(57)【要約】【課題】従来よりも優れた機械的性質と化学的性質を持ち、特に長時間、高温の環境でエージングした後も、優れた硬さと接合強度を維持できる、ウエハレベルパッケージングに好適な鉛フリーのはんだ合金の提供。【解決手段】スズ、銀、銅、ビスマス、ニッケル及びゲルマニウムからなるはんだ合金であって、はんだ合金の総量１００ｗｔ％に対して、前記銀の含有割合が、３ｗｔ％以上５ｗｔ％以下であり、前記銅の含有割合が、０．２ｗｔ％以上０．８ｗｔ％以下であり、前記ビスマスの含有割合が、１ｗｔ％以上７ｗｔ％以下であり、前記ニッケルの含有割合が、０．００５ｗｔ％以上０．０６ｗｔ％以下であり、前記ゲルマニウムの含有割合が、０．００５ｗｔ％以上０．０２ｗｔ％以下であり、残余が前記スズであることを特徴とするはんだ合金。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
スズ、銀、銅、ビスマス、ニッケル及びゲルマニウムからなるはんだ合金であって、
前記はんだ合金の総量１００ｗｔ％に対して、
前記銀の含有割合が、３ｗｔ％以上５ｗｔ％以下であり、
前記銅の含有割合が、０．２ｗｔ％以上０．８ｗｔ％以下であり、
前記ビスマスの含有割合が、１ｗｔ％以上７ｗｔ％以下であり、
前記ニッケルの含有割合が、０．００５ｗｔ％以上０．０６ｗｔ％以下であり、
前記ゲルマニウムの含有割合が、０．００５ｗｔ％以上０．０２ｗｔ％以下であり、
残余が前記スズであることを特徴とするはんだ合金。
【請求項２】
ウエハレベルパッケージに用いられることを特徴とする、請求項１に記載のはんだ合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明ははんだ合金に関し、特にウエハレベルパッケージング用のはんだ合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体部品のパッケージ技術には、接合のために、はんだ合金がよく使用される。従来の半導体部品のパッケージ技術は、ワイヤボンドやアンダーフィルなどの工程を行った後、はんだボールに形成したはんだ合金を用いてパッケージを行う。このようなはんだ合金としては、例えば特許文献１に示されているはんだ合金があり、環境汚染を防止するために、鉛フリーはんだ合金が使用されている。
【０００３】
更に、近年電気製品は、小型化及び軽量化が飛躍的に進んでおり、半導体パッケージ技術についても、小型化及び軽量化が強く要求されてきている。このような背景のもと、ウエハ状態のままでパッケージングまで行うウエハレベルパッケージング（ＷＬＰ）と呼ばれる新しい半導体部品パッケージ技術が開発された。
【０００４】
ウエハレベルパッケージングは、ウエハレベルチップスケールパッケージング（ＷＬＣＳＰ）とも呼ばれており、半導体やマイクロシステムなどに使用される従来型パッケージング技術の一種である。ＩＣパッケージングの全工程はウエハレベル、すなわちシンギュレーション前に実施される。その結果、ダイとほとんど変わらないサイズのデバイスが完成する。
【０００５】
ウエハレベルパッケージングに対応するために、はんだ合金により形成するはんだボールの体積は従来より小さくなっているので、従来のような大きい体積のはんだボールと同じ接合性を維持するために、従来より優れた機械的性質と化学的性質、例えば、硬さや接合強度や抗酸化性などの性質がはんだ合金に要求されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−２８００９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記ウエハレベルパッケージング用のはんだ合金に対する要求に応じて、本発明は従来より優れた機械的性質と化学的性質を持ち、特に長時間、高温の環境でエージングした後も、優れた硬さと接合強度を維持できる、ウエハレベルパッケージングに好適な鉛フリーのはんだ合金の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成すべく、本発明は、スズ、銀、銅、ビスマス、ニッケル及びゲルマニウムからなるはんだ合金であって、前記はんだ合金の総量１００ｗｔ％に対して、前記銀の含有割合が、３ｗｔ％以上５ｗｔ％以下であり、前記銅の含有割合が、０．