JP7016015B2 - 実装構造体 - Google Patents
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Description
前記積層体は、前記セラミックス基板電極から前記金属基板電極に向かって、第1の界面層、第1のはんだ接合部、第2の界面層、第1の緩衝材電極、緩衝材、第2の緩衝材電極、第3の界面層、第2のはんだ接合部、及び、第4の界面層、の順に積層され、
前記積層体の厚みが30μm以上、100μm以下であり、
前記第1のはんだ接合部の厚さと前記第2のはんだ接合部の厚さとの差が25%以内であり、
前記第1のはんだ接合部と前記緩衝材との弾性率の差、及び、前記第1のはんだ接合部と前記緩衝材との線膨張係数の差がそれぞれ62%以内である。
前記積層体は、前記セラミックス基板電極から前記金属基板電極に向かって、第1の界面層、第1のはんだ接合部、第2の界面層、第1の緩衝材電極、緩衝材、第2の緩衝材電極、第3の界面層、第2のはんだ接合部、及び、第4の界面層、の順に積層され、
前記積層体の厚みが30μm以上、100μm以下であり、
前記第1のはんだ接合部の厚さと前記第2のはんだ接合部の厚さとの差が25%以内であり、
前記第1のはんだ接合部と前記緩衝材との弾性率の差、及び、前記第1のはんだ接合部と前記緩衝材との線膨張係数の差がそれぞれ62%以内である。
図1は、実施の形態1に係る実装構造体114における第1のはんだ接合部104から第2のはんだ接合部110までの厚み方向に対して平行方向の断面図である。
本実施の形態1における実装構造体114は、セラミックス基板101のセラミックス基板電極102と、金属基板113の金属基板電極112とを積層体117で接合された実装構造体である。積層体117は、セラミックス基板電極102から金属基板電極112に向かって、第1の界面層103-1、第1のはんだ接合104、第2の界面層103-2、第1の緩衝材電極106、緩衝材107、第2の緩衝材電極108、第3の界面層103-3、第2のはんだ接合部110、及び第4の界面層103-4の順に積層されている。また、積層体117の厚みが30μm以上、100μm以下である。さらに、第1のはんだ接合部104の厚さと第2のはんだ接合部110の厚さとの差が25%以内である。またさらに、第1のはんだ接合部104と緩衝材107との弾性率の差、及び、第1のはんだ接合部104と緩衝材107との線膨張係数の差がそれぞれ62%以内である。
また、第1、第2のはんだ接合部104、110の厚みは同等に設けている。
また、LEDなどの機器の動作により、繰り返し温度変化が生じた際、セラミックス基板101と金属基板113との線膨張係数の差によって熱応力が生じる。発生した熱応力は第1、第2のはんだ接合部104、110、緩衝材107にそれぞれ印加され、変形が起こる。この変形の際に発生する熱応力は、それぞれの弾性率、線膨張係数に影響を受ける。それぞれの弾性率、線膨張係数が異なる場合、それぞれの変形挙動が異なるため、応力集中が発生する。
Au-20Snは、強固なはんだ材料であり、大面積接合時の大きな熱応力に耐えることが出来るが、応力集中が生じる場合はクラックの進展を抑制することが困難である。
そこで、実施の形態1に係る実装構造体により、大面積の接合時にも、亀裂進展に耐える実装構造体を得ることが出来る。
また、LEDなどの機器で用いる場合、厚みが大きいと機器の厚みが大きくなってしまうため、第1のはんだ接合部104から第2のはんだ接合部までの厚みは、30-100μmの範囲であることが望ましい。
セラミックス基板101は、例えば、AlN基板であってもよい。具体的には、□10mm四方、15mm四方のAlNチップを用いることができる。
セラミックス基板電極102は、セラミックス基板101の上に設けられ、例えば、めっき層であってもよい。また、下層のNiめっきと上層のAuめっきとからなる2層のめっき層であってもよい。
金属基板113は、例えば、Cu板であってもよい。
金属基板電極112は、金属基板113の上に設けられ、例えば、めっき層であってもよい。また、下層のNiめっきと上層のAuめっきとからなる2層のめっき層であってもよい。
この実装構造体114は、セラミックス基板101のセラミックス基板電極102と、金属基板113の金属基板電極112とを積層体117で接合されている。この積層体117は、セラミックス基板電極102から金属基板電極112に向かって、第1の界面層103-1、第1のはんだ接合104、第2の界面層103-2、第1の緩衝材電極106、緩衝材107、第2の緩衝材電極108、第3の界面層103-3、第2のはんだ接合部110、及び第4の界面層103-4の順に積層されている。積層体117の厚さは、30μm以上、100μm以下である。以下に、この積層体117を構成する各層について説明する。
