(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップを回路基板にはんだを介して接合することにより電子回路を製造する方法であって、半導体チップの電極上に形成された金バンプを液相線温度が１２５℃以上且つ１８０℃未満のはんだの溶融浴に浸漬して金バンプ上にはんだを供給及び被着し、次いで半導体チップを回路基板上の所定の位置に配置し、そして金バンプ上のはんだを溶融後再固化させて半導体チップを回路基板に接合する電子回路の製造方法。
【請求項２】
前記はんだとしてスズとビスマスを主成分とするはんだを使用する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記はんだがスズを４０〜５９重量％及びビスマスを４１〜６０重量％含む、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記はんだがスズを４０〜５９重量％、ビスマスを４１〜６０重量％含み、且つ２重量％以下の銀を含む、請求項２記載の方法。
【請求項５】
前記はんだがスズを４２重量％、ビスマスを５７重量％、そして銀を１重量％含有している、請求項４記載の方法。
【請求項６】
半導体チップがその電極上に形成された金バンプをはんだを介して回路基板の電極に接合して当該回路基板に搭載されている電子回路であって、当該はんだが液相線温度が１２５℃以上且つ１８０℃未満のはんだであることを特徴とする電子回路。
【請求項７】
前記はんだがスズとビスマスを主成分とするはんだである、請求項６記載の電子回路。
【請求項８】
前記はんだがスズを４０〜５９重量％及びビスマスを４１〜６０重量％含むはんだである、請求項７記載の電子回路。
【請求項９】
前記はんだがスズを４０〜５９重量％、ビスマスを４１〜６０重量％含み、且つ２重量％以下の銀を含むはんだである、請求項８記載の電子回路。
【請求項１０】
前記はんだがスズを４２重量％、ビスマスを５７重量％、そして銀を１重量％含有するはんだである、請求項９記載の電子回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子回路とその製造方法に関する。より詳しく言えば、本発明は、電子部品類、特に大規模集積回路（ＬＳＩ）チップをチップ上の金バンプに被着したはんだを介して基板に接合するフリップチップ接合により表面実装して製造された電子回路とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
フリップチップ接合は、実装面積が小さく、また、回路の配線長が短いことから、高密度実装や高速デバイスの実装に適している。このため、フリップチップ接合は大型コンピュータの分野で採用されてきたが、最近では小型化、高機能化が進む民生用電子機器にも用いられるようになってきた。
【０００３】
フリップチップ接合のバンプについては、アルミニウム電極上へのバンプ形成が容易であることから金バンプを用いた開発例が増加している。金バンプと基板電極の接続には、はんだ付け、異方導電性フィルム、導電ペーストなどのように中間材を介す方式と、バンプと基板電極を熱圧着して金属間の固相拡散により接合する方式がある。
【０００４】
金属間の固相拡散により接合する方式は、良好な状態の接合形成が難しく、濡れ不良等により信頼性の低下を招く。その一方、中間材を介す方式のうち、異方導電性フィルムや導電ペーストにより金バンプと基板電極を接続する方式では、位置ずれ、高抵抗、リペア（補修）不可といった問題点がある。これに対して、はんだ付けにより金バンプと基板電極を接続する場合、セルフアライメント効果による位置ずれ補正、低抵抗化、リペア性の付与といった長所が考えられる。
【０００５】
従来、チップ側バンプと基板電極との接合部のはんだは、溶融はんだ射出、はんだペースト印刷、あるいはスーパーソルダ法により、基板電極側に供給する方法が一般に用いられている。しかし、基板にはんだを供給するこれらの方法では、狭ピッチ化への対応において、例えば溶融はんだ射出の場合はブリッジの発生、はんだペーストの場合は印刷性やはんだ粉末の微小化の限界という問題がある。更に、これらの方法では、工数が増加したり、基板メーカへ処理を依頼しなければならず、コストの上昇を引き起こす。
【０００６】
