TWI812054B - 焊料膏、焊接接頭、及外部電極用端子與電極之連接方法 - Google Patents
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Abstract
本發明之課題在於提供由於液相線溫度低且固相線溫度不過低因而安裝性優異，顯示出高強度，進而耐熱疲勞特性優異的焊料合金、焊料粉末、焊料膏和焊接接頭。
其解決手段為一種焊料合金，其具有如下的合金組成：以質量%計Ag：0.5~4.0%、Cu：超過0.5%且為1.0%以下、Bi：超過3.0%且為8.0%以下，及餘量由Sn所構成。合金組成優選滿足下述(1)式~(3)式。
上述(1)式~(3)式中，Sn、Bi、Cu和Ag表示各個合金組成的含量(質量%)。
Description
本發明關於信賴性優異的焊料合金、焊料粉末、焊料膏和焊接接頭。
功率半導體裝置為例如在形成有銅電路的絕緣基板(以下，簡稱為「DCB(Direct Copper Bonding)」)上連接有多個元件或電極端子(外部連接端子)的結構。為了形成功率半導體裝置，例如採用分步焊接(step soldering)，其將元件、外部連接端子依序進行焊接。
在藉由分步焊接進行多段式焊接時，對於用於第二次焊接的焊料合金，會選擇液相線溫度低於在最初的焊接中使用的焊料合金的固相線溫度的合金組成。作為液相線溫度或熔點低的合金組成，例如在專利文獻1~3中
揭示Sn-Ag-Cu-Bi焊料合金。在專利文獻2記載的發明中，當對外部連接端子施加外部應力時有焊接接頭斷裂的憂慮，因此，揭示焊料合金本身為高強度、且在室溫下顯示出高接合強度的Sn-Ag-Cu-Bi焊料合金。
另一方面，Sn-Ag-Cu-Bi焊料合金中，有以能耐受嚴苛的使用環境的方式進行了合金設計者。例如在專利文獻3中揭示熱循環後的接合強度高的Sn-Ag-Cu-Bi焊料合金。
[專利文獻1]日本特開平2-70033號
[專利文獻2]日本特開2004-122223號
[專利文獻3]日本特開2019-155466號
此處，在功率半導體裝置的通常使用方式下，難以想像應力會從外部直接施加於功率半導體裝置所具備的元件。因此，用於將元件連接於DCB的焊料合金為一直以來廣泛使用的Sn-3Ag-0.5Cu焊料合金(以下，在元素符號前標注的數值的單位為「質量%」)即可。藉由分步焊接製造功率半導體裝置時，通常外部連接端子緊接著元件被連接，因此，期望連接外部連接端子的焊料合金的液
相線溫度低於上述焊料合金的固相線溫度217℃。
專利文獻1中揭示的焊料合金在液相線溫度與固相線溫度之間的溫度域中形成不具有液體流動性、也不具有固體硬度的糊劑，具有良好的機械強度。具體而言，專利文獻1中揭示Sn-0.4Ag-0.2Cu-6Bi焊料合金。專利文獻2中揭是的焊料合金為Cu與Ag滿足規定關係的合金組成，被設計為藉由抑制Ag蝕而不會破壞接合強度。具體而言，專利文獻2中揭示了Sn-3.2Ag-0.8Cu-5Bi焊料合金。專利文獻1和2所記載的發明中優選液相線溫度低，但並未進行能夠適用於分步焊接的合金設計，因此，難謂此等焊料合金的液相線溫度充分低。
進而，在這些發明中，關於構件的腐蝕、錯位、再氧化、空隙等安裝性並未進行檢討，因此，即使固相線溫度低，且與液相線溫度的溫度域較寬廣也並未成為問題。特別是專利文獻1中，如前所述，記載了在液相線溫度與固相線溫度之間的溫度域中顯示出良好的機械特性，因此，在該文獻記載的發明中，反而更優選該較寬廣之溫度域。
