JP2005271059A - 接合構造体および接合構造体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】接合界面におけるボイドの形成自体を低減し、かつ、万一接合界面においてボイドが形成された場合でも、ボイドが形成された位置に関わらずボイドの体積を小さくして、はんだと接合部材との接合界面の密着性に優れた接合構造体および接合構造体の製造方法を提供する。
【解決手段】第一の接合部材1と第二の接合部材2とではんだ3を挟んだものを不活性ガスで満たした容器に収容し、該容器内の圧力を第一の圧力まで減圧するとともに雰囲気温度をはんだの液相線以上の温度に上昇させてはんだを溶融し、該容器内の雰囲気温度をはんだの液相線以上の温度に保持しつつ、容器内に水素ガスまたは水素ガスと不活性ガスとの混合ガスを流入させて該容器内の圧力を第二の圧力まで加圧し、該容器内の雰囲気温度をはんだの固相線以下の温度に下げてはんだを凝固させる。
【選択図】図2
【解決手段】第一の接合部材1と第二の接合部材2とではんだ3を挟んだものを不活性ガスで満たした容器に収容し、該容器内の圧力を第一の圧力まで減圧するとともに雰囲気温度をはんだの液相線以上の温度に上昇させてはんだを溶融し、該容器内の雰囲気温度をはんだの液相線以上の温度に保持しつつ、容器内に水素ガスまたは水素ガスと不活性ガスとの混合ガスを流入させて該容器内の圧力を第二の圧力まで加圧し、該容器内の雰囲気温度をはんだの固相線以下の温度に下げてはんだを凝固させる。
【選択図】図2
Description
本発明は、第一の接合部材と第二の接合部材とをはんだを介して接合する接合構造体および接合構造体の製造方法に関する。
従来、半導体素子等の実装部品からなる第一の接合部材と、絶縁基板からなる第二の接合部材とを、はんだを介して接合する接合構造体の技術は公知となっている。
このような接合構造体を製造する際には、十分な接合強度、優れた熱伝導性(放熱性)および電気伝導性を得るために、(A)第一の接合部材とはんだとの界面、および(B)はんだと第二の接合部材との界面(以下、(A)、(B)を合わせて「接合界面」と呼ぶこととする)における高い密着性が要求される。
このような接合構造体を製造する際には、十分な接合強度、優れた熱伝導性(放熱性)および電気伝導性を得るために、(A)第一の接合部材とはんだとの界面、および(B)はんだと第二の接合部材との界面(以下、(A)、(B)を合わせて「接合界面」と呼ぶこととする)における高い密着性が要求される。
接合界面における高い密着性を達成するためには、はんだの表面および接合部材の表面に形成された酸化膜を除去し、濡れ性を改善することが重要である。
濡れ性を改善する最も代表的な方法としては、フラックス(一般的にはロジン系やアクリル系の樹脂と、アルコールや芳香族系の溶剤と、活性剤(不要の場合もある)とを混合したもの)を接合部材の表面に塗布する方法が知られている。
濡れ性を改善する最も代表的な方法としては、フラックス(一般的にはロジン系やアクリル系の樹脂と、アルコールや芳香族系の溶剤と、活性剤(不要の場合もある)とを混合したもの)を接合部材の表面に塗布する方法が知られている。
しかし、スプレーを用いて霧状のフラックスを基板等の接合部材に塗布すると、該霧状のフラックスの一部が基板に取り付けられている半導体素子等の実装部品のはんだとの接合面以外の面に回り込んで付着する。これは、後でワイヤーボンディングを行う際の接合不良の原因となる場合があるため、フラックスを使用せずに接合界面の濡れ性を改善する方法も種々検討されている。
フラックスを使用せずに接合界面の濡れ性を改善したはんだ付け装置の代表例としては、連続式水素リフロー炉が挙げられる。
これは、水素ガス雰囲気中で、銅やアルミニウム等の金属材料からなる回路パターンが形成された絶縁基板を高温に保持すると、該回路パターンの表面にメッキされたニッケル等の酸化物が雰囲気中の水素と還元反応を起こし、濡れ性が改善される、という性質を利用するものである。
これは、水素ガス雰囲気中で、銅やアルミニウム等の金属材料からなる回路パターンが形成された絶縁基板を高温に保持すると、該回路パターンの表面にメッキされたニッケル等の酸化物が雰囲気中の水素と還元反応を起こし、濡れ性が改善される、という性質を利用するものである。
連続式水素リフロー炉の場合、第一の接合部材(例えば半導体素子)と第二の接合部材(例えば絶縁基板)とに挟まれたシート状のはんだが溶融する際に、接合界面においてまだ濡れ性が改善されていない部分(すなわち、ニッケルメッキの酸化物が水素ガスにより十分に還元されてない部分)には溶融したはんだがうまく濡れ広がらず、当該部分にリフロー炉内の雰囲気が残留して溶融したはんだの内部に巻き込まれることにより、接合界面にボイド(気泡)が形成されることがある。
