(57)【要約】【課題】フラックス入りＰｂフリーはんだ箔は難還元性Ｓｎ酸化物を還元するために、活性力が強いフラックスを使用することが多く、このためにボイドが発生し易い。ボイドの発生を少なくするフラックス入りはんだ箔を提供する。【解決手段】はんだ箔１の断面積比で１〜３０％のフラックス２を横方向に延在もしくは分散させることにより、フラックスがリフロー温度にさらされる時間を少なくし、フラックスの活性力を下げるかあるいは使用量を少なくする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
はんだ合金を箔状に成形したはんだ箔において、箔の断面積比率で１〜３０％のフラックスを、横方向に延在もしくは分散していることを特徴とするフラックス入りはんだ箔。
【請求項２】
前記はんだ合金がＰｂフリーＳｎ系はんだ合金である請求項１記載のフラックス入りはんだ箔。
【請求項３】
パワーモジュールのチップ部品をシート状基板に接合するはんだ付けに使用される請求項１又は２記載のフラックス入りはんだ箔。
【請求項４】
請求項１又は２記載のフラックス入りはんだ箔を、フラックスを塗布せずにシート状基板とパワーモジュールのチップ部品との間に積層して、リフローを行うことを特徴とする半導体素子の接合方法。
【請求項５】
前記リフローを窒素雰囲気中で行うことを特徴とする請求項４記載の半導体素子の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、パワーモジュールのチップ部品をシート状基板に直接接合するに適したはんだ及び半導体素子の接合方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
先ず、Ｓｎ−Ｐｂ系はんだ箔の従来技術を挙げる。
特開昭６３−６１９７３号公報に開示された半導体チップの接合方法によると、例えばＳｎ−Ｐｂはんだ箔内にＣｕ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ａｇなどの熱伝導性が優れ、かつはんだとの親和性に優れた金属粒子を包含させることにより、破壊耐量や最大電流値の増大を図ることが提案されている。
特開平１０−２７０６１２号公報に開示された放熱板接合用基板によると、三層構造の放熱板接合用基板と放熱板２０の間をはんだ箔により接合している。このはんだ箔はＰｂ−Ｓｎはんだであり、フラックスを含有していない。はんだ付けを行う加熱炉はＨ２−Ｎ２混合ガスが満たされたトンネルタイプのものである。
【０００３】
次に、Ｐｂフリーはんだ箔の従来技術を挙げる。
特開２００１−３５９７８号公報では、Ｓｎ−Ｚｎ系はんだは強いフラックスが必要があるので、弱いフラックスで十分なＳｎ−Ｓｂ，  Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｂｉ系はんだ箔を使用して不活性窒素雰囲気中ではんだ付けを行っている。
【０００４】
続いて、種類を限定していない一般的はんだ箔の従来技術を挙げる。
特開２００１−３５９７８号公報は、フラックス入りクリームはんだとノンフラックスはんだ箔を上下に積層し，はんだ接合部のボイドを少なくすることを開示している。すなわち、フラックス入りクリームはんだだけではなく、ノンフラックスはんだ箔も使用しているので、ボイドが少なくなると説明されている。
【０００５】
以上の従来技術から分かるように、Ｐｂ−Ｓｎ系はんだはフラックスを使用しない場合はリフローは還元性雰囲気で行うことが必要である。ＰｂフリーのＳｎ系はんだは、Ｓｎの酸化物が難還元性であるために、不活性雰囲気中でリフローを行なう場合はフラックスを使用することが必要である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように難還元性Ｓｎ酸化物を還元するためには活性度が高いフラックスを多量に使用することが好ましいが、活性度が高いフラックスを多量に使用することはボイドを発生し易くする。
本発明者らは、フラックスの使用方式について従来の塗布方式と対比して、種々の方式についてボイド発生状況の実験し、前掲特開２００１−３５９７８号公報の方法もＰｂフリーＳｎ系はんだに適用して追試したが、フラックス塗布方法よりも、ボイドを効果的に少なくすることができなかった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは鋭意検討した結果、フラックス入りＰｂフリーはんだ箔が、パワーモジュールのチップ部品をはんだ付けするに際してボイドを少なくできることを見出した。同様に、フラックス入りはんだは従来のＰｂ−Ｓｎ系はんだとして具体化しても同様にパワーモジュールのチップ部品のはんだ付けに際してボイドを少なくすることができる。
したがって、本発明は、はんだ合金を箔状に成形したはんだ箔において、箔の断面積比率で１〜３０％のフラックスを、横方向に延在もしくは分散していることを特徴とするフラックス入りはんだ箔を提供するものである。
以下、本発明を詳しく説明する。
【０００８】
本発明において、Ｐｂ  フリーＳｎ系はんだは、Ｓｎ−Ａｇ系，  Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系，    Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ系，    Ｓｎ−Ｚｎ系，  Ｓｎ−Ｃｕ系などの各種はんだ合金である。これらの組成例については、「鉛フリーはんだ実装の基礎と技術」２００１金属学会セミナーテキスト、第４３〜４６頁（「国内外における鉛フリーはんだ標準化の動向」などに紹介されている。
