JP6984568B2 - はんだ合金、はんだペースト、及び、電子部品モジュール - Google Patents

Description

本発明は、はんだ合金、はんだペースト、及び、電子部品モジュールに関する。

ＳｉＣ半導体モジュールの進展にともない電子部品が置かれる雰囲気の温度が２５０℃程度の高温になる。そのような環境下では、作動温度は部品の接合材である従来のＳｎ系はんだ合金の固相線温度以上となり、接合部が再溶融し、部品が欠落することがある。したがって、再溶融しない接合部をもつ耐熱信頼性の高い電子部品が求められている。

このような高温環境で使用される電子部品を配線等と接合するのに適し、使用可能なはんだ合金が特許文献１〜３に開示されている。

特許文献１はＮｉやＣｕに対する濡れ性に優れ、接合温度≦４００℃、温度サイクル寿命と高温信頼性に優れる高温はんだ合金を開示している。特許文献２、３は溶融開始温度が２８０℃以上であり、はんだ継手を形成できるＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ系高温鉛フリーはんだ合金を開示している。

特開２００７−１５２３８５号公報 ＷＯ２０１４／０２４７１５号公報 ＷＯ２０１４／０２４２７１号公報

しかしながら、２５０℃の高温環境において、前記の先行技術は、Ｓｎ含有量が多く、あるいはＳｂ含有量が不足になっており、他部品との接合において、Ｓｎ系の反応生成物が多くなり、はんだ合金としての破断強度が不足しており、部品を接合した際の固着強度の低下や接合部の再溶融を招来し、熱サイクル経過後に高い固着強度、すなわち耐熱信頼性を維持することが困難であった。
なお、クリープ現象を抑えるため、具体的には、３００℃以上の固相線温度が必要であり、実装の都合上、他の部品の耐熱性から、固相線温度が４５０℃以下、好ましくは４００℃以下であって、４５０℃以下、好ましくは４００℃以下で接合されうる接合材料、特に、はんだ合金が求められる。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、２５０℃の高温環境での使用が可能で有り、３００℃〜４５０℃の固相線温度を有し、破断強度が高く、かつ、熱サイクル経過後の固着強度、すなわち耐熱信頼性が高い、はんだ合金等を提供することを目的とする。

本発明に係るはんだ合金、はんだペーストおよび電子部品モジュールは、次の通りである。
（１）４５質量％超かつ７５質量％以下のＳｂ、
１５〜３９質量％のＳｎ、
０〜１６質量％のＡｇ、
０〜１５質量％のＣｕ、
０〜１１質量％のＢｉ、
０〜６質量％のＩｎ、及び、不可避不純物からなり、
Ｓｂ及びＳｎの合計が８０質量％以上を占める、はんだ合金。
（２）３〜１５質量％のＡｇ、及び、３〜１０質量％のＣｕを含む、上記（１）記載の、はんだ合金。
（３）１〜１０質量％のＢｉを含む、上記（２）記載のはんだ合金。
（４）１〜５質量％のＩｎを含む、上記（２）または（３）記載の、はんだ合金。
（５）はんだ合金の粉末と、樹脂と、溶剤と、を含み、前記はんだ合金は、上記（１）〜（４）記載のはんだ合金である、はんだペースト。
（６）端子を有する電子部品と、配線部材と、前記端子と前記配線部材とを接合する接合部と、を備え、前記接合部は、上記（１）〜（４）のはんだ合金を含む、電子部品モジュール。

本発明によれば、３００℃〜４５０℃の固相線温度を有し、２５０℃の高温環境での使用が可能で有り、破断強度が高い、かつ、他部品との接合において、Ｓｎ系の反応生成物の生成を抑制することができ、熱サイクル経過後の固着強度、すなわち耐熱信頼性が高い、はんだ合金等が提供される。

図１は、本発明の実施形態にかかる電子部品モジュールの概略断面図である。

以下の実施形態中で述べる温度、冷却速度等はこの発明の範囲内の好適例に過ぎない。従って、本発明は以下の実施形態のみに限定されるものではない。

（はんだ合金）
本発明の実施形態にかかるはんだ合金は、４５質量％超かつ７５質量％以下のＳｂ、１５質量％以上３９質量％以下のＳｎ、０〜１６質量％のＡｇ、０〜１５質量％のＣｕ、０〜１１質量％のＢｉ、０〜６質量％のＩｎ、及び、不可避不純物からなり、Ｓｂ及びＳｎの合計が８０質量％以上を占める。

