JP7229220B2 - 成形はんだ - Google Patents
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Description
本発明は、成形はんだに関する。
電子回路基板上に形成される電子回路に電子部品を接合する接合材料としては、主としてはんだ合金が用いられている。
ここで近年、エネルギー及び環境問題の観点から、電力の制御及び供給を行う電力用半導体素子、所謂パワー半導体が注目されている。このパワー半導体の材料としては、例えばSi(シリコン)、SiC(炭化ケイ素)またはGaN(窒化ガリウム)等が挙げられる。
上記パワー半導体としては、従来はSi素子が広く用いられてきた。
ここでパワー半導体は、これが組み込まれた電子製品の使用時に発生するジュール熱により発熱する。しかし従来使用されているSi素子の場合、150℃程度の耐熱性しかなく、それ以上の温度に加熱されると、半導体としての機能を失うという問題があった。
そのため、Si素子の動作温度は150℃以下に保たれることとなり、接合材料の耐熱性としてはそれ以上の溶融温度を有していれば良く、固相線温度が150℃以上300℃未満の接合材(はんだ合金等)を使用した接合(ダイボンド)が行われていた。
ここでパワー半導体は、これが組み込まれた電子製品の使用時に発生するジュール熱により発熱する。しかし従来使用されているSi素子の場合、150℃程度の耐熱性しかなく、それ以上の温度に加熱されると、半導体としての機能を失うという問題があった。
そのため、Si素子の動作温度は150℃以下に保たれることとなり、接合材料の耐熱性としてはそれ以上の溶融温度を有していれば良く、固相線温度が150℃以上300℃未満の接合材(はんだ合金等)を使用した接合(ダイボンド)が行われていた。
しかし昨今は、より電力損失が少なく、大電流が扱えるSiC素子が普及しつつあり、そのSiC素子は300℃以上の高温でも動作可能であることから、SiC素子のDCB基板への接合材料としては、動作時に溶融しない為に固相線温度が300℃以上であることが求められる。
しかし、従来使用されている接合材はその固相線温度が300℃未満であるため、SiC素子の接合には適していない。
しかし、従来使用されている接合材はその固相線温度が300℃未満であるため、SiC素子の接合には適していない。
SiC素子のような耐熱性の高いパワー半導体の接合に用いられる接合材としては、例えばAgを含む金属粉末をDCB基板上に配置し、これを一方向または双方向から加圧しながら加熱して金属粉末を緻密化(焼結)させる方法が挙げられる。
しかし当該方法では、液相線温度の高いAgを含む金属粉末を焼結させるために、例えば200℃から300℃の高温条件下で加熱及び加圧しなければならない。そのため、特に面積の大きいSiC素子をDCB基板上に接合させるために長時間の加熱及び加圧が必要となり、パワー半導体の生産性が阻害されるという問題があった。
しかし当該方法では、液相線温度の高いAgを含む金属粉末を焼結させるために、例えば200℃から300℃の高温条件下で加熱及び加圧しなければならない。そのため、特に面積の大きいSiC素子をDCB基板上に接合させるために長時間の加熱及び加圧が必要となり、パワー半導体の生産性が阻害されるという問題があった。
そこで、効率的にDCB基板上にSiC素子を実装(接合)する方法として、固相線温度及び液相線温度の高い成形はんだを用いたはんだ接合方法が広く使用されている。
成形はんだとは、長方形、正方形及びディスク状といった所定の形状に成形されたはんだをいい、成形はんだをDCB基板とSiC素子で挟み、これを加熱することでDCB基板上にSiC素子を実装し得る。
このような成形はんだを成形する方法として、例えば半田よりも高融点の材質からなる粉末の夫々の粒子表面に、半田とぬれ易い金属の膜を形成し、これら粒子をフラックスと一緒に練ったものを溶融状半田中に入れて各粒子を分散・拡散させた後に、冷却・固化させた半田用インゴットの製造方法(特許文献1)や、高融点金属粒と熱分解可能な液状フラックスを混合した混合物を溶融はんだ中に投入し、これを冷やして作製したビレットを加工してフォームはんだを製造する方法(特許文献2参照)が開示されている。
特許文献1及び2に開示される半田用インゴットの製造方法及びフォームはんだの製造方法は、溶融したはんだ合金中に固相線温度/液相線温度の高い金属粉末を分散・拡散させることで、作製されるインゴットやフォームはんだの、特に固相線温度を上昇させる技術に関し、いずれもその製造にフラックスを用いている。
そのため、たとえフラックスに揮発し易い成分を用いた場合であっても、溶融したはんだ合金中にフラックスやフラックスの揮発により発生した気泡が残留し、これがボイドとなるリスクは依然として存在する。
また、金属粉末とフラックスとを混合したものを溶融したはんだ合金に投入する場合、フラックス成分がなくなるまで加熱する必要があるため、その間に金属粉末が溶融したはんだ合金に浸食されるリスクはやはり依然として残る。金属粉末を構成する金属の種類・性質によって、溶融したはんだ合金に浸食される速度が変わるため、特にはんだ合金に拡散しやすいCuからなる金属粉末を使用する場合、溶融したはんだ合金に浸食され、金属粉末が小さくなる・消滅してしまうリスクは大きい。
そのため、たとえフラックスに揮発し易い成分を用いた場合であっても、溶融したはんだ合金中にフラックスやフラックスの揮発により発生した気泡が残留し、これがボイドとなるリスクは依然として存在する。
また、金属粉末とフラックスとを混合したものを溶融したはんだ合金に投入する場合、フラックス成分がなくなるまで加熱する必要があるため、その間に金属粉末が溶融したはんだ合金に浸食されるリスクはやはり依然として残る。金属粉末を構成する金属の種類・性質によって、溶融したはんだ合金に浸食される速度が変わるため、特にはんだ合金に拡散しやすいCuからなる金属粉末を使用する場合、溶融したはんだ合金に浸食され、金属粉末が小さくなる・消滅してしまうリスクは大きい。
本発明の目的は上記の課題を解決するものであり、ボイドの発生を抑制しつつ、はんだ接合時に液相線温度の高い金属からなる金属粉末を溶融したはんだ合金中に容易に拡散させ、はんだ接合後の成形はんだ(はんだ接合部)の溶融温度を変化させることのできる成形はんだを提供することをその目的とする。
本発明の成形はんだは、複数種の金属粉末の混合体を加圧成形してなり、前記複数種の金属粉末は複数の金属元素を含む合金からなる金属粉末を含み、前記複数の金属元素を含む合金からなる金属粉末はSnを40質量%以上含み、その固相線温度は250℃以下であり、その固相線温度及び液相線温度は前記複数種の金属粉末の中で最も低く、前記複数の金属元素を含む合金からなる金属粉末の含有量は、前記複数種の金属粉末100質量%に対して10質量%以上60質量%以下であり、前記複数種の金属粉末の液相線温度は、それぞれが50℃以上の温度差を有し、前記複数種の金属粉末の液相線温度のうち最も低い液相線温度以上の温度で加熱することにより溶融温度変化を生じることをその特徴とする。
また前記複数種の金属粉末のうち1種はCu金属粉末であることが好ましい。
また前記複数種の金属粉末の混合体に含まれる前記Cu金属粉末の含有割合は40質量%以上80質量%以下であることが好ましい。
また前記複数種の金属粉末の混合体は、Sn-3.0Ag-0.5Cuはんだ合金からなる金属粉末とSn-50Inはんだ合金からなる金属粉末を質量比で80:20から50:50、またはSn-3.0Ag-0.5Cuはんだ合金からなる金属粉末とSn-58Biはんだ合金からなる金属粉末を質量比で90:10から60:40含むことが好ましい。
また前記複数種の金属粉末の混合体は、Sn-3.0Ag-0.5Cuはんだ合金からなる金属粉末とCuからなる金属粉末を質量比で50:50から20:80、またはSn-50Inはんだ合金からなる金属粉末とCuからなる金属粉末を質量比で60:40から30:70含むことが好ましい。
また本発明の成形はんだは、前記複数種の金属粉末の液相線温度のうち最も低い液相線温度以上の温度で加熱する前の成形はんだの示差走査熱量測定における最初の吸熱ピークを示す温度(T)におけるヒートフロー(H1)の絶対値(H1’)と、加熱した後の成形はんだの示差走査熱量測定における前記温度(T)のヒートフロー(H2)の絶対値(H2’)とが、以下の式(1)を満たすことが好ましい。
(H2’)/(H1’)≦0.2 … (1)
(H2’)/(H1’)≦0.2 … (1)
また本発明の成形はんだは、前記複数種の金属粉末の液相線温度のうち最も低い液相線温度以上の温度で加熱する前の成形はんだの示差走査熱量測定における最初の吸熱ピークを示す温度(T)におけるヒートフロー(H1)の絶対値(H1’)と、加熱した後の成形はんだの示差走査熱量測定における前記温度(T)のヒートフロー(H2)の絶対値(H2’)とが、以下の式を満たすことが好ましい。
