JP2015186826A - はんだボールおよび半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】銅パッド部とはんだボールとの間における銅と錫との反応が促進されるのを阻止して、銅パッド部に断線が発生するのを防止することを可能にするはんだボール及びそのはんだボールを用いた半導体装置を提供する【解決手段】はんだボールを、金属又は樹脂の表面に金属をコーティングしたコア材と、このコア材の表面に形成されたニッケル、チタンもしくクロムを主成分とする第一の金属膜層と、この第一の金属膜層の外周に形成された銅を主成分とする第二の金属膜層と、この第二の金属膜層の外周に錫を主成分とする第三の金属膜層とを有して構成し、半導体装置を、第一の部材上の第一の電極パッドと第二の部材上の第二の電極パッドとをこのはんだボールを用いて接合した構成とした。【選択図】図１

Description

本発明は家電用や民生機器用、産業用に用いられるはんだボールおよびはんだボールを用いた半導体装置に関する。

携帯電子機器を中心として高機能化・高性能化の要求が年々増加しており、これに伴い高速、大容量な半導体デバイスが必要となってきている。一方で、機器の小型化も大きなニーズとなっており、これらを両立させた半導体パッケージの開発が行われている。これを実現するキーテクノロジーとして、半導体素子を突起バンプで接合するフリップチップ実装が注目を浴びており、既に様々なパッケージに使用されている。

フリップチップ実装はパッド上にバンプを形成したチップを基板の電極上にフェイスダウンにより接続する実装方式である。フリップチップ実装方式は、従来のワイヤボンディング接合方式に比べて、接続長が短くなることにより信号伝播の遅延を抑えることができ高速伝送が可能であること、チップサイズがパッケージサイズとなるため小型化が可能であることなどの利点が挙げられる。

主なフリップチップ実装方式として、チップと基板間をはんだバンプで接合するはんだバンプ接合方式（図１６）、チップ側に金スタッドバンプを形成したのちスタッドバンプと基板側配線をはんだにて接合する金バンプ／はんだ接合方式、チップ側に金スタッドバンプを形成したのちスタッドバンプと基板側配線を超音波接合により接合する超音波接合方式、チップ側にスタッドバンプを形成したのちスタッドバンプと基板側配線を銀ペーストやACF（Anisotropic Conductive Film）などの樹脂材を主とした材料で接続する接触接続方式などが主流となっている。

この中でもはんだバンプ接合方式は接合部のはんだ材が変形することにより、温度変化や落下衝撃などの実使用環境下で発生する接合部へのストレスを緩和する機構を備えた有力な接合方法である。従来は微細なはんだバンプを形成することが困難であったが、現在では１００μｍ以下のはんだボールも量産されており、今後はんだボールもますます微細ピッチ接合へ適用されていくものと推定される。

はんだボール接合は上記の通り応力緩和機構を持つ接合であるが、ボール径が１００μｍ以下となると接合面積も小さくなる。はんだ接合部の歪み発生の主な原因はチップと基板間の線膨張係数差に起因する環境温度変化時のせん断歪みである。せん断歪みはチップ中心からの距離に比例し接続部高さに反比例するので、中心から同一距離にあるはんだボールの径を小さくすると増大する。また、はんだボールの接合部高さは初期はんだボール径の５０から７０％ほどになることが多いため、１００μｍのはんだボールの場合接合部高さは５０から７０μｍ程度になる。これに伴いせん断歪みが増大することが類推できる。更に昨今のチップの高性能化に伴い電流量も増大しているが、接合部はますます微細化が進んでいる。このような背景から接合部の電流密度が上昇しており、この電流密度の上昇ははんだボール内のエレクトロマイグレーションによる断線不良を引き起こすことが懸念されている。

このような想定される課題を解決する手段として、せん断歪みの低下と耐エレクトロマイグレーション性を実現できるはんだボール材として、金属コアはんだボールが提案されている。金属コアはんだボールとは任意の粒径の金属をはんだでコーティングすることにより形成したはんだボールであり、コアが介在することにより接合部の高さをコア粒径以上に保つことができる。また、コア材料としてはんだよりも電気伝導性の高い金属を用いることによりエレクトロマイグレーション耐性も向上することができる。

特許文献１では、金属コアボールはんだの金属コア外周に窪みを形成し、その窪みにはんだを充填させることによりボール外周部のはんだ量を増加させる金属コアはんだボール形状が記載されている。また特許文献２では金属コアのない通常のはんだボールを超音波にて接合し、ボールを溶融させることなく低温で接合できる製造プロセスを提示している。更に、特許文献３には、銅（Ｃｕ）をコアとしてその上にニッケル（Ｎｉ）合金層、更にその上に銅（Ｃｕ）を含む錫（Ｓｎ）合金層を形成し、表層に別のはんだ材料形成したはんだボールの構造が記載されている。

また、特許文献４には、コア材料に有機重合体又は有機共重合体を用いてその周囲を第１層の金属としてＣｕ層で被覆し、その外側を第２層の金属としてＳｎを含む合金からなるはんだ内層で被覆し、最外周を第３層の金属として第２層と同じＳｎを含む合金からなり第２層と組成が異なるはんだ外層で被覆した導電性ボール（はんだボール）について記載されている。

特開２００３−１０１２０７号公報 特開２００５−２６５７９号公報 特開２００７−７５８５６号公報 特許第３９２４５５２号公報

上記の通り金属コアはんだは、はんだボールが微細化した際も一定の接合高さを確保できるため、接合部に発生するひずみを低減することができる。しかし、他の懸念事項であるエレクトロマイグレーション性向上についてはまだ明確な対策がなされていない。電気伝導性ははんだよりも金属コアの方が良好であるため、従来のはんだボールよりも金属コアはんだではエレクトロマイグレーション耐性も向上することが推定される。金属コアはんだボールの一種として、銅をコア材とし、その外周を錫系はんだでコーティングした銅コアはんだボールが提案されている。また、銅と錫は錫が溶融した状態で反応速度が速いことが知られているため、銅コアとはんだ層間にニッケルなどの反応抑制層を形成した銅コアはんだボールが提案されている。

一方、バンプピッチ微細化によりチップ/はんだ間に応力が集中し、接合部破断が発生することが懸念される。その対策としてチップ上に２０〜５０μｍ程度の銅パッド（銅ポスト）を形成したチップも使用されている。このようにチップ上パッドが銅となった場合は、はんだボール外周の錫と銅パッドが反応し、銅パッド部で断線を発生する可能性がある。また一定電流密度以上の環境下では電流により銅と錫の反応が促進することも知られていることから、今後の微細化に伴う電流密度の上昇は断線の危険性を高める可能性が高い。

然るに、特許文献１乃至４に記載されているはんだボールの構成においては、微細化する銅パッド部とはんだボールとの間における銅と錫との反応が促進されるのを阻止して、銅パッド部に断線が発生するのを防止することについては配慮されていない。

本発明の目的は、銅パッド部とはんだボールとの間における銅と錫との反応が促進されるのを阻止して、銅パッド部に断線が発生するのを防止することを可能にするはんだボール及びそのはんだボールを用いた半導体装置を提供することに有る。

上記目的を達成するために、本発明では、はんだボールを、金属又は樹脂の表面に金属をコーティングしたコア材と、このコア材の表面に形成されたニッケル、チタンもしくクロムを主成分とする第一の金属膜層と、この第一の金属膜層の外周に形成された銅を主成分とする第二の金属膜層と、この第二の金属膜層の外周に錫を主成分とする第三の金属膜層とを有して構成した。

また、上記目的を達成するために、本発明では、はんだボールを、金属又は樹脂の表面に金属をコーティングしたコア材と、このコア材の表面に形成されたニッケル、チタンもしくクロムを主成分とする第一の金属膜層と、この第一の金属膜層の外周に形成された銅を主成分とする金属粉を含有した錫を主成分とする第二の金属膜層とを有して構成した。

更に、上記目的を達成するために、本発明では、第一の部材上の第一の電極パッドと第二の部材上の第二の電極パッドとをはんだボールによって接合した構成を有する半導体装置において、はんだボールは、金属又は樹脂の表面に金属をコーティングしたコア材と、このコア材の表面に形成された第一の金属膜層と、この第一の金属膜層の外周に形成された銅を主成分とする第二の金属膜層と、この第二の金属膜層の外周に錫を主成分とする第三の金属膜層とを有して構成され、第一の電極パッドと第三の金属膜層との間及び第二の電極パッドと第三の金属膜層との間にそれぞれ合金層が形成されて第一の電極パッドと第二の電極パッドとがそれぞれはんだボールと接合していることを特徴とする。

更にまた、上記目的を達成するために、本発明では、第一の部材上の第一の電極パッドと第二の部材上の第二の電極パッドとをはんだボールによって接合した構成を有する半導体装置において、はんだボールは、金属又は樹脂の表面に金属をコーティングしたコア材と、このコア材の表面に形成されたニッケル、チタンもしくクロムを主成分とする第一の金属膜層と、この第一の金属膜層の外周に形成された銅を主成分とする金属粉を含有した錫を主成分とする第二の金属膜層とを有して構成され、第一の電極パッドと第三の金属膜層との間及び第二の電極パッドと第三の金属膜層との間にそれぞれ合金層が形成されて第一の電極パッドと第二の電極パッドとがそれぞれはんだボールと接合していることを特徴とする。

本発明の特長は、はんだボール中に金属コアを介在することにより接合高さを確保し接合部の歪みを低減できること、第三の金属膜として錫と反応しやすい銅を用いることでパッドの銅とはんだ中の錫の反応を抑制すること、それによりエレクトロマイグレーション耐性を向上させることである。

図１は、本発明の実施例１に係る金属コアはんだボールの断面図である。 図２は、実施例１に係る金属コアはんだボールを用いた半導体素子と基板との組立プロセス一例を示す金属コアはんだボールと半導体素子と基板との断面図である。 図３は、実施例１に係る金属コアはんだボールを予め半導体素子に接合した状態で基板に接合する直前の状態を示す金属コアはんだボールと半導体素子と基板との断面図である。 図４は、実施例１に係る半導体素子に予め接合した金属コアはんだボールを基板に接合した直後の状態を示す金属コアはんだ接合部と半導体素子と基板との断面図である。 図５は、実施例１に係る半導体素子に予め接合した金属コアはんだボールを基板に接合後、一定の時間が経過した時の金属コアはんだ接合部と半導体素子と基板との断面図である。 図５は、実施例１に係る金属コアはんだボールを予め基板に接合した状態で半導体素子に接合する直前の状態を示す金属コアはんだボールと半導体素子と基板との断面図である。 図７は、実施例１の変形例１に係る金属コアはんだボールの断面図である。 図８は、実施例１の変形例１に係る金属コアはんだボールを予め半導体素子に接合した状態で基板に接合する前の状態を示す金属コアはんだ接合部と半導体素子と基板との断面図である。 図９は、実施例１の変形例１に係る金属コアはんだボールを予め半導体素子に接合した状態で基板に接合した後の金属コアはんだ接合部と半導体素子と基板との断面図である。 図１０は、実施例１の変形例１に係る金属コアはんだボールを予め半導体素子に接合した状態で基板に接合後、一定の時間が経過した時の金属コアはんだ接合部の断面図である。 図１１Ａは、実施例１の変形例２に係る樹脂コアはんだボールの断面図である。 図１１Ｂは、実施例１の変形例２に係る樹脂コアはんだボールの断面図である。 図１２は、実施例２に係る半導体素子上へのはんだボールを一括して接合する形成プロセスを示す半導体素子の断面図である。 図１３は、実施例２に係る半導体素子上に一括して接合されたはんだボールを基板と接合する組み立てプロセスを示す半導体素子の断面図である。 図１４は、実施例２に係る基板上へのはんだボールを一括して接合する形成プロセスを示す基板の断面図である。 図１５は、実施例２に係る基板上に一括して接合されたはんだボールを半導体素子と接合する組立プロセス一例の断面図である。 図１６は、はんだバンプを用いた従来接合部の構成を示すはんだバンプと半導体素子と基板との断面図である。

