JP2018047499A - Ｂｉ基はんだ合金及びその製造方法、並びに、そのはんだ合金を用いた電子部品及び電子部品実装基板 - Google Patents
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Abstract
【課題】 Ｐｂ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｂを実質的に含まず、濡れ性および接合信頼性に優れ、表面にＮｉ層、Ｎｉ／Ａｕ層、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕ層のいずれかを有する接合対象部材に半導体素子を実装するのにも適したＢｉ基はんだ合金の提供。【解決手段】 ＡｇとＳｎとＧｅを含有し、Ｂｉの含有率が７０質量％以上のＢｉ基はんだ合金であって、Ａｇの含有量が０．６質量％以上１８質量％以下、Ｓｎの含有量が０．１質量％以上１２質量％以下、かつ、Ｓｎの含有量がＡｇの含有量に対して１／１以下であり、Ｇｅの含有量が０．００１質量％以上３．０質量％以下、かつ、Ｂｉ基はんだ合金内にＡｇとＳｎとの金属間化合物を含む粒子を含有し、残部が製造上、不可避的に含まれる元素を除きＢｉからなるＢｉ基はんだ合金。【選択図】 なし
Description
本発明は、Ｂｉ基はんだ合金及びその製造方法、並びに、そのはんだ合金を用いた電子部品及び電子部品実装基板に関し、さらに詳しくは、Ｐｂ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｂを実質的に含まず、機械加工性、機械的強度および接合信頼性に優れ、特に、表面にＮｉ層、Ｎｉ／Ａｕ層、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕ層のいずれかを有する接合対象部材への半導体素子の実装に適した、Ｂｉ基はんだ合金及びその製造方法、並びに、そのはんだ合金を用いた電子部品及び電子部品実装基板に関する。
電子部品実装基板を製造する際、まず、半導体チップなどの半導体素子をリードフレームなどの接合対象部材へ、第１のはんだ合金を介して接合（ダイボンディング）して電子部品を製造し、次に、プリント基板等の基板上に供給した、第１のはんだ合金とは別のはんだ合金であって第１のはんだ合金に比べて固相線温度が低い第２のはんだ合金を溶融（リフロー）して、電子部品をプリント基板等の基板へ実装することや、半導体素子を接合対象部材である基板へ、第１のはんだ合金を介して実装後、当該基板の他の部位に、第２のはんだ合金をリフローして、他の半導体素子や電子部品を実装することが一般に行われている。このように、電子部品実装基板を製造する際に使用するはんだは、その使用限界温度によって高温用（約２６０℃〜４００℃）と中低温用（約１４０℃〜２３０℃）に大別される。
従来、電子部品の基板への実装には、中低温用はんだ合金として、Ｓｎ−３７質量％Ｐｂの共晶はんだ合金（融点１８３℃）が広く用いられ、実装時、２２０〜２３０℃でリフローが行われていた。一方、電子部品内部におけるリードフレームなどの接合対象部材への半導体チップなどの半導体素子の実装には、電子部品の基板への実装時のリフロー温度（２２０〜２３０℃）で再溶融して接続不良が発生するのを防ぐため、電子部品の基板への実装時のリフロー温度に比べて高い温度の固相線温度を有する高温用はんだ合金として、Ｐｂ−５質量％Ｓｎ（固相線温度３０５℃）、Ｐｂ−３質量％Ｓｎ（固相線温度３１５℃）などが用いられてきた。
しかし、鉛（Ｐｂ）入りはんだ合金を用いた製品は、廃棄処分後、製品からＰｂが流出して土壌に浸透し、農作物等に蓄積して人間に健康被害を及ぼす危険性が指摘され、さらに、酸性雨による廃棄処分された製品からのＰｂの流出の加速が指摘されていることから、近年、Ｐｂを含まない無鉛はんだ合金の開発が盛んに行われている。
中低温用のＰｂ入りはんだ合金の代替品としては、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ等のＰｂを含まない無鉛はんだ合金が実用化されている。
しかしながら、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ等の無鉛はんだ合金の融点は、従来のＰｂ−Ｓｎ共晶はんだ合金より高く約２２０℃前後となるため、実装時のリフロー温度は２５０℃付近となる。このため、電子部品内部での接合に用いる無鉛はんだ合金には、リフロー温度２５０℃で１０秒間保持するサイクルを５回程度繰り返した後でも、電子部品内部の接合信頼性等に問題が生じない高温用の無鉛はんだ合金が必要とされている。電子部品が小型化され、各種装置に用いられるようになり、特に長期接合信頼性に優れた無鉛はんだ合金の開発が求められている。
しかしながら、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ等の無鉛はんだ合金の融点は、従来のＰｂ−Ｓｎ共晶はんだ合金より高く約２２０℃前後となるため、実装時のリフロー温度は２５０℃付近となる。このため、電子部品内部での接合に用いる無鉛はんだ合金には、リフロー温度２５０℃で１０秒間保持するサイクルを５回程度繰り返した後でも、電子部品内部の接合信頼性等に問題が生じない高温用の無鉛はんだ合金が必要とされている。電子部品が小型化され、各種装置に用いられるようになり、特に長期接合信頼性に優れた無鉛はんだ合金の開発が求められている。
すなわち、電子部品内部での接合に用いる高温用の無鉛はんだ合金には、熱放散性、応力緩和性、耐熱疲労特性、電気伝導性等の特性以外に、電子部品の基板への実装時のリフロー温度（２５０℃）での再溶融による接続不良を防ぐため、接合後２５５℃以上の固相線温度を有することが必要である。
また、電子部品内部での接合に用いる高温用の無鉛はんだ合金の液相線温度が４００℃以上の場合、ダイボンディング時の作業温度を４００℃以上に上げる必要があるが、このような高温処理を行うと、半導体素子の特性が変化したり、接合対象部材の表面酸化が促進したりする等の悪影響が生じる場合がある。したがって、液相線温度は、４００℃以下である必要があり、実際の生産工程を考慮すると、３５０℃以下であることが求められている。
２５５℃〜３５０℃の融点を持つ無鉛はんだ合金として、Ａｕ−Ｓｎはんだ合金や、Ｂｉ−Ａｇはんだ合金等が提案されている。Ａｕ−Ｓｎはんだ合金は、Ｓｎを２０質量％含有する組成で融点が２８０℃であり、実装時の再溶融の問題がなく実用化されているが、高価であるため、高付加価値品への適用に留まり、汎用品には用いられていないのが実情である。
特許文献１には、ＢｉにＡｌを０.０３質量％以上０.７０質量％以下含有し、Ｚｎを０.２質量％以上１４.０質量％以下含有し、２６５℃以上の融点を有する、はんだ合金が提案されている。
また、特許文献２には、Ｂｉが９０質量％以上、Ｓｎが１〜５質量％、Ｓｂおよび／またはＡｇから選択された少なくとも１種の元素がそれぞれ０．５〜５質量％含有することにより、接合強度を高くした、はんだ合金が提案されている。
はんだ合金が塗布されるリードフレームなどの、半導体素子との接合対象部材のアイランド部は、従来、素材そのままであるベアＣｕであったり、予め表面にＡｇめっきが施されていたりする場合が多かったが、近年、材料が小型化し、かつ、車載関係などのデバイスで高耐食性が求められるようになり、Ａｇめっきの代わりに耐食性に優れるＮｉめっきが施されることが多くなっている。Ｎｉは、基本的に、はんだ濡れ性に劣る場合が多いので、その表面に非常に薄いＡｕめっきやＰｄめっきを施す場合がある。
ところが、Ｎｉめっきが施された接合対象部材への半導体素子との接合用はんだ合金としてＢｉ基はんだ合金を用いた場合、Ｎｉと主成分のＢｉとが反応し、接合界面に脆弱なＢｉ３Ｎｉ合金層を形成する場合がある。このような脆弱なＢｉ３Ｎｉ合金層が形成されると接合信頼性が悪化する場合があり、特に、接合対象部材の表面がＮｉ層の場合、顕著に悪化する。特許文献１や特許文献２に記載のはんだ合金を用いた場合においても、接合面の状態により十分な接合信頼性を得られない場合が発生する。
ところが、Ｎｉめっきが施された接合対象部材への半導体素子との接合用はんだ合金としてＢｉ基はんだ合金を用いた場合、Ｎｉと主成分のＢｉとが反応し、接合界面に脆弱なＢｉ３Ｎｉ合金層を形成する場合がある。このような脆弱なＢｉ３Ｎｉ合金層が形成されると接合信頼性が悪化する場合があり、特に、接合対象部材の表面がＮｉ層の場合、顕著に悪化する。特許文献１や特許文献２に記載のはんだ合金を用いた場合においても、接合面の状態により十分な接合信頼性を得られない場合が発生する。
本発明の目的は、かかる従来技術の問題点に鑑み、Ｐｂ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｂを実質的に含まず、接合性が改善され接合信頼性に優れ、特に、表面にＮｉ層、Ｎｉ／Ａｕ層、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕ層のいずれかを有する接合対象部材に半導体素子を実装するのにも適した高温用Ｂｉ基はんだ合金及びその製造方法、並びに、そのはんだ合金を用いた電子部品及び電子部品実装基板を提供することにある。
本発明者は、上記課題を解決するため、鋭意研究を重ねた結果、従来のＢｉ−Ａｇはんだ合金において、さらに、所定量のＳｎとＧｅを混合し合金化することにより、はんだ合金内にＡｇとＳｎとの金属間化合物を含む微細な粒子を形成することが可能となり、この微細な粒子がＢｉとＮｉの反応を効果的に抑制する効果があることを見出すとともに、Ｇｅを所定量含有させることにより、はんだ合金の表面に形成される酸化膜の表面積を小さくして、濡れ性を改善する効果があることを見出し、はんだ合金が塗布されるリードフレームのアイランド部に、Ｎｉめっき、Ｎｉ／Ａｕめっき、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕめっきのいずれかが施されている場合でも、Ｂｉ基はんだ合金の接合後の接合強度が低下することもなく接合信頼性に優れた電子部品を製造しうることを見出し、本発明を完成させるに至った。また、本発明者は、上記Ｂｉ−Ａｇ−Ｓｎ−Ｇｅはんだ合金に、さらに、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕから選ばれる１種以上の金属を所定量含有させることにより、濡れ性をさらに改善させ、より接合信頼性に優れた電子部品を製造し得ることを見出し、本発明を完成させるに至った。