另外，由於功率半導體裝置中使用的外部電極用端子與外部的電極等連接，因此，例如從外部對外部電極端子重複施加拉伸應力時，所施加的應力會集中在連接DCB與外部電極用端子的焊接接頭。進而，功率半導體裝置在工作時有時會達到125℃左右。功率半導體裝置中使用的焊料合金需要具有即使長時間被暴露於這種高溫環
境下也不會劣化的優異的耐熱疲勞特性。
專利文獻3中揭示的發明是藉由著眼於熱循環時的Bi的行為而可以顯示出熱循環後的高接合強度的優異的發明。作為具體的合金組成，例如公開了Sn-3.3Ag-0.9Cu-5.0Bi的焊料合金。專利文獻3中雖然記載了為了抑制印刷電路板的熱損傷，液相線溫度優選為235℃以下，但是，與專利文獻1和2中記載的發明同樣地，並未進行能夠適用於分步焊接的合金設計。因此，難謂上述焊料合金的液相線溫度充分低。另外，專利文獻3記載的發明中，雖然得到了熱循環後的高接合強度，但未進行改善耐熱疲勞特性的合金設計。這與專利文獻1和2中記載的發明也同樣。
如此，即使專利文獻1和2中記載的焊料合金可以解決各自的課題，由於例如未考慮功率半導體裝置製造時和使用時的實際情況，因此，難謂可以解決關於功率半導體裝置的各種課題。專利文獻3所記載的焊料合金中，在該等方面仍尚有改善的餘地。另外，對於焊料合金而言，雖然各元素存在固有的添加意義，但焊料合金是全部構成元素組合而成為一體的材料，各構成元素會相互影響。因此，為了同時解決關於功率半導體裝置的各種課題，各構成元素必須作為一個整體均衡性良好地含有。為了提供可以同時解決上述全部課題的焊料合金，進一步探索組成是必不可少的。
因此，本發明的課題在於，提供：由於液相
線溫度低且固相線溫度不過低因而安裝性優異，顯示出高強度，進而耐熱疲勞特性優異的焊料合金、焊料粉末、焊料膏和焊接接頭。
本發明人等在專利文獻所揭示的焊料合金中以液相線溫度低於Sn-3Ag-0.5Cu焊料合金的固相線溫度的方式調查了各構成元素的含量。在專利文獻1所記載的Sn-0.4Ag-0.2Cu-6Bi焊料合金中，獲得了Ag和Cu的含量少而液相線溫度高的見解。在專利文獻2所記載的Sn-3.2Ag-0.8Cu-5Bi焊料合金中，獲得了Cu的含量多而液相線溫度高的見解。在專利文獻3所記載的Sn-3.3Ag-0.9Cu-5.0Bi焊料合金中，獲得了Cu含量多而液相線溫度高的見解。
基於這些見解，以降低液相線溫度的方式調查了合金組成，結果獲得了各構成元素的含量為規定範圍內時會顯示出期望的液相線溫度的見解。但是認識到，即使是所得範圍內的合金組成，也存在具有拉伸強度低的合金組成，或高溫環境下的耐熱疲勞特性未成為期望的值的合金組成的焊料合金。因此，考慮整體的均衡性，在上述範圍內，對各構成元素的含量進一步詳細地進行了調查。其結果，獲得了如下見解：在各構成元素的含量在特定範圍內的情況下，展現液相線溫度會低至能夠用於分步焊接的第2次焊接的程度且固相線溫度不過低時，安裝性優異，拉伸強度高，高溫環境下的耐熱疲勞特性飛躍性地改
善。另外，在本發明中，雖然例示關於功率半導體裝置，但只要在需要液相線溫度低且固相線溫度不過低，具備高強度，進而具備高的耐熱疲勞特性的焊料合金的用途中，就不限定於此。
根據此等見解得到的本發明如以下所述。
(1)一種焊料合金，其特徵在於，具有一合金組成，，且液相線溫度未滿217℃，該合金組成以質量%計Ag：2.0~4.0%、Cu：0.51~0.79%、Bi：超過4.0%且為8.0%以下且餘量由Sn。
(2)如上述(1)記載之焊料合金，其中，合金組成滿足下述(1)式~(3)式。
