(57)【要約】【課題】  パワー半導体素子のダイボンディングや各種電子部品の組立て等に好適であり、接合したチップの割れや剥れをなくし、高い接合信頼性を確保できるＺｎ系の高温鉛フリーはんだペーストを提供する。【解決手段】  Ｚｎを７０質量％以上含有するＺｎ合金はんだ粉と、Ｎｉ又はＣｕを主成分とする金属粉と、残部のフラックスとからなるＺｎ系の高温鉛フリーはんだペーストであり、金属粉は平均粒径１〜１００μｍのＮｉ粉又はＣｕ粉、その表面にＡｕ又はＡｇからなる膜厚１μｍ以下の皮膜を設けた被覆Ｎｉ粉又は被覆Ｃｕ粉であって、金属粉とＺｎ合金はんだ粉の合計を１００質量％としたとき、金属粉の合計が５〜６５質量％である。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｚｎを７０質量％以上含有するＺｎ合金はんだ粉と、Ｎｉ又はＣｕを主成分とする金属粉と、残部のフラックスとからなり、金属粉が平均粒径１〜１００μｍのＮｉ粉、該Ｎｉ粉の表面にＡｕ、Ａｇの少なくとも１元素からなる膜厚１μｍ以下の皮膜を設けた被覆Ｎｉ粉、平均粒径１〜１００μｍのＣｕ粉、及び該Ｃｕ粉の表面にＡｕ、Ａｇの少なくとも１元素からなる膜厚１μｍ以下の皮膜を設けた被覆Ｃｕ粉から選ばれた少なくとも１種であって、金属粉とＺｎ合金はんだ粉の合計を１００質量％としたとき、金属粉の合計が５〜６５質量％であることを特徴とする高温鉛フリーはんだペースト。
【請求項２】
前記Ｚｎ合金はんだ粉が、下記（１）又は（２）のＺｎ合金からなることを特徴とする、請求項１に記載の高温鉛フリーはんだペースト。
（１）Ａｌを１.０〜７.０質量％含有し、残部がＺｎ及び不可避不純物からなるＺｎ合金。
（２）Ａｌを１.０〜７.０質量％含有すると共に、Ｇｅを１.５質量％以下及び／又はＭｇを６.０質量％以下含有し、残部がＺｎ及び不可避不純物からなるＺｎ合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワー半導体素子のダイボンディング等に用いられる高温鉛フリーはんだペーストに関する。
【背景技術】
【０００２】
パワー半導体素子のダイボンディングや各種電子部品の組立て等に用いるはんだ材料には、被接合材に対する濡れ性等の通常のはんだ材料に要求される特性に加えて、１）３８０℃程度以下の温度ではんだ付けが可能なこと、２）はんだ付けした部品をプリント基板へ実装する際に２４０℃程度の温度で再溶融しないこと、３）はんだ接合部の信頼性が確保できること、即ち比較的高温の使用環境下において接合部の劣化が生じないこと等の性能が要求される。
【０００３】
これらの性能を有するはんだ材料として、パワー半導体素子のダイボンディング等の用途には、従来からＰｂ−５質量％Ｓｎに代表される高温はんだが使用されている。しかし、近年では環境汚染防止への配慮から、はんだ材料で使用されている鉛を排除しようとする活動がなされ、鉛を含まない、いわゆる鉛フリーはんだの開発が進められている。
【０００４】
その結果、プリント基板への実装に用いられるＳｎ−４０質量％Ｐｂはんだについては、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕはんだに代表される低温鉛フリーはんだが開発され、既に代替が進みつつある。一方、高温はんだの領域においては、上記１）〜３）の全ての条件を満足するような好適な材料が見出されておらず、鉛系はんだから鉛フリーはんだへの代替がほとんど進んでいないのが現状である。
【０００５】
