無鉛釬焊合金、釬焊材料及接合結構體的制作方法
【專利摘要】本發明為含有超過3.0質量％且10質量％以下的Sb、作為剩余部分含有Sn的無鉛釬焊合金等。
【專利說明】
無鉛釬焊合金、釬焊材料及接合結構體
[00011關聯申請的相互參照
[0002] 本申請主張日本國專利申請2014 - 33234號的優先權，并通過引用納入本申請說 明書的記載中。
技術領域
[0003] 本發明涉及用于電子零件的釬焊的無鉛釬焊合金、包含該無鉛釬焊合金的釬焊材 料及包含所述無鉛釬焊合金的接合結構體。
【背景技術】
[0004] 近年，基于環境問題的觀點，幾乎不含鉛的無鉛釬焊料被用于將電子零件裝配在 印制電路板等電路襯底上。
[0005] 另一方面，隨著裝配襯底及配線的微細化，零件也逐漸微小化，其結果就是，釬焊 接合部也在逐漸微小化。
[0006] 伴隨該釬焊接合部的微小化，會導致因發生電迀移(electromigration)而使釬焊 接合部出現空隙、進而斷線的問題。因此，研究了各種無鉛釬焊中用于抑制電迀移的技術。
[0007] 例如，專利文獻1中記載了一種在連接端子表面設置由Ag - Sn金屬構成的保護層 的技術。但是，當這樣在連接端子表面設置保護層的情況下，需要對連接結構本身進行變 更，因此，需要重新大幅度地調整制造工序。另外，由于需要設置保護層的工序，因此制造工 序變得繁瑣。因此，研究通過對釬焊合金的組成進行調整，來抑制電迀移。例如，專利文獻2 中記載了一種無鉛釬焊合金，其含有特定含量的Cu及In，剩余部分為Sn。另外，專利文獻3中 記載了 一種無鉛釬焊合金，其含有Pd、Mn、Zn、Al、Sb、In等金屬。
[0008] 但是，在專利文獻2及3記載的釬焊合金中，抑制電迀移的效果不充分。
[0009] 現有技術文獻
[0010] 專利文獻
[0011] 專利文獻1:日本國特開2013 -135014號 [0012] 專利文獻2:日本國特開2013 - 252548號 [0013] 專利文獻3:日本國特開2014 - 27122號
【發明內容】
[0014] 發明要解決的問題
[0015] 本發明是鑒于所述那樣現有技術中的問題點而作出的發明，其課題在于提供能夠 充分抑制釬焊接合部中發生電迀移的無鉛釬焊合金、釬焊材料及接合結構體。
[0016] 用于解決問題的方案
[0017] 本發明的無鉛釬焊合金含有超過3.0質量％且10質量％以下的Sb，作為剩余部分 含有Sn。
[0018] 本發明的無鉛釬焊合金作為剩余部分還可以含有從由六8、〇1、附、(：0及66構成的組 中選擇的至少一種金屬。
[0019] 本發明的無鉛釬焊合金還可以含有4.0質量％以下的所述Ag。
[0020] 本發明的無鉛釬焊合金還可以含有1.0質量％以下的所述Cu。
[0021] 本發明的無鉛釬焊合金還可以合計含有0.1質量％以下的所述Ni、Co及Ge。
[0022 ]本發明的釬焊材料含有所述無鉛釬焊合金、和助焊劑。
[0023]本發明的接合結構體是具有電極的襯底和半導體元件介由釬焊接合部被接合的 接合結構體，所述釬焊接合部含有所述無鉛釬焊合金。
【附圖說明】
[0024]圖1是表示試片的概要的SEM照片。
[0025] 圖2是表示電迀移試驗所使用的裝置的概要的概要圖。
【具體實施方式】
[0026] 以下，對本發明的無鉛釬焊合金、釬焊材料及接合結構體進行說明。
