JP2015160224A - 接合用材料 - Google Patents

Abstract

【課題】特定の接合材料を使用した場合における供給位置からの位置ずれを防ぐことができる接合用材料を提供する。【解決手段】接合用材料１０は、熱膨張率が５以下の第１の金属材料（インバー１）と、第１の金属材料上に設けられた、第１の金属材料よりも熱膨張率が高い第２の金属材料（Ｃｕ２）とを有する複合材料３と、複合材料３上にＮｉめっき層４を介して設けられたはんだ材５とを備える。はんだ材５は、融点が２６０℃以上の無鉛はんだであって、複合材料３に近い方から順にＺｎを主成分として含有するＺｎ系金属材、Ａｌを主成分として含有するＡｌ系金属材、及びＣｕ、Ａｕ、Ａｇ又はＳｎを主成分として含有する金属材が積層された構造を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、接合用材料に関する。

セラミックス基板と、セラミックス基板上に接合された配線層と、セラミックス基板上に配設されたパワー素子とを有する混成集積回路において、上記配線層は、銅／インバー／銅から成る３層構造のクラッド平板をセラミックス基板上にはんだにより接合して形成されたものであり、上記クラッド板をパワー素子に対する大電流を流すための配線とした混成集積回路が特許文献１に開示されている。

上記混成集積回路においては、上記クラッド平板上にＮｉメッキ膜を介して形成されたはんだ層上にチップターミナルや溶接リードがはんだのリフローにより接合されている。

上記特許文献１に記載の混成集積回路にも使用されている接合材料であるはんだには、従来、鉛が含まれていた。しかし、２００３年頃から、人体への有害性が指摘される鉛の使用を規制する動きが欧州を中心に広がり、鉛を含有しない、鉛フリー代替材料の開発が進められてきている。

はんだは、融点により高温、中温、低温の３種類に分けられる。このうち、高温はんだについては、市場要求（２６０℃耐熱性、高熱電導性、接合信頼性、低コスト）のすべてを満たす鉛フリー高温はんだが存在していなかった。

そこで、市場要求のすべてを満たす鉛フリー高温はんだの開発が求められており、開発されたものとして、特許文献２に記載の鉛フリー接合材料がある。

特開平５−１０９９１９号公報 特開２０１２−７１３４７号公報

特許文献２に記載の接合材料は、Ｚｎ／Ａｌ界面から溶融するため、基板に濡れる前に表面張力により収縮する。収縮の際、拡散ムラが発生したり、被接合部材と接触する銅などからなる最外層の薄い部分で局所的な濡れが発生して、そこを中心として収縮するため、被接合部材へ接合材料を供給した際の中心位置から実装位置の中心位置がずれることがあるという点で改善の余地があった。

そこで、本発明の目的は、特定の接合材料を使用した場合における供給位置からの位置ずれを防ぐことができる接合用材料を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、下記［１］〜［８］の接合用材料を提供する。

［１］熱膨張率が５以下の第１の金属材料と、前記第１の金属材料上に設けられた、前記第１の金属材料よりも熱膨張率が高い第２の金属材料とを有する複合材料と、前記複合材料上に設けられたはんだ材とを備え、前記はんだ材は、融点が２６０℃以上の無鉛はんだであって、前記複合材料に近い方から順にＺｎを主成分として含有するＺｎ系金属材、Ａｌを主成分として含有する第１のＡｌ系金属材、及びＣｕ、Ａｕ、Ａｇ又はＳｎを主成分として含有する第１のＸ系金属材が積層された構造を有することを特徴とする接合用材料。
［２］前記はんだ材は、前記複合材料と前記Ｚｎ系金属材の間に、Ａｌを主成分として含有する第２のＡｌ系金属材がさらに積層されていることを特徴とする前記［１］に記載の接合用材料。
［３］前記はんだ材は、前記複合材料と前記第２のＡｌ系金属材の間に、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ又はＳｎを主成分として含有する第２のＸ系金属材がさらに積層されていることを特徴とする前記［２］に記載の接合用材料。
［４］前記はんだ材は、ニッケル、金、又は銀めっき層を介して前記複合材料上に設けられていることを特徴とする前記［１］〜［３］の何れか１つに記載の接合用材料。
［５］前記複合材料の熱膨張率は、５〜１５であることを特徴とする前記［１］〜［４］の何れか１つに記載の接合用材料。
［６］前記第１の金属材料は、Ｆｅ−Ｎｉ系合金、Ｍｏ、Ｗのいずれかからなるからなり、前記第２の金属材料は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉのいずれかからなることを特徴とする前記［１］〜［５］の何れか１つに記載の接合用材料。
［７］第１の被接合材と前記第１の被接合材よりも熱膨張率が高い第２の被接合材とをはんだ接合するための接合用材料であることを特徴とする前記［１］〜［６］の何れか１つに記載の接合用材料。
［８］前記複合材料は、前記第１の被接合材の熱膨張率よりも高く、前記第２の被接合材の熱膨張率よりも低い熱膨張率を有することを特徴とする前記［７］に記載の接合用材料。

