(57)【要約】【課題】機械的特性や疲労特性の向上を図ることができ、十分な耐熱性や信頼性を有する、はんだ合金を提供する。【解決手段】Ｓｂを５〜１０質量％、Ｎｉを０．０５〜０．２５質量％、それぞれ含有し、残部はＳｎから成る合金組成を有するはんだ合金を構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｂを５〜１０質量％、Ｎｉを０．０５〜０．２５質量％、それぞれ含有し、残部はＳｎから成る合金組成を有するはんだ合金。
【請求項２】
Ｎｉを０．０５〜０．１０質量％含有する、請求項１に記載のはんだ合金。
【請求項３】
溶融温度領域（液相線温度−固相線温度）が５℃以内である、請求項１又は請求項２に記載のはんだ合金。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のはんだ合金を含有するはんだペースト。
【請求項５】
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のはんだ合金を含有するプリフォームはんだ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温鉛フリー接合材に用いて好適な、はんだ合金に関する。また、このはんだ合金を含有する、はんだペースト、プリフォームはんだに関する。
【背景技術】
【０００２】
電力の変換や制御を行うパワーモジュールは、電気自動車や電車といった輸送機器、工作機械やエレベータといった産業機器、エアコンや洗濯機といった民生機器など、あらゆる分野で利用されている。
【０００３】
パワーモジュールの内部には、ＳｉやＳｉＣのウエハを使用した、MOSFET(Metal oxide semiconductor field effect transistor)やIGBT(Insulated gate bipolar transistor)のパワー半導体が、電力変換装置のスイッチングデバイスとして搭載されている。
【０００４】
ここで、パワー半導体の動作温度は高温であり、Ｓｉパワー半導体の動作温度は最大１７５℃、ＳｉＣパワー半導体の動作温度は２００℃以上とされており、パワー半導体と絶縁基板を接合するダイアタッチ材は、熱の影響を大きく受ける。このため、ダイアタッチ材には、高耐熱性や高信頼性が要求される。
【０００５】
パワー半導体用ダイアタッチ材には、ＲｏＨＳ指令の適用対象外となっている、鉛含有率８５質量％以上のＰｂ−Ｓｎ系高温はんだが、主として用いられている。
しかしながら、今後、Ｐｂ−Ｓｎ系高温はんだも規制対象となりうるため、Ｐｂ−Ｓｎ系高温はんだの代替となる高温鉛フリー接合材の実用化が望まれている。
【０００６】
現状、高温鉛フリー接合材として、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだやＡｇ焼結体が、候補として挙げられ、開発が進められている。
【０００７】
また、鉛フリーはんだの特性を改良するために、Ｓｂの他に、Ａｇ，Ｃｕ，Ｇｅ，Ｎｉ等の元素を添加した構成のはんだ合金が提案されている（例えば、特許文献１〜特許文献４を参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１６−１０７３４３号公報
【特許文献１】再公表２０１２−０７７２２８号公報
【特許文献１】特開平１０−２８６６８９号公報
【特許文献１】特開２００８−２２１３３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
現状JIS Z3282で規定される鉛フリーはんだのうちで最高の融点（固相線温度：２３８℃、液相線温度：２４１℃）を持つＳｎ−５ＳｂはんだなどのＳｎ−Ｓｂ系はんだは、高温鉛フリー接合材の候補として挙げられる。
