JP2014057974A - はんだ合金 - Google Patents

Abstract

【課題】側面の電極が側面の面積の３０％以下である部品とＡｌ基板を接合したモジュールをはんだ付けする際に適した組成のはんだ合金を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｓｂ：１〜１０％、残部Ｓｎからなる合金組成を有する。好ましくは、前記合金組成は、更に、質量％で、Ａｇ：０．１〜４％、Ｃｕ：０．３〜１．２％、Ｎｉ：０．０３１〜０．１％、Ｃｏ：０．０３〜０．１％、Ｐ：０．００１〜０．０２％およびＧｅ：０．００１〜０．０２％からなる群から選択される少なくとも１種を含有する。
【選択図】図６

Description

本発明は、はんだ合金、特に、側面の電極の面積が小さい部品と基板とをはんだ付けする際に信頼性を向上させるよう図ったはんだ合金に関する。

従来、はんだ付けされた部品が一定の条件下、必要とされる性能・機能を維持できているかを判定するため、信頼性評価が行われており、用途に応じた様々な検査により例えば接合部の強度等が検査されている。例えば、熱サイクル試験では一定の間隔で低温状態と高温状態とを繰り返し、はんだ接合部が所定の状態（強度）になるまでの回数を強度の基準とする。一般に、使用状況に応じて求められる信頼性の質が異なり、それに合わせて最適なはんだ合金の組成も決まってくることから、最適な信頼性を得られる様々なはんだ合金の組成が研究され、提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の請求項１では、「Ａｇ３．０％超５．０重量％以下、Ｃｕ０．５〜３．０重量％、および残部Ｓｎの組成を有する合金から成る、耐熱疲労特性に優れたはんだ付け部を形成する高温はんだ」、請求項２では、「さらに、Ｓｂ５％以下を含有する請求項１記載の高温はんだ」が開示されている。

特開平０５−０５０２８６号公報

従来から使用環境、用途に適合するようなはんだ合金の様々な組成が提案されてきたが、専ら一般的な部品に対するはんだ付け用のものであり、半導体発光素子、特にＬＥＤ部品をはんだ付けする際の最適な組成については研究されていなかった。

一方、近年では照明用途も含め、その発光効率の高さからＬＥＤ部品が広く用いられるようになってきており、製法や使用法について様々な技術が提案されている。通常、ＬＥＤ部品（以下、ＬＥＤ部品という）は、Si3N4,SiC,Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＳｉＯ２,サファイアヤなどのセラミックス基材に発光素子をＡｕ−Ｓｎ合金やＡｇ焼結ペーストなどの２６０℃では溶融しない金属で接合され、更に、セラミックス基材上にＣｕやＡｇなどで電極を形成し、発光素子とセラミックス基材に形成した回路電極をＡｕ、ＣｕやＡｌのワイヤーでボンディングする。そのため、ＬＥＤ部品の機械的特性はほぼセラミックと同等となり、熱膨張が小さい（線膨張係数も2.5〜10ｐｐｍ／℃程度）ものが多い。

また、ＬＥＤ部品は、実装される発光素子の発熱が大きいため、放熱性の向上が必要であり、さらなる輝度の向上に伴い、放熱性が高いアルミニウム基板（以下、Ａｌ基板という）を使用することが多くなってきているが、Ａｌ基板は熱膨張が比較的大きいため、Ａｌ基板にはんだ付けされた場合、はんだ接合部への負荷は非常に大きくなる。更に、ＬＥＤ部品の製造工程では、セラミックス基材側面の電極面積が小さく、電極が形成されていない部品側面とはんだは接合されておらず、熱疲労によって容易に剥離し、ＬＥＤ部品では下面電極へのクラック進行により、はんだ接合部の寿命が短くなるという問題がある。

本発明は、このような課題を解決することを目的とし、ＬＥＤ部品をはんだ付けする際に適した組成のはんだ合金を提供するものである。

本発明の側面の電極が側面の面積の３０％以下である部品とＡｌ基板とを接合したモジュールに用いるはんだ合金は質量％で、Ｓｂ：１〜１０％、残部Ｓｎからなる合金組成を有する。

