JP3601722B2 - ダイボンド用ハンダ材 - Google Patents

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Description

1.技術分野
この発明は、シリコンチップなどを基台に固定するダイボンドに用いられるダイボンド用ハンダ材に関する。
2.背景技術
圧力あるいは差圧を検出する圧力センサとしては、半導体圧力センサを利用した半導体圧力変換器が知られている（例：実開昭59−135654号公報等）。
図９はこのような半導体圧力センサを備えた半導体圧力変換器の従来例を示す。この半導体圧力変換器は、キャリア901上に基台902を設置し、さらにその上に半導体圧力センサ903を設置して構成したものである。
キャリア901は、板厚が0.5〜3mm程度の金属板やセラミック板からなり、中央に圧力導入孔904を有し、また外周寄りには導電ピン906が挿通されガラス等のシール材905によってハーメチックシールされている。
基台902としては、半導体圧力センサ903と線膨張係数が近似した絶縁材料によって高さが１〜5mm程度の筒状体に形成されている。また、この基台902には、前述した圧力導入孔904に連通する挿通孔908を有している。
そして、基台922をキャリア901にハンダ付けにより接合するときに、ハンダ付け性を向上させるため、金メッキ単体もしくはニッケルメッキ単体か、そのニッケルメッキ上に金メッキ等を施した後、キャリア901と基台902をハンダ材907によって接合する。
基台902をキャリア901上に接合するには、例えば基台902にセラッミックを用いた場合、その接合面902aにMo,Mn等を焼き付けた上にNi,Auのメッキ層を重ねるという従来周知の方法でメタライズした後、キャリア901と基台902の接合面901a,902a間にハンダ材（ろう材）907を挟み込んで接合治具で加熱し、ハンダ材907を溶かして接合する。ハンダ材907としては、錫（Sn）と金（Au）からなるSn−Ag系の共晶ハンダが用いられ、接合部の厚さは一般的に10〜50μｍ程度とされる。
また、半導体圧力センサ903は、ｎ型単結晶シリコン（Si）等からなり基台902の上面に静電接合された半導体基板909を備えている。この半導体基板909は、厚さ20μｍ〜100μｍ程度の起歪部、すなわち円板状の受圧ダイアフラム911が形成されている。また、このダイアフラム911の表面側には、不純物の拡散もしくはイオン打ち込み技術により、ピエゾ抵抗領域として作用する４つのゲージ912が形成されている。そして、それらによりホイートストーンブリッジを構成し、リード線913によって導電ピン906に接続されている。
3.発明の開示
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、前述したハンダ材は柔らかいので応力を吸引しやすいが、固定するチップによっては、ハンダ材自身が固まるときにそのチップに応力を与え、前述したセンサのチップを破壊したり、また、センサの測定結果にドリフトを発生させてしまう場合があった。
また、前述したハンダ材は酸化しやすく、空気中での保存ができないため、取り扱いが不便であった。
〔課題を解決するための手段〕
それ故、この発明の主目的は、固定するチップに対する応力の発生を抑制し、また、より容易に固定できるようにするものである。
このような目的を達成するために、この発明の第１発明は、ダイボンド用ハンダ材を錫と金から構成し、重量比で錫が実質的に95％〜90％で金が実質的に５％〜10％の組成比の状態での共融点（eutectic point）を有する組成比とし、錫より融点が高く、錫とは共晶を形成せず、金との共融点が前記錫と金の共晶の融点より高い金属からなる添加物を、錫と金に加えて添加するようにした。
このように構成した結果、このダイボンド用ハンダ材は、室温付近における伸び率や引っ張り強度が、Sn−Ag共晶によるハンダ材を用いた場合より増加する。
また、第２発明は、第１発明において、上述したダイボンド用ハンダ材に、錫と金に加え、添加物としてアンチモンを添加した。
この添加物は、溶融しているダイボンド用ハンダ材が冷却していく課程で、最初に単体で析出する。
また、第３発明は、第１発明において、上述したダイボンド用ハンダ材に、錫と金に加え、添加物としてシリコンを添加した。
また、第４発明は、第１〜３のいずれかの発明において、添加物の添加量を、重量比で0.1〜９％の範囲とした。
