JP2009016468A - はんだ接合構造およびはんだバンプ形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】下地層が高バリア性を有し接続信頼性の高いＰｂフリーはんだの接合構造および接合方法を提供すること。
【解決手段】 配線層に対する下地層とＰｂフリーはんだ層との組合せであって、下地層にＮｉ−Ｓｉ系合金を用い、Ｐｂフリーはんだ層にＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金を用い、下地層にＣｕ層を設けた後Ｐｂフリーはんだ層を溶融接続した高バリア性を有するはんだ接合構造。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｐｂフリーはんだの接合構造およびはんだバンプ形成方法に関し、特に、下地層が高バリア性を有し接続信頼性の高いＰｂフリーはんだの接合構造およびはんだバンプ形成方法に関するものである。

近年、携帯電話やＰＤＡ（Personal Digital Assistance）、ノートパソコンなどに代表されるエレクトロニクス製品は、その軽薄化、短小化、高機能化がめざましい。それに伴い、搭載される電子部品についても、多ピン、狭ピッチ、省スペースで高周波対応の部品が要求されてきている。そこで、ウェハレベルのＣＳＰ（Chip Scale Package）やチップを積層するスタックタイプのパッケージが開発されるなど、エレクトロニクスデバイス製造技術も大きな革新が起こっている。

これらのデバイスにおける半導体チップの搭載方式の一つにフリップチップ（Flip Chip）工法が知られている（以下この工法を適宜ＦＣ工法と称する）。ＦＣ工法により形成される電子部材は、半導体チップの上に配線層が形成され、これに下地層を介してはんだ層が形成される（必要に応じて下地層の上下にはＴｉ層やＣｕ層が設けられる場合もある）。ここで用いられるはんだは、微少な球状に成形されたはんだボールであり、チップの加熱により溶融接合できるので、ＦＣ工法は小型化、高密度化に対応できる利点を有する。

下地層を含み、配線層の上からはんだ層の下までの層、いわゆるＵＢＭ（Under Bump Metallization）は、スパッタ法もしくはめっき法で成膜されるのが一般的である。たとえば非特許文献１には、スパッタ法でＴｉ（２００ｎｍ）／Ｎｉ−７Ｖ（４００ｎｍ）／Ｃｕ（３００ｎｍ）のＵＢＭを成膜する技術が開示されている（括弧内の数字は膜厚を示す）。この文献によれば、ＵＢＭとＳｎ−Ｐｂ系はんだ合金の接合部はＮｉ溶出がなく、十分な接続信頼性を有するとされている。なお、下地層としてＮｉ−Ｖ系合金を採用しているのは、純Ｎｉではこれが磁性体であってスパッタ時の生産性が低いためであり、非磁性化させるためである。

現在、ＦＣ工法で用いられるはんだは、Ｓｎ−Ｐｂ系合金が主流である。このＳｎ−Ｐｂはんだ合金は、Ｐｂが含まれるもののＥＵのＲｏＨＳ（Restriction of Hazardous Substances）規制の対象外となっている。その理由は、現時点では、ＦＣ工法に用いることのできる有望なＰｂフリーはんだ合金がないことが挙げられる。しかしながら、環境への配慮から、多くのメーカではＦＣ工法に対応したＰｂフリーはんだ合金を検討している。また、次回のＲｏＨＳ規制改訂では、ＦＣ工法による電極についてもＰｂフリー化が義務付けられる可能性もある。

一方、Ｐｂフリーはんだ自体としては、Ｓｎ−Ｃｕ系合金や、Ｓｎ−Ａｇ系合金が知られている。また、特許文献１にも、Ａｇ：３．０〜５．０ｍａｓｓ％、Ｃｕ：０．５〜３．０ｍａｓｓ％、残部Ｓｎおよび不可避的不純物からなる合金が挙げられている。特許文献１のこのはんだは、長時間の高温放置環境下における接続信頼性維持を確保するためにＡｇが添加されたものである。

