(57)【要約】【課題】トランジスタやＩＣ等の半導体チップ、特にパワートランジスタの耐熱性に優れたダイボンディングを、容易な温度管理のもとで行い得るはんだ付け方法を提供する。【解決手段】Ｐｂが７５％以上で、かつ固液相線温度差が２０℃以上のはんだを固液共存状態とするように加熱し、この状態で界面をはんだ付けする。Ｐｂ含有量７５％以上のはんだ自体の熱サイクルに対する耐熱性が高く、またはんだ付け中に、はんだ付け温度が多少変動しても、固液共存状態を確実に保ち得、固液共存物中の固溶体のためにはんだ層の厚みを容易に厚くできる。従って、被接合部材の線熱膨張係数の差に基づき熱サイクル下で、はんだ層に加えられる剪断歪みγを良好に軽減でき、かつはんだ自体の耐熱性を高くできるので、はんだ層の破壊（クラック破壊）を良好に防止できる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｐｂが７５％以上で、かつ固液相線温度差が１５℃以上のはんだを固液共存状態とするように加熱し、この状態で界面をはんだ付けすることを特徴とするはんだ付け方法。
【請求項２】
Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｇｄ、Ｐｔの１種または２種以上が０．１〜２５％、残部がＰｂであるはんだを使用することを特徴とする請求項１記載のはんだ付け方法。
【請求項３】
はんだに、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ａｕの１種または２種以上を０．１〜１０％添加することを特徴とする２記載のはんだ付け方法。
【請求項４】
はんだに、Ｐ、Ｇａ、Ｇｅの１種または２種以上を０．００１〜０．１％添加することを特徴とする請求項１〜３何れか記載のはんだ付け方法。
【請求項５】
半導体チップのダイボンディングに使用することを特徴とする請求項１〜４何れか記載のはんだ付け方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明ははんだ付け方法に関し、特に半導体チップのダイボンディングに有用なものである。
【背景技術】
【０００２】
ウエハチップや集積回路の半導体チップを基板にダイボンディングし、半導体チップの電極とリードとをワイヤボンディングし、次いでパッケージする一連の半導体組立工程において、ダイボンディング部は半導体のプリント配線板へのはんだ付け温度やワイヤボンディング温度に耐え得るものでなくてはならず、そのボンディングには、金−シリコン共晶法、導電性接着剤法、はんだ法等が使用されている。
特に、パワートランジスタやパワーＩＣにおいては、消費電力が大きく、ダイボンディング部を経ての放熱を促進して過熱を防止するためにダイボンディング部の熱抵抗を低くする必要があること、チップ裏面側を電極としており電気抵抗を低くする必要があること等の点から、はんだ法が使用されている。（非特許文献１）
【非特許文献１】最新の半導体アセンブリ技術とその高信頼化・全自動化、１９９０年、応用技術出版社発行の２６０−２６１頁
【０００３】
このはんだ法ダイボンディングに使用するはんだには、半導体のプリント配線板へのはんだ付け温度よりも高融点のはんだ組成を使用する必要があり、プリント配線板へのはんだ付けに、通常Ｓｎ−Ｐｂ合金の共晶組成に近いＳｎ４０％，Ｐｂ６０％の融点ほぼ１９０℃のはんだが用いられているため、ダイボンディングのはんだには固相線温度が３００℃、液相線温度が３１４℃のＳｎ５％−Ｐｂ９５％のはんだが使用されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
パワートランジスタやパワーＩＣ等においては、ｐ−ｎ接合部での消費電力が大きいために、実装された電子機器の断続動作に応じ発熱と自然冷却が繰り返される際、熱ヒートサイクルを受け、ボンディングされた両部材、すなわちパワートランジスタ等と基板との線熱膨張係数が異なると、接合界面のはんだ層が繰り返し剪断ストレスに曝される。
すなわち、図１に示すように、ダイボンディング部の巾をｗ、はんだ層３の厚みをｈとし、パワートランジスタ等１の線熱膨張係数をα、基板２（例えば、銅製リードフレーム）の線熱膨張係数をβ（β＞α）、温度上昇をΔＴとすると、熱ヒートサイクルによりはんだ層に加わる最大剪断歪みγは、
【０００５】
γ＝ｗ・ΔＴ・（β−α）／ｈ
で与えられ、最大剪断応力τは、剪断弾性係数をＧとすると、
【０００６】
τ＝γ／Ｇ
で与えられる。
この最大剪断応力τの繰返しによるダイボンディング界面の疲労破壊を抑制するには、はんだ自体の耐疲労性を高くすることが有効であり、従来のＰｂ９５％，Ｐｂ５％のはんだでは、Ｐｂ含有量が多いためにそれよりもＰｂが少ないＰｂ−Ｓｎ二元はんだよりも耐疲労性に優れている。
