JP4722751B2 - 粉末はんだ材料および接合材料 - Google Patents

Description

この発明は、粉末はんだ材料および接合材料に関し、特に半導体素子の表面電極および裏面電極の金属接合に使用することが好適な粉末はんだ材料および接合材料に関する。

パワー半導体装置では、半導体素子で発生する熱をその裏面から放熱する構成となっている。図６は、従来のパワー半導体装置の要部を示す正面図である。図６において、符号１は、その表面に電気回路を兼ねる導体基板２が接合され、かつその裏面に図示しない冷却導体への熱伝導を担う熱伝導体３が接合された絶縁基板である。

従来は、この導体基板２の表面に半導体素子４の裏面電極（図示省略）がはんだ材料５を用いて接合されている。半導体素子４の表面電極（図示省略）は、ボンディングワイヤ６を介して導体基板２に電気的に接続されている。熱伝導体３は、半導体パッケージの図示しない冷却導体である金属基板にはんだ材料を用いて接合されている。この金属基板は、図示しない外部冷却体とコンパウンドなどで密着されている。

半導体素子４は、通電時に熱を発生する。そして、半導体素子４と導体基板２の接合部が面接合であるため、その接合部には大きな熱ひずみが発生する。それによって、その接合部を構成するはんだ材料５は、過酷な使用環境下に置かれることになるので、そのはんだ材料には、高熱伝導性と熱疲労強度に優れた特性が要求される。そのような特性を備えた代表的はんだ材料はＰｂＳｎ共晶はんだ材料（溶融点１８３℃付近）である。

しかし、近時、環境上の配慮から、鉛フリーはんだの使用が推進されている。代表的鉛フリーはんだ材料は、ＳｎＡｇ系はんだ材料（共晶組成３．５％Ａｇ）であり、溶融点は２２０℃付近である（たとえば、下記特許文献１参照。）。また、電子機器において電子部品のはんだ接合を行う場合には、電子機器の構成上、接合温度の異なる複数種類のはんだ合金を複数回にわたり、使用する必要がある。たとえば、ＳｎＡｇ系のはんだ材料が使用された電子部品をプリント基板等に搭載する場合、プリント基板への搭載に同じＳｎＡｇ系はんだ材料が使用されると、プリント基板への搭載時の温度で電子部品内のはんだが融解して、はんだ付けされた部分が動きやすくなってしまう。そのため、所望の接合状態が確保しにくくなり、分離、あるいは封止樹脂より流出する可能性もある。

このため、電子部品内に使用される鉛フリーはんだ材料は、プリント基板への搭載に使用されるＳｎＡｇ系はんだ材料（共晶組成３．５％Ａｇ）よりも溶融点が高いはんだが適当である。鉛フリーはんだ材料の場合、ＳｎＡｇ系はんだ材料（共晶組成３．５％Ａｇ）より高温側で溶融する鉛フリーはんだ材料としては、ＡｕＳｎ合金（共晶溶融温度２８０℃付近）がある。しかし、ＡｕＳｎ合金はコスト的に高いという問題がある。

また、金属の接合材料として、Ａｇを１０〜３０質量％、Ｃｕを０．０５〜５質量％、Ｎｉを０．０５〜１質量％、Ｓｎを残部とするはんだ材料が知られている（たとえば、下記特許文献２参照。）。

また、他の金属の接合材料として、Ａｇを２５〜３７質量％、Ｃｕを０．５〜７質量％、Ｎｉを０．５〜３質量％、Ｓｎを残部とするはんだ材料が知られている（たとえば、下記特許文献３参照。）。

特許第３０２７４４１号公報 特許第２６６７６９２号公報 特開２００５−１３８１５２号公報

しかしながら、上述した特許文献２に記載のはんだ材料は、Ｃｕの含有量が少ないため、Ｃｕの析出物が少なくなり、充分な耐熱性が得られないという問題がある。また、特許文献３に記載のはんだ材料は、Ａｇの含有量が多いため、液相線の温度が接合作業性として望ましい２５０〜３００℃付近での液化温度よりも高いという問題があった。