本発明の側面の電極が側面の面積の３０％以下であり、底面の電極が該底面の面積の１０％〜８０％である部品とＡｌ基板とを接合したモジュールに用いるはんだ合金は質量％で、Ｓｂ：１〜１０％、残部Ｓｎからなる合金組成を有する。

また、別のはんだ合金は、質量％で、Ａｇ：０．１〜４％、Ｓｂ：１〜１０％、残部Ｓｎからなる合金組成を有する。

さらに、別のはんだ合金は、質量％で、Ｃｕ：０．３〜１．２％、Ｓｂ：１〜１０％、残部Ｓｎからなる合金組成を有する。

また、別のはんだ合金は、質量％で、Ａｇ：０．１〜４％、Ｃｕ：０．３〜１．２％、Ｓｂ１〜１０％、残部Ｓｎからなる組成を有する。

本発明のはんだ合金は更に、好ましくは質量％で、Ｎｉ：０．０３〜０．１％およびＣｏ：０．０３〜０．１％からなる群から選択される少なくとも１種を含有する。

好ましくは更に、質量％で、Ｐ：０．００１〜０．０２％およびＧｅ：０．００１〜０．０２％からなる群から選択される少なくとも１種を含有する。

好ましくは更に、Ｂｉ：０．１〜１％含有する。
好ましくは、部品はＬＥＤ部品である。

また、上記に記載のはんだ合金を有するＬＥＤ部品である。
さらに、上記に記載のはんだ合金を有するＬＥＤ部品が搭載されたＬＥＤモジュールである。

底面の電極がその底面の面積の１０％〜８０％である部品の底面の一例を示す図である。 底面の電極が該底面の面積の１０％〜８０％である部品の底面の別の例を示す図である。 底面の電極が該底面の面積の１０％〜８０％である部品の底面の別の例を示す図である。 側面の電極が該側面の面積の３０％以下である部品の側面の一例を示す図である。 ＬＥＤ部品をはんだ付けした基板を模式的に示す図である。 一般的なＬＥＤ部品を横上面から撮影した画像（左側）と下面から撮影した画像（右側）を示す図である。

本発明を以下により詳しく説明する。本明細書において、はんだ合金組成に関する「％」は、特に指定しない限り「質量％」である。

上述したように、ＬＥＤ部品は、線膨張係数が３〜６ｐｐｍ／℃程度のものが多いが、Ａｌ基板の線膨張係数は２３ｐｐｍ／℃と非常に大きく、はんだ接合部への負荷が非常に大きくなるうえに、ＬＥＤ部品の製造工程の都合で、セラミックス基材側面の電極面積が小さく、はんだフィレットが小さくなったり、はんだフィレットが形成されているように見えても、電極が形成されていない部品側面と、はんだとは接合されていなかったりして、熱疲労によって容易に剥離する。そのため、ＬＥＤ部品では下面電極と基板との接合部のはんだのクラック進行により、接合部の寿命が決定される。

（部品の構造）
具体的に部品の構造から、以上の点を説明すると、図１ないし３に示すように、部品１０１、２０１および３０１の下面電極１０２、２０２および３０２には陽極と陰極があり、更に構造によっては放熱用の接合部２０３および３０３も設けられている場合がある。陽極と陰極の合計の電極面積は部品下面全体の１０％〜８０％であり、更に放熱用接合部は２０〜５０％程度となる。放熱用接合部を設けない場合は比較的陰極と陽極を合わせた電極面積は大きくできるが、特に、高輝度のタイプでは発光素子の直下に放熱用電極を設置しなければ放熱性を満足できず、結果として陰極と陽極の面積は小さくならざるを得ないため、電極を接合したはんだ付け部のクラックの進展が更に加速する。

