JPH07110430B2

JPH07110430B2 - 保存寿命を改良したはんだ付け用合金及びその製造方法及びはんだ付け法

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Publication number: JPH07110430B2
Application number: JP61276389A
Authority: JP
Inventors: デベイシス・ボース; ハワード・ホースト・リーバーマン
Original assignee: アライド・コ−ポレ−シヨン
Priority date: 1985-11-27
Filing date: 1986-11-19
Publication date: 1995-11-29
Anticipated expiration: 2010-11-29
Also published as: US4654275A; EP0224068B1; DE3677153D1; EP0224068A1; JPS62137193A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は電子部品のはんだ付け、特に半導体デバイスを
金属製またはセラミック製の部品にはんだ付けする際に
用いられるはんだ付け用合金に関する。

はんだ付けは、しばしば異なる組成をもつ材料を互いに
冶金学的に結合させる方法である。一般に、互いに接合
すべき母材部品のものよりも低い融点をもつ溶加材を金
属部品間に介在させてアセンブリーを形成する。次いで
このアセンブリーを溶加材が溶融するのに十分な温度に
加熱する。冷却すると、堅固なリークタイト接合が形成
される。

はんだ付け法は通常、トランジスターまたは他の半導体
デバイス（ダイまたはチップと呼ばれる）が金属製また
はセラミック製の部品（リードフレームと呼ばれる）に
接合してそのデバイスに支持体を施すために用いられ
る。この操作は一般にダイ接着と呼ばれる。デバイスは
使用中に熱を発生し、これがはんだ付け接合部を通つて
リードフレームへ伝達される。従つて接合部は、熱を効
果的に散逸させるために堅固でありかつボイド不含でな
ければならない。さらにこれらのデバイスはきわめて高
い頻度でオン−オフ作動し、これによりはんだ付け接合
部に熱応力を生じる。この種の応力に耐えるためには、
理想的には接合部は化学的に均質でなければならない。
接合部における金属間化合物の偏析は、その後熱サイク
ルがかけられると破損を生じ、その結果デバイスに永久
的な損傷を与える。

ダイ接着のために一般に用いられるはんだ合金の１つは
92.5Pb-5In-2.5Ag（重量％）の組成をもつ。この合金を
用いて作成された接合部は強靱であり、熱疲労に対して
適度の抵抗性をもつ。一般にこの合金は箔またはワイヤ
状で用いられる。この種の箔を用いることに関する問題
はその保存寿命が限られている点である。組成92.5Pb-5
In-2.5Agの時効処理した箔試料についてのオージェ電子
分光法（AES）は酸化鉛膜の存在を示した。これははん
だ付けに際して解離せず、これによりぬれが妨げられる
可能性がある。これに対し新たに製造された同一組成の
箔には酸化インジウム膜が見出され、これははんだ付け
に際して容易に破壊される。

当業者ではなお、基礎となる92.5Pb-5In-2.5Ag合金に匹
敵する強度をもち、ただしこれよりも長い保存寿命をも
つ改質92.5Pb-5In-2.5Agはんだ組成物が求められてい
る。

本発明は、ダイ接着に適しており、基礎となる92.5Pb-5
In-2.5Agに匹敵する接合部強度をもち、ただしこれより
も長い保存寿命をもつ合金を提供する。鉛を基体とし、
スズを含まない合金にその急速固化前に0.5〜４重量％
のスズを添加することにより、合金における酸化鉛膜の
形成が防止され、これによりその保存寿命が実質的に高
められることが見出された。好ましくは本発明の合金は
本質的にAg2〜３重量％、In4.5〜5.5重量％、Sn0.4〜4.
0重量％を含有し、残部は本質的にPbおよび付随する不
純物である。本発明の合金を用いて作成されるはんだ接
合部の機械的特性は基礎となる92.5Pb-5In-2.5Ag（重量
％）合金を用いて作成された接合部のものに匹敵する。
さらに本発明合金の１種から製造されたはんだ箔の保存
寿命は、促進時効試験により測定してほぼ６倍増大して
いる。本発明の合金は実質量のAg（２〜３重量％）、In
（（4.5〜5.5重量％）およびSn（0.5〜4.0重量％）を含
有しており、これらはPb中における固溶度が限られてい
るので、本発明の溶融合金を一般的に冷却速度で固化さ
せると著しい化学偏析が生じる。生じた大型の偏析粒子
（Ag₉In₄およびAg₃Snと同定される）は一般の箔または
プレフォーム中に存在すると予想される。この種の偏析
組織をもつはんだ箔はより高温を必要とし、これにりシ
リコンチップに損傷を与え、および／またはミクロ組織
的に均質なはんだ箔よりもリフローするのに長時間を要
する可能性がある。たとえば一般のはんだ箔はより高い
はんだ付け温度を採用する必要があり、これによりシリ
コンチップに損傷を与える可能性があり、および／また
はより長いはんだ付け時間を必要とし、これにより生産
速度が低下する。従つて理想的には、はんだ箔はミクロ
組織的に均質でなければならない。本発明の合金からミ
クロ組織的に均質な箔を製造するための好ましい方法
は、移動冷却面上での急速固化法である。この方法で製
造された箔は微晶質であり、従つて化学的に均質であ
る。他の方法は、たとえば（１）圧延、（２）鋳造、
（３）粉末冶金学的方法、または（４）延伸によりこれ
らの合金を箔状またはワイヤ状に加工することができ
る。本発明の合金は、溶融霧化法により、またはそれか
ら構成される箔の機械的微粉砕により、粉末状で得るこ
ともできる。

