(57)【要約】【課題】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を提供する。【解決手段】Ｓｂの含有率が３ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下、かつＴｅの含有率が０．０１以上１．５ｗｔ％以下、かつＡｕの含有率が０．００５ｗｔ％以上１ｗｔ％以下であり、ＡｇとＣｕの少なくとも一元素の含有率が０．１ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下であり、かつＡｇとＣｕの含有率の和が０．１ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下であり、残部がＳｎである、はんだ合金。【選択図】図２
2018187670.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｂの含有率が３ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下であり、Ｔｅの含有率が０．０１以上１．５ｗｔ％以下、かつＡｕの含有率が０．００５ｗｔ％以上１ｗｔ％以下であり、ＡｇとＣｕの少なくとも一元素の含有率が０．１ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下であり、かつＡｇとＣｕの含有率の和が０．１ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下であり、残部がＳｎである、はんだ合金。
【請求項２】
半導体素子と回路基板とが、Ｓｂと、Ｔｅと、Ａｕと、ＡｇとＣｕの少なくとも一元素と、Ｓｎとを含むはんだ接合層を介して接合されている接合構造体であって、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合金またはＳｎＣｕ合金が含まれる、接合構造体。
【請求項３】
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前記界面に含まれるＳｎＮｉ合金またはＳｎＣｕ合金が、ＴｅおよびＡｕの少なくとも一方を含む、請求項２に記載の接合構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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５ｍａｓｓ％以上２０ｍａｓｓ％以下、Ｔｅを０．０１ｍａｓｓ％以上５ｍａｓｓ％以下含み、残部はＳｎと任意の添加物と不可避不純物とから成ることを特徴とするろう材と、このろう材を用いて組み立てられた半導体装置が、特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４１４７８７５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載されるはんだ合金には、ＳｎにＴｅやＡｇ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ｎｉを添加することで接合信頼性を向上させているが、その温度サイクル試験は５００サイクルまでしか実施されていない。そのため、１０００サイクル以上の温度サイクル試験に耐え得る程度の信頼性が必要とされる車載等の目的のためには、その接合信頼性は不十分であるおそれがあった。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を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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３０ｗｔ％以下であり、Ｔｅの含有率が０．０１以上１．５ｗｔ％以下、かつ、Ａｕの含有率が０．００５ｗｔ％以上１ｗｔ％以下であり、ＡｇとＣｕの少なくとも一元素の含有率が０．１ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下であり、かつＡｇとＣｕの含有率の和が０．１ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下であり、残部がＳｎである。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
本発明のはんだ合金には、Ｔｅが所定の含有率を有するように添加されているため、ＴｅのＳｎへの固溶による伸びの向上が生じている。さらに、本発明のはんだ合金には、ＴｅとＡｕの両方が所定の含有率を有するように添加されているため、高温において、イオン半径の異なるＡｕがＳｎに固溶しているＴｅと複雑に置換し、転位を発生させるために、高温における伸びの向上が生じている。このため、本発明のはんだ合金は、Ｔｅだけを添加したＳｎＳｂ系はんだと比較して、高温におけるより優れた伸びを有している。これにより、ヒートサイクル時に発生する繰返し応力を吸収することができるため、接合構造体の高信頼性を実現することができる。また、本発明のはんだ合金にはＡｇおよびＣｕの少なくとも一方が含まれるために、ＡｇとＳｎまたはＣｕとＳｎの金属間化合物が析出する。金属間化合物が析出することにより接合強度が向上し、接合構造体の高信頼性を実現することができる。
