JP2015202507A - 高温はんだ合金 - Google Patents

Abstract

【課題】 ２階層リフローを必要とする表面実装部品の接合信頼性、特には、初期特性及び耐リフロー性を確保するため、被接合体とはんだ接合界面近傍の金属間化合物の生成を抑制するとともに、２階層リフロー時にはんだ接合部を再溶融させない組成を有する高温はんだ合金。【解決手段】 スズを、０．０５質量％〜０．３質量％含有し、残部は、ビスマス及び不可避不純物からなる高温はんだ合金、ならびに、スズを、０．０５質量％〜０．３質量％含有し、さらに、銀を、０．５質量％〜１１質量％含有し、残部は、ビスマス及び不可避不純物からなる高温はんだ合金を提供する。【選択図】 なし

Description

本発明は、高温はんだ合金に関する。本発明は、特には、本発明は、電気機器、電子機器、通信機器などの配線接続及び部品の接続などに用いる鉛フリーはんだ実装技術分野において利用される、鉛フリー高温はんだ合金に関する。

従来用いられているＳｎ−Ｐｂ共晶または、Ｐｂ９０質量％以上のＰｂ基はんだ合金は、毒性を有する鉛を含んでいるため、その使用が制限されつつある。近年ではＳｎ−Ｐｂ共晶はんだの代替として、鉛を含まないＳｎ−Ａｇ共晶または、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだが広く普及し、電子部品とプリント回路板の接続に用いられている。しかし、Ｓｎを主成分とした鉛フリーはんだを用いると、はんだ付け部を、例えば２６０℃といった高温下に暴露することになり、電子部品内部の接続では、電極の溶解や、断線など、いわゆる耐熱性不良の問題が発生する場合がある。

また、パワーデバイス分野においては、近年、高温使用の要求が高まっており、従来自己発熱レベルの１５０℃程度の動作温度仕様でよかったものから、１７５℃、２００℃とそのパワーデバイス製品に要求される動作温度仕様が上がってきている。そのため、パワーデバイスの接続部についても耐熱性向上が求められている。ＪＥＩＴＡ（電子情報技術産業協会）の環境調和型先端実装技術成果報告２０１１（２０１１年７月）では、これまでの技術としてＰｂ基（鉛を主成分とした例えば２９０℃以上の融点をもつ材料）組成による耐熱性の確保があげられている。また電子部品内部接続に使用されるダイボンド接合部の耐熱要求温度は２６０℃以上が必要という報告もある。導電性接着剤およびＰｂフリーはんだで広く普及しているＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだでは、固相線温度が２２０℃付近にあり、上記の耐熱要求温度２６０℃では溶融してしまう。そのため、先に述べた電極の溶解や断線など耐熱性不良が発生する場合がある。

高温はんだ合金として用いられるＢｉ系はんだを用いて、内面電極と構造体の孔内壁との界面や構造体の内部にクラックが生ぜず、十分な内面電極強度を備えることを特徴とした貫通型セラミックコンデンサが知られている（特許文献１参照）。セラミックコンデンサのような挿入実装部品は、更にリード線を介してフローはんだ付けされている。しかしながら、２階層リフローを必要とする半導体素子などの表面実装部品に特許文献１のＢｉ系はんだを適用すると、基板及び電極部に接する構造上、接合不良（例えば、界面反応層の生成・成長等）が生じることや、耐リフロー性に乏しいことから、接合信頼性が低下することが懸念される。また、特許文献１に開示された発明は挿入実装部品を対象としたものであり、はんだにおいて必要とされる特性は、凝固時において体積収縮をしないことであり、表面実装部品の接合用はんだに求められる特性とは異なるものである。

ほかにも、Ｂｉを主成分とした鉛フリーはんだが知られている（特許文献２を参照）。しかし、特許文献２に開示されたはんだ合金は、Ｓｎを、１〜５質量％と比較的多く含んでいるため、接合部中における低融点層（Ｓｎ層：融点２３２℃）の占める割合が多く、高温でリフロー工程を繰り返すと、低融点層で再溶融する懸念がある点で問題である。

特開2007-181880号公報 国際公開第2012/002173号

２階層リフローを必要とする表面実装部品の接合信頼性、特には、初期特性及び耐リフロー性を確保するため、被接合体とはんだ接合界面近傍の金属間化合物の生成を抑制するとともに、２階層リフロー時にはんだ接合部を再溶融させない組成を有する高温はんだ合金が必要とされている。

