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JP6998557B2 - はんだ合金およびそれを用いた接合構造体 - Google Patents

はんだ合金およびそれを用いた接合構造体 Download PDF

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JP6998557B2
JP6998557B2 JP2017191443A JP2017191443A JP6998557B2 JP 6998557 B2 JP6998557 B2 JP 6998557B2 JP 2017191443 A JP2017191443 A JP 2017191443A JP 2017191443 A JP2017191443 A JP 2017191443A JP 6998557 B2 JP6998557 B2 JP 6998557B2
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彰男 古澤
清裕 日根
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Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
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Description

本発明は、パワーモジュールなどに使用するはんだ合金およびそれを用いた接合構造体に関する。
従来のはんだ合金およびそれを用いた接合構造体としては、例えば、Ｓｂを５ｍａｓｓ％以上２０ｍａｓｓ％以下、Ｔｅを０．０１ｍａｓｓ％以上５ｍａｓｓ％以下含み、残部はＳｎと任意の添加物と不可避不純物とから成ることを特徴とするろう材と、このろう材を用いて組み立てられた半導体装置と基板とを接合させた接合構造体とが、特許文献１に記載されている。
特許第４１４７８７５号公報
特許文献１に記載されるはんだ合金には、ＳｎにＴｅやＡｇ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ｎｉを添加することで接合信頼性を向上させている。
しかし、１５０℃以上のヒートサイクル試験に耐え得る接続信頼性を実現するには至っていない。そのため、高温で動作するパワーモジュール等の接続信頼性において、十分な接合信頼性の実現が求められている。
本発明は、前記従来の課題を解決するためになされたものであって、はんだ接合部の耐クラック性を向上させ、高信頼性を実現するはんだ合金を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明に係るはんだ合金は、Ｓｂの含有率が３ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下であり、且つ、
Ｔｅの含有率が０．０１ｗｔ％以上１．５ｗｔ％以下、且つ、
Ｚｎ、Ｃｏ、Ｃｒからなる群の少なくとも１種の元素の含有率が０．００５ｗｔ％以上１ｗｔ％以下であり、残部がＳｎである。
本明細書において、「含有率」とは、はんだ合金全体の重量に対する各元素の重量の割合であり、ｗｔ％（重量パーセント）の単位を用いて表される。
本明細書において「はんだ合金」とは、その金属組成が、列挙した金属で実質的に構成されている限り、不可避的に混入する微量金属（例えば０．００５ｗｔ％未満）を含んでいてもよい。はんだ合金は、任意の形態を有してもよく、例えば、単独で、または金属以外の他の成分（例えばフラックスなど）と一緒に、はんだ付けに使用され得る。
また、本発明に係る接合構造体は、第１金属層を含む半導体素子と、
第２金属層を含む回路基板と、
前記半導体素子の前記第１金属層と前記回路基板の前記第２金属層とを接合する、少なくともＳｎとＳｂとＴｅとを含むと共に、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｃｒからなる群の少なくとも１種の元素を含むはんだ接合層と、
を含み、
前記半導体素子の前記第１金属層と前記はんだ接合層との界面、および、前記回路基板の前記第２金属層と前記はんだ接合層との界面にＳｎＮｉ合金またはＳｎＣｕ合金が含まれる。
本発明に係るはんだ合金によれば、はんだ接合部の耐クラック性を向上させ、高信頼性を実現するはんだ合金およびそれを用いた接合構造体が提供される。
