JP2015085352A - Device joint method and package device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、デバイス用接合方法、およびそれを用いて製造されるパッケージデバイスに関する。 The present invention relates to a bonding method for devices and a package device manufactured using the method.
近年、半導体加工技術を応用したマイクロマシニング技術の発達に伴い、様々な機能を有する電子デバイスの設計開発が盛んに行われている。例えば、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）デバイスの場合、そのＭＥＭＳデバイスの性能向上のためには、その動作環境の一定保持が必須であり、微小なゴミや熱、物理的および電気的外乱から保護する必要がある。そのため、ＭＥＭＳデバイスをパッケージングする方法が行われている。 In recent years, with the development of micromachining technology applying semiconductor processing technology, electronic devices having various functions have been actively designed and developed. For example, in the case of a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) device, in order to improve the performance of the MEMS device, it is indispensable to maintain its operating environment and protect it from minute dust, heat, physical and electrical disturbances. There is a need. Therefore, a method for packaging a MEMS device has been performed.
パッケージングのためにはハンダ接合が行われ、ハンダを溶融させるためには、電気炉加熱やジュール熱加熱等が用いられている。しかし、これらの加熱方法では、ハンダを溶融させるために、ＭＥＭＳデバイスを含むパッケージ全体を４００℃程度の比較的高温に長時間加熱しなければならないため、熱損傷によりＭＥＭＳデバイスの性能や信頼性が低下する可能性がある。 Solder bonding is performed for packaging, and electric furnace heating, Joule heating, or the like is used to melt the solder. However, in these heating methods, the entire package including the MEMS device must be heated to a relatively high temperature of about 400 ° C. for a long time in order to melt the solder. May be reduced.
これに対し、ハンダ接合に反応性多層膜を用いる方法が提案されている（例えば、特許文献１）。反応性多層膜とは、異種金属をナノメータオーダーの膜厚で交互に積層した多層膜であり、微小エネルギーを与えることにより瞬時に大量に熱を発生させることができる。例えば、ＡｌとＮｉの多層膜は、微小エネルギーを与えることでＮｉＡｌ金属間化合物が生成し、発熱する。例えば、ＡｌとＮｉの多層膜では、最大温度が約１０００Ｋにまで達し、反応は１秒未満に瞬時に生じ、その１秒後には室温に戻る。反応性多層膜の反応は自己伝播発熱反応であり、熱が瞬時に膜全体に伝わるため、反応性多層膜を熱源として用いることによりハンダを瞬時に溶融でき、および局所的な加熱であるため、ＭＥＭＳデバイスの熱損傷を抑制することが期待できる。 On the other hand, a method using a reactive multilayer film for solder bonding has been proposed (for example, Patent Document 1). The reactive multilayer film is a multilayer film in which different kinds of metals are alternately laminated with a film thickness on the order of nanometers, and can generate a large amount of heat instantaneously by applying minute energy. For example, a multilayer film of Al and Ni generates NiAl intermetallic compound by applying minute energy and generates heat. For example, in the multilayer film of Al and Ni, the maximum temperature reaches about 1000 K, the reaction occurs instantaneously in less than 1 second, and returns to room temperature after 1 second. The reaction of the reactive multilayer film is a self-propagating exothermic reaction, and since heat is instantaneously transmitted to the entire film, solder can be instantaneously melted by using the reactive multilayer film as a heat source, and it is a local heating. It can be expected to suppress thermal damage of the MEMS device.
上述のように反応性多層膜（以下、とくに断らない限り多層膜という）を用いた接合方法は、ハンダを瞬時に溶融でき、および局所的な加熱であるため、ＭＥＭＳデバイスの熱損傷を抑制できる点で優れた接合方法である。しかしながら、多層膜は反応により、結晶構造や格子面間隔が変化し、そのため体積が収縮して、クラックが発生しやすいという問題がある。例えば、ＡｌとＮｉの多層膜の場合、ＮｉＡｌ金属間化合物の生成に伴い、結晶構造がＦＣＣ（面心立方格子）からＢＣＣ（体心立方格子）に変化し、かつ格子面間隔が約１／２となるため、体積が反応前に比べて約１２％減少する。この体積減少により多層膜にクラックが発生し、接合部の強度低下やパッケージの封止性低下の原因となる。そのため、多層膜を用いた接合方法の実用化のためには、反応後の多層膜のクラックの発生を抑制あるいは防止できる技術が必要とされている。 As described above, the bonding method using the reactive multilayer film (hereinafter referred to as “multilayer film unless otherwise specified”) can instantaneously melt the solder and locally heat, thereby suppressing thermal damage of the MEMS device. This is an excellent joining method. However, the multilayer film has a problem that the crystal structure and the lattice spacing change due to the reaction, so that the volume shrinks and cracks are easily generated. For example, in the case of a multilayer film of Al and Ni, as the NiAl intermetallic compound is formed, the crystal structure changes from FCC (face centered cubic lattice) to BCC (body centered cubic lattice), and the lattice spacing is about 1 / Therefore, the volume is reduced by about 12% compared to before the reaction. This reduction in volume causes cracks in the multilayer film, which causes a decrease in strength of the joint and a decrease in package sealing performance. Therefore, in order to put the joining method using the multilayer film into practical use, a technique capable of suppressing or preventing the occurrence of cracks in the multilayer film after the reaction is required.
