JP4734134B2 - Soldering flux and semiconductor device having mounting structure using soldering flux - Google Patents
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Description
本発明は、半田付け用フラックス及び半田付け用フラックスを用いた実装構造を有する半導体装置に関し、より具体的には、半導体素子又は電子部品をプリント配線基板に半田付けする際に使用される半田付け用フラックス及び当該半田付け用フラックスを用いた実装構造を有する半導体装置に関する。 The present invention relates to a soldering flux and a semiconductor device having a mounting structure using the soldering flux, and more specifically, soldering used when soldering a semiconductor element or an electronic component to a printed wiring board. The present invention relates to a semiconductor device having a mounting structure using the soldering flux and the soldering flux.
携帯電話やノート型パソコン等、携帯情報機器のダウンサイジングに伴い、半導体装置の小型化やプリント回路基板の高密度実装技術の確立が不可欠となってきている。ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）等の半導体素子又はパッケージングされた電子部品をプリント配線基板に高密度に実装するために、半田接合技術のファインピッチ化及び半田接合を用いた接続端子部の微小化が進んでいる。 With downsizing of portable information devices such as mobile phones and laptop computers, it is indispensable to downsize semiconductor devices and establish high-density mounting technology for printed circuit boards. In order to mount semiconductor elements such as LSI (Large Scale Integration) or packaged electronic components on a printed wiring board with a high density, the fine pitch of the solder joint technology and the miniaturization of the connection terminal portion using the solder joint are required. Progressing.
かかる接続端子部であるプリント配線基板の電極部として、一般に、銅（Ｃｕ）パッドが使用される。 Generally, a copper (Cu) pad is used as an electrode portion of a printed wiring board which is such a connection terminal portion.
また、銅パッドに半導体素子又は電子部品を半田付けする際には、通常ハロゲン系の活性剤又はカルボキシル基（−ＣＯＯＨ）等を含んだ有機酸等が包含されているフラックスを用いて、銅パッドの表面に形成された酸化膜（ＣｕＯ）や汚れを取り除き、加熱中の酸化を防止して半田の濡れ性の向上を図っている。 Also, when soldering a semiconductor element or electronic component to a copper pad, the copper pad is usually used with a flux containing an organic acid containing a halogen-based activator or a carboxyl group (—COOH). The oxide film (CuO) and dirt formed on the surface of the solder are removed, and oxidation during heating is prevented to improve solder wettability.
更に、同様の目的のために、銅パッド表面に無電解によるニッケル（Ｎｉ）−リン（Ｐ）めっきを施し、当該ニッケル−リンめっきの上に金（Ａｕ）めっき処理を施す態様も提案されている（特許文献１、特許文献２参照）。
図１は、プリント配線基板上に設けられた銅パッドに、上述の従来の半田付けを行う場合の問題点を説明するための図である。 FIG. 1 is a diagram for explaining a problem when the above-described conventional soldering is performed on a copper pad provided on a printed wiring board.
上述の従来の半田付けにおいては、以下の問題がある。 The conventional soldering described above has the following problems.
図１を参照するに、プリント配線基板上に設けられた銅（Ｃｕ）パッド１に、錫（Ｓｎ）の含有量が多い半田２で従来の半田付けを行うと、銅パッド１上に、半田２中の錫（Ｓｎ）と銅パッド１を構成する銅（Ｃｕ）の相互の拡散により、銅と錫の化合物層３が形成される。かかる化合物層３は硬く脆い化合物から成り、当該化合物層３が厚く成長することにより、半田付けの接合強度の劣化を招き、断線不良となるおそれがある。 Referring to FIG. 1, when conventional soldering is performed on a copper (Cu) pad 1 provided on a printed wiring board with solder 2 having a high tin (Sn) content, The compound layer 3 of copper and tin is formed by mutual diffusion of tin (Sn) in 2 and copper (Cu) constituting the copper pad 1. The compound layer 3 is made of a hard and brittle compound, and when the compound layer 3 grows thick, the bonding strength of soldering may be deteriorated, resulting in a disconnection failure.
また、銅（Ｃｕ）原子は錫（Ｓｎ）原子よりも拡散速度は速い。従って、かかる拡散速度の差異に基づいて、銅と錫の化合物層３の直下の銅パッド１の表面に、カーケンダルボイド４が形成される。かかるボイド４が成長するとクラックに発展し、半田接合が破壊されるおそれがある。このような不具合を引きこす要因となるカーケンダルボイド４の発生する度合いは、銅と錫の化合物層３が厚く成長すればするほど高くなる。 Also, the diffusion rate of copper (Cu) atoms is faster than that of tin (Sn) atoms. Accordingly, the Kirkendall void 4 is formed on the surface of the copper pad 1 immediately below the copper and tin compound layer 3 based on the difference in diffusion rate. When the void 4 grows, it develops into a crack, and the solder joint may be destroyed. The degree of occurrence of the Kirkendall void 4 that causes such a defect increases as the compound layer 3 of copper and tin grows thicker.
