CN111630646A

CN111630646A - 焊料接合部

Info

Publication number: CN111630646A
Application number: CN201980003606.1A
Authority: CN
Inventors: 日野英治; 泽渡広信
Original assignee: JX Nippon Mining and Metals Corp
Current assignee: JX Nippon Mining and Metals Corp
Priority date: 2018-12-28
Filing date: 2019-08-07
Publication date: 2020-09-04
Also published as: TWI717833B; WO2020136979A1; JPWO2020136979A1; TW202039241A

Abstract

本发明提供一种焊料接合部，其通过如下接合部而在高温区域中具有优异耐久性，该接合部使UBM与焊料合金接合，自UBM侧依序含有自UBM侧延续的Ni层、NiSn合金层、(Cu、Ni、Pd)αSn合金层、BiSn合金层及朝焊料合金侧延续的Bi层而成。

Description

焊料接合部

技术领域

本发明涉及一种焊料接合部。

背景技术

就环境方面的考虑而言，推荐使用不含铅的焊料合金。焊料合金根据其组成不同，作为焊料使用时适宜的温度区域亦发生变化。

功率装置作为电力转换用元件，在油电混合车、送变电等广泛领域使用。以往可利用Si晶片的装置来顺应，但在要求高耐压、大电流用途、高速作动的领域，近年来着眼于带隙较Si大的SiC、GaN等。

以往的功率模块其作动温度达到170℃左右，但认为下一代型的SiC、GaN等存在成为200℃或200℃以上的温度区域的可能性。伴随于此，对用在搭载有这些晶片的模块的各材料要求耐热性、散热性。

作为具备此种特性的接合部，就无Pb的观点而言，认为优选为例如使用Sn-3.0Ag-0.5Cu焊料(Ag：3.0质量％、Cu：0.5质量％、剩余部分Sn)的接合部。然而，由于下一代型模块存在作动温度超过200℃的可能性，故要求较使用熔点为220℃附近的Sn-3.0Ag-0.5Cu焊料的接合部更进一步的耐热性。具体而言，就散热器的冷却及引擎周围温度的容许性而言，要求优选为耐250℃以上的高温的接合部。或认为，若为使用就环境规范观点而言欠佳的Pb焊料(Pb-5Sn)的接合部，则能够顺应下一代型模块的作动温度。

又，近年来，使用金属粉末糊的接合部作为下一代型模块的接合部引人注目。由于金属粉的尺寸小，故表面能量高，并在远低于该金属熔点的温度下开始烧结。并且，与焊料不同，一旦烧结，则若不升温至接近该金属熔点，则不会再熔融。充分利用此种特性，使用Ag粉末糊的接合部正处于开发阶段(专利文献1)。

Pb-5 Sn焊料虽然作为下一代型功率模块的接合材料的功能充分，但有铅，就将来的环境规范的观点而言，较理想为不使用。又，Ag粉末糊虽然根据条件能够赋予接合部充分的接合强度、耐热性，但存在材料价格的问题。

背景技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2011/155055号。

发明内容

[发明所欲解决的问题]

业界要求在下一代型功率模块的接合材料所要求的高温区域，例如超过250℃的温度区域中亦具有优异耐久性的焊料接合部。

因此，本发明的目的在于提供一种在高温区域中具有优异耐久性的焊料接合部。

[解决问题的技术手段]

在高温区域中具有优异特性的焊料接合部的研究开发大多着眼于焊料合金的熔点而进行。然而，本发明人经过进一步潜心研究开发后，结果发现，焊料接合部的高温特性不如说是取决于通过焊料接合而形成的接合部的结构，特定出该结构而完成本发明。

因此，本发明含有以下的(1)。

(1)

一种接合部，其使UBM与焊料合金接合，自UBM侧依序含有下述的层而成：

自UBM侧延续的Ni层、

NiSn合金层、

(Cu、Ni、Pd)αSn合金层、

BiSn合金层、及

朝焊料合金侧延续的Bi层。

[发明的效果]

若根据本发明，可获得在高温区域具有优异耐久性的焊料接合部。

附图说明

图1是实施例1的接合部的回流焊处理后的EPMA(电子探针显微分析仪)复合映射图像。

图2是在实施例1的接合部的回流焊处理后在250℃的温度下保持1000小时后的EPMA复合映射图像。

图3是比较例1的接合部的回流焊处理后的EPMA复合映射图像。

图4是在比较例1的接合部的回流焊处理后在250℃的温度下保持1000小时后的EPMA复合映射图像。

图5是实施例1的接合部的回流焊处理后的STM(扫描式电子显微镜)图像。

图6是以沿图5的分析线(55)分析获得的原子浓度(摩尔％)为纵轴，以距分析线的分析起点的距离为横轴的曲线图。

图7是比较例1的接合部的回流焊处理后的STM图像。

图8是以沿图7的分析线(75)分析获得的原子浓度(摩尔％)为纵轴，以距分析线的分析起点的距离为横轴的曲线图。

符号说明

11：Ni层

12：NiSn合金层

13：(Cu、Ni、Pd)αSn层

14：Bi层

21：Ni层

22：NiSn合金层

23：(Cu、Ni、Pd)αSn层

24：Bi层

31：Ni层(无Bi侵入)