【０００９】
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とＡｕと、ＡｇおよびＣｕの少なくとも一方と、Ｓｎと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合金またはＳｎＣｕ合金が形成されている。
【００１０】
前記実施形態の接合構造体のはんだ接合層には、ＴｅとＡｕが含まれるため、高温および室温における伸びが改善されており、ヒートサイクルにおける耐クラック性に優れる。そのため、本発明の接合構造体において高信頼性が実現される。
【発明の効果】
【００１１】
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と、それを用いた接合構造体とが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態における接合構造体の製造方法の説明図である。
【図２】本発明の一実施形態における接合構造体の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明のはんだ合金の実施の形態について、図面を使用しながら説明する。
【００１４】
＜はんだ合金１０５＞
はんだ合金１０５は、Ｓｂと、Ｔｅと、Ａｕと、Ａｇ及びＣｕの少なくとも一方とを含み、残部がＳｎである合金である。
【００１５】
はんだ合金１０５におけるＳｂの含有率は３ｗｔ％以上３０ｗｔ％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。また、はんだ合金１０５におけるＳｂの含有率が１５ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下であることにより、ＳｎへのＳｂの固溶を効果的に生じさせることができ、はんだ合金１０５の強度と伸びとを効果的に改善することができる。
【００１６】
はんだ合金１０５におけるＴｅの含有率は０．０１ｗｔ％以上１．５ｗｔ％以下であり、Ａｕの含有率は０．００５ｗｔ％以上１ｗｔ％以下であり、残部はＳｎである。ここで、はんだ合金１０５におけるＡｕは、ＳｂとＴｅとＡｇおよびＣｕの少なくとも一方を含み、残部がＳｎであるはんだ合金１０５の表面にめっきを施すことにより提供されてもよい。この場合、はんだ合金１０５の溶融時にＡｕがはんだ合金１０５に溶け込む。本発明のはんだ合金には、ＴｅとＡｕの両方が所定の含有率を有するように添加されているため、高温において、イオン半径の異なるＡｕがＳｎに固溶しているＴｅと複雑に置換し、転位を発生させることにより、高温における伸びの向上が生じている。このため、本発明のはんだ合金は、Ｔｅだけを添加したＳｎＳｂ系はんだと比較して、高温におけるより優れた伸びを有している。そのため、ヒートサイクル時に発生する繰返し応力を吸収し、耐クラック性を向上させることができるため、接合構造体の高信頼性を実現することができる。
【００１７】
また、はんだ合金１０５におけるＡｇおよびＣｕの少なくとも一方の含有率は０．１ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下であり、より好ましくは１ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下であり、かつＡｇとＣｕの含有率の和が０．１ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下の範囲にある。ＡｇおよびＣｕの少なくとも一方の含有率は０．１ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下であることによって、ＡｇとＳｎまたはＣｕとＳｎの金属間化合物を効果的に析出させることができる。これにより、はんだ合金の接合強度を向上させることができ、接合構造体の高信頼性を実現することができる。また、ＡｇおよびＣｕの少なくとも一方がこのような範囲にあることによって、ＡｇとＳｎまたはＣｕとＳｎの金属間化合物が、Ｓｎに固溶しているＴｅ、ＳｂおよびＡｕ等の転移を促進させるため、Ｔｅのみを添加した場合と比較して、はんだ合金の高温での伸びを向上させることができる。また、ＡｇおよびＣｕの少なくとも一方がこのような範囲にあることによって、ＡｇとＳｎの金属間化合物Ａｇ３ＳｎまたはＣｕとＳｎの金属間化合物Ｃｕ６Ｓｎ５が析出するため、高温での強度を向上させ、耐クラック性を向上させることができる。
【００１８】
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、はんだ接合時のボイドの発生を抑制することができ、はんだ接合部の熱抵抗を低下させることができる。
【００１９】
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。
【００２０】
＜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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
＜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。