また、第５発明は、ダイボンド用ハンダ材を錫と金から構成し、重量比で錫が実質的に95％〜90％で金が実質的に５％〜10％の組成比の状態での共融点を有する組成比とし、錫と金に加えて添加物としてゲルマニウムを添加するようにした。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施の形態におけるダイボンド用ハンダ材を用いた半導体圧力変換器の構成を示す断面図である。
図２は、Sn−Sbの状態図である。
図３は、Au−Sbの状態図である。
図４は、Au−Snの状態図である。
図５は、Au−Geの状態図である。
図６は、Ge−Snの状態図である。
図７は、Au−Siの状態図である。
図８は、Si−Snの状態図である。
図９は、従来のダイボンド用ハンダ材を用いた半導体圧力変換器の構成を示す断面図である。
5.発明を実施するための最良の形態
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態におけるダイボンド用ハンダ材を用いた半導体圧力変換器の構成を示す断面図であり、以下では、図１に示すような半導体圧力変換器の製造に、この発明のダイボンド用ハンダ材を用いた場合を例にとり説明する。
図１に示す半導体圧力変換器は、キャリア101上に基台102を設置し、さらにその上に半導体圧力センサ103を設置して構成したものである。
キャリア101は42−アロイ、コバール等によって厚さが0.5〜3mm程度の板状に形成されている。また、その中央には、圧力導入孔104が形成されている。そして、また外周寄りには、導電ピン106が挿通され、ガラス等のシール材105によってハーメチックシールされている。
基台102としては、半導体圧力センサ103と線膨張係数が近似した絶縁材料を用いる。これは、半導体圧力センサ103を接合するときの熱歪みが、半導体圧力センサ103に伝わると、変換器の温度特性を低下させ零点シフトの原因となるためである。そして、このような絶縁材料としては、例えばパイレックスガラス（商品名）、セラミックス等がある。そして、この基台102は、高さが１〜5mm程度の筒状体に形成され、圧力導入孔104に連通する挿通孔108を有している。
ところで、キャリア101の材質が42−アロイやコバールであるので、基台122をキャリア101に直接ハンダ付けすることができる。しかし、通常ハンダ付け性を向上させるために、金メッキ単体もしくはニッケルメッキ単体か、そのニッケルメッキ上に金メッキ等を施した後、キャリア101と基台102をハンダ材107によって接合する。
例えばセラミックからなる基台102の場合、これをキャリア101上に接合するには、例えば基台102の接合面102aにモリブデン（Mo），マンガン（Mn）等を焼き付けた上にニッケル（Ni），金（Au）のメッキ層を重ねるという従来周知の方法でメタライズした後、キャリア101と基台102の接合面101a,102a間にハンダ材（ろう材）107を挟み込んで接合治具で加熱し、ハンダ材107を溶かして接合する。
そして、図１の半導体圧力変換器では、ハンダ材107として、SnとAuとの共晶を用い、その実質的な組成比がAuより錫（Sn）の割合の方が多い状態での共融点（約217℃）を有する組成比となるようにした。これは、たとえば、Sn約90％,Au約10％の組成比（重量比）とした共晶とすればよい。なお、その厚さは、10〜50μｍ程度とした。
また、半導体圧力センサ103は、たとえばｎ型単結晶シリコン（Si）等からなり、基台102の上面に半導体基板109が静電接合された構成となっている。
この半導体基板109は、裏面中央部をエッチングによって除去することにより、厚さ20μｍ〜100μｍ程度の起歪部、すなわち円板状の受圧ダイアフラム111が形成されている。また、このダイアフラム111の表面側には、不純物の拡散もしくはイオン打ち込み技術により、ピエゾ抵抗領域として作用する４つのゲージ112が形成されている。そして、それら４つのゲージ112によりホイートストーンブリッジが構成され、リード線113によって導電ピン106に接続されている。
このような構成において、受圧ダイアフラム111の表裏面に測定圧力P1,P2をそれぞれ加えると、その差圧ΔＰ（＝P1−P2）に応じて受圧ダイアフラム111が変形してゲージ112の比抵抗が変化する。したがって、この時の抵抗変化に伴う出力電圧を検出することにより、差圧ΔＰを測定することができる。なお、圧力の検出に用いる際には、圧力導入孔104を大気に開放させ、測定圧力P1をダイアフラム111に加える。
