JPH05251451A - 半導体素子用のはんだバンプ形成材料 - Google Patents
半導体素子用のはんだバンプ形成材料Info
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- JPH05251451A JPH05251451A JP4985692A JP4985692A JPH05251451A JP H05251451 A JPH05251451 A JP H05251451A JP 4985692 A JP4985692 A JP 4985692A JP 4985692 A JP4985692 A JP 4985692A JP H05251451 A JPH05251451 A JP H05251451A
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- JP
- Japan
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- ball
- forming material
- electrode
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- bump forming
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Abstract
(57)【要約】
【目的】チップ表面のＡｌ電極と、その電極上に形成す
るバンプとの接合信頼性、特に高温・高湿状態での信頼
性をより確かなものとして、高温・高湿環境下での耐久
性に優れた半導体装置を製作し得るはんだバンプの形成
材料を提供する。 【構成】Ｐｂ，Ｓｎ，Ｉｎの何か一つの主要元素に対
し、0.001 wt％〜10wt％のＺｎ、及び、0.001 wt％〜10
wt％のＳｂを添加せしめたことを特徴とする半導体素子
用のはんだバンプ形成材料。
るバンプとの接合信頼性、特に高温・高湿状態での信頼
性をより確かなものとして、高温・高湿環境下での耐久
性に優れた半導体装置を製作し得るはんだバンプの形成
材料を提供する。 【構成】Ｐｂ，Ｓｎ，Ｉｎの何か一つの主要元素に対
し、0.001 wt％〜10wt％のＺｎ、及び、0.001 wt％〜10
wt％のＳｂを添加せしめたことを特徴とする半導体素子
用のはんだバンプ形成材料。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体素子用のはんだバ
ンプ形成材料、詳しくは、ワイヤレスボンディング法、
特にフリップチップボンディング法またはテープキャリ
アボンディング法により半導体素子（以下、チップとい
う）を基板に実装する際に用いるはんだバンプの形成材
料に関する。
ンプ形成材料、詳しくは、ワイヤレスボンディング法、
特にフリップチップボンディング法またはテープキャリ
アボンディング法により半導体素子（以下、チップとい
う）を基板に実装する際に用いるはんだバンプの形成材
料に関する。
【０００２】
【従来の技術】本願出願人は、細い合金ワイヤ状に作製
され、そのワイヤ先端を加熱して形成したボールをチッ
プ表面のＡｌ電極上に熱圧着した後そのボールをワイヤ
から切断してＡｌ電極上面にバンプを形成する、ワイヤ
ボンディング装置を用いたバンプ形成に特に有用なはん
だバンプの形成材料を発明し、先に出願した（特願平２
−304509号）。
され、そのワイヤ先端を加熱して形成したボールをチッ