そして、ボイドは接合界面の密着性を低下させる要因であり、第一の接合部材(例えば半導体素子)と第二の接合部材(例えば絶縁基板)との間の接合強度、熱伝導性(放熱性)を低下させる。
そして、ボイドは接合界面の密着性を低下させる要因であり、第一の接合部材(例えば半導体素子)と第二の接合部材(例えば絶縁基板)との間の接合強度、熱伝導性(放熱性)を低下させる。
このような問題を解決する方法として、第一の接合部材(例えば半導体素子)と第二の接合部材(例えば絶縁基板)との間にシート状のはんだを挟んだものを容器に収容し、該容器内を窒素ガス等の不活性ガスで常圧に置換し、容器内の雰囲気温度をはんだが溶融しない範囲で高温に保持しつつ容器内に水素ガスを流入させ、水素ガスによる接合界面の濡れ性の改善を行った後に容器内を所定の圧力まで減圧し、その後更に昇温してはんだの溶融を行い、はんだが溶融した状態を保持しつつ容器内に不活性ガスを導入して常圧に戻し、最後に容器内の圧力をほぼ常圧に保持しつつ温度を下げてはんだを凝固させる方法が知られている。例えば、特許文献1および特許文献2に記載の如くである。
この方法は、接合界面にボイドが形成されるとき(すなわち、はんだが溶融するとき)の容器内の圧力を低く設定し、ボイドに含まれる雰囲気の圧力を低くし、その後容器内の圧力を常圧に戻して(加圧して)ボイドを収縮させることにより、最終的に接合界面に残留するボイドの体積を小さくするものである。
この方法は、接合界面にボイドが形成されるとき(すなわち、はんだが溶融するとき)の容器内の圧力を低く設定し、ボイドに含まれる雰囲気の圧力を低くし、その後容器内の圧力を常圧に戻して(加圧して)ボイドを収縮させることにより、最終的に接合界面に残留するボイドの体積を小さくするものである。
特許文献1および特許文献2に記載のボイド低減方法は、以下の如き問題を有する。
すなわち、図3に示す如く、接合構造体の実施の一形態である実装基板100において接合界面(半導体素子1の下面および基板2の上面)に形成されたボイド6が、はんだ3および接合界面で完全に囲まれている場合には、ボイド6に含まれる雰囲気と実装基板100を収容した容器内の雰囲気との間に圧力差を生じさせることが可能である。そのため、該容器内の雰囲気を加圧することにより、ボイドを収縮させることが可能である。
しかし、接合界面に形成されたボイド7がはんだ3および接合界面で完全に囲まれておらず、外部(ここでは容器内の雰囲気)と連通している場合には、実装基板100を収容した容器内の雰囲気を加圧しても、ボイド7に含まれる雰囲気と容器内の雰囲気との間に圧力差を生じさせることが不可能である。そのため、ボイド7を収縮させることが不可能である。
すなわち、図3に示す如く、接合構造体の実施の一形態である実装基板100において接合界面(半導体素子1の下面および基板2の上面)に形成されたボイド6が、はんだ3および接合界面で完全に囲まれている場合には、ボイド6に含まれる雰囲気と実装基板100を収容した容器内の雰囲気との間に圧力差を生じさせることが可能である。そのため、該容器内の雰囲気を加圧することにより、ボイドを収縮させることが可能である。
しかし、接合界面に形成されたボイド7がはんだ3および接合界面で完全に囲まれておらず、外部(ここでは容器内の雰囲気)と連通している場合には、実装基板100を収容した容器内の雰囲気を加圧しても、ボイド7に含まれる雰囲気と容器内の雰囲気との間に圧力差を生じさせることが不可能である。そのため、ボイド7を収縮させることが不可能である。
本発明は以上の如き状況に鑑み、接合界面におけるボイドの形成自体を低減し、かつ、万一接合界面においてボイドが形成された場合でも、その形成された位置に関わらずボイドの体積を小さくして、はんだと接合部材との接合界面の密着性に優れた接合構造体および接合構造体の製造方法を提供するものである。
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。
即ち、請求項1においては、第一の接合部材と第二の接合部材とをはんだを介して接合する接合構造体において、
第一の接合部材と第二の接合部材とではんだを挟んだものを不活性ガスで満たした容器に収容し、
該容器内の圧力を第一の圧力まで減圧するとともに雰囲気温度をはんだの液相線以上の温度に上昇させてはんだを溶融し、
該容器内の雰囲気温度をはんだの液相線以上の温度に保持しつつ、容器内に水素ガスまたは水素ガスと不活性ガスとの混合ガスを流入させて該容器内の圧力を第二の圧力まで加圧し、
該容器内の雰囲気温度をはんだの固相線以下の温度に下げてはんだを凝固させたものである。
