(57)【要約】【課題】電子回路パッケージ化のための無鉛はんだ階層構造を提供する。【解決手段】電子回路パッケージは、次の第２レベルの接合／組立処理およびリワーク処理の間に、Ｃ４はんだ相互接続の溶融度を制限するはんだ相互接続の液相線温度の階層を有する。はんだ階層は、第１レベルのＣ４はんだ相互接続のために、高い液相線温度を有するＳｎ／ＡｇおよびＳｎ／Ｃｕの非共晶はんだ合金を使用し、第２レベルの相互接続のために、低い液相線温度を有する合金を使用する。第２レベルの、ＰＣＢへのチップ・キャリヤの接合／組立処理が行われるときに、チップとチップ・キャリヤとのＣ４相互接続部は、全く溶融しない。それらは、一部の固体と、完全に溶融した合金よりも少ない液体を保持し続ける。これは、はんだ接合の膨張を低減し、その結果、Ｃ４相互接続において応力を弱める。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
５２．０〜９５．０重量％のＳｎと、４８．０〜５．０重量％のＡｇを主成分とし、２５０℃より高い溶融温度を有する金属間化合物からなる非共晶無鉛はんだ組成物。
【請求項２】
前記組成物は、約７２．０重量％のＳｎと、約２８．０重量％のＡｇよりなり、ＳｎＡｇ金属間化合物の相構造の分散粒子を有する請求項１に記載の非共晶無鉛はんだ組成物。
【請求項３】
前記組成物は、約８２．０重量％のＳｎと、約１８．０重量％のＡｇよりなり、ＳｎＡｇ金属間化合物の相構造の分散粒子を有する請求項１に記載の非共晶無鉛はんだ組成物。
【請求項４】
前記組成物は、約８８．０重量％のＳｎと、約１２．０重量％のＡｇよりなり、ＳｎＡｇ金属間化合物の相構造の分散粒子を有する請求項１に記載の非共晶無鉛はんだ組成物。
【請求項５】
前記組成物は、約５２．０重量％のＳｎと、約４８．０重量％のＡｇよりなり、ＳｎＡｇ金属間化合物の相構造の分散粒子を有する請求項１に記載の非共晶無鉛はんだ組成物。
【請求項６】
８４．０〜９９．３重量％のＳｎと、１６．０〜０．７重量％のＣｕを主成分とし、２５０℃より高い溶融温度を有する金属間化合物からなる非共晶無鉛はんだ組成物。
【請求項７】
前記組成物は、約８４．０重量％のＳｎと、約１６．０重量％のＣｕよりなり、ＳｎＣｕ金属間化合物の相構造の分散粒子を有する請求項６に記載の非共晶無鉛はんだ組成物。
【請求項８】
前記組成物は、約９３．０重量％のＳｎと、約７．０重量％のＣｕよりなり、ＳｎＣｕ金属間化合物の相構造の分散粒子を有する請求項６に記載の非共晶無鉛はんだ組成物。
【請求項９】
ａ）第１の非共晶無鉛はんだ組成物を用いてチップ・キャリヤの上面に装着された電子回路チップと、
ｂ）第２の非共晶無鉛はんだ組成物を用いて前記チップ・キャリヤの底面に装着された第１の端部を有する無鉛はんだ接続アレイであって、前記第２の非共晶無鉛はんだ組成物は、前記第１の非共晶無鉛はんだ組成物より低い液相線温度を有する、アレイと、
ｃ）第３の無鉛はんだ組成物によって前記無鉛はんだ接続アレイの第２の端部に装着された上面を有するプリント回路基板であって、前記第３の無鉛はんだ組成物は、前記第２の非共晶無鉛はんだ組成物より低い液相線温度を有し、それによって電子回路パッケージ相互接続のための無鉛はんだ階層を形成する、プリント回路基板と、
を含む電子回路パッケージ相互接続のための無鉛はんだ階層構造。
【請求項１０】
ａ）前記第１の非共晶無鉛はんだ組成物は、約７２．０重量％のＳｎと、約２８．０重量％のＡｇよりなり、ＳｎＡｇ金属間化合物の相構造の分散粒子および、約４００℃の液相線温度を有し、
ｂ）前記第２の非共晶無鉛はんだ組成物は、約８２．０重量％のＳｎと、約１８．０重量％のＡｇよりなり、ＳｎＡｇ金属間化合物の相構造の分散粒子および、約３５５℃の液相線温度を有し、
ｃ）前記第３の無鉛はんだ組成物は、約９５．５重量％のＳｎと、約３．８重量％のＡｇと、約０．７重量％のＣｕよりなり、約２１７℃の液相線温度を有する、
請求項９に記載の無鉛はんだ階層構造。
【請求項１１】
ａ）チップの底面にボール制限金属（ＢＬＭ）パッドを有する電子回路チップを設ける工程と、
ｂ）ＢＬＭパッド上に非共晶無鉛はんだを配置する工程と、
ｃ）前記非共晶無鉛はんだを加熱して前記非共晶無鉛はんだをリフローし、前記ＢＬＭパッド上に非共晶無鉛はんだバンプを形成する工程と、
ｄ）チップ・キャリヤの上面に導電パッドを有するチップ・キャリヤを設ける工程と、
