(57)【要約】【課題】  本発明は、ロウ材中の空隙や粒子間に形成される化合物相に起因する接合信頼性低下の問題を解決した、Ｐｂを含有しないロウ材シートを提供することである。【解決手段】  本発明は、ｍａｓｓ％で７０〜９０％のＡｇと、残部Ｓｎからなるロウ材シートであって、Ａｇの粒径が３００μｍ以下、Ｓｎの粒径が１００μｍ以下の組織からなり、空隙率が３０％以下であり、好ましくは、Ａｇ粒子のアスペクト比が平均で１．２以上であるロウ材シートである。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｍａｓｓ％で７０〜９０％のＡｇと残部Ｓｎからなるロウ材シートであって、Ａｇの粒径が３００μｍ以下、Ｓｎの粒径が１００μｍ以下であり、空隙率が３０％以下であることを特徴とするロウ材シート。
【請求項２】
Ａｇ粒子のアスペクト比が平均で１．２以上であることを特徴とする請求項１に記載のロウ材シート。
【請求項３】
ｍａｓｓ％で７０〜９０％のＡｇと残部Ｓｎからなるロウ材シートの製造方法であって、粒径が３００μｍ以下のＡｇ粒子と、粒径が１００μｍ以下のＳｎ粒子とを混合して混合体とし、該混合体を押圧して空隙率が３０％以下の圧粉体として成形されることを特徴とするロウ材シートの製造方法。
【請求項４】
ｍａｓｓ％で７０〜９０％のＡｇと残部Ｓｎで構成され、３００μｍ以下のＡｇ粒子の周囲に形成されるＡｇ−Ｓｎ拡散相の厚さが１０μｍ以下の組織を有する接合部を具備することを特徴とする電子部品。
【請求項５】
接合部組織中に残存する金属Ｓｎ相が面積率で２０％以下であることを特徴とする請求項４に記載の電子部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品の接合に用いられるロウ材シートおよびその製造方法ならびに電子部品に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の電子機器産業において、Ｓｉなどからなる半導体素子を配線基板に電気的に接続する方法として、Ａｕ線を用いたワイヤボンディングが広く用いられている。ワイヤボンディングを行うためには半導体素子を配線基板に接合し固定する必要があるが、その固定のための接合部材として様々な素材が提案されている。中でもＰｂを重量％で９０％以上含有するＰｂ−Ｓｎ合金は融点が３００℃程度であり、樹脂系接合材と比較して耐熱性の面で優れることから、発熱量の大きなパワーデバイス系の半導体素子を配線基板に接合する際に多く用いられている。またＰｂ−Ｓｎ合金は電子部品の構造材料として、半導体素子の固定以外の用途でも使用されている。これは電子部品を配線基板に実装する際、一般に融点が２００℃付近のはんだ合金が使用されるが、Ｐｂ−Ｓｎ合金はそれよりも融点が高いためはんだ付け時に再溶融しないといった特徴を有するためである。
【０００３】
一方、近年自然環境への配慮からはんだやロウ材中のＰｂを削減しようとするいわゆるＰｂフリー化の動きがあり、Ｐｂ−Ｓｎ合金の代替材が各種検討されている。
たとえば特許文献１や特許文献２では、ＣｕとＳｎの粒子を還元作用のあるフラックスと混ぜてペースト状にした接合部材が提案されている。この接合部材は、ロウ付け時に融点の低いＳｎ粒子のみを溶融させてＣｕ粒子と反応させ、Ｓｎ粒子よりも融点の高いＣｕ−Ｓｎ化合物をＣｕ粒子間に拡散相として形成させて接合する。この提案はＰｂを含有しないロウ材であり、かつＳｎの融点まで再加熱されても構造材としての強度を保つという点で優れている。
【特許文献１】特開２００２−２５４１９４号公報
