(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡｌＮよりなり、相互に対向する第１および第２の主面を有する第１の基板と、
ガラスポリイミドよりなり、相互に対向する第３および第４の主面を有し、前記第３の主面が前記第１の基板の前記第２の主面に対面するように配設された第２の基板と、
前記第１の主面上に担持された半導体チップと、
前記第２の主面と第３の主面との間に５０ｍｍ以下の長さであって、且つ最大５０ｍｍ×５０ｍｍの領域に約１．３ｍｍ以下のピッチで担持された複数の導体ピンと、
前記第３の主面上に形成された導体パターンと、
前記第３の主面上において、前記複数の導体ピンの各々を、前記導体パターンに電気的に接合するはんだ合金とを少なくとも備えた電子装置において、
前記はんだ合金は、その固相線温度と室温との温度差による第１の基板と第２の基板との熱膨張率差による位置ずれ量が、前記ピッチの１／３以下となるように、約１５０℃以下の固相線温度を有することを特徴とする電子装置。
【請求項２】
前記はんだ合金は、Ｓｎを約４２〜５９重量％、Ｂｉを約４１〜５８重量％含むはんだ合金よりなることを特徴とする請求項１記載の電子装置。
【請求項３】
前記はんだ合金は、約１３６℃以下の固相線温度を有することを特徴とする請求項１記載の電子装置。
【請求項４】
前記はんだ合金は、Ｓｎを約４２重量％、Ｂｉを約５７重量％、Ａｇを約１重量％含む請求項１乃至３のうち、いずれか一項記載の電子装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＬＳＩ素子および電子部品を、回路基板に表面実装する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数個のＬＳＩチップを一つのモジュールに搭載して、高速化、小型化、高機能化を図るＭＣＭは、大型コンピュータ、人工衛星、軍事用電子機器などのハイエンド機器から、最近では携帯電話、ノートパソコンなどの民生用電子機器まで応用範囲が広く、実装技術の中枢の一つとなっている。ＭＣＭとはMulti Chip Module の略である。最近のＭＣＭの開発においては、機能の増強に伴うサイズの増大、および入出力ピン（以下Ｉ／Ｏピンという）の数の増大が生じており、これに伴いＩ／Ｏピンのピッチを減少させる必要が生じている。
【０００３】
図１（Ａ）、（Ｂ）は複数のチップ（図示せず）を担持したＭＣＭ基板１を基板６上に実装した従来の構造を示す。ただし、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の一部を拡大して示す。基板１は典型的には窒化アルミニウム（ＡｌＮ）よりなり、チップをフェースダウン状態で担持する。基板６は配線基板であり、例としてコンピュータ用のマザーボードとして使用される。材質はガラスポリイミドである場合が多い。両基板は接続ピン４により電気的に接続されるが、接続ピン４はＭＣＭ基板１に対しては、Ａｕ−Ｓｎ系のはんだ合金３により基板１下面上の配線電極２において、また基板６に対してはＳｎ−Ｐｂ系のはんだ合金５により、基板６上の対応する電極６Ａにおいて、接合されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このようなＭＣＭ基板を別の基板上に保持した電子装置では、Ｉ／Ｏピンの最大間隔が５０ｍｍ以上、ピンピッチ（格子パターン）１．３ｍｍ以下の、例えば、大型コンピュータ用ＭＣＭの場合、ＭＣＭ基板（窒化アルミ）とマザーボード基板（ガラスポリイミド）の熱膨張率差による位置ずれ、あるいはＭＣＭ基板のそりが深刻な問題となる。現状のＳｎ−３７Ｐｂ系のはんだ合金を使用した場合、はんだ合金をリフローさせるのに約１８０℃の温度まで加熱する必要がある。しかし、このように高い温度まで加熱すると、前記熱膨張率差による位置ずれが顕著となり、接合がほとんど不可能になる。またはんだ合金の凝固後に接合部のはんだ合金に対する永続的な応力歪みが発生し、クリープ特性に問題のあるＳｎ−３７Ｐｂでは熱疲労特性などの接合信頼性に問題が生じる。
