JP5119658B2 - 半導体素子および半導体素子のダイボンド接続方法 - Google Patents

Description

この発明は、半導体素子の半田接合の際に、その接合時高温状態が長時間保持される場合に用いて好適な半導体素子および半導体素子のダイボンド接続方法に関するものである。

通常、一括モールド方式のモールドパッケージ(ＱＦＮ)において、ダイボンド工程でＡｕＳｎ共晶半田等の高温半田でチップをつける仕様のパッケージの場合、半導体チップがヒータ上で長時間高温にさらされるプロセスを採用している。
このプロセスにより、ダイボンドが全て完了するまで、半導体チップは高温な状態にさらされ、その間接合材である半田は液体状態になっており、拡散反応が急激に進んでいる。この拡散が過度に進むと、例えばリードフレームのバリアメタルを超えて半田材がリードフレームの母材まで拡散し、これにより半田層内にボイドが発生し、接合強度低下や、熱抵抗値の劣化不具合が発生する。
現在、上記対策として、ダイボンドを行うチップの数量を限定させてダイボンド時間を短くし、半田材がフレーム母材へ拡散するのを抑えているが、これによりリードフレームの取れ数が大幅に低下し、材料コストを引き上げる原因となっている（例えば、特許文献１参照）。

特開平０６−００７９９０号公報

現在、一括モールド方式であるＱＦＮパッケージのダイボンド工程においては、半導体チップが長時間、高温にさらされる手順を採用している。この場合、半導体チップを接合する半田層は、規定数量のダイボンドが完了するまでは高温にさらされているために液体状態を保持している。半田が液体状態の場合、金属間の拡散速度は非常に速いため急激に金属間化合物を生成していく問題がある。例えば、半導体チップ裏面のメタル構成が、半導体／Ｎｉ／Ａｕ、リードフレーム側が、Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｕ、ダイボンド材としてＡｕＳｎからなる半田を用いた場合、ＡｕＳｎからなる半田は、半導体側のＮｉとリードフレーム側のＮｉとのそれぞれの間でＳｎ-Ｎｉからなる金属間化合物を生成する。しかしながら、今回のようなＡｕＳnからなる半田が液状の場合、金属間化合物の生成が急激に成長し、リードフレームのＮｉメッキを超えて、母材であるＣｕ材まで拡散してしまうので、そのＣｕまで拡散した分の体積分が半田層内にボイドとして現れ、半導体チップの熱抵抗値の上昇や、接合強度を極端に低下させるという問題点があった。

図１０および図１１は、斯かる問題点を例示し、図１０は、従来の半導体チップの構造を示すもので、図１０において、１がＧａＡｓ、２がＮｉ、３がＡｕであり、図１０は、この半導体チップを用いてリードフレームへの全面ダイボンドでの熱を過度に加えられたパッケージの縦断面図を示し、図１１において、４がＡｕＳｎからなる半田、５がボイド，６がリードフレームである。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、ダイボンドにおいて半田接合部に発生するボイドを低減し、熱抵抗値や半田接合部の強度（信頼性）を維持できる半導体素子および半導体素子のダイボンド接続方法を提供することを目的とする。

この発明に係る半導体素子は、半導体裏面に対して最上層に配置され、半田との間で合金を形成させるための第１の金属膜と、該第１の金属膜の下位層に形成され、等温凝固をさせる第２の金属膜と、該第２の金属膜の下位層に形成され、酸化防止や半田との濡れ性を考慮して半田と接合する第３の金属膜と、上記半導体裏面と上記第１の金属膜の間に設けられ、該第１の金属膜と半導体基材を強固に接合させるための第４の金属膜とを備えたものである。

この発明は、半田接合部に発生するボイドを低減し，熱抵抗値や半田接合部の強度を維持でき、以って、半導体素子の品質の向上、コストの低廉化を図ることができるという効果がある。

また、この発明は、融点上昇をさせる金属である融点上昇メタルとしてPtを用いることで、半導体チップが高温で長時間放置されても、拡散は進まず，過剰な金属間化合物の生成が抑制されるため、接合部にボイドなどが発生せず、熱抵抗値の上昇もなく、接合信頼性が保たれる。