本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意検討した結果、反応後の多層膜のクラックの発生を顕著に抑制できることを見出して本発明を完成させたものである。
すなわち、本発明のデバイス用接合方法は、第１の被接合体と第２の被接合体とをハンダ層および反応性多層膜を含む接合部を用いて接合するデバイス用接合方法であって、異種金属をナノメータオーダーの膜厚で交互に積層した積層膜をパターニングして前記反応性多層膜を形成し、前記反応性多層膜を反応させて発熱せしめ、前記反応性多層膜の両面に配置された前記ハンダ層を溶融させて第１の被接合体と第２の被接合体とを接合することを特徴とする。
As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have found that the occurrence of cracks in the multilayer film after the reaction can be remarkably suppressed, and have completed the present invention.
That is, the device bonding method of the present invention is a device bonding method for bonding a first bonded body and a second bonded body using a bonding portion including a solder layer and a reactive multilayer film, The multilayer film is formed by alternately stacking different kinds of metals with a thickness of nanometer order to form the reactive multilayer film, and the reactive multilayer film reacts to generate heat and is disposed on both sides of the reactive multilayer film. Further, the solder layer is melted to join the first and second objects to be joined.
また、本発明のパッケージデバイスは、デバイスと、接合部を介して接合され、該デバイスを封止する第１の被接合体と第２の被接合体とを有し、該接合部が、両面にハンダ層を有する金属間化合物膜を有し、該金属間化合物膜のクラック面積が１．８％以下であることを特徴とする。 In addition, the package device of the present invention includes a first bonded body and a second bonded body that are bonded to the device through the bonding portion and seal the device, and the bonding portion has both surfaces. And an intermetallic compound film having a solder layer, and the crack area of the intermetallic compound film is 1.8% or less.
本発明の接合方法によれば、接合部におけるクラックの発生を抑制または防止することができるのでデバイスの性能および信頼性を向上させることが可能となる。また線状パターンの反応性金属多層膜を用いることにより、接合部の幅も狭くすることができるので、パッケージデバイスをさらに小型化することも可能となる。 According to the bonding method of the present invention, it is possible to suppress or prevent the occurrence of cracks in the bonded portion, so that the performance and reliability of the device can be improved. Further, by using the reactive metal multilayer film having a linear pattern, the width of the joint can be reduced, so that the package device can be further reduced in size.
以下、図面等を参照して本発明の実施の形態について詳しく説明する。
（デバイス用接合方法）
本発明のデバイス用接合方法は、第１の被接合体と第２の被接合体とをハンダ層および反応性多層膜を含む接合部を用いて接合するデバイス用接合方法であって、異種金属をナノメータオーダーの膜厚で交互に積層した積層膜をパターニングして前記反応性多層膜を形成し、前記反応性多層膜を反応させて発熱せしめ、前記反応性多層膜の両面に配置された前記ハンダ層を溶融させて第１の被接合体と第２の被接合体とを接合することを特徴とするものである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(Device bonding method)
A bonding method for a device according to the present invention is a bonding method for a device in which a first bonded body and a second bonded body are bonded using a bonding portion including a solder layer and a reactive multilayer film. The reactive multilayer film is formed by patterning a laminated film alternately laminated with a film thickness of nanometer order, the reactive multilayer film is reacted to generate heat, and the reactive multilayer film is disposed on both sides of the reactive multilayer film. The solder layer is melted to join the first object to be joined and the second object to be joined.
図１は、本発明の接合方法の工程の一例を示す模式図である。工程（１）では、第１の被接合体１として、例えば第１のシリコン基板を用意し、工程（２）で第１のシリコン基板上にＤＣスパッタリング装置を用いて第１のハンダ層２を製膜する。次いで、工程（３）で第１のハンダ層２の上にレジスト３を塗布し、工程（４）および（５）でフォトリソグラフィー技術により点もしくは線状のフォトマスク４を用いてレジスト３のパターニングを行いレジストパターン５を形成する。次いで、工程（６）でＤＣスパッタリング装置を用いて多層膜６を形成し、次いで、工程（７）でレジストパターン５をエッチングにより除去することにより、１つの線または連結された複数の線で形成される線状パターンからなる直線、曲線等の多層膜６ａを形成する。次いで、工程（８）に示すように、別途作製した第２のハンダ層８を有する第２の被接合体７（例えば、第２のシリコン基板）を向い合せて積層し、加圧手段（不図示）を用いて押圧する。次いで、工程（９）で多層膜６ａに外部からエネルギーを与えることで、反応させて発熱せしめ、第１および第２のハンダ層２，７を溶融させて第１および第２のシリコン基板同士を接合する。ここで、第１および第２のハンダ層２，７と多層膜６ａは、接合部９を構成する。 FIG. 1 is a schematic view showing an example of the steps of the bonding method of the present invention. In the step (1), for example, a first silicon substrate is prepared as the first bonded body 1, and in the step (2), the first solder layer 2 is formed on the first silicon substrate using a DC sputtering apparatus. Form a film. Next, a resist 3 is applied on the first solder layer 2 in the step (3), and the resist 3 is patterned using a point or linear photomask 4 by a photolithography technique in the steps (4) and (5). To form a resist pattern 5. Next, in step (6), a multilayer film 6 is formed using a DC sputtering apparatus, and then in step (7), the resist pattern 5 is removed by etching to form one line or a plurality of connected lines. A multilayer film 6a such as a straight line or a curved line made of a linear pattern is formed. Next, as shown in step (8), a second bonded body 7 (for example, a second silicon substrate) having a second solder layer 8 separately manufactured is laminated so as to face each other, and pressurizing means (non-pressing means) Press using (shown). Next, in step (9), by applying energy to the multilayer film 6a from the outside, the reaction is caused to generate heat, the first and second solder layers 2 and 7 are melted, and the first and second silicon substrates are bonded to each other. Join. Here, the first and second solder layers 2, 7 and the multilayer film 6 a constitute a joint 9.
