JPH08215881A - 複合半田材料及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】半導体チップを半田材料を介して基板上に接続
する際、半田材料として粒状物を混入した長尺複合半田
材料を用い、その適量を基板に載せた状態で加熱し溶融
させる時、２００℃以下で溶融出来、半田溶融物の高さ
の水平度が従来に比して更に向上し、ボイドを生じさせ
ず所定の接合強度が維持できるペレット用素材としての
長尺複合半田材料及びその製造方法を提供する。 【構成】５５〜６５重量％Ｓｎを含有し残部Ｐｂからな
る半田材料基材に粒状物を０．０１〜５重量％混入し、
塑性加工を施してテープ状又はワイヤー状の複合半田材
料を得た。該材料を所定形状に加工し適量を基板１に載
せた状態で加熱し溶融させると、２００℃以下で溶融出
来ると共に、半田溶融物２の高さの水平度が従来に比し
てより向上し、所定の接合強度が維持できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はパワートランジスタ等の
半導体チップの接続材料、さらに詳しくは、半導体チッ
プの基板への接続等に用いるテープ状又はワイヤー状の
長尺複合半田材料及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、半導体チップを基板上に接続
する際に用いる接続材料として、テープ状又はワイヤー
状の半田材料からペレットを作製し、その適量を半導体
チップと基板の間に挟んだ状態で加熱し溶融させて使用
するものが知られている。しかし乍らこの接続材料の場
合、図２に示す様に基板１上の半田溶融物２は円弧状に
流れるため、半導体チップを基板１上に水平に接続する
ことが困難である。

【０００３】半導体チップを基板上に水平に接続するこ
とは、その接続部分において所定の耐熱サイクルが保持
され、温度変化による半導体チップの剥離や導通不良を
防ぐ点で有用である。このため接続材料として、テープ
状又はワイヤー状に作製した半田基材中に、半田よりも
高融点の粒状物を散在状に混入せしめた長尺複合半田材
料から作製したペレットを用いることにより図１に示す
様に半田溶融物２の厚み（高さ）を略水平に保持し、該
半田溶融物２上にセットする半導体チップを基板１上に
略水平に接続させることが知られている。また、本出願
人は上述のテープ状又はワイヤー状半田基材中に粉状物
を混入させるに有用な方法を発明し、先に特願平５−１
１６８５号、特願平６−９６５７１号、特願平６−９６
５７２号として出願した。

【０００４】一方、半導体装置は近年益々高速で稼働さ
れ、発熱，冷却の熱サイクルの条件が更に厳しくなって
いる。このため、より過酷な温度変化によっても半導体
チップの剥離や導通不良を防ぐことが要求されている。
該要求に対して、半導体チップを半田材料を介して基板
上に接続するに際し、所定形状の半田材料適量を基板上
に載せた状態で加熱し溶融させるとき、半田溶融物の水
平度を従来に比して更に高めることが、より過酷な温度
変化における半導体チップの剥離や導通不良を防ぐこと
に有効であることが分かり、この要求に対応出来る半田
材料が求められている。

【０００５】このような要求に対応するには、前述した
様に長尺複合半田材料（半田よりも高融点の粒状物を散
在状に混入せしめた長尺複合半田材料）を用いて溶融物
の高さの水平度を向上させることが効果的であるが、水
平度を向上させようとすると溶融半田の流動が粒状物に
阻害されてボイドが生じ接合強度が弱くなるという欠点
がある。さらに、半導体チップを基板上に接続する際
「ステップ半田付け」が採用されることが多い。この方
法では融点の異なる半田が要求されるが、とりわけ前記
要求を満たした上、２００℃以下で溶融接続出来る低温
半田が求められている。このような、２００℃以下で溶
融接続出来、しかも溶融物の高さの水平度が更に向上
し、さらにボイドの発生が少ないペレット用素材として
の長尺複合半田材料は未だ知られていない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来事情に鑑
み、本発明においては、半導体チップを半田材料を介し
て基板上に接続するに際して、半田材料として長尺複合
半田材料を用い、その所定形状の適量を基板に載せた状
態で加熱し溶融させる時、２００℃以下で溶融出来、且
つ半田溶融物の高さの水平度が従来に比して更に向上す
ると共に、ボイドを生じさせず所定の接合強度が維持で
きる、ペレット用素材としての長尺複合半田材料及びそ
の製造方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本願第１発明の長尺複合半田材料は、５５〜６５重
量％Ｓｎを含有し残部が不可避不純物を除いてＰｂから
なる半田材料を基材とし、これに粒状物が０．０１〜５
重量％混入されていることを特徴とする。また本願第２
発明は、上記第１発明の長尺複合半田材料において、半
田材料基材が０．１〜１重量％Ｎｉを含有することを特
徴とする。

