JP2018099712A - Solder alloy and junction structure using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、パワーモジュールなどに使用するはんだ合金およびそれを用いた接合構造体に関するものである。 The present invention relates to a solder alloy used for a power module and the like and a joint structure using the same.
従来のはんだ合金およびそれを用いた接合構造体としては、例えば、Ｓｂを５ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下、Ｃｕを３ｗｔ％以上８ｗｔ％以下、Ｎｉを０．０１ｗｔ％以上０．１５ｗｔ％以下、Ｉｎを０．５ｗｔ％以上５ｗｔ％以下含み、残部がＳｎであるはんだ合金と、このはんだ合金を用いて半導体素子と基板とを接合させた接合構造体とが、特許文献１に記載されている。 As a conventional solder alloy and a joining structure using the same, for example, Sb is 5 wt% or more and 15 wt% or less, Cu is 3 wt% or more and 8 wt% or less, Ni is 0.01 wt% or more and 0.15 wt% or less, and In is used. Patent Document 1 describes a solder alloy containing 0.5 wt% or more and 5 wt% or less and the balance being Sn, and a bonded structure in which a semiconductor element and a substrate are bonded using this solder alloy.
特許文献１に記載されるはんだ合金は、耐クラック性を向上させるために添加されたＳｂによって高められたはんだの硬度を下げるために、Ｉｎを、０．５ｗｔ％以上５ｗｔ％以下の割合で含んでいる。しかしながら、Ｉｎはレアメタルであるために希少であり、生産量が少ないため、供給安定性に乏しい。さらにＩｎはレアメタルのなかでも非常に高価であるため、特許文献１において、はんだ合金の硬度を十分に下げるためには高い製造コストが必要であった。 The solder alloy described in Patent Document 1 contains In at a ratio of 0.5 wt% or more and 5 wt% or less in order to lower the hardness of the solder increased by Sb added to improve crack resistance. It is out. However, since In is a rare metal, it is rare, and since the production amount is small, supply stability is poor. Furthermore, since In is very expensive among rare metals, Patent Document 1 requires high manufacturing costs in order to sufficiently reduce the hardness of the solder alloy.
本発明は、前記従来の課題を解決するためになされたものであって、はんだ接合部の耐クラック性を向上させ、高信頼性を実現するはんだ合金であって、安価かつ原料の供給安定性に富んだ新規なはんだ合金を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described conventional problems, and is a solder alloy that improves the crack resistance of a solder joint and realizes high reliability, and is inexpensive and stable in supplying raw materials. It is an object of the present invention to provide a new solder alloy that is rich in slag.
上記課題を解決するために、本発明のはんだ合金は、Ｓｂの含有率が３ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下であり、かつ、ＴｅおよびＡｕの少なくとも一方の含有率が０．０１ｗｔ％以上３ｗｔ％以下であり、残部がＳｎである。 In order to solve the above problems, the solder alloy of the present invention has a Sb content of 3 wt% or more and 15 wt% or less, and a content of at least one of Te and Au is 0.01 wt% or more and 3 wt% or less. Yes, the balance is Sn.
本明細書において「含有率」とは、はんだ合金全体の重量に対する各元素の重量の割合であり、ｗｔ％（重量パーセント）の単位を用いて表される。 In the present specification, the “content ratio” is a ratio of the weight of each element to the weight of the entire solder alloy, and is expressed using a unit of wt% (weight percent).
本明細書において「はんだ合金」とは、その金属組成が、列挙した金属で実質的に構成されている限り、不可避的に混入する微量金属（例えば０．００５ｗｔ％未満）を含んでいてもよい。はんだ合金は、任意の形態を有し得、例えば単独で、または金属以外の他の成分（例えばフラックスなど）と一緒に、はんだ付けに使用され得る。 As used herein, the term “solder alloy” may contain trace metals (for example, less than 0.005 wt%) that are inevitably mixed as long as the metal composition is substantially composed of the listed metals. . The solder alloy can have any form and can be used for soldering, for example, alone or together with other components other than metal (eg, flux, etc.).