２ｗｔ％以上０．８ｗｔ％以下であり、前記ビスマスの含有割合が、１ｗｔ％以上７ｗｔ％以下であり、前記ニッケルの含有割合が、０．００５ｗｔ％以上０．０６ｗｔ％以下であり、前記ゲルマニウムの含有割合が、０．００５ｗｔ％以上０．０２ｗｔ％以下であり、残余が前記スズであることを特徴とするはんだ合金を提供する。
【０００９】
上記はんだ合金は、ウエハレベルパッケージに用いられることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
上記の構成によれば、本発明は、優れた接合強度と抗酸化性を持ち、更に、長時間、高温の環境でエージングした後も、優れた硬さと接合強度を維持できる、ウエハレベルパッケージングに好適な鉛フリーのはんだ合金を構成できる。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明のはんだ合金は、スズ、銀、銅、ビスマス、ニッケル及びゲルマニウムからなるものであって、該はんだ合金の総量１００ｗｔ％に対して、銀の含有割合が、３ｗｔ％以上５ｗｔ％以下であり、銅の含有割合が、０．２ｗｔ％以上０．８ｗｔ％以下であり、ビスマスの含有割合が、１ｗｔ％以上７ｗｔ％以下であり、ニッケルの含有割合が、０．００５ｗｔ％以上０．０６ｗｔ％以下であり、ゲルマニウムの含有割合が、０．００５ｗｔ％以上０．０２ｗｔ％以下であり、残余がスズである。
【００１２】
上記構成によれば、本発明のはんだ合金は優れた接合強度を有し、はんだ合金ではんだボールを形成して、ウエハレベルパッケージングにより基板またはＰＣＢパッドにはんだ付けすると、長時間、高温の環境でエージングした後または激しい温度変化の後も、優れた接合強度と硬さを維持でき、はんだ合金と基板またはＰＣＢパッドとの界面の接合強度が低下することによって、破損が生じることを抑止できる。
【００１３】
以下、本発明において、主成分とするスズ以外の構成物について、つまり銀、銅、ビスマス、ニッケル及びゲルマニウムの機能について説明する。
【００１４】
＜銀＞
はんだ合金に銀が含有されると、はんだ合金の接合強度、引張り強度及び硬さが向上する。はんだ合金の接合強度、引張り強度及び硬さを有効に向上するために、はんだ合金の総量１００ｗｔ％に対して、銀の含有割合は３ｗｔ％以上が好ましい。
【００１５】
しかし、銀の含有割合が、はんだ合金の総量１００ｗｔ％に対して、５ｗｔ％を超えると、融点が高くなりすぎて、例えば融点がウエハレベルパッケージングにおける製造温度より高くなるので、ウエハレベルパッケージングには適用できなくなる。
【００１６】
＜銅＞
はんだ合金に銅が含有されると、はんだ合金の融点が下がり、せん断強度及び接合強度が向上する。しかし、銅の含有量が多すぎると、逆にはんだ合金の融点が上がるので、ウエハレベルパッケージングにおける製造温度より高くなって、ウエハレベルパッケージングに適用できない恐れがある。
【００１７】
＜ビスマス＞
