JP6061276B2 - 金属層間のはんだ接合の形成方法 - Google Patents

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Description

本発明は、金属層間のはんだ接合の形成方法に関し、より具体的には、金属層間のはんだ接合を用いて回路基板上に半導体チップを接合する方法に関する。
3次元（3D）や2.5次元（2.5D）パッケージは、高バンド幅および短配線長を可能とする技術で、今後のコンピューティングシステムの性能向上を実現していく上で重要な技術である。この3D、2.5Dパッケージにおいては、接合端子ピッチおよびバンプサイズは従来のフリップチップ実装に比べて飛躍的に微細なものとなる。その結果、接合部およびその界面にかかる応力による故障や電流密度の上昇（電流一定を想定した場合）によるエレクトロマイグレーション（EM）による故障が課題となってくる。
微細な接合では、アンダーフィル（UF）充填のためのギャップを保持し、かつはんだ間のショートを防ぐために、銅ピラー（Cu Pillar）＋ はんだキャップ（Solder Cap）という接合（構造）が主に使用されている。また、銅ピラーは、はんだ接合部に流れこむ電流を分散させる目的でも使用されている。
上記の接合（構造）は、大きく２つに大別できる。その１つは、接合部のはんだ全てを金属間化合物（IMC）にする場合である。この場合、加重コントロールのみで接合部を有する２つの基板を押し当てる製法、あるいは接合後に長時間高温放置する製法（例えば特許文献１）などがある（接合方法１）。もうひとつは、はんだを接合部に残す場合である。その場合、リフローや、フリップチップボンダーを用いて高さ制御を加える製法がある（接合方法２）。
接合方法１の場合は、はんだ接合部はほぼ全てIMC化するのでEM耐性はあるが、その厚みが薄いために応力が集中してしまう。一方、接合方法２の場合は、接合方法１にくらべEM耐性の低いはんだ部分が残存するので、EM耐性が低下してしまう問題がある。
特開2014-041980号公報
したがって、接合部の応力を抑えるためにある程度の厚みを確保しながら接合部全体をIMC化した構造によりEM耐性を向上させることが考えられる。例えば、厚みのある接合部を全てIMC化する（Full IMC）方法として、接合後のサンプルを高温で加熱する方法がある。しかし、ファインピッチ・アプリーケーション（微細ピッチ用途）において使用される先樹脂塗布工法などにおいて樹脂が存在する場合には、樹脂劣化の観点から長時間高温加熱による方法には問題がある。
そこで、本発明の目的は、金属層（電極）間のはんだ接合部の応力を抑え、EM耐性を向上させ、かつ樹脂を用いる先樹脂塗布工法等にも適合可能な、より短時間で一定の厚みを確保しながら接合部全体をIMC化することができるはんだ接合方法を提供することである。
本発明の一態様では、金属層間のはんだ接合の形成方法が提供される。その方法は、（ａ）２つの金属層の間にはんだ材料が載置された構造を準備するステップと、（ｂ）構造を加熱して２つの金属層の間に金属間化合物を成長させるステップとを含む。金属間化合物を成長させるステップ（ｂ）は、（ｂ１）２つの金属層のはんだ材料に接する一方の面を金属間化合物が成長可能な第１温度にし、２つの金属層のはんだ材料に接する他方の面を第１温度より高い第２温度にすることを含み、（ｂ２）２つの金属層の間の温度勾配（温度／単位厚さ）を所定値以上に維持しながら金属間化合物が２つの金属層の間を略完全に埋めるまで実行される。
本発明の一態様によれば、所定の温度勾配を有する温度差加熱により、２つの金属層の間に金属間化合物を短時間で成長させることができる。その結果、短時間である一定の厚みを確保しながら接合部全体をIMC化することができるので、接合部の応力を抑え、EM耐性を向上させ、かつ樹脂を用いる先樹脂塗布工法等にも適合可能なはんだ接合部を得ることが可能となる。
