JP2620697B2 - 半導体装置 - Google Patents
半導体装置Info
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- JP2620697B2 JP2620697B2 JP62276548A JP27654887A JP2620697B2 JP 2620697 B2 JP2620697 B2 JP 2620697B2 JP 62276548 A JP62276548 A JP 62276548A JP 27654887 A JP27654887 A JP 27654887A JP 2620697 B2 JP2620697 B2 JP 2620697B2
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- semiconductor chip
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
- H01L24/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/15—Details of package parts other than the semiconductor or other solid state devices to be connected
- H01L2924/181—Encapsulation
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Die Bonding (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、Pb−Sn−Bi系合金半田により半導体チツプ
をろう接した半導体装置に関する。
をろう接した半導体装置に関する。
電力用半導体装置においては、通電と遮断を繰り返す
断続通電に伴つて半導体チツプ−半田−電極部材の系に
熱サイクルが加わり、半田の熱疲労によるろう接部の熱
抵抗増大などの不良が発生する。このため、耐熱疲労特
性の向上が大きな課題とされ、種々の観点から改良が進
められている。半田組成の観点からも改良が行われてお
り、耐熱疲労特性の良好な半田が種々提案されている。
例えば、特公昭59−16405号では、Pb93.5〜97.5重量
％、Sn1.5〜4.5重量％、Ag（銀）１〜２重量％のPb−Sn
−Ag系半田が提案されている。
断続通電に伴つて半導体チツプ−半田−電極部材の系に
熱サイクルが加わり、半田の熱疲労によるろう接部の熱
抵抗増大などの不良が発生する。このため、耐熱疲労特
性の向上が大きな課題とされ、種々の観点から改良が進
められている。半田組成の観点からも改良が行われてお
り、耐熱疲労特性の良好な半田が種々提案されている。
例えば、特公昭59−16405号では、Pb93.5〜97.5重量
％、Sn1.5〜4.5重量％、Ag（銀）１〜２重量％のPb−Sn
−Ag系半田が提案されている。
現在、半導体チツプろう接するための半田として、Pb
ベースのもの（Pb−Sn系、Pb−Sn−Ag系、Pb−In（イン
ジウム）系、Pb−In−Ag系など）が多用されている。ま
た、耐熱特性の良好な半導体装置とするため、あるいは
半導体チツプろう接後のリード線接続や樹脂封止等の工
程における熱処理によつて半田の再溶融あるいは著しい
軟化が起こらないようにするために、約300℃以上の融
点を持つ高融点半田で半導体チツプを固着することが望
ましい。製造コスト低減に対する厳しい要求に応えるた
めに少しでも安価である必要があり、Au（金）、Ag
（銀）等の高価な材料の使用は最小限にしなければなら
ない。更に、Cd（カドミウム）のような使用規制のある
有害物質も使わない方が望ましい。
ベースのもの（Pb−Sn系、Pb−Sn−Ag系、Pb−In（イン
ジウム）系、Pb−In−Ag系など）が多用されている。ま
た、耐熱特性の良好な半導体装置とするため、あるいは
半導体チツプろう接後のリード線接続や樹脂封止等の工
程における熱処理によつて半田の再溶融あるいは著しい
軟化が起こらないようにするために、約300℃以上の融
点を持つ高融点半田で半導体チツプを固着することが望
ましい。製造コスト低減に対する厳しい要求に応えるた
めに少しでも安価である必要があり、Au（金）、Ag
（銀）等の高価な材料の使用は最小限にしなければなら
ない。更に、Cd（カドミウム）のような使用規制のある
有害物質も使わない方が望ましい。
こうした種々の条件を満たす中で、半導体装置の耐熱
疲労特性を更に向上させることのできる半田が要望され
ている訳であるが、この要望を十分にかなえるだけの半
田が見当らないのが現状である。
