JP2007123566A - Semiconductor device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
この発明はパワーデバイス、高周波用途のスイッチングICなどの各種半導体チップが良伝導体上にはんだ接合された半導体装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor device in which various semiconductor chips such as a power device and a switching IC for high frequency use are soldered on a good conductor and a method for manufacturing the same.
電力変換用途のスイッチングデバイスとして用いられるパワーデバイスや高周波スイッチング用途のパワーICなどは半導体モジュールの形に組み立てられるものが多い。このような半導体モジュールの従来の組み立て構造は図5に示すように、銅(以下Cuと略)などの良伝導体の材質で作られた支持基板101およびヒートシンク102にの上に、絶縁基板の両表面に形成されたはんだ接合を可能にする金属部を有する配線基板103の裏面をはんだ接合し、この配線基板103の表面の金属配線(金属部)106には、前記各用途の半導体チップ104をはんだ接合(はんだ接合は図示を省略)により搭載して、単体のモジュール100を形成する。前記配線基板103の上下両面における前記はんだ接合は、通常、同じはんだ材を用いて同時にはんだ接合される。この半導体モジュール100は、前記半導体チップ104から、そのチップ104の表面電極に一端が固着されたアルミワイヤ105が引き出され、他端は、前記配線基板103内の回路配線などから引き出された所定の電極パッド107上に固着され、さらに接続される図示しない引き出し端子を介して、外部に引き出され所定のスイッチング機能を奏する半導体モジュールとして構成される。
Many power devices used as switching devices for power conversion and power ICs for high-frequency switching are assembled in the form of semiconductor modules. As shown in FIG. 5, a conventional assembly structure of such a semiconductor module is formed on an insulating substrate on a
前述のような半導体モジュール構造の場合、半導体チップ104、配線基板103、支持基板101などの各主要部材を相互に信頼性高く強固に結合する目的で、はんだ接合が通常行われる。近年は環境問題への対策から鉛フリーはんだとしてSnAg、SnAgCu、SnCu、SnBi、SnZn、SnSbなどのいずれもSnリッチな組成の合金が用いられるようになりつつある。高放熱性と良伝導性(良導電性)の観点から、支持基板および配線基板上のチップ接合部を構成する各材料としては銅材が広く用いられている。しかし、銅は前述の鉛フリーはんだとの反応傾向が高く、合金を作りやすい。さらに、はんだ接合時に接合界面に形成されるSnCu合金層は、半導体モジュールの実使用時の通電による温度上昇履歴により次第に成長して層厚が過大になりやすいという特徴がある。
また、前述のはんだ接合時に形成される前記SnCu合金層については、適度な厚みを持っていることがはんだ接合層の密着性の観点からは必要な要件であるが、他方では銅より硬度が高いものの脆性傾向の高い機械的性質をも有している。加えて前記SnCu合金層は合金形成時の体積変化のため接合部に応力ひずみが発生するので、前述のように実使用中における高温履歴により合金層が過大に成長すると、はんだ接合層に初期クラックを導入した場合と同様の理由により、所定の期間経過後にはんだ接合層が破壊されるという結果をもたらし、半導体モジュールの信頼性を損なう要因となることが判明した。従って、はんだの濡れ性などの接合安定性と接合後のSnCu合金化反応の進行抑制を目的として、Niめっき等で被接合材(銅基板または銅層)を被覆するのが一般的になりつつある。
In the case of the semiconductor module structure as described above, solder bonding is usually performed for the purpose of bonding the main members such as the
In addition, the SnCu alloy layer formed at the time of the above-described solder bonding has an appropriate thickness from the viewpoint of the adhesion of the solder bonding layer, but on the other hand, the hardness is higher than that of copper. It also has mechanical properties that are highly brittle. In addition, since the SnCu alloy layer generates stress strain in the joint due to volume change during alloy formation, if the alloy layer grows excessively due to high temperature history during actual use as described above, initial cracks will form in the solder joint layer. For the same reason as in the case of introducing, it has been found that the result is that the solder joint layer is destroyed after a predetermined period of time, which is a factor that impairs the reliability of the semiconductor module. Therefore, it is becoming common to coat the material to be joined (copper substrate or copper layer) with Ni plating or the like for the purpose of suppressing the progress of the SnCu alloying reaction after joining, such as solder wettability. is there.