一実施形態における接合構造体の製造方法の説明図である。 一実施形態における接合構造体の製造方法の説明図である。
第１の態様に係るはんだ合金は、Ｓｂの含有率が３ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下、且つ、
Ｔｅの含有率が０．０１ｗｔ％以上１．５ｗｔ％以下、且つ、
Ｚｎ、Ｃｏ、Ｃｒからなる群の少なくとも１種の元素の含有率が０．００５ｗｔ％以上１ｗｔ％以下であり、残部がＳｎである。
上記構成のはんだ合金においては、少なくともＴｅを含むと共に、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｃｒの群の少なくとも１元素を添加することで、Ｔｅの固溶による効果と、Ｔｅの固溶しているＳｎにＳｎとイオン半径の異なるＺｎ、Ｃｏ、Ｃｒが複雑に置換する効果と、が得られる。そのため、複雑に元素が置換した箇所に転位が発生し、高温での伸びが向上する。そこで、Ｔｅだけを添加したＳｎＳｂ系はんだと比較して、より高温での伸びが向上し、ヒートサイクル時に発生する繰返し応力を吸収することができる。そのため、接合構造体を構成した際にその接合構造体の高信頼性を実現することができる。
第２の態様に係るはんだ合金は、上記第１の態様において、前記Ｚｎと前記Ｃｏと前記Ｃｒの元素の含有率の合計が０．００５ｗｔ％以上１ｗｔ％以下であってもよい。
第３の態様に係るはんだ合金は、上記第２の態様において、前記Ｚｎの含有率が０．００５ｗｔ％以上１ｗｔ％以下であってもよい。
第４の態様に係るはんだ合金は、上記第２の態様において、前記Ｃｏの含有率が０．００５ｗｔ％以上１ｗｔ％以下であってもよい。
第５の態様に係るはんだ合金は、上記第２の態様において、前記Ｃｒの含有率が０．００５ｗｔ％以上１ｗｔ％以下であってもよい。
第６の態様に係る接合構造体は、第１金属層を含む半導体素子と、
第２金属層を含む回路基板と、
前記半導体素子の前記第１金属層と前記回路基板の前記第２金属層とを接合する、少なくともＳｎとＳｂとＴｅとを含むと共に、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｃｒからなる群の少なくとも１種の元素を含むはんだ接合層と、
を含み、
前記半導体素子の前記第１金属層と前記はんだ接合層との界面、および、前記回路基板の前記第２金属層と前記はんだ接合層との界面にＳｎＮｉ合金またはＳｎＣｕ合金が含まれる。
上記構成の接合構造体によれば、ヒートサイクルにおける耐クラック性に優れ、高信頼性を有する。
第７の態様に係る接合構造体は、上記第６の態様において、前記ＳｎＮｉ合金またはＳｎＣｕ合金が、Ｔｅ、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｃｒからなる群の少なくとも１種の元素を含んでもよい。
以下、実施の形態に係るはんだ合金及び接合構造体について図面を使用しながら説明する。なお、図面において実質的に同一の部材については同一の符号を付している。
図１は、一実施形態における接合構造体の製造方法の接合前の説明図である。半導体素子１０１とはんだ合金１０５と回路基板１０６を部材として準備し、接合構造体を作製する。図２は、一実施形態における接合構造体の製造方法の接合後の説明図である。図１に示したとおり、準備した各部材を設置し加熱することで、接合構造体２０１を作製する。
まず、はんだ合金の部材の詳細と製造方法を下記に示す。
＜はんだ合金１０５＞
はんだ合金１０５は、Ｓｂと、Ｔｅと、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｃｒからなる群の少なくとも１元素とを含み、残部がＳｎである合金である。
はんだ合金１０５におけるＳｂの含有率は３ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下である。はんだ合金におけるＳｂの含有率がこのような範囲にあることにより、はんだ接合部の熱疲労特性を改善することができる。
はんだ合金１０５におけるＴｅの含有率は０．０１ｗｔ％以上１．５ｗｔ％以下であり、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｃｒからなる群の少なくとも１元素の含有率は０．００５ｗｔ％以上１ｗｔ％以下であり、残部はＳｎである。
