JP4198692B2

JP4198692B2 - 非鉛系接合材及び接合体

Info

Publication number: JP4198692B2
Application number: JP2005096251A
Authority: JP
Inventors: 利英高橋; 太郎深谷; 仁弘忠内
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-03-29
Filing date: 2005-03-29
Publication date: 2008-12-17
Anticipated expiration: 2025-03-29
Also published as: JP2006272407A

Description

本発明は、非鉛系接合材及びその非鉛系接合材を用いた接合体に関する。

現在、プリント配線板への電子部品の実装に用いられるはんだの鉛フリー化が進められており、データ豊富なＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだを中心に適用事例が増えている。さらに、今後数年以内に多くの電子・電気製品メーカーがはんだの鉛フリー化を完了させることを目標として掲げている。

しかしながら、電子部品の電極めっきや内部接合材に含まれている鉛に対しての鉛フリー化技術として汎用化されたものはない。電子・電気機器に用いられるはんだの完全な鉛フリー化には、これら電子部品の内部に含まれる鉛を含めた取り組みが不可欠である。

例えば、パワートランジスタ等のような高電圧・高電流が負荷され大きな発熱を伴うパワー半導体デバイスでは、放熱機能が必須なため、デバイス内にヒートシンクが配置される。また、パワー半導体素子を搭載する基板には、高熱伝導かつ絶縁体であるセラミックス材料が使用される。このセラミックス基板と、銅を主成分とするヒートシンクとの接合材には、従来はＳｎ−Ｐｂ共晶はんだが使用されていた。この場合、セラミックス基板とヒートシンク用の銅は熱膨張率が大きく異なるため、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだの融点である１８３℃から室温まで冷却した際に、セラミックス基板とヒートシンクとを接合するはんだ材内に熱応力が発生する。ここで、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだを使用した場合には、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだのクリープし易いという特性より、発生した熱応力を緩和することが可能であった。

しかしながら、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだに代えて、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだを用いた場合、はんだ内に発生した熱応力が緩和され難く、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだに比べてヒートシンクの反りを招くという問題を生じていた。そのため、かかる問題を解決できる新たな非鉛系接合材が望まれている。

このような課題を解決するために、現在、Ｓｎ−３．０質量％Ａｇ−０．５質量％Ｃｕ合金及びＳｎ−８．０質量％Ｚｎ−３．０質量％Ｂｉ合金のクリープ特性をＳｎ−３７質量％Ｐｂ合金のクリープ特性と比較している（非特許文献１参照）。
加我他、「Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系鉛フリーはんだの応力緩和と寿命曲線」、第９回エレクトロニクスにおけるマイクロ接合・実装シンポジウム論文集、９（２００３）、ｐ３４５−３５０

しかしながら、このような非鉛系接合材の開発は基礎実験に留まり、工業上利用できる応力緩和に有望な非鉛系接合材を提示するには至ってない。本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。即ち、本発明は、被接合材の反り量を低減させることができる非鉛系接合材及び接合体を提供することを目的とする。

本発明の一の態様によれば、電子部品に用いられる熱膨張率が異なる２つの被接合材を接合するための非鉛系接合材であって、Ｓｎ或いはＳｎ基合金中にへき開性を有し、かつ層状構造を有する鉱石粉を含有してなることを特徴とする非鉛系接合材が提供される。

本発明の他の態様によれば、電子材料に用いられる熱膨張率が異なる２つの被接合材を、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の非鉛系接合材により接合し、かつ鉱石粉がＳｎ或いはＳｎ基合金中に分散して存在してなることを特徴とする接合体が提供される。

本発明の一の態様によれば、非鉛系接合材により電子部品に用いられる熱膨張率が異なる２つの被接合材を接合した場合には、被接合材の反り量を低減させることができる。本発明の他の態様によれば、反り量が低減した接合体を得ることができる。

以下に、実施の形態を挙げて本発明の説明を行うが、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。

電子部品に用いられる熱膨張率が異なる２つの被接合材を接合するための非鉛系接合材は、Ｓｎ或いはＳｎ基合金中にへき開性を有し、かつ層状構造を有する鉱石粉が含有されることにより構成されている。Ｓｎ基合金としては、例えば、Ｓｎ−Ｃｕ，Ｓｎ−Ａｇ，Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ，及びＳｎ−Ｚｎ等が挙げられる。へき開性とは、ある力が加わったときに、一定の平面に割れたり、あるいは一つの面に並行に何枚にもはがれていく性質である。従って、へき開性を有する鉱石粉とは変形性に富んだ物質である。へき開性を完全に有し、かつ層状構造を有する鉱石粉としては、例えば、ＭｏＳ_２，タルク，石膏，マイカ等が挙げられる。

へき開性を有し、かつ層状構造を有する鉱石粉のなかでも、モース硬度が１以上２．５以下の鉱石粉が好ましい。モース硬度が１以上２．５以下の鉱石粉としては、例えば、ＭｏＳ_２（モース硬度１），タルク（モース硬度１），石膏（モース硬度２），マイカ（モース硬度２．５）等が挙げられる。ここで、含有させる鉱石粉のモース硬度を２．５以下に限定したのは、モース硬度が２．５を超える鉱石粉を含有させると、鉱石粉の応力負荷に対する抵抗が高まるため、へき開の誘発が困難になるという問題があるからである。

また、へき開性を有し、かつ層状構造を有する鉱石粉のなかでも、Ｍ_ｍＸ_ｎ（Ｍ：金属元素群、Ｘ：非金属元素群、ｍ，ｎ：整数）で表される鉱石粉が好ましい。このような鉱石粉としては、例えば、ＭｏＳ_２，ＣｕＳ，Ｓｂ_２Ｓ_３，Ｂｉ_２Ｓ_３，ＣｕＢｉＳ_２，Ａｇ_２Ｓｅ，ＦｅＳ，Ｂｉ_４（Ｓ，Ｓｅ_３）等が挙げられる。

このような鉱石粉の非鉛系接合材に対する混合量は、０．５体積％以上３．０体積％以下であることが好ましい。鉱石粉の混合量を３．０体積％以下とするのは、鉱石粉の混合量が３．０体積％を超えると、例えばセラミックス基板と銅板とを非鉛系接合材を用いて接合する際にＳｎ或いはＳｎ基合金と銅板とのぬれ性を妨げ、また、接合後も熱伝導率の低下が顕在化するからである。一方、鉱石粉の混合量を０．５体積％以上とするのは、０．５体積％未満になると、Ｓｎ或いはＳｎ基合金の機械的特性が表れ易く、鉱石粉による応力緩和の効果が低減するからである。なかでも、鉱石粉の混合量は０．８体積％以上１．２体積％以下の範囲とするとＳｎ或いはＳｎ基合金への鉱石粉の分散を均一にし易く好都合である。

本発明者らは、種々の接合材料について研究を重ねた結果、へき開性を有し、かつ層状構造を有する鉱石粉をＳｎ或いはＳｎ基合金中に分散させた非鉛系接合材が、熱応力緩和に有用であることを見出した。この非鉛系接合材によれば、電子部品に用いる熱膨張率が異なる２つの被接合材の接合（例えば、セラミックス基板と銅板との接合）に関して、接合後の冷却時において熱膨張率が大きな被接合材側（例えば、セラミックス基板と銅板との接合では銅板側）の接合部により大きな熱応力が発生するが、Ｓｎ或いはＳｎ基合金中にへき開性を有し、かつ層状構造を有する鉱石粉が存在することにより、各接合部位において応力に応じてその鉱石粉が変形または粉砕して、熱応力が緩和される。これにより、非接合材の反り量を低減することができる。

また、このような非鉛系接合材を使用して、電子部品に用いられる熱膨張率が異なる２つの被接合材を接合した場合には、接合・組立された、耐熱性・放熱性を有するデバイス、組立体または装置が提供可能となる。

このような非鉛系接合材は、従来のパワー半導体デバイスの内部接合材の代替物として使用することができる。また、パワー半導体デバイス及びこれを用いた装置において、接合体の形成、皮膜形成に適した材料である。例えば、パワー半導体デバイスは、パワー半導体素子として、トランジスタ、サイリスタ、ＧＴＯサイリスタ、ダイオード、ＭＯＳ電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）などを用いており、パワートランジスタモジュール等のパワーモジュールやパワーＩＣ等の形態に構成される。このようなデバイス中の接合及びデバイスが組み込まれた装置における接合体の形成に用いることができる。Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｎｉ，Ａｌ，ＳＵＳステンレス鋼等の単種の金属製の部材だけでなく、合金材及び複合金属材料等の部材の接合についても適用可能である。接合する被接合材の材質に応じて、非接合材に予め金属プリコートをメッキや圧着法等によって施してもよく、プリコートの組成やプリコート方法は適宜選択することができる。

非鉛系接合材は、例えばソルダペーストおよびシート状の形態で使用される。非鉛系接合材の印刷厚さおよびシート厚さは０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍの範囲内にあり、好ましくは適度な熱伝導性を確保するため０．１ｍｍ以上０．３ｍｍの範囲内とすることで効果が高まる。また、パワー半導体デバイスのセラミック基板の非鉛系接合材と接する側に予めＮｉ／ＡｕフラッシュめっきやＳｎめっき等のめっき層を形成してもよい。Ｎｉ／Ａｕフラッシュめっきは、セラミックス基板とヒートシンクとしての銅板とを非鉛系接合材により接合する際に、セラミックス基板の非鉛系接合材に接する側に形成された銅板の過剰な溶解を抑制するために形成されるものであり、Ｓｎめっきは、非鉛系接合材のＳｎとセラミックス基板の非鉛系接合材に接する側に形成された銅板との反応性を向上させるために形成されるものである。この場合、Ｎｉ／Ａｕフラッシュめっきの厚みとしては、Ｎｉを１μｍ以下、Ａｕを０．１μｍ以下とすることが好ましい。

