JP4022139B2 - 電子装置及び電子装置の実装方法及び電子装置の製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は電子装置及び電子装置の実装方法及び電子装置の製造方法に係り、特に鉛を用いないはんだを用いた電子装置及び電子装置の実装方法及び電子装置の製造方法に関する。
【0002】
近年、半導体装置に代表される電子装置では、高密度化に伴い接続端子の数が増加する傾向にある。半導体装置を例に挙げて説明すると、この接続端子の増加に対応するため、半導体素子は素子下面に形成したはんだバンプによって、基板にフリップチップ実装する方法が提案され実用化されている。
【0003】
従来、 このフリップチップ実装は、高性能な大型コンピュータの高密度実装のために適用されていたが、近年ではLSIの高集積化(接続端子の増加)に対応するため、民生機器にも、FC−BGA(Flip Chip Ball Grid Array)パッケージとして用いられるようになってきている。
【0004】
その際、半導体素子を実装する基板(パッケージ基板)は、樹脂ビルドアップ基板が使用されており、はんだバンプ接合部の信頼性の確保にアンダーフィル(樹脂)が必須となっている。
【0005】
【従来の技術】
従来、FC−BGAにおいて、半導体素子を基板に接合する接合技術として用いられる、はんだバンプを用いたフリップチップ実装としては、例えば、「6th Symposium on “Microjoining and Assembly Technology in Electronics 2000”」の予稿集、P157-162に記載の「2000pin級Flip-Chip BGAにおけるフリップチップ接合技術」に著されている。
【0006】
図1(A)は、従来のFC−BGAパッケージ構造を有した半導体装置10を示している。また、同図では半導体装置10を実装基板20に実装した状態を示している。
【0007】
半導体装置10は、大略すると半導体素子11,基板12,リッド13,及びはんだボール16等により構成されている。半導体素子11は、図中下面を回路形成面としており、この回路形成面には複数のはんだバンプ14が配設されている。このはんだバンプ14を用いて半導体素子11は、基板12にフリップチップ接合された構成となっている。
【0008】
また、半田バンプ14の代わりに、金属ボールやワイヤバンピング端子を用い、いったん金属ボールやワイヤバンピング端子を半導体素子11に接合した後、基板12に接合する方法もある(例えば、特許文献1参照)。
【0009】
半導体素子11と基板12の間には、はんだバンプ14による半導体素子11と基板12の接合強度(機械的強度)を高めるため、アンダーフィル15が配設されている。更に、半導体素子11を覆うよう、基板12の上部にはリッド13が形成されている。
【0010】
はんだボール16は外部接続端子となるものであり、実装基板20に形成された電極21と対応して配設されている。このはんだボール16は、基板12の図中下面(半導体素子11が配設される面と反対側の面)に配設されている。
【0011】
基板12は、樹脂ビルドアップ基板であり、その上面にははんだバンプ14が接続される上部電極が形成されると共に、下面にははんだボール16が接続される下部電極が形成されている(上部及び下部電極は図示せず)。そして、この上部電極と下部電極は、基板12の内層配線により接続されている。上記構成とされた半導体装置10は、はんだボール16が実装基板20の電極21に接合されることにより実装基板20に実装される。
【0012】
電子部品の電気的機械的接合には、鉛(Pb)系のはんだ材料がもっとも使用されており、特にSn−Pb共晶はんだ(Sn−37Pb:融点183℃)が一般的に用いられてきた。特に、FC−BGAパッケージ構造の半導体装置10では、上記したように半導体素子11をはんだバンプ14(突起電極)によって基板12にフリップチップ接合する。この工程は、1次実装と呼ばれている。
【0013】
その後、半導体素子11と基板12との間にアンダーフィル15を形成し、基板12の下面にはんだボール16を形成する。そして、半導体装置10を実装基板20に実装するのには、このはんだボール16を用いて行なわれる。このはんだボール16を用いて半導体装置10を実装基板20に実装する工程を2次実装と呼んでいる。
【0014】
