專利名稱：半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及設(shè)置外部連接用的球電極的表面安裝型半導(dǎo)體器件及其制造方法。
背景技術(shù)：
作為設(shè)置外部連接用的球電極的表面安裝型半導(dǎo)體器件，有將半導(dǎo)體元件與電路基板電連接的、BGA(BalI Grid Array,球柵陣列)和CSP (Chip Size Package,芯片級封裝)等組件半導(dǎo)體器件。圖7(a) (b)所示為以往的BGA型半導(dǎo)體器件。在正反兩面具有電路圖形及電極 部的電路基板I的單側(cè)的面上，將半導(dǎo)體芯片(半導(dǎo)體元件)2進(jìn)行裸芯片連接，用金屬細(xì)線3進(jìn)行絲焊，用樹脂4進(jìn)行封裝，將焊錫球6與電路基板I的另一單側(cè)的面的電極部5接合。接合的焊錫球6起到作為安裝在其它電路基板上用的外部端子(球電極)的功能(特開 2001-144214 號公報)。作為焊錫球6的材料，雖采用低共熔晶體的Sn-Pb焊錫材料，但存在采用不含有鉛的無鉛焊錫材料的傾向。但是若采用無鉛焊錫材料，則存在焊錫球6與電極部5的接合強(qiáng)度降低的問題。本發(fā)明鑒于上述問題，其目的在于在將焊錫球與電路基板的電極部接合的電極結(jié)構(gòu)中提高接合強(qiáng)度。為了達(dá)到上述目的，對于焊錫球與基板電極的接合強(qiáng)度進(jìn)行了研究，其結(jié)果可知，在采用由無鉛焊錫材料形成的焊錫球時，越延長熔融時間，則接合強(qiáng)度越低。另外可知，越延長熔融時間，則在接合部分引起的破壞中，焊錫球中的破壞所占的比例越減少，反之在與基板電極的界面處的破壞越增加，與之相應(yīng)接合強(qiáng)度越降低。因而發(fā)現(xiàn)，為了提高接合強(qiáng)度，只要縮短焊錫球的熔融時間即可，為此特別是只要從基板電極側(cè)進(jìn)行冷卻即可，從而完成了本發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容
S卩，本發(fā)明的半導(dǎo)體器件，具有在正反兩面具有多個電極部的電路基板；與前述電路基板的正面的電極部接合、構(gòu)成電子電路的電子電路元件；以及在前述電路基板的反面的電極部上形成的多個外部連接用的球電極，前述電路基板的反面的電極部(多個)的外周部的電極部，形成為比內(nèi)周部的電極部要大，前述多個球電極的各球電極的含有錫和銀、而不含有鉛的焊錫球，在前述基板反面的電極部上加熱熔融，在界面形成合金。外周部的焊錫球的下面的電極部(即外周部的電極部)形成更大，通過這樣有效地進(jìn)行冷卻。電路基板上形成的導(dǎo)通孔，對于基板反面的外周部的電極部，最好與該電極部連接，或者配置在離外周部的電極部比離內(nèi)周部的電極部更近的地方。通過這樣，外周部的電極部上的球電極基于有選擇地抑制界面上形成的合金成分，能夠增大界面強(qiáng)度?；宸疵娴母麟姌O部的部分的絕緣層的開口相同?；宸疵娴母麟姌O部的至少一邊大于焊錫球的直徑。在制造上述的半導(dǎo)體器件時，將含有錫和銀、而不含有鉛的焊錫球，放置在前述基板反面的電極部上，進(jìn)行加熱熔融，與電極部表面形成合金，同時從電極部一側(cè)冷卻在外周部的電極部上熔融的焊錫球，通過這樣能夠形成多個球電極。為了從電極部一側(cè)冷卻焊錫球，可以在電路基板的正面?zhèn)仁估鋮s用的氣體流通。另外，可以在電路基板的正面?zhèn)仍O(shè)置散熱板。


