(57)【要約】【課題】錫亜鉛はんだを使用することは、はんだボール表面に濃縮する亜鉛がめっきのニッケルと接合することで、錫と金とニッケルからなる脆い金属間化合物の形成を阻害するため、はんだバンプ接合部の機械的信頼性は向上する。【解決手段】  従来のはんだバンプを構成する錫鉛はんだの代替として、錫を基体とし亜鉛を含むはんだ合金から構成されるはんだボールを使用することで、はんだボール表面に濃縮する亜鉛層が全ての接合に関与し、脆い金属間化合物を形成する錫の反応を阻害する。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に電極配線が形成された基板と、この電極配線上に形成された８wt％以上１５wt％以下の亜鉛および残部が実質的に錫のはんだ合金のはんだ層と、このはんだ層上に形成された膜厚０．５μｍ以上２５０μｍ以下の金バンプとを有することを特徴とするバンプ接合体。
【請求項２】
表面に電極配線が形成された基板と、この電極配線上に形成された８wt％以上１５wt％以下の亜鉛および残部が実質的に錫のはんだ合金のはんだ層と、このはんだ層上に形成された膜厚０．５μｍ以上２５０μｍ以下の金バンプと、前記基板の裏面に形成される集積回路と、この集積回路と前記電極配線を電気的に接続する接続手段とを具備することを特徴とする電子部品。
【請求項３】
前記電極配線と前記金層の間にニッケル層が介在することを特徴とする請求項５に記載の電子部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、錫亜鉛はんだ合金からなるバンプ接合体および電子部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器の高機能化、小型化に伴い、使用される電子部品の高密度化、軽量化が求められるようになってきた。これまで主流であったＳＯＰやＱＦＰは、パッケージの両側面または四側面にリードが配置されていたが、側面長によってリード数が制限されてしまうため、リードを多ピン化するには限界があった。また微細ピッチや多ピンリードになると、リード間にはんだのブリッジが発生し、基板上へのマウント精度が問題になり技術的にも限界が見られる。
【０００３】
そこで最近では、リードを用いない接合方法であるＢＧＡ、ＣＳＰ等が開発され、量産、使用され始めている。これらは、ＳＯＰ、ＱＦＰのようにパッケージ側面に位置するリードによる接合ではなく、パッケージ裏面に格子状に配列するはんだボール等で電極と基板を接合するため、多ピン化、狭ピッチ化の点で有利となる。従って、これまで以上に高集積化された回路設計が可能となり、電子部品はより小型化されてきている。現在では、ＢＧＡ、ＣＳＰに見られるバンプ接続法を用いた電子部品の需要は非常に高まっている。
【０００４】
現在、錫鉛はんだボールを用いたＢＧＡの製造工程において、ＢＧＡの電極部及び内部配線を構成する銅上にはニッケルめっきと金めっきが施されている。内部配線部分は、金ワイヤーによって集積回路とボンディングするため、内部配線上の金めっきの厚さは１μｍ程度を要する。従って、はんだボールを搭載する裏面の銅電極上にも、同様に１μｍ程度のめっきが施されている。
【０００５】
製造工程におけるはんだボールの搭載は、ＢＧＡパッケージが完成する最終工程である。ニッケルめっきと金めっきが施された銅電極上にフラックスを印刷し、その上にはんだボールをマウントして、リフローにより電極部とはんだボールの接合が行われる。リフロー後の電極部とはんだボールの接合界面は、リフローの際に金がはんだ中に拡散するため、実質的にははんだ表面の錫とめっきのニッケルが接合しており、この事象はよく知られている。
【０００６】
特に、マザーボード基板にパッケージ類を実装する際に、基板上の電極部には金フラッシュ／ニッケルめっきされる場合があるが、金フラッシュめっき厚は０．１μｍ以下であるため、同様にはんだ中に拡散する金が問題になることはない。
【０００７】
