JP4147875B2 - ろう材、これを用いた半導体装置の組み立て方法並びに半導体装置 - Google Patents

ろう材、これを用いた半導体装置の組み立て方法並びに半導体装置 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子のダイボンディングや電子部品の組立等に用いられる高温ろう材に関し、具体的にはＰｂを含まない高温ろう材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高周波素子や半導体素子をリードフレーム等にダイボンディングして半導体装置を組み立てる際、あるいは電子部品を組み立てる際に、融点が３００℃前後のＡｕ／２０ｍａｓｓ％Ｓｎ（Ａｕが２０ｍａｓｓ％で残部がＳｎ）に代表されるＡｕ系のろう材やＰｂ／５ｍａｓｓ％Ｓｎ（Ｐｂが５ｍａｓｓ％で残部がＳｎ）に代表されるＰｂ系のろう材が使用されている。
【０００３】
ダイボンディング用として融点が３００℃前後のこれらのろう材が使用されるのは、組み立てた半導体装置をプリント基板に実装するときの温度２４０〜２６０℃、加熱時間が１０秒以下という条件で行われるが、この際にダイボンディング時に使用されたろう材が再溶解し、性能劣化を起こすのを防止するためである。また、電子部品の組立においては後工程で行われるステップろう付け（２２０〜２６０℃）で、前工程で用いたろう材が再溶解しないためである。
【０００４】
しかし、Ａｕ系のろう材は価格が高いという問題があり、Ｐｂ系のろう材は環境汚染という問題がある。そこで、安価でＰｂを含まず、ろう材の溶解温度が２６０℃以上で、３００〜３４０℃でろう付けが可能であり、さらに良好な濡れ性をもつろう材の提供が求められている。
【０００５】
こうした要望をかなえるべく提案されたものの一つとして、Ｆｅ，Ｎｉのうち少なくとも１種を０．００５〜５．０ｍａｓｓ％を含み、好ましくはＡｇ ０．１〜２０ｍａｓｓ％、又はＣｕ ０．０５〜９ｍａｓｓ％、又はＡｇ ０．１〜１５ｍａｓｓ％とＣｕ ０．０５〜５ｍａｓｓ％を含み、さらにはＳｂ ０．１〜１５ｍａｓｓ％を含み、残部が実質的にＳｎからなる半田材料が提案されている。（特開２００１−１４４１１１号公報参照）
また、他の一つとしてＳｂを１１．０〜２０．０ｍａｓｓ％、Ｐを０．０１〜０．２ｍａｓｓ％、好ましくはさらにＣｕ，Ｎｉのうち少なくとも１種を０．００５〜５．０ｍａｓｓ％含み、残部Ｓｎ及び不可避的不純物からなるダイボンディング用半田材料が提案されている。（特開２００１−２８４７９２号公報参照）
これらはいずれも耐熱疲労性能が悪いというＳｎ／Ｓｂ系半田の欠点を解消すると共に、半導体装置をプリント基板に半田実装する際の高温度にさらしてもダイボンド部の抵抗変化を小さくすることを目的に提案されているものである。
【０００６】
ところで、半導体素子の半田との接合面（以下、「半導体素子ダイボンディング面」と称する。）には、半田との濡れ性を良好にすべくＣｒ−Ｎｉ−ＡｇやＴｉ−Ｃｕ−Ａｇのような多層金属層が設けられている。ダイボンディング用半田としてＳｎ／Ｓｂ系半田を用いると、多金属層の最表面のＡｇが半田材と融合して半田材の融点を過度に低下させる（特開２００１−１９６３９３号公報 段落０００６参照）。これを解決すべく半導体装置のダイボンディング面に第１の金属被膜と第２の金属被膜をこの順に形成し、第２の金属被膜を錫またはアンチモンを含む被膜とし、半田としてＳｎ／Ｓｂ系半田を用いること（特開２００１−１９６３９３号公報 段落０００８参照）が提案されている。
【０００７】
