(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１平面要素の第１環状金属接触パッドを第２平面要素の第２環状金属接触パッドに電気的且つ機械的に接続するはんだジョイントにおいて、
第１体積を形成している屈曲した外部表面を有するはんだ付け手段と、
第２体積を有する内部キャビティとを備え、
前記第２体積は、前記第１体積の１％以上かつ９０％以下であることを特徴とするはんだジョイント。
【請求項２】
第１平面要素の第１金属接触パッドを第２平面要素の第２金属接触パッドに電気的且つ機械的に接続するはんだジョイントにおいて、
第１体積を形成している屈曲した外部表面を有するはんだ付け手段と、
第２体積を有する内部キャビティとを備え、ここで前記第２体積は、前記第１体積の１％以上かつ９０％以下であり、
前記はんだ付け手段が空洞の円柱状はんだ構造を有し、前記空洞の円柱状はんだ構造は、
円柱状外壁と、
前記円柱状外壁を前記第１金属接触パッドに連結する上部胴体と、
前記円柱状外壁を前記第２金属接触パッドに連結する下部胴体とを有することを特徴とするはんだジョイント。
【請求項３】
前記はんだ付け手段が空洞の円形はんだ構造であり、
前記空洞の円形はんだ構造は、
ほぼ円形の外壁と、
前記円形の外壁を前記第１環状金属接触パッドに連結する上部胴体と、
前記円形の外壁を前記第２環状金属接触パッドに連結する下部胴体とを有することを特徴とする請求項１に記載のはんだジョイント。
【請求項４】
前記はんだ付け手段は、はんだ、銀、錫及びはんだフラックス剤よりなる群から選ばれた１種以上の物質の混合物を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のはんだジョイント。
【請求項５】
前記はんだフラックス剤は、ロジン、レジン、活性剤、チキソトロープ剤及び高沸点溶媒よりなる群から選ばれた１種以上の物質を含むことを特徴とする請求項４に記載のはんだジョイント。
【請求項６】
加熱及び冷却工程によりはんだボールにキャビティを形成するための触媒手段において、
２つの平面要素の表面上にそれぞれ形成された環状の金属ランドパターンと、
はんだ物質及びフラックス物質を含み、前記環状のランドパターンに電気的且つ機械的に接触するように配置されたはんだボールと、を備え、
さらに前記はんだボールは、
はんだ物質
フラックス剤からなることを特徴とする触媒手段。
【請求項７】
前記環状の金属ランドパターンは、内部孔により定義される内径及び外径を有し、前記内径は前記環状の金属ランドパターンの外径の90％以下であることを特徴とする請求項６に記載の触媒手段。
【請求項８】
前記はんだボールの直径は、前記環状の金属ランドパターンの外径より大きいことを特徴とする請求項６に記載の触媒手段。
【請求項９】
前記はんだボール中の前記はんだ物質の質量は、前記フラックス物質の質量より小さいことを特徴とする請求項６に記載の触媒手段。
【請求項１０】
第１平面要素の第１金属接触部を第２平面要素の第２金属接触部に電気的且つ機械的に接続するための空洞のはんだジョイントの製造方法において、
(a)環状のランドパターンを有する第１金属接触部をエッチングする段階と、
(b)環状のランドパターンを有する第２金属接触部をエッチングする段階と、
(c)第１金属接触部の環状のランドパターンと接触するはんだ付け手段を配列する段階と、
(d)前記第１平面要素に平行するように、前記はんだ付け手段と接触する前記第２金属接触部を有する第２平面要素を配置する段階と、
(e)前記はんだ付け手段を溶融状態に変化させるために熱を加える段階と、
(f)溶融されたはんだが前記第１金属接触部及び前記第２金属接触部の表面上にリフローするように、所定の時間温度を制御する段階と、
(g)前記はんだ付け手段を固体状態に戻すために熱を除去する段階と、
を含むことを特徴とする製造方法。
【請求項１１】
前記はんだ付け手段は、はんだ、銀、錫及びはんだフラックス剤よりなる群から選ばれた１種以上の物質の混合物で形成されたはんだボールであることを特徴とする請求項１０に記載の製造方法。
【請求項１２】
前記はんだフラックスは、ロジン、レジン、活性剤、チキソトロープ剤及び高沸点溶媒よりなる群から選ばれた１種以上の物質を含むことを特徴とする請求項１１に記載の製造方法。
【請求項１３】
前記内部キャビティが前記第１環状金属接触パッドのランド孔に結合することを特徴とする請求項１に記載のはんだジョイント。
【請求項１４】
