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JP2002307188A - Ｚｎ−Ａｌ系はんだを用いた製品 - Google Patents

Ｚｎ−Ａｌ系はんだを用いた製品

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JP2002307188A
JP2002307188A JP2001112157A JP2001112157A JP2002307188A JP 2002307188 A JP2002307188 A JP 2002307188A JP 2001112157 A JP2001112157 A JP 2001112157A JP 2001112157 A JP2001112157 A JP 2001112157A JP 2002307188 A JP2002307188 A JP 2002307188A
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solder
ball
balls
product
foil
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JP2001112157A
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Tasao Soga
太佐男 曽我
Toshiharu Ishida
寿治 石田
Kazuma Miura
一真 三浦
Hideyoshi Hata
英恵 秦
Masahide Okamoto
正英 岡本
Tetsuya Nakatsuka
哲也 中塚
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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    • H01L2224/29438—Coating material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/29444—Gold [Au] as principal constituent
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    • H01L2224/29447—Copper [Cu] as principal constituent
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    • H01L2224/45138—Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron (B), silicon (Si), germanium (Ge), arsenic (As), antimony (Sb), tellurium (Te) and polonium (Po), and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
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Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は、硬くて実用化が困難とされて
いるZn-Al系はんだで、温度階層接続が可能な高融点は
んだ範囲にあるが、の改良、改質により実現することに
ある。 【解決手段】本発明は、上記目的を達成するために、圧
延が可能で、粒界腐食を防止できるZn-Al-Mg-Ge系はん
だの第一のボールと、柔らかい純Alはんだボールの第二
のボール、更には低ヤング率化のためのゴムボール、も
しくは低熱膨張係数の小さいボールを加えても良い。こ
れらのボール等を分散混入して、型に入れて真空吸引
し、全体を均一に圧縮し、Zn-Al-Mg-Ge 系はんだボール
をAlボール間に塑性流動させ、隙間を充填した複合成型
体を得る。この複合成型体をダイボンド用箔に圧延して
作製する。空隙は真空圧縮で埋まっているので、ボイド
は少ない理想的な接続ができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】Sn-Ag-Cu系Pbフリーはんだに
対する高温側の温度階層可能なPbフリーはんだで、か
つ、圧延加工性に優れる耐熱疲労性はんだ及びそれを用
いた製品に関する。
【０００２】
【従来の技術】Sn-Pb系はんだにおいては、高温系はん
だとしてPbリッチのPb-5Sn(融点：314〜310℃)、Pb-10S
n(融点：302〜275℃)等を330℃近傍の温度ではんだ付け
し、その後、このはんだ付け部を溶かさないで、低温系
はんだのSn-37Pb共晶(融点：183℃)で接続する温度階層
