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JP3226213B2 - 半田材料及びそれを用いた電子部品 - Google Patents

半田材料及びそれを用いた電子部品

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JP3226213B2
JP3226213B2 JP27508796A JP27508796A JP3226213B2 JP 3226213 B2 JP3226213 B2 JP 3226213B2 JP 27508796 A JP27508796 A JP 27508796A JP 27508796 A JP27508796 A JP 27508796A JP 3226213 B2 JP3226213 B2 JP 3226213B2
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JP
Japan
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lead
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solder
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俊典 小柏
孝俊 有川
眞▲観▼ 横沢
和廣 青井
良治 澤田
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Tanaka Denshi Kogyo KK
Panasonic Corp
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Tanaka Denshi Kogyo KK
Panasonic Corp
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、鉛を使用しない高
温半田材料で熱疲労性能に優れた環境に優しい無鉛高温
半田材料に関する。特に、電子素子等のダイボンディン
グやハイブリッドＩＣ等の発熱部品の半田付けに用いて
好適なものである。また、それを用いた電子部品に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】近年、電子機器等の廃棄処理等の課題や
環境対策の推進により、鉛を使用しない無鉛半田に対す
る要求が高くなった。
【０００３】しかし、通常電子部品等の半田付けには、
Ｐｂ−Ｓｎ系半田が用いられている。Ｐｂ−Ｓｎ系半田
は、接合性に優れて、相互の含有量の調整で広い温度範
囲の融点を選ぶことが出来る利点を有している。特に６
３重量％Ｓｎ−Ｐｂ共晶半田は、融点が１８３℃と低い
ため、電子部品を低温で半田付けでき、電子部品への熱
影響も少ないとして広く使用されている。
【０００４】一方、電子部品の実装工程及び実装済みの
電子部品では、一度半田付けされた箇所が二度目の加熱
を受ける場合がある。例えば、半導体装置のように半導
体素子チップをリードフレーム（特にダイ）に半田付け
した後、ワイヤーボンディングする為にダイを加熱した
り、プリント基板の両面に電子部品を実装するハイブリ
ッドＩＣのように他方の面への電子部品の搭載・半田付
けを一方の面への電子部品の搭載・半田付けを行なった
後にする半田の「二度付け」が行なわれたり、実装済み
でも電子素子自体の発熱により加熱されたりしている。
【０００５】このため、一度目の半田付け材料は、二度
目の加熱を行なう際に、その半田材料が溶融して、一度
目に接合した部品が脱落することを防ぐために液相線温
度の高い高温半田材料が必要である。この様な高温半田
材料としては、電子素子への熱影響を少なくすることを
考慮して液相線温度が２００〜３５０℃のものが要求さ
れている。
【０００６】そこで、無鉛で高温の条件を満たす無鉛高
温半田材料として、Ｓｎ−Ｃｕ系のＳｎを主成分として
