JP2021175578A - 成形はんだ及び成形はんだの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
これらのはんだ組成物及びろう付けシートは異なる融点を有する2種の金属(合金)からなるため、低い方の融点近傍の温度にてはんだ接合をすることではんだ組成物及びろう付けシート内に金属間化合物を形成させ、その固相線温度を上昇させることができる。そのため、はんだ組成物及びろう付けシートのはんだ接合前後の固相線温度を調整することも可能である。
しかしこの場合、圧延時に上述する摩擦熱によって「融点がTmの金属粉末」と「融点がTmの金属粉末に電気メッキ等でコーティングされた融点がTmより低い金属粉末」との金属間化合物が形成される虞がある。また充填粉末としての「融点がTmより低い金属粉末」と「融点がTmの金属粉末に電気メッキ等でコーティングされた融点がTmより低い金属粉末」との金属間化合物も形成される虞があり、従ってろう付けシートの延性及び強度の低下、並びにはんだ接合性の低下の抑制は難しい。
なお、本発明が当該実施形態に限定されないのはもとよりである。
本実施形態の成形はんだの作製に用いる複数種の金属粉末の混合体は、少なくとも(a)ニッケルまたはニッケルを含む合金からなる被膜を有する銅の粉末及び(b)ニッケルまたはニッケルを含む合金からなる被膜を有する銅を含む合金の粉末の少なくとも一方と、(c)錫を含む合金の粉末とを含む。
・前記(a)銅の粉末と、前記(c)錫を含む合金の粉末とを含む。
・前記(b)銅を含む合金の粉末と、前記(c)錫を含む合金の粉末とを含む。
・前記(a)銅の粉末と、前記(b)銅を含む合金の粉末と、前記(c)錫を含む合金の粉末とを含む。
・金属元素単体の粉末
・半金属元素単体の粉末
・合金の粉末
前記(a)ニッケルまたはニッケルを含む合金からなる被膜を有する銅の粉末は、銅の粉末の表面またはその表面上に形成された金属等の被膜上にニッケルまたはニッケルを含む合金からなる被膜を有するものであり、無電解めっき等の方法にてニッケルまたはニッケルを含む合金からなる被膜を形成したものが好ましく用いられる。
なお、銅の粉末の表面またはその表面上に形成された金属等の被膜にニッケルまたはニッケルを含む合金からなる被膜を形成できる方法であれば、いずれの方法も用いることができる。
前記(b)ニッケルまたはニッケルを含む合金からなる被膜を有する銅を含む合金の粉末は、銅を含む合金の粉末の表面またはその表面上に形成された金属等の被膜上にニッケルまたはニッケルを含む合金からなる被膜を有するものであり、無電解めっき等の方法にてニッケルまたはニッケルを含む合金からなる被膜を形成したものが好ましく用いられる。
なお、銅を含む合金の粉末の表面またはその表面上に形成された金属等の被膜にニッケルまたはニッケルを含む合金からなる被膜を形成できる方法であれば、いずれの方法も用いることができる。
なお、前記銅を含む合金に含まれる銅の含有量は、80質量%以上であることが好ましい。より好ましいその含有量は85質量%以上95質量%以下であり、90質量%以上95質量%以下が特に好ましい。
これらのニッケル以外の金属元素は1種でも複数種でもいずれでもよい。特に、はんだ接合(リフローによるはんだ接合を含む。以下同じ。)時において、後述する加熱により溶融した金属(合金)への溶解速度が銅よりも遅く、これらとの金属間化合物の形成が遅くなる金属元素が好ましく用いられる。
なお本明細書においては、リンの含有量がニッケルを含む合金全量に対して1質量%以上4質量%以下であるニッケルリン合金を「低リンタイプ」と言い、リンの含有量がニッケルを含む合金全量に対して5質量%以上7質量%以下であるニッケルリン合金を「中リンタイプ」と言う。
またその際、前記(a)銅の粉末/前記(b)銅を含む粉末のニッケルまたはニッケル合金からなる被膜の少なくとも一部も溶融した金属中に溶解し易くなる。これにより、前記(a)銅の粉末/前記(b)銅を含む粉末の内部の銅/銅を含む合金が露出し易くなり、溶融した金属中での銅や錫の拡散が促進される。その結果、溶融した金属中での金属間化合物が形成され易くなることで、後述する「はんだ接合時の成形はんだ(はんだ接合部)の固相線温度及び液相線温度上昇」が起こり易くなる。またこれにより、はんだ接合後の成形はんだ(はんだ接合部)の被はんだ接合材との接合強度を更に向上させることができる。