第１および第２のハンダ層は、ＤＣスパッタリング装置を用いて形成することができる。ハンダには、公知のハンダ材料を用いることができるが、好ましくはＡｕ−Ｓｎ、Ａｇ−ＳｎまたはＡｇ−Ｓｎ−Ｃｕ、より好ましくはＡｇ−ＳｎまたはＡｇ−Ｓｎ−Ｃｕ、さらに好ましくはＡｇ−Ｓｎ−Ｃｕである。 The first and second solder layers can be formed using a DC sputtering apparatus. As the solder, a known solder material can be used, but preferably Au—Sn, Ag—Sn or Ag—Sn—Cu, more preferably Ag—Sn or Ag—Sn—Cu, more preferably Ag—Sn. -Cu.
多層膜には、異種金属をナノメータオーダーの膜厚で交互に積層した多層膜（積層膜）を用いる。多層膜は、ＤＣスパッタリング装置を用いて異種金属層を交互積層することにより作製できる。金属には、遷移金属と軽金属の組み合わせを用いることができる。遷移金属には、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、軽金属にはＡｌまたはＳｉを用いることができる。好ましい組み合わせは、発熱総量の観点から、ＮｉとＡｌ、ＴｉとＡｌ、ＴｉとＳｉ、より好ましくはＮｉとＡｌである。各金属層の膜厚は、２０〜２００ｎｍの範囲で、金属の組み合わせにより変化させることができる。すなわち、多層膜の反応熱量は、２種の金属の反応により生成する生成物の生成エンタルピーに依存する。そのため、その生成エンタルピーが最大となる化合物を生成するように、２種の金属の原子比を設定する必要があり、その原子比となるように、膜厚比を設定する。例えば、ＮｉとＡｌとの多層膜の場合、ＮｉとＡｌとの化合物で最も生成エンタルピーが大きい化合物は、原子比が１：１のＮｉＡｌであることが知られている。ＡｌとＮｉの単位結晶格子当たりの体積比が３：２であることから、反応時に原子比１：１のＮｉＡｌ化合物を生成するように、Ａｌ層とＮｉ層の膜厚比は３：２とする。 As the multilayer film, a multilayer film (laminated film) in which different kinds of metals are alternately laminated with a thickness of nanometer order is used. The multilayer film can be produced by alternately laminating different metal layers using a DC sputtering apparatus. As the metal, a combination of a transition metal and a light metal can be used. Ni, Ti, Zr can be used for the transition metal, and Al or Si can be used for the light metal. Preferred combinations are Ni and Al, Ti and Al, Ti and Si, and more preferably Ni and Al from the viewpoint of the total amount of heat generation. The film thickness of each metal layer can be changed by a combination of metals in the range of 20 to 200 nm. That is, the heat of reaction of the multilayer film depends on the production enthalpy of the product produced by the reaction of the two metals. Therefore, it is necessary to set the atomic ratio of the two metals so as to generate a compound having the maximum generation enthalpy, and the film thickness ratio is set so as to be the atomic ratio. For example, in the case of a multilayer film of Ni and Al, it is known that the compound having the largest generation enthalpy among Ni and Al compounds is NiAl having an atomic ratio of 1: 1. Since the volume ratio per unit crystal lattice of Al and Ni is 3: 2, the film thickness ratio of the Al layer and the Ni layer is 3: 2 so that a NiAl compound having an atomic ratio of 1: 1 is generated during the reaction. To do.
図２に、ＮｉとＡｌの多層膜の示差走査熱量（ＤＳＣ）測定の結果を示す。図中の厚さは２層全体の厚さを示しており、Ａｌ層とＮｉ層の膜厚比は３：２である。５０ｎｍでは約２２０℃、１００ｎｍでは約２５０℃、２００ｎｍでは約２７０℃に発熱ピークが見られた。ここで、ＤＳＣ測定は、エスアイアイ・ナノテクノロジー社製のＤＳＣ６１００を用いて行った。 FIG. 2 shows the results of differential scanning calorimetry (DSC) measurement of the multilayer film of Ni and Al. The thickness in the figure indicates the thickness of the entire two layers, and the film thickness ratio between the Al layer and the Ni layer is 3: 2. An exothermic peak was observed at about 220 ° C. at 50 nm, about 250 ° C. at 100 nm, and about 270 ° C. at 200 nm. Here, DSC measurement was performed using DSC6100 manufactured by SII Nano Technology.
