特許 6011254 Ｂｉを主成分とするはんだ合金との接合部を有する電子部品

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6011254

(24)【登録日】2016年9月30日

(45)【発行日】2016年10月19日

(54)【発明の名称】Ｂｉを主成分とするはんだ合金との接合部を有する電子部品

(51)【国際特許分類】

   B23K 35/26 20060101AFI20161006BHJP

   C22C 12/00 20060101ALI20161006BHJP

   C22C 1/02 20060101ALI20161006BHJP

   B23K 35/40 20060101ALN20161006BHJP

【ＦＩ】

   B23K35/26 310C

   C22C12/00

   C22C1/02 503N

   !B23K35/40 340H

【請求項の数】4

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2012-243192(P2012-243192)

(22)【出願日】2012年11月2日

(65)【公開番号】特開2014-91149(P2014-91149A)

(43)【公開日】2014年5月19日

【審査請求日】2014年11月8日

(73)【特許権者】

【識別番号】000183303

【氏名又は名称】住友金属鉱山株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100136825

【弁理士】

【氏名又は名称】辻川 典範

(74)【代理人】

【識別番号】100083910

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 正緒

(72)【発明者】

【氏名】井関 隆士

【審査官】 川村 裕二

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２００９／１５７１３０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００６−３２８５０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１８３５７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０２４８０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１２／００２１７３（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ３５／００−３５／４０

Ｃ２２Ｃ １２／００

Ｃ２２Ｃ １／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｓｂ、およびＰのうち１種以上を各々５.０質量％以下含有し、残部がＢｉであり、且つはんだ合金全体においてＢｉを８５質量％以上含有するはんだ合金によって接合される接合部を有し、該接合部の最上層がＡｕ、Ａｇ、ＮｉおよびＣｕのうちのいずれか１種を主成分とし、該最上層のはんだ接合面の中心線平均粗さが１.０μｍ以上５.０μｍ以下であることを特徴とする電子部品。

【請求項2】

Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｓｂ、およびＰのうち１種以上を各々５.０質量％以下含有し、残部がＢｉであり、且つはんだ合金全体においてＢｉを８５質量％以上含有するはんだ合金によって接合される接合部を有し、該接合部の最上層がＡｕ、Ａｇ、ＮｉおよびＣｕのうちのいずれか１種を主成分とし、表面から深さ方向に１０００ｎｍ入った部分の酸素量を０％にすると共に該表面から深さ１０００ｎｍの間の最高酸素濃度を１００％にして酸素濃度が１０％まで低下した表面からの進入深さを酸化物層の厚みと定義した時、該最上層のはんだ接合面が厚み０.２ｎｍ以上３０ｎｍ以下の酸化物層で覆われていることを特徴とする電子部品。

【請求項3】

Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｓｂ、およびＰのうち１種以上を各々５.０質量％以下含有し、残部がＢｉであり、且つはんだ合金全体においてＢｉを８５質量％以上含有するはんだ合金によって接合される接合部を有し、該接合部の最上層がＡｕ、Ａｇ、ＮｉおよびＣｕのうちのいずれか１種を主成分とし、該最上層のはんだ接合面の中心線平均粗さが１.０μｍ以上５.０μｍ以下であり、かつ表面から深さ方向に１０００ｎｍ入った部分の酸素量を０％にすると共に該表面から深さ１０００ｎｍの間の最高酸素濃度を１００％にして酸素濃度が１０％まで低下した表面からの進入深さを酸化物層の厚みと定義した時、該最上層の該はんだ接合面が厚み０.２ｎｍ以上３０ｎｍ以下の酸化物層で覆われていることを特徴とする電子部品。

