JPH03158B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明は、半導体素子と素子配設基台との接
合材料として用いられるダイボンデイング用はん
だに関する。

〔発明の技術的背景〕

半導体装置において、半導体素子を素子配設基
台にダイボンデイングするには第１図に示すよう
に素子配設基台１１の表面にニツケル（Ni）メ
ツキ層１２を形成し、円形または方形に成形され
たはんだ層１３を介して半導体素子１４を重合
し、これを水素雰囲気加熱炉中に一定時間入れる
ことではんだ層１３を融解して接合するようにし
ている。ここではんだ層１３としては、鉛（Pb）
と錫（Sn）の組成物（Pb−Sn）、鉛（Pb）と錫
（Sn）と銀（Ag）の組成物（Pb−Sn−Ag）、も
しくは鉛（Pb）とインジウム（In）の組成物
（Pb−In）のうちいずれかが使用されていた。

〔背景技術の問題点〕

しかし、上記のように組成されるはんだ層１３
では、いずれも素子配設基台１１表面のニツケル
（Ni）との馴みが悪い。そのため第２図に示すよ
うに、接合部のはんだ層１３内に気泡２１が生じ
たり、接合部自体に変形部２２が生じたりして熱
抵抗が部分的に大きくばらつくため放熱性が悪
い。また半導体製造過程の自動化に伴い、接合時
に水素雰囲気加熱炉中を通過させる時間が短縮さ
れるため、ニツケル（Ni）に馴みの良いはんだ
層１３として錫（Sn）と金（Au）の組成物（Sn
−Au）、錫（Sn）と銀（Ag）の組成物（Sn−
Ag）、もしくは錫（Sn）と鉛（Pb）の組成物
（Sn−Pb）等があるが、上記鉛（Pb）系はんだ
に比べて硬質である。

例えばこれら錫（Sn）系のはんだ層１３を使
用した場合の例を、第３図に示すような締付評価
を行なつてその結果を見ると以下のようになる。
まずその評価手段は、素子配設基台１１の両端に
設けたボルト３１によつて、ピアノ線３２を介し
た締付台３３に素子配設基台１１を締付け、その
接合部の状態を見る。すなわちこの評価によると
接合部に介するはんだ層１３が硬質であるため、
素子配設基台１１に生じた歪が直接半導体素子１
４に伝わりその破損が多くなる。

馴みが良く上記の締付評価にも優れているはん
だ層１３として、鉛（Pb）と錫（Sn）と金
（Au）の組成物（Pb−Sn−Au）や、鉛（Pb）と
錫（Sn）と銅（Cu）の組成物（Pb−Sn−Cu）
がある。しかし組成物（Pb−Sn−Au）は金
（Au）を含有するため非常に高価であり、また組
成物（Pb−Sn−Cu）は加熱時の強度持続を示す
熱疲労特性に劣る欠点がある。

〔発明の目的〕

この発明は上記のような問題点を解決するため
になされたもので、半導体素子を素子配設基台に
接合する際、接合性、放熱性、熱疲労特性、そし
て締付評価を十分満足し、はんだ層に気泡や変形
が生じることを防ぎ、しかも安価なダイボンデイ
ング用はんだを提供することを目的とする。

〔発明の概要〕

すなわちこの発明に係るダイボンデイング用は
んだは、はんだの組成材料として鉛（Pb）と錫
（Sn）と銀（Ag）と銅（Cu）の組成物（Pb−Sn
−Ag−Cu）を用いたものである。

〔発明の実施例〕

以下この発明の一実施例を説明する。第１図に
示すように、ニツケル（Ni）メツキ層１２を表
面に有する素子配設基台１１の上に、円形または
方形に成形したはんだ層１３を介して半導体素子
１４を接合するに用いるはんだ材料として、 (1) 鉛（Pb）と錫（Sn）の組成物（Pb−Sn） (2) 鉛（Pb）と錫（Sn）と銅（Cu）の組成物
（Pb−Sn−Cu） (3) 鉛（Pb）と錫（Sn）と銀（Ag）と銅（Cu）
の組成物（Pb−Sn−Ag−Cu） (4) 錫（Sn）とアンチモン（Sb）の組成物（Sn
−Sb） をそれぞれ選定して、その接合性、放熱性、熱疲
労特性、そして締付評価における結果を見ると次
のとおりである。

まず(1)および(2)の組成物（Pb−Sn）および組
成物（Pb−Sn−Cu）においては、接合性が悪く
放熱性を示す熱抵抗値の分布が非常にばらついて
いる。さらに(4)の組成物（Sn−Sb）等の錫
（Sn）系はんだにおいては接合性は良好である
が、第３図に示される締付評価を行なうと、素子
配設基台１１に生じた歪は、その上部に接合した
はんだ層１３を通して半導体素子１４に伝わる。
この歪により半導体素子１４に破損が生じ、その
不良率が10〜50％と非常に高くなつている。