また、ＴｉとＡｌとの多層膜について、組成比を変えてＤＳＣ測定を行った結果を図３に示す。Ｔｉ：Ａｌ＝１：３の時に、約４４０℃に発熱総量の大きいピークが得られた。この結果より、反応時に原子比１：３のＴｉＡｌ化合物を生成するように、Ｔｉ層とＡｌ層の膜厚比は１：３とした。 Further, FIG. 3 shows the result of DSC measurement performed on the multilayer film of Ti and Al while changing the composition ratio. When Ti: Al = 1: 3, a peak with a large exothermic amount was obtained at about 440 ° C. From this result, the film thickness ratio of the Ti layer and the Al layer was set to 1: 3 so that a TiAl compound having an atomic ratio of 1: 3 was generated during the reaction.
また、ＴｉとＳｉとの多層膜について、組成比を変えてＤＳＣ測定を行った結果を図４に示す。Ｔｉ：Ｓｉ＝５：４の時に、約５５０℃に発熱総量の大きいピークが得られた。この結果より、反応時に原子比５：４のＴｉＳｉ化合物を生成するように、Ｔｉ層とＳｉ層の膜厚比は１１：１０とした。 Further, FIG. 4 shows the result of DSC measurement performed on the multilayer film of Ti and Si while changing the composition ratio. When Ti: Si = 5: 4, a peak with a large total exothermic amount was obtained at about 550 ° C. From this result, the film thickness ratio of the Ti layer and the Si layer was set to 11:10 so that a TiSi compound having an atomic ratio of 5: 4 was generated during the reaction.
パターニングにより形成される空隙の大きさ、形状、数は特に限定されない。形状は、定形でも不定形でもよく、定形の場合、例えば、平面視で、直線状、曲線状、円状、および三角形、矩形等の多角形状を挙げることができる。また、複数の空隙の配列は規則的でも不規則的でもよい。また、多層膜は、空隙により複数の多層膜が孤立した孤立多層膜群でもよく、あるいは多層膜が連続した連続膜でもよい。 The size, shape, and number of voids formed by patterning are not particularly limited. The shape may be a fixed shape or an indefinite shape, and in the case of a fixed shape, for example, in a plan view, a linear shape, a curved shape, a circular shape, and a polygonal shape such as a triangle or a rectangle can be cited. The arrangement of the plurality of voids may be regular or irregular. Further, the multilayer film may be an isolated multilayer film group in which a plurality of multilayer films are isolated by voids, or may be a continuous film in which the multilayer films are continuous.
ここで、多層膜は反応により金属間化合物を形成して体積収縮する。しかし、空隙を有する多層膜を用いることにより、従来ハンダ層の全面に形成していた場合に比べ、ハンダ層が変形することが容易となる。これにより、ハンダ層が変形することにより、反応後の多層膜の体積収縮に伴う変形力を吸収することが可能となり、反応後の多層膜のクラックを低減することが可能になったものと考えられる。 Here, the multilayer film forms an intermetallic compound by the reaction and shrinks in volume. However, by using a multilayer film having voids, the solder layer can be easily deformed as compared with the case where the conventional solder layer is formed on the entire surface. As a result, the deformation of the solder layer makes it possible to absorb the deformation force accompanying the volume shrinkage of the multilayer film after the reaction, and to reduce cracks in the multilayer film after the reaction. It is done.
本発明の多層膜は、平面視で１つの線または連続する複数の線で形成される線状パターンからなる連続膜であることが好ましい。通電加熱等により、自己伝播発熱反応を利用して瞬時に多層膜全体の反応を開始させることができるからである。ここで、線には、直線と曲線が含まれ、その長さは、ハンダ層の上に形成可能であれば特に限定されない。曲線には、種々の形状の曲線が含まれ、一端と他端が連続する閉鎖形状や、一端と他端が連続しない開放形状が含まれる。また、閉鎖形状と開放形状には、円や楕円等の定形形状や不定形形状が含まれる。また連結された複数の線で形成される線状パターンにおける線には直線と曲線が含まれ、複数の線が連結していれば特にパターンは限定されない。例えば、線状パターンには、三角形、矩形等の多角形状、スノコ状、格子状、櫛状、梯子状、数珠状および直線と曲線との組み合わせ等を挙げることができる。 The multilayer film of the present invention is preferably a continuous film composed of a linear pattern formed by one line or a plurality of continuous lines in plan view. This is because the reaction of the entire multilayer film can be instantly started by using a self-propagating exothermic reaction by energization heating or the like. Here, the line includes a straight line and a curved line, and the length thereof is not particularly limited as long as it can be formed on the solder layer. The curved line includes various shapes of curved lines, and includes a closed shape in which one end and the other end are continuous, and an open shape in which one end and the other end are not continuous. In addition, the closed shape and the open shape include a regular shape such as a circle or an ellipse, and an irregular shape. The lines in the linear pattern formed by a plurality of connected lines include straight lines and curves, and the pattern is not particularly limited as long as the plurality of lines are connected. For example, examples of the linear pattern include polygonal shapes such as triangles and rectangles, slatted shapes, lattice shapes, comb shapes, ladder shapes, beaded shapes, and combinations of straight lines and curves.
