JP2002314241A - 電子機器 - Google Patents

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Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は、全く新規なはんだ接続による
電子機器を提供することにあり、具体的には、Pbを多く
含む高Pbはんだの代替方法として、温度階層接続におけ
る高温側のフリップチップ接続を実現することにある。 【解決手段】単体金属、合金、化合物もしくはこれらの
混合物を含む金属ボールを、Sn、もしくはInのどちらか
一方で連結させた構成を、チップ、基板間の電極に用い
ることにより上記課題は解決される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、はんだ、はんだを
用いた接続方法または電子機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】Sn-Pb系はんだにおいては、電子機器の
製造に広く使われている融点が183℃の63mass%Sn-37mas
s%Pbの共晶はんだ（以下、Sn-37Pbのように、元素の割
合をmass%を除いて示し、組成比の記述のない元素は残
りとする）以外に、高温系はんだとして一般に高鉛はん
だと呼ばれるPbリッチのPb-5Sn（融点：310〜314℃）、
Pb-10Sn（融点：275〜302℃）等が知られている。これ
らは330℃近傍で加熱することにより用いられ、その
後、このはんだ付け部を溶かさないで、融点の低いSn-3
7Pbで接続する温度階層接続が可能であった。このよう
な温度階層接続は、チップをダイボンドするタイプの半
導体装置や、チップをフリップチップ接続するＢＧＡ
（Ball Grid Array）、ＣＳＰ(Chip Scale Package)な
どで適用されている。特に、チップをフリップチップ接
続する場合には、一般にＣ４(Controlled Collapse Chi
p Connection) 接続と言われる、はんだバンプを電子部
品の電極と基板の電極間に用いる方式によって行ってい
る。
【０００３】また高鉛はんだは、融点の関係からSn-37P
bとの温度階層接続が可能である以外に、軟質な鉛が多
く含まれるため、はんだ全体が柔らかいという性質があ
る。これは、特にチップとの接続部で、基板との熱膨張
係数の差から機械的ストレス等が発生する箇所におい
て、接続部では応力緩和できる特性をもつ必要性がある
ことから、柔らかいはんだが適していて、この軟質な高
鉛はんだを使用して、シリコンチップを直接基板にはん
だ付けするフリップチップ接続が可能であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、環境を懸念し
てはんだ中から鉛を排除した鉛フリーはんだ材料、及び
それを用いたはんだ付け方法の開発が進められている。
【０００５】Sn-37Pbはんだを代替するための鉛フリー
はんだ材料としては、Sn-Ag系、Sn-Ag-Cu系、Sn-Cu系、
Sn-Zn系、及び、これらにBiや、Inを添加して低融点化
を図ったはんだ材料が提案されている。一方、高温系の
高鉛はんだの代替材料としては、最も可能性のあるはん
だ材料としてはSn-5Sb（融点：232〜240℃）があるが、
リフロー炉内での基板内の温度ばらつき等を考慮する
と、このSn-5Sbによる接続部を溶かさないで、上記のPb
フリーはんだ材料を用いて温度階層接続を行うことは難
しかった。他には、Au-20Sn（融点：280℃）が知られて
いるが、この材料は硬く、コストも高いため、用途が限
定される。特に、熱膨張係数の異なる材料間の接続、例
えば、Siチップと基板間の接続、また、大型のSiチップ
の接続では、はんだが硬く、応力緩和の可能性が低いた
め、Siチップを破壊させる恐れがあるため、使用されて
いない。そこで、最近、特開平１１−１７２３５２に記
述されているように、Zn-Al系はんだで、Ge、Mg等が含
まれる材料が提案されてきた。この材料の融点は280℃
〜380℃であり、高温はんだの代替材料として融点は適
しているが、はんだ自体は硬く、また、反応性の高いZ
n、Alが多く含まれるため、腐食の及ぼす影響が懸念さ
れる。
【０００６】従って、本発明の目的は、電子部品内で電
極として使われてきた、鉛を多く含む融点の高いはんだ
の代替材料、及びこれを用いた接続方法、電子機器を提
供することにある。特に、Ｃ４接続と言われる球帯型の
電極等に用いる鉛フリー材料、及び、これを用いた接続
方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明では、上記課題を
解決するために、従来高鉛はんだを用いていた電子部品
の電極と基板の電極間の接続部を次のようにする。
【０００８】まず、単体金属、合金、化合物もしくはこ
