JP5203906B2 - Bi-containing solder foil manufacturing method, Bi-containing solder foil, joined body, and power semiconductor module - Google Patents
Bi-containing solder foil manufacturing method, Bi-containing solder foil, joined body, and power semiconductor module Download PDFInfo
- Publication number
- JP5203906B2 JP5203906B2 JP2008308653A JP2008308653A JP5203906B2 JP 5203906 B2 JP5203906 B2 JP 5203906B2 JP 2008308653 A JP2008308653 A JP 2008308653A JP 2008308653 A JP2008308653 A JP 2008308653A JP 5203906 B2 JP5203906 B2 JP 5203906B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- powder
- solder foil
- layer
- power semiconductor
- containing solder
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
- H10W72/00—Interconnections or connectors in packages
- H10W72/01—Manufacture or treatment
- H10W72/013—Manufacture or treatment of die-attach connectors
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
- H10W72/00—Interconnections or connectors in packages
- H10W72/30—Die-attach connectors
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
- H10W72/00—Interconnections or connectors in packages
- H10W72/071—Connecting or disconnecting
- H10W72/073—Connecting or disconnecting of die-attach connectors
Landscapes
- Powder Metallurgy (AREA)
- Electric Connection Of Electric Components To Printed Circuits (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Abstract
Description
本発明は、Bi含有はんだ箔の製造方法、Bi含有はんだ箔、接合体、及びパワー半導体モジュールに関する。 The present invention relates to a method for producing a Bi-containing solder foil, a Bi-containing solder foil, a joined body, and a power semiconductor module.
ハイブリット車のインバータ用パワーモジュール構造のように、大面積でかつ積層型の実装構造では、絶縁基板や放熱基板などの被接合体が均一に接合されるよう、シート状のはんだ箔が好適に用いられている。現在、インバータの接合では、例えば厚さ100μm、幅2cmのはんだシートをロール状に巻きつけて接合用機器に搭載し、所定の長さで切り取り、ロボットアームによって被接合体上の所定の位置に配置するよう精密にプログラムされている。 In a large area and laminated mounting structure, such as a power module structure for an inverter of a hybrid vehicle, a sheet-like solder foil is preferably used so that an object to be joined such as an insulating substrate or a heat radiating substrate is uniformly bonded. It has been. Currently, in inverter bonding, for example, a solder sheet having a thickness of 100 μm and a width of 2 cm is wound in a roll shape, mounted on a bonding apparatus, cut out at a predetermined length, and placed at a predetermined position on a workpiece by a robot arm. Precisely programmed to place.
これまでシート状のはんだ箔には、延性に優れた鉛(Pb)系はんだ材料が広く用いられていた。特に、Pb−Snはんだ材料が汎用され、鉛(Pb)と錫(Sn)の比率を変えて融点を183〜300℃前後の範囲で変動させ、種々の融点を有するはんだ材料を得ていた(例えば、非特許文献1参照。)。しかし、鉛は毒性を有することから使用廃止の方向にあり、鉛フリーのはんだ材料の開発が望まれている。 Conventionally, lead (Pb) solder materials having excellent ductility have been widely used for sheet-like solder foils. In particular, a Pb—Sn solder material is widely used, and the melting point is changed in the range of about 183 to 300 ° C. by changing the ratio of lead (Pb) and tin (Sn) to obtain solder materials having various melting points ( For example, refer nonpatent literature 1.). However, since lead is toxic, it is being abandoned and development of a lead-free solder material is desired.
このようなはんだ材料に対する要求の中、鉛フリーのはんだ材料として、Sn−Ag合金、Sn−Cu合金などのSn系はんだ材料が提案されている。しかし、Sn系はんだ材料の融点は220℃程度であるが故に、200℃前後において引っ張り強度が著しく低下し、200℃を超える熱を発する次世代パワー半導体素子に実用することは困難であった。 Among the requirements for such solder materials, Sn-based solder materials such as Sn—Ag alloys and Sn—Cu alloys have been proposed as lead-free solder materials. However, since the melting point of the Sn-based solder material is about 220 ° C., the tensile strength is remarkably reduced around 200 ° C., and it is difficult to put it into practical use for a next-generation power semiconductor element that generates heat exceeding 200 ° C.
そこで、融点が約270℃であり、耐熱性に優れた接合体が得られるという観点から、ビスマス(Bi)系はんだ材料が検討されている。
しかし一方で、Bi系はんだ材料は、延性が低く脆性を有することが知られている(例えば非特許文献2参照。)。特にせん断に弱く、衝撃や熱応力による歪みが蓄積すると、該歪みを起点とした破壊が生じやすい。
Therefore, bismuth (Bi) solder materials have been studied from the viewpoint that a melting point is about 270 ° C. and a bonded body having excellent heat resistance can be obtained.
On the other hand, it is known that Bi-based solder materials have low ductility and are brittle (see, for example, Non-Patent Document 2). In particular, it is vulnerable to shearing, and when strain due to impact or thermal stress accumulates, it tends to cause breakage starting from the strain.
延性を改善する方策として、Sn−Bi系のはんだ材料では、第3成分の添加が検討されている。例えば、Agの添加により組織の微細化を図る方法(例えば、特許文献1参照。)、Sbの添加によりSnのβ相からα相への変態抑制を図る方法(例えば、特許文献2参照。)、Inを添加する方法(例えば、特許文献3参照。)等である。
更に、25〜55質量%のBiを含有し、残部がSnと不可避不純物とからなるSn−Bi系はんだ材料も、延性が向上するとの報告がある(例えば、特許文献4参照。)
As a measure for improving ductility, the addition of a third component has been studied for Sn-Bi solder materials. For example, a method of making the structure finer by adding Ag (see, for example, Patent Document 1), and a method of suppressing the transformation of Sn from a β phase to an α phase by adding Sb (for example, see Patent Document 2). , A method of adding In (see, for example, Patent Document 3), and the like.
Furthermore, it has been reported that Sn-Bi solder material containing 25 to 55% by mass of Bi and the balance being Sn and inevitable impurities is improved in ductility (see, for example, Patent Document 4).
また、Bi系はんだ材料の脆性を解消すべく、Biに熱弾性型マルテンサイト変態を生じる合金、具体的にはMn、Alを含むCu基合金、を組み合わせたはんだ材料が提案されている(例えば、特許文献5参照。)。 Further, in order to eliminate the brittleness of the Bi-based solder material, a solder material in which an alloy that causes thermoelastic martensitic transformation in Bi, specifically, a Cu-based alloy containing Mn and Al has been proposed (for example, , See Patent Document 5).
しかしながら、上記技術は、はんだ組成を変更する方法である。更に、上記技術により延性が改善されたとするBi系はんだ材料であっても、インゴットをそのまま圧延し、シートにできるようになるまで延性は改善せず、はんだ箔に加工することができなかった。 However, the above technique is a method of changing the solder composition. Further, even with a Bi-based solder material whose ductility is improved by the above technique, the ductility is not improved until the ingot is rolled into a sheet and cannot be processed into a solder foil.
これまで、加工性の低いはんだ材料は、フラックスを混練したはんだペーストをスクリーン印刷して、はんだ付けを行なっていた。ところが、インバータ接合部ではフラックス残渣を残存させないことが望ましく、フラックスを使用しないことが望まれている。 Until now, solder materials with low workability have been soldered by screen printing a solder paste kneaded with flux. However, it is desirable not to leave a flux residue at the inverter junction, and it is desired not to use flux.
シート状に加工し難いはんだ材料は、ペレット状や塊状のままはんだ付けすることも可能ではあるが、接合面が大きい場合には均一に接合させることが極めて困難である。
このように、シート状に加工し難いはんだ材料、特に、融点の高いBi系はんだ材料を容易にシート状に加工する方法が望まれていた。
Solder materials that are difficult to process into a sheet can be soldered in the form of pellets or lumps, but it is extremely difficult to uniformly bond when the joint surface is large.
Thus, there has been a demand for a method of easily processing a solder material that is difficult to be processed into a sheet shape, in particular, a Bi-based solder material having a high melting point into a sheet shape.
ところで、一般的なシート化法として、インゴットを圧延する方法のほか、材料を粉砕して粉末にした後に圧力をかけてシート化する方法がある。この方法の一例として粉末圧延法がある。 By the way, as a general sheeting method, there are a method of rolling an ingot and a method of forming a sheet by applying pressure after pulverizing the material into a powder. An example of this method is a powder rolling method.
具体的には、例えば、粉末圧延法を適用したニッケルロウ材シートの作製方法が開示されている(例えば、特許文献6参照。)。そのほか粉末圧延法は、鋼板の作製技術として提案されている(例えば、特許文献7及び8参照。) Specifically, for example, a method for producing a nickel brazing material sheet using a powder rolling method is disclosed (for example, see Patent Document 6). In addition, the powder rolling method has been proposed as a technique for producing a steel sheet (see, for example, Patent Documents 7 and 8).
また、銅(Cu)等の金属ボールと、錫(Sn)等のはんだボールを配合し、予め全体を均一に圧縮し、Sn等のはんだボールを金属ボール間に塑性流動させ、隙間をはんだ(塑性変形後のSn系はんだ)で充填した複合成形体とし、これを圧延する方法が提案されている(例えば、特許文献9及び10参照。)。
この方法では、金属ボールとしてCuのほかアルミニウム(Al)、金(Au)、銀(Ag)、亜鉛(Zn)−アルミニウム(Al)系合金、金(Au)−錫(Sn)系合金などを適用できるとしている。
In this method, aluminum (Al), gold (Au), silver (Ag), zinc (Zn) -aluminum (Al) alloy, gold (Au) -tin (Sn) alloy, etc. are used as metal balls in addition to Cu. Applicable.
本発明の課題は、Bi含有はんだ箔の製造方法、及びBi含有はんだ箔を提供することである。
また、本発明の課題は、耐熱性が高く緻密に接合された接合体、及びパワー半導体モジュールを提供することである。
The subject of this invention is providing the manufacturing method of Bi containing solder foil, and Bi containing solder foil.
Another object of the present invention is to provide a bonded body and a power semiconductor module that have high heat resistance and are densely bonded.
Bi系はんだ材料は脆性が高く、インゴットをそのまま圧延しても粉砕されるだけで一体化せず、シートを得ることができない。よって、脆性の高いBi系はんだ材料は、単に圧延するだけではシート状に加工することができない。 Bi-based solder materials are highly brittle, and even if the ingot is rolled as it is, it is not pulverized but integrated, and a sheet cannot be obtained. Therefore, a Bi-based solder material having high brittleness cannot be processed into a sheet shape simply by rolling.
ここで、シート状に加工する方法の1つとして粉末圧延法がある。しかし従来の粉末圧延法は、鋼板やニッケル、更にはCu/Snなどの成形に用いられており、延性を有する材料を用いる方法である。Cu/Snのシート化を説明する上述の特許文献9及び10では、延性を有するSnがCuの間に塑性流動してシート化すると説明しており、この記載からも明らかなように粉末圧延法では延性材料を1種以上用いることが常識であった。
また、本発明に至る発明者らの研究過程において、脆性的な金属材料であるガラスやセラミックスなどの珪素(Si)材料は、粉末圧延法を適用してもシート化が困難であることが判明した。
Here, there is a powder rolling method as one of methods for processing into a sheet shape. However, the conventional powder rolling method is used for forming steel plates, nickel, and Cu / Sn, and is a method using a material having ductility. In the above-mentioned Patent Documents 9 and 10 for explaining Cu / Sn sheet formation, it is explained that ductile Sn is plastically flowed between Cu to form a sheet, and as is clear from this description, the powder rolling method is used. Then, it was common sense to use one or more ductile materials.
In addition, in the research process of the inventors leading to the present invention, it was found that silicon (Si) materials such as glass and ceramics, which are brittle metal materials, are difficult to form into a sheet even when the powder rolling method is applied. did.
以上の事実から、脆性材料は、粉末圧延法を採用してもシート化できないと考えられていたが、本発明者らの更なる鋭意研究により、Bi系材料の形状等を工夫することによって、粉末圧延によってBi系はんだシート化が可能であることが判明した。
以上、発明者らの鋭意研究により、本発明の課題は下記発明によって解決されることが明らかとなった。
From the above fact, it was thought that the brittle material could not be made into a sheet even by adopting the powder rolling method, but by further diligent research by the present inventors, by devising the shape and the like of the Bi-based material, It has been found that Bi-based solder sheets can be formed by powder rolling.
As described above, the inventors' diligent research has revealed that the problems of the present invention are solved by the following invention.
すなわち、請求項1に記載の発明は、
Bi粉末とCuAlMn合金粉末を混合し、前記Bi粉末を30質量%以上含有するビスマス(Bi)を含むはんだ材料の粉末を粉末圧延法によりシート化することを特徴とするBi含有はんだ箔の製造方法である。
That is, the invention described in claim 1
A method for producing a Bi-containing solder foil , comprising mixing Bi powder and CuAlMn alloy powder, and forming a powder of a solder material containing bismuth (Bi) containing 30% by mass or more of the Bi powder by a powder rolling method. It is.
請求項2に記載の発明は、
Bi粉末とCu粉末を混合し、前記Bi粉末を30質量%以上含有するビスマス(Bi)を含むはんだ材料の粉末を、粉末圧延法によりシート化することを特徴とするBi含有はんだ箔の製造方法である。
The invention described in claim 2
A method for producing a Bi-containing solder foil comprising mixing a Bi powder and a Cu powder, and forming a powder of a solder material containing bismuth (Bi) containing 30% by mass or more of the Bi powder by a powder rolling method It is.
請求項3に記載の発明は、
前記Bi粉末の平均粒径が、5μm以上200μm以下であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のBi含有はんだ箔の製造方法である。
The invention according to claim 3
3. The method for producing a Bi-containing solder foil according to claim 1, wherein an average particle diameter of the Bi powder is 5 μm or more and 200 μm or less.
