(57)【要約】【課題】クラックを生じにくい半田接合部、該半田接続部を備える回路基板などの電子部品、半導体装置、及び電子部品の製造方法の提供。【解決手段】平坦な基準表面ｐ１を有しているランド１１２であり、かつ半田を接合するための半田接合部ｐ３が設けられているランド１１２を備える電子部品であって、半田接合部ｐ３は、ランド１１２の基準表面に対して陥没した凹部１１３を形成しており、凹部１１３の表面にニッケルめっき層１１４が積層されており、ニッケルめっき層１１４が半田接合されるときにニッケルめっき層１１４の半田接合部ｐ３に形成される錫含有合金層１１６とニッケルめっき層１１４とがなす界面の位置が、基準表面ｐ１を含む平面からずれている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平坦な基準表面を有している電極であり、かつ半田を接合するための半田接合部が設けられている電極を備える電子部品であって、
上記半田接合部は、
上記基準表面に対して陥没した凹部を形成しており、
上記凹部の表面に少なくとも１層の金属層が積層されており、
上記金属層が半田接合されるときに上記金属層の表面部に形成される錫合金層と上記金属層とがなす界面の位置が、上記基準表面を含む平面からずれていることを特徴とする電子部品。
【請求項２】
平坦な基準表面を有している電極であり、かつ半田を接合するための半田接合部が設けられている電極を備える電子部品であって、
上記半田接合部は、
上記基準表面に対して陥没した凹部を形成しており、
上記凹部の表面から順に第１金属層、第２金属層が積層されている金属層が積層されており、
上記金属層が半田接合されるときに上記第１金属層と上記第２金属層とがなす界面の位置が、上記基準表面を含む平面からずれていることを特徴とする電子部品。
【請求項３】
上記金属層が上記基準表面よりも高く設けられており、上記金属層の表面が上記凹部の外に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の電子部品。
【請求項４】
上記金属層が上記基準表面よりも低く設けられており、上記金属層の表面が上記凹部の中に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の電子部品。
【請求項５】
上記錫合金層と上記金属層とがなす界面の位置が、上記基準表面を含む平面から２μｍ以上ずれていることを特徴とする請求項１に記載の電子部品。
【請求項６】
上記第１金属層と第２金属層とがなす界面の位置が、上記基準表面を含む平面から２μｍ以上ずれていることを特徴とする請求項２に記載の電子部品。
【請求項７】
上記金属層が上記凹部の表面から順に第１金属層、第２金属層が積層されていることを特徴とする請求項１に記載の電子部品。
【請求項８】
上記金属層がニッケルを含む金属層であることを特徴とする請求項１に記載の電子部品。
【請求項９】
上記金属層が金を含む金属層であることを特徴とする請求項１に記載の電子部品。
【請求項１０】
上記第１金属層がニッケルを含む金属層であり、上記第２金属層が金を含む金属層であることを特徴とする請求項２または５のいずれかに記載の電子部品。
【請求項１１】
上記電極が銅または銅を含む合金によって設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の電子部品。
【請求項１２】
上記電子部品が回路基板であることを特徴とする請求項１〜１１の何れか１項に記載の電子部品。
【請求項１３】
上記回路基板の表裏面に上記半田接合部を備えていることを特徴とする請求項１２に記載の電子部品。
【請求項１４】
上記回路基板の半田接続部に、半田によって設けられる外部接続端子を備えていることを特徴とする請求項１２または１３に記載の電子部品。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれかに記載の電子部品の半田接合部に半導体素子が半田接合していることを特徴とする半導体装置。
【請求項１６】
平坦な基準表面を有している電極に設けられる半田接合部であって、
上記基準表面に対して陥没した凹部を形成しており、
上記凹部の表面に少なくとも１層の金属層が積層されており、
上記金属層が半田接合されるときに上記金属層の表面部に形成される錫合金層と上記金属層とがなす界面の位置が、上記基準表面を含む平面からずれていることを特徴とする半田接合部。
【請求項１７】
平坦な基準表面を有している電極に設けられる半田接合部であって、
上記基準表面に対して陥没した凹部を形成しており、
上記凹部の表面から順に第１金属層、第２金属層が積層されてなる金属層が積層されており、
上記金属層が半田接合されるときに上記第１金属層と上記第２金属層とがなす界面の位置が、上記基準表面を含む平面からずれていることを特徴とする半田接合部。
【請求項１８】
上記金属層がニッケルを含む金属層であることを特徴とする請求項１６に記載の半田接合部。
【請求項１９】
上記第１金属層がニッケルを含む金属層であり、上記第２金属層が金を含む金属層であることを特徴とする請求項１７に記載の半田接合部。
【請求項２０】
平坦な基準表面を有している電極に陥没した凹部を形成する凹部形成工程と、
上記凹部の表面に少なくとも１層の金属層を形成する金属層形成工程と、
上記金属層に半田接合をする半田接合工程とを含み、
上記金属層形成工程では、上記基準表面よりも高く金属層を形成し、
上記半田接合工程では、上記金属層に形成される錫合金層と上記金属層とがなす界面の位置が、上記基準表面を含む平面からずれているように形成することを特徴とする電子部品の製造方法。
【請求項２１】
平坦な基準表面を有している電極に陥没した凹部を形成する凹部形成工程と、
上記凹部の表面に少なくとも１層の金属層を形成する金属層形成工程と、
上記金属層に半田接合をする半田接合工程とを含み、
上記金属層形成工程では、上記基準表面よりも低く金属層を形成し、
上記半田接合工程では、上記金属層に形成される錫合金層と上記金属層とがなす界面の位置が、上記基準表面を含む平面からずれているように形成することを特徴とする電子部品の製造方法。
【請求項２２】
上記金属層を、ニッケルを含む金属、金を含む金属、またはニッケルを含む金属及び金を含む金属によって形成することを特徴とする請求項２０または２１に記載の電子部品の製造方法。
【請求項２３】
平坦な基準表面を有している電極に陥没した凹部を形成する凹部形成工程と、
上記凹部の表面に少なくとも１層の金属層を形成する金属層形成工程と、
上記金属層に半田接合をする半田接合工程とを含み、
上記金属層形成工程では、上記凹部の表面に第１金属層を上記基準表面よりも高く形成し、さらに第２金属層を形成し、
上記半田接合工程では、上記第１金属層と第２金属層とがなす界面の位置が、上記基準表面を含む平面からずれているように形成することを特徴とする電子部品の製造方法。
【請求項２４】
平坦な基準表面を有している電極に陥没した凹部を形成する凹部形成工程と、
上記凹部の表面に少なくとも１層の金属層を形成する金属層形成工程と、
上記金属層に半田接合をする半田接合工程とを含み、
上記金属層形成工程では、上記凹部の表面に第１金属層を上記基準表面よりも低く形成し、さらに第２金属層を形成し、
上記半田接合工程では、上記第１金属層と第２金属層とがなす界面の位置が、上記基準表面を含む平面からずれているように形成することを特徴とする電子部品の製造方法。
【請求項２５】
上記第１金属層がニッケルを含む金属層であり、上記第２金属層が金を含む金属層であることを特徴とする請求項２３または２４に記載の電子部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はクラックを生じにくい半田接合部、該半田接続部を備える回路基板などの電子部品、半導体装置、及び電子部品の製造方法に関するものであり、特に銅で形成されたランド上にニッケルめっきまたは金メッキなどの金属めっき層を介して錫含有半田が半田接合された、チップ部品、回路部品、基板部品、電子部品、電気部品及び半導体装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、半田は錫（Ｓｎ）を含有する錫含有半田が用いられている。特に従来では、Ｓｎ-Ｐｂ合金、Ｓｎ-Ｐｂ-Ａｇ合金といった鉛含有半田が電気部品等の接続に用いられてきた。
【０００３】
