DE112020000056T5

DE112020000056T5 - Lötverbindung

Info

Publication number: DE112020000056T5
Application number: DE112020000056.7T
Authority: DE
Inventors: Hirohiko Watanabe; Shunsuke Saito; Takeshi Yokoyama
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2019-01-28
Filing date: 2020-01-27
Publication date: 2021-02-25
Also published as: JP7168008B2; CN112334267B; JPWO2020158660A1; US11890702B2; US20210138590A1; CN112334267A; US20240109157A1; WO2020158660A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt eine hochzuverlässige Lötverbindung bereit, wobei die Lötverbindung eine Lötverbindungsschicht beinhaltet, die ein geschmolzenes Lötmaterial aufweist, das Sn als eine Hauptkomponente enthält und weiter Ag und/oder Sb und/oder Cu enthält; und einen verbundenen Körper, der eine Ni-P-Cu-Plattierungsschicht an einer Oberfläche in Kontakt mit der Lötverbindungsschicht beinhaltet, wobei die Ni-P-Cu-Plattierungsschicht Ni als eine Hauptkomponente enthält und 0,5 Masseprozent oder mehr und 8 Masseprozent oder weniger Cu und 3 Masseprozent oder mehr und 10 Masseprozent oder weniger P enthält, die Ni-P-Cu-Plattierungsschicht eine mikrokristalline Schicht bei einer Grenzfläche mit der Lötverbindungsschicht aufweist und die mikrokristalline Schicht eine Phase, die Mikrokristalle einer ternären NiCuP-Legierung enthält, eine Phase, die Mikrokristalle von (Ni,Cu)3P enthält, und eine Phase, die Mikrokristalle von Ni3P enthält, beinhaltet.

Description

GEBIET DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Lötverbindung. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine hochzuverlässige Lötverbindung, die bevorzugt für eine Verbindung in einer Halbleitervorrichtung verwendet wird.
STAND DER TECHNIK
In den letzten Jahren wird häufig als ein Lötmaterial, das auf einer Halbleitervorrichtung, wie ein IGBT-Modul (Leistungsmodul) angebracht wird, Sn-Ag-basiertes Pb-freies Lötmetall unter den aktuell bekannten bleifreien Lötmetallen unter verschiedenen Zusammensetzungen verwendet, weil es ein relativ gutes Gleichgewicht im Sinne von Merkmalen aufweist, beinhaltend insbesondere Verbindbarkeit, wie Lötbenetzbarkeit, mechanische Eigenschaften, Wärmeübertragungsbeständigkeit usw., und eine nachgewiesene Erfolgsbilanz in Produkten aufweist.
Es gibt einen noch größeren Bedarf am Markt für Energieersparnis und effiziente Verwendung von Energie. Zum Beispiel wird benötigt, dass fahrzeugmontierte Leistungsmodule und dergleichen kleinere Größe und leichteres Gewicht haben. Darüber hinaus gibt es einen steigenden Bedarf an Zuverlässigkeit, wie konstantem Betrieb bei hoher Temperatur, weil die Temperatur in der Nähe des Chips gemeinsam mit einer Zunahme der Ausgangsleistungsdichte (höherer Strom) steigt und weil es auch bei einer höheren Temperatur verwendet wird, die 100°C übersteigt. Zusätzlich gibt es einen Bedarf an längerer Betriebslebensdauer in einer korrosiven Gasumgebung, aufgrund einer Zunahme an Produktsicherheit und Sicherheitsbewusstsein.
Die Struktur einer Halbleitervorrichtung ist bekannt, in der ein Leiterrahmen, der als ein Verdrahtungsbauteil und auch als ein Hitzeverteiler dient, an die obere Oberflächenelektrode eines Halbleiterelements (IGBT: Isolierter Gate-Zweipoltransistor (Insulated Gate Bipolar Transistor)) gelötet ist, das befestigt ist, indem es auf ein isolierendes Substrat gelötet wird, und die Konzentration von Wärmeerzeugungsdichte unterbunden wird, indem die erzeugte Wärme von der Halbleitervorrichtung an den Leiterrahmen abgegeben wird (siehe zum Beispiel Patentdokument 1).
Ein Kupferbauteil, das hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, wird als ein leitendes Bauteil verwendet, das das Halbleiterbauteil begründet. Solch ein Kupferbauteil, das eine Nickelphosphorplattierungsschicht auf der Oberfläche davon gebildet aufweist, wurde von dem Gesichtspunkt von Korrosionsbeständigkeit verwendet. Zusätzlich ist auch eine Leiterplatte bekannt, die einen elektrolosen Nickelkupfer-Phosphorplattierungsfilm auf einer Lötverbindung gebildet aufweist (siehe zum Beispiel Patentdokument 2).
REFERENZDOKUMENTLISTE
PATENTDOKUMENTE
Patentdokument 1: JP 2005-116702 A
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
VON DER ERFINDUNG ZU LÖSENDES PROBLEM
Ein MOS- (Metalloxidhalbleiter (Metal Oxide Semiconductor)) Typ oder IGBT-Typ Element, das Leistungshalbleiter genannt wird, erwärmt sich während Betriebs selbst und erreicht eine hohe Temperatur. Das Element, das Wärmeerzeugung und Kühlung wiederholt, wird mit Lötmetall verbunden, die wiederholte Wärmeerzeugung des Elements verursacht aber, dass der Lötabschnitt wiederholt belastet und verschlechtert wird. Es wird bevorzugt, eine Lötlegierung zu verwenden, die eine hohe Wärmediffusionseigenschaft zum Verbinden der Halbleiterleiterelemente aufweist, die bei einer hohen Temperatur arbeiten. Insbesondere in Halbleiterelementen, die Wärme erzeugen, wird Kupfer (CU) häufig als ein elektrische Anschlussmaterial eingesetzt, um Verlust aufgrund von Wärmewiderstand zu verringern. Zum Beispiel ist eine Cu-Platte für ein DCB- (direktes Kupferbond (Direct Copper Bonding)) Substrat bekannt.
Währenddessen liegt Schwefel (S) in der Ordnung von Zehnteln von ppb als Schwefelgas oder dergleichen selbst in der allgemeinen Umgebung vor und liegt in der Ordnung von Zehnteln bis Hundertstel von ppm in Behandlungsumgebungen von Kanalisation und Klärung, Wellpappe oder dergleichen vor. Dies verursacht CU zu korrodieren, was CU-Ionen veranlasst, sich über den Isolator zwischen angrenzenden Elektroden zu bewegen. Als ein Resultat wird die dielektrische Stärke zwischen den Elektroden verringert und es gibt ein Problem von Wanderung, das die Elektroden kurzschließt. Es gibt auch den Aspekt, dass Cu sich verfärbt und schwärzt, wenn korrosive Substanzen von Schwefelgas erzeugt werden, was von Benutzern im Sinne von Produkterscheinung nicht bevorzugt wird.
Man sagt, dass es zwei Faktoren für Wanderung gibt und die Wanderung aufgrund mehrerer Faktoren in Halbleiterprodukten auftreten, die hohe Leistung handhaben. Die Halbleitervorrichtung kann in einer Umgebung hoher Temperatur und hoher Luftfeuchtigkeit verwendet werden. Zum Beispiel tritt Wanderung aufgrund von Schwefelgaskorrosion zwischen den Elektroden des Moduls auf, was in einem Kurzschluss zwischen den Elektroden resultiert. Aus diesem Grund wurde die Verwendung von Ni, das weniger wahrscheinlich als Cu ist, Wanderung zu verursachen, untersucht. Um die Ni-Schicht zu bilden, wird elektrolose Nickelphosphor- (Ni-P) -plattierung, die eine P-Konzentration von 22 bis 12% aufweist, im Sinne von Massenfertigung, Homogenität und Korrosionsbeständigkeit verwendet.
Vor diesem Hintergrund wird zum Beispiel, wenn ein Halbleiterelement und ein Ni-P-plattiertes Kupfersubstrat verbunden werden, eine steigende Zahl von Produkten durch ein Sn-Sb-Ag-basiertes Lötmetall und eine Ni-P-Plattierungsschicht verbunden, die bei hohen Temperaturen zuverlässig sind. Hier eluiert Ni von der Plattierungsschicht während Schmelzen des Lötmetall (zum Zeitpunkt des Verbindens) in das Lötmetall, das der Verbindungskörper ist, und eine spröde P-angereicherte Phase (P-angereicherte Schicht) wird bei der Grenzfläche zwischen dem Lötmetall und der Ni-P-Plattierungsschicht erzeugt. Da die P-angereicherte Schicht viele Defekte, wie Löcher, enthält und brüchig ist, kann das Phänomen von Ablösung bei der Grenzfläche zwischen der Lötschicht und der NiP-Schicht auftreten, was die Zuverlässigkeit des Verbindungskörpers verringern kann. Die P-angereicherte Phase wird zum Zeitpunkt vom Verbinden erzeugt. In einem Produkt, das bei hoher Temperatur arbeitet, wächst die P-angereicherte Schicht aufgrund von Wärme und die spröde Schicht dehnt sich aus. Zusätzlich steigt die Zahl von Defekten und die Zuverlässigkeit sinkt.
Insbesondere wird, für ein Leistungsmodul oder dergleichen, ein Verbindungsprozess, der eine hohe Lötmetallschmelztemperatur und eine lange Verbindungszeit aufweist, verwendet, weil Bauteile, die eine große Wärmekapazität aufweisen, verbunden werden sollen. Wie in der Fotografie in 8, wenn eine Ni-8%P-Plattierungsschicht mit einer Filmdicke von 5 µm mit dem Sn-Sb-basierten Lötmaterial verbunden wird, gibt es ein Problem, dass Ni in das Lötmetall eluiert, und Löcher (Defekte), die einen Durchmesser von 0,1 µm oder größer aufweisen, in der Ni-P-Plattierungsschicht erzeugt werden. Falls eine Plattierungsdicke zum Beispiel auf 10 µm oder größer eingestellt ist, um die Verbindungszeit und die Ni-Eluierungsmenge anzupassen, ist es möglich, Ni daran zu hindern, zu eluieren und eine Verbindung mit Sn während der Verbindung zu bilden und auch die Ni-P-Plattierungsschicht zu veranlassen, überzubleiben. Jedoch, da Löcher (Defekte) in dem eluierten Abschnitt erzeugt werden, ist die Zuverlässigkeit niedrig. Die Fotografie ist ein Beispiel von Lötverbindung durch Halten bei 300°C 1,5 Minuten oder länger. Hier wurde anhand eines Bilds eines Transmissionselektronenmikroskops (TEM, Transmission Electron Microscope) festgestellt, dass der plattierte Film in einer Säulenform kristallisiert wurde. Deshalb wird angenommen, dass Ni wahrscheinlich ist, leicht zu eluieren. Zusätzlich erzeugt die Lötverbindung aufgrund von Stromanwendung zum Antreiben des Produkts Wärme und die Wärmeerzeugung verursacht Wärmediffusion. Deshalb können zum Beispiel die Kristalle der intermetallischen Verbindungen, die zwischen dem Lötmetall und dem angebrachten Körper gebildet sind, wachsen und grob, säulenförmig und in ihrer Schichtdicke erhöht werden. Die Änderung der Grenzfläche zwischen unterschiedlichen Materialien aufgrund der Wärmediffusion kann die Verbindungsstärke verbessern. Jedoch, falls es übermäßige Diffusion gibt und die Kristallkörner eine Größe von 100 nm oder mehr aufweisen, wird angenommen, dass Verschlechterung, wie eine Verringerung der Stärke, auftreten kann. Insbesondere wird angenommen, dass säulenförmige Kristalle, die einen großen spezifischen Oberflächenbereich aufweisen, auch leicht in Wärmediffusion diffundiert werden können.
Die gegenwärtigen Erfinder haben ernsthaft erforscht und als ein Resultat festgestellt, dass eine hochzuverlässige Verbindung in dem Fall gebildet werden kann, dass ein verbundener Körper verwendet wird, der eine Schicht aus Ni-P-Cu-Plattierung mit einer spezifischen Zusammensetzung anstatt von Ni-P-Plattierung beinhaltet und eine Verbindungsschicht auf der Oberfläche in Kontakt mit einem Lötmaterial in Kombination mit dem Lötmaterial, das eine spezifische Zusammensetzung aufweist, bildet. Daher wurde die vorliegende Erfindung abgeschlossen.

[1] Gemäß einer Ausführungsform bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Lötverbindung, die eine Lötverbindungsschicht beinhaltet, die ein geschmolzenes Lötmaterial aufweist, das Sn als eine Hauptkomponente enthält und weiter Ag und/oder Sb und/oder Cu enthält; und einen verbundenen Körper, der eine Ni-P-Cu-Plattierungsschicht auf einer Oberfläche in Kontakt mit der Lötverbindungsschicht beinhaltet, in der die Ni-P-Cu-Plattierungsschicht Ni als eine Hauptkomponente enthält und 0,5 Masseprozent oder mehr und 8 Masseprozent oder weniger Cu und 3 Masseprozent oder mehr und 10 Masseprozent oder weniger P enthält, wobei die Ni-P-Cu-Plattierungsschicht eine mikrokristalline Schicht bei einer Grenzfläche mit der Lötverbindungsschicht aufweist und die mikrokristalline Schicht eine Phase, die Mikrokristalle von einer ternären NiCuP-Legierung, eine Phase, die Mikrokristalle von (Ni,Cu)₃P enthält, und eine Phase, die Mikrokristalle von Ni₃P enthält, beinhaltet.
[2] In der Lötverbindung gemäß [1] wie zuvor beschrieben, beinhalten die Mikrokristalle der ternären NiCuP-Legierung bevorzugt Mikrokristalle, die einen Durchschnittspartikeldurchmesser von etwa 10 nm oder weniger aufweisen.
[3] In der Lötverbindung gemäß [1] oder [2] wie zuvor beschrieben, ist die mikrokristalline Schicht bevorzugt frei von säulenförmigen Kristallen oder Partikeln, die eine Hauptachse von 75 nm oder größer aufweisen.
[4] In der Lötverbindung gemäß [1] bis [3] wie zuvor beschrieben, enthält das Lötmaterial bevorzugt Sn, Ag und Sb.
[5] In der Lötverbindung gemäß [4] wie zuvor beschrieben, enthält das Lötmaterial bevorzugt weiter Ni und/oder Ge und/oder Cu.
[6] In der Lötverbindung gemäß einem beliebigen von [1] bis [5] wie zuvor beschrieben, ist der verbundene Körper, der die Ni-P-Cu-Plattierungsschicht beinhaltet, bevorzugt ein Bauteil, in dem eine elektrolose N-P-Cu-Plattierungsschicht auf einem Basismaterial bereitgestellt ist, das Cu, Al oder eine Cu-Legierung als eine Hauptkomponente enthält.
[7] Gemäß einer anderen Ausführungsform bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine elektronische Vorrichtung, die die Lötverbindung gemäß einem beliebigen von [1] bis [5] wie zuvor beschrieben beinhaltet.
[8] Gemäß noch einer anderen Ausführungsform bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Halbleitervorrichtung, die die Lötverbindung gemäß einem beliebigen von [1]bis [5] wie zuvor beschrieben beinhaltet.
[9] In der Halbleitervorrichtung nach [8] wie zuvor beschrieben, ist die Lötverbindung bevorzugt eine Verbindung zwischen einer Substratelektrode, einem Leiterrahmen oder einem Implantatstift und einem Halbleiterelement, eine Verbindung zwischen einer leitfähigen Platte und einem Kühlkörper und/oder einer Verbindung zwischen Anschlüssen.
[10] In der Halbleitervorrichtung nach [9] wie zuvor beschrieben, ist das Halbleiterelement bevorzugt ein Si-Halbleiterelement oder ein SiC-Halbleiterelement.