このような組成のはんだ合金では３００℃〜４５０℃以上、好ましくは３００℃〜４００℃の固相線温度をもつことが可能である。したがって、例えば、このようなはんだ合金を含む接合部を持つ電子部品モジュールを、２００℃〜２５０℃程度の高温環境で動作させること可能となる。また、このような組成のはんだ合金を含む接合部は、破断強度が高く、また、熱サイクル経過後の固着強度が高く維持される。

特に、従来よりもＳｂの含有量を増やし、Ｓｎの含有量を減らすことにより、固相線温度が３００℃〜４５０℃に上がると共に、配線部材及び／又は電子部品の端子との接合部におけるＳｎ反応物の生成が抑制されて熱サイクル経過後の固着強度、すなわち耐熱信頼性が高く維持されることが考えられる。

本実施形態にかかるはんだ合金は、Ｓｂ、Ｓｎ及び不可避不純物の合計が１００質量％である、すなわち、Ｓｂ、Ｓｎ、及び、不可避不純物のみからなることができる。

本実施形態にかかるはんだ合金における不可避不純物の例は、Ｃａ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｃｄ、Ｃｏ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ａｌ、Ａｓ、Ｎｉである。不可避不純物の量は、それぞれ、０．１質量％以下であることができる。

はんだ合金におけるＳｂ及びＳｎ及び不可避不純物の合計が１００質量％未満である場合、はんだ合金における残余の構成元素は、Ａｇ、Ｃｕ、Ｂｉ、Ｉｎからなる群から選択される少なくとも一つ又は任意の組み合わせである。ただし、Ｓｂ及びＳｎの合計が８０質量％以上を占める。

はんだ合金は、３〜１５質量％のＡｇ及び３〜１０質量％のＣｕを両方含むことが好ましい。

前記の量のＡｇ、Ｃｕを同時に添加すると、本発明によるはんだ合金の固相線温度をさらに正確に調整することができ、得られるはんだ合金の固相線温度を３００℃〜４００℃に担保することができる。Ａｇ、Ｃｕの含有量が前記の量を外れる場合は、ＡｇとＳｎとの金属間化合物（Ａｇ_３Ｓｎ）または、ＣｕとＳｎとの金属間化合物（Ｃｕ_３Ｓｎ）など融点が４００℃以上の化合物が生成するため、３００℃〜４００℃の範囲内の固相線温度を有するはんだ合金が得られることを担保できない。また、所定量のＡｇ、Ｃｕの添加により、強度が比較的に低いＳｂとＳｎとの２元系金属間化合物がなくなるため、得られるはんだ合金は、金属材料としての破断強度も、接合部材としての固着強度および熱サイクル後の固着強度も高まる。

はんだ合金が、Ａｇ及びＣｕを含んでいる場合、はんだ合金はさらに１〜１０質量％のＢｉを含むことが好ましい。Ｂｉを前記の範囲内に含むことにより、Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ合金が形成され、この合金は、Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ合金に比べて、破断強度、固着強度および熱サイクル後の固着強度がともに高くなる。なお、はんだ合金は、Ｂｉを１０質量％超に含む場合、Ｓｎ−Ｂｉのはんだ合金が生成するため、得られるはんだ合金の固相線温度が低下し、熱サイクル後の固着強度が低下してしまう。

また、はんだ合金が、Ａｇ及びＣｕを含んでいる場合、又は、Ａｇ，Ｃｕ，及びＢｉを含んでいる場合、はんだ合金はさらに１〜５質量％のＩｎを含むことが好ましい。Ｉｎを前記の範囲に含むことにより、Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ−ＩｎまたはＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｉｎ−Ｂｉが生成する。これらの合金はＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ合金に比べて強度が高く、得られるはんだ合金は、金属材料としての破断強度も、接合部材としての固着強度および熱サイクル後の固着強度、すなわち耐熱信頼性も上がる。なお、Ｉｎの含有量が多すぎると、得られるはんだ合金の固相線温度が低下する傾向がある。

このようなはんだ合金を用いて、電子部品と配線部材とを接合する場合には、プリフォーム材、又は、はんだペーストをあらかじめ形成することができる。プリフォーム材をあらかじめ形成することが好ましい。