本実施の形態に係るはんだ合金には、少なくともＴｅが含まれると共に、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｃｒからなる群の少なくとも１種の元素が所定の含有率を有するように添加されている。そのため、高温において、Ｓｎとイオン半径の異なるＴｅと、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｃｒの少なくとも１種の元素がＳｎに固溶しているＴｅと複雑に置換し、転位を発生させることにより、高温における伸びの向上が生じている。このため、本実施の形態に係るはんだ合金は、Ｔｅだけを添加したＳｎＳｂ系はんだと比較して、高温におけるより優れた伸びを有している。そのため、ヒートサイクル時に発生する繰返し応力を吸収し、耐クラック性を向上させることができるため、接合構造体の高信頼性を実現することができる。
はんだ合金１０５の大きさは、製造する接合構造体によって様々であり得るが、例えば１０ｍｍ角であり、０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の厚さを有するはんだ合金１０５を用いてよい。はんだ合金１０５の厚さが０．５ｍｍ以下であることにより、形成されるはんだ接合部の熱抵抗が高くならず、半導体素子１０１の熱を効率よく逃がすことができる。はんだ合金１０５の厚さが０．０５ｍｍ以上であることにより、はんだ接合時のボイドの発生を抑制することができ、はんだ接合部の熱抵抗を向上させることができる。
次に、実施の形態に係る接合構造体について図面を使用しながら説明する。
実施の形態に係る接合構造体は、メタライズ層（第１金属層）１０４を含む半導体素子１０１と、めっき層（第２金属層）１０８を含む回路基板１０６と、半導体素子１０１のメタライズ層１０４と回路基板１０６のめっき層１０８とを接合するはんだ接合層２０３と、を含む。はんだ接合層２０３は、少なくともＳｎとＳｂとＴｅとを含むと共に、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｃｒからなる群の少なくとも１種の元素を含む。また、半導体素子１０１のメタライズ層１０４とはんだ接合層２０３との界面、および、回路基板１０６のめっき層１０８とはんだ接合層２０３との界面には、ＳｎＮｉ合金またはＳｎＣｕ合金が含まれる。
＜半導体素子１０１＞
半導体素子１０１は、シリコンチップ１０２と、シリコンチップ１０２の下面に形成されたオーミック層１０３と、オーミック層１０３の下面に形成されたメタライズ層（第１金属層）１０４と、を含む。
シリコンチップ１０２は、製造の容易性に関して、縦の長さが１０ｍｍ、横の長さが１０ｍｍであり、かつ、０．２ｍｍの厚みを有することが好ましいが、これに限定されず、様々な寸法を有し得る。
半導体素子１０１のオーミック層１０３は、任意の純金属または合金からなる層であり、例えばＴｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｎｉ、またはこれらの金属を含む合金等を使用することができるが、これらに限定されない。オーミック層に上記金属が使用されることにより、適切なオーミック接合が得られる。オーミック層１０３の厚みは特に限定されないが、例えば０．０５μｍ以上０．５μｍ以下であってよく、例えば０．１μｍであってよい。オーミック層１０３がこのような厚みを有することにより、抵抗値と接合信頼性とを確保しやすくなる。
半導体素子１０１のメタライズ層（第１金属層）１０４は、任意の純金属または合金からなる層であり、例えばＮｉ、Ｃｕまたはこれらの金属を含む合金等を使用することができるが、これらに限定されない。メタライズ層１０４の厚みは特に限定されないが、例えば０．５μｍ以上１０μｍ以下であってよく、例えば、１μｍであってよい。メタライズ層１０４がこのような厚みを有することにより、はんだ合金と強固に接合させることができるようになる。
＜回路基板１０６＞
回路基板１０６は、リードフレーム１０７と、リードフレーム１０７の表面に形成されためっき層（第２金属層）１０８とを含む。
回路基板１０６のリードフレーム１０７の材料には、金属またはセラミックス等の熱伝導性のよい材料を用いることができる。リードフレーム１０７の材料としては例えば、銅、アルミ、アルミナ、窒化アルミ、窒化ケイ素等を使用することができるが、これらに限定されない。リードフレーム１０７は、製造の容易性に関して、縦の長さが２０ｍｍ、横の長さが２０ｍｍであり、かつ、１ｍｍの厚みを有することが好ましいが、これに限定されず、様々な寸法を有し得る。
