JP2011251332A - HIGH-TEMPERATURE Pb-FREE SOLDER PASTE USING Al POWDER - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、パワー半導体素子のダイボンディング等に用いられる高温Ｐｂフリーはんだペーストに関する。 The present invention relates to a high-temperature Pb-free solder paste used for die bonding of a power semiconductor element.
パワートランジスタ等のパワー半導体素子のダイボンディングや各種電子部品の組立て等において、Ｐｂ−５質量％Ｓｎに代表される高温はんだが用いられている。これらの用途のはんだには、被接合材に対する濡れ性等の通常のはんだ材に要求される特性に加えて、１）３８０℃程度以下の温度ではんだ付けが可能なこと、２）はんだ付けした部品をプリント基板へ実装する際にはんだが再溶融しないこと、即ち２４０℃程度の温度で再溶融しないこと、３）はんだ接合部の信頼性が確保できること、即ち比較的高温の使用環境下において接合部の劣化が発生しないこと等の性能が要求される。 High-temperature solder typified by Pb-5 mass% Sn is used in die bonding of power semiconductor elements such as power transistors and assembly of various electronic components. In addition to the properties required for ordinary solder materials such as wettability to the material to be joined, the solder for these applications must be capable of being soldered at a temperature of about 380 ° C. or lower, and 2) soldered Solder does not remelt when mounting components on a printed circuit board, that is, does not remelt at a temperature of about 240 ° C. 3) Reliability of solder joints can be ensured, that is, bonding in a relatively high temperature environment Performance such as no deterioration of parts is required.
ところで、近年は環境汚染防止への配慮から、はんだ材料へのＰｂの使用を規制する動きが益々活発化している。例えば、プリント基板への実装に用いられるＳｎ−４０質量％Ｐｂはんだに対しては、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだに代表されるいわゆるＰｂフリーはんだが開発され、既に代替が進みつつある。一方、先に述べた高温はんだの領域においては、全ての条件を満足するような好適な材料が見出せておらず、Ｐｂ系はんだからＰｂフリーはんだへの代替がほとんど進んでいないのが現状である。 By the way, in recent years, a movement to regulate the use of Pb as a solder material has been increasingly activated in consideration of prevention of environmental pollution. For example, with respect to Sn-40 mass% Pb solder used for mounting on a printed circuit board, so-called Pb-free solder represented by Sn-Ag-Cu solder has been developed, and substitution is already in progress. On the other hand, in the region of high-temperature solder described above, no suitable material that satisfies all the conditions has been found, and the current situation is that there has been little progress in replacing Pb-based solder with Pb-free solder. .
高温Ｐｂフリーはんだの候補としては、特許文献１などにおいて、Ｚｎ合金を用いることが提案されている。しかしながら、Ｚｎ合金はんだを用いた場合、はんだで接合されたチップがはんだ付け後に割れたり剥れたりしてしまうことがある。例えば非特許文献１には、Ｚｎ−Ａｌ系Ｐｂフリーはんだのダイアタッチ時のチップ割れ現象について報告されている。
As candidates for high-temperature Pb-free solder, use of a Zn alloy is proposed in
このチップ割れの原因は、基板材料であるＣｕとチップ材料であるＳｉとの熱膨張係数の差が５倍以上あることによる。即ち、ダイアタッチ後の冷却において、この熱膨張係数の差で応力が発生し、Ｐｂ−５質量％Ｓｎの場合は塑性変形して応力緩和されるが、Ｚｎ−Ａｌ系はんだは硬いため応力緩和されないことに起因する。 The cause of this chip cracking is that the difference in thermal expansion coefficient between the substrate material Cu and the chip material Si is 5 times or more. That is, in the cooling after die attach, stress is generated due to the difference in the thermal expansion coefficient, and in the case of Pb-5 mass% Sn, the stress is relieved by plastic deformation, but the stress is relieved because the Zn-Al solder is hard. Due to not being.
かかるチップ割れや剥れの対策としては、チップ厚さを薄くすることが示されている。しかし、実際にはチップを薄くするには限界があり、この対策で全てのケースが解決できるとは考えにくい。特許文献１や特許文献２にも同じようにＺｎ−Ａｌ系はんだの各種組成について記載されているが、基本的には上記と同じようにチップ割れの問題が起き得ることが推測される。
As a countermeasure against such chip cracking and peeling, it has been shown that the chip thickness is reduced. However, in reality, there is a limit to making the chip thinner, and it is unlikely that this measure can solve all cases.
