接合材料並びに半導体装置及びその製造方法
【課題】接合作業や、リワーク作業に伴って発生する熱の影響を低減する。
【解決手段】回路基板１上の電極パッド３に接合材料１０を塗布によって形成する。接合材料は、電磁波吸収体１１と、温度制御体１２と、溶融金属１３と、活性成分１４とが含まれている。バンプ２２を電極パッド３に接合するときは、電磁波を照射する。接合材料１０中の電磁波吸収体１１が発熱することで溶融金属１３とバンプ２２の下部を溶融させる。これによって、電極パッド３にバンプ２２が接合される。接合材料１０は温度制御体１２が含まれているので、過剰な温度上昇が抑えられ、電極パッド３以外の領域の回路基板１の温度上昇が低くなる。
【解決手段】回路基板１上の電極パッド３に接合材料１０を塗布によって形成する。接合材料は、電磁波吸収体１１と、温度制御体１２と、溶融金属１３と、活性成分１４とが含まれている。バンプ２２を電極パッド３に接合するときは、電磁波を照射する。接合材料１０中の電磁波吸収体１１が発熱することで溶融金属１３とバンプ２２の下部を溶融させる。これによって、電極パッド３にバンプ２２が接合される。接合材料１０は温度制御体１２が含まれているので、過剰な温度上昇が抑えられ、電極パッド３以外の領域の回路基板１の温度上昇が低くなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合材料並びに半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置の製造工程では、半導体素子と回路基板または半導体装置と回路基板の接合に、鉛を含有するはんだの代わりに鉛フリーの接合材料が用いられている。接合材料は、スズ・銀・銅やスズ・ビスマスの合金などが用いられている。これらの接合時には、リフロー炉内に半導体装置を搬入して半導体装置全体を加熱する。これによって、接合材料が溶融して半導体素子や半導体装置が接合される。このような接合材料は、半導体素子同士の接合や、回路基板同士の接合にも用いられる。
【０００３】
また、半導体装置の故障などが発生して半導体素子や半導体装置を交換する場合には、リワークと呼ばれる切り離し作業が行われる。リワーク作業では、回路基板全体を加熱し、回路基板と半導体素子や半導体装置を接合させている接合材料を溶融させた後取り外す。さらに、必要に応じて新しい半導体素子や半導体装置を回路基板に再実装する。リワーク時には回路基板全体が加熱されるので、交換が不要な他の半導体素子や、回路基板上に実装されている他のコンデンサやキャパシタ等の電子部品も加熱される。このために、他の半導体素子や電子部品の耐熱温度が低かった場合には、それらの部品が繰り返される加熱によって劣化する可能性がある。
【０００４】
そこで、従来では、接合材料にはんだを使用する構成において、はんだを覆うように電気抵抗体を配置し、リワーク時には電気抵抗体に通電して発熱させ、電気抵抗体で覆われた部分のはんだを溶融させていた。また、はんだを覆うように、電磁波吸収体を取り付け、電磁波を照射することで電磁波吸収体を発熱させ、電磁波吸収体で覆われた部分のはんだを溶融させていた。これによって、リワーク時に特定のはんだのみを加熱することが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１８３５１３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、回路基板全体の温度上昇を抑えることはできるが、はんだ接合時の半導体素子や回路基板への熱の影響を抑えることは困難であった。例えば、半導体素子の接合にリフロー炉に使用すると、回路基板も接合材料の融点近くまで加熱されるので、回路基板が熱の影響を受ける。特に、近年では、接合の信頼性を高めることを目的として接合材料の高融点化が進んでおり、接合材料の融点と回路基板の耐熱温度の差が小さくなっている。このために、回路基板が熱の影響を受け易い。さらに、１つの回路基板に大きさの異なる複数の半導体素子や回路部品を実装する場合には、最も大きい半導体素子や回路部品の熱容量に合わせてリフロー温度を定めるので、小さい半導体素子や半導体装置が必要以上に加熱される可能性がある。
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、接合材料による接合作業や、リワーク作業に伴って発生する熱の影響を低減させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の一観点によれば、電極パッド上に配置して使用され、電磁波を吸収して発熱
する電磁波吸収体、温度の上昇を抑制する温度制御体、前記電磁波吸収体に電磁波を照射したときに発生する熱で溶融する溶融金属、活性成分を含むことを特徴とする接合材料が提供される。
【０００８】
また、実施形態の別の観点によれば、基板の上方に形成された電極パッドと、前記電極パッドに電気的に接合された金属製のバンプと、前記バンプの周囲に配置され、電磁波を吸収して発熱する電磁波吸収体、温度の上昇を抑制する温度制御体、活性成分を含む被覆層と、を有することを特徴とする半導体装置が提供される。
【０００９】
さらに、実施形態の別の観点によれば、基板の上方に形成された電極パッドの上に、溶融金属、電磁波を吸収して発熱する電磁波吸収体、温度の上昇を抑制する温度制御体、活性成分を含む接合材料を配置する工程と、金属製のバンプを前記接合材料の上に載置する工程と、前記接合材料に電磁波を照射することで前記接合材料を発熱させ、前記溶融金属と前記バンプの少なくとも一部を溶融させる工程と、を含む半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
電磁波を照射して電磁波吸収体の温度を上昇させることで溶融金属を溶融させることができるので、接合作業やリワーク作業時に他の部分の温度上昇を低くできる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程の一例を示す断面図（その１）である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程の一例を示す断面図（その２）である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程の一例を示す断面図（その３）である。