回路基板１０６のめっき層（第２金属層）１０８は、任意の純金属または合金からなる層であり、例えばＮｉ、Ｃｕまたはこれらの金属を含む合金等を使用することができるが、これらに限定されない。めっき層の厚みは特に限定されないが、例えば０．５μｍ以上１０μｍ以下であってよく、例えば１μｍであってよい。めっき層がこのような厚みを有することにより、はんだ合金と強固に接合させることができるようになる。
＜接合構造体２０１＞
本実施の形態に係るはんだ合金を用いて製造される接合構造体２０１は、図２に模式図で表されている。接合構造体２０１は、半導体素子１０１と、回路基板１０６とが、合金層２０２と、はんだ接合層２０３とを介して接合された構造を有している。
接合構造体２０１は、以下のようにして製造することができる。
（１）まず、図１に示すように、回路基板１０６のめっき層（第２金属層）１０８上にはんだ合金１０５を載せ、さらに、はんだ合金１０５と半導体素子１０１のメタライズ層（第１金属層）１０４とが接するように、はんだ合金１０５の上に半導体素子１０１を設置する。
（２）続いて毎分１０℃ずつ温度を上昇させながら、室温から３００℃までの加熱を行い、３００℃において１分保持した後、毎分１０℃ずつ温度を低下させながら３００℃から室温までの冷却を行う。
以上により、はんだ合金１０５とメタライズ層１０４およびめっき層１０８との間に、合金層２０２を形成し、図２に示すような接合構造体２０１を製造することができる。
接合構造体２０１の合金層２０２は、上述したような接合構造体の製造過程において形成された金属間化合物である。メタライズ層１０４およびめっき層１０８がＮｉまたはＣｕである場合、合金層２０２にはＳｎＮｉ合金またはＳｎＣｕ合金が含まれる。メタライズ層１０４および回路基板のめっき層１０８と、はんだ接合層２０３との間の合金層２０２にＳｎＮｉ合金またはＳｎＣｕ合金が形成されることによって、メタライズ層１０４および回路基板のめっき層１０８と、はんだ接合層２０３とが金属により接合されるようになり、良好な接合強度が得られる。
合金層２０２に含まれ得るＳｎＮｉ合金およびＳｎＣｕ合金には、Ｔｅ、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｃｒからなる群の少なくとも１種の元素の少なくとも一方が含まれていてもよい。Ｔｅ、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｃｒからなる群の少なくとも１種の元素が含まれることにより、合金層２０２が多元合金となり、合金の強度が向上し、ヒートサイクル等で応力がかかった際にも合金層２０２でのクラックの発生を抑制できる。
接合構造体２０１のはんだ接合層２０３は、はんだ合金１０５に含まれていたＳｂ、Ｔｅと、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｃｒの少なくとも１種の金属元素を含み、接合前のはんだ合金１０５とほぼ同等の組成を有するが、はんだ接合層２０３では、合金層２０２を形成する際にＳｎが反応した割合だけＳｎ含有率が低下している。
（実施例）
実施例１、比較例２では、ヒートサイクル時に発生する繰返しの応力に対し、はんだ合金の高温での伸びにより、応力を吸収できると推測し、はんだ合金の伸びを確認した。
次に、実施例２から実施例５と比較例２から５では、実施例１で確認されたはんだ合金の高温での伸びの向上が、ヒートサイクル時に発生するはんだ合金のクラックを抑制することを確認するために、実際のパワーモジュールに近い実装構造体の形状で評価した。ここでは、耐クラック性を向上できるはんだ合金組成を検証するため各元素の添加量を変化させている。
（実施例１）
表１に示すように、Ｓｂ含有率、Ｔｅ含有率、Ｚｎ含有率、Ｃｏ含有率、Ｃｒ含有率を変え、残部をＳｎとして複数のはんだ合金１０５を準備し、２００℃の雰囲気温度で引張試験を行った。
＜評価＞
引張試験のために、はんだ合金をダンベル状の形状に鋳込んだ評価サンプルを作製した。評価サンプルの形状は、引張試験に固定する部分が直径６ｍｍ、長さ２０ｍｍ、ダンベルのくびれ部分が直径３ｍｍ、長さ２０ｍｍとした。引張試験機の上下のサンプル固定冶具の間隔を２０ｍｍに設定して、評価サンプルを固定し、雰囲気温度を２００℃とした後で、評価サンプルの軸方向の力だけが加わるように評価サンプルを引張試験機で引っ張ることによって、評価サンプルの引張試験を行った。