【００２４】
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、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。
【００２５】
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。
【００２６】
＜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。
【００２７】
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。
【００２８】
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、半導体素子のメタライズ層１０４および回路基板のめっき層１０８とはんだ接合層２０３との界面に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にＮｉまたはＣｕが含まれる場合、合金層２０２にはＳｎＮｉ合金またはＳｎＣｕ合金、ＳｎＮｉ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、Ａｇ、Ｃｕ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。
【００２９】
（実施例１）
表１に示すように、Ｓｂ含有率、Ｔｅ含有率、Ａｕ含有率、Ａｇ含有率、Ｃｕ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、１２５℃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。
【００３０】
評価サンプルの引張強度（ＭＰａ）は、試験前の固定冶具の間隔２０ｍｍに対して歪速度２．０×１０−４／ｓで引張試験を実施した際に、試験中に加わった最大の力に対応する応力である。
【００３１】
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である。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。
【００３２】
引張試験における引張強度（ＭＰａ）と伸び（％）の測定結果を表１に併せて示した。
【００３３】
【表１】
2018187670.tif 000003
【００３４】
実施例１−１および実施例１−２はＣｕを含まないがＡｇを含む、本発明のはんだ合金である。実施例１−１のＳｂ含有率は３ｗｔ％、Ｔｅ含有率は０．０１ｗｔ％、Ａｕ含有率は０．００５ｗｔ％、Ａｇの含有率は０．１ｗｔ％であった。実施例１−２のＳｂ含有率は３０ｗｔ％、Ｔｅ含有率は１．５ｗｔ％、Ａｕ含有率は１ｗｔ％、Ａｇの含有率は２０ｗｔ％であった。実施例１−１において強度は３０ＭＰａであり、伸びが１３０％であった。実施例１−２において、強度は３９ＭＰａであり、伸びが１３２％であった。実施例１−１と実施例１−２のいずれにおいても良好な結果が得られた。
【００３５】
実施例１−３および実施例１−４はＡｇを含まないがＣｕを含む、本発明のはんだ合金である。実施例１−３のＳｂ含有率は３ｗｔ％、Ｔｅ含有率は０．０１ｗｔ％、Ａｕ含有率は０．００５ｗｔ％、Ｃｕの含有率は０．１ｗｔ％であった。実施例１−４のＳｂ含有率は３０ｗｔ％、Ｔｅ含有率は１．５ｗｔ％、Ａｕ含有率は１ｗｔ％、Ｃｕの含有率は２０ｗｔ％であった。実施例１−３において強度は２９ＭＰａであり、伸びが１３５％であった。実施例１−４において、強度は４０ＭＰａであり、伸びが１３１％であった。実施例１−３と実施例１−４のいずれにおいても良好な結果が得られた。
【００３６】
比較例１−１および比較例１−２にはＡｇもＣｕも使用しなかった。比較例１−１において強度は２４ＭＰａであり、伸びが８７％であった。比較例１−２において、強度は２５ＭＰａであり、伸びが８５％であった。
【００３７】
上記の結果より、ＡｇまたはＣｕを含有させることで、はんだ合金１０５の伸びと引張強度とを向上させることができることが明らかになった。これはＴｅとＡｕによるＳｎ母相への固溶の効果と、ＡｇまたはＣｕが含まれることによる、ＡｇとＳｎまたはＣｕとＳｎの金属間化合物の析出によるものであると考えられる。これにより、ヒートサイクル時に発生する繰返し応力を吸収することができ、接合構造体の高信頼性を実現することができる。
【００３８】
（実施例２）
表２〜４に示すように、Ｓｂ含有率、Ｔｅ含有率、Ａｕ含有率、Ａｇ含有率、Ｃｕ含有率を変え、残部をＳｎとして実施例２−１〜２−６４および比較例２−１〜２−３６のはんだ合金１０５を準備し、準備したはんだ合金１０５をそれぞれ用いて、接合構造体２０１を作製した。実施例２−１〜２−６４および比較例２−１〜２−３６のはんだ合金１０５を有する接合構造体２０１はいずれも、以下に示す部材を用いて、以下に示す方法で作製した。
【００３９】
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。
【００４０】
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０．１ｍｍ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。
