(57)【要約】【課題】溶融温度を低温化させることで熱応力の改善ができ、かつ、前処理無く溶融時に良好な濡れを得られる接合材料を提供する。【解決手段】最も外側に酸化抑制層を有し、その内側には、酸化抑制層に接するＡｌを主成分とする金属からなるＡｌ層を有し、Ａｌ層の内側には、融点低下層と、Ｚｎを主成分とする金属からなるＺｎ層とを有し、融点低下層は、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｍｇ又はＧｅを含み、酸化抑制層は、易還元金属であるＣｕ、Ａｕ又はＡｇを主成分とするＰｂフリー接合材料を用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
最も外側に酸化抑制層を有し、その内側には、前記酸化抑制層に接するＡｌを主成分とする金属からなるＡｌ層を有し、前記Ａｌ層の内側には、融点低下層と、Ｚｎを主成分とする金属からなるＺｎ層とを有し、前記融点低下層は、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｍｇ又はＧｅを含み、前記酸化抑制層は、易還元金属であるＣｕ、Ａｕ又はＡｇを主成分とすることを特徴とするＰｂフリー接合材料。
【請求項２】
２つの前記融点低下層の間に前記Ｚｎ層を配置した構成を有することを特徴とする請求項１記載のＰｂフリー接合材料。
【請求項３】
前記酸化抑制層の総厚は、全体の総厚に対する割合が０．０４〜０．００２であることを特徴とする請求項１記載のＰｂフリー接合材料。
【請求項４】
前記Ａｌ層の総厚は、全体の総厚に対する割合が０．３〜０．０２であることを特徴とする請求項１記載のＰｂフリー接合材料。
【請求項５】
前記融点低下層の総厚は、全体の総厚に対する割合が０．２〜０．０１であることを特徴とする請求項１記載のＰｂフリー接合材料。
【請求項６】
前記酸化抑制層は、前記易還元金属の組成が９０〜１００質量％であることを特徴とする請求項１記載のＰｂフリー接合材料。
【請求項７】
前記Ａｌ層は、Ａｌの組成が９０〜１００質量％であることを特徴とする請求項１記載のＰｂフリー接合材料。
【請求項８】
前記Ｚｎ層は、Ｚｎの組成が９０〜１００質量％であることを特徴とする請求項１記載のＰｂフリー接合材料。
【請求項９】
最も外側に酸化抑制層を有し、その内側には、前記酸化抑制層に接するＡｌを主成分とする金属からなるＡｌ層を有し、前記Ａｌ層の内側には、融点低下層と、Ｚｎを主成分とする金属からなるＺｎ層とを有し、前記融点低下層は、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｍｇ又はＧｅを含み、前記酸化抑制層は、易還元金属であるＣｕ、Ａｕ又はＡｇを主成分とする接合材料を製造する方法であって、前記酸化抑制層と前記Ａｌ層と前記融点低下層とを積層した中間材料を作製し、前記中間材料と前記Ｚｎ層とを積層することを特徴とするＰｂフリー接合材料の製造方法。
【請求項１０】
前記中間材料を作製する工程、及び前記中間材料と前記Ｚｎ層とを積層する工程は、クラッド圧延、スパッタリング、めっき又はプレス加工により行うことを特徴とする請求項９記載のＰｂフリー接合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｐｂフリー接合材料及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、新興国で家電製品や自動車が急速に普及している。それに伴い、電力の制御に不可欠なパワー半導体の需要が増大している。パワー半導体パッケージ内部のリードフレームと半導体素子の接合には、パワー半導体パッケージと基板をリフロー工程で接合する時にパワー半導体パッケージの内部のはんだが溶融しないようにする必要があることから、２６０℃以上の耐熱性を有するＰｂを８５％以上含有する高Ｐｂはんだが用いられてきた。
【０００３】
