專利名稱：軟釬焊方法、芯片焊接用軟釬料顆粒、芯片焊接軟釬料顆粒的制造方法及電子零件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及接合電子零件的半導(dǎo)體元件和基板的芯片焊接(diebonding)用的軟釬料顆粒(Solder Pellet)、以及用軟釬料接合半導(dǎo)體元件和基板的電子零件。
背景技術(shù)：
BGA、CSP等高性能電子零件，其半導(dǎo)體元件和基板是由接合材料芯片焊接接合起來(lái)的。所謂的芯片焊接，是指將切割硅晶片而得到的半導(dǎo)體元件固定在電子零件的基板上的工序。對(duì)于芯片焊接半導(dǎo)體元件和基板而言，在使用電子設(shè)備時(shí)有時(shí)從半導(dǎo)體元件發(fā)熱而半導(dǎo)體本身因熱影響出現(xiàn)性能惡化或熱損傷，因此，接合半導(dǎo)體元件和基板，將從半導(dǎo)體元件放出的熱量從基板釋放。另外，芯片焊接接合還用于從半導(dǎo)體元件接地。作為該芯片焊接用接合用一般使用的材料是粘接性樹脂或軟釬料。如果只是以從半導(dǎo)體元件放熱為目的，則粘接性樹脂亦可，但在以放熱和接地為目的的情況下，使用導(dǎo)熱性良好、而且導(dǎo)電性良好的軟釬料。
在以放熱為目的的芯片焊接接合中，理想的是半導(dǎo)體元件和基板完全接合，在接合面不可存在空隙(void)。例如在用粘接性樹脂進(jìn)行接合時(shí)，若在粘接性樹脂中存在很小的氣泡，則該氣泡被壓潰而成為大的空隙。因此，對(duì)于粘接性樹脂而言，為了消除粘接性樹脂中的氣泡，進(jìn)行在真空中攪拌粘接性樹脂、從而消除內(nèi)部的氣泡的脫泡處理。另一方面，對(duì)于在使用了軟釬料的接合中產(chǎn)生空隙的情況，在軟釬焊時(shí)使用的助熔劑氣化，若其殘留在軟釬焊部則成為空隙，另外，若軟釬料的潤(rùn)濕性差，則在軟釬焊時(shí)出線熔融的軟釬料的未潤(rùn)濕的部分，其成為空隙。
一般而言，軟釬焊使用助熔劑，但若使用助熔劑，則會(huì)殘留助熔劑殘?jiān)撝蹌堅(jiān)鼭穸蔀楫a(chǎn)生腐蝕生成物或降低絕緣電阻的原因，因此，在要求高可靠性的電子設(shè)備中進(jìn)行的是不使用助熔劑的軟釬焊、即無(wú)助熔劑軟釬焊。無(wú)助熔劑的軟釬焊是指，將軟釬料置于軟釬焊部，然后在氫和氮的混合氣體氣氛中對(duì)其進(jìn)行加熱。若在無(wú)助熔劑的狀態(tài)下進(jìn)行軟釬焊，則不存在因助熔劑的氣化而產(chǎn)生空隙的問題，但軟釬料的潤(rùn)濕性受到較大影響。即，在軟釬焊中助熔劑還原除去軟釬焊部的氧化物，并且降低熔融的軟釬料的表面張力，因此，軟釬料良好地潤(rùn)濕擴(kuò)展。但是，在芯片焊接接合時(shí)，若進(jìn)行無(wú)助熔劑接合，則混合氣體氣氛無(wú)法得到如助熔劑那樣強(qiáng)的活性。因此，在進(jìn)行芯片焊接接合時(shí)，在此所用的軟釬料必須是軟釬料本身具有優(yōu)異的潤(rùn)濕性。
本申請(qǐng)人，對(duì)于芯片焊接用顆粒等成形焊料(form solder)，公開有一種在常溫下將固體的物質(zhì)均勻地涂敷在表面的成形焊料，以避免成形焊料彼此粘著(專利文獻(xiàn)1)。
