JP6936351B2 - 成形はんだの製造方法 - Google Patents
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成形はんだとしては、例えば、高融点金属粒、液状フラックスおよびはんだ合金を含有する混合母合金を、溶融はんだ中に投入して攪拌後、鋳型に鋳込み、急冷して得たビレットから作製した成形はんだが提案されている(特許文献1参照)。
本発明の成形はんだにおいては、前記はんだ合金が、スズを含有し、かつ融点が230℃以下のはんだ合金であり、前記高融点金属が、スズとはんだ合金を形成可能であり、かつ融点が300℃以上の金属であることが好ましい。
本発明の成形はんだの製造方法においては、第1加圧板と、第2加圧板との間で、粉末を圧縮成形できる成形装置を用い、前記第1加圧板上に、粉末充填部を形成する工程と、前記粉末充填部に、前記導電性粉末を充填する工程と、前記第2加圧板により、前記導電性粉末を圧縮して、成形はんだを成形する工程と、を備えることが好ましい。
本発明の成形はんだの製造方法においては、前記高融点金属粉末の平均粒子径が、0.1μm以上10μm以下であることが好ましい。
本発明の成形はんだの製造方法においては、前記導電性粉末を圧縮する際の温度が、−5℃以下であることが好ましい。
本発明のはんだ接合方法は、前記成形はんだを用いることを特徴とする方法である。
本発明のはんだ接合方法においては、はんだ接合後に、前記高融点金属の融点未満の温度で熱処理を施す工程を、備えることが好ましい。
すなわち、本発明の成形はんだは、単独のはんだ合金からなるわけではなく、はんだ合金からなる第一相、高融点金属からなる第二相、並びに、はんだ合金および高融点金属からなる第三相の3つの相を、特定の割合で有する。そして、リフロー処理などではんだ接合する際には、ある程度の第一相が存在することにより、第一相が溶融はんだとなり、はんだ接合が可能となる。一方で、はんだ接合後には、リフロー処理などにより、溶融はんだ内に高融点金属が拡散していくため、新たなはんだ合金(はんだ合金および高融点金属からなる第三相の3つの相)が形成され、ほぼ第二相と第三相とで形成された成形はんだとなる。この新たなはんだ合金の融点が、当初のはんだ合金の融点よりも高くなるような、はんだ合金および高融点金属の組合せを選択すれば、はんだ接合後には、はんだ接合時の処理温度よりも高い融点のはんだ合金となる。
なお、上記のような成形はんだは、例えば、はんだ合金からなるはんだ粉末と、高融点金属からなる高融点金属粉末とを含有する混合粉末を圧縮することで作製できる。この理由については、次のようなメカニズムであると発明者らは推察する。
すなわち、図1(A)に示す、はんだ粉末(図1(A)における大きな粒子)と高融点金属粉末(図1(A)における小さな粒子)とを含有する混合粉末を圧縮すると、図1(B)に示すように、はんだ粉末および高融点金属粉末が変形しながら、それぞれの粉末同士が圧着される。このとき、はんだ粉末と高融点金属粉末とが接触している部分では、高融点金属がはんだ合金中に拡散していき、第三相P3となる。また、はんだ粉末からなる部分は、第一相P1となり、高融点金属粉末からなる部分は、第二相P2となる。一方で、溶融はんだ中で高融点金属を混合した場合には、はんだ合金と高融点金属が、相互作用しやすくなり、また、高温であるために、高融点金属の拡散が進み、はんだ合金のほとんどが第三相P3となる。以上のようなメカニズムにより、第一相、第二相および第三相を特定の割合で有する成形はんだを作製できる。
以上のようにして、本発明の成形はんだによれば、はんだ接合が可能であり、はんだ接合後には、はんだ接合時の処理温度よりも高い融点を有するはんだ合金となるものと本発明者らは推察する。
先ず、本実施形態の成形はんだについて説明する。
