无铅焊料连接构造体和焊料球的制作方法

文档序号:3167640阅读:178来源:国知局
专利名称:无铅焊料连接构造体和焊料球的制作方法
技术领域
本发明涉及Si片和绝缘基板等的熱膨胀系数不同的构造体连接用焊料(solder)、 大型构造的密封部连接用焊料及使用了该焊料的连接构造体以及其所使用的不含铅的焊 料球(solderball)。
背景技术
半导体封装随着电器的小型化·薄型化,安装密度也要求高密度化。因此,从 现有的半导体封装的DIP型等安装插入型演变成能够高密度安装的QFP等面安装型,近 年来,在QFP等导线型的半导体封装中,由于无法有效地活用印制电路板和半导体封装 的导线接合部,因此成为主流的是半导体封装中没有导线、在封装的下面使用焊料球电 极、直接接合于印制电路板的BGA或CSP等面阵列端子型的半导体封装。BGA或CSP等面阵列端子型的半导体封装以BGA为例时,成为主流的是在塑料 基板上利用使用了 Au线等金属线的引线接合来连接半导体片的PBGA(Plastic BGA)或者 代替金属线而使用了聚酰亚胺带的TBGA(TapeBGA)等,目前使用得最多。但是,PBGA 或TBGA由于将金属丝或带的接线引至硅片外,因此基板上的焊料球电极集中在硅片的 外侧,无法在硅片上配置焊料球电极。最近开始使用解决其缺点、可达成半导体封装的 小型化·高密度化的FBGA (Flip Chip BGA)。FBGA如下制造相对于PBGA或TBGA从硅片的上侧进行配线,在硅片下的 电极上设置焊料突起,与设置于绝缘基板上的预备焊料进行压接接合,从而制造。由于 没有如PBGA或TBGA等那样将配线引出至硅片侧面,因此可获得与硅片的尺寸相接近 的半导体封装。一直以来,作为硅片下电极的倒装片用突起的焊料,可以使用Pb_5Sn等Sn-Pb 系的高温焊料。Sn-Pb系的焊料相对于拉伸的特性良好,热循环特性也优异。但是, 随着铅对人体影响的明朗化,目前处于铅易溶于水中、发展成地球环境问题的状况。因 此,需要代替Sn-Pb焊料的优异特性,特别是耐热疲劳性、焊接时或温度循环试验时能 够耐受且不会损坏元件、部件等、焊接性优异的无铅焊料材料及其构造体。对于该无铅化的课题,作为倒装片用突起的无铅焊料,对多用于印制电路板的 安装用的Sn-3Ag-0.5CU的无铅焊料组成进行了探讨。半导体封装的倒装片接合中的焊料 突起多使用上部为硅片、下部为氧化铝等陶瓷制或FR-4等玻璃环氧基板的绝缘基板,但 焊料与这些陶瓷或玻璃环氧树脂的热膨胀系数的值不同。当在这样位置使用比Sn-Pb系 焊料更硬、缺乏应力缓和特性的Sn-3Ag-0.5Cu的无铅焊料时,由于温度循环,在倒装片 连接构造体和绝缘基板之间易发生剥离,可靠性易发生问题。另外还有报告指出了以下现象与以往的Sn-Pb焊料相比,当使用 Sn-3Ag-0.5Cu等无铅焊料时,发生形成于绝缘基板上的镀Cu等Cu电极在回流焊接时溶 解于Sn的现象、即所谓的Cu吞食,在片连接构造体与绝缘基板之间易于发生剥离的现 象。Cu吞食在焊料的熔融温度提高时更易发生。作为解决这些问题的技术,公开了并非倒装片安装、而是使用了 Sn-In、Sn-Bi, Sn-Zn, Sn-Zn-Bi的低温无铅焊料的半导体装 置(特开2007-141948号公报、专利文献1)和使用了低温无铅焊料组成Sn-Ag-Cu-In-Bi 组成的焊料的连接构造体(日本特开2007-141948号公报、专利文献2)。专利文献1 日本特开2007-141948号公报专利文献2 日本特开2007-141948号公报

发明内容
