JP2009105251A - Solder film thickness control method, and circuit device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体素子を基板にハンダ付けする際に、一定の厚みのハンダの膜厚を確保するための技術である。 The present invention is a technique for securing a certain thickness of solder when a semiconductor element is soldered to a substrate.
ハンダ付けの際にハンダの膜厚を所定の厚さとなるように制御することは、ハンダ付けした基板の信頼性を向上させるために必要である。
ハンダ膜厚が薄い場合、熱サイクルによって圧縮又は引っ張り応力がハンダにかかり、クラックが発生する虞がある。ハンダの膜厚の厚みは、厚いほど応力を緩和する緩衝剤としての信頼性が向上する。
一方、ハンダの膜厚を厚くすると、半導体素子の放熱性が低下するという問題がある。また、ハンダの膜厚が厚くなると、マンハッタン現象が起き易くなるなどの問題もある。つまり、ハンダの膜厚は厚すぎても薄すぎても問題となる。
このため、ハンダの膜厚を一定に保つ方法が従来から検討されていた。
It is necessary to control the thickness of the solder so that it becomes a predetermined thickness during soldering in order to improve the reliability of the soldered substrate.
When the solder film thickness is thin, compression or tensile stress is applied to the solder by the thermal cycle, and there is a possibility that cracks may occur. As the thickness of the solder film increases, the reliability as a buffer that relaxes stress is improved.
On the other hand, when the thickness of the solder is increased, there is a problem that the heat dissipation of the semiconductor element is lowered. In addition, when the solder film is thick, the Manhattan phenomenon is likely to occur. That is, it is a problem whether the solder film thickness is too thick or too thin.
For this reason, methods for keeping the solder film thickness constant have been studied.
特許文献1には、ハンダ組成物の発明として、ハンダペーストに分離粒子やフィラメントを混ぜる技術が開示されている。
ハンダペーストに混ぜるのは、ハンダが溶融する温度で固形である分散粒子またはフィラメントである。このようにハンダペーストに分散粒子またはフィラメントを混ぜることで、ハンダ付けした半導体素子とハンダ付け面との間の高さを、分散粒子或いはフィラメントによって確保することが可能となる。
また、特許文献2には、半導体装置及びその製造方法の発明として、ハンダ付けする絶縁基板とベース基板との間にスペーサを設けてハンダの膜厚を確保する技術である。
絶縁基板とベース基板との間に、必要な厚みを持ったスペーサを挟むことで、スペーサによって高さが維持され、ハンダの膜厚を確保することが可能となる。
What is mixed into the solder paste is dispersed particles or filaments that are solid at the temperature at which the solder melts. Thus, by mixing the dispersed particles or filaments in the solder paste, the height between the soldered semiconductor element and the soldering surface can be secured by the dispersed particles or filaments.
By sandwiching a spacer having a necessary thickness between the insulating substrate and the base substrate, the height is maintained by the spacer, and the thickness of the solder can be secured.
また、特許文献3には、回路装置及びその製造方法の発明として、半導体素子をハンダ付けする際に、ランド状の導電パターンの表面に半導体素子の四隅にあたる部分に部分的に金属粉を混入させ、その上面に半導体素子を配置してハンダ付けすることで、一定のハンダの膜厚を確保することが可能となる。
また、特許文献4には、フィラーを含有したハンダの形成方法が示されている。
フィラーを含有したハンダを用いてハンダ付け面にハンダを塗布し、半導体素子を配置することで、ハンダに含有されるフィラーによって、ハンダの膜厚が確保可能となる。
Further, in Patent Document 3, as an invention of a circuit device and a manufacturing method thereof, when soldering a semiconductor element, metal powder is partially mixed in portions corresponding to the four corners of the semiconductor element on the surface of the land-like conductive pattern. By arranging a semiconductor element on the upper surface and soldering, a certain solder film thickness can be secured.
Patent Document 4 discloses a method for forming solder containing a filler.
Solder is applied to the soldering surface using solder containing filler, and the semiconductor element is arranged, whereby the film thickness of the solder can be secured by the filler contained in the solder.
しかしながら、特許文献1乃至特許文献4を用いてハンダ付けを行う場合、以下のような課題があると考えられる。
近年では、半導体素子に供給する電流が大きくなる傾向に伴い、半導体素子自身の発熱量が高くなっている等の理由から、半導体素子の熱暴走を防ぐためにもハンダの放熱性の低下は望ましくない。
しかし、特許文献1及び特許文献4に示す方法では、ハンダ塗布面に形成されるハンダ内に分離粒子やフィラメントなどのフィラーが全体的に分散することとなる。
ハンダ内に均一にフィラーを分散させる場合、フィラーが大量に必要になることと、半導体素子からの放熱を阻害する要因になる虞があるなどの問題がある。
フィラーには高融点金属が使用されることが多いが、高融点金属はコストが高いものが多い。このため、フィラーを大量に使用すると必然的にハンダ付けコストが上がってしまう。
However, when soldering is performed using
In recent years, with the trend of increasing the current supplied to the semiconductor element, the amount of heat generated by the semiconductor element itself has increased, and so on, in order to prevent thermal runaway of the semiconductor element, it is not desirable to reduce the heat dissipation of the solder. .
