JP2009302413A - 電子装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】チップを実装部にダイボンドする際に、ろう材の表面に生じる酸化層を抑制した電子装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】ろう材２２に還元剤２６を含む有機溶剤を付着させた後、有機溶剤が付着したろう材２２を乾燥させたダイボンド材２０と、半導体チップとを実装部３０上に配置する工程と、リフローすることにより、ダイボンド材２０を用い実装部３０上に前記半導体チップをダイボンドする工程と、を含むことを特徴とする電子装置の製造方法。還元剤２６がろう材２２の表面を覆うためろう材２２の酸化を抑制することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、電子装置及びその製造方法に関し、特に、ろう材を用いチップが実装部にダイボンドされた電子装置及びその製造方法に関する。

半導体チップ等のチップを、パッケージや実装基板等の実装部にダイボンドする方法として、ＡｕＳｎ（金錫）、ＳｎＡｇ（錫銀）、ＳｎＡｇＣｕ（錫銀銅）等の合金ろう材を用いる方法が用いられている（特許文献１参照）。

図１は、半導体チップをパッケージにダイボンドする方法を示す図である。ヒートブロック４０はカバー４２に囲まれ、カバー４２内は窒素雰囲気となっている。ヒートブロック４０上にパッケージ３２を配置する。パッケージ３２のチップ搭載部に例えばＡｕＳｎからなるろう材２２ａを配置する。ろう材２２ａがヒートブロック４０からの加熱により溶融した後、半導体チップ１０を溶融したろう材２２ａ上に配置する。パッケージ３２のチップ搭載部の表面及び半導体チップ１０の背面はＡｕ等がメッキされている。このため、溶融したろう材２２ａはパッケージ３２のチップ搭載部表面及び半導体チップ１０裏面と馴染む。温度を下げることにより、ろう材２２ａが凝固し、半導体チップ１０がパッケージ３２にダイボンドされる。
特開平９−２８３９０９号公報

しかしながら、図１に示す方法では、加熱時にろう材２２ａであるＡｕＳｎの表面が酸化するという課題がある。カバー４２内は窒素ガスが充満しているものの、作業用窓４４から空気中の酸素がろう材２２ａの表面に供給され、ろう材２２ａの表面が酸化し酸化層が形成されてしまう。図２は、ろう材表面の酸化層の厚さ及びろう材の温度を時間に対し示した模式図である。時間ｔ０において温度はほぼ室温Ｔ０である。その後、温度が上昇してもろう材が固体の間は半田表面の酸化は進み難い。時間ｔ１おいて、温度がろう材の融点Ｔ１を越えると、ろう材の分子が流動するため、急激に酸化層の厚さが増加する。時間ｔ２において、一定の温度Ｔ２に達すると、半導体チップ１０をダイボンドさせることができる。しかしながら、このときには、金属表面に厚い酸化層が形成されている。

ろう材２２ａの表面に酸化層が形成されると、半導体チップ１０の裏面金属にろう材２２ａが濡れないため、半導体チップ１０を図１の矢印のように微少に揺動させ、酸化層を除去し、半導体チップ１０の裏面金属にろう材２２ａを馴染ませる。このように、半導体チップ１０を揺動させる作業を行っている。つまり製造コストが増大している。これにより、半導体チップ１０とパッケージ３２との間のろう材２２ａにはボイドが生じ、ダイボンド強度が小さくなる。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、チップを実装部にダイボンドする際に、ろう材の表面に生じる酸化層を抑制することを目的とする。

本発明は、ろう材に還元剤を含む有機溶剤を付着させた後、該有機溶剤が付着した前記ろう材を乾燥させたダイボンド材と、半導体チップとを実装部部上に配置する工程と、リフローすることにより、前記ダイボンド材を用い前記実装部上に前記半導体チップをダイボンドする工程と、を含むことを特徴とする電子装置の製造方法である。本発明によれば、還元剤をろう材に付着させることにより、液状の還元剤がろう材の表面を覆うためろう材の酸化を抑制することができる。さらに、還元剤を用いる場合に、確実に還元剤がろう材に付着できるようにするために多量の還元剤を用いると、還元剤が蒸発されずに残ってしまう。そのままの状態で、ろう材が溶融するとダイボンド材内に還元剤の残渣によるボイドが発生してしまう。また、還元剤が残らないように少量の還元剤を用いると、ろう材の表面が還元剤に覆われない部分が生じてしまうおそれがある。本発明によれば、有機溶剤が付着したろう材を乾燥させダイボンド材とすることにより、還元剤をろう材に均一に付着させることができる。

