JPS6059070B2 - 超音波予備はんだ付方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は被はんだ付物上へ予備はんだ付する方法に係り
、特に被はんだ付物の接着面上にはんだをのせて不活性
ガス雰囲気中で超音波予備はんだ付する方法に関するも
のである。

従来金属面への予備はんだ付あるいは予備はんだ付面に
更に別の構造部材を該予備はんだを介してはんだ付する
方法として、フラックスを用いたはんだ付が行なわれて
いた。

第１図は、本発明を適用すべき対象の一例てあつて上記
従来法による半導体装置のはんだ付部を示す断面図であ
る。

Ｎｉめつき層２の形成された銅から成るヒートシンク１
に半導体チリノプ３が、フラックスねりはんだ７を用い
てはんだ付され、更に半導体チップ３上部より外部端子
９へアルミニウムリード１１で接続されている。

尚、４は半導体チップの一面にはんだ付性を向上させる
ために形成した金属膜（メタライゼーシヨン）、５は半
導体チップ上部のリード取付のための電極、６は加熱板
である。この場合、先ずヒートシンク１にはんだ７が予
・備的に設けられ、次に電極５が設けられた半導体チッ
プ３と外部端子が準備されて、半導体チップ３の固着お
よびアルミニウムリード１１の接続が行なわれるのであ
るが、ヒートシンク上に半導体チップ３をはんだ付する
際に、外部端子９上にははんだ７が飛散して、付着した
フラックスの残渣１０が、また半導体チップ３とヒート
シンク１の間のはんだ付部にもフラックスの巻込み８が
生じている。この従来法ではフラックスを完全に除去す
ることが困難なことによる電気特性への影響が大きく、
また、洗浄工程が複雑となり歩留りが悪いなど多くの問
題があつた。

また近来、不活性ガス雰囲気中で、フラックスを用いな
いで被はんだ付物上に超音波予備はんだ付する技術の提
案がなされているが、実用化のためには良好な予備はん
だが得られにくいなどの多くの技術的課題を克服する必
要があり、溶融はんだ中に被はんだ付物を浸漬するいわ
ゆる浸漬法を除いては、工業的に広く実用化されていな
いのが現状である。本発明の目的は、フラックスを用い
ないで金属面上に超音波予備はんだ付する技術を実用化
するために品質の高い予備はんだを得ることのできる予
備はんだ付方法を提供することにある。

上記目的を達成する本発明の特徴とするところは、被は
んだ付物上のはんだに対して超音波ホーンを接触させ、
超音波エネルギーを付加して上記被はんだ付物上に予備
はんだ付を行なう方法に於いて、超音波ホーンははんだ
と接触後も被はんだ付物との間隙をせばめていき、最小
の一定間隙に保持されたのちにはんだから離されていく
とともに、その間に、超音波ホーンの振動は、ホーン先
端がはんだと接触したのちに振幅が徐々に大きくされて
いき、一定間隙に保持される前に最大振幅になり、その
後、超音波ホーンがはんだから離される前までに徐々に
小さくされて停止されることにある。

以下、本発明を図面に示した一実施例とともに説明する
。

第２図は、本発明に於いて使用する超音波予備はんだ付
装置である。

第２図に於いて、第１図と同じく、１は被はんだ付物で
あるヒートシンク、６は加熱板、１２はヒートシンク１
上に載せたはんだで、例えば−９５Ｗｔ％Ｐｂ−？％Ｓ
ｎはんだである。

１３はヒートシンク１に対して垂直方向に振動する超音
波ホーン、１４はヒートシンク１および超音波ホーン１
３を収納するボックス、１５はボックス１４に不活性ガ
ス例えば窒素ガスを矢印に示す方向に流し込むための管
、１６は超音波ホーン１３の先端部に設けられた加熱ヒ
ータで、超音波ホーン１３の先端部をはんだ１２の融点
以上に加熱するためのものである。

１７は、はんだ１２と超音波ホーン１３の間隙を制御す
べく超音波ホーン１３を機械的に駆動するカム等の昇降
機構１８の昇降制御装置、１９は超音波ホーン１３を振
動させるための振動振幅を可変できる超音波発振器、２
０ノは超音波発振器１９の超音波発振出力制御装置てあ
る。

また、２１は昇降制御装置１７および超音波発振出力制
御装置２０を予じめ定められたプログラムによつて動作
させるためのタイミング用クロン・ク機構であり、この
プログラムに従つて超音波ホーン１３を溶融はんだ１２
に接触したのち振動させて被はんだ付物上にはんだ付し
た後、超音波ホーンの振動を停止させて溶融はんだから
離脱するまでの、超音波ホーン１３と被はんだ付物１と
の”間隙調整及び超音波ホーンの振動振幅調整が行なわ
れる。