第一の接合部材と第二の接合部材とではんだを挟んだものを不活性ガスで満たした容器に収容し、
該容器内の圧力を第一の圧力まで減圧するとともに雰囲気温度をはんだの液相線以上の温度に上昇させてはんだを溶融し、
該容器内の雰囲気温度をはんだの液相線以上の温度に保持しつつ、容器内に水素ガスまたは水素ガスと不活性ガスとの混合ガスを流入させて該容器内の圧力を第二の圧力まで加圧し、
該容器内の雰囲気温度をはんだの固相線以下の温度に下げてはんだを凝固させたものである。
請求項2においては、前記はんだは錫を母材とし、かつ、インジウムおよびビスマスのいずれか一方または両方を添加材として含むものである。
請求項3においては、第一の接合部材と第二の接合部材とをはんだを介して接合する接合構造体の製造方法において、
第一の接合部材と第二の接合部材とではんだを挟んだものを不活性ガスで満たした容器に収容し、
該容器内の圧力を第一の圧力まで減圧するとともに雰囲気温度をはんだの液相線以上の温度に上昇させてはんだを溶融し、
該容器内の雰囲気温度をはんだの液相線以上の温度に保持しつつ、容器内に水素ガスまたは水素ガスと不活性ガスとの混合ガスを流入させて該容器内の圧力を第二の圧力まで加圧し、
該容器内の雰囲気温度をはんだの固相線以下の温度に下げてはんだを凝固させるものである。
第一の接合部材と第二の接合部材とではんだを挟んだものを不活性ガスで満たした容器に収容し、
該容器内の圧力を第一の圧力まで減圧するとともに雰囲気温度をはんだの液相線以上の温度に上昇させてはんだを溶融し、
該容器内の雰囲気温度をはんだの液相線以上の温度に保持しつつ、容器内に水素ガスまたは水素ガスと不活性ガスとの混合ガスを流入させて該容器内の圧力を第二の圧力まで加圧し、
該容器内の雰囲気温度をはんだの固相線以下の温度に下げてはんだを凝固させるものである。
請求項4においては、前記はんだは錫を母材とし、かつ、インジウムおよびビスマスのいずれか一方または両方を添加材として含むものである。
本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
請求項1においては、溶融したはんだと第一の接合部材または第二の接合部材との接合界面に形成されたボイドの位置に関わらず、はんだが凝固する前に該ボイドを収縮または消滅させることができ、接合界面の密着性に優れ、十分な接合強度、優れた熱伝導性(放熱性)および電気伝導性を有する。
請求項2においては、融点が低いはんだを用いた場合でも、接合界面の密着性に優れ、十分な接合強度、優れた熱伝導性(放熱性)および電気伝導性を有する。
請求項3においては、溶融したはんだと第一の接合部材または第二の接合部材との接合界面に形成されたボイドの位置に関わらず、はんだが凝固する前に該ボイドを収縮または消滅させることができ、接合界面の密着性に優れ、十分な接合強度、優れた熱伝導性(放熱性)および電気伝導性を有する接合構造体を得ることができる。
請求項4においては、融点が低いはんだを用いた場合でも、接合界面の密着性に優れ、十分な接合強度、優れた熱伝導性(放熱性)および電気伝導性を有する接合構造体を得ることができる。
以下では、図1を用いて本発明に係る接合構造体の実施の一形態である実装基板100について説明する。
実装基板100は、半導体素子1と基板2とをはんだ3を介して接合したものである。
実装基板100は、半導体素子1と基板2とをはんだ3を介して接合したものである。
半導体素子1は第一の接合部材の実施の一形態であり、具体例としては、IGBT(Insulated(またはInerted) Gate Bipolar Transistor)やGTOサイリスタ(Gate Turn Off Thyristor)等のパワー半導体が挙げられる。
基板2は第一の接合部材の実施の一形態であり、絶縁基板2aと回路パターン2b・2cと、を具備する。
絶縁基板2aは絶縁性材料からなる板状の部材であり、半導体素子1と放熱板5とを絶縁しつつ、半導体素子1にて発生する熱を放熱板5に伝達する(放熱する)ものである。
絶縁基板2aの具体例としては、紙フェノールやガラスエポキシ等の樹脂系の材料、あるいは、AlN等のセラミックスが挙げられる。
回路パターン2b・2cは導電性材料からなり、基板2aの上下の板面(以後、上面および下面と呼ぶ)に形成される。回路パターン2b・2cは半導体素子1と他の実装部品等との間の電流経路となるものである。
回路パターン2b・2cの具体例としては、銅やアルミニウム、あるいはこれらを母材とする合金等が挙げられる。回路パターン2b・2cの表面には耐食性、耐摩耗性、あるいは耐薬品性を向上させるためにニッケル等のメッキが施される。