However, in the methods shown in
In the case where the filler is uniformly dispersed in the solder, there are problems that a large amount of filler is required and that the heat dissipation from the semiconductor element may be hindered.
A refractory metal is often used for the filler, but many refractory metals are expensive. For this reason, use of a large amount of filler inevitably increases the soldering cost.
また、フィラーに高融点金属が用いられると、高融点の金属はハンダよりも伝熱性が低いものが多いために、ハンダの放熱性が悪化する傾向にある。
フィラーとハンダとの間に金属間化合物が生成したり、フィラーの周囲に気泡ができ易くなったりするなどといった現象も、放熱性を阻害する要因となる。フィラーとハンダとの間に金属間化合物を生成すると、ハンダの融点が上がり、ハンダ付け性が低下するという問題も発生する。
Further, when a high melting point metal is used for the filler, the high melting point metal tends to deteriorate the heat dissipation of the solder because many of the high melting point metals have lower heat conductivity than the solder.
Phenomena such as the formation of an intermetallic compound between the filler and the solder or the formation of bubbles around the filler are also factors that hinder heat dissipation. When an intermetallic compound is produced between the filler and the solder, there is a problem that the melting point of the solder is increased and the solderability is lowered.
一方、特許文献2及び特許文献3に示す方法を用いた場合、施工に手間がかかってしまうと言う問題がある。
スペーサを用意するという意味では、特許文献2と特許文献3では同じ手法で対応しているが、半導体素子の四隅にスペーサ、或いはフィラーを配置するためには、ハンダ塗布工程とは別に専用工程を用意する必要がある。専用工程を設けた場合には、設備を設けるためにコストがかかると共に、リードタイムが長くなりコストに影響してくる。
したがって、ハンダ付けのコストが上がってしまうという問題が発生することになる。
すなわち、特許文献1乃至特許文献4に開示される技術を用いた場合、いずれもコストが高くなる傾向にある。また、特許文献1及び特許文献4に開示される技術を用いると、ハンダ付け性及び放熱性の悪化が懸念される。
On the other hand, when the methods shown in
In terms of preparing spacers,
Therefore, there arises a problem that the soldering cost increases.
That is, when the techniques disclosed in
そこで、本発明はこのような課題を解決するために、安価でハンダ付け性の低下及び放熱性の低下を抑えたハンダ膜厚制御方法及び回路装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve such problems, an object of the present invention is to provide a solder film thickness control method and a circuit device that are inexpensive and suppress deterioration in solderability and heat dissipation.
前記目的を達成するために、本発明によるハンダ膜厚制御方法は以下のような特徴を有する。
(1)フィラーを用いてハンダの膜厚を制御するハンダ膜厚制御方法において、
長さ方向に平行な両端部に前記フィラーが含有されリボン状に形成されたハンダ箔を、ハンダ付け面に配置し、前記ハンダ箔上に半導体素子を配置し、加熱することで、前記ハンダ付け面と前記ハンダ箔の間に挟まれた前記フィラーで前記ハンダの膜厚を確保し、前記半導体素子を前記ハンダ付け面にハンダ付けすることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the solder film thickness control method according to the present invention has the following characteristics.
(1) In a solder film thickness control method for controlling the film thickness of solder using a filler,
Solder foil containing a filler containing the filler at both ends parallel to the length direction is disposed on a soldering surface, a semiconductor element is disposed on the solder foil, and the soldering is performed. A thickness of the solder is secured by the filler sandwiched between a surface and the solder foil, and the semiconductor element is soldered to the soldering surface.
(2)(1)に記載のハンダ膜厚制御方法において、
前記ハンダ箔の前記両端部に含有されるフィラーが、前記半導体素子の発熱部を避けて配置されることを特徴とする。
(2) In the solder film thickness control method according to (1),
The filler contained in the both end portions of the solder foil is disposed so as to avoid the heat generating portion of the semiconductor element.
(3)(1)又は(2)に記載のハンダ膜厚制御方法において、
前記フィラーが、高融点金属又は樹脂又はセラミックスで形成される粒状物質からなることを特徴とする。
なお、ここでいう高融点金属とは、ハンダよりも融点が高い金属を含むものとする。
(3) In the solder film thickness control method according to (1) or (2),
The filler is made of a granular material formed of a refractory metal, resin, or ceramic.