さらに(2)の組成物（Pb−Sn−Cu）で銅（Cu）
の含有率をを大きくした場合と、(3)の組成物
（Pb−Sn−Ag−Cu）についてみると、接合性、
放熱性、そして締付評価における不良率も低く良
好である。

しかし、この両組成物の特性を見ると次のよう
になる。第４図は組成物（Pb−Sn−Cu）と、組
成物（Pb−Sn−Ag−Cu）の熱抵抗値の分布変
化を示す。これは両組成物に−45℃〜150℃の熱
サイクルを０、500、1000サイクルで加えた場合
の熱疲労特性である。第４図ａに示す組成物
（Pb−Sn−Cu）では、サイクル数が増すほど熱
抵抗値の分布にばらつきが生じてくるが、第４図
ｂに示す組成物（Pb−Sn−Ag−Cu）では、サ
イクル数の変化に関係なく熱抵抗値の分布が一定
となつている。

したがつて組成物（Pb−Sn−Ag−Cu）をダ
イボンデイングはんだとして用いると、接合性、
放熱性、熱疲労特性、そして締付評価のすべてに
ついて十分満足することができ、第２図に示すよ
うな接合部のはんだ層１３における気泡２１や変
形部２２が生じなくなる。

この組成物（Pb−Sn−Ag−Cu）はんだの組
成材料の重量比率は次のように考えられる。半導
体配設基台１１は通常ニツケル（Ni）メツキや
銀（Ag）メツキもしくは銅（Cu）メツキが用い
られ、これらの金属とはんだが反応する元素は主
として錫（Sn）であるが、この錫（Sn）が多く
含有されると熱疲労特性が悪くなるため、常温で
鉛（Pb）の１％の錫（Sn）が含有されれば良い。
しかしこれでは素子配設基台１１のニツケル
（Ni）メツキや銅（Cu）メツキなどの金属との接
合性に劣つてしまう。そこでこの接合性を改善す
るために銅（Cu）を添加する。ここでの銅（Cu）
の添加量は、鉛（Pb）の0.4％以上にしないと接
合性に対する効果が少なく、３％を越すとはんだ
の融点が高くなつてダイボンデイング温度を越し
てしまう。また、鉛（Pb）に対して錫（Sn）１
％では依然熱疲労特性が不十分であるため、上記
熱疲労特性を劣化させる遊離の錫（Sn）の存在
をなくすためと、機械的強度を持たせるために、
錫（Sn）と反応し易い銀（Ag）を添加する。こ
の銀（Ag）の添加量は錫（Sn）の添加量によつ
て決定されるもので、鉛（Pb）に対して錫（Sn）
を増加するとはんだの融点は下降し、これとは逆
に銀（Ag）を増加するとはんだの融点は上昇す
るという２つの相反する性質により、はんだのダ
イボンデイング温度の上下限を越えない範囲で含
有させなければならない。この錫（Sn）の添加
量に対する銀（Ag）の添加量の関係を第５図に
示す。これによれば鉛（Pb）に対する錫（Sn）
の量は１〜10％であり、銀（Ag）の量は１〜26
％である。また銀（Ag）はほぼすべての範囲に
おいて錫（Sn）の１倍以上添加される。好まし
くは、 銀（Ag）％＝2.6×錫（Sn）％ である。

〔発明の効果〕

以上のようにこの発明によれば、素子配設基台
と半導体素子との接合材料であるはんだの組成を
鉛（Pb）と錫（Sn）と銀（Ag）と銅（Cu）と
の組成物（Pb−Sn−Ag−Cu）にすることによ
つて、素子配設基台との接合性が向上し接合状態
における気泡や変形などのばらつきも少なく、熱
疲労特性も満足させている。また鉛（Pb）系は
んだであるため軟かく、締付時における半導体素
子の破損も少ない。このためはんだの馴みが良く
ダイボンデイング工程の自動化を容易にすること
が可能となり、しかも金（Au）を含有しないの
で安価に作ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は半導体装置のダイボンデイング部を説
明する断面図、第２図ははんだ層にできる気泡や
変形を説明する断面図、第３図は半導体締付評価
装置を説明する構成図、第４図ａ，ｂははんだの
熱サイクルに対する熱抵抗値の変化を示す図、第
５図は錫（Sn）と銀（Ag）の添加量範囲を示す
図である。 １１…素子配設基台、１２…ニツケル（Ni）、
メツキ層、１３…はんだ層、１４…半導体素子、
２１…はんだ層内気泡、２２…はんだ層変形部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 鉛（Pb）を主体として、これに錫（Sn）、銀
   （Ag）、銅（Cu）を含む組成でなり、錫（Sn）を
   １〜10重量％、銀（Ag）を１〜26重量％、銅
   （Cu）を0.4〜３重量％含有し、しかも銀（Ag）
   が錫（Sn）の１倍以上添加されることを特徴と
   するダイボンデイング用はんだ。