【請求項4】

最上層がＡｕ、Ａｇ、ＮｉおよびＣｕのうちのいずれか１種を主成分とするはんだ接合部を有する電子部品に対して、Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｓｂ、およびＰのうち１種以上を各々５.０質量％以下含有し、残部がＢｉであり、且つはんだ合金全体においてＢｉを８５質量％以上含有するはんだ合金を用いてはんだ付けして電子装置を製造する方法であって、該最上層のはんだ接合面の中心線平均粗さが１.０μｍ以上５.０μｍ以下であるか、もしくは表面から深さ方向に１０００ｎｍ入った部分の酸素量を０％にすると共に該表面から深さ１０００ｎｍの間の最高酸素濃度を１００％にして酸素濃度が１０％まで低下した表面からの進入深さを酸化物層の厚みと定義した時、該最上層のはんだ接合面が厚み０.２ｎｍ以上３０ｎｍ以下の酸化物層で覆われているか、または該はんだ接合面の中心線平均粗さが１.０μｍ以上５.０μｍ以下であって且つ該はんだ接合面が前記定義した厚み０.２ｎｍ以上３０ｎｍ以下の酸化物層で覆われていることを特徴とする電子装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、Ｐｂフリーはんだ合金を用いて接合される接合部を有する電子部品に関し、特に高温用はんだ合金として好適なＢｉを主成分とするＰｂフリーはんだ合金を用いて接合される接合部を有する電子部品に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、環境に有害な化学物質に対する規制がますます厳しくなってきており、この規制は電子部品等を基板に接合する目的で使用されるはんだ材料に対しても例外ではない。はんだ材料には古くからＰｂ（鉛）が主成分として使われ続けてきたが、すでにＲｏＨＳ指令などで規制対象物質になっている。このため、Ｐｂフリーはんだの開発が盛んに行われている。

【0003】

電子部品を基板に接合する際に使用するはんだは、その使用限界温度によって高温用（約２６０℃〜４００℃）と中低温用（約１４０℃〜２３０℃）に大別され、それらのうち、中低温用（約１４０〜２３０℃）のはんだ合金に関しては、Ｓｎを主成分とするＰｂフリーはんだ合金が既に実用化されている。例えば、特許文献１には、Ｓｎを主成分とし、Ａｇを１.０〜４.０質量％、Ｃｕを２.０質量％以下、Ｎｉを０.５質量％以下、Ｐを０.２質量％以下含有するＰｂフリーはんだ合金が記載されている。また、特許文献２には、Ａｇを０.５〜３.５質量％、Ｃｕを０.５〜２.０質量％含有し、残部がＳｎからなるＰｂフリーはんだ合金が記載されている。

【0004】

一方、高温用のはんだ合金に関しても、Ｐｂフリーを実現するため、様々な機関で開発が行われている。例えば特許文献３には、Ｂｉを３０〜８０質量％含有し、溶融温度が３５０〜５００℃であるＢｉ／Ａｇ系のろう材が開示されている。しかしながら、特許文献３に記載のＢｉ／Ａｇ系ろう材は、液相線温度が４００〜７００℃と高いため、接合時の作業温度も４００〜７００℃以上になると推測され、接合される電子デバイスや基板が耐えうる温度を超えていると考えられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平１１−０７７３６６号公報

【特許文献2】特開平８−２１５８８０号公報

【特許文献3】特開２００２−１６００８９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

高温用のＰｂフリーはんだ材料に関しては、上記のようにさまざまな機関で開発されてはいるものの、一般に高温用はんだには、高い固相線温度、適度な液相線温度、低温と高温のヒートサイクルに対する高耐久性、良好な熱応力緩和特性、良好な濡れ広がり性など多くの特性が求められている。このため、未だ実用化の面で十分に満足できる特性を有するはんだ材料は見つかっていないのが実情である。

【0007】

本発明は上記した従来の事情に鑑みてなされたものであり、Ｂｉを主成分とするＢｉ系のＰｂフリーはんだを用いて接合される接合部を有するＳｉチップ等の電子部品において、はんだ接合する際の濡れ性と接合性を優れたものにすることにより、高い接合信頼性を得ることを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するため、本発明者は、はんだ組成以外の要因で濡れ性と接合性を向上させる手段について検討し、電子部品におけるはんだ接合面の状態に着目した結果、当該接合面の表面粗さおよび接合面に存在する酸化物層の厚みが、濡れ性と接合性に大きな影響を及ぼすことを見出し、本発明をなすに至った。

【0009】

すなわち、本発明の第１の実施形態の電子部品は、Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｓｂ、およびＰのうち１種以上を各々５.０質量％以下含有し、残部がＢｉであり、且つはんだ合金全体においてＢｉを８５質量％以上含有するはんだ合金によって接合される接合部を有し、該接合部の最上層がＡｕ、Ａｇ、ＮｉおよびＣｕのうちのいずれか１種を主成分とし、該最上層のはんだ接合面の中心線平均粗さが１.０μｍ以上５.０μｍ以下であることを特徴としている。

