はんだ接合方法、半導体装置及びその製造方法
【課題】ＳｎＢｉ系はんだを用いてはんだ接合する際の接合信頼性を向上することができるはんだ接合方法とその接合方法を利用した半導体装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】第１の導電部材１１と第２の導電部材１４を、Ｓｎ及びＢｉを含有するはんだを用いて接合する方法において、第１の導電部材１１と第２の導電部材１４の少なくとも一方を、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｎからなる第１金属元素グループから選択される少なくとも１つの金属元素であるＸと、Ａｇ、Ａｕ、Ｍｇ、Ｒｈ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｃｏ、Ｌｉ、Ａｌからなる第２金属元素グループから選択される少なくとも１つの金属元素であるＹの合金で形成し、第１の導電部材１１と第２の導電部材１４を、前記はんだを介して位置合わせして加熱処理する。はんだ中のＢｉをＸ−Ｙ合金中に拡散させることによりＢｉ偏析を防止する。
【解決手段】第１の導電部材１１と第２の導電部材１４を、Ｓｎ及びＢｉを含有するはんだを用いて接合する方法において、第１の導電部材１１と第２の導電部材１４の少なくとも一方を、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｎからなる第１金属元素グループから選択される少なくとも１つの金属元素であるＸと、Ａｇ、Ａｕ、Ｍｇ、Ｒｈ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｃｏ、Ｌｉ、Ａｌからなる第２金属元素グループから選択される少なくとも１つの金属元素であるＹの合金で形成し、第１の導電部材１１と第２の導電部材１４を、前記はんだを介して位置合わせして加熱処理する。はんだ中のＢｉをＸ−Ｙ合金中に拡散させることによりＢｉ偏析を防止する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、はんだ接合方法と、これを利用した半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体チップ等の電子部品を回路基板上にフリップチップ実装する場合、半導体チップのバンプ電極を回路基板上の電極に接合して、電気的な接続をとる。バンプ電極の金属材料や、接合用のペースト材料として、はんだが使用される場合が多い。はんだペーストを介して、あるいは直接はんだバンプを回路基板上の電極に位置合わせし、リフロー処理で、回路基板側の電極に融着する。
【０００３】
電子部品の適正な動作のためには、回路基板とチップとの接合の信頼性が重要である。これに加えて、近年では、環境保護の観点から、有害物質の排除、消費電力・ＣＯ2排出量の低減、処理工程の低温化の要請も高まっている。そのため、はんだに低融点材料であるビスマス（Ｂｉ）を加えて、電子部品に対する熱ストレスを低減しようとする取り組みが行われている。
【０００４】
はんだ材料にＢｉを用いることで、処理温度を下げることができる、濡れ性が向上するなどの効果が得られる。しかし、Ｂｉ量が多くなると、Ｂｉの偏析によるリフトオフ、Ｂｉの脆弱さによる接合信頼性の低下といった問題が生じる。
【０００５】
図１は上述した従来技術の問題点を説明するための図である。図１（Ａ）の加熱前の状態において、回路基板（不図示）のＣｕ電極１０１上に、ＳｎＢｉ粉末１０３を含むはんだペースト１０２が印刷されている。このＣｕ電極１０１に対して、図示しないチップ側のバンプ電極を位置合わせし、図１（Ｂ）でリフロー加熱する。加熱処理により、ＳｎＢｉ粉末１０３が溶融してＳｎ−Ｂｉ層１０５が形成される。これとともに、Ｃｕ電極１０１の界面にＣｕ−Ｓｎ層１０６が形成される。リフロー時間が長くなると、図１（Ｃ）に示すように、電極界面のＣｕ−Ｓｎ層１０６上にＢｉが偏析し、脆弱なＢｉ層１０７が形成される。バンプ接合部に衝撃や応力が加わると、Ｂｉ層１０７に容易にクラック１０８が走り、耐衝撃性が低下し、誤動作の原因となる。
【０００６】
そこで、Ｂｉの偏析を防止する方法が提案されている。たとえば、はんだ合金に対するＢｉの重量比を２１重量％以下にする方法や（たとえば、特許文献１参照）、Ｂｉを含有するＰｂフリーはんだを用いて固相線温度付近まで急冷し、そこからさらにゆっくりと冷却する方法が知られている（たとえば、特許文献２参照）。前者の方法は、はんだ合金に対するＢｉ重量比を２１重量％以下にすることで、高温放置の状態でＳｎに固溶するＢｉの割合を向上させ、固体状態のＢｉの割合を低減する。これにより、はんだ接合部全体としての伸びを増大させて、はんだ接合部にかかる熱応力を緩和するものである。後者の方法は、実装時のリフトオフ、クラック発生、Ｂｉ偏析の低減を目的とする。
【０００７】
しかし、前者の方法では、Ｂｉ析出が防止しきれず、Ｂｉの脆さの影響により、はんだ接合構造の耐熱疲労強度を充分に確保することができないという問題がある。特に高温環境下ではＢｉ組織が粗大化するため、はんだ接合部に応力がかかると、ＳｎとＢｉ組織との界面ですべりが生じ、クラックが生じやすくなる。後者の方法では、Ｂｉ量をコントロールしたとしても、はんだ中のＳｎと配線電極（Ｃｕ等）との間で合金層（たとえばＣｕ6Ｓｎ5）が形成され、合金層上にＢｉが層状に析出してしまうため、耐衝撃性を充分に確保することは難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−１３０６９７号公報
【特許文献２】特開平１１−３５４９１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで本発明は、ＳｎとＢｉを含有するはんだ材料を用いた場合において、半導体チップ等の電子部品と回路基板との接続信頼性を向上することができるはんだ接合方法と、そのような接合方法を利用した半導体装置及びその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、ひとつの側面では、半導体チップと、前記半導体チップを搭載する回路基板と、前記半導体チップと前記回路基板を電気的に接続する接続電極とを有する半導体装置を提供する。この半導体装置は、
前記接続電極はＳｎとＢｉの合金であり、前記接続電極と接合される前記回路基板の外部電極と、前記接続電極と接合される前記半導体チップの外部電極の少なくとも一方が、Ｂｉ、Ｘ、Ｙで構成される共晶組成の合金であり、
前記Ｘは、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｎからなる金属元素グループから選択される少なくとも１つの金属元素であり、
前記Ｙは、Ａｇ、Ａｕ、Ｍｇ、Ｒｈ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｃｏ、Ｌｉ、Ａｌからなる金属元素グループから選択される少なくとも１つの金属元素である。
【００１１】
別の側面では、第１の導電部材と第２の導電部材を、Ｓｎ及びＢｉを含有するはんだを用いて接合する方法を提供する。この方法は、
前記第１の導電部材と前記第２の導電部材の少なくとも一方を、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｎからなる第１金属元素グループから選択される少なくとも１つの金属元素であるＸと、Ａｇ、Ａｕ、Ｍｇ、Ｒｈ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｃｏ、Ｌｉ、Ａｌからなる第２金属元素グループから選択される少なくとも１つの金属元素であるＹとの合金で形成し、
