特許 6810915 はんだ材

(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】6810915

(24)【登録日】2020年12月16日

(45)【発行日】2021年1月13日

(54)【発明の名称】はんだ材

(51)【国際特許分類】

   B23K 35/26 20060101AFI20201228BHJP

   C22C 13/02 20060101ALI20201228BHJP

   H05K 3/34 20060101ALI20201228BHJP

【ＦＩ】

   B23K35/26 310A

   C22C13/02

   H05K3/34 512C

【請求項の数】7

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2019-506046(P2019-506046)

(86)(22)【出願日】2018年3月13日

(86)【国際出願番号】JP2018009760

(87)【国際公開番号】WO2018168858

(87)【国際公開日】20180920

【審査請求日】2019年2月27日

(31)【優先権主張番号】特願2017-53177(P2017-53177)

(32)【優先日】2017年3月17日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099623

【弁理士】

【氏名又は名称】奥山 尚一

(74)【代理人】

【識別番号】100107319

【弁理士】

【氏名又は名称】松島 鉄男

(74)【代理人】

【識別番号】100125380

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 綾子

(74)【代理人】

【識別番号】100096769

【弁理士】

【氏名又は名称】有原 幸一

(72)【発明者】

【氏名】渡邉 裕彦

(72)【発明者】

【氏名】齋藤 俊介

(72)【発明者】

【氏名】小平 悦宏

【審査官】 結城 佐織

(56)【参考文献】

【文献】 特公昭４０−０１６８９７（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】 特開２００８−０４１８６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１５／１２５８５５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００３−０９４１９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１８−００１１７９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ３５／２６

Ｃ２２Ｃ １３／０２

Ｈ０５Ｋ ３／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ｓｂを５．０質量％より多く８．０質量％以下と、Ａｇを３．０質量％以上であって５．０質量％以下と、Ｎｉを、０．１質量％より多く０．３質量％以下含有し、残部は、Ｓｎ及び不可避不純物からなるはんだ材。

【請求項2】

さらに、Ｇｅを、０．００３質量％以上であって０．０１質量％以下含有する、請求項１に記載のはんだ材。

【請求項3】

さらに、Ｐを、０．００３質量％以上であって０．０１質量％以下含有する、請求項１または２に記載のはんだ材。

【請求項4】

ＮｉもしくはＣｕまたはこれらの合金、あるいはこれらによりめっきされた部材の接合のための、請求項１〜３のいずれか１項に記載のはんだ材。

【請求項5】

ＮｉもしくはＣｕあるいはこれらの合金、あるいはこれらによりめっきされた部材から選択される被接合体と、請求項１〜３のいずれか１項に記載のはんだ材が溶融された接合層とを含むはんだ接合部。

【請求項6】

半導体素子と、基板電極もしくはリードフレームとの間、または基板電極と放熱板との間に、請求項１〜４のいずれか１項に記載のはんだ材が溶融された接合層を備える半導体装置。

【請求項7】

前記半導体素子が、Ｓｉ半導体素子またはＳｉＣ半導体素子である、請求項６に記載の半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、はんだ材に関する。本発明は、特には、半導体装置における接合に用いられる、高信頼性のはんだ材に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、環境問題からＳｎ−Ｐｂ系はんだの代替として鉛成分を含まないＰｂフリーはんだが採用されるようになっている。従来からもっとも多く使用されてきたＳｎ−Ｐｂを主成分とするＰｂ入りはんだ材料は、固溶型の材料で、Ｓｎ６３ｗｔ．％、Ｐｂ３７ｗｔ．％で共晶点（共晶温度）を持つ材料である。固溶型材料は、主となる材料に固溶しているため、凝固組織が安定しており、プロセス条件（加熱や冷却）などの影響を受けにくいと言われている。ＩＧＢＴモジュール（パワーモジュール）などの半導体装置に適用するはんだ材としては、現在知られている各種組成の鉛フリーはんだの中でも、取りわけ接合性（はんだ濡れ性）、機械的特性、伝熱抵抗などの面で比較的バランスがよく、かつ製品への実績もあるＳｎ−Ａｇ系のＰｂフリーはんだが多く使われている。

【0003】

Ｓｎ−Ａｇを主成分とした鉛フリーはんだは、ＳｎにＡｇがほとんど固溶しない析出・分散型の構造となっている。そのため、プロセス条件の影響を受けやすく、ＳｎとＳｎＡｇ共晶組織との偏析凝固した組織が多く発生する課題を含んでいる。また高温環境では偏析凝固によって晶出したＳｎの初晶が熱変形し、破壊の原因となることが多い。

【0004】

Ｓｎを主成分とし、Ｓｂを２．５〜３．５重量％、Ａｇを１．０〜３．５重量％、Ｎｉを１．０重量％以下の量含むことにより、熱疲労特性及びぬれ性を向上させたはんだ合金が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

【0005】

３〜９重量％Ｓｂ、０．１〜１重量％のＮｉ、０．０１〜０．５重量％のＡｇを含有し、残部が不可避不純物を除いてＳｎからなるはんだ材料を基材とし、これにはんだ材料基材よりも高融点の粒状物を０．０１〜５重量％混入してなる半導体チップ接続用長尺複合はんだ材料が知られている（例えば、特許文献２を参照）。

【0006】

Ｓｎを主成分とし、Ｓｂを３．０重量％以下、Ａｇを３．５重量％以下、Ｃｕを１．０重量％以下、Ｎｉを１．０重量％以下、Ｇｅを０．１重量％以下の量含む、熱疲労強度と接合性の良好なはんだ合金が知られている（例えば、特許文献３を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開平１０−２８６６８９号公報

【特許文献2】特開平８−１７４２７６号公報

【特許文献3】特開平１１−５８０６６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

パワー半導体といわれているＭＯＳ型やＩＧＢＴ型の素子は、動作時に自己発熱し、高い温度になる。発熱と冷却を繰り返す素子は、はんだにより接合されているが、素子の繰り返し発熱によってはんだ部に繰り返し歪みが負荷され、劣化する。近年、大電流仕様のパワー半導体の需要が高まっている。大電流化することで製品の発熱温度も高くなり、その製品にかかる温度差ΔＴ、すなわち通常環境温度から発熱温度までの差が大きくなり、製品が曝される温度も高く、高温に曝される時間も長くなっている。そのことから、繰り返しかかる温度差により、はんだ材と、被接合体との異種材料境界にかかるひずみ（熱応力）が大きくなっており、問題となっている。特に、温度差が８０度以上になると熱応力が大きくなり、ひずみより異種材料境界界面で剥離などが生じる。このひずみを模擬するためには、加速試験として熱サイクル疲労特性の試験を行う。はんだ材料の高温特性が重要になってきている現状において、この熱サイクル疲労特性を改善することが求められる。特に、温度差が８０度以上の熱サイクル疲労特性を改善することが重要である。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明者らは、鋭意検討の結果、ＳｎＡｇＳｂ系はんだにおいて、Ｓｂ添加量を所定の狭い組成％範囲とすることで、高温における延性と濡れ性に優れ、熱サイクル疲労特性を改善したはんだ材とすることが可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。

