JPH0528000B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の利用分野） 本発明は加工熱処理・はんだの局部溶融接続に
より半導体や部品を回路基板に接続および封止し
た電子回路装置およびその製造方法とくに接続部
および封止部の信頼性を向上させるのに利用可能
な電子回路装置およびその製造方法に関する。

（発明の背景） 従来、電子回路装置においては、半導体や部品
の機械的、化学的保護および量産性、信頼性の向
上を目的としてはんだによる面付実装が知られて
いる。その中でも半導体の最も高密度な実装法と
して第９図に示す如く、半導体チツプ１と基板２
の周端部対向面を電極４，５を介して微細なはん
だ３で接続する方法が知られている（例、特開昭
43−28735、米国特許第3871014号）。然るにこの
方法は、半導体チツプ１と、回路基板２とを接続
するさいにはんだ３を完全に溶融し、上記電極
４，５とのぬれ・拡散反応を利用して半導体チツ
プ１と、基板２とを接続していた。そのため、半
導体チツプ１と、基板２との接続部のはんだ３が
冷却過程で合金組成の偏析や欠隔および残留応力
が発生して伸びが小さな鋳造組織状態となる。こ
の鋳造状態は外力に対して伸びが小さく、不均一
な変形を発生するため、疲労特性が悪く、使用中
の種々のストレスに対して比較的短時間ではんだ
３が破壊する問題があつた。

（発明の目的） 本発明は従来の上記問題点を解決し、軟かく、
かつ延性や粒労特性がすぐれ高信頼性のはんだ接
続を可能とする電子回路装置と、その製造方法を
提供することにある。

（発明の概要） 本発明は上記の目的を達成するため、圧延によ
る加工と、熱処理を加えて延性を著しく改善し、
はんだ接続部に対応した形状に成形加工を行なつ
た加工はんだを、導体チツプ等の部品と、基板と
の間に供給された低融点はんだで加工はんだが溶
けない程度の低温度で局部溶融接続し、加工はん
だの優れた延性を活かすことを特徴とするもので
ある。

而して、本発明はつぎのような現象および原理
に基いて加工はんだを部品と基板との間の接続部
材として使用したものである。すなわち、金属の
多くは、溶融・凝固すると、ガスの吸截や欠陥が
多く、さらに純金属以外の殆んどの合金は、凝固
の過程で組成偏析や重量偏析を伴なう不均質な鋳
造組織となる。このような欠陥や不均質な組織か
らなる金属・合金は一般に脆く硬いため、鹸造部
材等に使用する場合等においては、圧延や熱処理
を行ない鋳造組織をこわして均質にし、これによ
り靭性や延性を改善する方法が行なわれている。
然るに、ろう材としてのPb−SnやAu−Sn等の合
金は、溶融接続を基本原理としているため、溶融
凝固すると、必らず鋳造組織となるので、これを
加工して組織を破壊することは殆んど不可能であ
る。そこで鋳造組織の硬くて脆い性質をそのまゝ
使用せざるを得なくなる。

第１０図は縦軸に応力(Kg/mm²)をとり、横軸に
伸びε（％）をとつた場合のPb−Sn合金を例とし
て加工はんだa′，b′，c′と、鋳造材ａ，ｂ，ｃの
引張特性がどの程度異なるかを示したものであ
る。

同図に示す如く、加工はんだa′，b′，c′はいず
れの組成においても、軟かく著しい伸びの改善が
見られる。この加工はんだa′，b′，c′は圧延率90
％で冷間圧延したシートから引張試験片を作成し
たのち、約１週間位室温で熱処理したものであ
る。つぎに第１１図は95Pb／5Snはんだの鋳造材
（第１１図ａ）、第１０図ｃに相当）と、加工はん
だ（第１１図ｂ、第１０図c′に相当）の組織を比
較したものである。同図に示す如く、加工はんだ
の組織は鋳造材に比較して結晶粒が細かく偏析し
て高濃度のSn相が球状化し、かつ内部歪の少な
いものになつている。この伸びは鋳造材の３〜４
倍で、加工・熱処理による特性改善の効果が理解
できる。