前記複数種の金属粉末の混合体がSn-3.0Ag-0.5Cuはんだ合金からなる金属粉末とSn-50Inはんだ合金からなる金属粉末を質量比で80:20から50:50含む場合
0.003≦(H2’)/(H1’)≦0.022
前記複数種の金属粉末の混合体がSn-3.0Ag-0.5Cuはんだ合金からなる金属粉末とSn-58Biはんだ合金からなる金属粉末を質量比で90:10から60:40含む場合
0.004≦(H2’)/(H1’)≦0.020
前記複数種の金属粉末の混合体がSn-3.0Ag-0.5Cuはんだ合金からなる金属粉末とSn-50Inはんだ合金からなる金属粉末を質量比で80:20から50:50含む場合
0.003≦(H2’)/(H1’)≦0.022
前記複数種の金属粉末の混合体がSn-3.0Ag-0.5Cuはんだ合金からなる金属粉末とSn-58Biはんだ合金からなる金属粉末を質量比で90:10から60:40含む場合
0.004≦(H2’)/(H1’)≦0.020
また本発明の成形はんだは、前記複数種の金属粉末の液相線温度のうち最も低い液相線温度以上の温度で加熱する前の成形はんだの示差走査熱量測定における最初の吸熱ピークを示す温度(T)におけるヒートフロー(H1)の絶対値(H1’)と、加熱した後の成形はんだの示差走査熱量測定における前記温度(T)のヒートフロー(H2)の絶対値(H2’)とが、以下の式を満たすことが好ましい。
Sn-3.0Ag-0.5Cuはんだ合金からなる金属粉末とCuからなる金属粉末を質量比で50:50から20:80含む場合
0.018≦(H2’)/(H1’)≦0.316
Sn-50Inはんだ合金からなる金属粉末とCuからなる金属粉末を質量比で60:40から30:70含む場合
0.005≦(H2’)/(H1’)≦0.020
Sn-3.0Ag-0.5Cuはんだ合金からなる金属粉末とCuからなる金属粉末を質量比で50:50から20:80含む場合
0.018≦(H2’)/(H1’)≦0.316
Sn-50Inはんだ合金からなる金属粉末とCuからなる金属粉末を質量比で60:40から30:70含む場合
0.005≦(H2’)/(H1’)≦0.020
本発明の成形はんだは、ボイドの発生を抑制しつつ、はんだ接合時に液相線温度の高い金属からなる金属粉末を溶融したはんだ合金中に容易に拡散させ、はんだ接合後の成形はんだ(はんだ接合部)の溶融温度を変化させることができる。
以下、本発明の成形はんだ及び成形はんだの製造方法の一実施形態について詳細に説明する。
なお、本発明が当該実施形態に限定されないのはもとよりである。
なお、本発明が当該実施形態に限定されないのはもとよりである。
<複数種の金属粉末>
本発明の成形はんだの製造に用いる複数種の金属粉末は、そのうちの少なくとも1種が複数の金属元素を含む合金からなることが好ましい。
このような合金を構成する合金元素としては、例えばSn、Ag、Cu、Bi、Zn、In、Ga、Sb、Au、Pd、Ge、Ni、Cr、Al、P及びIn等が挙げられ、これらの合金元素を複数組合せた合金を使用し得る。
その中でもSnを含む合金、特にSnを40質量%以上含む合金が好ましく用いられる。なお、Snの含有量は42質量%以上97質量%以下であることがより好ましい。
また前記合金として、その固相線温度が250℃以下であるものが好ましく用いられる。
本発明の成形はんだの製造に用いる複数種の金属粉末は、そのうちの少なくとも1種が複数の金属元素を含む合金からなることが好ましい。
このような合金を構成する合金元素としては、例えばSn、Ag、Cu、Bi、Zn、In、Ga、Sb、Au、Pd、Ge、Ni、Cr、Al、P及びIn等が挙げられ、これらの合金元素を複数組合せた合金を使用し得る。
その中でもSnを含む合金、特にSnを40質量%以上含む合金が好ましく用いられる。なお、Snの含有量は42質量%以上97質量%以下であることがより好ましい。
また前記合金として、その固相線温度が250℃以下であるものが好ましく用いられる。
本実施形態の成形はんだは、後述するように加圧により成形される。即ち、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は、前記複数種の金属粉末は未だ溶融拡散しておらず、溶融温度変化が生じていない。
そのため、本実施形態の成形はんだを用いてはんだ接合を行う際、これに含まれる合金からなる金属粉末は、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。よって本実施形態の成形はんだは、250℃程度での加熱であっても、SiC素子等のパワー半導体をDCB基板上に接合することができる。
そのため、本実施形態の成形はんだを用いてはんだ接合を行う際、これに含まれる合金からなる金属粉末は、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。よって本実施形態の成形はんだは、250℃程度での加熱であっても、SiC素子等のパワー半導体をDCB基板上に接合することができる。
前記合金からなる金属粉末の平均粒子径は、1μm以上30μm以下であることが好ましい。より好ましい当該平均粒子径は、2μm以上25μm以下であり、2μm以上8μm以下が特に好ましい。
また前記複数種の金属粉末の液相線温度は、それぞれが50℃以上の温度差を有していることが好ましい。即ち、各金属粉末の液相線温度は、他の金属粉末の液相線温度と50℃以上の温度差を有していることが好ましい。
このような金属粉末を用いて成形された本実施形態の成形はんだは、はんだ接合時の加熱温度を調整し易い。また当該成形はんだは、後述するはんだ接合時の加熱に伴う溶融温度変化を生じさせることができる。
このような金属粉末を用いて成形された本実施形態の成形はんだは、はんだ接合時の加熱温度を調整し易い。また当該成形はんだは、後述するはんだ接合時の加熱に伴う溶融温度変化を生じさせることができる。
また前記複数種の金属粉末のうち、その1種はCu金属粉末であることが好ましい。Cuは溶融温度が1085℃と高い。そのため、後述するはんだ接合時の加熱による成形はんだの溶融温度変化により、はんだ接合後の成形はんだ(はんだ接合部)の再溶融をより抑制することができる。
そのため、このような成形はんだは、特にSiC素子のようなパワー半導体の接合において好適に用いることができる。
そのため、このような成形はんだは、特にSiC素子のようなパワー半導体の接合において好適に用いることができる。
本実施形態において、前記複数種の金属粉末の混合体に含まれる前記Cu金属粉末の含有割合は40質量%以上80質量%以下であることが好ましい。より好ましい当該含有割合は、40質量%以上60質量%以下であり、40質量%以上50質量%以下が特に好ましい。
前記Cu金属粉末の含有割合をこの範囲とすることにより、はんだ接合後の成形はんだ(はんだ接合部)の再溶融をより抑制することができると共に、DCB基板とパワー半導体との接合を良好に行うことができ、また熱伝導率を向上し得る。
前記Cu金属粉末の含有割合をこの範囲とすることにより、はんだ接合後の成形はんだ(はんだ接合部)の再溶融をより抑制することができると共に、DCB基板とパワー半導体との接合を良好に行うことができ、また熱伝導率を向上し得る。
なお、前記前記複数種の金属粉末として、Sn-50Inはんだ合金からなる金属粉末とCu金属粉末を用いる成形はんだの場合、Sn-50Inはんだ合金からなる金属粉末とCu金属粉末との含有割合は、Sn-50Inはんだ合金からなる金属粉末:Cu金属粉末=30:70から60:40であることが好ましい。
前記Cu金属粉末の平均粒子径は、1μm以上30μm以下であることが好ましい。より好ましい当該平均粒子径は、1μm以上10μm以下であり、1μm以上5μm以下が特に好ましい。
<成形はんだの製造(成形)>
本実施形態の成形はんだは、前記複数種の金属粉末を混合分散して前記複数種の金属粉末の混合体を作製し、これを加圧成形用容器に収容し、前記金属粉末の混合体と前記加圧成形用容器とを加圧することにより製造され得る。
本実施形態の成形はんだは、前記複数種の金属粉末を混合分散して前記複数種の金属粉末の混合体を作製し、これを加圧成形用容器に収容し、前記金属粉末の混合体と前記加圧成形用容器とを加圧することにより製造され得る。
前記複数種の金属粉末を混合分散して前記複数種の金属粉末の混合体を作製する方法としては、例えば前記複数種の金属粉末を混合機、撹拌機及びふるい機等を用いて、混合分散させる方法が挙げられる。なお、前記複数種の金属粉末を混合分散することができれば、いずれの方法を用いてもよい。