すなわち、本発明によるＢｉ基はんだ合金は、ＡｇとＳｎとＧｅを含有し、実質的にＰｂ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｂを含有せず、Ｂｉの含有率が７０質量％以上のＢｉ基はんだ合金であって、Ａｇの含有量が０．６質量％以上１８質量％以下、Ｓｎの含有量が０．１質量％以上１２質量％以下、かつ、Ｓｎの含有量がＡｇの含有量に対し１／１以下であり、Ｇｅの含有量が０．００１質量％以上３．０質量％以下、かつ、前記Ｂｉ基はんだ合金内にＡｇとＳｎとの金属間化合物を含む粒子を含有し、残部が製造上、不可避的に含まれる元素を除きＢｉからなることを特徴としている。
また、本発明によるＢｉ基はんだ合金は、ＡｇとＳｎとＧｅを含有し、さらに、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕの中から１種以上を含有し、実質的にＰｂ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｂを含有せず、Ｂｉの含有率が７０質量％以上のＢｉ基はんだ合金であって、Ａｇの含有量が０．６質量％以上１８質量％以下、Ｓｎの含有量が０．１質量％以上１２質量％以下、かつ、Ｓｎの含有量がＡｇの含有量に対し１／１０以上１／１以下であり、Ｇｅの含有量が０．００１質量％以上３．０質量％以下、かつ、前記Ｂｉ基はんだ合金内にＡｇとＳｎとの金属間化合物を含む粒子を含有し、かつ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕの中から１種以上を総量で０．００１質量％以上３．０質量％以下の範囲で含有し、残部が製造上、不可避的に含まれる元素を除きＢｉからなることを特徴としている。
また、本発明のＢｉ基はんだ合金においては、前記Ｂｉ基はんだ合金内に形成される前記ＡｇとＳｎとの金属間化合物を含む粒子全体の総体積１００体積％に対して、粒径５０μｍ未満の粒子が９７体積％以上存在することが好ましい。
また、本発明のＢｉ基はんだ合金においては、表面にＮｉ層、Ｎｉ／Ａｕ層、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕ層のいずれかが形成された接合対象部材との接合に用いることが好ましい。
また、本発明によるＢｉ基はんだ合金の製造方法は、ＡｇとＳｎとＧｅを含有し、実質的にＰｂ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｂを含有せず、Ｂｉの含有率が７０質量％以上のはんだ合金であって、Ａｇの含有量が０．６質量％以上１８質量％以下、Ｓｎの含有量が０．１質量％を以上１２質量％以下、かつ、Ｓｎの含有量がＡｇの含有量に対し１／１以下であり、Ｇｅの含有量が０．００１質量％以上３．０質量％以下であり、残部が製造上、不可避的に含まれる元素を除きＢｉからなる、前記Ｂｉ基はんだ合金の溶湯を鋳型に流し込んだ後、２５５℃まで３℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で冷却し固化させることで、ＡｇとＳｎとの金属間化合物を含む粒径５０μｍ未満の粒子を、該ＡｇとＳｎとの金属間化合物を含む粒子全体の総体積１００体積％に対して、９７体積％以上前記Ｂｉ基はんだ合金内に形成させることを特徴としている。
また、本発明によるＢｉ基はんだ合金の製造方法は、ＡｇとＳｎとＧｅを含有し、さらに、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕの中から１種以上を含有し、実質的にＰｂ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｂを含有せず、Ｂｉの含有率が７０質量％以上のはんだ合金であって、Ａｇの含有量が０．６質量％以上１８質量％以下、Ｓｎの含有量が０．１質量％を以上１２質量％以下、かつ、Ｓｎの含有量がＡｇの含有量に対し１／１以下であり、Ｇｅの含有量が０．００１質量％以上３．０質量％以下であり、残部が製造上、不可避的に含まれる元素を除きＢｉからなる、前記Ｂｉ基はんだ合金の溶湯を鋳型に流し込んだ後、２５５℃まで３℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で冷却し固化させることで、ＡｇとＳｎとの金属間化合物を含む粒径５０μｍ未満の粒子を、該ＡｇとＳｎとの金属間化合物を含む粒子全体の総体積１００体積％に対して、９７体積％以上前記Ｂｉ基はんだ合金内に形成させることを特徴としている。
また、本発明による電子部品は、接合対象部材と、上記本発明のいずれかのＢｉ基はんだ合金と、前記Ｂｉ基はんだ合金を介して前記接合対象部材に実装された半導体素子を有してなることを特徴としている。
また、本発明による電子部品実装基板は、上記本発明のいずれかのＢｉ基はんだ合金を用いて製造されたことを特徴としている。
本発明のＢｉ基はんだ合金は、Ｐｂ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｂを実質的に含有せず、Ｂｉ基はんだ合金内にＡｇとＳｎとの金属間化合物を含む微細な粒子を含有するので、はんだ接合時の接合性が改善し接合不良の発生を抑えることができ、さらに、Ｇｅを含んでいるので、Ｂｉ基はんだ合金の表面に形成される酸化膜の表面積を小さくして、濡れ性を改善できるとともに、金属間化合物を含む粒子の粗大化を抑制でき、接合信頼性をより高くすることができるため、電子部品内部での接合対象部材への半導体素子の実装のためのダイボンディング等に好適に用いることができる。特に、Ｂｉ基はんだ合金が塗布されるリードフレームのアイランド部に、Ｎｉ層、Ｎｉ／Ａｕ層、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕ層のいずれかが形成されている場合においても、Ｂｉ基はんだ合金の接合後の接合強度が低下することもなく良好な接合性を有する電子部品を形成することができる。これは、Ｇｅにより粗大化を抑制された、上記ＡｇとＳｎとの金属間化合物を含む微細な粒子が、Ｎｉの拡散を抑制し脆弱なＢｉ−Ｎｉ合金を形成しにくくすることによると考えられる。また、添加元素として上記Ａｇ、Ｓｎ、Ｇｅのほか、さらに、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕのいずれか一種以上の元素を含有させることにより、Ｂｉ基はんだ合金の濡れ性を向上させることができる。
また、本発明のＢｉ基はんだ合金の製造方法のように、Ｂｉ基はんだ合金の溶湯を鋳型に流し込んだ後、２５５℃まで３℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で冷却し固化させれば、上記ＡｇとＳｎとの金属間化合物を含む微細な粒子を、より容易に形成することができる。
さらに、本発明のＢｉ基はんだ合金を用いた電子部品や電子部品実装基板により、半導体チップなどの半導体素子の特性の変化や部材酸化が発生せず、機械的強度が高い電子部品実装基板を提供することができる。
また、本発明のＢｉ基はんだ合金の製造方法のように、Ｂｉ基はんだ合金の溶湯を鋳型に流し込んだ後、２５５℃まで３℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で冷却し固化させれば、上記ＡｇとＳｎとの金属間化合物を含む微細な粒子を、より容易に形成することができる。
さらに、本発明のＢｉ基はんだ合金を用いた電子部品や電子部品実装基板により、半導体チップなどの半導体素子の特性の変化や部材酸化が発生せず、機械的強度が高い電子部品実装基板を提供することができる。
以下、Ｂｉに所定量のＡｇとＳｎとＧｅを含有させ、はんだ合金内にＡｇとＳｎとの金属間化合物を含む微細な粒子を形成させた、本発明のＢｉ基はんだ合金に関する技術について説明する。
本発明のＢｉ基はんだ合金は、ＡｇとＳｎとＧｅを含有し、実質的にＰｂ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｂを含有せず、Ｂｉの含有率が７０質量％以上のＢｉ基はんだ合金であって、Ａｇの含有量が０．６質量％以上１８質量％以下、Ｓｎの含有量が０．１質量％以上１２質量％以下、かつ、Ｓｎの含有量がＡｇの含有量に対して１／１以下であり、Ｇｅの含有量が０．００１質量％以上３．０質量％以下、かつ、Ｂｉ基はんだ合金内にＡｇとＳｎとの金属間化合物を含む粒子を形成し、残部が製造上、不可避的に含まれる元素を除きＢｉからなる。
また、本発明の他の実施形態のＢｉ基はんだ合金は、ＡｇとＳｎとＧｅを含有し、さらに、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕの中から１種以上を含有し、実質的にＰｂ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｂを含有せず、Ｂｉの含有率が７０質量％以上のＢｉ基はんだ合金であって、Ａｇの含有量が０．６質量％以上１８質量％以下、Ｓｎの含有量が０．１質量％以上１２質量％以下、かつ、Ｓｎの含有量がＡｇの含有量に対して１／１以下であり、Ｔｅの含有量が０．００１質量％以上３．０質量％以下、かつ、Ｂｉ基はんだ合金内にＡｇとＳｎとの金属間化合物を含む粒子を含有し、かつ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕの中から１種以上を総量で０．００１質量％以上３．０質量％以下の範囲で含有し、残部が製造上、不可避的に含まれる元素を除きＢｉからなる。
上述のように本発明のＢｉ基はんだ合金は、Ｇｅにより粗大化を抑制された、ＡｇとＳｎとの金属間化合物を含む粒子とそれ以外のＢｉを主成分とするＢｉ基はんだ合金の母相とから構成されることを特徴としている。