以下、本発明実施の形態を、はんだボールの構造について実施例１で説明し、そのはんだボールを用いた半導体装置について実施例２で説明する。

図１は本発明の実施例１における金属コアはんだボール１００の断面図である。１は金属コア、２は第一金属膜、３は第二金属膜、４ははんだである。金属コア１の材料は、はんだ４よりも電気伝導率の高い金属であればよく、例えば銅、金、銀、アルミニウムなどを主成分とした金属が挙げられる。金属コア１の直径は１０μｍ〜１０００μｍが望ましい。金属コアはんだボール１００を用いて半導体素子と基板を接合する際、金属コア１は接合部の高さを制御する役割を果たすことができる。しかし金属コア１の直径が１０μｍ以下となると、高さ制御の効果が低減する可能性が高く、かつハンドリングが困難となる。また金属コア１の直径が１０００μｍ以上となると、金属コアはんだボール１００のサイズが１ｍｍ以上となるため、接合ピッチが１ｍｍ以下の微細接合を実現できない。

上記説明で半導体素子を一例として記載したが、半導体素子上で再配線を施したウェハレベルパッケージや基板上にチップを実装してモールドした半導体パッケージなどでもよい。また基板はセラミック基板、プリント基板、シリコン基板、ガラス基板、フレキシブル基板、金属ベース基板などが挙げられる。更には半導体素子と半導体素子、半導体パッケージと半導体パッケージ、半導体素子とパッケージなどの接合でも同様に高さ制御の効果が得られる。金属コア１は球状で説明したが、楕円、立方体、円柱、直方体、三角柱、四角柱、多角中、円錐などでもかまわない。

第一金属膜２に関しては、融点以上に加熱したときの第一金属膜２とはんだ４の反応速度が第二金属膜３とはんだ４の反応速度よりも遅くなるような第一金属膜２の材料を選定する。例えば第二金属膜３を銅もしくは銅を主成分とする金属膜とする場合は、第一金属膜２はニッケルやチタン、クロムを主成分とした金属が好ましい。第一金属膜２の形成方法はめっきや蒸着など、どのような方法でもかまわない。また第一金属膜２の厚さは金属コア１の直径以下であればよい。

第二金属膜３は、銅もしくは銅を主成分とする金属膜であることが望ましい。第二金属膜３とはんだ４の反応速度は半導体素子や基板の電極材料とはんだ４との反応速度よりも早いもしくは同等の材料を選定する方がよい。また、銅を５０％以上含んだ金属であることが望ましい。

はんだ４は錫を主成分とした材料であれば、そのほかの元素を含有していても良い。はんだ４の形成方法は無電解もしくは電解めっき法で形成することが可能であるが、形成方法は他の方法でもかまわない。

図２は本実施例１による金属コアはんだボール１００を用いて接合した半導体素子と基板との接合部断面の模式図である。１は金属コア、４ははんだ、１０は半導体素子、２０は基板側電極、２１は基板である。１０は半導体素子を一例として記載したが、半導体素子上で再配線を施したウェハレベルパッケージや基板上にチップを実装してモールドした半導体パッケージなどでもよい。

図２では、半導体素子１０の電極であるチップ側電極１１にはんだ４と金属コア１を有する金属コアはんだボール１００を接合した一例を示す。はじめに図２の上段に示すように、金属コアはんだボール１００を接合した半導体素子１０のチップ側電極１１に、基板２１上の基板側電極２０を位置あわせを行う。位置あわせ後、図２の下段に示すように、半導体素子１０の電極上に形成した金属コアはんだボールと、基板２１上の基板側電極２０とを接触させ、リフローなどで熱を加え、はんだ４を溶融させて金属コアはんだボール１００を介して半導体素子１０のチップ側電極１１と、基板２１上の基板側電極２０との電気的接続を得る。図２では図示していないが、基板側電極２０上にはんだを形成してもよい。ここで、基板２１はセラミック基板、プリント基板、シリコン基板、ガラス基板、フレキシブル基板、金属ベース基板などである。半導体素子１０の形状は立方体、直方体、円柱、多角柱など特に規定はしないが、最長辺の長さが20ｍｍ以下であることが望ましい。また、接合方法でリフローを上記したが、超音波接合などでもよい。

図３は実施例１における基板２１上の基板側電極２０と接合前で半導体素子１０のチップ側電極１１に接合された状態の金属コアはんだボール１００を含む半導体素子１０と基板２１との断面図である。１は金属コア、２は第一金属膜、３は第二金属膜、４ははんだ、６は金属間化合物、１０は半導体素子、１１はチップ側電極、１２はチップ側金属間化合物、２０は基板側電極、２１は基板である。

図３に示すように、基板側電極２０と接合する前に、あらかじめ金属コアはんだボール１００をチップ側電極１１に接合する。接合時はリフロー炉などで金属コアはんだボール１００のはんだ４を溶融させて接合するため、チップ側電極１１とはんだ４が反応し、チップ側電極１１とはんだ４の界面にチップ側金属間化合物１２が形成される。同様に第二金属膜３とはんだ４の界面でも金属間化合物６が形成される。はんだ４は錫を主成分とするはんだであればよい。

ここで金属コア１は、はんだ４よりも硬い材料、例えば銅、ニッケル、アルミニウム、タングステン、金、銀、もしくはこれらのうち少なくともひとつの金属を主成分とする合金であればよい。また金属コア１は、二種類以上の金属の複合体、もしくは積層体でもよい。このように、接合前の状態ではチップ側電極１１とはんだ４、および第二金属膜３とはんだ４の界面に、各々チップ側金属間化合物１２と金属間化合物６が形成されている。

図４は実施例１における接合直後の金属コアはんだボール１００を含む半導体素子１０と基板２１との断面図である。１は金属コア、２は第一金属膜、３は第二金属膜、６は金属間化合物、４ははんだ、１０は半導体素子、１１はチップ側電極、１２はチップ側金属間化合物、２０は基板側電極、２１は基板、２２は基板側金属間化合物である。

図３の状態から、半導体素子１０のチップ側電極１１に接合された金属コアはんだボール１００と基板側電極２０の位置合せを行い、リフローなどによりはんだ４の融点以上まで熱を加えてはんだ４を溶融させて、基板側電極２０とはんだ４を反応させることにより接合を行う。この際にはんだ４と基板側電極２０の間には金属間化合物２２が形成される。第一金属膜２はこの接合プロセスの後でも消失しない膜厚とする。

また、図３および図４に示した金属コアはんだボール１００の断面図は図２に示した接合プロセスにおけるはんだボール接合部の一部を取り出したものである。なお金属コア１の形状は、球、楕円、円柱、立方体、多角柱などであればよい。また半導体素子１０と基板２１の接合高さを確保するためには、金属コア１のサイズをはんだボール径の５０%以上とすることが望ましい。

このように、金属コアはんだボール１００を介して半導体素子１０と基板２１を接合した構造を得ることができる。この構造により、半導体素子１０と基板２１の接合部に金属コア１を介在させることにより接合高さを確保し接合部の歪みを低減できること、電気抵抗がはんだ４よりも低い金属コア１がチップ側電極１１と基板側電極２０の間に入り接合部の電気抵抗を低減し耐エレクトロマイグレーション性を向上させることが可能になる。

図５は実施例１における半導体素子に予め接合した金属コアはんだボール１００を基板１０に接合後、一定の時間が経過した時の金属コアはんだボールの接合部と半導体素子と基板との断面図である。１は金属コア、２は第一金属膜、３は第二金属膜、４ははんだ、６は金属間化合物、８は金属間化合物、１０は半導体素子、１１はチップ側電極、１２はチップ側金属間化合物、２０は基板側電極、２１は基板、２２は基板側金属間化合物である。

図５は図４の状態から実使用環境などで一定の時間経過後の状態を示し、チップ側電極１１の側に生成された金属間化合物１２、基板側電極２１の側に生成された金属間化合物２２、及びはんだ４と第２金属膜３との間に生成された金属間化合物８が成長した様子を示している。金属間化合物８は図３及び４に示した金属間化合物６が成長した様子を示している。以下は金属コア１が銅、第一金属膜２がニッケル、第二金属膜３が銅、はんだ４が錫系はんだ（錫-銀-銅系など）チップ側電極１１が銅の場合を例に挙げて本接合の効果について説明する。

図４に示したようにチップ側電極１１に接合した金属コアはんだボール１００を基板側電極２１に接合した直後の状態では、はんだ４が溶融し、第二金属膜３および基板側電極２０と反応するため、第二金属膜３とはんだ４、および基板側電極２０とはんだ４の接合界面にそれぞれ金属間化合物が形成される（図４中、金属間化合物６と基板側金属間化合物２２）。はんだ４とチップ側電極１１の界面には既にチップ側金属間化合物１２が形成されているが、基板側電極２０との接合時の熱負荷によりチップ側金属間化合物１２は成長する。このように、各接合界面に金属間化合物が形成された接合部となる。図４に示したような接合直後では、第二金属膜３は全て反応することなく残存している構造とする。
実使用環境等で熱負荷が引き続き加えられると各々の反応が進み、各金属間化合物が成長すると共に、第二金属膜３、はんだ4、チップ側電極１１、基板側電極２０は金属間化合物化することにより減少していく。

一方で、電流密度が一定量以上になると、微細なはんだ接合部にもエレクトロマイグレーションが発生することがわかっており、はんだ中にボイドが形成されたり、原子の移動による配線材料の化合物化の加速、それに伴う配線もしくはパッドにおける断線が発生することが知られている。

第二金属膜３がない場合、第一金属膜２（ニッケル）とはんだ４の反応速度はチップ側電極１１や基板側電極２０とはんだ４の反応速度よりも遅いため、上記のように実使用環境による熱負荷、さらには通電によるエレクトロマイグレーションによりチップ側電極１１とはんだ４、基板側電極２０とはんだ４の界面の反応（銅-錫系金属間化合物の成長）が促進され、チップ側電極１１や基板側電極２０が消費される。特にチップ側電極１１や基板側電極２０が銅である場合は高電流密度、温度負荷条件下ではチップ側電極１１や基板側電極２０の断線が懸念される。

第一金属膜２および第二金属膜３がない場合、実使用環境下では金属コア１がはんだ４と反応するため、チップ側電極１１や基板側電極２０の消費は抑制されるが金属コア１が消費されるため、金属コアはんだボールの特徴である耐マイグレーション性が低下することが想定される。

本発明のように第二金属膜３を形成した場合、実使用環境下では第二金属膜３を形成しない場合と同様にチップ側電極１１とはんだ４、基板側電極２０とはんだ４の界面の反応（銅-錫系金属間化合物の成長）が生じるが、第二金属膜３もはんだ４と反応するため、チップ側電極１１と基板側電極２０の反応量は抑制される。すなわち、第二金属膜３がはんだ４と反応する銅の供給源となるため、チップ側電極１１および基板側電極２０による金属コア１の消費が低減される。

反応が進行し、ほぼ全ての第二金属膜３が化合物化したのちは反応速度の遅い第一金属膜２が存在するため金属コア１形状は保持され、金属コアはんだボール１００特有の耐マイグレーション性を低下させることもない。第二金属膜３がほぼ全て反応した際には、はんだ４が残存していないこと、もしくは、はんだ４がほぼ全て反応した際に金属コア１の表面に金属膜３が残存していることが望ましい。上記の通り、第二金属膜３を形成することにより耐マイグレーション性を向上した金属コアはんだ接合部を形成することができる。