多層膜の線状パターンの厚さが１５μｍ以上、線幅が７５０μｍ以下であることが好ましい。多層膜の厚さは、より好ましくは２０μｍ〜３０μｍ、さらに好ましくは２５〜３０μｍである。また、線幅は、より好ましくは３０〜７５０μｍ、さらに好ましくは３０〜５００μｍ、さらに好ましくは３０〜３００μｍである。 It is preferable that the thickness of the linear pattern of the multilayer film is 15 μm or more and the line width is 750 μm or less. The thickness of the multilayer film is more preferably 20 μm to 30 μm, still more preferably 25 to 30 μm. The line width is more preferably 30 to 750 μm, further preferably 30 to 500 μm, and further preferably 30 to 300 μm.
第１および第２のハンダ層の厚さは、反応後の多層膜の変形を吸収できれば特に限定されないが、好ましく２μｍ以上、より好ましくは２μｍ〜１５μｍ、さらに好ましくは１０μｍ〜１５μｍ、さらに好ましくは１０〜１２μｍである。２μｍ以上とすることにより、接合強度をより向上させることができる。 The thickness of the first and second solder layers is not particularly limited as long as the deformation of the multilayer film after reaction can be absorbed, but is preferably 2 μm or more, more preferably 2 μm to 15 μm, still more preferably 10 μm to 15 μm, and even more preferably 10 ~ 12 μm. By setting the thickness to 2 μm or more, the bonding strength can be further improved.
また、多層膜は、空隙により複数の多層膜が孤立した孤立多層膜群でもよい。レーザパルス等を利用して複数の孤立多層膜を瞬時に反応させることができる。孤立多層膜群の形状は、平面視で、１つの線または複数の線で形成される線状パターンでもよく、線には、点線と直線と曲線が含まれ、その長さは、ハンダ層の上に形成可能であれば特に限定されない。また、曲線には、種々の形状の曲線が含まれる。また、孤立多層膜群の形状は、平面視で、不定形または定形の複数の多層膜が規則的または不規則的に配置されたパターンでもよい。例えば、水玉状を挙げることができる。 The multilayer film may be an isolated multilayer film group in which a plurality of multilayer films are isolated by a gap. A plurality of isolated multilayer films can be reacted instantaneously using a laser pulse or the like. The shape of the isolated multilayer film group may be a linear pattern formed by one line or a plurality of lines in a plan view. The line includes a dotted line, a straight line, and a curved line. If it can form on top, it will not be specifically limited. The curve includes various shapes of curves. Further, the shape of the isolated multilayer film group may be a pattern in which a plurality of irregular or regular multilayer films are regularly or irregularly arranged in a plan view. For example, a polka dot shape can be mentioned.
多層膜を反応させる方法には、通電加熱、スパーク、パルスレーザー等を用いることができる。多層膜は、平面視で１つの線または連続する複数の線で形成される線状パターンからなる連続膜である場合には、通電加熱が好ましい。また、多層膜が、空隙により複数の多層膜が孤立した孤立多層膜群である場合には、パルスレーザーが好ましい。 As a method of reacting the multilayer film, energization heating, spark, pulse laser, or the like can be used. In the case where the multilayer film is a continuous film composed of a linear pattern formed by one line or a plurality of continuous lines in plan view, current heating is preferable. Further, when the multilayer film is an isolated multilayer film group in which a plurality of multilayer films are isolated by voids, a pulse laser is preferable.
また、本発明では、接合部を挟むように第１の被接合体と第２の被接合体とを積層後、第１の被接合体または第２の被接合体を加圧しながら、多層膜を反応させることもできる。これにより、接合部と第１の被接合体または第２の被接合体との接触面積を増加させることができるので、接合強度をさらに向上させることができる。圧力は、１〜７．２ＭＰａ、好ましくは３．６〜７．２ＭＰａである。 Moreover, in this invention, after laminating | stacking a 1st to-be-joined body and a 2nd to-be-joined body so that a junction part may be pinched | interposed, it pressurizes the 1st to-be-joined body or the 2nd to-be-joined body, and multilayer film Can also be reacted. Thereby, since the contact area of a junction part and a 1st to-be-joined body or a 2nd to-be-joined body can be increased, joining strength can further be improved. The pressure is 1 to 7.2 MPa, preferably 3.6 to 7.2 MPa.
本発明によれば、以下の方法で算出される反応後の多層膜のクラック面積が、１．８％以下、好ましくは１．３％以下である。ここで、クラック面積は以下の方法で算出することができる。反応後の多層膜の横断面のＸ線ＣＴ透過観察する、または接合部を剥離して反応後の多層膜を露出させてその横断面のＳＥＭ観察を行い、得られた画像を解析してクラック部分と非クラック部分に二値化し、クラック部分の横断面全体に対する面積割合を算出して、それをクラック面積と定義した。 According to the present invention, the crack area of the multilayer film after reaction calculated by the following method is 1.8% or less, preferably 1.3% or less. Here, the crack area can be calculated by the following method. X-ray CT transmission observation of the cross section of the multilayer film after reaction, or peeling the joint and exposing the multilayer film after reaction to perform SEM observation of the cross section, analyzing the resulting image and cracking It binarized into the part and the non-crack part, the area ratio with respect to the whole cross section of a crack part was calculated, and it defined as the crack area.
