JPH054809B2 - - Google Patents

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【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、はんだバンプを形成した半導体装置
とその製造方法に関するもので、特にAl若しく
はAl合金から成る電極配線パターン（以下単に
Al電極という）上に下地金属を用いないで直接
はんだバンプを形成する場合に使用されるもので
ある。

（従来の技術） 半導体装置のワイヤレスボンデイング技術とし
て、TAB（Tape Automated Bonding）方式、
フリツプチツプ方式、或いはCCB（Controlled
Collapse Bonding）方式等が知られている。こ
れらの方式では通常半導体チツプの電極上にAu
或いははんだ等から成る金属バンプが形成され、
チツプ電極はバンプを介して金属コネクタ或いは
インナーリードに接続され、外部に取り出され
る。バンプ金属として、安価なPb−Snはんだの
使用が増加している。

第８図に、Pb−Snはんだを使用したバンプの
従来例を示す。同図において、Si基板１上に
SiO₂膜等の絶縁膜２を介して、Al又はAl合金等
から成る電極３が形成され、次に全面にSiN膜等
のパツシベーシヨン絶縁被膜４を被覆した後、そ
の絶縁被膜４を選択的にエツチングして、Al電
極３を露出させる。露出した電極３上にはCr，
Ni，Mo，Cu，Au，Ag等から成る下地金属５が
形成される。次に下地金属５上にははんだバンプ
６が通常めつき又は蒸着により形成される。

上述のように、Al又はAl合金から成る電極上
にはんだをバンプ設けた従来の半導体装置とその
製造方法では、Al電極とはんだバンプとの接合
性を改善するため、その間に下地金属を介在させ
る必要があり、又電極部以外の部分に、はんだ金
属がめつき或いは蒸着されないようにマスクを形
成しなければならない等、工程が煩雑となる欠点
がある。この欠点を解決するため、特開昭62−
104143号にも開示されているように、下地金属を
用いないで、溶融はんだに超音波を印加してAl
又はAl合金等から成る電極表面の自然酸化膜を
破壊しながらはんだ付けにする方法があり、上記
半導体装置のワイヤレスボンデイング技術として
注目されている。

この方法の原理は次のように説明される。即ち
Al又はAl合金等から成る電極部に溶融はんだを
接触させ、この溶融はんだに超音波を印加する
と、超音波の稀薄化位相では溶融はんだ内に金属
蒸気の気泡が発生し、次の圧縮化位相でこの気泡
は潰され消滅する。この高圧の気泡が破壊する
時、Al電極表面に強い衝撃を与え、これにより
Al電極表面の自然酸化膜が破壊されるとともに、
露出したAl電極の新生面に選択的にはんだ付け
が行なわれる。このようにして、Al又はAl合金
等から成る電極上に、下地金属を用いないで、直
接接合したはんだバンプが形成される。具体的な
手段としては、基板をはんだ槽内の溶融はんだ内
に浸漬（デイツプ）し、超音波振動子を挿入し
て、溶融はんだに超音波を印加するか、又は溶融
はんだ槽自体を超音波振動させて、溶融はんだに
超音波を印加してもよい。又超音波振動できるは
んだごてを用い、電極に溶融はんだを接触させる
と同時に、溶融はんだに超音波を印加してもよ
い。これらを総称して以下単に超音波はんだ付け
法と記す。はんだ組成にSnを含むはんだであれ
ば、この超音波はんだ付け法により、Al又はAl
合金上に、直接はんだバンプを形成することが可
能とされている。

しかしながら、この方法は簡略であるがSn系
はんだを用いるために次に述べる基本的な問題が
存在し、半導体工業等の分野で応用し得る程確立
されたものではなかつた。即ち第１の問題は、
Al−Sn合金層の形成の問題であり、第２の問題
は、溶融はんだによるAlもしくはAl合金から成
る母材の溶食現象の問題である。これらの問題点
について更に詳しく説明する。

