(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１部品と、第２部品とを含む電子装置の製造方法であって、
液相線温度が２００℃以上であり、かつ、重量比が８５％〜９０ｗｔ％のＢｉを含む金属からなる第１はんだと、液相線温度が２００℃以上であり、かつ、Ｓｎを含む金属からなる第２はんだと、を溶融し混ぜると、前記第１及び第２のはんだのいずれの液相線温度より低い液相線温度を有する合金となる、第１はんだと第２はんだとを準備する工程と、
前記第１部品又は前記第２部品のうち一方の上に、前記第１はんだからなる第１バンプを形成する工程と、
前記第１部品又は前記第２部品のうち他方の上に、前記第２はんだからなる第２バンプを形成する工程と、
前記第１バンプと前記第２バンプとを接触させ、前記第１はんだ及び前記第２はんだの液相線温度よりも高い温度で、前記第１バンプと前記第２バンプとを溶融し、前記合金からなるはんだ接合部を前記第１部品と前記第２部品との間に形成する工程と、
前記はんだ接合部を降温することにより、前記はんだ接合部が凝固する工程と、を有することを特徴とする電子装置の製造方法。
【請求項２】
更に、Ｓｎの重量比が前記第１はんだに含まれるＳｎの重量比よりも大きい第４はんだからなるはんだ層を前記第１バンプの上に形成する工程を有することを特徴とする請求項１に記載の電子装置の製造方法。
【請求項３】
更に、前記はんだ層の上面を平坦化する工程を有することを特徴とする請求項２に記載の電子装置の製造方法。
【請求項４】
第１部品と、第２部品とを含む電子装置の製造方法であって、
液相線温度が２００℃以上であり、かつ、重量比が８５％以上のＢｉ及びＳｎを含む金属からなる第１はんだと、液相線温度が２００℃以上であり、かつ、Ｓｎを含むる金属からなる第２はんだと、を溶融し混ぜると、前記第１及び第２のはんだのいずれの液相線温度より低い液相線温度を有する合金となる、第１はんだと第２はんだとを準備する工程と、
前記第１部品又は前記第２部品のうち一方の上に、前記第１はんだからなる第１バンプを形成する工程と、
前記第１部品又は前記第２部品のうち他方の上に、前記第２はんだからなる第２バンプを形成する工程と、
前記第１バンプと前記第２バンプとを接触させ、前記第１はんだ及び前記第２はんだの液相線温度よりも高い温度で、前記第１バンプと前記第２バンプとを溶融し、前記合金からなるはんだ接合部を前記第１部品と前記第２部品との間に形成する工程と、
前記はんだ接合部を降温することにより、前記はんだ接合部が凝固する工程と、を有することを特徴とする電子装置の製造方法。
【請求項５】
表面に電極を備える回路基板を準備する工程と、
前記電極上に、Ｂｉを基としＳｎを含む第１はんだからなる第１バンプを形成する工程と、
前記第１バンプ上に、前記第１はんだよりもＳｎの重量比が大きい第２はんだからなるはんだ層を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体素子搭載用基板の製造方法。
【請求項６】
前記はんだ層の上面を平坦化する工程を有することを特徴とする請求項５に記載の半導体素子搭載用基板の製造方法。
【請求項７】
回路基板と、
前記回路基板上に設けられた電極と、
前記電極上に設けられ、Ｂｉを基としＳｎを含む第１はんだからなる第１バンプと、
前記第１バンプ上に、前記第１はんだよりもＳｎの重量比が大きい第２はんだか
らなるはんだ層と、
を備えることを特徴とする電子部品搭載用基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の部品がはんだバンプを介して接合されてなる電子装置の製造方法を提供する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ＬＳＩの高速化、多機能化によって半導体素子の接続端子数は増加する傾向にある。その接続は半導体素子上に形成されたはんだバンプを用いたフェイスダウンでのフリップチップ実装方式が採用されている。半導体素子のはんだバンプを構成する材料として、例えば、錫（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）系合金、錫−銅（Ｃｕ）系合金、錫−銀−銅系合金が使用されている。【０００３】
フリップチップ実装方式では、通常、前述の通り半導体素子の電極にはんだバンプを形成する一方で、その半導体素子を搭載するための回路基板の電極上にもはんだ合金を供給する。回路基板の電極上に供給されるはんだ合金は、半導体素子に形成したはんだバンプと主成分が略同一であることが一般的である。バンプ接続時のはんだ濡れ性を良好なものとし、さらに微小なピッチに対して十分な量のはんだを供給し、高い接続信頼性を維持するためである。【０００４】
低コスト化と微細化を実現するため、回路基板には有機材料を用いたビルドアップ基板が用いられている。回路基板に半導体素子を上記はんだバンプの材料を用いて接合した場合、例えば２５０℃以上の高温に加熱する。この加熱によって溶融した半導体素子のはんだバンプと回路基板のはんだバンプは相互に溶融一体化し、冷却することで接合が完了する。【０００５】
