JP2007324447A - 電子部品搭載用基板、電子部品および電子装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】長期にわたり表面酸化を防止することができ、フラックスレス、低温で接続可能、かつ微細パターン形成が可能なはんだ膜を提供する。
【解決手段】基材1と、この基材に形成されたメタライズ層2〜4と、このメタライズ層4表面の一部に形成されたBi−Snを主成分とするはんだ部5とからなる電子部品搭載用基板300または電子部品において、前記Bi−Snを主成分とするはんだ部5表面にAg膜6が形成することで、表面酸化を防止する。またAuメタライズ層12またはAuバンプと接続することで、Au−Sn化合物部13とBiリッチ部14を形成し、接続部の耐熱性を向上させる。
【選択図】図2

Description

本発明は、メタライズ層上にはんだ膜を形成した電子部品搭載用基板、接続部にはんだ膜を形成した電子部品およびそれらを用いた電子装置に関する。
基板および電子部品の電極にはんだ部を形成し、このはんだ部を用いて電子部品を接続することは、多くの製品で実施されている。
その第1例は、ヒートシンクとなるセラミック基板上に、電極となるメタライズ層を形成し、このメタライズ層上にはんだ膜を形成するヒートシンク基板である。この基板のはんだ膜に、CD、DVD等の光記録用あるいは通信用の光素子の電極メタライズ層が押し付けられ、その状態ではんだを溶融させて接続が行われる。セラミック基板へのはんだ供給方法は、セラミック基板表面に形成された電極メタライズ層上に、フォトリソグラフィー技術を用いてレジストによるパターンを形成し、その後、蒸着、スパッタなどの方法ではんだ膜を形成し、レジストと余分なはんだを取り除いてパターンを形成するリフトオフ法が好適である。他には、セラミック基板上に電極メタライズ層を形成し、めっき法によりはんだ膜を形成することもある。
第2例は、ベースとなる基板上にはんだを供給し、この上に半導体チップを載せて接続する半導体パッケージである。半導体チップの回路形成面を上にするフェースアップ実装では、半導体チップのダイボンディング工程がこれに該当する。この場合、ダイボンディング後、半導体チップ上面の電極から、リードフレームへワイヤーボンディングにより接続を行い、全体を樹脂でモールドする構造が一般的である。この場合のはんだ供給方法は、ベース基板上にはんだペーストを印刷する、またはシート状のはんだ剤をベース基板に載せるものである。
第3例は、半導体パッケージ内におけるフェースダウン実装である。ベースとなるセラミック基板、ビルドアップ基板、メタルコア基板等の上にはんだを供給し、リフローによりはんだバンプを形成する。その上に、半導体チップの回路形成面を下にして、半導体チップの電極をはんだバンプに押し当てて接続する。その後、全体を樹脂でモールドする。半導体チップと基板は電気的に接続されており、基板内の配線により、基板下面の電極へ信号が取り出される構造となっている。
この第3例では、基板側へのはんだパターン形成が、マスクなどを用いたはんだペーストの印刷では難しくなってきている。その理由は、半導体チップの電極は、微細な幅、間隔で形成されており、これに対応する基板側の電極にも同様の幅、間隔が求められており、このような電極幅、間隔に対して、はんだペーストを印刷するのは容易ではないからである。近年、基板の電極メタライズ層上に粘着剤を付着させ、この上にはんだの微粉末を付着させてからリフローを行い、はんだバンプを形成する技術が開発されている。
以下、実施例で参照する非特許文献を挙げておく。ここで、非特許文献1は熱化学分野の教科書である。非特許文献2は金/錫薄膜の相互拡散に関する論文である。非特許文献3と非特許文献4は、それぞれ3元合金系と2元合金系の状態図のハンドブックである。
O. Kubachewski et al. "MATERIALS THERMOCHEMISTRY"、Sixth Edition, 1993年4月、P258、Pergamon Pr S. Nakahara et al. "ROOM TEMPERATURE INTERDIFFUSION STUDIES OF Au/Sn THIN FILM COUPLES"、Thin Solid Films,‘84(1981)185-196、Elsevier Sequoia P. Villars et al. "Handbook of Ternary Alloy Phase Diagrams"、ASM International T. Massaski et al. "Binary Alloy Phase Diagrams"、Second Edition、ASM International
本発明が解決しようとする課題について適用製品毎に説明する。
第1例では、近年、高出力でサイズの大きな光素子をセラミック製のヒートシンク基板に実装することが多くなっている。この場合の第1の課題は、光素子の発熱量が大きくなることから、ヒートシンクへの高い放熱性を確保することが挙げられる。すなわち、はんだ接続部に大きなボイド、濡れ不良などが存在すると、放熱性が低下して、光素子の発光効率が低下してしまうので、はんだの濡れ性を確保することが重要である。第2課題は、光素子への残留応力の低減である。従来、特に通信用の光素子の実装にはクリープ特性に優れた硬いAu−20Snが使用されていた。しかし、光記録用の電子製品においては、光素子への残留応力を低減して、信頼性を向上させることが求められる。このためには、はんだ自体が軟らかく、応力緩和できる特性を有するか、あるいは接続温度が低く、接続後に発生する残留応力が小さくなる必要がある。その他の課題は、接続後の信頼性である。接続後に加熱工程がある場合に、接続部が劣化しないこと、そして、その後の長期稼動において、接続部が極端な劣化を引き起こさないことが重要である。
