功率器件用的焊料合金和高电流密度的焊料接头的制作方法

功率器件用的焊料合金和高电流密度的焊料接头的制作方法
【专利摘要】本发明涉及焊料接头，其是用于功率器件等的、能够耐受高电流密度而不发生电迁移的焊料接头，所述焊料接头由Sn-Ag-Bi-In系合金形成。该焊料接头是利用本质上由2～4质量%的Ag、2～4质量%的Bi、2～5质量%的In、余量的Sn组成的焊料合金形成的。该焊料合金还可以含有Ni、Co和Fe中的一种以上。
【专利说明】功率器件用的焊料合金和高电流密度的焊料接头
【技术领域】
[0001]本发明涉及能够耐受高电流密度而不会受到由电迁移(电解腐蚀)导致的损伤的焊料合金和焊料接头。进而，本发明还涉及使用这种焊料接头的电子元件(电子器件)，尤其是功率器件。
【背景技术】
[0002]作为将电子器件电连接于电路基板、其它基板的方法，焊接是最普遍使用的方法。随着电子器件越来越小型化，将电子器件连接于其它构件的焊料接头的尺寸也同样开始变小，由于这种形状变小，各接头中的电流密度变得非常大。目前，通常用于电子器件用的焊料接头的电流密度还是比较小的。但是，在将来，对即使在5?lOOkA/cm2这样的高电流密度下也能够长时间可靠地使用的焊料接头的需求是可以预期的。这种高电流密度尤其是可以在混合动力电动汽车、逆变器等中使用的功率器件等电力设备中想象到。
[0003]另外，关于现有的电子器件，用于计算机基板等数字电路用的电子器件已受到注目，而近来电饭锅、空调等白色家电也推进计算机化，大电流的电子器件正在普及。近年来，汽车的控制也在进行电子化，也出现了混合动力汽车、电动汽车等大部分由电子部件构成的汽车。
[0004]在控制这样的大电流的电子器件中，有处理IA以上的电流的被称为功率器件(电力用半导体元件)的电子器件，不仅包括功率晶体管、功率二极管等半导体，还包括逆变器、功率模块等部件化了的电子器件。
[0005]功率器件处理高电压、大电流，因此，来自其内部的发热大，Cu基散热板、绝缘基板、硅元件往往为了散热而用焊料接合，此外，即使通过引线键合来接合，也会为了散热而在焊盘间使用焊料接合。这些接头部流通大电流，因此电流密度大，有时会引发Cu焊盘、Ni焊盘的Cu、Ni移动到焊料中的电迁移而产生不良情况。
[0006]通过大电流流通时产生的电子的流动,使金属原子向电子流动的方向移动。电迁移有时导致接头的阴极侧的空孔和裂纹产生，在阳极侧有时发生焊料凸出(extrusion)和金属间化合物的生长。这种微细组织的变化和由其导致的温度上升有时造成焊料接头中的断裂那样的损伤，这种损伤有时使连接于焊料接头的电子元件部分或整体地发生功能障碍。
[0007]现有的功率器件用的焊料由于功率器件的电流密度大、由功率器件产生的热量多而开始使用熔融温度为300°C左右的Pb-5质量％Sn或Pb-1O质量％Sn等高温焊料。出于对环境的顾虑，正在研究用于功率器件的焊料的无铅化，但尚未确定对于功率器件而言最佳的无铅焊料组成。
[0008]目前，作为功率器件用的无铅焊料，众所周知的是前述的Sn_5Sb焊料、Sn-1OSb焊料。另外，本发明人公开了固相温度为260°C以上的含有Bi系焊料粉末和热固化性粘接剂的焊膏(专利文献I)。
[0009]另外，作为Sn-Ag-B1-1n组成的焊料合金，公开了 “一种无铅焊料合金，其特征在于，其包含0.8重量％以上且5重量％以下的Ag、和分别为0.1重量％以上且两者的总量为17重量％以下的In和Bi，余量由Sn和不可避免的杂质构成”(专利文献2)、“一种焊料材料，其特征在于，其为以Sn和Ag作为基本组成、Ag的含量设为0.1?20重量％的合金，其中含有0.1?25重量％的B1、0.1?20重量％的In中的任一种以上，余量由Sn构成”(专利文献3)等。
[0010]现有技术文献
[0011]专利文献
[0012]专利文献1:日本特开2005-72173号公报