一方、このようなはんだ接合に関する公知技術として、はんだ付け性、耐熱信頼性を高めるめっきを施した銅または銅合金に関する発明が知られている(特許文献1)。この特許文献1には、たとえば、厚さ0.05〜1.0μmのNiまたはNi合金めっきを施し、次いで厚さ0.03〜1.0μmのCuめっきを施し、最表面に厚さ0.15〜3.0μmであるめっき厚さのSnまたはSn合金めっきを施した後、少なくとも一回以上の加熱処理を行う製造方法の記載が見られる(特許文献1の請求項9)。
しかしながら、高温動作する半導体デバイスについては、はんだ接合部の工程を示す図6(a)と図6(b)の断面図から、図6(a)のように、Niめっき109で被覆された銅基材108を加熱処理なしに図6(b)のようにSn系のはんだ112で接合すると、Ni自体の溶出やSnの侵食によるNiめっき層の目減り(図6(b)の鎖線で示すNi層109から実線で示す110へ)、およびSnとの反応により、脆弱性のあるNiSn合金層111の成膜、成長が生じるので、Niめっき膜109を被着させてもなお、十分な信頼性が得られない場合も多いという問題を抱えている。
本発明は以上述べた点に鑑みて成されたものであり、本発明の目的は、半導体チップが良伝導体上にはんだ接合された半導体装置について、初期だけでなく、実使用中における高温動作履歴後においても、Snを主成分とする鉛フリーはんだを用いたはんだ接合部の信頼性を高くできる半導体装置およびその製造方法を提供することである。
However, for semiconductor devices that operate at high temperatures, from the cross-sectional views of FIG. 6 (a) and FIG. 6 (b) showing the solder joint process, as shown in FIG. 6 (a), copper coated with
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is not only in the initial stage but also in high temperature operation during actual use of a semiconductor device in which a semiconductor chip is soldered onto a good conductor. It is to provide a semiconductor device and a method of manufacturing the same that can increase the reliability of a solder joint using lead-free solder containing Sn as a main component even after the history.
特許請求の範囲の請求項1記載の本発明によれば、半導体チップが金属部を有する基板上にはんだを用いた接合により搭載される半導体装置において、前記はんだがPbフリーのSn系はんだであり、前記半導体チップと前記金属部の間のSn系はんだ層と前記金属部の表面とが前記Sn系はんだ層側から、順次Sn系はんだ層とNi/Sn層とCu/Ni/Sn層とCu/Ni層とCu層とで構成される接合層構造を有する半導体装置とすることにより、前記本発明は達成される。
特許請求の範囲の請求項2記載の本発明によれば、前記金属部がCu、Alを含む良伝導体材料から選ばれる少なくともいずれか一種類の材料である請求項1記載の半導体装置とすることが好ましい。
特許請求の範囲の請求項3記載の本発明によれば、前記金属部を有する基板が、絶縁基板の表面に形成される金属配線パターンを含む金属部を有する基板である請求項1または2記載の半導体装置とすることが好適である。
According to the first aspect of the present invention, in a semiconductor device in which a semiconductor chip is mounted on a substrate having a metal portion by bonding using solder, the solder is Pb-free Sn-based solder. The Sn solder layer between the semiconductor chip and the metal part and the surface of the metal part are sequentially formed from the Sn solder layer side, the Sn solder layer, the Ni / Sn layer, the Cu / Ni / Sn layer, and the Cu. The present invention is achieved by forming a semiconductor device having a bonding layer structure composed of a / Ni layer and a Cu layer.
According to the present invention as set forth in
According to the present invention as set forth in claim 3, the substrate having the metal portion is a substrate having a metal portion including a metal wiring pattern formed on a surface of an insulating substrate. The semiconductor device is preferably used.
