特開 2018-200991 半導体パッケージの実装法、リフロー方法および電子回路基板

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2018-200991(P2018-200991A)

(43)【公開日】2018年12月20日

(54)【発明の名称】半導体パッケージの実装法、リフロー方法および電子回路基板

(51)【国際特許分類】

   H05K 3/34 20060101AFI20181122BHJP

   B23K 35/26 20060101ALI20181122BHJP

   C22C 12/00 20060101ALI20181122BHJP

   C22C 13/00 20060101ALI20181122BHJP

   B23K 1/00 20060101ALI20181122BHJP

   B23K 31/02 20060101ALI20181122BHJP

【ＦＩ】

   H05K3/34 507K

   H05K3/34 512C

   H05K3/34 507C

   B23K35/26 310C

   B23K35/26 310A

   C22C12/00

   C22C13/00

   B23K1/00 330E

   B23K1/00 J

   B23K31/02 310F

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2017-105888(P2017-105888)

(22)【出願日】2017年5月29日

(71)【出願人】

【識別番号】592070694

【氏名又は名称】アレントジャパン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000888

【氏名又は名称】特許業務法人 山王坂特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】角田 睦晴

(72)【発明者】

【氏名】森 真人

(72)【発明者】

【氏名】三浦 春菜

【テーマコード（参考）】

5E319

【Ｆターム（参考）】

5E319AA03

5E319AA07

5E319AB05

5E319AC02

5E319BB05

5E319CC33

5E319CD29

5E319CD45

5E319GG03

(57)【要約】

【課題】
本発明は、樹脂基板を含む半導体パッケージを実装する際に生じる反りに起因するオープン不良の発生を防止し、強固な接合が持続できる接合技術を提供することを課題とする。
【解決手段】
本発明は、オープン不良の原因となる、リフロー時の樹脂基板の反りを抑制するため、樹脂基板を構成する樹脂のガラス転移温度に注目し、ハンダとして該ガラス転移温度より固相線温度が低い材料であるスズ−ビスマスを含むハンダ組成物を用いる。またリフロー時にスズ−ビスマスと、バンプ材料との相互拡散を促し、最終的に接合後のハンダの組成を変化させる。これによりスズ−ビスマスにおけるビスマスの含有量を変化させて脆弱性を改善する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

樹脂基板の一方の面に半導体チップを固定し、他方の面に複数のバンプを形成した半導体パッケージを、プリント基板に実装する方法であって、
前記プリント基板の、前記半導体パッケージが実装される面に、前記複数のバンプに対応して、前記樹脂基板を構成する樹脂のガラス転移温度以下の固相線温度を有し、且つスズとビスマスとを含むハンダ組成物でハンダ部を形成するステップと、
前記バンプと前記ハンダ部とを当接させた状態で、前記固相線温度以上且つ前記樹脂基板の変形により前記バンプと前記ハンダ部との当接が離れる温度未満まで加熱するステップと、
前記加熱状態を維持し、前記バンプを構成する金属および前記ハンダ部を構成する金属の相互拡散によって前記ハンダ部中のビスマスの含有量を低下させるステップと、を
含む半導体パッケージの実装方法。

【請求項2】

請求項１に記載の半導体パッケージの実装方法であって、
前記ハンダ部は、前記加熱するステップの前におけるビスマスの含有量が５０重量％以上６０重量％以下であり、前記含有量を低下させるステップ後における、前記バンプと前記ハンダ部とが接合している接合部のビスマスの含有量が５４重量％未満であることを特徴とする半導体パッケージの実装方法。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の半導体パッケージの実装方法であって、
前記樹脂基板を構成する樹脂は、エポキシ樹脂を含み、ガラス転移温度が１４０度以上であることを特徴とする半導体パッケージの実装方法。

【請求項4】

請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体パッケージの実装方法であって、
前記バンプを構成する合金は、スズを含むことを特徴とする半導体パッケージの実装方法。

【請求項5】

請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体パッケージの実装方法であって、
前記加熱するステップの加熱温度が、１６０度以上であることを特徴とする半導体パッケージの実装方法。

【請求項6】

請求項１乃至５のいずれか一項に記載の半導体パッケージの実装方法であって、
前記含有量を低下させるステップは、前記加熱状態を４０秒以上維持するステップであることを特徴とする半導体パッケージの実装方法。

【請求項7】

請求項１乃至６のいずれか一項に記載の半導体パッケージの実装方法であって、
前記半導体パッケージは、ＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）であることを特徴とする半導体パッケージの実装方法。

【請求項8】

樹脂基板の一方の面に半導体チップを固定し、他方の面に複数のバンプを形成した半導体パッケージと、前記バンプに対応して、ハンダ組成物でハンダ部が形成された基板とをリフローによって接合する方法であって、
前記ハンダ組成物は、前記樹脂基板を構成する樹脂のガラス転移温度以下の固相線温度を有し、且つスズとビスマスとを含み、
前記バンプと前記ハンダ部とを当接させた状態で前記固相線温度以上且つ前記樹脂基板の変形により前記バンプと前記ハンダ部との当接が離れる温度未満まで加熱するステップと、
前記加熱状態を維持し、前記バンプを構成する金属および前記ハンダを構成する金属の相互拡散によって前記ハンダ中のビスマスの含有量を低下させるステップと、を含むリフロー接合方法。