取りわけ、半導体素子の発熱量が大きい場合には高信頼性を得るためにＳｎ−５ｍａｓｓ％Ｓｂ系半田が使用されるが、この際に前記多金属層のＮｉやＣｕといった中間金属層が半導体装置稼働時の熱やストレスの印可により半田と反応し、硬く、且つ脆い金属間化合物層が形成され、この層より破壊が進む（特許３０３３３７８号公報 段落０００５〜０００６参照）という問題があり、これを解決すべく半導体素子のダイボンディング面の最外層をＣｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗ，Ｚｒ，Ｈｆとし、あるいはこれらの金属層の上にＳｎ、Ｓｂ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐｂの群から選択された少なくとも１種の金属からなる表面金属層を設けてＳｎ／Ｓｂ系半田を用いること（特許３０３３３７８号公報 段落００１０〜００１１参照）が記載されている。
【０００８】
確かに、前記二つの方法に従えば、半田の融点が過度に低下することを防止でき、あるいは硬くて脆い金属間化合物層の生成を防止できる。しかし、ダイボンディング後の半田層の半導体素子側に多量のボイドが発生するという新たな問題が発生することがわかった。このボイドの存在は長期信頼性を低下させるものである。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−１４４１１１号公報
【特許文献２】
特開２００１−２８４７９２号公報
【特許文献３】
特開２００１−１９６３９３号公報
【特許文献４】
特許第３０３３３７８号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来提供されているＳｎ／Ｓｂ系ろう材はβ’相の粗大粒が析出しやすく、素子や接合部でクラックが発生しやすいという欠点が充分克服されておらず、また前記した特殊な膜を半導体素子ダイボンディング面に設けた際にボイドが発生するという欠点も克服されておらず、必ずしも充分なものとは言えない。
【００１１】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、半導体素子のダイボンディングや電子部品の組立等で用いるのに好適な、Ｐｂを含まない新規なＳｎ／Ｓｂ系ろう材の提供を目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本第一の発明は、Ｓｂを５〜２０ｍａｓｓ％、Ｔｅを０．０１〜５ｗｔs％含み、残部がＳｎおよび不可避不純物であるろう材である。また、このろう材の熱サイクル性を改善するために、Ａｇ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉのうちの１種以上を合計量として０．０１〜５ｍａｓｓ％添加しても良い。
【００１３】
本第二の発明は、Ｓｂを５〜２０ｍａｓｓ％、Ｔｅを０．０１〜５ｍａｓｓ％、Ｐを０．００１〜０．５ｍａｓｓ％を含み、残部がＳｎおよび不可避不純物であるろう材である。また、このろう材の熱サイクル製を改善するために、Ａｇ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉのうちの１種以上を合計量として０．０１〜５ｍａｓｓ％添加しても良い。
【００１４】
本第三の発明は、ろう材を用いて半導体素子をダイボンディングし、半導体装置を組み立てる半導体装置の組み立て方法に於いて、ろう材として本第一、本第二の発明のろう材を用いることを特徴とする半導体装置の組み立て方法である。
【００１５】
そして、本題四の発明は本第一、第二のろう材を用いて組み立てた半導体装置である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
