JPWO2009090776A1 - 半導体装置およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
1例として、半導体装置に搭載されるパッケージ分野で広く利用されている高密度実装型BGA(ボール・グリッド・アレイ)やCSP(チップ・サイズ・パッケージ)の場合について述べると、これらのBGAやCSPをプリント回路板に実装するためには、予めBGAやCSPのリードに微小なはんだボールを用いて、はんだバンプを形成させる必要がある。(図1を参照)
このはんだボールは一般的に円球体をなし、以前は直径0.76mmφのものが主として使われてきたが、最近ではますます微小化して直径0.10〜0.45mmφのはんだボールが主流になりつつあることに加えて、これらのはんだボールは、従来から広く利用されてきた錫鉛系はんだボールが、鉛の環境汚染ならびに人体への有害性の問題で鉛の使用禁止または規制化に伴い、最近では特に電子部品分野において、鉛を含有しない所謂「鉛フリーはんだボール」が、BGAやCSPのはんだバンプ形成に広く使用されつつある。
CuO+Sn→Cu+SnO
により約1.5%の体積収縮が生ずることによりマイクロボイド(空隙)16が発生するケース、または図12に模式的に示したように酸化銅11と酸化第一錫12が銅14と酸化第二錫15になるケース、即ち
CuO+SnO→Cu+SnO2
により約15%の堆積収縮を生ずることによりマイクロボイド(空隙)16が発生するものと発明者らは考えている(仮説)。
また、ニッケル含有鉛フリーはんだにゲルマニウムを添加した場合は錫の酸化抑制効果が大きいので加熱エージング後のマイクロボイドと耐衝撃破断性改善の効果もより大きいと考えられる。
先ず、比較例1として、ニッケル、リン、及びゲルマニウムを含有しない銀3重量%、銅0.5重量%、残部が錫からなる鉛フリーはんだと一般的なはんだフラックスである下記の構成物質および組成からなるフラックス、即ち、
WWロジン系樹脂 60重量%
イソプロピル臭化水素酸塩(活性剤) 0.3重量%
セバシン酸(活性剤) 1.0重量%
ステアリン酸アミン 5.0重量%
エチレングリコールモノブチルエーテル 33.7重量%
をベースはんだフラックスとして使用して後述の各種鉛フリーはんだと各種フラックスを組合わせた条件[表1]ではんだ付けを行った。
即ち、実施例1〜3および比較例1〜4はいずれも同一製造ロットのBGAで外形寸法15mmX15mmX1.2mm(はんだバンプ厚を含む)、リード数(はんだバンプ数に同じ)192、リードピッチが0.8mmで各リード部には予め各実施例及び比較例に示した組成の直径0.45mmφの鉛フリー半田ボールが接合されてはんだバンプが形成されたBGAを使用し、これと各実施例及び比較例に示した組成のはんだフラッックス[表1]を介してバーンイン試験用プリント基板上の対応する銅リード部に該BGAを搭載して評価試験用試料を作成した。バーンイン試験用プリント回路板について更に詳しく述べると、外形寸法は77mmX132mmで厚さ1mm、基板中央に上記BGAと同ピッチで同リード数の0.3mmφ銅リードを有するBGA導通試験用回路を1単位として、5mm間隔で上下に各1単位、これを中央の1行として同様に5mm間隔で左右に各2行、即ち、マトリックス状に5行X3列、合計15個のBGA搭載可能な回路が形成され、該銅リード部を除く表面が半田レジスト膜で覆われたプリント回路板になっている。各実施例及び比較例の供試料用フラックスは各n=5(繰り返し数)で各BGA1単位毎にランダムに塗布し、これを介して上記BGAを搭載し、温度250℃の溶融はんだ浴上にBGA搭載側を上にして120秒間放置し、BGAの各はんだバンプを該プリント回路板の銅ランドに接合後に取出して自然冷却させたものを評価用試料として評価試験に供した。
2 プリント回路基板
3 はんだバンプ
4 はんだ付け材料
5 銅リード(プリント回路基板の銅箔)
6 はんだレジスト
7 はんだ接合部の断面に存在するCu3Sn層
8 はんだ接合部の断面に存在するCu6Sn5層
9 鉛フリーはんだ層
10 はんだ接合部の断面に存在するマイクロボイド
11 酸化銅 CuO
12 酸化第一錫 SnO2
13 錫 Sn
14 銅 Cu
15 酸化第二錫 SnO
16 マイクロボイド(空隙)
17 銅−錫−ニッケル合金層(Cu−Sn−Ni金属間化合物層)
18 銅−錫−ニッケル−コバルト合金層(Cu−Sn−Ni−Co金属間化合物層)
19 Ni含有鉛フリーはんだと通常はんだフラックス使用の場合
20 通常の鉛フリーはんだとパルミチン酸Ni含有はんだフラックス使用の場合
21 通常の鉛フリーはんだとパルミチン酸Ni含有はんだフラックス使用の場合
22 高温エージング後のマイクロボイドの発生を防止するために望ましいはんだ接合界面におけるNi含有IMC層の厚さを示す目安線