また、特許文献２には、はんだボール中のＳｎの拡散に対するバリア性能が優れ、バリアメタル電極およびその周囲に大きな応力を及ぼさない電極構造が開示されている。これは、下地層にＮｉ−Ｖ系合金（ほか、Ｎｉ−Ｗ系合金、Ｎｉ−Ｓｉ系合金）を用い、圧縮応力を示す柱状結晶組織と引張応力を示す粒状結晶組織とからなる膜を真空下で形成し、Ｎｉ酸化膜が形成されないようにし、同時に応力も相殺し、接合信頼性を向上する技術である。

K.Zeng,K.N.Tu: Materials Science and Engineering R38(2002)55. 特開平５−５０２８６号公報 特開２００３−３１５７６号公報

半導体部品等の電子部材の電極端子としてはんだ合金を利用する場合、非特許文献１や特許文献２に開示されるように、リフロー時にシリコン基板側、即ち配線層側にはんだが過度に浸食して接続部の信頼性を損ねるのを防ぐために、Ｎｉ合金からなる下地層を設けている。そして、下地層上にはんだとの濡れ性を確保するためにＣｕ層を形成したのちはんだ層を形成することがおこなわれている。すなわち、下地層としてのＮｉ合金は、はんだ層への溶出ないしはんだ層からのＳｎ等の侵出が少ないこと、すなわちバリア性の高いものでなくてはならない。

しかしながら、本発明者等の検討によると、非特許文献１に記載されるＮｉ−Ｖ系合金の下地層では、Ｓｎを主体とするＰｂフリーはんだに対して十分に満足できるバリア性を得られない場合があることが判明した。特に、ＦＣ工法などで用いられる微細技術においては、Ｐｂフリーはんだの信頼性を確保することは高バリア性を確保することにつながり、バリア性は高ければ高いほど好ましい。

本発明の目的は、下地層が高バリア性を有し接続信頼性の高いＰｂフリーはんだの接合構造および接合方法を提供することである。

本発明者らは、非磁性化のためにＮｉに添加する元素を従来のＶでなくＳｉやＷとした下地層と、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金からなるＰｂフリーはんだとの組合せが極めて優れたバリア性を発揮することを見出し本発明に到達した。

すなわち、本発明は、配線層側に設ける下地層と、Ｐｂフリーはんだ層との組合せであって、下地層にはＮｉ−Ｓｉ系合金またはＮｉ−Ｗ系合金を用い、Ｐｂフリーはんだ層にＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金を用い、下地層にＣｕ層を介在させてＰｂフリーはんだ層を溶融接続することを特徴とする高バリア性はんだ接合構造である。

また、本発明は、はんだの下地層として配線層の上部にＮｉ−Ｓｉ系合金層またはＮｉ−Ｗ系合金層を形成し、濡れ層として下地層の上部にＣｕ層を形成し、Ｐｂフリーはんだ層としてＣｕ層へＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金を溶融搭載することを特徴とするはんだバンプ形成方法である。

なお、本発明では、配線層とＵＢＭ中の下地層との間に、たとえばＴｉ層など別の層が存在することを妨げるものでなく、同様に、ＵＢＭ中の下地層とＰｂフリーはんだ層との間にＣｕ層のほか、適宜従来設けられている層が介在することを妨げるものではない。すなわち、本発明は、下地層（バリア層）とＰｂフリーはんだ層の組成の組合せないし位置関係を規定するものである。

また、これらの発明において、下地層に用いる合金中のＳｉの含有量は、２ｍａｓｓ％〜１０ｍａｓｓ％の範囲内であることが好ましい。また、Ｐｂフリーはんだ層に用いる合金中のＡｇの含有量は０．３ｍａｓｓ％〜３．５ｍａｓｓ％の範囲内であることが好ましい。また、Ｐｂフリーはんだ層に用いる合金中のＣｕの含有量は０．５ｍａｓｓ％〜０．７５ｍａｓｓ％の範囲内であることが好ましい。なお、Ｐｂフリーはんだ層に用いる合金中にはさらに０．０８ｍａｓｓ％以下のＮｉが含まれていてもよい。また、Ｐｂフリーはんだ層に、さらにＧｅを含んだ合金を用いてもよい。