半導体素子11を基板12に接合する1次実装用のはんだバンプ14のはんだ材料は、2次実装の際に溶融することを防止するために、2次実装用のはんだボール16の融点よりも融点の高いPb-5%Sn(融点314℃)が用いられている。
【0015】
しかし、近年環境問題の点から、電子部品の実装に使用されているはんだ材料のPbフリー化が強く望まれるようになってきている(例えば、特許文献2参照)。現在、実用化レベルのPbフリーはんだは、接合信頼性の点から、Sn−Ag−Cu系はんだ(融点:218℃)しかない。そのため、1次実装、2次実装ともにSn−Ag−Cu系の鉛フリーはんだ(以下、Pbフリーはんだという)を用いることが不可避となっている。
【0016】
【特許文献1】
特開2002−254194(第12頁〜第13頁、図16)
【0017】
【特許文献2】
特開平09−181125号公報(第3頁〜第4頁)
【0018】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、1次実装に用いるはんだバンプ14と2次実装に用いるはんだボール16に同じ材質(Sn−Ag−Cuはんだ)を用いると、2次実装時の加熱(リフロー)時に、1次実装側のはんだバンプ14も融解してしまう。
【0019】
図2は、Sn−Ag−Cuはんだの、固体時と溶融時の体積変化を説明するための図である。同図では、Sn−Ag−Cuはんだにより形成されたはんだバンプ14を例に挙げ、固体時と溶融時の体積変化をはんだバンプ14の直径変化として示している。
【0020】
図2(A)は、固体時におけるはんだバンプ14を示している。この時のはんだバンプ14の直径をRとする。このはんだバンプ14を加熱すると、やがて溶融が開始される。そして、更に加熱処理を進めはんだバンプ14を完全に溶融した場合、図2(B)に模式的に示すように、はんだバンプ14の体積は固体時に比べて大きく増加する(8%以上)。
【0021】
このようにはんだバンプ14に体積膨張が発生すると、アンダーフィル15と半導体素子11の界面、或いはアンダーフィル15と基板12との界面に応力が発生し、最悪の場合には図1(B)に矢印Aで示すように、アンダーフィル15と半導体素子11或いは基板12との界面に溶融したはんだバンプ14が流れ込み、バンプ間でショートが発生するおそれがあるという問題点があった。
【0022】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、2次実装における第1の接続部材間でショートが発生することを防止することにより実装信頼性を高めた電子装置及び電子装置の実装方法及び電子装置の製造方法を提供することを目的とする。
【0023】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。
【0024】
請求項1記載の発明は、
電子素子と、
該電子素子が配設される被配設部材と、
前記電子素子と前記被配設部材とを電気的に接続する複数の第1の接続部材と、
前記被配設部材を電気的に外部接続する第2の接続部材と、
前記電子素子と前記被配設部材との間に設けられ、前記各第1の接続部材同士の間を隔離するように配設された樹脂材とを具備し、
前記第1の接続部材の材料として、固体時体積と溶融時体積との体積差の、前記固体時体積に対する割合が、5パーセント以下であるはんだ合金を用いてなる電子装置であって、
前記第1の接続部材の材料は、ビスマスを15重量パーセント以上80重量パーセント以下、銀を0.5重量パーセント以上3重量パーセント以下、残りが錫であるはんだ合金であることを特徴とするものである。
【0025】
上記発明によれば、第1の接続部材は、固体時体積と溶融時体積との体積差の、固体時体積に対する割合が5パーセント以下と小さいため、2次実装時の加熱により第1の接続部材が溶融したとしても、はんだバンプ間でショートが発生するようなことはない。
【0029】
また、請求項2記載の発明は、
請求項1記載の電子装置において、
前記第1の接続部材の融点が130℃以上200℃以下であることを特徴とするものである。
【0030】
上記発明によれば、従来から用いられている鉛−錫共晶はんだとほぼ等しい融点であるため、第1の接続部材を接続処理するのに、従来から用いられているはんだ処理装置を用いることが可能となる。
【0031】
また、請求項3記載の発明は、
請求項1又は2に記載の電子装置において、
前記第1の接続部材は、前記電子素子の電極に設けられたバンプ、または前記被配設部材、または前記電子素子と前記被配設部材の両方の電極上に設けられたバンプであることを特徴とするものである。
