(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１金属材料からなるボール状のコアと、
前記コアを包囲するように設けられ、第２金属材料からなる少なくとも１つの第１めっき層と、
前記コアを包囲するように設けられ、第３金属材料からなる少なくとも１つの第２めっき層と、を有し、
前記第１金属材料、前記第２金属材料および前記第３金属材料は、はんだを構成する材料であって、 前記第１金属材料は銅であり、前記第２金属材料および前記第３金属材料の一方は錫を含み、他方は銀または亜鉛を含む、はんだめっきボール。
【請求項２】
前記はんだの融点は２５０℃以下である、請求項１に記載のはんだめっきボール。
【請求項３】
前記第２金属材料および前記第３金属材料は、鉛を含まない、請求項１または２に記載のはんだめっきボール。
【請求項４】
前記他方は銀を含む、請求項１から３のいずれかに記載のはんだめっきボール。
【請求項５】
前記第２金属材料および前記第３金属材料の少なくとも一方はさらにビスマスを含む、請求項１から４のいずれかに記載のはんだめっきボール。
【請求項６】
前記少なくとも１つの第１めっき層は複数の第１めっき層であり、前記少なくとも１つの第２めっき層は複数の第２めっき層であって、前記複数の第１めっき層と前記複数の第２めっき層は、交互に設けられている、請求項１から５のいずれかに記載のはんだめっきボール。
【請求項７】
前記少なくとも１つの第１めっき層の厚さおよび前記少なくとも１つの第２めっき層の厚さは、前記はんだの組成比に基づいて決められている、請求項１から５のいずれかに記載のはんだめっきボール。
【請求項８】
前記少なくとも１つの第１めっき層および前記少なくとも１つの第２めっき層のそれぞれの層の厚さは５０μｍ以下である、請求項１から７のいずれかに記載のはんだめっきボール。
【請求項９】
前記少なくとも１つの第１めっき層および前記少なくとも１つの第２めっき層の内、耐酸化性に優れた方が最も外側に形成されている、請求項１から８のいずれかに記載のはんだめっきボール。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれかに記載のはんだめっきボールを用意する工程と、
ニッケル層上に形成された金層を有するパッドが形成されている基板を用意する工程と、
前記はんだめっきボールを前記金層上に配置した状態で、前記はんだめっきボールを加熱することによって、前記第１金属材料および前記第２金属材料を含む溶融はんだを形成する工程と、
前記溶融はんだを冷却することによって固化する工程と、
を包含する半導体接続構造の製造方法。
【請求項１１】
前記溶融はんだを形成する工程は、
前記第２金属材料の融点および前記第３金属材料の融点のいずれよりも低い温度で溶融を開始する工程を包含する、請求項１０に記載の半導体接続構造の製造方法。
【請求項１２】
前記溶融はんだを固化する工程は、前記第１金属材料と、前記第２金属材料と、前記第３金属材料とを含む共晶を形成する工程を含む、請求項１０または１１に記載の半導体接続構造の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＢＧＡなどの半導体装置の入出力端子等として用いられるはんだめっきボールおよびそれを用いた半導体接続構造の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＢＧＡ、ＣＳＰやフリップ・チップなどにおいて、基板と半導体装置（半導体チップをパッケージしたもの）との接続または半導体チップと基板との接続に、はんだボールが用いられている。ここでは、少なくとも半導体チップを含む素子または装置においてはんだボールが使用され得る接続構造を総称して、「半導体接続構造」と呼ぶことにする。
【０００３】
本願出願人は、特開平１０−１６３４０４号公報に、はんだめっきした銅ボールを用いてＢＧＡ用の入出力端子を形成することによって、Ｎｉ／Ａｕめっきされたパッドとの接合強度を従来のはんだボールを用いた場合よりも向上できることを開示している。銅ボールの表面を覆うはんだとして、Ｓｎ−Ｐｂ系、Ｓｎ−Ｐｂ−Ａｇ系のはんだを開示している。
【０００４】
一方、従来の鉛を含むはんだは、無鉛はんだ（Ｐｂフリーはんだ）に置き換えられつつある。無鉛はんだとしては、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだが一般に用いられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本願発明者は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだでめっきした銅ボールを提供すべく検討を行なった結果、下記の問題を見出した。
