JP2012206142A - 半田及び半田を用いた半導体装置並びに半田付け方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半田の再溶解を防止して半田付けの接合信頼性を改善する。
【解決手段】少なくともＡｕとＳｎを含む半田粉と、金属粉とを有する半田であって、該半田を加熱固化した状態で、ＡｕがＳｎよりも多い第一相と、第一相よりもＳｎの比率が多い第二相と、の２相以上の相に分離されてなり、第一相中に金属粉を固溶させることができる。これにより、半田の融点が上昇し多段化したパッケージ製造時においても半田の再溶解を防止し、部品サイズの微小化、形状多様化に対応可能となる。また、アセンブリ工程のコストダウンも可能となる。
【選択図】図４

Description

本発明は、鉛を含有しない半田、特に電子部品内部の半田付けに適した半田及び半田を用いた半導体装置並びに半田付け方法に関する。

電子機器類のプリント基板に実装される電子部品には、その内部を半田合金で半田付けしてあるものがある。この電子部品をプリント基板に実装する際にも半田合金が用いられるため、電子部品内部の半田合金は、実装に用いる半田合金よりも融点が高く、しかも耐熱性に優れた高温半田合金とする必要がある。このため高温半田合金には、Ｐｂの含有量が高い、２７０〜３２０℃以上の融点の合金が使用されてきた。これにより、プリント基板に半田付けする際に高温半田合金を用いて、その後の半田付けに際しても、電子部品内部の半田付け部を確実に保持できるようにしていた。

このような従来の高温半田合金は、Ｐｂ−５Ｓｎ、Ｐｂ−１０Ｓｎ等のＰｂ主成分とするＰｂ−Ｓｎ系であり、一方実装用半田合金は、Ｓｎ−Ｐｂ共晶（６３Ｓｎ−Ｐｂ）近傍の融点の低い半田合金が使用されていた。

ところで近年、一般にＡＶ機器やコンピュータ等の電子機器類は、故障したり機能が低下したりした場合、修理や機能アップ等をせずに廃棄処分されていた。特にプリント基板は、樹脂に銅箔を接着したものであり、しかも該銅箔には半田が金属的に付着していて、それらを分離することができないため、焼却処分ができず、廃棄は埋め立て処分となっていた。この埋め立て処分されたプリント基板に酸度の高い酸性雨が接触すると、半田中のＰｂが溶出し、それが地下水に混入する。そしてＰｂ成分を含んだ地下水を人間や家畜が飲用すると長年月の間にＰｂ成分が体内に蓄積されて鉛中毒を起こすことが懸念されている。そこで電子機器業界からはＰｂの含まない所謂鉛フリー（Ｐｂフリー）半田が要求されてきている。

しかしながら従来の鉛フリー半田合金は、Ｓｎを主成分とし、Ｃｕ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｓｂ等の金属元素を添加したものが主流であり、Ｓｎ−０．７Ｃｕ（融点：２２７℃）、Ｓｎ−３．５Ａｇ（融点：２２１℃）、Ｓｎ−５８Ｂｉ（融点：１３９℃）、Ｓｎ−９Ｚｎ（融点：１９９℃）等の低融点のものが主流であった。

一方で、ＡｕＳｎ、ＡｕＧｅ、ＡｕＳｉ等のＡｕ系の高温半田材が提案されている。このようなＡｕ系高温半田材は、半導体発光素子、半導体受光素子、高周波素子、ＳＡＷ、水晶デバイス等のパッケージ及びそのヒートシンクなどの接合に用いられており、一般にリボン、ペレット、枠、蒸着材などのプリフォーム箔材の形態で供給されている。

しかしながら、近年は部品サイズの微小化や形状の多様化が進み、またアセンブリ工程のコストダウンが望まれており、このような状況ではプリフォーム箔材の供給形態では対応が困難となってきている。そのため、半田材供給の自由度が高く、低コスト・アセンブリを実現できる鉛フリーの半田ペースト（ソルダーペースト）が多く使用されるようになってきた。

さらに、最近では半導体パッケージの製造が多段階化しており、１種類のペースト半田のみでは対応が困難となっている。例えば、発光ダイオード（以下「ＬＥＤ」という。）のパッケージを構成するために、ヒートシンク等のベース材にセラミックスなどのパッケージ部材を接合した後、ダイス等の半導体素子を接合し、その後さらに光学部材をパッケージ部材上に接合するといった多段の接合がなされている。この場合、同一種類の半田材を使用すると、再加熱時に半田材が再溶融して、せっかく位置決めしていたセラミックス、ダイス等の部材が動いてしまうといった問題が発生していた。

