專利名稱:半導(dǎo)體安裝用釬料球和電子部件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體安裝用釬料球(焊料球,Solder ball)和使用了該釬料球的電子部件(Electronic member)。
背景技術(shù):
在印刷配線基板等中安裝有電子部件。電子部件一般采用被稱為所謂的回流焊(Reflow)法的方法安裝,該方法是在將印刷配線基板等和電子部件之間利用半導(dǎo)體安裝用釬料球(以下,稱為「釬料球」)和釬劑(Flux)臨時接合后,加熱印刷配線基板整體,使上述釬料球熔融,然后將基板冷卻到常溫,將釬料球固化,由此確保牢固的釬焊接合部。為了將電子裝置廢棄處理時的對環(huán)境的不良影響限制在最小限度,一直在要求作為電子裝置的連接材料使用的釬料合金的無鉛化。其結(jié)果,作為上述釬料球的組成,一般廣泛使用Sn-Ag共晶組成(Ag :3. 5質(zhì)量%、Sn :余量)和例如在專利文獻(xiàn)I和專利文獻(xiàn)2中公開的、在上述Sn-Ag共晶的周邊組成中添加了作為第三元素的少量的Cu的釬料組成。另夕卜,在最近急劇增加的BGA(BalI Grid Array ;球柵陣列封裝)用釬料球中,也主要使用與上述同樣的組成的釬料球。使電子設(shè)備工作時,起因于為了工作而施加的電流,在電子設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生熱。由于上述釬料球連接了硅芯片和樹脂基板等這些熱膨脹系數(shù)不同的材料,因此與電子設(shè)備的工作相伴,釬料球被置于熱疲勞的環(huán)境下。其結(jié)果,有時在釬料球的內(nèi)部產(chǎn)生被稱為裂紋的龜裂,有時產(chǎn)生對通過釬料球的電信號的授受帶來障礙的問題。除了這樣的狀況以外,與近年的便攜型電子設(shè)備的小型化、輕量化的加速相伴,在組裝于電子設(shè)備中的印刷基板和集成電路元件基板中,用于電子部件的釬焊接合部的接合面積被縮小,提高熱疲勞特性的事項受到高于以往的重視。在以往的球尺寸即釬料球的直徑為300 u m以上的情況下,由釬料球和電極構(gòu)成的接合部的面積充分大,因此即使在回流焊工序中沒有完全除去存在于釬料球的表面的氧化物層、一部分的氧化物層殘存于接合界面,釬料球和電極之間的接合強度的降低也不成問題,對熱疲勞特性也不造成不良影響。因此,在以往的300i!m以上的直徑的Sn-Ag-Cu系釬料球中,為了確保熱疲勞特性,有效的不是與釬料球表面的氧化物層的除去相伴的接合界面的接合強度的確保,而是將Ag的濃度設(shè)為3 4質(zhì)量%左右。其原因認(rèn)為是通過提高Ag的濃度使釬料球中較多地析出被稱為Ag3Sn的金屬間化合物,通過析出硬化將釬料球硬化,成為相對于外力,釬料球難以變形的狀態(tài),由此即使產(chǎn)生與熱疲勞相伴的載荷,通過減小與熱疲勞相伴的位移量本身,能夠延遲在釬料球的內(nèi)部產(chǎn)生的龜裂的進(jìn)行。另外,對釬料球分別要求確保釬焊時的潤濕性、能夠在極低的溫度下釬焊的低的熔點、確保在上述安裝時搭載釬料球的裝置能夠?qū)⑩F料球準(zhǔn)確地圖像識別的表面品質(zhì)、或者確保即使電子設(shè)備無意中落下也不發(fā)生故障的耐落下性?,F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)I :日本特開2003-1481號公報專利文獻(xiàn)2 :日本特開2004-1100號公報
發(fā)明內(nèi)容
在以Sn、Ag和Cu為主體的電子部件用釬料球中,釬料球的直徑為例如以往的300 ii m以上時,上述熱疲勞特性被確保為充分的程度,與此相對,在近年的250 ii m以下的直徑下,上述熱疲勞特性不能夠確保到充分的程度,成為極其深刻的問題。因此,在本發(fā)明中,涉及一種半導(dǎo)體安裝用的釬料球和具有該釬料球的電子部件,提供即使是250 u m以下的直徑的釬料球,也能夠確保充分的熱疲勞特性的半導(dǎo)體安裝用釬料球和使用了該釬料球的電子部件。 用于解決上述課題的手段如下。權(quán)利要求I涉及的半導(dǎo)體安裝用釬料球,其特征在于,是采用以Sn為主體,含有0. I 2. 5質(zhì)量%的Ag、0. I I. 5質(zhì)量%的Cu以及總計為0. 0001 0. 005質(zhì)量%的Mg、Al和Zn之中的I種或2種以上的釬料合金形成的半導(dǎo)體安裝用釬料球,在釬料球的表面具 有I 50nm的厚度的非晶相,上述非晶相含有Mg、Al和Zn之中的I種或2種以上、以及0和Sn。