(57)【要約】【課題】ダイボンド接合を行うことができるように十分なはんだ量を供給することができ、基材や粘着剤を用いずに、加工が困難なはんだ合金を用いても、シートへの加工が可能なボールシート、およびボールシートの製造方法を提供する。【解決手段】複数のはんだボールからなるボールシートであって、はんだボールの粒径が１００〜１０００μｍであり、はんだボールを構成するはんだ合金の引張強度が５５ＭＰａ以上、０．２％耐力が４０ＭＰａ以上、伸びが４０％以下であり、はんだボールが、ボールシートの面方向において、隣接するはんだボールと接合している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のはんだボールからなるボールシートであって、
前記はんだボールの粒径が１００〜１０００μｍであり、
前記はんだボールを構成するはんだ合金の引張強度が５５ＭＰａ以上、０．２％耐力が４０ＭＰａ以上、伸びが４０％以下であり、
前記はんだボールが、前記ボールシートの面方向において、隣接するはんだボールと接合している
ことを特徴とするボールシート。
【請求項２】
前記はんだ合金は、質量％で、Ｓｂ：１０％以上であるＳｎ−Ｓｂ系はんだ合金、または、質量％で、Ｂｉ：５０％以上であるＢｉ−Ｓｎ系はんだ合金である、請求項１に記載のボールシート。
【請求項３】
前記ボールシートは、複数のはんだボールからなる層が２層以上積層されてなる、請求項１または２に記載のボールシート。
【請求項４】
型孔を有するダイと、前記型孔の上方から前記型孔に挿入可能なロッドを備える金型装置を用い、請求項１〜３のいずれか１項に記載のボールシートを製造する方法であって、
前記型孔に所定数のはんだボールを導入する工程と、
前記ロッドが前記型孔に導入されたはんだボールと接する位置まで、前記ロッドを前記型孔に挿入する工程と、
前記ロッドで前記はんだボールに超音波を印加し、前記ボールシートの面方向において、隣接する前記はんだボールを接合する工程と、
前記型孔から前記ロッドを抜去する工程と、
前記型孔で形成されたボールシートを取り出す工程と
を有することを特徴とするボールシートの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、はんだボールで形成されたボールシート及びボールシートの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体チップなどの電子部品は半導体接合基板にダイボンド接合される。ダイボンド接合には、ワイヤ、プリフォーム、ボール、微粉末などの種々の形状のはんだが用いられている。
【０００３】
近年、車載などで使用されるパワーデバイスでは、Ｓｉよりもバンドギャップが広いＳｉＣやＧａＮなどの半導体が用いられている。これらは、高温での使用により高性能を発揮することから、２５０℃を超える高温での使用が要求されている。そのため、パワーデバイスの接続部も耐熱性の向上が求められている。
【０００４】
耐熱性を有する接合には、固相線温度が２９０℃以上を示すＰｂ基のはんだ合金が現在でも使用されている。ヨーロッパでは、ＲｏＨＳ（Ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｈａｚａｒｄｏｕｓ  Ｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ）指令により、電子・電気機器に含まれる特定有害物質としてＰｂの使用量が１０００ｐｐｍ以下に制限されているが、代替可能なはんだ合金がないことから、唯一９０〜９５％のＰｂを含有するはんだ合金の使用が認められている。このＰｂ基のはんだ合金は加工性がよく、プリフォーム材などの種々の形状に加工することができる。しかし、この合金は例外的に使用が求められていることから、代替可能なはんだ合金を検討しなければならない。このため、環境保護の観点から、現在ではパワーデバイスに使用されるはんだ合金の鉛フリー化が検討されている。
【０００５】