れらの混合物を含む金属ボールを、Sn、もしくはInのど
ちらか一方のはんだとの化合物、及び該はんだで連結さ
せた構成の接続部とする。
【０００９】また、単体金属、合金、化合物もしくはこ
れらの混合物を含む金属ボールを、Sn-Cu系はんだ、Sn-
Ag系はんだ、Sn-Ag-Cu系はんだ、これらにIn、Zn、Biの
いずれか一つ以上を添加したはんだ、のうち一種以上の
はんだとの化合物、及び該はんだで連結させた構成とす
る。
【００１０】接続方法は、以下の様にする。
【００１１】電子部品の電極と基板の電極間に、単体金
属、合金、化合物もしくはこれらの混合物を含む金属ボ
ールと、Sn、もしくはInのどちらか一方を含むはんだボ
ールとを混合してなるペーストを供給し、これらを加熱
し、該はんだボール成分を溶融させ、該金属ボール間、
及び該金属ボールと該電子部品の電極、該基板の電極間
を該はんだとの化合物、及び該はんだで連結させる。
【００１２】また、電子部品の電極と基板の電極間に、
単体金属、合金、化合物もしくはこれらの混合物を含む
金属ボールと、Sn-Cu系はんだ、Sn-Ag系はんだ、Sn-Ag-
Cu系はんだ、これらにIn、Zn、Biのいずれか一つ以上を
添加したはんだ、のうち一種以上とを混合してなるペー
ストを供給し、これらを加熱し、該はんだボール成分を
溶融させ、該金属ボール間、及び該金属ボールと該電子
部品の電極、該基板の電極間を該はんだとの化合物、及
び該はんだで連結させる。
【００１３】ここで、前記金属ボールは、Cu、Ag、Au、
Al、Ni、Cu合金、Cu-Sn化合物、Ag-Sn化合物、Au-Sn化
合物、Al-Ag化合物、Zn-Al化合物、もしくはこれらの混
合物を含むボールとする。また、前記金属ボール表面に
は、Auめっき、もしくはAgめっき、もしくはSnの単体金
属めっき、もしくはSnを含む合金めっき、あるいは２層
めっきとして下地にNiめっきし更にこの表面にAuめっ
き、もしくは下地にNiめっきし更にこの表面にAgめっ
き、のうちいずれかを施したものを用いても良い。電極
の形状は、球帯形状、円筒状、直方体、ウェスト形状と
する。
【００１４】また、以上の様に作成した電子機器を、Pb
フリーはんだを用いて他の基板に接続する。
【００１５】また、以上の様に作成した電子機器に使用
される基板は、メタルコア層を有するものを用いる。
【００１６】
【発明の実施の形態】本発明に係る鉛フリー材料、電子
機器、接続方法を図面を用いて説明する。 （実施の形態１）図１に、本発明を実施した電子機器の
例を示す。この実装構造体１９は、半導体チップ１がフ
リップチップ接続された中間基板２が、プリント配線基
板１５に実装されている。該半導体チップ１と中間基板
２間の接続部の断面を図２に示した。半導体チップ１の
電極３と中間基板２の電極４間のフリップチップによる
接続部５は、金属ボール６が分散され、この金属ボール
間６ははんだ７及びその化合物８で連結されている。ま
た半導体チップ１の電極３と金属ボール６、中間基板２
の電極４と金属ボール６も、はんだ７及びその化合物８
で連結されている。
【００１７】接続部の形状は図１では、球帯形状である
が、図３（ａ）に示したように直方体、或いは円筒状、
図３（ｂ）に示したように中央が細くなったウェスト形
状でも良い。また、これらの他に、図で示してはいない
が、台形状としてもよい。図３（ａ）に示した直方体、
円筒状の接続では、はんだの接続部の厚みを薄くするこ
とにより、高さ方向に実装密度を上げることが可能であ
る。従って、この図２の形状を用いたＬＧＡ（Ｌａｎｄ
Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ）接続は、小型化のみならず薄
型化も重要である携帯電話、デジタルビデオカメラ、ノ
ートブック型パーソナルコンピューター、ＰＤＡ（Pers
onal Digital Assistant）等の携帯用電子機器の実装に
適する。図３（ｂ）に示したウェスト形状では、接続端
部に生じる応力を低減することができ、また、電極３、
電極４間の距離を長くすることにより、長寿命化を図る
ことが可能である。従って、図３（ｂ）のウェスト形状
の接続は、製品の寿命が非常に重要な、大型のコンピュ
ーター、自動車用の電子機器等に適する。図２から４に
記載のどの形状においても、接続部の寿命を更に向上さ
せるためには、半導体チップ１、中間基板２の熱膨張係
数の差によって発生する応力を分散させることが効果が
あり、半導体チップ１、中間基板２間に樹脂を封入する
と良い。半導体チップ１の上から樹脂でトップコートす
ることも効果がある。また、半導体チップ１に発生する
熱を逃がすために、半導体チップ１上に放熱フィン等を
取り付けてもよい。
【００１８】図２の例では、金属ボール６はCuを用いて
いて、はんだ７はSn、その化合物８はCu-Sn化合物によ
り構成される。この図１に示した実装構造体１９の製造
方法を、図４、図５を用いて説明する。第１工程におい