しかし、はんだボール搭載後にＢＧＡの高温放置試験を行うと、試験時間や温度条件によっては破壊モードが異なって現われ、例えば錫とニッケルの界面にクラックが生じ破断することもあり、引張強度が大幅に低下する場合がある。これは、高温時効によって一度はんだ中に拡散していた金が錫とニッケルの接合界面に移動し、強度的に脆い、錫と金とニッケルの金属間化合物が形成したためと考えられている。
【０００８】
また、同様に電子部品の小型化に伴い内部配線も高密度化しており、集積回路と外部電極とを結ぶ金ワイヤーボンディングも、集積回路裏面の電極上に配置されたバンプを電気的導通に利用する、フリップチップ方式の内部接合形態が使用されるようになってきている。
【０００９】
フリップチップ方式にも様々な形態があるが、金−金、はんだ−金、はんだ−はんだ接合を利用する場合が多い。その中でも、集積回路裏面の電極上に形成した金バンプと基板電極上に形成したはんだを接合する方式は、金バンプがワイヤーボンド式で容易に形成可能な上、安価なはんだを利用できることもあり、使用範囲は広い。
【００１０】
しかし金が多量に存在するために、はんだバンプの場合と同様に、錫との接合界面或いは金層中に金と錫の金属間化合物が形成されることによって、接合は強度的に脆くなり、信頼性に問題が生じる場合がある。
【特許文献１】特開平１１−１７３２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来のはんだボールは、高温時に一度はんだ中に拡散していた金が錫とニッケルの接合界面に移動し、錫と金とニッケルの強度的に脆い金属間化合物が形成されるため、強度の低下を引き起こす問題があった。
【００１２】
また、フリップチップ方式の金バンプと錫鉛はんだとの接合においては、金と錫の強度的に脆い金属間化合物が形成されるため、同様に強度の低下を引き起こす問題があった。
【００１３】
本発明は、従来使用されていた錫鉛はんだに代えて、錫亜鉛はんだ合金を金−はんだ接合に使用することにより、脆い金属間化合物の形成を阻害することで、錫鉛はんだが引き起こす接合力低下の問題を解決し、機械的接合力を向上させたバンプ接合体及び電子部品の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明のバンプ接合体は、表面に電極配線が形成された基板と、この電極配線上に形成された８wt％以上１５wt％以下の亜鉛および残部が実質的に錫のはんだ合金のはんだ層と、このはんだ層上に形成された膜厚０．５μｍ以上２５０μｍ以下の金バンプとを有することを特徴とする。
【００１５】
本発明の電子部品は、表面に電極配線が形成された基板と、この電極配線上に形成された８wt％以上１５wt％以下の亜鉛および残部が実質的に錫のはんだ合金のはんだ層と、このはんだ層上に形成された膜厚０．５μｍ以上２５０μｍ以下の金バンプと、前記基板の裏面に形成される集積回路と、この集積回路と前記電極配線を電気的に接続する接続手段とを具備することを特徴とする。
【００１６】
前記電極配線と前記金層の間にニッケル層が介在することが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、従来使用されていた錫鉛はんだに代えて、錫亜鉛はんだ合金を金−はんだ接合に使用する事により、脆い金属間化合物の形成を防止することができ、機械的接合力を向上させたバンプ接合体及び
これを使用した電子部品を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明者らは、錫を基体とし亜鉛を含むはんだ合金からなる金−はんだ接合を使用することで、錫亜鉛はんだ表面に濃縮する亜鉛層が接合に関与し、金、錫及び場合によってニッケルとの脆い金属間化合物を形成する錫の反応性を阻害することを見出す事によって、本発明に至った。
【００１９】