これによると、その接合境界部付近の断面長さ0.2mm当たりのボイド発生数ならびに大きさについては比較例1〜4には多数のマイクロボイドが見られたのに対して、実施例1、2および3にはマイクロボイドの発生は圧倒的に少ないこと、またマイクロボイドの大きさは実施例がいずれも1〜0.5μ程度の微小マイクロボイドであったのに対して比較例の方は相対的に実施例より大きい目の0.5〜2ミクロンのボイドも多数観察され、中には接合界面に平行してマイクロボイドが結合連結して横長の長さ5〜10μmにも及ぶマクロボイドに変化したものも観察された。(図4−2(f)および表2)
Claims (6)
- 半導体装置において、鉛フリーはんだを用いて実装部材をプリント回路板にはんだ接合する際、少なくともニッケル0.01〜0.2重量%を含有する鉛フリーはんだと有機脂肪酸ニッケル塩または有機脂肪酸コバルト塩のうち、いずれか1種類または2種類以上を含有するはんだフラックス用いて半導体パッケージ、電子素子等をプリント回路板の銅ランドにはんだ接合し、ニッケル、コバルトのいずれか1種もしくは両方の金属を含む合金層を半田接合部界面に厚さ3〜6ミクロン形成させることにより半導体装置が長時間高温暴露(高温エージング)された際に生ずるはんだ接合部のマイクロボイドを抑制し、はんだ接合部の耐衝撃破断性を向上させた半導体装置。
- 半導体装置において、鉛フリーはんだを用いて実装部材をプリント回路板にはんだ接合する際、少なくともニッケル0.01〜0.2重量%を含有し、更にゲルマニウム0.001〜0.01重量%を含有する鉛フリーはんだと有機脂肪酸ニッケル塩または有機脂肪酸コバルト塩のうち、いずれか1種類または2種類以上を含有するはんだフラックス用いて半導体パッケージ、電子素子等をプリント回路板の銅ランドにはんだ接合し、ニッケル、コバルトのいずれか1種もしくは両方の金属を含む合金層をはんだ接合部界面に厚さ3〜6ミクロン形成させることにより半導体装置が長時間高温暴露(高温エージング)された際に生ずるはんだ接合部のマイクロボイドを抑制し、はんだ接合部の耐衝撃破断性を向上させた半導体装置。
- 請求項1及び2記載の半導体装置において、上記フラックスの有機脂肪酸ニッケル塩または有機脂肪酸コバルト塩はパルミチン酸ニッケル、パルミチン酸コバルト、ステアリン酸ニッケル、ステアリン酸コバルトのうち、いずれか1種類または2種類以上を1〜5重量%含有するはんだフラックスを用いてはんだ接合することにより半導体装置が長時間高温暴露(高温エージング)された際に生ずるはんだ接合部のマイクロボイドを抑制し、はんだ接合部の耐衝撃破断性を向上させるための半導体装置。
- 半導体装置の製造方法において、鉛フリーはんだを用いて実装部材をプリント回路板にはんだ接合する際、少なくともニッケルを0.01〜0.2重量%を含有する鉛フリーはんだと有機脂肪酸ニッケル塩または有機脂肪酸コバルト塩のうち、いずれか1種類または2種類以上を含有するはんだフラックス用いて半導体パッケージ、電子素子等をプリント回路板の銅ランドにはんだ接合し、ニッケル、コバルトのいずれか1種もしくは両方の金属を含む合金層をはんだ接合部界面に厚さ3〜6ミクロン形成させることにより半導体装置が長時間高温暴露(高温エージング)された際に生ずるはんだ接合部のマイクロボイドを抑制し、はんだ接合部の耐衝撃破断性を向上させることを特徴とする半導体装置の製造方法
- 半導体装置の製造方法において、鉛フリーはんだを用いて実装部材をプリント回路板にはんだ接合する際、少なくともニッケル0.01〜0.2重量%を含有し、更にゲルマニウム0.001〜0.01重量%を含有する鉛フリーはんだと有機脂肪酸ニッケル塩または有機脂肪酸コバルト塩のうち、いずれか1種類または2種類以上を含有するはんだフラックス用いて半導体パッケージ、電子素子等をプリント回路板の銅ランドにはんだ接合し、ニッケル、コバルトのいずれか1種もしくは両方の金属を含む合金層をはんだ接合部界面に厚さ3〜6ミクロン形成させることにより半導体装置が長時間高温暴露(高温エージング)された際に生ずるはんだ接合部のマイクロボイドを抑制し、はんだ接合部の耐衝撃破断性を向上させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
- 上記請求項4及び5記載の半導体装置の製造方法において、上記フラックスの有機脂肪酸ニッケル塩または有機脂肪酸コバルト塩はパルミチン酸ニッケル、パルミチン酸コバルト、ステアリン酸ニッケル、ステアリン酸コバルトのうち、いずれか1種類または2種類を1〜5重量%含有するはんだフラックスを用いてはんだ接合することにより半導体装置が長時間高温暴露(高温エージング)された際に生ずるはんだ接合部のマイクロボイドを抑制し、はんだ接合部の耐衝撃破断性を向上させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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