上記構成において、前記ろう材はＡｕＳｎかつ前記還元剤はエリスリトール、前記ろう材はＳｎＡｇＣｕかつ前記還元剤はトリメチロールエタン、前記ろう材はＳｎＡｇＣｕかつ前記還元剤はトリメチロールプロパン、前記ろう材はＳｎＡｇかつ前記還元剤はトリメチロールエタン、及び、前記ろう材はＳｎＡｇかつ前記還元剤はトリメチロールプロパン、のいずれかである構成とすることができる。この構成によれば、ろう材の融点と還元剤の蒸発温度がほぼ同じであるため、温度を上昇させる際に、ろう材の酸化が進む融点に達する前に還元剤が蒸発してしまうことを抑制し、かつ、ろう材の融点を越え酸化が進むことを抑制することができる。

上記構成において、前記有機溶剤はテトラエチレングリコールジメチルエーテルまたはエタノールを含む溶剤である構成とすることができる。

上記構成において、前記半導体チップをダイボンドする工程における最高温度は、前記ろう材の融点および前記還元剤の蒸発温度以上の温度に設定されている構成とすることができる。

本発明によれば、還元剤をろう材に付着させることにより、液状の還元剤がろう材の表面を覆うためろう材の酸化を抑制することができる。さらに、有機溶剤が付着したろう材を乾燥させダイボンド材とすることにより、還元剤をろう材に均一に付着させることができる。

まず、本発明の原理について説明する。図３（ａ）は本発明でのダイボンド材表面の酸化層の厚さ及び温度を時間に対し示した模式図である。図３（ｂ）のように、ろう材２２と還元性を有する還元剤２６とを含むダイボンド材２０を実装部３０上に配置する。この状態で例えばヒートブロック４０を用い加熱すると、図２と同様に、ろう材２２の融点Ｔ１となる時間ｔ１まではろう材２２には酸化層はほとんど形成されない。還元剤２６が蒸発する温度Ｔ３はろう材２２の融点とほぼ同程度とする。温度Ｔ３となる時間ｔ３前後から還元剤２６が蒸発し、ろう材２２の表面の酸化を抑制する。よって、ろう材２２の融点Ｔ１となった時間ｔ１以降も、酸化層の厚さは大きくならない。ろう材２２表面の酸化層の厚さは急激には増加しない。時間ｔ２において、一定の温度Ｔ２に達した時点においても酸化層の厚さは小さい。その後、還元剤２６の蒸発が進むと、時間ｔ４において、酸化層の厚さは図２の時間ｔ２における酸化層の厚さ程度となる。図２の従来と比較し、図３では時間ｔ２からｔ４の間の期間Ａにおいて、酸化層の厚さを薄く保つことができる。よって、期間Ａにおいては、チップの揺動を行わずにチップを実装部３０にダイボンドすることができる。また、チップと実装部３０とのダイボンド強度を大きくすることができる。

このように、チップを実装部３０にダイボンドするためには、ダイボンド温度は、ろう材２２が溶融する温度（融点Ｔ１）以上の温度とする。しかしながら、ろう材２２の融点Ｔ１以上ではろう材２２の表面に酸化層が急激に生成される。そこで、ろう材の融点Ｔ１を還元剤２６が蒸発する温度Ｔ３とほぼ同じ温度とする。これにより、液状の還元剤２６がろう材２２の表面を覆うためろう材２２が酸化されることを抑制することができる。さらに、加熱を続けると、ろう材２２は溶融し、還元剤２６が蒸発しはじめるが、還元剤２６が液体で存在する間は、ろう材２２の酸化を抑制することができる。

ここで、還元剤２６の蒸発温度Ｔ３がろう材２２の融点Ｔ１より低いと、ろう材２２が溶融する前に還元剤２６が蒸発してしまう。一方、還元剤２６の蒸発温度Ｔ３がろう材２２の融点Ｔ１より高いと、半導体チップと実装部３０との間に還元剤が残ってしまう。よって、還元剤２６の蒸発温度Ｔ３はろう材２２の融点Ｔ１とほぼ同じであることが好ましい。さらに、ろう材２２に還元剤２６を付着させた際、取り扱いが容易なためには、還元剤２６の融点は常温（２５℃程度）以上であることが好ましい。

表１は還元剤２６の例として有機材料の融点及び蒸発温度を示した表である。また、表２はろう材２２の例として半田の融点を示した表である。表１及び表２を参照に、ろう材２２としてＡｕＳｎを用いる場合、還元剤２６としてエリスリトールを用いることが好ましい。また、ろう材２２としてＳｎＡｇまたはＳｎＡｇＣｕを用いる場合、還元剤２６としてトリメチロールエタンまたはトリエチロールプロパンを用いることが好ましい。なお、表２において、ＡｕＳｎはＡｕ−２０ｗｔ％Ｓｎ、ＳｎＡｇはＳｎ−３．５ｗｔ％Ａｇ、ＳｎＡｇＣｕはＳｎ−３ｗｔ％Ａｇ−０．５ｗｔ％Ｃｕの例を示しているが、本発明の目的を達する範囲で適宜組成比を変更することができる。