本実施形態のはんだバンプは、亜鉛を３wt％〜１５wt％含有し、その他は実質的に錫を主体とするはんだ合金に対して効果的である。ここで、主成分は錫であり、亜鉛、それ以外の第３成分の順に割合は少なくなる。また、この第３成分は、鉛、銀、ビスマス、銅、インジウム、アンチモン、ゲルマニウム、ニッケル、金、パラジウム、アルミニウム、その他の不可避の金属であり亜鉛よりも蒸気圧の低い金属を添加する場合、亜鉛がはんだの最表面に濃縮するため望ましいが、限定されるものではない。また、この第３成分はそれぞれ単独の量について５wt％以下、トータルでも７wt％以下であることが望ましい。また錫亜鉛はんだ中の酸素含有量は１０ｐｐｍ以下が望ましいが、３０ｐｐｍ以下であれば本実施形態の効果を確実に奏することができる。
【００２０】
通常はんだ合金を作成する場合、用いる各種金属を所定量溶融し、大気中又は不活性雰囲気中又は還元雰囲気中又は真空中等の雰囲気において鋳造するが、錫亜鉛はんだの場合は亜鉛が酸化し易いため不活性雰囲気中で鋳造している。錫亜鉛はんだは、溶融後冷却され固化する過程において錫よりも蒸気圧の高い亜鉛が最表面に濃縮層を形成し、中心部には錫相中に亜鉛相が分散する組織構造が形成されている。また、更に亜鉛は酸化し易いため最表面の濃縮層の更に最表面側に酸化亜鉛層を形成し、最終的に錫亜鉛はんだは大きく三層の組織構造になる。
【００２１】
従って、錫亜鉛はんだ合金で作成したはんだバンプを、ニッケル／金めっきした銅パッド上に接合する際には、はんだバンプ表面に亜鉛層が濃縮するため、従来の錫鉛はんだにおいてはんだ最表面に存在していた錫の反応は抑制され、接合界面において錫と金からなる脆い金属間化合物は形成されることはない。この反応を抑制するためには、はんだ合金中に亜鉛が３wt％〜１５wt％含有されていることが必要である。この場合、錫亜鉛はんだは必ずしもバンプ状でなくてもよく、板状でも同様である。同様の作用は錫・亜鉛はんだの層と金パンプとの接合領域についても同様に生じる。
【００２２】
また、本実施形態において使用するはんだバンプの一例である錫亜鉛はんだボールはＢＧＡのみに適合可能ではなく、これまで錫鉛はんだボールを使用していたＣＳＰ等のあらゆるボール型はんだ接合体デバイスに適合可能であり、またフリップチップボンディングのような内部配線の接合にも適合可能であり、その使用方法、或いはデバイス上へのはんだバンプの形成方法について限定されるものではない。
【００２３】
また本実施形態において、接合に錫亜鉛はんだ中の亜鉛が直接関与することは、はんだとアルミニウムとの接合を容易にする大きなメリットもある。電子デバイス中でアルミニウムからなる内部配線を用いる際には、アルミニウムにはんだ付け困難な錫鉛はんだで接合を行うために、アルミニウム配線上にニッケル／金めっき等の表面処理を施す必要があるが、錫亜鉛はんだボールを適応することにより、必要であったアルミニウム上の表面処理が不要となる。更に化合物半導体の場合、金からなる配線がなされるため、表面処理を施さずに直接錫亜鉛はんだバンプを形成することが可能となり、接合信頼性の向上ばかりではなく、大幅にコストを削減でき、まためっき廃水処理による環境汚染の問題も解消できる。
【実施例】
【００２４】
（参考例１）
図１は電子部品の断面図を示したものである。１ははんだバンプとして準備したボール状のはんだ、２はソルダレジスト、３はＢＴ基板、４は半導体を形成母材とする集積回路（ＩＣ）、５は金リード線、６はモールド樹脂である。さらに、このはんだボール１の周辺部を拡大して説明したのが図２であり、７は金めっき層、８はニッケルめっき層、９は銅電極である。この銅電極は、配線としても機能し基板１の表面から裏面にまで延在して金リード線５と電気的に接続している。１は、はんだ（Sn91.0 wt %-Zn9.0 wt %）からなる直径５００μｍのボール状のはんだであるが、ボール状である必要はなく、場合によってピラミット状、円錐状、或いは円筒状など種種の形状を呈したバンプであれば良い。
【００２５】
また、ここで使用したＢＴ基板３は、ビルドアップ構造を持つ多層の樹脂系プリント配線板だが、場合によっては多層構造ではなく単層構造であり、或いは樹脂製ではなくセラミック系のプリント配線板である。ＢＴ基板３中の電極部材は銅からなり、その上に厚さ５μｍのニッケルめっき層８を、更にその上に１μｍの金めっき層７を形成している。このニッケルめっき層は必ずしも必要ではない。