32：(Cu、Ni、Pd)αSn层

32'：NiSn合金层

33：游离(Cu、Ni、Pd)αSn相

34：Bi层

35：侵入Bi

41：Ni层(无Bi侵入)

42：Ni层(有Bi侵入)

43'：NiSn合金相(不延续)

43：(Cu、Ni、Pd)αSn层

44：游离(Cu、Ni、Pd)αSn相

45：Bi层

46：Ni相

51：Ni层

52：P富集区域

53：(Cu、Ni、Pd)αSn层

54：Bi层

55：分析线

71：Ni层

72：P富集区域

73：(Cu、Ni、Pd)αSn层

74：Bi层

75：分析线。

具体实施方式

以下列举实施态样详细地说明本发明。本发明并不限定于以下所列举的具体实施态样。

[使UBM与焊料合金接合的接合部]

本发明的接合部是使UBM与焊料合金接合的接合部，自UBM侧依序含有自UBM侧延续的Ni层、NiSn合金层、(Cu、Ni、Pd)αSn合金层、BiSn合金层、及朝焊料合金侧延续的Bi层而成。

通过此种层结构，可获得在高温区域中具有优异耐久性的焊料接合部。

[UBM]

所谓UBM(Under Bump Metal，凸块下金属层)，是在晶片(例如Si晶片)上的电极(例如Al电极)上为了形成焊料凸块而介存的金属层。作为UBM，通常形成Ni层或Ni合金层并在其上形成Pd层及/或Au层等。在本发明的优选实施态样中，作为UBM，例如可列举在Si晶片上的Al电极上形成的由Ni层、在其上形成的Pd层及在其上形成的Au层所构成的金属层。

[焊料合金]

在优选实施态样中，作为焊料合金，可列举无铅焊料合金，例如可列举实施例中揭示的Bi-Cu-Sn组成的合金。

[接合部的UBM侧]

本发明的接合部是使UBM与焊料合金接合的接合部，故UBM因接合而失去原来的金属层的构成，能够检测的层仅剩下为UBM的主要层的Ni层。来自该UBM的Ni层一直延续至接合部，在接合部附近，成为自上述UBM侧延续的Ni层。UBM因接合而失去原来的构成，但在本说明书中，将接合两侧中存在该UBM的侧称为UBM侧。在本说明书中，有时将自UBM侧延续的Ni层仅称为Ni层。该Ni层虽为自UBM侧延续的层，但为了使接合部的构成明确，在本说明书中，作为构成接合部的层的一部分进行记载。

[接合部的焊料合金侧]

本发明的接合部是使UBM与焊料合金接合的接合部，故接合部的焊料合金侧朝焊料合金延续。在优选实施态样中，焊料合金为以Bi作为主要成分的合金，接合部的焊料合金侧成为朝焊料合金侧延续的Bi层。焊料合金因接合而成为具有与原来的焊料合金不同的相者，但在本说明书中，将接合两侧中存在该焊料合金的侧称为焊料合金侧。在本说明书中，有时将朝焊料合金侧延续的Bi层仅称为Bi层。该Bi层虽为朝焊料合金侧延续的层，但为了使接合部的构成明确，在本说明书中，作为构成接合部的层的一部分进行记载。

[NiSn合金层]

在优选实施态样中，NiSn合金层含有Ni、Sn及P。在优选实施态样中，在NiSn合金层中，与Ni层的边界处的Ni含量大于与(Cu、Ni、Pd)αSn合金层的边界处的Ni含量。在优选实施态样中，在NiSn合金层中，与Ni层的边界处的Sn含量小于与(Cu、Ni、Pd)αSn合金层的边界处的Sn含量。

在优选实施态样中，在NiSn合金层中，与Ni层的边界处的Sn含量为0.4摩尔％以下，优选为0.35摩尔％以下。

在优选实施态样中，在NiSn合金层中，与Ni层的边界处的P含量大于与(Cu、Ni、Pd)αSn合金层的边界处的P含量。

在优选实施态样中，在NiSn合金层中，与(Cu、Ni、Pd)αSn合金层的边界处的P含量为0.5摩尔％以下，优选为0.3摩尔％以下。

在优选实施态样中，在NiSn合金层中，距与Ni层的边界的各距离处的Ni含量处于21摩尔％～83摩尔％的范围，优选为处于22摩尔％～80摩尔％的范围。所谓距与Ni层的边界的各距离处的Ni含量处于上述范围，意指如下含义：根据距与Ni层的边界的距离设置1处以上的测定点，在各测定点处测定Ni含量，均为上述范围内；或可预测均为上述范围内。所谓可预测均为上述范围内，是指例如通过根据接近的测定点处的测定值进行外推而可预测均为上述范围内。关于测定点的个数，并无特别限制，就现实的测定操作的观点而言，例如可设置1～20个左右或1～5个左右的测定点。在下述记载中，“各距离处”的记载以与上述相同的含义使用。

在优选实施态样中，在NiSn合金层中，距与Ni层的边界的各距离处的Sn含量处于0.2摩尔％～48摩尔％的范围，优选为处于0.25摩尔％～45摩尔％的范围。所谓距与Ni层的边界的各距离处的Sn含量处于上述范围，是与上文关于Ni含量所记述的相同的含义。

