(57)【要約】  本発明によって解決される問題は、半導体装置において劣化の早期の警報を供給する基板を提供することである。この問題は、半導体構成要素およびはんだ接合を含む実装置と、前記基板上の前記実装置に近接して配置され前記実装置の並列回路において電気的に接続されたダミー装置とを含み、前記ダミー装置は、ダミー半導体構成要素と、外部はんだ接合部分および内部はんだ接合部分を含むはんだ接合を含み、前記外部はんだ接合部分は前記実装置の前記はんだ接合と同じ特性を有し、前記内部はんだ接合部分は前記外部はんだ接合よりも速く前記亀裂成長を加速し、外部はんだ接合部分の面積率は、電気変化の閾値に対応する実装置における層間剥離率の所定の故障判断基準よりも小さい基板を提供することによって解決される。
2016532074.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置における劣化の早期の警報を供給する基板であって、半導体構成要素およびはんだ接合を含む実装置と、前記基板上の前記実装置に近接して配置され前記実装置の並列回路において電気的に接続されたダミー装置とを含み、前記ダミー装置は、ダミー半導体構成要素と、外部はんだ接合部分および内部はんだ接合部分を含むはんだ接合を含み、前記外部はんだ接合部分は前記実装置の前記はんだ接合と同じ特性を有し、前記内部はんだ接合部分は前記外部はんだ接合よりも速く前記亀裂成長を加速し、外部はんだ接合部分の面積率は、電気変化の閾値に対応する実装置における層間剥離率の所定の故障判断基準よりも小さい基板。
【請求項２】
前記実装置の周辺に近接して配置されその他のダミー装置および実装置に対して並列回路で電気的に接続された１つ以上のダミー装置を含む請求項１に記載の基板。
【請求項３】
前記内部はんだ接合部分は脆性の析出、脆性の金属間化合物、空隙の形成、界面における強度の弱いはんだ接合のうちから選択された形成を含む請求項１に記載のダミー装置。
【請求項４】
前記内部はんだ接合部分における前記脆性の析出および／または脆性の金属間化合物は前記基板上にバリア層を使用することによって形成され、内部はんだ接合部分に対する前記バリア層は無電解Ｎｉからなり、外部はんだ接合部分に対する前記バリア層は電解Ｎｉからなる、請求項３に記載のダミー装置。
【請求項５】
空隙の前記形成はカーケンドール空隙の広範囲の形成である請求項３に記載のダミー装置。
【請求項６】
請求項５に記載の前記ダミー装置を製造する方法であって、
前記基板表面の前記内部はんだ接合部分に対する前記バリア層の厚さが前記外部はんだ接合部分に対する前記バリア層の厚さよりも薄い基板表面を使用することによって、前記内部はんだ接合部分に対してカーケンドール空隙の広範囲の形成を実行し、
前記外部はんだ接合部分に対する前記バリア層の厚さの８０％以下である前記内部はんだ接合部分に対する前記バリア層の厚さを実現し、
リフローソルダリング処理後および／または１５０℃より高温の前記実際の使用環境中に１５０℃より高温に前記内部はんだ接合部分を露出することを含み、前記方法は高温条件（１５０℃より高温）に対して適用可能である方法。
【請求項７】
前記基板はダミー半導体チップ表面である、請求項６に記載の前記ダミー装置を製造する方法。
【請求項８】
空隙および／または前記界面において強度の弱いはんだ接合の形成は、リフロー処理中の前記内部はんだ接合部分に対する前記基板表面またはダミー半導体チップ表面上のはんだぬれ性の悪化によって実行される請求項５に記載の前記ダミー装置を製造する方法。
【請求項９】
前記内部はんだ接合部分に対する基板表面の金被覆厚さは、前記外部はんだ接合部分に対する前記基板表面の厚さの３０％以下である請求項８に記載の前記ダミー装置を製造する方法。
【請求項１０】
前記内部はんだ接合部分に対する半導体チップ表面の金被覆厚さは、前記外部はんだ接合部分に対する前記半導体チップ表面の金被覆厚さの３０％以下である請求項８に記載の前記ダミー装置を製造する方法。
【請求項１１】
１ｎｍ以上の厚さを有する酸化層がＯ２プラズマによって前記内部はんだ接合部分に対応する前記はんだ膜表面の一方の側および／または両側上に形成され、前記外部はんだ接合部分に対応する前記はんだ膜表面はマスクによって覆われてはんだ膜の前記外部はんだ接合部分上に前記酸化層が形成されるのを防ぐ請求項８に記載の前記ダミー装置を製造する方法。
【請求項１２】
前記内部はんだ接合部分の前記空隙は、前記はんだ膜の中部分に不連続構造を使用することによって前記リフロー処理中に閉じ込められた空気である請求項３に記載の前記ダミー装置を製造する方法。
【請求項１３】
はんだ膜は前記中間部分またははんだ膜に幾つかの穴を有してパターン形成される請求項１２に記載の前記ダミー装置を製造する方法。
【請求項１４】
はんだ膜は、はんだ膜の前記中間部分に幾つかのはんだボールで埋められた開口部または大穴を有してパターン形成される請求項１２に記載の前記ダミー装置を製造する方法。
【請求項１５】
前記形成は脆性の析出、脆性の金属間化合物および空隙の形成のうちから選択された請求項１に記載の内部はんだ接合部分。
【請求項１６】
前記脆性の析出および脆性の金属間化合物は前記基板上のバリア層によって形成され、内部はんだ接合部分に対する前記バリア層は無電解Ｎｉからなり、外部はんだ接合部分に対するバリア層は電解Ｎｉからなる請求項１５に記載の内部はんだ接合部分。
【請求項１７】
空隙の前記形成は、カーケンドール空隙の広範囲の形成である請求項１５に記載の内部はんだ接合部分。
【請求項１８】
カーケンドール空隙の前記広範囲の形成は、前記内部はんだ接合部分に対する前記バリア層の厚さが前記外部はんだ接合部分に対する前記バリア層の厚さの８０％以下である前記基板表面および／または前記半導体チップ表面を使用することによって実現される請求項１５に記載の内部はんだ接合部分。
【請求項１９】
前記空隙の形成および／または前記界面におけるはんだ接合の強度の弱さは、前記リフロー処理中に前記基板表面および／または前記半導体チップ表面上ではんだぬれ性が悪化したことにより形成される請求項１５に記載の内部はんだ接合部分。