以下、ろう材２２としてＡｕＳｎ、還元剤２６としてエリスリトールを用いた場合の本発明の実施例について説明する。

図４（ａ）から図５（ｂ）を用い、実施例１に係るチップと実装部とのダイボンド方法について説明する。図４（ａ）を参照に、還元剤２６であるエリスリトール粉末２７を有機溶剤であるトリメチルプロパノールに攪拌したアルコールコロイド溶液２８にろう材２２であるＡｕ−２０ｗｔ％Ｓｎペレット２３を浸漬させる。図４（ｂ）を参照に、ＡｕＳｎペレット２３をアルコールコロイド溶液２８から取り出すと、ＡｕＳｎペレット２３の表面にはアルコールコロイド溶液２４が付着している。図４（ｃ）を参照に、ＡｕＳｎペレット２３を加熱することにより、アルコールが蒸発し、ＡｕＳｎペレット２３の表面にエリスリトール粉末２７が付着した状態となる。図５（ａ）を参照に、ＡｕＳｎペレット２３の表面にエリスリトール粉末２７が付着したダイボンド材２０をＣｕ（銅）にＡｕをメッキした実装部３０上に配置する。さらに、裏面にＡｕが形成された半導体チップ１０をダイボンド材２０上に配置する。図５（ｂ）を参照に、実装部３０をヒータブロック４０を用い３１０℃まで加熱しリフローする。その後、冷却することにより、ダイボンド材２１を用い半導体チップ１０を揺動することなく実装部３０にダイボンドすることができた。

図６は実装部３０上にダイボンドされた半導体チップ１０を上面からＸ線観察した写真の模式図である。ダイボンド材２０内に若干のボイド５０が観察されるが、半導体チップ１０全体に占めるボイド５０の割合（ボイド率）は６．８％であった。

実施例１によれば、図４（ｃ）及び図５（ａ）のように、ＡｕＳｎペレット２３（ろう材）とＡｕＳｎペレット２３の酸化を抑制するエリスリトール粉末２７（還元剤）とを有するダイボンド材２０を実装部３０上に配置する。その後、図５（ｂ）のように、３１０℃において、半導体チップ１０を実装部３０にダイボンドする。ＡｕＳｎの融点は２８０℃、エリスリトールの蒸発する温度は２８２．４℃のため、３１０℃において、ＡｕＳｎは溶融し、エリスリトールは蒸発する。図３（ａ）を用い説明したように、チップ１０をダイボンドする工程の最高温度をろう材２２の融点および還元剤２６の蒸発温度以上の温度に設定することにより、ダイボンド材２０の表面の酸化を抑制できる。これにより、半導体チップ１０を揺動することなく、図６のように、半導体チップ１０を実装部３０にボイド率が６．８％という良好な状態でダイボンドすることができた。

また、図４（ｃ）のように、還元剤２６としてエリスリトール粉末２７をＡｕＳｎペレット２３に付着させる。その後、図４（ｃ）のように、エリスリトール粉末２７が付着したＡｕＳｎペレット２３であるダイボンド材２０を実装部３０上に配置する。このような方法を用い、ダイボンド材２０を実装部３０に簡単に配置することができる。例えば、予め、エリスリトール粉末２７が付着したＡｕＳｎペレット２３を大量に準備しておけば、通常のペレットを実装部上に配置するのと同じ方法で、ダイボンド材２０を実装部３０に配置することができる。

また、エリスリトール粉末２７をＡｕＳｎペレット２３に付着させる方法として、図４（ａ）及び図４（ｂ）のように、ＡｕＳｎペレット２３にエリスリトール粉末２７が攪拌されたアルコールコロイド溶液２４を付着させる。図４（ｃ）のように、ＡｕＳｎペレット２３に付着したアルコールを蒸発させる。このような方法により、エリスリトール粉末２７をＡｕＳｎペレット２３に簡単に付着させることができる。

さらに、エリスリトールをテトラエチレングリコールジメチルエーテルに溶解させ、ろう材２２や実装部３０に塗布することもできる。この場合、エリスリトールとテトラエチレングリコールジメチルエーテルとの容量比は１：１とすることができる。

図７（ａ）から図７（ｃ）を用い、実施例２について説明する。図７（ａ）を参照に、エリスリトール粉末２７を含むアルコールコロイド溶液を実装部３０上に塗布する。アルコールコロイド溶液を乾燥させることにより、実装部３０上にエリスリトール粉末２７が析出する。図７（ｂ）を参照に、エリスリトール粉末２７上にＡｕＳｎペレット２３を配置する。ＡｕＳｎペレット２３上に半導体チップ１０を配置する。図７（ｃ）を参照に、３１０℃まで加熱することにより、ダイボンド材２１により半導体チップ１０が実装部３０に接続する。

