JP3298194B2 - はんだ付け方法 - Google Patents

はんだ付け方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、例えばパワートランジ
スタの半導体素子製造工程におけるシリコン素体を基板
に接合するためなどに適用されるはんだ付け方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】パワートランジスタ等の電子部品は、近
年小型化の傾向が強く、かつ、定格値一杯で使用される
場合が多い。そのために、接合部にボイドなどの欠陥が
あって熱抵抗値が大きくなることは避けなければならな
い。従来、Siチップとベース基板との接合は、水素と窒
素の混合ガス中ではんだ付けすることによって行われて
いた。その場合はんだは、両者の間に箔として挟むこと
により供給される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記の方法で接合した
Siチップとベース基板についてＸ線透過試験により調査
した結果、接合面積に対し10％程度のボイド率を有して
いることがわかった。このように高いボイド率を低下さ
せる方法として、Siチップのはんだ付け面およびベース
基板のチップをはんだ付けすべき位置の一方あるいは双
方にはんだ箔を載せて水素と窒素の混合ガス中で加熱溶
融して予備はんだ付けを行ったのち、それらを組合わせ
て再度加熱溶融し、はんだ付けする方法がある。しか
し、この予備はんだ付けによるはんだ付け方法にして
も、上記のはんだ付け方法の半分程度のボイド率が限界
であった。ここで、５％のボイド率は、最終製造過程ま
でに熱抵抗値不良として殆ど検出され、この不良率は10
〜15％にも達する。しかし、５％のボイドがSiチップの
はんだ付け面全域に点在するような場合は、良品となり
得る場合もある。このような製品が市場に提供された場
合、パワーサイクルもしくはヒートサイクルにより、は
んだ付け部の劣化が加速され正常品よりも非常に早い時
期に寿命となり、信頼性を損ねる結果となる。
【０００４】本発明の目的は、上述の問題を解決し、ボ
イドの発生を減少させ、熱抵抗不良から発生する製造歩
留まりの低下がなく、信頼性の高い半導体素子の製造を
可能にするはんだ付け方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明のはんだ付け方法は、二つの部材の互いに
接合すべき面を対向させ、接合すべき領域の外側の一方
にはんだを配置し、加熱してはんだを溶融させ、接合す
べき領域に溶融はんだを浸入させたのち冷却、凝固させ
るはんだ付け方法において、接合すべき面を実質的に水
平に保持し、はんだをその長手方向が実質的に鉛直であ
るように保持し、その状態で溶融させて溶融はんだには
んだの自重による圧力が加わるようにすることとする。
ここで、接合すべき領域に溶融はんだが浸入した際に二
つの部材の間隙が所定の寸法を超えないように抑止する
治具を用いる構成を適用しても良い。さらに、配置され
るはんだの量を、所定の二つの部材の間隙寸法と接合部
面積との積に相当する容積の凝固はんだの量より多くす
る構成を適用しても良い。
【０００６】
【作用】接合すべき領域に存在するはんだを溶融させな
いで、その領域の外側の一方にあるはんだを溶融させる
と、溶融したはんだが毛管現象と接合面との濡れ作用に
より接合すべき領域に浸入する。これにより、両部材の
間にあった空気の移動方向は一定となり、はんだの存在
しない個所から接合領域の外側に出るので、溶融するは
んだ中に混在してボイドを形成することが避けられる。
【０００７】さらに、接合面を水平にし、はんだをその
長手方向を鉛直にして保持し、その状態で溶融させる
と、はんだの酸化物は比重の違いによりはんだと分離
し、はんだの上部に凝集する。そして純粋なはんだのみ
がはんだの自重による圧力のかかった状態で両部材の間
に侵入するので、非常にボイドの少ない接合が可能にな
る。
【０００８】
【実施例】以下、図を引用して本発明の参考例ならびに
実施例について説明する。用いたはんだ材料は、高温は
んだに属する３種類であり、すべて直径1.６mmの線状は
んだを用いた。 (イ) 98 ％ Pb−２％ Sn ( 融点 322 ℃) (ロ) 95 ％ Pb−５％ Sn ( 融点 314 ℃) (ハ) 93.5％ Pb−５％ Sn−1.5 ％ Ag ( 融点 296
℃) 図１に示す参考例１では、19mm×15mmの寸法Siチップ１
を治具３の上のベース基板２の上に載せ、チップ１の外
側の一方に15mmの長さの線状はんだ４を置いた。Siチッ
プ１のはんだ付け面には、Au、Ni、Tiの三層蒸着がなさ