第１の問題は、例えばSn系はんだとしてPb−
Sn共晶はんだを用いて、Alから成る電極上に直
接はんだバンプを形成した場合、Alとはんだの
間にAl−Sn合金層が形成される。このAl−Sn合
金層とAlとの間に電位差が存在し、寄生電池
（共晶電池と呼ばれることもある）が構成され、
これによりAlの腐食を引き起こす。このAl−Sn
合金層は高温（約100℃以上）に保持されると、
更に成長し、Alの腐食を伴つて、はんだとAl間
の接合強度を著しく低下させる原因となつてい
た。特にはんだバンプを形成後、電極取出しのた
めのインナーリードや金属コネクタ等を、はんだ
バンプを再溶融してこれに接続する工程において
は、はんだのPb−Sn組成比に拘らず前記合金層
の著しい成長がみられ、はんだとAl間の接合強
度は極めて不十分なものとなる。

第２の問題である溶融はんだにAlが接触した
時、はんだにAlが溶け込むいわゆるAlの溶食現
象も、はんだのPb−Sn組成比に拘らず、かなり
進行が速い。超音波はんだ付け法ではんだバンプ
を形成する時の処理時間は、通常数秒以下の短時
間で行なえるので、前記Alの溶食現象は、許容
できる程度とすることができる。しかしながら後
工程でインナーリードなどをバンプに接続するた
め、はんだを再溶融させた場合、高温に保持され
る時間が数十秒以上となると、Alの溶食現象も
著しく進行する。このためバンプを形成すべき電
極部分以外のAlをはんだが溶食してしまい、選
択的に精度よくはんだバンプを形成することは極
めて困難であつた。又、一般に半導体チツプの最
上層には、チツプ保護のため例えばSiNから成る
トツプパシベーシヨン膜が設けられるが、この
SiN膜がAl電極上に形成されている場合、この膜
をブロツク膜として前記はんだバンプを形成する
ことができる。この場合に前記溶食現象が進行し
て、SiN膜下のAl電極部分にまではんだが侵入す
ると、SiN膜は亀裂を生じ、トツプパシベーシヨ
ン膜としての保護機能を果たすことができなくな
る。

（発明が解決しようとする課題） 前述のように、Alを主成分とする電極配線パ
ターン上に下地金属膜を介してはんだバンプを形
成する従来技術では、工程が煩雑となり、生産性
も良くないという課題がある。又超音波はんだ付
け法によりSn系はんだを使用し、直接Al電極上
にはんだバンプを形成することは可能であるが、
従来技術ではAl−Sn合金層の形成とAlの溶食現
象が存在し、バンプ形成後の金属コネクタ或いは
インナーリード接続工程等高温状態にさらされる
と、Al−Sn合金層の成長、溶食現象の進行が避
けられず、信頼性の高いはんだバンプが得られな
いという課題がある。

本発明者らは、これらの課題を解決するため、
Pb−SnにAgを添加したAg含有のはんだを使用
する超音波はんだ付け法について実験を行なつ
た。このAgの存在によつて、Ag₃Al（Ag₂Al）合
金層が形成され、Al−Sn合金層の生成を防ぐこ
とができた。しかしながら、このAg−Al合金層
は脆弱であり、Al−Sn合金層と同様、はんだバ
ンプを再溶融させると、この脆弱なAg−Al合金
層の成長によつて十分な接合強度を維持できない
ことが確認され、前記課題を解決することができ
なかつた。

本発明の目的は、前記課題を解決し、Alを主
成分とする電極配線パターン上に、直接且つ容易
にはんだバンプが形成でき、しかる後に金属コネ
クタ或いはインナーリードのはんだ付け接続が可
能であり、更に高温状態に保持されても、十分に
はんだとAl間の接合強度が維持できる構成を有
し、これにより高い信頼性と生産性とが得られる
はんだバンプ形半導体装置とその製造方法とを提
供することである。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段とその作用） 本発明の特許請求の範囲第１項記載（第１請求
項と略記する）の半導体装置は、Alを主成分と
する電極配線パターン（単にAl電極と略記する
こともある）上に、はんだ組成がZnを含みSn、
Pb及びAlのうちから選ばれた元素とから成る第
１はんだバンプを、直接形成して成るはんだバン
プ形半導体装置である。なお前記Alを主成分と
するとは、AlもしくはAl中に例えば数％以下の
SiやCu等が添加されたものである。

第１はんだバンプの組成にZnを含ませること
により、Al電極とはんだの界面にAl−Zn合金層
を形成し、接合強度を十分な値とすることができ
ると共に、バンプ形成後のその他の工程におい
て、該バンプを再溶融したり、高温状態に保持し
ても例えば有害なAl−Sn合金層の生成は抑えら
れ又Alの溶食現象も大幅に軽減され、Al電極と
第１はんだバンプ間の接合強度は劣化することな
く、十分な値を維持できる。

