特開 2024-13585 半導体装置

(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】P2024013585

(43)【公開日】2024-02-01

(54)【発明の名称】半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/60 20060101AFI20240125BHJP

   B23K 35/26 20060101ALI20240125BHJP

   C22C 13/02 20060101ALI20240125BHJP

   C22C 13/00 20060101ALI20240125BHJP

【ＦＩ】

H01L21/60 311Q

B23K35/26 310A

C22C13/02

C22C13/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022115778

(22)【出願日】2022-07-20

(71)【出願人】

【識別番号】509186579

【氏名又は名称】日立Ａｓｔｅｍｏ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002365

【氏名又は名称】弁理士法人サンネクスト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】加藤 薫子

(72)【発明者】

【氏名】池田 靖

(72)【発明者】

【氏名】山下 志郎

【テーマコード（参考）】

5F044

【Ｆターム（参考）】

5F044KK01

5F044LL01

5F044QQ03

(57)【要約】

【課題】はんだのボイド破壊を抑制できる。
【解決手段】半導体装置は、第１方向に対向して配される電子部品および基板と、電子部品および基板を接続するはんだとを備え、電子部品は基板と対向する面に第１電極を備え、基板は電子部品と対向する面に第２電極を備え、はんだは、電子部品および基板のそれぞれとの界面に金属間化合物である接合部を有し、はんだはＳｎを主成分とし、接合部における第１方向の厚みのばらつきは２マイクロメートル未満である。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１方向に対向して配される電子部品および基板と、前記電子部品および前記基板を接続するはんだとを備える半導体装置であって、
前記電子部品は前記基板と対向する面に第１電極を備え、
前記基板は前記電子部品と対向する面に第２電極を備え、
前記はんだは、前記第１電極および前記第２電極のそれぞれとの界面に金属間化合物である接合部を有し、
前記はんだはＳｎを主成分とし、
前記接合部における前記第１方向の厚みのばらつきは２マイクロメートル未満である、半導体装置。

【請求項2】

請求項１に記載の半導体装置において、
前記電子部品および前記はんだは、ボールグリッドアレイパッケージを形成する、半導体装置。

【請求項3】

第１方向に対向して配される電子部品および基板と、前記電子部品および前記基板を接続するはんだとを備える半導体装置であって、
前記電子部品は前記基板と対向する面に第１電極を備え、
前記基板は前記電子部品と対向する面に第２電極を備え、
前記はんだは、前記第１電極および前記第２電極のそれぞれとの界面に金属間化合物である接合部を有し、
前記はんだはＳｎを主成分とし、
前記接合部における前記第１方向の厚みのばらつきは２マイクロメートル以上であり、
前記接合部のＢｉの含有率が３．０重量％未満である、半導体装置。

【請求項4】

請求項３に記載の半導体装置において、
前記接合部はＢｉの含有率が３．０重量％未満かつ、Ｓｂの含有率が３．０重量％以上である、半導体装置。

【請求項5】

第１方向に対向して配される電子部品および基板と、前記電子部品および前記基板を接続するはんだとを備える半導体装置であって、
前記電子部品は前記基板と対向する面に第１電極を備え、
前記基板は前記電子部品と対向する面に第２電極を備え、
前記はんだは、前記第１電極および前記第２電極のそれぞれとの界面に金属間化合物である接合部を有し、
前記はんだはＳｎを主成分とし、
前記接合部における前記第１方向の厚みのばらつきは２マイクロメートル以上であり、
前記接合部はＢｉを含まず、Ｓｂ含有率が３．０重量％以上である、半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、電子機器の小型化、高密度化および高機能化を目的に、半導体装置には小型化、高密度化が要求され、ＢＧＡ（Ball Grid Array）やＣＳＰ（Chip Size Package）のようなエリアアレイ型のパッケージ型半導体装置が多く利用されている。エリアアレイ型のパッケージ型半導体装置は、裏面に一様な電極およびはんだボールが一定サイズ、一定面積、かつ一定ピッチで形成されている。これらの電極およびはんだボールに対応するように、配線基板の電極も一定サイズ、一定面積、および一定ピッチで形成されている。