EFFEKTE DER ERFINDUNG
In der Lötverbindung nach der vorliegenden Erfindung ist es sehr unwahrscheinlich, dass herkömmliche Defekte, die über die Zeit in der Verbindung erzeugt werden, auftreten, sodass die Produktlebensdauer verbessert ist. Aus diesem Grund kann sie geeigneter Weise für bedarfssteigende elektronische Vorrichtungen mit höheren Stromspezifikationen verwendet werden, und kann insbesondere geeigneter Weise für eine breite Vielfalt von Halbleitervorrichtungsanwendungen verwendet werden, wie Anschlüsse zu verbinden und andere Bauteile von Halbleitervorrichtungen zu verbinden.
Figurenliste

1 ist ein konzeptuelles Diagramm, das schematisch eine Lötverbindung nach der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
2 ist ein konzeptuelles Diagramm, das schematisch ein Beispiel einer Halbleitervorrichtung veranschaulicht, die die Lötverbindung nach der vorliegenden Erfindung beinhaltet.
3 ist ein konzeptuelles Diagramm, das schematisch eine Lötverbindung nach einer herkömmlichen Technik veranschaulicht.
4 ist eine Querschnittfotografie einer Lötverbindung von Beispiel 8, die mit einem Rasterelektronenmikroskop aufgenommen wurde.
5 ist eine Querschnittfotografie einer Lötverbindung vom Vergleichsbeispiel 4, die mit einem Rasterelektronenmikroskop aufgenommen wurde.
6 ist eine Übertragungsmikrografie eines Querschnitts der Lötverbindung von Beispiel 8.
7 ist eine vergrößerte Fotografie von 6.
8 ist eine Übertragungsmikrografie eines Querschnitts der Lötverbindung von Vergleichsbeispiel 4.
9 ist eine vergrößerte Fotografie von 8.

