JP2006088204A

JP2006088204A - 非鉛系はんだ材

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Publication number: JP2006088204A
Application number: JP2004278254A
Authority: JP
Inventors: Toshihide Takahashi; 利英高橋; Kazutaka Matsumoto; 一高松本; Izuru Komatsu; 出小松; Kimihiro Tadauchi; 仁弘忠内; Yoshiyuki Fukuda; 悦幸福田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-09-24
Filing date: 2004-09-24
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2024-09-24
Also published as: US20060067853A1; JP4115979B2

Abstract

【課題】クリープ特性に富み、かつ応力緩和に有効な非鉛系はんだ材を提供する。
【解決手段】錫と亜鉛を重量比で錫：亜鉛＝８８：１２〜８０：２０で含むことを特徴とする非鉛系はんだ材。
【選択図】なし

Description

本発明は、非鉛系はんだ材、特に錫をベースとしてクリープ性に富んだ特性を有する非鉛系はんだ材に関する。また本発明は、良好な引張り強度と破断伸びを備える非鉛系はんだ材に関する。

現在、非鉛系はんだは、錫・銀・銅系合金を中心に実用化の段階に到達しており、今後数年で多くのセットメーカーで非鉛系はんだの代替は完了することが予定されている。しかし、これら従来の鉛フリー化技術はプリント配線基板に電子部品を搭載する際に用いられる接合材を対象としたものが殆どで、電子部品の電極めっきや内部接合材に含まれている鉛に対しての鉛フリー化技術はまだまだ未熟である。そのため、これら電子部品に含まれる鉛を含めた電子機器製品内に存在する全ての鉛に対して、完全鉛フリー化を進めて行くことが今後さらに求められる。

例えば、パワートランジスタ等のような高電圧・高電流が負荷され大きな発熱を伴う半導体装置では、放熱機能が必須となることより、デバイス内にヒートシンクが使用される。また、パワー半導体素子を搭載する基板には、高熱伝導かつ絶縁体であるセラミックス材料が使用される。このセラミックス基板と、銅を主成分とするヒートシンクとのパワーデバイス内の接合材には、従来は錫・鉛共晶はんだが使用されていた。この場合、セラミックス基板とヒートシンク用の銅は熱膨張係数が大きく異なるため、錫・鉛共晶はんだの融点である１８３℃から室温まで冷却した際に、セラミックス基板と銅板とを接合するはんだ材内に熱応力が発生する。ところが、これまでは錫・鉛共晶はんだがクリープし易いという特性より、発生した熱応力を緩和することが可能であった。

しかし、鉛・錫共晶はんだに代えて、錫・銀・銅系合金を用いた場合、その耐クリープ性より、はんだ内に発生した応力が緩和されず、セラミックス基板の反りを招くという問題が生じていた。そのため、第1の課題として、かかる問題を解決できる新たな非鉛系はんだ材が望まれていた。

一方、はんだの無鉛化が求められている状況にあって、電子部品のプリント配線板への実装用代替はんだとしてＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ組成、Ｓｎ−３Ａｇ−１Ｂｉ−３Ｉｎ組成、Ｓｎ−３Ａｇ−１Ｂｉ組成などが提唱されている。しかし、これらのはんだの引張り強度は錫−鉛共晶はんだ以上の値を示すが、破断伸びは低くなる傾向にあることから、デバイス内部の接合に広く用いるには改善の余地が残されていた。そのため、第２の課題として、良好な引張り強度と破断伸びを備える非鉛系はんだ材が求められていた。

前述の課題を解決する手段として、非特許文献１では、Ｓｎ−３．０ｍａｓｓ％Ａｇ−０．５ｍａｓｓ％Ｃｕ合金及びＳｎ−８．０ｍａｓｓ％Ｚｎ−３．０ｍａｓｓ％Ｂｉ合金のクリープ特性をＳｎ−３７ｍａｓｓ％Ｐｂ合金と比較が行われている。しかし、基礎実験に留まり、工業上利用できる応力緩和に有望な合金の提案にまでは至ってない。

本発明の目的は、クリープ特性に富み、かつ応力緩和に有効な非鉛系はんだ材を提供することにある。
加我他、「Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系鉛フリーはんだの応力緩和と寿命曲線」、第９回エレクトロニクスにおけるマイクロ接合・実装シンポジウム論文集、９（２００３）、３４５−３５０特開２００１−２４６４９３号公報