【請求項9】

樹脂基板上に半導体チップを実装した半導体パッケージと、プリント基板とが、前記半導体パッケージに形成されたバンプと、前記プリント基板に形成されたハンダ部とによって接合された電子回路基板であって、
前記ハンダ部は、スズとビスマスとを含み、
前記バンプと前記ハンダ部とによって形成された接合部は、少なくともその接合方向の中間において、ビスマスの含有量が前記ハンダ部におけるビスマスの含有量より減少している領域を有し、
前記接合部の前記ビスマスの含有量は、５４重量％未満であることを特徴とする電子回路基板。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）等の半導体パッケージを、マザーボード等のプリント基板に実装する技術に関し、特にリフローにより半導体パッケージとプリント基板とを接合する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体チップは、通常、封止材やインタポーザーに固定された半導体パッケージとして、供給されており、電子回路の組み立ては、このような半導体パッケージをプリント基板に実装して行われる。半導体パッケージには多くの種類があり、中でもパッケージ底面にハンダのバンプや電極パッドを配置したＢＧＡやＬＧＡ（ランドグリッドアレイ）は、パッケージの外側にリードなどが張り出さないため、実装面積を小さくでき、高密度化が要求される用途に多用されている。

【0003】

このような形態の半導体パッケージは、インタポーザーと呼ばれる樹脂製の基板（樹脂基板）の上に半導体チップを固定し、樹脂基板の裏面に半導体チップの電極と電気的に接続された金属バンプが形成された構造を有しており、プリント基板への実装は、ハンダを用いたリフロー接合で行われる。

【0004】

バンプとハンダとをリフロー接合する場合、リフロー温度はバンプおよびハンダが溶融する温度に設定される。バンプはボール状のハンダを溶融して形成されるため、比較的低融点のものが用いられるものの、通常、リフロー温度は２００度以上となる。一方、半導体パッケージを構成する樹脂基板には、ガラス繊維含有エポキシ樹脂等の高耐熱性の材料が用いられているが、最近の電子材料の薄型化に伴い樹脂基板も薄くなる傾向にある。このような樹脂基板３が、上述したリフロー温度に曝されると、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、凹状（図１（ａ）参照）あるいは、凸状（図１（ｂ）参照）に変形する場合がある。なお、図１（ｂ）は、樹脂基板のバンプとプリント基板のハンダとを省略している。例えば、図１（ａ）に示す凹状の反りが生じる場合、樹脂基板３の端部に位置するバンプ４と、それに対応するプリント基板側のハンダ部６とが接合しない或いは接合不足になる、所謂オープン不良の問題が生じる。図１（ｂ）に示す凸状の反りの場合には、樹脂基板の中央付近でオープン不良が生じやすい。このようなオープン不良の例として、図１(ａ)の矢印Ａで示すノン・ウェット・オープン（ＮＷＯ）および矢印Ｂで示す枕不良（Ｈｅａｄ ｉｎ ｐｉｌｌｏｗ）が挙げられる。ＮＷＯは、加熱時にバンプ４に固相拡散しているハンダ６が、反り度合いが次第に大きくなる樹脂基板３によりバンプ４とともに持ち上げられることでプリント基板７からはがれ、冷却時にバンプ４に接着したままで冷却されるために発生する。一方、枕不良は、加熱時に大きく反り上がる樹脂基板３により、バンプ４とハンダ６とが離れてしまい、冷却時に樹脂基板３がもとの形に戻っても、バンプ４が酸化しているまたはハンダ６が固化していることから、バンプ４とハンダ６とが融合できないために発生する。

【0005】

この問題に対しては、低融点ハンダを用いることが考えられる。例えば、スズ−ビスマス合金からなるハンダは、ビスマスが特定の含有量のときに融点が１５０℃以下になる低融点ハンダとして知られている（例えば特許文献１）。しかしこの低融点ハンダは、ビスマスの含有量が大きいと脆いという欠点があり、機械的な衝撃に弱く、半導体チップとプリント基板との接合が不安定になるという問題がある。従って、例えば携帯電話機等の携帯電子機器など衝撃を受けやすい機器や振動を受けやすい場所に設置される電子機器には適していない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０００−３０７２２８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明は、樹脂基板を含む半導体パッケージを実装する際に生じる反りに起因するオープン不良の発生を防止し、強固な接合が持続できる接合技術を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明は、オープン不良の原因となる、リフロー時の樹脂基板の反りを抑制するため、樹脂基板を構成する樹脂のガラス転移温度に注目し、ハンダとして該ガラス転移温度より固相線温度が低い材料であるスズ−ビスマスを含むハンダ組成物を用いる。またリフロー時にスズ−ビスマスと、バンプ材料との相互拡散を促し、最終的に接合後のハンダの組成を変化させる。これによりスズ−ビスマスにおけるビスマスの含有量を変化させて脆弱性を改善する。