圖I所示為本發(fā)明的一個實施形態(tài)中的半導(dǎo)體器件的構(gòu)成剖視圖。 圖2為說明制造圖I的半導(dǎo)體器件時的焊錫球與電極部的接合方法的剖視圖。圖3為關(guān)于焊錫球與電極部的接合強(qiáng)度的特性圖。圖4所示為焊錫球與電極部的破壞狀態(tài)圖。圖5所示為本發(fā)明的其它實施形態(tài)中的半導(dǎo)體器件的構(gòu)成圖。圖6為說明制造本發(fā)明有關(guān)的半導(dǎo)體器件時的冷卻方法的剖視圖。圖7為以往的半導(dǎo)體器件的剖視圖。
具體實施例方式下面，參照

本發(fā)明的實施形態(tài)。圖I (a)為本發(fā)明的一個實施形態(tài)的半導(dǎo)體器件即BGA型半導(dǎo)體器件的剖視圖，圖1(b)為該半導(dǎo)體器件的一部分放大剖視圖。在圖1(a) (b)所示的半導(dǎo)體器件中，電路基板I在兩面形成電路圖形及多個電極部5(僅表示一部分)，在其單側(cè)的面(以下，稱為正面)的中間部分將半導(dǎo)體元件2進(jìn)行裸芯片連接，用金屬線3進(jìn)行絲焊。另外在該正面上，用傳遞模鑄法形成封裝半導(dǎo)體元件2及金屬線3的樹脂4。將焊錫球6接合在電路基板I的另一單側(cè)的面(以下，稱為反面)的電極部5上。接合的焊錫球6起到作為安裝在其它電路基板(安裝基板)上用的外部端子(球電極)的功能。7為絕緣層。電路基板I是以玻璃環(huán)氧為基材而形成的。電路基板I的反面的電極部5排列成多排，反面外周部的電極部5a的面積大于內(nèi)周部(靠近反面中間的部分)的電極部5b。各電極部5用銅形成，對表面施加5 μ m左右的鍍鎳，在其上施加O. I I. O μ m的鍍金。樹脂4采用環(huán)氧，覆蓋除基板表面的周邊部以外部分那樣地形成，在電極部5a的背面?zhèn)炔淮嬖?，而在電極部5b的背面?zhèn)却嬖?。絕緣層7由阻焊劑形成，雖然是覆蓋電極部5的厚度，但在各電極部5的表面上以同樣的尺寸形成開口部7a。將上述的焊錫球6接合在從這樣的開口部7a露出的電極部5(即連接盤)上。焊錫球6由以錫和銀和銅為主成分的無鉛焊錫材料形成。參照圖2，說明焊錫球6的接合方法。如圖2(a) (b)所不，對電路基板I的反面的電極部5(5a、5b)印刷焊錫糊料(未圖示)，在其上放置焊錫球6，然后用回流爐(未圖示)將焊錫糊料與焊錫球6加熱熔融，使焊錫球6與電極部5的界面合金化而接合。接合結(jié)束后清洗除去焊錫糊料的焊劑。在要使加熱熔融的焊錫球6凝固而進(jìn)行冷卻時，在回流爐內(nèi)的冷卻區(qū)或回流爐外的大氣中進(jìn)行冷卻。這里，如上述那樣，由于各電極部5(5a、5b)的絕緣層7的開口部7a是同樣的尺寸，因此與焊錫球6連接的界面的面積相等，但是外周部的電極部5a的面積大于內(nèi)周部的電極部5b。因此，位于電極部5a上的外周部的焊錫球6，容易通過電極部5a向電路基板I的反面、進(jìn)而向其表面?zhèn)壬?，進(jìn)行凝固。換句話說，外周部的焊錫球6還從電極部5a —側(cè)冷卻，迅速凝固。其結(jié)果，與使電極部5a和電極部5b為同一面積等不采取任何措施、聽任從焊錫球6的外周部進(jìn)行自然冷卻的情況相比，界面處的連接強(qiáng)度提高。關(guān)于電路基板I的內(nèi)周部的焊錫球6，當(dāng)然最好采取同樣的冷卻措施，但是由于通過電極部5b向電路基板I傳熱，然后容易從其表面?zhèn)鹊臉渲?散熱，因此也可以不一定采取該冷卻措施。外周部的焊錫球6也有時容易受到來自外部的應(yīng)力，如上述那樣，通過采取從電極部5a—側(cè)進(jìn)行冷卻的冷卻措施，在提高接合強(qiáng)度方面更有效果。