JP2009039769A - 接合シート - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の目的は、電子部品の接合する際に用いられる接合シートにおいて、接合時におけるＳｎの染み出しを抑制、低減できると同時に接合信頼性が確保できるＰｂを含有しない接合シートを提供することである。
【解決手段】 本発明は、Ａｇの箔材の表面にＳｎ−Ａｇ合金からなる層を有する接合シートであり、好ましくは、前記Ａｇの箔材の平均厚さが２０〜２００μｍであり、さらに好ましくは、前記Ｓｎ−Ａｇ合金からなる層の平均厚さが１０〜４０μｍである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子部品の接合に用いられる接合シートに関するものである。

近年の電子機器産業において、Ｓｉなどからなる半導体素子を配線基板に電気的に接続する方法として、Ａｕ線を用いたワイヤボンディングが広く用いられている。ワイヤボンディングを行うためには半導体素子を配線基板に接合し固定する必要があり、その固定のための接合材として様々な素材が提案されている。中でもＰｂを質量％で９０％以上含有するＰｂ−Ｓｎ合金は融点が３００℃程度であり、樹脂系接合材と比較して耐熱性の面で優れること、低コストであることから、発熱量の大きなパワーデバイス系の半導体素子を配線基板に接合する際に多く用いられている。
また、Ｐｂ−Ｓｎ合金は電子部品の構造材料、特にセラミックパッケージの封止用金属リッドの接合材として、半導体素子の固定以外の用途でも使用されている。これは電子部品を配線基板に実装する際の２００℃程度の温度において、Ｐｂ−Ｓｎ合金は融点が高いため、電子部品内の接合部分に使用していても、実装時に再溶融しないといった特徴を有するためである。加えてＰｂ−Ｓｎ合金は延性に富むことから、携帯機器など落下衝撃を受ける電子機器の接合部材として使用された場合、落下衝撃エネルギーを十分に吸収し電子部品の電気的断線等の損傷を抑制することができる。

一方、近年自然環境への配慮からはんだやロウ材中のＰｂを削減、削除しようとするいわゆるＰｂフリー化の動きがあり、Ｐｂ−Ｓｎ合金の代替材が各種提案されている。
たとえば特許文献１では、Ａｕ−２０質量％Ｓｎ合金やＡｕ−Ｓｎめっき層を有した蓋材を用いてセラミックパッケージを封止している。封止後のセラミックパッケージは、後工程でＳｎ−Ｐｂ共晶はんだやＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだを用いて回路に２５０℃程度ではんだ付けされる。このとき、前工程でセラミックパッケージに封止した特許文献１のＡｕ−Ｓｎ合金の融点は、後工程でパッケージを回路基板に実装するはんだ付け温度より高いため、封止箇所はパッケージを回路基板にはんだ付けする際に再溶融せず接合状態を保つといった特徴をもつ。

また、特許文献２では、特許文献１に記載のＡｕ−Ｓｎ合金よりコスト面で優れている高融点金属であるＡｇまたはＣｕ箔材の表面に低融点金属であるＳｎ層を形成したロウ材シートが提案されている。このロウ材シートはセラミックパッケージと蓋材とを介して加熱することによりＳｎが低融点であることを活かして封止している。さらに封止後高融点金属箔のＡｇまたはＣｕが低融点金属であるＳｎと反応し、高融点である金属間化合物相を形成することで接合信頼性を確保するといった特徴をもつ。
特開２００３−２２９５０４号公報 特開２００６−２７２４４９号公報

上述した特許文献１に開示される蓋材は、Ｐｂを含有せず２５０℃〜３００℃程度の高温環境下でも接合状態を維持するという点では有利であるものの、Ａｕは非常に高価であるためセラミックパッケージの製品コストが著しく上昇すると言った問題がある。さらにＡｕとＳｎの金属間化合物は比較的脆く、耐衝撃性の観点から不利である。
特許文献２に開示されるロウ材シートもＰｂを含有しないため、環境負荷が小さい点では有利であるものの、最初の接合段階での加熱時にまず低融点金属であるＳｎの融解を行うため、この液相ＳｎがＡｇもしくはＣｕと金属間化合物を生成する前に、過剰の液相が染み出しとなって、接合部の外に出てくる現象が生じる可能性がある。このＳｎの染み出しが発生するとパッケージ内部に内蔵されているＳＡＷフィルターや水晶振動子に液相Ｓｎが接触して誤作動の原因となったり、短絡の原因となる危険性がある。パッケージ外部に染み出す場合も電極間の短絡が生じ、電子機器の不良の原因となる。

