JP2004514559A - ぬれ性の改善された鉛非含有合金 - Google Patents
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Abstract
結合層を介して基板の金属コンタクトに取り付けられダイを備える電子デバイス。結合層がＺｎ、Ａｌ、Ｍｇ、およびＧａからなる群から選択される少なくとも２種の金属からなる合金を含み、さらに、Ｚｎ，Ａｌ、Ｍｇ、およびＧａ以外の、合金より酸素親和力が高い少なくと１種の犠牲用化学元素を１０ｐｐｍ〜１０００ｐｐｍの濃度で含む。任意選択の合金は、Ｓｎ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｚｎ、およびＣｕからなる群から選択した少なくとも２種の金属、およびＳｎ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｚｎ、およびＣｕ以外の、少なくとも１種の犠牲用化学元素を含む。対象とする他の合金は、Ｓｎ、Ａｇ、Ｂｉ、およびＳｂからなる群から選択した少なくとも２種の金属、およびＳｎ、Ａｇ、Ｂｉ、およびＳｂ以外の、少なくとも１種の犠牲用化学元素を含む。このＰｂを含まない合金は、改良されたぬれ性を示し、マイクロエレクトロニクスの応用として高信頼性はんだ付けプロセスに使用することができる。
Description
【０００１】
発明の分野
本発明の分野は、ダイ取付はんだである。
【０００２】
発明の背景
通常、集積回路を搭載するシリコンウェーハを複数のダイに切り出し、続いてダイを物理的に保護するためにパッケージ材料に取り付け、ダイ上の集積回路を複数の電気的コンタクトに電気的に接続する。当技術分野では、ダイを取り付ける（すなわち、ダイ取付け）様々な構成と方法が知られているが、その全てまたはほとんど全てが１つまたは複数の欠点を有している。
【０００３】
たとえば、一方法では、ダイをエポキシ樹脂またはシアン酸エステル樹脂など高分子接着剤で基板に取り付ける。高分子接着剤は、しばしばいくつかの望ましい品質を示す。なかでも、シアン酸エステル含有ダイ取付接着剤は、通常２００℃未満の温度で比較的短時間内に（すなわち数分以内に）硬化することができる（たとえば、米国特許第５，１５０，１９５号、第５，１９５，２９９号、第５，２５０，６００号、第５，３９９，９０７号、および第５，３８６，０００号参照）。さらに、高分子接着剤のあるものは、Ｎｇｕｙｅｎ等の米国特許第５，６１２，４０３号に開示されたように、硬化後に構造的柔軟性を保持することによって、柔軟性のある基板上への集積回路のダイ取付けを可能にする。しかし、多くの高分子接着剤は樹脂のバリができ易く、潜在的にダイと基板との望ましくない電気的コンタクトの劣化、または部分的もしくは全体的なダイの剥離にさえつながる。さらに、高分子接着剤を基板および／またはダイへ塗布するには、通常有機溶媒を使用する必要があり、これにより、溶媒が除去されたときに接着剤中が不均質になり易い。
【０００４】
樹脂のバリによる問題の少なくともいくつかを回避するために、シリコーン組成物を含むダイ取付接着剤を使用してもよい。たとえば、ミタニ等の、米国特許第５，９８２，０４１号には、アクリル官能化オルガノポリシロキサンのフリーラジカル反応と、アルケニル官能化オルガノポリシロキサンとケイ素結合水素で官能化したオルガノポリシロキサンとのヒドロシリル化反応の両方を経て硬化するシリコーン組成物が記載されている。ミタニのシリコーン組成物は有利には、低分子量シリコーン油が移出するのを抑制し、それによって、半導体チップまたはリードフレームへのワイヤボンデング性が損なわれること、および樹脂シーラントと半導体チップ、基板、パッケージ、および／またはリードフレームとの間の接合の欠陥を含め、潜在的な問題を緩和する。しかし、ミタニのシリコーン組成物の硬化プロセスには、高エネルギー放射源が必要であり、ダイ取付プロセスにかなりのコストがかかる。さらに、ミタニのシリコーン組成物はやはり溶媒を必要とする。
【０００５】
他の方法では（たとえば、Ｄｉｅｔｚ等の米国特許第４，４５９，１６６号）、約３２５℃〜４２５℃の軟化温度を有する、高鉛濃度のホウケイ酸塩を含むガラスペ−ストが、ダイを基板に結合するのに使用される。ガラスペーストをダイと基板の間に置いた後、ガラスペーストを乾燥し、ダイを基板に永久に結合させるために加熱する。ガラスペーストは、通常低分子量成分の浸出に伴って生じる問題を免れるが、ダイと基板を永久に結合するには４２５℃以上の温度がしばしば必要になる。さらに、ガラスペーストは加熱、および冷却中にしばしば結晶化し、それによって、結合層の接着品質が劣化する。
【０００６】
高い焼成温度に伴う問題の少なくともいくつかを回避するために、Ｄｉｅｔｚ等の米国特許第５，０７６，８７６号に開示された、Ｖ２Ｏ５、Ｔｉ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５、およびＡｇを含む改善したガラスペースト組成物を使用することができる。こうした組成物は有利には、焼成温度（すなわち、永久的な接合を達成するために必要な温度）を３５０℃未満に低下させ、同時に望ましくない結晶化の発生を少なくする。しかし、電子デバイスを３５０℃に加熱するのは、応用によってはまだ高すぎて望ましくない。さらに、この改良ガラスペースト組成物を使用するには一般に溶媒が必要であり、特にダイが比較的大きい場合溶媒を除去するのが困難である。
