JP3120940B2 - 半導体素子用球形バンプ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＩＣチップの電極と外
部リードとの接続に使用される接合用のバンプに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ＩＣチップの電極と外部リードとの接続
には多様な方法が採用されている。配線用の極細ワイヤ
ー（ボンディングワイヤー）を用いて接続する方法もあ
るが、チップの電極リードとの間にはバンプと呼ばれる
金属突起を挟んで熱圧着する方法も広く行われるように
なっている。ＴＡＢ（Tape Automated Bonding）法は後
者の代表として注目されている技術である。この方法
は、予めＩＣチップの電極部か、もしくはＴＡＢテープ
上のリード先端部のいずれかにバンプを形成しておき、
次にＩＣチップ電極部とリードを有するＴＡＢテープを
バンプを介して両者を接合するものである。またＴＡＢ
法以外にフリップチップ法においても、バンプが使用さ
れている。

【０００３】このような用途に提供されるバンプのこれ
までの作り方は、メッキによる方法が主体であった。し
かしながらメッキによる方法は設備が大きくなる上に、
バンプとして使用する金属の組成にも制約を受けるとい
う欠点がある。また特にＩＣチップの電極部に直接メッ
キしてバンプを形成しようとすれば、チップそのものが
メッキ工程を通過することになって、チップの歩留まり
を悪化させるということも問題とされていた。

【０００４】これらの欠点を解消する方法として、メッ
キによらないバンプ形成方法も考えられるようになって
きた。本願発明者らは先に、バンプ用の素材となる金属
を細い線に加工し、この金属線を定尺切断した後に溶融
・凝固させ、球形状のバンプを得る方法を提案した（特
開平３−１８０４０１号公報参照）。この方法は金属自
体が溶融した際の表面張力を利用するものであるから均
一な形状が得られやすく、バンプとして使用するには大
変適したものである。この球形バンプは、リード先端部
等に熱圧着して使用される（特開平３−１７４７３７号
公報参照）。

【０００５】最近、半導体素子が使用される環境条件が
ますます厳しくなっており、高温環境下における金ボー
ルとアルミ電極との接合部における長期信頼性の低下が
問題視されている。例えば自動車のエンジンルーム周辺
で使用される半導体素子では高温・高湿等の環境に曝さ
れる。また接合部の微細化により、使用時の発生熱の影
響が無視できなくなっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の金細線を用いた
ワイヤボンディング法の場合、半導体素子上のアルミ電
極との接合部の長期信頼性の低下が指摘されており、電
極部材であるアルミと金が相互拡散して金属間化合物の
生成やボイドの発生による接合部で剥離や電気的導通不
良等が生じることが問題として指摘されている。

【０００７】本発明者等が、金ボールとアルミ電極との
接合部の信頼性に関して検討した結果、樹脂封止された
接合部における金属間化合物層の腐食が、信頼性に及ぼ
す影響が大きいことが確認された。金とアルミの金属間
化合物が封止樹脂中に含有するハロゲン成分と反応する
ことにより接合部の電気抵抗が増加し、腐食が顕著な場
合は電気的導通不良等が生じる。ハロゲン成分は難燃剤
として封止樹脂の必須成分であるため、金属間化合物層
の腐食を低減するためには、腐食され易い金／アルミ化
合物層の成長を抑制する必要がある。

【０００８】ここで、ＴＡＢ実装に使用される球形バン
プにおいても、上述したような高温環境における接合部
信頼性が共通する課題となる。リード先端部に配置され
た金球バンプがアルミ電極に熱圧着されて、さらに通常
の実装工程として樹脂封止された場合、金／アルミ接合
部において、ワイヤの場合と同様に高温条件下での接合
信頼性の低下が問題となる。

【０００９】本発明は上記事情に基づいてなされたもの
であり、金バンプとアルミ電極部との接合部において良
好な長期信頼性が得られる金合金の微細球を提供するこ
とを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】金ボール接合部が高温環
境に曝されると、接合界面において金とアルミの相互拡
散に伴い数種の金属間化合物が成長する。この金／アル
ミ化合物の中でも特定の化合物Ａｕ₄ Ａｌ相が封止樹脂
中のハロゲン元素と容易に反応して、接合部における電
気抵抗を増加させる原因となる。

【００１１】本発明者等はこのような現象を抑制する元
素の添加について種々検討した結果、金中にＭｎを添加
した金バンプの接合部では、Ｍｎが金中を拡散して界面
近傍に濃化して、腐食される化合物層の成長を抑制する
ことにより、高温放置した接合部の電気抵抗の上昇を抑
制すること、さらに、化合物成長による接合部の劣化も
抑えることを見出した。

【００１２】本発明においてＭｎの含有量を５０〜５０
００重量ppm と定めたのは、Ｍｎの含有量が５０ppm 未
満では接合部における金属間化合物の腐食を抑制する効
果が小さく、一方５０００ppm を超えると、大気中で溶
融・凝固した金球の表面に酸化層が形成され、この酸化
層が接合界面に介在すると良好な接合強度が得られない
という理由に基づくものである。