第2例は、半導体パッケージ内における半導体チップのダイボンディングであり、特に接続部の耐熱性が第1課題である。樹脂モールドした半導体パッケージを、Sn−Ag−CuなどのPbフリーはんだで別の基板に実装する場合、240〜260℃に加熱されるので、ダイボンディング部には、この加熱に耐えることが要求される。また、半導体チップで発生した熱を放熱させるために、ダイボンディング部にはボイドが少ないことが望ましいので、はんだの濡れ性の確保が第2の課題である。
第3例は、半導体パッケージ内における半導体チップの基板上への接続であり、まず、はんだの供給方法が第1の課題である。すなわち、半導体チップに形成された微細な電極幅、間隔で、はんだを基板か、半導体チップか、どちらかに供給しなければならない。当然、接続時にはブリッジなどの不良が発生しないことが求められる。さらに接続部にボイドが存在すると、後の稼動時の温度サイクルなどで断線の原因となるので、はんだの濡れ性の確保が第2の課題である。そして、両者の接続後、全体が樹脂モールドされ、プリント基板等にPbフリーはんだで接続されるので、半導体チップと基板の接続部の耐熱性が第3の課題である。さらに、稼動時の温度サイクル、高温環境に耐えることが、第4の課題である。
以上をまとめると、本発明は(1)はんだが高い濡れ性を有すること、(2)はんだ自体に残留応力を緩和できる特性、すなわち軟らかく変形できるか、あるいは低い温度で実装できる特性が備わっていること、(3)微細なパターンにはんだを供給することが可能であること、(4)接続後のはんだ部の耐熱性が高いこと、(5)接続後の製品稼動時に、温度サイクル等で接続部が簡単に破断に至らず、十分な信頼性を有すること、(6)接続後の製品稼動時に、高温環境にさらされても、接続部が極端な劣化を起こさず、十分な信頼性を有すること、後述する(7)課題のうち、の少なくとも一つを解決することにある。
以上のように背景技術に対する課題をまとめたが、今後、電子製品の実装には、益々、小形化、高密度化が求められる。特に、SiP(System in Package)と呼ばれる実装形態は、小形・高密度実装を実現する一つの有力な構造であるが、この分野では、異なる役割を有する半導体チップを積層して、高密度実装を実現している。これまでは、例えば、半導体チップをフェースアップで基板上に複数積層し、それぞれをワイヤーボンディングで基板上に接続して、各半導体チップ間の電気的接続を得る構造が開発されている。しかし、更なる高密度実装を実現するためには、ワイヤーボンディングを使用する構造は、パッケージ寸法が大きくなるし、高速での動作にも不利な場合がある。そこで、半導体チップに貫通電極を形成し、回路形成面と反対側に形成した電極を連結させ、半導体チップを積層する構造が考えられる。この場合、数10マイクロメートルから、将来的には数マイクロメートルレベルの幅、間隔の電極を接続することが必要と考えられる。
上記の場合、半導体チップの積層は、切断後の個別のチップの積層、あるいはウェハ状態での積層が考えられる。いずれの場合も、上記課題のうち特に課題(1)(3)(4)(5)(6)が重要である。課題(2)は、半導体同士(例えばSi同士)の接続(積層)となるので、この部分では大きな課題とならないことが予測される。
また、以上に述べたような光素子や半導体チップの接続、積層においては、従来用いられていた、はんだの濡れ性改善の有力な手段、すなわち、はんだ表面酸化膜を還元するフラックスを使用することはできない。光素子の場合は、フラックスの洗浄工程で特性劣化を起こす懸念があるし、半導体チップの接続では、微細な幅、間隔の電極を接続するので、フラックスの洗浄液が十分に電極間、チップ間に入りきらず、フラックス残渣が残ってしまう懸念がある。これは、配線部を腐食させ、電子部品の故障の原因になる可能性がある。したがって、上記六つの課題に加え、本発明が解決しようとする課題には、(7)フラックスレスで接続可能なはんだを供給すること、が挙げられる。
上記課題の少なくとも一つを解決するために、本発明では、基板、あるいは電子部品の電極メタライズ層上に、BiとSnを主成分とするはんだ(以下、Bi−Snはんだ)膜を形成し、その上にAg膜、あるいはAg/Auの二層膜を形成する。これ以外には、Bi−Snはんだ部の表面近傍をBiリッチ層として、その上にAu膜、あるいはAg膜、あるいはAg/Auの二層膜を形成する。Bi−Snはんだ部のBi濃度は、21重量%以上99.9重量%以下(以降、重量%をwt%と表記する)とする。はんだ膜の形成は、フォトリソグラフィー技術による微細なマスクパターン形成後、蒸着、またはスパッタにより行う。
以下に、上記手段により、上記(1)ないし(7)の課題が解決される根拠を示す。
はんだの濡れ性を阻害する最大の要因は、はんだ表面に形成される酸化膜である。特にSnを主成分とするはんだにおいては、Sn酸化物が表面に形成され、はんだの濡れ性を低下させる。本発明では、Bi−Snはんだ部表面にAg膜、Au膜またはAg/Auの二層膜を形成する。Ag、Auは共に、大気中で酸素により酸化されない金属である。したがって、Bi−Snはんだ部の酸化を防止することができ、高い濡れ性を実現するとともに、フラックスを使用せずに接続を行うことが可能である。(1)および(7)が、上記により解決される。
本発明では、Bi−Snはんだ部のBi濃度を21wt%以上99.9wt%以下としている。これは、Bi−Sn共晶が現れる組成範囲である。すなわち、Bi濃度が21wt%以上99.9wt%以下では、共晶温度139℃で、必ずはんだの一部が溶融するので、接続を行うことができる。したがって、接続温度を、従来のPbフリーはんだの240〜260℃に比べて大幅に低下させることが可能である。接続温度を下げた分、接続後の残留応力を低減することができるので、(2)の課題は解決される。またBi−Snはんだそのものの変形も、残留応力を緩和させる働きを有する。
本発明では、はんだの供給を、フォトリソグラフィー技術によるマスクパターン形成と、蒸着あるいはスパッタによるはんだ膜形成により行う。したがって、課題(3)は解決される。