請求項4に記載の発明は、
前記Bi粉末における、各粉末粒子の長辺と短辺の比が、1.2以上3.0以下の範囲にあることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のBi含有はんだ箔の製造方法である。
The invention according to claim 4
The ratio of the long side to the short side of each powder particle in the Bi powder is in the range of 1.2 or more and 3.0 or less, according to any one of claims 1 to 3. It is a manufacturing method of Bi containing solder foil.
請求項5に記載の発明は、
前記粉末圧延法による圧延が、−20℃以上269℃以下で行なわれることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載のBi含有はんだ箔の製造方法である。
The invention described in claim 5
The rolling by powder rolling method is a method for producing a Bi-containing solder foil according to any one of claims 1 to 4, characterized in that it is carried out at -20 ° C. or higher 269 ° C. or less.
請求項6に記載の発明は、
Bi粉末を30質量%以上含有し更にCuAlMn合金粉末又はCu粉末を含有するビスマス(Bi)を含むはんだ材料の粉末を粉末圧延法によってシート化してなることを特徴とするBi含有はんだ箔である。
The invention described in claim 6
A Bi-containing solder foil comprising a powder of a solder material containing 30% by mass or more of Bi powder and further containing CuAlMn alloy powder or Cu powder containing bismuth (Bi) by a powder rolling method.
請求項7に記載の発明は、
平均厚さが30μm以上250μm以下であることを特徴とする請求項6に記載のBi含有はんだ箔である。
The invention described in claim 7
The Bi-containing solder foil according to claim 6 , wherein an average thickness is 30 μm or more and 250 μm or less.
請求項8に記載の発明は、
第1部材と第2部材とを有し、
前記第1部材と第2部材の間が、請求項6又は請求項7に記載のBi含有はんだ箔で接合されてなることを特徴とする接合体である。
The invention according to claim 8 provides:
A first member and a second member;
Between the said 1st member and the 2nd member, it is the joined body formed by joining with the Bi containing solder foil of Claim 6 or Claim 7 .
請求項9に記載の発明は、
パワー半導体素子と、絶縁基板と、放熱板と、を有し、
前記パワー半導体素子と前記絶縁基板との間の第一接合部、及び前記絶縁基板と前記放熱板との間の第二接合部の少なくとも一方が、請求項6又は請求項7に記載のBi含有はんだ箔で接合されてなることを特徴とするパワー半導体モジュールである。
The invention according to claim 9 is:
A power semiconductor element, an insulating substrate, and a heat sink;
Bi content of Claim 6 or Claim 7 in which at least one of the 1st junction part between the said power semiconductor element and the said insulation board | substrate and the 2nd junction part between the said insulation board | substrate and the said heat sink is contained. It is a power semiconductor module characterized by being joined by solder foil.
請求項10に記載の発明は、
前記パワー半導体素子が、GaN又はSiCで形成されてなることを特徴とする請求項9に記載のパワー半導体モジュールである。
The invention according to claim 10 is:
The power semiconductor module according to claim 9 , wherein the power semiconductor element is made of GaN or SiC.
請求項11に記載の発明は、
前記絶縁基板がSi3N4層であり、Si3N4層の両表面に銅(Cu)で形成される導電層を備えることを特徴とする請求項9又は請求項10に記載のパワー半導体モジュールである。
The invention according to claim 11
Wherein the insulating substrate is a Si 3 N 4 layers, power of claim 9 or claim 10, characterized in that it comprises a conductive layer formed of copper (Cu) on both the surface of the Si 3 N 4 layer semiconductor It is a module.
請求項12に記載の発明は、
前記放熱板が、モリブデン(Mo)層の両面に銅(Cu)層を有するCu層/Mo層/Cu層の積層体であることを特徴とする請求項9〜請求項11のいずれか1項に記載のパワー半導体モジュールである。
The invention according to claim 12
The heat radiating plate, any one of claims 9 to 11 which is a laminate of Cu layer / Mo layer / Cu layer having a double-sided copper (Cu) layer of molybdenum (Mo) layer It is a power semiconductor module of description.
請求項13に記載の発明は、
前記放熱板におけるCu層/Mo層/Cu層の厚さの比率が、1/5/1〜1/12/1であることを特徴とする請求項12に記載のパワー半導体モジュールである。
The invention according to claim 13
13. The power semiconductor module according to claim 12 , wherein a ratio of a thickness of Cu layer / Mo layer / Cu layer in the heat radiating plate is 1/5/1 to 1/12/1.
本発明によれば、Bi含有はんだ箔の製造方法及びBi含有はんだ箔を提供することができる。また、本発明によれば、耐熱性が高く緻密に接合された接合体及びパワー半導体モジュールを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of Bi containing solder foil and Bi containing solder foil can be provided. In addition, according to the present invention, it is possible to provide a bonded body and a power semiconductor module that have high heat resistance and are densely bonded.
以下、図面を参照して、本発明のBi含有はんだ箔の製造方法、該方法により得られるBi含有はんだ箔、更に、Bi含有はんだ箔で接合する接合体、接合体の一例としてパワー半導体モジュールを説明する。 Hereinafter, with reference to the drawings, a Bi-containing solder foil manufacturing method of the present invention, a Bi-containing solder foil obtained by the method, a joined body joined with the Bi-containing solder foil, and a power semiconductor module as an example of the joined body explain.
〔第一の実施形態の製造方法〕
第一の実施形態では、純Biはんだ箔の製造方法を説明する。なお、ここでいう純Biはんだ箔は、純度100%のBiはんだ箔のみを意味するものではなく、原料に含まれる不純物を含んでいてもよい。
[Production Method of First Embodiment]
In the first embodiment, a method for producing a pure Bi solder foil will be described. In addition, the pure Bi solder foil here does not mean only 100% pure Bi solder foil, but may contain impurities contained in the raw material.
図1は、本実施形態で用いるはんだ箔の製造装置(粉末圧延機)の模式図である。図1において、符号2は純Biはんだ箔、4はBi粉末、6,7は圧延ロールである。
はんだ箔の製造装置(粉末圧延機)は、図1に示すように、1対の圧延ロール6,7で構成されている。図示しないが加熱装置を備えてもよい。1対の圧延ロール6,7は、互いの周面が所定間隔を隔てて平行対峙するように配置されている。
FIG. 1 is a schematic view of a solder foil manufacturing apparatus (powder rolling machine) used in the present embodiment. In FIG. 1, reference numeral 2 is a pure Bi solder foil, 4 is Bi powder, and 6 and 7 are rolling rolls.
The solder foil manufacturing apparatus (powder rolling mill) is composed of a pair of rolling rolls 6 and 7, as shown in FIG. Although not shown, a heating device may be provided. The pair of rolling rolls 6 and 7 are arranged so that their peripheral surfaces face each other at a predetermined interval.
Bi粉末4は、上記1対の圧延ロール6,7の間隙に上方から供給され、圧延ロール6,7が矢印X方向に回転駆動されることにより、圧延ロール6,7の間に形成された空隙に順次送り込まれる。そして、Bi粉末4は、圧延ロール6,7によって押圧されつつ下方のY方向に順次送り出されてシート状に成形され、純Biはんだ箔2を形成する。 The Bi powder 4 is supplied between the pair of rolling rolls 6 and 7 from above, and is formed between the rolling rolls 6 and 7 by rotating the rolling rolls 6 and 7 in the arrow X direction. Sequentially fed into the gap. Then, the Bi powder 4 is sequentially fed in the lower Y direction while being pressed by the rolling rolls 6 and 7 and formed into a sheet shape to form the pure Bi solder foil 2.
Bi含有はんだ材料は脆性が高く、インゴットをそのまま圧延しても粉砕されるだけで一体化しないのに対して、粉末の形状としてから圧延した場合には一体化される理由について以下のように推測するが、本発明は当該推測によって限定されない。 The Bi-containing solder material is highly brittle, and even if the ingot is rolled as it is, it is only pulverized and not integrated, but the reason why it is integrated when it is rolled from the powder shape is estimated as follows. However, the present invention is not limited by the estimation.
Bi含有はんだ材料のインゴットを圧延すると、インゴット内に存在する各結晶粒の脆性は低いものの、圧延による変形を生じようとするが、すべり面が少ないために均一な厚さに圧延変形する前に結晶粒間に多数の亀裂が生じる。そのため、比較的大きなBi含有はんだインゴットでは、数%の圧延率で破壊してしまう。しかし、Bi含有はんだ材料を粉末状態にして粉末圧延を施すと、圧延による各粉末結晶の変形が脆性の範囲内で生じ、かつBiの再結晶化温度が室温付近であるために、各粉末粒子が密着しやすく密着変形し、その結果一体化してシート化されると推測される。 When an ingot of a Bi-containing solder material is rolled, each crystal grain present in the ingot has low brittleness but tends to be deformed by rolling. However, before rolling and deforming to a uniform thickness because there are few slip surfaces, Many cracks are generated between crystal grains. Therefore, a relatively large Bi-containing solder ingot breaks at a rolling rate of several percent. However, when powder rolling is performed with a Bi-containing solder material in a powder state, deformation of each powder crystal due to rolling occurs within a brittle range, and the recrystallization temperature of Bi is around room temperature. It is presumed that they are easily adhered and deformed, and as a result, they are integrated into a sheet.
また、脆性的な材料であるSi材料は粉末圧延法でシート化できないのに対して、Bi含有はんだ材料は粉末圧延法によってシート化できる理由は、再結晶温度との各材料の融点の違いによるものと推測する。粉末圧延法では再結晶温度よりも高い温度で圧延したときに粉末が一体化するものと推測されるが、Si材料の再結晶化温度はSiの融点が1414℃(1687K)であるゆえに、再結晶化温度は約450℃(840K)となり、室温付近の粉末の圧延では一体化し難いと推測される。しかしながら、本発明は当該推測によって限定されない Moreover, the Si material which is a brittle material cannot be formed into a sheet by the powder rolling method, whereas the reason why the Bi-containing solder material can be formed into a sheet by the powder rolling method is due to the difference in melting point of each material with the recrystallization temperature. I guess it. In the powder rolling method, it is presumed that the powder is integrated when rolled at a temperature higher than the recrystallization temperature. However, the recrystallization temperature of the Si material has a melting point of Si of 1414 ° C. (1687 K). The crystallization temperature is about 450 ° C. (840 K), and it is estimated that it is difficult to integrate by rolling the powder around room temperature. However, the present invention is not limited by the guess.
Bi粉末4の平均粒径は、目的のシート膜厚よりも小さいことが好ましく、200μm以下であることが更に好ましい。また、平均粒径は5μm以上であることが好適である。より好適には、Bi粉末4の平均粒径は、10μm以上150μm以下であり、更に好適には20μm以上100μm以下である。
前記平均粒径が上記範囲内にあると、圧延ロール6,7の間で適度な圧力が付与され、また脆性的な性質の支配が緩和される。
なお、Bi粉末4の平均粒径とは、光学顕微鏡によって、100個の粉末を測定したときの算術平均値をいう。
The average particle diameter of the Bi powder 4 is preferably smaller than the target sheet thickness, and more preferably 200 μm or less. The average particle size is preferably 5 μm or more. More preferably, the average particle diameter of the Bi powder 4 is not less than 10 μm and not more than 150 μm, and more preferably not less than 20 μm and not more than 100 μm.
When the average particle size is within the above range, an appropriate pressure is applied between the rolling rolls 6 and 7, and the control of brittle properties is eased.
In addition, the average particle diameter of Bi powder 4 means the arithmetic mean value when 100 powders are measured with an optical microscope.
Bi粉末4の形状は、球状、ロッド状、不定形状などいずれであってもよいが、圧延ロール6,7からの圧力が効率的に付与されることから、ロッド状の粉末が好適である。
ロッド状粉末における長辺と短辺の比は、1.2以上3.0以下であることが好ましく、1.3以上2.8以下であることがより好ましく、1.5以上2.5以下であることが更に好ましい。当該比率が上記範囲内にあると、圧延によって各ロッドの圧延時の変形と密着が促進され、気孔率の上昇を抑えることができる。
The Bi powder 4 may have any shape such as a spherical shape, a rod shape, and an indefinite shape, but a rod-shaped powder is preferable because the pressure from the rolling rolls 6 and 7 is efficiently applied.
The ratio of the long side to the short side in the rod-shaped powder is preferably 1.2 or more and 3.0 or less, more preferably 1.3 or more and 2.8 or less, and 1.5 or more and 2.5 or less. More preferably. When the ratio is within the above range, the deformation and adhesion of each rod during rolling are promoted by rolling, and an increase in porosity can be suppressed.
ここで、ロッド状粉末の長辺及び短辺は、光学顕微鏡により100個の粉末を測定し決定される値である。ロッド状粉末の形状を長方体に近似して、辺長をa、b、cとしたときに、a、b、cのうち最も短いものを短辺とし、最も長いものを長辺とする。 Here, the long side and the short side of the rod-shaped powder are values determined by measuring 100 powders with an optical microscope. When the shape of the rod-like powder is approximated to a rectangular parallelepiped and the side lengths are a, b, and c, the shortest of a, b, and c is the short side, and the longest is the long side. .
なお、ロッド状粉末における平均粒径とは、前記辺長a、b、cのそれぞれの平均値を100個の粉末から求め、下記式によって算出した値をいう。
ロッド状粉末の平均粒径=(辺長aの平均値+辺長bの平均値+辺長cの平均値)/3
In addition, the average particle diameter in rod-shaped powder means the value calculated | required by calculating | requiring the average value of each of the said side length a, b, and c from 100 powders, and a following formula.
Average particle diameter of rod-shaped powder = (average value of side length a + average value of side length b + average value of side length c) / 3
Bi粉末4は、公知の方法によって作製することができる。例えば、乳鉢やらいかい機による粉砕、更にアトマイズ法などによる粉末作製技術を適用することができる。 Bi powder 4 can be produced by a known method. For example, pulverization with a mortar or a roughing machine, and further a powder production technique such as atomization can be applied.
ロット状のBi粉末4は、インゴット状または針状のBi原料をハンマー等で細かく砕き、その後、乳鉢やらいかい機により、30分程度粉砕を行うことによって作製することができる。 The lot-like Bi powder 4 can be produced by finely crushing an ingot-like or needle-like Bi raw material with a hammer or the like, and then crushing for about 30 minutes with a mortar or a rough machine.