また、前記複数種の金属粉末の混合体を作製する前に、前記複数種の金属粉末を、それぞれふるい機等に通し、凝集物等を除去しておくことが望ましい。
また、前記複数種の金属粉末の混合体を作製する前に、前記複数種の金属粉末を、それぞれふるい機等に通し、凝集物等を除去しておくことが望ましい。
前記金属粉末の混合体を収容する加圧成形用容器としては、粉体の加圧成形に用いることのできる容器であればよく、例えばアルミニウム等からなる粉体保持リングが好適に用いられる。
また前記複数種の金属粉末の混合体と前記加圧成形容器とを加圧する方法としては、粉体を加圧成形(固形化)し得る方法であればいずれでもよく、例えばブリケットマシンを用いて行うことができる。なお、当該加圧は室温で行われることが好ましい。
また上記加圧の条件は、前記複数種の金属粉末の混合体を成形(固形化)できる条件であればよく、前記複数種の金属粉末を構成する金属により適宜調整でき、例えば200kN以上の加圧条件にて行うことができる。
なお、本実施形態の成形はんだの厚みは、使用するDCB基板、搭載する素子の種類、前記成形はんだの成形に用いる前記複数種の金属粉末の種類によって適宜調整し得るが、50μm以上1,000μm以下であることが好ましい。
なお、本実施形態の成形はんだの厚みは、使用するDCB基板、搭載する素子の種類、前記成形はんだの成形に用いる前記複数種の金属粉末の種類によって適宜調整し得るが、50μm以上1,000μm以下であることが好ましい。
<成形はんだの溶融温度変化>
本実施形態の成形はんだ(本実施形態の成形はんだの製造方法により製造された成形はんだを含む。以下同じ。)は、はんだ接合時において、前記複数種の金属粉末の液相線温度のうち最も低い液相線温度以上の温度で加熱することにより、溶融温度変化が生じ得る。
即ち、本実施形態の成形はんだを用いてはんだ接合を行う際、前記複数種の金属粉末のうち、少なくとも最も低い液相線温度を有する金属粉末は、加熱により溶融し得る。そしてはんだ接合(加熱)時において、溶融している金属中に、これよりも液相線温度の高い金属粉末が拡散することで、成形はんだ中に溶融した金属よりも固相線温度の高い金属間化合物が形成され得る。そしてこの金属間化合物の形成により、(はんだ接合後の)成形はんだの溶融温度変化が生じ得る。
ここで、本明細書において「溶融温度の変化(溶融温度変化)」とは、JIS規格Z3198-1「溶融温度範囲測定方法」に規定する条件に基づき測定した成形はんだの固相線温度及び液相線温度において、以下の状態を示すことを指す。
即ち、本実施形態の成形はんだに含まれる前記複数種の金属粉末の液相線温度のうち最も低い液相線温度以上の温度で加熱する前の、当該成形はんだの示差走査熱量測定における最初の吸熱ピークを示す温度(T)において、前記複数種の金属粉末のうち最も固相線温度の低い金属粉末若しくは複数の金属元素を含む合金粉末が溶融状態となる割合(当該金属粉末若しくは複数の金属元素を含む合金粉末のうちで溶融状態となるものの割合)をXとするときに、前記複数種の金属粉末の液相線温度のうち最も低い液相線温度以上の温度で加熱した後の前記成形はんだにおいて、前記複数種の金属粉末のうち最も固相線温度の低い金属粉末若しくは複数の金属元素を含む合金粉末の溶融状態の割合がXとなる温度が前記温度(T)以上となることを指す。
本実施形態の成形はんだ(本実施形態の成形はんだの製造方法により製造された成形はんだを含む。以下同じ。)は、はんだ接合時において、前記複数種の金属粉末の液相線温度のうち最も低い液相線温度以上の温度で加熱することにより、溶融温度変化が生じ得る。
即ち、本実施形態の成形はんだを用いてはんだ接合を行う際、前記複数種の金属粉末のうち、少なくとも最も低い液相線温度を有する金属粉末は、加熱により溶融し得る。そしてはんだ接合(加熱)時において、溶融している金属中に、これよりも液相線温度の高い金属粉末が拡散することで、成形はんだ中に溶融した金属よりも固相線温度の高い金属間化合物が形成され得る。そしてこの金属間化合物の形成により、(はんだ接合後の)成形はんだの溶融温度変化が生じ得る。
ここで、本明細書において「溶融温度の変化(溶融温度変化)」とは、JIS規格Z3198-1「溶融温度範囲測定方法」に規定する条件に基づき測定した成形はんだの固相線温度及び液相線温度において、以下の状態を示すことを指す。
即ち、本実施形態の成形はんだに含まれる前記複数種の金属粉末の液相線温度のうち最も低い液相線温度以上の温度で加熱する前の、当該成形はんだの示差走査熱量測定における最初の吸熱ピークを示す温度(T)において、前記複数種の金属粉末のうち最も固相線温度の低い金属粉末若しくは複数の金属元素を含む合金粉末が溶融状態となる割合(当該金属粉末若しくは複数の金属元素を含む合金粉末のうちで溶融状態となるものの割合)をXとするときに、前記複数種の金属粉末の液相線温度のうち最も低い液相線温度以上の温度で加熱した後の前記成形はんだにおいて、前記複数種の金属粉末のうち最も固相線温度の低い金属粉末若しくは複数の金属元素を含む合金粉末の溶融状態の割合がXとなる温度が前記温度(T)以上となることを指す。
本実施形態の成形はんだは、上述の通り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、前記複数種の金属粉末は未だ溶融拡散しておらず、溶融温度変化は生じていない。
そのため、本実施形態の成形はんだを用いてはんだ接合を行う際、これに含まれる合金からなる金属粉末は、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はんだ接合時の加熱温度でも十分に溶融し得る。よって本実施形態の成形はんだは、250℃程度での加熱であっても、SiC素子等のパワー半導体をDCB基板上に接合することができる。
更に本実施形態の成形はんだは、上述の通りはんだ接合時の加熱によって溶融温度変化が生じ得る。そのため、上述のはんだ接合時の加熱温度では再溶融し難くなり、信頼性の高いはんだ接合部を提供し得る。
そのため、本実施形態の成形はんだを用いてはんだ接合を行う際、これに含まれる合金からなる金属粉末は、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はんだ接合時の加熱温度でも十分に溶融し得る。よって本実施形態の成形はんだは、250℃程度での加熱であっても、SiC素子等のパワー半導体をDCB基板上に接合することができる。
更に本実施形態の成形はんだは、上述の通りはんだ接合時の加熱によって溶融温度変化が生じ得る。そのため、上述のはんだ接合時の加熱温度では再溶融し難くなり、信頼性の高いはんだ接合部を提供し得る。
また本実施形態の成形はんだは、はんだ接合時において前記複数種の金属粉末の液相線温度のうち最も低い液相線温度以上の温度で加熱する前の成形はんだの示差走査熱量測定における最初の吸熱ピークを示す温度(T)におけるヒートフロー(H1)の絶対値(H1’)と、加熱した後の成形はんだの示差走査熱量測定における前記温度(T)のヒートフロー(H2)の絶対値(H2’)とが、以下の関係となることが好ましい。
(H2’)/(H1’)≦0.5
(H2’)/(H1’)≦0.5
また(H1’)と(H2’)は、以下の式(1)を満たすことがより好ましい。
(H2’)/(H1’)≦0.2 … (1)
(H2’)/(H1’)≦0.2 … (1)
上記成形はんだの示差走査熱量測定は、JIS規格Z3198-1「溶融温度範囲測定方法」に規定する条件に基づき測定し得る。
このような成形はんだは、上述のはんだ接合時の加熱温度(最も低い液相線温度以上の温度)での再溶融が更にし難くなるため、信頼性のより高いはんだ接合部を提供し得る。
このような成形はんだは、上述のはんだ接合時の加熱温度(最も低い液相線温度以上の温度)での再溶融が更にし難くなるため、信頼性のより高いはんだ接合部を提供し得る。
<成形はんだを用いたはんだ接合>
本実施形態の成形はんだを用いたはんだ接合方法の一例は以下の通りである。
先ず、Si素子、SiC素子等の半導体素子を用意し、DCB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置する。次いで、当該成形はんだの表面(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Si素子、SiC素子等を載置して、これを当該成形はんだの成形に用いる前記複数種の金属粉末の液相線温度のうち最も低い液相線温度以上の温度で加熱することにより、前記DCB基板上にSi素子、SiC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を用いたはんだ接合方法の一例は以下の通りである。