て、中間基板２の電極４に、混合ペースト９を印刷によ
って供給し、第２工程において、半導体チップ１を搭載
する。この時の混合ペースト９の供給の状態を拡大して
図６に示したが、混合ペースト９は、Cuからなる金属ボ
ール６と、Snからなるはんだボール１０とをフラックス
成分１１を用いて、混合してある。第３工程でこれらを
リフロー加熱し、接続部５を得る。これに第４工程にお
いて、封止樹脂１２によりチップ周囲を封止する。第５
工程で、半導体チップ１が実装された面と反対側の中間
基板２の電極１３にはんだボール１４を供給し、第６工
程で、プリント配線基板１５の配線ランド１６に迎えは
んだ１７を行い、第７工程で、これらをリフロー加熱を
行い、はんだボール１４と迎えはんだ１７を接続１８
し、実装構造体１９を得る。
【００１９】第３工程での加熱温度は、はんだボール１
０のSnを溶融させる必要があり、はんだボール１０の大
きさにもよるが、Snの融点232℃以上あれば良い。しか
し、加熱後に接続部を更に高融点にするために、Snの融
点に比べ十分高い温度、即ち最高温度280℃でリフロー
を行った。ペーストのフラックス成分１１は、Snが溶融
し、Cuとのぬれが確保できることが必要であり、ＲＭＡ
（Rosin mildly activated）、ＲＡ（Rosin activate
d）のどちらも可能であるが、今回はロジン系のＲＭＡ
タイプを用いて行った。雰囲気は、大気中でも良いが、
よりCuとSn間のぬれ性を向上させるために、窒素等の不
活性雰囲気を用いて行った。ＲＭＡタイプは、洗浄が難
しい実装構造、例えば、非常に狭ピッチな構造、あるい
は洗浄してもその洗浄残渣がかえって問題となりうる構
造に適していて、この場合には、活性が弱いため、窒素
等の不活性雰囲気下で接続を行う方が望ましい。ＲＡタ
イプは、洗浄が可能である構造の場合に好ましい。この
場合には大気中でも接続が可能となる。また、接続後に
アンダーフィルとして利用できるフラックスを使用して
も良い。このアンダーフィルは半導体チップ１と中間基
板２間を全て覆うことが接続部の寿命向上に望ましい
が、図７の様に、電極の周囲のみが樹脂２０で覆われて
いても、接続端部の応力集中を緩和できるため、接続部
の寿命向上に効果がある。
【００２０】このように図６に示した構成のものを加熱
すると、はんだボール１０のSnが溶融して、金属ボール
６のCuとの界面で金属間化合物を形成し、Cuの金属ボー
ル６間が連結された。この時の接続部５の金属顕微鏡に
よる観察結果を図８に示し、模式図を図９に示したが、
界面には、CuとSnの化合物８の層が形成されている。ま
た、溶融したSnは、半導体チップ１の電極３、中間基板
２の電極４とも金属間化合物を形成するため、Cuによる
金属ボール６と電極３、電極４がそれぞれ連結された。
このようにして、半導体チップ１の電極３と中間基板２
の電極４が連結される。従って、これらの化合物層形成
により、250℃以上での高温でも強度を保つことができ
る。最終的には、図１中の接続部５は、はんだボール１
０のSnがCu-Sn金属間化合物（Cu6Sn5、融点：約630℃）
となって、接触部及びその近傍は高融点化する。たとえ
Snの一部が残っても、他の部分が溶融しなければ、後付
けのはんだ接続時のプロセスに耐えられる強度を十分に
確保できる。
【００２１】また、部品、基板間に発生する歪みは、Cu
が柔らかいため、接続部内に残っているCu内である程度
変形することが可能であり、高鉛はんだが使用されてい
た接続部にこの方式を用いて代替することができる。従
って、はんだ付け後の耐熱疲労性を考慮すると、Cuの金
属ボール６間の接触部は化合物化しても、変形のし易さ
から、残りの部分ではSn、Cuが残っていることが望まし
い。即ち、最終的な接続部５内では、硬い化合物の割合
が少なく、変形しやすいCuの金属ボール６の割合が多い
方が耐熱疲労性が良くなるため、溶融させるSn量を調整
することでCuの金属ボール６間を接触に近い状態にする
ことが、金属ボール６間を化合物により接合させる上で
好ましい。
【００２２】従って、図２に示したような接続部を有す
る電子機器に対して、この後の行程で、従来Sn-Pb系は
んだを用いて行われてきた温度階層接続が可能となり、
この拡散接合部は250℃程度のはんだ付け温度では溶融
しないので、その部分で接合が少なくとも保たれ、後の
回路基板への実装時において剥がれたりすることはな
い。そこで、このSn-Pb系はんだを用いて行っていた後
工程を、環境を考慮して、Sn-Cu系、Sn-Ag系、Sn-Ag-Cu
系、Sn-Cu系、Sn-Zn系、及び、これらにBiや、Inを添加
して低融点化を図ったPbフリーはんだ材料等に代替し、
別の基板に温度階層接続することが可能である。
【００２３】尚、ここで、図１では金属ボール６にはCu
を用いたが、これに限らず、Ag、Au、Al、Ni、Cu合金、
Cu-Sn化合物、Ag-Sn化合物、Au-Sn化合物、Al-Ag化合