特許請求の範囲の請求項4記載の本発明によれば、前記金属部を有する基板が金属基板からなる請求項1または2記載の半導体装置とすることもできる。
特許請求の範囲の請求項5記載の本発明によれば、半導体チップをはんだを用いた接合により、基板の金属部上に搭載する半導体装置の製造方法において、表面側からNi層とCu層とをこの順に有する金属部を備える基板に所定の加熱処理を加えることにより、Cu/Ni層とCu層とをこの順に有する金属部を備える基板に変えてから、Snを主成分とするPbフリーはんだ材を用いて半導体チップを前記金属部のCu/Ni層の上にはんだ接合する半導体装置の製造方法とすることにより、前記本発明の目的は達成される。
特許請求の範囲の請求項6記載の本発明によれば、前記金属部を備える基板に所定の加熱処理を加えた後、前記金属部の最表面にAu、In、Sbから選ばれる少なくとも一種類を用いた金属層を形成し、前記半導体チップをはんだ接合する請求項5記載の半導体装置の製造方法とすることが好ましい。
According to a fourth aspect of the present invention, the substrate having the metal part may be a semiconductor device according to the first or second aspect.
According to the present invention of claim 5, in a method of manufacturing a semiconductor device in which a semiconductor chip is mounted on a metal part of a substrate by bonding using solder, a Ni layer and a Cu layer are formed from the surface side. Pb-free solder containing Sn as a main component after changing to a substrate having a metal part having a Cu / Ni layer and a Cu layer in this order by applying a predetermined heat treatment to the substrate having a metal part having the order of The object of the present invention can be achieved by using a material for manufacturing a semiconductor device in which a semiconductor chip is solder-bonded onto the Cu / Ni layer of the metal part.
According to the present invention of claim 6, at least one selected from Au, In, and Sb is applied to the outermost surface of the metal portion after a predetermined heat treatment is applied to the substrate including the metal portion. 6. A method of manufacturing a semiconductor device according to claim 5, wherein a metal layer is formed using solder and the semiconductor chip is soldered.
特許請求の範囲の請求項7記載の本発明によれば、前記金属部の最表面にAu、In、Sbから選ばれる少なくとも一種類を用いた金属層を形成した後、前記半導体チップをはんだ接合する前に、前記金属層上にSnまたはSn合金層を形成する請求項6記載の半導体装置の製造方法とすることが好適である。 According to the present invention of claim 7, after forming a metal layer using at least one selected from Au, In, and Sb on the outermost surface of the metal part, the semiconductor chip is soldered The semiconductor device manufacturing method according to claim 6, wherein an Sn or Sn alloy layer is formed on the metal layer before performing.
本発明によれば、半導体チップが良伝導体上にはんだ接合された半導体装置について、初期だけでなく、実使用中における高温動作履歴後においても、Snを主成分とする鉛フリーはんだを用いたはんだ接合部の信頼性を高くする半導体装置およびその製造方法を提供することができる。 According to the present invention, for a semiconductor device in which a semiconductor chip is solder-bonded on a good conductor, lead-free solder mainly composed of Sn is used not only in the initial stage but also after a high-temperature operation history during actual use. It is possible to provide a semiconductor device that increases the reliability of a solder joint and a manufacturing method thereof.
