JP2015042409A - CLAD MATERIAL OF Pb-FREE-Zn-Al ALLOY SOLDER AND METAL BASE MATERIAL, AND MANUFACTURING METHOD THEREOF - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、パワーデバイスなどの高信頼性が要求される半導体チップと基板の接合において、チップと基板の間に使用されるはんだがクラッドされた金属を母材とするクラッド材およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a clad material made of a metal clad with solder used between a chip and a substrate, and a method for manufacturing the same, in joining a semiconductor chip and a substrate that require high reliability such as a power device. .
現在、半導体装置はいろいろな機能を持たせたり、処理速度を上げたりなど高機能化が進んでいる。このため、1個の半導体素子当たりに要求される機能が増大する傾向にある。取扱いし易くしたり、省力化などのために小型化が進むとともに、前述のような高性能化の要求から半導体素子が大型化する傾向もあり、二極化が進んでいる。このため、半導体素子の大型化に伴って、1個の素子に流れる電流はますます大きくなってきており、数１０Ａ／個の大電流を流すことは普通になってきている。１個の半導体素子に流れる電流が増大すれば、当然、半導体素子の発熱量が多くなり放熱性の問題がより重要になってくる。 Currently, semiconductor devices are becoming more sophisticated with various functions and increased processing speed. For this reason, functions required per semiconductor element tend to increase. The miniaturization is progressing for easy handling and labor saving, and there is a tendency for the semiconductor element to be enlarged due to the demand for high performance as described above. For this reason, with the increase in the size of semiconductor elements, the current flowing through one element has become larger and it has become common to pass a large current of several tens of A / piece. If the current flowing through one semiconductor element increases, naturally the amount of heat generated by the semiconductor element increases, and the problem of heat dissipation becomes more important.
つまり、半導体素子から発生する熱を逃がすことができないと半導体素子とその周辺温度が上がりすぎてしまい、半導体素子が壊れたり、周囲のモールド樹脂や電極部等が破壊されてしまう。一般的に、この熱の大部分は半導体素子を接合しているはんだを通して基板へと放熱される。このため、はんだ材料の放熱性能が半導体素子に流せる最大電流を決める重要な要因になっており、当然、放熱性の良いはんだ材料が求められている。 That is, if the heat generated from the semiconductor element cannot be released, the temperature of the semiconductor element and its surroundings will rise too much, and the semiconductor element will be broken, and the surrounding mold resin, electrode part, etc. will be destroyed. Generally, most of this heat is dissipated to the substrate through the solder joining the semiconductor elements. For this reason, the heat dissipation performance of the solder material is an important factor for determining the maximum current that can be passed through the semiconductor element, and naturally, a solder material with good heat dissipation is required.
はんだに要求される特性として、放熱性と同様に重要視されることとして応力緩和性がある。つまり、半導体素子に流れる電流は一般的に断続的であり、このため、半導体素子やその周辺は温度が上がったり下がったりすることを繰り返す。この加熱、冷却によって、半導体素子、はんだ、半導体素子を接合している基板等は膨張、収縮を繰り返す。そして、例えば半導体素子と基板として使用されるＣｕの熱膨張係数は約５倍も異なる。このため、この熱膨張・収縮によって発生する応力をはんだで吸収する必要があり、半導体素子に流れる電流が増大しつつある現在の状況において、さらに熱応力の緩和性が大きいはんだが要求されるようになってきているのである。 As a characteristic required for solder, stress relaxation is important as well as heat dissipation. That is, the current flowing through the semiconductor element is generally intermittent, and therefore, the temperature of the semiconductor element and its surroundings repeatedly increases and decreases. By this heating and cooling, the semiconductor element, solder, the substrate to which the semiconductor element is bonded, and the like repeatedly expand and contract. For example, the thermal expansion coefficient of Cu used as a semiconductor element and a substrate differs by about 5 times. For this reason, it is necessary to absorb the stress generated by the thermal expansion / contraction with the solder, and in the current situation where the current flowing through the semiconductor element is increasing, a solder having a higher thermal stress relaxation property is required. It is becoming.
以上より、半導体素子に流れる電流の増大に伴い、はんだへの要求事項として、より一層良好な放熱性と優れた応力緩和性が要求されるようになっている。 As described above, with the increase in the current flowing through the semiconductor element, as a requirement for the solder, much better heat dissipation and excellent stress relaxation properties are required.
ところで、放熱性に優れる材料としてはＺｎを主成分とするはんだ材料が挙げられる。例えば、特許文献１として示す特開平１１−２８８９５５号公報には、Ａｌを１〜９重量％含み、Ｇｅを０．０５〜１重量％含み、または／及び、Ｍｇを０．０１〜０．５重量％含み、残部がＺｎおよび不可避不純物からなる高温はんだ付用Ｚｎ合金が開示されている。 By the way, as a material excellent in heat dissipation, a solder material mainly composed of Zn can be cited. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 11-288955 shown as Patent Document 1 includes 1 to 9% by weight of Al, 0.05 to 1% by weight of Ge, and / or 0.01 to 0.5% of Mg. A Zn alloy for high-temperature soldering is disclosed that contains wt% and the balance consisting of Zn and inevitable impurities.
また、特許文献２として示す特開２００４−３５８５４０号公報には、Ｇｅを２〜９重量％、Ａｌを２〜９重量％、Ｐを０．００１〜０．５重量％、残部がＺｎおよび不可避不純物からなる高温ろう材や、Ｇｅを２〜９重量％、Ａｌを２〜９重量％、Ｍｇを０．０１〜０．５重量％Ｐを０．００１〜０．５重量％、残部がＺｎおよび不可避不純物からなる高温ろう材が開示されている。 Japanese Patent Laid-Open No. 2004-358540 shown as Patent Document 2 discloses that Ge is 2 to 9% by weight, Al is 2 to 9% by weight, P is 0.001 to 0.5% by weight, and the balance is Zn and inevitable. High-temperature brazing material composed of impurities, Ge is 2 to 9 wt%, Al is 2 to 9 wt%, Mg is 0.01 to 0.5 wt%, P is 0.001 to 0.5 wt%, and the balance is Zn And a high temperature brazing material composed of inevitable impurities.
また、特許文献３として示す特開２０１１−２５１３３２号公報には、平均粒径１μｍ以上１００μｍ以下のＡｌ粉に対して被覆処理を施さないか、あるいはその少なくとも一部に対してＡｕ、Ａｇ、Ｎｉ、及びＣｕからなる群の１種以上を用いて厚み１μｍ以下の皮膜を形成する被覆処理を施すことによって得た金属粉と、Ｚｎを主成分としＡｌを第２元素とする２元合金からなるＺｎ合金はんだ粉と、フラックスとを有する高温Ｐｂフリーはんだペーストであって、金属粉とＺｎ合金はんだ粉との合計を１００質量％としたとき、金属粉が３質量％以上４０質量％以下であることを特徴とする高温Ｐｂフリーはんだペーストが開示されている。 Japanese Patent Laid-Open No. 2011-251332 shown as Patent Document 3 discloses that Al powder having an average particle diameter of 1 μm or more and 100 μm or less is not coated, or at least a part thereof is Au, Ag, Ni. And a metal powder obtained by applying a coating treatment to form a film having a thickness of 1 μm or less using one or more of the group consisting of Cu, and a binary alloy containing Zn as a main component and Al as a second element A high-temperature Pb-free solder paste having a Zn alloy solder powder and a flux, and when the total of the metal powder and the Zn alloy solder powder is 100% by mass, the metal powder is 3% by mass or more and 40% by mass or less. A high-temperature Pb-free solder paste characterized in that is disclosed.
また、特許文献４として示す特開２０１３−３０６０７号公報には、半導体素子と、少なくとも表面の主元素をＣｕとする基板と、前記半導体素子より小さな形状のＺｎＡｌ共晶はんだチップと、をそれぞれ準備する工程と、前記半導体素子と前記基板とをそれぞれの接合面が対向するように配置して、これら基板と半導体素子との間に前記ＺｎＡｌ共晶はんだチップを挟む工程と、前記基板と前記半導体素子との間に挟んだ前記ＺｎＡｌ共晶はんだチップに荷重をかけながら昇温して、前記ＺｎＡｌ共晶はんだチップを融解させてＺｎＡｌはんだ層を形成する工程と、前記ＺｎＡｌはんだ層に荷重をかけながら降温する工程と、を備える半導体装置の製造方法が開示されている。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-30607 shown as Patent Document 4 prepares a semiconductor element, a substrate having at least a main element on the surface as Cu, and a ZnAl eutectic solder chip having a shape smaller than that of the semiconductor element. Disposing the semiconductor element and the substrate so that their joint surfaces face each other, and sandwiching the ZnAl eutectic solder chip between the substrate and the semiconductor element; and the substrate and the semiconductor Heating the ZnAl eutectic solder chip sandwiched between the elements while applying a load to melt the ZnAl eutectic solder chip to form a ZnAl solder layer; and applying a load to the ZnAl solder layer In addition, a method for manufacturing a semiconductor device is disclosed.
一方、応力緩和性を解決するための手段としては、チップとＣｕ基板の間にセラミックスのＤＢＣ基板を用いる方法がある。特にモジュールなどの半導体素子の大きな製品によく適用されている。例えば特許文献５〜７には様々な改良されたＤＢＣ基板の技術が記載されている。 On the other hand, as a means for solving the stress relaxation property, there is a method of using a ceramic DBC substrate between a chip and a Cu substrate. In particular, it is often applied to products with large semiconductor elements such as modules. For example, Patent Documents 5 to 7 describe various improved DBC substrate technologies.
