JP2011041970A - 鉛フリーはんだ接合材料 - Google Patents

Abstract

【課題】車載モータやその他の電動モータを駆動制御するためのパワーデバイス等に用いられる発熱量の大きいパワーモジュールに使用可能で、耐熱特性等に優れ、特に耐ヒートショック性に優れた汎用性のあるはんだ接合材料を簡易な方法にて提供する。
【解決手段】母合金１となる鉛フリーはんだ合金に存在するＳｎマトリックスに対して過剰濃度のＣｕ及びＮｉが積極的に作用して、はんだ合金中に金属間化合物を形成させ、当該金属間化合物がはんだ合金中に存在するように制御し、はんだ接合部にも金属間化合物が存在するようにして、当該母合金である鉛フリーはんだ合金の液相線温度よりも高い温度での溶融を実現する。また、更にＧａを加えることにより、はんだ接合部の伸び性向上効果を併せて有することで過酷な温度変化を伴う使用環境からはんだ付け部の耐久性が重視される車載用のパワーデバイスに用いられるパワーモジュール等に使用が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体モジュールなどの電子部品のはんだ付けに使用する鉛フリーはんだ接合材料に関し、詳しくは、母合金となる鉛フリーはんだ合金に金属間化合物を形成、析出させて当該金属間化合物を含有する鉛フリーはんだ接合材料及びそれを用いたはんだ継手に関する。

従来、電子機器装置等に用いられる電子部品は、プリント配線がなされた基板にはんだ付けを行い搭載されていることが多い。そして、その接合材料であるはんだは、近年、環境的配慮よりＰｂを含まない合金が多く用いられるようになっている。例えば、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｚｎ、Ｓｎ−Ｓｂ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｉｎ等の鉛フリーはんだ合金、及びそれら鉛フリーはんだ合金にＮｉ、Ｃｏ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｃｒ、Ｐ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ、Ｔｅ、Ｐｔ、Ａｕ等を適宜添加した鉛フリーはんだ合金が提案されている。

また、ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップをリードフレーム、セラミックケース、プリント基板等に固着化させるためのダイボンド材としてはんだ接合材料が用いられている。
特に、車載モータやその他の電動モータの駆動を制御するための発熱量が大きいパワーモジュール等の接合に使用する接合材料として多く用いられてきている。そして、車載用パワーデバイスに用いられるパワーモジュール等は、使用環境面において苛酷な温度変化を伴うためにはんだ接合部の耐久性や信頼性が重視されている。

一方、従来のＳｎ−Ｐｂはんだ合金は、比較的良好な耐ヒートショック性を有することが知られているが、近年では、Ｓｎ−Ｐｂはんだ合金の耐熱特性に劣らない鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ付けに関して幾つかの提案がなされている。
例えば、ステップ・ソルダリングと称するはんだ付け手法（特許文献１）の提案、プリフォームはんだ及びその製造方法（特許文献２及び３）の提案、線はんだ及びその製造方法の提案（特許文献４）がなされている。

しかしながら、上記の提案にも課題が残されており、車載用パワーデバイス用途等に対応した、より高温領域での接合信頼性の高い接合材料及び簡易な手法にてはんだ接合が求められている。
例えば、特許文献１のステップ・ソルダリングと称するはんだ付け手法に関する提案は、２段階のはんだ付け工程を行う必要があり、その上、初回のはんだ付けに使用するはんだ合金の組成と２回目のはんだ付け工程に使用するはんだ合金の組成が異なるため、工程の煩雑さに加えて、使用するはんだ合金も複数になり管理面及びコスト面において課題が残されている。
特許文献２及び３のプリフォームはんだ及びその製造方法に関する提案は、プリフォームはんだ所謂シート状に成型したはんだ接合材料に関する内容であって、特定の処理をした金属粒を均一に所定量混合することによりはんだ付け部間に所定のクリアランスを設けて接合強度を向上させる技術（特許文献２）であり、プリフォームはんだに関する提案であって、はんだ接合部に金属粒子を混入させた際のフラックスの影響を抑え、且つボイドを抑制する内容（特許文献３）である。これらの提案は、プリフォームはんだであるため圧延工程が必要である。そして、はんだ接合部の接合強度向上を目的としたもので、耐熱特性については課題が残されている。
特許文献４の線はんだ及びその製造方法の提案は、線はんだの素となる金属細管に成分の異なる２種以上の金属粉末等を充填して線はんだに加工したものであり、はんだ接合部のボイド抑制効果を目的としたものであり、耐熱特性については課題が残されている。