【図１Ｄ】図１Ｄは、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程の一例を示す断面図（その４）である。
【図１Ｅ】図１Ｅは、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程の一例を示す断面図（その５）である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態に係る接合材料において、電磁波照射時の接合材料の温度上昇を温度制御体の含有量を変化させて調べた結果の一例を示す図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態に係る半導体装置のリワーク工程の一例を示す図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態の変形例に係る半導体装置の製造工程の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
発明の目的及び利点は、請求の範囲に具体的に記載された構成要素及び組み合わせによって実現され達成される。
前述の一般的な説明及び以下の詳細な説明は、典型例及び説明のためのものであって、本発明を限定するためのものではない。
【００１３】
最初に、この実施の形態の半導体装置の製造工程について説明する。
まず、図１Ａの断面構造を得るまでの工程について説明する
最初に、回路基板１の上に印刷用のマスク５を位置決めして配置する。回路基板１は、例えば、樹脂製又はセラミック製の基板２上に、電極パッド３を含む導体パターンを形成することによって作製される。電極パッド３は図示を省略する回路に電気的に接続される。導体パターンは、例えば、プリント印刷によって形成される。また、導体パターンは、
基板２上に一様に形成された導体層を薬液等でパターニングすることで形成しても良い。回路基板１上に配置されるマスク５には、電極パッド３の形成位置に併せた貫通孔６が複数形成されている。貫通孔６の大きさや形状は、電極パッド３の大きさや形状に略等しい。このために、回路基板１上にマスク５を重ねると、貫通孔６から電極パッド３が露出する。
【００１４】
次に、図１Ｂに一部を拡大した断面構造を示すように、マスク５を用いて回路基板１上に接合材料１０を印刷する。これによって、接合材料１０が、貫通孔６内に充填される。この後、マスク５と取り除くと、回路基板１の電極パッド３上に接合材料１０が重なって配置される。
【００１５】
ここで、接合材料１０には、電磁波吸収体１１と、温度制御体１２と、溶融金属１３と、活性成分１４とが含まれている。
電磁波吸収体１１は、電磁波を効率的に吸収することで発熱する材料からなり、例えば、ＳｉＣ、ＢａＴｉＯ３、ＭｎＯ２などが用いられる。
温度制御体１２は、電磁波の吸収量が電磁波吸収体１１より少ないが温度制御性が非常に高い材料からなり、例えば、Ａｌ２Ｏ３が用いられる。温度制御性とは、例えば、接合材料１０の温度が高くなり過ぎず、所定の温度内に収めることができる特性をいう。
溶融金属１３には、３５０℃以下の融点を有する鉛以外の金属、例えば、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｐｂ、Ｓｎ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ｚｎ、Ｓｎ−Ａｕなどが用いられる。
【００１６】
活性成分１５は、接合時に溶融金属１３を活性化させることよって溶融金属１３による接合を容易にする材料で、アニリン塩酸塩、ヒドラジン塩酸塩、臭化セチルピリジンに代表されるロジン、塩酸、フッ化水素酸に代表される無機酸、フッ化リチウム、フッ化カリウム、フッ化ナトリウムに代表されるフッ化物、塩化リチウム、塩化カリウム、塩化ナトリウムに代表される塩化物、臭化リチウム、臭化カリウム、臭化ナトリウムに代表される臭化物、乳酸、クエン酸、オレイン酸に代表される有機酸、グルタミン酸塩酸塩、アニリン塩酸塩に代表される有機ハロゲン化合物が用いられる。
【００１７】
電磁波吸収体１１と温度制御体１２は、接合材料１０に対して１０ｗｔ％〜９０ｗｔ％の含有量を有する。これは、電磁波吸収体１１及び温度制御体１２の接合材料１０に対する含有比を５ｗｔ％にすると、接合材料１０の温度上昇が極めて遅くなり、実装工程に時間がかかりすぎてしまうためである。また、含有比を１０ｗｔ％にすると、接合材料１０の温度上昇が緩やかになるが、半導体チップや回路部品の実装は可能である。その一方、含有比が９５ｗｔ％になると、電磁波吸収体１１及び温度制御体１２の量が多すぎて接合材料１０中にボイドが発生し易くなる。
【００１８】
また、温度制御体１２は、電磁波吸収体１１に対して５０ｍｏｌ％〜１００ｍｏｌ％含有されている。図２に、電磁波照射時の接合材料１０の温度上昇を調べた結果を示す。横軸は電磁波照射時間を示し、縦軸は温度を示す。ラインＬ１は、温度制御体１２を４０ｍｏｌ％含有した接合材料１０の温度上昇を示す。この接合材料１０は、電磁波の照射によって例えば４００℃に達した。この温度では、回路基板１への熱影響を考慮する必要が生じる。これに対して、ラインＬ２は、温度制御体１２を５０ｍｏｌ％含有した接合材料１０の温度上昇を示す。この接合材料１０は、電磁波の照射によって例えば３５０℃に達した。この温度は、溶融金属１３が高融点金属である場合でも十分に溶融させられる温度であり、回路基板１への熱影響がないか、殆ど影響がないレベルである。さらに、ラインＬ３は、温度制御体１２を１００ｍｏｌ％含有した接合材料１０の温度上昇を示す。この接合材料１０は、電磁波の照射によって例えば８０℃に達した。この温度は、溶融金属１３が低融点金属である場合に溶融可能な温度である。さらに、温度上昇が少ないので、回路
基板１への熱影響を考慮する必要はない。
【００１９】
このように、図２に示す温度上昇のグラフからは、電磁波吸収体１１に温度制御体１２を加えることで一定の温度以上に加熱され難く、温度制御体１２の割合を増やすほどその到達温度が下降することがわかる。従って、電磁波吸収体１１に対してモル比で５０％〜１００％含有させることで、溶融金属１３を確実に溶融させ、かつ周囲の温度上昇を低く抑えることが可能になる。