例えば、特許文献１には、高温鉛フリーはんだとして、Ａｌと共にＧｅやＭｇを含むＺｎはんだ合金を用いることが提案されている。また、特許文献２にも、Ａｌと共にＭｇやＧａを含むＺｎはんだ合金が記載されている。しかしながら、Ｚｎ合金には、はんだ付け後に条件によっては収縮が生じ、接合したチップが割れたり剥れたりしてしまうという欠点がある。上記特許文献１及び２のＺｎ合金も、このようなチップの割れや剥がれがおきやすく、必ずしも満足できるものではなかった。
【０００６】
Ｚｎ−Ａｌ系合金においてチップ割れが起きる原因は、ＣｕとＳｉの熱膨張係数の差に加え、凝固時収縮率（＋は収縮、−は膨張）がＺｎで＋４.９〜＋６.９％及びＡｌで＋６.４〜＋６.８％であることも原因の一つと考えられる。また、Ｚｎ−Ａｌ状態図における２８０℃付近での相変態のために、例えばダイアタッチ後、冷却時に２８０℃付近で相の変態が起こるため体積変化を起こし、高い残留応力を発生してしまうことも原因と考えられる。
【０００７】
一方、非特許文献１には、Ｚｎ−Ａｌ系鉛フリーはんだのダイアタッチ時のチップ割れ現象について報告されている。即ち、チップ割れの原因は、基板材料であるＣｕとチップ材料であるＳｉの熱膨張係数の差が５倍以上であるため、ダイアタッチ後冷却すると熱膨張の差で応力が発生し、Ｐｂ−５質量％Ｓｎの場合は塑性変形するが、Ｚｎ−Ａｌ系はんだは硬く、応力を緩和できないことに起因すると報告されている。
【０００８】
このＺｎ−Ａｌ系鉛フリーはんだにおけるチップ割れ対策として、上記非特許文献１には、チップ厚さを薄くすることが提案されている。しかし、実際にチップを薄くするには限界があるため、この対策で全てのケースが解決できるとは考え難い。特にＺｎが７０質量％を越えるＺｎ系Ｐｂフリーはんだにおいては、チップ厚みの調整だけでは、チップの割れや剥れの問題は解決困難な場合が多いと考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第３８５０１３５号公報
【特許文献２】特許第３９４５９１５号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】６ｔｈ  ｏｎ  “Ｍｉｃｒｏｊｏｉｎｉｎｇ  ａｎｄ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｉｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ”  Ｆｅｂｒｕａｒｙ  ３−４，２０００，Ｙｏｋｏｈａｍａ  ｐ.３３９−ｐ.３４４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上記した従来の事情に鑑み、パワー半導体素子のダイボンディングや各種電子部品の組立て等に好適な高温鉛フリーはんだ材料を提供すること、更に具体的には、接合したチップの割れや剥れをなくし、高い接合信頼性を確保できるＺｎ系の高温鉛フリーはんだペースト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】
【００１２】
本発明は、Ｚｎ合金にＮｉあるいはＣｕの金属粉を混合することにより、接合後におけるチップの割れや剥れ等の問題を解決したものである。ただし、Ｚｎ合金に金属粉を均一に分散させる必要があることから、はんだペーストの形態をとることで工業的に利用可能なものとなった。
【００１３】
即ち、本発明の高温鉛フリーはんだペーストは、Ｚｎを７０質量％以上含有するＺｎ合金はんだ粉と、Ｎｉ又はＣｕを主成分とする金属粉と、残部のフラックスとからなり、金属粉が平均粒径１〜１００μｍのＮｉ粉、該Ｎｉ粉の表面にＡｕ、Ａｇの少なくとも１元素からなる膜厚１μｍ以下の皮膜を設けた被覆Ｎｉ粉、平均粒径１〜１００μｍのＣｕ粉、及び該Ｃｕ粉の表面にＡｕ、Ａｇの少なくとも１元素からなる膜厚１μｍ以下の皮膜を設けた被覆Ｃｕ粉から選ばれた少なくとも１種であって、金属粉とＺｎ合金はんだ粉の合計を１００質量％としたとき、金属粉の合計が５〜６５質量％であることを特徴とする。
