JP4240994B2

JP4240994B2 - Solder joining method

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Publication number: JP4240994B2
Application number: JP2002307486A
Authority: JP
Inventors: 彰天野; 博明降旗; 貴博久保山; 一之蒔田; 満男山下
Original assignee: Fuji Electric Device Technology Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2002-10-22
Filing date: 2002-10-22
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2022-10-22
Also published as: JP2004146462A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉛フリー化はんだ材およびはんだ接合方法に関し、特に複数枚の半導体ウェハがはんだ接合された構成のウェハ積層体の製造に適用して好適な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉛をベースにした錫系のはんだ材は、柔らかい鉛を含むため、数〜数十μｍ程度の厚さの箔化が容易であるという特性を有する。そのため、このはんだ材は、従来より、半導体装置のはんだ付けなどに多用されている。しかし、鉛による環境汚染を抑制するため、２００４年あるいは２００７年には、使用可能なはんだ材は、鉛を含まないはんだ材、すなわち鉛フリー化はんだ材に完全に切り替わると言われており、鉛フリー化はんだ材の開発が進められている。
【０００３】
現段階において、鉛フリー化はんだ材として、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ材やＳｎ−Ｓｂ系はんだ材が知られている。また、本出願人は、ウェハ積層体を製造する際のウェハの接合方法として、ウェハとウェハの間にアルミニウム層、またはアルミニウム層とニッケル層を挟み、加圧状態で加熱することにより、ウェハ同士を接合する方法について、先に出願している（たとえば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−９７６１８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ｓｎ−Ａｇ系はんだ材やＳｎ−Ｓｂ系はんだ材では、鉛を含まないため、箔化が困難であるという問題点がある。また、これらのはんだ材では、固相線温度が２４０〜２５０℃と低いため、はんだ耐熱処理（２６０℃×１０秒（３回））時に封止樹脂内ではんだ材が完全に溶融してしまい、それが再凝固する際にボイド層が形成されることにより、接合強度が低くなるという問題点がある。また、はんだ材を箔化する代わりに、はんだクリームを用いることが考えられるが、３００℃を少し超える程度の高温処理時にフラックス等の活性剤が炭化してしまい、はんだ付け性が悪くなるという問題点がある。
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、箔化が容易で、かつ３００℃を少し超える温度での炭化によるはんだ付け性の悪化を回避することができる鉛フリー化はんだ材を提供するとともに、その鉛フリー化はんだ材を用いることによって、鉛を含む従来のはんだ材と同等以上の耐熱性および接合強度で接合することができるはんだ接合方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明にかかる鉛フリー化はんだ材は、水、アルコールまたはエーテルからなる溶剤に、該溶剤に可溶で、かつ一端にカルボキシル基を有し、フラックスの代わりとなる炭化水素化合物と、鉛を含まないはんだ材の微粉末原料とを混ぜ、混練してスラリー状とした鉛フリー化はんだ材を、ローラ塗布法、スピンコーティング法、印刷法または吹き付け法を含むはんだ塗布方法によりウェハ表面に均一に塗布し、それを複数枚重ね合わせ、該ウェハ群を、はんだ融点の３０〜１２０℃、好ましくは８０℃程度高い温度で、１〜１０ＭＰａ、好ましくは１．５〜５ＭＰａの圧力で、加圧、加熱することを特徴とする。
【０００８】
また、上記目的を達成するため、本発明にかかるはんだ接合方法は、上述した鉛を含まないはんだ材をはんだ槽に入れてはんだ浴とし、該はんだ浴中に、複数枚のウェハを互いの間に隙間をあけた状態で保持して浸漬し、その状態で超音波を作用させるとともに、前記ウェハ群を揺動させて、前記隙間中にはんだをいきわたらせたウェハ群を、はんだ融点の３０〜１２０℃、好ましくは８０℃程度高い温度で、１〜１０ＭＰａ、好ましくは１．５〜５ＭＰａの圧力で、加圧、加熱することを特徴とする。
【０００９】
また、上記目的を達成するため、本発明にかかる鉛フリー化はんだ材は、鉛を含まないはんだ材の微粉末原料を、該はんだ材の固相線温度以下で、かつ前記固相線温度よりも１０℃低い温度以上の温度で薄板状に焼結した焼結体であることを特徴とする。この場合には、この焼結体を、複数のウェハ間に挟み、該ウェハ群を真空雰囲気中ではんだ材の固相線温度よりも５０〜８０℃高い温度に加熱してはんだ焼結体を溶融することを特徴とする。
【００１０】
また、上記目的を達成するため、本発明にかかるはんだ接合方法は、はんだ接合後に、ウェハ群を２４時間、２００℃に保持して固相拡散をおこなうことを特徴とする。
【００１１】
また、上記目的を達成するため、本発明にかかるはんだ接合方法では、予め、前記ウェハの表面を、Ａｕ、またはＡｕと同様に酸化しにくく、かつはんだ付け可能な金属で被覆しておくことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。本発明にかかる鉛フリー化はんだ材は、鉛を含まない微粉末のはんだ材と、極性の弱いアルコール等の溶剤と、この溶剤に可溶で、かつ一端にカルボキシル基（−ＣＯＯＨ）を有する炭化水素化合物とを混合したものである。炭化水素化合物の溶解量は、たとえば溶剤１００ｇに対して１０ｇ程度、またはそれよりも少ないのが適当である。
【００１３】
原料となるはんだ材は、ＳｎをベースとしたＳｎ−Ｓｂ系やＳｎ−Ａｇ系のはんだ材、たとえばＳｎ−３０Ｓｂ−３０Ａｇはんだ材やＳｎ−２０Ａｇ−５Ｃｕはんだ材などである。粉末の中心径は、４０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下である。溶剤は、たとえば比較的安全性の高いイソプロピルアルコールである。また、他のアルコールはもちろん、水やエーテルなどを溶剤として用いることもできる。イソプロピルアルコールの化学式はつぎのとおりである。
【００１４】
【化１】

【００１５】
炭化水素化合物は、溶剤に溶けてスラリー状となり、かつ融点が２００℃程度であるとよい。好ましくは脂肪族系の炭化水素化合物であるとよい。一般に、アルキル基をＲとすると、Ｒ−ＣＯＯＨで表される有機酸のうち、アルキル基Ｒの大きいものや、芳香族のものは、水に不溶性であるため、腐食性が比較的弱く、また金属との反応生成物（金属石けん）の融点が一般に低いので、フラックスとして作用し、金属表面へのはんだ付けが容易となる。
【００１６】
そこで、本発明にかかる鉛フリー化はんだ材では、アルキル基Ｒにおける炭素Ｃの数は１〜３程度であるのが適当である。なお、アルキルカルボン酸がフラックスとして作用するため、本発明にかかる鉛フリー化はんだ材には、松やに等のフラックスは不要である。また、上述した有機酸は、好ましくは高温で水素と炭酸系のガスに分解し易い化学構造を有しており、融点以下の温度で昇華するという特性を有しているとよい。そうすれば、はんだ付け温度（たとえば３００℃程度）で炭素が焼きついてはんだ付け部位に残渣として残ることがない。
【００１７】
以上の点を踏まえると、有機物としてコハク酸が適当である。コハク酸の化学式はつぎのとおりである。
【００１８】
【化２】

