JP2014093425A - Ｚｎを主成分とするはんだ合金との接合部を有する電子部品 - Google Patents

Abstract

【課題】 Ｚｎを主成分とするＰｂフリーはんだを用いて接合する場合であっても濡れ性と接合性に優れた電子部品を提供する。
【解決手段】 ＺｎおよびＡｌを合計で９０質量％以上含有するはんだ合金によって接合される接合部を有する電子部品であって、該接合部の最上層がＮｉ、Ａｇ、Ａｕ、およびＣｕのうちいずれか１種を主成分とし、該最上層のはんだ接合面の中心線平均粗さが０.６μｍ以下であるか、もしくは該最上層のはんだ接合面が厚さ５０ｎｍ以下の酸化物層で覆われているか、または該最上層のはんだ接合面の中心線平均粗さが０.６μｍ以下であって且つ該はんだ接合面が厚さ５０ｎｍ以下の酸化物層で覆われている。
【選択図】 なし

Description

本発明は、Ｐｂフリーはんだ合金を用いて接合される接合部を有する電子部品に関し、特に高温用はんだ合金として好適なＺｎを主成分とするＰｂフリーはんだ合金を用いて接合される接合部を有する電子部品に関する。

パワートランジスタ用素子のダイボンディングを始めとして、各種電子部品の組立工程におけるはんだ付では高温はんだ付が行われており、３００℃程度の比較的高温の融点を有するはんだ合金（以下、「高温用のはんだ合金」とも称する）が用いられている。このような高温用のはんだ合金としては、Ｐｂ−５質量％Ｓｎ合金に代表されるＰｂ系はんだ合金が従来から主に用いられている。

しかし、近年では環境汚染に対する配慮からＰｂの使用を制限する動きが強くなってきており、例えばＲｏＨＳ指令などではＰｂは規制対象物質になっている。こうした動きに対応して、電子部品などの組立の分野においても、Ｐｂを含まない（無鉛）はんだ合金、すなわちＰｂフリーはんだ合金の提供が求められている。

中低温用（約１４０〜２３０℃）のはんだ合金に関しては、Ｓｎを主成分とするＰｂフリーはんだ合金が既に実用化されている。例えば、特許文献１には、Ｓｎを主成分とし、Ａｇを１.０〜４.０質量％、Ｃｕを２.０質量％以下、Ｎｉを０.５質量％以下、Ｐを０.２質量％以下含有するＰｂフリーはんだ合金が記載されている。また、特許文献２には、Ａｇを０.５〜３.５質量％、Ｃｕを０.５〜２.０質量％含有し、残部がＳｎからなるＰｂフリーはんだ合金が記載されている。

高温用のはんだ合金に関しても、Ｐｂフリーを実現するため、ＢｉやＺｎを主成分とするはんだ合金が様々な機関で開発が行われている。例えば特許文献３には、Ｂｉを３０〜８０質量％含有し、溶融温度が３５０〜５００℃であるＢｉ／Ａｇ系のろう材が開示されている。また、特許文献４には、Ｂｉを含む共晶合金に２元共晶合金を加え、さらに添加元素を加えることによって、液相線温度の調整とばらつきの減少とを可能にしたＢｉ系はんだ合金の生産方法が開示されている。

ところで、一般的な電子部品である基板の材料には熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂などが多用されているため、接合時の作業温度は４００℃未満が望ましく、３７０℃以下がより望ましい。しかしながら、特許文献３に記載のＢｉ／Ａｇ系ろう材は、液相線温度が４００〜７００℃と高いため、接合時の作業温度も４００〜７００℃以上になると推測され、接合される電子デバイスや基板が耐えうる温度を超えていると考えられる。また、特許文献４の方法は、液相線の温度調整のみで４元系以上の多元系はんだ合金になるうえ、Ｂｉの脆弱な機械的特性については効果的な改善がされていない。

一方、Ｚｎを主成分とする高温用はんだ合金としては、特許文献５に、Ｚｎに融点を下げるべくＡｌを添加したＺｎ−Ａｌ合金を基本とし、これにＧｅまたはＭｇを添加して高温用Ｚｎ系はんだ合金とすることが記載されている。さらに、ＳｎまたはＩｎを添加することによって、より一層融点を下げる効果があることも記載されている。