【0010】

すなわち、本発明は、一実施形態によれば、はんだ材であって、Ｓｂを５．０質量％以上であって８．０質量％以下と、Ａｇを３．０質量％以上であって５．０質量％以下含有し、残部は、Ｓｎ及び不可避不純物からなる。

【0011】

上記Ｓｂと、Ａｇと、Ｓｎとを含むはんだ材において、さらに、Ｎｉを、０．０５質量％以上であって０．３質量％以下含有することが好ましい。

【0012】

上記Ｓｂと、Ａｇと、Ｎｉと、Ｓｎとを含むはんだ材において、さらに、Ｇｅを、０．００３質量％以上であって０．０１質量％以下含有することが好ましい。

【0013】

上記Ｓｂと、Ａｇと、Ｎｉと、Ｓｎとを含むはんだ材において、あるいは、上記Ｓｂと、Ａｇと、Ｎｉと、Ｇｅと、Ｓｎとを含むはんだ材において、さらに、Ｐを、０．００３質量％以上であって０．０１質量％以下含有することが好ましい。

【0014】

上記Ｓｂと、Ａｇと、Ｎｉと、Ｓｎとを含むはんだ材、上記Ｓｂと、Ａｇと、Ｎｉと、Ｇｅと、Ｓｎとを含むはんだ材、上記Ｓｂと、Ａｇと、Ｎｉと、Ｐと、Ｓｎとを含むはんだ材、あるいは、上記Ｓｂと、Ａｇと、Ｎｉと、Ｇｅと、Ｐと、Ｓｎとを含むはんだ材が、ＮｉもしくはＣｕまたはこれらの合金、あるいはこれらによりめっきされた部材の接合の用途において用いられることが好ましい。

【0015】

本発明は、別の実施形態によれば、はんだ接合部であって、ＮｉもしくはＣｕあるいはこれらの合金、あるいはこれらによりめっきされた部材から選択される被接合体と、上記Ｓｂと、Ａｇと、Ｎｉと、Ｓｎとを含むはんだ材、上記Ｓｂと、Ａｇと、Ｎｉと、Ｇｅと、Ｓｎとを含むはんだ材、上記Ｓｂと、Ａｇと、Ｎｉと、Ｐと、Ｓｎとを含むはんだ材、あるいは、上記Ｓｂと、Ａｇと、Ｎｉと、Ｇｅと、Ｐと、Ｓｎとを含むはんだ材が溶融された接合層とを含む。

【0016】

本発明は、別の実施形態によれば、半導体装置であって、半導体素子と、基板電極もしくはリードフレームとの間、または基板電極と放熱板との間に、上記のいずれかのはんだ材が溶融された接合層を備える。
前記半導体装置において、半導体素子が、ＳｉＣ半導体素子であることが好ましい。

【発明の効果】

【0017】

本発明に係るはんだ材は、１００℃〜２００℃といった高温における延性に特に優れ、濡れ性が高くボイド率を低下させることができる。また、高温延性により、熱サイクルを経た後であっても均一な結晶粒構造を保持することができる。ゆえに、本発明に係るはんだ材を接合層として用いた電子機器、特に半導体装置は、熱サイクル疲労特性に優れ、モジュールとしての信頼性が向上している。ゆえに、自己発熱の高い素子を搭載した場合や、環境温度が高い場合の使用にも適しており、かつ、装置の小型化、低コスト化が可能になる。また、接合層におけるボイドが少ないため、製品寿命が向上する。本発明に係るはんだ材は、ますます需要の高まる大電流仕様の電子機器に好適に用いることができ、特には、半導体装置におけるダイボンド接合、端子間の接合やその他の部材の接合など、広く半導体装置用途に好適に用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】図１は、本発明に係るはんだ材を適用した半導体装置の一例を示す概念図である。

【図2】図２は、本発明に係るはんだ材が接合層として適用された接合部の一例を示す概念図である。

【図3】図３は、比較例に係るはんだ材が接合層として適用された接合部の一例を示す概念図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。

【0020】

［第１実施形態：Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ三元系］
本発明は、第１実施形態によれば、はんだ材であって、Ｓｂを、５．０質量％以上であって８．０質量％以下と、Ａｇを３．０質量％以上であって、５．０質量％以下含有し、残部は、Ｓｎ及び不可避不純物からなる合金である。不可避不純物とは、主として、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｆｅ、Ａｌ、Ａｓ、Ｃｄ、Ａｕ、Ｉｎ、Ｐ、Ｐｂなどをいうが、これらには限定されない。本発明によるはんだ材は、Ｐｂを含まない鉛フリーはんだ合金である。Ｓｎを主成分とするはんだ材に、上記の組成範囲で、Ａｇ及びＳｂを含むことにより、高温延性が高いものとなっている。また、本実施形態によるはんだ材は、比較的高い濡れ性を確保することができる。Ａｇの添加量が３．０質量％より少ないと、延性が大きくなる。これはＡｇ_３ＳｎとβＳｎの網目状ネットワーク構造の組織の形成が部分的になり、最も延性の高いβＳｎの領域が多くなることで、局所的な延性が高くなる部分とＡｇ_３ＳｎとβＳｎの共晶組織にて析出強化組織構造を作る硬い箇所とができるためである。そのため、熱サイクル試験のように繰返し応力が加わると破断しやすくなる。一方、Ａｇの添加量が５．０質量％より多いと、過共晶組成となり、Ａｇ量が過剰でＡｇ_３ＳｎとβＳｎの共晶組織がより緻密になり析出強化構造が過剰になる。また、Ａｇ_３ＳｎとβＳｎのネットワーク構造によるＡｇ_３ＳｎとβＳｎの距離が近くなることで、Ａｇ_３Ｓｎが見掛け上大きな化合物の様相となり、硬い大きな化合物が点在することとなる。このＡｇ_３Ｓｎが見掛け上塊となった化合物は、熱処理や外力などがかかることでＳｎとＡｇで相互拡散し、大きなＡｇ_３Ｓｎ化合物となる。このことで安定した均一な凝固組織が得られなくなり、強度と延性を両立することができず、接合強度を向上することができない。また、Ｓｂが８質量％より多くなると、通常のはんだ接合の冷却速度では例えば２０℃／ｓｅｃ以下で接合する場合には、Ｓｂを核としたＳｎＳｂ包晶組織中にＳｂ_３Ｓｎ_２化合物が晶出する。このＳｂ_３Ｓｎ_２化合物の晶出は、強度を向上させるが延性を低下させる。また発熱などに伴う熱変形と歪が負荷されると、この化合物は結晶粒界に移動し、Ｓｎとの相互拡散によってＳｂＳｎの化合物は粗大化する。この粗大な化合物は結晶の粒界強度を低下させ、容易に粒界すべりなどを促進することで、粒界にキャビティが生成され、延性がなく、強度が低下することにつながる。