特開２００５−９３７８１号公報 特開２００６−１９６７６号公報

本発明は、このような背景に鑑みてなされたものである。本発明の主な目的は、半田の再溶解を防止でき半田付けの接合信頼性に優れた半田及び半田を用いた半導体装置並びに半田付け方法を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

以上の目的を達成するために、第１の側面に係る半田によれば、少なくともＡｕとＳｎを含む半田粉と、金属粉と、を有する半田であって、該半田を加熱固化した状態で、ＡｕがＳｎよりも多い第一相と、前記第一相よりもＳｎの比率が多い第二相と、の２相以上の相に分離されてなり、前記第一相中に前記金属粉を固溶させることができる。これにより、半田の融点が上昇し多段化したパッケージ製造時においても半田の再溶解を防止し、部品サイズの微小化、形状多様化に対応可能となる。また、アセンブリ工程のコストダウンも可能となる。

また、第２の側面に係る半田によれば、前記金属粉が、Ａｇ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｇｅ、Ｓｂよりなる群から選択された少なくとも一を含むことができる。これにより、半田の融点を上昇させて再溶解を効果的に阻止でき、多段化した製造に適用できる。

さらに、第３の側面に係る半田によれば、前記金属粉の平均粒子径が１１０μｍ以下とできる。これにより、金属粉を第一相中に固溶し易くできる。

さらにまた、第４の側面に係る半田によれば、前記金属粉をＣｕとできる。これにより、Ｃｕを固溶させて半田の融点を上昇させることができ、安定性に優れた高温半田が実現できる。

さらにまた、第５の側面に係る半田によれば、Ａｕを５０〜７４ｗｔ％、Ｓｎを１９〜３３ｗｔ％含む半田粉と、金属粉としてＣｕを含み、該半田粉を加熱固化した状態で、 ＡｕがＳｎよりも多い第一相と、前記第一相よりもＳｎの比率が多い第二相との２相以上の相に分離されてなり、前記第一相中に前記Ｃｕを固溶させることができる。これにより、Ｃｕを固溶させて半田の融点を上昇させることができると共に、ＡｕとＳｎの比率を調整して融点を変更できる。

さらにまた、第６の側面に係る半田によれば、前記金属粉に、さらにＡｇを０．０１〜３ｗｔ％含めることができる。これにより、半田接合時の濡れ性を向上させ、また熱疲労強度も改善できる。

さらにまた、第７の側面に係る半田によれば、さらにジエチレングリコール・モノヘキシエーテルが２〜３ｗｔ％、ロジンが４〜６ｗｔ％、それぞれ含めることができる。

さらにまた、第８の側面に係る半田によれば、前記半田をペースト状とできる。これにより、箔状に比べて極めて扱いやすい半田とできる。

さらにまた、第９の側面に係る半導体装置によれば、ヒートシンクが接合された半導体装置であって、該ヒートシンクと半導体装置との接合部を、上記いずれかの半田により接合することができる。

さらにまた、第１０の側面に係る半導体装置によれば、半導体素子と基板とを有する半導体装置であって、前記半導体素子と基板とを上記いずれの半田により接合することができる。

さらにまた、第１１の側面に係る半田付け方法によれば、少なくともＡｕとＳｎを含む半田粉と、金属粉と、フラックスを含む半田を加熱溶融する工程と、加熱後、前記半田を冷却して固化させる工程と、を含んでなり、加熱固化後の半田組成が、ＡｕがＳｎよりも多い第一相と、前記第一相よりもＳｎの比率が多い第二相の２相以上の相に分離され、前記第一相中に前記金属粉を固溶させることができる。これにより、半田の融点が上昇し多段化したパッケージ製造時においても半田の再溶解を防止し、部品サイズの微小化、形状多様化に対応可能となる。また、アセンブリ工程のコストダウンも可能となる。