【0009】

すなわち、本発明の半導体パッケージの実装方法は、樹脂基板の一方の面に半導体チップを固定し、他方の面に複数のバンプを形成した半導体パッケージを、プリント基板に実装する方法である。プリント基板の、半導体パッケージが実装される面に、複数のバンプに対応して、樹脂基板を構成する樹脂のガラス転移温度以下の固相線温度を有し、且つスズとビスマスとを含むハンダ組成物でハンダ部を形成するステップと、バンプとハンダ部とを当接させた状態で、前記固相線温度以上且つ前記樹脂基板の変形によりバンプとハンダ部との当接が離れる温度未満まで加熱するステップと、加熱状態を維持し、バンプを構成する金属およびハンダ部を構成する金属の相互拡散によってハンダ部中のビスマスの含有量を低下させるステップと、を含む。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、樹脂基板を含む半導体パッケージを実装する際に生じる反りに起因するオープン不良の発生を防止し、強固な接合が持続できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】(ａ)は凹状に変形した樹脂基板を有する半導体パッケージを備えた従来の電子回路基板断面構造および接合不良を説明する図、（ｂ）は、凸状に変形した樹脂基板を有する半導体パッケージを備えた従来の電子回路基板の断面図

【図2】(ａ)〜（ｃ）は、本実施形態の半導体パッケージの実装方法の工程の一例を説明する断面図

【図3】本実施形態の半導体パッケージの実装方法におけるリフロー温度プロファイルの一例を示す図

【図4】本実施形態の半導体パッケージの実装方法におけるリフロー温度プロファイルの一例を示す図

【図5】(ａ)は本実施形態の一例としての電子回路基板の断面図、（ｂ）は、図(ａ)のＣで示す部分の拡大構造を説明する図

【図6】(ａ)ピーク温度１８０℃およびピーク保持時間１４０秒でリフローを行って実装した電子回路図基板（実施例６）の接合部の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）撮像図、（ｂ）〜（ｅ）はそれぞれ図(ａ)の矢印Ｄで示す線に囲まれた部分のスズ、銀、ビスマス、銅の分布を示す図

【図7】(ａ)ピーク温度１６０℃およびピーク保持時間１０秒でリフローを行って実装した電子回路図基板（比較例１）の接合部のＳＥＭ撮像図、（ｂ）〜（ｅ）は図(ａ)の矢印Ｅで示す線に囲まれた部分のスズ、銀、ビスマス、銅の分布を示す図

【発明を実施するための形態】

【0012】

本発明の実装方法の実施形態を説明する。本明細書において、スズおよびビスマスの含有量はエネルギー分散型Ｘ線分析装置で測定した結果から算出される値である。
まず、図２を用いて、本発明の実装方法に用いる材料である、半導体パッケージ５、プリント基板７、およびハンダ部６を構成するハンダ組成物について説明する。

【0013】

図２（ｂ）に示すように、半導体パッケージ５は、樹脂基板３と、樹脂基板３の一方の面に固定されている半導体チップ２と、他方の面に形成されている複数のバンプ４を備える。

【0014】

半導体チップ２は、集積回路を備え、ワイヤボンディング（不図示）により半導体チップのパッド（不図示）と樹脂基板３のフィンガー部分（不図示）とが電気的に接続されている。フィンガー部分とバンプ４はスルーホール(不図示)により接続されている。

【0015】

樹脂基板３は、エポキシ樹脂またはビスマレイミドトリアジン（ＢＴ）樹脂を使用することができる。樹脂基板３の例としてガラスエポキシ基板（ガラス転移温度１４０℃）、エポキシ基板（ガラス転移温度１４０℃）およびＢＴ基板(ガラス転移温度１８０℃)が挙げられる。

【0016】

バンプ４は、半導体パッケージ５の外部端子の機能を有し、半導体パッケージの実装の際にハンダ部６でプリント基板７にはんだ付けされる。
バンプ４を構成する合金は、スズを含むことが好ましい。これにより、溶融したハンダ部６にバンプ４が溶解したとき、バンプ４に含まれるスズでハンダ部６に含まれるビスマスを希釈することができる。また、バンプ４を構成する合金は、スズに加えて、銀（Ａｇ）および銅（Ｃｕ）からなる群から選択される金属の一以上を含んでよい。合金としてスズを含むバンプの例としては、Ｓｎ９６．５重量％−Ａｇ３．０重量％−Ｃｕ０．５重量％が挙げられる（合金を表す表記では、以後重量％は省略する。）。

