JPH11186295A - ハンダ付け方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体素子をサブマウントにハンダ結合等す
る際に、ハンダ材に酸化膜が生じるのを防止して、所要
のハンダ強度（ダイボンド強度）と半導体素子の高い位
置決め精度とを実現する。 【解決手段】 ハンダ層２６をスズ層２５と金層２４と
からなる積層構造とした。ハンダ層２６を加熱して、金
層２４とスズ層２５との合金反応が終了する前に半導体
素子２１をハンダ層２６の金層２４上に仮止めするよう
にした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ハンダ付け方法
に関するものであり、詳しくは、たとえば半導体チップ
をハンダによってダイボンドする際に適用されるハンダ
付け方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】たとえば半導体チップをサブマウント上
にダイボンドするには、従来から図５に示す方法が採用
されている。図５は、従来のダイボンド時のサブマウン
ト１の温度の時間変化とダイボンドのタイミングを示す
図である。

【０００３】図５を参照して、従来のダイボンドでは、
予めサブマウント１の下地金属９上にハンダ材（金−ス
ズ）２を配置しておく。そして、時刻Ｔ１においてサブ
マウント１を加熱し、所定の温度に加熱された時刻Ｔ２
において、ハンダ材２が溶けて融解ハンダ材６となる。

【０００４】また、コレット５を用いて吸着保持した半
導体チップ４を、時刻Ｔ３において融解ハンダ材６に対
して位置決めし、ダイボンドする。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述のダイボンド方法
（ハンダ付け方法）では、時刻Ｔ２以後、溶解ハンダ材
６の表面が高温雰囲気中に晒されるため、当該表面に酸
化膜３が形成されてしまう。このため、溶解ハンダ材６
と半導体チップ４の金属１６の接着力が弱くなるという
問題があった。

【０００６】例えば、図６(a) に示すように、ダイボン
ドされた半導体チップ４に接着面と平行な力７を加える
と（ダイボンド強度試験）、上記酸化膜３が原因となっ
てチップが外れやすくなるという現象が生じる（図６
(b) ）。

【０００７】一方、この問題を避けるため、図７(a) に
示すように、ハンダ２が融解する前に、すなわち、時刻
Ｔ２以前にハンダ２上に半導体チップ４を矢印８に沿っ
て圧着するという方法が考えられる。しかし、この方法
では、固体状態のハンダ材２に対するコレット５の押付
荷重の制御が難しく、その結果、半導体チップ４に荷重
によるダメージがはいるという問題と、図７(b) に示す
ように、半導体チップ４の機械的な位置ずれが発生する
おそれがあるという問題があった。

【０００８】そこで、本発明は、半導体素子をサブマウ
ントにハンダ結合等する際に、ハンダ材に酸化膜の形成
を防止することにより、所要のハンダ強度（ダイボンド
強度）と半導体素子の高い位置決め精度とを実現できる
ハンダ付け方法を提供することを目的とするものであ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明（請求項１）に係
るハンダ付け方法は、主部材と電気的接続をとるための
接続部を備えた従部材を、ハンダ付けにより上記主部材
上にダイボンドする際に適用されるハンダ付け方法であ
って、融点の異なる複数のハンダ材を含むハンダ層を、
最高融点ハンダ材が従部材側表面に配置されるように主
部材上に積層形成するハンダ層形成工程と、ハンダ層形
成工程により形成されたハンダ層を加熱して融点の低い
ハンダ材から順に融解させる加熱工程と、加熱工程によ
る加熱によりハンダ層の一部が融解した時点で、従部材
の接続部をハンダ層に第１の所定力で押し付ける第１の
押付工程と、加熱工程による加熱により融解した上記一
部のハンダ材が上記最高融点のハンダ材と反応して合金
が生成されるに伴って、上記従部材の接続部を上記第１
の所定力よりも大きな第２の所定力で上記ハンダ層に押
し付ける第２の押付工程とを有することを特徴とするも
のである。

【００１０】本発明（請求項２）に係るハンダ付け方法
は、請求項１記載のハンダ付け方法において、上記ハン
ダ層形成工程は、主部材上に、高融点ハンダ材，低融点
ハンダ材および最高融点ハンダ材を順に積層する工程を
含むことを特徴とするものである。

