JP2000351093A

JP2000351093A - 半田材料及びそれを用いた電子部品

Info

Publication number: JP2000351093A
Application number: JP11162888A
Authority: JP
Inventors: Toshinori Kogashiwa; 俊典小柏
Original assignee: Tanaka Denshi Kogyo KK
Current assignee: Tanaka Denshi Kogyo KK
Priority date: 1999-06-09
Filing date: 1999-06-09
Publication date: 2000-12-19

Abstract

(57)【要約】【課題】初期ボイド発生率が小さく、ＩＣチップのダイ
ボンドのように熱膨張係数が大きく異なる半田接合にお
ける半田材料の耐熱疲労性に優れ、ＩＣチップをダイボ
ンディングした際の水平度を向上することが出来る半田
材料とこれを用いた電子部品を提供する。【解決手段】２．０〜３．０重量％Ｓｎ、０．００１〜
０．２重量％Ｉｎ、０〜２．０重量％Ａｇ、及び残部が
Ｐｂと不可避不純物からなり、前記Ｐｂ含有量が９５．
５〜９７．９９重量％で、且つＢｉ，Ｓｂ含有量が各々
０．００５重量％以下である半田材料とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はＰｂを主成分とした
高温半田材料に関し、特に、半導体装置用ＩＣチップの
ダイボンディングの接続に用いて好適な半田材料、およ
びそれを用いた電子部品に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電子部品の半田付けにはＳｎ−Ｐ
ｂを基本組成とした半田材料が用いられているが、特に
63Ｓｎ−37Ｐｂ近傍組成の半田は融点が１８３℃前後と
低いため、電子部品への熱影響が少ないとして幅広く使
用されている。一方、半田接合部分は、電子部品の動作
状態における温度上昇と非動作状態における常温との繰
り返し温度変化を受けるが、特に接合部品同士の熱膨張
係数の差異に起因する繰り返し歪みの疲労から、半田接
合部分にクラックが発生し進展して、接合強度ならびに
電気的接続の信頼性を低下させる虞れがある。

【０００３】この為、耐熱疲労性能を向上させるため
に、Ｓｎ−Ｐｂ半田をベースとしこれにＢｉ，Ｇａ，Ｉ
ｎ，Ｓｂ等の微量元素を添加して耐熱疲労性能を改善し
た提案がなされている。例えば、特開平７−１９５１９
１号にはＰｂ主成分にＢｉを１重量％以上、Ｓｎを２重
量％以上、それぞれＰｂに対して室温で固溶限以内添加
すると共に、更にＴｅ，Ｇｅ，Ｎｉ，Ｇａ，Ｃｕ，Ｉ
ｎ，Ａｇの何れか１種以上をＰｂに対して室温で固溶限
以内添加した高温半田が提案されている。また特開平１
１−５１８９号には、ボールまたはバンプ形状を有する
はんだの耐疲労性を高める為に、Ｐｂ−Ｓｎ半田をベー
スとしてこれにＢｉ，Ｓｂ等を添加した半田材料が提案
されている。しかしながら、最近の高密度実装化の流れ
の中で、電子部品の動作状態における温度変化はより過
酷になってきており、クラック発生速度をさらに抑制し
得る半田材料が要求されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述の要求に加えて、
ＩＣチップを基板に接続する際には、半田付けしたＩＣ
チップの水平度が要求される為、高さ方向の均質性を保
持しながら拡がる半田材料が要求されている。例えば、
図１に示すＩＣチップの電極と外部リードを配線した状
態を参照して説明すれば、図中の符号１はダイ、２は半
田、３はＮｉめっき、４はＩＣチップ、５は電極、６は
配線（金線）、７は外部リードである。この時、ＩＣチ
ップ４をダイ１にダイボンディングするに際し、ＩＣチ
ップ４が傾斜して接続されると、配線６の高さが高いも
のが発生し、半導体装置の薄型化を阻害することになっ
たり、十分に樹脂封止がなされない配線が発生してトラ
ブルが生じたりする可能性がある。