しかし、Ｐｂは、人体有害性を有すること、及び、環境に負荷を与えることから、電機・電子機器中の有害物の使用を禁止するＲｏＨＳ（Ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｕｓｅ  ｏｆ  ｃｅｒｔａｉｎ  Ｈａｚａｒｄｏｕｓ  Ｓｕｂｓｔａｎｃｅｓ  ｉｎ  ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ａｎｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ）指令の施行等でＰｂの使用が規制されつつある。現在、高Ｐｂはんだは、ＲｏＨＳ指令による規制から除外されているものの、将来的に規制対象となる可能性が高いことから、高Ｐｂはんだを代替する接合材料の開発が望まれている。代替材料の候補として、耐熱性と価格の面から、Ｚｎ−Ａｌ系のはんだが有力である。しかしながら、Ｚｎ−Ａｌ系はんだは、表面が酸化しやすいため、濡れを得ることが難しいという問題がある。
【０００４】
特許文献１には、Ｚｎ−Ａｌ系はんだの課題である濡れにくいことを解決するために、Ｚｎ、Ａｌ、Ｚｎの順に積層された構造を有する接続材料が開示されている。これによれば、表面のＺｎ系層によりＡｌの酸化を抑制することで濡れ性を確保でき、はんだとして用いる際にはＺｎとＡｌの反応によって融点が３８２℃であるＺｎ−６Ａｌ質量％共晶となるため、高耐熱性を付与することができる。
【０００５】
特許文献２には、ＺｎとＡｌを層状にした構造の最表面に酸化を抑制させる金属で被覆した構造を有する接合材料が開示されている。これによれば、Ｚｎ及びＡｌの酸化を抑制でき、特許文献１に記載の材料では必要であった前処理が不要となり、接合信頼性及び耐熱性に優れた接合が可能となる。
【０００６】
特許文献３には、ＺｎとＡｌとの間にＧｅ等を配置した構造を有する接合材料が開示されている。これによれば、Ｚｎ−Ａｌ系はんだの融点を３８２℃から下げることが可能であり、室温までの冷却時に発生する熱応力が小さくなるように改善させることで、半導体素子の割れの懸念を大きく減らすことができ、接合信頼性の更なる向上が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−１２６２７２号公報
【特許文献２】特開２０１２−７１３４７号公報
【特許文献３】特開２０１１−２３８８３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献２に記載の接合材料（Ｚｎ−Ａｌ系はんだ）は、約３８０℃で用いる必要があり、一般に用いられる基板のセラミック及び半導体チップの熱膨張係数１０×１０−６（１／℃）以下に比べて、熱膨張係数が大きいため（２５×１０−６（１／℃）以上）、接合温度から冷却する際、温度差による寸法変化がセラミックや半導体チップより大きくなり、接合材料とセラミックや半導体チップとの間で大きな熱応力が発生するため、半導体素子の割れが懸念される。
【０００９】
特許文献３に記載の接合材料では、最表面がＺｎであるため、特許文献１と同様に酸化膜を除去する前処理を行わなければ良好な接合が得られない点で改善の余地がある。
【００１０】
本発明は、上記の事情によって検討した結果で生み出されたものであり、その目的は、溶融温度を低温化させることで熱応力の改善ができ、かつ、前処理無く溶融時に良好な濡れを得られる接合材料を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のＰｂフリー接合材料は、最も外側に酸化抑制層を有し、その内側には、酸化抑制層に接するＡｌを主成分とする金属からなるＡｌ層を有し、Ａｌ層の内側には、融点低下層と、Ｚｎを主成分とする金属からなるＺｎ層とを有し、融点低下層は、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｍｇ又はＧｅを含み、酸化抑制層は、易還元金属であるＣｕ、Ａｕ又はＡｇを主成分とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、Ｐｂフリー接合材料において、溶融温度を低くして熱応力を改善し、かつ、前処理無く溶融時に良好な濡れを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の接合材料を示す断面図である。
【図２】本発明の接合材料の溶融の第一段階を示す断面図である。
【図３】本発明の接合材料の溶融の第二段階を示す断面図である。
【図４】本発明の接合材料の溶融の第三段階を示す断面図である。
【図５】本発明の接合材料の溶融の最終段階を示す断面図である。
【図６】本発明の接合材料の作製の第一段階を示す断面図である。