【０００８】また本願第３発明の長尺複合半田材料の製
造方法は、５５〜６５重量％Ｓｎを含有し残部が不可避
不純物を除いてＰｂからなる半田材料基材に、粒状物を
０．０１〜５重量％混入させた後、塑性加工を施してな
ることを特徴とする。また本願第４発明は、上記第３発
明の長尺複合半田材料の製造方法において、半田材料基
材が０．１〜１重量％Ｎｉを含有することを特徴とす
る。

【０００９】

【作用】以下、本発明について更に詳しく説明する。ま
ず基材としての半田材料について述べれば、本発明にお
いては、半田材料基材としてＰｂに５５〜６５重量％Ｓ
ｎを含有させることが必要である。好ましくは０．１〜
１重量％Ｎｉを更に含有させることである。このような
半田材料を基材とし、該基材内部に粒状物を０．０１〜
５重量％混入させた長尺複合半田材料を作製し、その所
定形状の適量を基板に載せた状態で加熱し溶融させるこ
とにより、２００℃以下で溶融出来、且つ半田溶融物の
高さの水平度が従来に比して更に向上すると共に、ボイ
ドが少なく、所定の接合強度が維持出来るという優れた
効果を有する。

【００１０】Ｓｎ含有量が５５重量％未満の時、粒状物
を基材内部に混入させない場合に比べれば半田溶融物の
高さの水平度は改善されるものの、該水平度を従来に比
して更に向上させるという本願の要求に対しては不充分
である。更にボイドが発生し易くなり所定の接合強度が
得られない。Ｓｎ含有量が６５重量％を超える時、粒状
物を基材内部に混入させない場合に比べれば半田溶融物
の高さの水平度は改善されるものの、本願の要求に対し
ては不充分である。更にボイドが発生し易くなり所定の
接合強度が得られない。このためＳｎ含有量は５５〜６
５重量％と定めた。

【００１１】次に、上記半田材料基材に混入させる粒状
物について説明する。粒状物としては、半田材料基材よ
り高融点の材料が好ましい。例えば、Ｃｕ，Ｗ，Ｍｏ，
Ｎｉ等の金属、Ａｌ₂ Ｏ₃ ，ガラス等の酸化物、Ｔｉ
Ｎ，ＡｌＮ等の窒化物が好ましく用いられる。粒状物の
形状は、球形，角形，不定形の何れでもよい。また好ま
しい寸度は、対角最大寸度が２０〜７０μｍの範囲であ
り、用途に応じて使い分けて用いられる。粒状物の複合
半田材料中の必要な混入率は、０．０１〜５重量％であ
る。該混入率が０．０１重量％未満の時、粒状物を内部
に混入させた複合半田材料を溶融させた際の半田溶融物
の高さの水平度向上の改善効果が、本要求に対して不十
分である。また該混入率が５重量％を超える時、粒状物
を混入させない場合に比べれば半田溶融物の高さの水平
度は改善されるものの、本願の要求に対しては不充分で
ある。更にボイドが発生し易くなり所定の接合強度が得
られない。このため、粒状物の混入率を０．０１〜５重
量％と定めた。

【００１２】而して、半田材料の基材の組成及び粒状物
の混入率を前述の様な構成にすることにより、粒状物を
内部に混入させた複合半田材料を溶融させた時、接合強
度を高く保ったまま半田溶融物の水平度を向上させるこ
とが出来る理由は明らかではないが、次の様に考えられ
る。すなわち本発明の如く構成した長尺複合半田材料
が、粒状物が存在した状態に適した流動性を有してお
り、これにより半田溶融物の高さの水平度を向上させる
ことが出来ると共に、ボイドの生成を抑制して接合強度
の低下を阻止することが出来るという優れた効果を奏す
ると考えられる。

【００１３】以下、本発明に係る長尺複合半田材料の製
造方法について詳述する。本発明の製造方法において
は、５５〜６５重量％Ｓｎを含有し残部が不可避不純物
を除いてＰｂからなる半田材料基材に粒状物を０．０１
〜５重量％混入させた後、塑性加工を施すことが必要で
ある。好ましくは、前記半田材料基材が０．１〜１重量
％Ｎｉを含有することが良い。ここでいう長尺複合半田
材料とは、半田材料を基材としこれに粒状物を機械的に
混入させたテープ状又はワイヤー状複合半田材料をさす
ものである。またここでいう塑性加工とは、テープ状半
田材料においては２本の圧延ロールによる冷間加工、ワ
イヤー状半田材料においては押出し加工した後の冷間加
工を指すものである。

