JPS6232021B2 - - Google Patents

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JPS6232021B2
JPS6232021B2 JP54042063A JP4206379A JPS6232021B2 JP S6232021 B2 JPS6232021 B2 JP S6232021B2 JP 54042063 A JP54042063 A JP 54042063A JP 4206379 A JP4206379 A JP 4206379A JP S6232021 B2 JPS6232021 B2 JP S6232021B2
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solder
ultrasonic horn
ultrasonic
horn
molten solder
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Tadao Kushima
Tomiro Yasuda
Tasao Soga
Hiroshi Kato
Taku Sugawa
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Hitachi Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は基板上へ予備はんだ付する方法および
その装置に係り、特に被接合面上にはんだ箔をの
せて不活性ガス雰囲気中で超音波予備はんだ付す
る方法及びその装置に関するものである。
従来金属面への予備はんだ付あるいは予備はん
だ付面に更に別の構造部材を該予備はんだを介し
てはんだ付する方法として、水素雰囲気中もしく
はフラツクスを用いたはんだ付が行なわれてい
た。前者におけるはんだ付方法では炉温のコント
ロール並びに炉中を常時高温の水素雰囲気に保つ
ておく必要性があることから、電気、時間、ガス
等エネルギーのロスが大きくまた後者ではフラツ
クスを完全に除去するとが困難なことによる電気
特性への影響が大きく洗浄工程が複雑となり歩留
りが悪いなど多くの問題があつた。また近来不活
性ガス雰囲気中で、フラツクスを用いないで金属
面上に超音波予備はんだ付する技術の提案がなさ
れているが、実用化のためには良好な予備はんだ
が得られにくいなどの多くの技術的課題を克服す
る必要があり、溶融はんだ中に被はんだ付物を浸
漬するいわゆる浸漬法を除いては、工業的に広く
実用化されていないのが現状である。
本発明の目的は、フラツクスを用いないで基板
上に品質の高い予備はんだを得ることのできる予
備はんだ付方法およびその装置を提供するにあ
る。
本発明は基板上にはんだを指令する方法におい
て、前記基板上にはんだを載置して溶融させ、該
溶融したはんだが飛散しない程度の振幅で振動さ
せるか又は振動の停止している超音波ホーンを前
記溶融したはんだに加圧接触させた後、前記超音
波ホーンをはんだ接合面に対して交差する方向に
前記接合に必要な振幅で、且つ前記超音波ホーン
が前記溶融したはんだの液面より離れないように
前記超音波ホーンの端面とはんだ接合面との間隙
を調整しながら前記超音波ホーンを振動させて前
記はんだ基板上に接合させた後、前記超音波ホー
ンの振幅を前記溶融したはんだが飛散しないよう
に低めるか又は停止させて前記超音波ホーンを前
記溶融したはんだより引き離すことを特徴とする
超音波予備はんだ付方法にある。
はんだ接合時の超音波ホーンの振幅は20〜60μ
ｍが好ましい。
さらに本発明は超音波ホーンを溶融したはんだ
に接触させたときに凝固しないように超音波ホー
ンの先端を加熱すること、超音波ホーンを振動さ
せる際それを徐々に下げること、はんだの溶融を
非酸化性雰囲気中で行うこと、および振動を停止
させてから超音波ホーンを引き離す方法の少なく
とも１つを加えることが好ましい。
なお、ホーンを溶融したはんだに接触する前に
はんだが飛散しない程度の小さい振幅で振動を与
えてもよい。その振幅は10μｍ以下が好ましい。
第１図は、本発明を適用すべき対象の１例であ
つて従来より行なわれている半導体装置のはんだ