前記内部キャビティが前記第２環状金属接触パッドのランド孔に結合することを特徴とする請求項１に記載のはんだジョイント。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部接続端子としてはんだボールを有する半導体装置に関し、さらに詳しくは、ボールグリッドアレイ(Ball Grid Array;BGA、以下ボールグリッドアレイを「BGA」という)半導体装置に設けられる信頼性が高いはんだジョイント及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路に通常的に使われる実装及び電気的接続メカニズムは、ボールグリッドアレイ(Ball Grid Array;BGA)方式であって、はんだボールが集積回路の複数の接触パッドに各々形成され、はんだボールと対向する金属接触パッドを有する実装基板とはんだ接合する。熱が加えられると、はんだボールは液化し、はんだコンパウンドに含まれたフラックス剤(fluxing agent)によって、接触パッドの露出した金属面に流れることになり、各実装パッドと信頼性ある電気的接続をなす。冷却後に硬化したはんだは、集積回路を基板に機械的に支持する堅固な実装構造を形成する。
【０００３】
一般に、集積回路を実装するパッケージのサイズは、半導体チップサイズ程度に縮小することができるが、これをチップサイズパッケージ(Chip Size Package;CSP)、またはチップスケールパッケージ(Chip Scale Package;CSP、以下チップサイズパッケージまたはチップスケールパッケージを「CSP」という)と呼ぶ。従来のワイヤーボンディングされた末端リードを有するパッケージとは異なって、CSPでは、外部端子アレイとBGAはんだボールとが集積回路の表面全体にわたって配設されており、パッケージを印刷回路基板に直接接続させる。その後、完成されたはんだ構造は、非弾性的(inelastic)であるので、アセンブリーに一層堅固な実装メカニズムを付与する。
【０００４】
しかしながら、チップの組成物と、対向する従来の印刷回路基板のエポキシ-ガラス物質(epoxy-glass material)とは、熱膨張係数(Coefficient of Thermal Expansion;CTE)が互いに異なるため、関連回路のオン及びオフ動作と関連した熱サイクリング効果(thermal cycling effect)により、対向している二つの平面要素が異なる膨脹運動をする。このため、はんだジョイント部位に水平剪断応力(lateral shearing stress)が生じ、この応力ははんだボール、より具体的には、はんだボールと金属接触パッドとの接合部分により吸収される。熱サイクリングが繰り返されると、この接合部での金属の疲労破壊(metal fatigue)ははんだ構造の破壊を招く可能性があり、ひいては回路基板が作動できなくなる。言い換えれば、チップが使用中に過熱されれば、チップと基板が膨脹し、熱が除去されれば、チップと基板が収縮することになる。熱膨張係数の差異によってチップと基板が異なる割合で膨脹し収縮するので、チップと基板を接続する接続部またははんだボールに応力が加えられる。
【０００５】
図１は、複数のはんだボール１２を有する従来のボールグリッドアレイ(BGA)インタフェース構造１０の断面図である。図１に示されたように、BGAインタフェース構造１０は、上部平面要素１４及び下部平面要素１８で構成される。上部平面要素１４は、はんだボール１２を介して下部平面要素１８に連結される第１金属導電パッド１６を含み、下部平面要素１８は第２金属導電パッド２０を含み、平面要素それぞれの電子回路の間を電気的且つ機械的に連結する。導電体は、隣り合う導電体との間に隔離空間２２をもって各平面要素の上部面に適切に配置されている。二つの平面要素１４、１８は、各々互いに異なる熱膨張係数(CTE)を有する。熱膨張係数(CTE)間の過度な不均衡に起因して、前述したようにはんだジョイント部位の破壊により熱サイクリング不良が生ずる。
【０００６】
時に、気化したフラックスは、工程過程及びはんだコンパウンドの不充分な濡れ性等の要因のため、完璧に気体除去(out-gassing)がなされず、導電体-はんだ界面に微細な気泡(voids)を発生させる。このような気泡は、完成された接合構造において疲労破壊強度を弱化させる。
【０００７】