しかしながら、Ｐｂ９５％−Ｓｎ５％はんだでは、固相線温度と液相線温度との差が小さく、はんだを固液共存状態に保持するための温度調整が困難であり、はんだ付け中に、はんだが完全に液相化されてはんだ層厚みｈの薄肉化が避けられず、前記した剪断歪みγが大きくなり、はんだ層の早期疲労破壊が余儀なくされる。
【０００７】
本発明の目的は、トランジスタやＩＣ等の半導体チップ、特にパワートランジスタの耐熱性に優れたダイボンディングを、容易な温度管理のもとで行い得るはんだ付け方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に係るはんだ付け方法は、Ｐｂ７５％以上で、かつ固液相線温度差が１５℃以上のはんだを固液共存状態とするように加熱し、この状態で界面をはんだ付けすることを特徴とするはんだ付け方法。
請求項２に係るはんだ付け方法は、請求項１記載のはんだ付け方法において、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｇｄ、Ｐｔの１種または２種以上が０．１〜２５％、残部がＰｂであるはんだを使用することを特徴とする請求項１記載のはんだ付け方法。
請求項３に係るはんだ付け方法は、請求項２記載のはんだ付け方法において、はんだに、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ａｕの１種または２種以上を０．１〜１０％添加することを特徴とする。
請求項４に係るはんだ付け方法は、請求項１〜３何れか記載のはんだ付け方法において、はんだに、Ｐ、Ｇａ、Ｇｅの１種または２種以上を０．００１〜０．１％添加することを特徴とする。
請求項５に係るはんだ付け方法は、請求項１〜４何れかのはんだ付け方法において、半導体チップのダイボンディングに使用することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
Ｐｂ含有量が７５％以上のはんだを使用しているから、はんだ自体の熱サイクルに対する耐疲労性（以下、耐熱性と称する）を高くできる。
更に、固液相線温度差を１５℃以上として固液共存状態（固溶体と融液との混合状態）を保持できる温度巾を広くしているから、はんだ付け中に、はんだ付け温度が多少変動しても、固液共存状態を確実に保ち得、固液共存物中の固溶体のためにはんだ層の厚みｈを容易に厚くできる。従って、被接合部材の線熱膨張係数の差に基づき熱サイクル下で、はんだ層に加えられる前記した剪断歪みγを良好に軽減でき、かつはんだ自体の耐熱性を高くできるので、はんだ層の破壊（クラック破壊）を良好に防止できる。
特に、請求項２では、ＰｂにＡｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｇｄ、Ｐｔの少なくとを一種を０．１〜２５％添加したはんだを使用しているから、Ｐｂ含有量７５％以上に基づくはんだ自体の熱サイクルに対する優れた耐熱性をよく保持させて液相線温度を高くでき、固液相線温度差１５℃以上の設定を容易に行い得る。
特に、請求項３では、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ａｕの１種または２種以上の添加によりはんだの濡れ性が向上され、界面の接合強度を高めることができる。
特に、請求項４では、Ｐ、Ｇａ、Ｇｅの１種または２種以上がはんだ溶融時に優先的に酸化して他の元素の酸化を防止し、Ｐ、Ｇａ、Ｇｅ等の酸化物が溶融はんだ表面に浮いて巻き込まれ難いから、はんだ層の酸化による機械的強度の低下をよく抑えて前記したはんだ自体の耐熱性を良好に維持させ得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、パワートランジスタのダイボンディングを例にして本発明の実施形態を説明する。
図１において、１はパワートランジスタであり、中・大電力増幅、大電流スイッチング、電源のレギュレータ等に使用されるコレクタ損失６００ｍｗ以上のトランジスタであり、裏面には、はんだと接合可能なメタライズ層が設けられている。２は基板、例えばリードフレームであり、ダイマウント部にＡｇメッキ等したパット２１が設けられている。
３ははんだ層であり、パット２１上にはんだ箔を載せ、そのうえにパワートランジスタ１を載せ、錘やばねで荷重を加え、加熱によりはんだ箔を溶融させ、次いで冷却して溶融はんだを凝固させてある。
はんだ箔に代え、はんだボール、クリームはんだ、はんだ線を使用することもできる。
【００１１】
前記のはんだ箔等には、Ｐｂ含有量が７５％以上で、かつ固液相線温度差が１５℃以上、好ましくは５０℃以上、より好ましくは１００℃以上のはんだを使用し、はんだの加熱温度に多少の温度変動があっても、はんだの固液共存状態を確保できるように加熱基準温度を設定してある。