なお、超音波ホーン１３を昇降させずに加熱板６を昇降
させることでも本発明の目的は十分に達成し得るもので
ある。

次に、第２図に示す超音波予備はんだ付装置を使用した
本発明方法を詳細に説明する。

第３図ａは、本発明の超音波予備はんだ付方法に於いて
最も基本となる被はんだ付物１と超音波ホーン１３間の
間隙の時間的変化を示す説明図、第３図ｂは、上記間隙
の平均値Ｇの時間的変化を示す説明図、第３図ｃは、超
音波ホーンの振動振幅の時間的変化を示す説明図である
。

第３図に於いて、時点Ｔ。

で第２図に示した昇降機構１８により超音波ホーン１３
を間隙Ｇ５から降下させて、間隙Ｇ４の時点ちで被はん
だ付物上の溶融したはんだ１２へ超音波ホーン１３を接
触させ、さらに間隙Ｇ３まではんだ１２を押しつぶす。
この時点ちから振幅が徐徐に大きくなる様に超音波発振
器１９により超音波ホーン１３を振動させ、同時に間隙
Ｇを減少させ、間隙Ｇ２の時点Ｔ３で最大振幅とする。
時点らから時点Ｔ，に於いては間隙Ｇの減少に従つて、
超音波ホーン１３の振幅紐を減衰させる。さらに時点Ｔ
４からＴ５まで間隙Ｇ１と上記振幅騒を一定に保持し、
次に時点Ｔ５から！の間で間隙Ｇを一定値Ｇ１に保持し
たまま振幅紐のみを減衰させ、時点Ｔ６に於いて超音波
ホーン１３の振動を停止させ、時点Ｔ７まで超音波ホー
ン１３を上昇させ、間隙Ｇを元のＧ５に戻す。前記はん
だ付方法に於いて、高速度カメラによる解析結果によれ
ば、第４図ａに示す様に超音波ホーン１３を振動させな
がら溶融はんだ１２に接触させると、上記超音波ホーン
１３が衝撃的に溶融はんだ１２表面をたたくので溶融は
んだ１２は被はんだ付物であるヒートシンク１へのぬれ
を実現することなく周囲に飛散したり、超音波ホーン１
３と溶融はんだ１２表面間に微量に存在する酸素により
酸化が生ずるが、本発明では第４図ｂの様に超音波ホー
ン１３を溶融はんだ１２に完全に接触させてから上記超
音波ホーン１３を振動させるので上記溶融はんだ１２の
飛散や酸化がなく、超音波ホーン１３からのエネルギー
は十分にヒートシンク１に伝わり、溶融はんだ１２のぬ
れが実現される。また、上記振動開始の際、超音波ホー
ン１３の振幅Ａｍを徐々に増大させているので、はんだ
の飛散は更に少なくなると共に、安定な発振が得られる
。

前述と同様なことが、上記超音波ホーン１３を溶融はん
だ１２から引き離す際にもあてはまることは明らかであ
る。

即ち、超音波ホーン１３の振動を停止させてから、超音
波ホーン１３を溶融はんだ１２から引き離しているので
、溶融はんだ１２の飛散がなくなり、確実なはんだのぬ
れが実現される。振動を停止する際、徐々に振幅を減衰
させれば、より効果が上がることは前述より容易に明ら
かである。更に、超音波ホーン１３の振幅八ｍを、超音
波ホーン１３とヒートシンク１との間隙にあわせて変化
させることにより、はんだのぬれはより効率的になる。

即ち、間隙Ｇが大きいとき、振幅紐を大きくすれは、エ
ネルギーを多く投入することができ、はんだのぬれはよ
り確実になる。はんだのぬれ性は超音波ホーン１３がは
んだ１２の表面をたたき、キヤビーテーシヨン現象を生
じ、その際溶融したはんだ１２内にできる空洞が超音波
ホーン１３から加えられる振動で破壊され衝撃波を生じ
、この衝撃波がヒートシンク１側に伝わつて、ヒートシ
ンク１表面の酸化膜の破壊することによつて向上する。
酸化膜の破壊は振幅を大きくするほど進むが、振幅を大
きくしすぎるとキャビテーションによつて生ずる空洞が
大きくなりすぎ、超音波ホーン１３の周辺部ではんだ１
２が飛散する異常現象を生じ、好ましくないので、ヒー
トシンク１上の酸化膜を破壊する最大振幅としたら、そ
の後、振幅を小さくし、かつ、一定時間そのままとする
ことによつて、上記の異常現象を生ずることなく酸化膜
の破壊をさらにゆるやかに進行させ、はんだのぬれ性を
充分向上させることができる。その後、振幅を徐々に小
さくし、停止させることにより、前述のように、溶融は
んだ１２の飛散は全く生じず、確実なはんだのぬれが実
現できる。特に、最大振幅を与えることによつて、時点
Ｔ２〜時点Ｔ４の期間にはんだ１２を飛散させずに酸化
膜を急激に破壊することにより、時点Ｔ４〜時点ちの酸
化膜をゆるやかに破壊する期間を短縮することができる
。また、間隙が小さくなつてはんだの厚さが小さくなつ
た時には、超音波ホーン１３の振幅を小さくして最終は
んた厚さを小さくできる。なお、上記超音波ホーン１３
が溶融したはんだ１２に完全に接触する前に於いても、
また、上記超音波ホーン１３を溶融はんだ１２から引き
離す際に於いても、はんだ１２が飛散しない程度の小さ
い振幅の振動を超音波ホーン１３に与えても良いことは
明らかである。

