(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Cu：0.6〜0.9質量％、Al：0.01〜0.1質量％、Ti:0.02〜0.1質量％、残部Snから成る合金組成を有する鉛フリーはんだ合金。
【請求項２】
AlとTiとの合計量が0.03〜0.1質量％である、請求項１記載の鉛フリーはんだ合金。
【請求項３】
前記合金組成が、さらに、Co：0.01〜0.05質量％を含有することを特徴とする、請求項１または２に記載の鉛フリーはんだ合金。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の合金組成を有する、厚さ500μm以下の鉛フリーはんだ合金シート。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれかに記載の鉛フリーはんだ合金で接合されたシールドケースとICデバイスとの組立体。
【請求項６】
前記シールドケースにさらにヒートシンクを請求項１ないし３のいずれかに記載の鉛フリーはんだ合金で接合した、請求項５に記載のシールドケースとICデバイスとの組立体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉛フリーはんだ合金、特にSn-Cu系鉛フリーはんだ合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
はんだ合金は、例えば、電子機器の電極と他の部位との接続に用いたり、あるいは、ICデバイスをシールドケースそしてさらにヒートシンクに接合するのに用いる。電極などを構成する金属との濡れ性を利用して、電極と回路基板あるいはICデバイスとシールドケースなどを金属的に接合する。【０００３】
電極などのはんだ接合面にはCuめっきが使用される場合が多い。しかし、Niめっきが使用される場合もある。そのため、はんだ付けは、Cuめっき面ばかりでなく、Niめっき面にはんだ付けする場合がしばしば見られる。したがって、Ni、Cuのいずれに対してもはんだ付け性の優れたはんだ合金が求められている。【０００４】
従来より、一般にNiめっき面は、はんだ付けが難しいため、Niめっき面にAuなどを薄くめっきしておき、その上にはんだ付けを行っている。【０００５】
Niめっき面へのはんだ付けに関しては、従来はダイボンディング用として、Pb-Sn系はんだ合金（特許文献１：特開昭60-166192）、Bi-Ag系はんだ合金(特許文献２：特公表2005-503926)、さらにSn-Zn系はんだ合金(特許文献３：特開2005-52869)などが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭60-166192号公報
【特許文献２】特公表2005-503926号公報
【特許文献３】特開2005-52869号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述のような従来技術のはんだ合金には、いくつか問題がある。特許文献１のPb入りはんだ合金は人体への影響を配慮し、環境適合性の問題から使用が制限されている。また、高価な貴金属であるAｇ成分が比較的多量に配合されている特許文献２のはんだ合金は、コスト高となる問題がある。【０００８】
さらに、Znのように非常に不安定で酸化しやすい成分が含まれているはんだ合金（特許文献3参照）は、電極において腐食や経時変化が起こるため、使用が避けられる傾向にある。【０００９】
この様に、鉛フリーであって、Ag、Znを含有しない、つまり、環境負荷が低く経済性に優れているとともに、Cu、Niのいずれに対しても優れたはんだ付け性を示すはんだ合金が求められているが、従来技術のはんだ合金は、必ずしも満足すべき材料ではなかった。【００１０】
ここに、本発明の目的は、そのような問題を解消した新規なはんだ合金を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、Sn-Cu-Al系はんだ合金がNiめっき面への優れた濡れ性を発揮することを見出した。【００１２】
すなわち、Sn-Cu系はんだ合金にAl:0.01〜0.1質量％配合したところ、Niめっき面に対する濡れ性が非常に改善されるばかりでなく、Cuめっき面へのはんだ付け性も良好であることを見出して、本発明に至った。また、Ni系合金である洋白、白銅に対しても良好な濡れを示すことが確認された。【００１３】
