JP2011143442A - Power module having highly reliable solder-bonded part - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、基板に対し半導体部品やリード端子をはんだにより接続して構成する半導体パワーモジュールに関する。 The present invention relates to a semiconductor power module in which semiconductor components and lead terminals are connected to a substrate by soldering.
従来、車載モジュールは車室内等の比較的高信頼化の要求の低い場所に搭載されていた。そして、エンジンルーム内に設置されているユニットに対して、ワイヤハーネスと呼ばれる電気的配線により接続され、そのユニットを制御していた。ところが、車室内からエンジンルーム内のユニットの近くに車載モジュールの搭載箇所を移し、軽量化や低コスト化をねらいとしたワイヤハーネスの省略が進められている。エンジンルーム環境では、最高温度が車室内に比べて高く、発熱部品を多く搭載する車載モジュールでは高放熱化や高耐熱化が重要である。 Conventionally, in-vehicle modules have been mounted in places with relatively low demands for higher reliability, such as vehicle interiors. And it connected with the electrical wiring called a wire harness with respect to the unit installed in the engine room, and was controlling the unit. However, the mounting of the in-vehicle module has been moved from the passenger compartment to the unit in the engine compartment, and the omission of wire harnesses aimed at reducing the weight and cost has been promoted. In the engine room environment, the maximum temperature is higher than that in the passenger compartment, and high heat dissipation and high heat resistance are important for in-vehicle modules equipped with many heat generating components.
中でも電力の変換や制御を行うパワーモジュールでは、IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）チップやMOS（Metal-Oxide Semiconductor）チップなどの高発熱部品を数多く搭載する。ハイブリッドカーの例では、そのパワーモジュールにおいて数百V、数百Aの大電力を使用するようなインバータ等の需要が大きく、パワーモジュールの高耐熱化の要求がますます高まっている。 In particular, power modules that convert and control power are equipped with many high heat-generating components such as IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) chips and MOS (Metal-Oxide Semiconductor) chips. In the example of a hybrid car, there is a great demand for inverters that use high power of several hundred volts and hundreds of A in the power module, and there is an increasing demand for higher heat resistance of the power module.
車載モジュールにおける一般的なパワーモジュール構造の模式図を図１に示す。パワーモジュールは、基板上の電極に半導体部品の端子やリード端子を接続して構成される。この半導体部品の端子やリード端子は、はんだを用いて接続される場合が主流である。モジュール構造により組立工程が複雑化した場合に、融点の異なる複数種のはんだによる温度階層接続を回避する目的で、超音波接合やレーザ溶着等のはんだ以外の接続方法が用いられる場合がある。ただし、これらの接続方法はプロセスの安定化や他の部材へのダメージを回避しなければならない等の課題がある。一方、はんだによる接続は、携帯電話やパソコン等の民生品で実績が多い。また、車室内に搭載される車載モジュールや、一部エンジンルームに搭載されるものにも用いられている。 A schematic diagram of a general power module structure in an in-vehicle module is shown in FIG. The power module is configured by connecting terminals and lead terminals of semiconductor components to electrodes on a substrate. In most cases, the terminals and lead terminals of the semiconductor component are connected using solder. When the assembly process is complicated due to the module structure, a connection method other than solder, such as ultrasonic bonding or laser welding, may be used for the purpose of avoiding temperature hierarchy connection by a plurality of types of solders having different melting points. However, these connection methods have problems such as stabilization of the process and avoidance of damage to other members. On the other hand, soldering has a proven track record in consumer products such as mobile phones and personal computers. Moreover, it is used also for the vehicle-mounted module mounted in a vehicle interior, and a part mounted in a part engine room.
ところで接続に用いられるはんだは種々あるが、従来多くの用途に用いられてきたのはSn-Pb系のはんだである。Sn-Pb系はんだの例としては、最も汎用的に用いられてきたSnPb共晶はんだ（Sn63ｗｔ％、PB37ｗｔ%）の他、Pbの割合が高く高融点である高Pbはんだがある。車載モジュールにおいても、高融点のはんだが必要な場合や高温環境での稼動が要求される場合には、この高Pbはんだが多く用いられてきた。ところが、Pbは人体に有害であることから、RoHS (Ristriction of Harzardous Substances)やELV(End of Life Vehcles)等の規制の対象となり、Pbフリーはんだの開発が進められている。SnPb共晶はんだに関しては、その融点が同程度であり接続プロセスにも問題が少なく比較的信頼性もよいSn3Ag0.5Cuが代替材として用いられている。 By the way, there are various types of solder used for connection, but Sn-Pb solder has been used in many applications. Examples of Sn-Pb solder include SnPb eutectic solder (Sn63 wt%, PB37 wt%) which has been used most widely, and high Pb solder with a high Pb ratio and a high melting point. In the in-vehicle module, this high Pb solder has been frequently used when a high melting point solder is required or when operation in a high temperature environment is required. However, since Pb is harmful to the human body, it is subject to regulations such as RoHS (Ristriction of Harzardous Substances) and ELV (End of Life Vehcles), and Pb-free solder is being developed. For SnPb eutectic solder, Sn3Ag0.5Cu, which has the same melting point, has no problems in the connection process, and is relatively reliable, is used as an alternative material.