本発明のはんだ合金においては、Ｉｎを使用することなく、Ｉｎよりも安価であるＴｅまたはＩｎよりも生産量が多いために供給安定性に富むＡｕを用いることにより、高温での伸びが向上しているため、本発明のはんだ合金によれば、耐クラック性の高いはんだ接合部を提供することができ、これにより接合構造体の高信頼性を実現することができる。 In the solder alloy of the present invention, the use of Au, which is cheaper than In, or Au, which has a high supply stability, is used without using In, so that the elongation at high temperature is improved. Therefore, according to the solder alloy of the present invention, it is possible to provide a solder joint having high crack resistance, thereby realizing high reliability of the joint structure.
また、一実施形態の接合構造体において、半導体素子と回路基板とが、Ｓｂと、ＴｅおよびＡｕの少なくとも一方と、Ｓｎを含むはんだ接合層を介して接合されており、半導体素子のメタライズ層および回路基板のめっき層とはんだ接合層との界面にＳｎＮｉ合金が形成されている。 In the bonded structure according to one embodiment, the semiconductor element and the circuit board are bonded to Sb, at least one of Te and Au via a solder bonding layer containing Sn, and the metallized layer of the semiconductor element and An SnNi alloy is formed at the interface between the plated layer and the solder joint layer of the circuit board.
前記実施形態の接合構造体は、ヒートサイクルにおける耐クラック性に優れ、高信頼性を有する。 The joint structure of the embodiment is excellent in crack resistance in heat cycle and has high reliability.
本発明によれば、はんだ接合部の耐クラック性を向上させ、高信頼性を実現するはんだ合金であって、安価かつ原料の供給安定性に富んだはんだ合金が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the solder alloy which improves the crack resistance of a solder joint part and implement | achieves high reliability, Comprising: The solder alloy which was cheap and was rich in the supply stability of a raw material is provided.
以下、本発明の実施の形態であるはんだ合金について図面を使用しながら説明する。 Hereinafter, a solder alloy according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
＜はんだ合金１０５＞
はんだ合金１０５は、Ｓｂと、ＴｅおよびＡｕの少なくとも一方とを含み、残部がＳｎである合金である。
<Solder Alloy 105>
The
はんだ合金１０５におけるＳｂの含有率は３ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下である。はんだ合金におけるＳｂの含有率がこのような範囲にあることにより、はんだ接合部の熱疲労特性を改善することができる。
The content of Sb in the
はんだ合金１０５におけるＴｅおよびＡｕの少なくとも一方の含有率は０．０１ｗｔ％以上３ｗｔ％以下であり、より好ましくは０．０５ｗｔ％以上０．５ｗｔ％以下である。はんだ合金１０５におけるＴｅおよびＡｕの少なくとも一方の含有率がこのような範囲にあることによって、はんだ合金の高温伸びが向上し、ヒートサイクル時に発生する応力を吸収することができるようになるため、はんだ合金の耐クラック性が向上する。このように、ＴｅおよびＡｕの少なくとも一方によれば、引用文献１に記載されたＩｎと比較して非常に少量で、はんだ合金の伸びを向上させ、耐クラック性を向上させることができる。