一方、パワーデバイス用の鉛フリーはんだ合金として、例えばＳｎ−Ｓｂ系はんだ合金やＢｉ−Ｓｎ系はんだ合金が挙げられる。これらのはんだ合金は圧延や打ち抜きなどの加工が困難であり、プリフォームなどの形状に加工することが難しい。ただ、これらの合金組成を有するはんだ粉末を製造することは可能であるため、はんだ粉末での使用が検討されている。
【０００６】
はんだ粉末を用いた接合方法として、特許文献１には、はんだ粉末が粘着剤で付着した基材を用い、端子に基材のはんだ粉末を転写してはんだバンプを形成する発明が開示されている。この発明では、はんだ粉末の供給量が増加するように、転写するはんだ粉末層を基材上に２層以上積層する。具体的には、まず、１層のはんだ粉末層が付着した基材を２枚用意し、はんだ粉末層同士を対向して加熱・圧着を行う。すると、はんだ粉末の接合強度がはんだ粉末と基材との接着力を上回るため、基材を剥がしてもはんだ粉末同士の接合が維持される。そこで、一方の基材をはんだ粉末層から剥がすと、他方の基材上に２層のはんだ粉末層が積層されることになる。３層目以降も同様にして積層することができる。この発明は、はんだ粉末層数に応じて転写するはんだ粉末量を適宜調整することができ、また、転写リフロー後のブリッジがなく、高さ方向のバラツキも低減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１４―０４５０７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１に記載の発明は、基材の粘着剤に付着した複数層のはんだ粉末層を端子に転写するＰＰＳ（Ｐｒｅｃｏａｔ  ｂｙ  Ｐｏｗｄｅｒ  ｓｈｅｅｔ）法を用いる。このＰＰＳ法では、はんだ粉末の粒径を大きくすると粘着力の高い粘着剤を使用する必要が生じる。このため、特許文献１に記載の発明では、はんだ粉末への粘着剤の残存を避けるため、なるべく粘着力が小さい粘着剤を使用することが望ましく、大きくても１０μｍ程度のはんだ粉末を採用する。また、特許文献１では、３０μｍ程度のピッチのバンプを形成することを目的としているため、１０μｍを超えるはんだ粉末の使用を想定していない。したがって、はんだ量が必要なダイボンド接合をするためには、新たな技術を用いて対応する必要がある。
【０００９】
本発明の課題は、ダイボンド接合を行うことができるように十分なはんだ量を供給することができ、基材や粘着剤を用いずに、加工が困難なはんだ合金を用いてシート状に加工したボールシート、およびボールシートの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
特許文献１に記載の転写シートは、はんだ粉末層の１層目と２層目が接合されているものの、端子上にのみはんだ粉末を転写する必要があるため、はんだ粉末層を構成するはんだ粉末同士は接合していない。すなわち、特許文献１に記載の発明は、はんだ粉末が各層間（転写シート面に垂直な方向）で接合されているものの、各層内（転写シート面と平行な方向）では接合されていない。このため、ＰＰＳ法を用いる場合、基材や粘着剤が必要になる。
【００１１】
そこで、本発明者らは、圧延や打ち抜きなどの加工が困難なはんだ合金からなるはんだボールを用い、基材や粘着剤を用いず、且つはんだ量を稼ぐために粒径が１００〜１０００μｍ以上である複数のはんだボールからなるボールシートを形成することを検討した。
【００１２】
その結果、プラスチックの接合で一般的に用いられている超音波振動による接合方法を、はんだボール同士の接合に採用することによって、層内の隣接するはんだボール同士を接合した。この接合方法により、本発明者らは、粘着剤を用いることなく、複数のはんだボールだけでボールシートが形成可能なことを見出し、本発明を完成した。
【００１３】
本発明は次の通りである。
（１）複数のはんだボールからなるボールシートであって、はんだボールの粒径が１００〜１０００μｍであり、はんだボールを構成するはんだ合金の引張強度が５５ＭＰａ以上、０．２％耐力が４０ＭＰａ以上、伸びが４０％以下であり、はんだボールが、ボールシートの面方向において、隣接するはんだボールと接合していることを特徴とするボールシート。
【００１４】