粉砕やアトマイズ法によって作製した粉末は、圧延時に圧力が均一に付与されるよう、分級することが好ましい。分級は公知の方法を適用することができ、乾式、湿式のいずれの方法でもよい。乾式としては、風力分級、静電気分級などの方法があり、湿式としては、沈降分級などの方法がある。 The powder produced by pulverization or atomization is preferably classified so that pressure is uniformly applied during rolling. A known method can be applied to the classification, and either a dry method or a wet method may be used. There are methods such as air classification and electrostatic classification as the dry method, and there are methods such as sedimentation as the wet method.
圧延時の温度は、−20℃以上269℃以下であることが好ましく、−5℃以上100℃以下であることがより好ましく、0℃以上50℃以下であることが更に好ましい。−20℃未満ではBiの再結晶温度(約0℃)を大幅に下回り、270℃以上ではBiの融点以上であるため、シート化し難い。なお、この圧延時の温度は、粉末が圧延変形を受けて発する熱、及びロールと粉末の接触により発生する熱を考慮に入れたものである。
上記温度範囲であれば、圧延ロール6,7に加熱装置(図示せず)を備えて加熱してもよく、或いは圧延ロール6,7通過後に加熱してもよい。
The temperature during rolling is preferably −20 ° C. or higher and 269 ° C. or lower, more preferably −5 ° C. or higher and 100 ° C. or lower, and further preferably 0 ° C. or higher and 50 ° C. or lower. If it is less than −20 ° C., it is much lower than the recrystallization temperature of Bi (about 0 ° C.), and if it is 270 ° C. or more, it is more than the melting point of Bi, so it is difficult to form a sheet. The temperature at the time of rolling takes into consideration the heat generated by the powder being subjected to rolling deformation and the heat generated by the contact between the roll and the powder.
If it is the said temperature range, a heating apparatus (not shown) may be provided in the rolling rolls 6 and 7, and you may heat after passing the rolling rolls 6 and 7.
〔第二の実施形態の製造方法〕
第二の実施形態の製造方法では、Biのほかに他金属又は合金を含むはんだ箔(以下「Bi系はんだ箔」と称する)の製造方法を説明する。
図2は、第二の実施形態の製造方法を説明する図である。図2において、符号4はBi粉末、5は他金属粉末又は合金粉末、6,7は圧延ロール、8はBi系はんだ箔である。
第二の実施形態の製造方法では、前述のBi粉末4とともに、他金属粉末又は合金粉末5を用いる点で第一の実施形態の製造方法と異なるが、それ以外は第一の実施形態の製造方法と同様である。
[Production Method of Second Embodiment]
In the manufacturing method of the second embodiment, a manufacturing method of a solder foil (hereinafter referred to as “Bi-based solder foil”) containing other metals or alloys in addition to Bi will be described.
FIG. 2 is a diagram for explaining the manufacturing method of the second embodiment. In FIG. 2, 4 is Bi powder, 5 is other metal powder or alloy powder, 6 and 7 are rolling rolls, and 8 is Bi-based solder foil.
The manufacturing method according to the second embodiment differs from the manufacturing method according to the first embodiment in that other metal powder or alloy powder 5 is used together with the Bi powder 4 described above, but the manufacturing method according to the first embodiment is otherwise. It is the same as the method.
Bi粉末4、及び他金属粉末又は合金粉末5は、圧延ロール6,7によって押圧されつつ下方のY方向に順次送り出されてシート状に成形され、Bi系はんだ箔8を形成する。
なお、本実施形態のBi系はんだ箔の製造方法では、脆性的なBi含有材料をシート化できるという利点に加えて、製造工程を簡易化できるという利点を有する。
The Bi powder 4 and the other metal powder or alloy powder 5 are sequentially fed in the lower Y direction while being pressed by the rolling rolls 6 and 7 and formed into a sheet shape, thereby forming a Bi-based solder foil 8.
In addition, in the manufacturing method of Bi type solder foil of this embodiment, in addition to the advantage that a brittle Bi containing material can be made into a sheet, it has the advantage that a manufacturing process can be simplified.
従来のBi系はんだ材料の作製では、Biに添加する他金属又は合金の粉末(CuAlMn合金粉末やCu粉末等)を準備し、Biに分散させて、Biを含有するはんだ材料のインゴットを作製していた。インゴットにする際には、Bi中での他金属粉末又は合金粉末の分散性を高めるなどの煩雑な調整が必要であった。しかし本実施形態によれば、先立ってインゴットを作製することなく、Bi系はんだ箔を得ることができるため、作製工程を簡略化することができる。
具体的には、本実施形態のBi系はんだ箔の製造方法では、他金属粉末又は合金粉末5とBi粉末4を準備し、これら粉末を所望の比率で上記粉末圧延装置に供給すればよい。
In the production of the conventional Bi-based solder material, other metal or alloy powder (CuAlMn alloy powder, Cu powder, etc.) to be added to Bi is prepared and dispersed in Bi to produce an ingot of a solder material containing Bi. It was. When making an ingot, complicated adjustments, such as improving the dispersibility of the other metal powder or alloy powder in Bi, were required. However, according to the present embodiment, a Bi-based solder foil can be obtained without producing an ingot in advance, so that the production process can be simplified.
Specifically, in the manufacturing method of the Bi-based solder foil of this embodiment, other metal powder or alloy powder 5 and Bi powder 4 may be prepared, and these powders may be supplied to the powder rolling apparatus at a desired ratio.
Bi系はんだ箔8の組成は、Biを含有するのであれば特に制限されない。Biの特性(例えば、高融点)を活かすには、Bi系はんだ箔中、Biを30質量%以上含有することが好適である。Bi系はんだ箔8の組成は、はんだの用途に応じて適宜変更することができる。
Bi系はんだ箔8としては、BiにCu、Ni、Agを添加したものなどを挙げることができるが、Biの脆性を解消して機械的強度を高め、固相線温度を低下させない観点からは、下記(1)〜(3)に記載のBi系はんだ箔であることが好ましい。更に、液相線温度の上昇の観点からは、下記(1)又は(2)のBi系はんだ箔であることが好ましい。
The composition of the Bi-based solder foil 8 is not particularly limited as long as it contains Bi. In order to make use of the characteristics of Bi (for example, high melting point), it is preferable to contain 30% by mass or more of Bi in the Bi-based solder foil. The composition of the Bi-based solder foil 8 can be appropriately changed according to the application of the solder.
Examples of the Bi-based solder foil 8 include those obtained by adding Cu, Ni, and Ag to Bi. From the viewpoint of eliminating the brittleness of Bi to increase the mechanical strength and not lowering the solidus temperature. The Bi-based solder foils described in (1) to (3) below are preferable. Furthermore, from the viewpoint of increasing the liquidus temperature, the following (1) or (2) Bi solder foil is preferable.
(1)Bi中にCuAlMn合金粉末を分散させたBi−CuAlMn
(2)BiにCuを添加した材料
(3)BiにNiを添加した材料
(1) Bi-CuAlMn in which CuAlMn alloy powder is dispersed in Bi
(2) Material with Cu added to Bi (3) Material with Ni added to Bi
(1)Bi−CuAlMn
CuAlMn合金はマルテンサイト変態の性質を有する。マルテンサイト変態の性質を有する金属の合金相は、温度や応力に基づいてマルテンサイト相又は母相のいずれかの状態をとる。金属の合金相がマルテンサイト相の場合には、金属は極めて柔軟性に富んでおり、外力に基づいて容易に形状を変えることができる。このため、外力に基づく応力が緩和される。更に、冷熱サイクルが繰り返されたとしても、柔軟に形状を変えることができるので、応力に基づく疲労の蓄積が抑制される。また、金属の合金相が母相の場合は、金属は外力に基づいてマルテンサイト相に相移転し、弾性変形するので、外力が除荷されれば、記憶された元の形状に回復することができる。このため、金属にかかる応力が緩和されるとともに、その応力の蓄積が抑制される。
(1) Bi-CuAlMn
CuAlMn alloys have martensitic transformation properties. The alloy phase of the metal having martensitic transformation properties takes either a martensitic phase or a parent phase based on temperature and stress. When the alloy phase of the metal is a martensite phase, the metal is extremely flexible and can be easily changed in shape based on an external force. For this reason, the stress based on an external force is relieved. Furthermore, even if the cooling and heating cycle is repeated, the shape can be changed flexibly, so that accumulation of fatigue based on stress is suppressed. In addition, when the metal alloy phase is the parent phase, the metal undergoes phase transfer to the martensite phase based on the external force and elastically deforms, so that when the external force is unloaded, the original shape is restored. Can do. For this reason, the stress applied to the metal is relieved and the accumulation of the stress is suppressed.
したがって、マルテンサイト変態の性質を有するCuAlMn合金をバルク金属であるBiに加えることによって、外力からの応力を緩和するとともに、その応力の蓄積を制御することができる。その結果、Biに特有のせん断強度の弱さや脆さが解消される。 Therefore, by adding a CuAlMn alloy having a martensitic transformation property to Bi which is a bulk metal, stress from an external force can be relieved and the accumulation of the stress can be controlled. As a result, the weak shear strength and brittleness characteristic of Bi are eliminated.
さらに、CuAlMn合金は毒性が少なく、添加するバルク金属の融点(液相線温度や固相線温度)に与える影響も少ない。また、CuAlMn合金は電気抵抗が小さいため、CuAlMn合金に電流が流れる状況下においても好適に利用することができる。 Furthermore, the CuAlMn alloy has little toxicity and has little influence on the melting point (liquidus temperature or solidus temperature) of the bulk metal to be added. Further, since the CuAlMn alloy has a small electric resistance, it can be suitably used even under a situation where a current flows through the CuAlMn alloy.
CuAlMn合金粉末の調製方法は特に制限されず、合金粉末の公知の調製方法を適宜適用することができる。調整方法の一例を下記に示すがこれに限定されない。
まず、Cu、Al、MnをAr雰囲気下で高周波溶解炉によって溶解し前駆体であるCuAlMn合金インゴットを作製する。インゴットには必要に応じて、後述の添加元素を添加してもよい。次に、得られたインゴットをアトマイズ法等の粉末作製技術を利用して粉末化し、CuAlMn合金粉末を得る。
The method for preparing the CuAlMn alloy powder is not particularly limited, and a known method for preparing the alloy powder can be appropriately applied. An example of the adjustment method is shown below, but is not limited thereto.
First, Cu, Al, and Mn are melted in a high-frequency melting furnace in an Ar atmosphere to prepare a CuAlMn alloy ingot as a precursor. You may add the below-mentioned additional element to an ingot as needed. Next, the obtained ingot is pulverized using a powder production technique such as an atomizing method to obtain a CuAlMn alloy powder.
CuAlMn合金において、Mnの含有率は0.01質量%以上20質量%以下であり、Alの含有率は3質量%以上13質量%以下であり、残部がCuであることが好ましい。この組成比に調整することによって、マルテンサイト変態の性質が顕著に表れ、はんだによって形成された結合部が破壊されるのを抑制することができる。 In the CuAlMn alloy, it is preferable that the Mn content is 0.01% by mass or more and 20% by mass or less, the Al content is 3% by mass or more and 13% by mass or less, and the balance is Cu. By adjusting to this composition ratio, the property of martensitic transformation appears remarkably, and it is possible to suppress the breakage of the joint formed by the solder.
また、CuAlMn合金に、Ag、Ni,Au、Sn,P,Zn、Co,Fe、B、Sb、Geを添加すると、Biとの整合性を向上させ、マルテンサイト相を安定化させる効果があるので、これら添加元素を添加する態様も好ましい。
CuAlMn合金における上記添加元素の含有率は、0.001〜10質量%であることが好ましい。添加元素が0.001質量%よりも少ないと、添加元素を添加する上記効果が得られ難い。添加元素が10質量%よりも多いとCuAlMn合金がマルテンサイト相を呈することができなくなる。
Moreover, when Ag, Ni, Au, Sn, P, Zn, Co, Fe, B, Sb, and Ge are added to the CuAlMn alloy, there is an effect of improving the consistency with Bi and stabilizing the martensite phase. Therefore, an embodiment in which these additional elements are added is also preferable.
The content of the additive element in the CuAlMn alloy is preferably 0.001 to 10% by mass. When the additive element is less than 0.001% by mass, it is difficult to obtain the above effect of adding the additive element. If there are more additive elements than 10% by mass, the CuAlMn alloy cannot exhibit a martensite phase.
CuAlMn合金粉末の表面をNiやAuでめっきすることも好適である。粉末表面のめっき層の膜厚を調整することによって、CuAlMn粉末の分散性を向上させることができる。好適なめっき層の膜厚は、0.01μm以上5μm以下であり、0.01μm以上3μm以下がより好適である。 It is also preferable to plate the surface of the CuAlMn alloy powder with Ni or Au. The dispersibility of the CuAlMn powder can be improved by adjusting the film thickness of the plating layer on the powder surface. The film thickness of a suitable plating layer is 0.01 μm or more and 5 μm or less, and more preferably 0.01 μm or more and 3 μm or less.
CuAlMn合金粉末の粒径を調整すると、Bi−CuAlMnの応力緩和能力等を調整することができる。具体的には、CuAlMn合金粉末の粒径は、0.01μm以上50μm以下であることが好ましく、0.01μm以上20μm以下であることがより好ましい。
また、CuAlMn合金粉末の粒径は、Bi粉末の粒径に対して(CuAlMn合金粉末の粒径/Bi粉末の粒径)、0.00005倍以上2.5倍以下であることが粉末同士を均一に混合する観点から好ましく、0.0001倍以上0.5倍以下であることがより好ましく、0.0005倍以上0.25倍以下であることが更に好ましい。
By adjusting the particle size of the CuAlMn alloy powder, the stress relaxation ability of Bi—CuAlMn can be adjusted. Specifically, the particle diameter of the CuAlMn alloy powder is preferably 0.01 μm or more and 50 μm or less, and more preferably 0.01 μm or more and 20 μm or less.