The content of at least one of Te and Au in the
はんだ合金１０５の大きさは、製造する接合構造体によって様々であり得るが、例えば１０ｍｍ角であり、０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の厚さを有するはんだ合金１０５を用いてよい。はんだ合金１０５の厚さが０．５ｍｍ以下であることにより、形成されるはんだ接合部の熱抵抗が高くならず、半導体素子１０１の熱を効率よく逃がすことができる。はんだ合金１０５の厚さが０．０５ｍｍ以上であることにより、はんだ接合部の熱抵抗を向上させることができる。
The size of the
次に、本発明の実施の形態である接合構造体について図面を使用しながら説明する。 Next, a bonded structure according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
＜半導体素子１０１＞
半導体素子１０１は、シリコンチップ１０２と、シリコンチップ１０２の下面に形成されたオーミック層１０３と、オーミック層１０３の下面に形成されたメタライズ層１０４とを含む。シリコンチップ１０２は、製造の容易性に関して、縦の長さが１０ｍｍ、横の長さが１０ｍｍであり、かつ、０．２ｍｍの厚みを有することが好ましいが、これに限定されず、様々な寸法を有し得る。
<
The
半導体素子１０１のオーミック層１０３は、任意の純金属または合金でできた層であり、例えばＴｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｎｉ、またはこれらの金属を含む合金等を使用することができるが、これらに限定されない。オーミック層に上記金属が使用されることにより、適切なオーミック接合が得られる。オーミック層１０３の厚みは特に限定されないが、例えば０．０５μｍ以上０．５μｍ以下であってよく、例えば０．１μｍであってよい。オーミック層１０３がこのような厚みを有することにより、抵抗値と接合信頼性とを確保しやすくなる。
The
半導体素子１０１のメタライズ層１０４は、任意の純金属または合金でできた層であり、例えばＮｉ、Ｃｕまたはこれらの金属を含む合金等を使用することができるが、これらに限定されない。メタライズ層１０４の厚みは特に限定されないが、例えば０．５μｍ以上１０μｍ以下であってよく、例えば、１μｍであってよい。メタライズ層１０４がこのような厚みを有することにより、はんだ合金と強固に接合させることができるようになる。
The
＜回路基板１０６＞
回路基板１０６は、リードフレーム１０７と、リードフレーム１０７の表面に形成されためっき層１０８とを含む。
<
The
回路基板１０６のリードフレーム１０７の材料には、金属またはセラミックス等の熱伝導性のよい材料を用いることができる。リードフレーム１０７の材料としては例えば、銅、アルミナ、窒化アルミ、窒化ケイ素等を使用することができるが、これに限定されない。リードフレーム１０７は、製造の容易性に関して、縦の長さが２０ｍｍ、横の長さが２０ｍｍであり、かつ、１ｍｍの厚みを有することが好ましいが、これに限定されず、様々な寸法を有し得る。
As a material of the
回路基板１０６のめっき層１０８は、任意の純金属または合金でできた層であり、例えばＮｉ、Ｃｕまたはこれらの金属を含む合金等を使用することができるが、これらに限定されない。めっき層の厚みは特に限定されないが、例えば０．５μｍ以上１０μｍ以下であってよく、例えば１μｍであってよい。めっき層がこのような厚みを有することにより、はんだ合金と強固に接合させることができるようになる。
The
＜接合構造体２０１＞
本発明のはんだ合金を用いて製造される接合構造体２０１は、図２に模式図で表されている。接合構造体２０１は、半導体素子１０１と、回路基板１０６とが、合金層２０２と、はんだ接合層２０３とを介して接合された構造を有している。
<
A joined
接合構造体２０１を製造するためには、図１に示すように、回路基板１０６のめっき層１０８上にはんだ合金１０５を載せ、さらにはんだ合金１０５と半導体素子１０１のメタライズ層１０４とが接するように、はんだ合金１０５の上に半導体素子１０１を設置する。続いて毎分１０℃ずつ温度を上昇させながら、室温から３００℃までの加熱を行い、３００℃において１分保持した後、毎分１０℃ずつ温度を低下させながら３００℃から室温までの冷却を行うことにより、はんだ合金１０５とメタライズ層１０４およびめっき層１０８との間に、合金層２０２を形成し、図２に示すような接合構造体２０１を製造することができる。
