JP7168008B2 - はんだ接合部 - Google Patents

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    • H01L2224/33181On opposite sides of the body
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    • H01L2224/8138Bonding interfaces outside the semiconductor or solid-state body
    • H01L2224/81399Material
    • H01L2224/814Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof
    • H01L2224/81438Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/81455Nickel [Ni] as principal constituent
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    • H01L2224/8181Soldering or alloying involving forming an intermetallic compound at the bonding interface
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    • H01L2224/81909Post-treatment of the bump connector or bonding area
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    • H01L2224/83048Thermal treatments, e.g. annealing, controlled pre-heating or pre-cooling
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    • H01L2224/83399Material
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    • H01L2224/83438Material with a principal constituent of the material being a metal or a metalloid, e.g. boron [B], silicon [Si], germanium [Ge], arsenic [As], antimony [Sb], tellurium [Te] and polonium [Po], and alloys thereof the principal constituent melting at a temperature of greater than or equal to 950°C and less than 1550°C
    • H01L2224/83455Nickel [Ni] as principal constituent
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    • H01L2224/838Bonding techniques
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    • H01L2224/83909Post-treatment of the layer connector or bonding area
    • H01L2224/83948Thermal treatments, e.g. annealing, controlled cooling
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    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/16Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations, e.g. centering rings
    • H01L23/18Fillings characterised by the material, its physical or chemical properties, or its arrangement within the complete device
    • H01L23/24Fillings characterised by the material, its physical or chemical properties, or its arrangement within the complete device solid or gel at the normal operating temperature of the device
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    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/36Selection of materials, or shaping, to facilitate cooling or heating, e.g. heatsinks
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    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/48Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor
    • H01L23/488Arrangements for conducting electric current to or from the solid state body in operation, e.g. leads, terminal arrangements ; Selection of materials therefor consisting of soldered or bonded constructions
    • H01L23/495Lead-frames or other flat leads
    • H01L23/49579Lead-frames or other flat leads characterised by the materials of the lead frames or layers thereon
    • H01L23/49582Metallic layers on lead frames
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    • H01L24/00Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/01Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
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Description

本発明は、はんだ接合部に関する。本発明は、特には、半導体装置における接合部に好適に用いられる、高信頼性のはんだ接合部に関する。
近年、IGBTモジュール(パワーモジュール)などの半導体装置に適用するはんだ材としては、現在知られている各種組成の鉛フリーはんだの中でも、取りわけはんだ濡れ性などの接合性、機械的特性、伝熱抵抗などの面で比較的バランスがよく、かつ製品への実績もあるSn-Ag系のPbフリーはんだが多く使われている。
省エネルギーやエネルギーの効率的な使用を目的として、市場には更に高いレベルの要求がある。例えば、車載用のパワーモジュールなどは、小型化、軽量化が求められている。そして、出力パワー密度が高くなり(大電流化)、チップ近傍温度が高くなるとともに、100℃を超える高温でも使用され、高温常時動作などの信頼性の要求が高まっている。また、製品の安心、安全の意識の高まりから、腐食ガス環境での長寿命化の要求もある。
絶縁基板にはんだマウントした半導体素子(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)の上面電極に配線部材としてヒートスプレッダを兼ねたリードフレームをはんだ接合し、半導体素子の発生熱をリードフレームに逃がして発熱密度の集中を防ぐようにした半導体装置の構造が知られている(例えば、特許文献1を参照)。