接続が可能であった。これらのはんだは、柔軟で変形性
に富み、このため破壊し易いSiチップ等を熱膨張係数の
異なる基板に接合したり、構造用にも使用することがで
きた。このような温度階層接続は、チップをダイボンド
するタイプの半導体装置や、チップをフリップチップ接
続するＢＧＡ，ＣＳＰなどの半導体装置などに主に適用
されている。即ち、半導体装置内部で使用するはんだ
と、半導体装置自身を基板に接続するはんだとは温度階
層接続されていることを意味する。他方、パワーモジュ
ール等の高温で使用される接続等にも使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】現在、あらゆる分野に
おいて鉛フリー化が進んでいる。
【０００４】Pbフリーはんだの主流はSn-Ag共晶系(融
点：221℃)、Sn-Ag-Cu共晶系(融点：221〜217℃)、Sn-C
u共晶系(融点：227℃)になるが、表面実装におけるはん
だ付け温度は部品の耐熱性から低いことが望ましいが、
信頼性確保のためぬれ性を確保する必要性から、均熱制
御に優れた炉を用いても、基板内の温度ばらつきを考慮
すると、一番低い温度で接続可能なはんだはSn-Ag-Cu共
晶系で、はんだ付け温度はmax235〜250℃くらいが実情
である。従って、このはんだ付け温度に耐えられるはん
だとしては、融点が少なくても260℃以上である必要が
ある。現状で、これらのはんだと組合せて使用できる高
温側の温度階層用の柔軟なPbフリーはんだはない。最も
可能性のある組成として、Sn-5Sb(融点：240〜232℃)は
あるが、溶けてしまうので温度階層用にはならない。
【０００５】また、高温系のはんだとしてAu-20Sn(融
点：280℃)は知られているが、硬く、コスト高のために
使用が狭い範囲に限定される。特に、熱膨張係数の異な
る材料へのSiチップの接続、大型チップの接続では、Au
-20Snはんだは硬いため、Siチップを破壊させる可能性
が高いため使用されていない。
【０００６】本発明は大面積の接合、例えばSiのダイボ
ンド、パワーモジュール接合に適した材料系、方式、構
造の提案であり、大面積故に、はんだで変形してくれる
柔らかく、耐熱疲労性を有し、ボイドレス化が要求され
ている。更に、これらの接続にフラックスレス接続が可
能であることも要求されている。
【０００７】本発明の目的は、高温側のはんだ用として
知られているが課題の多いために注目されていないZn-A
l系はんだに注目し、改良、改質を行うことで新規なは
んだとして提供することにある。本はんだは電子機器分
野だけでなく、一般の構造用分野も対象とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、特許請求の範囲の通りに構成したもので
ある。
【０００９】ところで、温度階層接続を考えると、既に
接続した高温側のはんだは、一部が、再溶融しても、他
の残りの部分が溶融しなければ、後付けのはんだ接続時
のプロセスに耐えられるのが大部分と考えられる。即
ち、260℃のリフロー条件に耐えられる接続強度を有す
ることが必要条件である。そこで、我々は、高温系の有
力なはんだとし、低コストのZn-Al系はんだに注目し、
この短所の改良、改質を検討した。高温系はんだとして
は、パワーモジュールに使用されるものの中には250℃
以上の融点を有し、かつ、一部でも溶けないことを要求
する厳しい製品分野もある。このため、260℃以上でも
溶けない系、及び、一部が溶けても260℃以上でも強度
を有するもの等の仕様に対するはんだを用意した。
【００１０】Zn-Al系はんだは短所が多いので、短所の
課題をクリアする必要がある。Zn-5Al共晶はんだの融点
が382℃と高いため、特に300℃近くの比較的低温でのは
んだ付けは難しく、この場合は、一部が溶けても260℃
以上で強度を確保する組成となる。以下、要求される主
要な課題を取り上げ、解決手段を示す。
【００１１】まず、（１）Zn-Al系はんだの融点を300℃
レベルに下げること。次に、（２）箔として使う場合が
多いので、圧延加工が可能であること。更に、異種材料
の接合が多いので温度サイクル試験等で（３）耐熱疲労
性があると同時に、（４）はんだ自体が柔軟性を有する
こと。（５）箔の状態でボイドがないこと。（６）耐酸
化防止(N2中ではんだ付け)が可能であること。（７）耐
食性に優れること。これらの条件をクリアすることが温
度階層接続に求められている必要条件である。
【００１２】そこで、（１）のZn-Al系はんだの融点を3
00℃レベルに下げて、かつ、（２）の圧延性にも優れる
組成を検討した。Zn-5Alは382℃の共晶はんだである
が、融点が高すぎ、酸化の問題がある。即ち、Zn-Al系
はんだにMgとGeを同時に加えることで、融点をある程度
に下げられ、かつ、圧延性を確保し、耐酸化性を向上さ
せることができる。Mgは粒界腐食防止に効果があり、融
