JP4677849B2

JP4677849B2 - はんだ接合方法

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Publication number: JP4677849B2
Application number: JP2005228840A
Authority: JP
Inventors: 一之蒔田; 正樹一ノ瀬; 豪人渡島; 全紀早乙女; 満男山下
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2005-08-05
Filing date: 2005-08-05
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2025-08-05
Also published as: JP2007048787A

Description

この発明は、はんだ接合方法に関し、特に鉛を含まない鉛フリー化はんだ材を用いて半導体ウェハ同士を接合するはんだ接合方法に関する。

鉛をベースにした錫（Ｓｎ）系のはんだ材は、柔らかい鉛を含むため、数〜数十μｍ程度の厚さの箔化が容易であるという特性を有する。そのため、このはんだ材は、従来より、半導体装置のはんだ付けなどに多用されている。しかし、鉛による環境汚染を抑制するため、２００７年には、使用可能なはんだ材は、鉛を含まないはんだ材、すなわち鉛フリー化はんだ材に完全に切り替わると言われており、鉛フリー化はんだ材の開発が進められている。

一般に、鉛フリー化はんだ材として、Ｓｎ−Ａｇ（銀）系はんだ材やＳｎ−Ｓｂ（アンチモン）系はんだ材が知られている。これらの鉛フリー化はんだ材を、複数枚の半導体ウェハをはんだ接合して積み重ねたウェハ積層体を作製する際のはんだ材として用いるためには、はんだ材を箔化する必要がある。しかし、これらのはんだ材では、鉛を含まないため、箔化が困難である。そこで、本出願人は、鉛を含まないはんだ材の微粉末原料を薄板状に焼結したものをはんだ材として用いてウェハ同士を接合する方法について、先に出願している（例えば、特許文献１参照。）。ここで用いられるはんだ材は、金属粉末の焼結体である。

また、電子部品同士、または半導体チップとタブを、銅（Ｃｕ）や銀の粒子と錫の粒子を含む材料を圧延してできたはんだ箔を用いて接合する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。ここで用いられるはんだ箔は、合金化されていない。さらに、本出願人は、ウェハ積層体を作製する際に、ウェハとウェハの間にアルミニウム層、またはアルミニウム層とニッケル層を挟み、加圧状態で加熱することにより、ウェハ同士を接合する方法について、先に出願している（例えば、特許文献３参照。）。

特開２００４−１４６４６２号公報特開２００４−２４７７４２号公報特開平１１−９７６１８号公報

しかしながら、上記特許文献１または２に開示されたはんだ接合方法は、はんだ材やその原料となる金属を粉末化する工程を必要とするため、はんだ材の製造コストが増大し、好ましくない。はんだ材を粉末化してはんだクリームにする場合も同様である。また、上記特許文献３に開示された接合方法は、箔化された鉛フリー化はんだ材を用いて半導体ウェハ同士を接合する方法ではない。

また、一般に知られているＳｎ−Ａｇ系はんだ材やＳｎ−Ｓｂ系はんだ材では、固相線温度が２１６〜２５０℃と低いため、例えばウェハ積層体からチップを切り出し、そのチップに対して２６０℃で１０秒間の加熱を３回繰り返す（はんだ耐熱処理）と、はんだ材が完全に溶融してしまい、チップが曲がってしまう。そのため、その後の半導体装置としての組み立てに支障が生じるという問題点がある。

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、薄いシート状の鉛フリー化はんだ材を用いて、従来の鉛を含むはんだ材を用いた場合と同等かそれ以上のはんだ耐熱性を有するようにはんだ接合を行うことができるはんだ接合方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、この発明にかかるはんだ接合方法では、錫、銀、銅を主成分として含み、かつ鉛を含まない合金を圧延してなるシート状のはんだ材を用いる。そして、このはんだ材と半導体ウェハを交互に積層し、その状態でウェハ表面に対して垂直な方向から加圧しながら加熱してはんだ材を溶解させる。

例えば、錫、１０重量％以上２０重量％以下の銀および３重量％以上５重量％以下の銅を主成分として含み、かつ鉛を含まない合金を圧延してなるシート状のはんだ材を用いる。そして、このはんだ材と半導体ウェハを交互に積層し、その状態でウェハ表面に対して垂直な方向から加圧しながら加熱してはんだ材を溶融させる。

その際、溶けたはんだ材中の低融点成分がウェハ同士の接合部から外へ押し出されるように、加圧圧力を１ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下、好ましくは３ＭＰａ以上７ＭＰａ以下に制御するとともに、加熱温度をはんだ材の固相線温度よりも３０℃高い温度（以下、はんだ固相線温度＋３０℃と表記する）以上で、かつはんだ材の液相線温度よりも３０℃低い温度（以下、はんだ液相線温度−３０℃と表記する）以下に制御する。例えば、２５０〜３３０℃に制御する。

