(57)【要約】【課題】半導体パッケージにおいて長期接続信頼性を向上させ、エレクトロマイグレーション耐性を改善する。【解決手段】半導体素子１の電極パッドと基板２１上の電極パッド２０とをはんだボールによって接続する。はんだボールは、金属製コア部１１と、金属製コア部１１の周囲に設けられ、前記コア部１１よりも剛性が低く融点が低いはんだ部１０とで構成されている。はんだボールを半導体素子１にリフローによって接続する。その後、半田ボールが付いた半導体素子１と基板２１を超音波にて接続し、基板２１側において、金属コア１１と電極２０を直接接続する。これによって熱ストレスの少ない、かつ、抵抗の小さい接続を可能とする。【選択図】  図６
2014082526.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の部材上の第一の電極パッドと第二の部材上の第二の電極パッドとをはんだボール
によって接続している半導体装置において、
前記はんだボールは、金属製コア部と、前記金属製コア部の周囲に設けられ、前記金属
性コア部よりも硬度が低く融点が低いはんだ部とを有し、
前記金属製のコア部が前記第一の部材上の第一の電極パッドもしくは前記第二の部材上
の第二の電極パッドと直接接続していることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置において、
前記金属製コア部と前記はんだの間には金属間化合物が形成され、前記金属製のコア部が
前記第一の部材上の第一の電極パッドもしくは前記第二の部材上の第二の電極パッドと直
接接続している界面には、前記はんだあるいは前記金属間化合物が残存している部分が存
在していることを特徴とする半導体装置。
【請求項３】
第一の部材上の第一の電極パッドと第二の部材上の第二の電極パッドとをはんだボール
によって接続している半導体装置において、
前記はんだボールは、金属製コア部と、前記金属製コア部の周囲に設けられ、前記金属
製コア部よりも硬度が低く融点が低いはんだ部とを有し、
前記金属製コア部と前記はんだとの間には金属間化合物が形成され、
前記金属間化合物が前記第一の部材上の第一の電極パッドもしくは前記第二の部材上の
第二の電極パッドと直接接続していることを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体装置において、
前記金属製コア部が前記第一の部材上の第一の電極パッドもしくは前記第二の部材上の
第二の電極パッドと直接接続している界面には、前記はんだが残存している部分が存在し
ていることを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記金属製コア部と前記第一の電極あるいは前記第二の電極が超音波接続にて接続され
ていることを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記金属製コア部の材質が銅、ニッケル、金または銀を主成分とする金属からなる半導
体装置。
【請求項７】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置において、
前記金属製コア部の外周の材質が銅、ニッケル、金または銀を主成分とする金属で覆わ
れていることを特徴とする半導体装置。
【請求項８】
第一の部材上の第一の電極パッドと第二の部材上の第二の電極パッドとをはんだボール
によって接続している半導体装置において、
前記はんだボールは、金属製コア部と、前記金属製コア部の周囲に設けられ、前記コア
部よりも硬度が低く融点が低いはんだ部とを有し、
前記金属製コア部が前記第一の部材上の第一の電極パッドおよび前記第二の部材上の第
二の電極パッドと直接接続していることを特徴とする半導体装置。
【請求項９】
第一の部材上の第一の電極パッドと第二の部材上の第二の電極パッドとをはんだボール
によって接続する電子機器の製造方法において、
前記はんだボールは、金属製のコア部と、前記コア部の周囲に設けられ、前記コア部よ
りも硬度が低く融点が低いはんだ部とを有し、
加熱により前記はんだ部を溶融させることにより、前記はんだボールを前記第一の電極
パッドへ接続する工程と、
前記第一の電極パッドに接続されたはんだボールを前記第二の電極パッドに接触させた
状態で、前記はんだボール及び前記第二の電極パッドに超音波を印加することにより、前
記第二の電極パッドと前記はんだボールのコア部とを超音波接合する工程と、を含む電子
機器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は家電用や民生機器用、産業用に用いられる半導体装置に係り、特に信頼性の高い
はんだ接続に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電子機器を中心として高機能化・高性能化の要求が年々増加しており、これに伴い
高速、大容量な半導体デバイスが必要となってきている。一方で、機器の小型化も大きな
ニーズとなっており、これらを両立させた半導体パッケージの開発が行われている。これ
を実現するキーテクノロジーとして、半導体素子を突起バンプで接続するフリップチップ
実装が注目を浴びており、既に様々なパッケージに使用されている。
【０００３】
フリップチップ実装はパッド上にバンプを形成したチップを基板の電極上にフェイスダ
ウンにより接続する実装方式である。フリップチップ実装方式は、従来のワイヤボンディ
ング接続方式に比べて、接続長が短くなることにより信号伝播の遅延を抑えることができ
高速伝送が可能であること、チップサイズがパッケージサイズとなるため小型化が可能で