本実施形態の成形はんだは、はんだ合金と、前記はんだ合金の融点よりも高い融点を有する高融点金属とを含有するものである。そして、成形はんだの断面について、エネルギー分散型X線分光器(場合により、「EDS」と称する)による元素分析を行い、成形はんだの断面を、はんだ合金からなる第一相、高融点金属からなる第二相、並びに、はんだ合金および高融点金属からなる第三相に分類した場合に、下記の条件(i)および条件(ii)を満たすことが必要である。また、この場合に、下記の条件(iii)をさらに満たすことが好ましい。
条件(i):第一相の面積比率が、第一相、第二相および第三相の合計の面積100%に対して、15%以上である。
条件(ii):第二相の面積比率が、第一相、第二相および第三相の合計の面積100%に対して、25%以上である。
条件(iii):第三相の面積比率が、第一相、第二相および第三相の合計の面積100%に対して、60%以下である。
走査型電子顕微鏡としては、例えば、日本電子社製の「FE−SEM JSM−7001F」が挙げられる。
エネルギー分散型X線分光器および分析装置としては、例えば、サーモフィッシャーサイエンティフィック社製の「EDS NoranSystem7」が挙げられる。
例えば、第一相および第二相は、はんだ合金および高融点金属の配合比率を変更することで調整できる。
また、第三相の比率は、第一相への高融点金属の拡散が進むほど、大きくなる。このとき、第三相の比率が大きくなるにつれて、第一相および第二相の比率は小さくなる。なお、第一相への高融点金属の拡散は、例えば、はんだ合金および高融点金属に対し、圧力や温度をかけた場合に進む傾向にあり、はんだが溶融した場合には、特に進みやすくなる傾向にある。
また、後述する本実施形態の成形はんだの製造方法によれば、容易に、第一相、第二相および第三相の面積比率を上述した範囲に調整できる。
本実施形態に用いるはんだ合金は、スズ(Sn)を含有するはんだ合金であることが好ましく、スズを主成分とするはんだ合金であることがより好ましい。スズは、他の元素と様々なはんだ合金を形成でき、例えば、他の元素の種類や比率を変更することで、はんだ合金の融点を変更できる。そして、例えば、はんだ合金として、その融点は低いが、他の元素として高融点金属を加えることで、融点が高まるようなはんだ合金を用いることが好ましい。
はんだ合金の融点は、リフロー処理の温度をより低温にできるという観点から、230℃以下であることが好ましく、100℃以上180℃以下であることが好ましく、100℃以上150℃以下であることが特に好ましい。
はんだ合金の第二元素としては、銀(Ag)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ビスマス(Bi)、インジウム(In)、およびアンチモン(Sb)などが挙げられる。さらに、この合金には、必要に応じて他の元素(第三元素以降)を添加してもよい。他の元素としては、銅、銀、ビスマス、アンチモン、アルミニウム(Al)、およびインジウムなどが挙げられる。
はんだ合金としては、例えば、Sn−In系はんだ合金、Sn−Ag系はんだ合金、Sn−Ag−Cu系はんだ合金、Sn−Cu系はんだ合金、Sn−Ag−Bi系はんだ合金、Sn−Bi系はんだ合金、Sn−Ag−Cu−Bi系はんだ合金、Sn−Sb系はんだ合金、Sn−Zn−Bi系はんだ合金、Sn−Zn系はんだ合金、Sn−Zn−Al系はんだ合金、Sn−Ag−Bi−In系はんだ合金、および、Sn−Ag−Cu−Bi−In−Sb系はんだ合金などが挙げられる。
本実施形態に用いる高融点金属は、前記はんだ合金の融点よりも高い融点を有する金属である。なお、高融点金属は、前記はんだ合金の融点よりも高い融点を有するはんだ合金であってもよい。または、高融点金属の融点は、200℃以上であることが好ましく、300℃以上であることがより好ましい。
高融点金属としては、銅、銀、金、Sn−Ag−Cu系はんだ合金、およびSn−Sb系はんだ合金などが挙げられる。
本実施形態におけるはんだ合金と高融点金属との組合せとしては、Sn−In系はんだ合金と銅との組合せ、Sn−In系はんだ合金とSn−Ag−Cu系はんだ合金との組合せ、Sn−Ag−Cu系はんだ合金と銅との組合せ、および、スズと銅との組合せなどが挙げられる。