この冷却過程において、溶融一体化して得られるはんだ接合部は、液体から固体に変化した後半導体素子と回路基板はお互いが物理的に拘束される。有機材料を用いた基板は熱膨張係数が１５〜２２ｐｐｍ／℃と高く、一方、半導体素子の熱膨張係数は３〜５ｐｐｍ／℃と小さい。このため、常温まで冷却される過程（はんだの凝固から常温に変化する過程）で半導体素子、回路基板およびはんだ接合部は熱膨張差に起因した大きな応力を受けることになる。この応力は、半導体素子のクラックや接合部の破壊など品質低下に繋がる大きな問題となる。このように半導体素子と回路基板の熱膨張差（応力）によって生じる問題は、今後益々半導体素子の端子数増加に伴う素子サイズの大型化でより一層加速される大きな問題となっている。【０００６】
この問題を解決する一つの方法として、低融点のはんだの使用が考えられる。低融点はんだとしては、例えば、融点が１３９℃のＳｎ−５８Ｂｉはんだや、融点が１１５℃のＳｎ−５２Ｉｎはんだが挙げられる。低融点のはんだの使用は、接合時の応力に起因した様々な問題を解決する一つの手段となる。しかしながら、融点の低いはんだを半導体素子に形成することは、半導体素子のバーンイン試験にてはんだが溶融し、電気的特性に関する十分な信頼性評価ができないという問題を生じさせる。
【特許文献１】特開平１０−４１６２１号公報
【特許文献２】国際公開公報ＷＯ９４／０２７７７７パンフレット
【特許文献３】特開２００７−２０８０５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、電子部品の十分な信頼性評価が可能であり、且つその電子部品を別の電子部品上にはんだバンプを介して接合された電子装置の電気特性に関する信頼性を高めることが可能な製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面によると、
第１部品と、第２部品とを準備する工程と、
前記第１部品又は前記第２部品のうち一方の上に、Ｂｉを基とする第１はんだからなる第１バンプを形成する工程と、
前記第１部品又は前記第２部品のうち他方の上に、Ｓｎを基とし、液相線温度が前記第１はんだと略同一である第２はんだからなる第２バンプを形成する工程と、
前記第１はんだ及び前記第２はんだの液相線温度よりも高い温度で、前記第１バンプと前記第２バンプとを接触することにより、第１バンプと第２バンプとが一体化して前記第１はんだ及び前記第２はんだよりも液相線温度が低い第３はんだからなるはんだ接合部を前記第１部品と前記第２部品との間に形成する工程と、
前記はんだ接合部を降温することにより、前記はんだ接合部が凝固する工程と
を有することを特徴とする電子装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、電子部品と別の電子部品とをはんだを介して接合する際に、両電子部品およびはんだに生じる応力を低く抑えられるため、得られる電子装置の電気特性に関する信頼性が高まる。また、電子部品の電気特性に関する十分な信頼性評価を行うことができるため、得られる電子装置の信頼性が高まる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、第１実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式的断面図である。
【図２】図２は、Ｂｉ−Ｓｎはんだの状態図である。
【図３】図３は、第２実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式的断面図である。
【図４】図４は、はんだバンプの頭頂部に対しプレス機を用いて平坦化処理を行った後における平坦面の直径とそのばらつきの範囲を示す図である。
【図５】図５は、平坦化したはんだバンプの頭頂部を撮影した写真である。
【符号の説明】
【００１１】
１１    回路基板
１２    電極
１３    はんだバンプ
１４    はんだ層
１５    半導体素子搭載用基板
２２    はんだ接合部
２４    半導体素子
２５    はんだバンプ
５１ａ〜５１ｄ    はんだバンプの頭頂部
５２    はんだ層を設けたはんだバンプの頭頂部
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、第１実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式的断面図である。
まず、図１Ａに示されるように、半導体素子２４を準備し、その表面にはんだ２５を設ける。【００１３】
半導体素子２４は、例えばＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ−Ｓｃａｌｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）等、公知の半導体素子である。半導体素子２４の熱膨張係数は、例えば３〜４×１０−６Ｋ−１程度である。【００１４】
