JP2018118276A - ハンダ接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】クラックが発生した場合に、そのクラックの進展を有効に抑止することのできるハンダ接合方法を提供する。
【解決手段】第１の被接合材（Ｍ１）と第２の被接合材（Ｍ２）と、前記第１の被接合材と前記第２の被接合材との間に配置されるハンダ接合層（Ｓ）と、を接合するハンダ接合方法であって、第１の被接合材と第２の被接合材との間に、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダとＣｕ供給源とを載置する工程と、ハンダの温度を所定温度まで加熱して、その状態を所定時間保持して、溶融した前記ハンダにＣｕ供給源からＣｕを溶出させ、その後に０．８℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で冷却して、柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物（２０）を析出させたハンダ接合層を形成する工程とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ハンダ接合方法に関する。

金属同士の間あるいは金属と半導体との間の接合は、ハンダを溶融させた後、室温まで冷却して形成されるハンダ接合層を介して行われることが多い。

ここで、ハンダ接合層には、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る。

また、種々の使用環境下において各種性能を維持するために、所定の耐久性も求められている。

ところで、ハンダ接合層には、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、ハンダ接合層には、脆性的な破断を示す材料は採用することはできず、クラック進展が進み難い材料や構造等が求められている。

ハンダ接合層におけるクラックの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接合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

しかしながら、上記のような従来技術では、ハンダ接合層にクラックが発生することを抑制することは可能であるが、一旦クラックが発生してしまうと途中でクラックの進展が止まらないという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、クラックが発生した場合に、そのクラックの進展を有効に抑止することのできる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方法は、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配置されるハンダ接合層と、を接合するハンダ接合方法であって、前記第１の被接合材と前記第２の被接合材との間に、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダとＣｕ供給源とを載置する工程と、前記ハンダの温度を所定温度まで加熱して、その状態を所定時間保持して、溶融した前記ハンダに前記Ｃｕ供給源からＣｕを溶出させ、その後に０．８℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で冷却して、柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物を析出させた前記ハンダ接合層を形成する工程とを有することを特徴とする。

本発明によれば以下の効果を奏することができる。

すなわち、本発明に係るハンダ接合方法によれば、ハンダ接合層内に、適度に粗大な柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物を形成することができ、クラックが発生した場合に、そのクラックの進展を有効に抑止することができる。

実施の形態に係るハンダ接合方法を適用したハンダ接合体の模式的構成例を示す断面図である。 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を示す工程図である。 ハンダ接合体におけるクラックの進展度合いを示す模式的説明図（ａ）〜（ｃ）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。 冷却速度とハンダ接合および柱状Ｓｎ−Ｃｕ金属間化合物の強度との関係を示すグラフである。 冷却速度を変更した場合の柱状Ｓｎ−Ｃｕ金属間化合物の強度および組織画像の例（ａ）〜（ｊ）を示す図表である。 比較例に係るハンダ接合層に発生したクラックの進展状態を示す撮像図である。 実施の形態に係る接合方法を適用して接合したハンダ接合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方法］
図１から図５を参照して、実施の形態に係るハンダ接合方法を適用したハンダ接合体１およびハンダ接合方法について説明する。

まず、図１を参照して、本実施の形態に係るハンダ接合方法を適用して接合したハンダ接合体１の構成例について説明する。

図１は、本実施の形態に係るハンダ接合方法を適用したハンダ接合体１の模式的構成例を示す断面図である。

図１に示すように、ハンダ接合体１は、第１の被接合材Ｍ１と、第２の被接合材Ｍ２と、この第１の被接合材Ｍ１と第２の被接合材Ｍ２との間にあって、両者を接合するハンダ接合層Ｓとから構成されている。

なお、第１の被接合材Ｍ１および第２の被接合材Ｍ２としては、アルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）金属（例えば、金属板や金属層等）または半導体（例えば、パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどで構成されるパワー半導体素子等を含む）で構成することができる。

次に、図２の工程図を参照して、本実施の形態に係るハンダ接合方法におけるハンダ接合工程の処理手順について説明する。

まず、ステップＳ１０では、例えば銅（Ｃｕ）などの金属や半導体等で構成される第１の被接合材Ｍ１の上に、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダとＣｕ供給源とを載置する。

なお、Ｃｕ供給源としては、Ｃｕ箔やＣｕの粒子等を用いることができる。

また、第１の被接合材Ｍ１あるいは後述の第２の被接合材Ｍ２として、銅板、銅から成る金属層あるいは銅を含む金属層等を用いる場合には、第１の被接合材Ｍ１自体あるいは第２の被接合材Ｍ２自体がＣｕ供給源として機能するので、別途Ｃｕ供給源を設けなくてもよい。