あることなどの利点が挙げられる。
【０００４】
主なフリップチップ実装方式として、図１８に示すように、チップ１と基板２１間をは
んだバンプ１３で接続するはんだバンプ接続方式、チップ側に金スタッドバンプを形成し
たのちスタッドバンプと基板側配線をはんだにて接続するAuバンプ／はんだ接続方式、チ
ップ側に金スタッドバンプを形成したのちスタッドバンプと基板側配線を超音波接続によ
り接続する超音波接続方式、チップ側にスタッドバンプを形成したのちスタッドバンプと
基板側配線を銀ペーストやACF（Anisotropic Conductive Film）などの樹脂材を主とした
材料で接続する接触接続方式などが主流となっている。
【０００５】
この中でもはんだバンプ接続方式は接続部のはんだ材が変形することにより、温度変化
や落下衝撃などの実使用環境下で発生する接続部へのストレスを緩和する機構を備えた有
力な接続方法である。従来は微細なはんだバンプを形成することが困難であることから、
バンプ径100μm以下が主流となる半導体素子と基板間の接続にはスタッドバンプが広く使
われている。しかし、昨今100μm以下のはんだボールも量産されており、今後はんだボー
ルもますます微細ピッチ接続へ適用されていくものと推定される。
【０００６】
はんだボール接続は上記の通り応力緩和機構を持つ接続であるが、ボール径が100μm以
下となると接続面積も小さくなる。はんだ接続部の歪み発生の主な原因はチップと基板間
の線膨張係数差に起因する環境温度変化時のせん断歪みである。せん断歪みはチップ中心
からの距離に比例し接続部高さに反比例するので、中心から同一距離にあるはんだボール
の径を小さくすると増大する。
【０００７】
また、はんだボールの接続部高さは初期はんだボール径の50から70％ほどになることが
多いため、100μmのはんだボールの場合接続部高さは50から70μm程度になる。これに伴
いせん断歪みが増大することが類推できる。更に昨今のチップの高性能化に伴い電流量も
増大しているが、接続部はますます微細化が進んでいる。このような背景から接続部の電
流密度が上昇しており、この電流密度の上昇ははんだボール内のエレクトロマイグレーシ
ョンによる断線不良を引き起こすことが懸念されている。
【０００８】
このような想定される課題を解決する手段として、せん断歪みの低下と耐エレクトロマ
イグレーション性を実現できるはんだボール材として、金属コアはんだボールが提案され
ている。金属コアはんだボールとは任意の粒径の金属をはんだでコーティングすることに
より形成したはんだボールであり、コアが介在することにより接続部の高さをコア粒径以
上に保つことができる。また、コアにはんだよりも電気伝導性の高い金属を用いることに
よりエレクトロマイグレーション耐性も向上することができる。
【０００９】
「特許文献１」では、金属コアボールはんだの金属コア外周に窪みを形成し、その窪み
にはんだを充填させることによりボール外周部のはんだ量を増加させる金属コアはんだボ
ール形状が記載されている。また「特許文献２」では金属コアのない通常のはんだボール
を超音波にて接続し、ボールを溶融させることなく低温で接続できる製造プロセスを提示
している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００３−１０１２０７
【特許文献２】特開２００５−２６５７９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記の通り金属コアはんだは、はんだボールが微細化した際も一定の接続高さを確保でき
るため、接続部に発生するひずみを低減することができる。しかし、他の懸念事項である
エレクトロマイグレーション性向上についてはまだ明確な対策がなされていない。電気伝
導性ははんだよりも金属コアの方が良好であるため、従来のはんだボールよりもエレクト
ロマイグレーション耐性も向上することが推定される。しかし、チップ側電極とコアボー
ル、コアボールと基板側電極いずれにもはんだが介在する構造であるため、微細化に向け
てエレクトロマイグレーション耐性を更に高めることが課題となる。また、特許文献１な
どをはじめとする微細なはんだボールを用いた接続では、はんだを溶融させて接続するた
め約260℃の熱負荷を半導体部品に与える必要がある。更に260℃から室温に冷却する際に
、チップと基板の線膨張係数差によりはんだ接続部にひずみが発生する。このように、リ
フローによる熱プロセスを用いるため、パッケージ形成時に環境に負荷を与えることが懸
念される。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の特徴は、第一の部材上の第一の電極パッドと第二の部材上の第二の電極パッドと
をはんだボールによって接続する半導体装置において、前記はんだボールは、金属製のコ
ア部と、前記コア部の周囲に設けられ、前記コア部よりも硬度が低く融点が低いはんだ部
とを有し、前記金属製のコア部が前記第一の部材上の第一の電極パッドもしくは前記第二
の部材上の第二の電極パッドの一部もしくは全部が直接接続されていることを特徴とする
半導体装置である。
【００１３】
また、本発明の特徴は、前記はんだボールは、金属製のコア部と、前記コア部の周囲に
設けられ、前記コア部よりも硬度が低く融点が低いはんだ部とを有し、加熱により前記は
んだ部を溶融させることにより、前記はんだボールを前記第一の電極パッドへ接続する工
程と、前記第一の電極パッドに接続されたはんだボールを前記第二の電極パッドに接触さ
せた状態で、前記はんだボール及び前記第二の電極パッドに超音波を印加することにより
、前記第二の電極パッドと前記はんだボールのコア部とを超音波接合する工程とを含む電
