(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
錫を１．０〜１０質量％、銀を１．３〜３．５質量％含有し、残部が鉛及び不可避不純物からなる合金ロウ材であって、該合金ロウ材中の錫と銀の金属間化合物粒子の９７％以上が長径の直径が２５μｍ未満であることを特徴とするダイボンディング用合金ロウ材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子を基板にダイボンディングするために用いられる合金ロウ材であって、特に半導体素子と基板との熱膨張係数差が大きいときに、半導体素子の断続動作に伴う発熱により発生する応力を緩和する機能が求められる合金ロウ材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
トランジスタやＩＣに代表される半導体装置の組み立て工程においては、裏面に金や銀などの薄膜が形成されたシリコンなどの半導体素子が基板上にダイボンディングされる。半導体素子がダイボンディングされる基板としては、例えば、銅又は銅にニッケルめっきが施された基板、若しくは銅にニッケルめっきを施した上に更に銀めっきが施された基板などがある。
【０００３】
通常のダイボンディング工程では、図１に示すように、非酸化性雰囲気中で加熱された基板１の表面上で一定量の合金ロウ材２を溶融し、この溶融した合金ロウ材２上にコレット４で保持した半導体素子３を搭載する（図１（ａ）参照）。その際、半導体素子３は溶融した合金ロウ材２中に埋没する程度まで一旦押し付けられ（図１（ｂ）参照）、次にコレット４を上昇させると溶融した合金ロウ材２の表面張力により半導体素子３が浮かび上がり、基板１との間に２０〜５０μｍ程度の厚さの合金ロウ材２が存在する状態となる（図１（ｃ）参照）。その後、冷却工程を経てダイボンディングが完了する。
【０００４】
かかるダイボンディンに用いる合金ロウ材として、鉛（Ｐｂ）を主成分とし、錫（Ｓｎ）と銀（Ａｇ）を含有する合金ロウ材がある。この合金ロウ材の製造方法は、鉛、錫、銀を所定の合金組成となるように配合し、黒鉛坩堝に入れて高周波誘導溶解炉などにより大気中で加熱溶融し、鋳型に鋳込んで空冷凝固させる。その後、得られた鋳塊を押出加工その他により、ワイヤ形状又はテープ形状の合金ロウ材に加工している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、半導体素子と基板との熱膨張係数の差が大きい場合には、半導体素子の断続的動作に伴って応力が発生する。ダイボンディングによって基板と半導体素子の間に形成される合金ロウ材層は、その柔軟な機械的特性を利用して、応力を緩和するという重要な役割を担っている。
【０００６】
しかしながら、鉛を主成分とし、錫と銀を含有した合金ロウ材の場合、図２に示すように、半導体素子３の外周から合金ロウ材２が外側にはみ出して、半導体素子３と基板１との間に合金ロウ材２がほとんど存在しない状態で、即ち半導体素子３があたかも基板１に直接接合しているようにダイボンディングされることがあった。
【０００７】
この図２のような状態で半導体素子がダイボンディングされると、合金ロウ材層によって半導体素子と基板との間の応力を緩和することができなくなるため、組み立てられた半導体装置の信頼性が損なわれる。また、この状態で過大な応力が作用すると、シリコンなどの脆い材質からなる半導体素子が割れてしまい、半導体装置が動作しなくなる場合もあった。
【０００８】
本発明は、このような従来の事情に鑑み、鉛を主成分とし、錫と銀を含有する合金ロウ材について、ダイボンディングの際に半導体素子と基板との間に所望の厚さの合金ロウ材層を確実に形成させ、合金ロウ材層による応力緩和機能を充分に発揮できる合金ロウ材を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明が提供するダイボンディング用合金ロウ材は、錫を１．０〜１０質量％、銀を１．３〜３．５質量％含有し、残部が鉛及び不可避不純物からなる合金ロウ材であって、該合金ロウ材中の錫と銀の金属間化合物粒子の９７％以上が長径の直径が２５μｍ未満であることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、従来問題となっていた半導体素子が基板との間に合金ロウ材がほとんど存在しない図２の状態で接合される現象について研究を重ね、完全溶融状態から冷却固化する過程で合金ロウ材中に初晶として晶出する錫と銀の金属間化合物が、その発生のメカニズムに大きく係わっていることを見いだした。