次に、本実施形態の成形はんだの製造方法を、図面に基づいて説明する。なお、図面においては、説明を容易にするために拡大または縮小をして図示した部分がある。
本実施形態の成形はんだの製造方法は、前記はんだ合金からなるはんだ粉末と、前記高融点金属からなる高融点金属粉末とを含有する導電性粉末を圧縮して、成形はんだを成形することを特徴とする方法である。
なお、本実施形態においては、加熱処理による溶融はんだの成形ではなく、圧縮による粉末の成形であるため、高融点金属がはんだ合金中に拡散し過ぎることがない。結果、はんだ合金からなる第一相をある程度残すことができ、前記条件(i)などを満たすような成形はんだが得られるものと推察される。
導電性粉末の圧縮方法としては、適宜公知の圧縮装置を採用できる。圧縮装置としては、圧延ロールを備える圧縮装置、および、平板を備える圧縮装置(ブリケットマシンなど)などが挙げられる。
ここでは、圧縮装置として、図2に示すように、第1加圧板11と、第2加圧板12との間で、粉末を圧縮成形できる成形装置(ブリケットマシン)を用いた場合を例に挙げて、説明する。
充填部形成工程においては、第1加圧板11上に、粉末充填部13を形成する。
この充填部形成工程では、図3(A)に示す第1加圧板11上に、図3(B)に示す筒状部材8を配置することで、粉末充填部13を形成する。
筒状部材8は、2つ以上用いてもよい。これにより、2以上の成形はんだ3aを同時に作製できる。
筒状部材8の形状は、特に限定されない。筒状部材8と、第1加圧板11とにより、粉末充填部13が形成される。すなわち、筒状部材8の内側の形状が、得られる成形はんだ3aの形状となる。
筒状部材8の材質は、特に限定されない。筒状部材8の材質は、例えば、アルミニウム、およびステンレスなどである。
はんだ粉末充填工程においては、図3(C)に示すように、粉末充填部13に、導電性粉末3を充填する。
ここで、導電性粉末3は、粉末充填部13の容積よりも多めに充填することが好ましい。このようにすれば、導電性粉末3をより確実に圧縮成形できる。
本実施形態に用いる導電性粉末3は、前記はんだ合金からなるはんだ粉末と、前記高融点金属からなる高融点金属粉末とを含有するものである。はんだ合金および高融点金属については、前述の通りである。
成形工程においては、図3(D)に示すように、第2加圧板12により、導電性粉末3を圧縮して、図3(E)に示すように、成形はんだ3aを成形する。
成形時の荷重としては、適正な成形はんだを得るという観点から、100kN以上1000kN以下であることが好ましく、150kN以上500kN以下であることがより好ましく、200kN以上400kN以下であることが特に好ましい。
成形時の時間は、特に限定されないが、通常、10秒間以上120秒間以下である。
成形時の温度は、特に限定されないが、通常、15℃以上40℃以下である。
次に、本実施形態の成形はんだを用いたはんだ接合方法について、説明する。本実施形態のはんだ接合方法の一例は、以下の通りである。
先ず、Si素子、およびSiC素子などの半導体素子を準備し、DCB(Direct Copper Bond)基板上にフラックスを塗布して、本実施形態の成形はんだを載せる。
次いで、成形はんだの表面(DCB基板に接していない面)に更にフラックスを塗布し、これに半導体素子を載せて、これを成形はんだの成形に用いるはんだ粉末の融点より高い温度で加熱することにより、DCB基板上に半導体素子をはんだ接合する。
なお、予め、本実施形態の成形はんだの両面にフラックスを塗布しておいてもよい。
本実施形態の成形はんだは、加圧成形時に加熱を伴わないため、はんだ接合前の成形はんだにおいて、高融点金属粉末は未だ溶融拡散しておらず、はんだ合金が高融点化していない。
そのため、成形はんだを用いてはんだ接合を行う際、これに含まれるはんだ合金は、例えばピーク温度250℃程度の一般的な鉛フリーはんだを使用した接合時の加熱温度でも十分に溶融し得るため、ピーク温度250℃程度での加熱であってもパワー半導体をDCB基板上にはんだ接合することができる。
