WO2018012641A1

WO2018012641A1 - はんだ合金

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Publication number: WO2018012641A1
Application number: PCT/JP2017/025973
Authority: WO
Inventors: 矢作　政隆; 秀樹古澤
Original assignee: Ｊｘ金属株式会社
Priority date: 2016-07-15
Filing date: 2017-07-18
Publication date: 2018-01-18
Also published as: TWI647316B; TW201809304A

Abstract

Ｓｎ、Ｂｉ、及びＣｕを含有するはんだ合金であって、Ｓｎが０．０５～１．５０質量％であり、Ｃｕが０．０３～３．２質量％であり、残部がＢｉ及び不可避不純物である、はんだ合金によって、高温域において使用可能な、新規のはんだ合金を提供する。

Description

はんだ合金

　本発明は、はんだ合金に関する。

　環境面の配慮から、鉛を含有しないはんだ合金の使用が推奨されている。はんだ合金は、その組成に応じてはんだとしての使用に適した温度域が変わってくる。

　パワーデバイスは、電力変換用の素子として、ハイブリッド自動車、送変電など幅広い分野で使用されている。従来はＳｉチップのデバイスで対応できたが、高耐圧、大電流用途、高速動作が求められる分野では、Ｓｉよりもバンドギャップが大きいＳｉＣ、ＧａＮ等が近年注目を浴びている。

　従来のパワーモジュールでは動作温度が１７０℃程度までであったのが、次世代型のＳｉＣ、ＧａＮ等では２００℃を超える可能性があると言われている。これに伴い、これらチップを搭載したモジュールに使用される各材料には耐熱性、放熱性が求められている。

　接合材料に関して言えば、Ｐｂフリーの観点からＳｎ－３．０Ａｇ－０．５Ｃｕはんだが好ましいが、次世代型モジュールでは動作温度が２００℃を超える可能性があるので、融点が２２０℃付近であるＳｎ－３．０Ａｇ－０．５Ｃｕはんだよりも、さらに耐熱性が求められる。具体的にはラジエターの冷却およびエンジン回りの温度の許容性から、好ましくは２５０℃以上の融点を持つはんだが求められる。なお、はんだの組成は、特に断りがなければ質量％表示であり、上記Ｓｎ－３．０Ａｇ－０．５Ｃｕは、Ａｇ：３．０質量％、Ｃｕ：０．５質量％、残部Ｓｎの組成のことである。ＲｏＨＳの規制対象外ではあるものの、環境規制の観点から好ましくないＰｂはんだ（Ｐｂ－５Ｓｎ）であれば次世代型モジュールの動作温度には対応しうる。Ｐｂはんだと同様に耐熱はんだとしてはＡｕ系はんだ（Ａｕ－Ｇｅ、Ａｕ－Ｓｉ、Ａｕ－Ｓｎ）が使用されている（非特許文献１～３）。廉価なはんだとしてはＳｎベースのはんだが知られている（特許文献１、２）。

　そこで、近年次世代型モジュールの接合材料として注目されているのが金属微粉ペーストである。金属粉のサイズが小さいので、表面エネルギーが高く、その金属の融点よりもはるかに低い温度で焼結が始まる。そして、はんだとは異なり、いったん焼結すれば、その金属の融点近くまで昇温しないと再溶融しない。このような特性を生かし、Ａｇ微粉ペーストで開発が進んでいる（特許文献３）。

　Ｐｂ－５Ｓｎはんだは次世代型パワーモジュールの接合材料としての機能は十分であるが、有鉛であり、将来的な環境規制の観点からも使用しないことが望ましい。また、Ａｕ系はんだは機能、環境面からは接合材料としては望ましいが、材料価格の問題点を抱える。ＳｎベースはんだはＣｕ電極と接合させる場合、動作環境下での熱負荷によって、接合界面近傍におけるＳｎとＣｕの拡散速度差によって生じるカーケンダルボイドが発生し、接合強度を低下させる恐れがある。また、Ａｇ微粉ペーストは条件によっては十分な接合強度、耐熱性を接合層に付与することが可能であるが、材料価格の問題点を抱える。

