(57)【要約】パッケージ基板（４）はダイはんだパッド（３）およびピンはんだフィレット（５）を含む。ダイピンはんだフィレット（５）は、約９０重量％〜約９９重量％の錫と約１０重量％〜約１重量％のアンチモンから構成され得る。ダイはんだパッド（３）は、約４重量％〜約８重量％のビスマス、約２重量％〜約４重量％の銀、約０重量％〜約０．７重量％の銅、および、約８７重量％〜約９２重量％の錫から構成され得る。ダイはんだパッド（３）は、約７重量％〜約２０重量％のインジウム、約２重量％〜約４．５重量％の銀、約０重量％〜約０．７重量％の銅、および、約７４．３重量％〜約９０重量％の錫から構成され得る。
2008544572.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイサイドおよびピンサイドを有し、前記ダイサイド上に複数のダイはんだパッド（３）が位置し、前記ピンサイド上に複数のピンはんだフィレット（５）が配置されたパッケージ基板（４）であって、
前記複数のダイはんだパッド（３）は、ダイはんだパッドリフロー温度を有し、前記複数のピンはんだフィレット（５）は、ピンはんだフィレットリフロー温度を有し、前記ダイはんだパッドリフロー温度は前記ピンはんだフィレットリフロー温度よりも低く、前記ピンはんだフィレットリフロー温度は前記パッケージ基板（４）の熱分解温度よりも低く、
前記複数のダイはんだパッド（３）は、約４重量％〜約８重量％のビスマス、約２重量％〜約４重量％の銀、約０重量％〜約０．７重量％の銅、および、約８７重量％〜約９２重量％の錫から構成される、パッケージ基板（４）。
【請求項２】
前記複数のピンはんだフィレット（５）は、約９０重量％〜約９９重量％の錫と、約１０重量％〜約１重量％のアンチモンから構成される、請求項１記載のパッケージ基板（４）。
【請求項３】
ダイサイドおよびピンサイドを有し、前記ダイサイド上に複数のダイはんだパッド（３）が位置し、前記ピンサイド上に複数のピンはんだフィレット（５）位置したパッケージ基板（４）であって、
前記複数のダイはんだパッド（３）は、ダイはんだパッドリフロー温度を有し、前記複数のピンはんだフィレット（５）はピンはんだフィレットリフロー温度を有し、前記ダイはんだパッドリフロー温度は前記ピンはんだフィレットリフロー温度よりも低く、前記ピンはんだフィレットリフロー温度は前記パッケージ基板（４）の熱分解温度よりも低く、
前記複数のダイはんだパッド（３）は、約７重量％〜約２０重量％のインジウム、約２重量％〜約４．５重量％の銀、約０重量％〜約０．７重量％の銅、約０重量％〜約０．５重量％のアンチモン、および、約７４．３重量％〜約９０重量％の錫から構成される、パッケージ基板（４）。
【請求項４】
前記複数のピンはんだフィレット（５）は、約９０重量％〜約９９重量％の錫、および、約１０重量％〜約１重量％のアンチモンから構成される、請求項３記載のパッケージ基板（４）。
【請求項５】
ダイサイドおよびピンサイドを有し、前記ダイサイド上に複数のダイはんだパッド（３）が位置し、前記ピンサイド上に複数のピンはんだフィレット（５）位置したパッケージ基板（４）であって、
前記複数のダイはんだパッド（３）は、ダイはんだパッドリフロー温度を有し、前記複数のピンはんだフィレット（５）はピンはんだフィレットリフロー温度を有し、前記ダイはんだパッドリフロー温度は前記ピンはんだフィレットリフロー温度よりも低く、前記ピンはんだフィレットリフロー温度は前記パッケージ基板（４）の熱分解温度よりも低く、
前記複数のピンはんだフィレット（５）は約９０重量％〜約９９重量％の錫、および、約１０重量％〜約１重量％のアンチモンから構成される、パッケージ基板（４）。
【請求項６】
前記複数のダイはんだパッド（３）は、約４重量％〜約８重量％のビスマス、約２重量％〜約４重量％の銀、約０重量％〜約０．７重量％の銅、および、約８７重量％〜約９２重量％の錫から構成される、請求項５記載のパッケージ基板（４）。
【請求項７】
前記複数のダイはんだパッド（３）は、約７重量％〜約２０重量％のインジウム、約２重量％〜約４．５重量％の銀、約０％〜約０．７重量％の銅、約０重量％〜約０．５重量％のアンチモン、および、約７４．３重量％〜約９０重量％の錫から構成される、請求項５記載のパッケージ基板（４）。
【請求項８】
フリップチップは前記ダイサイドに位置する、請求項５記載のパッケージ基板（４）。
【請求項９】
前記フリップチップは複数のはんだバンプ（２）を含み、前記複数のはんだバンプ（２）の各々は前記複数のダイはんだパッド（３）のうちの対応する１つに取り付けられる、請求項８記載のパッケージ基板（４）。