本発明のＢｉ基はんだ合金は、ＡｇとＳｎとＧｅを含有し、実質的にＰｂ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｂを含有せず、Ｂｉの含有率が７０質量％以上のＢｉ基はんだ合金であって、Ａｇの含有量が０．６質量％以上１８質量％以下、Ｓｎの含有量が０．１質量％以上１２質量％以下、かつ、Ｓｎの含有量がＡｇの含有量に対して１／１以下であり、Ｇｅの含有量が０．００１質量％以上３．０質量％以下、かつ、Ｂｉ基はんだ合金内にＡｇとＳｎとの金属間化合物を含む粒子を形成し、残部が製造上、不可避的に含まれる元素を除きＢｉからなる。
また、本発明の他の実施形態のＢｉ基はんだ合金は、ＡｇとＳｎとＧｅを含有し、さらに、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕの中から１種以上を含有し、実質的にＰｂ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｂを含有せず、Ｂｉの含有率が７０質量％以上のＢｉ基はんだ合金であって、Ａｇの含有量が０．６質量％以上１８質量％以下、Ｓｎの含有量が０．１質量％以上１２質量％以下、かつ、Ｓｎの含有量がＡｇの含有量に対して１／１以下であり、Ｔｅの含有量が０．００１質量％以上３．０質量％以下、かつ、Ｂｉ基はんだ合金内にＡｇとＳｎとの金属間化合物を含む粒子を含有し、かつ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕの中から１種以上を総量で０．００１質量％以上３．０質量％以下の範囲で含有し、残部が製造上、不可避的に含まれる元素を除きＢｉからなる。
上述のように本発明のＢｉ基はんだ合金は、Ｇｅにより粗大化を抑制された、ＡｇとＳｎとの金属間化合物を含む粒子とそれ以外のＢｉを主成分とするＢｉ基はんだ合金の母相とから構成されることを特徴としている。
本発明のＢｉ基はんだ合金の母相は、高温はんだ合金として適度な融点を有している。このため、半導体素子を接合対象部材へ実装して電子部品を製造した以降の電子部品を基板に実装する際や、半導体素子を接合対象部材である基板へ実装後、当該基板の他の部位に、他の半導体素子や電子部品を実装する際などのリフローにおいて再溶融することなく、電子部品内部でのＢｉ基はんだ接合部の状態を、初期接合時の状態のまま保つことができ、接合信頼性等に優れる。
以下、本発明のＢｉ基はんだ合金に用いられる各元素、形成される金属間化合物、Ｂｉ基はんだ合金の製造方法、得られたＢｉ基はんだ合金を用いた電子部品及び電子部品実装基板について詳細に説明する。
以下、本発明のＢｉ基はんだ合金に用いられる各元素、形成される金属間化合物、Ｂｉ基はんだ合金の製造方法、得られたＢｉ基はんだ合金を用いた電子部品及び電子部品実装基板について詳細に説明する。
１．Ｂｉ
本発明のＢｉ基はんだ合金は、周期表のＶａ族元素に属し、結晶構造が対称性の低い三方晶（菱面体晶）で非常に脆弱な金属のＢｉを主成分とする。なお、ここでいう主成分とは、はんだ合金中に質量比で最も多く含まれている成分であることを意味する。
Ｂｉの融点は２７１℃であるため、Ｂｉを主成分とすることで、高温鉛フリーはんだ合金に要求される、２００℃程度の温度で再溶融せず、３５０℃以下の温度で、はんだ付けが可能なはんだ合金とすることが比較的容易にできる。
本発明のＢｉ基はんだ合金は、周期表のＶａ族元素に属し、結晶構造が対称性の低い三方晶（菱面体晶）で非常に脆弱な金属のＢｉを主成分とする。なお、ここでいう主成分とは、はんだ合金中に質量比で最も多く含まれている成分であることを意味する。
Ｂｉの融点は２７１℃であるため、Ｂｉを主成分とすることで、高温鉛フリーはんだ合金に要求される、２００℃程度の温度で再溶融せず、３５０℃以下の温度で、はんだ付けが可能なはんだ合金とすることが比較的容易にできる。
本発明のＢｉ基はんだ合金においてＢｉの含有量は、Ａｇ、Ｓｎ、Ｇｅなどの添加元素の含有量に応じて決まる値であるが、Ｂｉ基はんだ合金の全量に対して、７０質量％以上でなければならない。Ｂｉの含有量が７０質量％を下回ると、本発明のＢｉ基はんだ合金母相の液相線の上昇が大きくなる場合があり、はんだ付け時に十分に溶融せず溶け残りを生じるなどして、ボンディング不良や接合信頼性へ悪影響を生じる場合があるので好ましくない。
２．Ａｇ
ＢｉにＡｇを含有するはんだ合金は、鉛を含まず、電子部品の基板実装時のリフロー温度の上限２５０℃に比べて高い固相線温度を有する高温はんだ合金として従来から知られている。例えば、Ｂｉ−２．５質量％Ａｇはんだ合金は、共晶型合金であり、固相線温度が２６２℃で、純Ｂｉの融点２７１℃に比べて約９℃低いが、２５０℃を上回っている。
ＢｉにＡｇを含有するはんだ合金は、鉛を含まず、電子部品の基板実装時のリフロー温度の上限２５０℃に比べて高い固相線温度を有する高温はんだ合金として従来から知られている。例えば、Ｂｉ−２．５質量％Ａｇはんだ合金は、共晶型合金であり、固相線温度が２６２℃で、純Ｂｉの融点２７１℃に比べて約９℃低いが、２５０℃を上回っている。
また、ＢｉにＡｇを含有させることにより、Ｂｉの脆性を改善し、応力緩和性を向上させることができる。しかしながら、リードフレームなどの接合対象部材との濡れ性が十分であるとは言い難く、特に、接合対象部材がＮｉ層を有する場合、接合対象部材への濡れ広がりが非常に悪かった。また、接合対象部材がＮｉ層を有する場合、ＮｉがＢｉと反応し、脆弱なＢｉ−Ｎｉ合金を形成してしまう。このため、従来のＢｉ−Ａｇはんだでは、接合時の不良発生やその後の信頼性試験で不具合が発生しやすかった。
そこで、本発明者は、Ｂｉ−Ａｇはんだ合金の利点を損なうことなく、上述の問題点を改善させるため、更なる添加元素とその配合量を鋭意研究した。その結果、Ａｇに対して所定の割合でＳｎを含有させると、Ｂｉ基はんだ合金母相の応力緩和性を向上させつつ、濡れ性を向上させ、接合性が良く接合不良が発生せず、接合信頼性を向上させることができることを見出した。
本発明のＢｉ基はんだ合金は、ＡｇとＳｎを所定量含有させることにより、ＡｇやＳｎがＢｉの脆弱性を改善させるほか、Ａｇ−Ｓｎ金属間化合物を形成し、その粒子がＢｉ基はんだ合金中に分散することで、Ｂｉ基はんだ合金を効果的に分散強化しＢｉの脆弱性をより効果的に改善すると共に、ＢｉとＮｉの反応も阻害し、脆弱なＢｉ−Ｎｉ合金の形成を抑制することができると考えられる。Ａｇ−Ｓｎ金属間化合物については、後ほど詳細に説明する。
Ａｇの含有量は、０．６質量％以上１８質量％以下とする。Ａｇの含有量が０．６質量％未満であると、Ａｇ−Ｓｎ金属間化合物が十分に発生せずＢｉの脆弱な機械的特性が支配的になり、十分な接合信頼性が得られないだけでなく、濡れ性が十分改善されないため、はんだ合金の機械加工性に劣り、装置による連続供給性が不十分となり、製品の製造が困難となる。
また、Ａｇの含有量が１８質量％を上回ると、液相線が３９０℃以上となり、半導体チップなどの半導体素子を実装するための接合対象部材との接合時に、Ｂｉ基はんだ合金が十分溶解せず、溶け残りが発生するなどして接合不良が発生してしまうため好ましくない。本発明において、更に好ましいＡｇの含有量は、５．０質量％以上１５質量％以下である。
Ａｇの含有量は、０．６質量％以上１８質量％以下とする。Ａｇの含有量が０．６質量％未満であると、Ａｇ−Ｓｎ金属間化合物が十分に発生せずＢｉの脆弱な機械的特性が支配的になり、十分な接合信頼性が得られないだけでなく、濡れ性が十分改善されないため、はんだ合金の機械加工性に劣り、装置による連続供給性が不十分となり、製品の製造が困難となる。
また、Ａｇの含有量が１８質量％を上回ると、液相線が３９０℃以上となり、半導体チップなどの半導体素子を実装するための接合対象部材との接合時に、Ｂｉ基はんだ合金が十分溶解せず、溶け残りが発生するなどして接合不良が発生してしまうため好ましくない。本発明において、更に好ましいＡｇの含有量は、５．０質量％以上１５質量％以下である。
３．Ｓｎ
本発明のＢｉ基はんだ合金において、Ｓｎは、Ａｇと組み合わせることでＡｇ−Ｓｎ金属間化合物を形成する元素である。また、接合対象部材の金属と反応することにより接合対象部材との接合性を向上させる効果もある。
また、従来のＢｉ−Ａｇはんだ合金は、接合対象部材にＮｉが存在すると脆弱なＢｉ−Ｎｉ合金であるＢｉ３Ｎｉ合金を形成することにより、接合信頼性を大きく低下させていた。これに対し、本発明のＢｉ基はんだ合金のように、Ｂｉ−Ａｇ−Ｓｎ合金とすると、Ｂｉ−Ｎｉ合金の生成を抑えることができる。これは、本発明のＢｉ基はんだ合金内に形成される、上述のＡｇ−Ｓｎ金属間化合物が、Ｂｉ基はんだ合金内に微細に分散し、ＢｉとＮｉの反応を阻害する他、ＳｎがＮｉと反応して形成するＮｉ−Ｓｎ層が、ＮｉのＢｉ基はんだ合金内への拡散を抑えることができるためと考えられる。このことにより、本発明のＢｉ基はんだ合金を用いた接合対象部材と半導体素子との接合部で構成される電子部品は、長期接続信頼性も大幅に向上し、従来使用されているＰｂ−Ｓｎはんだと同等の信頼性を得ることができる。
Ｓｎの含有量は、接合対象部材と反応し濡れ性や接合性を向上させるためとＡｇ−Ｓｎ金属間化合物を形成するために必要な量とするのが好ましい。Ｓｎを必要量以上に含有させると、余剰のＳｎがＢｉと反応して、実装時のリフロー温度２５０度よりも低い、融点が１４０℃のＢｉ−Ｓｎ合金を形成してしまうので好ましくない。そのため、Ｓｎの含有量については、余剰のＳｎを生じさせないように、Ａｇの含有量との比率を適切に保つ必要がある。Ａｇ−Ｓｎ金属間化合物には、ζ相(Ａｇ０．８Ｓｎ０．２相)とε相(Ａｇ３Ｓｎ相)が存在し、いずれもＢｉとＮｉの反応を阻害する効果が確認された。
また、ＳｎはＡｇと反応してＡｇ−Ｓｎ金属間化合物を形成する他にも、接合対象部材の金属とも容易に反応して、Ｓｎの化合物を形成し、濡れ性や接合性を向上させる。そのため、Ｂｉ基はんだ合金中にＡｇ−Ｓｎ金属間化合物を形成するために必要なＳｎ量と、接合対象部材と反応するために必要なＳｎ量を適切に制御する必要がある。ＡｇとＳｎの配合量を様々に異ならせて試験を行った結果、Ｓｎの含有量は、Ａｇの含有量に対して１／１以下とする必要があることが分かった。Ａｇの含有量に対するＳｎの含有量が１／１を上回ると、接合後に単独で存在する余剰Ｓｎの量が多くなりすぎ、ＢｉとＳｎの脆弱なＢｉ−Ｓｎ合金を形成して、クラックが発生するなど接合信頼性が悪化する場合がある。より好ましいＳｎ含有量の配合比は、Ａｇ含有量に対して１／２以下である。
