(57)【要約】【課題】半導体装置と実装基板との接続信頼性に優れる半導体装置を提供する。【解決手段】外部接続端子１１０を有する半導体装置１００であって、外部接続端子１１０は、Ｃｕ電極１０６と、Ｃｕ電極１０６上に形成されたＣｕを含む金属間化合物１１８と、金属間化合物１１８の表面を、間隔をあけて覆うストッパー部１３２及び１３６と、ストッパー部１３２及び１３６上及び金属間化合物１１８上に形成されたＢｉとＳｎを含む不純物とからなる半田合金と、を有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部接続端子を有する半導体装置であって、前記外部接続端子は、
Ｃｕ電極と、
前記Ｃｕ電極上に形成されたＣｕを含む金属間化合物と、
前記金属間化合物の表面を、間隔をあけて覆うストッパー部と、
前記ストッパー部上及び金属間化合物上に形成されたＢｉとＳｎを含む不純物とからなる半田合金と、
を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記半田合金は、前記Ｂｉの組成比が３２質量％以上７５質量％以下である半田から形成されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記半田合金がＡｇを含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記ストッパー部は、Ｃｕ又は前記金属間化合物のそれぞれと混合したときの混合エンタルピーが正の元素、又は該元素及び化合物からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記ストッパー部は、Ｂｉ、又はＢｉ及びＡｇ３Ｓｎからなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置に関し、特に、接続面に複数の半田端子を持つ半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の電子機器の軽薄短小化、高性能化に伴い、これらの電子機器に使用される電子部品は、小型化、高機能化が要求されている。
これらの要求に応えるため、半導体装置の形状をＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ  Ｓｃａｌｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）のチップ形状に極力近づけることにより小型化を図った、いわゆるＣＳＰ（Ｃｈｉｐ  Ｓｉｚｅ  Ｐａｃｋａｇｅ）構造の半導体装置が提案されている。
【０００３】
このうち、製造コストの低減、及び生産性の向上という観点より、ウエハ状態のまま半導体チップをパッケージ化する技術を用いたウエハレベルＣＳＰが実現されている。
このような小型化したウエハレベルＣＳＰ構造の半導体装置に対応するため、実装基板と半導体装置との接続に用いられている半田において、延性、熱疲労強度、及び耐食性等に優れる合金組成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１１−２２１６９３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような合金組成の半田を実装基板と半導体装置との接合部に用いても、ミスマッチが大きく、硬い材料であることなどの理由により基板接続信頼性が低い。また、今後、益々端子径が小さくなる流れにあり基板接続信頼性が更に低下していく。
【０００５】
この基板接続信頼性が低下する原因は、図９の（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、Ｃｕ電極９０６と外部接続端子９１０との界面９０８に、高さ及び形状が不均一で多数の突起を持った金属間化合物９２０からなる層が形成されていることによる。これは、Ｃｕ電極９０６のＣｕと半田組成中のＳｎが固溶して形成されたものである。この層は経時変化し、Ｃｕ電極９０６側から外部接続端子９１０側に向かって、Ｃｕ３Ｓｎ層とＣｕ６Ｓｎ５層とが順次形成され、これらの膜厚は合計で１０μｍを超える。すると、Ｃｕ、Ｃｕ３Ｓｎ、及びＣｕ６Ｓｎ５の密度の差に起因する体積膨張、及び体積収縮により局所的に応力が集中してクラックが生じる。
従って、従来の半田を使用環境の厳しい所に用いると十分な接続信頼性が得られず、アンダーフィルで補強するなどしていた。