【請求項１０】
ピングリッドアレイは前記ピンサイドに位置し、前記ピングリッドアレイは複数のピンリード（６）を含み、前記複数のピンリード（６）の各々は前記複数のピンはんだフィレット（５）のうちの対応する１つに取り付けられる、請求項５記載のパッケージ基板（４）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
概して、本発明は、半導体デバイスのパッケージングに関し、より詳細には、有機基板を使用した半導体パッケージに関する。
【背景技術】
【０００２】
超大規模集積技術に関連づけられる高密度および高性能に対する要求がますます強くなっており、これにより、回路構成要素と外部電気回路との間に電気的接続を設計し実装するための重要な課題が生み出されている。集積回路（ＩＣ）デバイスにおいては、それが個々のアクティブデバイス、個々のパッシブデバイス、１つのチップ内の複数のアクティブデバイスあるいは１つのチップ内のパッシブデバイスおよびアクティブデバイスであるかに拘わらず、集積回路とその他の回路構成要素あるいは構造との間に適切な入力／出力（Ｉ／Ｏ）接続が求められる。
【０００３】
デバイスを小型化し、半導体デバイスの密度を増加しつづけるには、電気的接続の改良するほかにＩ／Ｏ端子数をさらに増加する必要がある。
デバイス密度の増加をサポートする１つの技術としては、ペリフェラルワイヤボンディングからエリアアレイチップインターコネクトへのシフトが挙げられる。エリアアレイにおけるインターコネクトパッケージング技術の例としては、フリップチップ技術が挙げられる。フリップチップ技術においては、ダイ表面上のはんだバンプの大きなエリアアレイは、“フリップされた”ダイをパッケージ基板の表面のそれぞれのはんだパッドに直接結合する。
一形態では、多数のピンリードがパッケージ基板の反対面のそれぞれのはんだフィレットにはんだ付けされ、ピングリッドアレイパッケージができる。このピングリッドアレイパッケージは、Ｉ／Ｏ端子収容数が増加されており、さらにチップの真下に電気信号を送る。
【０００４】
現在、はんだの主な構成要素として鉛（Ｐｂ）が使用されており、例えば、９５重量％までのはんだが鉛（Ｐｂ）であってもよ。したがって、はんだパンプ、パッケージ基板のダイサイド上のはんだパッド、および、パッケージ基板のピンサイド上のはんだフィレットにおいてはんだを使用することで、鉛（Ｐｂ）が広範囲にわたって使用される。しかし、例えば環境規制により、電気回路中の鉛（Ｐｂ）の削減が求められていることから、鉛（Ｐｂ）の代替物が非常に望まれている。この要件により、はんだ材料中の鉛（Ｐｂ）を代替するという重要な課題がもたらされる。上述したピングリッドアレイの例において示したように、鉛（Ｐｂ）を含むはんだは、半導体パッケージング技術において最も広範に使用されている相互接続材料である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、長期にわたって確立されてきた、はんだ中に使用される鉛（Ｐｂ）を他の材料に置き換えることは大きな困難を伴う。例えば、処理における“温度ヒエラルキー”を維持しながら、信頼性のある電気接触と機械的結合とを生成する必要がある。例を挙げると、フリップチップ技術で、処理温度ヒエラルキーにおいては、有機基板の熱分解温度未満のリフロー温度、つまり、十分に電気的接続を形成できるほどはんだが移動可能になる温度、を有するピンはんだにはんだフィレットを使用させることが定義される。さらに、使用されるはんだは、パッケージ基板のダイサイド上のはんだパッドであり、ピンはんだで使用されるはんだフィレット中のはんだよりも低いリフロー温度を有する必要がある。
【０００６】
したがって、長期にわたって定着していた、はんだ中の鉛（Ｐｂ）の使用を他の材料に置き換えつつ、信頼できる電気接触と所要の機械的強度とを維持し、かつ、有機基板を備えたピングリッドアレイパッケージにおいてフリップチップをアセンブルするなどの半導体パッケージのアセンブルにおいて所要のプロセッシング温度ヒエラルキーに従う技術が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は鉛フリーの半導体パッケージに関する。本発明は、はんだ中の鉛を他の材料に置換えつつ、信頼性のある電気接続と所要の機械的強度とを維持し、かつ、半導体パッケージのアセンブルにおいて所要のプロセッシング温度ヒエラルキーに従う技術の必要性に取り組み解決するものである。