図３乃至図５を用いて説明した例は、予めチップ側電極１０に接合しておいた金属コアはんだボールを基板側電極２０に接合する例を示したが、これとは逆に、図６に断面を示すように、金属コアはんだボールを予め基板側電極２０に接合しておき、これをチップ側電極１０に接合するようにしても良い。図６に、その例を示す。

図６で、１は金属コア、２は第一金属膜、３は第二金属膜、４ははんだ、６は金属間化合物、１０は半導体素子、１１はチップ側電極、２０は基板側電極、２１は基板、２２は基板側金属間化合物である。

図６に示すように、チップ側電極１１と接合する前に、あらかじめ金属コアはんだボール１００を基板側電極２０に接合する。接合時はリフロー炉などで金属コアはんだボール１００のはんだ４を溶融させて接合するため、基板側電極２０とはんだ４が反応し、基板側電極２０とはんだ４の界面に基板側金属間化合物２２が形成される。同様に第二金属膜３とはんだ４の界面でも金属間化合物６が形成される。

はんだ４は錫を主成分とするはんだであればよい。ここで金属コア１は、はんだよりも硬い材料、例えば銅、ニッケル、アルミニウム、タングステン、金、銀、もしくはこれらのうち少なくともひとつの金属を主成分とする合金であればよい。

また金属コア１は、二種類以上の金属の複合体、もしくは積層体でもよい。更に、金属コア１は金属であることが望ましいが、最外周部が金属であれば樹脂の周囲を金属で覆ったもの、例えば樹脂ボールの周囲に銅をコーティングしたものでも代替可能である。

このように、接合前の状態では基板側電極２０とはんだ４、および第二金属膜３とはんだ４の界面に、各々基板側金属間化合物２２と金属間化合物６が形成されている。

図６の状態から、基板２１の金属コアはんだボール１００とチップ側電極１１の位置あわせを行い、リフローなどによりはんだ４の融点以上まで熱を加えてはんだ４を溶融させて、チップ側電極１１とはんだ４を反応させることにより接合を行う。この際にはんだ４とチップ側電極１１の間にはチップ側金属間化合物１２が形成される。第一金属膜２はこの接合プロセスの後でも消失しない膜厚とする。

図６の金属コアはんだボール１００つき基板２１をチップ１０に接合した直後は図４と同様な断面図となる。なお金属コア１の形状は、球、楕円、円柱、立方体、多角柱などであればよい。また半導体素子１０と基板２１の接合高さを確保するためには、金属コア１のサイズを金属コアはんだボール１００の径の５０%以上とすることが望ましい。このように、金属コアはんだボール１００を介して半導体素子１０と基板２１を接合した構造を得ることができる。

この構造により、半導体素子１０と基板２１の接合部に金属コア１を介在することにより接合高さを確保し接合部の歪みを低減できること、電気抵抗がはんだ材よりも低い金属コア１がチップ側電極１１と基板側電極２０の間に入り接合部の電気抵抗を低減し耐エレクトロマイグレーション性を向上できることが可能になる。さらに本実施例では、あらかじめ基板側に金属コアはんだボール１００を形成するため、チップ側金属間化合物１２にかかる熱負荷が１回のみであるので接合直後のチップ側金属間化合物１２の厚さを薄くすることができる。

〔変形例１〕
次に、実施例１の変形例１を、以下に説明する。

図７は本発明の実施例１の変形例１における金属コアはんだボール１１０の断面図である。１１１は金属コア、１１２は第一金属膜、１１４ははんだ、１１５は金属粉である。
金属コア１１１の材料ははんだ１１４よりも電気伝導率の高い金属であればよく、例えば銅、金、銀、アルミニウムなどを主成分とした金属が挙げられる。金属コア１１１の直径は１０μｍ〜１０００μｍが望ましい。

金属コアはんだボール１１０を用いて半導体素子１０と基板２１を接合する際、金属コア１１１は接合部の高さを制御する役割を果たすことができる。しかし金属コア１１１の直径が１０μｍ以下となると、高さ制御の効果が低減する可能性が高く、かつハンドリングが困難となる。また金属コア１１１の直径が１０００μｍ以上となると、金属コアはんだボール１１０のサイズが１ｍｍ以上となるため、接合ピッチが１ｍｍ以下の微細接合を実現できない。

上記説明で半導体素子を一例として記載したが、半導体素子上で再配線を施したウェハレベルパッケージや基板上にチップを実装してモールドした半導体パッケージなどでもよい。また基板はセラミック基板、プリント基板、シリコン基板、ガラス基板、フレキシブル基板、金属ベース基板などが挙げられる。更には半導体素子と半導体素子、半導体パッケージと半導体パッケージ、半導体素子とパッケージなどの接合でも同様に高さ制御の効果が得られる。

第一金属膜１１２に関しては、第一金属膜１１２とはんだ１１４の反応速度が金属粉１１５とはんだ１１４の反応速度よりも遅くなるような第一金属膜１１２の材料を選定する。例えば金属粉１１５を銅もしくは銅を主成分とする場合は、第一金属膜１１２はニッケルやチタン、クロムを主成分とした金属が好ましい。第一金属膜１１２の形成方法はめっきや蒸着など、どのような方法でもかまわない。また第一金属膜１１２の厚さは金属コア１１１の直径以下であればよい。金属コア１１１は球状で説明したが、楕円、立方体、円柱、直方体、三角柱、四角柱、多角中、円錐などでもかまわない。

金属粉１１５は、銅もしくは銅を主成分とする金属であることが望ましい。金属粉１１５とはんだ１１４の反応速度は半導体素子や基板の電極材料とはんだ１１４との反応速度よりも早いもしくは同等な材料を選定する方がよい。また、銅を５０％以上含んだ金属であることが望ましい。金属粉１１５のサイズは最長辺がはんだ１１４の膜厚よりも小さく、はんだ１１４中に介在できるサイズとする。はんだ１１４中への金属粉１１５の形成方法は、はんだ１１４を形成する際に含有させてもよいし、あらかじめ金属粉１１５を含有したはんだ１１４をコーティングしてもよい。

はんだ１１４は錫を主成分とした材料であれば、そのほかの元素が含有していても限りではない。はんだ１１４の形成方法は無電解もしくは電解めっき法で形成することが可能であるが、形成方法はどのような方法でもかまわない。
変形例１において接合後一定の時間経過させた場合、図５と同様な断面構造となる。

図８は変形例１における金属コアはんだボール１１０を半導体素子１０のチップ側電極１１に接合させた状態で、基板２１の側の基板電極２０と接合させる前の状態を示す金属コアはんだボール１１０と半導体素子１０及び基板２１との断面図である。１１６はチップ側電極１１とはんだ１１４との間に形成されたチップ側金属間化合物、９０は金属コア１１１とはんだ１１４との間に形成された金属間化合物である。

図８に示すように、基板電極２０と接合させる前に、あらかじめ金属コアはんだボール１１０をチップ側電極１１に接合させる。接合時はリフロー炉などで金属コアはんだボール１１０のはんだ４を溶融させて接合するため、チップ側電極１１とはんだ４が反応し、チップ側電極１１とはんだ７４の界面にチップ側金属間化合物１２が形成される。また、実施例１で説明した第二金属膜３に代わってはんだ４の中に混在する金属粉１１５がはんだ４が反応しチップ側金属間化合物１１６や金属間化合物９０が形成される。

はんだ４は錫を主成分とするはんだであればよい。ここで金属コア１１１は、はんだ４よりも硬い材料、例えば銅、ニッケル、アルミニウム、タングステン、金、銀、もしくはこれらのうち少なくともひとつの金属を主成分とする合金であればよい。また金属コア１１１は、二種類以上の金属の複合体、もしくは積層体でもよい。このように、接合前の状態では、図８に示したように、チップ側電極１１とはんだ４、および第一金属膜２とはんだ４の界面に、各々チップ側金属間化合物１１６と金属間化合物９０が形成されている。

図９は実施例１の変形例１における接合直後の金属コアはんだボール１１０の断面図である。１１７ははんだ４と基板側電極２０との間に形成された基板側金属間化合物である。

図８に示した状態から、半導体素子１０のチップ側電極１１に接合させた金属コアはんだボール１１０と基板側電極２０との位置あわせを行い、リフローなどによりはんだ４の融点以上まで熱を加えてはんだ４を溶融させて、基板側電極２０とはんだ４を反応させることにより接合を行う。この際にはんだ４と基板側電極２０の間には金属間化合物１１７が形成される。第一金属膜１１２はこの接合プロセスの後でも消失しない膜厚とする。

このように、金属コアはんだボール１１０を介して半導体素子１０と基板２１を接合した構造を得ることができる。この構造により、半導体素子１０と基板２１の接合部に金属コア１１１を介在させることにより接合高さを確保し接合部の歪みを低減できること、電気抵抗がはんだ材よりも低い金属コア１１１がチップ側電極１１と基板側電極２０の間に入り接合部の電気抵抗を低減し耐エレクトロマイグレーション性を向上できることが可能になる。

さらに本実施例でははんだ中に金属粉１１５を含有できるので、実施例１で説明した第二金属膜３を形成するプロセスを削減できること、任意の組成の金属粉１１５を選択できることが特長である。

図１０は変形例１において図９で説明した金属コアはんだボール１１０を基板側電極２０と接合した後一定の時間が経過したときの金属コアはんだボール１１０の断面の状態を示す図である。図１０では、図９に示した接合直後の状態と比べて、金属間化合物１１６、金属間化合物１１７、金属間化合物９１がそれぞれ成長した様子を示している。金属間化合物９１は金属間化合物９０が成長した様子を示している。以下は金属コア１１１が銅、第一金属膜１１２がニッケル、金属粉１１５が銅、はんだ１１４が錫系はんだ（錫-銀-銅系など）チップ側電極１１が銅の場合を例に挙げて本接合の効果について説明する。

図９の接合直後の状態でははんだ１１４が溶融し、金属粉１１５および基板側電極２０と反応するため、第一金属膜１１２とはんだ１１４、および基板側電極２０とはんだ１１４の接合界面に金属間化合物が形成される（図９中金属間化合物９０と基板側金属間化合物２２）。はんだ１１４とチップ側電極１１の界面には既にチップ側金属間化合物１２が形成されているが、基板接合時の熱負荷によりチップ側金属間化合物１１６は成長する。
このように、各接合界面に金属間化合物が形成された接合部となる。

図９の接合直後では金属粉１１５は全て反応することなく残存している状態である構造とする。実使用環境等で熱負荷が引き続き加えられると各々の反応が進み、各金属間化合物が成長すると共に、はんだ１１４、金属粉１１５、チップ側電極１１、基板側電極２０は金属間化合物化することによりそれぞれの体積が減少していく。

一方で、電流密度が一定量以上になると、微細なはんだ接合部にもエレクトロマイグレーションが発生することがわかっており、はんだ中にボイドが形成されたり、原子の移動による配線材料の化合物化の加速、それに伴う配線もしくはパッドにおける断線が発生することが知られている。

金属粉１１５がない場合、実施例１で説明した第二電極膜３がない場合と同様になる。
すなわち、第一電極膜１１２（ニッケル）とはんだ１１４の反応速度はチップ側電極１１や基板側電極２０とはんだ１１４の反応速度よりも遅いため、上記のように実使用環境による熱負荷、さらには通電によるエレクトロマイグレーションによりチップ側電極１１とはんだ１１４、基板側電極２０とはんだ１１４の界面の反応（銅-錫系金属間化合物の成長）が促進され、チップ側電極１１や基板側電極２０が消費される。特にチップ側電極１１や基板側電極２０が銅である場合は高電流密度、温度負荷条件下ではチップ側電極１１や基板側電極２０の断線が懸念される。