上記課題を解決する本第一の発明は、Ｓｂを５〜２０ｍａｓｓ％、Ｔｅを０．０１〜５ｍａｓｓ％含み、残部がＳｎおよび不可避不純物であるろう材である。Ｔｅを添加するのは、そうすることにより発生するβ’相を微細化し、もってクラックの発生を防止しようとするものである。Ｔｅ濃度を０．０１〜５ｍａｓｓ％としたのは０．０１ｍａｓｓ％未満ではβ’相微細化の十分な効果が得られず、５ｍａｓｓ％を超えてもβ’相の更なる微細化効果が期待できず、コストのみ上昇するからである。また、Ｓｂ濃度を５〜２０ｍａｓｓ％としたのは５ｍａｓｓ％未満では液相温度が２４０℃より低くなり、ダイボンディング後の後工程で用いられる２６０℃の処理温度に耐えられないためである。また、２０ｍａｓｓ％を超えると液相温度が３２０℃を超え３４０℃でのダイボンディングが不十分になるためである。また、このろう材にＡｇ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉのうちの１種以上を合計量として０．０１〜５ｍａｓｓ％添加し、分散させると、ろう材の熱サイクル性がより改善される。
【００１７】
本第二の発明は、Ｓｂを５〜２０ｍａｓｓ％、Ｔｅを０．０１〜５ｍａｓｓ％、Ｐを０．００１〜０．５ｍａｓｓ％を含み、残部がＳｎおよび不可避不純物であるろう材である。ＳｂやＴｅの添加範囲の理由については前記と同様である。Ｐを添加するのは、濡れ性をより改善し、ダイボンディング時に半導体素子とろう材との間にボイドをより発生させにくくするためである。Ｐが０．００１ｍａｓｓ％未満ではこの効果は得られず、０．５ｍａｓｓ％を越えて添加しようとすると低コストでの鋳造が困難になる。Ｐを添加するとボイドの発生がより押さえられる理由として、本発明者はろう材溶解時に酸素がＰと優先的に反応し、溶解体表面に酸化膜が発生するのを防止し、濡れ性がより改善されるためと推定している。また、前記本第一の発明のろう材と同様に、このろう材にＡｇ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉのうちの１種以上を合計量として０．０１〜５ｍａｓｓ％添加し、分散させると、ろう材の熱サイクル性がより改善される。
【００１８】
本第一、第二の発明のろう材を用いるに際しては、従来の工程や条件を何ら変更することなく用いることができる。また、本発明のろう材を用いて製造した半導体装置は、従来の金系合金製ろう材や鉛系合金製ろう材を用いて得た半導体装置と比較して同等以上の信頼性を有する。
【００１９】
【実施例】
次に実施例を用いて本発明をさらに説明する。
（実施例１〜２０）
それぞれ純度９９．９％のＳｎ、Ｓｂ、Ｔｅを用いて、表１に示す組成のＳｎ合金を大気溶解炉により溶製し、１ｍｍφに押し出し加工を行いワイヤー形状のサンプルを作製した。
【００２０】
得られた合金の濡れ性評価として、上記ワイヤーを３４０℃、窒素気流中で銅板に押し付け、溶解後に窒素雰囲気中で徐冷した。徐冷したのはβ’相を粗大化させる、より厳しい条件で評価するためである。
【００２１】
銅板に押し付けて徐冷した部分の断面を研磨し、生成しているβ’相の大きさを観察した。その結果、β’相の大きさはいずれも２０μｍ以下となっていた。これはＴｅの添加による効果と判断できる。
【００２２】
次に、接合信頼性の評価として前記１ｍｍφのサンプルとダイボンダーを用い銅製のリードフレームにシリコンのダイボンディング面にＡｕを蒸着して作成したダミーチップをダイボンディングした。次に、これをエポキシ樹脂でモールドした。モールドしたものを用いて−５０℃／１５０℃の温度サイクル試験を５００サイクル実施した。その後に樹脂を開封して接合部の観察を行い、チップや接合部に割れの発生が無い場合を「良」、割れが発生した場合を「不良」と評価した。以上の結果を表１に示した。
【００２３】
次いで、モールドしたものの一部を実装基板に実装し、実装後チップや接合部の異常の有無と、ろう材部のボイドの有無とを調べた。その結果、いずれも異常は見られず、ボイドも確認できなかった。
【００２４】
【表１】
Figure 0004147875
【００２５】
表１より本発明によるＳｎ合金は接合信頼性に問題がないことがわかる。
【００２６】
（実施例２１〜８０）
それぞれ純度９９．９％のＳｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐの原料を用いて、表２〜５に示す組成のＳｎ合金を大気溶解炉により溶製し、１ｍｍφに押し出し加工を行いワイヤー形状のサンプルを作製した。