少量のＣｕを添加した液相線温度が２００〜３５０℃の
ものが提案されている（特開昭６１−１５６８２３号公
報）。また、他の無鉛半田材料として、Ｓｎ−Ｉｎ系
（特開昭６１−５５７７４号公報）、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｚｎ
系（特開昭６２−１６３３３５号公報）が提案されてい
る。
【０００７】また、ダイボンド材の厚みを制御するため
に、金属または絶縁物などの粒子をダイボンド材に添加
し、加圧接着してダイボンドすることも提案されている
（例えば、特開平６−６８５号公報）。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
無鉛高温半田材料（Ｓｎ−Ｃｕ系等）を、ダイボンディ
ングやハイブリッドＩＣ等の発熱部品の半田付けに使用
した場合、電子機器を長期使用しているうちに半田付け
した高温半田に亀裂が入り、導通不良に至ることがあ
る。この原因は、電子機器の内部が使用時に電子部品の
発熱で温度が上がり、使用後は室温に戻るという温度変
化の繰り返し、即ちヒートサイクルによる熱疲労であ
る。従来の無鉛高温半田材料は、古くから知られている
が、熱疲労性能に劣ると言う問題を有していた。そのた
め、Ｐｂを含有させることで熱疲労性能を向上させる鉛
高温半田が広く使用されている。また、他の従来例の無
鉛高温半田材料は、半田付け性が悪いという問題があっ
た。
【０００９】本発明は、前記従来の問題を解決するた
め、組成が実質的に無鉛であり、かつ液相線温度が２０
０〜３５０℃の高温半田材料の熱疲労性能を向上させて
電子機器の信頼性を高め環境に優しい無鉛高温半田材料
及びそれを用いた電子部品を提供することを目的とす
る。
【００１０】また、他の目的としては、電子素子と基板
との間に半田材料を挟んでダイボンディング等をする場
合に、添加物が片寄って接着する傾斜接着による熱抵抗
の増大や信頼性の課題があるので、半田材料内組成の比
重等の相違することによる組成分布の偏りをなくし、添
加物が片寄って接着される傾斜接着なくすことである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の半田材料は、０．００５〜３．０重量％の
パラジウム（Ｐｄ）および０．００５〜３．０重量％の
ゲルマニュウム（Ｇｅ）を含有し、その合計が５．０重
量％を超えず、かつ錫（Ｓｎ）を９５．０〜９９．９８
５重量％と不可避不純物を含有し、さらに、Ａｇ、Ｐ、
Ｚｎ、Ｃｕ、Ｂ、Ｓｂ、ＢｉおよびＩｎから選ばれる少
なくとも１種を０．００５〜２．０重量％含有してもよ
いことを特徴とする。
【００１２】次に本発明の電子部品は、０．００５〜
２．５重量％のパラジウム（Ｐｄ）および０．００５〜
３．０重量％のゲルマニュウム（Ｇｅ）を含有し、その
合計が５．０重量％を超えず、かつ錫（Ｓｎ）を９５．
０〜９９．９８５重量％と不可避不純物を含有し、さら
に、Ａｇ、Ｐ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｂ、Ｓｂ、ＢｉおよびＩｎ
から選ばれる少なくとも１種を０．００５〜２．０重量
％含有してもよい半田材料を用いて、電子素子をダイボ
ンド接続したことを特徴とする。。
【００１３】前記電子部品においては、半田材料を、Ｎ
ｉを主体とする膜が形成された基板面と電子素子面との
間に設けて前記Ｎｉを主体する膜で挟んだ構成で前記基
板と前記電子素子とを接続したことが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】本発明の好ましい無鉛高温半田材
料は、０．００５〜３．０重量％のパラジウム（Ｐｄ）
および０．００５〜３．０重量％のゲルマニュウム（Ｇ
ｅ）を含有し、その合計が５．０重量％を超えず、かつ
錫（Ｓｎ）を９５．０〜９９．９８５重量％と不可避不
純物を含有し、さらに、Ａｇ、Ｐ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｂ、Ｓ
