端子焊盤與焊料的鍵合構造、具有該鍵合構造的半導體器件和該半導體器件的製造方法
2023-09-12 16:46:20 2
專利名稱：端子焊盤與焊料的鍵合構造、具有該鍵合構造的半導體器件和該半導體器件的製造方法
技術領域：
本發明涉及良好地鍵合在基底上形成的端子焊盤和焊料的端子焊盤和焊料的鍵合構造。此外，還涉及具有該鍵合構造的半導體器件以及該半導體器件的製造方法。
背景技術：
作為半導體器件，具備BGA(網格焊球陣列)或LGA(網格焊臺陣列)等通過加熱處理而熔融的焊料的半導體晶片得到廣泛普及。
BGA或LGA等的焊料，在製造半導體器件時，與在半導體器件的露出面上形成的端子焊盤進行鍵合(例如，參照專利文獻1)。此外，BGA或LGA等的焊料，在把半導體器件安裝到基板上時，與基板的端子焊盤進行鍵合。
以下，以具有該鍵合構造的半導體器件為例，詳細地說明公開於專利文獻1中的現有例的端子焊盤與焊料之間的鍵合構造(以下，有時候也簡稱為鍵合構造)。另外，現有例的鍵合構造的構成為通過印刷或電鍍把焊料配置在端子焊盤的正上方。
以下，參照圖11，對公開於專利文獻1中的、具有現有例的鍵合構造的半導體器件的構成進行說明。在這裡，作為半導體器件，以具備BGA的半導體晶片，即在端子焊盤上安裝了焊料球的半導體晶片為例進行說明。
另外，圖11隻是示意性地示出了各個構成要素的形狀、大小和配置關係。此外，由於半導體器件的剖面構造因產品而異，故在這裡省略其詳細說明。
如圖11所示，具有現有例的鍵合構造的半導體器件(以下，簡稱為現有例的半導體器件)100具備作為形成有構成半導體器件的各種半導體元件的區域的基底105；在基底105上形成的導電層110；在導電層110上形成的絕緣層115和端子焊盤120。
另外，端子焊盤120通常是用Cu(銅)構成的。在這裡，把該端子焊盤120作為Cu焊盤進行說明。
在半導體器件100中，把助焊劑130印刷到Cu焊盤120上。並且在助焊劑130上安裝焊料球140。
以下，參照圖12的(A)～(D)，對現有例的半導體器件的製造工序進行說明。另外，圖12示出了在各個工序階段中所得到的主要部分的剖面的切口。
如圖12(A)所示，準備在半導體器件100的基底105上形成了端子焊盤120的構造體。該構造體中，在基底105上，設置有例如布線和其它所需要的導電層110，在該導電層110上，設置Cu焊盤作為端子焊盤120。並且在基底105上，設置把該Cu焊盤120的周圍埋入進去的絕緣層115。Cu焊盤120的頂面與絕緣層115的上表面處於同一平面上。另外，Cu焊盤120的頂面雖然露出在外部，但是其露出面被因Cu焊盤120與大氣中的氧進行反應而生成的氧化膜(未圖示)覆蓋。
其次，如圖12(B)所示，向Cu焊盤120上塗敷助焊劑130。由此，除去在Cu焊盤120的露出面上形成的氧化膜，使得易於鍵合焊料和Cu焊盤120。
其次，如圖12(C)所示，把焊料球140安裝到助焊劑130上。
另外，現有的焊料使用的是例如Sn-Pb系等的含有Pb(鉛)的材料。在這裡，所謂『Sn-Pb系』，意味著Sn與Pb的混合物(以下，稱為Sn-Pb)本身或含有幾個～幾十個重量％左右的其它材料的Sn-Pb混合物。以下，在把『系』附加到材料名稱上進行說明時，意味著該材料本身或含有幾個～幾十個重量％左右的其它材料的該材料。
但是，含有Pb的焊料，由於存在著破壞周圍的環境或者顯著地腐蝕半導體器件的製造裝置等的缺點，故其使用正受到限制。因此，在近些年來，可使用的焊料正在由不含Pb的焊料(以下，稱為無Pb焊料)代替含Pb的焊料(以下，稱為Pb焊料)。另外，無Pb焊料中，含有Sn、Ag和Cu的混合物的焊料(以下，稱為Sn-Ag-Cu系焊料)已成為主流。
其次，如圖12(D)所示，進行用來使焊料球140回流(reflow)的加熱處理(以下，稱為回流處理)，使焊料球140熔融。
通過該回流處理，焊料球140熔融而鍵合到Cu焊盤120上，形成BGA150。
這時，焊料球140在與Cu焊盤120的鍵合部分處與Cu焊盤120進行反應，由此，在Cu焊盤120與焊料球140之間形成金屬間反應生成物160的層。另外，在焊料球140的材料是例如Sn-Pb系的焊料或Sn-Ag-Cu系焊料的情況下，作為金屬間反應生成物160形成Cu與Sn之間的反應生成物(以下，稱為Cu-Sn反應生成物)，具體地說，形成Cu6Sn5等。
由此，可以製造具備BGA，即具備熔融的焊料球140的半導體晶片。另外，具備LGA的半導體晶片，也可以用與圖12所示的製造工序大致同樣的工序製造。
如上所述，BGA或LGA等的焊料在把半導體器件安裝到基板上時，鍵合到基板的端子焊盤上。
以下，參照圖13，對現有例的安裝構造進行說明。
如圖13(A)所示，在基板500上，把端子焊盤520配置在預定位置上。
另外，端子焊盤520一般是用Cu(銅)構成的。因此，此處把該端子焊盤520作為Cu焊盤進行說明。
