专利名称：半导体器件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及设置外部连接用的球电极的表面安装型半导体器件及其制造 方法。
背景技术：
作为设置外部连接用的球电极的表面安装型半导体器件，有将半导体元件 与电路基板电连接的、BGA(Ball Grid Array,球栅阵列)和CSP (Chip Size Package,芯片级封装)等组件半导体器件。图7(a) (b)所示为以往的BGA型半导体器件。在正反两面具有电路图形及 电极部的电路基板1的单侧的面上，将半导体芯片(半导体元件)2进行裸芯片 连接，用金属细线3进行丝焊，用树脂4进行封装，将焊锡球6与电路基板1 的另一单侧的面的电极部5接合。接合的焊锡球6起到作为安装在其它电路基 板上用的外部端子(球电极)的功能(特开2001-144214号公报)。 作为焊锡球6的材料，虽采用低共熔晶体的Sn-Pb焊锡材料，但存在采用不含 有铅的无铅焊锡材料的倾向。但是若采用无铅焊锡材料，则存在焊锡球6与电 极部5的接合强度降低的问题。本发明鉴于上述问题，其目的在于在将焊锡球与电路基板的电极部接合的 电极结构中提高接合强度。为了达到上述目的，对于焊锡球与基板电极的接合强度进行了研究，其结 果可知，在采用由无铅焊锡材料形成的焊锡球时，越延长熔融时间，则接合强 度越低。另外可知，越延长熔融时间，则在接合部分引起的破坏中，焊锡球中 的破坏所占的比例越减少，反之在与基板电极的界面处的破坏越增加，与之相 应接合强度越降低。因而发现，为了提高接合强度，只要縮短焊锡球的熔融时 间即可，为此特别是只要从基板电极侧进行冷却即可，从而完成了本发明。发明内容即，本发明的半导体器件，具有 在正反两面具有多个电极部的电路基板；与前述电路基板的正面的电极部接合、构成电子电路的电子电路元件；以及在前述电路基板的反面的电极部上形成的多个外部连接用的球电极，前述电路基板的反面的电极部(多个)的外周部的电极部，形成为比内周部 的电极部要大，前述多个球电极的各球电极的含有锡和银、而不含有铅的焊锡 球，在前述基板反面的电极部上加热熔融，在界面形成合金。外周部的焊锡球 的下面的电极部(即外周部的电极部)形成更大，通过这样有效地进行冷却。电路基板上形成的导通孔，对于基板反面的外周部的电极部，最好与该电 极部连接，或者配置在离外周部的电极部比离内周部的电极部更近的地方。通过这样，外周部的电极部上的球电极基于有选择地抑制界面上形成的合 金成分，能够增大界面强度。基板反面的各电极部的部分的绝缘层的开口相同。基板反面的各电极部的 至少一边大于焊锡球的直径。在制造上述的半导体器件时，将含有锡和银、而不含有铅的焊锡球，放置 在前述基板反面的电极部上，进行加热熔融，与电极部表面形成合金，同时从 电极部一侧冷却在外周部的电极部上熔融的焊锡球，通过这样能够形成多个球 电极。为了从电极部一侧冷却焊锡球，可以在电路基板的正面侧使冷却用的气体 流通。另外，可以在电路基板的正面侧设置散热板。
图l所示为本发明的一个实施形态中的半导体器件的构成剖视图。 图2为说明制造图1的半导体器件时的焊锡球与电极部的接合方法的剖视图。图3为关于焊锡球与电极部的接合强度的特性图。 图4所示为焊锡球与电极部的破坏状态图。图5所示为本发明的其它实施形态中的半导体器件的构成图。图6为说明制造本发明有关的半导体器件时的冷却方法的剖视图。图7为以往的半导体器件的剖视图。
具体实施方式
下面，参照