上記課題を解決するために、本発明者らは、融点が比較的高いＢｉをベースとして、ごく微量のＳｎを添加したＢｉ−Ｓｎ合金とすることで、所望の特性が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。

本発明は、一実施形態によれば、高温はんだ合金であって、スズを、０．０５質量％〜０．３質量％含有し、残部は、ビスマス及び不可避不純物からなる。

前記高温はんだ合金において、前記スズを、０．１質量％〜０．３質量％含有することがさらに好ましい。

前記高温はんだ合金において、さらに、銀を、０．５質量％〜１１質量％含有することが好ましい。

前記高温はんだ合金において、前記銀を、０．５質量％〜２．５質量％含有することがさらに好ましい。

また、前記高温はんだ合金は、表面実装部品の接合に用いることが好ましい。

本発明は、他の実施形態によれば、金属基板とＳｉチップもしくはＳｉＣチップとを、前述のいずれかに記載の高温はんだ合金で接合してなる接合体を備えてなる半導体装置である。

本発明に係る高温はんだ合金は、被接合体とはんだ接合界面近傍のＢｉを含む金属間化合物の生成を抑制するとともに、リフロー工程ではんだ接合部を再溶融させず、耐リフロー性を確保することが可能となる。なお、本明細書において、温度２６０℃のリフロー工程で、はんだ接合部が再溶融しないことを、「はんだの耐リフロー性がある」と定義する。特には、Ｂｉ系はんだにＳｎを添加することで、被接合体の表面処理成分、例えば、Ｎｉ、Ｐ、Ａｕ、Ｔｉ等とＳｎとの金属間化合物を接合界面近傍に形成させてバリア層とすることで、該表面処理成分のはんだ中への拡散を抑えることが可能となる。また、Ｓｎの添加量を所定の範囲にすることで低融点のＳｎを減らし、２階層リフロー時にはんだが再溶融しない接合部を確保することができる。これにより、接合信頼性の確保が可能となる。

図１は、本発明に係る高温はんだ合金が好ましく使用される表面実装部品、及び２階層リフロー工程を説明する概念図である。 図２は、本発明に係る高温はんだ合金を用いて、チップと基板を接合した接合体の断面を示す模式図である。 図３は、Ｓｎを含有しないＢｉはんだ合金を用いて、チップと基板を接合した接合体の断面を示す模式図である。 図４は、実施例１において用いた、接合サンプルを示す概念図である。 図５は、実施例１におけるリフロー工程の温度プロファイルを示すグラフである。 図６は、本発明に係る高温はんだ合金を用いた図４に示す接合体の、せん断試験による破断面の観察結果を示すものである。 図７は、Ｓｎを添加しないＢｉはんだ合金を用いた接合体の、せん断試験による破断面の観察結果を示すものである。 図８は、本発明に係る高温はんだ合金を用いた図２に示す接合体の、接合面に垂直な断面の観察結果を示す。 図９は、Ｓｎを添加しないＢｉはんだ合金を用いた図３に示す接合体の、接合面に垂直な断面の観察結果を示す。 図１０は、Ｂｉ−Ｓｎ二元合金状態図を示す。 図１１は、本発明に係る高温はんだ合金と、比較例のはんだ合金の、リフロー工程後のボイドの変化を示す顕微鏡写真である。 図１２は、実施例２におけるリフロー工程の温度プロファイルを示すグラフである。 図１３は、基板に対するはんだ合金のぬれ広がり面積及び接触角の測定概要を模式的に示す図である。 図１４は、ＢｉへのＡｇ添加量を変化させたときの、濡れ広がり面積と接触角の変化を示すグラフである。

以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。

［第１実施形態：Ｂｉ−Ｓｎ二元系高温はんだ合金］
本発明は、第１の実施形態によれば、高温はんだ合金であってスズ（Ｓｎ）を、０．０５質量％〜０．３質量％含有し、残部は、ビスマス（Ｂｉ）及び不可避不純物からなる。不可避不純物とは、主として、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、鉄（Ｆｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、ヒ素（Ａｓ）、カドミウム（Ｃｄ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、インジウム（Ｉｎ）、リン（Ｐ）、鉛（Ｐｂ）などをいう。また、本発明による高温はんだ合金は、Ｐｂを含まない鉛フリー高温はんだ合金である。