子機器の製造方法である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、金属コアを介在することにより接続高さを確保し接続部の歪みを低減
できること、金属コアとチップ側電極もしくは基板側電極を直接接続することにより接続
部の電気抵抗を低減し耐エレクトロマイグレーション性を向上できる。また、本発明によ
れば、接続温度がはんだ溶融温度よりも低いため接続時に発生する接続部の剪断歪みを低
減できること、超音波接続プロセスにより室温にて接続が完了できるため部品に対する熱
負荷や環境に対する負荷を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明における金属コアはんだ接続部の断面図である。
【図２】実施例１および実施例２における超音波接続前の金属コアはんだの断面図である。
【図３】実施例１の超音波接続後の金属コアはんだ接続部の断面図である。
【図４】実施例１の接続部の詳細断面模式図である。
【図５】実施例１による接続部の時間経過後の金属コアはんだ接続部の断面図である。
【図６】実施例２の超音波接続後の金属コアはんだ接続部の断面図である。
【図７】実施例２の接続部の他の断面模式図である。
【図８】実施例２による接続部の時間経過後の金属コアはんだ接続部の断面図である。
【図９】実施例３における超音波接続前の金属コアはんだの断面図である。
【図１０】実施例３の超音波接続後の金属コアはんだ接続部の断面図である。
【図１１】実施例３による接続部の時間経過後の金属コアはんだ接続部の断面図である。
【図１２】実施例４による半導体素子上への金属コアはんだ形成プロセスの一例を示す断面図である。
【図１３】図１２に対応する組み立てプロセスの一例を示す断面図である。
【図１４】実施例５による基板上への金属コアはんだ形成プロセス一例の断面図である。
【図１５】図１４に対応する組み立てプロセスの一例を示す断面図である。
【図１６】実施例６におけるはんだ接続の例を示す断面図である。
【図１７】実施例６におけるはんだ接続の他の例を示す断面図である。
【図１８】はんだバンプを用いた従来接続部の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、実施例を用いて本発明の内容を詳細に説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１は本発明の接続部断面模式図である。１は半導体素子、１０ははんだ、１１は金属
コア、２０は基板側電極、２１は基板である。１は半導体素子を一例として記載したが、
半導体素子上で再配線を施したウェハレベルパッケージや基板上にチップを実装してモー
ルドした半導体パッケージなどでもよい。図１では、半導体素子１の電極（図示せず）に
はんだ１０と金属コア１１を有する金属コアはんだボールを形成した一例を示す。
【００１８】
まず、金属コア１０を有するはんだボールをリフローによって半導体素子１に接続する
。その後、半導体素子１を冷却すると、半導体素子１の電極に金属コアはんだボールがは
んだによって接続されることになる。
【００１９】
その後、金属コアはんだボールを有する半導体素子１の電極と、基板２１上の基板側電
極２０を位置あわせを行う。位置あわせ後、半導体素子１の電極上に形成した金属コアは
んだボールと、基板２１上の基板側電極２０とを接触させ、加圧を行いながら超音波を印
加する。この超音波印加により金属コアはんだボールを介して半導体素子１の電極と、基
板２１上の基板側電極２０との電気的接続を得る構造となる。
【００２０】
図１では図示していないが、基板側電極２０上にはんだを形成してもよい。ここで、基
板２１はセラミック基板、プリント基板、シリコン基板、ガラス基板、フレキシブル基板
、金属ベース基板などである。図１では半導体素子１の電極に金属コアはんだボールを形
成した例を示したが、半導体素子１の電極上に金属コアはんだボールを形成せずに、基板
側電極２０上に金属コアボールをあらかじめ形成しておいてもよい。半導体素子１の形状
は立方体、直方体、円柱、多角柱など特に規定はしないが、最長辺の長さが20mm以下であ
ることが望ましい。
【００２１】
図２は第一および第二の実施例における接続前金属コアはんだボールの断面図である。
１は半導体素子、２はチップ側電極、３はチップ側金属間化合物、１０ははんだ、１１は
金属コア、１２は金属間化合物、２０は基板側電極、２１は基板である。図２に示すよう
に、超音波接続前にあらかじめ金属コアボールをチップ側電極２に接続する。
【００２２】
接続時はリフロー炉などで金属コアはんだボールのはんだ１０を溶融させて接続するた
め、チップ側電極２とはんだ１０が反応し、チップ側電極２とはんだ１０の界面にチップ
側金属間化合物３が形成される。同様に金属コア１１とはんだ１０の界面でも金属間化合
物１２が形成される。
【００２３】
はんだ１０は錫、インジウム、亜鉛、鉛の少なくとも一種の元素を主成分とするはんだ
であればよい。ここで金属コア１１は、はんだよりも硬い材料、例えば銅、ニッケル、ア
ルミニウム、タングステン、金、銀、もしくはこれらのうち少なくともひとつの金属を主
成分とする合金であればよい。
【００２４】
また金属コア１１は、二種類以上の金属の複合体、もしくは積層体、例えば銅コアの周
囲をニッケルで覆ったもの、ニッケルのコアの周囲を銅で覆ったものなどでもよい。更に
、金属コア１１は最外周部が金属であれば樹脂コアの周囲を金属で覆ったもの、例えば樹
脂ボールの周囲に銅をコーティングしたものでもよい。超音波接続前の状態ではチップ側
電極２とはんだ１０、および金属コア１１とはんだ１０の界面に、各々チップ側金属間化