半導体装置を構成する導電性部材としては、熱伝導性の高い銅部材が使用される。このような銅部材に対し、耐食性の観点から、その表面にニッケル-リンめっき層を形成したものが使用されてきた。また、はんだ接合部に無電解ニッケル-銅-リンめっき皮膜が形成された配線基板も知られている(例えば、特許文献2を参照)。
特開2005-116702号公報 特開2001-313454号公報
パワー半導体といわれているMOS(Metal Oxide Semiconductor)型やIGBT型の素子は、動作時に自己発熱し、高い温度になる。発熱と冷却を繰り返す素子は、はんだにより接合されているが、素子の繰り返し発熱によってはんだ部に繰り返し歪みが負荷され、劣化する。高温で動作する半導体素子の接合には、放熱性の高いはんだ合金を用いることが好ましい。特に発熱を伴う半導体では、熱抵抗による損失を減らすために、銅(Cu)を電気的な接続材料として採用することが多い。例えば、DCB(Direct Copper Bonding)基板のCu板が知られている。
一方、硫黄(S)は、一般環境でも硫化ガスなどとして数十ppb程度存在し、上下水道やダンボールなどを扱う環境などでは、数十ppm~数百ppm程度存在する。これによりCuが腐食し、Cuイオンが近接する電極間の絶縁物の上を移動する。その結果、電極間の絶縁耐圧を低下させ、電極間を短絡させるマイグレーションの問題が生じる。またCuは硫化ガスにより腐食物が生成されると黒色に変色し、製品外観としてユーザから好まれないという側面もある。
マイグレーションには要因がふたつあるといわれており、半導体でも高電力を扱う製品では複合的な要因で発生する。半導体装置は、高温で且つ高湿度で使用される環境が考えられる。例えば、モジュールの電極間で、硫化ガス腐食によりマイグレーションが発生して電極間が短絡する。このため、Cuよりもマイグレーションが発生しにくい、Niの採用が検討されてきた。Ni層の形成には、量産性、均質性、耐食性の点から、P濃度が22から12%の無電解ニッケル-リン(Ni-P)めっきが用いられる。
このような背景の中、例えば、半導体素子と銅板にNi-Pめっきした基板とを接合する場合、高温にて信頼性の得られるSn-Sb-Ag系はんだとNi-Pめっき層とで接合する製品が多くなっている。このとき、はんだ溶融中(接合時)に接合体であるはんだ中へめっき層のNiが溶出し、はんだとNi-Pめっき層の界面に、脆性的なPの濃化相が生成される(P濃化層)。そのP濃化層には孔などの欠陥を多く含み、脆弱であることから、はんだ層とNiP層界面で剥離する現象が発生することで、接合体の信頼性が低下するおそれがある。P濃化相は、接合時に発生し、高温で動作する製品は、熱によりP濃化層は成長し、脆性層が拡大する。また欠陥も増加し、信頼性を低下させる。
特に、パワーモジュールなどでは、熱容量の大きい部材の接合であるため、はんだ溶融温度が高く、接合時間も長い接合工程が使用されている。図8の写真のように、膜厚5μmのNi-8%Pめっき層がSn-Sb系はんだ材と接合した際に、Niがはんだ中に溶出し、Ni-Pめっき層中に直径が0.1μm以上の空孔(欠陥)が生じる問題がおきる。接合時間とNi溶出量を調整するために、例えば10μm以上のめっき厚さにすれば、接合中にNiが溶出し、Snと化合物を作ってしまうことを抑制し、Ni-Pめっき層を残すことも可能である。しかし、溶出した部分については、空孔(欠陥)が発生するので、信頼性が低くなる。写真は、300℃、1.5分以上保持し、はんだ接合した例である。この際めっき膜は柱状に結晶化していることが透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)像から分かった。このため、Niが溶出しやすくなっていると考えられる。また、はんだ接合部は製品駆動時の電流印加により発熱し、その発熱により熱拡散が起こる。そのため、例えば、はんだと被接合体との間にできた金属間化合物の結晶が成長し粗大化したり、柱状化したり、層の厚さが厚くなることがある。この熱拡散による異材界面の変化は接合強度を向上させることもある。しかし、拡散が進みすぎ、100nm以上の大きさの結晶粒になると、強度低下など劣化となることが考えられる。特に、大きな比表面積をもつ柱状の結晶は熱拡散においても拡散しやすくなることが考えられる。
本発明者らは、鋭意検討の結果、はんだ材と接触する面に、Ni-Pめっきではなく、特定の組成を備えるNi-P-Cuめっき層を備える被接合体を用い、特定の組成を備えるはんだ材と組み合わせて接合層を形成することで、信頼性の高い接合部を形成することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
[1] 本発明は、一実施形態によれば、Snを主成分とし、Ag及び/またはSb及び/またはCuをさらに含むはんだ材が溶融されたはんだ接合層と、前記はんだ接合層と接する面にNi-P-Cuめっき層を備える被接合体とを含むはんだ接合部であって、前記Ni-P-Cuめっき層が、Niを主成分とし、0.5質量%以上であって、8質量%以下のCuと、3質量%以上であって、10質量%以下のPとを含み、前記Ni-P-Cuめっき層が、前記はんだ接合層との界面に微結晶層を有し、前記微結晶層が、NiCuP三元合金の微結晶を含む相と、(Ni,Cu)Pの微結晶を含む相と、NiPの微結晶を含む相とを備える、はんだ接合部に関する。
[2] 前述の[1]に記載のはんだ接合部において、前記NiCuP三元合金の微結晶が、平均粒子径が約10nm以下の微結晶を含むことが好ましい。
[3] 前述の[1]または[2]に記載のはんだ接合部において、前記微結晶層が、長径が75nm以上の柱状結晶または粒子を含まないことが好ましい。
[4] 前述の[1]~[3]のいずれかに記載のはんだ接合部において、前記はんだ材が、Snと、Agと、Sbとを含むことが好ましい。
[5] 前述の[4]に記載のはんだ接合部において、前記はんだ材が、さらに、Ni及び/またはGe及び/またはCuを含有することが好ましい。
[6] 前述の[1]~[5]のいずれかに記載のはんだ接合部において、前記Ni-P-Cuめっき層を備える被接合体が、Cu、AlまたはCu合金を主成分とする母材に無電解Ni-P-Cuめっき層を設けた部材であることが好ましい。
[7] 本発明は別の実施の形態によれば、前述の[1]~[5]のいずれかに記載のはんだ接合部を備える電子機器に関する。
[8] 本発明はまた別の実施の形態によれば、前述の[1]~[5]のいずれかに記載のはんだ接合部を備える半導体装置に関する。
[9] 前述の[8]に記載の半導体装置において、前記はんだ接合部が、基板電極、リードフレームもしくはインプラントピンと、半導体素子との接合部、導電性板と放熱板との接合部、及び/または端子間の接合部であることが好ましい。
[10] 前述の[9]に記載の半導体装置において、前記半導体素子が、Si半導体素子またはSiC半導体素子であることが好ましい。
本発明に係るはんだ接合部は、従来、接合部に経時的に発生していた欠陥が非常に発生し難いため、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。
図1は、本発明に係るはんだ接合部を模式的に示す概念図である。 図2は、本発明に係るはんだ接合部を備える半導体装置の一例を模式的に示す概念図である。 図3は、従来技術に係るはんだ接合部を模式的に示す概念図である。 図4は、実施例8のはんだ接合部の走査型電子顕微鏡による断面写真である。 図5は、比較例4のはんだ接合部の走査型電子顕微鏡による断面写真である。 図6は、実施例8のはんだ接合部の断面の透過型顕微鏡写真である。 図7は、図6の拡大写真である。 図8は、比較例4のはんだ接合部の断面の透過型顕微鏡写真である。 図9は、図8の拡大写真である。
以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。本明細書全体において、A、B、C、Dを金属元素、a、bを整数とした場合に、(A,B)(C,D)で特定される金属間化合物は、A化合物において、Aの一部がBで置換され、Cの一部がDで置換されているものを含む、複数の金属間化合物が混合した形態をいうものとする。また、この場合、括弧内に先に記載された元素Aの存在割合は、後に記載されたBの存在割合より多く、同様に、Cの存在割合は、Dの存在割合よりも多いものとする。また、本明細書において、はんだ接合層とは、はんだ材が溶融されて、被接合体と接合した状態にあるものをいう。また、はんだ接合部とは、はんだ接合層と、被接合体とを含む概念をいうものとする。被接合体ははんだ接合層の各面に接触してはんだ接合層により接合される各部材をいうものとする。
