(57)【要約】  ある領域（２０２）の銅コンタクトパッド（２１０）と、そのパッド領域全体で銅パッドに冶金的に取り付けられる合金層（３０１）とからなるハンダ接合を備える装置である。その合金層は、Ｃｕ６Ｓｎ５金属間化合物を含む銅／錫合金と、（Ｎｉ，Ｃｕ）６Ｓｎ５金属間化合物を含むニッケル／銅／錫合金を含有する。錫が含まれているハンダ要素（３０８）は、パッド領域全体で合金層に冶金的に取り付けられる。リフロー処理の後、元の薄いニッケル層は少しも残っていない。銅／錫合金は、落下試験性能を向上させるのに役立ち、ニッケル／銅／錫合金は、寿命試験性能を向上させるのに役立つ。
2009505404.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップと、
そのチップが取り付けられ、外部接続のための複数のコンタクトを有する基板と
を備え、
各コンタクトには、
銅から成るコンタクト領域と、
前記コンタクト領域を覆う合金層であって、前記銅のコンタクト領域に冶金的に取り付けられ、合金化されていないニッケルの領域が実質的に無い、銅／錫合金および銅／ニッケル／錫合金が含まれている合金層と、
該合金層に冶金的に取り付けられる錫を含むハンダ要素と
が含まれている
集積回路装置。
【請求項２】
前記銅／錫合金には、Ｃｕ６Ｓｎ５金属間化合物が含まれている請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記銅／ニッケル／錫合金には、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５金属間化合物が含まれている請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記合金層がさらに金を含む請求項１に記載の装置。
【請求項５】
主要な前記合金層には、（Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｕ）６Ｓｎ５金属間化合物が含まれている請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記金属間化合物（Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｕ）６Ｓｎ５の厚さが、約２．０μｍから３．０μｍの間である請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記合金層がパラジウムを含む請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記ハンダ要素がさらに、鉛、銀、ビスマス、インジウム、亜鉛、銅、ニッケルおよびアンチモンからなるグループから選択される１つ以上の金属を含む請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記基板への前記コンタクト領域が、ハンダマスクにおける窓で定義される請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記ハンダ要素が、前記コンタクト領域全体にわたって前記合金層の領域に取り付けられる請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記銅／ニッケル／錫合金が、前記銅コンタクト領域に隣接する請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記銅コンタクト領域の近くから剥離した銅／ニッケル／錫合金をさらに含む請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記銅／錫合金が、前記銅コンタクト領域近くの前記銅／ニッケル／錫合金と隣接する請求項１１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、銅で被覆したコンタクトパッドを備える半導体装置に関し、加速ストレステストのもとでそれらの信頼性を検討する。
【背景技術】
【０００２】