しかし、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだは、パワー半導体用ダイアタッチ材に適用するためには、さらなる機械的特性や疲労特性の向上が必要である。
【００１０】
特許文献１〜特許文献４に提案されている、はんだ合金は、Ｓｂの他にＡｇやＣｕを多く添加しているため、Ｓｎ−Ｓｂ合金はんだと比較して、固相線温度が低くなってしまい、パワー半導体用ダイアタッチ材に適用するための耐熱性が劣る。
また、Ｃｕを添加すると、溶融温度範囲（固相線温度−液相線温度）が広くなり、はんだが凝固する時に、引け巣（凝固割れ）が生じやすくなる。
また、Ａｇの添加量が多くなると、１２５℃や１５０℃等の高温での疲労特性が劣化してしまう。
【００１１】
上述した問題の解決のために、本発明においては、機械的特性や疲労特性の向上を図ることができ、十分な耐熱性や信頼性を有する、はんだ合金を提供するものである。また、このはんだ合金を含有する、はんだペースト、プリフォームはんだを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明のはんだ合金は、Ｓｂを５〜１０質量％、Ｎｉを０．０５〜０．２５質量％、それぞれ含有し、残部はＳｎから成る合金組成を有する構成である。
【００１３】
本発明のはんだペーストは、上記本発明のはんだ合金を含有する構成である。
本発明のプリフォームはんだは、上記本発明のはんだ合金を含有する構成である。
【発明の効果】
【００１４】
上述の本発明によれば、Ｓｂを５〜１０質量％、Ｎｉを０．０５〜０．２５質量％、それぞれ含有し、残部はＳｎから成る合金組成を有することにより、Ｎｉを含有しないＳｎ−Ｓｂ系はんだ合金の安定した溶融特性と同等の溶融特性を有する。
そして、Ｎｉを０．０５〜０．２５質量％含有することにより、Ｎｉを含有しないＳｎ−Ｓｂ系はんだ合金と比較して、機械的特性及び疲労特性を向上させることができる。
従って、本発明により、機械的特性や疲労特性の向上を図ることができ、十分な耐熱性や信頼性を有する、はんだ合金を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】Ｓｎ−５ＳｂへのＮｉの添加量と引張強度の関係を示す図である。
【図２】Ｓｎ−５ＳｂへのＮｉの添加量と０．１％耐力の関係を示す図である。
【図３】Ｓｎ−５Ｓｂの疲労寿命サイクル数と非弾性ひずみ範囲の関係を示す図である。
【図４】Ｓｎ−１０Ｓｂの疲労寿命サイクル数と非弾性ひずみ範囲の関係を示す図である。
【図５】Ｓｎ−５ＳｂへのＮｉの添加量を変えたときの各組成の２５℃における疲労寿命サイクル数と非弾性ひずみ範囲の関係を示す図である。
【図６】Ｓｎ−５ＳｂへのＮｉの添加量を変えたときの各組成の１５０℃における疲労寿命サイクル数と非弾性ひずみ範囲の関係を示す図である。
【図７】Ｓｎ−５ＳｂへのＮｉの添加量を変えたときの各組成の２００℃における疲労寿命サイクル数と非弾性ひずみ範囲の関係を示す図である。
【図８】Ｓｎ−１０ＳｂへのＮｉの添加量を変えたときの各組成の２５℃における疲労寿命サイクル数と非弾性ひずみ範囲の関係を示す図である。
【図９】Ｓｎ−１０ＳｂへのＮｉの添加量を変えたときの各組成の１５０℃における疲労寿命サイクル数と非弾性ひずみ範囲の関係を示す図である。
【図１０】Ｓｎ−１０ＳｂへのＮｉの添加量を変えたときの各組成の２００℃における疲労寿命サイクル数と非弾性ひずみ範囲の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明のはんだ合金は、Ｓｂを５〜１０質量％、Ｎｉを０．０５〜０．２５質量％、それぞれ含有し、残部はＳｎから成る合金組成を有する構成である。