【0021】

本発明において、高温延性とは、１００℃以上、例えば、１００℃〜２００℃付近における延性をいうものとする。また、このような高温延性は、所定の温度条件下において測定した、破断伸び（％）により評価することができる。破断伸び（percentage elongation after fracture）とは、ＪＩＳ Ｚ２２４１金属材料引張試験方法において定義された物性値であって、破断後の永久伸び（Ｌｕ−Ｌ_０）を原標点距離Ｌ_０に対する百分率で表したものをいう。ここで、Ｌは試験片の平行部で伸びを測定する部分の長さ（標点距離）であって、Ｌｕは、破断後に室温で測定する、試験片に記された標点距離（最終標点距離）、Ｌ_０は、試験前に室温で測定する、試験片に記された標点距離（原標点距離）を表す。破断伸びの測定方法については、実施例において詳述する。第１実施形態によるはんだ材は、１００℃における破断伸びが、５２％〜５４．８％程度である。この値は、本発明の範囲外にあるＳｎ−８．５Ｓｂ−２．５Ａｇはんだ材の破断伸びに対して、１０２％以上であり、概ね１０２〜１０８％である。また、１７５℃における破断伸びが、６０％〜６２％程度である。この値は、本発明の範囲外にあるＳｎ−８．５Ｓｂ−２．５Ａｇはんだ材の破断伸びに対して、１１３％以上であり、概ね１１３〜１１７％である。以上のように高温延性が高いと、熱応力が加わった際にクラックや割れなどの破壊に至らず高い接合強度を得ることができる。

【0022】

より好ましい態様においては、Ｓｂを、６．０質量％以上であって８．０質量％以下と、Ａｇを３．６質量％以上であって４．５質量％以下含有し、残部は、Ｓｎ及び不可避不純物からなる。Ｓｂをこの範囲とすることにより、共晶成分に近いために、ＳｎにＳｂが固溶してＳｎの初晶成長を抑制し、より欠陥（ボイド）が少なくなる。また、Ｓｂが固溶していることによって均一なＳｎの変形が可能になるといった作用が期待できる。また、Ａｇをこの範囲とすることにより、高温での変化が少ないＡｇがはんだ中にＡｇ_３Ｓｎ化合物として微細にかつ均一に分散し、はんだ構造体を分散強化する働きがある。また、Ａｇは先に述べたように、化合物として微細に分散することで、高温に曝されても熱変形を抑制する効果が期待できる。この組成のはんだ材料では、ＳｂとＡｇの組成により、大きく特性が異なり、このように、Ａｇの挙動を制御するような組成にすることにより接合強度を高めることができる。

【0023】

これらのことから、Ｓｂ及びＡｇを本実施形態に係る所定の組成範囲とすることで、強度や延性の維持することが可能となり、温度差が８０度以上の熱サイクルが付加される場合では熱応力が大きくなる。このような熱応力に対しても、はんだ接合層の強度が高いため、剥離や亀裂などの破壊は起こらず、高い信頼性を得ることができる。

【0024】

［第２実施形態：Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｎｉ四元系］
本発明は、第２実施形態によれば、はんだ材であって、Ｓｂを、５．０質量％以上であって８．０質量％以下と、Ａｇを３．０質量％以上であって、５．０質量％以下と、さらに、Ｎｉを、０．０５質量％以上であって０．３質量％以下含有し、残部は、Ｓｎ及び不可避不純物からなる、Ｐｂを含まない鉛フリーはんだ合金である。第１実施形態の組成に、さらにＮｉを上記添加範囲で添加する利点としては、はんだ材の高温延性をさらに向上させることができるためである。このようなＮｉ添加量の範囲の中でも、特に０．１質量％以上であって０．２５質量％以下が好ましい。この範囲で、濡れ性に最も優れるためである。

【0025】

第２実施形態によるはんだ材は、１００℃における破断伸びが、５５％程度である。この値は、本発明の範囲外にあるＳｎ−８．５Ｓｂ−２．５Ａｇはんだ材の破断伸びに対して、１０８％以上であり、概ね１０８〜１０９％である。また、１７５℃における破断伸びが、６５％〜６５．５％程度である。この値は、本発明の範囲外にあるＳｎ−８．５Ｓｂ−２．５Ａｇはんだ材の破断伸びに対して、１２３％以上であり、概ね１２３〜１２４％である。以上のように高温延性が高いと、前述したように、熱応力が加わった際にクラックや割れなどの破壊に至らず高い接合強度を得ることができる。

【0026】

さらに好ましくは、Ｓｂを、６．０質量％以上であって８．０質量％以下含有し、Ａｇを３．６質量％以上であって４．５質量％以下含有し、Ｎｉを０．１質量％以上であって０．２５質量％以下含有し、残部は、Ｓｎ及び不可避不純物からなる。このような組成範囲とすることで、上記に加え、さらに、凝固時のそれぞれの材料の体積変化に伴う凝固欠陥を抑制する効果が期待できる。高温化が必要な接合体では、欠陥（空気）は熱伝導が著しく悪く、いわば断熱材のように機能する。はんだ材による接合体の量産においては、より欠陥が少ないことが要求されるところ、本実施形態による好ましい組成を備えたはんだ材は、その欠陥を少なくすることが可能となる。また、均一な凝固組織をとることから、クラックの進展を抑制できるといった作用が期待できる。

【0027】

はんだ材は、電子機器における、任意の金属部材の接合に用いることができる。特に、銅もしくは銅合金、ニッケルもしくはニッケル合金、あるいはこれらによりめっきされた部材を被接合部材とする場合は、接合性が特に良好となる。はんだの成分であるＳｎやＳｂと、被接合材のＣｕ等と、Ｃｕ_３ＳｎなどのＣｕＳｎ合金やＣｕＳｂ合金を形成しやすくなる。しかし、これらの合金は、接合強度の点からあまり好ましくないが、所定量のＮｉを含む第２実施形態によるはんだ材は、これらの合金の生成を抑制する効果があり、接合性が向上する。