はんだ合金にビスマスが含有されると、ビスマスが銀をはんだ合金に均一に分散させるので、粒径が大きい金属間化合物Ａｇ３Ｓｎの形成が抑止され、金属間化合物Ａｇ３Ｓｎによりはんだ合金の強度が低下することを防止できる。そして、ビスマス自身がはんだ合金に均一に分散されるので、はんだ合金のせん断強度、接合強度及び硬さが向上する。更に、長時間、高温の環境でエージングする際に、ビスマスが、銀と銅とにより構成される粒径が大きい金属間化合物の形成を抑止し、該金属間化合物によりはんだ合金にヒビが生じることを低減できる。
【００１８】
しかし、ビスマスの含有量が多すぎると、はんだ合金が脆化され、はんだ合金の延性が低下するので、はんだ合金の硬さと接合強度が低下し、はんだ合金の外力による破損が生じやすくなる。
【００１９】
＜ニッケル＞
基板にはんだ合金を用いてはんだ付けする際に、基板がはんだ付けする時の熱により溶解されて、基板とはんだ合金の界面で金属間化合物が形成される。基板が銅である場合には、長時間、高温の環境でエージングすると、延性が低くて脆い金属間化合物Ｃｕ３Ｓｎが基板とはんだ合金の界面で形成されるので、基板とはんだ合金の界面の接合強度が劣化する。
【００２０】
一方、はんだ合金にニッケルが含有されていると、基板とはんだ合金の界面で、接合強度が優れた金属間化合物Ｃｕ６Ｓｎ５が形成されることになり、金属間化合物Ｃｕ３Ｓｎの形成が抑止され、接合強度が向上する。更に、ニッケルの含有により、はんだ合金自身に含まれているＣｕとＳｎによりＣｕ３Ｓｎが形成されることも抑止することができる。
【００２１】
しかし、はんだ合金にニッケルを高濃度で添加することは困難な上に、ニッケルを均一に分散することが難しい。また、ニッケルの含有量が多すぎると、ニッケルが過飽和で析出されるので、はんだ合金が脆化され、はんだ合金のせん断強度と硬さが低下する。
【００２２】
＜ゲルマニウム＞
はんだ合金にゲルマニウムが含有されると、リフローはんだ付けに用いる時または長時間、高温の環境でエージングする時に、スズに優先してゲルマニウムの薄い酸化膜が形成され、スズなどのはんだ合金の構成物の酸化を抑止できる。有効な抗酸化性を有するために、はんだ合金の総量１００ｗｔ％に対して、含有割合は０．００５ｗｔ％以上が好ましい。
【００２３】
しかし、ゲルマニウムの含有量が多すぎると、例えば、はんだ合金の総量１００ｗｔ％に対して、含有割合が０．０２ｗｔ％を超えると、はんだ合金と基板またはＰＣＢパッドとの界面の接合強度が低下する。
【００２４】
次いで、本発明について、各実施例と各比較例の評価結果を用いて説明する。
【００２５】
＜実施例と比較例＞
実施例１〜３及び比較例１〜２は、スズと銀の含有割合をそれぞれ異なるようにした以外、他の構成物の含有割合をすべて同じにしたものである。
【００２６】
実施例４〜６及び比較例３〜４は、スズと銅の含有割合をそれぞれ異なるようにした以外、他の構成物の含有割合をすべて同じにしたものである。
【００２７】
実施例７〜９及び比較例５〜６は、スズとビスマスの含有割合をそれぞれ異なるようにした以外、他の構成物の含有割合をすべて同じにしたものである。
【００２８】
実施例１０〜１１及び比較例７〜８は、スズとゲルマニウムの含有割合をそれぞれ異なるようにした以外、他の構成物の含有割合をすべて同じにしたものである。
【００２９】
実施例１２〜１３及び比較例９〜１０は、スズとニッケルの含有割合をそれぞれ異なるようにした以外、他の構成物の含有割合をすべて同じにしたものである。
【００３０】
＜評価方式＞
●  はんだ合金の硬さの測定
はんだ合金の硬さは、マイクロビッカース硬度測定機を用いて、試験荷重５０ｇで、ビッカースピラミッドダイヤモンド圧子（Ｖｉｃｋｅｒｓ  Ｐｙｒａｍｉｄ  Ｄｉａｍｏｎｄ  Ｉｎｄｅｎｔｅｒ）を各実施例及び各比較例の表面に、荷重保持時間１５秒間押し込み、荷重を除いた後に残った凹みの広さから算出した微小硬さ（Ｈｖ）である。得られた微小硬さの値を次のようにランクをつけて評価した。