一方、図４に示すように、部品４０１の側面には下面電極の電流を発光素子に供給するため、部品上面へ電流を流す側面電極４０２が設けられている。また、部品によってはセラミックス基板内の貫通ビアを経由して電流供給を行い、側面電極を設けないものもあり、この場合はんだが接合できる下面の電極以外の側面電極が完全にない。したがって、現状の側面に下面電極の電流を発光半導体素子に流すための回路を形成する場合は、最大でも３０％の面積である。

ＬＥＤ部品の製造工程上、側面の電極と下面電極、更に発光素子が設置される上面の電極が一枚のセラミックス基板に同時に形成されるため、側面電極は貫通ビアで一旦形成させる。その後、素子のダイボンディングやワイヤーボンディングを行い、更に素子をモールドしてセラミックス基板が裁断される。裁断する際に貫通ビアが側面に現れる場合は、若干の側面電極が形成されることとなるが、それでも側面全体に電極が形成される通常のチップ抵抗部品などと電極の形成方法が全く異なってくる。

図６は、一般的なＬＥＤ部品を横上面から撮影した画像（左側）と下面から撮影した画像（右側）である。図６を参照すると、右側の下面の画像に示されているように、ＬＥＤ部品は基板にはんだ付けするための銅や錫などのはんだ層が、下面（光が射出する側とは反対の面）に設けられており、通常はこの金属部分に基板とＬＥＤ部品とを接合するようにはんだ付けが行われる。図６の横上面からの画像（左画の画像）を参照すると理解できるように、はんだ層はＬＥＤ部品の側面にはほとんど形成されない。このため、ＬＥＤ部品を基板にはんだ付けした場合、図５に示すような形状ではんだ付けされるため、通常のチップ部品に比べ、接合部の強度が低くなると考えられる。

図５は、ＬＥＤ部品を基板にはんだ付けした場合の状態を模式的に示す図である。ＬＥＤ部品５０１をアルミ基板５０６にはんだ付けすると、はんだ５０３は図５に示すように、発光素子５０１のＮｉ下地のＳｎ電極またはＮｉ下地のＡｕ電極５０２と、基板５０６のＣｕ電極５０４との間を接合することとなり、ＬＥＤ部品５０１の側面にまでははんだ合金がつかない。図５の例では、側面電極が全くない場合を示したが、図４に示すように３０％までの面積しか側面電極がない場合も、強度に有効に影響するほどはんだはつかないので、図５に示す例と同様である。このように、通常のチップ部品の場合は、底面から側面にかけてしっかりはんだ付けされるのに対し、ＬＥＤ部品では底面だけしかはんだ付けされないことから、はんだの接合部分の強度が低下する。

以上、構造の観点から、ＬＥＤ部品をはんだ付けする場合に、従来のチップ部品よりも、特に熱疲労に関し強度が低下することを説明したが、次に以上の構造上の特徴を踏まえて、はんだ合金の組成の観点からＬＥＤ部品をはんだ付けした場合のはんだの特性について説明する。すなわち、このようなはんだ付けの状態の特異性から、ＬＥＤ部品の組成の相違による熱サイクル特性も、チップ部品のそれとは異なるものとなる。例えば、後述する実施例で示すように、チップ部品のはんだ付けにおいては、硬度が増大する組成のはんだ合金を使用するほど熱サイクル寿命も長くなるが、ＬＥＤ部品では硬度が高い組成のはんだ合金を使用しても熱サイクル寿命が短くなることがある。

