(57)【要約】【課題】部品が傾いた状態でもはんだ厚を確保する粒子入りはんだ及びその製造方法を提供すること。【解決手段】金属粒子１２を混ぜたはんだ材１１を溶融して撹拌した後、固めて圧延加工することよって形成する板はんだを製造するものであって、金属粒子の直径と添加量の決定に当たり、金属粒子１２の添加量に従って得られる距離実力がほぼ収束する、その値(Ｓ)に対応して添加量(Ｎ)を決定する工程と(S105)、距離実力(Ｓ)、粒子入りはんだの初期板はんだ厚(Ｔ)、四角形の短辺長さ(Ｌ)、および実験値より導出された一定の寿命を得るために必要な粒子入りはんだの保証はんだ厚(Ｂ)から、粒子入りはんだ１０の上に重ねられた上部品１２０の最大傾き時の形状を導出し(S106)、その傾き形状より、距離実力(Ｓ)における金属粒子の粒子径(Ｄ)を算出する工程(S107)とを有する粒子入りはんだの製造方法。【選択図】        図１
2009050900.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属粒子を混ぜたはんだ材を溶融して撹拌した後、固めて圧延加工することよって板状に形成する粒子入りはんだの製造方法において、
前記金属粒子の直径と添加量の決定に当たり、
前記金属粒子の添加量とはんだ内における粒子存在位置との関係により、添加量に従って得られるはんだ端部からの平均距離である距離実力(Ｓ)がほぼ収束する、その収束する距離実力の値に対応して添加量(Ｎ)を決定する工程と、
前記距離実力(Ｓ)、前記粒子入りはんだの初期板はんだ厚(Ｔ)、はんだ接合面の短辺側長さ(Ｌ)、および実験値より導出された一定の寿命を得るために必要な前記粒子入りはんだの保証はんだ厚(Ｂ)から、前記粒子入りはんだの上に重ねられた上部品の最大傾き時の形状を導出し、その傾き形状より、前記距離実力(Ｓ)における前記金属粒子の粒子径(Ｄ)を算出する工程と
を有するものであることを特徴とする粒子入りはんだの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載する粒子入りはんだの製造方法において、
前記金属粒子の添加量(Ｎ)は、前記初期板はんだ厚(Ｔ)との関係から２２／Ｔ以上としたものであることを特徴とする粒子入りはんだの製造方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載する粒子入りはんだの製造方法において、
前記金属粒子の粒子径(Ｄ)は、Ｂ＋２Ｓ(Ｔ−Ｂ)／Ｌ＜Ｄ＜Ｔの範囲内で決定するものであることを特徴とする粒子入りはんだの製造方法。
【請求項４】
はんだ材に複数の金属粒子を含んだ板状の粒子入りはんだにおいて、
前記金属粒子の添加量(Ｎ)は、初期板はんだ厚をＴとした場合に重量で比較した割合が２２／Ｔ以上であり、
前記金属粒子の粒子径(Ｄ)は、前記金属粒子の添加量とはんだ内における粒子存在位置との関係により、添加量に従って得られるはんだ端部からの平均距離である距離実力がほぼ収束する、その収束する距離実力の値をＳ、はんだ接合面の短辺側長さをＬ、実験値より導出された一定の寿命を得るために必要な前記粒子入りはんだの保証はんだ厚をＢとした場合、Ｂ＋２Ｓ(Ｔ−Ｂ)／Ｌ＜Ｄ＜Ｔの範囲内であることを特徴とする粒子入りはんだ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーモジュール等などの製造に使用される粒子入りはんだに関し、特に、はんだ付け後のはんだ厚を一定以上に確保するための粒子入りはんだ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用のパワーモジュール等は、その使用環境からはんだ付け部の耐久性が重要視されている。パワーモジュールは、図７（ａ）に示すように、ベース基板１３０の上に板はんだ１１０が重ねられ、更にその上に半導体素子１２０が重ねられる。板はんだ１１０は、板状はんだに予め金属粒子１１５が複数入れられており、これを半導体素子１２０とベース基板１３０との間に配設し、加熱溶融してはんだ接合が行われる。
【特許文献１】特開２００１−１６８２５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、自動車のパワーモジュールなどは、その使用環境からはんだ付け部分の耐久性が重要視されている。そこで、はんだ厚さに応じたはんだ寿命を調べてみたところ、図４に示すように、はんだ厚に従って寿命も延び、一定厚を超えることで寿命の延びも大きくなることが分かった。従って、必要な耐用年数を得るためには、一定のはんだ厚を確保することが必要である。この点、従来例の粒子入りはんだ１１０では、はんだ内に金属粒子１１５が入れられ、それによって半導体素子１２０などの上部品を支え、はんだ厚が薄くならないように工夫されている。