また、本発明は、上記のはんだ接合構造を有する電子部材またははんだバンプ形成方法により接合された電子部材である。

本発明によれば、下地層のＮｉ溶出ないしＵＢＭ境界面化合物の形成を抑制ないし低減でき、Ｐｂフリーはんだの接続信頼性を格段に向上させることが可能となる。

本発明の重要な特徴は、Ｐｂフリーはんだと下地層の組合せにある。

下地層にＮｉ−Ｓｉ系合金を用いる場合は、Ｓｉの含有量を２ｍａｓｓ％〜１０ｍａｓｓ％の範囲内とする。Ｓｉ量を１０ｍａｓｓ％以下とするのは、磁性を低下するには十分であり、これ以上の添加は、電極端子として抵抗値を高めるだけとなってしまうためである。また、Ｓｉ量が少なすぎると磁性を低下しにくく、かつバリア性の向上効果が顕著ではなくなるため、２ｍａｓｓ％以上とする。なお、非磁性化するためには、Ｓｉの含有量を７ｍａｓｓ％以上とする。また、この程度以上であると材料コストがＳｉの含有量に比例するため、以下の実施例では、Ｓｉの含有量を７ｍａｓｓ％として試験を行っている。
なお、配線層に対して下地層であるＮｉ−Ｓｉ系合金は十分に密着するが、さらに密着性を確保する目的で、配線層と下地層の間に密着層としてＴｉ膜もしくはＣｒ膜などを形成してもよい。同様に、ＵＢＭとはんだ層との濡れ性を更に良くするため、Ｃｕ層の上へＡｕ膜を形成してもよい。

下地層にＮｉ−Ｗ系合金を用いる場合は、Ｗの含有量を１８ｍａｓｓ％〜２５ｍａｓｓ％の範囲内とする。非磁性化するためには、Ｎｉ−Ｗ系合金製造における組成バラツキを考慮して、Ｗの含有量を１８ｍａｓｓ％以上とする。またWの添加量が多いほど、電極端子として抵抗値を高めるだけとなってしまい、更には材料コストの上昇に繋がるため、Wの含有量を２５ｍａｓｓ％以下とすることが望ましい。なお、下地層としては、Ｎｉ−Ｓｉ系合金の方がスパッタチャンバ内でのダスト発生が少なく、メンテナンスの頻度が少ないため、生産性が高い。

上記下地層の組成に組み合せるＰｂフリーはんだは、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金、具体的には、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｎｉ合金、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｇｅ合金、またはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｇｅ合金を挙げることができる。

ここで、Ａｇは０．３ｍａｓｓ％〜３．５ｍａｓｓ％、Ｃｕは０．５ｍａｓｓ％〜０．７５ｍａｓｓ％、Ｎｉは０．０８ｍａｓｓ％以下、Ｇｅは０．１ｍａｓｓ％以下の範囲内とする。

Ａｇ量を０．３ｍａｓｓ％以上とするのは、融点が低下し、固−液共存域を広げる効果が確実に得られるためである。一方、Ａｇ量を３．５ｍａｓｓ％以下とするのは、これ以上であるとはんだ内に粗大なＡｇ_３Ｓｎ化合物が形成され接続信頼性が低下してしまうおそれがあるためである。

Ｃｕ量を０．５ｍａｓｓ％以上とするのは、はんだ接合の際、Ｃｕ層からＣｕが下地層中に拡散ないし侵出し、反対に下地層のＮｉが溶出してくるが、この抑制効果を確実に得るためである。一方、Ｃｕ量を０．７５ｍａｓｓ％以下とするのは、これ以上であると、融点の上昇を招き、電子部材に熱損傷を与える可能性が出てくるおそれがあるためであり、また、Ｃｕ量が過剰であると、はんだ内に粗大なＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ化合物が形成され、はんだの延性が損なわれ、接続信頼性の低下のおそれが生じるためである。

