JP4096992B2 - 半導体モジュールの製造方法 - Google Patents
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Description
1)max290℃以下での大気中リフロー接続が可能であること〔チップ部品 の耐熱保証温度;290℃〕。
2)2次リフロー(max260℃)で溶けないこと、もしくは溶けてもチップが 動かないこと(高周波特性に影響するため)。
3)2次リフロー時にモジュール内のはんだが再溶融しても、チップ部品 のはんだの体積膨張によるショートがないこと。
また、本発明の他の目的は、高温時に接続強度が維持できるはんだを用いた温度階層接続を提供することである。特に鉛フリー半田材料のはんだ付けを大気中で行った場合であっても、ボイド欠陥をすくなくし、かつ高温側接続部の接続信頼性を維持した温度階層接続を提供することである。
電子部品と該電子部品が実装される実装基板を有する電子機器であって、該電子部品の電極と該実装基板の電極は、Sn系はんだボールと該Sn系はんだより融点が高い金属ボールを有し、該金属ボールの表面がNi層で覆われ、さらに該Ni層はAu層で覆われているはんだを用いて形成されたはんだ接続部により接続されているものである。
本発明によれば、温度階層接続において、高温時に接続強度が維持できるはんだを提供できる。特に大気中における鉛フリーはんだ接続を考慮したはんだペースト、はんだ接続法、はんだ継手構造を提供することができる。
また、本発明によれば、高温時に接続強度が維持できるはんだを用いた温度階層接続方法を提供することができる。特に鉛フリー半田材料のはんだ付けを大気中で行った場合であっても、高温側接続部の接続信頼性を維持した温度階層接続を提供することができる。
特に(a)では、Cuボール1は裸の状態である(被膜されていない)ため、酸化されやすい。
そして、はんだバンプ部とSiチップ電極部への応力負担が少なく、バンプの寿命向上、落下等の衝撃に対する機械的保護のため、ヤング率:50〜15000Mpa、熱膨張係数:10〜60×10-6/℃の流動性に優れる無溶剤系の樹脂81を充填した高信頼BGA、CSPとすることができる。
(1)電子部品と該電子部品が実装される実装基板を有する電子機器であって、該電子部品の電極と該実装基板の電極は、Sn系はんだボールと該Sn系はんだより融点が高い金属ボールを有し、該金属ボールの表面がNi層で覆われ、さらに該Ni層はAu層で覆われているはんだを用いて形成されたはんだ接続部により接続されていることを特徴とする電子機器。
(2)上記(1)に記載の電子機器において、前記金属ボールはCuボールであることを特徴とする電子機器。
(3)上記(1)に記載の電子機器において、前記金属ボールはAlボールであることを特徴とする電子機器。
(4)上記(1)に記載の電子機器において、前記金属ボールはAgボールであることを特徴とする電子機器。
(5)上記(1)に記載の電子機器において、前記金属ボールはCu合金ボール、Cu―Sn合金ボール、Ni―Sn合金ボール、Zn−Al系合金ボール、Au−Sn系合金ボールのいずれかであることを特徴とする電子機器。
(6)上記(1)に記載の電子機器において、前記金属ボールはCuボールおよびCu―Sn合金ボールを含むことを特徴とする電子機器。
(7)上記(1)から(6)のいずれか1項に記載の電子機器であって、前記金属ボールの直径は5μmから40μmであることを特徴とする電子機器。
(8)上記(1)から(7)のいずれか1項に記載の電子機器であって、大気中でありかつ240度以上のはんだ付け温度において、前記Au層は前記金属ボールの酸化を防止する機能を有し、前記Ni層は該Au層の該金属ボールへの拡散を防止する機能を有することを特徴とする電子機器。
(9)上記(8)に記載の電子機器であって、前記金属ボールはCuボールであり、前記Ni層はさらに前記Cuボールと前記Sn系はんだボールの反応によって生じるCu3Sn化合物の形成を防止する機能を有することを特徴とする電子機器。