【０００５】
上記問題が生じる例として、Ｉ／Ｏピン４の最大間隔ｌ、ピンピッチｐのＭＣＭ基板１を熱膨張率差がΔεのマザーボード基板に図１のようなピングリッドアレイ方式によって実装する場合、基板間の熱膨張率差によるＩ／Ｏピンの位置ずれＤは、以下の式によって算出される。
Ｄ＝Δε・（ｌ／２）・（Ｔsol ーＴr ）（＜ｐ／４）
ここに、Ｔsol は接合部におけるはんだ合金の固相線温度を、Ｔr は室温を表す。      例として、マザーボード基板２との熱膨張率差が12×10-6、Ｉ／Ｏピンの最大間隔が50mm、ピンピッチ1.3mm のＭＣＭ基板１を図１（Ａ），（Ｂ）のようなピングリッドアレイ方式によって接合する場合において、Ｓｎ−３７Ｐｂはんだ合金（固相線温度183 ℃）を用いて接合した場合の、最大間隔離れたＩ／Ｏピンのはんだ凝固後の位置ずれＤspは、
0003715438.tif 000002
となり、ピンピッチ1300μm に対して、位置ずれが問題となる目安である、ピンピッチの１/ ３に相当する値を超えることになる。このずれ分がそのままはんだ合金接合部に加わる応力となり、接合の信頼性を低下させる原因となる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記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。請求項１記載の発明では、ＡｌＮよりなり、相互に対向する第１および第２の主面を有する第１の基板と、ガラスポリイミドよりなり、相互に対向する第３および第４の主面を有し、前記第３の主面が前記第１の基板の前記第２の主面に対面するように配設された第２の基板と、前記第１の主面上に担持された半導体チップと、前記第２の主面と第３の主面との間に５０ｍｍ以下の長さであって、且つ最大５０ｍｍ×５０ｍｍの領域に約１．３ｍｍ以下のピッチで担持された複数の導体ピンと、前記第３の主面上に形成された導体パターンと、前記第３の主面上において、前記複数の導体ピンの各々を、前記導体パターンに電気的に接合するはんだ合金とを少なくとも備えた電子装置において、前記はんだ合金は、その固相線温度と室温との温度差による第１の基板と第２の基板との熱膨張率差による位置ずれ量が、前記ピッチの１／３以下となるように、約１５０℃以下の固相線温度を有することを特徴とするものである。
【０００７】
また、請求項２記載の発明では、前記はんだ合金は、Ｓｎを約４２〜５９重量％、Ｂｉを約４１〜５８重量％含むはんだ合金よりなることを特徴とするものである。
また、請求項３記載の発明では、前記はんだ合金は、約１３６℃の固相線温度を有することを特徴とするものである。
【０００８】
また、請求項４記載の発明では、前記はんだ合金は、Ｓｎを約４２重量％、Ｂｉを約５７重量％、Ａｇを約１重量％含むことを特徴とするものである。
【００１３】
［作用］  以下本発明の作用を説明する。本発明では、図１（Ａ），（Ｂ）の構成において、ＭＣＭ基板１を接続ピン４のピングリッドアレイにより基板６に接続する場合、接続ピン４を基板６上の導体パターンに接続するはんだ合金５として、固相線温度が典型的には約１５０℃以下の組成のものを使う。この場合、配線基板６との熱膨張率差が１２×１０-6、Ｉ／Ｏピン４の最大間隔が５０ｍｍ、ピンピッチを１．３ｍｍとすると、固相線温度１５０℃のはんだ合金で行った場合の、はんだ合金凝固後の位置ずれＤlsは、先の式によれば、
