JPH0133278B2 - - Google Patents

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JPH0133278B2
JPH0133278B2 JP13229782A JP13229782A JPH0133278B2 JP H0133278 B2 JPH0133278 B2 JP H0133278B2 JP 13229782 A JP13229782 A JP 13229782A JP 13229782 A JP13229782 A JP 13229782A JP H0133278 B2 JPH0133278 B2 JP H0133278B2
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Andoryu Deibiizu Neiru
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Koninklijke Philips Electronics NV
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Description

【発明の詳細な説明】 本発発は、少くとも80％が鉛であり、残りのほ
ぼすべてがインジウムおよび銀であるはんだによ
り金属部材にはんだ付された金属化接点領域を有
する半導体本体を具える半導体装置に関するもの
である。本発明は更に、このような半導体装置に
用いるはんだにも関するものである。
半導体本体を金属部材に接着するのにはんだを
用いるのは、半導体産業、特にハーメチツク封止
しない電力用半導体装置の構造において通常行な
われていることであり、この場合、接着が機械的
および熱的応力や腐食に耐えうるようにすること
が重要である。従つて、はんだ自体が強力な接着
を行ないうるようにするとともに、周囲の影響或
いは周期的な熱的応力により生ずる疲れのいずれ
かによる破損や腐食に耐えうる能力を有するよう
にする必要がある。
より一層明確には、強力な接着を行なう為の最
適な面接触を得る為に、はんだが連結すべき面に
対して良好な湿潤特性を有するようにする必要が
ある。
電力用半導体整流器の場合には、半導体装置が
形成される半導体本体の接点領域を、２つ以上の
異なる金属層の構造体で金属化し、最外側の金属
層を代表的に0.45μｍの厚さを有する金の肉薄層
とするのが普通である。鉛および錫より成るはん
だは、これらの珪素との適合性および良好な湿潤
性の為に、金属接点部材を電力用シリコン整流器
に接着するのに広く用いられている。しかし不所
望なことに、錫を含むはんだはいわゆるゴールド
スカベンジング（金掃去）現象を呈する。すなわ
ち、錫は金を溶解し、この金を金属化接点領域か
ら除去する傾向にある。従つて、接点領域は金属
化金がはがされた状態となるおそれがある。更
に、金が錫と反応して粗悪な金属間化合物を形成
し、これにより、はんだが冷却された際に接着部
に脆性を生ぜしめるおそれがある。金が掃去され
ると、錫は整流器の半導体材料とも合金化し、こ
れにより整流器を電気的に且つ機械的に損なわし
めるおそれがある。
“Solid State Technology”の1975年９月号
の第45〜48頁に“Proforma on Preforms”（C.
E.T.White、H.C.Sohl氏著）と題して記載されて
いる章には、電力用シリコン整流器に用いられる
他のはんだが記載されている。92.5％の鉛と、５
％のインジウムと、2.5％の銀とより成るこのは
んだは、鉛（95％）および錫（５％）の合金より
も熱的周期性（繰返し）に良好に耐えるといわれ
ている。しかし、不所望なことに、この錫−イン
ジウム−銀合金は鉛−錫合金よりも湿潤性におい
て劣つていると記載されている。
それにもかかわらず、鉛−インジウム−銀合金
が電力用半導体装置の製造に広く用いられてお
り、組成比をわずかに変更したものが種々のはん
だ製造業者によつて市販されている。例えば、米
国ニユーヨーク州マウントバーノンのセミ・アロ
イズ社（Semi−Alloys Inc.）の1980年のカタロ