疲労特性を更に向上させることのできる半田が要望され
ている訳であるが、この要望を十分にかなえるだけの半
田が見当らないのが現状である。
Pb−Sn−Bi系半田は、特開昭54−1254号公報、特開昭
54−72738号公報、特開昭58−218394号公報、特開昭59
−76693号公報、特開昭60−166191号公報などに開示さ
れている。しかし、いずれの半田もSnとBiの一方又は両
方を比較的大量に含ませることにより低融点化（融点20
0℃程度以下）したことを特徴としている。従つて、融
点の点で上記条件を満たさず、半導体装置への使用には
制約が多い。
54−72738号公報、特開昭58−218394号公報、特開昭59
−76693号公報、特開昭60−166191号公報などに開示さ
れている。しかし、いずれの半田もSnとBiの一方又は両
方を比較的大量に含ませることにより低融点化（融点20
0℃程度以下）したことを特徴としている。従つて、融
点の点で上記条件を満たさず、半導体装置への使用には
制約が多い。
そこで、本発明の目的は、耐熱疲労特性に優れ、且つ
後の工程において再溶融あるいは軟化の問題が発生しに
くい半導体装置を提供することにある。
後の工程において再溶融あるいは軟化の問題が発生しに
くい半導体装置を提供することにある。
上記問題点を解決し、上記目的を達成するための本発
明は、Pb（鉛）95〜99重量％、Sn（錫）0.5〜3.5重量
％、Bi（ビスマス）0.5〜3.0重量％を含み融点が300℃
以上のPb−Sn−Bi系合金半田により、半導体チツプの少
なくとも一方の主面と電極部材とが固着されていること
を特徴とする半導体装置に係わるものである。
明は、Pb（鉛）95〜99重量％、Sn（錫）0.5〜3.5重量
％、Bi（ビスマス）0.5〜3.0重量％を含み融点が300℃
以上のPb−Sn−Bi系合金半田により、半導体チツプの少
なくとも一方の主面と電極部材とが固着されていること
を特徴とする半導体装置に係わるものである。
［発明の作用及び効果］ 本発明によれば、Biの比率を0.5〜3.0重量％、Snの比
率を0.5〜3.5重量％に特定することによって、融点が30
0℃以上であり且つ優れた耐熱疲労特性を有し且つ低コ
スト化を図ることができる半導体チツプの固着相が得ら
れる。
率を0.5〜3.5重量％に特定することによって、融点が30
0℃以上であり且つ優れた耐熱疲労特性を有し且つ低コ
スト化を図ることができる半導体チツプの固着相が得ら
れる。
次に、第１図〜第４図によつて本発明の実施例に係わ
る電力用ダイオードについて説明する。第１図に示すダ
イオードは自動車の交流発電機の出力整流用のものであ
る。なお、自動車用の半導体装置は、耐熱疲労特性の向
上に対する要求が最も強い分野の一つである。
る電力用ダイオードについて説明する。第１図に示すダ
イオードは自動車の交流発電機の出力整流用のものであ
る。なお、自動車用の半導体装置は、耐熱疲労特性の向
上に対する要求が最も強い分野の一つである。
まず、第２図に示すように、支持電極部材１の上に半
田ペレツト２、半導体チツプ３、半田ペレツト４、リー
ド電極部材５を順次積み重ねる。支持電極部材１はカツ
プ状のもので、銅材の表面に電解ニツケルメツキを施し
たものである。半導体チツプ３は、p+−ｎ−+n構造のシ
リコンダイオードチツプ3aの両主面に無電解ニツケルメ
ツキ（正確にはニツケル−燐の合金メツキ）により電極
3b、3cを形成したものである。リード電極部材５は、い
わゆるヘツダーリードで、銅材の表面に電解ニツケルメ
ツキを施したものである。
田ペレツト２、半導体チツプ３、半田ペレツト４、リー
ド電極部材５を順次積み重ねる。支持電極部材１はカツ
プ状のもので、銅材の表面に電解ニツケルメツキを施し
たものである。半導体チツプ３は、p+−ｎ−+n構造のシ
リコンダイオードチツプ3aの両主面に無電解ニツケルメ
ツキ（正確にはニツケル−燐の合金メツキ）により電極
3b、3cを形成したものである。リード電極部材５は、い
わゆるヘツダーリードで、銅材の表面に電解ニツケルメ
ツキを施したものである。
半田ペレツト２、４の組成は、本発明の特徴とすると
ころであり、Pb:Sn:Bi＝97.5:1.5:1.0（重量％）であ
る。もちろん、厳密には不可避不純物を微量含んでいる
が、組成比ではこれを無視している。この組成のPb−Sn
−Bi系半田は融点が320℃の高融点半田である。しか
も、固相線温度（半田が溶け始める温度）と液相線温度
（半田が完全に液体化する温度、正確にはこれを融点と
いう）が略一致している。
ころであり、Pb:Sn:Bi＝97.5:1.5:1.0（重量％）であ
る。もちろん、厳密には不可避不純物を微量含んでいる
