(57)【要約】【課題】現状市場に大量に流通している、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５ＣｕやＳｎ−３ＡｇのＳｎ−Ａｇ系はんだボールが搭載されている半導体装置を、基板に対し１８０度以下の低温で安定して実装でき、機械的な信頼性を向上させるとともに、経時による電気抵抗の上昇を低減することが可能な接合材料を得ることができる。【解決手段】本発明に係る接合材料は、融点が１８０℃以下であるはんだ合金と、ＢｉまたはＩｎのいずれか１種以上を９０ｗｔ％以上含有する。【選択図】図２
2012061508.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
融点が１８０℃以下であるはんだ合金と、ＢｉまたはＩｎのいずれか１種以上を９０ｗｔ％以上含有する金属粒子とを含む接合材料。
【請求項２】
前記はんだ合金が、ＢｉおよびＳｎを含有することを特徴とする請求項１に記載の接合材料。
【請求項３】
Ｓｎの含有率が、４５〜６５ｗｔ％であることを特徴とする請求項２記載の接合材料。
【請求項４】
前記はんだ合金が、ＩｎおよびＳｎを含有することを特徴とする請求項１に記載の接合材料。
【請求項５】
Ｓｎの含有率が、１０〜６０ｗｔ％であることを特徴とする請求項４に記載の接合材料。
【請求項６】
さらに、活性化樹脂を含有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の接合材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板と半導体装置とを接合する接合材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子部品装置の小型化・薄型化の要求が増加し、それに対応するため、装置に搭載される半導体装置についても、小型化・薄型化の要求がなされている。現在、小型・薄型を実現するために、ＣＳＰ（ＣｈｉｐＳｉｚｅＰａｃｋａｇｅ)やＢＧＡ（ＢａｌｌＧｒｉｄＡｒｒａｙ）に代表される、基板と接合する電極へ、はんだボールが搭載されたパッケージが採用されることが多い。
【０００３】
また、鉛フリーへの対応も求められており、これについては、はんだボールの組成を、Ｓｎ−Ａｇ−ＣｕやＳｎ−Ａｇにして対応されることが多い。通常、この様なパッケージを搭載する際には、はんだボールと同じ組成の合金粒子がフラックスと混合された、はんだペースト（接合材料）を基板のパッドに供給し、半導体装置に形成されたはんだボールを接触させるように仮搭載した後、リフロ炉で、はんだボールの合金の融点より高い温度にまで加熱し、接合することが行われている。
【０００４】
合金が、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕの場合は、融点が約２２０度であるので、リフロ炉において、基板とこれに仮搭載された半導体装置を、約２５０度にまで加熱することがある。線膨張係数は、基板が約１２ｐｐｍであり、半導体装置には約３ｐｐｍのシリコンが搭載されている。このため、リフロでの加熱中、はんだ融点の半導体装置よりも大きく基板が膨張した状態で固定され、この後、常温にまで冷却される際の、基板と半導体装置の収縮量の差によって、実装品に顕著な反りが現われる。 
【０００５】
この様な反りを低減するために、例えば、特許文献１および特許文献２に示されるように、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだと、フラックスとが混合された接合材料を使用して、低温で接合することが行われる。
【０００６】
例えば、特許文献１には、低温条件下にてフリップチップを実装できる電子部品実装用基板の接合部を形成するための、基板の電極部位にはんだボールを搭載する方法、及びこのようなはんだボールを搭載した電子部品実装用基板が記載されている。
【０００７】
また、特許文献２には、低温条件下にて、樹脂製基板に半導体素子を実装する方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−２７７７７７