　特許文献４は、体積変化が抑制された鉛フリーソルダペーストを開示しているが、融点は比較的に低く、高温特性に改良の余地がある。また、特許文献４のはんだ合金は、固相線温度と液相線温度との温度差が大きいために、はんだづけの寸法精度の点で問題が生じやすい不利がある。特許文献５は、濡れ性が改善されたソルダペーストを開示している。特許文献５のソルダペーストでは、組成の異なる複数種の粉末がブレンドされていて、それが溶融後に合金となる設計となっているが、そのためにはそれぞれの粉末の融点を超える加熱が必要であり、例えばＣｕ粉を用いるならばＣｕの融点１０８４．６℃以上に加熱しないと完全な溶融は期待できず、はんだ付け時の加熱操作に依存した不均一性の懸念がある。

特開平９－２７１９８１号公報特開２０００－１４１０７９号公報国際公開ＷＯ２０１１／１５５０５５号国際公開ＷＯ２００７／０１８２８８号国際公開ＷＯ２００７／０５５３０８号

Ｐ．Ａｌｅｘａｎｄｒｏｖ，Ｗ．Ｗｒｉｇｈｔ，Ｍ．Ｐａｎ，Ｍ．Ｗｅｉｎｅｒ，Ｌ．Ｊｉａｏ　ａｎｄ　Ｊ．Ｈ．Ｚｈａｏ，Ｓｏｌｉｄ－Ｓｔａｔｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．，４７（２００３）ｐ．２６３．Ｒ．Ｗ．Ｊｏｈｎｓｏｎ　ａｎｄ　Ｌ．Ｗｉｌｌｉａｍｓ，Ｍａｔｅｒ．Ｓｃｉ．Ｆｏｒｕｍ　４８３－４８５（２００５）ｐ．７８５．Ｓ．Ｔａｎｉｍｏｔｏ，Ｋ．Ｍａｔｓｕｉ，Ｙ．Ｍｕｒａｋａｍｉ，Ｈ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ　ａｎｄ　Ｈ．Ｏｋｕｍｕｒａ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ＩＭＡＰＳ　ＨｉＴＥＣ　２０１０（Ｍａｙ　１１－１３，２０１０、Ａｌｂｕｑｕｅｒｑｕｅ，Ｎｅｗ　Ｍｅｘｉｃｏ，ＵＳＡ），ｐ３２－３９．

　このように、次世代型パワーモジュールの接合材料に求められる高温域、例えば２５０℃を超える温度域においても、優れた特性を有するはんだ合金が、求められていた。

　したがって、本発明の目的は、鉛が添加されて含まれることなく、高温域において使用可能な、新規のはんだ合金を提供することにある。

　本発明者は、鋭意研究の結果、後述するＢｉベースのはんだ合金によって、上記目的を達成できることを見いだして、本発明に到達した。

　したがって、本発明は以下の（１）以下を含む。
　（１）
　Ｓｎ、Ｂｉ、及びＣｕを含有するはんだ合金であって、
　Ｓｎが０．０５～１．５０質量％であり、Ｃｕが０．０３～３．２質量％であり、残部がＢｉ及び不可避不純物である、はんだ合金。
　（２）
　Ｂｉが９５．３～９９．９２質量％である、（１）に記載のはんだ合金。
　（３）
　Ｓｎが０．０５～１．０質量％である、（１）～（２）のいずれかに記載のはんだ合金。
　（４）
　Ｃｕが１．０～３．２質量％である、（１）～（３）のいずれかに記載のはんだ合金。
　（５）
　固相線温度が２５０℃以上である、（１）～（４）のいずれかに記載のはんだ合金。
　（６）
　液相線温度が２７５℃以下である、（１）～（５）のいずれかに記載のはんだ合金。
　（７）
　次の式：　［液相線温度］－［固相線温度］
の値が、２５℃以下である、（１）～（６）のいずれかに記載のはんだ合金。
　（８）
　はんだ合金の形状が、粉状、ボール状、又はシート状である（１）～（７）のいずれかに記載のはんだ合金。
　（９）
　（１）～（８）のいずれかに記載のはんだ合金ではんだ付けされた電子部品の内部接合はんだ継手。
　（１０）
　（１）～（８）のいずれかに記載のはんだ合金ではんだ付けされたパワートランジスタのはんだ継手。
　（１１）
　（１）～（８）のいずれかに記載のはんだ合金を有するプリント回路板。
　（１２）
　（１）～（８）のいずれかに記載のはんだ合金を有する電子部品。
　（１３）
　（１）～（８）のいずれかに記載のはんだ合金を有するパワートランジスタ。
　（１４）
　（９）～（１０）のいずれかに記載のはんだ継手又は（１１）に記載のプリント回路板または（１２）に記載の電子部品または（１３）に記載のパワートランジスタを有する電子機器。
　（１５）
　（９）～（１０）のいずれかに記載のはんだ継手を有するパワーデバイス。
　（１６）
　（１）～（８）のいずれかに記載のはんだ合金を材料とした部材。
　（１７）
　接合強度が１０ＭＰａ以上である、（１）～（８）のいずれかに記載のはんだ合金。