が、組成比ではこれを無視している。この組成のPb−Sn
−Bi系半田は融点が320℃の高融点半田である。しか
も、固相線温度（半田が溶け始める温度）と液相線温度
（半田が完全に液体化する温度、正確にはこれを融点と
いう）が略一致している。
次に、水素ガス雰囲気中で、約350℃、約５分間の熱
処理を行い、ろう接（半田付け）を行う。その後、シリ
コンラバーから成る樹脂封止体６を支持電極部材１のカ
ツプ内を充填するように形成して第１図のダイオード７
を完成させる。2a、4aは、それぞれ半田ペレツト２、４
が溶融・固化して形成された半田である。
処理を行い、ろう接（半田付け）を行う。その後、シリ
コンラバーから成る樹脂封止体６を支持電極部材１のカ
ツプ内を充填するように形成して第１図のダイオード７
を完成させる。2a、4aは、それぞれ半田ペレツト２、４
が溶融・固化して形成された半田である。
こうして製作されたダイオード７を断続通電による熱
疲労試験に供したところ、従来水準を超える耐熱疲労特
性を示した。その他の特性及び信頼性も良好で、製造に
おける作業性及び製造歩留りも良好であり、十分に実用
化できることが確認された。
疲労試験に供したところ、従来水準を超える耐熱疲労特
性を示した。その他の特性及び信頼性も良好で、製造に
おける作業性及び製造歩留りも良好であり、十分に実用
化できることが確認された。
ところで、半田ペレツト２、４を構成するPb−Sn−Bi
系半田の組成比を本発明の範囲外のものも含めて表の試
料No.11〜18に示す如く種々変えて上記製造方法により
多数のダイオード７を製作し、熱疲労試験に供した。こ
の試験では、ダイオード７への断続通電（通電時の順電
流は35A）を行い、ケース温度（支持電極部材１の温
度）が50℃と170℃の間で変化する熱サイクルをダイオ
ード７に加える。試験時間が経過するにつれて半田2a、
4aにクラツクが発生し、これが拡大し、最終的には支持
電極部材１とリード電極部材５の間がオープン状態（不
良）になる。表の熱サイクル数の欄及び第３図及び第４
図の縦軸は上記熱疲労試験においてオープン状態になつ
たときの熱サイクル数を示す。
系半田の組成比を本発明の範囲外のものも含めて表の試
料No.11〜18に示す如く種々変えて上記製造方法により
多数のダイオード７を製作し、熱疲労試験に供した。こ
の試験では、ダイオード７への断続通電（通電時の順電
流は35A）を行い、ケース温度（支持電極部材１の温
度）が50℃と170℃の間で変化する熱サイクルをダイオ
ード７に加える。試験時間が経過するにつれて半田2a、
4aにクラツクが発生し、これが拡大し、最終的には支持
電極部材１とリード電極部材５の間がオープン状態（不
良）になる。表の熱サイクル数の欄及び第３図及び第４
図の縦軸は上記熱疲労試験においてオープン状態になつ
たときの熱サイクル数を示す。
第３図から明らかな如く、Sn0.5〜3.5重量％の範囲で
従来水準（4500〜5000サイクル）を十分に上回る耐熱疲
労特性が得られる。特に、Sn0.75〜3.0重量％の範囲で
はおよそ6000サイクル以上となつており、更に望まし
い。その中でも、Sn1.0〜2.5重量％の範囲ではおよそ65
00サイクル以上となつており、最適である。
従来水準（4500〜5000サイクル）を十分に上回る耐熱疲
労特性が得られる。特に、Sn0.75〜3.0重量％の範囲で
はおよそ6000サイクル以上となつており、更に望まし
い。その中でも、Sn1.0〜2.5重量％の範囲ではおよそ65
00サイクル以上となつており、最適である。
第４図から明らかな如く、Bi0.5〜3.0重量％の範囲で
従来水準を十分に上回る耐熱疲労特性が得られる。特
に、Bi0.5〜1.5重量％の範囲ではおよそ6000サイクル以
上となつており、更に望ましい。その中でも、Bi0.75〜
1.25重量％の範囲ではおよそ6500サイクル以上となつて
おり、最適である。
従来水準を十分に上回る耐熱疲労特性が得られる。特
に、Bi0.5〜1.5重量％の範囲ではおよそ6000サイクル以
上となつており、更に望ましい。その中でも、Bi0.75〜
1.25重量％の範囲ではおよそ6500サイクル以上となつて
おり、最適である。
なお、Sn、Biとも0.5重量％未満になると、調合上生
じる成分比のバラツキの影響が大きくなるので好ましく
ない。また、上記Sn、Biの範囲内でも、Pbが95重量％以
上のPb主体の半田であることが、融点や耐熱疲労特性の
点で好ましい。
じる成分比のバラツキの影響が大きくなるので好ましく
ない。また、上記Sn、Biの範囲内でも、Pbが95重量％以
上のPb主体の半田であることが、融点や耐熱疲労特性の
点で好ましい。
上述のPb95〜99重量％、Sn0.5〜3.5重量％、Bi0.5〜