[0027] 首先，本實施方式的無鉛釬焊合金是含有超過3.0質量％且10質量％以下的Sb (銻）、且剩余部分為Sn(錫)的無鉛釬焊合金。
[0028] 此外，本實施方式中，剩余部分是指Sb以外的成分。
[0029]本實施方式的無鉛釬焊合金是指JIS Z 3282中規定的用于無鉛釬焊的釬焊合金。
[0030] 本實施方式的無鉛釬焊合金（以下，也僅稱作"釬焊合金"）含有超過3.0質量％且 10質量％以下的Sb，優選含有3.3質量％以上且5質量％以下的Sb。
[0031] 本實施方式的釬焊合金是以Sn為主要成分的無鉛釬焊合金。
[0032] 在該以Sn為主要成分的釬焊合金中，由于含有所述范圍內的Sb，因此，在將釬焊合 金用于釬焊接合的情況下，能夠充分抑制電迀移。
[0033I 此外，本實施方式中，超過3.0質量％是指，比3.0質量％大的質量％。以下，"超過" 的含義相同。
[0034] 電迀移是指，在金屬中流通高密度電流時，金屬電子發生移動的現象，因該金屬電 子的移動，會導致金屬部分產生缺損部分(空隙）。尤其，若因裝配零件的微細化以致釬焊接 合部也變得微小，則雖然電流小但電流密度增高，因此，容易發生電迀移。例如，如電連接半 導體元件和中介層襯底的內部凸起那樣的釬焊接合部等，在與以往的印制襯底的零件裝配 中的釬焊接合部相比極微小的釬焊接合部中，在釬焊接合部流通高密度電流從而導致發生 電迀移，并有可能產生空隙或斷線等。該電迀移通常容易發生在lOkA/cm 2以上的高密度電 流下，但在釬焊接合部為球狀的凸起的情況下，在為直徑SOMi的凸起的情況下，即使為 31.4mA左右的電流也可能在電流集中部中流通lOkA/cm 2以上的高密度電流。因此，釬焊接 合部越小，即使更小的電流也容易發生電迀移。
[0035] 本實施方式的釬焊合金，由于難以發生電迀移，因此，尤其優選適用于電連接半導 體元件和中介層襯底的內部凸起那樣的微小的釬焊接合部。
[0036] 本實施方式的釬焊合金，例如，熔融開始溫度即固相線溫度為220°C~240°C，優選 為230°C~236°C，凝固開始溫度即液相線溫度為221°C~250°C，優選為230 °C~245 °C的范 圍。
[0037]固相線溫度及液相線溫度成為所述范圍，由此，能夠抑制電迀移，同時能夠將釬焊 合金的流動性維持在適當的范圍，且能夠抑制釬焊接合后的熔融。
[0038]已知:通常以Sn為主要成分的無鉛釬焊合金，由于不含有熔融溫度比Sn低的鉛，因 此熔融溫度高。因此，通過使其成為含有熔融溫度比Sn低的金屬的合金而能夠對釬焊合金 的熔融溫度進行調整。另一方面，若熔融溫度過低，則例如在用于前述那樣的內部凸起的情 況下，在將零件裝配于作為母板的襯底上時，會引起內部凸起熔融的問題。因此，用于內部 凸起的釬焊合金，其液相線溫度優選為例如泛用無鉛釬焊（Sn3Ag0.5Cu)的液相線溫度即 220°C以上。
[0039] 本實施方式的釬焊合金的熔融溫度在所述范圍內，由此，能夠抑制電迀移，同時能 夠將釬焊合金的流動性維持在適當的范圍內，且能夠抑制釬焊接合后的熔融。
[0040] 本實施方式的釬焊合金作為剩余部分，除Sn以外，還可以包含從Ag(銀）、Cu(銅）、 Ni (鎳）、Co(鈷)及Ge(鍺)構成的組中選擇的至少一種金屬。
[0041 ]由于還含有這些金屬，因此，能夠進一步抑制電迀移。
[0042]剩余部分中各金屬的優選含量沒有特別限定，例如，Sn為94.9質量％以上且100質 量％以下，優選為96質量％以上且100質量％以下。
