JP4635715B2 - はんだ合金およびそれを用いた半導体装置 - Google Patents

Description

この発明は、鉛を含有しないはんだ合金およびそれを用いた半導体装置に関し、特にスズ（Ｓｎ）−アンチモン（Ｓｂ）系はんだ合金に関する。

一般に、はんだ合金には、良好な接合性と耐食性が必要である。また、電力変換用のパワー半導体装置において、セラミック基板の表面に導体パターンを形成してなる絶縁基板の、一方の主面（おもて面）に設けられた導体パターンに、半導体チップの裏面をはんだ接合する際に用いられるはんだ合金には、高い熱疲労強度が要求される。これは、絶縁基板の表面の導体パターンと半導体チップの裏面との接合が面接合であることと、半導体チップと導体パターンの熱膨張係数が相違し、かつ通電時に半導体チップが発熱することから、はんだ接合部に大きな熱歪みが発生するからである。

また、電気自動車等における電力変換装置に用いられる電力変換用のパワー半導体装置では、絶縁基板の他方の主面（裏面）に設けられた導体パターンが、金属等でできた放熱板にはんだ合金により接合される。そのはんだ接合部の面積は非常に大きいため、この接合に用いられるはんだ合金には、優れた濡れ性が要求される。さらに、絶縁基板の裏面の導体パターンと放熱板との接合部には、絶縁基板（セラミック基板）と放熱板との熱膨張係数の相違による大きな熱歪みが発生する。絶縁基板の裏面の導体パターンと放熱板との接合部はその接合面積が大きいため、上述の半導体チップと絶縁基板のおもて面の導体パターンとの間の接合部に発生する歪みに比べ、発生する歪みも大きくなる。

近時、環境上の配慮から、鉛（Ｐｂ）を含まないはんだ合金が望まれており、そのようなはんだ合金として、スズ（Ｓｎ）−アンチモン（Ｓｂ）合金が公知である。例えば、スズ（Ｓｎ）を主成分とし、アンチモン（Ｓｂ）を３．０重量％以下、銀（Ａｇ）を３．５重量％以下、ゲルマニウム（Ｇｅ）を０．１重量％以下含有し、さらに１．０重量％以下の銅または１．０重量％以下のニッケルあるいはその両方を含有するはんだ合金が公知である（例えば、特許文献１参照。）。また、ゲルマニウム（Ｇｅ）が０．０１〜１０％、アンチモン（Ｓｂ）が５〜３０％、スズ（Ｓｎ）が６５〜９０％であるはんだ合金が公知である（例えば、特許文献２参照。）。

特開平１１−５８０６６号公報 特開２００３−９４１９４号公報

スズ（Ｓｎ）−アンチモン（Ｓｂ）合金は、アンチモン（Ｓｂ）８．５重量％、温度２４５℃に包晶点を有しているため、通常は、アンチモン（Ｓｂ）の含有割合が８重量％以下となる組成で用いられる。その場合、スズ（Ｓｎ）の溶融温度２３２℃と包晶温度２４５℃の間でスズ（Ｓｎ）−アンチモン（Ｓｂ）合金の溶融が生じるので、固液共存領域が狭く、また耐熱性が良好であり、アンチモン（Ｓｂ）の含有割合を増大させることにより機械的に優れた特性のものが得られる。しかしながら、アンチモン（Ｓｂ）の含有割合が大きくなると、はんだ合金時の濡れ性が低くなるという問題点がある。また、スズ（Ｓｎ）などのはんだ成分が酸化すると、接合性が悪くなるという問題点がある。

この発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、優れた濡れ性と良好な接合性を有するスズ（Ｓｎ）−アンチモン（Ｓｂ）系はんだ合金を提供することを目的とする。また、この発明は、優れた濡れ性と良好な接合性を有するスズ（Ｓｎ）−アンチモン（Ｓｂ）系はんだ合金を用いた半導体装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、請求項１の発明にかかるはんだ合金は、３重量％以上５重量％以下のアンチモンと０．０１重量％以上０．２重量％以下のゲルマニウムを含有し、残りがスズであることを特徴とする。

また、請求項２の発明にかかるはんだ合金を用いた半導体装置は、両面に導体パターンが形成された絶縁基板と、該絶縁基板のおもて面の導体パターンに接合された半導体チップと、前記絶縁基板の裏面の導体パターンに接合された放熱板とを備え、前記絶縁基板の裏面の導体パターンと前記放熱板との間が、３重量％以上５重量％以下のアンチモンと０．０１重量％以上０．２重量％以下のゲルマニウムを含有し、かつ残りがスズであるはんだ合金によりはんだ接合されていることを特徴とする。

