JP2015167982A - Bonding material, bonding method and manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、接合材料及び接合方法並びに半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a bonding material, a bonding method, and a method for manufacturing a semiconductor device.
電機・電子機器の部品の電気的接合に使用されている接合材料であるはんだには、従来、鉛が含まれていた。しかし、2003年頃から、人体への有害性が指摘される鉛の使用を規制する動きが欧州を中心に広がり、鉛を含有しない、鉛フリー代替材料の開発が進められてきている。 In the past, lead has been included in solder, which is a joining material used for electrical joining of parts of electric and electronic equipment. However, since around 2003, the movement to regulate the use of lead, which has been pointed out to be harmful to the human body, has spread mainly in Europe, and the development of lead-free alternative materials that do not contain lead has been underway.
はんだは、融点により高温、中温、低温の3種類に分けられる。このうち、高温はんだについては、市場要求(260℃耐熱性、高熱電導性、接合信頼性、低コスト)のすべてを満たす鉛フリー高温はんだが存在していなかった。 There are three types of solder, high temperature, medium temperature, and low temperature, depending on the melting point. Among these, as for high-temperature solder, there has been no lead-free high-temperature solder that satisfies all the market requirements (260 ° C. heat resistance, high thermal conductivity, bonding reliability, and low cost).
そこで、市場要求のすべてを満たす鉛フリー高温はんだの開発が求められており、開発されたものとして、特許文献1に記載の鉛フリー接合材料がある。
Therefore, development of a lead-free high-temperature solder that satisfies all of the market requirements has been demanded, and a lead-free bonding material described in
特許文献1に記載の接合材料は、Zn/Al界面から溶融するため、基板に濡れる前に表面張力により収縮する。収縮の際、拡散ムラが発生したり、被接合部材と接触する銅などからなる最外層の薄い部分で局所的な濡れが発生して、そこを中心として収縮するため、被接合部材へ接合材料を供給した際の中心位置から実装位置の中心位置がずれることがあるという点で改善の余地があった。
Since the bonding material described in
そこで、本発明の目的は、特定の接合材料を使用した場合における供給位置からの位置ずれを防ぐことができる接合材料及び接合方法並びに半導体装置の製造方法を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a bonding material, a bonding method, and a method for manufacturing a semiconductor device that can prevent displacement from a supply position when a specific bonding material is used.
本発明は、上記目的を達成するために、下記[1]〜[6]の接合材料及び接合方法並びに半導体装置の製造方法を提供する。 In order to achieve the above object, the present invention provides the following bonding materials and bonding methods [1] to [6] and a method for manufacturing a semiconductor device.
[1]最外層としてのCu、Au、Ag又はSnを主成分として含有する第1及び第2のX系金属材と、前記第1及び第2のX系金属材の間に設けられたZnを主成分として含有するZn系金属材及びAlを主成分として含有する第1のAl系金属材とが積層された接合材料であって、前記第1のX系金属材は、前記第2のX系金属材よりも厚く、前記接合材料の総厚の3%以上の厚さを有することを特徴とする接合材料。
[2]前記第1のX系金属材は、前記接合材料の総厚の5%以上100%未満の厚さを有することを特徴とする前記[1]に記載の接合材料。
[3]前記第1及び第2のX系金属材の間にAlを主成分として含有する第2のAl系金属材がさらに設けられており、前記第1及び第2のX系金属材の間の積層構造が、前記第1のAl系金属材/前記Zn系金属材/前記第2のAl系金属材であることを特徴とする前記[1]又は前記[2]に記載の接合材料。
[4]前記[1]〜[3]の何れか1つに記載の接合材料を前記第1のX系金属材を上側に向けて下側にある被接合材に接合することを特徴とする接合方法。
[5]前記Zn系金属材、前記第1のAl系金属材、及び前記第2のX系金属材が溶融し、前記被接合材に濡れ広がった後に、前記第1のX系金属材を除去する工程を有することを特徴とする前記[4]に記載の接合方法。
[6]前記[1]〜[3]の何れか1つに記載の接合材料を用いてはんだ接合する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
[1] Zn provided between the first and second X-based metal materials containing Cu, Au, Ag or Sn as the main component as the outermost layer and the first and second X-based metal materials A bonding material in which a Zn-based metal material containing Al as a main component and a first Al-based metal material containing Al as a main component are laminated, wherein the first X-based metal material includes the second X A joining material characterized by being thicker than an X-based metal material and having a thickness of 3% or more of the total thickness of the joining material.