[0043] 另外，六8、〇1、附、(：〇及66的總量為剩余部分中的0.001質量％以上且5.1質量％以 下，優選為0.5質量％以上且4.0質量％以下。
[0044] 各成分的更具體的含量例如如下所述。
[0045] 本實施方式的釬焊合金還可以含有84.4質量％以上且97.0質量％以下的Sn。
[0046] 本實施方式的釬焊合金可以含有0.1質量％以上且4.5質量％以下的Ag，優選含有 1.0質量％以上且3.5質量％以下的Ag。
[0047] 通過含有所述范圍的Ag，能夠進一步抑制電迀移。
[0048] 本實施方式的釬焊合金在含有Cu的情況下，可以含有0.1質量％以上且1.2質量％ 以下的Cu，優選含有0.5質量％以上且0.7質量％以下的Cu。
[0049] 本實施方式的釬焊合金在含有Ni的情況下，可以含有0.01質量％以上且0.1質 量％以下的Ni，優選含有0.03質量％以上且0.07質量％以下的Ni。
[0050] 本實施方式的釬焊合金在含有Co的情況下，可以含有0.01質量％以上且0.1質 量％以下的Co，優選含有0.03質量％以上且0.07質量％以下的Co。
[0051] 本實施方式的釬焊合金在含有Ge的情況下，可以含有0.001質量％以上且0.1質 量％以下的Ge，優選含有0.005質量％以上且0.01質量％以下的Ge。
[0052] 此外，作為Ni、Co、Ge的合計含量，可以為超過0質量％且0.1質量％以下。
[0053]該情況下，Ni、Co、Ge的合計含量是指，從由Ni、Co及Ge組成的組中選擇的至少一種 金屬的合計量，且在僅含有一種的情況下，其含義是指該金屬的含量。
[0054] 通過使Cu、Ni、Co、Ge的含量為所述范圍，能夠進一步抑制電迀移。
[0055]即，作為本實施方式的釬焊合金的一例，能夠列舉一種無鉛釬焊合金，該無鉛釬焊 合金由超過3.0質量％且10質量％以下的Sb、和作為剩余部分的Sn構成。
[0056]該情況下，剩余部分為100質量％的311。
[0057]另外，作為本實施方式的釬焊合金的其他的一例，能夠列舉一種無鉛釬焊合金，該 無鉛釬焊合金含有超過3.0質量％且10質量％以下的Sb，且剩余部分由Sn、和從由Ag、Cu、 Ni、Co及Ge組成的組中選擇的至少一種金屬構成。
[0058] 該情況下，剩余部分中，Sn為84.69質量％以上且96.999質量％以下，由從Ag、Cu、 Ni、Co及Ge組成的組中選擇的至少一種金屬的合計量為3.001質量％以上且15.31質量％以 下。
[0059] 此外，本實施方式的釬焊合金作為剩余部分還可以含有不可避免的雜質。
[0060] 該情況下，作為本實施方式的釬焊合金的一例的無鉛釬焊合金，由超過3.0質量％ 且10質量％以下的Sb、和作為剩余部分的Sn及不可避免的雜質構成。
[0061 ]另外，作為本實施方式的釬焊合金的其他的一例，為無鉛釬焊合金，其含有超過 3.0質量％且10質量％以下的313，且剩余部分由311、和從由六8、〇1、附、(：〇及66組成的組中選 擇的至少一種金屬和不可避免的雜質構成。
[0062] 此外，在本實施方式中，所述各金屬的含量是利用電火花放電發光分光分析并通 過JIS Z 3910記載的方法測定的值。
[0063] 接下來，對利用前述那樣的本實施方式的釬焊合金的釬焊材料進行說明。
[0064] 本實施方式的釬焊材料是含有所述無鉛釬焊合金和助焊劑的釬焊材料。