プ表面のＡｌ電極上に熱圧着した後そのボールをワイヤ
から切断してＡｌ電極上面にバンプを形成する、ワイヤ
ボンディング装置を用いたバンプ形成に特に有用なはん
だバンプの形成材料を発明し、先に出願した（特願平２
−304509号）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし乍ら、上記ワイ
ヤを用いてチップのＡｌ電極上にバンプを形成し、この
バンプによりチップを基板上に実装せしめてなる半導体
装置で、高温・高湿環境下（温度85℃，湿度85％）にて
100 時間放置する耐久試験を行ったところ、前記バンプ
とＡｌ電極との接合部分で局部電池反応が起こり、その
接合部分の電気的腐食によりＡｌ電極が溶け出す虞れが
あることが判明した。
ヤを用いてチップのＡｌ電極上にバンプを形成し、この
バンプによりチップを基板上に実装せしめてなる半導体
装置で、高温・高湿環境下（温度85℃，湿度85％）にて
100 時間放置する耐久試験を行ったところ、前記バンプ
とＡｌ電極との接合部分で局部電池反応が起こり、その
接合部分の電気的腐食によりＡｌ電極が溶け出す虞れが
あることが判明した。
【０００４】本発明はこのような従来事情に鑑みてなさ
れたものであり、その目的とするところは、チップ表面
のＡｌ電極と、その電極上に形成するバンプとの接合信
頼性、特に高温・高湿状態での信頼性をより確かなもの
として、高温・高湿環境下での耐久性に優れた半導体装
置を製作し得るはんだバンプの形成材料を提供すること
にある。
れたものであり、その目的とするところは、チップ表面
のＡｌ電極と、その電極上に形成するバンプとの接合信
頼性、特に高温・高湿状態での信頼性をより確かなもの
として、高温・高湿環境下での耐久性に優れた半導体装
置を製作し得るはんだバンプの形成材料を提供すること
にある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本願発明者は上述の局部
電池反応について、Ａｌの電極電位値（−1.66Ｖ）と、
Ｐｂ（＋1.5 Ｖ），Ｓｎ（−0.14Ｖ），Ｉｎ（＋0.21
Ｖ）の夫々の電極電位値との開きが大きいことに着目
し、Ａｌとの電位値差が少なく上記局部電池反応を小さ
くできる、即ち、Ａｌに対するはんだ用に適するものと
して周知なＺｎを添加することで、上述の目的を達成し
得ると想定した。
電池反応について、Ａｌの電極電位値（−1.66Ｖ）と、
Ｐｂ（＋1.5 Ｖ），Ｓｎ（−0.14Ｖ），Ｉｎ（＋0.21
Ｖ）の夫々の電極電位値との開きが大きいことに着目
し、Ａｌとの電位値差が少なく上記局部電池反応を小さ
くできる、即ち、Ａｌに対するはんだ用に適するものと
して周知なＺｎを添加することで、上述の目的を達成し
得ると想定した。
【０００６】しかし乍ら、Ｚｎ単独の添加ではバンプ形
成直後における接合強度は向上し得るものの、高温・高
湿環境下、特に高湿環境下では上記の従来不具合が解消
されないことが判明し、さらに鋭意研究を行った結果、
Ｚｎを所定範囲量添加することで高温環境下において所
望の効果を得られると共に、これと同時にＳｂを所定範
囲量添加することで高湿環境下において所望の効果を得
られることを見出だし、本発明のはんだバンプ形成材料
を提供するに至った。
成直後における接合強度は向上し得るものの、高温・高
湿環境下、特に高湿環境下では上記の従来不具合が解消
されないことが判明し、さらに鋭意研究を行った結果、