　本発明によれば、鉛が添加されて含まれることなく、次世代型パワーモジュールの接合材料に求められる高温域、例えば２５０℃を超える温度域においても、優れた特性を有するはんだ合金を得ることができる。本発明のはんだ合金は、鉛が添加されて含まれることのないために将来の環境規制の観点からも有利であり、高価なＡｇを使用しないために材料価格の点からも有利である。

　以下に本発明を実施の態様をあげて詳細に説明する。本発明は以下にあげる具体的な実施の態様に限定されるものではない。

［はんだ合金］
　本発明のはんだ合金は、Ｓｎ、Ｂｉ、及びＣｕを含有するはんだ合金であって、Ｓｎが０．０５～１．５０質量％であり、Ｃｕが０．０３～３．２質量％であり、残部がＢｉ及び不可避不純物である。

　本発明のはんだ合金は、いわゆる無鉛はんだ合金である。無鉛はんだ合金は、Ｐｂフリーはんだとも呼ばれるが、環境負荷が十分に低い程度の含有量で、不可避不純物として鉛が含有されていてもよい。本発明のはんだ合金は、固相線温度及び液相線温度がともに高い温度帯であるために、次世代型パワーモジュールの接合材料に求められる高温域、例えば２５０℃を超える温度域においても、優れた特性を有する。

［Ｂｉ］
　Ｂｉ（ビスマス）が、本発明のはんだ合金の主要な構成元素として、含有される。好適な実施の態様において、はんだ合金に対するＢｉの含有量は、例えば９５．３～９９．９２質量％、９８．５～９９．８質量％、９９．０～９９．８質量％とすることができる。

［Ｓｎ］
　はんだ合金に対するＳｎの含有量は、例えば０．０５～１．５０質量％、０．０５～１．０質量％、０．１０～０．５０質量％、０．１０～０．２０質量％とすることができる。

［Ｃｕ］
　はんだ合金に対するＣｕの含有量は、例えば０．０３～３．２質量％、１．０～３．２質量％とすることができる。

［固相線温度］
　固相線温度は、例えば２５０℃以上、あるいは２５２℃以上とすることができる。固相線温度が低いはんだ合金の場合、補強材としてエポキシ樹脂を用いたはんだペーストでなければ高温域で使用できないが、固相線温度が高い（例えば２５０℃以上）はんだ合金の場合、エポキシ樹脂無しのフラックスと混合し、エポキシ樹脂無しのはんだペーストであっても、高温域で使用できる。

［液相線温度］
　液相線温度は、例えば２７５℃以下、あるいは２７２℃以下とすることができる。

［液相線温度と固相線温度］
　好適な実施の態様において、次の式：　［液相線温度］－［固相線温度］の値（固相液相温度差：ＰＲ）を、２５℃以下、あるいは２２℃以下とすることができる。ＰＲは、例えば１℃以上とすることができる。本発明のはんだ合金はＰＲが小さいために、はんだ付けに使用した際に、優れた寸法精度を実現することができる。