特開平１１−０７７３６６号公報 特開平８−２１５８８０号公報 特開２００２−１６００８９号公報 特開２００６−１６７７９０号公報 特開平１１−２８８９５５号公報

しかしながら、特許文献５に開示されているＺｎ系はんだ合金は、その組成の範囲内では合金の濡れ性が不十分である場合が多い。つまり、主成分であるＺｎは還元性が強いため自らは酸化されやすく、その結果、濡れ性が極めて悪くなることが問題として懸念される。このように、高温用のＰｂフリーはんだ合金、特にＺｎを主成分とするＰｂフリーはんだ合金は、濡れ性の問題をかかえているため、未だ従来のＰｂ−５質量％Ｓｎ合金に代表されるＰｂ系はんだ合金を代替できる程度に実用化されていないのが実状である。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、Ｚｎを主成分とするＺｎ系Ｐｂフリーはんだを用いて接合される接合部を有する電子部品において、はんだ接合する際の濡れ性と接合性を優れたものにすることにより、高い接合信頼性を得ることを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明者は、はんだ組成以外の要因で濡れ性と接合性を向上させる手段について検討し、電子部品におけるはんだ接合面の状態に着目した結果、当該接合面の表面粗さおよび接合面に存在する酸化物層の厚みが、濡れ性と接合性に大きな影響を及ぼすことを見出し、本発明をなすに至った。

すなわち、本発明の第１の実施形態の電子部品は、Ｚｎが主成分であり、ＺｎおよびＡｌを合計で９０質量％以上含有し、Ｇｅ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｍｇ、およびＰのうちの１種以上を含有し得るはんだ合金によって接合された接合部を有し、該接合部の最上層がＮｉ、Ａｇ、Ａｕ、およびＣｕのうちいずれか１種を主成分とし、該最上層のはんだ接合面の中心線平均粗さが０.６μｍ以下であることを特徴としている。

また、本発明の第２の実施形態の電子部品は、Ｚｎが主成分であり、ＺｎおよびＡｌを合計で９０質量％以上含有し、Ｇｅ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｍｇ、およびＰのうちの１種以上を含有し得るはんだ合金によって接合された接合部を有し、該接合部の最上層がＮｉ、Ａｇ、Ａｕ、およびＣｕのうちいずれか１種を主成分とし、該最上層のはんだ接合面が厚さ５０ｎｍ以下の酸化物層で覆われていることを特徴としている。

さらに本発明の第３の実施形態の電子部品は、Ｚｎが主成分であり、ＺｎおよびＡｌを合計で９０質量％以上含有し、Ｇｅ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｍｇ、およびＰのうちの１種以上を含有し得るはんだ合金によって接合された接合部を有し、該接合部の最上層がＮｉ、Ａｇ、Ａｕ、およびＣｕのうちいずれか１種を主成分とし、該最上層のはんだ接合面の中心線平均粗さが０.６μｍ以下であり、かつ該はんだ接合面が厚さ５０ｎｍ以下の酸化物層で覆われていることを特徴としている。

また、本発明の電子装置の製造方法は、最上層がＮｉ、Ａｇ、Ａｕ、およびＣｕのうちいずれか１種を主成分とするはんだ接合部を有する電子部品に対して、ＺｎおよびＡｌを合計で９０質量％以上含有し、Ｇｅ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｍｇ、およびＰのうちの１種以上を含有し得るＺｎ系はんだ合金を用いてはんだ付けして電子装置を製造する方法であって、該最上層のはんだ接合面の中心線平均粗さが０.６μｍ以下であるか、もしくは該はんだ接合面が厚さ５０ｎｍ以下の酸化物層で覆われているか、または該はんだ接合面の中心線平均粗さが０.６μｍ以下であって且つ該はんだ接合面が厚さ５０ｎｍ以下の酸化物層で覆われていることを特徴としている。

本発明によれば、電子部品のはんだ接合にＺｎ系Ｐｂフリーはんだを用いる場合であっても、濡れ性と接合性に優れたはんだ接合を実現することができ、よって高い接合信頼性を有する電子装置を得ることができる。

酸化物層の厚みの定義を説明するグラフである。

電子部品としての半導体チップ等の電子デバイスや基板において、はんだとの接合部の表面粗さが大きかったり、該表面に形成される酸化物層が厚かったりすると、はんだの濡れ性が著しく低下してしまう。すなわち、表面が粗いとはんだ接合面の実質的な表面積が増えてしまうため、電子部品のはんだ接合部とはんだとの界面に存在する酸化物等が増えて濡れ性を低下させてしまう。さらに、表面が粗いと不純物を巻き込みやすくなる。また、上記接合部のはんだ接合面に形成される酸化物層が厚かったり、該接合面に付着する不純物が多かったりすると該接合部を構成する金属とはんだ合金とが直接接することが困難になり、濡れ性や接合強度を低下させてしまう。

そこで、はんだの濡れ性や接合性を低下させないため、本発明の電子部品では、はんだとの接合がなされる接合面の平均粗さやそこに形成される酸化物層の厚さを所定の値以下に限定している。これにより、一般的に濡れ性が悪いとされるＺｎを主成分とするはんだを用いても、濡れ性が改善された信頼性の高いはんだ接合が可能となる。また、表面粗さを小さくすることで不純物を付着しづらくすると共に、付着した不純物を除去し易くすることも可能となる。

