JP6390700B2 - Ｌｅｄ用はんだ合金およびｌｅｄモジュール - Google Patents

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Description

本発明は、はんだ合金、特に、側面の電極の面積が小さい部品とアルミニウム基板（以下、Ａｌ基板という）をはんだ付けする際に信頼性を向上させるよう図ったはんだ合金に関する。
従来、はんだ付けされた部品が一定の条件下、必要とされる性能・機能を維持できているかを判定するため信頼性評価が行われており、用途に応じた様々な検査、例えば接合部の強度等が検査されている。例えば、熱サイクル試験では一定の間隔で低温状態と高温状態とを繰り返し、はんだ接合部が所定の状態（強度）になるまでの回数を強度の基準とする。一般に、使用状況に応じて求められる信頼性の質が異なり、それに合わせて最適なはんだ合金の組成も決まってくることから、最適な信頼性を得られる様々なはんだ合金の組成が研究され提案されており、例えば特許文献１がある。
特許文献１の請求項１では、「Ａｇ３．０％超５．０重量％以下、Ｃｕ０．５〜３．０重量％、および残部Ｓｎの組成を有する合金から成る、耐熱疲労特性に優れたはんだ付け部を形成する高温はんだ」、請求項２では、「さらに、Ｓｂ５％以下を含有する請求項１記載の高温はんだ」が開示されている。
特許文献２では、「絶縁性基板上に半導体チップを実装してなる表面実装型デバイスを構成する絶縁性基板の電極構造を、その表面電極と裏面電極とを複数の接続電極により接続した信頼性の高い電極構造とし、しかもこのような電極構造における、表面電極あるいは裏面電極と複数の接続電極のいずれかとの接続不良を確実に検査することを可能と」した、ＬＥＤ部品が開示されている。
特開平０５−０５０２８６号公報 特開２０１２−４９４８０号公報
従来から使用環境、用途に適合するようなはんだ合金の様々な組成が提案されてきたが、専ら一般的な部品に対するはんだ付け用のものであり、半導体発光素子、特にＬＥＤ部品をはんだ付けする際の最適な組成については研究されていなかった。
一方、近年では照明用途も含め、その発光効率の高さからＬＥＤ部品が広く用いられるようになってきており、製法や使用方法について様々な技術が提案されている。通常、ＬＥＤ部品は、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＳｉＯ２などのセラミックス基材に発光素子をＡｕ−Ｓｎ合金やＡｇ焼結ペーストなどの２６０℃では溶融しない金属で接合され、更に、セラミックス基材上にＣｕやＡｇなどで電極を形成し、発光素子とセラミックス基材に形成した回路電極をＡｕ、ＣｕやＡｌのワイヤーでボンディングする。そのため、ＬＥＤ部品の機械的特性はほぼセラミックと同等となり、熱膨張線膨張係数が３〜６ｐｐｍ／℃程度と熱膨張が小さいものが多い。
また、ＬＥＤ部品は、実装される発光素子の発熱が大きいため、放熱性の向上が必要であり、更なる輝度の向上に伴い、放熱性が高いＡｌ基板を使用することが多くなってきている。このように、ＬＥＤ部品とＡｌ基板をはんだ付けしたものはＬＥＤモジュールと呼ばれている。Ａｌ基板の線膨張係数は２３ｐｐｍ／℃程度と熱膨張が比較的大きく、Ａｌ基板にはんだ付けされた場合、はんだ接合部への負荷は非常に大きくなる。Ａｌ基板とは、熱放熱性の良いＡｌを基材として、その上に絶縁材を挟んで銅箔で回路を形成したものである。
更に、ＬＥＤ部品の製造工程では、側面の電極と下面電極、更に発光素子が設置される上面の電極が一枚のセラミックス基板に同時に形成されるため、側面電極は貫通ビアで同時に形成させる。その後、素子のダイボンディングやワイヤーボンディングを行い、更に素子をモールドしてセラミックス基板が裁断される。裁断する際に貫通ビアが側面に現れる場合は、若干の側面電極が形成されることとなるが、若干の側面電極が形成されていてもセラミックス基材側面の電極面積が小さく、電極が形成されていない部分の部品側面とフィレットが形成されない。このようなＬＥＤ部品は側面電極の面積が該側面の面積の３０％以下であり、ＬＥＤ部品は下面電極としかはんだは接合されておらず、熱疲労によって容易にはんだ付け部が剥離し、ＬＥＤ部品では下面電極へのクラック進行により、接合部の寿命が短くなるという問題がある。