在現有例的安裝構造中，配置半導體器件100以及基板500，使得形成有Cu焊盤120這一側的面和形成有Cu焊盤520的一側的面對置。在圖13(A)的例子中，使形成有Cu焊盤120這一側的面朝下，把半導體器件100配置在基板500上。
在該狀態下，進行回流處理，即，進行用來使BGA150回流的加熱處理，使BGA150熔融。
通過該回流處理，如圖13(B)所示，BGA150熔融而鍵合到Cu焊盤520上。
這時，BGA150在與Cu焊盤520的鍵合部分處與Cu焊盤520進行反應，由此，在與Cu焊盤520的鍵合部分形成金屬間反應生成物(以下，稱為金屬間反應生成物)540的層。另外，在BGA150的材料是例如Sn-Ag-Cu系焊料的情況下，作為金屬間反應生成物540形成Cu-Sn反應生成物。
這樣一來，把BGA或LGA等鍵合到基板500的端子焊盤520上。
日本專利申請特開2002-261105號公報(段落69～76，圖17)但是，在現有例的半導體器件中，卻存在著端子焊盤與焊料之間的鍵合的可靠性低的課題。以下，對該課題進行說明。
例如，在以下的(A)～(C)的情形下，半導體器件受到熱應力。
(A)在製造半導體器件時的回流處理，即，在對半導體器件內部的端子焊盤和焊料加熱及冷卻而進行鍵合處理時，半導體器件受到熱應力。
(B)在進行把在內部具備端子焊盤和焊料之間的鍵合構造的半導體器件安裝到基板上時的回流處理，即，在進行基板的端子焊盤和半導體器件的焊料因加熱及冷卻而進行鍵合的處理時，半導體器件受到熱應力。
(C)在使安裝了在內部具備端子焊盤和焊料之間的鍵合構造的半導體器件的產品運行時的動作以及停止處理時，半導體器件受到熱應力。
現有例的半導體器件，以在上述(A)～(C)的情形中所受到的熱應力為主要原因，主要由於以下的(1)～(3)的理由，而易於在端子焊盤與焊料之間產生裂紋。另外，這裡所說的『端子焊盤與焊料之間』，並不限於半導體器件的內部的端子焊盤與焊料之間，意味著基板的端子焊盤和半導體器件的焊料之間這兩者。
(1)現有例的半導體器件，在端子焊盤與焊料之間的鍵合部分上，作為金屬間反應生成物形成有Cu-Sn反應生成物層。
該Cu-Sn反應生成物層，因加熱而產生的熱膨脹率和因冷卻或散熱而產生的熱收縮率比較大。因此，該Cu-Sn反應生成物層，對在上述(B)和(C)的情形下所受到的熱應力的耐受性低。因此，現有例的半導體器件，在溫度差大的環境下，易於在焊料與端子焊盤之間的鍵合部分上產生裂紋。
另外，在上述(B)和(C)的情形下所受到的熱應力特別集中到鍵合部分的下部，即，集中到Cu-Sn反應生成物層的端子焊盤一側區域內。因此，裂紋易於在鍵合部分的下部，即，易於在Cu-Sn反應生成物層的端子焊盤一側區域內產生。
(2)近些年來，焊料不再使用作為Pb焊料的主流的Sn-Pb系焊料，而正在代之以使用作為無Pb焊料的主流的Sn-Ag-Cu系的焊料。
焊料對在上述(A)～(C)的情形下所受到的熱應力的耐受性，具有若焊料的硬度變高則耐受性就要降低的傾向。
相對於Sn-Pb系焊料是比較軟的材料，Sn-Ag-Cu系焊料是比Sn-Pb系焊料更硬的材料。因此，Sn-Ag-Cu系焊料與Sn-Pb系焊料相比，對在上述(A)～(C)的情形下所受到的熱應力的耐受性低。因此，Sn-Ag-Cu系焊料與Sn-Pb系焊料相比，熱應力易於集中到鍵合部分的下部，因此，在焊料與端子焊盤之間的鍵合部分的下部，易於產生裂紋。
(3)半導體器件具有窄步距化和薄型化的傾向。因此，半導體器件中，端子的直徑在變小，而且端子的高度也在變低。
當端子的直徑變小而且端子的高度變低時，焊料與端子焊盤之間的鍵合部分的空間就變小。因此，半導體器件在上述(A)～(C)的情形下所受到的熱應力易於集中到鍵合部分的下部，因此，易於在焊料與端子焊盤之間的鍵合部分的下部產生裂紋。
如上所述，現有例的半導體器件，由於上述(1)～(3)的理由，端子焊盤與焊料之間易於產生裂紋。
在半導體器件中，一旦產生裂紋，則由於該裂紋的存在，將導致端子焊盤與焊料之間的鍵合缺陷。
因此，根據現有例的半導體器件，由於上述(1)～(3)的理由，即，由於(1)在鍵合部分上形成Cu-Sn反應生成物層，(2)焊料中使用硬的Sn-Ag-Cu系焊料取代軟的Sn-Pb系焊料，以及(3)半導體器件窄步距化和薄型化，降低了端子焊盤與焊料之間的鍵合的可靠性。
因此，在現有例的半導體器件中，存在著端子焊盤與焊料之間的鍵合的可靠性低這樣的課題。
端子焊盤與焊料之間的鍵合的可靠性低這樣的課題，既是在評價半導體器件的可靠性方面重要的課題，同時，也是非常難於解決的課題。
本申請的發明人著眼於Zn(鋅)系材料所具有的以下(1)～(3)的特性，專心進行研究的結果，發現如果在端子焊盤與焊料之間形成含Zn的合金層，則可以解決現有例的課題。
Zn系材料具有以下3個特性。
即，Zn系材料具有(1)與Cu-Sn反應生成物相比，因加熱而產生的熱膨脹率和因冷卻或散熱而產生的熱收縮率小的特性。
(2)與已成為無Pb焊料的材料的主流的Sn-Ag-Cu系焊料相比，更軟的特性。
(3)與具有上述(1)和(2)的特性的其它材料相比，氧化性更低的特性。
發明內容
為了解決上述的課題，本發明的目的在於提供，通過在端子焊盤與焊料之間形成含有具有這些(1)～(3)的特性的Zn的合金層，來提高端子焊盤與焊料之間的鍵合的可靠性的端子焊盤與焊料的鍵合構造、具有該鍵合構造的半導體器件和該半導體器件的製造方法。
這樣的第1發明的端子焊盤與焊料的鍵合構造，具備在基底上形成的端子焊盤；焊料；在端子焊盤與焊料之間的、端子焊盤的成分與Zn系材料之間的反應生成物層。
另外，端子焊盤一般是用Cu構成的。但是，端子焊盤也可以用其它材料構成。此外，端子焊盤也可以做成為重疊各種材料而構成的多層構造。具體地說，端子焊盤可以做成為在Cu焊盤上配置Ni(鎳)，並且在其上配置Pd(鈀)、Au(金)或者其它的材料的構造。
此外，焊料並不限於無Pb焊料，也可以使用Pb焊料。
此外，所謂Zn系材料，例如，是大體上為100％的Zn或含有10重量％左右的助焊劑的Sn-Zn系焊料膏等。Zn系材料，在成分是大體上為100％的Zn的情況下，通過電鍍或濺射等，而且在成分是Sn-Zn系焊料膏等的情況下，通過印刷或電鍍，配置在端子焊盤與焊料之間的鍵合部分的下部，即，配置在端子焊盤的正上方。另外，本發明特別是在成分是大體上為100％的Zn的情況下，可以在具備LGA的半導體器件中應用。
第2發明的半導體器件，具備第1發明的端子焊盤與焊料的鍵合構造。
第3發明的半導體器件的製造方法，是製造第2發明的半導體器件的方法。第3發明的半導體器件的製造方法，具有在基底上形成的端子焊盤上，配置Zn系材料的工序；在Zn系材料上，配置焊料的工序；進行回流處理，即，進行用來使焊料回流的加熱處理，在端子焊盤與焊料之間，形成端子焊盤的成分與Zn系材料之間的反應生成物層的工序。
根據第1發明的端子焊盤與焊料之間的鍵合構造，在端子焊盤與焊料之間具備端子焊盤的成分與Zn系材料之間的反應生成物層。
Zn系材料具有上述(1)～(3)的特性。因此，根據該端子焊盤與焊料的鍵合構造，可以提高端子焊盤與焊料之間的鍵合部分對熱應力的耐受性。藉助於此，儘管最終會因熱應力而在鍵合部分上產生裂紋，但是可以延遲該狀況的產生。其結果是與現有例相比可以提高端子焊盤與焊料之間的鍵合的可靠性。
根據第2發明的半導體器件，由於與第1發明同樣的原理，可以提高端子焊盤與焊料之間的鍵合部分對熱應力的耐受性。因此，可以延遲由熱應力引起的裂紋在鍵合部分上的產生。其結果是與現有例相比可以提高端子焊盤與焊料之間的鍵合的可靠性。
根據第3發明的半導體器件的製造方法，可以製造第2發明的半導體器件。
圖1是具有實施形態例1的鍵合構造的半導體器件的構成圖。
圖2是具有實施形態例1的鍵合構造的半導體器件的製造工序圖。
圖3是回流處理時的溫度曲線圖。
圖4是評價處理的說明圖(1)。
圖5是評價處理的說明圖(2)。
圖6是具有實施形態例1的鍵合構造的半導體器件的安裝工序圖。
圖7是具有實施形態例2的鍵合構造的半導體器件的構成圖。
圖8是具有實施形態例2的鍵合構造的半導體器件的製造工序圖。
圖9是具有實施形態例2的鍵合構造的半導體器件的安裝工序圖。
圖10是半導體器件的變形例的構成圖。
圖11是具有現有例的鍵合構造的半導體器件的構成圖。
圖12是具有現有例的鍵合構造的半導體器件的製造工序圖。
圖13是具有現有例的鍵合構造的半導體器件的安裝工序圖。
具體實施例方式
以下，參照附圖，對本發明的實施形態進行說明。另外，各附圖只是以可以理解本發明的程度示意地示出了各個構成要素的形狀、大小和配置關係。因此，本發明並不僅限於圖示例。此外，在各附圖中，對於與現有例同樣的構成要素(參照圖11～圖13)，賦予同一附圖標記而省略其重複說明。此外，在各附圖中，對於共用的構成要素或同樣的構成要素等，賦予同一附圖標記而省略其重複說明。此外，各個工序圖示出了在各個工序階段所得到的構造體的主要部分的剖面的切口。此外，由於半導體器件的剖面構造因產品而異，故在此省略其詳細說明。
(實施形態例1)本發明的端子焊盤與焊料的鍵合構造(以下，有時候也簡稱為鍵合構造)，在基底上形成的端子焊盤120與焊料240之間，具備端子焊盤的成分與Zn系材料之間的反應生成物層(參照圖2(D)、圖6(B)、圖8(D)和圖9(B))。
本發明的鍵合構造，可以應用於在半導體器件內同時設置有端子焊盤和焊料的位置。此外，本發明的鍵合構造，也可以應用於在基板上設置端子焊盤的位置以及在半導體器件上設置焊料的位置。
以下，以具有該鍵合構造的半導體器件為例，對實施形態例1的鍵合構造進行詳細說明。另外，實施形態例1的構成為通過印刷，在端子焊盤上配置Zn系材料(例如，Zn系焊料膏、含助焊劑Sn-Zn系焊料膏、其它材料)。
半導體器件的構成
以下，參照圖1，對具有實施形態例1的鍵合構造的半導體器件(以下，稱為實施形態例1的半導體器件)的構成進行說明。另外，在這裡，作為半導體器件，以具備BGA的半導體晶片為例進行說明。
如圖1所示，實施形態例1的半導體器件200具備作為形成有各種半導體元件的區域的基底105；在基底105上形成的導電層110；在導電層110上形成的絕緣層115和端子焊盤120。另外，在圖1中，省略了構成半導體器件的其它構成要素的圖示。以下，作為端子焊盤120，以Cu焊盤為例進行說明。另外，Cu焊盤120的頂面，處於與絕緣層115的上表面同一平面內。
如圖1所示，實施形態例1的半導體器件200，通過印刷，把Zn系材料230配置在Cu焊盤120上。
另外，作為Zn系材料230，有例如含助焊劑的Sn-Zn系焊料(以下，稱為含助焊劑Sn-Zn系焊料或簡稱為Sn-Zn系焊料)和其它材料。在此，假定Zn系材料230是例如組成的比率是Sn為91重量％、Zn為9重量％的Sn-Zn系焊料膏來進行說明。另外，所謂『Sn-Zn系』，意味著Sn與Zn的混合物(以下，稱為Sn-Zn)本身或含有幾個～幾十個重量％左右的其它材料的Sn-Zn混合物。以下，在把『系』附加到材料名稱上進行說明時，意味著該材料本身或含有幾個～幾十個重量％左右的其它材料的該材料。作為Sn-Zn系材料膏230，一般含有10重量％左右的助焊劑。
另外，在圖1中，w表示Cu焊盤120和Zn系材料230的寬度，h1表示Zn系材料230的高度。Cu焊盤120和Zn系材料230的寬度w為100～400微米左右。Zn系材料230的高度h1為10～60微米左右。
在Zn系材料230上安裝無Pb焊料球240。
另外，作為無Pb焊料球240的材料，主流是含有Sn、Ag和Cu的混合物的焊料，即Sn-Ag-Cu系焊料。於是，在這裡，把無Pb焊料球240作為Sn-Ag-Cu系焊料球進行說明。
另外，在圖1中，H表示無Pb焊料球240的直徑。無Pb焊料球240的直徑H為100～450微米左右。
Zn系材料的特性
如前面的說明，Zn系材料230具有3個特性(1)～(3)。
根據上述(1)的特性，Zn系材料230對熱應力的耐受性比Cu-Sn反應生成物更高。因此，與Cu-Sn反應生成物相比，Zn系材料230可以更好地緩和熱應力的集中。
此外，根據上述(2)的特性，Zn系材料230的熱應力比Sn-Ag-Cu系焊料更易於分散。因此，與Sn-Ag-Cu系焊料相比，Zn系材料230可以更好地緩和熱應力的集中。
再有，根據上述(3)的特性，Zn系材料230與其它材料相比，可以特別出色地保護端子焊盤120。其理由如下。
即，作為滿足上述(1)和(2)的特性的材料，有例如Mg(鎂)等。但是，Mg由於氧化性比Zn系材料230高，故不能保護端子焊盤120。相對於此，Zn系材料230儘管具有氧化性，但是，其氧化性比Mg低，作為端子焊盤120的保護膜可以有效地利用。因此，Zn系材料230與Mg等的其它材料相比，可以特別出色地保護端子焊盤120。
半導體器件200，由於把具有上述(1)～(3)的特性的Zn系材料230配置在Cu焊盤120的正上方，故與現有例的半導體器件100相比，可以提高對半導體器件200內部的端子焊盤120和焊料240之間的鍵合部分的熱應力的耐受性。因此，半導體器件200，儘管最終會由於熱應力而在半導體器件200內部的端子焊盤120和焊料240之間的鍵合部分上產生裂紋，但是可以延遲該裂紋的產生。其結果是，半導體器件200可以提高半導體器件200內部的端子焊盤120和焊料240之間的鍵合的可靠性。
半導體器件的製造工序
以下，參照圖2(A)～(D)和圖3，對半導體器件200的製造工序進行說明。
如圖2(A)所示，準備在半導體器件200的基底105上形成有端子焊盤120的構造體。該構造體中，在基底105上設置有例如布線和其它所需要的導電層110，在該導電層110上設置Cu焊盤作為端子焊盤120。並且在基底105上設置把該Cu焊盤120的周圍埋入進去的絕緣層115。Cu焊盤120的頂面與絕緣層115的上表面處於同一平面上。另外，Cu焊盤120的頂面雖然露出在外部，但是其露出面被因Cu焊盤120與大氣中的氧進行反應而生成的氧化膜(未圖示)所覆蓋。
其次，如圖2(B)所示，通過印刷，向Cu焊盤120的露出面上，配置Zn系材料(在這裡是Sn-Zn系焊料膏)230。由此，把比無Pb焊料球(在這裡是Sn-Ag-Cu系焊料球)240更軟的Zn系材料，配置到半導體器件200的端子焊盤120的正上方。另外，作為Sn-Zn系焊料膏230，一般含有10重量％左右的助焊劑。Sn-Zn系焊料膏230，利用所含有的助焊劑，除去Cu焊盤120的露出面的氧化膜。
其次，如圖2(C)所示，把無Pb焊料球240安裝到Zn系材料230上。
其次，如圖2(D)所示，按照圖3所示的處理溫度進行回流處理，使無Pb焊料球240熔融。
另外，圖3是示出了回流處理時的半導體器件200的表面溫度的曲線圖。在圖3中，縱軸表示溫度，橫軸表示時間，A表示回流處理時的最高溫度，t表示回流處理時的處理時間。回流處理時的最高溫度A例如為235～260℃(即，在235℃以上且在260℃以下)左右。回流處理時的處理時間t，每一塊為4～5分鐘左右。
根據該回流處理，無Pb焊料球240熔融，與Zn系材料230一起鍵合到Cu焊盤120上，形成BGA250。
這時，Zn系材料230，在與Cu焊盤120之間的鍵合部分處與Cu焊盤120進行反應，由此，在無Pb焊料球240與Cu焊盤120之間形成含有Zn的金屬間反應生成物(以下，稱為含Zn金屬間反應生成物或簡稱為金屬間反應生成物)260的層。另外，在這裡，由於Zn系材料230的材料是Sn-Zn系焊料膏，故作為金屬間反應生成物260，形成Cu-Zn反應生成物。
另外，Zn系材料230有時候需要進行提高所含有的助焊劑的活性力等的調整。此外，Zn是易於氧化的金屬。所以，回流處理時必須在氮氣氛中進行。
半導體器件200中，由於熱應力易於集中到無Pb焊料球240與Cu焊盤120之間的鍵合部分上，故在該鍵合部分上配置具有上述(1)～(3)特性的Zn系材料230。由此，提高半導體器件200的鍵合部分對熱應力的耐受性。
另外，作為半導體器件200，把圖2(D)所示的工序的器件作為產品出廠。但是，在技術上也可以把圖2(B)所示的工序的器件作為產品出廠。
然而，也可以考慮把Zn系材料230和無Pb焊料球240的材料，都做成為Sn-Zn反應生成物的構成。即，考慮把含助焊劑Sn-Zn系膏作為Zn系材料230印刷到Cu焊盤120上，並且把Sn-Zn焊料球作為無Pb焊料球240安裝到含助焊劑Sn-Zn系膏上的構成。
但是，由於這樣的構成存在著以下的問題，故不是優選的。
即，這樣的構成具有(1)由於Sn-Zn反應生成物是易於氧化的材料，故不能製造穩定的半導體器件200的問題，以及(2)若僅僅用Sn-Zn反應生成物構成Zn系材料230和無Pb焊料球240，則由於耐溼性低，即，在高溼的環境下長期維持狀態而不會變質的特性低，故具有由於例如在高溫而且高溼的環境下使用半導體器件200，而使得Zn系材料230和無Pb焊料球240中的Zn逐漸被氧化，焊料240與Cu焊盤120之間的鍵合強度易於降低的問題。
因此，理想的是不要都用Sn-Zn反應生成物構成Zn系材料230和無Pb焊料球240。
作為Zn系材料230和無Pb焊料球240的組合，由於把Zn系材料230定為含助焊劑Sn-Zn系焊料，把無Pb焊料球240定為Sn-Ag-Cu系焊料的構成，不會產生上述(1)和(2)的問題，故是最為理想的。
半導體器件對熱應力的耐受性的評價
下面，參照圖1、圖4、以及圖5，說明半導體器件200對熱應力的耐受性的評價。
對於半導體器件200，用以下的方法評價對熱應力的耐受性。
例如，對於把Cu焊盤120和Zn系材料230的寬度w做成為100～400微米，把Zn系材料230的高度h1做成為40～60微米，把無Pb焊料球240的直徑H做成為100～450微米的半導體器件200進行評價處理(參照圖1)。
如圖4所示，把該半導體器件200安裝到基板500的兩面上。另外，在圖4中，W1表示半導體器件200的一邊。半導體器件200的一邊W1例如是6mm左右。
其次，按照圖5所述的處理溫度對已安裝到基板500的兩面上的半導體器件200交互地進行加熱處理和冷卻處理。
另外，圖5是示出了加熱處理時和冷卻處理時的半導體器件200的表面溫度的曲線圖。在圖5中，縱軸表示溫度，橫軸表示時間，a0表示常溫(具體地說為15℃)，a1表示加熱處理時的最高溫度，b1表示冷卻處理時的最低溫度。加熱處理時的最高溫度a1為+幾百℃，冷卻處理時的最低溫度b1為-幾十℃。
在評價處理中，把加熱處理和冷卻處理的組合作為1個周期，幾百～幾千次地反覆進行該周期。由此，對半導體器件200施加熱應力。
最後，測量半導體器件200內的焊料240與Cu焊盤120之間的鍵合部分處的電阻值的變化。這時，如果在鍵合部分上產生了裂紋，則電阻值比正常的半導體器件，即比未產生裂紋的半導體器件更大。
根據實施形態例1的半導體器件200，與現有例的半導體器件100相比，可以延遲半導體器件200內部的焊料240與Cu焊盤120之間的鍵合部分處的裂紋的產生。
另外，在實際的評價處理中，在Zn系材料230的高度h1處於40～60微米之間的情況下，半導體器件200可以得到良好的結果。但是，即便是在Zn系材料230的高度h1小於40微米的情況下，半導體器件200也具有得到良好的結果的可能性。但是，如果Zn系材料230的高度h1過小，則半導體器件200具有與基板鍵合的可靠性和耐溼性等降低的傾向。與基板鍵合的可靠性和耐溼性等，在評價半導體器件200的可靠性方面是最為重要的項目。因此，Zn系材料230的高度h1過小是不理想的。此外，反之，即便是在Zn系材料230的高度h1比60微米大的情況下，半導體器件200也具有得到良好的結果的可能性。但是，若Zn系材料230的高度h1過大，則半導體器件200具有與基板鍵合的可靠性和耐溼性等降低的傾向。因此，Zn系材料230的高度h1過大也是不理想的。考慮Zn系材料230的高度h1的允許值，則大致上可設為10～60微米左右。
半導體器件的安裝構造
在具有現有例的鍵合構造的半導體器件的安裝構造(以下，稱為現有例的安裝構造)中，直接把半導體器件100的BGA150安裝到基板500的端子焊盤(以下，稱為Cu焊盤)520上(參照圖13(A))。
相對於此，在具有實施形態例1的鍵合構造的半導體器件的安裝構造(以下，稱為實施形態例1的安裝構造)中，則把Zn系材料配置到基板500的Cu焊盤520上，把半導體器件200的BGA250安裝到該Zn系材料上。
以下，參照圖6，對實施形態例1的安裝構造進行說明。
如圖6(A)所示，在基板500上，把Cu焊盤520和Zn系材料530配置到預定位置上。
另外，作為Zn系材料530，與Zn系材料230同樣，有例如含助焊劑的Sn-Zn系焊料(以下，稱為含助焊劑Sn-Zn系焊料或簡稱為Sn-Zn系焊料)和其它材料。在這裡，把Zn系材料530作為Sn-Zn系焊料膏進行說明。在圖6(A)所示的例子中，通過印刷，Zn系材料(在這裡，是含助焊劑Sn-Zn系焊料膏)530被配置到Cu焊盤520上。
在實施形態例1的安裝構造中，配置半導體器件200以及基板500，使得形成有Cu焊盤120這一側的面和形成有Cu焊盤520的一側的面對置。在圖6(A)所示的例子中，使形成有Cu焊盤120這一側的面朝下把半導體器件200配置在基板500上。
這時，在半導體器件200的BGA250與基板500的Cu焊盤520之間配置有Zn系材料530。
在該狀態下，對BGA250進行回流處理，即，進行用來使BGA250回流的加熱處理，使BGA250熔融。
根據該回流處理，如圖6(B)所示，BGA250熔融，與Zn系材料530一起鍵合到Cu焊盤520上。
這時，Zn系材料530，在與Cu焊盤520之間的鍵合部分處與Cu焊盤520進行反應，由此，在BGA250與Cu焊盤520之間形成含有Zn的金屬間反應生成物(以下，稱為含Zn金屬間反應生成物或簡稱為金屬間反應生成物)550的層。另外，在這裡，由於Zn系材料530的材料是Sn-Zn系焊料膏，故作為含Zn金屬間反應生成物550，形成Cu-Zn反應生成物。
圖6所示的實施形態例1的安裝構造中，由於把具有上述(1)～(3)特性的Zn系材料530配置在半導體器件200的BGA250與基板500的端子焊盤520之間，故可以提高半導體器件200的BGA250與基板500的端子焊盤520之間的鍵合部分對熱應力的耐受性。因此，儘管該安裝構造最終會因熱應力而在半導體器件200的BGA250與基板500的端子焊盤520之間的鍵合部分上產生裂紋，但是可以延遲該裂紋的產生。其結果是，該安裝構造可以提高半導體器件200的BGA250與基板500的端子焊盤520之間的鍵合的可靠性。
如上所述，根據實施形態例1的鍵合構造，與現有例的鍵合構造相比，可以進一步提高半導體器件200內部的端子焊盤120與BGA250即熔融的無Pb焊料球240之間的鍵合的可靠性。
此外，根據實施形態例1的鍵合構造，與現有例的鍵合構造相比，可以進一步提高基板500的端子焊盤520與半導體器件200的BGA250之間的鍵合的可靠性。
另外，如果半導體器件200內部的端子焊盤120與BGA250之間以及基板500的端子焊盤520與半導體器件200的BGA250之間的鍵合的可靠性比現有例的鍵合構造進一步提高，則構成BGA250的無Pb焊料球240的使用量，就可以抑制為比現有例的半導體器件100更少的量。因此，根據實施形態例1的鍵合構造，可以把半導體器件200製造得比現有例的半導體器件100更薄。
(實施形態例2)以下，以具有該鍵合構造的半導體器件為例，詳細說明實施形態例2的鍵合構造。另外，實施形態例2的構成為通過電鍍把Zn系材料(在這裡是Zn)配置在端子焊盤上。
半導體器件的構成
以下，參照圖7，對具有實施形態例2的鍵合構造的半導體器件(以下，稱為實施形態例2的半導體器件)的構成進行說明。另外，在這裡，作為半導體器件，以具備LGA的半導體晶片為例進行說明。
在實施形態例1中，作為半導體器件200，是以具備BGA的半導體晶片為例進行了說明。在該半導體器件200中，焊料端子即從Cu焊盤120的露出面到BGA250的頂端(參照圖2(D))為止的高度比較高，該高度在例如0.5mm步距端子的情況下為250微米左右。
相對於此，在實施形態例2中，作為半導體器件700，以具備LGA的半導體晶片為例進行說明。在該半導體器件700中，焊料端子即從Cu焊盤120的露出面到LGA750的頂端(參照圖8(D))為止的高度，比半導體器件200的焊料端子更低，該高度在100微米以下。
如圖7所示，實施形態例2的半導體器件700，通過電鍍，把Zn730的層配置到Cu焊盤120上。
另外，在圖7中，w表示Cu焊盤120和Zn730的寬度，h2表示Zn730的層的高度。Cu焊盤120和Zn730的寬度w為100～400微米左右。Zn730的層的高度h2為0.1～5微米左右。
通過印刷，在Zn730上配置無Pb焊料膏740。
另外，作為無Pb焊料膏740的材料，主流是Sn-Ag-Cu系焊料。於是，在這裡，把無Pb焊料球240作為Sn-Ag-Cu系焊料膏進行說明。
另外，在圖7中，h3表示無Pb焊料膏740的高度。無Pb焊料膏740的高度h3為20～30微米左右。
此外，與Zn系材料230同樣，Zn730也具有在實施形態例1的Zn系材料的特性那一章中所說明的上述(1)～(3)的3個特性。
因此，半導體器件700可以得到與實施形態例1的半導體器件200同樣的作用效果。
即，半導體器件700可以延遲產生由於半導體器件700內部的端子焊盤120與焊料740之間的鍵合部分的熱應力所引起的裂紋。其結果是，半導體器件700可以提高半導體器件700內部的端子焊盤120與焊料740之間的鍵合的可靠性。
半導體器件的製造工序
以下，參照圖8(A)～(D)和圖3，對半導體器件700的製造工序進行說明。
如圖8(A)所示，準備在半導體器件700的基底105上形成有端子焊盤120的構造體。由於該構造體與圖2(A)所示的半導體器件200的構造體是同樣的，故在這裡，省略其詳細說明。
其次，如圖8(B)所示，從Cu焊盤120的露出面除去氧化膜，然後，通過電鍍，把Zn730配置到Cu焊盤120上。由此，把比無Pb焊料膏(在這裡，是Sn-Ag-Cu系焊料膏)740更軟的Zn系材料配置到半導體器件700的端子焊盤120的正上方。
其次，如圖8(C)所示，通過印刷，把無Pb焊料膏740配置到Zn730上。
其次，如圖8(D)所示，按照圖3所示的處理溫度進行回流處理，使無Pb焊料膏740熔融。
根據該回流處理，無Pb焊料膏740熔融，與Zn730一起鍵合到Cu焊盤120上，形成LGA750。
這時，Zn730在與Cu焊盤120之間的鍵合部分處與Cu焊盤120進行反應，由此，在無Pb焊料膏740與Cu焊盤120之間形成含有Zn的金屬間反應生成物(以下，稱為含Zn金屬間反應生成物或簡稱為金屬間反應生成物)760的層。另外，在這裡，作為金屬間反應生成物760，形成Cu-Zn反應生成物。
另外，Zn是易於氧化的金屬。於是，回流處理時，必須在氮氣氛中進行。
半導體器件700，由於熱應力易於集中到焊料740與Cu焊盤120之間的鍵合部分上，故把具有上述(1)～(3)特性的Zn730配置到該鍵合部分處。由此，半導體器件700，與實施形態例1的半導體器件200同樣，可以提高鍵合部分處對熱應力的耐受性。
另外，作為半導體器件700，可以把圖8(B)所示的工序的器件作為產品出廠。
半導體器件對熱應力的耐受性的評價
對於半導體器件700，用與實施形態例1同樣的方法，評價對熱應力的耐受性。
例如，在0.5mm步距端子的情況下，對把Cu焊盤120和Zn730的寬度w做成為100～400微米，把Zn730的高度h2做成為0.1～5微米，把無Pb焊料膏740的印刷高度h3做成為60～70微米的半導體器件700進行評價處理(參照圖7)。另外，例如，在0.2mm步距端子的情況下，焊料端子的高度為40微米左右，有時候根據端子步距進行變更。
根據實施形態例2的半導體器件700，與實施形態例1的半導體器件200同樣，與現有例的半導體器件100相比，可以延遲在半導體器件700內部的Cu焊盤120與焊料740之間的鍵合部分處的裂紋的產生。
半導體器件的安裝構造
以下，參照圖9，對具有實施形態例2的鍵合構造的半導體器件的安裝構造(以下，稱為實施形態例2的安裝構造)進行說明。
如圖9(A)所示，在基板500上，把Cu焊盤520配置在預定位置上，通過電鍍，在Cu焊盤520上配置Zn535的層。
在實施形態例2的安裝構造中，配置半導體器件700以及基板500，使得形成有Cu焊盤120這一側的面和形成有Cu焊盤520的一側的面對置。在圖9(A)所示的例子中，使形成有Cu焊盤120這一側的面朝下把半導體器件700配置在基板500上。
這時，在半導體器件700的LGA750與基板500的Cu焊盤520之間配置有Zn535的層。
在該狀態下對LGA750進行回流處理，即，進行用來使LGA750回流的加熱處理，使LGA750熔融。
通過該回流處理，如圖9(B)所示，LGA750熔融，與Zn535一起鍵合到Cu焊盤520上。
這時，Zn535在與Cu焊盤520之間的鍵合部分處與Cu焊盤520進行反應，由此，在LGA750與Cu焊盤520之間形成含Zn金屬間反應生成物550的層。另外，在這裡，作為含Zn金屬間反應生成物550形成Cu-Zn反應生成物。
圖9所示的實施形態例2的安裝構造，由於把具有上述(1)～(3)特性的Zn535配置在半導體器件700的LGA750與基板500的端子焊盤520之間，故可以提高半導體器件700的LGA750與基板500的端子焊盤520之間的鍵合部分對熱應力的耐受性。因此，儘管該安裝構造最終會因熱應力而在半導體器件700的LGA750與基板500的端子焊盤520之間的鍵合部分上產生裂紋，但是可以延遲該裂紋的產生。其結果是，該安裝構造可以提高半導體器件700的LGA750與基板500的端子焊盤520之間的鍵合的可靠性。