3.0のPb−Sn−Bi系半田は、融点が310〜320℃程度の高
融点半田である。しかも、固相線温度と液相線温度がほ
とんど接近しており、溶融・火溶融の区別がはつきりし
た半田である。また、ニツケル面や銅面に対する濡れ性
は非常に良好で、これに伴つて半田2a、4aに発生するボ
イド（空孔）の発生数及び面積は小さい。半田の引張り
強さ及び伸びの特性は従来半田と同等である。
3.0のPb−Sn−Bi系半田は、融点が310〜320℃程度の高
融点半田である。しかも、固相線温度と液相線温度がほ
とんど接近しており、溶融・火溶融の区別がはつきりし
た半田である。また、ニツケル面や銅面に対する濡れ性
は非常に良好で、これに伴つて半田2a、4aに発生するボ
イド（空孔）の発生数及び面積は小さい。半田の引張り
強さ及び伸びの特性は従来半田と同等である。
これらの特長に起因して、半導体装置の製造における
熱処理の温度管理が容易になる等の利点を生じ、作業性
及び製造歩留りが向上する。また、耐熱疲労特性に優
れ、且つろう接部の熱抵抗及び電気抵抗が小さく、且つ
ろう接部の引張り強度が大きいダイオード７を得ること
ができる。即ち、特性及び信頼性が総合的に良好な半導
体装置が得られる。また、半田成分の有害性が問題にな
ることもないし、半田材料のコスト高が問題になること
もない、特に、Pb、Sn、Biの中では高価なBiの含有量が
少ないので、従来のPb−Sn−Bi系半田より微かであるが
コスト的に有利である。
熱処理の温度管理が容易になる等の利点を生じ、作業性
及び製造歩留りが向上する。また、耐熱疲労特性に優
れ、且つろう接部の熱抵抗及び電気抵抗が小さく、且つ
ろう接部の引張り強度が大きいダイオード７を得ること
ができる。即ち、特性及び信頼性が総合的に良好な半導
体装置が得られる。また、半田成分の有害性が問題にな
ることもないし、半田材料のコスト高が問題になること
もない、特に、Pb、Sn、Biの中では高価なBiの含有量が
少ないので、従来のPb−Sn−Bi系半田より微かであるが
コスト的に有利である。
本発明は、上述の実施例に限られることなく、例えば
次の変形が可能なものである。
次の変形が可能なものである。
（１） トランジスタ、サイリスタ、ICなどの各種の半
導体装置に適用できる。
導体装置に適用できる。
（２） 半導体チツプ３の一方の主面のみを半田2aで支
持電極部材１ろう接し、リード電極部材５は別の半田で
ろう接してもよい。しかし、本発明に係わる半田は半導
体チツプの主面の略全面に電極部材を固着する場合に効
果が大きいので、第１図のような大きなヘツダを有する
リード電極部材５の場合には本発明に従う半田を使用す
ることが望ましい。また、半導体チツプの一方の主面の
ほぼ全面を本発明に従う半田で電極部材にろう接し、他
方の主面の一部にリード部材を半田を使用し又は半田を
使用しないで接続してもよい。
持電極部材１ろう接し、リード電極部材５は別の半田で
ろう接してもよい。しかし、本発明に係わる半田は半導
体チツプの主面の略全面に電極部材を固着する場合に効
果が大きいので、第１図のような大きなヘツダを有する
リード電極部材５の場合には本発明に従う半田を使用す
ることが望ましい。また、半導体チツプの一方の主面の
ほぼ全面を本発明に従う半田で電極部材にろう接し、他
方の主面の一部にリード部材を半田を使用し又は半田を
使用しないで接続してもよい。
（３） 半田の供給方法には、半田被接着面の一方又な
両方にあらかじめ固化した半田層を半田デイツプや半田
ベースト印刷により形成しておく方法もある。電極部材
上に溶融半田を滴下し、その上に半導体チツプをこすり
つける方法もある。半田被接着面をSn層で被覆してお
き、Snを所望成分比より少なくした半田ペレツトを使用
して、ろう接後に所望成分比の半田を得る方法もある。
本発明に従う半導体装置はいずれの方法で製作してもよ
い。
両方にあらかじめ固化した半田層を半田デイツプや半田
ベースト印刷により形成しておく方法もある。電極部材
上に溶融半田を滴下し、その上に半導体チツプをこすり
つける方法もある。半田被接着面をSn層で被覆してお
き、Snを所望成分比より少なくした半田ペレツトを使用
して、ろう接後に所望成分比の半田を得る方法もある。
本発明に従う半導体装置はいずれの方法で製作してもよ
い。
（４） 半田被接着面が、ニツケル面あるいはニツケル
合金面、即ちニツケルを主成分とする材料から成るもの
であるときに本発明は好適である。しかし、半田被接着
面の成分が本発明におけるPb−Sn−Bi系半田にほとんど
溶け込まないか、少し溶け込んでも半田の特性にあまり
悪影響を与えないものであれば、本発明は適用できる。
例えば、半田被接着面が銅を主成分とする材料から成る
場合にも適用可能である。