In order to manufacture the
接合構造体２０１の合金層２０２は、上述したような接合構造体の製造過程において形成された金属間化合物である。メタライズ層１０４およびめっき層１０８がＮｉまたはＣｕである場合、合金層２０２にはＳｎＮｉ合金またはＳｎＣｕ合金が含まれる。メタライズ層１０４および回路基板のめっき層１０８とはんだ接合層２０３との間の合金層２０２にＳｎＮｉ合金またはＳｎＣｕ合金が形成されることによって、メタライズ層１０４および回路基板のめっき層１０８とはんだ接合層２０３とが金属により接合されるようになり、良好な接合強度が得られる。合金層２０２に含まれ得るＳｎＮｉ合金およびＳｎＣｕ合金には、ＴｅおよびＡｕの少なくとも一方が含まれていてもよく、ＳｎＮｉ合金およびＳｎＣｕ合金に、ＴｅおよびＡｕの少なくとも一方が含まれることにより、合金層２０２が多元合金となり、合金の強度が向上し、ヒートサイクル等で応力がかかった際にも合金層２０２でのクラックの発生を抑制できる。接合構造体２０１のはんだ接合層２０３は、はんだ合金１０５に含まれていたＳｂ、Ｔｅ、Ａｕ等の金属元素を含み、接合前のはんだ合金１０５とほぼ同等の組成を有するが、はんだ接合層２０３では、合金層２０２を形成する際にＳｎが反応した割合だけＳｎ含有率が低下している。
The
（実施例１）
表１に示すように、Ｓｂ含有率、Ｔｅ含有率、Ａｕ含有率を変え、残部をＳｎとして複数のはんだ合金１０５を準備し、２００℃の雰囲気温度で引っ張り試験を行った。引張試験のために、はんだ合金をダンベル状の形状に鋳込んだ評価サンプルを作製した。評価サンプルの形状は、引張試験に固定する部分が直径６ｍｍ、長さ２０ｍｍ、ダンベルのくびれ部分が直径３ｍｍ、長さ２０ｍｍとした。引張試験機の上下のサンプル固定冶具の間隔を２０ｍｍに設定して、評価サンプルを固定し、雰囲気温度を２００℃とした後で、評価サンプルの軸方向の力だけが加わるように評価サンプルを引張試験機で引っ張ることによって、評価サンプルの引張試験を行った。
Example 1
As shown in Table 1, the Sb content, Te content, and Au content were changed, and a plurality of
評価サンプルの伸び（％）は、試験前の固定冶具の間隔２０ｍｍに対する、引張試験において評価サンプルが破断したときの固定冶具の間隔の増加分の割合とした。例えば、評価サンプルが破断したときの固定冶具の間隔が４０ｍｍの場合、伸びは（４０−２０）／２０×１００＝１００（％）となる。 The elongation (%) of the evaluation sample was the ratio of the increase in the interval of the fixing jig when the evaluation sample broke in the tensile test with respect to the interval of 20 mm of the fixing jig before the test. For example, when the interval between the fixing jigs when the evaluation sample is broken is 40 mm, the elongation is (40−20) / 20 × 100 = 100 (%).
引っ張り試験における伸び（％）の測定結果を表１に併せて示した。 The measurement results of elongation (%) in the tensile test are also shown in Table 1.
引っ張り試験の結果は、Ｓｂ含有率が３ｗｔ％、Ｔｅ含有率が０．０１ｗｔ％である実施例１−１において８７％、Ｓｂ含有率が１５ｗｔ％、Ｔｅ含有率が３ｗｔ％である実施例１−２において８５％であった。これは、Ｔｅを含有せず、Ｓｂと残部としてのＳｎのみから成る比較例１−１および１−２における、４６％および４５％に比べて良好な結果であった。 As a result of the tensile test, Example 1 in which the Sb content is 3 wt% and the Te content is 0.01 wt% is 87% in Example 1-1, the Sb content is 15 wt%, and the Te content is 3 wt%. -2 at 85%. This was a better result than 46% and 45% in Comparative Examples 1-1 and 1-2, which did not contain Te and consisted of only Sb and Sn as the balance.