The high melting point metal here includes a metal having a melting point higher than that of solder.
(4)(1)又は(2)に記載のハンダ膜厚制御方法において、
前記フィラーが、高融点金属、又は樹脂で形成されるワイヤ状物質からなることを特徴とする。
(4) In the solder film thickness control method according to (1) or (2),
The filler is made of a wire-like substance formed of a refractory metal or resin.
また、前記目的を達成するために、本発明による回路装置は以下のような特徴を有する。
(5)(1)乃至(4)のいずれか1つに記載のハンダ膜厚制御方法を用いて製造され、前記フィラーによって前記ハンダの膜厚が確保されていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the circuit device according to the present invention has the following characteristics.
(5) It is manufactured using the solder film thickness control method according to any one of (1) to (4), and the film thickness of the solder is secured by the filler.
このような特徴を有する本発明によるハンダ膜厚制御方法により、以下のような作用、効果が得られる。
まず、(1)に記載される発明は、フィラーを用いてハンダの膜厚を制御するハンダ膜厚制御方法において、長さ方向に平行な両端部にフィラーが含有されリボン状に形成されたハンダ箔を、ハンダ付け面に配置し、ハンダ箔上に半導体素子を配置し、加熱することで、ハンダ付け面とハンダ箔の間に挟まれたフィラーでハンダの膜厚を確保し、半導体素子をハンダ付け面にハンダ付けするものである。
したがって、リボン状のハンダ箔の両端に含有されるフィラーによって、半導体素子とハンダ付け面との高さが決定される為、ハンダ膜厚がフィラーでコントロールすることが可能となる。
With the solder film thickness control method according to the present invention having such characteristics, the following actions and effects can be obtained.
First, the invention described in (1) is a solder film thickness control method in which the film thickness of solder is controlled using a filler, in which solder is formed in a ribbon shape with fillers contained at both ends parallel to the length direction. The foil is placed on the soldering surface, the semiconductor element is placed on the solder foil, and heated to ensure the solder film thickness with the filler sandwiched between the soldering surface and the solder foil. The soldering surface is to be soldered.
Therefore, since the height of the semiconductor element and the soldering surface is determined by the filler contained at both ends of the ribbon-shaped solder foil, the solder film thickness can be controlled by the filler.
両端部にフィラーを含有するリボン状のハンダ箔を用いてハンダ付けすることで、特許文献2及び特許文献3に記載されるように、スペーサを配置したり、フィラーを配置したりする手間が不要となる。ハンダ箔を配置すると同時にフィラーも配置されるためである。その結果、スペーサやフィラーを配置する工程を必要とせず、コストダウンに貢献できる。
また、リボン状のハンダ箔の両端部にフィラーが含有されていることで、半導体素子の中央部にフィラーが配置されず、放熱性やハンダ付け性を阻害することがない。
例えばNiやCuをフィラーに用いた場合、ハンダに溶融し易いため、ハンダの融点程度でフィラーの周りに金属間化合物を生成することが知られている。このように金属間化合物が生成されることで、ハンダの融点が上がってしまい、ハンダ付け性を阻害する要因となるが、リボン状のハンダ箔の両端部にフィラーが含有されていることで、ハンダ箔の中央部分での融点上昇の影響を抑え、ハンダ付け性を維持できる。
また、例えばMoやWをフィラーとして用いた場合、ハンダに溶融し難いが、フィラーの周囲に気泡を生じやすい。このような気泡はハンダの放熱性を阻害する要因となるが、リボン状のハンダ箔の両端部にフィラーが含有されていることで、気泡が生じたとしても放熱性の阻害を抑えることができる。
つまり、安価でハンダ付け性の低下及び放熱性の低下を抑えたハンダ膜厚制御方法を提供することが可能となる。
By soldering using a ribbon-like solder foil containing fillers at both ends, as described in
In addition, since the filler is contained in both ends of the ribbon-shaped solder foil, the filler is not disposed in the central portion of the semiconductor element, and heat dissipation and solderability are not hindered.
For example, when Ni or Cu is used as a filler, it is known that an intermetallic compound is formed around the filler at the melting point of the solder because it is easily melted into the solder. As the intermetallic compound is generated in this way, the melting point of the solder is increased, which is a factor that hinders the solderability, but the filler is contained at both ends of the ribbon-shaped solder foil. The influence of the melting point rise in the center part of the solder foil can be suppressed and solderability can be maintained.
For example, when Mo or W is used as a filler, it is difficult to melt into solder, but bubbles are likely to be generated around the filler. Although such bubbles become a factor that hinders the heat dissipation of the solder, the inclusion of fillers at both ends of the ribbon-like solder foil can suppress the inhibition of the heat dissipation even if bubbles are generated. .
That is, it is possible to provide a solder film thickness control method that is inexpensive and suppresses the deterioration of solderability and heat dissipation.
