JP2014140852A - 接合材料 - Google Patents

Abstract

【課題】収縮による位置ずれを抑制可能な接合材料を提供する。
【解決手段】Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｏ，Ｃｒ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｈのうち１つを主成分とする金属からなる収縮抑制層２と、収縮抑制層２を厚さ方向から挟み込むように設けられ、Ｚｎを主成分とする金属からなるＺｎ層４とＡｌを主成分とする金属からなるＡｌ層５とを有する溶融層３と、収縮抑制層２および溶融層３を厚さ方向から挟み込むように設けられ、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇのうち１つを主成分とする金属からなる酸化抑制層６と、を備えているものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｐｂフリーの接合材料に関するものである。

近年、新興国で家電製品や自動車が急速に普及している。それに伴い、電力の制御に不可欠なパワー半導体の需要が増大している。

パワー半導体パッケージ内部のリードフレームと半導体素子とを接合する接合材料としては、パワー半導体パッケージと基板とをリフロー工程で接合する際に溶融しないものを用いる必要があるため、２６０℃以上の耐熱性を有し、Ｐｂを８５％以上含有する高Ｐｂはんだが一般に用いられている。

しかし、Ｐｂは人体有害性を有すること、環境に負荷を与えることから、電気・電子機器中の有害物の使用を禁止するＲｏＨＳ（Ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｃｅｒｔａｉｎ Ｈａｚａｒｄｏｕｓ Ｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ ｉｎ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ）指令の施行等でＰｂの使用が規制されつつある。

現在、高ＰｂはんだはＲｏＨＳ指令による規制から除外されているものの、将来的に規制対象となる可能性が高いことから、高Ｐｂはんだを代替する接合材料の開発が望まれている。

高Ｐｂはんだを代替する接合材料として、耐熱性が高く低コストなＺｎ−Ａｌ系はんだが知られている。しかし、このＺｎ−Ａｌ系はんだは表面が酸化しやすく濡れを得ることが難しいという問題がある。

そこで、特許文献１では、Ｚｎ−Ａｌ系はんだの濡れ性を向上させるために、Ｚｎ、Ａｌ、Ｚｎの順に積層された構造の接合材料が提案されている。特許文献１の接合材料によれば、表面のＺｎ系層によりＡｌの酸化を抑制し濡れ性を確保することができ、また、はんだとして用いる際にはＺｎとＡｌの反応によって融点が３８２℃であるＺｎ−６ｍａｓｓ％Ａｌ共晶となるため、高耐熱性を実現できる。

また、特許文献２では、ＺｎとＡｌを層状とした構造の最表面に酸化を抑制させる金属を被覆した構造の接合材料が提案されている。特許文献２の接合材料によれば、Ｚｎ，Ａｌの酸化を抑制でき、また特許文献１で必須であった前処理が不要となり、接合信頼性、耐熱性に優れた接合が可能になる。

特開２００８−１２６２７２号公報 特開２０１２−７１３４７号公報

しかしながら、特許文献２の接合材料では、接合時に接合材料を加熱したとき、最表層に酸化を抑制する金属が被覆された状態でＺｎとＡｌの界面から融液となることから、融液が最表層に現れて濡れる前に表面張力により接合材料が収縮し、この収縮により接合材料が位置ずれを起こしてしまうという問題があった。

本発明は上記事情に鑑み為されたものであり、収縮による位置ずれを抑制可能な接合材料を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｏ，Ｃｒ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｈのうち１つを主成分とする金属からなる収縮抑制層と、前記収縮抑制層を厚さ方向から挟み込むように設けられ、Ｚｎを主成分とする金属からなるＺｎ層とＡｌを主成分とする金属からなるＡｌ層とを有する溶融層と、前記収縮抑制層および前記溶融層を厚さ方向から挟み込むように設けられ、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇのうち１つを主成分とする金属からなる酸化抑制層と、を備えた接合材料である。