ｂ、ＢｉおよびＩｎから選ばれる少なくとも１種を０．
００５〜２．０重量％含有してもよいことにより、熱疲
労性能が良いと言う作用を有する。特に、半田付け性の
阻害要因が酸化物であることから、本発明はＳｎが主成
分なので、そのＳｎよりも酸化物の標準生成エネルギー
が大きものを添加すれば解決される。また、それらの添
加物は、環境の優しいものが良い。そこで、これらの
内、Ｃｕ、Ａｇ、Ｂがなお良い。
【００１５】さらに、本発明の電子部品は、パラジウム
（Ｐｄ）を０．００５〜３．０重量％、錫（Ｓｎ）９
５．０〜９９．９８５重量含有した組成を有し、液相線
温度が２００〜３５０℃である無鉛高温半田材料のＳｎ
とほぼ比重が等しくかつ４０μｍ前後の金属または合金
粒子を０．１〜５．０重量％含有した無鉛高温半田材料
をほぼ平行に配置された電子素子と基板との間に設けて
接続したもので、熱疲労性能が良いだけでなく、電子素
子が基板と平行に半田ムラがなく載置でき傾斜接着をな
くすという作用を有する。
【００１６】以下、本発明の実施の形態について、具体
的に説明する。
【００１７】第１の実施形態である無鉛高温半田材料の
組成から以下に述べる。
【００１８】本発明に用いるＳｎ原料は、９９．９重量
％以上の高純度Ｓｎを用いることが好ましい。更に、好
ましくは、９９．９９重量％以上である。Ｓｎ原料が高
純度であるほど不可避不純物中にＰｂの混入を避ける事
ができるためである。
【００１９】尚、本発明における無鉛とは、鉛含有量を
環境対策上好ましい量まで低減したものであり、好まし
くは不可避不純物中に含まれる微量な程度にまで低減し
たものである。
【００２０】本発明は、所定量のＰｄとＳｎを共存させ
ることにより、その相乗効果によって、熱疲労性能を向
上させることができる。
【００２１】Ｐｂを含有しないＳｎ−Ｐｄ合金半田でＳ
ｎ含有量が９５．０重量％以上の時、９５．０重量％未
満と対比して熱疲労性能を大きく向上させることができ
る。このため、Ｓｎ含有量は、９５．０重量％以上であ
る事が好ましい。この中でもＳｎ含有量が９５．４９重
量％以上の時、熱疲労性能は一段と向上する。このた
め、好ましくは、Ｓｎ含有量は、９５．４９重量％以上
である。
【００２２】反対に、Ｐｂを含有しないＳｎ−Ｐｄ合金
半田でＳｎ含有量が９９．９８５重量％を超える時、本
発明で必要なＰｄを含有することができなくなる。この
ため、Ｓｎ含有量の上限は９９．９８５重量％が好まし
い。この中でもＳｎ含有量が９９．９４重量％以下の時
有効な共存元素であるＰｄを０．０５重量％以上含有し
うることとなり、熱疲労性能は、一段と向上してくる。
このため、Ｓｎの含有量は、好ましくは９９．９４重量
％以下である。
【００２３】以上のことより、Ｓｎ含有量は、９５．０
〜９９．９８５重量％が好ましい。さらに好ましくは９
５．０〜９９．９４重量％であり、とくに好ましくは、
９５．４９〜９９．９４重量％である。
【００２４】一方、Ｐｂを含有しないＳｎ−Ｐｄ合金半
田でＰｄ含有量が０．００５重量％以上の時、０．００
５重量％未満と対比して熱疲労性能を大きく向上させる
ことができる。このため、Ｐｄ含有量は、０．００５重
量％以上である事が必要である。この中でもＰｄ含有量
が０．０５重量％以上の時、熱疲労性能は一段と向上す
る。このため、好ましくは、Ｐｄ含有量は、０．０５重
量％以上である。
【００２５】反対に、Ｐｂを含有しないＳｎ−Ｐｄ合金
半田でＰｄ含有量が３．０重量％を超える時、３．０重
量％以下と対比して熱疲労性能は、低下してくる。この
ため、Ｐｄ含有量が３．０重量％以下である事が必要で
ある。この中でもＰｄ含有量が２．５重量％以下の時、
熱疲労性能は、一段と向上してくる。このため、Ｐｄの
含有量は、好ましくは２．５重量％以下である。
【００２６】以上のことより、Ｐｄ含有量は、０．００
５〜３．０重量％と定めた。好ましくは０．０５〜３．
０重量％であり、更に好ましくは、０．０５〜２．５重
量％である。
【００２７】本発明は、所定量のＰｄとＳｎを共存させ