また、Ｓｎの含有量は、０．１質量％以上１２質量％以下である。Ｓｎの含有量が０．１質量％を下回ると、Ａｇ−Ｓｎ金属間化合物を形成し、かつ、接合対象部材と反応して接合性を向上させるには量が少なすぎて、接合対象部材との接合性が十分には得られずに、接合不良が多く発生してしまう。一方、Ｓｎの含有量が１２質量％を上回ると、形成されるＡｇ−Ｓｎの量が多くなりすぎて、逆に加工性や応力緩和性が低下したり、余剰のＳｎがＢｉと反応することで、Ｂｉ−Ｓｎ合金の１４０℃での低融点層が形成され、その低融点層の溶け出しからクラックが出現し、接合信頼性の低下を引き起こしたりする場合がある。
本発明のＢｉ基はんだ合金において、Ｓｎは、Ａｇと組み合わせることでＡｇ−Ｓｎ金属間化合物を形成する元素である。また、接合対象部材の金属と反応することにより接合対象部材との接合性を向上させる効果もある。
また、従来のＢｉ−Ａｇはんだ合金は、接合対象部材にＮｉが存在すると脆弱なＢｉ−Ｎｉ合金であるＢｉ３Ｎｉ合金を形成することにより、接合信頼性を大きく低下させていた。これに対し、本発明のＢｉ基はんだ合金のように、Ｂｉ−Ａｇ−Ｓｎ合金とすると、Ｂｉ−Ｎｉ合金の生成を抑えることができる。これは、本発明のＢｉ基はんだ合金内に形成される、上述のＡｇ−Ｓｎ金属間化合物が、Ｂｉ基はんだ合金内に微細に分散し、ＢｉとＮｉの反応を阻害する他、ＳｎがＮｉと反応して形成するＮｉ−Ｓｎ層が、ＮｉのＢｉ基はんだ合金内への拡散を抑えることができるためと考えられる。このことにより、本発明のＢｉ基はんだ合金を用いた接合対象部材と半導体素子との接合部で構成される電子部品は、長期接続信頼性も大幅に向上し、従来使用されているＰｂ−Ｓｎはんだと同等の信頼性を得ることができる。
Ｓｎの含有量は、接合対象部材と反応し濡れ性や接合性を向上させるためとＡｇ−Ｓｎ金属間化合物を形成するために必要な量とするのが好ましい。Ｓｎを必要量以上に含有させると、余剰のＳｎがＢｉと反応して、実装時のリフロー温度２５０度よりも低い、融点が１４０℃のＢｉ−Ｓｎ合金を形成してしまうので好ましくない。そのため、Ｓｎの含有量については、余剰のＳｎを生じさせないように、Ａｇの含有量との比率を適切に保つ必要がある。Ａｇ−Ｓｎ金属間化合物には、ζ相(Ａｇ０．８Ｓｎ０．２相)とε相(Ａｇ３Ｓｎ相)が存在し、いずれもＢｉとＮｉの反応を阻害する効果が確認された。
また、ＳｎはＡｇと反応してＡｇ−Ｓｎ金属間化合物を形成する他にも、接合対象部材の金属とも容易に反応して、Ｓｎの化合物を形成し、濡れ性や接合性を向上させる。そのため、Ｂｉ基はんだ合金中にＡｇ−Ｓｎ金属間化合物を形成するために必要なＳｎ量と、接合対象部材と反応するために必要なＳｎ量を適切に制御する必要がある。ＡｇとＳｎの配合量を様々に異ならせて試験を行った結果、Ｓｎの含有量は、Ａｇの含有量に対して１／１以下とする必要があることが分かった。Ａｇの含有量に対するＳｎの含有量が１／１を上回ると、接合後に単独で存在する余剰Ｓｎの量が多くなりすぎ、ＢｉとＳｎの脆弱なＢｉ−Ｓｎ合金を形成して、クラックが発生するなど接合信頼性が悪化する場合がある。より好ましいＳｎ含有量の配合比は、Ａｇ含有量に対して１／２以下である。
また、Ｓｎの含有量は、０．１質量％以上１２質量％以下である。Ｓｎの含有量が０．１質量％を下回ると、Ａｇ−Ｓｎ金属間化合物を形成し、かつ、接合対象部材と反応して接合性を向上させるには量が少なすぎて、接合対象部材との接合性が十分には得られずに、接合不良が多く発生してしまう。一方、Ｓｎの含有量が１２質量％を上回ると、形成されるＡｇ−Ｓｎの量が多くなりすぎて、逆に加工性や応力緩和性が低下したり、余剰のＳｎがＢｉと反応することで、Ｂｉ−Ｓｎ合金の１４０℃での低融点層が形成され、その低融点層の溶け出しからクラックが出現し、接合信頼性の低下を引き起こしたりする場合がある。
４．Ａｇ−Ｓｎ金属間化合物
本発明の配合比でＢｉ基はんだ合金を作製することにより、Ｂｉ基はんだ合金内に本発明に必須のＡｇとＳｎの金属間化合物を含む粒子を形成することができる。ＡｇとＳｎから形成される金属間化合物は、ζ相のＡｇ０．８Ｓｎ０．２相とε相のＡｇ３Ｓｎ相である。これらの金属間化合物を含む粒子は微細にするのが好ましい。また、Ａｇ−Ｓｎ金属間化合物の融点は高く、はんだ接合時においても、Ａｇ−Ｓｎ金属間化合物を含む粒子が溶融しない場合もあると考えられるため、各種原料を溶解してはんだ母合金を作製する時に、微細な粒子にすることが好ましい。
また、電子部品の小型化に伴い、接合部の薄層化も求められている。このため、Ａｇ−Ｓｎ金属間化合物を含む粒子は、粒径を小さくすることが好ましいが、本発明の組成においてはその粒径を５０μｍ未満にすることが比較的容易にできる。この粒径５０μｍ未満の粒子は、粒子総体積１００体積％に対して、９７体積％以上であることが好ましく、９８体積％以上であることがより好ましく、９９体積％以上であることが特に好ましい。粒径５０μｍ以上の粒子が３体積％を上回ると、脆弱性が改善されず、接合信頼性不足や取扱い不良を生じる場合があるので好ましくない。これは、金属間化合物を含む粒子の粒径のバラツキが大きくなり、粒径の違いにより脆弱性改善度合いに差が生じてしまい、その数が増えることによりその挙動差による応力緩和を十分にすることができなくなり破壊を生じてしまい、結果的にＢｉの脆弱性が十分改善されない場合があるためと考えられる。
なお、本発明において、Ａｇ−Ｓｎ金属間化合物を含む粒子の粒径は、各試片を２００倍の光学顕微鏡で観察し、視野中の全金属間化合物を含む粒子の数を計数すると共に、各粒子の断面径を測定し、その測定値を１．１２倍して求めている。そして、本発明では、このようにして算出した粒径をもとに、すべての金属間化合物粒子を真球とした場合の体積を計算し、すべての粒子中の粒径５０μｍ未満の粒子の割合を体積％で算出している。本算出方法については、後ほど詳細に説明する。
本発明の配合比でＢｉ基はんだ合金を作製することにより、Ｂｉ基はんだ合金内に本発明に必須のＡｇとＳｎの金属間化合物を含む粒子を形成することができる。ＡｇとＳｎから形成される金属間化合物は、ζ相のＡｇ０．８Ｓｎ０．２相とε相のＡｇ３Ｓｎ相である。これらの金属間化合物を含む粒子は微細にするのが好ましい。また、Ａｇ−Ｓｎ金属間化合物の融点は高く、はんだ接合時においても、Ａｇ−Ｓｎ金属間化合物を含む粒子が溶融しない場合もあると考えられるため、各種原料を溶解してはんだ母合金を作製する時に、微細な粒子にすることが好ましい。
また、電子部品の小型化に伴い、接合部の薄層化も求められている。このため、Ａｇ−Ｓｎ金属間化合物を含む粒子は、粒径を小さくすることが好ましいが、本発明の組成においてはその粒径を５０μｍ未満にすることが比較的容易にできる。この粒径５０μｍ未満の粒子は、粒子総体積１００体積％に対して、９７体積％以上であることが好ましく、９８体積％以上であることがより好ましく、９９体積％以上であることが特に好ましい。粒径５０μｍ以上の粒子が３体積％を上回ると、脆弱性が改善されず、接合信頼性不足や取扱い不良を生じる場合があるので好ましくない。これは、金属間化合物を含む粒子の粒径のバラツキが大きくなり、粒径の違いにより脆弱性改善度合いに差が生じてしまい、その数が増えることによりその挙動差による応力緩和を十分にすることができなくなり破壊を生じてしまい、結果的にＢｉの脆弱性が十分改善されない場合があるためと考えられる。
なお、本発明において、Ａｇ−Ｓｎ金属間化合物を含む粒子の粒径は、各試片を２００倍の光学顕微鏡で観察し、視野中の全金属間化合物を含む粒子の数を計数すると共に、各粒子の断面径を測定し、その測定値を１．１２倍して求めている。そして、本発明では、このようにして算出した粒径をもとに、すべての金属間化合物粒子を真球とした場合の体積を計算し、すべての粒子中の粒径５０μｍ未満の粒子の割合を体積％で算出している。本算出方法については、後ほど詳細に説明する。
なお、本発明のＢｉ基はんだ合金中に形成されるＡｇ−Ｓｎ金属間化合物を含む粒子とは、ＡｇとＳｎから形成される金属間化合物を主に指すが、Ｇｅや、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕが混在した金属間化合物も包含するものとする。
５．Ｇｅ
Ｂｉ基はんだ合金では、表面酸化により、ダイボンディング時の接合で接合不良が発生することが多い。
また、Ａｇ−Ｓｎ金属間化合物を含む粒子は、接合時に、はんだ厚みが３０μｍ以上２００μｍ以下であることが接続信頼性の上で望ましいことから、上述のように、粒径が微細であることが好ましい。接続信頼性を向上させるためには、Ａｇ−Ｓｎ金属間化合物を含む粒子の粒径は、５０μｍ未満であることが好ましい。
しかし、Ｂｉ−Ａｇ−Ｓｎ合金において、Ａｇ−Ｓｎ金属間化合物を十分発生させＢｉ基はんだ合金の強度改善効果を発揮させる場合、Ａｇ−Ｓｎ金属間化合物の生成と共に粒子の成長も起きるため、粒径を５０μｍ未満に制御することは困難である。
そこで、本発明者は、鋭意研究を重ねた結果、Ｂｉ−Ａｇ−Ｓｎ合金にＧｅを含有させると、含有させたＧｅの一部が優先的に酸化されることにより、はんだ合金の表面に形成される酸化膜を減らし、その表面積を小さくすることができ、結果的に濡れ広がりの改善が可能となるとともに、ＧｅがＡｇ−Ｓｎ金属間化合物の生成核となることにより、Ａｇ−Ｓｎ金属間化合物の粒子の成長よりも生成が優先され、粗大化が抑制されることを見出した。
これは、ＧｅがＡｇ−Ｓｎ金属間化合物に比べて高融点であるため、溶融Ｂｉ−Ａｇ−Ｓｎ−Ｇｅ合金が固化する際に、最初に析出する初晶成分となり、後から析出するＡｇ−Ｓｎ金属間化合物やマトリックスの結晶粒の生成起点となることで各結晶粒を微細に析出させ、全体として凝固組織の粗大化を抑制することができると考えられる。その結果、Ｂｉ基はんだ合金の組織は、Ｇｅを含有しない場合に比べて微細な凝固組織となって、クラックが発生しにくくなり、接続信頼性を向上させることができる。
Ｇｅの含有量は、０．００１質量％以上３．０質量％以下である。Ｇｅの含有量が３．０質量％を上回ると、Ｇｅの初晶成分が粗大化し結晶粒を微細にする効果に劣り、溶融時の濡れ性が低下することがある。また、Ｇｅの含有量が０．００１質量％を下回ると、凝固組織を微細にする効果が十分に得られないことがある。Ｇｅの含有量は、０．０３質量％以上０．８質量％以下であるのがより好ましい。