Ｂｉ−Ｓｎ二元系の高温はんだ合金において、Ｓｎを０．０５質量％〜０．３質量％含有することによって、後に詳述する２階層リフロー工程の２回目以降のリフロー工程においてはんだ接合部を再溶融させず、ボイドの生成による接合特性の低下を防止するといった効果が期待できる。また、被接合体とはんだとの接合界面近傍に、被接合体の表面処理成分とＳｎの金属間化合物を形成させ、当該表面処理成分がはんだ材中に拡散して脆性破壊を促進することを防止する。また、Ｂｉへの微量のＳｎの添加は、Ｂｉの延性をわずかに向上する効果が期待できる。

Ｓｎの添加量は、好ましくは、０．１〜０．３質量％である。はんだ層中にＳｎが偏析することで、一部、被接合体の表面処理成分とＳｎの金属間化合物が形成されなくなることを想定した場合に、Ｓｎ添加量を上記範囲とすると、被接合体の表面処理成分とＳｎの金属間化合物の形成を確実にすることが可能になるためである。

本実施形態による高温はんだ合金は、通常の方法に従って、Ｂｉ、Ｓｎの各原料を電気炉中で溶解することにより調製することができる。また、本実施形態による高温はんだ合金は、板はんだとして、糸はんだとして、あるいは合金を粉末状にしてフラックスと合わせてクリームはんだとして、加工することができる。

高温はんだ合金を粉末状に加工してフラックスと合わせてクリームはんだとする場合に、はんだ粉末の粒径としては、粒径分布が、１０〜１００μｍの範囲にあるものが好ましく、２０〜５０μｍの範囲にあるものがさらに好ましい。平均粒径では、例えば、一般的なレーザ回折／散乱式粒度分布測定装置を用いて測定した場合に、２５〜５０μｍのものとすることができる。フラックスとしては、任意のフラックスを用いることができるが、特には、Ｂｉの酸化を抑制することが可能な組成を有するフラックスを用いることが好ましい。例えば、ハロゲン活性化ロジンフラックス等を挙げることができるが、これには限定されない。

本実施形態に係る高温はんだ合金は、好ましくは２階層リフロー工程を必要とする表面実装部品の接合に用いられる。図１に、２階層リフロー工程により、電子部材を製造する概念図を示す。ここで、２階層リフロー工程とは、所定の電子部材を製造するために１回目のリフロー工程を実施した後、さらに製造された電子部材を、別の部材と電気的に接合するために、一般的には１回目のリフロー工程とは異なるはんだ材を異なる接合部位に適用して２回目のリフロー工程を実施することをいう。このとき、１回目のリフロー工程に用いたはんだ合金が再溶融し、ボイドが発生することにより、接合不良等が生じやすいという問題があった。なお、２階層リフローにおけるリフロー工程の回数は２回に限定されるものではない。

さらに具体的には、金属基板３に高温はんだ合金１を載置し、さらにＳｉチップもしくはＳｉＣチップ２を載置して所定の温度プロファイルで加熱する１回目のリフロー工程とを含み、これらをワイヤボンディング４して封止材５にて封止してなるパワーモジュールなどの半導体装置１００を製造する工程と、この半導体装置１００を、図示しない別のはんだ材を用いて、所定の温度プロファイルで加熱してプリント基板４００に接合する第２回目のリフロー工程を含む電子部材の製造に用いられる。プリント基板４００には、同様にして、Small Outline Package（ＳＯＰ）２００や、Quad Flat Package（ＱＦＰ）３００などの表面実装部品がはんだ接合される。本発明による高温はんだ合金は、１回目のリフロー工程で接合部を構成した後、２回目以降のリフロー工程においても再溶融しにくい点で有利に用いられる。

ここで、１回目のリフロー工程における所定の温度プロファイルは、好ましくは、Ｂｉの固相線温度２７０℃以上に加熱し、加熱ピーク温度を合金の液相線温度＋３０℃程度に設定する。加熱時間は少なくとも６０秒以上保持することで良好な濡れ性が得られる。加熱ピーク温度に関しては、必ずしも液相線温度以上の加熱の必要はなく、純Ｂｉにより近い成分の場合は、純Ｂｉの固相線温度である２７０℃＋３０℃程度の加熱をすることで、良好な接合が確保できる。一例として、実施例１において用いた、図５に示す加熱温度プロファイルを用いることができるが、これには限定されない。

