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パワーモジュール向けピラー状IMC分散鉛フリーはんだ接合部の開発
論文 パワーモジュール向けピラー状IMC分散鉛フリーはんだ接合部の開発 Development of IMC Pillar Dispersed Pb Free Solder Joint for Power Module 中田 裕輔 1） 橋本 富仁 1） 林 和 2） 荘司 郁夫 2） Yusuke Nakata Tomihito Hashimoto Yawara Hayashi Ikuo Shohji Abstract Large area joining between a substrate and a heat sink is desirable for high performance power modules. We found intermetallic compound (IMC) pillar dispersed solder is highly durable joint to achieve large area joining. The aim of this study is to clarify the mechanism of IMC pillar dispersion and the strength reinforcement by this dispersion. The structural characteristic of this solder joint was examined by cross-sectional observation, and the durability characterization was examined by fracture surface analysis and FEM analysis. The IMC pillar is created by the diffusion of Cu in the solder during material convection flow in heat transfer reflow process. IMC pillars restrained cracks by obstructing crack propagation in the solder layer. Key Words : Power Module, Solder, Large Area Joining, Highly Durable Joining, Sn-Ag-Cu-In 1. 諸 言 加し、また②のケースでははんだ層の厚みによって放熱 近年、環境規制の強化等の背景から、電動化車両の需 性能が低下してしまう。筆者らは、熱疲労寿命に優れた 要が増加している。その基幹部品の一つであるインバー 絶縁基板とヒートシンクの大面積接合を実現するための タは、コスト削減や小型化を目的に高パワー密度化が求 高耐久はんだミクロ組織を見出し、その熱疲労寿命向上 1) められている 。インバータのコストと大きさを支配す メカニズムを解明した。 るのが、IGBT と PIN ダイオードで構成される３相ブリッ ジ回路を内蔵するパワーモジュールである。パワーモ 2. パワーモジュールの構造 ジュールは最大発熱動作時にこれらの素子の接合温度が Fig. 1 に今回実験に使用したパワーモジュールの積層 最大定格温度 Tjmax を超えないように設計される。単 構造を示す。モジュールの全体構成はグリースを使わな 位面積あたりの放熱性能（冷却性能）が良ければ同じ損 い直冷構造を前提としている。チップが搭載される絶縁 失でも発熱温度 Tj が下がるのでモジュールをより小型 基板は Cu パターン－ Si3N4 基板－ Cu パターンを採用し、 にできる。 ヒートシンクはアルミニウムを採用した。 冷却構造の進化として、パワーモジュールとヒートシ Table 1 にパワーモジュール構成について示す。大面 ンクの間に放熱グリースが充填されている別体構造から 積接合であること、絶縁基板とヒートシンクの線膨張 はんだ等で接合された直冷構造となり、放熱性能の向上、 差が大きいことから、一般的な Pb フリーはんだである 2) 小型化、軽量化及びコスト低減が図られている 。しか Sn-3.0Ag-0.5Cu（以下 SAC）では熱疲労寿命不十分と し直冷構造の場合、線膨張係数（CTE）の小さい絶縁基 考え、In により固溶強化が期待される Sn-3.0Ag-0.7Cu- 板と CTE の大きいアルミニウムや銅との接合材料では、 5.0In（以下 SACI）による熱疲労寿命向上を目指した。 接合部に大きな熱歪みが発生するので、はんだによる接 合では十分な熱疲労寿命を確保するのが難しい。 信頼性を向上するために ① 絶縁基板のサイズをハーフブリッジ単位に分割して はんだにかかる歪みを低減する。 ② はんだ接合層を厚くすることで歪みを低減する。 Fig. 1 Schematic Cross-Sectional Diagram of Power Module 等の方策がある。しかし①のケースでは余計な配線が増 溶接学会 シンポジウム賞 Mate2016優秀論文賞受賞 一般社団法人 スマートプロセス学会 エレクトロニクス生産科学部 会の許可を得て，第22回エレクトロニクスにおけるマイクロ接合・実 装技術シンポジウム（Mate2016）論文集,Vol.22, 2016 A-6 30より転載 110 1) 2) カルソニックカンセイ株式会社 群馬大学大学院理工学府理工学専攻 パワーモジュール向けピラー状 IMC 分散鉛フリーはんだ接合部の開発 3. は んだ合金 及 び 表 面 処 理 仕 様 の 違 い に よ る 熱疲労寿命への影響 4. 