JPH09122967A - 複合半田材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】半田材料内部に固体粒子を分散させることで半
導体素子を基板やリードフレームに水平に接合し得、且
つ選定された半田材料の液相線温度近くの低温度で溶融
接合して半導体素子や基板のそり，半田材料の残留歪を
抑制出来、さらにボイド生成を抑制して接合強度の低下
を防止し得る複合半田材料を提供する。 【解決手段】Ｓｎ，Ｐｂ，Ｉｎ等をベース金属とする半
田材料中に、固体粒子として平均粒径１〜３０μｍ、
（短径／長径）が０．４〜１．０の金属間化合物粒子
を、０．０１〜１．０容量％含有してなる半導体素子接
合用複合半田材料。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体素子接合用複
合半田材料に関し、さらに詳しくは、半導体素子を基板
やリードフレームに接続する際に用いる、ボイド発生の
少ない複合半田材料に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来からパワートランジスタ等の高出力
半導体装置の実装において、半導体素子と基板をろう接
法で接合するに際して、所定厚さのろう接間隔が均一に
なるように正確に制御する、換言すれば半導体素子と基
板を水平に接合することが要求されている。この理由
は、高出力半導体装置においては、ろう接間隔の状態が
熱疲労強度に大きな影響を及ぼす為、前記ろう接間隔を
均一にして熱疲労強度を高めようとするものである。こ
の為、固体粒子を半田材料の内部に分散させた複合半田
材料を用いた軟ろう接法が採用されている。

【０００３】前記軟ろう接法の一例として、図１（Ａ）
〜（Ｄ）図に示す手順により半導体素子３を基板２上に
水平に接合させる方法が用いられている。該図１の方法
は次の通りである。（Ａ）図は、固体粒子１ｂを半田材
料１ａ内部に分散させたテープ状の複合半田材料１と基
板２を示している。（Ｂ）図は、前記複合半田材料１の
先端部分を、所定の送り量をもって加熱した基板２方向
へ送りながら溶融せしめ、適量の溶融半田１ａ’を基板
２上に形成する状態を示している。次いで、非溶融半田
を上方に引き離すことにより、適量の溶融半田１ａ’を
基板２上に載せる。（Ｃ）図は、前記溶融半田１ａ’上
に半導体素子３を積載する状態を示している。（Ｄ）図
は、前記溶融半田１ａ’中の固体粒子１ｂにより溶融半
田１ａ’の厚みを一定に保持して、半導体素子３を基板
２上に水平に接合させた状態を示している。

【０００４】前記固体粒子を内部に分散させた複合半田
材料の形態としては、前記テープ状の他、ワイヤ状のも
のを使用したり、ペースト状にして塗布する方法も用い
られている。例えば特開昭５０−６５５０号には、Ｎｉ
ボールとＰｂ基合金の軟ろう粉末をペースト状として半
導体素子と基板を接合することにより、均一なろう接間
隔をもち、熱疲労強度を向上させる複合半田材料が提案
されている。また特開昭６２−１９７２９２号には、Ｓ
ｎ基合金又はＰｂ基合金にＭｏ等の金属粒子や、ＴｉＣ
等の金属炭化物粒子を分散含有せしめて半導体素子と半
田材料の熱膨張の差異に起因した残留歪を抑制し、Ｓｉ
チップの反りを小さく抑えることが出来ることが開示さ
れている。

【０００５】しかし乍ら、これらの固体粒子を内部に分
散させた複合半田材料を用いた軟ろう接法では、半導体
素子と基板を水平に接合することが出来る反面、固体粒
子として金属炭化物粒子や金属酸化物粒子を用いた場
合、複合半田材料中にボイドが生成し易くなり、これに
伴って接合強度が低下するという欠点を有している。ま
た固体粒子として金属粒子を用いた場合、複合半田材料
の溶融温度を、使用する半田材料の液相線温度より大幅
に高くするとボイドの生成はある程度抑制出来るもの
の、液相線温度近くの低温度にするとボイドが生成し易
くなり、これに伴って接合強度が低下するという欠点を
有している。