本发明预解决的课题在于提供作为不含污染环境的铅的焊料合金、同时具有接 近于以往Sn-Pb焊料的应力缓和特性、利用难以引起绝缘基板的Cu电极的Cu吞食的倒 装片安装的焊料连接构造体和用于进行倒装片安装的无铅焊料球。专利文献1所公开的焊料合金的Sn-In的共晶温度为117°C、Sn-Bi的共晶温度 为139°C、Sn-Zn的共晶温度为199°C。Sn-In和Sn-Bi的特征在于,与以往Sn-Pb焊料 的共晶温度183°C相比,熔融温度也很低。用于半导体封装安装的焊料合金由于多使用 Sn-3Ag-0.5Cu焊料(熔融温度约220°C),因此在进行半导体封装的安装时,半导体封装 内的倒装片的焊料熔解。半导体封装由于通常在倒装片接合后利用环氧树脂等底胶(日 文τ· '一7 O )进行强度加固,因此认为即便焊料处于半熔融状态也不会立即溶 解、引起接触不良。但是,在半导体封装的安装时,Sn-3Ag-0.5Cu焊料中回流的峰温度 一般在235 240°C下进行。当在半导体封装内使用Sn-In和Sn-Bi的焊料组成时,由于 熔融温度很低,因此会完全地熔融,即便用底胶进行强度加固,也会破坏底胶、引起接 触不良。另外,Sn-Bi的焊料组成由于比Sn-3Ag-0.5Cu焊料组成更硬、更脆,因此在没 有应力缓和余地的倒装片的突起中,在焊料内易于被破坏、半导体封装的可靠性很差。虽然是Sn-Zn和Sn-Zn-Bi组成,但这些Sn-Zn组成的焊料合金的特征在于Zn 的氧化覆膜更厚、润湿性更差。因此,在使用Sn-Zn组成的焊料时,有必要使用很强的 助焊剂。在倒装片的突起形成后,为了浇注底胶进行助焊剂的洗涤,但由于倒装片的内 部是微细的,因此无法完全100%地进行洗涤。为此,作为半导体封装内的倒装片的焊 料,使用利用了助焊剂的Sn-Zn组成的焊料合金会降低半导体封装的可靠性。专利文献2所公开的焊料合金也是为了降低以往使用的Sn-Sb焊料的温度所开发 的发明,使用低温焊料Sn-Ag-Cu-In-Bi组成的焊料。专利文献2公开了在下位使用以 往使用的Sn-Sb焊料、在上位使用低温焊料Sn-Ag-Cu-In-Bi的二层构造的焊料构造体。 专利文献2中,上位层的Sn-Sb焊料由于含有润湿性差、硬度很硬的Sb,因此观察不到 应力缓和。下位层的Sn-Ag-Cu-In-Bi组成的低温焊料与将半导体封装安装于印制电路板 的Sn-3Ag-0.5Cu焊料相比,由于含有熔融温度更低、硬度很硬的Bi,因此观察不到应力 缓和、不适用于倒装片。用于解决技术问题的方法本发明人等发现作为半导体封装内的倒装片的焊料,在Sn中添加有微量Ni的 Sn-Ni系的焊料合金很合适,进而完成本发明。Sn为单体是熔融温度为232°C的金属,一般来说低于焊接半导体封装和印制电 路板的Sn-3Ag-0.5Cu无铅焊料的熔融温度220°C。但是,Sn单体的温度循环等可靠性 很低,润湿性也很差,因而不适合作为半导体封装内的倒装片的焊料,通过在Sn中添加微量的Ni,温度循环等的可靠性也增高、润湿性也变得良好。BGA或CSP等面阵列端子型的半导体封装中,硅片侧成为在镀Al的电极上进行 了镀Ni、进而在其上进行了镀Au处理的构造,基板侧成为在氧化铝等陶瓷基板或FR-4 等玻璃环氧基板等绝缘基板上进行了镀Cu、在Cu箔的凸缘(日文,> K )上进而几乎 整个半导体封装上进行了镀Cu、在Cu箔的凸缘上进行了镀Ni、进而在其上进行了镀Au 处理的构造。作为镀Ni的顶层(日文上地)进行了处理的镀Au是为了提高相对于焊 料的润湿性所进行的,由于镀Au在焊料中的扩散很快,因此实际上成为焊料与Ni的焊料 接合。焊接是在熔融了的焊料与接合对象的金属之间形成金属间化合物进行接合的钎 焊的一种。