より具体的に説明すると、本発明の一具体例の電子部品は、Ｚｎを主成分とするＰｂフリーはんだ合金との接合がなされる接合部のはんだ接合面の中心線平均粗さが０.６μｍ以下である。はんだ接合面の表面粗さを上記の値以下に限定することによって、はんだの濡れ性や接合性が向上する。前述したように、はんだとの接合がなされる接合部のはんだ接合面において、はんだの濡れ性や接合性を低下させる大きな原因の一つに該接合面に形成される酸化物層がある。特に、はんだ表面近傍に存在する酸化物量が濡れ性や接合性に大きく影響を及ぼす。すなわち、酸化物層がいくら薄くても、表面が粗くて凹凸が多ければ、はんだ表面（近傍）に存在する酸化物量が多くなってしまい、実質的に酸化物層が厚い場合と同じ現象が起き、濡れ性や接合性を大きく低下させてしまう。

さらに悪いことに、はんだ接合面の表面粗さが大きい場合、単に酸化物量が多くなるだけではなく、電子部品においてはんだとはんだ接合面との接触面積が小さくなる。例えば、はんだで半導体素子と基板とを接合しようとした場合、実質的な接触面積は濡れ性等に非常に大きく影響する。接合面の表面粗さが非常に小さい場合は、接合面上に広がった面積が実質的な接合面積となる。一方、表面粗さが大きい場合、極端にいえば、はんだと半導体素子等との接合面は複数の点だけで接することになり、実質的な接合面積が極めて小さくなってしまう。このような場合、いくら酸化物層が薄くても接している面積が少ないので、所望の接合強度を得ることが困難になる。

このため、本発明の一具体例の電子部品では、はんだ接合面の中心線平均粗さを０.６μｍ以下、より好ましくは０.３μｍ以下としている。この値は実験的に得た結果であり、表面粗さを小さくする定性的な理由はすでに説明したとおりである。また、表面粗さの最大高さも濡れ性にある程度影響を及ぼし、実験的には１.５μｍを超えるとＺｎを主成分とするはんだの濡れ性がかなり低下してしまい、条件によっては接合できなかった。よって、表面粗さの最大高さは１.５μｍ以下とすることが好ましい。このような条件を満たすことにより高い接合強度を有する優れた信頼性を得ることができる。

次に、本発明の他の具体例の電子部品について説明する。この他の具体例の電子部品は、はんだとの接合部のはんだ接合面に形成される酸化物層の厚さが５０ｎｍ以下である。この場合、はんだ接合面の中心線平均粗さは０.６μｍ以下であることが好ましい。様々な用途に使用されるはんだの濡れ性や接合性に関する不良に対応するには、接合面の酸化物層を薄くすることが効果的である。つまり、濡れ性や接合性を低下させてしまう主要な原因は、半導体素子等の接合部のはんだ接合面とはんだ母相との間に存在する酸化物である。

通常、金属同士は適切な材料を選択をすれば合金化する。例えば基板においてはんだとの接合がなされる接合部の最上層を構成するＮｉと、はんだ母相を構成するＺｎとは溶融状態で容易に固溶し合う。一方、一般的な金属元素の酸化物は接合温度（例えば２００℃〜４５０℃）では依然として固体のままであるため、接合面ではほとんど反応しない。そのため、はんだ金属（Ｚｎ）と基板の最上層（Ｎｉ等）とが良好に接触できず、その結果、所望の接合強度が得られなくなる。つまり、はんだ接合面にできるだけ酸化物層を存在させないことが、Ｚｎ系はんだを用いてはんだ接合するための重要な条件の一つになる。

このため、半導体素子などの電子デバイスや基板等の電子部品が有する接合部のはんだ接続面に形成される酸化物層の厚さを５０ｎｍ以下とする。前述したように、酸化物層は濡れ性等を大きく下げるが、全く存在させないことは困難であり、さらにある程度の厚さであれば、はんだ接合の条件等を適宜調整することで酸化物層の悪影響を抑えることができる。

Ｚｎ系はんだを接合材として用いる場合、含有元素にも左右されるものの５０ｎｍ以下の酸化物層であれば、接合時に酸化物層が破れてはんだ溶融金属が基板等の金属面と直接接することが可能となり、良好な接合が可能となる。このように、酸化物層を介さずにはんだと金属面とを直接はんだ接合できれば、接合強度を高くできるので、電子部品をはんだ接合して得られる電子装置において、過酷な環境下で使用しても十分に耐え得る優れた接合信頼性を得ることができる。