先ず、Si素子、SiC素子等の半導体素子を用意し、DCB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置する。次いで、当該成形はんだの表面(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Si素子、SiC素子等を載置して、これを当該成形はんだの成形に用いる前記複数種の金属粉末の液相線温度のうち最も低い液相線温度以上の温度で加熱することにより、前記DCB基板上にSi素子、SiC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。
上記はんだ接合時の加熱温度は、DCB基板、搭載する素子の種類、前記成形はんだの成形に用いる前記複数種の金属粉末の種類によって適宜調整し得るが、150℃以上であることが好ましい。
上述の通り、前記成形はんだは、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、前記複数種の金属粉末は未だ溶融拡散しておらず、溶融温度変化は生じていない。
そのため、当該成形はんだを用いてはんだ接合を行う際、これに含まれる合金からなる金属粉末は、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、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。
上述の通り、前記成形はんだは、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、前記複数種の金属粉末は未だ溶融拡散しておらず、溶融温度変化は生じていない。
そのため、当該成形はんだを用いてはんだ接合を行う際、これに含まれる合金からなる金属粉末は、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、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。
更に上述の通り、前記成形はんだは、はんだ接合時の加熱によって溶融温度変化が生じ得る。そのため、上述のはんだ接合時の加熱温度では再溶融し難くなり、信頼性の高いはんだ接合部を提供し得る。
なお、上述のはんだ接合方法に使用するフラックスとしては、例えばベース樹脂、溶剤、活性剤及びチクソ剤を含むフラックスが挙げられる。これらの成分の種類、配合量等は、適宜調整可能である。
また本実施形態の成形はんだは、例えば、還元性雰囲気のギ酸リフロー等を用いる事ではんだ接合を行うことも可能である。
また本実施形態の成形はんだは、例えば、還元性雰囲気のギ酸リフロー等を用いる事ではんだ接合を行うことも可能である。
前記複数種の金属粉末として種々の金属からなる粉末を使用し得ること、及び各金属粉末の含有割合を変えても効果が生じ得ることを説明するために、以下、本実施形態の成形はんだの一例を以下に説明する。
(1)Sn-3.0Ag-0.5Cuはんだ合金とSn-50Inはんだ合金
Sn-3.0Ag-0.5Cuはんだ合金からなる金属粉末(a)と、Sn-50Inはんだ合金からなる金属粉末(b)とを、それぞれ以下の割合となるようにふるい機に入れて混合分散し、金属粉末の混合体を作製した。
例1)金属粉末(a):金属粉末(b)=80:20
例2)金属粉末(a):金属粉末(b)=70:30
例3)金属粉末(a):金属粉末(b)=60:40
例4)金属粉末(a):金属粉末(b)=50:50
Sn-3.0Ag-0.5Cuはんだ合金からなる金属粉末(a)と、Sn-50Inはんだ合金からなる金属粉末(b)とを、それぞれ以下の割合となるようにふるい機に入れて混合分散し、金属粉末の混合体を作製した。
例1)金属粉末(a):金属粉末(b)=80:20
例2)金属粉末(a):金属粉末(b)=70:30
例3)金属粉末(a):金属粉末(b)=60:40
例4)金属粉末(a):金属粉末(b)=50:50
次いで、ブリケットマシンの加圧板(下板)上にアルミリング(厚さ:1mm、外径:34mm、内径:26mm)を乗せ、各混合体をアルミリングに充填した。次いで、各アルミリング上に加圧板(上板)を乗せ、これを加重約330kNで加圧し、各成形はんだを作製した。なお、作製された各成形はんだの厚みは、以下の通りである。
例1)730μm
例2)700μm
例3)680μm
例4)670μm
例1)730μm
例2)700μm
例3)680μm
例4)670μm
例1)から例4)の成形はんだについて、以下の条件にて示差走査熱量測定を行った。その結果を図1から図4に示す。
図1から図4に表わされるように、例1)から例4)の成形はんだのいずれもが、118℃付近と217℃付近においてそれぞれ吸熱ピークを示した。
・示差走査熱量測定装置
製品名:MDSC Q-2000、TA Instruments社製
昇温温度:2℃/min
雰囲気:N2 50ml/min
測定範囲:100℃から230℃
図1から図4に表わされるように、例1)から例4)の成形はんだのいずれもが、118℃付近と217℃付近においてそれぞれ吸熱ピークを示した。
・示差走査熱量測定装置
製品名:MDSC Q-2000、TA Instruments社製
昇温温度:2℃/min
雰囲気:N2 50ml/min
測定範囲:100℃から230℃
次いで、例1)から例4)の各成形はんだについて、リフロー装置を用いて図32に示す温度プロファイル条件にて240℃5分間、酸素濃度100ppmの条件で加熱し、加熱後の各成形はんだについて、上記と同じ条件にて示差走査熱量測定を行った。その結果を図5から図8に示す。
また例1)の成形はんだについて、ピーク温度を150℃、180℃、190℃、200℃のそれぞれの加熱条件とする以外は図32に示すプロファイル条件と同じ条件にて5分間、酸素濃度100ppmの条件で加熱した後、上記と同じ条件にて示差走査熱量測定を行った。その結果を図9及び図10に示す。
例1)から例4)の各成形はんだは、液相線温度が219℃であるSn-3.0Ag-0.5Cuはんだ合金からなる金属粉末(a)と、液相線温度が120℃であるSn-50Inはんだ合金からなる金属粉末(b)を用いて成形されている。
そして、これらの成形はんだは、加圧成形時に加熱を行わないため、金属粉末(a)及び(b)共に溶融拡散しておらず、溶融温度変化は生じていない。そのため、これらの成形はんだは、120℃以上の加熱温度であれば、少なくとも金属粉末(b)が十分に溶融し得る。
そして、これらの成形はんだは、加圧成形時に加熱を行わないため、金属粉末(a)及び(b)共に溶融拡散しておらず、溶融温度変化は生じていない。そのため、これらの成形はんだは、120℃以上の加熱温度であれば、少なくとも金属粉末(b)が十分に溶融し得る。
更には、図1から図8に示す通り、例1)から例4)の各成形はんだは、金属粉末(a)及び(b)のうち、最も低い液相線温度、即ち、金属粉末(b)の液相線温度(120℃)以上の加熱によって溶融温度変化が生じている。
即ち、例1)から例4)の各成形はんだは、加熱により溶融した金属粉末(b)中に金属粉末(a)が拡散し、各成形はんだ中にSn-50Inはんだ合金よりも固相線温度の高い金属間化合物が生成される。そしてこれにより、加熱後の各成形はんだにおいて溶融温度変化が生じ得る。
特に例1)の成形はんだは、加熱前に生じていた、Sn-50Inはんだ合金の固相線温度(118℃)と液相線温度の間における吸熱ピークがほぼ消滅していることが分かる。
このように、例1)から例4)の各成形はんだ、特に例1)及び例2)の成形はんだは、Sn-50Inの固相線温度である118℃では再溶融し難くなり、信頼性の高いはんだ接合部を提供し得る。
即ち、例1)から例4)の各成形はんだは、加熱により溶融した金属粉末(b)中に金属粉末(a)が拡散し、各成形はんだ中にSn-50Inはんだ合金よりも固相線温度の高い金属間化合物が生成される。そしてこれにより、加熱後の各成形はんだにおいて溶融温度変化が生じ得る。
特に例1)の成形はんだは、加熱前に生じていた、Sn-50Inはんだ合金の固相線温度(118℃)と液相線温度の間における吸熱ピークがほぼ消滅していることが分かる。
このように、例1)から例4)の各成形はんだ、特に例1)及び例2)の成形はんだは、Sn-50Inの固相線温度である118℃では再溶融し難くなり、信頼性の高いはんだ接合部を提供し得る。
また、例1)から例4)の各成形はんだにおいて、加熱前の成形はんだの示差走査熱量測定における最初の吸熱ピークを示す温度を(T)、当該温度(T)におけるヒートフロー(H1)の絶対値を(H1’)、また加熱後の成形はんだの示差走査熱量測定における前記温度(T)のヒートフロー(H2)の絶対値を(H2’)とした場合、例1)から例4の各成形はんだの(H2’)/(H1’)の数値は以下の通りとなった。なお、(T)、(H1’)、(H2’)及び(H2’)/(H1’)の数値のいずれも小数点4位を四捨五入した。
