JP6859787B2 - はんだ接合体およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、はんだ接合体およびその製造方法に関するものである。

半導体装置などが備える金属バンプ同士の接合方法として、はんだ溶融接合が挙げられる。はんだ溶融接合では、接合時の加熱により、はんだの表面が酸化し、接合不良が発生するおそれがあるため、はんだの表面の酸化膜をフラックスで除去しながら接合する方法が用いられている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１７−２８１２６号公報

このような方法では、フラックス成分によるバンプ間のリーク不良を抑制するために、フラックスの洗浄工程が必要であり、工数が多くなっている。

本発明は上記点に鑑みて、フラックスを用いずに接合不良を抑制することが可能なはんだ接合体およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、金属層（４）、および、金属層に積層された合金層（５）を有し、表層部が合金層で構成された第１バンプ（１）と、はんだで構成されたはんだ層（８）を有し、表層部がはんだ層で構成されるとともに、はんだ層において合金層に接合された第２バンプ（２）と、を備え、合金層は、金属層に含まれる金属とスズを含むはんだとの合金で構成されており、合金層の厚さは、はんだ層の厚さ以上とされており、合金層は、はんだ層を貫通している。

これによれば、第１バンプの表層部が硬い合金層で構成されているため、合金層とはんだ層とを熱圧着することで、はんだ層の表面に形成された酸化膜が合金層によって破られる。したがって、フラックスを用いずに、第１バンプの合金層と第２バンプのはんだ層との接合不良を抑制することが可能となる。

また、請求項５に記載の発明では、金属層（４）を形成することと、金属層に、スズを含むはんだで構成された第１はんだ層（５ｂ）を積層することと、金属層および第１はんだ層を熱処理することにより、金属層に含まれる金属を第１はんだ層に拡散させて、金属層に含まれる金属と第１はんだ層に含まれるスズとの合金で構成された合金層（５）を形成し、表層部が合金層で構成された第１バンプ（１）を形成することと、はんだで構成された第２はんだ層（８）を有し、表層部が第２はんだ層で構成された第２バンプ（２）を形成することと、第１バンプを形成すること、および、第２バンプを形成することの後、合金層と第２はんだ層とを熱圧着により接合することと、を備える。

これによれば、第１バンプの表層部が硬い合金層で構成されているため、はんだ層の表面に形成された酸化膜が、熱圧着の際に合金層によって破られる。したがって、フラックスを用いずに、第１バンプの合金層と第２バンプのはんだ層との接合不良を抑制することが可能となる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態にかかるはんだ接合体、および、はんだ接合体により接合された半導体チップおよび基板の断面図である。 第１実施形態にかかるはんだ接合体の断面図である。 第１実施形態にかかるはんだ接合体の平面図である。 はんだ接合体の製造工程を示す断面図である。 はんだ接合体の製造工程を示す断面図である。 第１実施形態の変形例の断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
第１実施形態について説明する。図１に示すように、本実施形態のはんだ接合体１０は、バンプ１とバンプ２とを備えており、半導体チップ２０と基板３０とを接合している。半導体チップ２０は、図示しないＳｉ基板の表面に半導体素子が形成されたものである。基板３０は、半導体チップ２０が備える半導体素子の信号処理回路が形成されたものであり、エポキシ樹脂やガラスエポキシ樹脂等の樹脂をベースとして構成されるプリント基板で構成されている。

バンプ１は、半導体チップ２０が備えるＳｉ基板の裏面に形成されており、バンプ２は、基板３０の表面に形成されている。そして、バンプ１とバンプ２が接合されることにより、半導体チップ２０と基板３０が接合されている。

図２に示すように、バンプ１は、Ｃｕ（銅）で構成されたＣｕ層３と、Ｎｉ（ニッケル）で構成されたＮｉ層４と、合金層５とを備えている。これらの層は、半導体チップ２０の裏面に順に積層されており、バンプ１は、表層部を構成する合金層５においてバンプ２に接合されている。バンプ１は第１バンプに相当し、Ｎｉ層４は金属層に相当する。

合金層５は、Ｎｉ層４に含まれるＮｉが後述するはんだ層５ｂに拡散することで形成されたものであり、Ｓｎ（スズ）の合金であるはんだとＮｉとの合金で構成されている。具体的には、合金層５は、内部にＮｉＳｎ合金５ａが形成されたはんだで構成されている。