さらに、Ａｇをナノ微粒子とすることにより、表面が活性化されて溶融温度が２５０〜３００℃となり、接合温度を下げることが可能であることが知られている。しかし、Ａｇナノ微粒子は通常、表面の酸化防止のため、有機材料でコーティング及び有機溶媒と混ぜ合わせることによって使用される。この場合、接合後、ボイドが残存しやすい。ポーラス度、有機物の残存は、電子機器接合部として重要な熱伝導性、電気伝導性、熱疲労信頼性の低下につながる。従って、接合材としての機能を得るため、接合時、有機物の還元雰囲気、荷重負荷を必要とするという問題があった。

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、ＡｕＳｎ系はんだ材料のように高価格ではなく、かつ、後工程にてＳｎＡｇ系はんだなどの温度域の工程において完全溶融に至らず接合性を保持するとともに、かつ、接合部信頼性として、強度、耐熱性にすぐれることを特徴とする粉末はんだ材料および接合材料を提供することを目的とする。

上述した問題を解決し、目的を達成するため、この発明に係る粉末はんだ材料は、Ａｇを１０〜２０質量％、Ｃｕを５〜１０質量％、Ｎｉを０．１質量％以下（但し、下限値の零を含まず）、残部はＳｎ及び不可避的不純物からなることを特徴とする。

また、この発明に係る粉末はんだ材料は、上記の発明にかかる粒子はんだ材料において、粒径が５０μｍ以下であることを特徴とする。

さらに、この発明に係る接合材料は、上記の発明にかかる粉末はんだ材料とフラックスとを混合したことを特徴とする。

ＳｎＡｇ系にＣｕを添加することによって、被接合材がＣｕである場合、はんだ材料中にＣｕが添加されていれば、被接合材からのＣｕの溶出を抑制することができるとともに、はんだ接合部の強度を向上させる効果があり、ＳｎＣｕ系やＳｎＳｂ系のはんだ材料と比較して、接合性や信頼性の点で優れている。また、ＳｎＡｇＣｕ３元共晶組成付近組成のもの（代表的にはＳｎ３．５Ａｇ０．５Ｃｕ）よりＣｕを多く添加することによって、耐熱性を向上させることができる。

ＳｎＡｇ系状態図上、共晶組成は３．５質量％Ａｇであり、７０質量％Ａｇまで、共晶反応（固相線は２２１℃）を有し、完全液化となる液相線温度は、Ａｇ量増加とともに上昇する。加熱した場合、固相線温度にて液化が開始するが、Ａｇ量を増加すると、固相線温度以上の広い温度範囲において、固液共存状態が存在しやすくなるため、後工程における作業温度、たとえばリフロー温度域２５０〜２６０℃においても、固液共存状態で接合されているため、粘性が高く、接合作業中に配線導体の動きが生じにくく、はんだ付け状態を維持可能となり、精度よい接合構成が得られる。

しかし、Ａｇを３．５質量％より多く含有する場合、この合金を溶融溶製し、板などとして凝固させると、たとえば、Ａｇが２０質量％では、液相線３５０℃付近でＡｇ３Ｓｎが析出し始め、これが初晶として、温度低下とともに粗大化するため、はんだ材料とし、接合に使用すると、ミクロ組織としては、粗大な結晶が存在するものとなりやすい。

ＳｎＡｇ系はんだ材料の固体状態のミクロ組織が粗い場合には、金属組織の濃度分布により、液化している部分と固体部分が不均一に存在しやすくなり、固相線温度以上の広い温度範囲において、固液共存状態が粗い状態で存在しやすくなる。そのため、はんだ材料と被接合材との界面における接合反応を生じさせるには、接合温度として高温側までの加熱が必要となる。

そこで、本発明では、はんだ材料を粉末状として作製し、接合に用いる。はんだ材料が微細な粒子から構成されていれば、粒子内の成分濃度分布が少なく、また、成分拡散が生じやすいため、固相線以上にて均一に液化が生じ易くなり、さらに、比較的低温側で接合しやすくなる。