また、引っ張り試験の結果は、Ｓｂ含有率が３ｗｔ％、Ａｕ含有率が０．０１ｗｔ％である実施例１−３において９８％、Ｓｂ含有率が１５ｗｔ％、Ａｕ含有率が３ｗｔ％である実施例１−４において９７％であった。これは、Ａｕを含有せず、Ｓｂと残部としてのＳｎのみから成る比較例１−１および１−２における、４６％および４５％に比べて良好な結果であった。 In addition, as a result of the tensile test, the results of Example 1-3 in which the Sb content is 3 wt% and the Au content is 0.01 wt% are 98%, the Sb content is 15 wt%, and the Au content is 3 wt%. In Example 1-4, it was 97%. This was a good result compared with 46% and 45% in Comparative Examples 1-1 and 1-2 which did not contain Au and consisted of only Sb and the remaining Sn.
上記の結果より、ＴｅやＡｕを添加することで、高温での伸びが向上することが明らかになった。これは、ＴｅやＡｕがＳｎの結晶に固溶することで転位が形成され、引張試験時の高温環境下で転位がすべり運動を起こしやすく、高温伸びが向上するためであると考えられる。このように高温伸びが向上することにより、はんだ合金がヒートサイクル時に発生する応力を吸収できるようになり、はんだ合金の耐クラック性が向上する。 From the above results, it became clear that the elongation at high temperature is improved by adding Te or Au. This is presumably because dislocations are formed when Te or Au is dissolved in Sn crystals, and the dislocations easily cause a sliding motion in a high temperature environment during a tensile test, thereby improving the high temperature elongation. Thus, by improving the high temperature elongation, the solder alloy can absorb the stress generated during the heat cycle, and the crack resistance of the solder alloy is improved.
（実施例２）
本発明の接合構造体を以下の実施例１〜１３で示すように作製した。
(Example 2)
The joined structure of the present invention was produced as shown in Examples 1 to 13 below.
（実施例２−１）
はじめに、はんだ合金１０５と、半導体素子１０１と、回路基板１０６とを準備した。はんだ合金１０５には、３ｗｔ％のＳｂと、０．０１ｗｔ％のＴｅとを含み、残部がＳｎである合金を準備した。半導体素子１０１には、縦の長さが１０ｍｍ、横の長さが１０ｍｍであり、かつ、０．２ｍｍの厚みを有するシリコンチップ１０２の下面にＴｉでできたオーミック層１０３が設けられ、さらにＴｉでできたオーミック層１０３の下面にＮｉでできたメタライズ層１０４が設けられたものを準備した。回路基板１０６には、縦の長さが２０ｍｍ、横の長さが２０ｍｍであり、かつ、１ｍｍの厚みを有する、銅でできたリードフレームを有し、リードフレーム１０７の表面に、１μｍの厚さを有するＮｉでできためっき層１０８が設けられているものを準備した。
(Example 2-1)
First, a
次に、準備した回路基板１０６のＮｉでできためっき層１０８の上に０．５ｍｍの厚さを有するはんだ合金１０５を載せ、さらに、はんだ合金１０５とＮｉでできたメタライズ層１０４とが接するように、はんだ合金１０５の上に半導体素子１０１を設置し、毎分１０℃ずつ温度を上昇させながら、室温から３００℃までの加熱を行った。３００℃において１分保持した後、毎分１０℃ずつ温度を低下させながら３００℃から室温までの冷却を行うことにより、接合構造体２０１を製造した。
Next, a
（実施例２−２）
はんだ合金１０５のＳｂ含有率を１０ｗｔ％とし、それ以外の条件を実施例２−１と同じにして、接合構造体２０１を作製した。
(Example 2-2)
The Sb content of the
（実施例２−３）
はんだ合金１０５のＳｂ含有率を１５ｗｔ％とし、それ以外の条件を実施例２−１と同じにして、接合構造体２０１を作製した。
(Example 2-3)
The Sb content of the
（実施例２−４）