る限り、他の元素を含有しても発明の効果を維持する。
このことは、他の元素として、さらに、Ａｇ、Ｇｅ、
Ｐ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｂ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｉｎのうち少なくと
も１種を０．００５〜２．０重量％含有させた場合にも
いえることである。特に環境に優しい効果を得るには、
Ａｇ、Ｇｅ、Ｃｕ、Ｂが良い。
【００２８】本発明の無鉛高温半田材料の液相線温度
は、２００〜３５０℃である事が必要である。液相線温
度が２００℃未満の時、二度目の加熱を行なう時の温度
条件も２００℃未満にする必要があり、二度目の加熱の
温度条件が制約されてくる。よって、液相線温度は、低
くても２００℃以上であることが必要である。反対に、
液相線温度が３５０℃以上の時、電子部品への熱歪等の
熱影響があるため３５０℃以下であることが必要であ
る。
【００２９】本発明の無鉛高温半田材料は、テープ、ワ
イヤ状に加工したり、浸せき浴や蒸着用の材料として用
いることができる。また、高融点粒子を混入させ複合材
料として使用することもできる。テープの加工方法は、
インゴットに鋳造した後、圧延、スリッター加工を施し
所定寸法のテープに仕上げる。ワイヤの加工方法は、イ
ンゴットの押し出しまたは溶湯を水中へ噴出急冷方法に
より素線を得て、伸線加工により、所定寸法のワイヤに
仕上げる。
【００３０】本発明の無鉛高温半田材料は、一度目の半
田付けを行なった後、二度目の加熱が行なわれ、且つそ
の使用状態が室温と高温のヒートサイクルを受ける場合
に、一度目の半田付け材料として効果的に用いられる。
例えば、ダイボンディングやハイブリッドＩＣ実装等で
ある。以下、それらを具体的に説明する。
【００３１】図１は、樹脂封止する前の半田装置の側面
図である。基板であるリードフレームのダイ１表面にＮ
ｉめっき２を設けてある。電子素子であり半導体素子で
あるＩＣチップ５の上面にはＡｌ電極６、下面にはメタ
ライズ層であるＮｉめっき４を設けてあり、上面のＡｌ
電極６には、金線のワイヤ７がワイヤボンド接続されて
いる。ワイヤ７は、半導体素子とリードとを電気的に接
続するもので、ワイヤ７のもう一端は、リードフレーム
のＮｉめっき８をした内部リード９上に接続している。
ＩＣチップ５の下面のＮｉめっき４とダイ１表面のＮｉ
めっき２とを介して、基板とチップ状の電子素子である
半導体のＩＣチップ５とが本発明の無鉛高温半田材料で
ほぼ平行に接続（ダイボンド）されている。
【００３２】製造方法は、ダイ１の上面に円形または方
形に成形された半田ペレットを介してＩＣチップ５を載
せ、水素雰囲気の加熱炉中を通過させて一度目の加熱に
よる半田付けを行う。次いで、ダイ１の下面から１５０
〜２５０℃の温度で二度目の加熱を行い、金のワイヤ７
をＡｌ電極６に熱圧着ボンディングしている。
【００３３】また、ハイブリッドＩＣでは、図示しない
がＩＣチップをプリント基板の一方の面に搭載して本発
明の無鉛高温半田材料を用いて一度目の半田付けを行
い、電子機器の小型化を狙ってプリント基板の反対面に
更に電子部品を搭載するため本発明品よりも液相線温度
の低い半田材料を用いて二度目の半田付けを行なう。
【００３４】以下、電子素子がシリコン製の半導体素子
を用いたものについて詳しく述べる。
【００３５】ＳｎにＰｄを１重量％添加した後３２０℃
で溶融攪拌し、その後、圧延加工で幅４ｍｍ、厚み１０
０μｍのシート状の無鉛高温半田材料を得た。しかる
後、Ｎｉめっき膜で仕上げたＴＯ−２２０パッケージ用
リードフレーム上に、前記シートを載置し、一辺が２．
３ｍｍの裏面にＮｉ膜を付着形成したシリコン製チップ
の半導体素子を配置した後、２７０℃でダイボンドし
た。
【００３６】Ｐｄの含有量を変化させて同様に試作し、
シリコン製チップの半導体素子に最適な含有量を求め
た。その結果、Ｐｄの含有量を０．５重量％以上にした