物、Zn-Al化合物、を用いても良い。Auはぬれ性が良い
ために、接続部のボイド低減に効果が有る。また、Au自
体は柔らかいため、応力緩和に適する。また、Alもこの
金属自体柔らかく、応力緩和に適する他、コストもAuに
比べて安くできる。
【００２４】また、該金属ボール６の表面に、Auめっ
き、もしくはAgめっき、もしくはSnの単体金属めっき、
もしくはSnを含む合金めっき、或いは２層めっきとし
て、下地にNiめっきし更にこの表面にAuめっき、もしく
は下地にNiめっきし更にこの表面にAgめっき、のいずれ
かを施して、ぬれ性を向上、及び強度向上させることも
可能である。２層めっきのメリットは保存安定性が良い
ことにある。このようにぬれ性を向上させると、接続部
内のボイドの低減に効果がある。また、めっき処理をす
ることで溶融したはんだが金属ボール６に沿って濡れ拡
がりやすくなり、金属ボール６間をより均等の間隔にで
きる。また、SnにBi等を1mass%以上微量添加すること
で、はんだの流動性を向上させ、端子上へのぬれ性を向
上させる効果がある、但し、Biが5mass%以上であると脆
さがでてくるので望ましくない。
【００２５】接続部５全体の熱膨張を低減するために
は、金属ボール６として、インバー系、シリカ、アルミ
ナ、AlN、SiC等を用い、表面にはんだをぬらすためのメ
タライズ、もしくは、Sn、In等のめっき、或いははんだ
めっきを施して、均一分散させた混合ペースト９を用い
ても良い。
【００２６】また、接続部に大きな歪みが発生する組み
合わせでは、プラスチックボール素材として、ポリイミ
ド系、耐熱エポキシ系、シリコーン系、各種ポリマービ
ーズもしくはこれらを変成したものを用い、表面にはん
だがぬれるメタライズを施したプラスチックボールを均
一分散させた混合ペースト９を用い、接続部５の剛性を
低減させることが可能である。
【００２７】金属ボール６は球状である必要はなく、表
面に凹凸が激しいもの、棒状、樹枝状、角状等を混ぜた
ものでも良い。球状が優れている点は印刷性にあり、狭
ピッチの接続には、球状のものを用いることが望まし
い。樹枝状晶等のメリットは隣接した樹枝状晶の接触部
が多く(Cu同志の絡み合いにより化合物接合が多い)、相
対的に金属の量が少なくても、高温時に強度を確保し、
耐熱疲労性向上が期待できる。このため、最終的には樹
枝状晶が接触で繋がれて、弾性的な動きをするのが理想
的と考える。従って、Cuの樹枝状晶をSn等で一旦包んで
球状化し、それをペースト成分と混ぜて、混合ペースト
とする方法も可能である。
【００２８】図２の例では、はんだボール１０には、Sn
を用いたが、これ以外にも、Sn-Cu系はんだ、Sn-Ag系は
んだ、Sn-Ag-Cu系はんだを持ちても良い。Sn中にCuが入
ると、融点が低下する他、Cuによる金属ボール６の場合
に金属ボール６からのCuの溶出を抑えることができる。
また、Agも融点の低下に効果がある。これらにIn、Zn、
Biのいずれか一つ以上を添加したはんだ、のうち１つ以
上を用いると、更に融点が低下し、図４の第３工程での
接続温度を低くできる。また、Sn系以外でも、接続温度
を低くできるInを用いてもよい。
【００２９】混合ペースト９中の金属ボール６とはんだ
ボール１０の大きさは、微細すぎるとぬれが悪くなるた
め、特にはんだは1μm以上あることが望ましい。上限値
は、最終的に電極に１つの金属ボールを有する図１０に
示した構造となればよいため、電極形状による。この構
造は、金属ボール単体が接続部の多く部分を占めるた
め、例えばCuを用いた金属ボールである場合には熱伝導
性が非常に良いため、放熱特性を期待できる。
【００３０】リフローは最高温度が280℃で行ったが、
はんだボール１０のSnが多く残ってしまう場合には、接
続温度を更に高くすることで解決できる。また、接続後
にエージング行程を設けて化合物成長させ、Sn量を減ら
すことも可能である。なお、高温で長時間エージングし
すぎるとCu3Sn化合物がCu側に成長する。Cu3Snの機械的
性質は硬く、脆いので、これを成長させないように制御
するのが強度を確保する上で望ましい。接続温度をでき
る限り高くできれば、エージングの後工程は不要にな
る。
【００３１】いずれにしても、本実施例による接続方法
では、従来の高鉛はんだより接続温度を低温化できるた
め、半導体チップ１、中間基板２への熱のダメージを低
減することができる。半導体チップ１としては、Siチッ
プ、GaAsによるチップの他、CSP、BGA等でも良い。ま
た、中間基板２は、一般的にはガラスエポキシ等の有機
基板を用いるが、高密度に実装する必要がある場合には
ビルドアップ基板等を用いる。また、自動車等の高耐熱
を要求される電子機器には、セラミック基板等が使用可
能である。また、基板を通した放熱性が必要な場合には
メタルコア基板が適している。 （実施例２）実施例１では、混合ペースト９の供給、及
び接続は、中間基板２上に印刷し、リフローすることに
