JP5369682B2 - フォームはんだおよび電子部品 - Google Patents

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加一 鶴田
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隆 石井
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Description

本発明は、半導体素子と基板とを接合するダイボンディング用のフォームはんだに関する。本発明は、また、そのようなフォームはんだを使って接合された半導体素子と基板とから成る電子部品に関する。
BGA (Ball Grid Array Package)、CSP(Chip Size Package)等の高機能電子部品では、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その支持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が発熱して半導体自身がその熱の影響で機能劣化や熱損傷を受けるのを防ぐためである。つまり、半導体素子と基板とをダイボンディング接合することで、半導体素子と基板を密着させて半導体素子から出る熱を基板から放熱するのである。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を目的とするため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のが好ましい。
ところで半導体素子と基板とをダイボンディング接合する時、基板上にフォームはんだを置いて加熱すると、フォームはんだが溶融したときに半導体素子の重量で溶融はんだがはんだ付け部間から押し出され、はんだ付け部間のはんだの量が少なくなってしまうことがある。はんだによる接合は、はんだ付け部間に適量のはんだが存在することではんだが有する本来の接合強度を発揮できるものであるが、上述のように上に置いた半導体素子の重量ではんだ付け部間のはんだが押し出されると、半導体素子と基板との間のクリアランスが狭くなりすぎてそこに十分な量のはんだが存在できなくなり、接合強度が弱くなってしまう。つまり、はんだ接合では、クリアランスが適当であると、最大の接合強度を発揮できるが、部分的にクリアランスの狭い部分ができると、接合部全体の接合強度が弱くなってしまうのである。
そこで、従来よりはんだ付け部間を適当に離間させた状態ではんだ付けして、はんだ付け部間に適量のはんだを保つようにするため、はんだ付け部間にはんだよりも融点の高い高融点金属粒（以下、単に金属粒という）、例えばNi、Cu、Ag、Fe、Mo、W等の金属粒を複数個挟み込むことが行われていた。しかし、はんだ付けを行う度毎に、金属粒をはんだ付け部間に置いていたのでは非常に手間がかかって生産効率が悪いため、予め金属粒をその中に分散させたフォームはんだが使用されていた。
特許文献１には、シート状はんだの上に金属粒をホッパーで散布し、該金属粒を埋め込みローラーでシート状はんだ中に埋め込む、ローラー埋め込み法が開示されている。このときの金属粒として、丸型、三角、柱状、片状、微粒子状のもの等を用いている。
特許文献２もローラ埋め込み法を開示するもので、得られるフォームはんだは、粒径が30〜70μｍの金属粒をはんだ中に埋め込んだものである。
特許文献３は、金属粒が混在した複合はんだインゴットの製造方法を開示するが、この方法では、金属粒とフラックスを一緒に練ったものを溶融はんだ中に投入して攪拌、冷却、固化する。ここで用いる金属粒の粒径は、20μｍ、50μｍ、100μｍである。
特許文献4は、二枚のはんだシートの間にホッパーで散布した金属粒を有する重ねシートを作製し、次いでこれを圧延して二枚のシートを圧着するフォームはんだの製造方法を開示する。金属粒の直径の平均値が30〜300μｍ、直径分布の標準偏差が2.0μｍ以下という金属粒を用いている。
特開平3-281088号公報 特開平6-685号公報 特開平6-31486号公報 特開2005-161338号公報
