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JP5194471B2 - 半導体装置 - Google Patents

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Description

本発明は、外部接続用のボール電極を設けた表面実装型の半導体装置およびその製造方法に関する。
外部接続用のボール電極を設けた表面実装型の半導体装置として、半導体素子を回路基板に電気的に接続した、ＢＧＡ型、ＣＳＰ型等のパッケージ半導体装置がある。
従来のＢＧＡ型半導体装置を図７（ａ）（ｂ）に示す。表裏両面に回路パターンと電極部とを有する回路基板（インターポーザ）１の片側の面に半導体素子（半導体チップ）２をダイボンディングし、金属細線３でワイヤボンディングし、樹脂４でトランスファーモールドしており、回路基板１のもう片側の面には電極部５に半田ペーストを介して半田ボール６を搭載し、半田ペーストと半田ボール６とを溶融させることで、半田ボール６を電極部５に接合させている。接合した半田ボール６は、他の回路基板（実装基板）に実装するための外部端子（ボール電極）となる。半田ボール６の材料としては共晶のＳｎ−Ｐｂ半田材が用いられてきたが、鉛を含まない鉛フリー半田材が用いられる傾向にある（特許文献１）。
特開２００１−１４４２１４公報
ところが、鉛フリー半田材よりなる半田ボールを用いると、回路基板の電極部との接合強度が低下することがある。
本発明は、上記問題に鑑み、回路基板の電極部に半田ボールを接合した電極構造において接合強度を向上させることを目的とする。
上記目的を達成するべく、半田ボールと基板電極との接合強度について検討した結果、鉛フリー半田材よりなる半田ボールの場合、溶融時間を長くするほど接合強度が低下すること、また半田ボールの溶融時間を長くするほど、接合部分で起こる破壊の内、半田ボール中での破壊が占める割合が減る反面、基板電極との界面での破壊が増え、それに伴って接合強度が低下すること、したがって接合強度を向上させるためには、半田ボールの溶融時間を短くすればよいこと、特に基板電極側から冷却させればよいことを見い出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明の半導体装置は、表裏両面に多数の電極を有する回路基板の表面の電極に電子回路素子を接合して電子回路を構成し、裏面の複数の電極上に外部接続用のボール電極を設けた半導体装置において、前記回路基板の裏面の複数の電極は、各々の表面にニッケルメッキと金メッキとがこの順に施されており、前記複数の電極上のボール電極は各々、錫と銀と銅とを含み鉛不含の半田材料よりなる半田ボールが電極上で加熱溶融されて界面で合金形成してなり、その内、基板外周部の電極上のボール電極は前記半田ボールの加熱溶融時に前記電極側から冷却されることで界面強度が増大されていることを特徴とする。
複数の電極は、外周部の電極が内周部の電極よりも大きく形成されているのが好ましい。回路基板にビアが形成されており、前記ビアは基板裏面の外周部の電極については当該電極に導通してあるいは内周部の電極に対するよりも近傍に形成されているのが好ましい。界面強度の増大は界面に形成される合金成分の選択的抑制に基づくことを特徴とする。
本発明の半導体装置の製造方法は、表裏両面に多数の電極を有する回路基板の表面の電極に電子回路素子を接合して電子回路を構成し、裏面に複数の外部接続用のボール電極を有する半導体装置の製造方法であって、前記複数のボール電極を形成する際に、ニッケルメッキと金メッキとがこの順に施されている基板裏面の電極上に、錫と銀と銅とを含み鉛不含の半田材料よりなる半田ボールを搭載し、前記半田ボールを加熱溶融して電極表面と合金形成させつつ、外周部の電極上で溶融した半田ボールは電極側より冷却することを特徴とする。
半田ボールを電極側より冷却するために、回路基板の表面側に冷却用の気体を通流させることができる。また、回路基板の表面側に放熱板を設置することができる。
本発明に係る半導体装置は、回路基板の電極部に半田ボールを接合させる電極構造において、外部からの応力を受け易い外周部のボール電極について特に、電極上で加熱溶融した半田ボールを電極側からも冷却して凝固させるようにしたものであり、自然にボール外周部より冷却するのに任せるのに比べて溶融時間が短くなり、界面での接続強度が向上し、耐熱衝撃性が向上する。