一方、高Pbはんだに関してはこれまで様々な研究がなされており、Sn-Sb等のSn系の他、Zn系やBi系等のはんだが開発されている。またこの他、特開2008-126272では、Alシートに対し両面にZnシートを供給したクラッド材による接続方法を提案している。また、特開2002-301588では、Cu粉とSn粉の混合物による接続方法、特開2006-41362ではナノサイズの微粒子を用いた接続方法を提案している。ただし、広く代替材として使用されるはんだは未だ開発されていない。 On the other hand, various studies have been conducted on high Pb solder, and Zn-based and Bi-based solders have been developed in addition to Sn-based Sn-based materials. In addition, JP 2008-126272 proposes a connection method using a clad material in which a Zn sheet is supplied on both sides of an Al sheet. JP 2002-301588 proposes a connection method using a mixture of Cu powder and Sn powder, and JP 2006-41362 proposes a connection method using nano-sized fine particles. However, a solder that is widely used as an alternative material has not yet been developed.
高Pbはんだの代替材の開発において、解決すべき課題の一つに接続界面の信頼性の確立が挙げられる。母材に対してはんだ接続を行う際、はんだと母材とはその界面において反応し、母材ははんだ中へ拡散し、あるいは接続界面で化合物を形成する。また、その後放置される環境が高温である場合には、この反応はさらに進行する。 One of the issues to be solved in the development of high Pb solder alternatives is the establishment of connection interface reliability. When a solder connection is made to the base material, the solder and the base material react at the interface, and the base material diffuses into the solder or forms a compound at the connection interface. Further, this reaction further proceeds when the environment in which the mixture is left to stand is high temperature.
一般的な基板の配線材料であるCuのパッドに対し、代表的なPbフリーはんだとしてSnPb共晶はんだの代替材であるSn3Ag0.5Cuはんだを接続したときの接続界面の断面SEM写真の例をトレースしたものを図２に示す。なお、ここで、Sn3Ag0.5Cuとは、母材であるSnの中に、Agが３ｗｔ％、Cuが０．５ｗｔ％存在しているという意味である。すなわち、各元素の前の通常の数字は、母材中におけるその元素のｗｔ％を示す。一方、各元素における数字が下付になっている場合は、通常の化学式と同様の意味である。以下本明細書における定義は同じである。 Trace example of cross-sectional SEM image of connection interface when Sn3Ag0.5Cu solder, which is an alternative to SnPb eutectic solder, is connected as a typical Pb-free solder to a Cu pad, which is a general substrate wiring material The result is shown in FIG. Here, Sn3Ag0.5Cu means that 3 wt% of Ag and 0.5 wt% of Cu are present in Sn as a base material. That is, the normal number before each element indicates the wt% of that element in the base material. On the other hand, when the number in each element is subscripted, it has the same meaning as a normal chemical formula. Hereinafter, the definitions in this specification are the same.
図２において、はんだ中のSnとパッド（電極）のCuが反応し、接続界面にはCu-Sn化合物が形成されている。このCu-Sn化合物はCuパッド側にCu3Sn、はんだ側にCu6Sn5の２層に形成される。またこのとき、Cuパッドははんだとの反応により消費され、はんだ接続前に比べてパッド厚さが薄くなる。なお、図２において、Sn3Ag0.5Cuはんだ中には、小さな粒径のAg3SnがSn3Ag0.5Cuの粒界に沿って析出している。 In FIG. 2, Sn in the solder reacts with Cu in the pad (electrode), and a Cu—Sn compound is formed at the connection interface. This Cu—Sn compound is formed in two layers of Cu 3 Sn on the Cu pad side and Cu 6 Sn 5 on the solder side. At this time, the Cu pad is consumed by the reaction with the solder, and the pad thickness becomes thinner than before the solder connection. In FIG. 2, in the Sn3Ag0.5Cu solder, Ag 3 Sn having a small particle size is precipitated along the grain boundary of Sn3Ag0.5Cu.
このはんだ接続部に対し高温放置を行った場合、さらなるCuパッドの消費の他、２層に形成される化合物のうちCu3Snの厚さの割合が大きくなる。高温放置後の断面SEM写真の例をトレースしたものを図３に示す。図３において、特にCu3Snが厚く成長している。また、図３において、複数のAg3Snが融合して高温放置前よりもAg3Snは大きな結晶となっている。 When this solder joint is left at a high temperature, the Cu 3 Sn thickness ratio of the compound formed in the two layers increases in addition to further Cu pad consumption. FIG. 3 shows a trace of an example of a cross-sectional SEM photograph after being left at high temperature. In FIG. 3, especially Cu 3 Sn grows thick. Further, in FIG. 3, Ag 3 Sn than prior high-temperature standing fused multiple Ag 3 Sn has a large crystal.
このように、基板のCuパッドに対してSn系のPbフリーはんだを接続する場合、パッドが消費することと高温放置時にCu3Sn化合物の厚さの割合が大きくなるという特徴がある。はんだにより接続される母材の表層が消費されるという現象は表層の材料によらず一般的である。製品においては、部品や基板の電極が薄く、はんだとの反応に対して十分な厚さを確保できない場合にはこの反応を抑制、防止する手段が必要である。 As described above, when Sn-based Pb-free solder is connected to the Cu pad of the substrate, the pad is consumed and the thickness ratio of the Cu 3 Sn compound increases when left at a high temperature. The phenomenon that the surface layer of the base material connected by solder is consumed is common regardless of the material of the surface layer. In a product, when the electrodes of parts and substrates are thin and sufficient thickness cannot be secured for the reaction with solder, means for suppressing and preventing this reaction is necessary.
また、Cu3Snの厚さの割合が大きくなる場合にはこの接続界面の強度が低下することが分かっている。この現象は、はんだ融点直下の高温にて放置され、固相拡散により反応が進行する場合に顕著であり、このCu3Snの成長についても抑制する必要がある。従来用いられていた高Pbはんだでは、母材と反応するSnの割合が少ないため、これらは問題となっていない。 It is also known that the strength of this connection interface decreases when the thickness ratio of Cu 3 Sn increases. This phenomenon is conspicuous when the reaction proceeds by solid phase diffusion when it is left at a high temperature just below the solder melting point, and it is necessary to suppress the growth of Cu 3 Sn. Conventionally used high Pb solder has a small proportion of Sn that reacts with the base material, and these are not a problem.
