(57)【要約】【課題】比較的低温でチップを接合できるチップの共晶はんだ構造を提供する。【解決手段】チップの共晶はんだ構造であって、基板と、前記基板上にあり、複数の第１の金属層と複数の第２の金属層の交互の積層を含み、前記各第２の金属層は、連続領域と複数の開口を有し、前記複数の第２の金属層の融点は、前記複数の第１の金属層の融点より高いはんだ構造と、前記はんだ構造上に配置され、前記はんだ構造の共晶反応によって前記基板に接合されたチップと、を含むチップの共晶はんだ構造。【選択図】図１Ｆ
2015079962.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チップの共晶はんだ構造であって、
基板と、
前記基板上にあり、複数の第１の金属層と複数の第２の金属層の交互の積層を含み、前記各第２の金属層は、連続領域と複数の開口を有し、前記複数の第２の金属層の融点は、前記複数の第１の金属層の融点より高いはんだ構造と、
前記はんだ構造上に配置され、前記はんだ構造の共晶反応によって前記基板に接合されたチップと、
を含むチップの共晶はんだ構造。
【請求項２】
前記各第２の金属層の複数の開口の総基底面積は、前記各第２の金属層の連続領域の総面積の半分より大きい請求項１に記載のチップの共晶はんだ構造。
【請求項３】
前記各第２の金属層の複数の開口の総基底面積は、前記各第２の金属層の連続領域の総面積の１０分の９より小さい請求項２に記載のチップの共晶はんだ構造。
【請求項４】
前記基板上の異なる前記第２の金属層の開口の正投影は、互いに重複する請求項１に記載のチップの共晶はんだ構造。
【請求項５】
前記基板上の異なる前記第２の金属層の開口の正投影は、互いに位置ずれする請求項１に記載のチップの共晶はんだ構造。
【請求項６】
前記複数の第２の金属層の複数の開口の形状は円形であり、隣接の第２の金属層の複数の開口間の水平のオフセット距離は、前記複数の第２の金属層の前記複数の開口の最も大きい開口の直径より小さい、または等しい請求項５に記載のチップの共晶はんだ構造。
【請求項７】
前記複数の第２の金属層の複数の開口の形状は長方形であり、隣接の第２の金属層の複数の開口間の水平のオフセット距離は、前記複数の第２の金属層の前記複数の開口の最も大きい開口の辺長より小さい、または等しい請求項５に記載のチップの共晶はんだ構造。
【請求項８】
前記はんだ構造は、３つの第１の金属層と２つの第２の金属層を含み、前記３つの第１の金属層のうちの１つは、前記基板と直接接触している請求項１に記載のチップの共晶はんだ構造。
【請求項９】
前記複数の第１の金属層と前記複数の第２の金属層は、スズ（Ｓｎ）、銅（Ｃｕ）、ビスマス（Ｂｉ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、またはその合金から選ばれる請求項１に記載のチップの共晶はんだ構造。
【請求項１０】
前記はんだ構造と前記チップとの間に挟設された接着層を更に含む請求項１に記載のチップの共晶はんだ構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低温チップボンディング技術に関し、特に、比較的低温でチップを接合できるチップの共晶はんだ構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属共晶接合プロセスは、３次元集積回路（３ＤＩＣ）技術と関連することができ、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード（ＬＤ）、または微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）などの電子装置のパッキングプロセスに用いることができる、広く用いられているボンディング技術である。金属原子が密充填されている構造および多元系金属の共晶温度が純金属の融点より低い特性により、ボンディングプロセスは、比較的低い温度で行うことができる。そのため、高温プロセスによってもたらされる負の影響は、避けることができる。
【０００３】