Further, the particle diameter of the CuAlMn alloy powder is 0.00005 times or more and 2.5 times or less of the particle diameter of the Bi powder (the particle diameter of the CuAlMn alloy powder / the particle diameter of the Bi powder). From the viewpoint of uniform mixing, it is preferably 0.0001 times or more and 0.5 times or less, and more preferably 0.0005 times or more and 0.25 times or less.
CuAlMn合金粉末の形状は、球状、ロッド状、不定形状などいずれであってもよいが、シート成型後のはんだ内の熱安定性および応力緩和、強度向上の観点から、球状の粉末が好適である。 The shape of the CuAlMn alloy powder may be any of a spherical shape, a rod shape, an indefinite shape, etc., but a spherical powder is preferable from the viewpoint of thermal stability and stress relaxation in the solder after sheet molding and strength improvement. .
Bi−CuAlMn中のCuAlMn合金の含有率は、0.5質量%以上20質量%以下であることが好ましく、1質量%以上15質量%以下であることがより好ましい。CuAlMn合金の含有率が上記範囲内にある場合、マルテンサイト変態の性質を有する物質を添加した上記効果が得られ、且つBiの特性である融点の高さを維持できる。Bi−CuAlMn中のCuAlMn合金の含有率は、CuAlMn合金粉末とBi粉末とを上記質量比で配合することで調節できる。 The content of the CuAlMn alloy in Bi—CuAlMn is preferably 0.5% by mass or more and 20% by mass or less, and more preferably 1% by mass or more and 15% by mass or less. When the content of the CuAlMn alloy is within the above range, the above effect of adding a substance having martensitic transformation properties can be obtained, and the high melting point, which is a characteristic of Bi, can be maintained. The content rate of the CuAlMn alloy in Bi-CuAlMn can be adjusted by mix | blending CuAlMn alloy powder and Bi powder by the said mass ratio.
(3)BiにCuを添加した材料
BiにCuを添加したはんだ材料では、Biの脆性が抑えられ、機械的強度が高まる。この原因は明らかになっていないが、微細なCuがBi中に分散することによるものと思われる。
Biの脆性を抑えるという観点からは、Cuの含有率は0.01質量%以上であることが好ましく、より好適には0.1質量%以上であり、更に好適には0.4質量%以上である。
一方、Cuを多く添加すると液相線温度が上昇する。よって、はんだによる接合時の加熱温度を考慮すると、Cuの含有率は5質量%以下が好ましく、より好適には2質量%以下であり、更に好適には1質量%以下である。
(3) Material in which Cu is added to Bi In a solder material in which Cu is added to Bi, the brittleness of Bi is suppressed, and the mechanical strength is increased. The cause of this is not clarified, but it is considered that fine Cu is dispersed in Bi.
From the viewpoint of suppressing the brittleness of Bi, the Cu content is preferably 0.01% by mass or more, more preferably 0.1% by mass or more, and further preferably 0.4% by mass or more. It is.
On the other hand, when a large amount of Cu is added, the liquidus temperature rises. Therefore, considering the heating temperature at the time of joining with solder, the Cu content is preferably 5% by mass or less, more preferably 2% by mass or less, and further preferably 1% by mass or less.
Cu含有のBiはんだ箔は、先立ってCu含有のBiインゴットを作製することなく調製することができる。具体的には、Cu単体粉末とBi単体粉末を準備し、これら粉末を所望の比率で上記粉末圧延装置に供給すればよい。 The Cu-containing Bi solder foil can be prepared without preparing a Cu-containing Bi ingot in advance. Specifically, Cu simple powder and Bi simple powder may be prepared, and these powders may be supplied to the powder rolling apparatus at a desired ratio.
Cu粉末の粒径は、Bi粉末の粒径に対して(Cu粉末の粒径/Bi粉末の粒径)、0.00005倍以上2.5倍以下であることが好ましく、0.0001倍以上0.5倍以下であることがより好ましく、0.0005倍以上0.25倍以下であることが更に好ましい。 The particle size of Cu powder is preferably 0.00005 times or more and 2.5 times or less, and 0.0001 times or more with respect to the particle size of Bi powder (particle size of Cu powder / particle size of Bi powder). It is more preferably 0.5 times or less, and further preferably 0.0005 times or more and 0.25 times or less.
Cu粉末の形状は、球状、ロッド状、不定形状などいずれであってもよいが、シート成型後のはんだ内の熱安定性および、強度向上の観点から、球状の粉末が好適である。 The shape of the Cu powder may be any of a spherical shape, a rod shape, and an indefinite shape, but a spherical powder is preferred from the viewpoint of thermal stability in the solder after sheet molding and strength improvement.
(4)BiにNiを添加した材料
BiにNiを添加した材料では、Biの脆性が改善され、機械的強度が高まる。この原因は明らかになっていないが、微細なBi3Niの化合物相がBi中に分散することによるものと思われる。
(4) Material in which Ni is added to Bi In a material in which Ni is added to Bi, the brittleness of Bi is improved and the mechanical strength is increased. Although the cause of this is not clear, it is considered that the fine Bi 3 Ni compound phase is dispersed in Bi.
Biの脆性を低く抑えるという観点からは、Niの含有率は0.01質量%以上であることが好ましく、より好適には0.1質量%以上であり、更に好適には0.4質量%以上である。
一方、Niを多く添加すると、Cuを添加したときと同様に、液相線温度が上昇する。したがって、はんだによる接合時の加熱温度を考慮すると、Niの含有率は7質量%以下であることが好ましく、より好適には2質量%以下であり、更に好適には1質量%以下である。
From the viewpoint of keeping Bi brittleness low, the Ni content is preferably 0.01% by mass or more, more preferably 0.1% by mass or more, and even more preferably 0.4% by mass. That's it.
On the other hand, when a large amount of Ni is added, the liquidus temperature rises in the same manner as when Cu is added. Therefore, considering the heating temperature at the time of joining with solder, the Ni content is preferably 7% by mass or less, more preferably 2% by mass or less, and further preferably 1% by mass or less.
Ni含有Biはんだ箔は、先立ってNi含有のBiインゴットを作製することなく調製することができる。具体的には、Ni単体粉末とBi単体粉末を準備し、これら粉末を所望の比率で上記粉末圧延装置に供給すればよい。 The Ni-containing Bi solder foil can be prepared without preparing a Ni-containing Bi ingot in advance. Specifically, Ni simple powder and Bi simple powder may be prepared, and these powders may be supplied to the powder rolling apparatus at a desired ratio.
Ni粉末の粒径は、Bi粉末の粒径に対して(Ni粉末の粒径/Bi粉末の粒径)、0.00005倍以上2.5倍以下であることが好ましく、0.0001倍以上0.5倍以下であることがより好ましく、0.0005倍以上0.25倍以下であることが更に好ましい。 The particle size of the Ni powder is preferably 0.00005 times or more and 2.5 times or less, and 0.0001 times or more with respect to the particle size of the Bi powder (Ni particle size / Bi powder particle size). It is more preferably 0.5 times or less, and further preferably 0.0005 times or more and 0.25 times or less.
Ni粉末の形状は、球状、ロッド状、不定形状などいずれであってもよいが、シート成型後のはんだ内の熱安定性および、強度向上の観点から、球状の粉末が好適である。 The shape of the Ni powder may be any of a spherical shape, a rod shape, and an indefinite shape, but a spherical powder is preferable from the viewpoints of thermal stability in the solder after sheet molding and strength improvement.
〔Bi含有はんだ箔〕
上述の製造方法によって得られる純Biはんだ箔2及びBi系はんだ箔8(以下「Bi含有はんだ箔」と称する)は、原料として用いた粉末同士が密着し形成された緻密で均一な箔である。前記粉末圧延装置に供給する原料の種類、及びその配合比を変えることで、所望の組成のBi含有はんだ箔を得ることができる。
[Bi-containing solder foil]
The pure Bi solder foil 2 and the Bi-based solder foil 8 (hereinafter referred to as “Bi-containing solder foil”) obtained by the above-described manufacturing method are dense and uniform foils formed by closely adhering powders used as raw materials. . A Bi-containing solder foil having a desired composition can be obtained by changing the type of raw material supplied to the powder rolling apparatus and the blending ratio thereof.
Bi含有はんだ箔の厚さは、前記圧延ロール6,7間の距離や圧力を調節することで、所望の厚さとすることができる。具体的には、Bi含有はんだ箔の厚さは、5μm以上500μm以下とすることができ、後述の接合体での接合部の厚みを考慮すれば、30μm以上200μm以下の厚みであることが望ましく、50μm以上150μm以下がより望ましい。但し、用途に応じて、Bi含有はんだ箔の厚さは適宜調整できる。
ここで、Bi含有はんだ箔の厚さとは、マイクロメータによって任意の5箇所を測定したときの平均厚さをいう。
The thickness of the Bi-containing solder foil can be set to a desired thickness by adjusting the distance and pressure between the rolling rolls 6 and 7. Specifically, the thickness of the Bi-containing solder foil can be 5 μm or more and 500 μm or less, and it is desirable that the thickness is 30 μm or more and 200 μm or less in consideration of the thickness of the joint portion in the joined body described later. 50 μm or more and 150 μm or less is more desirable. However, the thickness of the Bi-containing solder foil can be appropriately adjusted depending on the application.
Here, the thickness of the Bi-containing solder foil refers to an average thickness when any five locations are measured with a micrometer.
〔第一の実施形態の接合体〕
図3に、第一の実施形態の接合体の概略図を示す。接合体300は、第1部材101と第2部材102とを有し、前記第1部材101と第2部材102の間が、上述のBi含有はんだ箔9で接合される。
Bi含有はんだ箔9は緻密で均一なため、ボイドなどによる未接合部分が減少し、緻密で均一に接合した接合体を得ることができる。また、ペレット状や塊状のはんだ材料を適用するときのように、接合時に加熱しながらスクラブと呼ばれる外圧・摺動することを要しない。よって、接合時の作業も簡易化される。
[Joint body of the first embodiment]
In FIG. 3, the schematic of the joined body of 1st embodiment is shown. The joined body 300 includes a first member 101 and a second member 102, and the first member 101 and the second member 102 are joined by the Bi-containing solder foil 9 described above.
Since the Bi-containing solder foil 9 is dense and uniform, unjoined portions due to voids or the like are reduced, and a dense and uniformly joined body can be obtained. Further, unlike the case where a pellet-like or lump-like solder material is applied, there is no need for external pressure and sliding called scrub while heating at the time of joining. Therefore, the work at the time of joining is also simplified.
接合体300の作製方法を説明する。
第1部材101と第2部材102との間に前記Bi含有はんだ箔9を挟む(図3(A))。この積層した状態で、リフロー法等を利用して接合し、接合体300を形成する(図4(B))。
接合は、Bi含有はんだ箔9の融点よりも30℃〜60℃程度高い温度で行うことが好ましい。接合の際には、不活性ガス又は還元ガス雰囲気下で行なう。
A method for manufacturing the bonded body 300 will be described.
The Bi-containing solder foil 9 is sandwiched between the first member 101 and the second member 102 (FIG. 3A). In this laminated state, bonding is performed using a reflow method or the like to form a bonded body 300 (FIG. 4B).
The joining is preferably performed at a temperature about 30 ° C. to 60 ° C. higher than the melting point of the Bi-containing solder foil 9. The joining is performed in an inert gas or reducing gas atmosphere.
〔第二の実施形態の接合体〕
図4に、第二の実施形態の接合体の概略図を示す。第二の実施形態の接合体310では、第1部材101と第2部材102の被接合面に、銅(Cu)層111,112をそれぞれ備える。Cu層111,112を備えることで、Bi含有はんだ材料9との界面において不要な反応生成物の生成を抑えることができ、温度変化に対する耐性が高くなる。
[Joint body of the second embodiment]
In FIG. 4, the schematic of the conjugate | zygote of 2nd embodiment is shown. In the joined body 310 of the second embodiment, copper (Cu) layers 111 and 112 are provided on the surfaces to be joined of the first member 101 and the second member 102, respectively. By providing the Cu layers 111 and 112, generation of unnecessary reaction products at the interface with the Bi-containing solder material 9 can be suppressed, and resistance to temperature changes is increased.
Cu層111,112の厚みは、0.1μm以上10μm以下であることが好ましく、0.5μm以上8μm以下であることがより好ましい。この膜厚の範囲内では、接合時にはんだ材料に溶け込み消失し難く、且つ接合体310全体の熱膨張係数に関する影響が少ない。
Cu層111,112は、スパッタリングやめっき、蒸着等によって形成することができる。
The thicknesses of the Cu layers 111 and 112 are preferably 0.1 μm or more and 10 μm or less, and more preferably 0.5 μm or more and 8 μm or less. Within this film thickness range, it is difficult for the solder material to melt and disappear during bonding, and the influence on the thermal expansion coefficient of the entire bonded body 310 is small.
The Cu layers 111 and 112 can be formed by sputtering, plating, vapor deposition, or the like.
更にCu層111,112の表面には、酸化防止や触れ性確保のために、薄いAu層(図示せず)が設けられていてもよい。なお、この薄いAu層は、接合時にはんだ浴に溶け込み、最終的なパワー半導体モジュールには殆ど残存しない。
このようなAu層の厚さは、0.01μm以上0.5μm以下であることが好ましく、より好ましくは、0.03μm以上0.1μm以下である。
Furthermore, a thin Au layer (not shown) may be provided on the surfaces of the Cu layers 111 and 112 in order to prevent oxidation and secure touch. Note that this thin Au layer dissolves in the solder bath at the time of joining, and hardly remains in the final power semiconductor module.
The thickness of the Au layer is preferably 0.01 μm or more and 0.5 μm or less, and more preferably 0.03 μm or more and 0.1 μm or less.
接合体310の作製方法を説明する。
第1部材101及び第2部材102の表面に設けられたCu層111,112を対向するように配置し、その間に前記Bi含有はんだ箔9を挟む(図4(A))。この積層した状態で、リフロー法等を利用して接合し、接合体310を形成する(図4(B))。
接合は、Bi含有はんだ箔9の融点よりも30℃〜60℃程度高い温度で行うことが好ましい。接合の際には、不活性ガス又は還元ガス雰囲気下で行なう。
A method for manufacturing the bonded body 310 will be described.