[0013]专利文献2:日本特开平9-70687号公报
[0014]专利文献3:日本特开平8-206874号公报

【发明内容】

[0015]发明要解决的问题
[0016]随着电子器件越来越小型化，用于连接电子器件的内部元件的焊料接头和用于将电子器件连接于其它构件的焊料接头的尺寸也同样地变小，由于这种形状变小，各接头中的电流密度变得非常大。另外，与电子设备的电路基板的电极连接的电子器件变小，电阻增大，各接头中的电流密度变得非常大。在这种电流密度大的接头中会发生电迁移。这是金属原子移动的现象，在接头的阴极侧产生空孔和裂纹，在阳极侧发生焊料的凸出(extrusion)和金属间化合物的生长，因此，电子器件和电子设备的寿命缩短。
[0017]进而，伴随电子器件的小型化，连接电子器件与印刷基板的接合部也微细化，电流在其微细的部分流通，因此，即便是微细图案的印刷基板配线用的焊料接头，电流密度也大，发生电迁移成为问题。
[0018]本发明想要解决的问题是开发即使在将功率二极管等电流密度非常大的电子部件、具有微细图案的小型电子器件接合到电路基板时也不发生电迁移的焊料合金。
[0019]用于解决问题的方案
[0020]本发明的发明人等发现，电迁移产生的原因在于，由于因电子器件、电子设备的电路基板工作而产生的电流，电子沿电流相反的方向移动，因此在电子移动的同时接头部分的金属移动，在接头的阴极侧产生空孔、裂纹，于是，通过在电子设备的电路基板的接头部分控制金属原子的迅速移动，可缓和电迁移，从而完成本发明。
[0021]本发明为一种焊料合金、使用该焊料合金将小型电子器件接合于电路基板的焊料接头，所述焊料合金适于功率二极管等电流密度非常大的电子部件、具有微细图案的小型电子器件的组装，其本质上由2?4质量％的Ag、2?4质量％的B1、2?5质量％的In、余量的Sn组成。
[0022]本发明的焊料合金还可以含有0.01?0.3质量％的祖、0.01?0.32质量％的Co、和0.01?0.1质量％的Fe中的至少一种成分。
[0023]需要说明的是，在本说明书中，在规定焊料合金组成的说明中，单独的“％”是指“质
量％”的意思。
[0024]由本发明的焊料合金和焊料接头构成的电子器件、和使用这些电子器件接合到电路基板时的接头对防止电迁移是有效的。[0025]在本发明中，电迁移通过由电子的移动导致的焊盘的金属、例如Cu移动到接头的焊料合金中并扩散而发生，若能够对焊料合金控制焊盘的金属、例如带电的Cu向焊料合金中的移动，则即使是例如电流密度高的接头，也能够阻止焊盘的Cu、形成于Cu焊盘与焊料合金的接合面的金属间化合物移动到焊料合金中，不会产生空孔、裂纹。
[0026]作为本发明的焊料合金控制金属原子的移动的方法，可以想到两种方法。
[0027]第一方法为抑制用Sn基质形成的焊料合金内部的Cu原子的扩散而使电流不迅速流通的方法，对于防止电迁移而言是非常有效的。
[0028]具体而言，通过添加对焊料合金的金属晶格赋予应变的金属而使移动的金属(Cu、Ni )难以移动的方法，在本发明中通过添加B1、Sb，金属晶格发生应变，能够抑制电流的迅速流通。在该方法中，与Sb相比，Bi的原子半径更大，因此，能够带来更大的晶格应变。因此，本发明中使用Bi。
[0029]图1示出将现有的SnAgCu合金等不含有Bi的情况与像本发明这样含有Bi的情况相比而得到的金属晶格的模型。图1的(a)为现有例子，可以看出，Cu原子容易通过Sn晶格。图1的(b)中，像本发明这样添加Bi时，Bi原子使晶格扭曲，因此Cu原子变得难以通过Sn晶格。需要说明的是，在附图中，为了简化说明而省略了 In原子、其它原子。
[0030]另外，对于在焊料合金中扩散的Cu原子而言，已知晶体的取向越集中越容易扩散，使焊料合金的晶体取向分散时，迅速的Cu扩散消失。尤其是晶体取向朝向c轴方向时，扩散剧烈，因此使c轴与电流方向不一致时，可抑制用Sn基质形成的焊料合金内部的Cu扩散，使Cu不会迅速扩散。在本发明中，添加In作为能够抑制晶体取向集中的金属，抑制电迁移。
