WO2012115268A1 - 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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ヴィルケ，クラウス
克昭 菅沼
上島　稔
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千住金属工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a solder alloy and a solder joint that can withstand a high current density without being damaged by electromigration. Furthermore, the present invention relates to an electronic element (electronic device) using such a solder joint, particularly a power device.
  • Soldering is the most commonly used method for electrically connecting electronic devices to circuit boards and other boards.
  • the size of solder joints that connect electronic devices to other components has also decreased, and as such, the shape becomes smaller, so the current density in each joint has become very high. It is getting bigger.
  • solder joints commonly used today for electronic devices the current density is rather small.
  • solder joints that can be used reliably for a long time even at fairly high current densities of 5 to 100 KA / cm 2 .
  • Such a high current density is particularly assumed for power devices such as power devices used in hybrid electric vehicles and inverters.
  • power devices power semiconductor elements
  • components such as inverters and power modules Also included.
  • Power devices handle high voltages and large currents, so heat from the inside is large.
  • Cu-based heat sinks, insulating substrates, and silicon elements are often joined with solder for heat dissipation. Even if they are joined, solder joints are used between the lands for heat dissipation. Since a large current flows through these joints, the current density is large, and Cu and Ni in Cu land and Ni land may cause electromigration to move into the solder and cause problems.
  • Electromigration can cause voids and cracks on the cathode side of the joint, and on the anode side solder extrusion and intermetallic growth can occur. Such microstructural changes and resulting temperature increases can cause damage, such as breakage, in the solder joints, which can cause partial or total electronic components connected to the solder joints. May be functionally dysfunctional.
  • solder for power devices has a large current density of the power device and generates a large amount of heat from the power device, so the melting temperature is around 300 ° C, such as Pb-5 mass% Sn or Pb-10 mass% Sn. Solder has been used. In consideration of the environment, lead-free solder used in power devices is being studied, but the optimum lead-free solder composition for power devices has not been determined.
  • solder paste containing a Bi solder powder having a solid phase temperature of 260 ° C. or higher and a thermosetting adhesive Patent Document 1.
  • solder alloy having a Sn—Ag—Bi—In composition “Ag of 0.8 wt% or more and 5 wt% or less, In and Bi containing 0.1 wt% or more and the total of both being 17 wt% or less, and the balance Is a lead-free solder alloy characterized by consisting of Sn and inevitable impurities (Patent Document 2) and “alloys with Sn and Ag as the basic composition and an Ag content of 0.1 to 20% by weight, "Solder material characterized in that it contains at least one of 0.1 to 25 wt% Bi and 0.1 to 20 wt% In, with the balance being Sn" (Patent Document 3) etc. Yes.
  • JP 2005-72173 A JP-A-9-70687 JP-A-8-206874
  • solder joints that connect internal elements of electronic devices and solder joints that connect electronic devices to other members has also become smaller.
  • the current density in each joint has become very large.
  • the electronic device connected to the electrode of the circuit board of an electronic device becomes small, electrical resistance becomes large, and the current density in each joint becomes very large.
  • electromigration occurs. This is a phenomenon in which metal atoms move, and voids and cracks occur on the cathode side of the joint, and solder extrusion and intermetallic compound growth occur on the anode side. Will be shorter.
  • the problem to be solved by the present invention is to develop a solder alloy that does not generate electromigration even when joining electronic components with very high current density such as power diodes and small electronic devices with fine patterns to circuit boards It is to be.
  • the inventors of the present invention are responsible for the occurrence of electromigration because the electrons move in the direction opposite to the current due to the current generated by the operation of the circuit board of the electronic device or electronic device. Electromigration is mitigated by controlling the rapid movement of metal atoms at the joints on the circuit board of electronic equipment, as metal moves and voids and cracks occur on the cathode side of the joints. And the present invention was completed.
  • the present invention is a solder alloy suitable for assembling an electronic component having a very large current density such as a power diode or a small electronic device having a fine pattern, and contains 2 to 4% by mass of Ag and 2 to 4% by mass of Bi. , A solder alloy consisting essentially of 2 to 5 mass% In and the balance Sn, and a solder joint for joining a small electronic device to a circuit board using the solder alloy.
  • the solder alloy according to the present invention may further contain at least one of 0.01 to 0.3% by mass of Ni, 0.01 to 0.32% by mass of Co, and 0.01 to 0.1% by mass of Fe.
  • “%” simply means “mass%” in the description of the solder alloy composition.
  • the electronic device composed of the solder alloy and the solder joint of the present invention, and the joint when these electronic devices are joined to a circuit board are effective in preventing electromigration.
  • electromigration occurs when a land metal, for example, Cu, moves due to the movement of electrons and diffuses into the solder alloy of the joint, so that the solder alloy is converted into a land metal, for example, a Cu solder having a charge. If the movement into the alloy can be controlled, even if the joint has a high current density, it is possible to prevent land Cu and intermetallic compounds formed on the joint surface between the Cu land and the solder alloy from moving into the solder alloy. , No voids or cracks occur.
  • the first method is a method that suppresses the diffusion of Cu atoms inside the solder alloy formed by the Sn matrix and prevents current from flowing rapidly, and is very effective in preventing electromigration.
  • the metal lattice is added by adding Bi or Sb. Is distorted and the rapid flow of current can be suppressed.
  • Bi has a larger atomic radius than Sb, so that larger lattice distortion can be applied. Therefore, Bi is used in the present invention.
  • FIG. 1 shows a model of a metal lattice comparing a case where Bi such as a conventional SnAgCu alloy is not contained with a case where Bi is contained as in the present invention.
  • FIG. 1 (a) is a conventional example, and it can be seen that Cu atoms easily pass through the Sn lattice.
  • FIG. 1 (b) when Bi is added as in the present invention, since Bi atoms distort the lattice, Cu atoms are difficult to pass through the Sn lattice. In the figure, In atoms and other atoms are omitted for simplicity of explanation.
  • the second method is a method of forming a reaction layer of an intermetallic compound at the interface between a metal used for a land such as Cu and a solder alloy.
  • a metal used for a land such as Cu and a solder alloy.
  • In, Ni, and Co are used. It is difficult for current to flow around the intermetallic compound layer generated by reacting Cu used in the land with In, Ni, and Co in the solder alloy.
  • the area around the reaction layer of the generated intermetallic compound is an area where the flow of current is suppressed, and the effect is partial. Therefore, the effect is less than that of the first method that makes it difficult for current to flow inside the solder alloy, which is a method that brings about the overall effect.