【特許文献２】特開２００３−２１１２８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した特許文献１や特許文献２に開示される接合材料は、Ｐｂを含有せず高温環境でも接合を確保するという点では有利であるものの、Ｓｎ粒子とＣｕ粒子をフラックスと混錬しただけの素材であるため、粒子間に多くの隙間が存在しており、ロウ付けした後にその空隙が残存しやすい。またＳｎ粒子とＣｕ粒子の接触が基本的に点接触であるため、粒子同士の反応性が悪いといった問題もある。さらにＳｎ粒子が溶融した際にＣｕ粒子間に形成されるＣｕ−Ｓｎ拡散相は非常に脆い金属間化合物であることに加え、実使用中に半導体素子の発熱等により高温に曝された場合ＣｕおよびＳｎ原子の拡散が活発化し著しく成長することで強度低下を引き起こす。これらの問題は、電子部品や電子機器の信頼性低下という点で大きな問題となる。
本発明の目的は、ロウ材中の空隙や粒子間に形成される化合物相に起因する接合信頼性低下の問題を解決した、Ｐｂを含有しないロウ材シートを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者は、特定の圧粉体とすることで、ロウ付け後も空隙の発生を抑えられることを見出し本発明に到達した。
【０００６】
すなわち本発明は、ｍａｓｓ％で７０〜９０％のＡｇと残部Ｓｎからなるロウ材シートであって、Ａｇの粒径が３００μｍ以下、Ｓｎの粒径が１００μｍ以下であり、空隙率が３０％以下であるロウ材シートである。
また、好ましくは、前記ロウ材シートにおけるＡｇ粒子のアスペクト比は、平均で１．２以上である。
【０００７】
また、本発明は、ｍａｓｓ％で７０〜９０％のＡｇと残部Ｓｎからなるロウ材シートの製造方法であって、粒径が３００μｍ以下のＡｇ粒子と、粒径が１００μｍ以下のＳｎ粒子とを混合して混合体とし、該混合体を押圧して空隙率が３０％以下の圧粉体として成形されるロウ材シートの製造方法である。
【０００８】
また、本発明はｍａｓｓ％で７０〜９０％のＡｇと残部Ｓｎで構成される組織であって、３００μｍ以下のＡｇ粒子の周囲に形成されるＡｇ−Ｓｎ拡散相の厚さが１０μｍ以下の組織を有する接合部を具備する電子部品である。
好ましくは、接合部組織中に残存する金属Ｓｎ相が面積率で２０％以下の電子部品である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、電子部品等の接合部における強度低下の問題を飛躍的に改善することができ、Ｐｂを含有しないロウ材の実用化にとって欠くことのできない技術となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
上述したように、本発明の重要な特徴は、Ａｇ粒子とＳｎ粒子の混合体であって、Ａｇの粒径が３００μｍ以下、Ｓｎの粒径が１００μｍ以下であり、空隙率が３０％以下であることである。これはＡｇ粒子が３００μｍよりも大きい場合、比表面積が小さいためＳｎ粒子との接触率が低く反応性が低下することに加え、Ａｇ粒子の周囲にＡｇ−Ｓｎ化合物が形成されていない部分が多くなり、粒子間の接合強度不足が生じる。またＳｎ粒子が１００μｍよりも大きい場合もＡｇ粒子との接触率が低く、ロウ付け時にＳｎが溶融してもＡｇ−Ｓｎ化合物がＡｇ粒子の周囲に局所的にしか形成されない。その結果接合部強度が不足する。また混合体の空隙率が３０％よりも大きい場合、ロウ付け後の接合部中に多数の空隙が残存し強度が十分でない。
【００１１】
また、本発明のロウ材シートにおけるＡｇの含有率は、ｍａｓｓ％で７０〜９０％であることが好ましい。これは７０ｍａｓｓ％よりも少ない場合、ロウ付け後も未反応のＳｎが接合部中に残存し、再度高温環境に曝された場合に接合部が再溶融することで強度が低下する場合があるためである。また、９０ｍａｓｓ％よりも大きい場合、Ａｇ−Ｓｎ化合物を拡散相として形成するには不十分なＳｎ粒子の量であり、Ａｇ粒子間の接合が十分に行われないためである。
【００１２】