電極側から冷却させるのは、回路基板の外周部の電極部を内周部の電極部よりも大きくする、あるいはビアを外周部の電極部に対して内周部の電極部に対するよりも近くに設ける、あるいは半田ボールの背面側に冷却用の気体を通流させる、あるいは半田ボールの背面側に放熱板を設置する等による。
本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１（ａ）は、本発明の一実施形態の半導体装置であるＢＧＡ型半導体装置の断面図であり、図１（ｂ）は同半導体装置の一部拡大断面図である。
図１（ａ）（ｂ）に示す半導体装置において、表裏両面に回路パターンと電極部が形成された回路基板１の片側の面（以下、表面と呼ぶ）の中央部に半導体素子２をダイボンディングし、金属線３でワイヤボンディングし、半導体素子２および金属線３を封止する樹脂４をトランスファーモールド法にて基板表面の周縁部以外を覆って形成しており、回路基板１のもう片側の面（以下、裏面と呼ぶ）には複数の電極部５の周囲を覆う絶縁層７を形成し、各電極部５上に半田ボール６を接合させている。接合した半田ボール６は、他の回路基板（実装基板）に実装するための外部端子（ボール電極）となる。
回路基板１はガラスエポキシを基材として形成され、樹脂４はエポキシが用いられている。回路基板１の裏面の電極部５は複数列に配列されており、裏面外周部の電極部５ａは内周部の電極部５ｂよりも面積が大きい。各電極部５は銅で形成されており、表面に５μｍ程度のニッケルメッキとその上に０．１〜１．０μｍの金メッキとが施されている。絶縁層７はソルダーレジストよりなり、電極部５を覆う厚みであるが、電極部５のそれぞれの表面上に開口部７ａが均一なサイズで形成されている。半田ボール６は錫と銀と銅とを主成分とする鉛フリーの半田材料よりなる。
図２を参照しつつ、半田ボール６の接合方法を説明する。
図２（ａ）に示すように、樹脂４により表面側が封止された回路基板１の裏面の電極部５（５ａ，５ｂ）に半田ペースト（図示せず）を印刷し、図２（ｂ）に示すように、半田ボール６を搭載し、その後に、リフロー炉（図示せず）で半田ペーストと半田ボール６とを加熱溶融して、半田ボール６と電極部５との界面に合金形成させ、それにより半田ボール６を電極部５に接合させる。接合終了後には半田ペーストのフラックスは洗浄除去する。
加熱溶融した半田ボール６を凝固させるべく冷却させる際には、リフロー炉内の冷却ゾーンやリフロー炉外の大気中で冷却する。上述したように、各電極部５（５ａ，５ｂ）は、絶縁層７の開口部７ａが均一サイズであるため半田ボール６と接続する界面の面積は同等であるが、回路基板１の外周部の電極部５ａが内周部の電極部５ｂよりも面積が大きいため、電極部５ａ上にある外周部の半田ボール６は電極部５ａを通じて回路基板１へ、さらにその表面側へ容易に放熱され、電極部５ａ側からも冷却されて凝固することとなる。このため、半田ボール６の外周部より自然に冷却するのに任せるのに比べて、界面での接続強度が向上する。
回路基板１の内周部の半田ボール６については、同様の冷却対策をとるのはもちろん好ましいが、電極部５ｂを通じて回路基板１へ、そしてその表面側の樹脂４から放熱されやすいため、必ずしもこの冷却対策はとらなくてもよい。外周部の半田ボール６は、外部からの応力を受け易いこともあって、上記のように電極部５ａ側から冷却させる冷却対策をとることが、接合強度を向上させるうえでより効果がある。このようにすることにより、回路基板１の全体の半田ボール６について、耐熱衝撃性の向上した接合構造が得られ、ボール電極の脱落等を防止することが可能となる。
半田ボール（Ｓｎ−Ａｇ系鉛フリー半田材）と電極部との接合強度を、せん断力試験を用い、半田ボール側面から剥がれる力を測定することで試験した。結果を図３に示す。（ａ）は溶融時間と破壊モードとの相関図、（ｂ）は溶融時間と接合強度との相関図である。図３（ａ）（ｂ）において、半田ボールの溶融時間を長くすると、形成される接合部分で起こる破壊の内で、半田ボール中で起こる破壊が占める割合が減る一方で、電極部との界面で起こる破壊が増え、それに伴って接合強度が低下している。