なお、絶縁基板2aの下面側に半導体素子1等の実装部品が取り付けられない場合には、回路パターン2cを省略することも可能である。
絶縁基板2aは絶縁性材料からなる板状の部材であり、半導体素子1と放熱板5とを絶縁しつつ、半導体素子1にて発生する熱を放熱板5に伝達する(放熱する)ものである。
絶縁基板2aの具体例としては、紙フェノールやガラスエポキシ等の樹脂系の材料、あるいは、AlN等のセラミックスが挙げられる。
回路パターン2b・2cは導電性材料からなり、基板2aの上下の板面(以後、上面および下面と呼ぶ)に形成される。回路パターン2b・2cは半導体素子1と他の実装部品等との間の電流経路となるものである。
回路パターン2b・2cの具体例としては、銅やアルミニウム、あるいはこれらを母材とする合金等が挙げられる。回路パターン2b・2cの表面には耐食性、耐摩耗性、あるいは耐薬品性を向上させるためにニッケル等のメッキが施される。
なお、絶縁基板2aの下面側に半導体素子1等の実装部品が取り付けられない場合には、回路パターン2cを省略することも可能である。
はんだ3は半導体素子1と基板2(より厳密には、絶縁基板2aの上面に形成された回路パターン2b)とを接合し、はんだ4は基板2(より厳密には、絶縁基板2aの下面に形成された回路パターン2c)と放熱板5とを接合する。
はんだ3・4は、錫を母材とし、かつ、鉛、銀、銅、亜鉛、ニッケル、アンチモン、インジウム、ビスマスのうち、いずれか一つまたは二つ以上を添加材として含む合金であれば良い。
なお、「錫を母材とする」とは、錫がはんだの組成に必須であることを示すが、錫の重量比が他の添加材の重量比(の合計)よりも大きいことを要しない。すなわち、錫以外の添加材の合計が50wt%を超えても良い。
はんだ3・4の具体例としては、(a)一般的な共晶はんだ(錫−鉛合金)の他、(b)高融点の鉛フリーはんだ(錫−銀合金、錫−銀−銅合金)、(c)低融点の鉛フリーはんだ(錫−インジウム合金、錫−ビスマス合金、錫−インジウム−ビスマス合金)等が挙げられる。
はんだ3・4は、錫を母材とし、かつ、鉛、銀、銅、亜鉛、ニッケル、アンチモン、インジウム、ビスマスのうち、いずれか一つまたは二つ以上を添加材として含む合金であれば良い。
なお、「錫を母材とする」とは、錫がはんだの組成に必須であることを示すが、錫の重量比が他の添加材の重量比(の合計)よりも大きいことを要しない。すなわち、錫以外の添加材の合計が50wt%を超えても良い。
はんだ3・4の具体例としては、(a)一般的な共晶はんだ(錫−鉛合金)の他、(b)高融点の鉛フリーはんだ(錫−銀合金、錫−銀−銅合金)、(c)低融点の鉛フリーはんだ(錫−インジウム合金、錫−ビスマス合金、錫−インジウム−ビスマス合金)等が挙げられる。
放熱板5は半導体素子1にて発生した熱を実装基板100の外部に放熱するものであり、銅または銅−モリブデン合金等、熱伝導性に優れた材料で構成される。
なお、本実施例は基板2と放熱板5とをはんだ4を介して接合することから、放熱板5を第一の接合部材、基板2を第二の接合部材とする接合構造体を兼ねる。
なお、本実施例は基板2と放熱板5とをはんだ4を介して接合することから、放熱板5を第一の接合部材、基板2を第二の接合部材とする接合構造体を兼ねる。
以下では、図2、図3および図4を用いて実装基板100の製造方法の一例について説明する。なお、本実施例では、はんだ3・4として錫−銀−銅合金からなる鉛フリーはんだを用いているが、本発明に係る接合構造体の製造方法は、温度、圧力および時間等の条件を適宜選択することにより、あらゆるはんだに対して適用可能である。
図2に示す如く、本実施例における実装基板100の製造方法は、(1)の時間帯に対応する「初期セット工程」、(2)の時間帯に対応する「減圧工程」、(3)の時間帯に対応する「不活性ガス置換工程」、(4)の時間帯に対応する「水素流入工程」、(5)の時間帯に対応する「減圧下はんだ溶融工程」、(6)の時間帯に対応する「水素ガス加圧工程」、(7)の時間帯に対応する「はんだ凝固工程」、(8)の時間帯に対応する「接合構造体取り出し工程」を順に行うものである。
「初期セット工程」において、半導体素子1と基板2とでシート状のはんだ3を挟み、さらに該基板2と放熱板5とでシート状のはんだ4を挟んだもの、を容器(図示せず)に収容する。「初期セット工程」が終了したら、「減圧工程」に移行する。
図2に示す如く、本実施例における実装基板100の製造方法は、(1)の時間帯に対応する「初期セット工程」、(2)の時間帯に対応する「減圧工程」、(3)の時間帯に対応する「不活性ガス置換工程」、(4)の時間帯に対応する「水素流入工程」、(5)の時間帯に対応する「減圧下はんだ溶融工程」、(6)の時間帯に対応する「水素ガス加圧工程」、(7)の時間帯に対応する「はんだ凝固工程」、(8)の時間帯に対応する「接合構造体取り出し工程」を順に行うものである。