【０００６】
Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ層を電解めっきで形成することが難しい。これは、Ｐｂの標準単極電位が−０．１２６３ＶとＳｎの標準単極電位−０．１４１Ｖと近いのに対して、Ｃｕは+０．３３７Ｖで、Ａｇは＋０．７９９１Ｖと、これらの金属の標準単極電位が大きく異なっているためである。また、めっき液の管理や、めっきで形成されるはんだ層の組成の制御が難しく、工業的に実用化することは非常に難しい。この問題は、上記のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだに限られず、標準単極電位の差が大きな金属を含むはんだでめっきしたボールの製造に共通の課題である。
【０００７】
本発明は、上記諸点に鑑みてなされたものであり、標準単極電位の差の大きさの制限を受けずに製造され得るはんだめっきボールおよびこのようなはんだボールを用いた半導体接続構造の製造方法を提供することを主な目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によるはんだめっきボールは、第１金属材料からなるボール状のコアと、前記コアを包囲するように設けられ、第２金属材料からなる少なくとも１つの第１めっき層と、前記コアを包囲するように設けられ、第３金属材料からなる少なくとも１つの第２めっき層とを有し、前記第１金属材料、前記第２金属材料および前記第３金属材料がはんだを構成する材料であり、そのことによって、上記目的が達成される。
【０００９】
前記はんだの融点は２５０℃以下であることが好ましい。
【００１０】
前記第２金属材料および前記第３金属材料は鉛を含まない構成とすることができる。
【００１１】
前記第１金属材料は銅であり、前記第２金属材料および前記第３金属材料の一方は錫を含み、他方は銀または亜鉛を含む構成とすることができる。前記他方は銀を含むことが好ましい。また、前記第１金属材料、前記第２金属材料および前記第３金属材料のいずれもが鉛を含まない構成とすることもできる。
【００１２】
前記第２金属材料および前記第３金属材料の少なくとも一方がさらにビスマスを含む構成としてもよい。
【００１３】
前記少なくとも１つの第１めっき層は複数の第１めっき層であり、前記少なくとも１つの第２めっき層は複数の第２めっき層であって、前記複数の第１めっき層と前記複数の第２めっき層は、交互に設けられている構成としてもよい。
【００１４】
前記少なくとも１つの第１めっき層の厚さおよび前記少なくとも１つの第２めっき層の厚さは、前記はんだの組成比に基づいて決められていることが好ましい。
【００１５】
前記少なくとも１つの第１めっき層および前記少なくとも１つの第２めっき層のそれぞれの層の厚さは５０μｍ以下であることが好ましい。
【００１６】
前記少なくとも１つの第１めっき層および前記少なくとも１つの第２めっき層の内、耐酸化に優れた方が最も外側に形成されていることが好ましい。
【００１７】
本発明による半導体接続構造の製造方法は、上記のいずれかのはんだめっきボールを用意する工程と、ニッケル層上に形成された金層を有するパッドが形成されている基板を用意する工程と、前記はんだめっきボールを前記金層上に配置した状態で、前記はんだめっきボールを加熱することによって、前記第１金属材料および前記第２金属材料を含む溶融はんだを形成する工程と、前記溶融はんだを冷却することによって固化する工程とを包含し、そのことによって上記目的が達成される。
【００１８】
前記溶融はんだを形成する工程は、前記第２金属材料の融点および前記第３金属材料の融点のいずれよりも低い温度で溶融を開始する工程を包含することが好ましい。
【００１９】
前記溶融はんだを固化する工程は、前記第１金属材料と、前記第２金属材料と、前記第３金属材料とを含む共晶を形成する工程を含むことが好ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。
【００２１】
図１（ａ）および（ｂ）に本発明による実施形態のはんだめっきボール１００および１１０の断面構造を模式的に示す。
【００２２】