次に、本実施形態にかかるはんだ合金の製造方法の一例について説明する。まず、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｂｉ及びＩｎ各々を、例えばターボミル、ローラミル、遠心力粉砕機等の公知の粉砕機を用いて粉砕し、各金属材料の粉末を得る。

上記のように製造した各金属材料の粉末を、それらを混合する。その後、アルミナるつぼ中に入れ、前記各金属材料の粉末の入ったるつぼを溶解炉に入れ、金属材料の粉末を加熱溶融させる。加熱の温度は特に限定されないが、本実施形態において、前記各金属材料の中で、最も高い融点を持つ金属よりも高い温度に加熱、溶融する。溶融した金属材料を冷却し、はんだ合金を得る。冷却速度は、０．８〜５０℃／秒であることができる。

本実施形態に係るはんだ合金は、プリフォーム材やはんだペーストとして好適に用いることができる。プリフォーム材の形状としては、はんだ箔、ワッシャ、リング、ペレット、ディスク、リボン、ワイヤー等が挙げられる。

（はんだ箔）
続いて、プリフォーム材の一例として後述の本発明の実施形態にかかる電子部品モジュールに用いられるはんだ箔を説明する。本実施形態にかかるはんだ箔は、上記のはんだ合金の薄い板である。はんだ箔の厚みは、例えば、１００〜１０００μｍとすることができる。はんだ箔の平面形状は、接合対象となる電子部品及び配線部材の大きさに合わせて適宜設定できる。はんだ箔は、はんだ合金の圧延等により製造することができる。

（はんだペースト）
続いて、本発明の実施形態にかかるはんだペーストを説明する。本実施形態にかかるはんだペーストは、上記のはんだ合金の粉末と、樹脂と、溶剤と、を含む。樹脂及び溶剤は、いわゆるフラックスと呼ばれる。

はんだ合金の粉末の粒径は１０〜５０μｍとすることができる。この粒径は、レーザー回折法における体積基準の粒度分布のＤ５０である。

樹脂の例は、ロジン、及び、ロジン誘導体（例えば、重合ロジン、水素添加ロジン、フェノール変性ロジン、マレイン化ロジン、アクリル化ロジンである。樹脂の他の例は、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂などの合成樹脂である。

溶剤の例は、グリコール、グリコールエステル、グリコールエーテル（カルビトール、セロソルブなど）である。

はんだペーストにおける各成分の比率は、ペースト塗布方法に応じて適宜設定できる。

はんだ合金の粉末は、溶融状態のはんだ合金を遠心噴霧アトマイスすること、及び、はんだ合金を粉砕することにより製造できる。遠心噴霧アトマイス法は、高速で回転する回転盤上に、溶融金属を連続供給し、回転盤の遠心力により溶融金属を周囲に噴霧させるものである。この噴霧された溶融金属を所定の雰囲気中で冷却して固化することにより、はんだ合金粉末が得られる。はんだ合金の粉末に、フラックスすなわち、樹脂及び溶剤を混合することにより、はんだペーストを得ることができる。

（電子部品と配線部材との接合）
リフローで電子部品と配線部材とを接合する方法は、電子部品と配線部材との接合部にはんだペーストを塗布し乾燥させる、または、当該接合部にはんだ箔を配置する工程、及び、はんだ箔又ははんだペーストを高温に曝す工程と、を備える。接合温度としては、４００〜４５０℃が好適である。

（電子部品モジュール）
本発明の実施形態にかかる電子部品モジュールは、端子を有する電子部品と、配線部材と、端子と配線部材とを接合する接合部と、を備える。接合部は、上述のはんだ合金を含む。

電子部品の例は、トランジスタ、ＩＣ、ダイオード等の能動部品、コンデンサ、コイル、抵抗器等の受動部品である。能動部品においては、特に高温環境に曝されることの多いＳｉＣ半導体を含む部品が好適である。
電子部品は少なくとも１つ、通常は２以上の端子を有する。端子の材料の例はＡｇ、Ｃｕ等の金属で有り、Ｎｉ／Ａｕなどのメッキが表面になされていることができる。高温環境に好適で使用する観点から、端子の材料は耐酸化性の強いＡｕ，Ｐｄなどを含むことが好ましい。

