JPH02244732A - 電子素子の固着方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、トランジスタ、ダイオード、ＩＣ等の電子素
子を支持板に対してろう材を介して固着する方法に関し
、更に詳しくは、電子素子と支持体との間に介在するろ
う材層の熱抵抗を減少させることができる電子素子の固
着方法に関するものである。

〔従来の技術及び発明が解決しよ５とする課題〕電力用
半導体装置の多くは、半導体素子（半導体チツプフが放
熱板を兼ねる支持板に半田を介して固着された構造とな
っている。半導体素子の支持板への固着は、一般にす７
０−法と称される固着方法あるいはダイボンディング法
と称される固着方法で行われる。以下、この２つの固着
方法について簡単に説明する。リフロー法では、まず、
支持板の半導体素子を固着丁べき部分、即ち被固着部に
ペースト半田（粘着性な有するクリーム状の半田）を所
定の厚みで供給する。ペースト半田の供給はスクリーン
印刷によって行われることが多い。次に、このペースト
半田の上に固着すべき半導体素子な載置する。載置され
た半導体素子は、ペースト半田の粘着力によって支持板
に仮固着される。次に、この支持板を加熱炉等で加熱し
て、支持板上のペースト半田を溶融させる（以下、この
工程を単にリフ〇−と言５）。リフロー後に半田］を冷
却丁れば、半導体素子は固化した半田を介して支持板に
固着される。一方、ダイボンディング法では、”まず、
支持板の被固着面に１１契形化した板状の半田を供給す
る。支持板を半田の溶融温度以上に加熱しておくことに
よジ、支持板に供給された板状の半田はこれにより溶融
゛ｆる。次に、この半田を若干覚拌してから、半田の上
に半導体素子を載置し、支持板上で半田を介して擦動さ
せる。

その後、支持板の温度を下げて半Ｂ］を固化して半導体
素子を支持板に固着する。

周知のとおり、電力用半導体装置では、放熱性の向上が
大きな課題となっている。このため、半導体素子と支持
板の間に介在する半田層の熱抵抗は極力小さくする必要
がある。上記のダイボンデインク法によ九ば、半導体素
子と支持板の間に介在する半田層の厚みを比較的薄くで
き、半田層中に含まれる気泡も比較的少なくできるため
、半田層の熱抵抗を小さくすることが可能である。しか
しなから、ダイボンディング法では、半導体素子を個別
に支持板に擦ジつけ℃固着するために、生産性向上の点
で問題があった。こハに比べて、リフロー法は生産性が
良い。しかしながら、リフｎ−法では、半田層を薄く形
成することが困難であジ、半田層中に含まれる気泡も多
くなる。このため、半田層の熱抵抗を十分に小さくでき
なかった。

そこで、リフローの際に、半導体素子の上に錘を載置し
て、半田層を薄く形成する試みがなさｔた。

この方法によれば、半田層が半導体素子を介して押圧さ
れるため、半田層を薄く形成することができる。しかし
ながら、薄く形成された半田層中に多くの気泡が残存す
るため、熱抵抗を十分に小さくすることは困難であった
。

そこで、本発明は、上記の問題を解決し、リフロー法に
基づく固着方法において、電子素子と支持板の間に介在
するろう材の熱抵抗を十分に小さくすることができる電
子素子の固着方法を提供することを目的とする。

〔課題を解決−ｒるための手段〕

上記目的を達成するだめの本発明は、支持体の所定箇所
にろう材を供給し、前記ろう材の上に電子素子を載置し
、前記ろう材を加熱して溶融することで前記電子素子を
［１」記支持体に対して前記ろう相を介して固着する方
法におい又、前記ろう材の溶融期間内における第１の期
間に、前記電子素子に対して前記支持体に押し付ける方
向の押圧力を加えて前記電子素子と前記支持板の間に介
在１−る前記ろう材の厚みを第１の層厚にする第１の工
程と、前記溶融期間内における第１の期間よシも後の一
部の期間である第２の期間に、押圧力を加えないか、押
圧力を第１の工程よりも弱めるか、あるいは前記押圧力
とは反対の方向の引張り力を前記電子素子に加えて前記
電子素子と前記支持体の間に介在する前記ろう材の厚み
を前記第１の層厚よりも大きい第２の層厚とする第２の
工程と、前記溶融期間内における前記第２の期間よりも
後の全部又は一部の期間である第３の期間に、前記第２
の工程で押圧力を加えない場合あるいは引張り力を加え
た場合は、押圧力を加えて、前記第２の工程で押圧力を
加えた場合はそわよりも大きい押圧力を加えて、前記電
子素子と前記支持体の間に介在する前記ろう材の厚みを
前記第２の層厚よジも小さい層厚とする第３の工程と、
前記第６の層厚の状態から前記ろう材を固化させて前記
ろう材を介して前記電子素子を前記支持体に固着する第
４の工程とを有することを特徴とする電子素子の固着方
法に係わるものである。