本発明の一態様では、回路基板上に半導体チップをはんだ接合する方法が提供される。その方法は、（ａ）表面に複数の第１金属ポストが設けられた回路基板を準備するステップと、（ｂ）表面に、複数の第１金属ポストと位置合わせされた複数の第２金属ポストと、当該複数の第２金属ポスト上のはんだ材料とが設けられた半導体チップを準備するステップと、（ｃ）回路基板の複数の金属ポストの各々と、対応する半導体チップの複数の金属ポスト上のはんだ材料の各々とを接合するステップと、（ｄ）接合後の回路基板と半導体チップを加熱して、２つの金属ポスト間に金属間化合物を成長させるステップとを含む。金属間化合物を成長させるステップ（ｄ）は、（ｄ１）２つの金属ポストのはんだ材料に接する一方の面を金属間化合物が成長可能な第１温度にし、２つの金属ポストのはんだ材料に接する他方の面を前記第１温度より高い第２温度にすることを含み、（ｄ２）２つの金属ポスト間の温度勾配（温度／単位厚さ）を所定値以上に維持しながら金属間化合物が前記２つの金属ポスト間を略完全に埋めるまで実行される。
本発明の一態様によれば、所定の温度勾配を有する温度差加熱により、回路基板と半導体チップとの接合部における２つの金属ポスト間に金属間化合物を短時間で成長させることができる。その結果、短時間である一定の厚みを確保しながら接合部全体をIMC化することができるので、回路基板と半導体チップとの接合部の応力を抑え、EM耐性を向上させ、かつ樹脂を用いる先樹脂塗布工法等にも適用可能なはんだ接合部を得ることができる。
本発明の方法のフローを示す図である。 本発明の接合部の断面図である。 本発明のＩＭＣの厚さの決め方を説明するための図である。 本発明の方法における接合部の加熱時間の決め方を説明するための図である。 本発明の方法における接合部の加熱時間の決め方を説明するための図である。 本発明の方法における接合部のＩＭＣの成長の様子を示す実験結果図である。 本発明の方法での接合部のＩＭＣの成長の様子を示す実験結果図である。 従来の方法での接合部のＩＭＣの成長の様子を示す実験結果図である。
図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の方法の基本的なフローを示す図である。図２は、本発明の位置合わせ後の接合部の断面図である。図１及び図２を参照しながら本発明の方法のフローについて説明する。
図１のステップＳ１１において、表面に複数の金属層（以下「第１金属ポスト」と呼ぶ）が設けられた第１基板（以下、「回路基板」と呼ぶ）を準備する。図２（ａ）に示すような第１金属ポスト１２が回路基板１０の表面上に複数設けられている。回路基板１０は、一般に交互に多層化された配線層と絶縁層を含む回路基板（配線基板）である。第１金属ポスト１２は、例えば銅（Ｃｕ）またはニッケル（Ｎｉ）からなる。
ステップＳ１２において、表面に、複数の第１金属ポストと位置合わせされた複数の金属層（以下、「第２金属ポスト」と呼ぶ）と、当該複数の第２金属ポスト上のはんだ材料とが設けられた第２基板（以下、「半導体チップ」と呼ぶ）を準備する。図２（ａ）には、接合後の半導体チップ１４の表面上の第２金属ポスト１６とはんだ材料１８が示されている。半導体チップ１４は、いわゆる集積回路（ＩＣ）チップからなる。
第２金属ポスト１６は、第１金属ポスト１２と同様に、例えば銅（Ｃｕ）またはニッケル（Ｎｉ）からなる。はんだ材料１８は、Ｓｎ単体、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｇｅ、Ｆｅ、及びＴｉを含むグループの中から選択された少なくとも１つの金属を含有するＳｎ、またはＩｎを主成分とするＰｂフリーはんだ金属からなる。
ステップＳ１３において、回路基板１０の複数の第１金属ポスト１２の各々と、対応する半導体チップ１４の複数の第２金属ポスト１６上のはんだ材料の各々とを接合（位置合わせ）する。図２（ｂ）に全体の接合の様子を示す。図２（ｂ）に示されるように、接合後の回路基板１０と半導体チップ１４では、複数の接合部（１２、１６、１８）が位置合わせされている。この接合は、例えばフリップチップボンダ（FC Bonder）を用いておこなうことができる。