【0032】
上記発明のように、第1の接続部材をバンプとして用いることができる。
【0033】
また、請求項4記載の発明は、
請求項1乃至3のいずれか一項に記載の電子装置に設けられた第2の接続部材を基板に接合することにより、前記電子装置を前記基板に実装する電子装置の実装方法であって、
前記第2の接続部材を前記基板に接続する際、前記第1の接続部材の融点により高い温度に加熱して接続することを特徴とするものである。
【0034】
上記発明によれば、第2の接続部材を選定する際、第1の接続部材の融点より高い融点を有する材料を選定することが可能となる。よって、第2の接続部材を選定する際、その選定の自由度を高めることができる。
【0035】
また、請求項5記載の発明は、
請求項1乃至3のいずれか一項に記載の電子装置の製造方法であって、
前記被配設部材の電極に、前記第1の接続部材とは異なる材質である銀が 3 重量パーセント、銅が 0.5 重量パーセント、残りが錫であるはんだ合金よりなり、かつ前記第1の接続部材の体積より小さい体積の第3の接続部材を配設する工程と、
前記第1の接続部材と前記第3の接続部材とを接合させることにより前記電子素子を前記被配設部材に配設する工程を含むことを特徴とするものである。
【0036】
上記発明によれば、被配設部材の電極上に第1の接続部材と異なる材質の第3の接続部材を配設しても、第1の接続部材の体積は第3の接続部材の体積よりも大きいため、第1の接続部材と第3の接続部材とを接合した際、第1の接続部材の特性を維持する。このため、2次実装時の加熱により第1の接続部材と第3の接続部材との接合部分が溶融しても、固体時体積と溶融時体積との体積差の、固体時体積に対する割合を5パーセント以下とすることができる。
【0037】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面と共に説明する。
【0038】
図3は、本発明の一実施例である電子装置を示している。本実施例では、電子装置としてFC−BGAパッケージ構造を有した半導体装置30を例に挙げて説明するものとする。また本実施例では、半導体装置30は、実装基板20に実装されるものとする。尚、図3において、図1に示した半導体装置10と同一構成については同一符号を付して説明するものとする。
【0039】
半導体装置30は、大略すると半導体素子11(請求項に記載の電子素子に相当する),基板12(請求項に記載の被配設部材に相当する),リッド13,及びはんだボール36(請求項に記載の第2の接続部材に相当する)等により構成されている。半導体素子11は、図中下面を回路形成面としており、この回路形成面には複数のはんだバンプ31(請求項に記載の第1の接続部材に相当する)が配設されている。このはんだバンプ31を用いて半導体素子11は、基板12にフリップチップ接合されている。
【0040】
また、半導体素子11と基板12の間には、はんだバンプ31による半導体素子11と基板12の機械的な接合強度を高めるため、アンダーフィル15(請求項に記載の樹脂材に相当する)が配設されている。このアンダーフィル15は熱硬化型樹脂であり、上面が半導体素子11と接着され、下面が基板12に接着された構成となっている。更に、基板12の上部には、半導体素子11を覆うようにリッド13が配設されている。
【0041】
はんだボール36は外部接続端子となるものであり、実装基板20に形成された電極21に対応した位置に配設されている。このはんだボール36は、基板12の図中下面(半導体素子11が配設される面と反対側の面)に配設されている。
【0042】
図4に示すように、基板12は樹脂ビルドアップ基板であり、その上面にははんだバンプ31が接合される上部電極32が形成されると共に、下面にははんだボール16が接合される下部電極が形成されている(下部電極は図示せず)。そして、この上部電極32と下部電極は、基板12の内層配線により接続されている。上記構成とされた半導体装置30は、図5に示すようにはんだボール36が実装基板20の電極21に接合されることにより実装基板20に実装される。
【0043】
上記した半導体装置30において、本実施例でははんだバンプ31とはんだボール36の材質としてはPbフリーのはんだ材料を使用している。はんだバンプ31のはんだ材料は、固体時体積(V1)と溶融時体積(V2)との体積差(V2−V1)の、固体時体積に対する割合[{(V2−V1)/V1}×100]が、5パーセント(%)以下である金属材料を用いている(以下、この割合を体積膨張率という)。
