(57)【要約】【課題】接続端子とはんだとの接合部に流れる電流密度が高くてもエレクトロマイグレーションが発生しにくい電子部品及び電子機器を提供する。【解決手段】電子部品１０の接続端子１２の表面には、ＡｇＳｎ合金により形成された保護層１３により被覆されている。この電子部品１０は、はんだ２５により回路基板２０の接続端子２２に接続される。保護層１３が、接続端子１２の材料であるＣｕに比べてＳｎ中の拡散係数が小さいＡｇを含んでいるので、エレクトロマイグレーションの原因となる原子空孔の発生が抑制される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
はんだ接合により他の電子部品に接続される接続端子を有する電子部品において、
前記接続端子の表面が、ＡｇＳｎ合金により形成された保護層により被覆されていることを特徴とする電子部品。
【請求項２】
前記ＡｇＳｎ合金がＡｇ3Ｓｎであることを特徴とする請求項１に記載の電子部品。
【請求項３】
前記保護層中のＡｇ含有量が１０ｗｔ％以上、９５ｗｔ％以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電子部品。
【請求項４】
電子部品と、
前記電子部品が搭載される回路基板と、
前記電子部品の接続端子と前記回路基板の接続端子との間を接合するはんだとを有し、
前記電子部品の接続端子及び前記回路基板の接続端子の少なくとも一方の表面が、ＡｇＳｎ合金により形成された保護層により被覆されていることを特徴とする電子機器。
【請求項５】
前記はんだが、ＡｇとＳｎとの合金であることを特徴とする請求項４に記載の電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品及び電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置（ＬＳＩ：Large Scale Integrated circuit）の高性能化及び高集積化にともなって半導体装置の接続端子数は増加する傾向にあり、接続端子のより一層の微細化が要求されている。
【０００３】
フリップチップ実装では、半導体装置の接続端子と配線基板の接続端子との間をはんだバンプを用いて接続している。はんだバンプは、例えばＳｎ−３．５ｗｔ％Ａｇ、Ｓｎ−０．７ｗｔ％Ｃｕ、又はＳｎ−３ｗｔ％Ａｇ−０．５ｗｔ％Ｃｕ等の合金（はんだ）により形成されている。一方、半導体装置や配線基板の接続端子は、通常Ｃｕ（銅）により形成されている。端子表面の腐食を防止したり、はんだ濡れ性を改善するために、接続端子の表面にＮｉ（ニッケル）やＡｕ（金）がめっきされることもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−４１６２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
接続端子とはんだとの接合部に流れる電流密度が高くてもエレクトロマイグレーションが発生しにくい電子部品及び電子機器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】
【０００６】
開示の技術の一観点によれば、はんだ接合により他の電子部品に接続される接続端子を有する電子部品において、前記接続端子の表面が、ＡｇＳｎ合金により形成された保護層により被覆されている電子部品が提供される。
【０００７】
開示の技術の他の一観点によれば、電子部品と、前記電子部品が搭載される回路基板と、前記電子部品の接続端子と前記回路基板の接続端子との間を接合するはんだとを有し、前記電子部品の接続端子及び前記回路基板の接続端子の少なくとも一方の表面が、ＡｇＳｎ合金により形成された保護層により被覆されている電子機器が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
上記一観点に係る電子部品及び電子機器によれば、電流密度が高くてもエレクトロマイグレーションの発生を抑制できる
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１（ａ），（ｂ）は、１５０℃の環境下でＣｕにより形成された接続端子間に６×１０-３Ａ／ｃｍ2の電流密度で電流を流したときのＣｕ分布の経時変化を調べた結果を示す図である。
【図２】図２（ａ），（ｂ）は、接続端子の表面にＮｉをめっきし、図１（ａ），（ｂ）と同様の条件でＮｉ分布の経時変化を調べた結果を示す図である。