課題(4)に対しては、Bi−Snはんだ部は、共晶を含むので、必ずはんだの一部は139℃で溶融するので、この状態では、接続部の耐熱性が高いとは言えない。しかし、このはんだと、Auメタライズ層あるいはAuバンプを接続する際には、SnとAuの反応によりAu−Sn化合物が生成し、高融点なAu−Sn化合物(例えばAuSn:融点419℃)とBiによる接続組織を形成することが可能である。Biは271℃の融点であるので、Au−Sn化合物とBiの接続組織であれば、低い接続温度で高い耐熱性を実現することも可能であり、課題(4)が解決される。また、このような状態は、半導体チップの稼動時の高温環境において、Sn、Au、Bi等の拡散に対して安定な接続組織であり、(6)も解決される。
課題(5)は、光素子をヒートシンク基板へ接続する場合は、ヒートシンク基板の熱膨張率をできるだけ光素子の熱膨張率に合わせるので、温度サイクルによる接続部の劣化はほとんどなく解決される。また、半導体チップを基板上へ接続する場合には、温度サイクルによる歪みが接続部に発生するが、チップサイズ、基板の材質などを最適化して構造設計することで、接続部に高い信頼性を持たせることは可能である。さらにSiの半導体チップを積層する場合には、接続部の上下の材質がSiであり熱膨張率が同じであるため、接続部には大きな歪みが発生しない。したがって、温度サイクルで接続部が破断しないので、課題(5)を解決することができる。
以上のように解決手段を述べたが、各々の実施例で異なる部分があるので、詳細は実施例で述べる。
本発明に拠れば、上述した課題の少なくとも一つが解決できるので、はんだ付け部の信頼性に優れた電子部品搭載用基板、電子部品および電子装置を提供できる。
以下本発明の実施の形態について、実施例を用い図面を参照しながら説明する。なお、実質同一部分には同じ参照番号を振り、説明は繰り返さない。
実施例1を図1ないし図3を用いて説明する。実施例1は、光素子を実装するためのヒートシンク基板とはんだ部の構造に関するものである。ここで、図1ははんだ層を形成したセラミック基板(ヒートシンク基板)の断面図である。図2は光素子を実装したセラミック基板と光素子の断面図である。図3はAu−Bi−Snの三元平衡状態図の200℃における等温断面図である。なお、図3は非特許文献3に記載の等温断面図に補助線を加えたものである。
図1において、電子部品搭載用基板300Aは、セラミック基板1の上下面に、接着層としてのTi層2、バリア層としてのPt層3、はんだ接続のためのAu層4が形成されている。上面側には、さらにその上にBi−Snはんだ部5と、その上に酸化防止のためのAg膜6が形成された構造である。
セラミック基板1には、SiC、AlNなどのセラミックが、高絶縁、高放熱で、かつGaAs光素子に近い熱膨張率を有し好適である。Tiは0.1μm、Ptは0.2μm、Auは0.2μmなどの厚さとすることができる。セラミック基板1の下面にも、Ti/Pt/Auメタライズ層を形成しているのは、ヒートシンク基板を別のパッケージにはんだ付けできるようにするためである。Bi−Snはんだ部5の厚さは、3μm〜5μm程度の厚さが好適で、Ag膜は0.1μm程度の厚さで、酸化防止能力を発揮する。また、Bi−Snはんだ部5の組成は、Bi濃度57%の共晶とした。Bi濃度の上限、下限の規定については、実施例3で詳細に説明する。
次に、これらのメタライズ層およびはんだ膜の製造プロセスに関し説明する。まず、Ti/Pt/Auメタライズ層は、蒸着、あるいはスパッタにより、セラミック基板1上に形成され、フォトリソグラフィー技術によるレジストのマスクパターンを形成後、ミリング処理によってメタライズ層のパターン形成が行われる。次に、フォトリソグラフィー技術により、再び、レジストによるはんだのマスクパターンが形成され、Bi−Snはんだ部5およびAg膜6が、蒸着、あるいはスパッタで形成される。リフトオフにより余分なBi−Snはんだ部5とAg膜6が除去され、洗浄によりレジストが除去されて、セラミック基板1上にはんだパターンが形成される。最後に固片に切断されると、断面構造が図1の状態になる。
図2において、GaAs光素子10には、Ti/Ptメタライズ層11およびAuメタライズ層12が形成されている。これを、ヒートシンク基板1のAg膜6上に押し当て、Bi−Snの共晶温度139℃以上に加熱することで、Bi−Snが完全に溶融し、直ちにAg膜6もBi−Sn中に溶融して、Bi−Sn−Ag融体が、Auメタライズ層12に濡れ広がる。この時、はんだ中のSnと、メタライズ層のAuの結合力が強いため、AuとSnが化合物を形成する。温度に依存するが、160〜180℃で、数十秒から1分程度も加熱すれば、はんだ中のSnがほぼ完全にAuメタライズ層12と反応し、図2のように、はんだの中心にBiリッチ部14と、その上下にAu−Sn化合物部13が形成される。ここで、AgはBiリッチ部14あるいはAu−Sn化合物部13に固溶した状態となっている。
実施例1に拠れば、(1)Ag膜6によりBi−Snはんだ部5の酸化が防止され、濡れ性が良い。(2)接続温度が160〜180℃程度でよく、Au−20Sn(融点278℃)、Sn−Ag−Cu(融点217℃)などに比べて低いので、接続後の残留応力は、これらに比べてかなり低い。(3)フォトリソグラフィー技術を用いるので微細パターンを形成できる。(4)接続によりAu−Sn化合物部とBiリッチ部に変化するので、再び共晶温度139℃以上の接続温度に加熱しても、完全には溶融せず、耐熱性が高い。(5)GaAs光素子とセラミック基板1の熱膨張率がほぼ一致しているので、温度サイクルによる歪みが小さく、信頼性が高い。(6)はんだ中のSnが既に、GaAs光素子10のAuメタライズ層12と反応しているので、高温状態に置かれても、接続部におけるSnやAuの拡散が、これ以上進行しない。したがって、カーケンダルボイドなどが大量に発生して、接続部が極端な劣化を生じることがない。(7)Ag膜6により表面酸化が防止されているので、フラックスレスでも問題なく接続することができる。以上のように、実施例1の構造とすることで、信頼性の高いヒートシンク基板への光素子接続を実現することができる。