図２は、本発明による高温はんだ合金１を用いて、Ｓｉチップ２を、銅基板３に接合した後の接合体の、接合面に垂直な断面を模式的に示す図である。図２において、銅基板３、高温はんだ合金１、Ｓｉチップ２が順に積層されている。Ｓｉチップ２は、高温はんだ合金１の接合面から順に、Ａｕめっき膜２３、Ｎｉ−Ｐ膜２２、Ａｌ−Ｓｉ膜２１、Ｓｉ層２０が順に積層された構造となっている。なお、本発明による高温はんだ合金は、ＳｉＣチップの裏面電極と金属基板との接合にも同様に好ましく用いられ、ＳｉＣチップの裏面構造は、例えば、高温はんだ合金の接合面から順に、Ａｕめっき膜、Ｎｉ−Ｐめっき膜、Ａｌ−Ｓｉ膜、Ｔｉ膜となっている。

上述のような温度プロファイルで１回目のリフロー工程を実施すると、高温はんだ合金１層中の、Ｓｉチップ２との界面に、Ｓｎ−Ｎｉ化合物層１ｂが形成される。このＳｎ−Ｎｉ化合物層１ｂは、Ｎｉ_３Ｓｎ_４、Ｎｉ_３Ｓｎ_２、もしくはＮｉＳｎから主として構成され、記載した順に生成しやすい。このＳｎ−Ｎｉ化合物層１ｂが、高温はんだ合金層１ａへのＮｉの拡散を防止し、Ｂｉ−Ｎｉ化合物の形成を抑制することができると考えられる。Ｂｉ−Ｎｉ化合物は、硬くてもろいため、接合層の破壊寿命を短くすることが知られている。Ｎｉの拡散を防止する程度の厚みにＳｎ−Ｎｉ化合物層１ｂが形成されるためには、Ｂｉ−Ｓｎ二元系高温はんだ合金において、Ｓｎを少なくとも０．０５質量％含むことが必要となる。Ｓｎの含有量が０．０５質量％未満だと、Ｓｎ−Ｎｉ化合物層１ｂが薄くなり、Ｎｉ拡散に対するバリア効果が低下する。図２に示す接合体に外力が加わった場合に、典型的には、Ｓｎ−Ｎｉ化合物層１ｂよりも脆い、高温はんだ合金層１ａ中、例えば、図中のＡ−Ａ断面に、破断面が形成される。なお、Ｎｉ以外の裏面処理成分、例えば、Ｐ、Ａｕ、Ｔｉ等とＳｎとから構成されるバリア層については、Ｎｉ−Ｓｎ−Ｐ金属間化合物（Ｎｉ_２ＳｎＰ、Ｎｉ_１０Ｓｎ_５Ｐ_３）、Ａｕ−Ｓｎ金属間化合物（ＡｕＳｎ_４、ＡｕＳｎ_２、ＡｕＳｎ）、Ｔｉ−Ｓｎ金属間化合物（Ｔｉ_６Ｓｎ_５、Ｔｉ_５Ｓｎ_３）が挙げられる。

図３は、Ｓｎを含まないＢｉ−Ｇｅはんだ合金９を用いて、ＳｉもしくはＳｉＣチップ２を、銅基板３に接合した後の、接合面に垂直な断面を模式的に示す図である。Ｓｉチップ２の層構成は、図２に示す接合体と同様である。Ｂｉ−Ｇｅはんだ合金９を用いて、上述のような温度プロファイルで１回目のリフロー工程を実施すると、Ｂｉ−Ｇｅはんだ合金９層中の、Ｓｉチップ２との界面から、はんだ層中の比較的広い範囲に、Ｂｉ−Ｎｉ化合物９ｂが形成される。Ｂｉ−Ｎｉ化合物は、典型的には、Ｂｉ_３Ｎｉであり、Ｂｉ−Ｎｉ化合物９ｂの層は、Ｂｉ合金よりも、さらに脆く、破壊寿命が短い。したがって、図３に示す接合体に外力が加わった場合に、典型的には、Ｂｉ合金層９ａよりも脆い、Ｂｉ−Ｎｉ化合物９ｂ層中、例えば、図中のＡ−Ａ断面が破断面となる。