点を下げるが、余り入れ過ぎると脆くなる。Zn-5Al-Mg
では圧延加工はできない。Zn-5Al-MgにGeを入れること
で圧延加工が可能になることが分かった。即ち、圧延加
工にはGeは必要な元素である。Zn-5Al-Geだけでは加工
性は良いが、融点は余り下がらず、粒界腐食の課題があ
る。従って、MgとGeを同時に入れることが重要である。
これでも融点は余り下がらないので、更にSn、In、Gaを
入れることで、液相線温度は余り下がらないが、はんだ
付け温度は下がり、330℃近くでのはんだ付けが可能に
なる。Sn、Inを多く入れることで、よりはんだ付け性は
良くなる。但し、Snを多く入れた場合、Sn-Znの低温の
固相線(約197℃)が現れる。また、Inの場合も同様、In-
Znの低温の固相線(約144℃)が現れる。しかし、一部が
溶けても高温で強度を保持できれば問題にならない場合
が多い。従って、低温の比較的柔らかい相を分散させる
ことにより、限りなく300℃近くで接続できて、高温で
の(通常はSn-3Ag-0.5Cuの場合、リフロー温度:max250
℃)強度を確保することが可能である。
【００１３】次に、（３）耐熱疲労性向上と、（４）は
んだ自体が柔軟性であることは同時に達成されることが
多い。即ち、Zn-Al-Mg-Geだけでは強度が高く剛性が大
で、加工性はあっても、硬くはんだ自体の変形性に乏し
いので、大きなSiチップなどはチップ破壊を起こす恐れ
がある。そこで、柔らかいIn、Snを多くいれて変形性を
向上させたり、融点が高く柔らかい純Alの粒子を分散さ
せて、全体を柔らかくして、継手に作用する応力を低減
させることで耐熱疲労性を向上させることができる。Al
をはんだ中に分散させるには全て粒子状にして、混合し
て分散させ、不活性雰囲気、もしくは還元性雰囲気の静
圧下で成形、焼結させて、更に、圧延して箔をつくる。
Zn-Al-Mg-GeボールとAlボールを室温で不活性雰囲気中
で混合した後、静圧下で高温で成形すると、Alが「島」
で、融点の低いZn-Al-Mg-Geが柔らかくなり、「海」の構
造になる。接合に関係するZn-Al-Mg-Geが「海」である必
要がある。柔らかいAlがはんだの中で均一に分散するこ
とで熱衝撃を緩和させたり、作用する応力を低減させる
ことで耐熱疲労性を向上させることができる。なお、Al
表面にNi/Auめっき(Niは0.1〜0.5μm、Au:0.1μmと薄く
して、Niがはんだに食われても良い。Niの皮膜が厚いと
Alの変形機能を損ねる)、Agめっき等を薄く施すことでZ
n-Al-Mg-Geはんだとの接合を強くすることができる。
【００１４】更に、柔らかくする手段として、Auめっき
を施した微細プラスチックボールを分散させる方法があ
る。また、はんだにぬれるメタライズを施した、もしく
はその上にSn系はんだめっきを施した低熱膨張ボール等
を分散混入することで、低応力化により耐熱疲労性を向
上させることも可能である。なお、（５）箔の状態でボ
イドをなくすには真空で焼結すると効果がある。真空で
処理しなくても、3%以下のボイド率に抑えることができ
る。（６）耐酸化防止については、Zn-Al-Mg-Ge系はN2
雰囲気でダイボンドにより、接続することができる。ま
た、（７）耐食性については同系であれば、厳しい高温
高湿試験条件（85℃,85%RH,1000h）をクリアする。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。
【００１６】（実施例１）Zn-4AlにInをいれて、圧延性
を検討したが圧延できなかった。また、Zn-4AlにMgを入
れても圧延できないことが分かった。しかし、この系に
Geをある程度入れることで、圧延が可能になることが分
かった。そこで、圧延可能な代表組成として、Zn-4Al-3
Mg-4Geの応用を検討した。260℃以上での高温での高信
頼性が要求されるパワーモジュール等を対象とするはん
だ材として、Zn-4Al-3Mg-4GeボールとAlボールとを混合
して作製した圧延箔を検討した。図１はZn-4Al-3Mg-4Ge
(融点：342〜375℃、硬さHv106)ボールと純Al(99.99%,
硬さHv17)で作る複合体金属の製作工程の概略を示し、
(a)は真空ホットプレスのカーボン治具１中にAlボール
２とZn-4Al-3Mg-4Ge ボール３を入れた状態で、(b)は真
空ホットプレス後のはんだが塑性流動した後の複合体金
属塊の断面形状モデルで、Zn-4Al-3Mg-4GeボールはZn-4
Al-3Mg-4Geの「海」４に変形する。(c)は複合ボール塊
を更にロール５で圧延し、はんだ箔を作製しているモデ
ルである。なお、MgのないZn-6Al-5Ge、Zn-20Al-3.5Ge
についても同様に圧延可能である。この系の圧延性はMg
入りよりも優れる長所があるので、Alを多く含んだ系で
も圧延が可能である。
【００１７】10〜20μmのZn-4Al-3Mg-4Ge ボールと約10