本発明の第１の特徴は、錫と亜鉛を重量比で錫：亜鉛＝８８：１２〜８０：２０で含むことを要旨とする。

本発明によれば、クリープ特性に富み、かつ応力緩和に有効な非鉛系はんだ材が提供される。

以下に、実施形態を挙げて本発明の説明を行うが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

（第１の実施形態）
本発明者らは、種々の金属材料について研究を重ねた結果、
（１）錫（Ｓｎ）−亜鉛（Ｚｎ）系はんだ材、（２）錫（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）系はんだ材、（３）錫（Ｓｎ）−銅（Ｃｕ）系はんだ材がクリープ特性に富んだ非鉛系はんだ材として有用であることを見出した。第１の実施形態にかかる非鉛系はんだ材によれば、低応力下においてもひずみ速度が速くクリープ性に富んだ特性を有するため、熱膨張係数の異なる基板、例えば、セラミックス基板と銅板とを接合した際に発生する熱応力を緩和し、基板の反り等を防止できる。以下これらのはんだ材について説明する。

（１）錫（Ｓｎ）−亜鉛（Ｚｎ）系はんだ材
錫−亜鉛共晶組成はんだ材は、融点が錫及び亜鉛よりも低く、また溶融状態での表面張力も錫及び亜鉛よりも小さい。さらに、他の非鉛系はんだ材に比べて融点が低く、錫・鉛共晶はんだ材の融点に近いため、従来の錫・鉛はんだ材と同じ接合温度で作業ができる。また、錫−鉛系はんだ材に比べ、錫−亜鉛系はんだ材は、導電性が高く、通電による発熱が少ないため、導電接合のエネルギー消費や熱対策の点でも有利である。

錫と亜鉛の重量比は、Ｓｎ：Ｚｎ＝８８：１２〜８０：２０が好ましい。錫と亜鉛の重量比が８０：２０より亜鉛の割合が高くなると、固相線温度が１９９℃で一定であるにも関わらず、液相線温度が上昇してはんだ付温度で十分に溶融しがたくなるからである。また、錫と亜鉛の重量比が８８：１２より亜鉛の割合が低くなると、共晶組成に近づき固相線温度と液相線温度の差が小さくなる。そのため、固相線温度と液相線温度の差が広域の場合に比べ、接合部全体にわたり凝固反応が速やかに行われるため接合部での残留応力が増大するからである。なかでも、錫と亜鉛の重量比は、Ｓｎ：Ｚｎ＝８６：１４〜８３：１７が好ましい。なお、亜鉛含有量の上限値は、示差走査熱量計（ＤＳＣ）を用いて１０℃／分の昇温速度において測定した表１、２に示す液相線温度から求めた値である。

また、錫と亜鉛の重量比が、Ｓｎ：Ｚｎ＝８８：１２〜８０：２０の錫・亜鉛系はんだ材は、その線膨張係数が、錫単体、亜鉛単体及び現行の鉛含有はんだ材（９５Ｐｂ−３．５Ｓｎ−１．５Ａｇ）よりも小さく、銅の線膨張係数（１．６２××１０^−５［１／Ｋ］）に近い。したがって、はんだ付する部分が銅製のデバイスや装置にこのタイプの錫・亜鉛はんだ材を用いると、昇温・降温の繰り返しによって発生する熱応力が軽減され、クラックの発生も抑制できる。

銅は、半導体デバイスの基板電極や部品のリード線に用いられるので、この錫・亜鉛はんだ材はパワー半導体素子を含んだデバイス及び装置の接合材料として特に有用である。また、銅以外の線膨張係数が小さい金属、例えば、鉄、ニッケル等で形成された部材の接合に用いた場合にも同様に有用である。

次に、ＪＩＳ規格ＪＩＳＺ２２４１（９８）、ＪＩＳＧ０５６７（９８）に基づき、厚さ４．００ｍｍ×幅５．００ｍｍ×標点距離２５．０ｍｍの試験片を用いて引張り試験を行い、錫・亜鉛系はんだ材の引張り特性を検討した。得られた結果を表２に示す。なお、ひずみ速度は、応力１０ＭＰａ時における定常ひずみ速度である。