評価サンプルの伸び（％）は、試験前の固定冶具の間隔２０ｍｍに対する、引張試験において評価サンプルが破断したときの固定冶具の間隔の増加分の割合とした。例えば、評価サンプルが破断したときの固定冶具の間隔が４０ｍｍの場合、伸びは（４０－２０）／２０×１００＝１００（％）となる。
ヒートサイクル試験を１５０℃から１７５℃に温度上昇させるため、温度上昇は約１．２倍となっており、伸びの割合も１．２倍以上を合格基準と設定した。
引張試験における伸び（％）の測定結果を表１に併せて示した。
Figure 0006998557000001
引張試験の結果は、実施例１－１は、Ｓｂ含有率が３ｗｔ％、Ｔｅ含有率が０．０１ｗｔ％、Ｚｎ含有率が０．００５ｗｔ％で１２２％であり、実施例１－２は、Ｓｂ含有率が１５ｗｔ％、Ｔｅ含有率が０．０１ｗｔ％、Ｚｎ含有率が０．００５ｗｔ％で１２０％であった。
これらは、Ｚｎを含有しない比較例１－１における８７％の伸びと、比較例１－２における９０％の伸びに比べて良好な結果であった。
同様に、実施例１－３は、Ｓｂ含有率が３ｗｔ％、Ｔｅ含有率が０．０１ｗｔ％、Ｃｏ含有率が０．００５ｗｔ％で１２３％であり、実施例１－４は、Ｓｂ含有率が１５ｗｔ％、Ｔｅ含有率が０．０１ｗｔ％、Ｃｏ含有率が０．００５ｗｔ％で１１９％であった。
また、実施例１－５は、Ｓｂ含有率が３ｗｔ％、Ｔｅ含有率が０．０１ｗｔ％、Ｃｒ含有率が０．００５ｗｔ％で１１８％であり、実施例１－６は、Ｓｂ含有率が１５ｗｔ％、Ｔｅ含有率が０．０１ｗｔ％、Ｃｒ含有率が０．００５ｗｔ％で１１５％であった。
さらに、実施例１－７は、Ｓｂ含有率が３ｗｔ％、Ｔｅ含有率が０．０１ｗｔ％、Ｚｎ含有率が０．００５ｗｔ％、Ｃｏ含有率が０．００５ｗｔ％、Ｃｒ含有率が０．００５ｗｔ％で１２４％であり、実施例１－８は、Ｓｂ含有率が１５ｗｔ％、Ｔｅ含有率が０．０１ｗｔ％、Ｚｎ含有率が０．００５ｗｔ％、Ｃｏ含有率が０．００５ｗｔ％、Ｃｒ含有率が０．００５ｗｔ％で１２６％であった。
これらは、Ｚｎ，Ｃｏ、Ｃｒを含有せずＴｅの含有量を増加させた比較例１－３の８９％、比較例１－４の９１％より良好な結果であった。
＜結果＞
上記の結果より、実施例１－１から１－６では、比較例で最も伸びの値が大きかった比較例１－４の９１％に対して、１．２倍の１０９％以上の伸びが得られたことより合格基準を満たしていた。
このことから、ＳｎにＳｂとＴｅだけでなくＺｎ、Ｃｏ、Ｃｒからなる群の少なくとも一種の元素を添加することによって、高温での伸びが効果的に向上することが明らかになった。ＴｅとＺｎ、Ｃｏ、Ｃｒの少なくとも一元素を添加することで、ＴｅのＳｎ相への固溶と、これにより生じたＳｎＴｅ相へのＺｎ、Ｃｏ、Ｃｒの少なくとも一元素の固溶とが生じる。このため、Ｔｅだけを添加したＳｎＳｂ系はんだと比較して、より高温での伸びが向上したものと考えられる。これにより、ヒートサイクル時に発生する繰返し応力を吸収することができ、接合構造体の高信頼性を実現することができる。
（実施例２）
接合構造体の実施例２－１から２－３６は、はんだ合金１０５の組成がＳｂ含有率３ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下、Ｔｅ含有率０．０１ｗｔ％以上１．５ｗｔ％以下、Ｚｎ含有率０．００５ｗｔ％以上１ｗｔ％以下、および、残部がＳｎの合金を用い作製した。
実施例２では、実施例１で確認したはんだ合金の高温伸びの向上が、実際のパワーモジュールに近い実装構造体において、高信頼性を実現することを検証した。また、各添加元素であるＳｂ、Ｔｅ、Ｚｎの含有量を変化させて効果が発現する元素範囲を確認した。
Ｓｂ含有率は、ＳｎＳｂ化合物による析出強化の効果が得られる添加量とした。ＴｅおよびＺｎの添加量は、はんだ合金に固溶し固溶強化の効果が得られる最小量と、固溶限を越えて析出しない最大量を添加量し、ヒートサイクル試験を実施した。それぞれの組成範囲において、析出強化と固溶強化の両方の組織強化が可能となる。また、実施例３から５においても、同様の組成範囲で検証を行った。
