(57)【要約】【課題】基板と電子部品等の接合用に使用されるはんだワイヤに関し、濡れ広がり性、接合信頼性等に優れたＰｂ系はんだワイヤを提供する。【解決手段】基板と半導体素子の接合用に使用されるはんだワイヤであって、Ｓｎを１．０質量％以上１０．０質量％以下含有し、Ａｇを０．５質量％以上５．０質量％以下含有し、残部が製造上、不可避に含まれる元素を除きＰｂから構成され、かつ真円度が２０μｍ未満であることを特徴とし、このはんだワイヤは好ましくは平均表面粗さ（Ｒａ）が２μｍ未満であり、さらに好ましくはＣｕを含有する場合はＣｕを０．５００質量％未満含有し、Ｐを含有する場合はＰを０．５００質量％未満含有し、ＣｕとＰを含有する場合はＣｕを０．２００質量％未満、Ｐを０．５００質量％未満含有する。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と半導体素子の接合用に使用されるはんだワイヤであって、Ｓｎを１．０質量％以上１０．０質量％以下含有し、Ａｇを０．５質量％以上５．０質量％以下含有し、残部が製造上、不可避に含まれる元素を除きＰｂから構成され、かつ真円度が２０μｍ未満であることを特徴とするＰｂ系はんだワイヤ。
【請求項２】
平均表面粗さ（Ｒａ）が２μｍ未満であることを特徴とする請求項１に記載のＰｂ系はんだワイヤ。
【請求項３】
更にＣｕを含有する場合はＣｕを０．５００質量％未満含有し、Ｐを含有する場合はＰを０．５００質量％未満含有し、ＣｕとＰを含有する場合はＣｕを０．２００質量％未満、Ｐを０．５００質量％未満含有することを特徴とする請求項１または２に記載のＰｂ系はんだワイヤ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のＰｂ系はんだワイヤによって半導体素子が接合されていることを特徴とする電子部品。
【請求項５】
請求項４に記載の電子部品が搭載されていることを特徴とする電子部品搭載装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｐｂ系はんだワイヤに関する。
【背景技術】
【０００２】
パワートランジスタ用チップのダイボンディングを始めとして、各種電子部品の組立工程におけるはんだ付では高温はんだ付が行われており、３００〜４００℃程度の比較的高温の融点を有するはんだ合金（以下、「高温用はんだ合金」とも称する）が用いられている。このような高温用はんだ合金としては、Ｐｂ−５質量％Ｓｎ合金（以下、「Ｐｂ−５Ｓｎ」とも称する）に代表されるＰｂ系はんだ合金が従来から主に用いられている。
【０００３】
このパワートランジスタ用チップのダイボンディングは、ダイボンダーで行われており、不活性ガスまたは還元性ガスフロー中で行われる。具体的には以下の手順で行われる。まず、接合を行うチャンバー内に窒素ガスまたはフォーミングガス（窒素と水素を混合したガス）を流しながら、接合用の基板を送り、ヒーターにより基板を加熱する。続いて、開口部からはんだワイヤを供給して基板と接触させ、基板の熱ではんだワイヤを溶融させる。その後、その上にチップを載せスクラブをかけ、冷却し接合が終了する。
【０００４】
このはんだワイヤによるダイボンディングは、はんだペーストに比較して、はんだの管理が容易であること、はんだの供給が容易であること、はんだの管理設備費やボンディング設備費が安価であること、ボイドが発生しづらいこと、接合後の洗浄が不要であることなど、多くの利点を持つ。しかし、このはんだワイヤによるボンディングについても課題はある。例えば、基板にはんだワイヤを供給した際、はんだワイヤの供給位置がずれてしまったり、はんだがきれいに均一に広がらなかったり、部分的に濡れ広がりすぎたりすることがある。これらは、チップが傾いた状態で接合されてしまうなどの不具合の要因となる。
【０００５】
このようなダイボンディングについては、従来、次のような技術が開示されている。即ち、特許文献１として示す米国特許第５８７８９３９号明細書には、供給装置内ではんだワイヤを液体状態まで加熱し、その後基板上に供給することで、供給位置を安定させる方法が開示されている。また、特許文献２として示す特表２００３−５３４６４８号公報には、供給装置先端に凹みを設け、それを基板に接触させることで封鎖領域を作り、その中ではんだを溶解させる方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５８７８９３９号明細書
【特許文献２】特表２００３−５３４６４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