【０００４】
しかし、金属粒子１１５を入れた板はんだ１１０を使用しても、図７（ｂ）に示すように、半導体素子１２０などの上部品が傾いてしまったのでは、部分的に必要なはんだ厚が得られないことになる。すなわち、金属粒子１１５の位置が端部ｘから遠ければ、粒子径とは関係なく、半導体素子１２０とベース基板１３０との距離が近くなり、はんだ厚ｂが薄くなってしまうからである。そうした場合、パワーモジュールは、温度サイクルによってその薄肉部分にクラックが発生してしまい、十分な寿命が確保できなくなってしまう。従って、傾きをコントロールできない粒子入りはんだの製造方法では、こうした不適切なものが製造されることで歩留まりが低かった。
【０００５】
そこで、本発明は、かかる課題を確保すべく、部品が傾いた状態でも必要なはんだ厚を確保する粒子入りはんだ及びその製造方法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】
【０００６】
本発明に係る粒子入りはんだの製造方法は、金属粒子を混ぜたはんだ材を溶融して撹拌した後、固めて圧延加工することよって板状のはんだを製造する方法であって、前記金属粒子の直径と添加量の決定に当たり、前記金属粒子の添加量とはんだ内における粒子存在位置との関係により、添加量に従って得られるはんだ端部からの平均距離である距離実力(Ｓ)がほぼ収束する、その収束する距離実力の値に対応して添加量(Ｎ)を決定する工程と、前記距離実力(Ｓ)、前記粒子入りはんだの初期板はんだ厚(Ｔ)、はんだ接合面の短辺側長さ(Ｌ)、および実験値より導出された一定の寿命を得るために必要な前記粒子入りはんだの保証はんだ厚(Ｂ)から、前記粒子入りはんだの上に重ねられた上部品の最大傾き時の形状を導出し、その傾き形状より、前記距離実力(Ｓ)における前記金属粒子の粒子径(Ｄ)を算出する工程とを有するものであることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明に係る粒子入りはんだの製造方法は、前記金属粒子の添加量(Ｎ)が、前記初期板はんだ厚(Ｔ)との関係から２２／Ｔ以上としたものであることが好ましい。
また、本発明に係る粒子入りはんだの製造方法は、前記金属粒子の粒子径(Ｄ)が、Ｂ＋２Ｓ(Ｔ−Ｂ)／Ｌ＜Ｄ＜Ｔの範囲内で決定するものであることが好ましい。
【０００８】
一方、本発明の粒子入りはんだは、はんだ材に複数の金属粒子を含んだ板状のはんだであって、前記金属粒子の添加量(Ｎ)が、初期板はんだ厚をＴとした場合に重量で比較した割合が２２／Ｔ以上であり、前記金属粒子の粒子径(Ｄ)が、前記金属粒子の添加量とはんだ内における粒子存在位置との関係により、添加量に従って得られるはんだ端部からの平均距離である距離実力がほぼ収束する、その収束する距離実力の値をＳ、はんだ接合面の短辺側長さをＬ、実験値より導出された一定の寿命を得るために必要な前記粒子入りはんだの保証はんだ厚をＢとした場合、Ｂ＋２Ｓ(Ｔ−Ｂ)／Ｌ＜Ｄ＜Ｔの範囲内であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
よって、本発明によれば、収束する距離実力(Ｓ)の値や、それに対応する金属粒子の添加量(Ｎ)の値を得て、金属粒子の粒子径(Ｄ)を設定し、その粒子径(Ｄ)と添加量(Ｎ)に従い、金属粒子を混ぜたはんだ材を溶融して撹拌した後、固めて圧延加工することよって板状の粒子入りはんだを製造する。こうして製造された粒子入りはんだは、上部品が傾いたとしても、薄くなった端部でのはんだ厚を保証はんだ厚(Ｂ)以上に保つことができ、必要とする寿命を確保することが可能なる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
次に、本発明に係る粒子入りはんだ及びその製造方法の一実施形態について図面を参照しながら以下に説明する。本実施形態の粒子入りはんだ及びその製造方法は、接合時に傾きが生じることを前提にしたものであって、たとえ傾いたとしてもはんだ厚を一定以上に確保することができるように、金属粒子の添加量と粒子径を定めたものである。図１は、金属粒子の添加量と粒子径を定めた所定厚の粒子入りはんだを設計する場合のフローを示した図である。
【００１１】
本実施形態の粒子入りはんだは、例えば、はんだ材に金属粒子を混ぜて熱をかけて溶融し、撹拌した後、固めて圧延加工することよって板状のはんだとして製造される。図２は、そうした粒子入りの板はんだを示した平面図であって、金属粒子の位置が分かるように記載している。この粒子入りはんだ１０は、例えばはんだ材１１にＳｎＰｂ系およびＳｎを９０％以上含むＰｂフリーはんだが使用され、金属粒子１２にはＮｉやＣｕなどが使用される。