〔作　用〕

本発明においては、電子素子を支持体に対してろう付け
する際に、ろう材の溶融期間内の第１の期間で電子素子
に押圧力を加える。これにより、電子素子と支持体の間
に介在するろう材の層厚が小さくなり、ろう材層に含ま
れる気泡が減少する。

更に、溶融期間内の第２の期間でろう材の層厚を第１の
期間よりも増大させた後に、溶融期間内の第３の期間で
再び電子素子に押圧力を加える。これにより、電子素子
と支持体の間に介在するろつ材の層厚を小さくでき、か
つろう材内に含まれる気泡を第１の期間後よりも更に減
少できる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例に係わる半導体素子の固着方法
を第１図〜第３図を参照して説明する。

まず、第３図に示すリードフレーム１を用意する。リー
ドフレーム１け、図示のように複数個の支持体としての
半田付は可能な金属板にッケル被覆銅板）から成る支持
板２と、各々の支持板２に対応する外部リード３とを有
する。なお、支持板２の一方の主面には半田流れ出し防
止用溝２ａが設けられ、この溝２ａＫ囲まれた領域が半
導体素子の被固着部４となっている。

次に、第１図囚に示すように、リードフレーム１のすべ
ての支持８２２の被固着部４に半田５を供給する。半田
５は鉛と錫の合金半田であり、この段階では粘着性を有
するペースト状の半田である。

また、半田５には、半田ぬれ性向上のためのロジン系の
７ラツクスが含有されている。半田５の供給は、従来例
と同様に周知のスクリーン印刷法によって行い、ペース
ト状＃！−田を被固着部４に所望な厚み（約２０μｍ）
に印刷する。このとき、半田５の中には第１図囚に示す
ように気泡１１が含まれている。

次に、第１図（８）に示すように、被固着部４に供給さ
れた半田５の上に、半導体素子６を半田５に対して若干
押えつけて載置し、半導体素子６を支持板２に仮固着す
る。このとき、半導体素子６と支持板２の間に介在する
半田５の層厚は約１７μｍとなっている。図示は省略し
ているが、半導体素子乙の下面（支持板２に固着される
側の主面）全体にはニッケル電極が形成されている。

リードフレーム１の丁ぺての支持板２の被固着部４に、
半導体素子６が仮固着された後、リードフレーム１を牛
ＥＩ５の溶融温度以上に加＃Ｉｊる。

本実施例では、リードフレーム１をヒーターブロック上
で移動させることによってリードフレーム１の加熱を行
５゜これによって、支持板２上に供給された半田５が溶
融する。ここで、リードフレーム１の温度は、ヒーター
ブロックに近づくにつれて上昇し、ヒーターブロック上
を移動するにつれて最高温度に達し、ヒーターブロック
から遠ざかるとともに低下する。したがって、リードフ
レーム１の移動により、半田５の温度は、第２図のよう
に変化する。即ち、ｔｏ時点を出発点として、リードフ
レーム１がヒーターブロックの中央側に移動するにつれ
て半田５の温度は上昇して、１１時点で半田溶融温度（
約１７９℃〕に達し、やがて１３時点で最高温度（約２
９０　’Ｃ）に到達する。ｔ３〜ｔ４の最高温度の期間
（一定温度期間）は約２０秒に設定さ九ている。一定温
度期間後、半田５の温度は下降し、１６時点で溶融温度
以下となって固化する。なお、半田５の最高温度は半田
５に含有された７ラツクスの活性化温度（約２４０　’
Ｃ）よりも十分に高い温度（約２９０℃〕に設定されて
いる。フラックスの活性化温度よりも高い期間は１３時
点よフも少し前のｔ２時点から１４時点よりも少し後の
１５時点までである。

半田５か溶融温度を越えて溶融状態となると、半導体素
子６と支持板２との間に介在する半田５の層厚は、半導
体素子６の自重に基づく荷重によって減少すると思われ
る。しかしながら、実際には、半導体素子６の自重程度
で半田５の層厚が減少することはほとんどない。このた
め、半田５の温度が溶融温度に達し℃も、半導体素子６
と支持板２との間ＶＣ介在する半田５の層厚は、第１図
（８）に示す仮固着の時とほぼ同じ厚さ（約１７μｍ）
を維持する。半田５の温度がに昇してフラックスの活性
化温度を越えると、フラックスの活性化による分解にと
もなって生じるガスに基づく気泡が発生する。このため
、半田５かフラックスの活性化温度を越えると、半田５
の中には第１図（４）の状態から含まれていた気泡に加
えてフラックスの活性化による気泡も生じて、第１図（
（：）に示すように気泡１１が増加する。

