JP2016171344A

JP2016171344A - ハンダ接合体およびハンダ接合方法

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Publication number: JP2016171344A
Application number: JP2016116198A
Authority: JP
Inventors: 裕輔中田; Yusuke Nakata; 佐藤　豊; Yutaka Sato; 豊佐藤
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2016-06-10
Filing date: 2016-06-10
Publication date: 2016-09-23

Abstract

【課題】ハンダ接合の信頼性を向上させるハンダ接合体およびハンダ接合方法を提供する。【解決手段】第１の被接合材（２、７）と第２の被接合材（４、５）と、第１の被接合材と第２の被接合材との間にあって、両者を接合するハンダ層（３、６）と、を有するハンダ接合体（２００Ａ、２００Ｂ）であって、ハンダ層内に、柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物（２０）を含有する。【選択図】図３

Description

本発明は、ハンダ接合体およびハンダ接合方法に関する。

パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどのパワー半導体を搭載したパワーモジュールは、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載される電力変換装置（インバータ）などとして用いられる。

一般的なパワーモジュールは、パワー半導体を構成するＳｉチップと、絶縁基板と、ヒートシンク等から構成されており、それぞれがハンダ接合されている。

ここで、パワーモジュールにおいてハンダ接合を行うハンダ層には、熱伝導率および電気抵抗率に関する所定の性能が求められ、また使用環境下において前記各種性能を維持するために所定の耐久性が求められている。

ハンダ接合部は、他の構造材料とは異なって弾性領域だけではなく塑性領域まで歪みが加わる。そのため、ハンダ接合部には、脆性的な破断を示す材料は採用することができず、クラック進展が進み難い材料や構造が求められている。

ハンダ接合部のクラック発生を抑制する技術は種々提案されている（例えば、特許文献１等）。

特許文献１に係る従来技術では、絶縁基板下の金属層とヒートシンクとの間を接合するハンダ層にクラックが入るのを抑制するために、金属層をアルミニウムと銅とから成る二層構造としている。

特開２０１４−１６０７９９号公報

本発明は、ハンダ接合の信頼性を高めることができるハンダ接合体およびハンダ接合方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るハンダ接合体は、第１の被接合材と第２の被接合材と、前記第１の被接合材と前記第２の被接合材との間にあって、両者を接合するハンダ層と、を有するハンダ接合体であって、前記ハンダ層内に、柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物を含有することを特徴とする。

また、他の発明に係るハンダ接合方法は、前記絶縁基板の他側面側の第２の金属層をＣｕで形成する工程と、前記冷却器の前記第２のハンダ層側の表面に、Ｎｉ層で形成する工程と、前記第１のハンダ層および前記第２のハンダ層の少なくとも一方のハンダ層をＳｎ系ハンダで形成する工程とを有し、前記ハンダ層を形成する工程において、前記ハンダの温度をハンダの融点に６０℃〜９０℃を加えた温度まで加熱して、その状態を１０分〜２０分間保持し、溶融した前記ハンダにＣｕを溶出させ、室温まで冷却して、柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物を形成することを特徴とする。

本発明によれば、ハンダ層内に柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物を含有させて、ハンダ接合の信頼性向上させることができる。

また、柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物２０の存在によりクラックＣ１を枝分かれさせて、応力を分散させることができる。

さらに、柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物の形成により、ハンダ層のせん断応力に対する強度が向上され、機械的強度を高めることができる。

実施の形態に係るハンダ接合体の構成例を示す概略説明図である。実施の形態に係るハンダ接合体の他の構成例を示す概略説明図である。実施の形態に係るハンダ接合体を用いたパワーモジュールの構成例を示す分解側面図である。ハンダ接合工程の処理手順を示す工程図である。柱状金属間化合物の形成過程を示す説明図である。柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物の形成例を示す撮像図である。Ｃｕ溶出の場合と未溶出の場合の初期断面とクラック進展部を対比する撮像図である。従来のハンダ層に発生したクラックの進展状態を示す撮像図である。実施の形態に係るハンダ接合方法を適用したハンダ層に発生したクラックの抑止状態を示す撮像図である。

