JP2014180690A - シート状高温はんだ接合材およびこれを用いたダイボンディング方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】ボイドの発生を抑制し、信頼性に優れた接合部を形成し得るシート状高温はんだ接合材及びこれを用いたダイボンディング方法の提供。
【解決手段】シート状高温はんだ接合部1は、表裏面が平坦に形成された金属箔2cを用い、この金属箔2cの表裏面をSn系はんだ3で被覆したことで、金属箔2cの表裏面にSn系はんだ3を密着させ易い構成となり、ボイドの発生原因となる隙間や酸化膜が、金属箔2c及びSn系はんだ3間に生成し難くなる。前記金属箔2cが、Snとの反応により金属間化合物を生成するCu、Ni、Ag、Cu合金の少なくとも1種から構成される半導体素子6と基板7との間に、シート状高温はんだ接合材1を介在させ、前記Sn系はんだ3中のSnと前記金属箔2c中の金属とを反応させて金属間化合物を形成させ、前記シート状高温はんだ接合材1によって前記半導体素子6を前記基板7にダイボンディングする。
【選択図】図5

Description

本発明は、パワー半導体素子などの半導体素子を基板に接合する高温はんだ接合材に関する。
パワー半導体素子などのダイボンディングに用いられる高温はんだ材料には、従来から融点がおよそ310℃のPb−5質量%Snに代表されるPb系高温はんだが使用されてきた。しかしながら、近年パワー半導体素子の動作温度の上昇に伴い、250℃以上の温度における信頼性が要求されるようになり、Pb系高温はんだでは融点近くになるため要求特性が満たせなくなっている。Pb系高温はんだより融点が高いAu系、Zn系、Al系高温はんだも実用化あるいは研究されているが、Au系は高価であること、Zn系は酸化しやすく接合が困難なこと、Al系は融点が高すぎることなどの課題を持つとともに、Pb系に比べ信頼性が劣ると言う問題もある。
そのため、Pb系高温はんだに代わる高信頼性高温はんだ接合材として、Ag等のナノ金属粒子ペーストによる接合が検討されている。これは金属をナノ粒子化することにより得られる焼成温度の低温化を利用して、例えば200℃程度の比較的低温で焼成することで接合できるが、半導体素子使用時にはAg本来の高融点の特性を持つことで高温使用に耐えるものである。
しかしながら、ナノ金属粒子ペーストでは、粒子が保存中に凝集することを防止するため、粒子表面に分散剤を付着させるとともに、ペースト化するための溶剤を含んでおり、これらが焼成時に除去される際にボイドが発生してしまい、このようなボイドが接合信頼性を低下させるという避けがたい問題がある。
一方、はんだ中の溶融Snと、基板あるいは半導体素子の電極面材質であるCu、Ni、Agとの反応により、通常のはんだ接合温度である250℃程度で、はんだを電極面に接合でき、その一方で接合後SnがCu等との反応により金属間化合物になることで消費されて、半導体素子使用時には400℃以上の融点を持つ金属間化合物の耐熱性を利用するいわゆるIMCボンディングが検討されている。
このIMCボンディングでは、特許文献1のようにSn系はんだペースト中にCu等の粉末を混合する方法や、基板あるいは半導体素子の電極面に予めはんだをめっきする方法が一般的である。
しかしながら、はんだペースト中にCu等の粉末を混合する方法では、はんだペースト中に含まれるフラックスや溶剤がはんだリフロー加熱時に揮発してしまうことから、基板と半導体素子の間にボイドが大量に発生してしまうという問題がある。さらには、はんだリフロー時にはんだが溶融して流動・凝集するのに対し、Cu等の粉末は溶融しないため流動が困難であることから、はんだが流動・凝集することで、Cu等の粉末に隙間が生じ、その結果、基板と半導体素子の間にボイドが大量に発生するという問題がある。また基板あるいは半導体素子の電極面に予めはんだをめっきする方法は、必要な部分だけにめっきすることが困難で、かつ高価であるという問題がある。