上記の問題を解決する方法として、これまではCuパッド上にNiメタライズを施す方法が採用されていた。はんだとの反応の速度の遅いNiを表面に施すことにより、はんだとCuパッドとの反応を抑制することが目的である。ところが、(1)高耐熱化の要求からNiメタライズも従来用いられているような2〜3μm程度の厚さでは対応できなくなっていること、(2)基板の他、全ての部品に対してNiメタライズを施すことがコスト的に難しいこと、等から、量産に好適なメタライズ形成プロセスやコストを実現することが困難である。特開2009-76611では、Niメタライズに対してSn-Cuはんだを接続することにより、接続界面にCu-Sn系化合物を形成させることにより反応を抑制する方法を提案している。この方法も、Niメタライズが前提であるため、前述した理由により解決策としては不適当と考える。 As a method for solving the above problem, a method of applying Ni metallization on a Cu pad has been adopted so far. The purpose is to suppress the reaction between the solder and the Cu pad by applying Ni, which has a slow reaction rate with the solder, to the surface. However, (1) Ni metallization cannot be handled with a thickness of about 2 to 3 μm, which is conventionally used due to the demand for high heat resistance. Since it is difficult to perform metallization, it is difficult to realize a metallization forming process and cost suitable for mass production. Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2009-76611 proposes a method of suppressing reaction by forming a Cu—Sn compound at the connection interface by connecting Sn—Cu solder to Ni metallization. This method is also premised on Ni metallization, so it is considered inappropriate as a solution for the reasons described above.
本発明の課題は、Cuメタライズに対しPbフリーかつ耐熱性のあるはんだの接続部を得ることである。 An object of the present invention is to obtain a soldered connection portion that is Pb-free and heat resistant to Cu metallization.
Cuメタライズに対し、Snを主体とし、Cu及びNiを含むはんだを用いて接続することにより、はんだとCuメタライズとの反応を抑制し、接続界面の強度低下のない接続部を得ることができる。本発明のはんだをCuメタライズに対し接続した場合の接続界面の模式図を図４に示す。図４において、接続界面では、Cuメタライズ上に緻密な化合物が形成され、この化合物によりはんだとCuメタライズとの反応を抑制する。また、化合物の形成状態に関しても、Cu3Sn化合物の成長を抑制し接続界面の強度低下を防止している。図４における化合物８は、基板の電極のCuメタライズの側には、Cu3Snが形成され、はんだの側には、Cu6Sn5が形成されている。
By connecting to the Cu metallized using a solder containing Sn as a main component and containing Cu and Ni, it is possible to suppress the reaction between the solder and the Cu metallized and to obtain a connection part with no reduction in the strength of the connection interface. FIG. 4 shows a schematic diagram of a connection interface when the solder of the present invention is connected to Cu metallization. In FIG. 4, a dense compound is formed on the Cu metallization at the connection interface, and this compound suppresses the reaction between the solder and the Cu metallization. Further, regarding the formation state of the compound, the growth of the Cu 3 Sn compound is suppressed to prevent the strength of the connection interface from being lowered. In
Cuメタライズに対し、Sn4Cu（母材Sn中にCuが４ｗｔ％含まれている）はんだ、Sn1Ni（母材Sn中にNiが１ｗｔ％含まれている）はんだ、Sn2Cu1.5Ni（母材Sn中にCuが２ｗｔ％、Niが１．５ｗｔ％含まれている）はんだを接続した時の接続界面の断面SEM写真をトレースしたものを図５に示す。Sn4Cuはんだの場合、接続界面には厚さ10μm程度の大きな化合物が形成されている。また、Cuメタライズ表面に隙間なく緻密に化合物が形成されており、Cuメタライズの消費も抑制されている。ところが、Cuパッド側にCu3Sn、はんだ側にCu6Sn5の２層に形成されているCu-Sn化合物のうち、Cu3Snが約1μmと厚く形成されている。Cu3Snがこの程度まで厚く形成される場合には接続界面の強度が低下することが分かっている。Sn-Cuはんだでは、厚い化合物が形成されるものの、Cu3Snが厚く成長するため接続界面の信頼性が低下する。 For Cu metallization, Sn4Cu (base material Sn contains 4 wt% Cu) solder, Sn1Ni (base material Sn contains 1 wt% Ni) solder, Sn2Cu1.5Ni (base material Sn) FIG. 5 shows a trace of a cross-sectional SEM photograph of the connection interface when the solder is connected (containing 2 wt% Cu and 1.5 wt% Ni). In the case of Sn4Cu solder, a large compound having a thickness of about 10 μm is formed at the connection interface. In addition, the compound is densely formed on the surface of the Cu metallization without gaps, and consumption of the Cu metallization is also suppressed. However, of the Cu—Sn compounds formed in two layers of Cu 3 Sn on the Cu pad side and Cu 6 Sn 5 on the solder side, Cu 3 Sn is formed as thick as about 1 μm. It has been found that when Cu 3 Sn is formed as thick as this, the strength of the connection interface decreases. Although Sn-Cu solder forms a thick compound, Cu 3 Sn grows thick, so the reliability of the connection interface decreases.
Sn1Niはんだの場合では、Sn4Cuはんだの場合以上に化合物が多く形成されている。ところが、その個々の化合物は小さく、緻密に形成されていない。Cuメタライズが反応して消費されている量も多く、反応を抑制する効果は無い。 In the case of Sn1Ni solder, more compounds are formed than in the case of Sn4Cu solder. However, the individual compounds are small and are not densely formed. The amount of Cu metallization that is consumed by reaction is large, and there is no effect to suppress the reaction.