さらに、上記Sn-Cu-Alはんだ合金に、Tiを0.02〜0.1質量%および/またはCoを0.01〜0.05質量％添加したところ、Ni表面に対する濡れ性が飛躍的に改善された。また、Cu表面へのはんだ付け性も良好であることも判明した。【００１４】
前述の通り、一般にNi金属部材表面ないしNiめっき面へのはんだ付けは難しく、Niめっき面にはその上にAuめっき（Ａｕフラッシュめっきという）を施して濡れ性を確保している。しかし、本発明にかかるはんだは、AuめっきをしていないNiめっき面に容易にはんだ付けが可能であり、はんだ中にも貴金属を含有しないため、工業的に安価なはんだ付けが可能である。もちろん、Ｎｉめっき面にＡｕフラッシュめっきを行うことで、はんだ付け性はさらに改善される。【００１５】
ここに、本発明は、Cu：0.6〜0.9質量％、Al：0.01〜0.1質量％、Ti：0.02〜0.1質量％、残部Snから成る合金組成を有する鉛フリーはんだ合金である。
【００１６】
AlとTiとの合計量が0.03〜0.1質量％であってもよい。
【００１７】
上記合金組成が、さらに、Co：0.01〜0.05質量％を含有してもよい。
【００１９】
よって、本発明は、Cu：0.6〜0.9質量％、Al：0.01〜0.1質量％、Ti：0.02〜0.1質量％、任意成分としてCo：0.01〜0.05質量％、残部Snから成る合金組成を有する鉛フリーはんだ合金である。
【００２２】
これらのはんだ合金は、本発明にかかるはんだ合金と総称する。
別の面からは、本発明は、上述のいずれかに記載の合金組成を有する、厚さ５００μｍ以下の鉛フリーはんだ合金シートである。【００２３】
本発明は、本発明にかかるはんだ合金によって接合されたシールドケースとＩＣデバイスとの組立体である。【００２４】
本発明は、前記シールドケースにさらにヒートシンクを上記はんだ合金によって接合した、シールドケースとICデバイスとの組立体である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、本発明にかかるはんだ合金をＩＣデバイスのはんだ付けに用いた態様を模式的に示す説明図である。
【図２】図２は、Niめっき面にAu フラッシュめっきを行った面に本発明にかかるはんだ合金を使用してICデバイスとシールドケースとの組立体をはんだ付けするときの加熱前の様子を模式的に示す説明図である。
【図３】図３は、図２の組立体を加熱・接合したときのはんだ継手の構造の模式的説明図である。
【図４】図４は、表１のデータにもとついてSn-Cu系はんだ合金におけるAl含有量とはんだ濡れ性と関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明を、図面を参照してさらに説明すると次の通りである。
図１は、本発明にかかるはんだ合金を用いた、ＩＣデバイスと放熱部材(シールドケースやヒートシンク)とのはんだ付けの様子を模式的に示す説明図である。
【００２７】
電気・電子産業分野は日々の技術革新に伴い軽薄短小化が進んでいる。特に、半導体分野においては、多機能化、高密度化が追求されている。そして、多機能化に伴い、半導体装置には大電流を通電させることになり、半導体部分に発生する熱量は増大する傾向にある。発生した熱を外部へ放出する放熱性能は、半導体の高性能化およびその信頼性に直結する非常に重要な要素である。
【００２８】
半導体の放熱部材としては、図1に示すようなヒートシンクを用いることが一般的である。放熱部材となるヒートシンクおよびシールドケースには、金属材料として熱伝導率の高い金属CuやNiめっきされた金属Cu、金属Alなどを用いる。
【００２９】
図示例においては、基板５に設けられたBGA、SiなどのICデバイス３を、シールドケース４を介してヒートシンク１に接続しており、ICデバイス３とシールドケース４との接続、およびシールドケース４とヒートシンク１との接続に、本発明にかかるはんだ合金２を使用している。本発明にかかるシート状のはんだ合金をICデバイス３とシールドケース４との間、そしてシールトケース４とヒートシンク1との間に介在させて組立体を構成し、これをリフロー炉等で加熱して、はんだ付けを行う。
【００３０】