また、銅パッド表面に無電解によるニッケル（Ｎｉ）−Ｐ（リン）めっきを施した場合でも、ニッケル（Ｎｉ）原子の半田中への拡散は早いため、ニッケル（Ｎｉ）と錫（Ｓｎ）の硬く脆い化合物拡散層が厚く形成され、この拡散層で、落下衝撃等により破壊が生じ得る。更に、ニッケル（Ｎｉ）と錫（Ｓｎ）の化合物拡散層と、その直下に位置するニッケル（Ｎｉ）−リン（Ｐ）めっきとの界面にはリン（Ｐ）原子が残存しており、かかる界面部分は脆弱であり、接合強度の低下を招く。 Also, even when electroless nickel (Ni) -P (phosphorus) plating is applied to the copper pad surface, the diffusion of nickel (Ni) atoms into the solder is fast, so that nickel (Ni) and tin (Sn) A hard and brittle compound diffusion layer is formed thick, and the diffusion layer can be broken by a drop impact or the like. Further, phosphorus (P) atoms remain at the interface between the nickel (Ni) and tin (Sn) compound diffusion layer and the nickel (Ni) -phosphorus (P) plating located immediately below the interface. The part is fragile and causes a decrease in bonding strength.
なお、ニッケル（Ｎｉ）−リン（Ｐ）めっきの上に金（Ａｕ）めっき処理が施されている場合であっても、金（Ａｕ）原子は半田中に瞬時に拡散溶融してしまうため、依然として上述の問題は発生し得る。 Even when gold (Au) plating treatment is performed on nickel (Ni) -phosphorus (P) plating, gold (Au) atoms are instantly diffused and melted in the solder, The above problems can still occur.
銅（Ｃｕ）と錫（Ｓｎ）の化合物層３及びニッケル（Ｎｉ）と錫（Ｓｎ）の化合物拡散層等、このような化合物の層は、半田の濡れ性を確保するために必要であるが、当該層の厚さが厚くなると上述の問題が生じる。 Such compound layers, such as the compound layer 3 of copper (Cu) and tin (Sn) and the compound diffusion layer of nickel (Ni) and tin (Sn), are necessary to ensure the wettability of the solder. When the thickness of the layer is increased, the above-described problem occurs.
かかる問題を解消するために、例えば、ニッケル（Ｎｉ）−リン（Ｐ）の上に施す金（Ａｕ）めっきの厚さを大きくすると、硬くて脆い性質を持つ金（Ａｕ）と錫（Ｓｎ）の化合物層が形成され、上述の場合と同様に接合部の強度の低下を招くことになる。 In order to solve such a problem, for example, when the thickness of gold (Au) plating applied on nickel (Ni) -phosphorus (P) is increased, gold (Au) and tin (Sn) having hard and brittle properties The compound layer is formed, and the strength of the joint portion is reduced as in the case described above.
そこで、本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであって、半田付けの際に良好な接続強度を得ることができる半田付け用フラックス及び半田付け用フラックスを用いた実装構造を有する半導体装置を提供することを本発明の目的とする。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above points, and a semiconductor having a soldering flux and a mounting structure using the soldering flux capable of obtaining good connection strength during soldering. It is an object of the present invention to provide an apparatus.
本発明の一観点によれば、銅電極又は前記銅電極の表面に無電解ニッケルめっきが施された電極上に、鉛の含有量が０．００１以上０．１ｗｔ％以下の範囲である半田合金を半田付けするために用いられる、ロジンと、溶剤と、活性剤と、１０％の有機酸亜鉛とを含むことを特徴とする半田付けフラックスが提供される。 According to one aspect of the present invention , a solder alloy having a lead content in the range of 0.001 to 0.1 wt% on a copper electrode or an electrode having a surface of the copper electrode plated with electroless nickel There is provided a soldering flux characterized in that it comprises rosin, a solvent, an activator and 10% organic acid zinc used for soldering.
前記電極に金メッキが施されていてもよい。 May be gold is applied to the previous Symbol electrode.