在优选实施态样中，在NiSn合金层中，距与Ni层的边界的各距离处的P含量处于0.1摩尔％～10摩尔％的范围，优选为处于0.2摩尔％～9摩尔％的范围。所谓距与Ni层的边界的各距离处的P含量处于上述范围，是与上文关于Ni含量所记述的相同的含义。

在优选实施态样中，在NiSn合金层中，与(Cu、Ni、Pd)αSn合金层的边界处的Bi含量为2摩尔％以下，优选为1摩尔％以下。

在优选实施态样中，在NiSn合金层中，距与Ni层的边界的各距离处的Bi含量处于0.2摩尔％～2摩尔％的范围，优选为处于0.3摩尔％～1.5摩尔％的范围。所谓距与Ni层的边界的各距离处的Bi含量为上述范围，是与上文关于Ni含量所记述的相同的含义。如此，在优选实施态样中，在NiSn合金层中，Bi的含量极为降低，即，有效地阻止Bi侵入。

在优选实施态样中，NiSn合金层的厚度处于例如0.03～0.1[μm]，优选为0.04～0.1[μm]，优选为0.05～0.1[μm]，优选为0.06～0.1[μm]的范围。

在优选实施态样中，在NiSn合金层中，与Ni层的边界处的Cu含量小于与(Cu、Ni、Pd)αSn合金层的边界处的Cu含量。在优选实施态样中，在NiSn合金层中，与Ni层的边界处的Cu含量为4摩尔％以下，优选为3摩尔％以下。

在优选实施态样中，NiSn合金层进而含有Pd。在优选实施态样中，在NiSn合金层中，与Ni层的边界处的Pd含量小于与(Cu、Ni、Pd)αSn合金层的边界处的Pd含量。在优选实施态样中，在NiSn合金层中，与Ni层的边界处的Pd含量为3摩尔％以下，优选为2摩尔％以下。

[Ni层]

在优选实施态样中，Ni层如上所述来自UBM的层。在优选实施态样中，Ni层在距与NiSn合金层的边界0.2[μm]以内的各距离处的Ni含量为83摩尔％以上，优选为85摩尔％以上。在优选实施态样中，Ni层可含有来自UBM的元素成分。在优选实施态样中，Ni层例如可含有P。

在优选实施态样中，Ni层在距与NiSn合金层的边界0.2[μm]以内的各距离处的Bi含量为0.2摩尔％以下，优选为0.1摩尔％以下。所谓距与NiSn合金层的边界的各距离处的Bi含量为上述以下，是与上文关于在NiSn合金层中距与Ni层的边界的各距离处的Ni含量所记述的相同的含义。如此，在优选实施态样中，在Ni层中，Bi的含量极为降低，即，有效地阻止Bi侵入。

[(Cu、Ni、Pd)αSn合金层]

(Cu、Ni、Pd)αSn合金层是固溶有Cu、Ni、Pd的Sn合金的层。认为该(Cu、Ni、Pd)αSn合金层由UBM与焊料合金的成分元素形成。在优选实施态样中，(Cu、Ni、Pd)αSn合金层含有Cu、Ni、Pd及Sn。

在优选实施态样中，在(Cu、Ni、Pd)αSn合金层中，距与NiSn合金层的边界的各距离处的Cu含量处于10摩尔～22摩尔％的范围，优选为处于12摩尔％～20摩尔％的范围。

在优选实施态样中，在(Cu、Ni、Pd)αSn合金层中，距与NiSn合金层的边界的各距离处的Ni含量处于13摩尔％～21摩尔％的范围，优选为处于14摩尔％～20摩尔％的范围。

在优选实施态样中，在(Cu、Ni、Pd)αSn合金层中，距与NiSn合金层的边界的各距离处的Pd含量处于5摩尔％～19摩尔％的范围，优选为处于6摩尔％～18摩尔％的范围。

在优选实施态样中，在(Cu、Ni、Pd)αSn合金层中，距与NiSn合金层的边界的各距离处的Sn含量处于44摩尔％～55摩尔％的范围，优选为处于45摩尔％～54摩尔％的范围。

在优选实施态样中，(Cu、Ni、Pd)αSn合金层进而含有Bi。在优选实施态样中，在(Cu、Ni、Pd)αSn合金层中，与NiSn合金层的边界处的Bi含量为2摩尔％以下，优选为1摩尔％以下。在优选实施态样中，在(Cu、Ni、Pd)αSn合金层中，在根据距与NiSn合金层的边界的距离测定Bi含量的情形时，存在Bi含量处于0.1摩尔％～24摩尔％的范围(优选为处于0.2摩尔％～23摩尔％的范围、或处于1摩尔％～24摩尔％的范围、或处于2摩尔％～23摩尔％的范围)的距离。即，在优选实施态样中，在(Cu、Ni、Pd)αSn合金层存在Bi含量的峰，该峰位于远离与NiSn合金层的边界的位置，本发明人认为该情况意指NiSn合金层防止Bi自Bi层侧侵入。即，在优选实施态样中，所谓存在于(Cu、Ni、Pd)αSn合金层的位于远离与NiSn合金层的边界的位置的Bi含量的峰，是上述范围的Bi含量，且大于与NiSn合金层的边界处的Bi含量。