  • a reaction layer of an intermetallic compound is formed at the interface between a metal used in a land such as Cu and a solder alloy, which is a partial effect, and a method of making the inside of the solder alloy difficult to diffuse Cu, which is a full effect.
  • the solder alloy of the present invention is distorted in the metal lattice of the solder alloy, or in order to control the crystal orientation of the solder alloy. Or Bi is added.
  • the solder alloy of the present invention has a Sn-Ag-In-Bi solder composition as in Patent Document 2 and Patent Document 3, and the solder composition falls within the low-temperature solder region.
  • electronic devices and substrates in which electromigration is a problem are electronic devices that flow large currents such as power devices, electronic devices with fine patterns such as CPUs, and substrates on which such devices are mounted. It is common that heat is generated by a large current.
  • an electronic device in which electromigration becomes a problem simply because the solder composition that controls the movement of metal atoms to prevent electromigration is accidentally changed to a solder composition in a region called “low-temperature solder”. Since the heat generation due to a large current becomes a problem, and the substrate is a field in which a “high temperature solder” alloy having a high melting temperature called “high temperature solder” is used. Even if the solder composition which added In and Bi in order to lower the melting temperature of solder like patent document 2 and patent document 3 is used for the electronic device and board
  • the solder alloy for power devices of the present invention is suitable for power transistors such as IGBTs (insulated gate bipolar transistors) and MOS FETs (MOS type field effect transistors) used in air conditioners, electric rice cookers, machine tools and the like.
  • IGBTs insulated gate bipolar transistors
  • MOS FETs MOS type field effect transistors
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of the IGBT.
  • a die-bonding electrode portion is provided on the copper base heat sink 25, and a solder layer 27 is further provided thereon.
  • the solder layer 27 is further connected to the IC chip 22 through a plating layer 24 formed on the IC chip 22 placed thereon.
  • a Cu clip 21 is wired from the electrode formed on the IC chip 22 toward the Cu lead frame 20.
  • the IC chip 22 and the Cu clip 21 and the Cu clip 21 and the lead frame 20 are joined by a solder joint 26.
  • solder alloy of the present invention for a joint for connecting the emitter and collector of a power device because long-term quality can be maintained even if the current density between terminals is high.
  • the solder alloy for power devices of the present invention is not limited to the inside of the power device, but also a joint with a large amount of current between the device and the printed board, such as a joint between the power device and the printed board, or a CPU and a printed board. Even if it is used for a joint having a high current density with the substrate, it is possible to prevent electromigration generated in lands such as Cu and Ni.
  • the same reflow profile as that of Sn-3.0Ag-0.5Cu that is generally used may be used.
  • the solder alloy for a power device of the present invention can be used for a power device having a solder joint in which a current having a current density of 5 to 100 kA / cm 2 flows. Furthermore, it can be used for mounting on a printed circuit board of a power device constituting a joint through which a current having a current density of 5 to 100 kA / cm 2 flows.
  • the solder alloy for a power device of the present invention has excellent heat resistance that can be guaranteed until the temperature inside the electronic device is around 150 ° C. when assembled as a device.
  • power devices handle large currents of 1A or more, if the solidus temperature of the solder alloy falls too much, the solder joint becomes semi-molten and the movement of metal atoms cannot be controlled. End up.
  • Bi in the solder joint portion of the present invention having a high current density
  • Bi when the Bi content exceeds 4%, Bi segregates in the entire solder fillet, and when the current density of the portion where Bi segregates increases, Bi itself is about Sn. Since it has an electric resistance value of 5 times or more, the heat generation is further intense, and the thermal conductivity is very poor, about 1/7 of Sn and 1/40 of Cu. Heating is accelerated. In the remelted portion, Cu diffusion becomes more intense, and electromigration proceeds locally, shortening the life until disconnection.
  • the reaction layer with Cu wiring changes from Cu6Sn5 to Cu6 (SnIn) 5, further dissolves in the Sn matrix, distorts the crystal lattice, suppresses Cu diffusion, and has electromigration resistance. Improved.
  • the solidus temperature decreases.
  • solid solution hardening with In cannot be expected at high temperatures such as 125 ° C.
  • In atoms distort the crystal lattice of the Sn matrix. This makes it impossible to resist, accelerates interdiffusion in the Sn matrix due to lowering of the melting point, and lowers electromigration resistance.
  • the amount of In added is 5% or less. If possible, 4% or less is good. However, when the amount of In added is less than 2%, the In concentration in the reaction layer with the Cu electrode is lowered, and electromigration occurs frequently.
  • the solder alloy for power devices of the present invention has a heat resistance of around 150 ° C. even when used for a joint for connection inside a power device, regardless of the composition of so-called low-temperature solder containing Bi and In, and 5 to 100 kA It is not damaged by electromigration even at high current densities of / cm 2 . Therefore, the power device made of the solder alloy of the present invention can be stably operated for a long time.
  • solder alloy of the present invention when used for a wiring joint between a power device and a printed circuit board by mounting a printed circuit board, a fine wiring CPU or the like and a wiring joint between the printed circuit board, etc., 5 to 100 kA / cm Even in a joint that generates a high current density of 2 , electromigration does not occur, so that stable quality over a long period of time can be obtained.
  • FIG. 1A and FIG. 1B are schematic diagrams showing Sn lattice models of the conventional example and the example of the present invention, respectively. It is the schematic of IGBT (insulated gate bipolar transistor). It is explanatory drawing which shows the mode of the solder joint of this invention Example. It is an electron micrograph which shows the state of the copper land before supplying the electric current of an Example of this invention. It is an electron micrograph which shows the state of the copper land which resistance value rose 5% after 125 degreeC and 20 ampere current supply of the Example of this invention. It is an electron micrograph which shows the state of the copper land which resistance value rose by 10% after 125 degreeC and 20 ampere current supply of the Example of this invention.
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • the present invention is an alloy consisting essentially of 2-4 mass% Ag, 2-4 mass% Bi, 2-5 mass% In and the balance Sn. Ag: It may be 3.2% or less. In: It may be 4.5% or less.
  • the alloy may further preferably contain at least one of 0.05 to 0.2% by weight of Ni, 0.05 to 0.2% by weight of Co, and 0.02 to 0.1% of Fe.