【００１３】Ｍｎ添加量が上記範囲内では、硬度は高純
度金とほとんど同じであり、接合時にバンプが容易に変
形するため、アルミ電極表面の酸化膜を破壊する効果は
小さい。アルミ表面の酸化膜が厚い場合等は接合強度を
確保することが困難であり、良好な接合性を得るために
は接合条件の厳密な検討が必要となる。そこで、Ｃｕ，
Ａｇ，Ｐｄ，Ｉｎを適量添加することにより、Ｍｎ元素
の単独添加よりも硬度が上昇し、ボール作製時の酸化も
少ないため、アルミ電極との接合強度が上昇する。接合
性を向上するための含有量としては、Ｃｕを５〜１００
重量ppm 、Ａｇを５〜１００重量ppm 、Ｐｄを５〜１０
０重量ppm 、Ｉｎを５〜５０重量ppm から選ばれる１種
または２種以上を総計で１０〜２００重量ppm の範囲で
ある。含有量を上記範囲とした理由は、１０重量ppm 未
満では接合強度の上昇効果は小さく、２００重量ppm を
超えると凝固したボールの真球度が低下するため、半導
体素子上の電極間距離の短ピッチ化に対応するために好
ましい微細球の作製が困難となるためである。また、そ
れぞれの元素でみると、Ｃｕ，Ａｇ，Ｐｄが１００重量
ppm を超えた場合、またはＩｎが５０重量ppm 超の場合
は、加工硬化が大きくなりボール変形が小さく、十分な
接合強度が得られない。

【００１４】

【実施例】以下に、本発明の球形バンプの製造方法およ
び球形バンプの基本的特性を、実施例により具体的に説
明する。純度が約９９．９５重量％以上の電解金を用い
て純度が９９．５重量％以上のＭｎとＣｕ，Ａｇ，Ｐ
ｄ，Ｉｎを所定量加え、高周波真空溶解炉で溶解鋳造
し、表３に示す化学成分の金合金を得た。その鋳塊を圧
延した後に常温で伸線加工を行い、最終線径が２５μｍ
の金合金細線とした後に、一定長さ４５０μｍに切断し
た。これらの微細金属線片を、縦に配置した炉芯管中を
自由落下させて溶融することにより、直径が７５μｍの
球形バンプを作製した。球形バンプはＴＡＢテープのリ
ード先端部に熱圧着した後、バンプを介してＩＣチップ
のアルミ電極部上で熱圧着による接合工程に供する。電
極膜の材質は、純アルミである。

【００１５】金合金球を走査型電子顕微鏡で観察し、ボ
ール表面に酸化膜が形成されることにより、半導体素子
上の電極に良好な接合性が得られないものを×印、酸化
膜の形成は認められないがボール形状が真球でないもの
を△印、良好なものを○印にて評価した。接合強度は、
治具を電極から３μｍ上方で平行に移動してボール接合
部を煎断破断させ、破断時の荷重を１００本測定したシ
ェア強度により評価した。

【００１６】金バンプをアルミ電極に接合し、さらにエ
ポキシ樹脂で封止した半導体素子を、大気中において２
００℃で３００時間加熱処理した。接合部の中心を通る
断面まで垂直研磨し、接合界面に成長した金とアルミの
金属間化合物層の腐食を観察した。灰色の金属間化合物
層は腐食進行に伴い褐色に変化する。従って、容易に識
別可能であることを利用して、接合部における金属間化
合物の腐食の進行を調べた。金属間化合物の腐食進行と
しては、研磨断面において腐食領域長さ（ｂ）が金属間
化合物層成長の長さ（ａ）に占める割合で評価したもの
であり、腐食部が占める割合（ａ／ｂ）を３０個のバン
プで平均した値が、５％以下では腐食の抑制が顕著であ
ると判断して○印、４０％以上で腐食が顕著なものは×
印、その中間である５〜４０％のものは△印で表記し
た。

【００１７】表１および表２にＭｎの添加効果を示す。
本発明範囲にＭｎを添加した表１により接合部における
化合物層の腐食が抑制されており、長期信頼性が向上し
ている。一方、Ｍｎ量が本発明範囲外である表２に示す
比較例Ａでは、Ｍｎ添加量が本発明範囲未満では腐食抑
制効果は小さく、Ｍｎを過剰に含有する場合にはボール
形状の不良が現れる。

【００１８】

【表１】

【００１９】

【表２】

【００２０】表３に本発明例を示し、表４に比較例を示
した。アルミ電極表面の酸化膜が厚いと接合性は低下す
る。そこで、表３，表４の接合強度というのは、アルミ
酸化膜が５０００オングストローム以上の厚いアルミ電
極上にバンプを接合した場合のシェア強度の測定結果で
ある。Ｃｕ，Ａｇ，Ｐｄ，Ｉｎを本発明の成分範囲で含
有することにより高い接合強度が得られる。しかし、こ
れらの元素が本発明の範囲より少ない比較例６，９，１
１等では接合強度が低く、過剰に添加した比較例７，
８，１０等ではボール形状の不良がみられる。

【００２１】

【表３】

【００２２】

【表４】

【００２３】

【発明の効果】以上、本発明に関わる金合金の微細球
を、半導体素子上の電極部と接合するためのバンプとし
て使用することにより、高温条件下において接合部にお
ける金属間化合物の腐食を抑制して接合部信頼性が向上
し、加えて、高い接合強度を容易に得ることができる。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量ppm で、 Ｍｎ：５０〜５０００ppm の範囲で含有し、さらに Ｃｕ：５〜１００ppm 、 Ａｇ：５〜１００ppm 、 Ｐｄ：５〜１００ppm 、 Ｉｎ：５〜５０ppm から選ばれる１種または２種以上を総計で１０〜２００
   ppm の範囲で含有し、 残部金および不可避不純物からな
   ることを特徴とする微細金属球。