半導体発光素子のパッケージを示す分解斜視図である。 図１の半導体発光素子のパッケージの側面図である。 図３（ａ）は、複合体半田ペーストを示す概略図、図３（ｂ）は図３（ａ）の半田ペーストを加熱溶融した状態を示す概略図である。 図４（ａ）は、本発明の実施の形態に係る半田ペーストを示す概略図、図４（ｂ）は図４（ａ）の半田ペーストを加熱溶融した状態を示す概略図である。 実施例１〜３の半田の示差熱分析結果を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための半田及び半田を用いた半導体装置並びに半田付け方法を例示するものであって、本発明は半田及び半田を用いた半導体装置並びに半田付け方法を以下のものに特定しない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。また、一部の実施例、実施形態において説明された内容は、他の実施例、実施形態等に利用可能なものもある。
（実施例１）

図１及び図２に、本発明の実施例１に係る半導体パッケージの半田付けの一例として、半導体発光素子１００、ここではＬＥＤのパッケージに適用する例を説明する。図１は、ＬＥＤのパッケージを示す分解斜視図、図２は図１の側面図を、それぞれ示している。この半導体パッケージは、ヒートシンクであるベース材１と、セラミックス製のパッケージ部材２と、半導体素子４と、ガラス製のレンズを有する光学部材５とを備える。

図２に示すように、まずベース材１にパッケージ部材２を接合した後、半導体素子４を接合する。その後、光学部材５をパッケージ部材２上に接合する。このように、半導体パッケージの構成には、複数回の接合を行う必要がある。この場合に、同一種類の半田材を使用すると、再加熱時に、先に半田付けした半田材が再溶融して、半田付けの際に位置決めされていた部材がずれてしまうおそれがある。そこで、先の半田付けには高温半田合金を用いて、後の半田付けにはこれよりも融点の低い低温半田合金を用いることで、後の半田付けの際に再融解が生じないようにできる。このため、電子部品をプリント基板等に接続する際に使用する半田に関して、従来のＳｎ６３％−Ｐｂ３７％、融点１８３℃の鉛入り半田の代替材料として、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系の半田材料が開発され実用化が進んでいる。一方で電子部品パッケージの内部の接合には、プリント基板に半田付けした電子部材が再溶融しないよう融点の高いＳｎ−Ｐｂ系半田（錫１０〜５％、鉛９０〜９５％、融点３１４〜３２０℃）が使用されているが、このような大量の鉛を含む高温半田の代替となる無鉛の半田材料の開発がされていなかったため、高温で利用可能な温度階層接続に適した鉛フリー半田が求められていた。

ところで、半田用組成物には、半田粉に金属粉が含まれている場合がある。図３（ａ）に、半田粉にＳｎ−Ａｇ、金属粉としてＣｕを用いた複合体半田ペーストの溶融前の概略図を示す。この半田組成物を、リフローなどにより加熱すると、図３（ｂ）のように半田粉が溶融し、Ｓｎ以外にＣｕ−Ｓｎの金属間化合物が形成されると共に、Ｃｕ粉は粉体状のままこの金属間化合物中に存在する状態となる。この状態では、Ｃｕ₆Ｓｎ₅等のＣｕ−Ｓｎ金属間化合物によって固定されることとなる。

しかしながら、後工程の二次加熱によっては、半田の溶融が生じたり、また半田の表面にＣｕ粉の凹凸が生じ、あるいはＣｕ粉が経時劣化し半田母材から剥離する等の問題があった。そこで、本発明者は、金属粉を固溶させることができれば、さらなる強度が得られ、また高融点化できるのではとの仮説に基づき、様々な半田組成物について検討して、本願発明を得た。ここでは、（Ａ）Ａｕ−Ｓｎ系半田ペースト、（Ｂ）Ｓｎ−Ａｇ系Ｃｕ粉２０％添加半田ペーストの２種類の半田を、混合比（Ａ）：（Ｂ）＝９０：１０で混合して用いる。

上記の混合半田を用いた場合は、図４（ａ）の状態から、加熱固化後は、図４（ｂ）に示すように、金属粉末であるＣｕ粉が消失して、ＡｕがＳｎよりも多い第一相（Ａｕ：Ｓｎ＝５：１）、第一相よりもＳｎの比率が多い第二相（Ａｕ：Ｓｎ＝１：１）に分離し、第一相にＣｕが固溶していたことが確認できた。第一相でのＣｕの比率は、Ａｕ：Ｓｎ：Ｃｕ＝７０：１４：１７であった。