[0065] 助焊劑沒有特別限定，能夠使用公知的助焊劑，能夠列舉例如松香系、合成樹脂系 等公知的用于釬焊材料的助焊劑。
[0066] 本實施方式的釬焊材料中的釬焊合金及助焊劑的含量沒有特別限定，但例如，釬 焊合金為85質量％以上且95質量％以下，優選為88質量％以上且90質量％以下;助焊劑為5 質量％以上且15質量％以下，優選為10質量％以上且12質量％以下。
[0067] 用于本實施方式的釬焊材料的釬焊合金優選為粉末狀。在為粉末狀的釬焊合金的 情況下，通過與所述助焊劑混合，能夠容易地得到糊狀的釬焊材料(焊料糊）。
[0068] 此外，本實施方式的釬焊合金如前所述形成為粉末狀并與助焊劑混合后作為焊料 糊等使用，除此以外，還可以成形為棒狀、帶狀或球狀等各種形狀進行使用。
[0069] 接下來，對使用前述那樣的本實施方式的釬焊合金及釬焊材料的接合結構體進行 說明。
[0070] 本實施方式的釬焊接合體是具有電極的襯底和半導體元件介由釬焊接合部被接 合的接合結構體，所述釬焊接合部含有前述的本實施方式的無鉛釬焊合金。
[0071] 本實施方式的接合結構體是具有電極的襯底和半導體元件介由釬焊接合部被接 合的接合結構體，所述釬焊接合部含有前述的無鉛釬焊合金。
[0072] 作為具有電極的襯底和半導體元件介由釬焊接合部被接合的接合結構體，能夠列 舉例如通過倒裝而形成的半導體封裝件。
[0073] 通過倒裝形成的半導體封裝件，在半導體元件的下表面形成釬焊凸起，并通過釬 焊接合與襯底上的電極連接，因此無需將引線向半導體元件的旁邊引出，能夠得到與半導 體元件的尺寸接近的微小的半導體封裝件。
[0074] 另一方面，該接合結構體中的釬焊接合部由于形成為極微小的尺寸，因此，容易流 通高密度電流，且容易發生電迀移。
[0075] 而且，該接合結構體的釬焊接合部，由于在將接合結構體進一步裝配于成為母板 的襯底上時也會被曝露在熱環境下，因此，要求在一旦裝配完半導體元件后不容易熔融。
[0076] 在本實施方式的接合結構體中，在使用前述那樣的本實施方式的釬焊材料的情況 下，能夠充分抑制電迀移，同時，在接合半導體元件時使其在適當的溫度下熔融，并在將接 合結構體裝配在襯底上時使其不發生熔融。
[0077] 此外，本實施方式的釬焊合金被用于具有電極的襯底和半導體元件介由釬焊接合 部被接合的接合結構體的釬焊接合部，除此以外，本實施方式的釬焊合金還可以用于通常 的電子零件和印制襯底的電極的接合部。
[0078] 本實施方式的釬焊合金、釬焊材料及接合結構體如上所述，但這里公開的實施方 式的全部內容僅為例示，不應被認為是用于進行限制的內容。本發明的范圍并非由所述說 明表示而是通過權利要求書的范圍表示，其意圖包含與權利要求書的范圍等同的含義及范 圍內的全部變更。
[0079]本發明的無鉛釬焊合金含有超過3.0質量％且10質量％以下的Sb，作為剩余部分 含有Sn，因此，在用作接合部的釬焊材料的情況下，也能夠充分抑制電迀移。
[0080]因此，根據本發明，能夠提供一種能充分抑制釬焊接合部中發生電迀移的無鉛釬 焊合金、釬焊材料及接合結構體。
[0081 ] 實施例
[0082]下面，就本發明的實施例與比較例一起進行說明。此外，本發明不被下述實施例限 定并解釋。
[0083](釬焊合金）
[0084] 準備表1記載的組成的各釬焊合金。
[0085] [表1]
[0087] (電迀移耐性試驗）