【００４１】
作製した実施例２−１〜２−６４および比較例２−１〜２−３６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１０％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、１０％以下未満を○、１０％より大きいと以上を×と判定した。
【００４２】
ヒートサイクル試験におけるクラック率（％）の測定結果と判定結果を表２〜４に併せて示した。
【００４３】
【表２】
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【００４４】
【表３】
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【００４５】
【表４】
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【００４６】
実施例２−１、２−３、２−６および２−８はそれぞれ、いずれもＳｂ含有率が２Ｗｔ％である比較例２−１、２−３、２−２および２−４と、Ｓｂ含有率が３ｗｔ％である点のみで相違した。実施例２−１、２−３、２−６および２−８のクラック率はそれぞれ、９％、７％、９％および８％であり、いずれも○判定であった。これに対して、比較例２−１、２−３、２−２および２−４のクラック率はそれぞれ、２７％、３１％、２８％および３３％であり、いずれも×判定であった。
【００４７】
実施例２−４１、２−４３、２−４６および２−４８はそれぞれ、いずれもＳｂ含有率が３１Ｗｔ％である比較例２−５、２−７、２−６および２−８と、Ｓｂ含有率が３０ｗｔ％である点のみで相違した。実施例２−４１、２−４３、２−４６および２−４８のクラック率はそれぞれ、８％、７％、６％および６％であり、いずれも○判定であった。これに対して、比較例２−５、２−７、２−６および２−８のクラック率はそれぞれ、２６％、３４％、２８％および３１％であり、いずれも×判定であった。
【００４８】
この結果より、Ｓｂが３ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下の場合に、耐クラック性が向上することが分かった。これはＳｎＳｂ化合物が分散強化の効果を示す際に、Ｓｂが少ないと効果が得られず、Ｓｂが多いと強度が向上するがはんだ合金の延性が低下するために、耐クラック性が低下したものと推測される。
【００４９】
実施例２−１〜実施例２−６４はいずれも、Ｓｂ含有率が３ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下であり、かつＴｅ含有率が０．０１ｗｔ％以上１．５ｗｔ％以下であり、Ａｕ含有率が０．００５ｗｔ％以上１ｗｔ％以下であった。実施例２−１〜実施例２−６４はいずれも、クラック率が１０％未満となり、判定が○となり良い結果が得られた。
【００５０】
Ｓｂ含有率が３ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下であっても、比較例２−９〜１２のようにＴｅ含有率が０．００５ｗｔ％以下である場合、クラック率が２５％以上となり、判定は×となった。
【００５１】
Ｓｂ含有率が３ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下であっても、比較例２−１３〜１６のようにＴｅ含有率が１．６ｗｔ％以上である場合、クラック率が２９％以上となり、判定は×となった。
【００５２】
Ｓｂ含有率が３ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下であっても、比較例２−１７〜２０のようにＡｕ含有率が０．００１ｗｔ％以下である場合、クラック率は２６％以上となり、判定は×となった。
【００５３】
Ｓｂ含有率が３ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下であっても、比較例２−２１〜２４のようにＡｕ含有率が２ｗｔ％以上である場合、クラック率は２７％以上となり、判定は×となった。
【００５４】
以上の結果より、Ｔｅ含有率が０．０１ｗｔ％以上１．５ｗｔ％以下であり、かつＡｕ含有率が０．００５ｗｔ％以上１ｗｔ％以下であることにより、はんだ材料の耐クラック性を効果的に高めることができることが分かった。これは、Ｔｅ含有率が０．００５ｗｔ％以上であることにより、Ｔｅの固溶による効果が効果的に得られ、また、Ｔｅ含有率が３ｗｔ％以下であることにより、Ｔｅの化合物としての析出を抑制することができたため、延性が改善され耐クラック性が向上したものと推測される。また、Ａｕ含有率が０．００５ｗｔ％であることにより、Ｔｅとイオン半径の異なるＡｕがＳｎに固溶しているＴｅと効果的に置換することができ、転位を効果的に発生させることで高温での伸びが向上し、耐クラック性も向上していると推測される。一方、Ａｕ含有率が１ｗｔ％より少ないことにより、ＡｕとＳｎとを含む脆弱な化合物の析出を抑制することができるため、耐クラックが向上したものと推測される。
【００５５】