【０００６】
本発明は、前記問題点に鑑みなされたものであり、以下の目的を達成することを課題とする。
即ち、本発明の目的は、半導体装置と実装基板との接続信頼性に優れる半導体装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は鋭意検討した結果、下記の半導体装置を用いることにより、接続信頼性の問題を解決できることを見出し、上記目的を達成するに至った。
【０００８】
即ち、請求項１に記載の半導体装置は、外部接続端子を有する半導体装置であって、前記外部接続端子は、Ｃｕ電極と、前記Ｃｕ電極上に形成されたＣｕを含む金属間化合物と、前記金属間化合物の表面を、間隔をあけて覆うストッパー部と、前記ストッパー部上及び金属間化合物上に形成されたＢｉとＳｎを含む不純物とからなる半田合金と、を有することを特徴とする。
請求項１に記載の半導体装置によれば、Ｂｉを含有するストッパー部が金属間化合物を包囲しているので、金属間化合物と半田組成中のＳｎとの接触面積が減少する。すると、接続信頼性を劣化させる原因であった金属間化合物の成長を阻害することができる。これらの金属間化合物の発生を抑制すると、Ｃｕ電極の密度と金属間化合物の密度との差による体積膨張、又は体積収縮が原因の局所的な応力の発生を緩和することができる。従って、Ｃｕ電極と半田合金との優れた接続信頼性を得ることができる。
【０００９】
請求項２に記載の半導体装置は、前記半田合金は、前記Ｂｉの組成比が３２質量％以上７５質量％以下である半田から形成されたことを特徴とする。
請求項２に記載の半導体装置によれば、Ｂｉの組成比が７５質量％以下であるため、半田自体の強度を劣化させずに接続信頼性を維持することができる。また、Ｂｉの含有量が３２質量％以上であるため、金属間化合物の成長を阻害するのに必要なＢｉを含有するストッパー部を十分に形成することができる。従って、優れた接続信頼性を得ることができる。
【００１０】
請求項３に記載の半導体装置は、前記半田合金がＡｇを含有することを特徴とする。
請求項３に記載の半導体装置によれば、Ｂｉと同様にＡｇを含むストッパー部を形成することができるため、金属間化合物の成長をより効果的に阻害することができる。また、ＡｇはＳｎと合金を形成する。この形成された合金はＣｕ電極及び金属間化合物と固溶することなく、Ｃｕ電極や金属間化合物と隣接することができる。Ａｇを含有するストッパー部がＢｉとともに金属間化合物の成長を阻害し、優れた接続信頼性を得ることができる。また、ＡｇはＳｎと合金を形成するため、半田合金組成中のＳｎの量が低減し、金属間化合物の成長を阻害することができる。
【００１１】
請求項４に記載の半導体装置は、前記ストッパー部は、Ｃｕ又は前記金属間化合物のそれぞれと混合したときの混合エンタルピーが正の元素、又は該元素及び化合物からなることを特徴とする。
請求項４に記載の半導体装置によれば、ストッパー部がＣｕ及び前記金属間化合物と固溶しないので、Ｃｕ電極及び前記金属間化合物と隣接することができる。従って、ストッパー部は金属間化合物を包囲することができるため、半田組成中のＳｎと金属間化合物との接触面積が減少し、金属間化合物の成長が抑制することにより、優れた接続信頼性を得ることができる。
【００１２】
請求項５に記載の半導体装置は、前記ストッパー部は、Ｂｉ、又はＢｉ及びＡｇ３Ｓｎからなることを特徴とする。
請求項５に記載の半導体装置によれば、本発明における半田組成の必須成分であるＢｉがＣｕと固溶せずにストッパー部を形成することができる。また、Ａｇ３ＳｎはＣｕに固溶しないため、Ｂｉと同様にストッパー部として機能し、優れた接続信頼性を得ることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、半導体装置と実装基板との接続信頼性に優れる半導体装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、本発明の半導体装置を実施するための最良の形態について、図面を用いて説明する。
【００１５】
＜半導体装置＞
図１は、本発明の半導体装置１００の断面図である。
図１に示した半導体装置１００は、基板１０２上に公知のウエハプロセスにより電気回路が形成され、半導体素子（不図示）が形成されている。この電気回路と電気的に接続されている電極パッド（不図示）と、電気的に接続されている配線（不図示）が形成され、配線（不図示）の一部のＣｕ電極１０６が露出するように基板１０２上に絶縁性樹脂層１０４が形成されている。さらに、Ｃｕ電極１０６上に外部接続端子１１０が形成されている。
