JP2008161881A - 接合材料およびモジュール構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、従来の高温鉛―錫はんだの代替え材料として、鉛フリー高温はんだ材料を提供すること。
【解決手段】本発明は、ビスマス−銅−ゲルマニウムからなるはんだ合金に銅粒子を添加することで、モジュール部品内の電子部品や半導体素子等とモジュール基板をリフロー実装し、その後、モジュール部品をマザーボードに更にリフロー実装する場合において、リフロー実装時の熱で再溶融することがない接合材料であり、０．２〜０．８重量％の銅と０．０２〜０．２重量％のゲルマニウムと６９〜８４．７８重量％のビスマスからなるはんだボールと、１５〜３０重量％の銅粒子からなる接合材料。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉛を含まない接合材料およびモジュール構造体に関するものである。

１つのパッケージ内に複数の電子部品と半導体素子を搭載するモジュール部品内の接合材料（以降モジュール部品内の接合材料を「第１の接合材料」と呼ぶ）は、モジュール部品とマザーボードを接合する際のリフロー実装（２次実装）温度（一般的に２４０〜２６０℃）で第１の接合材料が溶融しないことが信頼性上重要である。現在、一般的にモジュール部品の内部に使用される第１の接合材料は、マザーボードにモジュール部品を接合するために使用する接合材料（以降マザーボードにモジュール部品を接合するための接合材料を「第２の接合材料」と呼ぶ）と融点が異なる材料を用いている。

はじめにモジュール部品の製作とマザーボードへの実装プロセスについて図６を用いて説明する。図６は、モジュール部品製作およびマザーボードへの２次実装工程プロセスを示した図である。モジュール部品の製作は、図６（ａ）に示すようにモジュール基板１０１上に第１の接合材料１０２（例えば、鉛を主成分として含み、約１５重量％の錫を含む、溶融温度２８８℃の鉛−錫合金が用いられている）を印刷後、複数の半導体素子１０３および電子部品１０４をモジュール基板１０１に搭載する。

次に図６（ｂ）に示すように、リフロー実装（１次実装）により２９０〜３３０℃の加熱を行い、第１の接合材料１０２を溶融させ接合させ、図６（ｃ）に示すように封止樹脂１０５等によりモジュール部品１０６を製作している。

次に図６（ｄ）に示すように、上記モジュール部品１０６は、マザーボード１０７上に第２の接合材料１０８（例えば、３重量％銀−０．５重量％銅で残部が錫からなり融点約２１７℃）を印刷後、モジュール部品１０６等を含む電子部品をマザーボード１０７に搭載し、リフロー実装（２次実装）により２４０〜２６０℃の加熱を行い、第２の接合材料１０８を溶融させ接合させている（図６（ｅ））。このように、モジュール部品１０６等の内部接合に使用する第１の接合材料１０２は、マザーボード実装（２次実装）時のリフロー温度により再溶融させないため、第２の接合材料１０８より融点が高い材料を用いている（第１の接合材料１０２および第２の接合材料１０８は、一般にはんだ材料を用いている）。

しかし、第１の接合材料１０２に鉛−錫合金を用いた場合、製品が使用された後、廃棄物となった製品中のはんだ材料から、鉛が土壌に溶出することが懸念される。そこで近年、地球環境保護への関心が高まってきている中、鉛を含まないはんだ（鉛フリーはんだ）の開発が進められている。しかしながらモジュール部品１０６の内部に使用する第１の接合材料１０２として、鉛を含まず溶融温度が２７０℃以上の接合材料は、まだ実用化の目処がたっていないのが現実である。

上記の課題に対し、従来技術としては銅ボールおよび錫ボールからなる接合材料を用いて、リフロー（１次および２次実装）により銅と錫の金属間化合物層（銅―錫の金属間化合物の融点は約４００℃）を形成することで、錫が金属間化合物に消費され、錫（融点２３２℃）量が減少する。その結果、２次実装時のリフロー温度（２４０〜２６０℃）で接合材料が再溶融しないことが提案されている。（例えば特許文献１参照）。この従来技術の接合材料を模式的に示した図が図７である。図７（ａ）に示すように、銅ボール１０９および錫ボール１２０からなる接合材料が２５０℃以上のリフロー（１次および２次実装）により、図７（ｂ）に示すような錫ボール１２０が溶融し溶融錫１２１となり、銅と錫の金属間化合物の形成により、錫量が減少する。
特開２００２−２６１１０５号公報