　はんだ付けにおいて、ＰＲが大きいとはんだが固まりにくく、寸法精度が悪くなる。特に、ある程度の大きさを持ち、形状によってはんだ接合不良が起こりやすいはんだボール等にはＰＲの大小による影響が大きい。例えば、ＰＲが大きいはんだ合金によるはんだボールの場合、固まったとしても外側だけで、内側に液状のものが混ざった状態となり、接着時等の圧力で形が崩れることになる。複数のはんだボールで１つのチップを接合する場合、形状（高さ）が異なるはんだボールを使用することによりチップがうまく接合できず、はんだ接合不良（例えばツームストーン、リフトオフ）が起こりやすい。ＰＲが小さければ、すぐに固化するためボイドが少なく、はんだ接合時に液相固相が混在した時間が短いためはんだ接合不良が起こりにくいものとなる。

［好適な組成］
　好適な実施の態様において、はんだ合金の組成は、例えば以下とすることができる。
　Ｓｎ：Ｂｉ：Ｃｕ＝０．１４～０．１６質量％：９９．５１～９９．５３質量％：０．３２～０．３４質量％
　Ｓｎ：Ｂｉ：Ｃｕ＝０．１５３質量％：９９．５２０質量％：０．３２７質量％

［接合強度］
　はんだ合金の接合強度は、実施例に記載の手段によって、測定することができる。好適な実施の態様において、接合強度は、例えば１０ＭＰａ以上、あるいは１５ＭＰａ以上とすることができる。

［はんだ合金の形状］
　本発明のはんだ合金の形状は、はんだとして使用するために必要に応じた形状を、適宜採用することができる。実施例に記載のようにシート形状の部材とすることができ、さらに、例えばワイヤー、粉、ボール、板、棒などの形状の部材とすることができる。はんだ合金の形状は、粉体の形状、はんだボールの形状（ボール状）、又はシート状とすることが特に好ましい。はんだボールは、例えば直径５０μｍ～５００μｍのボールをいう。はんだ粉は、例えば粒径５０μｍ未満の粉をいう。はんだ粉は、はんだペースト用に使用することができる。

　以下、本発明の実施例によって本発明を詳細に説明する。本発明は以下に示す実施例によって限定されるものではない。

（例１）
（実施例１）
　Ｂｉ、Ｃｕ、Ｓｎを所定量秤量し、真空溶解でインゴットを溶製した。インゴットの各成分を蛍光Ｘ線で求め、表１に記載した。これを厚み０．２ｍｍのシート状に加工した。なお、インゴットの各成分はＩＣＰ発光分光分析器を用いて分析することもできる。

　はんだ合金の固相線温度及び液相線温度の測定は、ＪＩＳ　Ｚ３１９８－１：２０１４に準拠し、示差走査熱量測定（ＤＳＣ：Differential Scanning Calorimetry）による方法で実施した。

　２ｍｍ角のＳｉＣチップを用意し、片面にスパッタリングでＮｉ層（厚み１μｍ）、Ａｕ層（厚み０．０５μｍ）の順にそれぞれ形成した。下地にＮｉ層（厚み１μｍ）、最表層にＡｕ層（厚み０．０５μｍ）をそれぞれ電気めっきで形成したリードフレーム上に、２ｍｍ角に切断した厚み０．２ｍｍのＢｉ－Ｓｎ－Ｃｕのシートを乗せ、その上にスパッタ面が上記シートと向かい合うようにＳｉＣチップを載せてギ酸（分圧４０ｍｍＨｇ）の雰囲気中で加熱し、リードフレームとＳｉＣチップを接合させた。この接合強度を測定した。
　接合強度は、ＭＩＬ　ＳＴＤ－８８３Ｇに準じて測定した。荷重センサに取り付けられたツールが基板面まで下降し、装置が基板面を検出し下降を停止し、検出した基板面から設定された高さまでツールが上昇し、ツールで接合部を押して破壊時の荷重を計測した。
＜測定条件＞
　装置：ｄａｇｅ社製　ｄａｇｅ　ｓｅｒｉｅｓ　４０００
　方法：ダイシェアテスト
　テストスピード：１００μｍ／ｓ
　テスト高さ：２０．０μｍ
　ツール移動量：４ｍｍ（試験片２ｍｍ）

（実施例２～１１）
　実施例１と同様の手順で、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｓｎを所定量秤量し、真空溶解でインゴットを溶製し、インゴットの各成分を蛍光Ｘ線で求め、シート状に加工して、示差走査熱量測定によって固相線温度及び液相線温度を測定し、さらに接合強度を測定した。これらの結果をまとめて表１に示す。

