JP2004237357A

JP2004237357A - 高温鉛フリーはんだ

Info

Publication number: JP2004237357A
Application number: JP2003068894A
Authority: JP
Inventors: Katsuaki Suganuma; 克昭菅沼
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-02-06
Filing date: 2003-02-06
Publication date: 2004-08-26

Abstract

【課題】半導体の内部接続やモジュール部品などのはんだ接続に使用できる柔軟で良好な接合強度を有する高温鉛フリーはんだを開発する。
【解決手段】高温はんだ材料として、２６０℃における液相率が３０％程度を越えないことを目安にし、Ｚｎ−Ｓｎ系、Ｚｎ−Ｉｎ系、あるいはＺｎ−Ｉｎ−Ｓｎ系合金を基本とする柔軟な合金およびこれを用いた製品。はんだ付け温度における固液共存状態か融点直上のはんだのぬれ性確保のために、加振することで接合性を改善する。また、ＡｌやＭｇの微量添加により、耐高温高湿性を改善する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品やモジュール部品のはんだ付けに必要なはんだ付け温度が２８０℃以上のはんだ接続を鉛フリーで実現する方法である。
【０００２】
【従来の技術】
はんだ接続技術の中で、高温はんだは約２６０℃以上の融点（固相線温度）を有し、はんだ付け温度２８０℃以上で、電子部品を電子基板の回路上の接続や電子部品の内部接続に用いる方法として広く用いられている。固相線温度が２６０℃以上という目安は、高温はんだで接続された電子部品やモジュール部品をマザー基板へはんだ付けする際に溶融してはいけないとされることによる。高温はんだとして典型的に用いられるはんだはＰｂ量が６０〜９０重量％程度のＰｂ−Ｓｎ合金である。Ｐｂを多量に含むことで、融点上昇するが，これは固相線温度にして１８３℃から２７５℃、液相線温度にして２３５℃から３００℃まで変化する。はんだ付け温度は液相線温度を目安にして約５０℃上の温度で設定されるので、Ｐｂ−Ｓｎ系はんだでは２８０℃から３８０℃程度が実際のはんだ付け温度として設定されている。
【０００３】
Ｐｂ−Ｓｎ高温はんだの他に用いられている高温はんだには、Ａｎ−Ｓｎ合金やＳｎ−Ｓｂ合金がある。Ａｎ−Ｓｎ合金は８０重量％Ａｕ−Ｓｎの時に共晶点が２７８℃になり，２０重量％Ａｕ−Ｓｎで液相線が約２５５℃になる。しかし、いずれの組成でも多量のＡｕ−Ｓｎ化合物を形成し、はんだとしては脆く硬い欠点を持つ。また、価格が高いことも欠点になる。一方、Ｓｎ−Ｓｂ共晶はんだは共晶点が２４５℃程度であるが、Ｓｂを更に添加することで固相線温度を２６０℃以上にできるが、Ｓｂの毒性が強いためにはんだへの適用が懸念されている。
【０００４】
一方、Ｐｂの毒性や環境負荷の問題からはんだ付けにおける鉛フリー化が必要とされ、基板上への実装は幾つかの鉛フリーはんだによって実施されるようになっている。高温はんだは、基板への実装はんだよりも高温で溶けずに保持されることが必要とされる。また、特に半導体の内部接合に用いる場合には、半導体と基材との間で有効に熱を伝え，熱膨張差により生じる応力の緩和を果たすことが望まれ、このため熱伝導が良好で柔らかなはんだの開発が望まれている。現在、鉛フリーはんだとして提案されている高温はんだは、上記のＡｕ−Ｓｎ系，Ｓｎ−Ｓｂ系の合金の他に、Ｚｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｍｇ系やＢｉ−Ｓｎ、Ｂｉ−Ａｇ系などがあるが、Ａｕ−ＳｎとＺｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｍｇ系は金属間化合物などの形成により大変硬く脆く、Ｂｉ−ＳｎとＢｉ−Ａｇ系はＢｉを多量に含むために硬く脆い。さらに，Ｓｎ−Ｓｂ系は毒性が強く硬い。このように、いずれの高温鉛フリーはんだも致命的な欠点を有しており、延性に優れ熱伝導の良好な新しい材料の開発が必要とされている。