第一電極膜１１２およびはんだ１１４の中に金属粉１１５が混在していない場合、実使用環境下では金属コア１１１がはんだ１１４と反応するため、チップ側電極１１や基板側電極２０の消費は抑制されるが金属コア１１１が消費されるため、金属コアはんだボール１１０の特徴である耐マイグレーション性が低下することが想定される。

本実施例のように金属粉１１５を形成した場合、実使用環境下では金属粉１１５を含有しない場合と同様にチップ側電極１１とはんだ１１４、基板側電極２０とはんだ１１４の界面の反応（銅-錫系金属間化合物の成長）が生じるが、金属粉１１５もはんだ１１４と反応するため、チップ側電極１１と基板側電極２０の反応量は抑制される。すなわち、金属粉１１５がはんだ１１４と反応する銅の供給源となるため、チップ側電極１１および基板側電極２０の消費が低減される。

反応が進行し、ほぼ全ての金属粉１１５が化合物化したのちは反応速度の遅い第一金属膜１１２が存在するため金属コア１１１の形状は保持され、金属コアはんだボール１１０特有の耐マイグレーション性を低下させることもない。

上記の通り、はんだ１１４中に金属粉１１５を含有させることにより耐マイグレーション性を向上した金属コアはんだ接合部を形成することができる。

本変形例においては、あらかじめチップ側にはんだボールを接合させておく構造で説明したが、あらかじめ基板側にはんだボールを接合させておいてもかまわない。

〔変形例２〕
次に、実施例１の変形例２を以下に説明する。
変形例２は、実施例１で図１を用いて説明した金属コアはんだボール１００又は変形例１で図７を用いて説明した金属コアはんだボール１１０の構造において、中心の金属コア１を柔軟性のある樹脂のボールの表面に銅をコーティングした２層構造の金属コアに置き換えたものである。図１１Ａと図１１Ｂに変形例２における金属コアはんだボール１２０及び１３０の構成を示す。樹脂のボールの表面にコーティングする材料としては、銅のほかに、ニッケル、金、銀、アルミニウム又はそれらを含む合金などであっても良い。

図１１Ａに示した金属コアはんだボール１２０は、実施例１の図１に示した金属コアはんだボール１００に対応するもので、１２１は樹脂ボール、１２２は樹脂ボール１２１の表面にコーティングした銅膜、１２３は第一金属膜層でニッケル（Ｎｉ）又はチタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）などをメッキ又は蒸着により形成される。１２４は第二金属膜層で銅（Ｃｕ）又は銅を主成分とする金属膜、１２５は錫（Ｓｎ）を主成分とするはんだ層である。

このような２層構造の金属コアを用いた金属コアはんだボール１２０を用いて半導体素子１０と基板側電極２０とを接合する方法は、図２乃至図６を用いて説明した方法と同じであるので、説明を省略する。

図１１Ａに示した樹脂コアはんだボール１２０の構成は、特許文献４の図１に記載されている構成と類似している。しかし、本変形例２による樹脂コアはんだボール１２０では、樹脂ボール１２１の表面にコーティングした銅膜１２２を第一金属膜層１２３のニッケル（Ｎｉ）又はチタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）などで覆うことにより、樹脂コアはんだボール１２０をチップ側電極１１や基板側電極２０とはんだ接合するときに、銅膜１２２がはんだ材料と反応するのを防止する構成にしているのに対して、特許文献４に記載されている構成においては、有機重合体のコアの外周を覆うＣｕ層がその外側のはんだ内層と直接接している構造となっており、Ｃｕ層がはんだ内層と反応するのを防止する構成になっていない点で異なる。

即ち、本変形例２の構成においては、樹脂ボール１２１の表面にコーティングした銅膜１２２は第一金属膜層１２３で覆われていてその外側のはんだ層と反応するのを防止されているので、一定の形状を保持すると共に、導電性材料としての安定した特性を維持することが可能になる。

また、図１１Ｂに示した金属コアはんだボール１３０は、変形例１の図７に示した金属コアはんだボール１１０に対応するもので、金属コアはんだボール１１０において、中心部分の金属コア１１１を柔軟性のある樹脂のボール１３１の表面に銅膜１３２をコーティングした金属コアはんだボール１３０に置き換えたものである。図１１Ｂで、１３１は樹脂ボール、１３２は樹脂ボール１３１の外周面にコーティングした銅膜、１３３は金属膜層でニッケル（Ｎｉ）又はチタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）などをメッキ又は蒸着により形成される。１３４は錫（Ｓｎ）を主成分とするはんだ層、１３５は導電性フィラーで変形例１の場合と同様に銅（Ｃｕ）又は銅を主成分とする金属ある。

このような２層構造の金属コアを用いた金属コアはんだボール１３０を用いて半導体素子１０と基板側電極２０とを接合する方法は、図２乃至図６を用いて説明した方法と同じであるので、説明を省略する。

このような樹脂ボール１２１または１３１を用いた金属コアはんだボール１２０または１３０を用いることにより、半導体素子１０と基板２１との接合に柔軟性が加わり、半導体素子１０と基板２１との間の熱膨張率の差異により発生する半導体素子１０と基板２１との接合部の応力を、金属コアはんだボール１２０または１３０で吸収させることが可能になり、接合の信頼性を向上させることができる。

上記した樹脂ボール１２１または１３１の素材として、導電性ポリアセチレンなどの導電性樹脂（導電性高分子）を用いても良い。

次に、実施例１及び実施例１の変形例１および２で説明したはんだボールを、先ず半導体素子の側の多数の電極１０に一括して接合し、次にこの半導体素子の多数の電極に接合した多数のはんだボールを基板側電極２０に一括して接合する方法について説明する。

図１２に実施例１及び変形例１，２で説明したはんだボールを半導体素子上の多数の電極へ一括して接合する方法を示す。３０はチップ側電極、３１は半導体素子、４０はフラックス印刷用マスク、４１はスキージ、４２はフラックス、４３ははんだ振込み用マスク、５０は金属コアはんだボールである（実施例１の変形例２で説明した樹脂コアはんだボール１２０または１３０であっても良い）。

図１２（a）はチップ電極３０を有する半導体素子３１である。この半導体素子３１を、図示していない印刷機にセットする。

次に、半導体素子３１を印刷機にセットした状態で、図１２（b）に示すように、金属コアはんだボールを搭載する箇所に開口部を持つフラックス印刷用マスク４０の位置あわせを行う。フラックス印刷用マスク４０の厚さは転写したいフラックス厚さであればよく、例えば直径１００μｍの金属コアはんだボールを搭載したい場合は１０−４０μｍ厚程度が望ましい。

位置あわせ後、フラックス印刷用マスク４０上の任意の箇所にフラックス４２を塗布し、スキージ４１で印刷することによりフラックス印刷用マスク４０に形成している開口部にフラックスを形成する（図１２（c））。

印刷後、フラックス印刷用マスク４０を取り外すことにより、チップ側電極３０上の金属コアはんだボール搭載箇所にフラックス４２のパターンを印刷した半導体素子３１が完成する。

次に、チップ側電極３０上にフラックス４２のパターンを印刷した半導体素子３１を金属コアはんだボール５０を搭載するはんだボール搭載部（図示せず）へ移動させ、はんだ振込み用マスク４３をフラックス４２のパターンを印刷済みの半導体素子１に位置あわせし、そののち、はんだ振込み用マスク４３上に金属コアはんだボール５０を供給して、金属コアはんだボール５０をチップ側電極３０上に印刷されたフラックス４２のパターン上に１個ずつ搭載する（図１２（d））。はんだ振込み用マスク４３の厚さは金属コアはんだ５０の直径に近い方が望ましい。

はんだ振込み用マスク４３を搭載した状態で、チップ側電極３０上のフラックス４２のパターン上に１個ずつ金属コアはんだボール５０を搭載した状態で半導体素子１をリフロー炉の内部に搬送して熱処理を行い、金属コアはんだボール５０のはんだ部（図１のはんだ４に相当）を溶融させることにより金属コアはんだボール５０と半導体素子１上のチップ側電極３０とを接合する（図１２（e））。例えば金属コアはんだボール５０としてSn系の材料を使用した場合は、リフロー時の接合部の最大温度を２５０℃から２６０℃とする。

最後に、はんだ振込み用マスク４３を半導体素子３１上から取り除くことにより、金属コアはんだボール５０がチップ側電極３０上に接合された半導体素子６０が完成する（図１２（f））。ここでは個片に分割した素子を用いて説明したが、ウェハ状態で図１２のプロセスではんだボールを形成したのちに、ダイシングもしくはサンドブラストなどで個片に分割してもかまわない。

ここでは、はんだ振込み用マスク４３を用いてチップ側電極３０上に印刷されたフラックス４２のパターン上に１個ずつ金属コアはんだボール５０を搭載する方法を示したが、はんだ振込み用マスク４３を用いずに、金属コアはんだボール５０を吸着手段で吸着させたのちにチップ側電極３０上に印刷されたフラックス４２のパターン上に転写する転写方法などで形成してもよい。

図１３に、チップ側電極３０上に金属コアはんだボール５０が接合された半導体素子３１と基板６０との組み立てプロセスを示す。６１は基板側電極、７０はアンダーフィルである。先ず、図１２を用いて説明したプロセスで形成した金属コアはんだボール５０が接合された半導体素子３１のチップ側電極３０と、基板６０上の基板側電極６１の位置あわせを行う（図１３（a））。位置あわせ後、リフロー等で熱を加えはんだ溶融させる（図１３（b））。図１３では図示していないが、基板側電極６１上にはんだを形成してもよい。最後に接合部の長期接合信頼性を向上させるためにアンダーフィル７０を注入し、硬化させる（図１３（c））。

これにより、金属コアはんだボールにて半導体素子上の電極と基板上電極の電気的導通を確保した半導体装置８０が完成する。なおアンダーフィル７０は必要に応じて形成すればよい。ここで、基板６０はセラミック基板、プリント基板、シリコン基板、ガラス基板、フレキシブル基板、金属ベース基板などである。ここでは個片に分割した素子および基板を用いて説明したが、ウェハ状態で図１２のプロセスではんだボールを形成したのちに、基板６０にウェハ状態で接合を行い、その後ダイシングもしくはサンドブラストなどでウェハおよび基板を個片に分割してもかまわない。

図１３では半導体素子３１と基板６０のサイズを同等として記したが、個片に分割した半導体素子３１を基板６０に搭載する際は、半導体素子３１のサイズが基板６０のサイズより小さくてもかまわない。このプロセスで形成した構造により、半導体素子３１と基板６０の接合部に金属コアはんだボール５０の金属コア１（図１参照）を介在させることにより接合高さを確保し接合部の歪みを低減できること、電気抵抗がはんだ材よりも低い金属コア１がチップ側電極３０と基板側電極６１の間に入り接合部の電気抵抗を低減し耐エレクトロマイグレーション性を向上させることが可能になる。

図１２及び図１３では、先ず半導体素子３１のチップ電極３０上に金属コアはんだボール５０を接合した後に基板６０の基板側電極６１と金属コアはんだボール５０を接合するプロセスについて説明したが、逆に、先ず基板６０の基板側電極６１上に金属コアはんだボール５０を接合した後に半導体素子３１のチップ電極３０上に金属コアはんだボール５０を接合するプロセスについて、図１４及び図１５を用いて説明する。

