JP6895131B2 - 半導体装置用はんだ材 - Google Patents
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Description
る。自己発熱や環境温度により、室温から高温に温度変化するとはんだの熱伝導率が低下するような場合は、チップから熱が逃げづらくなってしまう。その結果、チップの温度がさらに上昇してしまう。現在、はんだの融点のより近傍まで素子が発熱しても使用できるように、素子の印加電力の最大を使用する要求が高くなっている。これらの要求を満たすために、高温での熱伝導率の低下が少ないはんだ材が求められる。
前記半導体装置において、半導体素子が、SiC半導体素子であることが好ましい。
しく用いられる。なお、Trは、融点に対する使用温度の比であり、Tr=Tm/Tjで表される。Tmは融点、Tjは使用温度(いずれも単位はK)を示す。なお、ボイドとは、はんだ接合層内部および接合界面に生じる空隙のことである。接合温度において、はんだと接合部材との濡れ性が悪いと、空気等のガスと巻き込んだり、凹んだりしたまま凝固するために、ボイドが発生しやすいという問題があるが、本発明においては、ボイドの発生を低く抑えることができる点で有利である。さらに、本発明に係るはんだ材においては、所定量のGeをさらに含むことで、Snの酸化を防止し、濡れ性を向上させることができる。
また、本発明に係るはんだ材を接合層として形成された半導体装置は、放熱特性に優れており、自己発熱の高い素子を搭載した場合や、環境温度が高い場合の使用にも適しており、かつ、装置の小型化、低コスト化が可能になる。また、接合層におけるボイドが少ないため、製品寿命が向上する。それゆえ、ますます需要の高まる大電流仕様の電子機器に好適に用いることができ、特には、半導体装置におけるダイボンド接合、端子間の接合やその他の部材の接合など、広く半導体装置用途に好適に用いることができる。
本発明は、第1実施形態によれば、はんだ材であって、Sbを、5.0質量%を超えて10.0質量%以下と、Agを2.0〜4.0質量%含有し、残部は、Sn及び不可避不純物からなる合金である。不可避不純物とは、主として、Cu、Ni、Zn、Fe、Al、As、Cd、Au、In、P、Pbなどをいう。本発明によるはんだ材は、Pbを含まない鉛フリーはんだ合金である。Snを主成分とするはんだ材に、上記の組成範囲で、Ag及びSbを含むことにより、はんだ材の濡れ性を確保し、これらの元素がはんだ材を構成する合金の熱拡散経路に影響を与え、合金の熱拡散率を低く抑えて、温度が上昇しても、合金の熱伝導率の低下を抑えることができる。
本発明は、第2実施形態によれば、はんだ材であって、Sbを、5.0質量%を超えて10.0質量%以下と、Agを2.0〜4.0質量%と、Niを、0を超えて1.0質量%以下含有し、残部は、Sn及び不可避不純物からなる。第1実施形態の組成に、さらにNiを上記添加範囲で添加する利点としては、合金の熱拡散経路に影響を与え、合金の熱
伝導率を上昇させるとともに、濡れ性を向上させ、接合層としたときに低いボイド率が実現できるためである。また、Niは高融点材料であり、高温での強度を増すことができる。特に、上記添加量範囲とするのは、上記添加範囲より多く添加するとはんだ材の融点が300℃超えるため、固溶可能範囲で、はんだ材の融点を抑制するためである。
本発明は、第3実施形態によれば、はんだ材であって、Sbを、5.0質量%を超えて10.0質量%以下と、Agを2.0〜4.0質量%と、Siを、0を超えて1.0質量%以下含有し、残部は、Sn及び不可避不純物からなる。第1実施形態の組成に、さらにSiを添加する利点としては、合金の熱拡散経路に影響を与え、合金の熱伝導率を上昇させるとともに、濡れ性を向上させ、接合層としたときに低いボイド率が実現できるためである。また、Siは高融点材料であり、高温での強度を増すことができる。特に、上記添加量範囲とするのは、Siは固溶しづらいがこの範囲なら固溶させることができるためである。また、高融点材料であるSiを上記範囲より多く入れると、はんだ材の融点が高くなりすぎ、300℃超える場合がある。
本発明は、第4実施形態によれば、はんだ材であって、Sbを、5.0質量%を超えて10.0質量%以下と、Agを2.0〜4.0質量%と、Niを、0を超えて1.0質量%以下含有し、Siを、0を超えて1.0質量%以下含有し、残部は、Sn及び不可避不純物からなる。添加元素として、Ni及びSiを共存させた五元系とすることにより、界面強度とバルクの高温強度が増す、すなわちNiとSiの相乗効果で高温強度が上がるといった利点が得られる。