＜電子部品の製造方法＞
本発明の電子部品の製造方法はとくに限定がない。電子部品の一例として、基板について説明する。基板は一般的にＣｕ板を圧延して製造され、その圧延には冷間圧延、温間圧延、熱間圧延などを用いることができる。圧延する際は、最初から最終の工程まで冷間圧延だけで行ってもよいが、２種類以上の圧延を組み合わせることにより、圧延中にクラックやバリが入りづらくなって品質が向上するうえ、圧延速度を上げることで生産効率を高めることができる。

ただし、温間圧延や熱間圧延を行うと基板表面に酸化膜（酸化物層）が形成され易いため、２種類以上の圧延を組み合わせるときは、最初に温間圧延や熱間圧延を行い、これにより形成された酸化物層を可能な範囲で除去した後、仕上げとして冷間圧延を行うことが好ましい。このように最終工程を冷間とすることで酸化物層を薄くすることが可能となる。仕上げの冷間圧延には表面仕上げを行った鏡面ロールを用いることが好ましく、中心線平均粗さが０.６μｍ以下のロールを用いることがより好ましい。このようなロールを用いることによって、表面粗さの小さい基板が製造可能となる。

温間圧延や熱間圧延後の酸化物層の除去は、例えば酸洗浄や研磨、研削などで行うことができる。これら酸洗浄や研磨などにより基板表面の酸化物層を薄くできることに加えて、表面粗さを小さくすることも可能となる。さらに、基板表面の異物等を除去する効果も期待できる。酸洗浄の際に使用する酸の種類に限定はないが、強酸を薄めた溶液や弱酸の溶液を用いることが好ましい。強酸の原液を用いて洗浄を行ってしまうと、基板の酸溶液への溶解速度が速くなりすぎ、部分的に溶解が進んだり、表面粗さが大きくなったりする可能性が高い。したがって、強酸を数％含む水溶液または弱酸の水溶液を用いて、状況に応じて時間を長めに調整して洗浄することが好ましい。

基板の研磨の方法についてもとくに限定はない。例えば、自動研磨装置を用いてバフ研磨を行ってよい。この際、使用する吐粒の粒度は０.１μｍ以下であることが好ましい。このような細かい吐粒を用いることによって、表面粗さを小さく抑えることができる。そして、基板の研磨の際、研磨手段を回転運動させるか、基板の進行方法に対して垂直方向に往復動させて研磨するのが好ましく、これによりムラのない均一な研磨が可能となる。

このように、電子部品としての基板の作製の際は、酸化物層が薄い基板か、もしくは表面粗さの小さい基板か、または酸化物層が薄く且つ表面粗さの小さい基板を作製すべく、基板の表面を研磨したり、酸洗浄したりするのが好ましく、その後、基板のロール圧延、特に表面粗さ０.６μｍ以下のロールでロール圧延するのが好ましい。特にこれら研磨等による酸化物層の除去処理とロール圧延処理とを組み合わせることがより好ましい。

次に、電子部品のはんだ接合部において最上層として形成されるメタライズ層について説明する。メタライズ層の形成方法はとくに限定がなく、例えば、メッキ法、真空蒸着法、スパッタ法などで行ってよい。これらの中では真空蒸着法が比較的安価であり、形成させるメタライズ層の厚さを制御しやすいのでより好ましい。

ただし、表面粗さを小さく抑えるためには十分な注意を要する。例えば、蒸着速度が遅すぎると蒸着に時間がかかるとともに、蒸着場所によって層厚のバラツキが大きくなってしまう。一方、蒸着速度が速すぎると層厚がばらつくことに加え、表面粗さも大きくなってしまい好ましくない。最適な蒸着速度は装置依存性が大きいものの、概ね１５〜５０Å／秒である。

また、蒸着速度と同様に重要なパラメーターをとして真空度がある。真空引きが不十分で真空度が低いと装置内に酸素等が存在するため、酸化膜が形成されたり、残存ガスによって均一な膜（層）形成ができなかったり、ポーラスな膜になったりする。そして、それらが複合的に生じた結果、層の厚みや表面粗さが大きくバラついてしまうおそれがある。

これを避けるための好ましい真空度は概ね６×１０^−３Ｐａ以下である。この程度の真空度で蒸着を行うことができれば、均一で表面粗さの小さい層を形成し易い。さらに高い真空度を達成することができるのであれば、より好ましい層形成が可能になるが、コストがかかりすぎたりするため、必要とされる層の品質とコストのバランスを考えて装置、製造条件等を適宜選定すればよい。なお、上記した蒸着速度や真空度などの条件は小型真空蒸着装置での試験結果をベースとして見出しものであるが、これらは量産設備にも十分に適用できる条件である。