はんだ合金の形態としては、通常、クリームはんだに使用される２０〜５０μｍ粉末で可能であるが、さらに微粒子化すれば、粒子相互の拡散およびはんだ材料の溶融が促進されるので、有効である。また、粒子の大きさを１μｍ以下にする場合には、粒子の凝集を防ぐための表面コーティングを兼ねる有機溶媒に粒子を混合すればよい。この場合は、はんだ材料の粒子が溶け始めることによって、一般的な金属の微粒子を用いた焼結に比べて、接合時の負荷荷重を小さくすることができるので、有機溶媒が揮発しやすく、接合作業性に優れる。

また、はんだ材料の粒子の粒径を５〜５０μｍにすることにより、フラックス内に粒子を均一に分散させることができる。

この発明では、ＳｎＡｇ系はんだ材料のＡｇの含有割合の下限は、３．５質量％Ａｇに共晶組成を有し、必要な固液共存温度範囲を有する液相線の温度である３００℃付近に相当する１０質量％である。Ａｇの含有割合が２５質量％以上であっても接合可能であるが、接合作業性として望ましい２５０〜３００℃付近での液化程度から、Ａｇの含有割合の上限は２５質量％であるのが適当である。

Ｓｎを主成分とし、Ａｇを２５質量％近くまで含有することにより、さらには５〜１０質量％のＣｕの添加によって、ＳｎＡｇＣｕ３元共晶組成付近の組成のもの（代表的には、Ｓｎ３．５Ａｇ０．５Ｃｕ）よりも耐熱性が向上する。また、はんだ材料が微細な粒子で構成されていれば、その粒子内の成分濃度分布が少なく、また、成分拡散が生じやすいので、固相線温度以上の温度において均一に液化が生じやすくなり、比較的低温側で接合することができる。

上記のように、Ａｇ量、Ｃｕ量を高めることによって、耐熱性を有するはんだ材料を得ることができる

本発明によれば、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ３元共晶組成付近組成のものより（代表的にはＳｎ３．５Ａｇ０．５Ｃｕ）液相線が高く固液共存領域の広いはんだ組成粒子とすることにより、比較的低温側で接合が可能となり、耐熱性が向上し、熱疲労強度を向上させた接合部とすることができる。

また、接合作業中、配線導体の動きが生じにくく、精度よい接合構成が得られる。

以下に添付図面を参照して、この発明に係る粉末はんだ材料および接合材料の好適な実施の形態を詳細に説明する。以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

この発明の実施の形態に係る粉末はんだ材料および接合材料について説明する。まず、Ｓｎ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉを５３０℃で溶解させ、合金を作製する。溶解させた各成分の割合は、Ａｇ２０質量％、Ｃｕ５質量％、Ｎｉ０．１質量％であり、残りはＳｎである。この合金を４００℃で溶解させ、たとえば、Ｓｎ２０Ａｇ５Ｃｕ粉末（はんだ材料）（固相線の温度：２２０℃付近、液相線の温度：３４５℃付近）の粒径が２０〜４５μｍ程度の粉末はんだを作製する。ここでは、粒径を２０〜４５μｍとしたが、粒径は５０μｍ以下の範囲であればよい。また、上述した粉末はんだは、不可避的不純物を含んでいる。不可避的不純物とは、たとえば、製造工程において混ざってしまう不純物、あるいは溶解前のＳｎ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉに含まれていた不純物であってもよい。

ついで、これらのＳｎ２０Ａｇ５Ｃｕ粉末とフラックスとを混ぜ、クリームはんだ（接合材料）を作製する。さらに、このクリームはんだを銅板上に塗布し、たとえば、ホットプレート上で、温度２６５℃、時間３０ｓｅｃで溶解する。

通常、Ａｇ２０質量％、Ｃｕ５質量％、Ｎｉ０．１質量％含み、残りがＳｎの合金を溶解し、バルク上に凝固させた場合、液相線３５０℃付近でＡｇＳｎが析出し始める。ＡｇＳｎは、液相線３５０℃付近において析出されたＡｇＳｎを初晶として、温度低下とともに粗大化する。一方で、ＣｕＳｎ析出物が生じ、粗大なＡｇＳｎ、ＣｕＳｎ析出物を主体とするミクロ組織となる。

つぎに、本発明の接合材料（クリームはんだ）を溶解したサンプルの断面観察結果、および分析結果を示す。図１は、本発明による接合材料（クリームはんだ）を溶解したサンプルの断面観察結果を示す図である。また、図２は、本発明による接合材料（クリームはんだ）を溶解したサンプルの分析結果を示すグラフである。図２において、横軸はＸ線フ
ォトンエネルギー、縦軸はＸ線の検出強度を示している。

図１中の「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」はそれぞれ図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）に示すサンプルの分析結果の分析箇所を示している。図１の分析箇所「Ａ」は、図２（ａ）の分析結果に示すように、Ａｇのピークが高く、ついでＳｎが検出されている。このことから、分析箇所「Ａ」は、ＡｇＳｎ化合物（Ａｇ３Ｓｎ）が主に析出する。図１の分析箇所「Ｂ」は、図２（ｂ）の分析結果に示すように、ＣｕとＳｎとが同等レベルであることから、ＣｕＳｎ化合物（Ｃｕ６Ｓｎ５）が主に析出する。また、図１の分析箇所「Ｃ」は、図２（ｃ）に示すように、Ｓｎが主成分であり、わずかにＡｇが検出されているので、析出物以外のマトリックスである。このように、ＡｇＳｎ化合物（Ａｇ３Ｓｎ）、ＣｕＳｎ化合物（Ｃｕ６Ｓｎ５）がマトリックス中に分散化したものは、いわゆる分散強化された複合材料と同様な特徴が得られ、材料的に均一で、安定したものであり、信頼性が優れるものが得られる。ここで、主成分とは、物質を構成している成分のうち最も多く含まれている成分である。

本発明の接合材料（クリームはんだ）とたとえばＳｎ３．５Ａｇ０．５Ｃｕはんだを用いることにより、それぞれ異なる箇所を、異なる工程で接合することが可能となる。図３は、本発明による接合材料を用いて製造方法により製造された半導体装置の一例の要部を示す正面図である。図３に示すように、導体基板１２の表面に、Ｓｎ３．５Ａｇ０．５Ｃｕ粉末（粒子径：２０〜５０μｍ、溶融温度：２２０℃付近）を用いたはんだペーストを、たとえば１００μｍの厚さに塗布する。そして、そのはんだペーストに接触するように、導体基板１２の上に半導体素子１４を置く。

続いて、半導体素子１４の表面電極の表面に、粒径が５〜２０μｍであるＳｎ２０Ａｇ
５Ｃｕ粉末（固相線の温度：２２０℃付近、液相線の温度：３４５℃付近）とフラックスを混合したクリームはんだを塗布する。半導体素子１４の表面電極の表面には、はんだ接合を可能とするために、Ｎｉめっきが施されている。その後、塗布したクリームはんだに配線用導体１６の被接合面が接触するように、半導体素子１４の上に配線用導体１６を置く。

その状態で、導体基板１２、半導体素子１４および配線用導体１６を電気炉に入れ、Ｓｎ２０Ａｇ５Ｃｕ粉末の固相線の温度（２２０℃付近）以上、かつ液相線の温度（３４５℃付近）で、さらにＳｎ３．５Ａｇ０．５Ｃｕのクリームはんだの溶融温度（２２０℃付近）以上の温度、たとえば２５０℃に加熱する。その際、Ｓｎ３．５Ａｇ０．５Ｃｕ粉末を用いたはんだペーストは溶融する。一方、Ｓｎ２０Ａｇ５Ｃｕ粉末とフラックスを混合したクリームはんだは、固液共存の状態となる。その後、冷却して、溶けたはんだを凝固させる。それによって、導体基板１２に半導体素子１４がＳｎ３．５Ａｇ０．５Ｃｕ接合部材１７を介して接合されるとともに、半導体素子１４に配線用導体１６がＳｎ２０Ａｇ５Ｃｕ接合部材１５を介して接合され、図３に示す構成の半導体装置が得られる。

ここで、Ｓｎ３．５Ａｇ０．５Ｃｕ粉末を用いたはんだペーストは一旦溶融した後に固化するため、溶融前の形態は粉末を用いたペーストに限らない。たとえばＳｎ３．５Ａｇ０．５Ｃｕのシート状のはんだを用いてもよい。

図４は、本発明による接合材料を用いて製造された半導体装置の別の例の要部を示す正面図である。図４に示すように、導体基板１２と半導体素子１４の裏面電極をＳｎ２０Ａｇ５Ｃｕ接合部材１５により接合し、半導体素子１４の表面電極と配線用導体１６をＳｎ３．５Ａｇ０．５Ｃｕ接合部材１７により接合してもよい。この場合には、導体基板１２の表面に、Ｓｎ２０Ａｇ５Ｃｕ粉末とフラックスを混合したクリームはんだを塗布し、その上に半導体素子１４を置く。そして、半導体素子１４の表面電極の表面に、Ｓｎ３．５Ａｇ０．５Ｃｕ粉末を用いたはんだペーストを塗布し、その上に配線用導体１６を置く。その状態で、電気炉でＳｎ２０Ａｇ５Ｃｕ粉末の固相線の温度（２２０℃付近）以上、かつ液相線の温度（３４５℃付近）で、さらにＳｎ３．５Ａｇ０．５Ｃｕのクリームはんだの溶融温度（２２０℃付近）以上の温度、たとえば２５０℃に加熱した後、冷却すればよい。

図５は、本発明による接合材料を用いて製造された半導体装置のさらに別の例の要部を示す正面図である。図５に示すように、導体基板１２と半導体素子１４の裏面電極、および半導体素子１４の表面電極と配線用導体１６の両方をＳｎ２０Ａｇ５Ｃｕ接合部材１５により接合してもよい。この場合には、導体基板１２の表面に、Ｓｎ２０Ａｇ５Ｃｕ粉末とフラックスを混合したクリームはんだを塗布し、その上に半導体素子１４を置く。そして、半導体素子１４の表面電極の表面に、同じクリームはんだを塗布し、その上に配線用導体１６を置く。その状態で、電気炉でＳｎ２０Ａｇ５Ｃｕ粉末の固相線の温度（２２０℃付近）以上、かつ液相線の温度（３４５℃付近）たとえば２５０℃に加熱した後、冷却すればよい。

この発明によるはんだ材料を用いれば、Ｓｎ２０Ａｇ５Ｃｕ粉末の固相線と液相線の間の温度で、Ｓｎ２０Ａｇ５Ｃｕ粉末の液化が均一に生じやすいので、比較的低温側ではんだ接合を行うことができる。従って、はんだ接合部の耐熱性が向上し、また、熱疲労強度が向上する。また、加熱したときに、Ｓｎ２０Ａｇ５Ｃｕ粉末を含むクリームはんだが固液共存の状態となり、高い粘性を有するので、半導体素子１４と配線用導体１６の相互の動きが抑制される。従って、半導体素子１４および配線用導体１６を高い位置精度で接合することができる。

つぎに、本発明による接合材料（クリームはんだ）Ｓｎ２０Ａｇ５Ｃｕ０．１Ｎｉおよび従来のはんだ材料（従来材）Ｓｎ３．０Ａｇ０．５Ｃｕについて耐熱性評価をおこなった結果を表１に示す。表１では、従来材をＳＡＣ、本発明による接合材料（クリームはんだ）をＳＡＣＮで表示している。

耐熱性評価に用いるサンプルは、まず、Ｃｕ板にクリームはんだ（４×４×０．３ｍｍ）を塗布し、塗布したクリームはんだの上に、たとえば、２６０℃、３０ｓｅｃでＣｕブロック（５×５×５ｍｍ）を接合した。そして、サンプルの接合面を垂直に立て、２２０℃から２８０℃の範囲で加熱することにより、耐熱性試験を実施した。また、従来材についても同様の処理によりＣｕブロックを接合した。表１では、Ｃｕブロックが、自重によりずれ落ちた場合を×、ずれ落ちなかった場合を○により表示している。

ＳＡＣでは、２３０℃までは、Ｃｕブロックはずれ落ちなかったが、２４０℃以上では、Ｃｕブロックがずれ落ちてしまった。一方、ＳＡＣＮでは、２８０℃まで、加熱してもＣｕブロックはずれ落ちなかった。

以上の結果から、本発明の接合材料（クリームはんだ）は、従来のはんだ材料Ｓｎ３．０Ａｇ５．０Ｃｕに比べ、耐熱性に優れていることが確認された。また、耐熱性を上昇させるためには、溶解後のＡｇが１０質量％以上２５質量％以下の割合で含まれていることが好ましい。

以上において本発明は、上述した実施の形態に限らず、種々変更可能である。たとえば、はんだ接合温度は、２５０℃に限らず、Ｓｎ２０Ａｇ５Ｃｕ粉末の固相線の温度以上で、かつＳｎ２０Ａｇ５Ｃｕ粉末の液相線の温度よりも低く、さらにＳｎ３．５Ａｇ０．５Ｃｕ粉末を用いたはんだペーストまたはクリームはんだの溶融温度以上の温度であればよい。

また、はんだ接合温度で固液共存状態となる本発明に係る粉末はんだ材料のＡｇの含有割合は１０質量％以上２５質量％以下、Ｃｕの含有割合は５質量％以上１０質量％以下であればよい。さらに、Ａｇを１０質量％以上２５質量％以下、Ｃｕを５質量％以上１０質量％以下の割合で含む本発明に係る粉末はんだ材料が、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｓｂ、Ｆｅ、Ｇｅ、ＢｉおよびＩｎのうち、少なくとも１種類の添加元素を合計で２．０質量％以下の割合で含んでいてもよい。また、Ａｇを１０質量％以上２５質量％以下、Ｃｕを５質量％以上１０質量％以下の割合で含むＳｎＡｇ系はんだ材料が、Ｎｉを１．０質量％以下の割合で含んでいてもよい。

はんだ材料の粒子の大きさは、通常のクリームはんだと同様、５〜５０μｍで十分であるが、さらに微粒子化すれば、粒子相互の拡散およびはんだ材料の溶融が促進されるので、有効である。

また、はんだ材料の粒子の粒径を５〜５０μｍにすることにより、フラックス内に粒子を均一に分散させることができる。

以上説明したように、Ｓｎを主成分とし、Ａｇを２５質量％近くまで含有することにより、さらにはＣｕの添加によって、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ３元共晶組成付近の組成のもの（代表的には、Ｓｎ３．５Ａｇ０．５Ｃｕ）よりも耐熱性が向上する。また、はんだ材料が微細な粒子で構成されていれば、その粒子内の成分濃度分布が少なく、また、成分拡散が生じやすいので、固相線以上の温度において均一に液化が生じやすくなり、比較的低温側で接合することができる。

以上のように、本発明に係る粉末はんだ材料および接合材料は、半導体素子の表面電極と配線用導体が面接合された構成を有する半導体装置に有用であり、特に、通電時の発熱量が多いパワー半導体装置に適している。

本発明による接合材料（クリームはんだ）を溶解したサンプルの断面観察結果を示す図である。 本発明による接合材料（クリームはんだ）を溶解したサンプルの分析結果を示すグラフである。 本発明による接合材料を用いて製造方法により製造された半導体装置の一例の要部を示す正面図である。 本発明による接合材料を用いて製造された半導体装置の別の例の要部を示す正面図である。 本発明による接合材料を用いて製造された半導体装置のさらに別の例の要部を示す正面図である。 従来の半導体装置の要部を示す正面図である。

符号の説明

１２，１６ 導体
１４ 半導体素子
１５ 第１のはんだ材料の粉末よりなる接合材料
１７ 第２のはんだ材料の粉末よりなる接合材料

Claims (3)

1. Ａｇを１０〜２０質量％、Ｃｕを５〜１０質量％、Ｎｉを０．１質量％以下（但し、下限値の零を含まず）、残部はＳｎ及び不可避的不純物からなることを特徴とする粉末はんだ材料。
2. 前記粉末はんだ材料は、粒径が５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の粉末はんだ材料。
3. 請求項１または２に記載の粉末はんだ材料とフラックスとを混合したことを特徴とする接合材料。

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