図5は一般的な半導体装置の断面図であるが、本発明の半導体装置にかかる一実施例の断面図とマクロ的な外観は変らないので、以下の本発明の説明に使用することとする。図1、図2、図3、図4は、それぞれ、本発明の半導体装置およびその製造方法にかかり、前記図5に示す半導体装置において、半導体チップ104をはんだ接合するために搭載する配線基板103上の金属部106およびこの金属部106に半導体チップ104をはんだ接合した場合のはんだ接合部近傍の拡大断面図を示す。本発明の半導体装置は前記半導体チップの下のはんだ接合部近傍の層構成が従来技術とは異なるので、この部分を詳細に説明するために前記図1乃至図4に拡大断面図として示した。本発明の半導体装置を構成するはんだ接合部分にかかる相互の接合部材は、前記図5に示すような半導体チップ104と配線基板103の場合だけでなく、半導体チップと金属支持基板、前記半導体チップと配線基板を接続する配線体(アルミワイヤ)等、いずれの部材の組み合わせであってもよく、一方の接合表面がCuを主成分とする金属であって、Ni表面層を有し、はんだ材がSnを主成分とする鉛フリーはんだであるときに本発明はその効果を発揮する。
FIG. 5 is a cross-sectional view of a general semiconductor device, but the cross-sectional view of one embodiment according to the semiconductor device of the present invention and the macroscopic appearance are not changed, and will be used for the following description of the present invention. . 1, 2, 3, and 4 respectively relate to a semiconductor device and a manufacturing method thereof according to the present invention. In the semiconductor device shown in FIG. 5, a
本発明は、本発明の要旨を超えない限り、下記の実施例の説明のみに限定されるものではない。本発明では、図1(a)に示すように、被接合材である金属部はCu若しくはCu合金、及びCuを含有する複合材などの基材1からなり、Ni(ニッケル)層2により被膜される(金属部がCuの場合を図示)。この場合、Ni層2は蒸着、スパッタ、めっきのいずれでも良く、無電解Ni−P(リン)、Ni−B(ホウ素)若しくは電解Niめっきであることが望ましい。また、Cuを含有する合金、複合材などの場合、単一層のめっきだけでは被膜欠陥が生じやすい場合がある。そのような場合は下地層としてNi、Cr(クロム)、Pd(パラジウム)、Al(アルミニウム)、Al−Si(シリコン)などの下地被膜を形成した上で最表面にNi被膜を成膜することが望ましい。図1(c)に示すように、はんだ接合層3はSn(スズ)Ag(銀)、SnAgCu、SnBi(ビスマス)、SnCu、SnZn(亜鉛)、SnSb(アンチモン)などのSnを主体とした鉛フリーのはんだを用いる。上述の構成の場合、はんだ接合により、通常、接合界面にはNi/Sn系の化合物(Ni3Sn4など)を生じるが、本発明では、予め良伝導体層(銅層)パタン1を表面に形成した前記配線基板103に、図1(a)に示すように、Niめっき層2を形成してCu層(基材)1とNiめっき層2との二層にした後、高温加熱処理することを特徴としており、その結果、図1(b)に示すように、基板の銅層1からNiめっき層2に銅が拡散されてCu/Ni層2−1が形成される。また、被接合材の界面付近にNiとCuが存在するので、はんだとの接合反応の際にはSn、Niの反応により生成するNiSn系の化合物に加えて、Ni被膜中に存在するCuが反応界面に析出するため、図1(c)に示すように、Cu/Ni/Sn系の三元成分の層4が生じる。従来、Cu層108にNiめっき後の高温加熱処理がない場合、前記図6に示したように、Ni層109は加熱時効によりはんだ接合層3に溶出するともにNiSn系の合金層111の成長を促進するため、温度上昇を伴う実機への通電時において接合界面の脆化傾向を進展させ、その結果、はんだ接合の延展性を低下させると共に金属疲労傾向を増大させる結果となっていた。この場合は、接合層内部の脆性破壊傾向を加速させる要因となっていた。これに対し、本発明では、図1に示すように銅を含むCu/Ni/Sn系の層4が生じ安定なバリアメタルとして作用するので、接合層界面のNiSn系の合金層10の成長を抑制することができ、接合層の経時脆化の影響が低減され、信頼性を向上させることができるのである。なお、被接合材は半導体チップそのものでも可能で、バンプ状に形成された銅、ニッケル層を含む被膜部及びそれらの拡散を防ぐW(タングステン)、Ti(チタン)、Alなどの下地電極層(UBM:Under Bump Metal)があればCu、Niの拡散による不都合は生じないので、同様の作用を期待できる。
The present invention is not limited to the description of the following examples unless it exceeds the gist of the present invention. In the present invention, as shown in FIG. 1 (a), the metal part to be joined consists of a base material 1 such as Cu or a Cu alloy and a composite material containing Cu, and is coated with a Ni (nickel)