その後、接合後の回路基板１０と半導体チップ１４との間にアンダーフィルを設ける（注入する）ことができる。図２（ｂ）に示されるように、アンダーフィル１９は接合部間を埋めるように形成される。あるいは、先樹脂塗布工法（プリアプライド樹脂工法）を用いた接合により、接合と同時に回路基板１０と半導体チップ１４との間に樹脂（アンダーフィル）１９を形成するようにしてもよい。
次のステップＳ１４において、接合後の回路基板１０と半導体チップ１４を加熱して、２つの金属ポスト１２、１６間に金属間化合物（以下、「ＩＭＣ」と呼ぶ）を成長させる。その成長の際に、２つの金属ポスト１２、１６のはんだ材料に接する一方の面Ｓ１をＩＭＣが成長可能な第１温度Ｔ１にし、２つの金属ポスト１２、１６のはんだ材料に接する他方の面Ｓ２を第１温度Ｔ１より高い第２温度Ｔ２にする。言い換えれば、金属ポスト間のはんだ材料層の両端に温度差ΔＴ（＝Ｔ２―Ｔ１）を与える。この温度Ｔ１、Ｔ２（温度差ΔＴ）は、回路基板１０と半導体チップ１４を個別に加熱することにより得ることができる。その加熱は、回路基板１０と半導体チップ１４の表面を直接的に熱源に接触させる方法、あるいは赤外線等を用いて非接触で加熱する方法で行うことができる。
温度Ｔ１、Ｔ２（温度差ΔＴ）は、金属ポスト間に所定の温度勾配（温度／単位厚さ）を与えるために設定／制御される。そして、２つの金属ポスト１２、１６の間の温度勾配（温度／単位厚さ）を所定値以上に維持しながらＩＭＣが２つの金属ポスト１２、１６の間を少なくとも略完全に埋めるまで加熱する。温度勾配（温度／単位厚さ）の所定値は、例えば０．１℃／μｍである。ＩＭＣは、例えば１０マイクロメートル（μｍ）以上の厚さとなるまで成長させる。
この０．１℃／μｍの温度勾配により１０μｍの厚さのＩＭＣは、例えば温度Ｔ１＝２５０℃、Ｔ２＝２５１℃（温度差ΔＴ＝１℃）に設定（加熱制御）することにより得ることができる。一般的には、温度勾配０．１℃／μｍにおいては、Ｎ＊１０μｍの厚さのＩＭＣは、温度差ΔＴ＝Ｎ℃になるように加熱することにより得ることができる。より一般的には、温度勾配０．１＊Ｍ℃／μｍにおいて、Ｎ＊１０μｍの厚さのＩＭＣは、温度差ΔＴ＝Ｎ＊Ｍ℃になるように加熱することにより得ることができる。
次に、図３を参照しながらＩＭＣの厚さの決め方を説明する。図３は、本発明のＩＭＣの厚さの決め方を説明するための図である。図３において、白色の点線で囲った領域の面積Ｓを画像処理等により求める。その面積Ｓを図３に示される接合部の幅Ｗで除算することによりＩＭＣの平均の厚さＴｈ＿Ａｖを求める。
図４と図５を参照しながらステップＳ１４における加熱時間の決め方を説明する。図４と図５は、本発明の接合部の加熱時間の決め方を説明するための図である。両図において、横軸は加熱時間Ｔの平方根であり、縦軸は図３の方法で求めるＩＭＣの平均の厚さＴｈ＿Ａｖ（μｍ）である。両図において、接合部（図２の１２、１８、１６）の材料は、Ｃｕ／Ｓｎ／Ｃｕからなる。上述した温度Ｔ１、Ｔ２（温度差ΔＴ）を得るための熱源の温度は、それぞれ２００℃、３００℃である。また、図４では接合部に３５ニュートン（Ｎ）の力を加えており、図５では接合部に６０Ｎの力を加えている。
図４では、グラフＡが時間１６（sec1/2）付近から急に上昇している。一方、図５では、グラフＢが時間１４（sec1/2）付近から急に上昇している。このグラフＡ、Ｂの上昇するタイミングの違いは、上記の加えている力（Ｎ）の差（３５と６０）によるものと考えられる。この急な上昇は、２つの金属ポスト間にＩＭＣで接続された部分が存在しない状態から存在する状態に変化する過程において生ずるものと考えられる。本発明では、この急な厚さ上昇が起こるタイミングよりも長い時間加熱することにより、所定の厚さ（例えば１０μｍ）以上のＩＭＣを短時間で得ることができることに大きな特徴がある。
例えば、平均厚さ１０μｍ以上のＩＭＣを得るためには、図４と図５のグラフＡ、Ｂの変化から、少なくとも時間１７（sec1/2）以上（図の右矢印参照）加熱する必要があることが分かる。この時間１７（sec1/2）は、約２９０秒（ｓ）に相当するので、約５分（ｍｉｎ）程度（以上）接合部を加熱することにより１０μｍ以上のＩＭＣを得ることができる。