より詳細に検討すると、加熱温度が２８５℃のときはＣｕ粉が未溶融状態となり、Ｃｕ粉が球状のまま２相のＡｕ：Ｓｎ相に分離していた。また、温度をさらに上昇させると、Ｃｕ粉が第一相に固溶することが確認された。
（半導体パッケージの試作）

次に、再溶解の有無を確認するため、実施例１に加え、これと混合比率の異なる半田として実施例２、３をそれぞれ作成し、各半田を用いてそれぞれ半導体パッケージを作成し、さらに各パッケージをヒートシンクに接合した。ここでは、３種類の半田の混合比率を、以下のように設定した。
実施例１ （Ａ）：（Ｂ）＝９０：１０
実施例２ （Ａ）：（Ｂ）＝８０：２０
実施例３ （Ａ）：（Ｂ）＝７０：３０

また、実施例１及び３の加熱前後における組成比を表１に示す。

また、半導体パッケージとして図１に示すＬＥＤを作成した。このＬＥＤパッケージの作成において、接合する部材に、ペースト状の半田を塗布し、３００℃〜４００℃に加熱して接合する。なお半導体パッケージを構成するベース材１はＭｏ−Ｃｕ板とし、パッケージ部材２はセラミックス製とした。

さらに各ＬＥＤへのヒートシンクの接合は、大気炉で行い、設定温度を３２０℃（実温３００℃）とした。また加熱おもりを載せ、９０秒保持した。この結果、接合状態は良好で再融解による位置ずれは見られなかった。

また、接合部分の密着性を確認するために、密着性評価試験（リークチェック）を行った。ここでは、密閉した系内に水素−窒素混合ガスを流し、水素ガスのリーク量を水素ガス濃度計により計測した。計測の結果、リークは確認されず、十分な密着性を得ていることが確認された。このように、実施例に係る半田を用いて固定した半導体パッケージは、加熱固化後に十分な強度を発揮し、また融点を高めたことから、再融解を防止できることが確認できた。

さらに、実施例１〜３の半田の融点を確認すべく、ＴＧ−ＤＴＡ（示差熱分析）を行った結果を図５に示す。ここでは比較例１として、Ａｕ−20％Ｓｎを１００％とした半田を用いた。実施例１〜３及び比較例１の、温度と熱電対の起電力差（μＶ）の関係を図５のグラフに示している。各波形のピークボトムから得られる融点は、比較例１が２８４．２℃であるのに対し、実施例１で３１１．１℃、実施例２で３２５．０℃、実施例３で３５２．２℃となり、半田ペーストの混合比が、（Ｂ）の比率が大きくなるほど融点が高くなることが確認できた。ただし、（Ｂ）の比率を３０％よりも多くすると、半田の品質が悪くなるため、好ましくは１〜３０％とする。

このように、金属粉を固溶させることで、固化後に十分な強度を発揮し、また再融解を防止できる半田が得られた。特に、従来は残留していた金属粉を半田相に固溶させることで、半田の融点を上昇できるので、再溶融を回避し、位置決めしていた部材が再加熱時に動いてしまう問題が解決され、半導体パッケージの製造多段階化が容易に行えるようになった。

Ｃｕを含有すると、一般的には放熱性の向上が期待されるところ、本発明者が行った試験によれば、半田中にＣｕを含有したことで放熱性の目立った改善は確認できなかった。このことから、技術常識として放熱性の向上が得られない以上Ｃｕを添加することの動機付けは与えられないところ、本発明においては上述の通り、融点を高くできるという優れた作用効果を達成している。特に、Ａｕ、Ｓｎ及びＣｕの混合比率の調整によって、融点を調整できるため、半田付けを多段化した製造においては有利となる。

さらに金属粉にＡｇを０．０１〜３ｗｔ％含めることができる。このようにＡｇを添加することで、半田接合時の濡れ性を向上させ、また熱疲労強度も改善できる。特にＡｇは、結晶粒界に高濃度に存在し、結晶粒界の移動を抑えるため疲労強度が向上する。ただＳｎ−Ａｇ合金は、Ｓｎ−３．５ｗｔ％ Ａｇにおいて共晶点（共晶温度２２１℃）を有し、Ａｇ添加により溶融点の低下をもたらすので、Ｃｕの添加により溶融点を高めて溶融点の低下を補うことができる。このようにＣｕの添加は、半田の濡れ性を損なうことなく、Ｓｎ中に固溶して耐熱性と合金強度を向上させる。