【０００５】本発明は上記したような問題点を解決する
ために提案されたものであって、半田材料の初期ボイド
発生率が小さいと共に、Ｓｉを用いたＩＣチップのダイ
ボンドのように熱膨張係数が大きく異なる部品を半田接
合した際、接合した半田材料の耐熱疲労性に優れてお
り、さらにＩＣチップをダイボンディングした際の水平
度を向上することが出来る半田材料、およびその半田材
料を用いてなる電子部品を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】以上の目的を達成するた
めに、本願発明者等は鋭意研究を重ねた結果、所定量の
Ｓｎ，Ｉｎ，Ｐｂ及び選択的なＡｇの共存と、Ｂｉ，Ｓ
ｂの含有量を所定以下とすることで、前述の課題を達成
できることを知見し、本発明に至った。すなわち本発明
は請求項１記載のように、２．０〜３．０重量％Ｓｎ、
０．００１〜０．２重量％Ｉｎ、０〜２．０重量％Ａ
ｇ、及び残部がＰｂと不可避不純物からなり、前記Ｐｂ
含有量が９５．５〜９７．９９重量％で、且つＢｉ，Ｓ
ｂ含有量が各々０．００５重量％以下である半田材料で
ある。

【０００７】また本発明は請求項２記載のように、２．
０〜３．０重量％Ｓｎ、０．０５〜０．２重量％Ｉｎ、
０．５〜２．０重量％Ａｇ、及び残部がＰｂと不可避不
純物からなり、前記Ｐｂ含有量が９５．５〜９７．４５
重量％で、且つＢｉ，Ｓｂ含有量が各々０．００５重量
％以下である半田材料である。

【０００８】請求項１又は２記載の半田材料において、
金属または非金属の粒子を０．００１〜５．０重量％を
さらに含有すると良い。

【０００９】本発明に係る電子部品は、Ｎｉ又はＣｕ表
面を有する基板にＩＣチップを半田付けしてなり、該半
田付けに用いる材料が、２．０〜３．０重量％Ｓｎ、
０．００１〜０．２重量％Ｉｎ、０〜２．０重量％Ａ
ｇ、及び残部がＰｂと不可避不純物からなる半田材料で
あって、該半田材料中のＰｂ含有量が９５．５〜９７．
９９重量％で、且つＢｉ，Ｓｂ含有量が各々０．００５
重量％以下であることを特徴とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、実施の形態に基づいて本発
明をさらに説明する。

【００１１】本発明に係る半田材料の組成において、原
料としてのＰｂは９９．９重量％以上の高純度Ｐｂを用
いることが好ましい。さらに好ましくは９９．９９重量
％以上である。Ｐｂ原料が高純度である程、不可避不純
物中に、前述した本発明の課題に対する有害元素である
Ｓｂ，Ｂｉ等の混入を避けることができるためである。

【００１２】所定量のＳｎ，Ｉｎ又はそれに加えてＡｇ
との共存において、Ｐｂ含有量は９５．５〜９７．９９
重量％であることが必要である。Ｐｂ含有量が９５．５
重量％未満の場合及び９７．９９重量％を越えた場合、
耐熱疲労サイクル数（耐熱疲労性）の向上が不十分であ
ると共に、ＩＣチップをダイボンドした時の傾斜が大き
くなってくる。また、耐熱疲労サイクル数の向上の為の
さらに好ましいＰｂ含有量は、９５．５〜９７．４５重
量％である。

【００１３】所定量のＰｂ，Ｉｎ又はそれに加えてＡｇ
との共存において、Ｓｎ含有量は２．０〜３．０重量％
であることが必要である。Ｓｎ含有量が２．０重量％未
満の場合及び３．０重量％を越えた場合、耐熱疲労サイ
クル数の向上が不十分であと共に、ＩＣチップをダイボ
ンドした時の傾斜が大きくなってくる。