【請求項２０】
前記内部はんだ接合部分に対する表面の前記金被覆厚さは、前記外部はんだ接合部分に対する前記表面の前記金被覆厚さの３０％以下である請求項１９に記載の内部はんだ接合部分。
【請求項２１】
１ｎｍ以上の厚さを有する酸化層を有する前記はんだ膜は、Ｏ２プラズマによって前記内部はんだ接合部分に対応する前記はんだ膜表面の一方の側および／または両側上に形成され、前記外部はんだ接合部分に対応する前記はんだ膜表面は、マスクによって覆われて前記外部はんだ接合部分に対応する前記はんだ膜表面上に前記酸化層が形成されるのを防ぐ請求項１９に記載の内部はんだ接合部分。
【請求項２２】
空隙を含み、前記空隙ははんだ膜の中間部分に不連続構造を有する前記はんだ膜を使用することによって。前記リフロー処理中に閉じ込められた空気として形成される請求項１５に記載の内部はんだ接合部分。
【請求項２３】
前記不連続構造のはんだ膜は前記中間部分またははんだ膜にいくつかの穴を有してパターン形成される請求項２２に記載の内部はんだ接合部分。
【請求項２４】
前記不連続構造のはんだ膜ははんだ膜の前記中間部分にいくつかのはんだボールによって埋められた開口部または大きな穴を有してパターン形成される請求項２２に記載の内部はんだ接合部分。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、実装置およびはんだ接合を含む半導体装置および基板上の実装置に近接して配置されたダミー装置における劣化の早期の警報を供給する基板、ダミー装置、ダミー装置の製造方法、および内部はんだ接合部分に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置を含む電子製品において、実際の使用における予期せぬ故障は、エンドユーザにとって莫大な金融費用および生命を脅かすような結果をもたらす場合があるため、電子製品の信頼性および利用可能性は重要な問題となってきた。故障が発生する前に故障発生の兆候が検出することができれば、前もって保守を行うなどの手段を講じることが可能である。大部分の故障の場合、故障の根本原因が既知であるため、上記の方法は製品の回復を容易かつ迅速にし、結果的に利用可能性を高める。したがって、前もって手段を講じて保守を実行できるようにする接合故障の早期の警報および正確な予測システムが望ましく、その故障の原因となる破損が起きる前に故障発生の兆候を検出するダミー装置は効果的な故障予測方法となりえる。電源装置などの電子製品において、半導体チップと基板との間の接合部は、振動および圧力などの外部負荷の印加によって徐々に破損する。温度が変動すると、半導体チップと基板の熱膨張係数間の差によって、接合部が変形量の差を吸収するため、発熱および温度変動の結果発生する負荷が接合部を破損することが問題となってきた。
【０００３】
半導体装置において、はんだ接合部の破損と、抵抗変化によって計測される接着アルミニウム膜の層間剥離との間には相関性があるため、温度変動に起因する電子装置のはんだ接合破損の程度は、対応する基板上の接着アルミニウム膜によって監視することができる（特許文献１）。
【０００４】
ボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）における接合破損は、配線の破壊強度がバンプ接合部の破壊強度よりも低いコーナー電極パッドに接続された配線の切断に起因する電気抵抗値の変化によって予測できる（特許文献２）。
【０００５】
カーケンドール空隙およびエレクトロマイグレーションが原因で発生する接合破損は、他の導体によって挟まれた導体を含む構造であって、そのサンドイッチ構造にわたって流れる電流が電気故障を発生させる構造によって予測することができる（特許文献３）。
【０００６】
回路基板上に搭載された電子部品の寿命は、実際の部品よりも小さい熱伝導度を有するはんだ接合部を有する余寿命診断装置における発生故障に基づいて予測することができる（特許文献４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許公報第２０１０−６２１９０号
【特許文献２】特許出願第２０１１−５３２８５３号
【特許文献３】特許公報第２０１０−２０９１９９号
【特許文献４】特許公報第２０１１−２５２８４２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記のようなさまざまな種類の寿命予測には、実装置と故障の発生の兆候を検出する装置の関係を最初に決定しなければならないという方法がある。さらに、上記のさまざまな方法は特定の限定された条件下でのみ適用可能であったため、その変動の大きさが原因で、さまざまな使用条件下では寿命予測の精度が低くなる。したがって、破損が起きて故障を発生させる前に故障発生の兆候を検出するためにさまざまな使用条件に適用可能な適応型のダミー装置が望まれてきた。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の目的は以下の手段によって解決される。
（１）半導体装置における劣化の早期の警報を供給する基板であって、半導体構成要素およびはんだ接合を含む実装置と、前記基板上の前記実装置に近接して配置され前記実装置の並列回路において電気的に接続されたダミー装置とを含み、前記ダミー装置は、ダミー半導体構成要素と、外部はんだ接合部分および内部はんだ接合部分を含むはんだ接合を含み、前記外部はんだ接合部分は前記実装置の前記はんだ接合と同じ特性を有し、前記内部はんだ接合部分は前記外部はんだ接合よりも速く前記亀裂成長を加速し、外部はんだ接合部分の面積率は、電気変化の閾値に対応する実装置における層間剥離率の所定の故障判断基準よりも小さい基板。
（２）前記実装置の周辺に近接して配置されその他のダミー装置および実装置に対して並列回路で電気的に接続された１つ以上のダミー装置を含む（１）に記載の基板。
【００１０】