以下、本発明の一例としての実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。ここで、添付図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。なお、ここでの説明は本発明が実施される最良の形態であることから、本発明は当該形態に限定されるものではない。

［実施の形態に係るハンダ接合体］
図１から図３を参照して、実施の形態に係るハンダ接合体２００Ａ、２００Ｂについて説明する。

ここで、図１は、本実施の形態に係るハンダ接合体２００Ａの構成例を示す概略説明図、図２は、他の構成例に係るハンダ接合体２００Ｂを示す概略説明図、図３は、本実施の形態に係るハンダ接合体２００Ａ、２００Ｂを用いたパワーモジュールの構成例を示す分解側面図である。

まず、図１を参照して、本実施の形態に係るハンダ接合体２００Ａの構成例について説明する。

図１に示すように、本実施の形態に係るハンダ接合体２００Ａは、第１の被接合材２と第２の被接合材４と、第１の被接合材２と第２の被接合材４との間にあって、両者を接合するハンダ層３とから構成されている。

ハンダ接合体２００Ａでは、第１の被接合材は、例えばＣｕ等で構成される第１の金属層２で構成され、第２の被接合材は、パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどのパワー半導体素子４で構成されている。

そして、ハンダ層３は、柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物２０を含有している。

柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物２０の詳細については後述する。

次に、図２を参照して、本実施の形態の他の構成例に係るハンダ接合体２００Ｂの構成について説明する。

他の構成例に係るハンダ接合体２００Ｂは、第１の被接合材７と第２の被接合材５と、第１の被接合材７と第２の被接合材５との間にあって、両者を接合するハンダ層６とから構成されている。

ハンダ接合体２００Ｂでは、第１の被接合材７は、例えばヒートシンク（冷却器）で構成され、第２の被接合材５は、例えばロウ付けＣｕ等で構成される第２の金属層５で構成されている。

そして、ハンダ層６は、柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物２０を含有している。

ここで、図３を参照して、本実施の形態に係るハンダ接合体２００Ａ、２００Ｂを適用したパワーモジュールＰＭ１の構成例について説明する。

図３は、実施の形態に係るハンダ接合体２００Ａ、２００Ｂを用いたパワーモジュールＰ１の構成例を示す分解側面図である。

パワーモジュールＰＭ１は、セラミック等で形成される絶縁基板１と、絶縁基板１の一側面１ａに第１のハンダ層３および第１の金属層２を介して接合されるパワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどで構成されるパワー半導体素子４と、絶縁基板１の他側面１ｂに第２の金属層５および第２のハンダ層６を介して接合される冷却器（ヒートシンク）７とを備える。

図３に示すパワーモジュールＰＭ１おいて、第１の金属層２、第１のハンダ層３およびパワー半導体素子４によって、図１に示す本実施の形態に係るハンダ接合体２００Ａが形成される。

また、図３に示すパワーモジュールＰＭ１おいて、冷却器（ヒートシンク）７、第２のハンダ層６および第２の金属層５によって、図２に示す本実施の形態の他の構成例に係るハンダ接合体２００Ｂが形成される。

なお、図示は省略するが、冷却器７の第２のハンダ層６の表面には、Ｎｉメッキによるハンダ付け面が形成されている。

そして、第１のハンダ層３および第２のハンダ層６の少なくとも一方のハンダ層内に、後述するハンダ接合方法を適用して柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物を形成させている。

（ハンダ接合方法）
次に、図４の工程図を参照して、本発明の実施の形態に係るハンダ接合方法によるハンダ接合工程の処理手順について説明する。

なお、ここに示す例では、図３に示すパワーモジュールＰＭ１おいて、ハンダ接合体２００Ｂが有する第２のハンダ層６に本実施の形態に係るハンダ接合方法を適用するものとする。