また、この発明は、融点上昇の効果のあるメタルを粉状にして半田接合層に均一に混ぜるので、更に接合信頼性が向上し、半導体素子の品質の向上に寄与できる。

また、この発明は、最表面のＡｕがまず半田中に急峻に拡散し、十分に半田がなじんで接合部が形成された後にＴｉが半田中に拡散しながら、露出したＮｉと、半田中のＳｎとの間で金属間化合物を形成し、半田接合部が形成され、Ｎｉ層が最下層のＴｉによって半導体に強力に固定され続け、一方でＴｉが拡散しながら半田の融点を上昇させ、３１０℃に保持された状態で固体化（等温凝固）するので、半田のリードフレーム中への拡散が劇的に穏やかになり、半田が移動して形成されるボイドによる熱抵抗の増大や接合強度の低下などの問題点が改善される。

以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１〜図５は、この発明の実施の形態１による半導体素子およびそのダイボンド接続方法を示すものである。
通常、半田層のボイドは、プロセスの制約上、ダイボンドを行っている間に半導体チップが半田の融点より高い高温にさらされるため、半田層が液体状態になり、このために半田の拡散速度が極端に早くなり、異常拡散のすえにボイドが発生する。これを抑えるためには、ダイボンドが完了した時点で、ダイボンドの設定温度より高い温度まで融点上昇させ、半田を固体状態にすることで、拡散速度を低下させボイドの発生を抑える必要がある。
その方策として、本実施の形態では、半導体チップの裏面に半田接合層のメタルを形成し、そのメタル上に、使用する半田材の融点を上昇させる特定金属を添加させる。その様なメタル構成を保有した半導体チップをダイボンドすることで、半田内にその金属が拡散し、等温凝固状態となる。この場合、半田材は固体状態であり、高温状態での放置でも拡散速度が遅いのでボイドの発生を抑制することが可能となる。

このことを、図１を参照して説明する。
図１は、この発明の実施の形態１による半導体素子のチップ構造を示す断面図である。
図１において、７は半導体、８は第１の金属膜としての半田接合層メタル、９は第２の金属膜としての融点上昇メタル、１０は半田濡れ性向上と酸化防止のための第３の金属膜としてのメタル、１１は半田、１２はリードフレーム側の酸化防止メタルメッキ、１３はリードフレーム側の半田接合層メタルメッキ、１４はリードフレーム母材メタルである。半田１１の半田材としてＡｕＳｎからなる半田を用いる場合、半導体７の半導体チップの裏面のメタル構成として、半導体７／Ｎｉからなる半田接合層メタル８／Ｔｉからなる融点上昇メタル９／半田濡れ性向上と酸化防止のためのＡｕからなるメタル１０の順序でメタル層を形成する。

Ｎｉの半田接合層メタル８は、ＡｕＳｎからなる半田１１との間でＳｎ-Ｎｉなる合金を形成させるための接合メタル（金属膜）である。その下面の融点上昇メタル９は、半田溶融時に高融点金属化合物に変化させるための添加材であり、今回ＡｕＳｎの半田１１の場合、Ｔｉの融点上昇メタル９が拡散することで半田１１の融点を上昇させ、等温凝固の状態にさせるための金属膜である。半田濡れ性向上と酸化防止のためのＡｕなるメタル１０は、半田接合層メタル８、融点上昇メタル９の酸化を防止すると共に半田１１の半田材との濡れ性を向上させるための金属膜である。

プロセスの順序とその作用であるが、約３１０℃程度に温められたヒータ上に酸化防止メタルメッキ１２〜リードフレーム母材メタル１４のリードフレームが送り込まれ、所定のダイボンドを行う場所に半田１１を置く。半田１１が溶融した時点で、上記メタル構成を所有した半導体チップをその半田１１の上に実装する。

次に、ダイボンド実装後の接合プロセスについて、説明する。
図２は、ＡｕＳｎの半田１１と最初に接する半田濡れ性向上と酸化防止のためのＡｕからなるメタル１０は、瞬時に半田１１内に拡散することを示す。１５は半田１１に半田濡れ性向上用のメタル１０が溶解した状態である。

図３は、Ｔｉからなる融点上昇メタル９がＡｕＳｎからなる半田１１に接した状態を示すもので、図３において、１６は融点上昇メタル９が半田濡れ性向上メタルが溶解した状態１５（図２）に拡散し始めた状態を示す。融点上昇メタル９が薄い場合は、図４のようにほぼ全てが半田１１内に拡散していく。図４において、１７は融点上昇メタル９が半田濡れ性向上メタルが溶解した状態１５に完全に拡散した状態を示す。尚、ＡｕＳｎからなる半田１１中のＳｎにＴｉが微量添加されると急激に融点上昇する。最終的に、半田１１は、図５のように接合メタルである半田接合層メタル８とＳｎ-Ｎｉからなる合金を形成し、接合が完了する。図５において、１８はＳｎ-Ｎｉの金属間化合物である。