【００１１】本発明（請求項３）に係るハンダ付け方法
は、請求項２記載のハンダ付け方法において、上記ハン
ダ層形成工程は、上記加熱工程中に、高融点ハンダ材と
低融点ハンダ材との合金反応が完全に終了するまでの反
応時間よりも、最高融点ハンダ材と低融点ハンダ材との
合金反応が終了するまでの反応時間が長くなるように各
ハンダ材を積層することを特徴とするものである。

【００１２】本発明（請求項４）に係るハンダ付け方法
は、請求項２記載のハンダ付け方法において、上記ハン
ダ層形成工程は、主部材上に、高融点ハンダ材，低融点
ハンダ材および前記高融点ハンダ材と同質の高融点ハン
ダ材を順に積層する工程を含み、且つ従部材側の高融点
ハンダ材の層厚は、主部材側の高融点ハンダ材の層厚よ
りも厚くなるように積層することを特徴とするものであ
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。 実施の形態１．図１は、本実施の形態１に係るハンダ付
け方法を適用して半導体素子をサブマウントにダイボン
ドする際の、サブマウントの温度の時間変化とダイボン
ドのタイミングを示す図である。

【００１４】図１を参照して、サブマウント２０は、半
導体素子２１を取り付けるためのものであって、その表
面には、下地金属層２２が形成されている。一方、半導
体素子２１は、上記下地金属層２２にダイボンドした状
態でサブマウント２０と電気的接続をとるための接続部
２３を備えている。つまり、半導体素子２１は、接続部
２３が上記下地金属層２２に対して電気的接続が達成で
きるようにダイボンドされるようになっている。

【００１５】本実施の形態に係るハンダ付け方法の特徴
とするところは、高融点のハンダ材２４と低融点のハ
ンダ材２５からなるハンダ層２６を、低融点ハンダ材２
５がサブマウント２０側に配置されるように当該サブマ
ウント２０上に形成するハンダ層形成工程と、ハンダ
層形成工程により形成されたハンダ層２６を加熱して低
融点ハンダ材２５および高融点ハンダ材２４を順次融解
させる加熱工程と、低融点ハンダ材２５が融解し始め
た後に所定のタイミングで、半導体素子２１の接続部２
３をハンダ層２６に予め所定の押付力で押し付ける予備
押付工程と、融解した低融点ハンダ材２５が高融点ハ
ンダ材２４と反応して合金が生成され始めた後に所定の
タイミングで、半導体素子２１の接続部２３をハンダ層
２６に上記所定の押付力よりも大きな押付力で押し付け
る仕上押付工程とを含んでいる点である。以下、各工程
について説明する。

【００１６】(1) ハンダ層形成工程 この工程は、サブマウント２０上にハンダ付けするため
のハンダ層２６を形成するものである。このハンダ層２
６は、スズ層（低融点ハンダ材）２５と金層（高融点ハ
ンダ材）２４とから構成されている。これらスズ層２５
と金層２４とは互いに接しており、積層された状態とな
っている。なお、スズの融点は２３２℃、金の融点は１
０６３℃である。

【００１７】(2) 加熱工程 この工程は、上記ハンダ層２６を加熱してスズ−金の合
金を構成するためのものである。まず、時刻Ｔ１以前に
おいては、低融点ハンダ材であるスズ層２５の融点より
サブマウント２０の温度の方が低く、そのため、ハンダ
層２６は、スズ層２５および金層２４がそれぞれ単独で
存在している。

【００１８】時刻Ｔ１より加熱を開始することにより、
サブマウント２０の温度、すなわちハンダ層２６の温度
が上昇する。そして、時刻Ｔ２において、ハンダ層２６
の温度Ｑ１がスズ層２５の融点を越える。これにより、
スズ層２５は融解するが、金層２４は、そのままの状態
が維持される。ところが、スズ層２５が融解することに
よって金層２４と反応し、スズ−金の合金が形成されて
いく。

【００１９】この反応に合わせて、たとえばコレット３
０を用いて半導体素子２１を保持しておく。

【００２０】(3) 予備押付工程および仕上押付工程 これらの工程は、半導体素子２１のダイボンドを確実な
ものとするため、２段階に分けて所定の押付力を付与す
るものである。