図１に示した半導体装置の構造によれば、半田ボールの溶融時間を短くすることができるので、界面の接合強度が向上することとなる。
また、半田ボールにＳｎ−Ａｇ系鉛フリー半田材および従来の共晶のＳｎ−Ｐｂ半田材をそれぞれ用い、電極部との接合部分について、断面観察により合金状態を調べた。Ｓｎ−Ｐｂ半田材を用いた場合には、半田ボールと電極部との界面にＮｉ−Ｓｎ系合金が形成され、これにより半田ボールが電極部に接合されている。一方、Ｓｎ−Ａｇ系鉛フリー半田材を用いた場合には、半田ボールと電極部との界面の合金層に、Ｎｉ−Ｓｎ系合金が形成される他にＣｕ−Ｓｎ系合金が形成され、半田材の溶融時間が長いとＣｕ−Ｓｎ系合金が多く形成されることとなった。このＣｕ−Ｓｎ系合金の生成量が多くなることが界面の接合強度が低下する原因であると思われる。
図４は半田ボールにＳｎ−Ａｇ系鉛フリー半田材を用いたときに電極部との界面で破壊が起こった際の、半田ボール６側の破断面の電子顕微鏡写真（SEM）である。Ａｇ３Ｓｎの他にＣｕ−Ｓｎ系合金が観察されるが、Ｎｉ−Ｓｎ系合金は観察されない。図示しないが、Ｎｉ−Ｓｎ系合金は電極部５側に残っている。界面にＣｕ−Ｓｎ系合金が多く形成されたときにＮｉ−Ｓｎ系合金とＣｕ−Ｓｎ系合金との間で破壊が生じることを示すものである。
図１に示した半導体装置の構造によれば、半田ボールは電極部側からも冷却されて凝固するので、電極部との界面ではＮｉ−Ｓｎ系合金が形成され、Ｃｕ−Ｓｎ系合金の形成が抑制されることとなる。
なお、Ｓｎ−Ａｇ系鉛フリー半田材の溶融温度は２２１℃程度であり、Ｓｎ−Ｐｂ半田材の溶融温度が１８３℃程度であるのに比べて溶融温度が高いため、かつその高い温度に半導体装置（樹脂封止体）全体が曝されているため、一旦、溶融したＳｎ−Ａｇ系鉛フリー半田材が凝固するまでの時間が長く、半田ボールの外周部より自然に凝固するのに任せるのでは電極部との界面部分が凝固するまでに長い時間を要することとなる。
上記の図１に示した半導体装置では、回路基板１の外周部の電極部５ａを内周部の電極部５ｂに比べて、同一厚みで、面積がより大きいとしたが、図５（ａ）に示す半導体装置のように、回路基板１の外周部の電極部５ａを内周部の電極部５ｂに比べて、同一面積で、厚みをより大きくしてもよい。いずれも、体積がより大きいものが放熱性に優れることとなる。
図５（ｂ）に示す半導体装置では、回路基板１を厚み方向に貫通するビア８（電気的に接続しないダミーのビアでもよい）を、回路基板１の外周部の電極部５ａについては、電極部５ａに接続するように配置する（あるいは近傍に配置してもよい）ことで、外周部の電極部５ａとビア８との距離を内周部の電極部５ｂとビア８との距離よりも小さくしている。このことにより、外周部のボール電極６は、ビア８を通じての放熱が容易になり、上述したのと同様の効果を得ることができる。
図６（ａ）に示すように、加熱溶融した半田ボール６を凝固させる際に、回路基板１の表面側に半導体装置の周辺温度より低い温度のエア９などの気体を供給することにより、回路基板１の裏面および電極部５（図１参照）を冷却してもよい。つまり、リフロー炉から搬出した半導体装置、あるいはリフロー炉内の冷却ゾーンにおいた半導体装置は、そのままでは、半導体装置自体の熱で周辺（雰囲気）も非常に熱くなっているため、常温もしくはそれ以下の温度のエアを供給することで冷却するのである。このことによっても、上述したのと同様に、溶融した半田ボール６を電極部５側から冷却して界面強度の低下を抑制することができる。特に外周部の電極部５ａの背面（回路基板の表面）は樹脂４で覆われていないため、エア９が直接に接触し、冷却効果が大きい。
図６（ｂ）に示すように、加熱溶融した半田ボール６を凝固させる際に、回路基板１の表面側にアルミニウムなどの放熱板１０を装着することにより、回路基板１の裏面および電極部５（図１参照）を冷却してもよい。このことによっても、上述したのと同様に、溶融した半田ボール６を電極部５側から冷却して界面強度の低下を抑制することができる。特に外周部の電極部５ａの背面（回路基板の表面）は樹脂４で覆われていないため、放熱板１０が直接に接触し、冷却効果が大きい。
なお、図６（ａ）（ｂ）に示した方式で冷却する場合は、回路基板１の電極部５の大きさは、外周部と内周部とで必ずしも相違させなくともよい。
