焊料接合部制造技术

本发明专利技术提供一种焊料接合部，其通过如下接合部而在高温区域中具有优异耐久性，该接合部使UBM与焊料合金接合，自UBM侧依序含有自UBM侧延续的Ni层、NiSn合金层、(Cu、Ni、Pd)αSn合金层、BiSn合金层及朝焊料合金侧延续的Bi层而成。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】焊料接合部
本专利技术涉及一种焊料接合部。
技术介绍
就环境方面的考虑而言，推荐使用不含铅的焊料合金。焊料合金根据其组成不同，作为焊料使用时适宜的温度区域亦发生变化。功率装置作为电力转换用元件，在油电混合车、送变电等广泛领域使用。以往可利用Si晶片的装置来顺应，但在要求高耐压、大电流用途、高速作动的领域，近年来着眼于带隙较Si大的SiC、GaN等。以往的功率模块其作动温度达到170℃左右，但认为下一代型的SiC、GaN等存在成为200℃或200℃以上的温度区域的可能性。伴随于此，对用在搭载有这些晶片的模块的各材料要求耐热性、散热性。作为具备此种特性的接合部，就无Pb的观点而言，认为优选为例如使用Sn-3.0Ag-0.5Cu焊料(Ag：3.0质量％、Cu：0.5质量％、剩余部分Sn)的接合部。然而，由于下一代型模块存在作动温度超过200℃的可能性，故要求较使用熔点为220℃附近的Sn-3.0Ag-0.5Cu焊料的接合部更进一步的耐热性。具体而言，就散热器的冷却及引擎周围温度的容许性而言，要求优选为耐250℃以上的高温的接合部。或认为，若为使用就环境规范观点而言欠佳的Pb焊料(Pb-5Sn)的接合部，则能够顺应下一代型模块的作动温度。又，近年来，使用金属粉末糊的接合部作为下一代型模块的接合部引人注目。由于金属粉的尺寸小，故表面能量高，并在远低于该金属熔点的温度下开始烧结。并且，与焊料不同，一旦烧结，则若不升温至接近该金属熔点，则不会再熔融。充分利用此种特性，使用Ag粉末糊的接合部正处于开发阶段(专利文献1)。Pb-5Sn焊料虽然作为下一代型功率模块的接合材料的功能充分，但有铅，就将来的环境规范的观点而言，较理想为不使用。又，Ag粉末糊虽然根据条件能够赋予接合部充分的接合强度、耐热性，但存在材料价格的问题。
技术介绍
文献专利文献专利文献1：国际公开第2011/155055号。
技术实现思路
[专利技术所欲解决的问题]业界要求在下一代型功率模块的接合材料所要求的高温区域，例如超过250℃的温度区域中亦具有优异耐久性的焊料接合部。因此，本专利技术的目的在于提供一种在高温区域中具有优异耐久性的焊料接合部。[解决问题的技术手段]在高温区域中具有优异特性的焊料接合部的研究开发大多着眼于焊料合金的熔点而进行。然而，本专利技术人经过进一步潜心研究开发后，结果发现，焊料接合部的高温特性不如说是取决于通过焊料接合而形成的接合部的结构，特定出该结构而完成本专利技术。因此，本专利技术含有以下的(1)。(1)一种接合部，其使UBM与焊料合金接合，自UBM侧依序含有下述的层而成：自UBM侧延续的Ni层、NiSn合金层、(Cu、Ni、Pd)αSn合金层、BiSn合金层、及朝焊料合金侧延续的Bi层。[专利技术的效果]若根据本专利技术，可获得在高温区域具有优异耐久性的焊料接合部。附图说明图1是实施例1的接合部的回流焊处理后的EPMA(电子探针显微分析仪)复合映射图像。图2是在实施例1的接合部的回流焊处理后在250℃的温度下保持1000小时后的EPMA复合映射图像。图3是比较例1的接合部的回流焊处理后的EPMA复合映射图像。图4是在比较例1的接合部的回流焊处理后在250℃的温度下保持1000小时后的EPMA复合映射图像。图5是实施例1的接合部的回流焊处理后的STM(扫描式电子显微镜)图像。图6是以沿图5的分析线(55)分析获得的原子浓度(摩尔％)为纵轴，以距分析线的分析起点的距离为横轴的曲线图。图7是比较例1的接合部的回流焊处理后的STM图像。图8是以沿图7的分析线(75)分析获得的原子浓度(摩尔％)为纵轴，以距分析线的分析起点的距离为横轴的曲线图。符号说明11：Ni层12：NiSn合金层13：(Cu、Ni、Pd)αSn层14：Bi层21：Ni层22：NiSn合金层23：(Cu、Ni、Pd)αSn层24：Bi层31：Ni层(无Bi侵入)32：(Cu、Ni、Pd)αSn层32'：NiSn合金层33：游离(Cu、Ni、Pd)αSn相34：Bi层35：侵入Bi41：Ni层(无Bi侵入)42：Ni层(有Bi侵入)43'：NiSn合金相(不延续)43：(Cu、Ni、Pd)αSn层44：游离(Cu、Ni、Pd)αSn相45：Bi层46：Ni相51：Ni层52：P富集区域53：(Cu、Ni、Pd)αSn层54：Bi层55：分析线71：Ni层72：P富集区域73：(Cu、Ni、Pd)αSn层74：Bi层75：分析线。具体实施方式以下列举实施态样详细地说明本专利技术。本专利技术并不限定于以下所列举的具体实施态样。[使UBM与焊料合金接合的接合部]本专利技术的接合部是使UBM与焊料合金接合的接合部，自UBM侧依序含有自UBM侧延续的Ni层、NiSn合金层、(Cu、Ni、Pd)αSn合金层、BiSn合金层、及朝焊料合金侧延续的Bi层而成。通过此种层结构，可获得在高温区域中具有优异耐久性的焊料接合部。[UBM]所谓UBM(UnderBumpMetal，凸块下金属层)，是在晶片(例如Si晶片)上的电极(例如Al电极)上为了形成焊料凸块而介存的金属层。作为UBM，通常形成Ni层或Ni合金层并在其上形成Pd层及/或Au层等。在本专利技术的优选实施态样中，作为UBM，例如可列举在Si晶片上的Al电极上形成的由Ni层、在其上形成的Pd层及在其上形成的Au层所构成的金属层。[焊料合金]在优选实施态样中，作为焊料合金，可列举无铅焊料合金，例如可列举实施例中揭示的Bi-Cu-Sn组成的合金。[接合部的UBM侧]本专利技术的接合部是使UBM与焊料合金接合的接合部，故UBM因接合而失去原来的金属层的构成，能够检测的层仅剩下为UBM的主要层的Ni层。来自该UBM的Ni层一直延续至接合部，在接合部附近，成为自上述UBM侧延续的Ni层。UBM因接合而失去原来的构成，但在本说明书中，将接合两侧中存在该UBM的侧称为UBM侧。在本说明书中，有时将自UBM侧延续的Ni层仅称为Ni层。该Ni层虽为自UBM侧延续的层，但为了使接合部的构成明确，在本说明书中，作为构成接合部的层的一部分进行记载。[接合部的焊料合金侧]本专利技术的接合部是使UBM与焊料合金接合的接合部，故接合部的焊料合金侧朝焊料合金延续。在优选实施态样中，焊料合金为以Bi作为主要成分的合金，接合部的焊料合金侧成为朝焊料合金侧延续的Bi层。焊料合金因接合而成为具有与原来的焊料合金不同的相者，但在本说明书本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种接合部，其使UBM与焊料合金接合，自UBM侧依序含有下述的层而成：/n自UBM侧延续的Ni层、/nNiSn合金层、/n(Cu、Ni、Pd)αSn合金层、/nBiSn合金层、及/n朝焊料合金侧延续的Bi层。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181228 JP 2018-2484741.一种接合部，其使UBM与焊料合金接合，自UBM侧依序含有下述的层而成：
自UBM侧延续的Ni层、
NiSn合金层、
(Cu、Ni、Pd)αSn合金层、
BiSn合金层、及
朝焊料合金侧延续的Bi层。