しかしながら、この従来技術の第１の接合材料の代替として提案されている銅ボールおよび錫ボールからなる上記接合材料は、２次実装温度で再溶融しないことを特徴としているが、次のような課題が考えられる。モジュール部品内部に使用される電子部品は、電極のめっき材料として種々のめっき処理が施されているが、大別すると錫および錫系めっきと、錫を使用しないめっき（金めっきやパラジウムめっきなど）処理に分けられる。

前者の電極めっきに錫および錫系のめっき処理が施されていた場合、第１の接合材料は、リフロー（１次実装）時に電極めっきからの錫が混入するため、化合物形成に必要な銅ボールの量を増やす必要がある。

また後者の電極めっきが錫を使用しないめっきの場合（例えば、金めっきやパラジウムめっきなど）、前述の錫めっきに合わせた銅と錫ボールの配合された第１の接合材料を用いれば錫ボールと比較し銅ボールの含有量が多いこととなる。その結果、融点の高い銅ボールは１次実装では溶融せず、錫のみが溶融する。この時、錫の溶融は、銅との金属間化合物層の形成に消費され、電子部品への第１の接合材料の濡れ上がりは不足することが考えられる。したがって、第１の接合材料と電子部品の接続強度が低下することとなる。

また、第１の接合材料は、金属間化合物による接合のため、リフロー（１次および２次実装）時の加熱温度の制御が重要となる。そのため、モジュール部品内に搭載される電子部品電極の熱容量やさまざまな電子部品の電極めっき処理に合わせ、製品毎に銅および錫ボールの配合割合を決める必要があり、第１の接合材料としての共用性が劣る。

本発明は、モジュール部品内に搭載される電子部品の電極めっきの処理に関わらず、共用性があり、２次実装でも再溶融されない、モジュール部品内に使用される接合材料と、前記接合材料を用いたモジュール構造体を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の接合材料は、０．２〜０．８重量％の銅と０．０２〜０．２重量％のゲルマニウムと６９〜８４．７８重量％のビスマスからなるはんだボールと、１５〜３０重量％の銅粒子からなる。

この構成により、電子部品の電極が錫および錫系めっき以外の場合（例えば、金めっきやパラジウムめっきなど）においても接合材料の７０〜８５重量％のビスマス−銅−ゲルマニウム（融点：２７４℃）が、１次実装時のリフロー熱により溶融するため、電子部品への濡れ上がり性は向上し、接合材料中には、錫が存在しないため、２次実装時のリフローによる再溶融の発生もない。

また電子部品の電極が錫および錫系めっきの場合においても、接合材料に銅粒子が添加されているため、リフロー時（１次実装）の錫の混入を銅と錫の金属間化合物を形成することで、２次実装時の錫の再溶融を防止することが可能である。すなわち、本発明の接合材料は、ビスマス、銅、ゲルマニウムのはんだボールからなる材料に銅粒子を混合することで、電子部品の電極めっきの錫と接合材料中の銅粒子にて金属間化合物を形成させるとともに、銅粒子の表面に形成した金属間化合物層の周りを溶融したビスマス、銅、ゲルマニウムで覆うものである。

また、錫系以外のめっき処理された電子部品の場合は、２次実装温度（２６０℃）より融点が低い金属（例えば錫ボール）が存在しないため、再溶融することはない。従って、電極めっきにおいてどのような処理が施された電子部品に本発明の接合材料を用いても実装後再溶融がなく、電子部品への濡れ上がり性も高く、共用性の高い接合材料となる。

また、本発明のモジュール構造体は、複数の電子部品または半導体素子と、前述の接合材料を用いて、前記電子部品の電極または前記半導体素子の電極とモジュール基板との接合部が構成されていることを特徴とする。

