JPS5846176B2 - 半田合金の組成を変更して半田結合部を形成する方法 - Google Patents

半田合金の組成を変更して半田結合部を形成する方法

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JPS5846176B2
JPS5846176B2 JP54102850A JP10285079A JPS5846176B2 JP S5846176 B2 JPS5846176 B2 JP S5846176B2 JP 54102850 A JP54102850 A JP 54102850A JP 10285079 A JP10285079 A JP 10285079A JP S5846176 B2 JPS5846176 B2 JP S5846176B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半田結合部を形成する技術に係り、更Ｉこ具体
的には本発明は半導体の製造ｌこ用いられる半田合金の
組成を変更して半田結合部を形成する方法に係る。
本発明の他の目的は結合した後で半田の成分をより疲労
に耐える合金へと変更する事によって、鉛をベースとす
る半田結合部の疲労寿命を増大させるための新規な方法
に係る。
本発明の更に他の目的は結合した後に組成をよりクリー
プに耐える合金に変更する事によって鉛をベースとする
半田結合部の耐クリープ性を増大させる新規な方法を与
えることである。
本発明の更に他の目的は鉛をベースとする半田結合部の
鉛含有量を最大にするための新規な方法を与えることで
ある。
本発明の他の目的は、半田の融点をその状態図の固相部
へ等温的に移動させるべく溶融半田結合部の組成を変更
するための手段を与えることである。
本発明の他の目的は半導体装置と支持柵体の下層導体パ
ターンとの間に改良された半田結合を与えることにある
。
純粋な鉛（ｐｂ）は、Ｐｂ ９５／Ｓｎ ５ （Ｐｂ９
５％／Ｓｎ５％の合金を示す。
以下同様。）及びＰｂ９５／Ｉｎ５半田の様な鉛合金に
呈せられる様な、良好な半田結合をうるのに必要とされ
る湿潤性（ぬれ）を与えないが故に、半田結合には用い
られない。
しかしながら、純粋の鉛もしくは非常に高度の鉛成分を
有する半田結合部は通常の鉛合金半田と比較して２ない
し３倍の良好な疲労寿命を呈する。
又はぼ純粋な鉛半田結合部はＰｂ５０／Ｉｎ５０半田に
較べて持続される荷重の下で耐クリープ性の増大を呈す
る。
例えば、ＵＳＰ３３８０８２１及びＲ−Ｈｅｒｄｚｉｋ
等の論文”Ｄｕｍｍｙ Ｐａｄｓ ｆｏｒＩｎｃｒｅａ
ｓｅｄ Ｃｒｅｅｐ Ｒｅ５ｉｓｔａｎｃｅ”（Ｉ Ｂ
Ｍ Ｔｅｃｈ −ｎｉｃａｌ Ｄｉｓｃｌｏｓｕｒｅ
Ｂｕｌｌｅｔｉｎ 、Ｖｏ４２０．４４、Ｓｅｐｔｅ
ｍｂｅｒ １９７７、ｐ、１３９４）を参照されたい。
錫もしくはインジウムの様な相当量の上記の様な湿潤性
を与える湿潤材を含む事なく鉛半田結合部を得る満足す
べき方法は今日まで知られていない。
通常の鉛合金半田結合部の形成後の組成的変更によって
、鉛合金半田結合部に於ける鉛の含有量を最大にしうる
事が見出された。
その様な半田結合部の形成に於ては、まずＰｂ９５／Ｓ
ｎ５ 及びｐｂ９ｓ／Ｉｎ ｓもしくはＰｂ５０／Ｉｎ
５０半田の様な通常の半田を用い、実験式Ｃ１９Ｈ２ｏ
ＣＯＯＨを有するアルキル化ハイドロフェナントレン核
（ａｌｋｙｌａｔｅｄ ｈｙｄｒｏｐｈｅｎａｎｔｈｒ