本発明は、このような課題を解決することを目的とし、側面電極が貫通ビアで形成されて、部品側面の電極が貫通ビア部しかないＬＥＤ部品であっても、熱疲労に強く、接合部の寿命が長いＬＥＤ部品用のはんだ合金を提供するものである。
本発明者らは、側面電極が貫通ビアで形成されて、側面電極が貫通ビア部にしかなく、プリント基板とのはんだ付け時に、はんだが下面電極のみとしか接合されないような、ＬＥＤ部品とＡｌ基板のはんだ付け用のはんだ合金として、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだ合金ベースにＳｂを添加したものが適していることを見い出し、本発明を完成させた。
本発明は、本体がセラミックから成る部品とＡｌ基板とを接合したモジュールに用いるはんだ合金であって、質量％で、Ａｇ：０〜４％（０を含む）、Ｃｕ：０．３〜１．２％、Ｓｂ：３〜１０％、残部Ｓｎからなるはんだ合金である。
一般的に、Ｓｎ−Ｃｕ系のはんだ合金に熱疲労特性を付加させるには、Ｂｉを添加させることが行われてきた。つまり、Ｂｉを添加したＳｎ系はんだ合金は両面が全面電極となっているチップ抵抗部品とＦＲ−４などのプリント基板のはんだ接合部の信頼性向上には非常に有効であった。しかし、チップ抵抗部品と線膨張係数が大きく変わらないセラミックス基材のＬＥＤ部品とＡｌ基板のはんだ接合部ではＢｉは延命効果がほとんどなく、Ｓｂがとりわけ有効である。
Ｓｂ添加量とＢｉの最大の違いは、ＢｉはＳｎに固溶するが、過剰なＢｉ添加ではＢｉ自体がはんだ中に晶出し、伸びを大きく低下させる。特に、Ｂｉははんだ凝固時に一部分に偏析しやすく、局所的に延性の良くない部分が生じる。一旦、クラックが進展するとクラック先端部へ応力が集中し、ますますクラックの進展が加速するので、Ｂｉの様に高強度ではあるが、極端に延性の低いＢｉが粗大に偏析するようなはんだ接合部は側面全面に電極が無く、大きなはんだフィレットを形成できないセラミックス基材のＬＥＤ部品とＡｌ基材の基板のはんだ付け合金としては不向きである。
一方で、Ｓｂも同じく、Ｓｎ中に固溶するが、Ｓｂははんだフィレット中で大きく偏析することなく、固溶できないＳｂはＳｎＳｂ金属間化合物として、はんだ合金中に微細に分散する。逆に、微細に分散したＳｎＳｂ金属間化合物は大きく延性を低下させることなく、はんだ合金の強度を改善できるため、このようなＬＥＤ部品とＡｌ基材の基板とのはんだ接合部に非常に有効な添加元素である。
ＬＥＤ部品の製造工程では、側面の電極と下面電極、更に発光素子が設置される上面の電極が一枚のセラミックス基板に同時に形成されるため、側面電極は貫通ビアで同時に形成させる。その後、素子のダイボンディングやワイヤーボンディングを行い、更に素子をモールドしてセラミックス基板が裁断されることが特徴である。
そのために、チップ抵抗やチップコンデンサーなどの他のセラミック製の部品と異なり、部品側面に電極がほとんど存在しないため、チップ抵抗やチップコンデンサーなどの他のセラミック製の部品が形成できる部品側面のはんだフィレットが形成されず、部品下面とＡｌ基板との間のはんだ接合部だけで接合される。一般的に、部品側面の電極面積が該側面の全面積の３０％以下と少ないと、部品側面のはんだフィレットが形成できないので、部品下面とＡｌ基板との間のはんだ接合部だけで接合されるため、本発明のＬＥＤ部品の構成は、側面の電極面積が該側面の全面積の３０％以下であるセラミックから成る部品とした。尚、本発明でいう側面の電極の面積とは、部品を側面から見た時に見える電極部分の面積であって、貫通ビアの半円形の内側側面の面積を指すのではない。
本発明は、側面の電極が該側面の全面積の３０％以下である本体がセラミックから成る部品とＡｌ基板とを接合したモジュールに用いるはんだ合金であって、質量％で、Ａｇ：０〜４％、Ｃｕ：０．３〜１．２％、Ｓｂ：３〜１０％、残部Ｓｎからなるはんだ合金である。