【0010】

また、本発明の第２の実施形態の電子部品は、Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｓｂ、およびＰのうち１種以上を各々５.０質量％以下含有し、残部がＢｉであり、且つはんだ合金全体においてＢｉを８５質量％以上含有するはんだ合金によって接合される接合部を有し、該接合部の最上層がＡｕ、Ａｇ、ＮｉおよびＣｕのうちのいずれか１種を主成分とし、表面から深さ方向に１０００ｎｍ入った部分の酸素量を０％にすると共に該表面から深さ１０００ｎｍの間の最高酸素濃度を１００％にして酸素濃度が１０％まで低下した表面からの進入深さを酸化物層の厚みと定義した時、該最上層のはんだ接合面が厚み０.２ｎｍ以上３０ｎｍ以下の酸化物層で覆われていることを特徴としている。

【0011】

さらに本発明の第３の実施形態の電子部品は、Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｓｂ、およびＰのうち１種以上を各々５.０質量％以下含有し、残部としてＢｉがＢｉであり、且つはんだ合金全体においてＢｉを８５質量％以上含有するはんだ合金によって接合される接合部を有し、該接合部の最上層がＡｕ、Ａｇ、ＮｉおよびＣｕのうちのいずれか１種を主成分とし、該最上層のはんだ接合面の中心線平均粗さが１.０μｍ以上５.０μｍ以下であり、かつ表面から深さ方向に１０００ｎｍ入った部分の酸素量を０％にすると共に該表面から深さ１０００ｎｍの間の最高酸素濃度を１００％にして酸素濃度が１０％まで低下した表面からの進入深さを酸化物層の厚みと定義した時、該最上層の該はんだ接合面が厚み０.２ｎｍ以上３０ｎｍ以下の酸化物層で覆われていることを特徴としている。

【0012】

また、本発明の電子装置の製造方法は、最上層がＡｕ、Ａｇ、ＮｉおよびＣｕのうちのいずれか１種を主成分とするはんだ接合部を有する電子部品に対して、Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｓｂ、およびＰのうち１種以上を各々５.０質量％以下含有し、残部がＢｉであり、且つはんだ合金全体においてＢｉを８５質量％以上含有するはんだ合金を用いてはんだ付けして電子装置を製造する方法であって、該最上層のはんだ接合面の中心線平均粗さが１.０μｍ以上５.０μｍ以下であるか、もしくは表面から深さ方向に１０００ｎｍ入った部分の酸素量を０％にすると共に該表面から深さ１０００ｎｍの間の最高酸素濃度を１００％にして酸素濃度が１０％まで低下した表面からの進入深さを酸化物層の厚みと定義した時、該最上層の該はんだ接合面が厚み０.２ｎｍ以上厚さ３０ｎｍ以下の酸化物層で覆われているか、または該はんだ接合面の中心線平均粗さが１.０μｍ以上５.０μｍ以下であって且つ該はんだ接合面が前記定義した厚み０.２ｎｍ以上３０ｎｍ以下の酸化物層で覆われていることを特徴としている。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、電子部品のはんだ接合にＢｉ系のＰｂフリーはんだを用いる場合であっても、濡れ性と接合性に優れたはんだ接合を実現することができ、よって高い接合信頼性を有する電子装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】酸化物層の厚みの定義を説明するグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0015】

Ｓｉチップ、ＳｉＣチップ、ＧａＮチップなどの電子デバイスや基板において、はんだとの接合部の表面粗さが大きかったり、該表面に形成される酸化物層が厚かったりすると、はんだの濡れ性が著しく低下してしまう。すなわち、表面が粗いとはんだ接合面の実質的な表面積が増えてしまうため、電子部品のはんだ接合部とはんだとの界面に存在する酸化物等が増えて濡れ性を低下させてしまう。さらに、表面が粗いと不純物を巻き込みやすくなる。また、上記接合部のはんだ接合面に形成される酸化物層が厚かったり、該接合面に付着する不純物が多かったりすると該接合部を構成する金属とはんだ合金とが直接接することが困難になり、濡れ性や接合強度を低下させてしまう。

【0016】

そこで、はんだの濡れ性や接合性を低下させないため、本発明の電子部品では、はんだとの接合がなされる接合面の平均粗さやそこに形成される酸化物層の厚さを所定の値以下に限定している。これにより、一般的に濡れ性が良好であるとはいえないＢｉを主成分とするはんだを用いても、濡れ性が改善された信頼性の高いはんだ接合が可能となる。また、表面粗さを小さくすることで不純物を付着しづらくすると共に、付着した不純物を除去し易くすることも可能となる。