例えば、パワートランジスタ素子などをダイボンディングする際、基板にはんだが均一に供給できなければ、接合強度が高く信頼性に優れたチップ接合はできない。具体的には基板上にはんだが均一な厚みで供給され、チップに適した接合エリアと形状に形成され、基板とはんだに均一な合金相が形成されるようにしなければならない。
【０００８】
しかし、特許文献１に記載の方法では、装置に特別な改造が必要であり、コストが高くなってしまうばかりでなく、はんだを溶融して供給する際、半溶融部分ができて供給量が安定しないことが考えられる。特に液相線温度と固相線温度の差があるはんだを使用した場合などは、より一層固相と液相の混在状態を作ってしまい、この部分が溶融供給を繰り返す過程で再凝固し、供給量の不安定化、詰まりなどの原因になってしまうという問題がある。
【０００９】
また、特許文献２に記載の方法では、希望するはんだの供給量が変わる度に装置の先端部品を交換する必要があって手間がかかる点、希望するはんだ供給量の数だけ凹みの大きさが異なる交換用部品を予め準備しておかなければならない点、工程内で臨機応変な微調整を行うことができない点に課題がある。
さらに、「該キャビティは前方開口部を有し、該前方開口部の縁は、該装置が供給位置にあるときに密閉したキャビティを形成するように、該所定面と直接接触するよう適合され」（特許文献２の請求項１の第１０〜１２行目参照）との記載から、前方開口部の縁は、はんだを供給する面が前方開口部によって冷却されてしまい、安定した接合温度を得ることはできず、よって、安定したはんだ付けは困難と考えられる。また、前方開口部も加熱されるわけであり、キャビティ内を均一に安定した温度にすることは現実的に不可能である。加えて、条件によってははんだが供給前に加熱され溶けてしまう可能性もある。
【００１０】
以上述べたように特許文献１、２に記載の方法では、はんだを安定して供給できないという課題がある。そして、はんだを基板へ供給する際、はんだの供給位置がずれてしまったり、はんだがきれいに均一に広がらなかったり、部分的に濡れ広がりすぎたりして、これらの要因のため、チップが傾いてしまったりしてしまうことがあると考えられる。このようなチップ接合では、接合強度が不十分であったり、高い信頼性が得られなかったりすることが問題として挙げられる。また、これらの先行技術は、作業の手間やコストの面で課題も残している。
【００１１】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、基板とパワートランジスタなどの半導体素子の接合用に使用されるはんだワイヤにおいて、特別の装置を用いることなく、高い接合強度と、優れた信頼性を示す接合を可能とするＰｂ系はんだワイヤ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】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明のＰｂ系はんだワイヤは、基板と半導体素子の接合用に使用されるはんだワイヤであって、Ｓｎを１．０質量％以上１０．０質量％以下含有し、Ａｇを０．５質量％以上５．０質量％以下含有し、残部が製造上、不可避に含まれる元素を除きＰｂから構成され、かつ真円度が２０μｍ未満であることを特徴とする。
はんだワイヤの真円度が高いほど、ボンディング後にはんだの濡れ広がりは均一になり好ましい。すなわち、ワイヤの真円度が高いほどはんだは真円状に濡れ広がり、真円度が低ければ初期形状の影響をそのまま受けて円状に濡れ広がらない。
なお、本発明において、はんだワイヤの真円度とは「ワイヤの長手方向に対して直角にワイヤを切断した円状の断面において、円の中心（重心）を通る直径のうち、最大長さの直径から最小長さの直径を引いた長さ」のことである。
【００１３】
また、本発明は、平均表面粗さ（Ｒａ）が２μｍ未満であることが好ましい。
平均表面粗さ（Ｒａ）が小さいほど、ボンディング後にはんだの濡れ広がりは均一になり好ましい。すなわち、表面粗さが粗ければ粗いほど、部分的に見た場合、実質的に表面が円状でなく、その形状が濡れ広がりにそのまま影響するからである。
【００１４】
また、本発明は、更にＣｕを含有する場合はＣｕを０．５００質量％未満含有し、Ｐを含有する場合はＰを０．５００質量％未満含有し、ＣｕとＰを含有する場合はＣｕを０．２００質量％未満、Ｐを０．５００質量％未満含有することが好ましい。
【００１５】