図２は、不充分な濡れ(wetting)によって導電パッド１６とはんだボール１２間の接合部位で微細気泡２４が発生した状態を示し、従来のBGA構造の断面図である。このような微細気泡２４は、溶融されたはんだボール１２が各々導電パッド１６に流れる時に形成され、はんだペーストコンパウンドにおけるフラックスは、導電パッド１６の中心から外部に向かって流れる。はんだコンパウンドの温度が上昇すれば、フラックスは気化し、フラックス蒸気の大部分は大気中に蒸発する。しかし、蒸気の一部は、はんだボールが冷却された後にもはんだボール１２に閉じ込められ、はんだボール１２内部に微細気泡２４を形成させる。
【０００８】
図１及び図２に示された構造は、互いに反対の応力が適用され、２つの平面要素１４、１８において導電パッド１６及びはんだボール１２を連結する各ジョイント部位での破壊(cracking)を発生させ易い。このような電気的接続及び機械的実装メカニズムにおける不良は、信頼性ある基板材質としてのエポキシ-ガラス(epoxy-glass)の使用を排除し、チップの熱膨張係数に一層近い熱膨張係数を有する高価なセラミック材質の使用を助長する。従来のBGAタイプ半導体装置実装構造に用いられるはんだボールのジョイント界面に関する説明は、米国特許第6,122,177号及び日本国特開平9-209591号に詳細に記載されている。また、International  Business  Machines  Corporationの製造アセンブリー技術報告書である"Doubled-Sided  4Mb  SRAM  Coupled  Cap  PBGA  Card  Assembly  Guide"及びTaxas  Instrument  Corporationの報告書"MicroStar  BGA  Packaging  Reference  Guide"にも記載されている。
【０００９】
従来技術によるはんだボール内部のこのような微細気泡の存在、ならびにそれによるジョイント部位の脆化は、重要な問題点である。このような気体物質が冷却されたはんだ構造内部に残存することになるので、この微細気泡は、低温はんだフラックス溶媒の熱膨張によるはんだボールの内部での気体容積変位(gaseous volumetric displacement)として定義される。一般に、従来のはんだ工程は、このような溶媒のガス除去(de-gassing)のための時間であるウォームアップ期間(warm-up period)を含むので、そのような気泡は最小化され、はんだ構造全体の容積の0.1％未満の総気体容積を有することになる。しかしながら、このようなウォームアップ期間のヒーティングは、はんだボールに含まれたはんだペーストを早期に乾燥させる可能性があり、それによる電気的接続の低下を招く。
このため、従来のBGA構造は、特にエポキシ-ガラス基板が使われる場合、はんだボール接続の破壊または破裂を防止するには不充分である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、はんだボール構造にキャビティを形成したり、環状の金属パターンのボードランド構造での気泡を除去することで、チップと印刷回路基板間の接続信頼性を向上させることができるはんだジョイント及びその製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、第１平面要素の第１金属接触パッドを第２平面要素の第２金属接触パッドに電気的且つ機械的に接続するはんだジョイントにおいて、第１体積を形成している屈曲した外部表面を有するはんだ付け手段と、第２体積を有する内部キャビティとを備えることを特徴とするはんだジョイントを提供する。また、はんだジョイントは、空洞の円柱状または空洞の円形はんだ構造を有する。空洞の円柱状はんだ構造は、円柱状外壁と、前記円柱状外壁を前記第１金属接触パッドに連結する上部胴体と、前記円柱状外壁を前記第２金属接触パッドに連結する下部胴体とを含む。前記空洞の円形はんだ構造は、ほぼ円形の外壁と、前記円形外壁を前記第１金属接触パッドに連結する上部胴体と、前記円形外壁を前記第２金属接触パッドに連結する下部胴体とを含む。内部キャビティの第２体積は、はんだジョイントの総体積である第１体積の1％から90％の範囲にある。はんだ構造を維持するために用いられるはんだコンパウンドは、はんだ(solder)、銀(silver)、錫(tin)及びフラックスよりなる群から選ばれた１種以上の物質の混合物を含む。この際、フラックスは、ロジン(rosin)、レジン(resin)、活性剤(activator)、チキソトロープ剤(thixotropic  agent)及び高沸点溶媒(high temperature boiling solvent)よりなる群から選ばれた１種以上の物質を含む。
【００１２】
