(57)【要約】【課題】気泡の発生を抑えると共に、気泡が発生する場合の大きさや位置を制御できるようにしたはんだボールを提供する。【解決手段】はんだボール１Ａは、鉛を含まない無鉛はんだで構成された中実の球体で、気泡抜き穴２Ａを備える。気泡抜き穴２Ａは、はんだボール１Ａの直径に対して微小な径で、接合工程で塞がる程度の大きさを有した略円筒形状であり、はんだボール１Ａを貫通している。また、気泡抜き穴２Ａは、はんだボール１Ａの径方向における中央付近に形成される。【選択図】        図１
2007317957.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
はんだ材を中実の球体として構成され、電子部品の電気的接続に用いられるはんだボールにおいて、
球体の内部から外周面まで到達すると共に、接合工程で塞がる程度の径を有した形状で構成される気泡抜き穴を備えた
ことを特徴とするはんだボール。
【請求項２】
前記はんだ材は、鉛を含まない無鉛はんだで構成される
ことを特徴とする請求項１記載のはんだボール。
【請求項３】
前記無鉛はんだは、Ａｇ及びＣｕの１種または２種が添加され、残部がＳｎ及び不純物からなる
ことを特徴とする請求項２記載のはんだボール。
【請求項４】
はんだ材を中実の球体として構成されたはんだボールによってはんだバンプが形成された半導体装置において、
前記はんだボールは、球体の内部から外周面まで到達すると共に、接合工程で塞がる程度の径を有した形状で構成される気泡抜き穴を備えた
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項５】
前記気泡抜き穴は、球体の径方向における中央付近に形成される
ことを特徴とする請求項４記載の半導体装置。
【請求項６】
はんだ材を中実の球体として構成されたはんだボールの所定の位置を、はんだ材の融点以上で加熱して、球体の外周面から内部へと延びる気泡抜き穴を、接合工程で塞がる程度の径を有した形状で開ける
ことを特徴とするはんだボールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品の電気的接続に用いられるはんだボール、このはんだボールを備えた半導体装置及びはんだボールの製造方法に関する。詳しくは、球体のはんだ材の内部から外周面まで到達すると共に、接合工程で塞がる程度の径を有した形状で構成される気泡抜き穴を備えることで、内部に発生する気泡を外部へと逃がして塞がるようにしたものである。
【背景技術】
【０００２】
ＢＧＡ（Ball Grid Array）やＣＳＰ（Chip Size Package）等と称される半導体装置では、球体のはんだボールを利用してはんだバンプを形成している。
【０００３】
このようなはんだボールとしては、球体の一部を平面状に形成して、電子部品との接合部とすることで、脱落による接続不良を抑えるようにした技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、はんだボールの表面に酸化を防止する層を形成し、濡れ性の劣化を抑える技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
更に、はんだボールにフラックスを内包し、球体の外周面へと到達したフラックス流出穴より供給できるようにして、所定量のフラックスを塗付できるようにした技術が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開平０９−０２７６７６号公報
【特許文献２】特開平０４−２５８１３１号公報
【特許文献３】特開昭６１−２０２７９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来、はんだバンプの形成に使用されるはんだボールは、錫（Ｓｎ）と鉛（Ｐｂ）の合金であるＳｎ−Ｐｂ共晶はんだが用いられていた。Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだを用いたはんだボールではんだバンプを形成した半導体装置を、リフロー工程等ではんだ接合を行った場合、はんだによる接合部分の寿命に影響を与えるような気泡がはんだボールの内部に発生することは少なく、従来技術では気泡の発生を抑えるための対策はとられていなかった。