【図７】本発明の接合材料の作製の第二段階を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態に係るＰｂフリー接合材料（以下、単に「接合材料」ともいう。）について説明する。
【００１５】
前記Ｐｂフリー接合材料は、Ｚｎを主成分とするＺｎ層の両面に、外側に向かって順に、融点低下層、Ａｌを主成分とする金属からなるＡｌ層、及び酸化抑制層を配置した構成を有する。融点低下層は、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｍｇ又はＧｅを含む。酸化抑制層は、易還元金属であるＣｕ、Ａｕ又はＡｇを主成分とする。易還元金属は、水素等の還元雰囲気において酸化物の還元が容易であるためである。すなわち、２つの融点低下層の間にＺｎ層を配置した構成を典型例とする。
【００１６】
前記Ｐｂフリー接合材料において、酸化抑制層は、易還元金属の組成が９０〜１００質量％であることが望ましい。
【００１７】
前記Ｐｂフリー接合材料において、Ａｌ層は、Ａｌの組成が９０〜１００質量％であることが望ましい。
【００１８】
前記Ｐｂフリー接合材料において、Ｚｎ層は、Ｚｎの組成が９０〜１００質量％であることが望ましい。
【００１９】
前記Ｐｂフリー接合材料において、酸化抑制層の総厚は、全体の厚さに対する割合が０．０４〜０．００２（４〜０．２％）であることが望ましい。ここで、酸化抑制層の総厚とは、接合材料中のすべての酸化抑制層の合計の厚さをいう。これは、０．０４を超えると大幅な融点の上昇を招き、０．００２を下回ると実装の際の昇温によりこの層が消失し、酸化抑制機能が不足するためである。
【００２０】
前記Ｐｂフリー接合材料において、Ａｌ層の総厚は、全体の厚さに対する割合が０．３〜０．０２であることが望ましい。ここで、Ａｌ層の総厚とは、接合材料中のすべてのＡｌ層の合計の厚さをいう。これは、この範囲外になると融点の上昇を招くためである。
【００２１】
前記Ｐｂフリー接合材料において、融点低下層の総厚は、全体の厚さに対する割合が０．２〜０．０１であることが望ましい。ここで、融点低下層の総厚とは、接合材料中のすべての融点低下層の合計の厚さをいう。これは、０．０１を下回ると融点降下の効果が低くなり、０．２を上回ると融点降下の効果が低くなる、あるいは液相が多くなるためである。
【００２２】
前記Ｐｂフリー接合材料の溶融の際のメカニズム等について説明する。
【００２３】
接合材料として使用するために加熱した際、すべての層間において金属の拡散が起きる。
【００２４】
最初に顕著な反応として現れるのは、Ｚｎ層と融点低下層との間であり、Ｚｎと融点低下層とが混合した融液が発生する。その後、この融液にＡｌがただちに拡散し、ＺｎとＡｌと融点低下層とが混合した融液となる。最終的には、更にＣｕが溶け込む形で全体が融液となる。これにより、接合材料としての役割を果たす。
【００２５】
酸化抑制層の内面がＡｌ層である理由は、酸化抑制層／融点低下層／Ａｌ層／Ｚｎ層の順番になると、Ａｌと融点低下層による融液が昇温中に発生し、酸化抑制層に接触すると、ただちに酸化抑制層の金属が融液中に拡散して酸化抑制層が消失し、炉内雰囲気によっては接合時に表面の酸化が進み、接合状態を悪化させるためである。
【００２６】
また、融点低下層がＳｎ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｍｇ又はＧｅを含む理由は、溶融させた際にこれらの元素を含むと、融点が下がる効果が得られるためである。
【００２７】
Ｚｎ層と融点低下層との融液発生において、融液が発生し始める温度は、融点低下層を構成する元素によって異なる。融点低下層の主成分がＳｎの場合１９９℃程度、Ｂｉの場合２５５℃程度、Ｉｎの場合１４４℃程度、Ｇａの場合２５℃程度、Ｍｇの場合３４０℃程度、Ｇｅの場合３７５℃程度である。ＺｎとＧｅとの反応においては、ＺｎとＧｅとの共晶点３９４℃より低くなっているが、これは、ＧｅとＡｌとの間で相互拡散したＡｌがＺｎに到達することにより融点が下がるためと考える。
【００２８】
各層において主成分の金属の組成を９０〜１００質量％とすることが望ましい理由は、不純物による融点の上昇を抑制するためである。ただし、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｇａ及びＧｅは、融点を降下させる効果があるので、添加しても構わない。