また、はんだペーストによるリフロー時のボイドを防止する方法としては、フラックスや溶剤を含まない接合材とすることが考えられ、例えば特許文献2のようにSn又はSn主成分の鉛フリーはんだ粉末と、Cu粉末とを圧延してはんだ箔としたはんだ材料や、特許文献3のようにCuからなる金属網をはんだで挟んで圧延することによりはんだ箔としたはんだ材料が開示されている。
特開2002−254194公報 特開2002−301588公報 特開2004−174522公報
上述したように特許文献1では、はんだペーストに含まれるフラックスおよび溶剤が加熱時に揮発してボイドが発生してしまい、半導体装置の信頼性を低下させる原因となってしまう。特許文献2の粉末圧延材では、ボイドの発生原因となる溶剤が含まれていないものの、原料となるSnやCuの粉末は比表面積が広く酸化し易いことから、製造時、粉末表面に酸化膜が既に形成されており、このような酸化膜を除去することは困難であるため粉末表面の酸化物がはんだ箔内部に混入してしまい、依然としてボイドが発生し易いという問題点がある。また、どうしても基板および半導体素子間の隙間をはんだで完全に埋めることができず空隙ができ易い。
これに対し、特許文献3では、Cuが線材からなる網であるため粉末ほど比表面積が広くないが、線材同士が重なり合う交差部分で凹凸が大きくなってしまい、その分、線材の交差部分に空隙ができ易く、やはり酸化物生成と空隙の原因となる。
本発明が解決しようとする課題は、従来よりもボイドの発生を抑制し、信頼性に優れた接合部を形成し得るシート状高温はんだ接合材およびこれを用いたダイボンディング方法を提供することである。
本発明の目的は、半導体素子と基板との接合時に従来のはんだと同様のプロセスを用いることができ、使用時に金属間化合物となって高温環境での使用に耐え得る、簡便で信頼性の高いシート状高温はんだ接合材を提供することにある。
本発明のシート状高温はんだ接合材は、Snと金属間化合物を形成する金属を含む金属箔を備え、該金属箔の表裏面を、SnまたはSn系はんだ合金のいずれかでなるSn系はんだで被覆したことを特徴とする。
また、本発明の別のシート状高温はんだ接合材は、Snと金属間化合物を形成する金属を含む金属箔に複数の開口部が形成されており、各前記開口部にSn系はんだを充填し、該金属箔の表裏面をSn系はんだで被覆したことを特徴とする。
さらに、本発明のシート状高温はんだ接合材は、前記金属箔が、Snとの反応により金属間化合物を生成するCu、Ni、Ag、Cu合金の少なくとも1種から構成されることを特徴とする。
本発明のダイボンディング方法は、半導体素子と基板との間に、前記シート状高温はんだ接合材を介在させ、前記Sn系はんだ中のSnと前記金属箔中の金属とを反応させて金属間化合物を形成させ、前記シート状高温はんだ接合材によって前記半導体素子を前記基板にダイボンディングすることを特徴とする。
また、本発明のダイボンディング方法は、前記シート状高温はんだ接合材によって前記半導体素子を前記基板にダイボンディングする際、前記金属箔の一部を残存させることを特徴とする。
本発明により、金属箔の表裏面にSn系はんだを密着させ易い構成となり得、その分、ボイドの発生原因となる隙間や酸化膜が、金属箔およびSn系はんだ間に生成し難くなり、従来よりもボイドを抑制し得、信頼性の高い接合部を得ることができる。
また、本発明によれば、金属箔に開口部を形成し、当該開口部の形状を制御することにより、接合部内で未反応の金属あるいはSnの分布を制御でき、半導体素子と基板の接合部の少なくとも外周の枠部において先行してSnを消耗させることもできる。このようなシート状高温はんだ接合材では、Sn系はんだが溶融しても内部に閉じ込められた状態になるので、熱処理温度の高温化(はんだ溶融温度よりも高温化)を図ることができ、製造時間を短縮することができる。