さらに本発明は（ａ）接合すべき部品の間に溶加材箔を介在させてア
センブリーを形成し、該溶加材箔は接合すべきいずれの
部品のものよりも低い融解温度をもち；（ｂ）アセンブリーを少なくとも溶加材の融解温度に
加熱し；そして（ｃ）アセンブリーを冷却する工程からなり、その際鉛を基体とし、スズ0.5〜４重量
％を含有する合金からなる少なくとも１種の急速固化箔
を溶加材として用いることよりなる、２個以上の部品を
互いに接合する改良された方法を提供する。

あるいは接合操作は（ａ）接合すべき部品のうち１個に溶加材を乗せてア
センブリーを形成し；該溶加材は接合すべき部品のいず
れのものよりも低い融解温度をもち；（ｂ）アセンブリーを少なくとも溶加材の融解温度に
加熱し；（ｃ）接合すべき部品のうち第２のものを溶融した溶
加材に乗せ；そして（ｄ）アセンブリーを冷却する工程からなり、該溶加材は前記の方法により製造された
少なくとも１種の急速固化した箔である方法によつて実
施できる。

92.5Pb-5In-2.5Ag（重量％）の組成をもつはんだ合金は
ダイ接着に一般に用いられている。この合金から製造さ
れた箔は空気中に保存した場合一般に約15〜30日の保存
寿命をもつ。この組成をもつ新たに製造された箔のAES
は箔の表面に酸化インジウムが保存することを示した。
酸化インジウムははんだ付け温度で容易に解離し、シリ
コンダイと基板との良好な結合が得られる。しかし時効
処理した箔のAESは箔の表面に酸化鉛の存在を示し、こ
れは酸素が酸化インジウムから移行し、鉛と反応して酸
化鉛を形成する可能性があることを示す。酸化鉛が形成
されると、これらの箔はダイの基板をぬらさなくなる。
酸化鉛がはんだ付け温度で解離し難いからである。

本発明は92.5Pb-5In-2.5Agから構成される合金よりも実
質的に改良された保存寿命をもつ急速固化合金を提供
し、その改良は鉛を基体とするスズ不含の合金にSnを添
加することにより達成される。

さらに本発明は（ａ）鉛を基体とし、スズを含まない合
金に、スズ0.5〜４重量％を添加し；（ｂ）このスズ添
加物を含有する組成物の溶融物を調製し；そして（ｃ）
溶融物を移動冷却面上において少なくとも10⁵℃／秒の
急冷速度で急冷する工程からなり、スズの添加は合金中
に酸化鉛膜が形成されるのを防止し、これによりその保
存寿命を実質的に高める効果をもつ、均質な延性の箔の
製法が提供される。好ましくは本発明の合金は本質的に
Ag2〜３重量％、In4.5〜5.5重量％、Sn0.5〜4.0重量％
を含有し、残部はPbおよび付随する不純物である。ぬれ
挙動の改良は本発明の合金箔の表面に酸化スズが形成さ
れうることに起因する。酸化スズは箔中への酸素の移行
を減少させ、これにより有害な酸化鉛膜の箔の表面に形
成されるのが遅延されると考えられる。さらに酸化スズ
ははんだ付け温度で容易に解離し、その結果はんだのぬ
れ挙動が改良される。

