JPH07122581A - 半田接合法及び装置 - Google Patents
半田接合法及び装置Info
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- JPH07122581A JPH07122581A JP26687993A JP26687993A JPH07122581A JP H07122581 A JPH07122581 A JP H07122581A JP 26687993 A JP26687993 A JP 26687993A JP 26687993 A JP26687993 A JP 26687993A JP H07122581 A JPH07122581 A JP H07122581A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】本発明は、接合面との間に半田箔を挿入密着し
加熱接合する半田接合法に関し、その目的は大面積を高
信頼性で接合できる半田接合法を提供するにある。 【構成】図１は本発明の半田接合法の原理を示したもの
である。接合面及び半田箔をイオン等の加速粒子でクリ
ーニングし、さらにクリーニングされたそれぞれの面に
銀，金等の不活性金属を被覆し加熱接合する。 【効果】接合欠陥をほぼ０にすることができ、また接合
半田界面の熱疲労寿命も従来法に比べ１.８ 倍にするこ
とができるので信頼性を大幅に向上させる効果がある。
加熱接合する半田接合法に関し、その目的は大面積を高
信頼性で接合できる半田接合法を提供するにある。 【構成】図１は本発明の半田接合法の原理を示したもの
である。接合面及び半田箔をイオン等の加速粒子でクリ
ーニングし、さらにクリーニングされたそれぞれの面に
銀，金等の不活性金属を被覆し加熱接合する。 【効果】接合欠陥をほぼ０にすることができ、また接合
半田界面の熱疲労寿命も従来法に比べ１.８ 倍にするこ
とができるので信頼性を大幅に向上させる効果がある。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は接合面との間に半田箔を
挿入密着し加熱接合する半田接合法に係り、特に大面積
を高信頼性で接合する半田接合法に関する。
挿入密着し加熱接合する半田接合法に係り、特に大面積
を高信頼性で接合する半田接合法に関する。
【０００２】
【従来の技術】半田接合技術は広く産業界に利用され、
特にパワー半導体，ＬＳＩの製造工程では不可決の技術
である。パワー半導体，ＬＳＩの半田接合は一般に水素
還元雰囲気でフラックス無しで接合している。これはフ
ラックスによる耐圧の低下や腐食等の影響を避けるため
である。しかし、一般に用いられているＳｎ−Ｐｂ共晶
半田の接合温度は２３０℃前後で行われているため、接
合母材と半田箔の界面は十分還元されず酸化物や不純物
が残る。特に半田の還元は期待できない。したがって接
合母材への半田拡散が阻害されボイドなどの欠陥が発生
し信頼性が著しく低下する。これらの現象はパワー半導
体の様に接合面積が大きい程顕著である。参考特許特開
昭50−149562号（金属体の固相拡散接合方法）。
特にパワー半導体，ＬＳＩの製造工程では不可決の技術
である。パワー半導体，ＬＳＩの半田接合は一般に水素
還元雰囲気でフラックス無しで接合している。これはフ
ラックスによる耐圧の低下や腐食等の影響を避けるため
である。しかし、一般に用いられているＳｎ−Ｐｂ共晶
半田の接合温度は２３０℃前後で行われているため、接
合母材と半田箔の界面は十分還元されず酸化物や不純物
が残る。特に半田の還元は期待できない。したがって接
合母材への半田拡散が阻害されボイドなどの欠陥が発生
し信頼性が著しく低下する。これらの現象はパワー半導
体の様に接合面積が大きい程顕著である。参考特許特開
昭50−149562号（金属体の固相拡散接合方法）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
従来問題点を解消し、接合欠陥が少なく信頼性の高い半
田接合法を提供するにある。