はんだバンプ２５は半導体素子２４の表面に形成される。はんだバンプ２５は、Ｓｎを基とする合金からなる。ここでＳｎを基とする合金は、Ｓｎの重量比が５０ｗｔ％超過の合金である。はんだバンプ２５に使用される合金としては、例えば、Ｓｎ−Ａｇ合金、Ｓｎ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ｂｉ合金などが挙げられる。【００１５】
はんだバンプ２５の液相線温度が後工程においてはんだバンプ１３とはんだバンプ２５とが溶融し一体化して形成されるはんだ接合部の液相線温度よりも高くなるように、はんだバンプ２５の組成は設計される。はんだバンプ２５が表面に設けられた半導体素子２４について、バーンイン試験と呼ばれる信頼性評価試験が行われる。バーンイン試験は、半導体素子の劣化を温度と電圧により加速させて、初期不良の半導体素子を事前に取り除くスクリーニング法である。半導体素子２４のバーンイン試験は、通常１５０〜２００℃程度の温度条件下で行われる。はんだバンプ２５は溶融温度が２１０℃以上のはんだで構成されることが、２００℃程度のバーンイン試験によって溶融しない点から好ましい。液相線温度が２１０℃以上のはんだとしては、例えば、Ｓｎ−３．５Ａｇ合金（凝固点：２２１℃）、Ｓｎ−０．７Ｃｕ合金（凝固点：２２７℃）、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ合金（凝固点：２１７℃）などが挙げられる。なお、本明細書中において、元素記号の前に示される数字は、はんだに含まれる当該元素の含有比率を示す。数字が示されていない元素の含有比率は、１００と数字が前に表記された元素の当該数字の和との差である。例えば、Ｓｎ−３．５Ａｇ合金は、Ａｇが３．５ｗｔ％、Ｓｎが９６．５ｗｔ％である。但し、その合金に含まれるＳｎは厳密に９６．５ｗｔ％でなくてもよい。例えば、Ｓｎ−３．５Ａｇ合金に含まれるＳｎは９６．５ｗｔ％未満で、ＡｇとＳｎの残部は０．０１〜１ｗｔ％の微量の他元素であってもよい。【００１６】
なお、はんだバンプ２５は、得られる半導体装置においてはんだ接合部の強度（ｓｔｒｅｎｇｔｈ）や伸び（ｄｕｃｔｉｌｉｔｙ）などの機械的性質を向上させるため、更にＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｚｎなどのいずれかの元素を０．０１〜１％含んでもよい。また、半導体素子２４上に設けられたはんだバンプ２５の総体積は、例えば１×１０５〜６×１０５μｍ３である。ただし、はんだバンプ２５の体積は接続ピッチや接続高さによって適宜選択することができる。【００１７】
半導体素子２４の表面にはんだバンプ２５を形成する方法は、図１Ｃを用いながら後述する電極１２上にはんだバンプ１３を形成する方法と同様である。【００１８】
次いで、以下の手順により半導体素子搭載用基板１５を準備する。半導体素子搭載用基板１５を準備する手順について、図１Ｂ、図１Ｃを用いて説明する。【００１９】
まず、図１Ｂに示されるように、表面に電極１２を備える回路基板１１を準備する。【００２０】
回路基板１１は、その内部及び／又は表面に図示されない配線を備える。回路基板１１の材料は、特に限定されないが、配線を流れる電流が漏電しにくいように電気的絶縁性の高い材料が用いられる。電気的絶縁性の高い材料としては、例えば、エポキシ樹脂等の有機樹脂が挙げられる。有機樹脂基板は、熱膨張係数が１５〜２０ｐｐｍ／Ｋ程度と比較的高い。基材の一部に導電性の高い材料が用いられている場合でも、配線と高い導電性を備える材料との間に電気的絶縁性の高い材料が設けられた基材であればよい。【００２１】
電極１２は、回路基板１１の上に設けられる。電極１２は、回路基板１１に設けられた図示されない配線に電気的に接続されている。電極１２の材料は、導電性を有する限りにおいて特に限定されず、後述のはんだバンプ１３に対する濡れ性が高いことが好ましい。電極１２の材料として、例えば、金、銀、銅、ニッケル等が用いられる。【００２２】
回路基板１１の表面に電極１２を形成する手段は特に限定されない。集積回路の製造に用いられるスパッタリング、めっきなどの成膜技術、フォトリソグラフィ法やエッチング法等を利用したパタニング技術、及び機械加工や研磨加工などの研磨技術を含む既存の薄膜製造プロセスを用いて、回路基板１１の表面に電極１２を形成することができる。なお、表面に電極が設けられた市販の回路基板を準備してもよい。【００２３】
次いで、図１Ｃに示されるように、電極１２上にはんだバンプ１３を形成し、半導体素子搭載用基板１５を得る。【００２４】
はんだバンプ１３は、Ｂｉを基とする合金からなる。ここでＢｉを基とする合金は、Ｂｉの重量比が５０ｗｔ％超過の合金である。はんだバンプ１３の液相線温度は、はんだバンプ２５のそれと略同一である。両はんだバンプの液相線温度がそのような関係であるとき、後工程においてはんだバンプ１３とはんだバンプ２５とが溶融し一体化する際に両はんだバンプを構成する材料が互いに拡散しやすく、両はんだバンプが一体化して形成されるはんだ接合部の組成のばらつきが少なくなる。【００２５】