「初期セット工程」において、半導体素子1と基板2とでシート状のはんだ3を挟み、さらに該基板2と放熱板5とでシート状のはんだ4を挟んだもの、を容器(図示せず)に収容する。「初期セット工程」が終了したら、「減圧工程」に移行する。
「減圧工程」において、半導体素子1と基板2とでシート状のはんだ3を挟み、さらに該基板2と放熱板5とでシート状のはんだ4を挟んだものを収容した容器内を真空引きして減圧する。本実施例の場合は、容器内の圧力を1.0×10^1[Pa]程度まで減圧する。なお、本明細書中においては「N^M」は「NのM乗」を表すものとする。
また、「減圧工程」における圧力は本実施例に限定されず、初期セット工程における容器内圧力より低ければ効果を奏する。
「減圧工程」が終了したら、「不活性ガス置換工程」に移行する。
また、「減圧工程」における圧力は本実施例に限定されず、初期セット工程における容器内圧力より低ければ効果を奏する。
「減圧工程」が終了したら、「不活性ガス置換工程」に移行する。
「不活性ガス置換工程」において、不活性ガスを容器内に導入して、容器内の圧力を常圧(1.0×10^5[Pa]程度)まで戻し、容器内の雰囲気を空気から不活性ガスに置換する。
なお、本明細書中における「不活性ガス」とは、アルゴンガス等の希ガスまたは窒素ガス、またはこれらを混合したものを含むものとする。
また、本実施例においては、「不活性ガス置換工程」において常圧に戻したが、不活性ガスを導入することにより、容器内の圧力を前記減圧工程における容器内圧力よりも高くすれば良く、不活性ガス置換工程終了時の容器内圧力は常圧に限定されない。
「不活性ガス置換工程」が終了したら、「水素流入工程」に移行する。
なお、本明細書中における「不活性ガス」とは、アルゴンガス等の希ガスまたは窒素ガス、またはこれらを混合したものを含むものとする。
また、本実施例においては、「不活性ガス置換工程」において常圧に戻したが、不活性ガスを導入することにより、容器内の圧力を前記減圧工程における容器内圧力よりも高くすれば良く、不活性ガス置換工程終了時の容器内圧力は常圧に限定されない。
「不活性ガス置換工程」が終了したら、「水素流入工程」に移行する。
「水素流入工程」において、容器内の圧力を常圧程度に保持しつつ容器内の雰囲気温度を上昇させ、該温度をはんだ3・4が溶融しない温度(固相線以下の温度)の範囲内で極力高くなるように保持する(本実施例の場合は、200℃から250℃程度に保持する)とともに、容器内に水素ガスまたは水素ガスと前記不活性ガスとの混合ガスを流入させる。
このとき、雰囲気中の水素ガスと、回路パターン2b・2c表面のニッケルメッキの酸化物(NiOやNiO2等)とが還元反応して、ニッケルメッキ表面の濡れ性が改善される。
なお、雰囲気温度をはんだ3・4が溶融しない温度(固相線以下の温度)の範囲内で極力高くなるように保持するのは、ニッケルメッキ表面の濡れ性が改善される前にはんだが溶融し始めるのを防止しつつ、水素ガスによる還元反応を促進するためである。
また、「水素流入工程」における容器内の圧力は常圧に限定されないが、容器に排出口を設け、水素ガスを容器内に流入させつつ該排出口から容器内のガスを排出し、容器内の圧力を常圧よりもやや高い圧力に保持するのが実施容易である。
「水素流入工程」が終了したら、「減圧下はんだ溶融工程」に移行する。
なお、雰囲気温度をはんだ3・4が溶融しない温度(固相線以下の温度)の範囲内で極力高くなるように保持するのは、ニッケルメッキ表面の濡れ性が改善される前にはんだが溶融し始めるのを防止しつつ、水素ガスによる還元反応を促進するためである。
また、「水素流入工程」における容器内の圧力は常圧に限定されないが、容器に排出口を設け、水素ガスを容器内に流入させつつ該排出口から容器内のガスを排出し、容器内の圧力を常圧よりもやや高い圧力に保持するのが実施容易である。
「水素流入工程」が終了したら、「減圧下はんだ溶融工程」に移行する。
「減圧下はんだ溶融工程」において、容器内への水素ガスまたは水素ガスと前記不活性ガスとの混合ガスの流入を停止し、容器内を真空引きして減圧する。本実施例の場合は、容器内の圧力を1.0×10^1[Pa]程度まで減圧する。
そして、容器内の雰囲気温度を半導体素子1の耐熱温度以下、かつ、はんだ3・4が溶融する温度(液相線以上の温度)以上となる温度に保持し、はんだ3・4を溶融させる(本実施例の場合は、250℃から300℃程度に保持する)。