本発明者等は、Ｚｎ−Ａｌ系合金において生じる上記チップ割れ等の問題は、ＣｕとＳｉの熱膨張係数の差に加え、凝固時の収縮率（＋は収縮、−は膨張を示す）が、Ｚｎの場合は＋４.９％〜＋６.９％、Ａｌの場合は＋６.４％〜＋６.８％であることにも起因していると考えている。更に、Ｚｎ−Ａｌ状態図における２８０℃付近の相の変態も原因の一つと考えている。 The present inventors have found that the above-mentioned problems such as chip cracking that occur in a Zn-Al-based alloy are caused by the difference in thermal expansion coefficient between Cu and Si, as well as the shrinkage rate during solidification (+ indicates contraction,-indicates expansion). In the case of Zn, + 4.9% to + 6.9%, and in the case of Al, it is considered to be caused by + 6.4% to + 6.8%. Furthermore, the phase transformation around 280 ° C. in the Zn—Al phase diagram is considered as one of the causes.
即ち、ダイアタッチ後の冷却時に、はんだが固化するときの収縮に加えて２８０℃付近で相の変態が起こるため、これらにより体積変化が生起し、これが高い残留応力を発生すると考えられる。以上述べたように、Ｚｎ−Ａｌ系合金において、特にＺｎが７０質量％を越えるような領域では、このチップ割れや剥れの問題はチップ厚みの調整だけでは解決困難な場合も多いと考えられる。 That is, during the cooling after die attachment, in addition to the shrinkage when the solder solidifies, phase transformation occurs near 280 ° C., which causes a volume change, which is considered to generate a high residual stress. As described above, in a Zn—Al-based alloy, especially in a region where Zn exceeds 70 mass%, it is considered that the problem of chip cracking or peeling is often difficult to solve only by adjusting the chip thickness. .
本発明の目的はかかる問題点に鑑み、パワー半導体素子のダイボンディング用として特に好適な、優れた応力緩和性により高い接合信頼性を確保できる高温Ｐｂフリーはんだペーストを提供することにある。なお、本発明のはんだペーストを用いた場合のチップと基板の接合温度は４５０℃以下である。 In view of such problems, an object of the present invention is to provide a high-temperature Pb-free solder paste that is particularly suitable for die bonding of power semiconductor elements and can ensure high bonding reliability by excellent stress relaxation properties. When the solder paste of the present invention is used, the bonding temperature between the chip and the substrate is 450 ° C. or lower.
上記の目的を達成するために、本発明の第１の高温Ｐｂフリーはんだペーストは、平均粒径１μｍ以上１００μｍ以下のＡｌ粉に対して被覆処理を施さないか、あるいはその少なくとも一部に対してＡｕ、Ａｇ、Ｎｉ、及びＣｕからなる群の１種以上を用いて厚み１μｍ以下の皮膜を形成する被覆処理を施すことによって得た金属粉と、Ｚｎを主成分としＡｌを第２元素とする２元合金からなるＺｎ合金はんだ粉と、フラックスとを有し、金属粉とＺｎ合金はんだ粉との合計を１００質量％としたとき、金属粉が３質量％以上４０質量％以下であることを特徴としている。 In order to achieve the above object, the first high-temperature Pb-free solder paste of the present invention does not cover Al powder having an average particle diameter of 1 μm or more and 100 μm or less, or at least a part thereof. Metal powder obtained by applying a coating process for forming a film having a thickness of 1 μm or less using one or more of the group consisting of Au, Ag, Ni, and Cu, and Zn as a main component and Al as a second element It has a Zn alloy solder powder composed of a binary alloy and a flux, and when the total of the metal powder and the Zn alloy solder powder is 100 mass%, the metal powder is 3 mass% or more and 40 mass% or less. It is a feature.
また、本発明の第２の高温Ｐｂフリーはんだペーストは、平均粒径１μｍ以上１００μｍ以下のＡｌ粉に対して被覆処理を施さないか、あるいはその少なくとも一部に対してＡｕ、Ａｇ、Ｎｉ、及びＣｕからなる群の１種以上を用いて厚み１μｍ以下の皮膜を形成する被覆処理を施すことによって得た金属粉と、Ａｌを０.５質量％以上９質量％以下含有し、Ｇｅを０.０１質量％以上９質量％以下及び／又はＭｇを０.０１質量％以上０.５質量％以下含有し、残部がＺｎ及び不可避不純物からなる３元又は４元合金のＺｎ合金はんだ粉と、フラックスとを有し、金属粉とＺｎ合金はんだ粉との合計を１００質量％としたとき、金属粉が３質量％以上４０質量％以下であることを特徴としている。 Further, the second high-temperature Pb-free solder paste of the present invention is not coated with Al powder having an average particle diameter of 1 μm or more and 100 μm or less, or at least a part thereof is Au, Ag, Ni, and A metal powder obtained by applying a coating treatment for forming a film having a thickness of 1 μm or less using one or more members selected from the group consisting of Cu, 0.5% by mass to 9% by mass of Al, and 0.5% Ge. Zn alloy solder powder of ternary or quaternary alloy containing 01% by mass to 9% by mass and / or Mg of 0.01% by mass to 0.5% by mass with the balance being Zn and inevitable impurities, and flux When the total of the metal powder and the Zn alloy solder powder is 100% by mass, the metal powder is 3% by mass to 40% by mass.
