JP4573167B2 - ロウ材シート - Google Patents

Description

本発明は、電子部品の接合に用いられるロウ材シートに関するものである。

近年の電子機器産業において、Ｓｉなどからなる半導体素子を配線基板に電気的に接続する方法として、Ａｕ線を用いたワイヤボンディングが広く用いられている。ワイヤボンディングを行うためには半導体素子を配線基板に接合し固定する必要があり、その固定のためのロウ材として様々な素材が提案されている。中でもＰｂを重量％で９０％以上含有するＰｂ−Ｓｎ合金は融点が３００℃程度であり、樹脂系接合材と比較して耐熱性の面で優れることから、発熱量の大きなパワーデバイス系の半導体素子を配線基板に接合する際に多く用いられている。またＰｂ−Ｓｎ合金は電子部品の構造材料として、半導体素子の固定以外の用途でも使用されている。これは電子部品を配線基板に実装する際、一般に融点が２００℃付近のはんだ合金が使用されるが、Ｐｂ−Ｓｎ合金はそれよりも融点が高いため実装時に再溶融しないといった特徴を有するためである。加えてＰｂ−Ｓｎ合金は延性に富むことから、携帯機器など落下衝撃を受ける電子機器の接合部材として使用された場合、落下衝撃を十分に吸収し電子部品の電気的断線等の損傷を抑制することができる。

一方、近年自然環境への配慮からはんだやロウ材中のＰｂを削減しようとするいわゆるＰｂフリー化の動きがあり、Ｐｂ−Ｓｎ合金の代替材が各種提案されている。
たとえば特許文献１や特許文献２では、融点の高いＣｕと融点の低いＳｎの粒子を還元作用のあるフラックスと混ぜてペースト状にした接合材料が提案されている。この接合材料は、ロウ付け時に低融点のＳｎ粒子のみを溶融させてＣｕ粒子と反応させ、Ｓｎ粒子よりも高融点のＣｕ−Ｓｎ化合物をＣｕ粒子間に拡散層として形成させて接合する。この提案はＰｂを含有しないロウ材であり、再加熱時や半導体素子の発熱により高温にさらされた場合も構造材としての強度を保つという点で優れている。
特開２００２−２５４１９４号公報 特開２００３−２１１２８９号公報

上述した特許文献１や特許文献２に開示されるロウ材は、Ｐｂを含有せず高温環境でも接合状態を維持するという点では有利であるものの、Ｓｎ粒子とＣｕ粒子をフラックスと混錬しただけの状態であるため、粒子間に隙間が多く存在し、ロウ付けした後に空隙が残存しやすい。また粒子同士が基本的に点接触であるため反応性が悪く十分な拡散層が形成されにくい。この問題は、ロウ材の強度低下を引き起こすという点で大きな問題となり、特に携帯機器に用いられる電子部品のロウ付けに使用された場合、落下衝撃を受けた際にロウ付け部で破壊し電気的断線を引き起こしやすい。
本発明の目的は、空隙の形成に起因する強度低下や耐落下衝撃性の低下の問題を解決した、Ｐｂを含有しないロウ材シートを提供することである。

本発明者は、空隙の形成の問題について検討した結果、ロウ材を構成する高融点の金属材料の形態として粒子の代わりに箔を使用し、低融点金属であるＳｎを高融点箔の表面に形成することで、ロウ付け後も空隙が形成されず、かつ高融点金属箔とＳｎとが反応し化合物相を形成することで接合信頼性が確保されることを見出し本発明に到達した。

すなわち本発明はＡｇまたはＣｕの箔材の表面にＳｎ層を有するロウ材シートである。
前記ＡｇまたはＣｕの箔材の平均厚さが２０〜２００μｍである。
また前記Ｓｎ層の平均厚さが１０〜３０μｍである。

本発明によれば空隙の形成に起因する強度低下や耐落下衝撃性の低下の問題を飛躍的に改善することができ、Ｐｂを含有しないロウ材シートの実用化にとって欠くことのできない技術となる。