本発明の第１実施形態によるＢｉ−Ｓｎ二元系高温はんだ合金によれば、接合後に被接合体成分であるＮｉが、はんだ合金層へ拡散することを抑制した、接合信頼性の高い接合部の形成が可能となる。また、２階層リフロー工程において、２回目以降のリフロー工程を実施する際に、はんだが再溶融することがないため、表面実装部品のはんだ付けにおいて好ましく用いることができる。

［第２実施形態：Ｂｉ−Ｓｎ−Ａｇ三元系高温はんだ合金］
本発明は、第２の実施形態によれば、高温はんだ合金であってＳｎを、０．０５質量％〜０．３質量％含有し、Ａｇを、０．５質量％〜１１．０質量％含有し、残部は、Ｂｉ及び不可避不純物からなる。第２実施形態による高温はんだ合金も、不可避不純物を除いて、Ｐｂを含まない鉛フリー高温はんだ合金である。Ａｇは、Ｂｉの濡れ性を改善することができるため、第１実施形態によるＢｉ−Ｓｎ二元系はんだの特性をさらに改善することができる。

本実施形態による高温はんだ合金は、より好ましくは、Ａｇを、０．５質量％〜２．５質量％含有する。上記好ましい添加範囲とすることで、液相線温度は２６２℃〜２６９℃の範囲となり、接合プロセス温度を低減できる（例えば、Ａｇ量１１％のとき、液相線温度３６０℃）といった更なる利点が得られる。

本実施形態による高温はんだ合金もまた、通常の方法に従って、Ｂｉ、Ｓｎ、Ａｇの各原料を電気炉中で溶解することにより調製することができる。また、本実施形態による高温はんだ合金も、板はんだとして、糸はんだとして、あるいは合金を粉末状にしてフラックスと合わせてクリームはんだとして、加工することができる。フラックスの特性については、第１実施形態において説明したとおりである。

本実施形態に係る高温はんだ合金もまた、２階層リフロー工程を必要とする表面実装部品の接合に用いられる。したがって、第２実施形態による三元系の高温はんだ合金が適用される部材や、被接合体、接合プロファイルなどは、概ね、第１実施形態で説明したのと同様とすることができる。

さらには、第２実施形態による三元系の高温はんだ合金も、接合後に、高温はんだ合金層中の、Ｓｉチップとの接合界面に、Ｓｎ−Ｎｉ化合物層が形成され、Ｎｉ拡散に対するバリア効果が、第１実施形態と同様に得られ、同様の効果を奏する。

本発明の第２実施形態によるＢｉ−Ｓｎ−Ａｇ三元系高温はんだ合金が、第１の実施形態の利点を全て備え、さらに濡れ性及び耐リフロー性が向上したものとなっている。

以下に、本発明を、実施例を参照してより詳細に説明する。しかし、以下の実施例は本発明を限定するものではない。

［１．Ｂｉ−Ｓｎ二元系高温はんだ合金の特性評価］
本発明の実施例に係るＢｉ−Ｓｎ二元系高温はんだ合金、及び比較例のＢｉーＧｅ系はんだを用いて、その接合特性を評価した。

（１） 接合性評価サンプルを作製した。直径φ１０ｍｍの銅板の接合面に、メタルマスク（開口部：φ５ｍｍ、板厚：１５０μｍ）を用いて、表１に示すＢｉ系はんだ３種を一定量設置した。ここで、はんだは、ハロゲン活性化ロジンフラックスを１０質量％〜１５質量％の範囲で含むクリームはんだを用いた。その後、Ｓｉチップ２を重ねた。Ｓｉチップは、図２に示すとおりの層構成を備えるものを用いた。接合性評価サンプルを図４に示す。次いで、図５に示す２段階温度プロファイルで加熱溶融して、ＳｉチップとＣｕ板を接合して、接合体を得た（初期品、１回目のリフロー工程）。