合物３と金属間化合物１２が形成されている。
【００２５】
チップ側電極２は、銅、アルミニウム、ニッケル、金、もしくはこれらのうち少なくと
もひとつの金属を主成分とする材料であればよい。また、基板側電極２０は銅、アルミニ
ウム、ニッケル、金、もしくはこれらのうち少なくともひとつの金属を主成分とする材料
であればよい。超音波接続は室温で行うものとするが、半導体素子１もしくは基板２１の
少なくとも一方をヒータなどで200℃以下に加熱することにより、接続性を向上すること
ができる。
【００２６】
図３は第一の実施例における超音波接続直後の金属コアはんだボールの断面図である。
１は半導体素子、２はチップ側電極、３はチップ側金属間化合物、１０ははんだ、１１は
金属コア、１２は金属間化合物、２０は基板側電極、２１は基板である。図２の状態から
、半導体素子１に加圧して金属コアはんだボールと基板側電極２０を接触させる。本実施
例においては、金属間化合物１２と基板側電極２０を部分的に接触させたのち、超音波を
印加する。
【００２７】
加圧と超音波印加により、金属コア１１が変形しながら金属間化合物１２と基板側電極
２０が擦りあわされるため、金属間化合物１２と基板側電極２０の間に介在するはんだ１
０は金属間化合物１２と基板側電極２０の界面からほとんど排出される。接続後は図３に
示すように、金属間化合物１２と基板側電極２０が部分的に界面にはんだ１０を残存させ
た接続が得られる。
【００２８】
なお、図３において、金属間化合物１２と基板側電極２０が直接接触している箇所にお
いても、はんだがわずかに残存している箇所もある。図４はこの様子を示す拡大模式図で
ある。図４において、金属間化合物と基板側電極が接触している部分において、はんだが
完全に除去されなかった部分１０１が存在している。
【００２９】
図２と図３を用いて説明した接続プロセスは図１のプロセスにて行うことが可能である
。また、図２および図３に示した金属コアはんだボール断面図は図１に示した接続プロセ
スにおけるはんだボール接続部の一部を取り出したものである。なお金属コア１１の形状
は、球、楕円、円柱、立方体、多角柱などであればよい。また半導体素子１と基板２１の
接続高さを確保するためには、金属コア１１のサイズをはんだボール径の50%以上とする
ことが望ましい。
【００３０】
このように、超音波により金属コア１１の金属間化合物１２と基板側電極２０を直接接
続させた形状を形成することができる。この構造により、半導体素子１と基板２１の接続
部に金属コア１１を介在することにより接続高さを確保し接続部の歪みを低減できる。ま
た、金属コア１１とチップ側電極２もしくは基板側電極２０を直接接続することにより接
続部の電気抵抗を低減し耐エレクトロマイグレーション性を向上できる。さらに、接続温
度がはんだ溶融温度よりも低いため接続時に発生する接続部の剪断歪みを低減できる。ま
たさらに、超音波接続プロセスにより低温にて接続が完了できるため部品に対する熱負荷
や環境に対する負荷を回避することができることが可能となる。なお、環境に対する負荷
を軽減できるとは、超音波接続を使用することによって、はんだリフロー装置を省略でき
るので、使用エネルギーを低減できるということである。
【００３１】
図５は第一の実施例における超音波接続後時間経過した金属コアはんだボールの断面図
である。１は半導体素子、２はチップ側電極、３はチップ側金属間化合物、１０ははんだ
、１１は金属コア、１２は金属間化合物、２０は基板側電極、２１は基板、２２は基板側
金属間化合物である。図５は図３の状態から実使用環境などの時間経過後の金属コアはん
だボールの断面図であり、はんだ１０と基板側電極２０の界面に基板側金属間化合物２２
が成長した様子を示している。超音波接続時にはんだ１０と基板側電極２０が接続した箇
所において、時間経過に伴い反応が進行することにより化合物が形成される。
【実施例２】
【００３２】
図６は第二の実施例における超音波接続直後の金属コアはんだボールの断面図である。
１は半導体素子、２はチップ側電極、３はチップ側金属間化合物、１０ははんだ、１１は
金属コア、１２は金属間化合物、２０は基板側電極、２１は基板である。図２の状態から
、半導体素子１に加圧して金属コアはんだボールと基板側電極２０を接触させる。
【００３３】
本実施例においては、第一の実施例よりも高い荷重を負荷することにより、金属間化合
物１２もしくは金属コア１１と基板側電極２０を部分的に接触させたのち、超音波を印加
する。加圧と超音波印加により、金属コア１１と金属間化合物１２が変形しながら、金属
間化合物１２および金属コア１１と基板側電極２０が擦りあわされるため、金属間化合物
１２と基板側電極２０の間に介在するはんだ１０は金属間化合物１２と基板側電極２０の
界面からほとんど排出される。
【００３４】
また、第一の実施例よりも高い加圧と超音波印加により、金属間化合物１２も破壊され
、接続後は図６に示すように、金属コア１１と基板側電極２０を直接接続した構造が得ら
れる。
【００３５】
ただし、接続界面に局所的に金属間化合物１２、あるいは、はんだ１０が残存すること
もある。この様子を図７に示す、図７は金属間金属コア１１と基板側電極２０との界面に
金属間化合物１２１およびはんだ１０１が取り残された状態を示す断面模式図である。
【００３６】
図２と図６を用いて説明した接続プロセスは図１のプロセスにて行うことが可能である
。また、図２および図６に示した金属コアはんだボール断面図は図１に示した接続プロセ
スにおけるはんだボール接続部の一部を取り出したものである。なお金属コア１１の形状
は、球、楕円、円柱、立方体、多角柱などであればよい。また半導体素子１と基板２１の