再者,所謂「主體」是指占90質(zhì)量%以上。權(quán)利要求2涉及的半導(dǎo)體安裝用釬料球,其特征在于,是采用以Sn為主體,含有0. I 1.9質(zhì)量%的六8、0. I 1.0質(zhì)量%的&1以及總計為0. 0001 0. 005質(zhì)量%的Mg、Al和Zn之中的I種或2種以上的釬料合金形成的半導(dǎo)體安裝用釬料球,在釬料球的表面具有I 50nm的厚度的非晶相,上述非晶相含有Mg、Al和Zn之中的I種或2種以上、以及0和Sn。權(quán)利要求3涉及的半導(dǎo)體安裝用釬料球,其特征在于,在權(quán)利要求I或2中,上述釬料合金的Ag濃度為0. 5 I. 9質(zhì)量%。權(quán)利要求4涉及的半導(dǎo)體安裝用釬料球,其特征在于,在權(quán)利要求I 3的任一項中,上述釬料合金還含有0.01 5質(zhì)量%的Bi。權(quán)利要求5涉及的半導(dǎo)體安裝用釬料球,其特征在于,在權(quán)利要求I 4的任一項中,上述釬料合金還含有總計為0. 0005 0. 5質(zhì)量%的Ni、P、Sb、Ce、La、Co、Fe和In之中的I種或2種以上。權(quán)利要求6涉及的電子部件,是具有釬焊接合部的電子部件,其特征在于,在該釬焊接合部的至少一部分中使用了權(quán)利要求I 5的任一項所述的半導(dǎo)體安裝用釬料球。如上述那樣,如果使用本發(fā)明的半導(dǎo)體安裝用釬料球和電子部件,則即使是采用具有250 u m以下的直徑的釬料球形成的接合部也能夠確保充分的熱疲勞特性。
具體實施例方式本發(fā)明者們專心研討的結(jié)果分別判明即使將通過提高Ag的濃度來延遲在釬料球的內(nèi)部進(jìn)展的龜裂的進(jìn)行這一以往的想法應(yīng)用于250pm以下的直徑的釬料球,熱疲勞特性也不能夠確保到充分的程度的原因是在釬料球的表面產(chǎn)生的氧化物層的過剩的生長;此外,該現(xiàn)象在將出廠后的釬料球保管數(shù)個月的期間后使用時變得顯著。這是由下述的情況造成的(I)在250 y m以下的直徑時每單位體積的釬料球的表面積必然增加,因此隨著時間的經(jīng)過,釬料球的表面被氧化,釬料球表面的氧化物層較厚地生長到不能利用回流焊工序時的釬劑徹底除去的程度,在回流焊后也殘存的氧化物容易殘存于釬料球和電極的接合界面;以及,(2)在250 以下的直徑時電極和釬料球接合的面積必然變小,因此即使產(chǎn)生一點點的氧化物的殘存,在單位接合面積中所占的比例也成為相當(dāng)量,因此在250以下的直徑的釬料球中,即使小的疲勞次數(shù),釬料球和電極之間的接合強度也降低,其結(jié)果,熱疲勞特性劣化。因此,本發(fā)明者們專心研究的結(jié)果發(fā)現(xiàn)為了抑制上述的氧化物層的過剩的生長,如果在釬料球的表面,以I 50nm的厚度形成含有Mg、Al和Zn之中的I種或2種以上、以及0和Sn的非晶相,則即使在將出廠后的釬料球保管數(shù)個月期間后使用時,釬料球的氧化物層的厚度也能夠保持與出廠當(dāng)時的厚度相同的程度地薄(再者,所謂釬料球的表面,是指從釬料球的表面到80nm的深度的區(qū)域)。并且,該氧化物層可以利用回流焊工序時的釬劑沒有問題地除去。上述的效果起因于下述原因在氧化物層僅由結(jié)晶質(zhì)的氧化錫構(gòu)成的情況下,結(jié)晶質(zhì)的氧化錫隨著時間的經(jīng)過與大氣中所含有的氧反應(yīng)而生長,由此氧化物層的厚度增加,與此相對,上述非晶相,即使時間經(jīng)過也不怎么進(jìn)行與大氣中的氧的反應(yīng),氧化物層的厚度基本不增加。認(rèn)為這是下述情況參與的結(jié)晶質(zhì)的氧化錫在內(nèi)部存在晶界, 大氣中的氧可以沿著氧化錫的晶界擴散到內(nèi)部,與此相對,在上述非晶相中不存在晶界,大氣中的氧難以擴散到內(nèi)部。為了得到上述的效果,非晶相以I 50nm的厚度形成即可。但是,如果非晶相低于lnm,則難以得到這樣的效果。另一方面,雖然非晶相即使是超過50nm的厚度也可同樣地得到上述效果,但是如果考慮后述的制法,則為了形成為這樣的厚度必須以相當(dāng)?shù)睦鋮s速度將釬料球的表面急冷,將氧化物層的厚度均勻地控制為規(guī)定的厚度在工業(yè)上變得困難,因此不優(yōu)選。更優(yōu)選的是將非晶相的厚度設(shè)為30nm以下,如果這樣的話則可以精度更加良好地實施氧化物層的厚度的控制,因此優(yōu)選。非晶相不一定需要單獨地覆蓋釬料球的表面,也可以與結(jié)晶性的氧化錫和/或微細(xì)結(jié)晶的氧化錫混雜,但該情況下,非晶相需要占全體氧化物層的30%以上。