(10)上記(1)から(6)のいずれか1項に記載の電子機器であって、前記Ni層の厚さが0.1μm以上1μm以下であることを特徴とする電子機器。
(11)上記(1)から(6)のいずれか1項に記載の電子機器であって、前記Au層の厚さが0.01μm以上0.1μm以下であることを特徴とする電子機器。
(12)半導体装置と該半導体装置が実装される実装基板を有する電子機器であって、該半導体装置の電極と該実装基板の電極は、Sn系はんだボールと該Sn系はんだより融点が高い金属ボールを有し、該金属ボールはNi層で覆われさらに該Ni層はAu層で覆われたはんだがリフローされることにより形成された接続部により接続され、該金属ボール同士は該金属とSnとの化合物で連結されていることを特徴とする電子機器。
(13)上記(12)に記載の電子機器において、前記金属ボールはCuボールであることを特徴とする電子機器。
(14)上記(12)に記載の電子機器において、前記接続部は金属ボール同士は該金属とSnの化合物により結合していることを特徴とする電子機器。
(15)半導体装置と、該半導体装置が実装される第一の基板と、該第一の基板が実装される第二の基板を有する電子機器であって、該半導体装置の電極と該第一の基板の電極は、Sn系はんだボールと該Sn系はんだより融点が高い金属ボールを有し、該金属ボールはNi層で覆われさらに該Ni層はAu層で覆われたはんだがリフローされることにより形成された接続部で接続され、該第一の基板の電極と該第二の基板の電極は、少なくともSn-Ag系はんだ、Sn-Ag-Cu系はんだ、Sn-Cu系はんだおよびSn-Zn系はんだのいずれかにより形成された接続部により接続されていることを特徴とする電子機器。
(16)上記(15)に記載の電子機器において、前記第一の基板の電極と前記第二の基板の電極は、Sn-(2.0〜3.5)mass%Ag-(0.5〜1.0)mass%Cuにより形成された接続部により接続されていることを特徴とする電子機器。
(17)半導体チップと、該半導体チップが実装される基板を有する電子機器であって、該基板の接続端子と該半導体チップの一方の面に形成された接続端子はワイヤボンディングにより接続され、該半導体チップの他方の面と該基板はSn系はんだボールと該Sn系はんだより融点が高い金属ボールを有し、該金属ボールはNi層で覆われさらに該Ni層はAu層で覆われたはんだがリフローされることにより形成された接続部により接続され、該接続部の該金属ボール同士は該金属とSnの化合物で結合していることを特徴とする電子機器。
(18)上記(17)に記載の電子機器であって、前記基板は前記接続端子を有する面の裏面に外部接続端子を有し、該外部接続端子はSn-Ag系はんだ、Sn-Ag-Cu系はんだ、Sn-Cu系はんだおよびSn-Zn系はんだのいずれかで形成されていることを特徴とする電子機器。
(19)電子部品と、該電子部品が実装される第一の基板と、該第一の基板が実装される第二の基板を有する電子機器の製造方法であって、240℃以上でありかつ該電子部品の耐熱温度以下において、Sn系はんだボールと該Sn系はんだより融点が高い金属ボールを有し、該金属ボールはNi層で覆われさらに該Ni層はAu層で覆われた第一の鉛フリーはんだをリフローして、該電子部品の電極と該第一の基板の電極を接続する第一の工程と、該第一の工程のリフロー温度より低い温度において、第二の鉛フリーはんだをリフローして、該電子部品が実装された第一の基板と該第二の基板を接続する第二の工程を有することを特徴とする電子機器の製造方法。
(20)上記(19)に記載の電子機器の製造方法であって、前記第一の鉛フリーはんだのリフローを大気中で行うことを特徴とする電子機器の製造方法。
(21)上記(19)に記載の電子機器の製造方法であって、前記第一の鉛フリーはんだのリフローを270℃以上300℃以下で行うことを特徴とする電子機器の製造方法。