（２）はんだ合金は、質量％で、Ｓｂ：１０％以上であるＳｎ−Ｓｂ系はんだ合金、または、質量％で、Ｂｉ：５０％以上であるＢｉ−Ｓｎ系はんだ合金である、上記（１）に記載のボールシート。
【００１５】
（３）ボールシートは、複数のはんだボールからなる層が２層以上積層されてなる、上記（１）または上記（２）に記載のボールシート。
【００１６】
（４）型孔を有するダイと、型孔の上方から型孔に挿入可能なロッドを備える金型装置を用い、上記（１）〜上記（３）のいずれか１項に記載のボールシートを製造する方法であって、型孔に所定数のはんだボールを導入する工程と、ロッドが型孔に導入されたはんだボールと接する位置まで、ロッドを型孔に挿入する工程と、ロッドではんだボールに超音波を印加し、ボールシートの面方向において、隣接するはんだボールを接合する工程と、型孔からロッドを抜去する工程と、型孔で形成されたボールシートを取り出す工程とを有することを特徴とするボールシートの製造方法。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、パワーデバイス用として好適であり、加工が困難なはんだ合金を用いたシート状はんだを得ることができる。また、はんだボールの粒径を大きくすることができるためにダイボンド接合などを行うために十分なはんだ量を供給することができる。さらには、基材や粘着剤を用いずに、且つ加工が困難なはんだ合金を用いても、シート状のはんだを得ることが可能となる。これに加えて、加工が困難なはんだ合金は強度も高いため、超音波による接合時にボール形状が維持しやすく、接合部のボイドの発生を抑制することができる。この他にも、本発明では、はんだボールの粒径が大きくボールシートを形成するためのはんだボール数を定量化することができるため、ボールシートの形状、重量が安定しやすくなり、また、ボールの合金組成別、粒径別に配置を自由に設計することなどが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明のボールを型孔に導入した場合を示した図であり、図１（ａ）は、はんだボールを体心平置きで型孔に導入した場合であり、図１（ｂ）ははんだボールを細密平置きで型孔に２層積層して導入した場合をそれぞれ示した図である。
【図２】図２は、本発明のボールシートの部分模式図である。
【図３】図３は、はんだボールに超音波を印加した場合におけるはんだボールの寸法の変化を示す図である。
【図４】図４（ａ）、図４（ｂ）は、各々本発明例である実施例１〜２のボールシートの表面写真である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明を以下により詳しく説明する。
１．ボールシートの概要
本発明のボールシートは複数のはんだボールからなる。はんだボールからなる層の数や配列について詳述する。
【００２０】
（１）複数のはんだボールからなる層の数
本発明のボールシートは複数のはんだボールからなる層で構成されている。層数は、被接合部に必要なはんだ量に応じて適宜調整されるが、ボールシートの強度を向上させるために２層以上であることが好ましい。
【００２１】
（２）はんだボールの配列例
図１は、本発明のボールを型孔に導入した場合を示した図であり、図１（ａ）は、はんだボール１０を体心平置きで型孔に導入した場合であり、図１（ｂ）ははんだボール２０を細密平置きで型孔に２層積層して導入した場合をそれぞれ示した図である。本発明では、例えば図１（ａ）に示すように、５ｍｍ角の型孔に５００μｍのはんだボール１０を導入する場合、１００個のはんだボールで形成されたボールシートが得られる。また、図１（ｂ）に示すように、細密平置きで２層積層するように５ｍｍ角の型孔にはんだボール２０を導入する場合には、１層目が１０５個で２層目が９５個であり、合計で２００個のはんだボール２０で形成されたボールシートが得られる。
【００２２】