但是,如果非晶相低于全體氧化物層的厚度的30%,則結(jié)晶性的氧化錫和/或微細(xì)結(jié)晶的氧化錫隨著時間的經(jīng)過較厚地生長,因此該情況下難以得到對于氧化物層的生長的抑制效果。另外,在非晶相的氧化物層不含有Mg、Al和Zn之中的I種或2種以上而僅包含Sn和0的情況下,即使是非晶相,雖然為少許,也會隨著時間的經(jīng)過氧化物層變厚,因此得不到對于氧化物層的生長的抑制效果。為了得到這樣的含有Mg、Al和Zn之中的I種或2種以上、以及0和Sn的非晶相,優(yōu)選在釬料合金中進(jìn)一步添加總計為0. 0001 0. 005質(zhì)量%的Mg、Al和Zn之中的I種或2種以上。認(rèn)為這是因為,由于Mg、Al和Zn是比Sn容易氧化的金屬(賤金屬),因此比Sn優(yōu)先地氧化,由此在急冷狀態(tài)下形成非晶狀的氧化物層。另一方面,如果Mg、Al和Zn之中的I種或2種以上的總計低于0. 0001質(zhì)量%,則得不到形成非晶狀的氧化物層的效果,相反如果高于0. 005質(zhì)量%,則Mg、Al或Zn激烈地氧化,球不成為球狀而成為多角形狀,因此不優(yōu)選。再者,即使添加Mg、Al或Zn也未必得到「含有Mg、Al和Zn之中的I種或2種以上、以及0和Sn的非晶相」,根據(jù)添加濃度,會形成結(jié)晶質(zhì)和/或微細(xì)結(jié)晶的氧化物。為了確切地得到非晶相,優(yōu)選Mg、Al或Zn的添加濃度相應(yīng)于作為原料的Sn中所含有的氧濃度來進(jìn)行控制,具體地講,設(shè)為作為原料的Sn中的氧濃度的0. 3 I. 0倍左右是最有效的。例如,當(dāng)為較少的添加、低于釬料球中所含有的氧濃度的0. 3倍時,會形成不含有Mg、Al或Zn的結(jié)晶質(zhì)和/或微細(xì)結(jié)晶的SnO和/或SnO2,相反,如果為過剩的添力卩、超過釬料球中所含有的氧濃度的I. 0倍的話,則會形成結(jié)晶質(zhì)和/或微細(xì)結(jié)晶的Mg0、Al203或者ZnO等。優(yōu)選以Mg為主體來添加。這是因為,Mg使上述的球變形為多角形狀的擔(dān)心少,因此即使進(jìn)行上限值即0. 005質(zhì)量%的添加,也看不到特別的變形。與此相對,Al、Zn比Mg容易氧化,因此如果進(jìn)行上限值即0. 005質(zhì)量%的添加,則即使是后述的制法,當(dāng)因某些原因變?yōu)槿菀籽趸沫h(huán)境時,也會產(chǎn)生下述情況在球的表面,盡管微小但將球變形為多角形狀。這樣的球表面的氧化的痕跡,可以利用例如如FF-SEM(Field Emission-Scanning ElectronMicroscope ;場發(fā)射掃描電子顯微鏡)那樣高分辨率的電子顯微鏡觀察,在以通常的LaB6或鎢作為燈絲的SEM中,不能夠縮小電子槍,難以觀察上述氧化的痕跡。非晶相的鑒定,利用透射型電子顯微鏡(TEM !Transmission ElectronMicroscope)的衍射圖以及并設(shè)于TEM的能量分散型X射線分析法(EDX ;EnergyDispersive X-ray spectrometry)進(jìn)行,非晶相的厚度采用上述的TEM或者俄歇電子分析法(AES ;Auger Electron Spectroscopy)測定時精度良好,實績也豐富,從而優(yōu)選。 另外,本發(fā)明者們進(jìn)一步反復(fù)研討的結(jié)果明確了 在「即使將通過提高Ag的濃度來延遲在釬料球的內(nèi)部進(jìn)展的龜裂的進(jìn)行這一以往的想法應(yīng)用于250 以下的直徑的釬料球,熱疲勞特性也不能夠確保到充分的程度」這一上述的課題中,存在另一個原因。這與以下情況相關(guān)一般地「熱應(yīng)變量 位移量+球的大小」這一關(guān)系成立,但由于位移量由構(gòu)成器件的材料的熱膨脹系數(shù)差決定因此大致一定,與此相對,熱應(yīng)變量隨著球的大小變小而變大,因此當(dāng)例如釬料球的直徑為250 iim以下時熱應(yīng)變量變得比釬料球的直徑為300 iim以上時大,起因于下述情況(I)釬料球的直徑為300 ii m以上由于沒有超過釬料球的變形能力,因此破壞在釬料球內(nèi)發(fā)生;(2)釬料球的直徑為250 ii m以下當(dāng)為硬的球時,由于超過釬料球的變形能力,因此發(fā)生接合界面破壞,當(dāng)為柔軟的球時,由于沒有超過釬料球的變形能力,因此破壞在釬料球內(nèi)發(fā)生。