JP2005177842A - 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】 ２６０〜４２５℃の融点を有し、かつ、半田材との濡れ性を改善することで、接合部におけるボイドの発生を抑制することが可能なろう材を提供する。
【解決手段】 Ｓｂ３０〜６５質量％と、Ｐ０．００１〜０．５質量％とを含み、残部がＳｎおよび不可避不純物であるろう材、あるいは、Ｓｂ３０〜６５質量％と、Ｐ０．００１〜０．５質量％と、Ａｇ、Ｃｕ、ＦｅおよびＮｉのうちの１種以上を合計で０．０１〜５質量％とを含み、残部がＳｎおよび不可避不純物であるろう材を用いて、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。
【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、電子部品の組立て等に用いられる高温ろう材、特に、Ｐｂを含まない高温ろう材、および、かかる高温ろう材を用いた半導体装置の製造方法ならびに半導体装置に関する。

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系ろう材が使用されている。

組み立てた半導体装置をプリント基板へ実装する温度は、２４０〜２６０℃であり、加熱時間が１０秒以下という条件である。従って、融点が３００℃前後である前記Ａｕ系ろう材またはＰｂ系ろう材をダイボンディング用として使用することにより、ダイボンディング時に使用されたろう材が再溶解してボイド発生に至るという性能劣化要因を防止できる。

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、前述のような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系ろう材は、価格が高いという問題があり、Ｐｂ系ろう材は、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、溶解温度が２６０℃以上であり、４３０℃以下でろう付けが可能であり、かつ、従来よりさらに良好な濡れ性を有するろう材が求められていた。

こうした要望をかなえるべく、例えばＦｅ、Ｎｉのうちの少なくとも１種を０．００５〜５．０質量％含むＳｎ系半田材に、Ａｇ０．１〜２０質量％、Ｃｕ０．００５〜９質量％、Ｓｂ０．１〜１５質量％を適量含ませる技術が開示されている（特開２００１−１４４１１１号公報）。

また、Ｓｂ１１．０〜２０．０質量％、Ｐ０．０１〜０．２質量％を含むＳｎ／Ｓｂ系ダイボンディング用半田材に、ＣｕおよびＮｉの少なくとも１種を０．００５〜５．０質量％を適宜含ませる技術が開示されている（特開２００１−２８４７９２号公報）。

これらの半田材は、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にさらしても、ダイボンディング部の抵抗変化を小さくできる。

一方、ダイボンディング用半田材としてＳｎ／Ｓｂ系合金を用いる際に、半導体素子との濡れ性を確保するため、ＡｕやＡｇを含ませる必要がある（特開２００１−１９６３９３号公報、段落番号０００６参照）。このため、Ａｇを含むＳｎ／Ｓｂ系合金を半田材として用いると、半導体素子ダイボンディング面の多層金属層のうち、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）。従って、半導体素子の接合面（ダイボンディング面）に、例えば、ニッケルを含む第１の金属被膜と、ＳｎまたはＳｂを含む第２の金属被膜とを、この順に形成し、半田材としてＳｎ／Ｓｂ系半田材を第２の金属被膜に対して用いることが提案されている（特開２００１−１９６３９３号公報、段落番号０００８、００１１参照）。このＳｎ／Ｓｂ系半田材の実施例において示された接合部のＳｂ濃度上限は、２９％である（特開２００１−１９６３９３号公報、表２参照）。

しかし、本発明者が行った試験によれば、Ｓｂ濃度が２９％以下のＳｎ／Ｓｂ系半田材では、２６０℃の実装温度において、ろう材の再溶融が発生し、ボイド発生による性能劣化を生じた。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が発生することが分かった。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、半導体装置の長期信頼性を低下させる。なお、Ｓｎ／Ｓｂ系半田材で、３０質量％以上のＳｂを含むものは開発されていない。

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系のろう材、これを用いた半導体装置の製造方法並びに半導体装置を提供することを目的とする。

具体的には、必要とされる２６０〜４２５℃の融点を有し、かつ、半田材との濡れ性を改善しつつ、接合部におけるボイドの発生を抑制することが可能なろう材を提供することを目的とする。

本発明のろう材は、Ｓｂ３０〜６５質量％と、Ｐ０．００１〜０．５質量％とを含み、残部がＳｎおよび不可避不純物である。

あるいは、Ｓｂ３０〜６５質量％と、Ｐ０．００１〜０．５質量％と、Ａｇ、Ｃｕ、ＦｅおよびＮｉのうちの１種以上を合計で０．０１〜５質量％とを含み、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、（１）実装温度２６０℃において、ろう材の再溶融が少なく、（２）チップと基板の接合時のろう材の濡れ性が良好であるため、ボイドの発生が抑止され、ボイド生成による半導体装置の特性劣化を防止できる。そのため、安価で高信頼性の半導体装置を得ることができる。