従来、チップは金属共晶接合プロセスによって基板上に接合された時、異なる融点を有する金属の連続膜層が接合基板上に交互に積層され、はんだ構造を形成する。次いで、熱処理が行われ、はんだ構造の反応を促して、金属間化合物を形成し安定した接合が得られるようにする。しかしながら、処理温度が比較的低い融点を有する金属層の融点より大きい、または近いとき、比較的低い融点を有する金属層の流動性は増加する。その結果、比較的低い融点を有する金属層は、はんだ構造の外側に流れ、孔隙がはんだ構造に形成されるか、または、はんだ構造が崩壊する可能性がある。従って、好ましい接合面のインターフェースの特性を得ることが難しい。
【０００４】
既存の共晶はんだ構造は、いろいろなさまざまなアプリケーションで用いられているが、上記の問題を解決することができる共晶はんだ構造はなお必要とされている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
比較的低温でチップを接合できるチップの共晶はんだ構造を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態は、チップの共晶はんだ構造を含み、基板と基板上のはんだ構造を含む。はんだ構造は、複数の第１の金属層と複数の第２の金属層の交互の積層を含み、各第２の金属層は、連続領域と複数の開口を有し、複数の第２の金属層の融点は、複数の第１の金属層の融点より高い。チップははんだ構造上に配置され、チップははんだ構造の共晶反応によって基板に接合される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１Ａ】本発明の１つの実施形態に基づくチップの共晶はんだ構造の製造プロセスの断面図である。
【図１Ｂ】本発明の１つの実施形態に基づくチップの共晶はんだ構造の製造プロセスの断面図である。
【図１Ｃ】本発明の１つの実施形態に基づくチップの共晶はんだ構造の製造プロセスの断面図である。
【図１Ｄ】本発明の１つの実施形態に基づくチップの共晶はんだ構造の製造プロセスの断面図である。
【図１Ｅ】本発明の１つの実施形態に基づくチップの共晶はんだ構造の製造プロセスの断面図である。
【図１Ｆ】本発明の１つの実施形態に基づくチップの共晶はんだ構造の製造プロセスの断面図である。
【図２】本発明のもう１つの実施形態に基づくチップの共晶はんだ構造の製造プロセスの断面図である。
【図３】本発明のもう１つの実施形態に基づくチップの共晶はんだ構造の製造プロセスの断面図である。
【図４Ａ】本発明の各種の実施形態に基づくチップの共晶はんだ構造の隣接の第２の金属層の平面図である。
【図４Ｂ】本発明の各種の実施形態に基づくチップの共晶はんだ構造の隣接の第２の金属層の平面図である。
【図５Ａ】本発明の各種の実施形態に基づくチップの共晶はんだ構造の隣接の第２の金属層の平面図である。
【図５Ｂ】本発明の各種の実施形態に基づくチップの共晶はんだ構造の隣接の第２の金属層の平面図である。
【図６Ａ】本発明の各種の実施形態に基づくチップの共晶はんだ構造の隣接の第２の金属層の平面図である。
【図６Ｂ】本発明の各種の実施形態に基づくチップの共晶はんだ構造の隣接の第２の金属層の平面図である。
【図７Ａ】本発明の各種の実施形態に基づくチップの共晶はんだ構造の隣接の第２の金属層の平面図である。
【図７Ｂ】本発明の各種の実施形態に基づくチップの共晶はんだ構造の隣接の第２の金属層の平面図である。
【図８Ａ】本発明の各種の実施形態に基づくチップの共晶はんだ構造の隣接の第２の金属層の平面図である。
【図８Ｂ】本発明の各種の実施形態に基づくチップの共晶はんだ構造の隣接の第２の金属層の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下の説明は、本実施形態の完全な理解を提供するために述べられる。以下の説明および図面は、本発明の一般原理を例示する目的のためのもので本発明を限定するものではない。本開示は、種々の実施例において、参照番号および／または文字を繰り返し用いている。この反復は、簡素化と明確さの目的のためであって、種々の実施の形態および／または議論された構成との間の関係を規定するものではない。本発明の範囲は、添付の請求の範囲を参考にして決定される。