一方Sn2Cu1.5Niはんだの場合、形成されている化合物は緻密であり10μm程度の厚さもあってCuメタライズの消費も抑制されている。また、形成されている２層の化合物のうち(Cu,Ni)3Snの割合も小さく、接続界面強度の低下も無い。なお、(Cu,Ni)3Snは、Cu3SnにおけるCuの一部がNiで置き換わったものである。よって、Snを主体とし、Cu及びNiを含むはんだを用いることにより、はんだとCuメタライズとの反応を抑制し、かつ接続界面の強度低下の無いはんだ接続部を得ることができる。 On the other hand, in the case of Sn2Cu1.5Ni solder, the formed compound is dense and has a thickness of about 10 μm, which suppresses consumption of Cu metallization. Further, the ratio of (Cu, Ni) 3 Sn in the two-layered compound formed is small, and the connection interface strength is not lowered. Note that (Cu, Ni) 3 Sn is obtained by replacing part of Cu in Cu 3 Sn with Ni. Therefore, by using a solder mainly composed of Sn and containing Cu and Ni, it is possible to obtain a solder connection portion that suppresses the reaction between the solder and the Cu metallization and does not cause a decrease in strength of the connection interface.
Cuメタライズに対し、Snを主体とし、Cu及びNiを含むはんだを用いることにより、はんだとCuメタライズとの反応を抑制し、かつ接続界面の強度低下の無いはんだ接続部を得ることができる。これにより、Pbフリーかつ耐熱性のある接続部を得ることができるため、パワーモジュールの高耐熱化を実現できる。 By using a solder mainly composed of Sn and containing Cu and Ni for Cu metallization, it is possible to obtain a solder connection part that suppresses the reaction between the solder and Cu metallization and does not cause a decrease in strength of the connection interface. As a result, a Pb-free and heat-resistant connection can be obtained, so that the heat resistance of the power module can be increased.
本発明を実施するための最良の形態について説明する。Cuメタライズに対し、Pbフリーかつ耐熱性のある接続部を得ることのできるはんだとして、Snを主体とし、Cu及びNiを含むはんだを提案しているが、このはんだ中に含まれる元素の組成に依存して、接続プロセスの難易度や接続信頼性の良否が変化するため、プロセスや信頼性に対して好適な組成を明確にすることが重要である。 The best mode for carrying out the present invention will be described. For Cu metallization, as a solder that can obtain a Pb-free and heat-resistant connection, we have proposed a solder containing mainly Sn and Cu and Ni, but the composition of the elements contained in this solder Therefore, since the difficulty of the connection process and the quality of the connection reliability change, it is important to clarify a suitable composition for the process and reliability.
前述のように、Sn中にCuを添加することによりCuメタライズの消費を抑制することができる。はんだ中へのCuメタライズの急速溶解を防止するためにもCu濃度はSn-Cuの共晶組成以上必要である。よって0.7wt%をCu濃度の下限とする。この範囲であれば、メタライズ中のCuが半田中に溶け込みにくいといえる。 As described above, the consumption of Cu metallization can be suppressed by adding Cu to Sn. In order to prevent rapid dissolution of Cu metallization in the solder, the Cu concentration must be higher than the eutectic composition of Sn-Cu. Therefore, 0.7wt% is the lower limit of the Cu concentration. If it is this range, it can be said that Cu in metallization hardly dissolves in solder.
一方、Cuのみでは接続界面に形成されるCu3Sn化合物の成長を抑制することができない。よってNi添加が必要である。Ni添加はCu3Sn化合物の成長抑制に重要な元素であり、また、このNiの供給源ははんだのみであるため、はんだ中に多く含まれることが望ましい。実施例２を参考に、1.5wt％をNi濃度の下限とする。 On the other hand, Cu alone cannot suppress the growth of the Cu 3 Sn compound formed at the connection interface. Therefore, Ni addition is necessary. Ni addition is an important element for suppressing the growth of the Cu 3 Sn compound, and since the source of this Ni is only solder, it is desirable that it be contained in a large amount in the solder. With reference to Example 2, 1.5 wt% is set as the lower limit of the Ni concentration.
次に、Cu濃度及びNi濃度の上限値について説明する。高濃度のCuやNiははんだの液相線温度の上昇を伴い、はんだ中の固相成分が増加する。固相成分が増加した場合には、はんだの濡れ性低下に伴うボイドの形成等不具合発生の要因となる。ただし、固相成分全体の量は、はんだ接続時の加熱温度に依存する。はんだ接続時の加熱温度の上限は350℃程度であるが、この温度での固相成分の割合を約20wt%以下に抑える必要がある。これは経験的にボイド等の不具合発生を少なくできる割合である。 Next, the upper limit values of the Cu concentration and the Ni concentration will be described. High concentrations of Cu and Ni increase the liquidus temperature of the solder and increase the solid phase component in the solder. When the solid phase component increases, it becomes a cause of troubles such as void formation due to a decrease in wettability of the solder. However, the total amount of the solid phase component depends on the heating temperature at the time of solder connection. The upper limit of the heating temperature at the time of soldering is about 350 ° C., but the ratio of the solid phase component at this temperature needs to be suppressed to about 20 wt% or less. This is a ratio that can empirically reduce the occurrence of defects such as voids.