よって行ったが、これ以外の方法を説明する。
【００３２】一般にＷＬ−ＣＳＰ（Wafer Level Chip
Size Package）といわれるように、ウェハ４０状態の各
チップ４１の電極上にあらかじめバンプを作成する方法
をとる。この製造工程を図１１に示す。まず、Si等のウ
ェハ４０上にAl、Al-Cu合金等の電極パッド４２をスパ
ッタや、エッチングを用いて形成し、更に、第２工程
で、ポリイミドや、シリコン窒化膜によって表面保護膜
４３を全面に被覆した後、電極パッド４２上に開口部を
形成する。次の第３工程でフォトレジスト４４を必要箇
所に供給し、第４工程で、Ｃｒ／Ｃｕ／Ｎｉ、或いはＣ
ｒ／Ｃｕ／Ａｕ等からなる金属多層膜４５を成膜し、第
５工程で更に表面保護膜４６を必要箇所に形成し、再配
線された電極パッド４７を得る。この電極パッド４７に
は、ぬれ性を向上させるため、Au等の層を形成しても良
い。この電極パッド４７上に混合ペースト９を印刷によ
って供給し、第６工程で加熱することによって、バンプ
４８に得る。この後、第７工程で各チップ４１のサイズ
にダイシングを行い、バンプ付きのSiチップ４９を得
る。このチップ４９をフェイスダウンで中間基板上に搭
載し、リフロー加熱、或いは加圧・加熱方式によって、
接続を行う。
【００３３】上記実施例の様にフラックスを入れた粘着
性のあるペーストで印刷するほか、この混合ペースト９
をディスペンサーで供給する方式も可能である。100μm
ピッチの高密度な電極へ混合ペーストを供給するには、
電極径が約50μmとすると、金属ボール６、はんだボー
ル１０の粒径は、電極径の1/10程度の５μm前後が望ま
しい。従って、3〜8μmの粒径のCu、はんだボールを混
合したペーストならば、バンプ径に対して粒径の凹凸が
目立たない。Cuは微細粒が入ってもロジンで還元できる
が、微細粒のSnボールはロジンで還元しにくいので、若
干、ハロゲン等の活性剤を含ませたRMAタイプのフラッ
クスにして使用すると良い。
【００３４】また、これらの混合ペースト９をあらかじ
め別な場所で加熱して球状にしておき、この金属ボール
とはんだとの集合体となった球を、個別に電極上に供給
しても良い。この工程を図１２に示した。第1工程では
んだにぬれない基材５０に、マスク５１を用いて、混合
ペースト９を印刷、第2工程で加熱し、混合ペーストの
集合体の球５２を得る（第3工程）。これを第4工程で半
導体チップ１の電極３上に振り込み治具５３等を用いて
供給し、これを加熱することによって、バンプ５４付き
半導体チップ５５を得ることができる（第5工程）。こ
れを第6工程バンプ５４が接続可能な表面処理５６、例
えば迎えはんだや、Auめっき等、を施した中間基板２上
に搭載し、第7工程で加熱し、第8工程で樹脂封止５７す
ることによって、実装構造体５８を得る。
【００３５】また、Cu等による金属の細線の表面に、Sn
等のはんだめっき等を施し、これを細かく切断して、金
属ボール６、はんだボール１０の代わりにしてペースト
化し、印刷、ディスペンサー等で供給しても良い。ま
た、Cu箔の表面にSnめっき等を行い、これを打ち抜いて
円盤状にしたものを個別に供給、或いはペースト化して
用いても良い。
【００３６】基板の電極には、ぬれ性を向上させるため
に、Snめっき、Sn合金めっき、Auフラッシュめっき、Ag
めっき等の処理を施しておいてもよい。また、基板の電
極にも、混合ペーストを印刷、ディスペンサー等で供給
しておいてもよい。Sn、Sn合金等を用いたはんだによる
はんだペーストを基板上の電極に供給しておくことも、
ぬれ性向上のために効果がある。 （実施例３）微細粒、もしくは樹枝状晶のCu粉と、ほぼ
等価な径を有するSnはんだを不活性雰囲気で混合し、室
温で圧縮成形すると、空間のない複合はんだを得ること
ができる。これを、球状、四角等に加工することができ
る。この状態でははんだボールであるSnを溶融させてい
ないため、CuとSnとは未反応な状態であり、はんだ付け
時に、Snが溶ける232℃以上では自由に動く状態になっ
ている。また、これらの粒子を均一分散させ、予め端子
ピッチに合わせたメタルマスク上に載せ、Siチップの端
子上に位置決めして供給することが可能である。また、
表面がSnにぬれる表面処理を施した低熱膨張な石英、イ
ンバー等を均一に分散することも可能である。
【００３７】また、より柔らかくするため、同様に表面
がSnにぬれる表面処理を施した約１μmの耐熱性のポリ
マービーズ等を均一に分散することも可能である。この
ポリマービーズ等のゴムの効果は耐衝撃性、耐温度サイ
クル性を向上させ、寿命向上につながる。特に、Si素子
の端子部への応力的負担を軽減させる意義は大きい。図
１３はポリマービーズを用いた接続後の断面モデルを示
す。ポリマービーズ６０上にNiめっき、更にこの上にAu
めっきの表面処理層６１を施して、Snはんだで加熱した
接続部を示している。このとき、Auははんだ中に拡散し