また第１請求項に係る半導体装置は、第１はん
だバンプ上に、該バンプより低い融点を持ち且つ
Znを含まない第２はんだバンプを積層した２段
積層はんだバンプを具備する。

この２段積層はんだバンプを具備する半導体装
置では、第２はんだバンプの形成温度を第１はん
だバンプの融点以下とすることができる。従つて
第１はんだバンプを再溶融させないで第２はんだ
バンプを積層することができるので、第１はんだ
バンプによるAlの溶食現象は進行せず、Znが第
２はんだバンプに混入することもなく、十分な高
さの第２はんだバンプを形成できる。この後第２
はんだバンプのみ再溶融して、電極取出し用金属
コネクタのはんだ接合を行なうが、第２はんだバ
ンプ中にはZnを含まないので、第２はんだバン
プの流動性は良好であり、且つ表面にZnの酸化
物が生成されないので、コネクタ金属に対する第
２はんだバンプの濡れ性は極めて良好で、信頼性
の高いはんだ接合が容易に得られる。

また第１請求項に係る半導体装置は、第１はん
だバンプのはんだ組成に含まれるZnが１ないし
10質量％（重量％と等価で以下単に％と記す）の
はんだバンプ形半導体装置である。

施工結果によれば、Znの含有量が１％以下の
場合には、Al電極とはんだバンプとの接合強度
が不足するおそれがあり、更にSn系はんだの場
合には、Al−Sn合金層の生成防止が不十分とな
る。一方Znが10％以上の場合には、後工程で第
１はんだバンプと金属コネクタ或いはインナーリ
ードとを接続するため、該バンプを再溶融した時
に、はんだの流動性が悪くなり、コネクタ金属と
のはんだの濡れ性が悪くなるので好ましくない。

第２請求項に係る半導体装置は、第１はんだバ
ンプのはんだ組成がPb、Sn及びZnの合金であ
り、且つPbが50％以上含まれている第１項記載
のはんだバンプ形半導体装置である。

第１はんだバンプのはんだ組成がPb、Sn及び
Znから成る場合において、Pbの組成比を増加し
てゆくと、溶融はんだによるAlの溶食速度が遅
くなる傾向にある。前述の通り、第１はんだバン
プに金属コネクタを接続する後工程で、第１はん
だバンプは再溶融されるが、Pbの組成比を50％
以上とすれば、この後工程における再溶融時間と
温度との制御が容易になる。

第３請求項に係る半導体装置は、第１はんだバ
ンプのはんだ組成が、Al及びZnの合金である第
１項記載のはんだバンプ形半導体装置である。

Al及びZnから成る第１はんだバンプとAl電極
との界面にはAl−Zn合金膜が形成され、所望の
接合強度が得らえる。このはんだの融点は、Sn
系はんだの融点よりも高く、第１はんだバンプ形
成後のその他のはんだ付け工程におけるはんだ材
の選択、温度制御が比較的容易となる。

第４請求項に係る本発明の半導体装置の製造方
法は、第１請求項記載のはんだ組成を持つ溶融は
んだを前記Al電極に接触させ、且つこの溶融は
んだに超音波を加えて、Al電極上に直接第１は
んだバンプを形成する工程を具備するはんだバン
プ形半導体装置の製造方法である。

第１はんだバンプを形成する工程において、溶
融はんだに超音波振動を加えることにより、これ
に接触するAl電極上の自然酸化膜等の汚染被膜
は、前述のように超音波の作用により破壊もしく
は剥離され、Alの新生面が露出し、この新生面
にAl−Zn層が形成され、はんだ接合が行なわれ、
Al電極上に直接第１はんだバンプを形成するこ
とができる。

本発明の半導体装置の製造方法は、また、第１
バンプ形成工程後、第１はんだバンプ上に、はん
だ組成が亜鉛を含まない第２はんだバンプを積層
する工程を含むものである。

この第２はんだバンプを積層する工程で、Zn
を含まないはんだを使用することにより、後工程
における電極取出し用金属コネクタとのはんだ付
けで、コネクタ金属へのはんだの濡れ性を良く
し、信頼性の高いはんだ接合が得られる。