【０００７】
さらに他の方法では、ダイをはんだ付けで基板に取り付ける。ダイを基板にはんだ付けすることには、処理が比較的単純、塗布に溶媒が不要、および特に鉛系のはんだを用いるときは比較的低コストであることを含め、様々な利点がある。しかし、鉛の使用は、製造中だけでなく、鉛系のダイ接着剤を含む電子デバイスを廃棄（たとえば、埋立）した後も環境と健康の問題を引き起こす可能性がある。鉛系はんだの毒性を低減させるために、Ｓｎ系の合金中の鉛をビスマスなど様々な低融点金属によって置き換えて、共晶合金代替品を形成してきた（Ｔｕｃｋｅｒ等の米国特許第４，９２９，４２３号参照）。しかし、共晶合金代替品は通常２７０℃よりかなり低い溶融温度を示し、これが特に、組み立てられた電子デバイス（すなわち、ダイを基板に取り付けた）が下流の工程（たとえば、超音波はんだ付け）で共晶合金代替品の融点以上の温度に曝された場合に問題となる。
【０００８】
当技術分野では、ダイ取付けの様々な方法が知られているが、その全てまたはほとんど全てが１つまたは複数の欠点を有している。したがって、ダイ取付けのための改善された方法および組成物がなお必要である。
【０００９】
発明の概要
本発明は、ダイが結合層を介して基板の金属コンタクトに取り付けられた電子デバイスを対象とし、結合層がＺｎ、Ａｌ、Ｍｇ、およびＧａからなる群から選択される少なくとも２種の金属からなる合金を含み、この合金がさらに、Ｚｎ，Ａｌ、Ｍｇ、およびＧａ以外の少なくとも１種の犠牲用化学元素であって、合金より高い酸素親和力を有する元素を微量を超えて（すなわち、１０ｐｐｍを超えて）含む。代替となる対象合金は、Ｓｎ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｚｎ、およびＣｕからなる群から選択される少なくとも２種の金属を含み、この合金がさらに、Ｓｎ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｚｎ、およびＣｕ以外の少なくとも１種の犠牲用化学元素であって、合金より高い酸素親和力を有する元素を微量を超えて（すなわち、１０ｐｐｍを超えて）含む。他の任意選択の合金は、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｂｉ、およびＡｇからなる群から選択される少なくとも２種の金属を含み、この合金がさらに、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｂｉ、およびＡｇ以外の少なくとも１種の犠牲用化学元素であって、合金より高い酸素親和力を有する元素を微量を超えて（すなわち、１０ｐｐｍを超えて）含む。このダイが、好ましくは半導体または集積回路を備え、金属コンタクトが、好ましくは銅または銅合金を含む。
【００１０】
本発明の主題の一態様では、この合金がＺｎ、Ａｌ、Ｍｇ、およびＧａを、好ましくは、Ｚｎを８５〜９５重量％の範囲、Ａｌを３〜８重量％の範囲、Ｍｇを１〜５重量％の範囲、およびＧａを１〜５重量％の範囲で含む。他の特別に企図された合金は、残部がＳｎであるとき、Ａｇ、Ｃｕ、Ｂｉ、およびＺｎを、好ましくはＡｇが１〜５重量％の範囲にあり、Ｃｕが０．５〜２．５重量％の範囲にあり、ＡｇおよびＣｕがそれぞれ、０〜５重量％および０〜２．５重量％の範囲にあり、ＡｇおよびＢｉがそれぞれ、０〜５重量％および０〜６重量％の範囲にあり、あるいはＺｎおよびＢｉがそれぞれ、０．５〜２．５重量％および０〜６重量％の範囲にある組成として含む。
【００１１】
さらに特に対象とする合金は、Ｓｎ、Ａｇ、Ｂｉ、およびＳｂを、好ましくは、Ｓｂが５〜１５重量％の範囲にあり、Ｂｉが０〜６重量％の範囲にあり、残りがＳｎである組成、あるいはＡｇが２０〜３０重量％の範囲にあり、Ｓｂが５〜１５重量％の範囲にあり、残部がＳｎである組成として含む。
【００１２】
本発明の主題の他の態様では、合金より酸素親和力が高い犠牲用化学元素は、Ａｌ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｃｓ、Ｈｆ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｎｄ、Ｐ、Ｓｃ、Ｓｒ、Ｔｉ、Ｙ、またはＺｒである。この元素が約１０ｐｐｍ〜１０００ｐｐｍの濃度で存在するのが好ましい。対象とする合金の融点は、少なくとも２７０℃、好ましくは２７０℃〜３３０℃である。
【００１３】
本発明の様々な目的、特徴、態様、および利点は、添付図面と共に本発明の好ましい実施形態についての以下の詳細な説明からより明らかになろう。
【００１４】
図面の簡単な説明
図１は、本発明の主題による電子デバイスの側面概略図である。
【００１５】
詳細な説明
本明細書で用いられる、「合金」という用語は、２種またはもっと多種の金属の均質な混合物または固溶体であり、１種の金属の原子が、他種の金属の原子の間にある格子間位置に入れ替わるかまたはそこを占めることを指す。
【００１６】