本発明によれば、特定の接合材料を使用した場合における供給位置からの位置ずれを防ぐことができる接合用材料を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る接合用材料を模式的に示す断面図である。 （ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、図１のはんだ材の詳細な構成例を模式的に示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る接合用材料の製造手順を説明するための概略図である。 本発明の実施の形態に係る接合用材料の第１の適用例を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係る接合用材料の第２の適用例を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係る接合用材料の第３の適用例を示す概略図である。 本発明の実施の形態に係る接合用材料の第４の適用例を示す概略図である。

〔接合用材料の構成〕
図１は、本発明の実施の形態に係る接合用材料を模式的に示す断面図である。
本発明の実施の形態に係る接合用材料１０は、熱膨張率が５以下の第１の金属材料（例えばインバー１）と、第１の金属材料上に設けられた、第１の金属材料よりも熱膨張率が高い第２の金属材料（例えばＣｕ２）とを有する複合材料３と、複合材料３上に設けられたはんだ材５とを備える。はんだ材５は、複合材料３上に直接又はＮｉめっき層４を介して設けられている。

（複合材料３の構成）
複合材料３は、熱膨張率が５以下の第１の金属材料と、第１の金属材料上（両面）に設けられた、第１の金属材料よりも熱膨張率が高い第２の金属材料とを有する。

熱膨張率が５以下の第１の金属材料としては、図１に示されるように、インバー１（例えば熱膨張率が１〜２程度のインバー）などのＦｅ−Ｎｉ系合金を用いることが特に好ましい。ＭｏやＷを用いることもできる。また、第１の金属材料よりも熱膨張率が高い第２の金属材料としては、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉのいずれかを用いることが好ましく、図１に示されるように、Ｃｕ２（熱膨張率が１７程度）を用いることが特に好ましい。

複合材料３の熱膨張率は、第１及び第２の金属材料の種類（熱膨張率）の選択や厚さの調節により、５〜１５となるようにすることが好ましく、７〜１３となるようにすることがより好ましい。複合材料３が図１に示すＣｕ／インバー／Ｃｕの場合には、熱膨張率はおよそ９〜１１となるようにすることが好ましい。

第１の金属材料の厚さは、４０〜１２００μｍとすることが好ましく、８０〜４００μｍとすることがより好ましい。また、第２の金属材料の厚さは、２０〜２４００μｍとすることが好ましく、４０〜８００μｍとすることがより好ましい。複合材料３全体の厚さは、１００〜３０００μｍとすることが好ましく、２００〜１０００μｍとすることがより好ましい。第２の金属材料／第１の金属材料／第２の金属材料の厚さの比は、１０〜４０／２０〜８０／１０〜４０とすることが好ましい。例えば、Ｃｕ／インバー／Ｃｕの場合、厚さの比を１／１／１とすることが好ましい。

（はんだ材５の構成）
はんだ材５は、融点が２６０℃以上の無鉛はんだであって、複合材料３に近い方から順にＺｎを主成分として含有するＺｎ系金属材、Ａｌを主成分として含有する第１のＡｌ系金属材、及びＣｕ、Ａｕ、Ａｇ又はＳｎを主成分として含有する第１のＸ系金属材が積層された構造を有するものである。融点が３５０℃以上４００℃以下の無鉛はんだであることが好ましい。