さらに本発明のロウ材シートにおけるＡｇ粒子のアスペクト比は平均で１．２以上であることが好ましい。これはアスペクト比が平均で１．２以上であれば、ロウ付け時に溶融したＳｎと接した際、Ａｇ粒子の比表面積が大きく、Ｓｎとの反応が促進されるためである。
【００１３】
さらに、本発明のロウ材シートにおけるＡｇ粒子は、純Ａｇである必要はない。例えば、Ａｇを主成分とし、Ｓｎ、Ｃｕの何れか一つ以上を含むＡｇ合金であってもよい。これらの元素がＡｇに添加されても接合性に問題はなく、より安価なロウ材シートを提供することが可能である。
さらに、本発明のロウ材シートにおけるＳｎ粒子は、純Ｓｎである必要はない。例えば、Ｓｎを主としＡｇ、Ｃｕ、Ｂｉ、Ｚｎの何れか一つ以上を含むＳｎ合金であってもよい。これらの元素がＳｎに添加されるとＳｎの融点を下げる効果があり、より低いロウ付け温度での接合が可能となる。
【００１４】
また、本発明のロウ材シートは、例えば粒径が３００μｍ以下のＡｇと、１００μｍ以下のＳｎを用い、ｍａｓｓ％で７０〜９０％のＡｇと残部Ｓｎを混合して混合体とし、該混合体を押圧して空隙率が３０％以下の圧粉体とすることで得ることができる。本発明の製造方法においては、Ａｇ粒子とＳｎ粒子を混合して混合体とすることでＳｎ粒子がＡｇ粒子間に均一に分散し、ロウ付け時に接合部全体でＳｎ粒子とＡｇ粒子が反応することが可能となる。また該混合体の状態では粒子間に空隙が多数存在するが、押圧することにより混合体の空隙率を低下できることに加え、粒子が変形して粒子同士が面接触するようになり、Ａｇ粒子とＳｎ粒子の間の反応性が向上する。さらに、本発明では、押圧後展伸することもできる。押圧によって十分に空隙率を低減できるが、展伸工程の付与により空隙率をさらに低下させることもでき、加えて小型化・薄型化が進む電子部品の接合部材として適当な薄いロウ材シートを製造することも容易である。
【００１５】
また、本発明のロウ材シートを用いてロウ付けした電子部品の接合部は、３００μｍ以下のＡｇ粒子の周囲に１０μｍ以下の拡散相が形成された組織を有することが好ましい。
粒子の周囲にＡｇ−Ｓｎ拡散相が形成されることで粒子同士が接合されるが、本拡散相はＡｇ粒子やＳｎ粒子よりも脆いため、１０μｍよりも大きな拡散相が形成された場合、接合部の延性が低下し、電子部品の接合強度が低下するためである。
さらに、該ロウ材シートを用いてロウ付けした電子部品の接合部の平面断面において、接合部に残存する金属Ｓｎ層は面積率で２０％以下であることが好ましい。これは２０％よりも大きくても接合部としての機能を有するが、電子部品の発熱等により高温下に再度曝されるような場合には接合部中の金属Ｓｎが再溶融し、接合強度が低下するためである。
【実施例】
【００１６】
３００μｍ以下のＡｇ粒子と６０μｍ以下のＳｎ粒子を重量比で９５：５、９０：１０、８０：２０および６０：４０の割合で混合して混合体を作製した。次に加圧プレスにて５２５ＭＰａまたは７００ＭＰａの圧力を加え、長さ７０ｍｍ、幅８ｍｍのロウ材シートを作製した。また、比較として未加圧の混合体も用意した。それぞれの未加圧混合体および加圧成形体に対してＡｇ粒子のアスペクト比を求めた。ここでアスペクト比は、混合体あるいは成形体の平面断面における、Ａｇ粒子の最大長と最大長に対し垂直な方向の長さの比として定義し、平面断面１ｍｍ２当りのＡｇ粒子の平均値として求めた。また、混合体および成形体の空隙率は、混合体あるいは成形体の重量と体積を測定して見かけ密度Ｔを求め、充填率が１００％の場合の理論密度Ｔ１００とした場合に１００（１−Ｔ／Ｔ１００）として求めた。測定結果を表１に示す。実施例１から実施例４より、加圧することで混合体の空隙率を大幅に低減できており、シート中のＡｇ粒子のアスペクト比を１．２以上とすることができた。
【００１７】