【００１４】
本発明の高温鉛フリーはんだペーストにおいて、前記Ｚｎ合金はんだ粉としては、（１）Ａｌを１.０〜７.０質量％含有し、残部がＺｎ及び不可避不純物からなるＺｎ合金、（２）Ａｌを１.０〜７.０質量％含有すると共に、Ｇｅを１.５質量％以下及び／又はＭｇを６.０質量％以下含有し、残部がＺｎ及び不可避不純物からなるＺｎ合金のいずれかが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、高い熱伝導性を有するだけでなく、接合したチップの割れや剥れをなくすことができ、高い接合信頼性を確保できるＺｎ系の高温鉛フリーはんだペーストを提供することができる。従って、本発明の高温鉛フリーはんだペーストは、各種電子部品の組立て等において用いられているＰｂ系はんだの鉛フリー化を達成し、特にパワー半導体素子のダイボンディングに好適に用いることができる。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の高温鉛フリーはんだペーストは、Ｚｎを７０質量％以上含有するＺｎ合金はんだ粉と、Ｎｉ又はＣｕを主成分とする金属粉と、残部のフラックスとから構成されている。尚、本発明の高温鉛フリーはんだペーストにおいては、パワー半導体素子のダイボンディングや各種電子部品の組立て等における接合温度は４５０℃以下である。
【００１７】
本発明で用いるＮｉ又はＣｕを主成分とする金属粉は、Ｎｉ粉又はＣｕ粉をそのまま用いてもよいが、表面にＡｇ、Ａｕの少なくとも１元素からなる皮膜を設けた被覆Ｎｉ粉又は被覆Ｃｕ粉を用いることがより好ましい。Ａｕ又はＡｇの皮膜を施すことで、Ｎｉ粉又はＣｕ粉の酸化が防止されると同時に、Ｚｎはんだ合金との濡れ性が高くなり、溶融したＺｎ合金中に金属粉を均一に分散させる効果を高めることができる。
【００１８】
被覆Ｎｉ粉及び被覆Ｃｕ粉のＡｕ又はＡｇの皮膜の膜厚は１μｍ以下とする。皮膜の膜厚を１μｍ以下とする理由は、１μｍを越えると上記した酸化防止や濡れ性向上の効果が飽和するだけでなく、皮膜材料の使用量が増えてコストが高くなるからである。また、被覆Ｎｉ粉及び被覆Ｃｕ粉は、Ｎｉ粉又はＣｕ粉の表面に電解メッキや無電解メッキを施すことで得られるほか、湿式法による金属粉製造の最終工程でＡｕ又はＡｇの塩を含む水溶液を添加し、ヒドラジン等の還元剤を用いて還元する方法によって製造することも可能である。
【００１９】
上記Ｎｉ粉及びＣｕ粉の平均粒径は、１〜１００μｍの範囲とする。Ｎｉ粉及びＣｕ粉の平均粒径が１μｍ未満では、Ｚｎ合金中でＮｉ粉やＣｕ粉が均一に分散しにくくなるからであり、逆に平均粒径が１００μｍを超えるとＺｎ合金はんだからなる接合層の破壊起点として働き、接合部の信頼性が低下する。尚、本発明では、粒径として粉末の最大径を用いる。また、Ｎｉ粉及びＣｕ粉の純度や形状は、特に限定されないが、純度については塑性変形し易いものがよいため合金よりも純金属又は共晶合金に近いものが好ましい。形状については、アトマイズ粉の様な真球状、電解粉の様な不規則状、フレーク粉の様な平板状のいずれでもよい。
【００２０】
一方、Ｚｎ合金はんだ粉は、溶融して金属粉（Ｎｉ粉又は被覆Ｎｉ粉、Ｃｕ粉又は被覆Ｃｕ粉）同士を接合すると同時に、通常のはんだとしての働きをする。Ｚｎをはんだの主成分として選定した理由は、Ｚｎの持つ高い熱伝導性による。つまり、ＺｎはＰｂに比較して約３倍の熱伝導率を有し、大電流が流れるため、高温になるパワー半導体素子の接合に好適である。ただし、純Ｚｎでは実用的なはんだとしての加工性や濡れ性を有しないため、Ｚｎを７０質量％以上含有するＺｎ合金を用いる必要がある。尚、Ｚｎ合金はんだ粉の粒径については、特に限定されないが、製造のしやすさから１０〜５０μｍ程度の粉末を用いる場合が多い。