応力１０MPａ時のひずみ速度は、錫と亜鉛との重量比が８８：１２である試料１０が共晶組成である試料９よりも高かった。また、０．２％耐力は錫と亜鉛との重量比が８８：１２である試料１０が最も低かった。このことより、共晶組成はんだ材よりも、錫と亜鉛との重量比が８８：１２であるはんだ材の方が低応力下において変形しやく、クリープ特性に富むことがいえた。つまり、パワーデバイス内に発生する熱応力を緩和することを目的とした場合、これらのクリープ特性に富んだはんだ材を使用することが好ましいことがいえた。

（２）錫（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）（−銅（Ｃｕ））系はんだ材
現在、錫・銀・銅系はんだ材は、非鉛系はんだ材として最も実用に適したはんだ材である。しかし、背景技術の欄で述べたように汎用的に用いられているＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ系はんだ材をそのままパワーデバイスの接合材に使用するのは不適である。これは、はんだ材組織中に金属間化合物であるＡｇ_３Ｓｎが晶出するか、または、錫・銀・銅共晶組成が硬いことから、はんだ材の機械的強度が増し、変形能をもたないため応力緩和が起こらないためである。しかし、銀の割合を低くすることにより、やわらかくクリープ特性に富んだはんだ材が得られる。

具体的には、錫と銀との重量比が、Ｓｎ：Ａｇ＝９９．９：０．１〜９８．０：２．０に配合することが都合がよい。また、錫と銀の合計と銅の重量比が、（Ｓｎ+Ａｇ）：Ｃｕ＝９９．９：０．１〜９９．５：０．５となるように配合することがさらに都合がよい。また、二元系はんだ材である錫・銀系はんだ材に対しても、同様に低銀化することによりクリープ特性を増大させることが可能である。具体的には、錫と銀との重量比を、Ｓｎ：Ａｇ＝９９．９：０．１〜９９：１となるように配合することが好ましい。また、錫・亜鉛系はんだ材の場合と同様、低銀化することにより液相線温度と固相線温度の差が増大し、凝固過程を徐々に進行させ残留応力を低減することができる。

（３）錫（Ｓｎ）−銅（Ｃｕ）系はんだ材
錫・銅系はんだ材は、共晶組成が錫と銅の重量比でＳｎ：Ｃｕ＝９９．３：０．７となり、大部分が錫で占められる。そのため、共晶組成からなる錫・銀系はんだ材、錫・亜鉛系はんだ材、錫・銅系はんだ材のクリープ特性を比較した場合、錫・銅系共晶はんだ材が最も富んだクリープ特性を示す。しかし、錫・銅系共晶はんだ材は、通常の実装条件での冷却速度でもって凝固した際には、過冷却によりはんだ内には硬く、脆い特性を有する金属間化合物のη相（Ｃｕ_６Ｓｎ_５）が晶出する。η相の晶出を完全になくすためには、銅の割合を低くし、亜共晶組成にすることが有効である。具体的には、錫と銅との重量比が、Ｓｎ：Ｃｕ＝９９．９：０．１〜９９．５：０．５に配合することが好ましい。この組成比を持つはんだ材を汎用的な冷却速度でもって冷却させた場合、錫・銅共晶組織およびβ-Sn相から構成される金属組織が観察され、金属間化合物の晶出を抑制することができる。

（第１の実施形態の変形例）
（４）錫（Ｓｎ）−亜鉛（Ｚｎ）−銀（Ａｇ）系はんだ材
錫・亜鉛系はんだ材は、上述のようにクリープ特性に富んだはんだ材であり、また接合温度、線膨張係数の点においても、パワーデバイスの内部接合材としての使用に適している。さらに、錫・亜鉛系はんだ材に銀を添加することにより、ぬれ性が向上する。

錫と亜鉛の重量比が、Ｓｎ：Ｚｎ＝８８：１２〜８０：２０のときに、錫及び亜鉛の合計と銀との重量比が、（Ｓｎ＋Ｚｎ）：Ａｇ＝９９．９９：０．０１〜９５：５となるように配合することが好ましい。この錫・亜鉛・銀はんだ材は、溶融時の表面張力が小さく、良好なぬれ性を有する。