μmのAlボールとを体積比でZn-4Al-3Mg-4Ge ボールは約
60vol%になるように配合した。Alボールに対しては更に
微細粒を入れて、最密充填配合することによりAlボール
の充填率を上げることは可能である。なお、Alボールは
粒子径が大きいと、継手のフィレット表面の凹凸が目立
つので、望ましくはAl粒径として５μm前後が望まし
い。なお、最密充填ならば理論上Alの体積比率は約74%
になり、はんだは26%になる。これらのボールはAr雰囲
気中で混合され、カーボン治具でできた成形(3ton/cm2)
容器の中に入れる。真空引きした後、Ar雰囲気で200℃
以上(Zn-4Al-3Mg-4Geの融点は342〜375℃であるが、250
℃になると硬さがHv7程度になる)で時間をかけて周囲か
ら均一に圧力をかけていくと、Zn-4Al-3Mg-4Ge が主に
塑性変形しながらAlボール間の隙間を埋めていく。この
ホットプレスで作った複合はんだ塊は、150μm厚さのは
んだ箔作製を目的としているので、それに近い薄い形状
の型に予めしておくことが圧延率を下げられることから
望ましい。
【００１８】このようにして作った箔で、Alボールが露
出する場合、Al表面もしくは箔表面にNi/Snめっき、も
しくはSnめっきを施すことで、露出部の酸化を防止する
ことも可能である。
【００１９】（実施例２）図２はAlボール２とZn-4Al-3
Mg-4Ge ボール３以外に更に低ヤング率化するため、軟
らかい弾性体であるメタライズした(無電解Niめっき-Au
めっき、Auめっき、もしくは無電解Niめっき-はんだめ
っき)プラスチックボール(ゴム)６を分散させた状態の
圧延前(a)、と圧延後(b)を示す。なお、プラスチックボ
ールのめっき膜は変形に対応できる柔らかいAu、Ag、Al
等が望ましく、めっき膜が高温時に破壊しても該プラス
チックボールがはんだ内部に入っている限り、ゴムとし
ての機能を果たすことができる。樹脂ボール径は理想的
には10μm以下、望ましくは1μmレベルが望ましい。配
合量としては体積で数%でも効果がある。
【００２０】Zn-4Al-3Mg-4Ge の場合、還元性、不活性
雰囲気ではAlに対してはぬれるので、Al表面へのメタラ
イズは特に必要としない。しかし、より接合強度を確保
するにはNi/Auめっき、もしくはNi/Snめっき等を施すこ
とは効果がある。また、Al表面にスパッター等で薄くAu
もしくはAg等を被覆しても良い。Zn-4Al-3Mg-4Ge は低
温では硬いので、Alは球状であることが接触摩擦等によ
るエネルギー損出もスムーズで衝撃、振動に対して、減
衰性が増して好ましい。Al粒子は窒素中でアトマイズ法
などで低コストで多量に製造することが可能である。Al
ボールの代替として、融点が高く比較的柔らかいCu、A
g、Auボールの場合も同様に可能である。
【００２１】（実施例３）Zn-Al系で圧延可能な組み合
わせとして、Zn-Al-Mg-Ga(例；Zn-4Al-3Mg-3Ga)、Zn-Al
-Ge(例；Zn-6Al-5Ge,Zn-20Al-3Ge)、Zn-Al-Ge-Ga(例；Z
n-6Al-5Ge-3Ga)、Zn-Al-Mg-Ge(例；Zn-4Al-3Mg-4Ge)、Z
n-Al-Mg-Ge-Ga(例；Zn-4Al-1Mg-2Ge-3Ga)、更にはこれ
らにSn、In、Ag、Cu、Au、Ni、Pd等のいずれか一つ以上
を含有したものがある。Zn-Al系は酸化が激しいこと、
はんだの剛性が高いこと等のため、Siを接合した場合Si
チップに割れを起こす恐れが指摘されている（清水他：
「タ゛イアタッチ向けPbフリーはんだ用Zn-Al-Mg-Ga合金」Mate9
9,1999-2）。
【００２２】これらの課題をクリアする必要から、はん
だの剛性を下げるために、Ni-Snめっき、もしくはAuめ
っきした耐熱性のプラスチックボールをこれらのZn-Al
系ボールの中に均一に分散させて、ヤング率の低減を図
った。圧延性と粒界腐食を考慮すると、はんだボールと
してMg、Ge系のZn-Al-Mg-Ge、Zn-Al-Mg-Ge-Ga系に絞ら
れてくる。この分散粒子はこのZn-Al系ボールに比べ、
小さく均一に分散させることが望ましい。変形時に柔ら
かい弾性を有する1μmレベルのプラスチックボールが変
形することにより、熱衝撃緩和、機械的衝撃緩和の効果
は大である。Zn-Al系はんだボールのなかにゴムが分散
されて、ヤング率を低減させる。Zn-Al系はんだのボー
ル間にプラスチックボールがほぼ均一に入るので、短時
間の溶融ではこの分散は大きくくずれない。
【００２３】これらの粒子を分散して予め箔に圧延し易
い形状の容器に入れ、真空中でホットプレスで成型す
る。成型時にSnめっきしたプラスチックボール上のめっ
きが溶けない温度(Snの融点：232℃)で均等に圧縮さ
せ、塑性流動させる。220℃レベルならばZn-Al系ボール