従来、Ｓｎ／Ｓｂ系合金は、Ｓｂ濃度が３０質量％未満（たとえば、特開２００１−１９６３９３号公報）で、検討がなされてきた。Ｓｂ濃度が３０質量％未満であるのは、従来、使用されているＰｂ／５質量％Ｓｎはんだなどのろう付け温度３６０℃以下と同一温度で作業できることを前提としていたためである。また、Ｓｂ濃度を３０質量％近くまで増やすのは、液相温度の上昇によりろう材の再溶融量を減少することで、ボイドの生成量を減少させるためである。しかし、Ｓｂ濃度が３０質量％未満のＳｎ／Ｓｂ系合金は、プリント基板への実装温度である２６０℃でろう材が一部再溶融し、発生するボイドにより半導体装置の劣化が発生するため、半導体装置の製造におけるろう材として使用できなかった。また、ろう付け時に溶融したろう材表面に酸化膜が形成されやすく、濡れ性の悪さからボイドの生成が発生し、半導体装置の特性が得られなかった。

本発明者は、ろう付け温度はＡｕ／Ｓｉ共晶接合で用いられていた４５０℃以下であれば、半導体装置の特性に影響が無いこと、Ｓｂ濃度を３０質量％以上に増やすと、プリント基板への実装温度である２６０℃に保持しても、ろう材の溶融は少なく、ボイドが発生せず、半導体装置の劣化が無くなること、および、ろう材にＰを適量添加すれば、ろう付け時に溶融したろう材表面に酸化膜の形成が無く、濡れ性が良好で、ボイドが生成しないことの知見を得て、本発明をするに至った。

すなわち、本発明のろう材は、Ｓｂ３０〜６５質量％と、Ｐ０．００１〜０．５質量％とを含み、残部がＳｎおよび不可避不純物からなるＳｂ／Ｓｎ系合金であることを特徴とする。

Ｓｂ濃度が３０質量％未満では、ダイボンディングの後工程で、半導体素子をプリント基板に実装する際の２６０℃での処理おいて、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。また、６５質量％を超えると、融点が４２５℃を超えるので、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となる。

Ｐを添加すると、ボイドの発生がより抑えられる。この理由は、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、別の態様のろう材は、Ｓｂ３０〜６５質量％と、Ｐ０．００１〜０．５質量％と、Ａｇ、Ｃｕ、ＦｅおよびＮｉのうちの１種以上を合計で０．０１〜５質量％とを含み、残部がＳｎおよび不可避不純物からなるＳｂ／Ｓｎ系合金である。この態様のろう材は、前述の態様のろう材に、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、分散させて得られ、熱サイクル性がより改善される。

前記のいずれのろう材においても、半導体装置の製造に適用する際に、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、本発明の半導体装置は、前述のいずれかのろう材を用いて組み立てられ、ダイボンディング時のボイド発生が生じず、プリント基板への実装温度である２６０℃で、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、比較例１〜７）
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に押出し加工を行い、ワイヤー形状のろう材を製造した。

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

次に、接合信頼性の評価として、得られたろう材と、ダイボンダー（Ｄａｇｅ社製、型式ＥＢＤ−２００）とを用いて、シリコンのダイボンディング面にＡｕを蒸着して作製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、さらに、エポキシ樹脂でモールドした。

−５０℃／１５０℃の温度サイクル試験を、５００サイクル、実施した。

次いで、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発生の有無と、ろう材部のボイドの発生の有無とを調べた。

その結果、実施例１〜２０のいずれでも異常は見られず、ボイドも確認できなかった。しかし、比較例１〜７のいずれでも、異常が見られ、ボイドの発生が確認された。

（実施例２１〜３５、比較例８）
表２に示す組成のＳｎ合金を用いた以外は、実施例１と同様に製造および評価を行った。

その結果、実施例２１〜３５のいずれでも異常は見られず、ボイドも確認できなかった。しかし、比較例８では、異常が見られ、ボイドの発生が確認された。

Claims (4)

1. Ｓｂ３０〜６５質量％と、Ｐ０．００１〜０．５質量％とを含み、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. Ｓｂ３０〜６５質量％と、Ｐ０．００１〜０．５質量％と、Ａｇ、Ｃｕ、ＦｅおよびＮｉのうちの１種以上を合計で０．０１〜５質量％とを含み、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および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および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。