【００２１】スズ層２５と金層２４との合金反応が終了
する前に、すなわち金層２４が未だ金層２４の状態を維
持している時刻Ｔ３において、コレット３０によって半
導体素子２１を所定の押付力３３（たとえば１０ｇｆ）
で予め金層２４に押し付けて仮止めを行う。

【００２２】さらに温度が上がることによって、金層２
４とスズ層２５とがすべて反応してスズ−金の合金層２
８が形成された時刻Ｔ４において、コレット３０により
半導体素子２１を所定の押付力３４（たとえば２０ｇ
ｆ）で合金層２８に押し付ける。これにより、半導体素
子２１の接続部２３と合金層２８とが反応して、ボンデ
ィングが終了する。この場合の押付力は、ボンディング
によって形成する合金層２８の層厚が、予め設計された
所要の層厚となるように設定することができる。

【００２３】このように、本実施の形態によれば、一段
目の押付力３３を付加した時点では、スズ層２５が融解
して液体となっている。このため、当該スズ層２５がク
ッション材として機能し、予備押付工程において、半導
体素子２１の機械的なコレットによるダメージや、位置
ずれを防止することができる。また、この時点では、金
層２５は融解せずにもとの状態を維持し、半導体素子２
１と接している。

【００２４】さらに、温度が高くなると、金層２５とス
ズ層２４との合金反応が進み、この時点で２段目の押付
力３４を付加することにより、所要のハンダ厚（ねらい
厚）を達成することができる。

【００２５】すなわち、予備押付工程により、一段目の
押付力３３によって金層２５と半導体素子２１とが接す
るので、スズ−金の合金が形成されて２段目の押付力３
４を付加する時点では、当該半導体素子２１の接続部２
３が接している合金層２８に酸化膜が形成されるのを防
止することができる。しかも、仕上押付工程により、２
段目の押付力３４を付加することによって、従来と同様
に所望のハンダ層厚を実現することができる。

【００２６】つまり、本実施の形態では、半導体素子２
１とサブマウント２０との間に酸化膜の形成を防止して
半導体素子２１をダイボンドすることができる。しか
も、半導体素子２１を押し付ける際に、機械的なコレッ
トによる半導体素子へのダメージや、位置ずれをも防止
することができる。これにより、所要のハンダ強度（ダ
イボンド強度）と半導体素子２１の高い位置決め精度と
を実現することができる。

【００２７】なお、本実施の形態では、ハンダ層２６と
して、低融点ハンダ材と高融点ハンダ材とからなる２層
構造を採用したが、これに限られず３層以上のものとし
ても良い。要するに、ハンダ層２６としては、融点の異
なる複数のハンダ材を含むものであって、そのうち、最
も融点の高いハンダ材が半導体素子２１側に配置される
ように構成し、加熱によりハンダ層２６の内部から融解
し始め、最後に半導体素子２１と接するハンダ材が融解
（合金化）するように設定すれば良い。

【００２８】また、本実施の形態では、低融点ハンダ材
２５としてスズを採用し、高融点ハンダ材２４として金
を採用したが、これは例示であって、この組み合わせに
限られることはない。

【００２９】実施の形態２．次に、本発明の実施の形態
２について説明する。本実施の形態が実施の形態１．と
異なる点は、ハンダ層形成工程により形成されるハン
ダ層４０は、サブマウント２０上に形成された金層４１
と、これに順次積層されたスズ層４２および金層４３と
を含む３層構造となっている点、金層４３の層厚は、
金層４１の層厚よりも厚く設定されている点である。な
お、その他の工程については、実施の形態１と同様であ
る。

【００３０】本実施の形態によれば、加熱工程におい
て、サブマウント１の温度を上げていくと、温度が２３
２℃を越えたところでスズ層４２が融解し、金層４１，
４３とそれぞれ反応し、金−スズ合金層４４が形成され
ていく。

【００３１】この場合、スズ層４２の両側に配置されて
いるハンダ材は、共に金層４１，４３であるので、合金
反応の反応速度は、スズ層４２の両側において同様であ
る。そして、金層４３の層厚が金層４１の層厚よりも厚
く設定されていることから、合金反応は、金層４１の方
が先に終了し、ハンダ層４０は、先にサブマウント２０
と反応して融着される。