特許文献５として示す特開平６−９００８３号公報には、セラミックス基板の表面に金属銅の薄膜を形成した後、前記金属銅の薄膜の上に酸化銅を介して銅板を載置して加熱することにより、銅板とセラミックス基板を充分な結合強度で接合する、という技術が開示されている。 In JP-A-6-90083 shown as Patent Document 5, after forming a thin film of metallic copper on the surface of a ceramic substrate, a copper plate is placed on the thin film of metallic copper via copper oxide and heated. Thus, a technique of bonding a copper plate and a ceramic substrate with sufficient bond strength is disclosed.
また、特許文献６として示す特開平１１−１７０８１号公報には、セラミックス板と、このセラミックス板の一方の表面に貼られた銅板と、他方の表面に貼られた銅回路とにより構成されたＤＢＣ基板と、金属ベースとの間に上記セラミックス板の熱線膨張率に近い熱線膨張率の金属熱緩衝板を設けた電力用半導体モジュールが開示されている。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-17081 shown as Patent Document 6 discloses a DBC composed of a ceramic plate, a copper plate attached to one surface of the ceramic plate, and a copper circuit attached to the other surface. There is disclosed a power semiconductor module in which a metal thermal buffer plate having a thermal linear expansion coefficient close to the thermal linear expansion coefficient of the ceramic plate is provided between a substrate and a metal base.
また、特許文献７として示す特許第４３０１６１７号公報には、半導体基板等に使用されるＤＢＣ回路基板用窒化アルミニウム焼結体の製造方法およびＤＢＣ回路基板の製造方法に係り、特に窒化アルミニウム特有の高熱伝導性を損うことなく、強度ならびに破壊靭性値を共に大幅に改善し、放熱性に優れたＤＢＣ回路基板用窒化アルミニウム焼結体の製造方法およびＤＢＣ回路基板の製造方法が開示されている。 Japanese Patent No. 4301617 as Patent Document 7 relates to a method for manufacturing an aluminum nitride sintered body for a DBC circuit board used for a semiconductor substrate or the like and a method for manufacturing a DBC circuit board, and particularly high heat characteristic of aluminum nitride. A method for producing an aluminum nitride sintered body for a DBC circuit board and a method for producing a DBC circuit board, both of which greatly improve both the strength and fracture toughness value without impairing the conductivity and are excellent in heat dissipation, are disclosed.
上記のようなＤＢＣ基板を用いた技術がある一方でクラッド材で接合する技術がある。
例えば特許文献８として示す特開２００１−２５２７７２号公報には、軽量性と伝熱性を兼ね備え、例えば熱交換器、放熱器およびヒートパイプ等の材料として好適に用いられるアルミニウム−銅クラッド材およびその製造方法に関するクラッド技術が開示されている。
While there is a technique using the DBC substrate as described above, there is a technique for joining with a clad material.
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-252772 shown as Patent Document 8 has an aluminum-copper clad material that has both lightness and heat conductivity, and is preferably used as a material for heat exchangers, radiators, heat pipes, and the like, and production thereof. A cladding technique for the method is disclosed.
また、クラッド技術とはんだ技術を合わせた技術もある。
例えば特許文献９として示す特開２００９−１４２８９０号公報には、内層と表面層とを備える積層はんだ材であって、内層は、Ｚｎ単独または５０質量％以上のＺｎを含み、残部がＳｎおよび不可避不純物からなるＺｎ基合金により構成され、表面層は、Ｓｎ単独または５０質量％以上のＳｎを含み、残部がＺｎおよび不可避不純物からなるＳｎ基合金により構成されることを特徴とする積層はんだ材が開示されている。またこの積層はんだ材の 表面層は、クラッド工法により形成される層である、とも述べられている。
There is also a technology that combines cladding and soldering technologies.
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-142890 shown as Patent Document 9 discloses a laminated solder material including an inner layer and a surface layer, and the inner layer contains Zn alone or 50% by mass or more of Zn, with the remainder being Sn and inevitable. A multilayer solder material comprising: a Zn-based alloy composed of impurities; and a surface layer comprising Sn alone or 50% by mass or more of Sn, the balance being composed of a Sn-based alloy composed of Zn and inevitable impurities. It is disclosed. It is also stated that the surface layer of this laminated solder material is a layer formed by a clad method.
上記したように、大電流を流す半導体素子を接合するにあたり、様々な技術が開示されている。しかし、このような技術に関して、各々次のような問題がある。 As described above, various techniques have been disclosed for joining semiconductor elements through which a large current flows. However, each of these techniques has the following problems.
特許文献１や特許文献２に示されるものは、高温はんだ付用Ｚｎ合金は熱伝導性に優れるＺｎを主成分としているため、放熱性は非常に優れると考えられる（１００℃におけるＺｎの熱伝導率は１１２Ｗ／（ｍ・Ｋ）、Ａｌの熱伝導率は２４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）。なおＰｂの同じ温度における熱伝導率は３４Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。）。しかし、Ｚｎ−Ａｌ系合金は共晶合金とは言っても硬い材料であり、引張強度は低くても８０〜１００ＭＰａ以上ある。従って、大きなＳｉチップの接合用に使用したり、接合体が高温になったりすると十分に応力緩和ができず、チップ割れを発生したり基板にクラックが入ってしまうなどの不具合を発生する可能性が高くなる。 As shown in Patent Document 1 and Patent Document 2, the high temperature soldering Zn alloy is mainly composed of Zn, which is excellent in thermal conductivity, and therefore it is considered that the heat dissipation is very excellent (the thermal conductivity of Zn at 100 ° C.). The rate is 112 W / (m · K), the thermal conductivity of Al is 240 W / (m · K), and the thermal conductivity of Pb at the same temperature is 34 W / (m · K). However, the Zn—Al-based alloy is a hard material even if it is an eutectic alloy, and has a tensile strength of 80 to 100 MPa or more. Therefore, it can be used for joining large Si chips, or if the joined body becomes high temperature, the stress cannot be sufficiently relaxed, and there is a possibility of causing problems such as chip cracks and cracks in the substrate. Becomes higher.
特許文献３に示されるものは、Ｚｎを主成分としＡｌを第２元素とする２元合金からなるＺｎ合金はんだ粉を用いた高温Ｐｂフリーはんだペーストであるが、このはんだ粉がＺｎ−Ａｌ系合金であることから、やはり上記特許文献１や特許文献２と同様に厳しい条件で使用した場合、硬くて十分な応力緩和をできず不具合を発生する可能性が高い。さらにペーストという形態をとっているため、ワイヤやシートなどの成形はんだに比べてフラックスが存在するためボイドが発生し易く、クラック発生の原因になる。 Patent Document 3 shows a high-temperature Pb-free solder paste using a Zn alloy solder powder made of a binary alloy containing Zn as a main component and Al as a second element. Since it is an alloy, when it is used under severe conditions as in the case of Patent Document 1 and Patent Document 2 described above, it is hard and sufficient stress cannot be relaxed, so there is a high possibility that a failure will occur. Furthermore, since it is in the form of paste, voids are likely to occur due to the presence of flux as compared with molded solder such as wires and sheets, causing cracks.
特許文献４に示されるものは、ＺｎＡｌ共晶はんだを用いた半導体装置の製造方法であるが、この技術に関してもＺｎＡｌ共晶はんだが使用されているため、例えば１５０℃を超えるような温度で使用される場合などは十分な応力緩和性を持っているとは言い難い。 The method disclosed in Patent Document 4 is a method of manufacturing a semiconductor device using ZnAl eutectic solder. However, since ZnAl eutectic solder is also used in this technique, it is used at a temperature exceeding 150 ° C., for example. It is difficult to say that it has sufficient stress relaxation properties.
特許文献５に示されるものは、基板表面の酸化物とＣｕＯの共融相を介して接着する方法において、処理条件のコントロールが難しくしかも接着強度の点でやや信頼性に欠ける欠点を解決しようとするものである。しかし、スパッタリング法、化学銅めっき法あるいは真空蒸着法によって形成された金属被膜層が、どのようなメカニズムでセラミック基板と十分な結合強度が得られるか説明されていない。すなわち、銅基板とセラミックスを直接接合しても同じ銅であれば、薄くても厚くても界面で起きる反応は同じであり、よって得られる接合強度（結合強度）も同じあると考えられる。さらにセラミックスの上に金属銅の薄膜を形成してこの銅薄膜を銅基板を接合した場合、どうような方法でも熱力学的に表面に酸化銅が生成されてしまうのは避けられないわけであるから、直接セラミックスと銅基板を接合する場合に比較して銅酸化膜を介しての接合となり、その分だけ接合強度は低下することは自明である。よって、実用性には乏しい技術であり、さらに銅薄膜をわざわざ形成することによってコストが上がってしまい、デメリットが大きいと考えられる。 The method disclosed in Patent Document 5 intends to solve the defect that it is difficult to control the processing conditions and is somewhat unreliable in terms of adhesive strength in the method of bonding via the eutectic phase of oxide and CuO on the substrate surface. To do. However, it is not described how the metal coating layer formed by sputtering, chemical copper plating, or vacuum deposition can obtain sufficient bond strength with the ceramic substrate. That is, even if the copper substrate and the ceramic are directly bonded, the reaction occurring at the interface is the same regardless of whether the copper is thin or thick, and thus the obtained bonding strength (bonding strength) is considered to be the same. Furthermore, when a thin film of copper metal is formed on ceramics and this copper thin film is bonded to a copper substrate, it is inevitable that copper oxide will be generated thermodynamically on the surface by any method. Therefore, it is obvious that the bonding is performed via the copper oxide film as compared with the case where the ceramic and the copper substrate are directly bonded, and the bonding strength is reduced accordingly. Therefore, it is a technique that is poor in practicality, and it is considered that the cost increases by bothering the formation of the copper thin film, and the demerit is great.