また、(2)に記載される発明は、(1)に記載のハンダ膜厚制御方法において、ハンダ箔の両端部に含有されるフィラーが、半導体素子の発熱部を避けて配置されるので、半導体素子からの放熱性の阻害を抑制することが可能となる。
前述した通り、半導体素子は通電することで発熱し、その放熱のためにハンダ付け面から熱が奪われるように構成される。半導体素子上面や周囲においても放熱はするが、周囲の環境温度が高くなると次第に放熱効率が低下するため、ハンダ付け面への放熱も考慮する必要がある。ハンダ付け面側に冷却機構を備えているようなケースでは、加熱時にはハンダ付け面側への放熱が重要になる。
フィラーに用いられる粒状物質やワイヤ状物質等が、ハンダに比べて伝熱性に劣る場合、半導体素子の発熱部にフィラーが配置されることは放熱性を阻害する要因となるため、これを避けることで放熱性の阻害要因を排除することができる。
Further, in the invention described in (2), in the solder film thickness control method described in (1), fillers contained in both end portions of the solder foil are disposed so as to avoid the heat generating portion of the semiconductor element. It becomes possible to suppress the inhibition of heat dissipation from the semiconductor element.
As described above, the semiconductor element generates heat when energized, and is configured such that heat is taken away from the soldering surface for heat dissipation. Although heat is dissipated also on the upper surface of the semiconductor element and the periphery, the heat dissipation efficiency gradually decreases as the ambient environmental temperature increases, so it is necessary to consider heat dissipation to the soldering surface. In cases where a cooling mechanism is provided on the soldering surface side, heat radiation to the soldering surface side is important during heating.
If the particulate material or wire-like material used for the filler is inferior in heat transfer compared to solder, avoid placing the filler in the heat generating part of the semiconductor element because it will hinder heat dissipation. In this way, it is possible to eliminate the factor that hinders heat dissipation.
また、(3)に記載される発明は、(1)又は(2)に記載のハンダ膜厚制御方法において、フィラーが、高融点金属又は樹脂又はセラミックスで形成される粒状物質からなるものである。
また、(4)に記載される発明は、(1)又は(2)に記載のハンダ膜厚制御方法において、フィラーが、高融点金属、又は樹脂で形成されるワイヤ状物質からなるものである。
フィラーは、粒状物質からなるものである場合には、粒状物質の粒径によってハンダの膜厚が確保され、ワイヤ状物質からなる場合には、ワイヤ状物質の直径によってハンダの膜厚が確保される。
高融点金属は、ハンダの融点よりも高い金属であれば良く、ハンダへの溶解性の低いものである方がより好ましい。高融点金属の例としては、例えば、Ni、Cu、Fe、W、Mo、Al、Co、Nb、Ti等や、それらの合金などが考えられる。
樹脂はハンダに溶解する虞が低いので、耐熱性の高い樹脂を用いれば、フィラーとして用いることができる。セラミックスは融点が高くハンダに溶解する虞が低いのでフィラーの材料として好ましい。
The invention described in (3) is the solder film thickness control method described in (1) or (2), wherein the filler is made of a granular material formed of a refractory metal, resin, or ceramic. .
The invention described in (4) is the solder film thickness control method described in (1) or (2), wherein the filler is made of a wire-like substance formed of a refractory metal or resin. .
When the filler is made of a particulate material, the solder film thickness is secured by the particle size of the particulate material. When the filler is made of a wire material, the solder film thickness is secured by the diameter of the wire material. The
The refractory metal may be any metal that is higher than the melting point of the solder, and more preferably has a low solubility in solder. Examples of the refractory metal include Ni, Cu, Fe, W, Mo, Al, Co, Nb, Ti, and alloys thereof.
Since the resin is less likely to be dissolved in solder, if a resin having high heat resistance is used, it can be used as a filler. Ceramics is preferable as a filler material because it has a high melting point and is unlikely to dissolve in solder.
また、このような特徴を有する本発明による回路装置により、以下のような作用、効果が得られる。
(5)に記載される発明は、(1)乃至(4)のいずれか1つに記載のハンダ膜厚制御方法を用いて製造され、フィラーによってハンダの膜厚が確保されているので、半導体素子からの放熱性が高く、より大きな電流を流しても動作に影響が少ない回路装置を提供することができる。
In addition, the circuit device according to the present invention having such characteristics can provide the following operations and effects.
The invention described in (5) is manufactured using the solder film thickness control method according to any one of (1) to (4), and the solder film thickness is secured by the filler, so that the semiconductor It is possible to provide a circuit device that has high heat dissipation from the element and has little influence on the operation even when a larger current flows.