ところで従来のフォームはんだではんだ付けが行われた半導体素子と基板とから成る電子部品は、半導体素子が基板に対して傾斜して接合されたり、はんだ付け部に少しの衝撃が加わるとはんだ付け部が容易に剥離したりすることがあった。
特許文献１のフォームはんだは、シート状はんだの上に丸型、三角型、片状、柱状等の金属粒を散布し、その上から埋め込みローラーをかけて金属粒をシート状はんだに埋め込んだものである。
図３は、特許文献１のはんだフォームの模式的断面図であり、図４はそれを使ってダイボンディングした半導体素子と基板とからなる電子部品の模式的部分拡大図である。
図３に示すように特許文献１のフォームはんだ30は、金属粒の大きさが定まっていないため、半導体素子31と基板32を接合して電子部品33（図４）にしたときに小さな金属粒（図中の三角型）の方が低くなり、大きな金属粒子（図中の大きな丸型や四角型）の方が高くなる。さらに特許文献１のフォームはんだをミクロ的に見ると、金属粒34とシート状はんだ35との間は、単なる接触状態、即ち金属粒34の周囲には空気36が存在している状態となっている。
このように金属粒の周囲に空気が存在しているフォームはんだではんだ導体素子と基板とをはんだ付けすると、金属粒の周囲に存在していた空気が温度上昇に伴って体積が増大し、図４に示すような大きなボイド37となってはんだ導体素子を傾斜させてしまうこともある。また金属粒がはんだと金属的に接合していないと、この部分の接合強度は弱くなる。
特許文献２、４のフォームはんだは、二枚のシート状はんだの間に金属粒を挟み込んでローラーにより二枚のシート状はんだを圧着したものである。従って、図５に示すように、特許文献２、４のフォームはんだ40も金属粒4１とはんだ4２とは、単に接しているだけであり、ミクロ的にみれば金属粒4１の周囲には空気4３が存在していることになる。このようなフォームはんだを半導体素子4４と基板4５間に置いて加熱し、フォームはんだを溶融させて電子部品46にすると、図６に示すように、金属粒の周囲に存在していた僅かな空気が温度上昇に伴って体積が増大し、大きなボイド47となる。そしてこの大きなボイドが半導体素子4４を持ち上げて傾斜させることになる。
このように、特許文献２、４の場合も、特許文献１の場合と同様に、金属粒とはんだとが金属的に接合していないため、この部分の接合強度は弱い。
特許文献３の方法により得られたフォームはんだは、金属粒とフラックスが混合されたものを溶融はんだ中に投入するため、金属粒は溶融金属と金属的に接合していて、ローラーを用いた製造方法よりもボイドは少ない。しかしながら特許文献３の製造方法で得られたフォームはんだでも、ボイドが発生して半導体素子を傾斜させたり、接合強度を弱めたりすることがあった。その原因は、金属粒の周囲にフラックスが付着していることが考えられる。
図７は、特許文献３のはんだフォームの模式的断面図であり、図８はそれを使ってダイボンディングした半導体素子と基板とからなる電子部品の模式的部分拡大図である。
特許文献３のフォームはんだ50では、図７に示すように、金属粒5１に微小な固体または液体のフラックス52が付着している。そのため、このフォームはんだを半導体素子53と基板54間に挟んで加熱・溶融して電子部品55にすると、微小なフラックスは温度の上昇にともない気化して体積が増大し、図８に示すように大きなボイド5６となる。その結果、大きなボイドが半導体素子53を持ち上げるようになる。その後、はんだを固化するためにはんだ付け部は冷却されるが、はんだが急速に固化してしまうため、ボイドは小さくならずに体積が増大したままとなって残る。従って、ボイドの体積が増大した部分は高さが高くなって傾斜してしまう。
このように、特許文献３の場合も、金属粒とはんだとは金属的に接合しているが、ボイドが発生しているため、接合面積が小さくなって接合強度を弱めている。