本明細書で用いられる、「酸素親和力」という用語は、化合物または元素が、酸素のラジカル、分子、またはイオンと反応して、それぞれの酸化物を生成する傾向を指すが、その酸化物は化学的に安定であるか（すなわち、酸化物は単離できる）、またはさらに反応して、化学的および／または熱力学的により安定な形態になるかもしれない。たとえば、カルシウムは、同じ反応条件下では白金よりかなり早い速度で酸化し、したがって、上記定義の範囲では、白金よりかなり酸素親和力が高い。
【００１７】
図１では、電子デバイス１００は、電気的コンタクト１２０が上に配置されている基板１１０を有する。結合層１３０により、ダイ１４０が電気的コンタクト１２０に電気的に接続され、かつ物理的に結合されている。
【００１８】
基板１１０は通常、集積回路ダイのパッケージに使用される材料であり、対象とする材料としては、成型プラスチック、積層プラスチック、プレスセラミック、積層セラミックがある。当技術分野では、適当な基板用の多くの材料および構成が知られており、その全てが本明細書に示された教示と併せて使用することを意図している。たとえば、適当な基板の収集がＣ．Ａ．ＨａｒｐｅｒのＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｐａｃｋａｇｉｎｇ ＆ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ Ｈａｎｄｂｏｏｋ、出版元ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ社、第２版、１９９７（ＩＳＢＮ ０−０７−０２６６９４−８）に出ている。
【００１９】
電気的コンタクト１２０に関しては、広範な様々な電気的コンタクトが適することを意図しており、特に好ましいコンタクトとしては、銅コンタクト、または金もしくは銀層をスパッタリングおよび／またはメッキした銅コンタクトがある。耐腐食性が特に望ましい場合は、適当なコンタクトとしては、金、白金、銀、その他を含む貴金属とその合金としてもよい。コンタクトおよび複数のコンタクトは基板よりかなり薄い（たとえば、５００ミクロン未満の導電性の微量または薄い金属層）ものを意図しているが、ピン形コンタクト、または５００ミクロンよりかなり厚いコンタクトも意図している。たとえば、コンタクトが同時に熱シンクとして使用される場合は、厚さが約８００〜１０００ミクロン以上の銅版を使用してもよい。さらに、コンタクトを、蒸着、電気メッキおよび無電解メッキ、スパッタリング、光化学蒸着を含む様々な方法、または接着剤を用いる方法によって基板上に取り付ける、または堆積させることを意図している。
【００２０】
結合層１３０は、好ましくはＺｎ、Ｍｇ、Ａｌ、およびＧａを含む合金であり、Ｚｎが８５〜９５重量％の範囲、Ａｌが３〜８重量％の範囲、Ｍｇが１〜５重量％の範囲、Ｇａが１〜５重量％の範囲にある。本発明の主題のいっそう好ましい態様では、合金が、Ｚｎを約９０重量％、Ａｌを約５重量％、Ｍｇを約３重量％、Ｇａを約２重量％含む。
【００２１】
通常、Ｚｎ、Ｍｇ、Ａｌ、およびＧａを含む合金が好ましいが、融解温度が少なくとも２７０℃、好ましくは約２７０℃〜４５０℃の範囲、よりいっそう好ましくは２８０℃〜３８０℃であれば、様々な代替の合金も対象とする。
【００２２】
たとえば、経済的配慮が特に関連する場合は、代替合金は、Ｓｎ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｚｎ、およびＣｕを含んでもよい。特に好ましい態様では、Ａｇを１〜５重量％の範囲で含み、残りがＳｎである。あるいはＣｕを０．５〜２．５重量％の範囲でＳｎと合金を作ってもよい。他の対象合金では、残りがＳｎであるとき、Ａｇ、およびＣｕがそれぞれ０〜５重量％および０〜２．５重量％の範囲にあり、ＡｇおよびＢｉがそれぞれ０〜５重量％および０〜６重量％、またはＺｎ、およびＢｉがそれぞれ０．５〜２．５重量％および０〜６重量％の範囲にある。
【００２３】
あるいは、ＺｎおよびＣｕの含有が望ましくない場合は、対象とする合金は、Ｓｎ、Ａｇ、Ｂｉ、およびＳｂを、好ましくは、Ｓｂが５〜１５重量％の範囲、およびＢｉが０〜６重量％の範囲にあり、残部がＳｎである組成、またはＡｇが２０〜３０重量％の範囲、およびＳｂが５〜１５重量％の範囲であり、残部がＳｎである組成として含んでもよい。
【００２４】
しかし、明示的に除外されないが、Ｐｂは対象とする合金として好ましくない成分であることを理解されたい。さらに、本明細書に示した本発明の主題の合金の組成は、有機もしくは無機成分、元素、および自然に生成されるその酸化物および／または誘導体の付随的な不純物を含んでもよいことを理解されたい。たとえば、不純物としては、オイル，アンチモン、ホウ酸塩、その他がある。
【００２５】
酸素親和力が合金の他の成分より高い犠牲用化学元素に関しては、犠牲用化学元素はリン、カルシウム、もしくはチタン、またはその任意の組み合わせであることが好ましい。しかし、犠牲用化学元素の酸素親和力が合金の酸素親和力より高ければ、様々な代替犠牲用化学元素も対象となる。したがって、適当な犠牲用化学元素はまた、アルカリ金属、遷移金属、およびＡｌ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｃｓ、Ｈｆ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｎｄ、Ｐ、Ｓｃ、Ｓｒ、Ｔｉ、Ｙ、またはＺｒを含む非遷移金属でもよい。特に、元素が合金の「非必須の成分」である、すなわち元素濃度が１重量％未満であることを意図している。したがって、元素の好ましい濃度は約１０ｐｐｍから約１０００ｐｐｍであり、主に、使用する個々の合金、金属コンタクト中に存在する酸化物量、およびダイ取付けのためのはんだ付け工程を実施する条件によって決まる。たとえばダイ取付けを不活性雰囲気下で実施する場合、および金属コンタクトが主に金を含む場合、約１０〜１００ｐｐｍの比較的低濃度が適当である。同様に、元素が比較的高い酸素親和力（たとえば、リチウム）を有する場合は、１００ｐｐｍ未満の濃度でもよい。