Sn-Cu二元系状態図からCuが15wt%、Sn-Ni二元系状態図からNiが6wt%の場合に固相成分の割合が20wt%となる。よって、Sn-Cu-Niはんだの場合には15wt%と6wt%のちょうど中間の10.5wt%近傍が固相成分20wt%となる組成であると推定できる。よって、Cu濃度＋Ni濃度＜10.5wt%程度となる組成を選択する必要がある。よって、Cu濃度が最低の0.7wt%の場合、Ni濃度は9.8wt%程度が上限値となる。 When Cu is 15 wt% from the Sn-Cu binary phase diagram and Ni is 6 wt% from the Sn-Ni binary phase diagram, the proportion of the solid phase component is 20 wt%. Therefore, in the case of Sn—Cu—Ni solder, it can be estimated that the composition in which the vicinity of 10.5 wt%, which is intermediate between 15 wt% and 6 wt%, is 20 wt% of the solid phase component. Therefore, it is necessary to select a composition that provides a Cu concentration + Ni concentration <10.5 wt%. Therefore, when the Cu concentration is the lowest 0.7 wt%, the upper limit of the Ni concentration is about 9.8 wt%.
なお実用的には、ボイド等の不具合発生を少なくするために固相成分の量が少ない方が良い。Niに関しては、Cu3Snの成長を抑制するために多い方が良いが、Cuに関しては低減が可能である。また実施例２より、Cu濃度が高いほどCu3Snの成長速度が速くなることも分かっている。従って、(1)Sn-Cu二元系状態図から、はんだ接続時の加熱温度の上限である350℃にて完全に溶融する組成であること、(2)はんだ接続後の界面強度が低下しないこと、を満足する2.5wt%程度がCuの実質的な上限値である。
特許番号WO99/48639では、Cu:0.1〜2wt%、Ni:0.002〜1wt%、残部SnであるSn-Cu-Niはんだを提案している。これは、上記組成によりはんだのき裂進展速度を低下、信頼性を向上させることを目的としているはんだ組成である。本発明にて課題としている耐熱性のある接続界面を得るためにはNi濃度が低い。
In practice, it is better that the amount of the solid phase component is small in order to reduce the occurrence of defects such as voids. For Ni, it is better to suppress the growth of Cu 3 Sn, but it is possible to reduce Cu. In addition, Example 2 also shows that the higher the Cu concentration, the faster the growth rate of Cu 3 Sn. Therefore, (1) From the Sn-Cu binary phase diagram, it is a composition that completely melts at 350 ° C, the upper limit of the heating temperature during solder connection, and (2) the interface strength after solder connection does not decrease Therefore, about 2.5 wt% satisfying the above is the practical upper limit of Cu.
Patent No. WO99 / 48639 proposes a Sn—Cu—Ni solder that is Cu: 0.1-2 wt%, Ni: 0.002-1 wt%, and the balance Sn. This is a solder composition intended to reduce the crack growth rate of the solder and improve the reliability by the above composition. In order to obtain a heat-resistant connection interface which is a problem in the present invention, the Ni concentration is low.
一方、米国特許第4758407号は、Sn:92.5〜96.9%、Cu：3〜5%、Ni:0.1〜2%、及びAg:0〜5%からなるろう組成物を提案している。しかしこの構成では、Cu濃度が高いため、接続界面にCu3Snが成長しやすく界面強度が低下する。 U.S. Pat. No. 4,758,407, on the other hand, proposes a brazing composition comprising Sn: 92.5-96.9%, Cu: 3-5%, Ni: 0.1-2%, and Ag: 0-5%. However, in this configuration, since the Cu concentration is high, Cu 3 Sn tends to grow on the connection interface, and the interface strength is reduced.
また、特開平10-193172では、Sn:91.5〜96.5wt%、Ag:2〜5wt%、Ni:0.1〜3wt%、およびCu:0〜2.9wt%を含む電気ろう組成物を提案している。これは、はんだ中にAgを含有させることによるはんだの低融点化を目的としている。ところがこの組成のはんだに関しては、はんだ中のAg濃度が高い場合、特にSn-Ag共晶組成である3.5wt%を超える場合、はんだ中にAg3Snが多量に存在することによりはんだが硬くなる。はんだ接続部は熱ストレスに対する応力緩衝の役割を担っており、線膨張係数差の大きいCu配線上へのベアチップ接続の場合には、ベアチップへのダメージが懸念される。また、このAg3Snが大きく成長し、隣接するはんだ接続と短絡するという不具合を発生する場合もある。このように、Ag濃度は低いほうが良い、あるいはAgは存在しない方が良いといえる。 Japanese Patent Laid-Open No. 10-193172 proposes an electro brazing composition containing Sn: 91.5-96.5 wt%, Ag: 2-5 wt%, Ni: 0.1-3 wt%, and Cu: 0-2.9 wt%. . This is intended to lower the melting point of the solder by containing Ag in the solder. However, with regard to the solder having this composition, when the Ag concentration in the solder is high, particularly when the Sn-Ag eutectic composition exceeds 3.5 wt%, the solder becomes hard due to the presence of a large amount of Ag 3 Sn in the solder. . The solder connection part plays a role of stress buffer against thermal stress, and in the case of bare chip connection on a Cu wiring having a large difference in linear expansion coefficient, there is a concern about damage to the bare chip. In addition, there is a case where the Ag 3 Sn grows large and causes a short circuit with an adjacent solder connection. Thus, it can be said that the lower the Ag concentration, the better, or the absence of Ag.
