JPH0431800B2 - - Google Patents
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- JPH0431800B2 JPH0431800B2 JP4214583A JP4214583A JPH0431800B2 JP H0431800 B2 JPH0431800 B2 JP H0431800B2 JP 4214583 A JP4214583 A JP 4214583A JP 4214583 A JP4214583 A JP 4214583A JP H0431800 B2 JPH0431800 B2 JP H0431800B2
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Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
- B23K35/22—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by the composition or nature of the material
- B23K35/24—Selection of soldering or welding materials proper
- B23K35/26—Selection of soldering or welding materials proper with the principal constituent melting at less than 400 degrees C
- B23K35/262—Sn as the principal constituent
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Die Bonding (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の利用分野〕
本発明は、半田接着方法に関するものである。
従来、半導体装置は、シリコンおよびセラミツ
クなどの線膨張係数の小さい材料と、銅および鉄
などの線膨張係数の大きい材料とを、半田などの
接着材により接着して構成されていることは周知
のとおりである。このような半導体装置に温度変
化を与えると、前記接着材に熱ひずみを生ずるの
で、前記温度変化が繰り返し行われると、接着材
が熱疲労により破損するから半導体装置の信頼性
の低下する欠点がある。
クなどの線膨張係数の小さい材料と、銅および鉄
などの線膨張係数の大きい材料とを、半田などの
接着材により接着して構成されていることは周知
のとおりである。このような半導体装置に温度変
化を与えると、前記接着材に熱ひずみを生ずるの
で、前記温度変化が繰り返し行われると、接着材
が熱疲労により破損するから半導体装置の信頼性
の低下する欠点がある。
上記のように鉛と錫を主成分とする半田では、
半田付けに伴う合金属の生成により熱疲労強度が
低下する。このメカニズムを第１図および第２図
を参照して説明する。
半田付けに伴う合金属の生成により熱疲労強度が
低下する。このメカニズムを第１図および第２図
を参照して説明する。
第１図に示すように一対の板１ａ，１ｂを鉛と
錫を主成分とする半田２により半田付けを行つた
場合、前記板１ａ，１ｂ半田２との境界には、板
１ａ，１ｂの成分元素と半田２の成分元素から厚
さ5μｍ程度の合金層３ａ，３ｂが生成される。
例えば板１ａ，１ｂが銅製であるときには、前記
合金層３ａ，３ｂはCu3SnまたはCu6Snである。
この合金層３ａ，３ｂはCu3SnまたはCu6Su5であ
る。この合金層３ａ，３ｂの生成に関与する鉛−
錫系半田の元素は錫だけであり、ほとんどの場合
に鉛は関与しないことが文献（日本金属学会々報
第21号第８号、p628）で明らかである。したが
つて、前記合金層３ａ，３ｂと半田２との境界に
は、錫成分の低下した合金層４ａ，４ｂが生成さ
れる。
錫を主成分とする半田２により半田付けを行つた
場合、前記板１ａ，１ｂ半田２との境界には、板
１ａ，１ｂの成分元素と半田２の成分元素から厚
さ5μｍ程度の合金層３ａ，３ｂが生成される。
例えば板１ａ，１ｂが銅製であるときには、前記
合金層３ａ，３ｂはCu3SnまたはCu6Snである。
この合金層３ａ，３ｂはCu3SnまたはCu6Su5であ
る。この合金層３ａ，３ｂの生成に関与する鉛−
錫系半田の元素は錫だけであり、ほとんどの場合