(22)上記(19)に記載の電子機器の製造方法であって、前記第二の鉛フリーはんだとして、Sn-Ag系はんだ、Sn-Ag-Cu系はんだ、Sn-Cu系はんだおよびSn-Zn系はんだのいずれかを用いて前記第一の基板と前記第二の基板の接続を行うことを特徴とする電子機器の製造方法。
(23)上記(22)に記載の電子機器の製造方法であって、前記Sn-Ag-Cu系はんだとして、Sn-(2.0〜3.5)mass%Ag-(0.5〜1.0)mass%Cuを用いて前記第一の基板と前記第二の基板の接続を行うことを特徴とする電子機器の製造方法。
2.Sn系はんだボール 23.Snめっき
3.溶融Sn 24.Ni-Snめっき
4.フラックス 25.Siチップ
5.Snめっき 26.シリコーンゲル
6.中継基板の端子 27.Cu-Sn複合はんだ
7.Au-20Snはんだ 28.軟らかい樹脂
8.ワイヤボンド 29.リード
9.キャップ 30.Sn-Ag-Cu系Pbフリーはんだ
10.接合部 31.Alフィン
11.外部接続端子 32.フィンとの接合部
12.印刷パターン 33.リードとの接合部
13.素子 34.バンプ
14.中継基板 35.Si基板
15.抵抗加熱体 36.複合はんだペースト
16.メタライズ 37.端子
17.チップ部品 38.端子(Cuパッド)
18.Cuパッド 39.Cu
19.基板 40.有機材
20.エッチング 41.Cuスルーホール導体
21.溶融はんだ 42.Ag-Pd導体
43.Al2O3基板 44.厚膜スルーホール導体
45.W-Ni導体 46.Ag-Pt/Ni/Au電極
47.かしめ部 48.樹脂
49.ワイヤボンデイング端子 50.TQFP-LSI
51.リードフレーム 52.熱拡散板
53.タブ 54.導電ペースト
61.キャビテイ 62.スリット
63.半導体装置 64.多数個段取りAl2O3多層セラミック基板
65.スキージ 66.メタルマスク
67.樹脂塗布済み基板 68.高硬度樹脂
69.樹脂圧力 70.はんだ再溶融膨張圧
71.はんだ流れ出し 72.接続端子
73.一括封止部 74.Cu6Sn5
75.部品端子部 76.Pb系はんだ
80.金属ボール(Cuボール) 81.低熱膨張、低剛性樹脂
82.薄膜電極 83.電極端子
84.接触部(金属間化合物) 85.ボール固定用はんだ
86.ワイヤバンピング端子 87.Cu端子
88.Cuめっき 89.ホトレジ
90.ポリイミド絶縁膜 91.Cuバンプ
122.Snの酸化防止膜 124.Ni/Auめっき
Claims (6)
- 基板と、前記基板に実装された半導体装置及びチップ部品を有する半導体モジュールであって、
前記基板と前記チップ部品とは、
複数のSn系はんだボールとNi層及びAu層でそれぞれ覆われた複数の金属ボールとを有する鉛フリー接続材料、を用いてはんだ付けすることにより、
前記複数の金属ボールと、
前記複数の金属ボール同士を連結し、かつ、
前記複数の金属ボールのいずれかと前記基板、並びに、前記複数の金属ボールのいずれかと前記チップ部品、とを接続する金属間化合物と、
で接続されていることを特徴とする半導体モジュール。 - 請求項1記載の半導体モジュールであって、
前記金属ボールは、Cuであることを特徴とする半導体モジュール。 - 請求項2記載の半導体モジュールであって、
前記金属間化合物はCu6Sn5を含むことを特徴とする半導体モジュール。 - 請求項1記載の半導体モジュールであって、
前記金属ボールは、Ag、Au、Al、Ni、Cu合金、Cu-Sn合金、Ni-Sn合金のいずれかの粒子、又は、これらの混合物であることを特徴とする半導体モジュール。 - 請求項1乃至4のいずれかに記載の半導体モジュールであって、
前記Sn系はんだボールは、Sn、Sn-Cu系はんだ、Sn-Ag系はんだ、Sn-Ag-Cu系はんだのいずれかであることを特徴とする半導体モジュール。 - 請求項1乃至4のいずれかに記載の半導体モジュールであって、
前記Sn系はんだボールは、Sn-(0〜4)Ag-(0〜2)Cuであることを特徴とする半導体モジュール。
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