第５図は、高速度カメラて捕えた溶融はんだ１２中での
超音波ホーン１３の振動状態を示す説明図である。

第５図ａは超音波ホーン１３が溶融はんだ１２に接触し
た状態である。

この状態から上記超音波ホーン１３がヒートシンク１側
に振動すると第５図ｂの状態で、昇降機構１８側に振動
した場合が・第５図ｃであるが、この様な超音波ホーン
１３の振動に於いて、特にある一定以上に振動すると溶
融はんだ１２から超音波ホーン１３が離脱する。即ち、
溶融はんだ１２と超音波ホーン１３とに間隙が生ずると
次の振動”Ｃ溶融はんだ１２は飛散し）てしまいヒート
シンク１に超音波エネルギーが伝達されず、はんだのぬ
れは実現されない。従つて溶融はんだ１２の中での超音
波ホーン先端の振幅紐は溶融はんだ１２がホーン先端の
動きに追随できる範囲内に確保することによつて、歩留
りが高く高信頼性の予備はんだ付部が形成されるもので
ある。第６図は、超音波ホーン１３の先端の振動で、溶
融はんだ１２を介してヒートシンク１へ超音波エネルギ
ーが伝わる状態を示す説明図であるが、第６図ａと異つ
て第６図ｂに示す様に、超音波ホーン１３の先端の寸法
より溶融はんだ１２の寸法が大きいと、前記ホーン１３
の先端の外周より外側になる部分では、超音波エネルギ
ーがヒートシンク１に十分に伝わらず従つてはんだ１２
のぬれが実現されない。

即ち、第６図ａの様に超音波ホーン１３の寸法が、溶融
はんだ１２の寸法とほぼ同等あるいは、大きくされてい
るので、十分な超音波エネルギーの伝達が行なわれ、溶
融はんだ１２が接触しているヒートシンク１との十分な
はんだのぬれが実現できる。第７図は、本発明の利点を
生かし超音波予備はんた付後、他の構造物を接着した実
施例てある。

第７図ａの様に、ヒートシンク１に超音波予備はんだ付
が行なわれ超音波ホーン１３が、振動を停止し離脱した
直後、即ち、はんだ１２が溶融状態にあるうちに、他の
構造部材例えば半導体チップ３を該予備はんだの上に載
せることて第７図ｂの様に接着することができる。この
方法によると、一旦、固まつたはんだを溶かす為の熱エ
ネルギー、時間、雰囲気ガス等のエネルギーの節減に大
きな貢献が出来、また凝固再溶融過程て生するはんた表
面の酸化もなく、従つてはんだ酸化膜の巻込みがない信
頼性の高い接続を持つた半導体装置を得ることが出来る
ものてある。

前述の超音波予備はんだ付方法に於いて、大気中にては
んた付すると、はんだ１２及ひ超音波ホーン１３の先端
部の酸化を招き、はんだ付に悪影響を及ぼす。

第２図に示す様に、不活性ガス等の非酸化性雰囲気中に
て、はんだ１２を溶融させ、はんだ付を行なえば、上記
の欠点を取り除くことができる。また上記はんだ付方法
に於いて、超音波ホーン１３を溶融はんだ１２に接触さ
せた時、超音波ホーン１３の溶融はんだ１２との接触部
分から溶融はんだ１２の熱が奪われ、該はんだが凝固す
る事があり、この場合再溶融しなければならない。

溶融したはんだ１２に接触させたときに凝固させない程
度に超音波ホーン１３を加熱すれば、該溶融はんだ１２
が凝固することなく、再溶融の工程を省くことができる
。第２図に示した超音波はんだ付装置を用い、振動数約
３０ＫＨｚで約２秒間振動を与えることにより予備はん
だ付を行なつた結果、溶融はんだ１２の飛散や酸化がな
く、超音波ホーン１３からのエネルギーが安定して被は
んだ付物面に伝わり、十分なはんだのぬれが実現し、従
つて歩留りが高く高゜信頼性の予備はんだ付が容易に出
来ることが確認された。

なお、使用したはんだは約２００ｐｍの厚さの９５Ｗｔ
％Ｐｂ−５Ｗｔ％Ｓｎである。作業手順は第３図に示す
様に、まずはんだ１２を加熱板６によりヒートシンク１
を介して加熱溶融し、その後、間隙Ｇを１５０ｐｍで超
音波ホーン１３と溶融はんだ１２を面接触させて、振動
を開始し、徐々に振幅を増加させ、同時に間隙Ｇをせば
める。超音波ホーン１３の振帖Ａｍが２０μｍになつた
とき、間隙の減少にあわせて振幅Ａｍも減衰させ、次に
間隙Ｇが１００ｐｍ１振幅Ａｍが１０μｍの状態を約１
秒間保持した。その後振動を徐々に停止し、超音波ホー
ン１３をはんだ１２より引き上げた。また超音波ホーン
１３は温度を上げたまま空振動を行ない、先端に付着し
たはんたを除去した。上述した本発明によれは、従来に
比較して装置も小型化でき、従つて電気、時間、ガス等
の省エネルギー化への貢献度も高く、またフラックスの
巻込みやはんた付時の飛散による残渣もなく、電気特性
上の悪影響が生じないはんだ付部を確実で容易に形成す
ることができ、またはんだ付したはんだを一旦凝固させ
ないて他の構造部材たとえば半導体チップ等を接着させ
ることができるのて高能率て高信頼性のはんた接着部を
容易に得ることがてきる。

尚、本発明は半導体装置の製造の場合だけでなく、他の
分野に於いても適用てきることは充分理解されるであろ
う。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来方法てはんだ付された一半導体装置のはん
だ接着部及びその近傍の側断面図、第２図は本発明て使
用する超音波予備はんだ付装置の全体的構造図、第３図
は本発明の基本事項てある間隙と超音波ホーンの振幅の
時間に対する関係図、第４図は本発明を実施した場合の
超音波ホーンと溶融はんだの接触関係の説明図、第５図
は溶融はんだ中の超音波ホーン振幅の説明図、第６図は
超音波ホーン寸法に対する溶融はんだ箔寸法の関係の説
明図、第７図は溶融はんだに他の構造部材を接着した実
施例の説明図である。 １・・・・・・ヒートシンク、２・・・・・・Ｎｉめつ
き、３・・・・・・半導体チップ、４・・・・・・メタ
ライゼーシヨン、５・・・・・電極、６・・・・・・加
熱板、７・・・・・・フラックスねりはんだ、８・・・
・・・フラックス巻込み、９・・・・・・外部端子、１
０・・・・・・フラックス残渣、１１・・・・・・アル
ミニウムリード、１２・・・・・・はんだ、１３・・・
・超音波ホーン、１４・・・・・・ボックス、１５・・
・・・・不活性ガスを流し込むための管、１６・・・・
・・加熱ヒーター、１７・・・・昇降制御装置、１８・
・・・・・昇降機構、１９・・超音波発振機、２０・・
・・・超音波発振出力制御装置、２１・・・・・タイミ
ング用クロック機構。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 被はんだ付物上のはんだに対して超音波ホーンを接
   触させ、超音波エネルギーを付加して上記被はんだ付物
   上に予備はんだ付を行なう方法に於いて、ホーン先端が
   はんだと同じかそれ以上の寸法を有している超音波ホー
   ンを用い、超音波エネルギーが加えられる前にはんだを
   溶融させ、かつ、ホーン先端を溶融はんだ表面に接触さ
   せたときに該溶融はんだが凝固しない程度に超音波ホー
   ンを加熱しておき、超音波ホーンははんだと接触後も被
   はんだ付物との間隙をせばめていき、最小の一定間隙に
   保持されたのちにはんだから離されていくとともに、そ
   の間に、超音波ホーンの振動はホーン先端がはんだと接
   触したのちに振幅が徐々に大きくされていき、一定間隙
   に保持される前に最大振幅になり、その後、超音波ホー
   ンがはんだから離される前までに徐々に振幅が小さくさ
   れて停止され、超音波の振幅ははんだに超音波エネルギ
   ーが付加されている間は、ホーン先端がはんだから離れ
   ることのない振幅であり、非酸化性雰囲気中で行われる
   ことを特徴とする超音波予備はんだ付方法。