JP2012248601A - はんだ接合方法およびはんだ接合モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】素子表面の凹凸発生を抑制したはんだ接合方法およびはんだ接合モジュールを得る。
【解決手段】Ｓｎ−Ｓｂ−Ｃｕ−Ｎｉはんだ、または、Ｓｎ−Ｓｂ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｉｎはんだを用いて素子と電極を接合するはんだ接合方法であって、素子と電極のはんだ接合プロセスとして、第１の昇温過程、第１の高温保持過程、第１の冷却過程を有する第１の加熱冷却工程と、第２の昇温過程、第２の高温保持過程、第２の冷却過程を有し、第１の加熱冷却工程に続いて行われる第２の加熱冷却工程とを備えており、第１の加熱冷却工程は、第１の高温保持過程における加熱保持温度が、はんだの液相線温度よりも３０℃〜５０℃高く、第１の冷却過程における冷却速度が、４００℃／分以上であり、第２の加熱冷却工程は、第２の高温保持過程における加熱保持温度が、はんだの固相線温度よりも３０〜５０℃低いものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、はんだ接合方法およびはんだ接合モジュールに関し、具体的には、はんだを用いた半導体素子（半導体モジュール）または太陽電池素子（太陽電池モジュール）の接合方法、およびはんだ接合体を有した接合モジュールに関するものである。

パワーモジュールなどの半導体装置では、素子と電極との接合にはんだが使用されている。図５は、パワーモジュール半導体装置の概略図である。図５に示すように、パワーモジュール半導体装置は、チップ（素子）１０、チップ接合はんだ２０、ワイヤ３０、絶縁基板電極４０、絶縁基板セラミックス５０、絶縁基板接合はんだ６０、およびベース板７０で構成されている。

また、図６は、従来の加熱冷却工程によるパワーモジュール半導体装置のはんだ接合プロセスを示した図である。この図６に示した従来の加熱冷却工程は、１組の昇温過程、高温保持過程、および冷却過程を備えている。一例として、冷却過程における冷却速度は、２５０℃／分〜３００℃／分であることが示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−２９７８６０公報

しかしながら、従来のはんだ接合プロセスには、以下のような課題がある。図７は、従来のはんだ接合プロセスで接合された半導体チップのヒートサイクル後のうねりの概念図である。具体的には、チップ１０に相当するＳｉチップ１１と、絶縁基板電極４０に相当するＣｕ基板４１とを、チップ接合はんだ２０で接続した際の、Ｓｉチップ１１のうねりの様子と、チップ接合はんだ２０内のはんだ母相２１およびはんだ内に析出する化合物（はんだ内析出物）２２の様子を示している。

なお、図７中の水平方向の矢印は、ヒートサイクルによりチップ接合はんだ２０内に加わる水平方向の応力であり、具体的には、引張応力１ａおよび圧縮応力１ｂを示している。また、はんだ材料にＳｎ−Ｓｂ−Ｃｕ−Ｎｉ系はんだを使用する場合を考える。

この場合、半導体装置または太陽電池モジュールの素子の厚さが１００μｍ以下になると、従来のはんだ接合プロセスでは、図７に示すように、はんだ内析出物２２の分散間隔が相対的に広くなる。この結果、ヒートサイクル時に分散間隔に応じたうねりが生じ、Ｓｉチップ１１の表面に数μｍレベルの高さの凹凸が発生する問題があった。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、素子表面の凹凸発生を抑制したはんだ接合方法およびはんだ接合モジュールを得ることを目的とする。

本発明に係るはんだ接合方法は、Ｓｎ−Ｓｂ−Ｃｕ−Ｎｉはんだ、または、Ｓｎ−Ｓｂ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｉｎはんだを用いて素子と電極を接合するはんだ接合方法であって、素子と電極のはんだ接合プロセスとして、第１の昇温過程、第１の高温保持過程、第１の冷却過程を有する第１の加熱冷却工程と、第２の昇温過程、第２の高温保持過程、第２の冷却過程を有し、第１の加熱冷却工程に続いて行われる第２の加熱冷却工程とを備えており、第１の加熱冷却工程は、第１の高温保持過程における加熱保持温度が、はんだの液相線温度よりも３０℃〜５０℃高く、第１の冷却過程における冷却速度が、４００℃／分以上であり、第２の加熱冷却工程は、第２の高温保持過程における加熱保持温度が、はんだの固相線温度よりも３０〜５０℃低いものである。