図２および図３は、Niめっき面に、酸化を防止してはんだ付け性を高めるためにAuフラッシュめっきを行った接合面に本発明にかかるはんだ合金を用いてはんだ付けする場合を示し、それぞれはんだ付け温度への加熱前、加熱後の接合部の模式的説明図である。同一部材は同一符号で示す。もちろん、後述する実施例で示すように、本発明にかかるはんだ合金を使用すれば、高価なAuめっきを行わなくても、Niめっき面に効果的なはんだ付けを行うことができる。
【００３１】
図２は、はんだ付け前の組立体、図３は、はんだ付け後の組立体をそれぞれ示す。シールドケースは、さらにヒートシンクにはんだ付けされており、その場合にも、本発明にかかるはんだを使用してはんだ付けすることが好ましい。
【００３２】
図示例では、それぞれ、ICデバイス７およびシールドケース６に、Niめっき層８が設けられており、そのうえにAuフラッシュめっきによるAuめっき層１０が設けられ、接合面を構成している。これらの接合面は、本発明にかかるはんだ9を介して加熱・接合される。図２に示すAuめっき層１０は加熱によってはんだ内部に拡散し消失して、図３に示すようにSn-Cu-Ni系金属間化合物層１１が形成される。
【００３３】
従来はこの接続に、金属In、金属Inを含んだ樹脂系材料、グリースや導電性のテープを用いている。しかし、金属Inは貴金属であり接合材料として高価であることから、Ag入り材料同様に経済性に難を有する。また、グリースや導電性のテープは耐熱性や半導体素子・部材との密着性に課題が残る。
【００３４】
本発明によれば、図1に示すように、NiめっきされたICデバイス（半導体素子）とシールドケースないし、シールドケースとヒートシンクの接合に、本発明にかかるはんだ合金を用いることで金属的な接合が可能となる。シールドケース面およびヒートシンク面にもNiめっきまたはNi/Auフラッシュめっきが施されていてもよい。
【００３５】
これにより、従来の接合方式では困難であった、高い熱伝導性・耐熱性・密着性を兼ね備えた放熱設計が可能となる。
【００３６】
本発明においてはんだ合金成分を規定した理由は次の通りである。
本発明においてCuは、はんだ合金の強度改善そして融点調整のために配合される。
【００３７】
一般に半導体実装部に使用されているはんだは、近年の鉛フリー化により、Sn-3質量%Ag-0.5質量%Cuはんだを中心としたSnAgCu系合金である。
【００３８】
ここに、本発明にかかるはんだ合金は、融点が227〜230℃程度でありSn-Cu合金の共晶組成に近い融点であり、この融点調整のために、Cu添加量は0.6〜0.9質量%とする。
【００３９】
Cu含有量が0.6質量%未満では、強度の改善が十分でなく、一方、0.9質量％を超える場合には、融点が高く、機械的延性に乏しいため適当とはいえない。好ましくは、0.7〜0.9質量％である。
【００４０】
本発明の特徴のひとつは、Alを配合することであるが、Al:0.01質量％未満では濡れ性改善効果が十分でない。一方、Al:0.1質量％を超えると、溶融時に酸化しやすいAlがはんだ表面に濃化しやすく、濡れ性について本発明の目的を達成することができない。好ましいAl含有量は、0.02〜0.07質量％である。
【００４１】
本発明にかかるはんだ合金において、さらに、Tiを0.02〜0.1質量％添加することにより、特に、Niに対する濡れ性が著しく改善される。 特に、AlとTiとの合計量が0.03〜0.1質量%のときには、濡れ性の改善効果が著しい。
【００４２】
本発明にかかるSn-Cu-Alはんだ合金において、必要により、さらにCo：0.01〜0.05質量％を配合することができる。Coを配合することで本発明にかかるはんだ合金のNi面への濡れ性を、さらに改善することができるのみならず接合材としての強度や硬度を増すことができる。
【００４３】
ところで、半導体素子は熱膨張係数の低いシリコンを主成分とする場合が多く、接合されるヒートシンクやシールドケースは金属材料である。半導体と放熱部材(ヒートシンクやシールドケース)の接合部には、通電に伴い互いの熱膨張係数差に起因した熱ひずみ・熱応力がかかり、接合体にクラックや剥離が生じる場合がある。
【００４４】