ｅ）前記導電パッドに接触して無鉛はんだ合金を配置する工程と、
ｆ）前記無鉛はんだ合金に接触して前記非共晶無鉛はんだバンプを配置する工程と、
ｇ）前記非共晶無鉛はんだバンプを加熱して前記非共晶無鉛はんだバンプをリフローし、前記チップと前記チップ・キャリヤとを接着する非共晶無鉛はんだフィレットを形成する工程と、
を含む第１レベルの組立のための無鉛はんだ溶融の階層構造を形成する方法。
【請求項１２】
前記チップと前記チップ・キャリヤとの接続部に封止材を塗布する工程を更に含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記非共晶無鉛はんだフィレットは、約８４．０〜９９．３重量％のＳｎおよび約１６．０〜０．７重量％のＣｕの組成物を有し、２５０℃よりも高い溶融温度の金属間化合物を有する請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記非共晶無鉛はんだフィレットは、約９３．０重量％のＳｎと約７．０重量％のＣｕの組成物を有し、ＳｎＣｕ金属間化合物の相構造の分散粒子を有する請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記非共晶無鉛はんだフィレットは、約８４．０重量％のＳｎと約１６．０重量％のＣｕの組成物を有し、ＳｎＣｕ金属間化合物の相構造の分散粒子を有する請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記非共晶無鉛はんだフィレットは、約５２．０〜９５．０重量％のＳｎおよび約４８．０〜７．０重量％のＡｇの組成物を有し、２５０℃よりも高い溶融温度の金属間化合物を有する請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
前記非共晶無鉛はんだフィレットは、約８２．０重量％のＳｎと約１８．０重量％のＡｇの組成物を有し、ＳｎＡｇ金属間化合物の相構造の分散粒子を有する請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記非共晶無鉛はんだフィレットは、約８８．０重量％のＳｎと約１２．０重量％のＡｇの組成物を有し、ＳｎＡｇ金属間化合物の相構造の分散粒子を有する請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記非共晶無鉛はんだフィレットは、約７２．０重量％のＳｎと約２８．０重量％のＡｇの組成物を有し、ＳｎＡｇ金属間化合物の相構造の分散粒子を有する請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記非共晶無鉛はんだフィレットは、約５２．０重量％のＳｎと約４８．０重量％のＡｇの組成物を有し、ＳｎＡｇ金属間化合物の相構造の分散粒子を有する請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子構成部品の組み立てのための無鉛はんだ構造に関し、特に電子構成部品の組み立てに使用する無鉛はんだ階層に関する。
【背景技術】
【０００２】
セラミック基板または有機基板にチップを接合するためのＣ４(current controlled collapse chip connection)技術または“フリップチップ”相互接続技術は、一般に、相互接続のチップ面には、ボール制限金属（ball-limiting-metallurgy:BLM）として９７Ｐｂ３Ｓｎ接合はんだ合金を使用し、相互接続の基板面には、一般にＮｉ／ＡｕまたはＣｒ／Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｕの適合する金属を使用する。この相互接続構造は、温度サイクルに耐えなければならない。この温度サイクルは、特に、チップがプリント回路基板（ＰＣＢ）に直接に取り付けられるチップ・オン・ボード相互接続にとって、極めて厳しい要件となり得る。
【０００３】
これは、チップの熱膨張係数（ＴＣＥ）が約３ｐｐｍ（parts per million）であり、一般的なＰＣＢのＴＣＥが１５〜１８ｐｐｍであるためである。セラミック基板のチップ・キャリヤの場合には、セラミックのＴＣＥが３．５〜６．６ｐｐｍの範囲にあるので、ＴＣＥは、よく一致している。アンダーフィル材料（一般にはエポキシ）は、特にチップ・オン・ボード方式のために、より信頼できる構造を形成するためにしばしば使用され、この構造は、ＴＣＥの不一致が大きくなると生じる張力（歪）に対して、障害を生じさせることなく順応できる。