【0017】

上述した半導体パッケージ５としては、具体的には、ＢＧＡ、またはＣＳＰ（チップサイズパッケージ）を使用することができる。

【0018】

プリント基板７は、半導体パッケージ５などの部品を搭載するとともに部品相互の電気的接続を行うものであり、プリント基板７の表面および裏面には銅製の配線やフットプリントが形成されている。
プリント基板７として樹脂基板を使用することができる。樹脂基板は特に限定されないが、上述した半導体パッケージ５の樹脂基板３と同様のものを使用することができる。

【0019】

ハンダ組成物は、樹脂基板３を構成する樹脂のガラス転移温度以下の固相線温度を有する。これにより、加熱温度がガラス転移温度付近に到達したときハンダ組成物は溶融できる。このようなハンダ組成物の材料として、スズとビスマスとを含む合金を用いる。これらの金属の含有量は、合金中スズが４０〜５０重量％およびビスマスが５０〜６０重量％であることが好ましい。スズとビスマスとの合金の例としては、Ｓｎ４２−Ｂｉ５８（固相線温度１３９℃）が挙げられる。

【0020】

また、必要に応じて、スズとビスマスとを含む合金中に、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アンチモン（Ｓｂ）およびニッケル（Ｎｉ）から選択される金属の一以上を添加してよい。これらの金属を添加する場合、スズ、ビスマス、および添加した金属で構成された合金中に２重量％以下の添加量が好ましい。このような金属の例としては、Ｓｎ４２−Ｂｉ５７．６−Ａｇ０．４（固相線温度１３８℃）が挙げられる。
なお、環境汚染の観点から、ハンダ組成物に含まれる合金には鉛は含まれない。

【0021】

ハンダ組成物は、ペースト状として使用してよい。ペースト状の場合、ハンダ組成物は、さらに、フラックスを含むことが好ましい。この場合、ハンダ組成物中、上述した合金が８５〜９０重量％およびフラックスが１０〜１５重量％であることが好ましい。フラックスの例としてロジン系が挙げられる。

【0022】

次に、上述したハンダ組成物、プリント基板７、および半導体パッケージ５の構成を踏まえて、本発明の半導体パッケージ５の実装方法を、図２を参照して説明する。

【0023】

本発明の半導体パッケージの実装方法は、樹脂基板３の一方の面に半導体チップ２を固定し、他方の面に複数のバンプ４を形成した半導体パッケージ５を、プリント基板７に実装する方法である。プリント基板７の、半導体パッケージ５が実装される面に、複数のバンプ４に対応して、樹脂基板３を構成する樹脂のガラス転移温度以下の固相線温度を有し、且つスズとビスマスとを含むハンダ組成物でハンダ部６を形成するステップ（図２(ａ)）と、バンプ４とハンダ部６とを当接させた状態で、前記固相線温度以上且つ前記樹脂基板の変形によりバンプ４とハンダ部６との当接が離れる温度未満まで加熱するステップ（図２（ｂ））と、加熱状態を維持し、バンプ４を構成する金属およびハンダ部６を構成する金属の相互拡散によってハンダ部６中のビスマスの含有量を低下させるステップ（図２（ｃ））と、を含む。

【0024】

このような実装方法では、ハンダ組成物で形成されたハンダ部６は、スズとビスマスとを含み、樹脂基板３を構成する樹脂のガラス転移温度以下の固相線温度を有する。加熱ピーク温度の下限値を該固相線温度以上にすることにより、加熱温度がガラス転移温度に到達する前に、ハンダ部６は溶融する。また、加熱ピーク温度の上限値を樹脂基板の変形によりバンプ４とハンダ部６との当接が離れる温度未満とすることで、ガラス転移温度を越える場合に反り始める樹脂基板の反り度合いを、該当接が離れない程度の小さな度合いにとどめることができる。そのため、樹脂基板３が変形する前もしくは変形がはじまる初期段階で、ハンダ部６が溶融でき、溶融したハンダ部６とバンプ４との接触が維持できる。これにより、樹脂基板の大きな反りが生じる温度で加熱した場合に発生するオープン不良（図１(ａ)の矢印Ａ、Ｂ参照）を防止できる。また、加熱ピーク温度を維持することにより、ハンダ部６に含まれるビスマスと、バンプ４に含まれる金属との相互拡散を促し、接合後のハンダ部６に含まれるスズ−ビスマス合金中のビスマスの含有量を低下させ、接合の脆弱性を改善することができる。

【0025】

上述した図２（ａ）〜（ｃ）の各ステップについてさらに詳しく説明する。

【0026】

＜ハンダ部６を形成するステップ（図２(ａ)）＞
まず、上述した半導体パッケージ５とプリント基板７とを準備する。
次に、複数のバンプ４に対応する位置に配置された開口部および所定の厚みを有する金属製の印刷マスク（不図示）を、プリント基板７の、半導体パッケージ５が実装される面に接触させる（コンタクト印刷）。次いで、所定量のフラックスと所定量のスズおよびビスマスを含む合金とを混合し、ペースト状のハンダ組成物を調製する。ここで、調製したハンダ組成物は、樹脂基板３を構成する樹脂のガラス転移温度以下の固相線温度を有する。その後、スキージ（不図示）で調整したハンダ組成物を引き伸ばしながら、印刷マスクの開口部にハンダ組成物を充填させる。次いで、印刷マスクをプリント基板７から外すことにより、ハンダ部６が形成される。形成されたハンダ部６は、ハンダ組成物と同様に、樹脂基板３を構成する樹脂のガラス転移温度以下の固相線温度且つスズおよびビスマスを含む。