図２は、本発明の半導体装置１００を実装基板１２０に実装した断面図である。
半導体装置１００の外部接続端子１１０が、実装基板１２０上に形成された端子１２２と電気的に接続されることにより形成された接合部１２４を介して、実装基板１２０の反対側に実装される。
以下に、外部接続端子１１０、配線１０６、絶縁性封止層１０４、基板１０２について、詳述する。
【００１６】
〔外部接続端子〕
本発明における外部接続端子１１０は、Ｃｕ電極と、前記Ｃｕ電極上に形成されたＣｕを含有する金属間化合物と、前記金属間化合物の表面を、間隔をあけて覆うストッパー部と、前記ストッパー部上及び金属間化合物上に形成されたＢｉとＳｎを含有する不純物とからなる半田合金と、を有することを特徴とする。
以下に、外部接続端子１１０を構成するストッパー部、金属間化合物、半田合金、及びＣｕ電極について詳述する。
【００１７】
［ストッパー部］
本発明の半導体装置は、ストッパー部を有する。本発明において、「ストッパー部」とは、前述した金属間化合物の半田合金側への成長を阻害するための構成部分を表す。以下に、ストッパー部の配置、及び組成について詳述する。
【００１８】
−ストッパー部の配置−
本発明におけるストッパー部は、Ｃｕ電極と外部接続端子との界面近傍に形成され、Ｃｕ電極のＣｕと半田合金組成中のＳｎとにより形成された金属間化合物を包囲するように配置されている。以下、図３を用いて詳述する。
図３（Ａ）は本発明の半導体装置の断面図であり、（Ｂ）はＣｕ電極と外部接続端子との界面近傍のＳＥＭ写真であり、（Ｃ）はＣｕ電極と外部接続端子の界面近傍の模式図である。図３（Ｃ）に示すように、Ｃｕ電極１０６上に金属間化合物１１８が形成されており、Ｂｉ１３２及びＡｇ３Ｃｕ１３６からなるストッパー部が間隔をおいて金属間化合物１１８を包囲している。ここで、「覆う」とは、金属間化合物の一部がストッパー部で覆うことを表す。当該一部については詳述する。また、「間隔をあけて」の「間隔」とは、金属間化合物の成長を阻害することが可能なストッパー部の間隔を表し、金属間化合物の形状、又は幅に応じて適宜決まる間隔である。具体的には、２〜３μｍ以下の間隔でストッパー部を形成すると金属間化合物の成長を抑制することができる。
【００１９】
前記「一部」とは、図４に示すように、Ｃｕ電極と外部接続端子との界面の幅ａの２５％以上８５％以下の範囲でストッパー部が設けられていることを示す。より好ましくは、３５％以上７５％以下であることが挙げられる。２５％以下であると金属間化合物の成長を阻害するためのストッパー部が不足し、８５％以上であるとストッパー部の相が外部接続端子の内部にも析出し、半田合金自体の強度が劣化する。
【００２０】
−ストッパー部の組成−
本発明におけるストッパー部は、Ｃｕ又は前記金属間化合物のそれぞれと混合したときの混合エンタルピーが正の元素、又は該元素及び化合物からなることが好ましい。「混合エンタルピー」とは、固体や液体状態にある物質の内部エネルギーを意味する。つまり、混合エンタルピーが正の元素、又は化合物を混合すると、混合物の内部エネルギーが高くなり、この平衡状態にある二つの元素、又は化合物は分離する傾向が強くなることを意味する。従って、Ｃｕと固溶しない混合エンタルピーが正の元素、又は該元素及び化合物が析出し、Ｃｕ及び金属間化合物に隣接することによりストッパー部を形成することができる。
このように、Ｃｕ及び金属間化合物と固溶し難いものであればいずれの元素や化合物であってもよい。例えば、Ｃｕとの混合エンタルピーが正の元素としては、（ＣＯＨＥＳＩＯＮ  ＩＮ  ＡＬＬＯＹＳ−ＦＵＮＤＡＭＥＮＴＡＬＳ  ＯＦ  Ａ  ＳＥＭＩ−ＥＭＰＩＲＩＣＡＬ  ＭＯＤＥＬ（Ｐｈｙｓｉｃａ  １００Ｂ（１９８０）１−２８））によると、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｒｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｎａ、Ｔｌ、Ｐｂ、Ｂｉが挙げられる。これらの中でも、ストッパー部の形成性の観点から、Ｂｉが好ましい。また、化合物としては、Ｓｎが半田組成の必須元素である観点から、例えば、Ａｕ−Ｓｎ（ＡｕＳｎ４、ＡｕＳｎ２、ＡｕＳｎ）、Ｎｉ−Ｓｎ（Ｎｉ３Ｓｎ、Ｎｉ３Ｓｎ２、Ｎｉ３Ｓｎ４）、Ａｇ３Ｓｎが挙げられ、中でも、経時変化により多種の金属間化合物が生成されることによる内部応力増加を抑制する観点から、Ａｇ３Ｓｎ（Ｓｎ：２６．８質量％、残部Ａｇ）が好ましい。さらに、Ａｇ及びＳｎが共存すると接合強度が向上するため、Ｂｉからなるストッパー部とＡｇ３Ｓｎからなるストッパー部とを同時に形成することが特に好ましい態様として挙げられる。