てAu-Snの化合物が形成され、更にSnはNiとも反応してN
i-Sn化合物が７中に形成され、接続部５は高融点化して
連結されている。
【００３８】なお、CSP、フリップチップ等の実装はモ
バイル製品等に使用されることが多い。このため、接続
後に適正な物性を有する樹脂を充填することで、高信頼
性を確保することができる。樹脂の熱膨張係数として、
15〜40×10-6/℃の範囲に有り、望ましくはバンプに近
い20×10-6/℃前後で、ヤング率は100〜2000kgf/mm
2で、望ましくは素子への影響を少なくするため400〜10
00kgf/mm2位が望ましい。 （実施例４）本発明の電極構成を用いて、温度階層接続
を行った例を図１４に示す。これは、Siチップ２１の電
極２２とインターポーザーといわれる中間基板２３の電
極２４とを金属ボール、はんだ及びその化合物で接続２
５し、接続構造体２６を得たものである。この接続構造
体２６を、融点が220℃程度のSn-Ag-Cu系はんだ２７
（例えばSn-3Ag-0.5Cu(融点：221〜217℃)）を用いてガ
ラスエポキシ基板２８の電極２９に接続する。接続構造
体２６とガラスエポキシ基板２８とを接続する時、窒素
リフロー炉で、接続部の到達温度が235℃となるように
はんだ付けを行ったが、接続構造体２６の接続部２５
は、高融点化しているため、再溶融することなく、ま
た、剥がれも起きず、安定な状態を保っていた。
【００３９】このとき、本発明による接続部２５がSiチ
ップ２１、中間基板２３間に発生する応力に耐えられな
い場合には、Siチップ２１、中間基板２３間に樹脂３０
を封入して、接続部２５に発生する応力を分散させても
良い。
【００４０】また、Siチップ２１の他に、該中間基板２
３上に、複数のチップ、或いは、チップ部品等も一緒に
本発明の方式を用いて接続し、１つの機能を有するモジ
ュールを提供することも可能である。
【００４１】図１５に本発明をＲＦモジュールに適用し
た例を示す。これはＳＡＷフィルターといわれるＬＴ
（リチウムタンタレート）等の半導体チップ１０１を、
セラミックによる配線基材１０２に導電性ペースト１０
３、ワイヤボンディング１０４によって接続され、半導
体チップを保護するためにカバー１０５が設けられてい
る。このモジュール１０６と、チップ部品１０７、コイ
ル部品１０８等を、ガラスエポキシ等による中間基板１
０９に接続するが、この接続に、金属ボールとはんだと
の混合ペーストを用いて接続１１０することが可能であ
る。同時に全体カバー１１１も中間基板１０９に接続可
能である。接続部１１０は、はんだと金属ボールとの反
応によって高融点化しているため、中間基板の電極１１
２を用いて、他のはんだによるマザーボードへの接続が
可能である。 （実施例５）本発明の電極構成を用いた別の例を図１６
に示す。これは、基板中に金属による熱拡散経路を造っ
て熱を逃がせる構造にした例である。図１６（１）はＳ
ｉチップ３１の真上から電極の配置を見た図であるが、
この例では、信号用の電極３２はＳｉチップ３１の外周
の３列に配置されていて、内部の電極は熱を逃がすため
に取り付けた熱拡散用電極３３である。このSiチップ３
１の基板３４への接続部について、図１６（１）のa-a'
断面を図１６（２）に示したが、熱拡散用電極３３の基
板３４側の電極３５に接してサーマルビア３６が形成さ
れている。このサーマルビア３６は、基板３４の内側の
メタルコア層３７につながっている。信号用電極３２、
熱拡散用電極３３は、共に本発明を用いて作られてい
て、金属ボールにはCu、はんだにはSn-3Agを用いてい
る。ここで、はんだの熱伝導率は、Sn-37Pb、Pb-5Snは
んだの場合、それぞれ約55W/mK、約36W/mKであるのに対
し、Cuの熱伝導率は約390W/mKであることから、Cuが多
い接続部３８は、はんだを用いていた従来の接続部より
熱伝導が良い。更に、放熱の良い接続部３８の電極か
ら、サーマルビア３６を通して、メタルコア層３７に熱
を拡散させることが可能となる。従って、本発明による
接続では、接続部３８を介する熱伝導、熱放散が活発に
なり、高出力素子の実装に対しては優れた方式といえ
る。
【００４２】ここで、信号用電極３２のうち、グランド
電極３９は、基板３４のメタルコア層３７に同様にビア
１００を形成してつないでも良い。即ち、メタルコア層
３７を基板のグランドと兼ねることも可能である。ま
た、サーマルビア３６、メタルコア層３７、ビア１００
は今回はCuを用いて形成したが、Alなどを用いても良
い。また、逆に、Siチップ３１（ＬＳＩ）の十分な性能
を得られるように、金属ボール６、サーマルビア３６、
メタルコア層３７の材質を選択することも可能である。
【００４３】以上のように、本発明は、金属ボール６の
材質によって熱伝導を通常のはんだ接続に比べ大きく向
上させることができるため、高出力のSiチップの接続、
狭ピッチのLSIとの接続には、Siチップ（ＬＳＩ）の性