【００３２】この時点において、予備押付工程を実行
し、図３に示すように、半導体素子２１を所定の押付力
３３で予め金層４３に仮止めする。

【００３３】その後、金層４３についても合金反応が終
了した時点で、図４に示すように、仕上押付工程を実行
し、所定の押付力３４を付加して半導体素子２１のダイ
ボンドを完了する。

【００３４】本実施の形態においても、実施の形態１．
と同様に、予備押付工程により、一段目の押付力３３に
よって金層４３と半導体素子２１とが接するので、スズ
−金の合金が形成されて２段目の押付力３４を付加する
時点では、当該半導体素子２１の接続部２３が接してい
る合金層４４に酸化膜が形成されるのを防止することが
できる。しかも、仕上押付工程により、２段目の押付力
３４を付加することによって、従来と同様に所望のハン
ダ層厚ｄを実現することができる。すなわち、上記実施
の形態１．と同様の作用効果を奏することができる。

【００３５】特に、本実施の形態では、ハンダ層４０
が、酸化されやすいスズ層４２を安定な金層４１，４３
で挟み込んでいるため、スズ層４２の酸化を効果的に防
止することができ、サブマウント２０と半導体素子２１
との密着性（ハンダぬれ性）を向上させることができ
る。

【００３６】なお、本実施の形態では、ハンダ層４０を
金層４１，スズ層４２，金層４３の３層構造としたが、
３層以上の多層構造にすることも可能である。つまり、
本実施の形態では、要するに、１段目の押付力３３を付
加する時点で、半導体素子２１側に面するハンダ材が合
金化されておらず、２段目の押付力３４を付加する時点
で合金化されていれば良い。

【００３７】すなわち、合金反応が終了するまでの時間
が、半導体素子２１側に面するハンダ材が最も遅くなる
ように、ハンダ層４０を構成すれば良い。たとえば、サ
ブマウント２０上に高融点ハンダ材を形成し、これに対
して順次低融点ハンダ材，最高融点ハンダ材を積層する
という構造を採用することもできる。

【００３８】

【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、ハンダ層
形成工程により、融点の異なる複数のハンダ材を含むハ
ンダ層を、最高融点ハンダ材が従部材側表面に配置され
るように主部材上に積層形成する。そして、加熱工程に
より、ハンダ層形成工程により形成されたハンダ層を加
熱して融点の低いハンダ材から順に融解させる。次に、
第１の押付工程により、加熱工程による加熱によりハン
ダ層の一部が融解した時点で、従部材の接続部をハンダ
層に第１の所定力で押し付け、第２の押付工程により、
加熱工程による加熱により融解した上記一部のハンダ材
が上記最高融点のハンダ材と反応して合金が生成される
に伴って、上記従部材の接続部を上記第１の所定力より
も大きな第２の所定力で上記ハンダ層に押し付ける。

【００３９】これにより、従部材がハンダ層に接触する
時点では、ハンダ層の従部材が接する部位が融解してお
らず、このため、ハンダ層に酸化膜が形成されない。従
って、第２の押付力を付加してダイボンドが完了した時
点でも、従部材とハンダ層との間には酸化膜が形成され
ておらず、その結果、所要のハンダ強度（ダイボンド強
度）と従部材の高い位置決め精度とを実現することがで
きる。

【００４０】請求項２に係る発明によれば、請求項１に
係る発明と同様の作用効果を奏する。特に、本請求項に
係る発明では、ハンダ層形成工程により、主部材上に、
高融点ハンダ材，低融点ハンダ材および最高融点ハンダ
材が順に積層されることから、加熱により合金反応が進
んだ場合に、従部材側に配置された最高融点ハンダ材が
最後に合金化されるので、上記酸化膜の形成を確実に防
止することができるという利点がある。

【００４１】請求項３に係る発明によれば、請求項２に
係る発明と同様の作用効果を奏する。加えて、本請求項
に係る発明では、高融点ハンダ材と低融点ハンダ材との
合金反応が完全に終了するまでの反応時間よりも、最高
融点ハンダ材と低融点ハンダ材との合金反応が終了する
までの反応時間が長くなっているから、ハンダ層と従部
材との間に酸化膜が形成されるのを、一層効果的に防止
することができる。