半导体封装内的倒装片的焊接中,由于成为与镀Ni的焊接,因此即便是以往 的Pb-5% Sn焊料的接合,Pb在不多余形成金属间化合物的情况下利用Sn和Ni在接合 界面上形成Ni3Sn4W金属化合物。为无铅焊料时,在接合界面上形成Sn或其无铅金属与 Ni的金属间化合物。当对半导体封装施加温度循环时,与硅片或绝缘基板的焊料由于热 膨胀系数不同,因此在重复膨胀-收缩时易于在最脆弱的部分产生裂痕。半导体封装内 的倒装片中,由于硅片与焊料以及绝缘基板与焊料的接合界面的金属间化合物最硬、最 脆,因而焊料的接合界面的裂痕发生得最多。无铅焊料为以Sn为主成分,添加有Ag、Cu、In、Bi、Zn等的物质。因此,半
导体封装内的倒装 片中,在硅片与焊料以及绝缘基板与焊料的接合界面的金属间化合物 中,Ni3Sn4的产生最多。该Ni3Snjf厚时,由于很硬、很脆,因此不会引起应力缓和、 发生裂痕等疲劳破坏。作为半导体封装内的倒装片的焊料,通过在Sn中添加微量的Ni, 抑制作为硅片与焊料以及绝缘基板与焊料的接合界面的金属间化合物的Ni3Sn4的发生, 通过减薄金属化合物层,起到提高温度循环特性的效果。如此,通过在半导体封装内的 倒装片中使用Sn-Ni焊料,可获得强度很强的焊料连接构造体。添加于Sn的Ni的量优选为0.01 0.5质量%。Ni的量少于0.01质量%时,未
见金属间化合物的抑制效果,Ni的量多于0.5质量%时,Sn-Ni的焊料合金本身变硬,因 此不会表现焊料的应力缓和效果、在焊料部分产生裂痕。另外,当在Sn中添加Ni时,由于焊料的液相温度上升,因而当将半导体封装内 的倒装片的焊料突起与绝缘基板接合时,必须提高焊接温度。焊接温度的上升会促进金 属间化合物的发生、增厚金属间化合物的层。另外,一部分的绝缘基板也有未在Cu凸 缘上施以镀覆者,当在这种绝缘基板中使用Ni的量为0.5质量%以上的Sn-Ni焊料时, 由于焊接温度很高,因此易于发生将凸缘的Cu吞食的Cu吞食、加以温度循环时从Cu凸 缘与焊料的接合界面产生裂痕。进而,作为添加于Sn的Ni的量,优选为0.02 0.05质 量%。当在Sn中添加0.02质量%以上的Ni时,Ni3Sn4的金属间化合物的抑制效果显著 呈现,在Sn中添加0.05质量%以下的Ni时,焊料合金本身的应力缓和特性良好、液相 线温度也与Sn的回流温度相同,可在焊接温度下使用。进而,作为半导体封装内的倒装片的焊料,当在Sn中添加有微量Ni的Sn-Ni系 焊料合金中添加微量的Cu时,可获得强度强、应力缓和特性良好的连接构造体。如Cu 板可自由弯曲那样,Cu是比较柔软的金属。微量Cu在焊料中的添加优选使Cu为0.3 0.9质量%。Sn-Ni焊料中的Cu的含量少于0.3质量%时,不会呈现强度强化效果;多于0.9质量%进行添加时,会引起液相线温度上升、焊接温度增高、金属间化合物增大或Cu 吞食。添加0.3 0.9质量% Cu时的Sn-Ni焊料优选是Ni为0.02 0.05质量%、其余 为Sn的组成。更优选是Cu为0.3 0.7质量%、Ni为0.02 0.04质量%、其余为Sn 的组成。作为半导体封装内的倒装片的焊料,通过在Sn-Ni和Sn-Ni-Cu的组成中添加 0.001 0.01质量% P,可获得强度很强的焊料连接构造体。P通过添加于Sn-Ni焊料和 Sn-Ni-Cu焊料中,由于提高润湿性、短时间内进行焊料接合,因此抑制了所产生的金属 间化合物的发生、提高焊料连接构造体的强度。P在Sn-Ni焊料和Sn-Ni-Cu焊料中的添 加为0.001质量%以下时,未见润湿性改善效果;为0.01质量%以上时,引起液相线温度 上升、焊接温度增高、金属间化合物的增大或Cu吞食。更优选的P的添加量为0.002 0.005质量%。为此量时,可在与Sn回流温度相同的焊接温度下使用。