【００２０】
次に、図１Ｃに示すように、半導体素子２１に取り付けられた金属製のバンプ２２を接合材料１０上に載置する。バンプ２２は、半導体素子２１の裏面に配列された電極パッド２４に接合されている。電極パッド２４は図示を省略する半導体回路に電気的に接続されている。バンプ２２は、接合材料１０の溶融金属１３と同じ材料から製造することが好ましい。バンプ材料としては、例えばＳｎ、Ｉｎ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｐｂ、Ｓｎ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ｚｎ、Ｓｎ−Ａｕがある。
【００２１】
続いて、この状態で、上方から回路基板１全体に対して電磁波を照射する。電磁波吸収体１１が電磁波を吸収して発熱する。これによって、接合材料１０の温度が上昇する。接合材料１０の温度が溶融金属１３の融点を超えると、溶融金属１３が溶解する。一方、接合材料１０上に載せられているバンプ２２は溶融金属１３と同じ材料、又は同程度の融点の金属材料から製造されているので、接合材料１０の温度上昇によってバンプ２２の下部領域が加熱され、溶融する。
【００２２】
この結果、図１Ｄに断面を拡大して示すように、バンプ２２の下部が電極パッド３を筒用に溶解し、バンプ２２が電極パッド３に接合される。このとき、接合材料１０中に溶融金属１３は、バンプ２２と一体になる。一方、接合材料１０中の活性成分１４は、電磁波吸収体１１と温度制御体１２を取り込んでバンプ２２の周囲を覆う。これは、溶融金属１３の表面張力が電磁波吸収体１１、温度制御体１２、活性成分１４より非常に大きいためである。その結果、バンプ２２の下部及び電極パッド３を囲むように被覆層２６が形成される。これに対して、接合材料１０が配置されていない部分、例えば、回路基板１の電極パッド３が形成されていない領域は、電磁波吸収体１１が存在しないので、電磁波照射による温度上昇は低く抑えられる。このために、回路基板１は、熱による影響を殆ど受けない。
【００２３】
これによって、図１Ｅに示すような半導体装置３０が得られる。半導体装置３０は、回路基板１の電極パッド３の上にバンプ２２を介して半導体素子２１，４１，５１や、電子部品６１が実装されている。半導体素子２１は、基板２３上に半導体チップ２５が実装されている。半導体素子４１は、金属製のバンプ２２Ａを介して回路基板１の電極パッド３Ａに電気的に接続されている。半導体素子５１は、金属製のバンプ２２Ｂを介して回路基板１に実装されている。また、電子部品６１は、例えば、コンデンサや、抵抗、キャパシタ等である。回路部品６１は、金属製のバンプ２２Ｃを介して回路基板１の電極パッド３Ｃに電気的に接続されている。
【００２４】
バンプ２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃと、回路基板１と接合には、接合材料１０が用いられている。このために、バンプ２２Ａの下部の周囲には、被覆層２６Ａが形成されている。バンプ２２Ｂの下部の周囲には、被覆層２６Ｂが形成されている。バンプ２２Ｃの下部の周囲には、被覆層２６Ｃが形成されている。各被覆層２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃは、活性成分１４が電磁波吸収体１１と温度制御体１２を取り込む形でバンプ２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃの周囲を覆っている。また、半導体素子２１と電極パッド２５の接合に接合材料１０が用いられている場合には、半導体素子２１の電極パッド２５とバンプ２２の上部を覆うように被覆層２６が形成される。
【００２５】
ここで、接合材料１０の一例として、電磁波吸収体１１にＳｉＣ、温度制御体１２にＡｌ２Ｏ３、溶融金属１３にＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ、活性成分１４にクエン酸を使用し、電磁波を２．４ＧＨｚの周波数で照射して半導体素子２１，４１，５１、回路部品６１を回路基板１に接合したときの回路基板１の温度上昇を調べた。このときの電磁波吸収体１１及び温度制御体１２の粒径は１μｍ、溶融金属１３の粒径は２０μｍとした。電磁波吸収体１１、温度制御体１２、溶融金属１３、活性成分１４の重量比率はそれぞれ５ｗｔ％、４ｗｔ％、８１ｗｔ％、１０ｗｔ％とした。このような接合材料１０を用いることで、接合時の回路基板１の到達温度は、約１５０℃に抑えられた。
【００２６】
これに対し、比較例として、バンプにＳｎ−Ａｇ−Ｃｕを用い、活性成分に臭化セチルピリジンを使用して回路基板１と半導体素子２１を接合したところ、回路基板１の到達温度は、約２５０℃になった。このことから、この実施の形態の接合材料１０を用いると、回路基板１の温度上昇を抑えることができ、回路基板１に与える熱影響をより少なくできる。
【００２７】
続いて、図３を参照して半導体装置３０から半導体素子２１を取り外すリワーク方法について説明する。
半導体素子２１を回路基板１から取り外すときは、マスク７１を使用する。マスク７１は、例えば、電磁波を透過しない材料から製造されており、回路基板１に接合する部品の位置及び大きさに合わせて貫通孔７２が形成されている。このために、マスク７１の貫通孔７２を通過した電磁波のみが半導体装置３０に照射される。これによって、半導体素子２１の下の被覆層２６のみが加熱され、他の部品４１，５１，６１の被覆層２６は加熱されない。この結果、リワーク対象の半導体素子２１を回路基板１に接合しているバンプ２２のみが加熱され、溶融する。これによって、半導体素子２１のみを回路基板１から取り外すことができる。リワーク時にマスク７１を用いることで、目的とする接合材料のみをピンポイントで選択的に溶融させることができる。
【００２８】
以上、説明したように、この実施の形態では、電磁波吸収体１１を含む接合材料１０を用いたので、電磁波を照射するだけで接合材料１０の温度を上昇させることができる。また、接合材料１０を電極パッド３とバンプ２２の間に配置したので、電磁波を照射するだけで半導体素子２１と回路基板１を接合できる。接合材料１０及びその周囲のみを集中的に加熱することができるので、回路基板１の他の領域や、他の部品４１，５１，６１に与える熱の影響を低減できる。