また従来のフォームはんだで半導体素子と基板をはんだ付けしたときに、はんだ付け部に衝撃が加わっただけで容易に剥離するのは、金属粒とはんだとが金属的に接合していないことと、金属粒の周囲に発生したボイドに原因がある。つまり金属粒とはんだとが金属的に接合していないと、この部分の接合強度が弱まるからであり、また金属粒の周囲に少しでも空気やフラックスが存在すると、加熱時にこれらが大きなボイドとなり、接合面積が小さくなるからである。ボイドの発生で接合面積が小さくなるのは、近時の半導体素子は小型化されてきていることから、はんだ付け面積も小さくなっており、この小さなはんだ付け面積に対してはボイドの占める割合が大きくなるため、はんだ付け面積が小さくなって接合強度が弱くなるからである。
本発明者らは、金属粒の粒子径のバラツキがある一定値以下であれば、傾斜が少なくなり、また金属粒の周囲にはんだとの合金層が形成されていれば、金属粒とはんだとの接合強度が向上し、ダイボンディング用のフォームはんだとして優れた性能を発揮できることを見い出して本発明を完成させた。
本発明は、板状はんだ中に平均粒径20〜300μm の高融点金属粒であるNiが分散された、Sn主成分の鉛フリーフォームはんだにおいて、高融点金属粒の粒子径のバラツキが20μｍ以下であり、しかも高融点金属粒の周囲には、はんだの主成分と高融点金属粒との合金層が形成されており、該合金層がNi3Sn、Ni3Sn2、 Ni 3 Sn 4 から成る群から選んだ少なくとも1種の合金層であることを特徴とする鉛フリーフォームはんだである。
さらに、本発明は、板状はんだ中に平均粒径20〜300μm の高融点金属粒であるCuが分散された、Sn主成分の鉛フリーフォームはんだにおいて、高融点金属粒の粒子径のバラツキが20μｍ以下であり、しかも高融点金属粒の周囲には、はんだの主成分と高融点金属粒との合金層が形成されており、該合金層がCu 3 Sn、Cu 6 Sn 5 から成る群から選んだ少なくとも1種の合金層であることを特徴とする鉛フリーフォームはんだである。
また別の発明は、板状はんだ中に平均粒径20〜300μm の高融点金属粒が分散されたフォームはんだであって、粒子径のバラツキが20μｍ以下の高融点金属粒が板状はんだ中に分散され、しかも高融点金属粒の周囲にはんだとの合金層が形成されているフォームはんだで半導体素子と基板をはんだ付けしてあることを特徴とする電子部品である。
本発明において、平均粒径20〜300μm の高融点金属粒を使用するのは、半導体素子と基板との間に20〜300μm程度の隙間が必要であるからである。所要隙間を考えてその範囲内において平均粒径を選択すればよい。
このときに金属粒の平均粒子径が50μm のときにそのバラツキが、粒径の40％以上、つまり20μｍよりも大きいとボイドが発生していなくとも、はんだ付け後、基板に対して半導体素子の傾斜が大きくなり、クリアランスが狭くなった部分での接合強度が弱くなってしまう。また金属粒の周囲に合金層が形成されていると、金属粒とはんだとが完全に金属的に接合していることになり、金属粒とはんだとの接合強度が強くなるばかりでなく、ボイドの発生も少なくなる。
ここに、上記バラツキの範囲は金属粒の粒径の40％以内、好ましくは20％以内にするのが好ましい。
本発明にかかるフォームはんだにおいて、高融点金属粒とはんだの接合面には空気やフラックスの巻き込みあるいは残留が見られないから、はんだ付けを行った後でも接合部にはボイドが全く存在しない。
本発明のフォームはんだは、金属粒の周囲にはんだとの合金層が形成されていなければならないものである。はんだは一般の電子部品の製造に用いられるものであれば如何なるはんだでもよいが、近時のPb規制に対してはSn主成分の鉛フリーはんだが適している。
はんだ中に分散させる金属粒は、鉛フリーはんだの主成分であるSnと合金しやすいNi、Cuのいずれかが好適である。金属粒の周囲に形成される合金層は、Snと金属粒との金属間化合物である。例えば金属粒がNiであり、はんだがSn主成分の鉛フリーはんだであれば、金属粒の表面にはNiとSnの金属間化合物であるNi3Sn、Ni3Sn2、Ni3Sn4等が形成され、金属粒がCu、はんだがSn主成分の鉛フリーはんだであれば、金属粒の表面にはCu3SnやCu6Sn5等の金属間化合物が形成される。