本発明者らは、上記の現象から、上記の加工は
んだを接続材料として使用することにより、種々
のストレスによる疲労等に十分に耐えられる接続
部が得られると想うに至つたのである。すなわ
ち、加工はんだより低融点のはんだで、加工はん
だの接続端部のみを溶融接続することにより、加
工はんだのすぐれた靭性および延性を失なうこと
なく接続できるので、信頼性の高い接続ができ、
かつこのような効果が期待でき材料としては殆ん
どのろう材について可能性があるからである。第
１２図はM.Hansenによる1958年に発表されたPb
−Sn合金の状態図、第１３図は同じくPb−Inの
合金の状態図、第１４図は同じくPb−Sb合金の
状態図である。これらの図から明らかな如く、い
ずれも冷却凝固過程で偏析や不均質な組織となる
が、これらを加工・熱処理すれば、伸び特性の改
善が期待できる。

以下本発明の一実施例を示す第１図乃至第３図
について説明する。第１図は本発明による接続構
造を有する電子回路装置の斜視図、第２図は第１
図のＡ−Ａ矢視断面図を示す。第１図および第２
図に示す如く、半導体チツプ１と、基板２との間
に電極４，５を介して加工成形した加工はんだ６
を介挿し上記電極４，５に加工はんだ６よりも低
融点のはんだ（図示せず）を付着し、このはんだ
のみを溶融して上記半導体チツプ１と、基板２と
をはんだ６により接続するものである。

つぎに第３図によりその製造方法を述べると、
まず、第３図ａに示す如く各種材料からなる基板
２上に各々の材料に適した方法で電極５を形成す
る。たとえば上記基板２がアルミナセラミツクで
形成されている場合には、Ag−PdおよびＷ等の
導体ペーストを印刷、焼成して上記電極５を形成
する。導体ペーストがＷのときには、さらにNi
導体メツキ等を行なつて電極５を形成する。この
ようにして形成された電極５上に低融点のはんだ
たとえばPb−SnあるいはAn−Sn等の共晶はんだ
をはんだペーストの印刷・リフロやはんだボー
ル、真空蒸着等による供給・リフロおよびはんだ
デイツプによりはんだ７を形成して回路基板を作
成する。同様な方法で半導体チツプ１にも電極４
に低融点のはんだ９を形成する。ついで第３図ｂ
に示す如く、上記電極５の形状たとえば円形、四
角形、三角形等に対応する形状をした高融点の加
工はんだ８を形成する。すなわち、加工はんだ８
はたとえば95wt％Pb−5wt％Sn、80wt％Au−
20wt％Snを成形して、上記回路基板２上の低融
点はんだ７に一致させて載置する。この状態で加
熱し、低融点はんだ７のみを溶融して加工はんだ
８を電極５上に固定する。なお、上記加工はんだ
８は溶解・鋳造して板状に圧延したのち、90％圧
延率まで加工して50℃で２日間不活性雰囲気中で
熱処理を行なつたもので、この引張特性は前記第
１０図に示すc′の特性に略一致していた。つい
で、第３図ｃに示す如く上記半導体チツプ１を低
融点のはんだ９が上記加工はんだ８に一致する如
く載置したのち、低融点はんだ９の融点よりもわ
ずかに高い温度で加熱して加工はんだ８の上部に
溶融接続すると、第３図ｄに示す如く電子回路装
置を得ることができる。上記実施例では上記加工
はんだ８の形状は直径0.15mm、長さ0.3mmの円柱
を用いている。また上記加工はんだ８の回路基板
２への供給方法は、電極５のパターンに対応して
穴の開いたステンレスマスクを使用している。こ
のようにして得られたはんだ接続部は、加工はん
だ８の融点が高く、体積も多いため、上記低融点
はんだ７，９と、溶融接続する加工はんだ８の領
域が20〜30μｍと非常にわずかであるため、殆ん
ど加工はんだである。これを温度サイクル−55〜
＋150℃、１サイクル／hr試験で寿命を評価する
と、疲労寿命は従来の鋳造はんだに比較して
95Pb−5Snはんだで５倍、80Au−20Snはんだで
２倍であつた。