【００１１】
即ち、一般的な合金ロウ材の製造方法では、原料の鉛、錫、銀などを規定量配合して坩堝内で加熱溶融し、その溶湯を鋳型に流し込んで冷却固化させて鋳塊を得た後、押出加工や線引加工によってワイヤ状に成形したり、又は圧延加工やスリッティング加工を経てテープ状に成形したりして、ダイボンディングに供する合金ロウ材としている。
【００１２】
このような合金ロウ材の製造過程において、合金ロウ材が完全溶融状態から冷却固化する際に、初晶として錫と銀の金属間化合物が析出する。例えば、錫濃度が１．０質量％のときは約１．７質量％以上の銀濃度で、錫濃度が２．０質量％のときは約１．４質量％以上の銀濃度で、錫濃度が３．０質量％のときは約１．３質量％以上の銀濃度で、錫濃度が５．０質量％のときは約１．４質量％以上の銀濃度で、錫濃度が１０．０質量％のときは約１．５質量％以上の銀濃度で、それぞれ錫と銀の金属間化合物が析出する。
【００１３】
このようにして製造された合金ロウ材の固体状態での合金組織は、鉛に錫が固溶した鉛リッチ相中に、錫と銀とからなる金属間化合物の粒子が分散した状態になっている。
【００１４】
一方、図１に示す通常のダイボンディング作業では、温度的及び時間的な制約がある。即ち、基板１を加熱するためのヒーターブロックの温度が３６０℃程度で用いられる場合が多い。また、基板１上に合金ロウ材２を供給してから半導体素子３が搭載されるまでの時間は５秒から、長くても１０秒程度である。
【００１５】
かかるダイボンディング工程においては、合金ロウ材が固体状態から加熱されて溶融する際に、合金ロウ材の濃度が、例えば鉛を主体として錫濃度が５．０質量％及び銀濃度が２．５質量％である場合には、合金ロウ材の温度が３００℃から３１０℃に達した時点において、外観上は合金ロウ材が完全に溶融したかのように見える。
【００１６】
しかし、この時点では、実際には合金ロウ材の大部分を構成する母体部分、即ち鉛に錫が固溶した鉛リッチ相が溶融しただけであって、その中に分散している錫と銀の金属間化合物は未だ固体粒子状のまま存在していることが分った。
【００１７】
そして、更に合金ロウ材の温度が上昇していくと、金属間化合物粒子は溶融している母体中に徐々に拡散溶融して小さくなり、最終的には消失して完全に合金ロウ材が液化する。上記合金組成の場合には、約３６０℃において、金属間化合物粒子を含めて合金ロウ材が完全に液化する。
【００１８】
このようなダイボンディング過程の詳細な検討によって、温度的及び時間的な制約があるダイボンディング時には、外観上は合金ロウ材が完全に溶融しているように見える場合であっても、実際には錫と銀の金属間化合物粒子が合金ロウ材母体中に拡散溶融しきれないままダイボンディングされることがあり、その場合には図２に示すように、半導体素子３が基板１との間に合金ロウ材２がほとんど存在しない状態で接合される現象が発生しやすいことが判明した。
【００１９】
図２に示す現象が発生するメカニズムは、下記のように考えられる。即ち、基板上で溶融した合金ロウ材に半導体素子を搭載する際に、半導体素子の裏面に成膜された金や銀、あるいは基板の銅やニッケルや銀などの成分は、錫と非常に合金化しやすい元素であるため、既に溶融している鉛リッチ相中の錫と反応して拡散していく。これらの成分が拡散したロウ材部分は固化しようとするが、このとき金属間化合物粒子が存在すると核となって固化が促進され、所定の時間に達する前に合金ロウ材が固化してしまう。その結果、溶融している合金ロウ材が半導体素子の外側に押し出され、図２のように、半導体素子３が基板１との間に合金ロウ材２がほとんど存在しない状態で接合されるのである。
【００２０】
または、完全に液化せずに残存している金属間化合物粒子そのものが、半導体素子の裏面に設けた薄膜中の金や銀、及び基板の銅やニッケルや銀に対して直接的にバインダーの役目を果たし、上記図２の状態での固着を引き起こす可能性も考えられる。
【００２１】