【００１９】
また、フマル酸が適当である。フマル酸の化学式はつぎのとおりである。
【００２０】
【化３】

【００２１】
また、リンゴ酸が適当である。リンゴ酸の化学式はつぎのとおりである。
【００２２】
【化４】

【００２３】
また、オキサル酢酸が適当である。オキサル酢酸の化学式はつぎのとおりである。
【００２４】
【化５】

【００２５】
また、ピルビン酸が適当である。ピルビン酸の化学式はつぎのとおりである。
【００２６】
【化６】

【００２７】
また、アラニンが適当である。アラニンの化学式はつぎのとおりである。
【００２８】
【化７】

【００２９】
また、アスパラギン酸が適当である。アスパラギン酸の化学式はつぎのとおりである。
【００３０】
【化８】

【００３１】
また、マレイン酸が適当である。マレイン酸の化学式はつぎのとおりである。
【００３２】
【化９】

【００３３】
また、イタコン酸が適当である。イタコン酸の化学式はつぎのとおりである。
【００３４】
【化１０】

【００３５】
また、クエン酸が適当である。クエン酸の化学式はつぎのとおりである。
【００３６】
【化１１】

【００３７】
また、ｃｉｓ−アコニット酸が適当である。ｃｉｓ−アコニット酸の化学式はつぎのとおりである。
【００３８】
【化１２】

【００３９】
また、イソクエン酸が適当である。イソクエン酸の化学式はつぎのとおりである。
【００４０】
【化１３】

【００４１】
また、オキサルコハク酸が適当である。オキサルコハク酸の化学式はつぎのとおりである。
【００４２】
【化１４】

【００４３】
また、α−ケトグルタル酸が適当である。α−ケトグルタル酸の化学式はつぎのとおりである。
【００４４】
【化１５】

【００４５】
また、グルタミン酸が適当である。グルタミン酸の化学式はつぎのとおりである。
【００４６】
【化１６】

【００４７】
また、フマル酸が適当である。フマル酸の化学式はつぎのとおりである。
【００４８】
【化１７】

【００４９】
また、乳酸が適当である。乳酸の化学式はつぎのとおりである。
【００５０】
【化１８】

【００５１】
また、シュウ酸が適当である。シュウ酸の化学式はつぎのとおりである。
【００５２】
【化１９】

【００５３】
また、マロン酸が適当である。マロン酸の化学式はつぎのとおりである。
【００５４】
【化２０】

【００５５】
また、アジピン酸が適当である。アジピン酸の化学式はつぎのとおりである。
【００５６】
【化２１】

【００５７】
また、酒石酸が適当である。酒石酸の化学式はつぎのとおりである。
【００５８】
【化２２】

【００５９】
以上例示したアルキルカルボン酸を単独で用いてもよいし、いずれか２つ以上を混合して用いてもよい。たとえば、溶液であるピルビン酸と、結晶性粉末であるコハク酸との混合物を用いてもよい。
【００６０】
図１〜図３は、本発明にかかるはんだ接合方法を適用して製造されるウェハ積層体の製造プロセスの概略を説明するための図であり、ウェハ積層体の断面構成を示している。図１に示すように、まず、複数枚のウェハ１１を鉛フリー化はんだ層１２を介して積層し、ウェハ−はんだ材積層体１０を形成する。
【００６１】
ついで、ウェハ−はんだ材積層体１０を加圧しながら加熱することにより鉛フリー化はんだ層１２を溶融し、図２に示すように、はんだ接合層２２を介してウェハ１１をはんだ接合してなるウェハ接合体２０を得る。このときのはんだ付け条件は、はんだ融点の３０〜１２０℃、好ましくは８０℃程度高い温度で、１〜１０ＭＰａ、好ましくは１．５〜５ＭＰａの圧力である。このような条件とした理由は、３０℃がウェハ全体が接合される最低温度であり、１２０℃が接合にボイドが発生し接合強度が著しく低下し始める温度だからである。また、１ＭＰａがウェハ全体が接合される圧力であり、１０ＭＰａがウェハが割れる圧力だからである。この加圧、加熱処理によって、はんだ接合層２２の耐熱性が向上する。
【００６２】
ついで、上述したはんだ付け条件よりも温度および圧力がともに少し高い条件で、ウェハ接合体２０を再び加圧しながら加熱することによりはんだ接合層２２からはんだ成分を除去して合金化し、図３に示すように、合金層３２を介してウェハ１１を接合してなるウェハ積層体３０を得る。この合金化処理によって、ウェハ積層体３０の耐熱性および接合強度がさらに向上する。さらに、たとえば２００℃で２４時間の固相拡散をおこない、低融点相をなくす。
【００６３】
図１に示すウェハ−はんだ材積層体１０を得る方法としてつぎの３つの方法がある。第１の方法は、スラリー状の鉛フリー化はんだ材をウェハに塗布し、それを複数枚重ね合わせる方法である。図４に示すように、まず、容器４１に、たとえば３０Ｓｂ−３０Ａｇ−残部Ｓｎはんだ材や２０Ａｇ−５Ｃｕ−残部Ｓｎはんだ材等の微粉末およびコハク酸で飽和したイソプロピルアルコール溶液を用意し、撹拌器４２でよくかき混ぜる。その後、上澄液４３を捨て、容器４１の底に沈んだスラリー状はんだ４４を得る。
【００６４】
そして、図５に示すように、ガイド穴５１より真空引きして真空チャック５２にウェハ１１を固定し、それをモータ５３により回転させながら、吐出ノズル５４からウェハ表面にスラリー状はんだ４４を滴下してスピンコーティングする。あるいは、スピンコーティングに代えて、図６に示すように、回転するウェハ１１の表面に噴霧ノズル６１からスラリー状はんだ４４を吹き付けるようにしてもよい。また、図７に示すように、下送りガイドローラ７１によりウェハ１１を送りながら、吐出ノズル５４から吐出されたスラリー状はんだ４４を、上塗布ローラ７２によりウェハ表面に塗布するようにしてもよい。いずれの方法によっても、ウェハ表面にスラリー状はんだ４４を、特に限定しないが、たとえば５〜３０μｍの厚さで積層するのが適当である。
【００６５】
ウェハ表面にスラリー状はんだ４４を均一に積層したら、１．３３３２２×１０^-2Ｐａ以下の真空雰囲気、Ｈ₂雰囲気、または５〜５０％のＨ₂と残りがＮ₂よりなる混合ガス雰囲気中で、スラリー状はんだ４４の融点近くの温度（２００〜２３０℃）に加熱して、スラリー状はんだ４４に含まれているアルコールや有機物を完全に除去する。それによって、図８に示すように、ウェハ表面に、はんだ粉結体層８１が軽く融着した積層体が得られる。このはんだ粉結体層８１の厚さは、特に限定しないが、たとえば５〜３０μｍであるのが適当である。
【００６６】
また、上述した飽和溶液を用いる代わりに、つぎのようにしてもよい。図９に示すように、容器４１にイソプロピルアルコールとコハク酸を、たとえばイソプロピルアルコール３部に対してコハク酸７部の割合で入れ、撹拌器４２でよくかき混ぜる。これに、Ｓｎをベースとし、かつ鉛を含まないＳｎ−Ｓｂ系やＳｎ−Ａｇ系のはんだ材の粉末を、９０ｗｔ％の重量比で入れ、撹拌器４２でよく混合する。なお、イソプロピルアルコールとコハク酸との割合は、イソプロピルアルコールが１ｗｔ％以上に対してコハク酸が１ｗｔ％以上で、かつ、はんだ材に対して総量で１０ｗｔ％以下であればよい。
【００６７】
このようにして得られたスラリー状はんだ９４は、上述した飽和溶液を用いた場合よりも粘性が高いので、図１０に示すように、印刷法によりウェハ表面にスラリー状はんだ９４を積層する。すなわち、真空チャック５２に固定したウェハ１１上に印刷マスク１０１を載せ、その上からスラリー状はんだ９４をスキージ１０２により塗り広げることにより、ウェハ１１上に印刷はんだ層１０３が形成される。なお、図１０において符号１０４は乳剤である。
【００６８】
そして、加熱処理をおこなって、印刷はんだ層１０３に含まれているアルコールや有機物を完全に除去する。このときの雰囲気は、上述した飽和溶液を用いた場合と同じである。処理温度は、印刷はんだ層１０３の融点以上の温度である。このようにして、図８に示すようなウェハ１１とはんだ粉結体層８１とからなる積層体が得られる。この場合も、はんだ粉結体層８１の厚さは、特に限定しないが、たとえば５〜３０μｍであるのが適当である。
【００６９】
上述したスピンコーティング法、吹き付け法、ローラ塗布法、印刷法などにより作製した、図８に示す積層体を、複数枚重ね合わせることによって、図１に示すウェハ−はんだ材積層体１０が得られる。はんだ粉結体層８１は鉛フリー化はんだ層１２に相当する。
【００７０】
図１に示すウェハ−はんだ材積層体１０を得る第２の方法は、複数枚のウェハを、互いの間に隙間をあけた状態ではんだ浴中に浸漬する方法である。この方法によれば、一度で複数枚のウェハを積層したウェハ−はんだ材積層体１０が得られる。図１１に示すように、ヒータ１１１および超音波発振子１１２を備えたはんだ槽１１３に、本発明にかかる鉛フリー化はんだ材よりなるはんだ浴１１４を満たす。
【００７１】