なお例示として、図1に温度(T)及びヒートフロー(H1)の位置を、図5に温度(T)及び(H2)の位置を示す。
例1)0.005/0.228=0.022 … 118.949℃(T)
例2)0.004/0.323=0.012 … 118.886℃(T)
例3)0.001/0.386=0.003 … 118.888℃(T)
例4)0.007/0.374=0.019 … 118.886℃(T)
なお例示として、図1に温度(T)及びヒートフロー(H1)の位置を、図5に温度(T)及び(H2)の位置を示す。
例1)0.005/0.228=0.022 … 118.949℃(T)
例2)0.004/0.323=0.012 … 118.886℃(T)
例3)0.001/0.386=0.003 … 118.888℃(T)
例4)0.007/0.374=0.019 … 118.886℃(T)
(2)Sn-3.0Ag-0.5Cuはんだ合金とSn-58Biはんだ合金
Sn-3.0Ag-0.5Cuはんだ合金からなる金属粉末(a)と、Sn-58Biはんだ合金からなる金属粉末(c)とを、それぞれ以下の割合となるようにふるい機に入れて混合分散し、金属粉末の混合体を作製した。
例5)金属粉末(a):金属粉末(c)=90:10
例6)金属粉末(a):金属粉末(c)=80:20
例7)金属粉末(a):金属粉末(c)=70:30
例8)金属粉末(a):金属粉末(c)=60:40
Sn-3.0Ag-0.5Cuはんだ合金からなる金属粉末(a)と、Sn-58Biはんだ合金からなる金属粉末(c)とを、それぞれ以下の割合となるようにふるい機に入れて混合分散し、金属粉末の混合体を作製した。
例5)金属粉末(a):金属粉末(c)=90:10
例6)金属粉末(a):金属粉末(c)=80:20
例7)金属粉末(a):金属粉末(c)=70:30
例8)金属粉末(a):金属粉末(c)=60:40
次いで、上記(1)と同様の条件にて各成形はんだを作製した。なお、作製された各成形はんだの厚みは、以下の通りである。
例5)800μm
例6)800μm
例7)800μm
例8)800μm
例5)800μm
例6)800μm
例7)800μm
例8)800μm
例5)から例8)の各成形はんだについて、上記(1)と同様の条件にて示差走査熱量測定を行った。その結果を図11から図14に示す。
図11から図14に表わされるように、例5)から例8)の成形はんだのいずれもが、138℃と217℃付近においてそれぞれ吸熱ピークを示した。
図11から図14に表わされるように、例5)から例8)の成形はんだのいずれもが、138℃と217℃付近においてそれぞれ吸熱ピークを示した。
次いで、例5)から例8)の各成形はんだについて、図32に示す温度プロファイル条件にてリフロー装置を用いて240℃5分間、酸素濃度100ppmの条件で加熱し、加熱後の各成形はんだについて、上記と同じ条件にて示差走査熱量測定を行った。その結果を図15から図18に示す。
また例5)の成形はんだについて、150℃、190℃のそれぞれの加熱条件とする以外は図32に示すプロファイル条件と同じ条件にて5分間、酸素濃度100ppmの条件で加熱した後、上記と同じ条件にて示差走査熱量測定を行った。その結果を図19に示す。
例5)から例8)の各成形はんだは、液相線温度が219℃であるSn-3.0Ag-0.5Cuはんだ合金からなる金属粉末(a)と、共晶温度(溶融温度)が138℃であるSn-58Biはんだ合金からなる金属粉末(c)を用いて成形されている。
そして、これらの成形はんだは、加圧成形時に加熱を行わないため、金属粉末(a)及び(c)共に溶融拡散しておらず、溶融温度変化は生じていない。そのため、これらの成形はんだは、138℃以上の加熱温度であれば、少なくとも金属粉末(c)が十分に溶融し得る。
そして、これらの成形はんだは、加圧成形時に加熱を行わないため、金属粉末(a)及び(c)共に溶融拡散しておらず、溶融温度変化は生じていない。そのため、これらの成形はんだは、138℃以上の加熱温度であれば、少なくとも金属粉末(c)が十分に溶融し得る。
更には、図11から図18に示す通り、例5)から例8)の各成形はんだは、金属粉末(a)及び(c)のうち、最も低い液相線温度、即ち、金属粉末(c)の液相線温度(138℃)以上の加熱によって溶融温度変化が生じている。
即ち、例5)から例8)の各成形はんだは、加熱により溶融した金属粉末(c)中に金属粉末(a)が拡散し、各成形はんだ中にSn-58Biはんだ合金よりも固相線温度の高い金属間化合物が生成される。そしてこれにより、加熱後の各成形はんだにおいて溶融温度変化が生じ得る。
特に例5)及び例6)の各成形はんだは、Sn-58Biはんだ合金の共晶温度(溶融温度)である138℃付近における吸熱ピークがほぼなくなっていることが分かる。
このように、例5)から例8)の各成形はんだ、特に例5)及び例6)の各成形はんだは、Sn-58Biはんだ合金の共晶温度(溶融温度)である138℃では再溶融し難くなり、信頼性の高いはんだ接合部を提供し得る。
即ち、例5)から例8)の各成形はんだは、加熱により溶融した金属粉末(c)中に金属粉末(a)が拡散し、各成形はんだ中にSn-58Biはんだ合金よりも固相線温度の高い金属間化合物が生成される。そしてこれにより、加熱後の各成形はんだにおいて溶融温度変化が生じ得る。
特に例5)及び例6)の各成形はんだは、Sn-58Biはんだ合金の共晶温度(溶融温度)である138℃付近における吸熱ピークがほぼなくなっていることが分かる。
このように、例5)から例8)の各成形はんだ、特に例5)及び例6)の各成形はんだは、Sn-58Biはんだ合金の共晶温度(溶融温度)である138℃では再溶融し難くなり、信頼性の高いはんだ接合部を提供し得る。
また、例5)から例8)の各成形はんだにおいて、加熱前の成形はんだの示差走査熱量測定における最初の吸熱ピークを示す温度を(T)、当該温度(T)におけるヒートフロー(H1)の絶対値を(H1’)、また加熱後の成形はんだの示差走査熱量測定における前記温度(T)のヒートフロー(H2)の絶対値を(H2’)とした場合、例5)から例8)の各成形はんだの(H2’)/(H1’)の数値は以下の通りとなった。なお、(T)、(H1’)、(H2’)及び(H2’)/(H1’)の数値のいずれも小数点4位を四捨五入した。
例5)0.005/0.273=0.018 … 139.747℃(T)
例6)0.007/0.348=0.020 … 139.810℃(T)
例7)0.002/0.520=0.004 … 139.798℃(T)
例8)0.004/0.549=0.007 … 139.868℃(T)
例5)0.005/0.273=0.018 … 139.747℃(T)
例6)0.007/0.348=0.020 … 139.810℃(T)
例7)0.002/0.520=0.004 … 139.798℃(T)
例8)0.004/0.549=0.007 … 139.868℃(T)
(3)Sn-3.0Ag-0.5Cuはんだ合金とCu
Sn-3.0Ag-0.5Cuはんだ合金からなる金属粉末(a)と、Cuからなる金属粉末(d)とを、それぞれ以下の割合となるようにふるい機に入れて混合分散し、金属粉末の混合体を作製した。
例9)金属粉末(a):金属粉末(d)=50:50
例10)金属粉末(a):金属粉末(d)=20:80
次いで、上記(1)と同様の条件にて各成形はんだを作製した。なお、作製された各成形はんだの厚みは、以下の通りである。
例9)670μm
例10)750μm
Sn-3.0Ag-0.5Cuはんだ合金からなる金属粉末(a)と、Cuからなる金属粉末(d)とを、それぞれ以下の割合となるようにふるい機に入れて混合分散し、金属粉末の混合体を作製した。
例9)金属粉末(a):金属粉末(d)=50:50
例10)金属粉末(a):金属粉末(d)=20:80
次いで、上記(1)と同様の条件にて各成形はんだを作製した。なお、作製された各成形はんだの厚みは、以下の通りである。
例9)670μm
例10)750μm
例9)及び例10)の各成形はんだについて、測定範囲を100℃から400℃とした以外は上記(1)と同様の条件にて示差走査熱量測定を行った。その結果を図20及び図21に示す。
図20及び図21に表わされるように、例9)及び例10)の成形はんだのいずれもが、217℃付近において吸熱ピークを示した。
なお、図20及び図21には現れていないが、例9)及び例10)の成形はんだは、金属粉末(d)の溶融温度である1085℃においても吸熱ピークを有することが想定される。
図20及び図21に表わされるように、例9)及び例10)の成形はんだのいずれもが、217℃付近において吸熱ピークを示した。