また、前述したストッパー部において、Ｂｉからなるストッパー部とＡｇ３Ｓｎからなるストッパー部との面積比は、（Ｂｉ）：（Ａｇ３Ｓｎ）＝１００：０〜５６：４４であることが特に好ましい。これらの範囲にあると、Ｃｕ電極と半田合金との界面近傍におけるＳｎ元素がＡｇ３Ｓｎに置き換わりＳｎの供給量を低減することができるため、金属間化合物の成長を効果的に抑制することができ、高い接続信頼性を得ることができる。
【００２１】
［金属間化合物］
本発明における金属間化合物は、Ｃｕ電極のＣｕを含むものであり、Ｃｕと半田合金組成中の元素との化合物である。このような金属間化合物としては、例えば、Ｃｕ６Ｓｎ５、Ｃｕ３Ｓｎ、ＣｕＺｎ、Ｃｕ５Ｚｎ８等が挙げられ、半田組成の必須元素がＳｎであり、取り扱い安さの観点から、好ましくはＣｕ６Ｓｎ５、Ｃｕ３Ｓｎが挙げられる。これらの金属間化合物が経時変化により成長すると局所的な応力が発生する。これは、以下のように推察される。密度は、Ｃｕ６Ｓｎ５が８．３ｇ／ｃｍ３であり、Ｃｕ３Ｓｎが１１．３ｇ／ｃｍ３である。一方、Ｃｕの密度は８．９ｇ／ｃｍ３である。Ｃｕ６Ｓｎ５が形成されると、Ｃｕより密度が低いため、この体積が膨張する。また、Ｃｕ３Ｓｎが形成されたときにはＣｕより密度が高いために体積が収縮する。従って、これらの体積膨張、及び体積収縮が局所的な応力が発生する原因となり、Ｃｕ電極と半田合金との剥離しやすくなるため、接続信頼性が劣化することになる。
本発明における金属間化合物は、前述したストッパー部により成長が阻害されているため、厚みが３μｍ以下と薄く、厚みのバラツキも少ない。金属間化合物の厚みのバラツキとしては、金属間化合物の厚みの平均値に対して−４５％以上＋６３％以下であることが好ましく、−４５％以上＋２７％以下であることが特に好ましい。この範囲であると、金属間化合物中の成長した箇所がないことになり、局所的な応力が発生してないので、高い接続信頼性を得ることができる。
【００２２】
［半田合金］
本発明における外部接続端子は、ＢｉとＳｎを含む不純物と、からなる半田合金を有する。
「Ｓｎを含む不純物」とは、主成分としてＳｎを含む不純物であることを表し、Ｓｎが１００％であってもよい。
好ましい態様としては、前記半田合金中のＢｉの組成比が、３２質量％以上７５質量％以下であることが挙げられる。更に好ましい態様としては、４１質量％以上７４質量％以下であることが挙げられる。Ｂｉが前記範囲にあると、接続信頼性が従来の場合と比較して著しく向上する。これは、Ｂｉが所定量以上含有することにより、半田合金中のＢｉからなる相がＣｕ電極や金属間化合物の周辺に引き寄せされる傾向を示す。従って、Ｃｕ電極や金属間化合物の近傍にストッパー部が形成されるため、金属間化合物の成長を阻害することができる。また、Ｂｉの含有量が７５質量％以上であると、半田合金自体の延性が劣化し加工性、強度、及び耐久性に劣り、３２質量％以下であると、金属間化合物の成長を阻害するために必要なストッパー部が形成され難い。
【００２３】
さらに好ましい態様としては、ＢｉとＳｎを含む不純物とからなる半田合金がＡｇを含有する組成が挙げられる。Ａｇを含有することにより、半田合金組成中のＡｇとＳｎとからなる金属間化合物がストッパー部として形成され、半田合金組成中のＳｎの含有量が低減し、前述した金属間化合物の成長を阻害することができる。半田合金にＡｇが含有された時のストッパー部の組成としては、前述したＢｉ以外に、化合物としてＡｇ３Ｓｎが挙げられる。半田合金中におけるＡｇの組成比は、後述するＣｕ電極、及び前述した金属間化合物に固溶しない化合物（Ｃｕ、又は金属間化合物のそれぞれとの混合エンタルピーが正の化合物）が形成されるのであれば特に限定されない。好ましくは、Ａｇの組成比が半田合金に対して、０．２質量％以上３．３質量％であることが挙げられる。０．２質量％以下であると、金属間化合物の成長を阻害するのに十分なＡｇを含むストッパー部が形成されない。また、３．３質量％以上であると、半田合金中にＡｇを含む化合物が至る所に析出し、析出した箇所から半田合金自体の強度に亀裂が入ってしまう。また、Ａｇが４質量％添加されたＡｎ５４Ｂｉ４Ａｇ組成の液相線は３００℃を超えてしまい、半導体装置自体の製造ができない。