也就是說,在(I)的情況下,無論硬的釬料球還是柔軟的釬料球,熱應(yīng)變量都在釬料的變形能力的范圍內(nèi),因此使用硬的釬料球時可以使釬料球成為更加難以變形的狀態(tài),其結(jié)果,位移量本身變小,因此能夠延遲在釬料球的內(nèi)部進(jìn)展的龜裂的進(jìn)行,熱疲勞特性優(yōu)異,與此相對,在(2)的釬料球的直徑為250 以下這樣的情況下,如果使用硬的釬料球則熱應(yīng)變量超過釬料的變形能力的范圍,因此成為相對于熱應(yīng)變量,釬料球未充分地變形的狀態(tài),因此,接合界面承擔(dān)變形的不足部分,龜裂不在釬料球的內(nèi)部而是沿接合界面進(jìn)展。此時,由于在接合界面中較厚地生長了脆性的金屬間化合物,因此在龜裂沿接合界面進(jìn)展的情況下,龜裂(例如如破壞玻璃時那樣)快速地進(jìn)展,熱疲勞特性變得惡劣。(3)本發(fā)明者們專心研討的結(jié)果發(fā)現(xiàn)在如釬料球的直徑為250 以下那樣產(chǎn)生大的熱應(yīng)變量的環(huán)境下,不同于以往的想法,如果將釬料合金中的Ag的濃度設(shè)為2. 5質(zhì)量%以下,則釬料球軟質(zhì)化,由此將與釬料球的小徑化相伴劇增的熱應(yīng)變量通過釬料球自身發(fā)生變形來吸收,可以避免剪切應(yīng)力也作用于接合界面,能夠與300 以上的直徑的情況同樣地確保龜裂在釬料球的內(nèi)部進(jìn)展的斷裂模式。這樣,如果熱應(yīng)變量超過釬料的變形能力的范圍,則龜裂沿接合界面進(jìn)展,因此熱疲勞特性變得惡劣,但如果熱應(yīng)變量沒有超過釬料的變形能力的范圍,則越是硬的釬料,可使釬料球成為越難以變形的狀態(tài),在釬料球的內(nèi)部進(jìn)展的龜裂的進(jìn)行變慢,熱疲勞特性優(yōu)異。也就是說,在如釬料球的直徑為250i!m以下那樣產(chǎn)生大的熱應(yīng)變量的環(huán)境下提高熱疲勞特性的要點,可以說是在熱應(yīng)變量沒有超過釬料的變形能力的范圍之中提高釬料中的Ag濃度從而使釬料較硬。 另一方面,如果Ag的濃度超過2. 5質(zhì)量%,則釬料的硬度過于變硬,如上述那樣熱疲勞試驗時的龜裂在上述的脆性的金屬間化合物中進(jìn)展,熱疲勞壽命變得極端地短。當(dāng)Ag的濃度低于0. I質(zhì)量%時,釬料球的熔點提高到與Sn的熔點同等的232°C附近,因此,不得不將作為制造條件之一的回流焊溫度設(shè)定得較高,招致生產(chǎn)成本的增加,在工業(yè)上不優(yōu)選。也就是說,適當(dāng)?shù)腁g濃度,在直徑為250 u m以下的情況下,為0. I 2. 5質(zhì)量%。更優(yōu)選的是,在直徑為250 u m以下的情況下,Ag的濃度為0. 5 2. 5質(zhì)量%,這樣的話在工 業(yè)上可以應(yīng)用較低的回流焊溫度,因此優(yōu)選,更優(yōu)選的是,Ag的濃度為0. 9 2. 2質(zhì)量%,這樣的話可平衡良好地同時得到良好的熱疲勞特性和在低的回流焊溫度下的操作這兩個優(yōu)點。另外,為了確保釬料球的潤濕性,將Cu的濃度設(shè)為0. I I. 5質(zhì)量%即可。另一方面,在Cu的濃度低于0. I質(zhì)量%時得不到這樣的效果,相反,如果Cu的濃度超過I. 5質(zhì)量%,則釬料球容易氧化,因此Cu的上限值為I. 5質(zhì)量%。但是,優(yōu)選將Cu的濃度設(shè)為0. I I. 2質(zhì)量%,如果這樣的話則在以含有氧濃度為30ppm以上的較高的氧的Sn作為原料時也可以避免氧化的問題,因此優(yōu)選,更優(yōu)選將Cu的濃度設(shè)為0. I I. 0質(zhì)量%,如果這樣的話則其效果更加提高,因此優(yōu)選。也就是說,為了解決上述課題,在釬料球的直徑為250 以下的情況下,使用下述的半導(dǎo)體安裝用釬料球即可,所述半導(dǎo)體安裝用釬料球的特征在于,是由下述釬料合金構(gòu)成的釬料球,所述釬料合金以Sn為主體,含有0. I 2. 5質(zhì)量%的Ag、0. I I. 5質(zhì)量%的Cu、和總計為0. 0001 0. 005質(zhì)量%的Mg、Al與Zn之中的I種或2種以上,在釬料球的表面,具有I 50nm的厚度的非晶相,上述非晶層含有Mg、Al和Zn之中的I種或2種以上、以及0和Sn。此外,在釬料球的直徑為ISOiim以下的情況下,球的大小變小,與此相對,在熱疲勞試驗時給予釬料的位移量為與球的直徑為300 y m或250 u m的情況相同的程度,因此熱應(yīng)變的量( 位移量+球的大小)更進(jìn)一步變大。