さらに、本実施形態の成形はんだは、はんだ接合時の加熱によって、はんだ合金が高融点化する。そのため、はんだ接合後には、はんだ接合時の処理温度よりも高い融点を有するはんだ合金となり、信頼性の高いはんだ接合部を提供できる。
また、本実施形態の成形はんだは、例えば、リフロー処理などを用いることではんだ接合を行うことも可能である。
本実施形態においては、はんだ接合後に、前記高融点金属の融点未満の温度で熱処理(アニール処理)を施す工程を、備えることがより好ましい。このような熱処理工程により、成形はんだによる接合強度をさらに向上できる。
熱処理の温度は、前記高融点金属の融点未満であり、200℃以下であることがより好ましく、190℃以下であることが特に好ましい。
熱処理の時間は、1時間以上20時間以下であることが好ましく、3時間以上15時間以下であることがより好ましく、5時間以上12時間以下であることが特に好ましい。
本発明は前述の実施形態に限定されず、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれる。
例えば、前述の実施形態では、成形はんだの製造方法において、ブリケットマシンを用いたが、これに限定されない。例えば、成形はんだの製造方法において、圧延ロールを備える圧縮装置を用いてもよい。
このような場合、はんだ粉末と、高融点金属粉末とを含有する導電性粉末を、圧延ロールを備える圧縮装置により圧縮して、帯状の成形はんだを成形できる。また、帯状の成形はんだを、圧延ロールを備える圧縮装置により、さらに圧縮してもよい。
ここで、成形時の荷重としては、適正な成形はんだを得るという観点から、10kN以上100kN以下であることが好ましく、20kN以上60kN以下であることがより好ましい。
成形時の温度は、特に限定されないが、−5℃以下であることが好ましく、−10℃以下であることがより好ましく、−20℃以下であることが特に好ましい。成形時の温度が前記上限以下であれば、圧縮により、高融点金属の拡散が進み過ぎることを抑制できる。
[実施例1]
導電性粉末として、はんだ粉末(Sn−50In、粒子径:15〜25μm)50質量部と、高融点金属粉末(銅粉末、平均粒子径:3μm)50質量部とを含有する混合粉末を準備した。
そして、図3(B)に示すように、第1加圧板11上に筒状部材8(ワッシャー、形状:円形、内径:15mm、外径:23mm、厚み:200μm)を配置して、粉末充填部13を形成した。
次に、図3(C)に示すように、準備した導電性粉末3を充填した。その後、図3(D)に示すように、第2加圧板12により、荷重約300kNで30秒間の条件にて、導電性粉末3を圧縮して、図3(E)および図3(F)に示すように、成形はんだを形成し、取り出した。
得られた成形はんだの形状は、直径15mmの円形で、かつ、厚みは200μmであった。
また、得られた成形はんだについて、エネルギー分散型X線分光器による元素分析を行った。具体的には、まず、走査型電子顕微鏡として、日本電子社製の「FE−SEM JSM−7001F」を用い、エネルギー分散型X線分光器および分析装置として、サーモフィッシャーサイエンティフィック社製の「EDS NoranSystem7」を用い、成形はんだの断面について、元素分析を行った。そして、元素分析の結果から、成形はんだの断面を、はんだ合金からなる第一相、高融点金属からなる第二相、並びに、はんだ合金および高融点金属からなる第三相に分類した。
得られた結果を図4に示す。図4に示すように、成形はんだの断面を、青色で示す第一相(Phase1)と、黄色で示す第二相(Phase2)と、赤色で示す第三相(Phase3)とに分類している。そして、第一相、第二相および第三相の面積比率を、それぞれ算出し、得られた結果を表1に示す。
導電性粉末として、はんだ粉末(Sn−50In、粒子径:15〜25μm)50質量部と、高融点金属粉末(銅粉末、平均粒子径:3μm)50質量部とを含有する混合粉末を準備した。