【0028】

［第３実施形態：Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｎｉ−Ｇｅ五元系］
本発明は、第３実施形態によれば、はんだ材であって、Ｓｂを、５．０質量％以上であって８．０質量％以下と、Ａｇを３．０質量％以上であって、５．０質量％以下と、Ｎｉを、０．０５質量％以上であって０．３質量％以下含有し、さらに、Ｇｅを、０．００３質量％以上であって０．０１質量％以下含有し、残部は、Ｓｎ及び不可避不純物からなる、Ｐｂを含まない鉛フリーはんだ合金である。第２実施形態の組成に、さらにＧｅを上記範囲で添加する利点としては、合金の高温延性をさらに向上させることができるためである。また、Ｓｂの酸化を抑え、はんだの濡れ性の向上に大きく寄与するためである。Ｇｅを０．０１質量％より多く、例えば、０．０２質量％程度含有させると、接合欠陥となる空気のボイドができやすくなる。Ｇｅの添加量は、より好ましくは、０．００３質量％以上であって０．００８質量％以下である。この範囲で添加することにより、過剰なＧｅＯの生成を抑制し、適切な量のＧｅＯを生成させることにより、還元、除去しにくいＳｎ酸化物を抑制することができる。また、これによりボイド抑制の効果が得られる。さらに好ましいＧｅの含有量は、０．００３質量％以上０．００５質量％を超えない量である。また、ＧｅＯは、はんだ材料の表面にも形成されるが、上記添加量の範囲内であれば、ＧｅＯの膜厚は非常に薄い。そのため、加熱し、被接合材と接合する際に、濡れ性が悪くならず、接合しやすい。

【0029】

なお、Ｓｎ酸化物は、はんだ材料の表面被膜として形成されるため、被接合材との反応が抑制され、接合性を低下させる要因になる。また、局部的にボイドができる要因にもなる。特にパワー半導体装置においては、はんだ接合部のボイド率は好ましくは１０％未満にする必要があるため、所定量のＧｅを含む本実施形態によるはんだ材におけるＳｎ酸化物の生成を抑制する効果は重要である。また、接合工程中においても、Ｓｎ酸化物がはんだ接合層中に分散して形成されると、その箇所において接合性が低下してしまうので、Ｓｎ酸化物の抑制は重要である。また、Ｇｅは他の金属と合金を作りづらいという特性を有する。余分な化合物を作らず、単体として固溶したＧｅは、クラックの伸展を抑制するので強度が上がる。

【0030】

第３実施形態によるはんだ材は、１００℃における破断伸びが、５５％程度である。この値は、本発明の範囲外にあるＳｎ−８．５Ｓｂ−２．５Ａｇはんだ材の破断伸びに対して、１０８％以上であり、概ね１０８〜１０９％である。また、１７５℃における破断伸びが、６６％〜６７％程度である。この値は、本発明の範囲外にあるＳｎ−８．５Ｓｂ−２．５Ａｇはんだ材の破断伸びに対して、１２５％以上であり、概ね１２５〜１２７％である。以上のように高温延性が高いはんだ材を用いると、熱応力が加わった際にクラックや割れなどの破壊に至らず高い接合強度を得ることができる。

【0031】

さらに好ましくは、Ｓｂを、６．０質量％以上であって８．０質量％以下含有し、Ａｇを３．６質量％以上であって４．５質量％以下含有し、Ｎｉを０．１質量％以上であって０．２５質量％以下含有し、Ｇｅを上記いずれかの範囲で含有し、残部は、Ｓｎ及び不可避不純物からなる。このような組成範囲とすることで、上記に加え、さらに、凝固時のそれぞれの材料の体積変化に伴う凝固欠陥を抑制する効果が期待できる。高温化が必要な接合体では、欠陥（空気）は熱伝導が著しく悪く、いわば断熱材のように機能する。はんだ材による接合体の量産においては、より欠陥が少ないことが要求されるところ、本実施形態による好ましい組成を備えたはんだ材は、その欠陥を少なくすることが可能となる。また、均一な凝固組織をとることから、クラックの進展を抑制できるといった作用が期待できる。

【0032】

第３実施形態によるはんだ材も、電子機器における、任意の金属部材の接合に用いることができる。特には、はんだ材がＮｉを所定量で含む組成であるため、第２実施形態において述べたのと同様の理由で、銅もしくは銅合金、ニッケルもしくはニッケル合金、あるいはこれらによりめっきされた部材を被接合部材とする場合は、接合性が特に良好となる。これに加え、本実施形態においては、Ｇｅを含むことで以下のような利点を有する。被接合物が銅やニッケルなどの場合、Ｓｎ、Ｓｂを含むはんだ材を用いると、はんだの成分であるＳｎやＳｂと被接合部材のＣｕ等と、Ｃｕ_３ＳｎなどのＣｕＳｎ合金やＣｕＳｂ合金、Ｎｉ_３Ｓｎ₄等を形成しやすくなる。これらの合金は、接合強度の点からあまり好ましくない。しかし、Ｓｎ、Ｓｂ等に加えてＧｅが含まれている場合、これらの合金の生成を抑制するため、接合強度を向上させることができる。被接合部材がめっきなどによるＮｉＰ（ニッケル-リン）である場合は、はんだ中のＳｎとＮｉＰ層のＮｉが相互拡散して合金を形成するために、ＮｉＰ層とはんだの界面にＰリッチ層が形成される。このＮｉが抜けたＰリッチ層は、非常に脆く、接合強度が低下する要因となる。しかし、Ｇｅが添加された第３実施形態によるはんだ材の場合、ＧｅＰの化合物が生成されるため、接合強度の低下を抑制することができる。ＮｉＰ被接合部材のＰ濃度は、通常、３〜１２質量％であるが、Ｐリッチ層が少ないＰ濃度３〜５質量％のＮｉＰ被接合部材に適用する場合に、本実施形態によるはんだ材が特に効果的である。

【0033】

［第４実施形態：Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｎｉ−Ｐ五元系］
本発明は、第４実施形態によれば、はんだ材であって、Ｓｂを、５．０質量％以上であって８．０質量％以下と、Ａｇを３．０質量％以上であって、５．０質量％以下と、Ｎｉを、０．０５質量％以上であって０．３質量％以下含有し、さらに、Ｐを、０．００３質量％以上であって０．０１質量％以下含有し、残部は、Ｓｎ及び不可避不純物からなる、Ｐｂを含まない鉛フリーはんだ合金である。第２実施形態の組成に、さらにＰを上記範囲で添加する利点としては、合金の高温延性をさらに向上させることができるためである。また、Ｓｂの酸化を抑え、はんだの濡れ性の向上に大きく寄与するためである。Ｐを０．０１質量％より多く、例えば、０．０２質量％程度含有させると、接合欠陥となる空気のボイドができやすくなる。Ｐの添加量は、より好ましくは、０．００３質量％以上であって０．００８質量％以下である。この範囲で添加することにより、過剰なリン酸化物の生成を抑制し、適切な量のリン酸化物を生成させることにより、還元、除去しにくいＳｎ酸化物を抑制することができる。また、これによりボイド抑制の効果が得られる。さらに好ましいＰの含有量は、０．００３質量％以上０．００５質量％を超えない量である。本実施形態による所定量のＰによる、Ｓｎ酸化物の抑制の効果はＧｅと類似している。Ｐは、一般的に無機リン酸（phosphoric acid）を生成して金属腐食を生じさせる材料でもあるが、Ｐの添加量が０．００３質量％以上であって０．０１質量％以下である第４実施形態によるはんだ材は、熱サイクル疲労試験などの耐久試験においても腐食や割れなどの接合不良を起こすことはなく、良好な接合強度を得ることができる。