前記第１の導電部材と前記第２の導電部材を、前記はんだを介して位置合わせして加熱処理する。
【００１２】
また別の側面では、半導体チップをＳｎ及びＢｉを含有するはんだを用いて回路基板に実装する半導体装置の製造方法を提供する。この方法は、
前記回路基板上の第１電極と、前記第１電極と接合されることになる前記半導体チップの第２電極の少なくとも一方を、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｎからなる第１金属元素グループから選択される少なくとも１つの金属Ｘと、Ａｇ、Ａｕ、Ｍｇ、Ｒｈ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｃｏ、Ｌｉ、Ａｌからなる第２金属元素グループから選択される少なくとも１つの金属Ｙとの合金で形成し、
前記第１電極と前記第２電極を、前記はんだを介して位置合わせして加熱処理する。
【発明の効果】
【００１３】
上述したはんだ接合方法により、はんだ接合の信頼性が向上する。また、このようなはんだ接合を用いて製造された半導体装置の動作の信頼性、歩留まりが向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来のＳｎＢｉ系はんだ接合の問題点を説明するための図である。
【図２】実施形態におけるＳｎＢｉ系はんだ接合の原理を説明するための図である。
【図３】ＳｎＢｉはんだペーストを用いる接合例であり、加熱前の状態を示す図である。
【図４】ＳｎＢｉはんだペーストを用いる接合例であり、加熱後の状態を示す図である。
【図５】実施例及び比較例の接続抵抗変化率の分布を示す図である。
【図６】ＳｎＢｉはんだバンプを用いる接合例であり、加熱前の状態を示す図である。
【図７】ＳｎＢｉはんだバンプを用いる接合例であり、加熱後の状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図２は、実施形態におけるＳｎＢｉ系はんだ接合の原理を説明するための図である。第１の導電部材１１と、第２の導電部材１４を、ＳｎＢｉ粉末１３を含有するはんだペースト１２で接合する場合を説明する。
【００１６】
第１の導電部材１１は、たとえば図示しない回路基板上に設けられた外部電極である。この第１の導電部材１１上にはんだペースト１２を塗布し、その上に第２の導電部材１４を位置合わせする。第２の導電部材１４は、たとえば半導体チップなどの電子部品に設けられた電極端子である。
【００１７】
ＳｎＢｉ系はんだ材料（図２の例では、はんだペースト１２）と直接接触する第１の導電部材１１と第２の導電部材１４の少なくとも一方は、Ｘ−Ｙで表記される合金で形成される。金属Ｘは、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｎからなるグループから選択される少なくとも１つの金属元素である。金属Ｙは、Ａｇ、Ａｕ、Ｍｇ、Ｒｈ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｃｏ、Ｌｉ、Ａｌからなるグループから選択される少なくとも１つの金属元素である。第１の金属元素グループに含まれる元素は、はんだペースト１２中のＳｎと反応して合金を形成する金属である。第２の金属元素グループに含まれる金属は、はんだペースト１２中のＢｉと反応して、Ｘ−Ｙ合金中にＢｉを取り込み（拡散させ）、共晶を構成することのできる金属材料である。
【００１８】
図２（Ａ）の例では、第１の導電部材１１をＸ−Ｙ合金、たとえばＣｕ−Ａｇ合金で構成し、第２の導電部材１４を任意の金属材料、たとえばＳｎＢｉ合金で構成する。第１のＸ−Ｙ合金の例としては、２元系合金として、Ｃｕ−18Ａｇ、Ｃｕ−2.3Ａｌ、Ｃｕ−10Ｚｎなどが挙げられる。３元系Ｘ−Ｙ合金として、97Ｃｕ−1Ｚｎ−2Ｎｉがあり、４元系Ｘ−Ｙ合金として、85Ｃｕ−5Ｓｎ−4Ｚｎ−1Ｎｉ、87Ｃｕ−6Ｓｎ−6Ｚｎ−1Ｎｉ、60Ｃｕ−1Ｓｎ−38Ｚｎ−1Ｎｉ、97.7Ｃｕ−1.3Ｓｎ−0.3Ｚｎ−0.7Ｎｉなどが挙げられる。
【００１９】
図２（Ａ）のように、第１の導電部材１１と第２の導電部材１４を、ＳｎＢｉ系はんだペースト１２を介して位置合わせし、図２（Ｂ）のように、加熱処理する。加熱処理温度は、ＳｎＢｉ系はんだペーストの共晶温度（約１３８℃）以上であって、ＢｉがＸ−Ｙ合金母材中に拡散する温度、すなわち金属Ｙと反応する温度である。Ｘ−Ｙの組成にもよるが、一例として、１３８℃〜２００℃の範囲とする。あるいは、第１の加熱温度（はんだペーストの共晶温度以上である１３８℃〜２００℃）ではんだを溶融させた後、第２の加熱温度８０℃〜１３５℃で、ＢｉをＸ−Ｙ合金母材中に拡散（すなわち金属Ｙと反応）させるプロセスを取ってもよい。加熱処理は、たとえば、はんだペースト１２を介して位置合わせがされた第１の導電部材１１と第２の導電部材１４の全体を、N2リフロー炉に入れて加熱する。加熱により、第２の導電部材１４とはんだペースト１２が溶融してＳｎ−Ｂｉ合金の接続電極１５が形成されるとともに、第１の導電部材１１の界面にＣｕ−Ｓｎ界面層１６が形成される。
【００２０】
ＳｎＢｉ系はんだペースト１２では、加熱により、まずＳｎが拡散する。拡散したＳｎは、母材であるＸ−Ｙ合金の金属Ｘと反応して、第１の導電部材１１の界面に、Ｓｎ−Ｘで表記される合金の界面層（図２の例ではＣｕ−Ｓｎ界面層）１６を形成する。この時点で、第１の導電部材１１と第２導電部材１４とは、融着される状態となっている。
【００２１】
図２（Ｃ）に示すように、さらに加熱を続けると、はんだ中のＢｉが、Ｘ−Ｙ合金中の金属Ｙの影響を受けて、Ｃｕ−Ｓｎ界面層１６の粒界を通って、第１の導電部材１１の表面に到達する。Ｂｉは金属Ｙとの反応によってＸ−Ｙ合金中に取り込まれ、拡散する。取り込まれたＢｉは、Ｘ、Ｙと共融混合物を構成し、冷却されたときに共晶組成となるＸ−Ｙ−Ｂｉ合金１９を形成する。図２の例では、ＢｉがＣｕ−Ａｇ合金のＡｇと反応してＣｕ−Ａｇ合金中に取り込まれ、共晶組成のＣｕ−Ａｇ−Ｂｉ合金１９が形成される。
【００２２】
このように、はんだペースト１２中のＢｉを、Ｃｕ−Ｓｎ界面層１６の粒界からＸ−Ｙ合金中に拡散させることにより、Ｃｕ−Ｓｎ界面層１６上にＢｉが偏析するのを防止することができる。結果として、はんだ接合部の耐衝撃性が向上する。なお、Ｘ−Ｙ−Ｂｉ合金中のＢｉの量は、５wt%以下であることが望ましい。５wt％を超えると接合強度が低下するおそれがあるからである。さらに望ましくは、Ｂｉ量は、０．５wt%≦Ｂｉ≦５wt%である。Ｘ−Ｙ−Ｂｉ合金中のＢｉ量が０．５wt%より少ないと、ＳｎＣｕ界面層１６上にＢｉが偏析するおそれがあるからである。これにより、信頼性の高いはんだ接合を実現することができる。
【実施例１】
【００２３】
図３及び図４は、図２の手法を半導体装置の製造に適用した実施例１の構成を示す。実施例１では、はんだバンプ３５を有する半導体チップ３０を、ＳｎＢｉ系はんだペースト２４を介してプリント回路基板２０上の電極２１に接続する。はんだペースト２４は、Ｓｎ−58Ｂｉ系のはんだペーストであり、はんだ粒径２５〜４５μｍのはんだ粒子が９０wt%以上を占めている。フラックス含有率は９．５wt%である。
【００２４】
このはんだペースト２４を、スクリーン印刷により、プリント回路基板２０上の電極２１に塗布する。より詳しくは、外部接続用の電極２１は、プリント配線板２２の図示しない多層配線に電気的に接続されている。プリント配線板２２の表面は、電極２１を除いてソルダーレジスト２３で被覆されている。電極２１に対応する位置に開口を有するマスク（不図示）を用いて、スキージによりハンダペースト２４を印刷する。