図１４において、４０はフラックス印刷用マスク、４１はスキージ、４２はフラックス、４３ははんだ振込み用マスク、５０は金属コアはんだボール（実施例１の変形例２で説明した樹脂コアはんだボール１２０または１３０であっても良い）、６０は基板、６１は基板上電極である。

図１４（a）は基板上電極６１を有する基板６０である。この基板６０を、図示していない印刷機にセットする。次に、基板６０を印刷機にセットした状態で、図１４（b）に示すように、金属コアはんだボールを搭載する箇所に開口部を持つフラックス印刷用マスク４０の位置あわせを行う。フラックス印刷用マスク４０の厚さは転写したいフラックス厚さであればよく、例えば直径１００μｍの金属コアはんだボールを搭載したい場合は１０−４０μｍ厚程度が望ましい。位置あわせ後、フラックス印刷用マスク４０上の任意の箇所にフラックス４２を塗布し、スキージ４１で印刷することによりフラックス印刷用マスク４０に形成している開口部にフラックスを形成する（図１４（c））。

印刷後、フラックス印刷用マスク４０を取り外すことにより、基板上電極６１の金属コアはんだボール搭載箇所にフラックス４２のパターンを印刷した基板６０が完成する。次に、基板上電極６１にフラックス４２のパターンを印刷した基板６０を金属コアはんだボール５０を搭載するはんだボール搭載部（図示せず）へ移動させ、はんだ振込み用マスク４３をフラックス４２のパターンを印刷済みの基板６０に位置あわせし、そののち、はんだ振込み用マスク４３上に金属コアはんだボール５０を供給して、金属コアはんだボール５０を基板上電極６１上に印刷されたフラックス４２のパターン上に１個ずつ搭載する（図１４（d））。はんだ振込み用マスク４３の厚さは金属コアはんだ５０の直径に近い方が望ましい。

はんだ振込み用マスク４３を搭載した状態で、基板上電極６１のフラックス４２のパターンに１個ずつ金属コアはんだ５０を搭載した状態で基板６０をリフロー炉の内部に搬送して熱処理を行い、金属コアはんだボール５０のはんだ部（図１のはんだ４に相当）を溶融させることにより金属コアはんだボール５０と基板６０上の基板側電極６１とを接合する（図１４（e））。例えば金属コアはんだボール５０としてSn-Cu系の材料を使用した場合は、リフロー時の接合部の最大温度を２５０℃から２６０℃とする。

最後に、はんだ振込み用マスク４３を基板６０から取り除くことにより、金属コアはんだボール５０が基板上電極６１に接合された基板が完成する（図１４（f））。ここでは、個片に分割した基板を用いて説明したが、個片分割前状態で図１４（ａ）〜（ｆ）のプロセスではんだボールを形成したのちに、ダイシングもしくはサンドブラストなどで基板６０を個片に分割してもかまわない。

ここでは、はんだ振込み用マスク４３を用いて基板上電極６１上に印刷されたフラックス４２のパターン上に１個ずつ金属コアはんだボール５０を搭載する方法を示したが、はんだ振込み用マスクを用いずに、金属コアはんだボール５０を吸着手段で吸着させたのちに転写する転写方法などで形成してもよい。

図１５に半導体素子上電極３０と基板上電極６１上に金属コアはんだボール５０が接合された基板６０の組み立てプロセスを示す。３０はチップ側電極、３１は半導体素子、６０は基板、６１は基板側電極、７０はアンダーフィルである。

先ず、図１４を用いて説明したプロセスで形成した金属コアはんだボール５０が接合された基板側電極６１と、半導体素子３１上のチップ側電極３０の位置あわせを行う（図１５（a））。位置あわせ後、リフロー等で熱を加えはんだ溶融させる（図１５（b））。これにより金属コアはんだボールを介して半導体素子３１のチップ側電極３０と、基板６０上の基板側電極６１との電気的接合を得る。図１４では図示していないが、チップ側電極３０上にはんだを形成してもよい。最後に接合部の長期接合信頼性を向上させるためにアンダーフィル７０を注入し、硬化させる（図１５（c））。

これにより、金属コアはんだボールにて半導体素子上の電極と基板上電極の電気的導通を確保した半導体装置が完成する。なおアンダーフィル７０は必要に応じて形成すればよい。ここで、基板６０はセラミック基板、プリント基板、シリコン基板、ガラス基板、フレキシブル基板、金属ベース基板などである。ここでは個片に分割した素子および基板を用いて説明したが、個片分割前の状態で図１３のプロセスではんだボールを基板上に形成したのちに、半導体ウェハに個片分割前状態で接合を行い、その後ダイシングもしくはサンドブラストなどでウェハおよび基板を個片に分割してもかまわない。

このプロセスで形成した構造により、半導体素子３１と基板６０の接合部に金属コアはんだボール５０の金属コア１（図１参照）を介在させることにより接合高さを確保し接合部の歪みを低減できること、電気抵抗がはんだ材よりも低い金属コア１がチップ側電極３０と基板側電極６１の間に入り接合部の電気抵抗を低減し耐エレクトロマイグレーション性を向上させることが可能になる。また、このプロセスではチップ側接合部の熱負荷は図１５に示す一回のみであることから、図１２と図１３とを用いて説明したプロセスと比べてチップ側電極３０の反応量を抑制することができる。

１…金属コア ２，１１３，１２３…第一金属膜 ３，１１４…第二金属膜 ４，１１５…はんだ ５，１１２，１２２，１２５…金属粉 ６…金属間化合物 ９…金属粉 １０…半導体素子 １１…チップ側電極 １２…チップ側金属間化合物 １３…はんだボール ２０…基板側電極 ２１、６０…基板 ２２…基板側金属間化合物 ３０…チップ側電極 ３１…半導体素子 ４０…フラックス印刷用マスク ４１…スキージ ４２…フラックス ４３…はんだ振込み用マスク ５０，１００…金属コアはんだボール ６１…基板側配線 ７０…アンダーフィル ９０…金属間化合物 ９１…金属間化合物 １１０…金属コアはんだボール １２０…樹脂コアはんだボール １２１…樹脂 １３０…樹脂コアはんだボール。

本発明は家電用や民生機器用、産業用に用いられるはんだボールおよびはんだボールを用いた接合構造を有する半導体装置に関する。

携帯電子機器を中心として高機能化・高性能化の要求が年々増加しており、これに伴い高速、大容量な半導体デバイスが必要となってきている。一方で、機器の小型化も大きなニーズとなっており、これらを両立させた半導体パッケージの開発が行われている。これを実現するキーテクノロジーとして、半導体素子を突起バンプで接合するフリップチップ実装が注目を浴びており、既に様々なパッケージに使用されている。

フリップチップ実装はパッド上にバンプを形成したチップを基板の電極上にフェイスダウンにより接続する実装方式である。フリップチップ実装方式は、従来のワイヤボンディング接合方式に比べて、接続長が短くなることにより信号伝播の遅延を抑えることができ高速伝送が可能であること、チップサイズがパッケージサイズとなるため小型化が可能であることなどの利点が挙げられる。

主なフリップチップ実装方式として、チップと基板間をはんだバンプで接合するはんだバンプ接合方式（図１１）、チップ側に金スタッドバンプを形成したのちスタッドバンプと基板側配線をはんだにて接合する金バンプ／はんだ接合方式、チップ側に金スタッドバンプを形成したのちスタッドバンプと基板側配線を超音波接合により接合する超音波接合方式、チップ側にスタッドバンプを形成したのちスタッドバンプと基板側配線を銀ペーストやACF（Anisotropic Conductive Film）などの樹脂材を主とした材料で接続する接触接続方式などが主流となっている。

この中でもはんだバンプ接合方式は接合部のはんだ材が変形することにより、温度変化や落下衝撃などの実使用環境下で発生する接合部へのストレスを緩和する機構を備えた有力な接合方法である。従来は微細なはんだバンプを形成することが困難であったが、現在では１００μｍ以下のはんだボールも量産されており、今後はんだボールもますます微細ピッチ接合へ適用されていくものと推定される。

はんだボール接合は上記の通り応力緩和機構を持つ接合であるが、ボール径が１００μｍ以下となると接合面積も小さくなる。はんだ接合部の歪み発生の主な原因はチップと基板間の線膨張係数差に起因する環境温度変化時のせん断歪みである。せん断歪みはチップ中心からの距離に比例し接続部高さに反比例するので、中心から同一距離にあるはんだボールの径を小さくすると増大する。また、はんだボールの接合部高さは初期はんだボール径の５０から７０％ほどになることが多いため、１００μｍのはんだボールの場合接合部高さは５０から７０μｍ程度になる。これに伴いせん断歪みが増大することが類推できる。更に昨今のチップの高性能化に伴い電流量も増大しているが、接合部はますます微細化が進んでいる。このような背景から接合部の電流密度が上昇しており、この電流密度の上昇ははんだボール内のエレクトロマイグレーションによる断線不良を引き起こすことが懸念されている。

このような想定される課題を解決する手段として、せん断歪みの低下と耐エレクトロマイグレーション性を実現できるはんだボール材として、金属コアはんだボールが提案されている。金属コアはんだボールとは任意の粒径の金属をはんだでコーティングすることにより形成したはんだボールであり、コアが介在することにより接合部の高さをコア粒径以上に保つことができる。また、コア材料としてはんだよりも電気伝導性の高い金属を用いることによりエレクトロマイグレーション耐性も向上することができる。

特許文献１では、金属コアボールはんだの金属コア外周に窪みを形成し、その窪みにはんだを充填させることによりボール外周部のはんだ量を増加させる金属コアはんだボール形状が記載されている。また特許文献２では金属コアのない通常のはんだボールを超音波にて接合し、ボールを溶融させることなく低温で接合できる製造プロセスを提示している。更に、特許文献３には、銅（Ｃｕ）をコアとしてその上にニッケル（Ｎｉ）合金層、更にその上に銅（Ｃｕ）を含む錫（Ｓｎ）合金層を形成し、表層に別のはんだ材料形成したはんだボールの構造が記載されている。

また、特許文献４には、コア材料に有機重合体又は有機共重合体を用いてその周囲を第１層の金属としてＣｕ層で被覆し、その外側を第２層の金属としてＳｎを含む合金からなるはんだ内層で被覆し、最外周を第３層の金属として第２層と同じＳｎを含む合金からなり第２層と組成が異なるはんだ外層で被覆した導電性ボール（はんだボール）について記載されている。

特開２００３−１０１２０７号公報 特開２００５−２６５７９号公報 特開２００７−７５８５６号公報 特許第３９２４５５２号公報

上記の通り金属コアはんだは、はんだボールが微細化した際も一定の接合高さを確保できるため、接合部に発生するひずみを低減することができる。しかし、他の懸念事項であるエレクトロマイグレーション性向上についてはまだ明確な対策がなされていない。電気伝導性ははんだよりも金属コアの方が良好であるため、従来のはんだボールよりも金属コアはんだではエレクトロマイグレーション耐性も向上することが推定される。金属コアはんだボールの一種として、銅をコア材とし、その外周を錫系はんだでコーティングした銅コアはんだボールが提案されている。また、銅と錫は錫が溶融した状態で反応速度が速いことが知られているため、銅コアとはんだ層間にニッケルなどの反応抑制層を形成した銅コアはんだボールが提案されている。

一方、バンプピッチ微細化によりチップ/はんだ間に応力が集中し、接合部破断が発生することが懸念される。その対策としてチップ上に２０〜５０μｍ程度の銅パッド（銅ポスト）を形成したチップも使用されている。このようにチップ上パッドが銅となった場合は、はんだボール外周の錫と銅パッドが反応し、銅パッド部で断線を発生する可能性がある。また一定電流密度以上の環境下では電流により銅と錫の反応が促進することも知られていることから、今後の微細化に伴う電流密度の上昇は断線の危険性を高める可能性が高い。