まず、ステップＳ１０では、絶縁基板１の他側面１ｂ側の第２の金属層５をロウ付けＣｕで形成する。

なお、このＣｕから成る第２の金属層５が、第２のハンダ層６に溶出するＣｕの供給源となる。

次いで、ステップＳ１１では、冷却器７の第２のハンダ層６側の表面に、ハンダ付け面をＮｉメッキで形成する。

これにより、冷却器７に対して、ハンダ付け面を介して第２のハンダ層６を形成できる状態となる。

次に、ステップＳ１２では、第２のハンダ層６をＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダ（例えば、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎハンダ等）で形成する。なお、第２のハンダ層６は、少なくともＳｎを含んでいればよい。

そして、ステップＳ１３で、第２のハンダ層６を形成する工程において、ハンダの温度をハンダの融点に６０℃〜９０℃を加えた温度（例えば、２９５℃）まで加熱して１０分〜２０分間保持してステップＳ１４に移行する。

ステップＳ１４では、溶融した第２のハンダ層６にＣｕを溶出させる。即ち、Ｃｕから成る第２の金属層５が、Ｃｕの供給源となって第２のハンダ層６に溶出する。

これにより、ステップＳ１５では、第２のハンダ層６内に柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物２０（後述の図６等参照）が形成される。

ここで、図５を参照して、柱状金属間化合物の形成過程（形成メカニズム）について簡単に説明する。

まず、過程（１）〜（２）では、室温でＣｕ（０．７ｗｔ％）の状態（図５（ｂ）に示すように第２のハンダ層６にＣｕの供給源となる第２の金属層５が密着した状態）からリフロー方式で２９５℃まで加熱する。

これにより、第２のハンダ層６は液相状態となる。

過程（２）〜（３）では、２９５℃でＣｕ（０．７ｗｔ％）の状態で、図５（ｃ）に示すように第２のハンダ層６に第２の金属層５からＣｕが液相状態で拡散（溶出）し始める。

過程（３）〜（４）では、２９５℃でＣｕ（２．５ｗｔ％）となり、図５（ｄ）に示すように第２のハンダ層６にＳｎ−Ｃｕ金属間化合物（ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃｃｏｍｐｏｕｎｄｓ；ＩＭＣ）が徐々に成長する。

なお、過程（２）〜（４）は、５分間保持した。

過程（４）〜（５）では、２９５℃から室温まで冷却され、Ｃｕ（５．０ｗｔ％）となり、図５（ｅ）に示すように第２のハンダ層６に組成がＣｕ_６Ｓｎ_５である柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物２０が複数にわたって形成される。

図６は、上述のような過程を経て形成される柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物の形成例を示す撮像図（電子顕微鏡写真）である。

図７に示すように、第２のハンダ層６には、柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物２０が複数にわたって形成されていることが分かる。

ここで、図７〜図９では、本実施形態のハンダ層及び従来のハンダ層に対して、同じ条件下で強制的にクラックを生じさせた様子を示すものであり、図７は、Ｃｕ溶出の場合と未溶出の場合の初期断面とクラック進展部を対比する撮像図、図８は、従来のハンダ層に発生したクラックの進展状態を示す撮像図、図９は、実施の形態に係るハンダ接合方法を適用したハンダ層に発生したクラックの抑止状態を示す撮像図である。

まず、図７の（ｂ）および図６を参照すると分かるように、従来のハンダ層（Ｃｕが未溶出のハンダ層）１００に発生したクラックＣ２は、矢印Ｄ１方向への進展が止まらず、図上、ほぼ左端から右端まで達している。

一方、図７の（ａ）および図９を参照すると分かるように、本実施の形態に係るハンダ接合方法を適用した第２のハンダ層６（Ｃｕが溶出したハンダ層）では、発生したクラックＣ１は、矢印Ｄ１方向へ進展するものの、位置Ｐ１で、そのクラックの進展が抑止されていることが分かる。

これは、本実施の形態に係るハンダ接合方法により、第２のハンダ層６内に複数にわたって形成された柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物２０により、クラックＣ１の進展が阻害された影響であると推察される。

このように、本実施の形態に係るハンダ接合方法によれば、クラックＣ１が柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物２０に突き当たることにより、クラックＣ１のさらなる進展を抑止することができるため、ハンダ接合の頼性を向上させることができる。

