JP2002321083A - はんだ接合の形成方法 - Google Patents

はんだ接合の形成方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 アニーリングおよびクエンチングによって遷
移液相はんだ接合を得る方法を提供する。 【解決手段】 はんだ接合は、接合すべき第１の部材６
０の一面に、共晶混合物５０を付着し、および接合すべ
き第２の部材３０の一面に、同じ金属の非共晶混合物２
０を付着することによって、形成される。次に、接合す
べき部材を、共晶混合物の融点より大きい温度に加熱し
て、金属学的ボンドを形成する。はんだ付けに続いて、
はんだ接合を、所定の期間、高温にアニールして、２種
類の元の材料が完全に相互拡散するようにする。次に、
急速冷却によりクエンチして、一定組成の材料混合物に
対して二相が正常に存在する温度で単一の高融解相の特
性を有するはんだ接合を生成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体の処理に関
し、特に、アニーリングおよびクエンチングによって、
遷移液相を有するはんだ接合を形成する方法に関する。
【０００２】半導体工業では、種々の部材を互いに接合
することが必要とされ、各部材に対し種々の方法および
プロセスを、用いることができる。高速コンピュータの
性能は、より高性能なパッケージングおよび相互接続方
法を、ますます要求している。１つの半導体部材を他の
半導体部材に接続するのに、サーフェス・マウント方法
がときどき用いられる。通常、半導体部材の一方または
両方に、導電パッドが設けられ、リフローはんだを用い
て、これら半導体部材が互いに接合される。半導体部材
は、チップ，プラスチック積層板，または例えば多層セ
ラミック基板のような基板とすることができる。プラス
チック・ボール・グリッド・アレイ（ｐｌａｓｔｉｃ
ｂａｌｌ ｇｒｉｄ ａｒｒａｙ；ＰＢＧＡ）フリップ
・チップ・アセンブリにおける現在のプラクティスは、
費用効果的な工業標準の積層基板材料の温度制限を受け
入れるはんだリフローアセンブリ・パラメータを要求し
ている。
【０００３】このような電子アセンブリでは、はんだ接
合が後のプロセスでリフローしないように、アセンブリ
の連続するレベルに対し減少する融点を持つはんだの階
層（ｈｉｅｒａｒｃｈｙ）を有することが望まれる。こ
れは、従来では、減少する融点を持つはんだ合金を選択
することによって実現されている。これは、適切な融点
と物理特性を有する合金および組成物の数が制限されて
いるので、問題である。
【０００４】最近提案されている代替技術では、はんだ
付けの際に組成の遷移を受ける材料であって、所定の温
度で１回だけ融解し、後処理において同じ温度では融解
しない材料を用いている。これは、リフロー時に互いに
融解して、高融点を持つ混合物を作成する層状金属を与
えることにより行われる。これらの層状材料は、大量に
生産するのが難しく、高価であるという組成物要件を有
している。
【０００５】制御されたはんだ相互拡散を用いて、高融
点を持つはんだ接合（後に続く熱処理を通じて、固体の
ままである）を形成する多くの方法が提案されている。
【０００６】米国特許第６，０２７，９５７号は、サブ
マウントに半導体デバイスをマウントする方法を開示し
ている。その開示内容は、本明細書の内容として含まれ
る。この方法は、半導体の表面に付着された第１の金属
はんだと、サブマウントの表面に付着された第２の金属
はんだとの間の液体相互拡散によって、サブマウントに
半導体デバイスをマウントする。半導体表面とサブマウ
ント表面とは、近接して配置され、第１の金属はんだの
融点より大きく、第２の金属はんだの融点より小さい温
度に加熱されて、第１の金属はんだと第２の金属はんだ
との間で液体相互拡散を開始させ進展させる。
【０００７】米国特許第５，４３２，９９８号は、回路
化された高分子誘電体パネルを、パネル間のパッド対パ
ッドの電気的接続で積層する方法を開示している。パッ
ド対パッドの電気的接続は、遷移液相形成ボンドによっ