＜はんだ組成＞
本発明の電子部品のはんだ接合に使用するはんだ合金はＺｎ−Ａｌ系合金であり、そのはんだ組成としては、Ｚｎが主成分であり、ＺｎおよびＡｌを合計で９０質量％以上含有している。特に、Ｚｎが７０質量％以上含まれていると液相線温度が下がるのでより好ましい。Ｚｎは融点が４１９℃と電子部品等の接合温度である３００〜４００℃に対し高すぎるが、Ｚｎ−Ａｌ系合金とすることにより融点を下げることが可能となり、さらに金属組織を共晶組織とすることができる。

また、本発明の電子部品のはんだ付けに使用するはんだは、不可避不純物を除いてＧｅ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｍｇ、およびＰのうちの少なくとも１種以上を含有してよい。本発明の電子部品のはんだ付けに使用するはんだに添加され得るこれら元素について、以下具体的に説明する。

Ｇｅは、本発明の電子部品のはんだ付けに使用するはんだ合金において、濡れ性に加え、加工性や応力緩和性を向上させるために重要な役割を果たす元素であり、これら諸特性を改善する必要がある場合に含有させるのが好ましい。ＧｅはＺｎやＡｌに比較し融点が高く（Ｚｎの融点：４１９℃、Ａｌの融点：６６０℃、Ｇｅの融点：９３８℃）、はんだ合金が溶融後、冷却過程で固化する際、この融点の高いＧｅがまず析出し、これが核となって結晶が形成されるため、はんだ合金が微結晶化する。その結果、はんだの柔軟性が増し応力緩和性等が向上する。

さらに、Ｇｅには濡れ性向上の効果も期待できる。すなわち、Ｚｎ−Ａｌ合金にＧｅを少量含有させると比重の小さいＧｅははんだ溶融時に浮いてＺｎより優先的に酸化される。熱力学の平衡論においてはＺｎやＡｌの方がＧｅより酸化しやすいのであるが、前述したように比重の関係からＧｅがはんだ表面に比較的多く存在するため、Ｇｅが酸化する割合が多くなり、その結果、主成分のＺｎの酸化を抑制し、濡れ性が向上する。

Ａｇは、本発明の電子部品のはんだ付けに使用するはんだ合金の諸特性を目的に合わせて調整する際に適宜添加される元素である。Ｚｎ−Ａｇ合金において、Ｚｎリッチ側でＡｇ含有量を増やしていくと液相温度は単調に増加していく。従って、Ａｇは融点から考えれば少ない方がよい。一方、濡れ性向上の面からすればＡｇは多い方がよい。つまり、Ａｇは基板や電子部品のメタライズの最上層に用いられることからも分かるように、濡れ性向上効果が大きく、これはＡｇが酸化しづらいという性質に起因する。

以上より、融点や濡れ性のバランスを考えてＡｇを含有させることになる。Ａｇの含有量は１０質量％未満であるが、０.１質量％以上４.０質量％以下が好ましい。Ａｇの含有量が０.１質量％未満では、その含有量が少なすぎてＡｇの添加による濡れ性や接合性の向上効果が発揮されない。一方、Ａｇが４.０質量％を超えて多くなるとＡｌを含有していても液相温度が高くなりすぎ、良好な接合を得ることが困難となる。従ってＡｇ添加量の上限は４.０質量％とすることが好ましい。

Ｍｇは、本発明の電子部品のはんだ付けに使用するはんだ合金の諸特性を目的に合わせて調整する際に適宜添加される元素である。Ｍｇを含有することよって得られる効果は以下のとおりである。ＭｇはＺｎとの共晶合金を２つの組成で作り、それらの共晶温度は３４１℃と３６４℃である。このようにＺｎ−Ａｌ合金よりも低い共晶温度を２点有するため、はんだ合金の融点をさらに下げたい場合に添加する。

さらにＭｇはＺｎやＡｌよりも酸化し易いため、少量の含有量で濡れ性を向上させる効果も有する。ただし、Ｍｇが多量に含有されるとはんだ表面に強固な酸化膜を形成してしまうため、その添加量には注意を要し、１０質量％を超えることがあってはならない。接合条件は様々であるものの以上述べた融点低下効果と濡れ性向上効果を考慮すると、Ｍｇの含有量は０.０１質量％以上４.０質量％以下とすることによって含有効果が一層現れて好ましい。Ｍｇの含有量が０.０１質量％未満では少なすぎてＭｇの効果を十分発揮させることができない。一方、４.０質量％を超えると、逆に濡れ性が低下したり液相線温度が高くなりすぎたりするなどの問題を起こしてしまうことがある。

Ｐは、本発明の電子部品のはんだ付けに使用するはんだ合金の諸特性を目的に合わせて調整する際に適宜添加される元素であり、その効果は濡れ性の向上にある。Ｐが濡れ性を向上させるメカニズムは以下のとおりである。Ｐは還元性が強く、自ら酸化することによりはんだ合金表面の酸化を抑制する。特に本発明の電子部品のはんだ付けで使用するはんだ合金は酸化しやすいＺｎが主成分の一つであり、さらにＺｎより酸化し易いＡｌも主成分の一つであるため、濡れ性が不足する場合においてＰの含有による濡れ性向上の役割は大きい。