また、本発明に係るはんだ接合モジュールは、厚さが１００μｍ以下の素子と、電極と、Ｓｎ−Ｓｂ−Ｃｕ−ＮｉはんだまたはＳｎ−Ｓｂ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｉｎはんだとを備え、本発明に係るはんだ接合方法を適用して素子と電極とがはんだ接合されたはんだ接合モジュールであって、はんだ接合層内部の析出物の大きさが１０μｍ以下であり、析出物の分散間隔が１０μｍ以下のものである。

本発明に係るはんだ接合方法およびはんだ接合モジュールによれば、２組の加熱冷却工程を有し、第１の加熱冷却工程での急冷による析出物の微細化と、続く第２の加熱冷却工程において固相線より低い温度で保持したことによる析出物の安定化を図ることで、数μｍ大の析出物が数μｍ間隔で分散した組織形態を形成することにより、素子表面の凹凸発生を抑制したはんだ接合方法およびはんだ接合モジュールを得ることができる。

本発明の実施の形態１における加熱冷却工程によるパワーモジュール半導体装置のはんだ接合プロセスを示した図である。 本発明の実施の形態１のはんだ接合プロセスのヒートサイクルによる引張時の接合部の応力の概念図である。 本発明の実施の形態１のはんだ接合プロセスのヒートサイクルによる圧縮時の接合部の応力の概念図である。 本発明の実施の形態１のはんだ接合プロセスで接合された半導体チップのヒートサイクル後のうねりの概念図である。 パワーモジュール半導体装置の概略図である。 従来の加熱冷却工程によるパワーモジュール半導体装置のはんだ接合プロセスを示した図である。 従来のはんだ接合プロセスで接合された半導体チップのヒートサイクル後のうねりの概念図である。

以下、本発明のはんだ接合方法およびはんだ接合モジュールの好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。なお、以下の説明では、はんだ接合モジュールとしてパワーモジュール半導体装置を例に説明するが、本発明は、太陽電池モジュールにも同様に適用できるものである。また、パワーモジュール半導体装置の概略図に関しては、先の図５と同じである。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における加熱冷却工程によるパワーモジュール半導体装置のはんだ接合プロセスを示した図である。この図１に示した本実施の形態１の加熱冷却工程は、昇温過程、高温保持過程、および冷却過程からなる加熱冷却工程を２組備えている。すなわち、第１の昇温過程、第１の高温保持過程、第１の冷却過程を有する第１の加熱冷却工程と、第２の昇温過程、第２の高温保持過程、第２の冷却過程を有し、前記第１の加熱冷却工程に続いて行われる第２の加熱冷却工程とを備えている。

具体的な検証結果は後述するが、本発明のはんだ接合プロセスは、以下の点を特徴としている。
（特徴１）第１の加熱冷却工程は、第１の高温保持過程における加熱保持温度が、はんだの液相線温度よりも３０℃〜５０℃高く設定され、第１の冷却過程における冷却速度が、４００℃／分以上に設定されている。
（特徴２）第２の加熱冷却工程は、第２の高温保持過程における加熱保持温度が、はんだの固相線温度よりも３０〜５０℃低く設定されている。

次に、図２は、本発明の実施の形態１のはんだ接合プロセスのヒートサイクルによる引張時の接合部の応力の概念図である。また、図３は、本発明の実施の形態１のはんだ接合プロセスのヒートサイクルによる圧縮時の接合部の応力の概念図である。なお、図２、図３中では、水平方向の応力（符号１ａ、１ｂ）とともに、垂直方向の応力（符号２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ）が図示されており、これらの応力の影響について、以下に説明する。