本実施例では、最高温度に達し、て温度一定期間とな−
った初期の期間を第１の期間、温度一定期間での第１の
期間の後の一部の期間を第２の期間、温度−一定期間で
の第２の期間の後の全部の期間を第３の期間としている
。

本実施例では、上記の第１の期間において、第１図■の
ように半導体素子６を支持板２に対して、第１の押圧治
具７によって半田５の厚み方向に押圧する。この実施例
では、ｔ４１の駆動装置（移動装置）８によって、押圧
治具７の上下の移動を行っている。第１の期間では、半
田５が完全に溶融した状態にあるから、半導体素子６と
支持８２２の間に介在する半田５は、半導体素子６を介
して押圧されることによって、半導体素子乙の下面全体
に広がり、その一部は半導体素子乙の下部から側方に押
し出される。結果として、半導体素子６と支持板２との
間に介在する半田５０層厚を約８μｍ（第１の層厚）に
均一に肉薄化できる。このとき、半田５内に含まれる気
泡１１の多くは、半田５とともに半導体素子乙の下部か
ら側方に移動して雰囲気中に放出される。＋？：ｆＬに
より、半導体素子乙の下方に位置する半田５に含まれる
気泡１１が減少する。このことは１本願発明者等によっ
て、第１図（１３）の状態において面積比で約３．２％
含まれていた気泡を、半導体素子６を押圧して第１図■
の状態とすることによって約２．９％まで減少できるこ
とが確かめられている。なお、気泡の面積比とは、半導
体素子６の下面に平行な半田５の層の横断面の面積と気
泡１１の面積との割合をいう。

面積比ではわずか１０％程度の減少であるが、体積比で
は大きな減少率となっている。第２図では、半田５が最
高温度に達したと同時に半導体素子６を押圧するよ５に
示されているが、両時点は厳密には一致していない。な
お、本実施例では、リードフレーム１を間欠的に移動し
て、押圧すべき半導体素子６を押圧治具７の下方に順次
停止させて抑圧を行う。

次（／Ｃ１第１の期間の後に押圧治具７を上昇して半導
体素子乙の上面から離間する。これにより、第１の期間
の後の第２の期間では、半導体素子６の押圧は解かれる
。第２の期間では半田５が最高温度を維持しており、十
分に溶融した状態どなっているから、半導体素子乙の抑
圧が解かれると。

半導体素子乙の側方に押し出された半田５の一部が半導
体素子乙の下方に戻る。結果として、第１図■に示すよ
’）ｆｃ、半導体素子６と支持板２の間に介在する半田
５の層厚は増加して約１３μｍ（第２の層厚〕となる。

このとき、半導体素子６と支持板２の間に介在する半田
５に含まれる気泡１１は、押圧が解かれるために面積比
が減少するが、体積比はほとんど変わらない。なお、側
方に押し出された半田５の一部が戻ることによって、半
導体素子５の下方の半田層に含まれる気泡１１が増加す
ると思われるが、実際にはわずかであジ上記のように気
泡１１の体積比は第１図■のときとほぼ同じと見なせる
。

次に、第２の期間の後に再び第２の押圧治具９を第２の
駆動装置１［ｌ）によって下降して第１図いに示すよう
に半導体素子６を支持板２に対して半田５の厚み方向に
押圧する。第２の期間の後の第６の期間では、半田５が
完全に溶融した状態にあるから、半導体素子６と支持板
２の間に介在する半田５は半導体素子６を介して抑圧さ
ハろことによって、その一部は再び半導体素子６の側方
に押し出される。これにより、半導体素子乙の下方に位
置する半田５に含まれる気泡１１は、牛導体素子乙の下
方から側方へと移動してその多くは雰囲気中に放出され
る。結果として、第１図（Ｑに示すように、半田５の層
厚〔第３の層厚〕が約８μｍ程度まで減少するとともに
、半田５内に含まれる気泡１１の多くか、半田５ととも
に半導体素子６の下部から側方に移動して雰囲気中に放
出される。