更に、前記はんだ合金に、質量％で、ＮｉおよびＣｏから選択される元素１種以上を合計で０．１５％以下添加したはんだ合金である。
更に、前記はんだ合金に、質量％で、ＰおよびＧｅから選択される元素１種以上を合計で０．１％以下添加したはんだ合金である。
更に、前記はんだ合金は、平均シェア応力が２５ＭＰａ以上であるはんだ合金である。
更に、前記はんだ合金は、最小シェア応力が１５ＭＰａ以上であるはんだ合金である。
また、前記部品はＬＥＤ部品であることを特徴とするはんだ合金である。
更に、前記はんだ合金を有するＬＥＤ部品が搭載されたＬＥＤモジュールである。
更に、セラミック基板上に発光素子が載置され、該発光素子をモールド後セラミック基板の貫通ビア部で裁断されたＬＥＤ部品であって、該ＬＥＤ部品の側面の電極面積が該側面の全面積の３０％以下であるＬＥＤ部品と、
Ａｌ基板上に絶縁層が形成され、該絶縁層上に形成されたＣｕ電極を有するＡｌ基板とを請求項１〜４のいずれか１つに記載のはんだ合金で接合したことを特徴とするＬＥＤモジュールである。
本発明のはんだ合金は、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだ合金にＳｂを３〜１０％添加したことにより、ＳｎＳｂ金属間化合物がはんだ合金中に微細に分散されて、はんだ合金の強度を改善するため、側面電極が貫通ビアで形成され、下面電極としかはんだフィレットが形成されないようなＬＥＤ部品であっても、シェア応力を低下させることなく、クラックの発生を抑制することができるという利点がある。
ＬＥＤ部品の底面の一例を示す模式図。 側面電極の面積が該側面の全面積の３０％以下である、ＬＥＤ部品の側面の一例を示す模式図。 ＬＥＤ部品とＡｌ基板をはんだ付けしたＬＥＤモジュールの側面の一例を示す模式図。 チップ抵抗部品とガラスエポキシ基板（ＦＲ−４）をはんだ付けしたモジュールの側面の一例を示す模式図。 一般的なＬＥＤ部品を撮影した画像。
本発明を以下により詳しく説明する。本明細書において、はんだ合金組成に関する「％」は、特に指定しない限り「質量％」である。
上述したように、ＬＥＤ部品は、線膨張係数が３〜６ｐｐｍ／℃程度のものが多いが、Ａｌ基板の線膨張係数は２３ｐｐｍ／℃程度と非常に大きく、はんだ接合部への負荷が非常に大きくなるうえに、ＬＥＤ部品の製造工程の都合で、セラミックス基材側面の電極面積が小さく、はんだフィレットが小さくなったり、フィレットが形成されているように見えても、電極が形成されていない部品側面と、はんだとは接合されていなかったりして、熱疲労によって容易に剥離する。そのため、ＬＥＤ部品では下面電極と基板との接合部のはんだのクラック進行により、接合部の寿命が決定される。
（部品の構造）
図１は、ＬＥＤ部品の底面１０１を示しており、電極１０２には陽極と陰極がある。側面の電極面積が該側面の全面積の３０％以下であるＬＥＤ部品の場合、陽極と陰極の合計の電極面積は部品下面全体の１０％〜８０％で設計されている。放熱用接合部を設けない場合は比較的陰極と陽極を合わせた電極面積は大きくできるが、特に、高輝度のタイプでは発光素子の直下に放熱用電極を設置しなければ放熱性を満足できず、結果として陰極と陽極の面積は小さくならざるを得ないため、電極を接合したはんだ付け部のクラックの進展が更に加速する。
図２は、ＬＥＤ部品の側面２０１を示しており、該側面には下面電極の電流を発光素子に供給するため、部品上面へ電流を流す電極２０２が設けられている。また、部品によってはセラミックス基板内の貫通ビアを経由して電流供給を行い、側面電極を設けないものもあり、この場合は、はんだが接合できる下面の電極以外の側面電極が完全にない。したがって、現状の側面に下面電極の電流を発光半導体素子に流すための回路を形成する場合は、最大でも３０％の電極面積である。