  • the solder joint according to the present invention can be formed of an alloy consisting essentially of 2 to 4% by mass of Ag, 2 to 4% by mass of Bi, 2 to 5% by mass of In and the balance Sn.
  • the alloy constituting the joint may preferably further contain at least one of 0.05 to 0.2% by mass of Ni, 0.05 to 0.2% by mass of Co, and 0.02 to 0.1% of Fe.
  • the solder joint according to the present invention is not limited to being used for a specific electronic device, but is particularly effective when used for an electronic device that consumes a large amount of power such as a power transistor. .
  • solder joint according to the present invention can be formed in various shapes.
  • a method such as flip chip mounting by reflow soldering using wire bonding, preform, solder ball, or solder paste can be considered.
  • the mounting on the power device and the printed circuit board or the mounting on the CPU or the printed circuit board may be formed by joining the lead or electrode of the electronic element by jet soldering.
  • solder paste, solder balls, or various preforms may be formed by reflow soldering.
  • the solder joint according to the present invention may be formed by manual (manual) soldering. These are determined depending on whether the power device is a discrete type or a surface mount type.
  • the reason for limiting the range of each composition component in the above alloy is as follows. Improvement of electromigration in SnAgBiIn alloy
  • the amount of Ag is determined from the viewpoint of solder melting temperature and thermal fatigue resistance. If the Ag content is less than 2%, the thermal fatigue properties are degraded. On the other hand, if it exceeds 4%, the liquidus increases, so the number of voids increases and the quality of the solder joint deteriorates. Therefore, the Ag content of the present invention is 2% by mass or more and 4% by mass or less.
  • the amount of Ag added in the present invention when bumps are formed using solder balls, a coarse Ag3Sn compound that is as large as the diameter of the solder balls crystallizes out during soldering. The compound crystallizes out and causes soldering failure. Therefore, when the amount of Ag added in the present invention is increased, the crystallization of coarse Ag3Sn becomes noticeable by slow cooling, and in order to avoid this, the amount of Ag is further preferably 3.5% or less, and the crystallization of primary crystals is improved. In order to reduce and improve the reliability of solder joints, the Ag content should be 2.5% or more. Therefore, a more preferable amount of Ag is 2.5% by mass or more and 3.5% by mass or less.
  • Bi forms a solid solution with Sn matrix and suppresses Cu diffusion in the Sn matrix.
  • Bi dissolved in the Sn matrix gives lattice distortion and suppresses diffusion of Cu atoms in the matrix. Electromigration tends to occur at high temperatures of about 150 ° C. Therefore, it is important to maintain the state of solid solution hardening caused by the addition of Bi at such a high temperature. Generally, the state of solid solution hardening disappears when the solder joint is heated to a high temperature of 150 ° C. Furthermore, at 150 ° C, the solid solubility limit of Bi in Sn becomes 10% or more. It is thought that the diffusion of Bi atoms in the Sn matrix becomes intense and the Sn lattice strain is relaxed.
  • the Bi addition amount is 4% or less.
  • the addition amount of Bi of the present invention is 2% by mass or more and 4% by mass or less.
  • Bi crystallizes over the entire fillet portion of the solder joint due to solidification segregation.
  • Bi crystallizes in a size of about 10 microns and is dispersed throughout, but the Bi-enriched area has not yet penetrated the entire fillet.
  • the segregated area of Bi penetrates the fillet portion.
  • the solder joint is rapidly exposed to a high temperature of 150 ° C, the liquid phase part penetrates the fillet part, so even if it suppresses the diffusion of Cu atoms and prevents electromigration, thermal fatigue Properties are significantly reduced. Therefore, such a high Bi content is not suitable for solder joints that require high reliability even when a large current flows.
  • the amount of Bi added is limited to 4% or less, preferably 3% or less.
  • Bi content is 3% or less, Bi segregation is confirmed at several locations of the fillet, and even if the Bi segregated portion is remelted at 139 ° C., the progress of cracks can be prevented.
  • the addition of In does not change the tendency of Se segregation.
  • In like Bi, forms a solid solution with Sn and gives lattice distortion to the Sn matrix. Solid solution hardening by addition of In is maintained even at a high temperature of 160 ° C. Although the effect is small compared to Bi, In can also suppress Cu diffusion in the Sn matrix.
  • the primary crystal is not ⁇ -Sn but ⁇ -SnIn, and the crystallized ⁇ -SnIn phase becomes a ⁇ -Sn phase by solid phase transformation at 100 ° C or less.
  • the crystal grains are refined, the size is 50 ⁇ m or less, and the crystal orientation is random.
  • the diffusion rate of Cu atoms in the c-axis direction is fast.
  • the crystal grains are large and the probability is high, the distance that Cu atoms can diffuse becomes longer, the amount of Cu that diffuses from the Cu electrode into the solder increases, and the disconnection of the Cu electrode due to electromigration is very short. happenss easily. However, if the crystal grains are small, even if the c-axis and current orientation of some crystal grains coincide, the crystal grains themselves are small, and the total amount of Cu that moves from the Cu electrode into the solder is suppressed, and as a result The life until the conductive path is broken by electromigration is prolonged.
  • the amount of In added is less than 2%, the primary crystal is formed and the ⁇ -SnIn phase is hardly crystallized.
  • the ⁇ -Sn phase crystallizes from the initial stage of solidification and grows continuously. Therefore, no phase transformation occurs due to the solid phase reaction, and the direction of the current coincides with the C-axis direction of the coarse ⁇ -Sn crystal. Therefore, in the solder joint, the diffusion of Cu atoms becomes intense, and disconnection occurs in a short time.
  • In is added in excess of 5%, a ⁇ -Sn phase is formed at room temperature, but at 150 ° C., the ratio of ⁇ -Sn phase to ⁇ -SnIn is about 7: 3.
  • the In amount of the present invention is 2% by mass or more and 5% by mass or less. Preferably, it is 3 mass% or more and 4 mass% or less.
  • Electromigration can be suppressed directly by adding In.
  • intermetallic compounds such as Cu6Sn5 and Cu3Sn are formed at the interface between the Cu electrode and the solder alloy, but the movement of Cu atoms in these intermetallic compound phases (hereinafter also referred to as “reaction phase”)
  • reaction phase the movement of Cu atoms in these intermetallic compound phases
  • the In content is 1% or more, preferably 2% or more.
  • the In content in the reaction phase with the Cu electrode is 7% or less.
  • the In content in the Cu6 (SnIn) 5 reaction phase is preferably 7% or less.