従来問題点を解消し、接合欠陥が少なく信頼性の高い半
田接合法を提供するにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明による半田接合法は、接合面と接合面の間に
半田箔を挟み加熱し接合する半田接合法において、接合
面及び半田箔をイオン等の加速粒子でクリーニングし、
さらにクリーニングされたそれぞれの面に銀，金等の不
活性金属を被覆し加熱接合することを特徴とする半田接
合法。
め、本発明による半田接合法は、接合面と接合面の間に
半田箔を挟み加熱し接合する半田接合法において、接合
面及び半田箔をイオン等の加速粒子でクリーニングし、
さらにクリーニングされたそれぞれの面に銀，金等の不
活性金属を被覆し加熱接合することを特徴とする半田接
合法。
【０００５】
【作用】図１は本発明の半田接合法の原理を示したもの
である。図１−ａのように接合母材及び半田箔をイオン
でクリーニングし酸化物等の不純物を除去する。クリー
ニングされた界面を清浄な状態に維持するため同一チャ
ンバー内で銀，金等の不活性金属をスパッタ法で被覆
（図１−ｂ）する。不活性金属が被覆された接合母材の
間に不活性金属銀が被覆された半田箔を挟み水素雰囲気
炉で加熱(図１−ｃ)する。加熱し半田の溶融温度に達す
ると接合母材と半田に被覆された不活性金属は半田に固
溶又は金属間化合物として半田に分散（図１−ｄ）す
る。そのため、接合母材の清浄界面が露出し半田は接合
母材に容易に拡散し強行な接合面を得ることができる。
なお、半田に被覆する不活性金属の膜厚が厚くなると半
田が溶融点に達しても被膜を破ることができずむしろ接
合欠陥を助長することになる。したがって半田に被覆す
る膜厚は限定しなければならない。また、金，銀等の不
活性金属の半田との接合性は良好なので接合母材の被膜
が半田に固溶し接合母材の清浄界面が露出する必要がな
いので接合母材の被覆膜厚の上限はない。
である。図１−ａのように接合母材及び半田箔をイオン
でクリーニングし酸化物等の不純物を除去する。クリー
ニングされた界面を清浄な状態に維持するため同一チャ
ンバー内で銀，金等の不活性金属をスパッタ法で被覆
（図１−ｂ）する。不活性金属が被覆された接合母材の
間に不活性金属銀が被覆された半田箔を挟み水素雰囲気
炉で加熱(図１−ｃ)する。加熱し半田の溶融温度に達す
ると接合母材と半田に被覆された不活性金属は半田に固
溶又は金属間化合物として半田に分散（図１−ｄ）す
る。そのため、接合母材の清浄界面が露出し半田は接合
母材に容易に拡散し強行な接合面を得ることができる。
なお、半田に被覆する不活性金属の膜厚が厚くなると半
田が溶融点に達しても被膜を破ることができずむしろ接
合欠陥を助長することになる。したがって半田に被覆す
る膜厚は限定しなければならない。また、金，銀等の不
活性金属の半田との接合性は良好なので接合母材の被膜
が半田に固溶し接合母材の清浄界面が露出する必要がな
いので接合母材の被覆膜厚の上限はない。
【０００６】
【実施例】以下、本発明の実施例について図２〜図５を
用いて詳細に説明する。図２はクリーニングにし不活性
金属を被覆するのに用いた装置の概略を示す。図２にお
いて８はチャンバー、９は排気装置、１０はガス圧制御
装置、１１はクリーニングを行うための逆スパッタ電
極、１２は基板（接合母材，半田箔等）、１３は逆スパ
ッタ電極１１にチャンバー８をアースとし電極１１に電
圧を印加する逆スパッタ高周波電源、１４は膜形成する
ためのマグネトロンスパッタ電極、３はＡｇターゲッ
ト、１５はマグネトロンスパッタ電極１４にチャンバー
８をアースとして正の電圧を与えるためのＤＣスパッタ
電源、１６はクリーニングと膜形成の影響を防止するた
めのシャッターで逆スパッタ電極１１とスパッタ電極１
４のほぼ中間に設置されている。次にこの動作について
説明する。排気装置９でチャンバー内の圧力を１０-5To
rr以下にした後、ガス圧制御装置１０でＡｒを導入し１
０-3Torr台に制御する。次に逆スパッタ電極１１に逆ス