【0003】

エリアアレイ型のパッケージ型半導体装置において、電極およびはんだボールはパッケージメーカによりあらかじめ形成されており、はんだボールの組成は、Ｓｎ－３．０Ａｇ－０．５Ｃｕが一般的である。はんだボールを用いることで、配線基板の電極に迎えはんだを形成し、パッケージ型半導体装置を搭載して加熱することによりはんだバンプを形成して、対応する電極同士が接合される。はんだバンプは、サイズおよびピッチを小さくすることで一定面積内に多数配置することが可能であり、小型化、高密度化に有利である。はんだバンプは、リードを介して接続する構造よりも配線長が短いため、高速伝送に有利であり高性能化を達成できる。車載電子制御装置は、自動車の電子化、ＥＶ化、機電一体化の要求の高まりを受けて、エンジン周辺やモータ周辺などの高温部への搭載の機会が増加することが考えられる。

【0004】

特許文献１には、ＢＧＡ電極を有するＢＧＡと、回路基板電極を有する回路基板と、前記回路基板電極上に配置され前記ＢＧＡ電極と接続されたはんだ接合部を有し、前記はんだ接合部は、Ｃｕの含有率が０．６ｍａｓｓ％以上１．２ｍａｓｓ％以下のＣｕとＡｇの含有率が３．０ｍａｓｓ％以上４．０ｍａｓｓ％以下のＡｇと、Ｂｉの含有率が０ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下のＢｉとを含み、（１）Ｃｕの含有率が０．６ｍａｓｓ％以上０．９１ｍａｓｓ％以下の範囲では、Ｉｎの含有率が５．３＋（６－（１．５５×Ｃｕの含有率＋４．４２８））ｍａｓｓ％以上６．８＋（６－（１．５７×Ｃｕの含有率＋４．５６４））ｍａｓｓ％以下であり、残部はＳｎからなり、（２）Ｃｕの含有率が０．９１ｍａｓｓ％より大きく１．０ｍａｓｓ％以下の範囲では、Ｉｎの含有率が５．３＋（６－（１．５５×Ｃｕの含有率＋４．４２８））ｍａｓｓ％以上６．８ｍａｓｓ％以下であり、残部はＳｎからなり、（３）Ｃｕの含有率が１．０ｍａｓｓ％より大きく１．２ｍａｓｓ％以下の範囲では、Ｉｎの含有率が５．３ｍａｓｓ％以上６．８ｍａｓｓ％以下であり、残部はＳｎからなり、前記（１）から（３）の何れかを満たすことを特徴とする実装構造体が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１６－１１１０７２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１に記載されている発明では、ボイド破壊への対策が不明である。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の第１の態様による半導体装置は、第１方向に対向して配される電子部品および基板と、前記電子部品および前記基板を接続するはんだとを備える半導体装置であって、前記電子部品は前記基板と対向する面に第１電極を備え、前記基板は前記電子部品と対向する面に第２電極を備え、前記はんだは、前記第１電極および前記第２電極のそれぞれとの界面に金属間化合物である接合部を有し、前記はんだはＳｎを主成分とし、前記接合部における前記第１方向の厚みのばらつきは２マイクロメートル未満である。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、はんだのボイド破壊を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】半導体装置の外観図

【図2】はんだバンプの詳細図

【図3】下部金属間化合物の形状の違いによるボイド破壊発生の有無を示す図

【図4】半導体装置の製造工程を示す図

【図5】第２の実施の形態における温度サイクル試験の結果を示す図

【図6】第３の実施の形態における第１の温度サイクル試験の結果を示す図

【図7】第３の実施の形態における第２の温度サイクル試験の結果を示す図

【発明を実施するための形態】

【0010】

―第１の実施の形態―
以下、図１～図４を参照して、半導体装置の第１の実施の形態を説明する。

【0011】

第１の実施の形態を図１～図４を参照して説明する。図１は、半導体装置１００の外観図である。図面間の相関を明示するために、相互に直交するＸＹＺ軸を定義する。以下では、Ｚ軸方向を「第１方向」とも呼ぶ。図１では奥側がＹ軸である。図１に示すように、半導体装置１００は配線基板１と電子部品である半導体パッケージ２とを有する。この半導体パッケージ２は、エリアアレイ型パッケージである。配線基板１は、上面に複数の下部電極４を有する。半導体パッケージ２は、下面に複数の上部電極３を有し、上部電極３に備えられたはんだボール５を介して複数の下部電極４と配線基板１に対向して実装され、はんだバンプ７を形成する。以下では、上部電極３は「第１電極」とも呼び、下部電極４は「第２電極」とも呼ぶ。