MODUS ZUR UMSETZUNG DER ERFINDUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden später in Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf die später beschriebenen Ausführungsformen begrenzt. Über die Beschreibung hinweg, wenn angenommen wird, dass A, B, C und D Metallelemente sind und dass a und b Ganzzahlen sind, bezeichnet die durch (A,B)_a(C,D)_b spezifizierte Verbindung eine Form, in der mehrere intermetallische Verbindungen gemischt sind, beinhaltend Verbindungen A_aC_b, in denen manche der A durch B ersetzt sind und manche der C durch D ersetzt sind. Zusätzlich ist in diesem Fall das Isotopenhäufigkeitsverhältnis des zuerst in der Klammer geschriebenen Elements A höher als das Isotopenhäufigkeitsverhältnis des danach in der Klammer geschriebenen B und ähnlich ist das Isotopenhäufigkeitsverhältnis von C höher als das Isotopenhäufigkeitsverhältnis von D. Zusätzlich bezieht sich in der vorliegenden Beschreibung die Lötverbindungsschicht auf eine, in der das Lötmaterial geschmolzen und mit einem verbundenen Körper verbunden ist. Zusätzlich bezieht sich in der vorliegenden Beschreibung die Lötverbindung auf ein Konzept, das eine Lötverbindungsschicht und einen verbundenen Körper beinhaltet. Der verbundene Körper bezieht sich auf ein Bauteil, das in Kontakt mit der Oberfläche jeder Verbindungsschicht ist und durch die Lötverbindungsschicht verbunden ist.
[Erste Ausführungsform: Lötverbindung]
Gemäß der ersten Ausführungsform ist die vorliegende Erfindung eine Lötverbindung, die eine Lötverbindungsschicht beinhaltet, die ein geschmolzenes Lötmaterial aufweist, das Sn als eine Hauptkomponente enthält und weiter Ag oder Sb enthält; und einen verbundenen Körper, der eine Ni-P-Cu-Plattierungsschicht auf einer Oberfläche in Kontakt mit der Lötverbindungsschicht beinhaltet. Die Verbindung ist so, dass die Ni-P-Cu-Plattierungsschicht eine mikrokristalline Schicht bei einer Grenzfläche mit der Lötverbindungsschicht aufweist und die mikrokristalline Schicht eine Phase, die Mikrokristalle einer ternären NiCuP-Legierung enthält, eine Phase, die Mikrokristalle von (Ni,Cu)₃P enthält, und eine Phase, die Mikrokristalle von Ni₃P enthält, beinhaltet.
(Verbundener Körper)
Der verbundene Körper, der die Verbindung nach der vorliegenden Ausführungsform begründet, ist ein Bauteil, das eine Ni-P-Cu-Plattierungsschicht an der Oberfläche in Kontakt mit der Lötverbindungsschicht beinhaltet. Das Bauteil, das die Ni-P-Cu-Plattierungsschicht beinhaltet, kann ein Bauteil sein, in dem die Ni-P-Cu-Plattierungsschicht auf einem leitfähigen Bauteil gebildet ist. Beispiele des leitfähigen Bauteils beinhalten, sind aber nicht begrenzt auf, Bauteile, die Cu, Al oder eine Cu-Legierung (zum Beispiel Cu-Sn-Legierung oder Cu-Zn-Legierung) als eine Hauptkomponente enthalten.
Die Ni-P-Cu-Plattierungsschicht ist eine elektrolose Plattierungsschicht, die Ni als eine Hauptkomponente und P und Cu in einer vorgegebenen Menge enthält. Der Gehalt von Cu in der Ni-P-Cu-Plattierungsschicht ist 0,5 Masseprozent oder mehr und 8 Masseprozent oder weniger. Wenn der Gehalt weniger als 0,5 Masseprozent ist, ist die Substitutionsmenge von Cu, das die Diffusion von Ni unterdrückt, unzureichend und es ist möglich, den Effekt davon, Wärmediffusion aufgrund von Hitzeerzeugung während Lötverbindung und während Produktverwendung, zu unterdrücken. Wenn der Cu-Gehalt größer als 8 Masseprozent ist, weil Cu leichter oxidiert als Ni, ist die Lötverbindbarkeit verschlechtert und die Korrosionsbeständigkeit gegen korrosives Gas ist verschlechtert. Der Gehalt von Cu ist bevorzugt 2,0 Masseprozent oder mehr und 4 Masseprozent oder weniger. Bei Lötverbindung mit Hitzeerzeugung ist gute Lötverbindbarkeit (Benetzbarkeit) auch ein wichtiges Charakteristikum. Unter Berücksichtigung, dass die Lötbenetzbarkeit nicht abnimmt und die Oxidations- und Korrosionsleistung nicht abnimmt, ist die zuvor erwähnte Zugabemenge von Cu als eine Spanne wünschenswert, in der andere Charakteristika nicht verschlechtert werden, unter der Bedingung, dass feine Kristalle der später beschriebenen ternären NiCuP-Legierung gebildet werden.
Der Gehalt von P in der Ni-P-Cu-Plattierungsschicht ist 3 Masseprozent oder mehr und 10 Masseprozent oder weniger. Wenn der Gehalt kleiner als 3 Masseprozent ist, wird wahrscheinlich eine säulenförmige Struktur von Ni erzeugt, die Defekte verursachen kann. Andererseits, wenn der Gehalt 10 Masseprozent übersteigt, wird die NiP-Verbindung ausgefällt, um eine kristalline Form zu bilden, und Ni eluiert leicht in die Lötverbindungsschicht, was nicht bevorzugt wird. Bevorzugt ist der Gehalt von P 4 Masseprozent oder mehr und 6 Masseprozent oder weniger. In dieser Spanne ist unwahrscheinlich, dass die säulenförmige Struktur von Ni gebildet wird, selbst wenn sie mit Lötmetall verbunden wird, und es ist möglich, eine P-angereicherte Schicht und später im Detail beschriebene Defekte zu vermeiden. Zusätzlich ist auch die Benetzbarkeit gut. Im Allgemeinen kann Ni-Plattierung, die eine niedrige Abscheidungsrate von Plattierung aufweist, bei einer hohen Geschwindigkeit plattiert werden, indem P als ein Katalysator hinzugefügt wird. Genauer tritt P in den Ni-Film ein, weil Phosphorsäure als ein Reduziermittel verwendet wird, wenn Ni reduziert und ausgefällt wird. Die allgemeine Ni-P-Plattierung nach herkömmlichen Techniken bildet eine Plattierungsschicht als ein Gemisch einer Ni₃P-Verbindung, Ni und P mit der P-Konzentration von etwa 10 Masseprozent. Jedoch sagt man, dass die Ni₃P-Verbindung während Plattierung ausfällt und Benetzbarkeit verringert. Aus diesem Grund ist in der herkömmlichen allgemeinen Ni-P-Plattierung, die als ein Oberflächenbehandlungsmaterial zur Lötverbindung verwendet wird, die P-Konzentration für gewöhnlich auf 6 bis 8 Masseprozent eingestellt, sodass die Ni₃P-Verbindung während Plattierung nicht ausfällt. Jedoch, in der vorliegenden Ausführungsform, wenn in Kombination mit einem später hierin im Detail beschriebenen Lötmaterial verwendet, ist die Benetzbarkeit verbessert, falls die P-Konzentration 8 Masseprozent oder weniger ist, und die Benetzbarkeit kann weiter verbessert werden, falls sie 6 Masseprozent oder weniger ist.
Der Rest der Ni-P-Cu-Plattierungsschicht ist im Wesentlichen Ni. Wenn Ni die Hauptkomponente ist und Cu und P in den zuvor erwähnten vorgegebenen Mengen enthalten sind, reagiert die Ni-P-Cu-Plattierungsschicht mit Sn, das in dem Lötmaterial enthalten ist, bei Bildung der Lötverbindungsschicht und es ist möglich, die Erzeugung der zu erzeugenden NiSn-Verbindung zu unterbinden. Das heißt, Ni reagiert in der Plattierungsschicht übermäßig mit Sn in dem Lötmaterial, sodass Ni in der Plattierungsschicht eluiert. Dies kann Bildung einer Schicht verhindern, die eine niedrige Ni-Konzentration aufweist, mit anderen Worten einer Schicht, die eine hohe P-Konzentration aufweist. Als ein Resultat können Löcher (Defekte) verringert werden. Es ist zu beachten, dass die Ni-P-Cu-Plattierungsschicht Fe, Au, Ag, Pd, Bi, Pb und In-Elemente zusätzlich zu Ni, P und Cu als unvermeidbare Verunreinigungen, die von Additiven wie Katalysatormetallsalzen abgeleitet sind, enthalten könnte. Es ist zu beachten, dass in der Zusammensetzungsspanne der vorliegenden Erfindung die Ni-P-Cu-Plattierungsschicht in einem nichtkristallinen Zustand ist und selbst wenn Röntgenstrahlbrechungsanalyse durchgeführt wird, es keine Spitze einer Legierung wie Ni₃P gibt und die Wellenform breit ist.
Die Dicke der Ni-P-Cu-Plattierungsschicht ist nicht besonders begrenzt, könnte aber sein zum Beispiel etwa 1 bis 10 µm und bevorzugt etwa 2 bis 5 µm sein.
Das Plattierungsbasismaterial, auf dem die Ni-P-Cu-Plattierungsschicht gebildet ist, kann ein beliebiges leitfähiges Bauteil sein und ist nicht besonders begrenzt. Typischerweise kann es ein Bauteil sein, das Cu, Al oder eine Cu-Legierung, wie Cu-Sn oder Cu-Zn, als eine Hauptkomponente enthält. Zusätzlich kann das Plattierungsbasismaterial eine Ni-P-Cu-Plattierungsschicht auf der Verbindungsoberfläche beinhalten. Die Form davon ist nicht besonders begrenzt.
Das Verfahren zum Bilden einer Ni-P-Cu-Plattierungsschicht auf dem Basismaterial ist nicht besonders begrenzt und ein allgemeines elektroloses Plattierungsverfahren kann verwendet werden. Die Zusammensetzung des Plattierungsbads, das im Stande ist, die Ni-P-Cu-Plattierungsschicht zu bilden, ist nicht besonders begrenzt und es ist möglich, eine herkömmliche Plattierungsbadzusammensetzung zu verwenden, die Nickelsalz, Kupfersalz, Hypophosphit und Komplexbildner beinhaltet. Genauer ist es möglich, ein Plattierungsbad zu verwenden, das Nickelsulfat, Kupfersulfat, Natriumhypophosphit und Natriumzitrat enthält und im Stande ist, einen plattierten Film zu bilden, der eine Zusammensetzung in der gewünschten Spanne der vorliegenden Erfindung aufweist. Zusätzlich kann als die Vorbehandlung des Plattierungsbasismaterials eine Säurebehandlung, eine Zinkatbehandlung (Zinkabscheidung) oder eine Behandlung zum Anbringen eines Katalysators, wie Pd oder Pt, verwendet werden.
Wenn die Lötverbindungsschicht zwischen zwei oder mehr verbundenen Körpern liegt, um die zwei oder mehr verbundenen Körper zu verbinden, und dadurch eine Verbindung bildet, kann mindestens einer der verbundenen Körper ein verbundener Körper sein, der eine Ni-P-Cu-Plattierungsschicht beinhaltet. Der andere verbundene Körper kann ein verbundener Körper sein, der eine Ni-P-Cu-Plattierungsschicht beinhaltet, oder kann ein anderer verbundener Körper sein. Als andere verbundene Körper ist ein Bauteil angemessen ausgewählt, das zum Zweck des Produkts, das eine Verbindung beinhaltet, geeignet ist und das nicht von der Hitze, die von dem Produkt erzeugt wird, und der dadurch verursachten Hitzebelastung zerstört wird, und Beispiele beinhalten, sind aber nicht begrenzt auf, Cu, Ni, Ag, Au, Legierungen, die diese enthalten, und dergleichen.
Lötmaterial
In der Lötverbindung der vorliegenden Ausführungsform ist es möglich, als ein Lötmaterial, das geschmolzen wird, um eine Lötverbindungsschicht zu bilden, ein Lötmaterial zu verwenden, das Sn als eine Hauptkomponente enthält und auch Ag und/oder Sb und/oder Cu enthält. Zusätzlich zu diesen Komponenten ist es bevorzugt, ein Lötmaterial zu verwenden, das eine oder mehrere Komponenten enthält, ausgewählt aus Ni, Ge, Si, V, P, Bi, Au, Pb, Al und C. In einem Lötmaterial, das „bleifreies Lötmetall“ genannt wird, das Pb in einer Menge von 500 ppm oder weniger und Sn als eine Hauptkomponente aufweist, gibt es viele Komponenten, wie binäre eutektische Materialien und ternäre eutektische Materialien, wie Sn-Ag, Sn-Ag-Cu, Sn-Sb und Sn-Sb-Ag. Es gibt ausfällungsgestärkte Sn-Ag-basierte Materialien, die die Materialstärke mit Ausfällungen für Sb erhöhen, und festlösungsverfestigte Materialien, die die Materialfestigkeit mit Sb, Bi oder dergleichen erhöhen, die eine Festlösung in Sn bilden. In allen Fällen gibt es ein Element, das sich in einer physischen Form verfestigt und ein Element, das eine Festlösung in Sn bilden kann und sich als eine Kristallstruktur verfestigt. Es gibt auch eine Kombination, in der jedes davon kombiniert werden kann, um Ausfällung und Festlösung zu verfestigen. Es kann erwartet werden, dass die zu Sn hinzugefügten Elemente die Effekte aufweisen, die erstarrte Struktur zu verdichten und Wärmeverformung der Struktur aufgrund von Hitzediffusion zu unterbinden. Lötmaterialien, die in der vorliegenden Erfindung nützlich sind, sind zum Beispiel Sn-Ag, Sn-Sb, Sn-Ag-Sb, Sn-Ag-Cu, Sn-Sb-Ag-Ni, Sn-Sb-Ag-Cu, Sn-Sb-Ag-Ni-Ge, Sn-Sb-Ag-Ni-Cu-Ge, Sn-Ag-Cu-Ni, Sn-Ag-Cu-Ge und Sn-Ag-Cu-Ni-Ge-Lötmetalle. Es ist zu beachten, dass in der vorliegenden Beschreibung der Ausdruck „E-F-G Lötmetall“, in dem E, F und G jeweils ein Element sind, ein Lötmaterial meint, dass E, F und G enthält und unvermeidbare Verunreinigungen enthalten kann und das Zusammensetzungsverhältnis von Elementen nicht besonders begrenzt ist. Hierin nachfolgend werden Aspekte des Lötmaterials genauer beschrieben, das bevorzugt verwendet werden kann.
Erster Aspekt: Sn-Ag-Sb
Für das Sn-Ag-Sb Lötmaterial nach dem ersten Aspekt kann bevorzugt eine Legierung, die Sb in einer Menge von mehr als 5,0 Masseprozent und 10 Masseprozent oder weniger und Ag in einer Menge von 2,0 Masseprozent bis 4,0 Masseprozent enthält, und wobei der Rest aus Sn und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, verwendet werden. Die unvermeidbaren Verunreinigungen beziehen sich hauptsächlich auf Cu, Ni, Zn, Fe, Al, As, Cd, Au, In, P, Pb und dergleichen. Das Lötmaterial nach der vorliegenden Erfindung ist eine bleifreie Lötlegierung, die Pb in einer Menge von 500 ppm oder weniger aufweist. Wenn das Lötmaterial, das Sn als eine Hauptkomponente enthält, Ag und Sb in der Zusammensetzungsspanne von zuvor enthält, ist es möglich, die Benetzbarkeit des Lötmaterials zu sichern und die Verringerung von Wärmeleitfähigkeit der Legierung zu unterbinden, selbst wenn die Temperatur steigt. Bevorzugter enthält das Sn-Ag-Sb Lötmaterial Sb in einer Menge von 6,0 Masseprozent bis 8,0 Masseprozent und Ag in einer Menge von 3,0 Masseprozent bis 4,0 Masseprozent und der Rest besteht aus Sn und unvermeidbaren Verunreinigungen. Mit solch einer Zusammensetzungsspanne, zusätzlich zu den zuvor erwähnten Vorteilen, kann die Wärmeleitfähigkeit der Legierung erhöht werden, wenn die Temperatur steigt. Es ist zu beachten, dass Ag nicht leicht mit Ni, Cu und P reagiert und keine Verbindung bei der Grenzfläche zwischen der Ni-Cu-P-Plattierungsschicht und der Lötschicht bildet und daher den Effekt aufweist, die Festigkeit des Lötmaterials selbst ohne eine Legierung wie Ag₃Sn zu verbessern, ohne nachteilige Effekte wie eine P-angereicherte Schicht, Löcher und Vergröberung von Kristallen zu verursachen. Dasselbe trifft auf die folgenden zweiten bis sechsten Aspekte zu.
Zweiter Aspekt: Sn-Sb-Ag-Ni
Für das Sn-Sb-Ag-Ni-Lötmaterial nach dem zweiten Aspekt kann bevorzugt eine Legierung, die Sb in einer Menge von mehr als 5,0 Masseprozent und 10,0 Masseprozent oder weniger, Ag in einer Menge von 2,0 Masseprozent bis 4,0 Masseprozent und Ni in einer Menge von mehr als 0 und 1,0 Masseprozent oder weniger enthält, und wobei der Rest aus Sn und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, verwendet werden. Der Vorteil weiterer Zugabe von Ni zu der Zusammensetzung des ersten Aspekts innerhalb der zuvor erwähnten Zugabespanne ist, dass es möglich ist, den Wärmediffusionspfad der Legierung zu beeinflussen, wodurch die Wärmeleitfähigkeit der Legierung erhöht wird, wie auch die Benetzbarkeit zu verbessern, wodurch ein niedriges Porenverhältnis bei Bildung einer Verbindungsschicht erzielt wird. Bevorzugter ist Sb in einer Menge von 6,0 Masseprozent bis 8,0 Masseprozent enthalten, ist Ag in einer Menge von 3,0 Masseprozent bis 4,0 Masseprozent enthalten und ist Ni in einer Menge von 0,01 Masseprozent bis 0,5 Masseprozent enthalten und ist der Rest besteht aus Sn und unvermeidbaren Verunreinigungen. Mit solch einer Zusammensetzungsspanne zusätzlich zu dem obigen ist es möglich, weiter einen Vorteil zu erzielen, dass der Schmelzpunkt des Lötmaterials auf 260°C oder weniger verringert werden kann.
Dritter Aspekt: Sn-Sb-Ag-Cu
Für das Sn-Sb-Ag-Cu Lötmaterial nach dem dritten Aspekt kann bevorzugt eine Legierung, die Sb in einer Menge von mehr als 5,0 Masseprozent und 10,0 Masseprozent oder weniger, Ag in einer Menge von 2,0 Masseprozent bis 4,0 Masseprozent und Cu in einer Menge von mehr als 0 und 1,2 Masseprozent oder weniger enthält, wobei der Rest aus Sn und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, verwendet werden. Der Vorteil weiterer Zugabe von Cu zu der Zusammensetzung der ersten Ausführungsform ist, dass es möglich ist, den Wärmediffusionspfad der Legierung zu beeinflussen, wodurch die Wärmeleitfähigkeit der Legierung erhöht wird, wie auch die Benetzbarkeit zu verbessern, wodurch ein niedriges Porenverhältnis bei Bildung einer Verbindungsschicht erzielt wird. Bevorzugter ist Sb in einer Menge von 6,0 Masseprozent bis 8,0 Masseprozent enthalten, ist Ag in einer Menge von 3,0 Masseprozent bis 4,0 Masseprozent enthalten und ist Cu in einer Menge von 0,1 Masseprozent bis 0,9 Masseprozent enthalten und der Rest besteht aus Sn und unvermeidbaren Verunreinigungen. Mit solch einer Zusammensetzungsspanne zusätzlich zu dem obigen ist es möglich, weiter einen Vorteil zu erzielen, dass die Benetzbarkeit besonders gut ist.