この構成により、本発明のモジュール構造体をマザーボードに搭載し、リフロー実装（２次実装）により加熱を行っても、そのモジュール構造体内の接合材料が再溶融しないため品質の良いモジュール構造体であることとなる。

以上のように、本発明の接合材料によれば、接合材料に２次実装の加熱温度（２４０〜２６０℃）で溶融する金属（例えば錫：融点２３２℃）が存在しないため、２次実装時に接合材料が溶融することは無い。また、金属間化合物層の形成に対して、１次実装および２次実装のリフロー温度条件、電子部品の熱容量や電極のめっき処理など製品により銅と錫の配合を変えることが不要となり、共用性の高い接合材料となる。この結果、錫−鉛の第１の接合材料に代わる鉛フリー化された接合材料を提供することが出来る。

また本発明のモジュール構造体によれば、本発明の接合材料を用いることによ、信頼性の高いモジュール構造体を提供することが出来る。

以下に本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における接合材料を模式的に示した図である。この接合材料（以降第１の接合材料１と呼ぶ）は、モジュール部品の内部接合に用いるものであり、図１は、リフロー実装（１次実装）前の状態を示している。この第１の接合材料１は、０．２〜０．８重量％の銅と０．０２〜０．２重量％のゲルマニウムと６９〜８４．７８重量％のビスマスからなるはんだボール２と、１５〜３０重量％の銅粒子３からなり、フラックス４と共に構成されている。ビスマスと銅およびゲルマニウムからなるはんだボール２を用いる理由は、ビスマスと銅およびゲルマニウムにより２７０℃以上の溶融温度を得ることが出来るためである。即ち、第１の接合材料１の満たすべき条件は、複数の半導体素子および電子部品をモジュール基板に搭載し、リフロー実装（１次実装）により２９０〜３３０℃の加熱により溶融させ内部接合させ、封止樹脂などによりモジュール部品を製作できることであり、また前述のモジュール部品をマザーボードに実装する２次実装時のリフロー加熱（２４０〜２６０℃）により、モジュール部品の内部接合に用いられた前述の第１の接合材料１が再溶融されないことである。

ここで２７０℃以上の溶融温度を有する接合材料を得る方法について説明する。２７０℃以上の溶融温度を有する接合材料を得る方法は、共晶点温度が２７０℃以上である２元合金（２種の元素からなる合金）をベース（母材）に選択することが有効である。その場合、多くの元素の中から共晶点温度が２７０℃以上となる元素の組み合わせを選ぶ際に重視すべき点は、元素の毒性の有無と価格である。Ｐｂ、Ｈｇ、Ｓｂ、Ｓｅ等の元素は、毒性の点から除外される。

次に２元合金の選択方法について説明する。図２は、２元合金の共晶点温度を示した図である。縦軸の元素と横軸の元素との交点に示した数値は、それら２種の元素からなる合金の共晶点温度を示す。図２から、例えばＳｎ−Ａｇ合金の共晶点温度は２２１℃であり、Ｎｉ−Ｃｕ合金には共晶点が存在しないことがわかる。また、ＢｉとＣｕとの組み合わせ、または、ＢｉとＧｅとの組み合わせが、共晶点温度が２７０〜３００℃の合金を与えることがわかる。

ここで、ＢｉとＣｕとの共晶合金は、９９．５重量％のＢｉと０．５重量％のＣｕとを含む（Ｂｉ−０．５％Ｃｕ）ことが知られている。またＢｉとＧｅとの共晶合金は、９９重量％のＢｉと１重量％のＧｅとを含む（Ｂｉ−１％Ｇｅ）ことが知られている。しかしながら、前述のＧｅの価格は、Ｃｕの約４２０倍と高価であり、安価な材料を提供する観点から考慮すれば、ＢｉとＣｕとの組み合わせが有利であると考える。０．２〜０．８重量％のＣｕを含むＢｉ−Ｃｕ合金は、２７０℃未満の温度で溶融しない点では優れた接合材料である。しかし、メニスカス法による試験では、濡れ性が低いという知見が得られている。Ｂｉ−Ｃｕ合金は、９９．５重量％という多量のＢｉを含むため、合金内における酸化物の生成量が多くなっており、このことが濡れ性に影響していると考えられる。Ｂｉの酸化は、Ｂｉよりも優先的に酸化する元素を、Ｂｉ−Ｃｕ合金に微量添加することにより、抑制できると考えられる。Ｂｉよりも優先的に酸化する元素としては、Ｇｅ、Ａｌ、Ｌｉ、Ｐ等が挙げられる。特に、Ｂｉ−Ｃｕ合金の酸化を抑制するためには、Ｇｅの含有量は０．０２〜０．２重量％の添加が適している。その結果、０．２〜０．８重量％の銅と０．０２〜０．２重量％のゲルマニウム含み、６９〜８４．７８重量％がビスマスからなるベースとなるはんだ材料を選定した。