付部を示す側断面図である。Niめつき２された
銅からなるヒートシンク１に半導体チツプ３が、
フラツクスねりはんだ７を用いてはんだ付されさ
らに半導体チツプ上部より外部端子９へアルミニ
ウムワイヤ１１で接続されているが、外部端子上
には半導体チツプをはんだ付する際に飛散して付
着したフラツクスの残渣１０が、また半導体チツ
プとヒートシンク間のはんだ付部にもフラツクス
の巻込み８が生じている。４は半導体チツプの一
面に形成した金属膜（メタライゼーシヨン）、５
は半導体上部のリード取付のための電極、６は加
熱板である。
本発明は、基板上にはんだを載置し該はんだを
溶融させる加熱装置、該溶融したはんだに直接接
触させて前記はんだ接合面に対して交差する方向
に振動する超音波ホーン、該超音波ホーンを所定
の振動エネルギ及び振幅で振動させる超音波発振
装置、及び前記超音波ホーンの端面と前記はんだ
接合面との間隙を設定する制御装置を備えたこと
を特徴とする超音波予備はんだ付装置にある。
第７図は、本発明の超音波予備はんだ付方法の
全体的な構造を示したものである。超音波ホーン
１３及びNiめつきしたヒートシンク１を許容出
来るボツクス１５中に不活性ガス等１４、例えば
窒素ガスを流し込んだ雰囲気中で、加熱板上６に
はんだ１２（例えばPb−５％Snはんだ）を積載
したヒートシンク１を置き、はんだが溶融したの
ち、はんだの融点以上に、ヒータ１６で先端部を
加熱した超音波ホーンを、溶融したはんだに接触
したのち超音波ホーンを振動させることによつ
て、はんだとヒートシンクのNiめつきとが合金
化してはんだ付が出来る。
第２図は、本発明の超音波予備はんだ付方法に
おいて最も基本となる超音波ホーンと被接合金属
面間の間隙を時間的に変化させる方式の説明図で
ある。
ヒートシンク上１の溶融したはんだ１２へ、Ｂ
点で超音波ホーン１３を接触させＣ点まで降下さ
せて超音波ホーンを振動させさらに振動している
超音波ホーンをＤ点まで降下させＤ−Ｅ間を保持
したのち振動を停止してＦ点まで超音波ホーンを
上昇させる。この場合はんだ材、超音波ホーンと
ヒートシンクとの間隙ＧがG4からG3になること
ではんだに接触し、G2まで押しつぶされる。こ
の時点で超音波ホーンの振動を開始させ、振動し
ながらG1まで押しつぶし、t3→t4の時間を保持し
たのち超音波ホーンの振動を停止させてG4の位
置まで上昇させる。すなわち超音波ホーンを、溶
融させたはんだに点接触でなく面接触するように
ホーンの先端の全面に完全に接触させてから振動
させ、さらに振動させながら所定の面積まではん
だを加圧して広がらせ、はんだ付する方法であ
る。前記はんだ付方法において、高速度カメラに
よる解析結果によれば第３ａ図に示すように超音
波ホーンを振動させながら溶融はんだに接触させ
ると、超音波ホーンが衝撃的に溶融はんだ表面を
たたくので溶融はんだは接合金属面へのぬれを実
現することなく周囲に飛散したり、超音波ホーン
と溶融はんだ表面間に微量に存在する酸素により
酸化が生ずるが、第３ｂ図のように超音波ホーン
を溶融はんだに完全に接触させてから超音波ホー
ンを振動させると溶融はんだの飛散や酸化がな
く、超音波ホーンからのエネルギーは十分に被接
合金属面に伝わり、溶融はんだのぬれが実現され
る。
第４図は、超音波ホーン１３の先端の振動で、
溶融はんだを介して被接合金属面へ超音波エネル
ギーが伝わる状態を示す説明図であるが、第４ａ
図と異つて第４ｂ図の場合は、超音波ホーン先端
の寸法より溶融はんだ箔の寸法が大きいと、前記
ホーン外周より外側になる部分では、超音波エネ
ルギーが被接合金属面に十分に伝わらず従つては
んだのぬれが実現されない。本発明の方法すなわ
ち第４ａ図のように超音波ホーンの寸法が、溶融
はんだ箔の厚さに垂直な方向の寸法とほぼ同等あ
るいは大きい場合には、十分な超音波エネルギー
伝達が行なわれ、溶融はんだ箔が接触している被
接合金属面全体に十分なはんだのぬれが実現でき
る。
第５図は、本発明の利点を生かし超音波予備は
んだ付後、他の構造物を接合した実施例である。
第５ａ図のように、金属面１に超音波予備はんだ
付が行なわれ超音波ホーン１３が、振動を停止し
離脱した直後すなわち金属面に接合されたはんだ