【０００４】
産業界が現在直面する課題は、鉛の排除が、全ての製造業者にとって戦略的な要求事項となっていることである。チップ接着のための無鉛解決法は、活発に探し求められている。１つの可能な解決法は、Ｓｎ／Ａｇ／ＣｕまたはＳｎ／Ａｇ／ＢｉのようなＳｎを多く含む合金を用いることであり、この場合、Ｓｎは、合金の約９６％を占める。このような合金は、接合のために、２４５℃〜２５５℃の範囲の低温での使用を必要とする。これは、Ｐｂ／Ｓｎはんだ合金が３４０℃と高温であるのに比べ著しく違っている。
【０００５】
さらなる問題は、製造時において、チップを第１レベルのパッケージ（一般にはセラミックまたは有機チップ・キャリヤ）に接合することが、最初の工程であるということである。この後、アンダーフィル材料による封止およびハット／リッド（hat/lid）付着と続き、モジュールを形成する。この第１レベルの相互接続の組み立てが完了すると、モジュールは、第２レベルの接合に進む。第２レベルの接合は、ＰＣＢへのチップ・キャリヤの相互接続である。この相互接続は、例えばセラミック・ボール・グリッド・アレイ（ＣＢＧＡ）、セラミック・カラム・グリッド・アレイ（ＣＣＧＡ）またはプラスティック・ボール・グリッド・アレイ（ＰＢＧＡ）でもよい。Ｐｂ／Ｓｎ系においては、第１レベルのチップ・キャリヤへのチップ接合工程は、９７Ｐｂ／３Ｓｎはんだ合金を使用し、約３４０℃の極めて高い温度を必要とするので、これらの相互接続は、容易に行うことができる。第２レベルのＰＣＢへのチップ・キャリヤ接合工程は、共晶Ｐｂ／ＳｎのようなＰｂ成分比の小さい組成物を使用し、２００℃〜２２０℃の範囲の更に低いリフロー温度が求められる。
【０００６】
したがって、Ｐｂ系において、チップＣ４はんだ接続部は、引き続く処理の間、ほとんど影響を受けず、固体状態のままである。第１レベルのチップ接合および第２レベルの基板（ｂoard）へのモジュール接合の両方のためにＰｂを含まず、Ｓｎを多く含む合金を使用することは、第２レベルの装着処理および（リワークのために必要とされるような）次のリフロー工程の間、チップＢＬＭが溶融するという問題を生じさせる。
【０００７】
別の問題としては、第１レベルのＳｎＡｇＣｕはんだ相互接続部が、アンダーフィル封止材の内部で完全に溶融すると、封止材の壁に大きな流体応力を生じさせることである。これらの応力は、封止材領域の層剥離、クラッキング、破断および最後には壊滅的障害を生じさせるのに十分な大きさの歪みを生じさせる。これは、Ｃ４はんだ接続間におそらく短絡を生じさせ、Ｃ４はんだ接続が、元の接合された位置から脱離するところに開口部を生じさせる可能性もある。
【０００８】
８０Ａｕ／２０Ｓｎのような他の合金系が、はんだ温度階層を作るために使用できるが、このような解決法は、種々の製造上の問題のために、広く応用可能ではない。種々の製造上の問題の例としては、材料のコスト、もろい金属特性およびチップに圧力を生じさせるはんだ相互作用を含む。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述の問題に対する従来技術の解決法にもかかわらず、第１レベルのＣ４相互接続のための高い液相線温度を有する合金を使用し、および第２レベルの相互接続のための低い液相線温度を有する合金を使用するはんだ階層構造の必要性は依然として存在する。
【００１０】
本発明の目的は、電子回路パッケージのための無鉛はんだ階層構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の目的と利点は、電子回路パッケージ相互接続のための無鉛はんだ階層構造を提供することによって実現され、無鉛はんだ階層構造は、第１の非共晶無鉛はんだ組成物を用いてチップ・キャリヤの上面に装着される電子回路チップと、第２の非共晶無鉛はんだ組成物を用いて前記チップ・キャリヤの底面に装着されるはんだコラムまたははんだボールのような無鉛はんだ接続アレイであって、第２の非共晶無鉛はんだ組成物は、第１の非共晶無鉛はんだ組成物よりも低い液相線温度を有するアレイと、第３の無鉛はんだ組成物によって無鉛はんだ接続アレイに装着される上面を有するプリント回路基板であって、第３の無鉛はんだ組成物は、第２の非共晶無鉛はんだ組成物よりも低い液相線温度を有するプリント回路基板とを具備し、それによって、電子回路パッケージ相互接続のための無鉛階層を形成する。