專利文獻(xiàn)1特開平9-29478一直以來(lái)，用于芯片焊接接合用的軟釬料是Sn-Pb系軟釬料。但是，Sn-Pb系軟釬料由于鉛公害的問題而限制其使用，到今天變成使用不含鉛的所謂“無(wú)鉛軟釬料”。該無(wú)鉛軟釬料是在Sn或以Sn為主成分中適當(dāng)添加Ag、Cu、Sb、Bi、In、Ni、Cr、Mo、Ge、Ga、P等第三元素而成。在Sn-Pb系軟釬料中，由于潤(rùn)濕性好，所以即使在無(wú)助熔劑的狀態(tài)下進(jìn)行芯片焊接接合，產(chǎn)生的空隙也較少。但是，無(wú)鉛軟釬料與Sn-Pb系軟釬料相比由于潤(rùn)濕性差，所以在無(wú)助熔劑的芯片焊接接合中產(chǎn)生較多空隙。若在這樣進(jìn)行芯片焊接接合時(shí)，產(chǎn)生大量的空隙，則不僅散熱變差，而且接合強(qiáng)度也變?nèi)?，因產(chǎn)品使用時(shí)的電發(fā)熱而使得基板整體反復(fù)膨脹收縮，因反復(fù)熱疲勞而在接合部產(chǎn)生裂紋，阻礙從半導(dǎo)體元件的散熱，使器件的性能下降。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種盡管使用潤(rùn)濕性差的無(wú)鉛軟釬料，但在芯片焊接接合中極少產(chǎn)生空隙的芯片焊接接合用軟釬料顆粒以及空隙少的電子零件。
本發(fā)明人已查明通過在Sn為主成分的無(wú)鉛軟釬料的表面，形成由Sn、O和P構(gòu)成的無(wú)色透明的保護(hù)皮膜或由Sn、In、O和P構(gòu)成的無(wú)色透明的保護(hù)皮膜，從而在軟釬料過熱時(shí)，防止在軟釬料表面形成牢固的看上去為黃色到褐色的SnO2或In2O3的氧化皮膜，進(jìn)而，因過熱而保護(hù)膜容易粉碎，熔融軟釬料本來(lái)的流動(dòng)性、反應(yīng)性提高，從而完成了本發(fā)明。
本發(fā)明是一種芯片焊接用軟釬料顆粒，接合電子零件的半導(dǎo)體元件和基板，其中，該顆粒是如下一種顆粒，即，在軟釬焊過熱時(shí)，在Sn為主成分的無(wú)鉛軟釬料合金的表面形成無(wú)色透明的由30～50原子.％的O、5～15原子％的P以及余量實(shí)質(zhì)Sn構(gòu)成的保護(hù)膜；以及由10～30原子％的In、40～60原子.％的O、5～15原子％的P以及余量實(shí)質(zhì)Sn構(gòu)成的保護(hù)膜，保護(hù)膜的厚度優(yōu)選為0.5～20nm，更優(yōu)選為1～5nm。進(jìn)而，提供一種芯片焊接用軟釬料顆粒的軟釬焊方法，該芯片焊接用軟釬料顆粒接合電子零件的半導(dǎo)體元件和基板，其中，通過軟釬焊時(shí)的加熱，在Sn為主成分的無(wú)鉛軟釬料合金的表面形成無(wú)色透明的厚度為0.5～20nm，且由30～50原子.％的O、5～15原子％的P以及余量實(shí)質(zhì)Sn構(gòu)成的保護(hù)膜。
另外，另一發(fā)明是一種電子零件，其中，在接合電子零件的半導(dǎo)體元件和基板的芯片焊接用軟釬料顆粒中，利用如下所述的顆粒對(duì)半導(dǎo)體元件和基板進(jìn)行芯片焊接接合，而且該接合面的空隙率在10％以下，所述顆粒是在軟釬焊過熱時(shí)，在Sn為主成分的無(wú)鉛軟釬料合金的表面形成有無(wú)色透明的由30～50原子.％的O、5～15原子％的P以及余量實(shí)質(zhì)Sn構(gòu)成的保護(hù)膜；以及由10～30原子％的In、40～60原子.％的O、5～15原子％的P以及余量實(shí)質(zhì)Sn構(gòu)成的保護(hù)膜。