【００２６】
錫亜鉛はんだボール搭載ＢＴ基板３は、ニッケル／金めっき処理した銅電極９上にフラックスを塗布し、更に錫亜鉛はんだボール1をマウントして、大気中、２３０℃でリフローすることで製造した。ここでの金層は純金を含み５０wt％以上金の部分を称している。この実施例では金層の金のピーク値は９０wt％であった。
【００２７】
はんだボール１と銅電極９の接合の機械的信頼性を評価するため、高温放置試験を行った。条件は、大気中１５０℃でＢＧＡ実装基板を放置し、２４時間毎に引張強度を測定した。その結果、９６時間放置後には初期引張強度から変化は見られなかったが、１２０時間後には初期引張強度の９７％、１４４時間後には９５％となり、良好な結果が得られた。その結果を図３に示した。図３中で実線の黒丸は実施例１のシェア強度を示したもので、実線の黒三角印は比較として従来はんだ（Sn63.0 wt %-Pb37.0 wt %）の結果を示した。破壊モードは同じくバルク中で破壊しており、はんだボール接合部の機械的信頼性に問題はなかった。
【００２８】
さらに、はんだボール中の亜鉛の組成を変えると共に金層の厚みを種種変化させた電子部品を作成し、同様の評価を行った結果を示したのが表１である。測定に際して、１５０℃において１６８時間経過後に引張強度を測定した。尚、初期引張強度は、いずれも錫鉛はんだと同等以上の結果を示した。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
この表では、二重丸は１４４時間後には初期引張強度９５％以上であった場合、一重丸は１４４時間後には初期引張強度９５％未満、９０％以上であった場合、バツ印はボンディング不良であった場合をそれぞれ示している。
【００３１】
以上の結果から、十分な実用強度である１４４時間後に初期引張強度９５％以上を達成するにははんだバンプ中の亜鉛の組成は３wt％以上、１５wt％以下であることが必要である。この場合には、金と錫の金属間化合物の生じる接合強度低下の問題を回避できることがわかった。さらに、金は０．５μｍ以上２５０μｍ以下であることが望ましい。これ以上金層の厚みが厚くなるとコスト的に不利になるばかりでなく、はんだバンプ中に多量の金が混在しはんだの優れた機械的特性が損なわれるという問題が生じ、また、少ない場合には金ボンディングで十分な接合を得ることができないと言う問題が生じるので望ましくない。
【００３２】
以上の参考例では、集積回路と基板を接続する接続手段として、金のワイヤーボンディングを使用したが、金バンプによって接続しても構わない。この場合には図２で示した構造をさらに採用することができる。
（実施例１）
この実施例は、参考例１の金層の代わりに金バンプを使用し、はんだボールの代わりにはんだ層を使用した点が異なる。図４に沿って実施例１を説明する。
【００３３】
図４はフリップチップ方式で接合したバンプ接合体の構造を持つ、電子部品内部の断面図を示したものである。１０は半導体チップで、１１のアルミニウムパッド電極を配した構造を持ち、ワイヤボンド用に設計されている。１２はワイヤボンド法により形成された金バンプであるが、場合によってはめっき法等の他の方法で金バンプは形成される。また、金めっきの上に錫亜鉛はんだめっきを施し、リフローにより形成される金コア型の錫亜鉛はんだバンプを使用する場合も可能である。形状はボール状接合体であるが、ボール状である必要はなく、場合によってピラミット状、円錐状、或いは円筒状など種種の形状を呈したバンプでも構わない。この時の金バンプ１２は、高さ５０μｍ、幅７５μｍであった。３はＢＴ基板で、ＢＴ基板３上に配置された９の銅電極には、５μｍのニッケルめっき８と１μｍの金めっき７が施されており、リフローソルダリング方式により、１３のはんだ（Sn91.0 wt %-Zn9.0 wt %）を介し金バンプ１２と接合している。
【００３４】