れている。一方、ベース基板２はCuよりなり、表面に３
μｍ厚さの無電解Niめっきが施されている。Siチップ１
の上には、はんだ付け時の振動によるSiチップの位置ず
れを防止するために、10ｇのステンレス製の重り５を置
いた。はんだ付けは、内径80mmの透明石英管内で行い、
電気炉により透明石英管の外側より加熱した。はんだ付
け時の透明石英管内に供給したガスは、水素２ｌ／min
と窒素２ｌ／min の計４ｌ／min の流量で流した。この
時の、透明石英管に供給したガス中の不純物として、は
んだ付け中も含め酸素と露点を連続して測定した結果、
透明石英管の入口側では、酸素濃度は0.５ppm であり、
露点は−70℃であった。一方、透明石英管の出口側で
は、昇温前の酸素濃度は1.５ppm であったが150 ℃以上
の温度領域では検出されなかった。また、露点において
は始終−60℃以下であった。
【０００９】熱電対６を用いて測ったはんだ付け温度
は、３種類のはんだに対し融点プラス30℃、融点プラス
50℃ならびに融点プラス80℃のピーク温度である。なお
ピーク温度までの到達時間は25分を要した。はんだ付け
したものの金属顕微鏡により断面観察をした結果、はん
だ層の厚さは８〜15μｍであった。図２に示す参考例２
は、耐パワーサイクル特性に対して適切なはんだ層厚さ
ではんだ付けできる方法である。すなわち、はんだ層厚
さの目標値を100 μｍとし、治具３として高さがこの場
合は治具側になるSiチップ１のはんだ付け面７より100
μｍ高い位置にある段差８のあるものを用いた。治具３
の材質はステンレス鋼である。このようにして、参考例
１と同様のはんだ材料、Siチップ、ならびに雰囲気ガス
および加熱条件によりはんだ付けした場合、はんだ４が
融点以上に達すると毛管現象とはんだの接合部の金属面
に対する濡れ作用によりSiチップ１とベース基板２との
間に入り込むと同時に、ベース基板２が治具３の段差部
８まで沈下し、要望するはんだ厚さが得られるものであ
る。なお、線状はんだ４の長さは、はんだ層厚さ100 μ
ｍに相当する量の15mmとそれより過剰である20mmの２種
類とした。また、この参考例２ではベース基板２が重り
の役をするので重り５は用いなかった。得られたはんだ
接合部について、参考例１におけると同様に金属顕微鏡
による断面観察を行った結果、はんだ層の厚さは93〜11
0 μｍであった。このばらつきは治具の精度によるもの
と判明した。
【００１０】図３、図４に参考例１，２によって得られ
た接合部のボイド率測定結果をそれぞれ示す。ボイド調
査はＸ線透過試験で行い、Siチップ１のはんだ付け面積
に対してのボイド面積の合計率とした。図中にプロット
した点は20個の実施試料に対しての平均値であり、プロ
ットした点の上下の矢印は最大、最小のボイド率を示し
た。図３からは、各はんだ共はんだ付けピーク温度が、
融点プラス50℃までのボイド率は、最大ボイド率も含め
１％以下であるが、融点プラス80℃のはんだ付けピーク
温度では、すべてのはんだの最大ボイド率は１％を超え
てしまっている。これは、はんだ付け温度が高温のため
に毛管現象が急激に起こり、はんだ表面の酸化物もはん
だ付け部内に巻き込んでボイド率が高くなるためであ
る。この現象は図４からも見られる。それでは、はんだ
量がはんだ付け部の容積に対する適量値近辺であるはん
だ長さ15mmの場合に、すべてのはんだにおいてボイド率
は１％を超えている。また、融点プラス80℃のはんだ付
けピーク温度では、２％ものボイド率に近いはんだも見
られる。これに対してはんだ長さ20mmの場合は、最大ボ
イド率を含め１％以下である。
【００１１】図５に示す第一の実施例では、ベース基板
２の上のSiチップ１の外側にはんだを収容するステンレ
ス鋼製の治具９を置き、この治具９の内径1.８mmのたて
穴の中に20mmの長さの線状はんだ４を直立させて保持し
た。治具９の下端には、チップ１の側に開口部10が開け
られている。はんだ付けは、参考例１ならびに参考例２
同様、水素と窒素の混合ガスを流した透明石英管内で行
い、加熱の過程も同様である。はんだ４が融点以上に達
すると、はんだの自重によりはんだ直立治具９の開口部
10よりはんだが押し出され、Siチップのはんだ付け面に
到達すると毛管現象とはんだ接合部の金属面に対する濡
れ作用によりSiチップ１とベース基板２との間に入り込
み、接合が行われる。接合後の断面観察を金属顕微鏡で
行ったところ、はんだ厚さは数十〜200 μｍで、傾斜接
合されていた。
【００１２】図６は接合厚さを均一にするための本発明
の第二の実施例を示し、はんだ厚さを目標の100 μｍに
するため、Siチップ１の直上100 μｍの位置にストッパ
