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金属間化合物とは

THEME 06 後工程・パッケージ · 実装と熱Intermetallic Compound
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金属間化合物とは、異なる金属が接した境目で、両方とは別の組成と性質を持つ相として育つ化合物です。 接合そのものを作る一方、育ちすぎると寿命を縮めます。

接合したあとも境目では拡散が続き、時間と温度に応じて別の化合物が育っていきます。

Au-Al の境目には、組成の違う化合物が何層も育つ

Section titled “Au-Al の境目には、組成の違う化合物が何層も育つ”
Au-Al の場合
境目に、別の金属が育ちますAu ワイヤAu-Al の金属間化合物が育つ層AuAl2 / AuAl / Au2AlAu5Al2 / Au4AlAl パッド高温で長く保つほど、この層が厚くなります接触抵抗が増え、最後は接合部が断線に至りますこの化合物を、一般にパープルプレイグと呼びます
Au-Al 系では AuAl2・AuAl・Au2Al・Au5Al2・Au4Al が形成され、組成の異なる層が重なって育ちます。この金属間化合物を一般にパープルプレイグと呼びます。

ワイヤボンディングでは、チップ表面電極である Al パッドとインナーリードの間を金属細線で結線します1。ここが Au-Al の接合になります。

Au-Al 系では AuAl2・AuAl・Au2Al・Au5Al2・Au4Al という複数の金属間化合物が形成され、1 種類にとどまらず、組成の異なる層が重なって育ちます。この金属間化合物を一般にパープルプレイグと呼び、紫色を帯びる相があることから来た呼び方です。

厚く育つと、接触抵抗が増えて断線する

Section titled “厚く育つと、接触抵抗が増えて断線する”

Au-Al 接合では、高温に半導体デバイスを長期間保存すると接合部の接触抵抗が増加し、最終的に接合部が断線に至ります1。半導体デバイスを使用する機器に致命的な不良を与えるため、古くから多くの報告がされてきた現象です。

Au-Al の異種金属の接合では、金属間化合物の形成による、構造的に付いて回る長期的な寿命の劣化現象が起きます。避ける相手というより、寿命として見積もる相手です。

Cu-Sn では、温度で育つ相が入れ替わる

Section titled “Cu-Sn では、温度で育つ相が入れ替わる”
Cu-Sn の場合
Cu-Sn では、温度で育つ相が入れ替わります常温Cu6Sn5 が主Cu より密度が低い体積が増えるSn 層に圧縮応力がかかる高温下Cu3Sn が増えるこちらは密度が高い体積の増え方が小さい圧縮応力を抑える側へ働く同じ材料の組でも、温度で育つ相と結末が入れ替わります
常温では密度が低い Cu6Sn5 が主に育ち、体積増大で Sn 層に圧縮応力が加わります。高温度下では密度が高い Cu3Sn の成長が増え、この圧縮応力を抑えます。この圧縮応力が、錫ウィスカの要因になります。

リード母材が Cu で Sn めっきの場合、Cu の拡散により Cu6Sn5 と Cu3Sn という 2 種類の金属間化合物が成長します1。常温では Cu に比して密度が低い Cu6Sn5 が主に生成し、体積増大によって Sn 層に圧縮応力が加わります。この圧縮応力が、錫を針状に伸ばす要因（錫ウィスカ）になります。

高温度下では密度が高い Cu3Sn の成長が増えるため、体積増大による圧縮応力は抑えられます。温度を上げたほうが応力は減る、という向きです。

接合時の熱とはんだの量が、育ち方を左右する

Section titled “接合時の熱とはんだの量が、育ち方を左右する”

熱圧着（TCB）は、搭載と同時に熱及び圧力を加え、はんだを溶かしながら端子に押し付ける方法です2。溶かす温度と時間が長いほど、境目の化合物も厚くなります。接合の確かさと、化合物の育ちすぎは同じ熱の量で押し合います。

カッパーピラーバンプは、ウェーハパッド上に Cu の柱を形成するものです2。はんだを先端だけに減らすと、育つ余地そのものが小さくなります。

化合物が育つから接合し、育ちすぎると壊れる

Section titled “化合物が育つから接合し、育ちすぎると壊れる”

境目で化合物が育つからこそ、金属どうしが接合します。そのかわり厚く育つほど接触抵抗が増え、もろい相が割れの起点になります。接合時の熱を強くすれば確かにつながるものの、化合物も同時に厚くなります。はんだの量を減らせば育つ余地は小さくなりますが、濡れる面積と許容する位置ずれも減ります。

よくある質問（FAQ）

Section titled “よくある質問（FAQ）”
金属間化合物とは何ですか？

異なる金属どうしが接した境目で、両方とは別の組成と性質を持つ相として育つ化合物です。

なぜ問題になるのですか？

Au-Al の異種金属の接合では、金属間化合物の形成による、構造的に付いて回る長期的な寿命の劣化現象が起きるためです。

パープルプレイグとは何ですか？

Au-Al 系の接合に育つ金属間化合物の一般的な呼び名です。

どう壊れるのですか？

高温に長期間保存すると接合部の接触抵抗が増加し、最終的に接合部が断線に至ります。

Au-Al 系では何が育ちますか？

AuAl2・AuAl・Au2Al・Au5Al2・Au4Al という複数の金属間化合物が形成されます。

Cu-Sn 系ではどうですか？

Cu の拡散により Cu6Sn5 と Cu3Sn の 2 種類が成長します。

温度で結果が入れ替わるのですか？

入れ替わります。常温では密度が低い Cu6Sn5 が主に生成し、高温度下では密度が高い Cu3Sn の成長が増えます。

比較・違いを学ぶ

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出典

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