これらの金属はいずれも融点が1000℃以上と高く、通常のはんだ付け温度では溶融しない。換言すれば、本発明で用いる金属粒を構成する金属(合金も含む)は、使用するはんだ合金の主成分と合金層(金属間化合物)を形成するとともに、溶融温度がはんだ合金の融点よりも少なくとも300℃以上高い金属の粒子である。
本発明のフォームはんだは、それを使って半導体素子と基板とをはんだ付けしたときに、半導体素子が基板に対して傾斜して接合されないため、はんだ量の不足による接合強度の低下がなく、また金属粒の周囲にはんだとの合金層が形成されているため金属粒とはんだ接合強度が向上するという優れたはんだ付け部が得られるものである。
本発明の電子部品は、半導体素子と基板間のはんだ付け部にボイドが存在していなく、また半導体素子と基板との接合強度が強いため、外部から衝撃が加わっても容易に剥離しないという従来の電子部品にはない信頼性を有している。
本発明にかかる電子部品は、ダイボンディング接合により得られる電子部品であり、具体的には、例えばダイパッドと呼ばれる基板上にダイボンディングされた半導体素子を備えている半導体装置を云い、BGA、CSPなどの形態で使用される電子部品が例示される。
本発明にかかるフォームはんだの模式的断面図である。 本発明にかかる電子部品の模式的部分断面図である。 従来のフォームはんだの模式的断面図である。 従来の電子部品の模式的部分断面図である。 従来のフォームはんだの模式的断面図である。 従来の電子部品の模式的部分断面図である。 従来のフォームはんだの模式的断面図である。 従来の電子部品の模式的部分断面図である。 実施例と比較例のヒートサイクル試験の結果を示すグラフである。
図面に基づいて本発明のフォームはんだを説明する。
図１は本発明のフォームはんだの模式的断面図であり、図２は本発明のフォームはんだを使ってはんだ付けした半導体素子と基板とからなる電子部品の模式的部分断面図である。
本発明のフォームはんだ10は、図１に示すように、金属粒１が板状となったはんだ２中に分散して存在している。金属粒１は、はんだ２と金属的に接合されており、金属粒１の周囲には合金層８が形成されている。また金属粒１の周囲には、空気やフラックスが存在していない。
上記フォームはんだ10を半導体素子４と基板５間に置いて、加熱・溶融し、フォームはんだを溶融させて作られた電子部品12は、図２に示すように半導体素子４が基板５に対して平行に接合されており、はんだ２中に分散された金属粒１の周囲にはボイドが全く存在していない。
本発明にかかるフォームはんだの製造方法は、混合母合金法を例にとって説明すれば次のとおりである。
先ず、実際にはんだ中に分散させる量よりも多い量の金属粒を熱分解可能な液状フラックスと混合して混合物にする。得られた混合物を溶融はんだ中に投入し、攪拌後、急冷して混合母合金にする。この混合母合金を所定量計量し、これを溶融はんだ中に投入して攪拌後、鋳型に鋳込み、急冷してビレットにする。次いで、このビレットを押出機で押し出して帯状材にし、得られた帯状材を圧延機で圧延してリボン材にする。その後、このリボン材を所定の形状に打ち抜いて板状はんだ中に金属粒が多数分散されたフォームはんだにする。
上記混合母合金法で得られるフォームはんだは、金属粒を熱分解可能なフラックスと混合して溶融はんだ中に投入するため、フラックスが揮散してはんだ中に残りにくいばかりでなく、混合母合金にフラックスが少し残っていたとしても、混合母合金をさらに溶融はんだ中に投入するため、ここでフラックスが完全に揮散してなくなってしまう。また上記方法では混合母合金作製時に、金属粒とはんだとが金属的に接合し、このときに金属粒表面は溶融はんだと完全に濡れる。そして混合母合金を溶融はんだ中に投入すると、溶融はんだに濡れた部分の合金層が発達して金属間化合物を形成するようになる。
上記混合母合金法で使用するフラックス成分は、松脂、活性剤、溶剤である。その松脂としては、水素添加ロジン、フェノール変性ロジンエステル、重合ロジン等があり、活性剤としてはアジピン酸、コハク酸、マレイン酸、安息香酸、ジエチルアニリンHBr等があり、そして溶剤としてはエチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、2-プロパノール等がある。