在优选实施态样中，在(Cu、Ni、Pd)αSn合金层中，与BiSn合金层的边界处的Bi含量为0.5摩尔％以下，优选为0.4摩尔％以下。

[BiSn合金层]

在优选实施态样中，BiSn合金层含有Bi及Sn。在优选实施态样中，在BiSn合金层中，与(Cu、Ni、Pd)αSn合金层的边界处的Bi含量为0.5摩尔％以下，优选为0.4摩尔％以下。在优选实施态样中，在BiSn合金层中，与Bi层的边界处的Sn含量为2摩尔％以下，优选为1摩尔％以下。

在优选实施态样中，BiSn合金层进而含有Cu、Ni、Pd。

在优选实施态样中，在BiSn合金层中，与(Cu、Ni、Pd)αSn合金层的边界处的Cu含量大于与Bi层的边界处的Cu含量。在优选实施态样中，在BiSn合金层中，与Bi层的边界处的Cu含量为0.5摩尔％以下，优选为0.3摩尔％以下。

在优选实施态样中，在BiSn合金层中，与(Cu、Ni、Pd)αSn合金层的边界处的Ni含量大于与Bi层的边界处的Ni含量。在优选实施态样中，在BiSn合金层中，与Bi层的边界处的Ni含量为1摩尔％以下，优选为0.5摩尔％以下。

在优选实施态样中，在BiSn合金层中，与(Cu、Ni、Pd)αSn合金层的边界处的Pd含量大于与Bi层的边界处的Pd含量。在优选实施态样中，在BiSn合金层中，与Bi层的边界处的Pd含量为0.6摩尔％以下，优选为0.3摩尔％以下。

[Bi层]

在优选实施态样中，Bi层如上所述是朝焊料合金侧延续的Bi层，以来自焊料合金的Bi作为主要成分。在优选实施态样中，Bi层在距与BiSn合金层的边界0.2[μm]以内的各距离处的Bi含量为97摩尔％以上，优选为98摩尔％以上。在优选实施态样中，Bi层可含有来自焊料合金的元素成分。

在优选实施态样中，Bi层中不具有自(Cu、Ni、Pd)αSn合金层游离的(Cu、Ni、Pd)αSn合金的相。所谓自(Cu、Ni、Pd)αSn合金层游离的(Cu、Ni、Pd)αSn合金的相，具体而言是如后述实施例中作为比较例的图像中的相所说明的相。在优选实施态样中，优选为至少在所观察的视野中不存在此种相。如此确认不存在的工作虽然困难，但例如在合计100[μm²]以上的视野内观察接合部附近的图像而Bi层中亦不具有自(Cu、Ni、Pd)αSn合金层游离的(Cu、Ni、Pd)αSn合金的相的情形时，可认为满足Bi层中不具有自(Cu、Ni、Pd)αSn合金层游离的(Cu、Ni、Pd)αSn合金的相的条件。

[元素浓度]

各元素的浓度(摩尔％)可通过后述实施例中揭示的手段测定，例如，具体而言，可使用STM(JEOL制造，装置名：JEM-2100F)测定。本发明中的元素浓度，是指将Ni、Sn、Bi、Cu、Pd、P的合计设为100摩尔％的情形时的各元素浓度。

[接合强度(剪切强度)]

在优选实施态样中，本发明的接合部在250℃的高温下保持1000小时后的接合强度(剪切强度)例如可设为40MPa以上，优选可设为42MPa以上。即，成为在高温区域中具有优异耐久性的接合部。该接合强度可通过下文实施例中记述的程序测定。本发明的接合部成为在高温区域中具有优异耐久性的原因虽不明确，但根据与后述实施例中比较例的比对，本发明人洞察在本发明中，通过将接合部设为上述层结构，尤其是通过具有特定的NiSn合金层，而可防止Bi自Bi层侧朝Ni层侧的侵入，由此具备优异的特性。

[优选实施态样]

在优选实施态样中，本发明含有以下的(1)等各项。

(1)

自UBM侧延续的Ni层、

NiSn合金层、

(Cu、Ni、Pd)αSn合金层、

BiSn合金层、及

朝焊料合金侧延续的Bi层。

(2)

如(1)记载的接合部，其中，NiSn合金层含有Ni、Sn及P，

在NiSn合金层中，与Ni层的边界处的Ni含量大于与(Cu、Ni、Pd)αSn合金层的边界处的Ni含量，

在NiSn合金层中，与Ni层的边界处的Sn含量小于与(Cu、Ni、Pd)αSn合金层的边界处的Sn含量，

在NiSn合金层中，与Ni层的边界处的Sn含量为0.4摩尔％以下，

在NiSn合金层中，与Ni层的边界处的P含量大于与(Cu、Ni、Pd)αSn合金层的边界处的P含量，

在NiSn合金层中，与(Cu、Ni、Pd)αSn合金层的边界处的P含量为0.5摩尔％以下。

(3)