また、上述のように、はんだバンプ２５が設けられた半導体素子２４に対して予めバーンイン試験などの信頼性試験を行うため、はんだバンプ１３の液相線温度及びはんだバンプ２５の液相線温度がはんだバンプ１３とはんだバンプ２５とが溶融し一体化して形成されるはんだ接合部の液相線温度よりも高くなるように、はんだバンプ１３及びはんだバンプ２５の組成はそれぞれ設計される。【００２６】
はんだバンプ１３の液相線温度は、はんだバンプ２５のそれと略同一であるが、厳密に同一である必要はない。本実施形態の半導体装置の製造方法において、はんだを接合する際に用いるリフローコンベア炉の温度公差の範囲、及び合金の組成ずれに伴う液相線温度の公差の範囲において、はんだバンプ１３の液相線温度とはんだバンプ２５の液相線温度との間に差があってもよい。リフローコンベア炉の温度公差は±２０℃であり、好ましくは±１０℃であり、特に好ましくは±５℃である。合金の組成ずれによる公差の範囲は、例えばＢｉ−Ｓｎ合金の場合±３〜５℃である。以上を考慮すると公差の範囲はおよそ±２０℃であり、この温度公差の範囲内において、はんだ材料の機械的強度や入手のしやすさなどを考慮してはんだバンプに使用される材料を選択することができる。【００２７】
例えば、半導体素子２４のバーンイン試験を２００℃で行うとき、はんだバンプ２５は、上述のように、Ｓｎ−３．５Ａｇ合金（凝固点：２２１℃）、Ｓｎ−０．７Ｃｕ合金（凝固点：２２７℃）、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ合金（凝固点：２１７℃）など、液相線温度（凝固開始温度）が２１０℃以上のはんだを用いる。Ｓｎ−２．６Ａｇ合金（凝固開始点：２２５℃）からなるはんだバンプ２５に対応するはんだバンプ１３の液相線温度は、リフローコンベア炉の温度公差が±２０℃であるとき、２０５〜２４５℃である。この温度範囲の液相線温度を有するはんだバンプ１３の組成比は、例えば、Ｂｉの重量比が８５〜９０ｗｔ％、Ｓｎの重量比が１５〜１０ｗｔ％である。【００２８】
後工程においてはんだバンプ１３とはんだバンプ２５とが溶融し一体化する際に、両はんだバンプを構成する材料が互いに拡散しやすい点から、はんだバンプ１３は、更にＳｎを含むことが好ましい。【００２９】
得られる半導体装置においてはんだ接合部の強度（ｓｔｒｅｎｇｔｈ）や伸び（ｄｕｃｔｉｌｉｔｙ）などの機械的性質を向上させるため、はんだバンプ１３は、更にＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｎｉ、Ｇｅ、Ｚｎなどのいずれかの元素を０．０１〜１％含んでもよい。また、はんだバンプ１３は、ソフトエラーを引き起こすα線量の多いＰｂなどの元素の含有量が少ないことが好ましい。【００３０】
電極１２の上にはんだバンプ１３を形成する手段は特に限定されないが、例えば、予め組成を調整したはんだボールをフラックスを使用して搭載接合する方法、あるいは、予め組成を調整したはんだ粉末とフラックスからなる樹脂分とを混合したはんだペーストを電極上に印刷供給する方法、めっき法、メタルジェット法などの中から適宜選択することができる。特に印刷供給法は、フラックス樹脂分と混合しペースト化することで、容易に電極上にはんだを供給することができるため好ましく用いられる。【００３１】
例えば、はんだバンプ１３を形成する手段としてはんだペースト印刷法を用いるとき、はんだペーストは、上記組成に調整した前述のはんだをディスクアトマイズ法を用いて粒径が２０μｍ以下になるように生成した粉末と、フラックスとを混練することにより得られる。混合比率は、例えばはんだが９０ｗｔ％、フラックスが１０ｗｔ％である。【００３２】
フラックス成分は、ロジン、溶剤、活性剤、チクソ剤をベースに調合される。ロジンとしては、天然ロジン、重合ロジンなど適宜選択することができ、溶剤は高融点はんだに適した比較的高い沸点の溶剤を利用する。例えば、ブチルカルビトールや、安息香酸ベンジルなどを用いることが可能である。活性剤は、ハロゲン系、有機酸系、アミン系のいずれを選択しても良い。チクソ剤は硬化ヒマシ油などを用いることができる。これらフラックス成分は印刷性やポットライフを考え適時最適なものを選択することができる。また、ロジンの代わりにエポキシ系樹脂を選択しても構わない。【００３３】
はんだペーストの印刷には、回路基板１１の電極１２が設けられた場所に対応する開口部を備えるメタルマスクを用いた。メタルマスクの開口サイズ及び膜厚を調整することで、はんだペーストの供給量を調整することができる。はんだペーストを電極上に供給した後、例えば温風加熱方式の窒素リフローコンベア炉などを用いて加熱溶融する。【００３４】