なお、図20及び図21には現れていないが、例9)及び例10)の成形はんだは、金属粉末(d)の溶融温度である1085℃においても吸熱ピークを有することが想定される。
次いで、例9)及び例10)の各成形はんだについて、図32に示す温度プロファイル条件にてリフロー装置を用いて240℃5分間、酸素濃度100ppmの条件で加熱し、加熱後の各成形はんだについて、上記と同じ条件にて示差走査熱量測定を行った。その結果を図22及び図23に示す。
例9)及び例10)の各成形はんだは、液相線温度が219℃であるSn-3.0Ag-0.5Cuはんだ合金からなる金属粉末(a)と、溶融温度が1085℃であるCuからなる金属粉末(d)を用いて成形されている。
そして、これらの成形はんだは、加圧成形時に加熱を行わないため、金属粉末(a)及び(d)共に溶融拡散しておらず、溶融温度変化は生じていない。そのため、これらの成形はんだは、219℃以上の加熱温度であれば、少なくとも金属粉末(a)が十分に溶融し得る。
そして、これらの成形はんだは、加圧成形時に加熱を行わないため、金属粉末(a)及び(d)共に溶融拡散しておらず、溶融温度変化は生じていない。そのため、これらの成形はんだは、219℃以上の加熱温度であれば、少なくとも金属粉末(a)が十分に溶融し得る。
更には、図20から図23に示す通り、例9)及び例10)の各成形はんだは、金属粉末(a)及び(d)のうち、最も低い液相線温度、即ち、金属粉末(a)の液相線温度(219℃)以上の加熱によって溶融温度変化が生じている。
即ち、例9)及び例10)の各成形はんだは、加熱により溶融した金属粉末(a)中に金属粉末(d)が拡散し、各成形はんだ中にSn-3.0Ag-0.5Cuはんだ合金よりも固相線温度の高い金属間化合物が生成される。そしてこれにより、加熱後の各成形はんだにおいて溶融温度変化が生じ得る。
そして図22及び図23に示す通り、加熱後の例9)及び例10)の各成形はんだは、加熱前に生じていた、Sn-3.0Ag-0.5Cuはんだ合金の固相線温度(217℃)付近の吸熱ピークがほぼなくなっていることが分かる。なお、図20において、219℃以降に生じている発熱ピークについては、CuSn化合物の生成熱と推測される。
このように、例9)及び例10)の各成形はんだは、Sn-3.0Ag-0.5Cuはんだ合金の固相線温度である217℃では再溶融し難くなり、信頼性の高いはんだ接合部を提供し得る。
即ち、例9)及び例10)の各成形はんだは、加熱により溶融した金属粉末(a)中に金属粉末(d)が拡散し、各成形はんだ中にSn-3.0Ag-0.5Cuはんだ合金よりも固相線温度の高い金属間化合物が生成される。そしてこれにより、加熱後の各成形はんだにおいて溶融温度変化が生じ得る。
そして図22及び図23に示す通り、加熱後の例9)及び例10)の各成形はんだは、加熱前に生じていた、Sn-3.0Ag-0.5Cuはんだ合金の固相線温度(217℃)付近の吸熱ピークがほぼなくなっていることが分かる。なお、図20において、219℃以降に生じている発熱ピークについては、CuSn化合物の生成熱と推測される。
このように、例9)及び例10)の各成形はんだは、Sn-3.0Ag-0.5Cuはんだ合金の固相線温度である217℃では再溶融し難くなり、信頼性の高いはんだ接合部を提供し得る。
また、例9)及び例10)の各成形はんだにおいて、加熱前の成形はんだの示差走査熱量測定における最初の吸熱ピークを示す温度を(T)、当該温度(T)におけるヒートフロー(H1)の絶対値を(H1’)、また加熱後の成形はんだの示差走査熱量測定における前記温度(T)のヒートフロー(H2)の絶対値を(H2’)とした場合、例9)及び例10)の各成形はんだの(H2’)/(H1’)の数値は以下の通りとなった。なお、(T)、(H1’)、(H2’)及び(H2’)/(H1’)の数値のいずれも小数点4位を四捨五入した。
なお、特に例10)においては、CuSn化合物の生成熱の影響を受けるため、図21にも表わされるように、加熱前の示差走査熱量測定におけるヒートフローの値が広い範囲に渡り0以上となっている。
ただし、図21からも分かる通り、例10)の加熱前の示差走査熱量測定においてはSn-3.0Ag-0.5Cuはんだ合金の固相線温度(217℃)付近において吸熱ピークを有していることから、これを最初の吸熱ピークとし、当該吸熱ピークを示す温度を(T)、当該温度(T)におけるヒートフローを(H1)、ヒートフロー(H1)の絶対値を(H1’)、また加熱後の成形はんだの示差走査熱量測定における前記温度(T)のヒートフローを(H2)、ヒートフロー(H2)の絶対値を(H2’)とした。
ただし、図21からも分かる通り、例10)の加熱前の示差走査熱量測定においてはSn-3.0Ag-0.5Cuはんだ合金の固相線温度(217℃)付近において吸熱ピークを有していることから、これを最初の吸熱ピークとし、当該吸熱ピークを示す温度を(T)、当該温度(T)におけるヒートフローを(H1)、ヒートフロー(H1)の絶対値を(H1’)、また加熱後の成形はんだの示差走査熱量測定における前記温度(T)のヒートフローを(H2)、ヒートフロー(H2)の絶対値を(H2’)とした。
例9)0.012/0.668=0.018 … 217.512℃(T)
例10)0.006/0.019=0.316 … 216.771℃(T)
例10)0.006/0.019=0.316 … 216.771℃(T)
(4)Sn-50Inはんだ合金とCu
Sn-50Inはんだ合金からなる金属粉末(b)と、Cuからなる金属粉末(d)とを、それぞれ以下の割合となるようにふるい機に入れて混合分散し、金属粉末の混合体を作製した。
例11)金属粉末(b):金属粉末(d)=60:40
例12)金属粉末(b):金属粉末(d)=50:50
例13)金属粉末(b):金属粉末(d)=40:60
例14)金属粉末(b):金属粉末(d)=30:70
次いで、上記(1)と同様の条件にて各成形はんだを作製した。なお、作製された各成形はんだの厚みは、200μmであった。
Sn-50Inはんだ合金からなる金属粉末(b)と、Cuからなる金属粉末(d)とを、それぞれ以下の割合となるようにふるい機に入れて混合分散し、金属粉末の混合体を作製した。
例11)金属粉末(b):金属粉末(d)=60:40
例12)金属粉末(b):金属粉末(d)=50:50
例13)金属粉末(b):金属粉末(d)=40:60
例14)金属粉末(b):金属粉末(d)=30:70
次いで、上記(1)と同様の条件にて各成形はんだを作製した。なお、作製された各成形はんだの厚みは、200μmであった。
例11)から例14)の各成形はんだについて、上記(3)と同様の条件にて示差走査熱量測定を行った。その結果を図24から図27に示す。
図24から図27に表わされるように、例11)から例14)の成形はんだのいずれもが、118℃付近において吸熱ピークを示した。
なお、図24から図27には現れていないが、例11)から例14)の成形はんだは、金属粉末(d)の溶融温度である1085℃においても吸熱ピークを有することが想定される。
図24から図27に表わされるように、例11)から例14)の成形はんだのいずれもが、118℃付近において吸熱ピークを示した。
なお、図24から図27には現れていないが、例11)から例14)の成形はんだは、金属粉末(d)の溶融温度である1085℃においても吸熱ピークを有することが想定される。
次いで、例11)から例14)の各成形はんだについて、リフロー装置を用いて図33に示す温度プロファイル条件(140℃2分間-200℃2分間-250℃2分間)にて酸素濃度100ppmの条件で加熱し、加熱後の各成形はんだについて、上記と同じ条件にて示差走査熱量測定を行った。その結果を図28から図31に示す。
例11)から例14)の各成形はんだは、液相線温度が120℃であるSn-50Inはんだ合金からなる金属粉末(b)と、溶融温度が1085℃であるCuからなる金属粉末(d)を用いて成形されている。
そして、これらの成形はんだは、加圧成形時に加熱を行わないため、金属粉末(b)及び(d)共に溶融拡散しておらず、溶融温度変化は生じていない。そのため、これらの成形はんだは、120℃以上の加熱温度であれば、少なくとも金属粉末(b)が十分に溶融し得る。
そして、これらの成形はんだは、加圧成形時に加熱を行わないため、金属粉末(b)及び(d)共に溶融拡散しておらず、溶融温度変化は生じていない。そのため、これらの成形はんだは、120℃以上の加熱温度であれば、少なくとも金属粉末(b)が十分に溶融し得る。
更には、図24から図31に示す通り、例11)から例14)の各成形はんだは、金属粉末(b)及び(d)のうち、最も低い液相線温度、即ち、金属粉末(b)の液相線温度(120℃)以上の加熱によって溶融温度変化が生じている。