上述(1)式~(3)式中，Sn、Bi、Cu和Ag表示各合金組成的含量(質量%)。
(3)一種焊料粉末，其是由如上述(1)或上述(2)所述的焊料合金所構成。
(4)一種焊料膏，其具有如上述(3)所述的焊料粉末。
(5)一種焊接接頭，其具有如上述(1)或上述(2)所述的焊料合金。
1:螺栓
2:卡盤工具
3:端子
4:該焊料
5:母材
[圖1]為示出重複拉伸試驗的試驗方法的示意圖。
以下對本發明更詳細地進行說明。本說明書中，關於焊料合金組成的「%」只要沒有特別指定就是「質量%」。
1.焊料合金
(1)Ag：0.5~4.0%
Ag由於使Ag3Sn以粒狀析出而可以謀求焊料合金的析出強化。另外，Ag與Cu的含量如果均接近SnAgCu共晶組成，則可以降低焊料合金的液相線溫度。Ag的含量如果未滿0.5%，則會由於SnAgCu亞共晶而導致焊料合金的液相線溫度上升。另外，化合物的析出量少，則強度不會改善。Ag含量的下限為0.5%以上，優選1.0%以上，更優選2.0%以上。
另一方面，Ag的含量如果過多，則會由於SnAgCu過共晶而導致焊料合金的液相線溫度上升。另外，粗大的Ag3Sn會以板狀析出而強度劣化。Ag含量的上限為4.0%以下，優選3.9%以下，更優選3.5%以下，進一步優選3.0%以下。
(2)Cu：超過0.5%且未滿0.8%
Cu由於使Cu3Sn或Cu6Sn5析出而可以謀求焊料合金的
析出強化。另外，Cu與Ag的含量如果均接近於SnAgCu共晶組成，則可以降低焊料合金的液相線溫度。Cu的含量如果為0.5%以下，則會由於SnAgCu亞共晶而導致焊料合金的液相線溫度上升。另外，化合物的析出量少，則強度不會充分改善。Cu含量的下限超過0.5%、優選0.51%以上、更優選0.6%以上。
另一方面，Cu的含量如果過多，則會由於SnAgCu過共晶而導致焊料合金的液相線溫度上升。Cu含量的上限為未滿0.8%，優選0.79%以下、更優選0.75%以下，進一步優選0.7%以下。
(3)Bi：超過4.0%且為8.0%以下
Bi藉由Sn的固溶強化而可以改善焊料合金的強度。另外，Bi在焊料合金為125℃左右的高溫環境下也可以維持Sn的固溶強化。因此，在高溫環境下，SnAg化合物、SnCu化合物即使變得粗大，Sn也維持基於Bi的固溶強化，因此，可以顯示出焊料合金的高耐熱疲勞特性。
Bi的含量如果少，則Bi的固溶量少，強度不會充分改善。另外，焊料合金的液相線溫度不會下降。Bi的含量的下限為超過4.0%，優選4.1%以上，更優選4.5%以上。
另一方面，如果過剩地添加Bi，則SnBi共晶析出而固相線溫度下降，且與液相線溫度的溫度域擴寬，故構件的腐蝕、錯位、再氧化、空隙等安裝性降低。特別
是，在Ag含量多的情況下，Bi含量如果變多，則固相線溫度的降低明顯。另外，固相線溫度如果低，則會接近用於評價耐熱疲勞特性的溫度，因此，固相線溫度優選為高溫。進而，Bi會在晶界中發生偏析，有時焊料合金強度或耐熱疲勞特性會降低。Bi的含量的上限為8.0%以下，優選7.9%以下，更優選7.0%以下，進一步優選6.0%以下，特別優選5.0%以下。
(4)餘量：Sn
本發明的焊料合金的餘量為Sn。除前述元素之外，可以還含有不可避免的雜質。即使含有不可避免的雜質的情況下，也不會對前述效果產生影響。
(5)(1)式~(3)式
上述(1)式~(3)式中，Sn、Bi、Cu和Ag表示各合金組成的含量(質量%)。
