JP4844393B2 - ダイボンディング接合方法と電子部品 - Google Patents

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Description

本発明は、電子部品の半導体素子と基板とを接合するダイボンディング接合方法とそれにより接合された電子部品に関する。
BGA、CSP等の高機能電子部品は、半導体素子と基板とが接合材料でダイボンディング接合されている。ダイボンディング接合とは、シリコンウエハーをカットして得られた半導体素子を電子部品の基板に固定する工程をいう。半導体素子と基板をダイボンディングするのは、電子機器を使用したときに半導体素子から発熱して半導体自身が熱影響で機能劣化や熱損傷することがあるため、半導体素子と基板を接合して基板から半導体素子から出る熱を基板で放熱する。またダイボンディング接合は、半導体素子からアースをとるためでもある。このダイボンディング用接合用として一般に用いられる材料は、接着性樹脂やはんだである。半導体素子からの放熱だけを目的とするのであれば接着性樹脂でもよいが、放熱とアースを目的とする場合は熱伝導性が良好で、しかも電気伝導性の良好なはんだを用いる。
放熱を目的とするダイボンディング接合では、半導体素子と基板とが完全に接合していることが理想であり、接合面に空隙（ボイド）があってはならないとされている。例えば接着性樹脂で接合したときに、接着性樹脂中に小さな気泡でもあると、該気泡が押しつぶされて大きなボイドとなってしまう。そのため接着性樹脂では、接着性樹脂中の気泡を抜くために、接着性樹脂を真空中で攪拌して、内部の気泡を抜く脱泡処理を行っている。一方、はんだを用いた接合でボイドが発生するのは、はんだ付け時に使用するフラックスが気化し、それがはんだ付け部に残っているとボイドとなり、またはんだの濡れ性が悪いと、はんだ付け時に溶融したはんだの濡れない部分ができて、それがボイドとなる。
一般に、はんだ付けにはフラックスを用いるが、フラックスを用いるとフラックス残渣が残り、該フラックス残渣が吸湿して腐食生成物を発生させたり絶縁抵抗を下げたりする原因となることから、高信頼性が要求される電子機器にはフラックスを用いないはんだ付け、即ちフラックスレスではんだ付けが行われている。フラックスレスのはんだ付けとは、はんだをはんだ付け部に置いてから、それらを水素と窒素の混合ガス雰囲気中で加熱するものである。フラックスレスではんだ付けを行うと、フラックスの気化によるボイドの発生は問題なくなるが、はんだの濡れ性が大きく影響してくる。つまり、はんだ付けではフラックスがはんだ付け部の酸化物を還元除去するとともに、溶融したはんだの表面張力を下げるため、はんだは良好に濡れ広がるようになる。しかしながら、ダイボンディング接合時、フラックスレスで接合を行うと、混合ガス雰囲気は、フラックスのような強い活性が得られない。従って、ダイボンディング接合を行う場合、ここに用いるはんだは、はんだ自体で優れた濡れ性を有していなければならない。
本出願人は、ダイボンディング用ペレットなどのフォームソルダ−について、フォームソルダ同士が付着しないように、常温で固体の物質を表面に均一塗布されているフォームソルダを開示している（特許文献１）。
特開平９−２９４７８
従来、ダイボンディング接合用に用いられていたはんだは、Sn-Pb系はんだであった。ところがSn-Pb系はんだは、鉛公害の問題からその使用が規制されるようになってきており、今日では鉛を含まない所謂「鉛フリーはんだ」が使用されるようになってきた。この鉛フリーはんだとは、Sn或いはSn主成分にAg、Cu、Sb、Bi、In、Ni、Cr、Mo、Ge、Ga、P等の第三元素を適宜添加したものである。Sn-Pb系はんだでは、濡れ性に優れていることから、フラックスレスでダイボンディング接合を行っても、ボイドの発生は少なかった。しかしながら鉛フリーはんだはSn-Pb系はんだに較べて濡れ性が劣るためフラックスレスでのダイボンディング接合ではボイドが多く発生していた。このようにダイボンディング接合で、大量のボイドが発生すると、熱放出が悪くなるばかりでなく、接合強度も弱くなって、製品使用時の電気的な発熱により基板全体が膨張収縮を繰り返し、繰り返し熱疲労により接合部にクラックが発生して半導体素子からの熱放出を阻害し、デバイスの機能を低下させる。本発明は、濡れ性に劣る鉛フリーはんだを用いているにもかかわらず、ダイボンディング接合においてボイドの発生が極めて少ないというダイボンディング接合用はんだペレットおよびボイドの少ない電子部品を提供することにある。