特許文献６に示されるものは、以下のような課題があると考えられる。すなわち、材料同士の接合強度等はその材料によって決定されが、熱緩衝板の材料がＴｉにしか指定されておらず、よってＴｉ以外の材料では、本当にこの発明の効果が発揮されるか定かではなく、よって不明瞭な技術であり、Ｔｉ以外を実際に使用しようと考えた場合、実施不可能な技術であると言える。特許文献２において請求項２では緩衝材がＴｉである電力用半導体モジュールが記載されているが、Ｔｉは融点が高く、どのようなはんだや接合材を用いても合金化しづらく、よって接合しづらい金属である。すなわち、一般的な表現をすれば、Ｔｉは濡れ性が悪く、はんだ等の接合材をはじいてしまい、接合できなかったり、仮に接合できたとしても接合強度が低く、通常求められる信頼性を得ることは不可能性である。しかも、緩衝材を用いることによって製造コストが上がってしまい、加えて、緩衝材に高価なＴｉを用いてはさらにコストが上がってしまい、汎用品に使用できる技術ではなくなってしまうことは明らかである。 The thing shown by patent document 6 is considered to have the following subjects. That is, the bonding strength between the materials is determined by the material, but the material of the thermal buffer plate is specified only to Ti, and therefore it is unclear whether the effect of the present invention is really exhibited with materials other than Ti. Therefore, it is an unclear technique, and it can be said that it is an infeasible technique when it is actually intended to use other than Ti. In Patent Document 2, claim 2 describes a power semiconductor module in which the buffer material is Ti. However, Ti has a high melting point, and it is difficult to form an alloy using any solder or bonding material, so that bonding is difficult. It is a metal. In other words, in general terms, Ti has poor wettability and repels a joining material such as solder, and even if it cannot be joined or can be joined, the joining strength is low, and usually required reliability is obtained. It is impossible. Moreover, it is clear that the use of a cushioning material increases the manufacturing cost. In addition, if expensive Ti is used for the cushioning material, the cost is further increased, and the technology cannot be used for general-purpose products. .
特許文献７に示されるものは以下のような課題があると考えられる。すなわち、このような優れたＤＢＣ回路基板を製造するために、窒化アルミニウム原料粉末に、周期律表IIIa族元素，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａから選択される少なくとも１種の元素の酸化物を１〜１０重量％と、炭化ボロンを０．２〜２．０重量％と、ＳｉＯ2，Ｓｉ3Ｎ4，ＳｉＣ，Ｓｉ2Ｎ2Ｏ，β−サイアロン，α−サイアロンおよびポリタイプの窒化アルミニウム（Ａｌ−Ｓｉ−Ｏ−Ｎ）から選択された少なくとも１種のけい素化合物をＳｉ成分換算で０．２重量％以下と、ＨｆおよびＺｒの少なくとも１種を酸化物換算で０．１〜２重量％とを添加した混合粉末を成形する工程と、得られた成形体を非酸化性雰囲気中で１６５０〜１９００℃の温度域で焼結し、得られた焼結体を酸化熱処理することにより焼結体表面に均一な酸化膜を形成する、と記載されている。そして、これによってＡｌＮ焼結体は、熱伝導率が１３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であり、また３点曲げ強度が４５０ＭＰａであり、破壊靭性値が３．０ＭＰａ・ｍ1/2以上となり、非常に良好な特性が得られるわけだが、ＤＢＣ基板はこれらの特性だけ優れればよいわけではない。すなわち、銅板やはんだ材料と良好な接合ができなければならない意味をなさないわけだが、本特許文献３にはこの接合性に関して全く触れられていない。ＣａやＢａなどは非常に酸化し易い元素であり、これらの元素の酸化物が１〜１０重量％も含まれると接合面が安定した酸化物を多く含んでいることになり、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕなどの接合面と合金化しづらく、十分な接合強度が得られないと考えられる。さらにこのような複雑な多元型材料において結晶粒制御は容易ではないはずであるが、詳しい結晶粒制御条件について触れられておらず、現実的に実施できる技術とは考えづらい。 What is shown in Patent Document 7 is considered to have the following problems. That is, in order to manufacture such an excellent DBC circuit board, an oxide of at least one element selected from Group IIIa elements of the periodic table, Ca, Sr, and Ba is added to the aluminum nitride raw material powder in an amount of 1-10. Wt%, boron carbide 0.2-2.0 wt%, SiO 2 , Si 3 N 4 , SiC, Si 2 N 2 O, β-sialon, α-sialon and polytype aluminum nitride (Al— At least one silicon compound selected from Si—O—N) is 0.2 wt% or less in terms of Si component, and at least one of Hf and Zr is 0.1 to 2 wt% in terms of oxide. And then sintering the obtained molded body in a temperature range of 1650 to 1900 ° C. in a non-oxidizing atmosphere and subjecting the resulting sintered body to an oxidative heat treatment. Form a uniform oxide film on the surface That has been described as. As a result, the AlN sintered body has a thermal conductivity of 130 W / m · K or more, a three-point bending strength of 450 MPa, and a fracture toughness value of 3.0 MPa · m 1/2 or more. Although good characteristics can be obtained, the DBC substrate is not limited only by these characteristics. That is, it does not make sense that it should be possible to perform good bonding with a copper plate or a solder material, but this patent document 3 does not mention this bonding property at all. Ca, Ba, and the like are very easily oxidizable elements. When 1 to 10% by weight of oxides of these elements are contained, the joint surface contains a large amount of stable oxides. Cu, Ni, It is difficult to alloy with a joint surface such as Ag or Au, and it is considered that sufficient joint strength cannot be obtained. Furthermore, crystal grain control should not be easy in such a complex multi-element material, but detailed crystal grain control conditions are not mentioned and it is difficult to think of a technique that can be practically implemented.
特許文献８に示されるものは、 アルミニウム系部材と銅系部材とが純アルミニウムまたはＪＩＳ１０００系アルミニウム合金からなるインサート材を介してクラッドされている。このような技術は、銅単体、またはアルミニウム単体では実現できない材料を提供可能としており、具体的には、銅系材料の優れた伝熱性および耐食性とアルミニウム系材料の軽量性とを加味し、これら異種金属のクラッド材の採用により、重量増加を銅系材料以下に抑えつつ、アルミニウムを超えた伝熱性能を有する熱交換器などに適した材料を実現している。しかし、特許文献４は大電流が流れる半導体素子の接合用のクラッド材を目的としたものではなく、応力緩和性に対する考慮はない。 In Patent Document 8, an aluminum-based member and a copper-based member are clad via an insert material made of pure aluminum or a JIS 1000-based aluminum alloy. Such technology makes it possible to provide materials that cannot be realized with copper alone or aluminum alone. Specifically, these materials take into account the excellent heat transfer and corrosion resistance of copper-based materials and the lightness of aluminum-based materials. By adopting a dissimilar metal clad material, a material suitable for a heat exchanger having heat transfer performance exceeding that of aluminum is realized while suppressing an increase in weight to less than that of a copper-based material. However, Patent Document 4 does not aim at a clad material for joining semiconductor elements in which a large current flows, and does not consider stress relaxation.
特許文献９に示されるはんだ材は固相線温度が１９９℃であるＺｎ−Ｓｎ系合金を基本としており、本発明が目的とするような大電流が流れる半導体素子の接合用としては不向きである。
すなわち、現在、特許文献８、９に示されるようなクラッド技術はあるものの、大電流を流すことを前提とした半導体素子を接合するのに適したクラッド材は存在しない。
The solder material shown in Patent Document 9 is based on a Zn—Sn alloy having a solidus temperature of 199 ° C., and is unsuitable for joining semiconductor elements through which a large current flows as intended by the present invention. .
That is, at present, although there is a clad technique as disclosed in Patent Documents 8 and 9, there is no clad material suitable for joining semiconductor elements on the premise that a large current flows.
以上、述べたように、半導体素子や基板等の接合に際しては、高い放熱性が必要であり、従って、はんだ材料で接合する場合などは優れた応力緩和性も求められ、各種改善が試みられているものの、解決すべき課題が残されている。 As described above, high heat dissipation is required when bonding semiconductor elements, substrates, etc., and therefore, excellent stress relaxation properties are required when bonding with solder materials, and various improvements have been attempted. However, there are still problems to be solved.
そこで本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは特にパワーデバイスなどの高信頼性が要求される半導体素子と基板の接合において、高い接合強度を有し、応力緩和性に優れ、かつ熱伝導性等にすぐれたクラッド材とその製造方法を提供することである。 Therefore, the present invention has been made to solve the above-described problems, and the object of the present invention is to have high bonding strength particularly in bonding between a semiconductor element such as a power device and a substrate that requires high reliability. Another object of the present invention is to provide a clad material having excellent stress relaxation properties and excellent thermal conductivity and a method for producing the same.
上記目的を達成するため、本発明によるクラッド材は、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系合金はんだと金属母材によって構成され、前記金属母材はＮｉ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金、またはＦｅ−Ｎｉ系合金のいずれかであることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a clad material according to the present invention is composed of a Pb-free Zn—Al-based alloy solder and a metal base material, and the metal base material is Ni, Fe—Ni—Co based alloy, or Fe—Ni based. It is one of alloys.