【００２５】
一方、半導体チップ３０は、半導体基板３２上に素子、配線等と絶縁膜とが交互に積層された積層部３３を有する。半導体基板３２側からみた積層部の最上層に、回路基板との接続を取るための電極２１が形成され、電極２１上にシード層３６を介してＳｎＢｉはんだバンプ３５が形成されている。ＳｉＢｉはんだバンプ３５は、たとえば電極２１を露出するようにパッシベーション膜３４を設け、Ｃｕシード層３６を形成した後に電界メッキ等によりＳｎＢｉ層を形成し、不要な部分のＳｎＢｉ層及びＣｕシード層を除去してリフローすることにより形成される。
【００２６】
実施例１で用いた半導体チップ３０は、サイズが８．５×８．５ｍｍ、周辺に約１２０個のＳｎ−58Ｂｉはんだバンプ３５を配置したものである。一方、プリント回路基板２０は、４０×４０ｍｍのＦＲ−４基板であり、半導体チップ３０のはんだバンプ３５と対応する位置にＣｕ−15Ａｇ電極２１を配置したものである。半導体チップ３０を、ＳｎＢｉバンプ電極がプリント回路基板２０と向き合うようにチップマウンターで保持し、印刷されたはんだペースト２４上に搭載した後、Ｎ2リフロー炉に搬送する。
【００２７】
図４は、リフロー加熱後のはんだ接合構造を有する半導体装置１の概略構成図である。はんだ接合のためのＮ2リフローのプリヒート条件は、温度１００〜１２０℃を９０〜１２０秒とした。ピーク条件は、１７０℃を５０〜６０秒とした。冷却速度は２〜３℃／ｓとした。リフロー処理により、はんだペースト２４とはんだバンプ３５は溶融し、冷却後にＳｎ−58Ｂｉ合金の接続電極４５を構成する。はんだペースト２４に含まれるＳｎは、プリント回路基板２０のＣｕ−Ａｇ電極２１のＣｕ（第１金属元素グループから選択された金属元素）と合金を形成し、Ｃｕ−Ａｇ電極２１上にＣｕ−Ｓｎ界面層３６を形成する。一方、はんだペースト２４に含まれるＢｉの一部は、Ｃｕ−Ｓｎ界面層３６の粒界を通って、Ｃｕ−Ａｇ電極２１を構成するＣｕ−Ａｇ合金中に拡散させる。その結果、プリント回路基板２０上の電極２１は、冷却されたときに共晶組成のＣｕ−Ａｇ−Ｂｉ合金電極２９となる。ＳｎＢｉ接続電極４５、Ｃｕ−Ｓｎ界面層３６、共晶組成のＣｕ−Ａｇ−Ｂｉ合金電極２９で、はんだ接合構造２を構成する。この構成では、Ｂｉが粒界を通ってＣｕ−Ａｇ合金中に拡散するので、Ｃｕ−Ｓｎ界面層３６上に析出することが防止される。
【００２８】
このようにして形成した半導体装置１を用いて、基板３２側の引き出し配線（不図示）を用いて、はんだ接合構造２の導通試験を行った。試験の結果、全てのはんだ接合構造において導通していることが確認できた。さらに、落下高さ１．６ｍ、基板歪み量４０００μεを１サイクルとし、これを５０サイクル繰り返す落下衝撃試験を行った。
【００２９】
図５は、実施例１、後述する実施例２、比較例１、比較例２の落下衝撃試験の結果を示す図である。各例において、５０サイクルにわたる接続抵抗変化（％）の分布を示している。図５に示すように、実施例１では、５０サイクル終了後でも、半導体装置１の接続抵抗変化率は＋３％に抑えられている。また、はんだ接合部の断面ＳＥＭ／ＥＰＭＡ解析を行った結果、いずれのはんだ接合部のＣｕ−Ｓｎ界面層３６上にもＢｉの偏析は認められず、Ｃｕ−15Ａｇ電極内部に微細なＢｉが分散析出していることを確認した。
【実施例２】
【００３０】
実施例１のプリント回路基板２０に形成する電極２１を、Ｃｕ−15Ａｇ電極に代えて、Ｃｕ−10Ｚｎ電極とした。実施例１と同様の条件で半導体装置を作製し、導通測定および落下衝撃試験を実施した。その結果、図５に示すように、落下衝撃５０サイクル後の接続抵抗値は＋４％であった。このように、実施例１、実施例２を通して、本発明の構成による半導体装置１では、５０サイクル後の接続抵抗変化率を＋５％以下に抑制できることがわかった。また、実施例２の構成ではんだ接合部の断面ＳＥＭ／ＥＰＭＡ解析を行った結果、いずれのはんだ接合部のＣｕ−Ｓｎ界面層３６上にもＢｉの偏析は認められず、Ｃｕ−10Ｚｎ電極内部に微細なＢｉが分散析出していることが確認された。
【００３１】
［比較例１］
実施例１のプリント回路基板２０上の電極２１を、Ｃｕ−15Ａｇ電極に代えて、Ｃｕ電極を用いて半導体装置を作製し、実施例１と同様にして導通測定及び落下衝撃試験を実施した。その結果、３サイクル後にすでに接続抵抗値の上昇が見られ、図５に示すように、５０サイクル終了後の接続抵抗変化率が＋３０％と実施例１の１０倍にもなることがわかった。また、はんだ接合部の断面ＳＥＭ／ＥＰＭＡ解析を行った結果、いずれのはんだ接合部のＣｕ−Ｓｎ界面層上にＢｉが層状に偏析しており、同箇所にてクラックが発生していることが確認された。
【００３２】
［比較例２］
実施例１のプリント回路基板２０の電極２１として、Ｃｕ−15Ａｇ電極でなく、Ａｕ／Ｎｉ電極（Ｎｉ電極上にＡｕめっきをしたもの）を用いて実施例１と同様の条件で半導体装置を作製し、実施例１と同様にして導通測定及び落下衝撃試験を実施した。その結果、落下衝撃試験５サイクル後にすでに接続抵抗値の上昇が見られ、図５に示すように、５０サイクル終了後の接続抵抗変化率（％）は、実施例１の１２倍、実施例２の９倍にもなることがわかった。また、はんだ接合部の断面ＳＥＭ／ＥＰＭＡ解析を行った結果、いずれのはんだ接合部のＡｕ−Ｓｎ界面層上にＢｉが層状に偏析しており、同箇所にてクラックが発生していることが確認された。
【００３３】
［変形例］
図６及び図７は、実施例１の変形例を示す図である。実施例１では、ＳｎＢｉ系はんだペースト２４を介して、半導体チップ３０のはんだバンプ３５をプリント回路基板２０の電極２１に接合した。変形例では、はんだペーストを用いずに、半導体チップ６０のはんだバンプ６５を直接、回路基板５０上の電極５１に接続する。この場合、半導体チップ６０の接続電極（パッド電極またはアンダーバンプメタル）３１が第２の導電部材となり、はんだバンプ６５によって、第１の導電部材である回路基板側の電極５０に接続される。変形例では、柱状のはんだバンプ６５としているが、この例に限られず、実施例１と同様にボール状のはんだバンプであってもよい。
【００３４】
実施例１と同様に、半導体チップ６０は、半導体基板６２と、素子、配線等と絶縁膜とが交互に積層された積層部６３とを有する。積層部６３の半導体基板６２からみた最上層に外部接続用の電極３１が形成され、電極３１を除く積層部６３の表面はパッシベーション膜６４で保護されている。電極３１上にＣｕシード層３６を介してＳｎＢｉ柱状バンプ６５が形成されている。
【００３５】
プリント回路基板５０は、プリント配線板５２の最上層に形成された外部接続用のＣｕ−Ａｇ電極５１を有する。プリント配線板５２の表面は、電極５１を除いて、たとえばエポキシ樹脂等の絶縁層５３で被覆されている。半導体チップ６０のＳｎＢｉはんだバンプ６５を、プリント回路基板５０の電極５１上に直接位置合わせして配置する。この状態でリフロー炉に搬送し、加熱処理する。
【００３６】
図７に示すように、加熱処理により、ＳｎＢｉはんだバンプ６５が溶融して、プリント回路基板５０の電極５９上に融着される。このとき、ＳｎＢｉはんだバンプに含まれるＳｎと、プリント回路基板５０の電極５１を構成するＣｕ−Ａｇ合金の第１金属元素であるＣｕとが、電極界面にＣｕ−Ｓｎ界面層６６を形成する。また、ＳｎＢｉはんだバンプに含まれるＢｉが、Ｃｕ−Ｓｎ界面層６６の粒界を通って電極５１のＣｕ−Ａｇ合金中に拡散し、冷却されたときに共晶組成のＣｕ−Ａｇ−Ｂｉ合金電極５９を構成する。溶融、冷却後のＳｎＢｉ接続電極（バンプ電極）６７、Ｃｕ−Ｓｎ界面層６６、共晶組成のＣｕ−Ａｇ−Ｂｉ合金電極５９で、はんだ接合構造７５を構成する。はんだ接合構造７５では、Ｃｕ−Ｓｎ界面層６６上のＢｉ偏析が抑制され、接合信頼性の向上が実現される。