能を守る上でも適している。具体的な例としては、自動
車用に車内に搭載される電子機器等の接続構造に適す
る。また、図１５に示したＲＦモジュールでも、熱によ
って周波数がずれるため、このような製品にも放熱特性
の良い接続部を有することは、モジュールの性能を守る
上で重要である。また、本実施例の様に、本発明の電極
構造を信号用電極のみでなく、放熱用電極として使用す
ることもでき、更にメタルコア層を有する基板等と共に
用いると一層の放熱効果がある。
【００４４】
【発明の効果】本発明によれば、従来、電子機器の製造
に使われてきた、融点が高い鉛を多く含有する高鉛はん
だの代替材料を供給できる。この材料では、接続温度は
低温で可能であるが、接続後は高融点化でき、融点が22
0℃程度のSn-Ag-Cu系のPbフリーはんだ等による温度階
層接続が可能となる。また、部品、基板材料の熱膨張係
数の差により電極部に発生する応力、歪みに耐えること
のできる電極構成を得ることができる。またこれを用い
ることにより、環境への負荷を低減できる。更には、熱
伝導性の高い金属が多い構造であることから、バンプを
介する熱伝導、熱放散も活発になり、高出力素子の実装
に対しては優れた方式である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実装構造体を示す図である。
【図２】本発明の電極間の接続部の構成を示す図であ
る。
【図３】接続部の形状が直方体、円筒状、あるいはウェ
スト形状である例を示す図である。
【図４】図１に示した電子機器の製造工程を示す図であ
る。
【図５】図１に示した電子機器の製造工程を示す図であ
る。
【図６】図４に示した製造工程の第２工程での、加熱す
る前の混合ペースト供給時の様子を示した図である。
【図７】フラックス成分が接続後にアンダーフィルとし
て機能している例を示した図である。
【図８】接続部５の金属顕微鏡による観察結果を示した
図である。
【図９】接続部５を模式的に示した図である。
【図１０】本発明の電極間の接続部の別の例を示す図で
ある。
【図１1】本発明を用いた半導体チップ上の電極の製造
工程を示す図である。
【図１２】本発明の別の製造工程を示す図である。
【図１３】ポリマービーズを用いた接続部を示す図であ
る。
【図１４】本発明を温度階層接続に利用した例を示した
図である。
【図１５】本発明をＲＦモジュールに適用した例を示し
た図である。
【図１６】本発明の構造について、更に放熱特性を向上
させた例を示した図である。
【符号の説明】
１…半導体チップ、２…中間基板、３…電極、４…電
極、５…接続部、６…金属ボール、７…はんだ、８…化
合物、９…混合ペースト、１０…はんだボール、１１…
フラックス成分、１２…封止樹脂、１３…電極、１４…
はんだボール、１５…プリント配線基板、１６…配線ラ
ンド、１７…迎えはんだ、１８…接続部、１９…実装構
造体、２０…樹脂、２１…Siチップ、２２…電極、２３
…中間基板、２４…電極、２５…本発明による接続部、
２６…接続構造体、２７…Sn-Ag-Cu系はんだ、２８…ガ
ラスエポキシ基板、２９…電極、３０…樹脂、３１…Si
チップ、３２…信号用の電極、３３…熱拡散用電極、３
４…基板、３５…基板側の電極、３６…サーマルビア、
３７…メタルコア層、３８…接続部、３９…グランド電
極、４０…ウェハ、４１…チップ、４２…電極パッド、
４３…表面保護膜、４４…フォトレジスト、４５…金属
多層膜、４６…表面保護膜、４７…電極パッド、４８…
バンプ、４９…バンプ付きSiチップ、５０…基材、５１
…マスク、５２…混合ペーストの集合体の球、５３…振
り込み治具、５４…バンプ、５５…バンプ付きSiチッ
プ、５６…表面処理、５７…樹脂封止、５８…実装構造
体、６０…ボリマービーズ、６１…表面処理層、１００
…ビア、１０１…半導体チップ、１０２…配線基材、１
０３…導電性ペースト、１０４…ワイヤボンディング、
１０５…カバー、１０６…モジュール、１０７…チップ
部品、１０８…コイル部品、１０９…中間基板、１１０
…本発明による接続部、１１１…全体カバー、１１２…
電極、
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） // Ｂ２３Ｋ 35/26 ３１０ Ｂ２３Ｋ 35/26 ３１０Ａ Ｂ２３Ｋ 101:42 101:42 (72)発明者 石田 寿治 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 三浦 一真 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 Ｆターム(参考） 4K044 AA06 AB01 BA06 BA08 BA10 BB01 BB03 BC08 5E319 AC01 BB04 CC33 GG03

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】電子部品の電極と基板の電極間の接続部