次に、図６〜図８を参照しながら、本発明の方法による接合部のＩＭＣの成長の実験結果について説明する。図６は、本発明の方法による２つの銅（Ｃｕ）ポスト間のＩＭＣの成長の様子を示す実験結果図である。図６では、加熱時間が、（ａ）２分、（ｂ）５分、及び（ｃ）８分での接合部の様子を示している。熱源の温度は、図４と図５の場合と同様に、２００℃（下側）、３００℃（上側）である。
加熱時間の経過と共に温度が低い下側のＣｕポストから温度の高い上側のＣｕポストに向かってＩＭＣが成長している。このように、本発明では２つの金属ポスト間に温度差を設けながら加熱をおこなうことに特徴がある。この温度差加熱によって一方向に成長するＩＭＣが図４と図５における急激なＩＭＣの厚さ上昇を生じさせているものと考えられる。
図６（ｂ）、（ｃ）の実験結果から約５分後以降において、２つの銅（Ｃｕ）ポスト間にＩＭＣが１０μｍ以上成長していることが分かる。この結果は、図４と図５を参照しながら説明した、１０μｍ以上のＩＭＣを得るには５分程度以上接合部を加熱することが必要であることを実際に裏図けるものである。
図７と図８を参照しながら本発明の方法と従来の方法との比較結果を示す。図７は、本発明の方法による２つの銅（Ｃｕ）ポスト間のＩＭＣの成長の様子を示す図である。加熱条件は、図６の場合と同様に、２００℃（下側）、３００℃（上側）である。図７（ａ）は、５分後のＩＭＣの成長結果であり、（ｂ）は１０分後のＩＭＣの成長結果である。下側から成長していくＩＭＣが５分後には２つのＣｕポスト間をかなり埋める（接続する）ことになり、１０分後にはほぼ完全に２つのＣｕポスト間を埋め尽くしていることがわかる。なお、図７（ｂ）では、画像上にＣｕポストとＩＭＣの境界（界面）を示す白線を入れて見やすくしている。
図８は、従来の方法による２つの銅（Ｃｕ）ポスト間のＩＭＣの成長の様子を示す図である。加熱条件は、下側、上側ともに２４０℃で同じである。従来法では、本願発明のような温度差加熱を用いてはいない。図８から、温度差加熱を用いない場合は、２つのＣｕポストの両方から同様にＩＭＣが成長し初め、やがて上側のＣｕポストからの成長が大きくなることがわかる。しかし、（ｂ）の２０分経過後においても２つのＣｕポスト間を埋め尽くす（接続する）には至っていない。上述した本願発明の図７（ｂ）との対比から、本願発明の方法は、より短時間でＩＭＣを所定の厚さ以上の成長させることができることがわかる。
上述した本発明の実施形態により得られるはんだ接合部は、さらに以下の特徴を備えている。
（ｉ）低温側（図２や図６の例では下側）の金属（Ｃｕ）とＩＭＣとの界面の凹凸（粗さ）は、高温側（図２や図６の上側）での界面の凹凸（粗さ）よりも小さい。
（ｉｉ）片側（（図２や図６の例では下側）からのＩＭＣ成長が支配的であるため、はんだ接合の両端のＩＭＣ（例えばＣｕ３Ｓｎ）層を接続するＩＭＣ（例えばＣｕ６Ｓｎ５）の各結晶粒は単一となっている。すなわち、その結晶方向が揃っている。
本発明の実施形態について、図を参照しながら説明をした。しかし、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できるものである。
１０ 第１基板（回路基板）
１２ 金属層（第１金属ポスト）
１４ 第２基板（半導体チップ）
１６ 金属層（第２金属ポスト）
１８ はんだ材料
１９ アンダーフィル（樹脂）

Claims (12)

  1. 金属層間のはんだ接合の形成方法であって、
    上下に対向する２つの金属層の間にはんだ材料が載置された構造を準備するステップと、
    前記構造を加熱して前記２つの金属層の間に金属間化合物を成長させるステップと、を含み、
    前記金属間化合物を成長させるステップは、
    前記２つの金属層の前記はんだ材料に接する一方の面を前記金属間化合物が成長可能な第１温度にし、前記２つの金属層の前記はんだ材料に接する他方の面を前記第１温度より高い第２温度にすることを含み、