しかしながら、鉛の環境への負荷を考慮し、Ｓｎ-Ａｇ-Ｃｕ系合金を代表とする鉛フリー半田が使用されるようになってきている。ところが導体パターンとして多く用いられている銅（Ｃｕ）は、その表面が酸化し易い性質を有している。銅の表面が酸化されると、半田の濡れ性が低下する。特に上記のような鉛フリー半田を用いる場合、銅の表面が酸化されると、鉛フリー半田との結合力が弱くなってしまう。そのため、半田付けを行う銅製のランド上には金（Ａｕ）めっきを施す場合がある。
【０００４】
銅の上に直接金をめっきすると、脆弱な合金層を形成してしまう。そのため、導体パターンとして用いられている銅製のランドと金めっき層の間に前もってバリアーとなるニッケルめっきを施し、上記の脆弱な合金層の形成を抑制する方法が用いられている。たとえば特許文献１には、銅製のランドとニッケルめっきとの接合性向上のために、ニッケルめっきを施す前に銅製のランドをエッチングする事項について開示している。
【０００５】
これらのめっき処理が施された銅製のランドを上記鉛フリー半田で接合すると、半田接合時の熱によって溶けた金属が相互に拡散し、半田の錫の成分が例えばニッケルめっき層または金めっき層に拡散侵入する。そして、ニッケルめっき層と金めっき層との間、金めっき層と錫含有半田との間などに、Ｃｕ-Ｓｎ合金やＮｉ-Ｓｎ合金を主成分とする錫含有合金層が形成される。これらの錫含有合金層は脆く、半田接合部に応力が生じた場合に破断（クラック）が発生し易い。
【０００６】
特にニッケルの縦弾性係数は約２００ｋＮ/ｍｍ２と大きいため、ニッケルめっき層と錫含有合金層の界面が応力集中点となり易い。このため、特にこのニッケルめっき層と錫含有合金層との界面においてクラックが発生し易い。
【０００７】
これらの脆弱な合金層を有する構造に作用する応力によってクラックを発生させないようにする技術については、例えば特許文献２に示すような方法がある。特許文献２では、半田によって接合する金属部の厚みを大きくすることによって、半田接合時に形成されるＣｕ−Ｓｎ合金が形成されない領域を金属配線部分に残す技術について開示している。この技術によって、金属配線の破断を防いでいる。
【特許文献１】特開２０００−３３２４０８号公報（平成１２年（２０００年）１１月３０日公開）
【特許文献２】特開２００３−１８８３１３号公報（平成１５年（２００３年）７月４日公開）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら従来の方法では、半田接合時に形成される錫含有合金層によって生じやすくなるクラックを根本的に回避する方法については検討がされていなかった。
【０００９】
例えば特許文献２の方法では、金属配線部にＣｕ−Ｓｎ合金が形成されない領域が残るため、基板を形成する部材の熱膨張係数などの違いによって生じる熱応力によって金属配線が破断することを防ぐことが可能である。しかしながらＣｕ−Ｓｎ合金が形成される領域に作用する応力については解決されておらず、Ｃｕ−Ｓｎ合金を含む錫含有合金層ではクラックを生じ易い事項については解決されていない。
【００１０】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、クラックを生じにくい半田接合部、該半田接続部を備える回路基板などの電子部品、半導体装置、及び電子部品の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
従来の方法では、クラックが発生し易い上記錫含有合金層及びニッケルめっき層と錫含有合金層の界面を形成する位置についての検討は行われておらず、これらのクラックが発生し易い錫含有合金層などの位置は、エッチングを施す前の銅製のランドの表面部とほぼ同じ位置に形成されていた。
【００１２】
本願発明者たちは、鋭意検討した結果、上記クラックが発生し易い錫含有合金層などの位置がクラックを発生させる応力の集中する位置から離れていればクラックが生じにくくなるということを突き止めた。そして、上記錫含有合金層及びニッケルめっき層と錫含有合金層の界面を形成する位置を検討することによって、上記のクラックが発生し易い部位を応力の集中する位置から引き離すことに成功し、直接的な半田接合部の破断を減少させることに成功した。
【００１３】
本発明の電子部品は、上記課題を解決するために、平坦な基準表面を有している電極であり、かつ半田を接合するための半田接合部が設けられている電極を備える電子部品であって、上記半田接合部は、上記基準表面に対して陥没した凹部を形成しており、上記凹部の表面に少なくとも１層の金属層が積層されており、上記金属層が半田接合されるときに上記金属層の表面部に形成される錫合金層と上記金属層とがなす界面の位置が、上記基準表面を含む平面からずれていることを特徴としている。
【００１４】
例えば上記金属層が上記基準表面よりも高く設けられており、上記金属層の表面が上記凹部の外に設けられている構成であってもよく、上記金属層が上記基準表面よりも低く設けられており、上記金属層の表面が上記凹部の中に設けられている構成であってもよい。
【００１５】
上記の構成によれば、本発明の電子部品では、半田接合によって上記金属層に生じる錫合金層と上記金属層とがなす界面の位置が、上記基準表面を含む平面からずれている。たとえば上記凹部の深さよりも厚く、高く金属層が設けられていれば、上記錫合金層と上記金属層との界面は上記凹部の外部に設けられることになるし、上記凹部の深さよりも薄く、低く金属層が設けられていれば、上記錫合金層と上記金属層との界面は上記凹部の内部に設けられることになる。
【００１６】
半田接合によって金属層に生じる錫合金層は、機械的応力に対して脆く、破断（クラック）が発生し易い。ところが上記のように構成すれば、錫合金層及び錫合金層と金属層との界面に作用する機械的応力の一部を緩和することができるため、構造的に脆い錫合金層及び錫合金層と金属層との界面での半田の破断を防ぐことができる。
【００１７】
また本発明の電子部品は、上記課題を解決するために、平坦な基準表面を有している電極であり、かつ半田を接合するための半田接合部が設けられている電極を備える電子部品であって、上記半田接合部は、上記基準表面に対して陥没した凹部を形成しており、上記凹部の表面から順に第１金属層、第２金属層が積層されている金属層が積層されており、上記金属層が半田接合されるときに上記第１金属層と上記第２金属層とがなす界面の位置が、上記基準表面を含む平面からずれていることを特徴としている。
【００１８】
例えば上記金属層が上記基準表面よりも高く設けられており、上記金属層の表面が上記凹部の外に設けられている構成であってもよく、上記金属層が上記基準表面よりも低く設けられており、上記金属層の表面が上記凹部の中に設けられている構成であってもよい。
【００１９】
上記の構成によれば、半田の錫の成分は第２金属層に拡散侵入する。そのため、第１金属層に拡散侵入する錫の成分は少なくなり、結果として錫合金層は第１金属層と第２金属層との間に形成されることになる。
【００２０】
つまり、この場合も半田接合によって生じる錫合金層およびその界面に作用する機械的応力の一部を緩和することができるため、構造的に脆い錫合金層及び錫合金層と金属層との界面での半田の破断を防ぐことができる。
【００２１】
また、上記錫合金層と上記金属層とがなす界面の位置が、上記基準表面を含む平面から２μｍ以上ずれている構成であってもよい。
【００２２】
これにより、構造的に脆い錫合金層と金属層との界面に作用する応力の一部を緩和することができ、半田の破断をさらに防ぐことができる。
【００２３】
また、上記第１金属層と第２金属層とがなす界面の位置が、上記基準表面を含む平面から２μｍ以上ずれている構成であってもよい。
【００２４】
これにより、構造的に脆い錫合金層が形成される第１金属層と第２金属層とがなす界面の位置を、上記基準表面を含む平面から効果的に離してずれさせることができるので、上記界面に作用する応力の一部を緩和することができる。そのため、半田の破断をさらに防ぐことができる。
【００２５】
尚、上記金属層が上記凹部の表面から順に第１金属層、第２金属層が積層されている構成であってもよく、上記金属層がニッケルを含む金属層である構成であってもよく、上記金属層が金を含む金属層である構成であってもよい。
【００２６】
また、上記第１金属層がニッケルを含む金属層であり、上記第２金属層が金を含む金属層である構成であってもよい。
【００２７】
これにより、電極に形成される凹部がニッケルを含む金属または金を含む金属の金属層によって覆われるので、半田に対する上記金属層の濡れ性を向上させることができる。特にニッケルを含む金属層の上に金を含む金属層を設けるようにすると、電極の凹部に直接金を含む金属層を設ける場合に生じる脆弱な合金層の影響を受けることなく、半田に対する上記金属層の濡れ性を向上させることができる。