【００３７】
以上の説明に対し、以下の付記を提示する。
（付記１）
半導体チップと、前記半導体チップを搭載する回路基板と、前記半導体チップと前記回路基板を電気的に接続する接続電極とを有する半導体装置において、
前記接続電極はＳｎとＢｉの合金であり、
前記接続電極と接合される前記回路基板の第１電極と、前記接続電極と接合される前記半導体チップの第２電極の少なくとも一方が、Ｂｉ、Ｘ、Ｙで構成される共晶組成の合金で構成され、
前記Ｘは、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｎからなる金属元素グループから選択される少なくとも１つの金属元素であり、
前記Ｙは、Ａｇ、Ａｕ、Ｍｇ、Ｒｈ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｃｏ、Ｌｉ、Ａｌからなる金属元素グループから選択される少なくとも１つの金属元素であることを特徴とする半導体装置。
（付記２）
前記Ｂｉ、Ｘ、Ｙで構成される合金のＢｉ量は５wt%以下であることを特徴とする付記１に記載の半導体装置。
（付記３）
前記Ｂｉ、Ｘ、Ｙで構成される共晶組成の合金の界面に存在する界面層をさらに含み、前記界面層は、前記はんだ中のＳｎと前記Ｘとの合金層であることを特徴とする付記１又は２に記載の半導体装置。
（付記４）
第１の導電部材と第２の導電部材を、Ｓｎ及びＢｉを含有するはんだを用いて接合する方法において、
前記第１の導電部材と前記第２の導電部材の少なくとも一方を、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｎからなる第１金属元素グループから選択される少なくとも１つの金属元素であるＸと、Ａｇ、Ａｕ、Ｍｇ、Ｒｈ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｃｏ、Ｌｉ、Ａｌからなる第２金属元素グループから選択される少なくとも１つの金属元素であるＹとの合金で形成し、
前記第１の導電部材と前記第２の導電部材を、前記はんだを介して位置合わせして加熱処理する
ことを特徴とするはんだ接合方法。
（付記５）
前記加熱は、前記はんだ中のＢｉを前記Ｘ、Ｙの合金中に拡散させる工程を含むことを特徴とする付記４に記載のはんだ接合方法。
（付記６）
半導体チップをＳｎ及びＢｉを含有するはんだを用いて回路基板に実装する半導体装置の製造方法であって、
前記回路基板上の第１電極と、前記第１電極と接合されることになる前記半導体チップの第２電極の少なくとも一方を、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｎからなる第１金属元素グループから選択される少なくとも１つの金属Ｘと、Ａｇ、Ａｕ、Ｍｇ、Ｒｈ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｃｏ、Ｌｉ、Ａｌからなる第２金属元素グループから選択される少なくとも１つの金属Ｙとの合金で形成し、
前記第１電極と前記第２電極を、前記はんだを介して位置合わせして加熱処理する、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
（付記７）
前記加熱は、前記はんだ中のＢｉを、前記ＸとＹの合金中に拡散させる工程を含むことを特徴とする付記６に記載の半導体装置の製造方法。
（付記８）
前記はんだは、ＳｎとＢｉを含有するはんだペーストであり、前記はんだペーストを前記回路基板の第１電極上に配置する工程をさらに含むことを特徴とする付記７に記載の半導体装置の製造方法。
（付記９）
前記はんだは、前記半導体チップに設けられたはんだバンプであり、前記はんだバンプを前記回路基板の第１電極上に位置合わせして、前記加熱することにより、前記はんだバンプ中のＢｉを前記第１電極中に拡散させることを特徴とする付記７に記載の半導体装置の製造方法。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
液体の液質の調整が求められるシステム、たとえばコンピュータ水冷システム、自動販売機の冷却システム等に適用することができる。
【符号の説明】
【００３９】
１ 半導体装置
２、７５ はんだ接合構造
１１、２１，５１ 第１導電部材（第１電極）
１２、２４ はんだペースト
１３ ＳｎＢｉ粉末
１４、３５、６１ 第２導電部材（第２電極）
１６、３６、６６ 界面層（Ｓｎ−Ｘ合金）
１９、２９、５９ 共晶組成のＢｉ−Ｘ−Ｙ合金電極
２０、５０ 回路基板
３０、６０ 半導体チップ
３５、６５ はんだバンプ
４５、６７ Ｓｎ−Ｂｉ合金（接続電極）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、はんだ接合方法と、これを利用した半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体チップ等の電子部品を回路基板上にフリップチップ実装する場合、半導体チップのバンプ電極を回路基板上の電極に接合して、電気的な接続をとる。バンプ電極の金属材料や、接合用のペースト材料として、はんだが使用される場合が多い。はんだペーストを介して、あるいは直接はんだバンプを回路基板上の電極に位置合わせし、リフロー処理で、回路基板側の電極に融着する。
【０００３】
電子部品の適正な動作のためには、回路基板とチップとの接合の信頼性が重要である。これに加えて、近年では、環境保護の観点から、有害物質の排除、消費電力・ＣＯ2排出量の低減、処理工程の低温化の要請も高まっている。そのため、はんだに低融点材料であるビスマス（Ｂｉ）を加えて、電子部品に対する熱ストレスを低減しようとする取り組みが行われている。
【０００４】
はんだ材料にＢｉを用いることで、処理温度を下げることができる、濡れ性が向上するなどの効果が得られる。しかし、Ｂｉ量が多くなると、Ｂｉの偏析によるリフトオフ、Ｂｉの脆弱さによる接合信頼性の低下といった問題が生じる。
【０００５】
図１は上述した従来技術の問題点を説明するための図である。図１（Ａ）の加熱前の状態において、回路基板（不図示）のＣｕ電極１０１上に、ＳｎＢｉ粉末１０３を含むはんだペースト１０２が印刷されている。このＣｕ電極１０１に対して、図示しないチップ側のバンプ電極を位置合わせし、図１（Ｂ）でリフロー加熱する。加熱処理により、ＳｎＢｉ粉末１０３が溶融してＳｎ−Ｂｉ層１０５が形成される。これとともに、Ｃｕ電極１０１の界面にＣｕ−Ｓｎ層１０６が形成される。リフロー時間が長くなると、図１（Ｃ）に示すように、電極界面のＣｕ−Ｓｎ層１０６上にＢｉが偏析し、脆弱なＢｉ層１０７が形成される。バンプ接合部に衝撃や応力が加わると、Ｂｉ層１０７に容易にクラック１０８が走り、耐衝撃性が低下し、誤動作の原因となる。
【０００６】
そこで、Ｂｉの偏析を防止する方法が提案されている。たとえば、はんだ合金に対するＢｉの重量比を２１重量％以下にする方法や（たとえば、特許文献１参照）、Ｂｉを含有するＰｂフリーはんだを用いて固相線温度付近まで急冷し、そこからさらにゆっくりと冷却する方法が知られている（たとえば、特許文献２参照）。前者の方法は、はんだ合金に対するＢｉ重量比を２１重量％以下にすることで、高温放置の状態でＳｎに固溶するＢｉの割合を向上させ、固体状態のＢｉの割合を低減する。これにより、はんだ接合部全体としての伸びを増大させて、はんだ接合部にかかる熱応力を緩和するものである。後者の方法は、実装時のリフトオフ、クラック発生、Ｂｉ偏析の低減を目的とする。