前述した半田合金の中でも、特に好ましい態様としては、前記半田合金中のＢｉの組成比が、３２質量％以上７５質量％以下であり、Ａｇの組成比が、０．２質量％以上３．３質量％以下であり、残部がＳｎであることが挙げられる。
【００２４】
〔Ｃｕ電極〕
本発明の半導体装置に用いられるＣｕ電極１０６としては、公知の銅を使用することができる。
【００２５】
〔絶縁性封止層〕
本発明で例示している半導体装置は、絶縁性封止層１０４を有する。これは、半導体チップの電極パッドから再配線された配線の腐食抑制、あるいはデバイス回路面の遮光などを目的に設けている。
絶縁性封止層１０４の材質としては、絶縁性、密着性（必要に応じて遮光性）を有していれば特に限定されることはないが、例えば、ポリイミド、熱硬化性エポキシ樹脂、ビスマレイイミド等が挙げられる。これらの中でも、厚み形成能力・コスト等の観点から、熱硬化性エポキシ樹脂であることが好ましい。
絶縁性封止層１０４の膜厚としては、耐湿信頼性・遮光性などの観点から６０μｍ〜１００μｍであることが好ましい。
【００２６】
〔基板〕
本発明の半導体装置１００は基板１０２を有する。
基板の材質としては、シリコン等が挙げられる。
基板の板厚としては、半導体装置の小型化等に対応するため、４００μｍ以下であることが好ましい。
【００２７】
上記の半導体装置を用いることにより、半導体装置を実装基板１２０に実装した後に熱衝撃を加えた場合の実装基板１２０との基板接続寿命比が、従来の半導体装置と比べて飛躍的に向上させることができる。
【００２８】
＜半導体装置の製造方法、半導体装置の実装＞
本発明の半導体基板の製造方法の一例を図５に従って以下に記載する。
本発明の半導体装置１００は、基板１０２上に公知ウエハプロセスが実施され、基板１０２の表面にはマトリックス状に配列された半導体チップ（不図示）を形成する。ここでいう半導体チップとは、一つの半導体装置に対応して形成される基板上の電気回路のことである。
前記電気回路と電気的に接続された電極パッド（不図示）を形成した後、ポリイミド等の樹脂材料からなる絶縁層（不図示）をスピンコート等にて基板１０２表面上に塗布する。塗布したポリイミドのうち、不要な箇所のポリイミドは公知のフォトリソグラフィ技術等により除去する。これらの工程により、電極パッド（不図示）に対応する領域及び半導体チップ（不図示）の境界線に沿う領域を除く基板１０２の表面上にポリイミド等からなる絶縁層（不図示）が形成される。
この表面に、例えば、イオンスパッタ法により、チタンタングステン（ＴｉＷ）等からなるバリアメタル（不図示）を形成する。その後、バリアメタル上に銅（Ｃｕ）のメッキを形成し、電極パッド（不図示）から絶縁性封止層１０４の上面に至るように配線し、Ｃｕ電極１０６を形成する。
【００２９】
次に、半田ボール１１４とＣｕ電極１０６とを電気的に接続するため、フラックス１１２を塗布する。この後、半田ボール１１４をフラックス１１２上に載せ、リフロー処理することにより、外部接続端子１１０を形成する。
ここで、本発明の半導体デバイスにおいて、好適に用いることができるフラックスとしては、例えば、樹脂系、有機酸系のフラックスが挙げられる。これらの中でも、本発明で好適に用いることができるフラックス１１２としては、いずれにおいてもハロゲンフリーのフラックスが挙げられ、更にリフロー処理温度の兼ね合いから以下を満たすフラックスが好ましい。
フラックス溶剤の沸点は、１４０℃以上３００℃以下に設定し、活性を示し始める温度が８０℃以上１６０℃以下であることが好ましい。より好ましい態様としては、溶剤の沸点を１８０℃以上２８５℃以下に設定し、活性を示し始める温度が１００℃以上１４０℃以下であることが挙げられる。
リフロー処理は、基板温度を例えば１５０℃で均一にするための予備加熱を行った後、引き続いて、ピーク温度に上昇して半田を接合する。このピーク温度にするための条件（以下、適宜、「ピーク条件」と称する）は、昇降温速度を２℃／分〜３℃／分、ピーク温度を１８０℃〜２６０℃、（ピーク温度−２０℃）以上の保持時間を３０秒〜６０秒とし、大気中で行うことが好ましい。中でも、ピーク温度を２４０℃〜２６０℃の範囲でリフロー処理を行うと、ストッパー部が十分に形成される点で好ましい。