に鉛は関与しないことが文献（日本金属学会々報
第21号第８号、p628）で明らかである。したが
つて、前記合金層３ａ，３ｂと半田２との境界に
は、錫成分の低下した合金層４ａ，４ｂが生成さ
れる。
一方、鉛成分が70％以上の半田では、錫成分が
低下するに伴つて降伏応力は低下する。この降伏
応力すなわち半田に１％のせん断ひずみを与えた
ときに発生する降伏応力と鉛の割合との関係を図
示すると第２図のようになる。これは本発明者に
より測定されたデータである。この図より鉛が70
％以上と、残部が錫とからなる成分組成の合金の
降伏応力は0.9〜２Kgｆ／mm2であり、錫が40％以
上と、残部が鉛とからなる成分組成の合金の降伏
応力は1.2〜2.0Kgｆ／mm2であることがわかる。こ
のような半田接着構造物（第１図）に熱ひずみが
発生した場合、錫成分の少ない合金層４ａ，４ｂ
にひずみが集中するため、この部分は熱疲労破壊
を起しやすくなる。
低下するに伴つて降伏応力は低下する。この降伏
応力すなわち半田に１％のせん断ひずみを与えた
ときに発生する降伏応力と鉛の割合との関係を図
示すると第２図のようになる。これは本発明者に
より測定されたデータである。この図より鉛が70
％以上と、残部が錫とからなる成分組成の合金の
降伏応力は0.9〜２Kgｆ／mm2であり、錫が40％以
上と、残部が鉛とからなる成分組成の合金の降伏
応力は1.2〜2.0Kgｆ／mm2であることがわかる。こ
のような半田接着構造物（第１図）に熱ひずみが
発生した場合、錫成分の少ない合金層４ａ，４ｂ
にひずみが集中するため、この部分は熱疲労破壊
を起しやすくなる。
さらに半田付け後の稼動中においても、錫と板
の成分元素の固体内拡散が生じて合金層が成長す
る。この現象は錫のくわれと称され、半田の金属
組織に悪影響を及ぼして強度の低下を招く恐れが
ある。
の成分元素の固体内拡散が生じて合金層が成長す
る。この現象は錫のくわれと称され、半田の金属
組織に悪影響を及ぼして強度の低下を招く恐れが
ある。
前記のように半導体装置の半田接着部の熱疲労
破壊は、ほとんどの場合、第１図に示す半田２と
合金層３ａ，３ｂとの境界の合金層４ａ，４ｂに
おいて発生する。このような熱疲労破壊を防止す
る手段としては、半導体装置の温度変化を小さく
する手段および半田の熱ひずみが起りにくい構造
とすることが考えられる。ところが、前者の温度
変化を小さくする手段は、半導体装置の環境温度
を一定にする装置および半導体装置から発生する
熱の放熱効率を向上させる部品を必要とする。
破壊は、ほとんどの場合、第１図に示す半田２と
合金層３ａ，３ｂとの境界の合金層４ａ，４ｂに
おいて発生する。このような熱疲労破壊を防止す
る手段としては、半導体装置の温度変化を小さく
する手段および半田の熱ひずみが起りにくい構造
とすることが考えられる。ところが、前者の温度
変化を小さくする手段は、半導体装置の環境温度
を一定にする装置および半導体装置から発生する
熱の放熱効率を向上させる部品を必要とする。
一方、後者の熱ひずみを起りにくゝする手段
は、半田の厚みを厚くすることが有効である。こ
の理由を第３図を参照して説明する。同図は線膨
張係数の小さい板５と線膨張係数の大きい板６と
を、半田７を介して接着した後に加熱した状態を
示したものである。その加熱前には、板５，６の
右端面は同一平面に形成されていたが、加熱後に
は両板５，６の熱膨張係数差により、第３図に示
すように段差Δl（ほゞ一定）を生ずる。この場
合、半田７のひずみγは次の(1)で表わされる。
は、半田の厚みを厚くすることが有効である。こ
の理由を第３図を参照して説明する。同図は線膨
張係数の小さい板５と線膨張係数の大きい板６と
を、半田７を介して接着した後に加熱した状態を
示したものである。その加熱前には、板５，６の
右端面は同一平面に形成されていたが、加熱後に
は両板５，６の熱膨張係数差により、第３図に示
すように段差Δl（ほゞ一定）を生ずる。この場
合、半田７のひずみγは次の(1)で表わされる。
γ＝Δl／ｈ ……(1)
この(1)式より半田７の厚さｈが大きいほど、半
田７のひずみγは小さくなる。しかるに半田７の
厚さｈを厚くするには、半田７の量を増加するだ
けでは目的を達成できない。これは、半田７の自
重および上板５の重さにより、融解した半田７ａ
が流出するからである。
田７のひずみγは小さくなる。しかるに半田７の
厚さｈを厚くするには、半田７の量を増加するだ
けでは目的を達成できない。これは、半田７の自