銀の割合が上記範囲外であると、共晶相中の銀の割合が高くなり共晶相がより強靭となるか、または金属間化合物であるＡｇ_３Ｓｎが晶出することとなり、従来のクリープ特性に富むという特性が失われるので好ましくない。

したがって、銀の割合は、銀及び亜鉛の合計と銀との重量比で、（Ｓｎ＋Ｚｎ）：Ａｇ＝９９．９９：０．０１〜９５：５、好ましくは９９：１〜９７：３が都合がよい。

（５）錫（Ｓｎ）−亜鉛（Ｚｎ）−銅（Ｃｕ）系はんだ材
錫・亜鉛系はんだ材の固相線温度は約１９９℃であり、現行の錫・鉛共晶はんだ材での接合温度で作業可能である。さらに、錫・亜鉛系はんだ材において、銅の添加は亜鉛と同様に融点低下に作用する。

具体的には、錫と亜鉛との重量比は、Ｓｎ：Ｚｎ＝８８：１２〜８０：２０であり、錫及び亜鉛の合計と銀との重量比が、（Ｓｎ＋Ｚｎ）：Ｃｕ＝９９．９：０．１〜９９．５：０．５であることが好ましい。この組成の錫・亜鉛・銅系はんだ材の固相線温度は１９４℃である。銅の割合が上記範囲以外であると、銅の添加は同時に機械的強度、特に引張り強度向上に寄与するため、錫・亜鉛系はんだ材が有する本来のクリープ特性を失う点で好ましくない。したがって、銅の割合は、錫及び亜鉛の合計と銀との重量比で、（Ｓｎ＋Ｚｎ）：Ｃｕ＝９９．９：０．１〜９９．５：０．５、好ましくは９９．９：０．１〜９９．７：０．３が都合がよい。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、第１の被接合体と、第１の被接合体とは熱膨張率が異なる第２の被接合体とを接合するためのはんだ材であって、錫と亜鉛とを含み、第１の被接合体に接する面の亜鉛含有量が、前記第２の被接合体に接する面の亜鉛含有量よりも大きい非鉛系はんだ材に関する。第２の実施形態は、良好な引張り強度と破断伸びを備えるといった作用効果を有する。以下図１を参照しながら第２の実施形態を説明する。

図１に示されるようにパワー半導体装置は、第１の被接合体２上に、非鉛系非鉛系はんだ材４と金属回路板６を挟んで第２の被接合体８が配置されている。さらに、第２の被接合体８上には、金属回路板１０ａと、金属回路板１０ａ上に配置され、高温系はんだ材１４ａ、１４ｂが埋め込まれたソルダーレジスト１２ａ，１２ｂと、高温系はんだ１４ａ，１４ｂ上に配置されたパワー半導体ペレット１６ａ，１６ｂとを備えるパワー半導体素子２０ａ，２０ｂが搭載されている。

パワートランジスタ等のようなパワー半導体ペレット１６ａ、１６ｂは、高電圧、高電流の負荷により大きな発熱を生じる。そのため、パワー半導体ペレット１６ａ、１６ｂを搭載したパワー半導体装置の作動・停止によって昇温・降温が繰り返されると、材料の線膨張率の違いによって熱応力が発生し、パワー半導体装置中の部品接合部に歪を生じる。昇温が激しい場合には接合部を構成する高温系はんだ材１４ａ，１４ｂが溶融する。そして溶融によりクラック、破断等の物理的損傷が生じると、パワー半導体装置の性能が変化する。つまり、熱疲労の影響が大きい。そのため、パワー半導体ペレット１６ａ、１６ｂで発生する熱を効率良く逃がすために第１の被接合体２と呼ばれる主に銅あるいは銅合金で加工された金属板（ヒートシンク）がパワー半導体装置の下部に取り付けられている。しかし、パワー半導体ペレット１６ａ、１６ｂを直接搭載する第２の被接合体８はパワー半導体装置全体の強度を保つためにアルミニウムあるいは珪素の酸化物や窒化物が用いられている。そのため、第１の被接合体２側との線膨張率が大きく異なり、２〜１０倍近い差が生じる（例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は４×１０^−６／Ｋに対して銅（Ｃｕ）は１７．７×１０^−６／Ｋ）。