【0012】

図２は、図１に示したはんだバンプ７の詳細図である。はんだボール５および後述するはんだペースト６が加熱溶融によりはんだバンプ７を形成すると、下部電極４とはんだバンプ７との界面には下部金属間化合物８ａが形成される。同様に上部電極３とはんだバンプ７の界面にも上部金属間化合物８ｂが形成される。上部金属間化合物８ｂは、ＢＧＡパッケージの場合はパッケージメーカではんだボール５が取り付けられる際に形成されており、配線基板１と接続される際の加熱溶融によって成長することもある。なお以下では、下部金属間化合物８ａおよび上部金属間化合物８ｂを「接合部」８とも呼ぶ。

【0013】

図３は、下部金属間化合物８ａの形状の違いによるボイド破壊発生の有無を示す図である。図３の左側は下部金属間化合物８ａの厚みのばらつきが２μｍ以上の場合を示し、図３の右側は下部金属間化合物８ａの厚みのばらつきが２μｍ未満の場合を示す。また図３の上段は模式図、図３の中段は拡大図、図３の下段は広域図である。拡大図および広域図は実物の観察結果であり、左右で縮尺は一致している。中段および下段の詳細は後述する。下部金属間化合物８ａの厚みのばらつきとは、下部金属間化合物８ａの厚みの最大値と最小値の差であり、図３における長さＬ１や長さＬ２である。長さＬ１は２μｍ以上であり、長さＬ２は２μｍ未満である。

【0014】

下部金属間化合物８ａのＺ方向の厚みのばらつきが２μｍ以上の場合には、応力の集中が起きやすくマイクロボイドが生成されやすいと考えられる。これに対して、金属間化合物のＺ方向の厚みのばらつきが小さければ応力の集中が起きにくくマイクロボイドの生成が抑制される。直径０．８ｍｍのはんだボール、それに相当する電極に印刷したはんだペースト６ともにＳｎ－３．０Ａｇ－０．５ＣｕであるＢＧＡ接合部の断面観察結果を中段に示す。これらに対して、環境温度を－４０℃と１２５℃とに交互に変化させる温度サイクル試験を５００サイクル実施した。５００サイクル後の断面観察結果を下段に示す。

【0015】

下部金属間化合物８ａのＺ方向の厚みのばらつきが大きい場合は、５００サイクル後では接合部８と下部金属間化合物８ａの界面にマイクロボイドが発生した。その一方で、下部金属間化合物８ａのＺ方向の厚みのばらつきが小さい場合には、５００サイクル後では接合部８と下部金属間化合物８ａの界面にマイクロボイドは発生しなかった。詳細には、下部金属間化合物８ａの幅方向とＺ方向のサイズ比は１：１以下でＺ方向の方が小さく、Ｚ方向の粒径が２μｍ未満である場合にボイド破壊が抑制できる。ただし、下部金属間化合物８ａの幅方向とは下部金属間化合物８ａの付け根部分の寸法、たとえば上段のＷ１やＷ２である。下部金属間化合物８ａのＺ方向とは付け根部分から頂点までの寸法である。

【0016】

図４は、半導体装置１００の製造工程を示す図である。半導体装置１００は、配線基板１および半導体パッケージ２を備える。図４（ａ）に示すように、配線基板１は上面すなわちＺ軸プラス側の表面に複数の下部電極４を有する。図４（ｂ）に示すように、下部電極４のそれぞれにははんだペースト６が形成される。はんだペースト６は、印刷により形成してもよいし、ディスペンサーで塗布してもよく、その形成手法はこれらに限定されない。

【0017】

図４（ｃ）に示すように、下面に複数の上部電極３を有し、上部電極３の下面にはんだボール５を備える半導体パッケージ２が、はんだペースト６の上に配される。半導体パッケージ２はたとえば、搭載機を用いて配される。図４（ｃ）に示す構成をリフロー炉等を用いて加熱すると、図４（ｄ）に示すように半導体装置１００が形成される。図４（ｄ）に示すはんだバンプ７は、はんだボール５とはんだペースト６とが溶融し、冷却して形成されるものである。

【0018】

金属間化合物の粒径を小さくするためには、接合プロファイルの適正化、接合後の温度制御、部材のメタライズ適正化、はんだ付けに用いるはんだ組成の適正化など幾つかの工夫が必要となる。部材のメタライズへの工夫としては、表面、下地のいずれかにＮｉめっきされた電極で接合する方法などが挙げられる。また、はんだ付けに用いるはんだ組成への工夫として、金属間化合物がＮｉ－Ｓｎ化合物の単独でもよいし、Ｃｕ－Ｓｎ化合物とＮｉ－Ｓｎ化合物とが任意の割合で含まれていることなどが挙げられる。