因此,即使熱疲勞試驗的條件相同,對于釬料的影響也變得更嚴(yán)酷,因此在熱疲勞試驗時,龜裂開始在脆性的金屬間化合物中進(jìn)展的銀濃度的上限值降低。本申請發(fā)明者們專心研討的結(jié)果發(fā)現(xiàn)在球的直徑為lOOym ISOiim的情況下,優(yōu)選將釬料合金的Ag濃度的上限值設(shè)為I. 9質(zhì)量%。即發(fā)現(xiàn)如果釬料合金中的Ag的濃度超過I. 9質(zhì)量%,則硬度過于變高,不能夠通過使釬料球自身發(fā)生變形來使釬料吸收熱疲勞時的剪切應(yīng)力,因此成為龜裂不能夠在釬料球的內(nèi)部進(jìn)展而在接合界面的脆性相中進(jìn)展的斷裂模式,熱疲勞特性容易劣化。也就是說,在直徑為100 ii m 180 U m的情況下的適當(dāng)?shù)腁g濃度為0. I I. 9質(zhì)量%。另外,在直徑為180 iim以下的情況下,如果Ag的濃度為0.5 I. 9質(zhì)量%,則在工業(yè)上可以應(yīng)用低的回流焊溫度因此優(yōu)選,更優(yōu)選的是Ag的濃度為0. 5 I. 0質(zhì)量%,這樣的話可平衡良好地同時得到釬料合金的軟質(zhì)化和在低的回流焊溫度下的操作這兩個優(yōu)點。
本申請發(fā)明者們專心研討的結(jié)果判明通過在本申請發(fā)明的釬料球中進(jìn)一步含有0. 01 5質(zhì)量%的Bi,熱疲勞特性更大幅度地提高。在為低于0. 01質(zhì)量%的添加時得不到這樣的效果,相反,在為超過5質(zhì)量%的添加時,Bi容易氧化,由此釬料球的表面容易變?yōu)榘纪範(fàn)?,因此不?yōu)選。更優(yōu)選的是將Bi的添加量設(shè)為I 5質(zhì)量%,這樣的話熱疲勞特性的提高效果提高,最優(yōu)選的是將Bi的添加量設(shè)為2 5質(zhì)量%,這樣的話熱疲勞特性的提聞效果極聞,因此優(yōu)選。再者,該現(xiàn)象是含有總計為0. 0001 0. 005質(zhì)量%的Mg、Al或Zn之中的I種或2種以上的釬料球所固有的現(xiàn)象,即使在不滿足該組成范圍的釬料球中添加0. 01 5質(zhì)量%的Bi,也得不到大幅度的熱疲勞特性的提高。其原因是由于Bi、與Mg、Al或Zn之間的相互作用所致,通過Mg、Al和Zn的適當(dāng)濃度的添加可在釬料表面形成非晶層,與其相伴Bi的過剩的氧化被抑制,其結(jié)果,添加的Bi的大部分在構(gòu)成釬料的Sn中固溶,由此釬料的機械特性被有效地強化(固溶強化)。另一方面,如果Mg、Al或Zn的濃度低于上述的范圍,則在釬料表面難以形成非晶層,添加的Bi的大部分容易被氧化,由此難以預(yù)見固溶強化。另外,如果Mg、Al或Zn的濃度高于0. 005質(zhì)量%,則如上述那樣,Mg、Al或Zn激烈地氧化,球不成為球狀而成為多角形狀,因此即使嘗試安裝也不能夠形成適當(dāng)?shù)男螤畹拟F料凸塊,熱疲勞特性變得惡劣,因此不優(yōu)選。如上述那樣,為了即使無意中落下電子設(shè)備也不發(fā)生故障,對釬料球還要求確保耐落下性。一般地,耐落下性大多是將試片放置在試片設(shè)置臺后,反復(fù)使其從30 IOOcm的高度落下,確認(rèn)每次進(jìn)行落下時各釬焊接合部的電阻的變化由此進(jìn)行評價。耐落下性,可以通過使釬料球中進(jìn)一步含有總計為0. 0005 0. 5質(zhì)量%的Ni、P、Sb、Ce、La、Co、Fe和In之中的至少I種來確保。如果在釬料球中含有這些元素,則阻礙Sn和構(gòu)成電極的元素之間的擴散,其結(jié)果,可得到減薄在接合界面的金屬間化合物相的厚度的效果。由于金屬間化合物相的厚度薄,即使無意中落下電子設(shè)備時的沖擊傳遞到接合界面,也可以抑制龜裂的發(fā)生和進(jìn)展。但是,在含量低于0.0005質(zhì)量%時,不能充分地得到上述的效果。另一方面,如果含量超過0. 5質(zhì)量%則釬料球的熔點急劇地上升,因此在工業(yè)上不優(yōu)選。鑒定釬料球中的組成的方法沒有特別限制,例如EDX、電子探針分析法(EPMA;Electron Probe Micro Analyzer)、AES、二次離子質(zhì)譜分析法(SIMS !SecondaryIon-microprobe Mass Spectrometer)、感應(yīng)稱合等離子體分析法(ICP ;InductiveCoupled Plasma)、輝光放電質(zhì)譜分析法(GD-MASS ;Glow Discharge Mass Spectrometry) >突光X射線分析法(XRF ;X-ray Fluorescence Spectrometer)等實績也豐富且精度也高,因此優(yōu)選。