【００１２】
第１のチップ相互接続の非共晶無鉛はんだ組成物は、５２．０〜９５．０重量％のＳｎと４８．０〜５．０重量％のＡｇを主成分とし、２５０℃よりも高い溶融温度の金属間化合物であり、かつＳｎＡｇ金属間化合物相構造の分散粒子を有する合金である。好ましい組成物は、７２．０重量％のＳｎと２８．０重量％のＡｇ、８２．０重量％のＳｎと１８．０重量％のＡｇ、８８．０重量％のＳｎと１２．０重量％のＡｇ、および５２．０重量％のＳｎと４８．０重量％のＡｇを含む。
【００１３】
代わって、第１のチップ相互接続の非共晶無鉛はんだ組成物は、８４．０〜９９．３重量％のＳｎと１６．０〜０．７重量％のＣｕを主成分とし、２５０℃よりも高い溶融温度の金属間化合物であり、ＳｎＣｕ金属間化合物相構造の分散粒子を有する合金でもよい。好ましい組成物は、８４．０重量％のＳｎと１６．０重量％のＣｕ、および９３．０重量％のＳｎと７．０重量％のＣｕを含む。
【００１４】
また、本発明は、チップの底面にボール制限金属（ＢＬＭ）パッドを有する電子回路チップを設ける工程と、
ＢＬＭパッドの上に非共晶無鉛はんだを配置する工程と、
非共晶無鉛はんだを加熱して非共晶無鉛はんだをリフローし、ＢＬＭパッド上に非共晶無鉛はんだバンプを形成する工程と、
チップ・キャリヤの上面に導電パッドを有するチップ・キャリヤを設ける工程と、
導電パッドに接触して無鉛はんだ合金を配置する工程と、
無鉛はんだ合金に接触して前記非共晶無鉛はんだバンプを配置する工程と、
非共晶無鉛はんだバンプを加熱して非共晶無鉛はんだバンプをリフローし、チップとチップ・キャリヤとを接着する非共晶無鉛はんだフィレットを形成する工程と、
を含む第１レベルの組立に対する無鉛はんだ溶融階層を形成する方法を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明は、引き続く第２レベルの接合／組立処理およびリワーク処理の間に、チップとチップ・キャリヤ間のＣ４はんだ相互接続の溶融度を制限するはんだ液相線温度の階層を提供する。“液相線温度”という用語は、はんだ合金が完全に液相になる温度よりも高い温度と定義される。
【００１６】
モジュール／パッケージにおいては、他の鉛（Ｐｂ）フリー接合処理のために使用される合金系と同じ合金系内にあることが望ましい。Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−ＣｕまたはＳｎ−Ａｇ系は、鉛フリー相互接続に対して、最も広く用いられ、好ましい合金系であり、ＮＥＭＩ（National
Electrics Manufacturing Initiative ）によって推奨されている。
【００１７】
本発明は、Ｃ４第１レベルはんだ相互接続に対して、より高い液相線温度を有し、第２レベルの相互接続に対して、より低い液相線温度を有する合金（Ｓｎ、Ａｇ、Ｃｕの内の２つ以上の組み合わせ）を使用する。本発明によれば、第２レベルの、ＰＣＢへのチップ・キャリヤの接合／組立処理が行われるときに、チップのチップ・キャリヤへのＣ４相互接続では、完全には溶融できない。それらは、一部分の固体と、完全に溶融した合金より少ない液体を保持し続ける。したがって、膨張は低減され、封止材またはアンダーフィルにはより弱い圧力がかかる。均質化リフロー、および付着（メッキ、スクリーニング、蒸着その他）の方法に許容される最高温度に依存して、異なる液相線温度で均質化する合金が使用できる。
【００１８】
本発明の第１の実施形態において、約５２．０〜９５．０重量％のＳｎおよび約４８．０〜５．０重量％のＡｇを有し、２５０℃よりも高い溶融温度の金属間化合物を有するＳｎ／Ａｇ非共晶無鉛はんだ組成物が提供される。“金属間化合物”という用語は、２以上の金属を有する化合物という通常の意味である。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態において、約４００℃の液相線温度を有する７２Ｓｎ／２８Ａｇ（重量％）はんだ合金が使用される。約３５５℃〜３７５℃のピーク温度および一般に約１〜４分の十分な滞留時間を有するチップ接合Ｃ４リフロー・サイクルは、均質な無鉛Ｃ４はんだ合金相互接続を形成するには十分である。均質化されたはんだ合金相互接続は、一様に分散した金属間化合物の相構造を有する。