Ｓｂ含有率が３ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下であり、かつＴｅ含有質が０．０１以上ｗｔ％１．５ｗｔ％以下であり、Ａｕ含有率が０．００５ｗｔ％以上１ｗｔ％以下であっても、比較例２−２５のようにＡｇの含有率が０．０５ｗｔ％以下である場合、および比較例２−２７のようにＡｇの含有率が２１ｗｔ％以上である場合、クラック率は２１％以上となり、判定は×となった。
【００５６】
Ｓｂ含有率が３ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下であり、かつＴｅ含有質が０．０１以上ｗｔ％１．５ｗｔ％以下であり、Ａｕ含有率が０．００５ｗｔ％以上１ｗｔ％以下であっても、比較例２−２６のようにＣｕの含有率が０．０５ｗｔ％以下である場合、および比較例２−２８のようにＣｕの含有率が２１ｗｔ％以上である場合、クラック率は２６％以上となり、判定は×となった。
【００５７】
Ｓｂ含有率が３ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下であり、かつＴｅ含有質が０．０１以上ｗｔ％１．５ｗｔ％以下であり、Ａｕ含有率が０．００５ｗｔ％以上１ｗｔ％以下である場合には、実施例２−４９〜２−６４のように、ＡｇとＣｕの含有率の和が０．１ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下である場合、クラック率はいずれも１０％を下回り、判定は○となった。しかしながら、比較例２−２９〜２−３６のように、ＡｇとＣｕの含有率の和が０．０８ｗｔ％以下であるか、または２１ｗｔ％以上である場合、クラック率が２０％以上となった。
【００５８】
以上の結果より、ＡｇとＣｕの含有率の和が０．１ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下であることにより、はんだ材料の耐クラック性を効果的に高めることができることが分かった。これは、ＡｇとＣｕの含有率の和が０．０５ｗｔ％以上であることにより、ＳｎとＡｕおよび／またはＳｎとＣｕの金属間化合物が一定量析出するようになり、強度向上が生じたものと考えられる。また、ＡｇとＣｕの含有率の和が２１ｗｔ％以下であることにより、Ｓｎとの金属間化合物の量が多くなりすぎず、Ｓｎに一定量のＴｅおよびＡｕが固溶している状態となるため、固溶の効果である伸びの向上が効果的に得られたものと考えられる。これにより、ヒートサイクル時の応力を吸収することができ、耐クラック性が向上するものと考えられる。
【００５９】
以上の結果より、Ｓｂの含有率が３ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下であり、Ｔｅの含有率が０．０１以上１．５ｗｔ％以下であり、かつＡｕの含有率が０．００５ｗｔ％以上１ｗｔ％以下であり、ＡｇとＣｕの少なくとも一元素の含有率が０．１ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下であり、かつＡｇとＣｕの含有率の和が０．１ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下であることにより、耐クラック性が向上することが明らかになった。
【００６０】
（実施例３）
本発明のはんだ合金とそれを用いた接合構造体を以下に示すように作製した。
【００６１】
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。まず、３ｗｔ％のＳｂと、０．０１ｗｔ％のＴｅと、２０ｗｔ％のＡｇとを含み、残部がＳｎである合金を厚み０．１ｍｍの板状に成形することではんだ合金１０５を得た。さらに、成形した板状のはんだ合金１０５の両面にＡｕの膜を、はんだ合金１０５が溶融して両面のＡｕの膜全てと混合したときのはんだ合金１０５のＡｕ含有率が１ｗｔ％となるように、両面に０．１９μｍの厚みで施した。溶融してＡｕめっきと混合したはんだ合金１０５の組成比はＳｂが３ｗｔ％、Ｔｅが０．０１ｗｔ％、Ａｕが１ｗｔ％、Ａｇが２０ｗｔ％であり、残部がＳｎであった。
【００６２】
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。
【００６３】
準備した回路基板１０６のＮｉでできためっき層１０８の上に１００．３８μｍ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。
【００６４】
作製した接合構造体は実施例２と同様のヒートサイクル試験を行い、耐クラック性の判定を行った。結果、実施例３−１のヒートサイクル試験後のクラック率は７％となり判定は○であった。
【００６５】
実施例３−１ではＳｎ、Ｓｂ、ＴｅおよびＡｇを含むはんだ合金にＡｕめっきを施した。この場合、はんだ合金１０５におけるＡｕの組成比は１ｗｔ％となり、接合時の加熱によってＡｕははんだ接合層に拡散するため、実質的に実施例２−６と同じ接合構造体が形成される。
【００６６】
Ａｇに代わりにＣｕを２０ｗｔ％含有させた以外は実施例３−１と同じ条件で製造した実装構造体（実施例３−２）において、クラック率は８％であり、良好な結果が得られた。また、ＡｇとＣｕを１０ｗｔ％ずつ含有させた以外は実施例３−１と同じ条件で製造した実装構造体（実施例３−３）において、クラック率は７％であり、良好な結果が得られた。Ａｕは、本発明の組成範囲であれば、はんだ合金の表面に形成されていても良いことが明らかになった。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