合金を形成するための熱処理によって、合金層５のうちＮｉ層４とは反対側の面は凸形状とされている。また、この熱処理によってＮｉＳｎ合金５ａが厚さ方向に柱状に成長しており、合金層５のうちＮｉ層４とは反対側の面には、厚さ方向に成長し表面に到達したＮｉＳｎ合金５ａとはんだとによって微細な凹凸が形成されている。

バンプ２は、Ｃｕで構成されたＣｕ層６と、Ｎｉで構成されたＮｉ層７と、はんだで構成されたはんだ層８とを備えている。これらの層は、基板３０の表面に順に積層されており、バンプ２の表層部ははんだ層８で構成されている。はんだ層８は、熱圧着により合金層５と接合されている。バンプ２は第２バンプに相当し、はんだ層８は第２はんだ層に相当する。

はんだ層８のうち合金層５側の面は、合金層５との熱圧着により、合金層５の形状に対応した凹形状とされている。そして、合金層５とはんだ層８との界面には、合金層５の成分がはんだ層８に拡散して合金が形成されている。

バンプ１とバンプ２は、互いに対向するように配置されており、合金層５の厚さ方向、すなわち、Ｃｕ層３、Ｎｉ層４、合金層５の積層方向は、はんだ層８の厚さ方向、すなわち、Ｃｕ層６、Ｎｉ層７、はんだ層８の積層方向と一致している。

また、はんだ層８の面内方向、すなわち、厚さ方向に垂直な方向の幅は、合金層５の面内方向の幅以上とされている。具体的には、Ｃｕ層３、Ｎｉ層４、合金層５、Ｃｕ層６、Ｎｉ層７、はんだ層８の上面は、一方向に平行な２つの辺と一方向に垂直な他方向に平行な２つの辺を有する角丸正方形状とされている。そして、合金層５、はんだ層８の一方向の幅をそれぞれＷ１、Ｗ２とすると、Ｗ１≦Ｗ２とされている。

そして、バンプ１とバンプ２は、厚さ方向から見たとき、図３に示すように合金層５がはんだ層８の内側に含まれるように配置されている。なお、図３では、はんだ接合体１０の構成要素のうち、合金層５とはんだ層８のみを図示している。

はんだ接合体１０の製造方法について図４、図５を用いて説明する。図４（ａ）に示す工程では、スパッタリング法などを用いて、半導体チップ２０の裏面にＣｕ層３と、Ｎｉ層４と、はんだで構成されたはんだ層５ｂを順に積層する。はんだ層５ｂは、第１はんだ層に相当する。なお、図４、図５では、半導体チップ２０、基板３０の図示を省略している。

図４（ｂ）に示す工程では、Ｎｉ層４およびはんだ層５ｂの熱処理を行う。具体的には、はんだが溶融する温度、例えば２５０℃でリフロー処理を行い、Ｎｉ層４に含まれるＮｉをはんだ層５ｂに拡散させる。これにより、Ｎｉ層４の上に、Ｎｉ層４に含まれるＮｉとはんだ層５ｂに含まれるＳｎとの合金で構成され、Ｎｉ層４とは反対側の面が凸形状とされた合金層５を形成する。そして、表層部が合金層５で構成されたバンプ１が形成される。

このとき、Ｎｉ層４とはんだ層５ｂの厚さを調整することで、ＮｉＳｎ合金を厚く形成することができる。本発明者らが行った実験では、例えば、はんだ層５ｂの厚さをＮｉ層４の厚さの１／３以上５／２以下とすることで、熱処理によりＮｉＳｎ合金が十分に厚く形成され、接合の歩留まりが向上した。

また、リフローの温度を調整することにより、図４（ｂ）に示すように、ＮｉＳｎ合金５ａが合金層５の厚さ方向に柱状に成長して合金層５の表面に到達する。そして、合金層５の表面に露出したＮｉＳｎ合金５ａと合金層５に含まれるＳｎ等とによって、合金層５の表面に微細な凹凸が形成される。合金層５の表面に凹凸を形成することで、後述する図５（ｂ）に示す工程において、バンプ１とバンプ２との圧着の際に、合金層５によってはんだ層８の表面の酸化膜が破れやすくなり、バンプ１とバンプ２とをより良好に接合することができる。

図５（ａ）に示す工程では、電解メッキを用いて、基板３０の表面にＣｕ層６、Ｎｉ層７、はんだ層８を順に積層する。これにより、表層部がはんだ層８で構成されたバンプ２が形成される。なお、はんだ層８の形成時には、はんだ層８の表面に酸化膜が形成される。本実施形態では、はんだ層８の面内方向の幅が、合金層５の面内方向の幅以上となるように、バンプ２を形成する。