表面実装組み立てのための半導体装置パッケージの中で、ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）パッケージへの関心が依然向上している。それらは、多くのカスタマー製品で用いることができ、引続き縮小化の傾向にある。全パッケージ領域に分布しているハンダ要素によって、多くの入出力端子が提供される。加えて、ハンダ要素によって、基板取り付け技術において失敗の機会が非常に低い率となっている（「６シグマプロセシング」）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、最近ではＢＧＡパッケージに影響を及ぼす困難な要求がされている。ほんのいくつかを上げてみると、（環境上の理由で）ハンダ要素がなおいっそう無鉛であることが要求されており、この要求によって冶金上の難問がもたらされている。コンタクトパッドは、ベースメタルとして銅を有しており、この選択により、ハンダ要素について、冶金上の界面の難問がもたらされている。パッケージの構成要素の特徴的大きさのさらなる小型化が、受け入れ可能な生き残り率で加速ストレス試験に合格する上での新たなハードルとなっており、例えば、高温高湿環境での加速寿命試験は、より困難になっている。ＢＧＡパッケージを含むデバイス製品は、より多くのカスタマーアプリケーションの中に広がってきており、しばしばこれらのアプリケーションのために、より厳格で全く新しくさえある受け入れ試験が行われる。最近の例として、無線電話のアプリケーションでは、ＢＧＡパッケージのハンダ接合が、試験の後も信頼できるものであり続けることを示すために、電話機落下試験に耐えることが要求されている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
（概要）
ハンダ接合のある装置、特に半導体パッケージを作製する方法であって、その接合により、アプリケーションに特有の機械的および熱的な信頼性が装置に備わって、装置が製品専用の試験に合格するものとなるような、柔軟でさらに低価格で、かつ強力な方法が必要であることを出願人は認識している。
【０００５】
本発明の一実施例は、ある領域のコンタクトパッドおよび、そのパッド領域の全域でコンタクトパッドに冶金的に取り付けられる合金層からなるハンダ接合を備える装置である。コンタクトパッドの表面は銅を有する。コンタクト領域上で、合金層には、銅／錫合金と銅／ニッケル／錫合金が含まれている。銅／錫合金には、Ｃｕ６Ｓｎ５金属間化合物が含まれている。銅／ニッケル／錫合金には、（Ｎｉ，Ｃｕ）６Ｓｎ５金属間化合物が含まれている。錫を含むハンダ要素は、パッド領域の全域で合金層に冶金接合されている。
【０００６】
銅／錫合金が中心である第一の合金は、銅パッドへのハンダ接合が達成する最高レベルにまで、落下試験での性能を向上させるのに役立つ。ニッケルを含む合金が中心である第二の合金は、経時変化する条件を遅らせることによって寿命試験での性能を向上させるのに役立つ。
【０００７】
上記実施例において、所望の数、分布および厚さの合金領域を形成する好ましい方法は、所定の厚さの薄いニッケル層を銅のコンタクトパッド上に堆積し、錫を含むハンダ要素をそのニッケル層に取り付け、そして選択された時間‐温度プロフィールにしたがってハンダをリフローするものである。
【０００８】
本発明の別の実施例においては、合金層には金またはパラジウムが含まれる。
【実施例１】
【０００９】
（実施例の詳細な説明）
図１は、多くの種類を擁するボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）半導体装置のうち代表的なものを概略的に示す。半導体チップ１０１は、機械的な取り付けのためのチップ取り付け材１０３と電気的接続のためのボンディングワイヤ１０４とを用いて、基板１０２上に取り付けられている。その組み立て体は、典型的には、モールディング化合物１０５中に封入されている。
【００１０】
基板１０２は、内部での相互接続のために、特に、ワイヤスティッチボンドのサイト１０６と外部接続のためのコンタクトパッド１０７との間の接続線を作るため、１つ以上のパターン化された金属層を有している（図１には示されていない）。金属層は、絶縁層によって分離されている。ハンダ要素１０８は、コンタクトパッド１０７に取り付けられている。種々の試験および使用条件のもとでのこのハンダ取り付けの信頼性は、特別に考慮される価値があるものである。
【００１１】
装置の部分「Ａ」が、図２および図３により詳細に示されている。図２は、ハンダ要素２０８のリフローの前の装置コンタクトパッドを示し、図３は、リフロープロセス後を示す。図２において、基板１０２は絶縁表面層２０１を有しており、それはしばしばハンダマスクと称される。ハンダマスク２０１には幅２０２の窓が開けられており、それは基板の相互接続金属２１０の一部を露出し、そうしてコンタクト領域を定める。金属２１０は銅からできており、その銅の露出した領域は、ハンダマスクの窓の幅２０２によって定められる。
【００１２】
ニッケルの層２１１が露出された銅の領域の上に堆積され、加えて金またはパラジウムのような貴金属の層２１２が、そのニッケル層の上に堆積される。この実施例におけるニッケル層の厚さは約０．０１μｍから０．３μｍの間であり、好ましい厚さの範囲は、０．１２±０．０４μｍである。金層の厚さは、約０．１μｍから１．０μｍとの間であり、好ましい厚さの範囲は０．５±０．２５μｍである。