（例２）
（比較例１～５）
　実施例１と同様の手順で、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｓｎを所定量秤量し、真空溶解でインゴットを溶製し、インゴットの各成分を蛍光Ｘ線で求め、シート状に加工して、示差走査熱量測定によって固相線温度及び液相線温度を測定し、さらに接合強度を測定した。これらの結果をまとめて表１に示す。

（例３）
（参考例１）
　実施例１と同様の手順でＰｂ、Ｓｎの合金を真空溶解し、厚み０．２ｍｍのシートを得た。このシートを使って、ＳｉＣチップとリードフレームを接合させ、接合強度を測定した。

（参考例２）
　実施例１と同様の手順でＳｎ、Ａｇ、Ｃｕの合金（ＳＡＣ合金）を真空溶解し、厚み０．２ｍｍのシートを得た。このシートを使って、ＳｉＣチップとリードフレームを接合させ、接合強度を測定した。

　表１に本発明の実施例にかかる組成の接合強度、比較例及び参考例の組成と接合強度を示す。これによれば、参考例１の鉛はんだと比較してほぼ同等の接合強度を有する鉛フリーはんだであることがわかる。さらに参考例２のＳＡＣ合金と比較しても同等の接合強度を有しており、実施例１～１１は目標とした固相液相温度差２５℃以下であり、接合強度も目標値１０ＭＰａ以上であった。比較例１～３は固相液相温度差は目標値を満足したが、接合強度は目標値を満足しなかった。参考例１、２および実施例１～１１を見ると、実施例１～１１のはんだ組成は現行のパワーデバイスの代替としても適合可能であることがわかる。また、実施例７、実施例８の対比から、同じＣｕ量でもＳｎが少ない方がＰＲが小さくなる傾向があることがわかった。さらに、実施例１０、１１から、同じＳｎ量でもＣｕが多い方がＰＲが小さくなる傾向があることがわかった。一方で、比較例４、５では、ＰＲが非常に大きいものとなっていた。

　本発明は、鉛が添加されて含まれることなく、高温温度域においても、優れた特性を有するはんだ合金を提供する。本発明は産業上有用な発明である。

Claims

　Ｓｎ、Ｂｉ、及びＣｕを含有するはんだ合金であって、
　Ｓｎが０．０５～１．５０質量％であり、Ｃｕが０．０３～３．２質量％であり、残部がＢｉ及び不可避不純物である、はんだ合金。
　Ｂｉが９５．３～９９．９２質量％である、請求項１に記載のはんだ合金。
　Ｓｎが０．０５～１．０質量％である、請求項１～２のいずれかに記載のはんだ合金。
　Ｃｕが１．０～３．２質量％である、請求項１～３のいずれかに記載のはんだ合金。
　固相線温度が２５０℃以上である、請求項１～４のいずれかに記載のはんだ合金。
　液相線温度が２７５℃以下である、請求項１～５のいずれかに記載のはんだ合金。
　次の式：　［液相線温度］－［固相線温度］
の値が、２５℃以下である、請求項１～６のいずれかに記載のはんだ合金。
　はんだ合金の形状が、粉状、ボール状、又はシート状である、請求項１～７のいずれかに記載のはんだ合金。
　請求項１～８のいずれかに記載のはんだ合金ではんだ付けされた電子部品の内部接合はんだ継手。
請求項１～８のいずれかに記載のはんだ合金ではんだ付けされたパワートランジスタのはんだ継手。
　請求項１～８のいずれかに記載のはんだ合金を有するプリント回路板。
　請求項１～８のいずれかに記載のはんだ合金を有する電子部品。
　請求項１～８のいずれかに記載のはんだ合金を有するパワートランジスタ。
　請求項９または１０に記載のはんだ継手又は請求項１１に記載のプリント回路板または請求項１２に記載の電子部品または請求項１３に記載のパワートランジスタを有する電子機器。
　請求項９または１０に記載のはんだ継手を有するパワーデバイス。
　請求項１～８のいずれかに記載のはんだ合金を材料とした部材。
　接合強度が１０ＭＰａ以上である、請求項１～８のいずれかに記載のはんだ合金。