JP4480324B2

JP4480324B2 - 鉛フリー化はんだ材

Info

Publication number: JP4480324B2
Application number: JP2002306045A
Authority: JP
Inventors: 彰天野; 博明降旗; 貴博久保山; 一之蒔田; 満男山下; 透村田; 剛浅黄
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2002-10-21
Filing date: 2002-10-21
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2022-10-21
Also published as: JP2004141878A

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、下記の特許文献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松やに等を用いた一般的なフラックスでは炭化してしまい、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す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ことを特徴とする。
【０００８】
この発明において、前記炭化水素化合物は、脂肪族系の化合物であるとよい。また、前記炭化水素化合物は、結晶性の粉末であり、融点以下の高温で昇華する特性を具えているとよい。さらに、前記炭化水素化合物は、高温で水素と炭酸系のガスに分解する化学構造を有しているとよい。
【０００９】
また、上述した発明において、たとえば、前記鉛を含まないはんだ材は、ＳｎをベースとしたＳｎ−Ｓｂ系やＳｎ−Ａｇ系のはんだ材であり、前記溶剤は、イソプロピルアルコールである。また、前記鉛を含まないはんだ材の微粉末が重量％で９０％以上であり、前記溶剤が一種以上であり、前記炭化水素化合物が一種以上である。
【００１０】
【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。
【００１１】
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。
【００１２】
【化１】

【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
【化２】

【００１７】
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。
【００１８】
【化３】

【００１９】
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。
【００２０】
【化４】

【００２１】
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。
【００２２】
【化５】

【００２３】
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。
【００２４】
【化６】

【００２５】
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。
【００２６】
【化７】

【００２７】
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。
【００２８】
【化８】

【００２９】
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。
【００３０】
【化９】

【００３１】
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。
【００３２】
【化１０】

【００３３】
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。
【００３４】
【化１１】

【００３５】
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。
【００３６】
【化１２】

【００３７】
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。
【００３８】
【化１３】

【００３９】
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。
【００４０】
【化１４】

【００４１】
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。
【００４２】
【化１５】

【００４３】
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。
【００４４】
【化１６】

【００４５】
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。
【００４６】
【化１７】

【００４７】
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。
【００４８】
【化１８】

【００４９】
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。
【００５０】
【化１９】

【００５１】
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。
【００５２】
【化２０】

【００５３】
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。
【００５４】
【化２１】

【００５５】
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。
【００５６】
【化２２】

【００５７】
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。
【００５８】
そして、図１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でよく混合することによって、スラリー状はんだ９４が得られる。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％以下であるとよい。
【００５９】
つぎに、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、つぎの実施例１および実施例２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て２０枚のウェハを相互に接合し、積層した、合金化する前のウェハ接合体である。
【００６０】
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て２０枚のウェハを相互に接合し、積層した、合金化する前のウェハ接合体である。従来例は、２０枚のウェハをＰｂＳｎ系のはんだ箔により相互に接合し、積層したものである。
【００６１】
引張り試験をおこなうにあたっては、実施例１、実施例２および従来例の各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２に示す。図２からわかるように、実施例１、２のいずれも従来例と同等程度の強度を有していた。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、２のいずれも従来例との差異は見られなかった。
【００６２】
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の接合強度を得ることができる。
【００６３】
【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】本発明にかかるスラリー状の鉛フリー化はんだ材を調整している状態の一例を模式的に示す断面図である。
【図２】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】
９４スラリー状はんだ（スラリー状の鉛フリー化はんだ材）

Claims

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構造に適用する鉛フリー化はんだ材であって、
水、アルコールまたはエーテルからなる溶剤と、該溶剤に可溶なコハク酸と、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て箔化することを特徴とする鉛フリー化はんだ材。
前記鉛を含まないはんだ材は、ＳｎをベースとしたＳｎ−Ｓｂ系やＳｎ−Ａｇ系のはんだ材であることを特徴とする請求項１に記載の鉛フリー化はんだ材。
前記溶剤は、イソプロピルアルコールであることを特徴とする請求項１または２に記載の鉛フリー化はんだ材。
前記鉛を含まないはんだ材の微粉末が重量％で９０％以上であり、前記溶剤が一種以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の鉛フリー化はんだ材。