熱疲労寿命向上メカニズムの解明 4.1 断面組織の観察結果 は ん だ 合 金 は、 強 度 の 高 い SACI は ん だ を 主 と し、 Ni めっきの有り／無し仕様において熱疲労寿命に差 SAC をリファレンスという位置付けとした。絶縁基板 が確認された為、初期品の断面組織を調べた。 の表面仕様については以下とする。Al ヒートシンクは Fig. 4 に Ni めっき有り／無し仕様における機械研磨 Ni めっきとした。絶縁基板 Cu パターン面は、Ni めっ 後の SEM 画像を示す。Ni めっき有り仕様のはんだ層は き有り／無し仕様とした。Ni めっきは、どちらも無電 界面のみに金属間化合物（以下 IMC）が形成されている 解 Ni-P めっき（P 量：8wt%，膜厚：4µm）とした。 のに対し、Ni めっき無し仕様は、はんだ層全体に IMC サンプル作成条件、試験条件及び評価項目については が形成されている。また Fig. 5 に Ni めっき無し仕様の 以下とした。 はんだ層をエッチングし、IMC を露出させた SEM 画像 サンプル作成条件：リフローピーク 295℃ 17 分 を示す。はんだ層の厚み 400 μ m に対して、ほぼ同等 熱疲労試験条件：TCT -40 ～ 120℃ 500 サイクル サイズの IMC が形成されていることを確認した。（以下 評価項目：SAT 画像から、はんだ接合率（元の接合面 ピラー状 IMC とする。） 積からはんだ剥離率を引いた値）を測定した。 Fig. 2 にはんだ合金及び表面処理仕様の違いによる熱 疲労寿命試験結果を示す。SAC に対し SACI は熱疲労寿 命が高い傾向にあった。SACI においては、Ni めっきの 有り／無し仕様において熱疲労寿命が異なることが確認 された。500 サイクル以降のはんだ接合率線図を Fig. 3 に示す。Ni めっきの有り／無し仕様において 500 サイク ル後も差が大きくなる傾向にある。はんだ接合率が 85% の際のサイクル数で比較すると、Ni めっき無し仕様の 方が、熱疲労寿命が約 2.4 倍高いことが確認された。 Table 1 Parts of Power Module. Parts Fig. 3 Deterioration Diagram After TCT Result. Materials Size(mm) Thickness(mm) Pattern Cu 66.5×41.6 0.6 Ceramics Si3N4 68.5×43.6 0.32 Pattern Cu 66.5×41.6 0.6 Solder SACI 68.5×43.6 0.4 Heat sink Al 95×60 2 Subst-rate Fig. 4 Cross Section SEM Picture of Solder Joint. Fig. 5 Cross Section and After Etching SEM Picture of Solder Joint without Plating. Fig. 2 Joint Deterioration After TCT Result. 111 CALSONIC KANSEI TECHNICAL REVIEW vol.12 2016 4.2 破面の観察結果 Fig. 6 に Ni めっき有り／無し仕様における熱疲労試 験後の破面を示す。Ni めっき有り仕様はクラックが一 直線に入っているのに対し、Ni めっき無し仕様はクラッ クが多方向に分散している。 Fig. 7 に Ni めっき無し仕様の熱疲労試験後のフィレッ ト部の画像を示す。フィレット部に入っているクラック Fig. 6 Fracture in the Solder Layer After TCT. はピラー状 IMC を避けてはんだ母材に進展している。 4.3 熱疲労寿命向上メカニズムの仮説と検証 一般的なはんだのクラックは、クラック先端の歪み集 中部を元に進展していく。一方、ピラー状 IMC が含有し ているはんだ層は、クラックがピラー状 IMC によって進 路を変えて、多方向へ分岐する。これにより個々の歪み 値が低減し、クラックの進展が抑制されたと推測した。 FEM 解析により、上記の仮説の検証を行った。ピラー 状 IMC を配列させたモデルを作成し、ピラー状 IMC を 含有した接合層の熱応力歪み解析を行った。FEM 解析 の流れは、はんだ層のミクロモデルを作成し、等価物性 値を適用しマクロモデルの均質化解析を行い歪み分布及 Fig. 7 Fracture in the Solder Fillet After TCT. Table 2 Material Properties for FEM Analysis. び最大歪み値を算出した。 次にマクロモデル解析結果をズーミングし、局所化解 析を行い、ミクロモデル解析結果から局所歪み分布及び 最大歪みを算出した。 1) FEM 解析条件（材料物性） Table 2 に FEM 解析に使用する材料物性データを示す。 はんだ及びピラー状 IMC の物性データについては、ポ アソン比及び線膨張係数は文献値を用い、ヤング率は ナノインデンターにより実測した。 