請求項３の発明にかかるはんだ合金を用いた半導体装置は、請求項２に記載の発明において、半導体チップの裏面と、絶縁基板のおもて面の導体パターンとの間が、３重量％以上５重量％以下のアンチモンと０．０１重量％以上０．２重量％以下のゲルマニウムを含有し、かつ残りがスズであるはんだ合金によりはんだ接合されていることを特徴とする。

請求項４の発明にかかるはんだ合金を用いた半導体装置は、請求項２または３に記載の発明において、半導体チップの表面に設けられた電極と、配線用導体が、３重量％以上５重量％以下のアンチモンと０．０１重量％以上０．２重量％以下のゲルマニウムを含有し、かつ残りがスズであるはんだ合金によりはんだ接合されていることを特徴とする。

請求項５の発明にかかるはんだ合金を用いた半導体装置は、請求項２〜４のいずれか一つに記載の発明において、前記絶縁基板は、アルミナ、窒化アルミまたは窒化珪素のいずれかを主剤とするセラミック基板の両面に銅パターンが接合されたものであり、前記放熱板は銅であることを特徴とする。

請求項１〜７の発明によれば、スズ（Ｓｎ）にアンチモン（Ｓｂ）を添加したことにより、合金の耐熱性と熱疲労強度が向上する。また、溶融温度が高くなり、合金の耐熱性が増す。さらに、熱ストレスによってスズ（Ｓｎ）の結晶粒子が粗大化するのが抑制されるので、熱疲労特性が向上する。ただし、アンチモン（Ｓｂ）の添加量が３重量％に満たないと熱疲労寿命が著しく低下するので、アンチモン（Ｓｂ）の添加量は３重量％以上であるのが適当である。また、アンチモン（Ｓｂ）の添加量が５重量％を超えると、はんだ濡れ性が低下するので、アンチモン（Ｓｂ）の添加量は５重量％以下であるのが適当である。

また、スズ（Ｓｎ）−アンチモン（Ｓｂ）はんだ合金に微量のゲルマニウム（Ｇｅ）を添加したことにより、はんだ溶融時に薄い酸化膜が形成される。それによって、スズ（Ｓｎ）などのはんだ成分の酸化が抑制されるので、接合性が改善される。ただし、十分な酸化抑制効果を得るためにはゲルマニウム（Ｇｅ）の添加量は０．０１重量％以上であるのがよい。また、ゲルマニウム（Ｇｅ）の添加量が０．２重量％を超えると、ゲルマニウム（Ｇｅ）による酸化被膜が厚くなりすぎて接合性に悪影響を及ぼすので、ゲルマニウム（Ｇｅ）の添加量は０．２重量％以下であるのが適当である。従って、ゲルマニウム（Ｇｅ）の添加量が０．０１〜０．２重量％であれば、熱疲労特性に優れるとともに、接合性が良好となる。

本発明にかかるはんだ合金によれば、優れた濡れ性と良好な接合性を有するスズ（Ｓｎ）−アンチモン（Ｓｂ）系はんだ合金が得られるという効果を奏する。また、本発明にかかるはんだ合金を用いた半導体装置によれば、優れた濡れ性と良好な接合性を有するスズ（Ｓｎ）−アンチモン（Ｓｂ）系はんだ合金を用いた半導体装置が得られるという効果を奏する。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかるはんだ合金およびそれを用いた半導体装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。

はんだ合金は、スズ（Ｓｎ）、アンチモン（Ｓｂ）およびゲルマニウム（Ｇｅ）の各原料を電気炉中で溶解することにより、調製される。各原料の純度は、９９．９９重量％以上である。各原料の割合は、アンチモン（Ｓｂ）が３〜５重量％であり、ゲルマニウム（Ｇｅ）が０．０１〜０．２重量％であり、残りが主成分となるスズ（Ｓｎ）である。