Ｎｉ層７を形成した後、Ｎｉ層７の表面にはんだペーストを配置し、このはんだペーストを熱処理によって溶融させてはんだ層８を形成すると、Ｎｉ層７とはんだ層８との間に合金が形成され、はんだ層８が所望の形状とは異なる形状となるおそれがある。例えば、はんだ層８の表面が凸形状になると、接合時の加圧により合金層５とはんだ層８との位置ずれが生じるおそれがある。また、はんだ層８が所望の厚さよりも薄いと、接合強度が低下するおそれがある。

これに対して、はんだ層８を電解メッキにより形成すると、合金層５と接合されるはんだ層８の表面が平坦になり、かつ、はんだ層８を厚く形成することができる。そのため、合金層５とはんだ層８との位置ずれが生じることが抑制され、また、接合強度の低下を抑制することができる。

図５（ｂ）に示す工程では、合金層５とはんだ層８とをはんだの融点以下の温度、例えば１５０℃で熱圧着する。合金層５を構成するＮｉＳｎ合金は、はんだ層８を構成するはんだよりも硬いため、合金層５は、はんだ層８の表面に形成された酸化膜を破り、はんだ層８を凹形状に変形させる。合金層５とはんだ層８は、含まれている成分の一部が同じであるため、合金層５の成分がはんだ層８に拡散することにより、接合が強固になる。

このとき、はんだ層８の幅があまりに小さいと、接合時の加圧によって合金層５とはんだ層８との位置ずれが生じた場合に、バンプ１がバンプ２に対向した状態が維持されなくなるおそれがある。これに対して、例えばはんだ層８の幅Ｗ２が合金層５の幅Ｗ１以上とされていれば、接合時の加圧によって合金層５とはんだ層８との位置ずれが生じた場合にも、バンプ１がバンプ２に対向した状態が維持されやすい。

このように、本実施形態では、熱圧着の際に合金層５がはんだ層８の表面の酸化膜を破り、はんだ層８の内部に到達する。したがって、フラックスを用いずに、合金層５とはんだ層８との接合不良を抑制することができる。また、これにより、半導体チップ２０と基板３０を備える半導体装置の製造工程を簡略化し、半導体装置の製造コストを低減することができる。また、バンプ１とバンプ２とを大気中で接合することが可能となるため、真空装置が不要となり、半導体装置の製造コストを低減することができる。

また、本実施形態では、はんだの融点よりも低い温度で接合を行うので、接合のための加熱および接合後の冷却にかかる時間が短縮される。これにより、スループットが向上する。

また、バンプ１の表層部に、接合前に合金層５が形成されているため、はんだ層同士を接合する場合に比べて、接合後の合金層の形成が抑制される。したがって、接合後に合金層の形成が進むことによるはんだ接合体１０の電気抵抗の変動が小さくなる。

なお、合金層５の厚さがはんだ層８の厚さ以上となるように合金層５およびはんだ層８を形成することにより、図６に示すように、合金層５がはんだ層８を貫通し、Ｎｉ層７に到達するように熱圧着を行うことが可能となる。

合金層５は、はんだ層８との熱圧着ではほとんど変形しないが、はんだ層８を貫通してはんだ層８よりも硬いＮｉ層７と熱圧着されると、圧力により変形する。具体的には、合金層５の凸形状とされた部分が凹んで、合金層５とＮｉ層７との界面が平坦な形状になる。また、ＮｉＳｎ合金５ａの成長によって合金層５の表面に形成された微細な凹凸が平坦化される。すると、合金層５とＮｉ層７との相互拡散が促進され、図６に示すように、合金層５とＮｉ層７との間にＮｉとＳｎとの合金で構成された合金層９が形成される。これにより、接合強度がさらに向上する。

（他の実施形態）
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

例えば、上記第１実施形態では、Ｃｕ層３、Ｎｉ層４の上にはんだ層５ｂを形成したが、他の金属で構成される層の上にはんだ層５ｂを形成し、他の金属とＳｎとの合金で合金層５を構成してもよい。また、上記第１実施形態では、Ｃｕ層６、Ｎｉ層７の上にはんだ層８を形成したが、他の金属で構成される層の上にはんだ層８を形成してもよい。

また、上記第１実施形態では、合金層５、はんだ層８の上面形状が角丸正方形状とされているが、これらの上面形状を他の形状、例えば円形状としてもよい。また、上記第１実施形態では、バンプ１を形成した後にバンプ２を形成したが、バンプ１を形成する前にバンプ２を形成してもよい。