【００１３】
ハンダリフロー要素２０８は錫を含有しており、加えて、それは、鉛、銀、ビスマス、インジウム、亜鉛、銅、ニッケルおよびアンチモンからなるグループから選択される１つ以上の金属を含有していても良い。この実施例におけるニッケル層の厚さでは、ハンダ要素２０８における錫およびその他のリフロー金属の量は、ニッケルの量よりもずっと大きい。
【００１４】
図２が示すように、基板１０２は、コンタクトパッド２０２と反対の基板表面上に１つ以上のパッド２２０を有しており、これらのパッドは、半導体チップボンドパッドへの接続ワイヤ２３０のためのボンドパッドとして働く。ワイヤ２３０は、好ましくは金でできており、かつパッド２２０は、好ましくは、金ワイヤスティッチ２３１のためであることが意図されているので、パッド２２０は、好ましくは、銅層２２１、ニッケル層２２２および金層２２３が含まれている層の積み重ねからなる。
【００１５】
図３は、ハンダ要素２０８のリフローの後の装置のコンタクトパッドを示す。２１０は銅線であって、ハンダレジスト２０１における幅２０２の窓によってコンタクトパッドが露出されている。幅２０２は銅コンタクト領域を定める。
【００１６】
領域の全域において冶金的に銅に取り付けられるのが合金層３０１であり、それには錫、銅およびニッケルが含まれている。図３の領域「Ｂ」が図４に拡大されている。信頼性が最高の性能を達成するために、その合金はコンタクト領域において、堆積されたニッケル層の全体を消費するべきである。合金層３０１に冶金的に取り付けられているのは、錫をその主成分とするハンダ要素３０８である。
【００１７】
図４において、基板１０２の絶縁部分上にあるのが、銅コンタクト領域における銅層２１０の一部である。銅層２１０に冶金的に取り付けられているのは、合金層３０１であり、合金層３０１に冶金的に取り付けられているのは、ハンダ要素３０８の一部であって、主に錫を含有している。
【００１８】
合金層３０１は、銅／錫合金と銅／ニッケル／錫合金とを含んでいる。銅／錫合金は、高いパーセンテージでＣｕ６Ｓｎ５金属間化合物を含んでおり、しばしば輪郭が波型である。ニッケル／銅／錫合金は、高いパーセンテージで（Ｎｉ，Ｃｕ）６Ｓｎ５金属間化合物を備えており、しばしば結晶子が剥離して合金層中に入り込んでいる。
【００１９】
金を合金の構成要素として有する実施例において、合金は、高いパーセンテージで（Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｕ）６Ｓｎ５金属間化合物を含んでいる。後者の金属間化合物では、合金層の厚さは、好ましくは、２．０μｍから３．０μｍの間である。
【００２０】
ニッケルを含有する合金は、元のニッケル層から利用可能なニッケルを全て消費してしまっており、合金形成（リフロー）プロセスの後ニッケル層は少しも残っていない。
【００２１】
銅／錫合金とニッケル／銅／錫合金との間の所定の比は、２つのパラメータ、すなわちニッケル層の厚さおよびリフロープロセスの時間‐温度プロフィールの値を選択することによって作ることができる。０．１±０．０５μｍの厚さ範囲にあるニッケル層について、好ましい時間‐温度シーケンス５０１の例が図５に再現されている（温度は℃で、時間は分で計測されている）。図から分かるとおり、プロフィールは、約１分乃至２分の、約１３０℃から１７０℃までの予備加熱範囲５０１と、約１／４分乃至３／４分の、約２３０℃を超える高温領域５０２とを有している。
【００２２】
発明者による定量的な調査によって、組み立てられた装置の落下試験性能を、銅パッドへのハンダ接合が到達する最高のレベルにまで向上させるのに、銅／錫合金が役に立つことが示されている。他方、厚み約０．１μｍの当初のニッケル層から得られるニッケル含有合金によって、完成された装置の寿命試験性能が向上するが、それは経時変化させる条件を非常に遅らせることによるものであって、装置の特性は期待される装置寿命全般にわたってほぼ一定であり続ける。
【実施例２】
【００２３】
発明の他の実施例において、合金層３０１は、リフローした錫ハンダ要素３０８とともに金またはパラジウムのような溶解された貴金属を含んでも良い。図２に示される堆積層としての貴金属は、リフローする製造工程で溶解する。
【００２４】
この発明は例示的な実施例を参照して記述されるが、この記述は、制限的な意味で解釈されることを意図していない。例示的な実施例ならびに本発明の他の実施例を種々に変更したり組み合わせたりすることは、この説明を参照すれば当業者には明らかなことである。一例として、より薄いニッケル層、すなわち銅を酸化から保護するのに充分なだけのニッケルを使用してもよい。したがって、特許請求の範囲の発明は、そのようないかなる変更をも包含することを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】外部接続のためのハンダ要素を有するボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）タイプの半導体装置の概略断面を示す。