Ｂｉ基はんだ合金では、表面酸化により、ダイボンディング時の接合で接合不良が発生することが多い。
また、Ａｇ−Ｓｎ金属間化合物を含む粒子は、接合時に、はんだ厚みが３０μｍ以上２００μｍ以下であることが接続信頼性の上で望ましいことから、上述のように、粒径が微細であることが好ましい。接続信頼性を向上させるためには、Ａｇ−Ｓｎ金属間化合物を含む粒子の粒径は、５０μｍ未満であることが好ましい。
しかし、Ｂｉ−Ａｇ−Ｓｎ合金において、Ａｇ−Ｓｎ金属間化合物を十分発生させＢｉ基はんだ合金の強度改善効果を発揮させる場合、Ａｇ−Ｓｎ金属間化合物の生成と共に粒子の成長も起きるため、粒径を５０μｍ未満に制御することは困難である。
そこで、本発明者は、鋭意研究を重ねた結果、Ｂｉ−Ａｇ−Ｓｎ合金にＧｅを含有させると、含有させたＧｅの一部が優先的に酸化されることにより、はんだ合金の表面に形成される酸化膜を減らし、その表面積を小さくすることができ、結果的に濡れ広がりの改善が可能となるとともに、ＧｅがＡｇ−Ｓｎ金属間化合物の生成核となることにより、Ａｇ−Ｓｎ金属間化合物の粒子の成長よりも生成が優先され、粗大化が抑制されることを見出した。
これは、ＧｅがＡｇ−Ｓｎ金属間化合物に比べて高融点であるため、溶融Ｂｉ−Ａｇ−Ｓｎ−Ｇｅ合金が固化する際に、最初に析出する初晶成分となり、後から析出するＡｇ−Ｓｎ金属間化合物やマトリックスの結晶粒の生成起点となることで各結晶粒を微細に析出させ、全体として凝固組織の粗大化を抑制することができると考えられる。その結果、Ｂｉ基はんだ合金の組織は、Ｇｅを含有しない場合に比べて微細な凝固組織となって、クラックが発生しにくくなり、接続信頼性を向上させることができる。
Ｇｅの含有量は、０．００１質量％以上３．０質量％以下である。Ｇｅの含有量が３．０質量％を上回ると、Ｇｅの初晶成分が粗大化し結晶粒を微細にする効果に劣り、溶融時の濡れ性が低下することがある。また、Ｇｅの含有量が０．００１質量％を下回ると、凝固組織を微細にする効果が十分に得られないことがある。Ｇｅの含有量は、０．０３質量％以上０．８質量％以下であるのがより好ましい。
６．Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕ
本発明の他の態様のＢｉ基はんだ合金は、添加元素として上記のほか、さらに、はんだ合金の濡れ性を改善し、接合後の接合強度を高めるために、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕのいずれか一種以上を含有する。Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕは、Ｂｉ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｇｅに比べて優先的に接合界面に移動し、Ｎｉなどの接合界面の金属元素と初期反応層を形成することにより、はんだ合金の濡れ性を改善し、接合後の接合強度を高めることができるものと考えられる。
Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕの含有量の総量は、０．００１質量％以上３．０質量％以下である。Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕの含有量の総量が３．０質量％を上回ると、接合界面に形成される金属間化合物が粗大な初晶として生成され、部分的に金属間化合物が形成されて成長することにより、接合界面の反応が不均一となり、溶融時の濡れ性が低下することがあるので好ましくない。また、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕの含有量の総量が０．００１質量％を下回ると、接合界面で金属間化合物が十分に形成されず濡れ性の向上効果が得られない場合がある。本発明の他の態様のＢｉ基はんだ合金におけるＣｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕの含有量の総量は、０．０３質量％以上０．８質量％以下であるのがさらに好ましい。
本発明の他の態様のＢｉ基はんだ合金は、添加元素として上記のほか、さらに、はんだ合金の濡れ性を改善し、接合後の接合強度を高めるために、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕのいずれか一種以上を含有する。Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕは、Ｂｉ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｇｅに比べて優先的に接合界面に移動し、Ｎｉなどの接合界面の金属元素と初期反応層を形成することにより、はんだ合金の濡れ性を改善し、接合後の接合強度を高めることができるものと考えられる。
Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕの含有量の総量は、０．００１質量％以上３．０質量％以下である。Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕの含有量の総量が３．０質量％を上回ると、接合界面に形成される金属間化合物が粗大な初晶として生成され、部分的に金属間化合物が形成されて成長することにより、接合界面の反応が不均一となり、溶融時の濡れ性が低下することがあるので好ましくない。また、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕの含有量の総量が０．００１質量％を下回ると、接合界面で金属間化合物が十分に形成されず濡れ性の向上効果が得られない場合がある。本発明の他の態様のＢｉ基はんだ合金におけるＣｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕの含有量の総量は、０．０３質量％以上０．８質量％以下であるのがさらに好ましい。
７．Ｂｉ基はんだ合金の製造
本発明のＢｉ基はんだ合金の製造方法は、特に限定されず、上記した各成分を用いて、従来から用いられている公知の方法により製造することができる。
また、はんだ製品の形状は特に限定されず、ワイヤーや、リボン状、ボール状などの他、適切なロジン等を含むフラックスと混合させて、はんだペーストとして用いることもできる。
製造方法の一例を下記に示す。
原料としては、溶融後のＢｉ基はんだ合金内の組成ばらつきを低減させるために、ショット形状または細かく加工されたもので、直径が５ｍｍ以下、より好ましくは３ｍｍ以下の微細な形状のものを用いることが好ましい。
本発明のＢｉ基はんだ合金の製造方法は、特に限定されず、上記した各成分を用いて、従来から用いられている公知の方法により製造することができる。
また、はんだ製品の形状は特に限定されず、ワイヤーや、リボン状、ボール状などの他、適切なロジン等を含むフラックスと混合させて、はんだペーストとして用いることもできる。
製造方法の一例を下記に示す。
原料としては、溶融後のＢｉ基はんだ合金内の組成ばらつきを低減させるために、ショット形状または細かく加工されたもので、直径が５ｍｍ以下、より好ましくは３ｍｍ以下の微細な形状のものを用いることが好ましい。
このような形状の原料を溶解炉に入れ、原料の酸化を抑制するために溶解エリアを窒素や不活性ガスの雰囲気とし、その後、５００〜６００℃、好ましくは５００〜５５０℃で加熱溶融させる。金属が溶融しはじめたときに攪拌を開始し、局所的な組成のばらつきが起きないように十分に攪拌を続ける。攪拌時間は、装置や原料の量などによっても異なるが、１〜５分間とすることが好ましい。
その後、例えば、内径が３０ｍｍ以下で肉厚が１０ｍｍ程度の円筒状の黒鉛製鋳型に、５００℃以上の温度で溶解した、Ｂｉ基はんだ合金の溶湯を流し込み鋳造する。鋳造する際、この鋳型の外側に熱伝導性の良い材料、例えば、Ｃｕからなる冷やし金を密着させるか、望ましくは中空構造として冷却水を通水した冷やし金を密着させることにより、この鋳型に溶湯を流し込んだ後、２５５℃程度まで３℃／ｓｅｃ以上、より好ましくは２０℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で速やかに冷却し固化させる。このような方法により、ほとんどの析出粒子の粒径を５０μｍ未満とする、Ｂｉ基はんだ合金の鋳塊を、安定して作製することができる。
また、連続鋳造法を用いて製造する場合には、連続鋳造してできる鋳塊の断面積を小さくすることで冷却効率を向上させることが好ましい。例えば、内径が３０ｍｍ以下のダイスを用いることが好ましい。また、ダイスを水冷ジャケットで覆うことにより、５０℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で冷却することがさらに好ましい。
また、連続鋳造法を用いて製造する場合には、連続鋳造してできる鋳塊の断面積を小さくすることで冷却効率を向上させることが好ましい。例えば、内径が３０ｍｍ以下のダイスを用いることが好ましい。また、ダイスを水冷ジャケットで覆うことにより、５０℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で冷却することがさらに好ましい。
こうして得られる本発明のＢｉ基はんだ合金を用いて、リードフレームなどの接合対象部材に半導体素子を実装して得られた電子部品を、別のはんだ合金を介して基板に実装する際や、本発明のＢｉ基はんだ合金を用いて、半導体素子を接合対象部材である基板へ実装後、当該基板の他の部位に、他の半導体素子や電子部品を実装する際の、それぞれのリフロー温度で再溶融することがないため、はんだ接合部がはんだ接合した際の初期の接合状態から劣化することのない信頼性の高い電子部品を得ることができる。
８．電子部品及び電子部品実装基板
図１に、本発明のＢｉ基はんだ合金を用いた電子部品の一例である半導体パッケージの断面模式図を示す。このような半導体パッケージの場合、リードフレームのアイランド部４の中央部表面に本発明のＢｉ基はんだ合金３を供給し、Ｂｉ基はんだ合金３を溶融させた後に、その上に半導体チップ１を載せ、その後、冷却し固化させることにより、はんだ付け（ダイボンディング）を行う。次に、半導体チップ１上の電極２とリードフレームのリード部５をボンディングワイヤ６で接続し、その後、リードフレームのリード部５の外部接続端子部を除き、それ以外の部分をモールド樹脂７で覆い半導体パッケージを得ることができる。