本発明者は、Ｓｎ主成分の鉛フリーはんだの表面にSnとOとPからなる無色透明の保護皮膜やSnとInとOとPからなる無色透明の保護皮膜を形成することで、はんだ加熱時に、はんだ表面に強固な黄色から褐色にみえるSnO2やIn2O3の酸化皮膜が形成されることを防止することを突き止め、本発明を完成させた。
本発明は、下記（１）〜（３）から選ばれたはんだ合金からなるダイボンディング用ペレットを略同一形状の基板と半導体素子との間に挟み込み、５０ppm以下の酸素を含む水素窒素混合ガス雰囲気下で２３５℃以上に３分間、ピーク温度２８０℃で加熱してフラックスレスのリフローはんだ付けを行い、このときのはんだ付けの加熱により、ダイボンディング接合のはんだ合金表面に、はんだ合金（１）および（２）、または（３）にそれぞれ対応して、下記（I）または(II)に規定する厚さ0.5〜20ｎｍの無色透明の保護膜を形成させることを特徴とする、ダイボンディング接合方法である。
（１）Ｃｕ０．３〜１．０質量％、Ｎｉ０．０１〜０．１質量％、Ｐ０．０００１〜０．０２質量％、残部Ｓｎからなるはんだ合金、
（２）Ａｇ３．０〜４．０質量％、Ｃｕ０．３〜１．０質量％、Ｐ０．０００１〜０．０２質量％、残部Ｓｎからなるはんだ合金、および
（３）Ｉｎ０．２〜２．０質量％、Ｐ０．０００１〜０．０２質量％、残部Ｓｎからなるはんだ合金；
（I）３０〜５０原子％０(酸素)、５〜１５原子％Ｐおよび残部Ｓｎからなる保護膜
（II）１０〜３０原子％Ｉｎ、４０〜６０原子％０(酸素)、５〜１５原子％Ｐおよび残部Ｓｎからなる保護膜。
また別の発明は、
下記（１）〜（３）から選ばれたＳｎ主成分の鉛フリーはんだ合金からなすダイボンディング用ペレットを略同一形状の基板と半導体素子との間に挟んでリ５０ppm以下の酸素を含む水素窒素混合ガス雰囲気下で２３５℃以上に３分間、ピーク温度２８０℃で加熱してフラックスレスのフローはんだ付けによりダイボンディング接合をして得た半導体素子と基板とダイボンディング接合した部分とから成り、ダイボンディング接合した部分のはんだ合金表面にはんだ合金（１）および（２）、または（３）にそれぞれ対応して下記（I）または（II）に規定する厚さ0.5〜20ｎｍの無色透明の保護膜を備え、しかも該ダイボンディング接合の接合面におけるボイド率が１０％以下であることを特徴とする電子部品である。
（１）Ｃｕ０．３〜１．０質量％、Ｎｉ０．０１〜０．１質量％、Ｐ０．０００１〜０．０２質量％、残部Ｓｎからなるはんだ合金、
（２）Ａｇ３．０〜４．０質量％、Ｃｕ０．３〜１．０質量％、Ｐ０．０００１〜０．０２質量％、残部Ｓｎからなるはんだ合金、または
（３）Ｉｎ０．２〜２．０質量％、Ｐ０．０００１〜０．０２質量％、残部Ｓｎからなるはんだ合金；
（I）３０〜５０原子％０(酸素)、５〜１５原子％Ｐおよび残部Ｓｎからなる保護膜
（II）１０〜３０原子％Ｉｎ、４０〜６０原子％０(酸素)、５〜１５原子％Ｐおよび残部Ｓｎからなる保護膜。
本発明のダイボンディング接合用はんだペレットは、鉛フリーはんだを用いているため、電子機器が故障して屋外や地中に廃棄処分されても、酸性雨で鉛が溶け出すことがなく、従って環境汚染を引き起こすことがない。また本発明のはんだペレットは、本来、濡れ性に劣る鉛フリーはんだを用いているにもかかわらず、濡れ性に優れているため、ボイドの発生が少ない。そして本発明の電子部品は、半導体素子と基板間にボイドが少ないため、充分な接合強度が得られるという信頼性に優れたものである。
本発明のダイボンディング接合に際して、はんだペレットに使用する鉛フリーはんだに無色透明の30〜50原子%O(酸素)、5〜15原子%Pおよび残部Snからなる保護膜、または、10〜30原子％In、40〜60原子%O(酸素)、5〜15原子%Pおよび残部Snからなる保護膜を形成するためには、予め、はんだ合金にPを0.0001〜0.02質量％添加する必要がある。Pの添加量が0.0001質量％よりも少ないと、これらの保護膜は形成が困難であり、黄色のSn02膜の形成を抑止することは困難であり、しかるに0.02質量％よりも多く添加するとはんだ自身の液相線温度が上昇し濡れ性が低下するとともに、はんだ組織内部にSn-Pの化合物が大きく晶出して、機械的特性が低下する。
