JP5169354B2 - 接合材料及びそれを用いた接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子等のパッケージ部品を配線回路基板に実装するときに、好適に用いられる接合材料、及びそれを用いた接合方法に関する。

半導体チップをパッケージ基板に搭載したパッケージ部品（半導体装置）を、マザーボード等の配線回路基板に実装する際に、リフローはんだ付け法が多く用いられる。リフローはんだ付け法では、まず、回路基板上の電極の表面に、はんだペーストを供給しておく。半導体装置の電極上に配置されたはんだバンプを、このはんだペーストに接触させて加熱することにより、配線回路基板上の電極に、半導体装置の電極が接合される。はんだペーストとは、粉末状のはんだ合金とフラックスとを混合してペースト状にしたものである。

従来、Ｓｎ−Ｐｂ系はんだ材料が一般的に用いられていた。しかし、近年、環境保全の観点から、はんだ中のＰｂ成分を除去したＰｂフリーはんだが用いられるようになってきた。Ｐｂフリーはんだとして、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだが広く採用されている。

Ｓｎ−Ａｇ−ＣｕはんだのようなＳｎを主成分とするＰｂフリーはんだを用いて、半導体装置の電極を配線回路基板上のＣｕ電極に接合すると、はんだとＣｕ電極との界面に、はんだ中のＳｎと電極中のＣｕとが反応してＳｎ−Ｃｕ金属間化合物層が生成される。はんだとＣｕ電極との界面に生成されたＳｎ−Ｃｕ金属間化合物層は、はんだ側に配置される厚さ約３μｍのＣｕ_６Ｓｎ_５化合物層と、電極側に配置される厚さ約０．１μｍのＣｕ_３Ｓｎ化合物層との２層構造を有する。

Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｇｅからなるはんだ粉末と、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｇｅからなるはんだ粉末との混合物に、フラックスを混錬したはんだペーストが知られている（特許文献１）。ＰｂフリーのＳｎ系はんだの例として、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉが挙げられている（特許文献２）。このはんだペーストがＡｇ系電極に適用される。Ｎｉ粉末にＳｎ粉末またはＳｎ−Ｚｎ粉末を混合した接合材料が知られている（特許文献３）。

特開２００７−１８１８５１号公報 特開２００５−３４０２７５号公報 特開２００３−３０５５８８号公報

はんだとＣｕ電極との界面にＳｎ−Ｃｕ金属間化合物層が形成されると、ＣｕとＳｎとの拡散速度の違いから、Ｃｕ_３Ｓｎ化合物層内にカーケンダルボイドが多数発生する。カーケンダルボイドが原因となって、界面が破断し、導通不良が発生する場合がある。

回路基板の表面に形成された電極がＮｉで形成されている場合、はんだとＮｉ電極との界面に、Ｓｎ−Ｎｉ金属間化合物層またはＳｎ−Ｃｕ−Ｎｉ金属間化合物層が形成される。Ｎｉを含む金属間化合物は、Ｓｎ−Ｃｕ金属間化合物に比べて、経時変化による層厚の成長が遅いため、カーケンダルボイドが発生しにくい。

回路基板に形成されているＣｕ電極にＮｉめっきを施すと、はんだと電極との界面に、Ｎｉを含む金属間化合物層を形成することができる。ところが、Ｎｉの酸化防止や、はんだの濡れ性を確保のために、Ｎｉ層の表面にＡｕめっきを施すことが望まれる。このため、製造工程数の増加、及び材料コストの増加が懸念される。

はんだ粉末自体を、Ｎｉを含む合金にすることも考えられる。ところが、Ｎｉを含むと、はんだ粉末の融点が上昇してしまう。このため、接合時の加熱温度を高くしなければならなくなり、半導体素子等の部品に加わる熱的ダメージが大きくなってしまう。

本発明の目的は、接合時に必要となる加熱温度の上昇をもたらさず、かつカーケンダルボイドの発生しにくい接合構造を得ることができる接合材料を提供することである。本発明の他の目的は、この接合材料を用いた接合方法を提供することである。

この接合材料は、錫と銅とを含む合金からなる第１の金属粉末と、主成分としてニッケルを含む第２の金属粉末とが、それぞれ独立に混在し、前記第１の金属粉末と第２の金属粉末との合計の重量に対するニッケルの重量の比が１．５％以下であり、前記第２の金属粉末の平均粒径が３μｍ以下であるものである。

また、他の接合材料は、錫を含む合金からなる第１の金属粉末と、主成分としてニッケルを含み、平均粒径が３μｍ以下の第２の金属粉末とが、それぞれ独立に混在し、前記第１の金属粉末と第２の金属粉末との合計の重量に対するニッケルの重量の比が１．５％以下であるものである。