発明者は、はんだ接合部の耐熱特性を向上させるべく、はんだ合金組成に着目し、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｎｉ及びＧａを特定の比率で組合せることによりはんだ接合部に発生するクラックを抑制する効果を見出した提案（特許文献５）を行っているが、より耐熱特性に優れた鉛フリーはんだ接合材料及びはんだ接合部の必要性を強く認識していた。

特開２００３−３１１４６９号公報 国際公開２００５−１２０７６５号公報 国際公開２００７−３２４２９号公報 特開２００７−２１５２１号公報 特開２００８−１４２７２１号公報

本発明は、過酷な温度変化を伴う使用環境に対応可能で、しかも耐熱特性等に優れ、煩雑な作業工程をとることなくはんだ接合が可能な高い接合信頼性を有する鉛フリーはんだ接合材料及びはんだ継手の提供を目的とする。

本発明者は、上記目的を達成すべく、はんだ接合材料の組成及び製法に着目して鋭意検討を重ねた結果、金属間化合物をはんだ合金中に積極的に析出させ、且つ、均一に分散させた状態の鉛フリーはんだ合金を調整し、前記鉛フリーはんだ合金を用いることにより、はんだ接合部の溶融温度や耐熱特性を向上させることを見出し、はんだ接合部に金属間化合物が存在した状態ではんだ接合が可能な方法を見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明は、母合金となる鉛フリーはんだ合金に存在するＳｎマトリックスに対して過剰濃度のＣｕ及びＮｉが積極的に作用して、はんだ合金中に金属間化合物を形成させ、しかも、当該金属間化合物がはんだ合金中に存在するように制御した鉛フリーはんだ接合材料とし、当該はんだ接合材料を用いてはんだ接合したはんだ接合部にも金属間化合物が存在するようにして、当該母合金である鉛フリーはんだ合金の液相線温度よりも高い温度での溶融を実現し、耐熱特性に優れたはんだ接合部を提供する。
また、更に本発明の鉛フリーはんだ接合材料にＧａを加えることにより、はんだ接合部の伸び性向上効果を併せて有することに成功した。

本発明によれば、はんだ接合後の耐熱性を向上させる効果及びはんだ接合部にも優れた伸び性を有することから、耐ヒートショック性に優れた効果及びはんだ接合部に生じる破断や亀裂の発生を抑制する効果を有するため、苛酷な温度変化を伴う使用環境からはんだ付け部の耐久性や信頼性が特に重視される車載用のパワーデバイスに用いられるパワーモジュール等に使用が可能となる。

本発明の鉛フリーはんだ接合材料を示すモデル図 Ｓｎ，Ｃｕ，Ｎｉ３元系状態図 Ｓｎ-Ｃｕ-Ｎｉ系鉛フリーはんだ合金中に存在する金属間化合物を撮影した顕微鏡写真

以下に、本発明について詳細に説明する。
従来、はんだ合金の耐熱特性を向上させる方法として、はんだ合金に高融点の金属粉末を添加する方法があるが、はんだ合金中に金属粉末を均一に分散させることが困難なため、当該金属粉末をフラックス等でコーティングして分散させていた。また、効果面より分散した金属粉末のはんだ合金中での残存量の確保と均一分散化が課題となっている。
本発明は、上記のような金属粉末によって耐熱特性を向上させるのではなく、はんだ合金中に積極的に金属間化合物を形成、析出させることによってはんだ接合部の耐熱特性を向上させるのである。
例えば、Ｓｎ-Ｃｕ-Ｎｉ系はんだ合金又はＳｎ-Ｎｉ系はんだ合金を母合金として、Ｃｕ及びＮｉ濃度が母合金のＳｎに対して過剰となるように制御することにより、当該母合金を主成分とする鉛フリーはんだ合金中に針状結晶構造を有する金属間化合物を形成させ、その後、図１に示すように針状結晶構造を有する金属間化合物をはんだ合金中に均一に分散させるのである。