【００１４】所定量のＰｂ，Ｓｎ又はそれに加えてＡｇ
との共存において、Ｉｎ含有量は０．００１〜０．２重
量％であることが必要である。Ｉｎ含有量が０．００１
重量％未満の場合及び０．２重量％を越えた場合、耐熱
疲労サイクル数の向上が不十分であると共に、ＩＣチッ
プをダイボンドした時の傾斜が大きくなってくる。ま
た、０．２重量％を越えた場合、初期ボイドの発生が大
きいという欠点を有している。また、耐熱疲労サイクル
数の向上の為にさらに好ましいＩｎ含有量は、０．０５
〜０．２重量％である。

【００１５】所定量のＰｂ，Ｓｎ及びＩｎとの共存にお
いて、Ａｇを０〜２．０重量％含有することが出来る。
Ａｇ含有量が２．０重量％を越えると、耐熱疲労サイク
ル数の向上が不十分であると共に、ＩＣチップをダイボ
ンドした時の傾斜が大きくなってくる。耐熱疲労サイク
ル数の向上の為のさらに好ましいＡｇ含有量は、０．５
〜２．０重量％である。

【００１６】本発明において、半田材料中のＢｉ及びＳ
ｂの含有量は、各々０．００５重量％以下であることが
必要である。Ｂｉ，Ｓｂのうち、少なくとも何れか一方
を０．００５重量％を越えて含有すると、耐熱疲労サイ
クル数の向上が不十分であると共に、ＩＣチップをダイ
ボンドした時の傾斜が大きくなってくる。また初期ボイ
ドの発生が大きくなってくる。

【００１７】本発明に係る半田材料は、テープ，ワイ
ヤ，ペレット等に加工して用いる事が出来る。また、高
融点粒子を混入させた複合材料として使用することも出
来る。テープ，ワイヤの加工方法としては次の方法が例
示出来る。テープの場合、インゴットに鋳造した後、圧
延、スリッター加工を施して所定寸法のテープ形状に仕
上げる。テープ寸法としては厚さ０．０５〜０．５ｍ
ｍ、幅０．５〜５．０ｍｍの範囲が選ばれる。ワイヤの
場合は、インゴットの押出し又は溶湯を水中へ噴出する
急冷方法により素線を得た後、伸線加工により所定寸法
のワイヤ状に仕上げる。ワイヤ寸法としては、直径０．
０５〜５．０ｍｍの範囲が選ばれる。ペレットは、テー
プをプレス加工したり、剪断加工して製造する。

【００１８】本発明になる半田材料を、ＩＣチップを基
板に接合するダイボンディング用に用いる際、ＩＣチッ
プと基板の水平度をより向上させるために、本発明組成
の半田材料に高融点粒子を混入させた複合材料として用
いることができる。高融点粒子の融点は４００℃以上、
その含有量は０．００１〜５．０重量％、粒子の径辺寸
法は５〜１００μｍであることが好ましい。高融点粒子
の材質としては、Ｃｕ，Ｎｉ等の金属粒子、ＳｉＯ2 等
の酸化物、ＳｉＣ等の炭化物等の非金属粒子が例示でき
る。

【００１９】本発明になる半田材料は、半田付け被接合
材がＮｉ、Ｃｕ又は被接合材基材にＮｉ被膜が施されて
いる場合に好ましく用いられる。Ｎｉ被膜の形成方法は
めっき、蒸着等の方法が用いられる。蒸着によるＮｉ被
膜の厚さは１０００〜３０００オングストロームが好ま
しい。

【００２０】

【実施例】[実施例１]９９．９９重量％以上の高純度Ｐ
ｂに、Ｓｎ，Ｉｎを表１に示す含有量となるように添加
して溶解、鋳造し、得られたインゴットを圧延、プレス
加工して０．１ｍｍ厚さ×５ｍｍ×４ｍｍの半田ペレッ
トを作成した。この半田ペレットを用いて、測定試験に
用いる試料を図２の通り作成した。図中の符号１は銅製
ダイ、２は前記半田ペレットになる半田、４はＳｉ製Ｉ
Ｃチップ（０．４ｍｍ厚さ×５ｍｍ×４ｍｍ）、３はＩ
Ｃチップ上のＮｉ膜である。前述の半田ペレットを図２
の半田２の位置にセットして試料を組み立て、３５０℃
の炉中でダイボンドして試料を作成し、初期ボイド発生
率、耐熱疲労サイクル数、ＩＣチップの傾斜について測
定した。以下にその測定方法を説明する。