前記Ａｌ層の厚さが前記Ｚｎ層の厚さの１／３以下であるとよい。

前記溶融層は、前記収縮抑制層側に前記Ｚｎ層、前記酸化抑制層側に前記Ａｌ層を配置してなるとよい。

前記収縮抑制層の厚さが、全体の厚さの１／２００以上１／１０以下であるとよい。

前記酸化抑制層の厚さが、前記溶融層の厚さの１／５００以上１／５０以下であるとよい。

前記収縮抑制層の主成分とする金属の組成が、９０ｍａｓｓ％以上であるとよい。

前記Ａｌ層のＡｌの組成が、９０ｍａｓｓ％以上であるとよい。

前記Ｚｎ層のＺｎの組成が、９０ｍａｓｓ％以上であるとよい。

前記酸化抑制層の主成分とする金属の組成が、９０ｍａｓｓ％以上であるとよい。

本発明によれば、収縮による位置ずれを抑制可能な接合材料を提供できる。

本発明の一実施の形態に係る接合材料の断面図である。 図１の接合材料の溶融時の挙動を説明する図である。 図１の接合材料の溶融時の挙動を説明する図である。 収縮抑制層のない従来の接合材料の溶融時の挙動を説明する図である。 （ａ）〜（ｄ）は、図１の接合材料の製造方法を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本実施の形態に係る接合材料の断面図である。

図１に示すように、接合材料１は、収縮抑制層２と、収縮抑制層２を厚さ方向から挟み込むように設けられる溶融層３と、収縮抑制層２および溶融層３を厚さ方向から挟み込むように設けられる酸化抑制層６と、を備えている。

つまり、接合材料１は、酸化抑制層６、溶融層３、収縮抑制層２、溶融層３、酸化抑制層６を順次積層したクラッド構造となっており、最外層の酸化抑制層６の内部で溶融層３が収縮抑制層２を挟持している構造となっている。

収縮抑制層２は、Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｏ，Ｃｒ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｈのうち１つを主成分とする金属からなる。収縮抑制層２は、溶融層３より融点が高く、かつ、Ｚｎと金属間化合物を形成する金属からなり、溶融時に消失せず収縮を抑制する役割を果たすものである。

収縮抑制層２の主成分とする金属（Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｏ，Ｃｒ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｈのうち１つ）の組成は、９０ｍａｓｓ％以上であるとよい。不純物は融点の上昇を招くためである。

溶融層３は、Ｚｎを主成分とする金属からなるＺｎ層４とＡｌを主成分とする金属からなるＡｌ層５とを有している。溶融層３は、収縮抑制層２側にＺｎ層４、酸化抑制層６側にＡｌ層５を配置してなる。Ｚｎ層４は収縮抑制層２に面しており、Ａｌ層５は酸化抑制層６に面している。

溶融層３におけるＡｌ層５の厚さは、Ｚｎ層４の厚さの１／３以下とされる。換言すれば、溶融層３では、Ａｌ層厚／Ｚｎ層厚の比率が１／３以下とされる。これは、Ａｌ層５の厚さがＺｎ層４の厚さの１／３を超えると、融点の上昇を招いてしまうためである。なお、ここでいうＺｎ層４の厚さ、Ａｌ層５の厚さは、接合材料１全体での合計の厚さであり、収縮抑制層２の表面側と裏面側の各層の厚さの合計値である。

接合材料１を加熱するとＺｎ層４とＡｌ層５の界面から溶融が生じるので、本実施の形態では、より薄いＡｌ層５を外側（酸化抑制層６側）に配置することで、溶融位置をより表層に近くし、接合対象に濡れやすくしている。

Ａｌ層５のＡｌの組成は９０ｍａｓｓ％以上であるとよく、Ｚｎ層４のＺｎの組成は９０ｍａｓｓ％以上であるとよい。不純物は融点の上昇を招くためである。

酸化抑制層６は、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇのうち１つを主成分とする金属からなる。酸化抑制層６の主成分とする金属としてＣｕ，Ａｕ，Ａｇを用いるのは、これらの金属が水素等による還元が行いやすい特性を有しているためである。

酸化抑制層６の主成分とする金属（Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇのうち１つ）の組成は、９０ｍａｓｓ％以上であるとよい。不純物は融点の上昇を招くためである。

収縮抑制層２の厚さは、接合材料１全体の厚さ（全体厚という）の１／２００以上１／１０以下であるとよい。これは、収縮抑制層２の厚さが全体厚の１／１０を超えると、接合材として機能する酸化抑制層６と溶融層３が相対的に薄くなり十分な接合が得られず、１／２００を下回ると接合材料１の収縮を十分に抑制できなくなるためである。