【０００７】
しかし、前者の方法では、Ｂｉ析出が防止しきれず、Ｂｉの脆さの影響により、はんだ接合構造の耐熱疲労強度を充分に確保することができないという問題がある。特に高温環境下ではＢｉ組織が粗大化するため、はんだ接合部に応力がかかると、ＳｎとＢｉ組織との界面ですべりが生じ、クラックが生じやすくなる。後者の方法では、Ｂｉ量をコントロールしたとしても、はんだ中のＳｎと配線電極（Ｃｕ等）との間で合金層（たとえばＣｕ6Ｓｎ5）が形成され、合金層上にＢｉが層状に析出してしまうため、耐衝撃性を充分に確保することは難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−１３０６９７号公報
【特許文献２】特開平１１−３５４９１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そこで本発明は、ＳｎとＢｉを含有するはんだ材料を用いた場合において、半導体チップ等の電子部品と回路基板との接続信頼性を向上することができるはんだ接合方法と、そのような接合方法を利用した半導体装置及びその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、ひとつの側面では、半導体チップと、前記半導体チップを搭載する回路基板と、前記半導体チップと前記回路基板を電気的に接続する接続電極とを有する半導体装置を提供する。この半導体装置は、
前記接続電極はＳｎとＢｉの合金であり、前記接続電極と接合される前記回路基板の外部電極と、前記接続電極と接合される前記半導体チップの外部電極の少なくとも一方が、Ｂｉ、Ｘ、Ｙで構成される共晶組成の合金であり、
前記Ｘは、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｎからなる金属元素グループから選択される少なくとも１つの金属元素であり、
前記Ｙは、Ａｇ、Ａｕ、Ｍｇ、Ｒｈ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｃｏ、Ｌｉ、Ａｌからなる金属元素グループから選択される少なくとも１つの金属元素である。
【００１１】
別の側面では、第１の導電部材と第２の導電部材を、Ｓｎ及びＢｉを含有するはんだを用いて接合する方法を提供する。この方法は、
前記第１の導電部材と前記第２の導電部材の少なくとも一方を、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｎからなる第１金属元素グループから選択される少なくとも１つの金属元素であるＸと、Ａｇ、Ａｕ、Ｍｇ、Ｒｈ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｃｏ、Ｌｉ、Ａｌからなる第２金属元素グループから選択される少なくとも１つの金属元素であるＹとの合金で形成し、
前記第１の導電部材と前記第２の導電部材を、前記はんだを介して位置合わせして加熱処理する。
【００１２】
また別の側面では、半導体チップをＳｎ及びＢｉを含有するはんだを用いて回路基板に実装する半導体装置の製造方法を提供する。この方法は、
前記回路基板上の第１電極と、前記第１電極と接合されることになる前記半導体チップの第２電極の少なくとも一方を、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｎからなる第１金属元素グループから選択される少なくとも１つの金属Ｘと、Ａｇ、Ａｕ、Ｍｇ、Ｒｈ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｃｏ、Ｌｉ、Ａｌからなる第２金属元素グループから選択される少なくとも１つの金属Ｙとの合金で形成し、
前記第１電極と前記第２電極を、前記はんだを介して位置合わせして加熱処理する。
【発明の効果】
【００１３】
上述したはんだ接合方法により、はんだ接合の信頼性が向上する。また、このようなはんだ接合を用いて製造された半導体装置の動作の信頼性、歩留まりが向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来のＳｎＢｉ系はんだ接合の問題点を説明するための図である。
【図２】実施形態におけるＳｎＢｉ系はんだ接合の原理を説明するための図である。
【図３】ＳｎＢｉはんだペーストを用いる接合例であり、加熱前の状態を示す図である。
【図４】ＳｎＢｉはんだペーストを用いる接合例であり、加熱後の状態を示す図である。
【図５】実施例及び比較例の接続抵抗変化率の分布を示す図である。
【図６】ＳｎＢｉはんだバンプを用いる接合例であり、加熱前の状態を示す図である。
【図７】ＳｎＢｉはんだバンプを用いる接合例であり、加熱後の状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図２は、実施形態におけるＳｎＢｉ系はんだ接合の原理を説明するための図である。第１の導電部材１１と、第２の導電部材１４を、ＳｎＢｉ粉末１３を含有するはんだペースト１２で接合する場合を説明する。
【００１６】
第１の導電部材１１は、たとえば図示しない回路基板上に設けられた外部電極である。この第１の導電部材１１上にはんだペースト１２を塗布し、その上に第２の導電部材１４を位置合わせする。第２の導電部材１４は、たとえば半導体チップなどの電子部品に設けられた電極端子である。
【００１７】
ＳｎＢｉ系はんだ材料（図２の例では、はんだペースト１２）と直接接触する第１の導電部材１１と第２の導電部材１４の少なくとも一方は、Ｘ−Ｙで表記される合金で形成される。金属Ｘは、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｎからなるグループから選択される少なくとも１つの金属元素である。金属Ｙは、Ａｇ、Ａｕ、Ｍｇ、Ｒｈ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｃｏ、Ｌｉ、Ａｌからなるグループから選択される少なくとも１つの金属元素である。第１の金属元素グループに含まれる元素は、はんだペースト１２中のＳｎと反応して合金を形成する金属である。第２の金属元素グループに含まれる金属は、はんだペースト１２中のＢｉと反応して、Ｘ−Ｙ合金中にＢｉを取り込み（拡散させ）、共晶を構成することのできる金属材料である。
【００１８】
図２（Ａ）の例では、第１の導電部材１１をＸ−Ｙ合金、たとえばＣｕ−Ａｇ合金で構成し、第２の導電部材１４を任意の金属材料、たとえばＳｎＢｉ合金で構成する。第１のＸ−Ｙ合金の例としては、２元系合金として、Ｃｕ−18Ａｇ、Ｃｕ−2.3Ａｌ、Ｃｕ−10Ｚｎなどが挙げられる。３元系Ｘ−Ｙ合金として、97Ｃｕ−1Ｚｎ−2Ｎｉがあり、４元系Ｘ−Ｙ合金として、85Ｃｕ−5Ｓｎ−4Ｚｎ−1Ｎｉ、87Ｃｕ−6Ｓｎ−6Ｚｎ−1Ｎｉ、60Ｃｕ−1Ｓｎ−38Ｚｎ−1Ｎｉ、97.7Ｃｕ−1.3Ｓｎ−0.3Ｚｎ−0.7Ｎｉなどが挙げられる。
【００１９】
