JPWO2012115268A1 - パワーデバイス用のはんだ合金と高電流密度のはんだ継手 - Google Patents
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Abstract
Description
なお、本明細書において、はんだ合金組成を規定する説明において単に「%」とあるのは「質量%」の意味である。
第1の方法は、Snのマトリックスで形成させるはんだ合金内部のCu原子の拡散を抑制して、急激に電流が流れないようにする方法で、エレクトロマイグレーション防止にとても有効である。
また、本発明のパワーデバイス用のはんだ合金は、パワーデバイス内部だけではなく、パワーデバイスとプリント基板との継手などのように、デバイスとプリント基板の間の電流量が多い継手や、CPUとプリント基板との間の電流密度が高い部分の継手に使用しても、CuやNi等のランドに発生するエレクトロマイグレーションを防止することができる。この電子デバイスとプリント基板との接合では、一般に使用されるSn-3.0Ag-0.5Cuと同じリフロープロファイルで使用して良い。
凝固偏析でBi単相がはんだフィレット全体に晶出するため、はんだ接合部で局所的に電流密度が高くなるとはんだ自体がジュール熱で発熱し、瞬間的に150℃を超過し、一部溶解する。通常のヒートサイクル試験や従来のように、ピッチが広く電流量が小さいパワーサイクル試験ではジュール熱が発生しても、熱拡散により局所的にはんだフィレットの一部の温度が上昇することはなく、平均的に温度が上昇するため、大きな問題とはならず、更に、昇温がゆっくりと行われるため、Bi単相がSnマトリックスに再固溶し、低融点層が消失し、Biの偏析による再溶融の懸念はない。
In添加によりCu配線との反応層がCu6Sn5からCu6(SnIn)5への変化し、更に、Snマトリックス中に固溶し、結晶格子を歪ませ、Cuの拡散を抑制し、耐エレクトロマイグレーション性が改善される。一方で、Inの添加量が増加すると固相線温度が低下し、特に、125℃のような高温下ではInによる固溶硬化は期待できず、つまり、In原子がSnマトリックスの結晶格子を歪ませることができなくなり、融点低下によるSnマトリックス中の相互拡散を加速させ、耐エレクトロマイグレーション性を低下させる。更に、125℃の高温下ではβ−Sn相の一部がγ−SnIn相に変態し、Sn,In原子の拡散が激しくなるとともに原子空孔が多く形成される。原子空孔を介してCuが更に拡散しやすくなるため、高温でのγ−SnIn相への変態は極力避けなければならない。そのため、In添加量は5%以下とする。できれば、4%以下がよい。しかしながら、In添加量を2%未満にするとCu電極との反応層中のIn濃度が低下し、エレクトロマイグレーションが多く発生するようになる。
上記合金は、好ましくは、さらに、0.05〜0.2質量%のNi、0.05〜0.2質量%のCo、および0.02〜0.1%のFeの少なくとも1種を含有してもよい。
上記継手を構成する合金は、好ましくは、さらに、0.05〜0.2質量%のNi、0.05〜0.2質量%のCo、および0.02〜0.1%のFeの少なくとも1種を含有してもよい。
SnAgBiIn合金でのエレクトロマイグレーションの改善について
Ag量は、はんだの溶融温度、耐熱疲労特性の観点から決定される。
Agが2%より少ないと熱疲労特性が低下する。一方、4%を超過すると液相線が上昇するため、ボイドの数が増加し、はんだ継手の品質が低下する。したがって本発明のAg量は、2質量%以上、4質量%以下である。
エレクトロマイグレーションは150℃程度の高温下では発生しやすい。したがって、そのような高温下でBi添加により起こる固溶硬化の状態を維持することが重要である。一般的に、固溶硬化の状態は、150℃という高温にはんだ継手が加熱されると、消失し、更に、150℃ではSnへのBiの固溶限が10%以上になるので、BiではSnマトリックス中のBi原子の拡散が激しくなり、Sn格子ひずみが緩和されると考えられる。Biを2%以上添加した場合、150℃以上の高温化においても固溶硬化が持続することが判明しており、固溶硬化が持続することで発生するSnの格子歪みの存在は、Cu原子の拡散を抑制する。160℃での引張強度はSnAg0.5Cu、Sn3Ag0.8Cu3Biで各々、19MPaと28MPaであり、200℃でも13MPaと20MPaである。Biが2質量%未満では、固溶硬化が発揮されず、Snの格子歪みが現れない。しかしながら、過剰にBiを添加すると、前述の固相線温度の低下の観点以外にもはんだ付け時の凝固偏析により、139℃で溶融する低融点相(低温相)が晶出する。はんだ継手におけるそのような低温相の存在により、はんだ継手は150℃以上という高温に加熱されることがあることから、そのときに液相の生成はさけられない。そのため、熱疲労による応力負荷の増大により、クラックが一気に進展する。そのため、Bi添加量は4%以下とする。本発明のBiの添加量は、2質量%以上、4質量%以下である。
