JP2007075871A - 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２０〜６５質量％、Ｔｅを０．０１〜５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。あるいは、Ｓｂを２０〜６５質量％、Ｔｅを０．０１〜５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が、温度が２４０〜２６０℃、加熱時間が１０秒以下という条件で行われることから、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、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℃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。

従来、提供されているＳｎ／Ｓｂ系ろう材は、Ｓｂ濃度が１０％を越えるとβ’相の粗大粒が析出するため、かかるβ’相の粗大粒により半導体素子や接合部においてクラックが発生するという欠点がある。

特開２００１−１４４１１１号公報

特開２００１−２８４７９２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、ろう材において、必要とされる２６０〜４２５℃の融点を有し、β’相における粗大粒の析出によるクラック発生を防止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２０〜６５質量％、Ｔｅを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、Ｓｂを２０〜６５質量％、Ｔｅを０．０１〜５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３態様は、Ｓｂを２０〜６５質量％、Ｔｅを０．０１〜５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４態様は、Ｓｂを２０〜６５質量％、Ｔｅを０．０１〜５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組立て方法では、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。

Ｓｂを２０〜６５質量％、Ｔｅを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により、ダイボンディング時に発生するβ’相を微細化し、もってクラックの発生を防止することができる。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。

Ｓｂを２０〜６５質量％、Ｔｅを０．０１〜５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、濡れ性が改善され、ダイボンディング時に半導体素子とろう材との間にボイドが発生することを抑制できる。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。

ＳｎＳｂ系合金はＳｂが２０％以上となると硬くて脆いβ’相が多く析出する合金のため、接合材料としては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２０〜６５質量％、Ｔｅを０．０１〜５質量％を含み、残部がＳｎおよび不可避不純物である。

Ｔｅを添加することにより、発生するβ’相が微細化され、もってクラックの発生を防止できる。Ｔｅ濃度を０．０１〜５質量％としたのは、０．０１質量％未満では、β’相の微細化に十分な効果が得られず、一方、５質量％を超えても、β’相のさらなる微細化の効果は期待できず、コストのみが上昇するからである。

また、Ｓｂ濃度を２０〜６５質量％としたのは、２０質量％未満では、固相融点が２４６℃であるため、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、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４３０℃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。

また、本発明のろう材の第２態様は、Ｓｂを２０〜６５質量％、Ｔｅを０．０１〜５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３態様は、Ｓｂを２０〜６５質量％、Ｔｅを０．０１〜５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やＴｅの添加範囲およびその理由は、第１態様と同様である。

Ｐを添加するのは、濡れ性をより改善し、ダイボンディング時に半導体素子とろう材との間にボイドをより発生させ難くするためである。Ｐが０．００１質量％未満ではこの効果は得られず、０．５質量％を超えて添加しようとすると、低コストでの鋳造が困難になる。

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。

本発明のろう材の第４態様は、本発明のろう材の第３態様に、Ａｇ、Ｃｕ、ＦｅおよびＮｉのうちの１種以上を合計で０．０１〜５質量％添加し、分散させる。本発明のろう材の第４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態様から第４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、β’相の粗大粒の析出による半導体素子や接合におけるクラックの発生を防止できることから、より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、Ｔｅ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。その後、銅板に押し付けて冷却した部分の断面を研磨し、生成しているβ’相の大きさを観察した。

その結果、β’相の大きさはいずれも２０μｍ以下となっていた。これは、Ｔｅの添加による効果と判断できる。

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。その後に、エポキシ樹脂を開封して、接合部の観察を行った。

チップや接合部に割れの発生が無い場合を「良」、割れが発生した場合を「不良」と評価し、その結果を表１に示す。実施例１〜２０のろう材は、接合信頼性に問題がないことがわかる。

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。

（実施例２１〜８０）
それぞれ純度９９．９％のＳｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐの原料を用いて、表２〜５に示す組成とした以外は、実施例１と同様にして、実施例２１〜８０のろう材を作製し、濡れ性評価を行った。

濡れ性評価の結果、β’相の大きさはいずれも２０μｍ以下となっていた。これは、Ｔｅの添加による効果と判断できる。

次に、実施例１と同様にして、接合信頼性の評価を行い、その結果を表２〜５に示す。実施例２１〜８０のろう材は、接合信頼性に問題がないことがわかる。

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。

（実施例８１〜１００）
それぞれ純度９９．９％のＳｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉを用いて、表６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、窒素雰囲気中で徐冷した。徐冷したのは、β’相を粗大化させることにより、より厳しい条件で評価するためである。

その後、銅板に押し付けて徐冷した部分の断面を研磨し、生成しているβ’相の大きさを観察した。

その結果、β’相の大きさはいずれも２０μｍ以下となっていた。これは、Ｔｅの添加による効果と判断できる。

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Ｎｉ、Ｓｂをこの順で蒸着して金属膜を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。その後に、エポキシ樹脂を開封して、接合部の観察を行った。

チップや接合部に割れの発生が無い場合を「良」、割れが発生した場合を「不良」と評価し、その結果を表６に示す。実施例８１〜１００のろう材は、接合信頼性に問題がないことがわかる。

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秒間の条件で、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１〜２０）
それぞれ純度９９．９％のＳｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐの原料を用いて、表７および表８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、窒素雰囲気中で徐冷した。徐冷したのはβ’相を粗大化させることにより、より厳しい条件で評価するためである。

その後、銅板に押し付けて徐冷した部分の断面を研磨し、生成しているβ’相の大きさを観察した。

その結果、β’相の大きさはいずれも１００μｍ前後となっていた。

次に、実施例１と同様にして、接合信頼性の評価を行い、その結果を、表７および表８に示す。いずれの比較例も接合信頼性に問題があることがわかる。

Claims (6)

1. Ｓｂを２０〜６５質量％、Ｔｅを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。
2. Ｓｂを２０〜６５質量％、Ｔｅを０．０１〜５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. Ｓｂを２０〜６５質量％、Ｔｅを０．０１〜５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。
4. Ｓｂを２０〜６５質量％、Ｔｅを０．０１〜５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。
5. 請求項１〜４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。
6. 請求項１〜４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。