JPH0347673A - 半田面接合方法およびそれを用いた半導体集積回路装置 - 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、半田面接合技術およびそれを用いた半導体集
積回路装置に関し、特に、半田面接合部における伝熱抵
抗の低減および気密性の向上などに有効な技術に関する
。

〔従来の技術〕

たとえば、汎用の電子計算機ンステムを構成する大規模
論理集積回路装置の製造工程では、所望の機能の半導体
集積回路が形成された個々の半導体ペレットを、たとえ
ば気密封止型のマイクロチップキャリヤなどのパッケー
ジに封入し、このパッケージをさらに大型のモジュール
ベースおよびモジュールキャンプなどからなる封止構造
の内部に封入した実装形態とすることで、実装密度の向
上および動作中に発熱する半導体ペレットの冷却機構の
簡素化・高効率化などを実現することが知られている。

ところで、半導体ペレットのマイクロチップキャリヤに
対する封止形態の一例としては、次のようなものが考え
られる。

すなわち、第１１図に示されるように、パッケージベー
ス１００に対してあらかじめ半田バンブ２００を介して
半導体ペレ７）３００を固定しておくとともに、当該パ
ッケージベース１００とキャップ４００との封着面、さ
らには半導体ペレット３００の背面に臨むキャップ４０
０の内面に所定の−様な組成の予備半田を被着させてお
き、パンケージベース１００とキャップ４００の封着面
および半導体ペレット３００の背面とキャンプ４００の
内面とを密着させた状態で加熱することにより予備半田
を溶融・融合させて、パッケージベース１００とキャッ
プ４００との封着部の気密性の確保、および半導体ベレ
７）３００の背面とキャップ４００の内面との間に形成
された半田層による放熱路の確保などを達成するもので
ある。

また、パッケージベース１００の外面には、半田バンブ
５００が形成されており、当該パフケージベース１００
の内部に形成されている図示しない多層配線構造および
半田バンブ２００を介して、内部に封入された半導体ペ
レｙｈ３００と外部との電気信号の授受を行うとともに
、モジュールベースなどの基板への実装が行われる。

また、特開昭６１−１２５０２５号公報に開示される他
の技術では、共晶金属材を介した半導体チップ搭載基板
に対する半導体チップのボンディングに際して、共晶金
属材の厚さ方向に複数の穴を穿設するとともに、当該共
晶金属材を介して半導体チップと半導体チップ搭載基板
とを積み重ねた状態で、雰囲気を真空状態にして複数の
穴の内部に真空空洞を形成する。そして、共晶金属の融
点程度に加熱した後に不活性ガスを導入して雰囲気の真
空状態を破壊することにより、真空空洞と外部の不活性
ガス雲囲気との圧力差によって、半導体チップを半導体
チップ搭載基板に密着させると同時に溶融した共晶金属
によって真空空洞を圧し潰し、半導体チップに工具など
による外力を加えることなく、残留気泡（ボイド）など
のない共晶金属層による半導体チップと半導体チップ搭
載基板とのボンディングを達成しようとするものである
。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、前者の従来技術の場合には、予備半田の組成
が封着部および接合部の全域にわたって−１１であるた
め、加熱に際しての溶融が各部において同時に起こり、
接合面の中央部に生じた気泡が逃げ場を失って閉じ込め
られた状態となりボイドが形成されやすくなる。

この結果、半導体ペレットの背面とキャップの内面との
間に介在して熱伝導路となる半田層においては、このボ
イドによって伝熱抵抗が増大し、半導体ペレットからキ
ャップ側への放熱効率を低下させるという問題を生じ、
また、パッケージベースとキャップとの封着部に介在す
る半田層においては、ボイドを通じて漏洩経路（リーク
パス）が形成されやすくなり、半導体ペレットが封入さ
れるマイクロチップキャリヤの気密保持性能を劣化させ
るという問題を生じる。