一実施形態では、本発明は、パッケージ基板と、パッケージ基板上に多数のダイはんだパッドと、パッケージ基板のピンサイド上に多数のピンはんだフィレットとを備える。ダイはんだパッドのリフロー温度は、ピンはんだフィレットのリフロー温度よりも低く、その一方で、ピンはんだフィレットのリフロー温度はパッケージ基板の熱分解温度よりも低い。本実施形態の１実装品では、ピンはんだフィレットは約９０重量％〜約９９重量％の間の錫と、約１０重量％〜約１重量％のアンチモンから構成され得る。この実装品では、ピンはんだフィレットのリフロー温度は約２３５℃〜約２４７℃の間の値をとる。この温度は、パッケージ基板の熱分解温度未満、つまり、約２７５℃未満である。
【０００８】
１つの実施形態では、ダイはんだパッドは、約４重量％〜約８重量％のビスマス、約２重量％〜約４重量％の銀、約０重量％から約０．７重量％の銅、および、約８７重量％から約９２重量％の錫から構成され得る。さらに別の実施形態では、ダイはんだパッドは、約７重量％〜約２０重量％のインジウム、約２重量％から約４．５重量％の銀、約０重量％〜約０．７重量％の銅、約０重量％〜約０．５重量％のアンチモン、約７４．３重量％〜約９０重量％の錫から構成され得る。これらの実施形態では、ダイはんだパッドのリフロー温度は、約１７０℃〜約２２５℃である。本発明の全ての実施形態においては、ピンはんだフィレットのリフロー温度およびダイはんだパッドのリフロー温度は、パッケージ基板の熱分解温度未満、つまり、約２７５℃未満である。本発明のその他の特徴および利点は、以下の詳細な説明および添付の図面を読めば、当業者にはさらに容易に明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明は、鉛フリーの半導体パッケージに向けられている。以下の説明は、本発明の実装品に関する特定の情報を含む。当業者であれば、本出願で具体的に説明した方法とは異なる方法で本発明を実装できることが分かるであろう。さらに、本発明を曖昧にしないように、本発明の具体的な詳細のいくつかは説明していない。
【００１０】
本出願の図面と添付の詳細な説明は、本発明の単なる例示的実施形態に向けられている。簡潔を期するために、本発明の他の実施形態は本出願においては具体的に記載しておらず、また、本図面において具体的に例示していない。別段の記載がない限り、図面において同じ、あるいは対応する要素は同一のあるいは対応の参照符号によって示されている。
【００１１】
特定の例を挙げるために、および、本発明の概念を分かり易く例示するために、本出願は有機パッケージ基板を備えたフリップチップパッケージについて言及する。しかし、本発明はフリップチップパッケージや有機基板を備えたパッケージに限定されないことを理解されたい。図１に示しているように、フリップチップキャリアパッケージ１０はＩＣ半導体デバイスあるいは、パッケージ基板４上の対応するダイはんだパッド３に順に接続されている多数のはんだバンプ２によってパッケージ基板４のダイサイドに機械的かつ電気的に結合されているＩＣダイ１を含む。ダイはんだパッド３はパッケージ基板４を通じて、内部ワイヤ（図示せず）によってＩ／Ｏピンリード６に電気接続されている。ピンリード６はピンはんだフィレット５によってパッケージ基板４のピンサイドにはんだ付けされる。ピンリード６は、外部回路と電気的に接続するために使用される。パッシブコンポーネント７は、“パッシブはんだパッド８”（パッシブコンポーネント７をパッケージ基板４に取り付けるために使用されるはんだパッド８を簡単に示したもの）を使用してパッケージ基板４に結合される。
【００１２】
本発明を用いない場合、はんだバンプ２、ダイはんだパッド３、ピンはんだフィレット５、および、パッシブはんだパッド８は、約３０〜９７重量％の鉛（Ｐｂ）をはんだ材料に含む。本発明は、はんだが使用されるこれらの場所において鉛（Ｐｂ）を代替する、あるいは、はんだの鉛（Ｐｂ）含量を約０．１重量％以下にまで減らすという要求に取り組み、解決するものである。さらに、本発明は、電気的かつ機械的に信頼性の高いはんだジョイントを形成でき、また、融解温度がフリップチップアセンブリプロセスなどにおいてプロセス温度ヒエラルキーに適応する、適切なはんだ材料を見つけて使用するという課題に取り組み解決するものである。
【００１３】