然るに、特許文献１乃至４に記載されているはんだボールの構成においては、微細化する銅パッド部とはんだボールとの間における銅と錫との反応が促進されるのを阻止して、銅パッド部に断線が発生するのを防止することについては配慮されていない。

本発明の目的は、銅パッド部とはんだボールとの間における銅と錫との反応が促進されるのを阻止して、銅パッド部に断線が発生するのを防止することを可能にするはんだボール及びそのはんだボールを用いた半導体装置を提供することに有る。

上記目的を達成するために、本発明では、はんだボールを、金属コア材と、この金属コ ア材の表面に形成されたニッケル、チタンもしくはクロムを主成分とする第一の金属膜層 と、この第一の金属膜層の外周に形成された銅含有量が５０％以上である第二の金属膜層 と、この第二の金属膜層の外周に錫を主成分とする第三の金属膜層とを有する構成とした 。
本発明のはんだボールは、前記金属コア材が、銅、ニッケル、金、銀、アルミニウムの いずれかを主成分とする金属からなることが好ましい。

更に、上記目的を達成するために、本発明では、第一の部材上の第一の電極パッドと第二の部材上の第二の電極パッドとをはんだボールによって接合した構成を有する半導体装置において、接合に用いるはんだボールは、金属コア材と、この金属コア材の表面に形成されたニッケル、チタンもしくはクロムを主成分とする第一の金属膜層と、この第一の金属膜層の外周に形成された銅含有量が５０％以上である第二の金属膜層と、この第二の金属膜層の外周に錫を主成分とする第三の金属膜層を有して構成され、第一の電極パッドと 第一の金属膜層との間、および第二の電極パッドと第一の金属膜層との間に、それぞれ銅 と錫を含む金属間化合物が形成された構成とした。
本発明の半導体装置は、第一の電極パッドと第三の金属膜層との間、第二の電極パッド と第三の金属膜層との間、および第三の金属膜層と第二の金属膜層との間、または第三の 金属膜層と第一の金属膜層との間に、それぞれ銅と錫を含む金属間化合物が形成されてい てもよい。
また、前記接合に用いるはんだボールは、金属コア材が、銅、ニッケル、金、銀、アル ミニウムのいずれかを主成分とする金属からなることが好ましい。
また、第一の電極パッドと第二の電極パッドのうち、少なくとも一方が銅を含む金属に より形成されていることが好ましい。

本発明によれば、はんだボール中に金属コアを介在することにより接合高さを確保し接合部の歪みを低減できること、第三の金属膜として錫と反応しやすい銅を用いることでパッドの銅とはんだ中の錫の反応を抑制すること、それによりエレクトロマイグレーション耐性を向上させることができる。

図１は、本発明の実施例１に係る金属コアはんだボールの断面図である。 図２は、実施例１に係る金属コアはんだボールを用いた半導体素子と基板との組立プロセス一例を示す金属コアはんだボールと半導体素子と基板との断面図である。 図３は、実施例１に係る金属コアはんだボールを予め半導体素子に接合した状態で基板に接合する直前の状態を示す金属コアはんだボールと半導体素子と基板との断面図である。 図４は、実施例１に係る半導体素子に予め接合した金属コアはんだボールを基板に接合した直後の状態を示す金属コアはんだ接合部と半導体素子と基板との断面図である。 図５は、実施例１に係る半導体素子に予め接合した金属コアはんだボールを基板に接合後、一定の時間が経過した時の金属コアはんだ接合部と半導体素子と基板との断面図である。 図５は、実施例１に係る金属コアはんだボールを予め基板に接合した状態で半導体素子に接合する直前の状態を示す金属コアはんだボールと半導体素子と基板との断面図である。 図７は、実施例２に係る半導体素子上へのはんだボールを一括して接合する形成プロセスを示す半導体素子の断面図である。 図８は、実施例２に係る半導体素子上に一括して接合されたはんだボールを基板と接合する組み立てプロセスを示す半導体素子の断面図である。 図９は、実施例２に係る基板上へのはんだボールを一括して接合する形成プロセスを示す基板の断面図である。 図１０は、実施例２に係る基板上に一括して接合されたはんだボールを半導体素子と接合する組立プロセス一例の断面図である。 図１１は、はんだバンプを用いた従来接合部の構成を示すはんだバンプと半導体素子と基板との断面図である。

以下、本発明実施の形態を、はんだボールの構造について実施例１で説明し、そのはんだボールを用いた半導体装置について実施例２で説明する。

図１は本発明の実施例１における金属コアはんだボール１００の断面図である。１は金属コア(本発明における金属コア材)、２は第一金属膜(本発明における第一の金属膜層)、３は第二金属膜(本発明における第二の金属膜層)、４ははんだ(本発明における第三の金属膜層)である。金属コア１の材料は、はんだ４よりも電気伝導率の高い金属であればよく、例えば銅、金、銀、アルミニウムなどを主成分とした金属が挙げられる。金属コア１の直径は１０μｍ〜１０００μｍが望ましい。金属コアはんだボール１００を用いて半導体素子と基板を接合する際、金属コア１は接合部の高さを制御する役割を果たすことができる。しかし金属コア１の直径が１０μｍ以下となると、高さ制御の効果が低減する可能性が高く、かつハンドリングが困難となる。また金属コア１の直径が１０００μｍ以上となると、金属コアはんだボール１００のサイズが１ｍｍ以上となるため、接合ピッチが１ｍｍ以下の微細接合を実現できない。

上記説明で半導体素子を一例として記載したが、半導体素子上で再配線を施したウェハレベルパッケージや基板上にチップを実装してモールドした半導体パッケージなどでもよい。また基板はセラミック基板、プリント基板、シリコン基板、ガラス基板、フレキシブル基板、金属ベース基板などが挙げられる。更には半導体素子と半導体素子、半導体パッケージと半導体パッケージ、半導体素子とパッケージなどの接合でも同様に高さ制御の効果が得られる。金属コア１は球状で説明したが、楕円、立方体、円柱、直方体、三角柱、四角柱、多角中、円錐などでもかまわない。

第一金属膜２には、融点以上に加熱したときの第一金属膜２とはんだ４の反応速度が第二金属膜３とはんだ４の反応速度よりも遅くなるような材料を選定する。例えば第二金属膜３を銅もしくは銅を主成分とする銅含有量が５０％以上である金属膜とする場合は、第一金属膜２はニッケルやチタン、クロムを主成分とした金属とする。第一金属膜２の形成方法はめっきや蒸着など、どのような方法でもかまわない。また第一金属膜２の厚さは金属コア１の直径以下であればよい。

第二金属膜３は、銅含有量が５０％以上である金属膜である。第二金属膜３とはんだ４の反応速度は半導体素子や基板の電極材料とはんだ４との反応速度よりも早いか、もしくは同等の材料を選定する方がよい。

はんだ４は錫を主成分とした材料であれば、そのほかの元素を含有していても良い。はんだ４の形成方法は無電解もしくは電解めっき法で形成することが可能であるが、形成方法は他の方法でもかまわない。

図２は本実施例１による金属コアはんだボール１００を用いて接合した半導体素子と基板との接合部断面の模式図である。１は金属コア、４ははんだ、１０は半導体素子、２０は基板側電極、２１は基板である。１０は半導体素子を一例として記載したが、半導体素子上で再配線を施したウェハレベルパッケージや基板上にチップを実装してモールドした半導体パッケージなどでもよい。

図２では、半導体素子１０の電極であるチップ側電極１１にはんだ４と金属コア１を有する金属コアはんだボール１００を接合した一例を示す。はじめに図２の上段に示すように、金属コアはんだボール１００を接合した半導体素子１０のチップ側電極１１に、基板２１上の基板側電極２０を位置あわせを行う。位置あわせ後、図２の下段に示すように、半導体素子１０の電極上に形成した金属コアはんだボールと、基板２１上の基板側電極２０とを接触させ、リフローなどで熱を加え、はんだ４を溶融させて金属コアはんだボール１００を介して半導体素子１０のチップ側電極１１と、基板２１上の基板側電極２０との電気的接続を得る。図２では図示していないが、基板側電極２０上にはんだを形成してもよい。ここで、基板２１はセラミック基板、プリント基板、シリコン基板、ガラス基板、フレキシブル基板、金属ベース基板などである。半導体素子１０の形状は立方体、直方体、円柱、多角柱など特に規定はしないが、最長辺の長さが20ｍｍ以下であることが望ましい。また、接合方法でリフローを上記したが、超音波接合などでもよい。

図３は実施例１における基板２１上の基板側電極２０と接合前で半導体素子１０のチップ側電極１１に接合された状態の金属コアはんだボール１００を含む半導体素子１０と基板２１との断面図である。１は金属コア、２は第一金属膜、３は第二金属膜、４ははんだ、６は金属間化合物、１０は半導体素子、１１はチップ側電極(本発明における第一の電 極パッド)、１２はチップ側金属間化合物、２０は基板側電極（発明における第二の電極 パッド）、２１は基板である。

図３に示すように、基板側電極２０と接合する前に、あらかじめ金属コアはんだボール１００をチップ側電極１１に接合する。接合時はリフロー炉などで金属コアはんだボール１００のはんだ４を溶融させて接合するため、チップ側電極１１とはんだ４が反応し、チップ側電極１１とはんだ４の界面にチップ側金属間化合物１２が形成される。同様に第二金属膜３とはんだ４の界面でも金属間化合物６が形成される。はんだ４は錫を主成分とするはんだであればよい。

ここで金属コア１は、はんだ４よりも硬い材料、例えば銅、ニッケル、アルミニウム、タングステン、金、銀、もしくはこれらのうち少なくともひとつの金属を主成分とする合金であればよい。また金属コア１は、二種類以上の金属の複合体、もしくは積層体でもよい。このように、接合前の状態ではチップ側電極１１とはんだ４、および第二金属膜３とはんだ４の界面に、各々チップ側金属間化合物１２と金属間化合物６が形成されている。

図４は実施例１における接合直後の金属コアはんだボール１００を含む半導体素子１０と基板２１との断面図である。１は金属コア、２は第一金属膜、３は第二金属膜、６は金属間化合物、４ははんだ、１０は半導体素子、１１はチップ側電極、１２はチップ側金属間化合物、２０は基板側電極、２１は基板、２２は基板側金属間化合物である。

図３の状態から、半導体素子１０のチップ側電極１１に接合された金属コアはんだボール１００と基板側電極２０の位置合せを行い、リフローなどによりはんだ４の融点以上まで熱を加えてはんだ４を溶融させて、基板側電極２０とはんだ４を反応させることにより接合を行う。この際にはんだ４と基板側電極２０の間には金属間化合物２２が形成される。第一金属膜２はこの接合プロセスの後でも消失しない膜厚とする。

また、図３および図４に示した金属コアはんだボール１００の断面図は図２に示した接合プロセスにおけるはんだボール接合部の一部を取り出したものである。なお金属コア１の形状は、球、楕円、円柱、立方体、多角柱などであればよい。また半導体素子１０と基板２１の接合高さを確保するためには、金属コア１のサイズをはんだボール径の５０%以上とすることが望ましい。

このように、金属コアはんだボール１００を介して半導体素子１０と基板２１を接合した構造を得ることができる。この構造により、半導体素子１０と基板２１の接合部に金属コア１を介在させて接合高さを確保し、接合部の歪みを低減できる。また、電気抵抗がはんだ４よりも低い金属コア１がチップ側電極１１と基板側電極２０の間に入り接合部の電気抵抗を低減し、耐エレクトロマイグレーション性を向上させることが可能になる。