[第1実施形態:はんだ接合部]
本発明は、第1実施形態によれば、はんだ接合部であって、Snを主成分とし、AgまたはSbをさらに含むはんだ材が溶融されたはんだ接合層と、前記はんだ接合層と接する面にNi-P-Cuめっき層を備える被接合体とを含む。接合部は、前記Ni-P-Cuめっき層が、前記はんだ接合層との界面に、微結晶層を有し、前記微結晶層が、NiCuP三元合金の微結晶を含む相と、(Ni,Cu)Pの微結晶を含む相と、NiPの微結晶を含む相とを備える。
(被接合体)
本実施形態による接合部を構成する被接合体は、はんだ接合層と接する面にNi-P-Cuめっき層を備える部材である。Ni-P-Cuめっき層を備える部材は、導電性部材にNi-P-Cuめっき層を形成した部材であってよい。導電性部材としては、Cu、Al、Cu合金(例えば、Cu-Sn合金やCu-Zn合金)を主成分とする部材が挙げられるが、これらには限定されない。
Ni-P-Cuめっき層は、Niを主成分とし、PならびにCuを所定の量で含む無電解めっき層である。Ni-P-Cuめっき層におけるCuの含有量は、0.5質量%以上であって、8質量%以下である。0.5質量%未満とすると、Niの拡散を抑制するCuの置換量が不足しており、はんだ接合時および製品使用時の発熱による熱拡散の抑制効果が得られない。Cu量が8質量%よりも多いと、CuはNiよりも酸化しやすいためにはんだ接合性が低下することや、腐食ガスなどでの耐腐食性が低下する。Cuの含有量は、2.0質量%以上であって、4質量%以下であることが好ましい。発熱を伴うはんだ接合では、はんだの接合性(濡れ性)がよいことも重要な特性であり、はんだ濡れ性が低下せず、酸化や腐食の性能が低下しない点を考慮すると、後述するNiCuP三元合金の微細な結晶ができる範囲で、その他の特性が低下しない範囲として、上記のCuの添加量が望ましい。
Ni-P-Cuめっき層におけるPの含有量は、3質量%以上であって、10質量%以下である。3質量%未満とすると、欠陥の原因となりうるNiの柱状構造が生成しやすくなる。また、10質量%を超えると、NiP化合物が析出し、結晶質の膜になり、Niが容易にはんだ接合層に溶出しやすくなるため好ましくない。好ましくはPの含有量は、4質量%以上であって、6質量%以下である。この範囲においては、はんだと接合した際にも、Niの柱状構造が生成しにくく、後に詳述するP濃化層や欠陥を抑制することができる。また、濡れ性も良好である。なお、一般的に、めっきの析出速度の遅いNiめっきでは、触媒であるPを添加することで、高速にめっきすることができる。より具体的には、Niを還元析出させる際に、リン酸を還元剤として用いるために、PがNi膜中に入る。従来技術による一般的なNi-Pめっきにおいて、P濃度は10質量%程度で、NiP化合物とNiとPの混合しためっき層を形成するが、NiP化合物がめっき中に析出し濡れ性を低下させると言われている。このため、はんだ接合用の表面処理材として使用されている従来の一般的なNi-Pめっきにおいては、NiP化合物がめっき中に析出しないP濃度としており、通常、6~8質量%としている。しかしながら、本実施形態においては、以下に詳述するはんだ材と組み合わせて用いる場合、P濃度は8質量%以下にすると濡れ性は向上し、さらに6質量%以下にすることでより濡れ性を向上させることができる。
Ni-P-Cuめっき層における残部は、実質的にNiである。Niを主成分とし、Cu及びPを上記の所定量で含むことにより、はんだ接合層を形成した場合に、Ni-P-Cuめっき層と、はんだ材中に含まれるSnとが反応し、生成するNiSn化合物の生成を抑制することができる。つまり、めっき層中のNiがはんだ材中のSnと過剰に反応して、めっき層中のNiが溶出して、Ni濃度の低い層、言い換えればP濃度の高い層が形成されるのを抑制することができる。ひいては、空孔(欠陥)を低減することができる。なお、Ni-P-Cuめっき層には、Ni、P、Cu以外に、触媒金属塩などの添加剤由来の不可避不純物として、Fe、Au、Ag、Pd、Bi、Pb、In元素を含む場合がある。なお、本発明の組成範囲では、Ni-P-Cuめっき層は非結晶状態で、X線回折分析しても、NiPなどの合金のピークはなく、ブロードの波形である。
Ni-P-Cuめっき層の厚みは特には限定されないが、例えば、1~10μm程度であってよく、2~5μm程度とすることが好ましい。
Ni-P-Cuめっき層が形成される被めっき母材は、導電性部材であればよく、特には限定されない。典型的には、Cu、Al、もしくは、Cu-Sn、Cu-ZnなどのCu合金を主成分とする部材であってよい。また、被めっき母材は接合面にNi-P-Cuめっき層が設けられていればよく、その形状等は特には限定されない。
母材へのNi-P-Cuめっき層の形成方法は、特には限定されず、一般的な無電解めっき方法によることができる。Ni-P-Cuめっき層を形成することができるめっき浴の組成としては特には限定されないが、ニッケル塩、銅塩、次亜リン酸塩、及び錯化剤を含む一般的なめっき浴の組成を用いることができる。さらに具体的には、硫酸ニッケル、硫酸銅、次亜リン酸ナトリウム、クエン酸ナトリウムを含み、本発明の所望の範囲の組成のめっき膜を形成することができるめっき浴を用いることができる。また、被めっき母材の前処理として酸処理、ジンケート処理(亜鉛析出)やPdやPtなどの触媒を付着させる処理を用いてもよい。
はんだ接合層が二以上の被接合体の間に位置して、二以上の被接合体間を接合し、接合部を形成する場合、少なくとも一方の被接合体が、Ni-P-Cuめっき層を備える被接合体であればよい。他方の被接合体は、Ni-P-Cuめっき層を備える被接合体であってもよく、その他の被接合体であってもよい。その他の被接合体としては、接合部を含む製品の目的に適合し、かつ当該製品において問題となる発熱とそれによる熱応力にて破壊しない部材が適宜選択され、例えば、Cu、Ni、Ag、Au、またはこれらを含む合金等が挙げられるが、これらには限定されない。
(はんだ材)
本実施形態のはんだ接合部において、溶融してはんだ接合層を形成するはんだ材としては、Snを主成分とし、Ag及び/またはSb及び/またはCuを含むはんだ材を用いることができる。これらの成分に加え、Ni、Ge、Si、V、P、Bi、Au、Pb、Al、Cから選択される1以上の成分を含むはんだ材を用いることが好ましい。鉛フリーはんだと呼ばれている、Pbが500ppm以下で、Snを主成分としているはんだ材料では、Sn-AgやSn-Ag-Cu、Sn-Sb、Sn-Sb-Agなど2元共晶系材料や3元共晶系材料など、多数の成分がある。各々Snに対して析出物にて材料強度を強化する析出強化系のSn-Ag系材料やSn中に固溶するSbやBiなどで材料強度を強化する固溶強化系の材料がある。いずれも物理的な形状で強化する元素や、Sn中に固溶し、結晶構造として強化できる元素がある。またその各々を組み合わせて、析出強化と固溶強化できる組み合わせもある。Sn中への添加元素はそれぞれ凝固組織を緻密にすることや、熱拡散による組織の熱変形を抑制する効果が期待できる。本発明において有用なはんだ材は、例えば、Sn-Ag、Sn-Sb、Sn-Ag-Sb、Sn-Ag-Cu、Sn-Sb-Ag-Ni、Sn-Sb-Ag-Cu、Sn-Sb-Ag-Ni-Ge、Sn-Sb-Ag-Ni-Cu-Ge、Sn-Ag-Cu-Ni、Sn-Ag-Cu-Ge、Sn-Ag-Cu-Ni-Geはんだである。なお、本明細書において、E、F、Gをそれぞれ元素として、「E-F-Gはんだ」と表現するとき、EとFとGを含み、不可避不純物を含んでもよいはんだ材を意味し、元素の組成比は特には限定されないものとする。以下に、より具体的に、好ましく使用することができるはんだ材の態様を説明する。
(第1態様:Sn-Ag-Sb)
第1態様によるSn-Ag-Sbはんだ材としては、Sbを、5.0質量%を超えて10.0質量%以下と、Agを2.0質量%~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を好ましく用いることができる。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が500ppm以下の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、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。Sn-Ag-Sbはんだ材は、さらに好ましくは、Sbを、6.0質量%~8.0質量%含有し、Agを3.0質量%~4.0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、上記利点に加え、さらに、温度の上昇とともに、合金の熱伝導率も上昇させることができる。なお、Agは、Ni,Cu,Pとは反応しにくく、Ni-Cu-Pめっき層とはんだ層の界面において化合物を作らないので、P濃化層や空孔や結晶の粗大化などの悪影響を引き起こすことがなく、AgSnなどの合金によりはんだ材自体の強度を向上させる効果を有する。以下の第2態様から第6態様においても同様である。