【００２１】
Ｚｎ合金はんだ粉としては、従来から使用され又は提案されているＺｎ系Ｐｂフリーはんだ材料の粉末を用いることができる。好ましいＺｎ合金はんだ粉としては、下記（１）及び（２）のＺｎ合金からなるものがある。即ち、Ｚｎ合金（１）は、Ａｌを１.０〜７.０質量％含有し、残部がＺｎ及び不可避不純物からなるＺｎ合金である。ＺｎにＡｌを添加することによって、ＡｌがＺｎ中に溶解して脆さを改善することができる。特にＺｎの含有割合が９５.０質量％においてＺｎ−Ａｌの共晶点になるが、この付近では特に脆さ改善の効果が大きく、加工性を格段に向上させることができる。
【００２２】
Ｚｎ合金（２）は、Ａｌを１.０〜７.０質量％含有すると共に、Ｇｅを１.５質量％以下及び／又はＭｇを６.０質量％以下含有し、残部がＺｎ及び不可避不純物からなるＺｎ合金である。Ｍｇの添加は、Ａｌと同様に加工性の向上に効果があると共に、融点を下げる効果も有する。また、Ｇｅは特に融点調整を目的として添加する元素であり、はんだ分野においては比較的高い４１９℃という融点をもつＺｎの融点を下げるために添加される。
【００２３】
本発明における金属粉とＺｎはんだ合金粉の割合は、両者の合計を１００質量％としたとき、金属粉の合計を５〜６５質量％の範囲とする。金属粉の含有量が５質量％未満では、添加量が少なすぎるため、Ｚｎ合金はんだの収縮を緩和するには不十分である。逆に６５質量％を超えると、Ｚｎ合金はんだの量が少なくなりすぎて、電子部品と基板を十分な強度で接合できず、チップ剥れ等の問題が生じてしまう。
【００２４】
本発明の高温鉛フリーはんだペーストは、上記した金属粉とＺｎ合金はんだ粉に、液状フラックスを加えて混練することにより製造することができる。フラックスについては、Ｓｎ系やＰｂ系のはんだペーストで用いられるものをそのまま用いてよく、高温用のものは更に好ましい。好ましいフラックスとしては、例えば、ロジン化合物、有機酸、有機アミン化合物などを、アルコール類、エチレングリコール類、グリセリン類などの溶剤に溶かしたものを挙げることができる。
【００２５】
フラックスの添加量は、金属粉とＺｎ合金はんだ粉の合計を１００質量％としたとき、７〜１３質量％の範囲であることが好ましい。フラックスの添加量が７質量％未満では、フラックス量が不足して十分な還元性が得られないうえ、ペーストの粘性が高すぎるため接合時の取り扱いが困難となる。また、１３質量％を超えると、ボイド率が高くなって必要な接合強度を得られなかったり、熱伝導性が極端に低下したり、更には粘性が低くなりすぎるため取り扱いが不便になる。
【実施例】
【００２６】
［実施例１］
金属原料として純度９９.９質量％以上のＺｎと純度９９.９５％以上のＡｌを用いて、下記表１に示す試料１〜２０の各Ｚｎ合金はんだ粉を製造した。即ち、これらの金属原料を、酸化を防ぐために金属原料１ｋｇあたり７００ｍｌ／分以上の流速で窒素を流しながら高周波溶解炉で溶解し、Ｚｎ−Ａｌ合金鋳塊を得た。これらのＺｎ−Ａｌ系合金鋳塊の組成をそれぞれＩＣＰ発光分光分析器（ＳＨＩＭＡＺＵ  Ｓ−８１００）を用いて測定した。各Ｚｎ−Ａｌ合金鋳塊をスタンプミルで粉砕した後、篩い分けすることにより、平均粒径が約２５μｍのＺｎ合金はんだ粉を得た。尚、平均粒径は、レーザー回折式粒度分布計（日本レーザー（株）製）によって測定した（以下、平均粒径は同様の装置で測定した）。一方、金属粉については、下記表２に示す平均粒径のＮｉ粉及びＣｕ粉をアトマイズ法により製造した。