Vierter Aspekt: Sn-Sb-Ag-Ni-Ge
Für das Sn-Sb-Ag-Ni-Ge-Lötmaterial nach dem vierten Aspekt kann bevorzugt eine Legierung, die Sb in einer Menge von mehr als 5,0 Masseprozent und 10,0 Masseprozent oder weniger, Ag in einer Menge von 2,0 Masseprozent bis 4,0 Masseprozent, Ni in einer Menge von mehr als 0 und 1,0 Masseprozent oder weniger und Ge in einer Menge von 0,001 Masseprozent bis 2,0 Masseprozent enthält, und wobei der Rest aus Sn und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, verwendet werden. Der Vorteil weiterer Zugabe von Ge zu der Zusammensetzung des zweiten Aspekts innerhalb der zuvor erwähnten Zugabespanne ist, dass es möglich ist, den Wärmediffusionspfad der Legierung zu beeinflussen, wodurch die Wärmeleitfähigkeit der Legierung erhöht wird, wie auch die Benetzbarkeit zu verbessern, wodurch ein niedriges Porenverhältnis bei Bildung einer Verbindungsschicht erzielt wird. Bevorzugter ist Sb in einer Menge von 6,0 Masseprozent bis 8,0 Masseprozent enthalten, ist Ag in einer Menge von 3,0 Masseprozent bis 4,0 Masseprozent enthalten, ist Ni in einer Menge von 0,01 Masseprozent bis 0,5 Masseprozent enthalten und Ge in einer Menge von 0,003 Masseprozent bis 0,01 Masseprozent enthalten und der Rest besteht aus Sn und unvermeidbaren Verunreinigungen. Mit solch einer Zusammensetzungsspanne zusätzlich zu dem obigen ist es möglich, weiter einen Vorteil zu erzielen, dass der Schmelzpunkt des Lötmaterials auf 260°C oder weniger verringert werden kann.
Fünfter Aspekt: Sn-Sb-Ag-Ni-Cu-Ge
Für das Sn-Sb-Ag-Ni-Cu-Ge-Lötmaterial nach dem fünften Aspekt kann bevorzugt eine Legierung, die Sb in einer Menge von mehr als 5,0 Masseprozent und 10,0 Masseprozent oder weniger, Ag in einer Menge von 2,0 Masseprozent bis 4,0 Masseprozent, Ni in einer Menge von mehr als 0 und 1,0 Masseprozent oder weniger, CU in einer Menge von mehr als 0 und 1,2 Masseprozent oder weniger und Ge in einer Menge von 0,001 Masseprozent bis 2,0 Masseprozent enthält, und wobei der Rest aus Sn und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, verwendet werden. Der Vorteil weiterer Zugabe von Ge zu der Zusammensetzung desfünften Aspekts innerhalb der zuvor erwähnten Zugabespanne ist, dass es möglich ist, den Wärmediffusionspfad der Legierung zu beeinflussen, wodurch die Wärmeleitfähigkeit der Legierung erhöht wird, wie auch die Benetzbarkeit zu verbessern, wodurch ein niedriges Porenverhältnis bei Bildung einer Verbindungsschicht erzielt wird. Bevorzugter ist Sb in einer Menge von 6,0 Masseprozent bis 8,0 Masseprozent enthalten, ist Ag in einer Menge von 3,0 Masseprozent bis 4,0 Masseprozent enthalten, ist Ni in einer Menge von 0,01 Masseprozent bis 0,5 Masseprozent enthalten, ist Cu in einer Menge von 0,1 Masseprozent bis 0,9 Masseprozent enthalten, und ist Ge in einer Menge von 0,003 Masseprozent bis 0,01 Masseprozent enthalten und der Rest besteht aus Sn und unvermeidbaren Verunreinigungen. Mit solch einer Zusammensetzungsspanne zusätzlich zu dem obigen ist es möglich, weiter einen Vorteil zu erzielen, dass der Schmelzpunkt des Lötmaterials auf 260°C oder weniger verringert werden kann.
Sechster Aspekt: Sn-Ag-Cu
Für das Sn-Ag-Cu-Lötmaterial nach dem sechsten Aspekt kann bevorzugt eine Legierung, die Ag in einer Menge von 2,0 Masseprozent bis 4,0 Masseprozent und Cu in einer Menge von 0,1 Masseprozent bis 2 Masseprozent enthält, und wobei der Rest aus Sn und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, verwendet werden. Ein Vorteil des sechsten Aspekts ist, dass es möglich ist, den Schmelzpunkt des Lötmetalls zu senken und die Benetzbarkeit zu verbessern. Bevorzugter ist Ag in einer Menge von 3,0 Masseprozent bis 4,0 Masseprozent enthalten und ist Cu in einer Menge von 0,5 Masseprozent bis 0,9 Masseprozent enthalten und der Rest besteht aus Sn und unvermeidbaren Verunreinigungen. Modifizierte Aspekte der vorliegenden Ausführungsform beinhalten Sn-Ag-Cu-Ni-Lötmaterial, Sn-Ag-Cu-Ge-Lötmaterial und Sn-Ag-Cu-Ni-Ge-Lötmaterial, das durch weitere Zugabe von Ni und/oder Ge zu dem obigen, erhalten wird. In diesen Zusammensetzungen kann zusätzlich zu Sn, Ag und Cu Ni in einer Menge von 0,02 Masseprozent bis 0,1 Masseprozent, bevorzugt 0,03 Masseprozent bis 0,06 Masseprozent, enthalten sein und/oder kann Ge in einer Menge von 0,001 Masseprozent bis 2 Masseprozent, bevorzugt 0,003 Masseprozent bis 0,01 Masseprozent, enthalten sein.
Modifizierter Aspekt
Als modifizierte Aspekte kann den Lötmaterialien nach dem ersten bis sechsten Aspekt weiter Ge, P oder beides davon hinzugefügt werden. Das ist so, weil Ge den Wärmediffusionspfad der Legierung beeinflussen kann und sowohl Ge als auch P den Effekt aufweisen, die Oxidation des Lötmaterials zu unterbinden, und zu der Verbesserung der Benetzbarkeit beitragen können. In diesem Fall enthält das Lötmaterial bevorzugt Ge in einer Menge von 0,001 Masseprozent bis 2,0 Masseprozent. Alternativ oder zusätzlich dazu ist P bevorzugt in einer Menge von 0,001 Masseprozent bis 0,1 Masseprozent enthalten. Wenn sowohl Ge als auch P hinzugefügt sind, kann die Zugabemenge angemessen aus der Spanne von zuvor ausgewählt werden. Sowohl Ge als auch P oxidieren leichter als Sn und Sn kann daran gehindert werden, in dieser Zugabespanne zu oxidieren und die Benetzbarkeit des Lötmaterials kann sichergestellt werden. Die Zugabe von GE und die geeignete Zugabemenge davon wurden bereits in dem vierten, fünften und sechsten modifizierten Aspekt beschrieben und die Menge von Ge kann daher in diesen Aspekten die in jedem Aspekt beschriebene sein. Zusätzlich können die Zusammensetzungen, die erhalten werden, indem Ag von den jeweiligen Zusammensetzungen der Lötmaterialien gemäß dem ersten bis sechsten Aspekt und den modifizierten Aspekten entfernt wird, auch modifizierte Aspekte sein.
In der vorliegenden Erfindung kann das Lötmaterial nach einem des ersten bis sechsten Aspekts und den modifizierten Aspekten davon nach einem üblichen Verfahren vorbereitet werden, oder kann vorbereitet werden, indem Sn, Ag und/oder Sb und/oder Cu, verschiedene Rohmaterialien, die optional aus zusätzlichen Elementen ausgewählt sind, oder einer Mutterlegierung, die verschiedene Rohmaterialien enthält, in einem Elektroofen geschmolzen werden. Es ist bevorzugt, Rohmaterial zu verwenden, das eine Reinheit von 99,99 Masseprozent oder mehr aufweist.
Zusätzlich können die Lötmaterialien nach dem ersten bis sechsten Aspekt und den modifizierten Aspekten davon als ein plattenförmiges Vorformmaterial (plattenförmiges Lötmetall) verwendet werden oder pulverisiert und als ein cremeförmiges Lötmetall gemeinsam mit einer Lötpaste verwendet werden. Wenn das Lötmaterial in ein Pulver verarbeitet und mit Lötpaste kombiniert wird, um ein cremeförmiges Lötmaterial zu bilden, ist der Partikeldurchmesser des Lötpulvers bevorzugt in der Spanne von 10 bis 100 µm und bevorzugter 20 bis 50 µm. Der Durchschnittspartikeldurchmesser kann zum Beispiel 25 bis 50 µm sein, wenn unter Verwendung einer allgemeinen Laserbrechung/Streuungstyp-Partikelgrößenverteilungsmessvorrichtung gemessen. Da die Lötpaste zum Beispiel eine Reinigungswirkung aufweist, um den Oxidfilm zu entfernen, kann beliebige Lötpaste verwendet werden und insbesondere kann bevorzugt eine harzbasierte Lötpaste verwendet werden.
Die Dicke, Form und dergleichen des Lötmaterials, das zum Bilden der Lötverbindungsschicht verwendet wird, kann angemessen von Fachkundigen nach dem Zweck und der Anwendung eingestellt werden und sie sind daher nicht besonders begrenzt. Als ein Beispiel kann die Dicke der Lötverbindungsschicht etwa 200 bis 300 µm sein, ist aber nicht auf diese Spanne begrenzt. Um die Verbindung zu bilden, wird ein Lötmaterial an der Oberfläche des plattierten Films des zu verbindenden Materials angeordnet und bei einer vorgegebene Temperatur erhitzt. Als ein Resultat wird Ni oder dergleichen, das den plattierten Film bildet, unmittelbar (einige ms bis einige Zehntel von ms) in die geschmolzene Lötschicht diffundiert, um eine Legierungsschicht zu bilden, und wird dann verbunden. Im Fall der Lötmaterialien nach der ersten bis sechsten Ausführungsform und den modifizierten Aspekten davon, werden die zu verbindenden Bauteile über eine Lötpaste oder ein Lötpellet (plattenförmiges Lötmetall) miteinander in Kontakt gebracht und dann wird Wärmebehandlung durchgeführt, während die Wärmespitzentemperatur bei einer um 20 bis 50°C höheren Temperatur als die Liquidustemperatur (Schmelzpunkt) des Lötmaterials als die Verbindungstemperatur, zum Beispiel bei einer Temperatur von 250°C oder mehr und 350°C oder weniger für etwa 0,5 Minuten bis 30 Minuten und bevorzugt etwa 1 Minute bis 5 Minuten, beibehalten wird. Die Verbindungsatmosphäre kann eine Sauerstoffatmosphäre sein oder das Verbinden kann in einer aktiven Atmosphäre durchgeführt werden, wie Wasserstoff oder Ameisensäure. Insbesondere, wenn plattenförmiges Lötmetall verwendet wird, ist es bevorzugt, ein Gas zu verwenden, das einen reduzierenden Effekt aufweist, wie Wasserstoff oder Ameisensäure. Wenn Verbinden in einer aktiven Gasatmosphäre diese reduzierenden Effekte aufweist, ist die Temperatur bevorzugt so, dass das Gas effektiv das Oxid reduziert, zum Beispiel 250 bis 280°C. Beim tatsächlichen Verbinden kann, da das Verbinden eine Temperaturverteilung von einigen °C oder mehr aufweist, stabile Verbindungsqualität erhalten werden, indem eine gewisse Temperatur und Zeit sichergestellt wird. Dann wird das geschmolzene Lötmetall erstarrt, indem es bei einer vorgegebenen Temperatursenkrate gekühlt wird, um eine Lötverbindungsschicht zu bilden. Die Temperaturanstiegsrate dieser Wärmebehandlung ist etwa 1°C/Sek., aber die Temperatursenkrate ist bevorzugt 5°C/Sek. oder mehr und bevorzugter 8°C/Sek. oder mehr und 15°C/Sek. oder weniger. In dem herkömmlichen Verbindungsverfahren ist die Temperatursenkrate der Wärmebehandlung zum Bilden der Lötverbindungsschicht 1°C/Sek. und in diesem Fall ist wahrscheinlich, dass die feinen Kristalle in der Plattierungsschicht grob werden, und indem die Temperatursenkrate innerhalb der Spanne von zuvor eingestellt wird, wird es leichter, eine Lötverbindungsschicht zu erhalten, die eine vorgegebene Konfiguration aufweist.
Grenzflächenstruktur
Die Verbindung, die gebildet ist, indem das zuvor beschriebene zu verbindende Material und das Lötmaterial kombiniert werden und das Lötmaterial geschmolzen wird, weist eine mikrokristalline Schicht an der Grenzfläche der Ni-P-Cu-Plattierungsschicht mit der Lötverbindungsschicht auf. 1 ist ein konzeptuelles Diagramm, das schematisch eine Lötverbindung gemäß der vorliegenden Ausführungsform veranschaulicht, 1A ist ein schematisches Diagramm einer Lötverbindung unmittelbar nach dem Verbinden und 1B ist ein schematisches Diagramm einer Lötverbindung, nachdem sie bei 175°C für 250 Stunden behandelt wurde.
In Bezug auf 1A sind eine Basismaterialschicht 6, eine Ni-P-Cu-Plattierungsschicht 5, eine mikrokristalline Schicht 1, eine erste intermetallische Verbindungsschicht 2, eine zweite intermetallische Verbindungsschicht 3 und eine Lötschicht 4 aufeinanderfolgend gebildet. Unter diesen sind die Ni-P-Cu-Plattierungsschicht 5 und die mikrokristalline Schicht 1 von der Ni-P-Cu-Plattierungsschicht des verbundenen Körpers abgeleitet. Die Basismaterialschicht 6 ist ein Plattierungsbasismaterial und Kupfer, Kupferlegierung, Aluminium, Aluminiumlegierung oder dergleichen wird verwendet. Die erste intermetallische Verbindungsschicht 2 ist eine Schicht, in der eine intermetallische Verbindung von (Ni,Cu)₃(Sn,Sb)₂-Schicht oder Ni₃(Sn,Sb)₂ ausgefällt ist, und ist eine Schicht, die gebildet wird, wenn Ni oder Cu, das von der Plattierung eluiert ist, mit Sn oder dergleichen des Lötmaterials reagiert. Zusätzlich ist die zweite intermetallische Verbindungsschicht 3 eine Schicht, in der eine intermetallische Verbindung von (Ni,Cu)₃(Sn,Sb)₄-Shicht oder Ni₃(Sn,Sb)₄ ausgefällt ist, und ist eine Schicht, die gebildet wird, wenn Ni oder Cu, das von der Plattierung eluiert ist, ähnlich mit Sn oder dergleichen des Lötmaterials reagiert. Die Lötschicht 4 ist von dem Lötmaterial abgeleitet. Es ist zu beachten, dass 1 ein schematisches konzeptuelles Diagramm ist und die Dicke jeder Schicht und die Beziehung zwischen deren relativen Dicken die vorliegende Erfindung nicht begrenzen. Insbesondere weisen die zweite intermetallische Verbindungsschicht 3 und die Ni-P-Cu-Plattierungsschicht 5 eine große Dicke verglichen mit der mikrokristallinen Schicht 1 auf und sind deshalb mit Linien veranschaulicht, die eine Auslassung angeben. Die Ni-P-Cu-Plattierungsschicht 5 ist eine Schicht, die die Anfangszusammensetzung und Struktur vor Lötverbindung beibehält. Obwohl nicht veranschaulicht, besteht eine Übergangsschicht zwischen der mikrokristallinen Schicht 1 und der Ni-P-Cu-Plattierungsschicht 5. Die Übergangsschicht ist eine Schicht, die Ni oder NiP enthält, das Atomdefekte aufweist.
Jede Schicht ist beschrieben. Die Basismaterialschicht 6 und die Ni-P-Cu-Plattierungsschicht 5 sind Schichten, die von den zuvor erwähnten verbundenen Körpern abgeleitet sind und gegenüber bevor das Lötmaterial geschmolzen ist (bevor die Verbindungsschicht gebildet ist), nahezu unverändert sind. Diese Schichten können durch Rasterelektronenmikroskop (SEM, Scanning Electron Microscope) Querschnittsfotografiebeobachtung von Lötverbindungen und Elementaranalyse, wie EDX-(energiestreuende Röntgenspektrometrie (Energy Dispersive X-ray spectrometry)) Punktanalyse und Abbildungsanalyse identifiziert werden. Es ist zu beachten, dass der Querschnitt einer Lötverbindung einen Querschnitt senkrecht zu der Grenzfläche zwischen der Lötverbindungsschicht und dem zu verbindenden Material meint.
Die mikrokristalline Schicht 1 ist eine Schicht, die bei der Grenzfläche der Ni-P-Cu-Plattierungsschicht mit der Lötverbindungsschicht gebildet ist. Es ist zu beachten, dass die Grenzfläche der Ni-P-Cu-Plattierungsschicht mit der Lötverbindungsschicht die Grenzfläche zwischen dem Lötmaterial und dem verbundenen Körper vor Verbindung ist, aber in 1 annähernd die Grenzfläche zwischen der mikrokristallinen Schicht 1 und der ersten intermetallischen Verbindungsschicht 2 ist. Insbesondere ist eine Schicht gebildet, in der Elemente der Ni-P-Cu-Plattierungsschicht, die von dem Lötmaterial abgeleitet sind, und der verbundene Körper vermischt sind, und in 1 diffundieren Ni und der dergleichen der Ni-P-Cu-Plattierungsschicht, um die erste intermetallische Verbindungsschicht 2 und die zweite intermetallische Verbindungsschicht 3 zu bilden. Die mikrokristalline Schicht 1 ist eine Schicht, in der Kristallkörner einer intermetallischen Verbindung in einer amorphen Schicht verstreut sind. Das Vorliegen der mikrokristallinen Schicht 1 kann auch durch Querschnittsfotografiebeobachtung der Lötverbindung mit einem Rasterelektronenmikroskop und Elementaranalyse, wie EDX-Punktanalyse und Abbildungsanalyse, identifiziert werden. Wenn detaillierter analysiert, beinhaltet die mikrokristalline Schicht 1 drei koexistente Phasen, (1) eine Phase, die (Ni,Cu)₃P-Mikrokristalle enthält, (2) eine Phase, die Ni₃P-Mikrokristalle enthält und (3) eine Phase ternärer NiCuP-Legierung, die andere Mikrokristalle als (1) und (2) enthält. 1 veranschaulicht diese drei Phasen nicht besonders. Diese Phasen können durch Kristallbeobachtung mit einem Transmissionselektronenmikroskop und Elementaranalyse identifiziert werden. Wie zuvor beschrieben, sind annähernd drei Phasen in der mikrokristallinen Schicht 1 gebildet und die Hauptzusammensetzungen der Mikrokristalle der jeweiligen Phasen unterscheiden sich. Cu, das in diesen mikrokristallinen Schichten 1 enthalten ist, ist von der Ni-P-Cu-Plattierungsschicht des verbundenen Körpers abgeleitet. Egal ob die Lötmaterialzusammensetzung Cu enthält oder kein Cu enthält, sind die Zusammensetzung der mikrokristallinen Schicht 1 und der Menge der Verbindung im Wesentlichen nicht beeinflusst.