そして、前述したように、ハンダ材107によってキャリア101と基台102とを接合するようにしたので、ハンダ接合における温度変化で、ハンダ材107による応力の発生が抑制できるようになる。
ここで、ハンダ材として用いたSnとAuの共晶と、従来よりハンダ材として用いられているSnと銀（Ag）の共晶の特性に関して比較すると、以下の表１に示すとおりとなる。
Figure 0003601722
ここで、キャリア101と基台102の接合における、ハンダ材107によるハンダ付けを行うときの温度変化による変形の中身は、弾性変形と塑性変形とが同時に起こっている。そして、ハンダ付けの時に発生するチップの破壊は、弾性変形により生じる。また、ハンダ付けした後に発生するドリフトは、塑性変形によって生じる。この弾性変形についてはハンダ材のヤング率が影響し、塑性変形についてはハンダ材の硬さと伸び率が影響している。
したがって、上述した表１の比較から明らかなように、ハンダ付けによるチップの破壊およびセンサにおけるドリフトを抑制するには、ハンダ材107を用いた方がよいことがわかる。
ここで、フックの法則から、SnとAgの共晶を用いた場合よりSnとAuの共晶をハンダ材に用いた方が、以下の数１に示すように、ハンダ付けにより発生する応力が小さくなる。なお、これは、最大の効果が得られる熱処理などの条件で行った場合である。
［数１］
Figure 0003601722
なお、α１はSnとAuの共晶の熱膨張係数，α２はSnとAgの共晶の熱膨張係数、αｇは接合する部材の熱膨張係数である。また、Tmelt1はSnとAuの共晶の室温（25℃）から融点までの温度差、Tmelt2はSnとAgの共晶の室温（25℃）から融点までの温度差である。そして、E1はSnとAuの共晶のヤング率、E2はSnとAgの共晶のヤング率である。
ところで、上述では、ハンダ材107はSn約90％,Au約10％の組成比としたが、必ずその組成比とする必要はない。例えば、上述したように、ハンダ接合する対称物がAuを含んでいる場合、ダイボンド用ハンダ材の組成比がSn:Au＝9:1であると、対象物からハンダ材の方にAuが拡散し、ハンダ材の組成が9:1からずれるものとなってしまう。このような場合、あらかじめAuの組成比を減じ、最大でSn:Au＝95:5程度としておけばよい。
すなわち、ハンダ接合する対象物におけるAuの含有状態により、ダイボンド用ハンダ材の組成「Sn:Au」が「9:1〜95:5」の範囲で可変し、実際にハンダ付けする際に、ダイボンド用ハンダ材が実質的な組成比が金より錫の割合の方が多い状態での共融点を有する組成比となる錫と金の共晶となるようにすればよい。
ところで、上述した、実質的な組成比がAuよりSnの割合の方が多い状態での共融点を有する組成比となるSnとAuの共晶をハンダ材として用いる場合、ハンダの冷却に時間をかけすぎると、ハンダの性能を劣化させてしまう場合がある。これは、そのSnとAuからなるハンダの状態が変成するためと考えられる。組成比がSnの割合の方が多い状態での共融点を有する状態、すなわち、ほぼSn対Auが９対１程度の時、一度溶融させてから時間をかけて冷却すると、SnとAuとの金属間化合物の結晶が大きく成長してしまう、ハンダ中のそれら結晶粒が大きくなりすぎてしまう。そして、結晶粒が大きい状態では、線膨張係数が大きくなり、そのハンダは堅くて脆いものとなってしまう。
そのため、この実施の形態では、前述したハンダ材に、0.1〜9.0wt％の範囲でアンチモン（Sb）を添加物として添加するようにした。このように、Sbを添加することで、SnとAuの金属間化合物の結晶粒が肥大化することが抑制され、より微小な結晶粒しか形成されない状態となる。
これは、Sbを添加することで、融解したハンダにおけるAuの拡散集中を防ぐことが可能となるためと考えられる。
まず、図２の状態図に示すように、Sn−Sbは共融点を持たないので、実質的な組成比がSnの割合の方が多い状態での共融点を有する組成比となるSnとAuの共晶からなるハンダ材では、Sbが含まれるとSnの融点である232℃以上の液相線温度を持つようになる。
また、図３の状態図に示すように、Au−Sbの共融点は360℃であり、図４の状態図に示すようにこのハンダ材におけるSn−Auの共融点は217℃である。