【０００８】
これに対して、環境問題に対応するため、従来のＳｎ−Ｐｂ共晶はんだに替えて鉛を含まない無鉛はんだが用いられるようになっている。
【０００９】
しかし、無鉛はんだを用いることで錫の含有量が支配的になったはんだボールでは、はんだの表面張力が強くなり、また、はんだの融点がＳｎ−Ｐｂ共晶はんだに比べて３０〜４０℃上昇したこと等が原因で、リフロー工程後のはんだボール内に気泡が多く見られるようになった。
【００１０】
図９は、気泡が発生したはんだボールにおける問題点を示す構成図である。はんだボール５１ではんだバンプが形成された半導体装置５２を基板５３に接合した電子機器で、環境の変化による熱膨張差等で応力がかかり、はんだボール５１にクラックＣ１が発生した場合を考える。
【００１１】
はんだボール５１の内部に気泡Ｈが発生している場合、図９（ａ）に示すように、気泡Ｈの形が球状で、かつ径が大きいと、接合部分の信頼性低下の度合いが大きくなることが推測され、実験等でも確認されている。
【００１２】
すなわち、気泡Ｈから破断面が面状のクラックＣ１が発生した場合、気泡Ｈが大きいと、はんだボール５１の外周面までの距離が短い部分でクラックＣ１が発生することになるので、剥離が生じやすくなって接合部分の寿命が短くなり、信頼性が大幅に低下する。
【００１３】
これにより、特許文献３に開示されたはんだボールのように、フラックスを内包させる構成では、フラックスが抜けた後の空間が大きな気泡となって残るので、信頼性が低下する。
【００１４】
また、図９（ｂ）に示すように、気泡Ｈがはんだボール５１の上部、あるいは図示しないが下部に偏って発生した場合、接合部分の寿命が更に短くなって、最も信頼性が低下することが実験等で確認されている。
【００１５】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、気泡の発生を抑えると共に、気泡が発生する場合の大きさや位置を制御できるようにしたはんだボール、このはんだボールを備えた半導体装置及びはんだボールの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上述した課題を解決するため、本発明のはんだボールは、はんだ材を中実の球体として構成され、電子部品の電気的接続に用いられるはんだボールにおいて、球体の内部から外周面まで到達すると共に、接合工程で塞がる程度の径を有した形状で構成される気泡抜き穴を備えたことを特徴とする。
【００１７】
本発明のはんだボールでは、内部に発生した気泡は、接合工程で気泡抜き穴から抜けて塞がる。また、気泡抜き穴自体も接合工程で塞がる。
【００１８】
これに対して、接合工程で気泡あるいは気泡抜き穴が完全には塞がらない場合でも、気泡の残留形状及び残留位置は、気泡抜き穴の初期形状及び形成位置に応じて決まり、気泡の大きさや位置が制御される。
【００１９】
これにより、はんだボール内に気泡が発生する場合でも、大きさは微小であり、また、偏った位置に発生しない。
【００２０】
本発明の半導体装置は、上述したはんだボールが適用されるものであり、はんだ材を中実の球体として構成されたはんだボールによってはんだバンプが形成された半導体装置において、はんだボールは、球体の内部から外周面まで到達すると共に、接合工程で塞がる程度の径を有した形状で構成される気泡抜き穴を備えたことを特徴とする。
【００２１】
本発明の半導体装置では、はんだボールの内部に発生した気泡は、半導体装置を基板等に実装するためのはんだの接合工程で、気泡抜き穴から抜けて塞がる。また、気泡抜き穴自体も接合工程で塞がる。
【００２２】
本発明のはんだボールの製造方法は、はんだ材を中実の球体として構成されたはんだボールの所定の位置を、はんだ材の融点以上で加熱して、球体の外周面から内部へと延びる気泡抜き穴を、接合工程で塞がる程度の径を有した形状で開けることを特徴とする。
【００２３】