また、酸化抑制層６の厚さは、溶融層３の厚さの１／５００以上１／５０以下であるとよい。これは、酸化抑制層６の厚さが溶融層３の厚さの１／５０を超えると融点の上昇を招いてしまい、１／５００を下回ると保管中や実装時の昇温により消失し、酸化抑制機能を失ってしまうためである。なお、ここでいう酸化抑制層６の厚さ、溶融層３の厚さは、接合材料１全体での合計の厚さであり、収縮抑制層２の表面側と裏面側の各層の厚さの合計値である。

なお、接合材料１が、不純物元素としてＭｎを含む場合、融点低下は僅かしかないにもかかわらず、接合後の接合材料１である接合層の硬さが硬くなり、接合対象となる半導体素子等の割れが発生する要因となる。よって、収縮抑制層２、溶融層３、酸化抑制層６には、不純物元素としてＭｎを含まないことが望ましい。

ただし、接合材料１に、Ｇａ，Ｇｅ，Ｍｇ，Ｓｎ，Ｃｕなどの元素を１０ｍａｓｓ％以下含有する場合は、融点を下げる効果が得られる。この場合、実装に用いても半導体素子等が割れにくくなるため、これらの元素は収縮抑制層２、溶融層３、酸化抑制層６に混入してもよい。

次に、接合材料１の溶融時の挙動について説明する。

図２に示すように、リードフレーム２１上で接合材料１を加熱し、３８２℃以上になると、Ｚｎ層４とＡｌ層５の界面で共晶反応が起き、Ｚｎ−Ａｌ融液２２が発生する。このとき、酸化抑制層６と収縮抑制層２でＺｎ−Ａｌ融液２２が挟持されることとなり、Ｚｎ−Ａｌ融液２２が表面張力により収縮せずに形状が保たれる。

その後、図３に示すように、表層の酸化抑制層６がＺｎ−Ａｌ融液２２に溶け込むことで、酸化が抑制されたＺｎ−Ａｌ融液２２が接合対象のリードフレーム２１に接触し、良好な濡れが得られる。このとき、収縮抑制層２は消失しないので、表面張力によるＺｎ−Ａｌ融液２２の収縮が抑制され、位置ずれが抑制される。

なお、収縮抑制層２が無い従来構造のものでは、溶融したＺｎ−Ａｌ融液２２に表面張力がかかるので、図４に示すように、局所的に濡れた位置から収縮が生じ位置ずれが発生してしまう。

次に、接合材料１の製造方法について説明する。

図５（ａ）に示すように、まず、Ｚｎ層４となるＺｎ条材３１を、収縮抑制層２に用いる金属からなるめっき浴３２に通すことで、Ｚｎ条材３１の表面が収縮抑制層２に用いる金属で覆われた第１の中間材料３３を形成する。

その後、図５（ｂ）に示すように、形成した第１の中間材料３３を２つ重ね合わせて圧延ロール３９間に送り込みクラッド圧延により貼り合わせることで、第２の中間材料３４を形成する。

第２の中間材料３４の表面は、収縮抑制層２に用いる金属で覆われているため、これを除去する必要がある。第２の中間材料３４の表面の金属を除去する方法は、特に限定するものではないが、材料の清浄化を同時に行うことができるブラッシングを採用することが望ましい。これにより、収縮抑制層２となる金属をＺｎ層４となるＺｎ条材３１で挟持した第３の中間材料３５が得られる。

他方で、図５（ｃ）に示すように、酸化抑制層６となる金属条材３６とＡｌ層５となるＡｌ条材３７をクラッド圧延によって貼り合わせることで、第４の中間材料３８を形成する。

その後、図５（ｄ）に示すように、Ａｌ条材３７が第３の中間材料３５側となるように、第３の中間材料３５を第４の中間材料３８で挟み込み、クラッド圧延により貼り合わせると、酸化抑制層６、溶融層３、収縮抑制層２、溶融層３、酸化抑制層６を順次積層した図１の接合材料１が得られる。