そして、図１２に示すように、円筒状の治具１２１内に、複数枚のウェハ１１を互いの間に隙間をあけて立てた状態で入れ、治具１２１に蓋１２２をし、これを図１１のはんだ浴１１４に浸漬する。その際に、超音波発振子１１２を作動させるとともに、治具１２１を揺動させて、ウェハ１１の間の隙間にはんだが均一に入り込むようにする。その後、はんだ浴１１４から治具１２１を引き上げることによって、均一な厚さの鉛フリー化はんだ層１２を介して複数枚のウェハ１１が積層されたウェハ−はんだ材積層体１０が得られる。
【００７２】
この第２の方法では、ウェハ１１の間に隙間を設けるために、たとえば隣り合うウェハ１１の外周部位の一部の間にスペーサ片１２３を挟む。このスペーサ片１２３は、はんだ浴１１４と同じ組成の合金または単一金属よるなる所望の厚さの薄板でできている。スペーサ片１２３の厚さは、２０〜１００μｍ、好ましくは４０μｍであり、楔効果を保てる程度である。また、ウェハ列の両外側にダミーウェハを並べる。
【００７３】
治具１２１および蓋１２２は、たとえばステンレスでできている。治具１２１の中へはんだ浴１１４が均一に流れ込むようにするため、たとえば図１３に示すように、治具１２１の側面１３１および底面１３２には、直径５〜１０ｍｍの貫通孔１３３が均一に開けられている。また、蓋１２２にも同様に貫通孔１３３が開けられている。あるいは、貫通孔１３３の代わりに、たとえば図１４に示すように、治具１２１の側面１４１に幅５〜１０ｍｍのスリット１４２が均等な間隔で設けられていてもよい。また、たとえば図１５に示すように、治具１２１を、側板を設けずに、底板１５１と柱となる複数本の棒状部材１５２で構成し、蓋１２２を被せることによって篭になる構成としてもよい。
【００７４】
図１に示すウェハ−はんだ材積層体１０を得る第３の方法は、特に図示しないが、スラリー状の鉛フリー化はんだ材を用いずに、スラリー状の鉛フリー化はんだ材の原料として用いたＳｎ−Ｓｂ系やＳｎ−Ａｇ系のはんだ微粉末の焼結体を作製し、それをウェハ間に挟む方法である。焼結温度は、用いたはんだ材の固相線温度以下で、かつ固相線温度よりも１０℃低い温度以上の温度、たとえば２００℃である。この温度で加熱しながらはんだ微粉末の圧粉体を加圧し、焼結体を得る。焼結体の厚さは０．１〜１ｍｍである。この焼結体をウェハ間に挟んで積層したウェハ−はんだ材積層体１０を加圧しながら１．３３３２２×１０^-2Ｐａ以下の真空雰囲気中で固相線温度よりも５０〜８０℃高い温度に加熱すると、焼結体が溶融し、ウェハ同士がはんだ接合される。
【００７５】
以上のようにしてウェハ−はんだ材積層体１０が得られたら、つぎにウェハ−はんだ材積層体１０を加圧しながら加熱して、図２に示すウェハ接合体２０を得る。そのためには、たとえば図１６に示すように、加熱加圧はんだ付け装置１６０を用いる。この装置の上側プレス体１６１の上面均一加熱加圧板１６２と下側プレス体１６３の下面均一加熱加圧板１６４との間に、ウェハ−はんだ材積層体１０を挟む。そして、プレスアーム１６５により上側プレス体１６１を下降させて、ウェハ−はんだ材積層体１０を加圧する。この状態で、上下のプレス体１６１，１６３にそれぞれ埋め込まれたヒータ１６６，１６７により、ウェハ−はんだ材積層体１０を加熱する。なお、この加熱は誘導加熱としてもよい。
【００７６】
あるいは、ウェハ−はんだ材積層体１０を加圧するために、図１７および図１８にそれぞれ平面図および側面図を示すように、加圧積層治具１７０を用いてもよい。この場合、治具１７０の底板１７１と天板１７２との間にウェハ−はんだ材積層体１０を挟む。そして、底板１７１と天板１７２とをつなぐ柱となる複数本の棒状部材１７３の頂部のねじ切り部に螺合させたナット１７４を締めて、ウェハ−はんだ材積層体１０を加圧する。
【００７７】
上述した加圧積層治具１７０を用いた場合には、たとえば図１９に示すように、ベルトコンベア炉１９０のベルト１９１上に、ウェハ−はんだ材積層体１０を加圧した状態の加圧積層治具１７０を並べ、それを、回転体１９２によるベルト１９１の送りによって、ヒータ１９３の下を移動させて加熱するようにしてもよい。あるいは、図２０に示すように、真空加熱機２００を用い、その真空チャンバー２０１内の試料ステージ２０２上に、ウェハ−はんだ材積層体１０を加圧した状態の加圧積層治具１７０を置き、イオンポンプ２０３およびクライオポンプ２０４によりチャンバー２０１内を真空引きし、ヒータ２０５により加熱する。このとき、チャンバー２０１内にＨ₂やＮ₂などの不活性ガスを導入してもよい。
【００７８】
以上のようにしてウェハ接合体２０が得られたら、つぎにウェハ接合体２０を再び加圧しながら加熱して、図３に示すウェハ積層体３０を得る。そのためには、たとえば再び図１６に示す加熱加圧はんだ付け装置１６０を用いる。これによって、ウェハ接合体２０のはんだ接合層２２からはんだ成分が除去されて合金層３２が形成される。
【００７９】
この合金層３２は、ウェハ１１の両側の表面層に設けられたたとえばＮｉ−Ｐ層２１６（図２１参照）中のＮｉ元素と、たとえば２０Ａｇ−５Ｃｕ−残部Ｓｎはんだ材のＳｎとが反応して、Ｎｉ₃Ｓｎ₄という合金を生成することによりできる。本発明者らが調べたところ、合金化する前のウェハ接合体２０では、そのはんだ接合層２２の厚さは１０〜３０μｍであったが、合金化した後のウェハ積層体３０における合金層３２の厚さは１０μｍ以下であった。
【００８０】
特に限定しないが、上述したようにウェハ１１は多層構造となっている。図２１に、その製造プロセスを簡単に示す。まず、シリコンウェハ２１１を用意し［図２１（ａ）］、その両面に燐をドーピングして、その表面層にｎ⁺層を形成する。ついで、ウェハ２１１の片面を研削し、その研削面にホウ素をドーピングする。その後、高温の拡散処理をおこない、ウェハ１１の一方の面にｎ⁺層２１２を形成するとともに、もう一方の面にｐ⁺層２１３を形成する［図２１（ｂ）］。
【００８１】
つづいて、ウェハ１１の両面にＮｉ−Ｐの無電解めっきを施してＮｉ−Ｐ層２１４を形成する［図２１（ｃ）］。そして、熱処理をおこなって、Ｎｉ−Ｓｉ層２１５を形成し［図２１（ｄ）］、その表面にＮｉ−Ｐ層２１６を形成する。さらに、Ｎｉ−Ｐ層２１６の表面にＡｕ層２１７を形成して、ウェハ１１ができあがる［図２１（ｅ）］。なお、Ａｕ層２１７に代えて、Ａｕと同様に酸化しにくく、かつはんだ付け可能な金属の層をウェハ１１の最表面に設けてもよい。
【００８２】
つぎに、各種ウェハ積層体を用いて本発明者らがおこなった引張り強度の試験の結果について説明する。試験対象のウェハ積層体として、つぎの１〜４の実施例と、比較として従来例を用いた。実施例１は、３０Ｓｂ−３０Ａｇ−残部Ｓｎはんだ材およびコハク酸で飽和したイソプロピルアルコール溶液からなるスラリー状の鉛フリー化はんだ材を用いた、合金化する前のウェハ接合体２０である。
【００８３】
実施例２は、イソプロピルアルコール３部とコハク酸７部と３０Ｓｂ−３０Ａｇ−残部Ｓｎはんだ材との混合物からなるスラリー状の鉛フリー化はんだ材を用いた、合金化する前のウェハ接合体２０である。実施例３は、３０Ｓｂ−３０Ａｇ−残部Ｓｎはんだ材の微粉末を焼結して用いた、合金化する前のウェハ接合体２０である。実施例４は、２０Ａｇ−５Ｃｕ−残部Ｓｎはんだ材を原料とするスラリー状の鉛フリー化はんだ材を用いた、合金化した後のウェハ積層体３０である。
【００８４】
従来例は、ウェハ同士をＰｂＳｎ系のはんだ箔により接合したものである。引張り試験をおこなうにあたっては、各種ウェハ積層体の積層したウェハ数を２０とした。そして、各種ウェハ積層体をワイヤソーによりおおよそ０．５ｍｍ角のチップに切断し、その両端にリード線をはんだ付けし、引張り試験機（島津製作所製ＥＺ−Ｔｅｓｔ）を用いた。その結果を図２２に示す。
【００８５】
図２２からわかるように、実施例１〜４のいずれも従来例と同等程度か、それ以上の強度を有していた。特に、合金化した実施例４では、強度が大幅に向上した。また、特に図示しないが、初期的電気特性および信頼性に関しても、実施例１〜４のいずれも従来例との差異は見られなかった。
【００８６】
上述した実施の形態によれば、鉛を含まないＳｎ系のはんだ材の微粉末をコハク酸等とともにイソプロピルアルコール等の溶剤に混ぜてスラリー状のはんだ材とすることにより、はんだ材の箔化が容易であり、かつ松やに等のフラックスを含まないため、高温での炭化によりはんだ付け性が悪化するのを回避することができる。また、この鉛フリー化はんだ材を用いることによって、鉛を含む従来のはんだ材と同等以上の耐熱性および接合強度を得ることができる。
【００８７】
以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、種々変更可能である。たとえば、上述した溶剤や有機物は一例であり、また、その量なども一例であるため、本発明は上記記載に限定されるものではない。また、スラリー状の鉛フリー化はんだ材の塗布方法として、上述したローラ塗布法、スピンコーティング法、印刷法または吹き付け法以外にも、筆による塗布方法や、ディスペンサーを用いた方法などを採用することができる。
