JP2005138174A - ろう材、これを用いた半導体装置の製造方法並びに半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体素子のダイボンディングや電子部品の組立て等で用いるのに好適で、Ｐｂを含まない新規なＳｎ／Ｓｂ系ろう材を提供する。
【解決手段】 Ｓｂを３０〜６５質量％、Ｐを０．００１〜０．５質量％を含み、残部がＳｎおよび不可避不純物である。さらに、Ａｇ、Ｃｕ、ＦｅおよびＮｉのうちの１種以上を合計で０．０１〜５質量％を添加してもよい。
【選択図】 なし

Description

本発明は、半導体素子のダイボンディングや電子部品の組立等に用いられる高温ろう材に関し、特に、Ｐｂを含まない高温ろう材に関する。

高周波素子や半導体素子をリードフレーム等にダイボンディングして半導体装置あるいは電子部品を組み立てる際に、融点が３００℃前後のＡｕ／２０質量％Ｓｎ（Ａｕが２０質量％で残部がＳｎ）に代表されるＡｕ系のろう材や、Ｐｂ／５質量％Ｓｎ（Ｐｂが５質量％で残部がＳｎ）に代表されるＰｂ系のろう材が使用されている。

ダイボンディング用として、融点が３００℃前後のこれらのろう材が使用されるのは、組み立てた半導体装置のプリント基板への実装は、温度が２４０〜２６０℃、加熱時間が１０秒以下という条件で行われ、この際にダイボンディング時に使用されたろう材が再溶解し、ボイド生成による性能劣化を起こすのを、防止するためである。また、電子部品の組立てにおいては、後工程で行われるステップろう付けの温度が２２０〜２６０℃であるため、前工程で用いたろう材が再溶解することを防止するために、同様に高い融点のろう材が使用される。なお、これらのろう材は、４３０℃以下でのダイボンディングの際に溶融する必要があるため、融点は４２５℃以下とする必要がある。

しかし、Ａｕ系のろう材は価格が高いという問題があり、Ｐｂ系のろう材は環境汚染という問題がある。したがって、安価で、Ｐｂを含まず、ろう材の溶解温度が２６０℃以上で、４３０℃以下でろう付けが可能であり、さらに良好な濡れ性を有するろう材の提供が求められている。

こうした要望をかなえるべく提案されたものの一つとして、特開２００１−１４４１１１号公報には、Ｆｅ、Ｎｉのうち少なくとも１種を０．００５〜５．０質量％を含み、好ましくはＡｇ０．１〜２０質量％、またはＣｕ０．００５〜９質量％、またはＡｇ０．１〜１５質量％とＣｕ０．００５〜５質量％を含み、さらにはＳｂ０．１〜１５質量％を含み、残部が実質的にＳｎからなる半田材料が開示されている。

また、特開２００１−２８４７９２号公報には、異なる提案として、Ｓｂを１１．０〜２０．０質量％、Ｐを０．０１〜０．２質量％、好ましくはさらにＣｕおよびＮｉの少なくとも１種を０．００５〜５．０質量％含み、残部がＳｎおよび不可避的不純物からなるダイボンディング用半田材料が開示されている。

これらはいずれも、半導体装置をプリント基板に半田により実装する際の高温度にさらしても、ダイボンド部の抵抗変化を小さくすることを目的としている。

しかし、ダイボンディング用半田としてＳｎ／Ｓｂ系半田を用いると、多層金属層のうち、最表層金属であるＡｇが半田材と融合して、半田材の融点を過度に低下させる（特開２００１−１９６３９３号公報、段落番号０００６参照）。このため、特開２００１−１９６３９３号公報では、半導体素子ダイボンディング面に第１の金属被膜と第２の金属被膜をこの順に形成し、第２の金属被膜をＳｎまたはＳｂを含む被膜とし、半田としてＳｎ／Ｓｂ系半田を用いることが提案されている（同公報、段落番号０００８、００１１参照）。また、Ｓｎ／Ｓｂ系半田の実施例において示されたＳｂ濃度上限は２９％である。