このような不都合を解消し、チップの金バンプと基板電極の接合にはんだ付けを用い且つ狭ピッチ化に対応可能なフリップチップ接合を目指す技術として、溶融はんだ槽に金バンプを浸漬することにより金バンプ側にはんだを供給する方法が着目されている。しかしながら、この方法においては、はんだ中に含まれるスズが金と反応してＡｕＳｎ、ＡｕＳｎ２  、ＡｕＳｎ４  といった金属間化合物を形成しやすく、そしてこのような金属間化合物は固くて脆い性質を有し、接合部に発生するとしばしば信頼性低下の原因となることが問題となっている。
【０００７】
チップ上に形成した金バンプを溶融はんだ中に浸漬して金バンプにはんだを供給し、基板上の導体配線パターンに接合する技術を開示している特開平３−１０８７３４号公報では、はんだをインジウムを含む合金と限定している。はんだにインジウムを含ませることで、金とスズとの反応を抑制することが可能になる。ところが、はんだがインジウムを含む場合には、次に述べるような問題が生じる。第一に、インジウムの易酸化性からはんだ浴表面を清浄な状態に保つことが難しく、特に大気中では溶融浴のはんだをバンプへ移す（供給する）ことが良好に行なえない。第二に、雰囲気の調整等で第一の問題を解消しても、はんだの供給を良好に行なうためには、はんだ浴の設定温度を融点から５０℃以上高くしなければならず、他のはんだと比べてより大きな熱応力が金バンプに加わる。第三に、インジウムは高価な材料であることから、コストが高くなる。以上のように、インジウムを含むはんだを用いた場合には、金バンプへのはんだの供給がしずらくなり、且つコストの上昇を招く。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来技術に存する上記の欠点を解消して、インジウムを含むはんだを使用した場合に比べて金バンプへのはんだの供給が容易であって、しかも金とはんだ中のスズとの反応を抑制できる新しいはんだ供給方法を利用して、ＬＳＩチップに代表される半導体チップを回路基板へ表面実装して電子回路を製造する方法と、その方法により製作したチップ−基板間の接合の信頼性の高い電子回路を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の電子回路製造方法は、半導体チップを回路基板にはんだを介して接合することにより電子回路を製造する方法であって、半導体チップの電極上に形成された金バンプを液相線温度が１２５℃以上且つ１８０℃未満のはんだの溶融浴に浸漬して金バンプ上にはんだを供給及び被着し、次いで半導体チップを回路基板上の所定の位置に配置し、そして金バンプ上のはんだを溶融後再固化させて半導体チップを回路基板に接合する方法である。
【００１０】
また、本発明の電子回路は、半導体チップがその電極上に形成された金バンプをはんだを介して回路基板の電極に接合して当該回路基板に搭載されている電子回路であって、当該はんだが液相線温度が１２５℃以上且つ１８０℃未満のはんだであることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明では、金バンプを備えた、ＬＳＩチップに代表される半導体チップを回路基板にフリップチップ接合する際に使用されるはんだとして、液相線温度が１２５℃以上且つ１８０℃未満のはんだ合金を使用する。上述のように、金バンプをはんだを介して回路基板の電極に接合すると、金とはんだ中のスズとの金属間化合物が生成して接合部の信頼性の低下の原因となる。本発明は、この金属間化合物の生成を抑制するには、比較的低融点のはんだを採用し、金とはんだの反応温度を下げることを可能とすることが有効であることを見いだしてなされたものである。
【００１２】
はんだを金バンプへ供給して被着するとき及び被着したはんだを介しチップを回路基板へ実装するときの温度が高いと、はんだ中への金の拡散が著しく進行するため、Ａｕ−Ｓｎ化合物が多量に生成し、基板実装後の接合部は非常に脆い状態となる。そのような接合部が電子回路の反復使用に伴う発熱と冷却のサイクルにさらされると、異種材料間の熱膨張率差による応力が加わるため、接合部にクラックが発生し、オープン不良（絶縁不良）が発生する。先に説明した特開平３−１０８７３４号公報では、インジウムを含むはんだを用いることでこのような不都合の解消を図っている。
【００１３】
これに対し、本発明によれば、はんだの融点を低くすることで、バンプへのはんだ供給時及びチップの基板実装時の温度を低下させることにより、Ａｕ−Ｓｎ化合物の生成を抑制することで、チップと基板との接合部の信頼性を高めることがとが可能となる。