本発明によれば、優れた応力緩和性により高い接合信頼性を確保できる高温Ｐｂフリーはんだペーストを提供することができる。かかるはんだペーストは、パワー半導体素子のダイボンディング用として特に好適に使用することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the high temperature Pb free solder paste which can ensure high joining reliability by the outstanding stress relaxation property can be provided. Such a solder paste can be particularly suitably used for die bonding of a power semiconductor element.
本発明の第１の高温Ｐｂフリーはんだペーストは、チップ類と基板を接合後、はんだの凝固収縮やチップ類と基板の熱膨張差に起因する応力等によって起こるチップ割れやチップ剥れ等の問題を解決するため、Ｚｎを主成分とするＺｎ合金はんだ粉と、軟質な金属であるＡｌ粉とを均一に混ぜてはんだペーストとするものである。Ａｌ粉が均一に分散されることにより、はんだの凝固収縮による応力発生を抑制できる。即ち、Ａｌは非常に柔らかく塑性変形し易い金属であるため、例えばＳｉ製のチップとＣｕ製の基板との熱膨張差による応力を吸収できる。 The first high-temperature Pb-free solder paste of the present invention has problems such as chip cracking and chip peeling caused by solder solidification shrinkage and stress caused by thermal expansion difference between the chips and the substrate after bonding the chips and the substrate. In order to solve the above problem, a solder paste is obtained by uniformly mixing Zn alloy solder powder containing Zn as a main component and Al powder which is a soft metal. By uniformly dispersing the Al powder, generation of stress due to solidification shrinkage of the solder can be suppressed. That is, since Al is a metal that is very soft and easily plastically deformed, for example, stress due to a difference in thermal expansion between a Si chip and a Cu substrate can be absorbed.
更に、Ｚｎ合金はんだ粉にはＡｌが第２元素として予め含まれており、Ａｌ粉と混ぜられる際にすでにＺｎ−Ａｌの２元合金はんだとなっている。よって、このＺｎ合金はんだが溶融した時、固体のままで存在するＡｌ粉に対して良好な濡れ性が得られる。尚、Ａｌ粉とＺｎ合金はんだ粉の均一な分散は、はんだペーストという形態をとることによって工業的に実現することができる。 Furthermore, Al is previously contained in the Zn alloy solder powder as the second element, and when it is mixed with the Al powder, it is already a Zn—Al binary alloy solder. Therefore, when this Zn alloy solder is melted, good wettability is obtained with respect to the Al powder that exists in the solid state. In addition, uniform dispersion | distribution of Al powder and Zn alloy solder powder is industrially realizable by taking the form of a solder paste.
Ａｌ粉は、被覆処理を施さずにそのまま用いてもよいが、少なくとも一部に対してＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、及びＮｉからなる群の１元素以上を用いて皮膜を形成する被覆処理を施してもよい。このようにＡｇ等の皮膜を形成することで、Ａｌ粉の酸化が防止されると共に、Ｚｎ合金との良好な濡れ性が得られ、溶融したＺｎ合金中にＡｌ粉を均一に分散させる効果が得られる。尚、本発明においては、被覆処理されているＡｌ粉、及び／又は被覆処理されていないＡｌ粉を金属粉とも称する。 The Al powder may be used as it is without being subjected to a coating treatment, but at least a part thereof is subjected to a coating treatment that forms a film using one or more elements of the group consisting of Ag, Au, Cu, and Ni. Also good. By forming a film of Ag or the like in this way, oxidation of the Al powder is prevented and good wettability with the Zn alloy is obtained, and the effect of uniformly dispersing the Al powder in the molten Zn alloy is obtained. can get. In the present invention, Al powder that has been coated and / or Al powder that has not been coated is also referred to as metal powder.
Ａｇ等の皮膜の厚さは１μｍ以下とする。その理由は、１μｍを越えると上記効果が飽和すると共に、材料コストが高くなるからである。Ａｇ等の皮膜を形成する被覆処理の具体的な方法は特に限定するものではないが、例えばＡｌ粉を作製した後に、その表面に電解メッキや無電解メッキを施すことで形成することができる。その他の方法としては、例えば湿式法を用いたＡｌ粉の製造工程の最終段階でＮｉ塩を含む溶液を添加して還元することで、Ｎｉ皮膜を形成することも可能である。 The film thickness of Ag or the like is 1 μm or less. The reason is that if the thickness exceeds 1 μm, the above effect is saturated and the material cost increases. Although the specific method of the coating process which forms films | membranes, such as Ag, is not specifically limited, For example, after producing Al powder, it can form by performing electrolytic plating and electroless plating on the surface. As another method, for example, it is also possible to form a Ni film by adding and reducing a solution containing a Ni salt at the final stage of the production process of Al powder using a wet method.