Ｄls＝１２×１０-6・（２５×１０4）・（１５０−２５）＝３７５μmとなり、ずれをピンピッチ１３００μmに対して１／３以下に抑えることができる。このように、接合に使用するはんだ合金の固相線温度を約１５０℃以下に下げることにより、はんだ合金が完全に凝固してから室温に温度雰囲気が低下するまでの温度幅を狭めることができる。その結果、各基板の熱収縮量の差により接合部の凝固したはんだ合金に加わる応力歪みを小さくすることができる。また、本発明では、ヤング率が高くて硬いＳｎ，Ｂｉを主成分とするはんだ合金を用いることにより、接合部に生じる応力歪みによるはんだ合金の変形を抑えることができる。以上の効果により接合部の信頼性を向上させることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図２（Ａ），（Ｂ）は本発明の実施例を示す構成図である。
図中第一の基板１1 （モジュール基板）は、窒化アルミニウムを材質とするＭＣＭ基板であり、この形状として５０ｍｍ四方、熱膨張率が５×１０-6、Ｉ／Ｏピン１４の最大間隔が５０ｍｍ、ピンピッチが１．３ｍｍのものである。これに従来方法であるＡｕ−Ｓｎはんだ合金１３を用いて接合された接続ピンであるＩ／Ｏピン１４が、ガラスポリイミドを材質とするマザーボード（第二の基板（配線基板））１６とを接合する上で本発明に係るはんだ合金２３であるＳｎ５７Ｂｉ−１Ａｇ（数値は重量比を表す）が用いられている例である。Ｉ／Ｏピン１４は、信号の入出力のためのもの以外にも、例えば接地ピンや電源ピン、あるいはクロックピン等をも含む。
【００１５】
本実施形態を図２（Ａ），（Ｂ）に基いて順次説明すると、次のようになる。図２（Ａ）は、ＭＣＭ基板（第一の基板）１１とマザーボード（第二の基板）１６とを接合する前の状態を示すものであり、図２（Ｂ）はこれらを接合後の状態を示すものである。
図２（Ａ）において、上部は、第１の基板であるＭＣＭ基板１１が、その上面にプリントされた配線１９と、ビアホール２０と、下面にプリントされた配線２１、および配線２１とＡｕ−Ｓｎはんだ合金１３を介して接続されたＩ／Ｏピン１４からなり、電極配線２１、Ａｕ−Ｓｎはんだ１３、Ｉ／Ｏピン１４は電気的に接続されている。そしてこのＭＣＭ基板１１の上面の配線１９に対向して、その上部に、半導体チップ１７がその電極バンプ１８を含む表面を下部（ＭＣＭ基板）側に向けて（フェースダウン状態）配接され、電極バンプ１８とＩ／Ｏピン１４とが電気的に接続されている。
【００１６】
図２（Ａ）下部は基板１６面上に、対応する前記Ｉ／Ｏピン１４が接合される位置に電極配線２２が載置されている。基板１６はガラスポリイミド等よりなり、例えばコンピュータのマザーボードとして使われる。基板１６上の配線２２上にははんだ合金のペーストが塗布されている。前記ＭＣＭ基板１１は、Ｉ／Ｏピン１４が基板１６上の対応する配線パターン２２にコンタクトするように、前記基板１６上に載置される。
【００１７】
はんだ合金としては、例えばリフロー温度が約１３６℃の、組成がＳｎ−５７Ｂｉ−１Ａｇと表されるＳｎ−Ｂｉ系のはんだ合金を使う。このはんだ合金は、約４２重量％のＳｎと約５７重量％のＢｉと、約１重量％のＡｇとを含む。
次に、前記ＭＣＭ基板１１を載置した基板１６は、温度１３６℃に設定されたリフロー炉中を通され、その結果はんだ合金はリフローし、図２（Ｂ）のように、Ｉ／Ｏピン１４が、対応する配線パターン１２に接続される。
【００１８】
さらに、基板１６は前記リフロー炉から出て室温に冷却されるが、この場合の温度差は高々１１６℃程度にすぎず、仮にＩ／Ｏピン１４が１．３ｍｍピッチあるいはそれ以下のピッチで、しかもＭＣＭ基板１１上の５０ｍｍ×５０ｍｍの領域に形成されていたとしても、生じる熱歪みは290 μｍ程度で、前記１．３ｍｍピッチの場合の１/ ３以下となる。  続いて図２（Ｂ）は、図２（Ａ）上部のＩ／Ｏピン１４と、同図下部の電極配線２２とが、本発明に係るはんだ合金２３であるＳｎ−５７Ｂｉ−１Ａｇを用いることによって接合された状態を示すものである。