【図３】図３（ａ）は実施形態に係る電子部品の一例を表した図、図３（ｂ）は同じくその接続端子部分を拡大して表した図である。
【図４】図４は、電子部品の接続端子と回路基板の接続端子との接続部を表した図である。
【図５】図５（ａ）〜（ｃ）は、実施例及び比較例１，２の試料を模式的に示した図である。
【図６】図６は、実施例及び比較例１，２の試料の断線が発生するまでの時間を調べた結果を示す図である。
【図７】図７は、ＡｇＳｎ合金中のＡｇ含有量と断線が発生するまでの時間との関係を調べた結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施形態について説明する前に、実施形態の理解を容易にするための予備的事項について説明する。
【００１１】
前述したように、近年、半導体装置等の電子部品の接続端子は微細化される傾向にあり、接続端子に流れる電流の密度（電流密度）は増加する傾向にある。ところが、接続端子に流れる電流の密度が約１０4Ａ／ｃｍ2又はそれ以上になると、接続端子とはんだとの接続部でエレクトロマイグレーションが発生して接続端子間の抵抗値が高くなり、極端な場合は断線が発生する。
【００１２】
図１（ａ），（ｂ）は、Ｃｕにより形成された接続端子間をはんだバンプにより接合し、１５０℃の環境下で接続端子間に６×１０-３Ａ／ｃｍ2の電流密度で電流を流したときのＣｕ分布の経時変化を調べた結果を示す図である。ここでは上側の接続端子から下側の接続端子に直流電流を流している。なお、Ｃｕ分布の取得には、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ：Electron Probe MicroAnalyser）を用いている。
【００１３】
図１（ａ），（ｂ）から、時間の経過とともに接続端子中のＣｕ原子が下（低電位側）から上（高電位側）に移動していることがわかる。Ｃｕ原子が移動した後は原子空孔となり、原子空孔が多数発生すると、エレクトロマイグレーションとして認識できるようになる。
【００１４】
図２（ａ），（ｂ）は、接続端子の表面にＮｉをめっきし、上記と同様の条件でＮｉの分布の経時変化を調べた結果を示す図である。この図２（ａ），（ｂ）から、時間の経過とともにＮｉ原子が下から上に移動していることがわかる。従って、Ｎｉめっきではエレクトロマイグレーションを防止することができない。
【００１５】
エレクトロマイグレーションを抑制するために、接続端子数を増やして接続端子１個当たりの電流密度を小さくすることが考えられる。しかし、その場合は接続端子の配置スペースが拡大し、半導体装置のサイズが大きくなってしまう。
【００１６】
以上から、接続端子とはんだとの接合部に流れる電流密度が高くてもエレクトロマイグレーションが発生しにくい電子部品及び電子機器を提供することを目的とする。
【００１７】
（実施形態）
図３（ａ）は実施形態に係る電子部品の一例を表した図、図３（ｂ）は同じくその接続端子部分を拡大して表した図である。また、図４は電子部品の接続端子と回路基板の接続端子との接続部を表した図である。
【００１８】
本実施形態に係る電子部品１０は、所定の電子回路が形成された半導体チップ１１ａと、半導体チップ１１ａを封止するパッケージ（封止樹脂）１１ｂとを有する。また、半導体チップ１１ａの下面側には多数の接続端子１２が設けられている。それらの接続端子１２はＣｕにより形成されており、表面にはＡｇＳｎ（銀−スズ）合金により形成された保護層１３が設けられている。
【００１９】
なお、保護層１３を形成するＡｇＳｎ合金として、化学的に安定なＡｇ3Ｓｎを用いることが好ましい。
【００２０】
保護層１３の厚さは３μｍ〜１００μｍとすることが好ましい。保護層１３の厚さが３μｍ未満の場合は、ピンホールが存在する可能性があり、Ｃｕ電極を完全に被覆することが難しくなって、Ｃｕのエレクトロマイグレーションを十分に防止することができない。また、保護層１３の厚さが１００μｍを超えると、電気伝導度の低が低くなって電子回路に悪影響を与えるおそれがある。
【００２１】
一方、回路基板２０は、所定のパターンで形成された配線（図示せず）と、接続端子２２とを有する（図４参照）。回路基板２０の接続端子２２もＣｕにより形成されており、その表面にはＡｇＳｎ合金により形成された保護層２３が設けられている。そして、電子部品１０の接続端子１２と回路基板２０の接続端子２２とは、はんだ２５により接合されている。はんだ２５は、例えばＳｎ−３．５ｗｔ％Ａｇ合金よりなる。
【００２２】