そして、圧延ロールを備える圧縮装置(大野ロール社製、「卓上型Φ63mm 2型粉末圧延機」)を用いて、圧延荷重約40kNの条件にて、準備した導電性粉末を圧縮して、帯状の成形はんだを作製した。得られた帯状の成形はんだの厚みは、200μmであった。
また、得られた帯状の成形はんだについて、実施例1と同様に、エネルギー分散型X線分光器による元素分析を行った。得られた結果を図5に示す。さらに、第一相、第二相および第三相の面積比率を、それぞれ算出し、得られた結果を表1に示す。
圧延ロールを備える圧縮装置(大野ロール社製、「卓上型Φ63mm 2型粉末圧延機」)を用いて、圧延荷重約25kNの条件にて、実施例2で得られた帯状の成形はんだをさらに圧縮して、帯状の成形はんだを作製した。得られた帯状の成形はんだの厚みは、100μmであった。
また、得られた帯状の成形はんだについて、実施例1と同様に、エネルギー分散型X線分光器による元素分析を行った。得られた結果を図6に示す。さらに、第一相、第二相および第三相の面積比率を、それぞれ算出し、得られた結果を表1に示す。
圧延ロールを備える圧縮装置(大野ロール社製、「卓上型Φ63mm 2型粉末圧延機」)を用いて、圧延荷重約15kNの条件にて、実施例3で得られた帯状の成形はんだをさらに圧縮して、帯状の成形はんだを作製した。得られた帯状の成形はんだの厚みは、75μmであった。
また、得られた帯状の成形はんだについて、実施例1と同様に、エネルギー分散型X線分光器による元素分析を行った。得られた結果を図7に示す。さらに、第一相、第二相および第三相の面積比率を、それぞれ算出し、得られた結果を表1に示す。
成形はんだの評価(接合状態、接合強度)を以下のような方法で行った。得られた結果を表1に示す。
(1)接合状態
DCB基板上にフラックス(タムラ製作所社製、「TAF」)を塗布して、成形はんだを載せ、プリヒート温度を140〜150℃で90〜120秒間、200℃以上の保持時間を3分間、ピーク温度を250℃とする条件でリフロー処理を行い、試験基板を作製した。得られた試験基板におけるはんだ接合の界面部分を顕微鏡にて観察し、以下の基準に従って、接合状態を評価した。
〇:界面部分に未接合部がない。
△:界面部分に、僅かに未接合部がある。
×:界面部分に、未接合部がある。
(2)接合強度
基板上にフラックス(タムラ製作所社製、「TAF」)を塗布して、成形はんだを載せ、さらに、銅板(5mm×5mm)を載せて、プリヒート温度を140〜150℃で90〜120秒間、200℃以上の保持時間を3分間、ピーク温度を250℃とする条件でリフロー処理を行い、試験基板を作製した。
そして、シェア試験機(ノードソンDAGE社製の「Dage 4000」、ロードセル:DS100)を用いて、試験基板を150℃に加熱した状態でのシェア試験を行った。シェア試験での強度から、以下の基準に従って、接合強度を評価した。
◎:強度が、300N以上である。
〇:強度が、200N以上300N未満である。
△:強度が、100N以上200N未満である。
×:強度が、100N未満である。
DCB基板上にフラックス(タムラ製作所社製、「TAF」)を塗布して、実施例2で得られた成形はんだを載せ、プリヒート温度を140〜150℃で90〜120秒間、200℃以上の保持時間を3分間、ピーク温度を250℃とする条件でリフロー処理を行い、試験基板を作製した。この試験基板に対し、温度190℃にて10時間の熱処理を施した。熱処理後の試験基板におけるはんだ接合の界面部分を顕微鏡にて観察し、前記(1)接合状態における基準に従って、接合状態を評価した。得られた結果を表2に示す。
基板上にフラックス(タムラ製作所社製、「TAF」)を塗布して、実施例2で得られた成形はんだを載せ、さらに、銅板(5mm×5mm)を載せて、プリヒート温度を140〜150℃で90〜120秒間、200℃以上の保持時間を3分間、ピーク温度を250℃とする条件でリフロー処理を行い、試験基板を作製した。この試験基板に対し、温度190℃にて10時間の熱処理を施した。熱処理後の試験基板に対し、前記(2)接合強度におけるシェア試験を行い、シェア試験での強度から、前記(2)接合強度における基準に従って、接合強度を評価した。得られた結果を表2に示す。