このはんだ材料に添加された銅粒子の目的は、モジュール部品内部の電子部品の電極めっきが錫の場合、リフロー実装時（２次実装）の加熱によるモジュール部品内部の第１の接合材料１を溶融させず、銅と錫の金属間化合物を形成させるためである。銅以外にも錫と金属間化合物を形成し易い亜鉛や銀なども可能である。また、銅粒子３のビスマス、銅、ゲルマニウムからなるはんだボール２に対する添加量は少ない方がよい。なぜなら、銅粒子３の添加量を少なくすることは、融点が約１，０８４℃であり、１次実装時のリフロー温度で溶融することは考慮する必要が無いため、銅粒子の添加量が多いことによる第１の接合材料１の部品電極への濡れ広がり性の低下を防ぐためである。そのため、添加される銅粒子は、径を小径化し、表面積を増やすことが望ましい。

銅粒子３の含有量は、接合材料の１５〜３０重量％が好適である。しかしながら、前述の銅粒子３の含有量は、現在一般的に使用されている電子部品の電極めっき（５μｍ〜１０μｍ）の体積と密度から算出しているが、電子部品の電極めっきを２μｍ以下にすることで、銅粒子３の含有量は５重量％以下にすることも可能であると考える。電極めっき一般に電子部品のモジュール基板のランドは、接合信頼性や実装条件、実装面積から、ほぼ業界で統一されている。また、電子部品の大きさに合わせて電極のサイズも業界で統一されている。今回使用した、チップコンデンサーの０６０３サイズでは、モジュール基板のランド上の第１の接合材料１に電極めっきの錫の混入は最大、約３０重量％と予想される。従って、概ねの電子部品に対してモジュール基板のランドとの関係から銅粒子３の最大含有量は３０重量％とした。銅粒子３を３０重量％以上第１の接合材料１に添加しないことは、モジュール部品製作時のリフロー実装では銅粒子３は溶融しないため、含有量を増やすことで、リフロー実装時の電子部品の電極への第１の接合材料１の濡れ性が低下する可能性がある。一方、銅粒子３の最低限必要な重量は、後述の評価から１５重量％とした。

第１の接合材料１のひとつの製造方法として、ビスマス、銅およびゲルマニウムからなる金属を配合し混合させて溶融する。その後、一般的なボール製造として、非酸化雰囲気の媒体中で加熱溶融させることで、上記配合された材料の表面張力を利用し球形のはんだボール２を得る。同様に銅粒子３も製造することが可能であるが、粒径が５μｍ程度以下となると酸化が進むため非酸化雰囲気でフラックス４等に均一な銅粒子３を混ぜ合わせる必要がある。その後、球形のはんだボール２とフラックス４の付着した銅粒子３を規定の配合である１５〜３０重量％の銅粒子３（銅粒子３の粒子径は約１μｍを採用）と０．２〜０．８重量％の銅と０．０２〜０．２重量％のゲルマニウムと６９〜８４．７８重量％のビスマスの配合で混ぜ合わせた。上記で製造された第１の接合材料１を後述の再溶融評価により銅粒子３の必要な最低含有量を決定した。