以上のように、この実施の形態１によれば、Ｔｉが半田１１に拡散し、融点上昇することで半田１１は、元々のヒータ温度(３１０℃)でも固体状態を保持し、この状態であれば、半導体チップが高温で長時間放置されても、拡散は進まず、過剰な金属間化合物の生成が抑制されるため、接合部にボイドなどが発生せず、熱抵抗値の上昇もなく、接合信頼性が保たれる。
尚、Tiの含有量であるが、ＡｕＳｎの半田量に対し少ない場合は融点上昇量が少なく等温凝固しない。半田１１を融点上昇させるためには、Ｔｉの含有比率を、10^-4wt％以上にする必要がある。

実施の形態２．
図６、図７は、この発明の実施の形態２による半導体素子およびそのダイボンド接続方法を示すもので、上記実施の形態１では、融点上昇をさせる金属である融点上昇メタル９としてＴｉを挙げたが、融点上昇メタル９としてＰｔを用いてもよく、この場合においても、Ｔｉの場合と同様の効果が得られる。本実施の形態では、融点上昇のためのメタルを均一に半田拡散させるため、融点上昇メタル９を半導体チップ裏面表面に縞状にして蒸着する。

図６は、半導体チップの酸化防止メタル直上の裏面状態を表し、図７は、そのときの半導体チップ断面を表している。
図６、図７において、１９は融点上昇メタル、２０は半田接合層メタル、２１は半導体、２２は半田濡れ性向上・酸化防止用のメタルである。これにより、リードフレーム側にも融点上昇メタル１９が均一に拡散する。
以上のように、この実施の形態２によれば、融点上昇をさせる金属である融点上昇メタル９としてPtを用いることで、上記実施の形態１と同様に、半導体チップが高温で長時間放置されても、拡散は進まず，過剰な金属間化合物の生成が抑制されるため、接合部にボイドなどが発生せず、熱抵抗値の上昇もなく、接合信頼性が保たれる。

実施の形態３．
図８は、この発明の実施の形態３による半導体素子において、融点上昇の効果のあるメタルを粉状にし、半田接合層に均一に混ぜたときの半導体チップ断面を示すものである。
図８において、２３は上記実施の形態２における融点上昇メタル１９が均一に含有されている半田接合層メタルである。
本実施の形態では、融点上昇のためのメタルを均一に半田拡散させるため、融点上昇メタル１９を粉状にし、半田接合層メタル２０に均一に含有させるようにしている。

以上のように、この実施の形態３によれば、上記実施の形態２と同様の効果が得られると共に、さらに、実施の形態３では、融点上昇の効果のあるメタル即ち融点上昇メタル１９を粉状にして半田接合層に均一に混ぜるので、更に接合信頼性が向上し、半導体素子の品質の向上に寄与できる。

実施の形態４．
図９は、この発明の実施の形態４による半導体素子のチップ構造を示す断面図であり、図１と対応する部分には同一符号を付し、その詳細説明を省略する。
図９において、９１は金属（半田接合層メタル８）と半導体基材を強固に接合させるためのＴｉからなる第４の金属膜としての接合メタル，９２は半田接合時に半田１１中に拡散してその融点を上昇させるＴｉからなる、ここでは第２の金属膜として機能する融点上昇メタルである。

本実施の形態では、半導体７（例えばＳｉ製）表面には、金属と半導体基材を強固に接合させるための接合メタル９１がまず形成され、半田１１と金属間化合物を形成するＮｉからなる半田接合層メタル８が積層される。さらに、半田接合時に半田１１中に拡散してその融点を上昇させる融点上昇メタル９２が積層され、次いで、半田濡れ性向上と酸化防止のためのＡｕからなるメタル１０が積層される。これを接合材料である８０Ａｕ２０Ｓｎはんだ（融点２８０℃）即ち半田１１を用いて３１０℃に加熱してＣｕ製リードフレーム母材メタル１４側に半導体７を接合する。