【0044】
ここで、体積膨張率が5%以下の材料と規定したのは、それ以上の体積膨張率であると、はんだバンプ31間でショートが発生する確率が格段に上昇するためである。特に従来用いられていたSn−Ag−Cu系のはんだ材料では、体積膨張率約10%であることから、これ以下に制御する必要がある。
【0045】
このように体積膨張率を5%以下としうる金属材料としては、ビスマス(Bi)を15重量%以上80重量%以下、Agを0.5重量%以上3重量%以下、残りがSnである組成を有した金属材料が考えられる。Biは融解した場合に体積が減少する特性を有しており、よってSnに対してBiの添加量を変化させた場合、Bi濃度の上昇に伴って融解時の体積膨張率を低下させることができる。特に、共晶付近の組成(Biが57%)ではほとんど膨張しない。
【0046】
また、Biの添加量が15重量%未満となると、BiはSnに対して固溶し、膨張率を低下させる効果がなくなってしまう。一方、Biの添加量が80重量%を超えると、このはんだ材料はもろくなり、はんだバンプ31として要求される強度を得ることができない。
【0047】
以上の各理由から本実施例では、はんだバンプ31の金属材料として、ビスマス(Bi)を15重量%以上80重量%以下、銀(Ag)を0.5重量%以上3重量%以下、残りが錫(Sn)である組成を有した金属材料を用いている。この金属材料の組成をこのように設定することにより、体積膨張率は−5%以上+5以下となる。
【0048】
本実施例の組成範囲では、融点直上の温度では、固体から液体に変化する際に体積が減少し、膨張率としてはマイナス(減少)となる。しかし、温度を上げていくことによって、液体の熱膨張により体積が膨張する。本実施例の組成範囲では、完全に固体が溶融し液体となった状態で、5%以下となる。また、下限値として、融点直上の温度を想定して−5%としたが、更に低くなっても問題はない。
【0049】
また、上記組成とされた金属材料の融点は、130℃以上200℃以下である。この融点は、従来から用いられているPb−Sn共晶はんだとほぼ等しい融点であるため、はんだバンプ31及びはんだボール36の接合処理に、従来から用いられているはんだ処理装置を用いることが可能となり、設備コストの低減を図ることができる。
【0050】
図4は、半導体装置30の製造工程において、半導体素子11を基板12に実装する方法(1次実装の方法)を示している。前記のように、本実施例でははんだバンプ31を用いて半導体素子11を基板12にフリップチップ接合する方法を採っている。
【0051】
このフリップチップ接合する際、基板12に形成された上部電極32には、予めはんだの濡れ性を高めるフラックスが塗布されていたり、はんだペースト33が印刷されている場合がある。このはんだペースト33は、いわゆるはんだの濡れ性を高める各種材料と、金属材料の粒体(以下、金属粒体という)とにより構成されている。
【0052】
本実施例では、このはんだペースト33に含まれる金属粒体としてSn-3Ag-0.5Cuを用いており、はんだバンプ31の材料と異なる材料を用いている。しかしながら、はんだペースト33に含まれる金属粒体の全体積(個々の上部電極32に塗布される全体積)は、1個のはんだバンプ31の体積に比べて非常に小さい。
【0053】
したがって、はんだペースト33に含まれる金属粒体としてはんだバンプ31と異なる材質の金属材料を用いても、はんだバンプ31を上部電極32に接合し、これによりはんだペースト33に含まれる金属粒体がはんだバンプ31を構成する金属材料に混入しても(以下、これを接合後金属材料という)、この接合後金属材料は接合前のはんだバンプ31の特性を維持する。よって、この接合後金属材料の体積膨張率をはんだバンプ31の材料の体積膨張率と同じ5%以下とすることができる。
【0054】
続いて、半導体装置30を実装基板20に実装する実装方法(2次実装の方法)について説明する。半導体装置30を実装基板20に実装するには、図3に示すように、予め実装基板20に設けられた各電極21にはんだペースト22を塗布しておく。このはんだペースト22もはんだの濡れ性を高める各種材料と金属粒体とよりなる構成とされている。このはんだペースト22に添加される金属粒体は、はんだボール36と同一の金属材料を用いることが一般的である。
【0055】