【０００９】
図１Ａから図１Ｆは、本発明の１つの実施形態に基づくチップの共晶はんだ構造の製造プロセスの一連の断面図を表している。まず、第１の金属層１１０ａは、基板１００上に形成される。第１の金属層１１０ａは、図１Ａに示されるように、基板１００と直接接触する。基板１００は、搬送能力を有するキャリアである限り、制限されない。基板１００は、リードフレーム、パッケージ要素（例えば、パッケージ基板）、または半導体ウエハであることができる。１つの実施形態では、基板１００は、金属リードフレームである。第１の金属層１１０ａは、スズ（Ｓｎ）、銅（Ｃｕ）、ビスマス（Ｂｉ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、またはその合金を含むことができる。第１の金属層１１０ａは、スパッタリングプロセスまたは電子ビーム蒸発プロセスによって形成することができる。例えば、第１の金属層１１０ａは、基板１００上のスズ層であることができ、スパッタリングプロセスによって形成され、第１の金属層１１０ａは、基板１００と直接接触している。
【００１０】
次いで、第２の金属層材料の連続層が第１の金属層１１０ａ上に形成された後、複数の開口１２４は、パターンニングプロセスによって第２の金属材料の連続層に形成される。従って、図１Ｂに示されるように、連続領域１２２と複数の開口１２４を有する第２の金属層１２０ａが得られる。第２の金属層１２０ａと第１の金属層１１０ａは、異なる金属材料によって形成され、第２の金属層１２０ａの融点は、第１の金属層１１０ａの融点より高い。１つの実施形態では、第２の金属層１２０ａは、スズ、銅、ビスマス、金、銀、ニッケル、またはその合金を含むことができ、第２の金属層１２０ａは、第１の金属層１１０ａの融点より高い融点を有する金属材料によって形成されなければならない。また、第２の金属層１２０ａは、スパッタリングプロセスまたは電子ビーム蒸発プロセスによって形成することができる。例えば、第２の金属層１２０ａは、スパッタリングプロセスによって形成される銅層であることができる。
【００１１】
図１Ｂ、図４Ａ、図５Ａ、図６Ａ、図７Ａ、および図８Ａでは、第２の金属層１２０ａの複数の開口１２４は、長方形および／または円形で形成されることができ、各開口１２４は、同じまたは異なるサイズを有することができる。第２の金属層１２０ａの複数の開口１２４の総基底面積は、連続領域１２２の総面積の半分より大きく、連続領域１２２の総面積の１０分の９より小さいことが望ましい。１つの実施形態では、図４Ａに示されるように、第２の金属層１２０ａの複数の開口１２４は、規則的に配列され、且つ実質的に同じ辺長を有する長方形の開口１２４とすることができる。１つの実施形態では、第２の金属層１２０ａの複数の開口１２４は、図５Ａに示されるように、規則的に配列され、且つ実質的に同じ直径を有する円形の開口１２４とすることができる。１つの実施形態では、第２の金属層１２０ａの複数の開口１２４は、規則的に配列されるが、異なる直径を有する円形の開口１２４とすることができる。例えば、図６Ａに示されるように、複数の開口１２４は、各々の比較的大きい開口１２４の近くに比較的小さい直径の開口１２４を有する。１つの実施形態では、第２の金属層１２０ａの複数の開口１２４は、規則的に配列されるが、異なるサイズと形状を有する開口１２４であることができる。例えば、図７Ａと図８Ａに示されるように、複数の円形開口１２４は、比較的大きい面積を有し、複数の長方形の開口１２４は、各々の比較的大きい開口１２４の近くに比較的小さい面積の開口１２４を有する。第２の金属層１２０ａの連続領域１２２と複数の開口１２４を形成するパターンニングプロセスは、連続領域１２２と複数の開口１２４が所望の幾何学的形状を有するように形成されることができる限り、制限されない。
【００１２】