（３）前記内部はんだ接合部分は脆性の析出、脆性の金属間化合物、空隙の形成、界面における強度の弱いはんだ接合のうちから選択された形成を含む（１）に記載のダミー装置。
（４）前記内部はんだ接合部分における前記脆性の析出および／または脆性の金属間化合物は前記基板上にバリア層を使用することによって形成され、内部はんだ接合部分に対する前記バリア層は無電解Ｎｉ（またはＮｉＰなどの高い不純物成分を有するＮｉ）からなり、外部はんだ接合部分に対する前記バリア層は電解Ｎｉからなる（３）に記載のダミー装置。
（５）空隙の前記形成はカーケンドール空隙の広範囲の形成である（３）に記載のダミー装置。
【００１１】
（６）（５）に記載の前記ダミー装置を製造する方法であって、前記基板表面の前記内部はんだ接合部分に対する前記バリア層の厚さが前記外部はんだ接合部分に対する前記バリア層の厚さよりも薄い基板表面を使用することによって、前記内部はんだ接合部分に対してカーケンドール空隙の広範囲の形成を実行し、
前記外部はんだ接合部分に対する前記バリア層の厚さの８０％以下である前記内部はんだ接合部分に対する前記バリア層の厚さを実現し、
リフローソルダリング処理後および／または１５０℃より高温の前記実際の使用環境中に１５０℃より高温に前記内部はんだ接合部分を露出することを含み、前記方法は高温条件（１５０℃より高温）に対して適用可能である方法。
（７）前記基板表面はダミー半導体チップ表面である（６）に記載の前記ダミー装置を製造する方法。
（８）空隙および／または前記界面において強度の弱いはんだ接合の形成は、リフロー処理中の前記内部はんだ接合部分に対する前記基板表面またはダミー半導体チップ表面上のはんだぬれ性の悪化によって実行される（３）に記載の前記ダミー装置を製造する方法。
（９）前記内部はんだ接合部分に対する基板表面の金被覆厚さは、前記外部はんだ接合部分に対する前記基板表面の厚さの３０％以下である（８）に記載の前記ダミー装置を製造する方法。
（１０）前記内部はんだ接合部分に対する半導体チップ表面の金被覆厚さは、前記外部はんだ接合部分に対する前記半導体チップ表面の金被覆厚さの３０％以下である（８）に記載の前記ダミー装置を製造する方法。
（１１）１ｎｍ以上の厚さを有する酸化層がＯ２プラズマによって前記内部はんだ接合部分に対応する前記はんだ膜表面の一方の側および／または両側上に形成され、前記外部はんだ接合部分に対応する前記はんだ膜表面はマスクによって覆われてはんだ膜の前記外部はんだ接合部分上に前記酸化層が形成されるのを防ぐ（８）に記載の前記ダミー装置を製造する方法。
（１２）前記内部はんだ接合部分の前記空隙は、前記はんだ膜の中部分に不連続構造を使用することによって前記リフローはんだ付け処理中に閉じ込められた空気として形成される（３）に記載の前記ダミー装置を製造する方法。
（１３）はんだ膜は前記中間部分またははんだ膜に幾つかの穴を有してパターン形成される（１２）に記載の前記ダミー装置を製造する方法。
（１４）はんだ膜は、はんだ膜の前記中間部分に幾つかのはんだボールで埋められた開口部または大穴を有してパターン形成される（１２）に記載の前記ダミー装置を製造する方法。
【００１２】
（１５）前記形成は脆性の析出、脆性の金属間化合物および空隙の形成のうちから選択された（１）に記載の内部はんだ接合部分。
（１６）前記脆性の析出および／または脆性の金属間化合物は前記基板上のバリア層によって形成され、内部はんだ接合部分に対する前記バリア層は無電解Ｎｉからなり、外部はんだ接合部分に対するバリア層は電解Ｎｉからなる（１５）に記載の内部はんだ接合部分。
（１７）空隙の前記形成は、カーケンドール空隙の広範囲の形成である（１５）に記載の内部はんだ接合部分。
（１８）カーケンドール空隙の前記広範囲の形成は、前記内部はんだ接合部分に対する前記バリア層の厚さが前記外部はんだ接合部分に対する前記バリア層の厚さの８０％以下である前記基板表面および／または前記半導体チップ表面を使用することによって実現される（１５）に記載の内部はんだ接合部分。
（１９）前記空隙の形成および／または前記界面におけるはんだ接合の強度の弱さは、前記リフロー処理中に内部はんだ接合部に対する前記基板表面および／または前記半導体チップ表面上ではんだぬれ性が悪化したことにより形成される（１５）に記載の内部はんだ接合部分。
（２０）前記内部はんだ接合部分に対する表面の前記金被覆厚さは、前記外部はんだ接合部分に対する前記表面の前記金被覆厚さの３０％以下である（１９）に記載の内部はんだ接合部分。
（２１）１ｎｍ以上の厚さを有する酸化層を有する前記はんだ膜は、Ｏ２プラズマによって前記内部はんだ接合部分に対応する前記はんだ膜表面の一方の側および／または両側上に形成され、前記外部はんだ接合部分に対応する前記はんだ膜表面は、マスクによって覆われて前記外部はんだ接合部分に対応する前記はんだ膜表面上に前記酸化層が形成されるのを防ぐ（１９）に記載の内部はんだ接合部分。
（２２）空隙を含み、前記空隙ははんだ膜の中間部分に不連続構造を有する前記はんだ膜を使用することによって、前記リフロー処理中に閉じ込められた空気として形成される（１５）に記載の内部はんだ接合部分。
（２３）前記不連続構造のはんだ膜は前記中間部分またははんだ膜にいくつかの穴を有してパターン形成される（２２）に記載の内部はんだ接合部分。
（２４）前記不連続構造のはんだ膜ははんだ膜の前記中間部分にいくつかのはんだボールによって埋められた開口部または大きな穴を有してパターン形成される（２２）に記載の内部はんだ接合部分。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、半導体装置における寿命を正確かつ早期に予測し劣化を警告できる。また、本発明は、さまざまな使用環境に起因して発生する予測されない故障および予期しない故障を含む、実際の使用におけるはんだ接合の故障を警告し、さらに早期の警報を予測できる。さらに、本発明は、調節可能な予測時間によって接合故障を正確に予測できる。隣接した実装置および本発明のダミー装置は、変動の影響を削減することができ、予備診断の精度を上げる。ダミー装置における外部はんだ接合部分／内部はんだ接合部分の面積比を変更することによって、本発明の寿命予測は、所定の寿命判断基準に対して調節可能とすることができる。ダミー装置の早期の警報は、実際の使用における実装置の予測されない故障を取り除くことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、はんだ接合の異なる特性を有する隣接した複数の装置を含む基板の断面を示す。