また、フラックス１１２に代えて、上述した外部接続端子１１０の合金組成と同じ組成の半田ペースト１１２を用いてもよい。また、半田ペーストの組成としては、従来から用いられているＳｎ３Ａｇ０．５Ｃｕを用いてもよい。
【００３０】
このようにして製造した本発明の半導体装置１００を、実装基板１２０に実装する。
実装基板１２０上に、公知の方法で電気回路を形成し、この電気回路と電気的に接続されている端子１２２上に、半田ペースト１２８を塗布する。半田ペースト１２８の組成としては、例えば、Ｓｎ（１００−ｘ−ｙ）ＡｇｘＣｕｙ（組成比を示すｘ、ｙは、それぞれ、０．０５質量％以上５質量％以下、０．０５質量％以上２質量％以下）が挙げられる。その後、半田ペースト１２８上に、前記のように製造した本発明の半導体装置１００を、外部接続端子１１０が半田ペースト１２８上に載るように配置し、リフロー処理を行い、外部接続端子１１０と端子１２２とが電気的に接続され、半導体装置１００の実装基板１２０への実装が完了する。
【実施例】
【００３１】
以下実施例によって本発明をより詳しく説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。
【００３２】
＜実施例１＞
実施例１では、半導体装置の外部接続端子の合金組成がＳｎＢｉ（Ｓｎ：５９質量％、Ｂｉ：４１質量％）であり、Ｃｕ電極及び金属間化合物の周囲にストッパー部を有する半導体装置を製造した。
（半導体装置の作製）
図５に沿って説明する。基板１０２上に公知のウエハプロセスを実施し、配線がマトリックス状に配列された半導体チップを形成した後、半導体チップ上にポリイミドからなる絶縁性樹脂をスピンコートにより塗布し、乾燥させ、５μｍの絶縁層（不図示）を形成した。次いで、電極パッドを露出させるため、電極パッド以外の領域をマスクで覆い、露光後に現像処理して電極パッドを露出させた。次いで、イオンスパッタ法によりチタンなどからなるシード層を形成する。次いで、半導体チップの電極パッドをエリア状に再配置するためにフォトリソ技術を用いて銅配線及び銅の電極パッドを形成する。次いで、銅の電極パッド直上に電解メッキにより銅を析出させる。次いで、シード層をエッチングして銅再配線が完成する。次いで、全体を樹脂で封止したのち樹脂を研削し絶縁封止層１０４から一部が露出した、径が２５０μｍのＣｕ電極１０６を形成した。
形成されたＣｕ電極１０６上に、Ｃｕ電極１０６表面の酸化膜を除去して半田と銅とを接合させるため、フラックス１１２（千住金属工業株式会社製、デルタラックス５２３Ｈ）を、フラックス１１２の塗布厚が６０μｍになるように印刷した。その後、φ０．３ｍｍであり、組成がＳｎＢｉ（Ｓｎ：５９質量％、Ｂｉ：４１質量％）である半田ボール１１４を搭載した。
半田ボール１１４を搭載した後に、リフロー処理（古河電気工業株式会社製：ＸＮＩＩＩ−７２５ＰＣ（ｂ））を行い、Ｃｕ電極１０６と半田ボール１１４が電気的に接続し、外部接続端子１１０を形成することにより、半導体装置１１０を作製した。外部接続端子１１０の高さ（Ｃｕ電極の表面から）は、２５０μｍであった。
なお、リフロー処理のピーク条件は、昇降温速度を２．５℃／分、ピーク温度を２００℃、１８０℃以上の処理時間を１分とした。
【００３３】
（評価）
−金属間化合物の厚み、ストッパー部の割合−
前述のようにして得られた半導体装置の破断面を、Ｃｕ電極と半田合金との界面近傍の領域を選択し、当該界面を走査型電子顕微鏡（株式会社日立ハイテクノロジーズ製、型式：Ｓ−３６００Ｎ）により、１５００倍にて撮影した。その後、撮影した画像に映し出されたＣｕ６Ｓｎ５及び／又はＣｕ３Ｓｎの厚みを測定した。結果を表１に示す。なお、表中、金属間化合物の厚みが０μｍとは、撮影したＳＥＭ写真での観察においてＣｕ電極とストッパー部とが接していることを表す。「金属間化合物の厚み」とは、Ｃｕ電極と接している金属間化合物の厚さを表す。「ストッパー部を除く金属間化合物の厚み」とは、Ｃｕ電極とストッパー部とが接している部分、若しくは金属間化合物上に接しているストッパー部を除いた金属間化合物の厚みを表す。
バラツキは、ストッパー部を除く金属間化合物の厚みの平均に対するズレの割合で評価した。なお、断面の処理は、機械研磨により行った。
ストッパー部の割合は、前述した半導体装置の切断面のＳＥＭ写真から、Ｃｕ電極と半田合金との界面を観察し、ストッパー部の被覆幅の割合を求めた。なお、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｃｕ６Ｓｎ５、及びＣｕ３Ｓｎを、エネルギー分散型Ｘ線分析装置（株式会社堀場製作所製、型式：ＥＸ−２５０）により測定した。結果を表１に示す。