非鉛系接合材は、具体的には、例えば以下のようにして使用される。図１（ａ）及び図１（ｂ）は本実施の形態に係るパワー半導体デバイスと金属板とを非鉛系接合材により接合する工程を模式的に示した図である。

図１（ａ）に示されるようにパワー半導体デバイス１０は、上下両面にＣｕ部１１ａ，１１ｂが形成されたセラミックス基板１１と、Ｃｕ部１１ａ上に搭載されたパワー半導体素子１２と、Ｃｕ部１１ｂに形成されたＮｉ／ＡｕフラッシュめっきやＳｎめっき等のめっき層１３等から構成されている。一方、銅、銀、アルミニウム等熱伝導性の高い金属材料、あるいはその合金材料製のヒートシンクとしての金属板２０（又は薄膜）上には非鉛系接合材のソルダペースト３０が塗布されている。そして、図１（ｂ）に示されるようにソルダペースト状の接合体３０を加熱溶融させることにより、パワー半導体デバイス１０と金属板２０（又は薄膜）とを接合する。これにより、接合体が作成される。

以下、実施例について説明する。

（接合材の調製）
溶融後の金属組成がＣｕが０．７質量％、Ｓｎが残部となるように、純度９９．９９％以上のＳｎ０．９９３ｋｇおよびＣｕ０．００７ｋｇのインゴット片を用い、融解させ溶湯とした。その後、溶湯の温度をフィードバック制御により２５０℃に保った。溶湯の一部をはんだ溶融槽から取り出し、スプレーアトマイズ法、遠心噴霧法、超音波製粉法、液中製粉法などにより、粉末はんだを製造し、さらに、振動式ふるいなどにより２０〜３０μｍの粒度範囲に分別された、粉末はんだを３００ｇ得た。得られた粉末はんだとロジン１５体積％、臭素含有活性剤０．１体積％を含有するフラックスとを、質量比で９：１となるよう、混練機を用いて、ムラなく均一に練り上げ、Ｓｎ−Ｃｕソルダペーストを作製した。また、同様にしてＳｎ−Ａｇ−Ｃｕソルダペーストを作製した。

次に、表１に示す混合比となるように、鉱石粉をＳｎ−Ｃｕソルダペースト中及びＳｎ−Ａｇ−Ｃｕソルダペースト中にそれぞれ加え、混練機を用いて、均一に練り上げ、Ｓｎ基合金に鉱石粉が含有された非鉛系接合材を得た。また、比較例として使用した接合材を表２に示す。

（接合材の使用）
実際のデバイス接合に用いられるセラミックス基板および銅板を用いた試験を行った。プロセスの接合温度は２５０℃とした。用いた被接合材は、長さ７０ｍｍ×幅３５ｍｍ×厚さ１ｍｍ（Ｃｕ部：長さ６０ｍｍ×幅２６ｍｍ×厚さ０．３ｍｍ）のＣｕ張りセラミックス基板と長さ１００ｍｍ×幅５０ｍｍ×厚さ１０ｍｍの銅板であり、実施例に係る非鉛系接合材及び比較例に係る接合材でそれぞれ接合し、その際の銅板の反り量を測定した。

以下、結果について述べる。表１及び表２に示されるように、本実施例に係る非鉛系接合材を使用した場合は、比較例に係る接合材を使用した場合によりも、銅板の反り量が小さかった。この結果から、本実施例に係る非鉛系接合材を使用して、セラミックス基板と銅板を接合した場合には、銅板の反り量を低減できることが確認された。

図１（ａ）及び図１（ｂ）は実施の形態に係るパワー半導体デバイスと金属板とを非鉛系接合材により接合する工程を模式的に示した図である。

符号の説明

１…接合体、１０…パワー半導体デバイス、１１…セラミックス基板、１２…パワー半導体素子、１３…めっき層、２０…金属板、３０…非鉛系接合材。

Claims

電子部品に用いられる熱膨張率が異なる２つの被接合材を接合するための非鉛系接合材であって、Ｓｎ或いはＳｎ基合金中にＭｏＳ _２粉を０．５体積％以上３．０体積％以下含有してなることを特徴とする非鉛系接合材。
電子部品に用いられる熱膨張率が異なる２つの被接合材を接合するための非鉛系接合材であって、Ｓｎ或いはＳｎ基合金中にタルク粉またはマイカ粉を０．５体積％以上３．０体積％以下含有してなることを特徴とする非鉛系接合材。
前記ＭｏＳ _２粉は、前記Ｓｎ或いはＳｎ基合金中に分散して存在していることを特徴とする請求項１に記載の非鉛系接合材。
前記タルク粉またはマイカ粉は、前記Ｓｎ或いはＳｎ基合金中に分散して存在していることを特徴とする請求項２に記載の非鉛系接合材。
電子材料に用いられる熱膨張率が異なる２つの被接合材を、請求項１または請求項２に記載の非鉛系接合材により接合し、かつ鉱石粉がＳｎ或いはＳｎ基合金中に分散して存在してなることを特徴とする接合体。