【図２】図２は、正常なはんだ接合および脆弱なはんだ接合を有する複数の装置に対する冷熱試験における破損したはんだ接合部の変化率と温度サイクルの数を示すグラフである。
【図３】図３は、隣接した実装置とダミー装置を含む本発明の基板の断面を示す。
【図４】図４は、ダミー装置のはんだ接合層の断面図を示す。
【図５】図５は、実装置およびダミー装置のはんだ接合部の変化率と繰り返し数を示すグラフである。
【図６】図６は、実装置と外部はんだ接合部分の低面積率を増加させた場合のダミー装置とのはんだ接合部の変化率と繰り返し数のグラフである。
【図７】図７は隣接した実装置といくつかのダミー装置とを含む基板の断面図を示す。
【図８】図８は、第１の実施形態の例示の電気回路を図示するブロック図である。
【図９】図９は、実装置と外部はんだ接合部分の低面積率を増加させた場合のダミー装置との電圧変化および繰り返し数を示すグラフである。
【図１０】図１０は、ダミー装置の寿命に基づいた実装置の寿命予測を示すグラフである。
【図１１】図１１は、実装置故障の早期の警報を供給する例示のシステムを示すブロック図である。
【図１２】図１２は、ダミー装置の第１の例と製造方法を示す。
【図１３】図１３は、ダミー装置の第２の例を示す。
【図１４】図１４は、ダミー装置の製造方法の第２の例を示す。
【図１５】図１５は、ダミー装置の製造方法の第３の例を示す。
【図１６】図１６は、ダミー装置の製造方法の第４の例を示す。
【図１７】図１７は、ダミー装置の製造方法の第５の例を示す。
【図１８】図１８は、ダミー装置の製造方法の第６の例を示す。
【図１９】図１９は、ダミー装置の製造方法の第７の例を示す。
【図２０】図２０は、ダミー装置の製造方法の第８の例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
１．本発明
本発明は、半導体装置における劣化の早期の警報を供給する基板とその製造方法、ダミー装置とその製造方法、ダミー装置のはんだ接合の内部はんだ接合部分とその製造方法に関する。本発明の別の目的は、異なる使用環境に起因して発生する予測されず予期されない故障を含む、実際の使用におけるはんだ接合の故障の早期の警報を決定する方法およびダミー装置を提供することである。本発明の別の目的は、調節可能な予測時間で正確な接合故障を予測するための方法およびダミー装置を提供することである。本発明のそれぞれを以下に詳述する。
【００１６】
２．本発明の基板
本発明は、半導体装置における劣化の早期の警報を供給する基板であって、半導体構成要素およびはんだ接合を含む実装置と、前記基板上の前記実装置に近接して配置されたダミー装置とを含み、前記ダミー装置は、ダミー半導体構成要素と、外部はんだ接合部分および内部はんだ接合部分を含むはんだ接合を含み、前記外部はんだ接合部分は前記実装置の前記はんだ接合と同じ特性を有し、前記内部はんだ接合部分は前記外部はんだ接合よりも速く前記亀裂成長を加速し、破損した外部はんだ接合部分の面積率は、実装置における層間剥離率の所定の故障判断基準よりも小さい基板に関する。本発明の基板の１つの目的は、異なる使用環境に起因して発生する予測されず予期されない故障を含む、実際の使用におけるはんだ接合の故障の早期の警報を決定することである。本発明の別の目的は、調節可能な予測時間で正確な接合故障を予測するための方法およびダミー装置を提供することである。
システム性能に寄与する機能的装置として使用される実装置は、半導体構成要素およびはんだ接合を含み、例えば電子装置、好ましくは半導体装置である。システム性能に寄与しない非機能的装置として使用されるダミー装置を以下に詳述する。
【００１７】
接合故障の検出は冷熱試験によって実行され、破損した接合面積の比率が計測される。この破損は、亀裂または亀裂成長を意味する。冷熱試験は、比較的高比率の温度変化において高および低温度極値に対して交互の露出を繰り返すことからなる加速試験である。まず、ダミー装置の外部はんだ接合部分の特性は実装置のはんだ接合層のものと同じであるため、ダミー装置および実装置の接合層における亀裂成長は同様の過程を経る。亀裂がダミー装置の内部はんだ接合部分まで進むと、亀裂成長は実装置よりも加速し、実装置が故障判断基準に達する前に、ダミー装置は故障判断基準に達する。ダミー装置における亀裂成長の加速によって、実装置が故障判断基準に達する前にダミー装置は故障判断基準に達し、それによって実装置の正確な寿命が予測される。
【００１８】
本発明の基板の電気回路上の一実施形態を図８に示す。実装置は信号処理回路に含まれ、ダミー装置は寿命予測回路に含まれる。実装置およびダミー装置の両方のはんだ接合層における破損は電気的に検出され、それぞれ制御回路における電流検出器と互いに比較される。ダミー装置が故障判断基準に達すると、警報が活性化されて、実装置の差し迫った故障が示される。
【００１９】
３．本発明のダミー装置
「ダミー装置」は、破損が発生して故障を引き起こす前に故障発生の兆候を検出する非機能的装置を意味する。ダミー装置は基板上の実装置に近接して配置され、実装置との並列回路において電気的に接続される。ダミー装置は、外部はんだ接合部分および内部はんだ接合部分からなる接合層を含むダミー半導体構成要素およびはんだ接合を含む。外部はんだ接合部分は、基本的に、実装置のはんだ接合と同じ特性を有し、内部はんだ接合部分は外部はんだ接合部分よりも負荷に対して高感度であり、外部はんだ接合よりも速く亀裂成長を加速させる。
【００２０】