ここで、カーケンダルボイドは、異種金属の相互拡散において、拡散速度に違いがあるとき、見かけ上一方向に拡散している様に見え(カーケンダル効果)、拡散速度の速い金属中に発生するボイドである。カーケンダルボイドが成長するとクラックに発展し、はんだ接合が破壊される虞がある。
以下に、実施例1の構造で、上記に述べた効果が得られることを金属学的に説明する。
まず、Ag膜により、酸化防止効果が得られることについて説明する。酸化防止膜と言えば、基板電極へのフラッシュAuめっきなど、Auが代表的な金属である。Agは、Auよりも酸化されやすい性質を持つが、大気中の酸素により酸化されない金属である。
Agの通常の酸化反応は、次の化学式で表される。
2Ag+1/2O → AgO (1)
この反応式が、どのような温度、酸素分圧で右方向へ進むかは、この反応のギブスの自由エネルギーから計算することができる。
ギブスの自由エネルギーΔGは、エンタルピーΔHとエントロピーΔSと絶対温度Tを用いて、次のように表される。
ΔG=ΔH−TΔS
非特許文献1より、標準状態25℃におけるΔH=31.1kJ/mol、ΔS=120.9J/K/molである。これより標準状態25℃におけるAg2Oの標準生成自由エネルギーは、
ΔG=31.1−298×0.1209
=−4.9282 kJ/mol
となる。これを元に、Ag2Oの生成/分解の酸素分圧の境界、すなわち解離圧を求める。
ΔG=ΔG+RTlnK (2)
K=a(Ag2O)/(a (Ag)×PO) (3)
Rは気体定数、Kは平衡定数で(3)式のように表され、aはそれぞれの活量、POは酸素分圧である。AgOの解離圧では、(2)式の左辺のΔG=0、(3)式のa(Ag2O)=1、a (Ag)=1、より、
ΔG=RTlnPO
したがって、先に求めたΔGと、気体定数R=8.314kJ/Kmol、温度298K(25℃)を用いてPOを計算すると、
PO=0.998 気圧(atm)
となる。大気圧1atm中の酸素濃度は21%なので、酸素分圧は0.21atmとなり、AgOの解離圧より小さい。したがって、25℃の大気中では、Agは酸化されないことになる。以上より、Ag膜を形成することで、Ag自身が大気中25℃でも酸化されないので、酸化を防止する効果があることがわかる。
次に、水分の存在する環境下におけるAg膜による酸化防止効果について述べる。基板や電子部品は、通常、クリーンルーム内で製造され、湿度を低く一定に保ったデシケータ内で保管される。したがって、デシケータ内での水分による酸化は無視できるが、洗浄工程などの洗浄液中に水分が含まれる場合、はんだ表面の腐食(酸化)が懸念される。
図1において、Bi−Snはんだ部の上に、Bi、Snよりも貴な金属であるAgが接触しており、側面においてBi−Snはんだ部が露出した構造になっている。この側面でのBi−Snはんだ部の露出した構造は、リフトオフ工程によって形成することができる。水分による腐食が進行する場合、いわゆる電池反応により、側面の露出している、より卑な金属であるSnが一方的にイオン化されることになる。したがってSnが残っている限り、Agは腐食を受けない。すなわち、側面の一部のみが腐食(酸化)され、接続面のほぼ全体を占めるAg膜の表面は酸化されないことになる。以上より、Bi−Snはんだ部を溶融させて光素子を接続する場合、接続を阻害する酸化膜は側面の一部に存在するのみで、ほとんど悪影響を与えないので、Ag膜によりはんだ部表面の酸化を防止して、高い濡れ性を実現することができる。
次に、Bi−Snはんだ部5の上に形成したAg膜6の酸化防止効果の持続性について以下に説明する。特に、本実施例においては、Bi−Snはんだ部5の表面に、直接Au膜を形成しない理由を併せて説明する。
既に述べたように、酸化防止層として通常使用される金属はAuである。しかし、本実施例においては、Bi−Snはんだ部の表面にそのままAu膜を形成するのを避けている。Sn主体のはんだ表面にAu膜を形成した場合、ある程度の酸化防止効果が得られるが、問題はその酸化防止効果の持続性である。
AuとSnの相互拡散はかなり速いことが、非特許文献2において報告されている。非特許文献2は、特にSn中へのAuが速いことが示されている。この報告を元に考えると、共晶などの組織を形成したBi−Snはんだ上に直接Au膜を形成すると、比較的温度の高い環境に放置された場合、Sn中にAuが拡散して、酸化防止層としてのAu膜が時間の経過と共に消失してしまう懸念がある。
発明者らは、このような問題を解決すべく検討を行い、上記に詳細に述べたようにAg膜が酸化防止効果を発揮すること、そしてAg膜の酸化防止効果が長期にわたって継続することを明らかにした。Sn主体のはんだ上にAg膜を形成した場合の酸化防止効果に関しては、本願の出願時点で未公開であるが特願2005−126080号に開示している。
本実施例では、Snが含まれるはんだ部の表面に、そのままAu膜を形成する構造を採用していない。これは、AuとSnとの拡散速度が大きいためである。しかし、はんだ部の表面をBiリッチ層として、その表面にAu膜を形成することで、Au膜のSn中への拡散を抑制することができる。またBi−Snはんだ部の表面にAg膜を形成し、その上にAu膜を形成しても、Ag膜が拡散バリアとして作用するので、AuのSn中への拡散を抑制することができる。これらの点については以降の実施例で述べる。
最後に、Auメタライズ層とBi−Snはんだ部の接続時の反応挙動について詳細に説明する。なお、Agは微量なのでここでは無視して、Au−Bi−Snの三元系で考察する。