一方、後者の従来技術の場合には、接合部が外部雰囲気
に露出した状態にある場合には有効であるが、第１１図
に示されるマイクロチップキャリヤの様に、封着部と、
この封着部に取り囲まれた内部の熱伝導接合部とを同時
に形成する封止形態では、内外の気圧差によって封着部
に介在する溶融半田層が破壊されることが懸念され、当
該マイクロチップキャリヤの組立工程への適用は困難で
ある。

そこで、本発明の目的は、被接合物の半田面接合部にお
けるボイドの発生を確実に防止することが可能な半田面
接合方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、封着部の融合不良などに起因する
リークパスの発生を低減させることが可能な半田面接合
方法を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、外囲器の封着部および放熱
用接着部などにおけるボイドの発生を防止して、動作の
信頼性を向上させた半導体集積回路装置を提供すること
にある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本
明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう
。

３課題を解決するための手段〕 本願において開示される発明のうち、代表的なものの概
要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。

すなわち、本発明になる半田面接合方法は、複数の被接
合物を半田を介して接合、する半田面接合方法であって
、複数の異なる組成の半田からなり、溶融拡散して均一
化した状態にて所望の組成となる半田プリフォームを用
いるようにしたものである。

また、本発明になる半田面接合方法は、複数の被接合物
を半田を介して接合する半田面接合方法であって、被接
合物の接合面に、半田の高融点成分からなる第１の層を
半田の低融点成分からなる第２の層によって挟んだ三層
構造を呈する予備半田を被着させ、当該予備半田を融合
させて被接合物の接合を行うようにしたものである。

また、本発明になる半導体集積回路装置は、半導体集積
回路素子が封入される外囲器の封着部および放熱用接着
部の少なくとも一方に、請求項１゜２．３，４，５．６
または７記載の半田面接合方法を用いたものである。

〔作用〕

上記した本発明の半田面接合方法によれば、たとえば、
被接合物に対向する主面の中央部が低融点半田、周辺部
が高融点半田からなる半田プリフォームを被接合物の間
に介在させることにより、接合時の加熱に際して、まず
低融点半田からなる接合面の中央部に溶融領域が形成さ
れ、当該溶融領域が順次外側へと拡大してゆく状態とな
るので、接合部の隙間などに存在する気体は、中央部か
ら外周部へ溶は拡がる低融点半田の波によって確実に接
合面の外部に排除され、接合面における気泡などの残留
によるボイドの発生を確実に防止することができる。

また、上記した本発明の半田面接合方法によれば、加熱
処理に際して、低融点の第２の層が相互に接する予備半
田の境界部および第２の層が接する予備半田と被接合物
との境界部から溶融が始まるので、予備半田の境界部お
よび予備半田と被接合物との境界部の融合が確実性われ
、融合不良に起因した封着部におけるリークパスの発生
を確実に防止することができる。

また、上記した本発明になる半導体集積回路装置によれ
ば、半導体集積回路素子が封入される外囲器の封着部お
よび放熱用接着部などにおけるボイドの発生が確実に回
避されるので、放熱用接着部における伝熱抵抗の増大に
起因する半導体集積回路素子の過熱や、外囲器の封着部
に形成されるリークパスによる気密性能の劣化が回避さ
れ、動作の信頼性が向上する。

〔実施例１〕 以下、図面を参照しながら、本発明の一実施例である半
田面接合方法の一例を詳細に説明する。

第１図は、本発明の一実施例である半田面接合方法の一
例を模式的に示す接合部の略断面図であり、第２図は、
その要部を取り出して示す斜視図である。

被接合物１および被接合物２の互いに対向する接合面の
各々には、たとえば、Ｃｒ−Ｃｕ−ＡｕまたはＴ　ｉ　
−Ｎ　１−Ａｕ、　Ｗ−Ｎ　１−Ａｕなどの３層構造を
呈するメタライズ層３およびメタライズ層４が形成され
ており、後述の半田に対する濡れ性を向上させている。