如(1)至(2)中任一项记载的接合部，其中，NiSn合金层含有Ni、Sn及P，

在NiSn合金层中，距与Ni层的边界的各距离处的Ni含量处于21摩尔％～83摩尔％的范围，

在NiSn合金层中，距与Ni层的边界的各距离处的Sn含量处于0.2摩尔％～48摩尔％的范围，

在NiSn合金层中，距与Ni层的边界的各距离处的P含量处于0.1摩尔％～10摩尔％的范围。

(4)

如(1)至(3)中任一项记载的接合部，其中，在NiSn合金层中，与(Cu、Ni、Pd)αSn合金层的边界处的Bi含量为2摩尔％以下。

(5)

如(1)至(4)中任一项记载的接合部，其中，在NiSn合金层中，距与Ni层的边界的各距离处的Bi含量处于0.2摩尔％～2摩尔％的范围。

(6)

如(1)至(5)中任一项记载的接合部，其中，NiSn合金层的厚度处于0.05～0.1[μm]的范围。

(7)

如(2)至(6)中任一项记载的接合部，其中，在NiSn合金层中，与Ni层的边界处的Cu含量小于与(Cu、Ni、Pd)αSn合金层的边界处的Cu含量，

在NiSn合金层中，与Ni层的边界处的Cu含量为4摩尔％以下。

(8)

如(2)至(7)中任一项记载的接合部，其中，NiSn合金层进而含有Pd，

在NiSn合金层中，与Ni层的边界处的Pd含量小于与(Cu、Ni、Pd)αSn合金层的边界处的Pd含量，

在NiSn合金层中，与Ni层的边界处的Pd含量为3摩尔％以下。

(9)

如(1)至(8)中任一项记载的接合部，其中，Ni层在距与NiSn合金层的边界0.2[μm]以内的各距离处的Bi含量为0.2摩尔％以下。

(10)

如(1)至(9)中任一项记载的接合部，其中，(Cu、Ni、Pd)αSn合金层含有Cu、Ni、Pd及Sn，

在(Cu、Ni、Pd)αSn合金层中，距与NiSn合金层的边界的各距离处的Cu含量处于10摩尔％～22摩尔％的范围，

在(Cu、Ni、Pd)αSn合金层中，距与NiSn合金层的边界的各距离处的Ni含量处于13摩尔％～21摩尔％的范围，

在(Cu、Ni、Pd)αSn合金层中，距与NiSn合金层的边界的各距离处的Pd含量处于5摩尔％～19摩尔％的范围，

在(Cu、Ni、Pd)αSn合金层中，距与NiSn合金层的边界的各距离处的Sn含量处于44摩尔％～55摩尔％的范围。

(11)

如(10)记载的接合部，其中，(Cu、Ni、Pd)αSn合金层进而含有Bi，

在(Cu、Ni、Pd)αSn合金层中，与NiSn合金层的边界处的Bi含量为2摩尔％以下，

在(Cu、Ni、Pd)αSn合金层中，在根据距与NiSn合金层的边界的距离测定Bi含量的情形时，存在Bi含量处于0.1摩尔％～24摩尔％的范围的距离，

在(Cu、Ni、Pd)αSn合金层中，与BiSn合金层的边界处的Bi含量为0.5摩尔％以下。

(12)

如(1)至(11)中任一项记载的接合部，其中，BiSn合金层含有Bi及Sn，

在BiSn合金层中，与(Cu、Ni、Pd)αSn合金层的边界处的Bi含量为0.5摩尔％以下，

在BiSn合金层中，与Bi层的边界处的Sn含量为2摩尔％以下。

(13)

如(12)记载的接合部，其中，BiSn合金层进而含有Cu、Ni、Pd，

在BiSn合金层中，与(Cu、Ni、Pd)αSn合金层的边界处的Cu含量大于与Bi层的边界处的Cu含量，

在BiSn合金层中，与Bi层的边界处的Cu含量为0.5摩尔％以下，

在BiSn合金层中，与(Cu、Ni、Pd)αSn合金层的边界处的Ni含量大于与Bi层的边界处的Ni含量，

在BiSn合金层中，与Bi层的边界处的Ni含量为1摩尔％以下，

在BiSn合金层中，与(Cu、Ni、Pd)αSn合金层的边界处的Pd含量大于与Bi层的边界处的Pd含量，

在BiSn合金层中，与Bi层的边界处的Pd含量为0.6摩尔％以下。

(14)

如(1)至(13)中任一项记载的接合部，其中，Bi层中不具有自(Cu、Ni、Pd)αSn合金层游离的(Cu、Ni、Pd)αSn合金的相。

(15)

如(1)至(14)中任一项记载的接合部，其中，UBM是在电极上依序积层有镍、钯及金而形成的。

(16)

如(1)至(15)中任一项记载的接合部，其在250℃的高温下保持1000小时后的接合强度为40MPa以上。

(17)

一种电子零件，其具有(1)至(16)中任一项记载的接合部。

(18)

一种功率装置，其具有(1)至(16)中任一项记载的接合部。

(19)

一种印刷电路板，其具有(1)至(16)中任一项记载的接合部。

在优选实施态样中，本发明含有具有上述接合部的电子零件、功率装置、印刷电路板、LED、可挠性电路材、散热材。

[实施例]