通過這樣，對于電·路基板I的全部焊錫球6，能夠得到提高耐熱沖擊性的接合結(jié)構(gòu)，能夠防止球電極脫落等。使用剪切力試驗，測定從焊錫球側(cè)面剝離的力，通過這樣對焊錫球(Sn-Ag系無鉛焊錫材料)與電極部的接合強(qiáng)度進(jìn)行了試驗。圖3所示為結(jié)果。(a)為熔融時間與破壞模式的相關(guān)圖，(b)為熔融時間與接合強(qiáng)度的相關(guān)圖。在圖3(a) (b)中，若延長焊錫球的熔融時間，則在形成的接合部分引起的破壞中，焊錫球中弓I起的破壞所占的比例減少，反之在與電極部的界面處引起的破壞增加，與之相應(yīng)接合強(qiáng)度降低。根據(jù)圖I所示的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)，由于能夠縮短焊錫球的熔融時間，因此界面的接合強(qiáng)度提高。另外，對焊錫球分別使用Sn-Ag系無鉛焊錫材料及以往的低共熔晶體的Sn-Pb焊錫材料，關(guān)于與電極部的接合部分，通過剖面觀察，研究了合金狀態(tài)在使用Sn-Pb焊錫材料時，在焊錫球與電極部的界面形成Ni-Sn系合金，通過這樣將焊錫球與電極部接合。另外，在使用Sn-Ag系無鉛焊錫材料時，在焊錫球與電極部的界面的合金層中，除了形成Ni-Sn系合金，另外還形成Cu-Sn系合金，若焊錫材料的熔融時間長，則Cu-Sn系合金形成較多?？梢哉J(rèn)為，該Cu-Sn系合金的生成量多是界面的接合強(qiáng)度降低的原因。圖4為對焊錫球采用Sn-Ag系無鉛焊錫材料時在與電極部的界面處引起破壞時的、焊錫球6 —側(cè)的斷裂面的電子顯微鏡照片(SEM)。除了 Ag3Sn以外，還觀察到Cu-Sn系合金，但未觀察到Ni-Sn系合金。雖未圖示，但在電極部5-側(cè)殘留有Ni-Sn系合金。在界面上形成較多Cu-Sn系合金時，表不在Ni-Sn系合金與Cu-Sn系合金之間產(chǎn)生破壞。由于Sn-Ag系無鉛焊錫材料的熔融溫度為221°C左右，與Sn-Pb焊錫材料的熔融溫度為183°C左右相比，熔融溫度高，而且由于整個半導(dǎo)體器件(樹脂封裝體)置于該高的溫度下，因此一旦熔融之后，由于聽任從焊錫球的外周部起自然凝固，因此到與電極部的界面部分凝固為止，需要較長時間。根據(jù)圖I所示的半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)，由于焊錫球也從電極部一側(cè)冷卻，進(jìn)行凝固，因此在與電極部的界面處形成Ni-Sn系合金，抑制形成Cu-Sn系合金。另外，在圖I所示的半導(dǎo)體器件中，將電路基板I的外周部的電極部5a與內(nèi)周部的電極部5b相比，是同一厚度，而面積更大，但也可以如圖5 (a)所示的半導(dǎo)體器件那樣，將電路基板I的外周部的電極部5a與內(nèi)周部的電極部5b相比，是同一面積，而使厚度更大。無論什么情況，體積更大的其散熱性優(yōu)越。在圖5(b)所示的半導(dǎo)體器件中，對于電路基板I的外周部的電極部5a，配置在厚度方向穿通電路基板I的導(dǎo)通孔8(也可以是電氣不連接的空的導(dǎo)通孔)，使其與電極部5a連接(或者也可以配置在附近)，從而使外周部的電極部5a與導(dǎo)通孔8的距離小于內(nèi)周部的電極部5b與導(dǎo)通孔8的距離。通過這樣，外周部的球電極6容易通過導(dǎo)通孔8散熱，能夠得到與上述同樣的效果。