はんだ層では、水平方向の引張応力とともに、接合厚が小さくなる方向に垂直方向の応力が生ずる。その応力により、析出物２２と比較して軟質のはんだ母相２１が、垂直方向に変形する。その際、接合界面における析出物２２の直上の母相２１の部分では、析出物２２により変形が拘束される。このため、析出物２２の間の母相２１の部分と、析出物２２の直上の母相２１の部分とでは、垂直方向の変形量に差異が生じる。

すなわち、図２における析出物２２の間の垂直応力３ａは、析出物２２の直上の垂直応力２ａよりも大きくなる。従って、これらの垂直応力の差異により、接合界面に凹みが生じ、チップ厚が１００μｍ以下になるような薄い場合には、その凹みを拘束できず、チップ表面に凹凸を生じ、うねりとなる。

また、ヒートサイクルによる圧縮応力発生時に接合体が受ける応力の概念図を示した図３でも、図２に示した引張応力発生時と同様に、析出物２２の間の垂直応力３ｂは、析出物２２の直上の垂直応力２ｂよりも大きくなる。この結果、図２の場合とは逆に、図３の場合には、析出物２２の間の母相２１の部分では、凸を生じることにより、チップ表面に凹凸を生じ、うねりとなる。

このような垂直応力の発生により、チップ表面に凹凸が生じるが、本発明では、上述したように、はんだ接合プロセスとして、特徴１、特徴２を有している。すなわち、第１の加熱冷却工程において特徴１を有することで、はんだが溶融した後の冷却速度を速くすることができる。この結果、はんだ内に析出物２２の結晶核が多数生成する結果となる。

さらに、第２の加熱冷却工程において特徴２を有することで、析出物２２が安定化し、数μｍ大の析出物が数μｍ間隔で分散した組織形態を得ることができる。すなわち、析出物２２の分散間隔が、従来よりも狭く微細に分散した組織を得られるようになる。

この結果、ヒートサイクル時に析出物２２の分散間隔に応じて発生するはんだのうねりの周期が、素子の厚みに比べて小さくなり、素子がはんだから受けるうねりの影響が大きく低減され、素子表面の凹凸発生が抑制される。

図４は、本発明の実施の形態１のはんだ接合プロセスで接合された半導体チップのヒートサイクル後のうねりの概念図である。具体的には、チップ１０に相当するＳｉチップ１１と、絶縁基板電極４０に相当するＣｕ基板４１とを、チップ接合はんだ２０で接続した際の、Ｓｉチップ１１のうねりの様子と、チップ接合はんだ２０内のはんだ母相２１およびはんだ内に析出する化合物（はんだ内析出物）２２の様子を示している。

なお、図４中の水平方向の矢印は、ヒートサイクルによりチップ接合はんだ２０内に加わる水平方向の応力であり、具体的には、引張応力１ａおよび圧縮応力１ｂを示している。また、先の図７に示した従来技術と同様に、はんだ材料にＳｎ−Ｓｂ−Ｃｕ−Ｎｉ系はんだを使用する場合を考える。

図４に示すように、はんだ接合プロセスとして、特徴１、特徴２を有している場合には、従来技術として示した先の図７と比較して明らかなように、はんだ内に析出物２２の結晶核が多数生成しており、析出物２２の分散間隔が従来よりも狭く微細に分散した組織となっていることがわかる。

以上のように、実施の形態１によれば、素子と電極のはんだ接合プロセスとして、第１の昇温過程、第１の高温保持過程、第１の冷却過程を有する第１の加熱冷却工程と、第２の昇温過程、第２の高温保持過程、第２の冷却過程を有し、第１の加熱冷却工程に続いて行われる第２の加熱冷却工程とを備えている。

さらに、１点目の特徴として、第１の加熱冷却工程は、第１の高温保持過程における加熱保持温度が、はんだの液相線温度よりも３０℃〜５０℃高く設定され、第１の冷却過程における冷却速度が、４００℃／分以上に設定されている。また、２点目の特徴として、第２の加熱冷却工程は、第２の高温保持過程における加熱保持温度が、はんだの固相線温度よりも３０〜５０℃低く設定されている。