本發明的焊料合金優選滿足(1)式~(3)式。藉由滿足(1)式~(3)式，從而Ag、Cu和Bi的含量的均衡性得到最佳化，因此，在將液相線溫度保持得較低的基礎上，還可以顯示出高的強度和耐熱疲勞特性。
更詳細而言，本發明的焊料合金中，滿足
(1)式~(3)式的焊料合金接近SnAgCu共晶組成，因此，液相線溫度降低。另外，根據(1)式~(3)式，推測表示各構成元素的含量與Sn的含量的均衡性的各式的值為規定範圍內，可以謀求起因於各構成元素的合金組織的均質化。因此，焊料合金的強度，或耐熱疲勞特性進一步改善。此外，固相線溫度和液相線溫度落入更適當的溫度域。
該等式是藉由各構成元素相互依存而得者。這是由於，合金是全部構成元素組合而成為一體的材料，各構成元素會相互產生影響。
(1)式是起因於Sn的固溶強化，以及液相線溫度和固相線溫度的關係式。推測：滿足(1)式時，由於在高溫環境下Sn維持高的強度，因此，即使進行重複拉伸試驗也可以抑制斷裂。另外，Bi的添加能實現液相線溫度的低溫化，並且藉由滿足(1)式，可以抑制固相線溫度的極度低溫化。(2)式和(3)式是起因於各SnAg化合物或SnCu化合物的析出量的關係式。根據Ag和Cu的含量，SnAgCu焊料合金的熔融溫度會發生變動，藉由Bi的添加而實現液相線溫度的低溫化。由於在進行分步焊接的基礎上存在各構成元素的最佳的含量，因此，(1)式~(3)式被設定為充分考慮了各構成元素相互依存的範圍。
(1)式的下限優選10.9以上，更優選11.5以上，進一步優選18.1以上，特別優選18.2以上。(1)式的上限優選22.4以下，更優選18.5以下，特別優選18.3以下。
(2)式的下限優選46.9以上，更優選61.2以
上，進一步優選63.2以上，特別優選63.6以上。(2)式的上限優選72.1以下，更優選64.6以下，進一步優選64.5以下。
(3)式的下限優選45.50以上，更優選100.0以上，進一步優選184.6以上，特別優選273.6以上。(3)式的上限優選365以下，更優選361.2以下，進一步優選340.9以下，進一步更優選276.6以下，最優選274.5以下，特別優選273.9以下。
(6)焊料合金的液相線溫度、固相線溫度
本發明的焊料合金在例如通過分步焊接而進行2次焊接的情況下優選用於第2次的焊接。在這種使用方式中，用於第2次的焊料合金的液相線溫度優選低於用於第1次的焊料合金的固相線溫度。例如，在第1次的焊接中使用Sn-3Ag-0.5Cu焊料合金的情況下，本發明的焊料合金的液相線溫度優選低於217℃，進一步優選215℃以下、特別優選210℃以下。
本發明的焊料合金的固相線溫度期望為液相線溫度與固相線溫度的溫度差不過大，且構件的腐蝕、錯位、再氧化、空隙等安裝性不會降低的溫度域。另外，優選與用於評價耐熱疲勞特性的溫度的溫度差大。本發明的焊料合金的固相線溫度優選150℃以上，更優選170℃以上，進一步優選187℃以上，特別優選197℃以上。
2.焊料粉末
本發明的焊料粉末用於後述的焊料膏，優選為球狀粉末。藉由為球狀粉末而改善流動性。本發明的焊料粉末優選符合在JIS Z 3284-1：2014中的粉末尺寸的分類(表2)中滿足編號1~8的尺寸(細微性分佈)。更優選滿足編號4~8的尺寸(細微性分佈)，進一步優選滿足編號5~8的尺寸(細微性分佈)。粒徑如果滿足該條件，則粉末的表面積不會過大，粘度的上升被抑制，另外，微細粉末的聚集被抑制，粘度的上升有時被抑制。因此，而變得能對更微細的部件進行焊接。