ここで、はんだ合金としては、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕはんだ合金、Ｓｎ−３．９Ａｇ−０．６Ｃｕ−３Ｓｂはんだ合金、Ｓｎ−３Ａｇ−０．８Ｃｕ−３Ｂｉ−０．０２Ｎｉはんだ合金および参考としてＳｎ−３７Ｐｂはんだ合金を使用した熱サイクル試験を前提にする。この場合、各組成のはんだ合金を使用して、３．２ｍｍ×１．６ｍｍサイズのチップ抵抗（以下、３２１６Ｒと呼ぶ）および６．４ｍｍ×３．２ｍｍサイズのチップ抵抗（以下、６４３２Ｒと言う）を基本的には６層１．６ｍｍ厚のガラスエポキシ基板（以下、ＦＲ４と言う）にはんだ付けし、および２．８ｍｍ×２．８ｍｍサイズのＬＥＤ部品を２ｍｍ厚のＡｌ基板にはんだ付けした場合のはんだ接合部の強度を熱サイクル試験により判断した。なお、チップ抵抗はスズはんだ端、ＬＥＤ部品はニッケル銅はんだ端であり、各基板のプリント厚は１５０μｍである。はんだ付けは、窒素雰囲気（酸素＜＜５００ｐｐｍ）での２４０度のリフロー方式による。熱サイクル試験は、−５５度〜１２５度を高温時３０分保持により繰り返したのち、室温で速度８３．３μｍ／ｓのシェアテストにより実施したものである。

端部が電極で覆われているチップ抵抗部品では、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕよりも更に強度を向上したＳｎ−３．９Ａｇ−０．６Ｃｕ−３ＳｂやＳｎ−３Ａｇ−０．８Ｃｕ−３Ｂｉ−０．０２ＮｉやＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ−３Ｂｉ−３Ｉｎなどの接合信頼性が良好であり、高温域での強度が高いほどクラックの進展が抑制されるが、ＬＥＤ部品の様に側面にはんだフィレットが殆ど形成されない場合ははんだの強度が高すぎると却って、はんだフィレットに応力が集中し、クラックが容易に進行する。

しかしながら、強度が低いＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ合金では一旦クラックが進行するとはんだ自体の強度が低く、容易にクラックが貫通する。更に、合金添加元素と熱疲労によるクラック進展の関係を考慮すると、はんだの強度以上に、強度を改善する元素にクラック進展は大きく依存するので、複数種類の組成のはんだ合金について熱サイクル試験の結果を、特に高温での使用におけるはんだの特性に関する比較例とした。

各組成のはんだ合金によるはんだ付けの状態を考察すると、Ａｇははんだ中で細い針状の金属間化合物Ａｇ３Ｓｎとなり、ネットワーク上に分散することで、はんだの強度を向上させてクラックの進展を抑制できるが、１２５℃以上の温度負荷と応力とによりＡｇ３Ｓｎは容易に粗大化し、特に、クラックが進展した先端部では強度改善効果が消失する。そのため、Ａｇ添加合金のみではＬＥＤ部品の様に側面にはんだフィレットが殆ど形成されない部品では、最高温度が１２５℃以上となる熱疲労によるクラック進展を抑制することは困難である。

また、ＣｕやＮｉを添加する場合も、Ｃｕ６Ｓｎ５や（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５やＮｉ３Ｓｎ４などの金属間化合物がネットワーク上に分散することではんだの強度を改善するが、Ａｇよりも強度改善効果が低く、１２５℃以上の温度負荷と応力とにより容易に粗大化し、その強度改善効果は消失する。その反面、ＳｂやＢｉはＳｎ中に分散し、Ｓｎ自体の強度を改善するため、１２５℃以上の温度負荷や応力によってもその効果は殆ど変化しない。

しかしながら、Ｂｉの過剰な添加ははんだの延性を大きく低下させるため（Ｓｎ−３Ａｇ−０．８Ｃｕ−３Ｂｉ−０．０２Ｎｉで２４％）、ＬＥＤ部品の接合では線膨張係数差がＬＥＤ部品とＡｌ基板の様に線膨張係数差が１５ｐｐｍ以上もあり、部品自体の大きさが２ｍｍ角を越え、且つ、部品側面のはんだフィレットが殆ど形成されない場合、熱サイクルによりはんだフィレットへの局所的な応力集中が発生し、更にはんだ接合部の歪み範囲も大きいため、繰り返し歪みが負荷された場合にクラックが発生しやすい。更に、Ｂｉ添加による延性の低下効果が１５０℃の高温域でも充分発現され、はんだ自身の変形を妨げ、応力を緩和することが困難になる。