一方で、5%を超過してInを添加すると、室温ではβ−Sn相が生成するが、150℃ではβ−Sn相とγ−SnInの割合が約7:3となる。このことは、はんだ継手が使用中に相変態を起こすことを意味する。もし、そのようなβ−Snから、β−Snとγ−SnInへの相変態が起こると、はんだ継手が変形し、隣接する電極との短絡が起こる。そのため、In含量は5%以下に限定する。本発明のIn量は、2質量%以上、5質量%以下である。好ましくは、3質量以上、4質量%以下である。
本発明のSn-Ag-Bi-In合金には少量のFeを配合させても良い。好ましくは、Fe含量は、添加する場合、0.01〜0.1%とする。
Snは当該はんだ合金の残部を実質上構成する。Sn含量の下限は、特に規定しないが、一般には、少なくとも94質量%である。
厚さが1.6mmで6層のFR4プリント基板を使用した。基板電極サイズと同じ開口サイズで150μm厚に所定のソルダペーストをはんだ付けパターン(1.6×1.2(mm))を印刷した。これに、3.2mm×1.6mm×0.6mmサイズのセラミックスチップ抵抗分品をSMT-2000V SUZUKI)製の自動部品搭載機で搭載後、千住金属製SNR-825を使って、ピーク温度240℃、酸素濃度500ppm以下で実装を行った。
エレクトロマイグレーションに対する抵抗性を求める場合、銅プレート33および回路基板31のランド32とを図3に示すように、適宜電源35に接続して、Cuプレート33と回路基板31のランド32との間に電流を流す。このときの電流は、回路基板31を室温の大気下に保持したまま、抵抗が5%、10%まで増加するまで供給する。終了時、はんだ継手34のフィレット部の底部近くのはんだ継手34の断面を電子顕微鏡で観察する。フィレット部の領域を観察するのは、そこが、電流密度が最も高いと思われる個所であるからである。
最後に、リフローのピーク温度を240℃で設定したリフロー炉で、はんだ付け後の回路基板1をX線透過装置によってはんだフィレットを確認して、はんだ継手のボイドを調べた。継手断面の面積比でボイドが20%以上のものを「×」、10〜20%のものを「△」、10%未満のものを「○」と判定した。結果は、表1に示す。
図5は、本発明実施例の125℃、20 A通電後に、抵抗値が5%上昇した銅ランドの状態を示す電子顕微鏡写真である。
図5、図6は、通電試験前の図4と比較すると、エレクトロマイグレーションにより、回路基板のCuランドがかなり薄くなっていた。そして、図5および図6からは、はんだ継手において、黒い領域として示される継手の一部で破断が起こっていることがわかる。この領域では、はんだ継手と、回路基板のCuランドとの間は、もはや接続されていない。
以上説明した実験結果から、本発明にかかるはんだ継手は、5〜100 kA/cm2の範囲の電流密度で長期間使用しても、エレクトロマイグレーションは実質上起こらないことが分かる。そして同時に、それらは、耐ヒートサイクル性、そして耐疲労性に優れている。したがって、本発明にかかるはんだ継手は、電流密度が高い大きな電流で動作する電子機器、例えばパワートランジスタおよびその他の電力機器などに用いるに特に適する。
ある。SnAgBiIn合金にCoを添加することで、反応相を、Cu6(SnIn)5から、(CuCo)6(SnIn)5へと変化させることができ、Cu拡散を抑制することができる。Co添加量が0.01%よりすくないと、場合により0.02%より少ないと、一部Cu6(SnIn)5反応相が変化せずに残ることがある。電流密度が高くなる領域と、この残留するCu6(SnIn)5反応相が一致すると、この領域におけるCu拡散が加速され、最終的に短期間で断線にいたる。Co添加量は0.1%以上が好ましい。リフローはんだ付けを行う場合、リフロー時の加熱温度は260℃を超えないようにする。通常、その温度は240℃以下である。0.05%を超えてCoを添加すると、液相線が240℃を超える。240℃では少量のCo(SnIn)2が残留するが、はんだ付けにはほとんど影響ない。しかし、Co含量が、特に0.3%を超えると、場合により0.2%を超えると、悪影響が生じ、例えば、ボイド量が増加する。しかし、Co(SnIn)2が残存しているため、リフロー時のはんだ中へのCuの溶解を効果的に防止でき、その結果、断線発生を防止して使用寿命を延長できる。好適なCo添加量は、0.05〜0.2%であり、より好ましくは、0.05〜0.15%である。
