CN115139009A - 预成型焊料及其制备方法、以及焊接接头的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种预成型焊料及其制备方法、以及焊接接头的制备方法，本发明采用含有第一金属和第二金属的预成型焊料，所述第一金属含有Sn，所述第二金属由含有Ni和Fe的合金构成。或者，采用预成型焊料1，该预成型焊料1具有金相组织，该金相组织具备作为连续相的第一相10和分散于第一相10中的第二相20，第一相10含有Sn，第二相20由含有Ni和Fe的合金构成，第一相10中存在金属的晶界15。根据本发明，能够提供在焊料接合时进一步抑制了空隙的产生的预成型焊料及其制备方法，并且，能够提供提高了剪切强度的焊接接头的制备方法。

Description

预成型焊料及其制备方法、以及焊接接头的制备方法
技术领域
本发明涉及一种预成型焊料及其制备方法、以及焊接接头的制备方法。本申请基于2021年3月31日在日本申请的日本特愿2021-059319号主张优先权，并将其内容援引于此。
背景技术
近年来，伴随使用碳化硅(SiC)等的功率半导体元件的工作环境的高温化，焊接接头有时达到250～280℃左右。因此，要求在这样的高温条件下工作时不熔融的高温焊料。
在上述焊接接头的制作中，作为焊接材料，使用各种焊膏。例如，作为焊膏，可举出能够低温烧结的Ag膏、与欧盟的RoHS指令对应的TLP(Transient Liquid Phase)膏。
TLP膏是含有2种焊料粉末的膏。在TLP膏中，由于在加热时焊料粉末彼此形成高熔点的化合物，因此即使焊接接头被再加热也能够抑制再熔融。作为这样的TLP膏，例如提出了将Cu球和Sn焊球藉由助焊剂分散而成的膏(参照专利文献1)。
或者，在上述焊接接头的制作中，作为焊接材料，使用采用了预成型焊料的接合方法。
所谓预成型焊料，是将焊料加工成方形、带状、盘状等各种形状的焊料。
作为这样的预成型焊料，例如，提出了将由焊料合金构成的金属粉末和由Cu构成的金属粉末的混合体加压成形而成的成形焊料(参照专利文献2、3)。
现有技术文件
专利文献
专利文献1：日本发明专利公开公报特开2002-254194号
专利文献2：日本发明专利公开公报特开2020-55032号
专利文献3：日本发明专利公开公报特开2020-142300号
发明内容
本发明要解决的问题
但是，如专利文献1所记载的含有助焊剂的焊膏存在如下问题：在焊料粉末熔融时助焊剂挥发，孔隙停留在熔融焊料中，在凝固时容易大量产生空隙。特别是，在固化时形成高熔点化合物的TLP膏中，流动性降低，孔隙难以被释放到外部。
作为抑制上述那样的空隙的产生的方法，考虑调整加热条件，但例如即使提高加热温度来提高流动性，也担心对半导体元件的热损伤。另一方面，即使降低加热温度而延长加热时间，由于流动性没有改善，因此孔隙的释放困难，空隙的产生也不能避免。
在TLP膏中，加热时在焊料粉末的表面形成牢固的氧化膜，该氧化膜有时不被助焊剂还原而残留。因此，焊料粉末之间难以熔接，在熔融焊料中卷入孔隙，有时产生空隙。
与此相对，为了还原所述氧化膜，考虑在助焊剂中添加高活性的还原剂，但即使假设添加了高活性的还原剂，在焊料熔融时也会卷入还原气体，成为含有还原气体的多孔的焊接接头，结果接合强度降低。因此，在焊接接头中容易产生裂纹，可靠性变差。
另外，在焊膏中，有时也减小焊料粉末的粒径，以使焊料粉末均匀地分散于助焊剂中。但是，焊料粉末的粒径越小，粉末的比表面积越大，因此焊料粉末变得容易氧化，存在空隙的产生变得显著的倾向。
在使用专利文献2、3所记载的预成型焊料的情况下，在功率半导体元件的高温条件(250℃以上)下进行焊料接合时，抑制空隙产生的效果弱，焊料接合部的接合强度不充分。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种在焊料接合时进一步抑制了空隙的产生的预成型焊料及其制备方法、以及使用了该预成型焊料的焊接接头的制备方法。
解决问题的手段
本发明为了解决上述课题，采用以下的手段。
[1]一种预成型焊料，其含有第一金属和第二金属，所述第一金属含有Sn，所述第二金属由含有Ni和Fe的合金构成。
[2]根据[1]所述的预成型焊料，其中，相对于所述第一金属和所述第二金属的总含量，所述第二金属的含量为5～70质量％。
[3]根据[1]或[2]所述的预成型焊料，其中，所述第二金属的粒径为0.1～1000μm。
[4]一种预成型焊料，其具有金相组织，该金相组织具备作为连续相的第一相和分散在所述第一相中的第二相，所述第一相含有Sn，所述第二相由含有Ni和Fe的合金构成，所述第一相中存在金属的晶界。
[5]根据[4]所述的预成型焊料，其中，相对于所述金相组织的总质量，所述金相组织中的Sn与Ni的金属间化合物的含量为0质量％以上且70质量％以下。
[6]一种预成型焊料的制备方法，该方法包括：将含有Sn的第一金属粉末与由含有Ni和Fe的合金构成的第二金属粉末混合，制备金属粉末混合物的混合工序；以及，将所述金属粉末混合物压延，制作预成型焊料的压延工序。
[7]根据[6]所述的预成型焊料的制备方法，其中，在所述混合工序中，将所述第一金属粉末和所述第二金属粉末以所述第一金属粉末为30～95质量份、所述第二金属粉末为5～70质量份的比例混合。
[8]根据[6]或[7]所述的预成型焊料的制备方法，其中，所述第二金属粉末的粒径为0.1～1000μm。
[9]根据[6]～[8]中任意一项所述的预成型焊料的制备方法，其中，所述第一金属粉末的粒径为0.1～1000μm。
[10]根据[6]～[9]中任意一项所述的预成型焊料的制备方法，其中，相对于所述第二金属粉末的总质量，所述第二金属粉末中的Ni的含量为80～99质量％。
[11]根据[10]所述的预成型焊料的制备方法，其中，相对于前述第二金属粉末的总质量，所述第二金属粉末中的Fe的含量为1～20质量％。
[12]根据[6]～[11]中任意一项所述的预成型焊料的制备方法，其中，所述第一金属粉末的熔点为250℃以下。
[13]一种焊接接头的制备方法，其使用通过[6]～[12]中任意一项所述的预成型焊料的制备方法制备的预成型焊料，在对象物之间形成接合部位。
[14]一种预成型焊料，其含有第一金属和第二金属：所述第一金属含有Sn，所述第二金属由含有Ni和Fe的合金构成，所述第一金属的熔点为250℃以下，所述第二金属中的合金的熔点超过250℃，所述第一金属中的Sn的含量相对于所述第一金属的总质量为20质量％以上且100质量％以下，所述第二金属中的Ni的含量相对于所述第二金属的总质量为80质量％以上且99质量％以下，所述第二金属中的Fe的含量相对于所述第二金属的总质量为1质量％以上且20质量％以下，所述第二金属的粒径为0.1～1000μm，所述第二金属的含量相对于所述第一金属和所述第二金属的合计含量为5～70质量％。
[15]一种预成型焊料，其具有金相组织，该金相组织具备作为连续相的第一相和分散在所述第一相中的第二相，所述第一相由含有Sn的金属构成，所述第二相由含有Ni和Fe的合金构成，构成所述第一相的所述金属的熔点为250℃以下，构成所述第二相的所述合金的熔点超过250℃，构成所述第一相的所述金属中的Sn的含量相对于所述金属的总质量为20质量％以上且100质量％以下，构成所述第二相的所述合金中的Ni的含量相对于所述合金的总质量为80质量％以上且99质量％以下，构成所述第二相的所述合金中的Fe的含量相对于所述合金的总质量为1质量％以上且20质量％以下，所述合金的粒径为0.1～1000μm，构成所述第二相的所述合金的含量相对于构成所述第一相的所述金属与构成所述第二相的所述合金的合计含量为5～70质量％，所述第一相中存在金属的晶界。
[16]根据[15]所述的预成型焊料，其中，相对于所述金相组织的总质量，所述金相组织中的Sn与Ni的金属间化合物的含量为0质量％以上且70质量％以下。
[17]一种预成型体的焊料的制备方法，其包括：将含有Sn的第一金属粉末与由含有Ni和Fe的合金构成的第二金属粉末混合，制备金属粉末混合物的混合工序；以及，将所述金属粉末混合物压延，制作预成型焊料的压延工序，所述第一金属粉末的熔点为250℃以下，所述第二金属粉末中的合金的熔点超过250℃，所述第一金属粉末中的Sn的含量相对于所述第一金属粉末的总质量为20质量％以上且100质量％以下，所述第二金属粉末中的Ni的含量相对于所述第二金属粉末的总质量为80质量％以上且99质量％以下，所述第二金属粉末中的Fe的含量相对于所述第二金属粉末的总质量为1质量％以上且20质量％以下，所述第一金属粉末的粒径为0.1～1000μm，所述第二金属粉末的粒径为0.1～1000μm，在所述混合工序中，将所述第一金属粉末和所述第二金属粉末以所述第一金属粉末为30～95质量份、所述第二金属粉末为5～70质量份的比例混合。
[18]一种焊接接头的制备方法，其使用通过[17]所述的预成型焊料的制备方法制备的预成型焊料，在对象物之间形成接合部位。
本发明的效果
根据本发明，能够提供在焊料接合时进一步抑制了空隙的产生的预成型焊料及其制备方法。
此外，根据本发明，能够提供提高了剪切强度的焊接接头的制备方法。
附图说明
图1是预成型焊料的一个实施方式的立体图。
图2是预成型焊料的一个实施方式中的、表示厚度方向的截面的SEM图像(倍率300倍)。
符号的说明
1 预成型焊料
10 第一相
15 晶界
20 第二相
具体实施方式
(预成型焊料：第一实施方式)
图1是本发明的预成型焊料的一个实施方式。预成型焊料1为方形，含有第一金属和第二金属，所述第一金属含有Sn，所述第二金属由含有Ni和Fe的合金构成。
＜第一金属＞
第一金属含有Sn。
由于Sn的延展性优异，因此含有Sn的第一金属能够通过塑性变形而使第一金属间的孔隙消失。另外，含有Sn的第一金属作为焊接材料能够担保润湿性等一般的性能。
第一金属也可以含有Sn以外的金属。即，第一金属可以是Sn单体，也可以是Sn以外的金属与Sn混合而成的金属，也可以是Sn以外的金属与Sn合金化而成的金属，也可以是含有Sn的合金与除此以外的金属混合而成的金属。
作为第一金属可以含有的Sn以外的金属，例如可以举出：Ag、Cu、In、Bi、Ni、Ge、P、Co、Ga、Zn、Sb、Pb、Au、Al、Pt、Pd、Fe、Mn、Zr。这些Sn以外的金属可以含有1种，也可以含有2种以上。
第一金属除了上述金属之外还可以含有不可避免的杂质。即使在含有不可避免的杂质的情况下，也不会影响本发明的效果。
第一金属的熔点优选为250℃以下，更优选为232℃以下，进一步优选为116～200℃。
第一金属的熔点为上述优选范围的上限值以下时，容易确保焊料的润湿性。
本说明书中所说的“金属的熔点或金属粉末的熔点”是指通过差示扫描量热测定(DSC)测定的熔点。第一金属的熔点，例如可以使用日立高科技科学公司制备的DSC7020进行测定。第二金属的熔点，例如可以使用NETZSCH公司制备的DSC404-F3Pegasus进行测定。
相对于第一金属的总质量，第一金属中的Sn的含量优选为20质量％以上且100质量％以下。为了充分发挥Sn的特性，相对于第一金属的总质量，第一金属中的Sn的含量优选为90质量％以上，更优选为95质量％以上，进一步优选为100质量％。
＜第二金属＞
第二金属由含有Ni和Fe的合金构成。
第二金属中的合金优选含有Ni和Fe，熔点比第一金属高，分散于预成型焊料内。
第二金属中的合金的熔点优选超过250℃，更优选为300℃以上，进一步优选为500～1500℃。
第二金属中的合金的熔点超过上述优选范围的下限值时，更容易实现焊接接头的高温化。
第二金属中的合金也可以含有Ni和Fe以外的金属。即，第二金属可以是Ni与Fe的合金，也可以是Ni、Fe与它们以外的金属的合金，其中，优选为Ni与Fe的合金。
作为第二金属可以含有的Ni和Fe以外的金属，例如可以举出：Ag、Cu、In、Bi、Ge、P、Co、Ga、Zn、Sb、Pb、Au、Al、Pt、Pd、Mn、Zr。这些Ni和Fe以外的金属可以含有1种，也可以含有2种以上。
第二金属除了上述金属之外还可以含有不可避免的杂质。即使在含有不可避免的杂质的情况下，也不会影响本发明的效果。
相对于第二金属的总质量，第二金属中的Ni的含量优选为80质量％以上且99质量％以下，更优选为85质量％以上且95质量％以下。
相对于第二金属的总质量，第二金属中的Fe的含量优选为1质量％以上且20质量％以下，更优选为5质量％以上且15质量％以下。
第二金属中的Ni和Fe的含量为上述优选的范围时，能够在更早的阶段形成金属间化合物，抑制空隙的发生。
在第一实施方式的预成型焊料中，第二金属的粒径优选为0.1～1000μm，更优选为1～100μm，进一步优选为5～50μm。
第二金属的粒径为上述优选范围的下限值以上时，容易确保润湿性，为上述优选范围的上限值以下时，更容易形成金属间化合物。
本说明书中所说的“金属的粒径或金属粉末的粒径”是指使用激光衍射/散射式粒度分布测定装置以体积基准测定时的平均粒径。
在第一实施方式的预成型焊料中，从兼顾接合性和剪切强度的观点出发，第一金属与第二金属的混合比优选为第二金属的含量相对于第一金属与第二金属的合计含量为5～70质量％，更优选为10～50质量％，进一步优选为20～30质量％。
第二金属的含量为上述优选范围的下限值以上时，容易抑制Sn熔融时的空隙的产生。另外，焊料接合部的耐热性进一步提高。为上述优选范围的上限值以下时，由于抑制了金属间化合物形成所导致的多孔组织的生成，因此抑制了空隙的产生，容易保持剪切强度。特别是，容易抑制焊料接合部内部的微小空隙的产生。
在第一实施方式的预成型焊料中，优选不含有第一金属和第二金属的金属间化合物，或者其含量非常少。如果是这样的预成型焊料，则在焊接时更容易抑制空隙的产生。
(预成型焊料：第二实施方式)
图2是本发明的预成型焊料的一个实施方式中的、表示厚度方向的截面的SEM图像(放大率为300倍)。另外，图2的SEM图像是通过压延法制备的预成型焊料中与压延方向平行的截面的观察图像。
图2所示的预成型焊料1具有金相组织，该金相组织具有作为连续相的第一相10和分散在第一相10中的第二相20。
第一相10含有Sn。第一相10存在金属的晶界15。第二相20由含有Ni和Fe的合金构成。
在预成型焊料1中，第一相10为连续相，由含有Sn的金属构成。关于含有Sn的金属及其含量等的说明与上述的<第一金属>相同。
另外，在第一相10中，在含Sn的金属晶体之间存在晶界15。
在预成型焊料1中，第二相20分散于第一相10中。
第二相20由含有Ni和Fe的合金构成。关于含有Ni和Fe的合金、其粒径及其含量等的说明与上述的<第二金属>相同。
在预成型焊料1中，从兼顾接合性和剪切强度的观点出发，构成第一相10的含有Sn的金属与构成第二相20的含有Ni和Fe的合金的混合比优选为构成第二相20的合金含量相对于构成第一相10的金属和构成第二相20的合金的合计含量为5～70质量％，更优选为10～50质量％，进一步优选为20～30质量％。
构成第二相20的合金的含量为上述优选范围的下限值以上时，容易抑制Sn熔融时空隙的产生。另外，焊料接合部的耐热性进一步提高。为上述优选范围的上限值以下时，由于抑制了金属间化合物形成所导致的多孔组织的生成，因此抑制了空隙的产生，容易保持剪切强度。
构成预成型焊料1的金相组织的特征在于，具有第一相10和第二相20，而在第一相10与第二相20之间不存在含有金属间化合物的第三相，或者其存在比例低。
在预成型焊料1中，所述金相组织中的Sn与Ni的金属间化合物的含量少，相对于前述金相组织的总质量，优选为0质量％以上且70质量％以下，更优选为0质量％以上且30质量％以下，最优选为0质量％。
在预成型焊料1中，所述金相组织中的Sn与Ni的金属间化合物的含量为上述优选范围的上限值以下时，在焊料接合时更容易抑制空隙的产生。
作为上述第一实施方式或第二实施方式的预成型焊料的形状，可以举出：方形、带状、盘状、垫圈状、片状、线状等。
在上述第一实施方式或第二实施方式的预成型焊料的制备中，可以使用公知的制备方法，例如可以应用熔融法、压延法。其中，在本实施方式的预成型焊料的制备中，特别是从容易抑制Sn与Ni的金属间化合物的生成，能够抑制大直径的空隙的产生，空隙产生量少而难以产生出发，优选应用压延法。
如以上说明，本实施方式的预成型焊料由含有Sn的第一金属和由含有Ni和Fe的合金构成的第二金属构成。
在本实施方式的预成型焊料中，与以往使用的TLP膏等不同，由于不使用助焊剂，因此在高温条件下难以产生空隙。
此外，在本实施方式的预成型焊料中，由于采用含有Ni和Fe的合金作为第二金属，因此能够进一步抑制空隙的产生，特别是在高温条件(250℃以上)下的焊料接合时能够进一步抑制空隙的产生。虽然得到这样的效果的理由还不确定，但推测如下。
在回流焊中，含有Ni和Fe的合金与含有Sn的第一金属反应，生成金属间化合物Ni3Sn4。
另一方面，在使用Cu代替含有Ni和Fe的合金的情况下，在回流焊中，Cu与含有Sn的第一金属反应，生成金属间化合物Cu6Sn5(Cu3Sn)。
将使用含有Ni和Fe的合金的情况与使用Cu的情况进行比较时，所消耗的Sn量不同。另外，金属间化合物的生成，本实施方式存在更快的可能性。即，在本实施方式中，在回流焊中，使用大量的Sn，并且快速消耗Sn，因此Sn的熔融行为得到抑制。
此外，由含有Ni和Fe的合金构成的第二金属的含量增多时，接合部位中的金属间化合物Ni3Sn4的含量(面积％)有增加的倾向。Fe对此有贡献，通过Fe的作用，生成更多的金属间化合物。在使用含有Ni和Fe的合金的情况下，形成了Fe进入金属间化合物Ni3Sn4的化合物。金属间化合物中是否存在Fe在分析部位上有所不同，未必是含有Fe的化合物，但可以认为，在预成型焊料中Fe并非单独存在。
如上所述，通过抑制Sn的熔融行为并生成金属间化合物，在本实施方式的预成型焊料中，空隙的产生被进一步抑制，特别是在高温条件(250℃以上)下的焊料接合时能够进一步抑制空隙的产生。
(预成型焊料的制备方法)
本发明的预成型焊料的制备方法的一个实施方式是包括以下工序的制备方法：将含有Sn的第一金属粉末和由含有Ni和Fe的合金形成的第二金属粉末混合，制备金属粉末混合物的混合工序；以及，将所述金属粉末混合物压延，制备预成型焊料的压延工序。
第一金属粉末：
在本实施方式中使用的构成第一金属粉末的金属为含有Sn的金属。关于含有Sn的金属的说明与上述的<第一金属>相同。
第一金属粉末的熔点优选为250℃以下，更优选为232℃以下，进一步优选为116～200℃。
第一金属粉末的熔点为上述优选范围的上限值以下时，容易确保焊料的润湿性。
相对于第一金属粉末的总质量，第一金属粉末中的Sn的含量优选为20质量％以上且100质量％以下。为了充分发挥Sn的特性，相对于第一金属粉末的总质量，第一金属粉末中的Sn的含量优选为90质量％以上，更优选为95质量％以上，进一步优选为100质量％。
第一金属粉末的粒径优选为0.1～1000μm，更优选为1～100μm，进一步优选为5～50μm。
第一金属粉末的粒径在上述优选范围的下限值以上时，容易确保润湿性，为上述优选范围的上限值以下时，更容易形成金属间化合物。
第二金属粉末：
在本实施方式中使用的构成第二金属粉末的金属为含有Ni和Fe的合金，熔点比第一金属粉末高。关于含有Ni和Fe的合金的说明与上述的<第二金属>相同。
第二金属粉末中的合金的熔点优选超过250℃，更优选300℃以上，进一步优选500～1500℃。
第二金属粉末的熔点超过上述优选范围的下限值时，更容易实现焊接接头的高温化。
相对于第二金属粉末的总质量，第二金属粉末中的Ni的含量优选为80质量％以上且99质量％以下，更优选为85质量％以上且95质量％以下。
相对于第二金属粉末的总质量，第二金属粉末中的Fe的含量优选为1质量％以上且20质量％以下，更优选为5质量％以上且15质量％以下。
第二金属粉末中的Ni和Fe的含量为上述优选的范围时，能够在更早的阶段形成金属间化合物，抑制空隙的产生。
第二金属粉末的粒径优选为0.1～1000μm，更优选为1～100μm，进一步优选为5～20μm。
第二金属粉末的粒径在上述优选范围的下限值以上时，容易确保润湿性，为上述优选范围的上限值以下时，更容易形成金属间化合物。
[混合工序]
在混合工序中，将所述第一金属粉末和第二金属粉末混合，制备金属粉末混合物。
混合两者时的配合比优选以30～95质量份的比例混合所述第一金属粉末、以及以5～70质量份的比例混合所述第二金属粉末，更优选以50～90质量份的比例混合所述第一金属粉末、以及以10～50质量份的比例混合所述第二金属粉末，进一步优选以70～80质量份的比例混合所述第一金属粉末、以及以20～30质量份的比例混合所述第二金属粉末。
通过将两者混合时的配合比设为上述优选的范围，空隙的产生得到抑制，容易保持剪切强度，另外，焊料接合部的耐热性进一步提高。
[压延工序]
在压延工序中，将在所述混合工序中制备的所述金属粉末混合物压延，成形为所希望的形状，制作预成型焊料。
压延金属粉末混合物的方法可以使用公知的压延方法，例如，使用双辊式的压延机等进行加工即可。对于压延次数、施加在金属粉末混合物上的压延负荷，可以根据作为目的的预成型焊料的所希望的形状、厚度来适当设定。
如以上说明的那样，在本实施方式的预成型焊料的制备方法中，包括将第一金属粉末和第二金属粉末混合来制备金属粉末混合物的混合工序、以及压延工序。在所述混合工序中，采用含有Ni和Fe的合金作为第二金属粉末，并且，将所述金属粉末混合物压延而进行加工，因此，能够容易地制备抑制了金相组织中的Sn与Ni的金属间化合物的生成、在焊料接合时进一步抑制了空隙的产生的预成型焊料。
本实施方式的预成型焊料的制备方法作为制备上述第一实施方式或第二实施方式的预成型焊料的方法是有用的。
本发明的预成型焊料的制备方法并不限于上述实施方式，例如，也可以是除了上述混合工序及压延工序以外还包括其他工序的实施方式。
另外，本发明的预成型焊料的制备方法不限定于上述的实施方式，也可以使用所述第一金属粉末和所述第二金属粉末以外的金属粉末(以下也将其称为“第三金属粉末”)。
所述第三金属粉末只要与所述第一金属粉末和所述第二金属粉末的组成不同，对组成就没有特别的限制，优选由Cu、Ag、Al、Ni的各单质金属构成的粉末，或者由这些单质金属的两种以上的元素形成的合金。
第三金属粉末的粒径优选为0.1～1000μm，更优选为1～100μm，进一步优选为5～50μm。
构成第三金属粉末的金属可以含有1种，也可以含有2种以上。
(焊接接头的制备方法)
本发明的焊接接头的制备方法的一实施方式是使用通过上述(预成型焊料的制备方法)制备的预成型焊料在对象物之间形成接合部位的制备方法。
应用该制备方法进行接合的对象物没有特别限定。例如，通过应用该制备方法，能够接合半导体元件和基板。
作为半导体元件，可以举出碳化硅(SiC)芯片、Si芯片等。
作为基板，可以举出电路基板、陶瓷基板、金属基板、DCB(Direct CopperBonding)基板等。基板上的电极例如可以是Cu电极，或者也可以是在Cu电极上进行了镀Sn、镀Ni、镀Ni-Au、镀Ni-Pd或镀Ni-Pd-Au的任一种处理的电极。
另外，在接合时，也可以在预成型焊料中成为接合面的一个或两个面、半导体元件的接合面、或基板的接合面上预先涂布助焊剂。
接合半导体元件与基板时的温度，例如优选为120℃以上且400℃以下，可以为200℃以上且400℃以下，也可以为250℃以上且400℃以下，本实施方式的焊接接头的制备方法对于高温条件(250℃以上)下的接合是有用的。
接合对象物时的气氛可以是氮气气氛，也可以是还原气氛。
在氮气气氛的情况下，优选将接合时所施加的压力调整为0.1MPa以上且10MPa以下。通过在这样的氮气气氛下接合对象物，可以增强抑制空隙产生的效果。
在还原气氛的情况下，可以在不加压的情况下接合对象物。
如以上说明的那样，在本实施方式的焊接接头的制备方法中，在回流焊中，含有Ni和Fe的合金与含有Sn的第一金属反应，生成金属间化合物，因此焊料接合部的耐热性进一步提高。此外，由于焊料接合部中的空隙的产生进一步被抑制，因此能够制备剪切强度被提高的焊接接头。
本实施方式的焊接接头的制备方法，特别是在功率半导体元件这样的要求在高温条件下工作时不熔融的高温焊料的用途中有用。
以上，参照附图对本公开的实施方式进行了详述，但在这些附图中，为了方便有时将成为特征的部分放大表示，各构成要素的尺寸比率等不限定于图示的尺寸比率。
本发明的实施方式的具体构成并不限于本公开的实施方式，只要不脱离本公开的主旨，也可以进行变更、置换等。
[实施例]
以下，通过实施例对本发明进行说明，但本发明不限定于以下的实施例。在本实施例中，使用以下所示的金属粉末。
金属粉末的粒径使用激光衍射/散射式粒度分布测定装置，以体积基准测定平均粒径。
金属粉末的熔点，对于第一金属粉末使用日立高科技公司制备的DSC7020，对于第二金属粉末使用NETZSCH公司制备的DSC404-F3Pegasus，通过差示扫描量热测定(DSC)进行测定。
第一金属粉末：
Sn100质量％的金属粉末(Sn100质量％粉)粒径10μm、熔点232℃
Sn100质量％的金属粉末(Sn100质量％粉)粒径20μm、熔点232℃
Sn100质量％的金属粉末(Sn100质量％粉)粒径30μm、熔点232℃
Sn100质量％的金属粉末(Sn100质量％粉)粒径35μm、熔点232℃
由Sn42质量％与Bi58质量％的合金构成的金属粉末(Sn42Bi58质量％粉)、粒径10μm、熔点139℃
由Sn48质量％与In52质量％的合金构成的金属粉末(Sn48In52质量％粉)、粒径10μm、熔点116℃
第二金属粉末：
由Ni90质量％和Fe10质量％的合金构成的金属粉末(Ni-10质量％Fe粉)、粒径10μm
由Ni99质量％和Fe1质量％的合金构成的金属粉末(Ni-1质量％Fe粉)，粒径10μm
由Ni80质量％和Fe20质量％的合金构成的金属粉末(Ni-20质量％Fe粉)、粒径10μm
第三金属粉末：
Cu100质量％的金属粉末(Cu100质量％粉)粒径10μm
Ni100质量％的金属粉末(Ni100质量％粉)粒径10μm
Fe100质量％的金属粉末(Fe100质量％粉)粒径10μm
<焊接材料的制备>
分别制作上述的第一金属粉末、第二金属粉末和第三金属粉末。使用这些金属粉末，制备了各例的焊接材料。
(实施例1)
混合工序：
搅拌88质量份的作为第一金属粉末的粒径10μm的Sn100质量％粉、和12质量份的作为第二金属粉末的粒径10μm的Ni-10质量％Fe粉，制备金属粉末混合物。
压延工序：
接着，将制备的金属粉末混合物导入双辊压延机的料斗，以压延次数为1次，使压延负荷为约20kN，得到带状的压延材料。用压力机将这样得到的压延材料冲切，制作厚度0.15mm、5mm×5mm的方形的预成型焊料。
对于制作的实施例1的预成型焊料，使用电子显微镜(日本电子公司制备，JSM-7000F)，在施加电压15kV的条件下，实施厚度方向的截面观察(倍率300倍)。
其结果，确认了实施例1的预成型焊料是与图2所示的SEM图像同样的形态，即，是具有具备作为连续相的第一相和分散于第一相的第二相的金相组织、且在第一相中存在金属的晶界的形态。
(实施例2～17)
如表1、2所示，除了以规定的混合比使用第一金属粉末和第二金属粉末以外，与实施例1同样地，依次进行混合工序、压延工序，制作厚度0.15mm、5mm×5mm的方形的预成型焊料。
(比较例1)
搅拌88质量份的作为第一金属粉末的粒径10μm的Sn100质量％粉、和12质量份的作为第二金属粉末的粒径10μm的Ni-10质量％Fe粉，制备金属粉末混合物。
接着，将88.5质量份的该金属粉末混合物和11.5质量份的以下所示的助焊剂混合，制备焊膏。
助焊剂(组成)：松香46质量％、溶剂32质量％、触变剂8质量％、活性剂14质量％。
(比较例2～4)
如表2所示，除了以规定的混合比使用第一金属粉末和第三金属粉末以外，与实施例1同样地，依次进行混合工序、压延工序，制作厚度0.15mm、5mm×5mm的方形的预成型焊料。
<焊接接头的制备>
将制作的各例的预成型焊料搭载于厚度为0.5mm、50mm×50mm的Cu基板上，在该预成型焊料上搭载厚度为0.4mm、5mm×5mm的Si基板，进行焊接。
然后，以峰值温度为250℃、冷却速度为2℃/sec的曲线，在甲酸气氛中，在无加压下或边加压边在回流炉中进行焊接，制作焊接接头。
在使用实施例1、4、5、11～13、16、17、比较例1～4的各预成型焊料的情况下，在无加压的情况下进行焊接，制作焊接接头。
在使用实施例2、3、6～10、14、15的各预成型焊料的情况下，边加压边进行焊接，制作焊接接头。
＜评价＞
对于制作的焊接接头，如下所述地分别测定接合部位的金属间化合物、第一金属的各含量和空隙率、以及剪切强度。这些测定、评价的结果示于表1、2。
[接合部位中的金属间化合物和第一金属的各含量、空隙率的测定]
对于制作的焊接接头，利用电子显微镜(日本电子公司制备，JSM-7000F)拍摄截面SEM照片。在其截面SEM照片中，将除了上下构件以外的、用预成型焊料接合的部位作为整体，算出空隙率(面积％)。
另外，使用西华数字图像株式会社的图像解析软件“Scandium”，由对比度算出接合部位的金属间化合物的含量、Sn的含量、Bi的含量和In的含量(分别为面积％)。
另外，将接合部位的金属间化合物的含量、Sn的含量、Bi的含量、In的含量以及空隙率的各面积％的合计作为100面积％。
[剪切强度的测定]
对于制作的焊接接头，利用剪切强度测定装置(力世科公司制备，STR-1000)，在6.0mm/min、250℃的条件下测定接合部位中的剪切强度(N)。
将测定的剪切强度为1.0N以上的判定为“A”，将小于1.0N的判定为“B”。
[表1]
Figure BDA0003569400770000201
[表2]
Figure BDA0003569400770000202
由表1、2所示的结果可以确认，应用了本发明的实施例1～17的预成型焊料与比较例1的膏及比较例2～4的预成型焊料相比，空隙率为低的值，在250℃的高温条件下，在焊料接合时能够进一步抑制空隙的产生。
此外，还能够确认使用这些实施例1～17的预成型焊料形成的焊接接头的剪切强度提高。

Claims (5)

1.一种预成型焊料，其含有第一金属和第二金属，所述第一金属含有Sn，所述第二金属由含有Ni和Fe的合金构成，
所述第一金属的熔点为250℃以下，
所述第二金属中的合金的熔点超过250℃，
相对于所述第一金属的总质量，所述第一金属中的Sn的含量为20质量％以上且100质量％以下，
相对于所述第二金属的总质量，所述第二金属中的Ni的含量为80质量％以上且99质量％以下，
相对于所述第二金属的总质量，所述第二金属中的Fe的含量为1质量％以上且20质量％以下，
所述第二金属的粒径为0.1～1000μm，
相对于所述第一金属和所述第二金属的合计含量，所述第二金属的含量为5～70质量％。
2.一种预成型焊料，其具有金相组织，该金相组织具备作为连续相的第一相和分散在所述第一相中的第二相，
所述第一相由含有Sn的金属构成，
所述第二相由含有Ni和Fe的合金构成，
构成所述第一相的所述金属的熔点为250℃以下，
构成所述第二相的所述合金的熔点超过250℃，
相对于所述金属的总质量，构成所述第一相的所述金属中的Sn的含量为20质量％以上且100质量％以下，
相对于所述合金的总质量，构成所述第二相的所述合金中的Ni的含量为80质量％以上且99质量％以下，
相对于所述合金的总质量，构成所述第二相的所述合金中的Fe的含量为1质量％以上且20质量％以下，
所述合金的粒径为0.1～1000μm，
相对于构成所述第一相的所述金属和构成所述第二相的所述合金的合计含量，构成第二相的所述合金的含量为5～70质量％，
所述第一相中存在金属的晶界。
3.根据权利要求2所述的预成型焊料，其中，相对于所述金相组织的总质量，所述金相组织中的Sn与Ni的金属间化合物的含量为0质量％以上且70质量％以下。
4.一种预成型焊料的制备方法，该方法包括：
将含有Sn的第一金属粉末和由含有Ni和Fe的合金构成的第二金属粉末混合，制备金属粉末混合物的混合工序；以及，
将所述金属粉末混合物进行压延，制作预成型焊料的压延工序，
其中，所述第一金属粉末的熔点为250℃以下，
所述第二金属粉末中的合金的熔点超过250℃，
相对于所述第一金属粉末的总质量，所述第一金属粉末中的Sn的含量为20质量％以上且100质量％以下，
相对于所述第二金属粉末的总质量，所述第二金属粉末中的Ni的含量为80质量％以上且99质量％以下，
相对于所述第二金属粉末的总质量，所述第二金属粉末中的Fe的含量为1质量％以上且20质量％以下，
所述第一金属粉末的粒径为0.1～1000μm，
所述第二金属粉末的粒径为0.1～1000μm，
在所述混合工序中，将所述第一金属粉末和所述第二金属粉末以所述第一金属粉末为30～95质量份、所述第二金属粉末为5～70质量份的比例进行混合。
5.一种焊接接头的制备方法，其使用通过权利要求4所述的预成型焊料的制备方法制备的预成型焊料，在对象物之间形成接合部位。
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