焊料粉末的圓球度優選0.90以上，更優選0.95以上，最優選0.99以上。本發明中，球狀粉末的圓球度使用利用最小區域中心法(MZC法)的CNC圖像測定系統(Mitutoyo公司制的ULTRA QUICK VISION ULTRA QV350-PRO測定裝置)而測定。本發明中，圓球度表示自圓球的偏離程度，例如是500個各球的直徑除以長徑時算出的算術平均值，值越接近於上限1.00，表示越接近於圓球。
3.焊料膏
本發明的焊料膏含有：前述焊料粉末和助焊劑。
(1)助焊劑的成分
焊料膏中使用的助焊劑由有機酸、胺、胺氫鹵酸鹽、有機鹵素化合物、觸變劑、松香、溶劑、表面活性劑、高
分子化合物、矽烷耦合劑、著色劑中的任意一者構成，或由2者以上的組合構成。
作為有機酸，可以舉出琥珀酸、戊二酸、己二酸、庚二酸、辛二酸、壬二酸、癸二酸、二聚酸、丙酸、2,2-雙羥基甲基丙酸、酒石酸、蘋果酸、乙醇酸、二乙醇酸、硫代乙醇酸、二硫代乙醇酸、硬脂酸、12-羥基硬脂酸、棕櫚酸、油酸等。
作為胺，可以舉出乙胺、三乙胺、乙二胺、三亞乙基四胺、2-甲基咪唑、2-十一烷基咪唑、2-十七烷基咪唑、1,2-二甲基咪唑、2-乙基-4-甲基咪唑、2-苯基咪唑、2-苯基-4-甲基咪唑、1-苄基-2-甲基咪唑、1-苄基-2-苯基咪唑、1-氰基乙基-2-甲基咪唑、1-氰基乙基-2-十一烷基咪唑、1-氰基乙基-2-乙基-4-甲基咪唑、1-氰基乙基-2-苯基咪唑、1-氰基乙基-2-十一烷基咪唑鎓偏苯三酸酯、1-氰基乙基-2-苯基咪唑鎓偏苯三酸酯、2,4-二氨基-6-[2’-甲基咪唑基-(1’)]-乙基-均三嗪、2,4-二氨基-6-[2’-十一烷基咪唑基-(1’)]-乙基-均三嗪、2,4-二氨基-6-[2’-乙基-4’-甲基咪唑基-(1’)]-乙基-均三嗪、2,4-二氨基-6-[2’-甲基咪唑基-(1’)]-乙基-均三嗪異氰脲酸加成物、2-苯基咪唑異氰脲酸加成物、2-苯基-4,5-二羥基甲基咪唑、2-苯基-4-甲基-5-羥基甲基咪唑、2,3-二氫-1H-吡咯並[1,2-a]苯並咪唑、1-十二烷基-2-甲基-3-苄基氯化咪唑鎓、2-甲基咪唑啉、2-苯基咪唑啉、2,4-二氨基-6-乙烯基-均三嗪、2,4-二氨基-6-乙烯基-均三嗪異氰脲酸加成物、2,4-二氨基-6-甲基丙烯
醯氧基乙基-均三嗪、環氧-咪唑加合物、2-甲基苯並咪唑、2-辛基苯並咪唑、2-戊基苯並咪唑、2-(1-乙基戊基)苯並咪唑、2-壬基苯並咪唑、2-(4-噻唑基)苯並咪唑、苯並咪唑、2-(2’-羥基-5’-甲基苯基)苯並三唑、2-(2’-羥基-3’-叔丁基-5’-甲基苯基)-5-氯苯並三唑、2-(2’-羥基-3’,5’-二叔戊基苯基)苯並三唑、2-(2’-羥基-5’-叔辛基苯基)苯並三唑、2,2’-亞甲基雙[6-(2H-苯並三唑-2-基)-4-叔辛基苯酚]、6-(2-苯並三唑基)-4-叔辛基-6’-叔丁基-4’-甲基-2,2’-亞甲基雙酚、1,2,3-苯並三唑、1-[N,N-雙(2-乙基己基)氨基甲基]苯並三唑、羧基苯並三唑、1-[N,N-雙(2-乙基己基)氨基甲基]甲基苯並三唑、2,2’-[[(甲基-1H-苯並三唑-1-基)甲基]亞氨基]雙乙醇、1-(1’,2’-二羧基乙基)苯並三唑、1-(2,3-二羧基丙基)苯並三唑、1-[(2-乙基己基氨基)甲基]苯並三唑、2,6-雙[(1H-苯並三唑-1-基)甲基]-4-甲基苯酚、5-甲基苯並三唑、5-苯基四唑等。