そこで、本発明では、合金ロウ材中に含まれる錫と銀の金属間化合物粒子をより一層微細化し、全金属間化合物粒子中に長径の直径が２５μｍ未満の微細な金属間化合物粒子が占める割合を９７％以上としたものである。このように金属間化合物粒子を微細化することにより、温度的及び時間的な制約があるダイボンディング工程においても、基板上で合金ロウ材が加熱されている５〜１０秒の間にほぼ全ての金属間化合物粒子が拡散溶融され、合金ロウ材全体を均一な液体とすることができる。
【００２２】
従って、半導体素子裏面に設けた薄膜の金や銀、あるいは基板の銅やニッケルや銀の成分が溶融した合金ロウ材中に拡散して固化しようとしても、固化を促す核となる金属間化合物粒子が存在しないため固化が遅れ、その間に半導体素子を保持していたコレットによる押し付け力が開放され、半導体素子は溶融した合金ロウ材の表面張力によって合金ロウ材表面に浮かび上がることができる。その結果、図３に示すように、基板１と半導体素子３との間に応力緩和機能を充分に発揮できる厚さの合金ロウ材２を確実に形成させることができ、良好なダイボンディングが完成する。
【００２３】
本発明において、金属間化合物粒子の９７％以上が長径の直径が２５μｍ未満である合金ロウ材は、主成分である鉛と錫及び銀などの原料を規定量配合し、坩堝内で加熱溶融した後、鋳造する際に溶湯をできるだけ早く冷却固化することによって製造することができる。このように溶湯が冷却固化するまでの時間をできるだけ短くすることにより、初晶として晶出した金属間化合物の粒子が粗大化する前に全体が固化するため、微細な金属間化合物を多く含む本発明の合金ロウ材が得られるのである。
【００２４】
具体的には、例えば温度５００℃以上の溶湯を鋳造する際に、内径が３０ｍｍ以下で肉厚が１０ｍｍ程度の円筒状の黒鉛製鋳型を使用し、この鋳型の外側に熱伝導性の良い材料、例えば銅からなる冷やし金を密着させるか、望ましくは中空構造として冷却水を通水した冷やし金を密着させ、この鋳型に溶湯を流し込んで速やかに冷却固化させれば良い。このような方法によって、ほとんどの金属間化合物粒子の長径が２５μｍ未満である合金ロウ材の鋳塊を、確実に安定して作製することができる。
【００２５】
また、生産性を考慮して連続鋳造法を用いる場合には、連続鋳造してできる鋳塊の断面積が小さくなる形状とすることが好ましい。例えば、内径が３０ｍｍ以下のダイスを用い、且つ溶湯を短時間で冷却固化させるために、ダイスを水冷ジャケットで覆って冷却することが望ましい。
【００２６】
このようにして得られた鋳塊を、通常のごとく押出加工や圧延又はスリッティング加工などにより、所望の形状の合金ロウ材に加工する。尚、これらの加工工程においては、鋳塊を溶融したり極端に過熱したりする必要がないので、鋳塊作製時に生成した微細な金属間化合物粒子が粗大化することはなく、鋳造時の大きさが維持される。
【００２７】
本発明の合金ロウ材の組成において、錫濃度を１〜１０質量％の範囲内としたのは、１質量％未満では充分なダイボンディング強度を確保することが困難であり、また１０質量％を超えると合金の溶融開始温度が低くなり過ぎるため、半導体素子のダイボンディング用として不適切となるからである。
【００２８】
また、銀濃度については、１．３〜３．５質量％の範囲とする。銀濃度が３．５質量％を超えると、合金ロウ材中に生成する錫と銀の金属間化合物が完全に溶融する温度が非常に高くなるため、合金ロウ材の中に予め存在する金属間化合物粒子の殆どを長径２５μｍ以下に微細化したとしても、通常のダイボンディング工程において金属間化合物粒子を完全に溶融させることが困難になり、図３に示す良好なダイボンディング状態が得られなくなるからである。
【００２９】
尚、銀濃度が１．３質量％未満で且つ錫濃度が１〜１０質量％の場合には、合金ロウ材を加熱溶融する際に、母体である鉛リッチ相よりも錫と銀の金属間化合物の方が先に溶融する合金ロウ材になるため、仮に粗大な金属間化合物が存在しても問題を発生させることがない。また、上記の合金組成範囲内であっても、錫濃度と銀濃度の組み合わせによっては、鉛リッチ相よりも金属間化合物の方が先に溶融する合金組成があり得るが、そのような合金ロウ材は本発明の範囲に含まれない。
【００３０】
本発明の合金ロウ材を用いることにより、非酸化性雰囲気中にて基板温度約３６０℃でダイボンディングする一般的な条件の下で、合金ロウ材が溶融を開始してから半導体素子を搭載するまでの５〜１０秒の間に、合金ロウ材中の錫と銀の金属間化合物粒子が完全に溶解されるため、ダイボンディング完了時には基板と半導体素子の間に応力を緩和するに足る十分な厚さの合金ロウ材層が安定して形成される。