[2] The bonding material according to [1], wherein the first X-based metal material has a thickness of 5% or more and less than 100% of the total thickness of the bonding material.
[3] A second Al-based metal material containing Al as a main component is further provided between the first and second X-based metal materials, and the first and second X-based metal materials The bonding material according to the above [1] or [2], wherein the laminated structure is the first Al-based metal material / the Zn-based metal material / the second Al-based metal material .
[4] The bonding material according to any one of [1] to [3] is bonded to a material to be bonded on the lower side with the first X-based metal material facing upward. Joining method.
[5] After the Zn-based metal material, the first Al-based metal material, and the second X-based metal material are melted and spread to the material to be joined, the first X-based metal material is The bonding method according to [4], further including a removing step.
[6] A method for manufacturing a semiconductor device, comprising a step of soldering using the bonding material according to any one of [1] to [3].
本発明によれば、特定の接合材料を使用した場合における供給位置からの位置ずれを防ぐことができる接合材料及び接合方法並びに半導体装置の製造方法が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the joining material and joining method which can prevent the position shift from a supply position at the time of using a specific joining material, and the manufacturing method of a semiconductor device are provided.
(接合材料の構成)
本発明の実施の形態に係る接合材料は、最外層としてのCu、Au、Ag又はSnを主成分として含有する第1及び第2のX系金属材と、前記第1及び第2のX系金属材の間に設けられたZnを主成分として含有するZn系金属材及びAlを主成分として含有する第1のAl系金属材とが積層された接合材料であって、前記第1のX系金属材は、前記第2のX系金属材よりも厚く、前記接合材料の総厚の3%以上の厚さを有する。
(Composition of bonding material)
The bonding material according to the embodiment of the present invention includes first and second X-based metal materials containing Cu, Au, Ag, or Sn as an outermost layer as a main component, and the first and second X-based materials. A bonding material obtained by laminating a Zn-based metal material containing Zn as a main component and a first Al-based metal material containing Al as a main component provided between the metal materials, the first X The metallic metal material is thicker than the second X metallic material and has a thickness of 3% or more of the total thickness of the bonding material.
図1は、本発明の実施の形態に係る接合材料の一例を模式的に示す断面図である。 FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an example of a bonding material according to an embodiment of the present invention.
図1に示される本発明の実施形態に係る接合材料は板状であり、平角状の断面を有するZn系金属材の片面に、Al系金属材、及びX系金属材が順に設けられ、他方の面にX系金属材が設けられている。Al系金属材は、Zn系金属材の片面にのみ設ける場合に限られず、Zn系金属材の両面に設ける構成であってもよい。 The bonding material according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 1 is plate-shaped, and an Al-based metal material and an X-based metal material are sequentially provided on one side of a Zn-based metal material having a flat rectangular cross section. An X-based metal material is provided on the surface. The Al-based metal material is not limited to being provided only on one surface of the Zn-based metal material, and may be configured to be provided on both surfaces of the Zn-based metal material.
図1に示される接合材料10は、X系金属材としてCuを例示したものであり、大部分が前述の特許文献1に記載の構成と同じであるが、主として第1のX系金属材が第2のX系金属材よりも厚く、接合材料10の総厚の3%以上の厚さを有するものとしている点において異なる。具体的には、最外層としてのCu系金属材(Cu層3A,3B)と、Cu系金属材3A,3Bの間にZn系金属材(Zn層1)/Al系金属材(Al層2)の順で設けられた2層とが積層された4層構造の積層材である。
The bonding material 10 shown in FIG. 1 exemplifies Cu as an X-based metal material, and most of the structure is the same as that described in
接合材料10は、第1のX系金属材(Cu層3A)を上側に向けて、すなわち第2のX系金属材(Cu層3B)を下側に向けて、下側にある被接合材に接合されるものである。
The bonding material 10 has the first X-based metal material (
Zn系金属材(Zn層1)(以下、単にZnと記載することがある)は、Znを主成分(最も多く含まれる成分、以下同じ)としており、Znが90質量%以上であることが好ましい。すなわち、Zn単体、又は不純物が10質量%以下のZn合金が好ましい。 The Zn-based metal material (Zn layer 1) (hereinafter may be simply referred to as Zn) contains Zn as a main component (the most abundant component, the same applies hereinafter), and Zn is 90% by mass or more. preferable. That is, Zn alone or a Zn alloy containing 10% by mass or less of impurities is preferable.