グには鉛：インジウム：銀を93％：５％：２％お
よび90％：５％：５％とした合金が開示されてい
る。
これらの鉛−インジウム−銀合金を比較的広く
受け入れることにより、産業界は折衷策、すなわ
ち湿潤特性を犠牲にして金の掃去を減少させると
いう策を講じるようになる。それにもかかわら
ず、熱的周期性に体する抵抗力が強く、湿潤特性
の優れたはんだが必要である。
合金のインジウムおよび銀の組成は、はんだの
湿潤性を改善するある程度の効果があるというこ
とが分つている。従つて表面上は、インジウムお
よび銀の全含有量を増やすことにより湿潤特性が
改善され、逆に、これらの含有量を減少させるこ
とによりはんだの湿潤特性が害されると結論づけ
るのが理にかなつているみたいである。
本発明は、少くとも80％が鉛であり、残りのほ
ぼすべてがインジウムおよび銀であるはんだによ
り金属部材にはんだ付された金属化接点領域を有
する半導体本体を具える半導体装置において、は
んだのインジウム含有量を銀含有量の少くとも４
倍、多くとも10倍としたことを特徴とする。
このはんだの、銀に対するインジウムの比は少
くとも４：１である。このはんだを、鉛、インジ
ウムおよび銀を有する従来のはんだと比較した場
合、４：１（In：Ag）の比はインジウムの含有量
を増やすか、或いは銀の含有量を減らすか、或い
はこれらの双方を行なうことにより得ることがで
きる。
本発明によれば、腐食に対する、また機械的お
よび熱的応力に対する抵抗力をそのまま維持して
湿潤特性が改善されるということを確かめた。
実際に、既知の鉛−インジウム−銀はんだを解
析したところ、はんだのバルクが純粋な鉛のよう
に作用し、塊まり（ノジユール）がはんだ中に存
在するおそれがあり、これらの塊まりは冷却後は
んだの表面に形成されるおそれがあるということ
を確かめた。更に、これらの塊まりはインジウム
および銀を含有するばかりか、これらの塊まりは
はんだ自体中の組成比と同じ組成比でインジウム
および銀を含有する。従つて、例えば鉛を92.5
％、インジウムを５％、銀を2.5％含有するはん
だの場合には、形成される塊まりは２：１の比で
のみインジウムおよび銀を含有する。これらの塊
まりの融点は約410℃であり、はんだ全体の融点
は約300℃であり、純粋な鉛の融点は約327℃であ
る。従つて、はんだのバルクを溶融するのに充分
高い例えば350℃の温度まではんだを加熱するこ
とによつては上述した塊まりを溶融しない為に、
不所望な結果が生じる。従つて、一旦塊まりが形
成されると、これらの塊まりは通常のはんだ条件
の下で固まつたままに維持される。従つて、塊ま
りは、インジウムおよび銀をはんだから除去し、
はんだがより純粋な鉛のように作用する為、期待
されるようなはんだの湿潤作用が抑止される。
また、期待した前述した結論のように銀の含有
量を増やすと、上述した問題が大きくなるという
ことを確かめた。例えば、鉛、インジウムおよび
銀の含有量をそれぞれ90％、５％および５％とし
たはんだを考慮する。このはんだの融点は290〜
310℃である。この場合も塊まりが存在するも、
これらの塊まりのインジウム対銀の比は１：１で
あり、これらの塊まりの融点は525℃を越える。
この場合の塊まりは実際には、はんだのバルクの
表面から突出するクリスタライト（crystallite）
のようになり、はんだは前述したように実質的に
純粋な鉛となる。従つて、はんだの湿潤作用が害
される。
本発明は、銀およびインジウムははんだのバル
クから塊まりとして分離する傾向にあるも、この
ことは、はんだが通常加熱される温度よりも低い
温度でインジウム−銀合金が溶融するようにイン
ジウム対銀の比を設定すれば問題にする必要がな
いという事実を確かめ、かかる認識を基に成した
ものである。鉛の含有量が80％よりも多い鉛−イ
ンジウム−銀はんだを溶融させるには、これらの
はんだを例えば約370℃の温度に加熱するのが普
通である。インジウムを銀の４倍有する合金は約
340℃の温度で溶融する。換言すれば、通常のは
んだ付温度では、本発明によらなければはんだの
バルクから分離されるおそれのあるインジウム−
銀合金が溶融し、従つてはんだの湿潤作用に害を
及ぼさない。