て与えられる。金／錫共晶の金リッチ側の金／錫合金
が、ボンディング合金として用いられる。金／錫は、最
初は、低温で共晶融成物を形成する。ボンディングに用
いられる接着剤および／または誘電体ポリマの高融解温
度で時間が経過すると、金のさらなる拡散が生じ、後に
続く処理で達する温度よりも高い融点を有する非共晶金
／錫合金が形成される。なお、この米国特許の内容は、
本明細書の内容として含まれる。
【０００８】米国特許第５，２８０，４１４号は、遷移
液体ボンディング技術を用いて、回路化された誘電体層
を同時に積層する方法を開示している。遷移液体ボンデ
ィング技術においては、１つの低い温度で共晶を形成す
る２種類の原素を選択して、高積層温度にさらす間に、
固化して、以降の積層によって要求される温度よりも高
い温度で再融解する合金を形成する。なお、この米国特
許の内容は、本明細書の内容として含まれる。
【０００９】従来技術にかかわらず、従来の低コストな
材料およびプロセスと、固態拡散後接合とを用いる、液
体拡散ベースの遷移液相材料の製造および価格に関する
問題を解決する必要性が存在する。
【００１０】したがって、本発明の目的は、はんだ材料
の階層の必要性を排除することにある。
【００１１】本発明の他の目的は、組成物要件が難し
く、多量生産が高価である層状材料を設けることなし
に、遷移液相はんだ接合を与えることにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明は、所定の温度
で、遷移液相はんだ接合を形成する方法を開示する。金
属の特性の二成分混合物は、共晶点と、一方の金属内の
他方の金属の有意な固溶解度（１．０ｗｔ％より大き
い）とを有している。金属の特定の三成分混合物および
四成分混合物は、同様の特性を有している。このような
金属の混合物の例は、鉛／錫，錫／ビスマス，および銀
／銅を含んでいる。
【００１３】はんだ接合は、接合すべき第１の部材の一
面に、共晶混合物を付着し、および接合すべき第２の部
材の一面に、同じ金属の非共晶混合物を付着することに
よって、形成される。次に、接合すべき部材を、共晶混
合物の融点より大きい温度に加熱して、金属学的ボンド
を形成する。はんだ付けに続いて、はんだ接合を、所定
の期間、高温（共晶融点より小さい）にアニールして、
２種類の元の材料が完全に相互拡散するようにする。次
に、アセンブリを、急速冷却によりクエンチして、一定
組成の材料混合物に対して二相が正常に存在する温度で
単一の高融解相の特性を有するはんだ接合を生成する。
【００１４】得られた遷移液相はんだ接合は、後に続く
最初のリフロー温度への行程ではリフローしない。この
ことは、最初の接合サイクルではリフローするが、後の
熱処理工程ではリフローしないはんだ接合を生成するこ
とによって、はんだ材料の階層の必要性を排除してい
る。また、得られた遷移液相はんだ接合は、従来の低コ
スト材料およびプロセスと、固態拡散後接合とを用いる
ことによって、液体拡散ベースの遷移液相材料の製造お
よび費用に関連した問題を解決している。
【００１５】
【発明の実施の形態】本発明の目的は、本発明によれ
ば、周囲温度で遷移液相を有するはんだ接合を形成する
方法により達成される。
【００１６】図面、特に図１には、錫（Ｓｎ）／鉛（Ｐ
ｂ）の相図が示されており、純金属の融解温度と、共晶
組成物と、共晶組成物の錫含量（６３ｗｔ％）と、鉛中
の最大錫溶解度（１９ｗｔ％）とが示されている。アル
ファ，ベータ，液体と呼ばれる合金相領域と、２つの相
の混合物が共存する領域とが示されている。この相図
は、与えられた系において最小のエネルギーに達する自
然の傾向に従う平衡状態下で合金がとる原子構造を示し
ている。はんだ接合のためにエレクトロニクスにおいて
用いられる最も一般的な二成分合金系は、Ｓｎ／Ｐｂ系
である。図１に示すように、６３ｗｔ％の錫と残りの鉛
とからなるはんだ合金は、あらゆる可能な合金組成物の
最小融解温度を有している。これは、共晶組成物と呼ば
れる。
【００１７】図２には、本発明の主要な実施例として用
いられる、典型的な“フリップ・チップ”Ｓｎ／Ｐｂは