(發(fā)明效果)本發(fā)明的芯片焊接接合用軟釬料顆粒，由于使用無(wú)鉛軟釬料，所以即使電子設(shè)備出現(xiàn)故障而被廢棄處理于室外或地下，也不會(huì)因酸雨而溶解出鉛，因此，不會(huì)引起環(huán)境污染。另外，本發(fā)明的軟釬料顆粒，盡管使用本來(lái)潤(rùn)濕性差的無(wú)鉛軟釬料，但由于現(xiàn)在潤(rùn)濕性好，所以很少產(chǎn)生空隙。而且，本發(fā)明的電子零件，由于半導(dǎo)體元件和基板之間空隙少，所以可得到充分的接合強(qiáng)度，可靠性良好。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明所使用的無(wú)鉛軟釬料是Sn100％以及Sn為主成分的合金。Sn的單體也有作為無(wú)鉛軟釬料使用的情況，或者也有在Sn中添加第三元素來(lái)使用的情況。適合本發(fā)明使用的無(wú)鉛軟釬料是Sn系合金、Sn-Cu系合金、Sn-Ag系合金、Sn-Ag-Cu系合金、Sn-Bi系合金、Sn-In系合金的任一種。在此所稱的“系”是指在主要成分中適當(dāng)添加了所述第三元素的物質(zhì)。例如，所謂的Sn-Ag系是除了Sn-Ag以外，在該合金中適當(dāng)添加了第三元素的物質(zhì)。
為了在本發(fā)明的芯片焊接接合用軟釬料顆粒使用的無(wú)鉛軟釬料上形成無(wú)色透明的由30～50原子.％的O、5～15原子％的P以及余量實(shí)質(zhì)Sn構(gòu)成的保護(hù)膜；以及由10～30原子％的In、40～60原子.％的O、5～15原子％的P以及余量實(shí)質(zhì)Sn構(gòu)成的保護(hù)膜，預(yù)先需要在軟釬料合金中添加0.0001～0.02質(zhì)量％的P。如果P的添加量少于0.0001質(zhì)量％，則難以形成這些保護(hù)膜，難以抑制黃色的SnO2膜的形成，然而若添加得多于0.02質(zhì)量％，則軟釬料本身的液相線溫度上升、潤(rùn)濕性下降，并且在軟釬料組織內(nèi)部較大地結(jié)晶出Sn-P的化合物，機(jī)械性能下降。
本發(fā)明的芯片焊接用軟釬料顆粒，如果厚度比0.05mm薄，則在作為接合部的半導(dǎo)體元件和基板之間存在的軟釬料的量過少，不僅接合強(qiáng)度不夠，而且容易產(chǎn)生空隙。然而，如果顆粒的厚度超過1mm，則軟釬料的量過多，接合后剩余的軟釬料從半導(dǎo)體元件較多地露出，軟釬料附著于不需要的部位，或者在之后的引線焊接時(shí)與引線接觸。
另外，本發(fā)明的芯片焊接用軟釬料顆粒，形狀和接合的半導(dǎo)體元件大致相同。如果軟釬料顆粒相比于半導(dǎo)體元件過小，則軟釬料不能遍及半導(dǎo)體元件整個(gè)區(qū)域，進(jìn)而，由于空隙也增加使得接合強(qiáng)度變?nèi)酢Ｈ欢?，如果軟釬料顆粒相比于半導(dǎo)體元件過大，則由于在從元件露出的軟釬料顆粒上面約束力消失，隨著表面張力變成球狀，元件下部的軟釬料量下降，結(jié)果不僅會(huì)由于熱疲勞引起接合可靠性下降，而且從元件露出的軟釬料附著于不適當(dāng)?shù)牟课欢蔀橐鸲搪肥鹿实脑颉?br> 本發(fā)明的電子零件，是用添加了1～200ppm的P的合金芯片焊接接合半導(dǎo)體元件和基板的零件，接合面的空隙所占的面積比例(空隙率)在10％以下。