【００２７】
得られた合金の濡れ性評価として、上記ワイヤーを３４０℃、窒素気流中で銅板に押し付け、溶解後に窒素雰囲気中で徐冷した。徐冷したのはβ’相を粗大化させる、より厳しい条件で評価するためである。
【００２８】
銅板に押し付けて徐冷した部分の断面を研磨し、生成しているβ’相の大きさを観察した。その結果、β’相の大きさは実施例１〜２０と同様にいずれも２０μｍ以下となっていた。これはＴｅの添加による効果と判断できる。
【００２９】
次に、接合信頼性の評価として前記１ｍｍφのサンプルとダイボンダーを用い銅製のリードフレームにシリコンのダイボンディング面にＡｕを蒸着して作成したダミーチップをダイボンディングした。次に、これをエポキシ樹脂でモールドした。モールドしたものを用いて−５０℃／１５０℃の温度サイクル試験を５００サイクル実施した。その後に樹脂を開封して接合部の観察を行い、チップや接合部に割れの発生が無い場合を「良」、割れが発生した場合を「不良」と評価した。以上の結果を表２〜５に示した。
【００３０】
次いで、モールドしたものの一部を実装基板に実装し、チップや接合部の異常の有無と、ろう材部のボイドの有無とを調べた。その結果、いずれも異常は見られず、ボイドも確認できなかった。
【００３１】
【００３２】
【表２】
Figure 0004147875
【００３３】
【表３】
Figure 0004147875
【００３４】
【表４】
Figure 0004147875
【００３５】
【表５】
Figure 0004147875
【００３６】
表２〜５より本発明によるＳｎ合金は接合信頼性に問題が無いことがわかる。
（実施例８１〜１００）
それぞれ純度９９．９％のＳｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉの原料を用いて、表６に示す組成のＳｎ合金を大気溶解炉により溶製し、１ｍｍφに押し出し加工を行いワイヤー形状のサンプルを作製した。
【００３７】
得られた合金の濡れ性評価として、上記ワイヤーを３４０℃、窒素気流中で銅板に押し付け、溶解後に窒素雰囲気中で徐冷した。徐冷したのはβ’相を粗大化させる、より厳しい条件で評価するためである。
【００３８】
銅板に押し付けて徐冷した部分の断面を研磨し、生成しているβ’相の大きさを観察した。その結果、β’相の大きさは実施例１〜２０と同様にいずれも２０μｍ以下となっていた。これはＴｅの添加による効果と判断できる。
【００３９】
次に、接合信頼性の評価として前記１ｍｍφのサンプルとダイボンダーを用い銅製のリードフレームにシリコンのダイボンディング面にＮｉ、Ｓｂをこの順で蒸着して金属膜を作成したダミーチップをダイボンディングした。次に、これをエポキシ樹脂でモールドした。モールドしたものを用いて−５０℃／１５０℃の温度サイクル試験を５００サイクル実施した。その後に樹脂を開封して接合部の観察を行い、チップや接合部に割れの発生が無い場合を「良」、割れが発生した場合を「不良」と評価した。以上の結果を表６に示した。
【００４０】
次いで、モールドしたものの一部を実装基板に実装し、チップや接合部の異常の有無と、ろう材部のボイドの有無とを調べた。その結果、いずれも異常は見られず、ボイドも確認できなかった。
【００４１】
【表６】
Figure 0004147875
表６より本発明によるＳｎ合金は接合信頼性に問題が無いことがわかる。
【００４２】
（比較例１〜２０）
それぞれ純度９９．９％のＳｎ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｐの原料を用いて、表７，８に示す組成のＳｎ合金を大気溶解炉により溶製し、１ｍｍφに押し出し加工を行いワイヤー形状のサンプルを作製した。
【００４３】
得られた合金の濡れ性評価として、上記ワイヤーを３４０℃、窒素気流中で銅板に押し付け、溶解後に窒素雰囲気中で徐冷した。徐冷したのはβ’相を粗大化させる、より厳しい条件で評価するためである。