【0034】

また、Ｇｅは他の金属とは化合物を形成しにくいが、Ｐははんだ材のＳｎ等と化合物を形成する。特にＳｎＰ化合物は硬度が高く、Ｐを、０．００３質量％以上であって０．０１質量％以下の量で、Ｓｎを含むはんだ材に含有させると、引張強度を向上させる効果を有する。また、後述する通り、被接合体中の元素との間で化合物が生成するので、接合時の反応が早く、短時間で接合することができる。しかし、０．０１質量％より多く含有させると、脆性が大きくなり好ましくない。つまり、局部的に脆くなりクラックなどの破壊が生じ、接合強度を低下させる。

【0035】

第４実施形態によるはんだ材は、１００℃における破断伸びが、５５％程度である。この値は、本発明の範囲外にあるＳｎ−８．５Ｓｂ−２．５Ａｇはんだ材の破断伸びに対して、１０８％以上であり、概ね１０８〜１０９％である。また、１７５℃における破断伸びが、６６％〜６７％程度である。この値は、本発明の範囲外にあるＳｎ−８．５Ｓｂ−２．５Ａｇはんだ材の破断伸びに対して、１２５％以上であり、概ね１２５〜１２７％である。以上のように高温延性が高いと、熱応力が加わった際にクラックや割れなどの破壊に至らず高い接合強度を得ることができる。

【0036】

さらに好ましくは、Ｓｂを、６．０質量％以上であって８．０質量％以下含有し、Ａｇを３．６質量％以上であって４．５質量％以下含有し、Ｎｉを０．１質量％以上であって０．２５質量％以下含有し、Ｐを上記いずれかの範囲で含有し、残部は、Ｓｎ及び不可避不純物からなる。このような組成範囲とすることで、上記に加え、さらに、凝固時のそれぞれの材料の体積変化に伴う凝固欠陥を抑制する効果が期待できる。高温化が必要な接合体では、欠陥（空気）は熱伝導が著しく悪く、いわば断熱材のように機能する。はんだ材による接合体の量産においては、より欠陥が少ないことが要求されるところ、本実施形態による好ましい組成を備えたはんだ材は、その欠陥を少なくすることが可能となる。また、均一な凝固組織をとることから、クラックの進展を抑制できるといった作用が期待できる。

【0037】

また、本実施形態のさらなる変形形態として、ＧｅとＰを両方含有させた、Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｎｉ−Ｇｅ−Ｐ六元系のはんだ材でもよい。この場合、ＧｅとＰの添加量は、それぞれ第３実施形態、第４実施形態において、好適な範囲として例示した添加量から、独立して選択することができる。Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｎｉ−Ｇｅ−Ｐ六元系のはんだ材によれば、所定量のＰの添加による強度向上に加え、所定量のＧｅが、Ｐと化合物を形成することで、ＳｎＰ化合物の形成が抑制され、接合強度をさらに向上させることができる。なお、ＰとＧｅを上記所定の範囲外で添加すると、脆くなり、強度が落ちるため、好ましくない。

【0038】

第４実施形態またはその変形形態によるはんだ材も、電子機器における、任意の金属部材の接合に用いることができる。特には、はんだ材がＮｉを所定量で含む組成であるため、第２、第３実施形態において述べたのと同様の理由で、銅もしくは銅合金、ニッケルもしくはニッケル合金、あるいはこれらによりめっきされた部材を被接合部材とする場合は、接合性が特に良好となる。第４実施形態またはその変形形態によるはんだ材においては、特にＰを含むために、それぞれの被接合部材に対して、以下のようなさらなる利点を有する。被接合材がＣｕやＮｉの場合、はんだ材に含まれるＰが、Ｃｕと速い反応速度でＣｕＰ_２などの化合物を生成するため、Ｃｕに対する濡れ性は良好となる。また、所定量のＰに由来して生成するＣｕＰ_２化合物が、はんだ材中に均一に分散することで、ＣｕＰ_２化合物は硬いため、強度が向上する。しかし、Ｐの量が上記所定量を超えるとＣｕＰ_２化合物が多く生成し、局部的に集積するとその箇所は脆くなり強度を低下させるため、好ましくない。この点、第４実施形態またはその変形形態によるはんだ材は、脆い化合物の成長を遅延させることができ、接合体の長寿命化に寄与することができる。Ｎｉ被接合材の場合も同様のことがいえる。すなわち、第４実施形態またはその変形形態によるはんだ材により、強度を向上させることができる。また、はんだ材に含まれるＰは、Ｎｉ被接合材中のＮｉと複数種の化合物を生成することができ、その反応速度はＰとＣｕの反応よりも速いため、濡れ性が非常に良くなる。被接合部材がめっき等のＮｉＰの場合、第３実施形態において説明したのと同様に、ＮｉＰ層からのＮｉの抜けを抑制し、接合強度の低下を抑制することができる。この効果は特に、Ｐリッチ層が少ないＰ濃度３〜５質量％のＮｉＰ被接合部材に第４実施形態またはその変形形態によるはんだ材を適用する場合に大きいといえる。

【0039】

上記第１〜第４実施形態によるはんだ材は、いずれも、通常の方法に従って、Ｓｎ、Ｓｂ、Ａｇ、及び任意選択的にＮｉ及びＧｅから選択される各原料、あるいは各原料を含む母合金を電気炉中で溶解することにより調製することができる。各原料は純度が９９．９９質量％以上のものを使用することが好ましい。

【0040】

また、上記第１〜第４実施形態によるはんだ材は、板状のプリフォーム材として、あるいは粉末状にしてフラックスと合わせてクリームはんだとして、加工することができる。粉末状に加工してフラックスと合わせてクリームはんだとする場合に、はんだ粉末の粒径としては、粒径分布が、１０〜１００μｍの範囲にあるものが好ましく、２０〜５０μｍの範囲にあるものがさらに好ましい。このようなはんだ粉末は、平均粒径は、例えば、一般的なレーザ回折／散乱式粒度分布測定装置を用いて測定した場合に、２５〜５０μｍとすることができる。フラックスとしては、任意のフラックスを用いることができるが、特には、ロジン系フラックスを好ましく用いることができる。