また、Ｐの含有により接合時にボイドの発生を低減させる効果も得られる。すなわち、前述したようにＰは自らが酸化しやすいため、接合時にはんだ合金の主成分であるＺｎやＡｌよりも優先的に酸化が進む。その結果、はんだ母相の酸化を防ぎ、電子部品等の接合面を還元して濡れ性を確保することができる。そしてこの接合の際、はんだや接合面表面の酸化物がなくなるため、酸化膜によって形成される隙間（ボイド）が発生しにくくなり、接合性や信頼性等を向上させるのである。

なお、Ｐははんだ合金や基板を還元して酸化物になると気化して雰囲気ガスに流されるので、はんだや基板等に残らない。このため、Ｐの残渣が信頼性等に悪影響を及ぼす可能性はなく、この点からも優れた元素と言える。その他、さまざまに用途に応じて、はんだの諸特性を調整が必要とする場合があるため、上記金属に加えてＣｕ、Ｎｉ、Ｓｎ、およびＳｂのうちの少なくとも１種を適宜含有させてよい。

原料として、それぞれ純度９９.９重量％以上のＺｎ、Ａｌ、Ｇｅ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｍｇ、およびＰを準備した。大きな薄片やバルク状の原料については、溶解後の合金においてサンプリング場所による組成のバラツキがなく、均一になるように留意しながら、切断および粉砕などにより３ｍｍ以下の大きさに細かくした。次に、これら原料から所定量を秤量して、高周波溶解炉用のグラファイト製坩堝に入れた。

上記各原料の入った坩堝を高周波溶解炉に入れ、酸化を抑制するために窒素を原料１ｋｇ当たり０.７リットル／分以上の流量で流した。この状態で溶解炉の電源を入れ、原料を加熱溶融させた。金属が溶融しはじめたら混合棒でよく撹拌し、局所的な組成のばらつきが起きないように均一に混ぜた。十分溶融したことを確認した後、高周波電源を切り、速やかに坩堝を取り出し、坩堝内の溶湯をはんだ母合金の鋳型に流し込んだ。鋳型は、はんだ母合金の製造の際に一般的に使用している形状と同様のものを使用した。

このようにして、様々な混合比率を有する試料１Ａ〜７４Ａのはんだ母合金を作製した。これら試料１Ａ〜７４Ａのはんだ母合金に対して、ＩＣＰ発光分光分析器（ＳＨＩＭＡＺＵ Ｓ−８１００）を用いて組成を分析した。その分析結果を下記表１−１〜表１−４に示す。

＜シート形状への加工＞
圧延機を用いて上記試料１Ａ〜７４Ａのはんだ母合金をシート状に加工した。具体的に説明すると、各はんだ母合金（厚さ５ｍｍの板状インゴット）を、熱間圧延機を用いて厚さ約４００μｍまで粗圧延した。その際、インゴットの送り速度を調整し、クラック等が発生しないように注意しながら圧延していった。粗圧延した試料をアルコールで洗浄した後、冷間圧延機を用いて厚さ０.７０ｍｍまで圧延した。その後、スリッター加工により２５ｍｍの幅に裁断し、さらに自動洗浄器を通して洗浄し、大気中で乾燥した。このようにして得たはんだに対して濡れ性評価やシェア強度試験などを行うため、基板とＳｉＣチップを下記の方法で準備した。

＜基板の作製＞
基板の材料として、厚さ１０ｍｍ、純度９９.９９質量％の複数のＣｕ板を準備した。これらＣｕ板を５０〜９０℃で温間圧延を行い、厚さ３ｍｍにした。次に、希硫酸を用いて１〜１０分間洗浄し、さらに水洗して十分に酸を洗い流した。そして、真空オーブンによる常温真空乾燥か、常温窒素雰囲気中での乾燥か、あるいは１５０℃大気中での加熱乾燥により乾燥した。得られた複数のＣｕ板に対して、中心線平均粗さが０.１〜３μｍのロールを用いて冷間圧延を行い、厚さ０.６０ｍｍまで薄くした。

次に、冷間圧延を行ったこれら複数のＣｕ板に対して様々に条件を変えてメタライズを施し、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕ、またはＣｕからなる最上層を形成した。このようにして、最上層のはんだ接合面の中心線平均粗さが０.８μｍ以下であって当該接合面が厚さ７０μｍ以下の酸化物層で覆われた複数の基板を準備した。なお、通常、電子部品の構成要素である基板は常温で圧延することが多く、酸洗浄を行う場合も希硫酸を使うとは限らないが、本実施例では酸化物層や表面粗さ等を調整するために故意にこのような条件で製造した。