【０００９】
はんだ箔は、一般に厚さが０．０１ｍｍ〜２ｍｍであり、好ましくは０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍであり、幅はチップ部品の幅により決定されるが、一般には５ｍｍ〜４００ｍｍの範囲である。
【００１０】
フラックスは、リフロー時に加熱されるとはんだ合金の接合表面に流動して酸化膜を取り除くものである。フラックスとしては、ロジン類等の基剤、活性剤、溶剤などの添加剤が主な成分である。クリームはんだに使用されるフラックスに較らべ、溶剤の量は極端に低く、常温では固形または固形に近いものが好ましい。
【００１１】
本発明に係るはんだ箔は、やに入りはんだ線を素材として圧延することにより製造することができる。図１に圧延後のフラックス入はんだ箔の概略図を示す。
図１に示された本発明に係る箔の模式図において、箔の圧延方向（Ｌ）に直交する断面１ａの面積に対して、フラックス２の面積比率で１％未満であると活性力が不足してはんだ付性を損なう。一方３０％を超えるとボイドが発生しやすい。フラックス面積比率は好ましくは２〜２０％である。さらにフラックスの幅（ｄ）は箔の幅（Ｄ）に対してｄ／Ｄ（％）＝１０〜８０％が好ましく、より好ましくは２０〜７０％である。
【００１２】
【作用】
一般に、ＰｂフリーＳｎ系はんだはＰｂ−Ｓｎ系はんだに比べてリフロー温度が高いために、フラックスの成分であるロジンや活性剤に含まれる有機カルボン酸などが劣化して活性力を失い易い。
本発明によりフラックスを箔内に充填すると、リフローの際に生成する温度勾配は箔の外側で高く内側で低いから、フラックスがリフロー温度にさらされる時間が少なくなる。これに比較して塗布されたフラックスやクリームはんだ内のフラックスはリフロー温度にさらされる比較的に時間が長くなる。
また、はんだ箔内に板状に充填されたフラックスが接合面全体に流動・移動する距離と、平面配列されたフラックス入り糸はんだのフラックスが接合面全体に流動・移動する距離とを比較すると、後者の方が前者より横広がりする分だけ距離が長くなる。距離が長い分だけリフロー温度長時間さらされることになり、ロジンや活性剤に含まれる有機カルボン酸などの劣化が起こり易い。
したがって、本発明法は、フラックスの劣化を抑えることができ、その結果同じフラックス量でも活性力が高くなるので、リフローを還元性雰囲気中行なう必要がなくなり、あるいは同じ活性力を達成するためのフラックス量が少なくなるから、ボイドの発生を少なくすることができる。
【００１３】
本発明のはんだ箔をＰｂ−Ｓｎ系はんだに使用した場合は上記の効果は顕著ではないが、やはりボイドの発生を少なくすることができる。従来のＰｂ−Ｓｎ系はんだはリフロー時に水素還元するために、表面の酸化膜厚さを１０ｎｍ以下にする厳密な管理が要請されていたが、本発明によると酸化膜厚さの管理精度が緩和される。
【００１４】
パワーモジュールを基板に接合する際には図２に示すように、シート状基板５、はんだ箔１及びパワーモジュール４用チップ部品を積層してリフローを行なう。
【００１５】
【実施例】
Ｓｎ−３．５％Ａｇ系はんだを用いてはんだ付け実験を行った。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
表１において使用された塗布フラックスの組成は、約７％ロジン、約０．２％活性剤、残部ポリエチレングリコールであった。Ｎｏ．１，２のはんだ箔は厚さが０．１ｍｍ、幅が７ｍｍであった。Ｎｏ．２のはんだ箔におけるフラックス面積率は７％であった。Ｎｏ．１の塗布方法ではＮｏ．２と同じ量のフラックスを基板に塗布した。
また、Ｎｏ．３の糸はんだは直径が０．３ｍｍであり、フラックス面積率は１５％であった。このフラックス入り糸はんだを２０本平面整列した。
Ｎｏ．４のクリームはんだははんだ合金粒子の平均径が４０μｍであり、はんだ合金粒子とフラックスを重量比で９０：１０に混合した。
リフローは２７０℃、６０秒、窒素雰囲気の条件で行った。
【００１８】
上記条件でリフロー試験を１０回行い、Ｘ線ＣＴスキャンして、ボイド面積率を測定して平均値を求めた結果を表２に示す。
【００１９】
【表２】
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【００２０】
表２に示すように、本発明実施例のＮｏ．２は、ボイド面積率が低い。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るはんだ箔は、特にＰｂフリーのＳｎ系はんだについてボイドの発生を少なくすることができる（請求項１，２，３）。
さらに、リフローに際してフラックスの塗布を必要としないので、作業性が向上する（請求項４）。
さらにまた、水素を使用せずに窒素雰囲気でリフローをすることができるので、製造コストが低減する（請求項５）。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るはんだ箔の模式図である。
【図２】パワーモジュールの接合法を図解する模式図である。
【符号の説明】
１  はんだ箔
２  フラックス
４  パワーモジュール用チップ部品
５  シート状基板
【図１】
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【図２】
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