はんだペースト中の金属粉の含有量は、金属粉とＺｎ合金はんだ粉との合計を１００質量％としたとき、金属粉が３質量％以上４０質量％以下である。この量が３質量％未満では、はんだペースト中のＡｌの含有量が少なすぎて十分な応力緩和等の効果が期待できない。一方、４０質量％より多く含有すると、Ｚｎ合金はんだ成分が不足して十分な接合が困難となる。 The content of the metal powder in the solder paste is 3% by mass or more and 40% by mass or less when the total of the metal powder and the Zn alloy solder powder is 100% by mass. If this amount is less than 3% by mass, the content of Al in the solder paste is too small, and an effect such as sufficient stress relaxation cannot be expected. On the other hand, when it contains more than 40 mass%, Zn alloy solder component will run short and sufficient joining will become difficult.
用いるＡｌ粉の純度や形状については特に限定されない。純度については、Ａｌの柔軟な特性を活かすため、金属間化合物よりも純金属に近いものが好ましい。又は、Ａｌと共晶合金となるＡｌ系共晶合金も、加工性に優れるため用いることができる。一方、形状については、アトマイズ粉の様な真球状、電解粉の様な不規則状、フレーク粉の様な平板状のいずれでもよい。 It does not specifically limit about the purity and shape of Al powder to be used. As for purity, in order to make use of the flexible characteristics of Al, a material closer to pure metal is preferable to an intermetallic compound. Alternatively, an Al-based eutectic alloy that becomes a eutectic alloy with Al can also be used because of its excellent workability. On the other hand, the shape may be any of a spherical shape such as atomized powder, an irregular shape such as electrolytic powder, and a flat shape such as flake powder.
Ａｌ粉の平均粒径は、１μｍ以上１００μｍ以下とする。その理由は、１μｍ未満ではＡｌ粉の凝集が解けにくくなり、Ｚｎ合金中でＡｌ粉の均一な分散が難しくなり、逆に１００μｍを超えると、Ａｌ粉がＺｎ合金はんだからなる接合層の破壊起点として働き、接合部の信頼性が低くなるからである。尚、本発明においては、Ａｌ粉の平均粒径とは、Ａｌ粉の長径を直径として、それらの平均値を意味する。 The average particle diameter of Al powder shall be 1 micrometer or more and 100 micrometers or less. The reason is that if it is less than 1 μm, the aggregation of the Al powder is difficult to unravel, and it is difficult to uniformly disperse the Al powder in the Zn alloy. Conversely, if it exceeds 100 μm, the fracture starting point of the bonding layer made of the Zn alloy solder. This is because the reliability of the joint is lowered. In the present invention, the average particle diameter of the Al powder means an average value of the long diameter of the Al powder as a diameter.
Ｚｎ合金はんだは、固体のまま存在する複数の金属粉（Ａｌ粉）の間にはんだとして介在し、金属粉同士を接合する働きを有する。ここでＺｎを合金はんだの主成分として選定した理由は、Ｚｎは高い熱伝導性を有しているからである。つまり、ＺｎはＰｂに比較して約３倍の熱伝導率を持つため、大電流が流れて高温になるパワー半導体素子のはんだ材として好適である。 Zn alloy solder intervenes as a solder between a plurality of metal powders (Al powders) existing in a solid state and has a function of joining the metal powders together. The reason why Zn is selected as the main component of the alloy solder is that Zn has high thermal conductivity. That is, since Zn has a thermal conductivity approximately three times that of Pb, it is suitable as a solder material for a power semiconductor element in which a large current flows and becomes high temperature.
また、Ｚｎ合金はんだに第２元素としてＡｌを含有する理由は、Ａｌははんだの融点を下げると共に、加工性や溶湯の対酸化性を向上させるからである。Ｚｎを含む合金は、Ｚｎ＝９５.０％にＺｎ−Ａｌの共晶点を有し、この付近ではとくに効果が顕著となり、融点が下がるとともに結晶が微細化し、加工性が格段に向上する。 The reason why Al is contained as the second element in the Zn alloy solder is that Al lowers the melting point of the solder and improves the workability and the oxidation resistance of the molten metal. An alloy containing Zn has a Zn—Al eutectic point at Zn = 95.0%, and the effect is particularly remarkable in this vicinity, the melting point is lowered, the crystal is refined, and the workability is remarkably improved.