ここで、融点を上昇させる金属としてＴｉを用いたが、Ｐｔでも同様の効果が期待できる。また、Ｎｉの代わりにＣｕやＭｏなど、Ｓｎとの金属間化合物を形成し、かつＡｕよりも拡散速度の小さな金属で代替することも可能である。
また、半導体７側のＮｉ即ち半田接合層メタル８よりもリードフレーム側のＮｉ即ち半田接合層メタル１３を厚く形成することにより、接合プロセスの加熱中にリードフレーム母材メタル１４に用いるＣｕ(半田の拡散が速い）が半田１１に接触することを防止することが可能である。
また、半導体７の基材として半導体（Ｓｉ）を挙げたが、ＧａＡｓをはじめとする化合物半導体や、ＡｌＮやＳｉＣをはじめとするサブマント（ヒートスプレッダ）でも代替することが可能である。また、半田１１の半田材として８０Ａｕ２０Ｓｎを用いた場合について説明したが、ＳｎＡｇＣｕやＡｕＳｉなどＳｎまたはＡｕを含む半田であれば同様の効果が期待できる。

以上のように、この実施の形態４によれば、上述の如く得られた接合部において、最表面のＡｕがまず半田中に急峻に拡散し、十分に半田がなじんで接合部が形成された後にＴｉが半田中に拡散しながら、露出したＮｉと、半田中のＳｎとの間で金属間化合物を形成し、半田接合部が形成され、Ｎｉ層は最下層のＴｉによって半導体に強力に固定され続け、一方でＴｉが拡散しながら半田の融点を上昇させることにより、３１０℃に保持された状態で固体化（等温凝固）するので、半田のリードフレーム中への拡散が劇的に穏やかになり、半田が移動して形成されるボイドによる熱抵抗の増大や接合強度の低下などの問題点が改善される。

この発明の実施の形態１による半導体素子のチップ構造を示す断面図である。 この発明の実施の形態１による半導体素子においてメタルＡｕがＡｕＳｎ半田内に拡散する状態を示す断面図である。 この発明の実施の形態１による半導体素子において融点上昇メタルＴｉがＡｕＳｎ半田に接した状態を示す断面図である。 この発明の実施の形態１による半導体素子において融点上昇メタルＴｉがＡｕＳｎ半田内に拡散した状態を示す断面図である。 この発明の実施の形態１による半導体素子において半田接合層メタルＮｉとＳｎＮｉ合金を形成接合した状態を示す断面図である。 この発明の実施の形態２による半導体素子におけるチップの酸化防止メタル直上の裏面状態を示す上面図である。 この発明の実施の形態２による半導体素子におけるチップの酸化防止メタル直上の裏面状態のチップ断面を示す断面図である。 この発明の実施の形態３による半導体素子において融点上昇の効果のある粉状のメタルを半田接合層に均一に混ぜたときのチップ断面を示す断面図である。 この発明の実施の形態４による半導体素子においてメタルＡｕがＡｕＳｎ半田内に拡散する状態を示す断面図である。 従来の半導体素子のチップ構造を示す断面図である。 従来の半導体素子のチップを用いたパッケージを示す縦断面図である。

符号の説明

７，２１ 半導体、 ８，２０，２３ 半田接合層メタル、 ９，１９ 融点上昇メタル、 １０ 半田濡れ性向上と酸化防止のためのメタル、 １１ 半田、 １２，２２ リードフレーム側の酸化防止メタルメッキ、 １３ リードフレーム側の半田接合層メタルメッキ、 １４ リードフレーム母材メタル、 ９１ 強固接合メタル、 ９２ 融点上昇メタル。

Claims (6)

1. 半導体裏面に対して最上層に配置され、半田との間で合金を形成させるための第１の金属膜と、該第１の金属膜の下位層に形成され、等温凝固をさせる第２の金属膜と、該第２の金属膜の下位層に形成され、酸化防止や半田との濡れ性を考慮して半田と接合する第３の金属膜と、上記半導体裏面と上記第１の金属膜の間に設けられ、該第１の金属膜と半導体基材を強固に接合させるための第４の金属膜とを備えたことを特徴とする半導体素子。
2. 上記第4の金属膜および上記第１〜第３の金属膜を、上記半導体裏面に対してＴｉ/Ｎｉ/Ｔｉ/Ａｕの順で構成したことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
3. 上記第4の金属膜および上記第１〜第３の金属膜を、上記半導体裏面に対してＴｉ/Ｎｉ/Ｐｔ/Ａｕの順で構成したことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
4. 上記等温凝固をさせる第２の金属膜は、半導体チップの裏面に形成され、その全面に金属膜が形成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体素子。
5. 上記等温凝固させる第２の金属膜は、半導体チップの裏面に形成され、該形成エリアが上記半導体チップの接合面積の一部であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体素子。
6. 上記等温凝固させる第２の金属膜の金属粉を均一に半田接合金属に含有したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体素子。

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