パッタ高周波電源１３をＯＮさせ逆スパッタ電極に高周
波電圧を印加すると逆スパッタ高周波電極１３とチャン
バーアース間にプラズマが発生する。基板１２は高周波
の自己バイアス作用で負になり正のＡｒイオンによりス
パツタされクリーニングされる。適性時間クリーニング
した後逆スパッタの通電をＯＦＦする。次に基板とター
ゲットの間にあるシャッター１６を開にし、スパッタ電
極に正の電圧を印加しターゲットをスパッタし基板に不
活性金属を形成させ酸化防止をする。なお、基板１２に
印加する電圧は直流電圧でも良いと考えられるが直流は
１０-2Torr台でないと放電しない。１０-2Torrでクリー
ニングすると半田はスパッタされた黒色の微粒子が再付
着しクリーニングできないことがわかった。そこで、１
０-3〜１０-4Torrで放電できる高周波を用い半田のクリ
ーニングに及ぼすＡｒ雰囲気圧力の影響を調べた。その
結果、１０-3Torr以下であれば黒色微粒子が再付着する
ことなくクリーニングできることがわかった。なお、マ
グネトロンスパッタ電極１４はマグネトロン（磁石）で
あるため直流電圧でも１０-3〜１０-4Torrで放電でき膜
形成ができる。したがって以下の実施例は逆スパッタ電
源１３は高周波電源、スパッタ電源１５はＤＣ電源，ク
リーニング及び膜形成のＡｒ雰囲気圧力は３×１０-3To
rrとした。図３は半田をクリーニングし銀を被覆し酸化
を防止した半田箔を大気中に１時間放置した後、Ｎｉメ
ツキされた（受け入れのまま）二つの銅板の間に挟み水
素雰囲気炉で加熱し、接合後のＮｉメッキ膜と半田との
接合界面の欠陥を超音波画像処理装置を用いて調べたも
のである。接合条件は、半田箔重量％でＳｎ：６０％−
Ｐｂ：４０％(形状は９０×９０×０.２５mm）に銀被
覆、接合母材は銅にＮｉメッキしたものでパワー半導体
の冷却基板に用いられているもので形状は１２０×１２
０×８ｔ、接合温度は２３０℃である。図３において接
合欠陥は半田に被覆する銀と半田箔の銀膜厚さの比（銀
の膜厚／半田箔の厚さ）が４×１０-5〜８×１０-2で約
１８％となり受入れのまま（半田に銀被覆なし）の３０
％より１２％減少させることができる。しかし、半田箔
の銀膜厚さの比（銀の膜厚／半田箔の厚さ）が上記の範
囲よりも小さくても大きくても接合欠陥は増加する。こ
れは半田箔の銀膜厚比が小さい場合は被覆が不十分なた
め半田が酸化し、厚い場合は半田に固溶できず銀の被膜
が破れず欠陥が助長されたものと考えられる。次に上記
の結果から接合欠陥が最小になる半田箔の銀膜厚比は４
×１０-5〜８×１０-2の範囲にあるので半田に被覆する
半田箔の銀膜厚比を１×１０-3の一定とし、接合欠陥に
及ぼす接合母材の銀被覆の影響について調べた。結果を
図４に示す。膜厚が０.００６ μｍ以上であれば接合欠
陥はほぼ０となる。このように半田と接合母材の両方を
クリーニングし銀を被覆することにより大幅に欠陥を少
なくすることができる。なお、被覆金属については金、
半田はＳｎ−Ｓｂ，Ｓｎ−Ｐｂ−Ａｇついても上記と同
じ試法で実施したがほぼ同様の結果が得られた。次に本
発明の半田接合法をパワーＩＧＢＴに適用した例につい
て説明する。図４はパワーＩＧＢＴの断面構造の概略を
示す。ここで、１７はヒートシンクに取付け放熱するた
めの放熱板で銅にＮｉメッキがされている。１８は素子
部と電気的に絶縁するためのセラミックで接合両面にＮ
ｉメツキされている。１９は素子部で接合面は１７，１
８と同様Ｎｉメッキされている。６は半田箔で厚さは
０.２５mm、接合面積は６５×８５（mm）である。上記
のそれぞれの接合面及び半田箔をクリニングした後、膜
厚０.１μｍ(半田箔の銀膜厚比：４×１０-4）の銀を被
覆し、２３０℃の水素雰囲気炉で加熱接合した。これを
通電と強制冷却の繰り返しをする熱疲労試験を行った結
果、従来の接合法で接合したものより接合部の半田寿命
は１.８ 倍に延びた。
用いて詳細に説明する。図２はクリーニングにし不活性
金属を被覆するのに用いた装置の概略を示す。図２にお
いて８はチャンバー、９は排気装置、１０はガス圧制御