【0041】

次に、上記第１〜第４実施形態によるはんだ材の使用方法について説明する。上記第１〜第３実施形態によるはんだ材は、電子機器における、任意の金属部材の接合に用いることができる。特には、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ等もしくはこれらの合金、またはこれらの金属もしくは合金でめっきされた部材の接合に用いることができるが、特定の被接合体には限定されない。しかし、上述したように、第２から第４実施形態のように、はんだ材がＮｉを含む場合は、被接合体の少なくとも一方、好ましくは両方がＣｕもしくはＮｉまたはそれらの合金、あるいはこれらによりめっきされた部材であるとよりよい接合性を得ることができる。

【0042】

接合に用いるはんだ材の厚さや形状などは、目的及び用途にしたがって当業者が適宜設定することができ、特には限定されない。上記態様のはんだ材は、従来技術と比較して濡れ性がよく、ボイドが生じにくいので、薄くすることもできる。はんだ材が薄いと熱抵抗も下がるため、半導体装置において好ましい場合がある。一方、半導体素子のチップが反っていると反り分だけ厚くする必要がある。その際、ボイドが生成しやすいが、濡れ性がよいと空隙によるボイドを防ぐとことができる。また、はんだ材が厚いと応力緩和効果があるので、寿命も長くなる場合がある。よって、本発明のはんだ材は、その優れた特性により薄くも厚くもでき、設計の自由度が高いという利点がある。一例として、接合後のはんだ接合層の厚さが、約２００〜３００μｍ程度となるようにすることができるが、この範囲には限定されない。

【0043】

はんだ材を用いた金属部材の接合方法は、はんだ材と金属部材とを接触させた状態で、加熱ピーク温度をはんだ材の液相線温度（融点）＋３０℃程度に設定することにより、はんだ材を溶融させてはんだ接合層を形成することが好ましい。この場合の加熱時間は少なくとも６０秒以上保持することが好ましい。はんだ材の形態にもよるが、水素やギ酸など有機酸の活性雰囲気を用いて接合することもできる。

【0044】

［第５実施形態：接合部、電子機器］
本発明は、第５実施形態によれば、電子機器に関する。具体的には、第１〜第４実施形態によるはんだ材を溶融したはんだ接合層を備える電子機器に関する。はんだ接合層と、被接合体となる金属部材を含む接合部は、本発明の一実施形態をなす。被接合体は金属部材であればよく、特には限定されないが、特に第２〜第４実施形態による、Ｎｉを含むはんだ材をはんだ接合層として用いる場合には、被接合体は、ＮｉもしくはＣｕあるいはこれらの合金、あるいはこれらによりめっきされた部材から選択されることが好ましい。はんだ接合層に接する複数の被接合体は同一の材料であっても、異なる材料であってもよいが、少なくとも一方の被接合体は、ＮｉもしくはＣｕあるいはこれらの合金、あるいはこれらによりめっきされた部材であることが好ましい。接合性の観点からである。また電子機器の被接合体では，電気抵抗が低く，熱伝導率が高いものが好ましいためＣｕまたはＡｇが主となる成分となる。耐食性の観点でＮｉやＮｉめっき，Ｎｉ合金などが接合表面に処理される。Ｃｕに比べＮｉははんだ接合性が悪い。耐食性と濡れ性の改善としてＡｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ａｇ−Ｐｄなどの貴金属を再表面に処理することも可能。ＳｉＣなど電気抵抗の低損失素子を用いた電力変換機などは，損失を少しでも抑制するために電極材にＡｇを用いる場合が多くある。はんだ接合部は、電子機器の一部を構成するものであり、電子機器としては、インバータ、メガソーラー、燃料電池、エレベータ、冷却装置、車載用半導体装置などの電気・電力機器が挙げられるが、これらには限定されない。

【0045】

典型的には、電子機器は半導体装置である。特にパワー半導体装置に有効である。近年の大容量化による１５０℃以上の高温で使用される半導体装置においては、素子から発生する熱を効率よく放熱することが重要である。従って、接合層内のボイドを低減することが重要である。インバータなどの装置に用いられるはんだ接合層では、２０％以上のボイド率が許容される。しかし、パワー半導体に許容されるボイド率は多くとも２０％未満であり、好ましくは１０％程度以下である。第１から第４実施形態のはんだ材を用いることで、接合層で生じるボイドを抑制することができるので、これらのはんだ材を用いたはんだ接合層は、パワー半導体装置においては特に有効である。半導体装置における接合部は、ダイボンド接合部、絶縁基板と放熱板との接合部、端子と端子の接合部、端子と他の部材との接合部、あるいは、そのほかの任意の接合部であってよいが、これらには限定されない。以下に、本実施形態に係る接合部を備える電子機器の一例として、半導体装置を挙げ、図面を参照して本発明をさらに詳細に説明する。

【0046】

図１は、半導体装置の一例である、パワーモジュールの概念的な断面図である。パワーモジュール１００は、主として、放熱板１３上に半導体素子１１及び積層基板１２を、はんだ接合層１０にて接合した積層構造となっている。放熱板１３には、外部端子１５を内蔵したケース１６が接着され、半導体素子１１の電極および積層基板１２の金属導電性板１２３と外部端子１５はアルミニウムワイヤなどのワイヤ１４にて接続されている。モジュール内部は、樹脂封止材１７が充填されている。半導体素子１１は、Ｓｉ半導体素子や、ＳｉＣ半導体素子であってよいが、これらには限定されない。例えばＩＧＢＴモジュールに搭載されるこれらの素子の場合、積層基板１２と接合される裏面電極は、通常、ＡｕまたはＡｇから構成される。積層基板１２は、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３やＳｉＮなどからなるセラミックス絶縁基板１２２の表裏に銅やアルミニウムの金属導電性板１２１、１２３が設けられている。放熱板１３としては、熱伝導性に優れた銅やアルミニウムなどの金属が用いられる。また、腐食防止の為に、金属導電性板１２１、１２３や放熱板１３にＮｉおよびＮｉ合金を被覆する場合もある。
また、図１には示していないが、はんだ接合層１０は、積層基板１２の金属導電性板１２１の下面のみならず、側部まで覆うように形成されていても良い。このようにはんだ材が金属導電性板の側面を覆う態様は、図３に具体的に示されている。金属導電性板の側部まではんだで覆われていると接合強度を向上させることができる。

【0047】

本実施形態において図示する半導体装置は、一例であり、本発明に係る半導体装置は、図示する装置構成を備えるものには限定されない。例えば、本出願人らによる特開２００５−１１６７０２号公報に開示するリードフレームを備える半導体装置であってもよい。リードフレームを備える半導体装置構成においては、リードフレームと半導体素子との接合に、本発明のはんだ材を用いることもできる。あるいは、本出願人らによる特開２０１２−１９１０１０号公報に開示されたピン構造を備える半導体装置であってもよい。このような半導体装置において、銅ブロックと半導体素子との接合や、銅ピンと半導体素子との接合に、本発明のはんだ材を用いることもできる。また、このようなダイボンド接合用途に加えて、絶縁基板と放熱板との接合、端子と端子との接合、半導体素子と端子との接合など、半導体装置内の任意のはんだ接合部に、本発明のはんだ材を用いることもできる。本発明のはんだ材を用いた半導体装置は、熱サイクル疲労特性が向上しており、熱サイクル寿命が大きく延びる。この熱サイクル疲労特性の向上は、上記第１から第４実施形態による所定の組成範囲を備えるはんだ材の、高温延性に優れる特長により、接合部におけるボイドを低下させ、かつ、接合部において、熱サイクルを受けた後であっても均一な結晶粒構造を保持しうることによってなされる。特に、温度差が８０度以上の熱サイクル疲労特性について効果がある。