また、本発明においては前記ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系合金はんだの組成が、Ａｌを０．９質量％以上９．０質量％以下含有し、Ａｇ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｓｎ、およびＰのうちの１種以上を含有していてもよく、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｓｎを含有する場合は各２．０質量％以下、Ｇｅを含有する場合は６．０質量％以下、Ｐを含有する場合は０．５質量％以下であり、残部が製造上不可避に含まれる元素を除きＺｎから構成されることが好ましい。 In the present invention, the composition of the Pb-free Zn—Al-based alloy solder contains Al in a range of 0.9 mass% to 9.0 mass%, and includes Ag, Cu, Ge, Mg, Sn, and P. In the case of containing Ag, Cu, Mg, or Sn, each containing 2.0% by mass or less, and in the case of containing Ge, 6.0% by mass or less, and containing P Is 0.5 mass% or less, and the balance is preferably composed of Zn except for elements inevitably included in production.
一方、本発明のクラッド材の製造方法は、表面粗さがともに０．１μｍ以上であるＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系合金はんだと金属母材を用いてクラッディングし、前記金属母材はＮｉ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金、またはＦｅ−Ｎｉ系合金のいずれかであることを特徴とする。 On the other hand, the cladding material manufacturing method of the present invention is clad using a Pb-free Zn—Al alloy solder having a surface roughness of 0.1 μm or more and a metal base material, and the metal base materials are Ni, Fe. -Ni-Co alloy or Fe-Ni alloy.
また、本発明においては２００℃未満の温度で熱処理を施すことにより残留応力を低減することが好ましい。 In the present invention, it is preferable to reduce the residual stress by performing a heat treatment at a temperature of less than 200 ° C.
本発明によれば、十分な濡れ性と高い接合強度を有し、さらに熱伝導性や応力緩和性に優れ、よって高い信頼性を有するＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系合金はんだと金属を用いてクラッディングしたクラッド材を提供できる。そして、本発明により、厳しい使用環境にも耐え得る信頼性の高い半導体装置を提供することが可能となる。 According to the present invention, cladding is performed using a Pb-free Zn-Al alloy solder and metal having sufficient wettability and high bonding strength, and further excellent in thermal conductivity and stress relaxation, and thus high reliability. Can be provided. According to the present invention, it is possible to provide a highly reliable semiconductor device that can withstand harsh usage environments.
本発明は、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系合金はんだと金属母材によって構成されているクラッド材であって、金属母材はＮｉ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金、またはＦｅ−Ｎｉ系合金のいずれかである。そして、好ましくはＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系合金はんだの組成が、Ａｌを０．９質量％以上９．０質量％以下含有し、Ａｇ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｓｎ、およびＰのうちの１種以上を含有していてもよく、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｓｎを含有する場合は各２．０質量％以下、Ｇｅを含有する場合は６．０質量％以下、Ｐを含有する場合は０．５質量％以下であり、残部が製造上不可避に含まれる元素を除きＺｎから構成されるクラッド材である。 The present invention is a clad material composed of a Pb-free Zn—Al alloy solder and a metal base material, and the metal base material is any one of Ni, Fe—Ni—Co alloy, and Fe—Ni alloy. It is. Preferably, the composition of the Pb-free Zn—Al-based alloy solder contains Al in a range of 0.9 mass% to 9.0 mass%, and is one of Ag, Cu, Ge, Mg, Sn, and P. In the case of containing Ag, Cu, Mg, Sn, 2.0% by mass or less, in the case of containing Ge, 6.0% by mass or less, and in the case of containing P, 0.0% by mass or less. It is 5 mass% or less, and the remainder is a clad material composed of Zn except for elements inevitably included in production.
また、表面粗さがともに０．１μｍ以上であるＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系合金はんだと金属母材を用いてクラッディングし、前記金属母材はＮｉ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金、またはＦｅ−Ｎｉ系合金のいずれかであるクラッド材の製造方法である。そして、好ましくは２００℃未満の温度で熱処理を施すことにより、接合界面におけるＺｎ−Ａｌ系合金はんだと金属の拡散反応を促し、接合強度を向上させ、残留応力を低減するクラッド材の製造方法である。 Also, cladding is performed using a Pb-free Zn—Al alloy solder having a surface roughness of 0.1 μm or more and a metal base material, and the metal base material is Ni, Fe—Ni—Co based alloy, or Fe— This is a method for producing a clad material that is one of Ni-based alloys. Then, preferably by performing a heat treatment at a temperature of less than 200 ° C., a diffusion reaction between the Zn—Al alloy solder and the metal at the bonding interface is promoted, the bonding strength is improved, and the residual stress is reduced by the manufacturing method of the clad material. is there.
このようにＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系合金はんだと、Ｎｉ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金、またはＦｅ−Ｎｉ系合金のいずれかの金属母材によって構成されている本発明のクラッド材は、柔らかい金属母材が存在することにより応力緩和性に優れ、かつ、接合時に金属母材は溶融しないためチップの傾きを非常に小さく抑えることができ、よって熱応力等が加わってもクラックが発生しづらいものとなる。さらに熱伝導性のよいＺｎやＡｌ、そしてＮｉ等（１００℃におけるＮｉの熱伝導率は８３Ｗ／（ｍ・Ｋ））から構成されるため、熱伝導性に非常に優れたものとなる。そして非常に強度の高いＺｎ−Ａｌ系はんだと、クラッディングによって強固に接合された金属から構成されるため、本発明のクラッド材は接合強度にも非常に優れたものとなるのである。 Thus, the clad material of the present invention, which is composed of the Pb-free Zn—Al alloy solder and the metal base material of any one of Ni, Fe—Ni—Co alloy, and Fe—Ni alloy, is a soft metal. Excellent stress relaxation due to the presence of the base material, and the metal base material does not melt at the time of joining, so the tip tilt can be kept very small, so that cracks are not likely to occur even when thermal stress is applied. It becomes. Furthermore, since it is composed of Zn, Al, Ni, etc. having good thermal conductivity (Ni has a thermal conductivity of 83 W / (m · K) at 100 ° C.), the thermal conductivity is extremely excellent. And since it consists of a very strong Zn-Al solder and a metal firmly bonded by cladding, the clad material of the present invention is also excellent in bonding strength.
本発明のＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系合金はんだと、Ｎｉ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金、またはＦｅ−Ｎｉ系合金などの金属の原料は特に限定されず、一般的に市場で入手できる原料であってよい。これらの原料を基に箔状のＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系合金はんだと金属を準備し、場合によって表面粗さを調整し、その後、クラッディングする。そして、目的に合わせて熱処理を行ってよい。以下、本発明の重要な構成要素である、金属母材、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系合金はんだ、クラッディング方法について詳しく説明する。 The raw materials for the Pb-free Zn—Al alloy solder of the present invention and the metal such as Ni, Fe—Ni—Co alloy, or Fe—Ni alloy are not particularly limited, and are generally commercially available raw materials. It's okay. A foil-like Pb-free Zn—Al alloy solder and metal are prepared on the basis of these raw materials, the surface roughness is adjusted in some cases, and then cladding is performed. And you may heat-process according to the objective. Hereinafter, the metal base material, the Pb-free Zn—Al alloy solder, and the cladding method, which are important components of the present invention, will be described in detail.
＜金属母材＞
本発明のクラッド材に用いられる金属母材は、Ｎｉ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金、またはＦｅ−Ｎｉ系合金のいずれかである。ＮｉやＦｅとＺｎは適度に反応するが、Ｚｎと過剰に反応して厚い金属間化合物を作るようなことはないため金属母材として好ましい。
<Metal base material>
The metal base material used for the clad material of the present invention is any one of Ni, Fe—Ni—Co alloy, or Fe—Ni alloy. Ni, Fe, and Zn react moderately, but they do not react excessively with Zn to form a thick intermetallic compound, which is preferable as a metal base material.
Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金は、組成が例えばＮｉが約２９質量％、Ｃｏが約１７質量％、Ｆｅが約５３．５質量％、その他としてＳｉやＭｎを含有していてよい。この合金は所謂、コバール材と呼ばれるものであり、熱膨張係数が約５．０×１０-6Ｋ-1と金属の中では硬質ガラスやセラミックスに近づけるように低い値に設計されている。このため、半導体接合用基板に用いられたりしており、本発明でも半導体素子と基板との間に生ずる熱応力を緩和するのに非常に有効に働く。 The Fe-Ni-Co alloy may contain, for example, about 29% by mass of Ni, about 17% by mass of Co, about 53.5% by mass of Fe, and Si and Mn. This alloy is a so-called Kovar material, and has a thermal expansion coefficient of about 5.0 × 10 −6 K −1, and is designed to be a low value so that it is close to hard glass or ceramics among metals. For this reason, it is used for a substrate for semiconductor bonding, and the present invention also works very effectively to relieve the thermal stress generated between the semiconductor element and the substrate.
Ｆｅ−Ｎｉ系合金は、組成が例えばＮｉが約４２質量％、Ｆｅが約５７質量％、その他としてＣｕやＭｎを含有してもよい。この合金は所謂、４２アロイと呼ばれるものであり、熱膨張係数が約４．５〜６．５×１０-6Ｋ-1である。Ｆｅ−Ｎｉ系合金もＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金同様に硬質ガラスやセラミックスに近い熱膨張係数に設計されており、半導体接合用基板に用いられたりしており、本発明でも半導体素子と基板との間に生ずる熱応力を緩和するのに非常に有効に働く。 The composition of the Fe-Ni alloy may include, for example, about 42% by mass of Ni, about 57% by mass of Fe, and Cu and Mn as other components. This alloy is so-called 42 alloy and has a thermal expansion coefficient of about 4.5 to 6.5 × 10 −6 K −1 . Fe-Ni alloys are also designed to have a thermal expansion coefficient close to that of hard glass and ceramics, just like Fe-Ni-Co alloys, and are used for semiconductor bonding substrates. It works very effectively to relieve the thermal stress that occurs during
本発明のクラッド材に用いられる金属母材の原料はとくに限定されない。一般的に市場で入手できるものであってよい。以下、本発明のクラッド材を製造するための一例としてＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金の金属母材箔の製造方法について説明する。 The raw material of the metal base material used for the clad material of the present invention is not particularly limited. It may be generally available on the market. Hereinafter, as an example for producing the clad material of the present invention, a method for producing a metal base metal foil of an Fe—Ni—Co alloy will be described.