【００２７】
【表１】
2011251330.tif 000002
【００２８】
得られたＺｎ合金はんだ粉と金属粉（Ｎｉ粉又はＣｕ粉）を、下記表２に示す添加量で混合し、アルコールと還元性有機材料からなるフラックス(青木メタル（株）製)を加え、混合機（（株）シンキー製ＳＲ−５００）を用いて撹拌混合することにより、下記表２に示す試料１〜２０の各はんだペーストを得た。尚、試料１〜２０の全ての試料において、フラックスの添加量はＺｎ合金はんだ粉と金属粉の合計１００質量％に対し８質量％とした。
【００２９】
【表２】
2011251330.tif 000003
【００３０】
次に、上記試料１〜２０の各はんだペーストについて、以下の方法により、ダイボンディング性、高温はんだ特性、接合信頼性を評価した。得られた結果を下記表３に示した。尚、接合信頼性の評価は、直接評価することが困難な応力緩和性の評価に代わるものである。
【００３１】
（ダイボンディング性）
はんだダイボンダー（ｄａｇｅ社製、ＥＤＢ−２００）を用いて、Ａｇメッキを施したＣｕ製リードフレームに、表面上に順番にＮｉとＡｇを蒸着したダミーチップを、４２０±３℃の温度範囲内において上記各試料のはんだペーストを使用して接合した。はんだペーストの供給は、リードフレームのＡｇメッキ上に予め適量のはんだペーストを滴下することで行った。得られたリードフレームとダミーチップの接合部を、Ｘ線透過装置（東研Ｘ線検査（株）製、ＴＵＸ−３０００Ｗ）を用いて観察し、ボイド率が５％未満を「○」、５％以上８％未満を「△」、８％以上を「×」と評価した。尚、上記ボイド率は、Ｘ線透過装置によりはんだ接合部を接合面に対し垂直方向から観察し、ボイド面積と接合部面積を求め、下式により算出した。
ボイド率（％）＝ボイド面積÷（ボイド面積＋接合部面積）×１００
【００３２】
（高温はんだ特性）
高温はんだとしての使用適性を、ＪＩＳ  Ｚ  ３１９８−７：２００３に準じる高温シェア試験により評価した。即ち、上記ダイボンディング後の試料を、ボンドテスタ（テクノアルファ（株）製）にセットし、窒素を流しながら２４０℃に再加熱し、その状態でチップとはんだ接合部にせん断力を加えた。詳しくは、シェア試験用冶具をはんだとダミーチップ接合面に水平方向にチップ引っかけ、９０Ｎのせん断力を加えた。チップ部には割れが発生したが、接合部やはんだ部に割れや変形がなかった場合を「○」、チップが動いてずれたり、接合部やはんだ部で割れや変形があった場合を「×」と評価した。
【００３３】
（接合信頼性）
信頼性評価１として、上記ダイボンディングを行った後、トランスファーモールド型モールド機により、エポキシ樹脂(住友ベークライト（株）製、ＥＭＥ−６３００)をモールドした試料について、温度８０℃及び湿度８０％にて１０００時間保持の恒温恒湿試験を施した後、樹脂を開封して接合部の観察を行い、チップや接合部界面に割れや剥離の発生が無い場合を「○」、割れや剥離があった場合を「×」と評価した。
【００３４】
また、接合信頼性における信頼性評価２として、上記と同様のエポキシ樹脂をモールドした試料について、−５０℃と１２５℃の冷却と加熱を１サイクルとし、このサイクルを４００回繰り返した後、樹脂を開封して接合部の観察を行い、チップや接合部界面に割れの発生が無い場合を「○」、割れや剥離があった場合を「×」と評価した。
【００３５】
【表３】
2011251330.tif 000004
【００３６】
これらの結果から明らかなように、本発明による試料１〜１２の各はんだペーストは、高温はんだとして良好なダイボンディング性と高温はんだ特性を具え、優れた接合信頼性を有している。一方、金属粉であるＮｉ粉又はＣｕ粉の添加量あるいは平均粒径が本発明の範囲から外れている比較例の試料１３〜２０の各はんだペーストでは、各評価の１つ以上において不十分な結果となった。