【０００６】一方、半導体素子を基板やリードフレーム
に接続する半導体素子接合において、要求される耐熱疲
労性や後処理工程での加熱温度を考慮して半田材料が選
定される。前記選定された半田材料は、その液相線温度
近くの低温度で溶融接合することが要求されている。こ
の理由は、選定された半田材料に対して可能なかぎり低
温度で溶融接合すると、半導体素子や基板のそり及び半
田材料の残留歪を小さく抑えることが出来る為である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】前記事情に鑑み本発明
は、半導体素子を基板やリードフレームに水平に接合す
るに有効な固体粒子を内部に分散させた複合半田材料に
おいて、選定された半田材料の液相線温度近くの低温度
で溶融接合することにより、半導体素子を基板やリード
フレームに水平に接合することが出来ると共に、半田材
料の液相線温度近くの低温度で溶融接合しても、接合強
度の低下を抑制出来るようボイドの生成を抑制すること
が出来る複合半田材料を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、複合半田
材料を、選定された半田材料の液相線温度近くの低温度
で溶融接合した時のボイドの生成が、固体粒子と半田材
料の濡れ性に起因していることを見出し、鋭意検討を行
った結果、本発明に至った。その要旨とするところは次
の通りである。

【０００９】すなわち本発明の複合半田材料は、半田材
料中に、固体粒子として平均粒径が１〜３０μｍの金属
間化合物粒子を、０．０１〜１．０容量％含有してなる
ことを特徴とする。

【００１０】また上記金属間化合物粒子は、長径に対す
る短径比、すなわち（短径／長径）が０．４〜１．０で
あることが好ましい。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。本発明でいう複合半田材料とは、固体粒子
を半田材料の内部に分散させた複合材料である。本発明
に用いる半田材料としては、ベース金属がＳｎ，Ｐｂ，
Ｉｎの何れでもよい。Ｓｎ基合金、Ｐｂ基合金、Ｉｎ基
合金としては、Ｐｂ，Ｓｎ，Ｉｎ，Ｓｂ，Ｂｉ，Ａｇ等
が必要に応じて含有される。これらの中で、ワイヤーや
テープへの加工性を考慮して、Ｓｎ，Ｐｂをベース金属
とした複合半田材料が好ましく用いられる。

【００１２】また本発明においては、固体粒子として金
属間化合物粒子を用いることが必要である。従来のよう
に、固体粒子として金属粒子、金属酸化物粒子や金属炭
化物粒子を用いて複合半田材料とした場合、半田材料の
液相線温度近くの低温度で溶融接合させた時、一定量の
ボイドが生成され、これが基で接合強度が低下してい
る。ここで、半田材料の液相線温度近くの低温度とは半
田材料の液相線温度＋５０℃以下の低温度をいい、半田
材料の液相線温度より大幅に高い高温度とは半田材料の
液相線温度＋５０℃を超える温度をいう。

【００１３】一方、本発明の複合半田材料においては、
固体粒子として所定の平均粒径を持つ金属間化合物粒子
を所定量含有させることにより、前記液相線温度近くの
低温度で溶融接合させた場合においてもボイドの生成が
大幅に抑制されてくる。該金属間化合物粒子としては、
Ｃｕ₃ Ｓｎ，Ｃｕ₆ Ｓｎ₅ ，Ｎｉ₃ Ｓｎ，Ｎｉ ₃ Ｓ
ｎ₂ ，Ｎｉ₃ Ｓｎ₄ ，Ｃｕ₉ Ｉｎ₄ ，ＣｕＩｎ₂ ，Ｃｕ
₄ Ｉｎ₃ ，Ｎｉ₃ Ｉｎ，ＮｉＩｎ，ＮｉＩｎ₃ ，Ｎｉ₂
Ｉｎ，Ｎｉ₃ Ｉｎ₇ ，Ａｇ₃ Ｉｎ，Ａｇ₂ Ｉｎ，ＡｇＩ
ｎ₂ ，Ａｇ₆ Ｓｎ，Ａｇ₃ Ｓｎ，Ｃｕ₁₃Ｓｂ₃ ，Ｃｕ₂
Ｓｂ，ＩｎＳｂ，Ｎｉ₁₅Ｓｂ，Ｎｉ₃ Ｓｂ，Ｎｉ₇ Ｓｂ
₃ ，ＮｉＳｂ，ＮｉＳｂ₂ ，Ａｇ₃ Ｓｂなどが例示出来
る。