即ち、例11)から例14)の各成形はんだは、加熱により溶融した金属粉末(b)中に金属粉末(d)が拡散し、各成形はんだ中にSn-50Inはんだ合金よりも固相線温度の高い金属間化合物が生成される。そしてこれにより、加熱後の各成形はんだにおいて溶融温度変化が生じ得る。
そして図28から図31に示す通り、加熱後の例11)から例14)の各成形はんだは、加熱前に生じていた、Sn-50Inはんだ合金の固相線温度(118℃)と液相線温度の間における吸熱ピークがほぼなくなっていることが分かる。なお、図28から図31において、120℃以降に生じている緩い発熱ピークについては、CuSn化合物の生成熱と推測される。
このように、例11)から例14)の各成形はんだは、Sn-50Inはんだ合金の固相線温度である118℃では再溶融し難くなり、信頼性の高いはんだ接合部を提供し得る。
即ち、例11)から例14)の各成形はんだは、加熱により溶融した金属粉末(b)中に金属粉末(d)が拡散し、各成形はんだ中にSn-50Inはんだ合金よりも固相線温度の高い金属間化合物が生成される。そしてこれにより、加熱後の各成形はんだにおいて溶融温度変化が生じ得る。
そして図28から図31に示す通り、加熱後の例11)から例14)の各成形はんだは、加熱前に生じていた、Sn-50Inはんだ合金の固相線温度(118℃)と液相線温度の間における吸熱ピークがほぼなくなっていることが分かる。なお、図28から図31において、120℃以降に生じている緩い発熱ピークについては、CuSn化合物の生成熱と推測される。
このように、例11)から例14)の各成形はんだは、Sn-50Inはんだ合金の固相線温度である118℃では再溶融し難くなり、信頼性の高いはんだ接合部を提供し得る。
また、例11)から例14)の各成形はんだにおいて、加熱前の成形はんだの示差走査熱量測定における最初の吸熱ピークを示す温度を(T)、当該温度(T)におけるヒートフロー(H1)の絶対値を(H1’)、また加熱後の成形はんだの示差走査熱量測定における前記温度(T)のヒートフロー(H2)の絶対値を(H2’)とした場合、例11)から例14)の各成形はんだの(H2’)/(H1’)の数値は以下の通りとなった。なお、(T)、(H1’)、(H2’)及び(H2’)/(H1’)の数値のいずれも小数点4位を四捨五入した。
例11)0.011/0.589=0.019 … 118.249℃(T)
例12)0.002/0.385=0.005 … 118.319℃(T)
例13)0.010/0.492=0.020 … 118.001℃(T)
例14)0.002/0.366=0.005 … 118.002℃(T)
例11)0.011/0.589=0.019 … 118.249℃(T)
例12)0.002/0.385=0.005 … 118.319℃(T)
例13)0.010/0.492=0.020 … 118.001℃(T)
例14)0.002/0.366=0.005 … 118.002℃(T)
上記例1)から例14)の結果をまとめたものを以下の表1及び表2に表す。なお、表1及び表2に記載の数値のうち、各金属粉末の含有量についての単位は、特に但し書きのない限り、質量%とする。
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明を詳述する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
表3に表す組成及び割合にて、各金属からなる金属粉末を以下の条件にて加圧し、実施例1から5に係る成形はんだを作製した。
各金属からなる金属粉末の混合分散(混合体の作成)には、超音波ふるい(ステンレス鋼製、目開き:63μm)を用いた。また加圧にはブリケットマシン(製品名:MP-35-02、(株)島津製作所製)を用いた。
具体的には、ブリケットマシンの加圧板(下板)上にアルミリング(厚さ:1mm、外径:34mm、内径:26mm)を乗せ、各混合体をそれぞれアルミリングに充填し、各アルミリング上に加圧板(上板)を乗せ、これを加重約330kNで加圧することにより、各成形はんだを作製した。なお、作製された各成形はんだの厚みを表3に表す。
また比較例1及び比較例2については、表3に表す組成及び割合にて、各金属を溶融させ、これを所定の型に入れて冷却することにより、各成形はんだを作製した。なお、比較例1については250℃の温度で、比較例2については170℃の温度で溶融を行った。
なお、表3に記載の数値のうち、各金属粉末の含有量についての単位は、特に但し書きのない限り、質量%とする。
各金属からなる金属粉末の混合分散(混合体の作成)には、超音波ふるい(ステンレス鋼製、目開き:63μm)を用いた。また加圧にはブリケットマシン(製品名:MP-35-02、(株)島津製作所製)を用いた。
具体的には、ブリケットマシンの加圧板(下板)上にアルミリング(厚さ:1mm、外径:34mm、内径:26mm)を乗せ、各混合体をそれぞれアルミリングに充填し、各アルミリング上に加圧板(上板)を乗せ、これを加重約330kNで加圧することにより、各成形はんだを作製した。なお、作製された各成形はんだの厚みを表3に表す。
また比較例1及び比較例2については、表3に表す組成及び割合にて、各金属を溶融させ、これを所定の型に入れて冷却することにより、各成形はんだを作製した。なお、比較例1については250℃の温度で、比較例2については170℃の温度で溶融を行った。
なお、表3に記載の数値のうち、各金属粉末の含有量についての単位は、特に但し書きのない限り、質量%とする。
実施例1から3の各成形はんだについて、以下の条件にて示差走査熱量測定を行った。
・示差走査熱量測定装置
製品名:MDSC Q-2000、TA Instruments社製
昇温温度:2℃/min
雰囲気:N2 50ml/min
測定範囲:100℃から300℃
・示差走査熱量測定装置
製品名:MDSC Q-2000、TA Instruments社製
昇温温度:2℃/min
雰囲気:N2 50ml/min
測定範囲:100℃から300℃
実施例1及び2については、成形はんだの成形に用いた金属粉末のうち、液相線温度の低い方の金属(Sn-3.0Ag-0.5Cuはんだ合金)の固相線温度と液相線温度の間、即ち217℃から219℃の間において吸熱ピークを示した。
また実施例3については、成形はんだの成形に用いた金属粉末のうち、液相線温度の低い方の金属(Sn-58Biはんだ合金)の共晶温度(溶融温度)付近、即ち138℃付近において吸熱ピークを示した。
また実施例3については、成形はんだの成形に用いた金属粉末のうち、液相線温度の低い方の金属(Sn-58Biはんだ合金)の共晶温度(溶融温度)付近、即ち138℃付近において吸熱ピークを示した。
また実施例4及び5の各成形はんだについて、以下の条件にて示差走査熱量測定を行った。
・示差走査熱量測定装置
製品名:MDSC Q-2000、TA Instruments社製
昇温温度:2℃/min
雰囲気:N2 50ml/min
測定範囲:100℃から400℃
・示差走査熱量測定装置
製品名:MDSC Q-2000、TA Instruments社製
昇温温度:2℃/min
雰囲気:N2 50ml/min
測定範囲:100℃から400℃
実施例4及び5共に、成形はんだの成形に用いた金属粉末のうち、液相線温度の低い方の金属(Sn-50Inはんだ合金)の固相線温度と液相線温度の間、即ち118℃から120℃の間において吸熱ピークを示した。
比較例1及び2の各成形はんだについて、実施例1及び2と同じ条件にて示差走査熱量測定を行った。
比較例1については、成形はんだの成形に用いた金属粉末のうち、液相線温度の低い方の金属(Sn-3.0Ag-0.5Cuはんだ合金)の固相線温度と液相線温度の間、即ち217℃から219℃の間において吸熱ピークを示さなかった。
また比較例2については、成形はんだの成形に用いた金属粉末のうち、液相線温度の低い方の金属(Sn-58Biはんだ合金)の共晶温度(溶融温度)付近、即ち138℃付近において吸熱ピークを示さなかった。
比較例1については、成形はんだの成形に用いた金属粉末のうち、液相線温度の低い方の金属(Sn-3.0Ag-0.5Cuはんだ合金)の固相線温度と液相線温度の間、即ち217℃から219℃の間において吸熱ピークを示さなかった。
また比較例2については、成形はんだの成形に用いた金属粉末のうち、液相線温度の低い方の金属(Sn-58Biはんだ合金)の共晶温度(溶融温度)付近、即ち138℃付近において吸熱ピークを示さなかった。
このように、比較例1及び2は、溶融により成形はんだを成形したため、当該溶融時において溶融温度変化が生じてしまっている。そのため、比較例1は219℃、比較例2は138℃の加熱でははんだ接合を行うことができず、はんだ接合時における加熱温度を更に上げなければならなくなる。