【００２９】
また、接合材料１０には、温度制御体１２が含まれているので、接合材料１０の温度が上昇し過ぎることはない。さらに、接合材料１０は、温度制御体１２を有することで、半導体素子２１等の接合に最適な温度に調整できる。
【００３０】
さらに、リワーク時においても接合時と同様に、接合材料１０及びその周囲のみを集中的に加熱できると共に、半導体素子２１等の接合に最適な温度に調整できる。リワーク対象が他の部品に比べて熱量量が大きい場合でも他の部品に与える熱の影響を最小限に止められる。マスク７１を使った工程は、半導体素子２１を回路基板１に接合するときに用いることもできる。マスク７１の貫通孔７２で露出する部分の接合材料１０及びバンプ２２のみを溶解させることができ、他の部分に対する熱の影響を最小限に止めることができる。
【００３１】
ここで、リワーク時の作業の変形例について説明する。
最初に、図１Ｅに示す回路基板１の全体に電磁波を照射する。電磁波が被覆層２６の電磁波吸収体１１に吸収される。これによって、被覆層２６の温度が上昇する。被覆層２６
の温度は、温度制御体１２によって調整された温度まで上昇し、被覆層２６に囲まれたバンプ２２の下部を溶解させる。この状態で、不図示のプローブなどで半導体素子２１を吸着して回路基板１から取り外す。
【００３２】
また、このような、接合材料１０を用いた製造方法は、例えば、図４（ａ）に示すように、半導体装置３０と他の回路基板８１の接合に用いることができる。回路基板８１上には、回路に接続された電極パッド８２が形成されている。電極パッド８２上には接合材料１０が例えば塗布によって形成されている。半導体装置３０の下面には、回路に接続された電極パッド８３が形成されており、電極パッド８３にバンプ２２が接合されている。接合工程では、回路基板８１上に半導体装置３０を載置してから電磁波を照射する。接合材料１０によってバンプ２２が溶融させられる。その結果、図４（ｂ）に示すように、半導体装置３０と回路基板８１とが接合される。バンプ２２の周囲には被覆層２６が形成される。回路基板８１に半導体装置３０を実装した部品８５（半導体装置）のリワーク工程においても、前記と同様に行うことができる。ここで、この実施の形態は、半導体装置３０と他の半導体装置の接合又はリワークや、回路基板同士の接合又はリワークに用いることもできる。
【００３３】
ここで挙げた全ての例及び条件的表現は、発明者が技術促進に貢献した発明及び概念を読者が理解するのを助けるためのものであり、ここで具体的に挙げたそのような例及び条件に限定することなく解釈するものであり、また、明細書におけるそのような例の編成は本発明の優劣を示すこととは関係ない。本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、それに対して種々の変更、置換及び変形を施すことができる。
【００３４】
以下に、前記の実施の形態の特徴を付記する。
（付記１） 電極パッド上に配置して使用され、電磁波を吸収して発熱する電磁波吸収体、温度の上昇を抑制する温度制御体、前記電磁波吸収体に電磁波を照射したときに発生する熱で溶融する溶融金属、活性成分を含むことを特徴とする接合材料。
（付記２） 前記温度制御体は、前記電磁波吸収体に対して５０ｍｏｌ％〜１００ｍｏｌ％の範囲で含有されていることを特徴とする付記１に記載の接合材料。
（付記３） 基板の上方に形成された電極パッドと、前記電極パッドに電気的に接合された金属製のバンプと、前記バンプの周囲に配置され、電磁波を吸収して発熱する電磁波吸収体、温度の上昇を抑制する温度制御体、活性成分を含む被覆層と、を有することを特徴とする半導体装置。
（付記４） 前記電極パッド上に前記バンプを介して電気的に接続され、半導体回路を有する半導体装置と、を含む付記３に記載の半導体装置。
（付記５） 基板の上方に形成された電極パッドの上に、溶融金属、電磁波を吸収して発熱する電磁波吸収体、温度の上昇を抑制する温度制御体、活性成分を含む接合材料を配置する工程と、金属製のバンプを前記接合材料の上に載置する工程と、前記接合材料に電磁波を照射することで前記接合材料を発熱させ、前記溶融金属と前記バンプの少なくとも一部を溶融させる工程と、を含む半導体装置の製造方法。
（付記６） 電極パッドに接合されたバンプの周囲に配置され、電磁波を吸収して発熱する電磁波吸収体、温度の上昇を抑制する温度制御体を含む被覆層に電磁波を照射することで前記被覆層を発熱させ、前記バンプの少なくとも一部を溶融させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
（付記７）
電磁波を部分的に透過させるマスクを前記接合材料の上方に配置し、前記マスクを透過した電磁波を用いて前記金属材料を溶融させることを特徴とする付記７に記載の半導体装置の製造方法。
【符号の説明】
【００３５】
１ 回路基板
３ 電極パッド
１０ 接合材料
１１ 電磁波吸収体
１２ 温度制御体
１３ 溶融金属
１４ 活性成分
２１ 半導体装置
２２ バンプ
２６ 被覆層
３０ 半導体装置
７１ マスク
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合材料並びに半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置の製造工程では、半導体素子と回路基板または半導体装置と回路基板の接合に、鉛を含有するはんだの代わりに鉛フリーの接合材料が用いられている。接合材料は、スズ・銀・銅やスズ・ビスマスの合金などが用いられている。これらの接合時には、リフロー炉内に半導体装置を搬入して半導体装置全体を加熱する。これによって、接合材料が溶融して半導体素子や半導体装置が接合される。このような接合材料は、半導体素子同士の接合や、回路基板同士の接合にも用いられる。
【０００３】
また、半導体装置の故障などが発生して半導体素子や半導体装置を交換する場合には、リワークと呼ばれる切り離し作業が行われる。リワーク作業では、回路基板全体を加熱し、回路基板と半導体素子や半導体装置を接合させている接合材料を溶融させた後取り外す。さらに、必要に応じて新しい半導体素子や半導体装置を回路基板に再実装する。リワーク時には回路基板全体が加熱されるので、交換が不要な他の半導体素子や、回路基板上に実装されている他のコンデンサやキャパシタ等の電子部品も加熱される。このために、他の半導体素子や電子部品の耐熱温度が低かった場合には、それらの部品が繰り返される加熱によって劣化する可能性がある。