[0031]第二方法为在Cu等用于焊盘的金属与焊料合金的界面形成金属间化合物的反应层的方法，本发明中使用In、N1、Co。焊盘中使用的Cu与焊料合金中的In、N1、Co反应而生成的金属间化合物层的周边电流变得难以流通。但是，在该方法中，生成的金属间化合物的反应层周边为抑制电流流通的区域，效果是局部的。因此，与作为具有全面效果的方法的、电流在焊料合金内部不易流通的第一方法相比，效果较小。在本发明中，使用具有全面效果的Cu在焊料合金内部不易扩散的方法、和具有局部效果的在Cu等用于焊盘的金属与焊料合金的界面形成金属间化合物的反应层的方法这两者，能够得到电迁移的产生极少的焊料接头。
[0032]本发明的焊料合金为了控制金属原子的移动而防止电迁移，为了对焊料合金的金属晶格赋予应变、或者控制焊料合金的晶体取向，在Sn-Ag焊料中添加In、Bi。本发明的焊料合金如专利文献2、专利文献3那样为Sn-Ag-1n-Bi焊料组成，在焊料组成上属于低温焊料的领域。
[0033]但是，对电迁移成为问题的电子器件、基板而言，像功率器件那样的流通大电流的电子器件、CPU等微细图案的电子器件、搭载有该器件的基板等全部电流密度高，产生由大电流导致的热是共通的。
[0034]在本发明中，控制金属原子的移动而防止电迁移的焊料组成仅仅偶然地成为被称为“低温焊料”的领域的焊料组成，对电迁移成为问题的电子器件、基板而言，由大电流导致的发热成为问题，因此，为使用被称为“高温焊料”的熔融温度高的“高温焊料”合金的领域。对于电迁移成为问题的电子器件、基板，即使使用像专利文献2、专利文献3那样的、单纯为了降低焊料的熔融温度而添加了 In、Bi的焊料组成，也会由于电流密度高、在焊料接头流通大电流而导致焊料接头部分局部地熔融，对于电迁移，也无法控制金属原子的移动，电迁移增加。
[0035]本发明的功率器件用的焊料合金适合于在空调、电饭锅、机床等中使用的IGBT (绝缘栅双极晶体管)、MOS FET (M0S型场效应晶体管)等功率晶体管。
[0036]将IGBT的示意图示于图2。图中，铜基散热板25上预先设有芯片接合电极部，进而在其上设有焊料层27。焊料层27借助在进而于其上载置的IC芯片22上形成的镀覆层24与IC芯片22连接。进而，从形成于IC芯片22上部的电极向Cu的引线框20配线有Cu接线夹(clip)21。IC芯片22与Cu接线夹21、以及Cu接线夹21与引线框20通过焊料接头26接合。
[0037]尤其是在功率器件的发射极与集电极的连接的接头处使用本发明的焊料合金时，即使端子间的电流密度高，也能够维持长时间的品质，是优选的。
[0038]另外，本发明的功率器件用的焊料合金不仅用于功率器件内部，而且即使用于像功率器件与印刷基板的接头那样的器件与印刷基板之间的电流量多的接头、CPU与印刷基板之间的电流密度高的部分的接头，也能够防止在Cu、Ni等的焊盘上产生的电迁移。该电子器件与印刷基板的接合可以与通常使用的Sn-3.0Ag-0.5Cu同样地根据回流焊曲线来使用。
[0039]S卩，本发明的功率器件用的焊料合金可以用于具有流通5?lOOkA/cm2的电流密度的电流的焊料接头的功率器件。进而，还可以用于构成流通5?100kA/cm2的电流密度的电流的接头的功率器件向印刷基板上的安装。
[0040]本发明的功率器件用的焊料合金在作为器件组装时、在电子器件内部直至150°C左右的温度条件下具有可保证的优异的耐热性。但是，功率器件由于处理IA以上的大电流，因此，焊料合金的固相线温度过于降低时，焊料接头成为半熔融状态，金属原子的移动变得无法控制。
[0041]关于B1:
[0042]由于凝固偏析而Bi单相在焊料圆角整体发生析晶，因此，在焊料接合部局部地电流密度变高时，焊料自身因焦耳热而发热，瞬时超过150°C，一部分熔化。在通常的热循环试验、如现有的这种间距大且电流量小的功率循环试验中，即使产生焦耳热，由于热扩散，也不会局部地焊料圆角的一部分温度上升而是温度平均地上升，所以也不会成为大问题，进而，因为升温缓慢地进行，所以Bi单相在Sn基质中再固溶，低熔点层消失，不会有Bi的偏析导致再熔融的担心。
[0043]然而，在电流密度高的本发明的焊料接合部中，Bi含量超过4%时，在焊料圆角整体发生Bi偏析，Bi偏析的部分的电流密度变高时，由于Bi自身具有约为Sn的5倍以上的电阻值，因此发热变得更加剧烈，热导率也非常差，约为Sn的l/7、Cu的1/40，因此，产生的热难以散热，加速了局部的加热。在再熔融的部分中，Cu的扩散愈加变得剧烈，因此，电迁移局部地进行，至断路为止的寿命缩短。即，即使是对使Sn的晶格产生畸变而抑制Cu扩散有效的Bi，在Sn基质中析晶的Bi单相自身不仅不具有抑制Sn基质中的Cu扩散的效果，甚至在存在于电流密度高的部分时会促进发热、妨碍散热，因此大幅降低耐电迁移性，所以，将Bi含量设为4%以下，使得在焊料圆角凝固时Bi单相的偏析少。[0044]关于In:
[0045]由于添加In，与Cu配线的反应层由Cu6Sn5变为Cu6 (SnIn) 5，进而，在Sn基质中固溶，使晶格产生应变，抑制Cu的扩散，改善耐电迁移性。另一方面，In的添加量增加时，固相线温度降低，特别是在125°C那样的高温下不能期待由In带来的固溶硬化，S卩，In原子变得无法使Sn基质的晶格产生应变，加速由熔点降低导致的Sn基质中的相互扩散，降低耐电迁移性。进而，在125°C的高温下β -Sn相的一部分相变为Y -SnIn相，Sn、In原子的扩散变得剧烈，并且大量形成原子空穴。借助原子空穴Cu变得更加容易扩散，因此必须极力避免在高温下向Y-SnIn相的相变。因此，In添加量设为5%以下。如果可以的话，4%以下为宜。然而，将In添加量设为不足2%时，与Cu电极的反应层中的In浓度降低，电迁移会大量产生。
[0046]通常固相线温度的降低使高温下的原子的扩散、原子空穴的形成活化，因此，为了需要抑制Cu扩散的电迁移的抑制，期望固相线温度高的焊料。然而，判明了由添加Bi而带来的固溶硬化在200°C下也持续，能够抑制Sn中的转移的移动、原子空穴的形成，进而，对于由低熔点化导致的β -Sn中的Cu扩散的加速而带来的电迁移的问题，通过调整In的添加量来抑制与电极的反应层中的Cu的扩散，发现了将由熔点的降低导致的耐电迁移性的降低抑制在最小限度的In添加量。
[0047]发明的效果
[0048]本发明的功率器件用焊料合金尽管为包含Bi和In的所谓低温焊料的组成，但是，即使用于功率器件内部连接的接头，也具有在150°C左右下的耐热性，即使是5?IOOkA/cm2的高电流密度，也不会受到由电迁移造成的损伤。因此，利用本发明的焊料合金制作的功率器件能够长时间稳定地工作。另外，将本发明的焊料合金用于在印刷基板的安装中的功率器件与印刷基板的配线的接头、微细的配线的CPU等与印刷基板的配线的接头等时，即使是产生5?lOOkA/cm2的高电流密度的接头，也不会产生电迁移，因此能够得到长时间的稳定的品质。
【专利附图】

【附图说明】
[0049]图1:图1的(a)、图1的(b)分别是示出现有例、本发明例的Sn晶格的模型的示意图。
[0050]图2是IGBT (绝缘栅双极晶体管)的示意图。
[0051]图3是示出本发明实施例的焊料接合的模样的说明图。
[0052]图4是示出本发明实施例的将电流通电前的铜焊盘的状态的电子显微镜照片。
[0053]图5是示出本发明实施例的在125°C、20A通电后电阻值上升了 5%的铜焊盘的状态的电子显微镜照片。
[0054]图6是示出本发明实施例的在125°C、20A通电后电阻值上升了 10%的铜焊盘的状态的电子显微镜照片。