【0019】

上述した第１の実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）半導体装置１００は、第１方向、すなわちＺ軸方向に対向して配される半導体パッケージ２および配線基板１と、半導体パッケージ２および配線基板１を接続するはんだバンプ７とを備える。半導体パッケージ２は配線基板１と対向する面に第１電極、すなわち上部電極３を備える。配線基板１は半導体パッケージ２と対向する面に第２電極、すなわち下部電極４を備える。はんだバンプ７は、上部電極３および下部電極４のそれぞれとの界面に金属間化合物である接合部８を有する。はんだはＳｎを主成分とする。接合部８におけるＺ軸方向の厚みのばらつきは２マイクロメートル未満である。そのため、図３の右に示すようにはんだバンプ７中のボイド破壊を抑制できる。

【0020】

従来、高温環境下では、はんだと金属間化合物の間に微小な間隙（マイクロボイド）が発生し、これらが連なると電極界面で亀裂進展となって寿命が低下する問題が知られていた。また、はんだバンプには各構成部材の線膨張係数の違いにより、温度負荷時に変形し、ＢＧＡパッケージの最外周のはんだバンプに応力がかかり、亀裂がはんだ内を進展することも知られている。電極界面の亀裂進展と同時にこれらも発生するとはんだバンプの破断までの寿命が短くなり、信頼性がより損なわれる。しかし本実施の形態の半導体装置１００は、接合部８におけるＺ軸方向の厚みのばらつきは２マイクロメートル未満に抑えることで、図３の右に示すようにはんだバンプ７中のボイド破壊を抑制できる。

【0021】

（２）半導体パッケージ２およびはんだは、ボールグリッドアレイパッケージを形成する。そのため、上部電極３とはんだバンプ７とがあらかじめ接合されており、上部金属間化合物８ｂにおけるボイド破壊が発生しにくい。

【0022】

―第２の実施の形態―
図５を参照して、半導体装置の第２の実施の形態を説明する。以下の説明では、第１の実施の形態と同じ構成要素には同じ符号を付して相違点を主に説明する。特に説明しない点については、第１の実施の形態と同じである。本実施の形態では、主に、はんだの組成が第１の実施の形態と異なる。上述した第１の実施の形態でははんだにおけるＢｉ（ビスマス）の含有率を特に限定しなかった。本実施の形態では、接合部８に含まれるＢｉの含有率を規定する。

【0023】

図５は、接合部８に含まれるＢｉの含有率が３．０重量％の場合、および２．６重量％の場合における温度サイクル試験の結果を示す図である。ただし温度サイクル試験とは、環境温度を－４０℃と１２５℃とに交互に変化させる試験であり、５００サイクル行った。図５の上部に示すＢｉの含有率が３．０重量％の場合は、温度サイクル試験後にマイクロボイドが発生し、それらが連なって亀裂進展となった。図５の下部に示すＢｉの含有率が２．６重量％の場合は、温度サイクル試験後でもマイクロボイドの発生はなかった。なお、いずれの場合も接合部８と下部電極４との界面に形成される下部金属間化合物８ａのＺ方向の厚みのばらつきが２μｍ以上であった。したがって、接合部８におけるＺ方向の厚みのばらつきが２μｍ以上であっても、接合部８のＢｉ含有率が３．０重量％未満である場合にはボイド破壊が抑制される。

【0024】

上述した第２の実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（３）半導体装置１００は、第１方向に対向して配される半導体パッケージ２および配線基板１と、半導体パッケージ２および配線基板１を接続するはんだとを備える。半導体パッケージ２は配線基板１と対向する面に第１電極、すなわち上部電極３を備える。配線基板１は半導体パッケージ２と対向する面に第２電極、すなわち下部電極４を備える。はんだバンプ７は、上部電極３および下部電極４のそれぞれとの界面に金属間化合物である接合部８を有する。はんだバンプ７はＳｎを主成分とする。接合部８におけるＺ軸方向の厚みのばらつきは２マイクロメートル以上であり、接合部８のＢｉの含有率が３．０重量％未満である。そのため図５の下部に示すように、接合部８におけるＺ軸方向の厚みのばらつきが２マイクロメートル以上であっても、はんだの組成を工夫することによりボイド破壊を抑制できる。