Al系金属材(Al層2)(以下、単にAlと記載することがある)は、Alを主成分としており、Alが90質量%以上であることが好ましい。すなわち、Al単体、又は不純物が10質量%以下のAl合金が好ましい。 The Al-based metal material (Al layer 2) (hereinafter sometimes simply referred to as Al) is mainly composed of Al, and Al is preferably 90% by mass or more. That is, Al alone or an Al alloy having impurities of 10% by mass or less is preferable.
第1及び第2のX系金属材(以下、単にXと記載することがある)は、Cu、Au、Ag又はSnを主成分としており、Cu、Au、Ag又はSnが90質量%以上であることが好ましい。特に、図に示される、Cuを主成分としており、Cuが90質量%以上であるCu系金属材(Cu層3A,3B)(以下、単にCuと記載することがある)であることが好ましい。すなわち、Cu単体、又は不純物が10質量%以下のCu合金が好ましい。例えば、無酸素銅、タフピッチ銅等の純銅や、3〜15質量ppmの硫黄と、2〜30質量ppmの酸素と、5〜55質量ppmのTiとを含む希薄銅合金等を使用することができる。
The first and second X-based metal materials (hereinafter sometimes simply referred to as X) are mainly composed of Cu, Au, Ag, or Sn, and Cu, Au, Ag, or Sn is 90% by mass or more. Preferably there is. In particular, it is preferable to be a Cu-based metal material (
X(第1)/Zn/Al/X(第2)の4層構造については、溶融時に十分な液相を生じさせ、濡れを向上させる目的から、後に除去されるX(第1)以外のZn/Al/X(第2)の3層構造の総厚が25μm以上であることが望ましい。また、接合部の熱抵抗を下げ、信頼性確保するため、Zn/Al/X(第2)の3層構造の総厚を500μm以下にすることが望ましい。 For the four-layer structure of X (first) / Zn / Al / X (second), in order to generate a sufficient liquid phase at the time of melting and improve wetting, other than X (first) to be removed later The total thickness of the Zn / Al / X (second) three-layer structure is preferably 25 μm or more. Further, in order to reduce the thermal resistance of the junction and ensure reliability, it is desirable that the total thickness of the three-layer structure of Zn / Al / X (second) is 500 μm or less.
X(第1)/Al/Zn/Al/X(第2)の5層構造の場合には、Al/Zn/Al/X(第2)の4層構造の総厚を25μm以上500μm以下にすることが望ましい。 In the case of a five-layer structure of X (first) / Al / Zn / Al / X (second), the total thickness of the four-layer structure of Al / Zn / Al / X (second) is 25 μm or more and 500 μm or less. It is desirable to do.
(Alの合計の層厚)/(Znの層厚)は、1/60〜1/3であることが望ましい。また、382〜420℃の接合温度範囲内で、積層材全体を均一に溶融させるため、X/Al/Zn/Al/Xの5層構造の場合には、Al、Zn、Alの層厚比は、Al:Zn:Al=1:6:1〜1:60:1の比率にすることが望ましい。さらに、溶融組織の均一性の観点から、Al:Zn:Al=1:8:1〜1:30:1の範囲がより望ましい。X/Al/Zn/Xの4層構造の場合には、Al、Znの層厚比は、Al:Zn=1:3〜1:60の比率にすることが望ましい。 (Al total layer thickness) / (Zn layer thickness) is preferably 1/60 to 1/3. In addition, in order to uniformly melt the entire laminated material within a bonding temperature range of 382 to 420 ° C., the layer thickness ratio of Al, Zn, and Al in the case of a five-layer structure of X / Al / Zn / Al / X Is preferably a ratio of Al: Zn: Al = 1: 6: 1 to 1: 60: 1. Further, from the viewpoint of the uniformity of the molten structure, the range of Al: Zn: Al = 1: 8: 1 to 1: 30: 1 is more desirable. In the case of a four-layer structure of X / Al / Zn / X, the layer thickness ratio of Al and Zn is preferably Al: Zn = 1: 3 to 1:60.