本発明によるはんだは、少くとも５％のインジ
ウムおよび多くとも２％の銀を含むようにするこ
とができる。銀の割合は前述した既知の鉛−イン
ジウム−銀はんだの場合よりも少ない為、このは
んだをより廉価に造ることができる。
はんだは銀の７倍のインジウムを含むようにす
るのが好ましい。例えば約92％の鉛と、約７％の
インジウムと、約１％の銀とを含むこのようなは
んだの融点は292℃〜300℃の範囲にある。７：１
の比を有するインジウム−銀の融点は約250℃で
あり、従つてはんだ全体が例えば370℃の通常の
はんだ付温度で溶融する。
以下図面につき本発明の一例を説明する。
図面は、金属部材にはんだ付された金属化接点
領域を有する半導体本体の断面図である。
以下の説明は、本発明によるはんだを用いて電
力用シリコン整流器を金属部材にはんだ付する場
合に関するものである。例えばサイリスタとする
ことのできるシリコン整流器はシリコン（珪素）
本体１内に形成される。シリコン本体は実際に
は、特定の整流器の型に依存して異なる導電型の
種々の層および領域を有すること勿論である。例
えば、サイリスタは本質的に、ｐ−ｎ−ｐ−ｎの
４層の装置であり、最外側のｐ型領域はサイリス
タ装置の陽極を構成する。サイリスタやその他の
半導体整流装置の構造は周知であり、従つて他の
詳細な説明は省略する。図面を明瞭とする為に、
この図面には、整流器が形成される半導体本体１
を簡単なブロツクとして示す以外、異なる導電型
層を示していない。
図面に示すように、半導体本体の主表面２は整
流器の接点領域である。例えばサイリスタの場合
には、この接点領域は陽極接点領域となる。接点
領域は金属層の構造体３で金属化する。この構造
体は例えばクロム層上にニツケル層を設け、ニツ
ケル層上に金層を設けて成る３層構造体にするこ
とができ、最外側の層は金とする。金、ニツケ
ル、およびクロム層は蒸着により通常のようにし
て設けることができ、これらの層の厚さはそれぞ
れ0.45μｍ、0.25μｍおよび0.05μｍとすることがで
きる。図面を簡単とする為に、図面には各別の金
属層を示しておらず、層構造体３を単一のものと
して示してある。
シリコン本体１は、はんだ５により金属部材４
に接着する。金属部材４は、例えばシリコンの熱
膨張係数と同様な熱膨張係数を有するモリブデン
のような材料より成る台座とすることができる。
電力用整流器を製造するのに一般的なこのような
台座の使用により、この台座を使用しない場合に
互いにはんだ付される素子の熱膨張係数の相違に
より生じる歪みからシリコン本体１を保護する。
通常のように、この台座４自体は、基部部材（図
示せず）と熱的に且つ電気的に接触させることが
できる。
以下の方法は半導体本体１を台座４にはんだ付
するのに用いることができる。この方法では、は
んだのプレホーム（preform）を使用する。はん
だのプレホーム自体は電力用半導体装置の当業者
にとつて周知である。基本的には、プレホーム
は、行なうべき特定のはんだ付作業に適合した形
状のはんだの予備形成片である。本例ではこのプ
レホームを100μｍの厚さとすることができる。
このはんだプレホームは約92％の鉛と、約７％の
インジウムと、約１％の銀とを有する合金から造
る。これらの割合は、実際にこの合金中に存在す
るおそれのある不純物を許容したものであること
に注意する必要がある。このはんだの融点は約
295℃〜305℃の範囲にある。
はんだ付すべき素子を組合せる前に、
Dynachem International Limitedによつて市販
されているダイナブライト（Dynabrite；商品
名）の浴中にプレホームを約60秒間浸し、このプ
レホームを清浄とする。次に、このプレホームを
台座４上に配置し、シリコン整流器をその接点領
域２がはんだに面するようにプレホーム上に配置
する。整流器の接点領域２は、前述したようにク
ロム上にニツケルを設け、その上に金を設けた金
属層構造体で既知のようにして予め金属化してお
く。次に、最大温度が約370℃となるベルト状の
内に導入する前に通常のジグを用いて組合せ体
を固定保持する。内の雰囲気は、はんだに対す
るフラツクスとして作用する水素より成る。代表