はんだ材５は、複合材料３と前記Ｚｎ系金属材の間に、Ａｌを主成分として含有する第２のＡｌ系金属材がさらに積層されている形態であってもよく、複合材料と前記第２のＡｌ系金属材の間に、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ又はＳｎを主成分として含有する第２のＸ系金属材がさらに積層されている形態であってもよい。

図２の（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、図１のはんだ材の詳細な構成例を模式的に示す断面図である。

図２（ａ）に示される板状のはんだ材５Ａは、前述の特許文献２に記載の図４に示される構成と同じであり、Ｘ系金属材として、Ｃｕを例示したものである。具体的には、中央にＺｎ系金属材５１（以下、単にＺｎと記載することがある）、その両面にＡｌ系金属材５２（以下、単にＡｌと記載することがある）、各Ａｌ系金属材５２上にＣｕ系金属材５３（以下、単にＣｕと記載することがある）を備えた積層材である。

図２（ｂ）に示される板状のはんだ材５Ｂは、上記図２（ａ）に示されるはんだ材５Ａの積層構造において、複合材料３に接合される側の第２のＸ系金属材（Ｃｕなど）が積層されていないものである。

また、図２（ｃ）に示される板状のはんだ材５Ｃは、上記図２（ｂ）に示されるはんだ材５Ｂの積層構造において、複合材料３に接合される側の第２のＡｌ系金属材が積層されていないものである。

本実施の形態においては、上記５層構造のはんだ材５Ａよりも上記４層又は３層構造のはんだ材５Ｂ、５Ｃの方が好ましい。

Ｚｎ系金属材５１は、Ｚｎを主成分（最も多く含まれる成分、以下同じ）としており、Ｚｎが９０質量％以上であることが好ましい。すなわち、Ｚｎ単体、又は不純物が１０質量％以下のＺｎ合金が好ましい。

第１及び第２のＡｌ系金属材５２は、Ａｌを主成分としており、Ａｌが９０質量％以上であることが好ましい。すなわち、Ａｌ単体、又は不純物が１０質量％以下のＡｌ合金が好ましい。

第１及び第２のＸ系金属材は、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ又はＳｎを主成分としており、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ又はＳｎが９０質量％以上であることが好ましい。特に、図に示される、Ｃｕを主成分としており、Ｃｕが９０質量％以上であるＣｕ系金属材５３であることが好ましい。すなわち、Ｃｕ単体、又は不純物が１０質量％以下のＣｕ合金が好ましい。例えば、無酸素銅、タフピッチ銅等の純銅や、３〜１５質量ｐｐｍの硫黄と、２〜３０質量ｐｐｍの酸素と、５〜５５質量ｐｐｍのＴｉとを含む希薄銅合金等を使用することができる。

Ｘ／Ａｌ／Ｚｎ／Ａｌ／Ｘの５層構造については、溶融時に十分な液相を生じさせ、濡れを向上させる目的から５層構造の総厚は２０μｍ以上が望ましい。また、接合部の熱抵抗を下げ、信頼性確保するため、５層構造の総厚は３００μｍ以下にすることが望ましい。

Ｘ／Ａｌ／Ｚｎ／Ａｌの４層構造の場合には、４層構造の総厚は１８μｍ以上２９９μｍ以下にすることが望ましい。また、Ｘ／Ａｌ／Ｚｎの３層構造の場合には、３層構造の総厚は１５μｍ以上２９７μｍ以下にすることが望ましい。

（Ａｌの合計の層厚）／（Ｚｎの層厚）は、１／６０〜１／３であることが望ましい。また、３８２〜４２０℃の接合温度範囲内で、積層材全体を均一に溶融させるため、Ａｌ、Ｚｎ、Ａｌの層厚比は、Ａｌ：Ｚｎ：Ａｌ＝１：６：１〜１：６０：１の比率にすることが望ましい。さらに、溶融組織の均一性の観点から、Ａｌ：Ｚｎ：Ａｌ＝１：８：１〜１：３０：１の範囲がより望ましい。Ｘ／Ａｌ／Ｚｎの３層構造の場合には、Ａｌ、Ｚｎの層厚比は、Ａｌ：Ｚｎ＝１：３〜１：６０の比率にすることが望ましい。