また、本発明の電子部品は、上記の特徴を有するＰｂ系はんだワイヤによって半導体素子が接合されていることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の電子部品搭載装置は、上記の電子部品が搭載されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係るＰｂ系はんだワイヤによれば、基板上に、濡れ広がり性に優れ且つ半導体チップが傾くことなく安定して接合でき、よって特別の装置を用いることなく接合性、信頼性等に優れた半導体装置を得ることができる。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明のＰｂ系はんだワイヤは、ＳｎとＡｇを含有したＰｂを主成分とする組成であって、真円度が２０μｍ未満であることを必須条件とする。更に好ましくは、平均表面粗さ（Ｒａ）が２μｍ未満である。はんだワイヤの真円度が２０μｍ未満であることによって、はんだワイヤを基板へ供給する際、基板上に、はんだは同心円状に広がっていき、チップを接合するときに、はんだとの合金化が均一に進み、かつ、はんだの厚みを均一にでき、安定した接合状態を実現できる。
【００１９】
更に、はんだワイヤの表面粗さが２μｍ未満であることによって、はんだワイヤの表面酸化膜の場所による部分的な厚さのバラつきを最小限に抑えることができ、よって、はんだ溶融時に酸化膜が部分的に破れることなく、均一に破れてはんだが拡散し、基板へのはんだ供給を安定かつ均一に行うことができる。そして装置を改造することなく、既存の装置を使用できることでコストをかけることなく所定の効果を得ることができる。
【００２０】
また、はんだ組成はダイボンディング用として一般的に使用されているＰｂ−５Ｓｎを基本とし、Ａｇを少量含有している。さらには、Ｃｕ、Ｐを含有してもよい。すなわち、Ｐｂ−５Ｓｎから大きく外れた組成では、融点が適切な範囲から外れてしまったり、接合時に金属間化合物を多量に発生してしまうため、好ましくない。このため、Ｐｂ−５ＳｎまたはＰｂ−Ｓｎ合金を基本としたはんだ組成であることが好ましい。
【００２１】
以下、本発明のＰｂ系はんだワイヤの各構成要素について詳細に説明する。
＜真円度＞
本発明において、はんだワイヤの真円度が２０μｍ未満であることは必須条件である。はんだワイヤの真円度が２０μｍ未満であることによって、ダイボンディングにおいて最も重要な要素である、濡れ性、接合性を格段に向上させ、安定させることができる。すなわち、ダイボンディングにおいて、はんだワイヤが基板に供給される際、はんだワイヤの真円度が２０μｍ未満であることによって、はんだの基板への濡れ広がりを均一にすることができる。はんだワイヤが基板に接触して、溶融し合金化が進むが、はんだワイヤの真円度が高いため、溶融はんだが基板上を同心円状に広がっていき、かつ合金化が均一に進むのである。例えば、真円度が低いと基板からはんだワイヤへ伝わる熱が不均一となり、さらにははんだワイヤ表面の酸化膜を破る力が不均一に加わり、よって溶融が部分的に進むとともに酸化膜も部分的に破れ、その溶融の速い箇所や酸化膜の破れるのが早い箇所から基板へはんだが広がってしまい、場合によっては、チップ接合面からはみ出し、他の箇所ははんだ不足になりチップ接合面ではんだが無くなってしまったりしてしまう。当然、チップの傾きも引き起こしてしまう。このような、はんだのはみ出しやはんだ不足、そしてチップ傾きなどを抑制するためには、基板にはんだを均一に供給することが重要であり、そのため、はんだワイヤの真円度は２０μｍ未満としなければならないのである。
【００２２】
＜平均表面粗さ＞
はんだワイヤの平均表面粗さ（Ｒａ）は２μｍ未満とすることが好ましく、このようにすることによって、一層、安定した接合が可能となる。すなわち、表面粗さが大きいとはんだが溶融し、広がる際にバラつきが生じやすいのである。当然、凸部からはんだが広がりやすく、凹部は広がりにくい。したがって、表面粗さが小さいほど好ましいのであるが、現実的には表面粗さを０にはできない。しかし、本発明者は平均表面粗さが２μｍ未満であれば、安定したはんだ供給が可能であることを実験的に確認した。
なお、酸化膜も重要な要素であることは明らかであることから、本実験は窒素フローと１０％の水素を含有したフォーミングガスを用いて行った。酸素濃度が高くなれば、酸化膜の影響が加わり、さらに表面粗さを小さくする必要がある。本発明のはんだワイヤの酸化膜は１０ｎｍ以下が好ましく、各種条件によるが概ね１０ｎｍ以下であれば、均一な濡れ広がりを示す。
【００２３】
＜組成＞
＜Ｐｂ＞
Ｐｂは本発明の合金はんだにおいて主成分であり、これにＳｎを含有させることによりはんだ材料として最低限の機能を持つことになる。さらにＡｇ、Ｃｕ、およびＰを含有させることにより一層、優れたはんだ材料となり得る。
【００２４】
＜Ｓｎ＞