【００２６】
一方、はんだ付け工程を酸素を含む雰囲気中で実施する場合は、１０ｐｐｍ〜１０００ｐｐｍ以上の高い元素濃度を意図している。同様に、酸素親和力が比較的低い元素が使用された場合（たとえば、チタン）は、適当な濃度は約２００ｐｐｍ〜１０００ｐｐｍ以上の範囲である。
【００２７】
本発明の主題のさらに他の態様では、酸素親和力が合金の酸素親和力より高い１つ以上の元素を結合層中に使用することを意図しており、対象とする合金が２成分、３成分、およびより多い成分の元素の混合物を含んでもよい。たとえば、適当な合金は、混合物およびその個々の成分が合金の酸素親和力より高い酸素親和力を有していれば、ＰおよびＴｉ、またはＣａ、Ｓｒ、およびＰの混合物を含んでもよい。さらに、分子が合金の酸素親和力より大きな酸素親和力を有していれば、元素に限らず、有機および／または有機金属分子を使用してもよいことを理解されたい。たとえば、有機金属還元剤（すなわち、酸素親和力が比較的高い試薬）が望ましい場合は、ＣＥＰ（トリスカルボキシエチルホスフィン）を使用してもよい。
【００２８】
いかなる特定の理論にも縛られることは望まないが、合金より酸素親和力が高い元素は、融解したまたは溶融はんだの表面張力を増加させることが知られている、金属酸化物を還元することを意図している。したがって、はんだ付け中に金属酸化物量が減少すると、通常、溶融はんだの表面張力を減少させて、それによってはんだのぬれ性がかなり増加する。
【００２９】
ダイ１４０に関しては、シリコンまたはサファイアウェーハから作製され、複数の半導体素子を設けるように処理することを意図している。当技術分野では多くのダイが知られており、本明細書ではその全てを使用することを意図している。好ましいダイは、集積回路を備え、１または２ｍｍ２未満〜数ｃｍ２のサイズでもよい。さらに、ダイが結合層に接触する面に金属被覆を有し、金属被覆が、Ａｕ／Ｓｉ、Ａｇ／Ｓｎ、Ｃｕ／Ｉｎ、Ａｕ／Ｓｎ合金、銅、および金または銀被覆銅を含む、様々な金属および金属合金を含んでもよいことを意図している。
【００３０】
このように、ダイ取付用の鉛を含まない合金の具体的な実施形態および応用例を開示した。しかし、当技術者には、本明細書の本発明の概念から逸脱することなく、すでに述べたこと意外にもさらに多くの変更形態が可能であることは明らかであろう。したがって、本発明の主題は、添付の目的とする特許請求の範囲のほかには、限定されるものではない。さらに、本明細書および目的とする特許請求の範囲の両方の解釈に際しては、全ての用語は文脈と一貫した、可能な最も広い方法で解釈するべきである。特に「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ（含む、備える、有する）」および「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（含む、備える、有する）」という用語は、要素、成分、または工程を非限定的に指し示しており、指し示された要素、成分、または段階が、他のはっきりとは指し示されていない要素、成分、または工程と共に存在し、使用され、または組み合わされることを示すものと解釈するべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の主題による電子デバイスの側面概略図である。
発明の分野
本発明の分野は、ダイ取付はんだである。
【０００２】
発明の背景
通常、集積回路を搭載するシリコンウェーハを複数のダイに切り出し、続いてダイを物理的に保護するためにパッケージ材料に取り付け、ダイ上の集積回路を複数の電気的コンタクトに電気的に接続する。当技術分野では、ダイを取り付ける（すなわち、ダイ取付け）様々な構成と方法が知られているが、その全てまたはほとんど全てが１つまたは複数の欠点を有している。
【０００３】
たとえば、一方法では、ダイをエポキシ樹脂またはシアン酸エステル樹脂など高分子接着剤で基板に取り付ける。高分子接着剤は、しばしばいくつかの望ましい品質を示す。なかでも、シアン酸エステル含有ダイ取付接着剤は、通常２００℃未満の温度で比較的短時間内に（すなわち数分以内に）硬化することができる（たとえば、米国特許第５，１５０，１９５号、第５，１９５，２９９号、第５，２５０，６００号、第５，３９９，９０７号、および第５，３８６，０００号参照）。さらに、高分子接着剤のあるものは、Ｎｇｕｙｅｎ等の米国特許第５，６１２，４０３号に開示されたように、硬化後に構造的柔軟性を保持することによって、柔軟性のある基板上への集積回路のダイ取付けを可能にする。しかし、多くの高分子接着剤は樹脂のバリができ易く、潜在的にダイと基板との望ましくない電気的コンタクトの劣化、または部分的もしくは全体的なダイの剥離にさえつながる。さらに、高分子接着剤を基板および／またはダイへ塗布するには、通常有機溶媒を使用する必要があり、これにより、溶媒が除去されたときに接着剤中が不均質になり易い。