【具体实施方式】
[0055]本发明为本质上由2?4质量％的Ag、2?4质量％的B1、2?5质量％的In、余量的Sn组成的合金。可以是Ag:3.2%以下。可以是In:4.5%以下。[0056]对上述合金而言，优选的是，还可以含有0.05?0.2质量％的N1、0.05?0.2质量％的Co、和0.02?0.1%的Fe中的至少一种成分。
[0057]本发明的焊料接头可以利用本质上由2?4质量％的Ag、2?4质量％的B1、2?5质量％的In、余量的Sn组成的合金形成。
[0058]对构成上述接头的合金而言，优选的是，还可以含有0.05?0.2质量％的N1、
0.05?0.2质量％的Co、和0.02?0.1%的Fe中的至少一种成分。
[0059]本发明的焊料接头并不限定用于特定的电子器件，而用于像功率晶体管等那样消耗大电力的电子器件时，能够防止电迁移，是特别有效的。
[0060]本发明的焊料接头可以以各种形状形成。例如，在功率器件内部，可以考虑利用基于引线键合、预成型焊片(preform)、焊料球、焊膏的回流焊的倒装芯片安装等方法。
[0061]向功率器件以及印刷基板的安装、向CPU、印刷基板的安装可以通过对电子元件的引线或者对电极进行喷流焊接来进行接合而形成。或者，也可以通过对焊膏、焊料球、或各种预成型焊片进行回流焊接而形成。进而，本发明的焊料接头也可以通过采用人手(人工)的焊接来形成。这些根据功率器件是离散型还是表面安装型来确定。
[0062]在上述合金中，对各组成成分的范围进行限定的理由如下所述。
[0063]关于SnAgBiIn合金中的电迁移的改善
[0064]Ag量从焊料的熔融温度、耐热疲劳特性的观点出发来确定。
[0065]Ag少于2%时，热疲劳特性降低。另一方面，超过4%时，液相线上升，因此，空孔数增加，焊料接头的品质降低。因此，本发明的Ag量为2质量％以上且4质量％以下。
[0066]尤其是使用焊料球形成凸块时，与焊料球的直径同等水平地粗大的Ag3Sn化合物在焊接时析晶，在其后的向母板安装、倒装芯片安装中，这种粗大的化合物析晶，是导致焊接不良的重要原因。因此，本发明中的Ag的添加量増大时，粗大的Ag3Sn的析晶在缓慢冷却中变得明显，因此，为了避免该现象，Ag量为3.5%以下是更好的，为了减少初晶的析晶、改善焊料接头的可靠性，Ag量为2.5%以上是较好的。因此更优选的Ag量为2.5质量％以上且3.5质量％以下。
[0067]Bi与Sn基质构成固溶体，抑制Sn基质中的Cu扩散。固溶于Sn基质的Bi带来晶格应变，抑制基质内的Cu原子的扩散。
[0068]电迁移在150°C左右的高温下容易产生。因此，在这种高温下维持由添加Bi而得到的固溶硬化的状态是重要的。通常，固溶硬化的状态在焊料接头被加热至150°C的高温时消失，进而，在150°C下Bi在Sn中的固溶极限成为10%以上，因此，对于Bi而言，可以认为Sn基质中的Bi原子的扩散变得剧烈，Sn晶格畸变得到缓和。添加2%以上的Bi时，已判明即使在150°C以上的高温下，固溶硬化也持续，由于固溶硬化持续，因此产生的Sn的晶格应变的存在会抑制Cu原子的扩散。160°C下的拉伸强度对于SnAg0.5Cu、Sn3Ag0.8Cu3Bi而言分别为19MPa和28MPa，在200°C下也为13MPa和20MPa。Bi不足2质量％时，无法发挥固溶硬化，不会出现Sn的晶格应变。然而，过量添加Bi时，除了前述固相线温度降低的观点以外，由于焊接时的凝固偏析，在139°C下熔融的低熔点相(低温相)析晶。基于焊料接头中这种低温相的存在，由于有时焊料接头会被加热至150°C以上的高温，因此此时液相的生成是无法避免的。因此，由热疲劳导致的应力载荷的増大，裂纹一下子扩展。因此，Bi添加量设为4%以下。本发明的Bi的添加量为2质量％以上且4质量％以下。[0069]作为例子，在Sn3.0Ag0.8Cu5Bi的焊料合金中，由于凝固偏析，Bi在焊料接头的圆角部整体发生析晶。在添加4%的Bi时，Bi以10微米左右的尺寸析晶，分散于整体，但Bi富集的区域尚未贯通圆角整体。但是，添加7%以上的Bi时，Bi的偏析区域贯通圆角部。由此，在焊料接头快速地暴露于150°C的高温下时，液相部分会贯通圆角部，因此，例如，即使能够抑制Cu原子的扩散、防止电迁移，热疲劳特性也显著降低。因此，这种高Bi含量不适于即使流通大电流也要求高可靠性的焊料接头。