(第2態様:Sn-Sb-Ag-Ni)
第2態様による、Sn-Sb-Ag-Niはんだ材としては、Sbを、5.0質量%を超えて10.0質量%以下と、Agを2.0質量%~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合金を好ましく用いることができる。第1態様の組成に、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。さらに好ましくは、Sbを、6.0質量%~8.0質量%含有し、Agを3.0質量%~4.0質量%含有し、Niを0.01質量%~0.5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、はんだ材の融点260℃以下に低減できるといった利点が得られる。
(第3態様:Sn-Sb-Ag-Cu)
第3態様による、Sn-Sb-Ag-Cuはんだ材としては、Sbを、5.0質量%を超えて10.0質量%以下と、Agを2.0質量%~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合金を好ましく用いることができる。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。さらに好ましくは、Sbを、6.0質量%~8.0質量%含有し、Agを3.0質量%~4.0質量%含有し、Cuを0.1質量%~0.9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、特に濡れ性が良いといった利点が得られる。
(第4態様:Sn-Sb-Ag-Ni-Ge)
第4態様による、Sn-Sb-Ag-Ni-Geはんだ材としては、Sbを、5.0質量%を超えて10.0質量%以下と、Agを2.0質量%~4.0質量%と、Niを、0を超えて1.0質量%以下含有し、Geを、0.001質量%~2.0質量%含有し、残部は、Sn及び不可避不純物からなる合金を好ましく用いることができる。第2態様の組成に、さらにGe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。さらに好ましくは、Sbを、6.0質量%~8.0質量%含有し、Agを3.0質量%~4.0質量%含有し、Niを0.01質量%~0.5質量%含有し、Geを、0.003質量%~0.01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、はんだ材の融点260℃以下に低減できるといった利点が得られる。
(第5態様:Sn-Sb-Ag-Ni-Cu-Ge)
第5態様による、Sn-Sb-Ag-Ni-Cu-Geはんだ材としては、Sbを、5.0質量%を超えて10.0質量%以下と、Agを2.0質量%~4.0質量%と、Niを、0を超えて1.0質量%以下と、Cuを、0を超えて1.2質量%以下と、Geを、0.001質量%~2.0質量%含有し、残部は、Sn及び不可避不純物からなる合金を好ましく用いることができる。第5態様の組成に、さらにCu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。さらに好ましくは、Sbを、6.0質量%~8.0質量%含有し、Agを3.0質量%~4.0質量%含有し、Niを0.01質量%~0.5質量%含有し、Cuを、0.1質量%~0.9質量%含有し、Geを、0.003質量%~0.01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、はんだ材の融点260℃以下に低減できるといった利点が得られる。
(第6態様:Sn-Ag-Cu)
第6態様による、Sn-Ag-Cuはんだ材としては、Agを2.0質量%~4.0質量%と、Cuを、0.1質量%~2質量%含有し、残部は、Sn及び不可避不純物からなる合金を好ましく用いることができる。第6態様の利点としては、はんだの融点を低温化でき、濡れ性も向上することができる。Agを3.0質量%~4.0質量%含有し、Cuを0.5質量%~0.9質量%含有し、残部は、Sn及び不可避不純物からなることがさらに好ましい。本態様の変形態様としては、これらに、Ni及び/またはGeをさらに添加した、Sn-Ag-Cu-Niはんだ材、Sn-Ag-Cu-Geはんだ材、Sn-Ag-Cu-Ni-Geはんだ材が挙げられる。これらの組成においては、Sn、Ag、Cuに加え、Niを0.02質量%~0.1質量%、好ましくは、0.03質量%~0.06質量%含有し、及び/または、Geを0.001質量%~2質量%、好ましくは、0.003質量%~0.01質量%含有することができる。
(変形態様)
変形態様として、第1~第6態様によるはんだ材は、いずれにも、Ge、P、あるいはそれらの両方をさらに添加することができる。Geは、合金の熱拡散経路に影響を与えることができ、またGe及びPは、いずれも、はんだ材の酸化抑制の効果があり、濡れ性の向上に寄与しうるためである。この場合、はんだ材は、Geを、0.001質量%~2.0質量%含有することが好ましい。あるいは、もしくはこれに加えて、Pを、0.001質量%~0.1質量%含有することが好ましい。Ge、Pの両者を添加する場合も、上記範囲から添加量を適宜選択することができる。GeとPは、両者ともにSnよりも酸化しやすく、この添加範囲でSnの酸化を防止し、はんだ材の濡れ性を確保することができる。なお、第4、第5態様、及び第6態様の変形態様においては既にGeの添加並びにその好適な添加量を記載しているため、これらの態様においては、各態様に記載のGeの添加量とすることができる。また、第1~第6態様、及びこれらの変形態様によるはんだ材の各組成からAgを除いた組成も変形態様とすることができる。
本発明におけるはんだ材は、上記第1~第6態様及びそれらの変形態様のいずれも、通常の方法に従って、Sn、Ag及び/またはSb及び/またはCu、及び任意選択的に添加元素から選択される各原料、あるいは各原料を含む母合金を電気炉中で溶解することにより調製することができる。各原料は純度が99.99質量%以上のものを使用することが好ましい。
また、第1~第6実施態様及びそれらの変形態様によるはんだ材は、板状のプリフォーム材(板状はんだ)として、あるいは粉末状にしてフラックスと合わせてクリームはんだとして使用することができる。粉末状に加工してフラックスと合わせてクリームはんだとする場合に、はんだ粉末の粒径としては、粒径分布が、10~100μmの範囲にあるものが好ましく、20~50μmの範囲にあるものがさらに好ましい。平均粒径では、例えば、一般的なレーザ回折/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。酸化膜を除去する清浄化作用等を有す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。
はんだ接合層の形成に用いるはんだ材の厚さや形状などは、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。一例として、はんだ接合層の厚さは、約200~300μm程度とすることができるが、この範囲には限定されない。接合部の形成は、被接合材のめっき膜表面にはんだ材を配置し、所定の温度で加熱する。これにより、めっき膜を構成するNi等が、溶融したはんだ層に瞬時(数ms~数十ms)に拡散して合金層を形成し、接合される。第1~第6実施形態及びそれらの変形態様によるはんだ材の場合、被接合部材同士をはんだペース卜やはんだペレット(板状はんだ)を介して接触させた後、接合温度としては、加熱ピーク温度をはんだ材の液相線温度(融点)より20~50℃程度高い温度、例えば、250℃以上350℃以下程度の温度で、0.5分間以上30分間以下程度、好ましくは1分間以上5分間以下程度保持して熱処理する。接合雰囲気は、窒素雰囲気とすることができ、あるいは水素やギ酸などの活性雰囲気にて接合することも可能である。特に板状はんだを用いる場合は、還元作用を有する水素、ギ酸等のガスを使用することが好ましい。これらの還元作用を有する活性ガス雰囲気で接合する場合には、そのガスが酸化物を効果的に還元する温度、例えば、250~280℃とすることが好ましい。実際の接合では、数℃以上の温度分布を持ち接合するために、ある一定以上の温度と時間を確保することで、安定な接合品質が得られる。その後、所定の降温速度で冷却することにより、溶融したはんだを固化させ、はんだ接合層を形成する。この熱処理の昇温速度は1℃/秒程度であるが、降温速度は5℃/秒以上であるのが好ましく、8℃/秒以上15℃/秒以下であるのがより好ましい。従来の接合方法では、はんだ接合層を形成するための熱処理の降温速度は1℃/秒であったが、この場合、めっき層中の微細結晶が粗大化しやすくなり、上記の降温速度範囲にすることにより、所定の構成を有するはんだ接合層とすることが容易となる。