図２は、本発明のボールシートの部分模式図である。図２に示すはんだボール３０の配列は、図１（ｂ）に示すように複数のはんだボール２０を理想状態で配列させることができないような状況が想定されている。量産時にはほとんどがこのような配列になると考えられる。図２に示すような配列では、はんだボール３０の個数が図１（ｂ）に示す理想状態より少ないため、ボールシートに空隙が多数形成される。しかし、この空隙はダイボンド接合の際にエアーを外部に逃がすための逃げ道となるため、接合部でのボイドの形成を抑制する。
【００２３】
２．はんだボールの粒径：１００〜１０００μｍ
本発明のボールシートは、直径が１００〜１０００μｍのはんだボールを用いる。粒径が１００μｍ未満では、超音波の印加時にはんだボールの原形を留めることができず、隙間がほとんどない板状はんだになってしまう。さらに、ダイボンド接合に必要なはんだ量を供給することが困難になる。一方、粒径が１０００μｍを超えると、薄厚のボールシートを形成することができない。よって、本発明でははんだボールの粒径を１００〜１０００μｍとする。粒径が小さいほどボールシートの厚さが制御しやすくなるため、好ましくは１００〜５００μｍであり、より好ましくは１００〜２００μｍである。
【００２４】
なお、形成されたボールシートの断面は、図３に示すように、はんだボール４０がはんだボール５０のように楕円形に変形する場合がある。はんだボール４０が変形する場合、はんだボール５０は、板厚方向で当初のはんだボール４０の粒径の７０〜８０％程度に変形する。
【００２５】
３．はんだボールを構成するはんだ合金の引張強度：５５ＭＰａ以上、０．２％耐力：４０ＭＰａ以上、伸び：４０％以下
本発明は、圧延によるシート加工や打ち抜き加工が困難なはんだ合金を用いて、シートを得ることを前提とする。このため、はんだ合金において、これらの加工が困難なはんだ合金が本発明に適用される。このような特性は、具体的には、はんだボールを構成するはんだ合金の引張強度が５５ＭＰａ以上、０．２％耐力が４０ＭＰａ以上、伸びが４０％以下である。
【００２６】
これらの値は、ＪＩＳ  Ｚ  ３１９８−２（２００３）に準じて測定された。はんだ合金を金型に鋳込み、ゲージ長が３０ｍｍ、直径８ｍｍの試験片を作製した。作製された試験片を、（Ｉｎｓｔｒｏｎ社製のＴｙｐｅ５９６６）により、室温で、６ｍｍ／ｍｉｎのストロークで引っ張り、引張強度、０．２％耐力、伸びを計測した。
【００２７】
引張強度は、打ち抜き加工に必要な圧力を求める指標として用いられる場合があり、この数値が高いと打ち抜き加工が困難になる。これらの観点から、本発明に適用されるはんだ合金の引張強度は５５ＭＰａ以上とする。０．２％耐力は、塑性変形が開始する荷重であり、この数値が高いとはんだを薄く伸ばすための荷重を高くしなければならず、加工が困難になる。このため、０．２％耐力は４０ＭＰａ以上とする。また、伸びは種々の金属加工において関与する特性であるため、難加工性の指標として、本発明では伸びを４０％以下とする。特に、圧延特性を阻害する伸びは３５％以下であることが好ましい。
【００２８】
これらの特性を有するはんだ合金は、汎用されているＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕはんだ合金と同様の条件で圧延や打ち抜きができないため、圧延による薄厚化が困難である。仮に薄厚化が可能であったとしても打ち抜き加工時に亀裂が発生してしまう。よって、圧延や打ち抜き加工ができない条件として、上記特性を有するはんだ合金が本発明に適用される。
【００２９】
このような特性を示すはんだ合金として、例えば、質量％で、Ｓｂ：１０％以上であるＳｎ−Ｓｂ系はんだ合金、質量％で、Ｂｉ：５０％以上であるＢｉ−Ｓｎ系はんだ合金が挙げられる。また、この他にも、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ系はんだ合金が挙げられる。Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕはんだ合金と比較して加工が困難であるとともにはんだボールの製造が可能なはんだ合金であれば、従来では得られなかった薄厚のシートが得られる。
【００３０】
４．はんだボールが、ボールシートの面方向において、隣接するはんだボールと接合していること