【0027】

＜加熱ピーク温度まで加熱するステップ（図２（ｂ））＞
次に、準備した半導体パッケージ５のバンプ４と上述したステップで形成したハンダ部６とを当接させ、この状態で加熱ピーク温度まで加熱する。加熱ピーク温度の下限値は、ハンダ部６の固相線温度以上である。このような温度を下限値に設定することにより、加熱温度が樹脂基板３の樹脂のガラス転移温度に到達するまでにハンダ部６を溶融させることができる。例えば、ハンダ部６の固相線温度が１３９℃の場合、ピーク温度の下限値は、好ましくは１４０℃以上、より好ましくは１６０℃以上、さらに好ましくは１７０℃以上である。
あるいは、リフロー中に半導体パッケージなどに奪われる熱を考慮して、固相線温度に２０℃〜３０℃を加算した値で下限値を設定してもよい。

【0028】

但し、加熱ピーク温度が高すぎると、樹脂基板３の変形が進むとともに、すでに溶融したハンダ部６によりハンダ部６およびバンプ４の流動性が高まり、ハンダ部６とバンプ４との当接が外れてしまう。したがって、加熱ピーク温度は、樹脂基板３の変形でバンプ４とハンダ部６との当接が離れる温度未満とする必要がある。これにより、加熱温度がガラス転移温度を越えて樹脂基板３の反りが発生し始めても、オープン不良を発生させる樹脂基板３の大きな反りを防止することができる。なお、加熱ピーク温度の上限値よりガラス転移温度が高い場合は、樹脂基板３の反りはほとんど発生しないため、樹脂基板３の反りに起因するオープン不良を防止できる。ハンダ部６が１３９℃の固相線温度を有する場合、上限値は、好ましくは２００℃以下、より好ましくは１８０℃以下である。
あるいは、電力消費を低減するために低温ではんだ付けを行うことを考慮して、上限値を１９０℃以下とすることが好ましい。
上述のように加熱ピーク温度の上限値および下限値を設定することにより、オープン不良を抑制できる。

【0029】

＜ビスマスの含有量を低下させるステップ（図２（ｃ））＞
次いで、加熱ピーク温度を保持して、バンプ４を構成する金属およびハンダ部６を構成する金属の相互拡散によってハンダ部６中のビスマスの含有量を低下させる。保持時間の下限値は、好ましくは４０秒以上、より好ましくは５０秒以上、さらに好ましくは６０秒以上である。下限値を４０秒以上に設定することにより、溶融したハンダ部６にバンプ４を構成する金属が溶解しつづけ、ハンダ部６中のビスマスが希釈できる。一方、上限値は、特に限定されないが、工程時間を短くする観点から好ましくは２４０秒以下、より好ましくは１８０秒以下、さらに好ましくは１２０秒以下である。

【0030】

また、ビスマス含有量は、加熱するステップ前では、ハンダ部６のスズ−ビスマス合金に対し、５０重量％以上６０重量％以下である。一方、本ステップ後では、バンプ４とハンダ部６とが接合している接合部５１においてビスマス含有量の上限値が、好ましくは５４重量％未満、より好ましくは５１重量％未満、さらに好ましくは４９重量％未満である。ビスマスの含有量を上述した上限値にすることにより、接合後のスズ−ビスマス合金の脆弱性を改善する。

【0031】

上述の図２（ｂ）と図２（ｃ）で示す工程をリフロー接合方法と称して、図３のリフロー温度プロファイルを用いて、さらに具体的に説明する。ここでは、１３９℃の固相線温度を有するスズ−ビスマスを含む合金で構成されたハンダ部６、２２０℃の固相線温度を有するＳｎ−Ａｇ−Ｃｕの合金で構成されたバンプ４、およびガラス転移温度１５０℃を有するエポキシ樹脂で構成された樹脂基板３を用い、リフローピーク温度（加熱ピーク温度）が樹脂基板３のガラス転移温度より高く、バンプ４の固相線温度より低い場合を例として説明する。

【0032】

まず、リフロー温度（加熱温度）を所定の時間ｔ１（例、６０秒）をかけて、所定のリフローピーク温度Ｔ１（例、１８０℃）まで加熱する。ガラス転移温度より低い固相線温度（約１３９℃）を有するハンダ部６は、ガラス転移温度より高いリフローピーク温度Ｔ１の到達時に十分溶融している。樹脂基板３はリフロー温度がガラス転移温度を越えると、リフローピーク温度Ｔ１到達前に変形し始める。しかし、リフローピーク温度Ｔ１は、樹脂基板３の変形によりバンプ４とハンダ部６との当接が離れる温度未満に設定しているため、温度上昇に伴って大きくなる樹脂基板３の反りを防止できる。つまり、温度上昇により樹脂基板３が変形しても、その変化量は、バンプ４とハンダ部６との当接に影響しない程度の、小さな変化量にとどめることができる。