この接合方法は、第１の基板の表面に形成された銅を含む金属からなる電極の上に、請求項１乃至２に記載された接合材料を塗布する工程と、錫を含むはんだバンプが表面に形成された第２の基板の該はんだバンプを、前記第１の基板の電極上に塗布された前記接合材料に接触させる工程と、前記はんだバンプ及び前記第１の金属粉末を溶融させ、その後固化させることにより、前記第２の基板を前記第１の基板に固定する工程と、を有する。

上記接合材料を用いることにより、カーケンダルボイドの発生を抑制することができる。

図１Ａに、実施例による接合材料を用いて相互に接合したボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）型半導体装置と配線回路基板との断面図を示す。

配線回路基板（マザーボード）１０と、半導体装置４０とが、はんだバンプ６０により接合されている。配線回路基板１０は、ガラスエポキシ樹脂等の絶縁性樹脂からなる機材を含む。配線回路基板１０の表面に、銅（Ｃｕ）等からなる複数の電極１５が配置されている。

半導体装置４０は、パッケージ基板５０、封止樹脂５１、及び電極５２を含む。パッケージ基板５０の一方の表面上に、半導体チップが封止樹脂５１により封止されている。パッケージ基板５０の他方の表面上に、複数の電極５２が配置されている。配線回路基板１０上の電極１５と、半導体装置４０の電極５２とが、はんだバンプ６０により、電気的及び機械的に相互に接続されている。

図１Ｂに、接続部分の拡大断面図を示す。パッケージ基板５０の対向面に形成された電極５２は、最下層のＣｕ膜５２Ａ、その表面を覆うＮｉ膜５２Ｂ、及びＮｉ膜５２Ｂの表面を覆うＡｕ膜５２Ｃを含む。この電極５２と、配線回路基板１０上の電極１５との間に、はんだバンプ６０が配置される。はんだバンプ６０と電極１５との界面に、中間層６１が形成されている。はんだバンプ６０には、例えばＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだが用いられる。中間層６１は、Ｓｎ、Ａｇ、Ｃｕ、及びＮｉを含む。なお、電極５２の上面を覆っていたＡｕ膜５２Ｃは、はんだバンプ６０内に溶解しており、電極５２の側面上にのみＡｕ膜５２Ｃが残存する。

図２Ａ〜図２Ｃを参照して、実施例による接合方法について説明する。

図２Ａに示すように、配線回路基板１０の表面に、電極１５が形成されている。電極１５の表面に、ペースト状の接合材料６３を、スクリーン印刷法等により塗布する。

図２Ｂに、接合材料の断面図を模式的に示す。接合材料６３は、第１の金属粉末６３Ａ、第２の金属粉末６３Ｂ、及びフラックス６３Ｃを含む。第１の金属粉末６３Ａは、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金からなり、その粒径は、例えば２５〜３６μｍである。第２の金属粉末６３ＢはＮｉからなり、その粒径は、例えば２〜３μｍである。第１の金属粉末６３Ａと第２の金属粉末６３Ｂとの合計の重量に対するニッケルの重量比は、例えば１重量％である。

図２Ｃに示すように、半導体装置側の電極５２の上に、はんだバンプ６４が固定されている。半導体装置を配線回路基板１０に対向させ、配線回路基板１０側の電極１５と、半導体装置側の電極５２との位置合わせを行う。はんだバンプ６４を電極１５上の接合材料６３に接触させた状態で、はんだバンプ６４を、その融点以上の温度、例えば２４５℃まで加熱する。これにより、はんだバンプ６４、及び接合材料６３内の第１の金属粉末６３Ａが溶融する。

第２の金属粉末６３Ｂの融点は２４５℃よりも高いため、第２の金属粉末６３Ｂは、それ単体では溶融しないが、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕの融液中に溶解する。溶融部分を降温させると、図１Ｂに示すように、固化したはんだバンプ６０が形成されると共に、はんだバンプ６０と電極１５との界面に、Ｎｉを含む中間層６１が形成される。

図３Ａに、電極１５とはんだバンプ６０との接合部分の電子顕微鏡写真を示し、図３Ｂに、蛍光Ｘ線分光（ＥＤＸ）法により測定した元素分布を示す。はんだバンプ６０と電極１５との界面に、Ｓｎ、Ｃｕ、Ａｇ、及びＮｉを含む中間層６１が形成されていることが確認される。

比較のために、第２の金属粉末６３Ｂを含まない接合材料を用いて接合した場合の接合部分の電子顕微鏡写真を図４Ａに示し、元素分布を図４Ｂに示す。この場合に、はんだバンプ６０と電極１５との界面に形成される中間層６１は、ＳｎとＣｕとを含み、Ｎｉは含まない。