はんだペーストの印刷の際、精度良く安定したはんだペーストの供給を行うため、開口サイズの異なるメタルマスクを用いて複数回に分けて電極１２上にはんだペーストを供給してもよい。例えば、２回の印刷により電極１２上にはんだペーストを供給するとき、１回目の印刷に使用するメタルマスクは、開口サイズをφ１００μｍ、マスク厚さを３０μｍ、２回目に使用するメタルマスクは、開口サイズをφ１３５μｍ、マスク厚さを８０μｍとすることができる。第１回目の印刷で上述のはんだペーストを電極上に供給した後、温風加熱方式の窒素リフローコンベア炉にて加熱溶融させ、常温まで冷却する。その後、２回目の印刷用メタルマスクを用いて、前述のはんだペーストを１回目の印刷で電極１２上に設けられたはんだの上に供給し、１回目と同様に加熱溶融させて半導体素子搭載用基板へのはんだ形成を行う。その後、１回目の印刷後と同様に、温風加熱方式の窒素リフローコンベア炉にて加熱溶融させ、常温まで冷却する。電極１２上に設けられたはんだバンプ１３の総体積は、例えば４×１０５〜８×１０５μｍ３である。【００３５】
なお、電極１２上にはんだバンプ１３を形成したあと、はんだバンプ１３の頭頂部をプレスなどにより平坦化することにより、半導体素子の搭載ずれを抑制することが可能である。【００３６】
次いで、図１Ｄに示されるように、電極１２上に設けられたはんだバンプ１３と、半導体素子２４に設けられたはんだバンプ２５とを位置合わせして接触させる。その後、はんだバンプ１３と２５の両方が溶融する温度に加熱する。すると、図１Ｅに示されるように、はんだバンプ１３とはんだバンプ２５とが溶融し、一体化し、はんだ接合部２２を形成する。半導体素子２４上のはんだバンプ２５及び回路基板１１上の電極１２上のはんだバンプ１３は、例えばいずれも２００℃以上の高い溶融温度である。接合加熱溶融時に両はんだの液相線温度（凝固開始温度）が略同一であることにより、両はんだが拡散により短時間で相互に流動し、低温で凝固する化学組成を有するはんだ接合部２２を自発的に形成することが可能である。また、両はんだのうち一部が拡散せずにはんだ接合部２２に隣接して残りにくいため、一体化したはんだ接合部２２の組成ずれによる液相線温度（凝固開始温度）の上昇を引き起こしにくい。一体化して得られるはんだ接合部２２の液相線温度（凝固開始温度）は例えば１７０℃以下である。【００３７】
また、両はんだバンプの液相線温度が略同一であることにより、後工程において両はんだバンプが溶融し一体化する際、必要以上に両はんだバンプの温度を上昇させなくても両はんだバンプを溶融させることができる。この点から、回路基板１１や半導体素子２４の電気的特性に関する信頼性が高まり、得られる半導体装置の電気的特性に関する信頼性も高まる。【００３８】
はんだ接合部２２は、ＢｉとＳｎを含み、略共晶組成を有するはんだを含んでなる。ここで略共晶組成には、Ｓｎ−５８Ｂｉの共晶組成を有するはんだのみならず、共晶組成の近傍の組成も含まれる。略共晶組成を有するはんだとしては、例えば、４５〜６５ｗｔ％のＢｉと５５〜３５ｗｔ％のＳｎを含む合金が挙げられる。【００３９】
図２は、Ｂｉ−Ｓｎはんだの状態図である。状態図の縦軸は、Ｂｉ−Ｓｎはんだの温度（℃）、下の横軸Ｓｎの原子量比（ａｔ％）、上の横軸はＳｎの重量比（ｗｔ％）を示す。例えば、はんだバンプ１３を構成する合金としてＳｎ−５Ｂｉ合金を用い、はんだバンプ２５を構成する合金としてＳｎ−８８Ｂｉを用いることができる。Ｓｎ−５Ｂｉと、Ｓｎ−８８Ｂｉの液相線温度は、図２において、それぞれ点Ａ、点Ｂで示され、いずれも２３０℃程度である。このような組成のはんだバンプ１３及びはんだバンプ２５について、それぞれ体積を調整することにより、互いに溶融し一体化すると４５〜６５ｗｔ％のＢｉと５５〜３５ｗｔ％のＳｎを含む合金で構成されるはんだ接合部２２が得られる。これらの組成からなるはんだ接合部２２は、凝固開始温度が１７０℃以下である。【００４０】
その後、はんだ接合部２２を冷却することにより凝固させる。回路基板１１の配線部と、電極１２とがはんだ接合部２２を介して電気的に接続される。冷却の途中において、はんだ接合部２２を構成する合金の液相線温度（凝固開始温度）よりも低い温度になると、はんだ接合部２２の一部が固体として析出しはじめる。更に冷却すると、回路基板１１と半導体素子２４とが徐々に強く固定されていき、回路基板１１と半導体素子２４の熱膨張係数の違いにより、回路基板１１及び半導体素子２４に生じる応力が徐々に大きくなる。更に冷却し、はんだ接合部２２を構成する合金の共晶温度に到達するとき、はんだ接合部２２の液状部分が共晶組成の固体に変化し、回路基板１１と半導体素子２４とは強固に固定される。更に冷却を続け、常温に近づくほど回路基板１１、半導体素子２４及びはんだ接合部２２に生じる応力は大きくなる。はんだ接合部２２の液相線温度ははんだバンプ１３及び２５に比べて低く、得られる半導体装置の回路基板１１、半導体素子２４、及びはんだ接合部２２に加わる応力が抑制される。よって、この応力の抑制は半導体装置の電気的特性の信頼性向上に寄与する。【００４１】