しかし、本発明者の行った試験によれば、Ｓｂ濃度が２９％以下のＳｎ／Ｓｂ系半田では、２６０℃の実装温度においてろう材の再溶融が発生し、ボイド生成による性能劣化を生じてしまう。また、ダイボンディング後の半田層に多量のボイドが発生するという新たな問題の発生することがわかった。このボイドの存在は、接合部の熱伝導を阻害することから、長期信頼性を低下させてしまう。
特開２００１−１４４１１１号公報 特開２００１−２８４７９２号公報 特開２００１−１９６３９３号公報

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、半導体素子のダイボンディングや電子部品の組立て等で用いるのに好適で、Ｐｂを含まない新規なＳｎ／Ｓｂ系ろう材の提供を目的とする。

具体的には、ろう材ににおいて必要とされる２６０〜４２５℃の融点を有し、かつ、はんだ材との濡れ性を改善しつつ、接合面におけるボイドの発生を抑制することを目的とする。

本発明のろう材の第１態様は、Ｓｂを３０〜６５質量％、Ｐを０．００１〜０．５質量％を含み、残部がＳｎおよび不可避不純物である。

本発明のろう材の第２態様は、Ｓｂを３０〜６５質量％、Ｐを０．００１〜０．５質量％、Ａｇ、Ｃｕ、ＦｅおよびＮｉのうちの１種以上を合計で０．０１〜５質量％を含み、残部がＳｎおよび不可避不純物である。

本発明の半導体装置の製造方法では、前記のいずれかのろう材を用いて、半導体素子をダイボンディングし、半導体装置を組み立てる。

本発明の半導体装置は、前記のいずれかのろう材を用いて、組み立てられる。

本発明のろう材は、いずれの態様でも、（１）実装温度２６０℃においてろう材の再溶融が少なく、ボイド生成による特性劣化生じず、（２）チップと基板の接合時のろう材の濡れ性が良好で、ボイドの発生も抑止される。

Ｓｂを３０〜６５質量％、Ｐを０．００１〜０．５質量％を含み、残部がＳｎおよび不可避不純物である本発明のろう材により、半導体素子と基板の接合時のろう材の濡れ性が良好で、接合部のボイドの発生も抑止され、半導体装置のプリント基板への実装温度２６０℃におけるろう材の再溶融量が少なく、特性劣化の原因となるボイドの生成をなくすことができる。また、Ａｇ、Ｃｕ、ＦｅおよびＮｉのうちの１種以上を合計で０．０１〜５質量％を含むことにより、熱サイクル性も改善できる。

さらに、本発明による半導体装置の製造方法により、安価で高信頼性の半導体装置を得ることができる。

Ｓｎ／Ｓｂ系合金は、Ｓｂ濃度が３０質量％未満での検討がなされてきたが、プリント基板への実装温度である２６０℃で再溶融し、ボイドが生成するため、使用されてこなかった。

本発明によるろう材の第１態様は、Ｓｂを３０〜６５質量％、Ｐを０．００１〜０．５質量％を含み、残部がＳｎおよび不可避不純物である。

Ｓｂ濃度を３０〜６５質量％としたのは、３０質量％未満では、ダイボンディング後の後工程で用いられる半導体素子をプリント基板に実装する際の２６０℃での処理温度において、液相が多く出て、ろう材が溶融状態になり、ボイド生成による性能劣化を引き起こすためである。また、６５質量％を超えると、融点が４２５℃を超え、ダイボンディングの処理温度である４２５℃では、ろう材は固相状態で、十分に溶融しないため、ダイボンディングが不十分になるからである。

Ｐを添加すると、ボイドの発生がより抑えられる理由は、ろう材溶解時に酸素がＰと優先的に反応し、溶解体表面に酸化膜が発生するのを防止し、濡れ性がより改善されるためであると、本発明者は推定している。