The Cu layers 111 and 112 provided on the surfaces of the first member 101 and the second member 102 are arranged so as to face each other, and the Bi-containing solder foil 9 is sandwiched therebetween (FIG. 4A). In this stacked state, bonding is performed using a reflow method or the like to form a bonded body 310 (FIG. 4B).
The joining is preferably performed at a temperature about 30 ° C. to 60 ° C. higher than the melting point of the Bi-containing solder foil 9. The joining is performed in an inert gas or reducing gas atmosphere.
〔パワー半導体モジュール〕
図5に、本実施形態のパワー半導体モジュール10の要部の断面模式図を示す。
本実施形態のパワー半導体モジュール10は、パワー半導体素子20と絶縁部30と放熱板40とを有する。パワー半導体素子20と絶縁部30との間は第一接合部500によって接合される。絶縁部30と放熱板40との間は第二接合部600によって接合される。
[Power semiconductor module]
In FIG. 5, the cross-sectional schematic diagram of the principal part of the power semiconductor module 10 of this embodiment is shown.
The power semiconductor module 10 of this embodiment includes a power semiconductor element 20, an insulating unit 30, and a heat sink 40. The power semiconductor element 20 and the insulating part 30 are joined by the first joining part 500. The insulating part 30 and the heat sink 40 are joined by the second joining part 600.
パワー半導体モジュール10は、車載用インバータなどに用いられるものである。パワー半導体モジュール10の周辺には図示しない内燃機関が設けられているために、パワー半導体モジュール10を配置する環境はかなりの高温となる。さらに、パワー半導体素子として次世代のGaNやSiCを用いた場合には、パワー半導体素子20からの発熱が大きく、パワー半導体モジュール10の温度が上昇する。これらの熱によってパワー半導体素子が破壊するのを防ぐよう、冷却水が流動する冷却管(図示せず)を設け、冷却管とパワー半導体素子との間に放熱板40を設ける。 The power semiconductor module 10 is used for an in-vehicle inverter or the like. Since an internal combustion engine (not shown) is provided around the power semiconductor module 10, the environment in which the power semiconductor module 10 is arranged becomes considerably high. Further, when next-generation GaN or SiC is used as the power semiconductor element, heat generated from the power semiconductor element 20 is large, and the temperature of the power semiconductor module 10 rises. In order to prevent the power semiconductor element from being destroyed by these heats, a cooling pipe (not shown) through which cooling water flows is provided, and a heat radiating plate 40 is provided between the cooling pipe and the power semiconductor element.
本実施形態のパワー半導体モジュール10では、第一接合部500及び第二接合部600の少なくとも一方が、前記Bi含有はんだ箔9で接合されていればよく、第一接合部500と第二接合部600の両方がBi含有はんだ箔9で接合されていてもよい。 In the power semiconductor module 10 of the present embodiment, at least one of the first joint 500 and the second joint 600 may be joined by the Bi-containing solder foil 9, and the first joint 500 and the second joint 600 may be joined by the Bi-containing solder foil 9.
接合体の一態様であるパワー半導体モジュール10では、第一接合部500又は第二接合部600に、Bi含有はんだ箔9を用いて接合しているため、接合部分はパワー半導体モジュールの動作に十分耐える耐熱性を有する。また、Bi含有はんだ箔9は緻密で均一であるためボイドの発生が抑えられ、緻密で均一な接合部を形成することができる。また、ボイドなどによる未接合部分の発生が抑えられるため、接合部での熱抵抗や電気抵抗の増大を抑えることができる。更に、ペレット状や塊状のはんだ材料を適用するときのように、接合時に加熱しながらスクラブと呼ばれる外圧・摺動することを要しない。よって、接合時の作業も簡易化される。 In the power semiconductor module 10 which is one aspect of the joined body, the Bi-containing solder foil 9 is joined to the first joint 500 or the second joint 600, so that the joint is sufficient for the operation of the power semiconductor module. Has heat resistance. Further, since the Bi-containing solder foil 9 is dense and uniform, generation of voids can be suppressed, and a dense and uniform joint can be formed. Moreover, since generation | occurrence | production of the unjoined part by a void etc. is suppressed, the increase in the thermal resistance and electrical resistance in a junction part can be suppressed. Further, unlike the case of applying a pellet-like or lump-like solder material, there is no need for external pressure and sliding called scrub while heating at the time of joining. Therefore, the work at the time of joining is also simplified.
本実施形態のパワー半導体モジュールでは、第一接合部500を先に接合し次に第二接合部600を接合してもよいし、第二接合部600を先に接合した後、第一接合部500を接合してもよい。
しかし、いずれにしても2回目のはんだ付けの温度が、1回目に用いたはんだ材料の融点よりも高いと、2回目のはんだ付けの際に1回目にはんだ付けした部分が溶融して、位置ずれを起こしたり傾斜したりといった不具合を発生させる。
In the power semiconductor module of the present embodiment, the first joint portion 500 may be joined first, and then the second joint portion 600 may be joined, or after the second joint portion 600 is joined first, 500 may be joined.
However, in any case, if the temperature of the second soldering is higher than the melting point of the solder material used for the first time, the portion soldered for the first time will be melted during the second soldering. It causes problems such as shifting and tilting.
この問題を回避するため、1回目に用いるはんだ材料の融点は、2回目に用いるはんだ材料の融点よりも高くなるよう、はんだの材料を選択する。好適には、2回目の接合に用いるはんだ材料の融点は、1回目の接合に用いるはんだ材料の融点よりも30℃以上低いことが望ましい。 In order to avoid this problem, the solder material is selected so that the melting point of the solder material used for the first time is higher than the melting point of the solder material used for the second time. Preferably, the melting point of the solder material used for the second bonding is preferably 30 ° C. or lower than the melting point of the solder material used for the first bonding.
はんだ付けによってパワー半導体素子20を破壊しないよう、はんだ付け時の加熱温度の上限は650℃、より好ましくは450℃であるという観点から、約270℃の融点を有するBi含有はんだ箔9は2回目の接合に用いることが好ましい。 In order not to destroy the power semiconductor element 20 by soldering, the upper limit of the heating temperature during soldering is 650 ° C., more preferably 450 ° C. It is preferable to use for joining.
2回目の接合にBi含有はんだ箔9を適用した場合、1回目の接合に用いるはんだ材料は、Bi含有はんだ箔9の融点270℃よりも充分に高い融点を有する材料であることが望ましい。よって、1回目の接合に用いるはんだ材料としては、主成分がZnである合金材料などを挙げることができ、その一例としてZn(1−x−y)AlxMyで表される合金(融点:382℃)を挙げることができる。
Zn(1−x−y)AlxMyで表される合金において、Alの含有率(xの範囲)は、好ましくは、2質量%以上10質量%以下であり、3質量%以上8質量%以下であることがより好ましい。Zn(1−x−y)AlxMyで表される合金における金属Mは、亜鉛及びアルミニウム以外の金属を表し、Cuなどを挙げることができる。Zn(1−x−y)AlxMyで表される合金において、金属Mの含有量(yの範囲)としては、0〜2質量%であり、好ましくは0〜1.5質量%である。
When the Bi-containing solder foil 9 is applied to the second bonding, the solder material used for the first bonding is desirably a material having a melting point sufficiently higher than the melting point 270 ° C. of the Bi-containing solder foil 9. Thus, as the solder material used for the first bonding, an alloy (melting point main component like can be mentioned alloy material is Zn, represented by Zn (1-x-y) Al x M y as an example : 382 ° C.).
In Zn (1-x-y) alloy represented by Al x M y, the content of Al (range x) is preferably not more than 10 wt% or more 2 wt%, 3 wt% or more and 8 mass % Or less is more preferable. Metal M in the alloy represented by Zn (1-x-y) Al x M y represents a metal other than zinc and aluminum, and the like Cu. In Zn (1-x-y) alloy represented by Al x M y, the content of the metal M as (range y) is 0 to 2 wt%, preferably 0 to 1.5 mass% is there.
Bi含有はんだ材料によって接合する部材の被接合面には、Cu層を備えることが好ましい。Cu層を備えることで、Biとの界面において不要な反応生成物の生成を抑えることができる。半導体モジュールのように、過酷な冷熱サイクルにおいて、反応生成物が生成すると、この反応生成物が存在する位置を起点にクラックが発生したり、脆い反応生成物の場合には、反応生成物が割れてクラックの発生の原因となり得る。 It is preferable to provide a Cu layer on the surfaces to be joined of the members to be joined by the Bi-containing solder material. By providing the Cu layer, it is possible to suppress generation of unnecessary reaction products at the interface with Bi. When a reaction product is generated in a harsh cooling cycle such as a semiconductor module, a crack is generated starting from the position where the reaction product exists, and in the case of a fragile reaction product, the reaction product is cracked. Can cause cracks.
Bi含有はんだ箔9の被接合面に設けるCu層の厚みは、0.1μm以上10μm以下であることが好ましく、0.5μm以上5μm以下であることがより好ましい。0.1μmよりも薄いと、接合時にはんだ材料に溶け込み消失する恐れがあり、10μmよりも厚いと、パワー半導体モジュール全体の熱膨張係数に影響を与え、熱応力を生じさせるようになるため好ましくない。
Cu層は、スパッタリングやめっき、蒸着等によって形成することができる。
The thickness of the Cu layer provided on the surface to be joined of the Bi-containing solder foil 9 is preferably 0.1 μm or more and 10 μm or less, and more preferably 0.5 μm or more and 5 μm or less. If it is thinner than 0.1 μm, it may be dissolved into the solder material during bonding, and if it is thicker than 10 μm, it will affect the thermal expansion coefficient of the entire power semiconductor module and cause thermal stress. .
The Cu layer can be formed by sputtering, plating, vapor deposition, or the like.
半導体素子から遠い側の第二接合部600には、Bi含有はんだ箔9を適用し、大量の熱を発する半導体素子に近い側の第一接合部500には、Bi含有はんだ箔9よりも融点の高いはんだ材料を適用することが好適である。
したがって、下記第一の実施形態のパワー半導体モジュールでは、第二接合部600にBi含有はんだ箔9をパワー半導体モジュールについて説明する。
The Bi-containing solder foil 9 is applied to the second joint portion 600 on the side far from the semiconductor element, and the melting point is higher than that of the Bi-containing solder foil 9 on the first joint portion 500 on the side close to the semiconductor element that generates a large amount of heat. It is preferable to apply a high solder material.
Therefore, in the power semiconductor module according to the first embodiment described below, the power semiconductor module will be described in which the Bi-containing solder foil 9 is used for the second joint portion 600.
[第一の実施形態のパワー半導体モジュール]
(パワー半導体素子)
パワー半導体素子20としては、特に制限することなく用途に応じて適宜適用することができ、一般的なSi基板なども適用できる。
[Power Semiconductor Module of First Embodiment]
(Power semiconductor element)
As the power semiconductor element 20, it can apply suitably according to a use without a restriction | limiting in particular, A general Si substrate etc. can also be applied.
(絶縁部)
絶縁部30における絶縁基板32としては、絶縁性を確保できるものであれば特に制限されず適用することができるが、好ましくは冷熱サイクル時に顕著な熱応力を生じさせないよう、半導体素子の熱膨張係数と同程度の熱膨張係数を有するものである。
(Insulation part)
The insulating substrate 32 in the insulating portion 30 can be applied without particular limitation as long as it can ensure insulation, but preferably has a thermal expansion coefficient of the semiconductor element so as not to cause a significant thermal stress during a cooling cycle. It has a thermal expansion coefficient comparable to the above.
具体的に好適な絶縁基板32としては、AlN、Si3N4、Al2O3などで形成されるものを挙げることができ、この中でも熱伝導率及び熱膨張係数の観点から、Si3N4又はAlNが好適である。更に、Si3N4の破壊強度はAlNの破壊強度よりも高く、絶縁部材自体の寿命が長くなることから、絶縁基板32としてはSi3N4であることがより好適である。 Specific examples of the insulating substrate 32 include those formed of AlN, Si 3 N 4 , Al 2 O 3 and the like. Among these, from the viewpoint of thermal conductivity and thermal expansion coefficient, Si 3 N 4 or AlN is preferred. Furthermore, the breaking strength of Si 3 N 4 is higher than the breaking strength of AlN, and the life of the insulating member itself becomes longer. Therefore, the insulating substrate 32 is more preferably Si 3 N 4 .
また、絶縁基板32におけるパワー半導体素子側の表面から半導体素子に電気を通すために絶縁基板32の表面に導電層34を設ける。また、温度変化に対するそりを抑制するために、放熱板40側にも導電層36を設けることが好ましい。 Further, a conductive layer 34 is provided on the surface of the insulating substrate 32 in order to conduct electricity from the surface of the insulating substrate 32 on the power semiconductor element side to the semiconductor element. In order to suppress warping against temperature changes, it is preferable to provide the conductive layer 36 also on the heat radiating plate 40 side.
絶縁基板32としてAlNのセラミックスを用いる場合には、導電層34、36としては、Al、Cu、Mo、Niなどが好適であり、この中でもAl及びCuが好ましい。AlNの表面にAl層を設けると、温度変化に対して塑性変形を生じ、熱応力を緩和でき、Cu層を設けると導電率が高いことから薄くすることができ、熱応力を緩和できるため好適である。
つまり、AlNのセラミックスを絶縁基板32として適用する場合には、絶縁部30としては、Cu/AlN/Cu積層体又はAl/AlN/Al積層体であることが好ましい。
In the case of using AlN ceramics as the insulating substrate 32, the conductive layers 34 and 36 are preferably Al, Cu, Mo, Ni, etc. Among them, Al and Cu are preferable. When an Al layer is provided on the surface of AlN, plastic deformation occurs due to temperature changes and thermal stress can be relaxed. When a Cu layer is provided, electrical conductivity is high, so that it can be thinned and thermal stress can be relaxed. It is.
That is, when AlN ceramics are applied as the insulating substrate 32, the insulating portion 30 is preferably a Cu / AlN / Cu laminated body or an Al / AlN / Al laminated body.