○：微小硬さ＞２０Ｈｖ
△：１５Ｈｖ＜微小硬さ≦２０Ｈｖ
×：微小硬さ≦１５Ｈｖ
【００３１】
●  エージング後のはんだ合金の硬さの測定
エージング後のはんだ合金の硬さは、はんだ合金を１５０℃の環境で７日間エージングした後、上記はんだ合金の硬さの測定と同じ測定方法で得られた微小硬さ（Ｈｖ）である。得られた微小硬さの値を次のようにランクをつけて評価した。
○：微小硬さ＞１６Ｈｖ
△：１１Ｈｖ＜微小硬さ≦１６Ｈｖ
×：微小硬さ≦１１Ｈｖ
【００３２】
●  抗酸化性の判定
抗酸化性は、はんだ合金を、空気が流通すると共に温度を２００℃に設定したオーブン内に、３０分間放置した後、はんだ合金の表面光沢の変化によって判定する。はんだ合金の抗酸化性を次のようにランクをつけて評価した。
○：はんだ合金の表面に金属光沢が保持されている。
△：はんだ合金の表面の色は淡い黄色である。
×：はんだ合金の表面の色は黄色や青色や紫色またはこれらに近い色である。
【００３３】
●  接合強度の測定
接合強度は、ゾーンせん断試験（Ｚｏｎｅ  Ｓｈｅａｒ  Ｔｅｓｔ）という接合強度試験により得られた脆性破壊率である。該接合強度試験は、はんだ合金を銅プレートにリフローはんだ付けした後、ハイスピードボンドテスターを用いて、はんだ合金と銅プレートの接合界面を破壊し、破壊された接合界面の脆性破壊の程度を分析することにより、脆性破壊率を得た。接合強度を次のようにランクをつけて評価した。
○：脆性破壊率＜１０％
△：１０％≦脆性破壊率＜１５％
×：脆性破壊率≧１５％
【００３４】
＜評価結果＞
表１には、それぞれの銀の含有割合が異なる実施例１〜３及び比較例１〜２のはんだ合金の硬さの評価が示されている。
【表１】
2014217888.tif 000002
【００３５】
表１によれば、銀の含有割合が３ｗｔ％〜５ｗｔ％の範囲内の実施例１〜３は、優れた強度を持っている。そして、銀を含有していない比較例１の硬さは明らかに実施例１〜３より低下しており、例えばウエハレベルパッケージングに適用することは困難である。更に、銀の含有割合が６ｗｔ％の比較例２の融点は、ウエハレベルパッケージングにおける製造温度より高いので、ウエハレベルパッケージングに適用できない。従って、銀の含有割合は、はんだ合金の総量１００ｗｔ％に対して、３ｗｔ％以上、５ｗｔ％以下が好ましい。
【００３６】
表２には、それぞれの銅の含有割合が異なる実施例４〜６及び比較例３〜４のはんだ合金の硬さの評価が示されている。
【表２】
2014217888.tif 000003
【００３７】
表２によれば、銅の含有割合が０．２ｗｔ％〜０．８ｗｔ％の範囲内の実施例４〜６は、優れた硬さを持っている。そして、銅を含有していない比較例３の硬さは明らかに実施例４〜６より低下して、例えばウエハレベルパッケージングに適用することは困難である。更に、銅の含有割合が１．０ｗｔ％の比較例４の融点は、ウエハレベルパッケージングにおける製造温度より高いので、ウエハレベルパッケージングに適用できない。従って、銅の含有割合は、はんだ合金の総量１００ｗｔ％に対して、０．２ｗｔ％以上、０．８ｗｔ％以下が好ましい。
【００３８】
表３には、それぞれのビスマスの含有割合が異なる実施例７〜９及び比較例５〜６のエージング後のはんだ合金の硬さの評価が示されている。
【表３】
2014217888.tif 000004
【００３９】
表３によれば、ビスマスの含有割合が１ｗｔ％〜７ｗｔ％の範囲内の実施例７〜９は、１５０℃の環境で７日間エージングした後も、適度に含有されるビスマスによって、銀と銅とにより構成される粒径が大きい金属間化合物の形成が抑止され、該金属間化合物によりはんだ合金にヒビが生じることが低減されて、優れた硬さを保っている。
【００４０】