本发明的实施形态。图l(a)为本发明的一个实施形态的半导体器件即BGA型半导体器件的剖视 图，图l(b)为该半导体器件的一部分放大剖视图。在图l(a) (b)所示的半导体器件中，电路基板l在两面形成电路图形及多 个电极部5(仅表示一部分)，在其单侧的面(以下，称为正面)的中间部分将半 导体元件2进行裸芯片连接，用金属线3进行丝焊。另外在该正面上，用传递 模铸法形成封装半导体元件2及金属线3的树脂4。将焊锡球6接合在电路基 板1的另一单侧的面(以下，称为反面)的电极部5上。接合的焊锡球6起到作 为安装在其它电路基板(安装基板)上用的外部端子(球电极)的功能。7为绝缘 层。电路基板1是以玻璃环氧为基材而形成的。电路基板1的反面的电极部5 排列成多排，反面外周部的电极部5a的面积大于内周部(靠近反面中间的部分) 的电极部5b。各电极部5用铜形成，对表面施加5um左右的镀镍，在其上施 加O. 1 1.0um的镀金。树脂4采用环氧，覆盖除基板表面的周边部以外部分 那样地形成，在电极部5a的背面侧不存在，而在电极部5b的背面侧存在。绝 缘层7由阻焊剂形成，虽然是覆盖电极部5的厚度，但在各电极部5的表面上 以同样的尺寸形成开口部7a。将上述的焊锡球6接合在从这样的开口部7a露 出的电极部5(即连接盘)上。焊锡球6由以锡和银和铜为主成分的无铅焊锡材 料形成。参照图2，说明焊锡球6的接合方法。如图2(a)(b)所示，对电路基板1的反面的电极部5(5a、 5b)印刷焊锡糊 料(未图示)，在其上放置焊锡球6，然后用回流炉(未图示)将焊锡糊料与焊锡 球6加热熔融，使焊锡球6与电极部5的界面合金化而接合。接合结束后清洗 除去焊锡糊料的焊剂。在要使加热熔融的焊锡球6凝固而进行冷却时，在回流炉内的冷却区或回流炉外的大气中进行冷却。这里，如上述那样，由于各电极部5(5a、 5b)的绝 缘层7的开口部7a是同样的尺寸，因此与焊锡球6连接的界面的面积相等， 但是外周部的电极部5a的面积大于内周部的电极部5b。因此，位于电极部5a 上的外周部的焊锡球6，容易通过电极部5a向电路基板1的反面、进而向其表 面侧散热，进行凝固。换句话说，外周部的焊锡球6还从电极部5a—侧冷却， 迅速凝固。其结果，与使电极部5a和电极部5b为同一面积等不采取任何措施、 听任从焊锡球6的外周部进行自然冷却的情况相比，界面处的连接强度提高。关于电路基板1的内周部的焊锡球6，当然最好采取同样的冷却措施，但 是由于通过电极部5b向电路基板1传热，然后容易从其表面侧的树脂4散热， 因此也可以不一定采取该冷却措施。外周部的焊锡球6也有时容易受到来自外 部的应力，如上述那样，通过采取从电极部5a—侧进行冷却的冷却措施，在 提高接合强度方面更有效果。通过这样，对于电路基板1的全部焊锡球6，能 够得到提高耐热冲击性的接合结构，能够防止球电极脱落等。使用剪切力试验，测定从焊锡球侧面剥离的力，通过这样对焊锡球(Sn-Ag 系无铅焊锡材料)与电极部的接合强度进行了试验。图3所示为结果。(a)为熔 融时间与破坏模式的相关图，(b)为熔融时间与接合强度的相关图。在图3(a) (b) 中，若延长焊锡球的熔融时间，则在形成的接合部分引起的破坏中，焊锡球中 引起的破坏所占的比例减少，反之在与电极部的界面处引起的破坏增加，与之 相应接合强度降低。根据图l所示的半导体器件的结构，由于能够缩短焊锡球 的熔融时间，因此界面的接合强度提高。