的には組合せ体を中で移動させ、はんだが約５
〜７分間の間その融点よりも高い温度に保持され
るようにする。
冷却されると、台座４がシリコン本体に強力に
接合され、更に、はんだ接合部は腐食や熱的およ
び機械的応力に極めて耐えうるようになる。
上述したところでは、金属台座をシリコン本体
の金属化接点領域にはんだ付する場合につき説明
したが、本発明によるはんだは、他の金属部材を
半導体本体の金属化接点領域に接着するのに用い
うること明らかである。例えば、銅の接点導線を
サイリスタの金属化ゲート接点領域に接着するの
に上述したようなはんだを用いることができる。
本発明は上述した例のみに限定されず、幾多の
変更を加えうること勿論である。例えば、接点領
域を、３よりも多い或いは少ない異なる金属層の
構造体で金属化することができる。更に、最外側
の層は金とは異なる金属、例えば銀とすることが
できる。
【図面の簡単な説明】
図面は、金属部材にはんだ付された金属化接点
領域を有する半導体本体を示す断面図である。 １……シリコン本体、２……接点領域、３……
金属層構造体、４……金属部材、５……はんだ。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 少くとも80％が鉛であり、残りのほぼすべて
    がインジウムおよび銀であるはんだにより金属部
    材にはんだ付された金属化接点領域を有する半導
    体本体を具える半導体装置において、はんだのイ
    ンジウム含有量を銀含有量の少くとも４倍、多く
    とも10倍としたことを特徴とする半導体装置。 ２ 特許請求の範囲１記載の半導体装置におい
    て、はんだが少くとも５％のインジウムと多くと
    も２％の銀とを含有するようにしたことを特徴と
    する半導体装置。 ３ 特許請求の範囲１または２に記載の半導体装
    置において、はんだのインジウム含有量を銀含有
    量の７倍としたことを特徴とする半導体装置。 ４ 特許請求の範囲３記載の半導体装置におい
    て、はんだが約92％の鉛と、約７％のインジウム
    と、約１％の銀とを含有するようにしたことを特
    徴とする半導体装置。 ５ 特許請求の範囲１〜４のいずれか１つに記載
    の半導体装置において、接点領域を複数の異なる
    金属層の構造体で金属化し、最外側の層を金とし
    たことを特徴とする半導体装置。 ６ 特許請求の範囲１〜５のいずれか１つに記載
    の半導体装置において、半導体本体が主としてシ
    リコンを有するようにしたことを特徴とする半導
    体装置。 ７ 少くとも80％が鉛であり、残りのほぼすべて
    がインジウムおよび銀であるはんだ用合金におい
    て、インジウム含有量を銀含有量の少くとも４
    倍、多くとも10倍としたことを特徴とするはんだ
    用合金。 ８ 特許請求の範囲７記載のはんだ用合金におい
    て、インジウム含有量を少くとも５％とし、銀含
    有量を多くとも２％としたことを特徴とするはん
    だ用合金。 ９ 特許請求の範囲７または８記載のはんだ用合
    金において、インジウム含有量を銀含有量の７倍
    としたことを特徴とするはんだ用合金。 １０ 特許請求の範囲９記載のはんだ用合金にお
    いて、鉛、インジウムおよび銀の含有量をそれぞ
    れ約32％、７％および１％としたことを特徴とす
    るはんだ用合金。
JP57132297A 1981-07-31 1982-07-30 半導体装置およびこれに用いるはんだ Granted JPS5825894A (ja)

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EP0071314A3 (en) 1984-04-25
GB2102833A (en) 1983-02-09
DE3271833D1 (en) 1986-07-31
US4504849A (en) 1985-03-12
EP0071314B1 (en) 1986-06-25
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