JP4404000B2 - 接合構造体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は，電子部品等の金属部材を被接合部材にハンダ層を介して接合する接合構造体の製造方法に関する。さらに詳細には，ハンダの材料に鉛を含まない鉛フリーハンダを用いた接合構造体の製造方法に関するものである。

従来より，半導体装置等の製造方法の一部として，金属部材同士をハンダ層を介して接合することが行われている。その際，ハンダ内部にボイド（気泡）が形成されるため，ハンダを固化させるまでの間にボイドを外部に排出除去するための技術が種々提案されている。例えば，真空中でハンダ付けを行うことにより，ハンダ内に発生したボイドを除去する方法や，低圧雰囲気下でハンダを溶融させた後，溶融状態で加圧することによりボイドを潰す方法等がある。

さらには，この後者の方法に加えて，特許文献１には，被接合部材の接合面にハンダ濡れ性の異なる部分を設けてボイドを分散させるとともに，複数回の加圧と減圧を繰り返してボイドの大きさを挟小化する技術が提案されている。また，この文献には，ボイドの形成状態の検出に，試料の軟Ｘ線透過像が利用できることが開示されている。また，特許文献２には，接合時の雰囲気ガスとして熱伝導率の高いガスを使用することにより，短時間で昇温させる技術が提案されている。
特開平６−６９３８７号公報 特開平１１−１５４７８５号公報

しかしながら，前記した従来の技術では，次のような問題点があった。例えば，真空中でのハンダ付けによる方法では，ボイドがハンダの外部に除去される際に，周りの溶融ハンダを飛び散らせ，ハンダボールの原因となるおそれがある。特許文献１の技術のように加圧と減圧を繰り返す場合にも，その減圧時にはハンダボールを発生させるおそれがあるという問題点があった。

また近年，環境に対する配慮から，その材料に鉛を含まない鉛フリーハンダが多く使用されるようになっている。この鉛フリーハンダでも特にインジウムや亜鉛を含むハンダでは，インジウムや亜鉛の活性度が高く酸化物が形成されやすい。そのため，一般に溶融時にハンダ中に形成されるボイドは，その表面に，この酸化インジウムや酸化亜鉛による強固な酸化膜を有することが多い。このようなボイドは，低圧雰囲気下でのハンダ溶融後に，単に加圧処理しただけでは破壊されにくいという問題点があった。

本発明は，前記した従来の接合構造体の製造方法が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，鉛フリーハンダを用いた接合において，ハンダボールの発生を抑制しつつ，ボイドを分散し減少させることのできる接合構造体の製造方法を提供することにある。

この課題の解決を目的としてなされた本発明の接合構造体の製造方法は，複数の被接合体をハンダを介して接合する接合構造体の製造方法であって，ハンダとして亜鉛とインジウムとの少なくとも一方を含有する鉛フリーハンダを用い，複数の被接合体をハンダを介して対面させた状態で雰囲気を非酸化ガスで置換し（１），その雰囲気下で大気圧より低圧の第１圧力に減圧するとともにハンダの融点より高い温度まで昇温し（２），昇温したまま第１圧力より高く大気圧を超えない第２圧力まで非酸化ガスで昇圧し（３），昇温したまま再び減圧し（４），昇温したまま再び非酸化ガスで昇圧して大気圧を超えない圧力とし（５），ハンダの融点より低い温度まで降温させる（６）ものである。

本発明の接合構造体の製造方法によれば，まず，（１）において，雰囲気が非酸化ガスで置換されるので，複数の被接合体は，その後昇温しても酸化されにくい環境下におかれる。次に，（２）において，第１圧力に減圧されるとともに昇温されるので，溶融ハンダ中に形成されたボイドの内圧は低圧となる。次に，（３）において，昇圧されるので，溶融ハンダ中のボイドは圧縮され，分散される。次に，（４）において，再び減圧されるので，圧縮されたボイドが膨張され，ボイドの皮膜が破壊される。さらに，（５）において，再び昇圧されるので，ボイドは再び圧縮され，分散される。最後に，（６）降温されるので，接合構造体として使用できる。これにより，酸化物による強固な被膜を有するボイドが形成されやすい鉛フリーハンダを用いた接合においても，ボイドを分散し減少させることのできる接合構造体の製造方法となっている。

