(57)【要約】【課題】  パワートランジスタ用素子のダイボンディングなど各種半導体素子のはんだ接合に用いられる高温用のＰｂ系はんだ合金において、加工性、応力緩和性、接合性及び信頼性等の性質を実質的に変化させず濡れ性のみを制御する方法を提供する。【解決手段】  Ｓｎを好適には１.０質量％以上１０.０質量％以下含有し、Ａｇを好適には１.３質量％以上５.０質量％以下含有し、残部がＰｂ及び不可避不純物から成るＰｂ系はんだ合金において、０.００５質量％以下の範囲内でＰの含有量を調整することによって当該はんだ合金の濡れ性を制御する。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｎ及びＡｇを含有するＰｂ系はんだ合金において、０.００５質量％以下の範囲内でＰの含有量を調整することによって当該はんだ合金の濡れ性を制御することを特徴とする濡れ性の制御方法。
【請求項２】
Ｓｎを１.０質量％以上１０.０質量％以下含有し、Ａｇを１.３質量％以上５.０質量％以下含有し、請求項１の制御方法に従ってＰを０.００５質量％以下の範囲内の含有量で含有し、残部がＰｂ及び不可避不純物から成ることを特徴とするＰｂ系はんだ合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板と半導体素子等の接合用に使用されるＰｂを主成分とするはんだ合金に関し、更に詳しくは、加工性、応力緩和性、信頼性等に優れ、とくに濡れ性を制御することにより優れた接合性が得られるＰｂ系はんだ合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
トランジスタやＩＣに代表される半導体装置の組立工程においては、裏面にＡｕやＡｇなどの薄膜が形成されたシリコンなどからなる半導体素子（チップ）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、Ｃｕ基板、ＣｕにＮｉめっきが施された基板、又はＣｕにＮｉめっきを施した上に更にＡｇめっきが施された基板などが一般的に使用される。
【０００３】
通常のダイボンディング工程では、非酸化性雰囲気中で加熱された基板の表面上で一定量のはんだ合金を溶融し、この溶融したはんだ合金上にコレットで保持した半導体素子を搭載する。半導体素子ははんだ合金の表面張力により浮かび上がり、基板との間に数十μｍ程度の厚さのはんだ合金が介在する状態となる。その後、冷却工程を経てダイボンディングが完了する。これにより、図１に示すようなはんだ合金２を介して半導体素子１と基板３とが良好に接合された半導体装置が得られる。
【０００４】
かかるダイボンディングに用いるはんだ合金として、Ｐｂを主成分とし、Ｓｎ及びＡｇを含有するはんだ合金、あるいはＳｎを主成分としたＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだが使われている。例えば、特許文献１には、Ｓｎを主成分とし、Ａｇを１.０〜４.０質量％、Ｃｕを２.０質量％以下、Ｎｉを０.５質量％以下、Ｐを０.２質量％以下含有するはんだ合金が記載されている。
【０００５】
また、特許文献２には、Ａｇを０.５〜３.５質量％、Ｃｕを０.５〜２.０質量％含有し、残部がＳｎからなるはんだ合金が記載されている。さらに、特許文献３には、Ｉｎ、Ｇａの少なくとも１種を合計０.０１〜１０％、Ｓｂ、Ｂｉの少なくとも１種を合計０.０１〜８％、Ａｇ、Ａｕの少なくとも１種を合計０.０１〜１０％、Ｐｂを１０〜９５％含有し、残部がＳｎからなるはんだ合金が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開１９９９−０７７３６６号公報
【特許文献２】特開平８−２１５８８０号公報
【特許文献３】特開平１１−５１８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
はんだ合金を介してダイボンディングされた半導体素子と基板とは、熱膨張係数に差があるため、半導体素子の断続動作や使用環境の変化に伴って応力が発生する。はんだ合金は、その柔軟な機械的特性を利用して、発生した応力を緩和する役割を担っている。はんだ合金は、また、半導体素子で発生する熱を速やかに基板側に伝えて放熱するという重要な役割も担っており、良好に放熱できなければ半導体素子が過熱状態になって破損に至るおそれがある。
【０００８】