また、X系金属材はZnとAlの酸化を防止する機能を持たせるため、一定以上の厚さが必要となる。一方、第2のX系金属材は、ZnとAlが反応し溶融したZn−Al合金内に溶融し、Zn−Al−Cu合金を構成することになるが、元素XがZn−Al合金の硬さや融点に与える影響を最小限にとどめることが望ましい。そのため、第2のX系金属材はZnとAlに比べて薄い必要がある。層厚比は(Alの合計の層厚+Znの層厚):第2のXの層厚=1:0.0001〜0.10の比率にすることが望ましく、1:0.000175〜0.075の比率にすることがより望ましく、1:0.00025〜0.05の比率にすることがさらに望ましい。 In addition, the X-based metal material needs to have a certain thickness or more in order to have a function of preventing oxidation of Zn and Al. On the other hand, the second X-based metal material melts in a Zn-Al alloy in which Zn and Al react and melt to form a Zn-Al-Cu alloy, but the element X is a Zn-Al alloy. It is desirable to minimize the effect on hardness and melting point. Therefore, the second X-based metal material needs to be thinner than Zn and Al. The ratio of the layer thicknesses is preferably a ratio of (total layer thickness of Al + layer thickness of Zn): layer thickness of second X = 1: 0.0001 to 0.10, 1: 0.000175 to 0.00. A ratio of 075 is more desirable, and a ratio of 1: 0.00025 to 0.05 is even more desirable.
また、本実施の形態において、第1のX系金属材は、第2のX系金属材よりも厚く、4層構造の接合材料10の総厚の3%以上の厚さを有する。第1のX系金属材の厚さの上限は、接合材料10の総厚の100%未満であることが好ましく、80%以下であることがより好ましく、50%以下であることがさらに好ましい。100%以上であると、廃棄する部分が増える点で実用性が低下する。第1のX系金属材の厚さの下限は、除去(特に後述する吸着除去の場合)を容易化する点において、接合材料10の総厚の5%以上であることが好ましく、10%以上であることがより好ましく、15%以上であることがさらに好ましい。 In the present embodiment, the first X-based metal material is thicker than the second X-based metal material and has a thickness of 3% or more of the total thickness of the bonding material 10 having a four-layer structure. The upper limit of the thickness of the first X-based metal material is preferably less than 100% of the total thickness of the bonding material 10, more preferably 80% or less, and even more preferably 50% or less. When it is 100% or more, the practicality is lowered in that the portion to be discarded increases. The lower limit of the thickness of the first X-based metal material is preferably 5% or more of the total thickness of the bonding material 10 in terms of facilitating removal (particularly in the case of adsorption removal described later), and is preferably 10% or more. It is more preferable that it is 15% or more.
X/Al/Zn/Al/Xの5層構造の場合においても、第1のX系金属材の厚さは、上記4層構造の場合と同様である。 Even in the case of a five-layer structure of X / Al / Zn / Al / X, the thickness of the first X-based metal material is the same as in the case of the four-layer structure.
(接合材料の製造方法)
次に、本実施の形態に係る接合材料の製造方法について説明する。
本実施の形態に係る接合材料は、クラッド圧延法、めっき法、又は蒸着法により製造することができる。詳細は、特許文献1(特開2012−71347号公報)に記載の方法により製造できるため、説明を省略する。
(Method of manufacturing joining material)
Next, a method for manufacturing the bonding material according to the present embodiment will be described.
The bonding material according to the present embodiment can be manufactured by a clad rolling method, a plating method, or a vapor deposition method. Details can be manufactured by the method described in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2012-71347), and thus the description thereof is omitted.
但し、上記特許文献1に記載の製造方法において、第1のX系金属材は、第2のX系金属材よりも厚く、接合材料の総厚に対して前述の範囲の厚さとなるようにする点で異なる。
However, in the manufacturing method described in
(接合方法)
本発明の実施の形態に係る接合方法は、上記本発明の実施の形態に係る接合材料を第1のX系金属材を上側に向けて下側にある被接合材に接合することを特徴とする。
(Joining method)
A bonding method according to an embodiment of the present invention is characterized in that the bonding material according to the embodiment of the present invention is bonded to a material to be bonded on the lower side with the first X-based metal material facing upward. To do.