はじめに、はんだ合金１０５と、半導体素子１０１と、回路基板１０６とを準備した。半導体素子１０１には、縦の長さが１０ｍｍ、横の長さが１０ｍｍであり、かつ、０．２ｍｍの厚みを有するシリコンチップ１０２の下面にＴｉからなるオーミック層１０３が設けられ、さらにＴｉからなるオーミック層１０３の下面にＮｉからなるメタライズ層１０４が設けられたものを準備した。回路基板１０６には、縦の長さが２０ｍｍ、横の長さが２０ｍｍであり、かつ、１ｍｍの厚みを有する、銅からなるリードフレームを有し、リードフレーム１０７の表面に、１μｍの厚さを有するＮｉからなるめっき層１０８が設けられているものを準備した。
次に、準備した回路基板１０６のＮｉからなるめっき層１０８の上に０．１ｍｍの厚さを有するはんだ合金１０５を載せ、さらに、はんだ合金１０５とＮｉからなるメタライズ層１０４とが接するように、はんだ合金１０５の上に半導体素子１０１を設置し、毎分１０℃ずつ温度を上昇させながら、室温から３００℃までの加熱を行った。３００℃において１分保持した後、毎分１０℃ずつ温度を低下させながら３００℃から室温までの冷却を行うことにより、接合構造体２０１を製造した。
（比較例２）
比較例２－１と比較例２－２は、はんだ合金の組成が、Ｓｂ含有率７ｗｔ％、Ｔｅ含有率０．０１ｗｔ％以上１．５ｗｔ％以下、残部がＳｎの合金を用い作製した。
比較例２－３から比較例２－１２は、はんだ合金の組成が、Ｓｂ含有率２ｗｔ％と１６ｗｔ％、Ｔｅ含有率０．０１ｗｔ％以上１．５ｗｔ％以下、Ｚｎ含有率０．００５ｗｔ％以上１ｗｔ％以下、および、残部がＳｎの合金を用い作製した。
＜評価＞
作製した実施例２－１～２－３６および比較例２－１～２－１２の接合構造体は、半導体用封止樹脂にてモールドを施した後に、ヒートサイクル試験を行い、耐クラック性の評価を行った。ヒートサイクル試験は液槽試験槽を用いて－４０℃、１７５℃各５分を１サイクルとし、５００サイクル行った。試験後のサンプルを超音波顕微鏡で観察し、剥離面積を接合面積で割ってクラック率を算出した。クラック率が２５％以上だとシリコンチップの発熱をリードフレームに効率的に逃がせなくなるため、２５％以上を×、２５％未満から１０％以上を○、１０％未満を◎とした。
各はんだ合金組成とヒートサイクル試験後のクラック率と判定結果を表２に併せて示した。
Figure 0006998557000002
表２に示すように、実施例２－１から２－３６のＳｂ含有率が３ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下、Ｔｅ含有率が０．０１ｗｔ％以上１．５ｗｔ％以下、Ｚｎ含有率が０．００５ｗｔ％以上１ｗｔ％以下の場合、クラック率が２５％未満で良好な結果が得られた。
さらに、実施例２－２、２－３、２－６、２－７、２－１４、２－１５、２－１８、２－１９、２－２６、２－２７、２－３０、２－３１に示すとおり、Ｓｂ含有率が３ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下、Ｔｅ含有率が０．０５ｗｔ％以上０．５ｗｔ％以下、Ｚｎ含有率が０．００５ｗｔ％以上０．１ｗｔ％以下の場合、クラック率が１０％未満となり非常に良好な結果が得られた。
一方、比較例２－１、２－２に示すとおり、Ｚｎ含有率が０ｗｔ％の場合、クラック率が３４％、３１％となり判定は×であった。
比較例２－３に示すとおり、Ｚｎ含有率が１．５ｗｔ％の場合、クラック率が２９％となり、判定はバツであった。
比較例２－４に示すとおり、Ｚｎ含有率が０．００１ｗｔ％の場合、クラック率が２５％となり、判定は×であった。
比較例２－５から２－１２のように、Ｓｂ含有率が、２ｗｔ％、１６ｗｔ％の場合もクラック率が２５％以上となり、判定は×であった。
＜考察＞
ＳｎＳｂ系のはんだの場合、ＳｎＳｂ化合物が形成され、はんだ中に分散されることで、分散強化によって、はんだの信頼性が向上している。実施例２－１から２－３６のようにＳｎにＳｂとＴｅとＺｎとを含有することで、ＳｂＳｎ化合物が微細に分散され、さらに、ＴｅとＺｎがＳｎに固溶することで、転位が発生し高温での伸びが向上したと推測される。
比較例２－１、２－２に示すとおり、Ｚｎを添加せずＴｅだけの添加では、ＺｎとＴｅと添加した場合より、信頼性が低下している。これは、Ｓｎにイオン半径の異なる２種の元素を固溶させた場合と比較して、転位が少ないため高温伸びが向上せず、信頼性の向上には至らなかったと推測される。
比較例２－３に示すとおり、Ｚｎ含有率が１．５ｗｔ％の場合、Ｚｎ含有率が多いため、Ｓｎに固溶し切れずＺｎ合金が析出し、信頼性の向上には至らなかったと推測される。
一方、比較例２－４に示すとおり、Ｚｎ含有率が０．００１ｗｔ％の場合、Ｚｎ含有率が少なく、Ｚｎ添加の効果が得られなかったと推測される。