んだ接合１０が示されている。フリップ・チップはんだ
接合１０は、チップ４０上のチップパッド３０上のはん
だバンプとして付着された合金Ｙ２０と、チップキャリ
ア基板７０上の基板パッド６０にはんだ層として付着さ
れた共晶合金Ｘとからなる。加熱時（はんだリフロー）
に、共晶合金Ｘ５０は、融解し、はんだバンプ合金Ｙ２
０と基板パッド６０とを濡らす。Ｘ相およびＹ相を含む
“混合相”領域８０は、共晶合金Ｘ５０と合金Ｙ２０と
の界面で形成される。このはんだ接合構造では、チップ
４０は、高鉛はんだバンプすなわち合金Ｙ２０と、共晶
はんだ層すなわち共晶合金Ｘ５０とを用いて、チップキ
ャリア基板７０に取りつけられる。典型的に、合金Ｙ２
０組成物の錫含量は、３ｗｔ％〜５ｗｔ％の範囲で変化
する。２種類のはんだ材料が近接し、共晶融解温度（１
８３℃）より大きい温度にさらされると、共晶はんだ層
すなわち共晶合金Ｘ５０が融解して、はんだ接合を形成
する。典型的には、この温度は、リフロー温度と呼ば
れ、２１０℃〜２４０℃の範囲で変化し、リフロー時間
は、約１〜３分である。室温に冷却した後、はんだ接合
の微小構造は、図２に示すようなものになる。“混合
相”領域８０があるが、共晶合金Ｘ５０と、はんだバン
プ合金Ｙ２０とは、はんだ接合１０を形成するために用
いられる比較的短期間の加熱行程の故に、基本的には組
成が変化しない。もし、共晶融解温度より大きい温度に
再び加熱されると、はんだ接合１０の構造は、共晶組成
物すなわち共晶合金Ｘ５０，“混合相”領域８０が存在
するすべての領域で融解し、およびチップデバイスの最
終パッケージングに先立つ製造工程でこの融解が発生す
るいくつかの場合があり、およびはんだ接合１０におけ
るこの融解作用は、チップデバイスの機能的信頼性をか
なり減じることに留意すべきである。本発明は、この再
融解の問題を解決する。
【００１８】はんだ接合１０が形成され、室温に達した
後、温度に依存して１〜１００時間の範囲で変化する長
期間の間、共晶融解温度（１８３℃）より小さい温度
に、はんだ接合１０を再び加熱する。この過程は、技術
上、アニーリングとして知られている。はんだ接合１０
をアニーリングの前に室温に冷却することは、大抵の製
造プロセスと相いれるものであるが、はんだ接合１０を
アニーリングの前に室温に冷却することは、要件ではな
い。はんだ接合１０は、最初のリフローの後、共晶融解
温度より小さいアニール温度に直接に冷却することもで
きる。
【００１９】図３は、共晶合金Ｘ５０および合金Ｙ２０
よりなる組成を有する２種類のＳｎ／Ｐｂ合金の混合の
際の組成変化を示す相図である。最初は、はんだ接合を
形成するのに必要な共晶合金Ｘ５０の融解を行うため
に、これら２種類の合金を、共晶点（１８３℃）より大
きい温度に加熱する。次に、はんだ接合１０を、共晶点
より小さい温度に冷却するか、または周囲温度に冷却
し、共晶点より小さい温度（＜１８３℃）に加熱する。
共晶点より小さい温度では、共晶合金Ｘ５０および合金
Ｙ２０は、固相（融解しない）の状態にあり、原子拡散
が発生するのに十分な長い期間にわたって、この温度に
保たれる。図３に矢印で示されるように、共晶合金Ｘ５
０の錫組成は希釈され（右側へ動く）、一方、合金Ｙ２
０の錫組成は増大する（左へ動く）。この組成変化は、
一相（均一）組成合金Ｚ９０を形成するように作用する
原子拡散プロセスによって起こる。一相組成合金Ｚ９０
の形成に続いて、はんだ接合１０は、５０〜１００℃／
分の速度で、室温に急速冷却されて、組成合金Ｚ’１０
０になる。
【００２０】図３に示すように、アニーリングは、アニ
ール温度で均一な一相（ベータ相）を有するはんだ接合
材料すなわち合金Ｚ９０を生成する。はんだ接合材料合
金Ｚ９０の組成は、正確な量は共晶合金Ｘ５０および合
金Ｙ２０の相対初期量に依存するが、１９ｗｔ％より小
さいＳｎである。はんだバンプすなわち合金Ｙ２０は、
共晶層すなわち共晶合金Ｘ５０に比べて比較的大きい容
積を有している。合金Ｙ２０と共晶合金Ｘ５０との比
は、約１０：１である。アニーリング後、普通のベルト
ファーネス内で用いられる通常の冷却速度である５０〜
１００℃／分で冷却すると、合金Ｚ９０は、室温で、二