【特許文献２】特開２００９−２８３６２８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記の特許文献に記載される通りに実装すると、はんだボールのＳｎ−Ａｇ系はんだの一部とＳｎ−Ｂｉ系はんだが、混合した合金とＳｎ−Ａｇ系はんだの組成がそのまま残る部分が、図３に示すように分離した状態になる。図３は、Ｓｎ−Ａｇ系はんだボールが搭載されたＢＧＡ−ＰＫＧを従来のＳｎ−Ｂｉ系はんだを使って接合した時の接合部の断面図である。
【００１０】
図３に示すような接合状態では、経時により、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだからＳｎ−Ａｇ系はんだ中へ、Ｂｉが拡散するとともに、電気抵抗の上昇が現われるという問題がある。
【００１１】
また、はんだボールのＳｎ−Ａｇ系はんだと、はんだペーストのＳｎ−Ｂｉ系はんだは、それぞれ融点が最低温度になるような組成比に近づけているが、接合後は、両はんだが混合して組成比が崩れ、融点が上昇するという問題がある。
【００１２】
この現象から推測できるように、リフロ中のはんだの融点は、昇温される時と降温される時とで異なり、冷却時の方が高くなる。よって、半導体装置と基板との固定は、目的としていたＳｎ−Ｂｉ系はんだの融点よりも高い、冷却時の融点で完了するので、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだだけで接合するときよりも、実装品の反りは大きくなるという問題がある。
【００１３】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、現状市場に大量に流通している、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５ＣｕやＳｎ−３ＡｇのＳｎ−Ａｇ系はんだボールが搭載されている半導体装置を、基板に対し１８０度以下の低温で安定して実装でき、組織の不均一による加熱時の複数材料の膨張率差による応力を分散することにより、機械的な信頼性を向上させるとともに、組織の分布の均一化によって、経時による電気抵抗の上昇を低減することが可能な接合材料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】
【００１４】
本発明に係る接合材料は、融点が１８０℃以下であるはんだ合金の粒子と、ＢｉまたはＩｎのいずれか１種以上を９０ｗｔ％以上含有する金属粒子とを含む。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５ＣｕやＳｎ−３ＡｇのＳｎ−Ａｇ系はんだボールが搭載されている半導体装置を、基板に対し１８０度以下の低温で安定して実装でき、機械的な信頼性を向上させるとともに、経時による電気抵抗の上昇を低減することが可能な接合材料を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態１に係る接合材料により接合する際の温度プロファイル例を示す図である。
【図２】Ｓｎ−Ａｇ系はんだボールが搭載されたＢＧＡ−ＰＫＧを、本発明に係る接合材料を使って接合した時の接合部の断面図を示す図である。
【図３】Ｓｎ−Ａｇ系はんだボールが搭載されたＢＧＡ−ＰＫＧを、従来のＳｎ−Ｂｉ系はんだを使って接合した時の接合部の断面図を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の明確化のため、以下の記載および図面は、適宜、省略、および簡略化がなされている。各図面において同一の構成または機能を有する構成要素および相当部分には、同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００１８】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態に係る接合材料は、融点が１８０℃以下であるはんだ合金としてのＳｎ−Ｂｉ系はんだ合金（粒子）と、Ｂｉ粒子と、フラックスとが混合されたものである。融点が１８０℃を超えると、大部分の有機基板において、ガラス転移点を越える温度となり、線膨張係数が高い領域（α２）に達する。これにより、基板と搭載デバイスとの線膨張係数の差によって、接続部に発生する応力や反りが顕著となり、信頼性や実装性が低下することになる。Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ合金の（共晶時の）融点は、約１４０℃である。