【０００５】
本願では、高温鉛フリーはんだとして必要とされる、延性に優れ信頼性が高い毒性の少ないはんだ材料と、その合金を用いてはんだ付けする場合にぬれ特性を改善するためのプロセス技術を対象としている。
【０００６】
【本発明が解決しようとする課題】
高温はんだは、半導体部品の内部接続やマザー基板にモジュール基板を搭載する場合のモジュール基板上の電子部品接続に多く用いられる。半導体の内部接続では、半導体をベース材料に接続するダイボンドに用いる場合が多いが、ダイボンド材は、その半導体部品が基板に実装される温度で溶融してはならないとされる。これは、ダイボンド材が溶融すると膨張流動し、接続不良や半導体部品の破壊が生じてしまうためである。これを防ぐために、基板の実装のピーク温度よりも高い固相線温度を持ち、すなわち２６０℃以上の固相線温度の合金が必要と言われる。また、液相線温度ははんだ付けが可能な範囲の上限になり、たとえば２８０℃〜３５０℃程度の液相線温度を持つことが望まれている。
【０００７】
鉛フリーの高温はんだとしてこれまで提案されてきた合金には、固相線温度が２６０℃以上で液相線温度を上記に近いところに持たせるために、Ａｕ−Ｓｎ（Ａｕが８０重量％程度）、Ｚｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｍｇ、Ｂｉ−Ａｇなどがある。しかし、Ａｕ−Ｓｎ系、及びＺｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｍｇ系合金では、化合物を大量に形成し、はんだ自体が硬く脆くなる。また、Ｂｉを多量に含むＢｉ−Ａｇ系は、Ｂｉ自体が硬く脆いために、やはりはんだとしても硬く脆い性質が克服できない。このため、これまで提案されてきた高温鉛フリーはんだは、いずれも半導体デバイスとベース材料の間に生じる熱応力を有効には緩和できず、しばしばデバイスの破壊やはんだ接続部の割れなどを引き起こしてしまい、信頼性の高い接続が出来なかった。特に、パワー半導体の場合には、大電流を流し発熱量も大きいため、融点が高いだけではなく柔らかいはんだ接続構造で応力緩和することが望まれる。このような従来の技術を鑑みて、本発明では、信頼性の高い高温鉛フリーはんだ接続を達成するために、新しい合金設計基準を設け材料開発し、得られる材料と接続温度に適した接続プロセスを提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に関わる高温鉛フリーはんだ接続技術では、従来の合金設計基準である約２６０℃以上の固相線温度を持つ材料と言う条件を外し、より低い固相線温度を持っていても電子部品やモジュール部品のマザー基板へのはんだ付けの際に生じる液体の体積が許容範囲にあることを目安とする。具体的には、２６０℃において生じる液相率を必要に応じて５〜３０％以下に抑えることを基準として設ける。さらに、高温はんだ付け温度において固液共存領域にある場合でも液体の体積率に依存して流動が可能な事に着目し、高い液相線温度を持つ材料でも液相率をある程度確保することではんだ付けにおける流動を確保し、材料選択の幅を広げて，化合物を極力形成せず柔軟であり熱伝導に優れる合金を選定した。つまり、液相率が３０％以上であれば液体が動き始めることを合金設計の条件として組み入れ、接合温度で固液共存領域となるか融点直上となりはんだ液体の流動が可能になる液相率で、従来の技術開発では考慮されてこなかったＺｎ−Ｓｎ系やＺｎ−Ｉｎ系などの化合物を形成しない２元合金、あるいは少量の化合物を形成するＺｎ−Ｓｎ−Ｉｎ系３元系などの合金を選択する。これによって、柔軟なはんだ物性を実現することが、可能になった。ちなみに、本技術では固相線温度は２００℃以下でも信頼性の高い接続を可能とし、液相線温度は最高４００℃まで上昇可能になる。
【０００９】