本発明は、第5実施形態によれば、はんだ材であって、Sbを、5.0質量%を超えて10.0質量%以下と、Agを2.0〜4.0質量%と、Vを、0を超えて0.1質量%以下含有し、残部は、Sn及び不可避不純物からなる。第1実施形態の組成に、さらにVを添加する利点としては、合金の熱拡散経路に影響を与え、合金の熱伝導率を上昇させるとともに、濡れ性を向上させ、接合層としたときに低いボイド率が実現できるためである。特に、上記添加範囲とするのは、Vは高融点材料であり、高温での強度を増すことができるためである。高融点材料であるVを上記範囲より多く入れると、はんだ材の融点が高くなりすぎ、例えば、融点が300℃超える場合がある。また固溶させることが難しくなるおそれがある。
0質量%含有し、Vを0.01〜0.08質量%含有し、残部は、Sn及び不可避不純物からなる。このような組成範囲とすることで、上記に加え、さらに、高融点材料であるVを上記範囲よりも多く入れると、はんだ材の融点が高くなりすぎる場合があるが、上記範囲内であれば融点を250℃以下に抑えることができる。また、過剰な量のVをいれると酸化物になり、金属となじまないため、ボイドが生じやすくなる場合がある。
本発明は、第6実施形態によれば、はんだ材であって、Sbを、5.0質量%を超えて10.0質量%以下と、Agを2.0〜4.0質量%と、Cuを、0を超えて1.2質量%以下含有し、残部は、Sn及び不可避不純物からなる。第1実施形態の組成に、さらにCuを添加する利点としては、合金の熱拡散経路に影響を与え、合金の熱伝導率を上昇させるとともに、濡れ性を向上させ、接合層としたときに低いボイド率が実現できるためである。上記添加範囲とするのは、特にCu材の接合に用いる場合に、Cu材に対しては融点が上がらず、組成に対して融点が鈍感であり、組成マージンが広く成分変動が小さいため、有利になるためである。また、Cu板からはんだ材へのCuの溶け込みを防止できる点で有利になるためである。
本発明は、第7実施形態によれば、はんだ材であって、Sbを、5.0質量%を超えて10.0質量%以下と、Agを2.0〜4.0質量%と、Geを0.001〜0.1質量%含有し、残部は、Sn及び不可避不純物からなる合金である。第1実施形態の組成に、さらにGeを添加する利点としては、Snの酸化を抑え、はんだの濡れ性の向上に大きく寄与するため、及び合金の熱拡散経路に影響を与えることができるためである。Geの添加量は、より好ましくは、0.003〜0.05質量%である。この範囲で添加することにより、過剰なGeOの生成を抑制し、適切な量のGeOを生成させることにより、還元、除去しにくいSnの酸化物を抑制することができる。また、これによりボイド抑制の効果が得られる。さらに好ましくは、0.003質量%以上0.005質量%を超えない量である。
本発明は、第8実施形態によれば、はんだ材であって、Sbを、5.0質量%を超えて10.0質量%以下と、Agを2.0〜4.0質量%と、Geを、0.001質量%〜0.1質量%と、Niを、0を超えて、1.0質量%以下含有し、残部は、Sn及び不可避不純物からなる。Niの添加量は、0.1〜0.4質量%とすることがさらに好ましい。第7実施形態の組成に、さらにNiを上記添加範囲で添加する利点としては、Geの濡れ性向上効果を保持したまま、界面のはんだ強度を向上させることができるためである。また、Niは高融点材料であり、高温での強度を増すことができるという利点もある。
からなる。このような組成範囲とすることで、上記に加え、さらに、はんだ材の融点を260℃以下に低減できるといった利点が得られる。
λ=α・ρ・Cp (式1)
密度はアルキメデス法により、比熱はDSC法(示差走査熱量法)により、熱拡散率はレーザーフラッシュ法により求めることができる。なお、熱伝導率λは、JIS R1611、R1667、H7801、H8453などに準拠し測定することができる。
レーザ回折/散乱式粒度分布測定装置を用いて測定した場合に、25〜50μmのものとすることができる。フラックスとしては、任意のフラックスを用いることができるが、特には、ロジン系フラックスを好ましく用いることができる。
本発明は、第9実施形態によれば、半導体装置であって、半導体素子と、基板電極もしくはリードフレームとの間に、前述の第1〜第8実施形態による、あるいはそれらの変形形態によるはんだ材を溶融してなる接合層を備える。