ダミー装置は、ダミー装置の電気変化が実装置より前に所定の閾値を順番通りに超過した場合に実装置の差し迫った電気故障を検出するように構成され、その場合、ダミー装置は内部はんだ接合部分の脆弱性が進行するか、または外部はんだ接合部分の低面積率が上昇する。最初のライフサイクル環境において、ダミー装置は実装置と同様に経験し、亀裂は縁部から開始し、所定の故障判断基準前の所定の時間まで接合部にわたって成長し、ダミー装置の接合部における亀裂の成長は、内部接合部分に入ると加速され、ダミー装置は実装置より前に故障し、実装置の差し迫った故障を警報する。
【００２１】
図４に示すように、はんだ接合側Ｌ１の長さは、その矩形側の長さと異なっても同じでもよい。内部はんだ接合側Ｌ２の長さは、その矩形の側の長さと異なっても同じでもよい。外部はんだ接合部の面積率、例えばはんだ接合の所定の層間剥離比率は、所定の故障判断基準より低い。Ｌ１がその矩形の側の長さと同じ場合、（Ｌ１２−Ｌ２２）／Ｌ１２ｘ１００％＜故障判断基準として所定の層間剥離比率となる。
【００２２】
外部はんだ接合部分の面積率は、実装置における層間剥離比率の所定の故障判断基準よりも低い。図５に示すように、亀裂がダミー装置の内部はんだ接合部分に進んだ後、亀裂成長の加速度は実装置よりも高くなり、その場合、外部はんだ接合部分から内部はんだ接合部分への遷移位置における破損した接合面積の比率は、故障判断基準として所定のはんだ接合の所定の層間剥離比率を下回る。外部はんだ接合部分から内部はんだ接合部分へ変化すると、サイクルまたは時間における破損した接合面積の比率の増加は、実装置よりも高くなり、ダミー装置は実装置よりも早期に故障判断基準に達する。「層間剥離比率の故障判断基準」なる記載は、実装置の寿命を示す指標を意味する。上述したように、実装置とダミー装置との両方のはんだ接合層における破損は電気的に検出され、ダミー装置が故障判断基準に達すると、警報が活性化されて実装置の差し迫った故障を示す。
【００２３】
装置の古い接合部の層間剥離によって半導体チップから基板への熱伝導を損ねることになり、その結果として熱抵抗が増加し、半導体からの放熱の速度を計測できる。熱抵抗の増加は装置の処理能力を制限するため、装置寿命の定義のために使用されるのが一般的である。熱抵抗が増加すると、結果的に装置の温度が上昇する。したがって、はんだ接合の層間剥離に起因する熱抵抗の増加は、装置電圧などの温度依存の装置パラメータの変化によって電気的に検出できる。装置寿命の判断基準としての所定の熱抵抗において、または所定の熱抵抗率において、はんだ接合部の対応する層間剥離は、電圧変化の閾値に対して定義される。
【００２４】
図９に示すように、ダミー装置のＬ２／Ｌ１の比率と、電流検出器によって計測される電圧と、本発明の実装置およびダミー装置に対する冷熱試験の繰り返し数との間には相関性があることがわかる。ダミー装置のＬ２／Ｌ１の比率が小さくなると、外部はんだ接合部分の面積率が大きくなり、ダミー装置が故障判断基準に達するのが遅くなる。また、はんだ接合におけるＬ２／Ｌ１の比率が小さくなると、ダミー装置の寿命または故障までの時間が長くなる。
【００２５】
本発明において、実装置故障の警報は以下のシステムによって実行されてもよい。例えば、ダミー装置の電気信号が監視され、故障判断基準または熱抵抗率と比較される場合、ダミー装置の電気信号が、例えば「デルタＶＤＳ」または電力ＭＯＳＦＥＴ装置におけるドレイン−ソース電圧の変化などの電圧変化の閾値に達すると、警報が活性化されて、保守動作の実行の必要性を知らせる。
【００２６】
ダミー装置は、カナリア装置とも呼ばれる。炭鉱において毒ガスの検出のために使用されていたカナリアにちなんでカナリア装置と呼ばれる検出器である。カナリア装置を使用する場合、検出装置（カナリア装置）は計測対象の接合部よりも大きい負荷を有する点に配置され、故障が実装置よりも前に発生するようにされ、実装置の差し迫った故障を警報する。実装置の差し迫った故障を予測することができる。
【００２７】
本発明の基板は、図７に示すように２つ以上のダミー装置を含んでもよい。基板が複数のダミー装置を有する場合、その他のダミー装置と実装置と互いに並列回路として電気的に接続される。本発明のダミー装置のそれぞれは、はんだ接合層において異なるＬ２／Ｌ１比率を有してもよく、実装置の故障の異なる警報強度を可能とする。図６および９に示すように、Ｌ２／Ｌ１比率が小さいほど、亀裂成長の加速の開始が遅くなり、ダミー装置が故障判断基準に達するのが遅くなる。これは、はんだ接合層においてＬ２／Ｌ１の比率が小さいダミー装置は、ダミー装置の故障時に高い警報強度を有することを意味する。Ｌ２／Ｌ１比率によれば、ダミー装置の寿命は、例えば定期的な保守スケジュールの前、実装置の故障発生後の時点など、実際の使用において適宜容易に調節することが可能であり、それによって不要な保守動作を減らすことができ、その結果保守費用を減らすことができる。外部はんだ接合部分の面積率が小さい、またはＬ２／Ｌ１が大きいダミー装置は、面積率が大きい、またはＬ２／Ｌ１が小さいものよりも早く故障する。ダミー装置の故障傾向は、図１０に示すように実装置の故障発生を正確に決定する。したがって、複数のダミー装置を有する本発明の基板は、異なる警報強度の組み合わせによって実装置の故障の高精度の警報を実現でき、１度だけでなく実装置の寿命について警報できる。
【００２８】
４．本発明のダミー装置の内部はんだ接合部分
本発明のダミー装置は、ダミー半導体構成要素と、外部はんだ接合部分および内部はんだ接合部分を含むはんだ接合部とを含む。内部はんだ接合部分は外部はんだ接合部分よりも脆弱であり、すなわち内部はんだ接合部分は外部はんだ接合よりも速く亀裂成長を加速する。内部はんだ接合部分は、脆性の析出、脆性の金属間化合物、空隙の形成および界面における強度の弱いはんだ接合のうちの少なくとも１つの存在に起因して脆弱である。
【００２９】
内部はんだ接合部分に含まれる脆性の析出および／または脆性の金属間化合物によって内部はんだ接合部分は脆弱となり、機械的強度を制限する。脆性の析出および／または脆性の金属間化合物は、無電解Ｎｉバリア層などの基板被覆層における不純物に由来しており、不純物としてリン（Ｐ）を含む。このリン不純物は、内部はんだ接合部分に対して拡散し、脆性のＰリッチ析出および／またはＰリッチ金属間化合物を生成する。外部はんだ接合部分もバリア層を有するが、例えば電解Ｎｉなどの電解バリア層である。
