JP6008101B2 - 電力用はんだ - Google Patents

Description

本発明は、電気自動車やハイブリッド自動車、電車などの電力回路に用いられるカーケンダルボイドの少ない電力用はんだに関する。

従来の自動車は、ガソリンや軽油などの化石燃料で走るものであったが、化石燃料の高騰やＣＯ２の排出規制から、電気自動車やハイブリッド自動車への期待が高まり、事実ハイブリッド自動車は日本において最も売れる自動車となっている。
電気自動車やハイブリッド自動車の基幹技術として、バッテリーと並びインバーターが挙げられる。電気自動車やハイブリッド自動車の走行用モーターは、交流で電圧が５００Ｖ以上のものが用いられるが、電気自動車やハイブリッド自動車に使用されているニッケルカドミウム電池やリチウムイオン電池などの２次電池の電圧は、直流で１Ｖ前後と低いため、直流から交流への変換と昇圧が必要です。この役目をするのが、インバータである。

インバータは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等のパワー素子と、パワー素子から発生した熱を下げる働きをする冷却板から構成されている。近年のインバータは、パワー素子を多数組み合わせてユニット化したパワーモジュールの形で使用させる事が一般的である。パワーモジュールでは、小型化が可能となり、また冷却面でもより広い冷却板を取り付けて、冷却効率を向上させることが可能であるからである。
パワーモジュールでは、絶縁基板のＣｕランドとパワー素子のＣｕランドとをはんだを用いて平面接合することが多く、平面接合することで、パワー素子で発生した熱を放熱板に逃がしている。

パワーモジュールなどの電力部品では、流れる電流量が多く、パワー素子から発生する熱も多いために、パワーモジュール全体が常時加熱された状態になっている。このように、常時高温状態のパワーモジュールでは、ランドに用いているＣｕからはんだ側にＣｕ原子が移動して、移動した後にボイドが発生することがある。
これは、ＣｕとＳｎの二種類の金属が接触境界面で原子の拡散をして、Ｃｕが移動するカーケンダル現象によって起きるもので、カーケンダルボイドと呼ばれる。カーケンダル現象は、拡散速度が大きく異なる金属同士で起き易く、拡散速度が大きく異なる金属の接触境界面に、別の金属を被覆することで防止する方法（特許文献１、特開２０１１−２３３８７９号公報）があり、この発明では、Ｎｉをバリア層として用いている。

Ｓｎ−Ｚｎ系の鉛フリーはんだのカーケンダルボイドの防止策として、Ｓｎ−Ｚｎ系の鉛フリーはんだに、Ｇｅ又はＮｂを添加した鉛フリーはんだ（特許文献２，特開２００５−１９３２９４号公報）も有る。
また本出願人は、はんだボールの耐落下衝撃性を高めるために、Ｓｎ−Ａｇ−ＣｕはんだにＳｉを添加したはんだ合金（特許文献３，特開２００４−２６１８６３号公報）を開示している。

特開２０１１−２３３８７９号公報 特開２００５−１９３２９４号公報 特開２００４−２６１８６３号公報

電気自動車やハイブリッド自動車のインバータ等に用いられるパワーモジュールは、流れる電流量が多く、パワー素子から発生する熱も多いために、パワーモジュール全体が常時加熱された状態になっている。このような状態では、拡散速度が大きく異なる金属が接すると、カーケンダル現象によって、接触境界面で原子の拡散をし、金属が移動するカーケンダルボイドが発生して、パワーモジュールの寿命を著しく低下させる。

パワーモジュールでは、パワー素子から発生する熱を放熱するために、その素子には熱伝導性が良いＣｕが用いられてきた。しかし、パワーモジュール自体が発生する熱によって、常時高温に晒されるため、カーケンダル現象によるボイドが発生しやすく、パワーモジュールの寿命を低下させてきた。
この対策として、Ｃｕランド上にＮｉめっきのバリアを作り、カーケンダルボイドを防止していました。しかし、Ｎｉめっきのバリアは薄いとバリアとしての効果がなく、厚すぎると、パワー素子からの放熱の障害となって、パワーモジュールの放熱効果を阻害していた。
本発明が、解決しようとする改題は、パワーモジュール内部の絶縁基板と半導体素子電極のＣｕランド上にＮｉのバリアを設けなくとも済むＳｎ−Ｃｕ系のはんだ合金を見いだすことである。