胺氫鹵酸鹽為使胺與鹵化氫反應而得到的化合物，作為胺，可以舉出乙胺、乙二胺、三乙胺、二苯基胍、二甲苯基胍、甲基咪唑、2-乙基-4-甲基咪唑等，作為鹵化氫，可以舉出氯、溴、碘的氫化物。作為胺氫鹵酸鹽，可以舉出胺三氟化硼絡鹽或胺四氟硼酸鹽。胺三氟化硼絡鹽的具體例中，例如作為呱啶三氟化硼絡鹽、胺四氟硼酸鹽的具體例，例如可以舉出環己胺四氟硼酸鹽、二環己胺四氟硼酸鹽。
作為有機鹵素化合物，可以舉出反式-2,3-二
溴-2-丁烯-1,4-二醇、異氰脲酸三烯丙酯六溴化物、1-溴-2-丁醇、1-溴-2-丙醇、3-溴-1-丙醇、3-溴-1,2-丙二醇、1,4-二溴-2-丁醇、1,3-二溴-2-丙醇、2,3-二溴-1-丙醇、2,3-二溴-1,4-丁二醇、2,3-二溴-2-丁烯-1,4-二醇等。
作為觸變劑，可以舉出蠟系觸變劑、醯胺系觸變劑、山梨糖醇系觸變劑等。作為蠟系觸變劑，例如可以舉出氫化蓖麻油等。作為醯胺系觸變劑，可以舉出單醯胺系觸變劑、雙醯胺系觸變劑、聚醯胺系觸變劑，具體而言，可以舉出月桂醯胺、棕櫚醯胺、硬脂醯胺、山萮醯胺、羥基硬脂醯胺、飽和脂肪醯胺、油醯胺、芥醯胺、不飽和脂肪醯胺、對甲苯甲烷醯胺、芳香族醯胺、亞甲基雙硬脂醯胺、亞乙基雙月桂醯胺、亞乙基雙羥基硬脂醯胺、飽和脂肪酸雙醯胺、亞甲基雙油醯胺、不飽和脂肪酸雙醯胺、間亞二甲苯基雙硬脂醯胺、芳香族雙醯胺、飽和脂肪酸聚醯胺、不飽和脂肪酸聚醯胺、芳香族聚醯胺、取代醯胺、羥甲基硬脂醯胺、羥甲基醯胺、脂肪酸酯醯胺等。作為山梨糖醇系觸變劑，可以舉出二苄亞基-D-山梨糖醇、雙(4-甲基苄叉基)-D-山梨糖醇等。
作為表面活性劑，可以舉出非離子系表面活性劑、弱陽離子系表面活性劑。
作為非離子系表面活性劑，可以舉出聚氧伸烷基二醇類、聚氧伸烷基烷基醚類、聚氧伸烷基酯類、聚氧伸烷基乙炔二醇類、聚氧伸烷基烷基醯胺類、例如聚乙二醇、聚乙二醇-聚丙二醇共聚物、脂肪族醇聚氧乙烯加
成物、芳香族醇聚氧乙烯加成物、多元醇聚氧乙烯加成物、聚氧伸烷基甘油醚等。
作為弱陽離子系表面活性劑，可以舉出脂肪族胺聚氧伸烷基加成物類、芳香族胺聚氧伸烷基加成物類、末端二胺聚伸烷基二醇類、例如脂肪族胺聚氧乙烯加成物、芳香族胺聚氧乙烯加成物、多元胺聚氧乙烯加成物末端二胺聚乙二醇、末端二胺聚乙二醇-聚丙二醇共聚物等。
作為松香，例如可以舉出脂松香、木松香和妥爾油松香等原料松香，以及由該原料松香得到的衍生物。作為該衍生物，例如可以舉出純化松香、氫化松香、歧化松香(disproportionated rosin)、聚合松香和α,β不飽和羧酸變性物(丙烯醯化松香、馬來化松香、富馬化松香等)、以及該聚合松香的純化物、氫化物和歧化物、以及該α,β不飽和羧酸變性物的純化物、氫化物和歧化物等，可以使用二種以上。另外，在松香系樹脂的基礎上，可以還包含選自萜烯樹脂、變性萜烯樹脂、萜烯酚醛樹脂、變性萜烯酚醛樹脂、苯乙烯樹脂、變性苯乙烯樹脂、二甲苯樹脂和變性二甲苯樹脂中的至少一種以上的樹脂。作為變性萜烯樹脂，可以使用芳香族變性萜烯樹脂、氫化萜烯樹脂、氫化芳香族變性萜烯樹脂等。作為變性萜烯酚醛樹脂，可以使用氫化萜烯酚醛樹脂等。作為變性苯乙烯樹脂，可以使用苯乙烯丙烯酸類樹脂、苯乙烯馬來酸樹脂等。作為變性二甲苯樹脂，可以舉出苯酚變性二甲苯樹
脂、烷基苯酚變性二甲苯樹脂、苯酚變性甲階型二甲苯樹脂、多元醇變性二甲苯樹脂、聚氧乙烯加成二甲苯樹脂等。