【００２９】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
【００３０】
図１は、本発明の接合材料の断面の構成を示したものである。
【００３１】
接合材料１０は、酸化抑制層１００と、Ａｌ層１０１と、融点低下層１０２と、Ｚｎ層１０３とを有するクラッド構造を有する。接合材料１０の最外面には、酸化抑制層１００が形成されている。その内部がＡｌ層１０１であり、更にその内部が融点低下層１０２とＺｎ層１０３である。
【００３２】
図２〜５を用いて、３７５℃に加熱されたリードフレーム１１０の上に接合材料１０を置いた場合の溶融メカニズムについて説明する。
【００３３】
図２は、リードフレームの上に接合材料を置いた直後の状態を示したものである。図３は、融点低下層とＺｎ層とが溶融した状態を示したものである。図４は、Ａｌ層も溶融した状態を示したものである。図５は、酸化抑制層も溶融した状態を示したものである。
【００３４】
まず、図２のように接合材料１０をリードフレーム１１０に置いた直後から、昇温に伴い、酸化抑制層１００、Ａｌ層１０１、融点低下層１０２、Ｚｎ層１０３のそれぞれの層間で拡散が進む。
【００３５】
最初に、融点低下層１０２とＺｎ層１０３とが溶融し、Ｚｎ−Ｍ合金融液１０４が生じる（図３）。ここで、Ｍは、融点低下層１０２を構成するＳｎ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｍｇ又はＧｅを表す。
【００３６】
次に、Ａｌ層１０１がＺｎ−Ｍ融液１０４に溶け込むことで図４のようにＺｎ−Ａｌ−Ｍ合金融液１０５を形成する。
【００３７】
さらに、酸化抑制層１００を構成する金属ＸがＺｎ−Ａｌ−Ｍ合金融液１０５に溶け込むことにより、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍ−Ｘ合金融液１０６が生じ、リードフレーム１１０に濡れ広がる（図５）。
【００３８】
図６及び７は、接合材料１０の作製方法を示したものである。
【００３９】
図６は、作製の第一段階（中間材料の作製工程）を示し、図７は、作製の第二段階（接合材料の作製工程）を示している。
【００４０】
図６に示すように、酸化抑制層１００の条材、Ａｌ層１０１の条材、及び融点低下層１０２の条材をクラッド圧延によって貼り合わせることで、中間材料２００が形成する。
【００４１】
次に、図７に示すように、中間材料２００とＺｎ層１０３とをクラッド圧延によって貼り合わせることで、接合材料１０を作製する。
【００４２】
まとめて言い換えると、酸化抑制層１００とＡｌ層１０１と融点低下層１０２とを積層した中間材料２００を作製し、中間材料２００とＺｎ層１０３とを積層することにより、接合材料１０を作製する。
【００４３】
以下、実施例及び比較例を用いて説明する。
【実施例】
【００４４】
表１は、実施例Ｎｏ．１〜２１及び比較例Ｎｏ．１〜１０を検討するために作製した試作材Ｎｏ．１〜２１、比較材Ｎｏ．１〜１０を示したものである。
【００４５】
試作材Ｎｏ．１〜２１は、以下の方法で作製した。
【００４６】
まず、金属Ｘ、Ａｌ、及び金属Ｍの各条材を、面積の減少の割合を示す加工度が８０％以上になるように投入材の厚さを調整し、クラッド圧延を施して中間材料２００の各層の厚さを得た。つぎに、中間材料２００とＺｎの条材を加工度８０％になるようにクラッド圧延を施して接合材料１０の各層の厚さを得た。
【００４７】
比較材Ｎｏ．１〜９は、試作材Ｎｏ．１〜２１と同様の方法を用いて、表１に示す構成となるように材料や投入材の厚さを変更し、作製した。
【００４８】
表２は、試作材Ｎｏ．１〜２１及び比較材Ｎｏ．１〜１０について、以下に示す工程で濡れ性試験、接合試験及び再加熱試験の結果を示したものである。
【００４９】
濡れ性評価では、それぞれの試作材及び比較材を５ｍｍ角としてリードフレーム（Ｃｕ／Ｎｉ／Ａｕ基板）の中心部に置き、溶融した際の挙動を調べた。リードフレームの温度は、融点降下を確認するためにＺｎ−Ａｌ共晶温度３８２℃以下である３７５℃とした。雰囲気はＮ２＋４％Ｈ２とし、酸素濃度は１００ｐｐｍとした。接合材料として濡れることが必要条件であるので、リードフレーム上に接合材料が箔面積より濡れ広がった場合を○とし、濡れ広がらなかった場合を×とした。