【0017】

より具体的に説明すると、本発明の一具体例の電子部品は、Ｂｉを主成分とするＰｂフリーはんだ合金との接合がなされる接合部のはんだ接合面の中心線平均粗さが５.０μｍ以下である。はんだ接合面の表面粗さを上記の値以下に限定することによって、はんだの濡れ性や接合性が向上する。前述したように、はんだとの接合がなされる接合部のはんだ接合面において、はんだの濡れ性や接合性を低下させる大きな原因の一つに該接合面に形成される酸化物層がある。特に、はんだ表面近傍に存在する酸化物量が濡れ性や接合性に大きく影響を及ぼす。すなわち、酸化物層がいくら薄くても、表面が粗くて凹凸が多ければ、はんだ表面（近傍）に存在する酸化物量が多くなってしまい、実質的に酸化物層が厚い場合と同じ現象が起き、濡れ性や接合性を大きく低下させてしまう。

【0018】

さらに悪いことに、はんだ接合面の表面粗さが大きい場合、単に酸化物量が多くなるだけではなく、電子部品においてはんだとはんだ接合面との接触面積が小さくなる。例えば、はんだで半導体素子と基板とを接合しようとした場合、実質的な接触面積は濡れ性等に非常に大きく影響する。接合面の表面粗さが非常に小さい場合は、接合面上に広がった面積が実質的な接合面積となる。一方、表面粗さが大きい場合、極端にいえば、はんだと半導体素子等との接合面は複数の点だけで接することになり、実質的な接合面積が極めて小さくなってしまう。このような場合、いくら酸化物層が薄くても接している面積が少ないので、所望の接合強度を得ることが困難になる。

【0019】

このため、本発明の一具体例の電子部品では、はんだ接合面の中心線平均粗さを５.０μｍ以下、より好ましくは３.０μｍ以下としている。この値は実験的に得た結果であり、表面粗さを小さくする定性的な理由はすでに説明したとおりである。すなわち、実験的には中心線平均粗さが５.０μｍを超えてしまうとＢｉを主成分とするはんだの濡れ性が著しく低下してしまい、条件によって接合できなかったが、５.０μｍ以下、より好ましくは３.０μｍ以下にすることにより高い接合強度を有する優れた信頼性を得ることができる。

【0020】

次に、本発明の他の具体例の電子部品について説明する。この他の具体例の電子部品は、はんだとの接合部のはんだ接合面に形成される酸化物層の厚さが３０ｎｍ以下である。この場合、はんだ接合面の中心線平均粗さは５.０μｍ以下であることが好ましい。様々な用途に使用されるはんだの濡れ性や接合性に関する不良に対応するには、接合面の酸化物層を薄くすることが効果的である。つまり、濡れ性や接合性を低下させてしまう主要な原因は、半導体素子等の接合部のはんだ接合面とはんだ母相との間に存在する酸化物である。

【0021】

通常、金属同士は適切な材料を選択をすれば合金化する。しかし、一般的な金属元素の酸化物は接合温度（例えば２００℃〜４５０℃）では依然として固体のままであるため、接合面ではほとんど反応しない。そのため、はんだ金属と基板の最上層とが良好に接触できず、その結果、所望の接合強度が得られなくなる。つまり、はんだ接合面にできるだけ酸化物層を存在させないことが、Ｂｉ系はんだを用いてはんだ接合するための重要な条件の一つになる。

【0022】

このため、半導体素子などの電子デバイスや基板等の電子部品が有する接合部のはんだ接続面に形成される酸化物層の厚さを３０ｎｍ以下とする。前述したように、酸化物層は濡れ性等を大きく下げるが、全く存在させないことは困難であり、さらにある程度の厚さであれば、はんだ接合の条件等を適宜調整することで酸化物層の悪影響を抑えることができる。

【0023】

Ｂｉ系はんだを接合材として用いる場合、含有元素にも左右されるものの３０ｎｍ以下の酸化物層であれば、接合時に酸化物層が破れてはんだ溶融金属が基板等の金属面と直接接することが可能となり、良好な接合が可能となる。このように、酸化物層を介さずにはんだと金属面とを直接はんだ接合できれば、接合強度を高くできるので、電子部品をはんだ接合して得られる電子装置において、過酷な環境下で使用しても十分に耐え得る優れた接合信頼性を得ることができる。