配線部材の例は、配線パッドである。通常、配線パッドは、電気絶縁性の基板上に設けられる。配線パッドの端子の材料の例はＣｕ等の金属で有り、Ｎｉ／Ａｕなどのメッキが表面になされていることができる。

図１に、本発明の１実施形態にかかる電子部品モジュール１００を示す。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。この電子部品モジュール１００は、下部基板１０、リードフレーム３０、上部基板４０、配線パッド（配線部材）５０ａ，５０ｂ、積層セラミックコンデンサ６０、接合部７０、及びボンディングワイヤ８０を主として備える。

下部基板１０は、例えば、ＡｌＮ基板とすることができる。リードフレーム３０は、下部基板１０の表面に固定されており、ダイパッド部３０ａ、端子３０ｂ、及び、端子３０ｃを備える。半導体チップ２０は、ダイパッド部３０ａ上に固定されている。半導体チップ２０に設けられたパッド２０ａ、２０ｂａが、それぞれ、ボンディングワイヤ８０により、端子３０ｂ、及び、端子３０ｃと接続されている。ボンディングワイヤ８０は、例えば、Ａｌワイヤとすることができる。

端子３０ｂ、３０ｃは、途中から折り曲げられて上方に向かって伸び、その先端には、上部基板４０が固定されている。上部基板４０上には、一対の配線パッド５０ａ，５０ｂが設けられており、これらの配線パッド５０ａ，５０ｂはそれぞれ、図示しない配線部材により、端子３０ｂ、３０ｃと接続されている。

積層セラミックコンデンサ６０は、コンデンサチップ６３、及び、外部電極（端子）６４を有する。コンデンサチップ６３は、厚み方向に離間して配置された多数の内部電極６２と、内部電極６２間を絶縁するセラミック層６１を有する。

内部電極６２の材料は、Ｎｉ，Ｃｕ，Ｐｄ等の金属材料であることができる。セラミック層６１の材料は、チタン酸バリウム等のセラミックであることができる。

外部電極６４は、コンデンサチップ６３の両端にそれぞれ配置され、一部の内部電極６２は一方側の外部電極６４に電気的に接続され、残りの内部電極６２は他方側の外部電極６４に電気的に接続されている。コンデンサチップ６３内において、一方側の外部電極６４に接続された内部電極６２と、他方側の外部電極６４に接続された内部電極６２とが積層方向に交互に配置されている。一方の外部電極６４は配線パッド５０ａの上に、他方の外部電極６４は配線パッド５０ｂの上に配置されている。

接合部７０は、フィレット形状を有し、配線パッド５０ａ又は５０ｂと、外部電極６４の表面とにそれぞれ接合している。接合部７０は、上述のはんだ合金から形成される。

（実施例１〜３１及び比較例１〜１１）
Ｓｂ粉末、Ｓｎ粉末、Ａｇ粉末、Ｃｕ粉末、Ｂｉ粉末、及び、Ｉｎ粉末を用意した。次に、所定の量の粉末を混合してアルミナるつぼ中に入れ、るつぼを溶解炉に入れ、１２００℃の温度に加熱溶融させた後（実施例５、６、８、９および比較例１，７，９，１０は７００℃）、溶融した金属材料を３０℃/秒の冷却速度で冷却し、表１および表２に記載の各試料の組成を有するはんだ合金を得た。

（組成）
得られたはんだ合金の組成の測定は、蛍光Ｘ線分析装置ＥＡ１０００ＶＸ（日立ハイテクサイエンス製）を用いて分析を行った。測定の結果を表１および表２に示している。

（固相線温度の測定）
得られたはんだ合金の固相線温度を示差走査熱量計（ＤＳＣ７０００：日立ハイテクサイエンス製）により測定した。

（破断強度の測定）
はんだ合金から直方体形状（３ｍｍ×２ｍｍ×１ｍｍ）の試験片を得た。試験片を、軸方向に２ｍｍ離れた２つの支持棒で下から支え、試験片の軸方向中央に上から荷重をかける、いわゆる、３点曲げ荷重試験を行った。試験片が破壊に至るまでの最大荷重を基に算出した曲げ応力の値を破断強度として求めた。測定は室温で行った。