ニッケルはその溶融温度が1455℃と高いため、はんだ接合時の加熱では溶融し難い。そのため前記ニッケルまたはニッケルを含む合金からなる被膜、即ちニッケルまたはニッケルを含む合金は、この溶融した金属中に溶解され得る。
また、銅もその溶融温度が1085℃と高いため、はんだ接合時の加熱では溶融し難い。また上記ニッケルまたはニッケルを含む合金の溶解により、(前記ニッケルまたはニッケルを含む合金で被覆されていた)銅/銅を含む合金も(上述した溶解によってニッケルまたはニッケルを含む合金からなる被膜の少なくとも一部がなくなることにより)上述する溶融した金属中に溶解し、金属間化合物を形成する。そしてこれにより、後述する「はんだ接合時の成形はんだ(はんだ接合部)の固相線温度及び液相線温度上昇」が起こり得る。
従って前記ニッケルまたはニッケルを含む合金からなる被膜の膜厚が薄ければ、はんだ接合時に、前記銅/銅を含む合金が溶融した金属中に溶解し易くなる。
一方、前記ニッケルまたはニッケルを含む合金からなる被膜の膜厚が厚ければ、圧延時におけるCn/Sn系化合物の形成は抑制され易くなる。
前記(a)銅の粉末及び前記(b)銅を含む合金の粉末の少なくとも一方の含有割合をこの範囲とすることで、上述した「前記ニッケルまたはニッケルを含む合金の溶融した金属中への溶解割合」を調整し易く、また「前記銅/銅を含む合金の溶融した金属中への溶解による(はんだ接合部の)固相線温度及び液相線温度上昇」とのバランスをより良好にすることができる。
またこれにより、後述するはんだ接合後の成形はんだ(はんだ接合部)の再溶融をより抑制することができ、特にDCB基板とパワー半導体との接合時において、その接合を良好に行うことができるとともに、その熱伝導率を向上し得る。
(c)錫を含む合金の粉末は、錫を含む合金を粉末化したものが用いられる。前記錫を含む合金に含まれる錫の含有量は、40質量%以上であることが好ましい。より好ましいその含有量は40質量%以上97質量%以下であり、40質量%以上60質量%以下が特に好ましい。
そして本実施形態の成形はんだは、その作製に前記(a)銅の粉末及び前記(b)銅を含む合金の粉末の少なくとも一方を用いるため、圧延時に発生した摩擦熱を起因とする錫を含む合金(例えば前記(c)錫を含む合金の粉末)と銅/銅を含む合金との接点における拡散を抑制し、圧延時における成形はんだ中でのCu/Sn系化合物の形成を抑制することができる。そしてこれにより、成形はんだの延性及び強度低下を抑制することができる。
また本実施形態の成形はんだは、このような構成により、圧延時における成形はんだに含まれる前記(c)錫を含む合金の粉末由来の錫の含有量の減少を抑制することができるため、その接合性の低下を抑制することができる。
一方、本実施形態の成形はんだは、その作製に前記(a)銅の粉末及び前記(b)銅を含む合金の粉末の少なくとも一方を用いることにより、このような電子部品や半導体素子の電極のニッケルめっき喰われを抑制することができる。
従って、本実施形態の成形はんだは、その形成に用いる複数種の金属粉末の溶融温度(液相線温度)のうち最も低い溶融温度(液相線温度)にてはんだ接合を行うことができる。即ち、成形はんだに含まれる「最も低い溶融温度(液相線温度)を有する金属(合金である場合も含む。この段落において以下同じ。)」が溶融することではんだ接合を行うことができる。
なお、上述した「最も低い溶融温度(液相線温度)を有する金属」は、前記錫を含む合金((c)錫を含む合金の粉末)であることが好ましい。
よって本実施形態の成形はんだは、例えばSiC素子のような高温動作が想定されるパワー半導体のはんだ接合においても好適に用いることができる。
よって本実施形態の成形はんだは、はんだ接合部の再溶融を抑制しつつ、はんだ接合時の加熱温度を調整し得るため、例えばSiC素子のような高温動作が想定されるパワー半導体のはんだ接合においても効率的にはんだ接合を行うことができる。
本実施形態の成形はんだは、例えば前記複数種の金属粉末を混合分散して当該複数種の金属粉末の混合体を作製する工程と、当該複数種の金属粉末の混合体を圧延する工程とを含む製造方法により形成される。
また、前記複数種の金属粉末の混合体を作製する前に、前記複数種の金属粉末を、それぞれふるい機等に通し、凝集物等を除去しておくことが望ましい。
なお、本実施形態の成形はんだの厚みは、使用する基板(DCB基板含む)、電子部品や半導体素子の種類、前記複数種の金属粉末の種類によって適宜調整し得るが、20μm以上300μm以下であることが好ましい。
またこのような成形はんだは、これに含まれる錫を含む合金の粉末由来の錫の含有量の減少を抑制することができるため、その接合性の低下を抑制することができる。
本実施形態の成形はんだを用いたはんだ接合方法の一例は以下の通りである。
まず、Si素子、SiC素子等の半導体素子を用意し、DCB基板上にフラックスを塗布して、本実施形態の成形はんだを載置する。次いで、当該成形はんだの表面(DCB基板に接していない面)に更にフラックスを塗布し、これにSi素子、SiC素子等を載置して、これを当該成形はんだの成形に用いる前記複数種の金属粉末の溶融温度(液相線温度)のうち最も低い溶融温度(液相線温度)以上の温度で加熱することにより、前記DCB基板上にSi素子、SiC素子等をはんだ接合する。
なお、予め本実施形態の成形はんだの少なくとも2面(DCB基板に接する面と半導体素子に接する面)にフラックスを塗布しておいてもよい。
特に、固化したはんだ(はんだ接合部)の表面に残渣を生じにくくするためには、成形はんだの表面に、はんだ接合の加熱時に気化する有機酸等を予めフラックスコートすることが望ましい。例えば、前記(c)錫を含む合金の粉末の液相線温度以上であり、はんだ接合の加熱時の加熱温度以下の沸点を有する有機酸が好ましく用いられる。
このような表面にフラックスコートされた成形はんだは、様々な用途で好ましく用いられる。
また本実施形態の成形はんだは、例えば、還元性雰囲気のギ酸リフロー等を用いることではんだ接合を行うことも可能である。
即ち、まず各金属粉末を混合分散して混合体を作製した。次いで各混合体を圧延ロールを備える圧縮装置(卓上型Φ63mm 2型粉末圧延機:大野ロール(株)製)を用いて、圧延荷重約40kNの条件にて圧縮し、帯状の各成形はんだを作製した。得られた帯状の各成形はんだの厚みは、200μmであった。
更に各成形はんだについて上記と同じ条件にて再度圧縮装置を用いて圧縮を行い、厚みが100μmの各成形はんだを作製した。
そして、この各成形はんだをカッターを用いて7mm角に裁断したものを試験用の成形はんだとした。
なお、表1に記載の数値のうち、各金属粉末の含有量についての単位は、特に但し書きのない限り、質量%とする。
※2 Ni−PめっきCu(中リンタイプ):Cuの平均粒子径5μm。Ni−Pめっきの膜厚約0.1μm。Cuの表面に無電解めっきにてニッケルリン合金(リンの含有量:5質量%以上7質量%以下)のめっき被膜を形成したもの。
※3 Ni−PめっきCu(低リンタイプ):Cuの平均粒子径5μm。Ni−Pめっきの膜厚約0.1μm。Cuの表面に無電解めっきにてニッケルリン合金(リンの含有量:1質量%以上4質量%以下)のめっき被膜を形成したもの。
※4 Ni−BめっきCu:Cuの平均粒子径5μm。Ni−Bめっきの膜厚約0.1μm。Cuの表面に無電解めっきにてニッケルホウ素合金(ホウ素の含有量:約1質量%)のめっき被膜を形成したもの。
※5 Cu:平均粒子径5μm
※6 Ni:平均粒子径5μm
イソプロピルアルコールにグルタル酸を5質量%濃度の割合で適宜溶解させたものをフラックスとした。
そして、各試験用の成形はんだにフラックスをスプレー塗布し、これを風乾して、各試験用の成形はんだにフラックスコートした。この際、当該フラックスコートの膜厚を3〜5μmとなるように調整した。
次いで、図1で表すように、フラックスコートされた各試験用の成形はんだ(図1の成形はんだ200)をニッケルめっき銅板100(30mm×30mm×0.3mm)上に載置し、更に成形はんだ200上にニッケルめっき銅板300(5mm×5mm×0.3mm)を載置した。なお、ニッケルめっき銅板100,300ともに、そのニッケルめっきの膜厚は約8μmとなるように調整した。
そして、これらをダイボンダー(製品名:T−3000−FC3、Dr. Tresky AG社製)を用いて接合荷重0.1MPa、窒素雰囲気下にて図2で表す温度プロファイル条件(ピーク温度350℃で2分間、昇温速度5℃/秒)にてリフローし、ニッケルめっき銅板100,300を接合する接合部を有する各試験片を作製した。
各試験片について、「接合部に接するニッケルめっき銅板100の膜厚」と「接合部に接していないニッケルめっき銅板100のニッケルめっき膜厚の膜厚」との差分を算出し、この差分を「ニッケルめっき喰われ量(μm)」とした。その結果を表2及び表3に示す。
上記ニッケルめっき喰われ試験と同様の条件にて各試験用の成形はんだを作製した。
次いで、図3で表すように、フラックスコートされた各試験用の成形はんだ200を銅板400上に載置した。更に成形はんだ200上にニッケルめっきを施したSiチップ500(2mm×2mm×0.6mm、ニッケルめっき膜の膜厚0.5μm)を載置したものを酸素濃度を100ppmとする以外は上記ニッケルめっき喰われ試験と同様の条件にてリフローし、各試験片を作製した。
そして、各試験片についてボンドテスター(製品名:Nordson DAGE 4000 万能型ボンドテスター、Nordson DAGE社製)とロードセル(製品名:DS100、Nordson DAGE社製、Max Range:100kg)を用いてそのチップ接合強度(MPa)を計測及び算出した。
具体的には、図3で表すようにロードセル600が矢印で示すD方向に動くよう設定し、以下の条件にて計測及び算出した。
ステージ加熱温度:200℃
テストスピード:300μm/秒
テスト高さ:300μm
ツール移動量:3,000μm
そして算出した「チップ接合強度(MPa)」について、以下の基準にて評価した。その結果を表2及び表3に示す。
◎:30MPa以上
〇:18MPa以上30MPa未満
×:18MPa未満
またニッケルリン合金(低リン)の被膜を有する銅粉末を使用した実施例2及びニッケルホウ素合金の被膜を有する銅粉末を使用した実施例3の成形はんだは、被はんだ接合材(ニッケルめっき銅板100,300)との接合強度が特に良好であることが分かる。
100,300 銅板
200 成形はんだ(フラックスコートされた各試験用の成形はんだ)
400 銅板
500 Siチップ
600 ロードセル
Claims (4)
- 複数種の金属粉末の混合体を圧延して形成される成形はんだであって、
前記複数種の金属粉末の混合体は
(a)ニッケルまたはニッケルを含む合金からなる被膜を有する銅の粉末及び(b)ニッケルまたはニッケルを含む合金からなる被膜を有する銅を含む合金の粉末の少なくとも一方と
(c)錫を含む合金の粉末とを含み、
前記(a)銅の粉末及び前記(b)銅を含む合金の粉末の少なくとも一方の含有割合は前記複数種の金属粉末の混合体全量に対して20質量%以上50質量%以下である成形はんだ。 - 前記(a)銅の粉末及び前記(b)銅を含む合金の粉末の少なくとも一方のニッケルまたはニッケルを含む合金からなる被膜の膜厚は0.03μm以上0.15μm以下である請求項1に記載の成形はんだ。
- 複数種の金属粉末を混合分散して当該複数種の金属粉末の混合体を作製する工程と、
当該複数種の金属粉末の混合体を圧延する工程とを含む成形はんだの製造方法であって、
前記複数種の金属粉末は(a)ニッケルまたはニッケルを含む合金からなる被膜を有する銅の粉末及び(b)ニッケルまたはニッケルを含む合金からなる被膜を有する銅を含む合金の粉末の少なくとも一方と(c)錫を含む合金の粉末とを含み、
前記(a)銅の粉末及び前記(b)銅を含む合金の粉末の少なくとも一方の含有割合は前記複数種の金属粉末の混合体全量に対して20質量%以上50質量%以下である成形はんだの製造方法。 - 前記(a)銅の粉末及び前記(b)銅を含む合金の粉末の少なくとも一方のニッケルまたはニッケルを含む合金からなる被膜の膜厚は0.03μm以上0.15μm以下である請求項3に記載の成形はんだの製造方法。
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