  • Ni Addition of 0.01-0.3% also has the effect of suppressing electromigration.
  • the reaction phase can be changed from Cu6 (SnIn) 5 to (CuNi) 6 (SnIn) 5, and Cu diffusion can be suppressed.
  • the amount of Ni added is less than 0.01%, the Cu6 (SnIn) 5 reaction phase may remain unchanged.
  • the amount of Ni added is preferably 0.1% or more.
  • the temperature is 240 ° C. or lower.
  • Ni3 (SnIn) 4 remains at 240 ° C, but has little effect on soldering.
  • the Ni content exceeds 0.3%, if it exceeds 0.2% in some cases, adverse effects occur, for example, the amount of voids increases.
  • Ni3 (SnIn) 4 remains, the dissolution of Cu into the solder during reflow can be effectively prevented, and as a result, the occurrence of disconnection can be prevented and the service life can be extended.
  • a suitable Ni addition amount is 0.01 to 0.2%, and more preferably 0.1 to 0.15%.
  • Co Addition of 0.01 to 0.3% has the effect of suppressing electromigration.
  • the reaction phase can be changed from Cu6 (SnIn) 5 to (CuCo) 6 (SnIn) 5, and Cu diffusion can be suppressed.
  • the Co addition amount is not less than 0.01%, and if it is less than 0.02% in some cases, a part of the Cu6 (SnIn) 5 reaction phase may remain unchanged.
  • the amount of Co added is preferably 0.1% or more.
  • the heating temperature during reflow should not exceed 260 ° C. Usually, the temperature is 240 ° C. or lower.
  • the liquidus exceeds 240 ° C.
  • a small amount of Co (SnIn) 2 remains at 240 ° C, but has little effect on soldering. However, if the Co content exceeds 0.3%, in particular, if it exceeds 0.2%, adverse effects occur, for example, the amount of voids increases.
  • a suitable Co addition amount is 0.05 to 0.2%, and more preferably 0.05 to 0.15%.
  • the reaction phase (CuCo) 6 (SnIn) 5 becomes a smooth surface, a reaction layer is formed, and the thickness becomes uniform.
  • Co is added in an amount of less than 0.01%, the unevenness of the reaction phase (CuCo) 6 (SnIn) 5 becomes severe, and when the current is concentrated in a thin portion of the reaction layer, the reaction phase is likely to disappear due to electromigration. After the reaction phase disappears, the Cu electrode and the solder are in direct contact with each other, Cu diffusion from the Cu electrode to the solder is further accelerated, and the wire breaks in a short period of time.
  • the ⁇ -Sn crystal grains in the vicinity of the reaction phase can be refined to 30 ⁇ m or less, so that the service life until breakage due to electromigration can be extended.
  • a small amount of Fe may be added to the Sn—Ag—Bi—In alloy of the present invention.
  • the Fe content is 0.01 to 0.1% when added.
  • Remainder Sn substantially constitutes the remainder of the solder alloy.
  • the lower limit of the Sn content is not particularly specified, but is generally at least 94% by mass.
  • the solder alloy used for the solder joint according to the present invention can be manufactured by a usual method for producing a solder alloy, and the solder alloy at that time is suitable for each soldering method used for forming the solder joint. Can be shaped into a shape.
  • the solder alloy according to the present invention may be used in the form of an ingot, bar, rod, solder ball, solder powder, or solder wire, or processed into various preforms such as pellets and disks. May be used.
  • solder alloy powder When using a solder alloy as the solder paste, the solder alloy powder is appropriately mixed with the flux by conventional means.
  • solder joint of the present invention and the conventional solder joint are made by soldering a Cu element and a land by a reflow method using a solder paste, Various characteristics of the solder joint at that time were measured. Solder powder having each solder alloy component shown in Table 1 was mixed with flux to form a solder paste.
  • the solder paste is printed on the copper electrode of the circuit board 31 by, for example, a stencil, and then a rectangular Cu plate 33 is placed on the solder paste.
  • the circuit board 31 and the copper plate 33 are heated in a reflow furnace, the solder paste is melted, and then the assembly at this time is cooled, and the solder joint 34 for joining the Cu plate 33 and the land 32 of the circuit board 31 to each other.
  • FIG. 3 schematically shows the state of the circuit board 1 at this time.
  • the heat cycle property test was conducted as follows. A 6-layer FR4 printed circuit board with a thickness of 1.6 mm was used. A soldering pattern (1.6 ⁇ 1.2 (mm)) of a predetermined solder paste was printed in a thickness of 150 ⁇ m with the same opening size as the substrate electrode size. After mounting 3.2mm ⁇ 1.6mm ⁇ 0.6mm size ceramic chip resistor parts on SMT-2000V SUZUKI) automatic component mounting machine, using Senju Metal SNR-825, peak temperature 240 ° C, oxygen Mounting was performed at a concentration of 500 ppm or less.
  • the minimum joint strength of 3216 parts is 15N
  • the cumulative frequency that is 15N or less is calculated every 500 cycles, and it is rejected when the cumulative frequency exceeds 10%
  • the life before 500 cycles was defined as the life of the solder joint. The results are listed in Table 1.
  • the electromigration test was conducted as follows. When obtaining resistance to electromigration, the copper plate 33 and the land 32 of the circuit board 31 are appropriately connected to a power source 35 as shown in FIG. 3, and between the Cu plate 33 and the land 32 of the circuit board 31. Apply current. The current at this time is supplied until the resistance increases to 5% and 10% while the circuit board 31 is kept in the atmosphere at room temperature. At the end, the cross section of the solder joint 34 near the bottom of the fillet portion of the solder joint 34 is observed with an electron microscope. The area of the fillet portion is observed because this is where the current density seems to be the highest.
  • FIG. 4 is an electron micrograph showing the state of the copper land before applying the current of the embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is an electron micrograph showing the state of a copper land having a resistance value increased by 5% after applying a current of 125 ° C. and 20 A according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is an electron micrograph showing the state of a copper land having a resistance value increased by 10% after energization at 125 ° C. and 20 A according to the embodiment of the present invention.
  • the Cu land of the circuit board was considerably thin due to electromigration as compared to FIG. 4 before the energization test.
  • 5 and 6 that the solder joint is broken at a part of the joint shown as a black region. In this region, there is no longer any connection between the solder joint and the Cu land of the circuit board.