本発明の他の様態によれば、本発明は、加熱(heating)及び冷却(cooling)工程によりはんだボールにキャビティを形成するための触媒手段の構造を提供する。触媒手段は、平面要素表面上に形成された環状の金属ランドパターンと、はんだ物質及びフラックス物質を含み、前記環状のランドパターンに接触するように配置されたはんだボールとを含む。環状の金属ランドパターンは、内部孔により定義される内径及び外径を有し、前記内径は前記環状の金属ランドパターンの外径の90％以下である。はんだボールの直径は、前記環状の金属ランドパターンの外径より大きい。はんだ物質の質量は、前記フラックス物質の質量より小さいか、またははんだ物質の重量比がフラックス物質の重量比より小さい。
【００１３】
本発明のさらに他の様態によれば、本発明は、第１平面要素の第１金属接触部を第２平面要素の第２金属接触部に電気的且つ機械的に接続するための空洞のはんだジョイントの製造方法を提供し、この製造方法は、(a)環状のランドパターンを有する第１金属接触部をエッチングする段階と、(b)円形のランドパターンを有する第２金属接触部をエッチングする段階と、(c)前記環状のランドパターンと接触するはんだ付け手段を配列する段階と、(d)前記第１平面要素に平行するように、前記はんだ付け手段と接触する前記第２金属接触部を有する第２平面要素を配置する段階と、(e)前記はんだ付け手段を溶融状態に変化させるために熱を加える段階と、(f)溶融されたはんだが前記第１金属接触部及び前記第２金属接触部表面上にリフローされるように、所定の時間温度を制御する段階と、(g)前記はんだ付け手段を固体状態に戻すために、熱を除去する段階とを含む。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
図３は、本発明の一実施例によるはんだジョイントにおいて、キャビティ２８を有するバレル型(barrel-shaped)はんだ構造２６の断面図である。上部平面要素１４に円形(circular)の導電パッドでない環状(annular)の導電パッド３０を形成することによって、非導電性/非濡れ性(non-conductive/non-wetting)を有する環状の中心部位に気化したフラックスを蓄積するための第１根源点(seeding point)が形成される。はんだの加熱及び液化工程のあいだ、蒸気が膨脹しながら、溶融されたはんだの表面張力及び粘度によって第１内部キャビティが形成される。対向する下部平面要素１８も環状の導電パッド３２及び第２根源点を含むので、第２内部キャビティが第１内部キャビティと結合し始め、キャビティ２８を形成する。表面張力特性は、液化した構造において外部凸型の形状を形成させ、冷却すれば、図３に示されたようなバレル型の形状に凝固させる。これは、内部の気化したフラックスが収縮する前に、外壁がまず凝固されるからである。
【００１５】
ヒーティングされる間、エポキシ樹脂(またはポリイミドテープ)とはんだボール２６との接触角が180゜であるので、はんだコンパウンドは、エポキシ樹脂(またはポリイミドテープ)下部の環状の導電パッド３０、３２のランド孔３４、３６に流れない。ランド孔３４、３６の直径は、約0.1mmである。ランド孔３４、３６を囲む微細気泡は、併合され中心部分に集中し、巨大な気泡、すなわちキャビティ２８が中心部分に形成される。このキャビティの総体積は、はんだ構造の総体積の1％から90％の範囲である。キャビティの体積は、はんだのヒーティング期間中の温度及び時間を制御することによって調節できる。はんだの組成は、はんだと、はんだ合金と、フラックス蒸気とからなる。すなわち、はんだコンパウンドは、はんだ(solder)、銀(silver)及び錫(tin)のような一般的なはんだ付け物質のいずれか一つと、ロジン(rosin)、レジン(resin)、活性剤(activator)、チキソトロープ剤(thixotropic agent)及び高温沸点を有する溶媒(high temperature boiling solvent)よりなる群から選ばれた１種以上の物質を選択してなるフラックス剤とで構成される。
【００１６】