また、Ｘ系金属材はＺｎとＡｌの酸化を防止する機能を持たせるため、一定以上の厚さが必要となる。一方、Ｘ系金属材は、ＺｎとＡｌが反応し溶融したＺｎ−Ａｌ合金内に溶融し、Ｚｎ−Ａｌ−Ｃｕ合金を構成することになるが、元素ＸがＺｎ−Ａｌ合金の硬さや融点に与える影響を最小限にとどめることが望ましい。そのため、Ｘ系金属材はＺｎとＡｌに比べて薄い必要がある。層厚比は（Ａｌ＋Ｚｎ＋Ａｌ）：（Ｘ＋Ｘ）＝１：０．０００２〜０．２の比率にすることが望ましく、１：０．０００５〜０．１の比率にすることがより望ましい。Ｘ／Ａｌ／Ｚｎの３層構造の場合には、（Ｚｎ＋Ａｌ）：Ｘ＝１：０．０００１〜０．１の比率にすることが望ましく、Ｘ／Ａｌ／Ｚｎ／Ａｌの４層構造の場合には、（Ａｌ＋Ｚｎ＋Ａｌ）：Ｘ＝１：０．０００１〜０．１の比率にすることが望ましい。

図１では、はんだ材５は、複合材料３の両面に直接又はＮｉめっき層４を介して設けられているが、Ｎｉめっき層４に代えて、金又は銀めっき層としてもよい。これらのめっき層を設けることで接合力が向上する。また、後述する適用例２〜４のような使用方法においては、複合材料３の両面ではなく、片面のみにはんだ材５を設ける構成にすることもできる。

〔接合用材料の製造方法〕
次に、本実施の形態に係る接合用材料の製造方法について説明する。

複合材料３は、第１の金属材料（例えばインバー１）の両面を第２の金属材料（例えばＣｕ２）で挾み、冷間圧延法、押出法などにより一体化することにより、クラッド材として得ることができる。

はんだ材５（５Ａ〜５Ｃ）は、クラッド圧延法、めっき法、又は蒸着法により製造することができる。詳細は、特許文献２（特開２０１２−７１３４７号公報）に記載の方法により製造できるため、説明を省略する。なお、はんだ材５Ｂ、５Ｃは、はんだ材５Ａを製造後、はんだ材５Ａの片面のＸ系金属材、又はＸ系金属材とＡｌ系金属材をブラシでブラッシングすること等により除去することによって得ることもできる。

図３は、本発明の実施の形態に係る接合用材料の製造手順を説明するための概略図であり、複合材料３の片面にはんだ材５Ｂを有する接合用材料１０Ｂの製造工程例である。なお、図３において、はんだ材５Ａ、５Ｂ（図３の左上に記載）は、構成が把握しやすいように拡大して記載した。

上記方法で製造した複合材料３にＮｉめっき層４を形成し、Ｎｉめっき層４上にはんだ材５Ｂをクラッド圧延法等により接合することで接合用材料１０Ｂが得られる。はんだ材５ＢのＮｉめっき層４との接合面は接合前にブラシでブラッシングすること等により表面の異物等を除去するべく洗浄することが望ましい。はんだ材５Ａ、５Ｃを用いる場合においても同様である。したがって、はんだ材５Ｂ，５Ｃとしては、はんだ材５Ａを製造後、はんだ材５Ａの片面のＸ系金属材やＡｌ系金属材をブラシでブラッシングすること等により除去したものを用いることが、接合までの酸化を防止でき、かつ接合面の洗浄効果が得られる点で望ましい。

〔適用例〕
＜第１の適用例＞
図４は、本発明の実施の形態に係る接合用材料の第１の適用例を示す概略図である。
すなわち、本発明の実施の形態に係る接合用材料１０は、第１の被接合材（チップ２０など）と第１の被接合材よりも熱膨張率が高い第２の被接合材（リードフレーム３０など）とをはんだ接合するための接合用材料として好適に使用することができる。この場合、複合材料３は、第１の被接合材の熱膨張率よりも高く、第２の被接合材の熱膨張率よりも低い熱膨張率を有するようにする。例えば、図４に示すような熱膨張率が３程度のチップ２０（第１の被接合材）及び熱膨張率が１７程度のリードフレーム３０（第２の被接合材）をはんだ接合する場合、熱膨張率が５〜１５である複合材料３を用いることが好ましい。より好ましくは熱膨張率が７〜１３の複合材料３である。これにより、接合用材料１０が、本実施の形態の効果を奏するはんだ材として機能するとともに、熱膨張差によって生じる熱応力を抑制するバッファー材（応力緩衝材）としての機能を発揮する。