図２（Ａ）のように、第１の導電部材１１と第２の導電部材１４を、ＳｎＢｉ系はんだペースト１２を介して位置合わせし、図２（Ｂ）のように、加熱処理する。加熱処理温度は、ＳｎＢｉ系はんだペーストの共晶温度（約１３８℃）以上であって、ＢｉがＸ−Ｙ合金母材中に拡散する温度、すなわち金属Ｙと反応する温度である。Ｘ−Ｙの組成にもよるが、一例として、１３８℃〜２００℃の範囲とする。あるいは、第１の加熱温度（はんだペーストの共晶温度以上である１３８℃〜２００℃）ではんだを溶融させた後、第２の加熱温度８０℃〜１３５℃で、ＢｉをＸ−Ｙ合金母材中に拡散（すなわち金属Ｙと反応）させるプロセスを取ってもよい。加熱処理は、たとえば、はんだペースト１２を介して位置合わせがされた第１の導電部材１１と第２の導電部材１４の全体を、N2リフロー炉に入れて加熱する。加熱により、第２の導電部材１４とはんだペースト１２が溶融してＳｎ−Ｂｉ合金の接続電極１５が形成されるとともに、第１の導電部材１１の界面にＣｕ−Ｓｎ界面層１６が形成される。
【００２０】
ＳｎＢｉ系はんだペースト１２では、加熱により、まずＳｎが拡散する。拡散したＳｎは、母材であるＸ−Ｙ合金の金属Ｘと反応して、第１の導電部材１１の界面に、Ｓｎ−Ｘで表記される合金の界面層（図２の例ではＣｕ−Ｓｎ界面層）１６を形成する。この時点で、第１の導電部材１１と第２導電部材１４とは、融着される状態となっている。
【００２１】
図２（Ｃ）に示すように、さらに加熱を続けると、はんだ中のＢｉが、Ｘ−Ｙ合金中の金属Ｙの影響を受けて、Ｃｕ−Ｓｎ界面層１６の粒界を通って、第１の導電部材１１の表面に到達する。Ｂｉは金属Ｙとの反応によってＸ−Ｙ合金中に取り込まれ、拡散する。取り込まれたＢｉは、Ｘ、Ｙと共融混合物を構成し、冷却されたときに共晶組成となるＸ−Ｙ−Ｂｉ合金１９を形成する。図２の例では、ＢｉがＣｕ−Ａｇ合金のＡｇと反応してＣｕ−Ａｇ合金中に取り込まれ、共晶組成のＣｕ−Ａｇ−Ｂｉ合金１９が形成される。
【００２２】
このように、はんだペースト１２中のＢｉを、Ｃｕ−Ｓｎ界面層１６の粒界からＸ−Ｙ合金中に拡散させることにより、Ｃｕ−Ｓｎ界面層１６上にＢｉが偏析するのを防止することができる。結果として、はんだ接合部の耐衝撃性が向上する。なお、Ｘ−Ｙ−Ｂｉ合金中のＢｉの量は、５wt%以下であることが望ましい。５wt％を超えると接合強度が低下するおそれがあるからである。さらに望ましくは、Ｂｉ量は、０．５wt%≦Ｂｉ≦５wt%である。Ｘ−Ｙ−Ｂｉ合金中のＢｉ量が０．５wt%より少ないと、ＳｎＣｕ界面層１６上にＢｉが偏析するおそれがあるからである。これにより、信頼性の高いはんだ接合を実現することができる。
【実施例１】
【００２３】
図３及び図４は、図２の手法を半導体装置の製造に適用した実施例１の構成を示す。実施例１では、はんだバンプ３５を有する半導体チップ３０を、ＳｎＢｉ系はんだペースト２４を介してプリント回路基板２０上の電極２１に接続する。はんだペースト２４は、Ｓｎ−58Ｂｉ系のはんだペーストであり、はんだ粒径２５〜４５μｍのはんだ粒子が９０wt%以上を占めている。フラックス含有率は９．５wt%である。
【００２４】
このはんだペースト２４を、スクリーン印刷により、プリント回路基板２０上の電極２１に塗布する。より詳しくは、外部接続用の電極２１は、プリント配線板２２の図示しない多層配線に電気的に接続されている。プリント配線板２２の表面は、電極２１を除いてソルダーレジスト２３で被覆されている。電極２１に対応する位置に開口を有するマスク（不図示）を用いて、スキージによりハンダペースト２４を印刷する。
【００２５】
一方、半導体チップ３０は、半導体基板３２上に素子、配線等と絶縁膜とが交互に積層された積層部３３を有する。半導体基板３２側からみた積層部の最上層に、回路基板との接続を取るための電極２１が形成され、電極２１上にシード層３６を介してＳｎＢｉはんだバンプ３５が形成されている。ＳｉＢｉはんだバンプ３５は、たとえば電極２１を露出するようにパッシベーション膜３４を設け、Ｃｕシード層３６を形成した後に電界メッキ等によりＳｎＢｉ層を形成し、不要な部分のＳｎＢｉ層及びＣｕシード層を除去してリフローすることにより形成される。
【００２６】
実施例１で用いた半導体チップ３０は、サイズが８．５×８．５ｍｍ、周辺に約１２０個のＳｎ−58Ｂｉはんだバンプ３５を配置したものである。一方、プリント回路基板２０は、４０×４０ｍｍのＦＲ−４基板であり、半導体チップ３０のはんだバンプ３５と対応する位置にＣｕ−15Ａｇ電極２１を配置したものである。半導体チップ３０を、ＳｎＢｉバンプ電極がプリント回路基板２０と向き合うようにチップマウンターで保持し、印刷されたはんだペースト２４上に搭載した後、Ｎ2リフロー炉に搬送する。
【００２７】
図４は、リフロー加熱後のはんだ接合構造を有する半導体装置１の概略構成図である。はんだ接合のためのＮ2リフローのプリヒート条件は、温度１００〜１２０℃を９０〜１２０秒とした。ピーク条件は、１７０℃を５０〜６０秒とした。冷却速度は２〜３℃／ｓとした。リフロー処理により、はんだペースト２４とはんだバンプ３５は溶融し、冷却後にＳｎ−58Ｂｉ合金の接続電極４５を構成する。はんだペースト２４に含まれるＳｎは、プリント回路基板２０のＣｕ−Ａｇ電極２１のＣｕ（第１金属元素グループから選択された金属元素）と合金を形成し、Ｃｕ−Ａｇ電極２１上にＣｕ−Ｓｎ界面層３６を形成する。一方、はんだペースト２４に含まれるＢｉの一部は、Ｃｕ−Ｓｎ界面層３６の粒界を通って、Ｃｕ−Ａｇ電極２１を構成するＣｕ−Ａｇ合金中に拡散させる。その結果、プリント回路基板２０上の電極２１は、冷却されたときに共晶組成のＣｕ−Ａｇ−Ｂｉ合金電極２９となる。ＳｎＢｉ接続電極４５、Ｃｕ−Ｓｎ界面層３６、共晶組成のＣｕ−Ａｇ−Ｂｉ合金電極２９で、はんだ接合構造２を構成する。この構成では、Ｂｉが粒界を通ってＣｕ−Ａｇ合金中に拡散するので、Ｃｕ−Ｓｎ界面層３６上に析出することが防止される。
【００２８】
このようにして形成した半導体装置１を用いて、基板３２側の引き出し配線（不図示）を用いて、はんだ接合構造２の導通試験を行った。試験の結果、全てのはんだ接合構造において導通していることが確認できた。さらに、落下高さ１．６ｍ、基板歪み量４０００μεを１サイクルとし、これを５０サイクル繰り返す落下衝撃試験を行った。
【００２９】
図５は、実施例１、後述する実施例２、比較例１、比較例２の落下衝撃試験の結果を示す図である。各例において、５０サイクルにわたる接続抵抗変化（％）の分布を示している。図５に示すように、実施例１では、５０サイクル終了後でも、半導体装置１の接続抵抗変化率は＋３％に抑えられている。また、はんだ接合部の断面ＳＥＭ／ＥＰＭＡ解析を行った結果、いずれのはんだ接合部のＣｕ−Ｓｎ界面層３６上にもＢｉの偏析は認められず、Ｃｕ−15Ａｇ電極内部に微細なＢｉが分散析出していることを確認した。
【実施例２】
【００３０】
実施例１のプリント回路基板２０に形成する電極２１を、Ｃｕ−15Ａｇ電極に代えて、Ｃｕ−10Ｚｎ電極とした。実施例１と同様の条件で半導体装置を作製し、導通測定および落下衝撃試験を実施した。その結果、図５に示すように、落下衝撃５０サイクル後の接続抵抗値は＋４％であった。このように、実施例１、実施例２を通して、本発明の構成による半導体装置１では、５０サイクル後の接続抵抗変化率を＋５％以下に抑制できることがわかった。また、実施例２の構成ではんだ接合部の断面ＳＥＭ／ＥＰＭＡ解析を行った結果、いずれのはんだ接合部のＣｕ−Ｓｎ界面層３６上にもＢｉの偏析は認められず、Ｃｕ−10Ｚｎ電極内部に微細なＢｉが分散析出していることが確認された。
【００３１】
［比較例１］
実施例１のプリント回路基板２０上の電極２１を、Ｃｕ−15Ａｇ電極に代えて、Ｃｕ電極を用いて半導体装置を作製し、実施例１と同様にして導通測定及び落下衝撃試験を実施した。その結果、３サイクル後にすでに接続抵抗値の上昇が見られ、図５に示すように、５０サイクル終了後の接続抵抗変化率が＋３０％と実施例１の１０倍にもなることがわかった。また、はんだ接合部の断面ＳＥＭ／ＥＰＭＡ解析を行った結果、いずれのはんだ接合部のＣｕ−Ｓｎ界面層上にＢｉが層状に偏析しており、同箇所にてクラックが発生していることが確認された。