次に、上述したはんだ合金を用いた半導体装置の一例について説明する。図１は、その半導体装置の構成を示す断面図である。図１に示すように、１０は絶縁基板であって、セラミック基板１の両面に導体パターン２，３が接合された構成となっている。セラミック基板１は、アルミナ、窒化アルミまたは窒化珪素のいずれかを主剤としたセラミック基板である。セラミック基板１のおもて面に形成された導体パターン２は、電気回路となる金属製の導体パターンである。セラミック基板１の裏面には、金属製の導体パターン３が設けられている。導体パターン２，３は、安価でかつ熱伝導率に優れた銅が好適である。半導体チップ４の裏面には、金属膜よりなる裏面電極（図示省略）が設けられている。この裏面電極は、絶縁基板１０のおもて面の導体パターン２に上述した組成のはんだ合金５により接合されている。

また、半導体チップ４のおもて面には、金属膜よりなる表面電極（図示省略）が設けられている。この表面電極には、配線用導体６が上述した組成のはんだ合金７により接合されている。さらに、絶縁基板１０の裏面の導体パターン３は、金属製の放熱板８に上述した組成のはんだ合金９により接合されている。放熱板８は、図示しない半導体パッケージの外部冷却体への熱導体となる。放熱板８には安価で熱伝導性に優れた銅が好適である。

ここで、絶縁基板１０の裏面の導体パターン３と放熱板８との接合部には、絶縁基板１０のセラミック基板１と放熱板８との熱膨張係数の相違による大きな熱歪みが発生する。特に銅は膨張係数が大きいために、セラミック基板１との膨張係数の差が大きくなり、絶縁基板１０の裏面の導体パターン３と放熱板８との接合部に発生する歪みも大きい。放熱板８に銅より膨張係数の小さい素材（例えばアルミニウムや、銅とモリブデンとの合金など）を用いれば、膨張係数の相違による歪みの発生は低減されるものの、これらの素材は銅に比べて高価であり、熱伝導率も低く、半導体装置の放熱特性が低下する。

そこで、導体パターン３と放熱板８との接合に上記の組成のはんだ合金を用いることにより、導体パターン３と放熱板８に安価で熱伝導率に優れた銅を採用して、優れた放熱特性と良好な接合性を得ることができる。なお、半導体チップ４の表面電極と配線用導体６、または半導体チップ４の裏面電極と絶縁基板１０の導体パターン２が、上述した組成のはんだ合金５，７，９と異なる組成のはんだ材料により接合されていてもよい。

実施例１〜４．
アンチモン（Ｓｂ）を５．０重量％とし、ゲルマニウム（Ｇｅ）の添加量を０．０１〜０．２重量％まで４段階で変え、残りをスズ（Ｓｎ）とした組成を有するスズ（Ｓｎ）−アンチモン（Ｓｂ）系はんだ合金を調製した。ゲルマニウム（Ｇｅ）の添加量を、実施例１では０．０１重量％とし、実施例２では０．０５重量％とし、実施例３では０．１重量％とし、実施例４では０．２重量％とした。

実施例５〜８．
アンチモン（Ｓｂ）を３．０重量％とし、ゲルマニウム（Ｇｅ）の添加量を０．０１〜０．２重量％まで４段階で変え、残りをスズ（Ｓｎ）とした組成を有するスズ（Ｓｎ）−アンチモン（Ｓｂ）系はんだ合金を調製した。ゲルマニウム（Ｇｅ）の添加量を、実施例５では０．０１重量％とし、実施例６では０．０５重量％とし、実施例７では０．１重量％とし、実施例８では０．２重量％とした。

比較例１〜４．
比較として、ゲルマニウム（Ｇｅ）を含まないはんだ合金を調製した。アンチモン（Ｓｂ）の添加量を、比較例１では６．０重量％とし、比較例２では５．０重量％とし、比較例３では３．０重量％とし、比較例４では２．０重量％とし、いずれも残りをスズ（Ｓｎ）とした。

得られた各はんだ合金の濡れ性（濡れ力）を、メニスコグラフ法でフラックス（ＲＭＡタイプ）を使用して測定した。また、各はんだ合金について、濡れ拡がり率、濡れ角およびはんだ溶融時の酸化膜の生成状況を確認した。さらに、各はんだ合金の熱疲労寿命を評価した。熱疲労寿命を評価するにあたっては、各はんだ合金を用いて、金属製の放熱板に、金属製の導体パターンを有する絶縁基板のその導体パターンを接合した接合体（図１の放熱板８に絶縁基板１０の導体パターン３をはんだ合金９により接合したもの）を作製した。

そして、この接合体に、−４０〜１２５℃の温度を繰り返す温度サイクル負荷を与えたときの１０００サイクル終了時のはんだ亀裂長さを測定した。結果を表１に示す。表１の酸化膜の欄において、「×」は酸化膜の生成が顕著であることを表し、「○」は酸化膜の生成が少ないことを表し、「◎」は酸化膜の生成が極めて少ないことを表している。