本発明者は、Ｓｎの染み出しの問題について検討した結果、Ｓｎの単相ではなく、Ｓｎ−Ａｇの合金相からなる層を高融点箔の表面に形成することで、高融点金属箔と金属間化合物相と低融点Ｓｎ相の三相からなる組織を形成し、Ｓｎの染み出しを抑制、低減できると同時に接合信頼性が確保できることを見出し本発明に到達した。

すなわち本発明はＡｇの箔材の表面にＳｎ−Ａｇ合金からなる層を有するロウ材シートである。
好ましくは前記Ａｇの箔材の平均厚さが２０〜２００μｍである。
また好ましくは前記Ｓｎ−Ａｇ合金からなる層の平均厚さが１０〜４０μｍである。

本発明によれば、Ｓｎの融点で接合を可能とし、一端接合した後はＳｎ−Ａｇ合金の寄与により、たとえばセラミックパッケージを封止する際に、Ｓｎの染み出しを防止することができ、電子部品の接合にとって欠くことのできない技術となる。

上述したように、本発明の重要な特徴はＡｇの箔材の表面にＳｎ−Ａｇ合金からなるはんだ層を有することにある。特許文献２に記載のロウ材シートは、はんだ層が純Ｓｎであるため、はんだ層であるＳｎは完全な液体状態となりパッケージ内外へのＳｎの染み出しが生じやすい。これに対して本発明は、はんだ層がＳｎ−Ａｇ合金で形成されるため、パッケージに加熱封止する際、Ｓｎ−Ａｇ合金とＳｎ液相からなる固体と液体の２相状態を有し、粘度が高くなる。このため、この固体と液体の２相状態が存在する温度範囲で加熱封止すれば、Ｓｎの染み出しを抑制させることが可能となる。
さらに、Ａｇ箔は、Ｓｎ−Ａｇ合金層との界面にＳｎ−Ａｇ金属間化合物を形成し、はんだ層内部にもＳｎ−Ａｇ金属間化合物粒子を形成することに寄与する。これによって、加熱封止時に接合部の流体の粘性を高くすることができるため、Ｓｎの染み出しを抑制することができる。

Ｓｎ−Ａｇ合金からなる層の形成方法としては、たとえばめっき法が挙げられる。めっき法では、厚いＳｎ−Ａｇ合金からなる層を形成することが容易であり、生産速度を速くすることができる。また、めっき法ではめっき浴中のＡｇ濃度を調整することによりあらゆる濃度のＳｎ−Ａｇ合金を箔材へダイレクトに形成することができる。
本発明のＳｎ−Ａｇ合金を形成するＡｇの濃度範囲は、２０〜５５質量％Ａｇが望ましい。Ａｇ濃度が２０質量％未満であると、加熱封止時の固体の割合が少ないため、Ｓｎの染み出し抑制の効果が十分でない場合がある。また、Ａｇの濃度範囲が５５質量％を超えると、はんだ層内部にＳｎ−Ａｇ化合物が多く形成され、接合に寄与する液相の生成量が不足して、いわゆる濡れが不足して、接合信頼性の面で問題となる可能性がある。

また前記Ａｇの箔材の平均厚さは、２０〜２００μｍであることが好ましい。これは箔の厚さが２０μｍ以上であれば、接合シートの作製時やはんだ付け時のハンドリングが容易である。一方、２００μｍを超えると薄型化が進む傾向にある電子部品に対して接合材の厚さがかなりの部分を占めてしまうことと、高価なＡｇの使用量が増えることから現実的でない。

また前記Ｓｎ−Ａｇ合金からなる層の平均厚さは、１０〜４０μｍであることが好ましい。１０μｍよりも薄い場合は、接合自体は可能であるが、Ｓｎ−Ａｇ合金からなる層の厚みに対してＳｎ起因の接合相手材との間で生成される金属間化合物が多く形成され、接合信頼性の面で問題となる可能性がある。一方、４０μｍよりも厚い場合は、元々マトリックス部に比べて強度等の信頼性に劣る接合部自体の厚みが厚くなることで、接合部の信頼性が低下する危険性がある。