合金面、即ちニツケルを主成分とする材料から成るもの
であるときに本発明は好適である。しかし、半田被接着
面の成分が本発明におけるPb−Sn−Bi系半田にほとんど
溶け込まないか、少し溶け込んでも半田の特性にあまり
悪影響を与えないものであれば、本発明は適用できる。
例えば、半田被接着面が銅を主成分とする材料から成る
場合にも適用可能である。
（５） 半田は、半田中に残存する微量の不可避不純物
を別としても、Pb、Sn、Bi以外の成分を少量含むことも
ある。半田被接着面の成分が溶け込むのもその一例であ
る。また、特性を更に向上させたり安定化させるための
成分を微量添加することもある。
を別としても、Pb、Sn、Bi以外の成分を少量含むことも
ある。半田被接着面の成分が溶け込むのもその一例であ
る。また、特性を更に向上させたり安定化させるための
成分を微量添加することもある。
第１図は本発明の実施例に係わる電力用ダイオードを示
す断面図、 第２図は第１図のダイオードの製造方法を説明するため
の断面図、 第３図は半田のSnの比率の変化と不良が生じる熱サイク
ル数との関係を示す図、 第４図は半田のBiの比率の変化と不良が生じる熱サイク
ル数との関係を示す図である。
す断面図、 第２図は第１図のダイオードの製造方法を説明するため
の断面図、 第３図は半田のSnの比率の変化と不良が生じる熱サイク
ル数との関係を示す図、 第４図は半田のBiの比率の変化と不良が生じる熱サイク
ル数との関係を示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−149041（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−161355（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】Pb（鉛）95〜99重量％、Sn（錫）0.5〜3.5
重量％、Bi（ビスマス）0.5〜3.0重量％を含み融点が30
0℃以上のPb−Sn−Bi系合金半田により、半導体チツプ
の少なくても一方の主面と電極部材とが固着されている
ことを特徴とする半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62276548A JP2620697B2 (ja) | 1987-10-30 | 1987-10-30 | 半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62276548A JP2620697B2 (ja) | 1987-10-30 | 1987-10-30 | 半導体装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01119030A JPH01119030A (ja) | 1989-05-11 |
| JP2620697B2 true JP2620697B2 (ja) | 1997-06-18 |
Family
ID=17571019
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62276548A Expired - Lifetime JP2620697B2 (ja) | 1987-10-30 | 1987-10-30 | 半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2620697B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005288458A (ja) | 2004-03-31 | 2005-10-20 | Toshiba Corp | 接合体、半導体装置、接合方法、及び半導体装置の製造方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS58161355A (ja) * | 1982-03-18 | 1983-09-24 | Sanken Electric Co Ltd | 半導体整流素子 |
| JPS59149041A (ja) * | 1983-02-15 | 1984-08-25 | Hitachi Cable Ltd | 半導体用リ−ドフレ−ム |
-
1987
- 1987-10-30 JP JP62276548A patent/JP2620697B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01119030A (ja) | 1989-05-11 |
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