【０００４】
そこで、従来では、接合材料にはんだを使用する構成において、はんだを覆うように電気抵抗体を配置し、リワーク時には電気抵抗体に通電して発熱させ、電気抵抗体で覆われた部分のはんだを溶融させていた。また、はんだを覆うように、電磁波吸収体を取り付け、電磁波を照射することで電磁波吸収体を発熱させ、電磁波吸収体で覆われた部分のはんだを溶融させていた。これによって、リワーク時に特定のはんだのみを加熱することが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１８３５１３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、回路基板全体の温度上昇を抑えることはできるが、はんだ接合時の半導体素子や回路基板への熱の影響を抑えることは困難であった。例えば、半導体素子の接合にリフロー炉に使用すると、回路基板も接合材料の融点近くまで加熱されるので、回路基板が熱の影響を受ける。特に、近年では、接合の信頼性を高めることを目的として接合材料の高融点化が進んでおり、接合材料の融点と回路基板の耐熱温度の差が小さくなっている。このために、回路基板が熱の影響を受け易い。さらに、１つの回路基板に大きさの異なる複数の半導体素子や回路部品を実装する場合には、最も大きい半導体素子や回路部品の熱容量に合わせてリフロー温度を定めるので、小さい半導体素子や半導体装置が必要以上に加熱される可能性がある。
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、接合材料による接合作業や、リワーク作業に伴って発生する熱の影響を低減させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態の一観点によれば、電極パッド上に配置して使用され、電磁波を吸収して発熱
する電磁波吸収体、温度の上昇を抑制する温度制御体、前記電磁波吸収体に電磁波を照射したときに発生する熱で溶融する溶融金属、活性成分を含むことを特徴とする接合材料が提供される。
【０００８】
また、実施形態の別の観点によれば、基板の上方に形成された電極パッドと、前記電極パッドに電気的に接合された金属製のバンプと、前記バンプの周囲に配置され、電磁波を吸収して発熱する電磁波吸収体、温度の上昇を抑制する温度制御体、活性成分を含む被覆層と、を有することを特徴とする半導体装置が提供される。
【０００９】
さらに、実施形態の別の観点によれば、基板の上方に形成された電極パッドの上に、溶融金属、電磁波を吸収して発熱する電磁波吸収体、温度の上昇を抑制する温度制御体、活性成分を含む接合材料を配置する工程と、金属製のバンプを前記接合材料の上に載置する工程と、前記接合材料に電磁波を照射することで前記接合材料を発熱させ、前記溶融金属と前記バンプの少なくとも一部を溶融させる工程と、を含む半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
電磁波を照射して電磁波吸収体の温度を上昇させることで溶融金属を溶融させることができるので、接合作業やリワーク作業時に他の部分の温度上昇を低くできる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程の一例を示す断面図（その１）である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程の一例を示す断面図（その２）である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程の一例を示す断面図（その３）である。
【図１Ｄ】図１Ｄは、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程の一例を示す断面図（その４）である。
【図１Ｅ】図１Ｅは、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造工程の一例を示す断面図（その５）である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態に係る接合材料において、電磁波照射時の接合材料の温度上昇を温度制御体の含有量を変化させて調べた結果の一例を示す図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態に係る半導体装置のリワーク工程の一例を示す図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態の変形例に係る半導体装置の製造工程の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
発明の目的及び利点は、請求の範囲に具体的に記載された構成要素及び組み合わせによって実現され達成される。
前述の一般的な説明及び以下の詳細な説明は、典型例及び説明のためのものであって、本発明を限定するためのものではない。
【００１３】
最初に、この実施の形態の半導体装置の製造工程について説明する。
まず、図１Ａの断面構造を得るまでの工程について説明する
最初に、回路基板１の上に印刷用のマスク５を位置決めして配置する。回路基板１は、例えば、樹脂製又はセラミック製の基板２上に、電極パッド３を含む導体パターンを形成することによって作製される。電極パッド３は図示を省略する回路に電気的に接続される。導体パターンは、例えば、プリント印刷によって形成される。また、導体パターンは、
基板２上に一様に形成された導体層を薬液等でパターニングすることで形成しても良い。回路基板１上に配置されるマスク５には、電極パッド３の形成位置に併せた貫通孔６が複数形成されている。貫通孔６の大きさや形状は、電極パッド３の大きさや形状に略等しい。このために、回路基板１上にマスク５を重ねると、貫通孔６から電極パッド３が露出する。
【００１４】