図１（ａ）に示したはんだめっきボール１００は、コア１０と、コア１０を包囲するように設けられた第１めっき層１２と、さらにその外側に設けられた第２めっき層１４とを有している。コア１０、第１めっき層１２および第２めっき層１４はそれぞれ異なる金属材料から形成されている。これらの金属材料は、はんだを構成する材料であって、加熱され溶融されたときにはんだとして機能する。
【００２３】
勿論、はんだの融点が２５０℃以下となるように、それぞれの金属材料を選択することが好ましい。例えば、コア１０を銅で形成し、２つのめっき層１２および１４のいずれかを錫を含む金属材料で形成し、他方を銀または亜鉛を含む金属材料で形成する。Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだおよびＳｎ−Ｚｎ−Ｃｕ系はんだ（Ｚｎの標準単極電位は−０．７５２７Ｖ）は、上述したように構成する金属の標準単極電位の差が大きいので、工業的に電解めっきすることは困難なはんだであるが、多層化することによって、実質的にこれらのはんだでめっきしたのと同等の組成を有するはんだ（少なくとも接合状態において）を実現することができる。
【００２４】
従って、無鉛はんだとして一般に利用されているＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだでめっきしたはんだボールと同様の用途で使用できるはんだボールが提供される。これれは、後述するように、はんだめっきボール１００が加熱される過程で、コア１０、めっき層１２および１４のそれぞれの金属材料が互いに充分に拡散し、これらの金属材料の共晶を形成し得るという、本願発明者が得た知見に基づいている。
【００２５】
また、後述するように、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだを構成する金属材料を含む複数のめっき層に分割して多層化したことによって、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ（予め合金化されたもの）を用いるよりも接合強度が向上するという利点が得られることもわかった。
【００２６】
なお、コア１０、第１めっき層１２および第２めっき層１４をそれぞれ構成する金属材料は、単一の金属材料である必要が無く、工業的に電解めっきで形成され得る材料であればよい。たとえば、めっき層１２および１４の金属材料がビスマスを含んでもよい。
【００２７】
また、図１（ｂ）に示したはんだめっきボール１１０のように、はんだめっきボール１００のめっき層１２に相当するものを２つのめっき層１２ａおよび１２ｂとし、めっき層１４に相当するものを２つのめっき層１４ａおよび１４ｂとしてもよい。勿論、それぞれのめっき層を３以上の層に分割してもよい。但し、これらのめっき層を構成する金属材料は加熱によって拡散する必要があるので、交互に形成されることが好ましい。
【００２８】
はんだめっきボール１００におけるめっき層１２およびめっき層１４のそれぞれの厚さは、目的とするはんだの組成比に基づいて決められている。コア１０を形成する金属材料は、最も拡散距離が遠いので、はんだに少量含まれる材料が選ばれる。はんだめっきボール１１０の場合には、めっき層１２ａおよび１２ｂの合計の厚さおよびめっき層１４ａおよび１４ｂの合計の厚さを、目的とするはんだの組成比に基づいて決められる。
【００２９】
めっき層１２（またはめっき層１２ａおよび１２ｂ）や、めっき層１４（またはめっき層１４ａおよび１４ｂ）のそれぞれ１つのめっき層の厚さは、５０μｍ以下であることが好ましい。５０μｍよりも厚くなると、金属材料の拡散が不十分となったり、あるいは、充分な拡散を起こすために時間が掛かったりするので、好ましくない。
【００３０】
めっき層１２とめっき層１４との何れを外側に形成してもよいが、耐酸化に優れた方を最も外側に形成することが好ましい。はんだめっきボールを用いて半導体接続構造を形成する際に、酸化層が存在すると、接合強度が低下することがある。
【００３１】
以下に、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだボールの代わりに用いられ得るはんだめっきボールの実施形態を説明する。
【００３２】
図１（ａ）に示した構成のはんだめっきボール１００において、コア１０として銅コアを用い、めっき層１２として錫めっき層、めっき層１４として銀メッキ層を形成したもの（実施例１）を作製した。また、図１（ｂ）に示した構成のはんだめっきボール１１０において、コア１０として直径が６７０μｍの銅コアを用い、めっき層１２ａおよび１２ｂとして錫めっき層、めっき層１４ａおよび１４ｂとして銀メッキ層を形成したもの（実施例２）を作製した。さらに、参考例として、錫単層で銅コアをめっきしたはんだめっきボールを作製した。