以下列举实施例，详细地说明本发明。本发明并不限定于以下示出的实施例。

[实施例1]

[UBM的形成]

通过溅镀，在Si晶圆的单面制作A1面(厚度3μm)，进而通过涂布形成聚酰亚胺膜，其后通过曝光显影，在聚酰亚胺膜上形成直径300μm的开口部的焊盘(land)。

进而通过无电电镀，在焊盘部的上依序形成Ni层(厚度2.5μm)、Pd层(厚度0.05μm)、Au层(厚度0.02μm)而设置UBM(Under Bump Metal)。再者，由于无电电镀Ni液中添加有次磷酸离子的还原剂，故P共析于Ni层。

[焊料粉]

将实施例1中使用的焊料粉的利用ICP分析的组成示于表1。焊料粉使用300μmΦ者。

[回流焊处理]

在UBM上涂布助焊剂，进而在其上搭载300μm的焊料粉，进行回流焊处理，使其加热接合。回流焊处理的条件设为以下：

以1.4℃/秒的升温速度自室温升温至110℃。其次，以0.7℃/秒的升温速度自110℃升温至140℃。以0.8℃/秒的升温速度自140℃升温至200℃。其次，以4.5℃/秒的升温速度自200℃升温至290℃。其次，维持290℃的温度40秒。其次，初期以7℃/秒的降温速度自290℃冷却至室温。所述操作在氮气环境中进行。

[EPMA分析、STM分析]

其后将该样品封入树脂中并研磨剖面。利用EPMA(JEOL制造，装置名：JXA-8500F)对洁净平滑的样品表面进行分析。回流焊处理后的焊料接合部的厚度约为1μm以下，故利用高精度STM(JEOL制造，装置名：JEM-2100F)测定。EPMA测定的图像精度较STM差，但进行1像素的大小为0.08μm的图像处理。为了进一步实现定量化，对同样品进行加工使之变薄后利用STM测定。

针对实施例1的接合部，利用EPMA对刚经过回流焊处理后的接合部剖面进行测定，并将由此制成的复合映射的图像示于图1。

针对实施例1的接合部，针对回流焊处理后在250℃的温度下保持1000小时后的接合部的剖面，同样地利用EPMA进行测定并制作复合映射。将该复合映射的图像示于图2。

[剪切强度测定]

针对实施例1的接合部，在上述回流焊处理后在大气环境环境下250℃的温度保持1000小时后，按如下方式进行剪切强度测定。将该结果示于表1。

接合强度依据MIL STD-883G进行测定。使安装于载重感测器中的工具下降至基板面，装置检测到基板面而停止下降，使工具自检测到的基板面上升至设定的高度，计测以工具按压接合部产生破坏时的载重。将这些结果汇整示于表1。

＜测定条件＞

装置：dage公司制造，dage series 4000

方法：晶粒剪切强度测试

测试速度：100μm/秒

测试高度：20.0μm

工具移动量：0.9mm

[比较例1]

作为比较例1，使用与实施例1组成不同的焊料粉，进行与实施例1不同的条件的回流焊处理，除此以外，通过与实施例1相同的程序形成接合部，对该接合部进行EPMA测定、STM测定及剪切强度测定。将比较例1的焊料粉的组成的ICP分析值与剪切强度测定结果示于表1。比较例1的回流焊处理条件设为以下：

以0.9℃/秒的升温速度自室温升温至150℃。其次，以4.5℃/秒的升温速度自150℃升温至290℃。其次，维持290℃的温度40秒。其次，初期以8℃/秒的降温速度自290℃冷却至室温。所述操作在氮气环境中进行。

针对比较例1的接合部，利用EPMA对刚经过回流焊处理后的接合部剖面进行测定，将由此制成的复合映射的图像示于图3。

针对比较例1的接合部，针对回流焊处理后在250℃的温度下保持1000小时后的接合部的剖面，同样地利用EPMA进行测定并制作复合映射。将该复合映射的图像示于图4。

[表1]

[STM图像与线分析]

关于实施例1的接合部，将刚经过回流焊处理后的接合部剖面的STM像示于图5。关于实施例1的接合部，将沿着记于该STM像中的分析线使各元素浓度(摩尔％)数值化而获得的曲线图示于图6。元素浓度(摩尔％)是将曲线图中的6种元素即Ni、Sn、Bi、Cu、Pd、P的合计设为100％。

关于比较例1的接合部，将刚经过回流焊处理后的接合部剖面的STM像示于图7。关于比较例1的接合部，将沿着记于该STM像中的分析线使各元素浓度(摩尔％)数值化而获得的曲线图示于图8。

[评价]

图1是实施例1的接合部的回流焊处理后的EPMA复合映射图像。

图1中，在Ni层(11)与Bi层(14)的界面附近观察到被认为是(Cu、Ni、Pd)αSn层(13)的层，且在(Cu、Ni、Pd)αSn层(13)的正下方存在NiSn合金层(厚度约0.1μm)(12)。在该NiSn合金层(12)，通过彩色化的复合映射的图像，亦完全未观察到Bi侵入。又，(Cu、Ni、Pd)αSn层(13)的厚度相对较一致，在Bi层(14)中完全未观察到自(Cu、Ni、Pd)αSn层(13)游离的(Cu、Ni、Pd)αSn相。在图1中，关于Bi朝Ni层(11)中的侵入，在彩色化的复合映射的图像中亦完全未观察到。再者，图1的图像中占超过下半部的黑色区域，是成为Ni层(11)的基底的Al层(3μm)与进而成为Al层的基底的Si基材。