本発明の別の観点によれば、銅電極又は前記銅電極の表面に無電解ニッケルめっきが施された電極の上に、半田合金が半田付けされた半導体装置であって、前記半田合金は鉛の含有量が０．００１以上０．１ｗｔ％以下の範囲であり、ロジンと、溶剤と、活性剤と、１０％の有機酸亜鉛とを含む半田付けフラックスにより、前記電極と前記半田合金との界面に、亜鉛を含む合金層が形成されていることを特徴とする半導体装置が提供される。 According to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device in which a solder alloy is soldered on a copper electrode or an electrode whose surface is subjected to electroless nickel plating, wherein the solder alloy is lead Of the electrode and the solder alloy by a soldering flux containing rosin, a solvent, an activator, and 10% organic acid zinc . A semiconductor device is provided in which an alloy layer containing zinc is formed at an interface.
本発明によれば、半田付けの際に良好な接続強度を得ることができる半田付け用フラックス及び半田付け用フラックスを用いた実装構造を有する半導体装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the semiconductor device which has the mounting structure using the flux for soldering which can obtain favorable connection strength in the case of soldering, and the flux for soldering can be provided.
以下、本発明の実施の形態について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below.
図２は、プリント配線基板上に設けられた銅パッドに、本発明の実施の形態にかかる半田付け用フラックスを用いた半田付けの概念図である。 FIG. 2 is a conceptual diagram of soldering using the soldering flux according to the embodiment of the present invention on a copper pad provided on a printed wiring board.
図２を参照するに、本発明の実施の形態では、図示を省略するプリント配線基板上に設けられた銅（Ｃｕ）パッド又は前記銅パッドの表面に無電解ニッケルめっきを施したパッドから成る電極１１に半田付けを行う際に、亜鉛（Ｚｎ）の金属塩を含有させたフラックス１３が用いられている(図２(a))。即ち、前記電極１１の上に当該フラックス１３を設け、その上で半田１２を設けている（図２(b)）。 Referring to FIG. 2, in the embodiment of the present invention, an electrode comprising a copper (Cu) pad provided on a printed wiring board (not shown) or a pad obtained by electroless nickel plating on the surface of the copper pad. When soldering 11, a flux 13 containing a metal salt of zinc (Zn) is used ( FIG. 2A) . That is, the flux 13 is provided on the electrode 11, and the solder 12 is provided thereon (FIG. 2 (b)) .
本発明の実施の形態で用いられるフラックス１３は、常温で固体の松脂等から成るロジン、溶剤、及びハロゲン、塩素、臭素、又はカルボキシル基（−ＣＯＯＨ）等を含んだ有機酸等を含む活性剤等を備え、亜鉛の金属塩が含有されている。 The flux 13 used in the embodiment of the present invention includes a rosin composed of rosin or the like solid at room temperature, a solvent, and an activator containing an organic acid containing a halogen, chlorine, bromine, carboxyl group (—COOH), or the like. Etc., and contains a metal salt of zinc.
かかる亜鉛の金属塩としては、例えばステアリン酸亜鉛等の有機カルボン酸亜鉛（Ｒ−ＣＯＯＺｎ）や有機スルフォン酸亜鉛（Ｒ−ＳＯ３Ｚｎ）のような有機酸亜鉛があげられる。例えば、ステアリン酸亜鉛は常温では安定しており、半田付け以前に電極１１となる銅パッドの表面に施された無電解ニッケルめっき中のニッケルと反応することはなく、半田付け温度に加熱されると亜鉛が遊離し、前記ニッケルと優先的に反応する。 Examples of such metal salts of zinc include organic acid zinc such as zinc organic carboxylate (R—COOZn) such as zinc stearate and organic zinc sulfonate (R—SO 3 Zn). For example, zinc stearate is stable at room temperature and does not react with nickel in the electroless nickel plating applied to the surface of the copper pad that becomes the electrode 11 before soldering, and is heated to the soldering temperature. And zinc are liberated and react preferentially with the nickel.
上述の例の他に、酢酸亜鉛、コハク酸亜鉛、ステアリン酸亜鉛、グルコン酸亜鉛、グルタミン酸亜鉛、パルミチン酸亜鉛、クエン酸亜鉛、フマル酸亜鉛、リンゴ酸亜鉛などを有機酸亜鉛として用いることもできる。 In addition to the above examples, zinc acetate, zinc succinate, zinc stearate, zinc gluconate, zinc glutamate, zinc palmitate, zinc citrate, zinc fumarate, zinc malate, etc. can also be used as organic acid zinc .
上述の亜鉛の金属塩は反応性が高く、半田１２を用いて半田付けを行うと、電極１１として銅パッドを用いる場合は銅（Ｃｕ）と亜鉛（Ｚｎ）、電極１１として銅パッドの表面に無電解ニッケル（Ｎｉ）めっきが施されている場合はニッケル（Ｎｉ）と亜鉛（Ｚｎ）、を含む安定な合金層が形成される。 The metal salt of zinc described above is highly reactive, and when soldering is performed using the solder 12, when using a copper pad as the electrode 11, copper (Cu) and zinc (Zn) are formed on the surface of the copper pad as the electrode 11. When electroless nickel (Ni) plating is applied, a stable alloy layer containing nickel (Ni) and zinc (Zn) is formed.