  • the SnAgBiIn alloy used in the solder joint according to the present invention has much better fatigue resistance than either the SnAgCu alloy or the SnCu alloy. From the experimental results described above, it can be seen that the solder joint according to the present invention is substantially free from electromigration even when used for a long time at a current density in the range of 5 to 100 kA / cm 2 . At the same time, they are excellent in heat cycle resistance and fatigue resistance. Therefore, the solder joint according to the present invention is particularly suitable for use in electronic devices that operate with a large current having a high current density, such as power transistors and other power devices.

Abstract

　パワーデバイスなどに用いられる、エレクトロマイグレーションが生じることなく高いで電流密度に耐えることができるはんだ継手がSn-Ag-Bi-In系合金から形成される。このはんだ継手は、2～4質量％のAg，2～4質量％のBi，2～5質量％のIn、残部Snから本質的に構成されるはんだ合金から形成される。このはんだ合金は、さらに、Ni、CoおよびFeを1種以上含有してもよい。

Description

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
　本発明は、エレクトロマイグレーション(電食)による損傷を受けることなく高電流密度に耐えることのできるはんだ合金およびはんだ継手に関する。さらに本発明はそのようなはんだ継手を用いる電子素子(電子デバイス)、特にパワーデバイスに関する。
　はんだ付けは、回路基板やその他の基板に電子デバイスを電気的に接続する方法として最も普通に用いられている方法である。電子デバイスがますます小型化されるにつれて、電子デバイスを他の部材に接続するはんだ継手の大きさも同様に小さくなってきており、そのように形状が小さくなることから、各継手における電流密度が非常に大きくなってきている。今日、電子デバイス用に通常使用されているはんだ継手では、電流密度はむしろ小さいものである。しかし、将来的には、5～100 KA/cm2 と言うかなり高い電流密度でも長時間信頼して使用できるはんだ継手への需要が期待される。そのような高い電流密度は、ハイブリッド電気自動車、インバータなどで用いられるパワーデバイスなどの電力機器に特に想定される。
　また、従来の電子デバイスはコンピューター基板などのデジタル回路用に用いられるものが脚光を浴びていたが、近頃電気調理器やエアコンなどの白物家電もコンピューター化が進み、大電流の電子デバイスが普及している。近年、自動車の制御も電子化が進み、ハイブリッド車や電気自動車などの大部分が電子部品で構成されている自動車も現れている。
　これらの大電流を制御する電子デバイスに、１Ａ以上の電流を扱えるパワーデバイス（電力用半導体素子）と呼ばれるものがあり、パワートランジスタやパワーダイオードなどの半導体だけでなく、インバータやパワーモジュールなどの部品化したものも含まれる。
　パワーデバイスは、高電圧、大電流を扱うので、その内部からの発熱は大きく、Cuベース放熱板、絶縁基板、シリコン素子は放熱のためにはんだで接合されていることが多く、またワイヤーボンディングで接合されていても放熱のためにランド間にはんだ接合が使用されている。これらの継手部には大電流が流れるため電流密度が大きく、CuランドやNiランドのCuやNiがはんだ中に移動するエレクトロマイグレーションを引き起こして不具合を起こすことがある。
　大電流が流れるときに発生する電子の流れによって、金属原子が電子の流れの方向に移動させられる。エレクトロマイグレーションは、継手のカソード側におけるボイドおよびクラック発生の原因となることがあり、アノード側では、はんだのハミ出し(extrusion)および金属間化合物の成長が起こることがある。このような微細組織の変化およびそれによりもたらされる温度上昇は、はんだ継手における破断のような損傷を生じさせることがあり、そのような損傷ははんだ継手に接続された電子素子を部分的にあるいは全体的に機能不全とすることがある。
　従来のパワーデバイス用のはんだは、パワーデバイスの電流密度が大きく、パワーデバイスから発生する熱量が多いので、溶融温度が300℃前後のPb-5質量％SnやPb-10質量％Sn等の高温はんだが使用されてきた。環境に対する配慮から、パワーデバイスに使用されるはんだの鉛フリー化が検討されているが、パワーデバイスに最適な鉛フリーはんだ組成は決まっていない。
　現在、パワーデバイス用の鉛フリーはんだとして、前述のSn-5SbはんだやSn-10Sbはんだが良く知られている。また、本発明者は固相温度が260℃以上のBi系はんだ粉末と熱硬化性接着剤を含有したソルダペーストを開示している（特許文献１）。
　また、Sn-Ag-Bi-In組成のはんだ合金として、「0.8重量％以上５重量％以下のＡｇと、それぞれ0.1重量％以上で両者の合計が17重量％以下のInおよびBiを含み、残部がSnと不可避不純物とからなることを特徴とする無鉛はんだ合金」（特許文献２）や「SnとAgを基本組成とし、Agの含有量が0.1～20重量％とする合金であって、その中に0.1～25重量％のBi、0.1～20重量％のInのいずれか１種以上を含有し、残部がSnからなることを特徴とするはんだ材料」（特許文献３）などが公開されている。
特開２００５－７２１７３号公報 特開平９－７０６８７号公報 特開平８－２０６８７４号公報
　電子デバイスがますます小型化されるにつれて、電子デバイスの内部素子を接続するはんだ継手および電子デバイスを他の部材に接続するはんだ継手の大きさも同様に小さくなってきており、そのように形状が小さくなることから、各継手における電流密度が非常に大きくなってきている。また、電子機器の回路基板の電極に接続される電子デバイスが小さくなり、電気抵抗が大きくなって各継手における電流密度が非常に大きくなっている。このような電流密度が大きな継手では、エレクトロマイグレーションが発生する。これは金属原子が移動する現象で、継手のカソード側においてボイドおよびクラックが発生し、アノード側では、はんだのハミ出し(extrusion)および金属間化合物の成長が起こるので、電子デバイスおよび電子機器の寿命が短くなってしまう。
　さらに、電子デバイスの小型化に伴い電子デバイスとプリント基板を接続する接合部も微細化しており、その微細な部分に電流が流れるので、微細パターンのプリント基板配線用のはんだ継手でも電流密度が大きく、エレクトロマイグレーションが発生することが問題となっていた。
　本発明が解決しようとする課題は、パワーダイオードなどの電流密度が非常に大きい電子部品や、微細パターンを有する小型の電子デバイスを回路基板に接合するときでも、エレクトロマイグレーションを発生させないはんだ合金を開発することである。