(界面組織)
上記の被接合材とはんだ材とを組み合わせ、はんだ材を溶融して形成した接合部は、Ni-P-Cuめっき層の、はんだ接合層との界面に微結晶層を備えている。図1は、本実施形態によるはんだ接合部を模式的に示す概念図であり、図1(a)は接合直後のはんだ接合部の模式図、図1(b)は接合後、175℃で、250時間処理した後のはんだ接合部の模式図である。
図1(a)を参照すると、母材層6、Ni-P-Cuめっき層5、微結晶層1、第1の金属間化合物層2、第2の金属間化合物層3層、はんだ層4が順に形成されている。この中で、Ni-P-Cuめっき層5、微結晶層1が、被接合体のNi-P-Cuめっき層に由来している。母材層6は、被めっき母材であり、銅や銅合金、アルミニウムやアルミニウム合金などが用いられる。第1の金属間化合物層2は、(Ni,Cu)(Sn,Sb)層または、Ni(Sn,Sb)の金属間化合物が析出した層であり、めっきのNiやCuが溶出し、はんだ材のSn等と反応して形成された層である。また、第2の金属間化合物層3は、(Ni,Cu)(Sn,Sb)層またはNi(Sn,Sb)の金属間化合物が析出した層であり、同様にめっきのNi,Cuが溶出し、はんだ材のSn等と反応して形成された層である。はんだ層4は、はんだ材に由来している。なお、図1は、模式的な概念図であって、各層の厚みやそれらの相対的な厚さの関係は本発明を限定するものではない。特に、第2の金属間化合物層3と、Ni-P-Cuめっき層5は、微結晶層1と比較して大きな厚みをもつことから、省略線を付して示している。Ni-P-Cuめっき層5は、はんだ接合前の初期の組成および構造を維持している層である。図示はしていないが、微結晶層1とNi-P-Cuめっき層5との間に、変移層が存在する。変移層は、原子欠陥があるNiやNiPを含む層である。
各層について説明する。母材層6、Ni-P-Cuめっき層5は、上記被接合体に由来し、はんだ材の溶融前(接合層の形成前)とほぼ変化しない層である。これらの層は、走査型電子顕微鏡(SEM)によるはんだ接合部の断面写真観察と、元素分析、例えばEDX(Energy dispersive X-ray spectrometry)スポット分析及びマッピング分析により特定することができる。なお、はんだ接合部の断面とは、はんだ接合層と被接合材との界面に垂直な断面をいうものとする。
微結晶層1は、Ni-P-Cuめっき層の、はんだ接合層との界面に形成される層である。なお、Ni-P-Cuめっき層の、はんだ接合層の界面とは、接合前のはんだ材と被接合体との界面であるが、図1では、凡そ微結晶層1と第1の金属間化合物層2の界面である。具体的には、はんだ材と被接合体由来のNi-P-Cuめっき層の元素が混じりあう層が形成されるが、図1については、Ni-P-Cuめっき層のNi等が拡散して第1の金属間化合物層2および第2の金属間化合物層3が形成される。微結晶層1は、非晶質層の中に、金属間化合物の結晶粒が散在している層である。微結晶層1の存在もまた、走査型電子顕微鏡によるはんだ接合部の断面写真観察と、元素分析、例えばEDXスポット分析及びマッピング分析により特定することができる。微結晶層1をより詳細に分析すると、(1)(Ni,Cu)Pの微結晶を含む相と、(2)NiPの微結晶を含む相と、(3)NiCuP三元合金の相であって、(1)、(2)以外の微結晶を含む相の三相が共存している。図1にはこれらの三相は具体的には示していない。これらの相は、透過型電子顕微鏡による結晶観察と元素分析により特定することができる。このように、微結晶層1には、凡そ三つの相が形成されており、それぞれの相の微結晶の主な組成は異なっている。これらの微結晶層1に含まれるCuは被接合体のNi-P-Cuめっき層由来である。はんだ材の組成にCuが含まれる場合も、Cuが含まれない場合も、微結晶層1の組成や化合物の量には実質的な影響はない。
(1)(Ni,Cu)Pの微結晶を含む相は、(Ni,Cu)P化合物の微結晶を含む、この(Ni,Cu)P化合物は、元素分析により特定することができる。(Ni,Cu)Pの微結晶の結晶粒の粒子径は5から20nm程度で平均粒径が約10nm以下である。約10nm以下の微結晶は、走査透過型電子顕微鏡(STEM:Scanning Transmission Electron Microscope)観察で得られた像によりコントラストの違いにより確認することができる。通常の透過電顕電子顕微鏡(TEM)でも可能であるが、STEM像では、より高いコントラストが得られるため、ナノレベルの結晶の確認に有効である。STEM観察では、薄膜試料を透過した電子を検出して得られたものであるが、散乱吸収コントラスト、回折コントラスト、位相コントラストなどTEMで得られるコントラストは全て得られ、いずれのコントラストからも、この結晶粒を特定することができる。(Ni,Cu)P微結晶の平均粒径は、透過型電子顕微鏡にて80000倍で観察した際の観察視野0.36μm当たりの(Ni,Cu)P微結晶の粒子の長径を画像処理により平均した値をいうものとする。
(2)NiPの微結晶を含む相は、NiP化合物の微結晶を含む。この化合物は、元素分析により特定することができる。NiPの結晶粒の粒子径は5から20nm程度で平均粒径が約10nm以下である。NiP微結晶の特定方法及びNiP微結晶の平均粒径の測定方法は上記と同様とする。
(3)NiCuP三元合金の微結晶を含む相は、(Ni,Cu)Pや、NiP以外の組成が主体である結晶粒を含み、具体的には、(Ni,Cu)、Ni、Cu、(Ni,Cu)12、Ni12、Cu12、(Ni,Cu)P、NiP、CuP、CuPの微結晶を含む。この相は、結晶粒子径が5から20nm程度で平均粒径が約10nm以下の微結晶を含む。このNiCuP三元合金の粒子は、STEM観察や、TEM観察により特定することができる。また、この微結晶が、NiCuP三元合金であることは、TEM観察試料でEDX分析することにより特定することができる。なお、NiCuP三元合金の微結晶粒子の平均粒径とは、透過型電子顕微鏡にて80000倍で観察した際の観察視野0.36μm当たりのNiCuP三元合金の微結晶粒子の長径を画像処理により平均した値をいうものとする。
STEMを用いて80000倍で観察した際の観察視野0.09μm(0.3μm×0.3μm)当たりの各微結晶を組成分析し、(1)、(2)、(3)の3つの相に分類すると、(1)(Ni,Cu)Pの微結晶と(2)NiPの微結晶は、合わせて50%以上であって、80%未満である。このパーセンテージは、観察視野内の微結晶の総数に対して、(1)の微結晶数と(2)の微結晶数の和が占める割合である。
微結晶層1には、直径もしくは長径が75nmを超えるような粒子の結晶はおおむね存在しない。このことは、走査型電子顕微鏡によるはんだ接合部の断面写真観察や、透過型電子顕微鏡による結晶観察により確認することができる。被接合体に形成するNi-P-Cuめっき層が、上記のように1~10μm程度の範囲の厚みの場合、その厚みに関わらず、微結晶層1の厚みは、0.5~1.5μm程度であり、一例としては、0.8~1.2μm程度である。本実施形態による接合部においては、微結晶層1における長径が10nm以上の空孔の数は、接合部断面の観察視野当たり50個以下であり、好ましくは25個以下である。この数値は、接合部の微結晶層1の断面を透過型顕微鏡にて80000倍で観察した際の観察視野0.36μm当たりの空孔を数えた場合の数である。
微結晶層1における、NiCuP三元合金の微結晶粒子の大きさは、被接合体に形成するNi-P-Cuめっき層におけるCu濃度によって異なる。例えば、Cu濃度が0.5質量%から1質量%の時には、粒子直径が概ね50nm以下であり、Cu濃度が1%から3%の時には、粒子直径が概ね20nm以下の均一な結晶となり、結晶化が抑制されていて好ましい。また、Cu濃度が3質量%~8質量%の時には、粒子直径がより小さくなり、微細な組織となる。なお、ここでいう直径とは、STEM画像による、接合部の断面写真を観察して得られる、微結晶粒子の直径をいうものとする。20nm以下の微細結晶の平均粒径は、概ね15nm程度であり、この単位体積mmあたりの表面積は、3540000mmとなる。これに対し、10~200nmの粒子が混在した時の平均粒径は、概ね105nm程度であり、単位体積mmあたりの表面積は50571mmとなる。熱による相互拡散で支配的となる粒の粒界拡散の面積は、結晶が小さいものほど拡散に必要な距離が大きくなり同じエネルギーが外部から負荷された時の拡散量は比表面積が大きいほど小さくなる。このためにNi-Pめっきとはんだ接合部の界面に発生する孔は拡散距離が大きい微細な結晶をもつ組織で抑制されることになる。