即ち、半田付けにより半田１２に含有されている錫（Ｓｎ）と前記銅（Ｃｕ）又はニッケル（Ｎｉ）とが反応するときに、フラックス１３中に含有されている亜鉛（Ｚｎ）も巻き込まれて反応し、安定な錫銅亜鉛（Ｓｎ−Ｃｕ−Ｚｎ）、錫ニッケル亜鉛（Ｓｎ−Ｎｉ−Ｚｎ）の合金層１５が形成される（図２(c)）。 That is, when tin (Sn) contained in the solder 12 reacts with the copper (Cu) or nickel (Ni) by soldering, zinc (Zn) contained in the flux 13 is also involved. By reacting, a stable alloy layer 15 of tin copper zinc (Sn—Cu—Zn) and tin nickel zinc (Sn—Ni—Zn) is formed (FIG. 2C) .
かかる合金層１５が一旦形成されると、銅（Ｃｕ）又はニッケル（Ｎｉ）がその直上に設けられている半田１２に拡散してしまうことが阻害され、従来のような不具合を生じさせる電極１１と半田１３との界面で発生する銅（Ｃｕ）と錫（Ｓｎ）との反応層（拡散層）又はニッケル（Ｎｉ）と錫（Ｓｎ）との反応層（拡散層）の成長を抑制することができる。即ち、上述の合金層１５は拡散バリア層の役割を果たす。 Once such an alloy layer 15 is formed, the diffusion of copper (Cu) or nickel (Ni) into the solder 12 provided immediately above is hindered, and the electrode 11 that causes the conventional defect 11 is prevented. The growth of a reaction layer (diffusion layer) of copper (Cu) and tin (Sn) or a reaction layer (diffusion layer) of nickel (Ni) and tin (Sn) generated at the interface between solder and solder 13 Can do. That is, the above alloy layer 15 serves as a diffusion barrier layer.
なお、本実施の形態に用いられるフラックス１３も、従来のフラックスと同様に、銅パッド表面の酸化膜（ＣｕＯ）や汚れを取り除き、加熱中の酸化を防止して半田１２の濡れ性の向上を図ることができることは言うまでもない。 Note that the flux 13 used in the present embodiment also removes the oxide film (CuO) and dirt on the copper pad surface, prevents oxidation during heating, and improves the wettability of the solder 12 as in the conventional flux. It goes without saying that it can be planned.
ところで、本実施の形態に使用される半田１２の材料としては、鉛（Ｐｂ）が０．００１乃至０．１Ｗｔ％含まれている半田を用いることが望ましい。鉛（Ｐｂ）は他の原子の拡散を助長する特性を有し、亜鉛（Ｚｎ）とニッケル（Ｎｉ）の反応を促進させる。従って、半田１２の材料としては、鉛（Ｐｂ）が０．００１乃至０．１Ｗｔ％含まれている半田を用いると、半田１２と電極１１との界面に、安定な錫銅亜鉛（Ｓｎ−Ｃｕ−Ｚｎ）又は錫ニッケル亜鉛（Ｓｎ−Ｎｉ−Ｚｎ）の合金層１５を良好に形成することができる。 By the way, as a material of the solder 12 used in this embodiment, it is desirable to use a solder containing 0.001 to 0.1 Wt% of lead (Pb). Lead (Pb) has the characteristic of promoting the diffusion of other atoms and promotes the reaction between zinc (Zn) and nickel (Ni). Therefore, when a solder containing 0.001 to 0.1 Wt% of lead (Pb) is used as the material of the solder 12, a stable tin copper zinc (Sn—Cu) is formed at the interface between the solder 12 and the electrode 11. -Zn) or tin-nickel zinc (Sn-Ni-Zn) alloy layer 15 can be satisfactorily formed.
一方、鉛（Ｐｂ）の含有量が０．００１ｗｔ％以下では上述の効果は見られず、０．１ｗｔ％を超えた場合は銅（Ｃｕ）又はニッケル（Ｎｉ）の拡散を助長し過ぎてしまい、銅（Ｃｕ）又はニッケル（Ｎｉ）がその直上に設けられている半田１２に拡散し、銅（Ｃｕ）と錫（Ｓｎ）との反応層（拡散層）又はニッケル（Ｎｉ）と錫（Ｓｎ）との反応層（拡散層）が厚く形成されてしまう。 On the other hand, if the content of lead (Pb) is 0.001 wt% or less, the above-mentioned effect is not seen, and if it exceeds 0.1 wt%, diffusion of copper (Cu) or nickel (Ni) is promoted too much. Then, copper (Cu) or nickel (Ni) diffuses into the solder 12 provided immediately above, and a reaction layer (diffusion layer) of copper (Cu) and tin (Sn) or nickel (Ni) and tin (Sn) ) And a thick reaction layer (diffusion layer).