【0033】

次に、リフローピーク温度Ｔ１をリフローピーク保持時間ｔ２（例、１８０秒）で維持することより、リフローピーク温度Ｔ１で溶融しないバンプ４の合金が、溶融したハンダ部６に溶解し続けることができる。このため、バンプ４に含まれるスズがハンダ部６のスズ−ビスマスを希釈でき、接合部５１のビスマスの含有量を加熱前のハンダ部６のビスマスの含有量より小さくできる。

【0034】

このようにして、ハンダ部６とバンプ４とが接続されるため、樹脂基板３の反りに起因するオープン不良（図１、矢印Ａ、Ｂ参照）および脆弱性が改善された電子回路基板１を取得できる。
また、半導体パッケージの樹脂基板３と同様にプリント基板７が加熱時に反る場合、プリント基板７の反りに起因するオープン不良も防止できる。

【0035】

なお、フラックスを活性するため、急激な温度上昇による半導体チップ２の故障を防止するためなど、必要に応じて、リフローピーク温度に到達する前に、８０℃〜１２０℃の予備加熱を行うプリヒート時間ｔ３（図４）を設けてもよい。

【0036】

上述のハンダ部６の形成工程では、コンタクト印刷を用いて説明したが、オフコンタクト印刷を採用することができる。また、印刷方法は、手刷りまたは印刷機でおこなってよい。

【0037】

上述の実装方法では、説明を省略したが、加熱状態を所定の時間維持した後に、バンプ４とハンダ部６との接合部を固化接合する冷却工程を含む。冷却方法は、冷却ファンを使用するなど、一般的な方法でよい。

【0038】

次に、本発明の電子回路基板１について、図５を用いて説明する。本発明の電子回路基板１は、上述の実装方法を用いて製造されたものである。すなわち、電子回路基板１は、樹脂基板３上に半導体チップ２を実装した半導体パッケージ５と、プリント基板７とが、半導体パッケージ５に形成されたバンプ４と、プリント基板７に形成されたハンダ部６とによって接合されている構造を有する。ハンダ部６は、スズとビスマスとを含む。バンプ４とハンダ部６とによって形成された接合部５１は、少なくともその接合方向の中間において、ビスマスの含有量がハンダ部６におけるビスマスの含有量より減少している領域を有する。

【0039】

上述したように本実施形態の実装方法では、所定の時間加熱ピーク温度を維持することにより、バンプ４を構成する金属およびハンダ部６を構成する金属を相互拡散させる。このため、電子回路基板１の接合部５１のビスマスの組成は加熱前のハンダ部６のビスマスの組成とは異なる。

【0040】

具体的には、バンプ４とハンダ部６との界面５６に接しているバンプ４の領域５４（図５（ｂ））からバンプ４の金属がハンダ部６に溶解してハンダ部６に移行すると共にハンダ部６のビスマスが領域５４へ拡散する。そのため、ハンダ部６および領域５４では、プリント基板７から樹脂基板３の方向に沿ってビスマスの含有量が減少している。これにより、領域５４およびハンダ部６のビスマスの含有量は、もとのハンダ部６のビスマスの含有量より低くなる。このようなビスマスの組成を有する接合部５１のビスマスの含有量は、上限値が、好ましくは５４重量％未満、より好ましくは５１重量％未満、さらに好ましくは４９重量％未満である。上述した組成を有する接合部５１は、脆弱性が改善され強固な接続が確保される。

【0041】

また、本実施形態の実装方法により製造された電子回路基板１は、製造時に温度上昇に伴う樹脂基板３の反りが抑制され、オープン不良（図１、矢印Ａ、Ｂ参照）がなく、半導体チップ２とプリント基板７との接続不良がない。

【0042】

上述した電子回路基板１はパーソナルコンピューター、タブレット型パーソナルコンピューター、タブレット端末などに利用できる。

【実施例】

【0043】

以下、本発明の電子回路基板の実施例を説明する。なお以下の実施例において、特に断らない限り、「％」及び「部」はいずれも重量基準である。

【0044】

１．電子回路基板の作製
＜実施例１＞
酸化防止のための表面処理（ＯＳＰ）を施した銅製パッド５２（図５（ｂ））が配置されたプリント基板７（ガラスエポキシ樹脂製、サイズ５０×６３×０．８ｍｍ）および樹脂基板３の一方の面に半導体チップ２を他方の面にＳｎ９６．５−Ａｇ３．０−Ｃｕ０．５の合金からなるバンプ４を２５６個備えた半導体パッケージ５を準備した。ここで、樹脂基板３は、エポキシ樹脂製のもの（ガラス転移温度１５０℃）でサイズ１７×１７ｍｍ、厚み０．４ｍｍであった。次に、ハンダ組成物として、下記処方のハンダペーストを調製した後、複数の穴の開いたステンシル（厚み１００μｍ）で、プリント基板７のパッド５２上であって半導体パッケージ５のバンプ４に対応する位置に、調製したハンダペーストを印刷した。印刷により、厚み０．１ｍｍのハンダ部が２５６個（ピッチ１．０ｍｍ、横１６行×縦１６列の構成）形成された。