一般地說，若半導(dǎo)體元件和基板的接合面的空隙率大，則為了增加導(dǎo)熱性和接合強(qiáng)度，需要進(jìn)行增加軟釬料的厚度、降低基板的熱膨脹等較大地改變?cè)O(shè)計(jì)，而成為逆向?qū)嵤┈F(xiàn)代的細(xì)距(fine pitch)安裝的情況。接合強(qiáng)度也變?nèi)酰虍a(chǎn)品使用時(shí)的電發(fā)熱使得基板整體反復(fù)膨脹收縮，因反復(fù)熱疲勞而在接合部產(chǎn)生裂紋，阻礙從半導(dǎo)體元件散熱，使器件的性能下降。因此，在本發(fā)明中，使空隙率在10％以下。
實(shí)施例1通過軟釬料顆粒將10×10×0.3(mm)的半導(dǎo)體元件芯片焊接接合在30×30×0.3(mm)的基板(鍍鎳的銅基板)上。使用的無(wú)鉛軟釬料如表1所示，是在Sn-Cu-Ni系軟釬料中添加了P的軟釬料。將軟釬料顆粒的形狀成形為10×10×0.1(mm)，將該軟釬料顆粒夾在半導(dǎo)體元件和基板之間，在氧濃度為50ppm的氫氮混合氣體氣氛中，在235℃以上加熱3分鐘，峰值溫度為280℃，以總回流(reflow)時(shí)間為15分鐘進(jìn)行了回流。通過xps測(cè)定了在表面產(chǎn)生的保護(hù)膜的厚度和金屬組成。進(jìn)而，通過透過X射線裝置觀察了該芯片焊接接合的部分的空隙，測(cè)量了空隙率。
實(shí)施例2通過軟釬料顆粒將10×10×0.3(mm)的半導(dǎo)體元件芯片焊接接合在30×30×0.3(mm)的基板(鍍鎳的銅基板)上。使用的無(wú)鉛軟釬料如表1所示，是在Sn-Ag-Cu系軟釬料中添加了P的軟釬料。將軟釬料顆粒的形狀成形為10×10×0.1(mm)，將該軟釬料顆粒夾在半導(dǎo)體元件和基板之間，在氧濃度為50ppm的氫氮混合氣體氣氛中，在235℃以上加熱3分鐘，峰值溫度為280℃，以總回流時(shí)間為15分鐘進(jìn)行了回流。通過XPS測(cè)定了在表面產(chǎn)生的保護(hù)膜的厚度和金屬組成。進(jìn)而，通過透過X射線裝置觀察了該芯片焊接接合的部分的空隙，測(cè)量了空隙率。
實(shí)施例3通過軟釬料顆粒將10×10×0.3(mm)的半導(dǎo)體元件芯片焊接接合在30×30×0.3(mm)的基板(鍍鎳的銅基板)上。使用的無(wú)鉛軟釬料如表1所示，是在Sn-In系軟釬料中添加了P的軟釬料。將軟釬料顆粒的形狀成形為10×10×0.1(mm)，將該軟釬料顆粒夾在半導(dǎo)體元件和基板之間，在氧濃度為50ppm的氫氮混合氣體氣氛中，在235℃以上加熱3分鐘，峰值溫度為280℃，以總回流時(shí)間為15分鐘進(jìn)行了回流。通過xps測(cè)定了在表面產(chǎn)生的保護(hù)膜的厚度和金屬組成。進(jìn)而，通過透過X射線裝置觀察了該芯片焊接接合的部分的空隙，測(cè)量了空隙率。
實(shí)施例1～3的軟釬料顆粒組成、在表面產(chǎn)生的保護(hù)膜的厚度和金屬組成以及空隙率的測(cè)量結(jié)果如表1～3所示。