【００４４】
銅板に押し付けて徐冷した部分の断面を研磨し、生成しているβ’相の大きさを観察した。その結果、β’相の大きさはいずれも１００μｍ前後となっていた。
【００４５】
次に、接合信頼性の評価として前記１ｍｍφのサンプルとダイボンダーを用い銅製のリードフレームにシリコンのダイボンディング面にＡｕを蒸着したダミーチップをそれぞれのサンプルを用いてダイボンディングした。次に、これをエポキシ樹脂でモールドした。モールドしたものを用いて−５０℃／１５０℃の温度サイクル試験を５００サイクル実施した。その後に樹脂を開封して接合部の観察を行い、チップや接合部に割れの発生が無い場合を「良」、割れが発生した場合を「不良」と評価した。以上の結果を表７，８に示した。
【００４６】
【表７】
Figure 0004147875
【００４７】
【表８】
Figure 0004147875
【００４８】
表７，８より本発明のＳｎ合金の有用性が裏付けられる。
【００４９】
【発明の効果】
以上述べたように、本第一の発明のろう材はその組成をＳｂを５〜２０ｍａｓｓ％、Ｔｅを０．０１〜５ｗｔs％含み、残部がＳｎおよび不可避不純物とする。これによりダイボンディング時に発生するβ’相を微細化し、もってクラックの発生が防止しできる。また、このろう材にＡｇ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉのうちの１種以上を合計量として０．０１〜５ｍａｓｓ％添加し、分散させると、ろう材の熱サイクル性がより改善される。
【００５０】
本第二の発明のろう材はその組成をＳｂを５〜２０ｍａｓｓ％、Ｔｅを０．０１〜５ｍａｓｓ％、Ｐを０．００５〜０．５ｍａｓｓ％を含み、残部がＳｎおよび不可避不純物とする。これにより濡れ性がより改善され、ダイボンディング時に半導体素子とろう材との間にボイドが発生し難い。このろう材にＡｇ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉのうちの１種以上を合計量として０．０１〜５ｍａｓｓ％添加し、分散させると、ろう材の熱サイクル性がより改善される。
【００５１】
本第三の発明は本第一、二の発明のろう材を用いる半導体装置の組み立て方法であるが、本発明のろう材を用いることにより安価で高信頼性の半導体装置が得られる。
【００５２】
本第四の発明は本第一、第二のろう材を用いて組み立てた半導体装置であるが、該半導体装置は本発明のろう材を用いることにより安価で高信頼性の半導体装置となる。

Claims (6)

  1. Ｓｂを５〜２０ｍａｓｓ％、Ｔｅを０．０１〜５ｍａｓｓ％含み、残部がＳｎおよび不可避不純物であることを特徴とするろう材。
  2. 請求項１記載のろう材に、Ａｇ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉのうちの１種以上を合計量として０．０１〜５ｍａｓｓ％添加したことを特徴とするろう材。
  3. Ｓｂを５〜２０ｍａｓｓ％、Ｔｅを０．０１〜５ｍａｓｓ％、Ｐを０．００１〜０．５ｍａｓｓ％を含み、残部がＳｎおよび不可避不純物であることを特徴とするろう材。
  4. 請求項３記載のろう材に、Ａｇ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｎｉのうちの１種以上を合計量として０．０１〜５ｍａｓｓ％添加したことを特徴とするろう材。
  5. ろう材を用いて半導体素子をダイボンディングし、半導体装置を組み立てる半導体装置の組み立て方法に於いて、ろう材として請求項１〜４記載のいずれかのろう材を用いることを特徴とする半導体装置の組み立て方法。
  6. 請求項１〜４記載のいずれかのろう材を用いて組み立てられたことを特徴とする半導体装置。
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