【００２８】
また、上記電極が銅または銅を含む合金によって設けられている構成であってもよい。
【００２９】
また、上記電子部品が回路基板であってもよい。
【００３０】
上記の構成によれば、回路基板に形成される半田接合部において、半田の破断を防ぐことができる。そのため、半田接合部の接続信頼性が大幅に上昇し、本回路基板を用いて製造される回路の製造の歩留まりが向上する。また本回路基板を用いて製造されるデバイスの信頼性と製造の歩留まりが向上する。
【００３１】
また、上記回路基板の表裏面に上記半田接合部を備えている構成であってもよい。
【００３２】
これにより、複数の半導体回路を積層して接続する半導体回路または回路基板などでも、半田接合部の接続信頼性を高めることができる。そのため、半田接合部の接続信頼性が大幅に上昇し、本回路基板を用いて製造される回路の製造の歩留まりが向上する。また本回路基板を用いて製造されるデバイスの信頼性と製造の歩留まりが向上する。
【００３３】
また、上記回路基板の半田接続部に、半田によって設けられる外部接続端子を備えている構成であってもよい。
【００３４】
これにより、回路基板に形成される外部接続端子が本発明の接続信頼性の高い半田接合部によって形成することができる。そのため、半田接合部の接続信頼性が大幅に上昇し、本回路基板を用いて製造される回路の製造の歩留まりが向上する。また本回路基板を用いて製造されるデバイスの信頼性と製造の歩留まりが向上する。
【００３５】
本発明の半導体装置は、上記課題を解決するために、上記の電子部品の半田接合部に半導体素子が半田接合していることを特徴としている。
【００３６】
上記の構成によれば、半田の破断を防ぐことができるので、半田接合部の接続信頼性が大幅に上昇する。そのため、製造される半導体装置の半田接合部の接続信頼性が大幅に上昇し、本半導体装置を用いて製造される回路の製造の歩留まりが向上する。また本半導体装置を用いて製造されるデバイスの信頼性と製造の歩留まりが向上する。
【００３７】
本発明の半田接合部は、上記課題を解決するために、平坦な基準表面を有している電極に設けられる半田接合部であって、上記基準表面に対して陥没した凹部を形成しており、上記凹部の表面に少なくとも１層の金属層が積層されており、上記金属層が半田接合されるときに上記金属層の表面部に形成される錫合金層と上記金属層とがなす界面の位置が、上記基準表面を含む平面からずれていることを特徴としている。
【００３８】
上記の構成によれば、半田接合によって上記金属層に生じる錫合金層と上記金属層とがなす界面の位置が、上記基準表面を含む平面からずれている。たとえば上記凹部の深さよりも厚く、高く金属層が設けられていれば、上記錫合金層と上記金属層との界面は上記凹部の外部に設けられることになるし、上記凹部の深さよりも薄く、低く金属層が設けられていれば、上記錫合金層と上記金属層との界面は上記凹部の内部に設けられることになる。
【００３９】
半田接合によって金属層に生じる錫合金層は、機械的応力に対して脆く、破断（クラック）が発生し易い。ところが上記のように構成すれば、錫合金層及び錫合金層と金属層との界面に作用する機械的応力の一部を緩和することができるため、構造的に脆い錫合金層及び錫合金層と金属層との界面での半田の破断を防ぐことができる。
【００４０】
本発明の半田接合部は、上記課題を解決するために、平坦な基準表面を有している電極に設けられる半田接合部であって、上記基準表面に対して陥没した凹部を形成しており、上記凹部の表面から順に第１金属層、第２金属層が積層されてなる金属層が積層されており、上記金属層が半田接合されるときに上記第１金属層と上記第２金属層とがなす界面の位置が、上記基準表面を含む平面からずれていることを特徴としている。
【００４１】
上記の構成によれば、半田の錫の成分は第２金属層に拡散侵入する。そのため、第１金属層に拡散侵入する錫の成分は少なくなり、結果として錫合金層は第１金属層と第２金属層との間に形成されることになる。
【００４２】
つまり、この場合も半田接合によって生じる錫合金層およびその界面に作用する機械的応力の一部を緩和することができるため、構造的に脆い錫合金層及び錫合金層と金属層との界面での半田の破断を防ぐことができる。
【００４３】
尚、上記金属層がニッケルを含む金属層である構成であってもよく、上記第１金属層がニッケルを含む金属層であり、上記第２金属層が金を含む金属層である構成であってもよい。
【００４４】
これにより、電極に形成される凹部がニッケルを含む金属などによって覆われるので、半田に対する上記金属層の濡れ性を向上させることができる。特にニッケルを含む金属層の上に金を含む金属層を設けるようにすると、電極の凹部に直接金を含む金属層を設ける場合に生じる脆弱な合金層の影響を受けることなく、半田に対する上記金属層の濡れ性を向上させることができる。
【００４５】
本発明の電子部品の製造方法は、平坦な基準表面を有している電極に陥没した凹部を形成する凹部形成工程と、上記凹部の表面に少なくとも１層の金属層を形成する金属層形成工程と、上記金属層に半田接合をする半田接合工程とを含み、上記金属層形成工程では、上記基準表面よりも高く金属層を形成し、上記半田接合工程では、上記金属層に形成される錫合金層と上記金属層とがなす界面の位置が、上記基準表面を含む平面からずれているように形成することを特徴としている。
【００４６】
また本発明の電子部品の製造方法は、平坦な基準表面を有している電極に陥没した凹部を形成する凹部形成工程と、上記凹部の表面に少なくとも１層の金属層を形成する金属層形成工程と、上記金属層に半田接合をする半田接合工程とを含み、上記金属層形成工程では、上記基準表面よりも低く金属層を形成し、上記半田接合工程では、上記金属層に形成される錫合金層と上記金属層とがなす界面の位置が、上記基準表面を含む平面からずれているように形成することを特徴としている。
【００４７】
上記の構成によれば、機械的応力に対して脆い錫合金層及び上記錫合金層と上記金属層との界面の位置が、上記基準表面を含む平面からずれた位置に形成することができる。このように形成することにより、錫合金層及び錫合金層と金属層との界面に作用する機械的応力の一部を緩和する構造を形成することができる。即ち、構造的に脆い錫合金層及び錫合金層と金属層との界面での半田の破断を防ぐことができる。
【００４８】
また、上記金属層を、ニッケルを含む金属、金を含む金属、またはニッケルを含む金属及び金を含む金属によって形成する構成であってもよい。
【００４９】
本発明の電子部品の製造方法は、平坦な基準表面を有している電極に陥没した凹部を形成する凹部形成工程と、上記凹部の表面に少なくとも１層の金属層を形成する金属層形成工程と、上記金属層に半田接合をする半田接合工程とを含み、上記金属層形成工程では、上記凹部の表面に第１金属層を上記基準表面よりも高く形成し、さらに第２金属層を形成し、上記半田接合工程では、上記第１金属層と第２金属層とがなす界面の位置が、上記基準表面を含む平面からずれているように形成することを特徴としている。
【００５０】
また本発明の電子部品の製造方法は、平坦な基準表面を有している電極に陥没した凹部を形成する凹部形成工程と、上記凹部の表面に少なくとも１層の金属層を形成する金属層形成工程と、上記金属層に半田接合をする半田接合工程とを含み、上記金属層形成工程では、上記凹部の表面に第１金属層を上記基準表面よりも低く形成し、さらに第２金属層を形成し、上記半田接合工程では、上記第１金属層と第２金属層とがなす界面の位置が、上記基準表面を含む平面からずれているように形成することを特徴としている。
【００５１】
上記の構成によれば、機械的応力に対して脆い錫合金層が第１金属層と第２金属層との界面に形成され、この界面の位置が、上記基準表面を含む平面からずれた位置に形成することができる。このように形成することにより、錫合金層及び錫合金層と金属層との界面に作用する機械的応力の一部を緩和する構造を形成することができる。即ち、構造的に脆い錫合金層及び錫合金層と金属層との界面での半田の破断を防ぐことができる。
【００５２】
尚、上記第１金属層がニッケルを含む金属層であり、上記第２金属層が金を含む金属層である構成であってもよい。
【００５３】
これにより、電極に形成される凹部がニッケルを含む金属などによって覆われるので、半田に対する上記金属層の濡れ性を向上させることができる。特にニッケルを含む金属層の上に金を含む金属層を設けるようにすると、電極の凹部に直接金を含む金属層を設ける場合に生じる脆弱な合金層の影響を受けることなく、半田に対する上記金属層の濡れ性を向上させることができる。
【発明の効果】