そして、溶けたはんだ材を凝固させてウェハ同士を接合する。また、はんだ材を溶融させる際に、はんだ材と半導体ウェハを積層して加圧した状態のものをはんだ付け装置のチャンバー内に入れ、そのチャンバー内を不活性ガス雰囲気に置換した後に例えば４Ｔｏｒｒ以下の真空雰囲気にするようにしてもよい。この発明によれば、加熱により溶けたはんだ材中の低融点成分がウェハ同士の接合部から外へ押し出されるので、従来の鉛を含むはんだ材を用いた場合と同等かそれ以上のはんだ耐熱性を有するはんだ接合部が得られる。

本発明にかかるはんだ接合方法によれば、薄いシート状の鉛フリー化はんだ材を用いて、従来の鉛を含むはんだ材を用いた場合と同等かそれ以上のはんだ耐熱性を有するようにはんだ接合を行うことができるという効果を奏する。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかるはんだ接合方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。この発明にかかるはんだ接合方法において用いられる鉛フリー化はんだ材は、錫と銀と銅を主成分とする合金である。銀の含有割合は、１０重量％以上２０重量％以下、好ましくは２０重量％であるのが適当である。銅の含有割合は、３重量％以上５重量％以下、好ましくは５重量％であるのが適当である。残りのすべてまたはほとんどは、錫である。一例としてあげれば、１０重量％の銀と５重量％の銅を含むＳｎ−１０Ａｇ−５Ｃｕはんだ材や、２０重量％の銀と５重量％の銅を含むＳｎ−２０Ａｇ−５Ｃｕはんだ材などである。

また、はんだ材は、シート状に圧延されている。その厚さは、特に限定しないが、例えば４０μｍ以上１２０μｍ以下である。この厚さの範囲は、複数枚の半導体ウェハをはんだ材を介して接合したウェハ積層体を作製する場合に、ウェハ１枚あたりの厚さと、積層するウェハの枚数と、所定枚数のウェハをはんだ材を介して相互に接合したときの厚さに応じて決まる。また、このはんだ材の形状および大きさは、被接合部材と同じ形状で同じ大きさであるとよい。例えば被接合部材が半導体ウェハである場合には、そのウェハと同じ径の円盤状であるのがよい。

図１および図２は、本発明にかかるはんだ接合方法によりウェハ積層体を製造するプロセスの概略を説明するための図であり、ウェハ積層体の断面構成を示している。図１に示すように、まず、複数枚のウェハ１１と鉛フリー化はんだ材１２を交互に積層して、ウェハ−はんだ材積層体１０を形成する。

ついで、ウェハ−はんだ材積層体１０を加圧しながら加熱することにより鉛フリー化はんだ材１２を溶融し、図２に示すように、はんだ接合層２２を介してウェハ１１をはんだ接合してなるウェハ積層体２０を得る。このときの接合温度は、はんだ固相線温度＋３０℃〜はんだ液相線温度−３０℃の範囲である。

これは、ウェハ積層体２０からチップを切り出した後に、そのチップの、ウェハ積層方向の両端を支持した状態で、２６０℃で１０秒間の加熱を３回繰り返すはんだ耐熱性試験を行うが、その試験で合格する最低温度が、はんだ固相線温度＋３０℃であるからである。また、はんだ液相線温度−３０℃よりも高い温度では、溶けたはんだの均質化が進むため、加圧により低融点液相のはんだ液が接合部の外に押し出されて接合部のはんだ耐熱性が向上するという効果がなくなるからである。はんだ材の組成によって多少のずれはあるが、具体的には２５０〜３３０℃程度である。

また、はんだ接合時にウェハ−はんだ材積層体１０を加圧する圧力は、１〜１０ＭＰａである。その理由は、１ＭＰａ以上であればウェハ全体を接合することができることと、１０ＭＰａを超えるとウェハが割れやすくなるからである。より確実に高い良品率でウェハ積層体を作製するには、３〜７ＭＰａであるのが好ましい。この加圧、加熱処理によって、はんだ接合層２２の耐熱性が向上する。

