JP6715093B2 - ハンダ接合方法 - Google Patents

Description

本発明は、ハンダ接合方法に関する。

金属同士の間あるいは金属と半導体との間の接合は、ハンダを溶融させた後、室温まで冷却して形成されるハンダ接合層を介して行われることが多い。

ここで、ハンダ接合層には、熱伝導率および電気抵抗率に関する所定の性能が求められる。

また、種々の使用環境下において各種性能を維持するために、所定の耐久性も求められている。

ところで、ハンダ接合層には、弾性領域だけではなく塑性領域まで歪みが加わる。そのため、ハンダ接合層には、脆性的な破断を示す材料は採用することはできず、クラック進展が進み難い材料や構造等が求められている。

ハンダ接合層におけるクラックの発生を抑制する技術は種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に係る従来技術では、絶縁基板下の金属層とヒートシンクとの間を接合するハンダ接合層にクラックが入るのを抑制するために、金属層をアルミニウムと銅とから成る二層構造としている。

特開２０１４−１６０７９９号公報

しかしながら、上記のような従来技術では、ハンダ接合層にクラックが発生することを抑制することは可能であるが、一旦クラックが発生してしまうと途中でクラックの進展が止まらないという問題がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、クラックが発生した場合に、そのクラックの進展を抑止することのできるハンダ接合方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るハンダ接合方法は、第１の被接合材と第２の被接合材と、前記第１の被接合材と前記第２の被接合材との間にあって、両者を接合するハンダ接合層とを有し、前記ハンダ接合層は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダを主成分とし、前記ハンダ接合層内に、体積分率で０．５％〜５．５％の柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物を含有するハンダ接合体のハンダ接合方法であって、前記第１の被接合材と前記第２の被接合材との間に、前記Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダとＣｕ供給源とを載置する工程と、前記Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダの温度を、該Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダの融点よりも６０℃以上９０℃以下高い温度まで加熱し、その状態を１０分〜２０分間保持し、溶融した前記Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダに前記Ｃｕ供給源からＣｕを溶出させ、柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物を析出させたハンダ接合層を形成する工程と、を有することを要旨とする。

本発明に係るハンダ接合方法を適用したハンダ接合体によれば、ハンダ接合層内に、所定の体積分率で柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物を含有するので、ハンダ接合層内にクラックが発生した場合であっても、クラックがこの柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物に突き当たることにより、クラックのさらなる進展を抑止することができる。

また、柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物の存在によりクラックを枝分かれさせて、応力を分散させることができる。

さらに、柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物の形成により、ハンダ接合層のせん断応力に対する強度が向上され、機械的強度を高めることができる。

実施の形態に係るハンダ接合体の模式的構成例を示す断面図である。 実施の形態に係るハンダ接合方法によるハンダ接合工程の処理手順を示す工程図である。 柱状金属間化合物の形成過程を示す説明図である。 柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物の形成例を示す撮像図である。 Ｃｕ溶出の場合と未溶出の場合の初期断面とクラック進展部を対比する撮像図である。 実施の形態に係るハンダ接合体において、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダを主成分とした場合のハンダ接合層の柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物の体積分率と強度との関係を示すグラフである。 実施の形態に係るハンダ接合体において、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系ハンダを主成分とした場合のハンダ接合層の柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物の体積分率と強度との関係を示すグラフである。 Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダとＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系ハンダとにおけるＳｎ−Ｃｕ金属間化合物の体積分率と強度との傾向を示すグラフである。 比較例に係るハンダ接合層に発生したクラックの進展状態を示す撮像図である。 実施の形態に係るハンダ接合層に発生したクラックの抑止状態を示す撮像図である。

以下、本発明の一例としての実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。ここで、添付図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。なお、ここでの説明は本発明が実施される最良の形態であることから、本発明は当該形態に限定されるものではない。

［実施の形態に係るハンダ接合体および接合方法］
図１から図４を参照して、実施の形態に係るハンダ接合体１およびその接合方法について説明する。

まず、図１を参照して、本実施の形態に係るハンダ接合体１の構成例について説明する。

図１は、本実施の形態に係るハンダ接合体１の模式的構成例を示す断面図である。

図１に示すように、ハンダ接合体１は、第１の被接合材Ｍ１と、第２の被接合材Ｍ２と、この第１の被接合材Ｍ１と第２の被接合材Ｍ２との間にあって、両者を接合するハンダ接合層Ｓとを備えて構成されている。

なお、第１の被接合材Ｍ１および第２の被接合材Ｍ２としては、アルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）金属（例えば、金属板や金属層等）または半導体（例えば、パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどで構成されるパワー半導体素子等を含む）を掲げることができる。

次に、図２の工程図を参照して、本実施の形態に係るハンダ接合方法におけるハンダ接合工程の処理手順について説明する。

まず、ステップＳ１０では、例えば銅（Ｃｕ）などの金属や半導体等で構成される第１の被接合材Ｍ１の上に、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダとＣｕ供給源とを載置する。

なお、Ｃｕ供給源としては、Ｃｕ箔やＣｕの粒子等を用いることができる。

また、第１の被接合材Ｍ１あるいは後述の第２の被接合材Ｍ２として、銅板、銅から成る金属層あるいは銅を含む金属層等を用いる場合には、第１の被接合材Ｍ１自体あるいは第２の被接合材Ｍ２自体がＣｕ供給源として機能するので、別途Ｃｕ供給源を設けなくてもよい。

次いで、ステップＳ１１では、ハンダの上に第２の被接合材Ｍ２を載置する。

第２の被接合材Ｍ２としては、アルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）金属（例えば、金属板や金属層等）または半導体（例えば、パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどで構成されるパワー半導体素子等を含む）を掲げることができる。

そして、ステップＳ１２で、温度をＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダの融点に６０℃〜９０℃を加えた温度（例えば、２９５℃）まで加熱して、１０分〜２０分間保持してステップＳ１３に移行する。

ステップＳ１３では、溶融したＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダにＣｕを溶出させる。

これにより、ステップＳ１４では、ハンダ接合層Ｓ内に、柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物２０（後述の図４等参照）が形成される。

ここで、図３を参照して、柱状金属間化合物の形成過程（形成メカニズム）について説明する。

図３に示す例では、第２の被接合材Ｍ２として、銅板、銅から成る金属層あるいは銅を含む金属層等を用いるものとする。これにより、第２の被接合材Ｍ２自体がＣｕ供給源となる。

まず、過程（１）〜（２）では、室温でＣｕ（０．７ｗｔ％）の状態（図３（ｂ）に示すようにハンダ接合層ＳにＣｕの供給源となる第２の被接合材Ｍ２が密着した状態）からリフロー方式で２９５℃まで加熱する。

これにより、ハンダ接合層Ｓは液相状態となる。

過程（２）〜（３）では、２９５℃でＣｕ（０．７ｗｔ％）の状態で、図３（ｃ）に示すようにハンダ接合層Ｓに第２の被接合材Ｍ２からＣｕが液相状態で拡散（溶出）し始める。

過程（３）〜（４）では、２９５℃でＣｕ（２．５ｗｔ％）となり、図３（ｄ）に示すようにハンダ接合層ＳにＳｎ−Ｃｕ金属間化合物 （ＩＭＣ：Ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃ Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ）が徐々に成長する。

なお、過程（２）〜（４）は、５分間保持した。

過程（４）〜（５）では、２９５℃から室温まで冷却され、Ｃｕ（５．０ｗｔ％）となり、図３（ｅ）に示すようにハンダ接合層Ｓに組成がＣｕ６Ｓｎ５である柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物２０が複数にわたって形成される。

図４は、上述のような過程を経て形成される柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物の形成例を示す撮像図（電子顕微鏡写真）である。

図４に示すように、ハンダ接合層Ｓには、柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物２０が複数にわたって形成されていることが分かる。

（柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物の含有率と強度の関係）
ここで、ハンダ接合層Ｓにおける柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物（ＩＭＣ）の含有率（体積分率）の強度への影響について研究した結果を示す。

その結果、ハンダ接合層Ｓの強度が落ちる要因は主に２つあるとの知見を得た。

即ち、第１の要因は、ＩＭＣ量が多すぎる場合には強度が低下する点である。つまり、強度（この場合の強度は、縦弾性係数等の弾性係数である。）は高いが、脆いという特性を有するＩＭＣの量が所定量より増加すると脆性破壊を生じるポイントが発生するため、ハンダ接合層Ｓの強度が低下してしまう。

第２の要因は、界面のＩＭＣも同時に成長するため、最も歪みが高くなる界面のＩＭＣが脆性破壊を生じ、ハンダ接合層Ｓの強度が低下するという点である。

そして、上記の知見のもと、種々の条件で実験を行った結果、ハンダ接合層Ｓにおけるクラックの進展を効果的に抑止する強度を得るのに適したＳｎ−Ｃｕ金属間化合物の含有率（体積分率）の範囲を見出すに至った。

具体的には、図６に示すグラフにおける実験結果のプロット線から最適範囲を読み取った。

図６は、実施の形態に係るハンダ接合体１において、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダを主成分とした場合のハンダ接合層Ｓの柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物の体積分率と強度との関係を示すグラフである。図６〜図８で示すハンダ接合層Ｓの強度として、ハンダ接合層Ｓを弾性限度まで変形させるのに必要な応力（引っ張り応力や圧縮応力）の値を掲げることができる。また、ハンダ接合層Ｓの強度が上がることで、熱や振動による繰り返し応力による疲労破壊が発生し難くなる。

Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダを主成分としたハンダ接合層Ｓでは、図６に示す柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物の体積分率が所定の範囲Ｒ１内の任意の値である場合において、４０ＭＰａ以上の強度（より具体的には、４０ＭＰａ〜４９ＭＰａの強度）を得ることができる。上記所定の範囲Ｒ１では、柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物の体積分率が０．５％〜５．５％になっている。

なお、視点を変えれば、ハンダ接合層Ｓでは、４０ＭＰａ〜４９ＭＰａの強度を得るために、柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物の体積分率を０．５％〜５．５％の範囲内の値にしていることになる。

強度がさらに大きいハンダ接合層Ｓを得たい場合には、図６に示す柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物の体積分率を、所定の範囲Ｒ２内の任意の値にすればよい。上記所定の範囲Ｒ２では、柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物の体積分率が０．８％〜４．５％になっている。

Ｓｎ−Ｃｕ金属間化合物の体積分率を所定の範囲Ｒ２内の任意の値とすることで、４７ＭＰａ以上の強度（より具体的には、４７ＭＰａ〜４９ＭＰａの強度）を備えたハンダ接合層Ｓを得ることができる。

また、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダに代えて、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系ハンダを用いたところ図７および図８のグラフに示すような実験結果を得た。

ここで、図７は、実施の形態に係るハンダ接合体１において、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系ハンダを主成分とした場合のハンダ接合層Ｓの柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物の体積分率と強度との関係を示すグラフであり、図８は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダとＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系ハンダとにおけるＳｎ−Ｃｕ金属間化合物の体積分率と強度との傾向を示すグラフである。

図８において、プロット線ＡがＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダに関するもの、プロット線ＢがＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系ハンダに関するものである。

図８を見ると判るように、同じＳｎ−Ｃｕ金属間化合物の体積分率で比較した場合に、全体的にＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系ハンダの方が、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダに比べて、より大きな強度を呈する傾向を示している。

Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系ハンダを主成分としたハンダ接合層Ｓでは、図７に示す柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物の体積分率が所定の範囲Ｒ３内の任意の値である場合において、４４ＭＰａ以上の強度（より具体的には、４４ＭＰａ〜５７ＭＰａの強度）を得ることができる。上記所定の範囲Ｒ３では、柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物の体積分率が１．４％〜５．９％になっている。

Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ系ハンダを主成分としたハンダ接合層Ｓで強度がさらに大きいハンダ接合層Ｓを得たい場合には、図７に示す柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物の体積分率を、所定の範囲Ｒ４内の任意の値にすればよい。上記所定の範囲Ｒ４では、柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物の体積分率が２．０％〜５．５％になっている。

Ｓｎ−Ｃｕ金属間化合物の体積分率を所定の範囲Ｒ４内の任意の値とすることで、４８ＭＰａ以上の強度（より具体的には、４８ＭＰａ〜５７ＭＰａの強度）を備えたハンダ接合層Ｓを得ることができる。

なお、柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物は、ハンダ接合層Ｓの全体に形成する場合に限らず、少なくともハンダ接合層Ｓの縁部または隅部に形成される場合であってもクラックのさらなる進展を効果的に抑止することができる。この場合には、比較的少量の柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物の形成で済むので、製造コストを低減することができる。