【００５４】
本発明の電子部品は、以上のように、上記半田接合部は、上記基準表面に対して陥没した凹部を形成しており、上記凹部の表面に少なくとも１層の金属層が積層されており、上記金属層が半田接合されるときに上記金属層の表面部に形成される錫合金層と上記金属層とがなす界面の位置が、上記基準表面を含む平面からずれている。
【００５５】
つまり本発明の半田接続部は、以上のように、上記基準表面に対して陥没した凹部を形成しており、上記凹部の表面に少なくとも１層の金属層が積層されており、上記金属層が半田接合されるときに上記金属層の表面部に形成される錫合金層と上記金属層とがなす界面の位置が、上記基準表面を含む平面からずれている。
【００５６】
これらは、例えば、上記金属層が上記基準表面よりも高く設けられており、上記金属層の表面が上記凹部の外に設けられている構成であってもよく、上記金属層が上記基準表面よりも低く設けられており、上記金属層の表面が上記凹部の中に設けられている構成であってもよい。
【００５７】
即ち、上記凹部の深さまたは上記金属層の少なくとも一方を設定して、上記のような構成を実現すれば良い。
【００５８】
上記のように構成すれば、錫合金層及び錫合金層と金属層との界面に作用する機械的応力の一部を緩和することができるため、構造的に脆い錫合金層及び錫合金層と金属層との界面での半田の破断を防ぐことができる。
【００５９】
また、上記電子部品が回路基板であってもよい。
【００６０】
そして、本発明の半導体装置は、以上のように、上記の電子部品の半田接合部に半導体素子が半田接合している。
【００６１】
上記の構成によれば、回路基板または半田の破断を防ぐことができるので、半田接合部の接続信頼性が大幅に上昇する。そのため、製造される半導体装置の半田接合部の接続信頼性が大幅に上昇し、本半導体装置を用いて製造される回路の製造の歩留まりが向上する。また本半導体装置を用いて製造されるデバイスの信頼性と製造の歩留まりが向上する。
【００６２】
また、本発明の電子部品の製造方法は、以上のように、平坦な基準表面を有している電極に陥没した凹部を形成する凹部形成工程と、上記凹部の表面に少なくとも１層の金属層を形成する金属層形成工程と、上記金属層に半田接合をする半田接合工程とを含み、上記金属層形成工程では、（１）上記基準表面よりも高く金属層を形成するか、（２）上記基準表面よりも低く金属層を形成し、上記半田接合工程では、上記金属層に形成される錫合金層と上記金属層とがなす界面の位置が、上記基準表面を含む平面からずれているように形成する構成である。
【００６３】
また、本発明の電子部品の製造方法は、以上のように、平坦な基準表面を有している電極に陥没した凹部を形成する凹部形成工程と、上記凹部の表面に少なくとも１層の金属層を形成する金属層形成工程と、上記金属層に半田接合をする半田接合工程とを含み、上記金属層形成工程では、（３）上記凹部の表面に第１金属層を上記基準表面よりも高く形成し、さらに第２金属層を形成するか、（４）上記凹部の表面に第１金属層を上記基準表面よりも低く形成し、さらに第２金属層を形成し、上記半田接合工程では、上記第１金属層と第２金属層とがなす界面の位置が、上記基準表面を含む平面からずれているように形成する構成である。
【００６４】
上記の構成によれば、機械的応力に対して脆い錫合金層及び上記錫合金層と上記金属層との界面の位置が、上記基準表面を含む平面からずれた位置に形成することができる。このように形成することにより、錫合金層及び錫合金層と金属層との界面に作用する機械的応力の一部を緩和する構造を形成することができる。即ち、構造的に脆い錫合金層及び錫合金層と金属層との界面での半田の破断を防ぐことができる。
【００６５】
それ故、クラックを生じにくい半田接合部、該半田接続部を備える回路基板などの電子部品、半導体装置、及び電子部品の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６６】
〔実施の形態１〕
本発明の実施の形態について図１〜図７に基づいて説明する。
【００６７】
図３は、本実施の形態の半導体装置１００を示す断面図である。本実施の形態の半導体装置１００は、回路基板１１０、半導体チップ１２０、及び外部接続端子１３０を含む構成である。上記回路基板１１０は、基板１１１の上に図示しない配線層を有しており、半導体チップ１２０が搭載されている。上記基板１１１は周知のものを用いることができる。例えばガラス基板であっても良いし、エポキシ基板であっても良い。また、配線層は周知の方法で形成することができる。例えば銅箔またはアルミニウム箔などをエッチングして形成することができる。また、必要に応じて上記配線層を多層に形成しても良い。
【００６８】
また、上記半導体チップ１２０は、周知の方法で上記配線層に接続することができる。例えば半田接合によって接続しても良いし、周知のフリップ接合の方法などで接続しても良い。尚、上記回路基板１１０の上記半導体チップ１２０が搭載される側では、上記半導体チップ１２０などを保護する樹脂１４０が設けられていても良い。
【００６９】
また、本実施の形態の回路基板１１０は、基板１１１の上記半導体チップ１２０が搭載される面とは異なる表面に、本実施の形態の半導体装置１００を電気的に接続するための外部接続端子１３０を備えており、上記半導体チップ１２０と電気的に接続されている。本実施の形態の回路基板１１０では、上記基板１１１の外部接続端子１３０が形成される側の表面に配線（図示せず）を備えていても良いし、上記半導体チップ１２０が搭載される側の配線層からビアホールなどによって上記外部接続端子１３０が形成される基板１１１の表面まで配線が延びる構造であっても良い。これらの配線は、周知の方法、例えば銅箔またはアルミニウム箔などをエッチングして形成することができる。上記配線が上記外部接続端子１３０または他の電子部品と接続される部位には半田接続部１５０が形成されている。
【００７０】
半田接続部１５０は、上記の図示しない配線が外部接続端子１３０または他の電子部品と接続するために設けられた電極であり、ランド１１２が形成されている。ランド１１２は、後述するように半田の濡れ性などを向上させるための処理が施されていても良い。
【００７１】
本実施の形態では、配線を形成するランド１１２は銅（Ｃｕ）で形成されている場合について記載するが、銅を含む合金、アルミニウム（Ａｌ）、または他の金属で形成されていても良い。
【００７２】
ランド１１２を半田接合する部位では、凹部１１３が形成されている。凹部１１３はランド１１２の表面を平坦な基準表面とすると、基板１１１の表面の方向に凹むように形成されている。凹部１１３は周知の方法で形成することができるが、例えばエッチングによって形成しても良い。
【００７３】
また、該凹部１１３は金属によってめっきされており、半田接合を形成する場合に半田の濡れ性を向上させている。めっきの方法は電気的または化学的などの方法で行う湿式のめっきでも良いし、蒸着などを用いる乾式のめっきであっても良い。
【００７４】
凹部１１３に形成するめっき層は上記目的を果たす金属であれば特に限定されないが、ニッケル（Ｎｉ）または金（Ａｕ）を含む金属によってめっきされていても良い。複数の金属または合金によってめっきされていても良いが、特に金メッキを行う場合にはランドの上に一度ニッケルめっきを施し、その上に金メッキを施しても良い。本実施の形態の半導体装置１００では、ニッケルによってめっきされ、ニッケルめっき層１１４を形成している。上記ニッケルめっき層１１４は周知の方法で形成することができ、例えば無電解めっきの方法などで形成しても良い。
【００７５】
本実施の形態の半導体装置１００では、上記回路基板１１０に形成されるランド１１２の凹部１１３の深さと、ニッケルめっき層１１４の厚さとの構成が重要である。詳細については後述する。
【００７６】
また、基板１１１の表面でランド１１２を半田接合する部位とは異なる部分はソルダーレジスト１１５によって覆われている。ソルダーレジスト１１５は基板１１１上の配線を保護するために設けられる部材であり、絶縁性を備えている部材であれば周知の材料を用いることができる。
【００７７】
本実施の形態の半導体装置１００では、上記外部接続端子１３０は錫（Ｓｎ）含有半田１３１によって形成されている。錫含有半田１３１は、一般に鉛フリー半田と呼ばれる半田が好ましく、例えばＳｎ-Ａｇ-Ｃｕ系合金で形成されている錫含有半田が知られている。本実施の形態の錫含有半田１３１は、上記Ｓｎ-Ａｇ-Ｃｕ系合金などの錫含有の鉛フリー半田であることが好ましいが、従来の鉛を含有する半田、例えばＳｎ-Ｐｂ合金、またはＳｎ-Ｐｂ-Ａｇ合金などを用いても良い。