はんだ付け温度において固液共存領域になる場合のぬれ性確保のために，合金設計手法によりはんだ付け温度において液相率が３０％程度を超えるような合金を設定するが、固液共存領域のはんだや融点直上のはんだは電極へのぬれが悪いので、さらにぬれを促進するためには、はんだがはんだ付け温度に置いて流動するように振動や超音波加振による接続界面形成補助を行う。これによって、ぬれが悪い場合でも欠陥を排除し有効に界面形成が達成される。
【００１０】
Ｚｎ−Ｓｎ系はんだは高温や高湿環境で酸化等の影響を受けやすいため、酸化や腐食等を防ぐためには微量のＡｌやＭｇを添加しても良い。この時の添加量は、０．５重量％以上添加すると化合物を形成して大変脆く硬くなるため、添加の最大値は０．１重量％にする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に関わる高温鉛フリーはんだ接続技術の有効性に関して、開発はんだの物性と電極への接続強度などの例を用いて説明する。
【００１２】
まず、本開発高温鉛フリーはんだの典型的な温度と液相率の変化から最適設計される条件を示す。図１には、元素の熱力学物性値を用いてシャイルの関係式に基づくＺｎ−３０重量％Ｓｎ計算シミュレーションを行った例を示す。縦軸に温度、横軸に固相率をとっている。計算結果から、この合金が液体から冷えて固まるまでに、まず約３６６℃で固体が生じるが、更に温度が下がって固相率が５０体積％になるのが約３５５℃（▲１▼）、７０体積％になるのが約２９８℃になり（▲２▼）、この温度ではほとんど液体が流動できなくなる。また、２６０℃において固体の体積率は７７％程になり、液体の膨張流動によって粗大な欠陥が生じ難い状態になることが示される。この合金では約３３０℃以上がはんだ付けの候補温度になる。ちなみに、３８０℃ではんだ付けを行う場合でも、融点直上であるためにぬれが不安定で粘性が高く、良好な界面を得るには保持に長時間を要する。これを短時間で達成するために、はんだの流動を促す加圧や加振処理を施すと良好な接続が得られる。
【００１３】
図１
【００１４】
Ｚｎ−Ｓｎ系合金及びＺｎ−Ｉｎ系合金、さらにＺｎ−Ｓｎ−Ｉｎ系合金に関して上記と同様の計算機シミュレーションを行い、それぞれにはんだ付け温度の目安として固相率が６０体積％（液相率５０体積％）になる温度と２６０℃における液相率が３０体積％を大幅に上回らないこと（固相率で７０体積％を大幅に下回らないこと）を目安として、高温はんだ付けの限界を求めた。表１には、合金組成や液相線温度をまとめて比較する。実際のはんだ付けでは、荷重を加えはんだの流動を促したり加振する事で界面形成が十分に為されるので、これらの温度に３０℃〜５０℃ほど上回る温度を設定できる。２６０℃において固相率が７０体積％を下回るものを除くと、Ｚｎ−３０重量％以下Ｓｎ、Ｚｎ−３０重量％以下Ｉｎ、あるいはＺｎ−２０Ｉｎ−１０Ｓｎなどは、許容範囲にある。
【００１５】
表１
【００１６】
実際の接合強度の例を表２に示す。比較材料として、従来提案されている幾つかの鉛フリーはんだ合金及びＳｎ−９０重量％Ｐｂの例を表に載せる。はんだ付けの相手材としては、多用されるＮｉ板で、強度評価は引張せん断試験を行った。はんだ付けは、融点または液相線温度の２００℃程度上の温度とした。これが３８０℃を越えるものに関しては、３８０℃を上限としわずかな荷重を加えた。雰囲気は、窒素気流中である。表に示されるように、本発明による高温鉛フリーはんだは、いずれもぬれ性は良好でありボイド等の発生はほとんど認められない。はんだ付け直後の強度では、従来の高温鉛フリーはんだよりも高く、破面の状態から本合金が延性に優れており、柔軟な接合を可能にしている事が明らかになった。また、２６０℃において高温保持後の強度は、この温度における液相率が高いはんだは多少の強度劣化を示しているが、液相率が約３０体積％を下回る合金は、ほとんど強度への影響は認められず、界面の剥離やボイド発生も認められなかった。このように、本合金は柔軟な接合構造を有し、はんだ付け強度も従来品より高いことが明らかになった。
【００１７】
表２
【００１８】