作为与P同样、一般安装的Sn-3Ag-0.5Cu无铅焊料的氧化抑制元素所使用的Ge 无法获得与P相同的效果。Ge在Sn-Ni焊料和Sn-Ni-Cu焊料中的添加为少量时,会提 高液相线温度、引起焊接温度增高、金属间化合物增大或Cu吞食。发明效果本发明的无铅焊料倒装片连接构造体由于利用硅片与焊料以及绝缘基板与焊 料的接合界面的金属间化合物抑制Ni3Sn4W发生,因此可获得耐受温度循环、应力缓 和性优异的可靠性高的倒装片连接构造体。而且,由于焊料的熔融温度比一般安装的 Sn-3Ag-0.5Cu无铅焊料高10°C左右,因此当将半导体封装安装于印制电路板上时,仅处 于半熔融状态,可以充分利用底胶抑制熔融。另外,由于焊料的熔融温度不会过高,因 此也不会引起焊接温度增高、金属间化合物增大或Cu吞食。


[图1]FBGA(利用倒装片安装的半导体)的概略图符号说明1 硅片2倒装片用的微细焊料球3 绝缘基板(FR-4)4补强件5外部端子用的焊料球
具体实施例方式本发明的无铅焊料倒装片连接构造体所使用的焊料合金通过在硅片的电极上印 刷焊料膏或者以焊料球的形式进行提供形成焊料突起。焊料球是指球形的焊料,由于要 经过在搭载于晶片或基板上时在托盘上旋转、进入托盘孔穴进行排列的工序,因此必须 是完全的球状,搭载于晶片或基板的焊料球由于是利用图像进行识别的,因此焊料球表 面不会有伤痕或变色。片尺寸大的倒装片连接构造体中,利用焊料膏的供给是很普遍的,但CSP等 小型片尺寸的倒装片连接构造体中,电极的尺寸也是微细的,利用焊料膏则无法获得倒装片的突起的高度,不适于微细尺寸的倒装片的接合。与此相对,利用焊料球的供给 具有以下优点由于焊料球的高度是一定的,因此能够使基准距为一定、可增高突起。 如此,用于倒装片的内部电极构造的焊料适于用焊料球进行供给。硅片的电极为直径 0.3mm以下时,适于使用焊料球,在直径0.1mm以下的电极时更为优选。此时的倒装片 的内部电极构造所使用的焊料使用直径0.3mm以下的焊料球、更优选使用直径0.1mm以 下的焊料球。因此,本专利申请的第二发明为一种倒装片用焊料球,其特征在于,焊料球的 粒径为0.3mm以下、由NiO.Ol 0.5质量%、余份为Sn的无铅焊料组成构成。实施例1通过FBGA(Flip Chip BGA)的制造工序说明本发明的无铅焊料倒装片连接构造体。1.在片尺寸为12mmX 12mmX0.2mm、硅片的Al电极上进行了 Ni底层的镀Au 处理的电极的直径为80 μ m、间距为150 μ m的硅片上全面地印刷水溶性助焊剂。2.使用聚氨酯路刷扫掉投入至焊料球安装用金属掩模上的焊料球,仅搭载于涂 布有助焊剂的四角硅片的电极的位置上。3.在预热150°C下30秒、主加热的峰温度260°C、10秒的条件下进行回流焊接。 在焊接后,使用40°C的离子交换水将助焊剂残渣洗涤、除去后进行干燥,在硅片上形成 倒装片的焊料突起。4.使用金属掩模将水溶性助焊剂印刷、涂布于尺寸20mmX50mmX 1.0mm的镀 Ni底层的镀Au处理玻璃环氧基板(FR-4)上。5.在涂布有助焊剂的玻璃环氧基板上担载形成有倒装片的焊料突起的硅片,使 用倒装片按钮对准电极的位置,同时进行倒装片的焊料突起与玻璃环氧基板的热压接进 行预固定。6.在预热150°C下30秒、主加热的峰温度260°C、10秒的条件下进行回流焊接。 在焊接后,使用倒装片洗涤机用40°C的离子交换水洗涤助焊剂残渣,将助焊剂残渣除去 后进行干燥,完成本发明的无铅焊料倒装片连接构造体。作为之后的FBGA的工序为7.将环氧系的底胶粘接剂填充于倒装片连接构造体内使其固化。8.将使用科伐铁镍钴合金材料等制作的罩子作为半导体封装的盖子盖上,使用 Sn-Au焊料等进行密封。在玻璃环氧基板的外部电极上使用焊料球形成焊料突起。此工 序结束后作为半导体出售。此部分所用外部电极中使用的焊料球使用比本发明所用倒装片用的焊料球的尺 寸大很多(0.25mm 0.76mm左右)的焊料球。实施例2外部电极所使用的焊料球和内突起所使用的焊料球不仅尺寸不同,而且所要求 的特性也不同。例如,外部电极所使用的焊料球由于从外部直接施力,因此很重视剪切