最後に、図１Ｆに示されるように、半導体素子２４と回路基板１１の隙間にアンダーフィル接着剤１６を充填し、本実施形態の半導体装置が得られる。アンダーフィル接着剤１６は、回路基板１１上に半導体素子２４を固定するために、はんだ接合部２２の隙間を埋めるように形成される。アンダーフィル接着剤１６に使用される材料は、回路基板１１に半導体素子２４を固定することができる接着剤であることを除き特に限定されないが、例えば、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂等の接着剤を用いることができる。【００４２】
上記実施形態で得られる半導体装置において、接合時の半導体素子に加わる応力は、Ｓｎ−３．５Ａｇ合金（凝固点：２２１℃）、Ｓｎ−０．７Ｃｕ合金（凝固点：２２７℃）、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ合金（凝固点：２１７℃）など、既存のはんだ接合部を介して基材と半導体素子とを接合した半導体装置のそれと比べて、６０％以下に抑えることが可能である。【００４３】
本実施形態のはんだ接合部２２は、４５〜６５ｗｔ％のＢｉと５５〜３５ｗｔ％のＳｎを含み凝固温度は１７０℃以下であるが、本発明の半導体装置の製造方法により得られる半導体装置において、はんだ接合部のＢｉの組成はこの範囲に限定されない。例えば、はんだ接合部を構成する材料は、接合前の２つのはんだバンプよりも凝固開始温度が低い材料であればよい。また、上記はんだバンプ１３とはんだバンプ２５の構成材料が入れ替えられていてもよい。【００４４】
図３は、第２実施形態の半導体装置の製造方法を示す模式的断面図である。なお、第１実施形態の説明と重複する説明は省略する。【００４５】
まず、図３Ａのように、半導体素子２４の上にはんだバンプ２５を形成する。次いで、図３Ｂのように、回路基板１１の上に電極１２を形成し、更に電極１２の上にはんだバンプ１３とはんだ層１４を順に形成し、その後はんだ層１４の頭頂部を平坦化して半導体素子搭載用基板１５を得る。半導体素子２４、はんだバンプ２５、回路基板１１、電極１２、はんだバンプ１３は、第１実施形態と同様である。【００４６】
はんだ層１４は、Ｓｎを基とする合金からなる。Ｓｎを基とする合金は、Ｓｎの重量比が５０ｗｔ％超過の合金である。はんだ層１４の頭頂部を加圧することにより、割れたり歪んだりしていない略平坦の頭頂部を得ることができる。頭頂部が略平坦であることにより、後工程で、はんだ層１４が設けられたはんだバンプ１３と、はんだバンプ２５とを位置合わせする際に、両者が接触可能な範囲が広くなるため両はんだバンプの接合が容易になる。はんだ層１４の頭頂部を略平坦にするため、はんだ層１４は９０ｗｔ％以上のＳｎを含むはんだ合金からなることが好ましい。はんだ層１４の加圧処理には、市販のプレス機を用いることができる。【００４７】
はんだ層１４を設けずにはんだバンプ１３の頭頂部を加圧して平坦化しても良いが、Ｂｉを基とするはんだバンプ１３は硬く割れやすいため、平坦化後のはんだバンプ１３の上面の形状が楕円形状などの歪んだ形になったり、ひび割れたりするおそれがある。この場合、後工程において、はんだバンプ１３と、はんだバンプ２５とを位置合わせする際に、両者を接触させにくくなる。【００４８】
はんだバンプ１４の液相線温度は、はんだバンプ１３及び２５及びのそれと略同一である。これにより、後工程においてはんだバンプ１３とはんだバンプ２５とはんだ層１４とが溶融し一体化する際に材料が互いに拡散しやすく、両はんだバンプ及びはんだ層１４が一体化して形成されるはんだ接合部の組成のばらつきが少なくなる。【００４９】
図４は、第１実施形態のはんだバンプ１３と、第２実施形態のはんだ層１４が設けられたはんだバンプ１３の頭頂部に対し、プレス機を用いて平坦化処理を行った後における平坦面の直径とそのばらつきの範囲を示す図である。図４の横軸ははんだバンプひとつ当たりの荷重（ｇ）であり、縦軸は平坦面の直径である。サンプル数は４０である。第１実施形態の平坦面の直径に比べて、第２実施形態のそれはばらつきが小さいことがわかる。【００５０】
図５は、回路基板上に設けられた平坦化したはんだバンプの頭頂部を撮影した写真である。図５Ａには第１実施形態のはんだバンプ１３の頭頂部が写され、図５Ｂには第２実施形態のはんだ層１４の頭頂部が写されている。第１実施形態及び第２実施形態において使用された回路基板及びその表面に設けられた電極は共通である。図５Ａにおいて、白く写っている部分（計３５箇所）は、それぞれはんだバンプ１３の頭頂部５１である。例えば、はんだバンプ１３の頭頂部５１ａ〜５１ｄ等の形状は歪んでいることが分かる。図５Ｂにおいて、白く写っている部分（計３５箇所）は、それぞれはんだ層１４が設けられたはんだバンプ１３の頭頂部５２である。頭頂部５２の形状は、頭頂部５１ａ〜５１ｄ等と比較して歪みが少なく、円形状であることが分かる。【００５１】
また、第１実施形態において述べたように、はんだバンプ２５が設けられた半導体素子２４に対して予め信頼性試験を行う。このため、はんだバンプ１３、はんだ層１４、及びはんだバンプ２５の液相線温度が、それらを形成する材料が溶融し一体化して形成されるはんだ接合部２２の液相線温度よりも高くなるように、はんだバンプ１３、はんだ層１４、及びはんだバンプ２５の組成がそれぞれ設計される。【００５２】