(1) Die Phase, die (Ni,Cu)₃P-Mikrokistalle enthält, enthält Mikrokristalle der (Ni,Cu)₃P-Verbindung und diese (Ni,Cu)₃P-Verbindung kann durch Elementaranalyse identifiziert werden. Der Partikeldurchmesser von Kristallkörnern der (Ni,Cu)₃P-Mikrokristalle ist etwa 5 bis 20 nm und der Durchschnittspartikeldurchmesser ist etwa 10 nm oder weniger. Die Mikrokristalle von etwa 10 nm oder weniger können durch den Kontrastunterschied in einem Bild, das durch Beobachtung mit einem Rastertransmissionselektronenmikroskop (STEM) erhalten ist, bestätigt werden. Obwohl es mit einem normalen Transmissionselektronenmikroskop (TEM) möglich ist, ist es zum Bestätigen von Kristallen auf Nanoebene effektiv, weil STEM-Bilder höheren Kontrast bereitstellen. Die STEM-Beobachtung wird erhalten, indem Elektronen erfasst werden, die durch eine Dünnfilmprobe übertragen werden, und alle Kontraste, die vom TEM erhalten werden, wie Streuungsabsorptionskontrast, Brechungskontrast und Phasenkontrast, können erhalten werden. Diese Kristallkörner können aus einem beliebigen der Kontraste identifiziert werden. Der Durchschnittspartikeldurchmesser der (Ni,Cu)₃P-Mikrokristalle bezieht sich auf den Durchschnittswert, der erhalten wird, indem durch Bildverarbeitung die Hauptachsen von (Ni,Cu)₃P-Mikrokristallpartikel pro Beobachtungsfeld von 0,36 µm² gemittelt werden, wenn sie mit einem Transmissionselektronenmikroskop bei 80.000-facher Vergrößerung beobachtet werden.
(2) Die Phase, die Ni₃P-Mikrokristalle enthält, enthält Mikrokristalle der Ni₃P-Verbindung. Diese Verbindung kann durch Elementaranalyse identifiziert werden. Die Ni₃P-Kristallkörner weisen einen Partikeldurchmesser von etwa 5 bis 20 nm und einen Durchschnittspartikeldurchmesser von etwa 10 nm oder weniger auf. Das Verfahren zum Identifizieren der Ni₃P-Mikrokristalle und das Verfahren zum Messen des Durchschnittspartikeldurchmessers der Ni₃P-Mikrokristalle sind dieselben wie zuvor.
(3) Die Phase, die Mikrokristalle von ternärer NiCuP-Legierung enthält, enthält (Ni,Cu)₃P und Kristallkörner, die hauptsächlich aus einer anderen Zusammensetzung als Ni₃P bestehen, und insbesondere Mikrokristalle von (Ni,Cu)₂P₅, Ni₂P₅, Cu₂P₅, (Ni,Cu)₁₂P₅, Ni₁₂P₅, Cu₁₂P₅, (Ni,Cu)₂P, Ni₂P, Cu₂P und Cu₃P enthält. Diese Phase enthält Mikrokristalle, die einen Kristallpartikeldurchmesser von etwa 5 bis 20 nm und einen Durchschnittspartikeldurchmesser von etwa 10 nm oder weniger aufweisen. Die Partikel von ternärer NiCuP-Legierung können durch STEM-Beobachtung oder TEM-Beobachtung identifiziert werden. Zusätzlich kann die Tatsache, dass die Mikrokristalle die ternäre NiCuP-Legierung sind, bestimmt werden, indem EDX-Analyse an der TEM-Beobachtungsprobe durchgeführt wird. Es ist zu beachten, dass der Durchschnittspartikeldurchmesser von Mikrokristallpartikeln der ternären NiCuP-Legierung sich auf den Durchschnittswert bezieht, der erhalten wird, indem durch Bildverarbeitung die Hauptachsen von Mikrokristallpartikel der NiCuP-Legierung pro Beobachtungsfeld von 0,36 µm gemittelt werden, wenn sie mit einem Transmissionselektronenmikroskop bei 80.000-facher Vergrößerung beobachtet werden.

