焊料材料制造技术

技术编号：43623928 阅读：2 留言：0更新日期：2024-12-11 15:03

一种高温环境下的断裂伸长率优异的焊料材料。提供一种焊料材料、焊料接合部以及半导体装置，其中，该焊料材料含有5.0质量％以上且10.0质量％以下的Sb、2.0质量％以上且6.0质量％以下的Ag、0.1质量％以上且0.5质量％以下的Ni、以及3.0质量％以上且8.0质量％以下的Cu，其余部分由Sn和不可避免的杂质构成，该焊料接合部具备由该焊料材料熔融而成的接合层，该半导体装置具备该接合部。

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【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】

本专利技术涉及一种焊料材料。本专利技术特别涉及一种高温环境下的断裂伸长率提高且对于半导体元件的接合而言优选的焊料材料。

技术介绍

1、功率半导体模块被广泛地应用于要求高效的功率变换的领域。例如，在工业设备、电动汽车、家电产品等电力电子领域中应用范围正在扩大。在这些功率半导体模块中内置有开关元件和二极管，对于元件，使用了si(硅)半导体、sic(碳化硅)半导体。这些半导体元件通过接合材料被接合于层叠基板，作为接合材料，使用了焊料材料。

2、近年来，基于环境问题，采用了不含铅成分的无铅(pb free)焊料来作为sn-pb系焊料的替代品。作为应用于igbt模块等功率半导体模块的焊料材料，即便是在目前已知的各种组合的无铅焊料中，也较多地使用在焊料润湿性、机械特性、导热阻力等方面平衡较好且也实际地应用于产品的sn-ag系无铅焊料。

3、已知以下一种焊料组合物，其由0.01重量％以上且0.5重量％以下的ni、超过2重量％且为5重量％以下的cu、以及作为其余部分的sn构成，也可以还含有从包括ag、in、zn、sb、ge以及p的组中选出的至少一种成分(例如参照专利文献1)。专利文献1所公开的焊料组合物被认为抑制因以cu为主要成分的导体的熔蚀而导致的导体的断线，具有与以往的sn-pb系焊料组合物相近的特性。

4、已知一种焊料合金，该焊料合金具有以质量％而言由9.0％～33.0％的sb、超过4.0％且小于11.0％的ag、超过2.0％且小于6.0％的cu、以及作为其余部分的sn构成的合金组合(例如，参照专利文献

5、现有技术文献

6、专利文献

7、专利文献1：日本特开2005-324257号公报

8、专利文献2：国际公开wo2020/122253

技术实现思路

1、专利技术要解决的问题

2、由于近来的功率半导体模块的大电流化、高温环境下的驱动，半导体元件与层叠基板的焊料接合部处产生裂纹成为问题。认为该裂纹是由热应力引发的。当在焊料接合部产生裂纹时电阻上升，会导致温度进一步上升。以往，实现了焊料材料在室温下的强度、杨氏模量等的提高，但不能说足以在高温环境下使用。

3、用于解决问题的方案

4、本专利技术的专利技术人等进行了深入研究，结果发现，通过使175℃左右的高温下的蠕变特性、断裂伸长率提高来使焊料接合部的可靠性提高。具体地说，想到以下方案而完成了本专利技术：通过在含有sn、sb、ag以及ni的焊料材料中添加规定量的cu，在高温下，杨氏模量等同，并且蠕变特性、断裂伸长率提高，从而使模块的可靠性提高。

5、即，根据一个实施方式，本专利技术涉及一种焊料材料，其含有5.0质量％以上且10.0质量％以下的sb、2.0质量％以上且6.0质量％以下的ag、0.1质量％以上且0.5质量％以下的ni、以及3.0质量％以上且8.0质量％以下的cu，其余部分由sn和不可避免的杂质构成。

6、在所述焊料材料中，优选含有4.5质量％以上且8.0质量％以下的cu。

7、在所述任意的焊料材料中，优选含有6.0质量％以上且8.5质量％以下的sb。

8、在所述任意的焊料材料中，优选含有3.0质量％以上且6.0质量％以下的ag。

9、所述任意的焊料材料优选为用于半导体元件的接合的焊料材料。

10、根据另一个实施方式，本专利技术涉及一种焊料接合部，包括：焊料接合层，其由所述任意的焊料材料熔融而成；以及被接合体，其在与所述焊料接合层相接的面具备金属层。

11、根据另一个实施方式，本专利技术涉及一种半导体装置，包括被接合于层叠基板上的半导体元件以及被接合于所述半导体元件的导电性连接构件，其中，所述半导体装置在所述层叠基板与所述半导体元件之间、或者在所述半导体元件与所述导电性连接构件之间具备所述焊料接合部。

12、根据另一个实施方式，本专利技术涉及一种半导体装置，包括被接合于层叠基板上的半导体元件以及被接合于所述层叠基板的与接合有所述半导体元件的面相反一侧的面的冷却器，其中，所述半导体装置在所述层叠基板与所述冷却器之间具备所述焊料接合部。

13、专利技术的效果

14、根据本专利技术，能够提供一种高温下的断裂伸长率和蠕变断裂伸长率提高、应力松弛效果优异、且润湿性高的焊料材料。另外，由此，即使在高温环境下使用的、产生最大达到几千安培左右的大电流的半导体装置中，也能够理想地用于半导体元件的接合，能够抑制接合部的裂纹，从而有助于提高半导体装置的可靠性。下面，在本说明书中，有时将断裂伸长率和蠕变断裂伸长率称为“伸长特性”。

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【技术保护点】

1.一种焊料材料，其含有5.0质量％以上且10.0质量％以下的Sb、2.0质量％以上且6.0质量％以下的Ag、0.1质量％以上且0.5质量％以下的Ni、以及3.0质量％以上且8.0质量％以下的Cu，其余部分由Sn和不可避免的杂质构成。

2.根据权利要求1所述的焊料材料，其中，

3.根据权利要求1所述的焊料材料，其中，

4.根据权利要求2所述的焊料材料，其中，

5.根据权利要求1所述的焊料材料，其中，

6.根据权利要求2所述的焊料材料，其中，

7.根据权利要求3所述的焊料材料，其中，

8.根据权利要求1所述的焊料材料，其中，

9.一种焊料接合部，包括：

10.一种半导体装置，包括被接合于层叠基板上的半导体元件以及被接合于所述半导体元件的导电性连接构件，其中，所述半导体装置在所述层叠基板与所述半导体元件之间、或者在所述半导体元件与所述导电性连接构件之间具备根据权利要求9所述的焊料接合部。

11.一种半导体装置，包括被接合于层叠基板上的半导体元件以及被接合于所述层叠基

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【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

1.一种焊料材料，其含有5.0质量％以上且10.0质量％以下的sb、2.0质量％以上且6.0质量％以下的ag、0.1质量％以上且0.5质量％以下的ni、以及3.0质量％以上且8.0质量％以下的cu，其余部分由sn和不可避免的杂质构成。