次いで、図１Ｃに示されるように、もう１つの第１の金属層１１０ｂは、第２の金属層１２０ａの連続領域１２２と複数の開口１２４上に形成される。第１の金属層１１０ｂは、その下層の第１の金属層１１０ａと同様のプロセスと材料によって形成されることができる。１つの実施形態では、第１の金属層１１０ｂは、スパッタリングプロセスによって形成されたスズ層である。第２の金属層１２０ａの複数の開口１２４は、処理温度が第１の金属層１１０ｂの融点より大きい。または融点と近く、第１の金属層１１０ｂの流動性が増加した時、第１の金属層１１０ｂの流路となることができる。第１の金属層１１０ｂは、第２の金属層１２０ａのメインの面にほぼ平行する方向にだけ流動するのでなく、第２の金属層１２０ａの複数の開口１２４によって基板１００に向かう方向にも流動する。従って、第１の金属層１１０ｂがはんだ構造の外側に流れる確率が減少される。第２の金属層１２０ａの複数の開口１２４の総基底面積が連続領域１２２の総面積の半分より大きくない場合、基板に向かう方向に高い流動性を有する第１の金属層１１０ｂの流動領域は、小さくなる。このため、第２の金属層１２０ａの複数の開口１２４の総基底面積が連続領域１２２の総面積の半分より大きい状況と比べ、第２の金属層１２０ａによって第１の金属層１１０ｂの流動方向を変更する効率は低い。複数の第２の金属層１２０ａの複数の開口１２４の総基底面積は、連続領域１２２の総面積の１０分の９より小さいことが望ましい。
【００１３】
次いで、図１Ｄに示されるように、連続領域１２２と複数の開口１２４を有するもう１つの第２の金属層１２０ｂは、中間の第１の金属層１１０ｂ上に形成される。上層の第２の金属層１２０ｂは、スズ、銅、ビスマス、金、銀、ニッケル、またはその合金を含むことができる。上層の第２の金属層１２０ｂは、第２の金属層１２０ａの複数の開口１２４と連続領域１２２が第２の金属層１２０ｂに同様に形成することができる限り、下層の第２の金属層１２０ａのプロセスと材料と類似の、または異なるプロセスと材料によって形成することができる。しかしながら、第２の金属層１２０ａと１２０ｂは、第１の金属層１１０ａと１１０ｂの融点より高い融点を有する金属材料によって形成されなければならない。１つの実施形態では、第２の金属層１２０ｂは、スパッタリングプロセスによって形成された銅層である。
【００１４】
図１Ｄ、図４Ｂ、図５Ｂ、図６Ｂ、図７Ｂ、および図８Ｂでは、第２の金属層１２０ｂの複数の開口１２４は、長方形および／または円形で形成されることができ、各開口１２４は、同じまたは異なるサイズを有することができる。第２の金属層１２０ｂの複数の開口１２４の総基底面積は、連続領域１２２の総面積の半分より大きく、連続領域１２２の総面積の１０分の９より小さいことが望ましい。図１Ｂ、図４Ａ、図５Ａ、図６Ａ、図７Ａ、および図８Ａでは、上層の第２の金属層１２０ｂの複数の開口１２４の正投影は、下層の第２の金属層１２０ａの複数の開口１２４の正投影と位置ずれする可能性がある。即ち、上層の第２の金属層１２０ｂの複数の開口１２４の正投影は、下層の第２の金属層１２０ａの複数の開口１２４の正投影に対して水平のオフセット距離Ｄを有することができる。水平のオフセット距離Ｄは、上層の第２の金属層１２０ｂの開口１２４の中心点と水平方向の上層の第２の金属層１２０ｂの開口１２４に最も近い下層の第２の金属層１２０ａの開口１２４の中心点との間の水平のオフセット距離である。第２の金属層１２０ａの複数の開口１２４と第２の金属層１２０ｂの複数の開口１２４の最も大きい開口が円形の開口である時、隣接の第２の金属層１２０ａと１２０ｂの開口１２４間の水平のオフセット距離Ｄは、複数の開口１２４の最も大きい円形の開口の直径より小さいかまたは等しい。第２の金属層１２０ａの複数の開口１２４と第２の金属層１２０ｂの複数の開口１２４の最も大きい開口が長方形の開口である時、隣接の第２の金属層１２０ａと１２０ｂの開口１２４間の水平のオフセット距離Ｄは、複数の開口１２４の最も大きい長方形の開口の辺長より小さいかまたは等しい。
【００１５】