Wenn STEM verwendet wird, um Beobachtung bei 80.000-facher Vergrößerung zur Zusammensetzungsanalyse der Mikrokristalle pro Beobachtungsfeld von 0,09 µm² (0,3 µm × 0,3 µm) durchzuführen und die Mikrokristalle in drei Phasen (1), (2) und (3) zu klassifizieren, ist die Gesamtsumme von (1) der (Ni,Cu)₃P-Mikrokristalle und (2) der Ni₃P-Mikrokristalle 50% oder mehr und weniger als 80%. Dieser Prozentsatz ist das Verhältnis der Summe der Zahl von Mikrokristallen von (1) und der Zahl von Mikrokristallen von (2) zu der Gesamtzahl von Mikrokristallen in dem Beobachtungsfeld.
In der mikrokristallinen Schicht 1 fehlen Kristalle von Partikeln, von denen ein Durchmesser oder eine Hauptachse 75 nm übersteigt, im Wesentlichen. Dies kann durch Querschnittsfotografiebeobachtung der Lötverbindung mit einem Rasterelektronenmikroskop und Beobachtung von Kristallen mit einem Transmissionselektronenmikroskop bestätigt werden. Ein Fall wird berücksichtigt, in dem die Ni-P-Cu-Plattierungsschicht, die auf dem verbundenen Körper gebildet ist, eine Dicke in der Spanne von etwa 1 bis 10 µm aufweist, wie zuvor beschrieben. Ungeachtet dieser Dicke ist die Dicke der mikrokristallinen Schicht 1 etwa 0,5 bis 1,5 µm und als ein Beispiel etwa 0,8 bis 1,2 µm. In der Verbindung nach der vorliegenden Ausführungsform ist die Zahl von Löchern, die eine Hauptachse von 10 nm oder mehr aufweisen, in der mikrokristallinen Schicht 1 50 oder weniger und bevorzugt 25 oder weniger pro Beobachtungsfeld des Verbindungsquerschnitts. Dieser numerische Wert ist die Zahl, die erhalten wird, wenn die Zahl von Löchern pro Beobachtungsfeld von 0,36 µm² gezählt wird, wenn der Querschnitt der mikrokristallinen Schicht 1 bei der Verbindung mit einem Übertragungsmikroskop bei 80.000-facher Vergrößerung beobachtet wird.
Die Größe der Mikrokristallpartikel der ternären NiCuP-Legierung in der mikrokristallinen Schicht 1 unterscheidet sich abhängig von der Cu-Konzentration in der Ni-P-Cu-Plattierungsschicht, die an dem verbundenen Körper gebildet ist. Zum Beispiel, wenn die Cu-Konzentration 0,5 Masseprozent bis 1 Masseprozent ist, ist der Partikeldurchmesser etwa 50 nm oder weniger und wenn die Cu-Konzentration 1% bis 3% ist, werden einheitliche Kristalle gebildet, die einen Partikeldurchmesser von etwa 20 nm oder weniger aufweisen, und Kristallisation wird unterbunden, was bevorzugt wird. Zusätzlich, wenn die Cu-Konzentration 3 Masseprozent bis 8 Masseprozent ist, wird der Partikeldurchmesser kleiner und die Struktur wird fein. Es ist zu beachten, dass der hier erwähnte Durchmesser den Durchmesser des Mikrokristallpartikels meint, der erhalten wird, indem eine Querschnittsfotografie der Verbindung durch ein STEM-Bild beobachtet wird. Der Durchschnittspartikeldurchmesser von feinen Kristallen von 20 nm oder weniger ist etwa 15 nm und der Oberflächenbereich pro Einheitsvolumen mm³ ist 3.540.000 mm². Andererseits, wenn Partikel von 10 bis 200 nm gemischt sind, ist der Durchschnittspartikeldurchmesser etwa 105 nm und der Oberflächenbereich pro Einheitsvolumen mm³ ist 50.571 mm². Bezüglich des Bereichs von Korngrenzendiffusion von Körnern, die aufgrund gemeinsamer Diffusion durch Hitze dominant sind, wird der Abstand, der zur Diffusion benötigt wird, größer, wenn die Kristalle in ihrer Größe kleiner werden, und die Menge an Diffusion, wenn dieselbe Energie von außen angewendet wird, nimmt ab, wenn der bestimmte Oberflächenbereich zunimmt. Deshalb sind die Löcher, die bei der Grenzfläche zwischen der Ni-P-Plattierung und der Lötverbindung erzeugt sind, bei der Struktur unterbunden, die feine Kristalle mit einem großen Diffusionsabstand aufweist.
1B bezieht sich auf die Lötverbindungsschicht nach Erwärmung, die bei 175°C für 250 Stunden behandelt wurde. Es ist zu beachten, dass diese Wärmebehandlung ein beschleunigter Test zum Evaluieren der Zuverlässigkeit von Halbleitervorrichtungen und dergleichen ist. Die Lötverbindungsschicht nach der vorliegenden Ausführungsform ändert sich selbst nach Erwärmung kaum. Insbesondere wird kein Kristallwachstum in der mikrokristallinen Schicht 1, keine Erzeugung von Defekten und im Wesentlichen keine Änderung der Dicke der mikrokristallinen Schicht 1 beobachtet. Zusätzlich ändern sich auch die erste und zweite intermetallische Verbindungsschicht 2 und 3 kaum. Außerdem werden selbst nach Behandlung bei 175°C für 3.000 Stunden keine Löcher von 0,5 µm oder mehr pro 4,6µm² von Beobachtungsfeld beobachtet, wenn bei 10.000-facher Vergrößerung mit einem Feldemissionsrasterelektronenmikroskop (FE-SEM, Field Emission Scanning Electron Microscope) beobachtet.
Wenn eine Verbindung unter Verwendung eines verbundenen Körpers, der eine Ni-P-Cu-Plattierungsschicht beinhaltet, die eine bestimmte Zusammensetzung nach der vorliegenden Ausführungsform aufweist, in der mikrokristallinen Schicht gebildet ist, die von der Ni-P-Cu-Plattierungsschicht des verbundenen Körpers abgeleitet ist, wird die Ausrichtung von Korngrenzen, die große Diffusion verursachen können, aufgrund des Vorliegens von Mikrokristallen zufällig. Als ein Resultat sind die Diffusionsrichtungen von Ni nicht ausgerichtet und die Diffusionsgeschwindigkeit von Ni hin zu der Lötverbindungsschicht wird langsam. Deshalb ist es möglich, die Elution von Ni in die Lötverbindungsschicht und die einhergehende Versprödung und Defekte an der Grenzfläche zu verhindern und es ist möglich, eine Lötverbindung mit überragender Langzeitzuverlässigkeit bereitzustellen.
3 ist ein konzeptuelles Diagramm, das schematisch eine Lötverbindung einer herkömmlichen Technik veranschaulicht. Die Lötverbindung der herkömmlichen Technik enthält eine Lötverbindungsschicht eines geschmolzenen Lötmaterials, das Sn als eine Hauptkomponente enthält und weiter Ag und/oder Sb und/oder Cu enthält und einen verbundenen Körper, der eine Ni-P-Plattierungsschicht an der Oberfläche in Kontakt mit der Lötverbindungsschicht beinhaltet. 3A ist ein schematisches Diagramm der Lötverbindungsschicht unmittelbar nach Verbindung und 3B ist ein schematisches Diagramm der Lötverbindungsschicht, nachdem sie bei 175°C für 250 Stunden behandelt wurde. In der Lötverbindung der herkömmlichen Technik beinhaltet die Ni-P-Plattierungsschicht keine mikrokristalline Schicht bei der Grenzfläche mit der Lötverbindungsschicht, beinhaltet aber eine phosphorangereicherte Schicht (P-angereicherte Schicht).
In Bezug auf 3A sind eine Basismaterialschicht 106, eine Ni-P-Plattierungsschicht 105, eine P-angereicherte Schicht 101, eine Ni₃(Sn,Sb)₂-Schicht als eine erste intermetallische Schicht 102, eine Ni₃(Sn,Sb)₄-Schicht als eine zweite intermetallische Verbindungsschicht 103, Lötmaterial 104 aufeinanderfolgend gebildet. Unter diesen sind die Ni-P-Plattierungsschicht 105 und die P-angereicherte Schicht 101 von der Ni-P-Plattierungsschicht des verbundenen Körpers abgeleitet und die Basismaterialschicht 106 ist das Plattierungsbasismaterial. Die Ni₃(Sn,Sb)₂-Schicht als die erste intermetallische Verbindungsschicht 102 und die Ni₃(Sn,Sb)₄-Schicht als die zweite intermetallische Verbindungsschicht 103 sind Schichten, die gebildet werden, wenn Ni, das von der Plattierung eluiert, mit Sn oder dergleichen des Lötmaterials reagiert und diese und die Lötschicht 104 von dem Lötmaterial vor Verbindung abgeleitet sind. Es ist zu beachten, dass 3 auch ein schematisches konzeptuelles Diagramm ist und die relative Beziehung der Dicke jeder Schicht die vorliegende Erfindung nicht begrenzt. Insbesondere weisen die zweite intermetallische Verbindungsschicht 103 und die Ni-P-Plattierungsschicht 105 eine große Dicke verglichen mit der P-angereicherten Schicht 101 auf und sind deshalb mit Linien veranschaulicht, die eine Auslassung zeigen.
Die Basismaterialschicht 106, die Ni-P-Plattierungsschicht 105, die erste intermetallische Verbindungsschicht 102, die zweite intermetallische Verbindungsschicht 103 und die Lötmetallschicht 104 sind auch in der Lötverbindung der herkömmlichen Technik gebildet. Daher enthält die Ni-P-Plattierungsschicht 105 kein Cu, die Zusammensetzungen der ersten intermetallischen Verbindungsschicht 102 und die zweite intermetallische Verbindungsschicht 103 unterscheiden sich von den Zusammensetzungen der ersten intermetallischen Verbindungsschicht 2 und der zweiten intermetallischen Verbindungsschicht 3 nach der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in 1 veranschaulicht ist. Die Charakteristika der ersten intermetallischen Verbindungsschicht 2 und der zweiten intermetallischen Verbindungsschicht 3 durch Cu ersetzt, nach der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, sind stabiler und wachsen weniger wahrscheinlich als jene der ersten intermetallischen Verbindungsschicht 102 und der zweiten intermetallischen Verbindungsschicht 103, die kein Cu enthalten.
Die Morphologie der P-angereicherten Schicht 101 unterscheidet sich erheblich von der mikrokristallinen Schicht 1 nach der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in 1 veranschaulicht ist. In Bezug auf 3A, ist in der Verbindung bei der Anfangsphase vom Verbinden die P-angereicherte Schicht 101a nahe der Grenzfläche mit der ersten intermetallischen Verbindungsschicht 102 eine dichteverringerte (grob gemachte) Schicht, wo viele Löcher h aufgrund der Diffusion von Ni zu der Lötseite vorliegen. Es ist zu beachten, dass, wie in 5 veranschaulicht, Beobachtung der Löcher h der P-angereicherten Schicht 101a mit einem Rasterelektronenmikroskop offenlegt, dass die Löcher h vertieft sind und schwarz erscheinen. Zusätzlich, wie in 8 veranschaulicht, sind kontinuierliche Löcher als weiße Abschnitte in der Beobachtung mit einem Transmissionselektronenmikroskop zu sehen. In 3 sind die Löcher h schematisch durch schwarz gefüllte Ellipsen dargestellt. Zusätzlich enthält die P-angereicherte Schicht 101a Ni-Partikel, die P in der Form von leicht säulenförmigen Kristallen enthalten, die durch mehrere weiße Ellipsen in 3 dargestellt sind. Hier bezieht sich die Form leicht säulenförmiger Kristalle auf Partikel, die einen im Wesentlichen elliptischen Querschnitt aufweisen und in dem in 3 veranschaulichten Aspekt kann gesagt werden, dass die Partikel einen elliptischen Querschnitt aufweisen, von dem die Hauptachse im Wesentlichen senkrecht zu jeder Schicht ausgerichtet ist. Grobe säulenförmige Kristalle von Ni, die P enthalten, liegen in der P-angereicherten Schicht 101b nahe der Grenzfläche mit der Ni-P-Plattierungsschicht 105 vor. Die Hauptachse dieser säulenförmigen Kristalle ist ungefähr 75 nm bis 200 nm und mit der Nähe der Grenzfläche mit der Ni-P-Plattierungsschicht 105 als das Basisende erzeugt. Obwohl nicht gezeigt, besteht eine Übergangsschicht, die eine Schicht ist, die Ni oder NiP enthält, das Atomdefekte aufweist, nahe der P-angereicherten Schicht 101b und der Ni-P-Plattierungsschicht 105 und die P-angereicherte Schicht 101a nahe der Grenzfläche mit der ersten intermetallischen Verbindungsschicht 102, die P-angereicherte Schicht 101a nahe der Grenzfläche mit der Ni-P-Plattierungsschicht 105 und die Übergangsschicht sind gemeinsam als die P-angereicherte Schicht 101 bezeichnet.
In Bezug auf 3B, die schematisch die Verbindung nach Erwärmung veranschaulicht, sind die Basismaterialschicht 106, die Ni-P-Plattierungsschicht 105, die erste intermetallische Verbindungsschicht 102, die zweite intermetallische Verbindungsschicht 103 und die Lötschicht 104 kaum von der Anfangsstufe vom Verbinden verändert. Jedoch ist in der P-angereicherten Schicht 101c nahe der Grenzfläche mit der ersten intermetallischen Verbindungsschicht 102 verglichen mit der P-angereicherten Schicht 101a bei der Anfangsstufe vom Verbinden der Niederdichtebereich erhöht und die Vergröberung ist fortgeschritten (Details der Vergröberung sind nicht gezeigt). Zusätzlich schreitet in der P-angereicherten Schicht 101d nahe der Grenzfläche mit der Ni-P-Plattierungsschicht 105 Kristallisation fort und säulenförmige Kristalle entwickeln sich und die Hauptachse der säulenförmigen Kristalle wird von etwa 75 nm auf etwa 500 nm gröber.
Bei Ni-P-Plattierung sind die Korngrenzen mit großer Diffusion aufgrund von säulenförmiger Kristallisation nahe der Grenzfläche ausgerichtet. Es wird vorausgesetzt, dass dies die Diffusionsrichtung in der vertikalen Richtung maximiert, die Diffusionsrate von Ni in der Lötrichtung erhöht und einen Niederdichtebereich bildet, der weiß erscheint, wenn mit einem Rasterelektronenmikroskop beobachtet. Da diese säulenförmigen Kristalle besonders empfindlich auf Scherkraft sind, wird berücksichtigt, dass Versprödung in der Nähe der Grenzfläche zwischen der ersten intermetallischen Verbindungsschicht 102 und der Ni-P-Plattierungsschicht 105 fortschreitet.
Viele Löcher sind in der P-angereicherten Schicht 101 zu sehen, die in 3 veranschaulicht ist, aber nahezu keine Löcher werden in der mikrokristallinen Schicht 1 der vorliegenden Erfindung beobachtet, die in 1 veranschaulicht ist. Insbesondere in Bezug auf die Lötverbindung, die bei 175°C für 250 Stunden wärmebehandelt wurde, wurden die P-angereicherte Schicht der Ni-P-Plattierungsschicht und die mikrokristalline Schicht der Ni-P-Cu-Plattierungsschicht im Sinne der Zahl von Löchern von 10 nm oder mehr verglichen, die in einem Beobachtungsfeld von 0,36 µm² erzeugt sind, wenn mit einem Transmissionselektronenmikroskop bei 80.000-facher Vergrößerung beobachtet, und es wurde bestätigt, dass die Zahl von Löchern, die in der Ni-P-Cu-Plattierungsschicht erzeugt sind, auf etwa 1/5 verglichen mit der Ni-P-Plattierungsschicht unterbunden wurde. Das heißt, obwohl es wenige Löcher gibt, die von TEM bei der Grenzfläche beobachtet werden können, nehmen die wenigen Löcher in der Zahl nicht zu, sondern werden unterbunden, selbst nach Wärmebehandlung in der Ni-Cu-P-Plattierungsschicht der vorliegenden Erfindung. Darüber hinaus zeigt nach Behandlung bei 175°C für 3.000 Stunden eine Beobachtung mit FE-SEM bei 10.000-facher Vergrößerung, dass etwa 5 bis 20 Löcher von 0,5 µm oder mehr pro Beobachtungsfeld von 4,6 µm² beobachtet werden.
Als nächstes wird ein Verfahren zum Erstellen der Lötverbindung nach der ersten Ausführungsform beschrieben. Das Verfahren zum Erstellen einer Lötverbindung nach der ersten Ausführungsform beinhaltet einen ersten Schritt zum Vorbereiten eines verbundenen Körpers, indem ein Basismaterialmetall elektroloser Ni-P-Cu-Plattierung unterzogen wird, einen zweiten Schritt zum In-Kontakt-Bringen eines Lötmaterials mit einer plattierten Oberfläche des verbundenen Körpers und einen dritten Schritt zum Erwärmen des verbundenen Körpers und des Lötmaterials. In dem ersten Schritt ist der elektrolos Ni-P-Cu-plattierte Film, der P und Cu in dem Basismaterialmetall enthält, bei der vorgegebenen Konzentration gebildet, die in der vorliegenden Ausführungsform durch das zuvor im Detail beschriebene Verfahren beschrieben ist. Dies macht es möglich, den verbundenen Körper vorzubereiten. Als nächstes wird in dem zweiten Schritt ein Lötmaterial mit der plattierten Oberfläche des verbundenen Körpers in Kontakt gebracht. Die Zusammensetzung und Form des Lötmaterials kann eine beliebige der zuvor detaillierten Formen sein und kann plattenförmiges Lötmetall oder cremeförmiges Lötmetall sein. In dem nachfolgenden dritten Schritt werden der verbundene Körper und das Lötmaterial in einer vorgegebenen Atmosphäre und einem Temperaturprofil erwärmt, um das Lötmaterial zu schmelzen und eine Lötverbindungsschicht zu bilden.
Zweite Ausführungsform: Elektronische Vorrichtung
Die Lötverbindung nach der ersten Ausführungsform begründet einen Teil einer elektronischen Vorrichtung und Beispiele der elektronischen Vorrichtung beinhalten, sind aber nicht begrenzt auf, elektrische Leistungsvorrichtungen, wie einen Umrichter, einen Megasolar, eine Brennstoffzelle, einen Lift, eine Kühlvorrichtung und eine fahrzeugmontierte Halbleitervorrichtung. Typischerweise ist die elektronische Vorrichtung eine Halbleitervorrichtung. Die Verbindung in der Halbleitervorrichtung kann eine Die-Bondverbindung, eine Verbindung zwischen einer leitfähigen Platte und einem Kühlkörper, eine Verbindung zwischen Anschlüssen, eine Verbindung zwischen einem Anschluss und anderen Bauelement oder eine beliebige andere Verbindung sein, ist aber nicht auf diese begrenzt. Hierin nachfolgend wird eine Halbleitervorrichtung als ein Beispiel einer elektronischen Vorrichtung beschrieben, die die Verbindung nach der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet und die vorliegende Erfindung wird in Bezug auf die Zeichnungen mehr im Detail beschrieben.
Dritte Ausführungsform: Halbleitervorrichtung
Gemäß einer dritten Ausführungsform bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Halbleitervorrichtung, wobei die Halbleitervorrichtung die Verbindung nach der ersten Ausführungsform beinhaltet.
1 veranschaulicht ein konzeptuelles Querschnittdiagramm eines Leistungsmoduls, das ein Beispiel einer Halbleitervorrichtung ist. Das Leistungsmodul 100 weist hauptsächlich eine laminierte Struktur auf, in der das Laminatsubstrat 12 an dem Kühlkörper 13 mit der Lötverbindungsschicht 10 verbunden ist und das Halbleiterelement 11 an dem Laminatsubstrat 12 mit der Lötverbindungsschicht 10 verbunden ist. Ein Leiterrahmen 18 ist mit der Hauptoberfläche des Halbleiterelements 11 gegenüber dem Laminatsubstrat 12 mit der Lötverbindungsschicht 10 verbunden. Ein Gehäuse 16, das einen außenliegenden Anschluss 15 enthält, ist an dem Kühlkörper 13 angebracht und die Elektrode des Laminatsubstrats 12 und der außenliegende Anschluss 15 sind über einen Aluminiumdraht 14 verbunden. Das Innere des Moduls ist mit dem Harzdichtmaterial 17 gefüllt. Das Halbleiterelement 11 kann ein Si-Halbleiterelement oder ein SiC-Halbleiterelement sein, ist aber nicht auf diese begrenzt. Zum Beispiel, in dem Fall, dass diese Elemente an einem IGBT-Modul befestigt sind, besteht die Rückseitenelektrode, die mit dem Laminatsubstrat 12 verbunden ist, für gewöhnlich aus Au oder Ag. In dem Laminatsubstrat 12 sind zum Beispiel leitfähige Platten 121 und 123, die aus Kupfer oder Aluminium hergestellt sind, an der Vorder- und Rückseite einer Keramikisolierschicht 122 bereitgestellt, die aus Tonerde, SiN oder dergleichen hergestellt ist. Als der Kühlkörper 13 ist ein Metall verwendet, das exzellente Wärmeleitfähigkeit aufweist, wie Kupfer oder Aluminium.
In dem veranschaulichten Leistungsmodul 100, beinhalten die zu verbindenden Bauteile, die eine Ni-P-Cu-Plattierungsschicht aufweisen, die mit der Lötverbindungsschicht 10 verbunden werden kann, die leitfähigen Platten 121 und 123 an der oberen und unteren Oberfläche, die das Laminatsubstrat 12, den Kühlkörper 13 und den Leiterrahmen 18 begründen. Als diese zu verbindenden Bauteile ist es möglich, jene zu verwenden, die die Ni-P-Cu-Plattierungsschicht, die in der ersten Ausführungsform im Detail beschrieben ist, an der Oberfläche in Kontakt mit der Lötverbindungsschicht 10 aufweisen.
Dann, im Leistungsmodul 100, das in 2 veranschaulicht ist, entsprechen insbesondere die Verbindung P der Cu-hergestellten leitfähigen Platte 123, die die Ni-P-Cu-Plattierungsschicht mit der Lötverbindungsschicht 10 bildet, die Verbindung Q der Cu-Kühlrippe 13, die die Ni-P-Cu-Plattierungsschicht mit der Lötverbindungsschicht 10 bildet, die Verbindung R mit dem Leiterrahmen 18, der die Ni-P-Cu-Plattierungsschicht mit der Lötverbindungsschicht 10 bildet, und die Verbindung S der Cu-hergestellten leitfähigen Platte 121, die die Ni-P-Cu-Plattierungsschicht mit der Lötverbindungsschicht 10 bildet, der Lötverbindung nach der ersten Ausführungsform.
Es ist zu beachten, dass die in der vorliegenden Ausführungsform veranschaulichte Halbleitervorrichtung ein Beispiel ist und die Halbleitervorrichtung nach der vorliegenden Erfindung nicht auf die eine begrenzt ist, die die veranschaulichte Vorrichtungskonfiguration aufweist. Zum Beispiel ist es in der Halbleitervorrichtungskonfiguration, die den Leiterrahmen beinhaltet, der in Patentdokument 1 von dem vorliegenden Anmelder offenbart ist, auch möglich, eine Leiterrahmen-Ni-P-Cu-Plattierungsschicht zu bilden und das Lötmaterial zu verwenden, das die vorgegebene Zusammensetzung aufweist, die zuvor im Detail beschrieben ist, wodurch die Verbindung der vorliegenden Erfindung gebildet wird. Alternativ ist es in einer Halbleitervorrichtung, die die Konfiguration aufweist, die in der japanischen Patentanmeldung Veröffentlichungsnr. 2012-191010 von dem vorliegenden Anmelder offenbart ist, wenn das isolierende Substrat und das Halbleiterelement verbunden werden und der Implantatstift und das Halbleiterelement verbunden werden, möglich, eine Ni-P-Cu-Plattierungsschicht an der Oberfläche der leitfähigen Platte oder der Oberfläche des Implantatstifts, der an einer Oberfläche des isolierenden Substrats bereitgestellt ist, zu bilden und ein Lötmaterial zu verwenden, das eine vorgegebene Zusammensetzung aufweist, wodurch ähnlich eine Halbleitervorrichtung erhalten wird, die die Verbindung nach der vorliegenden Erfindung aufweist. Zusätzlich ist es möglich, eine Ni-P-Cu-Plattierungsschicht an der Oberfläche in Kontakt mit dem zu verbindenden Bauteil in dem Fall zu bilden, dass Verbinden unter Verwendung einer Lötkugel, zum Beispiel einer BGA (Kugelgitterarray (Ball Grid Array)) oder CSP (Chipgrößen-Package (Chip Size Package)) Lötkugel, durchgeführt wird. Diese Halbleitervorrichtungen weisen eine Betriebstemperatur von 100 bis 250°C unter Verwendungsbedingungen auf.
BEISPIELE
Lötverbindungen wurden erzeugt und die Charakteristika und Verbindbarkeit des plattierten Films wurde evaluiert. Die Verbindbarkeit wurde evaluiert, indem Defekte und die Benetzbarkeit der Verbindung und der Grenzfläche mit dem Lötmetall beobachtet wurde. Das verwendete Lötmaterial war ein bleifreies Lötmetall, das in allen Verbindungen der Beispiele und Vergleichsbeispiele dieselbe Zusammensetzung aufgewiesen hat und 3,5 Masseprozent Ag, 7,5 Masseprozent Sb, 0,1 Masseprozent Ni, 0,01 Masseprozent Ge enthalten hat und der Rest Sn und unvermeidbare Verunreinigungen waren. Als der verbundene Körper wurde eine Ni-P-Cu-Plattierungsschicht oder eine Ni-P-Plattierungsschicht auf Kupfer als das Plattierungsbasismaterial durch ein elektroloses Plattierungsverfahren gebildet. Tabelle 1 stellt die Zusammensetzungen der verwendeten Plattierungsschichten dar.
Erzeugung von Plattierungsschicht auf Basismaterial
Als eine Vorbehandlung wurde ein alkalischer Entfettungsprozess auf die Cu-Platte des Basismaterials bei 50°C für 4 Minuten angewendet und die Cu-Platte wurde mit Wasser gewaschen, bei 40°C für 4 Minuten säureentfettet, mit Wasser gewaschen und dann mit Natriumpersulfat bei 30°C für 0,5 Minuten geätzt, mit Wasser gewaschen und mit 98% Schwefelsäure bei 25°C für 0,5 Minuten oberflächenbehandelt. Dann wurde die Platte mit Wasser gewaschen, mit Chlorwasserstoffsäurelösung unter Verwendung von Pd als ein Katalysator aktiviert, einer Tauchbehandlung bei 25 bis 30°C für 0,5 Minuten unterzogen und mit Wasser gewaschen und dann elektroloser Ni-P-Cu oder elektroloser Ni-P-Plattierung unterzogen, die eine vorgegebene Zusammensetzung aufweist. Die elektrolose Ni-P-Cu oder elektrolose Ni-P-Plattierung wurde mit Luftbewegung für eine Dauer der Bildung einer Dicke von 5 µm bei 90°C behandelt. Nach Plattierung wurde die Platte mit Wasser gewaschen und mit einem Trockner zum Abschluss getrocknet.
Benetzbarkeitsevaluierung
Die Evaluierung von Lötbenetzbarkeit, die als eine Probe verwendet ist, die vorbereitet wurde, indem jede der 30 × 5 × 0.3 mm Garkupferplatten (JIS C1100) mit einem Zielwert von etwa 5 µm plattiert wurde. Die Benetzbarkeit wurde unter Bezugnahme auf das Massenbenetzung-Benetzbarkeitstest- (JIS Z3198-4:2003) Verfahren umgesetzt. Unter Verwendung eines Lötmetalls, das die zuvor beschriebene Zusammensetzung aufweist, als ein Lötmaterial, wurde etwa 1 kg eines geschmolzenen Lötbads auf 280°C erhitzt und die Probe wurde in das Lötbad bei einer Tiefe von 3 mm für 20 Sekunden eingetaucht. Die Benetzbarkeit wurde als ○ (überlegen), falls nach Eintauchen der Probe die Benetzungsbeginn-Nulldurchgangszeit (Zeit bis das Lötmetall das Teststück benetzt) innerhalb von 3 Sekunden war, Δ (zufriedenstellend), im Fall von 2 bis 3 Sekunden und × (mangelhaft) im Fall von drei oder mehr Sekunden ermittelt. Eine Garkupferplatte ohne Plattierung wurde als eine Referenzbedingung für diesen Test verwendet, und in diesem Fall konnte die Benetzungszeit in etwa 1 Sekunde erhalten werden.
Erzeugung von Lötverbindungskörper
Eine Plattierungsschicht, die die jeweiligen Zusammensetzungen aufweist, wurde bei einer Filmdicke von 5 µm auf einem Basismaterial (Kupferplatte) gebildet, um ein zu verbindendes Bauteil zu bilden und Plattenlötmetall, das die zuvor beschriebene Zusammensetzung aufweist, wurde darübergelegt. Das Bonding wurde mit einer Verbindungseinrichtung unter Verwendung einer Heizplatte vom Chargentyp durchgeführt und die Atmosphäre wurde auf 20 Pa druckreduziert, mit Stickstoff ersetzt, wieder auf 50 Pa verringert und mit Wasserstoff ersetzt. Löten wurde durchgeführt, indem die ersetzte Atmosphäre für 2 Minuten bei 300°C gehalten wurde. Die Auskühlrate war 1°C/Sek. Die Wärmebehandlung wurde als ein beschleunigter Test zum Evaluieren der Zuverlässigkeit der Halbleitervorrichtung durchgeführt.
Evaluierung von Defekten in Lötverbindungen
Bezüglich der erzeugten Lötverbindungen wurden Defekte bei der Anfangsstufe und nach der Wärmebehandlung evaluiert. Die Anfangsstufe meint einen Zeitpunkt unmittelbar nach dem Verbinden. Die Wärmebehandlung wurde erlaubt, bei 125°C und 175°C in Bädern konstanter Temperatur vom Heißlufttyp zu stehen. Die Ermittlungszeit war 250 Stunden. Es ist zu beachten, dass das Wärmebehandlungsexperiment bis zu 500 Stunden und 1.000 Stunden umgesetzt wurde. Zusätzlich ist in einer Halbleitervorrichtung, die eine Verbindung mit ×aufweist, Ablösung nahe der Grenzfläche zwischen dem Lötmaterial und der Plattierungsschicht aufgetreten, selbst in dem Anfangszustand. Weiter führte die Wärmebehandlung zu einer erheblicheren Ablösung. Deshalb wurde der Zustand von × als das Kriterium verwendet.
Der Anfangsdefekt und der Defekt nach der Wärmebehandlung wurden ermittelt, indem ein Querschnitt durch SEM beobachtet wurde. Nach Durchführen mechanischen Hochglanzpolierens oder dergleichen auf dem Querschnitt, wurde die Probe mit einem Rasterelektronenmikroskop bei einer Vergrößerung von etwa 5.000 bis 20.000 -fach in dem Beobachtungsfeld beobachtet. Bezüglich der bestätigten Defekte wurden etwa 3 bis 10 fortlaufende Defekte von etwa 0,1 µm bis 1 µm als × ermittelt, wurden nichtfortlaufende verstreute Defekte von etwa 0,1 µm als Δ ermittelt und wurden Defekte, die kaum bestätigt werden konnten, als ○ ermittelt.
Evaluierungsergebnisse
Wenn die P-Konzentration der Ni-P-Plattierungsschicht so niedrig wie kleiner als 3 Masseprozent war, war die Eluierungsfähigkeit von Ni in das Lötmetall hoch und daher wurde die Plattierungsschicht, die mit Sn reagiert wurde, eine Schicht der Ni₃Sn₂ und Ni₃SN₄-verbindung, was in Löchern bei der Grenzfläche resultiert hat. Wenn die P-Konzentration der Ni-P-Plattierungsschicht so hoch wie 8 Masseprozent oder mehr war, wurde eine intermetallische Verbindung von Ni₃P in der Ni-P-Plattierungsschicht erzeugt, um Ni-Eluierung zu unterbinden. Dies ist so, weil die intermetallische Verbindung von Ni₃P in der Ni-P-Plattierungsschicht kristallisiert und nicht in der einheitlichen Ni₃P-Verbindungsschicht. Deshalb wird angenommen, dass Ni von dem Abschnitt ohne Ni₃P zu der Lötverbindungsschichtseite eluiert wurde und es dort einen Unterschied im Eluierungsgrad gab, sodass ein Auftreten eines Verbindungsdefekts wahrscheinlich war.
Zusätzlich war in den Ni-P-Plattierungsschichten von Vergleichsbeispielen NiP nichtkristallin, ungeachtet der Menge von hinzugefügtem P, aber Kristalle wurden unter den Verbindungszuständen von 250°C oder mehr zum Verbinden mit einem Leistungsmodul oder dergleichen kristallisiert. Dann, mit zunehmender Wärmebehandlungszeit, sind die Kristalle zu groben säulenförmigen Kristallen von 75 nm bis einigen 100 nm gewachsen. Da die Eluierungsmenge und Diffusionsrate von Ni sich zwischen Kristallen unterscheiden, die Mikrokristallkorngrenzen und grobe Korngrenzen aufweisen, ist wahrscheinlich, dass Ni in die Ni-P-Plattierung eluiert, die grobe Kristalle aufweist, und es ist wahrscheinlich, dass Verbindungsdefekte aufzutreten.