ｅｎｅ ｎｕｃｊｅｉ ）のモノカルボン酸から選択さ
れた少くとも１つの樹脂酸よりなるフラックスと共に、
形成された結合部から過剰量の錫もしくはインジウムを
浸出させる工程が含まれる０ この様に、そのフラック
スは高い温度に於てＰｂ９５／Ｓｎ５半田結合部の錫半
田量を１重量％よりも少量にする。
インジウムはより高速に反応し、ＰｂＩｎ半田結合から
ずっと容易に浸出させる事ができる。
本明細書に示される実験の大部分に於ては、以下に於て
デバイス・チップと称するＩＣチップ１（第１図）を用
いた。
第１図に於て、デバイス・チップは、第ルベルのアルミ
ニウム・メタライゼーション層２．８１０２層３及び接
点パッド４（２０００人のクローム層５．８００Ａのク
ローム層７．１００００λの銅の層６並ひに１４００人
の金の層８からなる。
）を有する。一例として、Ｃ−Ｊｏｈｎｓｏｎ等の論文
″Ｒｅｍｏｖａ Ｉ Ｔｅｃｈｎ １ｑｕｅ ”（ＩＢ
Ｍ ＴＤＢ、Ｖｏｌ、２０．Ａ６、Ｎｏｖｅｍｂｅｒ１
９７７．２２０９〜２２１０頁）の第１図を参照された
い。
各ＩＣチップは１２１個のその様な接点パッド４を有し
ている。
その様なデバイス・チップを含むウェハは以下に於ては
デバイス・ウェハと称せられ、各々数百のデバイス・チ
ップを有している。
半田パッド９がマスクを通して１１４．３ミクロン（４
，５ミル）の高さまで蒸着された。
Ｐｂの蒸気玉がより高いので、それが層１０に於てまず
蒸着され、次いで層１１１こ於てインジウムが蒸着され
る。
蒸着された半田パッドの形は円錐台の形であった。
本明細書においては、湿潤材としてのインジウムもしく
は錫の層１１を鉛の層１０内へ混入させる事によって半
田合金が形成されるリフロー法が説明される。
半田合金の組成は熱量分析法（以下ＤＳＣと称する）に
よって融点を測定することによって決定された。
既知の組成を有する標準組成体を調製し、そして半田合
金及び半田パッドと同じ条件、同じ量の材料を用いて実
験が行なわれた。
実験の大部分は窒素雰囲気を用いる管状の炉内で行なわ
れた。
サンプルは浸出フラックスでおおわれたビーカー内に置
かれ、炉内の熱電対を付けたガラス板上に置かれた。
用いられたフラックスはＡｌｐｈａ Ｍｅｔａｌ ｓ社
のα−１０２−１５００（商品名）（α−１０２−１５
００の重量に基いて２０％のインプロピン・アルコール
（ＩＰＡ）が加えられた）及びα−１，００−４０であ
った。
更に、ウォーター・ホワイト・ロジン（Ｗａｔｅｒ ｗ
ｈｉｔｅ ｒｏｓｉｎ ）及び水溶性フラックスＴＢＣ
（５０体積□のトリエクノラミン及び５０体ｉ％のブチ
ル・セロソルブよりなる）が用いられた。
α−１０２−１５００フラツクスは以下に於てα−１０
２と称する。
なお１５００はフラックスの粘度を示す。
同様に、α−１００４０フラツクスは以下に於てα−１
，００と称する。
α−１０２フランクスはベンジル・アルコールに於ける
アビエチン酸の６８％溶液として与えられる。
又α−１０４フラツクスはイソプロポナール（１ｓｏｐ
ｒｏｐｏｎａｌ ）に於けるアビエチン酸の４０％溶液
として与えられる。
ウォーター・ホワイト・ロジンは実験式Ｃ１９Ｈ２９Ｃ
ＯＯＨを有するアルキル化ハイドロフェナントレン核の
モノカルボン酸の樹脂酸である。
最初の実験では、例えばＰｂ層１０及びインジウム層１
１よりなるＩｎ５０／Ｐｂ５半田パツド９（第１図、第