そして、被接合物１と２との間には、接合時に板状の半
田プリフォーム５が挟持される。

この場合、前記被接合物１と被接合物２との間に介在す
る半田プリフォーム５は、第１図および第２図などに示
されるように、当該被接合物１および２のメタライズ＠
３および４が形成されすこ接合面に臨む主面の中央部が
低融点半田５ａで構成され、この低融点半田５ａを取り
囲む周辺部が高融点半田５ｂで構成されている。

すなわち、半田プリフォーム５が、たとえばＰｂ　／　
Ｓ　ｎ系の半田の場合には、中央部の低融点半田５ａと
して、ＰｂとＳｎの組成比がたとえ＋ｆ　７；３または
４：６などの半田を用い、周辺部の高融点半田５ｂとし
ては、たとえば９５：５また（より：１などの半田を用
いる。

そして、両者が均一に融合した状態において、Ｐｂ、：
！：Ｓｎの組成比が、目的の半田面接合の用途に適した
、たとえば９：１となるように、半田プリフォーム５を
構成する低融点半田５ａと高融つ。

半田５ｂの量を設定する。

以下、本実施例の作用の一例を説明する。

まず、被接合物１と被接合物２との間に、前述のような
構造の半田プリフォーム５を挟持させ、所定の押圧荷重
を作用させて密着させながら目的の温度まで昇温する。

この時、従来のように−様な組成の半田プリフォームを
用いる場合には、接合部の全域においてほぼ同時に溶は
始めるため、内部側の間隙に滞留していた気体が接合部
に閉じ込められた状態となって有害なボイドを形成する
ことが懸念される。

これに対して、本冥施例の場合には、昇温過程では、半
田プリフォーム５において、まず融点のより低い中央部
の低融声半田５ａから溶融が始まり、メタライズ層３お
よび４との接合に寄与するとともに、溶融して低融点半
田５ａと高融点半田５ｂとの濃度差により成分の熱拡販
が生じ、低融点半田５ａに接する周辺部の高融点半田５
ｂの融点が順次低下するため、溶融領域は半田プリフォ
ーム５の中央部、すなわち接合部の中心部から外周部に
向かって徐々に拡大する。

これにより、被接合物１および２と半田プリフォーム５
との間隙に滞留していた気体は、中央部から外周部へと
溶は拡がる半田の彼によって外部に押し出され、接合部
から確実に排除されるので、接合部におけるボイドの発
生が確実に防止される。

そして、溶融状態では、低融点半田５ａと高融点半田５
ｂとが均一に溶は合って目的の組成の半田となるので、
被接合物１と２との接合部を目的の強度などの物性とす
ることができる。

この結果、たとえば、被接合物１および２が、それぞれ
第１１図に示される半導体ベレ・ソト３００およびキャ
ンプ４００の場合には、熱伝導接合部を構成する半田層
にボイドが存在しないため、所期の設計値からの伝熱抵
抗の増大がなく、半導体ベレ７）３００からキャンプ４
００の側への放熱が確実に行われ、動作中に半導体ベレ
７）３００が過熱することが防止される。

また、被接合物ｌおよび２が、それぞれ第１１図に示さ
れるパッケージベース１００およびキャンプ４００の場
合には、封着部に発生したボイドに起因するリークパス
の形成が確実に防止され、マイクロチップキャリヤなど
の外囲器の気密保持性能が良好となり、外部から湿気の
侵入による半導体ペレ７）３００などの腐食などが確実
に防止される。

これにより、マイクロチップキャリヤなどの外囲器に半
導体ベレット３００を封入して構成される半導体集積回
路装置の動作の信頼性が向上する。

〔実施例２〕 第３図および第４図は、本発明の他の実施例である半田
面接合方法を模式適に示す断面図および斜視図である。

すなわち、本実施例２の場合には、半田プリフォーム６
として、中心部の融点Ｍ６ａの低融点半田６ａと最外周
部の融点Ｍ６ｄの高融点半田６ｄとの間に、融点を多段
階に変化させた半田領域６ｂ、半田領域６Ｃを設け、各
々の融点Ｍ６ｂおよび融点Ｍ６ｃが、Ｍ６ｃｌ＞Ｍ６　
ｃ＞Ｍ６　ｂ＞Ｍ６ａとなるようにしたものである。