相に分解せず一相材料すなわち合金Ｚ’１００に留ま
る。
【００２１】図３の相図によって示されるこれらの条件
下で、はんだ接合のいかなる領域においても、融解を生
じることなく、アニールされたはんだ接合を、共晶融解
温度より大きな温度に加熱することができる。さらに、
図１に示すように、合金Ｚ９０の組成に応じて、“液体
＋ベータ”領域が形成される温度は、錫含量が減少する
につれて増大する。実験によれば、合金Ｚ９０の組成
は、避けるべき融解に対して安全なマージンを保つため
に、１５ｗｔ％の錫含量を超えないようにするのが好ま
しいことがわかった。
【００２２】図４には、本発明の最終製品である遷移液
相Ｓｎ／Ｐｂはんだ接合１１０を示す。遷移液相はんだ
接合１１０は、合金Ｚ’１００よりなる。この合金は、
一相組成物であり、初期リフロー温度より大きい温度で
の後に続く処理の際にリフローしない、チップ４０とチ
ップキャリア基板７０との間の相互接続を与える。
【００２３】本発明の好適な実施例は、鉛と錫の二成分
混合物を用いているが、他の二成分混合物を用いること
もでき、この場合、金属の二成分混合物は、共晶点と、
一方の金属内の他方の金属の有意な固溶解度（１．０ｗ
ｔ％より大きい）とを有することに留意すべきである。
したがって、本発明は、鉛と錫の二成分混合物に限定さ
れるものではない。他の適用可能な二成分混合物の例
は、錫／ビスマスおよび銀／銅を含んでいる。さらに、
本発明は、金属の三成分混合物に限定されるものではな
い。銅，金，またはビスマスと混合された鉛および錫の
ような金属の二成分混合物、銅，金および／またはビス
マスと混合された鉛および錫のような金属の四成分混合
物を、同様に本発明に適用できる。
【００２４】本発明の好適な実施例は、チップキャリア
上のパッドにはんだ層として付着された共晶合金を用い
ているが、本発明は、共晶合金に限定されるものではな
い。近共晶合金、例えば６０ｗｔ％錫および４０ｗｔ％
鉛を、同様に本発明に適用できる。
【００２５】当業者であれば、以上に説明したこれら実
施例を越えた本発明の他の変形例を、本発明の趣旨を逸
脱することなしに、実現できることは明らかである。し
たがって、そのような変形例は、本発明の範囲内にある
とみなされる。
【００２６】まとめとして、本発明の構成に関して以下
の事項を開示する。 （１）遷移液相を有するはんだ接合を形成する方法であ
って、共晶点を有する第１の金属組成物を、接合すべき
第１の部材上に付着する工程と、第２の金属組成物を、
接合すべき第２の部材に付着する工程とを含み、前記第
１および第２の金属組成物の成分は、同じであり、前記
第２の金属組成物は、前記第１の金属組成物よりも高い
融解温度範囲を有し、接合すべき第１の部材を、接合す
べき第２の部材と接触するように配置する工程と、接合
すべき前記第１および第２の部材を、前記第１の金属組
成物の共晶組成の融点よりも大きい温度に、所定の期間
加熱して、混合相はんだ接合を形成する工程と、接合す
べき前記第１および第２の部材を、前記第１の金属組成
物の共晶組成の融点よりも小さい温度に、所定の期間加
熱して、第１および第２の金属組成物を、固態に均一に
混合して、一相のはんだ接合を形成する工程と、接合す
べき第１および第２の部材を、所定の速度で冷却して、
前記一相のはんだ接合を、周囲温度に保持する工程とを
含む、はんだ接合の形成方法。 （２）前記第１および第２の金属組成物は、二成分組成
物である、上記（１）に記載のはんだ接合の形成方法。 （３）前記第１および第２の金属組成物は、三成分組成
物である、上記（１）に記載のはんだ接合の形成方法。 （４）前記第１および第２の金属組成物は、四成分組成
物である、上記（１）に記載のはんだ接合の形成方法。 （５）前記第１および第２の金属組成物は、鉛および錫
よりなる、上記（１）に記載のはんだ接合の形成方法。 （６）前記第１および第２の金属組成物は、錫およびビ
スマスよりなる、上記（１）に記載のはんだ接合の形成
方法。 （７）前記第１および第２の金属組成物は、銀および銅
よりなる、上記（１）に記載のはんだ接合の形成方法。 （８）前記第１および第２の金属組成物は、１．０ｗｔ