再溶融の評価方法として、第１の接合材料１をモジュール基板に印刷後、電子部品（チップコンデンサー０６０３：電極めっきが５μｍの錫めっき品）を搭載し、リフロー実装温度（１次実装）２８０〜２９０℃で第１の接合材料１を溶融させ電子部品（チップコンデンサー０６０３）とモジュール基板を接合した。このモジュール基板を２次実装リフローの温度雰囲気の最大温度である２６０℃の環境化において、電子部品（チップコンデンサー０６０３）のシェア強度試験を実施し、接合強度および接合部の破壊状況により再溶融の有無を確認した。再溶融した場合は、接合強度はなく断面表面も滑らかな表面（塑性破壊していない）であった。この結果（表１）銅粒子の最低限必要な重量を１５重量％と設定した。

（実施の形態２）
次に本発明の実施の形態２における接合材料について説明する。

銅粒子に使用する銅粒子径は、０．５〜３０μｍとした。粒子径が現在の接合材料のはんだボールの径（一般的に２０〜３０μｍ程度）より大きくなるとモジュール基板への第１の接合材料を供給する印刷工程において、印刷マスクに目詰まり等の問題を発生させるため、最大径として３０μｍとした。銅粒子の径は、小径化なるに従い表面積が増加するため、電子部品の電極めっきに用いられた錫の混入に対して、金属間化合物を形成し易い。そのため小径化することが望ましい。しかし、０．５μｍ以下になると、銅粒子の粒子径の小径化に伴い粒子の酸化が促進される。また、粒子径の小径化に伴い、表面エネルギーが増大するため、粒子同士の焼結（粒子同士が引っ付く）が進んでいく。したがって、現在段階では、１μｍから１０μｍの銅粒子径が好適である。

（実施の形態３）
次に本発明の実施の形態２における接合材料について説明する。

図３は、第１の接合材料１における銅粒子３にゲルマニウム、金またはパラジウムの何れかにより表面がめっき５を施された状態を示した図である。銅粒子３に施されためっき厚さは１μｍ以下で、電気めっき方法によって銅粒子表面にめっき処理を施した。銅粒子表面を緻密にめっき処理することで酸化膜の形成を抑制し、銅粒子３同士が焼結（粒子同士が引っ付く）することを防止する効果がある。銅粒子３が酸化されると第１の接合材料１としての印刷性や電子部品への第１の接合材料１の濡れ広がりに課題を発生させる。また、銅粒子３の表面に酸化防止を施すことで、銅粒子３を酸化から防止するための活性力の強力なフラックスを用いることはなく、フラックスの選定範囲も広がるため、製造工程での作業性改善が図れる。従って、銅粒子３に拡散速度の速いめっき処理を施すことは効果が高い。

（実施の形態４）
次に本発明の実施の形態４におけるモジュール構造体について説明する。

まず、モジュール構造体（例えばパワアンプ（ＰＡ）モジュール）に第１の接合材料を用いた場合について説明する。ＰＡモジュールは、複数個の電子部品と半導体素子から構成されている。モジュール基板上に０．２〜０．８重量％の銅と０．０２〜０．２重量％のゲルマニウムと６９〜８４．７重量％のビスマスからなるはんだボールと、１５〜３０重量％の銅粒子からなる第１の接合材料を印刷し、複数個の電子部品をモジュール基板に搭載し、約２９０℃のリフロー（１次実装）加熱により第１の接合材料を溶融させ、電子部品とモジュール基板を接続する。その後、第１の接合材料からモジュール基板表面に付着したフラックスを洗浄し、導電性ペースト（銀ペーストなど）を用いて半導体素子とモジュール基板を加熱接合する。（この時、例えば錫および錫系のめっき処理された電子部品を第１の接合材料にてリフロー（１次実装）で接合した場合、銅と錫の金属間化合物の形成が遅れた場合でも、導電ペーストの硬化を行う際の加熱温度で金属間化合物の形成を補うことが可能である）その後、半導体素子の電極とモジュール基板の電極とを金のワイヤーを用いて接続し、モジュール基板に搭載された電子部品や半導体素子を封止樹脂などによってモジュール部品を製作する。

その後、マザーボードに第２の接合材料（例えば、３重量％銀−０．５重量％銅で残部が錫からなり融点約２１７℃）を印刷し、モジュール部品を搭載後、リフロー（２次実装）によってマザーボードとモジュール部品を接続する。その結果、本発明の第１の接合材料を用いることで、２次実装時のリフロー温度で第１の接合材料は再溶融しないことを実施の形態１と同様の評価方法を用いて確認を行った。