接続高さを確保するためには、金属コア１１のサイズをはんだボール径の50%以上とする
ことが望ましい。
【００３７】
このように、超音波により金属コア１１と基板側電極２０を直接接続させた形状を形成
することができる。この構造により、半導体素子１と基板２１の接続部に金属コア１１を
介在することにより接続高さを確保し接続部の歪みを低減できること、金属コア１１とチ
ップ側電極２もしくは基板側電極２０を直接接続することにより接続部の電気抵抗を低減
し耐エレクトロマイグレーション性を向上できること、接続温度がはんだ溶融温度よりも
低いため接続時に発生する接続部の剪断歪みを低減できること、超音波接続プロセスによ
り低温にて接続が完了できるため部品に対する熱負荷や環境に対する負荷を回避すること
ができることが可能となる。更に、第二の実施例では金属コア１１が配線側電極２０に直
接接続されるため、第一の実施例に比べて接続部の電気抵抗が低下し、耐エレクトロマイ
グレーション性は向上する。
【００３８】
図８は第二の実施例における超音波接続後時間経過した金属コアはんだボールの断面図
である。１は半導体素子、２はチップ側電極、３はチップ側金属間化合物、１０ははんだ
、１１は金属コア、１２は金属間化合物、２０は基板側電極、２１は基板、２２は基板側
金属間化合物である。図８は図６の状態から実使用環境などの時間経過後の金属コアはん
だボールの断面図であり、はんだ１０と基板側電極２０の界面に基板側金属間化合物２２
が成長した様子を示している。超音波接続時にはんだ１０と基板側電極２０が接続した箇
所において、時間経過に伴い反応が進行することにより化合物が形成される。
【実施例３】
【００３９】
図９は第三の実施例における接続前金属コアはんだボールの断面図である。１は半導体
素子、２はチップ側電極、１０ははんだ、１１は金属コア、１２は金属間化合物、２０は
基板側電極、２１は基板、２２は基板側金属間化合物である。図９に示すように、超音波
接続前にあらかじめ金属コアボールを基板側電極２０に接続する。
【００４０】
接続時はリフロー炉などで金属コアはんだボールのはんだ１０を溶融させて接続するた
め、基板側電極２０とはんだ１０が反応し、基板側電極２０とはんだ１０の界面に基板側
金属間化合物２２が形成される。同様に金属コア１１とはんだ１０の界面でも金属間化合
物１２が形成される。はんだ１０は錫、インジウム、亜鉛、鉛の少なくとも一種の元素を
主成分とするはんだであればよい。
【００４１】
ここで金属コア１１は、はんだよりも硬い材料、例えば銅、ニッケル、アルミニウム、
タングステン、金、銀、もしくはこれらのうち少なくともひとつの金属を主成分とする合
金であればよい。また金属コア１１は、二種類以上の金属の複合体、もしくは積層体、例
えば銅コアの周囲をニッケルで覆ったもの、ニッケルのコアの周囲を銅で覆ったものなど
でもよい。更に、金属コア１１は最外周部が金属であれば樹脂コアの周囲を金属で覆った
もの、例えば樹脂ボールの周囲に銅をコーティングしたものでもよい。
【００４２】
このように、超音波接続前の状態では基板側電極２０とはんだ１０、および金属コア１
１とはんだ１０の界面に、各々基板側金属間化合物２２と金属間化合物１２が形成されて
いる。基板側電極２０は、銅、アルミニウム、ニッケル、金、もしくはこれらのうち少な
くともひとつの金属を主成分とする材料であればよい。また、基板側電極２０は銅、アル
ミニウム、ニッケル、金、もしくはこれらのうち少なくともひとつの金属を主成分とする
材料であればよい。超音波接続は室温で行うものとするが、半導体素子１もしくは基板２
１の少なくとも一方をヒータなどで200℃以下に加熱することにより、接続性を向上する
ことができる。
【００４３】
図１０は第三の実施例における超音波接続直後の金属コアはんだボールの断面図である
。１は半導体素子、２はチップ側電極、１０ははんだ、１１は金属コア、１２は金属間化
合物、２０は基板側電極、２１は基板、２２は基板側金属間化合物である。図９の状態か
ら、加圧して金属コアはんだボールとチップ側電極２を接触させる。本実施例においては
、金属間化合物１２もしくは金属コア１１とチップ側電極２を部分的に接触させたのち、
超音波を印加する。
【００４４】
加圧と超音波印加により、金属コア１１と金属間化合物１２が変形しながら、金属間化
合物１２および金属コア１１とチップ側電極２が擦りあわされるため、金属間化合物１２
とチップ側電極２の間に介在するはんだ１０は金属間化合物１２とチップ側電極２の界面
からほとんど排出される。
【００４５】
また、高い加圧と超音波印加により、金属間化合物１２も破壊され、接続後は図１０に
示すように、金属コア１１とチップ側電極２を直接接続した構造が得られる。ただし、接
続界面に局所的に金属間化合物あるいははんだが残存することもある。これは実施例１あ
るいは実施例２で述べた金属コア１１と基板側電極２０の界面を示す図４あるいは図７と
同様である。
【００４６】
このように、超音波により金属コア１１とチップ側電極２を直接接続させた形状を形成
することができる。なお金属コア１１の形状は、球、楕円、円柱、立方体、多角柱などで
あればよい。また半導体素子１と基板２１の接続高さを確保するためには、金属コア１１
のサイズをはんだボール径の50%以上とすることが望ましい。
【００４７】
この構造により、半導体素子１と基板２１の接続部に金属コア１１を介在することによ
り接続高さを確保し接続部の歪みを低減できること、金属コア１１とチップ側電極２もし
くは基板側電極２０を直接接続することにより接続部の電気抵抗を低減し耐エレクトロマ
イグレーション性を向上できること、接続温度がはんだ溶融温度よりも低いため接続時に