本発明の接合方法は、ハンダ材料を用いるデバイスの接合方法であればあらゆる接合方法に用いることができる。例えば、実装基板へのデバイスのフリップチップボンディングやワイヤボンディングに用いることができる。そのような場合、例えば、実装基板を第１の被接合体とし、デバイスの電極部またはリードフレームを第２の被接合体として用いることができる。また、本発明の接合方法は、ウエハレベルパッケージング技術に好適に用いることができる。ウエハレベルパッケージング技術は、ウエハをパッケージに用い、ウエハ状態でパッケージングを行い、その後で個別化する方法であり、個別化されたチップデバイスの大きさがパッケージの大きさとなるため、パッケージデバイスの小型化や軽量化が可能となり、また生産効率の向上も期待できる。この場合、第１の被接合体と第２の被接合体に半導体基板を用い、第１の被接合体または第２の被接合体の一方にフリップチップボンディング等により実装したデバイスを他方の被接合体を蓋体として用いることでデバイスが封止されたパッケージデバイスを製造することができる。 The bonding method of the present invention can be used for any bonding method as long as it is a bonding method for devices using solder materials. For example, it can be used for flip chip bonding or wire bonding of a device to a mounting substrate. In such a case, for example, the mounting substrate can be used as the first bonded body, and the electrode portion of the device or the lead frame can be used as the second bonded body. Further, the bonding method of the present invention can be suitably used for wafer level packaging technology. Wafer level packaging technology is a method in which a wafer is used as a package, packaged in the wafer state, and then individualized. Since the size of the individual chip device becomes the size of the package, the package device It can be reduced in size and weight, and it can be expected to improve production efficiency. In this case, a semiconductor substrate is used for the first bonded body and the second bonded body, and a device mounted on one of the first bonded body or the second bonded body by flip chip bonding or the like is used. By using the joined body as a lid, a package device in which the device is sealed can be manufactured.
（パッケージデバイス）
本発明の接合方法を用いて製造したパッケージデバイスは、デバイスと、接合部を介して接合され、該デバイスを封止する第１の被接合体と第２の被接合体とを有し、該接合部が、両面にハンダ層を有する金属間化合物膜を有し、該金属間化合物膜のクラック面積が１．８％以下である。
(Package device)
A package device manufactured using the bonding method of the present invention includes a device, a first bonded body and a second bonded body that are bonded through a bonding portion and seal the device, The joint portion has an intermetallic compound film having solder layers on both sides, and the crack area of the intermetallic compound film is 1.8% or less.
図５は、本発明のパッケージデバイスの構造の一例を示す模式断面図である。パッケージデバイスＢは、第１の被接合体２０と第２の被接合体２１とによりデバイス２２が封止されている。第１の被接合体２０と第２の被接合体２１は、接合部２３，２４により接合されている。接合部２３，２４は、第１の被接合体２０の表面に形成された配線パターン（不図示）に接続している。第２の被接合体２１上には、電極端子２７，２８が形成され、該電極端子２７，２８は、第２の被接合体２１を貫通する、接続導体２５，２６にそれぞれ接続されている。接続導体２５，２６は、接合部２３，２４とそれぞれ接続している。また、接合部２３，２４は、それぞれ両面にハンダ層を有する金属間化合物膜（不図示）を有している。 FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing an example of the structure of the package device of the present invention. In the package device B, a device 22 is sealed by a first bonded body 20 and a second bonded body 21. The first bonded body 20 and the second bonded body 21 are bonded by bonding portions 23 and 24. The joint portions 23 and 24 are connected to a wiring pattern (not shown) formed on the surface of the first bonded body 20. Electrode terminals 27 and 28 are formed on the second bonded body 21, and the electrode terminals 27 and 28 are respectively connected to connecting conductors 25 and 26 that penetrate the second bonded body 21. . The connection conductors 25 and 26 are connected to the joint portions 23 and 24, respectively. Further, each of the joint portions 23 and 24 has an intermetallic compound film (not shown) having a solder layer on both surfaces.
第１の被接合体と第２の被接合体には、半導体基板、例えばシリコンウエハを用いることができる。また、デバイスには、圧力センサや加速度センサ等のＭＥＭＳデバイスを用いることができる。 A semiconductor substrate such as a silicon wafer can be used for the first and second objects to be bonded. Moreover, MEMS devices, such as a pressure sensor and an acceleration sensor, can be used for a device.
金属間化合物膜の厚さは、１５μｍ以上、好ましくは１９μｍ以上、より好ましくは２５〜３０μｍである。また金属間化合物膜の幅は、３ｍｍ以下、好ましくは１ｍｍ以下、より好ましくは７５０μｍ以下、さらに好ましくは１００〜７５０μｍ、さらに好ましくは１００〜５００μｍである。また、ハンダ層の厚さは１μｍ以上、より好ましくは２μｍ以上、さらに好ましくは２〜１５μｍである。 The thickness of the intermetallic compound film is 15 μm or more, preferably 19 μm or more, more preferably 25 to 30 μm. Moreover, the width | variety of an intermetallic compound film | membrane is 3 mm or less, Preferably it is 1 mm or less, More preferably, it is 750 micrometers or less, More preferably, it is 100-750 micrometers, More preferably, it is 100-500 micrometers. Further, the thickness of the solder layer is 1 μm or more, more preferably 2 μm or more, and further preferably 2 to 15 μm.