はHv8と柔らかくなるので、容易に変形する。均一な圧
縮により空間をプラスチックボール、はんだ等で均一に
充填した塊を約150μmに圧延し、複合はんだ箔を作製す
る。ダイボンドで使用するときは、ロールに巻いて連続
工程で供給することができる。
【００２４】Zn-Al系はんだは酸化され易いので、保管
時のことも考慮すると、表面にSnめっきを施すことが望
ましい。このSnはダイボンド時にZn-Al系はんだに溶解
する。Snが表面に存在することで、例えば、Cuステム上
のNi-Auめっき上への接続が容易である。Siチップ側も
例えば、Cr-Ni-Agメタライズに対しても同様に容易に接
合できる。
【００２５】なお、プラスチックボール以外に更にSnボ
ールもしくはInボールを10〜30%混入することでZn-Al系
はんだ間にSnもしくはIn層が入り込み、一部はZn-Al系
ボール同志が接合されるが、他の部分は主に低温の柔
らかいSn-Zn、In-Zn相等の析出、溶解しないSn、Inの存
在で、変形はこのSn、In、Sn-Zn、In-Zn相とプラスチッ
クボールのゴムが分担する。ダイボンド後も一部Sn、In
層の存在により、変形をSn、Inが吸収することができ
る。また、プラスチックボールもSn、In層との複合作用
により、更に剛性を緩和することが期待できる。なお、
この場合も、Zn-Al系はんだの固相線温度は280℃以上を
確保しているので、高温での強度上の問題はない。但
し、この系は比較的低温での階層接続用であり、リフロ
ー時にはSn、In、Sn-Zn、In-Zn相は再溶融する。
【００２６】（実施例４）図３は上記はんだ箔11を用い
たダイボンドプロセスの一例を示す。例えば、Zn-4Al-2
Mg-3Ge-1Ag-10Sn、Alボール、若干のSnボール、はんだ
めっきプラスチックボールを混合して作製した箔を、Sn
(0.5μm)めっきを施し、Ni(3μm)-Au(0.1μm)を施したC
uステム13上に載せ、Cr-Ni-Ag38を施したSiチップを真
空吸引9させ、パルス電流の抵抗加熱体ツール7に□5mm
のSiチップ8を吸着させ、□4mm×t0.15の該はんだ箔11
を加圧（初期に2kgf）すると同時に、max 400℃で、10
秒間保持した。温度測定用熱電対16はツールのチップが
接触する近くに埋め込んである。その間、はんだ箔は温
度が上昇し、融点に達するとすると瞬時に溶けるので、
はんだのつぶれ防止のため、ツールははんだ箔を加圧し
た時の位置から、20μm下がった位置で保持された状態
で加熱される仕組みになっている。基板側のステムの予
熱15は約200℃で、ステム上のはんだ箔の酸化を防止す
るため、局所的に周囲から窒素10を吹き付ける機構とし
た。また、Siチップを吸着9するツール周囲にも窒素10
がでて、常に接合部が50〜100ppmレベルの酸素純度に保
たれる工夫をした。なお、この箔を用いて、水素炉もし
くは不活性雰囲気炉でmax380℃前後でパワーモジュール
等をリフロー接続することが可能である。
【００２７】図４はCuステム上にSiチップを接合した後
の断面である。Cuステム上のメタライズ膜として、Ni-A
u以外にNi-Ag、Agめっき等がある。Siチップ側のメタラ
イズ膜として、Cr-Ni-Au、Ni-Au、Ni-Ag、Ni-Sn等が可
能である。
【００２８】Zn-Al-Mg-Ge 系はんだにSnもしくはInめっ
きを施すと、Zn-Al-Mg-Ge系はんだの液相線温度以上に
温度を上げることで、SnもしくはInは容易にぬれ拡がり
Zn-Al-Mg-Ge系はんだに溶解する仕組みである。Snもし
くはInは多いとZn-Al-Mg-Geの中には固溶できず、粒界
に低温のSn-Zn相、もしくはIn-Zn相を析出してくる。意
図的にSnもしくはIn相を多数分散析出させることで、変
形はSn-Zn相、In-Zn相で接合強度はZn-Al系の固相で分
担させることができる。従って、Zn-Al-Mg-Ge系はんだ
ボールにSnもしくはInめっきを施し、Zn-Al-Mg-Geボー
ルに固溶できないSnもしくはIn相を意図的に残すことに
より、変形をSnもしくはIn層で吸収させることで、はん
だの剛性を緩和させることもできる。
【００２９】更に剛性緩和のため、はんだで被覆した1
μmレベルのプラスチックボールを混ぜた状態で使用す
ることにより、耐衝撃性は向上し、ヤング率は低下す
る。このため、このはんだを用いた継手の耐熱疲労性は
向上する。なお、予め、はんだの中にSnを多く入れるの
ではなく、Zn-Al-Mg-Ge系はんだボールにSnもしくはIn
めっきをしたり、Sn、Inのボールを適正量分散混入させ
て、真空中でZn-Al-Mg-Geボール間に塑性流動させても
良い。Zn-Sn、Zn-Inの低温相よりもSn、Inの独立した系
の方が柔かいので変形に対して望ましい。
【００３０】上記実施例に示した工程で作製した複合箔
はリールに巻いて切断工程を含めて連続供給できる。温