本実施形態では、上述したようにＡｇＳｎ合金により形成された保護層１３，２３により接続端子１２，２２の表面を被覆しているため、エレクトロマイグレーションの発生を抑制することができる。以下、その理由を説明する。
【００２３】
エレクトロマイグレーションは拡散係数に関係し、拡散係数が大きい元素ほどエレクトロマイグレーションが発生しやすいということができる。１６０℃におけるＳｎ中のＣｕの拡散係数は２．４×１０-11ｍ2／ｓであり、Ｓｎ中のＮｉの拡散係数は５．４×１０-13ｍ2／ｓである。これに対し、Ｓｎ中のＡｇの拡散係数は９．０×１０-15ｍ2／ｓであり、Ｃｕに比べて４桁、Ｎｉに比べて２桁小さい。つまり、Ｓｎ中のＡｇは、高密度の電流でも移動しにくく、ＣｕやＮｉに比べてエレクトロマイグレーションの原因となる原子空孔が発生しにくい。
【００２４】
また、Ａｇ中におけるＳｎとＡｇの拡散係数は同程度であり、且つ１６０℃以下の温度域においてＳｎはＡｇに固溶するため、仮に接続端子間を流れる電流によりＡｇが移動して原子空孔が生じても、Ｓｎにより空孔が埋められる。このため、エレクトロマイグレーションがより一層発生しにくい。
【００２５】
上述したように、本実施形態では接続端子１２，２２の表面をＡｇＳｎ合金により形成された保護層１３，２３で覆っている。このため、接続端子１２，２２間に流れる電流の密度が高くても、接続端子１２，２２中のＣｕ原子や保護層１３，２３中のＡｇ原子の移動が抑制され、エレクトロマイグレーションが発生しにくい。これにより、エレクトロマイグレーションに起因する抵抗値の増加や断線等の不具合が回避され、電子部品１０と回路基板２０との間の接合部の信頼性が大幅に向上するという効果を奏する。
【００２６】
なお、図１，図２からわかるように、エレクトロマイグレーションによる原子の移動は低電位側（カソード）から高電位側（アノード）に向かって生じる。このため、低電位側の接続端子のみに保護層を設け、高電位側の接続端子には保護層を設けなくてもよい。
【００２７】
また、接続端子１２，２２間を接続するはんだ２５は、前述したＳｎ−３．５ｗｔ％Ａｇ合金に限定されるものではなく、例えばＳｎ−０．７ｗｔ％Ｃｕ合金又はＳｎ−３ｗｔ％Ａｇ−０．５ｗｔ％Ｃｕ合金など、種々の合金（はんだ）を使用することができる。
【００２８】
但し、接続端子１２，２２間を接続するはんだ２５は、２．０ｗｔ％〜４．０ｗｔ％のＡｇを含有したＳｎＡｇ合金により形成することが好ましい。はんだとして上記のＳｎＡｇ合金を使用すると、保護層１３，２３中のＡｇＳｎ合金がはんだ中に拡散することを抑制する効果が大きく、エレクトロマイグレーションによる接続端子１２，２２間の断線をより確実に抑制できる。
【００２９】
（実験１）
以下、上述の方法により電子部品と回路基板とをはんだ接続し、エレクトロマイグレーションによる断線が発生するまでの時間を調べた結果について説明する。
【００３０】
ガラスエポキシ基板の上に、幅が１００μｍ、高さが１００μｍの一対の銅パターンを、それらの端面が相互に対向するように形成した。そして、それらの銅パターンの端面にそれぞれＡｇを３μｍの厚さにめっきし、更にその上にＳｎを０．５μｍの厚さにめっきした。その後、ガラスエポキシ基板を２５０℃の温度に加熱してＡｇとＳｎとを相互に拡散させて、Ａｇ3Ｓｎを主成分とする保護層を形成した。そして、それらの保護層間をＳｎ−３．５ｗｔ％Ａｇ合金（はんだ）で接合して、実施例の試料とした。
【００３１】
図５（ａ）は、実施例の試料を模式的に示した図であり、符号３１は銅パターン、符号３２は保護層（Ａｇ3Ｓｎ）、符号３３ははんだ（Ｓｎ−３．５ｗｔ％Ａｇ）を示している。
【００３２】
一方、比較例１として、図５（ｂ）に示すように、保護層３２がない以外は実施例と同様の試料を作成した。また、比較例２として、図５（ｃ）に示すように、保護層３２の替わりに厚さが１３μｍ〜１６μｍのＮｉめっき層３４を形成した以外は実施例と同様の試料を作成した。
【００３３】
なお、はんだ接合部の形状を一定にするため、レジスト膜を形成して銅パターン３１の端面以外の部分にはんだが付着することを防止した。また、実施例及び比較例１，２の試料はそれぞれ複数個ずつ作成した。
【００３４】
次に、抵抗変化にともなうジュール発熱による温度変化を緩和するために、これらの実施例及び比較例１，２の試料を、１６０℃の温度に保ったオイルバス中に浸漬した。そして、定電流装置により実施例及び比較例１，２の試料に、はんだと銅パターンとの接合界面における電流密度が２．５×１０4Ａ／ｃｍ2となる条件で直流電流を流し、エレクトロマイグレーションによる断線が発生するまでの時間を測定した。