次に、図１Ｂに一部を拡大した断面構造を示すように、マスク５を用いて回路基板１上に接合材料１０を印刷する。これによって、接合材料１０が、貫通孔６内に充填される。この後、マスク５と取り除くと、回路基板１の電極パッド３上に接合材料１０が重なって配置される。
【００１５】
ここで、接合材料１０には、電磁波吸収体１１と、温度制御体１２と、溶融金属１３と、活性成分１４とが含まれている。
電磁波吸収体１１は、電磁波を効率的に吸収することで発熱する材料からなり、例えば、ＳｉＣ、ＢａＴｉＯ３、ＭｎＯ２などが用いられる。
温度制御体１２は、電磁波の吸収量が電磁波吸収体１１より少ないが温度制御性が非常に高い材料からなり、例えば、Ａｌ２Ｏ３が用いられる。温度制御性とは、例えば、接合材料１０の温度が高くなり過ぎず、所定の温度内に収めることができる特性をいう。
溶融金属１３には、３５０℃以下の融点を有する鉛以外の金属、例えば、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｐｂ、Ｓｎ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ｚｎ、Ｓｎ−Ａｕなどが用いられる。
【００１６】
活性成分１５は、接合時に溶融金属１３を活性化させることよって溶融金属１３による接合を容易にする材料で、アニリン塩酸塩、ヒドラジン塩酸塩、臭化セチルピリジンに代表されるロジン、塩酸、フッ化水素酸に代表される無機酸、フッ化リチウム、フッ化カリウム、フッ化ナトリウムに代表されるフッ化物、塩化リチウム、塩化カリウム、塩化ナトリウムに代表される塩化物、臭化リチウム、臭化カリウム、臭化ナトリウムに代表される臭化物、乳酸、クエン酸、オレイン酸に代表される有機酸、グルタミン酸塩酸塩、アニリン塩酸塩に代表される有機ハロゲン化合物が用いられる。
【００１７】
電磁波吸収体１１と温度制御体１２は、接合材料１０に対して１０ｗｔ％〜９０ｗｔ％の含有量を有する。これは、電磁波吸収体１１及び温度制御体１２の接合材料１０に対する含有比を５ｗｔ％にすると、接合材料１０の温度上昇が極めて遅くなり、実装工程に時間がかかりすぎてしまうためである。また、含有比を１０ｗｔ％にすると、接合材料１０の温度上昇が緩やかになるが、半導体チップや回路部品の実装は可能である。その一方、含有比が９５ｗｔ％になると、電磁波吸収体１１及び温度制御体１２の量が多すぎて接合材料１０中にボイドが発生し易くなる。
【００１８】
また、温度制御体１２は、電磁波吸収体１１に対して５０ｍｏｌ％〜１００ｍｏｌ％含有されている。図２に、電磁波照射時の接合材料１０の温度上昇を調べた結果を示す。横軸は電磁波照射時間を示し、縦軸は温度を示す。ラインＬ１は、温度制御体１２を４０ｍｏｌ％含有した接合材料１０の温度上昇を示す。この接合材料１０は、電磁波の照射によって例えば４００℃に達した。この温度では、回路基板１への熱影響を考慮する必要が生じる。これに対して、ラインＬ２は、温度制御体１２を５０ｍｏｌ％含有した接合材料１０の温度上昇を示す。この接合材料１０は、電磁波の照射によって例えば３５０℃に達した。この温度は、溶融金属１３が高融点金属である場合でも十分に溶融させられる温度であり、回路基板１への熱影響がないか、殆ど影響がないレベルである。さらに、ラインＬ３は、温度制御体１２を１００ｍｏｌ％含有した接合材料１０の温度上昇を示す。この接合材料１０は、電磁波の照射によって例えば８０℃に達した。この温度は、溶融金属１３が低融点金属である場合に溶融可能な温度である。さらに、温度上昇が少ないので、回路
基板１への熱影響を考慮する必要はない。
【００１９】
このように、図２に示す温度上昇のグラフからは、電磁波吸収体１１に温度制御体１２を加えることで一定の温度以上に加熱され難く、温度制御体１２の割合を増やすほどその到達温度が下降することがわかる。従って、電磁波吸収体１１に対してモル比で５０％〜１００％含有させることで、溶融金属１３を確実に溶融させ、かつ周囲の温度上昇を低く抑えることが可能になる。
【００２０】
次に、図１Ｃに示すように、半導体素子２１に取り付けられた金属製のバンプ２２を接合材料１０上に載置する。バンプ２２は、半導体素子２１の裏面に配列された電極パッド２４に接合されている。電極パッド２４は図示を省略する半導体回路に電気的に接続されている。バンプ２２は、接合材料１０の溶融金属１３と同じ材料から製造することが好ましい。バンプ材料としては、例えばＳｎ、Ｉｎ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｐｂ、Ｓｎ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ｚｎ、Ｓｎ−Ａｕがある。
【００２１】
続いて、この状態で、上方から回路基板１全体に対して電磁波を照射する。電磁波吸収体１１が電磁波を吸収して発熱する。これによって、接合材料１０の温度が上昇する。接合材料１０の温度が溶融金属１３の融点を超えると、溶融金属１３が溶解する。一方、接合材料１０上に載せられているバンプ２２は溶融金属１３と同じ材料、又は同程度の融点の金属材料から製造されているので、接合材料１０の温度上昇によってバンプ２２の下部領域が加熱され、溶融する。
【００２２】
この結果、図１Ｄに断面を拡大して示すように、バンプ２２の下部が電極パッド３を筒用に溶解し、バンプ２２が電極パッド３に接合される。このとき、接合材料１０中に溶融金属１３は、バンプ２２と一体になる。一方、接合材料１０中の活性成分１４は、電磁波吸収体１１と温度制御体１２を取り込んでバンプ２２の周囲を覆う。これは、溶融金属１３の表面張力が電磁波吸収体１１、温度制御体１２、活性成分１４より非常に大きいためである。その結果、バンプ２２の下部及び電極パッド３を囲むように被覆層２６が形成される。これに対して、接合材料１０が配置されていない部分、例えば、回路基板１の電極パッド３が形成されていない領域は、電磁波吸収体１１が存在しないので、電磁波照射による温度上昇は低く抑えられる。このために、回路基板１は、熱による影響を殆ど受けない。
【００２３】