本発明者らは、パワーモジュールの絶縁基板のＣｕランドと、半導体素子電極のＣｕランドを接合するＳｎ−Ｃｕ系はんだ合金に、Ｓｉを添加することによって、Ｃｕランド上にＮｉのバリアを設けなくとも、カーケンダル現象が抑制されることを見いだし、本発明を完成させた。
本発明は、Ｃｕが０．５〜１．５質量％、Ｓｉが０．００１〜２．０質量％、残りはＳｎからなることを特徴とするはんだ合金である。

本発明のＳｎ−Ｃｕ−Ｓｉからなるはんだ合金は、電気自動車、ハイブリッド自動車などのインバーターに用いられる、パワーモジュールに適したはんだ合金である。
パワーモジュールには、従来からSn-Cu系はんだ合金が用いられてきた。それは、Sn-Cu系はんだ合金が一般的な基板のはんだ付けに使用されるSn-Ag-Cuはんだ合金に比較して、液相線温度が約１０℃高いために、大電流が流れて、高温になりやすいパワーモジュールでは液相線温度が高く、耐熱性が高いという利点があり、また、パワーモジュールのようなはんだで接合される部分が両側で、応力が加わったときに力の逃げ場のない構造では、Sn-Ag-Cuはんだ合金のような硬いはんだ組成では、応力破壊が起こり易い。それに対して、Sn-Cu系はんだ合金ではSn-Ag-Cuはんだ合金に比較して柔軟性があるので、応力破壊に対して強い特性がある。従って、Sn-Cu系はんだ合金が用いられている。

同じカーケンダル現象の抑制でも、特許文献２のＳｎ−Ｚｎ−Ｇｅ又はＳｎ−Ｚｎ−Ｎｂ組成のはんだ合金では、溶融温度が２００℃に近い、溶融温度が低い鉛フリーはんだ合金であり、大電流が加わり、発熱の多いパワーモジュールに用いると、接合部分が溶けてしまい、製品の寿命を短くしてしまう。従って、特許文献２の発明を本願発明に適用することはできない。

本発明のはんだ合金のＳｎ−Ｃｕ系はんだ合金にＳｉを添加することにより、カーケンダル現象を抑制できる理由は、詳しくは分かっていないが、次のように推測できる。
SiとCuは多様な化合物を形成することができるため、はんだ付け界面においてSiとCuが化合物を形成することによってCuの拡散速度を低下させているからだと考えられる。

本発明のＳｎ−Ｃｕ−Ｓｉ組成のはんだ合金を、電気自動車、ハイブリッド自動車などのインバーター等に用いられるパワーモジュールに用いると、Ｃｕランド上にＮｉのバリアを設けなくとも、カーケンダル現象が抑制され、カーケンダルボイドの発生がすくないために、長期間の使用でも故障の少ない、信頼性の高いインバータを製造することが可能になる。

図１は、パワーモジュールの模式図である。 図２は、従来のＳｎ−Ｃｕ組成のはんだを用いた接合面の高温放置後１０００時間後の断面写真である。 図３は、本発明のＳｎ−Ｃｕ−Ｓｉ組成のはんだを用いた接合面の高温放置後１０００時間後の断面写真である。

本発明のＳｎ−Ｃｕ−Ｓｉ組成のはんだ合金では、Ｃｕの含有量が０．３質量％未満だとランドのCuがはんだ中に溶融しやすくカーケンダルボイドを抑制できないという不具合があり、Ｃｕの含有量が１．５％を超えてしまうとＣｕランドとのぬれ性が悪くなって、ぬれ不良によるボイドの発生が増加する。したがって、本発明に添加するＣｕの含有量は、０．５質量％〜１．５質量％でなければならない。より好ましくは、Ｃｕの含有量は０．５質量％〜１．０質量％であり、さらに最適なＣｕの含有量は、０．６質量％〜０．８質量％のときである。

本発明のＳｎ−Ｃｕ−Ｓｉ組成のはんだ合金におけるＳｉの含有量は、０．００１質量％未満では、カーケンダルボイドの抑制効果が発揮されず、Ｓｉの含有量が２質量％を超えてしまうと、はんだ中でCuとSiが化合物を形成してしまい溶融温度が上昇してしまうという不具合がある。したがって、本発明に添加するＳｉの含有量は、０．００１質量％〜２質量％である必要がある。より好ましくは、Ｓｉの含有量は０．００１質量％〜０．１質量％であり、さらに最適なＳｉの含有量は、０．０１質量％〜０．０５質量％のときである。