％より大きい、一方の金属組成物内の他方の金属の固溶
解度を有する、上記（１）に記載のはんだ接合の形成方
法。 （９）前記第１の金属組成物は、近共晶組成物を有す
る、上記（１）に記載のはんだ接合の形成方法。
【図面の簡単な説明】
【図１】普通の錫／鉛相図を示す図である。
【図２】本発明の主要な実施例である混合相はんだ接合
を示す図である。
【図３】本発明の主要な実施例における組成変化の説明
と共に、錫／鉛相図を示す図である。
【図４】本発明の主要な実施例である一相はんだ接合を
示す図である。
【符号の説明】
１０ Ｓｎ／Ｐｂはんだ接合 ２０ バンプ合金Ｙ ３０ チップパッド ４０ チップ ５０ 共晶合金Ｘ ６０ 基板パッド ７０ チップキャリア基板 ８０ “混合相”領域 ９０ 合金ｚ １００ 組成合金ｚ’ １１０ 遷移液相はんだ接合
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 エドマンド・ブラックシアー アメリカ合衆国 12590 ニューヨーク州 ワッピンガーズ フォールズ セダー ヒル ロード 295 (72)発明者 ペドロ・キャルコ アメリカ合衆国 10598 ニューヨーク州 ヨークタウン ブラックベリー レーン 780 Ｆターム(参考） 5E319 BB01 CC33 GG20 5F044 KK01 KK14 LL04

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】遷移液相を有するはんだ接合を形成する方
    法であって、 共晶点を有する第１の金属組成物を、接合すべき第１の
    部材上に付着する工程と、 第２の金属組成物を、接合すべき第２の部材に付着する
    工程とを含み、前記第１および第２の金属組成物の成分
    は、同じであり、前記第２の金属組成物は、前記第１の
    金属組成物よりも高い融解温度範囲を有し、 接合すべき第１の部材を、接合すべき第２の部材と接触
    するように配置する工程と、 接合すべき前記第１および第２の部材を、前記第１の金
    属組成物の共晶組成の融点よりも大きい温度に、所定の
    期間加熱して、混合相はんだ接合を形成する工程と、 接合すべき前記第１および第２の部材を、前記第１の金
    属組成物の共晶組成の融点よりも小さい温度に、所定の
    期間加熱して、第１および第２の金属組成物を、固態に
    均一に混合して、一相のはんだ接合を形成する工程と、 接合すべき第１および第２の部材を、所定の速度で冷却
    して、前記一相のはんだ接合を、周囲温度に保持する工
    程とを含む、はんだ接合の形成方法。
  2. 【請求項２】前記第１および第２の金属組成物は、二成
    分組成物である、請求項１に記載のはんだ接合の形成方
    法。
  3. 【請求項３】前記第１および第２の金属組成物は、三成
    分組成物である、請求項１に記載のはんだ接合の形成方
    法。
  4. 【請求項４】前記第１および第２の金属組成物は、四成
    分組成物である、請求項１に記載のはんだ接合の形成方
    法。
  5. 【請求項５】前記第１および第２の金属組成物は、鉛お
    よび錫よりなる、請求項１に記載のはんだ接合の形成方
    法。
  6. 【請求項６】前記第１および第２の金属組成物は、錫お
    よびビスマスよりなる、請求項１に記載のはんだ接合の
    形成方法。
  7. 【請求項７】前記第１および第２の金属組成物は、銀お
    よび銅よりなる、請求項１に記載のはんだ接合の形成方
    法。
  8. 【請求項８】前記第１および第２の金属組成物は、１．
    ０ｗｔ％より大きい、一方の金属組成物内の他方の金属
    の固溶解度を有する、請求項１に記載のはんだ接合の形
    成方法。
  9. 【請求項９】前記第１の金属組成物は、近共晶組成物を
    有する、請求項１に記載のはんだ接合の形成方法。
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