ウムなどの金属が用いられる。本発明に係るはんだ材は、このような半導体素子11の裏面電極と、積層基板12のおもて面の導電性金属板との間の接合層10の材料、及び積層基板12の裏面導電性金属板と、放熱板13との間の接合層10の材料として好ましく用いられる。このような接合層10の形成に用いるはんだ材の厚みや形状などは、目的及び用途にしたがって当業者が適宜設定することができ、特には限定されない。しかし、本発明に係るはんだ材は、従来技術と比較して濡れ性がよく、ボイドはできづらくなるので、薄くすることもできる。薄いと熱抵抗も下がるため、半導体装置において好ましい。一方、半導体素子11のチップが反っていると反り分だけ厚くする必要がある。その際、ボイドができやすいが、濡れ性がよいと空隙によるボイドを防ぐとことができる。また、厚いと応力緩和効果があるので、寿命もよい。よって、薄くも厚くもでき、設計の自由度が上がる。
クと半導体素子との接合に、本発明のはんだ材を用いることもできる。また、このようなダイボンド接合用途に加えて、端子と端子との接合や、半導体素子と端子との接合など、半導体装置内のはんだ接合部に、本発明のはんだ材を用いることもできる。
本発明のはんだ材及び比較例のはんだ材を調製し、熱伝導率と濡れ性を測定した。はんだ材の熱伝導率は、密度はアルキメデス法により、比熱はDSC法により、熱拡散率はレーザーフラッシュ法により求め、先述の式1により求めた。但し、測定値は10%程度の誤差を有する。各組成の試料につき、25℃、100℃、150℃、175℃、200℃にて熱伝導率を測定し、100℃、150℃、175℃、200℃の各温度におけるはんだ材の熱伝導率が、25℃におけるはんだ材の熱伝導率と同一であるか、これよりも高い条件をみたすものを「Y(yes)」、みたさないものを「N(no)」とした。
いが、本発明者らは、Sn−Ag系はんだにおけるAg量と表面張力の関係をウイルミヘルム法により測定した。ウイルミヘルム法による測定の結果、Sn−Ag3.5質量%近傍、特に、Sn−Ag3.0質量%〜Sn−Ag4.0質量%が最も表面張力が小さくなることが明らかとなった。この結果は、本実施例によるボイド率測定結果とも一致する。ゆえに、ボイド率の低下には、表面張力を小さくする手段が有効であることが示された。はんだの濡れ性では、表面張力は極力小さいことが接触角度を小さくすることができ、母材(被接合部材)との高い濡れ性を示すといえる。
たはSnAgCu系合金の熱伝導率は、温度上昇とともに低下した。なお、前記熱伝導率のデータは表には示していない。一方、SnSb系材料は、Sn−5Sbでは、Sbの固溶効果はでているが、βSnの影響が強く、初期の熱伝導率に対して、温度上昇とともに、熱伝導率が若干低下する傾向を示した。なお、詳細なデータは示していない。一方、Sn6Sb4Ag共晶では、温度上昇とともに熱伝導率は高くなる傾向を示した。Snに13質量%のSbを添加すると、濡れ性が低下した。これは、SbSnとSb2Snが析出したためではないかと考えられる。熱伝導率は初期に対し、温度上昇とともに、高くなる傾向にあるが、Snに8質量%以上のSbの添加では、Ag量などに関わらず、熱伝導率は変化しなかった。
1.結晶格子間を伝わる振動(フォノン、格子振動)としてのエネルギー伝達
2.伝導電子に基づくエネルギー伝達
通常、金属および合金は伝導電子による寄与の方が大きい。したがって、温度が上昇すると、電子散乱が大きくなり、電子伝導性が低下し、熱伝導率も低下すると考えられる。一方、本発明に係るはんだ材を構成する合金は、所定の温度範囲においては、格子振動の寄与が大きいのではないかと考えられる。つまり、温度が上昇すると、格子振動が大きくなり、電子散乱も大きくなる。しかし、熱伝導が格子振動に大きく依存するとすれば、伝導電子の寄与が低下しても、格子振動によるエネルギー伝達により、熱伝導率は上昇すると推量される。なお、かかる説明は、本発明の理解のための考察に過ぎず、本発明は上記の特定の理論に限定されるものではない。
本発明に係る三元系のはんだ材であるSnSbAg系材料、及び比較例に係るはんだ材であるSnAg系材料を用い、図1の構成を備えるパワーモジュールを製造した。これらのパワーモジュールを、同じ発熱温度になるようにして、ΔTj=100℃、Tjmax=175℃で、運転2秒、休止9秒の条件を1サイクルとして、パワーサイクル試験を行った。結果を図3に示す。破壊寿命は、比較例を基準として規格化して表したサイクル数である。縦軸の故障確率は、20台のパワーモジュールにパワーサイクル試験をして、はんだの損傷により故障したパワーモジュールの割合である。図3は、所定の故障確率の時のサイクル数をプロットしたものである。はんだの損傷による故障の判断基準は、素子の熱抵抗値の変化からおこなった。素子の熱抵抗の変化率をモニタリングし、熱抵抗の変化率を常時確認し、徐々に熱抵抗上昇が起こるものをはんだの損傷とした。また素子通電のためのワイヤボンディング接続部の破壊や、素子劣化による破壊を除外するため、熱抵抗が上昇し、素子の定格電流が印加できないものに対して、断面観察によるはんだ組織の劣化状況を確認し、はんだ損傷の起こっているものに対して、故障としてカウントした。