【００８８】
【発明の効果】
本発明によれば、箔化が容易で、かつ高温での炭化によるはんだ付け性の悪化が起こらない鉛フリー化はんだ材が得られる。また、この鉛フリー化はんだ材を用いることによって、鉛を含む従来のはんだ材と同等以上の耐熱性および接合強度で接合することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかるはんだ接合方法を適用して製造されるウェハ積層体の製造段階における構成を示す断面図である。
【図２】本発明にかかるはんだ接合方法を適用して製造されるウェハ積層体の製造段階における構成を示す断面図である。
【図３】本発明にかかるはんだ接合方法を適用して製造されるウェハ積層体の製造段階における構成を示す断面図である。
【図４】本発明にかかるスラリー状の鉛フリー化はんだ材を調整している状態を模式的に示す断面図である。
【図５】図４で調整したスラリー状の鉛フリー化はんだ材を塗布している状態を模式的に示す断面図である。
【図６】図４で調整したスラリー状の鉛フリー化はんだ材を塗布している状態を模式的に示す断面図である。
【図７】図４で調整したスラリー状の鉛フリー化はんだ材を塗布している状態を模式的に示す断面図である。
【図８】本発明にかかるスラリー状の鉛フリー化はんだ材を塗布したウェハを模式的に示す断面図である。
【図９】本発明にかかるスラリー状の鉛フリー化はんだ材を調整している状態を模式的に示す断面図である。
【図１０】図９で調整したスラリー状の鉛フリー化はんだ材を塗布している状態を模式的に示す断面図である。
【図１１】本発明にかかるスラリー状の鉛フリー化はんだ材を満たしたはんだ槽を模式的に示す断面図である。
【図１２】図１１に示すはんだ槽のはんだ浴中にウェハを浸漬する際に使用される治具を模式的に示す断面図である。
【図１３】図１２に示す治具の外観の一例を模式的に示す斜視図である。
【図１４】図１２に示す治具の外観の他の例を模式的に示す斜視図である。
【図１５】図１２に示す治具の外観のさらに他の例を模式的に示す斜視図である。
【図１６】本発明にかかるはんだ接合方法において使用される加熱加圧はんだ付け装置を模式的に示す断面図である。
【図１７】本発明にかかるはんだ接合方法において使用される加圧積層治具を模式的に示す平面図である。
【図１８】図１７に示す加圧積層治具の側面図である。
【図１９】本発明にかかるはんだ接合方法において使用されるベルトコンベア炉を模式的に示す断面図である。
【図２０】本発明にかかるはんだ接合方法において使用される真空加熱機を模式的に示す断面図である。
【図２１】本発明にかかるはんだ接合方法により接合されるウェハの製造プロセスを説明するための図である。
【図２２】実施例および従来について引張り強度試験をおこなった結果を示す図である。
【符号の説明】
１１ウェハ
４４，９４スラリー状はんだ（スラリー状の鉛フリー化はんだ材）
１１３はんだ槽
１１４はんだ浴
１２１治具
１２２蓋
１３３貫通孔
１４２スリット
１５１底板
１５２棒状部材
２１７Ａｕ層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a lead-free solder material and a solder joining method, and more particularly to a technique suitable for application to the manufacture of a wafer laminate having a structure in which a plurality of semiconductor wafers are joined by soldering.
[0002]
[Prior art]
A tin-based solder material based on lead has a characteristic that it can be easily formed into a foil having a thickness of several to several tens of μm because it contains soft lead. For this reason, this solder material has been conventionally used for soldering semiconductor devices. However, in order to suppress environmental pollution caused by lead, it is said that in 2004 or 2007, the usable solder material will be completely switched to lead-free solder material, that is, lead-free solder material. Development of free solder materials is underway.
[0003]
At present, Sn-Ag solder materials and Sn-Sb solder materials are known as lead-free solder materials. In addition, the present applicant, as a method of joining the wafers when manufacturing the wafer laminate, sandwiched an aluminum layer or an aluminum layer and a nickel layer between the wafers, and heated in a pressurized state, whereby the wafers are bonded to each other. Regarding the method of joining the two, a patent application has been filed previously (see, for example, Patent Document 1).
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-97618
[Problems to be solved by the invention]
However, Sn—Ag solder material and Sn—Sb solder material do not contain lead, and thus there is a problem that it is difficult to form a foil. In addition, since the solidus temperature of these solder materials is as low as 240 to 250 ° C., the solder materials are completely melted in the sealing resin during solder heat treatment (260 ° C. × 10 seconds (3 times)). There is a problem that the bonding strength is lowered by forming a void layer when it re-solidifies. In addition, it is conceivable to use a solder cream instead of forming a foil of the solder material, but the problem that the activator such as flux is carbonized during high temperature processing slightly exceeding 300 ° C., and the solderability is deteriorated. There is a point.