制造上述釬料球的方法,可以利用將調(diào)合了添加元素使得合乎規(guī)定的濃度的釬料母合金在坩堝或鑄模中加熱熔化由此均勻化,然后使其凝固的方法。但是,根據(jù)熔融釬料母合金時的氣氛,添加的元素氧化,會發(fā)生在釬料中不含有的不良。在此,在熔融釬料母合金的工序中,例如,如果利用將釬料周邊的氣氛設(shè)為氧分壓為0. I IOOPa的氣氛的方法、設(shè)為0. I 101300Pa的低壓的非氧化氣氛的方法,則可以抑制釬料球中的添加元素的氧化,其結(jié)果,可以使釬料合金中切實地含有添加元素。作為非氧化氣氛,可以利用例如氮、氬、氖之類的惰性氣體、或者如CO、氫那樣具有還原作用的氣體等。其原因是由于若使用這些氣氛則釬料合金中的氧被脫除。但是,如果特定的氧分壓氣氛或非氧化氣氛的壓力低于0. !Pa,、則釬料中的微量添加元素成為蒸氣從釬料中脫出,釬料球中的添加元素的濃度產(chǎn)生偏差。相反地,如果是氧分壓高于IOOPa的壓力,則在氣氛中會殘存相當(dāng)量的氧,因此得不到上述的效果。另外,101300Pa的壓力是平均大氣壓,因此如果非氧化氣氛的壓力超過101300Pa,則非氧化氣氛漏出到坩堝之外的危險性增加。在熔融上述釬料母合金的工序中,例如,利用通過密封可以將內(nèi)部從外部氣體隔絕的鑄模由于實績也豐富因此優(yōu)選。另外,為了在釬料球的表面形成以0和Sn為主體的非晶相,重要的是在制造釬料球的過程中,極力加快將熔融時的釬料合金凝固使其球化時的冷卻速度。具體地講,將冷卻速度設(shè)為100°c /秒以上即可,更優(yōu)選的是設(shè)為300°C /秒以上,若這樣的話則上述非晶相可以較厚且穩(wěn)定地形成,因此優(yōu)選。為了達(dá)到該冷卻速度,在冷卻過程中對凝固中的釬料合金噴吹冷氣因簡便而優(yōu)選,但也可以利用將凝固中的釬料合金投入水中由此水冷的方法。但是,如果設(shè)為超過800°C /秒的冷卻速度,則可以形成超過50nm的非晶相,但該情況下需要大量的冷氣,因此成為成本高的主要原因,在工業(yè)上不優(yōu)選。本發(fā)明的釬料球的形狀不特別規(guī)定,將球狀的釬料合金向接合部轉(zhuǎn)印形成為突起 狀,或進(jìn)而將該突起物安裝于別的電極由于實績也豐富因此在工業(yè)上優(yōu)選。本發(fā)明的釬料球,除了上述BGA以外,在作為具有被稱為CSP (芯片尺寸封裝,ChipScale Package)、或者FC(倒裝片,F(xiàn)lip Chip)的安裝形態(tài)的半導(dǎo)體器件的連接端子使用的情況下也可以體現(xiàn)效果。在將本實施方式的釬料球作為這些半導(dǎo)體器件的連接端子使用的情況下,例如,預(yù)先在印刷配線基板上的電極上涂布釬劑和/或釬料膏這樣的有機物后,在電極上排列釬料球,采用上述的回流焊法形成牢固的釬焊接合部,由此可以形成為電子部件。本實施方式的電子部件,也包括在這些BGA、CSP、FC上安裝了本實施方式的釬料球的原樣的狀態(tài)的電子部件,還包括預(yù)先在印刷配線基板上的電極上涂布釬劑和/或釬料膏后將電子部件放在電極上,采用上述的回流焊法牢固地釬焊由此將電子部件進(jìn)一步安裝于印刷基板的狀態(tài)的電子部件。另外,也可以替代該印刷基板,使用被稱為TAB(帶式自動結(jié)合,Tape Automated Bonding)帶的柔性配線帶、被稱為引線框的金屬制配線。以上,表示了本發(fā)明的優(yōu)選例,但本申請發(fā)明針對最近變得顯著的下述的課題,通過適當(dāng)變形也能夠解決該課題。第一點的課題是關(guān)于多次回流焊的課題。釬料的強度,比起作為母相的Sn,在釬料中析出的粒狀合金相的貢獻(xiàn)較大,如果細(xì)的粒狀合金相較多地存在則強度變高。但是,該粒狀合金相不耐熱,例如如果實施多次的回流焊,則通過數(shù)次暴露在超過熔融溫度的高溫環(huán)境中,粒狀合金相粗大化,數(shù)量也減少。在釬料球的直徑為300 iim左右時不視為特別的問題,但在釬料球的直徑為250i!m以下時,如果實施多次的回流焊,則由于上述的原因,釬料不能夠確保需要的強度,如果附加應(yīng)力則釬料過剩地變形,在最壞的情況下發(fā)生短路、斷線。為了解決該不良情況,在本申請發(fā)明中優(yōu)選同時地添加Mg和Ni。