【００１４】
本発明で使用するはんだは、液相線温度が１２５℃以上且つ１８０℃未満の合金である。１２５℃という下限は、これより低い液相線温度の合金の実用の可能性がないことによる。１８０℃という上限は、液相線温度がこれ以上になるとＡｕ−Ｓｎ化合物の生成量が多くなることによるものである。
【００１５】
本発明におけるはんだとして好適なものは、ＳｎとＢｉを主成分とする合金である。このＳｎ−Ｂｉはんだにおける好ましいＳｎ含有量は４０〜５９重量％であり、残部（すなわち４１〜６０重量％）がＢｉである。このＳｎ−Ｂｉはんだは、上記の組成範囲内において、更にＡｇを最高で２重量％まで含んでもよい。すなわちＡｇを含む場合のはんだ組成は、Ｓｎが４０〜５９重量％、Ｂｉが４１〜６０重量％、そしてＡｇが２重量％以下となる。Ａｇには、ＳｎとＢｉだけからなるはんだの熱疲労特性を改善する優れた作用があり、すなわちＡｇを含むＳｎ−Ｂｉはんだは延性が増して接合部の信頼性を更に高めることができる。２重量％より多量の銀を使用しても差し支えはないが、はんだの延性を高める銀の効果はその含有量を２重量％をより多くすると延性を逆に低下させるので、実用的には２重量％以下の銀含有量とすることが好ましい。本発明において特に好ましいはんだは、Ｓｎを４２重量％、Ｂｉを５７重量％、そしてＡｇを１重量％含有するものである。
【００１６】
Ｓｎ−Ｂｉはんだ、あるいはＳｎ−Ｂｉ−Ａｇはんだのほかに、本発明では例えばＳｎ−Ｂｉ−Ｐｂ系のはんだ等を使用することも可能である。
【００１７】
本発明において半導体チップの金バンプをはんだ溶融浴に浸漬して金バンプへはんだを供給する具体的方法、及び金バンブに被着したはんだを介して半導体チップを回路基板の電極に接合する具体的方法は、半導体産業の分野において周知であり、ここで詳しく説明するには及ばない。
【００１８】
【実施例】
次に、実施例により本発明を更に説明する。
表１に示したように液相線温度の異なる各種はんだ合金を、同表に浸漬温度として示した液相線温度以上の温度に加熱して溶融状態とし、これにＬＳＩチップのアルミニウム電極上に形成した金バンプを浸漬させた。浸漬後の金バンプ断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察により、金バンプ上へのはんだ供給・被着状態を調査した。その結果から金バンプへうまくはんだを供給してバンプ上にはんだ皮膜を形成できた試料（表１の「はんだ被着状態」が○と表示されているもの）について、被着したはんだを加熱溶融することにより金バンプを回路基板の銅電極上に接合し、ＬＳＩチップを基板へ実装した。（表１の「はんだ被着状態」が×と表示されているものは、バンプ上のはんだ皮膜が十分でなかったことを示している。）実装後の接合部断面を電子プローブ微量分析計（ＥＰＭＡ）で分析して、金バンプの基板への接合状態を調査した。
【００１９】
得られた結果を表１に示す。基板への接合状態が○で表示されているものは、はんだを介して金バンブと銅電極との良好な接合が形成されたことを示しており、×で表示されているものは、接合部にクラックが発生し、良好な接合が形成できなかったことを示している。ＡｕＳｎ発生量が「少」と表示されているものは、はんだ中のスズのうちのわずかなものだけがＡｎ−Ｓｎ金属間化合物を形成していたことを示しており、「多」と表示されているものは、はんだ中のスズの大半がＡｎ−Ｓｎ金属間化合物を形成していたことを示していて、矢印の左側がはんだをバンプへ被着時の状態であり、右側が接合後の状態である。
【００２０】
【表１】
0003592054.tif 000002
【００２１】
液相線温度が１８０℃未満のはんだ３種について、はんだを金バンプへ供給及び被着する際の温度（はんだ浴温度）を２００℃以下とした場合に、はんだの良好な供給・被着、チップの基板への良好な実装が行なえた。一方、融点が１８０℃以上のはんだでは、Ａｕ−Ｓｎ金属間化合物が多量に生成するため、基板への実装がうまく行なえず、また、たとえ行なえても実装直後に接合部は破断した。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、金バンプへのはんだの供給を低い温度で容易に行うことができ、且つ、金とはんだ中のスズとの反応を効果的に抑制できることから半導体チップの金バンプと回路基板の電極との接合強度を向上させることができ、それゆえ信頼性の高い電子回路を提供することが可能になる。