ここでまず、実質的な組成比がSnの割合の方が多い状態での共融点を有する組成比となるSnとAuの共晶からなるハンダを、溶融してから徐々に冷却していく過程を考察する。
その冷却過程において、Sn−Auの共融点に近くなると、AuとSnがある組成比で構成された金属間化合物AuSnxを形成する。そして、この冷却過程で、融解しているハンダ内部の温度分布が均一で、かつ、きわめてゆっくりした冷却速度をとるときは、それらが析出と溶融との平衡状態を作りながら、ｘが１→２→４と変化する。最終的には、その金属間化合物は、AuSn4の状態でSnとの共晶組織を形成して固相に相転移する。
ところが、冷却していく中では、一定温度の状態ではないので完全な平衡状態とはならず、その変化の中で、Sn−Auの金属間化合物は、溶融状態と析出状態との間の平衡状態から、若干、析出状態の側にシフトする。すなわち、Sn−Auの金属間化合物は、固相の側にシフトした状態である固体の状態で、それを取り囲む溶融しているハンダの中を漂っている。
この場合、冷却という過渡状態であるので、ハンダ内部に温度差が生ずる。その冷却過程では、熱は溶融しているハンダの表面から奪われるので、内部に存在する固体の金属間化合物より、周囲の溶融している部分温度のほうが常に低温となる。このため、ハンダの温度がSn−Auの共融点まで冷却していなくても、周囲の箇所より新たに固体のSn−Au金属間化合物が生成され、それらが液相中を漂っていく間にすでに形成されているSn−Au金属間化合物と会合し、凝集力により結合していく。それらの結果として、AuSn4の金属間化合物の結晶粒が肥大化していく。そして、この金属間化合物の結晶粒が大きくなりすぎれば、前述したように、冷却固化したハンダにおいては、線膨張係数が大きくなり堅くて脆いものとなってしまう。
ここで、上述のハンダ材に9wt％のSbが含まれた状態を考える。このハンダを溶融した後で徐々に冷却していくと、その冷却過程では、まず、ハンダの温度が246℃に達すると、図２に示したようなSn−Sbの液相線温度の曲線に沿って、溶融しているハンダの液相にSbが単体で析出してくる。これは、次に示す理由による。まず、前述したように、Au−Sbの共融点360℃以下であるため、その温度ではAuとSbとがいかなる組成比であっても、Sbが溶融した状態を保つことができない。また、このハンダの場合Sn−Auの共融点が217℃であるため、246℃という温度では、Auは溶融した状態となっている。すなわち、Au−Snの固溶体もしくは金属間化合物が固体で析出することがないの。そして、図２に示したように、錫とアンチモンは共晶を形成せず共融点がないため、上述したように、246℃近辺において、図２の状態図に則ってSnは溶融析出する。
ついで、さらに冷却していくと、前述したように、SnとAuの金属間化合物の結晶粒が生成されていくが、今度は、Sbが析出しているので、生成された金属間化合物が液相中を漂っていくことが阻害される。この結果、冷却過程で生成されているSnとAuの金属間化合物の結晶粒同士が会合する機会が減少し、結晶粒の肥大化が抑制されるようになる。前述したように、Sn−Auの共融点近くでそれより高い温度状態では、Sbは単独で析出するので、SnとAuの金属間化合物の結晶粒が液相中を移動していくことを阻止できる。
以上説明したように、この実施の形態のダイボンド用ハンダ材では、Sbを添加するようにしたので、ハンダ付けの過程で徐々に冷却固化していっても、SnとAuの金属間化合物が析出し始める温度で、Sbが単体で析出してくるようになる。この結果、SnとAuの金属間化合物の結晶粒が肥大化するのを抑制できるようになるので、ダイボンド用ハンダ材の性能劣化を抑制できるようになる。
ここで、Sbの添加量は、0.1wt％以上であれば上述の効果が得られる。ただし、添加物としてのSbが約10wt％以上添加された状態となると、そのSn−Auハンダ材は、もろくかたくなり、応力緩和機能が低下するので、添加物の添加量は、やく10wt％以下とした方がよい。
なお、上述では、Sbを添加するようにしたが、これに限るものではなく、シリコン（Si）やゲルマニウム（ゲルマニウム）を添加するようにしても、同様の効果を得られる。