同様な方法でセラミツクパツケージされたIC
およびコンデンサ、抵抗等の面付け部品について
も適用することができる。たとえば、第４図に示
す如く、セラミツク基板１０の素子取付用の凹部
１０ａの中央部に載置されモリブデン−マンガン
層にニツケルメツキと金メツキ１１を施したメタ
ライズ層１２と、このメタライズ層１２上に載置
された半導体素子１３と、上記凹部１０ａを除く
セラミツク基板１０上にモリブデン−マンガン層
がメタライズされた内部リード１４と、この内部
リード１４および上記半導体素子１３間を接続す
るワイヤボンドのワイヤ１５と、上記セラミツク
基板１０および該セラミツク基板１０の上方部に
配置された封止キヤツプ１６間を封止する封止部
１７とからなるセラミツクパツケージ１８を基板
２上に電極４，５を介してはんだ６で接続する場
合、および第５図に示す如く、基板２上にコンデ
ンサあるいは抵抗体１９を電極４，５を介しては
んだ６で接続するものにも適用できる。この場合
の疲労寿命特性を測定した結果、従来の鋳造材に
比較して３〜５倍の特性を示した。

つぎにIC，LSIの接続のように数百μｍの端子
が数百端子必要になる場合にはこれらの端子に対
応した加工、熱処理はんだを供給することが問題
になる。そこで本発明はまづ微細加工により端子
がバラバラになるのを防止するため、第６図ａに
示す如く加工、熱処理したはんだシート２０を硬
化フラツクス２１（約100℃以下で硬くなる）で
裏打ちして補強したのち、ガラス板２２等に固定
する。なお、上記硬化フラツクス２１は後で容易
に除去可能なものを使用する。またこの補強用材
料は上記はんだシート２０よりも低融点のはんだ
をメツキ、蒸着、圧延貼合せ等により供給しても
良い。ついで第６図ｂに示す如く、はんだシート
２０を数百μｍのピツチにてワイヤソーあるいは
放電加工法にて多数個に分割切断し、その下方の
硬化フラツクス２１を途中まで切断して各はんだ
柱６が固定された状態にする。然る後第６図ｃに
示す如く各はんだ柱６の端部をあらかじめ、部品
あるいは半導体チツプ１の対向端面にデイツプ等
にて供給された共晶はんだ等の低融点はんだ２３
で接触させて低融点はんだ２３のみを溶解する
と、全端子が部品に確実に接続される。ついで、
トリクロロエチレン、イソプロピルアルコール等
の溶剤にて硬化フラツクス２１を溶解して除去し
たのち、部品もしくは半導体チツプ１を回路基板
２に低融点はんだ（図示せず）で接続することに
より、多数の細かい熱処理はんだを溶解すること
なく、部品と回路基板２に接続することができ
る。なお上記に述べたはんだ供給方法は部品単位
に限定されることなく、たとえばSiウエハ全面の
端子を一括加工して供給できるので、量産性に優
れている。

つぎに本発明を電子回路装置における封止に実
施した場合を示す第７図および第８図について説
明する。第８図に示す如く、回路基板２上に接続
用はんだ２４により接続する半導体チツプ１およ
びコンデンサ等の部品を封止するため、上記半導
体チツプ１およびコンデンサ等の部品の上方部を
覆うように配置されたキヤツプ２５と、上記回路
基板２の周端部間に電極４，５を介して加工成形
された加工はんだ２６を介挿し、上記電極４，５
と加工はんだ２６との間に該加工はんだ２６より
も低融点のはんだ（図示せず）を付着し、この低
融点のはんだのみを溶融して上記キヤツプ２５と
回路基板２とを局所的に溶融接続したものであ
る。なお、上記キヤツプ２５、加工はんだ２６お
よび回路基板２５にて封止された内部は真空かあ
るいは不活性ガスの雰囲気で部品を化学的に保護
している。また上記半導体チツプ１およびコンデ
ンサ等の部品を回路基板２に接続するための接続
用はんだ２４はキヤツプ２５と、回路基板２とを
封止するさいに溶融しないように高融点のはんだ
を使用している。さらに、この場合の電子回路装
置の製造方法は、前記第３図に述べた方法と同一
である。