図２に示すウェハ積層体２０を得るにあたっては、例えば図３に示すように、加熱加圧はんだ付け装置１６０を用いる。この装置の上側プレス体１６１の上面均一加熱加圧板１６２と下側プレス体１６３の下面均一加熱加圧板１６４との間に、ウェハ−はんだ材積層体１０を挟む。そして、プレスアーム１６５により上側プレス体１６１を下降させて、ウェハ−はんだ材積層体１０を加圧する。この状態で、上下のプレス体１６１，１６３にそれぞれ埋め込まれたヒータ１６６，１６７により、ウェハ−はんだ材積層体１０を加熱する。なお、この加熱は誘導加熱としてもよい。

あるいは、ウェハ−はんだ材積層体１０を加圧するために、図４および図５にそれぞれ平面図および側面図を示すように、加圧積層治具１７０を用いてもよい。この場合、治具１７０の底板１７１と天板１７２との間にウェハ−はんだ材積層体１０を挟む。そして、底板１７１と天板１７２とをつなぐ柱となる複数本の棒状部材１７３の頂部のねじ切り部に螺合させたナット１７４を締めて、ウェハ−はんだ材積層体１０を加圧する。

上述した加圧積層治具１７０を用いる場合には、例えば図６に示すように、ベルトコンベア炉１９０のベルト１９１上に、ウェハ−はんだ材積層体１０を加圧した状態の加圧積層治具１７０を並べ、それを、回転体１９２によるベルト１９１の送りによって、ヒータ１９３の下を移動させて加熱するようにしてもよい。あるいは、図７に示すように、真空加熱機２００を用い、その真空チャンバー２０１内の試料ステージ２０２上に、ウェハ−はんだ材積層体１０を加圧した状態の加圧積層治具１７０を置き、イオンポンプ２０３およびクライオポンプ２０４によりチャンバー２０１内を真空引きし、ヒータ２０５により加熱する。このとき、チャンバー２０１内にＨ₂やＮ₂などの不活性ガスを導入してもよい。

また、図７に示す真空加熱機２００を用いる場合、チャンバー２０１内にＨ₂やＮ₂などの不活性ガスを導入してチャンバー内雰囲気を不活性ガス雰囲気に置換してから、イオンポンプ２０３およびクライオポンプ２０４によりチャンバー２０１内をＴｏｒｒ以下に真空引きし、その後にヒータ２０５により加熱するようにしてもよい。このようにすれば、はんだ表面が酸化するのを抑制することができるので、ウェハとはんだの接合性が向上する。また、チャンバー内の真空度が４Ｔｏｒｒ以下であるので、溶けたはんだ材中の低融点液相のはんだ液を接合部の外へ効率よく押し出すことができる。

本発明者らは、種々の組成のはんだ材を用いてその圧延性を調べる試験を行うとともに、図２に示すようなウェハ積層体２０を作製し、そこから切り出したチップを用いてはんだ耐熱性を調べる試験を行った。その結果について説明する。はんだ材の組成、固相線温度および液相線温度、並びにウェハ積層体２０を作製する際の温度および圧力は、表１に示す通りである。

はんだ材の圧延性試験については、各種組成のはんだ合金のインゴットを作製し、各インゴットを直径１００ｍｍで厚さ４０μｍのシート状に圧延できるか否かを調べた。その結果を表１に示す。表１の圧延性の欄で、○印は圧延できたことを表し、×印は圧延できなかったことを表している。表１より、銀の含有割合が５重量％以上２０重量％以下であり、かつ銅の含有割合が１重量％以上５重量％以下であれば、圧延性が良好であることがわかる。これらの圧延性が良好であるはんだ材は、従来の鉛をベースにした錫系のはんだ材と同程度か、またはそれ以上の圧延性を有していた。それに対して、銀の含有割合が２５重量％または３０重量％になると、圧延性が悪化し、所望の大きさおよび厚さに圧延することができなかった。

はんだ耐熱性試験については、圧延性試験で所望のシート状に圧延できたはんだ材を用い、そのはんだ材と２０枚のウェハを相互に積層し、種々の温度および圧力の条件ではんだ付けを行った。そして、得られたウェハ積層体をワイヤソーによりおよそ０．５ｍｍ角のチップに切断し、図８に示すように、そのチップ３１の、ウェハ積層方向の両端を支持部材３２で支持した状態で、２６０℃で１０秒間の加熱を３回繰り返した。加熱後、チップ３１の中央部における曲がり量ｘを測定し、ｘが既定値、例えば５０μｍ以下であるか否かを調べた。その結果を表１に示す。表１のはんだ耐熱性の欄で、○印は、ｘが５０μｍ以下であったことを表し、×印は、ｘが５０μｍよりも大きかったことを表している。