【0045】

次に、バンプ４とハンダ部６とを当接するように、プリント基板７の上に半導体パッケージ５を搭載し、リフロー処理を行い、バンプ４とハンダ部６とを接合させた。リフロー処理は、７０秒間で１７０℃のピーク温度まで加熱し、６０秒のピーク保持時間でこのピーク温度を維持し、その後、７０秒間で１００℃まで冷却した。このようにして、実施例１の電子回路基板１を得た。

【0046】

＜ハンダペーストの処方＞
Ｓｎ４２−Ｂｉ５８ ８９重量部
フラックス １１重量部

【0047】

＜実施例２＞
実施例１のピーク温度を１８０℃に変更した以外は、実施例１と同様にして実施例２の電子回路基板１を得た。

【0048】

＜実施例３＞
実施例１のピーク温度を１９０℃に変更した以外は、実施例１と同様にして実施例３の電子回路基板１を得た。

【0049】

＜実施例４＞
実施例１のピーク温度を１６０℃およびピーク保持時間を１４０秒に変更した以外は、実施例１と同様にして実施例４の電子回路基板１を得た。

【0050】

＜実施例５＞
実施例４のピーク温度を１７０℃に変更した以外は、実施例４と同様にして実施例５の電子回路基板１を得た。

【0051】

＜実施例６＞
実施例４のピーク温度を１８０℃に変更した以外は、実施例４と同様にして実施例６の電子回路基板１を得た。

【0052】

＜実施例７〜１２＞
実施例１〜６のハンダ組成物と同じハンダペーストを用いて実施例１〜６と同様のリフロー処理を行い、ＪＥＤＥＣ規格ＪＥＳＤ２２−Ｂ１１１に規定されている試験基板の上に１５個の半導体パッケージ５を実装し、それぞれ試験基板上にマットリックス状（３×５）に配列した実施例７〜１２の電子回路基板１を作製した。実装した半導体パッケージ５は、次のものを使用した。
ＢＧＡ８４
バンプ：Ｓｎ９６．５−Ａｇ３．０−Ｃｕ０．５製、８４個
樹脂基板：ＢＴ樹脂製、サイズ７×７ｍｍ、厚み０．８ｍｍ

【0053】

＜比較例１＞
実施例４のピーク保持時間を１０秒に変更した以外は、実施例４と同様にして比較例１の電子回路基板１を得た。

【0054】

＜比較例２＞
実施例２のピーク保持時間を１０秒に変更した以外は、実施例２と同様にして比較例２の電子回路基板１を得た。

【0055】

＜比較例３＞
実施例１のハンダペーストの処方を下記の処方に変更し、ピーク温度を２４５℃に、ピーク保持時間１０秒に変更した以外は、実施例１と同様にして比較例３の電子回路基板１を得た。
＜ハンダペーストの処方＞
Ｓｎ９６．５−Ａｇ３．０−Ｃｕ０．５ ８９重量部
フラックス １１重量部

【0056】

＜比較例４〜５＞
比較例１〜２のハンダ組成物と同じハンダペーストを用いて比較例１〜２と同様のリフロー処理を行って、実施例７〜１２と同様に、比較例４〜５の電子回路基板１を作製した。

【0057】

各例のハンダ部６およびバンプ４を構成する合金の種類、ピーク保持時間、およびピーク温度の情報をまとめて表１に示す。

【0058】

【表1】

【0059】

２．評価
上述した実施例および比較例ついて下記の特性を評価した。

【0060】

＜オープン不良試験＞
実施例１〜６および比較例１〜３の電子回路基板１に備えられた半導体パッケージ５の樹脂基板３をプリント基板７からジグではがし、目視でノン・ウェット・オープン（ＮＷＯ）の有無を調べた。

【0061】

オープン不良の結果を表２に示す。

【0062】

【表2】

【0063】

表２からわかるように、実施例１〜６の電子回路基板１は、ＮＷＯの発生がなかった。この結果は、樹脂基板３の反りが抑制されること、およびこのような反り抑制により枕不良も発生しないことを示した。
一方、固相線温度（約２２０℃）を有するＳｎ９６．５−Ａｇ３．０−Ｃｕ０．５をハンダ部６に含む比較例３は、その固相線温度が半導体パッケージ５の樹脂基板３のガラス転移温度（約１５０℃）より高いため、ハンダ部が溶融するまでガラス転移温度よりかなり高い温度（２４５℃）で加熱する必要があった。結果として、樹脂基板３の反りに起因するＮＷＯが発生した。