【0024】

＜電子部品の製造方法＞
本発明の電子部品の製造方法はとくに限定がない。電子部品の一例として、基板について説明する。基板は一般的にＣｕ板を圧延して製造され、その圧延には冷間圧延、温間圧延、熱間圧延などを用いることができる。圧延する際は、最初から最終の工程まで冷間圧延だけで行ってもよいが、２種類以上の圧延を組み合わせることにより、圧延中にクラックやバリが入りづらくなって品質が向上するうえ、圧延速度を上げることで生産効率を高めることができる。

【0025】

ただし、温間圧延や熱間圧延を行うと基板表面に酸化膜（酸化物層）が形成され易いため、２種類以上の圧延を組み合わせるときは、最初に温間圧延や熱間圧延を行い、これにより形成された酸化物層を可能な範囲で除去した後、仕上げとして冷間圧延を行うことが好ましい。このように最終工程を冷間とすることで酸化物層を薄くすることが可能となる。仕上げの冷間圧延には表面仕上げを行った鏡面ロールを用いることが好ましく、中心線平均粗さが５.０μｍ以下のロールを用いることがより好ましい。このようなロールを用いることによって、表面粗さの小さい基板が製造可能となる。

【0026】

温間圧延や熱間圧延後の酸化物層の除去は、例えば酸洗浄や研磨、研削などで行うことができる。これら酸洗浄や研磨などにより基板表面の酸化物層を薄くできることに加えて、表面粗さを小さくすることも可能となる。さらに、基板表面の異物等を除去する効果も期待できる。酸洗浄の際に使用する酸の種類に限定はないが、強酸を薄めた溶液や弱酸の溶液を用いることが好ましい。強酸の原液を用いて洗浄を行ってしまうと、基板の酸溶液への溶解速度が速くなりすぎ、部分的に溶解が進んだり、表面粗さが大きくなったりする可能性が高い。したがって、強酸を数％含む水溶液または弱酸の水溶液を用いて、状況に応じて時間を長めに調整して洗浄することが好ましい。

【0027】

基板の研磨の方法についてもとくに限定はない。例えば、自動研磨装置を用いてバフ研磨を行ってよい。この際、使用する吐粒の粒度は０.１μｍ以下であることが好ましい。このような細かい吐粒を用いることによって、表面粗さを小さく抑えることができる。そして、基板の研磨の際、研磨手段を回転運動させるか、基板の進行方法に対して垂直方向に往復動させて研磨するのが好ましく、これによりムラのない均一な研磨が可能となる。

【0028】

このように、電子部品としての基板の作製の際は、酸化物層が薄い基板か、もしくは表面粗さの小さい基板か、または酸化物層が薄く且つ表面粗さの小さい基板を作製すべく、基板の表面を研磨したり、酸洗浄したりするのが好ましく、その後、基板のロール圧延、特に表面粗さ５.０μｍ以下のロールでロール圧延するのが好ましい。特にこれら研磨等による酸化物層の除去処理とロール圧延処理とを組み合わせることがより好ましい。

【0029】

次に、電子部品のはんだ接合部において最上層として形成されるメタライズ層について説明する。メタライズ層の形成方法はとくに限定がなく、例えば、メッキ法、真空蒸着法、スパッタ法などで行ってよい。これらの中では真空蒸着法が比較的安価であり、形成させるメタライズ層の厚さを制御しやすいのでより好ましい。

【0030】

ただし、表面粗さを小さく抑えるためには十分な注意を要する。例えば、蒸着速度が遅すぎると蒸着に時間がかかるとともに、蒸着場所によって層厚のバラツキが大きくなってしまう。一方、蒸着速度が速すぎると層厚がばらつくことに加え、表面粗さも大きくなってしまい好ましくない。最適な蒸着速度は装置依存性が大きいものの、概ね１５〜５０Å／秒である。

【0031】

また、蒸着速度と同様に重要なパラメーターをとして真空度がある。真空引きが不十分で真空度が低いと装置内に酸素等が存在するため、酸化膜が形成されたり、残存ガスによって均一な膜（層）形成ができなかったり、ポーラスな膜になったりする。そして、それらが複合的に生じた結果、層の厚みや表面粗さが大きくバラついてしまうおそれがある。