他方、絶縁基板32としてSi3N4のセラミックスを用いる場合には、導電層34、36としては、Al、Cu、Mo、Niなどが好適であり、この中でもAl及びCuが好ましく、Cuであることがより好ましい。Cuは導電率が高いことからCu層を設けると導電率が高いことから薄くすることができ、熱応力を緩和できるため好適である。また、Cu/Si3N4/Cu積層体は、冷熱サイクル試験においても破壊され難く、絶縁部30としての信頼性が高い。 On the other hand, when Si 3 N 4 ceramics is used as the insulating substrate 32, the conductive layers 34 and 36 are preferably Al, Cu, Mo, Ni, etc. Among them, Al and Cu are preferable, and Cu is preferable. It is more preferable. Since Cu has a high electrical conductivity, it is preferable to provide a Cu layer because it has a high electrical conductivity and can be thinned and thermal stress can be reduced. Further, the Cu / Si 3 N 4 / Cu laminated body is not easily broken even in the thermal cycle test, and the reliability as the insulating portion 30 is high.
絶縁基板32に備える導電層34、36の厚さは、0.01mm以上1mm以下であることが好ましく、0.1mm以上0.8mm以下であることがより好ましい。導電層34、36の厚さが0.01mm未満の場合には、横方向への電流による損失及び発熱が無視できなくなり、1mmを超える場合には、パワー半導体モジュール全体の熱膨張係数に影響を与え、熱応力を生じさせるようになるため好ましくない。 The thickness of the conductive layers 34 and 36 provided on the insulating substrate 32 is preferably 0.01 mm or more and 1 mm or less, and more preferably 0.1 mm or more and 0.8 mm or less. When the thickness of the conductive layers 34 and 36 is less than 0.01 mm, the loss and heat generation due to the current in the lateral direction cannot be ignored. When the thickness exceeds 1 mm, the thermal expansion coefficient of the entire power semiconductor module is affected. This is not preferable because it causes thermal stress.
絶縁基板32の両表面に導電層34、36を貼付する方法は特に制限されず、ロウ付けなどの公知の方法を適宜採用することができる。 A method for attaching the conductive layers 34 and 36 to both surfaces of the insulating substrate 32 is not particularly limited, and a known method such as brazing can be appropriately employed.
Bi含有はんだ箔9を適用する第二接合部600側の絶縁部30の表面には、Cu層(図示せず)を設けることが好ましい。但し、導電層36がCu層の場合には、更にCu層を設けなくともよい。
上述の通り、Bi含有はんだ箔9は、Cu層との界面においては、冷熱サイクルによる界面に存在する生成物の成長速度が非常に遅いので、Cu層を設けることで温度変化に対しても亀裂や剥離などの不具合を生じさせない。
It is preferable to provide a Cu layer (not shown) on the surface of the insulating portion 30 on the second joint portion 600 side to which the Bi-containing solder foil 9 is applied. However, when the conductive layer 36 is a Cu layer, it is not necessary to further provide a Cu layer.
As described above, the Bi-containing solder foil 9 has a very slow growth rate of products existing at the interface due to the thermal cycle at the interface with the Cu layer. Do not cause defects such as peeling.
Bi含有はんだ箔9の界面にCu層を別途設ける場合には、当該Cu層の厚みは、0.1μm以上10μm以下であることが好ましく、3μm以上8μm以下であることがより好ましい。0.1μmよりも薄いと、接合時にはんだ材料に溶け込み消失する恐れがあり、10μmよりも厚いと、パワー半導体モジュール全体の熱膨張係数に影響を与える可能性がある。 When a Cu layer is separately provided at the interface of the Bi-containing solder foil 9, the thickness of the Cu layer is preferably 0.1 μm or more and 10 μm or less, and more preferably 3 μm or more and 8 μm or less. If it is thinner than 0.1 μm, it may be dissolved into the solder material during bonding, and if it is thicker than 10 μm, it may affect the thermal expansion coefficient of the entire power semiconductor module.
更にCu層の表面には、酸化防止や触れ性確保のために、薄いAu層(図示せず)が設けられていてもよい。なお、この薄いAu層は、接合時にはんだ浴に溶け込み、最終的なパワー半導体モジュールには殆ど残存しない。
このようなAu層の厚さは、0.01μm以上0.5μm以下程度であることが好ましく、より好ましくは、0.03μm以上0.1μm以下である。
Furthermore, a thin Au layer (not shown) may be provided on the surface of the Cu layer in order to prevent oxidation and ensure touchability. Note that this thin Au layer dissolves in the solder bath at the time of joining, and hardly remains in the final power semiconductor module.
The thickness of the Au layer is preferably about 0.01 μm to 0.5 μm, and more preferably 0.03 μm to 0.1 μm.
第一接合部500側の絶縁部30の表面には、第一接合部500のはんだ材料に応じて、金属膜(図示せず)を適宜設けることもできる。 A metal film (not shown) can be appropriately provided on the surface of the insulating portion 30 on the first joint portion 500 side according to the solder material of the first joint portion 500.
(放熱板)
放熱板40としては、放熱性を有するものであれば特に制限されず適用することができるが、熱伝導率が充分高く放熱板としての機能に優れ、また半導体素子の熱膨張係数に近いものを用いることが好ましい。
(Heatsink)
The heat sink 40 can be applied without particular limitation as long as it has heat dissipation properties, but it has a sufficiently high thermal conductivity and an excellent function as a heat sink and is close to the thermal expansion coefficient of the semiconductor element. It is preferable to use it.
具体的に好適な放熱板40としては、Mo、Cu−Mo合金、Al−SiC、Cu、Alなどで形成されるものを挙げることができ、この中でも高い熱伝導率とパワー半導体素子に近い熱膨張係数を有することから、Moが好適である。 Specific examples of the suitable heat sink 40 include those formed of Mo, Cu—Mo alloy, Al—SiC, Cu, Al, etc. Among them, high thermal conductivity and heat close to power semiconductor elements. Mo is preferable because it has an expansion coefficient.
Moを放熱板に用いる場合には、はんだによる接合を可能とする観点から、Moの両面に他の金属層を設けることが好ましく、このような金属層としては、Cu、Niなどを挙げることができ、この中でもCuが好ましい。特に、放熱板40が、Moの表面にCu層を設けたCu層44/Mo層42/Cu層46の積層体であることが、熱伝導率と熱膨張係数との調整を図る観点から好適である。 When Mo is used for the heat dissipation plate, it is preferable to provide other metal layers on both sides of Mo from the viewpoint of enabling joining by soldering. Examples of such metal layers include Cu and Ni. Among these, Cu is preferable. In particular, it is preferable that the heat dissipation plate 40 is a laminate of a Cu layer 44 / Mo layer 42 / Cu layer 46 in which a Cu layer is provided on the surface of Mo from the viewpoint of adjusting the thermal conductivity and the thermal expansion coefficient. It is.
このように、放熱板40が、Cu層44/Mo層42/Cu層46で構成される積層体である場合、各層の厚さの比率が、1/5/1〜1/12/1であることが好ましく、1/7/1〜1/9/1であることがより好ましい。1/5/1よりもMo層が薄くなると、パワー半導体素子の熱膨張係数から離れた熱膨張係数を有することになるため好ましくない。1/12/1よりもMo層が厚くなると、放熱板としての放熱機能が充分に発揮され難くなり、好ましくない。 Thus, when the heat sink 40 is a laminated body composed of the Cu layer 44 / Mo layer 42 / Cu layer 46, the thickness ratio of each layer is 1/5/1 to 1/12/1. It is preferable that it is 1/7/1 to 1/9/1. If the Mo layer is thinner than 1/5/1, it is not preferable because it has a thermal expansion coefficient far from that of the power semiconductor element. If the Mo layer is thicker than 1/12/1, the heat dissipation function as a heat sink is not sufficiently exhibited, which is not preferable.
具体的な層の厚さとしては、Cu層44、46は、0.05mm以上1mm以下であることが好ましく、0.2mm以上0.5mm以下であることがより好ましい。Mo層42の厚さは、1mm以上7mm以下であることが好ましく、2mm以上4mm以下であることがより好ましい。 As a specific layer thickness, the Cu layers 44 and 46 are preferably 0.05 mm or more and 1 mm or less, and more preferably 0.2 mm or more and 0.5 mm or less. The thickness of the Mo layer 42 is preferably 1 mm or greater and 7 mm or less, and more preferably 2 mm or greater and 4 mm or less.
Cu層44/Mo層42/Cu層46で構成される積層体は、放熱機能を充分に発揮させるため、全体の厚さは1mm以上8mm以下であることが好ましく、2mm以上5mm以下であることがより好ましい。 In order that the laminate composed of the Cu layer 44 / Mo layer 42 / Cu layer 46 sufficiently exhibits the heat dissipation function, the total thickness is preferably 1 mm or more and 8 mm or less, and preferably 2 mm or more and 5 mm or less. Is more preferable.
Bi含有はんだ箔9を適用する第二接合部600側の放熱板40の表面には、Cu層(図示せず)を設けることが好ましい。但し、層44がCu層の場合には、更にCu層を設けなくともよい。
上述の通り、Bi含有はんだ箔9は、Cu層との界面においては、冷熱サイクルによる界面に存在する生成物の成長速度は非常に遅いので、Cu層を設けることで温度変化に対しても亀裂や剥離などの不具合を生じさせない。
It is preferable to provide a Cu layer (not shown) on the surface of the heat sink 40 on the second joint portion 600 side to which the Bi-containing solder foil 9 is applied. However, when the layer 44 is a Cu layer, it is not necessary to further provide a Cu layer.
As described above, the Bi-containing solder foil 9 has a very slow growth rate of products existing at the interface due to the thermal cycle at the interface with the Cu layer. Do not cause defects such as peeling.
層44の表面にCu層を別途設ける場合には、当該Cu層の厚みは、0.1μm以上10μm以下であることが好ましく、3μm以上8μm以下であることがより好ましい。0.1μmよりも薄いと、接合時にはんだ材料に溶け込み消失する恐れがあり、10μmよりも厚いと、パワー半導体モジュール全体の熱膨張係数に影響を与える可能性がある。 When a Cu layer is separately provided on the surface of the layer 44, the thickness of the Cu layer is preferably 0.1 μm or more and 10 μm or less, and more preferably 3 μm or more and 8 μm or less. If it is thinner than 0.1 μm, it may be dissolved into the solder material during bonding, and if it is thicker than 10 μm, it may affect the thermal expansion coefficient of the entire power semiconductor module.
更にCu層の表面には、酸化防止や触れ性確保のために、薄いAu層(図示せず)が設けられていてもよい。なお、この薄いAu層は、接合時にはんだ浴に溶け込み、最終的なパワー半導体モジュールには殆ど残存しない。
このようなAu層の厚さは、0.01μm以上0.5μm以下程度であることが好ましく、より好ましくは、0.03μm以上0.1μm以下である。
Furthermore, a thin Au layer (not shown) may be provided on the surface of the Cu layer in order to prevent oxidation and ensure touchability. Note that this thin Au layer dissolves in the solder bath at the time of joining, and hardly remains in the final power semiconductor module.
The thickness of the Au layer is preferably about 0.01 μm to 0.5 μm, and more preferably 0.03 μm to 0.1 μm.
第一の実施形態のパワー半導体モジュールの製造手順の一例を示す。
まず、第一接合部500の接合を行なう。
パワー半導体素子20と絶縁部30とが対向するように配置し、その間にBi含有はんだ箔9よりも融点の高いはんだ材料(例えば、前述のZn(1−x−y)AlxMyで表される合金(融点:382℃)など)を挟む。この積層した状態で、リフロー法等を利用して接合し、第一接合部500を形成する。接合温度は、適用するはんだ材料の融点よりも30℃〜60℃程度高い温度で行うことが好ましい。接合の際には、不活性ガス又は還元ガス雰囲気下で行なうが、上述のように、前記被覆層の表面に生成した酸化膜を還元するには、還元ガス雰囲気下で行なうことが好ましい。
形成された第一接合部500の層の厚さは、熱伝導及び熱応力の観点から5μm以上500μm以下であることが好ましく、10μm以上200μm以下であることがより好ましく、50μm以上150μm以下であることが更に好ましい。
An example of the manufacturing procedure of the power semiconductor module of 1st embodiment is shown.
First, the first joint 500 is joined.
Power semiconductor element 20 and the insulating portion 30 is arranged to face the table in between the Bi content higher melting point than solder foil 9 soldering material (e.g., the above-mentioned Zn (1-x-y) Al x M y Sandwiched alloy (melting point: 382 ° C.). In the laminated state, the first joining portion 500 is formed by joining using a reflow method or the like. The joining temperature is preferably 30 to 60 ° C. higher than the melting point of the solder material to be applied. The bonding is performed in an inert gas or reducing gas atmosphere. As described above, in order to reduce the oxide film formed on the surface of the coating layer, it is preferably performed in a reducing gas atmosphere.
The thickness of the formed first joint portion 500 is preferably 5 μm or more and 500 μm or less, more preferably 10 μm or more and 200 μm or less, and more preferably 50 μm or more and 150 μm or less from the viewpoint of thermal conduction and thermal stress. More preferably.
次に第二接合部600の接合を行なう。
第二接合部600による接合では、絶縁部30と放熱板40とが対向するように配置し、その間にBi含有はんだ箔9を挟み、この積層した状態で、リフロー法等を利用して接合し、パワー半導体モジュール10を得る。なお、絶縁部30は第一接合部500によって、先立ってパワー半導体素子20に接合されている。
Next, the second joint 600 is joined.
In joining by the 2nd junction part 600, it arrange | positions so that the insulation part 30 and the heat sink 40 may oppose, pinch | interpose Bi containing solder foil 9 between them, and it joins using the reflow method etc. in this laminated state. The power semiconductor module 10 is obtained. The insulating unit 30 is bonded to the power semiconductor element 20 in advance by the first bonding unit 500.