尚、この第１の高温ＰｂフリーはんだペーストにおけるＺｎ合金はんだには、Ａｌが０.５質量％以上９.０質量％以下含まれているのが好ましい。この量が０.５質量％未満では少なすぎて加工性向上等の効果は期待できず、９.０質量％を超えると融点が高くなり過ぎて良好な接合ができなくなってしまう。Ｚｎ合金はんだ粉の粒径については特に限定されないが、製造のしやすさから１０〜５０μｍ程度の粉末を用いる場合が多い。 The Zn alloy solder in the first high-temperature Pb-free solder paste preferably contains Al in an amount of 0.5% by mass to 9.0% by mass. If the amount is less than 0.5% by mass, the effect of improving workability and the like cannot be expected, and if it exceeds 9.0% by mass, the melting point becomes too high and good bonding cannot be performed. The particle size of the Zn alloy solder powder is not particularly limited, but a powder of about 10 to 50 μm is often used for ease of manufacturing.
上記した金属粉とＺｎ合金はんだ粉とからなる粉末に液状フラックスを加えて混練することによって、はんだペーストを得ることができる。フラックスの種類については特に限定されず、Ｓｎ系やＰｂ系のはんだペーストで使用されているものをそのまま用いてもよいが、高温用のものであればより好ましい。例えば、ロジン化合物、有機酸、有機アミン化合物などを、アルコール類、エチレングリコール類、グリセリン類などの溶剤に溶かしたものを使用することができる。 A solder paste can be obtained by adding a liquid flux to the powder composed of the metal powder and the Zn alloy solder powder and kneading them. The type of flux is not particularly limited, and those used in Sn-based or Pb-based solder pastes may be used as they are, but more preferable are those for high temperatures. For example, a rosin compound, an organic acid, an organic amine compound or the like dissolved in a solvent such as alcohols, ethylene glycols, or glycerins can be used.
次に、本発明の第２の高温Ｐｂフリーはんだペーストについて説明する。この第２の高温Ｐｂフリーはんだペーストは、Ｚｎ合金はんだ粉が、Ａｌを０.５質量％以上９質量％以下含有し、Ｇｅを０.０１質量％以上９質量％以下及び／又はＭｇを０.０１質量％以上０.５質量％以下含有し、残部がＺｎ及び不可避不純物からなる３元又は４元合金であることを特徴としており、それ以外は上記第１の高温Ｐｂフリーはんだペーストと同様である。 Next, the second high-temperature Pb-free solder paste of the present invention will be described. In the second high-temperature Pb-free solder paste, the Zn alloy solder powder contains Al in an amount of 0.5 to 9% by mass, Ge in an amount of 0.01 to 9% by mass and / or Mg in an amount of 0%. 0.01% by mass or more and 0.5% by mass or less, with the balance being a ternary or quaternary alloy consisting of Zn and inevitable impurities, otherwise the same as the first high temperature Pb-free solder paste It is.
Ｇｅ及びＭｇは、いずれも融点調整を目的とした元素であり、はんだ分野においては比較的高い４１９℃という融点をもつＺｎの融点を下げることを主目的として添加される。更に、ＧｅはＺｎよりも酸化しにくいため、はんだの濡れ性を向上させる効果を有しており、一方、Ｍｇは接合強度を上げて、信頼性を向上させる効果を有している。このように、本発明の第２の高温Ｐｂフリーはんだペーストは、上記した第１の高温Ｐｂフリーはんだペーストに比べて優れた点を有しており、より広い用途に使用することが可能となる。 Ge and Mg are both elements for the purpose of adjusting the melting point, and are added mainly for the purpose of lowering the melting point of Zn having a relatively high melting point of 419 ° C. in the solder field. Furthermore, since Ge is less oxidized than Zn, it has the effect of improving the wettability of the solder, while Mg has the effect of increasing the bonding strength and improving the reliability. As described above, the second high-temperature Pb-free solder paste of the present invention has excellent points as compared with the first high-temperature Pb-free solder paste, and can be used for a wider range of applications. .
Ｇｅの含有量を０.０１質量％以上９.０質量％以下、Ｍｇの含有量を０.０１質量％以上０.５質量％以下にする理由は、どちらも含有量が上記下限値未満では少なすぎて上記した効果が得られないからである。一方、Ｇｅの含有量が９.０質量％を超えると、Ｚｎとの共晶点から大きくはずれてしまい、粗粒を生成して加工性等を低下させる。また、Ｍｇの含有量が０.５質量％を超えると、Ｍｇの強い還元性により、場合によっては、はんだ表面に強固な酸化膜を生成してしまい、ボイドの原因などになる。 The reason why the Ge content is 0.01% by mass or more and 9.0% by mass or less and the Mg content is 0.01% by mass or more and 0.5% by mass or less is that the content is less than the above lower limit value. This is because the effect described above cannot be obtained due to too little. On the other hand, if the Ge content exceeds 9.0% by mass, the Ge content is greatly deviated from the eutectic point with Zn, and coarse grains are generated to reduce workability and the like. On the other hand, when the Mg content exceeds 0.5% by mass, a strong oxide film is formed on the solder surface due to the strong reducibility of Mg, which may cause voids.