１２が溶融状態にあるうちに、他の構造部材例え
ば半導体チツプ３を該予備はんだの上に載せるこ
とで第５ｂ図のように接合することが出来る。こ
の方法によると、一旦固まつたはんだを溶かす為
の熱エネルギー時間、雰囲気ガス等のエネルギー
の節減に大きな貢献が出来、また凝固再溶融過程
で生ずるはんだ表面の酸化もなく従つてはんだ酸
化膜の巻込みがない信頼性の高い接続を持つた半
導体装置を得ることが出来るものである。
第６図は、高速度カメラで捕えた溶融はんだ中
の超音波ホーンの振動状態を示す説明図である。
第６ａは超音波ホーン１３が溶融はんだに接触し
た状態である。この状態から超音波ホーンが金属
面側に振動すると第６ｂ図の状態で、超音波ホー
ン側に振動した場合が第６ｃ図であるが、このよ
うな超音波ホーンの振動において、特に第６ｃ図
以上で溶融はんだから超音波ホーンが離脱する。
すなわち溶融はんだと超音波ホーンとに間隙が生
ずると次の振動で溶融はんだは飛散してしまい金
属面に超音波エネルギーが伝達されずはんだのぬ
れは実現されない。従つて溶融はんだの中での超
音波ホーン先端の振動距離すなわち振幅は溶融は
んだがホーン先端の動きに追随できる範囲内に確
保して振動させる必要があり、振幅をこのような
範囲内に確保することによつて歩留りが高く高信
頼性の予備はんだ付部が形成されるものである。
本発明の装置は、超音波ホーンを、被はんだ付
金属面上の溶融はんだ箔に接触させて超音波ホー
ンを振動させ溶融はんだを介して被はんだ付金属
面とはんだのぬれを実現するもので、まず超音波
ホーンが溶融はんだに点接触でなく面接触をする
ようにホーン先端の全面に完全に接触させてから
超音波ホーンを振動させ、溶融はんだを被はんだ
付金属面に十分にぬれさせるためにホーンと基板
との間隙を調整する手段として、超音波ホーンを
時間に対して任意に設定出来るような機能を超音
波ホーン支持体に備えたことを特徴とするもので
ある。
さらに本発明の装置は、超音波ホーンを加熱さ
せる加熱装置および非酸化性雰囲気中ではんだを
接合できるように雰囲気調整装置の少なくとも１
つを加えたものが望ましい。
第７図は、手動による超音波予備はんだ付装置
の概略の全体構造である。超音波ホーン１３及び
被はんだ接合金属基板１を収容出来るボツクス１
５中に不活性ガス等１４、たとえば窒素ガスを流
し込んだ雰囲気中で、加熱板上６にはんだ１２、
たとえばPb−５％Snはんだを載せた被はんだ接
合金属板を置き、はんだが溶融したのち、はんだ
の融点以上に、加熱ヒータ１６で先端部を加熱し
た超音波ホーンを手動昇降装置１８により溶融し
たはんだに接触したのち超音波発振器１９により
超音波ホーンを振動させることによつて、はんだ
と被はんだ接合金属板とが合金化してはんだ付さ
れるものである。超音波ホーン１３と溶融はんだ
１２、被はんだ接合金属基板１との間隙調整には
超音波ホーン支持体２０を手動レバー１８によつ
て昇降させる方法を用いているので、溶融はんだ
の表面にホーン先端が接触するのと発振を開始す
るのとのタイミングのとり方および間隙の調整に
注意することにより品質の高い予備はんだを得る
ことができる。
第８図は、本発明の超音波予備はんだ付装置を
自動的に行う実施例であるが、前記装置の問題点
すなわち間隙調整を、昇降制御装置２１を備えた
カムまたはそれと同等の機構をもつ装置１８′を
超音波ホーン１３に取付け、超音波ホーン１３
を、溶融はんだ１２に接触したのち振動させて被
はんだ接合金属面にはんだ付した後、超音波ホー
ンの振動を停止させて溶融はんだから離脱するま
でを調整させるもので、また超音波ホーンを昇降
させずに加熱板を昇降させることでも本発明の目
的は十分に達成し得るものである。
なお、第７図および第８図において、はんだを
溶融させる手段として赤外線、抵抗線などによつ
て基板の裏側より加熱させることによつた。
超音波ホーンと溶融はんだ箔材、被はんだ接合
金属面との間隙Ｇの調整及び超音波ホーンの振動
開始と停止のタイミングが超音波予備はんだ付に
は最も重要事項である。
なお本発明の目的はカムまたはそれと同等の機
構を用いるほかにモータの回転量や油圧昇降装置
の昇降量をあらかじめ定められたプログラムによ
