JPS6286895A - 電子部品のはんだ付け方法 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は電子部品を低温度で回路基板に接合しかつ接合
部の信頼性を向上させるのに好適な電子部品のはんだ付
け方法に関する。

−〔発明の背景〕 従来の電子回路装置においては、量産性および信頼性の
点から電子部品をはんだで回路基板に接続する方法が多
く使用されている。

この方法は電子部品と回路基板との間に介挿したはんだ
を加熱溶融して端子のメタライズたとえばＣｕ、Ｎｉな
どとはんだとの間に合金層を形成して接続している。こ
のさい、はんだ自身は冷却過程で合金組成の偏析および
欠陥が発生して伸びが小さな鋳造組織状態〔文献９日本
金属学会誌第４９巻第１号（１９８５）第２６頁乃至第
３３頁参照〕となる。

しか゛るにこの鋳造状態は外力に対して伸びが小さく不
均一な変形を発生するため、疲労特性が悪く使用中に種
々のストレスたとえば、電子部品と基板との熱膨張差に
基づく熱ストレスに対して比較的短時間ではんだが破壊
する問題があった。

また従来たとえば特開昭５４−５０２６９号公報に記載
されているように、ダイオードパワートランジスタなど
の半導体チップを取付基板と基板との間のはんだの厚さ
の不均一および傾きを防止して信頼性の良い接合をする
ために高融点はんだを低融点はんだでサンドインチして
低融点はんだのみを溶融して接合する方法が提案されて
いる。

しかるに、この方法では良好な平坦度を得ることは可能
かも知れないが、その反面溶融する低融点はんだと溶融
しない高融点はんだの界面近傍が金属組織学的に非常に
脆い層となるため、その後の熱サイクルなどにおいて簡
単に破壊するという問題があった。

さらに特開昭５１−１１８３７２号公報に記載されてい
るようにシリコンダイオードと支持電極およびリード線
とのはんだ接合のさい、低融点のＳｎと高融点のｐｂと
を完全に溶融して接合することにより、接合界面に十分
なＳｎを供給して界面を高強度化し、かつ高温使用に耐
えられる高ｐｂ組成のはんだにする方法が提案されてい
る。

しかるにこの方法は前記最初に述べた方法と同様に鋳造
はんだ組織が全体にわたって形成されるため、使用中の
熱サイクルにより簡単に疲労破壊する問題があった。

〔発明の目的〕

本発明は前記従来の問題点を解決し、高信頼性のはんだ
接続を可能とする電子部品のはんだ付け方法を提供する
ことにある。

〔発明の概要〕

本発明は前記の目的を達成するため発明したもので、発
明に至る経緯はつぎのとおりである。

すなわち、本願発明者は前記従来の問題点につき検討し
た結果、高Ｐ　ｂ−Ｓ　ｎの高融点はんだに低融点の共
晶はんだを溶かして接合すると、溶融接合界面には第６
図に示すＰ　ｂ−Ｓ　ｎ合金状態図から明らかなように
ｐｂとＳｎとが連続した斜線範囲のはんだ合金が連続し
て形成される。

一方、鋳造したＰ　ｂ−Ｓ　ｎ合金の引張強度−伸び特
性は前記日本金属学会誌第４９巻第１号（１９８５）第
２８頁に記載されているようにｐｂの一次固溶体（αｐ
ｂ）が共晶組織を除くその中間組成ではデンドライト（
Ｄ　ａｎｄｒｉｔｅ）状組織の技量および粒界に硬く、
低融点のＳｎリッチ層が形成されるため、第７図に示す
ように非常に脆くなることが明らかになった。

このように低融点はんだと高融点はんだとの間に接合プ
ロセス上必ず形成される一次固溶体（αｐｂ）と共晶組
織との間のその中間組織は非常に脆い性質を有している
ため、以後の熱サイクルおよび熱衝撃により脆化層から
破壊を発生する。

そこで本発明は、この脆化した中間組織を防止するため
、低融点はんだ層を薄く、高融点はんだ層を厚く形成し
て溶融時に十分な未溶融高融点はんだが残り、かつ溶融
時あるいはその後の熱処理において低融点はんだと高融
点はんだとの間に形成される中間層Ｓｎが均一に高ｐｂ
で高融点なはんだ層に拡散するようにすなわち、高融点
側の一次固溶体（αｐｂ）の組成になるように低融点は
んだと高融点はんだとの高さの比を設定したことを特徴
とするものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を示す第１図乃至第５図により説
明する。

第１図は本発明により作られた高融点はんだを半導体チ
ップと同一長さの半導体装置の接合部を示す断面図、第
２図は本発明により作られた複数個の高融点はんだから
なる半導体装置の接合部を示す断面図、第３図（ａ）乃
至（Ｃ）は本発明による半導体基板のはんだ付け方法を
説明するための第１図Ａ部拡大断面図、第４図は高融点
はんだおよび低融点はんだの体積比とｐｂ濃度との関係
の一例を示す図、第５図は高融点はんだおよび低融点は
んだの体積比とｐｂ濃度との関係の他の一例を示す図、
第６図はＰ　ｂ−Ｓ　ｎ合金状態図、第７図は鋳造はん
だの代表的な応力−ひすみ曲線図、第８図は加工はんだ
の応力−ひすみ曲線図である。

本発明は第１図および第２図に示す如く、半導体チップ
１と基板２との間に電極４，５を介して予じめ加工成形
され上下両端面に低融点の共晶はんだ（第３図に示す符
号６，７）を付着した高融点のはんだ３を介挿してこれ
ら低融点の共晶はんだのみを溶かして電極４，５と高融
点はんだ３とを拡散反応して溶融接合したのち、上記低
融点の共晶はんだの溶融温度かもしくは融点下の高温に
保持して接合部のＳｎを均一に拡散させて接合している
。

つぎに前記第１図および第２図に示す半導体基板の製造
プロセスについて第３図（ａ）乃至（Ｃ）により説明す
る。

まず第３図（ａ）に示す如く各種の材料からなる基板２
上に各々の材料に適した方法で電極５を形成する。すな
わち、たとえば基板２がアルミナセラミックで形成され
ている場合には電極５をＡｇ−ｐｂおよびＷなどの導体
ペーストを印刷・焼成して形成する。また基板２がＳｉ
およびガラスで形成されている場合には、電極５をＣｒ
−Ｃｕ　、　Ｃｒ−Ｃｕ−Ｎｉ、Ｔｉ−Ｃｕなどの薄膜
を真空蒸着あるいはスパッタなどにより蒸着して形成す
る。この蒸着法は半導体チップ１側の電極４についても
使用される。

このようにして形成された電極４，５上に低融点のはん
だたとえばＰ　ｂ−Ｓ　ｎあるいはＡｕ−５ｎなどの共
晶はんだもしくは純Ｓｎなどをはんだペーストの印刷、
リフ口あるいは板状に形成されたはんだ、はんだボール
、真空蒸着などによる供給、リフ口およびはんだディッ
プ（Ｄｉｐ）等により低融点はんだ層６，７を形成する
。なお本実施例においては上記低融点はんだ層６，７の
厚さを約３０μｍにしている。

つぎにこれら低融点はんだ層６，７間に上記電極４，５
と同様な形状に加工成形された高融点の加工はんだ３を
介挿する。この加工はんだ３はたとえば加工熱処理した
９５すｔ％Ｐ　ｂ−５ｗｔ％Ｓｎを成形して使用する。

上記加工・熱処理は溶解・鋳造して板状に圧延したのち
、９０％圧下率まで加工して１００℃で５時間不活性雰
囲気中で熱処理を行なったもので、このはんだの応力−
ひすみ曲線は第８図に示す加工材の応力−ひすみ曲線図
における■の特性に略一致しており、鋳造したままの応
力−ひすみ曲線図における９５Ｐｂ特性に比較して伸び
が著しく改善されていることが理解される。

このようにして低融点はんだ６，７間に高融点の加工・
熱処理した約１ｍａ＋程度の厚さの高融点はんだ３を介
挿し、第３図（ａ）の状態を得たのち、低融点はんだ６
，７の融点直上までの温度に加熱して第３図（ｂ）を得
る。この場合、低融点はんだ６．７としてＰ　ｂ−Ｓ　
ｎの共晶はんだを使用したときには、２００℃の温度ま
で加熱している。なお、加熱初期において、低融点はん
だ６，７は電極４゜５と拡散９反応してＳｎと電極４，
５との間に固溶体および金属間化合物８たとえばＣｕ電
極ならばＣｕ、Ｓｎ、がまたＮｉ電極ならばＮｉ、Ｓｎ
が、さらにＡｇ電極ならばＡｇ３Ｓｎなどが生成する。

一方、高融点の加工はんだ３とは反応・拡散領域に第６
図に示す如く、ｐｂの一次固溶体（αｐｂ）と共晶組織
との間に連続して中間層９が形成される。

さらに加熱を続けると、第３図（ｃ）に示す如く約３０
μｍの低融点はんだ層６，７は電極４，５および加工は
んだ３と完全に反応して中間層９は殆んど消失し、殆ん
どｐｂの一次固溶体（αｐｂ）となって接合界面には電
極４，５との反応層８のみが形成され、高融点はんだ３
と電極４，５との間に良好な接合部を形成することがで
きる。この場合の低融点のはんだ層６，７に対してｐｂ
の一次固溶体（αＰｂ）を形成するために必要な高融点
のはんだ３の体積は第４図に示す如く、各々のはんだを
均一に拡散混合させると、　９５ｗｔ％Ｐ　ｂ−５ｗｔ
％Ｓｎのときには体積比が約８倍以上（同図■矢印）に
なる。また同図における良好なはんだ組成とは前記第７
図から明らかな如く軟かく伸びの優れた９０ｗｔ％Ｐｂ
−１０ｗｔ％Ｓｎより高ｐｂな組成をいう。さらに第４
図では高融点はんだ３として９８すｔ％ｐｂ−２ｖｔ％
Ｓｎの場合も示しているが、この場合には矢印■よりも
大きな体積比４．３以上必要である。

前記加熱温度２００℃における全加熱保持時間は約４０
秒で行なったが、これよりも高温度で短時間で行ないう
ろことは云うまでもないところである。

また共晶はんだの融点直下で約１５０℃の熱処理のとき
には、約３０分加熱保持することにより、上記の場合と
同様な拡散・反応を得ることができる。

このようにして製作された第１図に示す半導体基板にお
いては、パワトランジスタを温度サイクル−５５〜＋１
５０℃、１サイクル／ｈｒの試験を行なって寿命を評価
すると、疲労寿命が従来の接合部に比較して約２〜５倍
向上することができた。

なお、上記の実施例においては、Ｐｂ−８ｎ系のはんだ
を対象として述べたが、これに限定されるものでなく、
たとえばＩｎ−Ｐｂ系、Ｉｎ−８ｎ系。

Ｉ　ｎ−Ｐ　ｂ−Ｓ　ｎ系などの材料においても同様の
効果を得ることができることは云うまでもない。

〔発明の効果〕

本発明は以上述べたる如く、硬くて伸びの小さな中間は
んだ層をなくすることができ、これによって均一なはん
だ接続を得ることができるから。

容易な操作で高信頼度の電子回路装置を得ることができ
、今後ますます高密度化および高信頼度化が要求される
面付実装分野の電子回路装置の高機能化に大きな貢献を
することができる効果を有する。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明により作られた半導体装置を示す断面図
、第２図は本発明により作られた複数個の高融点はんだ
からなる半導体装置を示す断面図、第３図（ａ）乃至（
ｃ）は本発明による半導体装置のはんだ付け方法を説明
するための第１図Ａ部拡大断面図、第４図は高融点はん
だおよび低融点はんだの体積比とｐｂ濃度との関係の一
例を示す図、第５図は高融点はんだおよび低融点はんだ
の体積比とｐｂ濃度との関係の他の一例を示す図、第６
図はＰ　ｂ−Ｓ　ｎ合金状態図、第７図は鋳造はんだの
代表的な応力−ひすみ曲線図、第８図は加工はんだの応
力−ひすみ曲線図である。 １・・・半導体チップ、２・・・基板、３・・・高融点
はんだ、４，５・・・電極、６，７・・・低融点はんだ
層、８・・・金属間化合物、９・・・中間層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、半導体などの電子部品を回路基板上にはんだで接続
   する電子部品のはんだ付け方法において、上記電子部品
   および回路基板と、これらの間に介挿された加工成型後
   の高融点はんだとの間に低融点はんだを付着し、これら
   低融点はんだと高融点はんだの高さの比を予じめ設定し
   て溶融時に十分な未溶融高融点はんだが残り、かつ溶融
   時あるいはその後の熱処理のさい、低融点はんだと高融
   点はんだとの間に形成される中間層が均一な高融点はん
   だ層に拡大させたことを特徴とする電子部品のはんだ付
   け方法。