基礎となるPb（残部）−5In-2.5Ag（重量％）の組成物
中におけるSnの固溶度は約1.5重量％であることが認め
られた。従つて本発明の合金の好ましい組成は91Pb-5In
-2.5Ag-1.5Sn（重量％）である。本発明の好ましい組成
物から製造された箔を接着に用いると、得られる接合部
はSnに富む金属間化合物を含まないと予想される。この
ようなもろい金属間化合物の形成がないことにより、接
合部の機械的特性が改良されると期待される。

さらにいかなるはんだ付け処理においても、（特にダイ
接着に用いる場合）、はんだ付け箔は好ましくは化学的
に均質であり、かついかなる有機汚染物質をも含有すべ
きでない。ここで本発明のはんだ付け箔に関して用いら
れる“化学的に均質”という語は、箔内のマトリックス
と異なる組成をもつ各相がすべて0.5μｍ以下の大きさ
であることを意味する。より一般的には“化学的に均
質”という語は製造された箔がすべての方向に実質的に
均一な組成をもつことを意味する。はんだ付けに用いる
箔が化学的に均質である場合、化学的に均質なはんだ接
合が得られる。また、はんだ接合部は堅固でなければな
らない。すなちボイドおよび細孔を含んではならない。
堅牢な化学的に均質なはんだ接合部に、ボイドを含み化
学的に不均質な接合部に比べて優れた機械的特性を示
す。一般にはんだ付け用箔は通常の金属工作技術により
製造され、その際ビレットまたはインゴットを、目的と
する厚さの箔が得られるまで反復圧延および焼鈍する。
従つてビレットまたはインゴット内で偏析した金属間相
は最終製品に移行する。さらに一般に金属工作に際して
慣用されるグリースまたは油が箔に閉じ込められる。従
つて一般の金属工作技術により製造された箔は通常は化
学的に不均質であり、有機汚染物質を含有する。

本発明のはんだ付け用箔は、米国特許第4,331,739号明
細書に述べられた合金急冷技術により、目的組成の溶融
物をほぼ10³℃／秒、好ましくはほぼ10⁵℃／秒の速度で
冷却することにより製造される。すべての組成物は純度
は商業的に普通に見出されるものである。

例１特定の組成の溶融物をアルゴンの過圧により急速回転急
冷ホイール（表面速度1200〜6000フィート／分、366〜1
829m）上へ噴出さることにより、幅3.175mm（0.125イン
チ）、厚さ約14〜76m（約0.0005〜0.003インチ）のリボ
ンを製造した。表Ｉに示す組成をもつ均質なリボンが製
造された。

表Ｉ試料No. Pb In Ag Sn 1 92.5 5.0 2.5 0 2 91.0 5.0 2.5 1.5 例２表Ｉに示したリボンの液相線および固相線温度を差動走
査熱量計（DSC）により測定した。各試料20mgを20℃／
分の速度で加熱した。加熱曲線から液相線および固相線
温度を測定し、下記の表IIに示す。

表IIは本発明の試料No.2の合金箔の溶融特性が試料No.1
の合金箔のものにきわめて類似することを示す。

例３試料１および２から得たリボンの保存寿命を鋳造直後に
下記の方法で測定した。

まず小型のプレフォームを試料No.1および試料No.2から
切り取つた。次いで各プレフォームを無電解ニッケルめ
つきした。To−３ヘッダー基板に乗せた。次いでシリコ
ンダイをプレフォームに乗せた。ヘッダーに熱電対を接
続して温度を監視した。次いでこのアセンブリーを、手
動ダイボンディング装置によりAr−４％H₂雰囲気下で約
400℃に加熱した。室温から400℃までの加熱時間は約75
秒であつた。はんだ箔は400℃で完全に溶融し、固化に
際しシリコンダイとTo−３ヘッダーとの間に接着層を形
成した。この接合部の結合性はヘッダーを180°折り曲
げることにより測定された。

折り曲げに際してシリコンダイがヘッダーに接着された
まま亀裂を生じた場合、結合が良好であると定める。は
んだ箔がヘッダーおよびシリコンダイをぬらさなくなつ
た場合、得られる結合は一般に不良である。

新たに鋳造した試料No.1および試料No.2のリボンを用い
てはんだ接合部を形成し、上記のようにヘッダーを折り
曲げることにより結合性を試験した。次いでプレフォー
ムを100℃の炉内に６日間まで保存した（24時間毎）。
これらの24時間毎の時効処理リボンを用いて接合し、再
び結合性を試験した。結果を下記の表IIIに示す。