Tabelle 1 unten stellt die Evaluierungsergebnisse der Zusammensetzung der Plattierungsschicht, Verbindungsdefekte und Lötbenetzbarkeit dar. [Tabelle 1]

Beispiel/Vergleichsbeispiel	Cu-Konzentration im Film (Gew.-%)	P-Konzentration im Film (Gew.-%)	Anfangsverbindungsdefekt	Defekt nach Hitzebehandlung		Lötbenetzbarkeit
Beispiel/Vergleichsbeispiel	Cu-Konzentration im Film (Gew.-%)	P-Konzentration im Film (Gew.-%)	Anfangsverbindungsdefekt	125°C	175°C	Lötbenetzbarkeit
Vergleichsbeispiel 1	-	1	×	×	×	O
Vergleichsbeispiel 2	-	3	Δ	Δ	×	O
Vergleichsbeispiel 3	-	6	Δ	Δ	×	O bis Δ
Vergleichsbeispiel 4	-	8	Δ	Δ	Δ	×
Vergleichsbeispiel 5	-	10	×	×	×	×
Beispiel 1	0,35	5	O	O	O	Δ
Beispiel 2	0,5	5	O	O	O	Δ
Beispiel 3	2	5	O	O	O	O
Beispiel 4	4	5	O	O	O	O
Beispiel 5	5	5	O	O	O	Δ
Beispiel 6	7	5	O	O	O	Δ
Beispiel 7	0,5	8	O	O	O	O
Beispiel 8	2	8	O	O	O	O
Beispiel 9	4	8	O	O	O	O
Beispiel 10	7	8	Δ	Δ	Δ	O
Beispiel 11	0,5	3	Δ	Δ	Δ	O
Beispiel 12	2	3	Δ	Δ	Δ	O
Beispiel 13	4	3	Δ	Δ	Δ	O
Beispiel 14	7	3	Δ	Δ	Δ	O
Vergleichsbeispiel 6	4	1	×	×	×	×
Vergleichsbeispiel 7	4	10	×	×	×	O