図４は、図３の分解組立図である。ランド孔３４を有する環状の導電パッド３０は、エッチングされて上部平面要素１４に塗布され、ランド孔３６を有する環状の導電パッド３２は、エッチングされて下部平面要素１８に塗布される。フレキシブルバレル型(flexible barrel-shaped)のはんだ構造２６及びキャビティ２８は、二つの平面要素１４、１８を連結する。図４に示された構造の相対的サイズをよく理解するために、例示的寸法を挙げると、環状の孔の直径は約0.1mm、環状のリングの外径は約0.4mm、はんだボールの最初の直径は約0.45mmである。このような数値は、ただ例示的なものに過ぎず、本発明の範囲を制限するものではない。粘着力(cohesive force)及び接着力(adhesive force)だけでなく、表面実装によってはんだが孔の中心から流れ出すように、孔直径は十分に大きい必要がある。また、溶融はんだが環状のリングの露出した金属のあらゆる部分と接触してリフローし、金属疲労破壊の開始点になり得る非連続部分や断絶部分がない連続的な外壁を形成するように、はんだボールは環状のリングの外径より十分に大きい必要がある。
【００１７】
図５は、図３に示されたはんだ構造において、２つの平面要素１４、１８が互いに反対方向に動くように側方応力(lateral stress force)が加えられた場合の断面図である。バレル型のはんだ構造２６の傾きは、はんだ構造２６のフレキシブル外壁の屈曲運動を示すものであり、これにより、潜在的破壊応力が中和され、あるいは減少し、または接合部分３８、４０から除去される。
【００１８】
図６は、本発明の他の実施例によるはんだジョイント４２において、上部平面要素１４が円形の導電パッド４４を含み、下部平面要素１８が環状の導電パッド４６を有する場合の断面図である。このような配列は、円形の、または涙滴型(tear-drop shape)のはんだ構造４８を形成し、このようなはんだ構造４８は、薄膜のフレキシブル外壁５０を保持する。環状の導電パッドは、上部平面要素１４または下部平面要素１８の一方に位置することができ、キャビティが環状の孔に対応して位置するように、対向する平面要素に円形の導電パッドを配置する。
【００１９】
図７は、図５に示されたものと類似な側方応力に反応する図６のはんだ構造の屈曲動作を示す断面図である。図５に示された構造と同様に、潜在的な破壊応力がはんだ構造のフレキシブル外壁により吸収または中和され、はんだ構造４８と平面要素１４、１８間の接合部４４により減少または除去される。図７に示されたはんだ構造は厚い外壁を有するように見えるが、はんだ組成の操作、ならびに温度と時間のバラツキを含む熱的変数によって所望の数値の厚みを有する外壁を形成することができる。
【００２０】
キャビティ２８のサイズは、いくつかの物理的及び化学的要因によるが、その要因として、はんだコンパウンドを構成するフラックス-はんだの重量比率、はんだコンパウンドに含まれたはんだ成分のタイプ及び特性、使われたフラックスのタイプと蒸発または沸点、環状の導電パッド３０、３２の直径に対するランド孔３４、３６の中心孔の相対的サイズ、球状のはんだ構造２６、４８の最初の直径に対する環状の導電パッド３０、３２の相対的サイズ、球状のはんだ構造２６、４８の直径に対する平面要素１４、１８の相対的隔離距離、ならびにアセンブリーでの温度変化率、温度変化量及び温度変化のドウェルタイム(dwell time)などを挙げることができる。そして、多様な定性測定法(qualitative measurements)が用いられることができる。例えば、はんだコンパウンドを重量比で混合することが各要素の量を決定するための便利な測定方法であるとしても、体積測定法(volumetric measure)も使うことができる。はんだ構造の測定は、はんだ体積に対する気体の比率、はんだ構造の幅の総直径に対する外壁厚み、または平面要素の隔離距離に対するキャビティ直径としてアドレスされることができ、これも本発明の範囲に属するものである。
【００２１】
図８は、固相表面上で濡れ平衡状態(wetting equilibrium)に置かれている液滴を示す。図６の球状キャビティの形状、ならびに図３のバレル型キャビティの形状は、液状はんだの表面張力及び濡れ性により決定される。例えば、図３のバレル型のキャビティ２８は、ランド孔３４、３６の端部から所定の接触角で成長が始まる濡れ性を用いて容易に製造することができる。固相表面での濡れ平衡に対する詳細な内容は、Kinloch, A. J.のAdhesion and Adhesives: Science and Technology, Chapman and Hall, 1987及びKitano, M. and Honda, M.の"Shape prediction of solder bump joint by surface tension analysis and fatigue strength evaluation, "Advanced in Electronic Packaging, ASME, 1997, pp 1407-1412に記載されている。
【００２２】