[0070]Bi添加量被限定为4%以下，优选为3%以下。Bi含量为3%以下时，圆角的多处确认到Bi的偏析，即使该Bi偏析部在139°C下再熔融，也能够防止裂纹的扩展。另外，In的添加不会改变Bi的偏析的倾向。
[0071]In与Bi同样地与Sn形成固溶体，对Sn基质赋予晶格畸变。由添加In带来的固溶硬化在160°C的高温下也会得到维持。与Bi相比，其效果虽小，但In也能够抑制Sn基质内的Cu扩散。
[0072]在Sn合金中添加2?5%的In时,初晶形成Y-SnIn而非β-Sn,析晶的Y-SnIn相在100°C以下通过固态相变形成β-Sn相。这种固态相变而成的β-Sn相的晶粒被微细化，尺寸为50 μ m以下，晶体取向变得无规。β-Sn相中，c轴方向的Cu原子的扩散速度快。焊料接头部的晶粒大时，上述c轴的方向与电流流通的方位一致的概率高。进而，由于晶粒大、前述概率也高，因此，Cu原子可以扩散的距离变长，从Cu电极扩散到焊料中的Cu量增力口，由电迁移导致的Cu电极的断路在短时间内非常容易发生。然而，晶粒小时，即使若干晶粒的c轴与电流的方位一致，晶粒自身小，从Cu电极移动到焊料中的Cu的总量也会受到抑制，结果直至由电迁移导致导电电路断路为止的寿命变长。
[0073]In的添加量少于2%时,形成初晶，Y-SnIn相几乎不析晶。从凝固初始开始，β-Sn相析晶，连续地生长。因此，不会产生由固相反应造成的相变，粗大的β-Sn晶体的C轴方向与电流的方位一致。因此，在焊料接头中，Cu原子的扩散变得剧烈，在短时间内发生断路。
[0074]另一方面，超过5%地添加In时，在室温下生成β-Sn相，但在150°C下β-Sn相与Y-SnIn的比例约为7:3。这意味着焊料接头在使用中发生相变。如果发生这种从β-Sn至β-Sn和Y-SnIn的相变，则焊料接头变形，会发生与邻接的电极的短路。因此，将In含量限定为5%以下。本发明的In量为2质量％以上且5质量％以下。优选为3质量以上且4质量％以下。
[0075]通过添加In能够直接抑制电迁移。通常，在Cu电极与焊料合金的界面形成Cu6Sn5、Cu3Sn等金属间化合物，但这些金属间化合物相(以下也称为“反应相”)中的Cu原子的移动快，由电迁移导致Cu6Sn5中的Cu原子扩散到Sn基质中，这种金属间化合物相容易消失。金属间化合物相消失后，Cu电极与Sn基质直接接触，Cu的扩散进一步加速，导致在短时间内短路。另一方面，通过将金属间化合物相制成Cu6 (SnIn) 5，能够抑制由电流引起的Cu原子的扩散。因此，能够有效地防止由电迁移导致的金属间化合物相的析出。In的含量设为1%以上，优选设为2%以上。另一方面，在In为5%以下的焊料中，与Cu电极的反应相中的In的含量为7%以下。换言之，Cu6 (SnIn) 5反应相中的In的含量优选为7%以下。
[0076]N1:0.01-0.3%的添加也具有抑制电迁移的效果。通过在SnAgBiIn合金中添加Ni，能够使反应相从Cu6 (SnIn) 5向(CuNi) 6 (SnIn) 5转变，能够抑制Cu扩散。Ni添加量少于