　本発明の発明者らは、エレクトロマイグレーション発生の原因が、電子デバイスや電子機器の回路基板が動作することで発生する電流により電流と反対方向に電子が移動するので、電子の移動とともに継手部分の金属が移動して継手のカソード側にボイドやクラックが発生することであること、そして電子機器の回路基板の継手部分で金属原子の急激な移動をコントロールすることで、エレクトロマイグレーションが緩和されることを見いだし、本発明を完成させた。
　本発明は、パワーダイオードなどの電流密度が非常に大きい電子部品や微細パターンを有する小型の電子デバイスの組み立てに適したはんだ合金であり、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であり、そのはんだ合金を用いて小型の電子デバイスを回路基板に接合するはんだ継手である。
　本発明にかかるはんだ合金は、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さらに含有してもよい。
　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。
　本発明のはんだ合金およびはんだ継手により構成された電子デバイス、およびこれらの電子デバイスを用いて、回路基板に接合するときの継手は、エレクトロマイグレーションの防止に有効である。
　本発明では、エレクトロマイグレーションが電子の移動によるランドの金属、例えばCuが継手のはんだ合金中に移動して拡散することで発生するので、はんだ合金をランドの金属、例えば電荷を持ったCuのはんだ合金中への移動をコントロールできれば、例え電流密度が高い継手であっても、ランドのCuやCuランドとはんだ合金の接合面に形成される金属間化合物がはんだ合金中に移動するのを阻止でき、ボイドやクラックが発生することがない。
　本発明のはんだ合金が金属原子の移動をコントロールする方法として、二つの方法が考えられる。
　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。
　具体的には、はんだ合金の金属格子に歪みを与える金属を添加することで、移動する金属（CuやNi）が移動し難くする方法で、本発明ではBiやSbを添加することで金属格子が歪み、電流の急激な流れを抑制できる。この方法では、SbよりもBiの方が原子半径が大きいので、より大きな格子の歪みを与えることができる。そのために、本発明ではBiを使用している。
　図１に従来のSnAgCu合金などのBiを含有しない場合と、本発明のようにBiを含む場合とを比較した金属格子のモデルを示す。図１(a)は、従来例であって、Cu 原子がSn格子を通り易いことが分かる。図１(b)は本発明のようにBiを添加すると、Bi原子が格子を歪めているため、Cu原子がSn格子を通り難くなっている。なお、図では、説明を簡単にするためにIn原子、その他の原子は省略してある。
　また、はんだ合金を拡散するCu原子は結晶の方位が揃っているほど拡散し易いことが分かっており、はんだ合金の結晶方位をばらばらにすると急激なCu拡散がなくなる。特に結晶方位のｃ軸方向に向かっては拡散が激しいので、ｃ軸と電流方向を一致させないようにすると、Snのマトリックスで形成させるはんだ合金内部のCu拡散を抑制して、急激にCuが拡散しないようになる。本発明では、結晶方位が揃うのを抑制できる金属としてInを添加して、エレクトロマイグレーションを抑制している。
　第２の方法は、Cuなどのランドに使用する金属とはんだ合金との界面に金属間化合物の反応層を形成する方法で、本発明ではIn、Ni、Coを用いている。ランドに使用されているCuとはんだ合金中のIn、Ni、Coと反応して生成された金属間化合物層の周辺は電流が流れ難くなる。しかし、この方法では生成した金属間化合物の反応層周辺が電流の流れを抑制するエリアであり、効果は部分的である。したがって、全面的な効果をもたらす方法である、はんだ合金内部で電流が流れ難くする第１の方法よりは、効果が薄い。本発明では、全面的な効果であるはんだ合金内部がCu拡散し難くする方法と部分的な効果であるCuなどのランドに使用する金属とはんだ合金との界面に金属間化合物の反応層を形成する方法の両方を用いて、究極にエレクトロマイグレーションの発生が少ないはんだ継手を得ることができる。
　本発明のはんだ合金は、金属原子の移動をコントロールしてエレクトロマイグレーションを防止するために、はんだ合金の金属格子に歪みを与えたり、はんだ合金の結晶方位を制御するためにSn-AgはんだにInやBiを添加している。本発明のはんだ合金は、特許文献２や特許文献３のようにSn-Ag-In-Biはんだ組成であり、はんだ組成的には低温はんだの領域に入るものである。
　しかし、エレクトロマイグレーションが問題となる電子デバイスや基板は、パワーデバイスのような大電流が流れる電子デバイスやＣＰＵなどの微細パターンの電子デバイスやそのデバイスを搭載した基板などで、全て電流密度が高く、大電流による熱が発生することが共通している。
　本発明では、金属原子の移動をコントロールしてエレクトロマイグレーションを防止するはんだ組成が、偶然に「低温はんだ」と呼ばれている領域のはんだ組成になっただけで、エレクトロマイグレーションが問題となる電子デバイスや基板は、大電流による発熱が問題となるので、「高温はんだ」と呼ばれる溶融温度の高い「高温はんだ」合金が用いられた分野である。エレクトロマイグレーションが問題となる電子デバイスや基板に特許文献２や特許文献３のような、単にはんだの溶融温度を低下させるためにInやBiを添加したはんだ組成を使用しても、電流密度が高く、はんだ継手に大電流が流れることで、局所的にはんだ継手部分が溶融してしまい、エレクトロマイグレーションについても金属原子の移動をコントロールができなくなって、エレクトロマイグレーションが増加してしまう。
　本発明のパワーデバイス用のはんだ合金は、エアコンや電気炊飯器、工作機械などに用いられるIGBT（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）やMOS FET（MOS型電界効果トランジスタ）などのパワートランジスタに適している。
　IGBTの概略図を図２に示す。図中、銅ベース放熱板25にはダイボンド電極部が設けられており、さらにその上には、はんだ層27が設けられている。はんだ層27は、さらにその上に載置されたICチップ22上に形成されためっき層24を介してICチップ22と接続している。さらに、ICチップ22上部に形成された電極から、Cuのリードフレーム20に向かってCuクリップ21が配線されている。ICチップ22とCuクリップ21およびCuクリップ21とリードフレーム20ははんだ継手26で接合されている。
　特に、パワーデバイスのエミッタとコレクタの接続の継手に本発明のはんだ合金を用いると端子間の電流密度が高くても長期間の品質を維持できて好ましい。
　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。
　つまり、本発明のパワーデバイス用のはんだ合金は、5～100 kA/cm2の電流密度の電流が流れるはんだ継手を有するパワーデバイスに使用することができる。さらに5～100 kA/cm2 の電流密度の電流が流れる継手を構成するパワーデバイスのプリント基板への実装にも用いることができる。
　本発明のパワーデバイス用のはんだ合金は、デバイスとして組み立てたときに電子デバイス内部が150℃前後の温度条件までは、保証可能な耐熱性は優に有している。しかし、パワーデバイスは、１A以上の大電流を扱うので、はんだ合金の固相線温度が余り低下してしまうと、はんだ継手が半溶融状態となってしまい、金属原子の移動がコントロールできなくなってしまう。
　Biについて：