度階層を必要とする部品の封止部、端子接続部に対し
て、該形状に合わせパンチング加工等で抜いて、基板も
しくは部品側に固定し接続部をパルス方式の加圧型ヒー
トツールで窒素雰囲気下でフラックスレスで接続するこ
とができる。予熱時の酸化防止、ぬれ性を確保するた
め、Snめっきされた箔が望ましい。
【００３１】（実施例５）図５(a)はフラックスを用い
ないで、窒素雰囲気中でパルス加熱による抵抗加熱体で
チップ8と中継基板36の間に箔を載せ、ダイボンド39
後、Au線のワイヤボンド35で、チップ上の端子と中継基
板36上の端子とを繋ぎ、Ni-AuめっきしたAl等のフィン2
3と中継基板の間に箔を載せ、窒素雰囲気中で抵抗加熱
体でフラックスレス封止24を行ったBGA,CSPの断面であ
る。内部にR,Cのチップを搭載したモジュール実装に対
しても同様に応用が可能である。特に、高出力チップの
場合、Alを含んだ熱伝導性に優れる複合材であるので、
熱伝導性に優れる中継基板への熱伝導が可能である。モ
ジュール内部の小型チップ部品の実装はCu-Sn、Au-Sn等
の混合系高融点はんだペーストが可能である。
【００３２】図５(b)左は同じくZn-Al-Mg-Geボール とA
lボールで作った箔をパンチングで切り抜いたもの40
で、図５(b)右は窒素雰囲気中でパルス加熱による加圧
体41で箔40とAlフィン23を加熱するモデルの断面であ
る。なお、水素等の還元雰囲気炉でのフラックスレスの
リフロー接続も可能である。
【００３３】図５(c)は複合はんだ箔の断面モデルであ
り、Snめっき17は複合はんだ箔11の周囲を取り囲んでい
る。
【００３４】上記実施例に示した工程で作製した複合箔
を用いて、水素炉、還元雰囲気炉等でリフロー接続も可
能である。
【００３５】(実施例６)次に、モータドライバーIC等の
高出力チップの樹脂パッケージへの適用例を示す。図６
(a)はリードフレーム18と熱拡散板19とを張り合わせて
かしめた平面図で、かしめ個所20は２個所である。図６
(b)はパッケージの断面図であり、図６(c)はその一部の
拡大である。3Wレベルの発熱チップ8からの熱ははんだ1
1を介してヘッダの熱拡散板(Cu系の低膨張複合材)19に
伝わる。
【００３６】図７はパッケージの工程図を示す。リード
材は42Alloy系で、ダム切断後、リード切断成形前にSn
系はんだめっきが施される。Siチップ8の裏面の電極
は、Cr-Ni-Au、Cr-Ni-Ag、Ti-Ni-Ag、Ti-Ni-Au等の薄膜
もしくはNi-Agめっき等である。チップのダイボンドは
窒素を吹き付けて、パルスの抵抗加熱体で、初期加圧2k
gf、400℃で10秒間で行った。はんだ厚の制御は初期加
圧時の位置(150μm膜厚)から20μm下がったところでセ
ットし、一定はんだ厚を確保した。高出力チップのた
め、ボイド率低減が重要であり、目標の５％以下を達成
できた。該はんだはAlボールが入っているため、はんだ
が自由に動き回ることはなく、その点では構造的に、ボ
イドが発生し難くなっている。厳しい温度サイクルに対
しても、Alの柔軟性により良好な特性を示す。固相線温
度が300℃以上であることから、260℃の高温でも高信頼
性を確保できるはんだである。ダイボンド、ワイヤボン
ド35後、樹脂モールド21され、ダム切断され、リード18
にはSn-Bi系のPbフリーはんだが2〜8μm施される。更
に、リード切断成形され、不要な部分の熱拡散板を切断
して完成する。
【００３７】図８は一般的なプラスチックパッケージに
適用した例である。Siチップ8裏面が42Alloyのタブ22上
に導電ペースト24で接着されている。素子はワイヤボン
ド35を通してリード18に繋がれ、樹脂21モールドされ
る。その後、リードにはPbフリー化に対応したSn-Bi系
のめっきが施される。従来はプリント基板実装に対し
て、融点；183℃のSn-37Pb共晶はんだが使用できたの
で、max220℃でリフロー接続ができた。Pbフリー化にな
るとSn-3Ag-0.5Cu(融点；217〜221℃)でリフロー接続を
行うことになるので、max240℃となり、最高温度が約20
℃高くなる。このため、Siチップ8と42Alloyのタブ22の
接続に、耐熱性の導電ペーストが使用されてきたが、高
温での接着力は低下するので、信頼性に影響することが
予想される。そこで、導電ペーストの代わりに該はんだ
箔11を使用することで、260℃の高温でも十分な強度を
確保できる。このプラスチックパッケージへの応用は、
Siチップとタブとを接続するパッケージ構造すべてに適
用できる。構造上、Gull Wingタイプ、Flatタイプ、J-L
eadタイプ、Butt-Leedタイプ。Leadlessタイプ等があ
る。
【００３８】(実施例７)図９はパワーモジュール接続に
適用した例である。ダイオードのSiチップ8はΦ6.5mmレ
ベルの寸法を対象にする場合が多い。このため、従来は