重および上板５の重さにより、融解した半田７ａ
が流出するからである。
そこで下板６に突起を設ける加工を施し、機械
的に半田７の厚さを確保する手段が提案されてい
る（特開昭53−139974号公報）。この手段は突起
の加工々程を必要とし、かつこの加工には通常、
プレス加工が用いられるので、半導体例えばシリ
コンおよびセラミツクなどの脆性材料には、前記
突起を設けることが非常に困難である。
的に半田７の厚さを確保する手段が提案されてい
る（特開昭53−139974号公報）。この手段は突起
の加工々程を必要とし、かつこの加工には通常、
プレス加工が用いられるので、半導体例えばシリ
コンおよびセラミツクなどの脆性材料には、前記
突起を設けることが非常に困難である。
本発明は上記にかんがみ半田の熱変形時のひず
み集中を防止し、また半田の厚さを自由に制御し
て、半田の熱疲労強度を向上させることを目的と
するものである。
み集中を防止し、また半田の厚さを自由に制御し
て、半田の熱疲労強度を向上させることを目的と
するものである。
本発明は上記目的を達成するために、鉛が70％
以上と、残部が錫と錫に随伴する不純物とからな
る成分組成の高融点合金の表面の一部または全部
に、錫が60％以上と、残部が鉛と鉛に随伴する不
純物とからなる成分組成の低融点合金を適宜手段
により接着して半田を製作したものである。ま
た、このような半田を用いた半田付けは、前記高
融点合金と低融点合金の両融点間の適宜温度で行
うようにしたものである。
以上と、残部が錫と錫に随伴する不純物とからな
る成分組成の高融点合金の表面の一部または全部
に、錫が60％以上と、残部が鉛と鉛に随伴する不
純物とからなる成分組成の低融点合金を適宜手段
により接着して半田を製作したものである。ま
た、このような半田を用いた半田付けは、前記高
融点合金と低融点合金の両融点間の適宜温度で行
うようにしたものである。
以下本発明の実施例を図面について説明する。
第４図において、８はシート状に形成された半
田で、この半田８は主シート８ａの両側に副シー
ト８ｂ，８ｃを適宜手段例えば圧着、メツキ、蒸
着などの手段によりそれぞれ接着して構成されて
いる。前記主シート８ａは高融点260〜327℃で、
かつ降伏応力の小さい合金、例えば鉛：70％、
錫：30％からなる成分組成の合金を圧延加工して
作られ、前記副シート８ｂ，８ｃは低融点183〜
232℃で、かつ降伏応力の高い合金、例えば鉛：
40％、錫：60％からなる成分組成の合金を例えば
圧着により接着する場合には圧延加工して作られ
ている。
田で、この半田８は主シート８ａの両側に副シー
ト８ｂ，８ｃを適宜手段例えば圧着、メツキ、蒸
着などの手段によりそれぞれ接着して構成されて
いる。前記主シート８ａは高融点260〜327℃で、
かつ降伏応力の小さい合金、例えば鉛：70％、
錫：30％からなる成分組成の合金を圧延加工して
作られ、前記副シート８ｂ，８ｃは低融点183〜
232℃で、かつ降伏応力の高い合金、例えば鉛：
40％、錫：60％からなる成分組成の合金を例えば
圧着により接着する場合には圧延加工して作られ
ている。
第５図は本発明の半田接着方法の第１実施態様
を示すものである。すなわち予じめニツケル層１
０がメツキされている線膨張係数の小さいシリコ
ン板９と線膨張係数の大きい銅板１１とを、前記
半田８により、しかもその主シート８ａの高融点
と副シート８ｂ，８ｃの低融点との間の適宜温度
で半田付けを行うことにより、シリコン板９と銅
板１１を結合して半導体装置を製作することがで
きる。
を示すものである。すなわち予じめニツケル層１
０がメツキされている線膨張係数の小さいシリコ
ン板９と線膨張係数の大きい銅板１１とを、前記
半田８により、しかもその主シート８ａの高融点
と副シート８ｂ，８ｃの低融点との間の適宜温度
で半田付けを行うことにより、シリコン板９と銅
板１１を結合して半導体装置を製作することがで
きる。
この場合、ニツケル層１０と副シート８ｂとの
間には、Ni3Sn、Ni3Sn4、Ni3Sn2などを主成分
とする合金層１２ａが生成されると共に、銅板１
１と副シート８ｃとの間には、Cu3Sn、Cu6Sn5を
主成分とする合金層１２ｂが生成される。これら
の両合金層１２ａ，１２ｂに含まれる錫は、副シ
ート８ｂ，８ｃからそれぞれ供給されるので、主
シート８ａの成分組成は変化しない。このように
主シート８ａのいかなる部分においても、錫成分
の低下によるひずみ集中が起らないので、熱疲労