图2中，在Ni层(21)与Bi层(24)的界面附近观察到被认为是(Cu、Ni、Pd)αSn层(23)的层，且(Cu、Ni、Pd)αSn层(23)的正下方存在NiSn合金层(厚度约0.2μm)(22)。该NiSn合金层(22)中，通过彩色化的复合映射的图像，亦完全未观察到Bi侵入。又，与图1相比，(Cu、Ni、Pd)αSn层(23)厚度增大，但其整体依然维持与NiSn合金层(22)的密接。在Bi层(24)中，完全未观察到自(Cu、Ni、Pd)αSn层(23)游离的(Cu、Ni、Pd)αSn相。又，在Bi层(24)中，被认为是来自Ni层的Ni相在彩色化的复合映射的图像中亦完全未观察到。在图2中，关于Bi朝Ni层(21)中的侵入，在彩色化的复合映射的图像中亦完全未观察到。

图3是比较例1的接合部的回流焊处理后的EPMA复合映射图像。

在图3，在Ni层(31)与Bi层(34)的界面附近观察到被认为是(Cu、Ni、Pd)αSn层(32)的层，且在(Cu、Ni、Pd)αSn层(32)的正下方存在亦被认为是NiSn合金层(32')的层(厚度约0.1μm)，但在彩色化的复合映射的图像中观察到该NiSn(32')合金层中存在灰度下无法观察到程度的微量的Bi侵入(35)。又，(Cu、Ni、Pd)αSn层(32)厚度不均匀，自该(Cu、Ni、Pd)αSn层(32)游离的(Cu、Ni、Pd)αSn相(33)在Bi层(34)中被观察到。在图3中，关于Bi朝Ni层(31)中的侵入，在彩色化的复合映射的图像中亦未观察到。再者，图3的图像中占超过下半部的黑色区域，是成为Ni层(31)的基底的Al层(3μm)与进而成为Al层的基底的Si基材。

图4中，与图3同样地存在Ni层，但在彩色化的复合映射的图像中，Ni层成为几乎全部厚度(厚度约1.8μm)均观察到Bi侵入的Ni层(42)，未观察到Bi侵入的Ni层(41)仅极薄地(厚度约0.4μm)存在。在Ni层(42)与Bi层(45)的界面附近观察到被认为是(Cu、Ni、Pd)αSn层(43)的层，在(Cu、Ni、Pd)αSn层(43)的正下方，即便在彩色化的复合映射的图像中亦未观察到被认为是NiSn合金层的层，但不延续地观察到NiSn合金相(43')的块。(Cu、Ni、Pd)αSn层(43)的形状非常乱，在Bi层(45)中观察到多个游离的(Cu、Ni、Pd)αSn相(44)。进而，在Bi层(45)中观察到多个被认为是来自Ni层的Ni相(46)。

图5是实施例1的接合部的回流焊处理后的STM图像。

在图5中，在Ni层(51)与Bi层(54)的界面附近观察到被认为是(Cu、Ni、Pd)αSn层(53)的层。观察到如上下方向上有细长孔的区域(52)。如后所述，该区域(52)系P浓度相对较大的P富集区域。该P富集区域的厚度约为0.13μm。沿分析线(55)进行分析，测定各分析点处的原子浓度而制成的曲线图为图6。

图6是以沿图5的分析线(55)分析获得的原子浓度(摩尔％)为纵轴，以距分析线的分析起点的距离为横轴的曲线图。曲线图的左侧为Ni层侧，曲线图的右侧为Bi层侧。横轴的起点位于Ni层中。距离0.15μm时Ni浓度逐渐减少，在0.22μm附近Sn浓度开始自几乎不存在的状态急剧地上升。认为NiSn合金层自该位置开始。同时在该位置，与其前后相比P浓度相对变大，伴随距离的增大，P浓度减少，在0.26μm附近P浓度几乎消失。与该P浓度的减少并行，Ni浓度减少，Sn浓度上升。认为在P浓度消失的位置，NiSn合金层结束，(Cu、Ni、Pd)αSn层新开始。在该(Cu、Ni、Pd)αSn层的起始位置，与其前后相比Pd浓度相对变大。在NiSn合金层与(Cu、Ni、Pd)αSn层的边界处，预测Sn浓度为48摩尔％，Ni浓度为21摩尔％，α的值成为0.8。若距该(Cu、Ni、Pd)αSn层的起始位置的距离增大，则虽在0.30μm附近暂时出现Bi含量相对较高的区域，但在其前后几乎不含有Bi。其后，在距离增大的期间，(Cu、Ni、Pd)αSn层持续。此间的α估计为0.8～0.9，平均值为0.83。其后，若距离增大，则在0.48μm附近Bi浓度开始自几乎不存在的状态急剧地上升。在该Bi浓度开始上升的位置，(Cu、Ni、Pd)αSn层结束，BiSn合金层开始。在BiSn合金层，除Bi与Sn以外，亦存在Cu、Ni、Pd。BiSn合金层中的Cu、Ni、Pd的浓度均随着距离的增大而减少，在0.56μm附近均消失。认为在该Cu、Ni、Pd的浓度消失的位置，BiSn合金层结束，Bi层开始。