このとき、回路パターン2b・2c表面には、水素ガスとニッケルメッキの酸化物(NiOやNiO2等)との間の還元反応が十分に行われておらず、濡れ性が改善されていない部分が残っている場合がある。そして、濡れ性が改善されていない部分には、図3に示す如く、溶融したはんだ3・4が濡れ広がらないために、溶融したはんだ3・4が雰囲気ガスを巻き込んでボイド(ボイド6・ボイド7・ボイド8・ボイド9等)を形成する場合がある。
なお、「減圧下はんだ溶融工程」における容器内の圧力(第一の圧力)は、本実施例の圧力(1.0×10^1[Pa])には限定されないが、ボイドの体積を小さくするという観点から見て、後述する「水素ガス加圧工程」の終了時の容器内圧力(第二の圧力)との差が大きくなるように構成することが望ましい。
「減圧下はんだ溶融工程」が終了したら、「水素ガス加圧工程」に移行する。
そして、容器内の雰囲気温度を半導体素子1の耐熱温度以下、かつ、はんだ3・4が溶融する温度(液相線以上の温度)以上となる温度に保持し、はんだ3・4を溶融させる(本実施例の場合は、250℃から300℃程度に保持する)。
このとき、回路パターン2b・2c表面には、水素ガスとニッケルメッキの酸化物(NiOやNiO2等)との間の還元反応が十分に行われておらず、濡れ性が改善されていない部分が残っている場合がある。そして、濡れ性が改善されていない部分には、図3に示す如く、溶融したはんだ3・4が濡れ広がらないために、溶融したはんだ3・4が雰囲気ガスを巻き込んでボイド(ボイド6・ボイド7・ボイド8・ボイド9等)を形成する場合がある。
なお、「減圧下はんだ溶融工程」における容器内の圧力(第一の圧力)は、本実施例の圧力(1.0×10^1[Pa])には限定されないが、ボイドの体積を小さくするという観点から見て、後述する「水素ガス加圧工程」の終了時の容器内圧力(第二の圧力)との差が大きくなるように構成することが望ましい。
「減圧下はんだ溶融工程」が終了したら、「水素ガス加圧工程」に移行する。
「水素ガス加圧工程」において、容器内の雰囲気温度を半導体素子1の耐熱温度以下、かつ、はんだ3・4が溶融する温度(液相線以上の温度)以上となる温度(本実施例の場合は、250℃から300℃程度)に保持しつつ、容器内に水素ガスまたは水素ガスと不活性ガスとの混合ガスを流入させて常圧に戻す。
このとき、図4に示す如く、はんだ3と半導体1と基板2とに完全に囲まれて外部と連通していないボイド6、および、はんだ4と基板2と放熱板5とに完全に囲まれて外部と連通していないボイド8は、その内部に含まれる雰囲気の圧力が減圧時の圧力であるため、容器内の圧力の上昇とともに収縮する。
一方、ボイド7およびボイド9は、はんだと接合部材とで完全に囲まれておらず、外部(容器内の雰囲気)と連通しているため、ボイド7およびボイド9に含まれる雰囲気の圧力は容器内の雰囲気の圧力上昇とともに上昇する。従って、ボイド7およびボイド9に含まれる雰囲気と容器内の雰囲気との圧力差によりボイド7およびボイド9が収縮することはない。
しかし、容器内の圧力を常圧に戻す(上昇させる)ために容器内に流入するガスは、水素ガスまたは水素ガスと不活性ガスとの混合ガスである。そのため、水素ガスがボイド7およびボイド9により生じる空間(言い換えれば、水素流入工程において水素による還元反応が十分に行われていない部分)に供給される。
しかも、「水素ガス加圧工程」における雰囲気温度は、はんだ3・4の液相線以上の温度であり、「水素流入工程」における雰囲気温度(はんだ3・4の固相線以下の温度)よりも高く設定されている。そのため、回路パターン2b・2c表面においてボイド7およびボイド9の発生原因となっていた部分の還元反応がより促進され、濡れ性が改善される。
従って、はんだ3・4は、「水素ガス加圧工程」において新たに濡れ性が改善された部分に沿って濡れ広がるので、ボイド7およびボイド9は縮小し、ひいては消滅する。
しかし、容器内の圧力を常圧に戻す(上昇させる)ために容器内に流入するガスは、水素ガスまたは水素ガスと不活性ガスとの混合ガスである。そのため、水素ガスがボイド7およびボイド9により生じる空間(言い換えれば、水素流入工程において水素による還元反応が十分に行われていない部分)に供給される。
しかも、「水素ガス加圧工程」における雰囲気温度は、はんだ3・4の液相線以上の温度であり、「水素流入工程」における雰囲気温度(はんだ3・4の固相線以下の温度)よりも高く設定されている。そのため、回路パターン2b・2c表面においてボイド7およびボイド9の発生原因となっていた部分の還元反応がより促進され、濡れ性が改善される。
従って、はんだ3・4は、「水素ガス加圧工程」において新たに濡れ性が改善された部分に沿って濡れ広がるので、ボイド7およびボイド9は縮小し、ひいては消滅する。