その後、第２の押圧治具９で半導体素子６を押圧したま
まの状態で支持板２をヒーターブロックから離間させて
、半導体素子６及び支持板２に冷却空気を吹きつける。

これにより、半田５の温度が低下し、やがて固化する。

固化した後に半導体素子６と支持板２の間に介在する半
田５の層厚は第３の期間での厚みにほぼ等しく８μｍと
なっている。また、半導体素子６と支持板２の間に介在
する半田５中に含まれる気泡１１は、第１図［Ｆ］■の
状態よりも減少し℃いる。このことは、本願発明者等に
よって、第１図［Ｆ］の状態において面積比で２．９％
あった気泡を約０．６％まで減少できることが確かめら
れている。もちろん、体積比ではより大きい減少率とな
っている。

上述のように、本実施例によれば、半導体素子６と支持
板２の間に介在する半田５が薄く、かつこの半田５に含
まれる気泡１１が十分に減少する。

したがって、半田層の熱抵抗が十分に小さい放熱性の良
好な半導体装置を実現できる。また、リフローをリード
フレームの状態で行うことに加えて、押圧治具を複数個
設けて、第１の押圧治具７で半導体素子６に第１の期間
に基づく抑圧をする時、第２の押圧治具９で別の半導体
素子６に第２の期間に基づく抑圧を行うので、生産性が
良い。即ち、リードフレーム１の支持板２の配列に沿っ
て複数の押圧治具７．９を配置し、これ等を間欠的に動
作させると共にリードフレーム１を間欠的に送ることに
よつτ第１及び第６の期間の抑圧を順次に行うことがで
きる。

〔変形例〕

本発明は上述の実施例に限定されるものでなく、例えば
次の変形が可能なものである。

（１）　　第１の期間を半田５の溶融期間内に任意に設
定すれば、それなりの効果が得られる。しかしながら、
フラックスの活性化によって気泡が多く発生するから、
第１の期間はフラックスの活性化温度に達した時点ｔ２
から所定時間（好ましくは５秒以上）経過した後に設け
るのが良い。

（２７フラックスの活性化温度を越えてから第１の期間
に違するまでの時間は、７シツクスの活性化によって発
生した気泡が蒸発され易いように、牛導体素子乙の下方
の半田５の層厚を１５μｍ以上にしておくのがよい。

＋３１　　第１及び第３の期間の抑圧を達成するために
、リードフレーム１の流れに沿って第１及び第２の押圧
治具７．９を設けることが生産性の上で望ましいが、同
一の押圧治具〔抑圧部材〕で第１及び第３の期間の抑圧
を行ってもよい。

（４１第２の期間において、抑圧を解除するのみでなく
、半導体素子６を支持板２から離間させる方向に引張っ
てもよい。これにより、半導体素子６と支持体２との間
隔が大になり、半田６の層厚も大になる。

＋５１　　支持体を回路基板とすることができる。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば、電子素子と支持体との
間に介在するろう材の熱抵抗を小さくすることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図囚〜（Ｇ）は本発明の実施例に係わる半導体素子
の固着方法を工程順に示す断面図、第２図は半田の温度
と第１、第２及び第３の期間との関係を示す図、 第３図はリードフレームを示す平面図である。 １・・・リードフレーム、２・・・支持板、５・・・半
田、６・・・半導体素子、７・・・押圧治具、８・・・
駆動装置、９・・・押圧治具、１０・・・駆動装置、１
１・・・気泡。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 支持体の所定箇所にろう材を供給し、前記ろう材の上に
   電子素子を載置し、前記ろう材を加熱して溶融すること
   で前記電子素子を前記支持体に対して前記ろう材を介し
   て固着する方法において、前記ろう材の溶融期間内にお
   ける第１の期間に、前記電子素子に対して前記支持体に
   押し付ける方向の押圧力を加えて前記電子素子と前記支
   持板の間に介在する前記ろう材の厚みを第１の層厚にす
   る第１の工程と、 前記溶融期間内における第１の期間よりも後の一部の期
   間である第２の期間に、押圧力を加えないか、押圧力を
   第１の工程よりも弱めるか、あるいは前記押圧力とは反
   対の方向の引張り力を前記電子素子に加えて前記電子素
   子と前記支持体の間に介在する前記ろう材の厚みを前記
   第１の層厚よりも大きい層厚とする第２の工程と、 前記溶融期間内における前記第２の期間よりも後の全部
   又は一部の期間である第３の期間に、前記第２の工程で
   押圧力を加えない場合あるいは引張り力を加えた場合は
   、押圧力を加えて、前記第２の工程で押圧力を加えた場
   合はそれよりも大きい押圧力を加えて、前記電子素子と
   前記支持体の間に介在する前記ろう材の厚みを前記第２
   の層厚よりも小さい第３の層厚とする第３の工程と、前
   記第３の層厚の状態から前記ろう材を固化させて前記ろ
   う材を介して前記電子素子を前記支持体に固着する第４
   の工程と を有することを特徴とする電子素子の固着方法。