具体的には、本発明の母合金の主成分であるＳｎマトリックス中にＣｕ及びＮｉが作用し、積極的に針状結晶構造を有する金属間化合物を形成、析出させるようにＣｕ及びＮｉの含有量を制御し、本発明の鉛フリーはんだ接合材料が固化した際、均一に当該金属間化合物を存在させた。
その際、形成、析出する金属間化合物の組成は、母合金とする鉛フリーはんだ合金の組成によって異なるが、例えば、Ｃｕ₃Ｓｎや（Ｃｕ，Ｎｉ）₆Ｓｎ₅等が例示できるが、針状結晶構造を有する（Ｃｕ，Ｎｉ）₆Ｓｎ₅組成の形成が重要であり、はんだ合金中に析出するよう制御するため、過剰な濃度のＣｕ及びＮｉ等が必要となる。
そして、はんだ合金中に形成、析出した（Ｃｕ，Ｎｉ）₆Ｓｎ₅組成の針状結晶構造を有する金属間化合物は、母合金となるＳｎ-Ｃｕ-Ｎｉ系はんだ合金又はＳｎ-Ｎｉ系はんだ合金の液相線温度に比べて著しく高い溶融温度であるため、当該金属間化合物の存在による溶融温度上昇効果が高い。
また、従来のＣｕやＮｉ金属粉末添加に比べて、当該金属間化合物ははんだ合金中での溶解性が低いため、はんだ接合部の耐熱特性の向上がより期待できる。

本発明の構成成分である針状結晶構造を有する金属間化合物の形成、析出の方法は、本発明の効果を有する範囲において特に制限はされないが、例えばＣｕ及びＮｉの濃度を上昇させる方法として、母合金に直接Ｃｕ及びＮｉを添加する方法や、予めＣｕ及びＮｉの含有濃度が高い母合金を調整したもの添加する方法等が例示できる。
何れの方法も母合金である鉛フリーはんだ合金中のＳｎマトリックスに対してＣｕ及びＮｉが過剰濃度となるように制御して、（Ｃｕ，Ｎｉ）₆Ｓｎ₅組成の針状結晶構造を有する金属間化合物を形成、析出させても構わない。
また、析出した針状結晶構造を有する金属間化合物をはんだ合金中に均一に分散させる方法としては、Ｓｎに対してＣｕ及びＮｉ濃度が過剰となった状態で当該母合金の液相線温度以上で加熱溶融した後、固相線付近まで冷却して当該金属間化合物を形成、析出させた後、再度、当該はんだ接合材料を当該母合金液相線温度以上、且つ、金属間化合物の融点以下にて攪拌混合して均一に当該金属間化合物を分散させた後、冷却する方法等が例示できる。
例えば、本発明の鉛フリーはんだ接合材料を作成する具体的な方法として、本発明の母合金であるＳｎ-Ｃｕ-Ｎｉ鉛フリー合金を加熱溶解し溶湯状態とした後、固相線温度付近まで１℃／分程度で徐冷し、固相線温度付近で一定時間維持し金属間化合物を晶出させた後、２６０℃〜３００℃になるまで再加熱して溶湯状態にして流動性が向上させ、晶出した金属間化合物を均一に分散させる。その後、１０℃〜３０℃/分で急冷して本発明の鉛フリーはんだ接合材料インゴット中に金属間化合物を分散させてものを作成することが出来る。

本発明の鉛フリーはんだ接合材料に用いることが出来る母合金となる鉛フリーはんだ合金としては、本発明の効果を有する範囲において特に制限はなく、Ｓｎ-Ａｇ系、Ｓｎ-Ａｇ-Ｃｕ系、Ｓｎ-Ｚｎ系、Ｓｎ-Ｓｂ系、Ｓｎ-Ａｇ-Ｂｉ系、Ｓｎ-Ａｇ-Ｉｎ系、Ｓｎ-Ｃｕ-Ｎｉ系及びＳｎ-Ｎｉ系等の鉛フリーはんだ合金が例示でき、中でも、Ｓｎ-Ｃｕ-Ｎｉ系及びＳｎ-Ｎｉ系鉛フリーはんだ合金が好ましい。
また、上記鉛フリーはんだ合金にＮｉ、Ｃｏ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｃｒ、Ｐ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｐｄ，Ｔｅ、Ｐｔ、Ａｕ等を適宜添加しても構わない。