これにより、本実施例２の場合にも、昇温操作において
、半田プリフォーム６の中心部から外周部へと溶融領域
が拡大する状態となるので、前記実施例１の場合と同様
の効果を得ることができる。

〔実施例３〕 第５図および第６図は、本発明のさらに他の実施例であ
る半田面接合方法の一例を模式的に示す略断面図および
斜視図である。

本実施例３の場合には、半田プリフォーム７を構成する
中心部の低融点半田７ａの厚さを周辺部の高融点半田７
ｂの厚さよりも大きくしたものである。

これにより、中心部の低融点半田７ａが周囲の高融点半
田７ｂより突出した状態となり、半田プリフォーム７を
介して被接合物１と２とを重ね合わせた時に、当該被接
合物１および２のメタライズ層３および４に接した状態
となるため、半田プリフォーム７の中心部を構成する低
融点半田７ａからの溶融および溶融領域の拡大がより確
実に行われ、前記実施例１の場合と同様の効果を得るこ
とができる。

〔実施例４〕 第７図は、本発明のさらに他の実施例である半田面接合
方法の一例を模式的に示す断面図である。

本実施例４の場合には、半田プリフォーム８として、板
状の高融点半田８ｂの表裏両面の中央部に、低融点半田
８ａを張り合わせた、いわゆるクランド材を用いるよう
にしたものである。

これにより、昇温時に中央部の低融点半田８ａから溶は
始めるので前記実施例１の場合と同様の効果が得られる
とともに、半田プリフォーム８としてクラッド材を用い
ることにより、当該半田プリフォーム８の製造原価を削
減することができるという利点がある。

なお、クラッド材としては、第７図に示した３層構造の
ものに限らず、第８図に示されるように、４層以上の構
造としてもよい。すなわち、同図の場合には、半田プリ
フォーム９として、板状の高融点半田９ｄの両主面の中
央部に、順次融点および面積が小さくなる低融点半田９
ｃ、９ｂ、９ａを重ねて貼り合わせたクラッド材を用い
たものである。

〔実施例５〕 第９図は、本発明のさらに他の実施例である半田面接合
方法の一例を示す一部破断斜視図である。

本実施例５の場合は、被接合物ｌおよび２が、それぞれ
、たとえば第１１図に示されるパンケーンベース１００
およびキャップ４００である場合を示している。

すなわち、この場合には、半田プリフォーム１０は、封
着部の形状に合わせて額縁状を呈することになるが、本
実施例５では、半田プリフォームＩＯとして、額縁状の
幅の広い高融点半田ｔａｂの両主面の中央部に沿って、
同じく額縁状の幅の狭い低融点半田１０ａを張り合わせ
たものを用し）るようにしたものである。

これにより、被接合物１および２であるパッケージベー
ス１００およびキャップ４００の封着部の全長において
、当該封着部の中央部に位置する低融点半田１０ａがパ
ッケージの内外両方向に溶は拡がる状態となり、封着部
における残留気泡などによるボイドの発生を防止できる
。

この結果、複数のボイドなどを連通して形成されるτ↓
−クバスが無くなり、マイクロチップキャリヤなどの外
囲器の気密保持性能が良好となり、外部から湿気の侵入
による半導体ペレット３００などの腐食などが確実に防
止される。

〔実施例６〕 第１０図は、本発明のさらに他の実施例である半田面接
合方法の一例を示す断面図である。

本実施例６の場合には、パッケージベース１００および
キャップ４００の各々の新着面に形成されているメタラ
イズ層３ａ（４ａ）の上に、たとえば、Ｐ　ｂ／Ｓ　ｒ
＋系の半田の場合には、高融点成分であるＰｂまたはｐ
ｂにＳｎを含む合金からなる中央の第１の層１１ａを挟
むように、低融点成分であるＳｎからなる第２の層１１
ｂおよび１１Ｃを形成して予備半田１１としたものであ
る。