【００１４】本発明において、金属間化合物粒子の平均
粒径としては１〜３０μｍであることが必要である。こ
こでいう平均粒径とは、金属間化合物粒子における長径
と短径の平均値をいう。金属間化合物粒子の含有量が
０．０１〜１．０容量％であって、且つ該金属間化合物
粒子の平均粒径が前記範囲の時、半導体素子を基板やリ
ードフレームに水平に接合することが出来ると共に、半
田材料の液相線温度近くの低温度で溶融接合してもボイ
ドの生成が大幅に抑制されるようになってくる。前記平
均粒径が１μｍ未満の時、半導体素子を基板やリードフ
レームに水平に接合することが出来ない。また３０μｍ
を超えると、半田材料の液相線温度近くの低温度で溶融
接合した場合ボイドが生成し易くなってくる。この為、
金属間化合物粒子の平均粒径を１〜３０μｍと定めた。

【００１５】本発明において、金属間化合物粒子の含有
量は０．０１〜１．０容量％であることが必要である。
金属間化合物粒子の平均粒径が１〜３０μｍであって、
且つ該金属間化合物粒子の含有量が前記範囲の時、半導
体素子を基板やリードフレームに水平に接合することが
出来ると共に、半田材料の液相線温度近くの低温度で溶
融接合してもボイドの生成が大幅に抑制される。前記含
有量が０．０１容量％未満の時、半導体素子を基板やリ
ードフレームに水平に接合することが出来ない。また
１．０容量％を超えると、半田材料の液相線温度近くの
低温度で溶融接合した場合ボイドが生成し易くなってく
る。この為、金属間化合物粒子の含有量を０．０１〜
１．０容量％と定めた。

【００１６】また、固体粒子として金属間化合物粒子以
外の金属粒子等が併せて含有されると、該金属粒子等に
起因したボイドが生じて来るので、金属間化合物粒子の
みを含有させることが好ましい。

【００１７】本発明における金属間化合物粒子の形状
は、該金属間化合物粒子における（短径／長径）が０．
４〜１．０であること、換言すれば金属間化合物粒子の
形状が細長いものでないことが好ましい。この範囲の
時、球形、楕円形、不定形の何れであってもよい。金属
間化合物粒子の形状が前記形状の時、半田材料の液相線
温度近くの低温度で溶融接合してもボイドの生成が大幅
に抑制されてくる。

【００１８】上記金属間化合物粒子の製造方法の一例を
説明すれば、金属間化合物を生成出来る組成を配合し、
例えばＣｕ3 Ｓｎ化合物の場合、化学量論比でＣｕ：Ｓ
ｎを３：１とし、これを溶解した後ノズルから噴出して
所謂アトマイズ粉を得る。さらに必要に応じてミルで粉
砕して、平均粒径が１〜３０μｍ，（短径／長径）が
０．４〜１．０になるように調整する。

【００１９】以下、複合半田材料の製造方法について説
明する。テープ状複合半田材料を得る場合、２枚の半田
テープの間にサンドイッチ状に金属間化合物粒子を混入
させ、圧延して複合半田材料を得ることが出来る。この
時、複数の半田テープを準備して、任意のテープの間に
金属間化合物粒子を混入させて圧延しても良い。ワイヤ
状複合半田材料を得る場合、半田ビレットを穿孔して金
属間化合物粒子を充填したのち押し出し加工、伸線加工
を施して複合半田材料を得ることが出来る。ペースト状
複合半田材料を得る場合、半田材料粒子と金属間化合物
粒子を混合し、ロジンとワセリンからなるフラックスで
ねり合わせてペースト状にすることが出来る。