本発明の鉛フリーはんだ接合材料に用いることが出来る母合金の主成分であるＳｎの含有量は、本発明の効果を有する範囲において特に制限はなく、金属間化合物の組成に関しても同様である。
また、Ｓｎ-Ｃｕ-Ｎｉ系及びＳｎ-Ｎｉ系鉛フリーはんだ合金を母合金とする場合、Ｃｕ濃度がＣｕ-Ｓｎ共晶濃度（Ｓｎ：約９９．１，Ｃｕ：約０．９重量％）以下でも問題なく、その場合、例示の方法にてＳｎに対するＣｕ濃度を過剰濃度に調整することが可能であり、Ｎｉに関しても同様である。
そして、Ｓｎ-Ｃｕ-Ｎｉ系及びＳｎ-Ｎｉ系鉛フリーはんだ合金を母合金として用いる場合、溶融したはんだ合金中にＣｕがＳｎに対して約０．９重量％以上に、ＮｉがＣｕ濃度より高濃度となるように調整すれば良く、ＣｕとＮｉとの比率に関しては、Ｃｕの添加量に比べＮｉの添加量が多くなるように調整すると（Ｃｕ，Ｎｉ）₆Ｓｎ₅組成の針状結晶構造を有する金属間化合物の形成、析出が起こりやすく、所謂Ｎｉリッチな状態にすることが好ましい。

本発明の鉛フリーはんだ接合材料に、はんだ合金及びはんだ接合部の伸び性を向上させるためＧａを添加する場合、添加量は本発明の効果を有する範囲において特に限定はされないが、０．００１〜１重量％が好ましい。

本発明の鉛フリーはんだ接合材料を用いてはんだ接合を行う場合、本発明の効果を有する範囲においてはんだ接合部に金属間化合物が存在していればよく、当該金属間化合物の形状、量や大きさに制限はない。形状に関しては、針状結晶構造や板状構造等が例示出来る。
例えば、長径方向の長さが０．１〜２０μｍ程度の針状結晶であれば問題ないが、本発明の鉛フリーはんだ接合材料の溶解時に形成した金属間化合物の量が多量になった場合、外観的にシャーベット状を成すため、その際にははんだ付けの作業性や外観が悪くなる場合があるのでＣｕ及びＮｉの量を調整することにより、作業性や外観を向上させることが可能である。

本発明の対象物として、本発明の鉛フリーはんだ接合材料を用いてはんだ接合を行ったパワーモジュール等の電子部品のはんだ継手が含まれる。

本発明の鉛フリーはんだ接合材料は、耐ヒートショック性に優れ、はんだ接合部に生じる破断や亀裂の発生を抑制する効果、はんだ接合後の耐熱性を向上させる効果を有することから、その苛酷な温度変化を伴う使用環境からはんだ付け部の耐久性が重視される車載用のパワーデバイスや同様の過酷な条件下に用いられるはんだ接合に広く応用が可能である。

１ 母合金
２ 針状結晶構造を有する金属間化合物

Claims (6)

1. 鉛フリーはんだ接合材料であって、鉛フリーはんだ合金中に金属間化合物が存在することを特徴とする金属間化合物を含有した鉛フリーはんだ接合材料。
2. 母合金となる鉛フリーはんだ合金が、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ系はんだ合金又はＳｎ−Ｎｉ系はんだ合金であることを特徴とする請求項１記載の金属間化合物を含有した鉛フリーはんだ接合材料。
3. 請求項１及び請求項２記載のはんだ接合材料において、更にＧａを加えたことを特徴とする金属間化合物を含有した鉛フリーはんだ接合材料。
4. 請求項１〜請求項３記載のはんだ接合材料において、鉛フリーはんだ合金中に金属間化合物が存在すること、及びそれを用いてはんだ付けを行なったはんだ接合部が当該母合金の液相線温度より高融点となることを特徴とする金属間化合物を含有した鉛フリーはんだ接合材料。
5. 請求項１〜請求項４の何れかの金属間化合物を含有した鉛フリーはんだ接合材料を用いたはんだ継手。
6. 請求項１〜請求項４記載の鉛フリーはんだ接合材料であって、母合金となる鉛フリーはんだ合金中Ｃｕ及びＮｉ濃度を過剰にして金属間化合物を形成させる方法。
   

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