【００３７】
［実施例２］
Ｚｎ合金はんだ粉として、上記実施例１と同様の方法により、下記表４に示す組成を有する試料２１〜２８の各Ｚｎはんだ合金粉を製造した。一方、金属粉として、上記実施例１と同様に通常のアトマイズ法を用いてＣｕ粉を製造し、無電解処理により、下記表５に示す膜厚のＡｕ又はＡｇからなる皮膜を有する被覆Ｃｕ粉を製造した。このＣｕ粉を樹脂に埋め込み、研磨機を用い粗い研磨紙から順に細かいものを用いて研磨し、最後にバフ研磨を行い、その後、ＥＰＭＡ（装置名：ＳＨＩＭＡＤＺＵ  ＥＰＭＡ−１６００）を用いてライン分析を行い、皮膜の膜厚を測定した。
【００３８】
【表４】
2011251330.tif 000005
【００３９】
得られたＺｎ合金はんだ粉と被覆Ｃｕ粉を下記表５に示す添加量で混合し、上記実施例１と同様にアルコールと還元性有機材料からなるフラックスを加えて混合することにより、下記表５に示す本発明による試料２１〜２８の各はんだペーストを製造した。尚、試料２１〜２８の全ての試料において、フラックスの添加量はＺｎ合金はんだ粉と金属粉の合計１００質量％に対し８質量％とした。
【００４０】
【表５】
2011251330.tif 000006
【００４１】
上記試料２１〜２８の本発明による各はんだペーストについて、上記実施例１と同様の方法により、ダイボンディング性、高温はんだ特性、及び接合信頼性を評価した。得られた結果を、下記表６に示した。
【００４２】
【表６】
2011251330.tif 000007
【００４３】
これらの結果から明らかなように、本発明による被覆Ｃｕ粉を用いた各はんだペーストは、高温はんだとして良好なダイボンディング性と高温はんだ特性を具え、優れた接合信頼性を有している。
【００４４】
［実施例３］
金属原料として、純度９９.９質量％以上のＺｎ、Ａｌ、Ｍｇと、純度は９９.９５％以上のＧｅを用い、上記実施例１と同様の方法により、下記表７に示す組成を有する試料２９〜３７の各Ｚｎ合金はんだ粉を製造した。一方、金属粉として、上記実施例２と同様にして、Ｃｕ粉をアトマイズ法で製造した後、Ｃｕ粉の表面にＡｇ皮膜を施して被覆Ｃｕ粉を製造した。
【００４５】
【表７】
2011251330.tif 000008
【００４６】
得られた被覆Ｃｕ粉とＺｎ合金はんだ粉とを、被覆Ｃｕ粉が３０質量％となるように混合し、上記実施例１と同様にアルコールと還元性有機材料からなるフラックスを加えて混合することによって、下記表８に示す試料２９〜３７の各はんだペーストを製造した。尚、試料２９〜３７の全ての試料において、フラックスの添加量はＺｎ合金はんだ粉と金属粉の合計１００質量％に対し８質量％とした。
【００４７】
【表８】
2011251330.tif 000009
【００４８】
上記試料２９〜３７の各はんだペーストについて、上記実施例１と同様の方法により、ダイボンディング性、高温はんだ特性、及び接合信頼性を評価した。得られた結果を、下記表９に示した。
【００４９】
【表９】
2011251330.tif 000010
【００５０】
これらの結果から分かるように、試料２９〜３４の各はんだペーストは、ダイボンディング性、高温はんだ特性及び接合信頼性の全てに優れており、高温はんだとして極めて良好なものであることが分かる。一方、試料３５〜３７の各はんだペーストは、Ｚｎ合金はんだ粉の組成が適切でないため、被覆Ｃｕ粉を用いていても、ダイボンディング性、高温はんだ特性及び接合信頼性の各評価において不十分な結果となっている。