従って、半田１２中の鉛（Ｐｂ）の含有率は０．００１乃至０．１Ｗｔ％とすることが望ましい。 Therefore, the content of lead (Pb) in the solder 12 is preferably 0.001 to 0.1 Wt%.
以上説明したように、本実施の形態によれば、電極１１と半田１３との界面で発生する銅（Ｃｕ）と錫（Ｓｎ）との反応層（拡散層）又はニッケル（Ｎｉ）と錫（Ｓｎ）との反応層（拡散層）の成長を抑制することができ、良好な接続強度を確保できる半田付けを行うことができ、信頼性の高い接続部を形成することができる。 As described above, according to the present embodiment, a reaction layer (diffusion layer) of copper (Cu) and tin (Sn) generated at the interface between the electrode 11 and the solder 13 or nickel (Ni) and tin ( Growth of a reaction layer (diffusion layer) with Sn) can be suppressed, soldering that can ensure good connection strength can be performed, and a highly reliable connection portion can be formed.
ところで、本発明の発明者は、本発明の実施の形態と従来技術とを比較する実験を行い、図３乃至図５に示す結果を得た。 By the way, the inventor of the present invention conducted an experiment comparing the embodiment of the present invention with the prior art, and obtained the results shown in FIGS.
ここで、図３は、本発明の実施の形態と従来技術との比較実験の結果を示す表である。図４は、本発明の実施の形態と従来技術の、接合強度結果を示すグラフである。図５は、本発明の実施の形態と従来技術の、半田付け接合構造を示す走査型電子顕微鏡ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）写真である。 Here, FIG. 3 is a table showing the results of a comparison experiment between the embodiment of the present invention and the prior art. FIG. 4 is a graph showing the bonding strength results between the embodiment of the present invention and the prior art. FIG. 5 is a SEM (Scanning Electron Microscope) photograph showing a soldered joint structure according to the embodiment of the present invention and the prior art.
本実験では、ガラスセラミックスから成り外形が５０ｍｍ×５０ｍｍの配線基板上に設けられた１００個の電極に、上述の本実施の形態におけるフラックスを用いた半田付けと、当該フラックスを用いずに従来のフラックスを用いた半田付けを行い、比較した。 In this experiment, 100 electrodes provided on a wiring board made of glass ceramics and having an outer shape of 50 mm × 50 mm are soldered using the flux in the present embodiment described above, and the conventional flux is not used. Soldering using flux was performed for comparison.
より具体的には、各電極の直径は０．５ｍｍに設定し、電極間のピッチ長さは１．０ｍｍに設定した。電極は、ニッケル電極（実施例１乃至実施例３及び比較例１）と銅電極（実施例４乃至実施例６及び比較例２）との２種類を用いた。 More specifically, the diameter of each electrode was set to 0.5 mm, and the pitch length between the electrodes was set to 1.0 mm. Two types of electrodes, nickel electrodes (Examples 1 to 3 and Comparative Example 1) and copper electrodes (Examples 4 to 6 and Comparative Example 2), were used.
また、本実施の形態のフラックスとして、ポリペールロジン４０％、ブチルカルビトール４８％、コハク酸１％、セバシン酸１％、ステアリン酸亜鉛１０％を混合したフラックスを用いた。かかるフラックスを用いて半田付けした例が、図３に示す表中に「実施例１」乃至「実施例６」として記載されている。 Further, as the flux of the present embodiment, a flux obtained by mixing 40% polypeel rosin, 48% butyl carbitol, 1% succinic acid, 1% sebacic acid and 10% zinc stearate was used. Examples of soldering using such a flux are described as “Example 1” to “Example 6” in the table shown in FIG.
比較のための従来のフラックスとして、ポリペールロジン５０％、ブチルカルビトール４８％、コハク酸１％、セバシン酸１％のフラックスを用いた。かかるフラックスを用いて半田付けした例が、図３に示す表中に「比較例１」及び「比較６」として記載されている。 As a conventional flux for comparison, a flux of 50% polypeel rosin, 48% butyl carbitol, 1% succinic acid and 1% sebacic acid was used. Examples of soldering using such flux are described as “Comparative Example 1” and “Comparative 6” in the table shown in FIG.
本実験では、上述の電極部に、かかるフラックスを０．１ｍｇ塗布し、次いで、前記電極に半田ボールを搭置した。 In this experiment, 0.1 mg of the flux was applied to the electrode part described above, and then a solder ball was placed on the electrode.