図3において、Bi−SnはんだとAuメタライズ層との接続では、Bi−Snはんだ中にAuが溶解する。200℃に加熱したとすると、図3のBi−Sn共晶の組成から、Auへ向かって、矢印のようにはんだの組成が移動する。最初は、領域102の液相(Bi−Sn主成分の液体)からスタートし、領域109のAuSn/液相/Bi相共存領域、領域110のAuSn/Bi相/液相共存領域を順に通過し、斜線部の領域111のAuSn/AuSn/Bi相共存領域に至る。この時点で完全に液相が消失し、固体のAu−Sn化合物とBiのみになる。この時のAu濃度は、図3中の点線より、21at%程度である。
これ以上のAu濃度では、図3のように200℃でも液相は発生しない。139℃以上200℃以下では、液相の消失するAu濃度は変化するが、概ね10at%〜20at%で液相は消失する。したがって、Bi−Snはんだ中のAu濃度がこのような濃度に達するまで加熱を行えば、はんだ接続部の耐熱性を高めることができる。なお、Auは極めてはんだ中への溶解速度が速い金属であり(したがって濡れ性を確保する表面層としてフラッシュAuめっき層などで使用されている)、160℃程度の低い接続温度でも溶解が進行する。したがって、上記のような組成の変化が起こる。また、完全に液相が消失するレベルまで到達しなくても、はんだ部のほぼ全体がAu−Sn化合物とBiリッチ部になれば、残る液相はわずかであり、その後の加熱工程で問題にならないように調整することが可能である。
実施例2について、図4を用いて説明する。ここで、図4は、はんだ層を形成したセラミック基板(ヒートシンク基板)の断面図である。実施例2では、Ag膜6の表面にAu膜7が形成されている。実施例1で述べたように、Bi−Snはんだ部5の表面に直接Au膜7を形成すると、接続前に高温環境に曝されると、AuがSn中へ拡散して、Au膜7が消失する可能性がある。そこで実施例2の電子部品搭載用基板300Bでは、Ag膜6により、AuのSn中への拡散を抑制している。この場合の構成は、Bi−Snはんだ部5の厚さが3〜5μm、Ag膜が0.1μm、Au膜が0.1μmである。またこのような膜構成にすることで、139℃以上に加熱した時に、Ag膜6およびAu膜7が、Bi−Snはんだ部5に直ちに溶融して、光素子などを接続することができる。
実施例3について、図5ないし図9を用いて説明する。ここで、図5ないし図7は、はんだ層を形成したセラミック基板(ヒートシンク基板)の断面図である。図8および図9は、Bi−Snの二元平衡状態図である。なお、図8および図9は、非特許文献4から引用した。
実施例3は、Bi−Snはんだ部5に工夫を加えることで、AuのSn中への拡散を抑制する。図5の電子部品搭載用基板300Cは、Bi−Snはんだ部5について、先にBi−Sn合金部9、その後、Biリッチ層8を形成して、その上にAu膜7を形成する。このような構造とすることで、Biリッチ層により、Au膜7のSn中への拡散を抑制することができるので、はんだ表面の酸化の進行を抑制することができる。
図6の電子部品搭載基板300Dは、Biリッチ層8の表面にAg膜6を形成している。また、図7の電子部品搭載基板300Eは、Biリッチ層8、Ag膜6、Au膜7の順で酸化防止層を形成することもできる。
これらの実施例3では、Bi−Snはんだ部の形成は、蒸着またはスパッタを用いるので、予め元の金属の組成を調整することで、容易にBi−Snはんだ部の組成を制御できる。成膜においては、Bi−Sn合金部9の組成を予め共晶組成よりもSnリッチにしておき、その上にBiリッチ層8を形成する。139℃以上の加熱により溶融すると、両者が混合し、Bi−Sn共晶組成の液相とすることが可能である。
以上説明した実施例1ないし実施例3で、Bi−Snはんだ部の表面酸化を防止し、接続する相手側の電子部品のAuメタライズ層と接続した後に、接続部の耐熱性が向上する接続構造に関して詳細に説明した。ここでは、Bi−Snはんだ部の組成選択の方法について、以降の実施例も含め、全実施例に共通のこととして、以下に説明する。
実施例1ないし実施例3では、Bi−Snはんだ表面の酸化を防止して接続性を向上させることが可能である。また、Auメタライズ層やAuバンプを有する部品との接続により、接続部の耐熱性も向上させることができる。この原理は第一の実施例1で述べた通りであり、接続後にAu−Sn化合物部とBiリッチ部を形成するものである。逆に、はんだ中に含まれるSnが非常に多い場合、Bi−Snはんだ部の融点が上昇してしまい、接続温度を高めに設定せざるを得なくなる。そこで、Bi−Sn共晶が含まれる組成範囲、すなわち、Bi濃度21wt%以上99.9wt%以下とする。この組成範囲で、実施例1ないし実施例3の効果が得られることを以下に金属学的に説明する。
図8を参照して、Bi濃度21wt%以上とすることで、139℃で液相が生成することがわかる。基板と部品との接続温度は、融点の20℃〜40℃程度、多少高めならば50℃程度高い温度を選択するのが一般的である。したがって、139℃で溶融するBi−Snはんだならば、例えば160℃〜180℃、多少高めで190℃などが典型的な接続温度と言える。なお、図8の領域201はBi−Sn共存領域、領域202はSn/液相共存領域、領域203はBi/液相共存領域である。
接続を行う際の接続性には、はんだ中の液相の量が影響する。固体と液体が混ざった、シャーベット状態のはんだでも接続は可能であり、経験的には、概ね50%以上の液相が存在すれば、接続可能である。図9を参照して、Bi21wt%において190℃に加熱すれば、190℃の横線がSn/液相共存領域202を横切る長さをa、21wt%で区切られた左側をc、右側をbとすれば、c/aの液相、b/aの固相が生成し、c≒bなので、約50%の液相ができている。従って、基板と部品との接続可能である。これより、Bi濃度の下限の21wt%で、Sn−Ag−Cu、Sn−ZnなどのPbフリーはんだに比べ、低温での接続が可能である。