本発明のはんだボールの製造方法では、球体のはんだボールの外周面の所定の位置が、はんだ材の融点以上で加熱され、球体の外周面から内部へと延びる気泡抜き穴が、接合工程で塞がる程度の径を有した形状で開けられる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明のはんだボールによれば、接合工程で内部に発生する気泡を、気泡抜き穴によって積極的に外部へと逃がすことができ、気泡及び気泡抜き穴が塞がるので、気泡の発生を抑えることができる。
【００２５】
また、気泡の形状を、気泡抜き穴の初期形状に応じて制御できるので、気泡が発生する場合でも、球状の大きな気泡は発生せず、クラックの影響を受けにくい形状とすることができる。
【００２６】
更に、気泡が発生する位置を、気泡抜き穴の形成位置に応じて制御できるので、気泡が偏った位置に発生することを防ぎ、クラックの影響を受けにくくすることができる。
【００２７】
従って、本発明のはんだボールによれば、気泡の発生を抑えると共に、気泡が発生する場合でも影響を受けにくくすることができ、はんだ接合の寿命を長期間にわたって保つことができる。
【００２８】
これにより、本発明の半導体装置によれば、上述した本発明のはんだボールを備えることで、実装後にはんだ接合の寿命を長期間にわたって保つことができる。
【００２９】
また、本発明のはんだボールの製造方法によれば、はんだボールの内部に発生した気泡を逃がすと共に、接合工程で塞がる形状を有した気泡抜き穴を開けることができるので、はんだ接合の寿命を長期間にわたって保つことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、図面を参照して本発明のはんだボール、はんだボールを備えた半導体装置及びはんだボールの製造方法の実施の形態について説明する。
【００３１】
なお、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載が無い限り、これらの形態に限られるものではない。
【００３２】
＜第１の実施の形態のはんだボールの構成例＞
図１は、第１の実施の形態のはんだボールの一例を示す構成図で、図１（ａ）は、第１の実施の形態のはんだボール１Ａの側断面図、図１（ｂ）は、はんだボール１Ａの正面図である。
【００３３】
第１の実施の形態のはんだボール１Ａは、例えば鉛を含まない無鉛はんだで構成された中実の球体で、気泡抜き穴２Ａを備える。
【００３４】
気泡抜き穴２Ａは、はんだボール１Ａの外周面に開口部３Ａが形成され、一方の開口部３Ａから、中実の球体の内部を貫通して他方の開口部３Ａに到達した例えば１本の貫通穴で構成される。
【００３５】
気泡抜き穴２Ａの初期形状は、はんだボール１Ａの直径に対して微小な径で、接合工程で塞がる程度の大きさを有した略円筒形状である。また、気泡抜き穴２Ａの形成位置は、はんだボール１Ａの径方向における中央付近である。
【００３６】
＜第２の実施の形態のはんだボールの構成例＞
図２は、第２の実施の形態のはんだボールの一例を示す構成図で、図２（ａ）は、第２の実施の形態のはんだボール１Ｂの側断面図、図２（ｂ）は、はんだボール１Ｂの平面断面図である。
【００３７】
第２の実施の形態のはんだボール１Ｂは、例えば鉛を含まない無鉛はんだで構成された中実の球体で、複数の気泡抜き穴２Ｂを備える。
【００３８】
各気泡抜き穴２Ｂは、はんだボール１Ｂの外周面にそれぞれ開口部３Ｂが形成され、各開口部３Ｂから、例えば球体の中心に向かって延びる有底状の穴で構成される。
【００３９】
各気泡抜き穴２Ｂの初期形状は、はんだボール１Ｂの直径に対して微小な径で、接合工程で塞がる程度の大きさを有した略円筒形状である。また、各気泡抜き穴２Ｂの形成位置は、はんだボール１Ｂの径方向における中央付近で、各気泡抜き穴２Ｂが、略同一面上に円周方向に並んで配置される。
【００４０】
＜無鉛はんだの組成例＞
はんだボール１Ａ，１Ｂを構成する無鉛はんだの組成としては、錫（Ｓｎ）をベースとし、第２の元素として銀（Ａｇ）を添加し、更に、第３の元素として銅（Ｃｕ）あるいはビスマス（Ｂｉ）を添加した３元組成のＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ系や、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系等が一例として挙げられる。