まず、図５に示すように、Au−Geは共融点が356℃であり、加えて、図６に示すように、Ge−Snは共晶を形成するが、この共融点はゲルマニウムが極めて少ない組成比（0.3at％）である。そして、上述したSn−Auの共融点217℃より高い温度領域において、Sn−Auのハンダ材中にGeが存在すれば、図６の液相線温度の曲線に沿って、溶融しているハンダの液相にGeが単体で析出してくる。
また、図７に示すように、Au−Siは共融点が370℃であり、加えて、図８に示すように、Si−Snは共晶を形成せず共融点を持たない。そして、この場合においても、上述したSn−Auの共融点217℃より高い温度領域において、Sn−Auのハンダ材中にSiが存在すれば、図８の液相線温度の曲線に沿って、溶融しているハンダの液相にSiが単体で析出してくる。
従って、GeやSiであっても、それらを添加することで上述のSbの場合と同様の効果を得ることが可能となる。
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、まず、錫と金から構成され、その実質的な組成比が錫の割合の方が多い状態での共融点を有する組成比となるようにした。
このように構成した結果、Sn−Ag共晶によるハンダ材を用いた場合に比較して、この発明のダイボンド用ハンダ材は、室温付近における伸び率が増加し、ヤング率が小さく、線膨張計数が小さいので、従来より固定するチップに対する応力の発生を抑制できるようになる。また、引っ張り強度が高いため、強い接着力が得られ、加えて、金を含むようにしているために、耐酸化性に優れハンダ接合するときに、このダイボンド用ハンダ材に対してはフラックスフリーで用いることができる。
また、上述したダイボンド用ハンダ材に、錫と金に加え、錫より融点が高く、錫とは共晶を形成せず、金との共融点が上述の錫と金の共晶の融点より高い金属からなる添加物を添加するようにした。この添加物は、溶融しているダイボンド用ハンダ材が冷却していく課程で、最初に単体で析出するので、大きな結晶粒の生成を抑制できるので、ハンダによる接合性能の劣化を抑制できるようになる。
また、添加物の添加量を、重量比で0.1〜９％の範囲とした。この添加物は、溶融しているダイボンド用ハンダ材が冷却していく課程で、最初に単体で析出するので、大きな結晶粒の生成を抑制できるので、ハンダによる接合性能の劣化を抑制できるようになる。
また、添加物としてアンチモン、ゲルマニウム、シリコンのいずれかを用いるようにした。この添加物は、溶融しているダイボンド用ハンダ材が冷却していく課程で、最初に単体で析出するので、大きな結晶粒の生成を抑制できるので、ハンダによる接合性能の劣化を抑制できるようになる。
また、重量比で錫が実質的に95％〜90％で金が実質的に５％〜10％の組成比となっているようにした。この結果、Sn−Ag共晶によるハンダ材を用いた場合に比較して、この発明のダイボンド用ハンダ材は、室温付近における伸び率が増加し、ヤング率が小さく、線膨張計数が小さいので、従来より固定するチップに対する応力の発生を抑制できるようになる。また、引っ張り強度が高いため、強い接着力が得られ、加えて、金を含むようにしているために、耐酸化性に優れハンダ接合するときに、このダイボンド用ハンダ材に対してはフラックスフリーで用いることができる。

Claims (5)

  1. 錫と金から構成され、重量比で錫が実質的 に95％〜90％で金が実質的に５％〜10％の組成比の状態での共融点を有する組成比となり、
    錫より融点が高く、錫とは共晶を形成せず、金との共融 点が前記錫と金の共晶の融点より高い金属からなる添加 物が、錫と金に加えて添加され
    たことを特徴とするダイボンド用ハンダ材。
  2. 請求項１において、
    前記添加物はアンチモンであることを特徴とするダイボンド用ハンダ材。
  3. 請求項１において、
    前記添加物はシリコンであることを特徴とするダイボンド用ハンダ材。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項において、
    前記添加物の添加量は、重量比で0.1〜９％であることを特徴とするダイボンド用ハンダ材。
  5. 錫と金から構成され、重量比で錫が実質的 に95％〜90％で金が実質的に５％〜10％の組成比の状態 での共融点を有する組成比となり、
    錫と金に加えて添加物としてゲルマニウムが添加され
    たことを特徴とするダイボンド用ハンダ材。
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