也可以如圖6 (a)所示，在使加熱熔融的焊錫球6凝固時，通過對電路基板I的正面?zhèn)裙┙o溫度低于半導(dǎo)體器件的周邊溫度的空氣9等氣體使電路基板I的反面及電極部5(參照圖I)冷卻。即，從回流爐送出的半導(dǎo)體器件、或在回流爐內(nèi)的冷卻區(qū)中的半導(dǎo)體器件在照原樣的狀態(tài)下，由于半導(dǎo)體器件本身的熱量，而周邊(氣氛)也變得非常熱，因此通過供給常溫或常溫以下的溫度的空氣來進(jìn)行冷卻。通過這樣，也與上述相同，能夠從電極部5—側(cè)，來冷卻熔融的焊錫球6，抑制界面強(qiáng)度的降低。特別是由于外周部的電極部5a的背面(電路基板的正面)沒有用樹脂4覆蓋，因此空氣9直接接觸，冷卻效果大。也可以如圖6(b)所示，在使加熱熔融的焊錫球6凝固時，通過在電路基板I的正面?zhèn)劝惭b鉛等的散熱板10，來冷卻電路基板I的反面及電極部5(參照圖I)。通過這樣，也與上述相同，能夠從電極部5—側(cè)，來冷卻熔融的焊錫球6，抑制界面強(qiáng)度的降低。特別是由 于外周部的電極部5a的背面(電路基板的正面)沒有用樹脂4覆蓋，因此散熱板10直接接觸，冷卻效果大。如以上說明的那樣，本發(fā)明是在將焊錫球與電路基板的電極部熔融接合、作為球電極的電極結(jié)構(gòu)中，對于容易受到來自外部的應(yīng)力的外周部的焊錫球，特別還從電極側(cè)加以冷卻，進(jìn)行凝固。通過這樣，與聽任從球外周部自然冷卻的情況相比，熔融時間縮短，界面處的連接強(qiáng)度提高，耐熱沖擊性提高。因而，適用于BGA型、CSP型等組件半導(dǎo)體器件，對于防止球電極的脫落、以及強(qiáng)度惡化是有用的。 從電極側(cè)使之冷卻，可通過使電路基板的外周部的電極部大于內(nèi)周部的電極部、或者對外周部的電極部設(shè)置比對內(nèi)周部的電極部要近的通路、或者在焊錫球的背面?zhèn)仁估鋮s用的氣體流通、或者在焊錫球的背面?zhèn)仍O(shè)置散熱板等來實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，其特征在于，具有 在反面具有多個電極的電路基板； 與所述電路基板的正面接合的電子電路元件；以及 在所述電路基板的反面的電極上形成的多個外部連接用的焊錫球電極， 所述多個電極中的外周部的電極的面積形成為比內(nèi)周部的電極的面積要大， 所述電路基 板的反面形成有絕緣層，該絕緣層在所述多個電極中的每ー個電極的表面上具有開ロ， 所述多個焊錫球電極中的每ー個焊錫球電極是不含有鉛的焊錫球，在該焊錫球與從所述開ロ露出的電極的界面形成合金。
全文摘要
本發(fā)明的半導(dǎo)體器件，具有在正反兩面具有多個電極部(5)的電路基板(1)；與前述電路基板(1)的正面的電極部接合、構(gòu)成電子電路的半導(dǎo)體芯片(2)等的電子電路元件；以及在前述電路基板(1)的反面的電極部(5)上形成的多個外部連接用的球電極。電路基板(1)的反面的電極部(5)的外周部的電極部(5a)，形成為比內(nèi)周部的電極部(5b)要大，前述多個球電極的各球電極的含有錫和銀、而不含有鉛的焊錫球(6)，在基板反面的電極部(5)上加熱熔融，在界面形成合金。
文檔編號H01L23/488GK102842555SQ201210347848
公開日2012年12月26日 申請日期2008年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月6日
發(fā)明者大森弘治, 老田成志 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社