１Ａ図）の逐次付着を経て完全に処理した２つのデバイ
ス・ウェハ（２００個のデバイス・チップを含む）を用
いた。
１つのウェハの１７２に対して、２分間、２７５℃に於
てリフロー（浸出リフローと称す）された半田パッドま
わりにα−１０２が塗布された。
浸出リフローの後で、この１／２のウェハの部分に対し
て２分間、２７５°Ｃに於て窒素雰囲気で”リフロ一定
着（ｒｅｆｌｏｗ ｆｉｘ）”処理がなされた。
ウェハの残り半分は逆の順序で両方のりフロー処理が行
なわれた。
即ち、まず窒素雰囲気の下で、２分間、２７５℃に於て
リフロ一定着を行ない、次いで、２分間、２７５℃に於
てα−１０２を用いて浸出リフローが行なわれた。
その結果を表１に示す。
この表はＮ２に於けるリフロ一定着はインジウムの濃度
に影響しないが、α−１０２を用いる浸出リフローによ
ってはインジウム濃度が減る事を示している。
表 １ Ｎ２及び゛α−１０２フラックスを用いるリフロー法の
半田パッド（公称Ｉｎ５０／Ｐｂ５０のものを用いた）
のＩｎ含有量に及ぼす相対的効果を分析する。
処理 Ｉｎ難＊ サンプル１ 蒸着されたまま ４６％ フラツ５クス・リフロー ３９％ フラックス十Ｎ２リフロー ４０％ サンプル２ 蒸着されたまま ４６％ Ｎ２リフロー ４４％ Ｎ２＋フランクス・リフロー ４０％ ＊ＤＳＣにより融点から決定される。
次の実験に於ては、３つのデバイス・チップを含ムウエ
ハの個々のセグメントが用いられた。
各チップ（デバイス・ウェハから細分割される）が所定
の時間にわたり、所定の温度に於てビーカー内に置かれ
、種々のフラックスでおおわれた。
更に半田マウンドがＮ２に於てリフロ一定着のみをほど
こされたコントロール・サンプルを用いた。
各々の場合に於て、サンプルは接点パッド４を有した。
また、シリコン基体に直接半田パッド９を蒸着したサン
プルが用いられた。
下記の表２は２８０℃に於て半時間にわたり異なったフ
ラックスＩこよってインジウムを浸出させた場合の効果
を示す。
本発明は、例えば、８５％Ｐｂ／１５％Ｉｎの半田の様
な高融点半田（第２図参照）によってキャリア（例えば
、マルチ・レベルのセラミック基体）へ接着された複数
個のチップのうちの少くとも１個のチップの置換を可能
にする。
その様な場合に於て、半田結合部の微小さの故に、チッ
プは機械的にキャリアから引き離しつる。
そしてはがされた個所に新しいチップ（５５％Ｐｂ／４
５％Ｉｎの様な低融点半田が設けられる）を配置し、５
５ Ｐｂ／４−５Ｉｎ半田の融点より高いが８５％Ｐｂ
／１５％Ｉｎの融点より低い例えば２００℃の温度（第
２図参照）Ｉこユニットを加熱し、前述の如くフラック
スを用いて５５ Ｐｂ／４５ Ｉｎを８５ Ｐｂ／１５
Ｉｎに等温的に変更させる。
これによって半田は状態図の固相部に置かれる。
この様にして、残りのチップの半田結合部を融かす事な
く所定のチップをマルチ−チップ・アレイから置換させ
ることができる。
表 ２ 異なるフラックスによる５ ０１５０ Ｉｎ Ｐｂ半田
の浸出の効果（２８０℃、１／２時間）接点パッド使用
接点パッド不使用り虹キ有量
半田パッド−直接シリコン上＊ Ｉｎはフラ
ックスに於て発光分光分析により検出。
＊＊処理前の元のチップに関して。
表２に示される様に、コントロール・サンプルは加熱に
よっては変化しない。
そしてそれは加熱処理をうけないものと同じ組成である
。
全てのロジンをベースとするフラックス（例えばα−１