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、強度が改善し、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。
【符号の説明】
【００６８】
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
【図１】
2018187670.tif 000007
【図２】
2018187670.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成30年4月27日(2018.4.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｂの含有率が３ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下であり、Ｔｅの含有率が０．０１ｗｔ％以上１．５ｗｔ％以下、かつＡｕの含有率が０．００５ｗｔ％以上１ｗｔ％以下であり、ＡｇとＣｕの少なくとも一元素を含み、かつＡｇとＣｕの含有率の和が０．１ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下であり（但し、Ｃｕの含有率が５ｗｔ％以上である場合を除く）、残部がＳｎである、はんだ合金。
【請求項２】
半導体素子と回路基板とが、請求項１に記載のはんだ合金を用いて接合されている接合構造体。
【請求項３】
前記半導体素子と前記回路基板とが、Ｓｂと、Ｔｅと、Ａｕと、ＡｇとＣｕの少なくとも一元素と、Ｓｎとを含むはんだ接合層を介して接合されており、前記半導体素子のメタライズ層および前記回路基板のめっき層と前記はんだ接合層との界面にＳｎＮｉ合金またはＳｎＣｕ合金が含まれる、請求項２に記載の接合構造体。
【請求項４】
前記半導体素子の前記メタライズ層および前記回路基板の前記めっき層と前記はんだ接合層との前記界面に含まれるＳｎＮｉ合金またはＳｎＣｕ合金が、ＴｅおよびＡｕの少なくとも一方を含む、請求項３に記載の接合構造体。
【請求項５】
半導体素子と回路基板とが接合されている接合構造体の製造方法であって、半導体素子と回路基板とを、請求項１に記載のはんだ合金を用いて接合することを含む、製造方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
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３０ｗｔ％以下であり、Ｔｅの含有率が０．０１ｗｔ％以上１．５ｗｔ％以下、かつ、Ａｕの含有率が０．００５ｗｔ％以上１ｗｔ％以下であり、ＡｇとＣｕの少なくとも一元素の含有率が０．１ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下であり、かつＡｇとＣｕの含有率の和が０．１ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下であり、残部がＳｎである。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
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、半導体素子のメタライズ層１０４および回路基板のめっき層１０８とはんだ接合層２０３との界面に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にＮｉまたはＣｕが含まれる場合、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、Ａｇ、Ｃｕ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。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４１】
作製した実施例２−１〜２−６４および比較例２−１〜２−３６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１０％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、１０％以下を○、１０％より大きいものを×と判定した。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４７】
実施例２−４１、２−４３、２−４６および２−４８はそれぞれ、いずれもＳｂ含有率が３１ｗｔ％である比較例２−５、２−７、２−６および２−８と、Ｓｂ含有率が３０ｗｔ％である点のみで相違した。実施例２−４１、２−４３、２−４６および２−４８のクラック率はそれぞれ、８％、７％、６％および６％であり、いずれも○判定であった。これに対して、比較例２−５、２−７、２−６および２−８のクラック率はそれぞれ、２６％、３４％、２８％および３１％であり、いずれも×判定であった。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５４】