さらに本発明は，（４）の際の減圧圧力を，第１圧力より高く第２圧力より低い第３圧力とするものである。
このようになっているので，（４）の際の減圧圧力がボイド形成時の第１圧力より高い圧力であるので，（４）において再びボイドが膨張された際にも，ボイドが破裂するおそれはない。すなわち，周囲へのハンダの飛び散りが防止されているので，ハンダボールの発生が抑制された接合構造体の製造方法となっている。

さらに本発明では，第１圧力を５００〜２０００Ｐａの範囲内とし，第３圧力を２０００〜５０００Ｐａの範囲内とすることが望ましい。
このようにすれば，第１圧力において，確実に低圧下でハンダが溶融されるとともに，第３圧力は，第１圧力よりは高圧である。従って，鉛フリーハンダを用いた接合において，ハンダボールの発生を抑制しつつ，ボイドを分散し減少させることのできる接合構造体の製造方法となっている。

本発明の接合構造体の製造方法によれば，鉛フリーハンダを用いた接合において，ハンダボールの発生を抑制しつつ，ボイドを分散し減少させることができる。

以下，本発明を具体化した最良の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は，鉛フリーハンダを用いた接合構造体の製造方法に本発明を適用したものである。

本形態の製造方法によって製造される接合構造体は，図１の概略断面図に示すように，第１の被接合部材１１と第２の被接合部材１２とが，ハンダ１３によって接合されているものである。ここで，被結合部材１１は，例えば半導体部品等であり，被結合部材１２は，例えば金属回路層が形成された基板等である。また，ハンダ１３は，鉛フリーハンダであり，特に成分の一部としてインジウムあるいは亜鉛を含有しているものである。

本形態の製造方法では，第１の被接合部材１１と第２の被接合部材１２とをハンダ１３のペレットを介して積層し，チャンバ内に収容する。そして，図２に示すように，チャンバ内の温度と圧力とを変化させる。この図で，太線Ｐは圧力の変化パターンを，細線Ｔは温度の変化パターンを示している。また，一点鎖線Ｌはハンダの融点を示している。本製造方法は，（１）雰囲気気体封入工程，（２）低圧溶融工程，（３）加圧工程，（４）再減圧工程，（５）再加圧工程，（６）降温工程の６工程を順に行うことによる。

まず，（１）雰囲気気体封入工程では，チャンバ内を室温に保って，内部の雰囲気気体を入れ替える。入れ替える気体は，熱伝導率の高い還元性の水素を含む気体とする。そのためにまず，酸素の除去を行う。すなわち，チャンバ内をまず減圧し，窒素を入れて大気圧まで戻す。次に，もう一度減圧し，窒素と水素の混合気体を封入する。これにより，安全にチャンバ内の気体を入れ替えることができる。

雰囲気気体の入れ替えが終了したら，（２）低圧溶融工程を実行する。すなわち，再び減圧し，チャンバ内圧力を約１０００Ｐａ程度まで下げる。このとき同時に，チャンバ内温度を上昇させる。室温であったチャンバ内は，ハンダの融点（約２００℃）を超えて，約３５０℃まで昇温される。これにより，第１の被接合部材１１と第２の被接合部材１２との間に積層されたハンダ１３が溶融される。

ここで，インジウムあるいは亜鉛は容易に酸化される材質であり，溶融前のハンダ１３にも一般にこれらの酸化物が含まれていることは避けられない。このようなハンダ１３を溶融すると，これらの酸化物は溶融されないため，溶融したハンダ１３内に酸化物が散在した状態となる。このため，この（２）低圧溶融工程では，ハンダ１３内の溶存ガスがこの酸化物を核として集まり，酸化物による強固な被膜を有するボイドがハンダ１３の内部に形成される場合がある。なお，チャンバ内温度がハンダ融点を超える前に減圧が完了しているようにするとよい。これにより，ボイドの内圧も低圧となる。