まず、原料として９９．９９質量％以上の純度のＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏを準備する。これをグラファイト製のるつぼに入れ、横型連続鋳造機の槽内にセットする。連続鋳造機の槽内に窒素を流しながら高周波でこれらの原料を溶解する。原料が十分に溶融したことを確認後、横孔から板状になったＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金を引き出す。引出速度は０．３〜５ｍ／分程度で行う。引出の孔の形状によって得られるＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金材の形状が決まるが、円柱状、長方形状などの形状にすることが一般的であり、例えば、孔の形状を５ｍｍ×６０ｍｍの長方形の形状とすると、厚さ５ｍｍ、幅６０ｍｍのＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金板を得ることができる。連続鋳造後、十分に冷却し、適当な長さに裁断する。 First, Fe, Ni, and Co having a purity of 99.99% by mass or more are prepared as raw materials. This is put in a graphite crucible and set in a tank of a horizontal continuous casting machine. These raw materials are melted at high frequency while flowing nitrogen into the tank of the continuous casting machine. After confirming that the raw material is sufficiently melted, a plate-like Fe—Ni—Co alloy is drawn out from the lateral hole. The drawing speed is about 0.3 to 5 m / min. The shape of the Fe—Ni—Co alloy material obtained by the shape of the extraction hole is determined, but it is common to use a columnar shape, a rectangular shape, etc. For example, the hole shape is a rectangle of 5 mm × 60 mm. As a result, an Fe—Ni—Co alloy plate having a thickness of 5 mm and a width of 60 mm can be obtained. After continuous casting, it is cooled sufficiently and cut to an appropriate length.
このようにして準備した金属母材を圧延機を用いて所定の厚さまで圧延して箔を製造する。圧延機は冷間圧延、温間圧延、熱間圧延のいずれの方法で圧延してもよい。母合金の表面酸化を抑制するため冷間圧延で行うことが特に好ましい。冷間圧延の場合、温度が低いため母合金の表面酸化が比較的進まず、クラッドする際、良好な接合性、高い接合強度が得られるからである。製造速度を上げるため、温間圧延や熱間圧延を行ってもよいが、この際は表面酸化に十分考慮する必要がある。 The metal base material thus prepared is rolled to a predetermined thickness using a rolling mill to produce a foil. The rolling mill may be rolled by any method of cold rolling, warm rolling, and hot rolling. In order to suppress the surface oxidation of the mother alloy, it is particularly preferable to carry out by cold rolling. In the case of cold rolling, since the temperature is low, the surface oxidation of the mother alloy does not proceed relatively, and good cladability and high joint strength can be obtained when clad. In order to increase the production rate, warm rolling or hot rolling may be performed, but in this case, it is necessary to sufficiently consider the surface oxidation.
＜ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系合金はんだ＞
本発明のクラッド材に用いられるＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系合金はんだの組成は、Ａｌを０．９質量％以上９．０質量％以下含有し、Ａｇ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｓｎ、およびＰのうちの１種以上を各２．０質量％以下含有していてもよくＧｅを含有する場合は６．０質量％以下、Ｐを含有する場合は０．５質量％以下であり、残部が製造上、不可避に含まれる元素を除きＺｎから構成されていればよい。接合材としてＺｎ−Ａｌ系合金はんだを選定した理由は次のとおりである。まず主成分であるＺｎが熱伝導性に優れることにある。このため、Ｚｎ−Ａｌ系はんだで接合された半導体素子は十分な放熱が保障され、素子の発熱により破損の恐れがなくなるのである。さらにＺｎはＣｕ、Ａｇ、Ａｕなどとの反応性に富むため、基板やチップと強固な接合が可能となるのである。そして、Ａｌを含有させてＺｎ−Ａｌ系合金とすることによりＺｎの融点を下げるとともに共晶合金を生成させることによりはんだ合金として使い易い材料となるのである。
以下、ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系合金の製造方法の一例を示す。
<Pb-free Zn-Al alloy solder>
The composition of the Pb-free Zn—Al-based alloy solder used for the clad material of the present invention contains Al of 0.9 mass% or more and 9.0 mass% or less, and contains Ag, Cu, Ge, Mg, Sn, and P. One or more of them may be contained in each amount of 2.0% by mass or less, and when Ge is contained, it is 6.0% by mass or less, and when P is contained, it is 0.5% by mass or less, and the balance is manufactured. In addition, it may be made of Zn except for elements inevitably included. The reason why the Zn—Al alloy solder is selected as the bonding material is as follows. First, Zn as a main component is excellent in thermal conductivity. For this reason, the semiconductor element joined by the Zn—Al based solder ensures sufficient heat dissipation, and there is no fear of breakage due to heat generation of the element. Furthermore, since Zn is rich in reactivity with Cu, Ag, Au, etc., it becomes possible to firmly bond to a substrate or a chip. And by making Al into a Zn-Al-based alloy, the melting point of Zn is lowered and a eutectic alloy is formed, so that it becomes an easy-to-use material as a solder alloy.
Hereinafter, an example of a method for producing a Pb-free Zn—Al-based alloy will be described.
原料として、９９．９９質量％以上のＺｎ、Ａｌ、Ｇｅを準備する。これらを所定量秤量し、グラファイト製のるつぼに入れ、横型連続鋳造機の槽内にセットする。連続鋳造機の槽内に窒素を流しながら高周波で原料を溶解する。このように窒素などの不活性ガス中で溶解することは高品質のはんだ合金を得るために重要な要素である。すなわち、溶解中に酸化が進行し、酸化物が多く生成してしまうと鋳造時に酸化物を巻き込み、品質低下を招いてしまうからである。原料が十分に溶融した後、撹拌棒を挿入し溶けた原料を撹拌する。原料を撹拌しながら横孔から１．０ｍ／分の速度で板状になったＺｎ−Ａｌ―Ｇｅ合金を引き出す。Ｚｎ−Ａｌ−Ｇｅ合金板は孔を５ｍｍ×６０ｍｍの長方形の形状として厚さ５ｍｍ、幅６０ｍｍの板とした。連続鋳造後、十分に冷却し、適当な長さに裁断する。 As a raw material, 99.99 mass% or more of Zn, Al, and Ge are prepared. A predetermined amount of these are weighed, placed in a graphite crucible, and set in a tank of a horizontal continuous casting machine. The raw material is melted at a high frequency while flowing nitrogen into the tank of the continuous casting machine. Thus, dissolution in an inert gas such as nitrogen is an important factor for obtaining a high-quality solder alloy. That is, if oxidation proceeds during melting and a large amount of oxide is generated, the oxide is involved during casting, resulting in a deterioration in quality. After the raw material is sufficiently melted, a stirring rod is inserted to stir the melted raw material. While stirring the raw material, a plate-like Zn—Al—Ge alloy is pulled out from the side hole at a speed of 1.0 m / min. The Zn—Al—Ge alloy plate was a 5 mm × 60 mm rectangular plate with a thickness of 5 mm and a width of 60 mm. After continuous casting, it is cooled sufficiently and cut to an appropriate length.
このようにして準備した合金板を圧延機を用いて所定の厚さまで圧延し、Ｚｎ−Ａｌ系合金箔を製造する。圧延機は冷間圧延、温間圧延、熱間圧延のいずれの方法で圧延してもよい。特にＺｎ−Ａｌ系合金はＡｌが５質量％程度であると共晶点の組成付近であるため延性に富み、加工しやすく好ましく、この組成付近であれば冷間圧延で行うことが好ましい。金属箔の場合と同様に冷間圧延の場合、表面酸化が比較的進まず、クラッドする際、良好な接合性、高い接合強度が得られるので好ましい。製造速度を上げるため、温間圧延や熱間圧延を行ってもよいが、この際は表面酸化に十分考慮する必要がある。 The alloy plate thus prepared is rolled to a predetermined thickness using a rolling mill to produce a Zn—Al based alloy foil. The rolling mill may be rolled by any method of cold rolling, warm rolling, and hot rolling. In particular, a Zn—Al-based alloy having an Al content of about 5% by mass is near the composition of the eutectic point, and thus is highly ductile and easy to work. If near this composition, cold rolling is preferable. As in the case of the metal foil, the cold rolling is preferable because surface oxidation does not proceed relatively and good cladability and high joint strength can be obtained when clad. In order to increase the production rate, warm rolling or hot rolling may be performed, but in this case, it is necessary to sufficiently consider the surface oxidation.