以上の結果より、Ｔｅ含有率が０．０１ｗｔ％以上１．５ｗｔ％以下であり、かつＡｕ含有率が０．００５ｗｔ％以上１ｗｔ％以下であることにより、はんだ材料の耐クラック性を効果的に高めることができることが分かった。これは、Ｔｅ含有率が０．０１ｗｔ％以上であることにより、Ｔｅの固溶による効果が効果的に得られ、また、Ｔｅ含有率が１．５ｗｔ％以下であることにより、Ｔｅの化合物としての析出を抑制することができたため、延性が改善され耐クラック性が向上したものと推測される。また、Ａｕ含有率が０．００５ｗｔ％以上であることにより、Ｔｅとイオン半径の異なるＡｕがＳｎに固溶しているＴｅと効果的に置換することができ、転位を効果的に発生させることで高温での伸びが向上し、耐クラック性も向上していると推測される。一方、Ａｕ含有率が１ｗｔ％以下であることにより、ＡｕとＳｎとを含む脆弱な化合物の析出を抑制することができるため、耐クラックが向上したものと推測される。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５５】
Ｓｂ含有率が３ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下であり、かつＴｅ含有率が０．０１ｗｔ％以上１．５ｗｔ％以下であり、Ａｕ含有率が０．００５ｗｔ％以上１ｗｔ％以下であっても、比較例２−２５のようにＡｇの含有率が０．０５ｗｔ％以下である場合、および比較例２−２７のようにＡｇの含有率が２１ｗｔ％以上である場合、クラック率は２１％以上となり、判定は×となった。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５６】
Ｓｂ含有率が３ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下であり、かつＴｅ含有率が０．０１ｗｔ％以上１．５ｗｔ％以下であり、Ａｕ含有率が０．００５ｗｔ％以上１ｗｔ％以下であっても、比較例２−２６のようにＣｕの含有率が０．０５ｗｔ％以下である場合、および比較例２−２８のようにＣｕの含有率が２１ｗｔ％以上である場合、クラック率は２６％以上となり、判定は×となった。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５７】
Ｓｂ含有率が３ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下であり、かつＴｅ含有率が０．０１ｗｔ％以上１．５ｗｔ％以下であり、Ａｕ含有率が０．００５ｗｔ％以上１ｗｔ％以下である場合には、実施例２−４９〜２−６４のように、ＡｇとＣｕの含有率の和が０．１ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下である場合、クラック率はいずれも１０％を下回り、判定は○となった。しかしながら、比較例２−２９〜２−３６のように、ＡｇとＣｕの含有率の和が０．０８ｗｔ％以下であるか、または２１ｗｔ％以上である場合、クラック率が２０％以上となった。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５８】
以上の結果より、ＡｇとＣｕの含有率の和が０．１ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下であることにより、はんだ材料の耐クラック性を効果的に高めることができることが分かった。これは、ＡｇとＣｕの含有率の和が０．１ｗｔ％以上であることにより、ＳｎとＡｕおよび／またはＳｎとＣｕの金属間化合物が一定量析出するようになり、強度向上が生じたものと考えられる。また、ＡｇとＣｕの含有率の和が２０ｗｔ％以下であることにより、Ｓｎとの金属間化合物の量が多くなりすぎず、Ｓｎに一定量のＴｅおよびＡｕが固溶している状態となるため、固溶の効果である伸びの向上が効果的に得られたものと考えられる。これにより、ヒートサイクル時の応力を吸収することができ、耐クラック性が向上するものと考えられる。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５９】
以上の結果より、Ｓｂの含有率が３ｗｔ％以上３０ｗｔ％以下であり、Ｔｅの含有率が０．０１ｗｔ％以上１．５ｗｔ％以下であり、かつＡｕの含有率が０．００５ｗｔ％以上１ｗｔ％以下であり、ＡｇとＣｕの少なくとも一元素の含有率が０．１ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下であり、かつＡｇとＣｕの含有率の和が０．１ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下であることにより、耐クラック性が向上することが明らかになった。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６６】
Ａｇの代わりにＣｕを２０ｗｔ％含有させた以外は実施例３−１と同じ条件で製造した実装構造体（実施例３−２）において、クラック率は８％であり、良好な結果が得られた。また、ＡｇとＣｕを１０ｗｔ％ずつ含有させた以外は実施例３−１と同じ条件で製造した実装構造体（実施例３−３）において、クラック率は７％であり、良好な結果が得られた。Ａｕは、本発明の組成範囲であれば、はんだ合金の表面に形成されていても良いことが明らかになった。