＜ＳｉＣチップの表面粗さの調整＞
基板にはんだ接合される電子デバイスとして、大きさ２×２ｍｍ、はんだ接合部がＮｉで構成される複数のＳｉＣチップを準備した。これらＳｉＣチップを研磨紙（粗さ：＃２４０、＃１０００、＃８０００）による研磨、そしてバフ研磨（砥粒の粒度：０.１μｍ）によってＮｉ面の表面粗さを調整後、真空蒸着機でＮｉ、Ａｇ、Ａｕ、またはＣｕを蒸着させて最上層を形成した。このようにして、最上層のはんだ接合面の中心線平均粗さが０.８μｍ以下であって当該接合面が厚さ７０μｍ以下の酸化物層で覆われた複数のＳｉＣチップを準備した。

以上のようにして作製した複数の基板および複数のＳｉＣチップの各々に対して、酸化物層の厚さと表面粗さを測定した。酸化物層の厚さは界放射型オージェ電子分光装置（ＵＬＶＡＣ−ＰＨＩ製、型式：ＳＡＭ−４３００）を用いて測定し、表面粗さは表面粗さ測定装置（東京精密株式会社製、型式：サーフコム４７０Ａ）を用いて測定した。そして、これら複数の基板と複数のＳｉＣ基板とを表２−１〜表２−４に示すように組み合わせて試料１Ｂ〜７４Ｂとした。

なお、酸化物層の厚さについては次のように定義した。すなわち、はんだ表面から深さ方向（はんだ表面に対して垂直）に１０００ｎｍ入った部分の酸素量を０％にすると共に、はんだ表面から深さ１０００ｎｍの間の最高酸素濃度を１００％にして、酸素濃度が１０％まで低下したはんだ表面からの進入深さを酸化物層の厚みと定義した（図１参照）。

上記のごとくシート状に加工した試料１Ａ〜７４Ａのはんだ合金を、それぞれ試料１Ｂ〜７４Ｂの基板とＳｉＣチップとのはんだ接合に用いて試料１〜７４の接合体を作製した。例えば、試料１Ａのはんだを使って試料１Ｂの基板とＳｉＣチップとをはんだ接合し、これにより試料１の接合体を作製した。そして、各接合体の濡れ性（接合性）、シェア強度、およびヒートサイクル試験による信頼性を下記の方法で評価した。

＜濡れ性（接合性）の評価＞
まず、濡れ性試験機のヒーター部に二重のカバーをして、ヒーター部の周囲４箇所から窒素を１２リットル／分の流量で流しながら、ヒーター設定温度を４１０℃にして加熱した。設定したヒーター温度が安定した後、各試料の基板をヒーター部にセッティングして２５秒間加熱した。次に、各試料のはんだ合金を基板の上に載せ、２５秒加熱し、さらにはんだの上に各試料のＳｉＣチップを載せ、１０秒加熱した。

加熱が完了した後、はんだ接合された基板とＳｉＣチップとからなる接合体をヒーター部から取り上げ、その横の窒素雰囲気が保たれている場所に一旦設置して冷却した。十分に冷却した後、大気中に取り出した。このようにして得た各接合体のはんだ合金と基板およびＳｉＣチップの接合部分を目視で確認し、接合できなかった場合を「×」、接合できたが濡れ広がりが悪い場合（はんだがはＳｉＣチップ四辺端部からはみ出していない状態）を「△」、接合でき且つ濡れ広がりが良い場合（はんだが薄く濡れ広がりＳｉＣチップ四辺端部からはみ出している状態）を「○」と評価した。

＜シェア強度評価＞
はんだ接合の接合強度を評価するために、シェア強度測定器（Ｘｙｚｔｅｃ社製、Ｃｏｎｄｏｒ ＥＺ ボンドテスタ）を用いてシェア強度の測定を行った。なお、この試験は、上記した濡れ性の評価において、はんだ合金によって基板とＳｉＣチップが接合できた試料（濡れ性の評価が○の試料および△の試料）を各３個ずつ用いて行い、平均値をその試料のシェア強度とした。

具体的なシェア強度の測定方法は以下のとおりである。すなわち、シェア強度測定器のワークホルダ（試料を固定する部分）にＳｉＣチップ面を上にして各試料の接合体を固定し、はんだにせん断応力を加えるためシェアツールをＳｉＣチップの側面に当てた。そして、自動測定によりシェアツールを接合体のＳｉＣチップの側面から荷重をかけていき、はんだ、またはＳｉＣチップが破壊するまで荷重をかけ、シェア強度を測定した。