【図２】ハンダ要素を取り付ける前のコンタクトパッドの詳細を示す基板の部分「Ａ」（図１）の概略断面である。
【図３】ハンダ要素のリフロー後のコンタクトパッドの詳細を示す基板の部分「Ａ」（図１）の概略断面である。
【図４】ハンダ接合の部分「Ｂ」（図３）の概略断面である。
【図５】錫ハンダをリフローして、銅／錫およびニッケル／錫、ニッケル／銅／錫合金領域を作るための、薄いニッケル層を備える銅コンタクトについて時間‐温度プロフィールの例を示す。
【図１】
2009505404.tif 000003
【図２】
2009505404.tif 000004
【図３】
2009505404.tif 000005
【図４】
2009505404.tif 000006
【図５】
2009505404.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成20年2月8日(2008.2.8)
【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】
半導体チップと
そのチップが取り付けられ、外部接続のための複数のコンタクトを有する基板と
を備え、
各コンタクトには、
銅から成るコンタクト領域と、
前記コンタクト領域を覆う合金層であって、前記銅のコンタクト領域に冶金的に取り付けられ、合金化されていないニッケルの領域が実質的に無い、銅／錫合金および銅／ニッケル／錫合金が含まれており、該銅／ニッケル／錫合金には、（Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｕ）６Ｓｎ５金属間化合物が含まれている合金層と、
該合金層に冶金的に取り付けられる錫を含むハンダ要素と
が含まれている
集積回路装置。
【請求項２】
前記銅／錫合金には、Ｃｕ６Ｓｎ５金属間化合物が含まれている請求項１または１４に記載の装置。
【請求項３】
前記銅／ニッケル／錫合金には、（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５金属間化合物が含まれている請求項１または１４に記載の装置。
【請求項４】
前記合金層がさらに金を含む請求項１または１４に記載の装置。
【請求項５】
主要な前記合金層には、（Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｕ）６Ｓｎ５金属間化合物が含まれている請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記金属間化合物（Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｕ）６Ｓｎ５の厚さが、約２．０μｍから３．０μｍの間である請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記合金層がパラジウムを含む請求項１または１４に記載の装置。
【請求項８】
前記ハンダ要素がさらに、鉛、銀、ビスマス、インジウム、亜鉛、銅、ニッケルおよびアンチモンからなるグループから選択される１つ以上の金属を含む請求項１または１４に記載の装置。
【請求項９】
前記基板へのコンタクト領域が、ハンダマスクにおける窓で定義される請求項１または１４に記載の装置。
【請求項１０】
前記ハンダ要素が、前記コンタクト領域全体にわたって前記合金層の領域に取り付けられる請求項１または１４に記載の装置。
【請求項１１】
前記銅／ニッケル／錫合金が、前記銅コンタクト領域に隣接する請求項１または１４に記載の装置。
【請求項１２】
前記銅コンタクト領域の近くから剥離した銅／ニッケル／錫合金をさらに含む請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記銅／錫合金が、前記銅コンタクト領域近くの前記銅／ニッケル／錫合金と隣接する請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】
前記基板が、銅から成る第二のコンタクト領域と、前記銅の上のニッケルを含む領域と、金部材とをさらに有し、
前記半導体チップが前記金部材を介して前記基板に機械的に取り付けられている
請求項１に記載の装置。
【国際調査報告】
2009505404.tif 000008
2009505404.tif 000009