また、上記第１実施形態では、接合体１０を用いて半導体チップ２０と基板３０とを接合する場合について説明したが、これ以外の部材に本発明を適用してもよい。例えば、接合体１０を用いて半導体チップ同士を接合してもよい。

１ バンプ
２ バンプ
４ Ｎｉ層
５ 合金層
５ｂ はんだ層
８ はんだ層

Claims (13)

1. 金属層（４）、および、前記金属層に積層された合金層（５）を有し、表層部が前記合金層で構成された第１バンプ（１）と、
   はんだで構成されたはんだ層（８）を有し、表層部が前記はんだ層で構成されるとともに、前記はんだ層において前記合金層に接合された第２バンプ（２）と、を備え、
   前記合金層は、前記金属層に含まれる金属とスズを含むはんだとの合金で構成されており、
   前記合金層の厚さは、前記はんだ層の厚さ以上とされており、
   前記合金層は、前記はんだ層を貫通しているはんだ接合体。
2. 前記金属層は、ニッケルで構成されており、
   前記合金層に、ニッケルと、はんだに含まれるスズとの合金が形成されている請求項１に記載のはんだ接合体。
3. 前記合金層および前記はんだ層は、厚さ方向が一致しており、
   前記合金層の厚さ方向に垂直な方向において、前記はんだ層の幅は、前記合金層の幅以上とされている請求項１または２に記載のはんだ接合体。
4. 前記第２バンプは、ニッケルで構成されたニッケル層（７）を有しており、
   前記はんだ層は、前記ニッケル層に積層されており、
   前記合金層は、前記はんだ層を貫通して前記ニッケル層に到達するとともに、前記ニッケル層との界面が平坦な形状とされている請求項１ないし３のいずれか１つに記載のはんだ接合体。
5. 金属層（４）を形成することと、
   前記金属層に、スズを含むはんだで構成された第１はんだ層（５ｂ）を積層することと、
   前記金属層および前記第１はんだ層を熱処理することにより、前記金属層に含まれる金属を前記第１はんだ層に拡散させて、前記金属層に含まれる金属と前記第１はんだ層に含まれるスズとの合金で構成された合金層（５）を形成し、表層部が前記合金層で構成された第１バンプ（１）を形成することと、
   はんだで構成された第２はんだ層（８）を有し、表層部が前記第２はんだ層で構成された第２バンプ（２）を形成することと、
   前記第１バンプを形成すること、および、前記第２バンプを形成することの後、前記合金層と前記第２はんだ層とを熱圧着により接合することと、を備えるはんだ接合体の製造方法。
6. 前記金属層は、ニッケルで構成されており、
   前記第１バンプを形成することでは、前記金属層に含まれるニッケルを前記第１はんだ層に拡散させる請求項５に記載のはんだ接合体の製造方法。
7. 前記第１バンプを形成することでは、はんだが溶融する温度で前記金属層および前記第１はんだ層を熱処理する請求項５または６に記載のはんだ接合体の製造方法。
8. 前記第１はんだ層を形成することでは、前記金属層の厚さの５／２以下の厚さとなるように前記第１はんだ層を形成する請求項５ないし７のいずれか１つに記載のはんだ接合体の製造方法。
9. 前記第２バンプを形成することでは、前記第２はんだ層の面内方向の幅が前記合金層の面内方向の幅以上となるように、前記第２バンプを形成する請求項５ないし８のいずれか１つに記載のはんだ接合体の製造方法。
10. 前記接合することでは、はんだの融点以下の温度で熱圧着を行う請求項５ないし９のいずれか１つに記載のはんだ接合体の製造方法。
11. 前記第１バンプを形成することでは、前記第２はんだ層の厚さ以上の厚さとなるように前記合金層を形成し、
    前記接合することでは、前記合金層が前記第２はんだ層を貫通するように熱圧着を行う請求項５ないし１０のいずれか１つに記載のはんだ接合体の製造方法。
12. 前記第２バンプを形成することでは、ニッケルで構成されたニッケル層（７）の上に前記第２はんだ層を積層し、
    前記接合することでは、前記合金層が前記第２はんだ層を貫通して前記ニッケル層に到達するように熱圧着を行う請求項１１に記載のはんだ接合体の製造方法。
13. 前記第２バンプを形成することでは、電解メッキによって前記第２はんだ層を形成する請求項５ないし１２のいずれか１つに記載のはんだ接合体の製造方法。

Images