【実施例】

【0048】

以下に、本発明の実施例を参照してより詳細に説明する。しかしながら、以下の実施例並びにこれに対する考察は、本発明を限定するものではない。

【0049】

実施例１〜１８及び比較例１〜５のはんだ材を調製し、はんだ材の高温特性、初期特性、及びはんだ材で接合したモジュールの信頼性試験を行った。

【0050】

［はんだ材の高温特性評価］
はんだ材の高温特性は、１００℃におけるはんだ材の引張強度、及び常温（約２５℃程度）、１００℃、１３５℃、１７５℃における高温破断伸びを測定することにより評価した。破断伸びは、ＪＩＳ Ｚ２２４１金属材料引張試験方法に基づき、４号試験片と同様のダンベル試験片形状を用いて試験を行った。ダンベル等軸試験片の平行部６φｍｍの平行部長さ４０ｍｍの試験片を用いて、歪速度０．０２％／ｓｅｃの試験にて引張破断試験を行った。試験機としては、高精度マイクロフォース試験機（インストロンジャパン製、５８４８型）を用いた。測定の具体的な条件は、引張り試験方向で、変位制御（１０．０００から−０．２００）を行い、引張試験の速度は０．００５（ｍｍ／ｓ）とした。応力のサンプリング周期は、０．０２ｓｅｃとし、標点間距離２４００μｍのうち、断面積０．７８５ｍｍ^２で破断するものを有効な試験として行った。

【0051】

応力の最大値を引っ張り強度（Ｍｐａ）、応力が０になったときのひずみ（％）を破断伸び（％）とした。実施例１〜１８、比較例１〜５について、１００℃、１７５℃における破断伸び（％）の測定値を、表１に示す。

【0052】

［はんだ材の初期特性評価］
はんだ材を用いて金属部材を接合する場合の初期特性の評価は、濡れ性の測定により実施した。接合部の濡れ性評価は、セラミクスにＣｕ電極が形成されたＤＣＢ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｐｐｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ）基板とＣｕ放熱板を、実施例および比較例のはんだ材を用いて接合した際のボイド率の測定により実施した。接合条件は、水素雰囲気で酸素濃度を５０ｐｐｍ以下としたときに３００℃で３分接合をしたものを供試材として用いた。このときのはんだ材の厚みは、０．１５ｍｍを基準とした。このはんだ接合部を超音波探傷（ＳＡＴ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）にて観察し、ＳＡＴ透過像から、電極の面積を１００％として、空気のある部位を接合欠陥のボイドとし、ボイド率を算出した。表１に、ボイド率の実測値（％）を示す。放熱性の観点から、ボイド率が２０％以上であると不良、２０％未満であると良と判別することができる。特にボイド率が３％以下を示すものは、ボイドサイズも小さくなるため、空気層であるボイドの影響が小さくなり、よりパワー素子の熱のロスを低減することができる。他方、３％よりも大きくなると、各ボイド自体も大きくなり、局所発熱によって製品想定外の温度になる可能性があり、短期間で破壊するものが一定数発生する可能性が高くなる。また、接合強度という観点から、特に好ましい仕様といえる。

【0053】

［はんだ材により接合したサンプルモジュールの信頼性評価］
サンプルモジュールの信頼性は、熱サイクル試験により評価した。厚みが０．２５ｍｍの実施例１〜１８、比較例１〜５の板はんだを用いて、上記濡れ性測定のサンプル作製と同様の接合条件で、ＤＣＢ基板とＣｕ放熱板を接合した。熱サイクル試験条件は、−４５℃で１０分保持後、昇温し、１５５℃で１０分保持することを１サイクルとカウントした。熱サイクル試験の結果は、１００サイクルごとにはんだ接合部をＳＡＴにて観察し、クラックが生じたサイクル数を破壊が観察されたサイクルとして記載した。

【0054】

【表1】

【0055】

実施例及び比較例の各試験結果を、表１に示す。なお、表中、組成における「−」は、その元素が不可避不純物を除き、実質的に含まれていないことを示し、測定値における「−」は、未測定であることを示す。本発明の実施例によるはんだ材は、比較例によるはんだ材と比較して、１００℃、１７５℃における高温破断伸びが高く、Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇを所定の組成％で含む第１実施形態によるはんだ材、Ｓｎ−Ｓｂ−ＡｇにＮｉを所定の組成％で添加した第２実施形態によるはんだ材、Ｓｎ−Ｓｂ−ＡｇにＮｉ、Ｇｅを所定の組成％で添加した第３実施形態によるはんだ材の順に、高温破断伸びが大きいことがわかった。数値データは示さないが、１３５℃における破断伸びの測定値も、概ね、１００℃、１７５℃における破断伸びと同様の傾向を示すことがわかった。また、高温破断伸びの大きさと、熱サイクル試験による信頼性に大きな相関があることがわかった。特に第２実施形態、第３実施形態によるはんだ材では、４００サイクルにて全くクラックの発生はなく、クラックが生じるまでの熱サイクル寿命は２倍以上向上することがわかった。

【0056】

熱サイクル試験後の実施例３のはんだ材を用いたサンプルモジュールの破断後の様子を図２に示す。図２は、半導体モジュールの断面の走査型電子顕微鏡写真に基づく概念図であり、ＤＣＢ基板を構成する絶縁基板１２２及びＣｕ導電性板１２１と、Ｃｕ放熱板１３との間に、実施例３のはんだ材が溶融したはんだ接合層１０が形成されている。はんだ接合層１０には、はんだ接合層１０及びＣｕ導電性板１２１、Ｃｕ放熱板１３に対して略垂直に、クラックＣが形成されているが、クラックＣははんだ接合層１０を貫通していない。また、クラックＣに伴う空乏は形成されておらず、半導体モジュールの電気特性においては軽微なクラックであることがわかる。図２に示す実施例３のはんだ材においては、接合初期の金属組織の粒径の大きさが２００〜５００μｍくらいの合金組織が、均一に存在している（図中には組織を明示せず）。そのため、クラックが生じても伸展しにくい傾向がある。