【０００４】
樹脂のバリによる問題の少なくともいくつかを回避するために、シリコーン組成物を含むダイ取付接着剤を使用してもよい。たとえば、ミタニ等の、米国特許第５，９８２，０４１号には、アクリル官能化オルガノポリシロキサンのフリーラジカル反応と、アルケニル官能化オルガノポリシロキサンとケイ素結合水素で官能化したオルガノポリシロキサンとのヒドロシリル化反応の両方を経て硬化するシリコーン組成物が記載されている。ミタニのシリコーン組成物は有利には、低分子量シリコーン油が移出するのを抑制し、それによって、半導体チップまたはリードフレームへのワイヤボンデング性が損なわれること、および樹脂シーラントと半導体チップ、基板、パッケージ、および／またはリードフレームとの間の接合の欠陥を含め、潜在的な問題を緩和する。しかし、ミタニのシリコーン組成物の硬化プロセスには、高エネルギー放射源が必要であり、ダイ取付プロセスにかなりのコストがかかる。さらに、ミタニのシリコーン組成物はやはり溶媒を必要とする。
【０００５】
他の方法では（たとえば、Ｄｉｅｔｚ等の米国特許第４，４５９，１６６号）、約３２５℃〜４２５℃の軟化温度を有する、高鉛濃度のホウケイ酸塩を含むガラスペ−ストが、ダイを基板に結合するのに使用される。ガラスペーストをダイと基板の間に置いた後、ガラスペーストを乾燥し、ダイを基板に永久に結合させるために加熱する。ガラスペーストは、通常低分子量成分の浸出に伴って生じる問題を免れるが、ダイと基板を永久に結合するには４２５℃以上の温度がしばしば必要になる。さらに、ガラスペーストは加熱、および冷却中にしばしば結晶化し、それによって、結合層の接着品質が劣化する。
【０００６】
高い焼成温度に伴う問題の少なくともいくつかを回避するために、Ｄｉｅｔｚ等の米国特許第５，０７６，８７６号に開示された、Ｖ２Ｏ５、Ｔｉ２Ｏ３、Ｐ２Ｏ５、およびＡｇを含む改善したガラスペースト組成物を使用することができる。こうした組成物は有利には、焼成温度（すなわち、永久的な接合を達成するために必要な温度）を３５０℃未満に低下させ、同時に望ましくない結晶化の発生を少なくする。しかし、電子デバイスを３５０℃に加熱するのは、応用によってはまだ高すぎて望ましくない。さらに、この改良ガラスペースト組成物を使用するには一般に溶媒が必要であり、特にダイが比較的大きい場合溶媒を除去するのが困難である。
【０００７】
さらに他の方法では、ダイをはんだ付けで基板に取り付ける。ダイを基板にはんだ付けすることには、処理が比較的単純、塗布に溶媒が不要、および特に鉛系のはんだを用いるときは比較的低コストであることを含め、様々な利点がある。しかし、鉛の使用は、製造中だけでなく、鉛系のダイ接着剤を含む電子デバイスを廃棄（たとえば、埋立）した後も環境と健康の問題を引き起こす可能性がある。鉛系はんだの毒性を低減させるために、Ｓｎ系の合金中の鉛をビスマスなど様々な低融点金属によって置き換えて、共晶合金代替品を形成してきた（Ｔｕｃｋｅｒ等の米国特許第４，９２９，４２３号参照）。しかし、共晶合金代替品は通常２７０℃よりかなり低い溶融温度を示し、これが特に、組み立てられた電子デバイス（すなわち、ダイを基板に取り付けた）が下流の工程（たとえば、超音波はんだ付け）で共晶合金代替品の融点以上の温度に曝された場合に問題となる。
【０００８】
当技術分野では、ダイ取付けの様々な方法が知られているが、その全てまたはほとんど全てが１つまたは複数の欠点を有している。したがって、ダイ取付けのための改善された方法および組成物がなお必要である。
【０００９】
発明の概要
本発明は、ダイが結合層を介して基板の金属コンタクトに取り付けられた電子デバイスを対象とし、結合層がＺｎ、Ａｌ、Ｍｇ、およびＧａからなる群から選択される少なくとも２種の金属からなる合金を含み、この合金がさらに、Ｚｎ，Ａｌ、Ｍｇ、およびＧａ以外の少なくとも１種の犠牲用化学元素であって、合金より高い酸素親和力を有する元素を微量を超えて（すなわち、１０ｐｐｍを超えて）含む。代替となる対象合金は、Ｓｎ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｚｎ、およびＣｕからなる群から選択される少なくとも２種の金属を含み、この合金がさらに、Ｓｎ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｚｎ、およびＣｕ以外の少なくとも１種の犠牲用化学元素であって、合金より高い酸素親和力を有する元素を微量を超えて（すなわち、１０ｐｐｍを超えて）含む。他の任意選択の合金は、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｂｉ、およびＡｇからなる群から選択される少なくとも２種の金属を含み、この合金がさらに、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｂｉ、およびＡｇ以外の少なくとも１種の犠牲用化学元素であって、合金より高い酸素親和力を有する元素を微量を超えて（すなわち、１０ｐｐｍを超えて）含む。このダイが、好ましくは半導体または集積回路を備え、金属コンタクトが、好ましくは銅または銅合金を含む。
【００１０】