另外，对焊锡球分别使用Sn-Ag系无铅焊锡材料及以往的低共熔晶体的 Sn-Pb焊锡材料，关于与电极部的接合部分，通过剖面观察，研究了合金状态 在使用Sn-Pb焊锡材料时，在焊锡球与电极部的界面形成Ni-Sn系合金，通过 这样将焊锡球与电极部接合。另外，在使用Sn-Ag系无铅焊锡材料时，在焊锡 球与电极部的界面的合金层中，除了形成Ni-Sn系合金，另外还形成Cu-Sn系 合金，若焊锡材料的熔融时间长，则Cu-Sn系合金形成较多。可以认为，该Cu-Sn 系合金的生成量多是界面的接合强度降低的原因。图4为对焊锡球采用Sn-Ag系无铅焊锡材料时在与电极部的界面处引起破坏时的、焊锡球6—侧的断裂面的电子显微镜照片(SEM)。除了Ag3Sn以外，还 观察到Cu-Sn系合金，但未观察到Ni-Sn系合金。虽未图示，但在电极部5 — 侧残留有Ni-Sn系合金。在界面上形成较多Cu-Sn系合金时，表示在Ni-Sn系 合金与Cu-Sn系合金之间产生破坏。由于Sn-Ag系无铅焊锡材料的熔融温度为22rC左右，与Sn-Pb焊锡材料 的熔融温度为183'C左右相比，熔融温度高，而且由于整个半导体器件(树脂封 装体)置于该高的温度下，因此一旦熔融之后，由于听任从焊锡球的外周部起 自然凝固，因此到与电极部的界面部分凝固为止，需要较长时间。根据图l所 示的半导体器件的结构，由于焊锡球也从电极部一侧冷却，进行凝固，因此在 与电极部的界面处形成Ni-Sn系合金，抑制形成Cu-Sn系合金。另外，在图l所示的半导体器件中，将电路基板l的外周部的电极部5a 与内周部的电极部5b相比，是同一厚度，而面积更大，但也可以如图5(a)所 示的半导体器件那样，将电路基板1的外周部的电极部5a与内周部的电极部 5b相比，是同一面积，而使厚度更大。无论什么情况，体积更大的其散热性优 越。在图5(b)所示的半导体器件中，对于电路基板1的外周部的电极部5a， 配置在厚度方向穿通电路基板1的导通孔8(也可以是电气不连接的空的导通 孔)，使其与电极部5a连接(或者也可以配置在附近)，从而使外周部的电极部 5a与导通孔8的距离小于内周部的电极部5b与导通孔8的距离。通过这样， 外周部的球电极6容易通过导通孔8散热，能够得到与上述同样的效果。也可以如图6(a)所示，在使加热熔融的焊锡球6凝固时，通过对电路基板 1的正面侧供给温度低于半导体器件的周边温度的空气9等气体使电路基板1 的反面及电极部5(参照图l)冷却。即，从回流炉送出的半导体器件、或在回 流炉内的冷却区中的半导体器件在照原样的状态下，由于半导体器件本身的热 量，而周边(气氛)也变得非常热，因此通过供给常温或常温以下的温度的空气 来进行冷却。通过这样，也与上述相同，能够从电极部5—侧，来冷却熔融的 焊锡球6，抑制界面强度的降低。特别是由于外周部的电极部5a的背面(电路 基板的正面)没有用树脂4覆盖，因此空气9直接接触，冷却效果大。也可以如图6(b)所示，在使加热熔融的焊锡球6凝固时，通过在电路基板1的正面侧安装铅等的散热板10，来冷却电路基板1的反面及电极部5(参照图1)。通过这样，也与上述相同，能够从电极部5—侧，来冷却熔融的焊锡球6， 抑制界面强度的降低。特别是由于外周部的电极部5a的背面(电路基板的正面) 没有用树脂4覆盖，因此散热板10直接接触，冷却效果大。如以上说明的那样，本发明是在将焊锡球与电路基板的电极部熔融接合、 作为球电极的电极结构中，对于容易受到来自外部的应力的外周部的焊锡球， 特别还从电极侧加以冷却，进行凝固。通过这样，与听任从球外周部自然冷却 的情况相比，熔融时间縮短，界面处的连接强度提高，耐热冲击性提高。因而， 适用于BGA型、CSP型等组件半导体器件，对于防止球电极的脱落、以及强度 恶化是有用的。从电极侧使之冷却，可通过使电路基板的外周部的电极部大于内周部的电 极部、或者对外周部的电极部设置比对内周部的电极部要近的通路、或者在焊 锡球的背面侧使冷却用的气体流通、或者在焊锡球的背面侧设置散热板等来实 现。