第一接合部500による接合と同様に、第二接合部600による接合においても、不活性ガス又は還元ガス雰囲気下で接合する。第二接合部600の接合温度は、第二接合部600のBi含有はんだ箔9の融点よりも30℃〜60℃程度高い温度で、かつ第一接合部500に用いたはんだ材料の融点よりも30℃以上低い温度で接合することが好ましい。
Bi含有はんだ箔9によって形成される第二接合部600の厚さは、熱伝導及び熱応力の観点から、5μm以上500μm以下であることが好ましく、10μm以上300μm以下であることがより好ましく、50μm以上150μm以下であることが更に好ましい。
Similar to the bonding by the first bonding portion 500, the bonding by the second bonding portion 600 is also performed in an inert gas or reducing gas atmosphere. The bonding temperature of the second bonding portion 600 is higher by about 30 ° C. to 60 ° C. than the melting point of the Bi-containing solder foil 9 of the second bonding portion 600 and the melting point of the solder material used for the first bonding portion 500. It is preferable to join at a temperature lower by 30 ° C. or more.
The thickness of the second joint portion 600 formed by the Bi-containing solder foil 9 is preferably 5 μm or more and 500 μm or less, more preferably 10 μm or more and 300 μm or less, from the viewpoint of thermal conduction and thermal stress, and 50 μm. More preferably, it is 150 μm or less.
1回目の接合に用いるはんだ材料の融点は、2回目に用いるBi含有はんだ箔9の融点よりも高いので、2回目のはんだ付けの際に1回目にはんだ付けした部分が溶融して位置ずれを起こしたり傾斜したりといった不具合が生じない。
また、第一の実施形態では、大量の熱を発する半導体素子に近い側の第一接合部500には、より融点の高いはんだ材料を適用し、半導体素子から遠い側の第二接合部600には、第一接合部500に用いたはんだ材料よりも融点の低いBi含有はんだ箔9を適用するので、更に耐熱性に優れたパワー半導体モジュールとなる。
Since the melting point of the solder material used for the first bonding is higher than the melting point of the Bi-containing solder foil 9 used for the second time, the portion soldered for the first time is melted and misaligned during the second soldering. There is no problem of waking up or tilting.
Further, in the first embodiment, a solder material having a higher melting point is applied to the first joint portion 500 on the side close to the semiconductor element that generates a large amount of heat, and the second joint portion 600 on the side far from the semiconductor element is applied. Applies a Bi-containing solder foil 9 having a melting point lower than that of the solder material used for the first joint portion 500, so that it becomes a power semiconductor module further excellent in heat resistance.
[第二の実施形態のパワー半導体モジュール]
第一の実施形態のパワー半導体モジュールでは、第二接合部600にBi含有はんだ箔9を適用し、第一接合部500にはBi含有はんだ箔9よりも融点の高いはんだ材料を適用したが、第二の実施形態のパワー半導体モジュールでは、第一接合部500にBi含有はんだ箔9を適用し、第二接合部600にBi含有はんだ箔9よりも融点の高いはんだ材料を適用する。
第二の実施形態のパワー半導体モジュールでは、第二接合部600を先に接合し、第一接合部500を2回目に接合する。Bi含有はんだ箔9を用いる第一接合部500の被接合面、つまりパワー半導体素子20と絶縁部30の表面には、Cu層を設けることが好ましい。但し、絶縁部30の導電層34がCu層の場合には、絶縁部30の表面に更にCu層を設けなくともよい。その他については、第一の実施形態のパワー半導体モジュールと同様であるので、説明を省略する。
[Power Semiconductor Module of Second Embodiment]
In the power semiconductor module of the first embodiment, the Bi-containing solder foil 9 is applied to the second joint portion 600, and a solder material having a higher melting point than the Bi-containing solder foil 9 is applied to the first joint portion 500. In the power semiconductor module of the second embodiment, the Bi-containing solder foil 9 is applied to the first joint portion 500, and a solder material having a higher melting point than the Bi-containing solder foil 9 is applied to the second joint portion 600.
In the power semiconductor module of the second embodiment, the second joint 600 is joined first, and the first joint 500 is joined the second time. It is preferable to provide a Cu layer on the surface to be joined of the first joint portion 500 using the Bi-containing solder foil 9, that is, on the surfaces of the power semiconductor element 20 and the insulating portion 30. However, when the conductive layer 34 of the insulating unit 30 is a Cu layer, it is not necessary to further provide a Cu layer on the surface of the insulating unit 30. Since others are the same as those of the power semiconductor module of the first embodiment, description thereof is omitted.
[第三の実施形態のパワー半導体モジュール]
第三の実施形態のパワー半導体モジュールでは、第一接合部500にBi含有はんだ箔9を適用し、第二接合部600にBi含有はんだ箔9よりも融点の低いはんだ材料を適用する。但し、第二接合部600に適用するはんだ材料は、半導体素子からの発熱を考慮し、融点が200℃以上のものとする。
第三の実施形態のパワー半導体モジュールでは、Bi含有はんだ箔9によって第一接合部500を先に接合し、第二接合部600を2回目に接合する。Bi含有はんだ箔9を用いる第一接合部500の被接合面、つまりパワー半導体素子20と絶縁部30の表面には、Cu層を設けることが好ましい。但し、絶縁部30の導電層34がCu層の場合には、絶縁部30の表面に更にCu層を設けなくともよい。その他については、第一の実施形態のパワー半導体モジュールと同様であるので、説明を省略する。
[Power Semiconductor Module of Third Embodiment]
In the power semiconductor module of the third embodiment, the Bi-containing solder foil 9 is applied to the first joint portion 500, and a solder material having a melting point lower than that of the Bi-containing solder foil 9 is applied to the second joint portion 600. However, the solder material applied to the second bonding portion 600 has a melting point of 200 ° C. or higher in consideration of heat generation from the semiconductor element.
In the power semiconductor module of the third embodiment, the first joint 500 is first joined by the Bi-containing solder foil 9, and the second joint 600 is joined the second time. It is preferable to provide a Cu layer on the surface to be joined of the first joint portion 500 using the Bi-containing solder foil 9, that is, on the surfaces of the power semiconductor element 20 and the insulating portion 30. However, when the conductive layer 34 of the insulating unit 30 is a Cu layer, it is not necessary to further provide a Cu layer on the surface of the insulating unit 30. Since others are the same as those of the power semiconductor module of the first embodiment, description thereof is omitted.
[第四の実施形態のパワー半導体モジュール]
Bi含有はんだ箔9に含まれる合金組成の種類や添加剤の種類、添加剤の添加量を変えることで、融点が大きく変わる場合には、第一接合部と第二接合部の両者に、Bi含有はんだ材料を適用することができる。
この場合においても、2回目の接合に用いるはんだ材料の融点は、1回目の接合に用いるはんだ材料の融点よりも30℃以上低いことが望ましく、且つパワー半導体からの発熱を考慮して200℃以上であることが望ましい。
また、パワー半導体素子20からの発熱を考慮し、より融点の高いはんだ材料を第一接合部に適用し、それよりも融点の低いはんだ材料を第二接合部に適用することが好ましい。
第四の実施形態のパワー半導体モジュールでは、第一接合部500と第二接合部600の被接合面に、Cu層を設けることが好ましい。但し、絶縁部30の導電層34、36がCu層の場合には、絶縁部30の表面に更にCu層を設けなくともよい。また、放熱板40がCu層44を備える場合には、放熱板40の表面に更にCu層を設けなくともよい。その他については、第一の実施形態のパワー半導体モジュールと同様であるので、説明を省略する。
[Power Semiconductor Module of Fourth Embodiment]
In the case where the melting point changes greatly by changing the type of alloy composition, the type of additive, and the amount of additive contained in the Bi-containing solder foil 9, Bi is added to both the first joint and the second joint. A contained solder material can be applied.
Even in this case, the melting point of the solder material used for the second bonding is desirably 30 ° C. or more lower than the melting point of the solder material used for the first bonding, and 200 ° C. or more in consideration of heat generation from the power semiconductor. It is desirable that
In consideration of heat generation from the power semiconductor element 20, it is preferable to apply a solder material having a higher melting point to the first joint, and apply a solder material having a lower melting point to the second joint.
In the power semiconductor module of the fourth embodiment, it is preferable to provide a Cu layer on the surfaces to be joined of the first joint 500 and the second joint 600. However, when the conductive layers 34 and 36 of the insulating part 30 are Cu layers, it is not necessary to further provide a Cu layer on the surface of the insulating part 30. Further, when the heat sink 40 includes the Cu layer 44, it is not necessary to further provide a Cu layer on the surface of the heat sink 40. Since others are the same as those of the power semiconductor module of the first embodiment, description thereof is omitted.
なお、第一から第四の実施形態のパワー半導体モジュールでは、Bi含有はんだ箔9で接合する被接合面の表面にはCu層を設けているが、必ずしも必要ではなく、設けなくともよい。 In the power semiconductor modules of the first to fourth embodiments, the Cu layer is provided on the surface of the surface to be joined that is joined by the Bi-containing solder foil 9, but this is not always necessary and may not be provided.
以下では実施例により本発明を説明するが、本発明のBi含有はんだ箔の製造方法の一例について述べるものであり、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described by way of examples, but an example of a method for producing a Bi-containing solder foil according to the present invention will be described, and the present invention is not limited to these examples.
[実施例1]
(純Bi粉末の作製)
純Biインゴットをハンマー等で砕き、その後、らいかい機によって粉砕し、純Bi粉末を調製した。得られた純Bi粉末の形状を電子顕微鏡で観察したところ、長辺150〜50μm、短辺80〜20μmのロッド形状であった。また、純Bi粉末の平均粒径を上述の方法で測定したところ、70μmであった。
[Example 1]
(Preparation of pure Bi powder)
The pure Bi ingot was crushed with a hammer or the like, and then crushed with a rough machine to prepare pure Bi powder. When the shape of the obtained pure Bi powder was observed with an electron microscope, it was a rod shape having a long side of 150 to 50 μm and a short side of 80 to 20 μm. Moreover, it was 70 micrometers when the average particle diameter of pure Bi powder was measured by the above-mentioned method.
(CuAlMn合金粉末の作製)
Cu82質量%、Al9質量%、Mn9質量%をAr雰囲気下で高周波溶解炉によって溶解し、マルテンサイト相を有するCuAlMn合金インゴットを作製した。得られたインゴットをアルゴンガス雰囲気中で溶解し、噴射圧力5MPaのガスアトマイズ法により粉末化し、CuAlMn合金粉末を得た。このCuAlMn合金粉末を、250μm、150μm、53μm、20μmのふるい目のふるいにて分級し、53μm以上の粉末を除いた。
得られたCuAlMn合金粉末の平均粒径を上述の方法で測定したところ、平均粒径36μm、粒度分布幅をレーザー回折散乱方法で測定したところ、2.0であった。また、得られたCuAlMn合金粉末の形状を電子顕微鏡で観察したところ、形状は球形であった。
(Preparation of CuAlMn alloy powder)
Cu 82 mass%, Al 9 mass%, and Mn 9 mass% were melted in a high-frequency melting furnace in an Ar atmosphere to prepare a CuAlMn alloy ingot having a martensite phase. The obtained ingot was dissolved in an argon gas atmosphere and pulverized by a gas atomization method with an injection pressure of 5 MPa to obtain a CuAlMn alloy powder. This CuAlMn alloy powder was classified with sieves of 250 μm, 150 μm, 53 μm, and 20 μm, and powders of 53 μm or more were removed.
When the average particle size of the obtained CuAlMn alloy powder was measured by the above-mentioned method, the average particle size was 36 μm, and the particle size distribution width was measured by the laser diffraction scattering method to be 2.0. Moreover, when the shape of the obtained CuAlMn alloy powder was observed with the electron microscope, the shape was spherical.
分級したCuAlMn合金粉末は、滴下法を利用して、表面にNiをめっきした。
Niめっき層の膜厚を断面観察によって測定したところ、厚い箇所でも5μmであった。なお、10個のCuAlMn合金粉末を測定したときのNiめっき層の平均膜厚は、0.8μmであった。
The classified CuAlMn alloy powder was plated with Ni using a dropping method.
When the film thickness of the Ni plating layer was measured by cross-sectional observation, it was 5 μm even at a thick part. The average film thickness of the Ni plating layer when measuring 10 CuAlMn alloy powders was 0.8 μm.
(粉末圧延)
準備した純Bi粉末100gと、NiめっきしたCuAlMn合金粉末10gを容器に投入し、充分攪拌した後、大野ロール製作所製粉末圧延機に図1のように粉末を充填した。圧延の条件は以下の通りである。
・温度:20℃
・ロール直径:15cm
・ロール間距離:240μm
・ロール回転速度:8rpm
(Powder rolling)
100 g of the prepared pure Bi powder and 10 g of Ni-plated CuAlMn alloy powder were put into a container and stirred sufficiently, and then the powder was loaded into a powder rolling machine manufactured by Ono Roll Seisakusho as shown in FIG. The rolling conditions are as follows.
・ Temperature: 20 ℃
・ Roll diameter: 15cm
-Distance between rolls: 240 μm
・ Roll rotation speed: 8rpm
(Bi含有はんだ箔)
図6に、得られたBi含有はんだ箔の外観写真を示し、図7にその断面組織の電子顕微鏡写真を示す。得られたBi含有はんだ箔は、幅2cm、長さ10cm以上、厚さ250μmであった。なお、圧延条件を変更することで、より長いはんだ箔が作製できることを確認している。
図7に示す断面組織写真により、CuAlMn合金粉末がBi中に均一に分散していることが確認された。
(Bi-containing solder foil)
FIG. 6 shows an appearance photograph of the obtained Bi-containing solder foil, and FIG. 7 shows an electron micrograph of its cross-sectional structure. The obtained Bi-containing solder foil had a width of 2 cm, a length of 10 cm or more, and a thickness of 250 μm. In addition, it has confirmed that a longer solder foil can be produced by changing rolling conditions.
The cross-sectional structure photograph shown in FIG. 7 confirmed that the CuAlMn alloy powder was uniformly dispersed in Bi.