発生する接続部の剪断歪みを低減できること、超音波接続プロセスにより低温にて接続が
完了できるため部品に対する熱負荷や環境に対する負荷を回避することができることが可
能となる。
【００４８】
更に、第三の実施例では金属コア１１がチップ側電極２に直接接続されるため、第一の
実施例に比べて接続部の電気抵抗が低下し、耐エレクトロマイグレーション性は向上する
。
【００４９】
図１１は第三の実施例における超音波接続後時間経過した金属コアはんだボールの断面
図である。１は半導体素子、２はチップ側電極、３はチップ側金属間化合物、１０ははん
だ、１１は金属コア、１２は金属間化合物、２０は基板側電極、２１は基板、２２は基板
側金属間化合物である。図１１は図１０の状態から実使用環境などの時間経過後の金属コ
アはんだボールの断面図であり、はんだ１０とチップ側電極２の界面にチップ側金属間化
合物３が成長した様子を示している。超音波接続時にはんだ１０とチップ側電極２が接続
した箇所において、時間経過に伴い反応が進行することにより化合物が形成する。
【実施例４】
【００５０】
図１２に第一および第二の実施例に関する半導体素子上電極への金属コアはんだボール
形成方法を示す。３０はチップ側電極、３１は半導体素子、４０はフラックス印刷用マス
ク、４１はスキージ、４２はフラックス、４３ははんだ振込み用マスク、５０は金属コア
はんだである。
【００５１】
図１２(a)はチップ電極３０を有する半導体素子３１である。図１２(b)に示すように、
金属コアはんだボールを搭載する箇所に開口部を持つフラックス印刷用マスク４０の位置
あわせを行う。フラックス印刷用マスク４０の厚さは転写したいフラックス厚さであれば
よく、例えば直径100μmの金属コアはんだボールを搭載したい場合は10-40μm厚程度が望
ましい。
【００５２】
位置あわせ後、フラックス印刷用マスク４０上の任意の箇所にフラックス４２を塗布し
、スキージ４１で印刷することによりフラックス印刷用マスク４０に形成している開口部
にフラックスを形成する（図１２(c)）。印刷後、フラックス印刷用マスク４０を取り外
すことにより、金属コアはんだボール搭載箇所にフラックス４２を印刷した半導体素子１
が完成する。
【００５３】
次にはんだ振込み用マスク４３をフラックス４２を印刷済みの半導体素子１に位置あわ
せし、そののち、金属コアはんだ５０を振り込む（図１２(d)）。はんだ振込み用マスク
４３の厚さは金属コアはんだ５０の直径に近い方が望ましい。はんだ振込み用マスク４３
を搭載した状態で、金属コアはんだ５０を配置した半導体素子１をリフロー炉にて熱処理
を行い、金属コアはんだ５０のはんだ部を溶融させることにより金属コアはんだ５０と半
導体素子１上のチップ側電極３０とを接続する（図１２(e)）。
【００５４】
例えば金属コアはんだ５０としてSn-Cu系の材料を使用した場合は、リフロー時の接続
部の最大温度を250℃から260℃とする。最後にはんだ振込み用マスク４３を取り除くこと
により、金属コアはんだボールを形成した半導体素子が完成する（図１２(f)）。
【００５５】
ここでは個片に分割した素子を用いて説明したが、ウェハ状態で図１０のプロセスでは
んだボールを形成したのちに、ダイシングもしくはサンドブラストなどで個片に分割して
もかまわない。また、ここでははんだ振込みでボールを形成する方法を示したが、ボール
を吸着させたのちに転写する転写方法などで形成してもよい。また、第一および第二の実
施例に関するボール形成方法は上記方法に限るものではない。
【００５６】
図１３に第一および第二の実施例に関する半導体素子上電極と基板の組み立てプロセス
を示す。６０は基板、６１は基板側電極、７０はアンダーフィルである。例えば図１２の
プロセスで形成した金属コアはんだボールを有する半導体素子の電極と、基板６０上の基
板側電極６１の位置あわせを行う（図１３(a)）。
【００５７】
位置あわせ後、半導体素子の電極上に形成した金属コアはんだボールと、基板６０上の
基板側電極６１とを接触させ、加圧を行いながら超音波を印加する（図１３(b)）。この
超音波印加により金属コアはんだボールを介して半導体素子の電極と、基板６０上の基板
側電極６１との電気的接続を得る。図１３では図示していないが、基板側電極６１上には
んだを形成してもよい。
【００５８】
最後に接続部の長期接続信頼性を向上させるためにアンダーフィル７０を注入し、硬化
させる（図１３(c)）。これにより、金属コアはんだボールにて半導体素子上の電極と基
板上電極の電気的導通を確保した半導体装置が完成する。なおアンダーフィル７０は必要
に応じて形成すればよい。ここで、基板６０はセラミック基板、プリント基板、シリコン
基板、ガラス基板、フレキシブル基板、金属ベース基板などである。
【００５９】
ここでは個片に分割した素子および基板を用いて説明したが、ウェハ状態で図１０のプ
ロセスではんだボールを形成したのちに、基板６０にウェハ状態で接続を行い、その後ダ
イシングもしくはサンドブラストなどでウェハおよび基板を個片に分割してもかまわない
。
【００６０】
図１３では半導体素子と基板６０のサイズを同等として記したが、個片に分割した半導
体素子を基板６０に搭載する際は、半導体素子のサイズが基板サイズより小さくてもかま
わない。また、第一および第二の実施例に関する組み立てプロセスは上記方法に限るもの
ではない。
【００６１】
このプロセスで形成した構造により、半導体素子と基板の接続部に金属コアを介在する
ことにより接続高さを確保し接続部の歪みを低減できること、金属コアとチップ側電極も
しくは基板側電極を直接接続することにより接続部の電気抵抗を低減し耐エレクトロマイ