本発明の半導体装置の製造方法にかかる一実施例について、銅層または銅基板などを基材とする良伝導体上に半導体チップを鉛フリーのSn系はんだを用いて、はんだ接合する前後の工程を中心にして以下詳細に説明する。銅若しくは銅合金からなる良伝導体(銅層または銅を基材)1の表面に電解めっきによりNi層2を形成する。図1(a)は銅層1の表面にNiメッキ層2を形成したことを断面図により示した図である。Ni層2の厚みは5μm以下であるとよい。その後、還元雰囲気の加熱炉で400〜800℃の加熱処理を5〜30分間行いNi層2と良伝導体1の相互拡散を進展させる。低温(400〜600℃程度)加熱処理時においては結晶粒内を浸透した緩やかな相互拡散が進展するが、特に高温(600℃〜800℃)加熱処理時においては良伝導体1及びNi層2は再結晶化が進行し、結晶粒の粗大化が進行する。結晶粒が粗粒化すると共にNi層2の粒界近傍に良伝導体1のCu成分の拡散が促進され、一部の拡散Cuが最表面近傍に析出し、Cu/Ni合金層2−1が形成される(図1(b))。被膜強度などの膜状態に対する影響としては前者の低温加熱処理の方が望ましいが、後者の高温加熱処理でも、最大結晶粒径が2〜3μm程度までの粗大化にとどまっていれば、はんだ接合した後の脆化の影響を前記低温加熱処理と比較しても信頼性に及ぼす影響は些少であるので、問題なく、高温加熱処理の方が処理時間を短かくできる分、より好ましいと言える。この状態でSn3.5Agなどの鉛フリーはんだ3との接合(最大加熱温度240〜300℃)を行なうと、安定相であるCu/Ni/Sn層(たとえば、η’−(Cu,Ni)6Sn5などを含む層)4が表面に形成される(図1(c))。この図1(c)では元のCu/Ni2−1に相当する領域を鎖線で示し、新しいCu/Ni層を2−2で示した。図1(c)によれば、鎖線で示す元のCu/Ni2−1の最表面はCu/Ni/Sn層4であり、その上のはんだ層3側にはごく薄いNi/Sn層10が形成されているが、Cu/Ni/Sn層4により、層の成長が抑制されているので影響は小さい。
About the Example concerning the manufacturing method of the semiconductor device of this invention, the process before and behind solder-joining a semiconductor chip on the good conductor which makes a copper layer or a copper substrate the base material using lead-free Sn type solder The details will be described below. An
前記実施例1の場合、良伝導体(Cu層またはCu基板)1とNi層2からなる基板の高温または低温の加熱処理後においては、はんだ接合界面を形成する最表面には銅とニッケルの双方が露出した状態となるが、特に銅の酸化傾向が腐食に及ぼす影響が強いので、加熱処理後の部材管理を通常の雰囲気内で行なうと、はんだ接合の際の濡れ性を劣化させる要因となる。実施例2では、図2の表面にNiめっきされた良伝導体1の断面図に示すように、酸化防止保護膜としてAuめっき層5を、前記図1(a)に示すCu/Ni膜基板の加熱処理後の前記図1(b)の基板に成膜する。Au(金)めっき層5はフラッシュめっきであればよく、膜厚は0.05μm程度の薄膜で良い。この場合、Au層5はんだ接合前の基板表面に耐食性を付与すると共に濡れ性を保持することができ、また、はんだ接合の際にAuは界面近傍に残留することなく、はんだ層全体に均一にAuが分散するため、実質的には接合後の層構成は実施例1と同様のものとなる。また、Auめっき層5に代えて、接合活性傾向が高いIn(インジウム)、Sb等を成膜しても良い。In、Sb等は下地部分との界面反応に先んじてはんだとの液相拡散により、前記Auと同様にはんだ層全体に分散するので、悪影響のある合金層を形成することなく、Auめっき層と同様の効果が期待できる。
In the case of Example 1, after the heat treatment of the substrate composed of the good conductor (Cu layer or Cu substrate) 1 and the
図3に実施例3の良伝導体の断面図を示す。良伝導体(基板)6はアルミニウム(Al)膜で、3〜5μm程度の厚みを有する。このアルミニウム膜の上に下地Ni膜7を無電解めっきで3μm程度成膜し、その上に電解めっきによりCu層8を0.5〜2μm形成する。更に最表面に0.5〜2μm程度Niめっき2を施した(図3(a))後、前述の加熱処理とAuめっき膜形成を行なえば、Ni膜の最表面にCu層8が拡散してCu層の両界面にCu/Ni層2−1がそれぞれ形成される(図3(b))。この基板上に半導体チップをSn3.5AgなどのSnを主成分とする鉛フリーはんだ3を用いてはんだ接合を行なうと、図3(c)に示すように、前述の実施例と同様の接合層構成を含む層(はんだ3、Ni/Sn層10、Cu/Ni/Sn層4、Cu/Ni層2−1、Cu層8、Cu/Ni層2−1、Ni層2、Al層6)が形成される。この場合、下地のNiめっき層2は接合後も一部が残存していることが望ましく、表面側の膜(Cu層8、Ni膜2)より厚みを大きくとることで、供給Cu分が拡散して表面側のNi膜7に一部が分散した段階でもNiリッチなまま残存し、Al側の界面付近の層構成が変化しないものとした。