一方、実施例1から5は、成形はんだの成形に用いた金属粉末のうち、液相線温度の低い方の金属の液相線温度でもはんだ接合を行うことができるため、はんだ接合時における加熱温度の調整が容易となる。また、従来のはんだ接合時の加熱温度でも十分に溶融し得る。
一方、実施例1から5は、成形はんだの成形に用いた金属粉末のうち、液相線温度の低い方の金属の液相線温度でもはんだ接合を行うことができるため、はんだ接合時における加熱温度の調整が容易となる。また、従来のはんだ接合時の加熱温度でも十分に溶融し得る。
次に、実施例1から3の成形はんだについて、リフロー装置を用いて図32に示す温度プロファイル条件にて240℃5分間、酸素濃度100ppmの条件で加熱を行い、上記と同じ条件にて示差走査熱量測定を行った。
実施例1及び2については、217℃から219℃の間における吸熱ピークがほぼなくなっていた。また実施例3については、138℃付近における吸熱ピークがほぼなくなっていた。
実施例1及び2については、217℃から219℃の間における吸熱ピークがほぼなくなっていた。また実施例3については、138℃付近における吸熱ピークがほぼなくなっていた。
また実施例4及び5の成形はんだについて、リフロー装置を用いて図33に示す温度プロファイル条件(140℃2分間-200℃2分間-250℃2分間)にて11分間、酸素濃度100ppmの条件で加熱を行い、上記と同じ条件にて示差走査熱量測定を行ったところ、118℃から120℃の間における吸熱ピークがほぼなくなっていた。
このように、実施例1から5の成形はんだは、加熱により溶融温度変化が生じていることが分かる。そしてこのような成形はんだは、上記加熱時の温度では再溶融し難くなり、従ってはんだ接合後において、信頼性の高いはんだ接合部を提供することができる。
次いで、実施例1から5の成形はんだのはんだ接合性を確認した。
先ず、実施例1から3の成形はんだをそれぞれ6mm×6mmの大きさに整えた。また6mm×6mm×0.3mmtの銅板(a)と30mm×30mm×0.3mmtの銅板(b)とを用意した。
実施例1から3の成形はんだの両面にフラックス(製品名:BF-30、(株)タムラ製作所製)を薄く塗布し、銅板(b)上に各成形はんだを載置した。
そして各成形はんだの面のうち銅板(b)と接していない面に銅板(a)を載置し、これを図32に示す温度プロファイル条件にて、高温観察装置(製品名:SK-5000、山陽精工(株)製)を用いて5分間リフローし、各試験片を作製した。なお、酸素濃度は100ppmとした。
先ず、実施例1から3の成形はんだをそれぞれ6mm×6mmの大きさに整えた。また6mm×6mm×0.3mmtの銅板(a)と30mm×30mm×0.3mmtの銅板(b)とを用意した。
実施例1から3の成形はんだの両面にフラックス(製品名:BF-30、(株)タムラ製作所製)を薄く塗布し、銅板(b)上に各成形はんだを載置した。
そして各成形はんだの面のうち銅板(b)と接していない面に銅板(a)を載置し、これを図32に示す温度プロファイル条件にて、高温観察装置(製品名:SK-5000、山陽精工(株)製)を用いて5分間リフローし、各試験片を作製した。なお、酸素濃度は100ppmとした。
上記各試験片について、銅板(a)及び(b)と各成形はんだとの接合の有無を走査電子顕微鏡を用いて確認したところ、各試験片のいずれも銅板(a)及び(b)と各成形はんだとが接合できていた。
また、実施例4及び5の成形はんだをそれぞれ10mm×10mmの大きさに整え、上記銅板(a)の上に重さ2gの重りを乗せ、図33に示す温度プロファイル条件(140℃2分間-200℃2分間-250℃2分間)にて11分間リフローする以外は上記と同じ条件にて各試験片を作製した。なお、酸素濃度は100ppmとした。
上記各試験片について、銅板(a)及び(b)と各成形はんだとの接合の有無を走査電子顕微鏡を用いて確認したところ、各試験片のいずれも銅板(a)及び(b)と各成形はんだとが接合できていた。
このように実施例1から5に係る成形はんだは、フラックスを用いずに成形できることからボイドの発生を抑制でき、また成形時に加熱を行わないことから、成形に用いた金属粉末のうち、最も液相線温度の低い金属の液相線温度にてはんだ接合を行うことができる。またこれらの成形はんだは、はんだ接合時に液相線温度の高い金属からなる金属粉末を溶融したはんだ合金中に容易に拡散させ、はんだ接合後の成形はんだ(はんだ接合部)の溶融温度を変化させることができるため、はんだ接合時の加熱温度では再溶融し難くなり、信頼性の高いはんだ接合部を提供することができる。
Claims (8)
- 複数種の金属粉末の混合体を加圧成形してなる成形はんだであって、
前記複数種の金属粉末は複数の金属元素を含む合金からなる金属粉末を含み、
前記複数の金属元素を含む合金からなる金属粉末はSnを40質量%以上含み、その固相線温度は250℃以下であり、その固相線温度及び液相線温度は前記複数種の金属粉末の中で最も低く、
前記複数の金属元素を含む合金からなる金属粉末の含有量は、前記複数種の金属粉末100質量%に対して10質量%以上60質量%以下であり、
前記複数種の金属粉末の液相線温度は、それぞれが50℃以上の温度差を有し、
前記複数種の金属粉末の液相線温度のうち最も低い液相線温度以上の温度で加熱することにより溶融温度変化を生じることを特徴とする成形はんだ。 - 前記複数種の金属粉末のうち1種はCu金属粉末であることを特徴とする請求項1に記載の成形はんだ。
- 前記複数種の金属粉末の混合体に含まれる前記Cu金属粉末の含有割合は40質量%以上80質量%以下であることを特徴とする請求項2に記載の成形はんだ。
- 前記複数種の金属粉末の混合体は、
Sn-3.0Ag-0.5Cuはんだ合金からなる金属粉末とSn-50Inはんだ合金からなる金属粉末を質量比で80:20から50:50、または
Sn-3.0Ag-0.5Cuはんだ合金からなる金属粉末とSn-58Biはんだ合金からなる金属粉末を質量比で90:10から60:40含むことを特徴とする請求項1に記載の成形はんだ。 - 前記複数種の金属粉末の混合体は、
Sn-3.0Ag-0.5Cuはんだ合金からなる金属粉末とCuからなる金属粉末を質量比で50:50から20:80、または
Sn-50Inはんだ合金からなる金属粉末とCuからなる金属粉末を質量比で60:40から30:70含むことを特徴とする請求項2または請求項3に記載の成形はんだ。 - 前記複数種の金属粉末の液相線温度のうち最も低い液相線温度以上の温度で加熱する前の成形はんだの示差走査熱量測定における最初の吸熱ピークを示す温度(T)におけるヒートフロー(H1)の絶対値(H1’)と、加熱した後の成形はんだの示差走査熱量測定における前記温度(T)のヒートフロー(H2)の絶対値(H2’)とが、以下の式(1)を満たすことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の成形はんだ。
(H2’)/(H1’)≦0.2 … (1) - 前記複数種の金属粉末の液相線温度のうち最も低い液相線温度以上の温度で加熱する前の成形はんだの示差走査熱量測定における最初の吸熱ピークを示す温度(T)におけるヒートフロー(H1)の絶対値(H1’)と、加熱した後の成形はんだの示差走査熱量測定における前記温度(T)のヒートフロー(H2)の絶対値(H2’)とが、以下の式を満たすことを特徴とする請求項4に記載の成形はんだ。
前記複数種の金属粉末の混合体がSn-3.0Ag-0.5Cuはんだ合金からなる金属粉末とSn-50Inはんだ合金からなる金属粉末を質量比で80:20から50:50含む場合
0.003≦(H2’)/(H1’)≦0.022
前記複数種の金属粉末の混合体がSn-3.0Ag-0.5Cuはんだ合金からなる金属粉末とSn-58Biはんだ合金からなる金属粉末を質量比で90:10から60:40含む場合
0.004≦(H2’)/(H1’)≦0.020 - 前記複数種の金属粉末の液相線温度のうち最も低い液相線温度以上の温度で加熱する前の成形はんだの示差走査熱量測定における最初の吸熱ピークを示す温度(T)におけるヒートフロー(H1)の絶対値(H1’)と、加熱した後の成形はんだの示差走査熱量測定における前記温度(T)のヒートフロー(H2)の絶対値(H2’)とが、以下の式を満たすことを特徴とする請求項5に記載の成形はんだ。
Sn-3.0Ag-0.5Cuはんだ合金からなる金属粉末とCuからなる金属粉末を質量比で50:50から20:80含む場合
0.018≦(H2’)/(H1’)≦0.316
Sn-50Inはんだ合金からなる金属粉末とCuからなる金属粉末を質量比で60:40から30:70含む場合
0.005≦(H2’)/(H1’)≦0.020
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