金属間化合物は、遷移金属と軽金属を含む金属間化合物からなり、遷移金属には、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、軽金属にはＡｌまたはＳｉを用いることができる。好ましい金属間化合物は、ＮｉとＡｌの金属間化合物、ＴｉとＡｌの金属間化合物、ＴｉとＳｉの金属間化合物、より好ましくはＮｉとＡｌの金属間化合物である。金属間化合物膜の横断面におけるクラックの面積は、１．８％以下、好ましくは１．３％以下である。 The intermetallic compound is composed of an intermetallic compound containing a transition metal and a light metal, and Ni, Ti, Zr can be used for the transition metal, and Al or Si can be used for the light metal. Preferred intermetallic compounds are Ni and Al intermetallic compounds, Ti and Al intermetallic compounds, Ti and Si intermetallic compounds, and more preferably Ni and Al intermetallic compounds. The area of cracks in the cross section of the intermetallic compound film is 1.8% or less, preferably 1.3% or less.
以下、実施例を用いて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in more detail using an Example, this invention is not limited to a following example.
実施例１.
（実験方法）
第１のシリコン基板上（幅３０ｍｍ）に自作のＤＣスパッタリング装置を用いてＡｇ−Ｓｎからなる第１のハンダ層を製膜した。次いで、第１のハンダ層の上にレジストを塗布し、フォトリソグラフィー技術によりレジストのパターニングを行った。次いで、ＤＣスパッタリング装置を用いてＮｉ／Ａｌの多層膜を製膜し、次いで、レジストをエッチングにより除去することにより、梯子状の多層膜を形成した。別途、第２のシリコン基板（幅２０ｍｍ）上にＤＣスパッタリング装置を用いてＡｇ−Ｓｎからなる第２のハンダ層を厚さ１２μｍとなるように製膜した。第１のシリコン基板と第２のシリコン基板を、多層膜と第２のハンダ層とを向い合せて積層し加圧した。次いで、スパークさせることで多層膜にエネルギーを与えて発熱させ、第１および第２のハンダ層を溶融させて第１および第２のシリコン基板同士を接合させて接合体を得た。ここで、ハンダ層の厚さは、２μｍ、６μｍ、および１２μｍの３種類とした。また、多層膜の厚さは、１０μｍ、２０μｍ、および３０μｍの３種類とした。また多層膜の線幅は、３０μｍ、６０μｍ、１００μｍ、３００μｍ、５００μｍ、１ｍｍおよび３ｍｍとした。また、加圧力は１．８ＭＰａとした。また、接合は、真空度４．０×１０-４Ｐａの条件で行った。表１に製造した接合体（試料Ｎｏ．１〜１９）の接合条件を示す。
Example 1.
(experimental method)
A first solder layer made of Ag—Sn was formed on a first silicon substrate (width 30 mm) using a self-made DC sputtering apparatus. Next, a resist was applied on the first solder layer, and the resist was patterned by a photolithography technique. Next, a Ni / Al multilayer film was formed using a DC sputtering apparatus, and then the resist was removed by etching to form a ladder-shaped multilayer film. Separately, a second solder layer made of Ag—Sn was formed to a thickness of 12 μm on a second silicon substrate (width 20 mm) using a DC sputtering apparatus. The first silicon substrate and the second silicon substrate were laminated with the multilayer film and the second solder layer facing each other and pressed. Next, the multilayer film was heated by sparking to generate heat, the first and second solder layers were melted, and the first and second silicon substrates were joined together to obtain a joined body. Here, the thickness of the solder layer was three types of 2 μm, 6 μm, and 12 μm. Moreover, the thickness of the multilayer film was made into three types, 10 micrometers, 20 micrometers, and 30 micrometers. The line width of the multilayer film was 30 μm, 60 μm, 100 μm, 300 μm, 500 μm, 1 mm and 3 mm. The applied pressure was 1.8 MPa. Moreover, joining was performed on the conditions of the vacuum degree 4.0 * 10 <-4> Pa. Table 1 shows the bonding conditions of the manufactured bonded bodies (sample Nos. 1 to 19).
作製した接合体を接合部で剥離し、その剥離面（横断面）を電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ、日立製作所製Ｓ−４８００）を用いて観察した。多層膜のクラック面積を前述の方法で算出した。 The produced joined body was peeled off at the joint, and the peeled surface (cross section) was observed using a field emission scanning electron microscope (FE-SEM, Hitachi S-4800). The crack area of the multilayer film was calculated by the method described above.
また、比較のため、第１のハンダ層の全面（幅２０ｍｍ）に多層膜を形成した接合体（試料Ｎｏ．２０）を作製し、その評価を行った。 For comparison, a joined body (sample No. 20) in which a multilayer film was formed on the entire surface (width 20 mm) of the first solder layer was prepared and evaluated.