なお、ここで説明した接合材料１の製造方法はあくまで一例であり、図１の構造の接合材料１が製造できるのであれば、どのような製造方法を用いてもよく、例えば、クラッド圧延、スパッタリング、めっき、プレス加工等を用いることもできる。また、クラッド圧延の回数は各工程１回に限定するものではなく、圧延ロール３９を通過させる回数を複数回として所望の加工度を得るようにしてもよい。

以上説明したように、本実施の形態に係る接合材料１では、Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｏ，Ｃｒ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｈのうち１つを主成分とする金属からなる収縮抑制層２と、収縮抑制層２を厚さ方向から挟み込むように設けられ、Ｚｎを主成分とする金属からなるＺｎ層４とＡｌを主成分とする金属からなるＡｌ層５とを有する溶融層３と、収縮抑制層２および溶融層３を厚さ方向から挟み込むように設けられ、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇのうち１つを主成分とする金属からなる酸化抑制層６と、を備えている。

収縮抑制層２を備えることで、加熱時に溶融層３が溶融した融液（あるいは溶融層３に酸化抑制層６が溶け込んだ融液）を表面張力で収縮させることなく収縮抑制層２で保持することが可能となり、収縮による位置ずれを抑制することが可能になる。

本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

例えば、上記実施の形態では、接合時に収縮抑制層２を残存させる場合を説明したが、良好な接続が得られた後（例えばリードフレーム上に接合材料１を介して半導体素子を配置し十分な濡れが得られた後）は、接合材料１を加熱する時間を長くしたり温度を上げたりすることで、収縮抑制層２を消失させてもよい。

表１に示す材質、厚さで各層を形成し、実施例１〜２１、比較例１〜６の接合材料を作製した。なお、表１におけるＺｎ層４の厚さ（Ｚｎ層厚）、Ａｌ層５の厚さ（Ａｌ層厚）、および酸化抑制層６の厚さは、接合材料全体での合計の厚さであり、収縮抑制層２の表面側と裏面側の各層の厚さの合計値である。

実施例１〜２１では、Ｚｎ条材３１をめっき浴３２に通すことで第１の中間材料３３を得て、面積の減少の割合を示す加工度が８０％になるようにクラッド圧延を施して第２の中間材料３４を形成し、ブラッシングにより表面の金属（収縮抑制層２に用いる金属）を除去して第３の中間材料３５を形成した。また、酸化抑制層６となる金属条材３６とＡｌ条材３７を加工度８０％になるようにクラッド圧延を施して第４の中間材料３８を得た。その後、第３の中間材料３５を第４の中間材料３８で挟み込んで、全体厚が１００μｍとなるようにクラッド圧延を施して図１の接合材料１を得た。

比較例２〜５では、各層の厚さを異ならせて実施例１〜２１と同様に接合材料を作製した。比較例１では、収縮抑制層２を省略した他は実施例１〜２１と同様に接合材料を作製した。

作製した実施例１〜２１、比較例１〜６の接合材料について、収縮性、濡れ性、および接合性の評価を行った。

これらの評価を行う際には、リードフレーム（Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｕ基板）２１の中心部へ５ｍｍ角の箔状の接合材料を配置し、溶融させたときの挙動を調べた。リードフレーム２１の温度は４００℃、雰囲気はＮ₂＋４％Ｈ₂とし、酸素濃度は１００ｐｐｍとした。

収縮性の評価では、溶融時に溶融前の面積の８０％以上を保った場合を○、８０％未満になった場合を×とした。

濡れ性の評価では、リードフレーム２１上に接合材料が濡れ広がった場合を○、濡れ広がらなかった場合を×とした。

接合性の評価では、接合材料を溶融させた状態で、リードフレーム２１の中央部に半導体チップ（Ｓｉ／Ｎｉ）を載置して１分間保持し、室温まで冷却した後、超音波探傷装置により接合層のボイド率を確認した。ボイド率が１０％未満の場合を○、１０％以上の場合を×とした。評価結果を表２にまとめて示す。

表２に示すように、収縮抑制層２の厚さを全体厚の１／２００〜１／１０とし、Ａｌ層厚／Ｚｎ層厚の比率を１／３以下とし、酸化抑制層６の厚さを溶融層３の厚さの１／５００以上１／５０以下とした実施例１〜２１の接合材料１では、収縮性、濡れ性、接合性の評価が全て良好であった。