０２、α−１０４及びアビエチン酸）はインジウムの含
有量に於ける大きな減少を生じた。
水溶性ＴＢＣは半田部のインジウム含有量の僅少な減少
を呈した。
接点パッドを用いないチップは銅及び金のメタラージイ
の影響の欠如を反映してより高いインジウム含有量を有
した。
重量ロスによって決定されるインジウム含有量は僅少の
可変性を示した。
これは浸出リフロー後のサンプルの不十分な洗浄に帰せ
られる。
第１Ａ図及び第１Ｂ図に於て、２つの半田パッドのＳＥ
Ｍ（ｓｃａｎｎｉｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍ１ｃｒｏｓ
ｃｏｐｅ ）顕微鏡写真を示す。
前者は蒸着されたままのもの（４２％ＩｎＰｂ・・・・
・・４２幅のＩｎを含むＩｎＰｂ ）で、後者はα−１
０２フラツクスに於て２８０℃で半時間にわたる浸出リ
フロー後のもの（８φＩｎＰｂ・・・・・・ｓｆｂのＩ
ｎを含むＩｎＰｂ）である。
インジウムのキャップ１１が蒸着されたままの半田パッ
ド上に見られる。
また、フラックスに於ける加熱ｌこよる半田パッドの体
積変化が見られる。
これが半田パッドからのインジウムの喪失をもたらす。
米 米 Ｉｎ ５０／Ｐｂ ５０半田部からのインジウムの
浸出の温度依存性が表３に示される。
表 ３ Ｉｎ ５０／Ｐｂ ５０半田部からのＩｎの浸出に対す
る温度の効果。
α−１０２−１５００＋２０％ＩＰＡ（イソプロピル・
アルコール・フラックス）−１／２時間。
表３に於て、全チップは１／２時間にわたって示された
温度に保たれた。
同じ結果が第２図に於けるＰｂ−Ｉｎ状態図上にプロッ
トされた。
これによって、２８０℃及び２５０℃に於けるインジウ
ムの減少が図式的に示される。
α−１０２及びＴＢＣ反応の時間依存性が、２８０′Ｃ
ｌこ於てＩｎ ５ ｏ／ｐｂ ５０半田部について判定
された。
α−１０２フラツクスが蒸着されたままのチップ・サン
プルと反応された。
リフロ一定着前処理後、表４に示される様に２者の間に
は何の差も見られなかった。
表 Ｉｎ５０／Ｐｂ５０半田バンドからのＩｎの浸出（こ対
する、２８０℃に於ける時間の効果 α−１０２及びＴＢＣフランクスの時間依存性が第３図
に示される。
α−１０２フラツクスに関しては晶出誘導時間（晶出す
なわち結晶化過程ｌこおける誘導時間）があり、続いて
非常に急激な浸出作用があり、インジウム含有量が減じ
るにつれてその速度が減じる。
ＴＢＣフラックスは一定速度の減少を呈した。
第４図に於て、異なる温度に於けるα−１０２フラツク
スの時間依存性が示される。
２５０℃の曲線はもしも更に多くの点についてデータが
とられるならば、２８０°Ｃの曲線と同じ型を有する可
能性がある。
３５０℃に於ては５分後に２８０’Ｃに於ける３０分後
の結果とほぼ同じである。
以上の実験の全てに於ける時間は炉に於ける全時間であ
った。
第５図は、２８０℃にセットされた炉の熱的特性を示す
。
これはフラックス（０，８ｇのα−１０２−１５００＋
２０％ＩＰＡ）のビーカー１０ｍＯ内ｔこ熱電対を置き
、炉内ｌこビーカーを置いた状態で温度をモニタする事
によって得られた。
全ての条件は実験条件と同じであった。５分後に、温度
はわずか２４５℃であり、これは第３図及び第４図に示
された晶出誘導時間を説明するものと思われる。
アビエチン酸に於けるインジウムの略溶解した状態のチ
ェックは既知重量のアビエチン酸に於ける５００ｍ９の