＜ヒートサイクル試験＞
はんだ接合の信頼性を評価するためにヒートサイクル試験を行った。なお、この試験は、上記した濡れ性の評価において、はんだ合金によってＣｕ基板とＳｉＣチップが接合できた試料（濡れ性の評価が○の試料および△の試料）を各２個ずつ用いて行った。すなわち、はんだ合金で接合された基板とＳｉＣチップとからなる各試料の接合体２個に対して、−４０℃の冷却と＋１５０℃の加熱を１サイクルとするヒートサイクル試験を実施した。各試料のヒートサイクル試験において、２個の接合体のうち１個は途中確認のため３００サイクルまで、残りの１個は５００サイクルまでヒートサイクル試験を繰り返した。

このようにして、ヒートサイクル試験が行われた各接合体を樹脂に埋め込んだ後、断面研磨を行ってＳＥＭ（装置名：ＨＩＴＡＣＨＩ Ｓ−４８００）により接合面の観察を行った。はんだと基板やＳｉＣチップの接合面に剥れが生じたり、はんだ母相接合面にクラックが入った場合を「×」、そのような不良がなく、初期状態と同様の接合面を保っていた場合を「○」と評価した。これらの評価結果を下記表３−１〜表３−４に示す。

上記の表３−１〜表３−４の結果から分かるように、本発明の要件を満たす試料１〜４２の接合体は、全ての評価項目において良好な特性を示している。すなわち、濡れ性、シェア強度、および信頼性のいずれにおいても良好な結果が得られた。濡れ性が良好であった理由は、はんだの組成および基板やＳｉＣチップの酸化膜層そして中心線表面粗さが本発明の要件を満たしていたため、はんだと基板類の酸化物が少なかったためであると考えられる。このように酸化物に邪魔されることなく、良好な濡れ性を示しているため接合強度、つまりシェア強度も高く、その結果、高い信頼性が得られたと考えられる。

一方、本発明の要件を満たしていない試料４３〜７４の接合体は、基板やＳｉＣチップの酸化物層厚さや表面粗さが適正でないこと（試料４３〜６６）、またははんだ組成が適正でないこと（試料６７〜７４）に起因して、好ましくない結果となった。つまり、濡れ性評価においては全ての試料において良好な濡れ性は得られなかった。シェア強度試験に至った試料でもシェア強度が低く、ヒートサイクル試験では３００回までに全ての試料（接合できなかった試料４３、４６〜５５、５８〜７４を除く）で不良が発生した。

Claims (4)

1. Ｚｎが主成分であり、ＺｎおよびＡｌを合計で９０質量％以上含有し、Ｇｅ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｍｇ、およびＰのうちの１種以上を含有し得るはんだ合金によって接合される接合部を有し、該接合部の最上層がＮｉ、Ａｇ、Ａｕ、およびＣｕのうちいずれか１種を主成分とし、該最上層のはんだ接合面の中心線平均粗さが０.６μｍ以下であることを特徴とする電子部品。
2. Ｚｎが主成分であり、ＺｎおよびＡｌを合計で９０質量％以上含有し、Ｇｅ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｍｇ、およびＰのうちの１種以上を含有し得るはんだ合金によって接合される接合部を有し、該接合部の最上層がＮｉ、Ａｇ、Ａｕ、およびＣｕのうちいずれか１種を主成分とし、該最上層のはんだ接合面が厚さ５０ｎｍ以下の酸化物層で覆われていることを特徴とする電子部品。
3. Ｚｎが主成分であり、ＺｎおよびＡｌを合計で９０質量％以上含有し、Ｇｅ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｍｇ、およびＰのうちの１種以上を含有し得るはんだ合金によって接合される接合部を有し、該接合部の最上層がＮｉ、Ａｇ、Ａｕ、およびＣｕのうちいずれか１種を主成分とし、該最上層のはんだ接合面の中心線平均粗さが０.６μｍ以下であり、かつ該はんだ接合面が厚さ５０ｎｍ以下の酸化物層で覆われていることを特徴とする電子部品。
4. 最上層がＮｉ、Ａｇ、Ａｕ、およびＣｕのうちいずれか１種を主成分とするはんだ接合部を有する電子部品に対して、ＺｎおよびＡｌを合計で９０質量％以上含有し、Ｇｅ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｍｇ、およびＰのうちの１種以上を含有し得るＺｎ系はんだ合金を用いてはんだ付けして電子装置を製造する方法であって、該最上層のはんだ接合面の中心線平均粗さが０.６μｍ以下であるか、もしくは該はんだ接合面が厚さ５０ｎｍ以下の酸化物層で覆われているか、または該はんだ接合面の中心線平均粗さが０.６μｍ以下であって且つ該はんだ接合面が厚さ５０ｎｍ以下の酸化物層で覆われていることを特徴とする電子装置の製造方法。

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