本発明の一実施形態であるシート状高温はんだ接合材の概略図である。 別の本発明の一実施形態であるシート状高温はんだ接合材の概略図である。 本発明のシート状高温はんだ接合材の製造工程の一例を示す説明図である。 本発明に係るシート状高温はんだ接合材を用いた半導体装置の内部構造および接合部の模式的説明図である。 別の本発明に係るシート状高温はんだ接合材を用いた半導体装置の内部構造および接合部の模式的説明図である。
図1は、本発明の一実施形態であるシート状高温はんだ接合材の模式的説明図であり、本発明にかかるシート状高温はんだ接合材1は、シート状に形成されており、金属箔2aの表裏面がSnまたはSn系はんだ合金のいずれかからなるSn系はんだ3で被覆された構成を有し、当該金属箔2aの表裏面が外部に非露出状態となっている。この金属箔2aは、表裏面に凹凸がなく平坦に形成されており、表裏面に凹凸がない分、Sn系はんだ3が表裏面に沿って密着して形成し得るようになされている。
図2は、他の本発明の一実施形態であるシート状高温はんだ接合材の模式的説明図であり、本発明にかかるシート状高温はんだ接合材1は、金属箔2bに表裏面を貫通する複数の開口部OPが形成されており、各開口部OP内にSn系はんだ3が充填されているとともに、金属箔2bの表裏面がSn系はんだ3で被覆されている。
実際上、図2に示す金属箔2bは、表裏面に所定間隔を空けて複数の開口部OPを配置し、表裏面が格子状に形成されている。この場合、金属箔2bは、表裏面に開口部OPが形成されているものの、単に厚みを貫通するようにして開口部OPが穿設されていることから、表裏面に凹凸がなく平坦に形成されている。また、この金属箔2bには、外周側面にも所定間隔を空けて複数の開口部OPが形成されており、開口部OPに充填されたSn系はんだ3が外周側面に沿って外部に露出した構成を有している。
図3は、本発明のシート状高温はんだ接合材の製造工程の一例を示す説明図であり、Sn系はんだ3が充填された複数の開口部OPを持つ金属箔2cを、SnまたはSn系はんだ合金のいずれかで形成されたはんだ箔4で挟み、圧延あるいはプレスすることにより、金属箔2cの表裏面にSn系はんだを形成し得る。かくして、金属箔2cの表裏面をSn系はんだで被覆したシート状高温はんだ接合材が得られる。
因みに、図3に示した金属箔2cは、外周が枠部で囲まれて、枠部内にのみ複数の開口部OPが形成されており、各開口部OPにそれぞれSn系はんだ3が充填されている。これにより金属箔2cでは、はんだ箔4が表裏面に圧延あるいはプレスされ、表裏面がSn系はんだで被覆されると、開口部OPに充填した内部のSn系はんだ3と、表裏面とが外部に非露出状態となり得る。
なお、製造方法としては、複数の開口部OPを持つ金属箔2b,2cや、金属箔2aをはんだで溶融めっきする、あるいは電気めっきする方法でも製造できる。
金属箔2b,2cに形成する開口部OPの形状は、矩形、多角形、あるいは円形などその他種々の形状でも良く、チップや基板のサイズや形状により、金属箔枠内に所定間隔を空けて収まる最適な形状に変更することができる。また、上述した実施の形態においては、開口部OP同士を所定間隔を空けて配置し、金属箔2b,2cを格子状に形成した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、金属箔に開口部OPを不規則に配置させてもよく、また金属箔の任意の位置にのみ開口部OPを形成してもよい。
なお、複数の開口部OPを持つ金属箔2b,2cの製造方法としては、エッチング法、パンチング法など種々の方法が適用できる。
