JP4305511B2 - 高温鉛フリーはんだおよび半導体素子収納用パッケージ - Google Patents

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Description

本発明は、鉛フリーの高温はんだと該高温はんだを用いた半導体素子収納用パッケージに関する。
一般に高温はんだを用いるのは、半導体素子を収納するパッケージの組み立てや電子機器使用時に高温に曝される電子部品のはんだ付け等である。
半導体素子収納用パッケージ（以下、単にパッケージという）とは、図１に示すように凹状となった容器本体１の内部底面に半導体素子２が収納されており、該半導体素子の電極は容器本体１とボンディングワイヤ４で電気的に接続されている。そして容器本体１の上に蓋部材３が高温はんだ５により気密状態で接合されている。このようにパッケージを用いる電子部品としては、携帯電話で使用されるSAWフィルターや水晶振動子等である。パッケージの容器本体はアルミナセラミック製であり、接合部はタングステンメタライズされていて、さらにその上に金メッキが施されている。蓋部材はコバール、42アロイ、ステンレス等の材料が用いられている。この容器本体と蓋部材を高温はんで気密状態で接合するのは、半導体素子が空気中の湿気や酸素で腐食したり酸化したりするのを防止するためであり、またパッケージで作られた電子部品を一般はんだでプリント基板に実装するときに、封止しているはんだが再溶融してはならないからである。
電子機器使用時に高温に曝される電子部品とは、パワートランジスターやコイル部品のように、通電したときに自ら発熱するようなものである。このような電子部品を融点の低いはんだではんだ付けすると、発熱で高温に曝されたときに、はんだ付け部が溶融したり、また溶融しないまでも接合強度が弱くなって少しの外的衝撃や振動ではんだ付け部が簡単に外れたりするため、融点の高い高温はんだを用いる。高温はんだとは、確立した定義はないが、ここでは固相線温度がSnの融点である232℃以上の合金を言う。
従来、電子部品をプリント基板にはんだ付けする実装用のはんだ合金はSn-Pb合金のうちで融点が最も低い63Sn-Pbの共晶組成のはんだ合金や該共晶組成に近いSn-Pbはんだ合金が使用されており、このときに使用する高温はんだ合金は、Pb-5Sn、Pb-10Sn等のPbを主成分とするものであった。
ところでAV機器やコンピューター等の電子機器は、故障したり機能が低下したりした場合は修理や機能アップ等をせず廃棄処分されていた。廃棄処分された電子機器類は省資源の問題から再使用できる材料は回収されていたが、プリント基板やパッケージからなる電子部品は回収されずに廃棄処分されていた。なぜならばプリント基板やパッケージは接合部がはんだと金属的に接合されているため、これらを完全に分離することができないからである。そのため、プリント基板やパッケージは回収することなく埋め立て処分されていた。この埋め立て処分されたプリント基板やパッケージに酸度の高い酸性雨が接触すると、プリント基板やパッケージに付着したはんだからPbが溶出し、それが地下水に混入する。そしてPb成分を含んだ地下水を人間や家畜が飲用すると、長年月間にPb成分が体内に蓄積されて鉛中毒を起こすとされている。そこで電子機器業界からはPbを含まない所謂「鉛フリーはんだ」が要求されていた。
現状の鉛フリーはんだは、Snを主成分とし、これにAg、Cu、Bi、In、Zn、Sb、Co、Cr、Ni、Mo、Fe、Ge、Ga、P等の金属元素を添加したものであり、一般に電子機器で多く使用されている鉛フリーはんだはSn-0.7Cu(融点：227℃）、Sn-3.5Ag（融点：221℃）、Sn-3Ag-0.5Cu（融点：217℃)等である。
高温はんだも鉛フリーにしなければならないことからSnを主成分としたもので高温はんだを得るためには融点の高い金属、例えばAg、Cu、Sb、Ni、Cr、Mo等をSnに大量に添加することが考えられる。しかしながらSnに高融点金属を大量に添加した場合、液相線温度は上昇するが固相線温度を232℃以上に上げることはできない。従って、現在のところSn主成分の鉛フリー高温はんだは存在しなかった。そこで従来よりパッケージ用の鉛フリーの高温はんだとしては、Au-Sn合金が用いられていた。AuとSnは、Au80質量％、Sn20質量％の組成で共晶となり、その融点は278℃である。このAu-Sn共晶合金は、Sn主成分の鉛フリーはんだで電子部品を実装するようなときに、パッケージの組み立てにおいて温度的には最適なものであり、また容器本体の金メッキとの相性もよいため現在パッケージ用として広く使用されている。（特許文献１〜３）
電子部品に用いる高温はんだとしては、固相線温度が実装用に使う鉛フリーはんだの液相線温度よりも少なくとも50℃以上高くなくてはならない。なぜならば電子部品をはんだ付けするときに、はんだ付け温度は、はんだの液相線温度＋20~50℃とされているため、パッケージに使われている高温はんだがはんだ付け温度で再溶融してはならないからである。つまりSn主成分の鉛フリーはんだは、液相線温度が220℃前後であるため、この鉛フリーはんだを電子部品の実装用に使用する場合の高温はんだは、固相線温度が少なくとも270℃以上でなければならない。従来のパッケージの組み立てに用いられていたAu-Sn共晶合金は、固相線温度が278℃であるため、Sn主成分の鉛フリーはんだを実装用に使用したときに適したものである。
特開平15-224223号公報 特開2000-68396号公報 特開2001-345394号公報
従来のAu-Snの共晶合金は、高価なAuが80質量％も添加されているため、材料自体が非常に高価となり、パッケージを用いた電子部品のコストアップの原因となっていた。そこで電子部品業界からは、Au-Sn共晶合金よりも安価な鉛フリーの高温はんだの出現が強く望まれていたものである。
電子機器にはパワートランジスターやコイル部品等のように通電したときに発熱する部品が使われており、電子機器内は使用・不使用時の温度の上下動によるヒートサイクルに曝される。ところでパッケージは、前述のように蓋部材にはコバール、42アロイ、ステンレスのような金属が用いられており、容器本体にはアルミナセラミックが用いられているが、これらは熱膨張率が桁違いに差がある。従って、電子機器内部に実装されたパッケージがヒートサイクルに曝されると、蓋部材と本体容器を接合した高温はんだが金属疲労を起こして、ついにはクラックが発生したり、接合部が剥離したりしてしまう。そのためパッケージに用いる高温はんだは耐ヒートサイクルに優れていなければならないものである。従来のAu-Sn共晶高温はんだは、耐ヒートサイクルには優れているが、高価であることが問題であり、また従来のSn主成分の高温鉛フリーはんだと言われたSn-20AgやSn-22Sbは耐ヒートサイクルが充分でないという問題があった。
さらに携帯電話やノート型パソコンのような所謂モバイル電子機器では、使用中や搬送中に落下させることが多く、このときパッケージの蓋部材と容器本体の接合部が剥離することがある。つまりモバイル電子機器を落下させてしまうと、その衝撃でパッケージの接合部が剥離してしまうため、該接合部に使用する高温はんだは機械的強度も優れていなければならないものである。しかるに従来の鉛フリー高温はんだは機械的強度が充分でなかった。
前述のように現在、一般に電子部品の実装用に用いられている鉛フリーはんだは、Sn-3.5Ag（液相線温度：220℃）、Sn-0.7Cu(液相線温度：217℃)、Sn-3Ag-0.5Cu（液相線温度：217℃）であるため、これら鉛フリーはんだを用いたはんだ付け温度は、240〜270℃となる。従って、これらの鉛フリーはんだのはんだ付け温度に耐えるためには、高温はんだの固相線温度は少なくとも270℃以上となる。本発明は、Auの添加量が従来のAu-Sn共晶合金よりも少なくて済むばかりでなく、固相線温度が270℃以上である鉛フリーはんだ高温はんだを提供することにあり、また本発明は、容器本体と蓋部材間の接合部が耐ヒートサイクルや機械的強度に優れたパッケージを提供することにある。
本発明者らは、価格的な面を考慮してAu-Sn共晶合金よりもAuの添加量を従来のAu-Sn共晶合金よりも少なくしたときに、固相線温度が270℃以上で、液相線温度が420℃以下になるような組成について鋭意研究を行った結果、Ag-Au-Sn合金が適しており、Ag、Au、Snの配合量を適宜選択することにより高温はんだに適した固相線温度が得られるとともに、該合金は耐ヒートサイクル性や機械的強度に優れていることを見い出して本発明を完成させた。
請求項１の発明は、Ag２〜１２質量％、Au４０〜５５質量％、残部Snからなることを特徴とする高温鉛フリーはんだである。
請求項２の発明は、Ag11質量％、Au40質量％、残部Snと、Ag11質量％、Au55質量％、残部Snと、Ag2質量％、Au50質量％、残部Snの３点の組成域に囲まれた範囲の合金組成であることを特徴とする高温鉛フリーはんだである。
請求項３の発明は、請求項１〜２に記載の高温鉛フリーはんだに、さらにCu、In、Bi、Sb、Geから選ばれた１種以上を合計で5質量％以下含有する高温鉛フリーはんだである。
請求項４の発明は、請求項１〜３記載の高温鉛フリーはんだに、さらにランタノイドを0.5質量％以下含有する高温鉛フリーはんだである。
請求項５の発明は、容器本体と蓋部材が請求項１乃至４記載の高温鉛フリーはんだで接合されているとともに、該接合部は耐ヒートサイクルが1000以上であることを特徴とする半導体素子収納用パッケージである。
本発明の高温はんだは高価なAuの添加量が従来のAu-Sn共晶合金よりも少なくて済むため、電子部品のコストダウンに寄与するものであり、また本発明のパッケージは容器本体と蓋部材の接合部が耐ヒートサイクル性や強い機械的強度を有しているため、長年月にわたって安定した機能を発揮できるという信頼性に優れたものである。