本実施の形態の半田として、３ｗｔ％の銀と、０．５ｗｔ％の銅と、０．００１ｗｔ％、０．０５ｗｔ％、又は０．１ｗｔ％の鉛と残り錫からなる半田を用いた。また、比較として、３ｗｔ％の銀と、０．５ｗｔ％の銅と、残りが錫からなり、直径０．６ｍｍの半田を用いた。 As the solder in this embodiment, solder composed of 3 wt% silver, 0.5 wt% copper, 0.001 wt%, 0.05 wt%, or 0.1 wt% lead and the remaining tin was used. For comparison, a solder having a diameter of 0.6 mm was used, which was made of 3 wt% silver, 0.5 wt% copper, and the remainder made of tin.
上述の組成を有する半田ボールを前記電極上に搭置した後、２３０℃で１０秒間加熱し、グリコールエーテル系の溶剤であるクリンスルー（花王株式会社の商品名）で洗浄を行い、次いで、１５０℃で７２時間の熱処理を施し、接合部の強度を測定した。 After mounting the solder balls having the above composition on the electrodes, the solder balls are heated at 230 ° C. for 10 seconds, washed with clean-through (trade name of Kao Corporation), which is a glycol ether solvent, and then 150 A heat treatment at 72 ° C. for 72 hours was performed, and the strength of the joint was measured.
図３に示すように、従来のフラックスを用いた場合は、ニッケル電極を用いた比較例１では形成された拡散層の厚さは６乃至１０μｍであり、銅電極を用いた比較例２では形成された拡散層の厚さは６乃至８μｍであるのに対し、本実施の形態の場合では、ニッケル電極を用いた実施例１乃至実施例３では形成された拡散層の厚さは１乃至４μｍであり、銅電極を用いた実施例４乃至実施例６では形成された拡散層の厚さは２乃至３．５μｍである。このように、本実施の形態では、形成された拡散層の厚さは従来のフラックスを用いた場合に比し薄く、拡散層の成長が抑制されている。 As shown in FIG. 3, when the conventional flux is used, the thickness of the diffusion layer formed in Comparative Example 1 using a nickel electrode is 6 to 10 μm, and is formed in Comparative Example 2 using a copper electrode. The thickness of the diffusion layer formed is 6 to 8 μm, whereas in the case of this embodiment, the thickness of the diffusion layer formed in Examples 1 to 3 using the nickel electrode is 1 to 4 μm. In Examples 4 to 6 using copper electrodes, the thickness of the formed diffusion layer is 2 to 3.5 μm. As described above, in the present embodiment, the thickness of the formed diffusion layer is thinner than that in the case of using the conventional flux, and the growth of the diffusion layer is suppressed.
また、図５に示す写真からも、従来のフラックスを用いた場合（図５(a)）は電極上に拡散層が厚く形成されていることを観察でき、また、本実施の形態のフラックスを用いた場合（図５(b)）は電極上に拡散バリア層が形成されていることを観察することができる。 In addition, from the photograph shown in FIG. 5, when the conventional flux is used (FIG. 5 (a)), it can be observed that the diffusion layer is formed thick on the electrode. When used (FIG. 5B), it can be observed that a diffusion barrier layer is formed on the electrode.
更に、図３に示すように、接合強度の劣化（初期の強度に対する強度変化）は、従来のフラックスを用いた場合は、ニッケル電極を用いた比較例１では約７７％であり、銅電極を用いた比較例２では約６４％と高いのに対し、本実施の形態の場合では、ニッケル電極を用いた実施例１乃至実施例３では約２５％であり、銅電極を用いた実施例４乃至実施例６でも約２５％であり、従来に比し、低く抑えられていることがわかる。 Furthermore, as shown in FIG. 3, the deterioration of the bonding strength (strength change with respect to the initial strength) is about 77% in the comparative example 1 using the nickel electrode when the conventional flux is used. In Comparative Example 2 used, it is as high as about 64%, but in the case of the present embodiment, Example 1 to Example 3 using a nickel electrode is about 25%, and Example 4 using a copper electrode. In Example 6 as well, it is about 25%, which is found to be lower than that of the prior art.