上述したように、本発明の重要な特徴はＡｇまたはＣｕの箔材の表面にＳｎ層を有することにある。素材として粒子を用いる場合、粒子間に空隙が発生しロウ付け後もその空隙が残存しやすいが、粒子の代わりに箔材を使用することで空隙をほぼ皆無にすることができ接合強度が高められる。また粒子の混合体では基本的に粒子同士が点接触であるため粒子間の反応性が悪く接合に十分な拡散層が形成されにくいが、箔材の表面にＳｎ層を形成することで、箔材とＳｎ層とがダイレクトに面接触し、反応性が飛躍的に向上するため拡散層が十分に形成される。

Ｓｎ層の形成方法としては真空蒸着法やめっき法などが挙げられる。これらの方法では厚いＳｎ層を形成することが容易であり、生産速度を速くすることができる。また蒸着法は前記利点に加え、真空雰囲気中でＳｎ層を形成するため、Ｓｎ層の酸化や異物による汚染を低減できる。

また前記ＡｇおよびＣｕは箔材の平均厚さは２０〜２００μｍである。これは箔の厚さが２０μｍ以上であれば、ロウ材シート作製時やはんだ付け時のハンドリングが容易であり、逆に２００μｍを超えると薄型化が進む傾向にある電子部品に対してロウ材の厚さがかなりの部分を占めるようになり現実的でない。
また前記Ｓｎ層の平均厚さは１０〜３０μｍである。１０μｍよりも薄い場合、ロウ付け自体は可能であるが、Ｓｎ層の厚みに対して金属間化合物が多く形成され接合信頼性の面で問題となる可能性がある。一方３０μｍよりも厚い場合、ロウ付は非常に容易であり接合信頼性も高いが、ロウ材シートの厚さが厚くなり電子部品の薄型化に向かない。

厚さ５０および１００μｍのＡｇ箔およびＣｕ箔の表面に、５〜３０μｍのＳｎ層を真空蒸着法により形成しロウ材シートを作製した。次に、幅５ｍｍ、長さ１０ｍｍに切断したロウ材シートを無電解Ｎｉ／Ａｕめっきを施した基材上に置き、窒素雰囲気中で２８０℃まで加熱してロウ付けを行った。図１はＡｇ箔が１００μｍ、Ｓｎ層が１０μｍであるロウ材シートを基材に接合したときの組織写真である。Ａｇ箔側にＡｇ−Ｓｎ化合物、基材側にＮｉ−Ｓｎ−Ａｕ化合物が形成され、接合が十分に行えていることがわかる。

次に接合信頼性、特に耐落下衝撃性を評価するため、ＪＥＤＥＣ規格（ＪＥＳＤ２２−Ｂ１１１）準拠の落下試験を実施した。詳細としては、まずドロップテーブルに前記方法でロウ付した基材を水平に固定する。次に水平姿勢を保ったまま４５０ｍｍの高さまで上昇させ、その位置から自由落下させる。このとき基板に負荷される衝撃を加速度センサーにより測定したところ１５００Ｇであった。この方法で各１０個の基材に対して評価し、試験前の接合状態と、３０回繰り返し落下後のロウ付部の破断の有無を目視により確認した。評価結果を表１に示す。Ｓｎ層が薄い実施例２でも接合は十分可能であったが、１０μｍ以上のＳｎ層を形成したものでは、破断数が少なく耐落下衝撃性に優れることがわかる。また同じ厚みのＳｎ層を形成しても、Ｃｕ箔よりＡｇ箔の方が破断数は少ない結果となった。これはＡｇ箔の強度がＣｕ箔よりも低く、衝撃が負荷されたときに変形しやすいためである。

本発明の一例を示す断面組織写真である。

符号の説明

１．基材、２．拡散層、３．Ｓｎ層、４．拡散層、５．Ａｇ箔

Claims (1)

1. 平均厚さが２０〜２００μｍであるＡｇまたはＣｕの箔材の表面に平均厚さが１０〜３０μｍであるＰｂを含有しないＳｎ層を有することを特徴とするロウ材シート。