[0006]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and is a lead-free solder material that can be easily formed into foil and can avoid deterioration of solderability due to carbonization at a temperature slightly exceeding 300 ° C. It is another object of the present invention to provide a soldering method that can be joined with heat resistance and joining strength equal to or higher than those of conventional solder materials containing lead by using the lead-free solder material.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the lead-free solder material according to the present invention is a carbonized material that is soluble in a solvent composed of water, alcohol, or ether, is soluble in the solvent, has a carboxyl group at one end, and serves as a substitute for flux. A solder coating method including a roller coating method, a spin coating method, a printing method, or a spraying method for a lead-free solder material in which a hydrogen compound and a fine powder raw material of a solder material not containing lead are mixed and kneaded to form a slurry. Is uniformly applied to the wafer surface, and a plurality of the wafers are overlapped, and the wafer group is 1 to 10 MPa, preferably 1.5 to 5 MPa at a temperature 30 to 120 ° C., preferably about 80 ° C. higher than the solder melting point. It is characterized by pressurizing and heating with pressure.
[0008]
In order to achieve the above object, the solder joining method according to the present invention includes a solder bath containing the lead-free solder material described above as a solder bath, and a plurality of wafers are placed between each other in the solder bath. A wafer group in which a solder melting point is set to 30 to 30 ° C. with a solder melting point. It is characterized by pressurizing and heating at a temperature as high as 120 ° C., preferably about 80 ° C., at a pressure of 1 to 10 MPa, preferably 1.5 to 5 MPa.
[0009]
Further, in order to achieve the above object, the lead-free solder material according to the present invention is a fine powder raw material of a solder material not containing lead, which is lower than the solidus temperature of the solder material and from the solidus temperature. Is a sintered body sintered in a thin plate shape at a temperature of 10 ° C. or lower. In this case, the sintered body is sandwiched between a plurality of wafers, and the wafer group is heated to a temperature higher by 50 to 80 ° C. than the solidus temperature of the solder material in a vacuum atmosphere. It is characterized by melting.
[0010]
In order to achieve the above object, the solder bonding method according to the present invention is characterized in that solid phase diffusion is performed by holding the wafer group at 200 ° C. for 24 hours after the solder bonding.
[0011]
Further, in order to achieve the above object, in the soldering method according to the present invention, the surface of the wafer is previously coated with Au or a metal that can be easily soldered and can be soldered similarly to Au. Features.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The lead-free solder material according to the present invention includes a fine solder material that does not contain lead, a solvent such as a weakly polar alcohol, and a carbonization that is soluble in this solvent and has a carboxyl group (—COOH) at one end. It is a mixture with a hydrogen compound. The amount of the hydrocarbon compound dissolved is suitably about 10 g or less relative to 100 g of the solvent, for example.
[0013]
The solder material used as a raw material is Sn—Sb or Sn—Ag solder material based on Sn, for example, Sn-30Sb-30Ag solder material, Sn-20Ag-5Cu solder material, or the like. The center diameter of the powder is 40 μm or less, preferably 10 μm or less. The solvent is, for example, isopropyl alcohol, which is relatively safe. In addition to other alcohols, water, ether or the like can be used as a solvent. The chemical formula of isopropyl alcohol is as follows.
[0014]
[Chemical 1]