上述の実施例のように、接合材料６３に、Ｎｉからなる第２の金属粉末６３Ｂを含有させることにより、はんだバンプ６０と電極１５との界面に、Ｎｉを含まないＳｎ−Ｃｕ金属間化合物からなる合金層が形成されることを防止できる。両者の界面には、Ｓｎ及びＣｕに、さらにＮｉを含む金属間化合物からなる中間層６１が形成される。

Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ金属間化合物は、Ｓｎ−Ｃｕ金属間化合物に比べて、経時変化による層厚の成長が遅い。このため、カーケンダルボイドが生成されにくく、信頼性の高い接合を得ることができる。

また、上記実施例では、第１の金属粉末６３Ａの融点が、第２の金属粉末６３Ｂの融点よりも低い。接合時の加熱温度は、第１の金属粉末６３Ａの融点以上であるが、第２の金属粉末６３Ｂの融点までは達しない。Ｎｉからなる第２の金属粉末６３Ｂは、第１の金属粉末６３Ａが溶融した融液中に溶解する。これによりＮｉを含むはんだ融液が生成される。

Ｎｉを含まないＳｎ−Ｃｕはんだ、またはＮｉを含まないＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだからなる第１の金属粉末６３ＡにＮｉを含有させると、その融点が上昇してしまう。実施例においては、第１の金属粉末６３ＡがＮｉを含有しないため、その融点の上昇が防止される。また、Ｎｉからなる第２の金属粉末６３Ｂは、はんだ融液中に溶解するため、接合時に第２の金属粉末６３Ｂの融点まで加熱する必要はない。このため、接合時の加熱温度を低く維持することができる。

第１の実施例では、第１の金属粉末６３ＡにＳｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだを用い、第２の金属粉末６３ＢにＮｉを用いたが、第１の金属粉末６３Ａに、ＳｎとＣｕとを含む合金を用い、第２の金属粉末６３Ｂに、主成分としてＮｉを含む金属を用いてもよい。第１の金属粉末６３ＡにＣｕを含有させることにより、融点を下げることができる。また、第１の金属粉末６３Ａに、錫（Ｓｎ）を含む他の合金、例えばＳｎ−Ａｇ合金を用い、第２の金属粉末６３Ｂに、主成分としてニッケル（Ｎｉ）を含む金属を用いてもよい。

第２の金属粉末６３Ｂの平均粒径は、はんだ融液中への溶解を容易にするために、３μｍ以下とすることが好ましい。

次に、第１の金属粉末６３Ａと第２の金属粉末６３Ｂとの合計の重量に対するＮｉの重量の比（以下、「Ｎｉ混合比」という。）の好ましい範囲について説明する。

Ｎｉ混合比の異なる複数の接合材料Ａ〜Ｆを作製した。接合材料Ａ〜ＦのＮｉ混合比は、それぞれ０％、０．５％、１．０％、１．５％、２．０％、及び２．５％である。接合材料Ａ〜Ｆを用いて、配線回路基板１０と半導体装置４０との接合を行い、図１Ｂに示したはんだバンプ６０と中間層６１との成分の分析を行った。

図５Ａに、分析結果を示す。表中の数字は、元素の含有量を単位「重量％」で示したものである。接合材料ＡはＮｉを含まないため、中間層６１及びはんだバンプ６０のいずれもＮｉを含まない。この場合には、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだバンプ６０とＣｕ電極１５との界面に、Ｓｎ−Ｃｕ合金からなる中間層６１が形成される。

接合材料Ｂ〜Ｆを用いた場合には、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだバンプ６０とＣｕ電極１５との界面に、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ合金からなる中間層６１が形成される。

図５Ｂに、接合材料のＮｉ混合比が変化したときの、中間層６１及びはんだバンプ６０のＮｉ含有量の変化を示す。Ｎｉ混合比が０．５重量％〜２．５重量％の範囲内で変化しても、中間層６１のＮｉ含有量は３．１重量％〜３．４重量％の範囲内でほぼ一定である。

はんだバンプ６０内のＮｉ含有量は、Ｎｉ混合比の増加と共に大きくなり、特にＮｉ混合比が１．５重量％を超えると急激に増加する。また、Ｎｉ混合比が大きすぎると、はんだバンプ６０内にＮｉの粉末が残ってしまう場合もある。Ｎｉ混合比が１．５重量％以下である場合、はんだバンプ６０内に含有されるＮｉは、極僅かである。Ｓｎを主成分とするはんだ中で、Ｎｉは、Ｓｎ−Ｎｉ、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ等の金属間化合物として存在する。これらの金属間化合物は、ＳｎやＳｎ−Ｃｕ化合物に比べて融点が高く、硬くて脆い。このため、はんだバンプ６０内に必要以上のＮｉが含有されると、その液相温度が高くなると共に、はんだバンプの強度が低下する。従って、接合材料のＮｉ混合比を１．５重量％以下とすることが好ましい。