【００３４】
＜実施例２〜４、比較例１〜３＞
実施例１において、外部接続端子の組成を表１に示すように変更した以外は実施例１と同様にして半導体装置を作製し、同様の評価を行った。結果を表１に示す。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
表１より、本発明の実施例は、ストッパー部を除いた金属間化合物の厚みがいずれも３μｍ以下であり、尚且つ金属間化合物のバラツキも小さいことがわかった。
【００３７】
＜実施例５＞
実施例１のようにして得られた半導体装置を実装基板へ実装した。実装方法を下記に記載する。
【００３８】
（半導体装置の実装基板への実装）
ガラスとエポキシ樹脂の複合物からなる実装基板（株式会社イースタン製；ＱＳＸ−３３３９８）に形成された電極パッド（材質：銅）上に、Ｓｎ（１００−ｘ−ｙ）ＡｇｘＣｕｙ（ｘ＝３質量％、ｙ＝０．５質量％）の組成の半田ペーストを、メタルマスクを介して印刷した。その後、前記半導体装置の外部接続端子を該半田ペースト上に搭載し、リフロー処理（古河電気工業株式会社製；ＸＮＩＩＩ−７２５ＰＣ（ｂ））を行い、半導体装置を実装基板に実装した。
なお、リフロー処理の条件は、昇降温速度を２．５℃／分、ピーク温度を２４０℃、２２０℃での保持時間を１分とした。また、半導体装置と実装基板との接合部の組成は、Ｓｎ（１００−ｘ−ｙ−ｚ）ＢｉｘＡｇｙＣｕｚ（ｘ＝２９．１質量％、ｙ＝１．５質量％、ｚ＝０．３質量％）であった。
【００３９】
（評価）
−金属間化合物の厚み、ストッパー部の割合−
実施例１と同様に、実装後のサンプルの破断面写真を撮影し、金属間化合物の厚み、及びストッパー部の割合を評価した。結果を表２に示す。
【００４０】
＜実施例６、７、比較例４〜６＞
実施例５において、外部接続端子の組成を表２に示すように変更した以外は実施例５と同様にして半導体装置を実装基板に実装し、同様の評価を行った。結果を表２に示す。
【００４１】
【表２】
2009054790.tif 000004
【００４２】
＜実施例８＞
実施例５において、半導体装置を実装基板に実装した後、下記に示す温度サイクル処理を行い、実施例５と同様に金属間化合物の厚み、及びストッパー部の割合を評価した。また、下記に示すような熱衝撃信頼性、繰り返し曲げ破断サイクル比、及び繰り返し落下破断サイクル比を評価した。結果を表３に示す。
【００４３】
−熱衝撃信頼性−
半導体装置を実装基板に実装したものを、冷熱衝撃試験槽（エスペック株式会社製、ＴＳＡ−１０１Ｓ−Ｗ）に入れ、図６に示す温度サイクル条件にて大気中で放置した。温度サイクルを開始すると同時に、半導体装置と実装基板との接合部の電気抵抗値をリアルタイム測定する。次いで、温度サイクル１サイクル目における高温側、低温側の電気抵抗値を初期抵抗値とし、それと比較して５０％増加した時のサイクル数をワイブル確率紙にプロットした。その不良サイクル数をプロットしたグラフ（縦軸；累積不良率、横軸；サイクル数）から、０．１％故障するサイクル数を読み取る。その後、半導体装置と実装基板との接合部の組成がＳｎＡｇＣｕ（Ｓｎ：９６．５質量％、Ａｇ：３．０質量％、Ｃｕ：０．５質量％）である比較例７の値を１．０として、熱衝撃信頼性を調査した。結果を表３に示す。
また、熱衝撃信頼性と半導体装置の外部接続端子におけるＢｉ組成比との関係を図７に示す。
【００４４】
−繰り返し曲げ破断サイクル数比−
ＪＥＩＴＡ規格のＥＴ−７４０９／１０５に従い、図８に示す方法により、半導体装置を実装した実装基板を支点上に置き、実装基板の裏面側から下記押し込み量を繰り返し負荷することにより、破断した時の繰り返し曲げ破断サイクル数を計測した。試験条件を以下に記載する。
・支店間距離：９０ｍｍ
・押し込み量：４ｍｍ
・押し込み速度：０．５ｍｍ／ｓ
・半導体装置の仕様：□６ｍｍ／０．５ｍｍピッチ
・実装基板：４０ｍｍ×１１０ｍｍ×１ｍｍ
半導体装置と実装基板との接合部の組成が、ＳｎＡｇＣｕ（Ｓｎ：９６．５質量％、Ａｇ：３．０質量％、Ｃｕ：０．５質量％）である比較例７の繰り返し曲げ破断サイクル数を１とし、繰り返し曲げ破断サイクル数比を調査した。結果を表３に示す。
【００４５】
−繰り返し落下破断サイクル数比−