Für jene, die für 500 Stunden und 1.000 Stunden Wärmebehandlung unterzogen wurden, wurde bestätigt, dass in den Verbindungen von Vergleichsbeispielen, die Defekte in der Anfangsverbindung aufweisen, die Defekte erhöht wurden, wenn die Temperatur höher war und die Zeit länger war, und die mit einem größeren Fortschritt waren mit wahrscheinlicher Ablösung verbunden. Andererseits wurde in den Verbindungen der Beispiele 8 bis 9 kein Defekt oder keine Ablösung beobachtet, selbst nach der Wärmebehandlung bei 175°C für 1000 Stunden.
Querschnittbeobachtungsfotografie
4 stellt eine repräsentative Querschnittbeobachtungsfotografie der Lötverbindung vom Beispiel dar. 4 ist eine Rasterelektronenmikroskop- (SEM) Fotografie der Lötverbindung (Beispiel 8), wenn die Plattierungszusammensetzung so ist, dass Cu 2 Masseprozent ist, P 8 Masseprozent ist und der Rest Ni ist und die Lötzusammensetzung dieselbe wie zuvor ist und die Verbindung unter denselben Bedingungen wie zuvor durchgeführt wird. Andererseits ist 5 eine Rasterelektronenmikrographie einer Lötverbindung (Vergleichsbeispiel 4), wenn die Plattierungszusammensetzung so ist, dass P 8 Masseprozent ist und der Rest Ni ist, die Lötzusammensetzung dieselbe wir die von zuvor ist und die Verbindung unter denselben Bedingungen wie zuvor durchgeführt wird. In 5 wurden Löcher h, die einen Durchmesser von etwa 0,1 bis 0,5 µm aufweisen, in der P-angereicherten Schicht 101 gefunden. Wie in 4 gesehen werden kann, wurden in der Verbindung in einem Beispiel nahezu keine Löcher nahe der Grenzfläche zwischen der Ni-Cu-P-Plattierungsschicht und der Lötverbindungsschicht beobachtet.
Identifikation von Mikrokristallen durch Übertragungsmikroskopbeobachtung 6 ist eine Transmissionselektronenmikrographie der Grenzfläche der Lötverbindung von Beispiel 8. An der Verbindungsgrenzfläche befanden sich Schichten von (Ni,Cu)₃(Sn,Sb)₂-Verbindung und Ni₃(Sn,Sb)₂-Verbindung von der Lötseite in dem oberen Teil der Fotografie und es wurde bestätigt, dass feinkörnige Kristalle von etwa 5 nm bis 20 nm ein geschichtetes Strukturkonstrukt bei dieser Grenzfläche aufwiesen. 7 ist eine vergrößerte Fotographie des oberen linken Teils von 6 und die Elementaranalyseergebnisse für „a“ waren so, dass P 21,8 at% war, Ni 75,1 at% war und Cu 2,6 at% war und es wurde bestätigt, dass die Mikrokristalle in der mikrokristallinen Schicht waren, in der Ni:P etwa 3:1 mit wenig koexistierendem Cu war. Ähnlich waren die Elementaranalyseergebnisse für „b“ so, dass P 22,4 at% war, Ni 75,8 at% war und Cu 1,2 at% war, und es wurde bestätigt, dass die Feinpartikelmasse, die in der Transmissionselektronenmikrographie beobachtet wurde, (Ni,Cu)₃P-Mikrokristalle in der mikrokristallinen Schicht war, die aus Ni, P und Cu bestand. In „c“ wurden Verbindungsschichten in Schichten angeordnet, bestätigt. Die EDX-Analyseergebnisse für „c“ haben bestätigt, dass Ni 52,6 at% war, Sn 40,6 at% war und Sb 5,2 at% war, was angenommen war, die Ni₃(Sn,Sb)₂-Verbindungsschicht der ersten intermetallischen Verbindungsschicht zu sein. Die EDX-Analyseergebnisse für „d“ haben bestätigt, dass das Verhältnis etwa Ni:P=3,7:1 war und Cu so niedrig wie 0,15 at% oder weniger war und daher konnte es als eine Ni₃P-Phase bestätigt werden. Ähnlich wurde geschätzt, dass „e“ (Ni,Cu)₅P₂-Mikrokristalle waren, „f“ (Ni,Cu)₁₂P₅-Mikrokristalle waren und „g“ (Ni,Cu)₂P-Mikrokristalle waren. Es ist zu beachten, dass die Brechungspunkte der Brechungsstruktur auch frei von Elektronenstrahlbrechung unter Verwendung von Transmissionselektronenmikroskopie waren und es wurde festgestellt, dass diese als Kristalle existierten. Bei Punkten „a“, „b“ und „d“ bis „g“, die anders als der Punkt „c“ die erste intermetallische Verbindungsschicht angeben, waren Ag, Sn und Sb, die von den Lötkomponenten abgeleitet wurden, selten in irgendeinem davon enthalten.

Tabelle 2 unten stellt die EDX-Analyseergebnisse der Abschnitte dar, die durch „a“, „b“, „c“, „d“, „e“, „f“ und „g“ in der Fotographie von 7 angegeben sind. Numerische Werte in der Tabelle stellen Atomprozent (at%) dar. [Tabelle 2]

	a	b	c	d	e	f	g
P	21,80	22,36	0,45	21,23	26,55	28,41	31,54
Ni	75,11	75,81	52,65	78,25	71,53	70,12	66,95
Cu	2,66	1,16	0,71	0,15	1,6	1,18	1,22
Ag	0,18	0,12	0,37	0,14	0,10	0,11	0,13
Sn	0,25	0,49	40,62	0,23	0,22	0,18	0,16
Sb	0,00	0,05	5,19	0,00	0,00	0,00	0,00

8 ist eine Transmissionselektronenmikrographie der Grenzfläche der Lötverbindung vom Vergleichsbeispiel 4. Die Struktur der Verbindungsgrenzfläche zwischen der Lötverbindungsschicht und der Ni-P-Plattierungsschicht ist, von der Oberseite des Fotos an der Lötseite, Ni₃Sn₄-Verbindungsschicht (zweite intermetallische Verbindungsschicht 103)/Ni₃Sn₂-Verbindungsschicht (erste intermetallische Verbindungsschicht 102)/grob gemachte Feinkornschicht (101c)/säulenförmige Kristallphase (101d)/grobgemachte Feinkornübergangsschicht/die Ni-P-Plattierungsschicht und die Verbindungsgrenzfläche, die unterschiedliche Schichtstrukturen aufweisen. 9 stellt eine vergrößerte Fotographie der Nähe der säulenförmigen Kristalle in 8 dar.
Zusätzlich sind die Ergebnisse von EDX-Analyse der Abschnitte „i“, „j“ und „k“ in 9 unten dargestellt. Numerische Werte in der Tabelle stellen Atomprozent (at%) dar. [Tabelle 3]

i j k

P 26,27 23,95 25,92

Ni 73,51 75,81 74,08

Cu 0,00 0,00 0,00

Ag 0,22 0,00 0,00

Sn 0,00 0,24 0,00

Sb 0,00 0,00 0,00
In 9 wurden grobe Ni-säulenförmige Kristalle von etwa 50 bis 500 nm bei dem Abschnitt bestätigt, der durch „i“ angegeben ist. Die quantitativen EDX-Analyseergebnisse dieses Abschnitts waren so, dass P 26,27 at% war und Ni 73,51 at% war, was bestätigt hat, dass die Verbindung aus Ni₃P bestand. In 9 wurde eine körnige Verbindung in dem Abschnitt, der durch „j“ angegeben ist, nahe den säulenförmigen Kristallen bestätigt. Die quantitativen EDX-Analyseergebnisse dieses Teils waren so, dass P 23,9 at% war und Ni 75,8 at% war. Die quantitativen EDX-Analyseergebnisse des Abschnitts, der durch „k“ in 9 angegeben ist, waren so, dass P 25,9 at% war und Ni 74,1 at% war und es wurde angenommen, dass die Kristalle, die in einem beliebigen Abschnitt von „j“ und „k“ vorlagen, Kristalle aus Ni₃P waren.
Aus den Ergebnissen der Beobachtung des Strukturkonstrukts, mit einem Transmissionselektronenmikroskop und quantitativer EDX-Analyse von Beispiel 8 und Vergleichsbeispiel 4 wurde festgestellt, dass in der Ni-P-Cu-Plattierungsschicht von Beispiel 8 eine feinkörnige Schicht von etwa 5 bis 20 nm in der Plattierungsschicht bei der Verbindungsgrenzfläche gebildet war. Andererseits bestand im Vergleichsbeispiel 4 die Ni-P-Plattierungsschicht aus einer feinen Struktur, die grob gemachte Defekte (Löcher) und eine Struktur grober säulenförmiger Kristalle von etwa 50 bis 500 nm beinhaltet. Um die Defekte bei der Verbindungsgrenzfläche im Beispiel zu unterbinden, wurde die Kristallstruktur, die aus NiP hergestellt war, durch Cu ersetzt und die Struktur war fein. Es wurde berücksichtigt, dass die feine dichte Schicht eine starke Beziehung zu der Verbesserung von Hitzebeständigkeit aufwies.
Vergleich von Zahl an Löchern durch Beobachtung mit Übertragungsmikroskop Bezüglich der verbundenen Körper von Beispiel 8 und Vergleichsbeispiel 4, die Wärmebehandlung bei 175°C für 250 Stunden unterzogen wurden, wurde die Zahl an Löchern pro Beobachtungsfeld von 0,36 µm² gezählt, wenn der Querschnitt mit einem Transmissionselektronenmikroskop bei 80.000-facher Vergrößerung beobachtet wurde. Die Zahl an Löchern von 10 nm oder mehr wurde in dem Beobachtungsfeld (0,36 µm²) der mikrokristallinen Schicht für die Verbindungen von Beispielen und die P-angereicherte Schicht für die Verbindungen von Vergleichsbeispielen gezählt. Als ein Ergebnis war die Zahl an Löchern etwa 45 bei der Verbindung von Beispiel 8, wohingegen sie etwa 230 in Vergleichsbeispiel 4 war, und die Zahl an erzeugten Löchern konnte um etwa 1/5 verringert werden. Auch konnte in anderen Beispielen die Zahl an Löchern von 10 nm oder mehr auf 50 oder weniger in dem Einheitsbereich unterbunden werden. Die Evaluierung von Löchern durch SEM-Beobachtung hat auf Löcher von 0,1 µm oder mehr abgezielt, aber weitere Evaluierung mit Hochauflösung, wie TEM, hat die Existenz von noch kleineren Löchern aufgedeckt. Dann wurde auch festgestellt, dass in dem Fall des plattierten Films nach der Erfindung der vorliegenden Anmeldung feine Löcher auch unterbunden wurden.
Aus den Ergebnissen von zuvor hat es Verwendung des Ni-P-CU-plattierten Films und des Lötmaterials nach der vorliegenden Anmeldung möglich gemacht, eine zuverlässige Verbindung mit weniger Löchern nahe der Verbindungsgrenzfläche zu bilden. Insbesondere die Zahl an großen Löchern von 0,1 µm oder mehr, die durch SEM beobachtbar sind, war 2 oder weniger pro 100 µm² vom Beobachtungsfeld und die Zahl an Löchern von 10 nm oder mehr in TEM-Beobachtung war 50 oder weniger pro 0,36 µm² des Beobachtungsfelds.
Abgesehen von den Lötmaterialien, die andere Zusammensetzungen aufweisen als das in den vorliegenden Beispielen verwendete Lötmaterial, und den Lötmaterialien, die in den Lötmaterialien von zuvor vorliegen, wird angenommen, dass zum Beispiel ähnliche Ergebnisse für Sn-0,75Cu-Lötmaterial (Lötmaterial, das 0,75 Masseprozent Cu enthalten kann, in dem der Rest Sn und unvermeidbare Verunreinigungen sind), Sn-0,6Cu-0,05Ni-Lötmaterial (Lötmaterial, das 0,6 Masseprozent Cu und 0,05 Masseprozent Ni enthält, in dem der Rest Sn und unvermeidbare Verunreinigungen sind) und Sn-0,3Ag-0,5Cu-Lötmaterial (Lötmaterial, das 0,3 Masseprozent Ag und 0,5 Masseprozent Cu enthält, in dem der Rest Sn und unvermeidbare Verunreinigungen sind) erhalten werden können.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Die Lötverbindung nach der vorliegenden Erfindung wird für Verbindungen allgemeiner elektronischer Vorrichtungen mit hohen Stromspezifikationen verwendet und insbesondere wird sie bevorzugt für Package-Komponenten wie ICs verwendet. Zusätzlich beinhaltet die Nutzung davon Komponenten, die eine große Menge an Wärme erzeugen, zum Beispiel LED-Elemente und Die-Bondverbindungen von Leistungshalbleitervorrichtungen, wie Leistungsdioden, und weiter beinhaltet die Nutzung bevorzugt Die-Bondverbindungen zur internen Verbindung von IC-Elementen und dergleichen und Verbindungen zwischen beliebigen Metallbauteilen in allgemeinen elektronischen Komponenten, die auf Leiterplatten und dergleichen befestigt sind.
Bezugszeichenliste

1: mikrokristalline Schicht
2: erste intermetallische Verbindungsschicht
3: zweite intermetallische Verbindungsschicht
4: Lötschicht
5: Ni-P-Cu-Plattierungsschicht
6: Basismaterialschicht
P Q R S: Lötverbindung
10: Verbindungsschicht
11: Halbleiterelement
12: Laminatsubstrat
13: Kühlkörper
14: Aluminiumdraht
15: außenliegender Anschluss
16: Gehäuse
17: Harzdichtmaterial
18: Leiterrahmen
100: Leistungsmodul
101: P-angereicherte Schicht
102: erste intermetallische Verbindungsschicht
103: zweite intermetallische Verbindungsschicht
104: Lötschicht
105: Ni-P-Plattierungsschicht
106: Basismaterialschicht
h: Loch

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2005116702 A [0006]

Claims

Lötverbindung, umfassend: eine Lötverbindungsschicht, die ein geschmolzenes Lötmaterial aufweist, das Sn als eine Hauptkomponente enthält und weiter Ag und/oder Sb und/oder Cu enthält; und einen verbundenen Körper, der eine Ni-P-Cu-Plattierungsschicht an einer Oberfläche in Kontakt mit der Lötverbindungsschicht beinhaltet, wobei die Ni-P-Cu-Plattierungsschicht Ni als eine Hauptkomponente enthält und 0,5 Masseprozent oder mehr und 8 Masseprozent oder weniger Cu und 3 Masseprozent oder mehr und 10 Masseprozent oder weniger P enthält, die Ni-P-Cu-Plattierungsschicht eine mikrokristalline Schicht bei einer Grenzfläche mit der Lötverbindungsschicht aufweist und die mikrokristalline Schicht eine Phase, die Mikrokristalle einer ternären NiCuP-Legierung enthält, eine Phase, die Mikrokristalle von (Ni,Cu)₃P enthält, und eine Phase, die Mikrokristalle von Ni₃P enthält, beinhaltet.
Lötverbindung nach Anspruch 1, wobei die Mikrokristalle der ternären NiCuP-Legierung Mikrokristalle beinhalten, die einen Durchschnittspartikeldurchmesser von etwa 10 nm oder weniger aufweisen.
Lötverbindung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mikrokristalline Schicht frei von säulenförmigen Kristallen oder Partikeln ist, die eine Hauptachse von 75 nm oder mehr aufweisen.
Lötverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Lötmaterial Sn, Ag und Sb enthält.
Lötverbindung nach Anspruch 4, wobei das Lötmaterial weiter Ni und/oder Ge und/oder Cu enthält.
Lötverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der verbundene Körper, der die Ni-P-Cu-Plattierungsschicht beinhaltet, ein Bauteil ist, in dem eine elektrolose Ni-P-Cu-Plattierungsschicht auf einem Basismaterial bereitgestellt ist, das Cu, Al oder eine Cu-Legierung als eine Hauptkomponente enthält.
Elektronische Vorrichtung, die die Lötverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 umfasst.
Halbleitervorrichtung, die die Lötverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 umfasst.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Lötverbindung eine Verbindung zwischen einer Substratelektrode, einem Leiterrahmen oder einem Implantatstift und einem Halbleiterelement, eine Verbindung zwischen einer leitfähigen Platte und einem Kühlkörper und/oder eine Verbindung zwischen Anschlüssen ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Halbleiterelement ein Si-Halbleiterelement oder ein SiC-Halbleiterelement ist.