はんだ合金１０５の厚みを０．１ｍｍにして、それ以外の条件を実施例２−１と同じにして、接合構造体２０１を作製した。
(Example 2-4)
The joined
（実施例２−５）
はんだ合金１０５のＳｂ含有率を１０ｗｔ％とし、それ以外の条件を実施例２−４と同じにして、接合構造体２０１を作製した。
(Example 2-5)
The Sb content of the
（実施例２−６）
はんだ合金１０５のＳｂ含有率を１５ｗｔ％とし、それ以外の条件を実施例２−４と同じにして、接合構造体２０１を作製した。
(Example 2-6)
The Sb content of the
（実施例２−７）
はんだ合金１０５のＳｂ含有率を１０ｗｔ％とし、Ｔｅ含有率を０．５ｗｔ％とし、それ以外の条件を実施例２−４と同じにして、接合構造体２０１を作製した。
(Example 2-7)
A bonded
（実施例２−８）
はんだ合金１０５に、Ｓｂ含有率が３ｗｔ％であり、Ｔｅ含有率が３ｗｔ％であり、残部がＳｎであるものを使用し、それ以外の条件を実施例２−４と同じにして、接合構造体２０１を作製した。
(Example 2-8)
A
（実施例２−９）
はんだ合金１０５に、Ｓｂ含有率が１５ｗｔ％であり、Ｔｅ含有率が３ｗｔ％であり、残部がＳｎであるものを使用し、それ以外の条件を実施例２−４と同じにして、接合構造体２０１を作製した。
(Example 2-9)
A
（実施例２−１０）
はんだ合金１０５に、Ｓｂ含有率が３ｗｔ％であり、Ａｕ含有率が０．０１ｗｔ％であり、残部がＳｎであるものを使用し、それ以外の条件を実施例２−４と同じにして、接合構造体２０１を作製した。
(Example 2-10)
For the
（実施例２−１１）
はんだ合金１０５に、Ｓｂ含有率が１５ｗｔ％であり、Ａｕ含有率が３ｗｔ％であり、残部がＳｎであるものを使用し、それ以外の条件を実施例２−４と同じにして、接合構造体２０１を作製した。
(Example 2-11)
A
（実施例２−１２）
はんだ合金１０５に、Ｓｂ含有率が３ｗｔ％であり、Ｔｅ含有率が０．００５ｗｔ％であり、Ａｕ含有率が０．００５ｗｔ％であり、残部がＳｎであるものを使用し、それ以外の条件を実施例２−４と同じにして、接合構造体２０１を作製した。
(Example 2-12)
For the
（実施例２−１３）
はんだ合金１０５に、Ｓｂ含有率が１５ｗｔ％であり、Ｔｅ含有率が１．５ｗｔ％であり、Ａｕ含有率が１．５ｗｔ％であり、残部がＳｎであるものを使用し、それ以外の条件を実施例２−４と同じにして、接合構造体２０１を作製した。
(Example 2-13)
For the
（比較例２−１）
はんだ合金１０５のＳｂ含有率を２ｗｔ％とし、それ以外の条件を実施例２−１と同じにして、接合構造体２０１を作製した。
(Comparative Example 2-1)
The Sb content of the
（比較例２−２）
はんだ合金１０５のＳｂ含有率を１６ｗｔ％とし、Ｔｅ含有率を３ｗｔ％とし、それ以外の条件を実施例２−１と同じにして、接合構造体２０１を作製した。
(Comparative Example 2-2)
The Sb content of the
（比較例２−３）
はんだ合金１０５のＳｂ含有率を５ｗｔ％とし、Ｔｅ含有率を０．００５ｗｔ％とし、それ以外の条件を実施例２−１と同じにして、接合構造体２０１を作製した。
(Comparative Example 2-3)
The bonded
（比較例２−４）
はんだ合金１０５に、Ｓｂ含有率が１５ｗｔ％であり、Ａｕ含有率が０．００５ｗｔ％であり、残部がＳｎであるものを使用し、それ以外の条件を実施例２−１と同じにして、接合構造体２０１を作製した。
(Comparative Example 2-4)
For the
（比較例２−５）
はんだ合金１０５のＳｂ含有率を３ｗｔ％とし、Ｔｅ含有率を３．５ｗｔ％とし、それ以外の条件を実施例２−１と同じにして、接合構造体２０１を作製した。
(Comparative Example 2-5)
The bonded
（比較例２−６）
はんだ合金１０５に、Ｓｂ含有率が１５ｗｔ％であり、Ａｕ含有率が３．５ｗｔ％であり、残部がＳｎであるものを使用し、それ以外の条件を実施例２−１と同じにして、接合構造体２０１を作製した。
(Comparative Example 2-6)
For the
作製した実施例２−１〜２−１３および比較例２−１〜２−６の接合構造体２０１に対してヒートサイクル試験を行い、耐クラック性の評価を行った。ヒートサイクル試験は液槽試験槽を用いて−４０℃、１５０℃各５分を１サイクルとし、１０００サイクル行った。試験後のサンプルを超音波顕微鏡で観察し、剥離面積を接合面積で割ってクラック率を算出した。クラック率が３０％を超えるとシリコンチップの発熱をリードフレームに効率的に逃がせなくなるため、３０％以下を○、３０％より大きいと×と判定した。
A heat cycle test was performed on the manufactured bonded
引っ張り試験における伸び（％）の測定結果を表２に示した。 The measurement results of elongation (%) in the tensile test are shown in Table 2.