在此，保護(hù)膜的厚度及金屬組成通過xps，以0.2nm單位進(jìn)行濺射，收集深度方向的信息，另外，空隙率是使用X射線透過型的截面觀察裝置以50倍進(jìn)行了測(cè)定。




從表1～3可以看出，利用在無(wú)鉛軟釬料中添加了P的軟釬料進(jìn)行了芯片焊接接合的電子零件，相比于與其同一組成但沒有添加P的軟釬料，空隙率減少了40％以上。另外，在用添加了P的軟釬料進(jìn)行芯片焊接接合時(shí)，空隙率在10％以下，但在用沒有添加P的軟釬料進(jìn)行芯片焊接接合時(shí)，空隙率超過了10％。
(工業(yè)上的可利用性)在制造本發(fā)明電子零件時(shí)，減少空隙的最佳接合方法是利用顆粒在氫氮混合氣體氣氛中進(jìn)行芯片焊接接合，但由于氫氮混合氣體較貴，所以還可以采用其他的接合方法。即，為了降低成本，在不使用氫氮混合氣體而在大氣中進(jìn)行芯片焊接接合時(shí)，必須使用助熔劑，但本發(fā)明的芯片焊接用軟釬料顆粒，即使使用助熔劑，也能夠減少空隙。進(jìn)而本發(fā)明的電子零件還可以利用焊膏來(lái)制造。焊膏混合了軟釬料粉末和助熔劑，由于不用另外供給助熔劑，所以可進(jìn)行合理的接合。
權(quán)利要求
1.一種芯片焊接用軟釬料顆粒的軟釬焊方法，該芯片焊接用軟釬料顆粒接合電子零件的半導(dǎo)體元件和基板，該方法的特征在于，通過軟釬焊時(shí)的加熱，在Sn為主成分的無(wú)鉛軟釬料合金的表面形成無(wú)色透明的厚度為0.5～20nm，且由30～50原子.％的O、5～15原子％的P以及余量實(shí)質(zhì)Sn構(gòu)成的保護(hù)膜。
2.一種芯片焊接用軟釬料顆粒，其接合電子零件的半導(dǎo)體元件和基板，其特征在于，該顆粒是如下一種顆粒，即，在軟釬焊加熱時(shí)，在Sn為主成分的無(wú)鉛軟釬料合金的表面形成有無(wú)色透明的厚度為0.5～20nm，且由30～50原子.％的O、5～15原子％的P以及余量實(shí)質(zhì)Sn構(gòu)成的保護(hù)膜，而且，與接合于基板的半導(dǎo)體元件的形狀大致相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的芯片焊接用軟釬料顆粒，其特征在于，所述芯片焊接用軟釬料顆粒的厚度是0.05～1mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求2及3所述的芯片焊接用軟釬料顆粒，其特征在于，所述Sn為主成分的無(wú)鉛軟釬料合金是Sn系合金、Sn-Cu系合金、Sn-Ag系合金、Sn-Ag-Cu系合金、Sn-Bi系合金、Sn-Pb系合金的任一種。
5.一種芯片焊接用軟釬料顆粒，其接合電子零件的半導(dǎo)體元件和基板，其特征在于，該顆粒是如下一種顆粒，即，在軟釬焊加熱時(shí)，在Sn為主成分的無(wú)鉛軟釬料合金的表面形成有無(wú)色透明的厚度為0.5～20nm，且由10～30原子％的In、40～60原子.％的O、5～15原子％的P以及余量實(shí)質(zhì)Sn構(gòu)成的保護(hù)膜，而且，與接合于基板的半導(dǎo)體元件的形狀大致相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的芯片焊接用軟釬料顆粒，其特征在于，所述芯片焊接用軟釬料顆粒的厚度是0.05～1mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求5及6所述的芯片焊接用軟釬料顆粒，其特征在于，所述Sn為主成分的無(wú)鉛軟釬料合金是Sn-In系合金、Sn-Bi-In系合金的任一種。