（はんだ合金を用いた接合）
はんだ合金から、６×６×１ｍｍの形状を有するはんだ箔を得た。Ｎｉ／Ａｕめっき層を施した配線用Ｃｕパッドを有するアルミナ基板と、Ｎｉ／Ａｕめっき膜を施した外部電極（端子）を有するＣ５７５０形状のチップコンデンサとを用意した。はんだ箔をアルミナ基板のＣｕパッド上に載せ、さらにチップコンデンサの外部電極をはんだ箔の上に載せ、４５０℃及び５分の条件ではんだ箔を溶融させることによりＣｕパッドとチップコンデンサの外部電極との接合を行い、電子部品モジュールを得た。

（接合部の初期固着強度）
アルミナ基板に対して、チップコンデンサの側面中央を加圧棒で１０ｍｍ／ｍｉｎの速度でアルミナ基板の表面に平行な方向に押圧し、破断時の押圧力（Ｎ）を初期の固着強度とした。実際の使用を考慮すると、固着強度は１０Ｎ以上が必要である。

（熱サイクル負荷の付与）
電子部品モジュールに対して熱サイクル負荷を与えた。この熱サイクル負荷は、−５５℃から２００℃までの温度上昇（概ねリニアで所要１５分）及び２００℃から−５５℃までの温度降下（概ねリニアで所要１０分）からなるサイクルを３０００回繰り返すことである。

（接合部の熱サイクル負荷後の固着強度）
熱サイクル負荷を与えた後、上述と同様の固着強度試験を行った。実際の使用を考慮すると、１０Ｎ以上が必要であることとした。

合金組成が本発明の範囲内にある実施例１〜３１のはんだ合金では、いずれも固相線温度が３００℃以上、かつ、４５０℃以下を示した。また、固着強度の評価につき初期強度と、熱サイクル後強度は、１０Ｎ以上であることを示した。また、破断強度は３４ＭＰａ以上であった。

また、３〜１５質量％のＡｇ、及び、３〜１０質量％のＣｕを含む実施例１０，１１，１３〜３１では、固相線温度が３００〜４００℃となった。

また、上記のＡｇ及びＣｕに加え、Ｂｉを１〜１０質量％含む実施例２０〜２６，及び実施例３０では、破断強度が１２０ＭＰａ以上となり、初期の固着強度が１００Ｎ以上となり、熱サイクル後の固着強度が３０Ｎ以上となった。

また、上記のＡｇ及びＣｕに加え、Ｉｎを１〜５質量％含む実施例２８〜３０では、破断強度が１６０ＭＰａ以上となり、初期の固着強度が１４０Ｎ以上となり、熱サイクル後の固着強度が５０Ｎ以上となった。

なお、本発明の範囲内でない比較例１、２、４〜６，８では、固相線温度がいずれも３００℃未満となり、比較例３、７、９〜１１では、熱サイクル後強度は、１０Ｎ未満となった。

６０…積層セラミックコンデンサ（電子部品）、５０ａ，５０ｂ…配線パッド（配線部材）、６４…外部電極（端子）、７０…接合部、１００…電子部品モジュール。

Claims (5)

1. ４５質量％超かつ７５質量％以下のＳｂ、
   １５〜３９質量％のＳｎ、
   ３〜１５質量％のＡｇ、
   ３〜１０質量％のＣｕ、
   １〜１０質量％のＢｉ、
   ０〜６質量％のＩｎ、及び、不可避不純物からなり、
   Ｓｂ及びＳｎの合計が８０質量％以上を占める、はんだ合金。
2. １〜５質量％のＩｎを含む、請求項１に記載の、はんだ合金。
3. ４５質量％超かつ７５質量％以下のＳｂ、
   １５〜３９質量％のＳｎ、
   ３〜１５質量％のＡｇ、
   ３〜１０質量％のＣｕ、
   ０〜１１質量％のＢｉ、
   １〜５質量％のＩｎ、及び、不可避不純物からなり、
   Ｓｂ及びＳｎの合計が８０質量％以上を占める、はんだ合金。
4. はんだ合金の粉末と、樹脂と、溶剤と、を含み、前記はんだ合金は、請求項１〜３のいずれか１項に記載のはんだ合金である、はんだペースト。
5. 端子を有する電子部品と、配線部材と、前記端子と前記配線部材とを接合する接合部と、を備え、前記接合部は、請求項１〜３のいずれか１項に記載のはんだ合金を含む、電子部品モジュール。

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