JP2006007288A - はんだペースト用Ａｕ−Ｓｎ合金粉末 - Google Patents

Abstract

【課題】ボイド発生の少ないＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを製造するために使用するＡｕ−Ｓｎ合金粉末を提供する。
【解決手段】Ｓｎ：２０．５〜２３．５質量％を含有し、残りがＡｕおよび不可避不純物からなる組成、並びに素地中に粒径：３μｍ以下の微細なＳｎリッチ相が０．５〜３０面積％晶出している組織を有するはんだペースト用Ａｕ−Ｓｎ合金粉末。
【選択図】 なし

Description

この発明は、ボイド発生の少ないＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを製造するためのＡｕ−Ｓｎ合金粉末に関するものであり、特に直径が２５μｍを越える大きなボイドが発生することのないＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを製造するためのＡｕ−Ｓｎ合金粉末に関するものであり、さらにこのＡｕ−Ｓｎ合金粉末を含むＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストはＡｕメッキしてある基板をはんだ付けするために特に有効なＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストに関するものである。

従来の技術

一般に、ＧａＡｓ光素子、ＧａＡｓ高周波素子、熱伝素子などの半導体素子と基板との接合、微細かつ高気密性が要求されるＳＡＷフィルター、水晶発振子などのパッケージ封止などにはＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストが使用されていることは知られている。このＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストに含まれるＡｕ−Ｓｎ合金粉末は、Ｓｎ：２０質量％を含有し、残りがＡｕおよび不可避不純物からなる組成を有するＡｕ−Ｓｎ共晶合金粉末であることが知られており、一般に、ガスアトマイズして得られることも知られている。

近年、パッケージサイズの小型化が急速に進んでおり、パッケージ封止されるパッケージのサイズは縦：１．６ｍｍ、横：１．０ｍｍの寸法まで小型化され、さらに小型化されようとしている。前記パッケージサイズが縦：１．６ｍｍ、横：１．０ｍｍのパッケージに設けられている蓋接合部の枠の幅は１００〜２５０μｍと狭く、かかる狭い幅の枠に前記Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを塗布し、その上に蓋を載せて加熱し、パッケージの封止を行うのであるが、パッケージサイズの小型化が進むにつれて、パッケージの枠の幅もますます狭くなる。このように狭い枠にろう付けして高気密性が要求されるＳＡＷフィルター、水晶発振子などのパッケージの封止を行う場合に、はんだ接合部にボイドが多く発生すると、ボイドの発生により気密性能が低下し、はんだ付けに対する信頼性が低下する。特に、２５μｍを越える大きなボイドの発生は小型パッケージの気密性能を低下させる最大の原因の一つになっている。

これらを改善すべく、Ｓｎ：１５〜２５質量％を含有し、残りがＡｕおよび不可避不純物からなる組成を有するＡｕ−Ｓｎ合金粉末の表面に、Ｓｎ：７〜１２質量％を含有し、残りがＡｕおよび不可避不純物からなる組成を有するＡｕリッチ初晶相が１０面積％以上晶出しているＡｕ−Ｓｎ合金粉末を使用したＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストが提供されている。そして、このＡｕリッチ初晶相が１０面積％以上晶出しているＡｕ−Ｓｎ合金粉末は、Ａｕ−Ｓｎ合金溶湯の温度を通常よりも低い温度（３００〜６００℃未満）に保持されたＡｕ−Ｓｎ合金溶湯を使用し、溶湯加圧力および噴射圧力を通常よりも低い溶湯加圧力：２０〜３００ｋＰａ未満、噴射圧力：５００〜５０００ｋＰａ未満に保持し、さらにノズル径を通常よりも小さい（直径：０．３〜２ｍｍ未満）条件でガスアトマイズして得られ、このようにして得られたＡｕ−Ｓｎ合金粉末は、その表面にＡｕ−Ｓｎ合金粉末の組成よりもＡｕリッチ初晶相が多く晶出し、このＡｕ−Ｓｎ合金粉末の表面にＡｕリッチ初晶相が多く晶出しているために、その表面酸化の割合が少なくなり、また大気中に長期間保存しても酸化が進まず、さらに篩にかけて分級する時に表面に傷が付き難く、一層酸化皮膜の少ない分級粉が得られ、この表面にＡｕリッチ初晶相が晶出しているＡｕ−Ｓｎ合金粉末を含むペーストはボイド発生が少ない良好な接合が得られるとされている（特許文献１参照）。
特開２００３−１０５４６１