装置、１１はクリーニングを行うための逆スパッタ電
極、１２は基板（接合母材，半田箔等）、１３は逆スパ
ッタ電極１１にチャンバー８をアースとし電極１１に電
圧を印加する逆スパッタ高周波電源、１４は膜形成する
ためのマグネトロンスパッタ電極、３はＡｇターゲッ
ト、１５はマグネトロンスパッタ電極１４にチャンバー
８をアースとして正の電圧を与えるためのＤＣスパッタ
電源、１６はクリーニングと膜形成の影響を防止するた
めのシャッターで逆スパッタ電極１１とスパッタ電極１
４のほぼ中間に設置されている。次にこの動作について
説明する。排気装置９でチャンバー内の圧力を１０-5To
rr以下にした後、ガス圧制御装置１０でＡｒを導入し１
０-3Torr台に制御する。次に逆スパッタ電極１１に逆ス
パッタ高周波電源１３をＯＮさせ逆スパッタ電極に高周
波電圧を印加すると逆スパッタ高周波電極１３とチャン
バーアース間にプラズマが発生する。基板１２は高周波
の自己バイアス作用で負になり正のＡｒイオンによりス
パツタされクリーニングされる。適性時間クリーニング
した後逆スパッタの通電をＯＦＦする。次に基板とター
ゲットの間にあるシャッター１６を開にし、スパッタ電
極に正の電圧を印加しターゲットをスパッタし基板に不
活性金属を形成させ酸化防止をする。なお、基板１２に
印加する電圧は直流電圧でも良いと考えられるが直流は
１０-2Torr台でないと放電しない。１０-2Torrでクリー
ニングすると半田はスパッタされた黒色の微粒子が再付
着しクリーニングできないことがわかった。そこで、１
０-3〜１０-4Torrで放電できる高周波を用い半田のクリ
ーニングに及ぼすＡｒ雰囲気圧力の影響を調べた。その
結果、１０-3Torr以下であれば黒色微粒子が再付着する
ことなくクリーニングできることがわかった。なお、マ
グネトロンスパッタ電極１４はマグネトロン（磁石）で
あるため直流電圧でも１０-3〜１０-4Torrで放電でき膜
形成ができる。したがって以下の実施例は逆スパッタ電
源１３は高周波電源、スパッタ電源１５はＤＣ電源，ク
リーニング及び膜形成のＡｒ雰囲気圧力は３×１０-3To
rrとした。図３は半田をクリーニングし銀を被覆し酸化
を防止した半田箔を大気中に１時間放置した後、Ｎｉメ
ツキされた（受け入れのまま）二つの銅板の間に挟み水
素雰囲気炉で加熱し、接合後のＮｉメッキ膜と半田との
接合界面の欠陥を超音波画像処理装置を用いて調べたも
のである。接合条件は、半田箔重量％でＳｎ：６０％−
Ｐｂ：４０％(形状は９０×９０×０.２５mm）に銀被
覆、接合母材は銅にＮｉメッキしたものでパワー半導体
の冷却基板に用いられているもので形状は１２０×１２
０×８ｔ、接合温度は２３０℃である。図３において接
合欠陥は半田に被覆する銀と半田箔の銀膜厚さの比（銀
の膜厚／半田箔の厚さ）が４×１０-5〜８×１０-2で約
１８％となり受入れのまま（半田に銀被覆なし）の３０
％より１２％減少させることができる。しかし、半田箔
の銀膜厚さの比（銀の膜厚／半田箔の厚さ）が上記の範
囲よりも小さくても大きくても接合欠陥は増加する。こ
れは半田箔の銀膜厚比が小さい場合は被覆が不十分なた
め半田が酸化し、厚い場合は半田に固溶できず銀の被膜
が破れず欠陥が助長されたものと考えられる。次に上記
の結果から接合欠陥が最小になる半田箔の銀膜厚比は４
×１０-5〜８×１０-2の範囲にあるので半田に被覆する
半田箔の銀膜厚比を１×１０-3の一定とし、接合欠陥に
及ぼす接合母材の銀被覆の影響について調べた。結果を
図４に示す。膜厚が０.００６ μｍ以上であれば接合欠
陥はほぼ０となる。このように半田と接合母材の両方を
クリーニングし銀を被覆することにより大幅に欠陥を少
なくすることができる。なお、被覆金属については金、
半田はＳｎ−Ｓｂ，Ｓｎ−Ｐｂ−Ａｇついても上記と同
じ試法で実施したがほぼ同様の結果が得られた。次に本
発明の半田接合法をパワーＩＧＢＴに適用した例につい
て説明する。図４はパワーＩＧＢＴの断面構造の概略を
示す。ここで、１７はヒートシンクに取付け放熱するた