１つの実施形態では、第２の金属層１２０ａの複数の開口１２４が規則的に配置され、且つ実質的に同じ辺長を有する複数の長方形の開口である時、第２の金属層１２０ｂの複数の開口１２４も規則的に配置され、且つ実質的に同じ辺長を有する複数の長方形の開口である。しかしながら、図４Ａと図４Ｂに示されるように、第２の金属層１２０ａと１２０ｂの複数の開口１２４の正投影は、基板上で互いに位置ずれする。１つの実施形態では、第２の金属層１２０ａの複数の開口１２４が規則的に配置され、且つ実質的に同じ直径を有する複数の円形の開口である時、第２の金属層１２０ｂの複数の開口１２４も規則的に配置され、且つ実質的に同じ直径を有する複数の円形の開口である。しかしながら、図５Ａと図５Ｂに示されるように、第２の金属層１２０ａと１２０ｂの複数の開口１２４の正投影は、基板上で互いに位置ずれする。１つの実施形態では、第２の金属層１２０ａの複数の開口１２４が規則的に配置されるが、異なる直径を有する複数の円形の開口である時（例えば、比較的大きい直径を有する複数の開口と各比較的大きい開口の近くの比較的小さい直径を有する複数の開口）、第２の金属層１２０ｂの複数の開口１２４も規則的に配置され、且つ異なる直径を有する複数の円形の開口である。しかしながら、図６Ａと図６Ｂに示されるように、第２の金属層１２０ａと１２０ｂの開口１２４の正投影は、基板上で互いに位置ずれする。１つの実施形態では、第２の金属層１２０ａの複数の開口１２４が規則的に配置され、且つ実質的に同じ直径を有する複数の開口である時、１つの実施形態では、第２の金属層１２０ａの複数の開口１２４が規則的に配置されるが、異なる形状とサイズを有する複数の開口である時（例えば、比較的大きいサイズを有する複数の円形の開口と各比較的大きい長方形の開口の近くの比較的小さいサイズ直径を有する複数の開口）、第２の金属層１２０ｂの複数の開口１２４も規則的に配置され、且つ異なるサイズと形状を有する複数の開口である。しかしながら、図７Ａ、図７Ｂ、および図８Ａ、図８Ｂに示されるように、第２の金属層１２０ａと１２０ｂの複数の開口１２４の正投影は、基板上で互いに位置ずれする。
【００１６】
図１Ｅでは、上層の第１の金属層１１０ｃは、第２の金属層１２０ｂの連続領域１２２と複数の開口１２４上に形成され、はんだ構造１３０を提供する。処理温度が第１の金属層１１０ｂと１１０ｃの融点より大きい、または融点と近く、第１の金属層１１０ｂと１１０ｃの流動性が増加した時、第２の金属層１２０ａの複数の開口１２４と第２の金属層１２０ｂの複数の開口１２４は、各々第１の金属層１１０ｂと１１０ｃの流路となることができる。従って、第１の金属層１１０ｂは、第２の金属層１２０ａの複数の開口１２４によって基板１００に向かう方向に流動することができるだけでなく、第１の金属層１１０ｃも第２の金属層１２０ｂの複数の開口１２４によって基板１００に向かう方向に流動することができるため、第１の金属層１１０ｂと１１０ｃがはんだ構造の外側に流れる確率を減少する。また、基板上の第２の金属層１２０ａの複数の開口１２４の正投影と第２の金属層１２０ｂの複数の開口１２４の正投影との間の位置ずれにより、第１の金属層１１０ｃは、ジグザグの経路によって基板１００の方に流動するため、より長い流路を有する。従って、第２の金属層１２０ａと１２０ｂによって第１の金属層１１０ｂと１１０ｃの流動方向を変更する効率は増加する。
【００１７】
はんだ構造１３０は、少なくとも３つの第１の金属層と２つの第２の金属層を含むことが望ましく、第１の金属層は、基板と直接接触している金属層であり、後に続くステップで基板に実装されるチップである。はんだ構造１３０が単一の第２の金属層１２０ａだけを有する場合（例えば、図１Ｃに示される構造を参照）、基板１００に向かう方向の第１の金属層１１０ｂの流路は、より短くなるため、第２の金属層１２０ａによって、第１の金属層１１０ｂの流動方向を変更する効率は比較的低くなる。また、チップの性能とサイズに負の影響がなければ、はんだ構造１３０の第１の金属層と第２の金属層の数は、必要に応じて増加させることができる。
【００１８】