半導体装置30は、はんだボール36と電極21とが一致するよう実装基板20に載置される。はんだペースト22は、ある程度の粘着性を有しているため、半導体装置30は実装基板20に仮止めされる。そして、仮止めされた状態で、半導体装置30及び実装基板20は、リフロー炉に入れられ加熱処理が実施される。この時の加熱温度は、はんだバンプ31の融点(130℃以上200℃以下)以上の温度に設定されている。
【0056】
この加熱処理により、はんだボール36は溶融して電極21に接合する。この際、はんだボール36が溶融する温度で加熱処理を行なうと、はんだバンプ31も溶融する。しかしながら、はんだバンプ31は体積膨張割合が5パーセント以下と小さいため、この加熱によりはんだバンプ31がアンダーフィル15と半導体素子11との界面、及びアンダーフィル15と基板12との界面に侵入するようなことはない。これにより、隣接するはんだバンプ31間がショートすることを防止でき、実装信頼性を高めることができる。
【0057】
また、上記のように本実施例では、はんだボール36を電極21に接合する際、はんだバンプ31の融点により高い温度に加熱して接続する構成としている。
【0058】
前記したように、はんだバンプ31を構成する金属材料は、SnにBiを添加した材料である。しかしながら、SnにBiを添加した材料は、アンダーフィル15(熱硬化性樹脂)の形成時に実施される加熱処理によって、SnとBiが分離してはんだ組織が粗大化してしまう。このように粗大化した組織は、疲労寿命を低下させる傾向がある。
【0059】
このため、本実施例では2次実装時にバンプ31の融点により高い温度に加熱して溶融させることにより、アンダーフィル15の形成時における熱履歴によって粗大化した組織を、対疲労性の高い微細な組織に改善している。これにより、はんだバンプ31と基板12との接合信頼性を更に向上させることができる。
【0060】
はんだバンプ31とはんだボール36が同一材料としても、問題はない。また、前記のように、はんだバンプ31とはんだボール36を異なる材質とする場合には、はんだボール36の材質を選定する際にはんだバンプ31の融点より高い融点を有する材料を選定することが可能となり、はんだボール36の材質選定の自由度を高めることもできる。
【0061】
続いて、本発明者が上記した発明に係る半導体装置30を用いて実際に実装処理を行なった実施例について説明する。
【0062】
【実施例1】
Sn-2.6Ag、Sn-3Ag-0.5Cu、Sn-37Pb、Sn-30Bi、Sn-40Bi、Sn-57Bi、Sn-57Bi-0.5Ag、Sn-57Bi-0.9Ag、Sn-57Bi-2.5Agのはんだ9種について、室温と250℃において、ピクノメータ法によって、密度を測定し、その密度から体積膨張率を求めた。尚、ピクノメータ法とは、セルの中にサンプルと分散媒を入れ、サンプルの細孔や粒子間に液体を浸入させるための脱気を行い、その後ある液面まで液を足して重量を量り、そのときの液温を計るという方法である。この方法によれば、サンプルによって置換される液体の重量から比重を得ることができる。
【0063】
結果を以下の表1に示す。
【0064】
【表1】
上記の表1より、SnにBiを添加することによって、体積膨張率を低下させることができることが判る。更に、Agを添加することにより、体積膨張をほぼ抑制できることが判る。
[実施例2]
Sn-57Biはんだ粉末をフラックスと重量比で90:10で混合したはんだペーストを、エッチングでくぼみを形成したシリコン基板に印刷し、ピーク温度200℃の窒素リフローによりはんだボールを作製した。
【0065】
このはんだボールを、□14mm、φ100μm、ピッチ250μmの半導体素子の電極上に、位置合わせを行い、半導体素子に、ピーク温度200℃の窒素リフローにより、はんだバンプを形成した。更に、このバンプと、フラックスを供給した□40mmのガラスセラミック製BGA回路基板上に位置合わせを行い、ピーク温度200℃の窒素リフローによりフリップチップ接合体を作製した。その後、チップ基板間にアンダーフィル剤を、70℃のホットプレート上で供給し、100℃1hで硬化させた。
【0066】
このサンプルについて、ボール付け、2次実装を考慮して、最高温度250℃のリフローを5回行い、熱負荷をかけた。そのサンプルについて、1次実装の接合部の抵抗を測定した。その結果、ショートもなく良好なはんだ接合部が得られた。