このように、「水素ガス加圧工程」において、溶融したはんだと接合部材との接合界面に形成されたボイドは、該ボイドの形成位置に関わらず(外部と連通しているか否かに関わらず)収縮または消滅する。
なお、本実施例では「水素ガス加圧工程」終了時の容器内の圧力(第二の圧力)は常圧としたが、これには限定されず、前記「減圧下はんだ溶融工程」における容器内の圧力(第一の圧力)より高い圧力であれば同様の効果を奏する。
「水素ガス加圧工程」が終了したら、「はんだ凝固工程」に移行する。
なお、本実施例では「水素ガス加圧工程」終了時の容器内の圧力(第二の圧力)は常圧としたが、これには限定されず、前記「減圧下はんだ溶融工程」における容器内の圧力(第一の圧力)より高い圧力であれば同様の効果を奏する。
「水素ガス加圧工程」が終了したら、「はんだ凝固工程」に移行する。
「はんだ凝固工程」において、容器内の圧力を常圧に保持しつつ、容器内の雰囲気温度をはんだ3・4の固相線以下の温度に下げ、さらに常温(25℃)付近まで下げる。
このようにして、接合界面のボイドが収縮または消滅した状態ではんだ3・4を凝固させ、実装基板100(より厳密には、実装基板100にはんだ4を介して放熱板5を接合したもの)を得る。
「はんだ凝固工程」が終了したら、「接合構造体取り出し工程」に移行する。
このようにして、接合界面のボイドが収縮または消滅した状態ではんだ3・4を凝固させ、実装基板100(より厳密には、実装基板100にはんだ4を介して放熱板5を接合したもの)を得る。
「はんだ凝固工程」が終了したら、「接合構造体取り出し工程」に移行する。
「接合構造体取り出し工程」において、容器から実装基板100を取り出す。
以上の如く、本発明に係る接合構造体の実施の一形態である実装基板100は、
第一の接合部材である半導体素子1と第二の接合部材である基板2とをはんだ3を介して接合するものであり、
半導体素子1と基板2とではんだ3を挟んだものを窒素ガスからなる不活性ガスで満たした容器に収容し、
該容器内の圧力を第一の圧力(本実施例の場合、1.0×10^1[Pa])まで減圧するとともに雰囲気温度をはんだ3の液相線以上の温度(本実施例の場合、250℃から300℃程度)に上昇させてはんだ3を溶融し、
該容器内の雰囲気温度をはんだ3の液相線以上の温度に保持しつつ、容器内に水素ガスまたは水素ガスと不活性ガスとの混合ガスを流入させて該容器内の圧力を第二の圧力(本実施例の場合、1.0×10^5[Pa]程度の常圧)まで加圧し、
該容器内の雰囲気温度をはんだ3の固相線以下の温度に下げてはんだ3を凝固させた、ものである。
第一の接合部材である半導体素子1と第二の接合部材である基板2とをはんだ3を介して接合するものであり、
半導体素子1と基板2とではんだ3を挟んだものを窒素ガスからなる不活性ガスで満たした容器に収容し、
該容器内の圧力を第一の圧力(本実施例の場合、1.0×10^1[Pa])まで減圧するとともに雰囲気温度をはんだ3の液相線以上の温度(本実施例の場合、250℃から300℃程度)に上昇させてはんだ3を溶融し、
該容器内の雰囲気温度をはんだ3の液相線以上の温度に保持しつつ、容器内に水素ガスまたは水素ガスと不活性ガスとの混合ガスを流入させて該容器内の圧力を第二の圧力(本実施例の場合、1.0×10^5[Pa]程度の常圧)まで加圧し、
該容器内の雰囲気温度をはんだ3の固相線以下の温度に下げてはんだ3を凝固させた、ものである。
このように構成することにより、溶融したはんだ3と半導体素子1または基板2との接合界面に形成されたボイド6・7は、該ボイド6・7が形成された位置に関わらず(外部と連通しているか否かに関わらず)、該ボイド6・7ははんだ3が凝固する前に収縮または消滅する。
従って、実装基板100は接合界面の密着性に優れ、十分な接合強度、優れた熱伝導性(放熱性)および電気伝導性を得ることができる。
従って、実装基板100は接合界面の密着性に優れ、十分な接合強度、優れた熱伝導性(放熱性)および電気伝導性を得ることができる。
特に、接合構造体がパワー半導体装置(IGBTモジュール等)のように発熱量が大きいものの場合、半導体素子の構成材料であるシリコンの線膨張係数は3ppm/℃程度、絶縁基板の一例であるAlNの線膨張係数は4.5〜4.6ppm/℃程度、放熱板の一例である銅の線膨張係数は17ppm/℃程度であることから、放熱板と絶縁基板との間の線膨張係数の差が大きく、これらを接合するはんだの凝固温度が高いと、凝固温度と常温との温度差が大きく、接合構造体に残留する応力(歪み)が大きくなる。これは、熱サイクルによる接合不良の原因となる可能性がある。
そこで、近年、第一の接合部材および第二の接合部材の線膨張係数の差に起因して接合構造体に残留する応力(歪み)を、第一の接合部材と第二の接合部材とを接合するはんだの凝固温度を低くすることにより軽減することが検討されている。