（２） （１）で得られた３つのＳｉ−Ｃｕ接合体について、継手強度試験機（ＲＨＥＳＣＡ製、型式：ＳＴＲ−１００１）を用いて、せん断強度を測定した。せん断速度は、１ｍｍ／ｍｉｎとした。せん断強度の測定結果より、本発明に係る、Ｓｎを添加したＢｉ系はんだ（Ｂ２Ｓ）は２５ＭＰａ以上の高強度を示した。これに対し、Ｓｎを添加していないＢｉ系はんだ（ＢＧ、Ｂ１０ＡＧ）は１１ＭＰａほどの接合強度であった。

（３） せん断試験後の破断サンプルの外観および断面解析を実施した。図６（ａ）は、Ｂ２Ｓはんだを用いた破断サンプルの破断面の顕微鏡写真である。図６（ａ）には、ディンプル状のパターンを確認することができ、Ｂｉ高温はんだ合金層内で破壊が生じていることが推察される。本発明の実施形態において説明した、図２を参照すると、図２のＡ−Ａ断面で破壊されていることが推察される。図６（ｂ）〜（ｉ）は、接合体に添加されていると考えられる元素についてのＥＤＸ断面解析結果を示す。図６（ｂ）は、破断面にＢｉが多く存在することを、（ｄ）は破断面Ｓｎが多く存在することを示す。一方、図６（ｆ）は、破断面にＮｉが少ないことを示す。

図７（ａ）は、ＢＧはんだを用いた破断サンプルの破断面の顕微鏡写真である。図７（ａ）には、Ｎｉ−Ｐ層のポーラスな構造が反映されており、破断面がＢｉ高温はんだ合金層ではないことが推察される。本発明の実施形態において説明した、図３を参照すると、図３のＡ−Ａ断面で破壊されていることが推察される。図７（ｂ）〜（ｉ）は、接合体に添加されていると考えられる元素についてのＥＤＸ解析結果を示す。図７（ｂ）は、図６（ｂ）と比較して、破断面のＢｉが少ないことを示す。一方、図７（ｅ）は、図６（ｅ）と比較して、破断面にＰが多く存在すること、（ｆ）は、破断面にＮｉが多く存在することを示す。また、図７（ｃ）は、ＢＧはんだの成分であるＧｅが多く存在することを示す。

これらの破断面観察結果及び、ＥＤＸ解析結果より、接合強度差が生じた理由が、本発明に係るＳｎ含有Ｂｉはんだと、Ｓｎを含有しないはんだとでは、破壊モードが異なることによることが説明できる。

（４） せん断試験前のＳｉ−Ｃｕ接合体の、接合面に垂直な断面の、観察およびＥＤＸ解析を実施した。図８（ａ）は、Ｂ２Ｓはんだを用いた接合体断面の顕微鏡写真である。図８（ａ）においては、高温はんだ合金１層、Ａｕめっき膜、Ｎｉ−Ｐ膜、Ａｌ−Ｓｉ膜がその順に形成されている。なお、Ａｕめっき膜厚は０．１μｍに満たないため、図８の倍率の断面像では識別できない。図８（ｂ）〜（ｉ）は、接合体に添加されていると考えられる元素についてのＥＤＸ解析結果を示す。図８（ｄ）から、Ｎｉが、高温はんだ合金層へ拡散していないことかわかる。また、図８（ｉ）から、Ｓｎが高温はんだ合金１層とＳｉチップ２との間に位置しているほか、高温はんだ合金層中のＳｎの存在も確認することができる。Ｂ２Ｓはんだの接合体では、Ｎｉの拡散が抑えられ、Ｂｉ−Ｎｉ系化合物を形成しなかった。このため、せん断試験後の破断サンプルは、はんだ層内で破壊したと推察することができる。これは、Ｓｉチップとはんだ接合界面にＳｎ−Ｎｉ系化合物が形成することで、Ｎｉの拡散を抑制したことが要因として挙げられる。すなわち、Ｓｎ添加効果（被接合体とはんだ接合界面近傍のＢｉ−Ｎｉ系金属間化合物の生成を抑制）によって接合性が向上したといえる。