図８は、実装部３０上にダイボンドされた半導体チップ１０を上面からＸ線観察した写真の模式図である。図６と同様にボイド５０は少なく、ボイド率は６．１％であった。

実施例２のように、実装部３０上にエリストリール粉末２７を配置し、エリスリトール粉末２７上にＡｕＳｎペレット２３を配置することにより、ダイボンド材２０を実装部３０上に配置することもできる。

還元剤２６をろう材２２に付着させる際、確実に還元剤２６がろう材２２に付着できるようにするために多量の還元剤２６を用いると、還元剤２６が蒸発されずに残ってしまう。そのままの状態で、ろう材２２が溶融するとダイボンド材２０内に還元剤２６の残渣によるボイドが発生してしまう。また、還元剤２６が残らないように少量の還元剤２６を用いると、ろう材２２の表面が還元剤１５に覆われない部分が生じてしまうおそれがある。実施例１および実施例２によれば、還元剤２６を含む有機溶剤が付着したろう材２２を乾燥させダイボンド材２０とすることにより、還元剤２６をろう材２２に均一に付着させることができる。

また、実施例１及び実施例２によれば、半導体チップ１０をＡｕＳｎペレット２３とエリスリトール粉末２７との上に配置した状態で、加熱し半導体チップ１０を実装部３０にダイボンドすることができる。このため、図９のように、パッケージ３２のチップ搭載部上にダイボンド材２０及び半導体チップ１０を配置し、搬送路６２を用いリフロー炉６０を通すことにより（つまり、リフローすることにより）、半導体チップ１０をパッケージ３２にダイボンドさせることができる。よって、製造コストを削減することができる。

さらに、実施例１及び実施例２のように製造された電子装置は、還元剤２６が完全に蒸発する前にダイボンドを終えるため、半導体チップ１０を実装部３０にダイボンドしたダイボンド材２１には、ろう材と還元剤とが含まれている。また、半導体チップ１０は例えばチップ抵抗等のチップであってもよい。実装部３０はパッケージや実装基板でもよい。

還元剤を含む有機溶剤としては、実施例１のように、テトラエチレングリコールジメチルエーテルを含む溶液を用いてもよいし、エタノールを含む溶液を用いてもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

図１は従来のチップを実装部にダイボンドする方法を示す図である。 図２は、従来の時間に対するろう材表面の酸化層の厚さ及びろう材の温度を示した模式図である。 図３（ａ）及び図３（ｂ）は、本発明における時間に対するろう材表面の酸化層の厚さ及びろう材の温度を示した模式図である。 図４（ａ）から図４（ｃ）は実施例１のチップを実装部にダイボンドする方法を示した模式図（その１）である。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は実施例１のチップを実装部にダイボンドする方法を示した模式図（その２）である。 図６は、実施例１においてダイボンドしたチップをＸ線観察した写真の模式図である。 図７（ａ）から図７（ｃ）は実施例２チップを実装部にダイボンドする方法を示した模式図である。 図８は、実施例２においてダイボンドしたチップをＸ線観察した写真の模式図である。 図９は、リフロー炉を用い、チップを実装部にダイボンドする方法を示した模式図である。

符号の説明

１０ 半導体チップ
２０ ダイボンド材
２１ ダイボンド材
２２ ろう材
２３ ＡｕＳｎペレット
２４、２８ アルコールコロイド溶液
２６ 還元剤
２７ エリスリトール粉末
３０ 実装部
４０ ヒートブロック

Claims (4)

1. ろう材に還元剤を含む有機溶剤を付着させた後、該有機溶剤が付着した前記ろう材を乾燥させたダイボンド材と、半導体チップとを実装部部上に配置する工程と、
   リフローすることにより、前記ダイボンド材を用い前記実装部上に前記半導体チップをダイボンドする工程と、
   を含むことを特徴とする電子装置の製造方法。
2. 前記ろう材はＡｕＳｎかつ前記還元剤はエリスリトール、
   前記ろう材はＳｎＡｇＣｕかつ前記還元剤はトリメチロールエタン、
   前記ろう材はＳｎＡｇＣｕかつ前記還元剤はトリメチロールプロパン、
   前記ろう材はＳｎＡｇかつ前記還元剤はトリメチロールエタン、
   及び、
   前記ろう材はＳｎＡｇかつ前記還元剤はトリメチロールプロパン、のいずれかであることを特徴とする請求項１記載の電子装置の製造方法。
3. 前記有機溶剤はテトラエチレングリコールジメチルエーテルまたはエタノールを含む溶剤であることを特徴とする請求項４記載の電子装置の製造方法。
4. 前記半導体チップをダイボンドする工程における最高温度は、前記ろう材の融点および前記還元剤の蒸発温度以上の温度に設定されていることを特徴とする請求項１記載の電子装置の製造方法。

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