のは、シリコン製チップの半導体素子の割れを防止でき
るからである。また、Ｐｄの含有量を２．０重量％以下
としたのは、ダイボンド温度を３２０℃以下にし、ダイ
ボンド装置の高寿命化とダイボンド材の酸化を防ぐため
である。
【００３７】次に、半田厚みの制御について述べる。
【００３８】Ｓｎ（比重７．２８）にＰｄとＧｅとを各
々１重量％と、Ｎｉ（比重８．８）０．３重量％を添加
した後、３００℃で溶融攪拌した。その溶融容器の下よ
り一滴ずつ取り出し、ＴＯ−２２０パッケージ用リード
フレームの半導体素子載置部上に所定量滴下した後、そ
の上からシリコン製チップをダイボンドした。その後、
Ａｌワイヤーによる配線、樹脂封止、リード加工を施し
て半導体装置を得た。その結果、傾斜接合のないものが
溶融半田の滴下方法でも得られた（ポッテイング方
式）。
【００３９】本発明の無鉛高温半田材料は、半導体素子
をダイボンディングする際に、その水平度を保つため
に、高融点粒子を混入させる。高融点粒子の融点は、４
００℃以上、その含有量は、０．００１〜５．０重量％
（更に、０．００１〜０．６重量％が好ましい）、粒子
の径辺寸法は、５〜１００μｍであることが好ましい。
高融点材料としては、Ｃｕ、Ｎｉ等の金属粒子、酸化
物、炭化物等が良い。
【００４０】さらに、電子素子である半導体素子と基板
とを接続する場合に、その間の半田厚みを３０〜６０μ
ｍで制御するための粒子としては、粒子の粒径が４０μ
ｍ±２０μｍで、無鉛高温半田材料の主成分であるＳｎ
と比重の差が２以内が良い。比重差が２より大きくなる
と、軽い場合に半田内で上方に浮いたり、反対に重い場
合に下方に沈んだりして接着力の低下、信頼性の低下と
なってしまう。特に比重の差が２以内でＳｎよりも重い
ＮｉやＣｕ（比重８．９）やＦｅ（比重７．９）が特に
良い。酸化物や炭化物では、そのような比重の粒子が得
られなかった。
【００４１】また、平均粒子直径は４０μｍ±２０μｍ
の範囲がなお良い。粒径が１０μｍ前後ものが増加する
と半導体素子等のチップ欠けや割れを発生させ、厚くな
ると熱抵抗の増大を招く。特に、電子素子や基板の少な
くとも一方に、シリコン、ＧａＡｓ、セラミック等の割
れやすく脆いものを用いる場合に有効である。このこと
は、半田厚みに関しても言えることである。
【００４２】さらに、前記した本発明の無鉛高温半田材
料に含まれる粒子の粒径が４０μｍ±２０μｍで、無鉛
高温半田材料の主成分であるＳｎと比重の差が２以内の
金属が良い。その理由は、電気的な導電性能が良く、半
導体素子に対する放熱特性も良くなるからである。
【００４３】なお、電子素子や基板の少なくとも一方
に、シリコン、ＧａＡｓ、セラミック等の割れやすく脆
いものを用い、それらの面にＮｉを主体とするめっき膜
（Ｎｉ膜やＮｉ合金膜等）を有し、そのＮｉめっき膜で
本発明の無鉛高温半田材料を挟んで電子素子と基板とを
接着すると、接着力が強く、熱疲労性能及び放熱特性が
極めて良くなる。この効果は、本発明の無鉛高温半田材
料に含まれる粒子の粒径が４０μｍ±２０μｍで、無鉛
高温半田材料の主成分であるＳｎと比重の差が２以内の
金属である場合に、Ｎｉ膜と金属粒子との合金化や接続
性の良さの関係で一段と高くなる。そのため熱抵抗特性
も良くなる。
【００４４】銅材にＮｉめっきしたリードフレーム、半
導体素子Ｃｒ／Ｃｒ＋Ｎｉ／Ａｇ（０．３μｍ）等に適
用することが好適である。
【００４５】特に、パワー半導体デバイスに用いられる
ダイボンド材のように、単に電気を通すだけでなく、素
子内部で発生した熱を外部に放熱させることが必要な場
合は、熱伝導性、異なる構成部品間の熱歪みの緩衝等が
重要である。
【００４６】本発明においては、パラジウム（Ｐｄ）を
０．００５〜３．０重量％含有し、残部が錫（Ｓｎ）と
その不可避不純物からなる組成であっても良いことはも
ちろんである。
【００４７】
【実施例】次に、実施例を用いて本発明をさらに具体的
に説明する。なお以下の実施例において、例えば表１〜
２などで半田組成物の全体の量が必ずしも１００％にな