さらに、基板上においてはんだの濡れ性が悪いと、接合部のはんだ層内に気泡が生じたり、接合部に変形部が生じたりするなどして伝熱が局所的にばらつき、放熱性が悪化する。一方、濡れ性が良すぎると、はんだが濡れ広がり過ぎて、半導体素子と基板の間に介在するはんだの厚さが不足し、十分な応力緩和性を発揮できない。したがってはんだ合金には、組立時の要求仕様に適合した、良すぎず悪すぎない適度な濡れ性が求められる。
【０００９】
かかるはんだ合金の濡れ性を向上させる方法としては、Ａｇの含有量を増加させるという方法がある。すなわち、Ａｇの含有量を増減させることによりはんだ合金の濡れ性を制御することが可能になる。しかしながら、はんだ合金中のＡｇはＡｇ−Ｓｎ金属間化合物を形成し、この金属間化合物ははんだの機械的強度向上に貢献しているため、Ａｇの含有量を増減させることはこの機械的強度をも変動させることとなり、はんだの信頼性を大きく変化させてしまう。
【００１０】
また、Ａｇの含有量を増加させると上記Ａｇ−Ｓｎ金属間化合物をより多く形成することになり、当該Ａｇ−Ｓｎ金属間化合物は融点が高いので、はんだ合金が完全に液体となる温度が上昇し、加工性・信頼性を損ねる。このように、Ａｇ含有量の調整による濡れ性の制御には制約が多く、種々の組立て仕様に適合させるには不都合であった。つまり、はんだに要求される諸特性を変えることなく、濡れ性だけを制御することは実質的に不可能であった。
【００１１】
また、特許文献３ではＰｂ系はんだ合金の濡れ性を向上させるため、濡れ性を向上させる金属と濡れ性を低下させる金属の含有率を制御する方法が記載されている。しかし、この方法は上記Ａｇ含有量の調整と同様、はんだ合金の融点を高めるので信頼性に欠ける。つまり、特許文献３に記載のはんだ合金も、はんだに要求される諸特性を変えることなく濡れ性だけを制御することは実質的に不可能であった。
【００１２】
本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、基板と半導体素子等の接合用に使用されるＰｂ系はんだ合金において、他の性質を実質的に変化させずに濡れ性のみを制御する方法、及び、その方法によって濡れ性が制御された、幅広い組立て要求仕様に応えることのできる優れたＰｂ系はんだ合金を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明が提供するはんだ合金の濡れ性の制御方法は、Ｓｎ及びＡｇを含有するＰｂ系はんだ合金において、０.００５質量％以下の範囲内でＰの含有量を調整することによって当該はんだ合金の濡れ性を制御することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、Ｐの含有量をはんだ合金全体の０.００５質量％以下の範囲内でＰｂの一部をＰで置換することで、当該はんだ合金の種々の性質を実質的に変化させること無く濡れ性のみを制御することができる。また、この制御方法で作製されたはんだ合金は、幅広い組立て要求仕様に応えることができる。特に、パワートランジスタ用素子のダイボンディングなど各種半導体素子の組立に用いられる高温用のＰｂ系はんだ合金において、加工性、応力緩和性、接合性及び信頼性等の幅広い組立て要求仕様に適合させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】はんだ合金を介して半導体素子が基板に良好にボンディングされている様子を示す縦断面図である。
【図２】はんだ合金の濡れ性の評価基準となる「アスペクト比」の算出方法を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明によるはんだ合金の濡れ性の制御方法が対象とするはんだ合金は、Ｓｎ、Ａｇ、及びＰを含有し、残部がＰｂ及び不可避不純物からなるＰｂ系はんだ合金である。主成分であるＰｂに、接合強度の向上と融点制御を目的としてＳｎを添加し、濡れ性向上及び機械的強度向上を目的としてＡｇを添加したはんだ合金は知られている。
【００１７】
しかし、これらＰｂ、Ｓｎ、及びＡｇの３種の元素のみでは濡れ性を良好に制御するのは限界があった。そこで、本発明においては、更にＰを微量添加することにし、その添加量を調整することにより濡れ性の制御性を格段に向上させている。かかる本発明のはんだ合金の濡れ性の制御方法が対象とするＰｂ系はんだ合金に添加される各元素について、以下に詳細に説明する。
【００１８】
＜Ｓｎ＞