【0025】

―第３の実施の形態―
図６～図７を参照して、半導体装置の第３の実施の形態を説明する。以下の説明では、第１の実施の形態と同じ構成要素には同じ符号を付して相違点を主に説明する。特に説明しない点については、第１の実施の形態と同じである。本実施の形態では、主に、はんだの組成が第１の実施の形態および第２の実施の形態と異なる。

【0026】

図６は、接合部８の組成がＳｎ－３．９Ａｇ－０．５Ｃｕ－３．０Ｓｂである場合のサイクル試験結果を示す図である。図６では、接合部８と下部電極４との界面に形成される下部金属間化合物８ａのＺ方向の厚みのばらつきが２μｍ未満の場合を左側に示し、同じく２μｍ以上の場合を右側に示す。この温度サイクル試験では、他の実施の形態と同様に環境温度を－４０℃と１２５℃との間で変化させた。ただし本実施の形態では、５００サイクル後と２０００サイクル後のそれぞれで観察を行った。上段に示す５００サイクル後の観察結果では、下部金属間化合物８ａのＺ方向の厚みのばらつきによらず、マイクロボイドの発生はなかった。下段に示す２０００サイクル後の観察結果では、熱疲労破壊により接合部８内を進展する亀裂は確認されたが、接合界面にマイクロボイドの発生はなかった。

【0027】

図７は、接合部８の組成がＳｎ－４．０Ａｇ－０．５Ｃｕである場合のサイクル試験結果を示す図である。すなわち図７に示す接合部８にはＢｉが含まれていない。この場合は、接合部８と下部電極４との界面に形成される下部金属間化合物８ａのＺ方向の粒径が２μｍ以上である。この温度サイクル試験では、先の試験と同様に環境温度を－４０℃と１２５℃との間で変化させ、５００サイクル後と１０００サイクル後のそれぞれで観察を行った。

【0028】

図７に示すように、５００サイクル後ではマイクロボイドの発生はなかったが、１０００サイクル後ではマイクロボイドが発生した。この結果を考察するにあたり、第１の実施の形態における図３も参照する。図３の左側に示したように、接合部８の組成がＳｎ－３．０Ａｇ－０．５Ｃｕであり、下部金属間化合物８ａのＺ方向の厚みのばらつきが２μｍ以上であり、温度サイクル試験によりマイクロボイドが発生した。

【0029】

本実施の形態における図６と図７、第１の実施の形態の図３の左側に示す観察結果から次のことがわかる。すなわち、はんだに多くのＡｇが含まれることにより、Ａｇ_３Ｓｎネットワークが増加し、マイクロボイドの発生エリアが分散するため、ボイド破壊が抑制される傾向にある。しかしＳｂの固溶強化により変形性能が大きくなり、粒界に作用する応力を緩和する方が接合界面でのマイクロボイドを抑制する効果が大きいと考えられる。接合部８がＢｉを含まずＳｂ含有率が３．０重量％以上である場合に最もよくボイド破壊が抑制できることがわかる。

【0030】

上述した第３の実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（４）接合部８はＢｉの含有率が３．０重量％未満かつ、Ｓｂの含有率が３．０重量％以上である。そのため、図６に示したように接合部８のＺ方向の厚みのばらつきによらず、マイクロボイドの発生を抑制できる。

【0031】

（５）接合部８におけるＺ軸方向の厚みのばらつきは２マイクロメートル以上であり、接合部８はＢｉを含まず、Ｓｂ含有率が３．０重量％以上である。そのため、図７に示したようにボイド破壊が抑制される。

【0032】

以上、本発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。また、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

【0033】

本発明に係る電子制御装置は、エリアアレイ型パッケージをはんだバンプ７を介して配線基板１に接続する構成を内蔵し、接合部８と電極との界面に形成される金属間化合物のＺ方向の粒径が２μｍ未満であればボイド破壊が抑制でき、もしくは金属間化合物のＺ方向の粒径が２μｍ以上であっても接合部８の組成がＢｉを含まずＳｂ含有率が３．０重量％以上であればよく、それぞれの寸法およびその比率、形状は図の構成に限定されるものではなく、また、使用するエリアアレイ型パッケージや配線基板等の構成部材は任意である。

【0034】

上述した各実施の形態および変形例は、それぞれ組み合わせてもよい。上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

【符号の説明】

【0035】

１ ：配線基板
２ ：半導体パッケージ
３ ：上部電極
４ ：下部電極
５ ：はんだボール
６ ：はんだペースト
７ ：はんだバンプ
８ ：接合部
８ａ ：下部金属間化合物
８ｂ ：上部金属間化合物
１００ ：半導体装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】