以上説明したように、本発明の第１及び第２の高温Ｐｂフリーはんだペーストは、いずれも優れた応力緩和性により高い接合信頼性を確保できるので、パワー半導体素子のダイボンディング用として特に好適に使用することができる。また、各種電子部品の組立て等において用いられているＰｂ系はんだに代替するＰｂフリーはんだとしても好適に用いることができる。 As described above, both the first and second high-temperature Pb-free solder pastes of the present invention can ensure high bonding reliability due to excellent stress relaxation properties, and thus are particularly suitable for die bonding of power semiconductor elements. Can be used. Further, it can also be suitably used as a Pb-free solder that replaces the Pb-based solder used in assembling various electronic components.
以下、本発明の第１及び第２の高温Ｐｂフリーはんだペーストの実施例に関して具体的に説明するが、本発明はこれら実施例によって何ら制限されることはない。 Examples of the first and second high-temperature Pb-free solder pastes of the present invention will be specifically described below, but the present invention is not limited by these examples.
[実施例１]
＜製造条件＞
以下の方法で試料１〜１０のはんだペーストを作製した。先ず、金属原料として９９.９％以上の純度を有するＺｎ及びＡｌを準備し、これらを所定量秤量して高周波溶解炉で溶解した。溶解の際は、酸化を防ぐため原料１ｋｇあたり７００ｍｌ／分以上の割合で窒素を流した。溶解により混合された溶融金属を高周波溶解炉から取り出し、冷却した。これにより、試料１〜１０のはんだペーストにそれぞれ使用する１０種類のＺｎ系合金鋳塊を得た。これら１０種類のＺｎ系合金鋳塊の組成をそれぞれＩＣＰ発光分光分析器（ＳＨＩＭＡＺＵ Ｓ−８１００）を用いて測定した結果を下記の表１に示す。
[Example 1]
<Production conditions>
The solder paste of samples 1-10 was produced with the following method. First, Zn and Al having a purity of 99.9% or more were prepared as metal raw materials, and these were weighed in predetermined amounts and melted in a high-frequency melting furnace. During dissolution, nitrogen was flowed at a rate of 700 ml / min or more per kg of raw material to prevent oxidation. The molten metal mixed by melting was taken out from the high-frequency melting furnace and cooled. As a result, ten types of Zn-based alloy ingots used for the solder pastes of
上記表１に示す１０種類のＺｎ系合金鋳塊からそれぞれ２ｋｇを秤量し、これをスタンプミルを用いて粉砕した後、篩い分けてＺｎ合金はんだ粉とした。得られたＺｎ合金はんだ粉の平均粒径を、レーザー回折式粒度分布計（日本レーザー株式会社製）を用いて測定したところ、全て約２８μｍであった。尚、Ｚｎ合金はんだ粉の平均粒径とは、Ａｌ粉の平均粒径と同様に、Ｚｎ合金はんだ粉の長径を直径とみなして、それらを相加平均したものである。 2 kg of each of the 10 types of Zn-based alloy ingots shown in Table 1 above were weighed, pulverized using a stamp mill, and then sieved to obtain Zn alloy solder powder. When the average particle size of the obtained Zn alloy solder powder was measured using a laser diffraction particle size distribution meter (manufactured by Nippon Laser Co., Ltd.), all were about 28 μm. The average particle diameter of the Zn alloy solder powder is an arithmetic average of the major diameters of the Zn alloy solder powder as the diameter, similarly to the average particle diameter of the Al powder.
次に、試料１〜１０のはんだペーストにそれぞれ使用する１０種類のＡｌ粉を一般的なアトマイズ法により作製した。尚、本実施例１ではＡｌ粉に被膜処理を施さなかった。このようにして得たＡｌ粉と上記Ｚｎ合金はんだ粉とを下記表２に示す割合で混合し、更に市販のアルコールと還元性有機材料からなるフラックス(青木メタル社製)を所定の割合で加えてはんだペーストを作製した。その際、混合機（株式会社シンキー製ＳＲ−５００）を用いた。尚、下記表２にはレーザー回折式粒度分布計（日本レーザー株式会社製）を用いて測定したＡｌ粉の平均粒径も併せて示されている。
Next, 10 types of Al powders respectively used for the solder pastes of
＜評価方法＞
上記の方法で作製したはんだペーストを、下記に示すダイボンディング性、高温はんだの使用適性、及び接合信頼性の観点から評価した。尚、この接合信頼性では、直接評価を行うことが困難な応力緩和性を評価することができる。
<Evaluation method>
The solder paste produced by the above method was evaluated from the viewpoints of die bonding properties, suitability for use of high-temperature solder, and bonding reliability as described below. In this connection reliability, it is possible to evaluate stress relaxation that is difficult to directly evaluate.