【００３３】
例えば、実施例１のはんだめっきボールは、以下の工程で作製した。他のはんだめっきボールも実質的に同じプロセスで作製した。
【００３４】
まず、（ａ）ボール状の銅コアを１７．５％のＨＣｌ水溶液を用いて室温で１分間前処理する。（ｂ）これを室温で純水洗浄する（浸漬１分、流水１分）。（ｃ）有機酸に室温で３０秒浸漬する。（ｄ）有機スルホン酸錫酸を含むめっき液（２５℃）を用い、電流密度０．０５Ａ／ｄｍ2、約２８時間（例えば厚さ３４μｍ）錫めっきする。（ｅ）これを室温で純水洗浄する（浸漬１分、流水１分）。（ｆ）有機スルホン酸銀塩を含むめっき液（４０℃）を用い、電流密度０．０６Ａ／ｄｍ2、約９０分（例えば厚さ０．８μｍ）銀めっきする。（ｇ）これを室温で純水洗浄する。（ａ）〜（ｇ）までの工程はバレル容器の中で処理される。この後、はんだめっきボールをバレル容器から取り出し、（ｈ）室温で純水洗浄する（浸漬２分、流水２分）、（ｉ）変色防止のために、ヨウ化カリウム（室温、１分）で処理する。（ｊ）これを純水洗浄する（浸漬１分、流水１分）。（ｋ）アルコール置換（室温、１分）した後、（ｌ）６０℃で１０分間乾燥する。
【００３５】
また、比較例として、組成の異なるはんだボール（既に合金化されたはんだをボール状に加工したもの）比較例１〜４を用意した。
【００３６】
実施例１および２、参考例、比較例１、２、３および４のそれぞれのはんだの融点をＤＳＣ（昇温速度２℃／秒）を用いて評価した。いずれも、はんだめっきボールまたははんだボールそのものをサンプルパンに挿入して、ＤＳＣ測定を行なった。
【００３７】
実施例１のはんだめっきボールをニッケル／金めっきを施した銅パッドに接合し、その接合強度の高温信頼性（１５０℃保存）を評価した。また、比較例２（Ｓｎ−３．５Ａｇ）を用いたときの接合強度の高温信頼性を評価した。また、それぞれの接合部に高温保存後によって形成される界面反応層の厚さをＳＥＭ観察から求めた。また、界面反応層の組成をＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分析装置）を用いて調べた。
【００３８】
接合試験に用いたパッドの構造を図２に示す。パッド３０は、厚さ３０μｍの銅層３２の上に、厚さ７μｍのニッケルめっき層３４と、さらにその上に厚さ０．７μｍの金メッキ層３６を備えている。このパッド構造は、ＢＧＡなどで現在広く利用されている。リフロー条件は、１８０秒で最高温度２４５℃に到達し、２２１℃以上の温度に９０秒以上曝されるように、昇温した。
【００３９】
上述したはんだめっきボール（実施例１、２、参考例）の構造とはんだボール（比較例１〜４）の組成を表１に示す。また、それぞれのサンプルの融点、高温信頼性試験で観察された界面反応層の厚さおよび接合強度を表２に示した。
【００４０】
【表１】
0004488642.tif 000002
【００４１】
【表２】
0004488642.tif 000003
【００４２】
表１に示したように、実施例１のはんだめっきボールは、直径が６７０μｍの銅コア１０上に、厚さ３４．２μｍの錫めっき層１２と厚さ０．８μｍの銀めっき層１４とを有している（図１（ａ）参照）。実施例２のはんだめっきボールは、同じく、直径が６７０μｍの銅コア１０上に、厚さ１７．１μｍの錫めっき層１２ａ、厚さ０．４μｍの銀めっき層１４ａ、厚さ１７．１μｍの錫めっき層１２ｂ、厚さ０．４μｍの銀めっき層１４ｂとを有している（図１（ｂ）参照）。参考例のはんだめっきボールは、同じ銅コアに厚さ３５μｍの錫めっき層を有している。いずれのはんだめっきボールも外径は約７４０μｍとした。また、比較例１〜４のはんだボールの外径も全て約７４０μｍとした。
【００４３】
次に、表２を参照しながら、それぞれのはんだめっきボール（多層構造）の融点とはんだボール（合金）の融点とを比較する。
【００４４】
実施例１および実施例２のはんだめっきボールの融点は、それぞれ、２１５℃と２１６℃であり、比較例２のＳｎ−３．５Ａｇはんだボールの融点２２０℃よりも低い。また、参考例のはんだめっきボール（錫単層）の融点も２２５℃と、比較例１の錫のみを含むはんだボールの融点２３２よりも低い。それぞれの融点を、更に銅を混合したはんだボール（比較例３および４）の融点と比較すると、実施例１および２のはんだめっきボールの融点は、比較例３のはんだボール（Ｓｎ−３．５Ａｇ−０．７６Ｃｕ）の融点２１６℃とほぼ一致している。また、参考例１のはんだめっきボールの融点は、比較例４のはんだボール（Ｓｎ−０．７Ｃｕ）の融点２２７℃に近い値であることがわかる。