軟らかいPbリッチ系高温系はんだが使われてきた。 そ
こで、ここでは圧延性に優れるZn-6Al-5GeボールとAlボ
ールを混合して作製した箔を使用する。5〜10μmのZn-5
Al-5Geボールと5〜10μmのAlボールを重量比で約１：１
に混合して、真空中もしくは還元雰囲気中で熱間ホット
プレスでZn-5Al-5Ge をAlボール間に塑性流動させ、更
に圧延してはんだ箔を作製する。この箔を必要な寸法に
切りだし、SiチップとNiめっきを施したMo板もしくはイ
ンバーとCuとの複合体でできた低熱膨張基板46との間、
該低熱膨張基板とNiめっき45されたCu板間49に、該はん
だ箔を搭載し、400℃の水素炉で一括してリフロー接続
した。この継手を温度サイクル試験、パワーサイクル試
験にかけても、これまでのPb入りはんだと同等な寿命を
有することを確認できた。
【００３９】更に、Snめっきされたプラスチックボール
のゴムを分散させることで低ヤング率化により、より耐
熱衝撃性を向上させることができ、より大型Ｓｉチップ
の接合を可能にする。なお、パルス加熱方式のダイボン
ダーで窒素を吹き付け、max420℃、10秒間で加圧接合す
る方式でも可能である。また、パルス加熱方式で仮付け
し、その後、水素炉で一括してリフローする接続方式も
可能である。
【００４０】
【発明の効果】圧延できるZn-Al-Ge等は硬いため、大型
チップ等の接続は困難であった。そこで柔らかいAlを混
合することで、見掛け上の剛性を下げることで、高信頼
性を可能にした。なお、該はんだを用いた接続は電子部
品実装に限定されるものではなく、構造部材の接続、封
止等に対しても低弾性、変形能に優れることから、高信
頼性が期待でき、応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】複合ボールで作る複合体金属の製作工程の図
【図２】弾性体のプラスチックボールを分散させた圧延
前後の断面モデルの図
【図３】ダイボンドプロセスの一例を示す断面モデルの
図
【図４】ダイボンドされた断面のモデル図
【図５】LSI、キャップを基板に接続する箔及び断面の
モデルの図
【図６】配合はんだ箔によるダイボンド接続部の断面モ
デルの図
【図７】パッケージの工程図を示す図
【図８】プラスチックパッケージの断面モデル図
【図９】パワーモジュールの断面モデルの図
【符号の説明】
1.カーボン治具 21.樹脂モールド 2.Alボール 22.タブ 3.Zn-4Al-3Mg-4Geボール 23.Alフィン 4.Zn-4Al-3Mg-4Ge 24.導電ペースト 5.ロール 25.封止 6.プラスチックボール 35.ワイヤボンド 7.抵抗加熱体ツール 36.AlN中継基板 8.Siチップ 37.接続端子 9.真空吸引穴 38.Cr-Ni-Ag 10.窒素 39.ダイボンド 11.はんだ箔 40.箔 12.素子の端子部 41.加圧体 13.ステム 42.Niメタライズ 15.予熱用ヒータ 43.中継基板 16.熱電対 44.メタライズ 17.Snめっき 45.Niめっき 18.リードフレーム 46.低熱膨張基板 19.熱拡散板 47.はんだ 20.かしめ 49.Cu板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三浦 一真 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 秦 英恵 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 岡本 正英 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者 中塚 哲也 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 Ｆターム(参考） 5E319 BB01 GG20

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】Al:3〜25%、Mg:0.5〜6%、Ge:1〜5%、残Zn
    からなるはんだ及び該はんだを用いたことを特徴とする
    製品。
  2. 【請求項２】Al:3〜7%、Mg:0.5〜6%、Ge:1〜5%、残Znか
    らなるはんだ及び該はんだを用いたことを特徴とする製
    品。
  3. 【請求項３】Al:3〜25%、Mg:0.5〜6%、Ge:1〜5%にIn、S
    n 、Gaのいずれか一つ以上が30%以下で残Znからなるは
    んだ及び該はんだを用いたことを特徴とする製品。
  4. 【請求項４】Al:3〜7%、Mg:0.5〜6%、Ge:1〜5%にIn、Sn
    、Gaのいずれか一つ以上が30%以下で残Znからなるはん
    だ及び該はんだを用いたことを特徴とする製品。
  5. 【請求項５】請求項１乃至請求項４において、Au、Cu、N