従って、第１の加熱冷却工程においては、はんだが溶融した後の冷却速度が速いので、はんだ内に析出物の結晶核が多数生成する。さらに、第２の加熱冷却工程においては、析出物が安定化し、数μｍ大の析出物が数μｍ間隔で分散した組織形態が得られる。その結果、析出物の分散間隔が従来よりも狭く微細に分散した組織が得られるようになる。このため、ヒートサイクル時に析出物の分散間隔に応じて発生するはんだのうねりの周期が、素子の厚みに比べて小さくなり、素子がはんだから受けるうねりの影響が大きく低減され、素子表面の凹凸発生を抑制することが可能となる。

実施の形態２．
本実施の形態２では、具体的な検証結果を、データに基づいて説明する。
本実施の形態２では、Ｓｎ−１０Ａｂ−１Ｃｕ−０．１Ｎｉ−１Ｉｎはんだを用いて、５ｍｍ×５ｍｍ×厚さ５０μｍのＳｉチップを、１０ｍｍ×１０ｍｍ×厚さ１．５ｍｍのＣｕ基板と接合した場合について、詳細に説明する。

このときのはんだ接合プロセスとしては、第１の加熱冷却工程と第２の加熱冷却工程から構成される、以下のような条件を用いて、接合体サンプル（実施例１−１）を作製した。なお、このときのはんだ接合厚は、約１００μｍであった。

第１の加熱冷却工程：最初に１００℃／分の速度で昇温し、はんだの液相線よりも３０℃高い３１０℃で１０秒間保持した後、冷却ガスを吹き付けることにより、１００℃まで１０秒程度で冷却する（冷却速度：約１２００℃／分）。
第２の加熱冷却工程：その後、再び１００℃／分で加熱して、はんだの固相線よりも３０℃低い２１０℃で２分間程度保持する。

次に、比較例として、第１の加熱冷却工程だけから構成される従来のはんだ接合プロセスを用いて、同様に、５ｍｍ×５ｍｍ×厚さ５０μｍのＳｉチップを１０ｍｍ×１０ｍｍ×厚さ１．５ｍｍのＣｕ基板と接合した。具体的には、以下のような条件を用いて、接合体サンプル（比較例１−１）を作製した。なお、このときのはんだ接合厚は、実施例１−１の作製時と同様に、約１００μｍであった。

第１の加熱冷却工程：接合時の昇温速度は１００℃／分とし、高温保持過程については３１０℃で１０秒間、冷却過程については、常温の大気中にさらすことで、２５０℃／分の冷却速度とした。

２つのサンプルを−４０℃から１７５℃のヒートサイクル試験にかけて、３００サイクル後のＳｉチップの表面凹凸高さを計測した結果を、表１にまとめて示している。

この表１に示すように、比較例１−１のサンプルでは、Ｓｉチップの表面凹凸高さが４〜５μｍと大きいのに対し、実施例１−１のサンプルでは、Ｓｉチップの表面凹凸高さが１μｍ未満に大きく低減していることがわかる。

さらに、２つのサンプルの断面組織を観察した結果、比較例１−１のサンプルでは、３０〜５０μｍ大の析出物２２が、１００〜１６０μｍの間隔で分散しているのに対し、本実施例１−１のサンプルでは、１０μｍ以下の大きさの析出物２２が１０μｍ以下の間隔で細かく分散していることがわかった。

このように、比較例１−１では、大きな析出物２２が広い間隔で分散しており、ヒートサイクルによってはんだ母相２１が析出物２２の間隔に応じて１００μｍ以上の周期でうねることとなる。このため、板厚が５０μｍと薄いＳｉチップは、はんだのうねりの影響を強く受けて、μｍレベルの表面凹凸が発生したものと考えられる。

一方、本実施の形態２に係る実施例１−１では、第１の加熱冷却工程での急冷による析出物２２の微細化と、第２の加熱冷却工程において固相線より低い温度で保持したことによる析出物２２の安定化（ヒートサイクル時の析出物２２の成長による組織の経過変化を抑制）により、析出物２２の分散間隔が狭く、微細に分散した組織が得られた。