この場合、従来用いられた錫―鉛（Ｓｎ−Ｐｂ）共晶はんだは、常温から１２５℃までの優れていた延性特性を有している。つまり、はんだ材を加熱溶融し第１の被接合体２と第２の被接合体８とを接合した後、冷却工程で第１の被接合体２と第２の被接合体８との収縮差が大きくなっても変形能により追随できる。そのため、接合部でのクラックの発生が少なくパワー半導体装置の信頼性確保に活かされていた。しかしながら、最近の環境問題に対処する観点から、鉛を含有するはんだ材は用いることはできない。

そこで、種々の金属材料について研究を重ねた結果、本発明者らは、錫（Ｓｎ）−亜鉛（Ｚｎ）系はんだ材を、一対の接合対象部位において傾斜的に片側の接合面からもう一方の接合面に向かって亜鉛の含有量が変化する錫−亜鉛系はんだ材が、変形能を有するはんだ材として有用であることを見出した。即ち、錫−亜鉛系はんだ材を亜鉛の含有量を傾斜的に変化させ変形能を付加した構造とし、膨張率の異なる一対の接合面の間に挟みこみ接合材料として用いることが有用であることを見出した。これは、パワー半導体装置の膨張率の小さい第２の被接合体８側に変形能の小さい亜鉛含有量の多い組成の合金を配置させ、また、膨張率の大きい第１の被接合体２側に変形能の大きい亜鉛含有量が相対的に少ない組成の合金をそれぞれ層状に配置させることによって実現できる。具体的には、パワー半導体装置の膨張率の小さい第２の被接合体８側に用いる変形能の小さい合金の亜鉛含有量をＸ（ｍａｓｓ％）、また、膨張率の大きい第１の被接合体２側に用いる変形能の大きい合金の亜鉛含有量をＹ（ｍａｓｓ％）とするとき、次の２つの式を同時に満たすことが接合体としての信頼性を確保する上で好ましい。

２３≦Ｘ≦４０・・・・・・（１）
０≦Ｙ≦（Ｘ−２３）・・・・・・（２）
ここで、（１）式は、パワー半導体装置の構造として、第２の被接合体８側を上部、第１の被接合体２側を下部とした場合、パワー半導体装置の上部側の第２の被接合体８と接する非鉛系はんだ材４の最上層部の亜鉛含有量がＸ（ｍａｓｓ％）であることを示している。また、（２）式は、デバイス下部側の第１の被接合体２と接する非鉛系はんだ材４の最下層の亜鉛含有量Ｙ（ｍａｓｓ％）がＸの従属変数として変化することを示している。Ｘの値が２３より下回ると傾斜材料的な効果が薄れ、また、Ｘの値が４０より上回ると非鉛系はんだ材４の延性が著しく小さくなるため、（１）式の範囲にあることが好ましい。さらに、（１）式で示されるＸの値の範囲で傾斜材料的な構造を保つためにはシートはんだの場合、Ｙの値は（２）式の値の範囲にあることがプロセスコントロールのしやすさから好ましい。

錫−亜鉛系合金は、酸素濃度１００ｐｐｍ以下の低酸素雰囲気であれば圧接しながらシート状に加工できる。そのため、はんだ材の構成として異なる２組成のシートを層状に配置させるだけでなく、３層、４層といった多層の異なる組成を傾斜的に配置させることでより変形能を高めることが（１）及び（２）式を満たす範囲で可能となる。

例えば、（１）及び（２）式を満たすＸ＝３０、Ｙ＝５として構成される２層のシート状はんだ材は、溶融過程の装置のプロセス温度を２４０〜２７０℃の範囲内に設定でき、現行のはんだ付装置のプロセス温度コントロール範囲内にあることからコントロールしやすい。

亜鉛を含有するはんだ材が酸化すると、溶融温度が急激に上昇し濡れ性や強度等も極端に低下する。したがって、はんだ材の調製、特に溶融・混合工程は、得られるはんだ材の含有酸素量が１００ｐｐｍ（重量比）以下となるように窒素やアルゴンなどの非酸化雰囲気を用いて酸化を防止しながら行うことが好ましい。また、原料として用いる錫、亜鉛に含まれる酸素を減少させるには、これらの溶融原料に、融点が低く酸素と反応し易いリンやマグネシウム等を脱酸素剤として添加する方法がある。これにより、脱酸素剤と溶融原料中の酸素が化合してスラグとして溶融原料表面に浮遊し、容易に除去することができる。脱酸素剤の使用量は原料の０．０１〜０．１重量％程度が好ましい。このような方法で脱酸素した原料を用いると、含有酸素量が３０ｐｐｍ以下に減少したシート状はんだ材を調製することができる。

