JP3832151B2

JP3832151B2 - 鉛フリーはんだ接続構造体

Info

Publication number: JP3832151B2
Application number: JP20721399A
Authority: JP
Inventors: 太佐男曽我; 英恵下川; 寿治石田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-07-22
Filing date: 1999-07-22
Publication date: 2006-10-11
Anticipated expiration: 2019-07-22
Also published as: JP2001035978A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はSiチップとヒートシンクもしくは絶縁基板等の熱膨張係数が異なる構造体接続用はんだ、大型構造の封止部接続用はんだ及びそれを用いた接続構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来は上記目的に対し、Sn-Pbはんだ組成の組み合わせで対応してきた。このはんだの各種の優れた特性から、プロセス、信頼性等での問題点は少なく、ほとんど解決されてきた。鉛の人体への影響が明らかにされるにつれ、鉛が水に溶けやすいことが災いして地球環境の問題に発展している状況下にある。このため、Sn-Pbはんだに代わる優れた特性、特に耐熱疲労性、はんだ付け時、温度サイクル試験時に素子、部品等をいためないで耐えられて、はんだ付け性に優れたPbフリーはんだ材料及びその構造体が求められている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記目的に対し、鉛を使用しないはんだの製品開発が盛んに行われているものの、未だ開発途上で、絞り込まれていない段階である。これらの要求に対応できるはんだの候補に上っているSn系の鉛フリーはんだとしては、高温系はこれまで使用されてきたSn-Sb(融点：236〜240℃)が知られている。
【０００４】
このはんだと温度階層をつけられる、即ちSn-Sbを溶かさないで230℃以下ではんだ付けできる、Sn-Pb共晶代替の優れたものは見いだされていない。温度特性、機械的特性、経済性に優れた材料としてSn-9Zn(融点：199℃)が知られているが、Znの酸化が顕著であるため、ぬれ性に劣り、強いフラックスを使う必要性から絶縁特性、ペーストの場合にはポットライフの問題、洗浄の問題等のため容易には使えず限定された使い方が求められている。このためSn-3.5Ag(融点：221℃)にCu,Biを入れた系が本命になっている。
【０００５】
これまで各種の接続実験が行われてきたが、はんだ付け温度を下げる必要性からBiを入れて融点を下げる検討がなされてきたが、(1)接合界面の強度不足、(2)凝固時に最終凝固の部分で低温のBi相が接合界面に偏析して、信頼性を低下させること、(3)メタライズにPbが存在すると、更に低温相(Sn-Pb-Biの三元共晶：97℃)の形成により、信頼性が更に低下すること等により、特性上、Sn-Pb共晶代替になれないのが現状である。
【０００６】
本案ははんだ付け時に継手が剥離を起こしにくいはんだ組成にして、かつ、素子、メタライズ等にダメッジを与えることなく、高信頼で接合可能なはんだを提案することにある。そして、-55〜125℃、-65〜150℃等の信頼性評価条件としては最も厳しい部類に入る条件に対しても保証できる継手を提案するものである。更には、高温系のSn-Sbとの温度階層をつけられるはんだを提案するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題をクリアするため、Sn-Ag-Cuをベースとするはんだが正常にぬれるためには、継手温度として最低220℃を確保する必要がある。炉の温度ばらつきは中央の部品の継手と端部の部品の継手で約10℃以内である。部品の熱容量が大きいと温度ばらつきもつきやすい。従って、220〜230℃の範囲内で接合でき、しかも高信頼性を確保できるはんだである必要がある。
【０００８】