Ｓｎは本発明の合金はんだにおいて、主成分であるＰｂに加えて必須の元素のひとつである。Ｓｎは他の金属と金属間化合物を成しやすいため、本発明の合金はんだにおいては、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効果を有する。それに加え、Ｓｎは酸化されやすい元素であることから合金はんだの主成分であるＰｂよりも優先的に酸化する。すなわち、合金はんだの主成分であるＰｂの酸化を防ぎ、濡れ性を向上させる効果を有する。
本発明では、Ｓｎ濃度は１．０質量％以上１０．０質量％以下の範囲内とした。これは、１．０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１０．０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。
【００２５】
＜Ａｇ＞
Ａｇは本発明の合金はんだにおいて、濡れ性と機械的強度を向上させる目的で添加される元素である。Ａｇを添加することにより合金はんだの濡れ性が向上する他、ＡｇとＳｎの金属間化合物が合金はんだ内に析出することによって、合金はんだの機械的強度を向上させる効果を有している。
Ａｇ濃度については、０．５質量％以上５．０質量％以下の範囲とする。０．５質量％未満では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。一方、５．０質量％を超えると、合金はんだ中に生成する融点の高いＳｎとＡｇの金属間化合物により、合金はんだが完全に溶融する温度が非常に高くなる。そのため、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。
【００２６】
＜Ｃｕ＞
Ｃｕは本発明の合金はんだにおいて、濡れ性広がり性及び機械的な強度を向上させるために添加される元素である。機械的強度に関しては、Ｃｕがはんだ内部に析出することで、転移の進行や破断時のクラックの進行が妨げられ、結果として強くて破断しにくくなり、はんだの信頼性が向上する。Ｃｕの含有量が０.５００質量％以下の場合、含有量が多いほど機械的強度は大きくなり、信頼性も向上する。一方で、Ｃｕを０.５００質量％を超えて含有させた場合、却って濡れ性は低下し、信頼性もまた低下する。したがって、Ｃｕを含有する量は、０.５００質量％以下が好ましい。
【００２７】
＜Ｐ＞
Ｐは本発明の合金はんだにおいて濡れ性等の諸特性を向上させるために添加される元素である。Ｐが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、ＰｂやＳｎよりも優先して自らが酸化するため、はんだ母相の酸化を防ぐ効果がある。また、半導体チップ等の接合面を還元して濡れ性を確保する効果も存在する。この接合の際にはんだ表面、接合面表面の酸化物層がなくなるため、酸化膜によって起こる接合不良が発生しにくくなることにより、接合性および信頼性等が向上する。Ｐの含有量が０.５００質量％以下の場合、含有量が多いほど濡れ性向上効果は大きくなる。したがって、Ｐの含有量を制御することにより、濡れ性を任意に制御することが可能である。一方、０.５００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、０.５００質量％以下が好ましい。
【実施例】
【００２８】
以下、本発明について具体的に実施例を示して説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。
原料として、それぞれ純度９９.９９重量％以上のＰｂ、Ｓｎ、Ａｇ、Ｃｕ及びＰを準備した。大きな薄片やバルク状の原料については、溶解後の合金においてサンプリング場所による組成のバラツキがなく、均一になるように留意しながら、切断及び粉砕などにより３ｍｍ以下の大きさに細かくした。次に、これら原料から下記表１の試料１〜３５の各試料に相当する所定量をそれぞれ秤量して、高周波溶解炉用のグラファイト製坩堝に入れた。
【００２９】
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原料１ｋｇ当たり０.７リットル／分以上の流量で流した。この状態で溶解炉の電源を入れ、原料を加熱溶融させた。金属が溶融しはじめたら混合棒でよく撹拌し、局所的な組成のばらつきが起きないように均一に混ぜた。十分溶融したことを確認した後、高周波電源を切り、速やかに坩堝を取り出し、坩堝内の溶湯をはんだ母合金の鋳型に流し込んだ。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。
このようにして、上記各原料の混合比率を変えることにより、試料１〜３５のＰｂ系はんだ母合金を作製した。これらの試料１〜３５の組成をＩＣＰ発光分光分析器（ＳＨＩＭＡＺＵ  Ｓ−８１００）を用いて分析した。得られた分析結果をはんだ組成として表１に示す。