8.一種芯片焊接用軟釬料顆粒的制造方法，是權(quán)利要求2～4所述的芯片焊接用軟釬料顆粒的制造方法，其特征在于，在將由0.3～1.0質(zhì)量％的Cu、0.01～0.1質(zhì)量％的Ni、0.0001～0.02質(zhì)量％的P、以及余量實(shí)質(zhì)為Sn構(gòu)成的軟釬料合金成形為顆粒狀之后，在氧濃度50PPM以下的氫氮?dú)夥罩校?35℃以上加熱3分鐘并加熱到峰值溫度280℃，形成保護(hù)膜。
9.一種芯片焊接用軟釬料顆粒的制造方法，是權(quán)利要求2～4所述的芯片焊接用軟釬料顆粒的制造方法，其特征在于，在將由3.0～4.0質(zhì)量％的Ag、0.3～1.0質(zhì)量％的Cu、0.01～0.1質(zhì)量％的Ni、0.0001～0.02質(zhì)量％的P、以及余量實(shí)質(zhì)為Sn構(gòu)成的軟釬料合金成形為顆粒狀之后，在氧濃度50PPM以下的氫氮?dú)夥罩校?35℃以上加熱3分鐘并加熱到峰值溫度280℃，形成保護(hù)膜。
10.一種芯片焊接用軟釬料顆粒的制造方法，是權(quán)利要求5～7所述的芯片焊接用軟釬料顆粒的制造方法，其特征在于，在將由0.2～2.0質(zhì)量％的In、0.0001～0.02質(zhì)量％的P、以及余量實(shí)質(zhì)為Sn構(gòu)成的軟釬料合金成形為顆粒狀之后，在氧濃度50PPM以下的氫氮?dú)夥罩?，?35℃以上加熱3分鐘并加熱到峰值溫度280℃，形成保護(hù)膜。
11.一種電子零件，其特征在于，利用如下所述的合金對(duì)半導(dǎo)體元件和基板進(jìn)行芯片焊接接合，而且該接合面的空隙率在10％以下，所述合金是在軟釬焊過熱時(shí)，在Sn為主成分的無(wú)鉛軟釬料合金的表面形成無(wú)色透明的由30～50原子.％的O、5～15原子％的P及余量實(shí)質(zhì)Sn構(gòu)成的保護(hù)膜；以及由10～30原子％的In、40～60原子.％的O、5～15原子％的P及余量實(shí)質(zhì)Sn構(gòu)成的保護(hù)膜。
全文摘要
為了得到在芯片焊接接合電子零件的半導(dǎo)體元件和基板時(shí)，盡管是無(wú)鉛軟釬料的顆粒，但產(chǎn)生的空隙仍然少的顆粒，在軟釬焊過熱時(shí)，在Sn為主成分的無(wú)鉛軟釬料合金的表面形成無(wú)色透明的由30～50原子％的O、5～15原子％的P以及余量實(shí)質(zhì)Sn構(gòu)成的保護(hù)膜；以及由10～30原子％的In、40～60原子％的O、5～15原子％的P以及余量實(shí)質(zhì)Sn構(gòu)成的保護(hù)膜，從而得到該顆粒，其厚度為0.05～1mm，形狀與基板大致相同。
文檔編號(hào)B23K35/26GK1977368SQ20058002153
公開日2007年6月6日 申請(qǐng)日期2005年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月1日
發(fā)明者上島稔 申請(qǐng)人:千住金屬工業(yè)株式會(huì)社