図１に、本発明のＢｉ基はんだ合金を用いた電子部品の一例である半導体パッケージの断面模式図を示す。このような半導体パッケージの場合、リードフレームのアイランド部４の中央部表面に本発明のＢｉ基はんだ合金３を供給し、Ｂｉ基はんだ合金３を溶融させた後に、その上に半導体チップ１を載せ、その後、冷却し固化させることにより、はんだ付け（ダイボンディング）を行う。次に、半導体チップ１上の電極２とリードフレームのリード部５をボンディングワイヤ６で接続し、その後、リードフレームのリード部５の外部接続端子部を除き、それ以外の部分をモールド樹脂７で覆い半導体パッケージを得ることができる。
本発明のはんだ合金３が塗布されるリードフレームのアイランド部４には、ボンディングワイヤ６などで接合するリードフレームのリード部５の接合面とともにＡｇめっきが施されることがあるが、費用を低減させるために、リードフレームのアイランド部４のみＡｇめっき処理が施されない場合もある。その場合、リードフレームのアイランド部４は、リードフレームの素材であるＣｕのみで形成される。また、車載関連では、ボンディングワイヤ６などで接合するリードフレームのリード部５の接合面を保護し接合信頼性を向上させるため、Ａｇめっきの代わりに、Ｎｉ層、Ｎｉ／Ａｕ層、またはＮｉ／Ｐｄ／Ａｕ層を形成するためのめっき処理が施される場合があり、近年用いられている微細なリードフレームの場合は、作業性向上などの面から、リードフレームのアイランド部４にも同様のめっき処理が施される場合がある。
ところで、ＣｕやＮｉは、他の元素との反応速度が、Ａｇと比べて遅いため、濡れ広がりが悪化する。Ｐｂ系はんだ合金は他元素との反応性が高いため、接合面がＣｕやＮｉである場合でも、一定量濡れ広がることにより接合が維持され、特にＮｉめっきを有する接合対象部材では、Ｎｉ層による防食効果によりＰｂ系はんだ合金と接合対象部材との接合界面での反応層の成長が抑制され、長期信頼性を高くすることができた。しかし、Ｐｂフリーのはんだ合金は、Ｐｂ系はんだ合金に比べて濡れ性が劣る場合が多く、接合面がＣｕやＮｉである場合、十分に濡れ広がることができず、十分な接合性が得られない場合が多かった。特にＢｉ基はんだ合金の場合は、ＢｉがＮｉと反応し、脆弱なＢｉ−Ｎｉ合金を形成してしまう場合があるため、Ｎｉ層を有する接合対象部材との接合には用いることが困難であった。
しかるに、本発明のＢｉ基はんだ合金のように、ＡｇとＳｎを適切な配合比で含有させれば、Ａｇ−Ｓｎ金属間化合物をＢｉ基はんだ合金内に分散させ、ＮｉとＢｉとの反応を阻害させ、かつ、Ｓｎの反応により濡れ性も向上させることができる。また、本発明のＢｉ基はんだ合金のように、Ｇｅを所定量含有させれば、はんだ合金の表面に形成される酸化膜の表面積を小さくして、濡れ性を改善できるとともに、Ａｇ−Ｓｎ金属間化合物を含む粒子の粗大化を抑制でき、接合信頼性をより高めることができる。また、本発明の他の実施形態のＢｉ基はんだ合金は、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕを含有することにより、濡れ性をさらに向上させることができる。このため、本発明のＢｉ基はんだ合金によれば、従来のＢｉ基はんだ合金が十分な接合性を得ることのできなかった、Ｎｉ層、Ｎｉ／Ａｕ層、またはＮｉ／Ｐｄ／Ａｕ層を有する接合対象部材に対しても、しっかり接合することができ、十分な接合信頼性を有することができる。
すなわち、本発明の電子部品の製造方法によれば、Ｂｉ基はんだ合金の濡れ性を改善させ、さらに従来困難であった、銅材表面にＮｉ層、Ｎｉ／Ａｕ層、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕ層のいずれかがめっき形成されているリードフレームなどの接合対象部材への半導体素子などの実装を、Ｂｉ基はんだ合金を用いても接合信頼性低下の問題を生じること無く行うことができる。
例えば、接合対象部材に半導体チップ等の半導体素子をはんだ付けした電子部品は、基板へ実装される際、２５０℃までのリフロー温度で再加熱されることが多いが、本発明のＢｉ基はんだ合金の固相線温度は、２５５℃以上なので、電子部品内のはんだ接合部が再溶融することはない。また、融点を３２０℃以下とすることで初期接合温度を比較的低くすることができ、半導体チップ特性の変化や部材酸化が発生しないため、はんだ接合部を含む実装基板の特性を劣化させること無く、機械的強度を維持することができる。
しかるに、本発明のＢｉ基はんだ合金のように、ＡｇとＳｎを適切な配合比で含有させれば、Ａｇ−Ｓｎ金属間化合物をＢｉ基はんだ合金内に分散させ、ＮｉとＢｉとの反応を阻害させ、かつ、Ｓｎの反応により濡れ性も向上させることができる。また、本発明のＢｉ基はんだ合金のように、Ｇｅを所定量含有させれば、はんだ合金の表面に形成される酸化膜の表面積を小さくして、濡れ性を改善できるとともに、Ａｇ−Ｓｎ金属間化合物を含む粒子の粗大化を抑制でき、接合信頼性をより高めることができる。また、本発明の他の実施形態のＢｉ基はんだ合金は、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕを含有することにより、濡れ性をさらに向上させることができる。このため、本発明のＢｉ基はんだ合金によれば、従来のＢｉ基はんだ合金が十分な接合性を得ることのできなかった、Ｎｉ層、Ｎｉ／Ａｕ層、またはＮｉ／Ｐｄ／Ａｕ層を有する接合対象部材に対しても、しっかり接合することができ、十分な接合信頼性を有することができる。
すなわち、本発明の電子部品の製造方法によれば、Ｂｉ基はんだ合金の濡れ性を改善させ、さらに従来困難であった、銅材表面にＮｉ層、Ｎｉ／Ａｕ層、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕ層のいずれかがめっき形成されているリードフレームなどの接合対象部材への半導体素子などの実装を、Ｂｉ基はんだ合金を用いても接合信頼性低下の問題を生じること無く行うことができる。
例えば、接合対象部材に半導体チップ等の半導体素子をはんだ付けした電子部品は、基板へ実装される際、２５０℃までのリフロー温度で再加熱されることが多いが、本発明のＢｉ基はんだ合金の固相線温度は、２５５℃以上なので、電子部品内のはんだ接合部が再溶融することはない。また、融点を３２０℃以下とすることで初期接合温度を比較的低くすることができ、半導体チップ特性の変化や部材酸化が発生しないため、はんだ接合部を含む実装基板の特性を劣化させること無く、機械的強度を維持することができる。
すなわち、本発明の電子部品実装基板は、上記本発明のＢｉ基はんだ合金を用いて、リフロー作業ピーク温度を２５０℃として電子部品を実装したものである。なお、電子部品実装用の基板としては、従来公知の基板を用いることができ、セラミック基板が一般的であるが、樹脂製のプリント基板やＳｉ基板を用いることもできる。
本発明を実施例により、さらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
１．測定方法、評価方法
実施例と比較例のＢｉ基はんだ合金に対しては、以下の測定方法、評価方法を用いた。
（１）Ａｇ−Ｓｎ金属間化合物の観察方法と粒子径や体積比率の算出方法
０．７５ｍｍφのワイヤー状のＢｉ基はんだ合金を樹脂に埋め込み、断面研磨を行う。Ｂｉ基はんだ合金の断面が露出した評価用試料を常温の硝酸水溶液（硝酸濃度２０％）に５秒間浸漬してエッチングする。
エッチング後の評価用試料は、Ｂｉ基はんだ合金の母相は腐食して黒く見える一方、Ａｇ−Ｓｎ−Ｇｅ金属間化合物を含む析出粒子は白く光って見えるため、光学顕微鏡観察によって析出粒子の大きさや分布状態を容易に判別することができる。そこで、各評価用試料を２００倍の光学顕微鏡で観察し、視野中の析出粒子の断面径を測定する。断面径は、計測した粒子の最も長い径とそれに直交する径で最も短い径の平均値から求める。また、断面径は粒子の任意断面となり、実際の粒子の粒径に比べて小さく計測されるため、得られた測定値を１．１２倍したものをその粒子の粒径とみなした。上記方法に従って、観察されたすべての粒径を算出し、その算出した粒径を用いて、各粒子が真球であると仮定した場合の体積をそれぞれ算出する。算出した各粒子の体積から、粒径が５０μｍ未満の粒子の割合を体積％で算出する。
実施例と比較例のＢｉ基はんだ合金に対しては、以下の測定方法、評価方法を用いた。
（１）Ａｇ−Ｓｎ金属間化合物の観察方法と粒子径や体積比率の算出方法
０．７５ｍｍφのワイヤー状のＢｉ基はんだ合金を樹脂に埋め込み、断面研磨を行う。Ｂｉ基はんだ合金の断面が露出した評価用試料を常温の硝酸水溶液（硝酸濃度２０％）に５秒間浸漬してエッチングする。
エッチング後の評価用試料は、Ｂｉ基はんだ合金の母相は腐食して黒く見える一方、Ａｇ−Ｓｎ−Ｇｅ金属間化合物を含む析出粒子は白く光って見えるため、光学顕微鏡観察によって析出粒子の大きさや分布状態を容易に判別することができる。そこで、各評価用試料を２００倍の光学顕微鏡で観察し、視野中の析出粒子の断面径を測定する。断面径は、計測した粒子の最も長い径とそれに直交する径で最も短い径の平均値から求める。また、断面径は粒子の任意断面となり、実際の粒子の粒径に比べて小さく計測されるため、得られた測定値を１．１２倍したものをその粒子の粒径とみなした。上記方法に従って、観察されたすべての粒径を算出し、その算出した粒径を用いて、各粒子が真球であると仮定した場合の体積をそれぞれ算出する。算出した各粒子の体積から、粒径が５０μｍ未満の粒子の割合を体積％で算出する。
（２）濡れ性の評価方法
ダイボンダーにＮｉめっき層を有するＣｕ製リードフレームを供給し、処理エリアを窒素雰囲気で満たした後、３７０℃まで加熱し、その後上記（１）のＡｇ−Ｓｎ金属間化合物の観察方法において断面観察したのと同じ０．７５ｍｍφのＢｉ基はんだ合金をＮｉめっき層上にセットする。Ｂｉ基はんだ合金が十分に溶融した後、はんだ接合面にＡｕを蒸着させた１ｍｍ角のシリコンダミーチップを、Ｂｉ基はんだ合金上に載せ、Ｎｉめっき付きＣｕ製リードフレームに接合させる。その後、窒素雰囲気中のまま熱のかからないエリアに試料を移して冷却し、評価用の試料を得る。なお、Ｂｉ基はんだ合金の供給量は、シリコンダミーチップ接合後の厚みが５０μｍになるように調整している。