即ち、本発明のはんだ合金は、ＳｎとＳｂとＮｉの３つの元素を含有し、そのうち、Ｓｎ及びＳｂの２つの元素を主要成分として、さらにＮｉを０．０５〜０．２５質量％という微量含有する合金組成を有する。主要成分としては、Ｓｎ及びＳｂ以外の元素（例えば、ＡｇやＣｕ等）は含有しない。
【００１７】
本発明のはんだ合金は、主要成分とならない微量（例えば、０．１質量％以下や、元素分析の検出限界以下、等）であれば、上述したＳｎ，Ｓｂ，Ｎｉ以外の他の元素を含有していても構わない。例えば、はんだ自身の酸化防止剤として、ＧｅやＰを、ｐｐｍオーダーのごく微量含有していてもよい。
なお、はんだの作製に使用したＳｎにおける不純物の含有量によっては、添加したＮｉの含有量より他の不純物の元素の含有量が多い場合がありうる。
【００１８】
本発明のはんだ合金は、Ｓｂを５〜１０質量％、Ｎｉを０．０５〜０．２５質量％、それぞれ含有しているので、Ｎｉを含有しないＳｎ−Ｓｂ系はんだ合金の安定した溶融特性と同等の溶融特性を有する。
そして、Ｎｉを含有しないＳｎ−Ｓｂ系はんだ合金と比較して、機械的特性及び疲労特性を向上させることができる。
従って、本発明により、機械的特性や疲労特性の向上を図ることができ、十分な耐熱性や信頼性を有する、はんだ合金を実現することができる。
【００１９】
本発明のはんだ合金は、上述したように十分な耐熱性や信頼性を有するので、高い耐熱性や信頼性が要求される、パワーエレクトロニクス機器のパワー半導体のダイアタッチ材として、十分に適用できると考えられる。
【００２０】
本発明のはんだ合金において、より好ましくは、Ｎｉを０．０５〜０．１０質量％含有する。
Ｎｉを０．０５〜０．１０質量％含有することにより、Ｎｉを含有しないＳｎ−Ｓｂ系はんだ合金と比較して、特に、１５０℃以上の高温における疲労特性を向上することができる。
【００２１】
また、本発明のはんだ合金において、好ましくは、溶融温度領域（液相線温度−固相線温度）が５℃以内である構成とする。
溶融温度領域が５℃以内と狭いことにより、はんだが凝固する際の、前述した引け巣（溶融割れ）の発生を防ぐことができる。
【００２２】
さらに、本発明のはんだ合金を含有する、はんだペーストや、プリフォームはんだ（成形はんだ）を構成することができる。
これらのはんだペーストやプリフォームはんだ（成形はんだ）は、本発明のはんだ合金を含有することにより、はんだ合金の溶融特性、機械的特性、疲労特性に優れている。これにより、耐熱性や信頼性に優れた、はんだペーストやプリフォームはんだを実現することができる。
【実施例】
【００２３】
Ｓｎ−ＳｂへのＮｉの添加量を変えて、それぞれのはんだ合金を作製して、特性を調べた。
【００２４】
＜実験１＞
（Ｎｉの添加量と溶融特性の関係）
Ｎｉの添加量と溶融特性の関係を調べた。
JIS Z3282に規定されるＳｎ−５Ｓｂ（添え字は質量％、以下同様とする）と、Ｓｎ−５ＳｂにＮｉを０．０５，０．５０質量％それぞれ添加したものと、Ｓｎ−１０Ｓｂと、Ｓｎ−１０ＳｂにＳｎ−５ＳｂにＮｉを０．０５，０．５０質量％それぞれ添加したものの、６種類の組成のはんだ合金の試料を用意した。
【００２５】
それぞれの試料に対して、示差走査熱量分析（Differential Scanning Calorimetry；ＤＳＣ）の測定を行った。測定方法及び測定条件は、JIS Z3198-1に準拠した。
示差走査熱量分析の測定によって得られた、それぞれの組成の試料の、固相線温度（℃）及び液相線温度（℃）を、表１に示す。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