表面張力を平衡接触角θと関連させたヤング（Young）の式(１)は、３相(液状はんだ、銅ランド及び気泡)の接触点での濡れ平衡を示し、これは、次の通りである。
ΓSV=ΓSL+ΓLVCOSθ…………(１)
【００２３】
ここで、ΓSLとΓLVは、各々固体(銅ランド)/液体(はんだ)及び液体(はんだ)/気体(気泡)での表面張力を示す。ΓSVは、液体から蒸気の吸収の結果から生じる固体基板の表面自由エネルギー(surface free energy)を意味し、真空での固体の表面自由エネルギーΓSより非常に低い値を有する。
【００２４】
例えば、はんだと空気との間、または水と油との間のように、密度が不連続的な場合、表面張力は常に存在することになる。図３及び図６に示されたはんだ構造の内部及び外部表面の形状は、ラプラス（Laplace）方程式(２)とベルヌーイ（Bernoulli）方程式(３)によって数学的に説明することができる。圧力差ΔPと表面張力Γの関係を示すラプラス（Laplace）方程式は、次の通りである。
【００２５】
ΔP=Γ(1/R1+1/R2)…………(２)
ここで、R1とR2は、表面の曲線の半径である。ベルヌーイ（Bernoulli）方程式(３)は、重力の効果を考慮しており、次の通りである。
P=P0-ρgh…………(３)
【００２６】
ここで、液状はんだ内部の圧力Pは、基準圧力P0と、はんだ密度ρ、重力加速度g及び基準点からの高さhの積とで表される。
図９及び図１０は、完成されたはんだ構造の代表的な熱分析(thermal analysis)結果を示す。図９は、傾斜によるバレル型はんだ構造２６において異なる地点A、B、Cでの等価焼成変形を示すダイヤグラムである。
【００２７】
【表１】
0003958125.tif 000002
【００２８】
表１は、図９に示されたダイヤグラムに対応する数値を示す。例えば、バレル型はんだ構造の0.35mm直径を有するランドは、0.30mmまたは0.40mm直径と比べて、より良好な変形抵抗特性(strain resistance characteristics)を有する。図１０は、図１から図６に示された異なる構造に対する蓄積等価焼成変形(accumulated equivalent plastic strain)を示すダイヤグラムである。
【００２９】
【表２】
0003958125.tif 000003
【００３０】
表２は、図１０に示されたダイヤグラムに対応する数値を示す。図３に示されたバレル型はんだ構造２６は、図１に示された従来のはんだボール１２(表２の"普通形状")、または図６に示された涙滴型はんだジョイント４２(表２の上部及び下部ボイド)に比べて極めて高い変形吸収特性(strain absorption characteristics)を有する。涙滴型はんだ構造がバレル型はんだ構造２６程度の明確な弾性許容力(resiliency)をもたないとしても、図１の従来技術に示された従来のはんだボール１２より向上した構造を示す。したがって、本発明の望ましい実施例を使用することによって、多様なジョイントに加えられる応力を低減させたり、除去することができる。したがって、本発明によれば、接続信頼性を大きく向上することができる。
【００３１】
前記した通り、２種類の平面要素の機械的結合のための、弾性許容を有するはんだジョイントの望ましい製造方法は、
(１)第１平面要素に少なくとも１つの円形金属接触パッドを形成する段階と、
(２)第２平面要素に少なくとも１つの環状金属接触パッドを形成する段階と、
(３)環状金属パッドの中心部分に球形はんだ要素を配置する段階と、
(４)各平面要素の金属接触パッドが水平に整列され、互いに接触するように、
第２平面要素に対して第１平面要素を水平に配置する段階と、
(５)はんだコンパウンドが溶融するように、所定の温度で結合アセンブリーを加熱する段階と、
(６)平面要素が互いに整列され、２つの平面要素が良好なはんだ結合を維持するように、結合アセンブリーの溶融／リフロー温度を所定の時間維持させる段階と、
(７)内部キャビティを有するはんだが固形化するように、温度を低くする段階とを含む。
【００３２】
はんだ要素は、はんだコンパウンドを形成するために、所定の割合で混合されたはんだ剤及びフラックス剤を含む。はんだコンパウンドは、溶融及び再固形化した後、完成されたはんだ構造が次のような基準中の少なくとも一つを満足させる内部気泡を有することを特徴とする。
【００３３】
(a)内部キャビティの体積がはんだジョイントの総体積の少なくとも1％であること。
(b)内部気泡と外部表面の間が最も薄い地点でのはんだ外壁の厚みが、２つの平面要素間の中間地点でのはんだ構造を通過して切断された断面の最大横方向距離の10％未満であること。