電子部品用パッケージを封止することを想定し、蓋材となる厚さ１００μｍのＦｅ−４２質量％Ｎｉ板上に厚さ３０μｍのＡｇ箔をＴｉ蒸着層を介して接合した後、Ａｇ箔の表面に、表１に示すＳｎ−Ａｇ合金からなる層を１０μｍの厚さとなるよう、めっき法で形成し気密封止用リッドを作製した。
また、比較例として、表１に示す厚さ３０μｍのＡｇ箔の表面に、厚さ１０μｍのＳｎ層を真空蒸着法で形成した接合シートでも同様の気密封止用リッドを作製した。

次に、接合時のＳｎの染み出しの有無を確認するために、Ｓｎが染み出しやすい環境として、Ｓｎと濡れ性が悪いＮｉ箔上に上記気密封止用リッドを置き、水素雰囲気中で２６０℃に加熱して気密封止用リッドを２．２３×１０^−２ＭＰａで加圧しながらはんだ付けを実施した。

Ｓｎの染み出しの評価は、Ｎｉ箔に接合した気密封止用リッドを光学顕微鏡（ＫＥＹＥＮＣＥ社製 型式ＶＨ−７０００Ｃ）で平面から撮影し、染み出したＳｎの量を画像解析により染み出し面積として測定した。
Ｓｎの染み出し面積の測定結果を表１に示す。表１のように、本発明例１のＳｎ−２０．９質量％Ａｇ合金を用いた接合シートでは、比較例２に比べ大幅にＳｎの染み出し面積が低減できていることが確認できた。
さらに、本発明例２のＳｎ−５４．３質量％Ａｇ合金を用いた接合シートでは、Ｓｎの染み出しは皆無であり、本発明のＳｎの染み出し抑制に対する効果の大きいことがわかる。

次に、せん断強度試験を実施した。実際にセラミックパッケージを封止することを想定し、セラミックと同様の低熱膨張係数を示すＦｅ−２９質量％Ｎｉ−１７質量％Ｃｏ合金の基材上に電解Ｎｉ／Ａｕめっきを施し、次いで上記と同様に作製した気密封止用リッドを置き、窒素雰囲気中で２６０℃に加熱して気密封止用リッドを２．１０×１０^−２ＭＰａで加圧をしながらはんだ付けを実施した。ここで、窒素雰囲気とした理由は、加熱接合時のＳｎの酸化を防ぎ、加圧は基材と接合シートの密着性を高め、より接合信頼性を確保するためである。
室温環境下で、せん断強度試験機（ｄａｇｅ社製 型式ＤＳ１００）の固定冶具にセットし、基材上の気密封止用リッドをせん断することで接合強度を測定した。また、比較例として、Ａｇ箔上にＳｎ層を形成した接合シートとＳｎ−９５質量％Ｐｂ合金からなる接合シートについても同様の試験を実施した。
せん断強度試験結果を表１に示す。表１のように、本発明の接合シートは、従来用いられていた比較例１のＳｎ−９５質量％Ｐｂを用いた接合シートよりせん断強度が高く、接合シートとして実用的な接合強度を有することが確認できた。

次に、接合状態を確認するため、接合部の断面組織観察を行った。図１に、本発明例２の接合シートを用いた気密封止用リッドを電解Ｎｉ／Ａｕめっきした基材上に加熱接合したときの接合断面の走査型電子顕微鏡写真を示す。図１より、Ａｇ箔／はんだ層界面にＡｇ−Ｓｎ化合物が形成され、基材側にＮｉ−Ｓｎ−Ａｕ化合物およびＮｉ−Ｓｎ化合物が形成され、接合が十分に行えていることが確認できた。

本発明の一例を示す走査型電子顕微鏡による断面組織写真である。

符号の説明

１．基材、２．電解Ｎｉ／Ａｕめっき層、３．Ｎｉ−Ｓｎ化合物、４．Ａｕ−Ｎｉ−Ｓｎ化合物、５．Ａｇ−Ｓｎ化合物、６．Ｓｎ、７．Ａｇ箔

Claims (3)

1. Ａｇの箔材の表面にＳｎ−Ａｇ合金からなる層を有することを特徴とする接合シート。
2. 前記Ａｇの箔材の平均厚さが２０〜２００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の接合シート。
3. 前記Ｓｎ−Ａｇ合金からなる層の平均厚さが１０〜４０μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の接合シート。