【００４１】
このような無鉛はんだの重量組成と溶解温度の関係の一例を表１に示す。
【００４２】
【表１】
2007317957.tif 000003
【００４３】
無鉛はんだとしては、他に、２元組成のＳｎ−Ａｇ系や、第４の元素を添加した４元組成のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ系やＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎ（インジウム）系等がある。
【００４４】
また、亜鉛（Ｚｎ）を第２の元素とした２元組成のＳｎ−Ｚｎ系や、３元組成のＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系等がある。
【００４５】
更に、第２の元素として銅を添加したＳｎ−Ｃｕ系等もある。
【００４６】
＜本実施の形態の半導体装置の構成例＞
図３は、本実施の形態の半導体装置の一例を示す構成図で、図３（ａ）は、本実施の形態の半導体装置１１Ａの要部構成を示す概略側断面図、図３（ｂ）は、半導体装置１１Ａの全体構成の一例を示す斜視図である。
【００４７】
本実施の形態の半導体装置１１Ａは、ＢＧＡ（Ball Grid Array）やＣＳＰ（Chip Size Package）等と呼ばれる形態のパッケージで、図示しない半導体素子が実装されるキャリア１２の裏面に、複数のはんだボール１Ａを備える。
【００４８】
半導体装置１１Ａは、キャリア１２の裏面に形成されたパッド１３にはんだボール１Ａが接合されて、はんだバンプ１４を形成している。
【００４９】
はんだボール１Ａは、図１で説明したように、所定の初期形状を有した気泡抜き穴２Ａが所定の形成位置に備えられ、気泡抜き穴２Ａの開口部３Ａを側方に露出させている。
【００５０】
＜本実施の形態の半導体装置の実装工程例＞
図４及び図５は、本実施の形態の半導体装置１１Ａの実装工程の一例を示す工程説明図であり、次に、気泡抜き穴２Ａを有したはんだボール１Ａではんだバンプ１４を形成した半導体装置１１Ａの実装工程について説明する。
【００５１】
まず、図４に示すように、基板２１に形成されたランド２２にはんだペースト２３を塗付した後、半導体装置１１Ａの各はんだボール１Ａが、基板２１の対応するランド２２に載るように、半導体装置１１Ａの各はんだボール１Ａと基板２１の各ランド２２の位置を合わせて、図示しない装着機で半導体装置１１Ａを基板２１に搭載する。
【００５２】
半導体装置１１Ａを基板２１に搭載した接合工程の前の段階では、はんだボール１Ａの気泡抜き穴２Ａは、開口部３Ａが側方に露出しており、気泡抜き穴２Ａは外部とつながっている。
【００５３】
次に、半導体装置１１Ａ等を搭載した基板２１を、図示しないリフロー炉を通過させ、リフローはんだ付けによる接合工程を行う。
【００５４】
半導体装置１１Ａを搭載した基板２１に対してリフローはんだ付け工程を行うと、図５に示すように、はんだボール１Ａとはんだペースト２３が熱で融合し、所定の形状のはんだフィレット４が形成される。
【００５５】
さて、はんだボール１Ａは、リフローはんだ付け工程で加熱されて溶解することで、内部に発生した気泡は気泡抜き穴２Ａから抜けて塞がる。また、はんだボール１Ａが加熱されて溶解することで、気泡抜き穴２Ａ自体も塞がる。
【００５６】
これにより、リフローはんだ付け工程での気泡の発生が抑えられ、はんだ接合の寿命を長期間にわたって保つことができる。
【００５７】
図６は、気泡の残留形態の一例を示す構成図である。上述したリフローはんだ付け工程では、気泡あるいは気泡抜き穴２Ａが完全には塞がらない場合もある。但し、気泡の残留形状及び残留位置は、気泡抜き穴２Ａの初期形状及び形成位置に応じて決まり、気泡の大きさや位置が制御される。
【００５８】
すなわち、気泡抜き穴２Ａは、はんだボール１Ａの直径に対して微小な径を有した略円筒形状であるので、気泡の残留形状は、図６（ａ）に示すように、微小な径の線状となる。また、気泡抜き穴２Ａは、はんだボール１Ａの径方向における中央付近に形成しているので、気泡の残留位置は、図６（ｂ）に示すように、はんだボール１Ａの径方向における中心付近となる。