しかし、車載モジュールでは、Agメタライズを有しているリードフレームやAg電極のあるセラミック基板を用いる場合がある。このような場合、半田接続したときに、AgメタライズのAgがはんだ中に拡散し、半田中の濃度を高くする。はんだ中にAgが存在していても、濃度が低ければ、Ag3Snは1μm以下の微粒子としてはんだ中に存在するため、接続界面への影響は無い。実験によれば、半田中のAgの濃度は、Ag濃度が2wt%未満、より好ましくはAg濃度が1.5wt%以下であれば、はんだ接続後においても、はんだ中におけるAgによる界面への影響を抑えることが出来る。 However, in-vehicle modules may use a lead frame having Ag metallization or a ceramic substrate with Ag electrodes. In such a case, when the solder connection is made, Ag of the Ag metallized diffuses into the solder, increasing the concentration in the solder. Even if Ag is present in the solder, if the concentration is low, Ag 3 Sn is present in the solder as fine particles having a size of 1 μm or less, so there is no influence on the connection interface. According to the experiment, the Ag concentration in the solder is less than 2 wt%, more preferably, if the Ag concentration is 1.5 wt% or less, the influence of Ag in the solder on the interface will be affected even after soldering. It can be suppressed.
以上より、基板の電極と、リード端子あるいは半導体部品とを接続するはんだ中にAgを含む場合であっても、はんだ成分をCu：0.7〜2.5wt%、Ni：1.5〜9.8wt%、Ag：2wt%未満、残部Snであるようにする、また、より好ましくはCu：0.7〜2.5wt%、Ni：1.5〜9.8wt%、Ag：1.5wt%以下、残部Snであるようにすることより、Pbフリーかつ耐熱性のある接続部を得ることができ、パワーモジュールの高耐熱化を実現できる。 As mentioned above, even if it is a case where Ag is contained in the solder which connects the electrode of a board | substrate and a lead terminal or a semiconductor component, Cu: 0.7-2.5 wt%, Ni: 1.5-9.8 wt%, Ag: By making it less than 2 wt% and the remaining Sn, more preferably, Cu: 0.7 to 2.5 wt%, Ni: 1.5 to 9.8 wt%, Ag: 1.5 wt% or less, and the remainder Sn. A Pb-free and heat-resistant connection can be obtained, and the heat resistance of the power module can be increased.
以下の実験により、はんだリフロー時のCuメタライズの消費量を定量化した。プリント基板のCuパッド上にSn4Cuはんだ、Sn1Niはんだ、Sn2Cu1.5Niはんだを接続し、断面観察によりCuメタライズの消費量を測定した。基板サイズ、リフローの加熱条件、はんだ供給量を図６に示す。リフローはフラックスを使用し、ホットプレート上大気中で行った。なお、フラックスははんだ表面の酸化膜を除去する役割を有する。はんだ接続後のサンプルに対しSEMにより断面観察を行った。Cuパッドの残存している部分の厚さを測定し、初期膜厚から残存部分の厚さを引くことによりCuメタライズの消費量を測定した。 The consumption of Cu metallization during solder reflow was quantified by the following experiment. Sn4Cu solder, Sn1Ni solder, Sn2Cu1.5Ni solder was connected on the Cu pad of the printed circuit board, and the consumption of Cu metallization was measured by cross-sectional observation. The substrate size, reflow heating conditions, and solder supply amount are shown in FIG. Reflow was performed in the air on a hot plate using flux. The flux has a role of removing the oxide film on the solder surface. The cross section of the sample after solder connection was observed by SEM. The thickness of the remaining part of the Cu pad was measured, and the consumption of Cu metallization was measured by subtracting the thickness of the remaining part from the initial film thickness.
測定結果を図７に示す。図７より、Sn1Niはんだの場合7μm以上Cuメタライズが消費しているのに対し、Sn4Cuはんだ、Sn2Cu1.5Niはんだの場合は2μm以下であり、Cuメタライズの消費が抑制されていた。よって、Sn-Cuはんだ、Sn-Cu-NiはんだによりCuメタライズの消費を抑制できることが分かった。 The measurement results are shown in FIG. As shown in FIG. 7, Cu metallization was consumed by 7 μm or more in the case of Sn1Ni solder, whereas it was 2 μm or less in the case of Sn4Cu solder and Sn2Cu1.5Ni solder, and consumption of Cu metallization was suppressed. Therefore, it was found that the consumption of Cu metallization can be suppressed by Sn—Cu solder and Sn—Cu—Ni solder.
以下の実験により、はんだ接続部の界面強度を検討した。プリント基板のCuパッド上にSn4Cuはんだ、Sn2.5Cu1.5Niはんだ、Sn4Cu1.5Niはんだ、Sn2.5Cu0.1Niはんだを接続し、それぞれはんだバンプを形成させた。基板サイズ、リフローの加熱条件、はんだ供給量を図８に示す。リフローはフラックスを使用し、ホットプレート上大気中で行った。はんだ接続後のサンプルをステージに固定し、水平方向にせん断することによって接続界面の強度を検討した。界面強度低下の有無はその破壊モードにより判断し、接続界面破壊の多いものを界面強度が低下していると見なした。 The following experiment examined the interface strength of the solder joint. Sn4Cu solder, Sn2.5Cu1.5Ni solder, Sn4Cu1.5Ni solder, and Sn2.5Cu0.1Ni solder were connected to the Cu pad of the printed circuit board, and solder bumps were formed respectively. FIG. 8 shows the substrate size, reflow heating conditions, and solder supply amount. Reflow was performed in the air on a hot plate using flux. The strength of the connection interface was examined by fixing the soldered sample to the stage and shearing in the horizontal direction. The presence / absence of a decrease in interface strength was judged by its failure mode, and those having a large interface failure were regarded as having decreased interface strength.