表IIIに示されるように、本発明の試料No.2の合金箔を
用いて作成した接合部の結合性は、100℃の炉内で箔を
合計130時間時効処理したのちですら良好であつた。こ
れは、本発明の試料No.2合金のぬれ性が合計130時間の
促進時効試験に際して劣化しないことを示す。これに対
し試料No.1の合金箔で作成した接合部は、箔が100℃で2
4時間時効処理された際にも良好な結合を形成すること
ができず、これによりそのぬれ挙動がより速やかに劣化
したことが示される。

例４本発明の試料No.2合金箔を用いて作成したはんだ接合部
の剪断強さを試料No.1合金箔を用いて作成した接合部の
ものと、下記の方法で比較した。接合部は例３に記載し
たと同じ方法で作成された。これらの接合部の剪断強度
はMIL-STD-883C法2019.2により測定された。各試料につ
き行われた10回の試験の平均値を下記の表IVに報告す
る。

表IVは、本発明の試料No.2合金箔を用いて作成した接合
部の剪断強さが試料No.1合金箔を用いて作成した接合部
のものに匹敵することを示す。

以上、本発明を詳細に記述したが、この詳述に固執する
必要はなく、各種の変更および修正が当業者には自明で
あり、これらはすべて特許請求の範囲に定められた本発
明の範囲に含まれるとは理解されるであろう。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】本質的に銀２〜３重量％、インジウム4.5
〜5.5重量％及びスズ0.5〜４重量％を含み、残部が鉛及
び不可避的不純物から成る、合金中に酸化鉛の形成を防
止し、保存寿命を高めた、急速固化均質鉛ベースはんだ
付け用合金。
【請求項２】箔の形状をもつ特許請求の範囲第１項に記
載の合金。
【請求項３】箔が延性である特許請求の範囲第２項に記
載の合金。
【請求項４】箔が微晶質組織をもつ特許請求の範囲第２
項に記載の合金。
【請求項５】粉末の形状をもつ、特許請求の範囲第１項
に記載の合金。
【請求項６】ワイヤの形状をもつ、特許請求の範囲第１
項に記載の合金。
【請求項７】本質的に銀2.5重量％、インジウム５重量
％、およびスズ1.5重量％よりなる組成をもつ、特許請
求の範囲第１項に記載の鉛ベース合金。
【請求項８】（ａ）鉛をベースとし、本質的に銀２〜
３重量％及びインジウム4.5〜5.5重量％を含み、残部が
鉛及び不可避的不純物から成るスズを含まない合金にス
ズ0.5〜４重量％を添加し、（ｂ）このスズ添加物を含有する組成物の溶融物を調
製し；そして（ｃ）溶融物を移動冷却面において少なくとも10³℃
／秒の急冷速度で急冷する工程からなる、保存寿命を高めた、箔状の均質な延性の
鉛ベースはんだ付け用合金製造方法。
【請求項９】合金が本質的に銀2.5重量％、インジウム
５重量％、スズ1.5重量％および鉛91重量％よりなる組
成をもつ、特許請求の範囲第８項記載の方法。
【請求項１０】（ａ）金属部品間に溶加材を介在させ
てアセンブリーを形成し、該溶加材はこれらの部品のい
ずれのものよりも低い融点をもち；（ｂ）アセンブリーを少なくとも溶加材の融解温度に
加熱して；そして（ｃ）アセンブリーを冷却する工程からなり、その際溶加材として、本質的に銀２〜３
重量％、インジウム4.5〜5.5重量％及びスズ0.5〜４重
量％を含み、残部がスズ及び不可避的不純物から成る合
金から成る箔状の急速固化均質鉛ベースはんだ付け用合
金を使用することから成る、２個以上の部品を互いに接
合させる方法。
【請求項１１】（ａ）部品のうち１個に溶加材を乗せ
てアセンブリーを形成し、該溶加材はこれらの部品のい
ずれのものよりも低い融点をもち；（ｂ）アセンブリーを少なくとも溶加材の融点に加熱
し；（ｃ）部品のうち第２のものを溶融した溶加材に乗
せ；そして（ｄ）アセンブリーを冷却する工程からなり、その際溶加材の少なくとも１として、本
質的に銀２〜３重量％、インジウム4.5〜5.5重量％及び
スズ0.5〜４重量％を含み、残部がスズ及び不可避的な
不純物から成る合金から成る箔状の急速固化均質延性鉛
ベースはんだ付け用合金を使用することから成る、２個
以上の部品を互いに接合させる方法。