化が起こりうる。本試験の結果、本発明に係るはんだ材は、従来技術に係るはんだ材と比較して、製品寿命が向上することも明らかになった。本発明を特定の理論によって限定する意図はないが、本発明に係るSnSbAg系材料は、SnSbの固溶とSnAgの析出強化の両者を併せ持つためであると推定される。
DCB(Direct Copper Bonding)基板上に、□9.5mmで、厚みが0.25mmの
板はんだを載置し、H2還元環境下で、300℃で、3分間加熱することにより、Cu板上でのはんだの濡れ性を確認した。なお、DCB基板とは、アルミナ系セラミックスなどの絶縁層の両面に銅などの導電性金属板を、Direct Copper Bond法により直接接合してなる積層基板である。板はんだの組成は、表1の試料番号9、19、23のものを用いた。それぞれの板はんだは、各試料につき2枚をDCB基板上に載置して実験した。
表1の試料番号5、9、13の組成を有する厚みが0.25mmの板はんだを用いて、上記(3)と同様の接合条件で、DCB基板と放熱板を接合した。はんだ耐熱性評価として熱衝撃試験を実施した。試験条件は、−45℃〜155℃を各10分保持し、−45℃保持と155℃10分保持を1サイクルとカウントして、300サイクル実施した。次いで、超音波探傷顕微鏡にてはんだ接合部の剥離またはクラックの発生を確認した。結果の顕微鏡写真を図5に示す。(a)が試料番号5、(b)が試料番号9、(c)が試料番号13のはんだを用いた試料の写真である。図に示す黒いところがはんだ接合部で、白くなっているところがクラック、すなわちはんだ破壊の発生した部位である。クラック判定は、点線枠で示す初期のはんだ接合面積に対して、白い部位が多いものは、冷却性能が低下しはんだ接合強度が低下したことを示す。つまり、極力、白い部位が少ないものが、優れた特性を示すということになる。なお、各試料の前記顕微鏡写真の中央部等に見られる白い斑点は、試験前に存在したボイドであり、前記熱衝撃試験によってはんだが破壊した個所ではない。前記熱衝撃試験の結果から、試料番号13、9、5の順に耐熱性に優れており、Ni添加により寿命が向上することが示された。
い部品、例えばLED素子や、パワーダイオードなどパワー半導体デバイスのダイボンド接合部、さらにはプリント配線板などに搭載される電子部品全般におけるIC素子などの内部接続のダイボンド接合部に好適に用いられる。
11 半導体素子
12 積層基板
13 放熱板
14 アルミワイヤ
15 外部端子
16 ケース
17 樹脂封止材
100 パワーモジュール
Claims (10)
- Sbを、5.0質量%を超えて10.0質量%以下と、Agを3.0〜4.0質量%と、Niを、0.01〜1.0質量%含有し、残部は、Sn及び不可避不純物からなるはんだ材。
- Niを、0.01〜0.5質量%含有する、請求項1に記載のはんだ材。
- さらに、Siを、0.1〜1.0質量%含有する、請求項1または2に記載のはんだ材。
- さらに、Pを、0.001〜0.1質量%含有する、請求項1〜3のいずれか1項に記載のはんだ材。
- さらに、Geを、0.001〜0.1質量%含有する、請求項1〜4のいずれか1項に記載のはんだ材。
- 100℃〜200℃における熱伝導率が、25℃における熱伝導率よりも低下しない、請求項1〜5のいずれか1項に記載のはんだ材。
- 半導体装置における、Cu、Ag、Au、Ni、Fe、またはこれらの合金から構成される電極部材の接合のための、請求項1〜6のいずれか1項に記載のはんだ材。
- 半導体素子と、請求項1〜7のいずれか1項に記載のはんだ材が溶融された接合層を備える半導体装置。
- 前記半導体装置が、IGBTモジュールである、請求項8に記載の半導体装置。
- 前記半導体素子が、Si半導体素子、またはSiC半導体素子である、請求項8または9に記載の半導体装置。
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