图7是比较例1的接合部的回流焊处理后的STM图像。

在图7中，在Ni层(71)与Bi层(74)的界面附近观察到被认为是(Cu、Ni、Pd)αSn层(73)的层。与图5相比，如上下方向上有细长孔的P富集区域(72)形状略乱且不均匀，沿观察到的分析线(75)进行分析，测定各分析点处的原子浓度而制成的曲线图为图8。

图8是以沿图7的分析线(75)分析获得的原子浓度(摩尔％)为纵轴，以距分析线的分析起点的距离为横轴的曲线图。曲线图的左侧为Ni层侧，曲线图的右侧为Bi层侧。在图8的曲线图中观察到Bi侵入至若为图6的曲线图则相当于NiSn合金层与(Cu、Ni、Pd)αSn层的边界的位置。又，在图8的曲线图中观察到Bi通过若为图6的曲线图则相当于NiSn合金层的位置，一直侵入至相当于Ni层的位置。再者，在P浓度消失的位置，即NiSn合金层与(Cu、Ni、Pd)αSn层的边界处，预测Sn浓度为18摩尔％，Ni浓度为23摩尔％，α的值成为2.0。预测(Cu、Ni、Pd)αSn层的α为0.7～1.2，平均值为0.85。

[产业上的可利用性]

本发明提供一种不添加含有铅，在高温区域具有优异耐久性的焊料接合部。本发明是在产业上有用的发明。

Claims

1.一种接合部，其使UBM与焊料合金接合，自UBM侧依序含有下述的层而成：

自UBM侧延续的Ni层、

NiSn合金层、

(Cu、Ni、Pd)αSn合金层、

BiSn合金层、及

朝焊料合金侧延续的Bi层。

2.根据权利要求1所述的接合部，其中，NiSn合金层含有Ni、Sn及P，

在NiSn合金层中，与Ni层的边界处的Sn含量为0.4摩尔％以下，

3.根据权利要求1或2所述的接合部，其中，NiSn合金层含有Ni、Sn及P，

4.根据权利要求1至3中任一項所述的接合部，其中，在NiSn合金层中，与(Cu、Ni、Pd)αSn合金层的边界处的Bi含量为2摩尔％以下。

5.根据权利要求1至4中任一項所述的接合部，其中，在NiSn合金层中，距与Ni层的边界的各距离处的Bi含量处于0.2摩尔％～2摩尔％的范围。

6.根据权利要求1至5中任一項所述的接合部，其中，NiSn合金层的厚度处于0.03～0.1[μm]的范围。

7.根据权利要求2至6中任一項所述的接合部，其中，在NiSn合金层中，与Ni层的边界处的Cu含量小于与(Cu、Ni、Pd)αSn合金层的边界处的Cu含量，

在NiSn合金层中，与Ni层的边界处的Cu含量为4摩尔％以下。

8.根据权利要求2至7中任一項所述的接合部，其中，NiSn合金层进而含有Pd，

在NiSn合金层中，与Ni层的边界处的Pd含量为3摩尔％以下。

9.根据权利要求1至8中任一項所述的接合部，其中，Ni层在距与NiSn合金层的边界0.2[μm]以内的各距离处的Bi含量均为0.2摩尔％以下。

10.根据权利要求1至9中任一項所述的接合部，其中，(Cu、Ni、Pd)αSn合金层含有Cu、Ni、Pd及Sn，

11.根据权利要求10所述的接合部，其中，(Cu、Ni、Pd)αSn合金层进而含有Bi，

12.根据权利要求1至11中任一項所述的接合部，其中，BiSn合金层含有Bi及Sn，

在BiSn合金层中，与Bi层的边界处的Sn含量为2摩尔％以下。

13.根据权利要求12所述的接合部，其中，BiSn合金层进而含有Cu、Ni、Pd，

在BiSn合金层中，与Bi层的边界处的Cu含量为0.5摩尔％以下，

在BiSn合金层中，与Bi层的边界处的Ni含量为1摩尔％以下，

在BiSn合金层中，与Bi层的边界处的Pd含量为0.6摩尔％以下。

14.根据权利要求1至13中任一項所述的接合部，其中，Bi层中不具有自(Cu、Ni、Pd)αSn合金层游离的(Cu、Ni、Pd)αSn合金的相。

15.根据权利要求1至14中任一項所述的接合部，其中，UBM是电极上依序积层有镍、钯及金而形成的。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的接合部，其在250℃的高温下保持1000小时后的接合强度为40MPa以上。

17.一种电子零件，其具有权利要求1至16中任一项所述的接合部。

18.一种功率装置，其具有权利要求1至16中任一项所述的接合部。

19.一种印刷电路板，其具有权利要求1至16中任一项所述的接合部。