さらに、得られたＬＥＤの信頼性試験を行った。ここでは、−４０℃から１００℃の間の熱衝撃試験を行った。１０００サイクルまでは、通常の金属粉を含まないＡｕ−２０％Ｓｎ半田とほぼ同じ結果となり、Ｃｕを混入させることで信頼性の低下が見られないことが確認された。

以上の実施例では、金属粉としてＣｕを使用したが、他の金属粉も利用でき、例えば、Ａｇ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ｇｅ、Ｓｂ等が挙げられる。これらの金属を第一相中に固溶させることで、半田の融点を上昇させて再溶解を阻止できる。また、金属粉の平均粒子径は１１０μｍ以下とすることが好ましい。上記実施例では１４０メッシュアンダーとした。このように平均粒径を小さく抑えることで、第一相中に固溶させ易くできる。

なお上記の例では、半導体パッケージとしてＬＥＤを説明したが、本発明はＬＥＤに限られず、他の半導体素子、例えば半導体レーザやＣＣＤ、Ｃ−ＭＯＳ等の受光素子、トランジスタ等のスイッチング素子等にも適用できることは言うまでもない。

本発明の半田及び半田を用いた半導体装置並びに半田付け方法は、半導体パッケージとヒートシンクとの半田付けなどの用途において好適に利用できる。また、半導体素子などの電子部品の温度階層接続に利用可能な鉛フリーの高温半田材として好適に利用できる。

１００…半導体発光素子
１…ベース材
２…パッケージ部材
４…半導体素子
５…光学部材

Claims (11)

1. 少なくともＡｕとＳｎを含む半田粉と、
   金属粉と、
   を有する半田であって、
   該半田を加熱固化した状態で、
   ＡｕがＳｎよりも多い第一相と、
   前記第一相よりもＳｎの比率が多い第二相と、
   の２相以上の相に分離されてなり、
   前記第一相中に前記金属粉が固溶されてなることを特徴とする半田。
2. 請求項１に記載の半田であって、
   前記金属粉が、Ａｇ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｇｅ、Ｓｂよりなる群から選択された少なくとも一を含むことを特徴とする半田。
3. 請求項１又は２に記載の半田であって、
   前記金属粉の平均粒子径が１１０μｍ以下であることを特徴とする半田。
4. 請求項１〜３のいずれか一に記載の半田であって、
   前記金属粉がＣｕであることを特徴とする半田。
5. Ａｕを５０〜７４ｗｔ％、
   Ｓｎを１９〜３３ｗｔ％、
   含む半田粉と、
   金属粉としてＣｕと、
   を含み、
   該半田粉を加熱固化した状態で、
   ＡｕがＳｎよりも多い第一相と、
   前記第一相よりもＳｎの比率が多い第二相と、
   の２相以上の相に分離されてなり、
   前記第一相中に前記Ｃｕが固溶されてなることを特徴とする半田。
6. 請求項１〜５のいずれか一に記載の半田であって、
   前記金属粉に、さらにＡｇが０．０１〜３ｗｔ％含まれてなることを特徴とする半田。
7. 請求項１〜６のいずれか一に記載の半田であって、さらに、
   ジエチレングリコール・モノヘキシエーテルが２〜３ｗｔ％、
   ロジンが４〜６ｗｔ％、
   それぞれ含まれてなることを特徴とする半田。
8. 請求項１〜７のいずれか一に記載の半田であって、
   前記半田がペースト状であることを特徴とする半田。
9. ヒートシンクが接合された半導体装置であって、
   該ヒートシンクと半導体装置との接合部は、請求項１〜８のいずれか一に記載の半田により接合されていることを特徴とする半導体装置。
10. 半導体素子と基板とを有する半導体装置であって、
    前記半導体素子と基板とが請求項１〜９のいずれか一に記載の半田により接合されていることを特徴とする半導体装置。
11. 少なくともＡｕとＳｎを含む半田粉と、金属粉と、フラックスを含む半田を加熱溶融する工程と、
    加熱後、前記半田を冷却して固化させる工程と、を含んでなり、
    加熱固化後の半田組成が、ＡｕがＳｎよりも多い第一相と、前記第一相よりもＳｎの比率が多い第二相の２相以上の相に分離され、
    前記第一相中に前記金属粉が固溶されてなることを特徴とする半田付け方法。