次にBi濃度に上限を99.9wt%にする理由を説明する。図8より、139℃で溶融するBi−Sn共晶は、Biが99.9wt%まで存在することがわかる。例えば、電極メタライズ層上にBi層を形成し、その表面にBi−Sn合金層を形成すれば、139℃でBi−Sn合金層を溶融させて接続を行うことができる。そしてBi層とBi−Sn合金層のトータルの組成は、各膜厚を設計することで決定できる。すなわちBi層を厚く、Bi−Sn合金層を薄く形成すれば、トータル組成がBi99.9wt%であっても、接続温度190℃などで接続可能である。したがって、実施例1ないし実施例3では、Bi濃度の上限を99.9wt%とする。
実施例4について図10および図11を用いて説明する。実施例4は、半導体チップのダイボンディング部の接続に関するものである。ここで、図10はダイパッドと半導体チップを説明する断面図である。図11は半導体装置を説明する断面図である。
図10に示すダイパッド400は、ベース基板21の片方の表面に、電極22が形成され、その表面の一部に、Bi−Snはんだ部23およびAg膜24が形成されている。一方、半導体チップ25のダイボンディング面には、Ti/Niメタライズ層26とAuメタライズ層27が形成されている。半導体チップ25の上面には、回路部34が形成されており、この回路部とつながる電極パッド28が形成されている。Bi−Snはんだ部23およびAg膜24は、これまでの実施例と同様にフォトリソグラフィー技術によるマスクを使用し、蒸着あるいはスパッタにより形成される。
はんだ部のパターン形成は、フォトリソグラフィー技術によるレジストのマスクパターン以外にも、メタルマスクなどが適用できる。どのような材料のメタルマスクを使用するかは、要求される精度と、はんだパターン形成時の温度と、基板とメタルマスクの線膨張係数の差に依存する。ベース基板がセラミックの場合、メタルマスクの材料は線膨張係数の小さいモリブデン等が好適である。ベース基板が金属の場合、メタルマスクの材料は同じ金属が好適である。
最もパターンの精度が高い方法は、レジストによるマスクパターンと考えられる。しかし、低熱膨張材料によるマスク形成が可能な場合などは、この限りではなく、レジスト以外の材料のマスクも適用できる。このことは、全実施例に共通である。実施例4は、ダイボンディング部のはんだパターンであり、比較的、パターン精度が要求されない部分であるので、上記に述べたようなメタルマスクも適用可能である。
半導体チップ25のAuメタライズ層27を、ベース基板21のAg膜24に押し当てて、139℃以上に加熱することで、Bi−Snはんだ部23が溶融して、Ag膜24も直ちに溶解し、Bi−Sn−Ag融体が形成され、これがAuメタライズ層27と反応して接続される。
図11において、半導体装置500Aは、ダイパッドと半導体チップをダイボンディングした後に、リードフレーム29と、電極パッド28を、ワイヤーボンディング30で接続し、さらに、樹脂31でモールドして構成されている。ダイパッドと半導体チップとの接続部は、Biリッチ部32とAu−Sn化合物部33となっている。Agは元々微量なので、Biリッチ部32あるいはAu−Sn化合物部33に固溶した状態となっている。このような接続状態になるように加熱を行うことで、実施例1で詳細に述べたように、再び加熱しても、接続部が完全に溶融することはない。図示しないが、Au−Bi−Sn三元状態図を詳細に見ると、240℃の再加熱の場合、Au濃度約30at%程度で、再溶融が起こらなくなる。したがって、リードフレーム29を電気製品のプリント基板などに実装する場合、Sn−Ag−Cu系はんだなどを用いることが考えられるが、接続温度240℃〜260℃で、Biリッチ部32とAu−Sn化合物部33が耐えることができる。
なお、図10の酸化防止のAg膜24は、実施例1から3で述べたのと同様の構造とすることができる。また、はんだ部がベース基板21側に形成されているが、Bi−Snはんだ部23およびAg膜24の形成を半導体チップ25側に行い、ベース基板21側にAuメタライズ層27を形成することも可能である。
なお、実施例4では、半導体チップを用いて説明したが抵抗チップ等の電子部品であっても適用可能である。電子部品を搭載する装置は、電子装置である。電子装置は、半導体装置を含む。
実施例5ついて、図12ないし図14を用いて説明する。ここで、図12は、電子基板と半導体チップを説明する断面図である。図13は半導体装置を説明する断面図である。図14は電子基板と半導体チップとの接続状態を説明する断面図である。
図12において、電子基板600Aは、基板36の両面に電極22が形成され、貫通電極37によって連結されている。電子基板600Aの上表面の電極22には、フォトリソグラフィー技術を用いて、Bi−Snはんだ部23およびAg膜24の微細なパターンが形成されている。一方、半導体チップ25は、図示しない回路部と同一の表面上に、電極パッド28とAuバンプ35が形成されている。半導体チップ25を、Auバンプ35とAg膜24およびBi−Snはんだ部23とが当接するように、電子基板600Aに押し当て、139℃以上に加熱して接続する。
図13において、半導体装置500Bは、図12の接続体全体を樹脂31でモールドし、基板35の下面に露出した電極22の表面にPbフリーはんだバンプ38を形成して構成される。はんだバンプ38は、はんだ印刷とリフローで形成する。
図14において、電極パッド28の表面にAuバンプ35があり、その表面には、Au−Sn化合物部33とBiリッチ部32が形成され、基板36側の電極22に接続されている。この接続組織は、これまでの実施例で述べたのと同様の反応による。
図14の接続組織が形成されるように、加熱時間、温度を調節して接続を行うことで、図13のPbフリーはんだバンプ38を用いて、電気製品のプリント基板などへ接続する際に、図14の接続部全体の再溶融を防止することができる。また、はんだ中に含まれるSnが、既にAuバンプ35と反応して、Au−Sn化合物相33に変化しているので、これ以上の反応は起こりにくい。したがって、電気製品に組み込まれて稼動している間に、接続部が高温環境にさらされても、SnやAuの拡散によるカーケンダルボイドなどが多量に発生することがなく、高い信頼性が得られる。