【0064】

＜接合部におけるスズおよびビスマス含有量の測定およびマッピング分析＞
電子回路基板１の接合部５１の断面部が観察できるように実施例２、実施例６、および比較例１の電子回路基板１をダイヤモンドカッターで切断し、断面部を研磨した。研磨したそれぞれの断面部を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）（日立 ＳＥＭ Ｓ−３５００Ｎ）を用いて任意の倍率で撮影した。ついで、接合部５１の断面部の水平方向に沿っておよそ中央の位置であって、パッド５２の上面から樹脂基板３に向かって鉛直方向に、５０μｍ程度、１００μｍ程度、および１５０μｍ程度の位置に、それぞれ直径２０μｍを有する円形状の測定点ａ、測定点ｂ、および測定点ｃを設定し（図５（ｂ）、図６(ａ)、図７(ａ)）、エネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＡＭＥＴＥＫ Ｉｎｃ， ＥＤＸ−ＡＰＯＬＬＯ ＸＬ）を用いて測定点ａ〜ｃのＳｎ，Ｂｉ，Ａｇの含有量を測定した。なお、Ｓｎ、Ｂｉ、Ａｇの含有量は測定点から検出された原子全体量（微量の不純物を含める）に対するものである。また、エネルギー分散型Ｘ線分析装置を用いて、ＳＥＭ画像の所定の領域において、Ｓｎ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｃｕ元素分布を重ね合わせたマッピング分析を行った。

【0065】

含有量を測定した原子のうちスズおよびビスマスの含有量を上記表２に示す。また、マッピング分析を行った電子回路基板１のうち、実施例６および比較例１の電子回路基板１が有する接合部５１のＳＥＭ撮像図をそれぞれ図６（ａ）および図７(ａ)に示す。さらに、これらの図中、矢印Ｄ（図６(ａ)）および矢印Ｅ（図７(ａ)）に示す線で囲まれた部分の、Ｓｎ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｃｕの分布を、矢印Ｄの部分についてはそれぞれ図６（ｂ）〜（ｅ）、矢印Ｅの部分についてはそれぞれ図７の（ｂ）〜（ｅ）に示す。

【0066】

実施例２、実施例６、および比較例１のスズおよびビスマスの含有量（表２）からわかるように、バンプ４（領域５４）内の測定点ａでは、実施例２、６のスズの含有量は比較例１のものより小さいのに対して、ビスマスの含有量は比較例１のものより大きかった。一方、界面５６付近の測定点ｂおよびハンダ部６内の測定点ｃでは、実施例２、６のスズの含有量は比較例１のものより大きく、ビスマスの含有量は比較例１のものより小さかった。
また、スズおよびビスマスの含有量（表２）並びにビスマスの分布（図６（ｄ）および図７（ｄ））の結果より、実施例６の方が比較例１よりビスマスが拡散していることが示された。

【0067】

＜落下衝撃試験＞
脆弱性の評価として、ＪＥＤＥＣ規格ＪＥＳＤ２２−Ｂ１１１に準拠して（試験条件：１５００Ｇｓ、０．５ミリ秒、正弦半波）、実施例７〜１２および比較例４〜５について落下衝撃試験を行った。試験基板の落下衝撃を繰り返し行いながら、各電子回路基板１の抵抗値の変化を常時計測し、１５個の電子回路基板１のいずれかの電子回路基板の抵抗値が最初に１０００オームを超えた時の落下衝撃の回数を接合部５１が破壊された回数とした。試験は、ランスモントＭ２３衝撃試験器で落下衝撃を行い、アナリシステック イベントディテクタで抵抗値の測定を行った。

【0068】

落下衝撃試験の結果を表３に示す。

【0069】

【表3】

【0070】

表３からわかるように、所定のピーク保持時間（ビスマスの含有量を低下させるステップ）を有する実施例７〜１２は落下衝撃試験の回数が２０回以上という強固な接合を有した。一方、ピーク保持時間が１０秒である比較例４〜５はＮＷＯの発生はなかったが（表１、比較例１〜２）、実施例７〜１２と比較して脆弱性を有した。これは、ピーク保持時間が１０秒と短いことにより、ハンダ部６およびバンプ４に含まれる金属の相互拡散が十分できなかったためと考えられた。

【0071】

これらの結果は、ビスマスの含有量を低下させるステップを有することにより、バンプ４に含まれるスズとハンダ部６に含まれるビスマスが相互拡散でき、加熱後のハンダ部６に含まれるビスマスの量が加熱前のものより低減されること、このようなビスマス含有量の減少により、接合部５１の脆弱性が改善されることを示した。

【符号の説明】

【0072】

１・・・電子回路基板、２・・・半導体チップ、３・・・樹脂基板、４・・・バンプ、５・・・半導体パッケージ、７・・・プリント基板、６・・・ハンダ部、５１・・・接合部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】