【００２１】図２に示すダイボンディングした試料の上
部から軟Ｘ線を照射して透過像を作成し、透過像の濃淡
を画像解析して平面でみた淡色部分の比率を測定し、初
期ボイド発生率（％）とした。その結果を表２に示す。

【００２２】図２に示すダイボンディングした試料を−
６５℃〜＋１５０℃を繰り返す雰囲気中に晒した後、前
記試料の上部から軟Ｘ線を照射して透過像を作成し、透
過像の濃淡を画像解析して平面でみた淡色部分の比率を
測定し、クラック発生率（％）とした。クラック発生率
４０％になるまでのサイクル数を測定し、耐熱疲労サイ
クル数とした。その測定結果を表２に示す。

【００２３】図２に示すダイボンディングした試料断面
の顕微鏡写真（１００倍）から、ＩＣチップ４と基板１
間の半田厚さ（図２に於けるｈ１，ｈ２）を測定した。
ｈ１，ｈ２のうち小さい方を基準に比率を求め（例：ｈ
２／ｈ１）、ＩＣチップの傾斜とした。１０個の試料に
ついて測定し、その平均値をＩＣチップの傾斜とした。
その測定結果を表２に示す。

【００２４】［実施例２〜２２、比較例１〜１０］９
９．９９重量％以上の高純度ＰｂにＳｎ，Ｉｎ，Ａｇ，
Ｓｂ，Ｂｉを、表１，表３に示す含有量となるように添
加したこと以外は実施例１と同様に試料を作成して測定
を行った。その結果を表２，表４に示す。

【００２５】

【表１】

【００２６】

【表２】

【００２７】

【表３】

【００２８】

【表４】

【００２９】以上の測定結果から、以下のことが確認で
きた。本発明の半田組成を有する実施例１〜２２のもの
（請求項１の実施例）は、耐熱疲労サイクル数が１００
０以上、初期ボイド発生率が５〜１０％、ＩＣチップの
傾斜が１．５以下と、優れたものであった。さらに、Ｓ
ｎ，Ｉｎ，Ａｇの含有量が２．０〜３．０重量％Ｓｎ、
０．０５〜０．２重量％Ｉｎ、０．５〜２．０重量％Ａ
ｇである実施例７〜２１のもの（請求項２の実施例）
は、耐熱疲労サイクル数が１２５０以上、初期ボイド発
生率が５％と、さらに優れたものであった。

【００３０】これに対し、Ｓｎ以外は本発明の組成範囲
にありながら、Ｓｎ含有量が２．０重量％未満である比
較例１，２及びＳｎ含有量が３．０重量％を越える比較
例３のものは、耐熱疲労サイクル数が７５０、ＩＣチッ
プの傾斜が２．０と、本発明の課題に対し不十分なもの
であった。また、Ｉｎ以外は本発明の組成範囲にありな
がら、Ｉｎを含有しない比較例４のものは、耐熱疲労サ
イクル数が７５０、ＩＣチップの傾斜が２．０と、本発
明の課題に対し不十分なものであった。Ｉｎ以外は本発
明の組成範囲にありながら、Ｉｎ含有量が０．２重量％
を越える比較例５のものは、耐熱疲労サイクル数が５０
０、初期ボイド発生率が２０％、ＩＣチップの傾斜が
２．５と、本発明の課題に対し不十分なものであった。
Ａｇ以外は本発明の組成範囲にありながら、Ａｇ含有量
が２．２重量％を越える比較例６のものは、耐熱疲労サ
イクル数が７５０、ＩＣチップの傾斜が２．５と、本発
明の課題に対し不十分なものであった。Ｐｂ以外は本発
明の組成範囲にありながら、Ｐｂ含有量が９５．５重量
％未満である比較例７のものは、耐熱疲労サイクル数が
８５０、ＩＣチップの傾斜が２．５と、本発明の課題に
対し不十分なものであった。Ｓｂ，Ｂｉ以外は本発明の
組成範囲にありながら、Ｓｂ，Ｂｉ含有量が１．０〜
２．０重量％である比較例８〜１０のものは、耐熱疲労
サイクル数が２５０、初期ボイド発生率が２０〜３０
％、ＩＣチップの傾斜が２．５と、本発明の課題に対し
不十分なものであった。