    i、Ag、Pd、Biのいずれか一つ以上を含み、いずれも5%
    以下であるはんだ及び該はんだを用いたことを特徴とす
    る製品。
  6. 【請求項６】請求項１乃至請求項５において、該はんだ
    表面をSn系はんだめっきで被覆したはんだ及び該はんだ
    を用いたことを特徴とする製品。
  7. 【請求項７】請求項１乃至請求項６のいずれかのはんだ
    組成のボールとAlボールとを混合して、均等圧がかけら
    れる予め圧延し易い型に入れ、真空中、不活性雰囲気
    中、還元雰囲気中のいずれかで、はんだを溶融もしくは
    溶融させないで隙間のないように均等に圧入させて埋め
    込んだ後、該複合体を圧延して作製したはんだ箔を用い
    たことを特徴とする製品
  8. 【請求項８】Al:3〜25%、Mg:0.5〜6%、Ge:1〜5%、残Zn
    からなるはんだとAlボールとを混合して、均等圧がかけ
    られる予め圧延し易い型に入れ、真空中、不活性雰囲気
    中、還元雰囲気中のいずれかで、はんだを溶融もしくは
    溶融させないで隙間のないように均等に圧入させて埋め
    込んだ後、該複合体を圧延して作製したはんだ箔を用い
    たことを特徴とする製品
  9. 【請求項９】Al:3〜7%、Mg:0.5〜6%、Ge:1〜5%、残Znか
    らなるはんだとAlボールとを混合して、均等圧がかけら
    れる予め圧延し易い型に入れ、真空中、不活性雰囲気
    中、還元雰囲気中のいずれかで、はんだを溶融もしくは
    溶融させないで隙間のないように均等に圧入させて埋め
    込んだ後、該複合体を圧延して作製したはんだ箔を用い
    たことを特徴とする製品
  10. 【請求項１０】Al:3〜25%、Mg:0.5〜6%、Ge:1〜5%にI
    n、Sn 、Gaのいずれか一つ以上が30%以下で残Znからな
    るはんだとAlボールとを混合して、均等圧がかけられる
    予め圧延し易い型に入れ、真空中、不活性雰囲気中、還
    元雰囲気中のいずれかで、はんだを溶融もしくは溶融さ
    せないで隙間のないように均等に圧入させて埋め込んだ
    後、該複合体を圧延して作製したはんだ箔を用いたこと
    を特徴とする製品
  11. 【請求項１１】Al:3〜7%、Mg:0.5〜6%、Ge:1〜5%にIn、
    Sn 、Gaのいずれか一つ以上が30%以下で残Znからなるは
    んだとAlボールとを混合して、均等圧がかけられる予め
    圧延し易い型に入れ、真空中、不活性雰囲気中、還元雰
    囲気中のいずれかで、はんだを溶融もしくは溶融させな
    いで隙間のないように均等に圧入させて埋め込んだ後、
    該複合体を圧延して作製したはんだ箔を用いたことを特
    徴とする製品
  12. 【請求項１２】請求項７乃至請求項１１において、該Al
    ボールが該はんだボールにぬれ易くするため、該Alボー
    ル表面をNi、Ni-Au、Cu、Ag、Sn、Au等のめっき、もし
    くはこれらの複合めっき、もしくはこれらに更にSn系の
    めっき等のぬれるメタライズを施したボールで作製した
    はんだ箔を用いたことを特徴とする製品
  13. 【請求項１３】請求項１〜１２において、該はんだの剛
    性低減のため、表面にはんだがぬれるメタライズを施し
    たプラスチックボールを均一分散させて作製したはんだ
    箔を用いたことを特徴とする製品
  14. 【請求項１４】請求項１〜１３において、該Alボール以
    外にSn、Inのいずれか一つ以上のボールを含有させて、
    作製したはんだ箔を用いたことを特徴とする製品
  15. 【請求項１５】請求項１〜１４において、複合はんだの
    熱膨張係数低減のため、これらのボールよりも低熱膨張
    係数を有する粒子であり、表面にはんだをぬらすための
    メタライズ、もしくはその上にSn、In等のはんだめっき
    を施して、均一分散させて作製したはんだ箔を用いたこ
    とを特徴とする製品
  16. 【請求項１６】請求項１５において、該低熱膨張係数を
    有する粒子として、インバー系、シリカ、アルミナ、Al
    N、SiC等であることを特徴とする製品
  17. 【請求項１７】請求項１３において、該プラスチックボ
    ール素材として、ポリイミド系、耐熱エポキシ系、シリ
    コーン系、各種ポリマービーズもしくはこれらを変成し
    たもの、もしくはこれらを混合したものであることを特
    徴とする製品
  18. 【請求項１８】請求項１〜１７において、帯、線、ボー
    ル、ペースト、塊状にして、単発的、もしくは連続工程
    として製造し、更に加工されて使用することを特徴とす
    る製品
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