（比較例との対比）
図５、図９および図１０を参照して、本実施の形態と比較例との対比について述べる。

ここで、図５は、Ｃｕ溶出の場合と未溶出の場合の初期断面とクラック進展部を対比する撮像図、図９は、比較例としてのハンダ接合層に発生したクラックの進展状態を示す撮像図、図１０は、実施の形態に係るハンダ接合層に発生したクラックの抑止状態を示す撮像図である。

まず、図５の（ｂ）および図９を参照すると分かるように、比較例に係るハンダ接合層（Ｃｕが未溶出のハンダ接合層）１００に発生したクラックＣ２は、矢印Ｄ１方向への進展が止まらず、図上、ほぼ左端から右端まで達している。

一方、図５の（ａ）および図１０を参照すると分かるように、本実施の形態に係るハンダ接合層Ｓ（Ｃｕが溶出したハンダ接合層）では、発生したクラックＣ１は、矢印Ｄ１方向へ進展するものの、位置Ｐ１で、そのクラックの進展が抑止されていることが分かる。

これは、ハンダ接合層Ｓ内に複数にわたって形成された柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物２０により、クラックＣ１の進展が阻害された影響であると推察される。

このように、本実施の形態に係るハンダ接合体１によれば、クラックＣ１が柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物２０に突き当たることにより、クラックＣ１のさらなる進展を抑止することができる。

また、比較的少量の柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物２０の存在によりクラックＣ１を枝分かれさせて（図５の（ａ）のクラックＣ１ａ、Ｃ１ｂ等を参照）、応力を分散させることができる。

さらに、柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物２０の形成により、ハンダ接合層Ｓのせん断応力に対する強度が向上し（ハンダ接合層Ｓを弾性限度まで変形させるのに必要な応力の値が大きくなるとともにハンダ接合層Ｓがより高い靱性を備えるようになり）機械的強度を高めることができる。

また、本発明の実施形態に係るハンダ接合方法によれば、第１の被接合材と第２の被接合材との間にＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダとＣｕ供給源とを載置する工程と、前記ハンダの温度を該ハンダの融点に６０℃〜９０℃を加えた温度まで加熱してその状態を１０分〜２０分間保持し溶融した前記ハンダに前記Ｃｕ供給源からＣｕを溶出させ柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物を析出させたハンダ接合層を形成する工程とを有することで、ハンダ接合層Ｓに、柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物を効率的に形成することができる。

以上本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本明細書で開示された実施の形態はすべての点で例示であって開示された技術に限定されるものではないと考えるべきである。すなわち、本発明の技術的な範囲は、前記の実施の形態における説明に基づいて制限的に解釈されるものでなく、あくまでも特許請求の範囲の記載にしたがって解釈すべきであり、特許請求の範囲の記載技術と均等な技術および特許請求の範囲内でのすべての変更が含まれる。

１…ハンダ接合体
Ｍ１…第１の被接合材
Ｍ２…第２の被接合材
２０…Ｓｎ−Ｃｕ金属間化合物
Ｃ１、Ｃ２…クラック

Claims (4)

1. 第１の被接合材と第２の被接合材と、前記第１の被接合材と前記第２の被接合材との間にあって、両者を接合するハンダ接合層とを有し、前記ハンダ接合層は、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダを主成分とし、前記ハンダ接合層内に、体積分率で０．５％〜５．５％の柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物を含有するハンダ接合体のハンダ接合方法であって、
   前記第１の被接合材と前記第２の被接合材との間に、前記Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダとＣｕ供給源とを載置する工程と、
   前記Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダの温度を、該Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダの融点よりも６０℃以上９０℃以下高い温度まで加熱し、その状態を１０分〜２０分間保持し、溶融した前記Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダに前記Ｃｕ供給源からＣｕを溶出させ、柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物を析出させたハンダ接合層を形成する工程と、
   を有することを特徴とするハンダ接合方法。
2. 前記柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物の体積分率は０．８％〜４．５％であることを特徴とする請求項１に記載のハンダ接合方法。
3. 前記第１の被接合材および前記第２の被接合材は、金属または半導体で構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のハンダ接合方法。
4. 前記柱状のＳｎ−Ｃｕ金属間化合物は、少なくとも前記ハンダ接合層の縁部または隅部に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載のハンダ接合方法。