【００２０】
次の第２レベルの接合／組立プロセスの間、最大ピーク温度は、約２５０℃である。この温度は、Ｃ４はんだ合金相互接続において、約６８重量％の液相と約３２重量％の固相からなるペースト状の２相金属間化合物構造を形成する。この合金構造は、Ｃ４相互接続の膨張を制限し、取り囲む封止材の保全性を確保する。
【００２１】
本発明の別の好ましい実施形態において、約３５５℃の液相線温度を有する８２Ｓｎ／１８Ａｇ（重量％）はんだ合金が使用される。約３５５℃〜３７５℃のピーク温度および一般に約１〜４分の十分な滞留時間を有するチップ接合Ｃ４リフロー・サイクルは、Ｃ４はんだ合金相互接続部を完全に溶融する。その後、次の第２レベルの接合／組立プロセスの間、最大ピーク温度は、約２５０℃である。この温度は、Ｃ４はんだ合金相互接続において、約８２重量％の液相と約１８重量％の固相からなるペースト状の２相金属間化合物構造を形成する。この合金構造は、Ｃ４相互接続の膨張を制限し、取り囲む封止材の保全性を確保する。
【００２２】
本発明の他の好ましい実施形態では、約３１０℃の液相線温度を有する８８Ｓｎ／１２Ａｇ（重量％）はんだ合金が使用される。約３５５℃〜３７５℃のピーク温度および一般に約１〜４分の十分な滞留時間を有するチップ接合Ｃ４リフロー・サイクルは、Ｃ４はんだ合金相互接続部を完全に溶融する。その後、次の第２レベルの接合／組立プロセスの間、最大ピーク温度は、約２５０℃である。この温度は、Ｃ４はんだ合金相互接続において、約９１重量％の液相と約９重量％の固相からなるペースト状の２相金属間化合物構造を形成する。この合金構造は、Ｃ４相互接続の膨張を制限し、取り囲む封止材の保全性を確保する。
【００２３】
本発明の他の好ましい実施形態では、約４８０℃の液相線温度を有する５２Ｓｎ／４８Ａｇ（重量％）はんだ合金が使用される。約３５５℃〜３７５℃のピーク温度および一般に約１〜４分の十分な滞留時間を有するチップ接合Ｃ４リフロー・サイクルは、均質なＣ４はんだ合金相互接続を形成するには十分である。その後、次の第２レベルの接合／組立プロセスの間、最大ピーク温度は、約２５０℃である。この温度は、Ｃ４はんだ合金相互接続において、約３８重量％の液相と約６２重量％の固相からなるペースト状の２相金属間化合物構造を形成する。この合金構造は、Ｃ４相互接続の膨張を制限し、取り囲む封止材の保全性を確保する。
【００２４】
本発明の第２の実施形態では、約８４．０〜９９．３重量％のＳｎおよび約１６．０〜０．７重量％のＣｕを有し、２５０℃よりも高い溶融温度の金属間化合物を有するＳｎ／Ｃｕ非共晶無鉛はんだ組成物が提供される。
【００２５】
本発明の好ましい実施形態では、約５００℃の液相線温度を有する８４Ｓｎ／１６Ｃｕ（重量％）はんだ合金が使用される。約３５０℃〜３７５℃のピーク温度および一般に約１〜４分の十分な滞留時間を用いるチップ接合Ｃ４リフロー・サイクルは、均質なＣ４はんだ合金相互接続を形成するには十分である。その後、次の第２レベルの接合／組立プロセスの間、最大ピーク温度は、約２５０℃である。この温度は、Ｃ４はんだ合金相互接続において、約７２重量％の液相と約２８重量％の固相からなるペースト状の２相金属間化合物構造を形成する。この合金構造は、Ｃ４相互接続の膨張を制限し、取り囲む封止材の保全性を確保する。
【００２６】
本発明の別の好ましい実施形態では、約４１０℃の液相線温度を有する９３Ｓｎ／７Ｃｕ（重量％）はんだ合金が使用される。約３５０℃〜３７５℃のピーク温度および一般に約１〜４分の十分な滞留時間を用いるチップ接合Ｃ４リフロー・サイクルは、均質なＣ４はんだ合金相互接続を形成するには十分である。その後、次の第２レベルの接合／組立プロセスの間、最大ピーク温度は、約２５０℃である。この温度は、Ｃ４はんだ合金相互接続において、約８６重量％の液相と約１４重量％の固相からなるペースト状の２相金属間化合物構造を形成する。この合金構造は、Ｃ４相互接続の膨張を制限し、取り囲む封止材の保全性を確保する。
【００２７】
本発明は、電子回路パッケージ相互接続のための無鉛はんだ階層構造の形成を可能にする。図１を参照すると、底面にＢＬＭパッド２０を有する電子回路チップ１０は、導電パッド９５を有するチップ・キャリヤ９０の上面に接着される。チップ１０は、本発明の非共晶無鉛はんだ組成物８０でチップ・キャリヤ９０に接合される。はんだコラム１１０またははんだボール（図示せず）のような無鉛はんだ接続アレイは、次に、チップ・キャリヤ９０をＰＣＢ１２０に接合するために使用される。