また、本発明のろう材の第２態様は、Ｓｂを３０〜６５質量％、Ｐを０．００１〜０．５質量％、Ａｇ、Ｃｕ、ＦｅおよびＮｉのうちの１種以上を合計で０．０１〜５質量％を含み、残部がＳｎおよび不可避不純物である。本発明のろう材の第２態様は、本発明のろう材の第１態様に、Ａｇ、Ｃｕ、ＦｅおよびＮｉのうちの１種以上を合計で組成全体に対して０．０１〜５質量％添加し、分散させる。本発明のろう材の第２態様では、熱サイクル性がより改善される。

本発明のろう材の第１態様および第２態様は、半導体装置の作製に適用するに際して、従来の工程や条件を何ら変更することなく用いることができる。

また、本発明のろう材を用いて製造した半導体装置は、ダイボンディング時のボイド発生や、プリント基板への実装温度である２６０℃でのろう材の再溶融によるボイド生成が生じないため、高い長期信頼性を有する。

（実施例１〜２０）
それぞれ純度９９．９％のＳｎ、Ｓｂ、Ｐを用いて、表１に示す組成のＳｎ合金を、大気溶解炉により溶製し、１ｍｍφに押し出し加工を行い、ワイヤー形状のろう材を作製した。

濡れ性評価として、前記ろう材を４３０℃、窒素気流中で銅板に押し付けて溶解後に、窒素雰囲気中で冷却した。

次に、接合信頼性の評価として、前記１ｍｍφのワイヤー形状であるろう材と、ダイボンダーとを用い、シリコンのダイボンディング面にＡｕを蒸着して作成したダミーチップを、銅製のリードフレームにダイボンディングした。さらに、エポキシ樹脂でモールドし、−５０℃／１５０℃の温度サイクル試験を５００サイクル実施した。

次いで、モールドしたものの一部を実装基板に、加熱温度２６０℃、加熱時間１０秒の条件で実装し、実装後、チップや接合部の異常の有無と、ろう材部のボイドの有無とを調べた。その結果、いずれも異常は見られず、ボイドも確認できなかった。

（比較例１〜７）
それぞれ純度９９．９％のＳｎ、Ｓｂ、Ｐを用いて、表２に示す組成のＳｎ合金を大気溶解炉により溶製し、１ｍｍφに押し出し加工を行い、ワイヤー形状のろう材を作製した。

濡れ性評価として、前記ろう材を４３０℃、窒素気流中で銅板に押し付けて溶解後に、窒素雰囲気中で冷却した。

次に、接合信頼性の評価として、前記１ｍｍφのワイヤー形状であるろう材と、ダイボンダーとを用い、シリコンのダイボンディング面にＡｕを蒸着して作成したダミーチップを、銅製のリードフレームにダイボンディングした。さらに、エポキシ樹脂でモールドし、−５０℃／１５０℃の温度サイクル試験を５００サイクル実施した。

次いで、モールドしたものの一部を実装基板に、加熱温度２６０℃、加熱時間１０秒の条件で実装し、実装後、チップや接合部の異常の有無と、ろう材部のボイドの有無とを調べた。その結果、いずれも異常が見られ、ボイドが確認できた。

Claims (4)

1. Ｓｂを３０〜６５質量％、Ｐを０．００１〜０．５質量％を含み、残部がＳｎおよび不可避不純物であることを特徴とするろう材。
2. Ｓｂを３０〜６５質量％、Ｐを０．００１〜０．５質量％、Ａｇ、Ｃｕ、ＦｅおよびＮｉのうちの１種以上を合計で０．０１〜５質量％を含み、残部がＳｎおよび不可避不純物であることを特徴とするろう材。
3. 請求項１、２のいずれかに記載のろう材を用いて、半導体素子をダイボンディングし、半導体装置を組み立てる半導体装置の製造方法。
4. 請求項１、２のいずれかに記載のろう材を用いて、組み立てられたことを特徴とする半導体装置。