【００７８】
本実施の形態の半導体装置１００は、このように形成されたランド１１２と外部接続端子１３０である錫含有半田１３１とが、半田接合によって接続されている。
【００７９】
たとえば、本実施の形態の半導体装置１００は、錫含有半田１３１によって別の半導体装置に接続される。
【００８０】
図４は、本実施の形態での半導体装置１００の回路基板１１０が錫含有半田１３１によって接続される様子を示す断面図である。図４では、明細書の説明の記載を煩雑にしないために半導体チップ１２０等については記載していない。
【００８１】
図４では、２個の回路基板１１０・１１０が錫含有半田１３１によって接続している様子を示している。２個の回路基板１１０・１１０を上記のように接続する場合、一方の回路基板１１０に形成されている錫含有半田１３１を用いて接続すれば良いので、もう一方の回路基板１１０には錫含有半田１３１を設ける必要はない。
【００８２】
また、図４では、本実施の形態の回路基板１１０同士を接続しているが、上記回路基板１１０と周知の半導体装置とを錫含有半田１３１によって接続しても良い。
【００８３】
本実施の形態の半導体装置１００では、上記回路基板１１０に形成されるランド１１２の凹部１１３の深さと、ニッケルめっき層１１４の厚さとの構成によって上記のような半導体装置の半田接合においても破断（クラック）を生じにくい構造を有している。
【００８４】
本実施の形態の半導体装置１００が備えるランド１１２の凹部１１３の深さと、ニッケルめっき層１１４の厚さとの構成を説明する前に、ニッケルめっき層と錫含有半田とが半田接合している領域に形成される構造について図５を用いて説明する。
【００８５】
図５は、図４に示した領域Ｉの拡大図である。領域Ｉは、図４の半田接合している領域の一部を示す断面図であり、ランド１１２の上にニッケルめっき層１１４が設けられており、さらにニッケルめっき層１１４の上に錫含有半田１３１が半田接合している様子を示す断面図である。ランド１１２の表面で、半田接合に用いられない領域にはソルダーレジスト１１５が設けられている。ランド１１２とソルダーレジスト１１５との境目を形成する界面、即ち凹部１１３形成前のランド１１２の表面位置（凹部が形成されていない表面の位置）をｐ１とする。ランド１１２の表面が平らに形成されているのであれば、上記ｐ１はランド１１２の平坦な表面（基準表面）と同じであると考えることができる。
【００８６】
ニッケルめっき層１１４と錫含有半田１３１との間には、半田接合時の熱によって溶けたニッケルめっき層１１４と錫含有半田１３１とが相互に拡散し、半田の錫の成分がニッケルめっき層に拡散侵入し、錫含有合金層１１６が形成されている。ニッケルめっき層１１４と錫含有合金層１１６との境目を形成する界面をｐ２とする。また、錫含有合金層１１６と錫含有半田１３１との境目を形成する界面をｐ３とする。
【００８７】
形成される錫含有合金層１１６は、錫含有半田１３１に含まれる成分、及びニッケルめっき層１１４に含まれる成分によって形成される合金層であるが、ニッケルめっき層１１４の厚さによってはランド１１２に含まれる成分が含まれることもある。
【００８８】
尚、本実施の形態では、ニッケルめっき層１１４の上を錫含有半田１３１で半田接合する場合について説明するが、上記ニッケルめっき層１１４の上に例えば金などのめっき層がさらに設けられる場合には、錫含有合金層１１６はこれらの金属による合金層として形成されることになる。
【００８９】
いずれにせよ、錫含有合金層１１６が脆く、半田接合部に応力が生じた場合に破断（クラック）が発生し易いため、本実施の形態ではニッケルめっき層１１４と錫含有半田１３１との間に生じる錫含有合金層１１６について記載する。
【００９０】
半田接合の条件などによって錫含有合金層１１６が形成される厚みは変化するが、本実施の形態では、錫含有合金層１１６が約２〜４μｍの厚さで形成されている場合について記載する。
【００９１】
本願発明者たちは、鋭意検討した結果、上記クラックが発生し易い錫含有合金層などの位置がクラックを発生させる応力の集中する位置から離れていればクラックが生じにくくなるということを突き止めた。そして、上記界面ｐ２及び錫含有合金層１１６の形成される位置と界面ｐ１とを離すことによって破断（クラック）が生じにくくなることをつきとめた。
【００９２】
即ち、本実施の形態の半導体装置１００では、以下に示す構造によって半田接合部に形成される界面ｐ２及び錫含有合金層１１６での破断（クラック）を生じにくくなっている。
【００９３】
図１（ａ）〜（ｃ）は、本実施の形態の半導体装置１００の備える半田接合部の構造を示す断面図であり、上記回路基板１１０に形成されるランド１１２の凹部１１３の深さと、ニッケルめっき層１１４の厚さとの構成について示している。
【００９４】
ランド１１２の凹部１１３の大きさを凹部の深さＬ１、ニッケルめっき層１１４の層の厚さをニッケルめっき厚さＬ２、凹部の深さＬ１とニッケルめっき厚さＬ２との大きさの差を層厚差Ｌ３とすると、本実施の形態の半導体装置１００の備える半田接合構造は図１（ａ）〜（ｃ）に示す３種類に分類することができる。
【００９５】
尚、図１では、上記部材の位置関係の理解を煩雑にしないために錫含有半田１３１を記載していないが、錫含有合金層１１６の上に設けられた界面ｐ３に接して錫含有半田１３１が設けられている。
【００９６】
図１（ａ）では、ランド１１２に凹部１１３が形成され、ニッケルめっき層１１４が凹部１１３の深さと比較して厚く形成される回路基板１１０ａの構造を示している。即ち、相対的に凹部の深さＬ１は小さく、ニッケルめっき厚さＬ２は大きく形成されている。このような構成は、凹部１１３の深さまたはニッケルめっき層１１４の厚さの少なくとも一方を設定して構成すれば良い。
【００９７】
本実施の形態では、ランド１１２が銅で形成されているので、界面ｐ２が銅で形成されたランド１１２の凹部１１３の外に形成されている。本実施の形態では、層厚差Ｌ３が１μｍ以上である場合、即ち界面ｐ１と界面ｐ２とが１μｍ以上離れている場合を断面状態Ａと定義する。
【００９８】
また、図１（ａ）では、ニッケルめっき層１１４の表面に錫含有合金層１１６が形成されており、図１（ａ）では錫含有合金層１１６と錫含有半田１３１との界面ｐ３がソルダーレジスト１１５の層の中に形成されているが、界面ｐ３はソルダーレジスト１１５の外側に形成されていても良い。
【００９９】
次に、図１（ｂ）では、ランド１１２に凹部１１３が形成され、ニッケルめっき層１１４が凹部１１３の深さと比較して薄く形成される回路基板１１０ｂの構造を示している。即ち、相対的に凹部の深さＬ１は大きく、ニッケルめっき厚さＬ２は小さく形成されている。このような構成は、凹部１１３の深さまたはニッケルめっき層１１４の厚さの少なくとも一方を設定して構成すれば良い。
【０１００】
本実施の形態では、ランド１１２が銅で形成されているので、界面ｐ２が銅で形成されたランド１１２の凹部１１３の中に形成されている。層厚差Ｌ３が１μｍ以上である場合、即ち界面ｐ１と界面ｐ２とが１μｍ以上離れている場合を断面状態Ｂと定義する。
【０１０１】
また、図１（ｂ）では、ニッケルめっき層１１４の表面に錫含有合金層１１６が形成されており、図１（ｂ）では錫含有合金層１１６と錫含有半田１３１との界面ｐ３も凹部１１３の中に形成されている。本実施の形態の錫含有合金層１１６の厚さは約２〜４μｍであるので、界面ｐ３は図１（ｂ）の場合のほかにも、凹部１１３の外に形成されている場合がある。
【０１０２】
次に、図１（ｃ）では、ランド１１２に凹部１１３が形成され、ニッケルめっき層１１４が凹部１１３の深さとほぼ同じ厚さに形成される回路基板１１０ｃの構造を示している。即ち、凹部の深さＬ１とニッケルめっき厚さＬ２とが殆ど同じ大きさである場合を示している。つまり界面ｐ２がランド１１２とソルダーレジスト１１５との界面ｐ１の近くに形成されている場合であり、本実施の形態では、層厚差Ｌ３が１μｍよりも小さい場合を断面状態Ｃと定義する。
【０１０３】
上記に示した断面形状と、界面ｐ２の位置とは図２のようにまとめることができる。
【０１０４】
尚、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、凹部１１３に形成する金属めっき層として、ニッケルめっき層１１４を形成した上にさらに金めっき層１１４ａを形成しても良い。図６は、図１（ａ）、（ｂ）の半田接合構造において、金属めっき層の変形例を示す断面図である。
【０１０５】
このように金めっき層１１４ａを形成すると、銅で形成されているランド１１２に直接金めっき層１１４ａを形成する場合に生じる脆弱な合金層の影響を受けることなく、鉛フリー半田などの錫含有半田１３１に対する上記金属めっき層の濡れ性を向上させることができる。