図５は実施例１における半導体素子に予め接合した金属コアはんだボール１００を基板１０に接合後、一定の時間が経過した時の金属コアはんだボールの接合部と半導体素子と基板との断面図である。１は金属コア、２は第一金属膜、３は第二金属膜、４ははんだ、６は金属間化合物、８は金属間化合物、１０は半導体素子、１１はチップ側電極、１２はチップ側金属間化合物、２０は基板側電極、２１は基板、２２は基板側金属間化合物である。

図５は図４の状態から実使用環境などで一定の時間経過後の状態を示し、チップ側電極１１の側に生成された金属間化合物１２、基板側電極２１の側に生成された金属間化合物２２、及びはんだ４と第２金属膜３との間に生成された金属間化合物８が成長した様子を示している。金属間化合物８は図３及び４に示した金属間化合物６が成長した様子を示している。以下は金属コア１が銅、第一金属膜２がニッケル、第二金属膜３が銅、はんだ４が錫系はんだ（錫-銀-銅系など）チップ側電極１１が銅の場合を例に挙げて、本接合の効果について説明する。

図４に示したようにチップ側電極１１に接合した金属コアはんだボール１００を基板側電極２１に接合した直後の状態では、はんだ４が溶融し、第二金属膜３および基板側電極２０と反応するため、第二金属膜３とはんだ４、および基板側電極２０とはんだ４の接合界面にそれぞれ金属間化合物が形成される（図４中、金属間化合物６と基板側金属間化合物２２）。はんだ４とチップ側電極１１の界面には既にチップ側金属間化合物１２が形成されているが、基板側電極２０との接合時の熱負荷によりチップ側金属間化合物１２は成長する。このように、各接合界面に金属間化合物が形成された接合部となる。図４に示したような接合直後では、第二金属膜３は全て反応することなく残存している構造とする。実使用環境等で熱負荷が引き続き加えられると各々の反応が進み、各金属間化合物が成長すると共に、第二金属膜３、はんだ４、チップ側電極１１、基板側電極２０は金属間化合物化することにより減少していく。

一方で、電流密度が一定量以上になると、微細なはんだ接合部にもエレクトロマイグレーションが発生することがわかっており、はんだ中にボイドが形成されたり、原子の移動による配線材料の化合物化の加速、それに伴う配線もしくはパッドにおける断線が発生することが知られている。

銅含有量が５０％以上である第二金属膜３がない場合、第一金属膜２（ニッケル）とはんだ４の反応速度はチップ側電極１１や基板側電極２０とはんだ４の反応速度よりも遅いため、上記のように実使用環境による熱負荷、さらには通電によるエレクトロマイグレーションによりチップ側電極１１とはんだ４、基板側電極２０とはんだ４の界面の反応（銅-錫系金属間化合物の成長）が促進され、チップ側電極１１や基板側電極２０が消費される。特にチップ側電極１１や基板側電極２０が銅である場合は高電流密度、温度負荷条件下ではチップ側電極１１や基板側電極２０の断線が懸念される。

また、第一金属膜２および第二金属膜３がない場合、実使用環境下では金属コア１がはんだ４と反応するため、チップ側電極１１や基板側電極２０の消費は抑制されるが金属コア１が消費されるため、金属コアはんだボールの特徴である耐マイグレーション性が低下することが想定される。

本発明のように銅含有量が５０％以上である第二金属膜３を形成した場合、実使用環境下では第二金属膜３を形成しない場合と同様にチップ側電極１１とはんだ４、基板側電極２０とはんだ４の界面の反応（銅-錫系金属間化合物の成長）が生じるが、第二金属膜３もはんだ４と反応するため、チップ側電極１１と基板側電極２０の反応量は抑制される。すなわち、銅含有量が５０％以上である第二金属膜３がはんだ４と反応する銅の供給源となるため、チップ側電極１１および基板側電極２０による金属コア１の消費が低減される。

反応が進行し、ほぼ全ての第二金属膜３が化合物化したのちは反応速度の遅い第一金属膜２が存在するため金属コア１形状は保持され、金属コアはんだボール１００特有の耐マイグレーション性を低下させることもない。第二金属膜３がほぼ全て反応した際には、はんだ４が残存していないこと、もしくは、はんだ４がほぼ全て反応した際に金属コア１の表面に金属膜３が残存していることが望ましい。上記の通り、第二金属膜３を形成することにより耐マイグレーション性を向上した金属コアはんだ接合部を形成することができる。

図３乃至図５を用いて説明した例は、予めチップ側電極１０に接合しておいた金属コアはんだボールを基板側電極２０に接合する例を示したが、これとは逆に、図６に断面を示すように、金属コアはんだボールを予め基板側電極２０に接合しておき、これをチップ側電極１０に接合するようにしても良い。図６に、その例を示す。

図６で、１は金属コア、２は第一金属膜、３は第二金属膜、４ははんだ、６は金属間化合物、１０は半導体素子、１１はチップ側電極、２０は基板側電極、２１は基板、２２は基板側金属間化合物である。

図６に示すように、チップ側電極１１と接合する前に、あらかじめ金属コアはんだボール１００を基板側電極２０に接合する。接合時はリフロー炉などで金属コアはんだボール１００のはんだ４を溶融させて接合するため、基板側電極２０とはんだ４が反応し、基板側電極２０とはんだ４の界面に基板側金属間化合物２２が形成される。同様に第二金属膜３とはんだ４の界面でも金属間化合物６が形成される。

はんだ４は錫を主成分とするはんだであればよい。ここで金属コア１は、はんだよりも硬い材料、例えば銅、ニッケル、アルミニウム、タングステン、金、銀、もしくはこれらのうち少なくともひとつの金属を主成分とする合金であればよい。

また金属コア１は、二種類以上の金属の複合体、もしくは積層体でもよい。

このように、接合前の状態では基板側電極２０とはんだ４、および第二金属膜３とはんだ４の界面に、各々基板側金属間化合物２２と金属間化合物６が形成されている。

図６の状態から、基板２１の金属コアはんだボール１００とチップ側電極１１の位置あわせを行い、リフローなどによりはんだ４の融点以上まで熱を加えてはんだ４を溶融させて、チップ側電極１１とはんだ４を反応させることにより接合を行う。この際にはんだ４とチップ側電極１１の間にはチップ側金属間化合物１２が形成される。第一金属膜２はこの接合プロセスの後でも消失しない膜厚とする。

図６の金属コアはんだボール１００つき基板２１をチップ１０に接合した直後は図４と同様な断面図となる。なお金属コア１の形状は、球、楕円、円柱、立方体、多角柱などであればよい。また半導体素子１０と基板２１の接合高さを確保するためには、金属コア１のサイズを金属コアはんだボール１００の径の５０%以上とすることが望ましい。このように、金属コアはんだボール１００を介して半導体素子１０と基板２１を接合した構造を得ることができる。

この構造により、半導体素子１０と基板２１の接合部に金属コア１を介在することにより、接合高さを確保し接合部の歪みを低減できる。また、電気抵抗がはんだ材よりも低い金属コア１がチップ側電極１１と基板側電極２０の間に入り、接合部の電気抵抗を低減し耐エレクトロマイグレーション性を向上できることが可能になる。さらに本実施例では、あらかじめ基板側に金属コアはんだボール１００を形成するため、チップ側金属間化合物１２にかかる熱負荷が１回のみである。これにより、接合直後のチップ側金属間化合物１２の厚さを薄くすることができる。

次に、実施例１で説明したはんだボールを、先ず半導体素子の側の多数の電極１０に一括して接合し、次にこの半導体素子の多数の電極に接合した多数のはんだボールを基板側電極２０に一括して接合する方法について説明する。

図７に実施例１で説明したはんだボールを半導体素子上の多数の電極へ一括して接合する方法を示す。３０はチップ側電極、３１は半導体素子、４０はフラックス印刷用マスク、４１はスキージ、４２はフラックス、４３ははんだ振込み用マスク、５０は金属コアはんだボールである。

図７（a）はチップ電極３０を有する半導体素子３１である。この半導体素子３１を、図示していない印刷機にセットする。

次に、半導体素子３１を印刷機にセットした状態で、図７（b）に示すように、金属コアはんだボールを搭載する箇所に開口部を持つフラックス印刷用マスク４０の位置あわせを行う。フラックス印刷用マスク４０の厚さは転写したいフラックス厚さであればよく、例えば直径１００μｍの金属コアはんだボールを搭載したい場合は１０−４０μｍ厚程度が望ましい。

位置あわせ後、フラックス印刷用マスク４０上の任意の箇所にフラックス４２を塗布し、スキージ４１で印刷することによりフラックス印刷用マスク４０に形成している開口部にフラックスを形成する（図７（c））。

印刷後、フラックス印刷用マスク４０を取り外すことにより、チップ側電極３０上の金属コアはんだボール搭載箇所にフラックス４２のパターンを印刷した半導体素子３１が完成する。

次に、チップ側電極３０上にフラックス４２のパターンを印刷した半導体素子３１を金属コアはんだボール５０を搭載するはんだボール搭載部（図示せず）へ移動させ、はんだ振込み用マスク４３をフラックス４２のパターンを印刷済みの半導体素子１に位置あわせし、そののち、はんだ振込み用マスク４３上に金属コアはんだボール５０を供給して、金属コアはんだボール５０をチップ側電極３０上に印刷されたフラックス４２のパターン上に１個ずつ搭載する（図７（d））。はんだ振込み用マスク４３の厚さは金属コアはんだ５０の直径に近い方が望ましい。

はんだ振込み用マスク４３を搭載した状態で、チップ側電極３０上のフラックス４２のパターン上に１個ずつ金属コアはんだボール５０を搭載した状態で半導体素子１をリフロー炉の内部に搬送して熱処理を行い、金属コアはんだボール５０のはんだ部（図１のはんだ４に相当）を溶融させることにより金属コアはんだボール５０と半導体素子１上のチップ側電極３０とを接合する（図７（e））。例えば金属コアはんだボール５０としてSn系の材料を使用した場合は、リフロー時の接合部の最大温度を２５０℃から２６０℃とする。

最後に、はんだ振込み用マスク４３を半導体素子３１上から取り除くことにより、金属コアはんだボール５０がチップ側電極３０上に接合された半導体素子６０が完成する（図 ７（f））。ここでは個片に分割した素子を用いて説明したが、ウェハ状態で図７のプロセスではんだボールを形成したのちに、ダイシングもしくはサンドブラストなどで個片に分割してもかまわない。

ここでは、はんだ振込み用マスク４３を用いてチップ側電極３０上に印刷されたフラックス４２のパターン上に１個ずつ金属コアはんだボール５０を搭載する方法を示したが、はんだ振込み用マスク４３を用いずに、金属コアはんだボール５０を吸着手段で吸着させたのちにチップ側電極３０上に印刷されたフラックス４２のパターン上に転写する転写方法などで形成してもよい。

図８に、チップ側電極３０上に金属コアはんだボール５０が接合された半導体素子３１と基板６０との組み立てプロセスを示す。６１は基板側電極、７０はアンダーフィルである。先ず、図７を用いて説明したプロセスで形成した金属コアはんだボール５０が接合された半導体素子３１のチップ側電極３０と、基板６０上の基板側電極６１の位置あわせを行う（図８（a））。位置あわせ後、リフロー等で熱を加えはんだ溶融させる（図８（b））。図８では図示していないが、基板側電極６１上にはんだを形成してもよい。最後に接合部の長期接合信頼性を向上させるためにアンダーフィル７０を注入し、硬化させる（図 ８（c））。