はんだバンプ１３の上に設けられるはんだ層１４の総体積は、例えば１×１０５〜２×１０５μｍ３である。ただし、このはんだ総体積は、はんだバンプ１３およびはんだバンプ２５の体積に応じて、適宜決定することが必要である。【００５３】
次いで、図３Ｃのように、電極１２上に設けられたはんだ層１４と、半導体素子２４に設けられたはんだバンプ２５とを位置合わせして接触させる。その後、はんだバンプ１３、はんだ層１４、及びはんだバンプ２５が溶融する温度に加熱する。すると、図３Ｄに示されるように、はんだバンプ１３とはんだバンプ２５とが溶融し、一体化し、はんだ接合部２２を形成する。【００５４】
接合加熱溶融時にはんだバンプ１３、はんだ層１４、及びはんだバンプ２５の液相線温度（凝固開始温度）が略同一であることにより、はんだが拡散により短時間で相互に流動し、低温で凝固する化学組成を有するはんだ接合部２２を自発的に形成することが可能である。また、はんだバンプ１３、はんだ層１４、及びはんだバンプ２５のうち一部が拡散せずにはんだ接合部２２に隣接して残りにくいため、一体化したはんだ接合部２２の組成ずれによる液相線温度（凝固開始温度）の上昇を引き起こしにくい。一体化して得られるはんだ接合部２２の液相線温度（凝固開始温度）は例えば１７０℃以下である。【００５５】
また、はんだバンプ１３、はんだ層１４、及びはんだバンプ２５の液相線温度が略同一であることにより、後工程においてそれらが溶融し一体化する際、必要以上に温度を上昇させなくてもそれらを溶融させることができる。この点から、回路基板１１や半導体素子２４の電気的特性に関する信頼性が高まり、得られる半導体装置の電気的特性に関する信頼性も高まる。【００５６】
形成されるはんだ接合部２２は、第１実施形態と同様であるため説明を省略する。【００５７】
その後、はんだ接合部２２を冷却することにより凝固させる。この冷却に関する説明は、第１実施形態の説明と同様であるため省略する。【００５８】
最後に、図３Ｅに示されるように、半導体素子２４と回路基板１１の隙間にアンダーフィル接着剤１６を充填し、本実施形態の半導体装置が得られる。アンダーフィル接着剤１６は、第１実施形態と同様のため説明を省略する。【００５９】
尚、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。【００６０】
本発明における第１部品と第２部品の組み合わせは回路基板と半導体素子の組み合わせに限定されない。別の実施形態として、例えば、第１部品及び第２部品が回路基板と、それよりも熱膨張係数が低い別の回路基板であってもよい。バーンイン試験などの信頼性試験は、回路基板に対しても行われうる。
【実施例】
【００６１】
（実施例１）
上記第１実施形態の製造方法に従って、図１Ｅの構造を備える実施例１の半導体装置を作成した。【００６２】
まず、はんだバンプ２５が表面に設けられた半導体素子２４を準備した。はんだバンプ２５を構成するはんだはＳｎ−５Ａｇ（液相線温度：２４０℃）だった。半導体素子２４の熱膨張係数は４Ｋ−１だった。【００６３】
次いで、半導体素子搭載用基板１５を作成した。まず、表面に電極１２を備える回路基板１１を準備した。回路基板１１のサイズは４５×４５ｍｍ、厚さ１．２ｍｍであり、電極１２の数は２０００個、電極ピッチは２００μｍ、電極サイズはφ８０μｍだった。回路基板１１の熱膨張係数は１７Ｋ−１だった。電極１２のパタンを形成するために表面に設けられたソルダーレジスト厚さは約２５μｍだった。次に電極１２の表面にはんだバンプ１３を形成する。形成したはんだバンプ１３を構成するはんだは９０Ｂｉ−Ｓｎ（液相線温度：２４０℃）だった。電極１２上へのはんだの供給ははんだペースト印刷法を用いた。はんだペーストには、所望の組成に調整した前述のはんだ合金と、ディスクアトマイズ法を用いて粒径が２０μｍ以下に作成した粉末と、フラックス樹脂分として、重合ロジン、溶剤として安息香酸ベンジル、活性剤として無水コハク酸、チクソ剤としてカスターワックスを混合した樹脂分を混練したものを用いた。混合比率ははんだが９０ｗｔ％、フラックス樹脂分が１０ｗｔ％である。印刷はあらかじめ回路基板の電極に位置する場所に開口部を形成したメタルマスクを用いた。メタルマスクの開口サイズ、膜厚を調整することで、はんだペーストの供給量を調整することができる。本実施例では精度良く安定したペースト供給を行うため、開口サイズの異なるメタルマスクを用いて２回に分けた印刷供給とした。第１回目に使用したメタルマスクは、開口サイズがφ１００μｍでマスク厚さが３０μｍである。２回目に使用したメタルマスクは、開口サイズがφ１３５μｍでマスク厚を８５μｍとした。１回目の印刷で前述のはんだペーストを回路基板の電極上に供給した後、温風加熱方式の窒素リフローコンベア炉（温度公差±２０℃）にて加熱溶融させた。加熱温度は２６０℃だった。その後、再度２回目の印刷用メタルマスクを用いて、前述のはんだペーストを回路基板１１の第１回目のはんだの上に供給し、１回目と同様に加熱溶融させて回路基板１１へのはんだバンプ１３の形成を行った。供給された総はんだ量は、７×１０５μｍ３だった。その後、プレス機を用いて、回路基板上に形成したはんだの頭頂部が略平坦となるよう加圧処理を行った。プレスは常温で約３０ｋｇ／２０００バンプで行った。プレス後のはんだの高さは１５μｍ、平坦な頭頂部の直径は約１００μｍだった。【００６４】