＜クラッディング方法＞
本発明のクラッド材を製造するにあたり、クラッディング方法はとくに限定されない。金属母材にＺｎ−Ａｌ系合金箔を片面、または両面に張り合わせ、ロール圧延機を通すことによって圧延してよい。この際、それぞれの箔の表面状態には十分注意を要する。箔の表面に不純物や異物が付着していたり、酸化膜が厚く存在していたりする場合、良好な接合性を有することは困難になってしまう。つまり、金属同士を力学的な力によって接合させようとしても表面に不純物等が存在していると金属母材とＺｎ−Ａｌ系合金の金属同士が接触できず、両金属の拡散が進まず、よって接合できなくなってしまうのである。当然、どのような金属でも酸化膜は存在するがこの酸化膜が薄ければ、押しつけ合う力によって酸化膜が破れ、金属同士が接して接合できるのである。金属表面を不純物等のない状態にするため、表面を研磨したり、酸洗浄したりしてもよい。
<Cladding method>
In producing the clad material of the present invention, the cladding method is not particularly limited. The metal base material may be rolled by pasting a Zn—Al-based alloy foil on one side or both sides and passing through a roll rolling mill. At this time, sufficient attention must be paid to the surface state of each foil. If impurities or foreign substances are attached to the surface of the foil or if the oxide film is thick, it becomes difficult to have good bonding properties. In other words, even if an attempt is made to join metals by mechanical force, if there are impurities on the surface, the metal base material and the metal of the Zn-Al alloy cannot contact each other, the diffusion of both metals does not progress, Therefore, it becomes impossible to join. Of course, any metal has an oxide film, but if this oxide film is thin, the oxide film is broken by the pressing force, and the metals can be in contact with each other and bonded. In order to make the metal surface free of impurities, the surface may be polished or acid cleaned.
さらに各箔の表面は表面粗さが０．１μｍ以上であってよい。表面は適度な凹凸があることによってアンカー効果が期待できるのである。すなわち、表面に凹凸があることによって、互いの金属にアンカーように深く刺さり込み、しっかり結合でき、高い接合強度を得ることができるのである。金属表面は研磨紙や研磨石、または金属製ブラシや、有機樹脂製ブラシなどによって表面粗さを調整してよい。得たい接合強度や接合条件に合わせて適宜、表面粗さを調整すればよい。 Furthermore, the surface of each foil may have a surface roughness of 0.1 μm or more. An anchor effect can be expected due to moderate unevenness on the surface. In other words, since the surface has irregularities, it can be deeply pierced like an anchor to each other metal and firmly bonded, and a high bonding strength can be obtained. The surface roughness of the metal surface may be adjusted by polishing paper, polishing stone, metal brush, organic resin brush, or the like. What is necessary is just to adjust surface roughness suitably according to joining strength and joining conditions to obtain.
金属母材箔とＺｎ−Ａｌ系合金箔はそれぞれ最終箔厚（製品になったときの箔厚）を考慮しクラッドする際の厚さを決める。すなわち、金属母材とＺｎ−Ａｌ系合金では同じ応力で圧延しても圧下率が異なるため、事前に圧下率を考慮に入れて各箔の厚さを決めて準備する必要がある。 The thickness of the metal base material foil and the Zn-Al alloy foil is determined in consideration of the final foil thickness (the thickness of the product when it is a product). That is, since the rolling reduction is different between the metal base material and the Zn—Al-based alloy even when rolled with the same stress, it is necessary to determine the thickness of each foil in advance in consideration of the rolling reduction.
このようにして準備した金属母材箔とＺｎ−Ａｌ系合金箔を合わせてロールで圧延する場合について説明する。
まず各箔を張り合わせて圧下率を設定し、圧延油をたらしながら圧延を行う。なお、接合面に圧延油が入らないようにロールに当たる面だけに圧延油をかけていく。その後、クラックやバリが発生していないことを確認しながら圧下率を下げて目的の厚さより１０％程度厚めの状態まで圧延していく。その後、最終圧延として圧下率が０に近いような状態で厚さを測りながら少しずつ圧延していく。
The case where the metal base material foil thus prepared and the Zn—Al-based alloy foil are combined and rolled with a roll will be described.
First, the foils are bonded together to set a reduction ratio, and rolling is performed while rolling oil is poured. In addition, rolling oil is applied only to the surface which contacts a roll so that rolling oil may not enter into a joining surface. Then, while confirming that cracks and burrs are not generated, the rolling reduction is reduced and rolling is performed to a state about 10% thicker than the target thickness. Then, it rolls little by little, measuring thickness in the state where a reduction rate is near 0 as final rolling.
＜クラッド材の熱処理＞
クラッド材の硬さや伸び率などを調整する目的で熱処理を行ってもよい。特に残留応力を軽減するためには２００℃以下で熱処理を行うとよく、接合面の接合強度を上げるためには２００℃以上で熱処理を行うとよい。ただし、熱処理する場合、表面の酸化には十分注意を要する。酸化が進行しすぎると接合強度を極端に低下させてしまう。真空中、または不活性カス中、または還元雰囲気中などで熱処理すると酸化の進行を抑制できて好ましい。なお、以下の実施例に示すように熱処理は必ずしも行わなくてもよく、また場合によっては２００℃以上で熱処理を行ってもよい。
<Heat treatment of clad material>
Heat treatment may be performed for the purpose of adjusting the hardness and elongation rate of the clad material. In particular, heat treatment is preferably performed at 200 ° C. or lower in order to reduce residual stress, and heat treatment is preferably performed at 200 ° C. or higher in order to increase the bonding strength of the bonding surface. However, when heat-treating, sufficient attention must be paid to surface oxidation. If the oxidation proceeds too much, the bonding strength is extremely reduced. It is preferable to perform heat treatment in a vacuum, in an inert residue, or in a reducing atmosphere because the progress of oxidation can be suppressed. As shown in the following examples, the heat treatment is not necessarily performed, and in some cases, the heat treatment may be performed at 200 ° C. or higher.
以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。
＜金属母材箔＞
まず、原料として９９．９９質量％以上の純度のＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏを準備した。これを所定の組成（Ｎｉ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金、またはＦｅ−Ｎｉ系合金に応じた所定の組成）になるようにグラファイト製のるつぼに入れ、横型連続鋳造機の槽内にセットした。連続鋳造機の槽内には窒素を５Ｌ／分の流量で流しながら、高周波電源を入れ、約２０℃／分の昇温速度で昇温していった。原料が１２００℃に達した後、その温度を保持するように制御した。原料が十分に溶融したことを確認後、横孔から１．５ｍ／分の速度で板状になった原料を引き出した。孔は５ｍｍ×６０ｍｍの長方形の形状として、厚さ５ｍｍ、幅６０ｍｍの金属母材板を得た。連続鋳造後、金属母材を十分に冷却し、５ｍの長さに裁断し、クラッド材用の金属母材とした。金属母材は原料の配合比を変えて純Ｎｉ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ系合金の３つを製造して準備した。金属母材の組成はそれぞれ、Ｎｉは９９．９９質量％以上、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金はＮｉが２９．０±０．１質量％、Ｃｏが１７．０±０．１質量％、残部がＦｅ、Ｆｅ−Ｎｉ系合金はＮｉが４２．０±０．１質量％、残部がＦｅであった。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
<Metal base material foil>
First, Ni, Fe, and Co having a purity of 99.99% by mass or more were prepared as raw materials. This was put into a crucible made of graphite so as to have a predetermined composition (predetermined composition according to Ni, Fe—Ni—Co alloy, or Fe—Ni alloy) and set in a tank of a horizontal continuous casting machine. . While flowing nitrogen at a flow rate of 5 L / min into the tank of the continuous casting machine, a high frequency power supply was turned on and the temperature was raised at a rate of temperature increase of about 20 ° C./min. After the raw material reached 1200 ° C., the temperature was controlled to be maintained. After confirming that the raw material was sufficiently melted, a plate-shaped raw material was drawn out from the side hole at a speed of 1.5 m / min. The hole was a rectangular shape of 5 mm × 60 mm, and a metal base plate having a thickness of 5 mm and a width of 60 mm was obtained. After continuous casting, the metal base material was sufficiently cooled and cut to a length of 5 m to obtain a metal base material for a clad material. Three metal base materials were prepared by changing the mixing ratio of the raw materials to produce pure Ni, Fe—Ni—Co alloy, and Fe—Ni alloy. The composition of the metal base material is 99.99% by mass or more for Ni, and the Fe—Ni—Co alloy is 29.0 ± 0.1% by mass for Ni, 17.0 ± 0.1% by mass for Co, and the balance Fe and Fe—Ni alloys had 42.0 ± 0.1% by mass of Ni and the balance was Fe.
このようにして準備した金属母材をロール圧延機を用いて冷間圧延を行い、２３０μｍの厚さに加工した。冷間圧延を選んだ理由は、金属母材の表面酸化が比較的進みづらく、クラッドする際、良好な接合性、高い接合強度が得られるためである。圧延の際、圧延油には鉱物油と植物油を１：２（体積比）の割合で混合した混合油を用いた。この混合油を金属の表面に供給しながら圧延していった。圧延回数は７回であり、最後の２回は仕上げ圧延であって圧下率は２〜５％程度を狙って行った。圧下率の定義は（１）式のとおりである。
圧下率＝（圧延前の厚さ−圧延後の厚さ）÷圧延前の厚さ×１００（％）・・（１）式
The metal base material thus prepared was cold-rolled using a roll mill and processed to a thickness of 230 μm. The reason why cold rolling is selected is that the surface oxidation of the metal base material is relatively difficult to proceed, and good bonding properties and high bonding strength can be obtained when cladding. During rolling, a mixed oil in which mineral oil and vegetable oil were mixed at a ratio of 1: 2 (volume ratio) was used as the rolling oil. The mixed oil was rolled while being supplied to the metal surface. The number of rolling was 7 times, and the last 2 times were finish rolling, and the reduction was aimed at about 2 to 5%. The definition of the rolling reduction is as shown in equation (1).
Reduction ratio = (Thickness before rolling−Thickness after rolling) ÷ Thickness before rolling × 100 (%) (1) formula
最終圧延終了後、自動洗浄機でエタノールを用いて圧延油を除去し、その後、真空乾燥機で真空中、常温で５時間乾燥して、金属母材箔を得た。 After the final rolling was completed, the rolling oil was removed using ethanol with an automatic washing machine, and then dried in a vacuum dryer at room temperature for 5 hours to obtain a metal base foil.
