これにより、半田接合プロセスの低温化を達成することができ、純粋なSnを半田11の材料とした場合に比べ、室温まで冷却させたときに半田11にかかる応力をより減少させることができる。
そして、以上の添加剤は一つに限らず、主成分であるSnにBi、In、Zn、Ag、Cu、Sbの少なくとも一つの元素を組み合わせて添加した材料を用いてもよい。
次に、図1に示す半導体装置の実装構造を製造する工程について説明する。
図2は電解めっき法による半導体装置の製造工程を説明する要部断面模式図である。先ず、図2(a)に示すように、回路配線基板20上にパターン形成した電極21の表面を開口するように、レジストパターン22を形成した後、電極21の表面に、図1に示す中間層30の原材料となる被膜を形成する。具体的には、電解めっき法によりSnめっき膜31を中間層30の原材料となる被膜として、5〜7μm程度形成する。尚、電極21の厚さは、例えば、10μmである。
次に、図2(c)に示すように、半導体パッケージ10の半田11とCuSn層32との位置合わせし、対向させる。そして、互いに矢印の方向で、半導体パッケージ10と回路配線基板20とを接近させ、半田11とCuSn層32とを接触させる。そして、窒素雰囲気のコンベア炉において、最高加熱温度250℃、2分の条件で半田11とCuSn層32とをリフローによって半田付けによって接合する。接合した後の実装構造は、図1に示す半導体装置になる。CuSn層32が図1に示した中間層30であることは言うまでもない。
(第2の製造プロセス)
図3は印刷法による半導体装置の製造工程を説明する要部断面模式図である。先ず、図3(a)に示すように、回路配線基板20上にパターン形成した電極21の表面を開口するように、レジストパターン22を形成した後、電極21の表面に、図1に示す中間層30の原材料となる被膜を形成する。具体的には、CuSn合金粉末を混合した半田ペースト膜33を中間層30の原材料となる被膜として、スクリーン印刷法によりスキージング形成する。尚、半田ペースト膜33の金属含有量は90wt%である。また、電極21の厚さは、例えば、10μmである。
そして、図3(b)に示すように、レジストを除去し、固化させた半田ペースト膜33を無酸素雰囲気中の加熱処理によってCuSn層(Cu6Sn5)34に変化させる。このCuSn層34が図1に示した中間層30になる。尚、半田ペースト膜33には、予めCuが含有しているが、無酸素雰囲気中での加熱処理によって、電極21の材料であるCuが半田ペースト膜33中に固相拡散する。その結果、スクリーン印刷をした直後の半田ペースト膜33に比べ、膜厚が大きいCuSn層34が成長する。
その後は、図2(c)と同様の工程によって、図1に示す半導体装置を作製する。
次に、以上の工程で製造した実装後の半導体装置の信頼性試験についての検討を行った。信頼性試験で用いた試料は、第1の製造プロセス(電解めっき法)で作製した半導体装置Aと、第2の製造プロセス(印刷法)で作製した半導体装置Bと、上記CuSn層を設けず、半田11と電極21とを直接半田接合させた半導体装置Cである。
試験イは、実装後の半導体装置を−55℃に冷却し、30分間保持する。そして、125℃まで上昇させた後、30分間保持する。そして、再び−55℃に冷却し、30分間保持する。そして、再び125℃まで上昇させた後、30分間保持するという加速試験を500サイクル行うものである。
前記回路配線基板の表面にパターニングされた電極と、前記半導体パッケージに電極端子として形成された半田とが中間層を介して電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。
(付記4) 前記半田の材料は、主たる成分が錫(Sn)であり、ビスマス(Bi)、インジウム(In)、亜鉛(Zn)、銀(Ag)、アンチモン(Sb)、銅(Cu)から選択された少なくとも一つの元素を添加した前記半田であることを特徴とする付記1乃至3のいずれか一項に記載の半導体装置。
(付記6) 前記中間層の主たる成分が銅錫合金(CuSn合金)であることを特徴とする付記1または2記載の半導体装置。
(付記11) 前記半田の材料は、主たる成分が錫(Sn)であり、ビスマス(Bi)、インジウム(In)、亜鉛(Zn)、銀(Ag)、アンチモン(Sb)、銅(Cu)から選択された少なくとも一つの元素を添加した前記半田であることを特徴とする付記9または10記載の回路配線基板。
(付記13) 前記層の主たる成分が銅錫合金(CuSn合金)であることを特徴とする付記9記載の回路配線基板。
前記回路配線基板に配設された電極の表面が開口するようにレジストを前記回路配線基板の上にパターニングする工程と、
開口された前記電極の上に、中間層の原材料となる被膜を形成する工程と、
形成された前記原材料を加熱処理して、前記電極の上に前記中間層を成長させる工程と、
成長させた前記中間層と、前記半導体パッケージに形成されている半田とを接合する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記18) 前記原材料が錫(Sn)または銅錫合金(CuSn合金)であることを特徴とする付記16記載の半導体装置の製造方法。
(付記23) 前記半田の材料は、主たる成分が錫(Sn)であり、ビスマス(Bi)、インジウム(In)、亜鉛(Zn)、銀(Ag)、アンチモン(Sb)、銅(Cu)から選択された少なくとも一つの元素を添加した前記半田であることを特徴とする付記16または22記載の半導体装置の製造方法。
(付記26) 前記中間層の膜厚を加熱温度または加熱時間で制御することを特徴とする付記16乃至25のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
10 半導体パッケージ
11 半田
12 Ni層
13 Cu層
20 回路配線基板
21 電極
22 レジストパターン
30 中間層
31 Snめっき膜
32,34 CuSn層
33 半田ペースト膜
Claims (6)
- 回路配線基板と半導体パッケージとを実装させた半導体装置において、
前記回路配線基板の表面にパターニングされた電極と、前記半導体パッケージに電極端子として形成された半田とが錫銅合金(CuSn合金)を主たる成分とする中間層を介して電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。 - 前記中間層の材料が前記半田の主たる成分及び前記電極の主たる成分を含有していることを特徴とする請求項1記載の半導体装置。
- 前記半田が鉛(Pb)フリー半田であることを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。
- 前記電極の主たる成分が銅(Cu)であることを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。
- 表面に電極がパターニングされた回路配線基板であって、前記電極の上に、半導体パッケージに形成された半田の主たる成分と、前記電極の主たる成分を共に含有する錫銅合金(CuSn合金)を主たる成分とする層が備えられた回路配線基板。
- 回路配線基板と半導体パッケージとを実装する半導体装置の製造方法において、
前記回路配線基板に配設された電極の表面が開口するようにレジストを前記回路配線基板の上にパターニングする工程と、
開口された前記電極の上に、銅錫合金(CuSn合金)を含む中間層を形成する工程と、
前記中間層を形成した後に、前記中間層と、前記半導体パッケージに形成されている半田とをリフローにて接合する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
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