最後に図１Ｆでは、チップ１４０（例えば、発光ダイオードチップ）がはんだ構造１３０に配置された後、熱処理は、はんだ構造１３０の共晶反応によってチップ１４０と基板１００を接合するように行われる。このため、その上に配置された基板１００とはんだ構造１３０を含む本実施形態のチップの共晶はんだ構造１０が得られる。はんだ構造１３０は、第１の金属層１１０ａ、１１０ｂと、１１０ｃおよび第２の金属層１２０ａと１２０ｂの交互の積層を含む。第２の金属層１２０ａと１２０ｂは、連続領域１２２と複数の開口１２４をそれぞれ有する。第２の金属層１２０ａと１２０ｂの融点は、第１の金属層１１０ａ、１１０ｂ、および１１０ｃの融点より高い。チップの共晶はんだ構造１０は、はんだ構造１３０上に配置され、且つはんだ構造１３０の共晶反応によって基板１００に接合されたチップ１４０を更に含む。
【００１９】
また、図２に示すように、本発明のもう１つの実施形態では、チップの共晶はんだ構造２０は、第２の金属層１２０ｂの複数の開口１２４の正投影と第２の金属層１２０ａの複数の開口１２４の正投影が重複する方式で基板１００上に提供される。即ち、基板１００上に第２の金属層１２０ｂの複数の開口１２４の正投影と下層の第２の金属層１２０ａの複数の開口１２４の正投影との間の水平のオフセットが存在しない（または水平のオフセット距離Ｄはゼロである）。
【００２０】
また、図３に示すように、本発明のもう１つの実施形態では、チップの共晶はんだ構造３０は、はんだ構造３０とチップ１４０との間に挟設された接着層１５０を更に含む。この接着層１５０により、チップの共晶はんだ構造３０の接合強度を増加させている。
【００２１】
チップの共晶はんだ構造の実施形態に応じて、接合プロセスは、比較的低い温度で行われるため、高温プロセスによってもたらされる負の影響は、避けることができ、はんだ構造で形成された孔隙またははんだ構造の崩壊などの問題は、従来技術の低い融点を有する金属材料の損失により、軽減することができる。また、はんだ構造の共晶構造の面積の縮小も避けることができる。従って、良好な接合面のインターフェースの特性を得ることができる。また、金属材料を用いてチップの共晶はんだ構造を形成するのは、チップの熱放散も高めることができる。
【００２２】
本発明は、実施例の方法および望ましい実施の形態によって記述されているが、本発明は開示された実施形態に限定されるものではない。逆に、当業者には自明の種々の変更及び同様の配置をカバーするものである。よって、添付の請求の範囲は、最も広義な解釈が与えられ、全てのこのような変更及び同様の配置を含むべきである。
【符号の説明】
【００２３】
１０、２０、３０  チップの共晶はんだ構造
１００  基板
１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ  第１の金属層
１２０ａ、１２０ｂ  第２の金属層
１２２  連続領域
１２４  開口
１３０  はんだ構造
１４０  チップ
１５０  接着層
Ｄ  水平のオフセット距離
【図１Ａ】
2015079962.tif 000003
【図１Ｂ】
2015079962.tif 000004
【図１Ｃ】
2015079962.tif 000005
【図１Ｄ】
2015079962.tif 000006
【図１Ｅ】
2015079962.tif 000007
【図１Ｆ】
2015079962.tif 000008
【図２】
2015079962.tif 000009
【図３】
2015079962.tif 000010
【図４Ａ】
2015079962.tif 000011
【図４Ｂ】
2015079962.tif 000012
【図５Ａ】
2015079962.tif 000013
【図５Ｂ】
2015079962.tif 000014
【図６Ａ】
2015079962.tif 000015
【図６Ｂ】
2015079962.tif 000016
【図７Ａ】
2015079962.tif 000017
【図７Ｂ】
2015079962.tif 000018
【図８Ａ】
2015079962.tif 000019
【図８Ｂ】
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