[0015]
The hydrocarbon compound is preferably dissolved in a solvent to form a slurry and has a melting point of about 200 ° C. Preferably, it is an aliphatic hydrocarbon compound. In general, when the alkyl group is R, among organic acids represented by R—COOH, those having a large alkyl group R and aromatic ones are insoluble in water and are therefore relatively weak in corrosiveness. Since the melting point of the reaction product (metal soap) with the metal is generally low, it acts as a flux and facilitates soldering to the metal surface.
[0016]
Therefore, in the lead-free solder material according to the present invention, it is appropriate that the number of carbon C in the alkyl group R is about 1 to 3. In addition, since alkylcarboxylic acid acts as a flux, the lead-free solder material according to the present invention does not require a flux such as pine cone. The organic acid described above preferably has a chemical structure that is easily decomposed into hydrogen and a carbonic gas at a high temperature, and has a characteristic of sublimating at a temperature below the melting point. Then, carbon does not burn out at the soldering temperature (for example, about 300 ° C.) and remains as a residue at the soldering site.
[0017]
In view of the above points, succinic acid is suitable as an organic substance. The chemical formula of succinic acid is:
[0018]
[Chemical formula 2]

[0019]
Fumaric acid is also suitable. The chemical formula of fumaric acid is as follows:
[0020]
[Chemical 3]

[0021]
Malic acid is also suitable. The chemical formula for malic acid is:
[0022]
[Formula 4]

[0023]
Oxalacetic acid is also suitable. The chemical formula of oxalacetic acid is as follows:
[0024]
[Chemical formula 5]

[0025]
Pyruvic acid is also suitable. The chemical formula of pyruvic acid is as follows.
[0026]
[Chemical 6]

[0027]
Alanine is also suitable. The chemical formula of alanine is as follows:
[0028]
[Chemical 7]

[0029]
Aspartic acid is also suitable. The chemical formula of aspartic acid is as follows:
[0030]
[Chemical 8]

[0031]
Maleic acid is also suitable. The chemical formula of maleic acid is:
[0032]
[Chemical 9]

[0033]
Itaconic acid is also suitable. The chemical formula of itaconic acid is as follows.
[0034]
Embedded image

[0035]
Citric acid is also suitable. The chemical formula of citric acid is as follows:
[0036]
Embedded image

[0037]
Also suitable is cis-aconitic acid. The chemical formula of cis-aconitic acid is as follows.
[0038]
Embedded image

[0039]
Isocitrate is also suitable. The chemical formula of isocitric acid is as follows:
[0040]
Embedded image

[0041]
Oxalsuccinic acid is also suitable. The chemical formula of oxalsuccinic acid is as follows:
[0042]
Embedded image

[0043]
Α-Ketoglutaric acid is also suitable. The chemical formula of α-ketoglutaric acid is as follows.
[0044]
Embedded image

[0045]
Also suitable is glutamic acid. The chemical formula of glutamic acid is as follows:
[0046]
Embedded image

[0047]
Fumaric acid is also suitable. The chemical formula of fumaric acid is as follows:
[0048]
Embedded image

[0049]
Lactic acid is also suitable. The chemical formula of lactic acid is as follows:
[0050]
Embedded image

[0051]
Oxalic acid is also suitable. The chemical formula of oxalic acid is as follows:
[0052]
Embedded image

[0053]
Malonic acid is also suitable. The chemical formula of malonic acid is as follows:
[0054]
Embedded image

[0055]
Adipic acid is also suitable. The chemical formula of adipic acid is as follows.
[0056]
Embedded image

[0057]
Tartaric acid is also suitable. The chemical formula of tartaric acid is as follows:
[0058]
Embedded image