這是因為通過Mg和Ni的同時添加,即使在實施了多次的回流焊時也可以使釬料中的粗大的Cu6Sn5變微細(xì),由此即使Ag3Sn因多次回流焊而粗大化、存在于釬料中的微細(xì)的粒狀合金相的總數(shù)減少,也可通過上述的微細(xì)的Cu6Sn5補充其減少量來得到析出硬化的效果,可以防止釬料球的強度降低。其詳細(xì)的原因尚不清楚,但認(rèn)為在Ni置換粗大的Cu6Sn5中的Cu,形成微細(xì)的(Cu,Ni)6Sn5時,Mg發(fā)揮如催化劑那樣的作用,幫助上述置換。再者,不添加Mg而僅添加Ni時不能充分地看到這樣的效果。第二點的課題是關(guān)于電極的剝離的課題。最近,電極的結(jié)構(gòu)開始從以往的Cu電極和Cu/Ni/Au電極變化為Cu/Ni/Pd/Au電極之類。即使使用這樣的電極,在I 2次的回流焊時釬料和電極之間的擴散也不怎么進(jìn)行,因此可以避免在釬料/電極界面層狀地生長脆性的合金相,但如果實施多次的回流焊,則不能夠忽視上述擴散的影響,由于在釬料/電極界面層狀地生長合金相,在電極中發(fā)生剝離,在最壞的情況下發(fā)生短路、斷線。該傾向特別是在使用Cu/Ni/Pd/Au電極時可頻繁地看到。為了抑制這樣的電極中的剝離,抑制在釬料/電極界面的脆性的合金相的層狀的生長即可,但在本申請發(fā)明中,若同時地添加Mg和Ni,則在釬料/電極界面的相互擴散變慢,可以減薄脆性的合金相的厚度,并且其形狀也可以變得平滑,因此優(yōu)選。再者,雖然在Ni的單獨添加下也可看到這樣的效果,但未必充分,為了切實地減薄脆性的合金相的厚度,優(yōu) 選如上述那樣同時添加Mg和Ni。認(rèn)為其原因是因為,在Ni因顯示作為在釬料/電極界面的相互擴散的障礙的功能而減慢相互擴散時,Mg起到如催化劑那樣的作用,可以予以幫助使得能夠更加切實地實施Ni的作為擴散障礙的功能。實施例將向主成分中加入了本實施方式的添加元素的原料設(shè)置在石墨坩堝內(nèi)之后,用高頻熔化爐加熱、熔化,通過冷卻,得到了釬料合金。再者,采用燃燒法測定在原料Sn中含有的氧濃度,將其濃度示于表1、2。加熱溫度設(shè)為300°C。其后,將釬料合金制成為線徑20
的線材。按長度26. 1mm、和9. 72mm切斷線材,形成為一定體積后再次用高頻熔化爐加熱、熔化,通過冷卻,分別得到了直徑為250 ii m以及180 ii m的釬料球。再加熱溫度設(shè)為350°C。此時,高頻熔化爐內(nèi)的氣氛設(shè)為氮氣,其氧分壓設(shè)為約lOOPa。另外,在制造釬料球時,對冷卻過程的釬料噴吹冷氣,加大冷卻速度使其為300°C /秒。通過ICP分析來鑒定各釬料球的組成,將它們的值示于表I 5。各釬料球的熔點,采用差示掃描量熱測定(DSC5DifTerentialScanning Calorimetry)計測定,將其值示于表I 5。非晶相的鑒定,采用TEM和EDX進(jìn)行,將在非晶相中鑒定出的元素示于表1、2。另外,非晶相和全體氧化錫的厚度采用TEM測定,此外,算出全體氧化錫中的非晶氧化錫的占有率。將其值示于表1、2。另外,使用FE-SEM和EDX以5萬倍的倍率觀察釬料球表面的氧化的程度。此時,如果釬料球的表面變形為多角形狀則記為X、僅觀察到一點點的這樣的變形則記為A、完全觀察不到這樣的變形則記為〇,將這些符號不于表1、2。作為安裝釬料球的印刷基板,使用40mmX 30mmX Imm尺寸、電極為0. 3mm間距、電極表面為Cu電極這樣的規(guī)格的基板。在基板上涂布水溶性釬劑后搭載釬料球,通過在峰值溫度保持在250°C的回流焊爐內(nèi)加熱、冷卻,在上述印刷基板上形成了釬料凸塊。再在該凸塊上采用同樣的方法接合半導(dǎo)體器件,得到了印刷基板/釬料凸塊/半導(dǎo)體器件這一構(gòu)成的電子部件。再者,上述半導(dǎo)體器件為8mm見方,324個管腳,電極是Cu。此外,在上述試片之中的數(shù)個水平下,得到了印刷基板/釬料凸塊這一構(gòu)成的電子部件后,再反復(fù)進(jìn)行4次的在回流焊爐內(nèi)加熱、冷卻的操作。進(jìn)行了該試驗的試片重新示于表6。另外,限于該試驗,也利用Cu/Ni/Au電極和Cu/Ni/Pd/Au電極進(jìn)行了同樣的試驗。熱疲勞特性利用TCT試驗(溫度循環(huán)試驗;Thermal Cycle Test)評價。此時,在-40°C至+125°C之間多次改變試片的環(huán)境溫度,每25次從TCT試驗裝置內(nèi)取出試片,進(jìn)行導(dǎo)通試驗的結(jié)果,若電阻值超過了初始值的2倍則視為發(fā)生了不良。將初次發(fā)生了不良的次數(shù)作為TCT壽命示于表1、2。