【０１０６】
また、図６（ａ）、（ｂ）のように金属めっき層を形成すると、金めっき層１１４ａの上に錫含有半田１３１を半田接合することになる。この場合、錫含有半田１３１の錫の成分は金めっき層１１４ａに拡散侵入する。そのため、ニッケルめっき層１１４に拡散侵入する錫の成分は少なくなる。つまり、錫含有合金層１１６ａは金めっき層１１４ａ及び金めっき層１１４ａとニッケルめっき層１１４との間までに形成されやすい。
【０１０７】
また金めっき層１１４ａの厚さや半田接合時の条件などにより、金めっき層１１４ａが半田接合後に半田接合面に残らない場合もあるが、この場合は図１（ａ）、（ｂ）に準じれば良い。もちろん半田接合後に金めっき層１１４ａが残っている場合であっても、図１（ａ）、（ｂ）に準じて錫含有合金層１１６ａの位置を考えても良い。
【０１０８】
本実施の形態では、主に図１（ａ）〜（ｃ）の半田接合構造について記載するが、何れの実施の形態でも図６（ａ）、（ｂ）のように金めっき層を形成していても良い。
【０１０９】
本実施の形態では、主に上記断面形状Ａの場合について記載する。
【０１１０】
次に、断面形状Ａのように半田接合を行う方法を、図７を用いて説明する。
【０１１１】
図７は、回路基板１１０ａが断面形状Ａのような形状に形成され、半田接合される手順を示す工程の断面図である。
【０１１２】
まず、図７（ａ）のように、例えばガラス基板またはエポキシ基板などの周知の部材で形成される基板１１１の上に、配線の線路と半田接合を行う部位（ランド１１２）を形成する。配線を形成する材料は周知の導電性材料であれば問わないが、例えば銅またはアルミニウムなどを用いても良い。また、周知の方法で配線を形成すればよく、例えば基板１１１上に形成した銅箔などの導体の薄膜をエッチングして配線を形成するか、プリントされた配線を基板１１１上に転写して形成しても良い。その他周知の方法を用いて形成することができる。
【０１１３】
次に、図７（ｂ）のように、基板１１１及びランド１１２の表面であり、かつ半田接合を行わない部位にソルダーレジスト１１５を周知の方法で形成する。ソルダーレジスト１１５は基板上の配線を保護するために設けられる部材であり、絶縁性を備えている部材であれば周知の材料を用いることができる。
【０１１４】
そして、図７（ｃ）のように、ランド１１２に凹部１１３を形成する。上記凹部１１３は周知の方法で形成することができるが、例えばエッチングによって形成しても良い。
【０１１５】
次に、図７（ｄ）のように、ニッケルめっき層１１４を凹部１１３に形成する。このとき、凹部１１３に形成した凹部の深さＬ１よりも厚くニッケルめっき層１１４を形成する。ニッケルめっき厚さＬ２は、凹部の深さＬ１よりも１μｍ以上厚くなるようにめっきする。つまり層厚差Ｌ３が１μｍ以上となるようにめっきする。このような構成は、凹部１１３の深さまたはニッケルめっき層１１４の厚さの少なくとも一方を設定して構成すれば良い。ニッケルめっき層１１４も周知の方法で形成してもよく、例えば無電解めっきの方法などで形成しても良い。
【０１１６】
そして図７（ｅ）のように、半田接合を行う部位のニッケルめっき層１１４の上に錫含有半田１３１を用いて半田接合を行う。半田接合自体は周知の方法を用いて行うことができる。錫含有半田１３１は、一般に鉛フリー半田と呼ばれる半田が好ましく、例えばＳｎ-Ａｇ-Ｃｕ系合金などの錫含有半田が知られている。本実施の形態の錫含有半田１３１は、上記Ｓｎ-Ａｇ-Ｃｕ系合金などの錫含有の鉛フリー半田であることが好ましいが、従来の鉛を含有するＳｎ-Ｐｂ合金、またはＳｎ-Ｐｂ-Ａｇ合金などの半田を用いても良い。図７（ｅ）では半田接合する相手の部材については記載していないが、任意の部材を錫含有半田１３１を用いて半田接合することができる。
【０１１７】
このように構成することによって本実施の形態の半導体装置１００の備える半田接合部において、界面ｐ２及び錫含有合金層１１６で破断（クラック）が生じにくくなる効果については、後述する実施例１及び実施例３で詳しく記載する。
【０１１８】
〔実施の形態２〕
本発明の他の実施の形態について図８〜図１０に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本実施の形態において説明すること以外の構成は、前記実施の形態１と同じである。また、説明の便宜上、前記の実施の形態１の図面に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０１１９】
本実施の形態では、主に図１（ｂ）及び図２に示す断面形状Ｂの場合について記載する。
【０１２０】
本実施の形態の半導体装置１００の備える半田接合部は、断面形状Ｂのように形成されている。即ち、ランド１１２に凹部１１３が形成され、ニッケルめっき層１１４が凹部１１３の深さと比較して薄く形成されている。また、層厚差Ｌ３が１μｍ以上である場合、即ち界面ｐ１と界面ｐ２とが１μｍ以上離れている。
【０１２１】
次に、断面形状Ｂのように半田接合を行う方法を、図８を用いて説明する。
【０１２２】
図８は、回路基板１１０ｂが断面形状Ｂのような形状に形成され、半田接合される手順を示す工程の断面図である。
【０１２３】
まず、図８（ａ）のように、例えばガラス基板またはエポキシ基板などの周知の部材で形成される基板１１１の上に、配線の線路と半田接合を行う部位（ランド１１２）を形成する。配線を形成する材料は周知の導電性材料であれば問わないが、例えば銅またはアルミニウムなどを用いても良い。また、周知の方法で配線を形成すればよく、例えば基板１１１上に形成した銅箔などの導体の薄膜をエッチングして配線を形成するか、プリントされた配線を基板１１１上に転写して形成しても良い。その他周知の方法を用いて形成することができる。
【０１２４】
次に、図８（ｂ）のように、基板１１１及びランド１１２の表面であり、かつ半田接合を行わない部位にソルダーレジスト１１５を周知の方法で形成する。ソルダーレジスト１１５は基板上の配線を保護するために設けられる部材であり、絶縁性を備えている部材であれば周知の材料を用いることができる。
【０１２５】
そして、図８（ｃ）のように、ランド１１２に凹部１１３を形成する。上記凹部１１３は周知の方法で形成することができるが、例えばエッチングによって形成しても良い。
【０１２６】
次に、図８（ｄ）のように、ニッケルめっき層１１４を凹部１１３に形成する。このとき、凹部１１３に形成した凹部の深さＬ１よりも薄くニッケルめっき層１１４を形成する。ニッケルめっき厚さＬ２は、凹部の深さＬ１よりも１μｍ以上薄くなるようにめっきする。つまり層厚差Ｌ３が１μｍ以上となるようにめっきする。このような構成は、凹部１１３の深さまたはニッケルめっき層１１４の厚さの少なくとも一方を設定して構成すれば良い。ニッケルめっき層１１４も周知の方法で形成してもよく、例えば無電解めっきの方法などで形成しても良い。
【０１２７】
そして図８（ｅ）のように、半田接合を行う部位のニッケルめっき層１１４の上に錫含有半田１３１を用いて半田接合を行う。半田接合自体は周知の方法を用いて行うことができる。錫含有半田１３１は、一般に鉛フリー半田と呼ばれる半田が好ましく、例えばＳｎ-Ａｇ-Ｃｕ系合金などの錫含有半田が知られている。本実施の形態の錫含有半田１３１は、上記Ｓｎ-Ａｇ-Ｃｕ系合金などの錫含有の鉛フリー半田であることが好ましいが、従来の鉛を含有するＳｎ-Ｐｂ合金、またはＳｎ-Ｐｂ-Ａｇ合金などの半田を用いても良い。図８（ｅ）では半田接合する相手の部材については記載していないが、任意の部材を錫含有半田１３１を用いて半田接合することができる。
【０１２８】
このように構成することによって本実施の形態の半導体装置１００の備える半田接合部において、界面ｐ２及び錫含有合金層１１６で破断（クラック）が生じにくくなる効果については、後述する実施例２及び実施例４で詳しく記載する。
【０１２９】
尚、上記の実施の形態では回路基板１１０の表面には半導体チップ１２０が搭載される構成について示しているが、図９に示す回路基板１１０ｄのように、基板１１１ｄの両面にランド１１２、凹部１１３、及びニッケルめっき層１１４を形成し、さらに回路基板１１０ｄの両面にソルダーレジスト１１５を設けるなどしてニッケルめっき層１１４の上に外部接続端子１３０を形成する構成としても良い。また、回路基板１１０ｄの中に周知の方法によって半導体回路または回路基板を形成しても良い。
【０１３０】
このように構成することによって、図１０に示すように、複数の半導体回路を積層して接続する半導体回路または回路基板において、半田接合部の接続信頼性を高めることができる。