作為溶劑，可以舉出水、醇系溶劑、二醇醚系溶劑、松油醇類等。作為醇系溶劑，可以舉出異丙醇、1,2-丁二醇、異冰片基環己醇、2,4-二乙基-1,5-戊二醇、2,2-二甲基-1,3-丙二醇、2,5-二甲基-2,5-己二醇、2,5-二甲基-3-己炔-2,5-二醇、2,3-二甲基-2,3-丁二醇、1,1,1-三(羥基甲基)乙烷、2-乙基-2-羥基甲基-1,3-丙二醇、2,2’-氧代雙(亞甲基)雙(2-乙基-1,3-丙二醇)、2,2-雙(羥基甲基)-1,3-丙二醇、1,2,6-三羥基己烷、雙[2,2,2-三(羥基甲基)乙基]醚、1-乙炔基-1-環己醇、1,4-環己二醇、1,4-環己烷二甲醇、赤蘚醇、蘇糖醇、愈創甘油醚、3,6-二甲基-4-辛炔-3,6-二醇、2,4,7,9-四甲基-5-癸炔-4,7-二醇等。作為二醇醚系溶劑，可以舉出二乙二醇單-2-乙基己醚、乙二醇單苯醚、2-甲基戊烷-2,4-二醇、二乙二醇單己醚、二乙二醇二丁醚、三乙二醇單丁醚等。
(2)助焊劑的含量
助焊劑的含量相對於焊料膏的總質量優選5~95%，更優選5~15%。如果為該範圍，則會充分發揮起因於焊料粉末的增稠抑制效果。
(3)焊料膏的制造方法
本發明的焊料膏可以通過本領域中一般的方法製造。首先，焊料粉末的製造可以採用如下公知的方法：使熔融的焊料材料滴下而得到顆粒的滴下法或進行離心噴霧的噴霧法、將塊的焊料材料粉碎的方法等。滴下法或噴霧法中，滴下或噴霧優選為了製成顆粒狀而在非活性氣氛或溶劑中進行。然後，將上述各成分加熱混合而製備助焊劑，在助焊劑中導入上述焊料粉末，或根據情況的氧化鋯粉末，進行攪拌、混合，從而可以製造。
4.焊接接頭
本發明的焊接接頭適合用於至少2個以上的被接合構件的接合。被接合構件例如只要為元件、基板、電子部件、印刷電路板、絕緣基板、使用電極端子等的半導體和功率模組、逆變器製品等、使用本發明的焊料合金而進行電連接的部件就沒有特別限定。
5.其他
本發明的焊料合金通過使用低α射線量材料作為其原材料，從而可以製造低α射線量合金。這種低α射線量合金如果用於形成記憶體周邊的焊料凸塊，則可以抑制軟錯誤。
根據以下的實施例對本發明進行說明，但本
發明不限定於以下的實施例。
為了證明本發明的效果，使用表1中記載的焊料合金對液相線溫度、固相線溫度和拉伸強度進行了測定。另外，從表1中抽取任意的實施例和比較例，評價了高溫環境下的耐熱疲勞特性。
(1)液相線溫度、固相線溫度
對於具有表1中記載的各合金組成的焊料合金，由DSC曲線求出各溫度。DSC曲線如下得到：利用Hitachi High-Tech Science Corporation制的DSC(型號：EXSTAR6000)，在大氣中、以5℃/分鐘進行升溫，從而得到。由得到的DSC曲線求出液相線溫度和固相線溫度。
液相線溫度未滿217℃的情況下，是實用上沒有問題的溫度，因此，評價為「○」，為217℃以上的情況下，評價為「×」。另外，固相線溫度為150℃以上且未滿217℃的情況下，是實用上沒有問題的溫度，因此，評價為「○」，為217℃以上的情況下，評價為「×」，未滿150℃的情況下，評價為「×」。
(2)拉伸強度
拉伸強度依據JIS Z 3198-2而測定。對於表1中記載的各焊料合金，澆注至模具，製作標距長度為30mm、直徑8mm的試驗片。對於製作好的試驗片，利用Instron公司制的Type5966，在室溫下、以6mm/分鐘的衝程進行拉伸，
測量了試驗片斷裂時的強度。本發明中，拉伸強度為84MPa以上的情況下，是實用上沒有問題的強度，因此，評價為「○」，低於84MPa的情況下，評價為「×」。
將評價結果示於表1。
(3)耐熱疲勞特性
(3-1)焊料膏的制作