次に，（３）加圧工程では，ハンダ１３が十分溶融したら，チャンバ内に窒素と水素との混合気体を入力して昇圧させる。これにより，ハンダ１３内のボイドが圧縮されるとともに，ハンダ１３に圧力が加えられるので内部の酸化物膜が少し破壊される。このときの上限圧は大気圧程度とするとよい。大気圧より高圧とすると，チャンバの蓋の気密性が失われ，酸素を含んだ外気が侵入するおそれがあるので好ましくないからである。

大気圧程度まで昇圧したら，（４）再減圧工程において，再び減圧し，ハンダ１３のさらなる流動を促して酸化物膜の破壊を進行させる。これにより，酸化物膜が十分に破壊される。このとき，（２）低圧溶融工程における減圧圧力までは減圧しない。例えば，２０００〜５０００Ｐａ程度までとするとよい。これは，ハンダ１３内のボイドの内圧が初めの減圧圧力（ここでは，約１０００Ｐａ）程度であり，これと同じかより低い圧力とすれば脱泡が起きることになる。その場合には，ボイドの破裂によって周囲にハンダボールが発生するおそれがあるため好ましくないからである。

そして，再減圧後，（５）再加圧工程において，再び大気圧を超えない圧力まで昇圧させる。なお，この（４）再減圧工程および（５）再加圧工程の間，温度はハンダ溶融温度以上に保たれている。

最後に，（６）降温工程において，チャンバ内を次第に降温させる。チャンバ内が室温となってから，蓋を開放して接合構造体を取り出す。これで，本形態の製造方法は終了である。

次に，本形態の製造方法によるボイド率の検出について説明する。本形態の製造方法と従来の製造方法との比較を行うためには，その接合後の状態を把握する必要がある。特に，製造後固化したハンダ内部に，ボイドがどの程度残留しているかを知ることは重要である。

従来，ボイドの検出には，接合構造体のＸ線透過像が利用されていた。しかしながら，従来のボイドは被接合部材の接合面に接して形成されることが多かったのに対し，上記の酸化物に起因するボイドはハンダ層の厚みに対して中央部に形成されやすい。そのため，このような両接合面のいずれにも接していないボイドは，Ｘ線透過像による検出が難しいことが分かった。そこで，本発明者らは，超音波探傷映像（ＳＡＴ）技術を利用することとした。これによれば，Ｘ線では検出できなかった中間部のボイドも検出可能であることが分かったからである。

次に，製造方法と検出方法との違いによってボイド率を比較した結果を，図３に示す。この図では，四角マーク及びその誤差範囲でＳＡＴによる未接合率を示し，菱形マーク及びその誤差範囲でＸ線透過像によるボイド率を示した。なお，図中の誤差範囲は，＋３σとした。また，従来行われているように，負圧雰囲気でハンダを溶融させ，溶融状態で大気圧まで昇圧してボイドを潰す方法により製造したものの測定結果を，減圧回数０回として示した。そして，（３）加圧工程の後，（４）再減圧工程および（５）再加圧工程を繰り返す回数（減圧回数）を１〜３回と変化させて測定し，それぞれの接合状態を比較した。すなわち，溶融状態で大気圧まで昇圧した後に，再び減圧して大気圧に戻すという手順を１〜３回繰り返して実施する方法により製造したものの測定結果を，それぞれ減圧回数１〜３回として示した。

図３から分かるように，特に減圧回数０回ではＸ線透過像によるボイド率とＳＡＴによる未接合率との間に大きな差がある。これは，減圧回数０回ではまだ破壊されていない酸化物がハンダ中に比較的多く存在し，その一方でそのような酸化物によるハンダ層中間部のボイドがＸ線透過像による検出結果にははっきりと表れていないことを示している。このことからも，インジウムや亜鉛を含むような鉛フリーハンダによる接合結果の把握に，Ｘ線透過像による検出方法は適していないことが分かった。