また、Ｎｉを合金の添加元素として含有させることもできる。Ｎｉ添加により、その量に従って、ＵＢＭ界面に生成してしまうＣｕ−Ｎｉ−Ｓｎ化合物の厚みを抑制できる。Ｎｉ添加の上限を０．０８ｍａｓｓ％とするのは、０．０８ｍａｓｓ％を超えるとはんだ中のＮｉ溶解度を超え均質なはんだ層が得られなくなるためである。

また、Ｇｅを合金の添加元素として含有させることもできる。Ｇｅ添加によりはんだの表面肌が改善される。Ｇｅの含有量は、０．０２ｍａｓｓ％〜０．１ｍａｓｓ％が好ましい。０．０２ｍａｓｓ％未満であると、はんだの表面肌の改善が判然とせず、一方、０．１ｍａｓｓ％を超えて添加すると、はんだが著しく硬化してしまい、耐落下衝撃性がかえって損なわれるためである。なお、ＧｅはＳｎよりも酸化し易い合金であり、添加量が多くなるとははんだの濡れ性が低下する。

このようなはんだの接合構造を得るには、まず、配線層の上部に、はんだの下地層としてＮｉ−Ｓｉ系合金層を形成する。このとき、配線層と下地層の間に密着性を確保するため、Ｔｉ膜もしくはＣｒ膜などの密着層を形成してもよい。次いで、下地層の上部には濡れ層としてＣｕ層を形成し、Ｐｂフリーはんだ層としてＣｕ層へＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金を溶融搭載すればよい。下地層、密着層そしてＣｕ層は、たとえば、スパッタにより形成し、はんだ層はリフローによりはんだを溶融させ形成することができる。

この時、Ｃｕ層ははんだ層に拡散していき、最終的にＵＢＭとはんだ層との界面にＣｕ−Ｓｎ主体の化合物層（界面化合物）が生成する。場合によってはＣｕ層が一部残存することもある。また、下地層の溶出も皆無とするのは困難であり、Ｎｉ溶出に伴う層（Ｎｉ溶出層）も確認される場合がある。本発明のはんだ接合構造は、このように溶融または拡散により形成された層が存在することを許容し、このような層が存在することを以て本発明の範囲から除外されるものではない。

まず、Ｐｂフリーはんだとしてよく知られているＳｎ−２．３Ａｇ（２．３ｍａｓｓ％のＡｇが含まれた残部Ｓｎおよび不可避的不純物からなる合金。以降の表記方法同じ）を用い、これに対する下地層としてＮｉ−７ＳｉおよびＮｉ―２０Ｗを採用し、Ｎｉ溶出深さを測定した。比較例をＮｉ−７Ｖとした。ここで、下地層の膜厚はいずれも８００ｎｍとし、リフロー温度を２４０℃としリフロー回数を１０回として評価した。Ｎｉ溶出深さは、電子顕微鏡写真の断面積に基づいて算出した。これは、断面組織観察によりおこない、走査型電子顕微鏡（日立製作所製、Ｓ−３５００Ｎ型）を用い、断面組織写真におけるＮｉ溶出の面積を画像処理により求め、単位接合界面長当たりの厚さとして求めた。結果を図１に示す。

図示したように、Ｎｉ−７ＳｉもＮｉ−２０Ｗも溶出深さは三百数十ｎｍであり、Ｎｉ−７Ｖの５２０ｎｍといった深い溶出に比し大幅に改善されることが確認できた。

次に、下地層をＮｉ−７Ｓｉとして固定し、Ｐｂフリーはんだの組成の違いによるＮｉ溶出深さを測定した。あわせて、マイクロショット試験もおこなった。比較例として、下地層をＮｉ−７Ｖとした場合と、Ｎｉ−７Ｓｉとした場合のＣｕ無添加はんだについても測定した。結果を表１に示す。