    が、単体金属、合金、化合物もしくはこれらの混合物を
    含む金属ボールを、Sn、もしくはInのどちらか一方で連
    結している構成であることを特徴とする電子機器。
  2. 【請求項２】電子部品の電極と基板の電極間の接続部
    が、単体金属、合金、化合物もしくはこれらの混合物を
    含む金属ボールを、Sn、もしくはInのどちらか一方であ
    るはんだとの化合物、及び該はんだで連結している構成
    であることを特徴とする電子機器。
  3. 【請求項３】電子部品の電極と基板の電極間の接続部
    が、単体金属、合金、化合物もしくはこれらの混合物を
    含む金属ボールを、Sn-Cu系はんだ、Sn-Ag系はんだ、Sn
    -Ag-Cu系はんだ、これらにIn、Zn、Biのいずれか一つ以
    上を添加したはんだのうち一種以上で連結している構成
    であることを特徴とする電子機器。
  4. 【請求項４】電子部品の電極と基板の電極間の接続部
    が、単体金属、合金、化合物もしくはこれらの混合物を
    含む金属ボールを、Sn-Cu系はんだ、Sn-Ag系はんだ、Sn
    -Ag-Cu系はんだ、これらにIn、Zn、Biのいずれか一つ以
    上を添加したはんだのうち一種以上のはんだとの化合
    物、及び該はんだで連結している構成であることを特徴
    とする電子機器。
  5. 【請求項５】前記金属ボールがCu、Ag、Au、Al、Ni、Cu
    合金、Cu-Sn化合物、Ag-Sn化合物、Au-Sn化合物、Al-Ag
    化合物、Zn-Al化合物、もしくはこれらの混合物を含む
    ボールであることを特徴とする請求項１から４のいずれ
    かに記載の電子機器。
  6. 【請求項６】前記金属ボールにAuめっき、もしくはAgめ
    っき、もしくはSnの単体金属めっき、もしくはSnを含む
    合金めっき、もしくは２層めっきとして下地にNiめっき
    し更にこの表面にAuめっき、もしくは下地にNiめっきし
    更にこの表面にAgめっき、のうちいずれかを施したこと
    を特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の電子機
    器。
  7. 【請求項７】電子部品の電極と基板の電極間の接続にお
    いて、単体金属、合金、化合物もしくはこれらの混合物
    を含む金属ボールと、Sn、もしくはInのどちらか一方を
    含むはんだボールとを混合してなるペーストを該電極間
    に供給し、これらを加熱し、該はんだボール成分を溶融
    させることにより該金属ボール間、及び該金属ボールと
    該電子部品の電極、該基板の電極間を連結させることを
    特徴とする電子機器。
  8. 【請求項８】電子部品の電極と基板の電極間の接続にお
    いて、単体金属、合金、化合物もしくはこれらの混合物
    を含む金属ボールと、Sn-Cu系はんだ、Sn-Ag系はんだ、
    Sn-Ag-Cu系はんだ、これらにIn、Zn、Biのいずれか一つ
    以上を添加したはんだ、のうち一種以上を混合してなる
    ペーストを該電極間に供給し、これらを加熱し、該はん
    だボール成分を溶融させることにより該金属ボール間、
    及び該金属ボールと該電子部品の電極、該基板の電極間
    を連結させることを特徴とする電子機器。
  9. 【請求項９】前記金属ボールがCu、Ag、Au、Al、Ni、Cu
    合金、Cu-Sn化合物、Ag-Sn化合物、Au-Sn化合物、Al-Ag
    化合物、Zn-Al化合物、もしくはこれらの混合物を含む
    ボールであることを特徴とする請求項７または８に記載
    の電子機器。
  10. 【請求項１０】請求項７から９のいずれか１項に記載の
    電子機器であって、前記金属ボールにAuめっき、もしく
    はAgめっき、もしくはSnの単体金属めっき、もしくはSn
    を含む合金めっき、もしくは２層めっきとして下地にNi
    めっきし更にこの表面にAuめっき、もしくは下地にNiめ
    っきし更にこの表面にAgめっき、のうちいずれかを施し
    たことを特徴とする電子機器。
  11. 【請求項１１】前記接続部の形状が球帯形状、円筒状、
    直方体、ウェスト形状であることを特徴とする請求項１
    から５のいずれか１項に記載の電子機器。
  12. 【請求項１２】請求項１から１１のいずれか１項に記載
    の電子機器の基板が、メタルコア層を有することを特徴
    とする電子機器。
  13. 【請求項１３】請求項１から１２のいずれか１項に記載
    の電子機器を、Pbフリーはんだを用いて他の基板に実装
    したことを特徴とする実装構造体。
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