（発明の効果） 本発明は以上述べた如く、軟かく、かつ延性や
疲労特性のすぐれた加工はんだを用いて半導体お
よび部品の接続、封止を行なうことができるか
ら、簡単な構成、容易な操作により高信頼度の電
子回路装置を得ることができ、かつ今後増々高信
頼度および高密度が要求される面付実装の分野た
とえば計算機等の電子回路装置の高機能化に大き
い貢献をすることができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す電子回路装置
の斜視図、第２図は第１図のＡ−A′断面図、第
３図はその製造過程を示す説明用断面図、第４図
は本発明の他の一実施例を示すセラミツクパツケ
ージの断面図、第５図は抵抗器の面付け部品を示
す断面図、第６図は加工はんだの供給装置の製造
過程を示す説明用斜視図、第７図は本発明のさら
に他の一実施例を示す電子回路装置の斜視図、第
８図は第７図のＡ−A′断面図、第９図は従来の
電子回路装置を示す斜視図、第１０図は本発明に
係る加工はんだと従来のはんだとの引張特性図、
第１１図は本発明に係る加工はんだと、従来の鋳
造はんだのの組織を示す図面に代わる写真、第１
２図は本発明に係るPb−Sn合金の状態図、第１
３図はPb−In合金の状態図、第１４図はPb−Sb
合金の状態図である。 １…半導体チツプ、２…回路基板、３，７…は
んだ、４，５…電極、６，８，２６…加工はん
だ、９，２３…低融点はんだ、１０…セラミツク
基板、１１…金メツキ、１２…メタライズ層、１
３…半導体素子、１４…内部リード、１５…ワイ
ヤ、１６…封止キヤツプ、１７…封止部、１８…
セラミツクパツケージ、１９…抵抗体、２０…は
んだシート、２１…硬化フラツクスあるいは高融
点のはんだ、２２…ガラス板、２４…接続用はん
だ、２５…キヤツプ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 導体パターンを有する部品を、回路基板上に
   はんだで接続構成した電子回路装置において、上
   記はんだを、圧延し、かつ熱処理された高融点の
   はんだと、該高融点のはんだが溶融しない温度で
   溶融する低融点のはんだとにより形成し、この低
   融点のはんだの局部的溶融により前記高融点のは
   んだを、上記回路基板および部品に接続する如く
   構成したことを特徴とする電子回路装置。 ２ 前記高融点のはんだの形状を、細長の円筒状
   に形成したことを特徴とする前記特許請求の範囲
   第１項記載の電子回路装置。 ３ 前記高融点のはんだの形状を、球状に形成し
   たことを特徴とする前記特許請求の範囲第１項記
   載の電子回路装置。 ４ 前記高融点のはんだの形状を、鼓状に形成し
   たことを特徴とする前記特許請求の範囲第１項記
   載の電子回路装置。 ５ 導体パターンを有する部品と、回路基板との
   各電極間を、はんだにより接続する電子回路装置
   の製造方法において、前記各電極上にそれぞれ低
   融点のはんだを形成し、該各電極上の低融点のは
   んだに、溶解・鋳造して板状に圧延されたのち、
   不活性雰囲気中で熱処理して形成された高融点の
   はんだを載置または接触させて加熱し、該加熱に
   より低融点のはんだのみを溶融させ、前記部品お
   よび回路基板を前記高融点のはんだを介して接続
   することを特徴とする電子回路装置の製造方法。 ６ 前記高融点のはんだを、予めシート状に圧延
   加工してその一端面を溶解可能な当板にて補強
   し、その当板の１部を残して前記シート状のはん
   だを接続部材形状に１体加工し、該１体加工状態
   のまま接続部に供給し、前記シート状のはんだの
   他端面に付着した低融点のはんだのみを溶解させ
   て、前記回路基板もしくは部品に接続することを
   特徴とする前記特許請求の範囲第５項記載の電子
   回路装置の製造方法。 ７ 前記高融点のはんだを、前記回路基板上のは
   んだ接続部の導体パターンに一致する穴の開いた
   マスクを用いて上記回路基板と前記部品との間の
   所定位置に供給することを特徴とする前記特許請
   求の範囲第５項または第６項記載の電子回路装置
   の製造方法。