【００５０】
接合性評価においては、上記の濡れ性評価が終わり、溶融した状態で１分間保持した後、室温まで冷却し、接合状態を評価した。評価は、超音波探傷装置を用い、接合層のボイド率を確認した。この場合に、ボイド率が１０％未満の場合を○とし、１０％以上の場合を×とした。
【００５１】
再加熱評価においては、接合性評価をした後、半導体チップをリードフレームに設置し、接合材料を含む評価対象物を３００℃で３ｍｉｎ保持した。この場合に、外観で変化が無い場合を〇とし、融液の漏れ出しが見られる場合を×とした。
【００５２】
表２に示すように、上記の３つの評価において、試作材Ｎｏ．１〜２１はすべて、良好な結果であった。
【００５３】
比較材Ｎｏ．３〜１０については、濡れ性評価又は接合評価のうち少なくともいずれかにおいて×となった。
【００５４】
比較材Ｎｏ．１及び２は、融点降下層であるＳｎ層又はＧｅ層が厚いため、Ｚｎ−Ｓｎ又はＺｎ−Ｇｅの融液が多く発生し、再加熱評価で×となった。そのほか、融点降下層にＢｉ、Ｉｎ、Ｇａ、Ｍｇを用いた時もそれぞれＺｎと反応した際の融点が低いことから、同様になると考えられる。
【００５５】
比較材Ｎｏ．３及び４は、融点降下層であるＳｎ層又はＩｎ層が薄いため、融点降下の効果が小さく、濡れ性及び接合性の評価で×となった。そのほか、融点降下層にＢｉ、Ｇａ、Ｍｇ又はＧｅを用いた場合も同様になると考えられる。
【００５６】
比較材Ｎｏ．５は、酸化抑制層であるＡｕ層が薄いため、濡れ性評価の際の昇温で、層が消失し、酸化抑制機能が不足したことから、濡れ性及び接合性の評価で×となった。そのほか、酸化抑制層にＣｕ又はＡｇを用いた場合も同様になると考えられる。
【００５７】
比較材Ｎｏ．６は、酸化抑制層であるＣｕ層が厚いため、大幅な融点の上昇を招き、濡れ性及び接合性の評価で×となった。そのほか、酸化抑制層にＡｕ又はＡｇを用いた場合も同様になると考えられる。
【００５８】
比較材Ｎｏ．７は、Ａｌ層が厚いため、融点が上昇し、濡れ性及び接合性の評価で×となった。
【００５９】
比較材Ｎｏ．８は、Ａｌ層が薄いため、融点が上昇し、濡れ性及び接合性の評価で×となった。
【００６０】
比較材Ｎｏ．９は、層構造が酸化抑制層／融点低下層／Ａｌ層／Ｚｎ層の順番であったために、Ａｌ及びＳｎの融液が昇温中に発生し、酸化抑制層に接触し、ただちにＣｕが融液中に拡散して酸化抑制層が消失したことから、接合性評価が×となった。
【００６１】
比較材Ｎｏ．１０は、Ｚｎ−Ａｌ−Ｓｎ合金が酸化抑制層で覆われていない構成であるため、表面が酸化し、濡れ性及び接合性の評価で×となった。
【００６２】
【表１】
2015074006.tif 000003
【００６３】
【表２】
2015074006.tif 000004
【００６４】
以上、本発明について実施の形態に基いて具体的に説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。例を以下に挙げる。
【００６５】
例えば、上記の実施の形態と同様の層構造が形成できるならば、クラッド圧延、スパッタリング、めっき、プレス加工等のいずれを用いても、機能に差は無い。
【００６６】
圧延ロールを通過する回数を複数回にして所定の加工度とすること等が挙げられる。
【００６７】
本実施例の試作材に、例えば不純物元素としてＭｎを含む場合、融点低下は僅かしかないにもかかわらず、接合層の硬さを硬くする効果があり、実装に用いると半導体素子が割れる要因になる。
【００６８】
また、主な最外面（最も外側の面）は酸化抑制層であり、酸化抑制層の内側がＡｌ層であれば良く、層の数を変えても構わない。例えば、Ｘ／Ａｌ／Ｍ／Ｚｎ／Ａｌ／Ｘや、Ｘ／Ａｌ／Ｚｎ／Ｍ／Ｚｎ／Ａｌ／Ｘ等である。
【符号の説明】
【００６９】
１０：接合材料、１００：酸化抑制層、１０１：Ａｌ層、１０２：融点降下層、１０３：Ｚｎ層、１０４：Ｚｎ−Ｍ合金融液、１０５：Ｚｎ−Ａｌ−Ｍ合金融液、１０６：Ｚｎ−Ａｌ−Ｍ−Ｘ合金融液、１１０：リードフレーム、２００：中間材料。
【図１】
2015074006.tif 000005
【図２】
2015074006.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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