本発明の高温はんだは、Agの添加量が2質量％よりも少ないと、耐熱温度目標値の270℃以下に固相温度が低下し、12質量％を超えて添加されると液相温度が高くなり作業温度も高くなって部品の耐熱温度を超えてしまう。またAuの添加量が40質量％より少ないと上記と同様に固相温度の低下および耐熱温度が低下して目標とする特性にならず、しかるに55質量％より多く添加しても価格が高くなるばかりで温度的または強度的な特性に対しての利得が少ない。そしてSnは、濡れ性の向上と固相線温度調整の機能をおこなうものであり、これらの機能を発揮するためには少なくとも30質量％以上は必要である。
本発明の高温はんだにおける最適な組成は、Ag11質量％、Au40質量％、残部Snと、Ag11質量％、Au55質量％、残部Snと、Ag2質量％、Au50質量％、残部Snで囲まれた部分である。この囲まれた組成は、耐ヒートサイクル性と機械的強度がさらに良好となる。
本発明では、Ag-Au-Sn系の高温はんだに機械的強度を向上させる目的で、Cu、In、Bi、Sb、Geから選ばれた１種以上を合計で5質量％含有させてもよい。これらの機械的強度向上用の元素は、Ag、Au、Sn等と金属間化合物を生成し、該金属間化合物がマトリックス中に分散して機械的強度を向上させる。しかるにこれらの機械的強度向上元素が5質量％よりも多く添加されると、固相線温度が270℃よりも下がってしまう。
また本発明では、Ag-Au-Sn系合金、または該合金に前記機械的強度向上元素を添加した合金に、さらにランタノイドを0.5質量％以下添加してもよい。しかるにランタノイドの添加量が0.5質量％を超えると、はんだ付け性を阻害するようになる。ランタノイドは、マトリックス自体を微細化させるため、やはり高温はんだの機械的強度を向上させるものである。本発明に使用するランタノイドとは、原子番号57から71までの希土類元素であり、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Luである。
本発明の実施例と比較例を表１に示す。
表１において耐ヒートサイクル性は、JIS C 0025に準じて実施した。ただし、低温を−５５℃、高温を＋１５０℃、低温および高温に維持されている時間を３０分とした。耐ヒートサイクル性の評価基準は、蓋部材と容器本体の接合部がヒビ割れしたり、剥離したりするときを終点として、終点に至るまでの回数を測定する。ヒートサイクルが1000回以上であれば、パッケージのはんだ付けに用いて全く問題はない。また機械的強度の測定方法は、JIS Z 3198-2に準じた。本発明のはんだ合金の機械的強度は、50MPa以上であれば携帯電話やノート型パソコンのようなモバイル電子機器のはんだ付けに用いても、常用の衝撃に対して充分耐えられるものである。
Figure 0004305511
表１から分かるように、本発明の高温はんだは、液相線温度が270℃以上であるため、Sn主成分の鉛フリーはんだで電子部品を実装したときに、パッケージの組み立てや使用時に高温に曝される電子部品のはんだ付けに適したものである。また本発明のパッケージは、パッケージが1000回以上のヒートサイクルに曝されても、接合部に亀裂や剥離が起こらず、しかも機械的強度に優れているため長期間にわたって信頼のある機能を発揮できる。
パッケージの断面図である。
符号の説明
１ 容器本体
２ 半導体素子
３ 蓋部材
４ ボンディングワイヤ
５ 高温はんだ
本発明では、パッケージの組み立てや高温環境において優れた効果のあることを説明したが、本発明の高温はんだは従来の高温はんだが使用されるところであれば如何なるところにも使用可能である。

Claims (6)

  1. Ａｇ２〜１２質量％、Ａｕ４０〜５５質量％、残部Ｓｎからなることを特徴とする溶融封止用高温鉛フリーはんだ合金。
  2. Ａｇ８〜１２質量％、Ａｕ４８〜５５質量％、残部Ｓｎからなることを特徴とする請求項１に記載の溶融封止用高温鉛フリーはんだ合金。
  3. Ａｇ１１質量％、Ａｕ４０質量％、残部Ｓｎと、Ａｇ１１質量％、Ａｕ５５質量％、残部Ｓｎと、Ａｇ２質量％、Ａｕ５０質量％、残部Ｓｎの３点の組成域に囲まれた範囲の合金組成であることを特徴とする溶融封止用高温鉛フリーはんだ合金。
  4. 請求項１〜３のいずれかに記載の高温鉛フリーはんだ合金に、さらにＣｕ、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｇｅから選ばれた１種以上を合計で５質量％以下含有する溶融封止用高温鉛フリーはんだ合金。
  5. 請求項１〜４のいずれかに記載の高温鉛フリーはんだに、さらにランタノイドを０．５質量％以下含有する溶融封止用高温鉛フリーはんだ合金。
  6. 容器本体と蓋部材が請求項１〜５のいずれかに記載の高温鉛フリーはんだ合金で接合されているとともに、該接合部の耐ヒートサイクルが１０００回以上であることを特徴とする半導体素子収納用パッケージ。
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