0.01%时，有时一部分Cu6 (SnIn) 5反应相未变化地残留。电流密度变高的区域与该残留的Cu6 (SnIn) 5反应相一致时，Cu扩散被加速，最终导致在短时间内断路。此时，Ni的添加量优选为0.1%以上。进行回流焊接时，回流焊时的加热温度设为不超过260°C。通常，该温度为240°C以下。超过0.1%地添加Ni时，液相线超过240°C。在240°C下少量的Ni3 (SnIn) 4残留，但对焊接几乎没有影响。但是，在Ni的含量超过0.3%、根据情况的不同超过0.2%时，会产生不良影响，例如，空孔量增加。
[0077]但是，由于Ni3 (SnIn) 4残留，因此能够有效地防止回流焊时的Cu向焊料中的溶解，其结果，能够防止断路产生，延长使用寿命。适宜的Ni的添加量为0.01?0.2%，更优选为 0.1 ?0.15%。
[0078]Co:0.01?0.3%的添加也具有抑制电迁移的效果。通过在SnAgBiIn合金中添加Co，能够使反应相从Cu6 (SnIn) 5向(CuCo) 6 (SnIn) 5转变，能够抑制Cu扩散。在Co的添加量少于0.01%、根据情况的不同少于0.02%时，有时一部分Cu6 (SnIn) 5反应相未变化地残留。电流密度变高的区域与该残留的Cu6 (SnIn) 5反应相一致时，该区域中的Cu扩散被加速，最终导致在短时间内断路。Co的添加量优选为0.1%以上。进行回流焊接时，回流焊时的加热温度设为不超过260°C。通常，该温度为240°C以下。超过0.05%地添加Co时，液相线超过240°C。在240°C下少量的Co (SnIn) 2残留，但对焊接几乎没有影响。但是，Co的含量尤其是在超过0.3%、根据情况的不同超过0.2%时，会产生不良影响，例如，空孔量增加。但是，由于Co (SnIn) 2残留，因此能够有效地防止回流焊时的Cu向焊料中的溶解，其结果，能够防止断路产生，延长使用寿命。适宜的Co的添加量为0.05?0.2%，更优选为0.05?
0.15%。
[0079]进而，通过添加Co，使反应相(CuCo) 6 (SnIn) 5成为平滑的表面，形成反应层，厚度变得均匀。Co不足0.01%地添加时，反应相(CuCo) 6 (SnIn) 5的凹凸变得严重，电流集中在反应层的薄的部分时，由于电迁移，反应相变得容易消失。反应相消失后，Cu电极与焊料会直接接触，进一步加速从Cu电极向焊料的Cu扩散，导致在短时间内断路。
[0080]另外，通过添加Co,能够使反应相附近的β-Sn晶粒微细化至30 μ m以下，因此,能够延长直至由电迁移导致断裂为止的使用寿命。
[0081]也可以在本发明的Sn-Ag-B1-1n合金中配混少量的Fe。优选的是，Fe含量在添加时设为0.01?0.1%。
[0082]Sn:余量
[0083]Sn实质上构成该焊料合金的余量。对Sn的含量的下限没有特别规定，但通常至少为94质量％。
[0084]本发明的焊料接头所使用的焊料合金可以通过用于焊料合金制造的通常的方法来制造，此时的焊料合金可以成形为分别适于各个用于形成焊料接头的焊接方法的形状。例如，本发明的焊料合金可以以铸锭、焊条、焊料棒、焊料球、焊料粉末、或焊料丝的形态来使用，另外，也可以加工成粒料、盘料那样的各种预成型焊片来使用。
[0085]使用焊料合金作为焊膏时，将焊料合金粉末通过常用手段适当地与助焊剂混合。
[0086]实施例
[0087]为了研究本发明的焊料接头的作用效果，利用使用焊膏的回流焊法将Cu制的元件与焊盘焊接，从而制作本发明的焊料接头与现有的焊料接头，测量此时的焊料接头的各种特性。将具有表I中记载的各焊料合金成分的焊料粉末与助焊剂混和制作焊膏。[0088]如图3所示，焊膏例如通过模版印刷到电路基板31的铜电极上，接着，将矩形Cu板33放置在焊膏上。电路基板31和铜板33在回流焊炉内被加热，使焊膏熔融，接着，将此时的组装体冷却，得到将Cu板33与电路基板31的焊盘32接合的焊料接头34。图3示意性地示出此时的电路基板I的模样。
[0089]热循环试验按照下述要领进行。