本発明の主題の一態様では、この合金がＺｎ、Ａｌ、Ｍｇ、およびＧａを、好ましくは、Ｚｎを８５〜９５重量％の範囲、Ａｌを３〜８重量％の範囲、Ｍｇを１〜５重量％の範囲、およびＧａを１〜５重量％の範囲で含む。他の特別に企図された合金は、残部がＳｎであるとき、Ａｇ、Ｃｕ、Ｂｉ、およびＺｎを、好ましくはＡｇが１〜５重量％の範囲にあり、Ｃｕが０．５〜２．５重量％の範囲にあり、ＡｇおよびＣｕがそれぞれ、０〜５重量％および０〜２．５重量％の範囲にあり、ＡｇおよびＢｉがそれぞれ、０〜５重量％および０〜６重量％の範囲にあり、あるいはＺｎおよびＢｉがそれぞれ、０．５〜２．５重量％および０〜６重量％の範囲にある組成として含む。
【００１１】
さらに特に対象とする合金は、Ｓｎ、Ａｇ、Ｂｉ、およびＳｂを、好ましくは、Ｓｂが５〜１５重量％の範囲にあり、Ｂｉが０〜６重量％の範囲にあり、残りがＳｎである組成、あるいはＡｇが２０〜３０重量％の範囲にあり、Ｓｂが５〜１５重量％の範囲にあり、残部がＳｎである組成として含む。
【００１２】
本発明の主題の他の態様では、合金より酸素親和力が高い犠牲用化学元素は、Ａｌ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｃｓ、Ｈｆ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｎｄ、Ｐ、Ｓｃ、Ｓｒ、Ｔｉ、Ｙ、またはＺｒである。この元素が約１０ｐｐｍ〜１０００ｐｐｍの濃度で存在するのが好ましい。対象とする合金の融点は、少なくとも２７０℃、好ましくは２７０℃〜３３０℃である。
【００１３】
本発明の様々な目的、特徴、態様、および利点は、添付図面と共に本発明の好ましい実施形態についての以下の詳細な説明からより明らかになろう。
【００１４】
図面の簡単な説明
図１は、本発明の主題による電子デバイスの側面概略図である。
【００１５】
詳細な説明
本明細書で用いられる、「合金」という用語は、２種またはもっと多種の金属の均質な混合物または固溶体であり、１種の金属の原子が、他種の金属の原子の間にある格子間位置に入れ替わるかまたはそこを占めることを指す。
【００１６】
本明細書で用いられる、「酸素親和力」という用語は、化合物または元素が、酸素のラジカル、分子、またはイオンと反応して、それぞれの酸化物を生成する傾向を指すが、その酸化物は化学的に安定であるか（すなわち、酸化物は単離できる）、またはさらに反応して、化学的および／または熱力学的により安定な形態になるかもしれない。たとえば、カルシウムは、同じ反応条件下では白金よりかなり早い速度で酸化し、したがって、上記定義の範囲では、白金よりかなり酸素親和力が高い。
【００１７】
図１では、電子デバイス１００は、電気的コンタクト１２０が上に配置されている基板１１０を有する。結合層１３０により、ダイ１４０が電気的コンタクト１２０に電気的に接続され、かつ物理的に結合されている。
【００１８】
基板１１０は通常、集積回路ダイのパッケージに使用される材料であり、対象とする材料としては、成型プラスチック、積層プラスチック、プレスセラミック、積層セラミックがある。当技術分野では、適当な基板用の多くの材料および構成が知られており、その全てが本明細書に示された教示と併せて使用することを意図している。たとえば、適当な基板の収集がＣ．Ａ．ＨａｒｐｅｒのＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｐａｃｋａｇｉｎｇ ＆ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ Ｈａｎｄｂｏｏｋ、出版元ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ社、第２版、１９９７（ＩＳＢＮ ０−０７−０２６６９４−８）に出ている。
【００１９】
電気的コンタクト１２０に関しては、広範な様々な電気的コンタクトが適することを意図しており、特に好ましいコンタクトとしては、銅コンタクト、または金もしくは銀層をスパッタリングおよび／またはメッキした銅コンタクトがある。耐腐食性が特に望ましい場合は、適当なコンタクトとしては、金、白金、銀、その他を含む貴金属とその合金としてもよい。コンタクトおよび複数のコンタクトは基板よりかなり薄い（たとえば、５００ミクロン未満の導電性の微量または薄い金属層）ものを意図しているが、ピン形コンタクト、または５００ミクロンよりかなり厚いコンタクトも意図している。たとえば、コンタクトが同時に熱シンクとして使用される場合は、厚さが約８００〜１０００ミクロン以上の銅版を使用してもよい。さらに、コンタクトを、蒸着、電気メッキおよび無電解メッキ、スパッタリング、光化学蒸着を含む様々な方法、または接着剤を用いる方法によって基板上に取り付ける、または堆積させることを意図している。
【００２０】
結合層１３０は、好ましくはＺｎ、Ｍｇ、Ａｌ、およびＧａを含む合金であり、Ｚｎが８５〜９５重量％の範囲、Ａｌが３〜８重量％の範囲、Ｍｇが１〜５重量％の範囲、Ｇａが１〜５重量％の範囲にある。本発明の主題のいっそう好ましい態様では、合金が、Ｚｎを約９０重量％、Ａｌを約５重量％、Ｍｇを約３重量％、Ｇａを約２重量％含む。
【００２１】
通常、Ｚｎ、Ｍｇ、Ａｌ、およびＧａを含む合金が好ましいが、融解温度が少なくとも２７０℃、好ましくは約２７０℃〜４５０℃の範囲、よりいっそう好ましくは２８０℃〜３８０℃であれば、様々な代替の合金も対象とする。