実施例２−１から２−１３におけるクラック率は、シリコンチップの発熱をリードフレームに効率的に逃がせなくなるクラック率である３０％を下回るため、実施例２−１から２−１３における判定は全て○となった。はんだ合金の厚みが０．５である実施例２−１から２−３においては、クラック率は１０％以下であり、特に良好な結果となった。はんだ合金の厚みが減少することにより、接合体構造のはんだ接合層の厚みも薄くなるため、接合部に発生する応力が高くなると考えられるが、はんだ合金の厚みが０．１である実施例２−４から２−１３においても、クラック率は３０％以下であり、シリコンチップの発熱をリードフレームに効率的に逃がせなくなるクラック率である３０％を下回った。これは、はんだ合金がＴｅを含むことによってはんだ合金の高温伸びが向上し、ヒートサイクル時に発生する応力を吸収することができるようになるため、はんだ合金の耐クラック性が向上したためであると考えられる。実施例２−１０および２−１１においても３０％を下回る良好なクラック率が得られていることから、Ｔｅの代わりにＡｕを用いても、同様に耐クラック性を向上させることが可能であったことが分かる。また、実施例２−１２および２−１３においても３０％を下回る良好なクラック率が得られていることから、ＴｅとＡｕの両方を、含有率の合計が０．０１ｗｔ％以上３ｗｔ％以下となるように用いても、同様に耐クラック性を向上させることが可能であったことが分かる。 Since the crack rate in Examples 2-1 to 2-13 is lower than 30%, which is a crack rate at which the heat generation of the silicon chip cannot be efficiently released to the lead frame, all the determinations in Examples 2-1 to 2-13 are made ○ became. In Examples 2-1 to 2-3 in which the thickness of the solder alloy was 0.5, the crack rate was 10% or less, and particularly good results were obtained. Example 2 in which the thickness of the solder alloy is 0.1 because the thickness of the solder alloy layer is also reduced due to the decrease in the thickness of the solder joint layer of the joined body structure due to the decrease in the solder alloy thickness. From -4 to 2-13, the crack rate was 30% or less, which was lower than 30%, which is the crack rate at which the heat generated by the silicon chip cannot be efficiently released to the lead frame. This is considered to be because the high temperature elongation of the solder alloy is improved when the solder alloy contains Te and the stress generated during the heat cycle can be absorbed, so that the crack resistance of the solder alloy is improved. It is done. In Examples 2-10 and 2-11, since a good crack rate of less than 30% was obtained, even if Au was used instead of Te, it was possible to improve the crack resistance similarly. I understand that. In Examples 2-12 and 2-13, since a good crack rate of less than 30% was obtained, both Te and Au had a total content of 0.01 wt% or more and 3 wt% or less. It can be seen that the crack resistance could be improved in the same manner even if it was used.