【００１２】
図２は二元共晶系合金の状態図（説明図）を示している。図２において、Ｓαはα固溶体を、Ｓβはβ固溶体を、（Ｓα＋Ｓβ）は両固溶体の混合体を、Ｌは融液を、ａは固相線温度を、ｂは液相線温度を、（Ｓα＋Ｌ）は固溶体Ｓαと融液Ｌとの混合体を、（Ｓβ＋Ｌ）は固溶体Ｓβと融液Ｌとの混合体をそれぞれ示し、ある組成の合金の固相線温度をＴｓ、液相線温度Ｔｌに対し、はんだの加熱温度が基準温度Ｔ０に対し±ΔＴ変動しても、固液相線温度差（Ｔｌ−Ｔｓ）が充分に大であれば、はんだの状態を固液共存状態に留め得、かかる状態のはんだでは、混在する固溶体のために圧潰変形され難く、はんだ層の厚みを充分に厚くできる。
而るに、本発明に係るはんだ付け方法では、固液相線温度差（Ｔｌ−Ｔｓ）を２０℃以上としているので、最低限（Ｔｓ＋１０℃）を基準温度とすれば、±１０℃の温度変動があっても、確実に固液共存状態を保持してはんだ付けでき、はんだ層の厚みを充分に厚くできる。
【００１３】
図２において、温度Ｔ０での固溶体：融液の重量比は（ａｏ−ｏ）の距離：（ｂｏ−ｏ）の距離の比で与えられ、固相比率を５〜９０％、好ましくは１５〜７０％とするように、合金の組成（固相線温度と液相線温度）や基準加熱温度Ｔ０を設定してある。固相比率を５〜９０％とする理由は、５％未満では、軟らか過ぎてはんだ層を厚くし難く、９０％を超えるとはんだの濡れ性が低下し過ぎ作業性を担保できないからである。
はんだのＰｂ含有量を７５％以上とする理由は、Ｐｂが適度の延性を有し、Ｐｂ含有量を７５％以上とすることにより、熱サイクルに対する優れた耐疲労性を確保することにある。
Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｇｄ、Ｐｔの１種または２種以上を０．１〜２５％含有させると、液相線温度を上昇させ得て固液相線温度差を広くできる。添加量を０．１〜２５％に限定する理由は、０．１％未満では液相線温度の上昇を満足に得ることができず、２５％を超えると、前記した耐熱性（熱サイクルに対する優れた耐疲労性）を維持し難く、固相線温度が高くなり過ぎてダイボンディング作業に支障をきたすからである。
Ｉｎ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ａｕの１種または２種以上を０．１〜１０％含有させると、濡れ性が良くなり、接合作業の作業性の向上や界面接合強度の向上が得られる。添加量を０．１〜１０％に限定する理由は、０．１％未満では濡れ性が実質的に変わらず、１０％を超えると、固相線温度が低なり過ぎてダイボンディング部に所望の耐熱温度を付与し難くなるからである。
はんだにＰ、Ｇａ、Ｇｅの１種または２種以上を０．００１〜０．１％添加すれば、はんだ溶融時にＰ、Ｇａ、Ｇｅが優先的に酸化して他の元素の酸化が防止され、そのＰ、Ｇａ、Ｇｅ等の酸化物が溶融はんだ表面に浮いて溶融はんだへの巻き込が抑えられるから、はんだ層の酸化による機械的強度の低下をよく抑えて前記したはんだ自体の耐熱性を良好に維持できる。添加量を０．００１〜０．１％に限定する理由は、０．００１％以下では前記酸化防止を満足に得ることができず、０．１％を超えると、前記した耐熱性を維持し難いからである。
はんだとしては、Ａｇ５〜１５％，残部Ｐｂ、またはこの組成１００重量部にＩｎ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｂｉ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｇｄ、Ｐｔの一種または二種以上を０．２〜７重量部添加したものを好適に使用できる。
【００１４】
本発明に係るはんだ付け方法によりパワートランジスタをダイボンディングした後は、リードフレームの内部リードとパワートランジスタのアルミ電極との間をワイヤーボンディングし、更にトランスファーモールド法により樹脂パッケージングし、而るのち、リードフレームの外側部分を除去してパワートランジスタの組立てを終了する。
このようにして組み立てられたパワートランジスタは、プリント配線板にリフロー法やフロー法によりはんだ付けされる。
ダイボンディングに使用したはんだの固相線温度はこのリフロー温度やフロー温度よりも充分に高くされており、リフロー法はんだ付けやフロー法はんだ付けに対し前記のダイボンディング部を安定に保持できる。
【００１５】
パワートランジスタにおいては、コレクタ損失が６００ｍｗ以上と大きく、実装された電子機器の断続動作に応じｐ−ｎ接合部での発熱と自然冷却との繰返しによりダイボンディング界面のはんだ層が熱サイクルストレスに曝される。