純粋のインジウムのスラップ（ｓ Ｉ ｕｇｓ）を保持
することにより行なわれた。
表５に於て２００°Ｃ及び２８０℃に関する結果が示さ
れる。
表 ５ 浸出後のアビエチン酸に於ける純粋Ｉｎの溶解度＊ （重量ロスによる） 溶解度 ２００°Ｇ ４４時間 ５．１−６．８％Ｉｎ２
８０’Ｃ１９時間 ６−１０％Ｉｎ＊かならずしも
平衡状態の必要なし。
沫米 インジウム及びアビエチン酸はＤＳＣでもっ
て分析された。
この表に関してインジウムの重量ロス（ｗｅｉｇｈｔｌ
ｏｓｓ）が判定され、溶解度が計算された。
加熱によるアビエチン酸のロスがあるので、ロジンの最
初の重量及び最後の重量（こもとづいて２つの溶解度が
与えられる。
２００℃及び２８０’Ｃ間の溶解度の差は表３１こ与え
られる、及び第２図に示される浸出実験の結果を説明で
きる程十分には大きくない。
ロジンに於けるインジウムの溶解度は２８０’Ｃｆこ於
て１０％程度であるので、フラックスに於けるロジンの
減少が除かれるインジウムの量を減少させることになる
。
ロジンに対するＩｎ５０／Ｐｂ５０の重量比に於ける変
動の効果が２８０℃（サンプルの実験の温度は２８５℃
であった。
）Ｉこ於て分析された。
ロジン対Ｉｎ ５０／Ｐｂ ５０ の２つの比として
は１：１と５：１が用いられた。
２００７７ｇのＩｎ ５０／Ｐｂ ５０片が所要重量の
ロジンと共にビーカーに入れられた。
表６にその結果を示す。
予期される様に、ロジンが多ければ多い程合金に於ける
インジウムの減少が犬となる。
比較のため、チップ半田マウンドに関する結果が接点パ
ッドを用いて示される。
ロジン対Ｉｎ ５０／Ｐｂ ５０の公称比は２００：１
であった。
これは±２５％だけ変動させる事ができた。
チップについてロジンの保有量がより大きい場合、ずっ
と短時間に、更に顕著なインジウムの枯渇状態が生じた
。
これらの結果を示す他の方法はロジンに於けるインジウ
ムの濃度を視る事である。
その結果を表７に示す。
表 ７ ０ジン： Ｉｎ ５０／Ｐｂ ５０の関数としてのＩｎ
溶解−バルク分析、ロジンに於けるインジウム濃度 ＊チップ・パッドの結果から 結果はロジンの最終重量を用いる組成として与えられる
。
ロジンは、１：１重量比に関して１５時間後にインジウ
ムでもって殆ど飽和した状態になった。
５：１の比の場合、１２時間後に於てもロジンは飽和し
なかった。
半田パッドからほぼ全てのインジウムが除かれたが、チ
ップに関して溶液中（こは非常に少量のインジウムしか
なかった。
これはロジン対Ｉｎ ５０／Ｐｂ ５０合金の重量比が
犬であればある程、溶解が犬となる事を明らかに示すも
のである。
Ｓｎ５／Ｐｂ９５を有するチップが１／２時間にわたっ
て３５０°Ｃに保たれた。
Ｓｎ含有量はα−１０２フラツクスを用いて５％から３
７４％まで減じられた。
原子吸収（ａｔｏｍｉｃ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ：Ａ
Ａ）と共に表８に示す結果はより短い熱処理時間に関す
る結果である。
表 ８ ａ−１０２−１５００によるＳｎ溶解 （３５０°Ｃ，２分）多重りフロー及び過剰フ；；いノ
／７−７ ＊結果は技術が錫に対して敏感でないので疑問あり。
より高いＳｎ含有量の合金に於けるずれは存在するが、
Ｓｎもロジンをベースとするフラックスによって５ｎＰ
ｂ半田から浸出される事が示される。