Young's Poisson's modulus ratio [GPa] [-] Linear expansion coefficient [ppm/℃] Cu 129 0.34 16.8 Al 70 0.33 23.5 Si3N4 290 0.27 3.4 Solder : SACI 58 0.36 22.7 IMC pillar 123 0.3 16.3 2) FEM 解析条件（モデル構造） 解析モデルは断面画像から代表的なピラー状 IMC の形 状パラメータ（Table 3）を抽出し Multiscale.Sim 6.0 に よりはんだ層内にピラー状 IMC を乱数で配置し（Fig. 8） 、マクロ基板モデルの熱 - 歪み解析は ANSYS 16.0 に より行った。 Table 3 IMC Dimensional Parameter for FEM Analysis. Length Diameter Angle IMC ratio [μm] [μm] [°] [%] 200 20 80 3.5 3) 均質化解析結果 Fig. 8 のモデルから 6 方向の数値材料試験で得られた見 かけのモデルにおける各温度（25℃ , 90℃ , 160℃）の 応力－歪み線図を Fig. 9 に示す。ピラー状 IMC が Z 軸 方向に強く配向している為、Z 軸方向の応力－歪み線 図が高い挙動を示している。次に得られた応力－ひず み線図を使用しマクロモデルの均質化解析を行った。 Fig. 10 に熱疲労試験を模擬した温度プロファイルを 示す。温度プロファイルのリフロー後、低温時、高温時 においての歪みコンター図を Fig. 11, 12 に示す。ピラー 状 IMC が形成しているはんだ層は、総じて歪みが高い 傾向にある。 112 Fig. 8 FEM Analysis Model of IMC Pillar. パワーモジュール向けピラー状 IMC 分散鉛フリーはんだ接合部の開発 4) 局所化解析結果 ピラー状 IMC 接合モデルの均質化解析結果から、は んだフィレットの歪み集中部をズーミングして、ピラー 状 IMC が含有している層の熱－歪み解析を行った。 温度プロファイルのリフロー後、低温時、高温時にお いての歪みコンター図を Fig. 13 に示す。均質化解析で は発生歪みが約 2 ～ 3% であったが、はんだ層に分散し たピラー状 IMC の周辺は歪み集中部が存在し、最大で 10% 超の歪みが発生している。 Fig. 9 Stress-Strain Curve of 6 Axial Direction. Fig. 12 Contour Figures of IMC Pillar Joining Strain at TCT. Fig. 10 TCT Program for FEM Analysis Fig. 11 Contour Figures of Solder Joining Strain at TCT. Fig. 13 Micro Analysis of IMC Pillar Joining at TCT. 113 CALSONIC KANSEI TECHNICAL REVIEW vol.12 2016 4.4 結論 熱疲労時のクラックは発生すると歪みは緩和され、次 の歪みの高い点へ進展していく 3),4)。ピラー状 IMC を含 有しないはんだ層は、クラックが発生するとクラックの 先端に歪みが集中し、クラックが進展していく。一方、 ピラー状 IMC を含有しているはんだでは、初期からク ラック先端だけでなく、ピラー状 IMC 界面にも歪み集 中部が存在しており、歪みの高いピラー状 IMC の界面 へクラックが進展した後、次のクラック進展先は無数の ピラー状 IMC に向かって進展していく。このようにク ラックがピラー状 IMC への到達を境に多方向に分散し ていく為、熱疲労寿命が向上したと考えられる。 5. ピラー状 IMC 生成メカニズムの解明 Fig. 14 Elemental Analysis Map of Solder Joint. 5.1 はんだ層の組成分析 1) Cu パターンの厚み変化 各層の厚み測定の結果、Cu パターンが約 18µm 減肉 していることが確認された。はんだ層全体に 18µm 分の Cu が均一に拡散したとすると、はんだ中の Cu 量は元々の添加量は 0.7% から約 5% となる。リフロー Fig. 15 Test Piece for Temperature Measurement of Reflow Process. 温度 300℃における Sn 中への Cu 固溶限は約 2.5% で ある為、固溶限以上の Cu がはんだ層へ拡散したこと が推察される。 5.3 ピラー状 IMC の生成メカニズムの仮説と検証 2) はんだ層の組成分析 以上の調査結果からピラー状 IMC 接合は以下に示す Table 4 にピラー状 IMC の組成定量分析結果を示す。 メカニズムで生成したと推定される。Fig. 16 に推定メ ピラー状 IMC の組成は Cu6Sn5 の Cu に Ni が固溶し カニズムについて、Sn-Cu の 2 元系状態図を元に示す。 5) Sn に In が固溶した (Cu,Ni)6(Sn,In)5 である 。 ①－② 295℃に昇温：はんだ中 Cu 濃度：0.7wt% Fig. 14 にはんだ層の組成定性分析結果を示す。Cu パ ②－③ 295℃保持：はんだが溶融し対流が発生する。 ターン界面に形成された IMC に Ni が検出された。