权利要求
1.一种半导体器件，其特征在于，具有在正反两面具有多个电极部的电路基板；与所述电路基板的正面的电极部接合、构成电子电路的电子电路元件；以及在所述电路基板的反面的电极部上形成的多个外部连接用的球电极，所述电路基板的反面的电极部的外周部的电极部，形成为比内周部的电极部要大，多个所述球电极中的每一个球电极的含有锡和银、而不含有铅的焊锡球，在所述电路基板的反面的电极部上加热熔融，在界面形成合金。
2. 如权利要求l所述的半导体器件，其特征在于，电路基板上形成的导通孔，对于电路基板的反面的外周部的电极部，与该 电极部连接，或者配置在离外周部的电极部比离内周部的电极部更近的地方。
3. 如权利要求1或2所述的半导体器件，其特征在于，外周部的电极部上的球电极，基于有选择地抑制界面上形成的合金成分， 增大界面强度。
4. 如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于， 电路基板的反面的各电极部的部分的绝缘层的开口相同。
5. 如权利要求1所述的半导体器件，其特征在于， 电路基板的反面的各电极部的至少一边大于焊锡球的直径。
6. —种半导体器件的制造方法，其特征在于，半导体器件具有在正反两面具有多个电极部的电路基板；与所述电路基 板的正面的电极部接合、构成电子电路的电子电路元件；以及在所述电路基板 的反面的电极部上形成的多个外部连接用的球电极，在制造所述半导体器件 时，所述电路基板的反面的多个电极部的外周部的电极部，形成为比内周部的 电极部要大，将含有锡和银、而不含有铅的焊锡球，放置在所述基板反面的电 极部上，进行加热熔融，与电极部表面形成合金，同时从电极部一侧冷却在外 周部的电极部上熔融的焊锡球，通过这样形成所述多个球电极。
7. 如权利要求6所述的半导体器件的制造方法，其特征在于， 在电路基板的正面侧使冷却用的气体流通。
8. 如权利要求6所述的半导体器件的制造方法，其特征在于， 在电路基板的正面侧设置散热板。
9. 如权利要求6所述的半导体器件的制造方法，其特征在于， 电路基板的反面的各电极部的部分的绝缘层的开口相同。
10. 如权利要求6所述的半导体器件的制造方法，其特征在于， 电路基板的反面的各电极部的至少一边大于焊锡球的直径。
全文摘要
本发明的半导体器件，具有在正反两面具有多个电极部5的电路基板1；与前述电路基板1的正面的电极部接合、构成电子电路的半导体芯片2等的电子电路元件；以及在前述电路基板1的反面的电极部5上形成的多个外部连接用的球电极。电路基板1的反面的电极部5的外周部的电极部5a，形成为比内周部的电极部5b要大，前述多个球电极的各球电极的含有锡和银、而不含有铅的焊锡球6，在基板反面的电极部5上加热熔融，在界面形成合金。
文档编号H01L23/498GK101241891SQ200810001238
公开日2008年8月13日 申请日期2008年1月10日 优先权日2007年2月6日
发明者大森弘治, 老田成志 申请人:松下电器产业株式会社