なお、この予備半田１１の形成方法としては、たとえば
、パンケージベース１００およびキヤ。

プ４００のメタライズ層３ａ（４ａ）の上にＳｎおよび
Ｐｂを交互に蒸着させるか、または、Ｐｂを芯材としＳ
ｎを被覆材とするクラッド材を被着させるなどの方法が
ある。

これにより、低融点のＳｎからなる第２の層ｌｌｂが被
接合物であるパッケージベース１００　（キャンプ４０
０）のメタライズ層３ａ（４ａ）に接するとともに、組
立を行うべくパッケージベース１００とキャンプ４００
とを重ねた場合には、相互の予備半田１１の最上層であ
る第２の層１１Ｃ同士が接する状態となる。

そして、その状態で封着のための加熱を行うと、パッケ
ージベース１００およびキャップ４００の各々の予備半
田１１の境界となっている低融点の第２の層１１Ｃおよ
びメタライズ層３ａ（４ａ）と接している第２の層１１
ｂの部分から溶融が開始される。

この結果、たとえば予備半田１１を均一な組成の半田で
構成する場合のように、当該予備半田の境界部などにお
ける融合不良の発生が確実に防止され、パッケージベー
ス１００とキャップ４００との封着部に気密性を損なう
リークバスが形成されることが回避される。

これにより、パッケージベース１００およびキャンプ４
００を相互に封着して構成されるマイクロチップキャリ
ヤなどの外囲器における気密性の維持性能が向上し、当
該マイクロチップキャリヤ内に半導体ペレット３００を
封入して構成される半導体集積回路装置の動作の信頼性
が向上する。

以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具
体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能
であることはいうまでもない。

たとえば、被接合物を相互に接続する半田としては、Ｐ
　ｂ　／　Ｓ　ｎ系やＡｕ／″Ｓｎ系などに限らず、他
の低融点□金属を用いたものであってもよい。

また、半田としては、Ｐ　ｂ　／　Ｓ　ｎ系やＡ　ｕ　
／　Ｓｎ系などの２元系合金に限らず３元以上の合金系
であってもよい。

〔発明の効果〕

本願において開示される発明のうち、代表的なものによ
って得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりで
ある。

すなわち、本発明になる半田面接合方法によれば、複数
の被接合物を半田を介して接合する半田面接合方法であ
って、複数の異なる組成の半田からなり、溶融拡散して
均一化した状態にて所望の組成となる半田プリフォーム
を用いるので、たとえば、被接合物に対向する主面の中
央部が低融点半田、周辺部が高融点半田からなる半田プ
リフォームを被接合物の間に介在させることにより、接
合時の加熱に際して、まず低融点半田からなる接合面の
中央部に溶融領域が形成され、当該溶融領域が順次外側
へと拡大してゆく状態となり、接合部の隙間などに存在
する気体は、中央部から外１胃部へ溶は拡がる低融点半
田の波によって確実に接合面の外部に排除され、接合面
における気泡などの残留によるボイドの発生を確実に防
止することができる。

また、本発明になる半田面接合方法によれば、複数の被
接合物を半田を介して接合する半田面接合方法であって
、前記被接合物の接合面に、前記半田の高融点成分から
なる第１の層を前記半田の低融点成分からなる第２の層
によって挟んだ三１構造を呈する予備半田を被着させ、
当該予備半田を融合させて前記被接合物の接合を行うの
で、加熱処理に際して、低融点の第２の層が相互に接す
る予備半田の境界部および第２の層が接する予備半田と
被接合物との境界部から溶融が始まり、予備半田の境界
部および予備半田と被接合物との境界部の融合が確実に
行われ、融合不良に起因した封着部におけるリークバス
の発生を確実に防止することができる。