また，減圧回数１〜３回では，そのＳＡＴ未接合率の差は小さいことも分かった。減圧回数１回で未接合率はバラツキを含めて約２％以下となっており，一般にはこの程度で十分である。この減圧回数の違いによるＳＡＴ像の概略を，図４〜図６に示す。図４は，減圧回数０回の例であり，図５は，減圧回数１回，図６は，減圧回数２回の例である。この図からも分かるように，減圧回数０回と１回との差は明確であるものの，１回と２回との差はさほど明確でなかった。従って，本形態の製造方法では，図２に示すように，（４）再減圧工程および（５）再加圧工程を１回のみとし，（１）→（２）→（３）→（４）→（５）→（６）の順に各工程を行えばよいことが分かった。

以上詳細に説明したように，本形態の製造方法によれば，（２）低圧溶融工程において，低圧雰囲気でハンダ１３を溶融させるので，ハンダ１３内に形成されるボイドの内圧は低圧にされる。さらに，（３）加圧工程において，ハンダ１３の溶融状態で加圧されるので，形成されたボイドは圧縮される。さらに，（４）再減圧工程および（５）再加圧工程において，再び減圧及び加圧されるので，ハンダ１３が流動されるとともに酸化物が破壊される。従って，酸化物に起因するボイドが潰され分散されるので，ボイドの少ない接合構造物を製造することができる。さらには，この（４）再減圧工程における減圧圧力は，（２）低圧溶融工程における減圧圧力よりやや大きくされているので，脱泡が起きるおそれはなく，ハンダボールの発生が抑制されている。これらから，鉛フリーハンダを用いた接合において，ハンダボールの発生を抑制しつつ，ボイドを分散し減少させることのできる接合構造体の製造方法となっている。

なお，本形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。
例えば，図２に示した温度と圧力の変化パターンでは，その変化速度については特に規定するものでなく，他の条件等に応じて適宜設定すればよい。
また例えば，本形態ではハンダ１３にインジウムあるいは亜鉛を含むとしたが，酸化物を形成しやすい活性な金属を含むハンダによる接合であれば適用可能である。

本形態に係る接合構造体の一例を示す概略断面図である。 本形態の製造方法における温度と圧力との変化パターンを示す説明図である。 本形態の製造方法による接合状態の検出結果を示す説明図である。 本形態の製造方法によるボイドの発生状況を示す説明図である。 本形態の製造方法によるボイドの発生状況を示す説明図である。 本形態の製造方法によるボイドの発生状況を示す説明図である。

符号の説明

１１，１２ 被接合部材
１３ ハンダ

Claims (2)

1. 複数の被接合体をハンダを介して接合する接合構造体の製造方法において，
   ハンダとして亜鉛とインジウムとの少なくとも一方を含有する鉛フリーハンダを用い，
   前記複数の被接合体をハンダを介して対面させた状態で雰囲気を非酸化ガスで置換し（１），
   その雰囲気下で大気圧より低圧の第１圧力に減圧するとともにハンダの融点より高い温度まで昇温し（２），
   昇温したまま前記第１圧力より高く大気圧を超えない第２圧力まで非酸化ガスで昇圧し（３），
   昇温したまま前記第１圧力より高く前記第２圧力より低い第３圧力まで減圧し（４），
   昇温したまま再び非酸化ガスで昇圧して大気圧を超えない圧力とし（５），
   ハンダの融点より低い温度まで降温させる（６）ことを特徴とする接合構造体の製造方法。
2. 請求項１に記載の接合構造体の製造方法において，
   前記第１圧力を５００〜２０００Ｐａの範囲内とし，前記第３圧力を２０００〜５０００Ｐａの範囲内とすることを特徴とする接合構造体の製造方法。

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