【００３０】
内部はんだ接合部分はそこに空隙が形成されていることに起因して脆弱な場合もある。空隙の好ましい形成はカーケンドール空隙を含むが、それに限定されない。カーケンドール空隙は、２つの異なる材料の界面における金属原子の拡散速度の不均衡に起因して形成された空隙を指す。バリア層は、基板に対するはんだ付け構成要素の拡散を防止するために、基板表面上に配置される。薄いバリア層では、界面に広範囲にわたってカーケンドール空隙が形成される。外部はんだ接合部分と比べて内部はんだ接合部分における広範囲のカーケンドール空隙は、基板表面上の内部はんだ接合部分のためのバリア層の厚さが１５０℃よりも高温に露出されると外部はんだ接合部分のバリア層の厚さよりも薄くなると形成される。基板表面は半導体チップ表面の場合もある。この場合、チップも、チップ基板上の外部はんだ接合部分のバリア層と比べてチップ表面上の内部はんだ接合部分のバリア層が薄い。
【００３１】
内部はんだ接合部分に対する基板表面上または半導体チップ表面上のはんだぬれ性がリフロー処理時に悪化すると、内部はんだ接合部分の空隙が形成される。この場合、溶解したはんだが基板および／またはチップの表面を不適切に濡らしてしまう。悪化したはんだぬれ性は、空隙のかわりに、接合界面においてはんだ接合の強度を弱める。基板および／またはチップの表面上の酸化層の形成は、溶解したはんだのぬれを抑制する。基板表面および／または半導体表面上に金被覆を使用することによって、表面からの酸素を防止し、酸化から保護する。外部はんだ接合部分と比べて、内部はんだ接合部分に対する基板表面上のはんだぬれ性は、外部はんだ接合部分の金被覆の厚さの３０％以下の厚さを内部はんだ接合部分が有する基板表面上に金被覆を用いることによって悪化する場合がある。この基板表面は半導体チップ表面でもよく、その場合、外部はんだ接合部分と比べて内部はんだ接合部分に対するチップ表面上のはんだぬれ性は、外部はんだ接合部分に対する金被覆の厚さの３０％以下の厚さを内部はんだ接合部分が有するチップ表面上に金被覆を用いることによって悪化する場合がある。
【００３２】
Ｏ２プラズマによって内部はんだ接合部分に対するはんだ膜表面を酸化することによって、はんだぬれ性が悪化する場合がある。このはんだ膜は、リフロー処理前の膜形状の初期のはんだ材料を指す。内部はんだ接合部分に対するはんだ膜の酸化は、はんだ膜の一方または両方の側に対して行われることが可能である。その結果生成された酸化層は１ｎｍ以上の厚さを有する場合がある。その後、はんだぬれ性の悪化に起因して内部はんだ接合部分において空隙が発生する。この場合、外部はんだ接合部分に対するはんだ膜表面は酸化されない。はんだ膜の外部はんだ接合部分上に酸化層が形成されないようにするために、外部はんだ接合部分の表面を除去可能なマスクで覆う。
【００３３】
内部はんだ接合部分の空隙は、中間部分に不連続構造を有するはんだ膜を使用することによって、閉じ込められた空気として形成される場合がある。この不連続の構造は、はんだ膜の中間部分において幾つか穴を有してパターン形成されたはんだ膜（図１９）の場合があり、あるいははんだ膜の中間部分にいくつかのはんだボールで埋められた開口部または大きい穴を有してパターン形成されたはんだ膜（図２０）の場合がある。
【００３４】
５．ダミー装置の製造方法
内部はんだ接合部分における空隙の形成を含む前記ダミー装置は以下の工程によって製造される。前記基板表面の前記内部はんだ接合部分に対する前記バリア層の厚さが前記外部はんだ接合部分に対する前記バリア層の厚さよりも薄い基板表面を使用することによって、前記内部はんだ接合部分に対してカーケンドール空隙の広範囲の形成を実行し、
前記外部はんだ接合部分に対する前記バリア層の厚さの８０％以下である前記内部はんだ接合部分に対する前記バリア層の厚さを実現し、
リフローソルダリング処理後および／または１５０℃より高温の前記実際の使用環境中に１５０℃より高温に前記内部はんだ接合部分を露出することを含み、前記方法は高温条件（１５０℃より高温）に対して適用可能である。
上記の方法において、基板は金属化した基板でもよい。内部はんだ接合部分に対するバリア層の厚さが外部はんだ接合部分に対するバリア層の厚さよりも薄い基板表面は、半導体チップ表面でもよい。
【００３５】
本発明において、内部はんだ接合部分における空隙は、内部はんだ接合部分に対する基板表面または半導体チップ表面上のはんだぬれ性がリフロー処理時に悪化すると形成される。
外部はんだ接合部分と比べて、内部はんだ接合部分に対する基板表面上のはんだぬれ性は、外部はんだ接合部分に対する基板表面および半導体チップ表面上の金被覆の厚さの３０％以下の厚さを内部はんだ接合部分が有する基板表面上に金被覆を用いることによって悪化する。
【００３６】
上記方法において、内部はんだ接合部分に対する半導体チップ表面の金被覆厚さは、外部はんだ接合部分に対するバリア層の半導体チップ表面の金めっきの厚さの３０％以下でもよい。
【００３７】
Ｏ２プラズマによってはんだ膜の内部はんだ接合部分に対するはんだ表面を酸化することによって、はんだぬれ性が悪化する場合がある。内部接合部分に対するはんだ膜上の酸化は、はんだ膜の一方または両方の側に対して行われることが可能である。その結果生成された酸化層は１ｎｍ以上の厚さを有する場合がある。その後、はんだぬれ性の悪化に起因して内部はんだ接合部分において空隙が発生する。この場合、外部はんだ接合部分に対するはんだ膜の表面は酸化されず、酸化中にはんだ膜の外部はんだ接合部分に対する表面をマスクで覆うことによって、酸化層が外部はんだ接合部分に対するはんだ膜上に形成されることを防止する。
【００３８】
６．以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳述する。