また、Ｎｉ混合比が０．５重量％以上であれば、中間層６１に十分なＮｉを含有させることができる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

以上の実施例を含む実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。

（付記１）
錫と銅とを含む合金からなる第１の金属粉末と、主成分としてニッケルを含む第２の金属粉末とが混合された接合材料。

（付記２）
前記第１の金属粉末が、さらに銀を含む付記１に記載の接合材料。

（付記３）
前記第２の金属粉末の平均粒径が３μｍ以下である付記１または２に記載の接合材料。

（付記４）
前記第１の金属粉末と第２の金属粉末との合計の重量に対するニッケルの重量の比が１．５％以下である付記１乃至３のいずれか１項に記載の接合材料。

（付記５）
錫を含む合金からなる第１の金属粉末と、主成分としてニッケルを含み、平均粒径が３μｍ以下の第２の金属粉末とが混合された接合材料。

（付記６）
前記第１の金属粉末と第２の金属粉末との合計の重量に対するニッケルの重量の比が１．５％以下である付記５に記載の接合材料。

（付記７）
前記第１の金属粉末と第２の金属粉末との合計の重量に対するニッケルの重量の比が０．５％以上である付記５または６に記載の接合材料。

（付記８）
第１の基板の表面に形成された銅を含む金属からなる電極の上に、付記１乃至５に記載された接合材料を塗布する工程と、
錫を含むはんだバンプが表面に形成された第２の基板の該はんだバンプを、前記第１の基板の電極上に塗布された前記接合材料に接触させる工程と、
前記はんだバンプ及び前記第１の金属粉末を溶融させ、その後固化させることにより、前記第２の基板を前記第１の基板に固定する工程と
を有する基板の接合方法。

（付記９）
前記はんだバンプ及び前記第１の金属粉末を溶融させる工程において、前記第２の金属粉末の融点よりも低い温度まで加熱し、該第２の金属粉末は、前記はんだバンプ及び前記第１の金属粉末が溶融した融液中に溶解する付記８に記載の接合方法。

（１Ａ）は、実施例による配線回路基板と半導体装置との接合構造を示す断面図であり、（１Ｂ）は、接合部分を拡大した断面図である。 （２Ａ）は、配線回路基板の表面に形成された電極に、実施例による接合材料を塗布した状態の断面図であり、（２Ｂ）は、接合材料の模式的な断面図であり、（２Ｃ）は、配線回路基板の電極と半導体装置のバンプとを対向させた状態の断面図である。 （３Ａ）は、実施例による接合材料を用いて接合した接合部分の電子顕微鏡写真であり、（３Ｂ）は、元素分布を示すグラフである。 （４Ａ）は、従来の接合材料を用いて接合した接合部分の電子顕微鏡写真であり、（４Ｂ）は、元素分布を示すグラフである。 （５Ａ）は、評価実験で用いた接合材料のＮｉ混合比と、その接合材料を用いて接合した接合構造のはんだバンプ及び中間層の元素濃度を示す図表であり、（５Ｂ）は、接合材料のＮｉ混合比と、はんだバンプ及び中間層のＮｉ含有量との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０ 配線回路基板
１５ 電極
４０ 半導体装置
５０ パッケージ基板
５１ 封止樹脂
５２ 電極
６０ はんだバンプ
６１ 中間層
６３ 接合材料
６３Ａ 第１の金属粉末（Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ）
６３Ｂ 第２の金属粉末（Ｎｉ）
６３Ｃ フラックス
６４ はんだバンプ

Claims (3)

1. 錫と銅とを含む合金からなる第１の金属粉末と、主成分としてニッケルを含む第２の金属粉末とが、それぞれ独立に混在し、前記第１の金属粉末と第２の金属粉末との合計の重量に対するニッケルの重量の比が１．５％以下であり、前記第２の金属粉末の平均粒径が３μｍ以下である接合材料。
2. 錫を含む合金からなる第１の金属粉末と、主成分としてニッケルを含み、平均粒径が３μｍ以下の第２の金属粉末とが、それぞれ独立に混在し、前記第１の金属粉末と第２の金属粉末との合計の重量に対するニッケルの重量の比が１．５％以下である接合材料。
3. 第１の基板の表面に形成された銅を含む金属からなる電極の上に、請求項１乃至２に記載された接合材料を塗布する工程と、
   錫を含むはんだバンプが表面に形成された第２の基板の該はんだバンプを、前記第１の基板の電極上に塗布された前記接合材料に接触させる工程と、
   前記はんだバンプ及び前記第１の金属粉末を溶融させ、その後固化させることにより、前記第２の基板を前記第１の基板に固定する工程と
   を有する基板の接合方法。