（結果）
図６は、比較のために製造した接合体（Ｎｏ．２０）の多層膜の横断面のＳＥＭ写真である。非常に大きなクラックが無数認められた。図７に、多層膜の膜厚を３０μｍとし、ハンダ層の厚さを１２μｍとした時の接合後の多層膜の横断面のＳＥＭ写真を示す。Ｎｏ．２０の接合体に比べ、クラックの数は大幅に減少し、さらに５００μｍ以下にするとほとんど目視では認められなくなった。これは、多層膜の線幅を細くすると、ハンダ層が変形し易くなり、反応後の多層膜の体積収縮に伴う変形力を吸収することが可能となり、反応後の多層膜のクラックの発生を抑制できたものと考えられる。
(result)
6 is an SEM photograph of a cross section of a multilayer film of a joined body (No. 20) manufactured for comparison. There were countless very large cracks. FIG. 7 shows an SEM photograph of the cross section of the multilayer film after bonding when the thickness of the multilayer film is 30 μm and the thickness of the solder layer is 12 μm. No. Compared with 20 joined bodies, the number of cracks was greatly reduced. This is because when the line width of the multilayer film is narrowed, the solder layer is easily deformed, and it becomes possible to absorb the deformation force accompanying the volume shrinkage of the multilayer film after the reaction, and the occurrence of cracks in the multilayer film after the reaction. It is thought that it was able to be suppressed.
次に、図８にハンダ層の厚さを１２μｍとし、多層膜の厚さと線幅を変化させた時の接合後の多層膜の横断面ＳＥＭ写真を示す。多層膜の厚さが１０μｍの場合、線幅が１ｍｍ以下では未反応部が存在した。一方、多層膜の厚さが２０μｍと３０μｍの場合、線幅が５００μｍと３００μｍではクラックの数は目視ではほとんど認められなくなった。 Next, FIG. 8 shows a cross-sectional SEM photograph of the multilayer film after bonding when the thickness of the solder layer is 12 μm and the thickness and line width of the multilayer film are changed. When the thickness of the multilayer film was 10 μm, an unreacted portion was present when the line width was 1 mm or less. On the other hand, when the thickness of the multilayer film was 20 μm and 30 μm, the number of cracks was hardly recognized visually when the line width was 500 μm and 300 μm.
表１に製造した接合体のクラック面積を示す。比較のために製造した接合体（Ｎｏ．２０）のクラック面積は４．１％と非常に大きな値であったが、多層膜の幅を小さくしておくと大きく減少した。特に、多層膜の厚さが２０μｍ以上で、線幅が５００μｍ以下の場合、クラック面積は、０．６％という非常に低い値が得られた。 Table 1 shows the crack area of the manufactured joined body. The bonded area (No. 20) manufactured for comparison had a very large crack area of 4.1%, but it decreased greatly when the width of the multilayer film was reduced. In particular, when the thickness of the multilayer film was 20 μm or more and the line width was 500 μm or less, the crack area was as low as 0.6%.
本発明の接合方法は、ＭＥＭＳのパッケージング技術のみならず、実装基板へのデバイスの実装にも使用できるので、半導体産業における省エネルギー、低公害化、および低コスト化に寄与することが期待できる。 Since the bonding method of the present invention can be used not only for MEMS packaging technology but also for mounting a device on a mounting substrate, it can be expected to contribute to energy saving, low pollution, and low cost in the semiconductor industry.
１ 第１の被接合体
２ 第１のハンダ層
３ レジスト
４ フォトマスク
５ レジストパターン
６,６ａ 多層膜
７ 第２の被接合体
８ 第２のハンダ層
９ 接合部
２０ 第１の被接合体
２１ 第２の被接合体
２２ デバイス
２３，２４ 接合部
２５，２６ 接続導体
２７，２８ 電極端子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st to-be-joined body 2 1st solder layer 3 Resist 4 Photomask 5 Resist pattern 6, 6a Multilayer film 7 2nd to-be-joined body 8 2nd solder layer 9 Joint part 20 1st to-be-joined body 21 Second object 22 Device 23, 24 Junction 25, 26 Connection conductor 27, 28 Electrode terminal
Claims (9)
異種金属をナノメータオーダーの膜厚で交互に積層した積層膜をパターニングして前記反応性多層膜を形成し、
前記反応性多層膜を反応させて発熱せしめ、前記反応性多層膜の両面に配置された前記ハンダ層を溶融させて第１の被接合体と第２の被接合体とを接合する、該デバイス用接合方法。 A bonding method for a device for bonding a first bonded body and a second bonded body using a bonding portion including a solder layer and a reactive multilayer film,
The reactive multilayer film is formed by patterning a laminated film in which different kinds of metals are alternately laminated with a thickness of nanometer order,
The device that reacts the reactive multilayer film to generate heat, melts the solder layers disposed on both surfaces of the reactive multilayer film, and joins the first and second objects to be joined. Joining method.
該接合部が、両面にハンダ層を有する金属間化合物膜を有し、
該金属間化合物膜のクラック面積が１．８％以下である、パッケージデバイス。 A device, and a first bonded body and a second bonded body that are bonded via the bonding portion and seal the device;
The joint has an intermetallic compound film having solder layers on both sides,
The package device whose crack area of this intermetallic compound film is 1.8% or less.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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