[0059]
The alkylcarboxylic acids exemplified above may be used alone, or any two or more may be mixed and used. For example, a mixture of pyruvic acid that is a solution and succinic acid that is a crystalline powder may be used.
[0060]
1 to 3 are views for explaining an outline of a manufacturing process of a wafer laminated body manufactured by applying the soldering method according to the present invention, and show a cross-sectional configuration of the wafer laminated body. As shown in FIG. 1, first, a plurality of wafers 11 are laminated via a lead-free solder layer 12 to form a wafer-solder material laminate 10.
[0061]
Next, the lead-free solder layer 12 is melted by heating the wafer-solder material laminate 10 while applying pressure, and the wafer 11 is solder-bonded via the solder-bonding layer 22 as shown in FIG. A joined body 20 is obtained. The soldering conditions at this time are a temperature of 30 to 120 ° C., preferably about 80 ° C. higher than the melting point of the solder, and a pressure of 1 to 10 MPa, preferably 1.5 to 5 MPa. The reason for this condition is that 30 ° C. is the lowest temperature at which the entire wafer is bonded, and 120 ° C. is a temperature at which voids are generated in the bonding and the bonding strength starts to decrease significantly. Further, 1 MPa is a pressure at which the entire wafer is bonded, and 10 MPa is a pressure at which the wafer is broken. By this pressurization and heat treatment, the heat resistance of the solder joint layer 22 is improved.
[0062]
Next, under the condition that both the temperature and the pressure are slightly higher than the above-described soldering conditions, the wafer bonded body 20 is heated while being pressurized again to remove the solder component from the solder bonding layer 22 and form an alloy, which is shown in FIG. As described above, the wafer laminate 30 is obtained by bonding the wafer 11 via the alloy layer 32. By this alloying treatment, the heat resistance and bonding strength of the wafer laminate 30 are further improved. Furthermore, for example, solid phase diffusion is performed at 200 ° C. for 24 hours to eliminate the low melting point phase.
[0063]
There are the following three methods for obtaining the wafer-solder material laminate 10 shown in FIG. The first method is a method in which a slurry-like lead-free solder material is applied to a wafer and a plurality of them are overlapped. As shown in FIG. 4, first, for example, a fine powder such as 30Sb-30Ag-remainder Sn solder material or 20Ag-5Cu-remainder Sn solder material and an isopropyl alcohol solution saturated with succinic acid are prepared in a container 41, and a stirrer is prepared. Stir well at 42. Thereafter, the supernatant 43 is discarded, and a slurry-like solder 44 that sinks to the bottom of the container 41 is obtained.
[0064]
Then, as shown in FIG. 5, the wafer 11 is fixed to the vacuum chuck 52 by vacuuming from the guide hole 51, and the slurry solder 44 is dropped from the discharge nozzle 54 onto the wafer surface while rotating the motor 11 by the motor 53. Spin coat. Alternatively, instead of spin coating, slurry solder 44 may be sprayed from the spray nozzle 61 onto the surface of the rotating wafer 11 as shown in FIG. As shown in FIG. 7, the slurry-like solder 44 discharged from the discharge nozzle 54 may be applied to the wafer surface by the upper application roller 72 while the wafer 11 is fed by the lower feed guide roller 71. In any of the methods, the slurry-like solder 44 is not particularly limited on the wafer surface, but it is appropriate to laminate the solder with a thickness of, for example, 5 to 30 μm.
[0065]
When the slurry-like solder 44 is uniformly laminated on the wafer surface, it is in a vacuum atmosphere of 1.33322 × 10 ⁻² Pa or less, an H ₂ atmosphere, or a mixed gas atmosphere in which 5 to 50% of H ₂ and the balance are N _2. The slurry solder 44 is heated to a temperature near the melting point (200 to 230 ° C.) to completely remove alcohol and organic substances contained in the slurry solder 44. As a result, as shown in FIG. 8, a laminate in which the solder powder layer 81 is lightly fused to the wafer surface is obtained. The thickness of the solder powder layer 81 is not particularly limited, but is suitably 5 to 30 μm, for example.
[0066]
Further, instead of using the saturated solution described above, the following may be used. As shown in FIG. 9, isopropyl alcohol and succinic acid are placed in a container 41 at a ratio of, for example, 7 parts of succinic acid to 3 parts of isopropyl alcohol and stirred well with a stirrer 42. Sn-Sb-based or Sn-Ag-based solder material powder containing Sn as a base and not containing lead is added thereto in a weight ratio of 90 wt% and mixed well by the stirrer 42. In addition, the ratio of isopropyl alcohol and succinic acid should just be 1 wt% or more of isopropyl alcohol with respect to 1 wt% or more, and 10 wt% or less in total with respect to a solder material.
[0067]
Since the slurry-like solder 94 thus obtained has a higher viscosity than the case where the above-described saturated solution is used, the slurry-like solder 94 is laminated on the wafer surface by a printing method as shown in FIG. That is, the printed mask 101 is placed on the wafer 11 fixed to the vacuum chuck 52, and the slurry solder 94 is spread by the squeegee 102, thereby forming the printed solder layer 103 on the wafer 11. In FIG. 10, reference numeral 104 denotes an emulsion.
[0068]
Then, heat treatment is performed to completely remove alcohol and organic substances contained in the printed solder layer 103. The atmosphere at this time is the same as that when the above-described saturated solution is used. The processing temperature is a temperature equal to or higher than the melting point of the printed solder layer 103. In this way, a laminate composed of the wafer 11 and the solder powder layer 81 as shown in FIG. 8 is obtained. Also in this case, the thickness of the solder powder layer 81 is not particularly limited, but is suitably 5 to 30 μm, for example.
[0069]
The wafer-solder material laminate 10 shown in FIG. 1 is obtained by superimposing a plurality of laminates shown in FIG. 8 produced by the above-described spin coating method, spraying method, roller coating method, printing method, or the like. The solder powder layer 81 corresponds to the lead-free solder layer 12.
[0070]
A second method for obtaining the wafer-solder material laminate 10 shown in FIG. 1 is a method in which a plurality of wafers are immersed in a solder bath with a gap between them. According to this method, a wafer-solder material laminate 10 in which a plurality of wafers are laminated at a time can be obtained. As shown in FIG. 11, a solder bath 114 made of a lead-free solder material according to the present invention is filled in a solder bath 113 provided with a heater 111 and an ultrasonic oscillator 112.
[0071]
Then, as shown in FIG. 12, a plurality of wafers 11 are placed in a cylindrical jig 121 with a gap between them, and a lid 122 is placed on the jig 121. 11 is immersed in the solder bath 114. At this time, the ultrasonic oscillator 112 is operated and the jig 121 is swung so that the solder uniformly enters the gaps between the wafers 11. Thereafter, by pulling up the jig 121 from the solder bath 114, the wafer-solder material laminate 10 in which a plurality of wafers 11 are laminated through the lead-free solder layer 12 having a uniform thickness is obtained.
[0072]
In this second method, in order to provide a gap between the wafers 11, for example, a spacer piece 123 is sandwiched between part of the outer peripheral portions of adjacent wafers 11. The spacer piece 123 is made of an alloy having the same composition as the solder bath 114 or a thin plate having a desired thickness made of a single metal. The thickness of the spacer piece 123 is 20 to 100 μm, preferably 40 μm, so that the wedge effect can be maintained. Further, dummy wafers are arranged on both outer sides of the wafer row.
[0073]
Jig 121 and lid 122 are made of stainless steel, for example. In order to allow the solder bath 114 to flow uniformly into the jig 121, through holes 133 having a diameter of 5 to 10 mm are uniformly opened in the side surface 131 and the bottom surface 132 of the jig 121, for example, as shown in FIG. It has been. Similarly, a through hole 133 is formed in the lid 122. Alternatively, instead of the through-hole 133, for example, as shown in FIG. 14, slits 142 having a width of 5 to 10 mm may be provided on the side surface 141 of the jig 121 at equal intervals. Further, for example, as shown in FIG. 15, the jig 121 may be constituted by a bottom plate 151 and a plurality of rod-shaped members 152 serving as pillars without providing side plates, and by forming a lid by covering the lid 122. .
[0074]
The third method for obtaining the wafer-solder material laminate 10 shown in FIG. 1 is not particularly shown, but was used as a raw material for the slurry-like lead-free solder material without using the slurry-like lead-free solder material. This is a method in which a sintered body of Sn-Sb-based or Sn-Ag-based solder fine powder is prepared and sandwiched between wafers. The sintering temperature is a temperature equal to or lower than the solidus temperature of the used solder material and higher than a temperature lower by 10 ° C. than the solidus temperature, for example, 200 ° C. While heating at this temperature, the green compact of the solder fine powder is pressed to obtain a sintered body. The thickness of the sintered body is 0.1 to 1 mm. The wafer-solder material laminate 10 laminated with the sintered body sandwiched between the wafers is heated to 50 to 80 ° C. higher than the solidus temperature in a vacuum atmosphere of 1.33322 × 10 ⁻² Pa or less while pressing. When heated, the sintered body melts and the wafers are soldered together.
[0075]
When the wafer-solder material laminate 10 is obtained as described above, the wafer-solder material laminate 10 is then heated while being pressed to obtain the wafer bonded body 20 shown in FIG. For this purpose, for example, as shown in FIG. 16, a heat and pressure soldering apparatus 160 is used. The wafer-solder material laminate 10 is sandwiched between the upper surface uniform heating and pressing plate 162 of the upper press body 161 and the lower surface uniform heating and pressing plate 164 of the lower press body 163 of this apparatus. Then, the upper press body 161 is lowered by the press arm 165 to pressurize the wafer-solder material laminate 10. In this state, the wafer-solder material laminate 10 is heated by the