　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。
　しかしながら、電流密度が高い本発明におけるはんだ接合部では、Bi含有量が4%を超過するとはんだフィレット全体にBiが偏析し、Biが偏析した部分の電流密度が高くなると、Bi自体はSnの約5倍以上の電気抵抗値をもつことから、更に、発熱が激しくなり、熱伝導率もSnの約1/7、Cuの1/40と非常に悪いため、発生した熱は放熱が難しく、局所的な加熱が加速される。再溶融した部分ではCuの拡散がますます激しくなるため、エレクトロマイグレーションが局所的に進行し、断線までの寿命が短くなる。つまり、Snの結晶格子を歪ませCu拡散を抑制するには効果的なBiであっても、Snマトリックス中に晶出したBi単相自体はもはやSnマトリックス中のCu拡散を抑制する効果もないどころか、電流密度が高い部分に存在すると発熱を助長し、放熱を妨げるため、耐エレクトロマイグレーション性を大きく低下させるので、はんだフィレット凝固時にBi単相の偏析が少ないように、Bi含有量は、4%以下とする。
　Inについて：
　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。
　一般的には固相線温度の低下は高温での原子の拡散や原子空孔の形成を活発化させるため、Cuの拡散の抑制が必要なエレクトロマイグレーションの抑制には固相線温度の高いはんだが望まれる。しかしながら、Bi添加による固溶硬化が200℃でも持続し、Sn中の転移の移動や原子空孔の形成を抑制できることが判明し、更に、低融点化によるβ－Sn中のCu拡散の加速によるエレクトロマイグレーションの問題をInの添加量を調整して電極との反応層中のCuの拡散を抑制することで、融点の低下による耐エレクトロマイグレーション性の低下を最小限に抑えられるIn添加量を見出した。
　本発明のパワーデバイス用はんだ合金は、BiとInを含む所謂低温はんだの組成にも関わらず、パワーデバイス内部の接続の継手に用いても150℃前後の耐熱性を有し、5～100 kA/cm2 の高い電流密度であってもエレクトロマイグレーションによる損傷を受けることない。したがって、本発明のはんだ合金によって作られたパワーデバイスは長期間安定して、作動可能である。また、プリント基板の実装による、パワーデバイスとプリント基板との配線の継手や微細な配線のＣＰＵなどとプリント基板との配線の継手などに本発明のはんだ合金を使用すると、5～100 kA/cm2 の高い電流密度を発生する継手であっても、エレクトロマイグレ－ションが発生しないので、長期間の安定した品質を得ることが可能となる。
図１(a)、図１(b)は、それぞれ,従来例、本発明例のSn格子のモデルを示す模式図である。 IGBT（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）の概略図である。 本発明実施例のはんだ接合の様子を示す説明図である。 本発明実施例の電流を通電する前の銅ランドの状態を示す電子顕微鏡写真である。 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。 本発明実施例の125℃、20 A通電後に、抵抗値が10％上昇した銅ランドの状態を示す電子顕微鏡写真である。
　本発明は、2～4質量％のAg、2～4質量％のBi、2～5質量％のIn、残部Snから本質的になる合金である。Ag：3.2％以下であってもよい。In：4.5%以下であってもよい。
　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。
　本発明にかかるはんだ継手は、2～4質量％のAg、2～４質量％のBi、2～5質量％のIn、残部Snから本質的になる合金から形成することができる。
　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。
　本発明にかかるはんだ継手は、特定の電子デバイスに使用されることに制限されないが、パワートランジスタなどのように大電力を消費する電子デバイスに使用するとき、エレクトロマイグレーションを防止でき、特に効果がある。
　本発明にかかるはんだ継手は、各種形状で形成することができる。例えば、パワーデバイス内部では、ワイヤボンディングやプリフォーム、はんだボール、ソルダペーストによるリフローソルダリングでのフリップチップ実装などの方法が考えられる。
　パワーデバイスとプリント基板への実装やＣＰＵやプリント基板への実装は、電子素子のリードあるいは電極を噴流はんだ付けによって接合することで形成してもよい。あるいは、ソルダペースト、はんだボール、あるいは各種プリフォームをリフローはんだ付けすることで形成してもよい。さらに、本発明にかかるはんだ継手は、手による(マニュアル)はんだ付けで形成してもよい。これらは、パワーデバイスがディスクリートタイプか、面実装タイプであるかによって決定させる。
　上記合金において各組成成分の範囲を限定する理由は以下の通りである。
　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。
　特に、はんだボールを使ってバンプを形成するとき、はんだボールの径と同程度の粗大なAg3Sn化合物が、はんだ付け時に晶出し、その後のマザーボードへの実装やフリップチップ実装において、そのような粗大な化合物が晶出して、はんだ付不良の要因となる。したがって、本発明でのAgの添加量が増大すると、粗大なAg3Snの晶出が徐冷で顕著になるから、それを避けるため、Ag量は3.5%以下が更によく、初晶の晶出を低減し、はんだ継手の信頼性を改善するためにはAg量は2.5%以上が良い。そのためにより好ましいAg量は、2.5質量％以上、3.5質量％以下である。
　Biは、Snマトリックと固溶体を構成し、Snマトリックス中のCu拡散を抑制する。Snマトリックスに固溶したBiは格子歪みを与え、マトリックス内でのCu原子の拡散を抑制する。
　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。
　例として、Sn3.0Ag0.8Cu5Biはんだ合金では、凝固偏析によりBiがはんだ継手のフィレット部全体に晶出する。4%Biの添加ではBiは10ミクロン程度の大きさで晶出し、全体に分散しているが、まだ、Biの濃化したエリアがフィレット全体を貫通していない。しかし、Biを7%以上添加すると、Biの偏析エリアがフィレット部を貫通する。このように、はんだ継手が急速に150℃という高温にさらされると、液相部分がフィレット部を貫通するため、例え、Cu原子の拡散を抑制して、エレクトロマイグレーションを防止できても、熱疲労特性が著しく低下する。そのため、そのような高いBi含有量は、大電流が流れても高信頼性を求められるはんだ継手には適さない。
　Bi添加量は、4%以下に限定され、好ましくは３％以下である。Bi含量が3%以下のときには、フィレットの数箇所にBiの偏析が確認され、そのBi偏析部が139℃で再溶融したとしても、クラックの進展は防止できる。また、Inの添加ではBiの偏析の傾向は変わらない。
　Inは、Biと同様に、Snと固溶体を形成し、Snマトリックスに格子ひずみを与える。In添加による固溶硬化は160℃という高温下でも維持される。Biに比較してその効果は小さいが、InもSnマトリックス内でのCu拡散を抑制できる。