図１は、はんだ接合の異なる特性を有する隣接した装置を含む基板の断面図である。基板５は、半導体チップ２１および３１を搭載する基板であり、そこにおいて半導体チップ２１および３１は、正常なはんだ接合部２２および脆弱なはんだ接合部３２をそれぞれ介して基板５の表面上で接合されている。装置３は、脆弱なはんだ接合を有する以外が装置２と同じ装置である。なお、脆弱な接合部３２を有する装置３は本発明のダミー装置と関連しない。
【００３９】
図２は、正常なはんだ接合部２２および脆弱なはんだ接合部３２を有する装置に対する破損したはんだ接合部の変化率と、冷熱試験における繰り返し数を示す。図２に示すように、脆弱な接合部３２を有する装置３は、正常な接合部２２を有する装置２よりも破損したはんだ接合部の比率が速く増加することを示し、装置３のはんだ接合部は、装置２のはんだ接合部よりも速く破損する。
【００４０】
図３は、隣接した実装置２およびダミー装置４を独立して含む基板の断面図である。基板５は、実装置２の半導体チップ２１とダミー装置４のダミー半導体チップ４１を搭載する基板である。半導体チップ２１は正常なはんだ接合部２２を介して基板５の表面上に接合され、ダミー半導体チップ４１はダミー装置４２にはんだ接合部を介して基板５の表面上に接合される。はんだ接合部４２は、外部はんだ接合部分４２ａおよび内部はんだ接合部分４２ｂを有する。内部はんだ接合部分４２ｂは外部はんだ接合部分４２ａよりも脆弱なであり、外部はんだ接合部分４２ａは実装置２のはんだ接合部２２と同じである。
【００４１】
図４は、ダミー装置のはんだ接合層の断面図を示す。このはんだ接合層は、外部はんだ接合部分４２ａおよび内部はんだ接合部分４２ｂを有する。はんだ接合側Ｌ１の長さは、その矩形の側の長さと異なっても、同じでもよい。内部はんだ接合側Ｌ２の長さは、その矩形の側の長さと異なっても、同じでもよい。外部はんだ接合部の面積率は、例えばはんだ接合の所定の層間剥離比率は、所定の故障判断基準より低い。Ｌ１がその矩形の側の長さと同じ場合、（Ｌ１２−Ｌ２２）／Ｌ１２ｘ１００％＜故障判断基準として所定の層間剥離比率となる。
【００４２】
図５は、冷熱試験下における実装置２およびダミー装置４の破損した接合面積の比率を示す。この破損は、亀裂または亀裂成長を意味する。図５に示すように、ダミー装置４の外部はんだ接合部分４２ａの特性は実装置２のはんだ接合層２２と同じであるため、ダミー装置４および実装置２の接合層における亀裂成長は同様の過程を経る。亀裂がグラフの１８％の破損接合面積のダミー装置４のはんだ接合部の内部はんだ接合部分４２ｂに進むと、亀裂成長は加速し、ダミー装置４は２０％以上の破損接合面積である故障判断基準に達する。ダミー装置４における亀裂成長は、実装置２が故障判断基準に達する直前に加速し、これによって実装置２の正確な寿命予測が行われる。
【００４３】
図６は、内部はんだ接合部分４２ｂの面積率Ｌ２／Ｌ１が減少している実装置２およびダミー装置４の破損したはんだ接合部の変化率と、繰り返し数を示す。図６に示すように、内部はんだ接合部分４２ｂの面積率Ｌ２／Ｌ１が小さくなると、ダミー装置４が故障判断基準または寿命に達する時間は長くなる。Ｌ２／Ｌ１比率によれば、ダミー装置４の寿命は、例えば定期的な保守スケジュールの前、実装置の故障発生後の時点など、実際の使用において適宜容易に調節することが可能であり、それによって不要な保守動作を減らすことができ、その結果保守費用を減らすことができる。
【００４４】
図７は、隣接した実装置２およびいくつかのダミー装置４を含む基板の断面図を示す。ダミー装置４は、異なる警報強度によって実装置故障の早期の警報を供給するために寿命が長くなっている。はんだ接合層４２においてＬ２／Ｌ１比率が小さいダミー装置４は、ダミー装置４の故障時に高い警報強度を有する。
【００４５】
図８は、本発明の例示の電気回路を示すブロック図を示す。信号処理回路における実装置２の状態、すなわちはんだ接合層２２における破損は電気的に検出され、制御回路における検出器によって寿命予測回路内のダミー装置４と比較される。ダミー装置４が故障すると、実装置２の差し迫った故障を示すように警報が活性化される。
【００４６】
図９は、内部はんだ接合部分４２ｂの面積率が減少する実装置２およびダミー装置４の電圧変化および繰り返し数を示す。ダミー装置４は、実装置２に近接して配置される。はんだ接合部４２におけるＬ２／Ｌ１比率が減少すると、ダミー装置４の寿命または故障の周期は長くなる。
【００４７】
図１０は、ダミー装置４の寿命に応じた実装置２の寿命予測を示す。実装置２の寿命は、図９に示すように、ダミー装置４のはんだ接合層４２におけるＬ２／Ｌ２比率と結果的な寿命との関係に応じて予測される。この場合、電圧変化の所定の故障判断基準ははんだ接合層の一定の層間剥離比率に対応する。
【００４８】
図１１は、実装置故障の早期の警報を供給する例示のシステムを図示するブロック図を示す。ダミー装置４の電気信号は監視され、故障判断基準または熱抵抗率と比較される。ダミー装置４の電気信号が例えば所定の「デルタＶＤＳ」などの熱抵抗率に達すると、警報が活性化されて、保守動作の実行が必要な旨を知らせる。
【００４９】
図１２は、ダミー装置４の第１の例とその製造方法を示す。ダミー装置４は、内部はんだ接合部分４２ｂにおいて形成される脆性の析出４２ｃに起因して脆弱な内部はんだ接合部分４２ｂを有する。この脆性の析出４２ｃは、内部はんだ接合部分４２ｂに対してリン不純物を含む無電解Ｎｉ層などの無電解バリア層４１ｂを使用して作製される。このリン不純物は、内部はんだ接合部分４２ｂに拡散し、脆性の析出および／または脆性の金属間化合物を生成する。
【００５０】
図１３は、ダミー装置４の第２の例を示す。ダミー装置４は、内部はんだ接合部分４２ｂに形成された空隙４２ｄに起因して脆弱な内部はんだ接合部分４２ｂを有する。図１４は、ダミー装置４の製造方法の第２の例を示す。上記の空隙４２ｄは、１５０℃よりも高温に露出された場合の内部はんだ接合部分４２ｂにおける広範囲に形成されたカーケンドール空隙でもよい。これは、外部はんだ接合部分４２ａに対応する基板上バリア層厚よりも内部はんだ接合部分４２ｂに対応する基板上バリア層厚が薄い基板メタライゼーション４３を使用して供給されてもよい。