【００２０】而して以上の如く、複合半田材料に含有さ
せる固体粒子として金属間化合物粒子を用い、且つ該金
属間化合物粒子の平均粒径及び含有量を上記範囲とする
ことにより、該複合半田材料を、半田材料の液相線温度
近くの低温度で溶融接合してもボイドの生成が抑制され
るようになる理由は明らかではないが、半田材料との濡
れ性が良い金属間化合物粒子を用いたことに加え、所定
の平均粒径と含有量にすることによって固体粒子と半田
材料が十分に密着して、複合半田材料中のボイドの生成
が抑制されるようになったものと考えられる。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明するが、
本発明はこれに限定されるものではない。 〔実施例１〕ＣｕとＳｎを化学量論比で３：１になるよ
うに配合し、これを黒鉛るつぼを用いてアルゴンガス雰
囲気中で溶解し、黒鉛るつぼ下端に設けたノズルから溶
湯を温度調節した冷却室へ噴出して、Ｃｕ₃ Ｓｎ金属間
化合物のアトマイズ粉を得た。更にミルを用いて前記粉
末を粉砕して（短径／長径）の平均値が０．８、平均粒
径が１μｍのＣｕ₃ Ｓｎ金属間化合物粒子を得た。一
方、厚さ２００μｍの５重量％Ａｇ−２０重量％Ｐｂ−
残部Ｓｎからなる２枚の半田テープの間に、前記金属間
化合物粉末を０．５容量％となるように挟み込み平均粒
径の２倍になるまで圧延した後、１ｍｍ幅にスリットし
てテープ状複合半田材料を製造した。次に、基板として
の無酸素銅板上に前記複合半田材料１ｇ、５ｍｍ角半導
体素子を順に載置し、無酸素雰囲気炉中で溶融温度をか
えて溶融接合させることにより、溶融接合温度に対応し
たボイド発生状況及び水平度を観察した。この時、炉内
雰囲気はＮ₂ ５０％、Ｈ₂ ５０％に調整した。半田材料
の液相線温度より大幅に高い温度として前記半田材料の
液相線温度＋１００℃で溶融接合させ、半田材料の液相
線温度近くの低温度として前記半田材料の液相線温度＋
２０℃で溶融接合させ、下記の方法によりボイド発生状
況、水平度を測定した。

【００２２】〔ボイド発生状況の観察〕前記溶融接合さ
せた複合半田材料を顕微鏡で観察し、１０μｍ以上のボ
イドがある場合をボイド発生あり、１０μｍ以上のボイ
ドがない場合をボイド発生なしとした。液相線温度＋１
００℃で溶融接合させた試料１０個のボイド発生個数を
高温ボイド発生個数とし、液相線温度＋２０℃で溶融接
合させた試料１０個のボイド発生個数を低温ボイド発生
個数とした。 〔水平度の観察〕基板に対する半導体素子の傾きを顕微
鏡で観察し、１／５０以上の傾きを傾きありとした。基
板に対する半導体素子の傾きを試料１０個ついて顕微鏡
で観察し、１／５０以上の傾きが１個でもある場合を水
平度不良とし、１／５０以上の傾きが１個も無い場合を
水平度良好とした。

【００２３】試験に用いた半田材料、固体粒子の材質，
種類，（短径／長径）の平均値、平均粒径を試験条件と
して表１に示す。また高温ボイド発生個数、低温ボイド
発生個数、水平度を測定結果として表２に示す。

【００２４】〔実施例２〜１１／比較例１〜８〕試験に
用いた半田材料、固体粒子の材質、種類、（短径／長
径）の平均値、平均粒径を表中記載の様にしたこと以外
は実施例１と同様にして試験を行った。試験条件及び測
定結果を表１，表２に示す。

【００２５】

【表１】

【００２６】

【表２】

【００２７】以上の測定結果から、本発明の優位性が以
下の通り確認できた。 〔固体粒子の材質について〕半田材料に固体粒子として
所定の平均粒径を持つ金属間化合物粒子を所定量含有し
てなる複合半田材料である実施例２は、高温ボイド発生
個数及び低温ボイド発生個数とも全くないものが得られ
るとともに半導体素子接合時の水平度も良好であった。
これに対して、固体粒子として所定の平均粒径を持つ金
属炭化物粒子や金属酸化物粒子を所定量含有してなる複
合半田材料である比較例３〜４は、高温ボイド発生個数
及び低温ボイド発生個数とも８〜９個と多いものであっ
た。この為接合強度は弱くなってくる。また、固体粒子
として所定の平均粒径を持つ金属粒子を所定量含有して
なる複合半田材料である比較例２は、高温ボイド発生個
数は大幅に減少しているものの、低温ボイド発生個数は
未だ多い為、低温度で接合する時、接合強度は弱くなっ
てくる。このことから、半田材料に含有せしめる固体粒
子として金属間化合物粒子を用いることが優れた効果を
示すことが判る。