図1(b)は、175℃で、250時間の処理を行った、加熱後のはんだ接合層に関する。なお、この加熱処理は、半導体装置等の信頼性を評価するための加速試験である。本実施形態によるはんだ接合層は、加熱後においても、ほとんど変化がない。特には、微結晶層1における結晶の成長や、欠陥の生成、微結晶層1の厚みの実質的な変化が見られない。また、第1、第2の金属間化合物層2、3についても殆ど変化しない。さらに、175℃で、3000時間の処理を行った後も、電界放出型走査電子顕微鏡(FE-SEM)を用いて、10000倍で観察した際の観察視野4.6μm当たり、0.5μm以上の空孔は観察されない。
本実施形態による特定の組成を有するNi-P-Cuめっき層を備える被接合体を用いて接合部とすることで、被接合体のNi-P-Cuめっき層に由来する微結晶層においては、微結晶の存在によって、拡散の大きい粒界の方位がランダムになる。これにより、Niの拡散の方向が揃わず、はんだ接合層に向かうNiの拡散速度が遅くなる。ゆえに、はんだ接合層へのNiの溶出とこれに伴う界面での脆化、欠陥を防止することができ、長期信頼性の高いはんだ接合部を提供することができる。
図3は、従来技術のはんだ接合部を模式的に示す概念図である。従来技術のはんだ接合部は、Snを主成分とし、Ag及び/またはSb及び/またはCuをさらに含むはんだ材が溶融されたはんだ接合層と、前記はんだ接合層と接する面にNi-Pめっき層を備える被接合体とを含む。図3(a)は接合直後のはんだ接合層の模式図、図3(b)は接合後、175℃で、250時間処理した後のはんだ接合層の模式図である。従来技術のはんだ接合部においては、Ni-Pめっき層が、はんだ接合層との界面に微結晶層を含んでおらず、リン濃化層(P濃化層)を含んでいる。
図3(a)を参照すると、母材層106、Ni-Pめっき層105、P濃化層101、第1の金属間化合物層102であるNi(Sn,Sb)層、第2の金属間化合物層103であるNi(Sn,Sb)層、はんだ層104が順に形成されている。この中で、Ni-Pめっき層105、P濃化層101が、被接合体のNi-Pめっき層に由来しており、母材層106は、被めっき母材である。第1の金属間化合物層102であるNi(Sn,Sb)層、第2の金属間化合物層103であるNi(Sn,Sb)層は、めっきのNiが溶出し、はんだ材のSn等と反応して形成された層であり、これらとはんだ層104が接合前のはんだ材に由来している。なお、図3もまた、模式的な概念図であって、各層の厚みの相対的関係は本発明を限定するものではない。特に、第2の金属間化合物層103と、Ni-Pめっき層105は、P濃化層101と比較して大きな厚みをもつことから、省略線を付して示している。
従来技術のはんだ接合部においても、母材層106、Ni-Pめっき層105、第1の金属間化合物層102、第2の金属間化合物層103及びはんだ層104が形成されている。Ni-Pめっき層105はCuを含まないため、第1の金属間化合物層102、第2の金属間化合物層103の組成は、図1に示す本発明の実施形態による第1の金属間化合物層2、第2の金属間化合物層3の組成と異なっている。そして、本発明の実施形態による、Cuで置換されている第1の金属間化合物層2、第2の金属間化合物層3の特性は、Cuを含まない第1の金属間化合物層102、第2の金属間化合物層103と比較して、安定で、成長しにくいという特性がある。
P濃化層101の組織形態は、図1に示す本発明の実施形態による微結晶層1と大きく異なっている。図3(a)を参照すると、接合初期の接合部において、第1の金属間化合物層102との界面近傍のP濃化層101aには、Niがはんだ側へ拡散したことに起因する空孔hが多く存在し、密度低下(粗化)した層となっている。なお、図5に示すようにP濃化層101aの空孔hを走査型電子顕微鏡により観察すると、空孔hが凹んで黒色に観察される。また、図8に示すように透過型電子顕微鏡による観察では連続した空孔が白色部としてみられる。図3において、空孔hは模式的に黒で塗りつぶした楕円で表す。また、P濃化層101aには、図3中で、複数の白い楕円で表されるやや柱状晶のPを含んだNiの粒子を含む。ここで、やや柱状晶とは、その断面が概ね楕円形となるとなる粒子をいうものとし、図3に示す態様においては、その断面が、長径が各層に対して概ね垂直方向を向く楕円形となるとなる粒子をいうことができる。Ni-Pめっき層105との界面に近いP濃化層101bにはPを含んだNiの粗大な柱状晶が存在している。この柱状晶の長径は、概ね75nmから200nm程度であり、Ni-Pめっき層105との界面近傍を基端として生成している。P濃化層101bと、Ni-Pめっき層105との間付近には、図示はしないが、原子欠陥があるNiやNiPを含む層である変移層が存在し、第1の金属間化合物層102との界面近傍のP濃化層101a、Ni-Pめっき層105との界面に近いP濃化層101b、及び変移層をあわせて、P濃化層101というものとする。
加熱後の接合部を模式的に示す図3(b)を参照すると、母材層106、Ni-Pめっき層105、第1の金属間化合物層102、第2の金属間化合物層103及びはんだ層104は、接合初期とあまり変化がない。しかし、第1の金属間化合物層102との界面近傍のP濃化層101cでは、接合初期のP濃化層101aと比較して、より低密度領域が増えて、粗化が進んでいる(粗化の詳細は図示せず)。また、Ni-Pめっき層105との界面に近いP濃化層101dでは、結晶化が進み、柱状晶が進展して、柱状晶の長径は、概ね75nmから500nm程度と粗大化する。
Ni-Pめっきは、界面近傍の柱状晶化によって、拡散の大きい粒界の方向が揃う。これにより、拡散方向が上下方向に極大化し、はんだ方向へのNiの拡散速度が増大し、走査型電子顕微鏡により観察したときに白色に見える低密度領域が形成されると推定される。この柱状晶は特にせん断の力に弱いため、第1の金属間化合物層102とNi-Pめっき層105界面近傍で、脆化が進むと考えられる。
図3に示すP濃化層101には空孔が多くみられるが、図1に示す本発明の微結晶層1においては、空孔はほとんど観察されない。具体的には、175℃×250時間熱処理したはんだ接合部について、Ni-Pめっき層のP濃化層とNi-P-Cuめっき層の微結晶層について、透過型電子顕微鏡にて80000倍で観察した際の観察視野0.36μm当たりに発生した10nm以上の孔の個数を比較したところ、Ni-Pめっき層に比べて、Ni-P-Cuめっき層における孔発生数は1/5程度に抑制されることが確認されている。つまり、界面においてはTEMによって観察可能な微小な空孔も存在するが、本発明のNi-Cu-Pめっき層では加熱処理しても微小空孔は増加せずに抑制されている。さらに、175℃で、3000時間の処理を行った後、FE-SEMを用いて、10000倍で観察した際の観察視野4.6μm当たり、0.5μm以上の空孔は5~20個程度観察される。
次に、第1実施形態に係るはんだ接合部の製造方法について説明する。第1実施形態に係るはんだ接合部の製造方法は、母材金属にNi-P-Cu無電解めっきを施し、被接合体を作製する第1工程と、前記被接合体の前記めっきを施した面にはんだ材を接触させる第2工程と、前記被接合体と前記はんだ材を加熱する第3工程とを含む。第1工程では、先に詳述した方法により、本実施形態において説明した所定の濃度で、母材金属にP及びCuを含むNi-P-Cu無電解めっき膜を形成する。これによって、被接合体を作製することができる。次いで、第2工程では、被接合体の前記めっきを施した面にはんだ材を接触させる。はんだ材の組成や形態は、先に詳述した任意の形態であってよく、板状はんだやクリームはんだであってよい。続く第3工程では、被接合体とはんだ材とを所定の雰囲気及び温度プロファイルにて加熱し、はんだ材を溶融させてはんだ接合層を形成する。
[第2実施形態:電子機器]
第1実施形態に係るはんだ接合部は、電子機器の一部を構成するものであり、電子機器としては、インバータ、メガソーラー、燃料電池、エレベータ、冷却装置、車載用半導体装置などの電気・電力機器が挙げられるが、これらには限定されない。典型的には、電子機器は半導体装置である。半導体装置における接合部は、ダイボンド接合部、導電性板と放熱板の接合部、端子と端子の接合部、端子と他の部材との接合部、あるいは、そのほかの任意の接合部であってよいが、これらには限定されない。以下に、本実施形態に係る接合部を備える電子機器の一例として、半導体装置を挙げ、図面を参照して本発明をさらに詳細に説明する。
[第3実施形態:半導体装置]
本発明は、第3実施形態によれば、半導体装置であって、第1実施形態による接合部を備える半導体装置に関する。