【００２２】
たとえば、経済的配慮が特に関連する場合は、代替合金は、Ｓｎ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｚｎ、およびＣｕを含んでもよい。特に好ましい態様では、Ａｇを１〜５重量％の範囲で含み、残りがＳｎである。あるいはＣｕを０．５〜２．５重量％の範囲でＳｎと合金を作ってもよい。他の対象合金では、残りがＳｎであるとき、Ａｇ、およびＣｕがそれぞれ０〜５重量％および０〜２．５重量％の範囲にあり、ＡｇおよびＢｉがそれぞれ０〜５重量％および０〜６重量％、またはＺｎ、およびＢｉがそれぞれ０．５〜２．５重量％および０〜６重量％の範囲にある。
【００２３】
あるいは、ＺｎおよびＣｕの含有が望ましくない場合は、対象とする合金は、Ｓｎ、Ａｇ、Ｂｉ、およびＳｂを、好ましくは、Ｓｂが５〜１５重量％の範囲、およびＢｉが０〜６重量％の範囲にあり、残部がＳｎである組成、またはＡｇが２０〜３０重量％の範囲、およびＳｂが５〜１５重量％の範囲であり、残部がＳｎである組成として含んでもよい。
【００２４】
しかし、明示的に除外されないが、Ｐｂは対象とする合金として好ましくない成分であることを理解されたい。さらに、本明細書に示した本発明の主題の合金の組成は、有機もしくは無機成分、元素、および自然に生成されるその酸化物および／または誘導体の付随的な不純物を含んでもよいことを理解されたい。たとえば、不純物としては、オイル，アンチモン、ホウ酸塩、その他がある。
【００２５】
酸素親和力が合金の他の成分より高い犠牲用化学元素に関しては、犠牲用化学元素はリン、カルシウム、もしくはチタン、またはその任意の組み合わせであることが好ましい。しかし、犠牲用化学元素の酸素親和力が合金の酸素親和力より高ければ、様々な代替犠牲用化学元素も対象となる。したがって、適当な犠牲用化学元素はまた、アルカリ金属、遷移金属、およびＡｌ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｃｓ、Ｈｆ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｎｄ、Ｐ、Ｓｃ、Ｓｒ、Ｔｉ、Ｙ、またはＺｒを含む非遷移金属でもよい。特に、元素が合金の「非必須の成分」である、すなわち元素濃度が１重量％未満であることを意図している。したがって、元素の好ましい濃度は約１０ｐｐｍから約１０００ｐｐｍであり、主に、使用する個々の合金、金属コンタクト中に存在する酸化物量、およびダイ取付けのためのはんだ付け工程を実施する条件によって決まる。たとえばダイ取付けを不活性雰囲気下で実施する場合、および金属コンタクトが主に金を含む場合、約１０〜１００ｐｐｍの比較的低濃度が適当である。同様に、元素が比較的高い酸素親和力（たとえば、リチウム）を有する場合は、１００ｐｐｍ未満の濃度でもよい。
【００２６】
一方、はんだ付け工程を酸素を含む雰囲気中で実施する場合は、１０ｐｐｍ〜１０００ｐｐｍ以上の高い元素濃度を意図している。同様に、酸素親和力が比較的低い元素が使用された場合（たとえば、チタン）は、適当な濃度は約２００ｐｐｍ〜１０００ｐｐｍ以上の範囲である。
【００２７】
本発明の主題のさらに他の態様では、酸素親和力が合金の酸素親和力より高い１つ以上の元素を結合層中に使用することを意図しており、対象とする合金が２成分、３成分、およびより多い成分の元素の混合物を含んでもよい。たとえば、適当な合金は、混合物およびその個々の成分が合金の酸素親和力より高い酸素親和力を有していれば、ＰおよびＴｉ、またはＣａ、Ｓｒ、およびＰの混合物を含んでもよい。さらに、分子が合金の酸素親和力より大きな酸素親和力を有していれば、元素に限らず、有機および／または有機金属分子を使用してもよいことを理解されたい。たとえば、有機金属還元剤（すなわち、酸素親和力が比較的高い試薬）が望ましい場合は、ＣＥＰ（トリスカルボキシエチルホスフィン）を使用してもよい。
【００２８】
いかなる特定の理論にも縛られることは望まないが、合金より酸素親和力が高い元素は、融解したまたは溶融はんだの表面張力を増加させることが知られている、金属酸化物を還元することを意図している。したがって、はんだ付け中に金属酸化物量が減少すると、通常、溶融はんだの表面張力を減少させて、それによってはんだのぬれ性がかなり増加する。
【００２９】
ダイ１４０に関しては、シリコンまたはサファイアウェーハから作製され、複数の半導体素子を設けるように処理することを意図している。当技術分野では多くのダイが知られており、本明細書ではその全てを使用することを意図している。好ましいダイは、集積回路を備え、１または２ｍｍ２未満〜数ｃｍ２のサイズでもよい。さらに、ダイが結合層に接触する面に金属被覆を有し、金属被覆が、Ａｕ／Ｓｉ、Ａｇ／Ｓｎ、Ｃｕ／Ｉｎ、Ａｕ／Ｓｎ合金、銅、および金または銀被覆銅を含む、様々な金属および金属合金を含んでもよいことを意図している。
【００３０】