この域の有力候補としてはSn-Ag-Cu系にはんだ付け温度を下げるために、Biを添加した系が知られている。Biが少ないとSn-Ag-Cu系と変わらなく、はんだ付け時に継手の温度が235℃以上になるので、Sn-Sbとの温度階層接続には使えない。Biが5％前後のSn-(2〜3.5)Ag-(0.2〜0.8)Cu (4〜6)BiならばほぼSn-Pb共晶代替の温度であり、その代表例がSn-3Ag-0.7Cu5Bi(融点：195〜215℃)である。この範囲であれば炉内の温度ばらつき、継手部のばらつきを含めて220〜230℃での接続が可能である。しかし、この範囲のBi量では接合界面の強度が小さいため、剛性の強い構造では、冷却時に熱膨張差による熱応力に耐えきれず、剥離破壊を起こすことがある。更には、-55〜125℃、-65〜150℃の温度サイクル条件では目標寿命を満たすことが出来ない場合がある。
【０００９】
そこで、はんだ付け温度を下げられて、かつ、高信頼性を確保する必要性から、BiとInの添加量の制御と、信頼性と、プロセスコンパチビリテーとの関係が重要である。Biは添加量を増やすと融点は下がるが(図１)、機械的特性も顕著に低下する(図２)。従って、継手の機械的な信頼性はBi量で決まり、Inの添加は機械的特性をほとんど損ねないで、融点を下げる役目をすることが明らかになった(図３)（図４）。BiのSn-Ag-CuはんだのSn晶への固溶限が約1.5％であるため、それ以上入れると温度は下げられるものの、固溶できないBiが析出して機械的特性、特に重要な伸びの低下をもたらし、かつ、接合界面の強度低下を起こすことになる（図５）。
【００１０】
Bi量のSn晶への固溶が1.5％以内では０％のSn-Ag-Cuに比べ、機械的特性で若干低下する程度である。機械的強度を損ねないで融点を下げれるBi量として0.5〜3.0％を定めた。これ以上のBi量は接合界面の強度低下につながり、実験的にこれ以上では影響してくることが分かった。特に、Bi:3％ではBiが界面に偏析しやすいが、通常は表面にNi/Auのメタライズ膜が施されるので、ある程度Biが偏析しても、BiとNiとは金属間化合物を形成しやすいので、Cuと異なりなじみが良く密着力も悪くないので耐えられる。
【００１１】
次にはんだ付け温度を下げるため、即ち、融点を下げるためにIn量を3〜5％添加することにした。3％にした理由は、Inを添加しないものに対して、5〜10℃下げられる効果があるためである。これ以下でははんだ付け温度が高すぎる。5％以上では、コストの面、Inは酸化され易いため、ペーストの保管性、印刷性等の影響が出やすいこと、及びはんだ組織上の不安定さにつながる。
【００１２】
即ち、固相線温度が下がり、更にPbが含まれると、低温のSn-In-Pb-Bi の低温相が出やすくなり、信頼性で問題がでてくる。Cuの組成範囲は機械的特性を損ねないで、Sn-Ag結晶の融点を数度下げる効果がある。しかし、Cu含有量は0.8％を越えると伸びが低下してくる（図６）。
【００１３】
Cuを接合対象とする場合はCuの食われ防止にも効果がある。Ag量は2％以下では融点の上昇と伸び等の機械的強度特性の低下が起きる。3.5％以上でも同様に融点の上昇と機械的強度特性の低下が起こり、更にはコスト高である。よって、はんだ組成としてSn-(2〜3.5)Ag-(0.2〜0.8)Cu-(3〜5)In-(0.5〜3)Biに定めた。
【００１４】
【発明の実施の形態】
Sn-Ag-Cu系の液相線温度が218℃であることから、継手部の温度は220℃以上である必要がある。炉中の約300×300内に置かれた場合、継手部の温度ばらつき(ΔT＝10℃)を考慮すると、継手部では220(min)〜230 (max)℃になり、Sn-Sbとの温度階層接続が可能である。
【００１５】
Sn-Ag-Cu系では220℃以上であれば、確実に端子部をぬらすこと、及び温度が上がってもぬれ広がりは増さないが、はんだを載置した箇所は確実にぬれていることが確認された。従って、はんだ箔を載せた箇所は確実にぬれることになる。
【００１６】
この温度で接続できるPbフリーはんだの組成としてSn-Ag-Cu-Bi系が知られている。具体的組成として、Ag、Cuを代表的な組成に仮固定したSn-3Ag-0.7Cuを例にとると、
このはんだにBi:4〜6％位がはんだ付け可能な範囲になる。Biは6％以上では融点は下がるのではんだ付けは容易になるが、材料の伸び特性が低下し、接合界面の強度(ピール強度)は低下するので（図５）、信頼性が低下し、Biを多く入れる意味はない。従って、融点は高くなるが、信頼性が向上する方向のBi が少ない域が重要になる。この220〜230℃ではんだ付けできるSn-Ag-Cu-Biはんだの組成範囲としては、Bi:5％前後になる。
【００１７】
Sn-3Ag-0.5CuはんだにBi含有量を変えたはんだを用いて、42アロイリードにSn-10PbめっきしたものとCu箔とをはんだ付けし、接合界面のピール強度の結果(図７)をみればBiが5％入ると界面の強度低下が起こることが分かる。Biに対するこの傾向は、絶対値は異なるがNiめっきでも同様な傾向を示す。この強度低下の原因はBi界面での偏析である。現状ではBi:2〜3％と少ない場合、破壊面でBi濃度の増加は認められるが、明確なBi相の存在は確認できていない。また、伸び等の機械的特性はピール強度のようにBiに対して急激な変化ではなく、幾分緩やかであることから3Biの耐温度サイクル性は優れることが予想される。
【００１８】
パワーデバイスにおいて、図８に示すように、アルミナ基板3を挟むようにMo板2(低熱膨張の熱拡散板、Niめっき5)と、Cu板ヒートシンク9(Niめっき)を0.15mmtのSn-7Sb(融点：235〜244℃)はんだ箔8を用いて、不活性雰囲気でmax270℃ではんだ付けをした。その後、接合されたMoの裏面(Niめっき)に、Sn-3Ag-0.7Cu-3In-3Biはんだ箔7(0.15mmt)を用いてSiチップ1(W/Ni等でメタライズ4された)を載せてmax230℃で、同様に不活性雰囲気ではんだ付けを行った。このとき、当然のことながらSn-7Sbは溶けないので、階層接続を実現できる。6はW-Niめっきである。
【００１９】
図９は大型の封止構造に、このはんだを適用した一例を示したものである。W/Niめっきセラミック容器9とNiめっきCu板10とを、Sn-3Ag-0.7Cu-3In-2Biはんだ箔12で封止たものである。ヘリウムリーク試験でも問題無いことを確認した。11はセラミックである。
【００２０】
他方、比較用として、同様にSiチップの接合をSn-3Ag-0.7Cu5Bi(融点：195〜215℃) はんだでも行って信頼性評価を行った。はんだ付けしたサンプルを切り出して、断面研磨した結果、最終凝固となる側に、EDX分析ではBiがはんだ中の含有率(5％)以上に含まれている濃縮層が認められた。Niとの接合であるため、Cuのように極端に弱くはなかったが、この偏析が起こる限り正常な継手とは言えない。-55〜125℃の温度サイクル試験では、このBiの濃縮層の界面でのクラック進展がSn-3Ag-0.7Cu-3In-3Biはんだに比べて速く、問題であることが分かった。
【００２１】
この結果、Sn-3Ag-0.7Cu-3In-3Bi はSn-Pb共晶と比較すると、耐熱疲労性は優れるが、他方、Sn-3Ag-0.7Cu-5Bi はSn-Pb共晶と比較して、耐熱疲労性は劣る事を確認できた。耐クリープ性はSn-3Ag-0.7Cu-3In-3Bi、Sn-3Ag-0.7Cu-5Bi共にSn系であり、Biが入っているので強度が大であることから、Sn-Pb共晶と比較して数倍優れる。また、融点も195℃以上であり、 Sn-Pb共晶の183℃より高く、強くて硬いSn晶の集まりなので耐高温に優れる。
【００２２】
図１０はSn-3Ag-0.7Cuはんだを例にとり、横軸の左半分はBiが0〜5％、右半分はInが0〜5％含有した場合で、縦軸に温度をとったものである。図１１は横軸は同じで、縦軸に伸びをとったものである。Bi量とはんだの液相線と固相線を左半分に示し、Sn-3Ag-0.7CuにBiが2％入り、それにInを含有させたはんだの液相線と固相線を右半分に示した。Sn-3Ag-0.7Cu-2Bi-3Inは融点ではSn-3Ag-0.7Cu-5Biに近く、Sn-3Ag-0.7Cu-2Biよりは低い。これより、Sn-3Ag-0.7Cu-2Bi-3Inのはんだ付け温度はSn-3Ag-0.7Cu-5Bi並みで可能である。同様に、Bi:0.5〜3％の範囲で、In:3〜5％の範囲の組み合わせならばSn-3Ag-0.7Cu-5Bi並みのはんだ付け温度で可能である。
【００２３】
これより、融点、はんだ付け温度はSn-3Ag-0.7Cu-5Bi 並みで、高信頼性のはんだ組成を得ることができた。更にInで融点を下げたSn-3Ag-0.7Cu-2Bi-5Inの場合も、同様にプロセス、信頼性をクリアできた。更に、Inを入れることは融点が下がる方向であり、コスト、印刷性(ライフタイム)、組織安定性(低温相の形成)の問題があるので、望ましくはない。Snマトリクス中へのBiの固溶は、1.2％であるが、バルク材料の特性ではBi量に比例して脆化するが、Bi が2％までは特性上優れていると言える。
【００２４】
次に、Biを添加しない系であるSn-3Ag-0.7Cu-3In(融点：207〜216℃)、及びSn-3Ag-0.7Cu(融点216〜220℃) の評価を行った。Sn-3Ag-0.7Cu-3Inの融点はSn-3Ag-0.7Cu-5Biと余り変わず、230℃で接続が可能であった。Sn-3Ag-0.7Cuの継手部温度はmax235℃をこえるため使用できないが、継手の信頼性は行った。これらのはんだ付け時における継手の剥がれはない。この理由はBiが含まれていないため、接合界面の強度が高いことによると考える。
【００２５】
更に、同様に温度サイクル試験を行った結果、両者とも-55〜125℃の温度サイクル試験では目標とする2000サイクルをクリアし、クラック進展も少ない。しかし、Sn-3Ag-0.7Cuの場合、応力的に厳しい位置でのメタライズ部に破壊が起きた。他の組成ではこのような現象を起こしていないことから、Sn-3Ag-0.7Cu特有な現象と考えられる。原因は、融点が高いので、室温に冷却された時点では残留応力、歪みが高いこと、はんだの強度が高いので、はんだでは解放されず、その影響がメタライズ部にかかることが考えられる。特に、剛性の強い場合はそのことが言える。
【００２６】
これらの結果から、Sn-3Ag-0.7Cu-(0.5〜3)Bi-(3〜5)Inはバランスのとれた優れた組成であることが確認された。ベースになったSn-3Ag-0.7CuはAg、Cuの範囲として、既に示したSn-(2〜3.5)Ag-(0.2〜0.8)Cuで良いので、これらの条件を満たすPbフリーはんだ組成はSn-(2〜3.5)Ag-(0.2〜0.8)Cu-(0.5〜3)Bi-(3〜5)Inである。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、鉛を使用しないことから、環境に優しい製品を供給できる。
【００２８】
現用の炉で、従来の方式がそのまま適用できる。他方、従来のSn-Pb共晶はんだよりも、耐熱疲労性、耐クリープ性、耐高温に優れ、かつ高密度実装に対して高歩留まりが期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 Sn-Ag-CuにBiを添加したときの融点を示す特性図。
【図２】 Sn-Ag-CuにBiを添加したときの伸びを示す特性図。
【図３】 Sn-Ag-CuにInを添加したときの伸びを示す特性図。
【図４】 Sn-Ag-CuにInを添加したときの融点を示す特性図。
【図５】 Sn-Ag-CuにBiを添加したときのSnめっきを施した42アロイリードとの接続強度を示す特性図。
【図６】 Sn-AgにCuを添加したときの伸びを示す特性図。
【図７】 Sn-Ag-CuにBiを添加したときのCuとの接続強度を示す特性図。
【図８】本発明を利用したパワーデバイスを示す断面図。
【図９】本発明を利用した大型の封止構造を示す断面図。
【図１０】 Sn-Ag-CuにBiとInを添加したときの融点を示す特性図。
【図１１】 Sn-Ag-CuにBiとInを添加したときの伸びを示す特性図。
【符号の説明】
１…Siチップ、２…Mo板、３…アルミナ、４…メタライズ膜、５…Niめっき、６…W-Niめっき、７…Sn-3Ag-0.7Cu-3Bi-3In、８…Sn-Sb、９…Cu板、１０…セラミック、１１…Cu板、１２…Sn-3Ag-0.7Cu-2Bi-3In。

Claims

素子を内蔵したSi等のチップを絶縁基板もしくはヒートシンク材に第一の鉛フリーはんだで接続し、更にその下にヒートシンク材もしくは絶縁基板を第二の鉛フリーはんだで接続する階層接続構造において、
前記第二の鉛フリーはんだは、Sn-Sb(236〜240℃)であり、
前記第一の鉛フリーはんだは、Sn-(2〜3.5)Ag-(0.2〜0.8)Cu-(3〜5)In-(0.5〜3)Biもしくはそれに他の微量元素を添加したものであること
を特徴とする鉛フリーはんだ接続構造体。
素子を内蔵した Si 等のチップを絶縁基板もしくはヒートシンク材に第一の鉛フリーはんだで接続し、更にその下にヒートシンク材もしくは絶縁基板を第二の鉛フリーはんだで接続する階層接続構造において、
前記第二の鉛フリーはんだは、 Sn-Sb(236 〜 240 ℃ ) であり、
前記第一の鉛フリーはんだは、Sn-(2〜3.5)Ag-(0.2〜0.8)Cu-(3〜5)In-(0.5〜3)Bi-(0.2〜1)Sbもしくはそれに他の微量元素を添加したものであること
を特徴とする鉛フリーはんだ接続構造体。