圧縮する際の周囲の温度を−20℃とした以外は、実施例2と同様にして、帯状の成形はんだを作製した。得られた帯状の成形はんだの厚みは、200μmであった。
また、圧縮する際の周囲の温度を−20℃とし、ここで得られた帯状の成形はんだをさらに圧縮した以外は、実施例3と同様にして、帯状の成形はんだを作製した。得られた帯状の成形はんだの厚みは、100μmであった。
さらに、圧縮する際の周囲の温度を−20℃とし、ここで得られた帯状の成形はんだをさらに圧縮した以外は、比較例1と同様にして、帯状の成形はんだを作製した。得られた帯状の成形はんだの厚みは、75μmであった。
高融点金属粉末として、高融点金属粉末(銅粉末、平均粒子径:3μm)に代えて、高融点金属粉末(銅粉末、平均粒子径:11μm)を用いた以外は、実施例2と同様にして、帯状の成形はんだを作製した。得られた帯状の成形はんだの厚みは、200μmであった。
成形はんだの評価(接合状態、接合強度)を前記のような方法で行った。実施例5および比較例2について、得られた結果を表2に示す。
実施例5で得られた帯状の成形はんだは、温度−20℃の環境下において、3回の圧延を行ったものである。しかし、同じく3回の圧延を行っている比較例1で得られた帯状の成形はんだよりも、接合状態および接合強度が良好であることが分かった。この結果から、低温環境下において圧縮すれば、高融点金属の拡散が進み過ぎることを抑制でき、第一相および第二相の部分を維持しやすいものと本発明者らは推察している。
比較例2で得られた帯状の成形はんだは、使用した高融点金属粉末の平均粒子径を11μmと大きくした点で、実施例2で得られた帯状の成形はんだと異なる。しかし、比較例2で得られた帯状の成形はんだは、接合状態および接合強度がいずれも×評価となることが分かった。この結果から、高融点金属粉末の平均粒子径が大き過ぎる場合には、第一相、第二相および第三相のバランスを上手く調整できないものと本発明者らは推察している。
12…第2加圧板
13…粉末充填部
3…導電性粉末
3a…成形はんだ
8…筒状部材
Claims (3)
- はんだ合金と、前記はんだ合金の融点よりも高い融点を有する高融点金属とを含有する成形はんだであって、
前記成形はんだの断面について、エネルギー分散型X線分光器による元素分析を行い、前記成形はんだの断面を、はんだ合金からなる第一相、高融点金属からなる第二相、並びに、はんだ合金および高融点金属からなる第三相に分類した場合に、
前記第一相の面積比率が、前記第一相、前記第二相および前記第三相の合計の面積100%に対して、15%以上であり、
前記第二相の面積比率が、前記第一相、前記第二相および前記第三相の合計の面積100%に対して、25%以上である成形はんだを製造する成形はんだの製造方法であって、
前記はんだ合金からなるはんだ粉末と、前記高融点金属からなる高融点金属粉末とを含有する導電性粉末を圧縮して、成形はんだを成形し、
前記導電性粉末を圧縮する際の温度が、−5℃以下である
ことを特徴とする成形はんだの製造方法。 - 請求項1に記載の成形はんだの製造方法において、
第1加圧板と、第2加圧板との間で、粉末を圧縮成形できる成形装置を用い、
前記第1加圧板上に、粉末充填部を形成する工程と、
前記粉末充填部に、前記導電性粉末を充填する工程と、
前記第2加圧板により、前記導電性粉末を圧縮して、成形はんだを成形する工程と、を備える
ことを特徴とする成形はんだの製造方法。 - 請求項1または請求項2に記載の成形はんだの製造方法において、
前記高融点金属粉末の平均粒子径が、0.1μm以上10μm以下である
ことを特徴とする成形はんだの製造方法。
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