[发明专利]功率器件用的焊料合金和高电流密度的焊料接头

说明书

技术领域

本发明涉及能够耐受高电流密度而不会受到由电迁移（电解腐蚀）导致的损伤的焊料合金和焊料接头。进而，本发明还涉及使用这种焊料接头的电子元件（电子器件），尤其是功率器件。

背景技术

作为将电子器件电连接于电路基板、其它基板的方法，焊接是最普遍使用的方法。随着电子器件越来越小型化，将电子器件连接于其它构件的焊料接头的尺寸也同样开始变小，由于这种形状变小，各接头中的电流密度变得非常大。目前，通常用于电子器件用的焊料接头的电流密度还是比较小的。但是，在将来，对即使在5～100kA/cm²这样的高电流密度下也能够长时间可靠地使用的焊料接头的需求是可以预期的。这种高电流密度尤其是可以在混合动力电动汽车、逆变器等中使用的功率器件等电力设备中想象到。

另外，关于现有的电子器件，用于计算机基板等数字电路用的电子器件已受到注目，而近来电饭锅、空调等白色家电也推进计算机化，大电流的电子器件正在普及。近年来，汽车的控制也在进行电子化，也出现了混合动力汽车、电动汽车等大部分由电子部件构成的汽车。

在控制这样的大电流的电子器件中，有处理1A以上的电流的被称为功率器件（电力用半导体元件）的电子器件，不仅包括功率晶体管、功率二极管等半导体，还包括逆变器、功率模块等部件化了的电子器件。

功率器件处理高电压、大电流，因此，来自其内部的发热大，Cu基散热板、绝缘基板、硅元件往往为了散热而用焊料接合，此外，即使通过引线键合来接合，也会为了散热而在焊盘间使用焊料接合。这些接头部流通大电流，因此电流密度大，有时会引发Cu焊盘、Ni焊盘的Cu、Ni移动到焊料中的电迁移而产生不良情况。

通过大电流流通时产生的电子的流动，使金属原子向电子流动的方向移动。电迁移有时导致接头的阴极侧的空孔和裂纹产生，在阳极侧有时发生焊料凸出（extrusion）和金属间化合物的生长。这种微细组织的变化和由其导致的温度上升有时造成焊料接头中的断裂那样的损伤，这种损伤有时使连接于焊料接头的电子元件部分或整体地发生功能障碍。

现有的功率器件用的焊料由于功率器件的电流密度大、由功率器件产生的热量多而开始使用熔融温度为300℃左右的Pb-5质量%Sn或Pb-10质量%Sn等高温焊料。出于对环境的顾虑，正在研究用于功率器件的焊料的无铅化，但尚未确定对于功率器件而言最佳的无铅焊料组成。

目前，作为功率器件用的无铅焊料，众所周知的是前述的Sn-5Sb焊料、Sn-10Sb焊料。另外，本发明人公开了固相温度为260℃以上的含有Bi系焊料粉末和热固化性粘接剂的焊膏（专利文献1）。

另外，作为Sn-Ag-Bi-In组成的焊料合金，公开了“一种无铅焊料合金，其特征在于，其包含0.8重量%以上且5重量%以下的Ag、和分别为0.1重量%以上且两者的总量为17重量%以下的In和Bi，余量由Sn和不可避免的杂质构成”（专利文献2）、“一种焊料材料，其特征在于，其为以Sn和Ag作为基本组成、Ag的含量设为0.1～20重量%的合金，其中含有0.1～25重量%的Bi、0.1～20重量%的In中的任一种以上，余量由Sn构成”（专利文献3）等。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2005-72173号公报

专利文献2：日本特开平9-70687号公报

专利文献3：日本特开平8-206874号公报

发明内容

发明要解决的问题

随着电子器件越来越小型化，用于连接电子器件的内部元件的焊料接头和用于将电子器件连接于其它构件的焊料接头的尺寸也同样地变小，由于这种形状变小，各接头中的电流密度变得非常大。另外，与电子设备的电路基板的电极连接的电子器件变小，电阻增大，各接头中的电流密度变得非常大。在这种电流密度大的接头中会发生电迁移。这是金属原子移动的现象，在接头的阴极侧产生空孔和裂纹，在阳极侧发生焊料的凸出（extrusion）和金属间化合物的生长，因此，电子器件和电子设备的寿命缩短。

进而，伴随电子器件的小型化，连接电子器件与印刷基板的接合部也微细化，电流在其微细的部分流通，因此，即便是微细图案的印刷基板配线用的焊料接头，电流密度也大，发生电迁移成为问题。

本发明想要解决的问题是开发即使在将功率二极管等电流密度非常大的电子部件、具有微细图案的小型电子器件接合到电路基板时也不发生电迁移的焊料合金。