表１より、銀の含有割合が１０重量％以上２０重量％以下であり、かつ銅の含有割合が３重量％以上５重量％以下であるはんだ材を用いて、はんだ付け温度をはんだ固相線温度＋３０℃の温度（ここでは、２６０℃）からはんだ液相線温度−３０℃の温度（ここでは、３２０℃）までの範囲とし、かつはんだ付け圧力を１〜１０ＭＰａとすることによって、良好なはんだ耐熱性が得られることがわかる。これらのはんだ耐熱性が良好であるはんだ材は、従来の鉛をベースにした錫系のはんだ材と同程度か、またはそれ以上のはんだ耐熱性を有していた。

それに対して、圧延性が良好なはんだ材であっても、銀の含有割合が５重量％であるものや、銅の含有割合が１重量％であるものを用いた場合、また、はんだ付け温度がはんだ固相線温度＋３０℃の温度よりも低かったりはんだ液相線温度−３０℃の温度よりも高い場合には、良好なはんだ耐熱性が得られなかった。また、本発明者らが、圧延性に優れたはんだ組成のはんだ材を用いて、耐熱性に優れたはんだ付け条件でもってウェハ積層体を作製し、そこから切り出したチップを用いて半導体装置を組み立てたところ、従来の鉛をベースにした錫系のはんだ材を用いた場合と同等の初期的電気特性と信頼性が得られた。

以上説明したように、実施の形態によれば、はんだ接合時の加圧圧力と加熱温度を制御することによって、溶けたはんだ材中の低融点成分をウェハ同士の接合部から外へ押し出すことができるので、従来の鉛を含むはんだ材を用いた場合と同等かそれ以上のはんだ耐熱性を有するはんだ接合部が得られるという効果を奏する。また、はんだ合金が圧延性に優れるので、はんだ合金のインゴットを圧延することによってシート状の薄いはんだ材が容易に得られる。

以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、種々変更可能である。例えば、実施の形態中に記載した含有割合や寸法や温度や圧力などの数値は一例であり、本発明はそれらの値に限定されるものではない。

以上のように、本発明にかかるはんだ接合方法は、鉛フリー化はんだ材を用いたはんだ接合方法に有用であり、特に、複数枚の半導体ウェハを鉛フリー化はんだ材を用いて接合することによってウェハ積層体を製造する際のはんだ接合方法に適している。

本発明にかかるはんだ接合方法を適用して作製されるウェハ積層体の製造段階における構成を示す断面図である。本発明にかかるはんだ接合方法を適用して作製されるウェハ積層体の製造段階における構成を示す断面図である。本発明にかかるはんだ接合方法を適用してウェハ積層体を作製する際に用いられる加熱加圧はんだ付け装置を模式的に示す断面図である。本発明にかかるはんだ接合方法を適用してウェハ積層体を作製する際に用いられる加圧積層治具を模式的に示す平面図である。図４に示す加圧積層治具の側面図である。本発明にかかるはんだ接合方法を適用してウェハ積層体を作製する際に用いられるベルトコンベア炉を模式的に示す断面図である。本発明にかかるはんだ接合方法を適用してウェハ積層体を作製する際に用いられる真空加熱機を模式的に示す断面図である。はんだ耐熱性試験について説明するための模式図である。

符号の説明

１１被接合部材
１２鉛フリー化はんだ材
２０１真空チャンバー

Claims

錫、１０重量％以上２０重量％以下の銀および３重量％以上５重量％以下の銅を主成分として含み、かつ鉛を含まない合金を圧延してなるシート状のはんだ材と半導体ウェハを交互に積層する第１の工程と、
前記はんだ材と半導体ウェハを積層した状態でウェハ表面に対して垂直な方向から加圧しながら加熱して前記はんだ材を溶融させる第２の工程と、
溶けたはんだ材を凝固させてウェハ同士を接合する第３の工程と、
を含み、
はんだ付け温度を２６０℃から３２０℃までの範囲とし、かつはんだ付け圧力を１〜１０ＭＰａとすることを特徴とするはんだ接合方法。
前記第２の工程において、溶けたはんだ材中の低融点成分がウェハ同士の接合部から外へ押し出されるように、加圧圧力と加熱温度を制御することを特徴とする請求項１に記載のはんだ接合方法。
前記第２の工程において、前記はんだ材と半導体ウェハを積層して加圧した状態のものをチャンバー内に入れ、該チャンバー内を不活性ガス雰囲気に置換した後に真空雰囲気にしてから加熱することを特徴とする請求項１または２に記載のはんだ接合方法。
前記チャンバー内の真空度を４Ｔｏｒｒ以下にして加熱することを特徴とする請求項３に記載のはんだ接合方法。