【００１４】すなわち、テープ状複合半田材料の製造に
おいては、本出願人による先出願の特願平５−１１６８
５号に開示されたように、水平方向に併設した左右２本
の圧延ロール間に２枚の半田テープを上方から挿通する
と共に、該両テープの接合手前箇所を所定角度に拡開せ
しめて該拡開部に粒状物を供給し、圧延ロールの巻き込
み力による冷間加工（圧延加工）によって半田材料本体
内に前記粒状物を混入せしめる製造方法が好ましく採用
される。またワイヤー状複合半田材料の製造において
は、本出願人による先出願の特願平６−９６５７１号及
び特願平６−９６５７２号に開示された方法が好ましく
採用されるが、この中でも、半田ビレットの軸方向に設
けた空洞部に粒状物を充填した複合半田ビレットを押出
し加工した後冷間加工（伸線加工）を施す製造方法が好
ましく採用される。

【００１５】このように、ＰｂにＳｎ，Ｎｉを所定量含
有した半田材料基材に粒状物を所定の比率で混入させた
後に塑性加工を施すことで、得られた長尺複合半田材料
において粒状物を均一に分散して含有させることがで
き、よって、本発明に係る長尺複合半田材料の効果をよ
り確実ならしめると共に、製造途中における断線トラブ
ルを大幅に低減して効率良く製造し得る方法として好適
に利用できる。

【００１６】

【実施例】以下、表１，表２に示す実施例及び比較例に
ついて説明する。 〔実施例１〕５５重量％Ｓｎを含有し残部が不可避不純
物を除いてＰｂからなる２ｍｍ厚さ×５０ｍｍ幅の２枚
の半田テープで、３０〜５０μｍ径のＮｉ粒状物の粉末
０．４重量％を挟み、前述の如く２本の圧延ロール間に
挿通し冷間加工を施して０．３ｍｍ厚さ×５０ｍｍ幅の
テープ状複合半田材料を作製した。この様にして得られ
たテープを素材としてプレス打抜き加工を施し、０．３
ｍｍ厚さ×１．８ｍｍ幅×２．５ｍｍ長さのペレットを
得た。得られたペレットを、基板としての無酸素銅板上
に載置して無酸素雰囲気炉中で加熱した。加熱は炉内雰
囲気をＮ₂ ５０％、Ｈ₂ ５０％に調整した後、２００℃
以下×８分の加熱条件でペレットを溶融させた。

【００１７】１０個の試料についてサンプルを作製し
て、５０００倍に拡大した走査型電子顕微鏡写真から半
田溶融物の高さ及びボイドの発生状況を観察した。半田
溶融物の高さは図面に示す様に、溶融前ペレットの中心
位置の高さｈ₁ 、溶融前ペレット長さの１．５倍（Ｌ）
位置の高さｈ₂ を測定した。（ｈ₂ ／ｈ₁）×１００％
を水平度として１０個の平均を求めた。結果を表２に示
す。ボイドの発生状況は走査型電子顕微鏡観察により、
ボイドの存在が断面積中１％未満のとき◎、１％以上５
％未満のとき○、５％以上１０％未満のとき△、１０％
以上のとき×と評価した。結果を表２に示す。また基板
上で溶融させた半田溶融物について、シェアーテスタを
用いて剪断加重を測定し、１０個の平均値を接合強度と
した。結果を表２に示す。

【００１８】〔実施例２〜８／比較例２〜６〕半田テー
プの組成、粒状物の混入率を表１のようにしたこと以外
は実施例１と同様にして試料を作製し、水平度、ボイド
発生状況、接合強度を測定した。結果を表２に示す。 〔比較例１〕半田テープの組成を表１のようにすると共
に粒状物を混入させなかったこと以外は実施例１と同様
にして試料を作製し、水平度、ボイド発生状況、接合強
度を測定した。結果を表２に示す。

【００１９】

【表１】

【００２０】

【表２】

【００２１】表２の測定結果から、Ｐｂに所定量のＳｎ
を含有した半田材料基材に粒状物を所定の比率で混入せ
しめた本発明実施品（実施例１〜３）は、その適量を基
板に載せた状態で加熱し溶融させる時、２００℃以下で
溶融出来、且つ半田溶融物の高さの水平度がいずれも１
００％であると共に、ボイド発生状況が断面積中１％以
上５％未満であり、接合強度は５．０〜５．５ｇ／μｍ
² と良好であることが分かる。