次に、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
(第1実施形態)
図1に、第1実施形態のリボンハンダ10の模式平面図を示す。
リボンハンダ10は、厚みは100μm程度でリボン幅W1は10mm程度である。このリボンハンダ10の両端の端部W2部分には、粒状フィラー11が配置されている。
リボンハンダ10のハンダ部分はSnCuAg系のハンダを用いている。一方、粒状フィラー11には直径80μm程度の純Ni粒子を用いている。第1実施形態では、粒状フィラー11は球状の粒子であるものとする。
粒状フィラー11の材料の候補としては、Niの他に、Cu、Fe、W、Mo、Al、Co、Nb、Ti及びその合金などの金属が考えられる。フィラー11に用いる金属としては、高融点金属である方が望ましい。
高融点金属を用いる理由は、ハンダ付けの際にハンダを溶解させる温度で粒状フィラー11が完全に溶解してしまっては困るからである。逆に言えば、ハンダの融点よりも高い融点の金属であれば、粒状フィラー11として用いることが可能である。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic plan view of a
The
The solder portion of the
As a candidate for the material of the
The reason for using the refractory metal is that it is inconvenient if the
もちろん、融点の低いハンダを用いれば、融点の低い金属や樹脂などを粒状フィラー11に用いることも可能である。
この他、粒状フィラー11としてセラミックスを用いたりすることを妨げない。セラミックスは耐熱性が高い上に、ハンダに溶解しにくいというメリットがある。
粒状フィラー11は、必ずしも図1に示すようにリボンハンダ10の端部W2に整列させる必要はないが、粒状フィラー11が一定の間隔で配置されている方が、応力を吸収するという点では好ましい。また、端部W2からはみ出さないことが好ましい。
リボン幅W1と端部W2は、5:1程度の比率としてある。したがって、リボン幅W1のうち、2/5は端部W2として粒状フィラー11が含有する部分であり、3/5は粒状フィラー11を含まないハンダのみの部分となる。
Of course, if solder having a low melting point is used, a metal or resin having a low melting point can be used for the
In addition, the use of ceramics as the
The
The ribbon width W1 and the end W2 are in a ratio of about 5: 1. Therefore, 2/5 of the ribbon width W1 is a portion that the
図2(a)は、半導体素子15を放熱板20上に配置した様子を表す上面視図である。また、図2(b)は、半導体素子15を放熱板20上に配置した状態の側断面図である。
半導体素子15は、発熱部15aを中央部に備えている。一般的な半導体素子15はこのようにチップである発熱部15aを中央部分に備えており、その周囲はパッケージの部分にあたるので発熱はしない。
この半導体素子15の発熱部15aとその周囲との比率が、リボン幅W1と端部W2の比率と対応しているものとする。すなわち、図2(b)の断面に示される発熱部15aの幅は半導体素子15の幅に比べて3:5程度の割合となっている。
放熱板20は、セラミックスなどを用いた絶縁性の基板であり、別途表面にパターンが形成されている。そして、放熱板20にはアルミニウム製のヒートシンクを備える部品と接着され、効率的に冷却が可能となっている。
半導体素子15は、放熱板20の所定の位置に配置される必要があり、半導体素子15と放熱板20はハンダ付けされることで固定される。
半導体素子15と放熱板20の間には、リボンハンダ10が配置されている。図2(b)は、ハンダ付けが終わった状態であり、半導体素子15の左右であって発熱部15aの外側に粒状フィラー11が配置されている。
半導体素子15と放熱板20は、リボンハンダ10が溶融して凝固することにより形成されたハンダ部13によって接合されている。
FIG. 2A is a top view illustrating a state in which the
The
It is assumed that the ratio between the
The
The
The
第1実施形態は以上のような構成を備えているので、以下に説明する作用及び効果を奏する。
まず、第1の効果として、粒状フィラー11によってハンダ部13の膜厚を確保することが可能である点が挙げられる。
粒状フィラー11を用いてハンダの膜厚を制御するハンダ膜厚制御方法において、長さ方向に平行な両端部W2に粒状フィラー11を含有するリボン状に形成されたリボンハンダ10を、放熱板20のハンダ付け面に配置し、リボンハンダ10上に半導体素子15を配置し、加熱することで、粒状フィラー11でハンダ部13の膜厚を確保しつつ、半導体素子15を放熱板20のハンダ付け面にハンダ付けするものであるので、粒状フィラー11の粒径によってハンダ部13の膜厚が決定される。
粒状フィラー11の粒径は前述した通り80μm程度であり、粒状フィラー11の材質として純Niを使用しているが、純Niはハンダとの親和性が高い故にハンダに溶解しやすい。
したがって、ハンダ付け後は粒状フィラー11の粒径は若干痩せ、ハンダ部13と粒状フィラー11の間には金属間化合物が生成される。
Since 1st Embodiment is equipped with the above structures, there exists an effect | action and effect which are demonstrated below.