表１より以下のことがわかる。アンチモン（Ｓｂ）の添加量が増えると熱疲労特性が向上するが、その添加量が５．０重量％よりも多くても熱疲労特性はほとんど同等レベルである。逆に、アンチモン（Ｓｂ）の添加量が３．０重量％よりも少ないと熱疲労特性が顕著に低下する。また、０．０１〜０．２重量％のゲルマニウム（Ｇｅ）が添加されていると、はんだ溶融時に液面上に生成される酸化膜が明瞭に低減するとともに、濡れ性も良好となる。

ゲルマニウム（Ｇｅ）の添加は、ディップおよび板のいずれに対しても効果がある。ただし、ゲルマニウム（Ｇｅ）の添加量が０．０１重量％よりも多くても、添加量が０．０１重量％のときと比べて、濡れ性および酸化膜の生成において顕著な差はない。ゲルマニウム（Ｇｅ）の添加は、スズ（Ｓｎ）の酸化を抑制するので、はんだ接合時だけでなく、はんだ合金を作製する際にも有効であり、表面酸化の少ない良質なはんだ合金が得られる。

例えば、クリームはんだ用のはんだ合金粉末を作製する際には、粉体の形状を球形にすることが望ましい。球形の粉体を得るには、表面張力のみが作用する条件で粉体を作製する必要がある。そのためには、表面の酸化をできるだけ抑える必要があるので、ゲルマニウム（Ｇｅ）を添加して表面の酸化を抑制するのがよい。ゲルマニウム（Ｇｅ）の酸化速度は安定しており、低い添加量でも効果を持続する。

このように、スズ（Ｓｎ）−アンチモン（Ｓｂ）合金にゲルマニウム（Ｇｅ）を添加することによって、熱疲労特性に優れるはんだ合金が得られる。また、耐熱性を有するはんだ合金が得られる。さらに、濡れ性の高いはんだ合金が得られる。さらにまた、接合性の良好なはんだ合金が得られる。また、鉛（Ｐｂ）を含まないので、公害の原因とならないはんだ合金が得られる。

以上のように、本発明にかかるはんだ合金およびそれを用いた半導体装置は、はんだ接合部を有する種々の装置に有用であり、特に、電気自動車等における電力変換装置として用いられる電力変換用半導体装置に適している。

本発明にかかるはんだ合金を用いた半導体装置の一例を示す断面図である。

符号の説明

１ セラミック基板
２，３ 導体パターン
４ 半導体チップ
５，７，９ はんだ合金
６ 配線用導体
８ 放熱板
１０ 絶縁基板

Claims (5)

1. ３重量％以上５重量％以下のアンチモンと０．０１重量％以上０．２重量％以下のゲルマニウムを含有し、残りがスズであることを特徴とするはんだ合金。
2. 両面に導体パターンが形成された絶縁基板と、該絶縁基板のおもて面の導体パターンに接合された半導体チップと、前記絶縁基板の裏面の導体パターンに接合された放熱板とを備え、前記絶縁基板の裏面の導体パターンと前記放熱板との間が、３重量％以上５重量％以下のアンチモンと０．０１重量％以上０．２重量％以下のゲルマニウムを含有し、かつ残りがスズであるはんだ合金によりはんだ接合されていることを特徴とするはんだ合金を用いた半導体装置。
3. 半導体チップの裏面と、絶縁基板のおもて面の導体パターンとの間が、３重量％以上５重量％以下のアンチモンと０．０１重量％以上０．２重量％以下のゲルマニウムを含有し、かつ残りがスズであるはんだ合金によりはんだ接合されていることを特徴とする請求項２に記載のはんだ合金を用いた半導体装置。
4. 半導体チップの表面に設けられた電極と、配線用導体が、３重量％以上５重量％以下のアンチモンと０．０１重量％以上０．２重量％以下のゲルマニウムを含有し、かつ残りがスズであるはんだ合金によりはんだ接合されていることを特徴とする請求項２または３に記載のはんだ合金を用いた半導体装置。
5. 前記絶縁基板は、アルミナ、窒化アルミまたは窒化珪素のいずれかを主剤とするセラミック基板の両面に銅パターンが接合されたものであり、前記放熱板は銅であることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一つに記載のはんだ合金を用いた半導体装置。

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