【００２８】
無鉛はんだ接続部１１０は、第１の非共晶無鉛はんだ組成物８０よりも低い液相線温度を有する第２の非共晶無鉛はんだ組成物１４０を用いてチップ・キャリヤ９０の底面に装着される。チップ・キャリヤ９０は、次に、第２の非共晶無鉛はんだ組成物１４０よりも低い液相線温度を有する第３の無鉛はんだ組成物１５０によってＰＣＢ１２０に接合され、それによって電子回路パッケージの相互接続のための無鉛はんだ階層が形成される。
【００２９】
無鉛はんだ階層の好ましい実施形態では、第１の非共晶無鉛はんだ組成物８０は、約７２．０重量％のＳｎと約２８．０重量％のＡｇであり、ＳｎＡｇ金属間化合物の相構造の分散粒子と約４００℃の液相線温度を有する。第２の非共晶無鉛はんだ組成物１４０は、約８２．０重量％のＳｎと約１８．０重量％のＡｇであり、ＳｎＡｇ金属間化合物の相構造の分散粒子と約３５５℃の液相線温度を有する。第３の無鉛はんだ組成物１５０は、約９５．５重量％のＳｎと約３．８重力％のＡｇと約０．７重量％のＣｕであり、約２１７℃の液相線温度を有する。
【００３０】
好ましい方法が、図２に示されている。チップ１０の底面１１にＢＬＭパッド２０を有する電子回路チップ１０が示されている。一般にグラファイトからなるプリフォーム・ボート３０は、チップ１０上のＢＬＭパッド２０の位置に一致するように配列される開口部３５を含む。本発明の非共晶はんだプリフォーム４０は、次に、ボート開口部３５に配置される。チップ１０は、次に、ＢＬＭパッド２０が非共晶はんだプリフォーム４０に接触するように、ボート３０の上に置かれる。
【００３１】
このようにして得られるチップ／ボート組立品は、次に、一般に３５０℃〜３７５℃の所要のリフロー温度まで加熱され、それによってはんだプリフォーム４０は、ＢＬＭパッド２０の上にリフローされる。チップ／ボート組立品は、次に冷却され、結果として図３に示すように非共晶無鉛はんだバンプ５０で覆われるチップＢＬＭパッド２０になる。
【００３２】
図４を参照すると、チップ１０上のはんだバンプ５０の位置に一致するように配列される第２の開口部６５を有する第２のボート６０が示されている。第２の開口部６５が導電パッド９５に一致するように、チップ・キャリヤ９０の上面９１に導電パッド９５を有するチップ・キャリヤが準備される。無鉛はんだ合金またはフラックス剤７０は、第２の開口部６５の中に配置され、パッド９５に接触している。チップ１０は、次に、非共晶はんだバンプ５０がはんだ合金またはフラックス剤７０に接触するように、第２のボート６０の対向側に配置される。
【００３３】
出来たチップ／チップ・キャリヤ組立品は、第２の望ましいリフロー温度まで加熱され、それによって非共晶はんだバンプ５０は、フラックスで覆われたまたは無鉛合金で覆われた導電パッドの上にリフローされる。チップ／チップ・キャリヤ組立品は、次に冷却され、リフローされた非共晶はんだバンプは、図１に示すように、チップ１０をチップ・キャリヤに接着する非共晶はんだフィレット８０を形成する。
【００３４】
再び図１を参照すると、完成モジュールが示されている。チップ・キャリヤ９０をプリント回路基板（ＰＣＢ）１２０に接合する前に、封止材１００は、チップ１０の下に塗布される。この封止材１００は、また一般に“アンダーフィル”と呼ばれており、一般にはエポキシをベースにした材料である。封止材１００は、ＴＣＥによって生ずる歪みを吸収することによって、はんだ接合の信頼性を改善するために使用される。
【００３５】
チップ・キャリヤ９０は、次に、はんだ接続部１５０を用いてＰＣＢ１２０に接合される。図１では、はんだ接続部は、コラム・グリッド・アレイとして示されている。図５に示すように、モジュールは、直接図示されたチップ１０に、またはチップ上に置かれるリッド（図示せず）に装着されるヒート・シンク１３０を有することもできる。
【００３６】
再び図１を参照すると、本発明によって達成されたはんだ階層が示されている。本発明の非共晶はんだ８０は、ＢＬＭフィレット１４０より高いリフロー温度を有する。同様に、ＢＬＭフィレットは、ＰＣＢフィレット１５０より高いリフロー温度を有する。ＢＬＭフィレット１４０は、関連する米国特許出願第１０／２４６２８２号明細書に開示されている非共晶無鉛はんだ構造に相当し、ＰＣＢフィレットは、この工業分野では良く知られた共晶ＳｎＡｇＣｕ（ＳＡＣ）はんだである。