公称Ｓｎ５／Ｐｂ９５を有するチップがα−１０２−１
５００＋２０％ＩＰＡを用いて３サイクルにわたって処
理された。
なお毎回新しいフラックスが用いられた。
組成はＤＳＣによって測定されることにより４．５％Ｓ
ｎから３．５％Ｓｎまで変化することが分った。
第６Ａ図及び第６Ｂ図はセラミック・キャリア２２の導
体パターン２１ヘチツプ２０を修正型チップ半田結合を
行なう場合の段階を示す。
図示されないが、デバイス・チップ２０は第ルベルのア
ルミニウム導体パターン２３を有するＩＣを有しており
、そのパターン３２の部分はＳ １０２の様なパッシベ
ート層２４に於ける接点開孔によって露出されている。
例えば第１図に示される様な接点パッド４が下のアルミ
ニウム・メタライゼーション２３と接する様に各開孔ま
わりに形成される。
各接点パッド上（こ、鉛の層１０及び錫の層１１Ａが２
層型の半田パッド９として逐次付着される。
この２層型の半田パッド９は、錫の層１１Ａを鉛の層１
０内へ混入させてＳｎ５／Ｐｂ９５合金半田部２５を形
成する様ｔこリフローさせることができる。
次ｔこ合金半田部２５がセラミック基体２２の所望のメ
タライゼーション２１位置合せされる機番こチップ２０
がセラミック基体２２に重ねられ、通常の半田リフロー
法ｌこよってユニットが結合される。
結合されたチップ２０と基体２２との間の空所（ｖｏｉ
ｄｓ ）にα−１０２フラツクスが満たされ、組立体は
１／２時間にわたって３５０℃に於てリフロー浸出され
た。
合金半田部２５の錫含有量は約０４％Ｓｎまで減じられ
た。
【図面の簡単な説明】
第１図は半田パッドの形成に於て得られる構造体の断面
図、第１Ａ図及び第１Ｂ図は各々第１図の構造体の並び
に本発明ｌこ従って湿潤材の浸出をうけた半田パッドの
６０°の角度に於ける７００倍の走査電子顕微鏡写真、
第２図はＰｂ−Ｉｎ二元状態図、第３図はＩｎ浸出に関
する時間依存性を示すグラフ、第４図はインジウム浸出
に対する時間の効果を示すグラフ、第５図は炉の熱的特
性を示すグラフ、第６Ａ図及び第６Ｂ図は半田結合部に
於ける鉛の含有量を最大限にする段階を示す図である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 錫及びインジウムよりなる群から選択された湿潤材
    を含む半田合金の組成を変更して半田結合部を形成する
    方法であって、 上記半田合金の融点より高い湿度に於て、一体に結合さ
    れるべき半田付は可能な部品間に上記半田合金を与え、 溶融状態の上記半田合金から上記湿潤材を除去し上記溶
    融半田に於ける上記湿潤材の含有量を著しく減少させる
    に十分な時間にわたって、上記溶融状態の半田合金をフ
    ラックス処理する事を含む半田合金の組成を変更して半
    田結合を形成する方法。 ２ 上記フラックスが、実験式Ｃ１９Ｈ２，Ｃ０ＯＨを
    有するアルキル化ハイドロフェナントレン核のモノカル
    ボン酸から選択された少くとも１つの酸よりなる上記第
    １項記載の半田合金の組成を変更して半田結合部を形成
    する方法。
JP54102850A 1978-09-20 1979-08-14 半田合金の組成を変更して半田結合部を形成する方法 Expired JPS5846176B2 (ja)

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