次に、未加圧混合体および加圧成形体を電子部品の端子を模した無電解Ｎｉ／Ａｕめっきを施した基材上にＡｇ−Ｓｎ混合体を置き、２８０℃まで窒素雰囲気中で昇温してロウ付けを行った。ロウ付け後の接合部は、Ａｇ粒子およびＳｎ粒子の反応によりＡｇ−Ｓｎ化合物が形成され密度が変化する。そこで、ロウ付け後の接合部の空隙率は、接合部の平面断面１ｍｍ２に占める空隙の面積率として求めた。また、ロウ付け後に接合部に残存する金属Ｓｎについても同様に、ロウ付け後の接合部における平面断面１ｍｍ２に占めるＳｎ相の面積率として定義し測定した。加えて、接合部の接合度合いを評価するため、ロウ付け後に基材を引き剥がした。接合度合いは、素手で剥がせられる場合を未接合、素手で全くはがせない場合を接合として判定した。評価結果を表２に、ロウ付け前の加圧成形体の組織写真を図１に、ロウ付け後の接合部の組織写真を図２に、およびＡｇ粒子の周囲に形成される拡散相の組織写真を図３に示す。表２より、未加圧混合体を用いてロウ付けした比較例２および比較例３ではロウ付け後の接合部の空隙率が３０％を超えており、引き剥がしを行ったところ接合部の強度が不足しており破壊した。また空隙が多いため多量の金属Ｓｎが接合部から染み出しており、接合部に残存する金属Ｓｎの面積率を測定することができなかった。一方、加圧成形しロウ材シート中の空隙率を低減した場合は、ロウ付け後の接合部における空隙率が１０％未満であり、加圧により大幅に低減できたことがわかる。ただし、Ｓｎ粒子の混合割合が低い比較例１は加圧しても接合に必要な拡散相が十分に形成されなかったため、基材が手で剥がせるほどの不完全な接合であり、ロウ材としての機能を満足するものではなかった。逆にＳｎ粒子の混合割合が高い比較例４では十分接合しているものの接合部に残存する金属Ｓｎ相の面積率がほぼ半分を占めた。
【００１８】
ロウ付け時にＡｇ粒子の周囲に形成される拡散相の厚さが接合部の接合信頼性へ及ぼす影響について、３点曲げ試験を行い評価した。３点曲げ試験の結果はロウ材を接合する基材によって大きく左右され、接合部の特性を正確に把握することができない。このため、基材には接合せず、ロウ材シートのみを２８０℃まで加熱することで、接合部を模したバルク材を作製した。バルク材の寸法は幅８ｍｍ、長さ６０ｍｍ、厚さ１ｍｍとした。Ａｇ粒子の周囲に形成される拡散相の厚さは、金属顕微鏡を用い、ロウ付け後の接合部平面断面１ｍｍ２においてＡｇ粒子の周囲に形成された拡散相の平均厚さとして求めた。
また３点曲げ試験における支点の間隔は５０ｍｍとし、曲げ強度と破断時のたわみ量を測定した。これらの測定結果を表３に示す。拡散相の厚い比較例４では曲げ強度が低く、たわみ量も小さかったが、本発明の実施例では強度、たわみ量とも大幅に改善された。試験後の破面を観察したところ拡散相が多く露出していたことから、破壊は主に拡散相内で起こったことがわかった。したがって拡散相が薄い接合部を提供できる本発明のロウ材シートのほうが接合信頼性に優れることがわかった。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
【表２】
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【００２１】
【表３】
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【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施例１のロウ材シートの断面組織写真である。
【図２】実施例１のロウ付け後の接合部断面組織写真である。
【図３】実施例１のロウ付け後のＡｇ粒子の周囲に形成される拡散相の組織写真である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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