【０１３１】
なお本発明は、以上説示した各構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【実施例】
【０１３２】
〔実施例１〕
次に、本実施の形態の半田接合の断面形状が断面形状Ａである場合に、該半田接合部にクラックを発生させにくい形状であることを示すために以下のような方法で試験を行なった。
【０１３３】
図１１は、本実施の形態の方法で半田接合した２個の回路基板２１０ａ・２１０ｂの一方を固定し、もう一方を引き剥がすことによって半田接合部の接続信頼性を評価する方法を示す断面図である。
【０１３４】
図１１では、同じ構成の２個の回路基板２１０を錫含有半田２３１で半田接合し、そのうちの１個を床面に固定し、回路基板２１０ａとする。また他方を回路基板２１０ｂとし、回路基板２１０ｂを上方に引き上げ、半田接合部に負荷を与える。本実施例では、半田接合を行っている接合界面に衝撃試験同様の負荷が与えられている。図１１に示す実施例では、半田接合部が破断し、回路基板２１０ａと回路基板２１０ｂとが完全に分離するまで回路基板２１０ｂを上方に引き上げ、半田接合部に負荷を与える。
【０１３５】
錫含有合金層２１６はその他の金属層、具体的にはニッケルめっき層２１４または錫含有半田２３１よりも脆く、半田接合部に応力が生じた場合に破断（クラック）が発生し易い。そのため、半田接合部を形成している金属層のうち、錫含有合金層２１６で破断が起きている割合を接合界面破断率と定義し、半田接合部が破断する場合に錫含有合金層２１６で破断している割合を評価した。
【０１３６】
表１は、図１１に記載する方法で評価した接合界面破断率であり、凹部の深さＬ１とニッケルめっき厚さＬ２とについて、３種類の構成で試験を行なった例である。
【０１３７】
【表１】
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【０１３８】
サンプル１では、凹部の深さＬ１が６．２６μｍ、ニッケルめっき厚さＬ２が７．０３μｍであり、断面形状が図１（ｃ）に示す断面形状Ｃである。
【０１３９】
サンプル２では、凹部の深さＬ１が４．４６μｍ、ニッケルめっき厚さＬ２が８．２８μｍであり、断面形状が図１（ａ）に示す断面形状Ａである。
【０１４０】
サンプル３では、凹部の深さＬ１が４．７４μｍ、ニッケルめっき厚さＬ２が１６．４μｍであり、断面形状が図１（ａ）に示す断面形状Ａである。
【０１４１】
本実施例では、サンプル１（断面形状Ｃ）の場合、接合界面破断率が６７．９％であったが、サンプル２（断面形状Ａ）の場合、接合界面破断率が２．６％であり、サンプル３（断面形状Ａ）の場合、接合界面破断率が１．６％であった。即ち、断面形状Ｃの構成をとる場合よりも、断面形状Ａをとる場合の方が錫含有合金層２１６で破断しにくいという結果が得られた。
【０１４２】
通常、錫含有合金層２１６は脆く、他の金属層よりも弱い衝撃応力で破断がおこる。そのため、上記のように断面形状Ａを構成する場合には、錫含有合金層２１６またはニッケルめっき層２１４と錫含有合金層２１６との界面p２に作用する応力を緩和する機構が作用しており、接合界面破断率が低くなったと考えられる。つまり、断面形状Ａを構成することにより半田接合部の接続信頼性が高くなることが示された。
【０１４３】
〔実施例２〕
次に、本実施の形態の半田接合の断面形状が断面形状Ｂである場合に、該半田接合部にクラックを発生させにくい形状であることを示すために実施例１と同様の方法で試験を行なった。
【０１４４】
表２は、図１１に記載する方法で評価した接合界面破断率であり、凹部の深さＬ１とニッケルめっき厚さＬ２とについて、３種類の構成で試験を行なった例である。
【０１４５】
【表２】
2008166432.tif 000004
【０１４６】
サンプル４では、凹部の深さＬ１が８．７３μｍ、ニッケルめっき厚さＬ２が６．３６μｍであり、断面形状が図１（ｂ）に示す断面形状Ｂである。
【０１４７】
サンプル５では、凹部の深さＬ１が９．２１μｍ、ニッケルめっき厚さＬ２が８．８６μｍであり、断面形状が図１（ｃ）に示す断面形状Ｃである。
【０１４８】
サンプル６では、凹部の深さＬ１が８．５１μｍ、ニッケルめっき厚さＬ２が１５．５４μｍであり、断面形状が図１（ａ）に示す断面形状Ａである。
【０１４９】
本実施例では、サンプル５（断面形状Ｃ）の場合、接合界面破断率が６９．８％であったが、サンプル４（断面形状Ｂ）の場合、接合界面破断率が７．９％であった。またサンプル６（断面形状Ａ）の場合は、接合界面破断率が６．８％であった。即ち、断面形状Ｃの構成をとる場合よりも、断面形状ＡまたはＢをとる場合の方が錫含有合金層２１６で破断しにくいという結果が得られた。
【０１５０】
通常、錫含有合金層２１６は脆く、他の金属層よりも弱い衝撃応力で破断がおこる。そのため、上記のように断面形状ＡまたはＢを構成する場合には、錫含有合金層２１６またはニッケルめっき層２１４と錫含有合金層２１６との界面p２に作用する応力を緩和する機構が作用しており、接合界面破断率が低くなったと考えられる。
【０１５１】
特に上記サンプル４の場合、錫含有合金層２１６が約２〜４μｍの厚さで形成されていることから、錫含有合金層２１６がランド２１２とソルダーレジスト２１５との界面p１の近くに形成されており、断面形状Ｃの形状に近い構成となっている。しかしながら層厚差Ｌ３は２．３７μｍであるため、界面p２は界面p１から離れた位置に形成されている。そのため、界面p２に作用する応力を緩和する機構によって接合界面破断率が低くなったと考えられる。つまり、断面形状ＡまたはＢを構成することにより半田接合部の接続信頼性が高くなることが示された。
【０１５２】
図１２は、実施例１及び実施例２で行った試験での、層厚差Ｌ３と接合界面破断率との関係を示すグラフである。図１２に示すように、層厚差Ｌ３が２μｍ以上であれば、接合界面破断率は１０％以下に抑えられている。また図１２に示す実験値から推定する近似線によれば、層厚差Ｌ３が０．４μｍ程度であれば接合界面破断率は６０％程度の値を持つが、１μｍ程度であれば接合界面破断率が２０％程度であり、４μｍ程度であれば接合界面破断率が４％まで下がることが示されている。
【０１５３】
〔実施例３〕
次に、本実施の形態の半田接合の断面形状が断面形状Ａである場合に、該半田接合部にクラックを発生させにくい形状であることを示すためにシミュレーションによる応力解析を行った。
【０１５４】
図１１に示す形態について解析モデルを作成した。凹部の深さＬ１とニッケルめっき厚さＬ２とについて、３種類の構成でシミュレーションした解析結果を表３に示す。
【０１５５】
【表３】
2008166432.tif 000005
【０１５６】
サンプルｓ１では、凹部の深さＬ１が２μｍ、ニッケルめっき厚さＬ２が２μｍであり、断面形状が図１（ｃ）に示す断面形状Ｃである。
【０１５７】
サンプルｓ２では、凹部の深さＬ１が２μｍ、ニッケルめっき厚さＬ２が６μｍであり、断面形状が図１（ａ）に示す断面形状Ａである。
【０１５８】
サンプルｓ３では、凹部の深さＬ１が２μｍ、ニッケルめっき厚さＬ２が１２μｍであり、断面形状が図１（ａ）に示す断面形状Ａである。
【０１５９】
上記のシミュレーションを行った結果、ニッケルめっき層２１４と錫含有合金層２１６との界面p２にかかる応力は、断面形状Ｃのサンプルｓ１では３．０×１０８Ｎ／ｍ２であったのに対し、断面形状Ａのサンプルｓ２では２．０×１０８Ｎ／ｍ２であり、サンプルｓ３では１．４×１０８Ｎ／ｍ２であった。
【０１６０】
即ち、層厚差Ｌ３が小さい断面形状Ｃ（サンプルｓ１）と比較して、断面形状Ａ（サンプルｓ２またはサンプルｓ３）では、上記界面p２にかかる応力が小さくなることが示された。
【０１６１】
よって、実施例１に示す試験結果及び本実施例のシミュレーション結果から、ランドに形成するエッチングの量（深さ）に対してニッケルめっき層を厚く形成する方法は、半田接合部の破断を低下させ、接続信頼性向上させることが示された。即ち、半田接合部の接続歩留まりを向上させるという効果がある。
【０１６２】
〔実施例４〕
次に、本実施の形態の半田接合の断面形状が断面形状Ｂである場合に、該半田接合部にクラックを発生させにくい形状であることを示すためにシミュレーションによる応力解析を行った。
【０１６３】
図１１に示す形態について解析モデルを作成した。凹部の深さＬ１とニッケルめっき厚さＬ２とについて、３種類の構成でシミュレーションした解析結果を表４に示す。
【０１６４】
【表４】
2008166432.tif 000006