在直徑250 iim下的熱疲勞特性,如果初次發(fā)生了不良的次數(shù)為500次以上則為良好,在直徑180 iim下的熱疲勞特性,如果初次發(fā)生了不良的次數(shù)為300次以上則為良好。耐落下性,采用基于JEDEC(半導(dǎo)體技術(shù)協(xié)會;Solid State TechnologyAssociation)標(biāo)準(zhǔn)的JESD22-B111的試驗法來評價。此時,每次落下都確認(rèn)試片的導(dǎo)通性,若導(dǎo)通超過了初始值的2倍則設(shè)為發(fā)生了不良。將初次發(fā)生了不良的次數(shù)作為耐落下沖擊壽命不于表4、5。撕扯強度(pull strength)的測定,僅利用進(jìn)行了上述的多次的回流焊試驗的試片實施。此時,使用市售的撕扯強度測定機(Dage2400PC),將試驗速度設(shè)為300iim/秒、試片手持部的關(guān)閉壓力設(shè)為lOPsi,進(jìn)行撕扯試驗,將測定中的保持時間(2秒)經(jīng)過為止的最大撕扯強度進(jìn)行50點平均,由此求得撕扯強度值,將其值示于表6。在直徑250 y m下的多次的回流焊試驗后的撕扯強度若為4000mN以上則判為合格。另外,利用光學(xué)顯微鏡觀察50點的撕扯試驗后的剝離界面,電極材質(zhì)和/或基底·觀察到5點以上則記為X、觀察到4點以下則看作在使用上沒有特別的問題的水平、記為A,完全觀察不到則記為〇,將這些符號一并記載于表6中的「剝離界面」欄。在直徑250 ii m下的熱疲勞特性見下表。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體安裝用釬料球,其特征在于,是采用釬料合金形成的半導(dǎo)體安裝用釬料球,所述釬料合金以Sn為主體,含有0. I 2. 5質(zhì)量^^^Ag、0. I I. 5質(zhì)量%的Cu、以及總計為0. 0001 0. 005質(zhì)量%的Mg、Al和Zn之中的I種或2種以上, 在該釬料球的表面具有I 50nm的厚度的非晶相, 所述非晶相含有Mg、Al和Zn之中的I種或2種以上、以及O和Sn。
2.—種半導(dǎo)體安裝用釬料球,其特征在于,是采用釬料合金形成的半導(dǎo)體安裝用釬料球,所述釬料球以Sn為主體,含有0. I 1.9質(zhì)量%的八§、0. I 1.0質(zhì)量%的&1、以及總計為0. 0001 0. 005質(zhì)量%的Mg、Al和Zn之中的I種或2種以上, 在該釬料球的表面具有I 50nm的厚度的非晶相, 所述非晶相含有Mg、Al和Zn之中的I種或2種以上、以及O和Sn。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的半導(dǎo)體安裝用釬料球,其特征在于,所述釬料合金的Ag濃度為0.5 I. 9質(zhì)量%。
4.根據(jù)權(quán)利要求I 3的任一項所述的半導(dǎo)體安裝用釬料球,其特征在于,所述釬料合金還含有0.01 5質(zhì)量%的Bi。
5.根據(jù)權(quán)利要求I 4的任一項所述的半導(dǎo)體安裝用釬料球,其特征在于,所述釬料合金還含有總計為0. 0005 0. 5質(zhì)量%的Ni、P、Sb、Ce、La、Co、Fe和In之中的I種或2種以上。
6.一種電子部件,是具有釬焊接合部的電子部件,其特征在于,在該釬焊接合部的至少一部分中使用了權(quán)利要求I 5的任一項所述的半導(dǎo)體安裝用釬料球。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體安裝用的釬料球和具有該釬料球的電子部件,提供即使是近年的250μm以下的直徑的釬料球也可確保充分的熱疲勞特性的釬料球和具有該釬料球的電子部件。所述半導(dǎo)體安裝用釬料球,其特征在于,是采用以Sn為主體,含有0.1~2.5質(zhì)量%的Ag、0.1~1.5質(zhì)量%的Cu以及總計為0.0001~0.005質(zhì)量%的Mg、Al和Zn之中的1種或2種以上的釬料合金形成的半導(dǎo)體安裝用釬料球,在該釬料球的表面具有1~50nm的厚度的非晶相,所述非晶相含有Mg、Al和Zn之中的1種或2種以上、和O以及Sn。所述電子部件使用了該半導(dǎo)體安裝用釬料球。
文檔編號C22C13/00GK102666002SQ201180004305
公開日2012年9月12日 申請日期2011年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月18日
發(fā)明者寺島晉一, 木村勝一, 田中將元 申請人:新日鐵高新材料株式會社, 日鐵新材料股份有限公司