【００３１】

【発明の効果】本発明は以下の効果を奏する。（請求項１）２．０〜３．０重量％Ｓｎ、０．００１〜
０．２重量％Ｉｎ、０〜２．０重量％Ａｇ、及び残部が
Ｐｂと不可避不純物からなり、前記半田材料中のＰｂ含
有量が９５．５〜９７．９９重量％、Ｂｉ，Ｓｂ含有量
が各々０．００５重量％以下である半田材料としたの
で、半田付けにおける初期ボイド発生率が小さく、また
熱膨張係数が大きく異なる部品の半田接合における半田
付け部分の耐熱疲労性に優れており、さらにＩＣチップ
をダイボンディングした際の水平度を向上することが出
来るという効果を奏する。（請求項２）前記半田材料の組成を２．０〜３．０重量
％Ｓｎ、０．０５〜０．２重量％Ｉｎ、０．５〜２．０
重量％Ａｇ、及び残部がＰｂと不可避不純物からなり、
前記Ｐｂ含有量を９５．５〜９７．４５重量％、Ｂｉ，
Ｓｂ含有量を各々０．００５重量％以下とした場合は、
前述の効果をより実効あるものとし得る。（請求項３）上記組成に金属または非金属の粒子を０．
００１〜５．０重量％さらに含有した半田材料としたの
で、ＩＣチップを基板に接合するダイボンディング用な
どに用いる際、ＩＣチップと基板の水平度をより向上さ
せることができる。（請求項４）本発明の組成になる半田材料を用いて、Ｎ
ｉ又はＣｕ表面を有する基板にＩＣチップを半田付けし
てなる電子部品としたので、半田付け部分の初期ボイド
発生率，耐熱疲労性，ＩＣチップの水平度などに優れた
特性を発揮し、近年における半導体装置の高密度実装化
に適した電子部品を提供できた。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＩＣチップの電極と外部リードを配線した状態
を簡略して示す半導体装置の部分拡大図。

【図２】測定試験に用いる試料の簡略図。

【符号の説明】

１：ダイ２：半田３：Ｎｉめっき４：ＩＣチップ５：電極６：配線７：外部リード

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２．０〜３．０重量％Ｓｎ、０．００１
〜０．２重量％Ｉｎ、０〜２．０重量％Ａｇ、及び残部
がＰｂと不可避不純物からなる半田材料であって、前記
半田材料中のＰｂ含有量が９５．５〜９７．９９重量
％、Ｂｉ，Ｓｂ含有量が各々０．００５重量％以下であ
る半田材料。
【請求項２】２．０〜３．０重量％Ｓｎ、０．０５〜
０．２重量％Ｉｎ、０．５〜２．０重量％Ａｇ、及び残
部がＰｂと不可避不純物からなる半田材料であって、前
記半田材料中のＰｂ含有量が９５．５〜９７．４５重量
％、Ｂｉ，Ｓｂ含有量が各々０．００５重量％以下であ
る半田材料。
【請求項３】さらに、金属または非金属の粒子を０．
００１〜５．０重量％含有した請求項１又は請求項２記
載の半田材料。
【請求項４】ＩＣチップを、Ｎｉ又はＣｕ表面を有す
る基板に半田付けした電子部品において、半田付けに用
いる材料が２．０〜３．０重量％Ｓｎ、０．００１〜
０．２重量％Ｉｎ、０〜２．０重量％Ａｇ、及び残部が
Ｐｂと不可避不純物からなる半田材料であって、前記半
田材料中のＰｂ含有量が９５．５〜９７．９９重量％、
Ｂｉ，Ｓｂが各々０．００５重量％以下である半田材料
であることを特徴とする電子部品。