本発明にかかるはんだ合金は、Sn-Cuはんだに対してAlを微量添加することで、前述の作用効果に加えて、機械的延性を向上させることができるため、熱応力による変形に追従できると考えられる。そればかりか、Sn-Cu合金にAl、必要によりさらにTiを0.02〜0.1質量％と微量添加することで、Snを主成分とする組織を微細化でき、内部応力によるクラックの進展を抑制する効果や応力緩和性によるはんだ合金の長寿命化が可能と考えられる。
【００４５】
本発明にかかるはんだ合金の形態は特に制限されず、棒状はんだ、粉末はんだ、ボールはんだ、シートはんだ等適宜形態で使用することができる。
【００４６】
特に、Ni面へのはんだ付け性が優れていることを考慮すると、ICデバイスの放熱用に用いられる放熱部材(シールドケースやヒートシンク)とICデバイスなどのはんだ付けに、はんだ合金シートの形態で、有利に使用できることがわかる。
【００４７】
本発明にかかるはんだは、Ni面に対するはんだ付け性が特に優れていることからシート状に成形して、これをシールドケースとICデバイスの底面とで挟持しながら搬送式リフロー炉またははんだ接合用のオーブン炉で加熱することで、容易に接合できる。このときのはんだシートの厚さは、500μm以下である。下限は特に規定しないが、製造上の制限から、通常、200μm以上である。本発明にかかるはんだシートは、はんだ接合面に合せて適宜幅、長さに切断して上述のはんだ付けに使用する。
【００４８】
本発明について、ICデバイスをシールドケースやヒートシンクに接合するはんだ合金として説明してきたが、当業者にはすでに理解されるように、本発明にかかるはんだ合金は、回路基板の電極のはんだ付けにも同様に用いられる。その場合には、ペレット状あるいは円板状のプリフォームはんだとして用いることができる。
【実施例】
【００４９】
表１に示す合金組成を有するはんだを調製して、下記要領により濡れ性試験を行い、各はんだの濡れ性、引張強度を計測した。【００５０】
濡れ性試験
ウェッティングバランス法により、はんだ合金の濡れ性を調べた。【００５１】
使用する試験片は、Ni板およびCu板（厚み0.3×幅10×長さ30mm）とした。
この試験片表面に、はんだ付け用の樹脂系フラックスを薄く塗布し、260℃に加熱保持された溶融はんだ中に浸漬して、時間軸に対する濡れ曲線を得た。この濡れ曲線から、ゼロクロス時間を求め、濡れ性を評価した。【００５２】
試験結果を表１にまとめて示す。Ni板に対する濡れ性は、基本組成であるSn-0.7質量%Cu合金はんだよりも約1秒以上速いゼロクロス時間を良とした。基本組成のゼロクロス時間は5.4秒であったので、2秒以上4秒未満の場合には、濡れ性の改善が見られたとして「良」とした。そして、ゼロクロス時間2秒未満を「優」とし、4秒以上を「劣」とした。【００５３】
同じく、Cu板に対する濡れ性を評価し、表１にまとめて示す。Ni板の場合と同様に、濡れ性の判断基準を、基本組成であるSn-0.7Cuはんだより速い濡れを示す1.1秒未満を「優」、1.1秒以上1.6秒未満を「良」、1.6秒以上を「劣」とした。【００５４】
【表１】
0005614507.tif 000002
【００５５】
（ＮｉおよびＣｕに対する濡れ性評価）
表１に示す結果から分かるように、Ｓｎ−０．６〜０．９質量％Ｃｕ合金では、Ｎｉに対する濡れ性が悪いが、これに０．０１〜０．１質量％のＡｌを添加することで、Ｎｉに対する濡れ性が改善される。【００５６】
同様に、また、Ｓｎ−Ｃｕはんだ合金にＡｌを０．０１〜０．１質量％添加することにより、Ｃｕに対しても良好な濡れ性を発揮する。【００５７】
Ｓｎ−Ｃｕはんだ合金にＡｌの他に、Ｔｉ：０．０２〜０．１質量％を添加することでＮｉに対する濡れ性が極めて強く改善される。特に、Ａｌ、Ｔｉの総添加量が約０．０３〜０.１質量%である場合Nｉへの濡れ性は強く改善される。【００５８】
図４は、表１のデータに基づいて作成したグラフであり、Sn-0.7Cu系 はんだ合金において、Al含有量を変えたときにNi面およびCu面に対するはんだ濡れ性がどのように変わるかを示す。Al含有量に応じてCu面のはんだ濡れ性は特に影響されないが、Ni面については、Al:0.01〜0.1％の範囲で特に優れたはんだ濡れ性が発揮されることが分かる。 
【図１】
0005614507.tif 000003
【図２】
0005614507.tif 000004
【図３】
0005614507.tif 000005
【図４】
0005614507.tif 000006