JP2009152237A - ワイドギャップ半導体チップの鉛フリー真空半田付け方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ワイドギャップ半導体チップの電極構造において、鉛フリー半田を用いた半田付けを行った場合の接合状態を良好なものとし、ボイドの発生を効果的に抑制することのできる、ワイドギャップ半導体チップの鉛フリー真空半田付け方法を提供する。
【解決手段】ワイドギャップ半導体チップの電極接合を鉛フリー半田で真空環境にて半田付けする方法であって、加熱による鉛フリー半田の溶融状態時に減圧状態を作り、この減圧状態を常圧状態と組み合わせる。
【選択図】図４

Description

本発明は、加熱および真空引きを組み合わせた環境にて、SiC等のワイドギャップ半導体チップの電極を鉛フリー半田で半田付けする方法に関するものである。

従来、半導体チップの電極接合は、ダイボンダーを使って大気中で半田付けするか、リフロー炉を使って大気もしくは窒素雰囲気中で行うかのいずれかの手法を採用しており、これまで一般的に使われてきた半田は錫−鉛（Sn-Pb）系の半田で、半田付けの温度や時間の条件等を調整するだけで良好な接合層を形成することができた。

ところで、SiC等のワイドギャップ半導体チップは、これまでのSi半導体チップに比べ２００℃以上の高温での動作が可能であり、この特徴を生かしたパッケージの開発が進められている。しかしながら、従来のSn-Pb系半田（鉛系半田）は、その使用温度からも、また対環境問題からも、使用が難しくなっており、このため、Pbが入っておらず且つ２００℃以上での耐久性がある錫−銀−銅（Sn-Ag-Cu）や金−錫（Au-Sn）などの鉛フリー半田を使用することが必要でとなってきている。

半導体チップの電極接合に関してはさらに、半田付けをする半導体チップの面積が大きくなればなるほど、接合に使用する半田の中に図１に例示したような気泡（ボイド）が発生し易く、接合強度の低下や半導体チップの放熱効率の低下を引き起こす。特に上述した従来の窒素リフロー炉を使用した半田付けでは、ボイドの発生率が５〜２０％の間で大きくばらつき、このため半導体チップ間で電極接合状態が安定しない。

また、通常の鉛系半田では、濡れ性が良好であるということと、リフローピークが３２０℃程度必要であることから、通常のリフロープロファイル（たとえば図２参照）では半田が溶融して、電極となじむ領域での温度−時間管理がかなりシビアになってしまう。すなわち、半田を電極になじませるためのフラックスが高温環境下に置かれると失活してしまい、従来の役目を果たさなくなり、結果としてボイドの発生を助長することとなる。

本発明は、以上の事情に鑑みてなされたものであり、ワイドギャップ半導体チップの電極構造において、鉛フリー半田を用いた半田付けを行った場合の接合状態を良好なものとし、ボイドの発生を効果的に抑制することのできる、ワイドギャップ半導体チップの鉛フリー真空半田付け方法を提供することを課題としている。

本発明は、上記の課題を解決するものとして、ワイドギャップ半導体チップの電極接合を鉛フリー半田で真空環境にて半田付けする方法であって、加熱による鉛フリー半田の溶融状態時に減圧状態を作り、この減圧状態を常圧状態と組み合わせる、ことを特徴とするワイドギャップ半導体チップの鉛フリー真空半田付け方法を提供する。減圧状態と常圧状態の組合せについては、たとえば、加熱時間中に順に常圧状態、減圧状態、常圧状態とする。

ここで、本発明の一実施形態について説明する。

本実施形態では、鉛フリー半田であるAu-Sn半田を使用し、この半田が溶融している状態のときに試料全体を減圧下に置くことで（いわゆる真空引きプロセス）、ボイドを強制的に除去する。