ＪＥＩＴＡ規格のＥＴ−７４０９／１０６に従い、半導体装置を実装した実装基板（５２．５×１０５．０ｍｍ）をアルミ冶具１５０ｇに固定し、１．５ｍの高さからコンクリートからなる落下面に繰り返し自由落下させる。実装基板の抵抗値の変化が２０％以上になった時の繰り返し落下破断サイクル数を計測した。
半導体装置と実装基板との接合部の組成が、ＳｎＡｇＣｕ（Ｓｎ：９６．５質量％、Ａｇ：３．０質量％、Ｃｕ：０．５質量％）である比較例７の繰り返し落下破断サイクル数を１とし、繰り返し落下破断サイクル数比を調査した。結果を表３に示す。
【００４６】
＜実施例９、１０、比較例７〜９＞
実施例８において、外部接続端子の組成を表３に示すように変更した以外は実施例８と同様にして半導体装置を実装基板に実装し、同様の評価を行った。結果を表３に示す。
【００４７】
【表３】
2009054790.tif 000005
【００４８】
表３より、本発明の実施例は、実装基板に実装した場合でも、ストッパー部を除いた金属間化合物の高さのバラツキが比較的小さく、金属間化合物の成長を阻害するためのストッパー部が十分に形成することがわかった。
また、表３より、本発明の実施例は、熱衝撃を加えた場合でも、従来の接合部と比べて繰り返し曲げ破断サイクル比、及び繰り返し落下破断サイクル比が同等であり、尚且つ熱衝撃信頼性が著しく向上した。
【００４９】
＜実施例１１、１２＞
実施例２において、半田ボールをＣｕ電極に接続する際のリフロー時のピーク温度を変更した以外は実施例２と同様にして半導体装置を作製し、同様の評価を行った。結果を表４に示す。
【００５０】
【表４】
2009054790.tif 000006
【００５１】
表４より、リフロー時のピーク温度を２４０℃、２６０℃にすると、ストッパー部を除いた金属間化合物の厚み及びストッパー部の割合がさらに増加した。
【００５２】
＜実施例１３、１４＞
実施例１１において、半導体装置を実装基板に実装する際のリフロー時のピーク温度を表５に示すように変更した以外は実施例１１と同様にして半導体装置を実装基板に実装し、同様の評価を行った。結果を表５に示す。
【００５３】
【表５】
2009054790.tif 000007
【００５４】
表５の結果より、端子形成時及び基板接続時のリフロー時のピーク温度を２４０℃とすると、ストッパー部を除いた金属間化合物の厚みを抑えられ、バラツキも少なく、ストッパー割合も増加した。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施形態における半導体装置の断面図である。
【図２】本発明の実施形態における半導体装置を実装基板に実装したときの断面図である。
【図３】（Ａ）は本発明の半導体装置の断面図であり、（Ｂ）はＣｕ電極と半田合金との界面近傍のＳＥＭ写真であり、（Ｃ）はＣｕ電極と半田合金の界面近傍の模式図である。
【図４】本発明の実施形態における半導体装置の断面図である。
【図５】本発明の実施形態における半導体装置の外部接続端子形成方法の工程図、及び本発明の実施形態における半導体装置の実装基板への実装方法の工程図である。
【図６】熱衝撃信頼性を評価する際の槽内の温度サイクル条件を表す図である。
【図７】熱衝撃信頼性の外部接続端子中のＢｉの組成比依存性を表すグラフである。
【図８】繰り返し曲げ破断サイクル数の測定方法の該略図である。
【図９】（Ａ）が従来の半導体装置の断面図であり、（Ｂ）がＣｕ電極と半田との界面付近のＳＥ写真であり、（Ｃ）はＣｕ電極と半田合金の界面近傍の模式図である。
【符号の説明】
【００５６】
１００  半導体装置
１０２  基板
１０４  絶縁性封止層
１０６  Ｃｕ電極
１０８  界面
１１０  外部接続端子
１１２  フラックス
１１４  半田ボール
１１８  金属間化合物
１２０  実装基板
１２２  端子
１２４  接合部
１２８  半田ペースト
１３２  Ｂｉ
１３４  Ｓｎ
１３６  Ａｇ３Ｓｎ
【図１】
2009054790.tif 000008
【図２】
2009054790.tif 000009
【図４】
2009054790.tif 000010
【図５】
2009054790.tif 000011
【図６】
2009054790.tif 000012
【図７】
2009054790.tif 000013
【図８】
2009054790.tif 000014
【図３】
2009054790.tif 000015
【図９】
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