上記したフラックスの松脂と活性剤は、たとえばSn99質量％、残りCu、Ni、Pを微量添加したSn-Cu-Ni-P系の鉛フリーはんだ（融点：約230℃）と金属粒を分散させるときの温度である285℃で分解またははんだ浴表面に浮上・分離してはんだ中には決して残らない。また上記した溶剤は沸点が230℃以下であるため、やはり同鉛フリーはんだの溶融温度で完全に揮散してはんだ中には残らない。好適なフラックスの組成の１例は以下の通りである。
松脂（水素添加ロジン）60.0質量％
活性剤（ジエチルアニリンHBr）10.0質量％
溶剤（エチレングリコールモノエチルエーテル） 30.0質量％
そして混合母合金を大量の溶融はんだ中に投入すれば、既に金属粒がはんだと金属的に接合されているため、該混合母合金は大量の溶融はんだ中に短時間で分散する。このとき混合母合金内に残っていたフラックスは、二度の溶解・攪拌により完全に除去される。その後、金属粒が均一分散した溶融はんだをビレット用鋳型に注入し、該鋳型を急冷することにより金属粒が均一分散されたビレットが得られる。
混合母合金作製時に用いる混合物が熱分解可能なフラックスで構成されているため、混合物を溶融はんだ中に投入したときに、ほとんどのフラックスは分解して揮散してしまう。そのため、たとえ混合母合金中に極僅かのフラックスが残っていたとしても、その後の工程で混合母合金を溶融はんだ中に投入したときに、該フラックスは完全に分解してはんだ中には全く存在しない。さらにはんだ中のフラックスの完全除去を期するのであれば、混合母合金作製時やビレット作製時において、溶融はんだを真空装置内に置いて、真空処理をしてもよい。
本発明のフォームはんだ中に分散する高融点金属粒は、融点がフォームはんだよりも高く、また金属粒は溶融はんだに濡れやすいものでなければならない。本発明に使用可能な金属粒としては、Ni、Cuがあるが、本発明に使用して好適な金属粒は、Ni粒である。Ni粒は、溶融はんだに侵食されにくく、しかも安価であり微小ボールとして一般に市販されていて入手しやすい。もちろん、それらの金属の合金であってもよい。
半導体素子と基板との間のクリアランスが20μｍよりも小さくなると、はんだの量が少なくなって、はんだ本来の接合強度が発揮できなくなるからであり、そのために金属粒は直径が20μｍ以上とする。好ましくは40〜300μｍである。
一般に、フォームはんだの厚さは、略希望のクリアランスに近い厚さのものを用いる。従って、該フォームはんだに使用する金属粒も該クリアランスに近い直径のものを用いるが、フォームはんだの厚さと金属粒の直径が同一であると、フォームはんだ形成時に金属粒がフォームはんだの表面から露出してしまい、この露出した部分にははんだが付着しないことになる。その結果、はんだ付け時に金属粒の露出した部分が部品と金属的に接合しなくなってしまう。厚さの厚いフォームはんだでは、金属粒の直径はフォームはんだの厚さに対して上下部にはんだで覆われる溶融を残すためにフォームはんだの厚さに対して90％以下とした。
本発明のフォームはんだは、如何なる組成の合金でも良いが、近時のPb使用規制の関係から、鉛フリーはんだが適当である。鉛フリーはんだとは、Snを主成分とし、これにAg、Cu、Sb、Bi、In、Zn、Ni、Cr、Mo、Fe、Ge、Ga、P等を適宜添加したものである。Snは金属粒を侵食しやすいものであるため、Ni粒を使用する場合は、鉛フリーはんだ中にはNiを添加しておくとよい。
つまり鉛フリーはんだ中にNiが含有されていると、高融点金属粒としてNi粒を使用する場合、溶融した鉛フリーはんだがNi粒と接触したときにNi粒が侵食されにくくなるからである。Ni含有鉛フリーはんだとしては、Sn-Cu-Ni-P系、Sn-Ag-Ni系、Sn-Cu-Ni系、Sn-Ag-Cu-Ni系、Sn-Zn-Ni系、Sn-Sb-Ni系、Sn-Bi-Ni系、Sn-In-Ni系、等がある。
リボン材からは例えばプレス打ち抜きによって各種形状、例えば、ペレット、ワッシャーのようないわゆるフォームはんだに加工される。