Ｚｎを所定範囲量添加することで高温環境下において所
望の効果を得られると共に、これと同時にＳｂを所定範
囲量添加することで高湿環境下において所望の効果を得
られることを見出だし、本発明のはんだバンプ形成材料
を提供するに至った。
【０００７】すなわち、本発明は、Ｐｂ，Ｓｎ，Ｉｎの
何か一つの主要元素に対し、0.001wt％〜10wt％のＺ
ｎ、及び、0.001 wt％〜10wt％のＳｂを添加せしめたこ
とを特徴とする半導体素子用のはんだバンプ形成材料で
ある。
何か一つの主要元素に対し、0.001wt％〜10wt％のＺ
ｎ、及び、0.001 wt％〜10wt％のＳｂを添加せしめたこ
とを特徴とする半導体素子用のはんだバンプ形成材料で
ある。
【０００８】
【作用】本発明の形成材料を用いて作製した細い合金ワ
イヤの先端を加熱すると、酸素との親和力が強いＺｎ、
Ｓｂが夫々ボール表面に濃縮して、表面側のＺｎ、Ｓｂ
濃度が高く、その内側が主要元素（Ｐｂ，Ｓｎ，Ｉｎの
何か一つ）濃度の高い二層構造の疑似Ｚｎボールが形成
される。よって、このボールにより形成されるバンプ
は、Ａｌとの固溶限が広いＺｎと、Ａｌとの金属間化合
物を形成するＳｂの特性によりＡｌ電極との接合強度が
向上し、且つＺｎとＳｂに富んだ表面層は、高温・高湿
環境下における局部電池反応を小さくさせ、接合強度向
上に所望の効果を得る。しかも表面Ｚｎ、Ｓｂ層の内側
は主要元素濃度の高いものとするので、所定の柔らかさ
を必要とするバンプ特性を低下させる虞れもない。
イヤの先端を加熱すると、酸素との親和力が強いＺｎ、
Ｓｂが夫々ボール表面に濃縮して、表面側のＺｎ、Ｓｂ
濃度が高く、その内側が主要元素（Ｐｂ，Ｓｎ，Ｉｎの
何か一つ）濃度の高い二層構造の疑似Ｚｎボールが形成
される。よって、このボールにより形成されるバンプ
は、Ａｌとの固溶限が広いＺｎと、Ａｌとの金属間化合
物を形成するＳｂの特性によりＡｌ電極との接合強度が
向上し、且つＺｎとＳｂに富んだ表面層は、高温・高湿
環境下における局部電池反応を小さくさせ、接合強度向
上に所望の効果を得る。しかも表面Ｚｎ、Ｓｂ層の内側
は主要元素濃度の高いものとするので、所定の柔らかさ
を必要とするバンプ特性を低下させる虞れもない。
【０００９】しかし、Ｚｎ及びＳｂの各々の添加量が0.
001 wt％未満では上記の特性を得ることができない。ま
た、Ｚｎ及びＳｂの各々の添加量が10wt％を越えると、
ワイヤ先端にボールを形成する際、ボール表面に厚い酸
化膜が形成されてボール形状がいびつになり、Ａｌ電極
への接合強度が低下するので好ましくない。従って、Ｚ
ｎ及びＳｂの添加量を上述の範囲に設定するものであ
る。
001 wt％未満では上記の特性を得ることができない。ま
た、Ｚｎ及びＳｂの各々の添加量が10wt％を越えると、
ワイヤ先端にボールを形成する際、ボール表面に厚い酸
化膜が形成されてボール形状がいびつになり、Ａｌ電極
への接合強度が低下するので好ましくない。従って、Ｚ
ｎ及びＳｂの添加量を上述の範囲に設定するものであ
る。
【００１０】
【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。表１は主
要元素Ｓｎに対して各種添加元素を表中の記載量配合せ
しめてなるバンプ形成材料で、各試料 No.１〜16は、夫
々の組成（不可避不純物を含む）にしたものを溶解鋳造
し、次いで線引加工で線径60μｍのワイヤに作製した。
要元素Ｓｎに対して各種添加元素を表中の記載量配合せ