これに対して、比較例１〜６の接合材料では、収縮性、濡れ性、接合性の評価において、いずれかの項目で×となった。

比較例１の接合材料では、濡れ性は良好であったものの、収縮抑制層２が無いために収縮が発生し、位置ずれが発生した。この状態でリードフレーム２１の中央部に半導体チップを置いたため、半導体チップへの濡れに偏りが生じ接合性の評価も×となった。なお、比較例１において、収縮した接合材料の中心に半導体チップを配置した場合には良好な接合性が得られた。

比較例２の接合材料では、収縮抑制層２の厚さが全体厚の１／５００と薄いため、収縮の抑制機能が不足し接合材料が収縮し、位置ずれも発生した。よって、比較例１と同様の理由で接合性の評価も×となった。

比較例３の接合材料では、収縮抑制層２の厚さが全体厚の１／３と厚いため、接合材として機能する酸化抑制層６と溶融層３が相対的に薄くなり、接合時に溶融する層の厚さが薄くなった。このため、凝固の際にクラックが入り、接合性評価は×となった。

比較例４の接合材料では、Ａｌ層厚／Ｚｎ層厚の比率が１／２と大きいため、溶融層３におけるＡｌの組成が大きくなって融点が向上し、溶融が生じなかった。そのため、濡れ性と接合性の評価が×となった。

比較例５は、酸化抑制層６の厚さが溶融層３の厚さの１／２０と厚いために、Ｚｎ−Ａｌ融液２２より高融点である酸化抑制層６の金属の組成の割合が大きくなり、融点が上昇して溶融しなかった。そのため、濡れ性と接合性の評価が×となった。

比較例６は、酸化抑制層６の厚さが溶融層３の厚さの１／９００と薄いために、昇温中に酸化抑制層６が拡散により消失し、酸化が進行した。そのため、濡れ性と接合性の評価が×となった。

以上より、収縮抑制層２の厚さを全体厚の１／２００〜１／１０とし、Ａｌ層厚／Ｚｎ層厚の比率を１／３以下とし、酸化抑制層６の厚さを溶融層３の厚さの１／５００以上１／５０以下とすることで、収縮性、濡れ性、接合性に優れた接合材料１が得られることが分かる。

１ 接合材料
２ 収縮抑制層
３ 溶融層
４ Ｚｎ層
５ Ａｌ層
６ 酸化抑制層

Claims (9)

1. Ｃｕ，Ｎｉ，Ａｕ，Ａｇ，Ｃｏ，Ｃｒ，Ｐｄ，Ｐｔ，Ｒｈのうち１つを主成分とする金属からなる収縮抑制層と、
   前記収縮抑制層を厚さ方向から挟み込むように設けられ、Ｚｎを主成分とする金属からなるＺｎ層とＡｌを主成分とする金属からなるＡｌ層とを有する溶融層と、
   前記収縮抑制層および前記溶融層を厚さ方向から挟み込むように設けられ、Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇのうち１つを主成分とする金属からなる酸化抑制層と、
   を備えたことを特徴とする接合材料。
2. 前記Ａｌ層の厚さが前記Ｚｎ層の厚さの１／３以下である
   請求項１記載の接合材料。
3. 前記溶融層は、前記収縮抑制層側に前記Ｚｎ層、前記酸化抑制層側に前記Ａｌ層を配置してなる
   請求項１または２記載の接合材料。
4. 前記収縮抑制層の厚さが、全体の厚さの１／２００以上１／１０以下である
   請求項１〜３いずれかに記載の接合材料。
5. 前記酸化抑制層の厚さが、前記溶融層の厚さの１／５００以上１／５０以下である
   請求項１〜４いずれかに記載の接合材料。
6. 前記収縮抑制層の主成分とする金属の組成が、９０ｍａｓｓ％以上である
   請求項１〜５いずれかに記載の接合材料。
7. 前記Ａｌ層のＡｌの組成が、９０ｍａｓｓ％以上である
   請求項１〜６いずれかに記載の接合材料。
8. 前記Ｚｎ層のＺｎの組成が、９０ｍａｓｓ％以上である
   請求項１〜７いずれかに記載の接合材料。
9. 前記酸化抑制層の主成分とする金属の組成が、９０ｍａｓｓ％以上である
   請求項１〜８いずれかに記載の接合材料。