2.根据权利要求1所述的接合部，其中，NiSn合金层含有Ni、Sn及P，
在NiSn合金层中，与Ni层的边界处的Ni含量大于与(Cu、Ni、Pd)αSn合金层的边界处的Ni含量，
在NiSn合金层中，与Ni层的边界处的Sn含量小于与(Cu、Ni、Pd)αSn合金层的边界处的Sn含量，
在NiSn合金层中，与Ni层的边界处的Sn含量为0.4摩尔％以下，
在NiSn合金层中，与Ni层的边界处的P含量大于与(Cu、Ni、Pd)αSn合金层的边界处的P含量，
在NiSn合金层中，与(Cu、Ni、Pd)αSn合金层的边界处的P含量为0.5摩尔％以下。


3.根据权利要求1或2所述的接合部，其中，NiSn合金层含有Ni、Sn及P，
在NiSn合金层中，距与Ni层的边界的各距离处的Ni含量处于21摩尔％～83摩尔％的范围，
在NiSn合金层中，距与Ni层的边界的各距离处的Sn含量处于0.2摩尔％～48摩尔％的范围，
在NiSn合金层中，距与Ni层的边界的各距离处的P含量处于0.1摩尔％～10摩尔％的范围。


4.根据权利要求1至3中任一項所述的接合部，其中，在NiSn合金层中，与(Cu、Ni、Pd)αSn合金层的边界处的Bi含量为2摩尔％以下。


5.根据权利要求1至4中任一項所述的接合部，其中，在NiSn合金层中，距与Ni层的边界的各距离处的Bi含量处于0.2摩尔％～2摩尔％的范围。


6.根据权利要求1至5中任一項所述的接合部，其中，NiSn合金层的厚度处于0.03～0.1[μm]的范围。


7.根据权利要求2至6中任一項所述的接合部，其中，在NiSn合金层中，与Ni层的边界处的Cu含量小于与(Cu、Ni、Pd)αSn合金层的边界处的Cu含量，
在NiSn合金层中，与Ni层的边界处的Cu含量为4摩尔％以下。


8.根据权利要求2至7中任一項所述的接合部，其中，NiSn合金层进而含有Pd，
在NiSn合金层中，与Ni层的边界处的Pd含量小于与(Cu、Ni、Pd)αSn合金层的边界处的Pd含量，
在NiSn合金层中，与Ni层的边界处的Pd含量为3摩尔％以下。


9.根据权利要求1至8中任一項所述的接合部，其中，Ni层在距与NiSn合金层的边界0.2[μm]以内的各距离处的Bi含量均为0.2摩尔％以下。


10.根据权利要求1至9中任一項所述的接合部，其中，(Cu、Ni、Pd)αSn合金层含有Cu、Ni、P...

【专利技术属性】
技术研发人员：日野英治，泽渡広信，
申请(专利权)人：JX金属株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP