JP2001035978A - 鉛フリーはんだ接続構造体 - Google Patents
鉛フリーはんだ接続構造体Info
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- H01L2224/31—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process
- H01L2224/32—Structure, shape, material or disposition of the layer connectors after the connecting process of an individual layer connector
- H01L2224/321—Disposition
- H01L2224/32151—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
- H01L2224/32221—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked
- H01L2224/32225—Disposition the layer connector connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation
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- Die Bonding (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】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。 【解決手段】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鉛フリーはんだで接続する構造
において、該はんだとして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
添加したはんだ組成を用いることによって解決できる。
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。 【解決手段】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鉛フリーはんだで接続する構造
において、該はんだとして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
添加したはんだ組成を用いることによって解決できる。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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）。
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。
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。
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）。
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。
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。
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。
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。
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。
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-3
In-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。
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-3
In-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。
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、ED
X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。
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、ED
X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-3
Ag-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-3
Bi、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。
共晶と比較すると、耐熱疲労性は優れるが、他方、Sn-3
Ag-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-3
Bi、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。
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B
i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。
-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B
i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-0.7
Cu-3In(融点：207〜216℃)、 及びSn-3Ag-0.7Cu(融点21
6〜220℃) 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。
Cu-3In(融点：207〜216℃)、 及びSn-3Ag-0.7Cu(融点21
6〜220℃) 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。
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。
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。
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。
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１】Sn-Ag-CuにBiを添加したときの融点を示す特性
図。
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。
【図３】Sn-Ag-CuにInを添加したときの伸びを示す特性
図。
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。
【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。
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。
【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。
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。
【図９】本発明を利用した大型の封止構造を示す断面
図。
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。
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。
す特性図。
１…Siチッフ゜、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。
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。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石田 寿治 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 Ｆターム(参考） 5F036 AA01 BB08 BC06
Claims (4)
- 【請求項１】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鉛フリーはんだで接続する構造
において、該はんだとして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
加したことを特徴とする鉛フリーはんだ接続構造体。 - 【請求項２】金属と金属、もしくはセラミック等の非金
属にメタライズを施した非金属同志、もしくは同非金属
と金属とをはんだ付けする構造において、該はんだとし
て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ことを特徴とする
鉛フリーはんだ接続構造体。 - 【請求項３】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に鉛フリーは
んだで接続する階層接続構造において、該下位のはんだ
としてSn-Sb(236〜240℃)を用い、該上位のはんだとし
て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ことを特徴とする
鉛フリーはんだ接続構造体。 - 【請求項４】請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載
において、該多元系はんだは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ことを特徴とする鉛フリーはんだ
接続構造体。
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|---|---|---|---|
| JP20721399A JP3832151B2 (ja) | 1999-07-22 | 1999-07-22 | 鉛フリーはんだ接続構造体 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| JP2001035978A true JP2001035978A (ja) | 2001-02-09 |
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| US6917113B2 (en) * | 2003-04-24 | 2005-07-12 | International Business Machines Corporatiion | Lead-free alloys for column/ball grid arrays, organic interposers and passive component assembly |
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| JP2014515872A (ja) * | 2011-05-03 | 2014-07-03 | ピルキントン グループ リミテッド | はんだ付けされたコネクタを備えるグレイジング |
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| CN104668570A (zh) * | 2013-11-28 | 2015-06-03 | 松下知识产权经营株式会社 | 无铅焊料合金粉的制造方法 |
| JP2015159318A (ja) * | 2015-04-20 | 2015-09-03 | 千住金属工業株式会社 | 面実装部品のはんだ付け方法および面実装部品 |
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| DE112017000184T5 (de) | 2016-06-16 | 2018-08-02 | Fuji Electric Co., Ltd. | Lotverbindung |
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| CN111584346A (zh) * | 2020-05-28 | 2020-08-25 | 浙江大学 | 具有热沉结构的GaN器件及其制备方法 |
-
1999
- 1999-07-22 JP JP20721399A patent/JP3832151B2/ja not_active Expired - Fee Related
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