【0032】

これを避けるための好ましい真空度は概ね６×１０^−３Ｐａ以下である。この程度の真空度で蒸着を行うことができれば、均一で表面粗さの小さい層を形成し易い。さらに高い真空度を達成することができるのであれば、より好ましい層形成が可能になるが、コストがかかりすぎたりするため、必要とされる層の品質とコストのバランスを考えて装置、製造条件等を適宜選定すればよい。なお、上記した蒸着速度や真空度などの条件は小型真空蒸着装置での試験結果をベースとして見出しものであるが、これらは量産設備にも十分に適用できる条件である。

【0033】

＜はんだ組成＞
本発明の電子部品のはんだ接合に使用するはんだ合金はＢｉ系合金であり、その組成としては、Ｂｉを８５質量％以上含有している。さらに第２元素群を含有してもよく、Ｚｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｓｂ、およびＰのうち１種以上を含有するのが好ましい。ただし、これら第２元素群は、各元素の含有量が５.０質量％以下とする。これは、Ｂｉの含有量が８５質量％未満であったり、第２元素群の各元素が５.０質量％を超えて含有したりすると、液相線温度が２５０〜２７０℃の範囲から外れる場合が多く、融点が高温用はんだとしては適さなくなるからである。

【実施例】

【0034】

原料として、それぞれ純度９９.９重量％以上のＢｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｓｂ、およびＰを準備した。大きな薄片やバルク状の原料については、溶解後の合金においてサンプリング場所による組成のバラツキがなく、均一になるように留意しながら、切断および粉砕などにより３ｍｍ以下の大きさに細かくした。次に、これら原料から所定量を秤量して、高周波溶解炉用のグラファイト製坩堝に入れた。

【0035】

上記各原料の入った坩堝を高周波溶解炉に入れ、酸化を抑制するために窒素を原料１ｋｇ当たり０.７リットル／分以上の流量で流した。この状態で溶解炉の電源を入れ、原料を加熱溶融させた。金属が溶融しはじめたら混合棒でよく撹拌し、局所的な組成のばらつきが起きないように均一に混ぜた。十分溶融したことを確認した後、高周波電源を切り、速やかに坩堝を取り出し、坩堝内の溶湯をはんだ母合金の鋳型に流し込んだ。鋳型は、はんだ母合金の製造の際に一般的に使用している形状と同様のものを使用した。

【0036】

このようにして、様々な混合比率を有する試料１Ａ〜２３Ａのはんだ母合金を作製した。これら試料１Ａ〜２３Ａのはんだ母合金に対して、ＩＣＰ発光分光分析器（ＳＨＩＭＡＺＵ Ｓ−８１００）を用いて組成を分析した。その分析結果を下記表１に示す。

【0037】

【表1】

【0038】

＜シート形状への加工＞
圧延機を用いて上記試料１Ａ〜２３Ａのはんだ母合金をシート状に加工した。具体的に説明すると、各はんだ母合金（厚さ５ｍｍの板状インゴット）を、熱間圧延機を用いて厚さ約３００μｍまで粗圧延した。その際、インゴットの送り速度を調整し、クラック等が発生しないように注意しながら圧延していった。粗圧延した試料をアルコールで洗浄した後、冷間圧延機を用いて厚さ０.７０ｍｍまで圧延した。その後、スリッター加工により２５ｍｍの幅に裁断し、さらに自動洗浄器を通して洗浄し、真空炉で常温真空乾燥した。このようにして得たはんだに対して濡れ性評価やシェア強度試験などを行うため、基板とＳｉＣチップを下記の方法で準備した。

【0039】

＜基板の作製＞
基板の材料として、厚さ１０ｍｍ、純度９９.９９質量％の複数のＣｕ板を準備した。これらＣｕ板を５０〜９０℃で温間圧延を行い、厚さ２ｍｍにした。次に、５％酢酸水溶液を用いて１〜１０分間洗浄し、さらに水洗して十分に酸を洗い流した。そして、真空オーブンによる常温真空乾燥か、常温窒素雰囲気中での乾燥か、あるいは１５０℃大気中での加熱乾燥により乾燥した。得られた複数のＣｕ板に対して、中心線平均粗さが０.１〜３μｍのロールを用いて冷間圧延を行い、厚さ０.６０ｍｍまで薄くした。

【0040】

次に、冷間圧延を行ったこれら複数のＣｕ板に対して様々に条件を変えてメタライズを施し、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕ、またはＣｕからなる最上層を形成した。このようにして、最上層のはんだ接合面の中心線平均粗さが１.０〜８.０μｍ程度であって当該接合面が厚さ０.２〜５０ｎｍ程度の酸化物層で覆われた複数の基板を準備した。なお、通常、電子部品の構成要素である基板は常温で圧延することが多く、酸洗浄を行う場合も５％酢酸水溶液を使うとは限らないが、本実施例では酸化物層や表面粗さ等を調整するために故意にこのような条件で製造した。