Ｓｎは本発明の濡れ性の制御方法が対象とするはんだ合金において、主成分であるＰｂに添加される必須元素のひとつである。Ｓｎは他の金属と金属間化合物を形成しやすいため、はんだ合金に添加することで、チップ裏面のＡｕやＮｉ、基板の表面のＣｕ、Ａｇ、Ｎｉと金属間化合物を形成し、接合強度を向上させるという効果が得られる。加えて、ＳｎはＰｂよりも酸化されやすい元素であることから、はんだ合金の主成分であるＰｂよりも優先的に酸化される。すなわち、ＳｎがＰｂよりも先に酸化されて薄い酸化物層を形成し、その結果、はんだ合金の主成分であるＰｂの酸化を防ぎ、濡れ性を向上させるという優れた効果が得られる。
【００１９】
本発明では、Ｐｂ系はんだ合金中のＳｎ含有量を、１.０質量％以上１０.０質量％以下の範囲内にするのが好ましい。その理由は、Ｓｎ含有量が１.０質量％未満ではＳｎ含有量が少なすぎて充分なダイボンディング強度を確保することが困難になるからである。一方、Ｓｎ含有量が１０.０質量％を超えるとはんだ合金の融点が下がり、その結果、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になるからである。
【００２０】
＜Ａｇ＞
Ａｇは本発明の濡れ性の制御方法が対象とするはんだ合金において、濡れ性と機械的強度を向上させる目的で添加される必須元素である。Ａｇを添加することによりはんだ合金の濡れ性が向上し、加えて、ＡｇとＳｎの金属間化合物がはんだ合金内に析出することによって、はんだ合金の機械的強度を向上させる効果が得られる。
【００２１】
Ｐｂ系はんだ合金中のＡｇ含有量は、１.３質量％以上５.０質量％以下の範囲にするのが好ましい。その理由は、１.３質量％未満では、含有量が少なすぎて濡れ性向上や機械的強度の向上に対し十分な効果が得られないからである。一方、５.０質量％を超えると、はんだ合金中に生成する融点の高いＳｎとＡｇとの金属間化合物により、はんだ合金が完全に溶融する温度が非常に高くなる。その結果、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、良好なダイボンディング状態が得られなくなる。
【００２２】
Ａｇ含有量は、１.５質量％以上３.０質量％以下にするのがさらに好ましい。この範囲内にすると、濡れ性と機械的特性の２つの効果が顕著に現われ、より一層優れた接合性を実現できるからである。
【００２３】
＜Ｐ＞
Ｐは本発明のはんだ合金において他のはんだ特性を変えずに実質的に濡れ性のみを制御するために添加する必須元素である。このように、Ｐの添加量で濡れ性を制御することにより様々な要求に応える接合性を得ることができ、非常に広範な要求に対しても信頼性に優れたＰｂ系はんだ合金を得ることができる。
【００２４】
Ｐがはんだ合金の濡れ性を向上させるメカニズムは以下のとおりである。Ｐは還元性が強く、Ｐ自らはＰｂやＳｎよりも優先して酸化されるため、はんだ母相の酸化を防ぐ効果がある。また、半導体素子等の接合面を還元して濡れ性を確保する効果も得られる。このように、Ｐの添加によりはんだ接合の際にはんだ表面や接合面表面の酸化物層がなくなるか若しくは減少するため、当該酸化物層によって起こる接合不良が発生しにくくなり、接合性及び信頼性等が向上する。さらに好ましいことに、Ｐははんだや基板等の表面を還元すると自らは酸化されて気体の酸化物となり、接合面に残渣が残ることはない。このため、還元を目的とする他の元素よりも一層良好な接合を可能とする。
【００２５】
Ｐの含有量が０.００５質量％以下の範囲内では、Ｐの含有量が多いほどかかる濡れ性向上効果は大きくなる。また、Ｐの含有量が０.００５質量％以下であれば、はんだの加工性、応力緩和性、接合性、及び信頼性についてはほとんど変化がない。したがって、Ｐの含有量を０.００５質量％以下の範囲内で調整することにより、他の性質を変えずに濡れ性のみを任意に制御することが可能になる。一方、０.００５質量％を超えて含有しても、濡れ性向上の効果はあまり変わらず、過剰な含有によってＰやＰ酸化物の気体が多量に発生して接合に支障をきたす虞があることから、Ｐの含有量は０.００５質量％以下にする必要がある。
【実施例】
【００２６】
原料として、それぞれ純度９９.９重量％以上のＰｂ、Ｓｎ、Ａｇ及びＰを準備し、これらの原料から所定量を秤量して、高周波溶解炉用のグラファイト製坩堝に入れた。上記各原料の入った坩堝を高周波溶解炉に入れ、酸化を抑制するために窒素を流した。窒素流量は原料１ｋｇ当たり０.７リットル／分以上とした。この状態で溶解炉の電源を入れ、原料を加熱し、溶融させた。金属が溶融しはじめたら、坩堝内の組成が均一となるよう攪拌棒を用いて混ぜた。そして、合金が十分溶融したことを確認してから高周波電源を切り、速やかに坩堝を取り出して内部の溶湯を鋳型に流し込んだ。鋳型は、はんだ母合金の製造の際に一般的に使用している形状と同様のものを使用した。
【００２７】