一方で、ＳｂでもＢｉ同様にはんだの強度を改善するが、Ｓｂであっても添加量が１０％を超えると、室温では伸びは３９％（Ｓｎ−３Ａｇ−１０Ｓｂ−１Ｃｕ−０．０２Ｎｉ）となって延性が低下する。しかし、１２５℃の高温域では逆に延性が改善され、伸びは５３％となる。このように、Ｓｎ自体の強度を改善するという点で同類のＢｉとＳｂであっても、特に、高温での延性挙動が大きく異なるため、Ｓｂ添加は、はんだ自体の強度も改善しつつ、高温での応力緩和性も向上できるため、高強度と高温下での応力緩和性が必要なＬＥＤ部品とＡｌ基板との接合に有効であり、Ｓｂ添加による強度改善により接合部の寿命を大幅に延ばすことができる。

一方で、Ｂｉの添加も１％程度であれば、室温、１２５℃での延性も良好で伸びが４０％以上を維持できるため、過剰に添加しなければ信頼性を向上することができる。

更に、ＣｕやＡｇの添加による強度改善効果は熱疲労により損なわれるが、接合部のクラック進展を遅延させる効果があり、更に化合物がネットワーク上に分散することで、ＢｉやＳｂなどが不均一に分布するためＳｎマトリックスの強度が局所的に低下することを抑制でき、極端にクラックが進展する可能性を低下させることができる。

更に、ＮｉやＣｏ添加は、はんだが凝固する初期にＳｎとの金属間化合物として析出し、Ｓｎデンドライトを微細化し、はんだ組織を均質にする効果があり、結果的に信頼性を向上させることができる。すなわち、ＮｉやＣｏが初晶として晶出する際に、化合物周辺の溶融はんだのＣｕ濃度が一時的に低下し、局所的に固相線の高い組成となる。更に、化合物の晶出も過冷却状態が発生するため、一旦Ｃｕ濃度の低い液層が形成されると即座に、Ｓｎの晶出が開始される。

このように、ＬＥＤ部品をはんだ付けする場合は、ＬＥＤ部品が発光時に発熱を起こし易いために高温域に強い、通常のチップ部品とは異なる組成のはんだ合金が有効になる可能性がある。具体的には、ＬＥＤ部品の場合、通常では結晶歪みを抑制し易いＢｉに比べ、実際にはＳｂを添加した方が熱サイクル寿命が長くなる等、ＬＥＤ部品用のはんだ合金として特異な組成がある。

１．実施例及び比較例のはんだ合金を粉末とし、フラックスと混和してソルダペーストを作製した。

２．実施例及び比較例のはんだ組成のソルダペーストをガラスエポキシ基板に塗布し、サイズ３．２×１．６ｍｍの抵抗チップ（３２１６Ｒ）を搭載して、ピーク温度が２４０℃、窒素雰囲気中の条件でリフローはんだ付けした。

３．同様に、実施例及び比較例のはんだ組成のソルダペーストをアルミ基板に塗布し、サイズ２．８×２．８ｍｍのＬＥＤ部品を搭載して、ピーク温度が２４０℃、窒素雰囲気中の条件でリフローはんだ付けして、ＬＥＤモジュールを作製した。

４．抵抗チップ基板とＬＥＤモジュールを−５５℃〜１２５℃、およびＬＥＤモジュールを−５５℃〜１５０℃で、移行時間３０分の条件に設定した熱サイクル試験機にセットして熱サイクルを加える。

５．１００時間ごとに熱サイクル試験機から取り出し、常温に放冷したのち、５００倍の電子顕微鏡で、接合部を観察して、クラックの発生が無いか確認する。または、クラックの発生により増大した抵抗値を基準に寿命を判定する。