また、図４には、実施例２及び比較例１の場合の接合強度の劣化の時間推移が示されている。図４に示すグラフの横軸は、１５０℃の熱処理を施した時間を示し、縦軸は、接合強度を示す。比較例１では、初期の接合強度８０２（ｇ）から時間経過と共に接合強度が劣化し、当該熱処理を施して７２時間経過すると１８２（ｇ）（図３参照）になっているのに対し、実施例２では、初期の接合強度８１０（ｇ）から時間経過と共に僅かに劣化し、当該熱処理を施して７２時間経過すると６１５（ｇ）（図３参照）となっており、接合強度の劣化が従来に比し低く抑えられていることがわかる。 Further, FIG. 4 shows a time transition of deterioration in bonding strength in the case of Example 2 and Comparative Example 1. The horizontal axis of the graph shown in FIG. 4 indicates the time for performing heat treatment at 150 ° C., and the vertical axis indicates the bonding strength. In Comparative Example 1, the bonding strength deteriorates with the passage of time from the initial bonding strength 802 (g), and is 182 (g) (see FIG. 3) after 72 hours after the heat treatment. In Example 2, it slightly deteriorates with time from the initial bonding strength 810 (g) and becomes 615 (g) (see FIG. 3) after 72 hours after performing the heat treatment. It can be seen that it is kept lower than.
以上説明したように、本実施の形態によれば、半田付けに、亜鉛の金属塩が含有されたフラックスが用いられるため、半田付けにより、錫銅亜鉛（Ｓｎ−Ｃｕ−Ｚｎ）又は錫ニッケル亜鉛（Ｓｎ−Ｎｉ−Ｚｎ）の化合物層が形成される。但し、予め半田合金に銅（Ｃｕ）や銀（Ａｇ）を添加した半田もあるが、この場合には、錫（Ｓｎ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、亜鉛（Ｚｎ）等による複雑な化合物を形成する場合もある。このような化合物においても、本実施の形態と同様の効果を奏することができる。 As described above, according to the present embodiment, since a flux containing a metal salt of zinc is used for soldering, tin copper zinc (Sn—Cu—Zn) or tin nickel zinc is used by soldering. A compound layer of (Sn—Ni—Zn) is formed. However, there are solders in which copper (Cu) or silver (Ag) is previously added to the solder alloy, but in this case, tin (Sn), copper (Cu), nickel (Ni), silver (Ag), gold ( In some cases, complex compounds such as Au) and zinc (Zn) are formed. Even in such a compound, the same effect as in the present embodiment can be obtained.
かかる化合物層により、電極を構成する銅又はニッケルがその直上に設けられている半田に拡散してしまうことが回避され、従来のような不具合を生じさせる電極と半田との界面で発生する銅又はニッケルと半田との反応層（拡散層）の成長を抑制することができる。従って、接合部における信頼性の高い接合を確保することができる。 By such a compound layer, copper or nickel constituting the electrode is prevented from diffusing into the solder provided immediately above, and copper or copper generated at the interface between the electrode and the solder causing the conventional trouble or Growth of the reaction layer (diffusion layer) of nickel and solder can be suppressed. Accordingly, it is possible to ensure highly reliable bonding at the bonding portion.
以上、本発明の実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。 Although the embodiment of the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the specific embodiment, and various modifications and changes are within the scope of the gist of the present invention described in the claims. It can be changed.
なお、上述の本実施の形態では、銅（Ｃｕ）パッド又は前記銅パッドの表面に無電解ニッケルめっきを施したパッドから成る電極に半田付けをする例を示したが、当該無電解ニッケルめっきの上に金（Ａｕ）めっき処理を施したパッドから成る電極上に半田付けする場合にも、本発明を適用することができる。 In the above-described embodiment, an example of soldering an electrode made of a copper (Cu) pad or a pad obtained by electroless nickel plating on the surface of the copper pad has been described. The present invention can also be applied to the case where soldering is performed on an electrode composed of a pad on which gold (Au) plating is performed.
また、半田付けを行う電極として、銅パッドの表面に無電解ニッケルめっきを施したパッドを用いた場合、亜鉛の金属塩の代わりに銅の金属塩を含有させたフラックス、又は亜鉛（Ｚｎ）と銅（Ｃｕ）の金属塩を含有させたフラックスを用いてもよい。この場合も、本実施の形態と同様の効果を奏することができる。 In addition, when using an electroless nickel-plated pad on the surface of a copper pad as an electrode for soldering, a flux containing a copper metal salt instead of a zinc metal salt, or zinc (Zn) and A flux containing a metal salt of copper (Cu) may be used. Also in this case, the same effects as in the present embodiment can be obtained.