っていないのは、不可避不純物を微量含むことによる。
したがって（１００％−半田組成物合計重量％）が不可
避不純物の重量％である。
【００４８】（参考例１） 図２の試験片と測定方法に関する概要図を参考にして説
明する。
【００４９】純度が９９．９９重量％Ｓｎ地金とＰｄを
所定量配合し（不可避不純物等を総合計すると１００重
量％となる）、真空溶解した後、鍛造して表１に示す組
成のインゴットを得た。該インゴットを圧延して厚さ
０．１ｍｍ×幅１０．０ｍｍテープを得た。更に前記テ
ープを素材としてプレス加工を行い、厚さ０．１ｍｍ×
直径１．８ｍｍの半田ペレットに仕上げた。
【００５０】その半田ペレットＡを用いて、熱膨張係数
の異なる２種類の材料を半田付けして試験片１０を作製
し熱疲労試験Ａを行なった。
【００５１】試験片１０は、熱膨張係数の異なる２種類
の材料としては、熱膨張係数１７．５×１０-6／℃であ
るＣｕと４．４×１０-6／℃である４２アロイ（４２重
量％Ｎｉ−Ｆｅ）を採用した。厚さ９μｍのＮｉめっき
を施した直径１．８ｍｍ×長さ２０ｍｍの銅と、４２ア
ロイの棒との間に半田ペレットを挟み、アルゴンガス気
流中３５０℃で半田付けして作製した。即ちＮｉめっき
１２を施した銅棒１１とＮｉめっき１４を施した４２ア
ロイ棒１３とを半田材料１５で接合している。この時、
フラックスとして無機酸系水溶性フラックス（日本アル
ファメタルズ製ＩＡ２００Ｌ）を用いた。
【００５２】熱疲労試験Ａは、気相ヒートショック試験
装置（日立製作所製 ＥＳ５０Ｌ）を用い、−５５℃×
１５分、室温×５分、１５０℃×１５分、室温×５分を
１サイクルとし、所定の熱疲労に至るまでそのサイクル
を繰り返すものである。
【００５３】熱疲労の測定は、所定サイクルの熱疲労試
験後、図２に示す方法で半田材料のクラック状況を確認
することでおこなった。電源１６を用いて所定範囲の電
圧を試験片の両端に印可して、一定電流を流した時の両
端電圧を実測した。実測した両端電圧が熱疲労試験Ａを
する前の初期値より１０％増加した時点で、クラックに
よる不良と判断し、それまでのサイクル数を不良に至る
サイクル数として測定値の外挿法により求めた。その測
定結果を後にまとめて表１に示す。
【００５４】（実験番号２〜２５、比較例１〜５）参考例 １で説明したインゴットの組成を表１の様に変化
させること以外は、実施例１と同様に半田ペレットに
し、試験片を作製して、熱疲労試験Ａを行なった。測定
結果を表１及び表２に示す。
【００５５】
【表１】
【００５６】
【表２】
【００５７】表１及び表２から明らかな通り、本発明の
必須成分であるＰｄを含有しない比較例１は、不良に至
るサイクル数が２３０と悪いものであった。また、Ｐｄ
含有量が所定量を超えて１０重量％である比較例２は、
不良に至るサイクル数が３１０と悪いものであった。
【００５８】所定量のＰｄを含有するもののその他成分
の含有量が多く、Ｓｎ含有量が９５．０重量％未満であ
る比較例３、４も、不良に至るサイクル数が２９０と悪
いものであった。さらに、所定量のＳｎを含有するもの
のＰｄを含有せず、その他元素であるＣｕを含有する比
較例５は、不良に至るサイクル数が２６０と悪いもので
あった。
【００５９】また、０．００５〜３．０重量％のＰｄと
９５．０〜９９．９８５重量％のＳｎからなる実験番号
１〜５（比較例）は、比較例１〜５に比べて熱疲労試験
Ａで不良に至るサイクル数が５５０〜１０１０と優れて
いた。この中でもＰｄ含有量が０．０５〜３．０重量％
であり、Ｓｎ含有量が９５．０〜９９．９４重量％のも
のは、前記サイクル数が６６０〜１０１０と更に優れた
効果を示した。さらに、Ｐｄ含有量が０．０５〜２．５
重量％であり、Ｓｎ含有量が９５．４９〜９９．９４重
量％のものは、前記サイクル数が８１０〜１０１０と一
段と優れた効果を示した。
【００６０】また、０．００５〜３．０重量％のＰｄと
９５．０〜９９．９８５重量％のＳｎ以外に０．００５
