JP4022013B2

JP4022013B2 - Zn alloy for die bonding

Info

Publication number: JP4022013B2
Application number: JP00716699A
Authority: JP
Inventors: 寿一清水
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 1999-01-14
Filing date: 1999-01-14
Publication date: 2007-12-12
Anticipated expiration: 2019-01-14
Also published as: JP2000208533A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体素子のダイボンディング等で用いられるダイボンディング用Ｚｎ合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パワートランジスタ素子等のダイボンディングにはんだが用いられる。この用途のはんだには、１）３５０℃前後の温度で素子を接合することが可能なこと、２）次工程のワイヤボンディングが正常に行われるために２５０℃前後の温度においてもはんだが溶融しないこと、３）素子の使用中に接合性が劣化しないこと等の特性が必要であり、従来はＰｂ-５％Ｓｎに代表されるＰｂ系はんだが用いられてきた。
【０００３】
近年、環境汚染に対する配慮から、Ｐｂの使用を制限する動きが強くなってきた。このような動きに対応して、半導体素子のダイボンディング用はんだの分野においてもＰｂを含まないものが求められてきている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、半導体素子のダイボンディング等に用いるのに好適な、Ｐｂを含まないはんだ用合金を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明のダイボンディング用Ｚｎ合金は、
（１）Ｇｅを２〜９重量％含み、さらにＡｌを２〜９重量％含み、残部がＺｎ及び不可避不純物からなることに特徴があり、
（２）Ｇｅを２〜９重量％含み、Ａｌを２〜９重量％含み、さらにＭｇを０．０１〜０．５重量％を含み、残部がＺｎ及び不可避不純物からなることに特徴があり、
（３）ＳｎとＩｎの１種以上を５〜２５重量％含み、残部がＺｎ及び不可避不純物からなることに特徴があり、
（４）ＳｎとＩｎの１種以上を５〜２５重量％含み、さらにＧｅを０．１〜７重量％含み、残部がＺｎ及び不可避不純物からなることに特徴がある。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の構成の詳細について説明する。
【０００７】
本願第１、第２の発明の合金は、融点が４２０℃であるＺｎをベースとし、Ｇｅを添加することにより濡れ性を改善し、さらにＡｌを添加することによりダイボンディング温度を低温化したものである。
【０００８】
Ｇｅの濃度を２〜９重量％としたのは、下限濃度未満では濡れ性の向上が不十分でダイボンディング時に接合不良を発生する確率が高くなるからであり、逆に上限濃度を超えると合金硬度が高くなりすぎて熱サイクル試験等の耐環境試験においてチップ割れを発生するようになるからである。
【０００９】
一方、Ａｌの濃度を２〜９重量％としたのは、下限濃度未満ではダイボンディング温度の低下効果が不十分だからであり、逆に上限濃度を超えるとダイボンディング温度の低下効果が飽和するだけでなく濡れ性が低下してダイボンディング時に接合不良を発生するようになるからである。
【００１０】
第２の発明におけるＭｇは、合金の耐食性を向上させることにより素子使用中での接合の信頼性を向上させる働きをする元素である。Ｍｇの濃度を０．０１〜０．５重量％としたのは、下限濃度未満では添加効果が不十分だからであり、逆に上限濃度を超えると合金の濡れ性が低下してダイボンディング時に接合不良を発生するようになるからである。
【００１１】
本願第３、第４の発明の合金は、融点が４２０℃であるＺｎに、Ｓｎまたは／及びＩｎを添加することにより、ダイボンディング温度を低温化したものである。ＳｎとＩｎは、合金の濡れ性を向上させる働きや合金の硬度を低下させて素子の接合の信頼性を向上させる働きも有する。
【００１２】
Ｓｎまたは／及びＩｎを添加すると、ＳｎまたはＩｎとＺｎとの共晶温度である２００℃付近または１４５℃付近以上の温度で液相が生じるようになるが、我々はＳｎまたは／及びＩｎの濃度を本発明の組成範囲内とすれば、２５０℃前後で生じる液相の量がごく少量に抑えられて、ワイヤボンディング等の電子部品組み立て工程で何ら問題を生じないことを見い出した。
【００１３】
Ｓｎまたは／及びＩｎの濃度を１種以上で５〜２５重量％としたのは、下限濃度未満ではダイボンディング温度の低下効果が不十分であり、かつ合金硬度が高すぎて熱サイクル試験等の耐環境試験においてチップ割れを発生する確率が高くなるからであり、逆に上限濃度を超えると２５０℃前後の温度で生じる液相の量が多くなりすぎて、ワイヤボンディング等の工程で不都合が生じるからである。
【００１４】
第４の発明におけるＧｅは、合金の濡れ性を向上させるとともに若干ながらダイボンディング温度を低温化する働きを有する。Ｇｅの濃度を０．１〜７重量％としたのは、下限濃度未満では添加効果が不十分であるからであり、逆に上限濃度を超えると添加効果が飽和すると同時に、熱サイクル試験等の耐環境試験においてチップ割れを発生する確率が高くなるからである。
【００１５】
【実施例】
第１、第２の発明の実施例・・・各純度９９．９重量％のＺｎ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｍｇを用いて表１、表２に示す組成のＺｎ合金を大気溶解炉により溶製した。得られた鋳塊に２５０℃での熱処理を施し、冷間圧延を施して、０．１ｍｍ厚の試料とした。
【００１６】
得られた試料の評価として、ダイボンディング性については、はんだダイボンダー（ｄａｇｅ社製、ＥＤＢ−２００）を用い、ＡｇめっきＬ／Ｆ上への３ｍｍ角のＡｕ蒸着ダミーチップを接合できるか否か、接合できる場合には接合できる最低のダイボンディング温度を求めた。
【００１７】
次の組立工程であるワイヤボンディングが正常に行われるか否か（ワイヤボンディング性）については、市販の金線とボールボンダー（KAIJO社製、ＦＢ−１１８）を用い、前記と同様にダイボンディングを行ったチップ上の蒸着Ａｌ面とＬ／Ｆ上のＡｇめっき面の間でワイヤボンディング試験を実施することにより行った。
【００１８】
ワイヤボンディング試験はステージ温度を２５０℃で行ない、ワイヤが接合された場合を「良」、ワイヤが接合されない場合を「不良」と評価した。
【００１９】
接合信頼性の評価には、ダイボンディングを行った後にトランスファーモールド型モールド機によってエポキシ樹脂（住友ベークライト社製、ＥＭＥ−６３００）をモールドした試料について、−６５℃／１５０℃１０００サイクルの温度サイクル試験、もしくは温度８０℃湿度８０％１０００時間保持の恒温恒湿試験を施した後に樹脂を開封してチップ接合部の観察を行い、チップや接合界面に割れの発生が無い場合を「良」、割れが発生した場合を「不良」と評価した。
【００２０】
表１、表２に上記評価の結果を示した。表１で最低ダイボンディング温度の欄で「不良」と示したのは、接合が得られない試料が発生したことを意味する。また、ワイヤボンディング性と接合信頼性で「−」と示したのは、試験を実施しなかったことを意味する。
【００２１】
表１、表２において明らかなように、本願第１、第２の発明によるＺｎ合金は、３５０℃前後の温度でダイボンディングが可能であり、かつワイヤダイボンディング性や接合信頼性に問題が無いことがわかる。
【００２２】
【表１】

【００２３】
【表２】

【００２４】
第３、第４の発明の実施例・・・各純度９９．９重量％のＺｎ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｇｅを用いて表３、表４に示す組成のＺｎ合金を大気溶解炉により溶製した。得られた鋳塊に１２０℃での熱処理を施し、冷間圧延を施して、０．１ｍｍ厚の試料とした。
【００２５】
得られた試料について、前期と同様に、ダイボンディング性、ワイヤボンディング性、接合信頼性を評価し、表３、表４に結果を示した。
【００２６】
表３、表４において明らかなように、本願第３、第４の発明によるＺｎ合金は３５０℃前後の温度でダイボンディングが可能であり、かつワイヤダイボンディング性や接合信頼性に問題が無いことがわかる。
【００２７】
【表３】

【００２８】
【表４】

【００２９】
【発明の効果】
以上から明らかなように、本発明により、電子部品の組立等で用いるのに好適な、Ｐｂを含まないはんだ用合金を提供することができた。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a Zn alloy for die bonding used in die bonding of semiconductor elements.
[0002]
[Prior art]
Solder is used for die bonding of power transistor elements and the like. For the solder for this application, 1) the element can be bonded at a temperature of around 350 ° C., and 2) the soldering does not melt even at a temperature of around 250 ° C. because wire bonding in the next process is normally performed. 3) Characteristics such as that the bondability does not deteriorate during use of the element are necessary, and conventionally, Pb solder represented by Pb-5% Sn has been used.
[0003]
In recent years, due to consideration for environmental pollution, there has been a strong movement to limit the use of Pb. Corresponding to such movements, there has been a demand for semiconductors that do not contain Pb in the field of solder for die bonding of semiconductor elements.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a solder alloy which does not contain Pb and is suitable for use in die bonding of semiconductor elements.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the Zn alloy for die bonding of the present invention is:
(1) It contains 2 to 9% by weight of Ge, further contains 2 to 9% by weight of Al, and the balance is composed of Zn and inevitable impurities,
(2) 2 to 9% by weight of Ge, 2 to 9% by weight of Al, 0.01 to 0.5% by weight of Mg, and the balance is composed of Zn and inevitable impurities,
(3) It contains 5 to 25% by weight of one or more of Sn and In, with the balance being composed of Zn and inevitable impurities,
(4) It is characterized in that it contains 5 to 25% by weight of one or more of Sn and In, further contains 0.1 to 7% by weight of Ge, and the balance consists of Zn and inevitable impurities.
[0006]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Details of the configuration of the present invention will be described below.
[0007]
The alloys according to the first and second inventions of the present application are based on Zn having a melting point of 420 ° C., which improves the wettability by adding Ge, and further lowers the die bonding temperature by adding Al. It is.
[0008]
The reason why the concentration of Ge is set to 2 to 9% by weight is that if the concentration is less than the lower limit concentration, the improvement in wettability is insufficient and the probability of occurrence of bonding failure during die bonding increases. This is because the hardness becomes too high and chip cracking occurs in an environmental resistance test such as a heat cycle test.
[0009]
On the other hand, the Al concentration is set to 2 to 9% by weight because the effect of lowering the die bonding temperature is insufficient if the concentration is less than the lower limit concentration. Conversely, if the concentration exceeds the upper limit concentration, the effect of lowering the die bonding temperature is only saturated. This is because the wettability is reduced and a bonding failure occurs during die bonding.
[0010]
Mg in the second invention is an element that functions to improve the reliability of bonding during use of the device by improving the corrosion resistance of the alloy. The reason why the Mg concentration is 0.01 to 0.5% by weight is that if the concentration is less than the lower limit concentration, the effect of addition is insufficient. Conversely, if the concentration exceeds the upper limit concentration, the wettability of the alloy is reduced and bonding is performed during die bonding. This is because defects are generated.
[0011]
The alloys of the third and fourth inventions of the present application are obtained by lowering the die bonding temperature by adding Sn or / and In to Zn having a melting point of 420 ° C. Sn and In also have a function of improving the wettability of the alloy and a function of reducing the hardness of the alloy and improving the reliability of bonding of the elements.
[0012]
When Sn or / and In is added, a liquid phase is formed at a temperature near 200 ° C. or near 145 ° C., which is the eutectic temperature of Sn or In and Zn. Is within the composition range of the present invention, the amount of liquid phase generated at around 250 ° C. is suppressed to a very small amount, and it has been found that no problem occurs in the electronic component assembling process such as wire bonding.
[0013]
The reason why the concentration of Sn or / and In is set to 5 to 25% by weight in one or more is that if the concentration is less than the lower limit concentration, the effect of lowering the die bonding temperature is insufficient, and the alloy hardness is too high. This is because the probability of chip cracking in the environmental resistance test increases, and conversely, if the upper limit concentration is exceeded, the amount of liquid phase generated at a temperature of about 250 ° C. becomes too large, resulting in inconvenience in processes such as wire bonding. Because.
[0014]
Ge in the fourth invention functions to improve the wettability of the alloy and slightly lower the die bonding temperature. The reason why the concentration of Ge is 0.1 to 7% by weight is that the effect of addition is insufficient when the concentration is less than the lower limit concentration. This is because the probability of occurrence of chip cracking in the environmental resistance test increases.
[0015]
【Example】
Examples of the first and second inventions: Zn alloys having the compositions shown in Tables 1 and 2 were melted in an atmospheric melting furnace using Zn, Ge, Al, and Mg having a purity of 99.9% by weight. . The obtained ingot was subjected to heat treatment at 250 ° C. and cold-rolled to obtain a sample having a thickness of 0.1 mm.
[0016]
As an evaluation of the obtained sample, for die bonding, a solder die bonder (manufactured by dage, EDB-200) can be used to determine whether or not a 3 mm square Au vapor deposition dummy chip on Ag plating L / F can be joined. When bonding was possible, the lowest die bonding temperature that could be bonded was determined.
[0017]
As for whether or not wire bonding, which is the next assembly process, is normally performed (wire bonding property), using a commercially available gold wire and a ball bonder (FB-118, manufactured by KAIJO), die bonding is performed in the same manner as described above. The wire bonding test was performed between the deposited Al surface on the chip and the Ag plated surface on the L / F.
[0018]
The wire bonding test was performed at a stage temperature of 250 ° C., and the case where the wire was bonded was evaluated as “good”, and the case where the wire was not bonded was evaluated as “bad”.
[0019]
For evaluation of bonding reliability, a temperature cycle test of −65 ° C./150° C. 1000 cycles was performed on a sample in which an epoxy resin (EME-6300, manufactured by Sumitomo Bakelite Co., Ltd.) was molded by a transfer mold type molding machine after die bonding. Alternatively, after performing a constant temperature and humidity test at a temperature of 80 ° C. and a humidity of 80% for 1000 hours, the resin is opened and the chip bonded portion is observed. When this occurred, it was evaluated as “bad”.
[0020]
Tables 1 and 2 show the results of the above evaluation. In Table 1, “bad” in the column of the minimum die bonding temperature means that a sample that cannot be bonded was generated. In addition, “−” in wire bonding property and bonding reliability means that the test was not performed.
[0021]
As is apparent from Tables 1 and 2, the Zn alloys according to the first and second inventions of the present application can be die-bonded at a temperature of about 350 ° C., and have no problems in wire die bonding and bonding reliability. I understand that.
[0022]
[Table 1]

[0023]
[Table 2]

[0024]
Examples of the third and fourth inventions: Zn alloys having compositions shown in Tables 3 and 4 were melted in an atmospheric melting furnace using Zn, Sn, In, and Ge having a purity of 99.9% by weight. . The obtained ingot was subjected to heat treatment at 120 ° C. and cold-rolled to obtain a sample having a thickness of 0.1 mm.
[0025]
About the obtained sample, die bonding property, wire bonding property, and joining reliability were evaluated similarly to the previous period, and the results are shown in Tables 3 and 4.
[0026]
As is apparent from Tables 3 and 4, the Zn alloys according to the third and fourth inventions of the present application can be die-bonded at a temperature of about 350 ° C., and have no problems in wire die bonding and bonding reliability. I understand.
[0027]
[Table 3]

[0028]
[Table 4]

[0029]
【The invention's effect】
As is apparent from the above, according to the present invention, an alloy for solder that does not contain Pb and is suitable for use in assembling electronic components or the like could be provided.

Claims

A Zn alloy for die bonding, comprising 5 to 25% by weight of one or more of Sn and In, the balance being composed of Zn and inevitable impurities.

A Zn alloy for die bonding, comprising 5 to 25% by weight of one or more of Sn and In, further containing 0.1 to 7% by weight of Ge, and the balance comprising Zn and inevitable impurities.