また、本発明になる半導体集積回路装置によれば、半導
体集積回路素子が封入される外囲器の封着部および放熱
用接着部の少なくとも一方に、請求項１，２，３，４，
５．６または７記載の半田面接合方法を用いるので、半
導体集積回路素子が封入される外囲器の封着部および放
熱用接着部などにおけるボイドの発生が確実に回避され
、放熱用接着部における伝熱抵抗の増大に起因する半導
体集積回路素子の過熱や、外囲器の封着部に形成される
リークパスによる気密性能の劣化が回避され、動作の信
頼性が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である半田面接合方法の一例
を模式的に示す接合部の略断面図、第２図はその要部を
取り出して示す斜視図、第３図は本発明の実施例２であ
る半田面接合方法の一例を模式的に示す接合部の略断面
図、第４図はその要部を取り出して示す斜視図、第５図
は本発明の実施例３である半田面接合方法の一例を模式
的に示す接合部の略断面図、第６図はその要部を取り出
して示す斜視図、第７図は、本発明の実施例４である半
田面接合方法を説明する断面図、 第８図はその変形例を示す略断面図、 第９図は、本発明の実施例５である半田面接合方法の一
例を示す斜視図、 第１０図は、本発明の実施例６である半田面接合方法の
一例を示す断面図、 第１１図は、半導体集積回路装置の封止構造の一例を示
す図である。 １．２・・・被接合物、３，４．３ａ、４ａ・・メタラ
イズ層、５・・・半田ブリフ・オーム、５ａ・・・低融
点半田、５ｂ・・・高融点半田、６・・・半田プリフォ
ーム、６ａ・・・低融点半田、６ｂ、６ｃ・・・半田領
域、６ｄ・・・高融点半田、７・・・半田プリフォーム
、７ａ・・・低融点半田、７ｂ・・・高融点半田、８・
・・半田プリフォーム、８ａ・・・低融点半田、８ｂ・
・・高融点半田、９・・・半田プリフォーム、９ａ・・
・低融点半田、９ｄ・・・高融点半田、１０・・・半田
プリフォーム、１０ａ・・・低融点半田、１０ｂ・・・
高融点半田、１１・・・予備半田、１１ａ・・・第１の
層、ｌｔｂ、ＩＩＣ・・・第２の層、１００・・・パッ
ケージベース、２００・・・半田バンブ、３００・・・
半導体ベレット、４００・・・キャンプ、５００・・・
半田バンブ。 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数の被接合物を半田を介して接合する半田面接合
   方法であって、複数の異なる組成の半田からなり、溶融
   拡散して均一化した状態にて所望の組成となる半田プリ
   フォームを用いる半田面接合方法。 ２、前記半田プリフォームの前記被接合物に対向する主
   面の中央部が低融点半田、周辺部が高融点半田からなる
   ことを特徴とする請求項１記載の半田面接合方法。 ３、前記半田プリフォームの前記被接合物に対向する主
   面の中央部の前記低融点半田の厚さを周辺部の前記高融
   点半田よりも厚くしたことを特徴とする請求項２記載の
   半田面接合方法。 ４、前記半田プリフォームが、板状の高融点半田の前記
   被接合物に対向する主面の中央部に板状の低融点半田を
   被着させてなることを特徴とする請求項１記載の半田面
   接合方法。 ５、複数の被接合物を半田を介して接合する半田面接合
   方法であって、前記被接合物の接合面に、前記半田の高
   融点成分からなる第１の層を前記半田の低融点成分から
   なる第２の層によって挟んだ三層構造を呈する予備半田
   を被着させ、当該予備半田を融合させて前記被接合物の
   接合を行うことを特徴とする半田面接合方法。 ６、前記三層構造を呈する前記予備半田が、蒸着または
   メッキによって形成されることを特徴とする請求項５記
   載の半田面接合方法。 ７、三層構造を呈する前記予備半田が、前記半田の高融
   点成分からなる第１の層を前記半田の低融点成分からな
   る第２の層で挟んだ三層構造を呈するクラッド材からな
   ることを特徴とする請求項５記載の半田面接合方法。 ８、半導体集積回路素子が封入される外囲器の封着部お
   よび放熱用接着部の少なくとも一方に、請求項１、２、
   ３、４、５、６または７記載の半田面接合方法を用いて
   なる半導体集積回路装置。