フリップチップアセンブリプロセスのプロセス温度ヒエラルキーでは、ピンリード６のアセンブリが温度ヒエラルキーチェーンの上部に位置することが求められる。ピンはんだフィレット５を通じてピンリード６を有機パッケージ基板４に取り付けるための処理温度は、フリップチップアセンブリ中の他のいずれのはんだジョイントよりも高温でなければならないが、有機パッケージ基板４の熱分解温度未満、つまり約２７５℃未満でなければならない。ピンはんだフィレット５には、高いリフロー処理温度が求められる。これは、ピンリード６には、温度を含む後続のアセンブリステップの間移動してはならないという要求によるものである。ＩＣダイアセンブリプロセスで使用されるダイはんだパッド３の処理温度は、ピンリード６がリフロープロセスの間に移動しないようにするために、ピンはんだフィレット５に使用される温度未満でなければならない。さらに、パッシブアセンブリにおいて使用されるパッシブはんだパッド８の処理温度は、ピンが移動しないようにするためにピンはんだフィレット５で使用される処理温度よりも低くなければならず、また、ダイアセンブリプロセスで使用されるダイはんだパッド３以下でなければならない。はんだバンプ２が溶解しないようにするために、はんだバンプ２の溶解温度は、ダイはんだパッド３およびパッシブはんだパッド以上でなければならない。
【００１４】
有機パッケージ基板４のピンサイド面にピンリード６を取り付ける１つの技術としては、ピンリード６のランディングサイトとしての役割を担う金属パッドをめっきするために、適切なはんだ合金を使用することが挙げられる。次に、ピンはめっきされた金属パッド上に配置され（本出願においてはこのようなパッドをピンはんだフィレット５と呼ぶ）、ピンをパッケージ基板４に結合するためにはんだがリフローされる。
【００１５】
上述したように、ピンリード６を有機パッケージ基板４上の金属パッド、つまり、ピンはんだフィレット５に取り付けるための１つの要件として、はんだ付け温度は、有機基板の機械的完全性を不利に低下させることなく、有機パッケージ基板４の熱分解温度より高くしてはならないことが挙げられる。本発明の各種実施形態によれば、ピンリード６を有機パッケージ基板４に接合するために用いられる鉛フリーのはんだは、引張、配置、あるいは試験、即ちアセンブルされたパッケージをソケットにはめる試験、に耐えることができる強い機械的結合を形成しつつ、優れた電気信号を維持することができる。
【００１６】
本発明の一実施形態では、図１の有機パッケージ基板４などの有機基板は、鉛フリーのピンはんだフィレット５によってそれぞれの導電性パッドに結合された多数のピンリード６を含む。これにより、鉛（Ｐｂ）を使用しない、あるいは約０．１重量％以下の鉛（Ｐｂ）といった、検知できないほど少量の鉛（Ｐｂ）しか使用しないはんだシステムを実現することができる。一形態においては、本発明の適切なはんだ組成物は、例えば、約９０重量％から約９９重量％の錫（Ｓｎ）と約１０重量％から約１重量％のアンチモン（Ｓｂ）から構成してもよい。
【００１７】
本発明のある実施形態では、有機パッケージ基板４上のピンはんだフィレット５のリフロー温度、つまり、はんだが電気接続を形成することができるほど十分に移動可能な温度は約２３０℃以上であり、例えば、約２３５℃〜約２４７℃である。したがって、ピンリード６は、ピンはんだフィレット５を、約２５０℃〜約２７０℃の温度にリフローすることで金属パッドを機械的かつ電気的に結合することができる。図２の表１に、本発明の一実施形態に従う、有機パッケージ基板４上にピンはんだフィレット５を形成する鉛フリーのはんだ合金の例示的組成物とその融解特性とを示す。図２の表１に示しているように、ピンはんだフィレット５で使用されるはんだ合金の様々な組成物は、約９０重量％〜約９９重量）の錫（Ｓｎ）と約１０重量％〜約１重量％のアンチモン（Ｓｂ）を含み、また固相線温度は約２４１℃〜２３５℃までの範囲の値をとり、液相線温度は約２４７℃〜２３５℃までの範囲の値をとる。これらのはんだ合金の組成物は全て、液相線温度が有機基板パッケージ４の熱分解温度未満、つまり、２７５℃未満である。さらに、ピンはんだフィレット５で使用されるこれらのはんだ合金組成物は全て、リフロー温度がダイはんだパッド３とパッシブはんだパッド８のリフロー温度よりも高い。一実施形態では、ピンはんだフィレット５とダイはんだパッド３のそれぞれのリフロー温度の差は、少なくとも１０℃〜１５℃である。別の実施形態では、この差は少なくとも５℃である。
【００１８】
本発明の別の実施形態では、ＩＣダイ１をパッケージ基板４に取り付けるために使用されるダイはんだパッド３もまた鉛フリーであり、さらに、この鉛フリーダイはんだパッド３のリフロー温度はピンはんだフィレット５のリフロー温度未満であるので、ピンリード６の移動を防ぐことができる。この実施形態では、有機パッケージ基板４に位置するダイはんだパッド３は、鉛（Ｐｄ）を含まないか、例えば約０．１％未満の鉛（Ｐｂ）といった検知できないほど少量の鉛（Ｐｂ）しか含まない。