表１より、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだにＮｉを添加しても、添加量が０．０５〜０．５０質量％の範囲では、溶融温度域（融点）がほとんど低下することがなく、せいぜい測定誤差レベルの１℃程度しか低下しないことがわかる。そして、Ｎｉを添加した場合でも、JIS Z3282「はんだ−化学成分及び形状」で規定される高温はんだ（固相線温度２１７℃以上かつ液相線温度２２５℃以上）に分類されることがわかる。
【００２８】
また、表１より、溶融温度域（液相線温度−固相線温度）が、Ｎｉを添加しない場合と同様に、５℃以内の狭い範囲となることがわかる。
従って、Ｎｉの添加量が０．０５〜０．５０質量％の範囲では、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだと同様に安定した溶融特性が得られる。
【００２９】
＜実験２＞
（Ｎｉの添加量と機械的特性の関係）
Ｎｉの添加量と機械的特性の関係を調べた。
Ｓｎ−５Ｓｂを基材として、基材にＮｉを０．０５，０．１０，０．２５，０．５０質量％それぞれ添加した、Ｓｎ−Ｓｂ−Ｎｉ系はんだ合金を用意した。
また、比較対照として、Ｎｉを添加していないＳｎ−５Ｓｂはんだ合金も用意した。
【００３０】
各組成のはんだ合金について、直径が０．５ｍｍで標点距離２ｍｍの微小試験片を作製した。そして、同じ組成については、それぞれ５個の微小試験片を作製した。
【００３１】
機械的特性として、それぞれの組成の微小試験片に対して、引張試験を行った。
試験条件は、温度２５℃、１５０℃、２００℃で、ひずみ速度２×１０−３ｓ−１として、引張試験を行い、引張強度と０．１％耐力を測定した。なお、同じ組成の５個の微小試験片の測定値の平均を、測定値とした。
測定結果として、Ｓｎ−５ＳｂへのＮｉの添加量と引張強度の関係を、図１に示す。また、Ｓｎ−５ＳｂへのＮｉの添加量と０．１％耐力の関係を、図２に示す。
【００３２】
図１及び図２より、Ｓｎ−Ｓｂ−Ｎｉ系はんだ合金の引張強度及び０．１％耐力は、２５℃ではＮｉ添加量が増加するに伴い、増加していく。１５０℃と２００℃では、２５℃ほどではないが、Ｎｉ添加による強度上昇が認められた。
ただし、１５０℃と２００℃では、Ｎｉ添加量の増加に伴う強度上昇が０．１０質量％以上の添加で飽和する傾向が見られた。
【００３３】
更に、実験２で作製した微小試験片のうち、Ｓｎ−５Ｓｂ，Ｓｎ−５Ｓｂ−０．１０Ｎｉ，Ｓｎ−５Ｓｂ−０．５０Ｎｉの３つの組成の微小試験片について、破断後の断面組織に対する、光学顕微鏡写真の撮影とＥＰＭＡ（電子線プローブＸ線マイクロアナライザー）によるマッピング元素分析を行った。
その結果、Ｎｉを添加していないＳｎ−５Ｓｂでは、β−Ｓｎを母相として、ＳｂＳｎ相が微細に分散していた。
また、Ｎｉを添加した、Ｓｎ−５Ｓｂ−０．１０ＮｉとＳｎ−５Ｓｂ−０．５０Ｎｉでは、母相のβ−ＳｎとＳｂＳｎ相の他に、更にＳｂＮｉ相が分散していることがわかった。そして、Ｎｉ添加量を増加することで、ＳｂＮｉ相が粗大化することもわかった。
これらの組成のマッピング元素分析の結果は、Ｓｎ−Ｓｂ二元系状態図やＳｎ−Ｓｂ−Ｎｉの三元系状態図と合致している。
【００３４】
＜実験３＞
（Ｎｉの添加量と疲労特性の関係）
Ｎｉの添加量と疲労特性の関係を調べた。
Ｓｎ−５ＳｂとＳｎ−１０Ｓｂを基材として、基材にＮｉを０．０５，０．１０，０．２５，０．５０質量％それぞれ添加した、Ｓｎ−Ｓｂ−Ｎｉ系はんだ合金を用意した。
また、比較対照として、Ｎｉを添加していないＳｎ−５ＳｂとＳｎ−１０Ｓｂのはんだ合金も用意した。
【００３５】
各組成のはんだ合金について、直径が０．５ｍｍで標点距離２ｍｍの微小試験片を作製した。
【００３６】
疲労特性として、それぞれの組成の微小試験片に対して、低サイクル疲労試験を行った。