    前記２つの金属層の間の温度勾配（温度／単位長さ）を所定値以上に維持しながら前記金属間化合物が前記２つの金属層の間を略完全に埋めるまで実行される、方法。
  2. 前記温度勾配の所定値は、０．１℃／μｍである、請求項１に記載の方法。
  3. 前記２つの金属層間の前記金属間化合物の平均厚さは、１０μｍ以上である、請求項１または２に記載の方法。
  4. 前記２つの金属層はＣｕまたはＮｉからなり、前記はんだ材料は、Ｓｎ単体、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｇｅ、Ｆｅ、及びＴｉを含むグループの中から選択された少なくとも１つの金属を含有するＳｎ、またはＩｎを主成分とするＰｂフリーはんだ金属からなる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
  5. 前記構造を準備するステップは、
    表面に複数の第１金属ポストが設けられた第１基板を準備するステップと、
    表面に、複数の第１金属ポストと位置合わせされた複数の第２金属ポストと、当該複数の第２金属ポスト上のはんだ材料とが設けられた第２基板を準備するステップと、
    前記第１基板の前記複数の金属ポストの各々と、対応する前記第２基板の前記複数の金属ポスト上のはんだ材料の各々とを接合して前記構造を形成するステップと、を含む請求項１に記載の方法。
  6. 前記第１基板は回路基板であり、前記第２基板は半導体チップである、請求項５に記載の方法。
  7. 前記構造を形成するステップの後に、前記回路基板と前記半導体チップとの間にアンダーフィルを形成するステップを更に含む、請求項６に記載の方法。
  8. 回路基板上に半導体チップをはんだ接合させる方法であって、
    表面に複数の第１金属ポストが設けられた回路基板を準備するステップと、
    表面に、複数の第１金属ポストと位置合わせされた複数の第２金属ポストと、当該複数の第２金属ポスト上のはんだ材料とが設けられた半導体チップを準備するステップと、
    前記回路基板の前記第１金属ポストのある面と前記半導体チップの前記第２金属ポストのある面を上下に対向させて、前記回路基板の前記複数の第１金属ポストの各々と、対応する前記半導体チップの前記複数の第２金属ポスト上のはんだ材料の各々とを接合するステップと、
    接合後の前記回路基板と前記半導体チップを加熱して、上下に対向する前記第１及び第２の金属ポスト間に金属間化合物を成長させるステップとを含み、
    前記金属間化合物を成長させるステップは、
    前記第１の金属ポストの前記はんだ材料に接する面を前記金属間化合物が成長可能な第１温度にし、前記第２の金属ポストの前記はんだ材料に接する面を前記第１温度より高い第２温度にすることを含み、
    前記第１及び第２の金属ポスト間の温度勾配（温度／単位長さ）を所定値以上に維持しながら前記金属間化合物が前記第１及び第２の金属ポスト間を略完全に埋めるまで実行される、方法。
  9. 前記接合ステップと前記加熱ステップの間に、前記回路基板と前記半導体チップとの間にアンダーフィルを形成するステップを更に含む、請求項８に記載の方法。
  10. 前記温度勾配の所定値は、０．１℃／μｍである、請求項８または９に記載の方法。
  11. 前記第１及び第２の金属ポスト間の前記金属間化合物の平均厚さは、１０μｍ以上である、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の方法。
  12. 前記第１及び第２の金属ポストはＣｕまたはＮｉからなり、前記はんだ材料は、Ｓｎ単体、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｇｅ、Ｆｅ、及びＴｉを含むグループの中から選択された少なくとも１つの金属を含有するＳｎ、またはＩｎを主成分とするＰｂフリーはんだ金属からなる、請求項８〜１１のいずれか１項に記載の方法。
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