（ダイボンディング性）
ダイボンディング性については、はんだダイボンダー(ｄａｇｅ社製ＥＤＢ−２００)を用いて評価した。具体的には、図１に示すように、Ａｇメッキ層１ａが形成されたＣｕ製リードフレーム１と、Ｎｉ蒸着層２ａとＡｇ蒸着層２ｂとが形成されたダミーチップ２とを準備し、これらを各試料のはんだペースト３を介して４２０±３℃の温度範囲内で接合し、良好な接合が得られるかどうかを確認した。
(Die bonding)
The die bonding property was evaluated using a solder die bonder (EDB-200 manufactured by dage). Specifically, as shown in FIG. 1, a
はんだペーストの供給は、リードフレームのＡｇメッキ上に予め適量のはんだペーストを滴下することで行った。接合性つまりダイボンディング性の良否については、Ｘ線透過装置(東研Ｘ線検査株式会社製ＴＵＸ−３０００Ｗ)を用いて接合部のボイドを観察し、ボイド率が５％未満を「○」、５％以上８％未満を「△」、８％以上を「×」と評価した。尚、ボイド率は、Ｘ線透過装置によりはんだ接合部を接合面に対し垂直方向から観察し、ボイド面積と接合部面積を求め、下式により算出した。 The solder paste was supplied by dropping a suitable amount of solder paste in advance on the Ag plating of the lead frame. As for the quality of the bondability, that is, the die bondability, the void of the joint portion was observed using an X-ray transmission device (TUX-3000W manufactured by Token X-ray Inspection Co., Ltd.). 5% or more and less than 8% were evaluated as “Δ”, and 8% or more were evaluated as “x”. The void ratio was calculated by the following equation by observing the solder joint from a direction perpendicular to the joint surface with an X-ray transmission device, obtaining the void area and the joint area.
［数１］
ボイド率（％）＝ボイド面積÷（ボイド面積＋接合部面積）×１００
[Equation 1]
Void ratio (%) = void area / (void area + joint area) × 100
（高温はんだの使用適性）
高温はんだとしての使用適性を、ＪＩＳ Ｚ３１９８−７：２００３に準じる高温シェア試験により評価した。即ち、上記ダイボンディング後の試料をボンドテスタ（テクノアルファ株式会社製）にセットし、窒素を流しながら２４０℃に再加熱し、その状態でダミーチップとはんだ接合部にせん断力を加えた。具体的には、シェア試験用冶具をダミーチップに引っかけ、はんだとダミーチップ接合面に対して水平方向に９０（Ｎ）のせん断力を加えた。チップ部において割れが発生して、接合部やはんだ部に割れや変形がなかった場合を「○」、チップが動いてずれたり、接合部やはんだ部で割れや変形があった場合を「×」と評価した。
(Applicability of high-temperature solder)
The suitability for use as a high temperature solder was evaluated by a high temperature shear test according to JIS Z3198-7: 2003. That is, the sample after die bonding was set in a bond tester (manufactured by Techno Alpha Co., Ltd.), reheated to 240 ° C. while flowing nitrogen, and in that state, shear force was applied to the dummy chip and the solder joint. Specifically, the shear test jig was hooked on the dummy chip, and a shearing force of 90 (N) was applied in the horizontal direction with respect to the solder and dummy chip bonding surface. If the chip part is cracked and there is no crack or deformation in the joint part or solder part, “○” indicates that the chip is moved and displaced, or if the joint part or solder part is cracked or deformed, “×”. ".