本発明のボールシートは１層で構成されるものを含む。このため、層を構成するはんだボールは隣接するはんだボールと接合している。隣接する少なくとも１つのはんだボールと接合していれば、ボールシートが形成される場合がある。はんだボール同士が接合している部分である接合部の数は２つ以上であることが好ましく、１つのはんだボールが隣接するはんだボールのすべてと接合していることが、ボールシートの強度の観点から最も好ましい。
【００３１】
例えば、図１（ａ）に示す配列の場合には４つであることが好ましく、図１（ｂ）に示す配列の場合には６つのはんだボール２０と層内で接合していることが好ましい。また、図１（ｂ）に示すように２層の場合には、１層目で６か所、２層目のはんだボール２０と３か所、合計で９か所の接合部を有することが好ましい。ただ、実際に製造する際には、図２に示すように、層内で２〜６個のはんだボール３０と接合するような形態であることが好ましい。
【００３２】
なお、本発明において接合とは、はんだ粉末同士が、点もしくは面で接合していることを表す。
【００３３】
５．ボールシートの形状
本発明では、圧延加工を行わずに薄厚シートを得ることができる。このため、ソルダディスク、ソルダワッシャー／リングなど種々の形状などのように矩形に関わらず、円形、三角形などの多角形とすることができる
６．ボールシートの製造方法
本発明のボールシートは、以下の工程により製造される。
【００３４】
（１）型孔を有するダイと、型孔の上方から型孔に挿入可能なロッドを備える金型装置を用いる。
【００３５】
本発明のボールシートを製造するためには、ダイとロッドを備える金型装置を用いる。ダイには型孔が設けられている。型孔には複数のはんだボールを導入することができる。ダイが上下に移動可能な場合には、圧縮成形用金型装置の下パンチに相当する下ロッドを設け、ダイを上昇させるか、もしくは下ロッドを下降させることにより型孔の深さを調整してもよい。型孔の深さは、ボールシートの層数や粒径に応じて適宜調整することができる。
【００３６】
本発明で用いるロッドは、圧縮成形用金型装置の上パンチに相当し、ロッドの先端が型孔へ挿入したり型孔から抜去したりすることができるように、上下自在に移動することができる。ロッドの下端面は複数のはんだボールと接してはんだボールに超音波を印加することができる。ロッドは、超音波出力と周波数を調整可能な超音波発振器に接続されており、この超音波発信機の設定により所望の超音波をはんだボールに印加することができる。
【００３７】
印加する超音波は、ロッド先端の形状、超音波出力、および周波数により調整することができる。本発明で用いるロッド先端の形状は、長方形、正方形、円など、ボールシートの形状に応じて選択することができる。ダイの型孔もロッド先端の形状に合わせることが好ましい。
【００３８】
（２）型孔に所定数のはんだボールを導入する工程
まず、ダイの型孔に複数のはんだボールを導入する。導入後のはんだボールの配列は、前述の図１や図２に示すようなものとなる。導入方法としては、例えば、ダイ表面を摺動可能なフィーダーカップがダイ上に設けられており、フィーダーカップがダイの型孔上に移動し、フィーダーカップ内のはんだボールが型孔に落下して導入される、という方法が挙げられる。例えば、所望の粒径や合金組成を有する所望のはんだボールをボールシートの端部に配置させたい場合には、フィーダーの内部を区切り、所望のはんだボールを型孔の孔底周縁部に導入するとともに、孔底周縁部以外の部分には別の粒径や合金組成を有するはんだボールを導入してもよい。
【００３９】
（３）型孔に導入されたはんだボールと接する位置まで、ロッドを型孔に挿入する工程
型孔にはんだボールが導入された後、ロッドを型孔に挿入する。本発明では、はんだボールに超音波を印加するため、図３に示すように、ロッド４１の表面がはんだボールと接する位置にまでロッド４１を下降する。この際、ロッド４１が下降しすぎるとはんだボール４０が潰れるためにボールの原形を留めることができず板状になってしまい、ダイボンド接合の際に空隙のエアーを外部に逃がすことができなくなる。よって、ロッド４１の型孔への挿入位置は、はんだボール４０の表面と接する位置とすることが望ましい。はんだボール４０の原形を留めることができる程度であれば、はんだボール４０をわずかに押圧してもよい。
【００４０】
なお、本発明は、はんだボール５０のような楕円形を許容する。
（４）ロッドではんだボールに超音波を印加し、はんだボールを少なくとも面方向で接合する工程
上記の工程でロッドを型孔に挿入した後、はんだボールに超音波を印加する。超音波が印加されたはんだボールは隣接するはんだボールと超音波振動により接合する。このため、得られたボールシートは、はんだボールが面方向で接合されている。２層以上の場合には、はんだボールが面方向で接合することに加えて、１層目のはんだボールと２層目のはんだボールも接合することができる。これによって、ボールシートの強度はさらに向上する。
【００４１】
この他の超音波の条件は前述のとおりである。
（５）型孔からロッドを抜去する工程、型孔で形成された前記ボールシートを取り出す工程
超音波の印加が終了した後、型孔からロッドを抜去してボールシートを取り出す。ボールシートの取り出し方としては、型孔内のボールシートを吸引して取り出す方法が挙げられる。また、下ロッドを有するとともにダイが上下に可動する場合には、下ロッドの表面がダイの面一になるように、ダイを下降させるか、もしくは下ロッドを上昇させることが挙げられる。
【実施例】
【００４２】
本発明の効果を立証するため、下記実施例１〜２によりボールシートを形成した。
・実施例１
Ｓｎ−Ｓｂ系はんだ合金（合金組成：Ｓｎ−１０Ｓｂ、引張強度：５５ＭＰａ、０．２％耐力：４０ＭＰａ、伸び：３３％）を用い、粒径が５００μｍのはんだボールを製造した。そして、５ｍｍ角の型孔を有するダイ、５ｍｍ角のロッドを備える金型装置を用い、ダイの型孔に上記はんだボールを０．０８２４ｇ（２４０個分に相当する。）導入し、はんだボールからなる層が２層になるようにした。ロッドが型孔に導入されたはんだボールと接するまでロッドを型孔に挿入した。その後、超音波出力が３００Ｗで、周波数が３９ＫＨｚの超音波を１．５秒間印加した。最後に、ロッドを上昇させて、吸引機にてダイからボールシートを取り出した。
【００４３】
取り出したボールシートは、図４（ａ）に示すように、ボールシートの面方向において、はんだボール６０同士が接合されていることを確認した。また、ボールシートの板厚は８００μｍであった。はんだボールの断面を観察したところ、はんだボール６０が楕円形に変形しており、板厚方向のはんだボール６０の粒径は、当初の粒径の８０％程度であった。
【００４４】
・実施例２
実施例１において、はんだボールの粒径を１５０μｍ、ボール総重量を０．０３４ｇ（２６００個分に相当する。）、としたこと以外、実施例１と同様の条件でボールシートを製造した。
【００４５】
得られたボールシートは、図４（ｂ）に示すように、ボールシートの面方向において、はんだボール７０同士が接合されていることを確認した。ボールシートの板厚は約２４０μｍであった。断面観察によりはんだボールが楕円形に変形していることも確認した。板厚方向のはんだボールの粒径は、当初の粒径の８０％程度であった。
【００４６】
また、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金と比較して加工が困難であるＢｉ−Ｓｎ系はんだ合金やＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ系はんだ合金においても、同様の結果が得られた。
【００４７】
以上のように、いずれも実施例においても、超音波をわずかな時間だけ印加することによって、はんだボールだけでボールシートを形成することができた。
【符号の説明】
【００４８】
１０〜７０  はんだ粉末
４１  ロッド
【図１】
2018061975.tif 000003
【図２】
2018061975.tif 000004
【図３】
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【図４】
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