將由松香42質量份、二醇系溶劑35質量份、觸變劑8質量份、有機酸10質量份、胺2質量份、鹵素3質量份製備的助焊劑、與由表1的實施例1、實施例8、比較例3、比較例8、或者比較例10的合金組成製成且滿足JIS Z 3284-1：2014中的粉末尺寸的分類(表2)中編號4的尺寸(細微性分佈)的焊料粉末進行混合，製作焊料膏。助焊劑與焊料粉末的質量比為助焊劑：焊料粉末=11：89。
(3-2)評價試樣的製作和評價
如圖1所示，在作為母材的DCB上塗布該焊料(焊料膏)，進行截面L字狀的端子(外部連接端子)的焊接，製作評價試樣各2個。將外部連接端子在卡盤工具中用螺栓夾持並固定，使用拉伸試驗機進行評價。評價條件如下：試驗載荷在拉伸方向上為300N、試驗速度為3mm/分鐘、在125℃的氣氛下進行重複拉伸試驗。
對於直至斷裂為止的重複拉伸次數的平均值，將表1的比較例10作為判斷基準的合金組成，為使用
該合金組成的拉伸次數的平均值的3倍以上的情況下，是實用上沒有問題的水準，評價為「○」，低於3倍的情況下，評價為「×」。將評價結果示於表2。
由表1和表2明確確認了，實施例1~8的Ag、Cu和Bi均為最佳的範圍，因此，由於液相線溫度低至在分步焊接中能夠進行焊接的程度且固相線溫度不過低，因此，安裝性優異。進而確認到顯示出高的拉伸強度。可知特別是滿足(1)式~(3)式的實施例1、3、4、6和8中，液相線溫度進一步低，拉伸強度均進一步顯示出超過90MPa的高值。另外，可知，實施例1和8的直至斷裂為止的重複拉伸次數均為實用上沒有問題的水準。其他實施例的直至斷裂為止的重複拉伸強度也為實用上沒有問題的水準。
另一方面，比較例1的Ag的含量多，因此，液相線溫度高，拉伸強度差。比較例2和比較例3的Ag含量均少，因此，液相線溫度高，拉伸強度差。另外，比較例3在重複拉伸試驗中立即發生了斷裂。
比較例4、比較例8和比較例9的Cu的含量多，因此，液相線溫度變高。比較例5的Cu的含量少，因此，液相線溫度高，拉伸強度差。
比較例6的Bi的含量多，因此，固相線溫度低。比較例7的Bi的含量少，因此，液相線溫度高，拉伸強度差。另外，比較例7在重複拉伸試驗中立即發生了斷裂。
比較例10的Cu的含量少、且不含有Bi，因此，固相線溫度和液相線溫度均高，拉伸強度差。另外，比較例10在重複拉伸試驗中立即發生了斷裂。
Claims (5)
- 一種焊料膏，其特徵為具有由焊料合金所構成之焊料粉末，與助焊劑，其中前述焊料合金為具有一合金組成且液相線溫度未滿217℃之焊料合金，前述合金組成以質量%計Ag：2.0~4.0%、Cu：0.51~0.79%、Bi：超過4.0%且為7.9%以下，及餘量由Sn所構成，前述助焊劑由有機酸、胺、胺氫鹵酸鹽、有機鹵素化合物、觸變劑、松香、溶劑、表面活性劑、高分子化合物、矽烷耦合劑、及著色劑中的任意一者構成，或由2者以上的組合構成。
- 如請求項1之焊料膏，其中前述合金組成滿足下述(1)式~(3)式，
- 一種焊接接頭，其係經由如請求項1或2之焊料膏所連接者。
- 一種功率半導體裝置所使用之外部電極用端子與電極之連接方法，其特徵為使用焊料合金來連接外部連接端子，其中焊料合金具有一合金組成，前述合金 組成以質量%計Ag：2.0~4.0%、Cu：0.51~0.79%、Bi：超過4.0%且為7.9%以下，及餘量由Sn所構成。
- 如請求項4之功率半導體裝置所使用之外部電極用端子與電極之連接方法，其中前述合金組成滿足下述(1)式~(3)式，
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