真空引きプロセスの条件の一例は以下のとおりである。

ＳｉＣチップサイズ ５×５ｍｍ
圧力 −８０ＫＰａ以下
加熱時間 １５０秒以下
半田量 ０．０４ｇ＜ｘ＜０．１ｇの範囲（勿論チップサイズに依存）
温度 ３００℃〜３２０℃
半田 Au-Sn半田ペースト
この条件にて、図３に例示した真空過熱装置を用い、ホットプレート１の上に順に配置させた基板２、Au-Sn半田３、半導体チップ４を減圧チャンバー５で覆い、ホットプレート１からの加熱によりAu-Sn半田３が溶融している状態にて真空ポンプ６により減圧チャンバー５内を減圧する。

減圧については、加熱時間中全て減圧状態とするのではなく、減圧状態と常圧状態を組み合わせる。具体的には、図４に例示したように、３２０℃に過熱した状態（Au-Sn半田ペーストが溶融している状態）にて一旦温度を下げた後に、真空ポンプ６により真空引きして減圧チャンバー５内を大気環境（常圧状態）から真空環境（減圧状態）とし、３０秒後に真空ポンプ６を切ってそのまま１５秒経過させた後、大気環境に戻す。温度は、真空ポンプ６のオフ後、１５秒＋１５秒経過後から徐々に下げている。

これによれば、加熱時間中全て真空引きを行うよりも、減圧状態と常圧状態を適切に組み合わせることで、ボイド率を常に１０％以下に維持することができ、安定した電極接合を作製でき、よって良好な電極接合を持つ半導体チップの安定した製造を実現することができる。

加熱中全て減圧環境にすると、ボイドの発生率に５〜２０％程度のばらつきが生じて、安定した電極接合を得ることができない。たとえば図５（ｂ）に示した全減圧環境での半田付けによるボイドの発生率は２３％にも上っているのに対し、図５（ａ）に示した上述したとおりの減圧／常圧組合せ環境での半田付けによるボイドの発生率は５％となっており、且つこの５％を他の半導体チップの電極接合においても維持することができている。減圧／常圧組合せについても、比較例として、真空環境を３０秒、真空ポンプを切りそのまま６０秒保持、そのまま大気環境に戻し３０秒保持のパターンの場合では、図６に示したようにボイドが増加し、その発生率は３０％以上になってしまう。

また、従来のリフローでは加熱にたとえば３００秒という長い時間を要していたところ、本発明によれば、従来の半分以下の１５０秒以下という短時間の加熱で、ボイド発生の抑制ならびに安定化を実現している。

従来の窒素リフロー炉を使用した半田付け時に発生するボイドの一例を示したＸ線透視画像図。 従来のリフロープロファイルの一例を示した図。 本発明の一実施形態を示した概略図。 本発明の一実施形態における圧力／温度プロファイルの一例を示した図。 （ａ）（ｂ）は、各々、従来例および本発明による一実施例を示したＸ線透視画像図。 一比較例を示したＸ線透視画像図。

符号の説明

１ ホットプレート
２ 基板
３ Au-Sn半田
４ 半導体チップ
５ 減圧チャンバー
６ 真空ポンプ

Claims (6)

1. ワイドギャップ半導体チップの電極接合を鉛フリー半田で真空環境にて半田付けする方法であって、加熱による鉛フリー半田の溶融状態時に減圧状態を作り、この減圧状態を常圧状態と組み合わせる、ことを特徴とするワイドギャップ半導体チップの鉛フリー真空半田付け方法。
2. 鉛フリー半田がAu-Sn半田である、請求項１記載のワイドギャップ半導体チップの鉛フリー真空半田付け方法。
3. 減圧状態が−８０ＫＰａ以下である、請求項１または２記載のワイドギャップ半導体チップの鉛フリー真空半田付け方法。
4. 加熱温度が３００℃〜３２０℃である、請求項１ないし３のいずれかに記載のワイドギャップ半導体チップの鉛フリー真空半田付け方法。
5. 加熱時間が１５０秒以下である、請求項１ないし４のいずれかに記載のワイドギャップ半導体チップの鉛フリー真空半田付け方法。
6. 加熱時間中に順に常圧状態、減圧状態、常圧状態とする、請求項１ないし５のいずれかに記載のワイドギャップ半導体チップの鉛フリー真空半田付け方法。