【００５１】
図１５は、ダミー装置４の製造方法の第３の例を示す。上記の空隙４２ｄは、１５０℃よりも高温に露出された場合の内部はんだ接合部分４２ｂにおける広範囲に形成されたカーケンドール空隙でもよい。これは、外部はんだ接合部分４２ａに対応するチップ上バリア層厚４１ｂよりも内部はんだ接合部分４２ｂに対応するチップ上バリア層厚４１ｂが薄いチップメタライゼーションを使用して供給されてもよい。
【００５２】
図１６は、ダミー装置４の製造方法の第４の例を示す。内部はんだ接合部分４２ｂの空隙４２ｄは、基板メタライゼーション４３の内部はんだ接合部分上の金めっき４３ａの厚さが薄いことに起因して、外部はんだ接合部分とくらべて基板メタライゼーション４３および／またはダミー半導体チップ４１の内面部分上のはんだぬれ性が悪化したことに起因して形成される場合がある。
【００５３】
図１７は、ダミー装置４の製造方法の第５の例を示す。内部はんだ接合部分４２ｂの空隙４２ｄは、ダミー半導体チップ４３の内部メタライゼーション部分上の金被覆４１ａの厚さが薄いことに起因して外部はんだ接合部分に比べてダミー半導体チップ４１の内面部分上のはんだぬれ性が悪化したことに起因して形成される場合がある。
【００５４】
図１８は、ダミー装置４の製造方法の第６の例を示す。内部はんだ接合部分４２ｂの空隙４２ｄは、基板メタライゼーション４３およびダミー半導体チップ４１の外部はんだ接合部分とくらべて基板メタライゼーション４３および／またはダミー半導体チップ４１の内面部分上のはんだぬれ性が悪化したことに起因して形成される場合がある。このぬれ性の悪化は、Ｏ２プラズマによって内部はんだ接合部分４２ｂに対応するはんだ膜４７の内部のみを酸化することによって発生する。外部はんだ接合部分４２ａに対応するはんだ膜４７の外部上の酸化は、Ｏ２プラズマの処置中にマスクを使用することによって防止される。はんだ膜４７の内部はんだ接合部分上の酸化は、一方の側または両側に対して実行されてもよい。リフロー処理前に内部はんだ接合部分４２ｂに対応するはんだ膜４７の内部上に結果的に発生した酸化層４９は、リフロー処理中の悪化したはんだぬれ性に起因してはんだ接合４２の内部はんだ接合部分４２ｂに空隙４２ｄをつくる。
【００５５】
図１９は、ダミー装置４の製造方法の第７の例を示す。空隙４２ｄは、はんだ膜４７の中間部分における穴４７ａなど、不連続構造を有するはんだ膜４７を使用することによって、リフロー処理中の内部接合部分４２ｂにおいて閉じ込められた空気によって形成される場合もある。
【００５６】
図２０は、ダミー装置４の製造方法の第８の例を示す。空隙４２ｄは、はんだボール４７ｂで埋められた中間部分の大穴４７ａなどの不連続構造を有するはんだ膜４７を使用することによってリフロー処理中に内部接合部分４２ｂに閉じ込められた空気によって形成される場合もある。
【００５７】
本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の範囲から逸脱せずにさまざまに修正可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１  電子装置
２  正常な接合部を有する実装置
３  脆弱な接合部を有する実装置
４  ダミーまたはカナリア装置
５  基板
２１  半導体チップ
２２  実装置のはんだ接合
２３  実装置の基板メタライゼーション
２４  実装置の基板メタライゼーション
２５  配線結合
２６  半導体チップ電極パッド
３１  半導体チップ
３３  実装置の基板メタライゼーション
３４  実装置の基板メタライゼーション
３５  配線結合
３６  半導体チップ電極パッド
４１  ダミー半導体チップ
４１ａ  ダミー半導体チップ上の金被覆
４１ｂ  ダミー半導体チップ上のＮｉバリア層
４１ｃ  ダミー半導体チップ上の電極
４２  ダミー装置のはんだ接合
４２ａ  ダミー装置の外部はんだ接合部分
４２ｂ  ダミー装置の内部はんだ接合部分
４２ｃ  ダミー装置の内部はんだ接合部分における析出
４２ｄ  ダミー装置の内部はんだ接合部分における空隙
４３  ダミー装置の基板メタライゼーション
４３ａ  ダミー装置の基板メタライゼーション上の金被覆
４３ｂ  ダミー装置の基板メタライゼーション上の電解Ｎｉバリア層
４３ｃ  ダミー装置の基板メタライゼーション上の無電解Ｎｉバリア層
４３ｄ  ダミー装置の基板メタライゼーション上のＣｕ層
４４  ダミー装置の基板メタライゼーション
４５  ダミー装置の配線結合
４６  ダミー半導体チップ電極パッド
４７  はんだ膜
４８  マスク
４９  はんだ膜の内部上の酸化層
【図１】
2016532074.tif 000003
【図２】
2016532074.tif 000004
【図３】
2016532074.tif 000005
【図４】
2016532074.tif 000006
【図５】
2016532074.tif 000007
【図６】
2016532074.tif 000008
【図７】
2016532074.tif 000009
【図８】
2016532074.tif 000010
【図９】
2016532074.tif 000011
【図１０】
2016532074.tif 000012
【図１１】
2016532074.tif 000013
【図１２】
2016532074.tif 000014
【図１３】
2016532074.tif 000015
【図１４】
2016532074.tif 000016
【図１５】
2016532074.tif 000017
【図１６】
2016532074.tif 000018
【図１７】
2016532074.tif 000019
【図１８】
2016532074.tif 000020
【図１９】
2016532074.tif 000021
【図２０】
2016532074.tif 000022
【国際調査報告】
2016532074.tif 000023