〜２．重量％のＡｇ、Ｇｅ、Ｐ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｂ、Ｓ
ｂ、Ｂｉ、Ｉｎのうち少なくとも１種を含有した実験番
号６〜２５は、熱疲労試験Ａで不良に至るサイクル数が
５４０〜１０２０であり、優れた効果を示した。この中
でもＰｄ含有量が０．０５〜３．０重量％であり、Ｓｎ
含有量が９５．０〜９９．９４重量％のものは、前記サ
イクル数が７１０〜１０２０であり、優れた効果を示し
た。さらに、Ｐｄ含有量が０．０５〜２．５重量％であ
り、Ｓｎ含有量が９５．４９〜９９．９４重量％のもの
は、前記サイクル数が８００〜１０１０であり、実施例
２〜５と同様に一段と優れた効果を示した。
【００６１】（実施例１、比較例１０〜１３）本 実施例として、一辺が３ｍｍのパワートランジスタで
あるシリコン製半導体素子を、パワー半導体装置で用い
られる通常のＴＯ−２２０パッケージに、本発明の無鉛
高温半田材料で搭載した場合と、従来の半田材料で搭載
した場合について比較した。比較例１０はＰｂ−Ｓｎ
（重量％が９５対５）、比較例１１はＳｎ−Ａｇ（重量
％が９６．５対３．５）の例である。比較例１２はＳｎ
−Ｇｅ（重量％が９８．５対１．５）、比較例１３はＳ
ｎ−Ｐｄ（重量％が９８．５対１．５）、実施例１はＳ
ｎ−Ｐｄ−Ｇｅ（重量％が９７対１．５対１．５）の場
合について各々実施した。
【００６２】試験方法は、ヒートショックテスト（−６
５℃と１５０℃の液相に各々３０分交互で急に所定回数
浸ける（以下、熱疲労試験Ｂとする。トランジスタに
は、ヒートショックテストだが半田材料にとっては構成
部品間の歪みによる熱疲労テストの１種であるからであ
る））、及び熱疲労試験Ｃ（トランジスタの温度が２５
℃から温度上昇し１１５℃の温度差９０℃になるよう
に、トランジスタをオン１分、オフ２分で電力制御して
所定回数行なう、半導体素子にパワーを印加して自己発
熱させ、発熱部の半導体素子と放熱部のリードフレーム
間のダイボンド材の熱疲労試験）である。そのときのパ
ワートランジスタの熱抵抗の変化が初期値の１．３倍に
なった場合を不良として、判断した。熱疲労試験Ｂの場
合は、試料を各３０個、熱疲労試験Ｃは、１０個用意し
て、所定回数後の不良数を測定した。その結果を表３に
示す。
【００６３】
【表３】
【００６４】表３から明らかな通り、比較例１０、１１
と比較すると、熱疲労試験Ｂ，Ｃの両方とも実施例１の
方が良い結果を得た。特に熱疲労試験として過酷な熱疲
労試験Ｂでの差が顕著であった。また、比較例１２のＳ
ｎ−Ｇｅ（重量％が９８．５対１．５）よりも、比較例
１３のＳｎ−Ｐｄ（重量％が９８．５対１．５）の方が
良く、さらに実施例１のＳｎ−Ｐｄ−Ｇｅ（重量％が９
７対１．５対１．５）の方が良かった。本発明の無鉛高
温半田材料は、従来のＰｂを半田材料に用いた場合とも
比較して、各種試験方法による結果から熱疲労性能が向
上したことが明らかである。特に、Ｓｎ−Ｐｄ−Ｇｅ系
でＰｄ−Ｇｅの合計重量％が５以下で、少なくとも一方
が所定の０．０５〜３．０重量％含まれているときに、
もっとも良好な結果が得られた。
【００６５】一般的に本発明では、ＧｅよりもＰｄの方
が多い方が良く、ＧｅよりもＰｄの方がより効果があっ
た。
【００６６】
【発明の効果】以上のように、本発明の無鉛高温半田材
料によれば、所定量のＰｄとＳｎとＧｅを含有する組成
とすることにより、液相線温度が２００〜３５０℃と高
温の半田材料でありながら、無鉛で熱疲労性能を向上さ
せることで、環境に優しく、かつ、電子機器の信頼性を
向上させることができる。
【００６７】前記ＰｄとＳｎの所定含有量の範囲内で、
所定のその他の元素を含有しても同様な効果を示す。し
かし、中でも、Ｓｎ−Ｐｄ−Ｇｅ系でＰｄ−Ｇｅの合計
重量％が５重量％以下であるときにさらに好ましい効果
が得られた。
【００６８】また、電子素子や基板の少なくとも一方
に、シリコン、ＧａＡｓ、セラミック等の割れやすく脆
いものを用い、それらの面にＮｉを主体とする膜（Ｎｉ
膜やＮｉ合金膜等）を有し、そのＮｉ膜で本発明の無鉛