（接合信頼性）
接合部の信頼性については以下のように２つの観点から評価した。即ち、信頼性評価１として、各試料のはんだペーストを用いて上記したダイボンディング性の評価に使用したものと同様のダミーチップが接合されたＣｕ製リードフレームを作製し、これらをトランスファーモールド型モールド機によりエポキシ樹脂(住友ベークライト社製ＥＭＥ−６３００)でモールドした。これらを、８０℃で８０％の恒温恒湿条件下に１０００時間保持した後、樹脂を開封して接合部の観察を行った。この観察の結果、ダミーチップや接合界面に割れの発生が無い場合を「○」、割れや剥離があった場合を「×」と評価した。
(Joint reliability)
The reliability of the joint was evaluated from the following two viewpoints. That is, as
更に、信頼性評価２として、上記信頼性評価１に用いたものと同様のダミーチップが接合されたＣｕ製リードフレームを各試料のはんだペーストを用いて作製した。そして、これらに対して−５０℃までの冷却と１２５℃までの加熱とからなる冷却加熱処理を１サイクルとして４００サイクル繰り返した後、樹脂を開封して接合部の観察を行った。この観察の結果、ダミーチップや接合界面に割れの発生が無い場合を「○」、割れや剥離があった場合を「×」と評価した。上記ダイボンディング性、高温はんだの使用適性、及び接合信頼性の評価結果を下記の表３に示す。
Furthermore, as
上記表３の結果から明らかなように、本発明による試料１〜６のはんだペーストは、高温はんだとして良好なダイボンディング性、使用適性、及び接合信頼性を有している。一方、比較例である試料７〜１０のはんだペーストは、各評価全てにおいて不十分な結果となっている。
As is clear from the results in Table 3 above, the solder pastes of
[実施例２]
表面にＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、又はＮｉの皮膜を形成したＡｌ粉を用いた以外は実施例１と同様にして試料１１〜１８のはんだペーストを作製した。皮膜形成のための被膜処理法には、無電解メッキ法を用いた。これら試料１１〜１８のはんだペーストに使用したＺｎ合金鋳塊の組成を下記表４に、Ａｌ粉の平均粒径、Ａｌ粉とＺｎ合金はんだ粉との混合割合、皮膜の材料及び厚みを下記表５に示す。尚、皮膜の厚みは、Ａｌ粉を樹脂に埋め込み、研磨機を用い粗い研磨紙から順に細かいものを用いて研磨し、最後にバフ研磨を行い、その後、ＥＰＭＡ（装置名：ＳＨＩＭＡＤＺＵ ＥＰＭＡ−１６００）を用いてライン分析を行い測定した。
[Example 2]
Solder pastes of Samples 11 to 18 were produced in the same manner as in Example 1 except that Al powder having a surface of Ag, Au, Cu, or Ni formed thereon was used. An electroless plating method was used as a film processing method for forming a film. The composition of the Zn alloy ingot used in the solder pastes of these samples 11 to 18 is shown in Table 4 below, the average particle diameter of Al powder, the mixing ratio of Al powder and Zn alloy solder powder, the material and thickness of the film are shown in the following table. As shown in FIG. The thickness of the film is embedded in Al powder in a resin, polished with a polishing machine using finer ones in order, and finally buffed, followed by EPMA (device name: SHIMADZU EPMA-1600) The line analysis was performed using and measured.
これら試料１１〜１８のはんだペーストを、実施例１と同様の評価方法により評価した。その評価結果を下記の表６に示す。 The solder pastes of these samples 11 to 18 were evaluated by the same evaluation method as in Example 1. The evaluation results are shown in Table 6 below.
この表６の結果から明らかなように、本発明による試料１１〜１８のはんだペーストは、全て高温はんだとして良好なダイボンディング性、使用適性そして接合信頼性を有している。 As is apparent from the results in Table 6, all of the solder pastes of Samples 11 to 18 according to the present invention have good die bonding properties, suitability for use, and bonding reliability as high-temperature solders.
[実施例３]
表面にＡｇ皮膜が形成されたＡｌ粉を用い、Ｚｎ合金はんだ粉にＡｌに加えてＧｅ及び／又はＭｇを含有させた３元又は４元合金を用いた以外は実施例１と同様にして試料１９〜２９のはんだペーストを作製した。尚、金属原料として使用したＭｇは９９.９％以上、Ｇｅは９９.９５％以上の純度のものを使用した。これら試料１９〜２９のはんだペーストに使用したＺｎ合金鋳塊の組成を下記表７に、Ａｌ粉の平均粒径、Ａｌ粉とＺｎ合金はんだ粉との混合割合、皮膜の種類及び厚みを下記表８に示す。
[Example 3]
A sample was prepared in the same manner as in Example 1 except that Al powder having an Ag film formed on the surface was used, and a ternary or quaternary alloy containing Ge and / or Mg in addition to Al was used for the Zn alloy solder powder. 19 to 29 solder pastes were prepared. In addition, Mg used as the metal raw material had a purity of 99.9% or more and Ge had a purity of 99.95% or more. The composition of the Zn alloy ingot used for the solder paste of these samples 19 to 29 is shown in Table 7 below, the average particle diameter of Al powder, the mixing ratio of Al powder and Zn alloy solder powder, the type and thickness of the coating are shown in Table 7 below. It is shown in FIG.
これら試料１９〜２９のはんだペーストを、実施例１と同様の評価方法により評価した。その評価結果を下記の表９に示す。 The solder pastes of these samples 19 to 29 were evaluated by the same evaluation method as in Example 1. The evaluation results are shown in Table 9 below.
この表９の結果から明らかなように、本発明による試料１９〜２５のはんだペーストは、高温はんだとして良好なダイボンディング性、使用適性そして接合信頼性を有している。一方、比較例である試料２６〜２９のはんだペーストは、各評価全てにおいて不十分な結果となっている。 As is apparent from the results in Table 9, the solder pastes of Samples 19 to 25 according to the present invention have good die bonding properties, suitability for use, and bonding reliability as high-temperature solders. On the other hand, the solder pastes of Samples 26 to 29, which are comparative examples, have insufficient results in all the evaluations.
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