本発明の半導体装置の製造方法は、また、第２
はんだバンプを積層する工程において、第１はん
だバンプの融点より低い温度で且つ第１はんだバ
ンプを実質的に再溶融させないで積層するもので
ある。

この積層工程中、第１はんだバンプは再溶融さ
れず固相状態に保たれているので、第１はんだバ
ンプによるAl電極の溶食現象は進行せず又Al電
極と第１はんだバンプとの接合強度は維持され
る。更に後工程の金属コネクタ接合時にも、第１
はんだバンプを再溶融せず、第２はんだバンプと
金属コネクタとの接合が可能となる。

（実施例） 本発明の第１、第３、第４及び第６請求項を電
力用バイポーラトランジスタに適用した１つの実
施例について、第１図ないし第４図を参照して以
下説明する。

第１図は上記はんだバンプ形電力用バイポーラ
トランジスタチツプの模式的断面図である。公知
の方法により、コレクタ領域となるシリコン半導
体基板１１の一方の主面上に、不純物選択拡散技
術を用いてベース領域１２及びエミツタ領域１３
を形成する。本実施例ではチツプ寸法が10mm×10
mmと大きい大電力用トランジスタであり、大面積
のチツプ内を流れる電流を均一化する目的でエミ
ツタ１３は複数個の領域に分割して形成する構造
となつている。該ベース、エミツタ領域が基板に
露出する表面を熱酸化膜１４で覆い、それぞれの
領域の電極取出し用の開孔を光蝕刻法を用いて形
成する。このとき分割された複数個のエミツタに
対して各々開孔が設けられている。引続きAlを
蒸着して、エミツタ電極配線パターン１５Ｅ及び
ベース電極配線パターン１５Ｂを形成する。しか
る後に絶縁被膜（SiN膜）１７で前記Al電極配線
パターン（以後Al電極と略記）１５（１５Ｅ，
１５Ｂ）を覆い、次にAl電極引出し予定部分の
絶縁被膜１７を光蝕刻法により選択的に除去開口
して、Al電極１５を一部を露出させる。一方半
導体基板１１の他方の主面（図面では下方）に
は、コレクタの電極を取出す目的で、Ni層１６
がシリコン基板１１とオーミツクに接触するよう
に形成される。

以上のように公知の方法により用意されたシリ
コンウエーハ６１のAl電極の前記露出部分に直
接、第４図に示すような超音波はんだ付け装置を
用いて第１はんだバンプ１８（１８Ｅ，１８Ｂ）
を形成する。第４図において、はんだ槽５１内に
は、はんだの還流路５２が形成され、溶融はんだ
５３が収容されている。この溶融はんだ５３は、
図示しないモーターにより回転される撹拌器５４
により還流器５２内を通つて液面より上に噴出し
て還流する。前記シリコンウエーハ６１は図示し
ない保持具により支持され、噴出している溶融は
んだ５３に浸漬（デイツプ）される。又シリコン
ウエーハ６１近傍の溶融はんだ５３中に超音波振
動子５５を挿入して溶融はんだ５３に超音波を印
加する。

この実施例では、Zn5％、Sn5％、Pb90％から
成るはんだを使用する。又超音波振動子５５によ
り周波数20kHz、出力80Wの超音波を印加し、シ
リコンウエーハの浸漬時間は１秒間とした。この
はんだ付け作業中、周囲に窒素ガスを10／分の
流量で流し、電極の構成元素であるAl及びはん
だ成分のSn、Znの酸化を防止した。特にZnが溶
融はんだ槽の液面では酸化し易く、シリコンウエ
ーハを溶融はんだ槽から引き出す時に、はんだバ
ンプ表面にこの酸化物を付着させてしまうと、後
工程のはんだ付けに際し障害となるので注意が必
要である。

この超音波はんだ付けによつて、Al電極上に
約80μｍの高さの第１はんだバンプ１８（１８
Ｅ，１８Ｂ）が形成され、同時に基板の他方の主
面のNi層１６上にもはんだ層１９が形成される。
Ni層１６上にはんだ層が形成されない方が好ま
しい場合には、はんだ槽に浸漬する前に、あらか
じめNi層１６上にポリイミド等を用いてマスク
膜を形成しておいてもよい。

このようにしてはんだバンプが形成されたシリ
コンウエーハをダイシングして、第１図に示すよ
うな半導体チツプ１１が得られる。ダイシングに
は通常のブレードダイシング法が適用できるが、
他方の主面のNi層１６上にもはんだ層を同時形
成した場合には、該はんだ層の平坦度が良くない
ので、粘着シートに貼り付けた後にブレードダイ
シングした方が良い。

次に第２図を参照し、前記半導体チツプ１１及
び電極取出し金属部材をセラミツク基板２１に搭
載する組立工程について説明する。同図に示すよ
うに、あらかじめセラミツク基板２１上に３個の
金属（Cu）板２２，２３，２４を固着させた部
品を準備する。次に半導体チツプ１１のコレク
タ・Ni層１６を、はんだ層１９又は別のはんだ
を新たに介在させて、金属板２２にはんだ付けす
る。次に半導体チツプ１１のエミツタ・第１はん
だバンプ１８Ｅと金属板２３、及びベース・第１
はんだバンプ１８Ｂと金属板２４を、それぞれ金
属コネクタ（Cu）２５及び２６により、はんだ
接続する。次に金属板２２，２３及び２４のそれ
ぞれにアウターリード金属板２８，２９及び３０
の１端をはんだ付けするとともに、セラミツク基
板２１の下面を放熱用金属板３１（第３図参照）
にはんだ付けする。これら一連のはんだ付け作業
は、リフロ（reflow）炉（熱処理炉）で同時に
行なうこともできる。しかる後に、第３図に示す
ように、樹脂ケース３２を取り付け、アウターリ
ード金属板の他端が外に出るようにして樹脂ケー
ス３２内に樹脂３３を充填し、加熱硬化させて封
止し、はんだバンプ形半導体装置５０が得られ
る。

上記本発明の半導体装置５０においては、溶融
はんだに超音波を印加して、Al電極に直接はん
だバンプを形成するので、従来の下地金属膜を介
してはんだバンプを形成する場合に比し、工程は
簡単で且つ容易となる。又従来のSn系溶融はん
だに超音波を印加して、Al電極に直接はんだバ
ンプを形成した場合のAl−Sn合金層の形成及び
これによる共晶電池の生成という従来技術の課題
は、はんだバンプの組成に５％のZnを含有させ
ることにより回避できた。又はんだバンプ形成
後、金属コネクタ接続等の再溶融を含む過熱によ
り、Al−Sn合金層が成長して接合強度を劣化さ
せたり、はんだによるAl電極の溶食現象を進行
させるという課題も、はんだ組成にZnを含ませ
ることにより大幅に抑えることができる。これら
はAl電極とはんだバンプとの界面にAl−Zn合金
層が形成され、該膜によりAl電極と溶融はんだ
の相互作用は抑えられるものと推定される。又
Al−Sn合金層の生成を防ぐため、Agを含むSn系
はんだを用い、界面に脆弱なAl−Ag合金層を形
成する場合に比し、Al−Zn合金層を形成する本
発明では、十分な接合強度が得られる。結果とし
て生産性が良く、信頼性の高い半導体装置の製造
を初めて可能にした。

上記の実施例の半導体装置は、いわゆる大電力
トランジスタモジユールと称されるもので、通常
数十アンペアの電流のスイツチング素子として用
いられる。従来この種の大電力トランジスタは、
多数のAl金属細線（≦500μｍφ）をエミツタAl
電極と電極取出し金属板との間に超音波ワイヤボ
ンデイングにより接続し、数十アンペアの通電能
力を得ている。しかしながら、何等かの故障発生
時には数百アンペアの大電流が流れることがあ
り、この大電流によつて半導体チツプのAl電極
と前記Al金属細線との超音波ボンデイング接合
部は容易に離れてしまう。通常該トランジスタは
エミツタ接地で、しかもコレクタとエミツタ間に
は数百ボルトが印加されて用いられるので、エミ
ツタのAl金属細線が前記接合部から離れると、
そこにアークが発生してAl金属細線は容易に溶
断してしまう。更にこの溶断したAl金属細線と
チツプのAl電極間でアークが発生し、ケース内
温度が異常に高まり、ケースが爆発飛散する事故
に至つてしまう。

このような従来の金属細線ワイヤボンデイング
法を用いて製造された大電力トランジスタモジユ
ールでの問題点を本発明の実施例による大電力ト
ランジスタモジユールでは解消されている。即ち
はんだバンプを介して半導体チツプのAl電極と
金属コネクタとを接続する（はんだ電極化と略
記）ことにより、その接合は強固となり、前記故
障時の大電流によつても離れることはなく、従つ
てアークが発生することがない。一般にAl電極
は、Si基板との良好なオーミツク接触特性を持
ち、且つ選択蝕刻特性が良く、細い電極配線パタ
ーンの形成が容易であるという特徴を持つている
が、前記の本発明の半導体装置では、これらすぐ
れた特徴を持つAl電極形成に従来の半導体チツ
プ製造プロセスをそのまま用いて、その後下地金
属のめつきもしくは蒸着、そして難しい選択蝕刻
等の煩雑な工程をとることなく、容易に高信頼性
のはんだ電極化が達成される。

次に本発明の第一のポイントであるはんだ組成
について説明する。

前記実施例ではZn5％、Sn5％、Pb90％の組成
のはんだを用いたが、必ずしもこの組成である必
要はない。本発明者らの実験によれば、第１はん
だバンプのはんだ組成はSn（５〜95）％、Zn（１
〜10）％、Pb（残部）であれば、Al電極上にはん
だバンプが形成でき、はんだバンプの再溶融も、
Al電極とはんだバンプ間の接合強度は十分な値
が維持されていることが確められている。なおこ
の確認は、はんだバンプ部を再溶融して金属コネ
クタの取り付けた後、Al電極とはんだバンプと
の接合面に対し垂直方向に引張り試験を行ない確
認した。このとき前記十分な接合強度とは、はん
だ中の合金層界面での剥離や、はんだのせん断が
生じることなく、Siチツプの基板表面がシエルク
ラツクを起こしたことを意味している。Znが10
％以上の場合には、金属コネクタ取付けのための
再溶融時に、はんだの流動性が悪くなりコネクタ
金属とのはんだの濡れ性が悪くなるので好ましく
ない（第３請求項）。

又Snが５％以上含まれておれば、Pbは前記接
合強度の面では含有されていなくてもよいが、
Zn−Snはんだとした場合には、溶融はんだによ
るAl電極の溶食速度がやや速く、再溶融時間と
温度の厳しい制御が必要とされる。Pbの組成比
を増加させるに従い、このAl溶食速度が遅くな
る傾向にあり、Pbの組成比を50％以上、即ちZn
（１〜10％）、Sn（５〜45％）、Pb（50％以上の残
部）とした方が、後の再溶融工程の制御が容易に
なる。

次に本発明の第２実施例について第５図を参照
して以下説明する。なお第１図と同符号は同一部
分又は対応部分を表わす。第５図は、はんだバン
プを第１及び第２はんだバンプの２段積層にした
例を示す半導体チツプの模式的断面図である。半
導体シリコンウエーハにAl電極１５（１５Ｅ，
１５Ｂ）を形成し、はんだ組成がPb90％、Sn5
％、Zn5％の第１はんだバンプ１８（１８Ｅ，１
８Ｂ）を形成するまでは前記実施例（以後第１実
施例と記す）と同様である。第１はんだバンプ１
８を形成した後、引続き第１はんだバンプより融
点の低いPb−Sn共晶はんだを第１はんだバンプ
上に積層して第２はんだバンプ４１（４１Ｅ，４
１Ｂ）を形成し、同時にチツプ裏面のコレクタ電
極側にはんだ層４２を形成する。この実施例では
１mm×2.5mmのAl電極露出面上に第１はんだバン
プ１８を約30μｍの高さに形成し、第２はんだバ
ンプ４１の高さを約150μｍの高さに形成した。

第２はんだバンプ形成の温度を、第１はんだバ
ンプの融点以下で行なつているので、第２はんだ
バンプ形成中に、第１はんだバンプは再溶融せ
ず、従つて第１はんだバンプによるAl電極の溶
食現象が進行することがない。このため第２はん
だバンプの高さを約150μｍという十二分な厚さ
に形成することができ、後の金属コネクタの取付
けが容易となつた。

以降の組立て工程は、ほぼ第１実施例と同様に
して行なう。特に第２はんだバンプへの金属コネ
クタの取付けに際し、第１はんだバンプの融点以
下で行なうことができ、この時第２はんだバンプ
は、その組成にZnを含まない構成としているの
で、第２はんだバンプの流動性は極めて良好であ
り、且つその表面にZnの酸化物が生成される心
配がないので、雰囲気に格別の留意をする必要も
ない。結果として良好なはんだ付け接合をフラツ
クス等を用いることなく、容易な作業で行なうこ
とができる。

次に本発明の第３実施例として、前記第２実施
例の第２はんだバンプ４１のはんだ組成を、Ag
を含むPb−Snはんだとした例について第６図を
参照して以下説明する。

第１実施例で示したように、半導体チツプが10
mm×10mmというように大面積の場合、チツプ裏面
のコレクタ・Ni層１６と、このチツプをはんだ
を介して支持する金属板２２（第２図参照）との
熱膨脹の差異によりはんだストレスが加わり、こ
のストレスの繰返しによりはんだの脆化が生じる
ことがある。このため特に大面積のチツプを金属
板上にはんだ付けして支持する場合には、そのは
んだ組成に留意しなければならない。一般的に
は、Ag又はCuを含むPb−Snはんだを用いるこ
とで、この脆化に対する耐量が向上することが知
られている。

第３実施例はこの耐量向上にも配慮したもので
ある。即ち第２実施例において、第１はんだバン
プ形成時に、あらかじめコレクタ電極となるNi
層１６をポリイミド等の樹脂で被覆しておき、第
１はんだバンプ形成工程ではんだが付着するのを
防止する。次に前記マスク用樹脂を除去した後、
第２はんだバンプ４３（４３Ｅ，４３Ｂ）を形成
し、同時にコレクタ電極側のNi層１６上に、第
２はんだバンプ４３とはんだ組成が等しいAg1.5
％、Sn5％、Pb（残部）のはんだ層４４を付着さ
せる。

次に本発明の第４実施例として、第１はんだバ
ンプのはんだ組成をAl−Znとした場合について
第７図を参照して以下説明する。

この実施例ではZn（１〜10）％、Al（残部）の
はんだを使用したが、このはんだの融点は380℃
とやや高いので、はんだ槽５１の温度を400℃に
設定することにより、超音波はんだ付け法でAl
電極１５上に直接第１はんだバンプ４８（４８
Ｅ，４８Ｂ）を形成することが出来る。均一性良
く制御できるはんだバンプの高さは10μｍ程度で
あつた。この時、コレクタ電極側にAl−Znはん
だが付着しないよう、Ni層１６を形成する以前、
即ちシリコン面の状態で第１はんだバンプを形成
した。しかる後にチツプ裏面のコレクタ電極側に
スパツタ法によりNi層１６を形成し、引続き第
２はんだバンプ４５（４５Ｅ，４５Ｂ）を形成し
た。この実施例では、はんだ組成がAg1.5％、
Sn5％、Pb（残部）のはんだを使用して第２はん
だバンプ４５を形成した。これによりベース、エ
ミツタのAl電極上にはAl−Zn及びPb−Sn−Ag
のはんだ組成を持つ２つの積層されたはんだバン
プが形成され、コレクタ・Ni層１６上にはPb−
Sn−Agはんだ層４６が形成される。以下の工程
は第１実施例とほぼ同様にして半導体装置が組み
立てられる。

以上説明したように本発明の半導体装置では、
第１はんだバンプのはんだ組成にZnを含有して
いるので、Al電極と第１はんだバンプとの接合
の信頼性は高く、125℃で1000時間放置した後で
もAl電極とバンプ間の接合強度は十分な値に維
持されていることが、実験により確認されてい
る。

第１ないし第４実施例では、半導体装置として
電力用バイポーラトランジスタを取り上げ説明し
たが、これに限られるものではない。即ち半導体
基板の主面上のAl電極は、一般的な手法で形成
されたものであり、Al電極部さえ形成されてい
れば、ダイオード、サイリスタ、GTO更にはIC
等何であつても良い。又Al電極の下にTi膜等が
積層されていたり、Al中にSiやCu等が添加され
たものであつても良いことは勿論である。

又前記実施例においては、第１はんだバンプの
はんだ組成がZn−Sn−Pb及びZn−Alである場合
について説明したが、第１はんだバンプの組成
が、Znを含みSn、Pb、Alのうちから選ばれた元
素から成る例えばZn−Sn等であつても本発明を
適用できる。