クラッディングの際の金属母材箔の接合面は、研磨装置を用いて自動研磨を行い、表面粗さを調整した。その後、研磨時に発生した研磨カスや汚れを除去するために自動洗浄機でエタノールを用いて洗浄した。その後、真空乾燥機で真空中、常温で５時間乾燥して、表面粗さを調整した金属母材箔を得た。 The joining surface of the metal base material foil at the time of cladding was automatically polished using a polishing apparatus to adjust the surface roughness. Thereafter, in order to remove polishing residue and dirt generated during polishing, the substrate was washed with ethanol by an automatic washing machine. Then, it dried for 5 hours at normal temperature in vacuum with the vacuum dryer, and obtained metal base material foil which adjusted surface roughness.
＜ＰｂフリーＺｎ−Ａｌ系合金はんだ＞
原料として、９９．９９質量％以上のＺｎ、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｍｇ、Ｓｎ、Ｐ、Ｐｂ、およびＡｕを準備した。これらを試料１〜試料７９に合わせてそれぞれ所定量秤量し、グラファイト製のるつぼに入れ、横型連続鋳造機の槽内にセットした。連続鋳造機の槽内には窒素を５Ｌ／分の流量で流しながら、高周波電源を入れ、約１５℃／分の昇温速度で昇温していった。各試料が液相線温度より８０℃高い温度に達した後、その温度を保持するように制御した。試料が十分に溶融したことを確認後、横孔から１．２ｍ／分の速度で板状になった試料を引き出した。孔は５ｍｍ×６０ｍｍの長方形の形状として、厚さ５ｍｍ、幅６０ｍｍの板状の各試料を得た。連続鋳造後、各試料の板を十分に冷却し、５ｍの長さに裁断し、クラッド材用のはんだ合金母材とした。
<Pb-free Zn-Al alloy solder>
As raw materials, Zn, Al, Ag, Cu, Ge, Mg, Sn, P, Pb, and Au of 99.99% by mass or more were prepared. These were weighed in predetermined amounts according to Sample 1 to Sample 79, placed in a graphite crucible, and set in a tank of a horizontal continuous casting machine. While flowing nitrogen at a flow rate of 5 L / min into the tank of the continuous casting machine, a high frequency power supply was turned on and the temperature was raised at a rate of temperature increase of about 15 ° C./min. After each sample reached a temperature 80 ° C. higher than the liquidus temperature, the temperature was controlled to be maintained. After confirming that the sample was sufficiently melted, a plate-like sample was pulled out from the side hole at a speed of 1.2 m / min. Each hole was a 5 mm × 60 mm rectangular shape, and a plate-like sample having a thickness of 5 mm and a width of 60 mm was obtained. After continuous casting, the plate of each sample was sufficiently cooled and cut to a length of 5 m to obtain a solder alloy base material for a clad material.
このようにして準備したはんだ合金母材をロール圧延機を用いて冷間圧延を行い、１１０μｍの厚さに加工した。圧延の際、圧延油には鉱物油と植物油を１：２（体積比）の割合で混合した混合油を用いた。この混合油をはんだ合金母材の表面に供給しながら圧延していった。圧延回数は７回であり、最後の２回は仕上げ圧延であって圧下率は１〜３％程度を狙って行った。 The solder alloy base material thus prepared was cold-rolled using a roll mill and processed to a thickness of 110 μm. During rolling, a mixed oil in which mineral oil and vegetable oil were mixed at a ratio of 1: 2 (volume ratio) was used as the rolling oil. The mixed oil was rolled while being supplied to the surface of the solder alloy base material. The number of rolling was 7 times, the last 2 times were finish rolling, and the reduction was aimed at about 1 to 3%.
最終圧延終了後、自動洗浄機でエタノールを用いて圧延油を除去し、その後、真空乾燥機で真空中、常温で５時間乾燥して、はんだ合金箔を得た。 After the final rolling was completed, the rolling oil was removed using ethanol with an automatic washer, and then dried in a vacuum dryer at room temperature for 5 hours to obtain a solder alloy foil.
クラッディングの際のはんだ合金箔の接合面は、研磨装置を用いて自動研磨を行い、表面粗さを調整した。その後、研磨時に発生した研磨カスや汚れを除去するために自動洗浄機でエタノールを用いて洗浄した。その後、真空乾燥機で真空中、常温で５時間乾燥して、表面粗さを調整したはんだ合金箔を得た。 The bonding surface of the solder alloy foil during the cladding was automatically polished using a polishing apparatus to adjust the surface roughness. Thereafter, in order to remove polishing residue and dirt generated during polishing, the substrate was washed with ethanol by an automatic washing machine. Then, it dried for 5 hours at normal temperature in vacuum with the vacuum dryer, and obtained the solder alloy foil which adjusted surface roughness.
＜クラッディング方法＞
準備した金属母材箔とはんだ合金箔を合わせてロールで圧延する方法でクラッディングを行った。まず金属母材箔を２枚のはんだ合金箔で挟み、クラッディングを行った。圧延油は、鉱物油と植物油を１：１（体積比）の割合で混合した混合油を用い、接合面に圧延油が入らないようにロールに当たる面だけに圧延油を供給していった。
<Cladding method>
Cladding was performed by a method in which the prepared metal base metal foil and solder alloy foil were combined and rolled with a roll. First, a metal base material foil was sandwiched between two solder alloy foils, and cladding was performed. As the rolling oil, a mixed oil in which mineral oil and vegetable oil were mixed at a ratio of 1: 1 (volume ratio) was used, and the rolling oil was supplied only to the surface that hit the roll so that the rolling oil did not enter the joint surface.
その後、クラックやバリが発生していないことを確認しながら圧下率１０〜３０％の割合で薄く圧延していき、約１１０μｍの厚さまで圧延した。その後、厚さが１００μｍになるように厚さを測定しながら僅かずつゆっくりと圧延した。このようにして１００±１．５μｍの各クラッド材を得た。 Thereafter, while confirming that cracks and burrs were not generated, the sheet was thinly rolled at a reduction rate of 10 to 30%, and rolled to a thickness of about 110 μm. Then, it rolled slowly little by little, measuring thickness so that thickness might be set to 100 micrometers. Thus, each clad material of 100 ± 1.5 μm was obtained.
＜クラッド材の熱処理＞
クラッド材の硬さや伸び率などを調整する目的で熱処理を行った。熱処理は密閉性のある電気炉を用いて、窒素ガス中、所定の温度で２時間熱処理した。また、熱処理を行わないものも準備した。
<Heat treatment of clad material>
Heat treatment was performed for the purpose of adjusting the hardness and elongation rate of the clad material. The heat treatment was performed in a nitrogen gas at a predetermined temperature for 2 hours using an airtight electric furnace. Moreover, the thing which does not heat-process was also prepared.
金属母材、はんだ合金母材を用いてクラッディングを行って得られたクラッド材をその母材に応じて試料１〜６３（実施例）とした。さらに比較例として、Ｐｂを主成分として含むはんだ合金母材を用いたクラッド材の試料６４〜６９、はんだ材料のみの試料７０〜７９を準備した。 Clad materials obtained by cladding using a metal base material and a solder alloy base material were used as Samples 1 to 63 (Examples) according to the base material. Further, as comparative examples, samples 64 to 69 of a clad material using a solder alloy base material containing Pb as a main component and samples 70 to 79 of only a solder material were prepared.
試料１〜７９のクラッド材とはんだ合金に用いた金属、はんだ合金母材の表面粗さや組成、熱処理条件を表１に示す。 Table 1 shows the surface roughness and composition of the clad material and solder alloy of Samples 1 to 79, the solder alloy base material, and the heat treatment conditions.
表１の続き−その１
表１の続き−その２
このように製造した試料１〜６３のクラッド材と、比較例の試料６４〜６９のクラッド材と試料７０〜７９のはんだ合金について、各種評価を行った。すなわち、クラッド材に関しては、ボイド率、伸び率を測定した。さらにクラッド材及びはんだ合金を用いて、半導体素子とＣｕ基板の接合体を作り、その接合体についてボイド率、シェア強度を測定し、さらにヒートサイクル試験を行った。各評価について、以下、詳細に説明する。 Various evaluations were performed on the clad materials of Samples 1 to 63 thus manufactured, the clad materials of Samples 64 to 69 of Comparative Examples, and the solder alloys of Samples 70 to 79. That is, for the clad material, the void ratio and elongation ratio were measured. Further, a clad material and a solder alloy were used to make a joined body of the semiconductor element and the Cu substrate, the void ratio and the shear strength were measured for the joined body, and a heat cycle test was conducted. Each evaluation will be described in detail below.
＜クラッド材のボイド率＞
クラッディングの接合性を確認するため、上記クラッド材をＸ線透過装置（株式会社 東芝製 ＴＯＳＭＩＣＲＯＮ−６１２５）を用いて測定した。クラッド材を長さ方向、そして幅方向と垂直を成す角度からＸ線を透過し観察を行い、観察面積は１００ｍｍ2、各試料５点測定し、平均値をその試料のボイド率とした。以下の計算式（２）を用いてボイド率を算出した。
ボイド率 ＝ ボイド面積（ｍｍ2）÷１００（ｍｍ2）×１００（％）・・・（２）式
<Void ratio of clad material>
In order to confirm the bonding properties of the cladding, the clad material was measured using an X-ray transmission device (TOSMICRON-6125 manufactured by Toshiba Corporation). The clad material was observed by transmitting X-rays from an angle perpendicular to the length direction and the width direction, the observation area was 100 mm 2 , each sample was measured at five points, and the average value was the void ratio of the sample. The void ratio was calculated using the following calculation formula (2).