本発明のダイボンディング用はんだペレットは、厚さが0.05mmよりも薄いと、接合部である半導体素子と基板間に存在するはんだの量が少なすぎて接合強度が充分とならないばかりでなく、ボイドが発生しやすくなる。しかるにペレットの厚さが1mmを超えるとはんだの量が多くなりすぎて、接合後に余剰のはんだが半導体素子から多くはみ出てしまい、不要箇所にはんだが付着したり、その後のワイヤーボンディングの際にワイヤーに接触したりしてしまう。
また本発明のダイボンディング用はんだペレットは、形状が接合する半導体素子と略同一となっている。はんだペレットが半導体素子よりも余りにも小さすぎるとはんだが半導体素子全域に行きわたらなくなり、更に、ボイドも増加するため接合強度が弱くなる。しかるにはんだペレットが半導体素子よりも大きすぎると素子からはみ出たはんだペレット上面に拘束力がなくなるため、表面張力にしたいがい、球状になり、素子下部のはんだ量が低下し、結果的に熱疲労による接合信頼性を低下させることとなるばかりでなく、素子からはみ出たはんだが不良箇所に付着して短絡事故を起こす原因となる。
本発明の電子部品は、半導体素子と基板がPを1〜200ppm添加した合金でダイボンディング接合されたものであり、接合面におけるボイドの占める面積割合（ボイド率）が10％以下である。一般的に、半導体素子と基板の接合面におけるボイド率が多いと熱伝導性、接合強度を増加させるために、はんだ厚さの増加、基板の熱膨張の低減など、設計を大きく変更する必要があり、現代のファインピッチ実装に逆行することこととなる。接合強度も弱くなって、製品使用時の電気的な発熱により基板全体が膨張収縮を繰り返し、繰り返し熱疲労により接合部にクラックが発生して半導体素子からの熱放出を阻害し、デバイスの機能を低下させる。そのため本発明では、ボイド率を10％以下とした。
10×10×0.3(mm)の半導体素子を30×30×0.3(mm)の基板（ニッケルメッキした銅基板）にはんだペレットでダイボンディング接合を行った。使用した鉛フリーはんだは表１の通りで、Sn-Cu-Ni系はんだにPを添加したものである。はんだペレットの形状を10×10×0.1（mm）に成型して、該はんだペレットを半導体素子と基板間に挟み込み、酸素濃度が50ppmの水素窒素混合ガス雰囲気中で235℃以上に3分間、ピーク温度280℃、総リフロー時間15分間でリフローを行った。表面に発生した保護膜の厚みと金属組成をxpsで測定した。さらに、該ダイボンディング接合した部分を透過X線装置でボイドを観察し、ボイド率を計測した。
10×10×0.3(mm)の半導体素子を30×30×0.3(mm)の基板（ニッケルメッキした銅基板）にはんだペレットでダイボンディング接合を行った。使用した鉛フリーはんだは表１の通りで、Sn-Ag-Cu系はんだにPを添加したものである。はんだペレットの形状を10×10×0.1（mm）に成型して、該はんだペレットを半導体素子と基板間に挟み込み、酸素濃度が50ppmの水素窒素混合ガス雰囲気中で235℃以上に3分間、ピーク温度280℃、総リフロー時間15分間でリフローを行った。表面に発生した保護膜の厚みと金属組成をXPSで測定した。さらに、該ダイボンディング接合した部分を透過X線装置でボイドを観察し、ボイド率を計測した。
10×10×0.3(mm)の半導体素子を30×30×0.3(mm)の基板（ニッケルメッキした銅基板）にはんだペレットでダイボンディング接合を行った。使用した鉛フリーはんだは表１の通りで、Sn-In系はんだにPを添加したものである。はんだペレットの形状を10×10×0.1（mm）に成型して、該はんだペレットを半導体素子と基板間に挟み込み、酸素濃度が50ppmの水素窒素混合ガス雰囲気中で235℃以上に3分間、ピーク温度280℃、総リフロー時間15分間でリフローを行った。表面に発生した保護膜の厚みと金属組成をxpsで測定した。さらに、該ダイボンディング接合した部分を透過X線装置でボイドを観察し、ボイド率を計測した。
実施例１〜３のはんだペレット組成、表面に発生した保護膜の厚みと金属組成およびボイド率の計測結果を表１〜３示す。