[0055]
更に、Co添加により、反応相(CuCo)6(SnIn)5を平滑な表面とし、反応層を形成し、厚みが均一になる。Coが0.01%未満の添加では反応相(CuCo)6(SnIn)5の凹凸が激しくなり、反応層の薄い部分に電流が集中するとエレクトロマイグレーションにより、反応相が消失しやすくなる。反応相が消失した後は、Cu電極とはんだとは、直接、接することなり、Cu電極からはんだへのCu拡散は更に加速され、短期間で断線にいたる。
[0056]
また、Co添加により、反応相近傍のβ−Snの結晶粒を30μm以下に微細化できるため、エレクトロマイグレーションによる破断に至るまでの使用寿命を延長できる。
本発明のSn−Ag−Bi−In合金には少量のFeを配合させても良い。好ましくは、Fe含量は、添加する場合、0.01〜0.1%とする。
[0057]
Sn:残部
Snは当該はんだ合金の残部を実質上構成する。Sn含量の上限は、特に規定しないが、一般には、94質量%である。
使用し、−55℃、+125℃で各30min間保持し、常温さらし時間は0minとした。500サイクル毎に、剪断強度測定器(Shear tester)STR−1000(レスカ製)を使用し、各チップ部品接合部の剪断強度を10〜15点測定した。シェアーツールのサイズ、速度は、各々、3mm w×2mmt、5mm/minであった。
[0064]
はんだ接合部の寿命を明確にするため、3216部品での最低接合強度を15Nとし、500サイクル毎に15N以下となる累積頻度を算出し、累積頻度が10%を超過した段階で不合格とし、その500サイクル前をはんだ接合部の寿命とした。その結果を表1に記載する。
[0065]
エレクトロマイグレーション試験は次の要領で行った。
エレクトロマイグレーションに対する抵抗性を求める場合、銅プレート33および回路基板31のランド32とを図3に示すように、適宜電源35に接続して、Cuプレート33と回路基板31のランド32との間に電流を流す。このときの電流は、回路基板31を125℃の大気下に保持したまま、抵抗が5%、10%まで増加するまで供給する。終了時、はんだ継手34のフィレット部の底部近くのはんだ継手34の断面を電子顕微鏡で観察する。フィレット部の領域を観察するのは、そこが、電流密度が最も高いと思われる個所であるからである。
[0066]
本例では、表1に示す組成のはんだ合金を使用した。結果は同じく表1に示す。
最後に、リフローのピーク温度を240℃で設定したリフロー炉で、はんだ付け後の回路基板1をX線透過装置によってはんだフィレットを確認して、はんだ継手のボイドを調べた。継手断面の面積比でボイドが20%以上のものを「×」、10〜20%のものを「△」、10%未満のものを「○」と判定した。結果は、表1に示す。
[0067]
Claims (6)
- 5〜100 kA/cm2の電流密度の電流が流れる継手を有する電子デバイス用のはんだ合金であって、2〜4質量%のAg,2〜4質量%のBi,2〜5質量%のIn、残部Snから本質的に構成されるはんだ合金。
- 2.5〜3.5質量%のAg,2〜3質量%のBi,3〜4質量%のIn、残部Snから本質的に構成される請求項1に記載のはんだ合金。
- さらに、0.01〜0.3質量%のNi、および0.01〜0.32質量%のCo、0.01〜0.1質量%のFeから選択された1種以上を含有する請求項1または2に記載のはんだ合金。
- 2〜4質量%のAg,2〜4質量%のBi,2〜5質量%のIn、残部Snから本質的になるはんだ合金から作られたはんだ継手であって、電子デバイス内部のはんだ継手、または電子デバイスに接続されたはんだ継手であり、当該はんだ継手の少なくとも一部に5〜100 kA/cm2の電流密度の電流が流れることを特徴とするはんだ継手。
- 前記はんだ継手は、2〜4質量%のAg,2〜4質量%のBi,2〜5質量%のIn、残部Snから本質的になるはんだ合金に、さらに0.01〜0.3質量%のNi、0.01〜0.32質量%のCo、および0.01〜0.1質量%のFeの少なくとも一種を含有するはんだ合金から作られた請求項4記載のはんだ継手。
- デバイス内部に、2〜4質量%のAg,2〜4質量%のBi,2〜5質量%のIn、残部Snから本質的になるはんだ合金から作られたはんだ継手を有し、継手の少なくとも一部に5〜100 kA/cm2の電流密度が流れることを特徴とするパワーデバイス。
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