しめてなるバンプ形成材料で、各試料 No.１〜16は、夫
々の組成（不可避不純物を含む）にしたものを溶解鋳造
し、次いで線引加工で線径60μｍのワイヤに作製した。
【００１１】尚、試料 No.１，２はＺｎ，Ｓｂの何か一
方を単独で添加した場合、 No.３はＺｎ及びＳｂを添加
しない場合、 No.４，10はＺｎ，Ｓｂの何か一方の添加
量が0.001 wt％未満の場合、 No.９，14はＺｎ，Ｓｂの
何か一方の添加量が10wt％を越える場合を夫々示す比較
例である。
方を単独で添加した場合、 No.３はＺｎ及びＳｂを添加
しない場合、 No.４，10はＺｎ，Ｓｂの何か一方の添加
量が0.001 wt％未満の場合、 No.９，14はＺｎ，Ｓｂの
何か一方の添加量が10wt％を越える場合を夫々示す比較
例である。
【００１２】そして、各試料についてボンディング直後
の剪断強度、高温・高湿環境下での剪断強度、ボール形
状の真球性についてテストした。
の剪断強度、高温・高湿環境下での剪断強度、ボール形
状の真球性についてテストした。
【００１３】ボンディング直後の剪断強度は、ワイヤボ
ンディング装置により各試料の先端にボールを形成し、
そのボールをＡｌ電極上に熱圧着した後ワイヤから切断
してバンプを形成し、その直後にバンプとＡｌ電極間の
接合強度を測定した値である。
ンディング装置により各試料の先端にボールを形成し、
そのボールをＡｌ電極上に熱圧着した後ワイヤから切断
してバンプを形成し、その直後にバンプとＡｌ電極間の
接合強度を測定した値である。
【００１４】高温・高湿環境下での剪断強度は、上記ボ
ンディング法によりＡｌ電極上にバンプを形成し、温度
85℃，湿度85％の状態で100 時間放置した後、バンプと
Ａｌ電極間の接合強度を測定した値である。
ンディング法によりＡｌ電極上にバンプを形成し、温度
85℃，湿度85％の状態で100 時間放置した後、バンプと
Ａｌ電極間の接合強度を測定した値である。
【００１５】ボール形状の真球性は、放電時間を３ｍｓ
一定とし、ボールの直径が線径の2.5 倍となるように放
電電流を調整してボールを形成し、該ボールにゆがみが
あるか否かで測定した。測定の結果、ゆがみがない場合
を良で、ゆがみがあった場合を不可で、夫々表記した。
一定とし、ボールの直径が線径の2.5 倍となるように放
電電流を調整してボールを形成し、該ボールにゆがみが
あるか否かで測定した。測定の結果、ゆがみがない場合
を良で、ゆがみがあった場合を不可で、夫々表記した。
【００１６】
【表１】
【００１７】上記表１によれば、添加元素ＺｎとＳｂを
添加しない場合（試料 No.３）ではボンディング直後、
高温・高湿環境下の双方の剪断強度が２ｇ程度であり、
これにＳｂを単独で添加（試料 No.１）、若しくはＺｎ
の添加量が0.001 wt％未満（試料 No.４）した場合では
前記夫々の強度値がほとんど改善されないことが確認さ
れる。また、Ｚｎの単独添加（試料 No.２）若しくはＳ
ｂの添加量が0.001 wt％未満（試料 No.10）ではボンデ
ィング直後の剪断強度に改善が見られるものの、高温・
高湿環境下での剪断強度にはほとんど効果が現れないこ
とが確認される。
添加しない場合（試料 No.３）ではボンディング直後、
高温・高湿環境下の双方の剪断強度が２ｇ程度であり、
これにＳｂを単独で添加（試料 No.１）、若しくはＺｎ
の添加量が0.001 wt％未満（試料 No.４）した場合では
前記夫々の強度値がほとんど改善されないことが確認さ