せん断試験結果を図９に示す。Sn2.5Cu1.5Niはんだでは界面破壊が発生しなかった。ところが、Sn4CuはんだやSn4Cu1.5Niはんだの場合界面破壊が多く発生した。Sn2.5Cu0.1Niはんだに関しては、界面破壊は発生するものの、Sn4CuはんだやSn4Cu1.5Niはんだの場合に比べて界面破壊の発生する割合が少なかった。 The shear test results are shown in FIG. Interfacial fracture did not occur with Sn2.5Cu1.5Ni solder. However, in the case of Sn4Cu solder and Sn4Cu1.5Ni solder, many interface failures occurred. For Sn2.5Cu0.1Ni solder, although interface fracture occurred, the rate of occurrence of interface fracture was small compared to Sn4Cu solder and Sn4Cu1.5Ni solder.
はんだ接続後の各サンプルに対し、SEMにより断面観察を行い、Cu3Snあるいは(Cu,Ni)3Snの厚さを測定した結果を図10に示す。Sn4CuはんだやSn4Cu1.5Niはんだの場合に比べて、Sn2.5Cu1.5Niはんだの場合(Cu,Ni)3Snが薄かった。また、Sn2.5Cu0.1Niはんだに関しては、Sn2.5Cu1.5Niに比べて(Cu,Ni)3Snは厚かったが、Sn4CuはんだやSn4Cu1.5Niはんだの場合よりも薄かった。以上より、Sn-Cu-NiはんだによりCu3Snまたは(Cu,Ni)3Snの成長を抑制できることが分かった。ただし、Ni濃度の低いSn-Cu-Niはんだの場合には、界面強度低下を防止するために十分なCu3Snの成長抑制を達成できないことが分かった。 FIG. 10 shows the results of cross-sectional observation of each sample after solder connection by SEM and measurement of the thickness of Cu 3 Sn or (Cu, Ni) 3 Sn. The Sn2.5Cu1.5Ni solder (Cu, Ni) 3 Sn was thinner than the Sn4Cu solder and Sn4Cu1.5Ni solder. As for Sn2.5Cu0.1Ni solder, (Cu, Ni) 3 Sn was thicker than Sn2.5Cu1.5Ni, but thinner than Sn4Cu solder and Sn4Cu1.5Ni solder. From the above, it was found that the growth of Cu 3 Sn or (Cu, Ni) 3 Sn can be suppressed by Sn—Cu—Ni solder. However, in the case of Sn—Cu—Ni solder having a low Ni concentration, it has been found that sufficient Cu 3 Sn growth suppression cannot be achieved to prevent a decrease in interface strength.
以上の例では、基板に形成された電極とはんだの間の界面、あるいは、リード端子または半導体部品の端子とはんだの間の界面のみについて説明したが、基板に形成された電極、あるいは、リード端子または半導体部品の端子のいずれもがCu端子を有する場合は、そのいずれにも適用することが出来る。 In the above example, only the interface between the electrode formed on the substrate and the solder, or the interface between the lead terminal or the terminal of the semiconductor component and the solder has been described, but the electrode formed on the substrate or the lead terminal Alternatively, when any of the terminals of the semiconductor component has a Cu terminal, it can be applied to any of them.
以上は、前記基板に形成された電極、あるいは、リード端子または半導体部品の端子の少なくとも表面にCuが形成された場合あり、前記電極、または、前記端子の内部がCu以外で形成されている場合にも本発明を適用することが出来る。 The above is the case where Cu is formed on at least the surface of the electrode formed on the substrate or the lead terminal or the terminal of the semiconductor component, and the inside of the electrode or the terminal is formed of other than Cu The present invention can also be applied to.
なお、今回検討したモジュールは車載用途であるが、本発明はこの他、高耐熱化の要求されるPbフリーはんだの接続部を有する全てモジュールに対し有効である。 The module examined this time is for in-vehicle use, but the present invention is also effective for all modules having a Pb-free solder connection portion that requires high heat resistance.
1・・・金属ベース基板
2・・・配線
3・・・絶縁樹脂
4・・・ベース金属
5・・・チップ部品
6・・・リード端子
7・・・はんだ
8・・・化合物
9・・・Cuメタライズ
50・・・発熱部品。
1 ... Metal base substrate
2 ... Wiring
3 ... Insulating resin
4 ... Base metal
5 ... Chip parts
6 ... Lead terminal
7 ... Solder
8 ... Compound
9 ... Cu metallization
50 ... Heat generating parts.
Claims (11)
前記接続部においては、前記電極と前記はんだとの間の第１の界面には、第１の合金が形成され、前記端子と前記はんだとの間に第２の界面には第２の合金が形成され、前記第１の合金と前記第２の合金との間にはんだ領域が存在し、
前記半田領域は、Cu:0.7〜2.5wt%、Ni:1.5〜9.8wt%、残部Snであるはんだであることを特徴とするパワーモジュール。 A power module having a connection part in which electrodes formed on a substrate and terminals of an electronic component are connected by solder,
In the connection portion, a first alloy is formed at a first interface between the electrode and the solder, and a second alloy is formed at a second interface between the terminal and the solder. Formed and there is a solder area between the first alloy and the second alloy;
The power module, wherein the solder region is a solder of Cu: 0.7 to 2.5 wt%, Ni: 1.5 to 9.8 wt%, and remaining Sn.
前記接続部においては、前記電極と前記はんだとの間の第１の界面には、第１の合金が形成され、前記端子と前記はんだとの間に第２の界面には第２の合金が形成され、前記第１の合金と前記第２の合金との間にはんだ領域が存在し、
前記半田領域は、Cu:0.7〜2.5wt%、Ni:1.5〜9.8wt%であって、Agを2wt%未満含み、残部Snであるはんだであることを特徴とするパワーモジュール。 A power module having a connection part in which electrodes formed on a substrate and terminals of an electronic component are connected by solder,
In the connection portion, a first alloy is formed at a first interface between the electrode and the solder, and a second alloy is formed at a second interface between the terminal and the solder. Formed and there is a solder area between the first alloy and the second alloy;
The power module is characterized in that the solder region is Cu: 0.7 to 2.5 wt%, Ni: 1.5 to 9.8 wt%, containing less than 2 wt% of Ag and remaining Sn as a solder.