グレーション性を向上できること、接続温度がはんだ溶融温度よりも低いため接続時に発
生する接続部の剪断歪みを低減できること、超音波接続プロセスにより低温にて接続が完
了できるため部品に対する熱負荷や環境に対する負荷を回避することができることが可能
となる。
【実施例５】
【００６２】
図１４に第三の実施例に関する基板上電極への金属コアはんだボール形成方法を示す。４
０はフラックス印刷用マスク、４１はスキージ、４２はフラックス、４３ははんだ振込み
用マスク、５０は金属コアはんだ、６０は基板、６１は基板上電極である。
【００６３】
図１４(a)は基板上電極６１を有する基板６０である。図１４(b)に示すように、金属コ
アはんだボールを搭載する箇所に開口部を持つフラックス印刷用マスク４０の位置あわせ
を行う。フラックス印刷用マスク４０の厚さは転写したいフラックス厚さであればよく、
例えば直径100μmの金属コアはんだボールを搭載したい場合は10-40μm厚程度が望ましい
。
【００６４】
位置あわせ後、フラックス印刷用マスク４０上の任意の箇所にフラックス４２を塗布し
、スキージ４１で印刷することによりフラックス印刷用マスク４０に形成している開口部
にフラックスを形成する（図１４(c)）。印刷後、フラックス印刷用マスク４０を取り外
すことにより、金属コアはんだボール搭載箇所にフラックス４２を印刷した基板６０が完
成する。
【００６５】
次にはんだ振込み用マスク４３をフラックス４２印刷済みの基板６０に位置あわせし、
そののち、金属コアはんだ５０を振り込む（図１４(d)）。はんだ振込み用マスク４３の
厚さは金属コアはんだ５０の直径に近い方が望ましい。はんだ振込み用マスク４３を搭載
した状態で、金属コアはんだ５０を配置した基板６０をリフロー炉にて熱処理を行い、金
属コアはんだ５０のはんだ部を溶融させることにより金属コアはんだ５０と基板６０上の
基板側電極６１とを接続する（図１４(e)）。
【００６６】
例えば金属コアはんだ５０としてSn-Cu系の材料を使用した場合は、リフロー時の接続
部の最大温度を250℃から260℃とする。最後にはんだ振込み用マスク４３を取り除くこと
により、金属コアはんだボールを形成した基板が完成する（図１４(f)）。
【００６７】
ここでは個片に分割した基板を用いて説明したが、個片分割前状態で図１４のプロセス
ではんだボールを形成したのちに、ダイシングもしくはサンドブラストなどで基板６０を
個片に分割してもかまわない。ここでははんだ振込みでボールを形成する方法を示したが
、ボールを吸着させたのちに転写する転写方法などで形成してもよい。また、第三の実施
例に関するボール形成方法は上記方法に限るものではない。
【００６８】
図１５に第三の実施例に関する半導体素子上電極と基板の組み立てプロセスを示す。図
１５において、３０はチップ側電極、３１は半導体素子、６０は基板、６１は基板側電極
、７０はアンダーフィルである。例えば図１４のプロセスで形成した金属コアはんだボー
ルを有する基板側電極６１と、半導体素子３１上のチップ側電極３０の位置あわせを行う
（図１５(a)）。
【００６９】
位置あわせ後、半導体素子３１のチップ側電極３０と、基板６０上の基板側電極６１上
に形成した金属コアはんだボールとを接触させ、加圧を行いながら超音波を印加する（図
１５(b)）。この超音波印加により金属コアはんだボールを介して半導体素子３１のチッ
プ側電極３０と、基板６０上の基板側電極６１との電気的接続を得る。図１３では図示し
ていないが、チップ側電極３０上にはんだを形成してもよい。
【００７０】
最後に接続部の長期接続信頼性を向上させるためにアンダーフィル７０を注入し、硬化
させる（図１５(c)）。これにより、金属コアはんだボールにて半導体素子上の電極と基
板上電極の電気的導通を確保した半導体装置が完成する。なおアンダーフィル７０は必要
に応じて形成すればよい。
【００７１】
ここで、基板６０はセラミック基板、プリント基板、シリコン基板、ガラス基板、フレ
キシブル基板、金属ベース基板などである。ここでは個片に分割した素子および基板を用
いて説明したが、個片分割前の状態で図１４のプロセスではんだボールを基板上に形成し
たのちに、半導体ウェハに個片分割前状態で接続を行い、その後ダイシングもしくはサン
ドブラストなどでウェハおよび基板を個片に分割してもかまわない。また、第三の実施例
に関する組み立てプロセスは上記方法に限るものではない。
【００７２】
このプロセスで形成した構造により、半導体素子と基板の接続部に金属コアを介在する
ことにより接続高さを確保し接続部の歪みを低減できること、金属コアとチップ側電極も
しくは基板側電極を直接接続することにより接続部の電気抵抗を低減し耐エレクトロマイ
グレーション性を向上できること、接続温度がはんだ溶融温度よりも低いため接続時に発
生する接続部の剪断歪みを低減できること、超音波接続プロセスにより低温にて接続が完
了できるため部品に対する熱負荷や環境に対する負荷を回避することができることが可能
となる。
【００７３】
また、このプロセスにより超音波による接続面が超音波を印加する半導体素子側である
ことから、第一および第二の実施例に比べて低いパワーで超音波接続を行うことができる
。すなわち、超音波を半導体素子側から加えるとすると、はんだボールとの接続部分は、
チップ側の電極のほうが基板側の電極よりも超音波源に近いからである。
【実施例６】
【００７４】
本実施例では、実施例２あるいは実施例３よりも基板と半導体チップ間の接続部の電気
抵抗をさらに小さくすることが可能な構成を開示する。
【００７５】
実施例２では、半導体素子と基板との間に強い荷重を加えて超音波を印加することによ