【００５９】
これにより、はんだボール１Ａ内に気泡が発生する場合でも、大きさは微小であり、また、偏った位置に発生しない。
【００６０】
図７は、気泡抜き穴により気泡の大きさ及び位置が制御されたはんだボールにおけるクラックの発生例を示す構成図である。はんだボール１Ａは、気泡抜き穴２Ａが径方向における中央付近に形成されることで、気泡が発生する場合でも、その残留位置Ｐははんだボール１Ａの中心付近となるように制御できる。
【００６１】
これにより、気泡の残留位置Ｐから、破断面が面状のクラックＣ３が発生しても、はんだボール１Ａの外周面までの距離が長い部分で発生することになるので、剥離による信頼性の低下が抑えられ、はんだ接合の寿命を長期間にわたって保つことができる。
【００６２】
なお、本実施の形態の半導体装置１１Ａでは、はんだボールとして、図１で説明したような気泡抜き穴２Ａが貫通した形態のはんだボール１Ａを適用したが、図２で説明したような気泡抜き穴２Ｂが有底状で非貫通な形態のはんだボール１Ｂを適用しても良く、はんだボールに形成する気泡抜き穴の形状や数は、上述した例に制限されるものではない。
【００６３】
＜本実施の形態のはんだボールの製造方法例＞
図８は、本実施の形態のはんだボールの製造方法の一例を示す工程説明図である。図８（ａ）に示すように、例えば、鉛を含まない無鉛はんだで構成されたはんだボール形成体５の所定の位置に、図８（ｂ）に示すように、はんだボール形成体５を構成するはんだ材の融点以上に加熱した針３１を刺して、局所的に加熱する。
【００６４】
針３１を刺す深さを制御することで、図１に示すように、はんだボール形成体５を貫通した気泡抜き穴２Ａや、図２に示すように、有底状で非貫通な気泡抜き穴２Ｂを形成できる。
【００６５】
そして、図８（ｃ）に示すように、針３１をはんだボール形成体５から抜くことで、例えば、有底状で非貫通な気泡抜き穴２Ｂが形成されたはんだボール１Ｂが作成される。
【００６６】
なお、はんだボールを加熱する手段としては、針３１の替わりにレーザ加熱を用いても良いし、他の手段でも良い。
【００６７】
また、はんだボールに形成する気泡抜き穴の形状や数は、図８に示す例に制限されるものではない
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明は、はんだボールを利用して実装される半導体装置に適用される。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】第１の実施の形態のはんだボールの一例を示す構成図である。
【図２】第２の実施の形態のはんだボールの一例を示す構成図である。
【図３】本実施の形態の半導体装置の一例を示す構成図である。
【図４】本実施の形態の半導体装置の実装工程の一例を示す工程説明図である。
【図５】本実施の形態の半導体装置の実装工程の一例を示す工程説明図である。
【図６】気泡の残留形態の一例を示す構成図である。
【図７】気泡抜き穴により気泡の大きさ及び位置が制御されたはんだボールにおけるクラックの発生例を示す構成図である。
【図８】本実施の形態のはんだボールの製造方法の一例を示す工程説明図である。
【図９】気泡が発生したはんだボールにおける問題点を示す構成図である。
【符号の説明】
【００７０】
１Ａ，１Ｂ・・・はんだボール、２Ａ，２Ｂ・・・気泡抜き穴、３Ａ，３Ｂ・・・開口部、１１Ａ・・・半導体装置、１２・・・キャリア、１３・・・パッド、１４・・・はんだバンプ
【図１】
2007317957.tif 000004
【図２】
2007317957.tif 000005
【図３】
2007317957.tif 000006
【図４】
2007317957.tif 000007
【図５】
2007317957.tif 000008
【図６】
2007317957.tif 000009
【図７】
2007317957.tif 000010
【図８】
2007317957.tif 000011
【図９】
2007317957.tif 000012