【００３４】
上部及び下部導電パッドの異なる構造及び相対的なサイズによって異なる多様な形状のはんだ構造が形成され、これは、本発明の範囲に属する。
本発明は、本発明の技術的思想から逸脱することなく、他の種々の形態で実施することができる。前述の実施例は、あくまでも、本発明の技術内容を明らかにするものであって、そのような具体例のみに限定して狭義に解釈されるべきものではなく、本発明の精神と特許請求の範囲内で、いろいろと変更して実施することができるものである。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、はんだボール構造内部に一つの巨大キャビティを形成することによって、BGA半導体装置でのはんだボール接続の信頼性を高めることができる。このようなキャビティは、揮発性フラックス剤を有するはんだボールと接触する環状リングの形態の接触パッドを用いて形成することができる。はんだボールが溶融される間、気化したフラックス剤は、環状リングの非導電性孔の周囲に蓄積され、效果的にはんだボールを膨脹させ、冷却されると、フレキシブルな薄膜の外壁を有する空洞のはんだ構造を形成させる。このようなフレキシブルな薄膜の外壁を有する空洞のはんだ構造は、対向する平面要素の水平運動を吸収して、はんだジョイント部位での不良発生を防止する。したがって、空洞のはんだボールと下部構造間のジョイントは、破壊されたり弱化することなく、熱サイクリングが繰り返される間に形成される熱応力(thermal stress)が效果的に吸収され放出される。
【００３６】
したがって、本発明のはんだ構造は、はんだ構造の内部に一つのキャビティを形成するため、全体的なはんだボンドに弾性(resiliency)を付与与する。このようなキャビティは、水平応力(lateral stress)が加えられたはんだボンドに、充分な弾性を有するフレキシブル薄膜の外壁を有するバレル型はんだ構造を提供し、導電パッドとはんだボール間のジョイントに発生する応力を除去する。
【００３７】
すなわち、半導体集積回路を基板表面に電気的且つ機械的に連結するために、空洞のはんだボール構造を利用するので、このようなはんだボール構造の焼成及び弾性特性によって２つの平面要素間の潜在的破壊応力が吸収され、はんだジョイント部位での破裂などのような不良を防止し、チップと印刷回路基板間の接続信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】複数のはんだボールを有する従来のボールグリッドアレイ(BGA)インタフェース構造を示す断面図である。
【図２】従来のボールグリッドアレイ(BGA)構造において、不充分な濡れ性(wetting)によって導電パッドとはんだボール間の接合部分で微細気泡が発生する状態を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施例による巨大気泡を有するバレル型(barrel-shaped)はんだジョイントを示す断面図である。
【図４】本発明の一実施例によるはんだジョイントを示す分解斜視図である。
【図５】本発明の一実施例によるはんだジョイントにおいて、平面要素が互いに反対方向に動くように側方応力(lateral stress force)が加えられた場合を示す断面図である。
【図６】本発明の他の実施例によるはんだジョイントにおいて、一方の平面要素が環状の導電パッドを含み、他方の平面要素が円形の導電パッドを有する場合を示す断面図である。
【図７】本発明の他の実施例によるはんだジョイントが図５と類似な側方応力に反応して屈曲動作を行う状態を示す断面図である。
【図８】固相表面上で濡れ平衡状態(wetting equilibrium)に置かれている液滴を示す模式図である。
【図９】本発明の実施例によるバレル型はんだジョイントの異なる地点での等価焼成変形(equivalent plastic strain)を示す図である。
【図１０】図１から図６に示された異なる構造での蓄積等価焼成変形(accumulated equivalent plastic strain)を示す図である。
【符号の説明】
１４、１８  平面要素
２６  はんだ構造
２８  キャビティ
３０、３２  導電パッド
３４、３６  ランド孔
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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