【００３７】
開示されたＳｎ／ＡｇおよびＳｎ／Ｃｕ非共晶合金への第３または更に第４の元素の少量の付加が、階層構造に影響を与えず、このような付加が、それ故に、開示された発明の範囲内にあることは、当業者には明らかであろう。付加された元素は、ＣｕおよびＡｇと同様にＳｎと金属間化合物を容易に形成しなければならない。このような元素の例には、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｉｎ、ＺｎおよびＰｄを含む。約０．５重量％のＳｂまたは約０．５重量％のＢｉの付加は、比較的純粋なＳｎ合金におけるＳｎ“ウィスカー（ひげ）”の問題に対応する好ましい方法である。
【００３８】
本発明は、従来技術よりも優れた改良技術である。本発明は、第２レベルのリフローの間に、Ｃ４相互接続における液体の量を制限し、それによって封止材に与える流体張力を低減する。したがって、本発明は、封止されたＣ４構造の保全性を維持し、層剥離および短絡による電気的障害を防ぐ。
【００３９】
本発明の更なる利点は、チップ・オン・ボードの応用に対して、少量の共晶のＳｎ／Ａｇ、Ｓｎ／ＣｕまたはＳｎ／Ａｇ／Ｃｕが使用でき、その結果、チップ接合リフロー・サイクルが、２５０℃以下のピーク・リフロー温度で持続できることである。これは、有機パッケージへの直接的チップ装着の場合においても、高温／低温の鉛フリーＣ４解決法に応用できるであろう。
【００４０】
ここに詳細に記述された実施形態を超えて、本発明の他の変形が、本発明の精神を逸脱することなく行えることは、この開示と関係がある当業者には明らかであろう。したがって、このような変形は、本発明の範囲内にあり、特許請求の範囲によってのみ制限されると考えられる。
【００４１】
まとめとして、本発明の構成に関して以下の事項を開示する。
（１）５２．０〜９５．０重量％のＳｎと、４８．０〜５．０重量％のＡｇを主成分とし、２５０℃より高い溶融温度を有する金属間化合物からなる非共晶無鉛はんだ組成物。
（２）前記組成物は、約７２．０重量％のＳｎと、約２８．０重量％のＡｇよりなり、ＳｎＡｇ金属間化合物の相構造の分散粒子を有する上記（１）に記載の非共晶無鉛はんだ組成物。
（３）前記組成物は、約８２．０重量％のＳｎと、約１８．０重量％のＡｇよりなり、ＳｎＡｇ金属間化合物の相構造の分散粒子を有する上記（１）に記載の非共晶無鉛はんだ組成物。
（４）前記組成物は、約８８．０重量％のＳｎと、約１２．０重量％のＡｇよりなり、ＳｎＡｇ金属間化合物の相構造の分散粒子を有する上記（１）に記載の非共晶無鉛はんだ組成物。
（５）前記組成物は、約５２．０重量％のＳｎと、約４８．０重量％のＡｇよりなり、ＳｎＡｇ金属間化合物の相構造の分散粒子を有する上記（１）に記載の非共晶無鉛はんだ組成物。
（６）８４．０〜９９．３重量％のＳｎと、１６．０〜０．７重量％のＣｕを主成分とし、２５０℃より高い溶融温度を有する金属間化合物からなる非共晶無鉛はんだ組成物。
（７）前記組成物は、約８４．０重量％のＳｎと、約１６．０重量％のＣｕよりなり、ＳｎＣｕ金属間化合物の相構造の分散粒子を有する上記（６）に記載の非共晶無鉛はんだ組成物。
（８）前記組成物は、約９３．０重量％のＳｎと、約７．０重量％のＣｕよりなり、ＳｎＣｕ金属間化合物の相構造の分散粒子を有する上記（６）に記載の非共晶無鉛はんだ組成物。
（９）ａ）第１の非共晶無鉛はんだ組成物を用いてチップ・キャリヤの上面に装着された電子回路チップと、
ｂ）第２の非共晶無鉛はんだ組成物を用いて前記チップ・キャリヤの底面に装着された第１の端部を有する無鉛はんだ接続アレイであって、前記第２の非共晶無鉛はんだ組成物は、前記第１の非共晶無鉛はんだ組成物より低い液相線温度を有する、アレイと、
ｃ）第３の無鉛はんだ組成物によって前記無鉛はんだ接続アレイの第２の端部に装着された上面を有するプリント回路基板であって、前記第３の無鉛はんだ組成物は、前記第２の非共晶無鉛はんだ組成物より低い液相線温度を有し、それによって電子回路パッケージ相互接続のための無鉛はんだ階層を形成する、プリント回路基板と、
を含む電子回路パッケージ相互接続のための無鉛はんだ階層構造。
（１０）ａ）前記第１の非共晶無鉛はんだ組成物は、約７２．０重量％のＳｎと、約２８．０重量％のＡｇよりなり、ＳｎＡｇ金属間化合物の相構造の分散粒子および、約４００℃の液相線温度を有し、