【００１２】
この粒子入りはんだ１０は、自動車のパワーモジュールなどを製造するために用いられ、例えば、図３に示すように、ベース基板１３０の上に粒子入りはんだ１０が重ねられ、更にその上に半導体素子１２０が重ねられる。
そこで、粒子入りはんだの製造に当たっては、先ず、はんだ接合部の強度確保など、使用される粒子入りはんだ１０について、はんだ付け前の初期はんだ厚Ｔが決められる（Ｓ１０１）。また、半導体素子１２０の大きさによって、はんだ接合面の寸法取得が行われる（Ｓ１０２）。本実施形態では、粒子入りはんだ１０が長辺と短辺のある矩形形状の場合には、傾いた際により傾き角が大きくなる短辺側の長さＬが利用される。
【００１３】
ところで、パワーモジュールを構成するはんだは、使用による温度サイクルが作用し、一定量の使用によってクラックが発生するなどして寿命を迎える。そこで先ず、はんだ厚と寿命との関係を実験によって調べた。すると、図４においてグラフで示すような結果が得られた。すなわち、はんだの寿命は、はんだ厚さに応じて図示するように上昇し、厚くなるほどに寿命の延びも大幅に増加するように変化することが分かった。
【００１４】
ところで、粒子入りはんだ１０は、パワーモジュールの使用環境と同様に熱サイクルをかけた場合、前述したように時間が経つに従ってその周辺から複数のクラックが入る。そこで、はんだ周辺から入った複数のクラックの先をはんだ周縁に沿って結び、それによって囲まれた面積が許容面積を超えるまでの時間（ｈ）を寿命として判断した。そして、こうした実験結果から、目標のはんだ寿命Ｅに対し、保証はんだ厚としてＢ(μｍ)という値が得られた（Ｓ１０３）。
【００１５】
一方で、はんだ材１１に対する金属粒子１２の添加量と金属粒子１２の存在位置との関係を実験によって調べた（Ｓ１０４）。すなわち、粒子入りはんだ１０は、前述したように、はんだ材１１と金属粒子１２とを混ぜ、溶融して撹拌した後、固めて圧延加工することによって製造される。その際、金属粒子１２の位置を任意に設定することができない。そこで、金属粒子１２の添加量によって金属粒子１２の位置をコントロールできないか、検討を行った。具体的には、金属粒子１２の添加量を変えて、図２に示すような粒子入りはんだ１０を形成した場合に、金属粒子１２がどれほど周縁の端部に近づくか実験を行った。
【００１６】
すると、図５においてグラフに示すような結果が得られた。横軸には添加量（wt％）を示し、縦軸には角部からの距離をとり、その平均値（ｍｍ）を示している。ここでは、ある添加量に従って得られるはんだ端部からの平均値＋４σ（σ：標準偏差）を「距離実力」と定義し、その値を縦軸にとっている。そして、金属粒子１２が端部に近い場合を「距離実力が高い」と表現し、端部から遠ざかる場合を「距離実力が低い」と表現することとする。なお、端部からの平均距離は、角部からの距離を測定して求めた。そして、添加量としては、重量で比較した金属粒子１２の割合(wt％)で示した。
【００１７】
そこで、金属粒子１２の添加量と距離実力との関係は、図５に示すように、添加量の増加に伴って距離実力が高くなることが分かる。すなわち、添加量を増加させるに従って、金属粒子１２がはんだ内に広く分布するようになり、距離実力も高まっていった。ところが、距離実力は、最終的にゼロに近づくのではなく、ある値Ｓ(ｍｍ)以上には高く成らず、ほぼその値に収束する結果となった。そして、距離実力がＳに達した際の添加量がＮ(wt％)であり、この実験結果から、金属粒子１２の添加量をＮ(wt％)以上に増やしても、それ以上に距離実力は高くならず、効果が上がらないことが分かった。
【００１８】
一方、粒子入りはんだ１０は、はんだ自身の性能を考えた場合、金属粒子１２をあまり多く含むことは好ましくない。そのため、なるべく端部からの距離を近づけるように距離実力を高めながらも、金属粒子１２の添加量を抑えるようにした。そこで、図５に示す実験結果から、金属粒子１２の添加量を距離実力がＳ(ｍｍ)になるＮ(wt％)に決定した（Ｓ１０５）。具体的には、距離実力Ｓ＝３．５(ｍｍ)、添加量Ｎ＝０．１１(wt％)が数値として得られ、更に、こうした結果から初期はんだ厚Ｔとの関係について検討したところ、Ｎ＝２２／Ｔ（２２は実験により求められた係数）を得ることができた。従って、粒子入りはんだ１０の製造に当たっては、金属粒子１２の添加量をＮ＝２２／Ｔ以上にするのが好ましい。
【００１９】
次に、図６に示すように、はんだ付けした半導体素子１２０に角度θの傾きが生じ、粒子入りはんだ１０の厚さが変化した場合の形状を導出する（Ｓ１０６）。