はんだ濡れ性評価は、評価用試料を上部から観察し、シリコンダミーチップのいずれの辺からも、Ｂｉ基はんだ合金のはみ出しがないことが確認された場合を「不良」、はみ出しが確認された場合を「良」、シリコンダミーチップの各辺からほぼ均一にはみ出しが確認された場合を「優」と評価する。
ダイボンダーにＮｉめっき層を有するＣｕ製リードフレームを供給し、処理エリアを窒素雰囲気で満たした後、３７０℃まで加熱し、その後上記（１）のＡｇ−Ｓｎ金属間化合物の観察方法において断面観察したのと同じ０．７５ｍｍφのＢｉ基はんだ合金をＮｉめっき層上にセットする。Ｂｉ基はんだ合金が十分に溶融した後、はんだ接合面にＡｕを蒸着させた１ｍｍ角のシリコンダミーチップを、Ｂｉ基はんだ合金上に載せ、Ｎｉめっき付きＣｕ製リードフレームに接合させる。その後、窒素雰囲気中のまま熱のかからないエリアに試料を移して冷却し、評価用の試料を得る。なお、Ｂｉ基はんだ合金の供給量は、シリコンダミーチップ接合後の厚みが５０μｍになるように調整している。
はんだ濡れ性評価は、評価用試料を上部から観察し、シリコンダミーチップのいずれの辺からも、Ｂｉ基はんだ合金のはみ出しがないことが確認された場合を「不良」、はみ出しが確認された場合を「良」、シリコンダミーチップの各辺からほぼ均一にはみ出しが確認された場合を「優」と評価する。
（３）接合信頼性の評価方法
上記（２）の濡れ性評価用試料の作製方法と同様に、シリコンダミーチップを、Ｎｉめっき付きＣｕ製リードフレームにＢｉ基はんだ合金を用いて接合させる。その後、エポキシ樹脂でモールドしたものを、接合信頼性評価用の試料として、それぞれ同条件で３個ずつ作製する。接合信頼性試験は、各試料を、まず２５０℃で１０秒間保持するリフロー処理を行い、その後−５０℃／１５０℃の温度サイクル試験を３００サイクル、５００サイクル、７００サイクル実施する。その後、各試料を樹脂埋めした後、断面研磨をして、はんだ接合部の断面観察を行う。
接合信頼性評価は、Ｂｉ基はんだ合金や、はんだ接合部界面などに割れの発生が確認されなかった場合を「良」、接合不良や割れの発生が確認された場合を「不良」と評価する。
上記（２）の濡れ性評価用試料の作製方法と同様に、シリコンダミーチップを、Ｎｉめっき付きＣｕ製リードフレームにＢｉ基はんだ合金を用いて接合させる。その後、エポキシ樹脂でモールドしたものを、接合信頼性評価用の試料として、それぞれ同条件で３個ずつ作製する。接合信頼性試験は、各試料を、まず２５０℃で１０秒間保持するリフロー処理を行い、その後−５０℃／１５０℃の温度サイクル試験を３００サイクル、５００サイクル、７００サイクル実施する。その後、各試料を樹脂埋めした後、断面研磨をして、はんだ接合部の断面観察を行う。
接合信頼性評価は、Ｂｉ基はんだ合金や、はんだ接合部界面などに割れの発生が確認されなかった場合を「良」、接合不良や割れの発生が確認された場合を「不良」と評価する。
（４）耐熱性の評価方法
上記実施例でモールドした試料の一部を基板に実装し、その際２５０℃、１０秒間の熱処理を５回行う。その後、各試料を樹脂埋めした後、断面研磨をして、実装後のシリコンダミーチップおよび接合部を確認し、割れやボイドなどの欠陥の有無を確認する。目立ったボイドや欠陥が観察されず、再溶融の痕跡などがない場合を「良」、ボイドや欠陥などが観察された場合を「不良」と評価する。
上記実施例でモールドした試料の一部を基板に実装し、その際２５０℃、１０秒間の熱処理を５回行う。その後、各試料を樹脂埋めした後、断面研磨をして、実装後のシリコンダミーチップおよび接合部を確認し、割れやボイドなどの欠陥の有無を確認する。目立ったボイドや欠陥が観察されず、再溶融の痕跡などがない場合を「良」、ボイドや欠陥などが観察された場合を「不良」と評価する。
２．Ｂｉ基はんだ合金の製造
まず、原料として、Ｂｉ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕ（各元素の純度：９９．９９質量％以上）を準備した。原料は基本的に３ｍｍφ以下のショット形状原料を用いたが、原料が大きな薄片やバルク状の場合は、切断や粉砕等を行い、３ｍｍ以下の大きさに細かくして、溶解時の偏析要因を極力減らし溶解後のはんだ合金内に組成ばらつきが生じず均一になるようにした。
次に、高周波溶解炉用グラファイト坩堝に、目的とするＢｉ基はんだ合金の組成に対応する原料を所定量秤量して入れた。
次に、原料の入った坩堝を高周波溶解炉に入れ、酸化を抑制するために窒素を原料１ｋｇ当たり０．７Ｌ／分以上の流量で流し、高周波溶解エリアを窒素雰囲気とした。高周波溶解エリアが十分窒素雰囲気となった状態で、高周波溶解炉の内部を５００℃まで５℃／ｓｅｃの昇温速度で加熱し、原料を加熱溶融させた。原料が溶融しはじめたときに、局所的な組成のばらつきが起きないように、攪拌棒を用いて３分間撹拌を行った。原料金属が十分溶融し、溶け残りがないことを確認した後、高周波電源を切り、速やかに坩堝を取り出し、坩堝内の溶湯を、はんだ母合金の鋳型に流し込んだ。
鋳型には、内径が３０ｍｍで肉厚が１０ｍｍ程度の円筒状の黒鉛製鋳型を使用し、鋳型の外側には、冷却水を通水することのできる中空構造のＣｕからなる冷やし金を密着させる構造とした。この鋳型に溶湯を流し込んだ後、冷却水を通水した冷やし金を密着させ２５５℃程度まで５℃／ｓｅｃの冷却速度で速やかに冷却し固化させた。
得られたＢｉ基はんだ母合金を押し出し加工にて直径０．７５ｍｍのワイヤー形状のＢｉ基はんだ合金とした。
まず、原料として、Ｂｉ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕ（各元素の純度：９９．９９質量％以上）を準備した。原料は基本的に３ｍｍφ以下のショット形状原料を用いたが、原料が大きな薄片やバルク状の場合は、切断や粉砕等を行い、３ｍｍ以下の大きさに細かくして、溶解時の偏析要因を極力減らし溶解後のはんだ合金内に組成ばらつきが生じず均一になるようにした。
次に、高周波溶解炉用グラファイト坩堝に、目的とするＢｉ基はんだ合金の組成に対応する原料を所定量秤量して入れた。
次に、原料の入った坩堝を高周波溶解炉に入れ、酸化を抑制するために窒素を原料１ｋｇ当たり０．７Ｌ／分以上の流量で流し、高周波溶解エリアを窒素雰囲気とした。高周波溶解エリアが十分窒素雰囲気となった状態で、高周波溶解炉の内部を５００℃まで５℃／ｓｅｃの昇温速度で加熱し、原料を加熱溶融させた。原料が溶融しはじめたときに、局所的な組成のばらつきが起きないように、攪拌棒を用いて３分間撹拌を行った。原料金属が十分溶融し、溶け残りがないことを確認した後、高周波電源を切り、速やかに坩堝を取り出し、坩堝内の溶湯を、はんだ母合金の鋳型に流し込んだ。
鋳型には、内径が３０ｍｍで肉厚が１０ｍｍ程度の円筒状の黒鉛製鋳型を使用し、鋳型の外側には、冷却水を通水することのできる中空構造のＣｕからなる冷やし金を密着させる構造とした。この鋳型に溶湯を流し込んだ後、冷却水を通水した冷やし金を密着させ２５５℃程度まで５℃／ｓｅｃの冷却速度で速やかに冷却し固化させた。
得られたＢｉ基はんだ母合金を押し出し加工にて直径０．７５ｍｍのワイヤー形状のＢｉ基はんだ合金とした。
得られたワイヤー形状のＢｉ基はんだ合金を用いて、各Ｂｉ基はんだ合金の組成確認、及び、上記８０μｍ未満のＡｇ−Ｓｎ金属間化合物を含む粒子の割合測定や濡れ性評価、接合信頼性評価を行った。
これらの結果を、表１に示す。なお、接合信頼性評価結果は、「良」と判定されたサイクルのうち、最も多いサイクル数を表１に示した。また、最も少ない３００サイクルで「不良」と判定された試料の場合は「不良」と表記した。
これらの結果を、表１に示す。なお、接合信頼性評価結果は、「良」と判定されたサイクルのうち、最も多いサイクル数を表１に示した。また、最も少ない３００サイクルで「不良」と判定された試料の場合は「不良」と表記した。
３．評価
本発明範囲内の試料１〜１１は、表１に示したとおり断面観察により、Ｂｉ基はんだ合金中の添加物や金属間化合物の粒子の９８．０〜９９．８体積％が、粒径５０μｍ未満になっており、粗大化が抑制されていることが確認された。また、濡れ性が「良」レベルまで改善し、接合信頼性試験において、５００サイクルまでシリコンダミーチップおよび接合部に割れなどの欠陥が確認されず、接合性および脆弱性が改善されていることが確認できた。
さらに、試料１２〜１９では、濡れ広がりを良くするＣｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕを含有させているので、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、ＡｕとＮｉ面が界面反応し、濡れ広がりが更に向上し、濡れ性の評価結果は、「優」となった。また、濡れ性が向上し界面接合がより強固になったため、温度サイクル試験７００サイクルまで、シリコンダミーチップおよび接合部に割れなどの欠陥が発生しなかった。ただし、これらの元素を含有させると、５０μｍ未満の金属間化合物粒子の体積比率が、９７．３〜９８．９％と若干低めになることが確認された。これは、はんだ合金内に存在するＣｕなどの添加元素が、金属間化合物粒子生成の核となって成長を促進しまうことによるものと考えられる。
また、本発明範囲内の試料１〜１９は、いずれの試料においても耐熱性試験が「良」であり、２５０℃でのリフロー温度では、本発明のＢｉ基はんだ合金が溶け出すことなく、良好な接合状態を維持できることが確認でき、高温はんだ合金として適していることが確認された。
本発明範囲内の試料１〜１１は、表１に示したとおり断面観察により、Ｂｉ基はんだ合金中の添加物や金属間化合物の粒子の９８．０〜９９．８体積％が、粒径５０μｍ未満になっており、粗大化が抑制されていることが確認された。また、濡れ性が「良」レベルまで改善し、接合信頼性試験において、５００サイクルまでシリコンダミーチップおよび接合部に割れなどの欠陥が確認されず、接合性および脆弱性が改善されていることが確認できた。