試験条件は、温度２５℃、１５０℃、２００℃で、ひずみ速度を２×１０−３ｓ−１、全ひずみ範囲を０．４〜２．０％とした。そして、低サイクル疲労試験の結果から、疲労寿命サイクル数（最大荷重より２０％低下した時のサイクル数）と、非弾性ひずみ範囲との関係を求めた。
【００３７】
まず、Ｎｉを添加していないＳｎ−５ＳｂとＳｎ−１０Ｓｂについて、低サイクル疲労試験の結果を示す。Ｓｎ−５Ｓｂの疲労寿命サイクル数と非弾性ひずみ範囲の関係を、図３に示し、Ｓｎ−１０Ｓｂの疲労寿命サイクル数と非弾性ひずみ範囲の関係を、図４に示す。
なお、図３及び図４中のαは、疲労延性指数であり、図３及び図４のグラフの傾きを示す。そして、この疲労延性指数αは、値が小さいほど疲労特性に優れている。
【００３８】
図３及び図４より、温度２５℃〜２００℃において、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだは、疲労寿命に対する温度の影響は見られない。そこで、以下、試験温度に関わらず、各組成において、一本の回帰直線から傾き（α値）を算出することとする。
【００３９】
次に、基材のＳｎ−Ｓｂのみのはんだ合金と、Ｎｉを添加したＳｎ−Ｓｂ−Ｎｉ系はんだ合金について、試験温度毎にまとめて、疲労試験の結果を示す。
Ｓｎ−５ＳｂへのＮｉの添加量を変えたときの各組成の疲労寿命サイクル数と非弾性ひずみ範囲の関係について、２５℃の場合を図５に示し、１５０℃の場合を図６に示し、２００℃の場合を図７に示す。
また、Ｓｎ−１０ＳｂへのＮｉの添加量を変えたときの各組成の疲労寿命サイクル数と非弾性ひずみ範囲の関係について、２５℃の場合を図８に示し、１５０℃の場合を図９に示し、２００℃の場合を図１０に示す。
なお、図５〜図１０の各図において、グラフの右上に記載した数字は、対応する凡例の各組成の疲労延性指数αの値を示す。
【００４０】
図５〜図７の各図より、温度２５℃〜２００℃において、Ｎｉ添加量が０．０５〜０．２５質量％のＳｎ−５Ｓｂ−Ｎｉは、Ｓｎ−５Ｓｂと比較して、疲労延性指数αが同等以下の値となり、疲労特性が優れていることがわかる。
図８〜図１０の各図より、温度２５℃〜２００℃において、Ｎｉ添加量が０．０５〜０．２５質量％のＳｎ−１０Ｓｂ−Ｎｉは、Ｓｎ−１０Ｓｂと比較して、疲労延性指数αが同等以下の値となり、疲労特性が同等以上であることがわかる。
【００４１】
また、図６〜図７と、図９〜図１０の各図から、Ｎｉ添加量が０．０５〜０．１０質量％の場合には、特に１５０℃と２００℃において、Ｎｉを添加しないＳｎ−Ｓｂ系はんだ合金と比較して、疲労延性指数αが低減されている。即ち、Ｎｉ添加量が０．０５〜０．１０質量％の場合には、これらの比較的高い温度における、疲労特性を向上することができることがわかる。
【００４２】
以上より、本発明のＳｎ−Ｓｂ−Ｎｉ系はんだ合金は、Ｓｎ−５Ｓｂはんだ合金を上回る機械的特性や疲労特性を示すことが分かった。
従って、本発明のはんだ合金は、高耐熱性や高信頼性が要求されるパワーエレクトロニクス機器に搭載されるパワー半導体のダイアタッチ材として有望である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2020082122.tif 000008
【図６】
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【図７】
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【図８】
2020082122.tif 000011
【図９】
2020082122.tif 000012
【図１０】
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