図９（ａ）は、ＢＧはんだを用いた接合体断面の顕微鏡写真である。図９（ａ）においては、高温はんだ合金１層、Ａｕめっき膜、Ｎｉ−Ｐ膜、Ａｌ−Ｓｉ膜が、その順に形成されている。なお、Ａｕめっき膜厚は０．１μｍに満たないため、図９の倍率の断面像では識別できない。図９（ｂ）〜（ｉ）は、接合体に添加されていると考えられる元素についてのＥＤＸ解析結果を示す。図９（ｄ）から、Ｎｉが、高温はんだ合金層へ広く拡散していることかわかる。このように、Ｓｎを添加していないＢＧはんだを用いた接合体の接合部では、Ｓｉチップ表面膜の成分であるＮｉがはんだ中に拡散（拡散長：最大約５３μｍ）し、Ｂｉ−Ｎｉ系化合物を形成していた。このことから、せん断試験後の破断サンプルは、はんだ合金層内に形成したＢｉ−Ｎｉ化合物層、あるいはＢｉ−Ｎｉ化合物層とＮｉ−Ｐ膜との界面で破壊したと判断することができる。

（５） Ｓｎを過剰に添加するとはんだ接合部中に低融点層が生じ、２階層リフローにおいて、はんだ接合部が再溶融することが想定される。従って、被接合体とはんだ接合界面近傍のＢｉ−Ｎｉ系金属間化合物の生成を抑制し、かつ、２階層リフロー時に、はんだ接合部が再溶融しないＳｎ添加量の決定について検討した。

図１０のＢｉ−Ｓｎ合金状態図より、Ｓｎ添加量を０．３質量％から０．１４質量％へと減少させると、固相線温度は２４７℃から２６０℃へと上昇する。よって、平衡状態ではＳｎ添加量が０．１４質量％以下であれば、温度２６０℃の耐リフロー性を有するといえる。しかしながら、実装時は非平衡状態であり、被接合体から物質の拡散に起因する合金の組成変動や、はんだ接合部中での偏析により、組成が局所的に不均一になる現象が生じることから、Ｓｎ添加量を０．０５質量％から２．０質量％の範囲に設定した。

（６） Ｓｎ添加量の異なる、Ｂｉ−Ｓｎ二元系高温はんだ合金を用いて上記（１）と同様のプロセスで、図５の温度プロファイルに沿って加熱し、Ｓｉ−Ｃｕ接合体を得た（初期品）。このＳｉ−Ｃｕ接合体初期品に対し、リフロー工程（温度：２６０℃、保持時間：３ｍｉｎ）に３回かけ、Ｘ線観察することで耐リフロー性について調査した。ボイドの拡大または、ボイドの移動が観察された場合に、再溶融が発生したものと判定することができる。

図１１に、Ｘ線観察結果を示す。Ｘ線写真中、黒い部分が高温はんだ合金１を示しており、白っぽい部分が被接合体であるＣｕ基板３を示している。また、高温はんだ合金１中の白い部分がボイド５０である。図１１より、Ｓｎを１質量％および２質量％添加したサンプルにおいて、はんだ接合部の再溶融（ボイド拡大）を確認した。これらの結果から、Ｓｎ添加量を、０．３質量％以下としたＢｉ−Ｓｎ二元系高温はんだ合金が、はんだ接合部の再溶融を生じさせないために有用であることがわかった。図１１から、リフロー工程を１回実施した場合と、３回実施した場合とでは、ボイド拡大や移動等の変化がないことがわかった。図示省略したが、リフロー工程を２回実施した場合も同様であった。

Ｂｉ系はんだに所定量のＳｎを添加した、本発明に係る高温はんだ合金は、被接合体の表面処理成分であるＮｉとＳｎとの金属間化合物を接合界面近傍に形成させてバリア層とすることで、該表面処理成分のはんだ中への拡散を抑えるとともに、２階層リフロー時にはんだが再溶融しない接合部を確保することが可能となった。

［２．Ｂｉ−Ａｇはんだ合金の特性評価］
本実験例は、Ｂｉ−Ｓｎ−Ａｇ三元系高温はんだ合金の特性評価に代えて、Ｂｉはんだの特性を改善するＡｇの添加効果を調べたものである。Ａｇ添加によりＡｇ_３Ｓｎ金属間化合物が形成すると低融点層（Ｓｎ層）が減少して、耐リフロー性の向上が予測され、Ａｇ添加によって先の実施例で実証したＢｉ−Ｓｎ高温はんだ合金の有利な特性を損なうことがないことは、合理的に推測することが可能である。