【００１９】
また、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ合金において、Ｓｎの含有率は４５〜６５ｗｔ％である。Ｓｎの含有率がこの範囲を外れると、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ合金の融点が１５０℃を越え、ガラス転移点の比較的低い有機基板において線膨張係数がα２の領域に達するため好ましくない。
【００２０】
基板に実装されるＢＧＡ−ＰＫＧに搭載されるＳｎ−Ａｇ系はんだボールに含有されるＳｎに対し、接合材料の金属成分に含まれるＢｉ粒子は、２０〜１２０ｗｔ％である。Ｂｉ粒子の含有量が２０ｗｔ％未満であると、Ｓｎ−Ａｇ系はんだボールに含有されるＳｎと合金化したとき、ＳｎリッチなＳｎ−Ｂｉ系はんだとなり、融点が１８０℃以上になるので好ましくなく、含有量が１２０ｗｔ％を超えると、ＢｉリッチのＳｎ−Ｂｉ系はんだとなり、融点が１８０℃以上になるので好ましくない。
【００２１】
その他の金属成分としては、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだであり、共晶はんだであると、金属成分が溶融し、別個にあるはんだボール中の固体のＳｎと、Ｂｉ粒子との間に介在して、これらの材料の共晶化を進展させるので好ましい。特に、温度が低い共晶はんだであると、進展を容易にするのでより好ましい。
接合材料の組成比を表１に示す。
【００２２】
【表１】
2012061508.tif 000003
【００２３】
以下、本実施の形態に係る接合材料を用いて、ＢＧＡ−ＰＫＧの実装工程を示す。
まず、基板上のパッドへ、接合材料を印刷等により供給する。次に、ＢＧＡ−ＰＫＧをＳｎ−Ａｇ系はんだボールがパッドに接触するように搭載する。その後、ＢＧＡ−ＰＫＧが搭載された基板を、リフロー炉へ投入し、実装を完了する。
【００２４】
図１に、この時のリフロー温度プロファイルの例を示す。
ＢＧＡ−ＰＫＧが搭載された基板をリフロー炉へ投入する工程において、ＢＧＡ−ＰＫＧに搭載されたＳｎ−Ａｇ系のはんだボールと接合材料のリフロー炉中での挙動は、次のようになる。
【００２５】
図１に示すリフロ炉中の温度プロファイルで、約１４０℃に達しても、はんだボール中のＳｎと、接合材料中のＢｉは、それぞれ融点が約２３０℃と約２７０℃であるため、単独では溶融しない。しかし、接合材料に含有するＳｎ−Ｂｉ共晶はんだは、溶融し、はんだボール中のＳｎと接合材料中のＢｉとの間に入り込む。
【００２６】
その結果、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ中のＳｎと、Ｂｉとの接触面積が増し、全体の融点が１５０℃〜１７０℃にまで低下する。この時、Ｂｉ粒子の比率が高いほど、全体の融点が低下するので、Ｓｎ−Ａｇ系のはんだボールと混合し易くなり、接合後の均質化を顕著に高めることができる。
【００２７】
従来のように、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだのみの接合材を使った場合、Ｓｎ−ＡｇはんだとＳｎ−Ｂｉの合金とが、分離された状態となる。その結果、時効により、Ｓｎ−ＡｇへのＢｉの拡散が進み、それと同時に、電気抵抗が高くなる。
【００２８】
これに対し、発実施の形態に係る接合材料では、接合当初からＳｎとＢｉが均一化されるので、拡散による抵抗の変化を抑制できる。
【００２９】
本実施の形態に係る接合材料と、従来のＳｎ−Ｂｉ系はんだ材料を使い、基板へＢＧＡ−ＰＫＧをリフロ時のピーク温度を１８０度として搭載した時、接合部の組成について接合部を調査した結果を、図２および図３に示す。
【００３０】
図２は、Ｓｎ−Ａｇ系はんだボールが搭載されたＢＧＡ−ＰＫＧを、本発明に係る接合材料を使って接合した時の接合部の断面図を示し、図３は、Ｓｎ−Ａｇ系はんだボールが搭載されたＢＧＡ−ＰＫＧを、従来のＳｎ−Ｂｉ系はんだを使って接合した時の接合部の断面図を示す。図２および図３ともに、上側がＢＧＡ−ＰＫＧ、下側が基板である。