Ni は、 対面のヒートシンクの Ni めっき層にのみ存在している ③－④295℃保持：拡散した Cu が層流に沿ってピラー ことから、Ni めっき層の Ni がはんだ層全域に拡散した 状 IMC が生成、成長する。Cu 量 :2.5 → 5.0wt% ことを実証している。温度勾配によって、リフロー中の Cu が固溶限まで拡散する。Cu 量 :0.7 → 2.5wt% ④－⑤ R.T. に冷却：ピラー状 IMC が析出する。 溶融はんだに対流が発生し、Ni が全体に拡散したと推 察される。 5.2 はんだ層上下の温度勾配 Fig. 1 の積層構造を模擬したテストピースではんだ上 下の部材の温度を測定した。テストピース構造を Fig. 15 に示す。リフローピークにおいて、上下の部材の温度差 は約 2 ～ 5℃発生している。従って、下側から伝熱する ことで上下に温度勾配が生じる為、溶融中のはんだに対 流が発生することが推察される。 Table 4 Elemental Analysis of IMC Pillar. Solder 114 Element (at%) type Sn Cu Ni In SAC 43.8 52.2 4.0 ― SACI 41.1 52.6 3.8 2.5 Fig. 16 Estimation of IMC Pillar Build-up Mechanism. パワーモジュール向けピラー状 IMC 分散鉛フリーはんだ接合部の開発 以上の仮説の妥当性を検証する為、入熱経路の異なる 2 5.4 結論 種類のリフロー方法による、はんだ組織の差異を調査した。 伝熱リフローにより、はんだ上下に熱勾配による対 Fig. 17 に入熱方法及び合金成分によるはんだ組織につい 流が発生し、その層流に沿って Cu が拡散し、ピラー状 て示す。 IMC が生成、成長するメカニズムと考える。 一つは電気炉加熱によりサンプルに均一に熱がかかる工 少なくとも片面に Cu が存在していること、リフロー 法（以下均熱リフロー）とし、もう一つは下部からのヒー 時に対流が発生することがピラー状 IMC の生成条件で ター伝熱により温度勾配が発生する工法（伝熱リフロー） ある為、Fig. 4 に示した Ni めっき有り仕様の接合体は、 とした。均熱リフロー、伝熱リフロー共にピラー状 IMC Cu パターンに Ni めっきが施されており、Cu の供給源 が形成されたが、均熱リフローは幅の広い IMC 形状であ が存在しないことから、ピラー状 IMC が生成しなかっ るのに対し、伝熱リフローは細長い IMC 形状であり、入 たと考えられる。 熱方法による IMC の形状の違いが確認された。 伝熱リフローにおいて両合金共にピラー状 IMC が形成 6. 結 言 されたことから In の有無による寄与はなく、リフロー時 本研究では、パワーモジュール向け大面積接合におい の対流によるメカニズムであると推察される。 て、ピラー状 IMC を形成させた組織により、熱疲労寿命 次に構造寄与について検証する為、伝熱リフローにおい が著しく向上することを見出した。併せてその熱疲労寿 て 3 種類の構造でリフローを行った。各々の形状及びはん 命向上メカニズム及び生成メカニズムについて調査した。 だ組織を Fig. 18 に示す。表面組成において Ni と Cu の位 1) はんだ層にピラー状 IMC を分散させることで従来の 置が反対の場合、両側共に Cu の場合においてもピラー状 はんだ接合層より熱疲労寿命が約 2.4 倍向上する。 IMC が形成されている。以上の結果から、構造起因では 2) 熱疲労寿命向上は、クラックがピラー状 IMC に向 なく、リフロー時の温度勾配から発生する対流がピラー状 かって進展し、分散されることにより進展が抑制さ IMC の生成、成長に寄与していると推察する。 れるメカニズムと考えられる。 3) ピラー状 IMC の生成は伝熱リフローにより、生じた はんだ上下の温度勾配による対流が発生し、その層 流に沿って Cu が拡散し、ピラー状 IMC が生成、成 長するメカニズムと考えられる。 参 考 文 献 1) 加柴 良裕，小野山 歩，林 建一，マジュムダー ル ゴーラブ，”パワーモジュールの電力損失低減と 小型化技術”，三菱電機技報，No.10, (2009), PP. 611Fig. 17 IMC Pillar Grown with Different Heat Flow Conditions and Different Solder Type. 615 2) 加柴 良裕， ”高信頼性パワーモジュール”，三菱電 機株式会社，MES2013，PP. 29-32 3) 藤野 公明，”EBSD 分析による結晶性材料脆弱性 箇所の早期発見”，Qualtec 品質技術，（2015.11.05）， PP. 1-4 4) 久利 裕二，若松 健吾，齊藤 友治，”はんだ接合 部の劣化・寿命診断方法の開発”，東芝レビュー Vol. 56, No. 12, (2001), PP. 60-61 5) Ahmed Sharif, Y.C. Chan，” Effect of indium addition in Sn-rich solder on the dissolution of Cu Fig. 18 IMC Pillar in Various Combination of Parts. metallization”，Journal of Alloys and Compounds 390, (2005)，PP. 67–73 E-mail: [email protected] 115