ＬＥＤ部品の製造工程上、側面の電極と下面電極、更に発光素子が設置される上面の電極が一枚のセラミックス基板に同時に形成されるため、側面電極は貫通ビアで同時に形成させる。その後、素子のダイボンディングやワイヤーボンディングを行い、更に素子をモールドしてセラミックス基板が裁断される。裁断する際に貫通ビアが側面に現れる場合は、若干の側面電極が形成されることとなるが、それでも側面全体に電極が形成される通常のチップ抵抗部品などと電極の形成方法が全く異なってくる。
図３は、ＬＥＤ部品３０１をＡｌ基板３０６にはんだ付けしたＬＥＤモジュールを模式的に示した側面図である。ＬＥＤモジュールは、大きく分けてＬＥＤ部品３０１とＡｌ基板３０６から構成されており、それらがはんだ３０３で接合されている部品である。ＬＥＤ部品３０１は、直接電流が通電されることにより、単色の可視光を発する。ＬＥＤ部品３０１は、その下面にＮｉ／ＳｎまたはＮｉ／Ａｕめっき電極３０２を備えている。Ａｌ基板３０６は、Ｃｕ電極３０４と絶縁層３０５を備えている。
図３のＬＥＤ部品３０１をＡｌ基板３０６にはんだ付けすると、はんだ３０３は、発光素子のＮｉ下地のＳｎ電極またはＮｉ下地のＡｕ電極３０２と、Ａｌ基板３０６のＣｕ電極３０４との間を接合することとなり、ＬＥＤ部品３０１の側面にまでははんだ合金がつかない。図３は、側面電極が全くない場合を示している。図２のように側面の電極面積が全側面面積の３０％以下しかない場合も、強度に有効に影響するほどはんだはつかないので、図３に示す例と同様である。
一方、図４は、通常のチップ抵抗部品４０１とガラスエポキシ基板（ＦＲ−４）４０５をはんだ付けしたモジュールの側面図である。通常のモジュールは、大きく分けてチップ抵抗部品４０１とガラスエポキシ基板（ＦＲ−４）４０５から構成されており、それらがはんだ４０３で接合されている部品である。チップ抵抗部品４０１は、側面両端にＮｉ／Ｓｎめっき電極を備えており、ガラスエポキシ基板（ＦＲ−４）４０５は、Ｃｕ電極４０４を備えている。チップ抵抗部品の場合は、側面にはんだ４０３のフィレットができており、ガラスエポキシ基板（ＦＲ−４）とチップ抵抗部品の底面から側面にかけてしっかりはんだ付けされている。ところが、図３のＬＥＤモジュールでは、底面だけしかはんだ付けされないことから、はんだの接合部分の強度が低下する。
図５は、本発明が対象とする一般的なＬＥＤ部品を撮影した画像である。左上が上面、右上が斜め上から見た側面、右下が底面、左下が斜め下から見た側面である。図５の右下の底面画像で示されているように、ＬＥＤ部品は基板にはんだ付けするためのＣｕやＳｎなどのはんだ層が、光が射出する側とは反対の面の下面に設けられており、通常はこの金属部分に基板とＬＥＤ部品とを接合するようにはんだ付けが行われる。図５の右上と左下の側面画像のように、はんだ層はＬＥＤ部品の側面にはほとんど形成されない。このため、ＬＥＤ部品をＡｌ基板にはんだ付けした場合、図３に示すような形状ではんだ付けされるため、通常のチップ部品に比べ、接合部の強度が低くなると考えられる。
以上、構造の観点から、ＬＥＤ部品をはんだ付けする場合に、従来のチップ部品よりも、特に熱疲労に関し強度が低下することを説明したが、次に以上の構造上の特徴を踏まえて、はんだ合金の組成の観点からＬＥＤ部品をはんだ付けした場合のはんだの特性について説明する。
すなわち、このようなはんだ付けの状態の特異性から、ＬＥＤ部品の組成の相違による熱サイクル特性も、チップ部品のそれとは異なるものとなる。例えば、後述する実施例で示すように、チップ部品のはんだ付けにおいては、硬度が増大する組成のはんだ合金を使用するほど熱サイクル寿命も長くなるが、ＬＥＤ部品では硬度が高い組成のはんだ合金を使用しても熱サイクル寿命が短くなることがある。
しかしながら、強度が低いＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ合金では一旦クラックが進行するとはんだ自体の強度が低く、容易にクラックが貫通する。更に、合金添加元素と熱疲労によるクラック進展の関係を考慮すると、はんだの強度以上に、強度を改善する元素にクラック進展は大きく依存するので、複数種類の組成のはんだ合金について熱サイクル試験の結果を、特に高温での使用におけるはんだの特性に関する比較例とした。