【００４５】
すなわち、実施例１のはんだめっきボールでは、図３（ａ）に模式的に示したように、錫めっき層１２中に銀メッキ層１４から銀が拡散するだけでなく、錫めっき層１２中に銅コア１０から銅が拡散していることがわかる。同様に、実施例２のはんだめっきボールにおいても、図３（ｂ）に模式的に示したように、銅コア１０、錫めっき層１２ａ、銀メッキ層１４ａ、錫めっき層１２ｂおよび銀めっき層１４ｂの各層で拡散が起こっていることがわかる。
【００４６】
このように、はんだめっきボールの融点が３元系共晶（合金）の融点と近いことから、コアおよび各めっき層の構成原子の拡散は、共晶の融点に到達する前の充分に早い段階から起こっており、共晶の融点に到達するときには既に共晶と近い組成になっていることがわかる。その後、溶融に伴い銅および銀の拡散が更に加速し、全体が溶融するものと考えられる。
【００４７】
また、実施例１と実施例２のはんだめっきボールの溶融挙動を種々検討した結果、４層構成にした実施例２のはんだボールの方がスムーズに溶融しているようであった。これらのことから、コアおよび各めっき層の構成原子の拡散を十分に早く行なわせるためには、厚さの制御が重要であると思われる。工業的なリフロープロセスでの昇温速度は速いほうが好ましく、各めっき層の厚さは、５０μｍ以下であることが好ましく、３０μｍ以下であることが更に好ましいと考えられる。
【００４８】
次に、表２を参照しながら、接合強度の高温信頼性試験の結果を説明する。実施例１のはんだめっきボールを用いた場合と比較例２のはんだボールを用いた場合を比較すると、実施例１のはんだめっきボールを用いた場合の方が、初期の接合強度も高く、１５０℃で５００時間保存後の接合強度も高い。これは、表２に示したように、高温保存によって形成される界面反応層の厚さが、実施例１（１．９μｍ、５００時間）の方が、比較例２（９．４μｍ、５００時間）よりも著しく薄いことに起因していると思われる。
【００４９】
実施例１の場合に接合強度（破断荷重）の高温保存による低下が比較例２に比べて抑制される原因は、界面反応層の組成分析の結果、接合界面に形成される反応層の組成（化合物）の違いによることがわかった。すなわち、実施例１のはんだめっきボールでは、接合界面にＣｕ6Ｓｎ5の化合物相が形成されており、この化合物層は、比較例２のはんだボールで形成されるＮiＳｎ3の相と比較して、高温保存時の成長速度が遅く、その結果、接合強度の低下が抑制された。
【００５０】
このことから、本実施形態のはんだめっきボールを用いることによって、接合強度の高温信頼性に優れた半導体接続構造が得られることがわかる。
【００５１】
【発明の効果】
上述したように、本発明によると、標準単極電位の差の大きさの制限を受けずに製造され得るはんだめっきボールが提供される。従って、無鉛はんだとして広く利用されているＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだのように電解めっき法で形成できない組成のはんだでめっきされたはんだボールと実質的に同じ組成のはんだを溶解時に形成することが可能なはんだめっきボールが提供される。
【００５２】
無鉛はんだなど多様な組成のはんだの特性をもつ金属コアはんだめっきボールを提供することが可能となるので、ＢＧＡを始めとする半導体接続構造の製造プロセスを簡便にするだけでなく、信頼性を向上することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）および（ｂ）本発明の実施形態によるはんだめっきボールの模式的な断面図である。
【図２】本発明の実施形態のはんだめっきボールの接合試験に用いたパッドの構造を説明するための図である。
【図３】（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態のはんだめっきボールの溶解挙動を説明するための模式図である。
【符号の説明】
１０  コア
１２、１２ａ、１２ｂ  めっき層（第１めっき層）
１４、１４ａ、１４ｂ  めっき層（第２めっき層）
３０  パッド
３２  銅層
３４  ニッケル層
３６  金層
【図１】
0004488642.tif 000004
【図２】
0004488642.tif 000005
【図３】
0004488642.tif 000006