【００３１】
【実施例】
主成分であるＰｂと、Ｓｎ及びＡｇを下記表１の試料１〜１２に示した各合金組成に配合し、それぞれ黒鉛坩堝に入れて高周波誘導溶解炉にて大気中で加熱溶解した。この溶湯を内径２５ｍｍで肉厚１０ｍｍの円筒形状で且つ外側を水冷した黒鉛鋳型に、鋳造温度５５０℃で流し込んで鋳造した。
【００３２】
得られた各鋳塊は、押出加工して直径０．５ｍｍのワイヤ形状とし、それぞれの合金ロウ材ワイヤから１ｍの長さを切り取って樹脂に埋め込み、断面研磨を行った。これを常温の硝酸水溶液（硝酸濃度２０％）に５秒間浸漬してエッチングすることにより、断面の合金組織観察を行うための試片とした。
【００３３】
この試片は、合金ロウ材の母体である鉛リッチ相は腐食して黒く見える一方、錫と銀の金属間化合物粒子は白く光って見えるため、光学顕微鏡観察によって金属間化合物粒子の大きさや分布状態を容易に判別することができる。即ち、各試片を２００倍の光学顕微鏡で観察し、視野中の全金属間化合物粒子の数を計数すると共に、その中で長径の直径が２５μｍ未満の微細粒子の数を計数することによって、長径２５μｍ未満の微細な金属間化合物の数量的割合を算出し、その結果を下記表１に示した。
【００３４】
次に、上記試料１〜１２の各合金ロウ材を用いて、ニッケル下地で表面に金の蒸着膜が形成された５ｍｍ角のシリコン半導体素子を、無酸素銅製の基板上にダイボンディングした。即ち、窒素雰囲気中にて３６０℃のヒーターブロック上に載置した基板上に、各合金ロウ材ワイヤを１０ｍｍ供給して溶解させ、５秒後にコレットで半導体素子を基板上に一旦押し付け、その後直ちにコレットを引き離し、冷却して合金ロウ材を固化させた。
【００３５】
各試料の合金ロウ材ごとにダイボンディング試料を１００点ずつ作製し、図２に示すように、半導体素子３の外周から合金ロウ材２が外側にはみ出して、半導体素子３と基板１との間に合金ロウ材２がほとんど存在しない状態でダイボンディングされた試料の個数を数えた。その結果、図２のような不良なダイボンディング状態は全く発生しなかった。
【００３６】
比較例として、Ｐｂ、Ｓｎ、Ａｇを下記表１の試料１３〜２０に示した合金組成に配合し、それぞれ黒鉛坩堝に入れて高周波誘導溶解炉にて大気中で加熱溶解した。この溶湯を従来使用されている内径８０ｍｍの円筒形状の黒鉛鋳型に、鋳造温度５５０℃で流し込み、空冷により自然冷却させて鋳造した。
【００３７】
得られた鋳塊を、上記実施例と同様に押出加工して、直径０．５ｍｍのワイヤ形状の合金ロウ材とした。次に、各試料の合金ロウ材ワイヤについて、上記実施例と同様にして、金属間化合物粒子の大きさを測定した後、ダイボンディング試験を行った。それらの評価結果を、下記表１に併せて示した。
【００３８】
【表１】
0003565215.tif 000002
【００３９】
この結果から分るように、長径の直径が２５μｍ未満の金属間化合物が９７％以上を占める本発明の試料１〜１２の各合金ロウ材では、図２に示すような不良のダイボンディングは全く発生せず、全ての試料で図３に示す良好なダイボンディングが得られた。しかし、比較例である試料１３〜２０のように、長径の直径が２５μｍ以上の金属間化合物粒子が９７％よりも多くなると、図２のような不良なダイボンディング状態が数％の割合で発生した。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体素子と基板との間に合金ロウ材層が殆ど存在せず、あたかも半導体素子が基板に直接固着したような状態でのダイボンディングを完全に無くすことができる。従って、半導体素子と基板の間で適切な厚さの合金ロウ材が良好な応力緩和機能を発揮することができ、半導体装置の信頼性が向上すると共に、半導体素子が応力に耐えられず破損するという致命的な問題を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的なダイボンディング工程を示す概略の側面図である。
【図２】不良なダイボンディング状態を示す概略の側面図である。
【図３】良好なダイボンディング状態を示す概略の側面図である。
【符号の説明】
１      基板
２      合金ロウ材
３      半導体素子
４      コレット
【図１】
0003565215.tif 000003
【図２】
0003565215.tif 000004
【図３】
0003565215.tif 000005