次いで、ステップＳ１１では、ハンダの上に第２の被接合材Ｍ２を載置する。

第２の被接合材Ｍ２としては、アルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）金属（例えば、金属板や金属層等）または半導体（例えば、パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどで構成されるパワー半導体素子等を含む）を用いることができる。

そして、ステップＳ１２で、温度をＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダの融点に６０℃〜９０℃を加えた所定温度（例えば、２９５℃）まで加熱して、１０分〜２０分間保持してステップＳ１３に移行する。

ステップＳ１３では、溶融したＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダにＣｕを溶出させる。

次いで、ステップＳ１４では、０．８℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で冷却する。

これにより、ステップＳ１５では、ハンダ接合層Ｓ内に、柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物２０（ＩＭＣ：Ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ）が形成される。

特に、本発明では、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダにＣｕを溶出させた状態で、０．８℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で冷却することにより、ハンダ中に晶出するＩＭＣを比較的太く粗大とすることができ、通常のハンダ接合の強度である４８ＭＰａ以上の強度を確保することができる。

これにより、図３（ｂ）に模式的に示すように、ハンダ接合層ＳにクラックＣが入った場合であっても、適度に粗大なＩＭＣ２０ａの存在により、そのクラックＣの進展を有効に抑制することができる。

ここで、上述の冷却速度は、好ましくは、０．８〜３５℃／ｓｅｃ、または、１．０〜３５℃／ｓｅｃ、或いは１．０〜１０℃／ｓｅｃの範囲とするとよい。

これは、冷却速度が上記範囲よりも速い場合（例えば、＞３５℃／ｓｅｃの場合）には、ＩＭＣの成長速度も速くなり、成長が十分に進行しないまま固相線温度に達するため、ＩＭＣは比較的細く微細な形状となってしまう。そのため、図３（ａ）に模式的に示すように、ハンダ接合層ＳにクラックＣが入った場合には、そのクラックＣの進展を止めることができない。

一方、冷却速度が上記範囲よりも遅い場合（例えば、＜０．８℃／ｓｅｃ或いは＜１．０℃／ｓｅｃの場合）には、ＩＭＣの成長速度も遅くなり、安定界面でＩＭＣが粗大化し、太い柱状に成長する。

しかしながら、この場合には、図３（ｃ）に模式的に示すように、析出したＩＭＣ２０ｂの長手方向の間隔が比較的大きくなってしまうため、ハンダ接合層ＳにクラックＣが入った場合には、そのクラックＣの進展を有効に止めることができない。

ここで、図４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）について説明する。

図４に示す例では、第２の被接合材Ｍ２として、銅板、銅から成る金属層あるいは銅を含む金属層等を用いるものとする。

まず、過程（１）〜（２）では、室温でＣｕ（０．７ｗｔ％）の状態（図４（ｂ）に示すようにハンダ接合層ＳにＣｕの供給源となる第２の被接合材Ｍ２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、ハンダ接合層Ｓは液相状態となる。

過程（２）〜（３）では、２９５℃でＣｕ（０．７ｗｔ％）の状態で、図４（ｃ）に示すようにハンダ接合層Ｓに第２の被接合材Ｍ２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４（ｄ）に示すようにハンダ接合層ＳにＳｎ−Ｃｕ金属間化合物 （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、０．８℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で冷却され、Ｃｕ（５．０ｗｔ％）となり、図４（ｅ）に示すようにハンダ接合層Ｓ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５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５に示すように、ハンダ接合層Ｓ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。

（柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物の冷却速度と強度の関係）
図７は、冷却速度とハンダ接合および柱状Ｓｎ−Ｃｕ金属間化合物の強度との関係を示すグラフである。

なお、図７において、線分Ａは、実施の形態に係るハンダ接合方法を適用したハンダ接合体１の柱状Ｓｎ−Ｃｕ金属間化合物についての引張り強度（ＭＰａ）、線分Ｂは、通常のハンダ接合の引張り強度（ＭＰａ）をそれぞれ示す。

なお、通常のハンダ接合では、引張り強度は、約４８ＭＰａである。

一方、図７の線分Ａに示すように、冷却速度が０．８℃／ｓｅｃ未満の条件では、通常のハンダ接合の引張り強度（約４８ＭＰａ）未満であるが、冷却速度が０．８℃／ｓｅｃ以上の条件では、通常のハンダ接合の引張り強度（約４８ＭＰａ）以上の強度を呈することが分かる。