また、断面の解析としてＳＥＭなどを利用し実施をしたところ、第１の接合材料には銅粒子が全て銅―錫の化合物にならず、０．３〜３０μｍまでの粒子径をもつ銅粒子として存在していることが検出できた。この粒子径の範囲は、次のような考察であると推測される。

図４は、モジュール基板に錫めっき処理された電極を第１の接合材料でリフロー実装された後の断面図である。電子部品の電極めっきが錫めっき６の場合、１次実装時に第１の接合材料１中のはんだボールが溶融し、溶融されたはんだボール８と銅粒子３が接合に使用されるので、検出された銅粒子３の外表面７が化合物化され、比較的小さな銅粒子（０．５μｍの径など）が０．３μｍになり、その他の銅粒子も本来の銅粒子の径よりも小さくなったと推測される。これは実装後の粒子径が多少小さくなるのは、銅と錫の化合物が形成されたからである。

次に電極めっきが錫を使用しないめっき（金やパラジウムなど）の場合を説明する。図５は、モジュール基板に錫を使用しないめっき処理された電極を第１の接合材料でリフロー実装された後の断面図である。電子部品の電極めっきが錫を使用しないめっき９（金やパラジウムなど）の場合、第１の接合材料１中の銅粒子３が残り、０．５〜３０μｍの径で存在していると推測される。

以上より本発明のモジュール構造体は、本発明の接合材料を用いて製作されるため、２次実装後にもモジュール構造体中の接合材料が再溶融されないことから、信頼性の高いものであると言える。

本発明は、モジュール部品をマザーボードに実装する際のリフロー温度にて、モジュール部品内の接合部がリフロー時の熱で再溶融することなく接合できる。また、環境負荷物質である鉛を含まないはんだ材料を供給することが出来る。モジュール内部の接合のほかに、ダイボンド材料やフリップ、ＢＧＡ接続の用途にでも適用できる。

本発明の実施の形態１における接合材料を模式的に示した図 ２元合金の共晶点温度を示した図 第１の接合材料における銅粒子にゲルマニウム、金またはパラジウムの何れかにより表面がめっきを施された状態を示した図 モジュール基板に錫めっき処理された電極を第１の接合材料でリフロー実装された後の断面図 モジュール基板に錫を使用しないめっき処理された電極を第１の接合材料でリフロー実装された後の断面図 モジュール部品製作およびマザーボードへの２次実装工程プロセスを示した図 従来技術の接合材料を模式的に示した図

符号の説明

１ 第１の接合材料
２ はんだボール
３ 銅粒子
４ フラックス
５ めっき
６ 錫めっき
７ 外表面
８ 溶融されたはんだボール
９ 錫を使用しないめっき
１０１ モジュール基板
１０２ 第１の接合材料
１０３ 半導体素子
１０４ 電子部品
１０５ 封止樹脂
１０６ モジュール部品
１０７ マザーボード
１０８ 第２の接合材料
１０９ 銅ボール
１２０ 錫ボール
１２１ 溶融錫

Claims (5)

1. ０．２〜０．８重量％の銅と０．０２〜０．２重量％のゲルマニウムと６９〜８４．７８重量％のビスマスからなるはんだボールと、１５〜３０重量％の銅粒子からなる接合材料。
2. 前記銅粒子の径が０．５μｍ〜３０μｍである請求項１記載の接合材料。
3. 前記銅粒子は、ゲルマニウム、金、銀、ニッケルまたはパラジウムの何れかにより表面がめっきされていることを特徴とする請求項１または２に記載の接合材料。
4. 複数の電子部品または半導体素子と、請求項１乃至３の何れかに記載の接合材料を用いて、前記電子部品の電極または前記半導体素子の電極とモジュール基板との接合部が構成されているモジュール構造体。
5. 前記接合部は、銅粒子が０．３μｍ〜３０μｍの粒径で存在していることを特徴とする請求項４に記載のモジュール構造体。

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