[実施例2]
パワー半導体素子と絶縁基板を、実施例1で作製したBi含有はんだ箔で接合し、図8に示す構成の評価試験体−1を作製した。
Si3N4のセラミックス板の両面に、厚さ150μmのCu層34、36をロウ付けによって貼り付け、Cu層34/Si3N4層32/Cu層36の積層体を作製した。
また、GaNを用いたパワー半導体素子20を準備し、その最表面にCu層22をスパッタリングで形成した。Cu層22の厚さを電子顕微鏡で確認したところ、約3μmであった。
[Example 2]
The power semiconductor element and the insulating substrate were joined with the Bi-containing solder foil produced in Example 1, and the evaluation test body-1 having the configuration shown in FIG. 8 was produced.
Cu layers 34 and 36 having a thickness of 150 μm were attached to both surfaces of a ceramic plate of Si 3 N 4 by brazing to produce a laminate of Cu layer 34 / Si 3 N 4 layer 32 / Cu layer 36.
Moreover, the power semiconductor element 20 using GaN was prepared, and the Cu layer 22 was formed on the outermost surface by sputtering. When the thickness of the Cu layer 22 was confirmed with an electron microscope, it was about 3 μm.
上記準備したパワー半導体素子20のCu層22と、絶縁部30のCu層34とが対向するように配置し、その間に実施例1で作製したBi含有はんだ箔を挟み込んだ状態で、位置決めをするためのカーボン治具にセットし、電気炉に入れた。
電気炉の炉心管には5体積%の水素ガスを含む窒素ガスを常時流入し、内部を還元性雰囲気とした。その状態で、室温から320℃まで30分かけて昇温させた後、5分間320℃の状態を保ち、その後、常温付近まで冷却してから取り出して、評価試験体−1を得た。
The Cu layer 22 of the prepared power semiconductor element 20 and the Cu layer 34 of the insulating portion 30 are arranged so as to face each other, and positioning is performed with the Bi-containing solder foil produced in Example 1 sandwiched therebetween. Was set in a carbon jig and placed in an electric furnace.
Nitrogen gas containing 5% by volume of hydrogen gas was always introduced into the core tube of the electric furnace, and the inside was made a reducing atmosphere. In this state, the temperature was raised from room temperature to 320 ° C. over 30 minutes, and then kept at 320 ° C. for 5 minutes.
<接合面の観察>
評価試験体−1は、始めに超音波探傷によって、接合面全体を非破壊で観察した後に、評価試験体−1を切断して断面を研磨し、その断面を電子顕微鏡により観察した。
その結果、評価試験体−1の接合面にはボイドが全く確認されず、緻密で均一な接合であることが分かった。
<Observation of joint surface>
Evaluation test body-1 first observed the entire joint surface in a nondestructive manner by ultrasonic flaw detection, then cut evaluation test body-1 to polish the cross section, and observed the cross section with an electron microscope.
As a result, no void was confirmed on the joint surface of the evaluation test body-1, and it was found that the joint was dense and uniform.
[比較例1]
実施例1で作製した純Bi粉末100gと、NiめっきしたCuAlMn合金粉末10gをアルゴンガス雰囲気中で溶解し、鋳型に鋳込み、インゴットを作製した。表面を研磨後、1.0cm×1.0cm×1.0cmに切り出し、冷間圧延によって目的厚さ250μmまで圧延させることを試みた。しかし、厚さが0.8mmになったところで、試料にクラックが入り、シートを形成することができなかった。
[Comparative Example 1]
100 g of pure Bi powder prepared in Example 1 and 10 g of Ni-plated CuAlMn alloy powder were dissolved in an argon gas atmosphere and cast into a mold to prepare an ingot. After polishing the surface, it was cut out to 1.0 cm × 1.0 cm × 1.0 cm and attempted to be rolled to a target thickness of 250 μm by cold rolling. However, when the thickness reached 0.8 mm, the sample was cracked and a sheet could not be formed.
[実施例3]
実施例1と同様にして、純Biインゴットをハンマー等で、砕き、その後、らいかい機によって粉砕し、純Bi粒子を調製した。らいかい機の粉砕時間を半分にし、得られた純Bi粒子の形状を電子顕微鏡で観察したところ、長辺250〜150μm、短辺80〜20μmのロッド状であった。また、純Bi粒子の平均粒径を上述の方法で測定したところ、170μmであった。
[Example 3]
In the same manner as in Example 1, a pure Bi ingot was crushed with a hammer or the like, and then pulverized with a rough machine to prepare pure Bi particles. When the pulverization time of the rough machine was halved and the shape of the obtained pure Bi particles was observed with an electron microscope, it was a rod having a long side of 250 to 150 μm and a short side of 80 to 20 μm. Moreover, it was 170 micrometers when the average particle diameter of pure Bi particle | grains was measured by the above-mentioned method.
この純Bi粒子を用いて、実施例1と同様の方法で圧延したところ、Bi含有はんだ箔が得られた。このBi含有はんだ箔を断面組織写真にて観察したところ、CuAlMn合金粉末がBi中に均一に分散していることが確認された。 When this pure Bi particle was rolled by the same method as in Example 1, a Bi-containing solder foil was obtained. When this Bi-containing solder foil was observed with a cross-sectional structure photograph, it was confirmed that the CuAlMn alloy powder was uniformly dispersed in Bi.
[実施例4]
純Cuの板材をアルゴンガス雰囲気中で溶解し、噴射圧力5MPaのガスアトマイズ法により粉末化し、Cu粉末を得た。このCu粉末を、250μm、150μm、53μm、20μmのふるい目のふるいにて分級し、53μm以上の粉末を除いた。
得られたCu粉末の平均粒径を上述の方法で測定したところ、平均粒径25μm、粒度分布幅をレーザー回折散乱方法で測定したところ、1.8であった。また、得られたCu粉末の形状を電子顕微鏡で観察したところ、形状は球形であった。
[Example 4]
A pure Cu plate was dissolved in an argon gas atmosphere and pulverized by a gas atomization method with an injection pressure of 5 MPa to obtain Cu powder. This Cu powder was classified with sieves of 250 μm, 150 μm, 53 μm, and 20 μm, and powders of 53 μm or more were removed.
When the average particle size of the obtained Cu powder was measured by the above-mentioned method, the average particle size was 25 μm, and the particle size distribution width was measured by a laser diffraction scattering method, which was 1.8. Moreover, when the shape of the obtained Cu powder was observed with the electron microscope, the shape was spherical.
実施例1と同様にして、但しCuAlMn合金粉末を上記Cu粉末に代えて圧延を行なったところ、Bi含有はんだ箔を得ることができた。
得られたCu含有のBi含有はんだ箔を断面組織写真にて観察すると、Cu粉末がBi中に均一に分散していることが確認された。
In the same manner as in Example 1, except that the CuAlMn alloy powder was replaced with the Cu powder and rolled, a Bi-containing solder foil could be obtained.
When the obtained Cu-containing Bi-containing solder foil was observed with a cross-sectional structure photograph, it was confirmed that the Cu powder was uniformly dispersed in Bi.
[実施例5]
実施例1と同様の方法で、但し、ロール回転速度を8rpmから15rpmに変え、ロール間距離を240μmから25μmに変えて、圧延を行なった。
得られたBi含有はんだ箔は、幅5cm以上長さ15cm以上、厚さ30μmであった、なお、圧延条件を変更することでより長いはんだ箔が作製できることを確認している。
[Example 5]
Rolling was performed in the same manner as in Example 1, except that the roll rotation speed was changed from 8 rpm to 15 rpm, and the distance between rolls was changed from 240 μm to 25 μm.
The obtained Bi-containing solder foil had a width of 5 cm or more and a length of 15 cm or more and a thickness of 30 μm. It has been confirmed that a longer solder foil can be produced by changing the rolling conditions.
2 純Biはんだ箔
4 Bi粉末
6,7 圧延ロール
8 Bi系はんだ箔
9 Bi含有はんだ箔
10 パワー半導体モジュール
20 パワー半導体素子
22,38 銅(Cu)層
30 絶縁部
32 絶縁基板
34、36 導電層
40 放熱板
42 モリブデン(Mo)層
44、46 銅(Cu)層
101 第1部材
102 第2部材
111,112 銅(Cu)層
300、301 接合体
500 第一接合部
600 第二接合部
2 Pure Bi solder foil 4 Bi powder 6, 7 Roll roll 8 Bi-based solder foil 9 Bi-containing solder foil 10 Power semiconductor module 20 Power semiconductor element 22, 38 Copper (Cu) layer 30 Insulating part 32 Insulating substrate 34, 36 Conductive layer 40 Heat sink 42 Molybdenum (Mo) layer 44, 46 Copper (Cu) layer 101 First member 102 Second member 111, 112 Copper (Cu) layer 300, 301 Joint 500 First joint 600 Second joint
Claims (13)
前記第1部材と第2部材の間が、請求項6又は請求項7に記載のBi含有はんだ箔で接合されてなることを特徴とする接合体。 A first member and a second member;
Assembly between said first and second members, characterized by comprising joined at Bi-containing solder foil according to claim 6 or claim 7.
前記パワー半導体素子と前記絶縁基板との間の第一接合部、及び前記絶縁基板と前記放熱板との間の第二接合部の少なくとも一方が、請求項6又は請求項7に記載のBi含有はんだ箔で接合されてなることを特徴とするパワー半導体モジュール。 A power semiconductor element, an insulating substrate, and a heat sink;
Bi content of Claim 6 or Claim 7 in which at least one of the 1st junction part between the said power semiconductor element and the said insulation board | substrate and the 2nd junction part between the said insulation board | substrate and the said heat sink is contained. A power semiconductor module characterized by being joined by solder foil.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2008308653A JP5203906B2 (en) | 2008-12-03 | 2008-12-03 | Bi-containing solder foil manufacturing method, Bi-containing solder foil, joined body, and power semiconductor module |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2008308653A JP5203906B2 (en) | 2008-12-03 | 2008-12-03 | Bi-containing solder foil manufacturing method, Bi-containing solder foil, joined body, and power semiconductor module |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2010131618A JP2010131618A (en) | 2010-06-17 |
| JP5203906B2 true JP5203906B2 (en) | 2013-06-05 |
Family
ID=42343485
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2008308653A Expired - Fee Related JP5203906B2 (en) | 2008-12-03 | 2008-12-03 | Bi-containing solder foil manufacturing method, Bi-containing solder foil, joined body, and power semiconductor module |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP5203906B2 (en) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011258269A (en) | 2010-06-09 | 2011-12-22 | Sony Corp | Recording device, recording method and program |
| CN112719693B (en) * | 2020-12-11 | 2022-08-30 | 哈尔滨工业大学 | Low-temperature magnetic glass solder, preparation method thereof and method for connecting ferrite by using low-temperature magnetic glass solder |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5815234B2 (en) * | 1979-02-01 | 1983-03-24 | アライド・コ−ポレ−ション | foil for brazing |
| US4528247A (en) * | 1983-06-01 | 1985-07-09 | Gte Products Corporation | Strip of nickel-iron brazing alloys containing carbon and process |
| JP2005186127A (en) * | 2003-12-26 | 2005-07-14 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | Brazing material sheet and manufacturing method thereof |
| JP2006289474A (en) * | 2005-04-14 | 2006-10-26 | Hitachi Metals Ltd | Brazing material sheet, manufacturing method thereof, and electronic component |
| JP5224430B2 (en) * | 2006-03-17 | 2013-07-03 | 株式会社豊田中央研究所 | Power semiconductor module |
-
2008
- 2008-12-03 JP JP2008308653A patent/JP5203906B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2010131618A (en) | 2010-06-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5224430B2 (en) | Power semiconductor module | |
| WO2017217145A1 (en) | Solder bonded part | |
| JP2008270353A (en) | Power semiconductor module | |
| EP3078446B1 (en) | Method of manufacturing a solder material and joining structure | |
| JP2011129880A (en) | Heat sink for electronic device, and process for production thereof | |
| JP2011105982A (en) | Aluminum alloy and method for producing the same | |
| TW201522667A (en) | Au-Sn-Ag solder alloy and electronic component and electronic component mounting device sealed using the Au-Sn-Ag solder alloy | |
| WO2007094507A1 (en) | Cr-Cu ALLOY, PROCESS FOR PRODUCING THE SAME, HEAT SINK FOR SEMICONDUCTOR, AND HEAT DISSIPATING COMPONENT FOR SEMICONDUCTOR | |
| JP5861559B2 (en) | Pb-free In solder alloy | |
| TW201228764A (en) | Pb-free solder alloy mainly containing Zn | |
| JP6810915B2 (en) | Solder material | |
| KR102040278B1 (en) | Lead-free solder composition and manufacturing method of the same, bonding method using lead-free solder composition | |
| JP5030633B2 (en) | Cr-Cu alloy plate, semiconductor heat dissipation plate, and semiconductor heat dissipation component | |
| KR101944036B1 (en) | Thermoelectric element, Method of preparing the same and Bonding Method of super hard material | |
| JP5203906B2 (en) | Bi-containing solder foil manufacturing method, Bi-containing solder foil, joined body, and power semiconductor module | |
| KR102040280B1 (en) | Lead-free solder composition and manufacturing method of the same, bonding method using lead-free solder composition | |
| JP2014157875A (en) | Thermoelectric element | |
| JP2012228729A (en) | Pb FREE SOLDER ALLOY MAKING Zn PRINCIPAL INGREDIENT AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME | |
| JP4822526B2 (en) | Zygote | |
| JP4592486B2 (en) | Semiconductor module | |
| JP2017136628A (en) | In-BASED CLAD MATERIAL | |
| JP2013168608A (en) | Thermoelectric element and manufacturing method therefor | |
| JP2015042409A (en) | CLAD MATERIAL OF Pb-FREE-Zn-Al ALLOY SOLDER AND METAL BASE MATERIAL, AND MANUFACTURING METHOD THEREOF | |
| JP6890201B1 (en) | Alloy ingot for bonding material | |
| JP6128062B2 (en) | Au-Ge-Sn solder alloy |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20110914 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20110914 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20121112 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20121120 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20130121 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20130205 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20130214 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20160222 Year of fee payment: 3 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |