【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハイブリッドＩＣやアキシャルダイオードなどの半導体装置の組立てに用いられる半田クラッド片に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ハイブリッドＩＣやアキシャルダイオードなどの半導体装置の組立てにおいて、鉄、ニッケルおよび銅からなる群から選ばれる少なくとも１種を主成分とする合金からなる条材を基材として、該基材の両面に、鉛または錫を主成分とする半田をクラッドした後に、プレス成型によって打ち抜いて、小片とした半田クラッド片を製造する。
【０００３】
半田クラッド片は、シリコンチップとセラミック基板の間のヒートシンク材料として、あるいはシリコンチップと外部リードの接続材料として用いられる場合がある。
【０００４】
たとえば、厚さが０．３〜１．０ｍｍ程度の無酸素銅を基材として、該基材の両面に鉛または錫を主成分とし、厚さが２０〜４０μｍ程度の半田をクラッド法によって被覆し、その後、一辺の長さが２．５〜１０ｍｍの正方形状にプレス加工して、半田クラッド片を製造する。得られた半田クラッド片は、ハイブリッドＩＣのセラミック基板上に搭載され、さらにその上にパワートランジスタチップが搭載される。
【０００５】
また、別の例として、厚さが０．２〜０．５ｍｍ程度の無酸素銅あるいはニッケルを基材として、該基材の両面に、鉛または錫を主成分とし、厚さが２０〜４０μｍ程度の半田をクラッド法によって被覆し、その後、直径が１．５〜３ｍｍの円形にプレス加工して、半田クラッド片を製造する。得られた半田クラッド片は、アキシャルダイオードの内部接続材料として用いられる。
【０００６】
しかし、従来の半田クラッド片においては、プレス成型時に１０〜３０μｍ程度の反りが生じることが避けられず、半導体装置の組立て時に、半田クラッド片の反りが原因となって、接合不良を発生させてしまう場合があった。
【０００７】
図３〜図６に、従来の半田クラッド片による接合を示す断面図を示す。図３および図５は、セラミック基板上に半田クラッド片、シリコンチップを重ねた状態を示す断面図であり、図４および図６は、接合後を示す断面図である。
【０００８】
図３に示したように、半田クラッド片（３）が反って、凹面になっている側にシリコンチップ（１）を、また凸面になっている側にセラミック基板（４）などを接合しようとした場合、半田クラッド片（３）とシリコンチップ（１）の間に閉じた空間（５）が形成され、この閉じた空間（５）に拘束された空気が逃げ場を失い、その状態で半田が加熱溶融されることになり、図４に示すように、接合後にボイド（６）を形成してしまうために、接合強度不足や導通不良を発生させる場合がある。
【０００９】
また、これとは逆に、図５に示したように、半田クラッド片（３）が反って凸面になっている側にシリコンチップ（１）を、凹面になっている側にセラミック基板（４）などを接合しようとした場合には、半田クラッド片（３）とシリコンチップ（１）の間では閉じた空間は形成されないために同様の問題を起こしにくい一方で、今度は、セラミック基板（４）側で半田クラッド片（３）との間に閉じた空間（７）が形成され、この閉じた空間（７）に拘束された空気が逃げ場を失い、その状態で半田が加熱溶融されるために、図６に示すように、接合後にボイド（６）を形成してしまう。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、半田クラッド片を使用した接合におけるボイドの発生を効果的に低減することが可能で、半導体装置の接合信頼性を向上させることができる半田クラッド片を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の半田クラッド片は、鉄、ニッケルおよび銅からなる群から選ばれる少なくとも１種を主成分とする合金からなる条材を基材として、該基材の両面に鉛または錫を主成分とする半田をクラッドしてクラッド材を形成し、該クラッド材をプレス成型によって打ち抜いて、小片とした後に、半田を加熱溶融し、冷却固化してクラッド片を製造する。
【００１２】
前記半田の加熱溶融は、半田クラッド材の凹面を上にして、半田との反応性を有さない基板の上に載せ、窒素雰囲気あるいは水素と窒素の混合ガス雰囲気を保ったベルト炉に通炉することによって行うか、半田の融点以上に加熱した油脂の中に半田クラッド片を入れて半田を溶融させることによって行うことができる。
【００１３】
なお、前記プレス成型による反りを、クラッドする半田の厚さ以下とすることが望ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明者等は、クラッド後のプレス加工によって反りが発生し、半田の表面が凹状になった側にシリコンチップやセラミック基板などを接合する場合に、半田クラッド片との間で閉じた空間を形成してしまうことに起因して、ボイドが生成して接合不良が発生しやすいという事実より、逆に、クラッド後のプレス加工によって反りが発生してしまっても、半田の表面が凹状になっている状態を解消あるいは緩和することができれば、接合不良を低減できるのではないかと考え、実験を重ねた。
【００１５】
その結果、プレス成型まで終了して、反りが発生した半田クラッド片の半田を、加熱溶融して再固化することによって、プレス成型によって凹面になっていた形状が、図１に示した断面図のように、半田溶融時の表面張力の作用によってほぼ平坦な状態、あるいは凸形状となり、半田溶融前には反って凹面となっていた側にシリコンチップを接合しても、ボイドが発生しにくくすることができるという結論を得て、本発明を完成するに至った。
【００１６】
ここで、半田の加熱溶融は、打抜いて反った半田クラッド材の凹面を上にして、カーボン板など、半田との反応性を有さない基板の上に載せ、窒素雰囲気あるいは水素と窒素の混合ガス雰囲気を保ったベルト炉に通炉することによって行う方法の他に、半田の融点以上に加熱した油脂の中に半田クラッド片を入れて半田を溶融させ、その後冷却することによって固化させる方法などがある。
【００１７】
なお、半田クラッド片のプレス加工による反り量が大きすぎると、半田を加熱溶融して再固化しても半田表面が凹状態になっている状態を緩和する効果が乏しくなり、半導体装置の組立てにおいて、シリコンチップやセラミック基板との間に生じる閉じた空間を、効果的に低減する効果が得られなくなってしまうため、プレス成型に使用する金型のパンチとダイのクリアランスを、適正に調整したうえで、プレス加工することによって、半田クラッド片の反り量を、加熱溶融前の半田の厚さよりも大きくならない程度に抑えることが望ましい。
【００１８】
具体的には、半導体装置の組立てに使用される半田クラッド片における半田の厚さは、２０〜５０μｍ程度が一般的であるため、プレス成型による反りは、４０μｍ以下、望ましくは２０μｍ以下としておくことが望ましい。
【００１９】
【実施例】
（実施例１）
板厚０．７ｍｍの無酸素銅条を基材として、該基材の両面に、鉛を主体として錫を５質量％含有する板厚０．１７ｍｍの半田材を重ねあわせ、冷間圧接法によって半田−基材−半田の三層構造のクラッド母材を作り、さらに圧延加工して、最終板厚０．３ｍｍの薄板とした。この薄板における半田層の厚さは、両面とも０．０３５ｍｍで、基材の厚さは０．２３ｍｍであった。この薄板から、直径３．０ｍｍの円板を、プレス加工によって打抜き、１００個の半田クラッド片を得た。
【００２０】
得られた半田クラッド片を、反って凹面となった面を上にしてカーボン板の上に並べ、ピーク温度３５０℃、３１０℃以上の保持時間が５分となるように設定された窒素雰囲気のベルト炉に通炉し、半田クラッド片の半田を加熱溶融および再固化させた。
【００２１】
得られた半田クラッド片について、凹面であった側を上にして、半田クラッド片の外周部の高さを基準点として半田クラッド片の中央部の高さを測定し、その高さを反り量として測定した。その測定結果を表１に示す。
【００２２】
次に、半田との良好な接合を確保するべく、表面にニッケルを蒸着し、さらにその上に金を蒸着したシリコンチップの２ｍｍ角の小片を準備して、カーボン板の上に並べ、その上に、半田を溶融・再固化する前に凹面であった側がシリコンチップと重なるように、半田クラッド片を載せ、さらに互いがずれないように上からカーボンの板を錘として載せ、ピーク温度が３５０℃、３１０℃以上の保持時間が５分となるように設定された窒素雰囲気のベルト炉を通炉させることによって、シリコンチップに半田クラッド片を接合した。
【００２３】
その後、透過Ｘ線装置にかけることにより、接合部分のボイド発生状況を観察し、長径が０．２ｍｍを超えるボイドが発生していた試料数を数えた。その測定結果を表１に示す。
【００２４】
（実施例２）
実施例１と同様にして、１００個の半田クラッド片を得た。次いで、下部にコックを有する内径６０ｍｍ、長さ１，０００ｍｍのガラス管を大豆油で満たし、ガラス管の上部４５０ｍｍをバンドヒーターで加熱することによって、ガラス管内の大豆油の上部４５０ｍｍの部分だけを３５０℃に保持し、そこに半田クラッド片を投入落下させた。大豆油が加熱された部分を半田クラッド片が通過することにより半田が加熱溶融し、下部の未加熱部分を落下している間に半田は再固化し、しかるのちにガラス管下部のコックより半田クラッド片を取り出し、有機溶剤を用いて脱脂した。
【００２５】
得られた半田クラッド片について、実施例１と同様に、反り量を測定するとともに、シリコンチップに接合させて、接合部分のボイド発生状況を観察した。これらの結果を表１に示す。
【００２６】
（比較例１）
ベルト炉に通炉しなかった以外は、実施例１と同様にして、１００個の半田クラッド片を得た。得られた半田クラッド片について、実施例１と同様に反り量を測定するとともに、シリコンチップに接合させて、接合部分のボイド発生状況を観察した。これらの結果を表１に示す。
【００２７】
【表１】
【００２８】
表１において、半田クラッド片の外周部よりも、中央部が高い場合にはプラスの符号、逆に、中央部が低い場合にはマイナスの符号で示した。
【００２９】
比較例１のように、打抜いた際に発生した反りによって凹状になっていた半田が、実施例１および実施例２のように、半田を溶融・再固化させたことによってほぼ平坦な状態に変化したことが確認された。
【００３０】
また、比較例１では１００個のうちの半数程度で、長径が０．２ｍｍを超えるようなボイドが観察されたのに対し、実施例１および実施例２では、長径が０．２ｍｍを超えるようなボイドは全く発生しなかった。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によって半田クラッド片を使用した接合におけるボイドの発生を効果的に低減することが可能となり、かかる半田クラッド片を使用することで半導体装置の接合信頼性を向上させることができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例における、セラミック基板上に半田クラッド片、シリコンチップを重ねた状態を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施例における、半田クラッド片によるセラミック基板とシリコンチップの接合を示す断面図である。
【図３】従来の半田クラッド片による接合における、セラミック基板上に半田クラッド片、シリコンチップを重ねた状態を示す断面図である。
【図４】従来の接合例における、半田クラッド片によるセラミック基板とシリコンチップの接合を示す断面図である。
【図５】従来の半田クラッド片による接合における、セラミック基板上に半田クラッド片、シリコンチップを重ねた状態を示す断面図である。
【図６】従来の接合例における、半田クラッド片によるセラミック基板とシリコンチップの接合を示す断面図である。
【符号の説明】
１ シリコンチップ
２ 半田クラッド片の半田
３ 半田クラッド片の基材
４ セラミック基板
５ 半田クラッド片の凹面とシリコンチップによって閉ざされた空間
６ ボイド
７ 半田クラッド片の凹面とセラミック基板によって閉ざされた空間[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solder clad piece used for assembling a semiconductor device such as a hybrid IC or an axial diode.
[0002]
[Prior art]
In the assembly of a semiconductor device such as a hybrid IC or an axial diode, a strip composed of an alloy mainly composed of at least one selected from the group consisting of iron, nickel and copper is used as a base material, and lead is formed on both sides of the base material. Or after clad the solder which has tin as a main component, it stamps by press molding and manufactures the solder clad piece made into the small piece.
[0003]
The solder clad piece may be used as a heat sink material between the silicon chip and the ceramic substrate or as a connection material between the silicon chip and the external leads.
[0004]
For example, oxygen-free copper having a thickness of about 0.3 to 1.0 mm is used as a base material, and lead or tin is the main component on both sides of the base material, and solder having a thickness of about 20 to 40 μm is coated by a cladding method. Thereafter, a solder clad piece is manufactured by pressing into a square shape having a side length of 2.5 to 10 mm. The obtained solder clad piece is mounted on a ceramic substrate of a hybrid IC, and further a power transistor chip is mounted thereon.
[0005]
As another example, oxygen-free copper or nickel having a thickness of about 0.2 to 0.5 mm as a base material, lead or tin as a main component on both sides of the base material, and a thickness of 20 to 40 μm A solder of a certain degree is coated by a clad method and then pressed into a circle having a diameter of 1.5 to 3 mm to produce a solder clad piece. The obtained solder clad piece is used as an internal connection material of an axial diode.
[0006]
However, in the conventional solder clad piece, it is inevitable that a warp of about 10 to 30 μm occurs during press molding, which causes a bonding failure due to the warp of the solder clad piece during the assembly of the semiconductor device. There was a case.
[0007]
3 to 6 are cross-sectional views showing joining by conventional solder clad pieces. 3 and 5 are cross-sectional views showing a state in which a solder clad piece and a silicon chip are overlaid on a ceramic substrate, and FIGS. 4 and 6 are cross-sectional views after bonding.
[0008]
As shown in FIG. 3, the solder clad piece (3) is warped to try to join the silicon chip (1) to the concave side and the ceramic substrate (4) to the convex side. In this case, a closed space (5) is formed between the solder clad piece (3) and the silicon chip (1), and the air constrained in the closed space (5) loses the escape field, and in this state, the solder is As shown in FIG. 4, since the void (6) is formed after joining as shown in FIG. 4, the joining strength may be insufficient or conduction failure may occur.
[0009]
On the other hand, as shown in FIG. 5, the silicon chip (1) is placed on the side where the solder clad piece (3) is warped and convex, and the ceramic substrate (4) is placed on the side where it is concave. ) Or the like, a closed space is not formed between the solder clad piece (3) and the silicon chip (1), so that the same problem is unlikely to occur. ) Side, a closed space (7) is formed between the solder clad piece (3), and the air constrained in the closed space (7) loses the escape space, and the solder is heated and melted in that state. In addition, as shown in FIG. 6, voids (6) are formed after bonding.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a solder clad piece that can effectively reduce the generation of voids in joining using a solder clad piece and can improve the joining reliability of a semiconductor device.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The solder clad piece of the present invention has, as a base material, a strip composed of an alloy mainly containing at least one selected from the group consisting of iron, nickel and copper, and lead or tin as a main component on both sides of the base material. The clad solder is clad to form a clad material, and the clad material is punched out by press molding to form small pieces, and then the solder is heated and melted and cooled and solidified to produce clad pieces.
[0012]
The solder is heated and melted by placing it on a substrate that is not reactive with the solder, with the concave surface of the solder clad material facing up, and passing it through a belt furnace that maintains a nitrogen atmosphere or a mixed gas atmosphere of hydrogen and nitrogen. It can be performed by putting a solder clad piece in an oil heated to a melting point or higher of the solder and melting the solder.
[0013]
In addition, it is desirable that the warp due to the press molding is equal to or less than the thickness of the solder to be clad.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
When the present inventors have warped due to the press working after the clad and joined a silicon chip or a ceramic substrate to the side where the solder surface is concave, a closed space between the solder clad piece is formed. Due to the fact that voids are formed and bonding defects are likely to occur, conversely, even if warping occurs due to press processing after cladding, the solder surface becomes concave. The experiment was repeated, thinking that it would be possible to reduce the bonding failure if the present condition could be eliminated or alleviated.
[0015]
As a result, the solder clad piece solder that has been warped and finished by press molding is heated and melted and re-solidified, so that the shape that has become concave by press molding is the cross-sectional view shown in FIG. As described above, even when the silicon chip is bonded to the side that is concave and curved before the solder is melted, the void is not easily generated. With the conclusion that this is possible, the present invention has been completed.
[0016]
Here, the heat melting of the solder is performed by placing the concave surface of the solder clad material warped by punching up and placing it on a substrate such as a carbon plate that has no reactivity with solder, and in a nitrogen atmosphere or between hydrogen and nitrogen. In addition to the method of passing through a belt furnace maintained in a mixed gas atmosphere, a method of melting the solder by putting a solder clad piece in oil heated to a temperature higher than the melting point of the solder and then solidifying it by cooling and so on.
[0017]
Note that if the amount of warpage due to the press working of the solder clad piece is too large, the effect of alleviating the state in which the solder surface is in a concave state even if the solder is heated and melted and re-solidified becomes poor. Since the effect of effectively reducing the closed space created between the silicon chip and the ceramic substrate cannot be obtained, the die punch and die clearance used for press molding must be adjusted appropriately. Thus, it is desirable to suppress the amount of warpage of the solder clad piece by pressing so that it does not become larger than the thickness of the solder before heating and melting.
[0018]
Specifically, since the solder thickness of the solder clad piece used for assembling the semiconductor device is generally about 20 to 50 μm, the warp by press molding should be 40 μm or less, preferably 20 μm or less. Is desirable.
[0019]
【Example】
(Example 1)
An oxygen-free copper strip with a thickness of 0.7 mm is used as a base material, and a solder material with a thickness of 0.17 mm containing 5% by mass of lead as a main component is superposed on both sides of the base material, A clad base material having a three-layer structure of solder-base material-solder was made, and further rolled to obtain a thin plate having a final thickness of 0.3 mm. The thickness of the solder layer in this thin plate was 0.035 mm on both sides, and the thickness of the base material was 0.23 mm. From this thin plate, a disc having a diameter of 3.0 mm was punched out by pressing to obtain 100 solder clad pieces.