上記のようにして、各原料の混合比率を変えた試料１〜１３のはんだ合金を作製した。これら試料１〜１３のはんだ合金の組成を、ＩＣＰ発光分光分析器（ＳＨＩＭＡＺＵ  Ｓ−８１００）を用いて分析した。その結果を下記表１に示す。
【００２８】
【表１】
2015000425.tif 000002
【００２９】
＜ワイヤへの加工＞
次に、上記試料１〜１３のはんだ合金の各々を、押出機にセットしてワイヤ状に加工した。具体的には、各試料のはんだ合金を２００℃に加熱した押出機にセットし、窒素を２０Ｌ／分の流量で流しながら直径０.７６ｍｍのワイヤ状に加工した。
【００３０】
＜濡れ性評価＞
ワイヤ状に加工した各試料を用いて、濡れ性試験機（装置名：雰囲気制御式濡れ性試験機）を用いて濡れ性評価を行った。具体的に説明すると、濡れ性試験機のヒーター部に２重のカバーをして、ヒーター部の周囲４箇所から窒素を１２リットル／分の流量で流しながら、ヒーターの設定温度を各試料の融点より約１０℃高い温度に設定して加熱した。ヒーターの設定温度が安定したのを確認した後、Ｃｕ基板（板厚：約０.７０ｍｍ）をヒーター部にセッティングして２５秒間加熱した。
【００３１】
次に、各試料のはんだ合金を所定量Ｃｕ基板の上に載せて３秒間加熱した。加熱が完了した後、Ｃｕ基板をヒーター部から取り上げ、その横の窒素雰囲気が保たれている場所に一旦設置して冷却した。十分に冷却した後、大気中に取り出した。濡れ性の確認には測定顕微鏡（ニコン測定顕微鏡  ＭＭ−４０）を使用した。具体的には、図２に示すように、濡れ広がったはんだの直径Ｘ（長径と短径の平均値）及びはんだ高さＺを測定し、直径Ｘを高さＺで割った値（アスペクト比＝Ｘ／Ｚ）を濡れ性の指標とした。すなわち、アスペクト比の値が大きいほど濡れ広がり性が良いと判断し、アスペクト比が２以上のサンプルを「○」、２未満を「×」と評価した。
【００３２】
＜ボイド率の測定＞
上記濡れ性評価において得られたＣｕ基板上の各試料のはんだ合金に対して、透過Ｘ線検査装置（東芝  ＴＯＳＭＩＣＲＯＮ  ６２５０）を用いて、ボイド率を測定した。
【００３３】
＜ヒートサイクル試験＞
はんだ接合の信頼性を評価するため、ヒートサイクル試験を行った。なお、この試験は、上記濡れ性評価の時と同様にして作製したＣｕ基板上のはんだ合金を各試料につき２個ずつ用意して行った。即ち、各試料のはんだ合金が接合されたＣｕ基板２個のうちの１個に対しては、−４０℃の冷却と＋１５０℃の加熱を１サイクルとするヒートサイクル試験を途中確認のため３００サイクルまで繰り返し、残る１個に対しては同様のヒートサイクル試験を５００サイクルまで繰り返した。
【００３４】
その後、３００サイクル及び５００サイクルのヒートサイクル試験を実施した各試料について、はんだ合金が接合されたＣｕ基板を樹脂に埋め込み、断面研磨を行い、ＳＥＭ（装置名：ＨＩＴＡＣＨＩ  Ｓ−４８００）により接合面の観察を行った。この観察の結果、接合面に剥がれが生じるか又ははんだにクラックが入った場合を「×」、そのような不良がなく、初期状態と同様の接合面を保っていた場合を「○」とした。このヒートサイクル試験の評価結果を上記した濡れ性評価結果及びボイド率の測定結果と共に下記表２に示す。
【００３５】
【表２】
2015000425.tif 000003
【００３６】
上記表２から分かるように、０.００５質量％以下の範囲内でＰを含有している試料１〜７のはんだ合金は、Ｐを含まない試料８のはんだ合金と比較してアスペクト比が高くなって良好な濡れ性を示し、ボイド率が小さく、耐ヒートサイクル性も良好であった。
【００３７】
また、Ｓｎ及びＡｇの含有量が同じでＰの含有量を変化させた試料５〜７の中では、Ｐ含有量が最も低い試料５の濡れ性が最も低く、試料６、試料７とＰ含有量が増加するに従って濡れ性が向上する傾向が見られた。これはすなわち、Ｐの含有量の多寡ではんだ合金の濡れ性が制御されたことを示している。そして、０.００５質量％を超えてＰを含有する試料９のはんだ合金の濡れ性は試料７とほぼ等しく、０.００５重量％を超えるとＰ含有量の多寡によって濡れ性が制御できないことを示している。
【００３８】
試料８〜１３は、少なくとも1つ以上の評価項目において良好な結果が得られなかった。すなわち、アスペクト比においては試料８、１０、１２が「×」であり、ボイド率は全て９％以上であり、ヒートサイクル試験についても全ての試料が３００回までに不良が発生した。
【符号の説明】
【００３９】
１      半導体素子
２      はんだ合金
３      基板
【図１】
2015000425.tif 000004
【図２】
2015000425.tif 000005