強度は低下しないから半導体装置の信頼性を向上
させることができる。
間には、Ni3Sn、Ni3Sn4、Ni3Sn2などを主成分
とする合金層１２ａが生成されると共に、銅板１
１と副シート８ｃとの間には、Cu3Sn、Cu6Sn5を
主成分とする合金層１２ｂが生成される。これら
の両合金層１２ａ，１２ｂに含まれる錫は、副シ
ート８ｂ，８ｃからそれぞれ供給されるので、主
シート８ａの成分組成は変化しない。このように
主シート８ａのいかなる部分においても、錫成分
の低下によるひずみ集中が起らないので、熱疲労
強度は低下しないから半導体装置の信頼性を向上
させることができる。
従来、一対の板を半田により接着する場合、そ
の半田の厚さを100μｍ程度以上にすることは、
困難であつたが、本実施例では高融点の主シート
８ａの厚さを確保できるので、半田８を任意の厚
さに設定でき、かつ一様な厚さを容易にうること
ができる。また半田８の厚さを大きくすると、前
記(1)式より半田のひずみγは小さくなるから、半
田８の熱疲労強度を向上させることが可能であ
る。
の半田の厚さを100μｍ程度以上にすることは、
困難であつたが、本実施例では高融点の主シート
８ａの厚さを確保できるので、半田８を任意の厚
さに設定でき、かつ一様な厚さを容易にうること
ができる。また半田８の厚さを大きくすると、前
記(1)式より半田のひずみγは小さくなるから、半
田８の熱疲労強度を向上させることが可能であ
る。
第６図に示す第２実施態様は、前記高融点半田
で形成された球状部１５ａの表面に、低融点半田
１５ｂを接着して構成された球状半田１５によ
り、一対の板１３，１４を前記両融点間の温度で
半田付けを行つたものである。このように球状半
田１５を使用すれば、球径だけの半田厚さを確保
できるから、半田１５の熱変形時のひずみ集中を
防止し、半田１５の熱疲労強度を向上させること
ができる。
で形成された球状部１５ａの表面に、低融点半田
１５ｂを接着して構成された球状半田１５によ
り、一対の板１３，１４を前記両融点間の温度で
半田付けを行つたものである。このように球状半
田１５を使用すれば、球径だけの半田厚さを確保
できるから、半田１５の熱変形時のひずみ集中を
防止し、半田１５の熱疲労強度を向上させること
ができる。
この場合、板１３の特定点１７ａ，１７ｂと、
板１４の特定点１６ａ，１６ｂとを球状半田１５
により接着するには、まず下板１４の特定点１６
ａ，１６ｂ上に各球状半田１５をそれぞれ設置
し、高融点半田１５ａおよび低融点半田１５ｂの
両融点間の温度で半田付けを行う。ついで冷却し
て球状半田１５を下板１４に固定した後に、上板
１３の特定点１７ａ，１７ｂを各球状半田１５の
球状部１５ａ上にそれぞれ設置し、前記温度で再
び半田付けを行えばよい。
板１４の特定点１６ａ，１６ｂとを球状半田１５
により接着するには、まず下板１４の特定点１６
ａ，１６ｂ上に各球状半田１５をそれぞれ設置
し、高融点半田１５ａおよび低融点半田１５ｂの
両融点間の温度で半田付けを行う。ついで冷却し
て球状半田１５を下板１４に固定した後に、上板
１３の特定点１７ａ，１７ｂを各球状半田１５の
球状部１５ａ上にそれぞれ設置し、前記温度で再
び半田付けを行えばよい。
第７図に示す第３実施態様は、並置された任意
数の球状の高融点半田１８ａを低融点半田１８ｂ
により結合してなる半田１８を用いて、一対の板
１３，１４を上記第２実施態様（第６図）と同様
にして半田付けしたものである。このような半田
１８を用いると、球状半田１８ａの直径だけの半
田厚さを確保できるから、半田１８の熱疲労強度
を向上させることができる。
数の球状の高融点半田１８ａを低融点半田１８ｂ
により結合してなる半田１８を用いて、一対の板
１３，１４を上記第２実施態様（第６図）と同様
にして半田付けしたものである。このような半田
１８を用いると、球状半田１８ａの直径だけの半
田厚さを確保できるから、半田１８の熱疲労強度
を向上させることができる。
以上説明したように本発明によれば、半田の熱
変形時のひずみ集中を防止し、また半田厚さを自
由に制御することにより、半田の熱疲労強度を向
上させることができる。したがつて、本発明を半
導体装置に適用すれば、その信頼性を向上させる
ことができる。
変形時のひずみ集中を防止し、また半田厚さを自
由に制御することにより、半田の熱疲労強度を向
上させることができる。したがつて、本発明を半
導体装置に適用すれば、その信頼性を向上させる
ことができる。