＜第２〜４の適用例＞
図５〜７は、本発明の実施の形態に係る接合用材料の第２〜４の適用例を示す概略図である。
本発明の実施の形態に係る接合用材料は、様々な構造の半導体装置のリード材等として使用できる。例えば、図５に示すようにチップ２０−チップ２０間を接続するリード材、図６に示すようにチップ２０−電極４０間を接続するリード材、図７に示すようにＩＧＢＴ５０−トランジスタ６０間を接続するリード材として使用できる。図７に示されるワイヤー１０５も本発明の実施の形態に係る接合用材料にて代替することが可能である。

〔実施の形態の効果〕
本発明の実施の形態によれば、特定の接合材料を使用した場合、すなわちＺｎを主成分として含有するＺｎ系金属材、Ａｌを主成分として含有するＡｌ系金属材、及びＣｕ、Ａｕ、Ａｇ又はＳｎを主成分として含有するＸ系金属材が積層された構造を有する接合材料を使用した場合において、特定の接合材料であるはんだ材５の上層に複合材料３があるため、溶融時に局所的に濡れても収縮しないので、供給位置からの位置ずれを防ぐことができる接合用材料を提供することができる。また、あらかじめ複合材料３とはんだ材５とを一体にしているため、工程省略のメリットがあり、はんだペースト不要とできる接合用材料を提供することができる。

なお、本発明の実施形態に係る接合用材料は板状のもの、断面が円形状、楕円形状又は平角形状等である線状のものとすることができ、変形した種々の実施形態が可能である。

１０、１０Ｂ：接合用材料
１：インバー、２：Ｃｕ、３：複合材料、４：Ｎｉめっき層
５、５Ａ、５Ｂ、５Ｃ：はんだ材
５１：Ｚｎ、５２：Ａｌ、５３：Ｃｕ
２０：チップ、３０：リードフレーム、４０：電極
５０：ＩＧＢＴ、６０：トランジスタ、７０：電極取出し端子
１０１：ベース板、１０２：絶縁基板、１０３：Ｃｕ
１０４：はんだ、１０５：ワイヤー、１０６：外ケース
１０７：封止樹脂

Claims (8)

1. 熱膨張率が５以下の第１の金属材料と、前記第１の金属材料上に設けられた、前記第１の金属材料よりも熱膨張率が高い第２の金属材料とを有する複合材料と、前記複合材料上に設けられたはんだ材とを備え、
   前記はんだ材は、融点が２６０℃以上の無鉛はんだであって、前記複合材料に近い方から順にＺｎを主成分として含有するＺｎ系金属材、Ａｌを主成分として含有する第１のＡｌ系金属材、及びＣｕ、Ａｕ、Ａｇ又はＳｎを主成分として含有する第１のＸ系金属材が積層された構造を有することを特徴とする接合用材料。
2. 前記はんだ材は、前記複合材料と前記Ｚｎ系金属材の間に、Ａｌを主成分として含有する第２のＡｌ系金属材がさらに積層されていることを特徴とする請求項１に記載の接合用材料。
3. 前記はんだ材は、前記複合材料と前記第２のＡｌ系金属材の間に、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ又はＳｎを主成分として含有する第２のＸ系金属材がさらに積層されていることを特徴とする請求項２に記載の接合用材料。
4. 前記はんだ材は、ニッケル、金、又は銀めっき層を介して前記複合材料上に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の接合用材料。
5. 前記複合材料の熱膨張率は、５〜１５であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の接合用材料。
6. 前記第１の金属材料は、Ｆｅ−Ｎｉ系合金、Ｍｏ、Ｗのいずれかからなり、前記第２の金属材料は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉのいずれかからなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の接合用材料。
7. 第１の被接合材と前記第１の被接合材よりも熱膨張率が高い第２の被接合材とをはんだ接合するための接合用材料であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の接合用材料。
8. 前記複合材料は、前記第１の被接合材の熱膨張率よりも高く、前記第２の被接合材の熱膨張率よりも低い熱膨張率を有することを特徴とする請求項７に記載の接合用材料。
   

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