First, the first effect is that the
In the solder film thickness control method of controlling the film thickness of solder using the
The particle size of the
Accordingly, the particle size of the
ただし、この溶解速度は実験によって求めることが出来るため、リボンハンダ10の加熱温度及び加熱時間を一定に保てば、粒状フィラー11の粒径によってハンダ部13の厚みを決定できる。
したがって、リボンハンダ10に含有させた粒状フィラー11の粒径によってハンダ部13の膜厚を決定できると言える。
ハンダ部13の膜厚は、半導体素子15の発熱量にもよるが、50μm〜60μm程度が理想的である。
半導体素子15に通電することで、発熱部15aで発熱し、その熱は半導体素子15の周囲へ放出される。半導体素子15の放熱板20と対向する面からも、ハンダ部13を介して熱が伝えられる。
半導体素子15の上面に専用のヒートシンクを設けていれば、上面からも熱の放出が期待できるが、ハイブリットカー等に車載するインバータは、瞬間的に600〜700度となるような高温にさらされるので、冷媒を用いたヒートシンクなどインバータを冷却する手段を放熱板20側に備えることが多い。
However, since this dissolution rate can be obtained by experiment, the thickness of the
Therefore, it can be said that the film thickness of the
The film thickness of the
By energizing the
If a dedicated heat sink is provided on the upper surface of the
これは、半導体素子15の大きさがあまり大きくない点や車載スペースなどとの兼ね合いなども問題となるためである。したがって、速やかに半導体素子15から放熱板20側に熱を逃がす必要があり、ハンダ部13の厚みは極力薄くしたいのが実情である。
一方、半導体素子15と放熱板20とでは構成する素材が異なるため、熱膨張率が異なる。放熱板20側はアルミニウムを用いて形成されていることが多く。半導体素子15よりも熱膨張しやすい。このため、半導体素子15と放熱板20との熱膨張の差を吸収する役割もハンダ部13は担っている。
ハンダ部13は比較的柔らかいために、膨張に対して追従性が高いのである。ただし、ハンダ部13の厚みがあまり薄すぎると、ハンダ部13にクラックが入ってしまうことになる。クラックが入り、空気層が出来てしまうと、熱伝達率が悪化するので、半導体素子15に深刻なダメージを負わせる虞がある。
このような理由から、ハンダ部13の膜厚は適切に維持されることが必要であり、粒状フィラー11の粒径によってこれを維持できる点で、リボンハンダ10を粒状フィラー11に含有する意義は高い。
This is because the size of the
On the other hand, since the constituent elements of the
Since the
For this reason, the film thickness of the
ただし、第1実施形態では粒状フィラー11に用いている材質が純Niであるため、前述のようにハンダ部13と粒状フィラー11の接触部分で金属間化合物が形成されてしまう虞がある。
このため、粒状フィラー11の付近のハンダの融点は高くなってしまう傾向にある。
一方、粒状フィラー11にハンダに融解しにくいWやMoのようにハンダ付け困難な金属や、セラミックや樹脂のようにハンダ付けできないのような粒子を用いる場合には、金属間化合物は生成しない代わりに、粒状フィラー11の周囲に気泡ができやすい。気泡ができると、断熱性が高くなり熱伝達率が悪化する。
このように粒状フィラー11を用いることで発生する問題点についても、リボンハンダ10の端部W2に粒状フィラー11が整列されているために、ハンダ付け性が必要とされる半導体素子15の発熱部15aの部分では、粒状フィラー11の影響を受けずに放熱板20に半導体素子15をハンダ付け可能となる。
However, since the material used for the
For this reason, the melting point of the solder in the vicinity of the
On the other hand, when using particles such as W or Mo which are difficult to melt into solder for the
As for the problems that occur when the
また、第2の効果として、粒状フィラー11によるハンダ部13の伝熱性の低下を抑えることが可能である点が挙げられる。
リボンハンダ10に含有する粒状フィラー11の量は、特許文献1及び特許文献4に示した場合よりも少なくても、ハンダ部13の厚みを確保することが可能となる。
リボンハンダ10の端部W2に粒状フィラー11を含有し、リボンハンダ10の中央部には粒状フィラー11が含まれないため、半導体素子15の発熱部15aを避けて粒状フィラー11を配置することが可能である。
理想的には半導体素子15の四隅に粒状フィラー11がそれぞれ配置されれば、基本的にはハンダ部13の膜厚の制御が可能であり、特許文献1及び特許文献4に示されるようにハンダ部13の全体に粒状フィラー11が均一に存在させる場合と同様にハンダ部13の膜厚を確保できる効果が得られる。ただし、粒状フィラー11の数が少なくなると、半導体素子15に対して粒状フィラー11が配置される位置に精度が要求されることとなるので、第1実施例示すように、端部W2の部分に粒状フィラー11を整列させることが好ましい。
Moreover, the point which can suppress the fall of the heat conductivity of the
Even if the amount of the
Since the
Ideally, if the
図3に、粒状フィラー11添加量と平均フィラー粒子間距離との関係をグラフとして示す。
縦軸は粒状フィラー11のハンダ部13に対する重量比を添加量(mass%)として示し、横軸は、粒状フィラー11の粒子間距離(mm)を示している。