ビスマスを含有していない比較例５は、１５０℃の環境で７日間エージングした後、はんだ合金の硬さが大幅に低下して、例えばウエハレベルパッケージングに適用できなくなる。そして、ビスマスの含有割合が９．０ｗｔ％の比較例６は、ビスマスの含有割合が多すぎるので、はんだ合金の硬さが低下し、エージング後のはんだ合金の強度が不足して、例えばウエハレベルパッケージングに適用できなくなる。従って、ビスマスの含有割合は、はんだ合金の総量１００ｗｔ％に対して、１ｗｔ％以上、７ｗｔ％以下が好ましい。
【００４１】
表４には、それぞれのゲルマニウムの含有割合が異なる実施例１０〜１１及び比較例７〜８のはんだ合金の硬さ、抗酸化性及び接合強度の評価が示されている。
【表４】
2014217888.tif 000005
【００４２】
表４によれば、ゲルマニウムの含有割合が０．００５ｗｔ％〜０．０２ｗｔ％の範囲内の実施例１０〜１１は、ゲルマニウムを適度に含有しているので、はんだ合金が優れた抗酸化性を持つことにより、はんだ合金が酸化されずに硬さを維持でき、更に、高温ではんだ付けした後も、はんだ合金が酸化されずに優れた接合強度を持っている。
【００４３】
ゲルマニウムを含有していない比較例７は、抗酸化性が非常に低いので、はんだ合金が酸化されて、硬さと接合強度が低下し、例えばウエハレベルパッケージングに適用することは困難である。ゲルマニウムの含有割合が０．０３０ｗｔ％の比較例８は、優れた抗酸化性を持っているが、ゲルマニウムの含有量が多すぎるため、硬さと接合強度が大幅に低下し、例えばウエハレベルパッケージングに適用できない。従って、ゲルマニウムの含有割合は、はんだ合金の総量１００ｗｔ％に対して、０．００５ｗｔ％以上、０．０２ｗｔ％以下が好ましい。
【００４４】
表５には、それぞれのニッケルの含有割合が異なる実施例１２〜１３及び比較例９〜１０の接合強度の評価が示されている。
【表５】
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【００４５】
表５によれば、ニッケルの含有割合が０．００５ｗｔ％〜０．０６ｗｔ％の範囲内の実施例１２〜１３は、ニッケルを適度に含有しているので、銅プレートにはんだ付けしても、延性が低くて脆い金属間化合物Ｃｕ３Ｓｎの形成が抑止され、更に、接合強度が優れた金属間化合物Ｃｕ６Ｓｎ５が形成されて、優れた接合強度を持っている。
【００４６】
ニッケルを含有していない比較例９は、銅プレートにはんだ付けすると、延性が低くて脆い金属間化合物Ｃｕ３Ｓｎが基板とはんだ合金の界面で形成され、基板とはんだ合金の界面の接合強度が低下する。ニッケルの含有割合が９．０ｗｔ％の比較例１０は、ニッケルの含有量が高すぎるため、ニッケルがはんだ合金中で均一に分散されない上に、ニッケルが過飽和で析出されてはんだ合金が脆化されるので、接合強度が低下し、ウエハレベルパッケージングに適用できない。従って、ニッケルの含有割合は、はんだ合金の総量１００ｗｔ％に対して、０．００５ｗｔ％以上、０．０６ｗｔ％以下が好ましい。
【００４７】
上記の評価結果によれば、本発明は、はんだ合金に上記各構成物を好ましい含有割合で含有するので、優れた接合強度と硬さを有する上に、長時間、高温の環境でエージングした後または激しい温度変化の後も、優れた接合強度と硬さを維持でき、はんだ合金の接合強度と硬さが金属間化合物の形成や酸化により低下することを抑止できるので、従来のはんだ合金よりウエハレベルパッケージに適する。更に、鉛を含有していないので、環境の汚染が防止できる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明のはんだ合金は、一般のはんだ付けに適用でき、特にウエハレベルパッケージに用いるのに好適である。