[0020]
The obtained solder clad pieces were arranged on a carbon plate with the concave surface facing upward, and a nitrogen atmosphere set so that the holding time at a peak temperature of 350 ° C. and 310 ° C. or higher was 5 minutes. The furnace was passed through a belt furnace, and the solder of the solder clad piece was heated and melted and re-solidified.
[0021]
About the obtained solder clad piece, the height of the outer peripheral part of the solder clad piece was measured as a reference point with the concave side facing up, and the height of the central part of the solder clad piece was measured and the height was warped. As measured. The measurement results are shown in Table 1.
[0022]
Next, in order to ensure good bonding with the solder, a 2 mm square piece of silicon chip is prepared by depositing nickel on the surface and further depositing gold on the surface. In addition, a solder clad piece is placed so that the side that was concave before melting and re-solidifying the solder overlaps with the silicon chip, and a carbon plate is placed as a weight from above so that it does not shift, and the peak temperature is 350 The solder clad piece was bonded to the silicon chip by passing through a belt furnace in a nitrogen atmosphere set so that the holding time of 5 ° C. and 310 ° C. or more was set.
[0023]
Thereafter, by applying to a transmission X-ray apparatus, the occurrence of voids in the joint portion was observed, and the number of samples in which voids having a major axis exceeding 0.2 mm were counted. The measurement results are shown in Table 1.
[0024]
(Example 2)
In the same manner as in Example 1, 100 solder clad pieces were obtained. Next, a glass tube having an inner diameter of 60 mm and a length of 1,000 mm having a cock at the bottom is filled with soybean oil, and the upper 450 mm of the glass tube is heated with a band heater so that only the upper 450 mm portion of soybean oil in the glass tube is heated. The temperature was maintained at 350 ° C., and a solder clad piece was thrown and dropped there. The solder clad piece passes through the heated part of the soybean oil and the solder is heated and melted. The solder re-solidifies while dropping the unheated part at the bottom, and then soldered from the cock at the bottom of the glass tube. The clad piece was taken out and degreased using an organic solvent.
[0025]
The obtained solder clad piece was measured for the amount of warpage and bonded to a silicon chip in the same manner as in Example 1, and the occurrence of voids in the bonded portion was observed. These results are shown in Table 1.
[0026]
(Comparative Example 1)
100 solder clad pieces were obtained in the same manner as in Example 1 except that it was not passed through the belt furnace. The obtained solder clad piece was measured for the amount of warpage in the same manner as in Example 1, and bonded to a silicon chip, and the occurrence of voids at the bonded portion was observed. These results are shown in Table 1.
[0027]
[Table 1]
In Table 1, when the center part is higher than the outer peripheral part of the solder clad piece, it is indicated by a plus sign, and conversely, when the center part is lower, it is indicated by a minus sign.
[0029]
As in Comparative Example 1, the solder that was concave due to the warp that occurred when punching was made almost flat by melting and resolidifying the solder as in Example 1 and Example 2. It was confirmed that it changed.
[0030]
Further, in Comparative Example 1, about half of the 100 pieces, voids having a major axis exceeding 0.2 mm were observed, whereas in Examples 1 and 2, the major axis seems to exceed 0.2 mm. No void was generated.
[0031]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to effectively reduce the generation of voids in bonding using a solder clad piece, and using such a solder clad piece can improve the bonding reliability of a semiconductor device. I can do it now.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a state in which a solder clad piece and a silicon chip are stacked on a ceramic substrate in an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing bonding of a ceramic substrate and a silicon chip by a solder clad piece in one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a state in which a solder clad piece and a silicon chip are overlaid on a ceramic substrate in a conventional bonding with a solder clad piece.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing bonding of a ceramic substrate and a silicon chip by solder clad pieces in a conventional bonding example.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a state in which a solder clad piece and a silicon chip are overlaid on a ceramic substrate in the conventional joining with a solder clad piece.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing bonding of a ceramic substrate and a silicon chip by solder clad pieces in a conventional bonding example.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Silicon chip 2 Solder of solder clad piece 3 Base material of solder clad piece 4 Ceramic substrate 5 Recessed surface of solder clad piece and space closed by silicon chip 6 Void 7 Recessed surface of solder clad piece and space closed by ceramic substrate