11を設置している。このような装置で第一の実施例と同
様な条件ではんだ付けを行うと、溶融はんだにより押し
上げられたSiチップ１はストッパ11まで上昇するが、そ
こで止まるため、要望する100 μｍのはんだ厚さが得ら
れる。第一実施例におけると同様に金属顕微鏡により断
面観察を行った結果、はんだ層の厚さは92〜108 μｍで
あった。このばらつきは、治具の精度によるものと判明
した。
【００１３】図７、図８は、図３、図４と同様の接合部
のボイド率測定結果を示す。この場合、はんだは製造
後、１ケ月経過したものと１年経過したものとを用い、
試料数は各25個であった。両図からわかるように、各は
んだ材料、各はんだ付け温度の組合わせにおいても、平
均ボイド率は0.25％以下であり、最大ボイド率でもたか
だか0.42％と非常に低く、参考例１，２にくらべて著し
く接合の健全性が向上した。また、はんだの製造後の日
数が長く、表面の酸化が進行した場合でも、ボイド率に
差が見られないことは、治具９中ではんだ４が溶融した
とき、比重の差により酸化物が浮上して、開口部10から
押し出されるはんだには酸化物が混入していないことを
示している。
【００１４】
【発明の効果】本発明によれば、固体はんだを接合領域
に配置しないで、接合領域外に配置し、加熱によって溶
融はんだを毛管現象で接合領域に浸入させることによ
り、接合部のはんだ層中のボイド率を１％以下にするこ
とができた。この結果、熱抵抗値増大によるはんだ付け
不良の発生を大幅に減少させることができ、製造歩留ま
りの上昇および寿命の伸びによる信頼性の向上が可能に
なった。そして、治具を用いて接合後のはんだ層厚さを
制御すれば、例えばパワートランジスタの耐パワーサイ
クル特性を向上させることができる。
【００１５】さらに、長手方向に直立させたはんだを溶
融して接合領域に供給することにより、溶融はんだに自
重による圧力が加わり、またはんだの酸化物の溶融はん
だへの混入が避けられ、ボイド率を0.42％以下により低
下させることができた。この場合、はんだ付けの適用温
度範囲が広くなるため、はんだ付け工程管理が一層容易
となり、またはんだ表面の酸化の程度が影響しないた
め、使用するはんだの管理の面倒が省けるという利点も
生ずる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の参考例１のはんだ付け方法を示す断面
図
【図２】本発明の参考例２のはんだ付け方法を示す断面
図
【図３】本発明の参考例１による接合部のボイド率の分
布図
【図４】本発明の参考例２による接合部のボイド率の分
布図
【図５】本発明の第一の実施例のはんだ付け方法を示す
断面図
【図６】本発明の第二の実施例のはんだ付け方法を示す
断面図
【図７】本発明の第一の実施例による接合部のボイド率
の分布図
【図８】本発明の第二の実施例による接合部のボイド率
の分布図
【符号の説明】
１ Siチップ ２ ベース基板 ３ 治具 ４ はんだ ５ 重り ６ 熱電対 ８ 段差 ９ はんだ収容治具 １０ 開口部 １１ ストッパ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭53−106653（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−22555（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B23K 1/14 H01L 21/52

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】二つの部材の互いに接合すべき面を対向さ
    せ、接合すべき領域の外側の一方にはんだを配置し、加
    熱してはんだを溶融させ、接合すべき領域に溶融はんだ
    を浸入させたのち冷却、凝固させるはんだ付け方法にお
    いて、 接合すべき面を実質的に水平に保持し、はんだをその長
    手方向が実質的に鉛直であるように保持し、その状態で
    溶融させて溶融はんだにはんだの自重による圧力が加わ
    るようにすることを特徴とするはんだ付け方法。
  2. 【請求項２】接合すべき領域に溶融はんだが浸入した際
    に二つの部材の間隙が所定の寸法を超えないように抑止
    する治具を用いる請求項１記載のはんだ付け方法。
  3. 【請求項３】配置されるはんだの量を、所定の二つの部
    材の間隙寸法と接合部面積との積に相当する容積の凝固
    はんだの量より多くする請求項２に記載のはんだ付け方
    法。
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