最大で３０００サイクルまで測定して、破断したサイクル数を表１にまとめた。
はんだ付けする場合のはんだ合金の組成による熱サイクル寿命は表１のようになる。

表１に示すように、ＬＥＤ部品をはんだ付けしてＬＥＤモジュールを作成する場合、各合金組成の相違による熱サイクル特性は従来考えられてきたものとは異なり、特異な特性を有する。したがって、ＬＥＤ部品をはんだ付けする場合、各組成のはんだ合金をその特性に見合った用途に用いることにより、より信頼性の高いはんだ接合を提供することができる。具体的には、本実施例の結果に基づくと、ＬＥＤ部品のはんだ合金としては、Ｓｂを添加したものが熱サイクル寿命が長いので、一般的に厳しい熱環境で使用されるような用途に向いていると考えられる。また、Ｂｉを添加した組成のはんだ合金は最高温度が高い場合は、最高温度の上昇に伴う熱サイクル寿命の低下が少ないため、そのような用途に向いていると考えられる。

また、以上のようなＬＥＤ部品の各種用途向けの組成を持つはんだ合金を使用してはんだ付けすることにより、目的とする用途に、より適合したＬＥＤ部品のはんだ構造を形成し、はんだ接合部の高い信頼性を得ることができる。

抵抗チップでは熱サイクルが１０００サイクル以上もつようなはんだ合金であっても、ＬＥＤ部品のように底面のみはんだ付けされる場合の熱サイクル試験では寿命が低下する。ところが、Ｓｂ入りのはんだを用いると抵抗チップと比較しても熱サイクル特性が大きく低下しない。

上述したように本発明は、ＬＥＤ部品をＡｌ基板にはんだ付けする例を用いて、それに適したはんだ合金およびはんだ構造について説明したが、特にＬＥＤ部品が大きい場合にＬＥＤ部品をガラスエポキシ基板（ＦＲ４）にはんだ付けする場合のはんだ合金およびはんだ構造にも本発明は適用することができる。さらに、ＬＥＤ部品を例としたが、これに限られることなくいずれかの表面実装用部品であれば、本発明を適用することができる。

１０１、２０１、３０１、４０１ 部品下面
１０２、２０２、４０２ 電極
２０３、３０３ 放熱用接合部
４０１ 部品側面
５０１ ＬＥＤ部品
５０２ ＮｉＳｎまたはＮｉＡｕめっき電極
５０３ はんだ
５０４ Ｃｕ配線
５０５ 絶縁層
５０６ アルミ基板

Claims (11)

1. 側面の電極が該側面の面積の３０％以下である部品とＡｌ基板とを接合したモジュールに用いるはんだ合金であって、質量％で、Ｓｂ：１〜１０％、残部Ｓｎからなるはんだ合金。
2. 側面の電極が該側面の面積の３０％以下であり、底面の電極が該底面の面積の１０％〜８０％である部品とＡｌ基板とを接合したモジュールに用いるはんだ合金であって、質量％で、Ｓｂ：１〜１０％、残部Ｓｎからなるはんだ合金。
3. 質量％で、Ａｇ：０．１〜４％、Ｓｂ：１〜１０％、残部Ｓｎからなる請求項１または２に記載のはんだ合金。
4. 質量％で、Ｃｕ：０．３〜１．２％、Ｓｂ：１〜１０％、残部Ｓｎからなる請求項１または２に記載のはんだ合金。
5. 質量％で、Ａｇ：０．１〜４％、Ｃｕ：０．３〜１．２％、Ｓｂ１〜１０％、残部Ｓｎからなる請求項１または２に記載のはんだ合金。
6. 更に、質量％で、Ｎｉ：０．０３〜０．１％およびＣｏ：０．０３〜０．１％からなる群から選択される少なくとも１種を含有する請求項１乃至５のいずれか１項に記載のはんだ合金。
7. 更に、質量％で、Ｐ：０．００１〜０．０２％およびＧｅ：０．００１〜０．０２％からなる群から選択される少なくとも１種を含有する請求項１乃至６のいずれか１項に記載のはんだ合金。
8. 更に、Ｂｉ：０．１〜１．０％含有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のはんだ合金。
9. 前記部品はＬＥＤ部品であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のはんだ合金。
10. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載のはんだ合金を有するＬＥＤ部品。
11. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載のはんだ合金を有するＬＥＤ部品が搭載されたＬＥＤモジュール。