本発明に係る半導体装置は、電極部上で溶融した半田ボールを電極部側からも冷却して凝固させることで、外部からの応力を受け易いボール電極について特に、界面での接続強度を向上させ、耐熱衝撃性を向上させたものであり、ＢＧＡ型、ＣＳＰ型等のパッケージ半導体装置などに適用して、ボール電極の脱落、強度劣化を防止するのに有用である。
本発明の一実施形態における半導体装置の構成図 図１の半導体装置を製造する際の半田ボールと電極部との接合方法を説明する断面図 半田ボールと電極部との接合強度に関する特性図 半田ボールと電極部との破断状態を示す図 本発明の他の実施形態における半導体装置の構成図 本発明に係る半導体装置を製造する際の冷却方法を説明する断面図 従来の半導体装置の断面図
符号の説明
１ 回路基板
２ 半導体素子
３ 金属細線
４ 樹脂
５ 電極部
5a 電極（外周部）
5b 電極（内周部)
６ 半田ボール
７ 絶縁層
８ ビア
９ エア
10 放熱板

Claims (13)

  1. 裏面に複数の電極を備えた回路基板と、
    前記回路基板の表面に搭載された電子回路素子と、
    前記回路基板の裏面の複数の電極と接続され、鉛不含の半田材料よりなる外部接続用の複数の半田ポールと、
    前記電子回路素子と前記回路基板の表面の一部を覆う封止樹脂と
    を備え、
    前記複数の電極は、断面図において、前記封止樹脂より外側に配置された第一の半田ポールと接続された第一の電極と、前記封止樹脂より内側に配置された第二の半田ボールと接続される第二の電極とを有し、
    前記第一の電極は、前記第二の電極よりも大きく形成されていることを特徴とする半導体装置。
  2. 前記回路基板の裏面の複数の電極上には、ニッケルと金のメッキが形成されていることを特徴とする請求項１の半導体装置。
  3. 前記回路基板の裏面の複数の電極に接合された複数の半田ボールは、少なくとも錫を含む半田材料よりなることを特徴とする請求項１または２いずれか記載の半導体装置。
  4. 前記回路基板の裏面の複数の電極に接合された複数の半田ボールは、少なくとも銀を含む半田材料よりなることを特徴とする請求項３記載の半導体装置。
  5. 前記回路基板の裏面の複数の電極と前記複数の半田ボールとの接合部には、錫合金が形成されることを特徴とする請求項３または４記載の半導体装置。
  6. 前記錫合金は、錫とニッケルの合金であることを特徴とする請求項５記載の半導体装置。
  7. 前記錫合金は、錫と銅の合金であることを特徴とする請求項５記載の半導体装置。
  8. 前記回路基板の裏面に、複数の開口部を有する保護膜をさらに備え、
    前記複数の半田ボールは各々、前記保護膜の複数の開口部から露出した前記複数の電極と接合していることを特徴とする請求項１乃至７いずれか１項記載の半導体装置。
  9. 前記複数の保護膜の開口部は均一なサイズに形成されていることを特徴とする請求項８記載の半導体装置。
  10. 前記回路基板の裏面の第一の電極は、前記第二の電極と同一厚みで面積がより大きいことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項記載の半導体装置。
  11. 前記回路基板の裏面の第一の電極は、前記第二の電極と同一面積で厚みがより大きいことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項記載の半導体装置。
  12. 前記回路基板内に複数のビアをさらに有し、
    前記複数のビアのうち、第一のビアは前記回路基板の裏面の第一の電極と接続していることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
  13. 前記複数のビアのうち、第一のビアは前記回路基板の裏面の第一の電極近傍に形成され、前記第一のビアと前記第一の電極との距離は、前記第一のビアと前記第二の電極との距離よりも近いことを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
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