このとき、金属粒子１２の添加量はＮ(wt％)であるため、図５から距離実力はＳ(ｍｍ)として考え、各辺から法線方向の距離Ｓ(ｍｍ)の位置に金属粒子１２が存在しているとする。そして、半導体素子１２０は、図６に示すように、最端部にあるその金属粒子１２に当たってそれ以上の傾きが規制される。
【００２０】
こうして半導体素子１２０が傾いた形状では、接合面の短辺側端部ｘが最もはんだ厚が薄くなる部分となり、その厚さが問題になる。従って、必要なはんだ寿命を確保するためには、短辺側端部ｘの最も薄いはんだ厚部分が保証はんだ厚Ｂ(μｍ)以上であることが必要である。また、粒子入りはんだ１０の体積は、はんだ付け後でも変化しないので、傾きが生じた場合の短辺側寸法の中心位置の厚さが初期はんだ厚Ｔ(μｍ)であるとすることができる。
【００２１】
こうして、傾きをもった粒子入りはんだ１０の形状を捉えた後、短辺側端部ｘで保証はんだ厚Ｂ(μｍ)を得るための金属粒子１２の粒子径Ｄを決定する（Ｓ１０７）。
金属粒子１２の粒子径ＤをＤ＝Ｂ＋ａ…(１)と表し、半導体素子１２０の傾きをθとすると、ｔａｎθ＝ａ／Ｓ＝(Ｔ−Ｂ)／(Ｌ／２)…(２)が得られる。よって、この(１)式及び(２)式からＤ＝Ｂ＋２Ｓ(Ｔ−Ｂ)／Ｌ…(３)が金属粒子１２の粒子径を導き出す式として得られる。一方、金属粒子１２の粒子径Ｄが初期はんだ厚Ｔよりも大きいことはない。従って、本実施形態では、粒子入りはんだ１０に入れる金属粒子１２の粒子径Ｄを、Ｂ＋２Ｓ(Ｔ−Ｂ)／Ｌ＜Ｄ＜Ｔ…(４)の範囲内で決定する。
【００２２】
よって、本実施形態では、図５に示す、収束する距離実力Ｓ(ｍｍ)の値や、それに対応する金属粒子１２の添加量Ｎ(wt％)の値を得て、上記(４)式から金属粒子１２の粒子径Ｄを設定し、その粒子径と添加量に従い、従来と同様の製法によって粒子入りはんだ１０を製造する。こうして製造された粒子入りはんだ１０は、例えばパワーモジュールのはんだ付けに使用されるが、上部品の半導体素子１２０が傾いたとしても、薄くなった端部ｘでのはんだ厚を保証はんだ厚Ｂ(μｍ)以上に保つことができ、必要とするはんだ寿命を確保することが可能なった。その結果、製造工程において傾きをコントロールできなくても、製品として適切なものが製造され、歩留まりが高まった。
【００２３】
以上、本発明の粒子入りはんだ及びその製造方法について実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
【００２４】
ところで、前記実施形態の粒子入りはんだ１０は、はんだ材１１内に複数の金属粒子１２を入れて撹拌することによって製造したものであるため、金属粒子１２の位置を特定することができなかった。しかし、金属粒子１２を板はんだ内の特定箇所に後から選択的に配置する製法を行うのであれば、同様に上記(３)式から粒子径Ｄを求めることができ、しかも４隅に配置するだけで上部品の傾きを支えられる。そのため、これによれば、金属粒子１２の粒子数を大幅に減らすことでコストダウンが可能であり、また粒子配合によるはんだ材の物性への影響を小さく抑えることも可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】金属粒子の添加量と粒子径を定めた所定厚の粒子入りはんだを設計する場合のフローを示した図である。
【図２】粒子入りはんだを示した平面図である。
【図３】ベース基板上に粒子入りはんだ及び半導体素子を重ねた状態を示した図である。
【図４】はんだ厚とはんだ寿命との関係をグラフにして示した図である。
【図５】距離実力と添加量との関係をグラフにして示した図である。
【図６】はんだ付けした半導体素子に傾きが生じた場合において、粒子入りはんだの厚さ形状を導出するための図である。
【図７】粒子入りはんだの傾きについて示した図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０  粒子入りはんだ
１１  はんだ材
１２  金属粒子
１２０  半導体素子
１３０  ベース基板
Ｂ    保証はんだ厚
Ｅ    はんだ寿命
Ｌ    接合面の短辺側長さ
Ｎ    添加量
Ｓ    距離実力
Ｔ    初期はんだ厚
【図１】
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【図２】
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【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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