[0088] 圖1中示出了用于測定電迀移耐性的試片的概要。
[0089] 試片(試驗片）是使用烙鐵尖200μπι的焊烙鐵(UNIX - JBCJAPANUNIX公司制）在銅 電極之間對各釬焊合金進行釬焊來制作的。釬焊接合部的厚度被調整為9μπι。
[0090] 另外，銅電極表面利用#2000的耐水研磨紙進行研磨，之后用MOOO的耐水研磨紙 進行精研磨。
[0091] 使用各試片，在圖2所示的裝置中測定電迀移。測定方法為，使探針與銅電極接觸， 以平均電流密度50kA/cm2進行通電并測定電壓值。試片被載置于陶瓷加熱器上，以60°C邊 進行加熱邊通電。
[0092] 將無法測定電壓值的時間作為破裂時間表示在表1中。
[0093]另外，以同樣的測定方法，對實施例1、4及比較例1以平均電流密度10 0kA/ cm2、 200kA/cm2進行通電并測定電壓值，將無法測定電壓值的時間作為破裂時間表示在表2中。
[0094] 而且，關于實施例4及比較例1，以平均電流密度lOkA/cm2進行通電并測定電壓值， 將無法測定電壓值的時間作為破裂時間表示在表2中。
[0095] [表 2]
[0097] (熔融性能試驗）
[0098] 對各釬焊合金的熔融性能進行測定。
[0099] 通過差不掃描量熱測定法(Differential scanning calorimetry;DSC法）以IOK/ min的升溫速度對各釬焊合金的固相線溫度及液相線溫度進行測定。
[0100] 將結果表示在表1中。
[0101] 如表1所示，實施例的破裂時間都為150小時以上，明顯能夠抑制電迀移的發生。
[0102] 另外，實施例中，固相線溫度為230°C以上、且液相線溫度為240°C。即，在實施例 中，熔融性能能夠被調整到合適的范圍。
[0103] 而且，如表2所示，比較例1中，即使平均電流密度為lOkA/cm2,破裂時間也很短， 即，會發生電迀移。另一方面，在實施例1及4中，即使平均電流密度為lOkA/cm 2、及為更高的 平均電流密度即50kA/cm2、100kA/cm2、200kA/cm 2，與比較例1相比，破裂時間也長，即，能夠 進一步抑制電迀移的發生。
[0104]通過以上，在各實施例中，在較寬的電流密度的范圍內明顯能夠可靠地抑制電迀 移的發生。
【主權項】
1. 一種無鉛釬焊合金，含有超過3.0質量％且10質量％以下的Sb，作為剩余部分含有 Sn〇2. 根據權利要求1所述的無鉛釬焊合金，作為剩余部分還含有從由48、〇!、附、0)及64勾 成的組中選擇的至少一種金屬。3. 根據權利要求2所述的無鉛釬焊合金，含有4.0質量％以下的所述Ag。4. 根據權利要求2或3所述的無鉛釬焊合金，含有1.0質量％以下的所述Cu。5. 根據權利要求2至4的任一項所述的無鉛釬焊合金，合計含有0.1質量％以下的所述 Ni、Cc^Ge〇6. -種釬焊材料，含有權利要求1至5的任一項所述的無鉛釬焊合金、和助焊劑。7. -種接合結構體，是具有電極的襯底和半導體元件介由釬焊接合部被接合的接合結 構體，所述釬焊接合部含有權利要求1至5的任一項所述的無鉛釬焊合金。
【文檔編號】H05K3/34GK106061669SQ201580009860
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2015年2月19日
【發明人】入澤淳, 和田理枝
【申請人】株式會社弘輝