[0090]使用厚度为1.6mm且6层的FR4印刷基板。以与基板电极尺寸相同的开口尺寸将规定的焊膏印刷为150 μ m厚的焊接图案(1.6X1.2(mm))。对其在将3.2mmXl.6mm X 0.6mm尺寸的陶瓷芯片电阻分压器用SMT-2000V SUZUKI制的自动部件装配机搭载后、使用千住金属制SNR-825、在峰值温度240°C、氧气浓度500ppm以下的条件下进行安装。
[0091]在耐热疲劳试验中，使用基于空气循环式的冷热冲击试验机TSA-101 (Espec制)，在-55°C、+125°C下各保持30分钟，将暴露于常温的时间设为O分钟。每500个循环使用剪切强度测定仪(Shear tester) STR-1000 (Rhesca制)对10~15点测定各芯片部件接合部的剪切强度。剪切工具的尺寸、速度分别为3mmWX2mmt、5mm/分钟。
[0092]为了明确焊料接合部的寿命，将3216部件的最低接合強度设为15N，每500个循环算出成为15N以下的累积频率，将累积频率超过10%的阶段设为不合格，将该500个循环前作为焊料接合部的寿命。将其结果记载于表1。
[0093]电迁移试验按照以下的要领进行。
[0094]求出对于电迁移的电阻性时，将铜板33与电路基板31的焊盘32如图3所示地适当地连接到电源35，在Cu板33与电路基板31的焊盘32之间流通电流。此时的电流在将电路基板31保持在室温的大气 下的状态下供给直电阻增加5%、10%。结束时，用电子显微镜观察焊料接头34的圆角部的底部附近的焊料接头34的截面。观察圆角部的区域是因为那里是被认为电流密度最高的位置。
[0095]本例子中，使用表1所示的组成的焊料合金。将结果同样示于表1。
[0096]最后，利用将回流焊的峰值温度设为240°C的回流焊炉、对焊接后的电路基板I通过X射线透射装置确认焊料圆角，调查焊料接头的空孔。将以接头截面的面积比计、空孔为20%以上的样品判定为“ X ”，将10~20%的样品判定为“Λ”、将不足10%的样品判定为“〇”。将结果示于表1。
[0097][表 I]
【权利要求】
1.一种焊料合金，其为具有流通5?lOOkA/cm2的电流密度的电流的接头的电子器件用的焊料合金，所述焊料合金本质上由2?4质量％的Ag、2?4质量％的B1、2?5质量％的In、余量的Sn组成。
2.根据权利要求1所述的焊料合金,其本质上由2.5?3.5质量％的Ag、2?3质量％的B1、3?4质量％的In、余量的Sn组成。
3.根据权利要求1或2所述的焊料合金，其还含有选自0.01?0.3质量％的N1、和0.01?0.32质量％的Co、0.01?0.1质量％的Fe中的一种以上成分。
4.一种焊料接头,其特征在于,其是利用本质上由2?4质量％的Ag、2?4质量％的B1、2?5质量％的In、余量的Sn组成的焊料合金制成的，其为电子器件内部的焊料接头、或连接于电子器件的焊料接头，在该焊料接头的至少一部分流通5?100kA/cm2的电流密度的电流。
5.根据权利要求4所述的焊料接头，所述焊料接头是利用在本质上由2?4质量％的Ag、2?4质量％的B1、2?5质量％的In、余量的Sn组成的焊料合金中还含有0.01?0.3质量％的N1、0.01?0.32质量％的Co、和0.01?0.1质量％的Fe中的至少一种成分的焊料合金制成的。
6.—种功率器件,其特征在于,在器件内部具有利用本质上由2?4质量％的Ag、2?4质量％的B1、2?5质量％的In、余量的Sn组成的焊料合金制成的焊料接头,在接头的至少一部分流通5?lOOkA/cm2的电流密度。
【文档编号】H05K3/34GK103501959SQ201280020363
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2012年2月27日 优先权日:2011年2月25日
【发明者】H·J·阿尔布雷希特, K·维尔克, 菅沼克昭, 上岛稔 申请人:千住金属工业株式会社