このような場合に使用されるはんだとしては、錫−インジウム合金、錫−ビスマス合金、錫−インジウム−ビスマス合金、あるいは錫に鉛、銀、銅、亜鉛、ニッケル、アンチモン等を添加した合金である。
より具体的には、インジウムを2wt%から20wt%添加した錫−インジウム合金、インジウムとビスマスとを合わせて2wt%から20wt%添加した錫−インジウム−ビスマス合金、ビスマスを3wt%から58wt%添加した錫−ビスマス合金等が低融点のはんだの例として挙げられる。
しかし、はんだの融点が低くなると、前記「水素流入工程」において水素ガスによる還元反応を行う温度も低くなる。そのため、「水素流入工程」において還元反応が十分に促進されず、接合界面において濡れ性が改善されない部分が多く残り、「減圧下はんだ溶融工程」において接合界面にボイドが多数発生するという問題がある。
そこで、近年、第一の接合部材および第二の接合部材の線膨張係数の差に起因して接合構造体に残留する応力(歪み)を、第一の接合部材と第二の接合部材とを接合するはんだの凝固温度を低くすることにより軽減することが検討されている。
このような場合に使用されるはんだとしては、錫−インジウム合金、錫−ビスマス合金、錫−インジウム−ビスマス合金、あるいは錫に鉛、銀、銅、亜鉛、ニッケル、アンチモン等を添加した合金である。
より具体的には、インジウムを2wt%から20wt%添加した錫−インジウム合金、インジウムとビスマスとを合わせて2wt%から20wt%添加した錫−インジウム−ビスマス合金、ビスマスを3wt%から58wt%添加した錫−ビスマス合金等が低融点のはんだの例として挙げられる。
しかし、はんだの融点が低くなると、前記「水素流入工程」において水素ガスによる還元反応を行う温度も低くなる。そのため、「水素流入工程」において還元反応が十分に促進されず、接合界面において濡れ性が改善されない部分が多く残り、「減圧下はんだ溶融工程」において接合界面にボイドが多数発生するという問題がある。
本発明に係る接合構造体の製造方法は、このような低融点のはんだを用いて接合構造体を製造する場合にも、「水素ガス加圧工程」においてはんだが溶融している温度(液相線以上)にて水素ガスによる還元反応を行うため、接合界面の濡れ性が改善され、良好な密着性を有する接合界面を形成することが可能である。
1 半導体素子(第一の接合部材)
2 基板(第二の接合部材)
3 はんだ
2 基板(第二の接合部材)
3 はんだ
Claims (4)
- 第一の接合部材と第二の接合部材とをはんだを介して接合する接合構造体において、
第一の接合部材と第二の接合部材とではんだを挟んだものを不活性ガスで満たした容器に収容し、
該容器内の圧力を第一の圧力まで減圧するとともに雰囲気温度をはんだの液相線以上の温度に上昇させてはんだを溶融し、
該容器内の雰囲気温度をはんだの液相線以上の温度に保持しつつ、容器内に水素ガスまたは水素ガスと不活性ガスとの混合ガスを流入させて該容器内の圧力を第二の圧力まで加圧し、
該容器内の雰囲気温度をはんだの固相線以下の温度に下げてはんだを凝固させた、
ことを特徴とする接合構造体。 - 前記はんだは錫を母材とし、かつ、インジウムおよびビスマスのいずれか一方または両方を添加材として含むことを特徴とする請求項1に記載の接合構造体。
- 第一の接合部材と第二の接合部材とをはんだを介して接合する接合構造体の製造方法において、
第一の接合部材と第二の接合部材とではんだを挟んだものを不活性ガスで満たした容器に収容し、
該容器内の圧力を第一の圧力まで減圧するとともに雰囲気温度をはんだの液相線以上の温度に上昇させてはんだを溶融し、
該容器内の雰囲気温度をはんだの液相線以上の温度に保持しつつ、容器内に水素ガスまたは水素ガスと不活性ガスとの混合ガスを流入させて該容器内の圧力を第二の圧力まで加圧し、
該容器内の雰囲気温度をはんだの固相線以下の温度に下げてはんだを凝固させる、
ことを特徴とする接合構造体の製造方法。 - 前記はんだは錫を母材とし、かつ、インジウムおよびビスマスのいずれか一方または両方を添加材として含むことを特徴とする請求項3に記載の接合構造体の製造方法。
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-
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- 2004-03-26 JP JP2004090718A patent/JP2005271059A/ja active Pending
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