【0041】

＜ＳｉＣチップの表面粗さの調整＞
基板にはんだ接合される電子デバイスとして、大きさ２×２ｍｍ、はんだ接合部がＮｉで構成される複数のＳｉＣチップを準備した。これらＳｉＣチップを研磨紙（粗さ：＃２４０、＃１０００、＃８０００）による研磨、そしてバフ研磨（砥粒の粒度：０.１μｍ）によってＮｉ面の表面粗さを調整後、真空蒸着機でＮｉ、Ａｇ、Ａｕ、またはＣｕを蒸着させて最上層を形成した。真空度は３×１０^−４〜５×１０^−２Ｐａ、蒸着速度は１５〜１００Å／秒とした。このようにして、最上層のはんだ接合面の中心線平均粗さが１.０〜８.０μｍ程度、当該接合面が酸化物層が厚さ０.２〜５０ｎｍ程度の酸化物層で覆われた複数のＳｉＣチップを準備した。

【0042】

以上のようにして作製した複数の基板および複数のＳｉＣチップの各々に対して、酸化物層の厚さと表面粗さを測定した。酸化物層の厚さは界放射型オージェ電子分光装置（ＵＬＶＡＣ−ＰＨＩ製、型式：ＳＡＭ−４３００）を用いて測定し、表面粗さは表面粗さ測定装置（東京精密株式会社製、型式：サーフコム４７０Ａ）を用いて測定した。そして、これら複数の基板と複数のＳｉＣ基板とを表２に示すように組み合わせて試料２４Ｂ〜５９Ｂとした。

【0043】

なお、酸化物層の厚さについては次のように定義した。すなわち、はんだ表面から深さ方向（はんだ表面に対して垂直）に１０００ｎｍ入った部分の酸素量を０％にすると共に、はんだ表面から深さ１０００ｎｍの間の最高酸素濃度を１００％にして、酸素濃度が１０％まで低下したはんだ表面からの進入深さを酸化物層の厚みと定義した（図１参照）。

【0044】

【表2】

【0045】

上記のごとくシート状に加工した試料１Ａ〜２３Ａのはんだ合金と、試料２４Ｂ〜５９Ｂの基板とＳｉＣチップとを用いてはんだ接合体を作製し、濡れ性（接合性）、シェア強度、およびヒートサイクル試験による信頼性を評価した。先ず第１の評価として、表２に示す試料のうち、試料２８Ｂの基板とＳｉＣチップとからなる組み合わせを２３セット用意し、それぞれ表１に示すシート状に加工した試料１Ａ〜試料２３Ａのはんだ合金を使ってはんだ接合した。これにより２４個のはんだ接合体の試料を作製した。このとき、試料１Ａのはんだ合金を用いて接合したはんだ接合体を試料１とし、以下順に試料２Ａ〜２３Ａのはんだ合金を用いて接合したはんだ接合体をそれぞれ試料２〜２３とした。そして、これら試料１〜２３のはんだ接合体の各々に対して下記に示す濡れ性等の評価を行った。

【0046】

次に第２の評価として、表１に示す試料２Ａを使って、表２に示す試料２４Ｂ〜試料５９Ｂの基板とＳｉＣチップとを接合して３６個のはんだ接合体の試料を作製した。このとき、試料２４Ｂの基板とＳｉＣチップからなるはんだ接合体を試料２４とし、以下順に試料２５Ｂ〜５９Ｂの基板とＳｉＣチップからなるはんだ接合体をそれぞれ試料２５〜５９とした。そして、これら試料２４〜５９のはんだ接合体の各々に対して上記第１の評価と同様に下記に示す濡れ性等の評価を行った。

【0047】

＜濡れ性（接合性）の評価＞
まず、濡れ性試験機のヒーター部に二重のカバーをして、ヒーター部の周囲４箇所から窒素を１２リットル／分の流量で流しながら、ヒーター設定温度を４１０℃にして加熱した。設定したヒーター温度が安定した後、各試料の基板をヒーター部にセッティングして２５秒間加熱した。次に、各試料のはんだ合金を基板の上に載せ、２５秒加熱し、さらにはんだの上に各試料のＳｉＣチップを載せ、１０秒加熱した。