【００３５】
図６は、横軸に断線が発生するまでの時間（破断寿命）をとり、縦軸に分布関数Ｆをとって、実施例及び比較例１，２の試料の断線が発生するまでの時間を調べた結果を示す図である。この図６からわかるように、実施例の試料の破断寿命は、比較例１の試料の破断寿命に比べて約３倍長く、比較例２の試料の破断寿命に比べて約６倍長かった。この実験結果により、本実施形態の有効性が確認された。
【００３６】
なお、上述の実験では銅パターンの端面にＡｇとＳｎとを順次めっきし、その後熱処理してＡｇＳｎ合金としているが、銅パターンの端面にＡｇＳｎ合金を直接めっきをした場合においても、同様の結果が得られた。
【００３７】
（実験２）
以下、保護層中のＡｇ含有量とエレクトロマイグレーションによる断線が発生するまでの時間との関係を調べた実験結果について説明する。
【００３８】
銅パターンの端面を被覆する保護層中のＡｇ含有量を種々変えて、前述の実験１の実施例と同様の試料（図５（ａ）参照）を作製した。そして、実験１の実施例と同様に、それらの試料に２．５×１０4Ａ／ｃｍ2の電流密度で直流電流を流し、断線が発生するまでの時間を測定した。
【００３９】
図７は、横軸にＡｇＳｎ合金中のＡｇ含有量をとり、縦軸に断線が発生するまでの時間（破断寿命）をとって、両者の関係を調べた結果を示す図である。この図７からわかるように、Ａｇ含有量が５ｗｔ％未満の場合、及びＡｇ含有量が９５ｗｔ％を超える場合は、いずれも破断寿命が５００時間以下になる。この実験結果から、保護層中のＡｇの含有量は、１０ｗｔ％〜９５ｗｔ％とすることが好ましいことがわかる。
【００４０】
なお、上述の実施形態では電子部品が半導体装置（ＬＳＩ）及び回路基板の場合について説明したが、開示した技術を半導体装置以外の電子部品、例えばチップ型抵抗素子及びコンデンサ素子等に適用してもよいことは勿論である。また、上述の実施形態では半導体装置と回路基板との接合について説明したが、半導体装置同士をはんだ接合する場合にも適用することができる。
【００４１】
以上の諸実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【００４２】
（付記１）はんだ接合により他の電子部品に接続される接続端子を有する電子部品において、
前記接続端子の表面が、ＡｇＳｎ合金により形成された保護層により被覆されていることを特徴とする電子部品。
【００４３】
（付記２）前記ＡｇＳｎ合金がＡｇ3Ｓｎであることを特徴とする付記１に記載の電子部品。
【００４４】
（付記３）前記保護層中のＡｇ含有量が１０ｗｔ％以上、９５ｗｔ％以下であることを特徴とする付記１又は２に記載の電子部品。
【００４５】
（付記４）電子部品と、
前記電子部品が搭載される回路基板と、
前記電子部品の接続端子と前記回路基板の接続端子との間を接合するはんだとを有し、
前記電子部品の接続端子及び前記回路基板の接続端子の少なくとも一方の表面が、ＡｇＳｎ合金により形成された保護層により被覆されていることを特徴とする電子機器。
【００４６】
（付記５）前記はんだが、ＡｇとＳｎとの合金であることを特徴とする付記４に記載の電子機器。
【００４７】
（付記６）前記ＡｇＳｎ合金がＡｇ3Ｓｎであることを特徴とする付記４又は５に記載の電子機器。
【００４８】
（付記７）前記電子部品の接続端子と前記回路基板の接続端子との間に流れる電流の密度が１０4Ａ／ｃｍ2以上であることを特徴とする付記４乃至６のいずれか１項に記載の電子機器。
【００４９】
（付記８）前記保護層が、前記電子部品の接続端子及び前記回路基板の接続端子のうち低電位側の端子のみに設けられていることを特徴とする付記４乃至７に記載の電子機器。
【符号の説明】
【００５０】
１０…電子部品、１１ａ…半導体チップ、１１ｂ…パッケージ、１２…接続端子、１３…保護層、２０…回路基板、２２…接続端子、２３…保護層、２５…はんだ。３１…銅パターン、３２…保護層、３３…はんだ、３４…Ｎｉめっき。
【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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【図６】
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【図７】
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