各組成のはんだ合金によるはんだ付けの状態を考察すると、Ａｇははんだ中で細い針状の金属間化合物Ａｇ３Ｓｎとなり、ネットワーク上に分散することで、はんだの強度を向上させてクラックの進展を抑制できるが、１２５℃以上の温度負荷と応力とによりＡｇ３Ｓｎは容易に粗大化し、特に、クラックが進展した先端部では強度改善効果が消失する。そのため、Ａｇ添加合金のみではＬＥＤ部品の様に側面にはんだフィレットが殆ど形成されない部品では、最高温度が１２５℃以上となる熱疲労によるクラック進展を抑制することは困難である。
また、ＣｕやＮｉを添加する場合も、Ｃｕ６Ｓｎ５や（ＣｕＮｉ）６Ｓｎ５やＮｉ３Ｓｎ４などの金属間化合物がネットワーク上に分散することではんだの強度を改善するが、Ａｇよりも強度改善効果が低く、１２５℃以上の温度負荷と応力とにより容易に粗大化し、その強度改善効果は消失する。その反面、ＳｂやＢｉはＳｎ中に分散し、Ｓｎ自体の強度を改善するため、１２５℃以上の温度負荷や応力によってもその効果は殆ど変化しない。
しかしながら、Ｂｉの過剰な添加ははんだの延性を大きく低下させるため（Ｓｎ−３Ａｇ−０．８Ｃｕ−３Ｂｉ−０．０２Ｎｉのはんだ組成で伸びは２４％）、ＬＥＤ部品の接合では線膨張係数差がＬＥＤ部品とＡｌ基板の様に線膨張係数差が１５ｐｐｍ以上もあり、部品自体の大きさが２ｍｍ角を越え、且つ、部品側面のはんだフィレットが殆ど形成されない場合、熱サイクルによりはんだフィレットへの局所的な応力集中が発生し、更にはんだ接合部の歪み範囲も大きいため、繰り返し歪みが負荷された場合にクラックが発生しやすい。更に、Ｂｉ添加による延性の低下効果が１５０℃の高温域でも充分発現され、はんだ自身の変形を妨げ、応力を緩和することが困難になる。
一方で、ＳｂでもＢｉ同様にはんだの強度を改善するが、Ｓｂであっても添加量が１０％を超えると、室温では伸びは３９％（Ｓｎ−３Ａｇ−１０Ｓｂ−１Ｃｕ−０．０２Ｎｉ）となって延性が低下する。しかし、１２５℃の高温域では逆に延性が改善され、伸びは５３％となる。このように、Ｓｎ自体の強度を改善するという点で同類のＢｉとＳｂであっても、特に、高温での延性挙動が大きく異なるため、Ｓｂ添加は、はんだ自体の強度も改善しつつ、高温での応力緩和性も向上できるため、高強度と高温下での応力緩和性が必要なＬＥＤ部品とＡｌ基板との接合に有効であり、Ｓｂ添加による強度改善により接合部の寿命を大幅に延ばすことができる。
ＢｉやＳｂはＳｎ中に固溶し、Ｓｎの強度を増加させ、ＦＲ−４などのプリント基板に実装したチップ抵抗部品などのヒートサイクル特性を向上させることが知られている。チップ抵抗部品の特徴は両側の側面全体に金属電極が形成されており、はんだの強度が高い程、寿命が延びる傾向があった。チップ抵抗部品の底部のはんだ接合部には比較的容易にクラックが進展するが、大きなはんだフィレットがあるため、はんだフィレット中のクラックの進展は遅く、特に、引張強度、とりわけ高温での引張強度が高い合金の方が、寿命が長い。
しかしながら、セラミックス基材のＬＥＤ部品はＬＥＤ部品の製造の工程上、側面全体に電極を形成することができず、更に、ＬＥＤから発生する熱を効率よく逃がすために、昨今、Ａｌ基材の基板が使用される。Ａｌ基材は通常のＦＲ−４と比較して、線膨張係数が大きいことと剛性が高く、ヒートサイクル試験時のはんだ接合部への負荷は益々大きくなる。更に、ＬＥＤ部品ではチップ抵抗部品の様に、側面全体に電極を設けることが困難なため、ＬＥＤ部品の下面電極で接合を維持しなければならない。
特許文献２では、一つの側面に２つの電極を設けることで、片方が切れても、もう一方の電極で導通を維持できると説明しているが、このようなセラミックス基材のＬＥＤ部品とＡｌ基材の基板のはんだ接合部では、底面の中央部からクラックがはんだ接合部を進展し、一方の側面電極の一部にクラックが入った状態で既に、アノード側 もしくはカソード側のはんだ接合分の大部分にクラックが進展しており、導通はしているものの、その後、すぐに、クラックが完全に片方の電極を貫通し、導通不良となる。そのため、本質的にはんだクラックの発生を防がない限りは、ヒートサイクル試験で延命を図れない。
更に、ＬＥＤ部品のはんだ接合部は導通以外にもＬＥＤ部品で発生する熱を逃がす重要な機能がある。導通不良はＬＥＤが発光しなくなるなどのトラブルとなるが、放熱性が下がると、場合によっては、その熱でＬＥＤや周辺の有機物が燃焼する可能性もある。そのため、ＦＲ−４などの有機基材よりも発火しないＡｌなどの金属基板が好まれる。いずれにしてもＬＥＤ自体の発火を防ぐためには、単に導通を維持するだけでなく、クラックの進展を十分に抑制しなければならない。
Ｂｉを添加したＳｎ−Ｃｕ系はんだ合金は、両面が全面電極となっているチップ抵抗部品とＦＲ−４などのプリント基板のはんだ接合部の信頼性向上には非常に有効であった。しかし、チップ抵抗部品と線膨張係数が大きく変わらないセラミックス基材のＬＥＤ部品とＡｌ基板のはんだ接合部ではＢｉは延命効果がほとんどなく、Ｓｂがとりわけ有効である。ＳｎＡｇＣｕ合金へのＢｉもＳｂもその添加量が増加すると室温、１２５℃以上の高温ともに引張強度が増加し、同様の機械特性となるが、Ｂｉは添加量が多くなるに従い、伸びが低下し、Ｓｎ３Ａｇ１Ｃｕ５Ｂｉ合金では２０％以下となる。
一方で、Ｓｂでは添加量が増加しても、伸びは大きく低下せず、１０％以下の添加であれば、室温、１２５℃ともに３０％以上となる。部品の側面に大きなはんだフィレットがある場合は伸びはほとんどクラックの進展に影響を与えず、伸びない合金では両側のフィレットで頑強に部品を抑え込めるため、まるで、はんだ接合部自体をモールドしているかのような効果があった。
しかしながら、側面全体に電極が形成できないと、部品を両側から抑え込む効果は小さくなり、部品底部のはんだ自体の特性が非常に重要となる。部品底部ではＡｌ基材と部品の線膨張係数差によりヒートサイクルではんだが大きく変形する。Ｂｉを添加したＳｎＡｇＣｕ合金では延性が低下するため、いくら強度が高くてもそのような大きな変形に耐えられず、Ｓｂの様に、強度向上と延性を両立できる添加元素が有効である。
Ｓｂ添加量とＢｉの最大の違いは、ＢｉはＳｎに固溶するが、過剰なＢｉ添加ではＢｉ自体がはんだ中に晶出し、伸びを大きく低下させる。特に、Ｂｉははんだ凝固時に一部分に偏析しやすく、局所的に延性の良くない部分が生じる。一旦、クラックが進展するとクラック先端部へ応力が集中し、ますます、クラックの進展が加速するので、Ｂｉの様に高強度ではあるが、極端に延性の低いＢｉが粗大に偏析するようなはんだ接合部は側面全面に電極が無く、大きなはんだフィレットを形成できないセラミックス基材のＬＥＤ部品とＡｌ基材の基板のはんだ付け合金としては不向きである。
一方で、Ｓｂも同じく、Ｓｎ中に固溶するが、Ｓｂははんだフィレット中で大きく偏析することなく、固溶できないＳｂはＳｎＳｂ金属間化合物として、微細に分散する。逆に、微細に分散したＳｎＳｂ金属間化合物は大きく延性を低下させることなく、強度を改善できるため、このようなＬＥＤ部品とＡｌ基材の基板とのはんだ接合部に非常に有効な添加元素である。Ｓｂ添加量が少なすぎるとＳｂがＳｂ中に固溶するだけで、ＳｎＳｂの微細な金属間化合物がＳｎマトリックス中に固溶しないので、クラックの進展を抑えきれない。そのため、少なくとも３％のＳｂ添加が必要となる。
一方で、過剰にＳｂを添加するとＳｎＳｂの金属間化合物が粗大になり、例え、微細に分散しているＳｎＳｂ金属間化合物があっても、延性が大きく低下し、クラックの進展が加速してしまう。そのため、Ｓｂ添加量は１０％以下が好ましい。
また、Ａｇの添加も引張強度を向上させ、Ｓｂ添加時はＡｇを添加した方が、更に、ヒートサイクル試験によるクラックの進展を抑制できるが、過剰に添加すると大きなＡｇ３Ｓｎが伸びを大きく低下させるため、１〜３％が好ましい。セラミックス基材のＬＥＤ部品では電極形成にＮｉを使用することが多く、更に、最表面にはＡｕやＡｇなどをメッキする。そのため、はんだのＣｕが入っていないとＮｉ電極のくわれが激しくなり、電極がＬＥＤが剥離するため、少なくとも０．３％以上の添加が必要となる。また、Ｃｕ添加量が多すぎると粗大なＣｕ６Ｓｎ５を形成し、ＬＥＤ底部のはんだ接合部のクラック進展を加速するため、多くとも１．２％以内がよい。
更に、ＣｕやＡｇの添加による強度改善効果は熱疲労により損なわれるが、接合部のクラック進展を遅延させる効果があり、更に化合物がネットワーク上に分散することで、Ｓｂが不均一に分布するためＳｎマトリックスの強度が局所的に低下することを抑制でき、極端にクラックが進展する可能性を低下させることができる。
更に、ＮｉやＣｏ添加は、はんだが凝固する初期にＳｎとの金属間化合物として析出し、Ｓｎデンドライトを微細化し、はんだ組織を均質にする効果があり、結果的に信頼性を向上させることができる。すなわち、ＮｉやＣｏが初晶として晶出する際に、化合物周辺の溶融はんだのＣｕ濃度が一時的に低下し、局所的に固相線の高い組成となる。更に、化合物の晶出も過冷却状態が発生するため、一旦Ｃｕ濃度の低い液層が形成されると即座に、Ｓｎの晶出が開始される。ＮｉやＣｏから選択される元素が合計で０．１５％を超えて添加されると、はんだの濡れ性が悪くなる。
更に、ＰやＧｅ添加は、はんだの変色防止の効果がある。特に、ＬＥＤ部品においては、ＬＥＤの発光色に影響を与える可能性のあるはんだフィレットの変色はない方が良いとされ、フィレットの色は銀白色が良いとされている。ＰやＧｅから選択される元素が合計で０．１％を超えると、はんだの硬度が増し、はんだ接合部のクラック進展を抑制しにくくなる。
このように、ＬＥＤ部品をはんだ付けする場合は、ＬＥＤ部品が発光時に発熱を起こし易いために高温域に強い、通常のチップ部品とは異なる組成のはんだ合金が有効になる可能性がある。具体的には、ＬＥＤ部品の場合、通常では結晶歪みを抑制し易いＢｉに比べ、実際にはＳｂを添加した方が熱サイクル寿命が長くなる等、ＬＥＤ部品用のはんだ合金として特異な組成がある。
ここで、はんだ合金としては、表１の実施例及び比較例に挙げる合金を使用した。この場合、各組成のはんだ合金を使用して、側面の電極が該側面の全面積の０％と２５％である、２．８ｍｍ×２．８ｍｍサイズのＬＥＤ部品（以下、「ＬＥＤ部品」と呼ぶ。）と、側面の電極が該側面の全面積の１００％である、３．２ｍｍ×１．６ｍｍサイズ（３２１６Ｒ）のチップ抵抗部品（以下、「チップ抵抗部品」呼ぶ。）を各１０〜１４個づつ、１．５ｍｍ厚のＡｌ基板にはんだ付けした場合のはんだ接合部の強度を熱サイクル試験により判断した。なお、ＬＥＤ部品はＮｉ／Ａｕめっき電極、チップ抵抗部品はＳｎはんだ端である。はんだ付けは、窒素雰囲気（酸素＜＜５００ｐｐｍ）での２４０度のリフロー方式による。熱サイクル試験は、−５５度〜１２５度を高温時３０分保持により１０００サイクル繰り返したのち、室温で速度８３．３μｍ／ｓのシェアテストにより実施したものである。シェアサイクル後の強度を基板のＣｕランドの面積で割り、シェア応力を単位面積当たりの応力（以後、シェア応力と呼ぶ）で示した。シェア応力の平均値を平均シェア応力とし、片側にクラックが貫通している場合の応力の１．５倍を最小シェア応力とした。応力テスト時に、片側にクラックが貫通していると部品が並行に動かずに回転してしまう。
表１の結果を以下に示す。
端部が電極で覆われたチップ抵抗部品では、平均シェア応力自体はＬＥＤ部品より小さいが、通常、チップ抵抗部品は幅が狭く、そもそも接合面積が小さいためである。そのため、単純にシェア応力を比較するとＬＥＤ部品より応力が低くなるが、上記のシェア応力で表すと比較的近い値となる。チップ抵抗部品では合金組成によって、若干のシェア応力の差はあるものの平均シェア応力は２５ＭＰａ以上であり、また、応力試験時にもチップ抵抗部品の片側が先に切れて、回転するように破断することはなくかった。チップ抵抗部品では１０００ｃｙｃ程度で合金の差はあまりない。
一方で、ＬＥＤ部品では単に、導通を維持するだけであれば、１０ＭＰａ程度のシェア応力でも十分であるが、その時には側面の片側に２つある電極内、一方が破断している場合が多く、その場合、すぐに残りの電極も破断することと、本試験のＮ数が１０〜１４個程度となるため、明らかにクラックが進展しているシェア応力の１．５倍の１５ＭＰａを明らかに外観上クラックが確認されない最小シェア応力とした。また、平均シェア応力が２５ＭＰａ以上では、シェア応力試験時にＬＥＤ部品の両側の端子が同時に破断し、例えクラックが入っていても、その進展が小さく、十分な接合面積が確保されていると考えられる。そのため、今回のＬＥＤ部品では平均シェア応力としては２５ＭＰａ以上が必要である。
表１を見ると、本願のはんだ合金は、側面の電極面積が該側面の全面積の２５％、０％（側面のフィレットは形成されていなかった）の場合でも、最小シェア応力は２０Ｍｐａ以上を有しており、側面の電極面積が１００％（側面のフィレットは形成されていた）と比較しても遜色がなかった。それに対して比較例のはんだ合金は、側面の電極面積が１００％（側面のフィレットは形成されていた）のときは２０Ｍｐａ近いが、側面の電極面積が２５％、０％（側面のフィレットは形成されていなかった）ではシュア応力が半減していた。
以上のようなＬＥＤ部品の各種用途向けの組成を持つはんだ合金を使用してはんだ付けすることにより、目的とする用途に、より適合したＬＥＤ部品のはんだ構造を形成し、はんだ接合部の高い信頼性を得ることができる。
１０１ ＬＥＤ部品底面
１０２、２０２ 電極
２０１ ＬＥＤ部品側面
３０１ ＬＥＤ部品
３０２ Ｎｉ／Ｓｎめっき電極またはＮｉ／Ａｕめっき電極
３０３、４０３ はんだ
３０４、４０４ Ｃｕ電極
３０５ 絶縁層
３０６ Ａｌ基板
４０１ チップ抵抗部品
４０２ Ｎｉ／Ｓｎめっき電極
４０５ ガラスエポキシ基板

Claims (6)

  1. 側面の電極面積が該側面の全面積の３０％以下である本体がセラミックから成る部品とＡｌ基板とを接合したモジュールに用いるはんだ合金であって、質量％で、Ａｇ：０〜４％、Ｃｕ：０．３〜１．２％、Ｓｂ：３〜１０％、残部Ｓｎからなり、下記試験条件で測定した場合に、平均シェア応力が２５ＭＰａ以上、最小シェア応力が１５ＭＰａ以上を示すはんだ合金。
    （側面の電極が該側面の全面積の２５％である、２．８ｍｍ×２．８ｍｍサイズのＬＥＤ部品を各１０〜１４個づつ、１．５ｍｍ厚のＡｌ基板にはんだ付けした場合のはんだ接合部の強度を熱サイクル試験により判断した。なお、ＬＥＤ部品はＮｉ／Ａｕめっき電極である。はんだ付けは、窒素雰囲気での２４０度のリフロー方式による。熱サイクル試験は、−５５度〜１２５度を高温時３０分保持により１０００サイクル繰り返したのち、室温で速度８３．３μｍ／ｓのシェアテストにより実施したものである。シェアサイクル後の強度を基板のＣｕランドの面積で割り、シェア応力を単位面積当たりの応力（以後、シェア応力と呼ぶ）で示した。シェア応力の平均値を平均シェア応力とし、片側にクラックが貫通している場合の応力の１．５倍を最小シェア応力とした。）
  2. 更に、質量％で、ＮｉおよびＣｏから選択される元素１種以上を合計で０．１５％以下含有する請求項１に記載のはんだ合金。
  3. 更に、質量％で、ＰおよびＧｅから選択される元素１種以上を合計で０．１％以下含有する請求項１〜２のいずれか１つに記載のはんだ合金。
  4. 前記部品はＬＥＤ部品であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のはんだ合金。
  5. 請求項１〜３のいずれか１つに記載のはんだ合金を有するＬＥＤ部品が搭載されたＬＥＤモジュール。
  6. セラミック基板上に発光素子が載置され、該発光素子をモールド後セラミック基板の貫通ビア部で裁断されたＬＥＤ部品であって、該ＬＥＤ部品の側面の電極面積が該側面の全面積の３０％以下であるＬＥＤ部品と、
    Ａｌ基板上に絶縁層が形成され、該絶縁層上に形成されたＣｕ電極を有するＡｌ基板とを請求項１〜３のいずれか１つに記載のはんだ合金で接合したことを特徴とするＬＥＤモジュール。
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