Void ratio = void area (mm 2 ) ÷ 100 (mm 2 ) × 100 (%) (2) formula
＜伸び率＞
応力緩和性の指標として伸び率を測定した。製造した各クラッド材を幅３ｍｍ×長さ１００ｍｍに裁断し、引張試験機（テンシロン万能試験機）を用いて伸び率を測定した。各試料５点の伸び率を測定し、計５点の平均をその試料の伸び率とした。
<Elongation>
The elongation was measured as an index of stress relaxation. Each manufactured clad material was cut into a width of 3 mm and a length of 100 mm, and the elongation was measured using a tensile tester (Tensilon universal tester). The elongation percentage of each sample was measured, and the average of the total of five points was taken as the elongation percentage of the sample.
＜半導体素子接合体のボイド率＞
クラッド材、またははんだ合金を用いて、１０ｍｍ×１０ｍｍのＳｉチップ半導体素子をＣｕ基板に接合し、評価用の接合体を作った。接合には濡れ性試験を用い、接合条件としては、温度ははんだの液相線温度より５０℃高い温度とし、接合時間は２５秒、雰囲気は窒素フローで行った。
ボイド率は上記のクラッド材のボイド率を測定した場合と同様の方法で行った。
なお、比較として、比較例６４〜７９のクラッド材とはんだ合金についても同様の評価を行った。
<Void ratio of semiconductor element assembly>
A 10 mm × 10 mm Si chip semiconductor element was bonded to a Cu substrate using a clad material or a solder alloy, and a bonded body for evaluation was made. The joining was performed using a wettability test. As joining conditions, the temperature was 50 ° C. higher than the liquidus temperature of the solder, the joining time was 25 seconds, and the atmosphere was a nitrogen flow.
The void ratio was measured in the same manner as when the void ratio of the clad material was measured.
For comparison, the same evaluation was performed for the clad materials and solder alloys of Comparative Examples 64-79.
＜シェア強度＞
接合体の接合強度を確認するため、上記のボイド率測定に用いたものと同様の半導体素子接合体を作り、シェア試験を行った。作製した接合体をシェア試験機に固定し、半導体素子側面に測定用冶具をあてて接合強度を測定した。なお、比較として、比較例６４〜７９のクラッド材とはんだ合金についても同様の評価を行った。
<Share strength>
In order to confirm the bonding strength of the bonded body, a semiconductor element bonded body similar to that used for the above void ratio measurement was made, and a shear test was performed. The produced joined body was fixed to a shear tester, and a measurement jig was applied to the side surface of the semiconductor element to measure the joining strength. For comparison, the same evaluation was performed for the clad materials and solder alloys of Comparative Examples 64-79.
＜ヒートサイクル試験＞
クラッド材の接合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、この試験は上記のボイド率測定に用いたものと同様の半導体素子接合体を作り、ヒートサイクル試験を行った。まず、接合体に対して、−４０℃の冷却と１５０℃の加熱を１サイクルとして、これを所定のサイクル繰り返した。その後、接合体を埋め込み、断面研磨を行い、ＳＥＭ（日立製作所製 Ｓ−４８００）により接合面の観察を行った。接合面にはがれやはんだにクラックが入っていた場合を「×」、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「○」とした。なお、比較として、比較例６４〜７９のクラッド材とはんだ合金についても同様の評価を行った。
<Heat cycle test>
A heat cycle test was conducted to evaluate the bonding reliability of the clad material. In this test, a semiconductor element assembly similar to that used in the above void ratio measurement was prepared, and a heat cycle test was performed. First, -40 degreeC cooling and 150 degreeC heating were made into 1 cycle with respect to the conjugate | zygote, and this was repeated predetermined cycle. Then, the bonded body was embedded, cross-section polishing was performed, and the bonded surface was observed with SEM (S-4800, manufactured by Hitachi, Ltd.). The case where the joint surface was peeled or cracked in the solder was indicated as “×”, and the case where there was no such defect and the same joint surface as in the initial state was maintained as “◯”. For comparison, the same evaluation was performed for the clad materials and solder alloys of Comparative Examples 64-79.
試料１〜７９のクラッド材とはんだ合金のボイド率、伸び率、そして、半導体素子接合体のボイド率、シェア強度、ヒートサイクル試験の結果を表２に示す。 Table 2 shows the void ratio and elongation ratio of the clad materials and solder alloys of Samples 1 to 79, and the void ratio, shear strength, and heat cycle test results of the semiconductor element assembly.
表２の続き−その１
表２の続き−その２
これらの結果から分かるように、試料１〜６３にその結果を示した本発明のクラッド材は各評価において非常に優れた結果を示している。すなわち、本発明のクラッド材にはボイドは存在しない。また、特に表面粗さが０．１μｍ以上であり且つ２００℃未満の温度で熱処理を施したものは伸び率も１５０％以上を有しており格段に高い応力緩和性があると考えられる。さらにＳｉ半導体素子接合体の評価においてもボイドは存在しない。また、特に表面粗さが０．１μｍ以上であり且つ２００℃未満の温度で熱処理を施したものはシェア強度も全て１０４ＭＰａを超えており非常に強固な接合が実現できている。そして、ヒートサイクル試験においても−４０℃⇔＋１５０℃という非常に厳しい条件においても５００サイクルまでクラック等の不良の発生は見られなかった。 As can be seen from these results, the clad material of the present invention whose results are shown in Samples 1 to 63 show very excellent results in each evaluation. That is, there is no void in the clad material of the present invention. In particular, those having a surface roughness of 0.1 μm or more and heat-treated at a temperature of less than 200 ° C. have an elongation of 150% or more, and are considered to have remarkably high stress relaxation properties. Furthermore, no void exists in the evaluation of the Si semiconductor element assembly. In particular, those having a surface roughness of 0.1 μm or more and heat-treated at a temperature of less than 200 ° C. all have shear strengths exceeding 104 MPa, and a very strong bond can be realized. Even in the heat cycle test, no defects such as cracks were observed up to 500 cycles even under a very severe condition of −40 ° C. + 150 ° C.
加えて本発明のクラッド材は、Ｐｂを主成分とするはんだを用いた比較例６４〜６９のクラッド材より優れた評価結果を示している。この理由はＰｂを主成分とするはんだは柔らかい反面、強度が低く、比較的高い温度でのヒートサイクル試験などでは熱応力による発生するクラックの進展を止めることができないためである。 In addition, the clad material of the present invention shows an evaluation result superior to the clad materials of Comparative Examples 64 to 69 using a solder mainly composed of Pb. This is because the solder containing Pb as a main component is soft, but has low strength, and the progress of cracks caused by thermal stress cannot be stopped in a heat cycle test at a relatively high temperature.
さらに発明のクラッド材は比較例７０〜７９に挙げた既存のはんだ合金より各評価において優れている。
例えば、試料７０、試料７１、試料７２、試料７３、試料７４、試料７５はそれぞれ試料４、試料６、試料８、試料１０、試料１２、試料１４のはんだ合金箔と同一の構成元素であって同一の表面粗さのものである。異なる点は、両者で組成比が若干違うことと、試料４、試料６、試料８、試料１０、試料１２、試料１４の本発明のクラッド材は金属母材とはんだ合金があらかじめクラッディングされているのに対し、比較例の試料７０、試料７１、試料７２、試料７３、試料７４、試料７５は金属母材とはんだ合金はクラッディングされた状態とはなっていないことである。
これより、主に、クラッディングされているや否やの相違が評価結果に大きく影響することが確認された。
Furthermore, the clad material of the invention is superior to the existing solder alloys listed in Comparative Examples 70 to 79 in each evaluation.
For example, Sample 70, Sample 71, Sample 72, Sample 73, Sample 74, and Sample 75 are the same constituent elements as the solder alloy foils of Sample 4, Sample 6, Sample 8, Sample 10, Sample 12, and Sample 14, respectively. It has the same surface roughness. The difference is that the composition ratio is slightly different between the two, and the clad materials of the present invention of Sample 4, Sample 6, Sample 8, Sample 10, Sample 12, and Sample 14 are pre-cladded with a metal base material and a solder alloy. In contrast, Sample 70, Sample 71, Sample 72, Sample 73, Sample 74, and Sample 75 of the comparative example are not in a state where the metal base material and the solder alloy are clad.
As a result, it was confirmed that the difference in the results of the evaluation was largely affected by the difference in the cladding.
その結果、半導体素子接合体の評価において、本発明のものはボイド率がすべて０％であるのに対し、比較例のもののボイド率は１〜２％ある。また、シェア強度も平均して比較例のものは本発明のものより概ね数１０ＭＰａ小さい値となっている。そして、ヒートサイクル試験においても比較例のものは、５００サイクルでは全てクラック等の不良の発生が確認された。 As a result, in the evaluation of the semiconductor element assembly, the void ratio of the present invention is 0%, whereas the void ratio of the comparative example is 1 to 2%. In addition, the average shear strength of the comparative example is about several tens of MPa smaller than that of the present invention. Also, in the heat cycle test, the occurrence of defects such as cracks was confirmed in all of the comparative examples at 500 cycles.
このようにＮｉ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ系合金のいずれかの金属を用いたクラッド材とすることにより応力緩和等が優れる材料となることが分かる。以上より、本発明が産業上、非常に有用であり、かつ、実用性に富む技術であることが示された。 Thus, it turns out that it becomes a material which is excellent in stress relaxation etc. by setting it as the clad material using the metal in any one of Ni, a Fe-Ni-Co type alloy, and a Fe-Ni type alloy. From the above, it was shown that the present invention is a technology that is very useful and practical in industry.
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