【0057】

熱サイクル試験後の比較例２のはんだ材を用いたサンプルモジュールの破断の様子を図３に示す。図３も、半導体モジュールの断面の走査型電子顕微鏡写真に基づく概念図であり、ＤＣＢ基板を構成する絶縁層１２２及びＣｕ電極板１２１と、Ｃｕ放熱板１３との間に、比較例２のはんだ材が溶融した接合層５０が形成されている。接合層５０には、はんだ接合層１０及びＣｕ電極板１２１、Ｃｕ放熱板１３に対して略平行に大きなクラックＣが形成されている。このクラックＣは、完全に空乏を形成しており、半導体モジュールの電気特性においても抵抗の上昇を招く重大な故障である。また、はんだ材が熱履歴により再結晶し、主な結晶粒Ｍが概ね１０〜５０μｍ程度の粒径に局所的に過度に微細化していることがわかる。微細化した結晶粒Ｍは、クラック部周辺に多くみられる。これは、熱応力がせん断方向にかかった結果、クラックが生じ、せん断方向に沿って、微細化された結晶粒Ｍの界面に沿って、クラックが増大したと考えられる。これに対し、実施例の組成では、Ｎｉ化合物、Ａｇ化合物によりＳｎＳｂの再結晶の際の局所的な微細化が起こり難いのではないかと推定される。

【0058】

本発明の実施例及び比較例の結果から、実施例の所定の組成範囲内で、はんだ材の高温延性が高く、これにより、熱サイクル寿命を向上することが可能になった。また、熱サイクルによって結晶粒が再結晶する時に、結晶粒が局所的に、過度に微細化する現象が抑制されることがわかった。つまり、凝固組織の均一化、固溶強化と分散強化の最適な凝固組織をとる成分を用いることで熱変形によるはんだの劣化（クラック）を抑制することができ、熱サイクル疲労特性が向上している。

【0059】

［考察］
実施例及び比較例のはんだ材について考察する。なお、以下の記載は理論的考察に過ぎず、本発明は以下の理論に拘束されるべきものではない。
実施例１〜６の組成に含まれ得るＳｎ−Ｓｂ−Ａｇの共晶相部（Ｓｎ−６．２Ｓｂ−３．６Ａｇ、なお共晶組成には若干の幅がある）は、比較的柔らかで高温でも伸びがある。すなわち、破断伸び率が高い。共晶点から所定の組成範囲においては、共晶点における安定的で、偏析がおきにくいという特性を備える。しかし、所定の範囲から外れると、高温延性は低下し、クラックの発生が起きやすくなって、モジュールとしての信頼性も低下する。これは先に述べた偏析や金属間化合物が晶出することによって材料が固くなり、ある一定の応力（ひずみ）が負荷された時にはんだにかかる力に対して均一な力の分散ができず、力のバランスがくずれた個所に歪集中することで材料は圧縮されて加工硬化し、硬い箇所と柔らかい箇所の境界で破壊するためであると考えられる。比較例の組成Ｓｎ５Ｓｂに対して、実施例３の組成Ｓｎ６．２Ｓｂ３．６Ａｇでは、クラック発生量に差があることから、クラックの進展を阻害する化合物の晶出が熱サイクル寿命に寄与していると考えられる。

【0060】

実施例７〜１２の組成において、Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇに、Ｎｉが所定の範囲で存在すると、高温延性はさらに向上する。これは、Ｎｉが結晶内の転位の回復を遅延させることと、ＮｉＳｎ化合物がはんだ中に分散することで、局部的な応力集中を緩和し、強制的な外力に対して全体的な変形をすることから、延性が向上する為ではないかと考えられる。一方で、強度自体は若干低下している。これは引張破断試験の場合、力が集中する箇所に対して、局所的に加工硬化が発生し、加工硬化部分では圧縮されたゴムのように硬く強度が高くなる。Ｎｉ添加品では、先に述べたように力を分散させるような組織構造をとるために、偏析がおきにくく力の集中部が分散し試験部の組織全体が変形し加工硬化のような高強度化しないために、破断強度は若干低下する。しかし、モジュール信頼性としては、破断に至るまでの過程での力の分散による劣化を遅延させることが重要であり、破断時の強度が信頼性とは直接結びつかないため、高温延性が向上するＮｉ添加した材料はバランスがとれているといえる。

【0061】

実施例１３〜１５の組成において、Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−ＮｉにＧｅがさらに添加されると、延性は若干向上する。これは、ＧｅはＳｎ−Ｓｂ等の粒界に拡散し、結晶粒界の粒界強度を低下させ、温度によるはんだ接合体にかかる力を粒界すべりが起こることで力の集中を緩和しるため、ひずみ負荷時に合金の構造体としては延性が向上するためではないかと考えられる。これらの組成においては、ＧｅがＳｎ粒界近傍に偏析していることがオージェ電子分光法（ＡＥＳ）のマッピングにより確認されている。具体的には、ＰＨＩ社製ＳＡＭ６７０走査型オージェ電子分光装置を用いて、加速電圧２０ｋｖ、試料電流１６ｎＡ、ビーム径５０ｎｍφ以下、試料傾斜０度の試験条件でマッピングを行った結果、隣接する２つのＳｎ粒の境界にＧｅの偏析がみられた。このことから、熱ひずみに対して、粒界すべりを促進させ、Ｓｎの再結晶を抑制できると考えられる。しかし、Ｇｅの添加量が多すぎると、例えば、０．０１％を超えて存在すると、強固なＧｅＯ膜が形成されて、はんだの濡れ性が悪くなる。これにより、空気を含んだ欠陥が多く発生することで、モジュール信頼性は低下するおそれがある。

【0062】

実施例１６〜１８の組成において、Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−ＮｉにＰがさらに添加されると、引張強度は若干向上する。これは、Ｐの添加により硬度の高いＳｎ−Ｐ化合物が接合層中に点在するようになり、接合層に応力が印加された際にクラックや、転位（凝固組織の中の結晶内部の格子欠陥が移動すること）の拡大を阻害するためではないかと考えられる。

【産業上の利用可能性】

【0063】

本発明によるはんだ材は、大電流仕様の電子機器全般において、半導体チップ等の接合部に用いられる。特には、ＩＣなどパッケージ部品に好適に用いられる。また発熱の大きい部品、例えばＬＥＤ素子や、パワーダイオードなどパワー半導体デバイスのダイボンド接合部、さらにはプリント配線板などに搭載される電子部品全般におけるＩＣ素子などの内部接続のダイボンド接合部に好適に用いられる。

【符号の説明】

【0064】

１０ はんだ接合層
１１ 半導体素子
１２ 積層基板
１２１ 導電性板
１２２ 絶縁基板
１２３ 導電性板
１３ 放熱板
１４ ワイヤ
１５ 外部端子
１６ ケース
１７ 樹脂封止材
５０ はんだ接合層（比較例）
１００ パワーモジュール

【図1】

【図2】

【図3】