前記電極あるは前記電子部品の端子の少なくとも一方の表面をCuで形成し
前記電極と前記端子とをCu:0.7〜2.5wt%、Ni:1.5〜9.8wt%、残部Snであるはんだを用いて接続することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。 A method for producing a power module having a connection part in which electrodes formed on a substrate and terminals of an electronic component are connected by solder,
The electrode or at least one surface of the terminal of the electronic component is made of Cu, and the electrode and the terminal are made of solder with Cu: 0.7 to 2.5 wt%, Ni: 1.5 to 9.8 wt%, and the balance Sn. A method of manufacturing a power module, characterized by being connected.
前記電極あるは前記電子部品の端子の少なくとも一方の表面をAgで形成し
前記電極と前記端子とをCu:0.7〜2.5wt%、Ni:1.5〜9.8wt%、残部Snであるはんだを用いて接続することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。 A method for producing a power module having a connection part in which electrodes formed on a substrate and terminals of an electronic component are connected by solder,
At least one surface of the electrode or the terminal of the electronic component is made of Ag, and the electrode and the terminal are made of solder with Cu: 0.7 to 2.5 wt%, Ni: 1.5 to 9.8 wt%, and the balance Sn. A method of manufacturing a power module, characterized by being connected.
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Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013206920A (en) * | 2012-03-27 | 2013-10-07 | Toyota Central R&D Labs Inc | Module including circuit element |
| JP2014036966A (en) * | 2012-08-11 | 2014-02-27 | Senju Metal Ind Co Ltd | Solder for electric power |
| WO2014103955A1 (en) * | 2012-12-25 | 2014-07-03 | 三菱マテリアル株式会社 | Power module |
| WO2014103934A1 (en) * | 2012-12-25 | 2014-07-03 | 三菱マテリアル株式会社 | Power module |
| JP2015103540A (en) * | 2013-11-21 | 2015-06-04 | 日本インター株式会社 | Power semiconductor module |
| KR20150135275A (en) * | 2013-03-29 | 2015-12-02 | 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤 | Power module |
| CN108538555A (en) * | 2017-03-02 | 2018-09-14 | 三星电机株式会社 | Electronic building brick |
| JP2019080038A (en) * | 2017-10-25 | 2019-05-23 | サムソン エレクトロ−メカニックス カンパニーリミテッド． | Inductor |
-
2010
- 2010-01-14 JP JP2010005871A patent/JP2011143442A/en active Pending
Cited By (22)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013206920A (en) * | 2012-03-27 | 2013-10-07 | Toyota Central R&D Labs Inc | Module including circuit element |
| JP2014036966A (en) * | 2012-08-11 | 2014-02-27 | Senju Metal Ind Co Ltd | Solder for electric power |
| US9426915B2 (en) | 2012-12-25 | 2016-08-23 | Mitsubishi Materials Corporation | Power module |
| WO2014103955A1 (en) * | 2012-12-25 | 2014-07-03 | 三菱マテリアル株式会社 | Power module |
| WO2014103934A1 (en) * | 2012-12-25 | 2014-07-03 | 三菱マテリアル株式会社 | Power module |
| JP2014143406A (en) * | 2012-12-25 | 2014-08-07 | Mitsubishi Materials Corp | Power module |
| JP2014143407A (en) * | 2012-12-25 | 2014-08-07 | Mitsubishi Materials Corp | Power module |
| US9642275B2 (en) | 2012-12-25 | 2017-05-02 | Mitsubishi Materials Corporation | Power module |
| KR102154373B1 (en) * | 2013-03-29 | 2020-09-09 | 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤 | Power module |
| KR20150135275A (en) * | 2013-03-29 | 2015-12-02 | 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤 | Power module |
| JP2015103540A (en) * | 2013-11-21 | 2015-06-04 | 日本インター株式会社 | Power semiconductor module |
| US11183325B2 (en) | 2017-03-02 | 2021-11-23 | Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. | Electronic component |
| CN108538555A (en) * | 2017-03-02 | 2018-09-14 | 三星电机株式会社 | Electronic building brick |
| JP2018148199A (en) * | 2017-03-02 | 2018-09-20 | サムソン エレクトロ−メカニックス カンパニーリミテッド． | Electronic component |
| JP2019091927A (en) * | 2017-03-02 | 2019-06-13 | サムソン エレクトロ−メカニックス カンパニーリミテッド． | Electronic component |
| US11817251B2 (en) | 2017-03-02 | 2023-11-14 | Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. | Electronic component |
| CN108538555B (en) * | 2017-03-02 | 2021-02-05 | 三星电机株式会社 | Electronic assembly |
| JP2019080038A (en) * | 2017-10-25 | 2019-05-23 | サムソン エレクトロ−メカニックス カンパニーリミテッド． | Inductor |
| JP2022000932A (en) * | 2017-10-25 | 2022-01-04 | サムソン エレクトロ−メカニックス カンパニーリミテッド． | Inductor |
| CN114005654A (en) * | 2017-10-25 | 2022-02-01 | 三星电机株式会社 | Inductor |
| US11342110B2 (en) | 2017-10-25 | 2022-05-24 | Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd. | Inductor |
| JP2020047931A (en) * | 2017-10-25 | 2020-03-26 | サムソン エレクトロ−メカニックス カンパニーリミテッド． | Inductor |
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