（１） ぬれ性評価サンプルを作製した。２０ｍｍ□×ｔ１．６ｍｍの銅張り両面基板（銅箔厚さ：５０μｍ）の接合面に、２．５ｍｍ×３ｍｍ×１．５ｍｍのはんだ小片（重量：約１００ｍｇ）を搭載した。はんだ小片にＪＥＩＴＡ標準フラックス（ハロゲン活性化ロジン）を塗布し、図１２に示す２段階温度プロファイルで加熱・溶融してサンプルとした。はんだの組成は、Ａｇなし、Ａｇ２．５質量％、Ａｇ７質量％、Ａｇ１１質量％で、残余はＢｉからなる４種とした。

（２） ぬれ性の評価は、上記で作成したサンプルが、溶融・凝固した後、銅張り両面基板に対するぬれ広がり面積及び接触角を測定（Ｎ＝３）することによって実施した。図１３（ａ）は、銅張り両面基板３に高温はんだ合金１が拡がった状態の平面図を模式的に示すものである。この場合のぬれ広がり面積Ｓを測定した。測定は、リフローソルダリング観察装置ＳＭＴ ＳｃｏｐｅＳＫ−５０００（型番）（山陽精工（製造会社名）製）を用いて実施した。図１３（ｂ）は、同様に、銅張り両面基板３に高温はんだ合金１が拡がった状態の、接合面に垂直な方向の断面図を模式的に示すものである。図中、θで表される、基板３と高温はんだ合金１との接触角を測定した。測定は、形状測定レーザーマイクロスコープ ＶＫ−８７００（ＫＥＹＥＮＣＥ（製造会社名）製）を用いて実施した。

（３）図１４は、ＢｉへのＡｇ添加量を変化させたときの、濡れ広がり面積と接触角の変化を示すグラフである。Ｂｉに、Ａｇを約２．５〜約１１質量％添加することで、Ｂｉ合金の濡れ性が向上していることがわかる。特には、Ａｇ含有量の増加に伴い。濡れ性が向上する傾向が明らかになった。したがって、Ｂｉ−Ｓｎ−Ａｇ三元系の高温はんだ合金においては、上記Ｂｉ−Ｓｎ二元系の持つ特性に加えて、Ａｇ添加による濡れ性向上の効果が期待される。

本発明による高温はんだ合金は、表面実装部品の接合部に用いられる。特には、ＩＣなどパッケージ部品に好適に用いられる。また発熱の大きい部品、例えばＬＥＤ素子や、パワーダイオードなどパワー半導体デバイスの接合部、さらにはプリント配線板などに搭載される電子部品全般におけるＩＣ素子などの内部接続の接合部に好適に用いられる。応用される製品では、先に述べたＬＥＤ素子を用いた照明部品や、インバータの駆動回路、パワーモジュールといわれる電力変換機などが対象として挙げられる。

１ 高温はんだ合金
１ａ 高温はんだ合金層
１ｂ Ｎｉ−Ｓｎ化合物層
２ Ｓｉチップ（ＳｉＣチップ）
２０ Ｓｉ層
２１ Ａｌ−Ｓｉ膜
２２ Ｎｉ−Ｐ膜
２３ Ａｕめっき膜
３ 基板
４ ワイヤボンディング
５ 封止材
９ Ｓｎを含まないはんだ合金
９ａ はんだ合金層
９ｂ Ｂｉ−Ｎｉ金属間化合物層
５０ ボイド
１００ 半導体装置
２００ ＳＯＰ
３００ ＱＦＰ
４００ プリント基板

Claims (6)

1. スズを、０．０５質量％〜０．３質量％含有し、残部は、ビスマス及び不可避不純物からなる高温はんだ合金。
2. 前記スズを、０．１質量％〜０．３質量％含有する、請求項１に記載の高温はんだ合金。
3. さらに、銀を、０．５質量％〜１１質量％含有する、請求項１または２のいずれかに記載の高温はんだ合金。
4. 前記銀を、０．５質量％〜２．５質量％含有する、請求項３に記載の高温はんだ合金。
5. 表面実装部品の接合に用いるための、請求項１〜４のいずれかに記載の高温はんだ合金。
6. 金属基板とＳｉチップもしくはＳｉＣチップとを、請求項１〜５のいずれかに記載の高温はんだ合金で接合してなる接合体を備えてなる半導体装置。