れる。また、Ｚｎの単独添加（試料 No.２）若しくはＳ
ｂの添加量が0.001 wt％未満（試料 No.10）ではボンデ
ィング直後の剪断強度に改善が見られるものの、高温・
高湿環境下での剪断強度にはほとんど効果が現れないこ
とが確認される。
【００１８】また、添加元素Ｚｎ或いはＳｂの何か一方
の添加量が10wt％を越えると（試料No.９，14）ボール
表面に厚い酸化膜が形成され、適正なボール形成が不可
能なことが確認される。
の添加量が10wt％を越えると（試料No.９，14）ボール
表面に厚い酸化膜が形成され、適正なボール形成が不可
能なことが確認される。
【００１９】従って、表１の測定結果により明らかな如
く、本発明実施品（試料 No.５〜８、11〜13，15，16）
によれば、半導体素子のバンプ形成用として、所定の特
性がえられることが確認できた。
く、本発明実施品（試料 No.５〜８、11〜13，15，16）
によれば、半導体素子のバンプ形成用として、所定の特
性がえられることが確認できた。
【００２０】また、上記試料 No.２，３，７のワイヤを
用いて上記ボンディング法により形成したボールのオー
ジュ分析を行った。結果を図１のグラフ中に示す。同グ
ラフ中、（イ）は試料 No.３を、（ロ）は試料 No.２
を、（ハ）は試料 No.７を、夫々表す。
用いて上記ボンディング法により形成したボールのオー
ジュ分析を行った。結果を図１のグラフ中に示す。同グ
ラフ中、（イ）は試料 No.３を、（ロ）は試料 No.２
を、（ハ）は試料 No.７を、夫々表す。
【００２１】このグラフによれば、グラフ（イ）ではＺ
ｎ及びＳｂの添加がない場合はボール表面におけるＳｎ
濃度がある程度の数値を示すことが示される。また、グ
ラフ（ロ），（ハ）ではＺｎ単独の添加、若しくはＺｎ
とＳｂの同時添加により、ボール表面においてはＺｎ濃
度，Ｓｂ濃度が高く、Ｓｎ濃度が低いのに対し、ボール
中心に近づくれＳｎ濃度が高く、Ｚｎ濃度，Ｓｂ濃度が
低くなることが示される。
ｎ及びＳｂの添加がない場合はボール表面におけるＳｎ
濃度がある程度の数値を示すことが示される。また、グ
ラフ（ロ），（ハ）ではＺｎ単独の添加、若しくはＺｎ
とＳｂの同時添加により、ボール表面においてはＺｎ濃
度，Ｓｂ濃度が高く、Ｓｎ濃度が低いのに対し、ボール
中心に近づくれＳｎ濃度が高く、Ｚｎ濃度，Ｓｂ濃度が
低くなることが示される。
【００２２】これにより、Ｚｎ単独の添加、若しくはＺ
ｎとＳｂの同時添加により、表面側のＺｎ、Ｓｂ濃度が
高く、その内側が主要元素（この場合Ｓｎ）濃度の高い
二層構造の疑似Ｚｎボールが形成されることが確認でき
た。
ｎとＳｂの同時添加により、表面側のＺｎ、Ｓｂ濃度が
高く、その内側が主要元素（この場合Ｓｎ）濃度の高い
二層構造の疑似Ｚｎボールが形成されることが確認でき
た。
【００２３】表２は主要元素Ｐｂに対して各種添加元素
を表中の記載量配合せしめてなるバンプ形成材料、表３
は主要元素Ｉｎに対して各種添加元素を表中の記載量配
合せしめてなるバンプ形成材料を夫々示す。各試料 No.
17〜32，33〜48は前述の各試料 No.１〜16と同様の方法
で線径60μｍのワイヤに作製した後、ボンディング直後
の剪断強度、高温・高湿環境下での剪断強度、ボール形
状の真球性、についてテストした。
を表中の記載量配合せしめてなるバンプ形成材料、表３
は主要元素Ｉｎに対して各種添加元素を表中の記載量配
合せしめてなるバンプ形成材料を夫々示す。各試料 No.