【００２８】〔固体粒子の平均粒径について〕半田材料
に固体粒子として平均粒径１〜３０μｍの金属間化合物
粒子を所定量含有してなる複合半田材料である実施例１
〜３は、高温ボイド発生個数及び低温ボイド発生個数と
も全くないものが得られると共に、半導体素子の接合時
の水平度も良好であった。これに対して、固体粒子とし
て平均粒径０．５μｍの金属間化合物粒子を所定量含有
してなる複合半田材料である比較例５は、半導体素子接
合時の水平度が悪いものであった。また固体粒子として
平均粒径５０μｍの金属間化合物粒子を所定量含有して
なる複合半田材料である比較例６は、高温ボイド発生は
全くないものが得られるが、低温ボイド発生は依然多い
ものであった。このことから、半田材料に含有せしめる
固体粒子として平均粒径１〜３０μｍの金属間化合物粒
子を用いることが優れた効果を示すことが判る。

【００２９】〔固体粒子の含有量について〕半田材料に
固体粒子として所定の平均粒径を持つ金属間化合物粒子
を０．０１〜１．０容量％含有してなる複合半田材料で
ある実施例２及び実施例４〜６は、高温ボイド発生個数
及び低温ボイド発生個数とも大幅に低減されたものが得
られると共に、半導体素子の接合時の水平度も良好であ
った。これらの中でも金属間化合物粒子を０．０１〜
０．８容量％含有した場合は高温ボイド、低温ボイドと
も全く発生しない為、０．０１〜０．８容量％を用いる
ことがより好ましい。これに対して、金属間化合物粒子
を含有しない半田材料である比較例８は、半導体素子接
合時の水平度が悪いものであった。また金属間化合物粒
子を３．０容量％含有する比較例７は高温ボイド発生は
全くないものが得られるが、低温ボイド発生は依然多い
ものであった。このことから、半田材料に含有せしめる
平均粒径１〜３０μｍの金属間化合物を０．０１〜１．
０容量％、好ましくは０．０１〜０．８容量％含有せし
めることが優れた効果を示すことが判る。

【００３０】〔固体粒子の形状について〕本発明に用い
る固体粒子の形状として、（短径／長径）比が０．４〜
１．０である実施例２及び実施例７〜９は、高温ボイド
発生個数及び低温ボイド発生個数とも大幅に低減された
ものが得られると共に、半導体素子の接合時の水平度も
良好であった。これらの中でも（短径／長径）比が０．
５〜１．０である実施例２及び実施例８〜９は、高温ボ
イド、低温ボイド共全く発生しないため、（短径／長
径）比が０．５〜１．０を用いることが好ましい。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように本発明の複合半田材
料は、半田材料に固体粒子として平均粒径が１〜３０μ
ｍの金属間化合物粒子を０．０１〜１．０容量％含有す
るものとしたので、半導体素子を基板やリードフレーム
に水平に接合し得、且つその接合に際し半田材料の液相
線温度近くの低温度で溶融接合することにより、半導体
素子や基板のそり及び半田材料の残留歪を小さく抑える
ことが出来、しかもボイドの生成を大幅に抑制して接合
強度の低下を抑制出来るという優れた効果を有するもの
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】複合半田材料を用いた軟ろう接法により半導体
素子を基板上に水平に接合させる手順を示す簡略図。

【符号の説明】

１：複合半田材料 １ａ：半田材料 １ｂ：固体粒子 １ａ’：溶融半田 ２：基板 ３：半導体素子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半田材料に固体粒子として平均粒径が１
   〜３０μｍの金属間化合物粒子を０．０１〜１．０容量
   ％含有してなることを特徴とする半導体素子接合用複合
   半田材料。
2. 【請求項２】 上記金属間化合物粒子の（短径／長径）
   が０．４〜１．０であることを特徴とする請求項１記載
   の半導体素子接合用複合半田材料。