以上の説明に関し、更に以下の項を開示する。
（付記１） 銅電極又は前記銅電極の表面に無電解ニッケルめっきが施された電極上に半田合金を半田付けするために用いられる半田付けフラックスであって、
当該フラックスは亜鉛の金属塩を含むことを特徴とする半田付けフラックス。
（付記２） 付記１記載の半田付けフラックスであって、
前記亜鉛の金属塩は有機酸亜鉛であることを特徴する半田付けフラックス。
（付記３） 付記１又は２記載の半田付けフラックスであって、
前記半田合金は鉛を含有し、
前記半田合金における前記鉛の含有量は０．００１以上０．１ｗｔ％以下の範囲であることを特徴とする半田付けフラックス。
（付記４） 付記１乃至３いずれか一項記載の半田付けフラックスであって、
ロジン、溶剤、及び活性剤を含むことを特徴とする半田付けフラックス。
（付記５） 付記１乃至４いずれか一項記載の半田付けフラックスであって、
前記電極に金メッキが施されていることを特徴とする半田付けフラックス。
（付記６） 銅電極又は前記銅電極の表面に無電解ニッケルめっきが施された電極の上に、半田合金が半田付けされた半導体装置であって、
前記電極と前記半田合金との界面に、亜鉛を含む合金層が形成されていることを特徴とする半導体装置。
（付記７） 付記６記載の半導体装置であって、
前記半田合金は鉛を含有し、
前記半田合金における前記鉛の含有量は０．００１以上０．１ｗｔ％以下の範囲であることを特徴とする半導体装置。
（付記８） 付記６又は７記載の半導体装置であって、
前記電極に金メッキが施されていることを特徴とする半導体装置。
Regarding the above description, the following items are further disclosed.
(Supplementary Note 1) A soldering flux used for soldering a solder alloy onto a copper electrode or an electrode having an electroless nickel plating on the surface of the copper electrode,
A soldering flux characterized in that the flux contains a metal salt of zinc.
(Appendix 2) The soldering flux according to Appendix 1,
The soldering flux characterized in that the metal salt of zinc is an organic acid zinc.
(Appendix 3) The soldering flux according to Appendix 1 or 2,
The solder alloy contains lead,
The soldering flux, wherein the lead content in the solder alloy is in the range of 0.001 to 0.1 wt%.
(Appendix 4) The soldering flux according to any one of appendices 1 to 3,
A soldering flux comprising rosin, a solvent, and an activator.
(Appendix 5) The soldering flux according to any one of appendices 1 to 4,
A soldering flux, wherein the electrode is plated with gold.
(Appendix 6) A semiconductor device in which a solder alloy is soldered on a copper electrode or an electrode on which the electroless nickel plating is applied to the surface of the copper electrode,
A semiconductor device, wherein an alloy layer containing zinc is formed at an interface between the electrode and the solder alloy.
(Supplementary note 7) The semiconductor device according to supplementary note 6, wherein
The solder alloy contains lead,
A content of the lead in the solder alloy is in a range of 0.001 or more and 0.1 wt% or less.
(Supplementary note 8) The semiconductor device according to supplementary note 6 or 7, wherein
A semiconductor device, wherein the electrode is plated with gold.
１、１１ 電極
２、１２ 半田合金
３ 化合物層
４ カーケンダルボイド
１３ 半田付けフラックス
１５ 合金層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,11 Electrode 2,12 Solder alloy 3 Compound layer 4 Kirkendall void 13 Soldering flux 15 Alloy layer
Claims (3)
ロジンと、
溶剤と、
活性剤と、
１０％の有機酸亜鉛と
を含むことを特徴とする半田付けフラックス。 Used to solder a solder alloy having a lead content in the range of 0.001 or more and 0.1 wt% or less on a copper electrode or an electrode whose surface is subjected to electroless nickel plating ,
With rosin,
Solvent,
An active agent,
A soldering flux comprising 10% organic acid zinc .
前記溶剤として、ブチルカルビトールを４８％含み、
前記活性剤として、コハク酸を１％、セバシン酸を１％含み
前記有機酸亜鉛として、ステアリン酸亜鉛１０％を含む
ことを特徴とする請求項１記載の半田付けフラックス。 As the rosin, it contains 40% polypeel rosin,
The solvent contains 48% butyl carbitol,
Contains 1% succinic acid and 1% sebacic acid as the active agent
The soldering flux according to claim 1 , wherein the organic acid zinc contains 10% of zinc stearate .
前記半田合金は鉛の含有量が０．００１以上０．１ｗｔ％以下の範囲であり、
ロジンと、
溶剤と、
活性剤と、
１０％の有機酸亜鉛とを含む半田付けフラックスにより、
前記電極と前記半田合金との界面に、亜鉛を含む合金層が形成されている
ことを特徴とする半導体装置。 A semiconductor device in which a solder alloy is soldered on a copper electrode or an electrode on which a surface of the copper electrode is subjected to electroless nickel plating,
The solder alloy has a lead content in the range of 0.001 to 0.1 wt%,
With rosin,
Solvent,
An active agent,
With soldering flux containing 10% organic acid zinc,
A semiconductor device, wherein an alloy layer containing zinc is formed at an interface between the electrode and the solder alloy.
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