Society5.0のエネルギーシステムを支える革新的接合材

技術概要

Society5.0を実現する高効率エネルギー変換素子として、SiCなどの次世代パワー半導体が注目され、自然エネルギーや車載分野での展開が期待されている。それらの素子を基板上へ実装するため、高信頼性高温鉛フリー合金を開発した。本技術は、熱交換器用薄膜接合材への展開も可能である。

用途・応用

・パワー半導体素子のダイアタッチ材
・高温はんだ代替接合材
・各種微細接合

背景

　電力の変換や制御を行うパワーモジュールは、電気自動車や電車といった輸送機器、工作機械やエレベータといった産業機器、エアコンや洗濯機といった民生機器など、あらゆる分野で利用されている。

　パ ワ ー モ ジ ュ ー ル の 内 部 に は 、 Ｓ ｉ や Ｓ ｉ Ｃ の ウ エ ハ を 使 用 し た 、 M OSFET(M etal oxidesemiconductor field effect transistor)や IGBT(Insulated gate bipolar transistor)のパワー半導体が、電力変換装置のスイッチングデバイスとして搭載されている。

　ここで、パワー半導体の動作温度は高温であり、Ｓｉパワー半導体の動作温度は最大１７５℃、ＳｉＣパワー半導体の動作温度は２００℃以上とされており、パワー半導体と絶縁基板を接合するダイアタッチ材は、熱の影響を大きく受ける。このため、ダイアタッチ材には、高耐熱性や高信頼性が要求される。

　パワー半導体用ダイアタッチ材には、ＲｏＨＳ指令の適用対象外となっている、鉛含有率８５質量％以上のＰｂ－Ｓｎ系高温はんだが、主として用いられている。
　しかしながら、今後、Ｐｂ－Ｓｎ系高温はんだも規制対象となりうるため、Ｐｂ－Ｓｎ系高温はんだの代替となる高温鉛フリー接合材の実用化が望まれている。

　現状、高温鉛フリー接合材として、Ｓｎ－Ｓｂ系はんだやＡｇ焼結体が、候補として挙げられ、開発が進められている。

　また、鉛フリーはんだの特性を改良するために、Ｓｂの他に、Ａｇ，Ｃｕ，Ｇｅ，Ｎｉ等の元素を添加した構成のはんだ合金が提案されている（例えば、特許文献１～特許文献４を参照。）。

【先行技術文献】
【特許文献】
【特許文献１】特開２０１６－１０７３４３号公報
【特許文献１】再公表２０１２－０７７２２８号公報
【特許文献１】特開平１０－２８６６８９号公報
【特許文献１】特開２００８－２２１３３０号公報

課題

　現 状 JIS Z3282で 規 定 さ れ る 鉛 フ リ ー は ん だ の う ち で 最 高 の 融 点 （ 固 相 線 温 度 ： ２ ３ ８℃、液相線温度：２４１℃）を持つＳｎ－５ＳｂはんだなどのＳｎ－Ｓｂ系はんだは、高温鉛フリー接合材の候補として挙げられる。
　しかし、Ｓｎ－Ｓｂ系はんだは、パワー半導体用ダイアタッチ材に適用するためには、さらなる機械的特性や疲労特性の向上が必要である。

　特許文献１～特許文献４に提案されている、はんだ合金は、Ｓｂの他にＡｇやＣｕを多く添加しているため、Ｓｎ－Ｓｂ合金はんだと比較して、固相線温度が低くなってしまい、パワー半導体用ダイアタッチ材に適用するための耐熱性が劣る。
　また、Ｃｕを添加すると、溶融温度範囲（固相線温度－液相線温度）が広くなり、はんだが凝固する時に、引け巣（凝固割れ）が生じやすくなる。
　また、Ａｇの添加量が多くなると、１２５℃や１５０℃等の高温での疲労特性が劣化してしまう。

　上述した問題の解決のために、本発明においては、機械的特性や疲労特性の向上を図ることができ、十分な耐熱性や信頼性を有する、はんだ合金を提供するものである。また、このはんだ合金を含有する、はんだペースト、プリフォームはんだを提供するものである。

手段

　本発明のはんだ合金は、Ｓｂを５～１０質量％、Ｎｉを０．０５～０．２５質量％、それぞれ含有し、残部はＳｎから成る合金組成を有する構成である。

　本発明のはんだペーストは、上記本発明のはんだ合金を含有する構成である。
　本発明のプリフォームはんだは、上記本発明のはんだ合金を含有する構成である。

効果

　上述の本発明によれば、Ｓｂを５～１０質量％、Ｎｉを０．０５～０．２５質量％、それぞれ含有し、残部はＳｎから成る合金組成を有することにより、Ｎｉを含有しないＳｎ－Ｓｂ系はんだ合金の安定した溶融特性と同等の溶融特性を有する。
　そして、Ｎｉを０．０５～０．２５質量％含有することにより、Ｎｉを含有しないＳｎ－Ｓｂ系はんだ合金と比較して、機械的特性及び疲労特性を向上させることができる。
　従って、本発明により、機械的特性や疲労特性の向上を図ることができ、十分な耐熱性や信頼性を有する、はんだ合金を構成することができる。

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