第1のはんだ接合部104は、めっき層であってもよい。材質は、例えば、Au-20Sn(AuSn合金であって、20wt%Snを含む組成)めっきであってもよい。なお、材質は、Au-20Snに限定されない。また、厚さは1μm以上、10μm以下である。
なお、第1の界面層103-1は、セラミック基板電極102と第1のはんだ接合部104との界面層として形成される。例えば、セラミック基板電極102の上層のAuめっきと第1のはんだ接合部104のAu-20Snめっきとの界面では、Au-20SnよりAuリッチな組成の第1の界面層103-1となる。
緩衝材107は、例えば、Cu、Ag、Alを用いることができる。さらに、Cu箔、Ag箔、Al箔であってもよい。Cu箔は、例えば、弾性率75GPa、線膨張係数16.2ppm/K、厚さ35μmであってもよい。また、第1の緩衝材電極106及び第2の緩衝材電極108は、例えば、緩衝材107であるCu箔の両面に施されためっき層、例えば、Niめっきであってもよい。また、第1のはんだ接合部104と緩衝材107との弾性率の差は、62%以内である。さらに、第1のはんだ接合部104と緩衝材107との線膨張係数の差は、62%以内である。
なお、第2の界面層103-2は、第1のはんだ接合部104と第1の緩衝材電極106との界面層として形成される。例えば、第1のはんだ接合部104のAu-20Snめっきと第1の緩衝材電極106のNiめっきとの界面では、Au-Sn-Niの三成分系の第2の界面層103-2となる。
第2のはんだ接合部110は、めっき層であってもよい。材質は、例えば、Au-20Sn(AuSn合金であって、20wt%Snを含む組成)であってもよい。なお、材質は、Au-20Snに限定されない。また、厚さは1μm以上、10μm以下である。なお、第1のはんだ接合部104の厚さと第2のはんだ接合部110の厚さとの差は、25%以内である。
なお、第3の界面層103-3は、第2の緩衝材電極108と第2のはんだ接合部110との界面層として形成される。例えば、第2の緩衝材電極108のNiめっきと第2のはんだ接合部110のAu-20Snめっきとの界面では、Au-Sn-Niの三成分系の第3の界面層103-3となる。
また、第4の界面層103-4は、第2のはんだ接合部110と金属基板電極112との界面層として形成される。
本実施の形態1の実装構造体は、次の手順で作製される。
図2は、本実施の形態1における実装構造体を接合する前の、第1のはんだ115から第2のはんだ116までの厚み方向に対して平行方向の断面図である。
(1)セラミックス基板101と、金属基板113と、を用意する。セラミックス基板101の片側にはセラミックス基板電極102が設けられている。また、金属基板113の片側には金属基板電極112が設けられている。
(2)緩衝材107を用意する。緩衝材107の両面には、第1の緩衝材電極106、第2の緩衝材電極108が設けられており、更にその表面に第1および第2のはんだ115、116がそれぞれ設けられている。第1、第2のはんだ115、116は、例えば、めっきによって作製され、材質はAu-20Snめっき、厚さは、1μm以上、10μm以下である。その下層に第1、第2の緩衝材電極106、108としてNiめっきを施したCu箔を準備する。このCu箔部分が接合後に緩衝材107となる。第1、第2の緩衝材電極106、108の厚みは互いに等しく、例えば、1μm以上、3μm以下である。実施の形態1におけるCu箔は、弾性率75GPa、線膨張係数16.2ppm/K、厚み35μmのものを使用する。
(3)次に、セラミックス基板101及び緩衝材107を、セラミックス基板電極102と第1のはんだ115の表面とが対向するように設置する。また、緩衝材107及び金属基板113を、金属基板電極112と第2のはんだ116とが対向するように設置する。
(4)次いで、上記の状態で第1、第2のはんだ115、116のAu-20Snの融点280℃以上である310℃まで加熱し、第1、第2のはんだ115、116を溶融させる。これによって、セラミックス基板電極102と第1の緩衝材電極106とは、それぞれの表面に第1の界面層103-1及び第2の界面層103-2を介して接合される。また、金属基板113上の金属基板電極112と第2の緩衝材電極108とは、それぞれの表面に第3の界面層103-3及び第4の界面層103-4を介して接合される。全体を冷却することで実装構造体114が形成される。
実施例1~3、比較例1~4で作製、評価した実装構造体を表1に記している。実施例1~3、比較例1~4では、Au-20Snの厚みを変化させ、第1、第2のはんだ接合部104、110の厚みの影響を評価した。
実施例1~3、比較例1~4では、□10mm四方、15mm四方の大面積の接合を有する実装構造体を作製し、検証を行った。ここでは、セラミックス基板101は、□10mm四方、15mm四方のAlNチップであり、その裏面に最表層がAuめっきであり、その下層がNiめっきであるセラミックス基板電極102を有する。また、金属基板113はCu板であり、その裏面に最表層がAuめっきであり、その下層がNiめっきである金属基板電極112を有する。
作製した実装構造体について、測定顕微鏡を用いて初期の傾きの状態確認を行った。傾きが10μm以下のものを○、それより大きいものを×と判定した。
初期の状態を確認した後に、繰り返し温度サイクル試験を実施した。-40℃⇔125℃、各5分保持、1000サイクルの液槽式温度サイクル試験を行い、完了後に超音波顕微鏡(Scanning Acoustic Tomograph、SAT)による亀裂観察を行った。表1にはその観察結果も併記しているが、クラック進展後の接合が確保できているかを以下の基準で判定した。つまり、セラミックス基板101の大きさで□10mm四方、□15mm四方共にクラックの面積率が全体の1/3以下であったものを◎、□10mm四方、□15mm四方いずれかでクラックが全体の1/3より大きく、1/2以下であったものを○、全体の1/2より大きいクラックが発生した場合を×と判定している。
また、実施例1-1から1-3、および比較例1-1から1-4のいずれにおいても、クラックの進展は小さく、判定は◎であった。
よって、実施例1-1~1-3と比較例1-1~1-4とを対比すると、本開示の実装構造体の効果を発現するための好適な条件として、第1のはんだ接合部104の厚さと、第2のはんだ接合部110の厚さとが同等であることが望ましいことがわかる。
実施例2-1~2-8、比較例2-1~2-2においては、緩衝材107の物性の影響を評価するために、緩衝材107の材質を変更して評価を行った。
実施例2-1~2-8、比較例2-1~2-2における評価水準を、表2に示している。なお、第1、第2のはんだ接合部104、110の厚みは、それぞれ5μmであり、実装構造体の作製方法および評価方法については上記実施例1と同様である。
また、繰り返し温度サイクル試験後のクラック進展は、実施例2-1から2-8において小さく、判定は◎または○であった。特に、緩衝材107として低弾性のCuを用いた実施例2-1、2-2、およびAgを用いた実施例2-5、2-6においては、クラックの進展は非常に小さく、判定は◎であった。
一方、緩衝材107にNiを用いた2-1および2-2は、クラックの進展が比較的大きく、判定は×であった。
緩衝材107の弾性率および線膨張係数が、第1、第2のはんだ接合部104、110と近いことによって、応力集中が発生せず、Au-20Snはんだの高強度な接合が維持されたためと考えられる。
第1、第2のはんだ接合部104、110と緩衝材107の弾性率、線膨張係数の差が62%以内であることが望ましい。
特に好適な条件として、第1、第2のはんだ接合部104、110と緩衝材107の弾性率、線膨張係数の差が20%以内であることが望ましい。
102 セラミックス基板電極
103 界面層
104 第1のはんだ接合部
106 第1の緩衝材電極
107 緩衝材
108 第2の緩衝材電極
110 第2のはんだ接合部
112 金属基板電極
113 金属基板
114 実装構造体
115 第1のはんだ
116 第2のはんだ
117 積層体
Claims (3)
- セラミックス基板のセラミックス基板電極と、金属基板の金属基板電極と、を積層体で接合された実装構造体であって、
前記積層体は、前記セラミックス基板電極から前記金属基板電極に向かって、第1の金属間化合物層、第1のはんだ接合部、第2の金属間化合物層、第1の緩衝材電極、緩衝材、第2の緩衝材電極、第3の金属間化合物層、第2のはんだ接合部、及び、第4の金属間化合物層、の順に積層され、
前記積層体の厚みが30μm以上、100μm以下であり、
前記第1のはんだ接合部の厚さと前記第2のはんだ接合部の厚さが同じであり、
前記第1のはんだ接合部及び前記第2のはんだ接合部が、Au-20Snであり、
前記緩衝材が、Cu、Al、Agのいずれかであり、
前記第1のはんだ接合部と前記緩衝材との弾性率の差が62%以内であり、
前記第1のはんだ接合部と前記緩衝材との線膨張係数の差が48%以内である、実装構造体。 - 前記セラミックス基板が、AlNである、請求項1に記載の実装構造体。
- 前記金属基板が、Cuである、請求項1又は2に記載の実装構造体。
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