【００３２】
［比較例２］
実施例１のプリント回路基板２０の電極２１として、Ｃｕ−15Ａｇ電極でなく、Ａｕ／Ｎｉ電極（Ｎｉ電極上にＡｕめっきをしたもの）を用いて実施例１と同様の条件で半導体装置を作製し、実施例１と同様にして導通測定及び落下衝撃試験を実施した。その結果、落下衝撃試験５サイクル後にすでに接続抵抗値の上昇が見られ、図５に示すように、５０サイクル終了後の接続抵抗変化率（％）は、実施例１の１２倍、実施例２の９倍にもなることがわかった。また、はんだ接合部の断面ＳＥＭ／ＥＰＭＡ解析を行った結果、いずれのはんだ接合部のＡｕ−Ｓｎ界面層上にＢｉが層状に偏析しており、同箇所にてクラックが発生していることが確認された。
【００３３】
［変形例］
図６及び図７は、実施例１の変形例を示す図である。実施例１では、ＳｎＢｉ系はんだペースト２４を介して、半導体チップ３０のはんだバンプ３５をプリント回路基板２０の電極２１に接合した。変形例では、はんだペーストを用いずに、半導体チップ６０のはんだバンプ６５を直接、回路基板５０上の電極５１に接続する。この場合、半導体チップ６０の接続電極（パッド電極またはアンダーバンプメタル）３１が第２の導電部材となり、はんだバンプ６５によって、第１の導電部材である回路基板側の電極５０に接続される。変形例では、柱状のはんだバンプ６５としているが、この例に限られず、実施例１と同様にボール状のはんだバンプであってもよい。
【００３４】
実施例１と同様に、半導体チップ６０は、半導体基板６２と、素子、配線等と絶縁膜とが交互に積層された積層部６３とを有する。積層部６３の半導体基板６２からみた最上層に外部接続用の電極３１が形成され、電極３１を除く積層部６３の表面はパッシベーション膜６４で保護されている。電極３１上にＣｕシード層３６を介してＳｎＢｉ柱状バンプ６５が形成されている。
【００３５】
プリント回路基板５０は、プリント配線板５２の最上層に形成された外部接続用のＣｕ−Ａｇ電極５１を有する。プリント配線板５２の表面は、電極５１を除いて、たとえばエポキシ樹脂等の絶縁層５３で被覆されている。半導体チップ６０のＳｎＢｉはんだバンプ６５を、プリント回路基板５０の電極５１上に直接位置合わせして配置する。この状態でリフロー炉に搬送し、加熱処理する。
【００３６】
図７に示すように、加熱処理により、ＳｎＢｉはんだバンプ６５が溶融して、プリント回路基板５０の電極５９上に融着される。このとき、ＳｎＢｉはんだバンプに含まれるＳｎと、プリント回路基板５０の電極５１を構成するＣｕ−Ａｇ合金の第１金属元素であるＣｕとが、電極界面にＣｕ−Ｓｎ界面層６６を形成する。また、ＳｎＢｉはんだバンプに含まれるＢｉが、Ｃｕ−Ｓｎ界面層６６の粒界を通って電極５１のＣｕ−Ａｇ合金中に拡散し、冷却されたときに共晶組成のＣｕ−Ａｇ−Ｂｉ合金電極５９を構成する。溶融、冷却後のＳｎＢｉ接続電極（バンプ電極）６７、Ｃｕ−Ｓｎ界面層６６、共晶組成のＣｕ−Ａｇ−Ｂｉ合金電極５９で、はんだ接合構造７５を構成する。はんだ接合構造７５では、Ｃｕ−Ｓｎ界面層６６上のＢｉ偏析が抑制され、接合信頼性の向上が実現される。
【００３７】
以上の説明に対し、以下の付記を提示する。
（付記１）
半導体チップと、前記半導体チップを搭載する回路基板と、前記半導体チップと前記回路基板を電気的に接続する接続電極とを有する半導体装置において、
前記接続電極はＳｎとＢｉの合金であり、
前記接続電極と接合される前記回路基板の第１電極と、前記接続電極と接合される前記半導体チップの第２電極の少なくとも一方が、Ｂｉ、Ｘ、Ｙで構成される共晶組成の合金で構成され、
前記Ｘは、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｎからなる金属元素グループから選択される少なくとも１つの金属元素であり、
前記Ｙは、Ａｇ、Ａｕ、Ｍｇ、Ｒｈ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｃｏ、Ｌｉ、Ａｌからなる金属元素グループから選択される少なくとも１つの金属元素であることを特徴とする半導体装置。
（付記２）
前記Ｂｉ、Ｘ、Ｙで構成される合金のＢｉ量は５wt%以下であることを特徴とする付記１に記載の半導体装置。
（付記３）
前記Ｂｉ、Ｘ、Ｙで構成される共晶組成の合金の界面に存在する界面層をさらに含み、前記界面層は、前記はんだ中のＳｎと前記Ｘとの合金層であることを特徴とする付記１又は２に記載の半導体装置。
（付記４）
第１の導電部材と第２の導電部材を、Ｓｎ及びＢｉを含有するはんだを用いて接合する方法において、
前記第１の導電部材と前記第２の導電部材の少なくとも一方を、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｎからなる第１金属元素グループから選択される少なくとも１つの金属元素であるＸと、Ａｇ、Ａｕ、Ｍｇ、Ｒｈ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｃｏ、Ｌｉ、Ａｌからなる第２金属元素グループから選択される少なくとも１つの金属元素であるＹとの合金で形成し、
前記第１の導電部材と前記第２の導電部材を、前記はんだを介して位置合わせして加熱処理する
ことを特徴とするはんだ接合方法。
（付記５）
前記加熱は、前記はんだ中のＢｉを前記Ｘ、Ｙの合金中に拡散させる工程を含むことを特徴とする付記４に記載のはんだ接合方法。
（付記６）
半導体チップをＳｎ及びＢｉを含有するはんだを用いて回路基板に実装する半導体装置の製造方法であって、
前記回路基板上の第１電極と、前記第１電極と接合されることになる前記半導体チップの第２電極の少なくとも一方を、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｎからなる第１金属元素グループから選択される少なくとも１つの金属Ｘと、Ａｇ、Ａｕ、Ｍｇ、Ｒｈ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｃｏ、Ｌｉ、Ａｌからなる第２金属元素グループから選択される少なくとも１つの金属Ｙとの合金で形成し、
前記第１電極と前記第２電極を、前記はんだを介して位置合わせして加熱処理する、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
（付記７）
前記加熱は、前記はんだ中のＢｉを、前記ＸとＹの合金中に拡散させる工程を含むことを特徴とする付記６に記載の半導体装置の製造方法。
（付記８）
前記はんだは、ＳｎとＢｉを含有するはんだペーストであり、前記はんだペーストを前記回路基板の第１電極上に配置する工程をさらに含むことを特徴とする付記７に記載の半導体装置の製造方法。
（付記９）
前記はんだは、前記半導体チップに設けられたはんだバンプであり、前記はんだバンプを前記回路基板の第１電極上に位置合わせして、前記加熱することにより、前記はんだバンプ中のＢｉを前記第１電極中に拡散させることを特徴とする付記７に記載の半導体装置の製造方法。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
液体の液質の調整が求められるシステム、たとえばコンピュータ水冷システム、自動販売機の冷却システム等に適用することができる。
【符号の説明】
【００３９】
１ 半導体装置
２、７５ はんだ接合構造
１１、２１，５１ 第１導電部材（第１電極）