これによって、図１Ｅに示すような半導体装置３０が得られる。半導体装置３０は、回路基板１の電極パッド３の上にバンプ２２を介して半導体素子２１，４１，５１や、電子部品６１が実装されている。半導体素子２１は、基板２３上に半導体チップ２５が実装されている。半導体素子４１は、金属製のバンプ２２Ａを介して回路基板１の電極パッド３Ａに電気的に接続されている。半導体素子５１は、金属製のバンプ２２Ｂを介して回路基板１に実装されている。また、電子部品６１は、例えば、コンデンサや、抵抗、キャパシタ等である。回路部品６１は、金属製のバンプ２２Ｃを介して回路基板１の電極パッド３Ｃに電気的に接続されている。
【００２４】
バンプ２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃと、回路基板１と接合には、接合材料１０が用いられている。このために、バンプ２２Ａの下部の周囲には、被覆層２６Ａが形成されている。バンプ２２Ｂの下部の周囲には、被覆層２６Ｂが形成されている。バンプ２２Ｃの下部の周囲には、被覆層２６Ｃが形成されている。各被覆層２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃは、活性成分１４が電磁波吸収体１１と温度制御体１２を取り込む形でバンプ２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃの周囲を覆っている。また、半導体素子２１と電極パッド２５の接合に接合材料１０が用いられている場合には、半導体素子２１の電極パッド２５とバンプ２２の上部を覆うように被覆層２６が形成される。
【００２５】
ここで、接合材料１０の一例として、電磁波吸収体１１にＳｉＣ、温度制御体１２にＡｌ２Ｏ３、溶融金属１３にＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ、活性成分１４にクエン酸を使用し、電磁波を２．４ＧＨｚの周波数で照射して半導体素子２１，４１，５１、回路部品６１を回路基板１に接合したときの回路基板１の温度上昇を調べた。このときの電磁波吸収体１１及び温度制御体１２の粒径は１μｍ、溶融金属１３の粒径は２０μｍとした。電磁波吸収体１１、温度制御体１２、溶融金属１３、活性成分１４の重量比率はそれぞれ５ｗｔ％、４ｗｔ％、８１ｗｔ％、１０ｗｔ％とした。このような接合材料１０を用いることで、接合時の回路基板１の到達温度は、約１５０℃に抑えられた。
【００２６】
これに対し、比較例として、バンプにＳｎ−Ａｇ−Ｃｕを用い、活性成分に臭化セチルピリジンを使用して回路基板１と半導体素子２１を接合したところ、回路基板１の到達温度は、約２５０℃になった。このことから、この実施の形態の接合材料１０を用いると、回路基板１の温度上昇を抑えることができ、回路基板１に与える熱影響をより少なくできる。
【００２７】
続いて、図３を参照して半導体装置３０から半導体素子２１を取り外すリワーク方法について説明する。
半導体素子２１を回路基板１から取り外すときは、マスク７１を使用する。マスク７１は、例えば、電磁波を透過しない材料から製造されており、回路基板１に接合する部品の位置及び大きさに合わせて貫通孔７２が形成されている。このために、マスク７１の貫通孔７２を通過した電磁波のみが半導体装置３０に照射される。これによって、半導体素子２１の下の被覆層２６のみが加熱され、他の部品４１，５１，６１の被覆層２６は加熱されない。この結果、リワーク対象の半導体素子２１を回路基板１に接合しているバンプ２２のみが加熱され、溶融する。これによって、半導体素子２１のみを回路基板１から取り外すことができる。リワーク時にマスク７１を用いることで、目的とする接合材料のみをピンポイントで選択的に溶融させることができる。
【００２８】
以上、説明したように、この実施の形態では、電磁波吸収体１１を含む接合材料１０を用いたので、電磁波を照射するだけで接合材料１０の温度を上昇させることができる。また、接合材料１０を電極パッド３とバンプ２２の間に配置したので、電磁波を照射するだけで半導体素子２１と回路基板１を接合できる。接合材料１０及びその周囲のみを集中的に加熱することができるので、回路基板１の他の領域や、他の部品４１，５１，６１に与える熱の影響を低減できる。
【００２９】
また、接合材料１０には、温度制御体１２が含まれているので、接合材料１０の温度が上昇し過ぎることはない。さらに、接合材料１０は、温度制御体１２を有することで、半導体素子２１等の接合に最適な温度に調整できる。
【００３０】
さらに、リワーク時においても接合時と同様に、接合材料１０及びその周囲のみを集中的に加熱できると共に、半導体素子２１等の接合に最適な温度に調整できる。リワーク対象が他の部品に比べて熱量量が大きい場合でも他の部品に与える熱の影響を最小限に止められる。マスク７１を使った工程は、半導体素子２１を回路基板１に接合するときに用いることもできる。マスク７１の貫通孔７２で露出する部分の接合材料１０及びバンプ２２のみを溶解させることができ、他の部分に対する熱の影響を最小限に止めることができる。
【００３１】
ここで、リワーク時の作業の変形例について説明する。
最初に、図１Ｅに示す回路基板１の全体に電磁波を照射する。電磁波が被覆層２６の電磁波吸収体１１に吸収される。これによって、被覆層２６の温度が上昇する。被覆層２６
の温度は、温度制御体１２によって調整された温度まで上昇し、被覆層２６に囲まれたバンプ２２の下部を溶解させる。この状態で、不図示のプローブなどで半導体素子２１を吸着して回路基板１から取り外す。
【００３２】
また、このような、接合材料１０を用いた製造方法は、例えば、図４（ａ）に示すように、半導体装置３０と他の回路基板８１の接合に用いることができる。回路基板８１上には、回路に接続された電極パッド８２が形成されている。電極パッド８２上には接合材料１０が例えば塗布によって形成されている。半導体装置３０の下面には、回路に接続された電極パッド８３が形成されており、電極パッド８３にバンプ２２が接合されている。接合工程では、回路基板８１上に半導体装置３０を載置してから電磁波を照射する。接合材料１０によってバンプ２２が溶融させられる。その結果、図４（ｂ）に示すように、半導体装置３０と回路基板８１とが接合される。バンプ２２の周囲には被覆層２６が形成される。回路基板８１に半導体装置３０を実装した部品８５（半導体装置）のリワーク工程においても、前記と同様に行うことができる。ここで、この実施の形態は、半導体装置３０と他の半導体装置の接合又はリワークや、回路基板同士の接合又はリワークに用いることもできる。