【００３０】
次に、この試料１〜３５の各はんだ母合金について、下記のごとく押出機を用いてワイヤ状に加工した。また、真円度と平均表面粗さをそれぞれの試料について測定した。測定結果を表１に示す。
【００３１】
＜ワイヤの作製＞
表１に示す試料１〜３５の各はんだ母合金（φ２０ｍｍ×２００ｍｍ）を、押出機を用いてφ０．５０ｍｍまで押出した。押出機は圧力が３００ｔｏｎ、自動押出機を用いて、各試料を５００ｍ製造し、巻取機も自動のものを用いた。ワイヤ排出口は密閉とし、窒素フローしながら押出を行った。
【００３２】
＜真円度の測定＞
はんだワイヤの真円度は以下のように測定した。
はんだワイヤを樹脂埋めした後、ワイヤ長手方向と直角方向の断面が出るように研磨機で研磨しワイヤ断面を観察できる試料を準備した。さらに金属顕微鏡によって任意の３０ヵ所の直径を測定し、最大の直径から最小の直径を引いた値を真円度と評価した。
【００３３】
＜平均表面粗さの測定＞
平均表面粗さの測定は、表面粗さ測定装置（東京精密株式会社製、型式：サーフコム４７０Ａ）を用いて行った。具体的にははんだワイヤの長手方向（押出方向）と直交する方向の各々について任意の３ヵ所を測定し、これら合計６点の算術平均値を平均表面粗さとした。
【００３４】
【表１】
2016209884.tif 000002
※印：比較例を意味する。
【００３５】
次に、ワイヤ状に加工した上記試料１〜３５の各はんだ合金について、下記の方法により濡れ性（接合性）の評価、チップ傾きの評価、及びヒートサイクル試験による信頼性の評価を行った。評価結果を表２に示す。
【００３６】
＜濡れ性（接合性）の評価＞
上記のごとくワイヤ状に加工した各はんだ合金を、ダイボンダー（キャノンマシナリー株式会社製、装置名：ＢＥＳＴＥＭ）を用いて評価した。即ち、フォーミングガス（１０％水素―９０％窒素の混合ガス）を１２０（Ｌ／分）の流量で流しながら、はんだ供給部の温度をはんだの融点より約３０℃高い温度に設定して加熱した。設定したヒーター温度が安定した後、Ｃｕ基板（板厚：約０.７０ｍｍ）を供給し、はんだ接合部で５秒間加熱し、その後、はんだワイヤ：２．０ｍｍを供給し１０秒加熱した。加熱が完了した後、Ｃｕ基板を送り出しフォーミングガス中で冷却した。十分に冷却した後、大気中に取り出してこれらの試料の濡れ広がったはんだを上から観察した際の真円度を測定した。なお、あまりにも部分的に濡れ広がったり、円形状とは明らかに異なり真円度の測定が困難な場合は評価を×とした。
【００３７】
＜チップ傾き＞
次に、濡れ性の評価と同様にはんだを基板に供給後、１０ｍｍ×１０ｍｍのＳｉチップを供給し、基板とチップの接合体を製造した。そして、Ｓｉチップ接合体の４隅の基板とチップの高さを測定し、はんだ厚さを算出し、チップの傾きを算出した。チップ傾きは（１）式によって算出した。
チップ傾き率＝（最大はんだ厚さ−最小はんだ厚さ）÷２点間距離×１００  （％）・・（１）式
【００３８】
＜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にヒートサイクル試験を行った。なお、この試験は、上記したチップ傾きの評価において作製したものと同様の接合体を各々２個ずつ作製し評価した。
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。
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。これらの評価結果を下記の表２に示す。
【００３９】
【表２】
2016209884.tif 000003
※印：比較例を意味する。
【００４０】
上記の表１〜２から分かるように、本発明の範囲内にある試料１〜２５の各はんだワイヤは、全ての評価項目において良好な特性を示している。即ち、全ての試料において、濡れ性は良好な評価結果であり、チップ傾きも良好で０．０３％以下であり、ヒートサイクルも５００回までクラック等の不良は発生しなかった。この理由は、まず第一にはんだ断面が真円に近い形状で均一に濡れ広がったため、供給位置のずれが小さく、チップの傾きが抑制されたためである。また、第二に、表面が平滑であるために、そうでないものよりも、更に均一に濡れ広がったためである。また、第三に、Ｃｕ、Ｐ  を含む濡れ広がり性の良い組成であるため、通常よりも更に濡れ広がりが均一になったためである。
【００４１】
一方、本発明の範囲から外れる試料２６〜３５の各はんだワイヤは、好ましくない評価結果となった。これは、真円度の数値が高い、すなわち、はんだ断面が真円からかけ離れた形状であるため、均一に濡れ広がらず、それがチップの傾きに繋がったためである。