この微細組織により、ヒートサイクルに伴うはんだ母相２１のうねりの周期が非常に短くなる。そのため、板厚が薄いＳｉチップを用いる場合にも、うねりの高さがＳｉチップ厚に対して充分に小さくなり、Ｓｉチップの表面凹凸が大幅に抑制され、サブミクロンレベルの小さな凹凸に留まっていると考えられる。

以上のように、実施の形態２によれば、先の実施の形態１で説明したはんだ接合プロセスを用いることで、素子表面の凹凸発生を抑制したはんだ接合方法およびはんだ接合モジュールを実現できることが、実データとして検証できた。

実施の形態３．
本実施の形態３では、先の実施の形態２とは異なる具体的な検証結果を、データに基づいて説明する。
本実施の形態３では、Ｓｎ−７Ｓｂ−１Ｃｕ−０．１Ｎｉはんだを用いて、５ｍｍ×５ｍｍ×６０μｍ厚のＳｉチップを、１０ｍｍ×１０ｍｍ×厚さ０．５ｍｍのＳｉ３Ｎ４セラミックス基板と接合した場合について、詳細に説明する。なお、このセラミックス基板は、両面にあらかじめＣｕ基板と厚さ０．３ｍｍの銅箔を圧着処理したものを用いた。

このときのはんだ接合時のプロセスとしては、第１の加熱冷却工程と第２の加熱冷却工程から構成される、以下のような条件を用いて、接合体サンプル（実施例２−１）を作製した。なお、このときのはんだ接合厚は、約１００μｍであった。

第１の加熱冷却工程：最初に１００℃／分の速度で昇温し、はんだの液相線よりも５０℃高い３３０℃で１０秒間保持した後、冷却板の上に乗せて放置することにより、１００℃まで３０秒程度で冷却する（冷却速度：約４００℃／分）。
第２の加熱冷却工程：その後、再び１００℃／分で加熱して、はんだの固相線よりも５０℃低い１９０℃で５分間保持する。

次に、比較例として、第１の加熱冷却工程だけから構成される従来のはんだ接合プロセスを用いて、同様に、５ｍｍ×５ｍｍ×厚さ６０μｍのＳｉチップを１０ｍｍ×１０ｍｍ×厚さ０．５ｍｍのＳｉ３Ｎ４セラミックス基板と接合した。具体的には、以下のような条件を用いて、接合体サンプル（比較例２−１）を作製した。なお、実施例２−１の作製時と同様に、このときのはんだ接合厚は、約１００μｍであり、セラミックス基板は、両面にあらかじめＣｕ基板と厚さ０．３ｍｍの銅箔を圧着処理したものを用いた。

第１の加熱冷却工程：接合時の昇温速度は１００℃／分とし、高温保持過程については３３０℃で１０秒間、冷却過程については、常温の大気中にさらすことで、２５０℃／分の冷却速度とした。

２つのサンプルを−４０℃から１５０℃のヒートサイクル試験にかけて、３００サイクル後のＳｉチップの表面凹凸高さを計測した結果を、表２にまとめて示している。

この表２に示すように、比較例２−１のサンプルでは、Ｓｉチップの表面凹凸高さが４〜５μｍと大きいのに対し、実施例２−１のサンプルでは、Ｓｉチップの表面凹凸高さが１μｍ未満に大きく低減していることがわかる。

さらに、２つのサンプルの断面組織を観察した結果、比較例２−１のサンプルでは、４０〜７０μｍ大の析出物が、１２０〜２００μｍの間隔で分散しているのに対し、本実施例２−１のサンプルでは、１０μｍ以下の大きさの析出物２２が１０μｍ以下の間隔で細かく分散していることがわかった。