図2は、図1に示す接合材料を用いてヒートブロック上に接合する際の接合材料の状態変化を模式的に示す断面図である。 FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a change in the state of the bonding material when bonding onto the heat block using the bonding material shown in FIG.
接合材料10のCu層3A(第1のX系金属材)を上側に向け、Cu層3B(第2のX系金属材)を下側に向けて下側にある被接合材であるヒートブロック100(加熱された基板等)に接合する際、ヒートブロック100上に供給された接合材料10は、図2中の中央図に示されるように、Cu層3Aの大部分を残してZn層1、Al層2、及びCu層3Bの一部が先にZn−Al−Cu融液20となる。次いで、図2中の右図に示されるように、Cu層3Bの残部も溶融し、Zn−Al−Cu融液20の一部となり、ヒートブロック100上に濡れ広がる。溶融時、上層に厚いCu層3Aがあるため、Zn−Al−Cu融液20の収縮は抑えられる。
A heat block which is a material to be joined, with the
Zn−Al−Cu融液20がヒートブロック100上に濡れ広がった後に、残っているCu層3Aを除去する(図2中の右下図)。除去する方法としては、例えばコレットでCu層3Aを吸着させて除去する方法が挙げられる。
After the Zn-Al-
(用途)
本発明の実施の形態に係る接合材料は、様々な構造の半導体装置のダイボンディング材料、リード材、封止用材料、絶縁基板の接合材料として使用できる。適用例としては、オルタネータ用ダイオード、IGBTモジュール、RFモジュール等のフロントエンドモジュール、自動車用パワーモジュール、LED、リチウムイオン電池の保護回路用MOSFET、DBC基板やDBA基板などのセラミック基板が挙げられる。ゆえに、本発明の実施の形態に係る接合材料を用いてはんだ接合する工程を経て製造された種々の半導体装置を得ることができる。
また、自動車用熱交換器等に用いられるアルミニウムブレージングシートのAl合金上に積層されるろう材として適用することも出来る。
(Use)
The bonding material according to the embodiment of the present invention can be used as a bonding material for die bonding materials, lead materials, sealing materials, and insulating substrates for semiconductor devices having various structures. Application examples include diodes for alternators, IGBT modules, front-end modules such as RF modules, automotive power modules, LEDs, MOSFETs for lithium ion battery protection circuits, ceramic substrates such as DBC substrates and DBA substrates. Therefore, various semiconductor devices manufactured through a solder bonding process using the bonding material according to the embodiment of the present invention can be obtained.
Moreover, it can also be applied as a brazing material laminated on an Al alloy of an aluminum brazing sheet used for an automotive heat exchanger or the like.
(実施の形態の効果)
本発明の実施の形態によれば、特定の接合材料を使用した場合において、上層に厚いCu層3A(第1のX系金属材)があるため、溶融時に局所的に濡れても融液が収縮しないので、被接合材へ接合材料を供給した供給位置からの位置ずれを防ぐことができる接合材料及び接合方法並びに半導体装置の製造方法を提供することができる。
(Effect of embodiment)
According to the embodiment of the present invention, when a specific bonding material is used, since there is a
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず種々に変形実施が可能である。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation implementation is possible.
10:接合材料
1:Zn層、2:Al層、3A,3B:Cu層
20:Zn−Al−Cu融液、100:ヒートブロック
10: Bonding material 1: Zn layer, 2: Al layer, 3A, 3B: Cu layer 20: Zn—Al—Cu melt, 100: Heat block
Claims (6)
前記第1のX系金属材は、前記第2のX系金属材よりも厚く、前記接合材料の総厚の3%以上の厚さを有することを特徴とする接合材料。 The main component is Zn provided between the first and second X-based metal materials containing Cu, Au, Ag, or Sn as the main component as the outermost layer, and the first and second X-based metal materials. A bonding material in which a Zn-based metal material contained as a first Al-based metal material containing Al as a main component is laminated,
The bonding material, wherein the first X-based metal material is thicker than the second X-based metal material and has a thickness of 3% or more of the total thickness of the bonding material.
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising a step of solder bonding using the bonding material according to claim 1.
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