図4および図5は、本発明に係るシート状高温はんだ接合材1を用いた半導体装置の内部構造および接合部の模式的説明図である。なお、図4Aおよび図5Aでは、金属箔2b,2cの形状を明確にするため、シート状高温はんだ接合材1の表裏面を被覆するSn系はんだは省略している。Snと反応して接合するCu、Ni、Ag、Cu合金等からなる金属表面層を電極9として持つ基板7上に、本発明のシート状高温はんだ接合材1を挟んで、基板7と同様にSnと反応して接合するCu、Ni、Ag、Cu合金等からなる金属裏面層を電極8として持つSiチップ(半導体素子)6を搭載する(図4Bおよび図5B)。次いで、Sn系はんだ3が溶融する250℃程度の温度でリフローすることで、図4Cおよび図5Cに示すように、電極8,9に対しシート状高温はんだ接合材1の接合(ダイボンディング)を行う。これによりシート状高温はんだ接合材1は、基板7およびSiチップ6を接合する接合部となり得る。
この場合、基板7およびシート状高温はんだ接合材1間の接合は、シート状高温はんだ接合材1のSn系はんだ3と、基板7の電極9との反応により金属間化合物12が形成されることにより行われる。また、Siチップ6およびシート状高温はんだ接合材1間の接合は、シート状高温はんだ接合材1のSn系はんだ3と、Siチップ6の電極8との反応により金属間化合物12が形成されることにより行われる。
ここで、Snと、Cu、Ni、Agのいずれかとの反応により生成される金属間化合物12(図4Cおよび図5C)は、それぞれCuSnおよびCuSn、NiSn、AgSnである。リフローは、Sn系はんだ3および電極8,9の接合面に生成している酸化膜を除去するため、フラックスを用いる場合や蟻酸ガス雰囲気で行う場合などがある。
次に、Sn系はんだ3が溶融する温度以下で熱処理することにより金属間化合物12の成長を促進し、金属箔2b(2c)とSn系はんだ3の反応や、基板7の電極9とSn系はんだ3の反応、Siチップ6の電極8とSn系はんだ3の反応により、基板7およびSiチップ6間で接合部となるシート状高温はんだ接合材1の耐熱性を確保する。
ここで、本発明のシート状高温はんだ接合材1では、表裏面が平坦に形成された金属箔2b,2cを用い、この金属箔2b,2cの表裏面をSn系はんだ3で被覆したことで、金属箔2b,2cの表裏面にSn系はんだ3を密着させ易い構成とし得、ボイドの発生原因となる隙間や酸化膜が、金属箔2b,2cおよびSn系はんだ3間に生成し難くなり、その分、リフロー後、従来よりもボイドを抑制し得、信頼性の高い接合部を得ることができる。
また、図4Cに示すように、シート状高温はんだ接合材1は、リフロー時や、リフロー後の加熱処理時における加熱温度や、加熱時間を調整することで、Sn系はんだ3中のSnをすべて消費させた状態で金属箔2bを残存させることもできる。本発明のシート状高温はんだ接合材1では、所望の位置に開口部OPを形成したり、所望の厚さに形成する等、加工が容易で予め正確に所望の形状に形成できる金属箔2bを用いることで、リフロー後の加熱処理により、任意の位置に未反応の金属が残り易い形状の金属箔2bとし得る。この場合、SnとCu等の反応により生成する金属間化合物12はCu等の金属よりも硬く脆いため、未反応の金属箔2b部分を網目状に連続して残すことにより、接合部の脆性を改善でき、信頼性を向上させることができる。
ここで、接合部の耐熱性を確保するためには、接合部のSn系はんだに含まれるSnのほとんどが、金属箔に含まれる金属と反応して金属間化合物を形成するよう、金属箔の厚さと、Sn系はんだの被覆量とを決めねばならない。しかしながら、本発明のシート状高温はんだ接合材1では、図5のように接合するSiチップ6との接合部外周が先行して金属間化合物12になるよう金属箔2cの形状を制御することで、図5Cのように、未反応のSn系はんだ3が高温使用時に溶融しても接合強度や信頼性に影響を及ぼさない形態も可能になる。
すなわち、金属箔2cの表裏面を被覆するSn系はんだ3を、最初のリフローで反応する厚み以下にすることにより、容易にSiチップ6の接合部外周をすべて金属間化合物12にすることができる。これにより、リフローのみで金属箔2cの開口部OP内に未反応のSn系はんだ3がある場合に、当該Sn系はんだ3が溶融しても、外周の金属間化合物12によって内部に閉じ込められた状態になるので、既に金属間化合物12になっている外周の枠部において高温に対し接合部の強度が十分確保でき、かくしてSnを金属間化合物12にする熱処理が、Sn系はんだ3の融点よりも高い温度で可能となり、実装に要する時間(製造時間)を短縮できる。