なお、実施例のＰｂフリーはんだは、Ｓｎ−Ｃｕ系合金へＡｇを添加し、これに、Ｎｉ、Ｇｅを適宜添加して直径０．３ｍｍのはんだボールを成形して作成した。なお、成形には均一液滴噴霧法を用いた。これは、合金を溶解したるつぼから振動を与えつつはんだを排出することにより微小球を製造する方法である。成形に際しての冷却速度は約１００℃／ｓであった。

実施例５と実施例１と比較例２の結果から明らかなように、特定の下地組成とＣｕ添加Ｐｂフリーはんだ組成の組合せにおいて、下地層のＮｉ溶出が著しく抑制できることが確認できた。なお、実施例１と実施例２と比較例１の断面組織写真を図２に示す。図でも明らかなように実施例１と実施例２ではＮｉ溶出量が極めて少なくなることとが確認できる。また、はんだ中にＮｉが添加されていると、界面化合物の粒径が小さくなることも確認できる。

また、はんだバンプに対するマイクロショット試験をおこない、はんだ接合の信頼性も測定した。試料の調製に際しては、まず、ＵＢＭとして、Ｔｉ（２００ｎｍ）／Ｎｉ−７Ｓｉ（８００ｎｍ）／Ｃｕ（８００ｎｍ）の層を形成し基板表面に直径０．３５ｍｍの穴を開けた。これに、直径０．３ｍｍのはんだボールをのせ、基板を２５０℃まで加熱しはんだ付けして試料を作製した。

評価に際しては、小型シャルピー衝撃試験機を用い、重さ２０ｇの振り子を１ｍ／ｓの速度ではんだバンプに衝突させ、はんだが接合界面で破壊する確率を求めた（試験数各２０）。界面とは、ＵＢＭとはんだ層の境界を意味し、ここで破壊するのははんだ接合の強度が低いことを意味する（なお、界面で破壊しないものははんだの中途で破壊しているものである）。試験の概念図を図３に示す。

表１から明らかなように、比較例に比して、実施例では相対的に低い界面破壊確率を示すことが確認できた。特に、実施例１と実施例２と実施例６から明らかなように、Ｎｉを含むはんだ合金を用いた端子は、低い界面破壊確率を示すことがわかった。

次に、実施例１と実施例２の場合につき、リフローを１０回経た後に１５０℃で１０００時間のエージング試験をおこなったときの様子を調べた。断面組織の様子を図４に、界面化合物の厚みとＮｉ溶出深さの経時変化を図５に示す。なお、図４では、撮影の都合上、チップ側が上方に位置した写真となっている。リフローによりはんだ中は既にＮｉ飽和状態となり、Ｎｉ溶出は界面化合物である（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５の成長と共に徐々に溶出されるのみの状態となっていると考えられ、Ｎｉ溶出は極めて緩慢にしか進行しないことが確認できた。また、Ｎｉリフロー後は界面化合物の形状はコブ状であって、コブの谷部を埋めるようにＮｉ溶出が生じると考えられるが、エージング後には、界面化合物の形状は平坦状と変化している。従って、Ｎｉ溶出は界面化合物内を通過しなければならないため、この点からもＮｉ溶出が抑制される。

本発明によれば、信頼性の高いはんだ接合構造が得られるので、たとえば、人工衛星等の過酷な環境下で用いられる電極ないし電子部材にも適用できる。

下地層に用いる合金の違いによるにＮｉ溶出深さを測定した図である。 実施例１と実施例２と比較例１の断面組織写真である。 マイクロショット試験の概要図である。 実施例１と実施例２の場合につき、リフローを１０回経た後に１５０℃で１０００時間のエージング試験をおこなったときの断面組織写真である。 実施例１と実施例２の場合につき、リフローを１０回経た後に１５０℃で１０００時間のエージング試験をおこなったときの界面化合物の厚みとＮｉ溶出深さの経時変化を示した図である。