高温半田材料を挟んで電子素子と基板とを接着すると、
接着力が強く、熱疲労性能及び放熱特性が極めて良くな
る。
【００６９】また、半田厚みを制御するのに、粒子の粒
径が４０μｍ±２０μｍで、無鉛高温半田材料の主成分
であるＳｎと比重の差が２以内の金属粒子を含有すると
良い。それにより、熱抵抗も小さくできる。
【００７０】さらに、Ｐｄの含有量を０．５重量％以上
にすることで、シリコンチップ等の脆いものの割れや欠
けをなくすことができ、２．０重量％以下にすることで
基板と電子素子との接着温度を３２０℃以下にでき、無
鉛高温半田材料の酸化防止をし、接着装置の長寿命化が
得られた。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態の電子部品の断面図
である。
【図２】 本発明の実施例による試験片とその測定方法
の概要図である。
【符号の説明】
１ ダイ ２，４，８ Ｎｉめっき ３ 半田材料 ５ ＩＣチップ ６ Ａｌ電極 ７ ワイヤ ９ 内部リード １０ 試験片 １１ 銅棒 １２，１４ Ｎｉめっき １３ アロイ棒 １５ 半田材料 １６ 電源
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 横沢 眞▲観▼ 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 青井 和廣 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (72)発明者 澤田 良治 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平４−174527（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−295183（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−269981（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−269982（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B23K 35/26

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ０．００５〜３．０重量％のパラジウム
    （Ｐｄ）および０．００５〜３．０重量％のゲルマニュ
    ウム（Ｇｅ）を含有し、その合計が５．０重量％を超え
    ず、 かつ錫（Ｓｎ）を９５．０〜９９．９８５重量％と不可
    避不純物を含有し、さらに、Ａｇ、Ｐ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｂ、Ｓｂ、Ｂｉおよび
    Ｉｎから選ばれる少なくとも１種を０．００５〜２．０
    重量％含有してもよいことを特徴とする 半田材料。
  2. 【請求項２】 ０．００５〜２．５重量％のパラジウム
    （Ｐｄ）および０．００５〜３．０重量％のゲルマニュ
    ウム（Ｇｅ）を含有し、その合計が５．０重量％を超え
    ず、 かつ錫（Ｓｎ）を９５．０〜９９．９８５重量％と不可
    避不純物を含有し、さらに、Ａｇ、Ｐ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｂ、Ｓｂ、Ｂｉおよび
    Ｉｎから選ばれる少なくとも１種を０．００５〜２．０
    重量％含有してもよい 半田材料を用いて、電子素子をダ
    イボンド接続した電子部品。
  3. 【請求項３】 半田材料を、Ｎｉを主体とする膜が形成
    された基板面と電子素子面との間に設けて前記Ｎｉを主
    体する膜で挟んだ構成で前記基板と前記電子素子とを接
    続した請求項２に記載の電子部品。
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