なお、粒状フィラー11の粒子間距離は、図2(b)のように断面での粒子間距離を意味している。したがって、特許文献1又は特許文献4に示されるようにハンダ部13に全体的に混ざっている状態では周囲の粒状フィラー11との平均的な粒子間距離を評価することになるが、本発明として第1実施形態の粒状フィラー11の粒子間距離は、端部W2における隣り合う粒状フィラー11同士の距離となる。
黒三角でプロットしているのが、特許文献1又は特許文献4に示されるようにハンダ部13の全体に均一になるように粒状フィラー11が配合されるケースであり、黒丸でプロットしているのが第1実施形態のように端部W2に粒状フィラー11を配列したリボンハンダ10を用いてハンダ部13を形成したケースである。それぞれ、黒三角を「従来」、黒丸を「本発明」と表記している。
また、分かりやすいように「従来」のプロットデータより最小二乗法で近似した値を破線で、「本発明」のプロットデータより最小二乗法で近似した値を実線で示している。
In FIG. 3, the relationship between the addition amount of the
The vertical axis indicates the weight ratio of the
In addition, the interparticle distance of the
Plotted with black triangles is a case where the
For easy understanding, the value approximated by the least square method from the plot data of “conventional” is indicated by a broken line, and the value approximated by the least square method from the plot data of “present invention” is indicated by a solid line.
図4に、粒状フィラー11の添加量と粒状フィラー11入りハンダ部13の液相温度との関係をグラフとして示す。
縦軸は粒状フィラー11入りハンダ部13の液相温度(℃)を示しており、横軸は、粒状フィラー11のハンダ部13に対する重量比を添加量(mass%)として示している。
実験モデルは特許文献1又は特許文献4に示されるようなハンダ部13に粒状フィラー11を均一かつ全体的に含有させたものを対象としている。
この図4に示すように、粒状フィラー11が純Niの場合、ハンダに溶解することでハンダ液相線温度は上昇してしまい、ハンダの融点が上昇してしまう結果となる。
つまり、図3及び図4から、粒状フィラー11間距離を近くしようとして、粒状フィラー11の添加量を増やすと、特許文献1や特許文献4に示されるように、ハンダ部13の全体的に粒状フィラー11が分散している方式である場合には、温度上昇を招くことが判る。
In FIG. 4, the relationship between the addition amount of the
The vertical axis indicates the liquid phase temperature (° C.) of the
The experimental model is for a
As shown in FIG. 4, when the
That is, from FIG. 3 and FIG. 4, when the addition amount of the
粒状フィラー11の粒子間距離が近いほど、ハンダ部13の上に載せる半導体素子15の安定性が高くなるため、粒子間距離は近くしたいが、ハンダの融点が上昇すると、ハンダ付け性が悪化する他、気泡等が入りやすくなるなどのデメリットもある。
この点、第1実施形態のリボンハンダ10を用いることで、図3に示す通り、粒子間距離を短くしても、粒状フィラー11の添加量をそれ程増やさなくても済むので、結果的に、粒子間距離を近くした上でハンダ部13の伝熱性を確保することが可能である。
この他、粒状フィラー11の添加量が少なくて済むので、コスト的なメリットも高い。
The closer the inter-particle distance of the
In this regard, by using the
In addition, since the addition amount of the
なお、リボンハンダ10の製造方法について簡単に触れておくと、例えば2対の薄さが製品の半分程度のリボン状のハンダ箔を用意して、その間に粒状フィラー11を端部W2の部分だけに等間隔に配置しながらローラで圧延しつつリボンハンダ10を製造する方法が考えられる。
なお、リボンハンダ10と同じ厚みのハンダ箔の端部W2の部分に粒状フィラー11を配置し、ローラで圧延して所定の厚みとしつつ、粒状フィラー11をリボンハンダ10の中に埋め込むという手法を用いても良い。
この他、特許文献1又は特許文献4に示されるような、全体的に粒状フィラー11が含まれているリボンハンダ10を細く切って両端に圧着しながら成形するという手法も考えられる。
In addition, if the manufacturing method of the
In addition, the method of arrange | positioning the
In addition, as shown in
(第2実施形態)
第2実施形態は第1実施形態とほぼ同じであるがフィラーが、第1実施形態で示すような粒状ではなく、ワイヤ状であるという点で異なる。
図5に、第2実施形態のリボンハンダ10の模式平面図を示す。第1実施形態の図1に対応する。
このように、リボンハンダ10の両脇にワイヤ状フィラー14が配置されている。ワイヤ状フィラー14の材質は、粒状フィラー11と同じく高融点金属か、樹脂などが考えられる。高融点金属は、例えば、Niや、Cu、Fe、W、Mo、Al、Co、Nb、Ti及びその合金が考えられる。しかしながら、リボンハンダ10を所定の長さに分割することを考えると、W、Mo、Fe等の硬度が高い金属は避けた方が好ましい。その他、リボンハンダ10自身の融点が低ければ、樹脂ワイヤを用いることも考えられる。
ワイヤ状フィラー14を配置する位置については、第1実施形態と同様にリボン幅W1のうち端部W2部分に配置することが望ましく、半導体素子15の発熱部15aを避けた場所が好ましい。
(Second Embodiment)
The second embodiment is substantially the same as the first embodiment, but differs in that the filler is not in a granular form as shown in the first embodiment but in a wire form.