Claims (17)

1. 配線層側に設ける下地層と、Ｐｂフリーはんだ層との組合せであって、
   下地層にＮｉ−Ｓｉ系合金を用い、
   Ｐｂフリーはんだ層にＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金を用い、
   下地層にＣｕ層を介在させてＰｂフリーはんだ層を溶融接続することを特徴とする高バリア性はんだ接合構造。
2. 下地層に用いる合金中のＳｉの含有量が２ｍａｓｓ％〜１０ｍａｓｓ％の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の高バリア性はんだ接合構造。
3. 配線層側に設ける下地層と、Ｐｂフリーはんだ層との組合せであって、
   下地層にＮｉ−Ｗ系合金を用い、
   Ｐｂフリーはんだ層にＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金を用い、
   下地層にＣｕ層を介在させてＰｂフリーはんだ層を溶融接続することを特徴とする高バリア性はんだ接合構造。
4. 下地層に用いる合金中のＷの含有量が１８ｍａｓｓ％〜２５ｍａｓｓ％の範囲内であることを特徴とする請求項３に記載の高バリア性はんだ接合構造。
5. Ｐｂフリーはんだ層に用いる合金中のＡｇの含有量が０．３ｍａｓｓ％〜３．５ｍａｓｓ％の範囲内であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の高バリア性はんだ接合構造。
6. Ｐｂフリーはんだ層に用いる合金中のＣｕの含有量が０．５ｍａｓｓ％〜０．７５ｍａｓｓ％の範囲内であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の高バリア性はんだ接合構造。
7. Ｐｂフリーはんだ層に用いる合金中にはさらに０．０８ｍａｓｓ％以下のＮｉが含まれていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の高バリア性はんだ接合構造。
8. Ｐｂフリーはんだ層に、さらにＧｅを含んだ合金を用いることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の高バリア性はんだ接合構造。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の高バリア性はんだ接合構造を有する電子部材。
10. はんだの下地層として配線層の上部にＮｉ−Ｓｉ系合金層を形成し、
    濡れ層として下地層の上部にＣｕ層を形成し、
    Ｐｂフリーはんだ層としてＣｕ層へＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金を溶融搭載することを特徴とするはんだバンプ形成方法。
11. 下地層に用いる合金中のＳｉの含有量が２ｍａｓｓ％〜１０ｍａｓｓ％の範囲内であることを特徴とする請求項１０に記載のはんだバンプ形成方法。
12. はんだの下地層として配線層の上部にＮｉ−Ｗ系合金層を形成し、
    濡れ層として下地層の上部にＣｕ層を形成し、
    Ｐｂフリーはんだ層としてＣｕ層へＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金を溶融搭載することを特徴とするはんだバンプ形成方法。
13. 下地層に用いる合金中のＷの含有量が１８ｍａｓｓ％〜２５ｍａｓｓ％の範囲内であることを特徴とする請求項１２に記載のはんだバンプ形成方法。
14. Ｐｂフリーはんだ層に用いる合金中のＡｇの含有量が０．３ｍａｓｓ％〜３．５ｍａｓｓ％の範囲内であることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれかに記載のはんだバンプ形成方法。
15. Ｐｂフリーはんだ層に用いる合金中のＣｕの含有量が０．５ｍａｓｓ％〜０．７５ｍａｓｓ％の範囲内であることを特徴とする請求項１０〜１４のいずれかに記載のはんだバンプ形成方法。
16. Ｐｂフリーはんだ層に用いる合金中にはさらに０．０８ｍａｓｓ％以下のＮｉが含まれていることを特徴とする請求項１０〜１５のいずれかに記載のはんだバンプ形成方法。
17. Ｐｂフリーはんだ層に、さらにＧｅを含んだ合金を用いることを特徴とする請求項１０〜１６のいずれかに記載のはんだバンプ形成方法。

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