ここで、保護膜の厚みおよび金属組成はxpsにより、0.2nm単位でスパッタリングし、深さ方向の情報を収集し、またボイド率は、Ｘ線透過タイプの断面観察装置を用いて５０倍で測定した。
Figure 0004844393
Figure 0004844393
Figure 0004844393
表１〜３から明らかなように、鉛フリーはんだにPを添加したはんだでダイボンディング接合した電子部品は、それと同一組成でPを添加していないはんだに較べてボイド率が40％以上も少なくなっていることが分かる。またPを添加したはんだでダイボンディング接合した場合は、ボイド率が10％以下であったが、Pを添加していないはんだでダイボンディング接合した場合は、ボイド率が10％を超えていた。
本発明電子部品を製造する場合、ボイドを少なくする最適接合方法はペレットを用いて水素窒素混合ガス雰囲気中でダイボンディング接合を行うことであるが、水素窒素混合ガスは高価であることから他の接合方法を採用することも可能である。つまりコスト低減のために水素窒素混合ガスを用いないで大気中でダイボンディング接合する場合は、フラックスを用いなければならないが、本発明のダイボンディング用はんだペレットは、フラックスを用いても、ボイドを少なくすることができる。さらに本発明の電子部品は、ソルダペーストを用いて製造することもできる。ソルダペーストは、はんだ粉末とフラックスとを混合したものであり、別途フラックスを供給する手間がないため、合理的な接合が行える。

Claims (2)

  1. 下記（１）〜（３）から選ばれたはんだ合金からなるダイボンディング用ペレットを略同一形状の基板と半導体素子との間に挟み込み、５０ppm以下の酸素を含む水素窒素混合ガス雰囲気下で２３５℃以上に３分間、ピーク温度２８０℃で加熱してフラックスレスのリフローはんだ付けを行い、このときのはんだ付けの加熱により、ダイボンディング接合のはんだ合金表面に、はんだ合金（１）および（２）、または（３）にそれぞれ対応して、下記（I）または(II)に規定する厚さ0.5〜20ｎｍの無色透明の保護膜を形成させることを特徴とする、ダイボンディング接合方法。
    （１）Ｃｕ０．３〜１．０質量％、Ｎｉ０．０１〜０．１質量％、Ｐ０．０００１〜０．０２質量％、残部Ｓｎからなるはんだ合金、
    （２）Ａｇ３．０〜４．０質量％、Ｃｕ０．３〜１．０質量％、Ｐ０．０００１〜０．０２質量％、残部Ｓｎからなるはんだ合金、および
    （３）Ｉｎ０．２〜２．０質量％、Ｐ０．０００１〜０．０２質量％、残部Ｓｎからなるはんだ合金；
    （I）３０〜５０原子％０(酸素)、５〜１５原子％Ｐおよび残部Ｓｎからなる保護膜
    （II）１０〜３０原子％Ｉｎ、４０〜６０原子％０(酸素)、５〜１５原子％Ｐおよび残部Ｓｎからなる保護膜。
  2. 下記（１）〜（３）から選ばれたＳｎ主成分の鉛フリーはんだ合金からなすダイボンディング用ペレットを略同一形状の基板と半導体素子との間に挟み込み、５０ppm以下の酸素を含む水素窒素混合ガス雰囲気下で２３５℃以上に３分間、ピーク温度２８０℃で加熱してフラックスレスのフローはんだ付けによりダイボンディング接合をして得た半導体素子と基板とダイボンディング接合した部分とから成り、ダイボンディング接合した部分のはんだ合金表面にはんだ合金（１）および（２）、または（３）にそれぞれ対応して下記（I）または（II）に規定する厚さ0.5〜20ｎｍの無色透明の保護膜を備え、しかも該ダイボンディング接合の接合面におけるボイド率が１０％以下であることを特徴とする電子部品。
    （１）Ｃｕ０．３〜１．０質量％、Ｎｉ０．０１〜０．１質量％、Ｐ０．０００１〜０．０２質量％、残部Ｓｎからなるはんだ合金、
    （２）Ａｇ３．０〜４．０質量％、Ｃｕ０．３〜１．０質量％、Ｐ０．０００１〜０．０２質量％、残部Ｓｎからなるはんだ合金、または
    （３）Ｉｎ０．２〜２．０質量％、Ｐ０．０００１〜０．０２質量％、残部Ｓｎからなるはんだ合金；
    （I）３０〜５０原子％０(酸素)、５〜１５原子％Ｐおよび残部Ｓｎからなる保護膜
    （II）１０〜３０原子％Ｉｎ、４０〜６０原子％０(酸素)、５〜１５原子％Ｐおよび残部Ｓｎからなる保護膜。
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