また、一般的なハンダ接合温度である２５０℃から５０℃まで２００℃冷却すると仮定した場合に、冷却速度０．８℃／ｓｅｃにおいて約４分程かかることが分かっている。本実施の形態に係るハンダ接合方法においても冷却工程に約４分以上の時間を要する場合には、ハンダ接合体の生産性に影響が及ぶと考えられる。

そこで、通常のハンダ接合の引張り強度（約４８ＭＰａ）以上の強度を得ることができ、且つ、ハンダ接合体の生産性も確保することができる０．８℃／ｓｅｃ以上の冷却速度を、本発明に係るハンダ接合方法における必須構成要件の１つとした。

なお、上記冷却速度は、０．８〜３５℃／ｓｅｃとすることができる。

ここで、上限値を３５℃／ｓｅｃとしたのは、伝熱による冷却方法では、冷却速度は３５℃／ｓｅｃが限界であると考えられるためである。

また、上記冷却速度は、１．０〜３５℃／ｓｅｃとすることもできる。

ここで、下限値を１．０℃／ｓｅｃとしたのは、冷却速度が１．０℃／ｓｅｃより遅い場合には、冷却速度のバラツキの最も遅い部位に引け巣が生じる虞があり、ハンダ品質の低下が懸念されるためである。

さらに、上記冷却速度は、１．０〜１０℃／ｓｅｃとしてもよい。

ここで、上限値を１０℃／ｓｅｃとしたのは、冷却速度を１０℃／ｓｅｃ以上とするためには、ハンダ接合体を水などに浸漬させて冷却する等の新たな接合方法を付加する必要があるためである。

また、冷却速度を速くし過ぎた場合には、冷却が早い箇所と遅い箇所のバラツキが発生し、組織形状のバラツキを生じ易く、脆弱部が発生してハンダ接合体の製品寿命が低下する懸念もあるためである。

ここで、図８（ａ）〜（ｊ）として、冷却速度を０．５〜５０℃／ｓｅｃの範囲で変更した場合の柱状Ｓｎ−Ｃｕ金属間化合物の強度（ＭＰａ）および組織画像を例示する。

（比較例との対比）
図６、図９および図１０を参照して、本実施の形態に係るハンダ接合方法で接合したハンダ接合体と比較例に係るハンダ接合体との対比について述べる。

ここで、図６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９は、比較例としてのハンダ接合層に発生したクラックの進展状態を示す撮像図、図１０は、実施の形態に係るハンダ接合方法で接合したハンダ接合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６の（ｂ）および図９を参照すると分かるように、比較例に係るハンダ接合層（Ｃｕが未溶出のハンダ接合層）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６の（ａ）および図１０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で接合したハンダ接合層Ｓ（Ｃｕが溶出したハンダ接合層）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、ハンダ接合層Ｓ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で接合したハンダ接合体１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。

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６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、ハンダ接合層Ｓ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。

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、本発明に係るハンダ接合方法において、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダに、Ｉｎ（インジウム）を添加するようにしてもよい。

１…ハンダ接合体
Ｍ１…第１の被接合材
Ｍ１…第２の被接合材
２０、２０ａ、２０ｂ…Ｃｕ金属間化合物
Ｃ、Ｃ１、Ｃ２…クラック

Claims (6)

1. 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配置されるハンダ接合層と、
   を接合するハンダ接合方法であって、
   前記第１の被接合材と前記第２の被接合材との間に、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダとＣｕ供給源とを載置する工程と、
   前記ハンダの温度を所定温度まで加熱して、その状態を所定時間保持して、溶融した前記ハンダに前記Ｃｕ供給源からＣｕを溶出させ、その後に０．８℃／ｓｅｃ以上の冷却速度で冷却して、柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物を析出させた前記ハンダ接合層を形成する工程と、
   を有することを特徴とするハンダ接合方法。
2. 前記冷却速度は、０．８〜３５℃／ｓｅｃであることを特徴とする請求項１に記載のハンダ接合方法。
3. 前記冷却速度は、１．０〜３５℃／ｓｅｃであることを特徴とする請求項１に記載のハンダ接合方法。
4. 前記冷却速度は、１．０〜１０℃／ｓｅｃであることを特徴とする請求項１に記載のハンダ接合方法。
5. 前記所定温度は、前記ハンダの融点に６０℃〜９０℃を加えた温度であることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか１項に記載のハンダ接合方法。
6. 前記所定時間は、１０分〜２０分間であることを特徴とする請求項５に記載のハンダ接合方法。