調製したはんだ材は、必要に応じ、フラックスをシート状はんだ材の加工後に添加させることにより接合が完了する。フラックスは、化学的作用及び物理的作用を効率よく発現させるべく必要に応じて種々の物質を配合して調製する。

第２の被接合体にはんだ材を服した接合体を形成する方法として、表面の金属が酸化し難い金属で被覆されている場合には、はんだ材を部材表面上で直接加熱溶融することも可能である。一方、銅などのように表面に酸化物が形成されている場合には、水素、メタノール蒸気、エタノール蒸気、プロパノール蒸気等のアルコール蒸気、蟻酸、酢酸等の酸蒸気、アンモニアや水素等の還元性ガスなどを用いた還元処理によって部材表面の酸素量を低下させることで、はんだ付できる。また、デバイスとしてヒートシンクと一体化する方法としては、リフロー加熱やＶＰＳがあり、リフロー加熱では窒素ガス、アルゴンガス等の非酸化雰囲気中または酸素濃度が１０００重量ｐｐｍ以下の低酸素雰囲気中で行うことによって接合面の信頼性が増す。

（はんだ材の使用）
第1及び第2の実施形態にかかる非鉛系はんだ材は、従来のパワー半導体装置の内部接合材の代替物として使用することができる。また、パワー半導体ペレット及びこれを用いた装置において、接合形成、皮膜形成に適した材料である。例えば、パワー半導体装置は、パワー半導体ペレットとして、パワーバイポーラトランジスタ、サイリスタ、ＧＴＯサイリスタ、パワーダイオード、パワーＭＯＳ電界効果トランジスタ（パワーＭＯＳＦＥＴ）などを用いた、パワートランジスタモジュール等のパワーモジュールやパワーＩＣ等の形態に構成される。銅、銀、金、ニッケル、アルミニウム、ＳＵＳステンレス鋼等の単種の金属製の部材だけでなく、合金材及び複合金属材料等の部材の接合についても適用可能である。接合する部材の材質に応じて、部材に予め金属プリコートをメッキや圧着法等によって施してもよく、プリコートの組成やプリコート方法は適宜選択することができる。

また、加工形態として、シート状である非鉛系接合部材において、シート厚さは０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍの範囲内にあり、好ましくは適度な熱伝導性を確保するため０．１ｍｍ以上０．３ｍｍの範囲内が適している。例えば、パワー半導体装置の第２の被接合体のはんだ材と接する側にあらかじめニッケル／金フラッシュめっき・錫めっきなどのめっき層や、タングステン粒子やチタン粒子を配合したペーストを塗布加熱し形成される金属層を貼り付けることで接合部の強度を高めることもできる。一方、はんだ材の組成物と異なるこれらの金属層を第２の被接合体に設けずに、亜鉛リッチ層を直接第２の被接合体に貼り付ける構造としても良いが、この場合はアンカー効果を高めるために第２の被接合体としてのセラミック基板表層に０．５〜１．５μｍの凹凸面を形成した方が好ましい。

以下、実施例により本発明を詳細に説明する。

（実施例１〜８）（比較例１〜５）
（シート状はんだ材の調製）
角型のはんだ溶融槽内に純度９９．９９％以上の錫のインゴット片を投入した。そして、溶融槽の外部に取り付けたヒーターで加熱し、錫インゴットを融解させた。融解の開始とともに窒素を溶融槽の上部に流し続け、窒素雰囲気酸素濃度を５０ｐｐｍ以下となるようにした。融解後、溶湯の温度をフィードバック制御により２５０℃に保った。

次に、表３に示す組成比となるように、純度９９．９９％以上の亜鉛、銀及び銅のインゴット片を溶湯中に加え融解させた。そして、再び溶湯の温度をフィードバック制御により２５０℃に保った。溶湯の一部をはんだ溶融槽から取り出し、室温まで冷却して均一なはんだ材を得た。上記試料のはんだ材を切削加工により断面寸法４．０×５．０ｍｍ、評点間距離２５．０ｍｍとなるように引張り試験片を作成した。