このように、ダイ取付用の鉛を含まない合金の具体的な実施形態および応用例を開示した。しかし、当技術者には、本明細書の本発明の概念から逸脱することなく、すでに述べたこと意外にもさらに多くの変更形態が可能であることは明らかであろう。したがって、本発明の主題は、添付の目的とする特許請求の範囲のほかには、限定されるものではない。さらに、本明細書および目的とする特許請求の範囲の両方の解釈に際しては、全ての用語は文脈と一貫した、可能な最も広い方法で解釈するべきである。特に「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ（含む、備える、有する）」および「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（含む、備える、有する）」という用語は、要素、成分、または工程を非限定的に指し示しており、指し示された要素、成分、または段階が、他のはっきりとは指し示されていない要素、成分、または工程と共に存在し、使用され、または組み合わされることを示すものと解釈するべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の主題による電子デバイスの側面概略図である。
Claims (21)
- 第１面および第２面を有するダイ、
金属コンタクトを有する基板、および
ダイの第１面と基板の金属コンタクトとを結合する結合層を備える電子デバイスであって、
結合層がＺｎ、Ａｌ、Ｍｇ、およびＧａからなる群から選択される少なくとも２種の金属からなる合金を含み、かつ
該合金がさらに、Ｚｎ、Ａｌ、Ｍｇ、およびＧａ以外の少なくとも１種の犠牲用化学元素であって、合金より高い酸素親和力を有する元素を含む、該電子デバイス。 - 第１面および第２面を有するダイ、
金属コンタクトを有する基板、および
ダイの第１面と基板の金属コンタクトとを結合する結合層を備える電子デバイスであって、
結合層がＳｎ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｓｂ、およびＣｕからなる群から選択される少なくとも２種の金属からなる合金を含み、かつ
該合金がさらに、Ｓｎ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｓｂ、およびＣｕ以外の少なくとも１種の犠牲用化学元素であって、合金より高い酸素親和力を有する元素を含む、該電子デバイス。 - 第１面および第２面を有するダイ、
金属コンタクトを有する基板、および
ダイの第１面と基板の金属コンタクトとを結合する結合層を備える電子デバイスであって、
結合層がＳｎ、Ａｇ、Ｂｉ、およびＳｂからなる群から選択される少なくとも２種の金属からなる合金を含み、かつ
該合金がさらに、Ｓｎ、Ａｇ、Ｂｉ、およびＳｂ以外の少なくとも１種の犠牲用化学元素であって、合金より高い酸素親和力を有する元素を含む、該電子デバイス。 - ダイが半導体を備える請求項１から３のいずれか一項に記載の電子デバイス。
- ダイが集積回路を備える請求項１から３のいずれか一項に記載の電子デバイス。
- 金属コンタクトが銅合金を含む請求項１から３のいずれか一項に記載の電子デバイス。
- 金属コンタクトが銅を含む請求項１から３のいずれか一項に記載の電子デバイス。
- 合金がＺｎ，Ａｌ、Ｍｇ、およびＧａを含む請求項１に記載の電子デバイス。
- 合金が、Ｚｎを８５〜９５重量％の範囲、Ａｌを３〜８重量％の範囲、Ｍｇを１〜５重量％の範囲、およびＧａを１〜５重量％の範囲で含む請求項８に記載の電子デバイス。
- 合金がＳｎおよびＡｇを含み、Ａｇが１〜５重量％の範囲にある請求項２に記載の電子デバイス。
- 合金がＳｎおよびＣｕを含み、Ｃｕが０．５〜２．５重量％の範囲にある請求項２に記載の電子デバイス。
- 合金がＳｎ、ＣｕおよびＡｇを含み、Ａｇが１〜５重量％の範囲にあり、Ｃｕが０．５〜２．５重量％の範囲にある請求項２に記載の電子デバイス。
- 合金がＳｎ、ＢｉおよびＡｇを含み、Ａｇが０〜５重量％の範囲にあり、Ｂｉが０〜６重量％の範囲にある請求項２に記載の電子デバイス。
- 合金がＳｎ、ＺｎおよびＢｉを含み、Ｚｎが０．５〜２．５重量％の範囲にあり、Ｂｉが０〜６重量％の範囲にある請求項２に記載の電子デバイス。
- 合金がＳｎ、ＳｂおよびＢｉを含み、Ｓｂが５〜１５重量％の範囲にあり、Ｂｉが０〜６重量％の範囲にある請求項３に記載の電子デバイス。
- 合金がＳｎ、ＳｂおよびＡｇを含み、Ｓｂが５〜１５重量％の範囲にあり、Ａｇが２０〜３０重量％の範囲にある請求項３に記載の電子デバイス。
- 少なくとも１種の犠牲用化学元素が、Ａｌ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｃｓ、Ｈｆ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｎｄ、Ｐ、Ｓｃ、Ｓｒ、Ｔｉ、Ｙ、またはＺｒからなる群から選択される請求項１から３のいずれか一項に記載の電子デバイス。
- 少なくとも１種の犠牲用化学元素が、１０ｐｐｍ〜１０００ｐｐｍの濃度で存在する請求項１７に記載の電子デバイス。
- 合金が少なくとも２７０℃の融点を有する請求項１または３に記載の電子デバイス。
- 合金が２７０℃〜３３０℃の温度範囲の融点を有する請求項１または３に記載の電子デバイス。
- 少なくとも１種の犠牲用化学元素が、Ｐ、Ｃａ、およびＴｉからなる群から選択され、合金が２７０℃〜３３０℃の温度範囲の融点を有する請求項１または３に記載の電子デバイス。
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