比較例２－５から２－８に示すとおり、Ｓｂ含有率が２ｗｔ％の場合、ＴｅとＺｎを添加してもヒートサイクルの判定は×であった。これは、ＳｎＳｂ化合物が少なく、分散強化の効果が低いためと推測される。
比較例２－９から２－１２に示すとおり、Ｓｂ含有率が１６ｗｔ％の場合、ＴｅとＺｎを添加してもヒートサイクルの判定は×であった。これは、Ｓｂが１５ｗｔ％を上回る場合には、ＳｎＳｂ化合物の析出により強度が向上するが、はんだ合金の延性が低下するために、耐クラック性が低下したと推測される。
これらの結果より、Ｓｂ含有率が３ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下、Ｔｅ含有率が０．０１ｗｔ％以上１．５ｗｔ％以下、Ｚｎ含有率が０．００５ｗｔ％以上１ｗｔ％以下の場合、信頼性が向上することが分かった。
さらに、Ｓｂ含有率が３ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下、Ｔｅ含有率が０．０５ｗｔ％以上０．５ｗｔ％以下、Ｚｎ含有率が０．００５ｗｔ％以上０．１ｗｔ％以下の場合、クラック率が１０％未満となり非常に良好な結果が得られた。
（実施例３、４）
実施例２では、実施例１で確認したはんだ合金の高温伸びの向上が、実際のパワーモジュールに近い実装構造体において、高信頼性を実現することを検証した。また、各添加元素であるＳｂ、Ｔｅ、ＣｏもしくはＣｒの含有量を変化させて効果が発現する元素範囲を確認した。
実施例３では実施例２のＺｎをＣｏに変更し、実施例４では、実施例２のＺｎをＣｒに変更し、それ以外は実施例２と同条件で接合構造体の作製とヒートサイクル試験を実施した。
（比較例３、４）
比較例３では比較例２のＺｎをＣｏに変更し、比較例４では、比較例２のＺｎをＣｒに変更し、比較例２と同条件で接合構造体の作製とヒートサイクル試験を実施した。
各はんだ合金組成とヒートサイクル試験後のクラック率と判定結果を表３、表４に併せて示した。
Figure 0006998557000003
Figure 0006998557000004
結果として、実施例２と同様に、実施例３では、Ｓｂ含有率が３ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下、Ｔｅ含有率が０．０１ｗｔ％以上１．５ｗｔ％以下、Ｃｏ含有率が０．００５ｗｔ％以上１ｗｔ％以下の場合、信頼性が向上することが分かった。
さらに、Ｓｂ含有率が３ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下、Ｔｅ含有率が０．０５ｗｔ％以上０．５ｗｔ％以下、Ｃｏ含有率が０．００５ｗｔ％以上０．１ｗｔ％以下の場合、クラック率が１０％未満となり非常に良好な結果が得られた。
実施例４においても、Ｓｂ含有率が３ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下、Ｔｅ含有率が０．０１ｗｔ％以上１．５ｗｔ％以下、Ｃｒ含有率が０．００５ｗｔ％以上１ｗｔ％以下の場合、信頼性が向上することが分かった。
さらに、Ｓｂ含有率が３ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下、Ｔｅ含有率が０．０５ｗｔ％以上０．５ｗｔ％以下、Ｃｒ含有率が０．００５ｗｔ％以上０．１ｗｔ％以下の場合、クラック率が１０％未満となり非常に良好な結果が得られた。
このように、添加元素にＺｎ、Ｃｏ、Ｃｒを用いることで、信頼性が向上することが確認された。
（実施例５）
実施例５では、実施例１で確認したはんだ合金の高温伸びの向上が、実際のパワーモジュールに近い実装構造体において、高信頼性を実現することを検証した。また、各添加元素であるＳｂ、Ｔｅ、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｃｒの全てを添加し、含有量を変化させて効果が発現する元素範囲を確認した。実施例５では、実施例２から実施例４で得られた結果より、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｃｒの総添加量が０．００５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下となるようにし、実施例１で行った組成範囲を含むように元素の上下限の組成を決め検証を行っている。
（比較例５）