【００４２】請求項４に係る発明によれば、請求項２に
係る発明と同様の作用効果を奏する。加えて、本請求項
に係る発明では、低融点ハンダ材を高融点ハンダ材によ
り挟み込んだ構造としているので、ハンダ層を簡単に構
成することができる。しかも、従部材側の高融点ハンダ
材の厚みが、主部材側の高融点ハンダ材の厚みよりも厚
くなっているから、従部材がハンダ層に接触する時点で
は、ハンダ層の従部材が接する部位が融解しておらず、
このため、ハンダ層に酸化膜が形成されない。しかも、
低融点ハンダ材が高融点ハンダ材により挟み込まれてい
ることから、なお一層効果的に酸化膜の形成を防止する
ことができる。その結果、所要のハンダ強度（ダイボン
ド強度）と従部材の高い位置決め精度とを実現すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本実施の形態１に係るハンダ付け方法を適用
して半導体素子をサブマウントにダイボンドする際の、
サブマウントの温度の時間変化とダイボンドのタイミン
グを示す図である。

【図２】 ハンダ層形成工程により、ハンダ層が形成さ
れた状態を示す図である。

【図３】 予備押付工程により、半導体素子がハンダ層
に仮止めされた状態を示す図である。

【図４】 仕上押付工程により、半導体素子がハンダ層
にダイボンドされた状態を示す図である。

【図５】 従来のダイボンド方法の問題点を示す断面
図，および従来のハンダ付け方法を適用して半導体素子
をサブマウントにダイボンドする際の、サブマウントの
温度の時間変化とダイボンドのタイミングを示す図であ
る。

【図６】 ダイボンド強度試験を模式的に図示したもの
であって、(a) 図は、ダイボンドされた半導体素子に荷
重を加えた状態を示し、(b) は、その荷重により半導体
素子が外れた状態を示している。

【図７】 従来のダイボンドの工程において、半導体素
子が機械的位置ずれを起こす状態を模式的に図示したも
のであって、(a) 図は、ダイボンドされた半導体素子に
荷重を加えた状態を示し、(b) は、その荷重により機械
的位置ずれが生じた状態を示している。

【符号の説明】

２０ サブマウント（主部材）、２１ 半導体素子（従
部材）、２４ 金層（高融点ハンダ材）、２５ スズ層
（低融点ハンダ材）、２６ ハンダ層、３３ 押付力、
３４ 押付力。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主部材と電気的接続をとるための接続部
   を備えた従部材を、ハンダ付けにより上記主部材上にダ
   イボンドする際に適用されるハンダ付け方法であって、 融点の異なる複数のハンダ材を含むハンダ層を、最高融
   点ハンダ材が従部材側表面に配置されるように主部材上
   に積層形成するハンダ層形成工程と、 ハンダ層形成工程により形成されたハンダ層を加熱して
   融点の低いハンダ材から順に融解させる加熱工程と、 加熱工程による加熱によりハンダ層の一部が融解した時
   点で、従部材の接続部をハンダ層に第１の所定力で押し
   付ける第１の押付工程と、 加熱工程による加熱により融解した上記一部のハンダ材
   が上記最高融点のハンダ材と反応して合金が生成される
   に伴って、上記従部材の接続部を上記第１の所定力より
   も大きな第２の所定力で上記ハンダ層に押し付ける第２
   の押付工程とを有するハンダ付け方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載のハンダ付け方法におい
   て、 上記ハンダ層形成工程は、 主部材上に、高融点ハンダ材，低融点ハンダ材および最
   高融点ハンダ材を順に積層する工程を含むことを特徴と
   するハンダ付け方法。
3. 【請求項３】 請求項２記載のハンダ付け方法におい
   て、 上記ハンダ層形成工程は、 上記加熱工程中に、高融点ハンダ材と低融点ハンダ材と
   の合金反応が完全に終了するまでの反応時間よりも、最
   高融点ハンダ材と低融点ハンダ材との合金反応が終了す
   るまでの反応時間が長くなるように各ハンダ材を積層す
   ることを特徴とするハンダ付け方法。
4. 【請求項４】 請求項２記載のハンダ付け方法におい
   て、 上記ハンダ層形成工程は、 主部材上に、高融点ハンダ材，低融点ハンダ材および前
   記高融点ハンダ材と同質の高融点ハンダ材を順に積層す
   る工程を含み、且つ従部材側の高融点ハンダ材の層厚
   は、主部材側の高融点ハンダ材の層厚よりも厚くなるよ
   うに積層することを特徴とするハンダ付け方法。