（クリープ特性の評価）
得られた引張り試験片について、破断伸び（％）、ひずみ速度（１／ｓｅｃ）、引張り強さ（Ｎ／ｍｍ^２）、クリープ特性を評価した。

（結果）
Ｓｎ−Ｚｎ系はんだ材：Ｓｎ−Ｚｎ二元系合金は金属間化合物を形成しないという特性が寄与し、Ｚｎ含有量が９〜２０ｍａｓｓ％では、破断伸びの結果が示すように延性の低下は見られなかった。低応力荷重をかけたときのクリープ特性は、１５ｍａｓｓ％ＺｎをピークとしてＳｎ−９Ｚｎ共晶よりも著しく富んだ特性が示された。強度性に関しては、Ｓｎ−Ｚｎ系全般に共通して良好であった。

Ｓｎ−Ａｇ系はんだ材、Ｓｎ−Ｃｕ系はんだ材：Ｓｎ−Ｚｎ系はんだ材とは異なり、過共晶では合金としての強靭性を向上させる金属間化合物が形成された。そのため、クリープ特性の向上を図るために亜共晶が必要になることがいえた。しかし、亜共晶であっても鋳造過程において実用レベルでの冷却速度では過冷却が生じ、部分的な金属間化合物の晶出が生じたものと思われる。そのため、Ｓｎリッチ組成が望まれる。試験結果より、総じて共晶組成より亜共晶側に推移するにつれ、延性（破断伸び結果）、クリープ特性ともに増大した。しかしながら、強度性に関しては、Ｓｎの組成比が増加するとともに、Ｓｎの特性が支配的となり顕著に低下した。そのため、基準値として１０Ｎ／ｍｍ^２を維持するためには、下限条件としては０．１ｍａｓｓ％以上の添加が必要となることがいえた。

（実施例９〜２３）（比較例６〜１３）
（シート状はんだ材の調製）
表５及び６に示す組成比にしたことを除いて、実施例１〜８と同様にして、得られた均一なはんだ材を冷間圧延により、厚さ０．１ｍｍのシート状に加工した。

（ぬれ性試験）
次に、シート状はんだ材のぬれ性を確認するため、長さ１ｍｍ×幅１ｍｍ×厚さ０．１ｍｍのシート状はんだ材を、長さ１５ｍｍ×幅３０ｍｍ×厚さ０．３ｍｍの銅板（予め表面を酸で洗浄した無酸素銅）上に配置した。その後はんだ材をホットプレートにより２５０℃に加熱してはんだ材のぬれ性を確認した。その際、フラックスを用いた場合と、ＲＡフラックスを用いない場合とで実験を行った。

そして、ぬれ面積がシート状はんだ材の初期面積を維持しぬれが起こったものをＡ、ぬれ面積は減少したがぬれが起こったものをＢ、ぬれなかったものをＣとした。

また、３点曲げ試験（荷重容量±１ｋＮ、変位精度０．５μｍ）を行い、シート状はんだ材の接合部の曲げ弾性特性を調べた。長さ１５ｍｍ×幅３０ｍｍ×０．３ｍｍの銅板（予め表面を酸で洗浄した無酸素銅）上の中央に、長さ１ｍｍ×幅１ｍｍ×厚さ０．１ｍｍのシート状はんだ材を接合し、その中央を標点として、冶具の変位速度を０．１ｍｍ／ｓとして測定した。

銅板−シートとはんだ材間の界面が良好な接合状態であったものを○、クラックが生じたものを×とした。

さらに、実際にデバイス接合を想定し、接合温度２５０℃、ＲＡフラックス使用条件で、長さ７０ｍｍ×幅３５ｍｍ×厚さ１ｍｍのセラミックス基板と長さ１００ｍｍ×幅５０ｍｍ×厚さ１０ｍｍの銅板を長さ６５ｍｍ×幅3０ｍｍ×厚さ０．１ｍｍのシート状はんだ材で接合し、その際の反り量を測定した。反り量が錫・鉛共晶はんだと同程度の場合をＡ、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ合金程度もしくはそれ以上の反り量となった場合をＣ、その中間をＢとして評価した。得られた実験結果を表４及び表５に示す。