ここで本発明の実施例と比較例について説明する。
フォームはんだ：10×10×0.1（ｍｍ）
フォームはんだの製造方法：混合母合金法
金属粒：Ni(直径50μｍ、バラツキ10μｍ以内）
はんだ：Sn-0.7Cu-0.06Ni-0.005P
金属粒周囲の金属間化合物：Ni3Sn、Ni3Sn2、Ni3Sn4
はんだ付け方法：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）にフォームはんだでダイボンディング接合を行った。すなわち、フォームはんだを半導体素子と基板間に挟み込み、酸素濃度が10ppmの窒素水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。
フォームはんだ：10×10×0.1（ｍｍ）
フォームはんだの製造方法：混合母合金法
金属粒：Cu（直径50μｍ、バラツキ10μｍ以内）
はんだ：Sn-3Ag-0.5Cu
金属粒周囲の金属間化合物：Cu3Sn、Cu6Sn5
はんだ付け方法：実施例１と同一
（比較例１）
フォームはんだ：10×10×0.1（ｍｍ）
フォームはんだの製造方法：ローラー埋め込み法
金属粒：Ni(直径50μｍ、バラツキ30μｍ以上）
はんだ：Sn-0.7Cu-0.6Ni-0.05P
金属粒周囲の金属間化合物：なし
はんだ付け方法：実施例１と同一
実施例１、２と比較例１のフォームはんだで作った電子部品の接合部を透過X線装置でボイドの有無を観察したところ、実施例１、２のフォームはんだで作った電子部品にはボイドが皆無であったが、比較例１のフォームはんだで作った電子部品ではボイドが発生していた。このことから、本発明にかかるはんだフォームには空気の巻き込み・フラックスの残留は見られなかったことがわかる。
実施例1、2と比較例1のフォームはんだで作った電子部品の周辺の厚さをマイクロメーターで測定したところ、実施例1、2のものでは最大厚さと最小厚さの差が20μｍ以内であり、比較例1のものでは最大厚さと最小厚さの差が60μｍであった。
実施例１と比較例１のフォームはんだで作った電子部品に対して、D001-87(JASO、社団法人自動車技術会)に準じて−30℃〜＋120℃のヒートサイクル試験を行った。
図９は、その結果を示すグラフである。実施例では500サイクルでもクラックは発生しなかったが、比較例では500サイクル時点でクラックが発生していた。また、3000サイクル時点でクラック率20％以下の目標に対し、実施例では10％以下のクラック率であり、バラツキも小さい。一方、比較例では12〜28％程度のクラック率でバラツキが大きく、目標も未達であった。

Claims (3)

  1. 板状はんだ中に高融点金属粒が分散された、Sn主成分の鉛フリーフォームはんだにおいて、前記金属粒が、Niであり、はんだ合金の融点＋300℃以上の融点を有し、粒径20〜300μmであり、該高融点金属粒の粒子径のバラツキが粒子径の40％以内であり、かつ高融点金属粒の周囲には、はんだの主成分と高融点金属粒との合金層が形成されており、該合金層がNi3Sn、Ni3Sn2、 Ni 3 Sn 4 から成る群から選んだ少なくとも1種の合金層であることを特徴とする鉛フリーフォームはんだ。
  2. 板状はんだ中に高融点金属粒が分散された、Sn主成分の鉛フリーフォームはんだにおいて、前記金属粒が、Cuであり、はんだ合金の融点＋300℃以上の融点を有し、粒径20〜300μmであり、該高融点金属粒の粒子径のバラツキが粒子径の40％以内であり、かつ高融点金属粒の周囲には、はんだの主成分と高融点金属粒との合金層が形成されており、該合金層がCu 3 Sn、Cu 6 Sn 5 から成る群から選んだ少なくとも1種の合金層であることを特徴とする鉛フリーフォームはんだ。
  3. 請求項１または２記載の鉛フリーフォームはんだを用いてはんだ付けされた、ボイドの発生がなく、最大厚さと最少厚さとのバラツキが金属粒径の40％以内の厚さのはんだ継手を備えた半導体素子と基板とからなることを特徴とする電子部品。
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