なお、半導体チップ25と基板36の熱膨張率の差により、図14の接続部に集中する懸念があるが、これは、熱膨張率の差以外にも、半導体チップ25のサイズ、接続部の高さ、樹脂31によるモールドの状況なども大きな影響を与える。したがって、歪みによって接続が破断しないように設計を行う。熱膨張率の差の許容度が比較的小さい場合には、半導体チップ25の熱膨張率に比較的近いセラミック基板、許容度が比較的大きい場合にはビルドアップ基板等を、基板36として使用することができる。
なお、実施例4と同様に、図12のAg膜24を含む接続構造は、実施例1から3で述べたのと同様の構造とすることができる。
実施例6について、図15および図16を用いて説明する。ここで、図15は半導体チップを説明する断面図である。図16は半導体装置を説明する断面図である。
図15において、複数の半導体チップ25が三段積層される前の状態を表している。一番上の半導体チップ25Aにおいて、回路部34と連結した電極パッド28の表面に、Bi−Snはんだ部23およびAg膜24が形成されている。電極パッド28とBi−Snはんだ部23とAg膜24とを合わせ、はんだ形成部40と称する。
中段の半導体チップ25Bは、貫通電極39が形成され、回路部34と反対側の表面にある電極パッド28と連結されている。この電極パッド28の表面には、Auバンプ35が形成されている。下面の電極部には、はんだ形成部40が形成されている。
一番下の半導体チップ25Cは、上面の電極パッド28の表面にAuバンプ35が形成され、これが貫通電極39と連結している。貫通電極39は、下面の電極パッド28を介して、回路部34と連結している。また下面には、電極パッド28の表面にAuバンプ35が形成されている。これらは、図中の矢印のように、はんだ形成部40を、Auバンプ35に押し当てて、Bi−Sn共晶の139℃以上に加熱することで接続を行う。この接続は、個別の半導体チップで行っても良いが、Ag膜24で酸化防止されたBi−Snはんだ部23の濡れ性が良好であるので、ウェハ状態で積層が可能である。この状態で、これまでの実施例で述べたように、Bi−Snはんだ部23およびAg膜24は、Auバンプ35と反応して、Au−Sn化合物部およびBiリッチ部が形成され、耐熱性が向上している。
図16において、半導体装置500Cは、図15で説明した積層体と、実施例5の図12で説明した電子基板600Aに類似の電子基板600Bとを接続し、全体を樹脂31でモールドした構成である。積層体と電子基板600Bの接続等は、実施例5と同様である。電子基板600Bと半導体チップ25Cの接続部は、Au−Sn化合物部33とBiリッチ部32が形成されている。上述したように、半導体チップ25の間の接続部も、同様にAu−Sn化合物部33とBiリッチ部32となっているが、これは、基板36との接続前のチップ積層の時点で形成されていたものである。
全てのBi−Snはんだ23、Ag膜24、および接続する相手側のAuバンプ35による接続部は、Auバンプ35、Au−Sn化合物部33、Biリッチ部32に変化しており、再び、139℃以上に加熱されても、接続部の劣化は起こらない。したがって、基板36の下面に、Pbフリーはんだバンプ38を形成する時、あるいはこのはんだバンプを溶融させて、別のプリント基板などに接続する時の加熱があっても、Au−Sn化合物部33およびBiリッチ部32はほとんど溶融しないので、樹脂31のモールド内で、断線やショートなどの不良が発生しない。
実施例6では、半導体チップが三段で積層されているが、積層数はこれに限るものではなく、必要に応じて二段にすることも増やすこともできる。二段にする場合は、図15の中段の半導体チップを省き、上と下の半導体チップを直接接続する。積層数を増やす場合には、中段の半導体チップの数を増やすことで可能である。
以上に述べたような、Bi−Snはんだ部23や、Ag膜24の形成は、フォトリソグラフィー技術によるマスクパターンと、蒸着あるいはスパッタによる成膜で行われるので、数マイクロメートルレベルの微細な電極幅、間隔に対応して、パターン形成が可能である。したがって、半導体チップの小形・高密度な実装が可能である。もう少し幅および間隔が大きい場合には、メタルマスクなどの適用も可能である。また、Bi−Snはんだ部の酸化防止構造は、Ag膜24の構造に限定されるものではなく、実施例1から3に述べたような各種の構造とすることもできる。なお、上述した各実施例において、Ag膜はAgを主成分とする合金でもよい。ここで主成分とは、合金を構成する金属の割合(重量/原子)が最も多い金属成分である。Bi−Snを主成分とするはんだとは、はんだを構成する金属の割合(重量/原子)の上位2成分が、BiとSnとであるはんだである。
上述した実施例1ないし実施例6により、高い濡れ性を有するはんだ膜が提供され、フラックスを使用せずに光素子、あるいは半導体チップを基板上に接続することが可能となる。また、接続する相手としてAuメタライズ層、あるいはAuバンプを選択することで、低い接続温度で接続しても、高い耐熱性が得られる。光素子と基板、あるいは半導体チップと基板、あるいは半導体チップと半導体チップ(半導体チップの積層)の接続では、熱膨張をマッチングさせ、サイズ、材質の最適化を図ることで、温度サイクルに対しても高い信頼性を確保することが可能である。
以上より、光素子をヒートシンク基板へ接続する場合、高い接続歩留りを実現し、光素子への残留応力低減により高い信頼性を実現して、安価で信頼性の高い光部品を提供することができる。また半導体チップの接続の場合、微細な電極幅、間隔で接続を行うことができるので、小形で高密度な実装が可能であり、電気製品の小形化、軽量化に貢献することができる。また、半導体チップの積層の場合には、ウェハ状態での積層も可能であり、安価な半導体装置(電子装置)を提供することができる。