１２、２４ はんだペースト
１３ ＳｎＢｉ粉末
１４、３５、６１ 第２導電部材（第２電極）
１６、３６、６６ 界面層（Ｓｎ−Ｘ合金）
１９、２９、５９ 共晶組成のＢｉ−Ｘ−Ｙ合金電極
２０、５０ 回路基板
３０、６０ 半導体チップ
３５、６５ はんだバンプ
４５、６７ Ｓｎ−Ｂｉ合金（接続電極）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体チップと、前記半導体チップを搭載する回路基板と、前記半導体チップと前記回路基板を電気的に接続する接続電極とを有する半導体装置において、
前記接続電極はＳｎとＢｉの合金であり、
前記接続電極と接合される前記回路基板の第１電極と、前記接続電極と接合される前記半導体チップの第２電極の少なくとも一方が、Ｂｉ、Ｘ、Ｙで構成される共晶組成の合金で構成され、
前記Ｘは、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｎからなる金属元素グループから選択される少なくとも１つの金属元素であり、
前記Ｙは、Ａｇ、Ａｕ、Ｍｇ、Ｒｈ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｃｏ、Ｌｉ、Ａｌからなる金属元素グループから選択される少なくとも１つの金属元素であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記Ｂｉ、Ｘ、Ｙで構成される合金のＢｉ量は５wt%以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記Ｂｉ、Ｘ、Ｙで構成される共晶組成の合金の界面に存在する界面層をさらに含み、前記界面層は、前記はんだ中のＳｎと前記Ｘとの合金層であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
第１の導電部材と第２の導電部材を、Ｓｎ及びＢｉを含有するはんだを用いて接合する方法において、
前記第１の導電部材と前記第２の導電部材の少なくとも一方を、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｎからなる第１金属元素グループから選択される少なくとも１つの金属元素であるＸと、Ａｇ、Ａｕ、Ｍｇ、Ｒｈ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｃｏ、Ｌｉ、Ａｌからなる第２金属元素グループから選択される少なくとも１つの金属元素であるＹとの合金で形成し、
前記第１の導電部材と前記第２の導電部材を、前記はんだを介して位置合わせして加熱処理する
ことを特徴とするはんだ接合方法。
【請求項５】
前記加熱は、前記はんだ中のＢｉを前記Ｘ、Ｙの合金中に拡散させる工程を含むことを特徴とする請求項４に記載のはんだ接合方法。
【請求項６】
半導体チップをＳｎ及びＢｉを含有するはんだを用いて回路基板に実装する半導体装置の製造方法であって、
前記回路基板上の第１電極と、前記第１電極と接合されることになる前記半導体チップの第２電極の少なくとも一方を、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｎからなる第１金属元素グループから選択される少なくとも１つの金属Ｘと、Ａｇ、Ａｕ、Ｍｇ、Ｒｈ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｃｏ、Ｌｉ、Ａｌからなる第２金属元素グループから選択される少なくとも１つの金属Ｙとの合金で形成し、
前記第１電極と前記第２電極を、前記はんだを介して位置合わせして加熱処理する、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１】
半導体チップと、前記半導体チップを搭載する回路基板と、前記半導体チップと前記回路基板を電気的に接続する接続電極とを有する半導体装置において、
前記接続電極はＳｎとＢｉの合金であり、
前記接続電極と接合される前記回路基板の第１電極と、前記接続電極と接合される前記半導体チップの第２電極の少なくとも一方が、Ｂｉ、Ｘ、Ｙで構成される共晶組成の合金で構成され、
前記Ｘは、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｎからなる金属元素グループから選択される少なくとも１つの金属元素であり、
前記Ｙは、Ａｇ、Ａｕ、Ｍｇ、Ｒｈ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｃｏ、Ｌｉ、Ａｌからなる金属元素グループから選択される少なくとも１つの金属元素であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記Ｂｉ、Ｘ、Ｙで構成される合金のＢｉ量は５wt%以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記Ｂｉ、Ｘ、Ｙで構成される共晶組成の合金の界面に存在する界面層をさらに含み、前記界面層は、前記はんだ中のＳｎと前記Ｘとの合金層であることを特徴とする請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
第１の導電部材と第２の導電部材を、Ｓｎ及びＢｉを含有するはんだを用いて接合する方法において、
前記第１の導電部材と前記第２の導電部材の少なくとも一方を、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｎからなる第１金属元素グループから選択される少なくとも１つの金属元素であるＸと、Ａｇ、Ａｕ、Ｍｇ、Ｒｈ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｃｏ、Ｌｉ、Ａｌからなる第２金属元素グループから選択される少なくとも１つの金属元素であるＹとの合金で形成し、
前記第１の導電部材と前記第２の導電部材を、前記はんだを介して位置合わせして加熱処理する
ことを特徴とするはんだ接合方法。
【請求項５】
前記加熱は、前記はんだ中のＢｉを前記Ｘ、Ｙの合金中に拡散させる工程を含むことを特徴とする請求項４に記載のはんだ接合方法。
【請求項６】
半導体チップをＳｎ及びＢｉを含有するはんだを用いて回路基板に実装する半導体装置の製造方法であって、
前記回路基板上の第１電極と、前記第１電極と接合されることになる前記半導体チップの第２電極の少なくとも一方を、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｎからなる第１金属元素グループから選択される少なくとも１つの金属Ｘと、Ａｇ、Ａｕ、Ｍｇ、Ｒｈ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｃｏ、Ｌｉ、Ａｌからなる第２金属元素グループから選択される少なくとも１つの金属Ｙとの合金で形成し、
前記第１電極と前記第２電極を、前記はんだを介して位置合わせして加熱処理する、
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−２１６８１３（Ｐ２０１１−２１６８１３Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８５９３７（Ｐ２０１０−８５９３７）
【出願日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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