【００３１】
図３に示すように、従来のＳｎ−Ｂｉ系はんだを使った場合の接合部においては、ＢＧＡ−ＰＫＧ側に搭載されていたはんだボールが、部分的に溶けないで残っている。これにより、基板へ供給されていたＳｎ−Ｂｉ系はんだへ、はんだボールの一部が溶け込んだ部分との間の組織の違いを確認できた。
【００３２】
一方、図２の場合においては、ＢＧＡ−ＰＫＧのはんだボールと基板側に供給された接合材料とが、ほぼ完全に融合し、均一な組織状態になっていることが確認できた。
【００３３】
なお、本実施の形態に係る接合材料には、活性化樹脂を含有することができる。具体的には、フラックス、これを含有する加熱硬化性液状樹脂等を用いることができる。これにより、はんだボール表面の酸化膜を除去したり、本低温接合材料中の合金およびＢｉ粒子の酸化防止効果を得ることができる。
【００３４】
本実施の形態によれば、Ｓｎ−Ｂｉ系はんだ合金の粒子と、Ｂｉ粒子と、フラックスとが混合された接合材料を、基板上パッドへ適量供給し、Ｓｎ−Ａｇ系はんだボールが搭載されたＢＧＡ−ＰＫＧをパッドに接触するように搭載する。その後、ピーク温度が２００℃以下に設定されたリフロー炉を通して拡散接合させることにより、従来のＳｎ−Ｂｉ系はんだ合金とフラックスとの混合物よりも、信頼性を向上できる。すなわち、Ｓｎ−Ａｇ系はんだボールを端子とするＢＧＡ−ＰＫＧにおいて、低温実装に使用される接合材料を得ることができる。
【００３５】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態においては、実施の形態１と同様の部分についての説明は省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【００３６】
本実施の形態に係る接合材料は、融点が１８０℃以下であるはんだ合金としてのＳｎ−Ｉｎ系はんだ合金（粒子）と、In粒子と、フラックスとが混合されたものである。Ｉｎ−Ｓｎ系はんだ合金は、融点約１２０℃である。また、Ｉｎ−Ｓｎ系はんだ合金において、Ｓｎの含有率は、１０〜６０ｗｔ％である。Ｓｎの含有率がこの範囲を外れると、Ｓｎ−Ｉｎ系はんだ合金の融点が１５０℃を越え、ガラス転移点の比較的低い有機基板において線膨張係数がα２の領域に達するため好ましくない。
【００３７】
基板に実装されたＢＧＡ−ＰＫＧに搭載されるＳｎ−Ａｇ系はんだボールに含有されるＳｎに対し、金属粒子中のIn粒子は、３０ｗｔ％である。Ｉｎ粒子の含有量が３０ｗｔ％未満であると、Ｓｎ−Ａｇ系はんだボールに含有されるＳｎと合金化したとき、ＳｎリッチなＳｎ−Ｉｎ系はんだとなり、融点が１８０℃以上になるので好ましくない。含有量が３０ｗｔ％以上であれば、１８０℃を越えないので問題はない。
【００３８】
その他の金属成分としては、Ｓｎ−Ｉｎ系はんだであり、共晶はんだであると、金属成分が溶融し、別個にあるはんだボール中の固体のＳｎと、Ｉｎ粒子との間に介在し、これらの材料の共晶化を進展させることができる。特に、温度が低い共晶はんだであると、進展を容易にするので好ましい。
【００３９】
なお、本実施の形態に係る接合材料には、活性化樹脂を含有することができる。これについては、実施の形態１と同様である。
【００４０】
本実施の形態においては、ＩｎとＳｎとの組成比を調整することにより、リフロー時のピーク温度を更に下げて、約１５０℃としても接合することが可能となる。これにより、接合後のはんだ組織を均一にでき、時効による抵抗変化も抑制できる。
【００４１】
本実施の形態においては、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００４２】
１  Ｓｎ−Ａｇ系はんだボールが搭載されたＢＧＡ−ＰＫＧを接合材料を使って接合した
時の接合部の断面
２、１０２  ＢＧＡ−ＰＫＧのパッド
３、１０３  ＢＧＡ−ＰＫＧの絶縁層 
４、１０４  基板のパッド
１００  Ｓｎ−Ａｇ系はんだボールの一部とＳｎ−Ｂｉ系はんだとが混合された部分
１０１  Ｓｎ−Ａｇ系はんだボールが混合せずに残った部分
【図１】
2012061508.tif 000004
【図２】
2012061508.tif 000005
【図３】
2012061508.tif 000006