はんだ層を形成したセラミック基板(ヒートシンク基板)の断面図である。 光素子を実装したセラミック基板と光素子の断面図である。 Au−Bi−Snの三元平衡状態図の200℃における等温断面図である。 はんだ層を形成したセラミック基板(ヒートシンク基板)の断面図である。 はんだ層を形成したセラミック基板(ヒートシンク基板)の断面図である。 はんだ層を形成したセラミック基板(ヒートシンク基板)の断面図である。 はんだ層を形成したセラミック基板(ヒートシンク基板)の断面図である。 Bi−Snの二元平衡状態図である。 Bi−Snの二元平衡状態図である。 ダイパッドと半導体チップを説明する断面図である。 半導体装置を説明する断面図である。 電子基板と半導体チップを説明する断面図である。 半導体装置を説明する断面図である。 電子基板と半導体チップとの接続状態を説明する断面図である。 半導体チップを説明する断面図である。 半導体装置を説明する断面図である。
符号の説明
1…セラミック基板、2…Ti層、3…Pt層、4…Au層、5…Bi−Snはんだ部、6…Ag膜、7…Au膜、8…Biリッチ層、9…Bi−Sn合金部、10…GaAs光素子、11…Ti/Ptメタライズ層、12…Auメタライズ層、13…Au−Sn化合物部、14…Biリッチ部、21…ベース基板、22…電極、23…Bi−Snはんだ部、24…Ag膜、25…半導体チップ、26…Ti/Niメタライズ層、27…Auメタライズ層、28電極パッド、29…リードフレーム、30…ワイヤーボンディング、31…樹脂、32…Biリッチ部、33…Au−Sn化合物部、34…回路部、35…Auバンプ、36…基板、37…貫通電極、38…Pbフリーはんだバンプ、39…接続部、40…はんだ形成部、41…Au−Sn化合物部とBiリッチ部で構成される接続部、100…Sn相領域、101…Sn相/液相共存領域、102…液相領域、103…Bi相/液相共存領域、104…Bi相領域、105…Sn相/AuSn4共存領域、106…Sn相/AuSn4/液相共存領域、107…AuSn4/Sn/液相共存領域、108…AuSn2/AuSn4/液相共存領域、109…AuSn2/液相/Bi相共存領域、110…AuSn2/Bi相/液相共存領域、111…AuSn/AuSn2/Bi共存領域、112…Au/Bi/AuSn共存領域、201…Bi−Sn共存領域、202…Sn/液相共存領域、203…Bi/液相共存領域、300…電子部品搭載用基板、400…ダイパッド、500…半導体装置、600…電子基板。

Claims (12)

  1. 基材と、この基材に形成されたメタライズ層と、このメタライズ層表面に形成されたBi−Snを主成分とするはんだ部とからなる電子部品搭載用基板において、
    前記Bi−Snを主成分とするはんだ部表面の電子部品搭載部にAg膜が形成されていることを特徴とする電子部品搭載用基板。
  2. 基材と、この基材に形成されたメタライズ層と、このメタライズ層表面に形成されたBi−Snを主成分とするはんだ部とからなる電子部品搭載用基板において、
    前記Bi−Snを主成分とするはんだ部表面の電子部品搭載部がBiリッチ層で構成され、前記Biリッチ層表面にAu膜またはAg膜が形成されていることを特徴とする電子部品搭載用基板。
  3. 請求項1または請求項2に記載の電子部品搭載用基板であって、
    前記Ag膜表面にAu膜が形成されていることを特徴とする電子部品搭載用基板。
  4. 請求項1または請求項2に記載の電子部品搭載用基板であって、
    前記Bi−Snを主成分とするはんだ部のBi濃度が21重量%以上99.9%重量以下であることを特徴とする電子部品搭載用基板。
  5. 請求項1または請求項2に記載の電子部品搭載用基板であって、
    前記Ag膜はAgを主成分とする合金であることを特徴とする電子部品搭載用基板。
  6. 基材と、この基材に形成されたメタライズ層と、このメタライズ層表面の一部に形成されたBi−Snを主成分とするはんだ部とからなる電子部品において、
    前記Bi−Snを主成分とするはんだ部表面にAg膜が形成されていることを特徴とする電子部品。
  7. 基材と、この基材に形成されたメタライズ層と、このメタライズ層表面に形成されたBi−Snを主成分とするはんだ部とからなる電子部品において、
    前記Bi−Snを主成分とするはんだ部表面がBiリッチ層で構成され、
    前記Biリッチ層表面にAu膜またはAg膜が形成されていることを特徴とする電子部品。
  8. 請求項6または請求項7に記載の電子部品であって、
    前記Ag膜表面にAu膜が形成されていることを特徴とする電子部品。
  9. 請求項6または請求項7に記載の電子部品であって、
    前記Bi−Snを主成分とするはんだ部のBi濃度が21重量%以上99.9重量%以下であることを特徴とする電子部品。
  10. 請求項6または請求項7に記載の電子部品であって、前記Ag膜が、Agを主成分とする合金であることを特徴とする電子部品。
  11. 電子部品を電子基板に実装された電子装置において、
    前記電子基板は、基材と、この基材に形成されたメタライズ層と、このメタライズ層表面に形成されたBi−Snを主成分とするはんだ部とからなり、前記Bi−Snを主成分とするはんだ部表面にAg膜が形成され、
    前記電子部品は、前記電子基板との接続部表面にAuメタライズ層またはAバンプを有することを特徴とする接続部を含む電子装置。
  12. 電子部品を電子基板に実装された電子装置において、
    前記電子基板は、基材と、この基材に形成されたメタライズ層と、このメタライズ層表面に形成されたBi−Snを主成分とするはんだ部とからなり、前記Bi−Snを主成分とするはんだ部表面の電子部品搭載部がBiリッチ層で構成され、前記Biリッチ層表面にAu膜またはAg膜が形成され、
    前記電子部品は、前記電子基板との接続部表面にAuメタライズ層またはAバンプを有することを特徴とする接続部を含む電子装置。
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