Ｓｂ含有率が２ｗｔ％である比較例２−１において判定は×であり、Ｓｂ含有率が３ｗｔ％を下回ると、クラック率が３１％を上回ることがわかった。Ｓｂ含有率が１６ｗｔ％である比較例２−２において判定は×であり、Ｓｂ含有率が１５ｗｔ％を上回ると、クラック率が３１％を上回ることがわかった。これにより、Ｓｂ含有率は３ｗｔ％以上かつ１５ｗｔ％以下が好ましいことが分かった。 In Comparative Example 2-1, in which the Sb content was 2 wt%, the determination was x, and it was found that when the Sb content was less than 3 wt%, the crack rate exceeded 31%. In Comparative Example 2-2 where the Sb content was 16 wt%, the determination was x, and when the Sb content exceeded 15 wt%, it was found that the crack rate exceeded 31%. Thereby, it was found that the Sb content is preferably 3 wt% or more and 15 wt% or less.
比較例２−３から２−６より、Ｔｅ含有率が０．００５ｗｔ％および３．５ｗｔ％の場合と、Ａｕ含有率が０．００５ｗｔ％および３．５ｗｔ％の場合に、クラック率が３０％より大きくなり判定は×となった。これにより、ＴｅやＡｕの含有率が０．００５ｗｔ％を越えることにより、Ｓｎの結晶に転位の形成が生じて、高温での伸びの効果が得られるようになると考えられる。また、ＴｅやＡｕの含有率が３ｗｔ％を下回ることにより、ＴｅやＡｕはＳｎに固溶することができ、Ｓｎとの化合物として析出することがないため、はんだ接合層が固くならず、ヒートサイクル時の応力でクラックが発生することが少なくなると考えられる。これにより、Ｓｂの含有率が３ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下であり、かつＴｅおよびＡｕの総含有率は０．０１ｗｔ％以上３ｗｔ％以下であることが好ましいことが分かった。 From Comparative Examples 2-3 to 2-6, when the Te content is 0.005 wt% and 3.5 wt%, and when the Au content is 0.005 wt% and 3.5 wt%, the crack rate is 30%. It became larger and the judgment became x. Accordingly, it is considered that when the content of Te or Au exceeds 0.005 wt%, dislocations are formed in the Sn crystal, and the effect of elongation at high temperature can be obtained. Further, since the content of Te and Au is less than 3 wt%, Te and Au can be dissolved in Sn and do not precipitate as a compound with Sn. It is thought that cracks are less likely to occur due to stress during cycling. Thereby, it was found that the Sb content is preferably 3 wt% or more and 15 wt% or less, and the total content of Te and Au is preferably 0.01 wt% or more and 3 wt% or less.
本発明のはんだ合金および接合構造体によれば、高温での伸びが改善し、接合構造体の耐クラック性が向上するため、パワーモジュール等の半導体素子の接合の用途に適用することができる。 According to the solder alloy and the bonded structure of the present invention, the elongation at high temperature is improved, and the crack resistance of the bonded structure is improved. Therefore, the solder alloy and the bonded structure can be applied to bonding of semiconductor elements such as power modules.
１０１ 半導体素子
１０２ シリコンチップ
１０３ オーミック層
１０４ メタライズ層
１０５ はんだ合金
１０６ 回路基板
１０７ リードフレーム
１０８ めっき層
２０１ 接合構造体
２０２ 合金層
２０３ はんだ接合層
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- 2016-12-20 JP JP2016246955A patent/JP2018099712A/en active Pending
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