【０１６５】
サンプルｓ４では、凹部の深さＬ１が６μｍ、ニッケルめっき厚さＬ２が２μｍであり、断面形状が図１（ｂ）に示す断面形状Ｂである。
【０１６６】
サンプルｓ５では、凹部の深さＬ１が６μｍ、ニッケルめっき厚さＬ２が６μｍであり、断面形状が図１（ｃ）に示す断面形状Ｃである。
【０１６７】
サンプルｓ６では、凹部の深さＬ１が６μｍ、ニッケルめっき厚さＬ２が１２μｍであり、断面形状が図１（ａ）に示す断面形状Ａである。
【０１６８】
上記のシミュレーションを行った結果、ニッケルめっき層２１４と錫含有合金層２１６との界面p２にかかる応力は、断面形状Ｃのサンプルｓ５では３．０×１０８Ｎ／ｍ２であったのに対し、断面形状Ｂのサンプルｓ４では１．３×１０８Ｎ／ｍ２であった。尚、断面形状Ａのサンプルｓ６では１．８×１０８Ｎ／ｍ２であった。
【０１６９】
即ち、層厚差Ｌ３が小さい断面形状Ｃ（サンプルｓ５）と比較して、断面形状Ａ（サンプルｓ６）または断面形状Ｂ（サンプルｓ４）では、上記界面p２にかかる応力が小さくなることが示された。
【０１７０】
よって、実施例１に示す試験結果及び本実施例のシミュレーション結果から、ランドに形成するエッチングの量（深さ）に対してニッケルめっき層を厚くする方法は、半田接合部の破断を低下させ、接続信頼性向上させることが示された。即ち、半田接合部の接続歩留まりを向上させるという効果がある。
【０１７１】
特に上記サンプルｓ４の場合、錫含有合金層２１６が４μｍの厚さで形成されている場合について解析した。この場合、錫含有合金層２１６と錫含有半田２３１との界面ｐ３がランド２１２とソルダーレジスト２１５との界面p１と同じ高さに形成されることになり、断面形状Ｃの形状に近い構成となっている。しかしながら層厚差Ｌ３は４μｍあるため、界面p２は界面p１から離れた位置に形成されている。そのため、界面p２に作用する応力を緩和する機構によって接合界面破断率が低くなったと考えられる。つまり、断面形状ＡまたはＢを構成することにより半田接合部の接続信頼性が高くなることが示された。
【０１７２】
よって、実施例２に示す試験結果及び本実施例のシミュレーション結果から、ランドに形成するエッチングの量（深さ）に対してニッケルめっき層を薄く形成する方法は、半田接合部の破断を低下させ、接続信頼性向上させることが示された。即ち、半田接合部の接続歩留まりを向上させるという効果がある。
【０１７３】
尚、本実施例で用いた構成での値は実施例の一つに過ぎず、実施の方法や条件によって各々の数値や結果については変化することは充分考えられる事項である。しかしながら、上記に示した実施の効果については上記の実施の方法や条件が特許請求の範囲に示した範囲で行う限り、同様の効果が得られることはいうまでもない事項である。
【０１７４】
そのため、本発明は、以上説示した各構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施例にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【０１７５】
以上のことから、半田接合を形成するランドの部位に形成する凹部の深さと、該ランド部に行うニッケルめっき厚さとを制御し、凹部が形成されていないランドの表面の位置から錫含有合金層またはニッケルめっき層と錫含有合金層との界面を離した位置に形成することにより、半田接合部にクラックを発生させにくい構造を形成することができる。そのため、クラックを生じにくい半田接続部、該半田接続部を備える回路基板、半導体装置、及び半田接続部の形成方法を提供することができる。
【０１７６】
また、外部接続端子として錫含有半田を設ける半導体装置及び半導体装置基板を構成する場合に、上記のような構造の半田接合部を構成することにより、半田接合部の接続信頼性が大幅に上昇し、半田接合部を形成する場合の製造の歩留まりが向上する。
【０１７７】
また、上記の半田接合部において、錫含有合金層、または錫含有合金層と錫含有半田との界面が凹部未形成であるランドの表面位置の近くに形成されている場合であっても、ニッケルめっき層と錫含有合金層との界面が上記ランドの表面の位置から２μｍ以上離れていれば、半田接合部の接続信頼性が大幅に上昇し、接続歩留まりが向上する。
【産業上の利用可能性】
【０１７８】
以上のように、本発明では、半田接合を行うランドの部位に形成する凹部の深さと、該ランド部に行うニッケルめっき厚さとを制御し、凹部が形成されていないランドの表面の位置から錫含有合金層またはニッケルめっき層と錫含有合金層との界面を離した位置に形成するので、半田接続部にクラックを発生させにくい構造を形成することができる。そのため、半田接合を用いる回路基板、または半導体装置の半田接続部に用いることができ、半田接続部での接続信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１７９】
【図１】（ａ）〜（ｃ）は本発明における半導体装置の実施の一形態を示す断面図であり、半田接合部の構造を示す断面図である。
【図２】本発明における半導体装置の実施の一形態を示す断面図であり、半田接合部の構造についての区分について示している断面図である。
【図３】本発明における半導体装置の実施の一形態を示す断面図であり、図１に示す半田接合部を有する半導体装置の断面図である。
【図４】図３に示す半導体装置の回路基板が錫含有半田によって接続される様子を示す断面図である。
【図５】図４に示す半導体装置の回路基板と錫含有半田との接合部位を拡大した断面図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）は本発明における半導体装置の別の実施の一形態を示す断面図であり、図１の金属めっき層の別の構造を示す断面図である。
【図７】（ａ）〜（ｅ）は図１の（ａ）に示す半導体装置の回路基板の形成方法と半田接合する方法を示す断面図である。
【図８】（ａ）〜（ｅ）は図１の（ｂ）に示す半導体装置の回路基板の形成方法と半田接合する方法を示す断面図である。
【図９】本発明における半導体装置の別の実施の一形態を示す断面図であり、図３に示す半導体装置の回路基板の両面に半田接合部を有する半導体装置の断面図である。
【図１０】本発明における半導体装置の別の実施の一形態を示す断面図であり、図９に示す回路基板が他の半導体装置に接続している断面図である。
【図１１】本発明における半導体装置の半田接合部の接続信頼性を評価する実施例の方法を示す断面図であり、図１（ａ）の形状の半導体装置の半田接合部に負荷を与えている状態を示す断面図である。
【図１２】本発明における半導体装置の半田接合部の接続信頼性を評価する実施例の結果を示すグラフであり、層厚差に対する接合界面破断率をプロットしたグラフである。
【符号の説明】
【０１８０】
１００    半導体装置
１１０    回路基板（電子部品）
１１０ａ  回路基板（電子部品）
１１０ｂ  回路基板（電子部品）
１１０ｃ  回路基板（電子部品）
１１０ｄ  回路基板（電子部品）
１１１    基板
１１１ａ  基板
１１１ｄ  基板
１１２    ランド（電極）
１１３    凹部
１１４    ニッケルめっき層（金属層、第１金属層）
１１４ａ  金めっき層（金属層、第２金属層）
１１５    ソルダーレジスト
１１６    錫含有合金層（錫合金層）
１１６ａ  錫含有合金層（錫合金層）
１２０    半導体チップ（半導体素子）
１３０    外部接続端子
１３１    錫含有半田
１５０    半田接続部（半田接合部）
２１０    回路基板
２１２    ランド
２１５    ソルダーレジスト
２１６    錫含有合金層
２３１    錫含有半田
Ｌ１      凹部の深さ
Ｌ２      ニッケルめっき厚さ
Ｌ３      層厚差
ｐ１      界面（基準表面）
ｐ２      界面
ｐ３      界面（半田接合部）
【図１】
2008166432.tif 000007
【図２】
2008166432.tif 000008
【図３】
2008166432.tif 000009
【図４】
2008166432.tif 000010
【図５】
2008166432.tif 000011
【図６】
2008166432.tif 000012
【図７】
2008166432.tif 000013
【図８】
2008166432.tif 000014
【図９】
2008166432.tif 000015
【図１０】
2008166432.tif 000016
【図１１】
2008166432.tif 000017
【図１２】
2008166432.tif 000018