强度等。与其相对,内突起所使用的焊料球由于夹在硅晶片和基板之间使用,不会直接 从外部施力,因此焊料合金的体积强度或剪切强度等并非是重要的要素。焊料合金本身的应力缓和特性很重要。比较焊料合金的应力缓和特性时,比较回流加热后的翘曲即可。利用与实施例1相同的工序制作表1各组成的无铅焊料倒装片连接构造体,测定 其熔融温度和回流加热后的硅片的翘曲。液相线温度的测定使用示差扫描热量计(DSC)。将结果示于表1。无铅焊料倒装片连接构造体在液相线温度+30°C的回流温度下进行回流,测定回 流加热后的硅片的翘曲。翘曲的测定方法为测定安装的Si片的中央部与片的4个角落的 高度,测量翘曲量。翘曲量优选为200um以下、更优选为150um以下。将结果示于表 1。接着,将实施了 0.5um的电镀Ni的Cu板浸渍于280°C的焊料浴中180秒后,利 用SEM截面观察对共计30 40mm长度的界面确认镀Ni是否失败,将一部分镀Ni膜破 裂、Cu与Sn直接反应的情况评价为不合格X ;将整个面残留有镀Ni、Cu未与Sn直接 反应的情况评价为合格〇。将实验结果示于表1。[表1]
权利要求
1.一种无铅焊料倒装片连接构造体,其特征在于,其为用无铅焊料将内置有元件的 硅片连接到绝缘基板的构造,该焊料由M0.01 0.5质量%、余量Sn构成。
2.根据权利要求1所述的无铅焊料倒装片连接构造体,其特征在于,所述焊料由 M0.02 0.05质量%、余量Sn构成。
3.根据权利要求1或2所述的无铅焊料倒装片连接构造体,其特征在于,在所述焊料 中还添加有0.3 0.9质量%的Cu。
4.根据权利要求1 3中任一项所述的无铅焊料倒装片连接构造体,其特征在于,在 所述焊料中还添加0.001 0.01质量%的P。
5.—种倒装片用焊料球,其特征在于,焊料球的粒径为0.3mm以下,由NiO.Ol 0.5 质量%、余量为Sn的无铅焊料组成构成。
6.根据权利要求5所述的倒装片用焊料球,其特征在于,所述无铅焊料组成由 M0.02 0.05质量%、余量Sn构成。
7.根据权利要求5或6所述的倒装片用焊料球,其特征在于,在所述无铅焊料组成中 还添加有0.3 0.9质量%的Cu。
8.根据权利要求5 7中任一项所述的倒装片用焊料球,其特征在于,在所述无铅焊 料组成中还添加有0.001 0.01质量%的P。
全文摘要
本发明提供的用于半导体封装内的倒装片的焊料使用Pb-5Sn组成等的Sn-Pb焊料,由于以往研究的无铅焊料很硬、易产生Sn的金属间化合物,因此不适于要求应力缓和特性的半导体封装内的倒装片连接构造体。作为使用了无铅焊料的半导体封装内的倒装片连接构造体,使用以由Ni0.01~0.5质量%、余量Sn构成为特征的无铅焊料倒装片连接构造体。在该焊料组成中还可添加0.3~0.9质量%的Cu和0.001~0.01质量%的P。
文档编号B23K35/26GK102017111SQ20098011561
公开日2011年4月13日 申请日期2009年3月3日 优先权日2008年3月5日
发明者上岛稔, 八卷得郎, 吉川俊策, 大西司, 山中芳惠, 铃木诚之 申请人:千住金属工业株式会社
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