如上所述，根據實施形態例2的鍵合構造，與現有例的鍵合構造相比，儘管焊料端子的高度比實施形態例1的半導體器件200更低，卻可以提高半導體器件700內部的端子焊盤120與LGA750，即，與熔融後的無Pb焊料膏740之間的鍵合的可靠性。
此外，根據實施形態例2的鍵合構造，與現有例的鍵合構造相比可以進一步提高基板500的端子焊盤520與半導體器件700的LGA750之間的鍵合的可靠性。
另外，如果半導體器件700內部的端子焊盤120與LGA750之間以及基板500的端子焊盤520與半導體器件700的LGA750之間的鍵合的可靠性比現有例的鍵合構造進一步提高，則構成LGA750的無Pb焊料膏740的使用量，就可以抑制為比具備現有例的LGA的半導體器件更少的量。因此，根據實施形態例2的鍵合構造，可以把半導體器件700製造得比具備現有例的LGA的半導體器件更薄。
另外，實施形態例2的鍵合構造，也可以應用在具備焊料端子的高度高的BGA的半導體器件200中。但是，由於通過電鍍預先把Zn535的層配置到基板500上，故與實施形態例1的安裝構造相比，成本更高。
本發明在不偏離本發明的要旨的範圍內可以進行各種變更或變形而並不限定於上述的實施形態例。
例如，端子焊盤可以做成為重疊各種材料而構成的多層構造。圖10是半導體器件的變形例的構成圖。如圖10所示，端子焊盤可以做成為把Ni(鎳)122配置在Cu焊盤120上，並且在其上配置Pd(鈀)124的構造。另外，也可以代替Pd(鈀)124而配置Au(金)或其它材料。
此外，例如也可以把實施形態例1的製造方法應用於具備LGA的半導體器件。另外，該情況下的製造工序中，在印刷了一次Sn-Zn焊料膏之後，使半導體器件通過回流爐。然後，印刷例如Sn-Ag-Cu系等的無Pb焊料膏，再次使半導體器件通過回流爐。但是，具備由此所製造的LGA的半導體器件，不能使焊料端子的高度比具備用實施形態例2的製造方法所製造的LGA的半導體器件700更低。
此外，即便是焊料為Pb焊料，也可以實施實施形態例1和2的鍵合構造。
此外，例如，實施形態例2的Zn535的層，也可以利用電解電鍍、無電解電鍍、濺射、蒸鍍等的方法形成。
權利要求
1.一種端子焊盤與焊料的鍵合構造，其特徵在於具備在基底上形成的端子焊盤；焊料；以及在上述端子焊盤與上述焊料之間的、上述端子焊盤的成分與Zn系材料之間的反應生成物層。
2.根據權利要求1所述的端子焊盤與焊料的鍵合構造，其特徵在於上述端子焊盤與上述焊料設置在半導體器件內，上述反應生成物層形成於上述半導體器件內部的上述端子焊盤與上述焊料之間。
3.根據權利要求1所述的端子焊盤與焊料的鍵合構造，其特徵在於上述端子焊盤設置在基板上，上述焊料設置在半導體器件上，上述反應生成物層形成於上述基板的上述端子焊盤與上述半導體器件的上述焊料之間。
4，一種半導體器件，其特徵在於具備在基底上形成的端子焊盤；焊料；以及在上述端子焊盤與上述焊料之間的、上述端子焊盤的成分與Zn系材料之間的反應生成物層。
5.一種半導體器件的製造方法，其特徵在於具備如下的工序在基底上形成的端子焊盤上配置Zn系材料的工序；在上述Zn系材料上配置焊料的工序；以及進行使上述焊料回流的加熱處理，在上述端子焊盤與上述焊料之間形成上述端子焊盤的成分與Zn系材料之間的反應生成物層的工序。
6.根據權利要求5所述的半導體器件的製造方法，其特徵在於具有如下的工序通過印刷，在上述端子焊盤上配置上述Zn系材料的工序；在上述Zn系材料上安裝焊料球的工序；以及進行使上述焊料球回流的加熱處理，在上述端子焊盤與上述焊料球之間形成上述端子焊盤的成分與Zn系材料之間的反應生成物層的工序。
7.根據權利要求6所述的半導體器件的製造方法，其特徵在於上述反應生成物層由上述端子焊盤的成分和通過印刷配置到上述端子焊盤上的厚度10～60微米的上述Zn系材料形成。
8.根據權利要求5所述的半導體器件的製造方法，其特徵在於具有如下的工序通過電鍍，在上述端子焊盤上配置上述Zn系材料的工序；在上述Zn系材料上印刷焊料膏的工序；進行使上述焊料膏回流的加熱處理，在上述端子焊盤與上述焊料膏之間形成上述端子焊盤的成分與Zn系材料之間的反應生成物層的工序。
9.根據權利要求8所述的半導體器件的製造方法，其特徵在於上述反應生成物層由上述端子焊盤的成分和通過電鍍配置到上述端子焊盤上的厚度0.1～5微米的Zn系材料形成。
全文摘要
本發明通過提高鍵合端子焊盤和焊料的鍵合部分對熱應力的耐受性，來提高端子焊盤與焊料之間的鍵合的可靠性。本發明的鍵合構造具備在基底(105)上形成的端子焊盤(120)、焊料(240)和在端子焊盤與焊料之間的、端子焊盤的成分與Zn系材料(230)之間的反應生成物(260)。
文檔編號H01L21/60GK1941350SQ20061015404
公開日2007年4月4日 申請日期2006年9月20日 優先權日2005年9月30日
發明者田中康雄 申請人:衝電氣工業株式會社