比較のために、Sn−3Ag−0.5Cuはんだボールではんだバンプを形成した半導体素子を用いて作製したサンプルの試験を行なった結果、リフロー5回後で、15個中7個ショートが発生した。
【0067】
【発明の効果】
上述の如く本発明によれば、次に述べる種々の効果を実現することができる。
【0068】
請求項1,3記載の発明によれば、第1の接続部材の加熱時における体積変化が5パーセント以下と小さいため、2次実装時の加熱により第1の接続部材が溶融したとしても、はんだバンプ間でショートが発生するようなことはなく、よって電子装置の信頼性を高めることができる。
【0069】
また、請求項2記載の発明によれば、第1の接続部材を接続処理するのに従来から用いられているはんだ処理装置を用いることが可能となり、設備コストの低減を図ることができる。
【0070】
また、請求項4記載の発明によれば、第2の接続部材を選定する際、第1の接続部材の融点より高い融点を有する材料を選定することが可能となるため、第2の接続部材を選定する自由度を高めることができる。
【0071】
また、請求項5記載の発明によれば、被配設部材の電極上に第1の接続部材と異なる材質の第3の接続部材を配設しても、第1の接続部材と第3の接続部材との接合金属材料は第1の接続部材の特性を示すため、加熱により接合金属材料が溶融したとしてもはんだバンプ間でショートが発生するようなことはなく、よって電子装置の信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の一例である半導体装置を説明するための図である。
【図2】従来のはんだで発生する体積膨張を説明するための図である。
【図3】本発明の一実施例である半導体装置の構成及び実装方法を説明するための図である。
【図4】本発明の一実施例である半導体装置の製造方法を説明するための図である。
【図5】本発明の一実施例である半導体装置の実装方法を説明するための図である。
【符号の説明】
11 半導体素子
12 基板
13 リッド
14,31 はんだバンプ
15 アンダーフィル
16,36 はんだボール
20 実装基板
21 電極
22,33 はんだペースト
30 半導体装置
32 上部電極
Claims (5)
- 電子素子と、
該電子素子が配設される被配設部材と、
前記電子素子と前記被配設部材とを電気的に接続する複数の第1の接続部材と、
前記被配設部材を電気的に外部接続する第2の接続部材と、
前記電子素子と前記被配設部材との間に設けられ、前記各第1の接続部材同士の間を隔離するように配設された樹脂材とを具備し、
前記第1の接続部材の材料として、固体時体積と溶融時体積との体積差の、前記固体時体積に対する割合が、5パーセント以下であるはんだ合金を用いてなる電子装置であって、
前記第1の接続部材の材料は、ビスマスを 15 重量パーセント以上 80 重量パーセント以下、銀を 0.5 重量パーセント以上3重量パーセント以下、残りが錫であるはんだ合金であることを特徴とする電子装置。 - 請求項1記載の電子装置において、
前記第1の接続部材の融点が 130 ℃以上 200 ℃以下であることを特徴とする電子装置。 - 請求項1又は2に記載の電子装置において、
前記第1の接続部材は、前記電子素子の電極に設けられたバンプ、または前記被配設部材、または前記電子素子と前記被配設部材の両方の電極上に設けられたバンプであることを特徴とする電子装置。 - 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の電子装置に設けられた第2の接続部材を基板に接合することにより、前記電子装置を前記基板に実装する電子装置の実装方法であって、
前記第2の接続部材を前記基板に接続する際、前記第1の接続部材の融点より高い温度に加熱して接続することを特徴とする電子装置の実装方法。 - 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の電子装置の製造方法であって、
前記被配設部材の電極に、前記第1の接続部材とは異なる材質である銀が 3 重量パーセント、銅が 0.5 重量パーセント、残りが錫であるはんだ合金よりなり、かつ前記第1の接続部材の体積より小さい体積の第3の接続部材を配設する工程と、
前記第1の接続部材と前記第3の接続部材とを接合させることにより前記電子素子を前記被配設部材に配設する工程を含むことを特徴とする電子装置の製造方法。
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