図1に、半導体装置の一例である、パワーモジュールの概念的な断面図を示す。パワーモジュール100は、主として、放熱板13上に積層基板12をはんだ接合層10にて接合し、かつ積層基板12上に半導体素子11をはんだ接合層10にて接合した積層構造となっている。半導体素子11の積層基板12とは逆側の主面には、はんだ接合層10にてリードフレーム18が接合されている。放熱板13には、外部端子15を内蔵したケース16が接着され、積層基板12の電極と外部端子15はアルミワイヤ14にて接続されている。モジュール内部は、樹脂封止材17が充填されている。半導体素子11は、Si半導体素子や、SiC半導体素子であってよいが、これらには限定されない。例えばIGBTモジュールに搭載されるこれらの素子の場合、積層基板12と接合される裏面電極は、通常、AuまたはAgから構成される。積層基板12は、例えば、アルミナやSiNなどからなるセラミックス絶縁層122の表裏に銅やアルミニウムの導電性板121、123が設けられている。放熱板13としては、熱伝導性に優れた銅やアルミニウムなどの金属が用いられる。
図示するパワーモジュール100において、はんだ接合層10と接合され得るNi-P-Cuめっき層を形成した被接合部材としては、積層基板12を構成する上下それぞれの面の導電性板121、123、放熱板13、リードフレーム18がある。これらの被接合部材としては、はんだ接合層10と接触する面に、第1実施形態において詳述したNi-P-Cuめっき層を形成したものを用いることができる。
そして、図2に示すパワーモジュール100においては、特には、はんだ接合層10とNi-P-Cuめっき層を形成したCuからなる導電性板123の接合部P、はんだ接合層10とNi-P-Cuめっき層を形成したCu放熱体13の接合部Q、はんだ接合層10とNi-P-Cuめっき層を形成したリードフレーム18との接合部R、はんだ接合層10とNi-P-Cuめっき層を形成したCuからなる導電性板121の接合部Sが、第1実施形態によるはんだ接合部に該当する。
なお、本実施形態において図示する半導体装置は、一例であり、本発明に係る半導体装置は、図示する装置構成を備えるものには限定されない。例えば、本出願人による特許文献1に開示されたリードフレームを備える半導体装置構成において、リードフレームNi-P-Cuめっき層を形成し、先に詳述した所定の組成のはんだ材を用いて、本発明の接合部を形成することもできる。あるいは、本出願人による特開2012-191010号公報に開示された構成を備える半導体装置において、絶縁基板と半導体素子との接合、インプラントピンと半導体素子との接合において、絶縁基板の一方の面に設ける導電性板の表面、もしくはインプラントピンの表面にNi-P-Cuめっき層を形成し、所定の組成のはんだ材を用いることで、同様にして本発明による接合部を備える半導体装置を得ることが出来る。他に、はんだボールを用いて接合を行う場合の被接合部材、例えば、BGA(Ball Grid Array)やCSP(Chip Size Package)のはんだボールとの接触面に、Ni-P-Cuめっき層を形成することができる。これらの半導体装置は、使用条件下で、作動温度が100~250℃の高温となるものである。
はんだ接合部を製造し、めっき膜の特性と接合性について評価した。接合性は、はんだとの接合部および界面の欠陥観察および濡れ性により評価した。はんだ材は、実施例及び比較例の全ての接合部において同一の組成であるAgを3.5質量%、Sbを7.5質量%、Niを0.1質量%、Geを0.01質量%含有し、残部はSn及び不可避不純物からなる鉛フリーはんだを用いた。被接合体としては、被めっき母材の銅に、Ni-P-Cuめっき層、またはNi-Pめっき層を無電解めっき法により形成した。用いためっき層の組成は、表1に示す。
(母材へのめっき層の製造)
前処理として母材のCu板を50℃×4分間アルカリ脱脂し、水洗、酸脱脂40℃×4分間、水洗ののち、過硫酸ナトリウム30℃×0.5分エッチングを行い、水洗し、98%硫酸25℃×0.5分にて表面処理をした。次いで、水洗し、塩酸溶液と触媒としてPdによる活性化を25~30℃で0.5分の浸漬処理を行い、水洗したのちに、所定の組成の無電解Ni-P-Cuもしくは無電解Ni-Pめっきを行った。無電解Ni-P-Cuもしくは無電解Ni-Pめっきは空気撹拌にて90℃で5μmの厚さになる時間にて処理を行った。めっき後は水洗しドライヤー乾燥にて最終仕上げした。
(濡れ性評価)
はんだ濡れ性の評価では、30×5×0.3mmのタフピッチ銅板(JIS C1100)に、各々のめっきを、約5μmを狙い値においてめっきを施したサンプルを用いた。濡れ性はバルクウッティング濡れ性試験(JIS Z3198-4:2003)方法を参照し実施した。はんだ材には、先に記載した組成のはんだを用いて約1kg溶融したはんだ浴を280℃に加熱し、そのはんだ浴へサンプルを深さ3mmで、20秒浸漬した。濡れ性の判断は、サンプルを浸漬して、濡れが始まるゼロクロスタイム(はんだが試験片に濡れるまでの時間)が2秒未満のものを○、2秒から3秒のものを△、3秒を超えるものを×と判断した。めっきをしないタフピッチ銅板を、本試験の参照条件としており、その場合は約1秒程度で濡れ時間が確保できた。
(はんだ接合体の製造)
母材(銅板)に各々の組成のめっき層を膜厚5μm形成し被接合部材とし、先に記載した組成の板はんだを重ね合わせる。接合は、バッチ式加熱板を用いた接合装置を思いて行い、雰囲気を20Paに減圧し、窒素で置換したのち、もう一度50Paまで減圧し、水素で置換した。置換された雰囲気にて、300℃×2分間保持しはんだ接合行った。冷却速度は、1℃/secにて冷却を行った。熱処理は、半導体装置の信頼性を評価するための加速試験としておこなった。
(はんだ接合部の欠陥評価)
製造したはんだ接合部について、初期及び熱処理後の欠陥を評価した。初期とは、接合直後の時点をいうものとする。熱処理は、熱風式の125℃、及び175℃の恒温槽にて放置した。判定は250時間にて行った。なお、熱処理実験は500時間、1000時間まで実施した。なお、×であった接合部を有する半導体装置は、初期の状態でもはんだ材とめっき層の界面近傍で剥離が生じた。さらに、加熱処理するとその剥離はより顕著に発生した。そのため、×の条件を判定基準とした。
初期欠陥および熱処理後の欠陥の判定は、SEMによる断面観察を行い確認した。断面に対して機械的な鏡面研磨等を行った後、サンプルを走査型電子顕微鏡にて、観察視野で約5000~20000倍の倍率にて観察した。確認できた欠陥は、約0.1μm~1μm程度のものが、3~10個程度連続してあるものを×、0.1μm程度の欠陥が、連続せず点在しているものを△、ほとんど確認できないものを○とした。
(評価結果)
Ni-Pめっき層のP濃度が3質量%未満の低い場合は、はんだ中へのNiの溶出能が高いために、めっき層がSnと反応し、NiSnとNiSn化合物の層になり、界面に空孔が生じてしまった。Ni-Pめっき層のP濃度が8質量%以上の高い濃度の時には、Ni-Pめっき層中に、NiPの金属間化合物が生成されて、Niの溶出を抑制する。これはNiPの均一な化合物層ではなく、Ni-Pめっき層中にNiPの金属間化合物が晶出するためである。このため、NiPの無い部分からNiが、はんだ接合層側へ溶出し、溶出の大小ができるため、接合欠陥が生じやすくなったと考えられる。
また、比較例のNi-Pめっき層では、いずれのP添加量においても、NiPの非結晶であったものが、パワーモジュールなどで接合をする250℃以上の接合条件では結晶が晶出した。そして、熱処理時間の増大とともに、その結晶が75nmから数100nmの粗大な柱状な結晶に成長した。Niの溶出量や拡散の速度は、微結晶の粒界と、粗大な粒界をもつ結晶では異なるため、粗大な結晶をもつNi-Pめっきでは、Niが溶出しやすくなり、接合欠陥ができやすくなる。
以下の表1に、めっき層の組成、接合欠陥及びはんだ濡れ性の評価結果を示す。
Figure 0007168008000001
熱処理実験を500時間、1000時間まで実施したものについて、初期接合で欠陥のある比較例の接合部では、温度が高く、時間が長いものほど欠陥が増加し、進行の大きいものは剥離のように連結していることを確認した。一方、実施例8~9の接合部では、175℃で、1000時間の熱処理を行っても、欠陥や剥離は観察されなかった。
(断面観察写真)
実施例のはんだ接合部の代表的な断面観察写真を図4に示す。図4は、Cuが2質量%、Pが8質量%、残部がNiのめっき組成を有し、はんだ組成は、先と同じとし、先と同じ条件で接合した場合のはんだ接合部(実施例8)の走査型電子顕微鏡(SEM)写真である。一方、図5は、Pが8質量%、残部がNiのめっき組成を有し、はんだ組成は、先と同じとし、先と同じ条件で接合した場合のはんだ接合部(比較例4)の走査型電子顕微鏡写真である。図5中、P濃化層101には、直径0.1~0.5μm程度の空孔hが見られた。図4からもわかるように、実施例の接合部においては、Ni-Cu-Pめっき層とはんだ接合層の界面近傍には、空孔はほとんど見られなかった。