FIG. 5 shows a schematic plan view of the
Thus, the wire-
About the position which arrange | positions the wire-
第2実施形態のリボンハンダ10を用いるメリットとしては、第1実施形態と比較して、リボンハンダ10を形成しやすい点にある。また、半導体素子15と放熱板20の間にハンダ部13を形成した際には、粒状フィラー11を用いた場合は等間隔に並べられることが好ましいことに触れたが、ワイヤ状フィラー14を用いれば、そういった心配をする必要はない。
すなわち、リボンハンダ10に対してワイヤ状フィラー14が均等に配置しやすいというメリットがある。
The advantage of using the
That is, there is a merit that the
以上、本実施形態に則して発明を説明したが、この発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜変更することにより実施することもできる。
例えば、リボンハンダ10に配置される粒状フィラー11又はワイヤ状フィラー14が端部W2片側に2列以上になることを妨げない。また、粒状フィラー11の形状、及びワイヤ状フィラー14の材質についても、実施形態中で説明する物質以外のものを用いることを妨げない。
また、リボンハンダ10のハンダについても、SnCuAg系のハンダ以外のものにも適用が可能である。
Although the invention has been described according to the present embodiment, the invention is not limited to the embodiment, and by appropriately changing a part of the configuration without departing from the spirit of the invention. It can also be implemented.
For example, the
Also, the solder of the
10 リボンハンダ
11 粒状フィラー
13 ハンダ部
14 ワイヤ状フィラー
15 半導体素子
15a 発熱部
20 放熱板
W1 リボン幅
W2 端部
DESCRIPTION OF
Claims (5)
長さ方向に平行な両端部に前記フィラーが含有されリボン状に形成されたハンダ箔を、ハンダ付け面に配置し、
前記ハンダ箔上に半導体素子を配置し、加熱することで、
前記ハンダ付け面と前記ハンダ箔の間に挟まれた前記フィラーで前記ハンダの膜厚を確保し、前記半導体素子を前記ハンダ付け面にハンダ付けすることを特徴とするハンダ膜厚制御方法。 In the solder film thickness control method for controlling the film thickness of the solder using a filler,
Solder foil formed in a ribbon shape containing the filler at both ends parallel to the length direction is disposed on the soldering surface,
By placing a semiconductor element on the solder foil and heating,
A solder film thickness control method, comprising: securing a film thickness of the solder with the filler sandwiched between the solder surface and the solder foil, and soldering the semiconductor element to the solder surface.
前記ハンダ箔の前記両端部に含有されるフィラーが、前記半導体素子の発熱部を避けて配置されることを特徴とするハンダ膜厚制御方法。 The solder film thickness control method according to claim 1,
A solder film thickness control method, wherein fillers contained at both ends of the solder foil are disposed so as to avoid a heat generating portion of the semiconductor element.
前記フィラーが、高融点金属又は樹脂又はセラミックスで形成される粒状物質からなることを特徴とするハンダ膜厚制御方法。 In the solder film thickness control method according to claim 1 or 2,
The solder film thickness control method, wherein the filler is made of a granular material formed of a refractory metal, resin, or ceramic.
前記フィラーが、高融点金属、又は樹脂で形成されるワイヤ状物質からなることを特徴とするハンダ膜厚制御方法。 In the solder film thickness control method according to claim 1 or 2,
The solder film thickness control method, wherein the filler is made of a refractory metal or a wire-like substance formed of a resin.
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WO2018232374A1 (en) * | 2017-06-16 | 2018-12-20 | Indium Corporation | Solder ribbon with embedded mesh for improved reliability of semiconductor die to substrate attachment |
JP2019067976A (en) * | 2017-10-03 | 2019-04-25 | トヨタ自動車株式会社 | Semiconductor device |
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