【0048】

加熱が完了した後、はんだ接合された基板とＳｉＣチップとからなる接合体をヒーター部から取り上げ、その横の窒素雰囲気が保たれている場所に一旦設置して冷却した。十分に冷却した後、大気中に取り出した。このようにして得た各接合体のはんだ合金と基板およびＳｉＣチップの接合部分を目視で確認し、接合できなかった場合を「×」、接合できたが濡れ広がりが悪い場合（はんだがはＳｉＣチップ四辺端部からはみ出していない状態）を「△」、接合でき且つ濡れ広がりが良い場合（はんだが薄く濡れ広がりＳｉＣチップ四辺端部からはみ出している状態）を「○」と評価した。

【0049】

＜シェア強度評価＞
はんだ接合の接合強度を評価するために、シェア強度測定器（Ｘｙｚｔｅｃ社製、Ｃｏｎｄｏｒ ＥＺ ボンドテスタ）を用いてシェア強度の測定を行った。なお、この試験は、上記した濡れ性の評価において、はんだ合金によって基板とＳｉＣチップが接合できた試料（濡れ性の評価が○の試料および△の試料）を各３個ずつ用いて行い、平均値をその試料のシェア強度とした。

【0050】

具体的なシェア強度の測定方法は以下のとおりである。すなわち、シェア強度測定器のワークホルダ（試料を固定する部分）にＳｉＣチップ面を上にして各試料の接合体を固定し、はんだにせん断応力を加えるためシェアツールをＳｉＣチップの側面に当てた。そして、自動測定によりシェアツールを接合体のＳｉＣチップの側面から荷重をかけていき、はんだ、またはＳｉＣチップが破壊するまで荷重をかけ、シェア強度を測定した。

【0051】

＜ヒートサイクル試験＞
はんだ接合の信頼性を評価するためにヒートサイクル試験を行った。なお、この試験は、上記した濡れ性の評価において、はんだ合金によってＣｕ基板とＳｉＣチップが接合できた試料（濡れ性の評価が○の試料および△の試料）を各２個ずつ用いて行った。すなわち、はんだ合金で接合された基板とＳｉＣチップとからなる各試料の接合体２個に対して、−４０℃の冷却と＋１５０℃の加熱を１サイクルとするヒートサイクル試験を実施した。各試料のヒートサイクル試験において、２個の接合体のうち１個は途中確認のため３００サイクルまで、残りの１個は５００サイクルまでヒートサイクル試験を繰り返した。

【0052】

このようにして、ヒートサイクル試験が行われた各接合体を樹脂に埋め込んだ後、断面研磨を行ってＳＥＭ（装置名：ＨＩＴＡＣＨＩ Ｓ−４８００）により接合面の観察を行った。はんだと基板やＳｉＣチップの接合面に剥れが生じたり、はんだ母相接合面にクラックが入った場合を「×」、そのような不良がなく、初期状態と同様の接合面を保っていた場合を「○」と評価した。これらの評価結果を下記表３−１（第１の評価）及び表３−２（第２の評価）に示す。

【0053】

【表3-1】

【0054】

【表3-2】

【0055】

上記の表３−１および３−２の結果から分かるように、本発明の要件を満たす試料１〜１７および試料２４〜４３の接合体は、全ての評価項目において良好な特性を示している。すなわち、濡れ性、シェア強度、および信頼性のいずれにおいても良好な評価結果が得られた。濡れ性が良好であった理由は、基板やＳｉＣチップの酸化膜層そして表面粗さのみならず、はんだの組成が本発明の要件を満たしていたためである考えられる。このように酸化物に邪魔されることなく、良好な濡れ性を示しているため接合強度、つまりシェア強度も高く、その結果、高い信頼性が得られたと考えられる。

【0056】

一方、本発明の要件を満たしていない試料１８〜２３および試料４４〜５９の接合体は、はんだ組成が好ましくないことや、基板やＳｉＣチップの酸化物層の厚さや表面粗さがが適正でないことに起因して好ましくない結果となった。具体的には、これらの試料では、濡れ性評価においては全ての試料において良好な濡れ性は得られていない。シェア強度試験に至った試料でも、試料１〜１７や試料２４〜４３の接合体よりもシェア強度が低く、ヒートサイクル試験では５００回までに全ての試料（接合できなかった試料１８、２０〜２２、４８〜５１、５６〜５９を除く）で不良が発生した。

【図1】