これにより、金属コアはんだボールにて半導体素子上の電極と基板上電極の電気的導通を確保した半導体装置８０が完成する。なおアンダーフィル７０は必要に応じて形成すればよい。ここで、基板６０はセラミック基板、プリント基板、シリコン基板、ガラス基板、フレキシブル基板、金属ベース基板などである。ここでは個片に分割した素子および基板を用いて説明したが、ウェハ状態で図７のプロセスではんだボールを形成したのちに、基板６０にウェハ状態で接合を行い、その後ダイシングもしくはサンドブラストなどでウェハおよび基板を個片に分割してもかまわない。

図８では半導体素子３１と基板６０のサイズを同等として記したが、個片に分割した半導体素子３１を基板６０に搭載する際は、半導体素子３１のサイズが基板６０のサイズより小さくてもかまわない。このプロセスで形成した構造により、半導体素子３１と基板６０の接合部に金属コアはんだボール５０の金属コア１（図１参照）を介在させることにより接合高さを確保し接合部の歪みを低減できること、電気抵抗がはんだ材よりも低い金属コア１がチップ側電極３０と基板側電極６１の間に入り接合部の電気抵抗を低減し耐エレクトロマイグレーション性を向上させることが可能になる。

図７及び図８では、先ず半導体素子３１のチップ電極３０上に金属コアはんだボール５０を接合した後に基板６０の基板側電極６１と金属コアはんだボール５０を接合するプロセスについて説明したが、逆に、先ず基板６０の基板側電極６１上に金属コアはんだボール５０を接合した後に半導体素子３１のチップ電極３０上に金属コアはんだボール５０を接合するプロセスについて、図９及び図１０を用いて説明する。

図９において、４０はフラックス印刷用マスク、４１はスキージ、４２はフラックス、４３ははんだ振込み用マスク、５０は金属コアはんだボール、６０は基板、６１は基板上電極である。

図９（a）は基板上電極６１を有する基板６０である。この基板６０を、図示していない印刷機にセットする。次に、基板６０を印刷機にセットした状態で、図９（b）に示すように、金属コアはんだボールを搭載する箇所に開口部を持つフラックス印刷用マスク４０の位置あわせを行う。フラックス印刷用マスク４０の厚さは転写したいフラックス厚さであればよく、例えば直径１００μｍの金属コアはんだボールを搭載したい場合は１０−４０μｍ厚程度が望ましい。位置あわせ後、フラックス印刷用マスク４０上の任意の箇所にフラックス４２を塗布し、スキージ４１で印刷することによりフラックス印刷用マスク４０に形成している開口部にフラックスを形成する（図９（c））。

印刷後、フラックス印刷用マスク４０を取り外すことにより、基板上電極６１の金属コアはんだボール搭載箇所にフラックス４２のパターンを印刷した基板６０が完成する。次に、基板上電極６１にフラックス４２のパターンを印刷した基板６０を金属コアはんだボール５０を搭載するはんだボール搭載部（図示せず）へ移動させ、はんだ振込み用マスク４３をフラックス４２のパターンを印刷済みの基板６０に位置あわせし、そののち、はんだ振込み用マスク４３上に金属コアはんだボール５０を供給して、金属コアはんだボール５０を基板上電極６１上に印刷されたフラックス４２のパターン上に１個ずつ搭載する（図９（d））。はんだ振込み用マスク４３の厚さは金属コアはんだ５０の直径に近い方が望ましい。

はんだ振込み用マスク４３を搭載した状態で、基板上電極６１のフラックス４２のパターンに１個ずつ金属コアはんだ５０を搭載した状態で基板６０をリフロー炉の内部に搬送して熱処理を行い、金属コアはんだボール５０のはんだ部（図１のはんだ４に相当）を溶融させることにより金属コアはんだボール５０と基板６０上の基板側電極６１とを接合する（図９（e））。例えば金属コアはんだボール５０としてSn-Cu系の材料を使用した場合は、リフロー時の接合部の最大温度を２５０℃から２６０℃とする。

最後に、はんだ振込み用マスク４３を基板６０から取り除くことにより、金属コアはんだボール５０が基板上電極６１に接合された基板が完成する（図９（f））。ここでは、個片に分割した基板を用いて説明したが、個片分割前状態で図９（ａ）〜（ｆ）のプロセスではんだボールを形成したのちに、ダイシングもしくはサンドブラストなどで基板６０を個片に分割してもかまわない。

ここでは、はんだ振込み用マスク４３を用いて基板上電極６１上に印刷されたフラックス４２のパターン上に１個ずつ金属コアはんだボール５０を搭載する方法を示したが、はんだ振込み用マスクを用いずに、金属コアはんだボール５０を吸着手段で吸着させたのちに転写する転写方法などで形成してもよい。

図１０に半導体素子上電極３０と基板上電極６１上に金属コアはんだボール５０が接合された基板６０の組み立てプロセスを示す。３０はチップ側電極、３１は半導体素子、６０は基板、６１は基板側電極、７０はアンダーフィルである。

先ず、図９を用いて説明したプロセスで形成した金属コアはんだボール５０が接合された基板側電極６１と、半導体素子３１上のチップ側電極３０の位置あわせを行う（図１０（a））。位置あわせ後、リフロー等で熱を加えはんだ溶融させる（図１０（b））。これにより金属コアはんだボールを介して半導体素子３１のチップ側電極３０と、基板６０上の基板側電極６１との電気的接合を得る。図９では図示していないが、チップ側電極３０上にはんだを形成してもよい。最後に接合部の長期接合信頼性を向上させるためにアンダーフィル７０を注入し、硬化させる（図１０（c））。

これにより、金属コアはんだボールにて半導体素子上の電極と基板上電極の電気的導通を確保した半導体装置が完成する。なおアンダーフィル７０は必要に応じて形成すればよい。ここで、基板６０はセラミック基板、プリント基板、シリコン基板、ガラス基板、フレキシブル基板、金属ベース基板などである。ここでは個片に分割した素子および基板を用いて説明したが、個片分割前の状態で図８のプロセスではんだボールを基板上に形成したのちに、半導体ウェハに個片分割前状態で接合を行い、その後ダイシングもしくはサンドブラストなどでウェハおよび基板を個片に分割してもかまわない。

このプロセスで形成した構造により、半導体素子３１と基板６０の接合部に金属コアはんだボール５０の金属コア１（図１参照）を介在させることにより接合高さを確保し接合部の歪みを低減できること、電気抵抗がはんだ材よりも低い金属コア１がチップ側電極３０と基板側電極６１の間に入り接合部の電気抵抗を低減し耐エレクトロマイグレーション性を向上させることが可能になる。また、このプロセスではチップ側接合部の熱負荷は図 １０に示す一回のみであることから、図７と図８とを用いて説明したプロセスと比べてチップ側電極３０の反応量を抑制することができる。

１…金属コア ２，１１３，１２３…第一金属膜 ３，１１４…第二金属膜 ４，１１５…はんだ ５，１１２，１２２，１２５…金属粉 ６…金属間化合物 １０…半導体素子 １１…チップ側電極 １２…チップ側金属間化合物 １３…はんだボール ２０…基板側電極 ２１、６０…基板 ２２…基板側金属間化合物 ３０…チップ側電極 ３１…半導体素子 ４０…フラックス印刷用マスク ４１…スキージ ４２…フラックス ４３…はんだ振込み用マスク ５０，１００…金属コアはんだボール ６１…基板側配線 ７０…アンダーフィル ９０…金属間化合物 ９１…金属間化合物 １１０…金属コアはんだボール。

Claims (13)

1. 金属又は樹脂の表面に金属をコーティングしたコア材と、該コア材の表面に形成されたニッケル、チタンもしくクロムを主成分とする第一の金属膜層と、該第一の金属膜層の外周に形成された銅を主成分とする第二の金属膜層と、該第二の金属膜層の外周に錫を主成分とする第三の金属膜層とを有することを特徴とするはんだボール。
2. 請求項１において、第二の金属膜の銅含有量が５０％以上であることを特徴とするはんだボール。
3. 金属又は樹脂の表面に金属をコーティングしたコア材と、該コア材の表面に形成されたニッケル、チタンもしくクロムを主成分とする第一の金属膜層と、該第一の金属膜層の外周に形成された銅を主成分とする金属粉を含有した錫を主成分とする第二の金属膜層とを有することを特徴とするはんだボール。
4. 請求項３において、第二の金属膜に含有する金属粉の銅含有量が５０％以上であることを特徴とするはんだボール。
5. 請求項１乃至４の何れかにおいて、前記コア材が銅、ニッケル、金、銀、アルミニウムのいずれかを主成分とする金属からなることを特徴とするはんだボール。
6. 請求項１乃至４の何れかにおいて、前記コア材が、樹脂と、該樹脂の表面にコーティングされた金属膜とからなる多層構造を有することを特徴とするはんだボール。
7. 請求項６において、前記金属膜は、銅、ニッケル、金、銀、アルミニウムのいずれかを主成分とすることを特徴とするはんだボール。
8. 第一の部材上の第一の電極パッドと第二の部材上の第二の電極パッドとをはんだボールによって接合した構成を有する半導体装置であって、
   前記はんだボールは、金属又は樹脂の表面に金属をコーティングしたコア材と、該コア材の表面に形成された第一の金属膜層と、該第一の金属膜層の外周に形成された銅を主成分とする第二の金属膜層と、該第二の金属膜層の外周に錫を主成分とする第三の金属膜層とを有して構成されたはんだボールであって、
   前記第一の電極パッドと前記第三の金属膜層との間及び前記第二の電極パッドと前記第三の金属膜層との間にそれぞれ合金層が形成されて前記第一の電極パッドと前記第二の電極パッドとがそれぞれ前記はんだボールと接合していることを特徴とするはんだボールを用いた半導体装置。
9. 第一の部材上の第一の電極パッドと第二の部材上の第二の電極パッドとをはんだボールによって接合した構成を有する半導体装置であって、
   前記はんだボールは、金属又は樹脂の表面に金属をコーティングしたコア材と、該コア材の表面に形成されたニッケル、チタンもしくクロムを主成分とする第一の金属膜層と、
   該第一の金属膜層の外周に形成された銅を主成分とする金属粉を含有した錫を主成分とする第二の金属膜層とを有して構成されたはんだボールであって、
   前記第一の電極パッドと前記第三の金属膜層との間及び前記第二の電極パッドと前記第三の金属膜層との間にそれぞれ合金層が形成されて前記第一の電極パッドと前記第二の電極パッドとがそれぞれ前記はんだボールと接合していることを特徴とするはんだボールを用いた半導体装置。
10. 請求項８もしくは９記載の半導体装置であって、前記金属又は樹脂の表面に金属をコーティングしたコア材の、前記金属又は前記コーティングした金属が、銅、ニッケル、金、銀、アルミニウムのいずれかを主成分とする金属であることを特徴とするはんだボールを用いた半導体装置。
11. 請求項８記載の半導体装置であって、前記第一の電極パッドと前記第二の電極パッドとに接合する前記はんだボールは、前記第二の金属膜に５０％以上の銅を含有することを特徴とするはんだボールを用いた半導体装置。
12. 請求項９記載の半導体装置であって、前記第一の電極パッドと前記第二の電極パッドとに接合する前記はんだボールは、前記第二の金属膜に含有される金属粉が５０％以上の銅を含有することを特徴とするはんだボールを用いた半導体装置。
13. 請求項８もしくは９記載の半導体装置であって、前記第一の電極パッドと前記第二の電極パッドとがそれぞれ接合している前記はんだボールは、前記金属又は樹脂の表面に金属をコーティングしたコア材が、前記第一の金属膜層で表面を覆われていることを特徴とするはんだボールを用いた半導体装置。

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