って、はんだボールの金属コア１１と基板側電極２０を直接接続している。実施例２の構
成において、半導体素子と基板との間にさらに強い荷重を加えて超音波を印加すると、リ
フローによって接続している側のはんだあるいは金属間化合物も破壊されて、半導体素子
側においても、チップ側電極２と金属コア１１が直接接続するようになる。この状態を図
１６に示す。このような構成によれば、接続部の抵抗をさらに小さくすることが出来、エ
レクトロマイグレーションの危険はさらに減少する。
【００７６】
実施例３では、半導体素子と基板との間に強い荷重を加えて超音波を印加することによ
って、はんだボールの金属コア１１とチップ側電極２を直接接続している。実施例３の構
成において、半導体素子と基板との間にさらに強い荷重を加えて超音波を印加すると、リ
フローによって接続している側のはんだあるいは金属間化合物も破壊されて、基板側にお
いても、基板側電極２０と金属コア１１が直接接続するようになる。この状態を図１７に
示す。このような構成によれば、接続部の抵抗をさらに小さくすることが出来、エレクト
ロマイグレーションの危険はさらに減少する。
【符号の説明】
【００７７】
１  半導体素子
２  チップ側電極
３  チップ側金属間化合物
１０  はんだ
１１  金属コア
１２  金属間化合物
１３  はんだバンプ
２０  基板側電極
２１  基板
２２  基板側金属間化合物
３０  チップ側電極
３１  半導体素子
４０  フラックス印刷用マスク
４１  スキージ
４２  フラックス
４３  はんだ振込み用マスク
５０  金属コアはんだ
６０  基板
６１  基板側配線
７０  アンダーフィル
１０１  はんだの残存部
１２１  金属間化合物の残存部。
【図１】
2014082526.tif 000003
【図２】
2014082526.tif 000004
【図３】
2014082526.tif 000005
【図４】
2014082526.tif 000006
【図５】
2014082526.tif 000007
【図６】
2014082526.tif 000008
【図７】
2014082526.tif 000009
【図８】
2014082526.tif 000010
【図９】
2014082526.tif 000011
【図１０】
2014082526.tif 000012
【図１１】
2014082526.tif 000013
【図１２】
2014082526.tif 000014
【図１３】
2014082526.tif 000015
【図１４】
2014082526.tif 000016
【図１５】
2014082526.tif 000017
【図１６】
2014082526.tif 000018
【図１７】
2014082526.tif 000019
【図１８】
2014082526.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成26年1月29日(2014.1.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の部材上の第一の電極パッドと第二の部材上の第二の電極パッドとをはんだボールによって接続する電子機器の製造方法において、
前記はんだボールは、金属製のコア部と、前記コア部の周囲に設けられ、前記コア部よりも硬度が低く融点が低いはんだ部とを有し、
加熱により前記はんだ部を溶融させることにより、前記はんだボールを前記第一の電極パッドへ接続する工程と、
前記第一の電極パッドに接続されたはんだボールを前記第二の電極パッドに接触させた状態で、前記はんだボール及び前記第二の電極パッドに室温にて超音波を印加することにより、前記第二の電極パッドと前記はんだボールのコア部とを直接接合する超音波接合する工程とを含み、
前記接合する工程によって前記金属製のコア部と前記はんだとの間には金属間化合物が形成され、前記超音波接合する工程によって前記金属製のコア部が前記第一の部材上の第一の電極パッドもしくは前記第二の部材上の第二の電極パッドと直接接続している界面には、前記はんだあるいは前記金属間化合物が残存している部分が存在することを特徴とする電子機器の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の電子機器の製造方法であって、
前記金属製コア部の材質が銅、ニッケル、金または銀を主成分とする金属からなることを特徴とする電子機器の製造方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
また、本発明の特徴は、第一の部材上の第一の電極パッドと第二の部材上の第二の電極パッドとをはんだボールによって接続する電子機器の製造方法において、前記はんだボールは、金属製のコア部と、前記コア部の周囲に設けられ、前記コア部よりも硬度が低く融点が低いはんだ部とを有し、加熱により前記はんだ部を溶融させることにより、前記はんだボールを前記第一の電極パッドへ接続する工程と、前記第一の電極パッドに接続されたはんだボールを前記第二の電極パッドに接触させた状態で、前記はんだボール及び前記第二の電極パッドに室温にて超音波を印加することにより、前記第二の電極パッドと前記はんだボールのコア部とを直接接合する超音波接合する工程とを含むみ、前記接合する工程によって前記金属製のコア部と前記はんだとの間には金属間化合物が形成され、前記超音波接合する工程によって前記金属製のコア部が前記第一の部材上の第一の電極パッドもしくは前記第二の部材上の第二の電極パッドと直接接続している界面には、前記はんだあるいは前記金属間化合物が残存している部分が存在することを特徴とする電子機器の製造方法である。