第１図および第３図は従来の半田における熱ひ
ずみのメカニズムの説明図、第２図は鉛−錫から
なる半田の成分組成と降伏力との関係を示す図、
第４図は本発明の半田の一実施例を示す断面図、
第５図ないし第７図は本発明の半田接着方法の実
施態様を示す断面図である。 ８，１５，１６……半田、８ａ，１５ａ，１８
ａ……高融点合金、８ｂ，８ｃ，１５ｂ，１８ｂ
……低融点合金。
ずみのメカニズムの説明図、第２図は鉛−錫から
なる半田の成分組成と降伏力との関係を示す図、
第４図は本発明の半田の一実施例を示す断面図、
第５図ないし第７図は本発明の半田接着方法の実
施態様を示す断面図である。 ８，１５，１６……半田、８ａ，１５ａ，１８
ａ……高融点合金、８ｂ，８ｃ，１５ｂ，１８ｂ
……低融点合金。
Claims (1)
- １ 鉛が70％以上と、残部が錫と錫に随伴する不
純物とからなる成分組成の高融点合金の表面の一
部または全部に、錫が60％以上と、残部が鉛と鉛
に随伴する不純物とからなる成分組成の低融点合
金を適宜手段により接着した半田を、前記高融点
合金及び低融点合金の両融点間の適宜温度で半田
付けしてなることを特徴とする半田接着方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4214583A JPS59169694A (ja) | 1983-03-16 | 1983-03-16 | 半田接着方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4214583A JPS59169694A (ja) | 1983-03-16 | 1983-03-16 | 半田接着方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS59169694A JPS59169694A (ja) | 1984-09-25 |
| JPH0431800B2 true JPH0431800B2 (ja) | 1992-05-27 |
Family
ID=12627768
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4214583A Granted JPS59169694A (ja) | 1983-03-16 | 1983-03-16 | 半田接着方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS59169694A (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6187396A (ja) * | 1984-10-05 | 1986-05-02 | 株式会社日立製作所 | 電子回路装置とその製造方法 |
| JPS6471591A (en) * | 1987-09-09 | 1989-03-16 | Sumitomo Spec Metals | Joining method for metal or alloy piece |
| JPH04270092A (ja) * | 1991-01-21 | 1992-09-25 | Mitsubishi Electric Corp | 半田材料及び接合方法 |
| JPH0596395A (ja) * | 1991-10-04 | 1993-04-20 | Mitsubishi Electric Corp | 接合材、接合方法および半導体装置 |
| US5881945A (en) * | 1997-04-30 | 1999-03-16 | International Business Machines Corporation | Multi-layer solder seal band for semiconductor substrates and process |
| WO2024176947A1 (ja) * | 2023-02-22 | 2024-08-29 | 三菱電機株式会社 | 半導体装置、電力変換装置および半導体装置の製造方法 |
-
1983
- 1983-03-16 JP JP4214583A patent/JPS59169694A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS59169694A (ja) | 1984-09-25 |
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