(透過型顕微鏡観察による微結晶の特定)
図6は、実施例8のはんだ接合部の界面の透過型電子顕微鏡写真である。接合界面には、写真上部のはんだ側から(Ni,Cu)(Sn,Sb)化合物及びNi(Sn,Sb)化合物の層があり、その界面に約5nm~20nm程度の粒状の微細な結晶が層状の組織構造を持つことが確認できた。図7は、図6の左上部の拡大写真であり、aにおける元素分析結果は、P21.8at%、Ni75.1at%、Cu2.6at%であり、Ni:Pがおよそ3:1にCuがわずかに共存している微結晶層中の微結晶であることが確認できている。同様に、bにおける元素分析結果は、P22.4at%、Ni75.8at%、Cu1.2at%であり、透過型電子顕微鏡写真で確認されている微細な粒状物は、NiとPとCuからなる微結晶層中の(Ni,Cu)P微結晶であることが確認されている。cでは、層状に並んだ化合物層が確認されている。cにおけるEDX分析結果では、Ni52.6at%、Sn40.6at%、Sb5.2at%であることが確認され、第1の金属間化合物層のNi(Sn,Sb)化合物層と推定される。dにおけるEDX分析結果では、Ni:P=3.7:1程度の比率であることが確認され、Cuは0.15at%以下と低いことから、NiP相であることが確認できる。同様に、eは、(Ni,Cu)微結晶、fは、(Ni,Cu)12微結晶、gは、(Ni,Cu)P微結晶であることが推定される。なお、透過型電子顕微鏡の電子線回折によっても、回折パターンの回折斑点(スポット)が明瞭であり、これらが結晶として存在することがわかった。第1の金属間化合物層を示す点c以外の、a、b、d~gにおいては、いずれも、はんだ成分に由来するAg、Sn、Sbがほとんど含まれていなかった。
以下の表2に、図7の写真のa、b、c、d、e、f、gで示す箇所のEDX分析結果を示す。表中の数値は、原子%(at%)を表す。
Figure 0007168008000002
図8は、比較例4のはんだ接合部の界面の透過型電子顕微鏡写真である。はんだ接合層と、Ni-Pめっき層との接合界面の構造は、はんだ側写真上部から、NiSn化合物層(第2の金属間化合物層103)/NiSn化合物層(第1の金属間化合物層102)/粗化した微細粒の層(101c)/柱状結晶相(101d)/粗化した微細粒の変移層/Ni-Pめっき層と接合界面には異なる層構造となっている。図9は、図8の柱状結晶近傍の拡大写真を示す。
また図9のi、j、kの箇所についてEDX分析をした結果を以下に示す。表中の数値は、原子%(at%)を表す。
Figure 0007168008000003
図9において、iで示す箇所には50~500nm程度の粗大なNiの柱状結晶が確認された。この箇所のEDX定量分析結果は、P26.27at%、Ni73.51at%であり、NiPで構成された化合物であることが確認できた。図9において、柱状結晶近傍のjで示す箇所には粒状の化合物が確認された。この箇所のEDX定量分析結果は、P23.9at%、Ni75.8at%であった。図9のkで示す箇所のEDX定量分析結果は、P25.9at%、Ni74.1at%であり、j、kのいずれの箇所に存在する結晶もNiPからなる結晶であることが推定される。
実施例8と、比較例4の透過型電子顕微鏡による組織構造の観察とEDX定量分析の結果から、実施例8のNi-P-Cuめっき層では、接合界面のめっき層に微細の5~20nm程度の粒状の層が生成されていることがわかった。一方、比較例4ではNi-Pめっき層は、粗化した欠陥(空孔)を含む微細な組織と50~500nm程度の粗大な柱状結晶からなる組織で構成されていた。実施例の接合界面の欠陥の抑制はNiPからなる結晶構造にCuが置換されていることで、その構造が微細化されていた。その微細な緻密層が耐熱性向上に大きく関係していると考えている。
(透過型顕微鏡観察による空孔数の比較)
実施例8と比較例4の接合体を、175℃×250時間熱処理したものについて、断面を透過型電子顕微鏡にて80000倍で観察した際の観察視野0.36μm当たりの空孔の数をカウントした。実施例の接合部については微結晶層、比較例の接合部についてはP濃化層の観察視野(0.36μm)の10nm以上の空孔の個数をカウントした。その結果、空孔の個数は、実施例8の接合部では45個程度だったのに対し、比較例4の接合部では230個程度であり、孔発生数を1/5程度に抑えることができた。その他の実施例においても10nm以上の空孔は前記単位面積において50個以下に抑えることができた。SEM観察による空孔の評価は0.1μm以上の空孔が対象であるが、さらにTEMのような分解能の高い評価によると、さらに小さな空孔の存在も明らかになった。そして、本願の発明によるめっき膜の場合、微細な空孔も抑制されていることがわかった。
以上の結果から、本願発明によるNi-P-Cuめっき膜とはんだ材を用いると、接合界面近傍において、空孔の少ない、信頼性のよい接合部を形成することが出来た。具体的には、SEMにより観察可能な0.1μm以上の大きな空孔は、観察視野100μmあたりに2個以下であり、TEM観察における10nm以上の空孔は、観察視野0.36μm当たり50個以下であった。
本実施例で用いたはんだ材以外の組成をもつはんだ材、上記はんだ材で示したはんだ材以外で、例えば、Sn-0.75Cuはんだ材(0.75質量%のCuを含み、残部はSn及び不可避不純物からなるはんだ材)、Sn-0.6Cu-0.05Niはんだ材(0.6質量%のCuと、0.05質量%のNiを含み、残部はSn及び不可避不純物からなるはんだ材)、Sn-0.3Ag-0.5Cuはんだ材(0.3質量%のAgと、0.5質量%のCuを含み、残部はSn及び不可避不純物からなるはんだ材)についても、概ね同様の結果が得られると考えられる。
本発明によるはんだ接合部は、大電流仕様の電子機器全般の接合部に用いられる。特には、ICなどパッケージ部品に好適に用いられる。また発熱の大きい部品、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、任意の金属部材間の接合部に好適に用いられる。
1 微結晶層、2 第1の金属間化合物層、 3 第2の金属間化合物層
4 はんだ層、5 Ni-P-Cuめっき層、6 母材層、PQRS はんだ接合部
10 接合層、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
18 リードフレーム、100 パワーモジュール
101 P濃化層、102 第1の金属間化合物層、 103 第2の金属間化合物層
104 はんだ層、105 Ni-Pめっき層、106 母材層、 h 空孔

Claims (9)

  1. Snを主成分とし、Ag及び/またはSb及び/またはCuを含むはんだ材が溶融されたはんだ接合層と、前記はんだ接合層と接する面にNi-P-Cuめっき層を備える被接合体とを含むはんだ接合部であって、
    前記Ni-P-Cuめっき層が、Niを主成分とし、0.5質量%以上であって、8質量%以下のCuと、3質量%以上であって、8質量%以下のPとを含み、
    前記Ni-P-Cuめっき層が、前記はんだ接合層との界面に微結晶層を有し、前記微結晶層が、NiCuP三元合金の微結晶を含む相と、(Ni,Cu)Pの微結晶を含む相と、NiPの微結晶を含む相とを備え
    前記NiCuP三元合金の微結晶が、平均粒子径が10nm以下の微結晶を含み、前記(Ni,Cu) Pの微結晶が、平均粒子径が10nm以下の微結晶を含み、前記Ni Pの微結晶が、平均粒子径が10nm以下の微結晶を含む、はんだ接合部。
  2. 前記微結晶層が、長径が75nm以上の柱状結晶または粒子を含まない、請求項に記載のはんだ接合部。
  3. 前記はんだ材が、Snと、Agと、Sbとを含む、請求項1または2に記載のはんだ接合部。
  4. 前記はんだ材が、Ni及び/またはGe及び/またはCuを含む、請求項に記載のはんだ接合部。
  5. 前記Ni-P-Cuめっき層を備える被接合体が、Cu、AlまたはCu合金を主成分とする母材に無電解Ni-P-Cuめっき層を設けた部材である、請求項1~のいずれか1項に記載のはんだ接合部。
  6. 請求項1~のいずれか1項に記載のはんだ接合部を備える電子機器。
  7. 請求項1~のいずれか1項に記載のはんだ接合部を備える半導体装置。
  8. 前記はんだ接合部が、基板電極、リードフレームもしくはインプラントピンと、半導体素子との接合部、導電性板と放熱板との接合部、及び/または端子間の接合部である、請求項に記載の半導体装置。
  9. 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、請求項に記載の半導体装置。
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