このように、比較例２−１では、大きな析出物２２が広い間隔で分散しており、ヒートサイクルによってはんだ母相２１が析出物２２の間隔に応じて１００μｍ以上の周期でうねることとなる。このため、板厚が６０μｍと薄いＳｉチップは、はんだのうねりの影響を強く受けて、μｍレベルの高さの表面凹凸が発生したものと考えられる。

一方、本実施の形態３に係る実施例２−１では、第１の加熱冷却工程での急冷による析出物２２の微細化と、第２の加熱冷却工程において固相線より低い温度で保持したことによる析出物２２の安定化（ヒートサイクル時の析出物２２の成長による組織の経過変化を抑制）により、析出物２２の分散間隔が狭く、微細に分散した組織が得られた。

この微細組織により、ヒートサイクルに伴うはんだ母相２１のうねりの周期が非常に短くなる。そのため、板厚が薄いＳｉチップを用いる場合にも、うねりの高さがＳｉチップ厚に対して充分に小さくなり、Ｓｉチップの表面凹凸が大幅に抑制され、サブミクロンレベルの小さな凹凸に留まっていると考えられる。

以上のように、実施の形態３によれば、先の実施の形態１で説明したはんだ接合プロセスを用いることで、先の実施の形態２と同様に、素子表面の凹凸発生を抑制したはんだ接合方法およびはんだ接合モジュールを実現できることが、実データとして検証できた。

なお、上述した実施の形態１〜３では、パワーモジュールなどの半導体装置について説明したが、本発明の接合方法は半導体装置に限られるものではなく、太陽電池モジュールにおけるセルと電極配線の接合方法としても適用することができる。このような太陽電池モジュールに適用する場合には、半導体チップが発電素子に対応し、Ｃｕ基板、セラミックス基板がタブ線に対応することとなり、このような置き換えにより、同様の効果を得ることが可能である。

１ａ 引張応力、１ｂ 圧縮応力、２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ 垂直応力、１０ チップ（素子）、２０ チップ接合はんだ（はんだ）、１１ Ｓｉチップ、２１ はんだ母相、２２ 析出物、３０ ワイヤ、４０ 絶縁基板電極（電極）、４１ Ｃｕ基板、５０ 絶縁基板セラミックス、６０ 絶縁基板接合はんだ、７０ ベース板。

Claims (3)

1. Ｓｎ−Ｓｂ−Ｃｕ−Ｎｉはんだ、または、Ｓｎ−Ｓｂ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｉｎはんだを用いて素子と電極を接合するはんだ接合方法であって、
   前記素子と前記電極のはんだ接合プロセスとして、
   第１の昇温過程、第１の高温保持過程、第１の冷却過程を有する第１の加熱冷却工程と、
   第２の昇温過程、第２の高温保持過程、第２の冷却過程を有し、前記第１の加熱冷却工程に続いて行われる第２の加熱冷却工程と
   を備えており、
   前記第１の加熱冷却工程は、前記第１の高温保持過程における加熱保持温度が、はんだの液相線温度よりも３０℃〜５０℃高く、前記第１の冷却過程における冷却速度が、４００℃／分以上であり、
   前記第２の加熱冷却工程は、前記第２の高温保持過程における加熱保持温度が、はんだの固相線温度よりも３０〜５０℃低い
   ことを特徴とするはんだ接合方法。
2. 厚さが１００μｍ以下の素子と、
   電極と、
   Ｓｎ−Ｓｂ−Ｃｕ−ＮｉはんだまたはＳｎ−Ｓｂ−Ｃｕ−Ｎｉ−Ｉｎはんだと
   を備え、
   請求項１に記載のはんだ接合方法を適用して前記素子と前記電極とがはんだ接合されたはんだ接合モジュールであって、
   はんだ接合層内部の析出物の大きさが１０μｍ以下であり、前記析出物の分散間隔が１０μｍ以下である
   ことを特徴とするはんだ接合モジュール。
3. 請求項２に記載のはんだ接合モジュールであって、
   前記はんだ接合モジュールは、前記素子として半導体チップを用いた半導体モジュール、あるいは前記素子として発電素子を用いた太陽電池モジュールである
   ことを特徴とするはんだ接合モジュール。

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