ｂ）前記第２の非共晶無鉛はんだ組成物は、約８２．０重量％のＳｎと、約１８．０重量％のＡｇよりなり、ＳｎＡｇ金属間化合物の相構造の分散粒子および、約３５５℃の液相線温度を有し、
ｃ）前記第３の無鉛はんだ組成物は、約９５．５重量％のＳｎと、約３．８重量％のＡｇと、約０．７重量％のＣｕよりなり、約２１７℃の液相線温度を有する、
上記（９）に記載の無鉛はんだ階層構造。
（１１）ａ）チップの底面にボール制限金属（ＢＬＭ）パッドを有する電子回路チップを設ける工程と、
ｂ）ＢＬＭパッド上に非共晶無鉛はんだを配置する工程と、
ｃ）前記非共晶無鉛はんだを加熱して前記非共晶無鉛はんだをリフローし、前記ＢＬＭパッド上に非共晶無鉛はんだバンプを形成する工程と、
ｄ）チップ・キャリヤの上面に導電パッドを有するチップ・キャリヤを設ける工程と、
ｅ）前記導電パッドに接触して無鉛はんだ合金を配置する工程と、
ｆ）前記無鉛はんだ合金に接触して前記非共晶無鉛はんだバンプを配置する工程と、
ｇ）前記非共晶無鉛はんだバンプを加熱して前記非共晶無鉛はんだバンプをリフローし、前記チップと前記チップ・キャリヤとを接着する非共晶無鉛はんだフィレットを形成する工程と、
を含む第１レベルの組立のための無鉛はんだ溶融の階層構造を形成する方法。
（１２）前記チップと前記チップ・キャリヤとの接続部に封止材を塗布する工程を更に含む上記（１１）に記載の方法。
（１３）前記非共晶無鉛はんだフィレットは、約８４．０〜９９．３重量％のＳｎおよび約１６．０〜０．７重量％のＣｕの組成物を有し、２５０℃よりも高い溶融温度の金属間化合物を有する上記（１１）に記載の方法。
（１４）前記非共晶無鉛はんだフィレットは、約９３．０重量％のＳｎと約７．０重量％のＣｕの組成物を有し、ＳｎＣｕ金属間化合物の相構造の分散粒子を有する上記（１３）に記載の方法。
（１５）前記非共晶無鉛はんだフィレットは、約８４．０重量％のＳｎと約１６．０重量％のＣｕの組成物を有し、ＳｎＣｕ金属間化合物の相構造の分散粒子を有する上記（１３）に記載の方法。
（１６）前記非共晶無鉛はんだフィレットは、約５２．０〜９５．０重量％のＳｎおよび約４８．０〜７．０重量％のＡｇの組成物を有し、２５０℃よりも高い溶融温度の金属間化合物を有する上記（１１）に記載の方法。
（１７）前記非共晶無鉛はんだフィレットは、約８２．０重量％のＳｎと約１８．０重量％のＡｇの組成物を有し、ＳｎＡｇ金属間化合物の相構造の分散粒子を有する上記（１６）に記載の方法。
（１８）前記非共晶無鉛はんだフィレットは、約８８．０重量％のＳｎと約１２．０重量％のＡｇの組成物を有し、ＳｎＡｇ金属間化合物の相構造の分散粒子を有する上記（１６）に記載の方法。
（１９）前記非共晶無鉛はんだフィレットは、約７２．０重量％のＳｎと約２８．０重量％のＡｇの組成物を有し、ＳｎＡｇ金属間化合物の相構造の分散粒子を有する上記（１６）に記載の方法。
（２０）前記非共晶無鉛はんだフィレットは、約５２．０重量％のＳｎと約４８．０重量％のＡｇの組成物を有し、ＳｎＡｇ金属間化合物の相構造の分散粒子を有する上記（１６）に記載の方法。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の電子回路パッケージ相互接続のための無鉛はんだ階層構造の概略図である。
【図２】チップ／ボート組立の概略図である。
【図３】本発明による無鉛はんだバンプを用いるチップの概略図である。
【図４】チップ／ボート／チップ・キャリヤ組立の概略図である。
【図５】ヒート・シンクを有するモジュールの概略図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０  電子回路チップ
１１  底面
２０  ＢＬＭパッド
３０  プリフォーム・ボート
３５、６５  開口部
４０  はんだプリフォーム
５０  はんだバンプ
６０  ボート
７０  フラックス剤
８０、１４０  非共晶無鉛はんだ組成物
９０  チップ・キャリヤ
９１  上面
９５  導電パッド
１００  封止材
１１０  無鉛はんだ接続部
１２０  プリント回路基板（ＰＣＢ）
１３０  ヒート・シンク
１５０  無鉛はんだ組成物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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