めの放熱板で銅にＮｉメッキがされている。１８は素子
部と電気的に絶縁するためのセラミックで接合両面にＮ
ｉメツキされている。１９は素子部で接合面は１７，１
８と同様Ｎｉメッキされている。６は半田箔で厚さは
０.２５mm、接合面積は６５×８５（mm）である。上記
のそれぞれの接合面及び半田箔をクリニングした後、膜
厚０.１μｍ(半田箔の銀膜厚比：４×１０-4）の銀を被
覆し、２３０℃の水素雰囲気炉で加熱接合した。これを
通電と強制冷却の繰り返しをする熱疲労試験を行った結
果、従来の接合法で接合したものより接合部の半田寿命
は１.８ 倍に延びた。
【０００７】
【発明の効果】以上のように本発明による半田接合法
は、接合面及び半田箔をイオン等の加速粒子でクリーニ
ングし、さらにクリーニングされたそれぞれの面に銀，
金等の不活性金属を被覆し水素還元雰囲気で加熱接合す
ることにより接合欠陥をほぼ０とすることができる。ま
た熱疲労の寿命も従来法の１.８ 倍になり信頼性を大幅
に向上させる効果がある。
は、接合面及び半田箔をイオン等の加速粒子でクリーニ
ングし、さらにクリーニングされたそれぞれの面に銀，
金等の不活性金属を被覆し水素還元雰囲気で加熱接合す
ることにより接合欠陥をほぼ０とすることができる。ま
た熱疲労の寿命も従来法の１.８ 倍になり信頼性を大幅
に向上させる効果がある。
【図１】本発明の半田接合法の原理を示す図である。
【図２】本発明の実施例の装置を示す図である。
【図３】接合欠陥と半田銀被覆厚さとの関係を示す図で
ある。
ある。
【図４】接合母材表面に被覆する銀厚さと接合欠陥との
関係を示す図である。
関係を示す図である。
【図５】実施例の接合に用いたパワーＩＧＢＴの概略構
造を示す図である。
造を示す図である。
１…イオン源、２…接合母材、３…Ａｇターゲット、４
…Ａｇ膜、５…接合母材、６…半田箔、７…Ａｇ混入半
田、８…チャンバー、９…排気装置、１０…ガス圧制御
装置、１１…逆スパッタ電極、１２…基板（接合母材，
半田箔等）、１３…逆スパッタ高周波電源、１４…マグ
ネトロンスパッタ電極、１５…ＤＣスパッタ電源、１６
…シャッター、１７…放熱基板、１８…セラミック基
板、１９…素子部。
…Ａｇ膜、５…接合母材、６…半田箔、７…Ａｇ混入半
田、８…チャンバー、９…排気装置、１０…ガス圧制御
装置、１１…逆スパッタ電極、１２…基板（接合母材，
半田箔等）、１３…逆スパッタ高周波電源、１４…マグ
ネトロンスパッタ電極、１５…ＤＣスパッタ電源、１６
…シャッター、１７…放熱基板、１８…セラミック基
板、１９…素子部。
Claims (5)
- 【請求項１】接合面は金属とし、接合面と接合面の間に
半田箔を挟み加熱し接合する半田接合法において、接合
面及び半田箔をイオン等の加速粒子でクリーニングし、
さらにクリーニングされたそれぞれの面に銀，金等の不
活性金属を被覆し還元雰囲気で加熱接合することを特徴
とする半田接合法。 - 【請求項２】請求項１において、半田に被覆する不活性
金属の膜厚と半田箔の厚さの比（不活性金属の膜厚／半
田箔の厚さ）を４×１０-5〜８×１０-2とすることを特
徴とする半田接合法。 - 【請求項３】請求項１において、接合面に被覆する不活
性金属の膜厚を０.００６μｍ 以上とすることを特徴と
する半田接合法。 - 【請求項４】請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載
の半田接合法で接合されたパワー半導体パッケージにお
いて、半導体素子部と絶縁基板，絶縁基板と放熱板の接
合界面の欠陥率（欠陥面積／接合面積）を５％以下であ
ることを特徴とする半導体パッケージ。 - 【請求項５】内部を真空にすることができる容器，その
容器にＡｒを導入し圧力を制御できる手段，その容器内
部にターゲット電極と逆スパッタ電極を対抗して配置
し、これらの電極のほぼ中間に開閉できる遮蔽手段，ま
た逆スパッタ電極には容器をアースとし高周波を印加す
る高周波電源を、スパッタ電極には容器をアースとし一
の電圧を印加する直流電源を備えたことを特徴とした半