（効果）
実施例９〜２３により、汎用性が高い原料を用いて安価且つ容易に調整でき、基板の熱膨張係数に起因する熱応力を緩和可能な非鉛系接合材が供給できることが確認された。

（実施例２４〜３９及び比較例１４〜１７）
［試料の調製］
酸素濃度１００ｐｐｍ以下の窒素雰囲気中で、純度９９．９８％の錫、純度９９．９９％の亜鉛を用い、表７の実施例２４〜３９、及び比較例１４〜１７の組合せを有するように各合金を加熱溶融によって作製し、室温まで冷却した後、圧延機でシート状に加工しシート状はんだ材を得た。

［はんだ材の使用］
得られたはんだ材の表面に、ロジン１２ｍａｓｓ％、塩素換算ハロゲン含有量０．１ｍａｓｓ％のイソプロピルアルコールを溶剤とするフラックスを０．０１ｃｃ／ｃｍ^２の割合になるよう滴下した後、第２の被接合体としてのセラミック基板（寸法：３５ｍｍ×７０ｍｍ×１ｍｍｔ）と第１の被接合体（ヒートシンク板／寸法：４０ｍｍ×７５ｍｍ×３ｍｍｔ）としての銅板の間に挟み込んだ。さらに、リフローピーク温度２３０〜２７０℃の範囲で最大２０秒間加熱溶融し、はんだ材を溶融し接合体を得た。このときの反りの発生具合として、厚さ１００μｍの錫／鉛共晶はんだのシートを２枚重ねる他は同じ方法を経て得られた接合体の反り（平均１００μｍ）と比べて＋３０％以内のＡ判定、＋３０〜＋７０％のものをＢ判定、＋７０％以上のもの、あるいは、クラックの発生したものをＣ判定として評価した結果を表７に示す。

なお、表７中のＸ及びＹは、パワー半導体装置の膨張率の小さいセラミック基板側に用いる変形能の小さい合金の亜鉛含有量をＸ（ｍａｓｓ％）、また、膨張率の大きいヒートシンク側に用いる変形能の大きい合金の亜鉛含有量をＹ（ｍａｓｓ％）としている。

以上より、本実施例２４〜３９は、延性の小さな合金を熱膨張率の小さいセラミック側に、延性の大きな合金を熱膨張率の大きい金属側に配置させることで変形能の大きい接合層を形成するため、はんだが鉛フリー化してもパワー半導体装置接合部のクラックを抑制することが可能になることが確認された。

図１は、パワー半導体装置の概略断面側面図を示す、

符号の説明

１…パワー半導体装置
２…第１の被接合体（ヒートシンク）
４…非鉛系はんだ材
６、１０ａ、１０ｂ…金属回路板
８…第２の被接合体（セラミック基板）
１２ａ、１２ｂ…ソルダーレジスト
１４ａ、１４ｂ…高温系はんだ材
１６ａ、１６ｂ…パワー半導体ペレット

Claims

錫と亜鉛を重量比で錫：亜鉛＝８８：１２〜８０：２０で含むことを特徴とする非鉛系はんだ材。
錫と銀を重量比で錫：銀＝９９．９：０．１〜９８．０：２．０で含むことを特徴とする非鉛系はんだ材。
錫と銅を重量比で錫：銅＝９９．９：０．１〜９９．５：０．５で含むことを特徴とする非鉛系はんだ材。
第１の被接合体と、前記第１の被接合体とは熱膨張率が異なる第２の被接合体とを接合するためのはんだ材であって、
錫と亜鉛とを含み、
前記第１の被接合体に接する面の亜鉛含有量が、前記第２の被接合体に接する面の亜鉛含有量よりも大きいことを特徴とする非鉛系はんだ材。
前記第１の被接合体よりも前記第２の被接合体の膨張率の方が大きく、前記第１の被接合体側の表面の亜鉛含有量をＸ（ｍａｓｓ％）、前記第２の被接合体側の表面の亜鉛含有量をＹ（ｍａｓｓ％）とするとき、
２３ ≦ Ｘ ≦ ４０、０ ≦ Ｙ ≦ Ｘ−２３の条件を満たすことを特徴とする請求項４記載の非鉛系はんだ材。