次いで、半導体素子２４に設けられたはんだバンプ２５の先端にフラックスを適量塗布した後、フリップチップボンダーを用いて回路基板に位置合わせ搭載した。その後、上記窒素リフローコンベア炉を用いて２６０℃加熱し、常温まで冷却した結果、良好なはんだ接合部２２が形成されていることを確認した。【００６５】
はんだ接合部２２をサンプリングし、ＩＣＰ−ＡＥＳ（ＩＣＰ−Ａｔｏｍｉｃ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ、ＩＰＣ発光分光）で組成を確認した結果、５９ｗｔ％のＢｉと残部ＳｎおよびＡｇからなる接合部が形成されており、その凝固開始温度は１４３℃であることをＤＳＣ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｙ、示差走査熱量測定）により確認した。
（実施例２〜２４）
はんだバンプ１３が９０ｗｔ％Ｂｉ−Ｓｎ合金からなり、回路基板１１に形成されたはんだバンプ１３の体積、半導体素子２４に形成されたはんだバンプ２５の組成及び体積を表１に示される値に変更したことを除き、実施例１と同様に実施例２〜２４の半導体装置を作成した。はんだペーストを印刷するメタルマスクの寸法を表１に示す。【００６６】
はんだ接合部２２をサンプリングし、ＩＣＰで組成を確認した結果、表１に示される組成からなるはんだ接合部が形成されていることを確認した。また、ＤＳＣによりその凝固開始温度を測定した結果を表１に示す。【００６７】
【表１】
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【００６８】
（実施例２５〜３１）
はんだバンプ１３が８５ｗｔ％Ｂｉ−Ｓｎ合金からなり、回路基板１１に形成されたはんだバンプ１３の体積、半導体素子２４に形成されたはんだバンプ２５の体積を表１に示す値に変更したことを除き、実施例１と同様に実施例２５〜３１の半導体装置を作成した。はんだペーストを印刷するメタルマスクの寸法を表１に示す。【００６９】
はんだ接合部２２をサンプリングし、ＩＣＰで組成を確認した結果、表１に示される組成からなるはんだ接合部が形成されていることを確認した。また、ＤＳＣによりその凝固開始温度を測定した結果を表１に示す
（実施例３２）
上記第２実施形態の製造方法に従って、図３Ｄの構造を備える実施例３２の半導体装置を作成した。【００７０】
はんだバンプ１３が９０ｗｔ％Ｂｉ−Ｓｎ合金からなるはんだバンプ１３を実施例１と同様の手段で形成した後、更に、開口サイズがφ１３５μｍでマスク厚が８０μｍのメタルマスクを使用して、はんだペースト印刷法によりはんだ層１４を形成した。はんだバンプ１３、はんだ層１４、はんだバンプ２５の組成及び体積、並びにはんだペーストを印刷するメタルマスクの寸法を表２に示す。また、プレスははんだ層１４が設けられたはんだバンプ１３の頭頂部に対して行った。これらの点を除き、実施例１と同様の手順で実施例３２の半導体装置を作成した。はんだペーストを印刷するメタルマスクの寸法を表２に示す。【００７１】
はんだ接合部２２をサンプリングし、ＩＣＰで組成を確認した結果、表２に示される組成からなるはんだ接合部が形成されていることを確認した。また、ＤＳＣによりその凝固開始温度を測定した結果を表２に示す。【００７２】
【表２】
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【００７３】
（実施例３３〜３７）
回路基板１１に形成されたはんだバンプ１３の体積を表２に示す値に変更したことを除き実施例３２と同様に実施例３３〜３７の半導体装置を作成した。はんだペーストを印刷するメタルマスクの寸法を表２に示す。【００７４】
はんだ接合部２２をサンプリングし、ＩＣＰで組成を確認した結果、表２に示される組成からなるはんだ接合部が形成されていることを確認した。また、ＤＳＣによりその凝固開始温度を測定した結果を表２に示す。
（実施例３８〜４２）
はんだバンプ１３が８５ｗｔ％Ｂｉ−Ｓｎ合金からなり、回路基板１１に形成されたはんだバンプ１３の体積を表１に示す値に変更したことを除き実施例３２と同様に実施例３８〜４２の半導体装置を作成した。はんだペーストを印刷するメタルマスクの寸法を表２に示す。【００７５】
はんだ接合部２２をサンプリングし、ＩＣＰで組成を確認した結果、表２に示される組成からなるはんだ接合部が形成されていることを確認した。また、ＤＳＣによりその凝固開始温度を測定した結果を表２に示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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