【００２２】また、Ｐｂに所定量のＳｎ，Ｎｉを含有し
た半田材料基材に粒状物を所定の比率で混入せしめた本
発明実施品（実施例４〜８）は、その適量を基板に載せ
た状態で加熱し溶融させる時、２００℃以下で溶融出
来、且つ半田溶融物の高さの水平度がいずれも１００％
であると共に、ボイド発生状況が断面積中１％未満であ
り、接合強度は５．８〜６．１ｇ／μｍ² とさらに良好
であることが分かる。

【００２３】これに対し、ＰｂにＳｎを本発明の範囲内
含有した半田材料基材に、粒状物を混入しない比較例１
は、その適量を基板に載せた状態で加熱し溶融させる
時、２００℃以下で溶融出来るものの、半田溶融物の高
さの水平度は４０％程度で、半導体チップを基板上に水
平に接続することが困難であることが分かる。また粒状
物の混入率が本発明の範囲を越える比較例４は、水平度
で９０％と比較例１に比して改善されるものの、本発明
が要求する改善効果（水平度１００％）に対しては不十
分であり、しかもボイドの発生が１０％以上で接合強度
に劣ることが分かる。さらに、半田材料基材に粒状物を
本発明の範囲内の比率で混入せしめたとしても、Ｐｂに
対するＳｎ含有量が本発明の範囲外である比較例２，
３、Ｓｎに代えてＩｎ，Ｂｉを含有した比較例５，６
は、水平度で８０〜９０％と比較例１に比して改善され
るものの、本発明が要求する改善効果（水平度１００
％）に対しては不十分であり、しかもボイドの発生が５
〜１０％で接合強度に劣ることが分かる。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の長尺複合
半田材料は、Ｐｂに５５〜６５重量％Ｓｎを含有した半
田材料基材に粒状物を０．０１〜５重量％混入せしめた
構成としたので、適量を基板に載せた状態で加熱し溶融
させる時、２００℃以下で溶融出来ると共に、半田溶融
物の高さの水平度が従来に比して更に向上し、半導体チ
ップを基板上に極めて高い精度をもって水平に接続する
ことが可能となり、しかもボイドを生じさせず所定の接
合強度を維持することができる。よって、近年益々高速
で稼働され、発熱，冷却の熱サイクルの条件が更に厳し
くなっている半導体装置の組み立て、特に「ステップ半
田付け」用の低温半田として好適に用いられ、より過酷
な温度変化によってもその接続部分において所定の耐熱
サイクルが保持され半導体チップの剥離や導通不良を起
こすことがないので、半導体装置の信頼性向上にも寄与
し得る等、多大な効果を奏する。

【００２５】また、上記半田基材に０．１〜１重量％Ｎ
ｉをさらに含有した構成とした場合は、上記効果に加
え、ボイドの発生をより減少せしめて接合強度のさらな
る向上が期待できる利点がある。

【００２６】また本発明の製造方法によれば、ＰｂにＳ
ｎ，Ｎｉを所定量含有した半田材料基材に粒状物を所定
の比率で混入させた後に塑性加工を施すことで、得られ
た長尺複合半田材料において粒状物を均一に分散して含
有させることができる。よって、上述した如く多くの利
点を奏する本発明長尺複合半田材料を確実に製造してそ
の効果をより実効あるものとし、さらに製造途中におけ
る断線トラブルを大幅に低減して効率良く製造し得る方
法として好適に利用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による複合半田材料の基板上での溶融状
態を示す簡略図。

【図２】従来の半田材料の基板上での溶融状態を示す簡
略図。

【符号の説明】

１：基板 ２：半田溶融物

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ５５〜６５重量％Ｓｎを含有し残部が不
   可避不純物を除いてＰｂからなる半田材料を基材とし、
   これに粒状物が０．０１〜５重量％混入されていること
   を特徴とする半導体チップ接続用長尺複合半田材料。
2. 【請求項２】 上記半田材料基材が０．１〜１重量％Ｎ
   ｉを含有することを特徴とする請求項１記載の半導体チ
   ップ接続用長尺複合半田材料。
3. 【請求項３】 ５５〜６５重量％Ｓｎを含有し残部が不
   可避不純物を除いてＰｂからなる半田材料基材に、粒状
   物を０．０１〜５重量％混入させた後、塑性加工を施し
   てなることを特徴とする半導体チップ接続用長尺複合半
   田材料の製造方法。
4. 【請求項４】 上記半田材料基材が０．１〜１重量％Ｎ
   ｉを含有することを特徴とする請求項３記載の半導体チ
   ップ接続用長尺複合半田材料の製造方法。