FIG. 3 shows a cross-sectional view of the good conductor of Example 3. The good conductor (substrate) 6 is an aluminum (Al) film and has a thickness of about 3 to 5 μm. A base Ni film 7 is formed on the aluminum film by about 3 μm by electroless plating, and a
前述の実施例1、2では、リードフレーム基板材等に多い銅+Niめっき部材、配線基板上に形成される導電配線材などへの応用が可能だが、現在配線基板などの上に搭載される半導体チップの表面側の電極は、ワイヤボンディングが可能なようにアルミニウム膜の形成が通常であり、敢えて、半導体チップの表面側電極膜にはんだ接合を行なうためには、その上にさらに電解または無電解Niめっき膜が形成されるので、通電動作時には最も高温負荷が掛かるところとなる。そのため、実施例3によれば、実機信頼性を向上させるために安定した界面状態を保持する効果が期待できる。 In the first and second embodiments described above, it can be applied to a copper + Ni plating member, which is often used as a lead frame substrate material, and a conductive wiring material formed on a wiring substrate. However, a semiconductor currently mounted on a wiring substrate or the like. The electrode on the surface side of the chip is usually formed with an aluminum film so that wire bonding is possible. In order to perform solder bonding to the electrode film on the surface side of the semiconductor chip, it is further electrolyzed or electrolessly formed thereon. Since the Ni plating film is formed, the highest temperature load is applied during the energization operation. Therefore, according to the third embodiment, an effect of maintaining a stable interface state can be expected in order to improve actual machine reliability.
前記実施例1、2、3に加え、フローはんだ実装のように溶融はんだ材に浸漬させるような接合を行う場合は、前記図1(a)に示す銅基材1表面にNiめっき膜2形成された金属部材に実施例1と同様の加熱処理を施して、図1(b)のようにCu/Ni層2−1とした後、Au膜5を形成した後に、Snを主成分とする鉛フリーはんだめっき9を行うと、前述のようにAu層は分散して消える(図4(a))。はんだ接合時の反応ではんだめっき層9とNi、Cuを含む下地界面の相互拡散によりNi/Sn層10とCu/Ni/Sn層4が生成される(図4(b))。一方、基板部材のはんだめっき9の最表面(鎖線で示す)は、はんだ3と同種の合金界面となるので液相状態で流動して部材の旧最表面下部の成分と混合する。すなわち、はんだ実装の際の溶融はんだ材の組成不均一などの品質上の影響を受けることなく、接合条件に依存せず安定してバリアメタル層4をNi膜の境界表面付近に形成するため、実機の製造品質を均質化し、結果、信頼性を向上させることができる。なお、この場合、はんだめっき9とCu/Ni層2−1に挟み込まれるAu、In、Sbは無くてもかまわない。あるいははんだめっき後の基板を放置することがある場合に、腐食を防ぐために最表面にAu膜を成膜してもかまわない。
In addition to the first, second, and third embodiments, in the case of performing the joining so as to be immersed in the molten solder material as in the flow solder mounting, the
1、… Cu層、Cu基材、
2、… Ni皮膜、
2−1、… Cu/Ni層
3、… はんだ層、
4、… Cu/Ni/Sn層
5、… Au膜、
6、… Al層
7、… Ni層
8、… Cu層
9、… はんだめっき層
10、… Ni/Sn層。
1, ... Cu layer, Cu base material,
2, Ni film,
2-1, ... Cu / Ni layer 3, ... solder layer,
4, Cu / Ni / Sn layer 5, Au film,
6, ... Al layer 7, ...
Claims (7)
After forming a metal layer using at least one selected from Au, In, and Sb on the outermost surface of the metal part, an Sn or Sn alloy layer is formed on the metal layer before soldering the semiconductor chip. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6.
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