heaters

166 and 167 embedded in the upper and

lower press bodies

161 and 163, respectively. This heating may be induction heating.
[0076]
Alternatively, in order to pressurize the wafer-solder material laminate 10, a pressurization laminating jig 170 may be used as shown in a plan view and a side view in FIGS. 17 and 18, respectively. In this case, the wafer-solder material laminate 10 is sandwiched between the bottom plate 171 and the top plate 172 of the jig 170. Then, the nut 174 screwed into the threaded portion at the top of the plurality of rod-like members 173 serving as columns connecting the bottom plate 171 and the top plate 172 is tightened to pressurize the wafer-solder material laminate 10.
[0077]
When the pressure lamination jig 170 described above is used, for example, as shown in FIG. 19, the pressure lamination treatment in a state where the wafer-solder material laminate 10 is pressurized on the belt 191 of the belt conveyor furnace 190. The tools 170 may be arranged and heated by moving under the heater 193 by feeding the belt 191 by the rotating body 192. Alternatively, as shown in FIG. 20, using a vacuum heater 200, a pressure lamination jig 170 in a state where the wafer-solder material laminate 10 is pressurized is placed on the sample stage 202 in the vacuum chamber 201. The chamber 201 is evacuated by the ion pump 203 and the cryopump 204 and heated by the heater 205. At this time, an inert gas such as H ₂ or N ₂ may be introduced into the chamber 201.
[0078]
When the wafer bonded body 20 is obtained as described above, the wafer bonded body 20 is then heated while being pressurized again to obtain the wafer laminated body 30 shown in FIG. For this purpose, for example, a heat and pressure soldering apparatus 160 shown in FIG. 16 is used again. As a result, the solder component is removed from the solder bonding layer 22 of the wafer bonded body 20 to form the alloy layer 32.
[0079]
This alloy layer 32 is obtained by reacting, for example, Ni element in Ni—P layer 216 (see FIG. 21) provided on the surface layer on both sides of wafer 11 with Sn of, for example, 20Ag-5Cu—the remaining Sn solder material. , Ni ₃ Sn ₄ alloy can be produced. As a result of investigations by the present inventors, in the wafer bonded body 20 before alloying, the thickness of the solder bonding layer 22 was 10 to 30 μm, but the alloy layer 32 in the wafer laminated body 30 after alloying. The thickness was 10 μm or less.
[0080]
Although not particularly limited, as described above, the wafer 11 has a multilayer structure. FIG. 21 briefly shows the manufacturing process. First, a silicon wafer 211 is prepared [FIG. 21A], phosphorus is doped on both sides thereof, and an n ⁺ layer is formed on the surface layer. Next, one surface of the wafer 211 is ground and boron is doped on the ground surface. Thereafter, high-temperature diffusion processing is performed to form an n ⁺ layer 212 on one surface of the wafer 11 and a p ⁺ layer 213 on the other surface [FIG. 21 (b)].
[0081]
Subsequently, Ni-P electroless plating is performed on both surfaces of the wafer 11 to form a Ni-P layer 214 [FIG. 21 (c)]. Then, heat treatment is performed to form a Ni—Si layer 215 [FIG. 21D], and a Ni—P layer 216 is formed on the surface thereof. Further, an Au layer 217 is formed on the surface of the Ni-P layer 216, and the wafer 11 is completed [FIG. 21 (e)]. Instead of the Au layer 217, a metal layer that is not easily oxidized and can be soldered similarly to Au may be provided on the outermost surface of the wafer 11.
[0082]
Next, the results of tensile strength tests conducted by the present inventors using various wafer laminates will be described. As the wafer laminates to be tested, the following examples 1 to 4 and a conventional example were used as a comparison. Example 1 is a wafer bonded body 20 before alloying using a 30Sb-30Ag-remainder Sn solder material and a slurry-like lead-free solder material composed of an isopropyl alcohol solution saturated with succinic acid.
[0083]
Example 2 is a wafer bonded body 20 before alloying using a slurry-like lead-free solder material composed of a mixture of 3 parts of isopropyl alcohol, 7 parts of succinic acid, and 30Sb-30Ag-remainder Sn solder material. is there. Example 3 is the wafer bonded body 20 before being alloyed, using a fine powder of 30Sb-30Ag-residual Sn solder material sintered. Example 4 is the wafer laminated body 30 after alloying using the slurry-like lead-free solder material made from 20Ag-5Cu-residual Sn solder material.
[0084]
In the conventional example, wafers are joined together by a PbSn solder foil. In conducting the tensile test, the number of wafers laminated with various wafer laminates was set to 20. And various wafer laminated bodies were cut | disconnected to the chip | tip of about 0.5 mm square with the wire saw, the lead wire was soldered to the both ends, and the tensile tester (Shimadzu EZ-Test) was used. The result is shown in FIG.
[0085]
As can be seen from FIG. 22, each of Examples 1 to 4 had a strength equivalent to or higher than that of the conventional example. In particular, in Example 4 which was alloyed, the strength was significantly improved. Moreover, although not shown in particular, regarding the initial electrical characteristics and reliability, any of Examples 1 to 4 was not different from the conventional example.
[0086]
According to the embodiment described above, the solder material can be made into a foil by mixing the fine powder of the Sn-based solder material not containing lead with a solvent such as isopropyl alcohol together with succinic acid or the like to form a slurry solder material. Since it is easy and does not contain flux such as pine, it is possible to avoid deterioration of solderability due to carbonization at high temperature. In addition, by using this lead-free solder material, heat resistance and joint strength equal to or higher than those of conventional solder materials containing lead can be obtained.
[0087]
As described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made. For example, the above-described solvents and organic substances are examples, and the amounts thereof are also examples, and the present invention is not limited to the above description. In addition to the above-described roller coating method, spin coating method, printing method or spraying method, a brush coating method or a method using a dispenser may be adopted as a slurry-like lead-free solder material coating method. Can do.
[0088]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to obtain a lead-free solder material that can be easily formed into foil and does not deteriorate solderability due to carbonization at high temperatures. Further, by using this lead-free solder material, it is possible to join with a heat resistance and joining strength equal to or higher than those of conventional solder materials containing lead.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration in a manufacturing stage of a wafer laminate manufactured by applying a soldering method according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration in a manufacturing stage of a wafer laminate manufactured by applying the soldering method according to the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration in a manufacturing stage of a wafer laminate manufactured by applying the soldering method according to the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a state in which a slurry-like lead-free solder material according to the present invention is being adjusted.
FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a state where the slurry-like lead-free solder material prepared in FIG. 4 is applied.
6 is a cross-sectional view schematically showing a state in which the slurry-like lead-free solder material adjusted in FIG. 4 is applied.
7 is a cross-sectional view schematically showing a state in which the slurry-like lead-free solder material adjusted in FIG. 4 is applied.
FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a wafer coated with a slurry-like lead-free solder material according to the present invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view schematically showing a state in which the slurry-like lead-free solder material according to the present invention is being adjusted.
10 is a cross-sectional view schematically showing a state in which the slurry-like lead-free solder material adjusted in FIG. 9 is applied.
FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing a solder bath filled with a slurry-like lead-free solder material according to the present invention.
12 is a cross-sectional view schematically showing a jig used when a wafer is immersed in the solder bath of the solder bath shown in FIG. 11. FIG.
13 is a perspective view schematically showing an example of the appearance of the jig shown in FIG. 12. FIG.
14 is a perspective view schematically showing another example of the appearance of the jig shown in FIG. 12. FIG.
15 is a perspective view schematically showing still another example of the appearance of the jig shown in FIG. 12. FIG.
FIG. 16 is a cross-sectional view schematically showing a heat and pressure soldering apparatus used in the soldering method according to the present invention.
FIG. 17 is a plan view schematically showing a pressure lamination jig used in the soldering method according to the present invention.
18 is a side view of the pressure lamination jig shown in FIG.
FIG. 19 is a cross-sectional view schematically showing a belt conveyor furnace used in the soldering method according to the present invention.
FIG. 20 is a cross-sectional view schematically showing a vacuum heater used in the soldering method according to the present invention.
FIG. 21 is a view for explaining a manufacturing process of a wafer to be bonded by the solder bonding method according to the present invention.
FIG. 22 is a diagram showing the results of a tensile strength test performed on an example and a conventional example.
[Explanation of symbols]
11

Wafer

44, 94 Slurry solder (Slurry lead-free solder material)
113 Solder bath 114 Solder bath 121 Jig 122 Lid 133 Through-hole 142 Slit 151 Bottom plate 152 Bar-shaped member 217 Au layer

Claims

It is a sintered body obtained by sintering a fine powder raw material of a lead-free solder material into a thin plate at a temperature not higher than the solidus temperature of the solder material and not lower than a temperature 10 ° C. lower than the solidus temperature. the lead-free solder material, sandwiched between a plurality of wafers, melting the solder sintered body of the wafer group heated to 50 to 80 ° C. temperature higher than the solidus temperature of the solder material in a vacuum atmosphere A soldering method characterized by the above.

Furthermore, the said wafer group is hold | maintained at 200 degreeC for 24 hours, The soldering method of Claim 1 characterized by the above-mentioned.

3. The solder joining method according to claim 1 or 2 , wherein the surface of the wafer is previously coated with Au or a metal that is difficult to oxidize and can be soldered similarly to Au.