【００３３】
ここで挙げた全ての例及び条件的表現は、発明者が技術促進に貢献した発明及び概念を読者が理解するのを助けるためのものであり、ここで具体的に挙げたそのような例及び条件に限定することなく解釈するものであり、また、明細書におけるそのような例の編成は本発明の優劣を示すこととは関係ない。本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、それに対して種々の変更、置換及び変形を施すことができる。
【００３４】
以下に、前記の実施の形態の特徴を付記する。
（付記１） 電極パッド上に配置して使用され、電磁波を吸収して発熱する電磁波吸収体、温度の上昇を抑制する温度制御体、前記電磁波吸収体に電磁波を照射したときに発生する熱で溶融する溶融金属、活性成分を含むことを特徴とする接合材料。
（付記２） 前記温度制御体は、前記電磁波吸収体に対して５０ｍｏｌ％〜１００ｍｏｌ％の範囲で含有されていることを特徴とする付記１に記載の接合材料。
（付記３） 基板の上方に形成された電極パッドと、前記電極パッドに電気的に接合された金属製のバンプと、前記バンプの周囲に配置され、電磁波を吸収して発熱する電磁波吸収体、温度の上昇を抑制する温度制御体、活性成分を含む被覆層と、を有することを特徴とする半導体装置。
（付記４） 前記電極パッド上に前記バンプを介して電気的に接続され、半導体回路を有する半導体装置と、を含む付記３に記載の半導体装置。
（付記５） 基板の上方に形成された電極パッドの上に、溶融金属、電磁波を吸収して発熱する電磁波吸収体、温度の上昇を抑制する温度制御体、活性成分を含む接合材料を配置する工程と、金属製のバンプを前記接合材料の上に載置する工程と、前記接合材料に電磁波を照射することで前記接合材料を発熱させ、前記溶融金属と前記バンプの少なくとも一部を溶融させる工程と、を含む半導体装置の製造方法。
（付記６） 電極パッドに接合されたバンプの周囲に配置され、電磁波を吸収して発熱する電磁波吸収体、温度の上昇を抑制する温度制御体を含む被覆層に電磁波を照射することで前記被覆層を発熱させ、前記バンプの少なくとも一部を溶融させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
（付記７）
電磁波を部分的に透過させるマスクを前記接合材料の上方に配置し、前記マスクを透過した電磁波を用いて前記金属材料を溶融させることを特徴とする付記７に記載の半導体装置の製造方法。
【符号の説明】
【００３５】
１ 回路基板
３ 電極パッド
１０ 接合材料
１１ 電磁波吸収体
１２ 温度制御体
１３ 溶融金属
１４ 活性成分
２１ 半導体装置
２２ バンプ
２６ 被覆層
３０ 半導体装置
７１ マスク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極パッド上に配置して使用され、電磁波を吸収して発熱する電磁波吸収体、温度の上昇を抑制する温度制御体、前記電磁波吸収体に電磁波を照射したときに発生する熱で溶融する溶融金属、活性成分を含むことを特徴とする接合材料。
【請求項２】
前記温度制御体は、前記電磁波吸収体に対して５０ｍｏｌ％〜１００ｍｏｌ％の範囲で含有されていることを特徴とする請求項１に記載の接合材料。
【請求項３】
基板の上方に形成された電極パッドと、
前記電極パッドに電気的に接合された金属製のバンプと、
前記バンプの周囲に配置され、電磁波を吸収して発熱する電磁波吸収体、温度の上昇を抑制する温度制御体、活性成分を含む被覆層と、
を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
基板の上方に形成された電極パッドの上に、溶融金属、電磁波を吸収して発熱する電磁波吸収体、温度の上昇を抑制する温度制御体、活性成分を含む接合材料を配置する工程と、
金属製のバンプを前記接合材料の上に載置する工程と、
前記接合材料に電磁波を照射することで前記接合材料を発熱させ、前記溶融金属と前記バンプの少なくとも一部を溶融させる工程と、
を含む半導体装置の製造方法。
【請求項１】
電極パッド上に配置して使用され、電磁波を吸収して発熱する電磁波吸収体、温度の上昇を抑制する温度制御体、前記電磁波吸収体に電磁波を照射したときに発生する熱で溶融する溶融金属、活性成分を含むことを特徴とする接合材料。
【請求項２】
前記温度制御体は、前記電磁波吸収体に対して５０ｍｏｌ％〜１００ｍｏｌ％の範囲で含有されていることを特徴とする請求項１に記載の接合材料。
【請求項３】
基板の上方に形成された電極パッドと、
前記電極パッドに電気的に接合された金属製のバンプと、
前記バンプの周囲に配置され、電磁波を吸収して発熱する電磁波吸収体、温度の上昇を抑制する温度制御体、活性成分を含む被覆層と、
を有することを特徴とする半導体装置。
【請求項４】
基板の上方に形成された電極パッドの上に、溶融金属、電磁波を吸収して発熱する電磁波吸収体、温度の上昇を抑制する温度制御体、活性成分を含む接合材料を配置する工程と、
金属製のバンプを前記接合材料の上に載置する工程と、
前記接合材料に電磁波を照射することで前記接合材料を発熱させ、前記溶融金属と前記バンプの少なくとも一部を溶融させる工程と、
を含む半導体装置の製造方法。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図１Ｅ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図１Ｅ】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−８０８１８（Ｐ２０１３−８０８１８Ａ）
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２００１７（Ｐ２０１１−２２００１７）
【出願日】平成２３年１０月４日（２０１１．１０．４）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月４日（２０１１．１０．４）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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