つて電気的に制御することによつても容易に達成
できるものである。
本発明の超音波はんだ付装置を用い、空振幅約
50μおよび振動数約30KHzで約２秒間振動を与
えることにより予備はんだ付を行つた結果、溶融
はんだの飛散や酸化がなく、超音波ホーンからの
エネルギーが安定して被はんだ接合金属面に伝わ
り、十分なはんだのぬれが実現し、従つて歩留り
が高く高信頼性の予備はんだ付が容易に出来るこ
とが確認された。なお、用いたはんだは約500μ
ｍの厚さのPb−５％Snである。作業手順は第３
図に示す如く、まずはんだを基板裏面より加熱溶
融し、その後ホーンを面接触させ400μｍとし、
徐々に250μｍまで約１秒間でせばめ、その状態
で約１秒保持した。その後振動を停止し、ホーン
を融液より引き上げた。またホーンは温度を上げ
たまま空振動を行い、付着したはんだを除去し
た。
上記した本発明の実施例によれば、従来方法に
比較して装置も小型化出来、従つて電気、時間、
ガス等の省エネルギー化への貢献度も高く、また
フラツクスを使用しないのではんだ中へのフラツ
クスの巻込みやはんだ付時の飛散による残渣もな
く、電気特性上の悪影響が生じないはんだ付部を
容易に形成することが出来、またはんだ付したは
んだを一旦凝固させないで他の構造部材たとえば
半導体素子等を接合させることが出来るので高能
率で高信頼性のはんだ接合部を容易に得ることが
出来ることが確認された。
【図面の簡単な説明】
第１図は従来方法ではんだ付された一半導体装
置のはんだ接合部及びその近傍の側断面図、第２
図は本発明の基本事項である間隙と時間との関係
の説明図、第３図は本発明を実施した場合の超音
波ホーンと溶融はんだの接触関係の説明図、第４
図は超音波ホーン寸法に対する溶融はんだ箔寸法
の関係の説明図、第５図は溶融はんだに他の構造
部材を接合した実施例、第６図は溶融はんだ中の
超音波ホーン振幅の説明図、第７図は本発明の手
動式昇降による超音波予備はんだ付装置の全体的
構造図、第８図は本発明の自動昇降による超音波
予備はんだ付装置の全体的構造図である。 １……ヒートシンク、２……Niめつき、３…
…半導体チツプ、４……メタライゼーシヨン、５
……電極、６……加熱板、７……フラツクスねり
はんだ、８……フラツクス巻込み、９……外部端
子、１０……フラツクス残渣、１１……アルミワ
イヤ、１２……はんだ箔、１３……超音波ホー
ン、１４……不活性ガス、１５……ボツクス、１
６……加熱ヒーター、１７……昇降制御装置、１
８……手動昇降レバー、１８′……カム及び同等
機構、１９……超音波発振機、２０……超音波ホ
ーン支持体。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 基板上にはんだを接合する方法において、前
    記基板上にはんだを載置して溶融させ、該溶融し
    たはんだが飛散しない程度の振幅で振動させるか
    又は振動の停止している超音波ホーンを前記溶融
    したはんだに加圧接触させた後、前記超音波ホー
    ンをはんだ接合面に対して交差する方向に前記接
    合に必要な振幅で、且つ前記超音波ホーンが前記
    溶融したはんだの液面より離れないように前記超
    音波ホーンの端面とはんだ接合面との間隙を調整
    しながら前記超音波ホーンを振動させて前記はん
    だを基板上に接合させた後、前記超音波ホーンの
    振幅を前記溶融したはんだが飛散しないように低
    めるか又は停止させて前記超音波ホーンを前記溶
    融したはんだより引き離すことを特徴とする超音
    波予備はんだ付方法。 ２ 基板上にはんだを載置し該はんだを溶融させ
    る加熱装置、該溶融したはんだに直接接触させて
    前記はんだ接合面に対して交差する方向に振動す
    る超音波ホーン、該超音波ホーンを所定の振動エ
    ネルギ及び振幅で振動させる超音波発振装置、及
    び前記超音波ホーンの端面と前記はんだ接合面と
    の間隙を設定する制御装置を備えたことを特徴と
    する超音波予備はんだ付装置。
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