また、リフロー後の加熱処理により、シート状高温はんだ接合材1で外部に非露出状態の金属箔2b,2bの開口部OP内にSn系はんだ3をそのまま残存させることもできる。例えば、図5Cに示すように、シート状高温はんだ接合材1の外部に非露出状態の金属箔2cの開口部OP内に、金属間化合物12よりも軟性なSn系はんだ3を点在させて残存させることで、外部からのストレスを接合部のSn系はんだ3にて緩和し得、その分、接合部の脆性を改善でき、信頼性を向上させることができる。
本発明に使用する複数の開口部OPを持つ金属箔2b,2cや、開口部OPを持たない金属箔2aは、Snとの反応により金属間化合物12を生成する金属であれば適用可能であり、Cu、Ni、Ag、Cu合金(例えば、Cu−Ni系,Cu−Cr系,Cu−Fe系)等が考えられる。特にSnとの反応が容易なCuが好ましい。
本発明に使用するSn系はんだ3としては、特に制限はないが、この種の用途には、Sn単体金属の他、Sn系はんだ合金として、Sn−Agはんだ合金や、Sn−Ag−Cuはんだ合金が好ましい。
本発明の開口部OPを設けた金属箔2b,2cの開口率は、60%より大きいと接合部全面に金属間化合物12を生成させることが困難になるため、十分な接合強度を得るためには、面積%で、60%以下が好ましい。
シート状高温はんだ接合材1を、基板7の接合面とSiチップ6の接合面との間に介在させて組み立て、これをリフロー炉で加熱することではんだ接合が行われた後、Sn系はんだ3を金属間化合物12として消費させるために熱処理を行う。したがって、使用する金属箔2a,2b,2cの厚みが薄いと、熱処理により消費されるはんだ量が少なくなり、初期の接合に利用されるSn系はんだ3が十分でなくなる。一方、金属箔2a,2b,2cが厚いと、熱処理によるSn系はんだ3との反応が金属間化合物12を通しての拡散で律速されるため、はんだ相を消費させるための熱処理に時間がかかる。そのため、本発明に係るシート状高温はんだ接合材1において十分な接合強度を得るためには、金属箔2a,2b,2cの厚さが0.01mm以上、0.1mm以下であることが望ましい。
本発明において、Sn系はんだ3の量は、開口部が形成されていない金属箔2a(図1)のとき、金属箔2aの表裏面を被覆するような量であり、一方、開口部OPが形成された金属箔2b,2cのとき、少なくとも金属箔2b,2cの各開口部OPを隙間なく埋め、さらに金属箔2b,2cの表裏面を被覆するような量とする。本発明のシート状高温はんだ接合材1において十分な接合強度を得るためには、シート状高温はんだ接合材1全体に対して前記金属箔2a,2b,2cの占める割合が、体積%で、好ましくは20%〜60%である。金属箔2a,2b,2cがCuの場合は30%よりも少ないと未反応のSnが残留し、Niの場合は20%よりも少ないと未反応のSnが残留する。一方、60%を超えると接合時にSn系はんだ3が不足する箇所が発生しやすくなり、十分に金属間化合物12が生成されないために接合強度劣化の原因となる。
本発明にかかるシート状高温はんだ接合材1は、はんだプリフォームと同様の態様で使用され、接合面の間に挟んでリフロー加熱することではんだ接合が行われる。そのため、好ましくは、本発明に係るシート状高温はんだ接合材1は、その厚さが0.03mm以上、0.2mm以下である。
次に、本発明を実施例によってさらに具体的に説明する。
表1に示す実施例1〜8、比較例1について、シート状高温はんだ接合材の製作と実装後の特性を調査した。
表1に示すように、実施例1のシート状高温はんだ接合材では購入した金属箔をそのまま用いた。実施例2〜8のシート状高温はんだ接合材については、購入した金属箔にエッチングにより開口部を設けた。次いで、これら実施例1〜8の各金属箔を、表1に示すような組成でなる溶融したSn系はんだ中にそれぞれ浸漬し、各金属箔の開口部に所定のSn系はんだを充填させるとともに、金属箔の表裏面をSn系はんだにて被覆した。また、比較例1は線径0.03mm、350メッシュの銅の網にSn系はんだを被覆してシート状高温はんだ接合材としたものである。