17〜32，33〜48は前述の各試料 No.１〜16と同様の方法
で線径60μｍのワイヤに作製した後、ボンディング直後
の剪断強度、高温・高湿環境下での剪断強度、ボール形
状の真球性、についてテストした。
【００２４】
【表２】
【００２５】
【表３】
【００２６】各試料の測定結果から、本発明実施品（試
料 No.21〜24、27〜29，31，32，37〜40，43〜45，48，
49）によれば半導体素子のバンプ形成用として所定の特
性が得られることが確認され、これにより、主要元素が
Ｐｂ，Ｉｎであっても、主要元素がＳｎである場合と同
様の効果を得られることが確認できた。
料 No.21〜24、27〜29，31，32，37〜40，43〜45，48，
49）によれば半導体素子のバンプ形成用として所定の特
性が得られることが確認され、これにより、主要元素が
Ｐｂ，Ｉｎであっても、主要元素がＳｎである場合と同
様の効果を得られることが確認できた。
【００２７】また表１においては、温度85℃，湿度85％
の高温・高湿環境下で20Ｖの電流を流してＳｎホイスカ
の発生の有無についての試験を行い、その結果、Ｚｎ及
びＳｂの双方を添加しない場合はＳｎホイスカが発生
し、Ｚｎ或いはＳｂの何か一方を所定量添加した場合は
ホイスカが発生しないことを確認できた。
の高温・高湿環境下で20Ｖの電流を流してＳｎホイスカ
の発生の有無についての試験を行い、その結果、Ｚｎ及
びＳｂの双方を添加しない場合はＳｎホイスカが発生
し、Ｚｎ或いはＳｂの何か一方を所定量添加した場合は
ホイスカが発生しないことを確認できた。
【００２８】これは、Ｚｎ或いはＳｂがボール表面に濃
縮することで、Ｓｎホイスカの発生が抑えられたものと
考えられる。
縮することで、Ｓｎホイスカの発生が抑えられたものと
考えられる。
【００２９】
【発明の効果】本発明によれば、ワイヤボンディング装
置を用いてチップのＡｌ電極上にバンプを形成する際の
特性（ボールの真球度，硬度等）は従来同様に維持しつ
つ、バンプとＡｌ電極との接合部分の特性をさらに改善
して、高温・高湿環境下においてＡｌ電極が溶け出すよ
うな従来不具合を解消することが可能になった。
置を用いてチップのＡｌ電極上にバンプを形成する際の
特性（ボールの真球度，硬度等）は従来同様に維持しつ
つ、バンプとＡｌ電極との接合部分の特性をさらに改善
して、高温・高湿環境下においてＡｌ電極が溶け出すよ
うな従来不具合を解消することが可能になった。
【００３０】従って、ワイヤボンディング装置を用いた
バンプ形成に有用で、しかも高温・高湿環境下における
特性に特に優れ、耐久性，信頼性の高い半導体装置の製
作に有用なはんだバンプの形成材料を提供することがで
きた。
バンプ形成に有用で、しかも高温・高湿環境下における
特性に特に優れ、耐久性，信頼性の高い半導体装置の製
作に有用なはんだバンプの形成材料を提供することがで
きた。
【図１】試料 No.２，３，７からなるワイヤを用いて形
成したボールのオージュ分析結果を示すグラフ。
成したボールのオージュ分析結果を示すグラフ。
Claims (1)
- 【請求項１】 Ｐｂ，Ｓｎ，Ｉｎの何か一つの主要元素
に対し、0.001 wt％〜10wt％のＺｎ、及び、0.001 wt％
〜10wt％のＳｂを添加せしめたことを特徴とする半導体
素子用のはんだバンプ形成材料。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04985692A JP3201637B2 (ja) | 1992-03-06 | 1992-03-06 | 半導体素子用のはんだバンプ形成材料 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04985692A JP3201637B2 (ja) | 1992-03-06 | 1992-03-06 | 半導体素子用のはんだバンプ形成材料 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05251451A true JPH05251451A (ja) | 1993-09-28 |
| JP3201637B2 JP3201637B2 (ja) | 2001-08-27 |
Family
ID=12842702
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP04985692A Expired - Fee Related JP3201637B2 (ja) | 1992-03-06 | 1992-03-06 | 半導体素子用のはんだバンプ形成材料 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3201637B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0763853A1 (en) * | 1995-09-18 | 1997-03-19 | Texas Instruments Incorporated | Improvements in or relating to integrated circuits |
| US6188127B1 (en) | 1995-02-24 | 2001-02-13 | Nec Corporation | Semiconductor packing stack module and method of producing the same |
-
1992
- 1992-03-06 JP JP04985692A patent/JP3201637B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6188127B1 (en) | 1995-02-24 | 2001-02-13 | Nec Corporation | Semiconductor packing stack module and method of producing the same |
| EP0763853A1 (en) * | 1995-09-18 | 1997-03-19 | Texas Instruments Incorporated | Improvements in or relating to integrated circuits |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3201637B2 (ja) | 2001-08-27 |
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