本発明のＳｎ−Ｃｕ−Ｓｉ組成のはんだ合金には、Ｐ、Ｇｅ、Ｇａの酸化防止の効果がある元素を添加することができる。Ｐ、Ｇｅ、Ｇａは、単独でも、それぞれを組み合わせても、酸化防止効果を発揮する。本発明のＳｎ−Ｃｕ−Ｓｉ組成のはんだ合金に添加するＰ、Ｇｅ、Ｇａの酸化防止の効果がある元素の量は、Ｐ、Ｇｅ、Ｇａの１種以上が０．００１質量％では、酸化防止効果がなくなる。Ｐ、Ｇｅ、Ｇａの１種以上が１質量％を超えてしまうと、溶融温度の上昇や濡れ性の悪化という不具合が発生する。したがって、本発明のＳｎ−Ｃｕ−Ｓｉ組成のはんだ合金に添加するＰ、Ｇｅ、Ｇａの量は、０．００１質量％〜０．０１５質量％でなければならない。より好ましいのは、０．００２〜０．０１質量％のときである。

図１のような構造の試験片を製造して、高温放置後のボイドの割合と、高温放置後に成長したＣｕ６Ｓｎ５の金属間化合物とＣｕ３Ｓｎの金属間化合物の厚みの合計を比較した。
試験方法は、基板用のCu板として３０×２５×３mmの無酸素銅板（C１０２０）と、チップ用のCu板として１０×１０×１ｍｍの無酸素銅板（C１０２０）を、表１の各組成の１０×１０×０．１mmのはんだペレットを用いて、酸素濃度１５０PPM,、ピーク温度２３０℃、６０秒の条件でリフローはんだ付けした。
作製した試験片を１５０℃の恒温槽に放置し、１０００時間後に取り出し、ボイドの観察と金属間化合物を観察して、ボイド量と金属間化合物（ＩＭＣ）厚みを算定した。

ボイド量の算定方法は次のように行った。
１０００時間高温放置後の倍率５０００倍の断面写真を用いて、Ｃｕとはんだの接合部分に発生したボイドの横方向の長さを測定して、それらを合計した長さをボイド発生量とし、断面写真の横方向の長さで割って、ボイド発生率（％）を算定する。
次にＩＭＣ厚みは、１０００時間高温放置後の倍率５０００倍の断面写真を用いて、電子顕微鏡のサイズ表示を参照してＩＭＣ厚みを算定する。
ボイド発生率及びＩＭＣ厚みの結果を表１に示す。

表１の結果によると、本願のSn-Cu-Si組成のはんだ合金は、１５０℃、１０００時間の高温下の環境下でも、Cuとはんだ接合部分に発生するカーネンダルボイドが、Sn-Cu組成やSn-Cu-Ni組成に比べてボイド発生が少ないことが解る。

本発明のはんだ合金のSiのカーケンダルボイド抑制効果は、Sn-Cu系はんだ合金だけでなく、５質量％以下のAg、Sb、Bi、Inなどを添加したはんだ合金としても、カーケンダルボイド抑制効果が確認されている。

Claims (3)

1. Ｎｉバリアを設けないＣｕランドを有する基板と、Ｃｕランドを有する半導体チップとがはんだで平面接合されているパワーモジュール用のはんだ合金であり、Ｃｕが０．５〜１．５質量％、Ｓｉが０．００１〜２．０質量％、オプションとしてＰ、Ｇｅ、Ｇａから選択される元素１種以上を０．０１〜０．１質量％、残りはＳｎからなることを特徴とするはんだ合金。
   
2. 絶縁基板とパワー素子とをはんだを用いて接合しているパワーモジュールにおいて、絶縁基板上に形成されているＣｕランドにはＮｉのバリアが設けられておらず、パワー素子にはＣｕランドが形成されていて、絶縁基板上のＣｕランドとパワー素子のＣｕランドは、Ｃｕが０．５〜１．５質量％、Ｓｉが０．００１〜２．０質量％、オプションとしてＰ、Ｇｅ、Ｇａから選択される元素１種以上を０．０１〜０．１質量％、残りはＳｎからなるはんだ合金によって、平面接合されていることを特徴とするパワーモジュール。
3. 絶縁基板とパワー素子とをはんだを用いて接合しているパワーモジュールのはんだ付け方法において、Ｎｉのバリアを設けないＣｕランドを有する基板とＣｕランドを有する半導体チップからなるパワーモジュールの平面接合に、Ｃｕが０．５〜１．５質量％、Ｓｉが０．００１〜２．０質量％、オプションとしてＰ、Ｇｅ、Ｇａから選択される元素１種以上を０．０１〜０．１質量％、残りはＳｎからなるはんだ合金を使用することを特徴とするパワーモジュールのはんだ付け方法。