また、柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物２０の存在によりクラックＣ１を枝分かれさせて（図７の（ａ）のクラックＣ１ａ、Ｃ１ｂ等を参照）、応力を分散させることができる。

さらに、柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物２０の形成により、第２のハンダ層６のせん断応力に対する強度が向上され、パワーモジュールＰ１の機械的強度を高めることができる。

なお、第１のハンダ層３についても、第２のハンダ層６と同様にＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダ（例えば、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎハンダ等）で形成するようにしてもよい。この場合には、第１の金属層２をＣｕで形成するなどして、第１のハンダ層３にＣｕが溶出するように構成することとなる。

以上本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本明細書で開示された実施の形態はすべての点で例示であって開示された技術に限定されるものではないと考えるべきである。すなわち、本発明の技術的な範囲は、前記の実施の形態における説明に基づいて制限的に解釈されるものでなく、あくまでも特許請求の範囲の記載にしたがって解釈すべきであり、特許請求の範囲の記載技術と均等な技術および特許請求の範囲内でのすべての変更が含まれる。

例えば、絶縁基板１の他側面１ｂ側の第２の金属層５をＣｕで形成する方法は、ロウ付に限らず、例えばメッキや蒸着であってもよい。

また、第２のハンダ層６や第１のハンダ層３へのＣｕの供給源として、第２のハンダ層６や第１のハンダ層３自体にＣｕの微粒子等を含有させるようにしてもよい。この場合には、第２の金属層５や第１の金属層２がＣｕを含有しない構成であっても第２のハンダ層６または第１のハンダ層３に柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物２０を形成することが可能となる。

また、冷却器７の第２のハンダ層６の表面にＮｉのハンダ付け面を形成する方法は、メッキに限定されない。

２００Ａ、２００Ｂ…ハンダ接合体
Ｐ１…パワーモジュール
１…絶縁基板
１ａ…一側面
１ｂ…他側面
２…第１の金属層
３…第１のハンダ層
４…パワー半導体素子
５…第２の金属層
６…第２のハンダ層
７…冷却器（ヒートシンク）
２０…Ｃｕ金属間化合物

Claims

第１の被接合材（２、７）と第２の被接合材（４、５）と、
前記第１の被接合材と前記第２の被接合材との間にあって、両者を接合するハンダ層（３、６）と、
を有するハンダ接合体（２００Ａ、２００Ｂ）であって、
前記ハンダ層内に、柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物（２０）を含有することを特徴とするハンダ接合体。
前記第１の被接合材は、第１の金属層（２）で構成され、
前記第２の被接合材は、パワー半導体素子（４）で構成されていることを特徴とする請求項１に記載のハンダ接合体（２００Ａ）。
前記第１の被接合材は、ヒートシンク（７）で構成され、
前記第２の被接合材は、第２の金属層（５）で構成されていることを特徴とする請求項１に記載のハンダ接合体（２００Ｂ）。
前記ハンダ層は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダまたはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎハンダで構成されていることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載のハンダ接合体。
前記絶縁基板の他側面側の第２の金属層をＣｕで形成する工程と、
前記冷却器の前記第２のハンダ層側の表面に、Ｎｉ層で形成する工程と、
前記第１のハンダ層および前記第２のハンダ層の少なくとも一方のハンダ層をＳｎ系ハンダで形成する工程と
を有し、
前記ハンダ層を形成する工程において、前記ハンダの温度をハンダの融点に６０℃〜９０℃を加えた温度まで加熱して、その状態を１０分〜２０分間保持し、溶融した前記ハンダにＣｕを溶出させ、室温まで冷却して、柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物を形成することを特徴とするハンダ接合方法。
前記ハンダを２９５℃まで加熱して、Ｃｕを２．５ｗｔ％とする工程と、
前記ハンダを２９５℃から室温まで冷却して、Ｃｕを５．０ｗｔ％とする工程と、
を有することを特徴とする請求項５に記載のハンダ接合方法。
前記Ｃｕ供給源は、前記ハンダに含有させたＣｕの微粒子であることを特徴とする請求項５または請求項６に記載のハンダ接合方法。