【００１９】
次に、本発明の効果を知るために、接合部の熱疲労特性試験を行い、従来技術におけるＳｎ−３７Ｐｂとの違いを比較した。その結果を表１に示す。
【００２０】
【表１】
0003715438.tif 000003
【００２１】
図中サイクル数とは、Ｓｎ−３７Ｐｂについては室温からその固相線温度である１８３℃の間の温度の昇降回数を、Ｓｎ−５７Ｂｉ−１Ａｇについては室温から同様に１３６℃までの間の温度の昇降回数を示す。Ｓｎ−３７Ｐｂはんだ合金を用いたサンプルでは、１０００サイクル後に顕著なクラック、はんだ合金表面のしわが発生し、ピンセットによるピッキングで破壊する接合部が現れたのに対し、Ｓｎ−５７Ｂｉ−１Ａｇはんだ合金を用いたサンプルでは、２０００サイクル後まで、わずかなクラックの発生に留まり、ピンセットによるピッキングで破壊する接合部も現われなかった。
【００２２】
以上の説明では、はんだ合金２３としてＳｎ−５７Ｂｉ−１Ａｇを用いたが、本発明では固相線温度が約１５０℃以下となるはんだ合金であれば、どのようなものを用いてもよい。例えば、Ｓｎを４２〜５９重量％、Ｂｉを４１〜５８重量％含むＳｎ−Ｂｉ系のはんだ合金を用いてもよい。
また、１１７℃の固相線温度を有するＳｎ−Ｉｎ系のはんだ合金（Ｉｎを４８重量％、Ｓｎを５２重量％含む）を用いてもよい。
【００２３】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において、様々な変形や変更が可能である。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によって次のような効果が得られる。請求項１から請求項４までの記載の発明によれば、固相線温度が１５０℃程度以下のＳｎ，Ｂｉを主成分とするはんだ合金を用いることによって接合することにより、基板間の熱膨張率の差により生じる、接合部はんだ合金への応力歪みを低減し、かつ、接合部のはんだ合金の変形を抑えることができ、接合信頼性を確保できる。また、低誘電率ガラスであるポリイミド材を使用したマザーボード基板では、耐熱性が低下する問題があるが、本発明はこの要求に対しても、固相線温度の低いＳｎＢｉ共晶系はんだ合金を用いることで対応できる。さらに低融点はんだ合金の使用は、リムーブ、リプレス時の熱ストレス緩和という利点も併せ持つものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＭＣＭ基板を従来方法であるはんだ合金によってマザーボードに実装した構成図である。
【図２】（Ａ）は、本発明に係るはんだ合金を用いて、モジュール基板と配線基板を接続する前の、それぞれの状態を示す図であり、（Ｂ）は本発明に係るはんだ合金を用いて、モジュール基板と配線基板を接続後の状態を示す図である。
【符号の説明】
１、１１    モジュール基板（第一の基板）
２、６Ａ、１２、１９、２１、２２    電極配線
３          Ａｕ−Ｓｎはんだ合金
４、１４    入出力ピン（Ｉ／Ｏピン）
５          Ｓｎ−３７Ｐｂはんだ合金
６          配線基板（第二の基板）
１３        Ｓｎー５７Ｂｉ−１Ａｇはんだ合金
１６        マザーボード（第二の基板）
１７        半導体チップ
１８        電極バンプ
２０        ビアホール
２３        Ｓｎ−５７Ｂｉ−１Ａｇはんだ合金
【図１】
0003715438.tif 000004
【図２】
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