次いで、表面に厚み0.1mmのCu箔を接合したアルミナ基板(20mm×20mm、厚み0.6mm)上に、これら実施例1〜8、比較例1の各シート状高温はんだ接合材を挟んで3mm×3mmのSiチップを設置し、蟻酸ガス雰囲気中、最高温度260℃でリフローして、接合を行った。
得られた接合体は、さらに窒素雰囲気中で300℃×2hrの熱処理により、Snを金属間化合物とした。その結果、実施例1、3、5は金属箔がすべて反応したのに対し、実施例2では体積率で約10%、実施例4では45%の金属箔が反応せずに残留した。
ボイド率は、接合体をマイクロフォーカスX線装置で観察し、接合部に占める空隙部の面積率として求め、ボイド判定を行った。また、シェア試験装置により250℃に加熱保持したステージ上で250℃接合強度を測定し、強度判定を行った。
比較例1については、ボイド面積率が29%であり、ボイドが多く発生していた。ここでは、従来の比較例1におけるボイド面積率29%よりも低いボイド面積率のシート状高温接合材をボイド判定○とした。その結果、表1に示すように、実施例1〜8は、いずれもボイド面積率が15%以下と格段的に小さくなりボイド発生がきわめて少なく、ボイド判定が○となった。特に、実施例1〜実施例7はいずれもボイド面積率が6%以下となり、一段とボイド発生が少なかった。
また、実施例1〜実施例5では、250℃における接合強度も十分得られた(表1中、強度判定○)。しかしながら、実施例6では金属箔体積率を20%未満とし、実施例7では金属箔厚みを0.01mm未満とし、実施例8では金属箔厚みを0.1mmより大きくしたところ、ボイド発生率は低く良好であったものの、250℃接合強度が不足していた(表1中、強度判定×)。よって、十分な接合強度を得るためには、金属箔体積率を20%以上とすることが好ましく、また、金属箔厚みを0.01mm以上、0.1mm以下とすることが好ましいことが確認できた。
Figure 2014180690
1. シート状高温はんだ接合材
2a,2b,2c. 金属箔
3. Sn系はんだ
4. はんだ箔
6. Siチップ(半導体素子)
7. 基板
8. Siチップの電極
9. 基板の電極
12.金属間化合物
OP.開口部

Claims (5)

  1. Snと金属間化合物を形成する金属を含む金属箔を備え、該金属箔の表裏面を、SnまたはSn系はんだ合金のいずれかでなるSn系はんだで被覆した
    ことを特徴とするシート状高温はんだ接合材。
  2. 前記金属箔には、複数の開口部が形成されており、各前記開口部には、前記Sn系はんだが充填されている
    ことを特徴とする請求項1記載のシート状高温はんだ接合材。
  3. 前記金属箔が、Snとの反応により金属間化合物を生成するCu、Ni、Ag、Cu合金の少なくとも1種から構成される
    ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のシート状高温はんだ接合材。
  4. 半導体素子と基板との間に、請求項1〜3のいずれかに記載のシート状高温はんだ接合材を介在させ、前記Sn系はんだ中のSnと前記金属箔中の金属とを反応させて金属間化合物を形成させ、前記シート状高温はんだ接合材によって前記半導体素子を前記基板にダイボンディングする
    ことを特徴とするダイボンディング方法。
  5. 前記シート状高温はんだ接合材によって前記半導体素子を前記基板にダイボンディングする際、前記金属箔の一部を残存させる
    ことを特徴とする請求項4に記載のダイボンディング方法。

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