田接合装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26687993A JPH07122581A (ja) | 1993-10-26 | 1993-10-26 | 半田接合法及び装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26687993A JPH07122581A (ja) | 1993-10-26 | 1993-10-26 | 半田接合法及び装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07122581A true JPH07122581A (ja) | 1995-05-12 |
Family
ID=17436931
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP26687993A Pending JPH07122581A (ja) | 1993-10-26 | 1993-10-26 | 半田接合法及び装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07122581A (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007123395A (ja) * | 2005-10-26 | 2007-05-17 | Renesas Technology Corp | 半導体装置および半導体装置の製造方法 |
| JP2007149976A (ja) * | 2005-11-28 | 2007-06-14 | Stanley Electric Co Ltd | 共晶ボンディング発光装置とその製造方法 |
| KR101015688B1 (ko) * | 2008-11-13 | 2011-02-22 | 삼성전기주식회사 | 인쇄회로기판 제조장치 및 이를 이용한 인쇄회로기판의 제조 방법 |
| JP2011201760A (ja) * | 2009-10-22 | 2011-10-13 | Mitsubishi Materials Corp | パワーモジュール用基板、ヒートシンク付パワーモジュール用基板、パワーモジュール、パワーモジュール用基板の製造方法及びヒートシンク付パワーモジュール用基板の製造方法 |
| JP2012104817A (ja) * | 2010-11-05 | 2012-05-31 | Raytheon Co | はんだ上での酸化物の生成を抑制する方法 |
| US9414512B2 (en) | 2009-10-22 | 2016-08-09 | Mitsubishi Materials Corporation | Substrate for power module, substrate with heat sink for power module, power module, method for producing substrate for power module, and method for producing substrate with heat sink for power module |
| CN114557144A (zh) * | 2019-10-08 | 2022-05-27 | 罗杰斯德国有限公司 | 制造金属-陶瓷衬底的方法，焊接体系和利用该方法制造的金属-陶瓷衬底 |
| CN117961278A (zh) * | 2024-01-25 | 2024-05-03 | 南京航空航天大学 | 一种铝合金激光焊接缺陷靶向调控装置及方法 |
-
1993
- 1993-10-26 JP JP26687993A patent/JPH07122581A/ja active Pending
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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