ここで使用したＢＴ基板３は、ビルドアップ構造を持つ多層の樹脂系プリント配線板だが、場合にっては多層構造ではなく単層構造であり、或いは樹脂製ではなくセラミック系のプリント配線板である。また、銅電極９はアルミニウム電極でもよく、或いは電極表面にパラジウムめっき、錫めっき等のニッケル／金めっき以外の表面処理が施されていても良く、或いは全く表面処理が施されていなくても構わない。
【００３５】
また、１３のはんだは銅電極９上のニッケル／金めっきの上にソルダペーストを塗布後、リフローソルダリング方式により金バンプ１２と接合しているが、場合によっては、銅電極９上に予めはんだをプリコートしはんだ層を形成しておき、その後熱圧着、或いはリフローソルダリングにより金バンプ１２と接合する。
はんだプリコートの方法は、スーパージャフィット法、めっき法、はんだボールを搭載する等の種々の方法があるが、必要とするはんだ量を供給可能であれば限定されない。
【００３６】
金バンプ１２とはんだ１３との接合の機械的信頼性を評価するため、ヒートサイクル試験を行い接合信頼性を評価した。試験は大気中、-２５℃〜１００℃の温度範囲内で、１時間に１サイクルの条件で行った。サイクル毎に接合部の電気抵抗を測定し、接合部の破断数からそのサイクル数での破断率を求めた。その結果、１７５サイクルまでは破断は生じず、２００サイクル後には破断率は５０％、３１０サイクル後に１００％破断となり、良好な結果が得られた。その結果を図５に示した。図５中で実線の黒丸は実施例２の接合破断率を示したもので、実線の黒三角印は比較として従来はんだ（Sn63.0 wt %-Pb37.0 wt %）の結果を示した。従来はんだの破断モードは、はんだバルク中以外で破断する場合があるのに対し、実施例２のはんだ（Sn91.0 wt %-Zn9.0 wt %）の破断モードは、殆どはんだバルク中で破壊していたので、はんだボール接合部の機械的信頼性に問題はなかった。
【００３７】
さらに、はんだ層中の亜鉛の組成を変えると共に、金バンプの高さを種々変化させた電子部品を作成し、同様の評価を行った結果を示したのが表２である。測定に際して、０〜１００℃の温度範囲において１時間に１サイクルの条件でヒートサイクル試験を行い、１７５サイクルの時の破断率を求めた。尚、破断開始時のサイクル数は、いずれも錫鉛はんだと同等以上の結果を示した。
【００３８】
【表２】
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【００３９】
この表では、二重丸は１７５サイクル後には破断率が０％であった場合、一重丸は１７５時間後に破断率が０％以上１０％未満であった場合、バツ印は金−はんだ接合不良であった場合をそれぞれ示している。
以上の結果から、十分な実用強度である１７５サイクル後に破断率０％を達成するには、はんだバンプ中の亜鉛の組成は８wt％以上、１５wt％以下であることが必要である。この場合には、金と錫の金属間化合物の生じる接合強度低下の問題を回避できることがわかった。さらに、金バンプは０．５μｍ以上２５０μｍ以下望ましくは、０．５μｍ以上７５μｍ以下さらに望ましくは０．５μｍ以上１０μｍ以下であることが良い。これ以上金バンプの高さが高くなるとコスト的に不利になるばかりでなく、はんだが金バンプ中に取り込まれ、はんだの優れた機械的特性が損なわれるという問題が生じ、また低い場合には、はんだ層との熱圧着工程において、困難が生じるので望ましくない。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】電子部品の断面図。
【図２】図1の電子部品のはんだボールの周辺部を拡大した図。
【図３】参考例１の効果を説明する図。
【図４】本発明の実施例１の断面図
【図５】本発明の実施例１の効果を説明する図
【符号の説明】
【００４１】
１  ボール状のはんだ
２  ソルダレジスト
３  ＢＴ基板
４  集積回路（ＩＣ）
５  金リード線
６  モールド樹脂
７  金めっき層
８  ニッケルめっき層
９  銅電極
【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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