半導体部品の内部接続における本願の有効性を確認するために、図２に示すモデル部品を用いて信頼性の評価を行った。Ｚｎ−７０Ｓｎ、Ｚｎ−３０ＩｎおよびＺｎ−２０Ｉｎ−１０Ｓｎの高温はんだによるはんだ付けは３５０℃において微小の荷重を掛けて、窒素雰囲気で行った。その結果、２６０℃において５分間保持してもまったく半導体部品の動作不良は生じず、内部組織にも欠陥等の発生は認められないことがわかった。
【００１９】
図２
【００２０】
はんだ付け温度が低い場合のぬれ性確保のために、荷重を加えるのではなく加振の効果を図３の実験方法で行った。周波数は０．１Ｈｚとし、はんだ付け温度ははんだの液相率が５０体積％となる温度を選び、はんだ付け時間は１分間、窒素気流中で実施した。結果を表３にまとめる。いずれの開発合金でも、界面に不ぬれやボイドは無く、５０ＭＰａ以上の十分な接合強度が得られている。このように、はんだ付けに置いて加振することで低い温度でも良好な界面形成が為されることがわかった。
【００２１】
図３
表３
【００２２】
酸化や湿度環境での劣化を抑えるために、Ａｌ及びＭｇの単独あるいは複合微量添加の効果を確認した。添加量は、合金が脆く硬くならない条件とし選定、５０ｐｐｍの例を表４に示す。はんだ付け相手材はＣｕ板を選び、はんだ付け条件加振しない場合の上記と同様に置いた。ＡｌやＭｇの添加されない合金では、徐々に表面から酸化が進行し、特に界面近傍で劣化が進む。これに対して、ＡｌやＭｇを微量に含む場合、酸化は進むもののその速度が遅くなることがわかる。このように、ＡｌやＭｇの微量添加は、本合金の酸化進行をある程度抑制することができることがわかった。
【００２３】
表４
【００２４】
この様に、今まで提案されている高温鉛フリーはんだによる接続では不可能であった柔軟で且つ強固な接続が本技術によって可能になることが明らかになった。また、２６０℃の保持によっても、発生する液相率を抑えることで良好な高温はんだとしての特性を維持できることが明らかになった。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、これまで不可能であった柔軟で強固な柔軟で且つ強固な接続が、Ｚｎ−（Ｓｎ、Ｉｎ）系合金を基本とする本技術によって可能になることが明らかになった。また、２６０℃の保持によっても、発生する液相率を抑えることで良好な高温はんだとしての特性を維持できることが明らかになった。本技術によって、これまでの高温鉛フリーはんだの抱える問題を克服し、鉛フリーはんだ技術の推進とともにその利用範囲を拡大するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｚｎ−３０重量％Ｓｎ合金のシャイル関係式による冷却過程における固相率変化の計算例。
【図２】内部接続信頼性評価のためのモデル半導体部品模式図。
【図３】加振はんだ付け実験の模式図。
【表１】高温はんだの各種物性。
【表２】高温はんだのＮｉに対するぬれ性とはんだ付け強度。
【表３】高温はんだ付け強度に及ぼす加振の影響。
【表４】高温はんだ付けしたＣｕ接合界面の酸化に寄る影響へ及ぼすＡｌとＭｇ添加効果。
【符号の説明】
１高温はんだ
２Ｓｉ半導体
３樹脂モールド
４配線ワイヤ
５Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだ
６リード線
７Ｃｕ放熱板
８樹脂基板
９Ｃｕランド配線
１０Ｎｉ板
１１高温はんだシート
１２ベース
１３加振装置
１４加振ジグ
１５窒素雰囲気電気炉

Claims

Ｓｎ、或いはＩｎの１種以上を最大５０重量％含み、残部がＺｎ及び不可避不純物からなることを特徴とするはんだ用Ｚｎ合金。
ＳｎやＩｎの添加割合を調節し、２６０℃に於いて固相率が７０体積％程度を越え、はんだ付け温度に於いて固相率が約６０体積％程度以下となるＺｎ合金。
耐酸化性や高温高湿耐性を上げるために、ＡｌやＭｇを０．５重量％以下の量で添加するＺｎ合金。
融点直上で粘性が高い状態の液体や固液共存状態のはんだのぬれ広がりを促進するために、加振や撹拌などの塑性流動を利用する方法。
上記組成のはんだ合金で接続された電子部品，回路基板及びそれらより構成される電子機器。