比較例５では比較例２のようにＺｎだけでなく、Ｃｏ、Ｃｒも添加したはんだ合金に変更し、比較例２と同条件で接合構造体の作製とヒートサイクル試験を実施した。
各はんだ合金組成とヒートサイクル試験後のクラック率と判定結果を表５に併せて示した。
Figure 0006998557000005
結果として、実施例５－１から５－８に示すとおり、Ｓｂ含有率３ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下、Ｔｅ含有率０．０１ｗｔ％以上１．５ｗｔ％以下、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｃｒ含有量の総量が０．００５ｗｔ％以上、１ｗｔ％以下の場合にクラック率が２５％以下１０％以上となり判定が○であった。
一方、比較例５－１から５－８に示すとおり、Ｓｂ含有量が２ｗｔ％、１６ｗｔ％の場合、Ｔｅ含有量が０．０１ｗｔ％以上１．５ｗｔ％以下、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｃｒを含有していてもクラック率は２５％以上となり、判定は×であった。
Ｓｂ含有率が２ｗｔ％の場合、ＳｎＳｂ化合物が少なく、分散強化の効果が低いためと推測される。Ｓｂ含有率が１６ｗｔ％の場合、ＳｎＳｂ化合物の析出により強度が向上するが、はんだ合金の延性が低下するために、耐クラック性が低下したと推測される。
実施例１から３の結果より、Ｓｂ含有率が３ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下、Ｔｅ含有率が０．０１ｗｔ％以上１．５ｗｔ％以下、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｃｒのいずれか１種の元素の含有率が０．００５ｗｔ％以上１ｗｔ％以下であり、残部がＳｎの場合、信頼性が向上することが分かった。
なお、本開示においては、前述した様々な実施の形態及び／又は実施例のうちの任意の実施の形態及び／又は実施例を適宜組み合わせることを含むものであり、それぞれの実施の形態及び／又は実施例が有する効果を奏することができる。
本発明に係るはんだ合金および接合構造体によれば、高温での伸びが改善し、接合構造体の耐クラック性が向上するため、パワーモジュール等の半導体素子の接合の用途に適用することができる。
１０１ 半導体素子
１０２ シリコンチップ
１０３ オーミック層
１０４ メタライズ層（第１金属層）
１０５ はんだ合金
１０６ 回路基板
１０７ リードフレーム
１０８ めっき層（第２金属層）
２０１ 接合構造体
２０２ 合金層
２０３ はんだ接合層

Claims (6)

  1. Ｓｂの含有率が３ｗｔ％以上１５ｗｔ％以下、且つ、
    Ｔｅの含有率が０．０１ｗｔ％以上１．５ｗｔ％以下、且つ、
    Ｚｎ、Ｃｏ、Ｃｒからなる群の少なくとも１種の元素の含有率が０．００５ｗｔ％以上１ｗｔ％以下であり、残部がＳｎであり、
    前記Ｚｎと前記Ｃｏと前記Ｃｒの元素の含有率の合計が０．００５ｗｔ％以上１ｗｔ％以下である、はんだ合金。
  2. 前記Ｚｎの含有率が０．００５ｗｔ％以上１ｗｔ％以下である、請求項１に記載のはんだ合金。
  3. 前記Ｃｏの含有率が０．００５ｗｔ％以上１ｗｔ％以下である、請求項１に記載のはんだ合金。
  4. 前記Ｃｒの含有率が０．００５ｗｔ％以上１ｗｔ％以下である、請求項１に記載のはんだ合金。
  5. 第１金属層を含む半導体素子と、
    第２金属層を含む回路基板と、
    前記半導体素子の前記第１金属層と前記回路基板の前記第２金属層とを接合する、ＳｎとＳｂとＴｅとを含むと共に、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｃｒからなる群の少なくとも１種の元素を含むはんだ接合層と、
    を含み、
    前記半導体素子の前記第１金属層と前記はんだ接合層との界面、および、前記回路基板の前記第２金属層と前記はんだ接合層との界面にＳｎＮｉ合金またはＳｎＣｕ合金が含まれ、
    前記はんだ接合層は、請求項１から４のいずれか一項に記載のはんだ合金である、接合構造体。
  6. 前記ＳｎＮｉ合金またはＳｎＣｕ合金が、Ｔｅ、Ｚｎ、Ｃｏ、Ｃｒからなる群の少なくとも１種の元素を含む、請求項５に記載の接合構造体。
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