このストレスはダイボンディング界面の巾をｗ、はんだ層の厚みをｈとし、パワートランジスタの線熱膨張係数をα、基板（例えば、銅製リードフレーム）の線熱膨張係数をβ（β＞α）、温度上昇をΔＴ、剪断弾性係数をＧとすると、
【００１６】
τ＝ｗ・ΔＴ・（β−α）／（Ｇｈ）
で与えられる。
而るに、本発明に係るはんだ付け方法によれば、はんだ自体の繰返し熱ストレスに対する耐熱性を高くでき、しかもはんだ層の厚みｈを容易に厚くできるので、前記熱サイクルに対する耐熱性を良好に向上できる（勿論、ダイボンディングを錘やばねによる所定の加圧下で行っているので、はんだ層とパワートランジスタとの界面及びはんだ層とリードフレームとの界面にボイド等の非溶着部が発生するのを防止でき、応力集中による破壊もよく防止できる）。
【実施例１】
【００１７】
はんだの組成をＰｂ−Ａｇ１０％−Ｓｎ１％とした。このはんだの固相線温度は２９６℃、液相線温度は４４０℃であり、固液相線温度差が１４４℃である。温度３３０℃での固相比率は６３％、温度３５０℃での固相比率は５３％、温度３７０℃での固相比率は４４％である。
このはんだを使用し、加熱基準温度を３５０℃とし、±１０℃の範囲で加熱温度を変動させてパワートランジスタを銅リードフレームにダイボンディングしたところ、はんだ層の厚みは５０±３μｍであった。
【実施例２】
【００１８】
はんだの組成をＰｂ−Ａｇ１０％とした。このはんだの固相線温度は３０４℃、液相線温度は４５０℃であり、固液相線温度差が１４６℃である。温度３３０℃での固相比率は６３％、温度３５０℃での固相比率は５３％、温度３７０℃での固相比率は４４％である。
このはんだを使用し、加熱基準温度を３５０℃とし、±１０℃の範囲で加熱温度を変動させてパワートランジスタを銅リードフレームにダイボンディングしたところ、はんだ層の厚みは５４±３μｍであった。
【実施例３】
【００１９】
はんだの組成をＰｂ−Ａｇ１０％−Ｉｎ５％とした。このはんだの固相線温度は４２０℃、液相線温度は２９０℃であり、固液相線温度差が１３０℃である。温度３３０℃での固相比率は５５％、温度３５０℃での固相比率は４５％、温度３７０℃での固相比率は４４％である。
このはんだを使用し、加熱基準温度を３５０℃とし、±１０℃の範囲で加熱温度を変動させてパワートランジスタを銅リードフレームにダイボンディングしたところ、はんだ層の厚みは４５±３μｍであった。
【実施例４】
【００２０】
はんだの組成をＰｂ−Ａｇ１０％−Ｎｉ０．５％とした。このはんだの固相線温度は３０４℃、液相線温度は４５０℃であり、固液相線温度差が１００℃である。温度３３０℃での固相比率は６４％、温度３５０℃での固相比率は５４％、温度３７０℃での固相比率は４５％である。
このはんだを使用し、加熱基準温度を３５０℃とし、±１０℃の範囲で加熱温度を変動させてパワートランジスタを銅リードフレームにダイボンディングしたところ、はんだ層の厚みは４９±３μｍであった。
【００２１】
〔比較例〕
はんだの組成はＰｂ−Ｓｎ５％−Ａｇ１．５％の共晶合金であり、共晶温度は２９６℃である。
このはんだを使用し、加熱基準温度を３５０℃とし、±１０℃の範囲で加熱温度を変動させてパワートランジスタを銅リードフレームにダイボンディングしたところ、はんだ層の厚みは２０±１μｍであった。
【００２２】
これら実施例及び比較例で組み立てたパワートランジスタをプリント配線板に、通常のＰｂ−Ｓｎ６０％はんだを使用して実装し、サーフルファーティーグテスト（１分間オン／２分間オフさせ、その間の温度差をほぼ１００℃になるようにしてダイボンディング部が破壊するサイクル数を測定する）を行ったところ、実施例品は何れも１０ｋサイクル以上であり、比較例に較べ優れていた。
【００２３】
なお、本発明に係るはんだ付け方法は、パワートランジスタ等の半導体チップとリードフレームとの間のボンディングの外、半導体チップとパッケージ容器底面との間のボンディング、更には、組み立てられた半導体とプリント配線板との接合にも使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係るはんだ付け方法を使用した半導体チップのダイボンディグ部を示す図面である。
【図２】本発明に係るはんだ付け方法における加熱温度を説明するために使用した合金の状態図である。
【符号の説明】
【００２５】
１              半導体チップ
２              基板
３              はんだ層
ａ              固相線温度
ｂ              液相線温度
Ｔ０            基準加熱温度
【図１】
2005286274.tif 000002
【図２】
2005286274.tif 000003