【００１９】
この実施形態によれば、本発明の様々な実装品は、約４重量％〜約８重量％のビスマス、約２重量％〜約４重量％の間の銀、約０重量％〜約０．７重量％の銅、および、約８７重量％〜約９２重量％の錫から構成される適切なダイはんだパッド３を含む。本発明の別の実装品においては、ダイはんだパッド３は、約７重量％〜約２０重量％のインジウム、約２重量％〜約４．５重量％の銀、約０重量％〜約０．７重量％の銅、約０重量％〜約０．５重量％のアンチモン、および、約７４．３重量％〜約９０重量％の錫を含む。本発明の前述の実施形態によれば、有機パッケージ基板４上に位置するダイはんだパッド３は、、鉛（Ｐｄ）を含まないか、例えば約０．１％以下の鉛（Ｐｂ）といった検知できないほど少量の鉛（Ｐｂ）しか含まない。
【００２０】
図３の表２に、本発明の実施形態の利点を実現するためにダイはんだパッド３にで使用されるはんだ合金の様々な例示的組成物を示す。上述したように、本発明のこの実施形態と、図３の表２に示す特定の例示的実装品によれば、ＩＣダイ１を有機パッケージ基板４に相互接続するために、新たなはんだ合金がダイはんだパッド３として用いられる。この実施形態の様々な実装品においては、ダイはんだパッド３で使用されるはんだのリフロー温度、つまり、はんだが電気接続を形成できるほど十分に移動可能な温度は、１７０℃以上２２５℃以下である。
【００２１】
より具体的には、図３の表２に示しているように、ダイはんだパッド３で使用されるはんだ合金の様々な組成物は、１７５℃〜２０４℃の範囲の値をとる固相線温度と、１８５℃〜２１６℃の範囲の値をとる液相線温度とを有する。これらのはんだ合金組成物の全ては、液相線温度が有機基板パッケージ４の熱分解温度未満、つまり、２７５℃未満である。さらに、ダイはんだパッド３で使用されるこれらのはんだ合金組成物の全ては、リフロー温度がピンはんだフィレット５のリフロー温度未満、つまり、２３０℃未満である。
【００２２】
したがって、長期にわたって定着していたはんだ中の鉛（Ｐｂ）の使用を他の材料に置き換えつつ、信頼できる電気接触と所要の機械的強度とを維持し、かつ、有機基板を備えたピングリッドアレイパッケージにおいてフリップチップをアセンブルするなどの半導体パッケージのアセンブルにおいて所要のプロセッシング温度ヒエラルキーに従う技術が求められている。本発明の例示的実施形態の上述の説明から、本発明の範囲から逸脱することなく本発明の概念を実装するために様々な技術を用いることができることは明らかである。例えば、鉛フリーのはんだ付け材料の特定の組成物と、これらの材料に対応するリフロー温度とが開示されているが、開示された組成物のその他のバリエーションが本発明の範疇に属するのは明らかである。さらに、本発明をある特定の実施形態を参照して具体的に説明してきたが、当業者であれば本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形式や詳細において変更することが可能であることが分かるであろう。説明した例示的実施形態はあらゆる点において単に例示を目的としており、発明を限定するものではない。さらに、本発明は本文中に説明した特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲から逸脱することなく、多くの再配列、修正および代替が可能であることを理解されたい。
【００２３】
従って、鉛フリーの半導体パッケージが説明されている。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態に係るパッケージ基板を含む例示的フリップチップキャリアパッケージの説明図。
【図２】本発明の実施形態に従うパッケージ基板上にピンはんだフィレットを形成する鉛フリーはんだ合金の例示的組成物とその融解特性の説明図。
【図３】本発明の実施形態に従うパッケージ基板上にダイはんだパッドを形成する鉛フリーのはんだ合金の例示的組成物とその融解特性の説明図。
【図１】
2008544572.tif 000003
【図２】
2008544572.tif 000004
【図３】
2008544572.tif 000005
【国際調査報告】
2008544572.tif 000006
2008544572.tif 000007
2008544572.tif 000008
2008544572.tif 000009
2008544572.tif 000010