さらに、試料１２〜１９では、濡れ広がりを良くするＣｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕを含有させているので、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、ＡｕとＮｉ面が界面反応し、濡れ広がりが更に向上し、濡れ性の評価結果は、「優」となった。また、濡れ性が向上し界面接合がより強固になったため、温度サイクル試験７００サイクルまで、シリコンダミーチップおよび接合部に割れなどの欠陥が発生しなかった。ただし、これらの元素を含有させると、５０μｍ未満の金属間化合物粒子の体積比率が、９７．３〜９８．９％と若干低めになることが確認された。これは、はんだ合金内に存在するＣｕなどの添加元素が、金属間化合物粒子生成の核となって成長を促進しまうことによるものと考えられる。
また、本発明範囲内の試料１〜１９は、いずれの試料においても耐熱性試験が「良」であり、２５０℃でのリフロー温度では、本発明のＢｉ基はんだ合金が溶け出すことなく、良好な接合状態を維持できることが確認でき、高温はんだ合金として適していることが確認された。
これに対して、本発明の範囲外である試料２０〜２６は、濡れ広がりにくいＮｉ面のリードフレームに対しては十分濡れ広がらず、接合信頼性に劣ることが確認された。
試料２０は、Ａｇの含有量が少なすぎ、また、試料２３は、Ｓｎの含有量が多すぎるため、いずれも、Ｓｎの含有量がＡｇの含有量に対して１／１よりも大きくなっており、濡れ性は良好であるものの、余剰のＳｎが低融点相を形成してしまい、接合信頼性に劣ってしまったと考えられる。また、試料２１は、Ａｇの含有量が多すぎるため、液相線が高くなりすぎてしまい、はんだ接合時に溶け残りが発生し、濡れ広がりが改善しなかったと考えられる。また、試料２２は、Ｓｎの含有量が少なすぎるため、接合対象のＮｉ面と十分反応することができず、濡れ広がりが改善しなかったと考えられる。また、試料２４は、Ｇｅの含有量が多すぎるため、Ｇｅが粗大な初晶成分として生成され、はんだ接合時の濡れ広がりを邪魔したと考えられる。また、試料２５及び２６は、ＣｕやＮｉの含有量が多すぎるため、ＣｕやＮｉが粗大な初晶成分として形成されてしまい、はんだ接合時の濡れ広がりを邪魔したと考えられる。このように、濡れ広がりが十分でない試料は、接合時にボイドを巻き込んだり、周囲と異なる溶け残り部や粗大な初晶成分の界面でクラックを生じやすくなったりして接合信頼性が改善しなかったと考えられる。また、本発明の範囲外である試料２０〜２６は、いずれの試料においても耐熱性試験が「不良」であった。
試料２０は、Ａｇの含有量が少なすぎ、また、試料２３は、Ｓｎの含有量が多すぎるため、いずれも、Ｓｎの含有量がＡｇの含有量に対して１／１よりも大きくなっており、濡れ性は良好であるものの、余剰のＳｎが低融点相を形成してしまい、接合信頼性に劣ってしまったと考えられる。また、試料２１は、Ａｇの含有量が多すぎるため、液相線が高くなりすぎてしまい、はんだ接合時に溶け残りが発生し、濡れ広がりが改善しなかったと考えられる。また、試料２２は、Ｓｎの含有量が少なすぎるため、接合対象のＮｉ面と十分反応することができず、濡れ広がりが改善しなかったと考えられる。また、試料２４は、Ｇｅの含有量が多すぎるため、Ｇｅが粗大な初晶成分として生成され、はんだ接合時の濡れ広がりを邪魔したと考えられる。また、試料２５及び２６は、ＣｕやＮｉの含有量が多すぎるため、ＣｕやＮｉが粗大な初晶成分として形成されてしまい、はんだ接合時の濡れ広がりを邪魔したと考えられる。このように、濡れ広がりが十分でない試料は、接合時にボイドを巻き込んだり、周囲と異なる溶け残り部や粗大な初晶成分の界面でクラックを生じやすくなったりして接合信頼性が改善しなかったと考えられる。また、本発明の範囲外である試料２０〜２６は、いずれの試料においても耐熱性試験が「不良」であった。
なお、上記各試料における測定及び評価は、便宜上、Ｎｉ基はんだ合金と接合する接合対象部材であるＣｕ製リードフレームとして、表面にＮｉめっき層のみを有するものを用いて行ったが、Ｎｉめっき層上に保護用の薄いＡｕめっき層やＰｄ／Ａｕめっき層を有するＣｕ製リードフレームを用いた場合も、はんだ接合時にＡｕめっき層やＰｄめっき層をＮｉやＢｉが拡散して同様の結果を示すことが確認できた。また、Ｎｉめっきが無くＣｕ表面が露出しているＣｕ製リードフレームを用いた場合は、Ｎｉめっき面より良好な接合性を示すことが確認できた。
以上により、本発明に係るＢｉ基はんだ合金で接合された、Ｂｉ基はんだ合金接合部には、半導体チップなどの半導体素子を接合対象部材に実装した電子部品を基板に実装するためのリフローの際や、半導体素子を接合対象部材である基板へ実装後、当該基板の他の部位に、他の半導体素子や電子部品を実装するためのリフローの際においても剥離及びボイド等は発生せず、特に、Ｎｉ層を有する濡れ性や接合信頼性の悪化する接合対象部材においても、Ｂｉ基はんだ合金接合部の特性に問題が生じないため、従来よりも信頼性の高い電子部品を供給することができるといえる。
本発明のＢｉ基はんだ合金は、Ｐｂ−５質量％Ｓｎ等の高温はんだ合金の代替として、Ｎｉ層、Ｎｉ／Ａｕ層や、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕ層などの、Ｎｉを含むめっきが接合対象部材の表面に施されたフレーム基板用のプリフォームはんだ合金や本発明のＢｉ基はんだ合金を含むはんだペーストとして好適に用いることができ、パワーデバイスやパワーモジュール等の半導体パッケージの半導体チップの接合等に特に好適に用いることができる。
１ 半導体チップ
２ 電極
３ はんだ
４ リードフレームのアイランド部
５ リードフレームのリード部
６ ボンディングワイヤ
７ モールド樹脂
２ 電極
３ はんだ
４ リードフレームのアイランド部
５ リードフレームのリード部
６ ボンディングワイヤ
７ モールド樹脂
Claims (8)
- ＡｇとＳｎとＧｅを含有し、Ｂｉの含有率が７０質量％以上のＢｉ基はんだ合金であって、Ａｇの含有量が０．６質量％以上１８質量％以下、Ｓｎの含有量が０．１質量％以上１２質量％以下、かつ、Ｓｎの含有量がＡｇの含有量に対して１／１以下であり、Ｇｅの含有量が０．００１質量％以上３．０質量％以下、かつ、前記Ｂｉ基はんだ合金内にＡｇとＳｎとの金属間化合物を含む粒子を含有し、残部が製造上、不可避的に含まれる元素を除きＢｉからなることを特徴とするＢｉ基はんだ合金。
- ＡｇとＳｎとＧｅを含有し、さらに、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕの中から１種以上を含有し、Ｂｉの含有率が７０質量％以上のＢｉ基はんだ合金であって、Ａｇの含有量が０．６質量％以上１８質量％以下、Ｓｎの含有量が０．１質量％以上１２質量％以下、かつ、Ｓｎの含有量がＡｇの含有量に対して１／１以下であり、Ｇｅの含有量が０．００１質量％以上３．０質量％以下、かつ、前記Ｂｉ基はんだ合金内にＡｇとＳｎとの金属間化合物を含む粒子を含有し、かつ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕの中から１種以上を総量で０．００１質量％以上３．０質量％以下の範囲で含有し、残部が製造上、不可避的に含まれる元素を除きＢｉからなることを特徴とするＢｉ基はんだ合金。
- 前記Ｂｉ基はんだ合金内に形成される前記ＡｇとＳｎとの金属間化合物を含む粒子全体の総体積１００体積％に対して、粒径５０μｍ未満の粒子が９７体積％以上存在することを特徴とする請求項１または２に記載のＢｉ基はんだ合金。
- 表面にＮｉ層、Ｎｉ／Ａｕ層、Ｎｉ／Ｐｄ／Ａｕ層のいずれかが形成された接合対象部材との接合に用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のＢｉ基はんだ合金。
- ＡｇとＳｎとＧｅを含有し、Ｂｉの含有率が７０質量％以上のＢｉ基はんだ合金であって、Ａｇの含有量が０．６質量％以上１８質量％以下、Ｓｎの含有量が０．１質量％以上１２質量％以下、かつ、Ｓｎの含有量がＡｇの含有量に対して１／１以下であり、Ｇｅの含有量が０．００１質量％以上３．０質量％以下、残部が製造上、不可避的に含まれる元素を除きＢｉからなる、前記Ｂｉ基はんだ合金の溶湯を鋳型に流し込んだ後、２５５℃まで３℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で冷却し固化させることで、ＡｇとＳｎとの金属間化合物を含む粒径５０μｍ未満の粒子を、該ＡｇとＳｎとの金属間化合物を含む粒子全体の総体積１００体積％に対して、９７体積％以上前記Ｂｉ基はんだ合金内に形成させることを特徴とするＢｉ基はんだ合金の製造方法。
- ＡｇとＳｎとＧｅを含有し、さらに、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕの中から１種以上を含有し、Ｂｉの含有率が７０質量％以上のＢｉ基はんだ合金であって、Ａｇの含有量が０．６質量％以上１８質量％以下、Ｓｎの含有量が０．１質量％以上１２質量％以下、かつ、Ｓｎの含有量がＡｇの含有量に対して１／１以下であり、Ｇｅの含有量が０．００１質量％以上３．０質量％以下、かつ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕの中から１種以上を総量で０．００１質量％以上３．０質量％以下の範囲で含有し、残部が製造上、不可避的に含まれる元素を除きＢｉからなる、前記Ｂｉ基はんだ合金の溶湯を鋳型に流し込んだ後、２５５℃まで３℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で冷却し固化させることで、ＡｇとＳｎとの金属間化合物を含む粒径５０μｍ未満の粒子を、該ＡｇとＳｎとの金属間化合物を含む粒子全体の総体積１００体積％に対して、９７体積％以上前記Ｂｉ基はんだ合金内に形成させることを特徴とするＢｉ基はんだ合金の製造方法。
- 接合対象部材と、請求項１〜４のいずれかに記載のＢｉ基はんだ合金と、前記Ｂｉ基はんだ合金を介して前記接合対象部材に実装された半導体素子を有してなることを特徴とする電子部品。
- 請求項１〜４のいずれかに記載のＢｉ基はんだ合金を用いて製造されたことを特徴とする電子部品実装基板。
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