　Sn合金にInを2～5%添加すると、初晶がβ－Snではなく、γ－SnInとなり、晶出したγ－SnIn相が100℃以下では固相変態によりβ－Sn相となる。このように固相変態したβ－Sn相では結晶粒子が微細化され、大きさが50μm以下で、結晶方位がランダムとなる。β－Sn相ではc軸方向のCu原子の拡散速度が速い。はんだ継手部の結晶粒が大きなときには、上記ｃ軸の方向と電流が流れる方位とが一致する確率が高い。更に、結晶粒が大きく、前記確率も高いために、Cu原子が拡散できる距離が長くなり、Cu電極からはんだ中に拡散するCu量が増加し、エレクトロマイグレーションによるCu電極の断線が短時間に非常に容易に起こる。しかしながら、結晶粒が小さいと、いくつかの結晶粒のc軸と電流の方位が一致したとしても、結晶粒自体が小さく、Cu電極からはんだ中に移動するCuの総量が抑制され、結果的にエレクトロマイグレーションにより導電路が断線するまでの寿命が長くなる。
　In添加量が2%より少ないと、初晶とし、γ－SnIn相がほとんど晶出しない。凝固初期からβ－Sn相が晶出し、連続的に成長する。したがって、固相反応による相変態が生じず、粗大なβ－Sn結晶のC軸方向と電流の方位が一致する。そのため、はんだ継手では、Cu原子の拡散が激しくなり、短時間で断線が生じる。
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。
　In添加により直接的にエレクトロマイグレーションは抑制できる。通常、Cu電極とはんだ合金との界面には、Cu6Sn5やCu3Snなどの金属間化合物が形成されるが、これらの金属間化合物相(以下、「反応相」ともいう)中のCu原子の移動は早く、エレクトロマイグレーションによりCu6Sn5中のCu原子がSnマトリックス中に拡散し、そのような金属間化合物相が容易に消失する。金属間化合物相が消失した後は、Cu電極とSnマトリックスが直接接触し、Cuの拡散は更に加速され、短時間で断線にいたる。一方で、金属間化合物相をCu6(SnIn)5とすることで、電流により引き起こされるCu原子の拡散を抑制できる。そのためエレクトロマイグレーションによる金属間化合物相の析出を効果的に防止できる。In含有量は1%以上とし、好ましくは、2%以上とする。一方、Inが5%以下のはんだでは、Cu電極との反応相中のIn含有量が7%以下となる。換言すれば、Cu6(SnIn)5反応相中のIn含有量は7%以下が好ましい。
　Ni：0.01-0.3％の添加も、エレクトロマイグレーションを抑制する効果がある。SnAgBiIn合金にNiを添加することで、反応相を、Cu6(SnIn)5から、(CuNi)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。Ni添加量が0.01％よりすくないと、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、Cu拡散が加速され、最終的に、短期間で断線にいたる。この場合、Ni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。0.1%を超えてNiを添加すると、液相線が240℃を超える。240℃では少量のNi3(SnIn)4が残留するが、はんだ付けにはほとんど影響ない。しかし、Ni含量が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、Ni3(SnIn)4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Ni添加量は、0.01～0.2％であり、より好ましくは、0.1～0.15%である。
　Co：0.01～0.3％の添加も、エレクトロマイグレーションを抑制する効果がある。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。
　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。
　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。
　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。
　本発明によるはんだ継手に用いるはんだ合金は、はんだ合金製造のための通常の方法によって製造することができ、そのときのはんだ合金は、はんだ継手を形成するために用いるはんだ付け方法にそれぞれ適するような形に成形することができる。例えば、本発明にかかるはんだ合金は、インゴット、バー、ロッド、はんだボール、はんだ粉末、あるいは、はんだワイヤの形態で使用してもよく、また、ペレット、ディスクのような各種プリフォームに加工して使用してもよい。
　はんだ合金をソルダペーストとして用いる場合には、はんだ合金粉末を慣用手段によって適宜フラックスと混合する。
　本発明にかかるはんだ継手の作用効果を調べるために、ソルダペーストを使用したリフロー法でＣｕ製の素子とランドとをはんだ付けすることで、本発明のはんだ継手と従来のはんだ継手とを作り、そのときのはんだ継手の各種特性を計測した。表１に記載の各はんだ合金成分を有するはんだ粉末をフラックスと混和してソルダペーストを作った。
　図３に示すように、ソルダペーストは、例えば、ステンシルによって、回路基板31の銅電極上に印刷され、次いで、矩形Cuプレート33をはんだペーストの上に置く。回路基板31と銅プレート33はリフロー炉内で加熱され、ソルダペーストを溶融させ、次いで、このときの組み立て体を冷却して、Cuプレート33と回路基板31のランド32とを接合するはんだ継手34を得る。図３は、このときの回路基板１の様子を模式的に示している。
　ヒートサイクル性試験は下記要領で行った。
　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。
　耐熱疲労試験には、空気循環式による冷熱衝撃試験機TSA-101(Espec製)を使用し、-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。
　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。
　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。
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　図４は、本発明実施例の電流を通電する前の銅ランドの状態を示す電子顕微鏡写真である。
　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６は、本発明実施例の125℃、20 A通電後に、抵抗値が10％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。
　なお、本発明によるはんだ継手に用いたSnAgBiIn合金が、SnAgCu合金またはSnCu合金のいずれよりもはるかに優れた耐疲労性を備えていることは確認した。
　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。

Claims (6)

  1. 　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. 　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。
  3. 　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。
  4. 　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。
  5. 　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。
  6. 　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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