［発明の効果］ これまで詳述したように、本発明のはんだバン
プ形半導体装置とその製造方法によれば、半導体
基板上のAl電極にZnを含む前記組成の溶融はん
だを接触させ、該溶融はんだを超音波を印加して
はんだ付けするので、十分な接合強度を有する第
１はんだバンプがAl電極上に直接且つ容易に形
成でき、しかる後に金属コネクタ或いはインナー
リードのはんだ接続が可能であり、更に高温状態
に保持されても十分にはんだバンプとAl電極間
の接合強度が維持できる。更に所望により、はん
だバンプが、Znを含まず且つ融点が第１はんだ
バンプより低い第２はんだバンプを積層した構造
の場合には、上記本発明の効果は更に倍加され、
より確実となる。本発明により、高い信頼性とす
ぐれた生産性を有するはんだバンプ形半導体装置
とその製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の半導体装置の模
式的チツプ断面図、第２図は第１図の半導体チツ
プ及び金属コネクタ等の組立配置を示す斜視図、
第３図は第２図の組立体を外囲器に封入した半導
体装置の斜視図、第４図は本発明の半導体装置の
製造方法を説明するための超音波はんだバンプ形
成装置の概念図、第５図ないし第７図は本発明の
第２ないし第４実施例の半導体装置の模式的チツ
プ断面図、第８図は従来の半導体装置のはんだバ
ンプ形成部分の断面図である。 １１……半導体基板、１１……半導体チツプ、
１５（１５Ｅ，１５Ｂ）……Alを主成分とする
電極配線パターン（Al電極）、１６……コレク
タ・Ni層、１７……絶縁被膜（SiN膜）、１８
（１８Ｅ，１８Ｂ），４８（４８Ｅ，４８Ｂ）……
第１はんだバンプ、１９，４２，４４，４６……
コレクタはんだ層、２５，２６……金属コネクタ
（Cu）、４１（４１Ｅ，４１Ｂ），４３（４３Ｅ，
４３Ｂ），４５（４５Ｅ，４５Ｂ）……第２はん
だバンプ、５０……はんだバンプ形半導体装置、
５３……溶融はんだ、５５……超音波振動子、６
１……シリコンウエーハ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体基板の一方の主面上に形成されたアル
   ミニウムを主成分とする電極配線パターンと該電
   極配線パターン上に直接形成された第１はんだバ
   ンプと、該第１はんだバンプ上に積層された第２
   はんだバンプとを有し、該第１はんだバンプのは
   んだ組成が、１ないし10質量％の亜鉛を含みす
   ず、鉛及びアルミニウムのうちから選ばれた元素
   との合金であり、該第２はんだバンプの融点は第
   １はんだバンプの融点よりも低く、且つ第２はん
   だバンプのはんだ組成に亜鉛を含まないことを特
   徴とするはんだバンプ形半導体装置。 ２ 第１はんだバンプのはんだ組成が、鉛、すず
   及び亜鉛の合金であり、且つ鉛が50質量％以上含
   まれている特許請求の範囲第１項記載のはんだバ
   ンプ形半導体装置。 ３ 第１はんだバンプのはんだ組成が、アルミニ
   ウム及び亜鉛の合金である特許請求の範囲第１項
   記載のはんだバンプ形半導体装置。 ４ 半導体基板の一方の主面上にアルミニウムを
   主成分とする電極配線パターンを形成する工程
   と、該電極配線パターンを絶縁被膜で覆う工程
   と、該絶縁被膜を選択的に蝕刻開孔して前記電極
   配線パターンを露出する工程と、はんだ組成が、
   １ないし10質量％の亜鉛を含み、すず、鉛及びア
   ルミニウムのうちから選ばれた元素の合金である
   第１はんだバンプを前記露出電極配線パターン上
   に直接、溶融はんだに超音波を印加して形成する
   工程と、第１はんだバンプ上にはんだ組成が亜鉛
   を含まない第２はんだバンプを、第１はんだバン
   プの融点より低い温度で且つ第１はんだバンプを
   実質的に再溶融させないで積層する工程とを有す
   ることを特徴とするはんだバンプ形半導体装置の
   製造方法。