しかし、前記特許文献１に記載のＡｕ−Ｓｎ合金粉末を含むペーストを用いてろう付けすると、確かにボイド発生数が少なくなったものの、ろう付け部に２５μｍを越える大きなボイドの発生が見られ、かかる大きなボイドの発生は前述のような小型パッケージの信頼できる封止を行うことができない。したがって、２５μｍを越える大きなボイドの発生がなくかつボイド発生数の一層少ないＡｕ−Ｓｎ合金粉末を含むペーストが求められていた。

そこで、本発明者らは、ボイド発生数が一層少なくかつ２５μｍを越える大きなボイド発生のないＡｕ−Ｓｎ合金ペーストを得るべく研究を行った。その結果、（イ）Ｓｎ：２０．５〜２３．５質量％を含有し、残りがＡｕおよび不可避不純物からなる組成並びに素地中に粒径が３μｍ以下の微細なＳｎリッチ初晶相を晶出した組織を有するＡｕ−Ｓｎ合金粉末をフラックスに混合せしめて得られたはんだペーストは、そのはんだペーストを使用してろう付けした場合に、そのろう付け部に２５μｍを越える大きなボイドの発生することがなく、かつ従来のＡｕ−Ｓｎ合金ハンダペーストに比べてボイド発生数が一段と少なくなる、
（ロ）しかし、この粒径：３μｍ以下の微細なＳｎリッチ初晶相が晶出したＡｕ−Ｓｎ合金粉末であっても、その晶出量は０．５〜３０面積％の範囲内にありかつＡｕリッチ初晶相が晶出することの無い組織を有するＡｕ−Ｓｎ合金粉末であることが必要である、という研究結果が得られたのである。

この発明は、かかる研究結果にもとづいてなされたものであって、
（１）Ｓｎ：２０．５〜２３．５質量％を含有し、残りがＡｕおよび不可避不純物からなる組成、並びに素地中に粒径：３μｍ以下の微細なＳｎリッチ初晶相が０．５〜３０面積％晶出しているはんだペースト用Ａｕ−Ｓｎ合金粉末、
（２）前記（１）記載のＡｕ−Ｓｎ合金粉末とロジン、活性剤、溶剤および増粘剤からなるフラックスとで形成されるはんだペースト、に特徴を有するものである。

この発明の粒径：３μｍ以下の微細なＳｎリッチ初晶相が０．５〜３０面積％晶出しているはんだペースト用Ａｕ−Ｓｎ合金粉末は、Ｓｎ：２０．５〜２３．５質量％を含有し、残りがＡｕおよび不可避不純物からなる組成を有するＡｕ−Ｓｎ合金を溶解して得られた溶湯を温度：６００℃〜１０００℃に保持し、機械撹拌しながらまたは機械撹拌したのちこの撹拌された溶湯を圧力：３００〜８００ｋＰａで加圧しながら噴射圧力：５０００〜８０００ｋＰａの圧力で直径：１〜２ｍｍを有する小径ノズルからノズルギャップ：０．３ｍｍ以下で不活性ガスを噴射して製造する。前記撹拌は機械撹拌であることが好ましく、機械撹拌の内でもプロペラ撹拌が一層好ましい。前記機械撹拌に電磁撹拌のような電気的撹拌を併用してもよく、機械撹拌に電磁撹拌を併用することもこの発明に含まれる。機械撹拌の回転速度は特に限定されるものではないが、６０〜１００ｒ．ｐ．ｍで３〜１０分間プロペラ撹拌することが好ましい。
この発明のはんだペースト用Ａｕ−Ｓｎ合金粉末の製造方法において、Ａｕ−Ｓｎ合金溶湯を機械撹拌すると、Ｓｎリッチ初晶相が成長して大きくなることが無く、さらにＡｕリッチ初晶相クラスターのないＡｕ−Ｓｎ合金溶湯が得られ、この撹拌して得られたＡｕ−Ｓｎ合金溶湯をアトマイズすることにより素地中に粒径が３μｍ以下の微細なＳｎリッチ初晶相が０．５〜３０面積％晶出し、Ａｕリッチ初晶相の無いＡｕ−Ｓｎ合金粉末が得られ、かかるＡｕ−Ｓｎ合金粉末とロジン、活性剤、溶剤および増粘剤からなるフラックスとで形成されるはんだペーストを用いてろう付けすると、ろう付け部に発生するボイドの数は減少し、特に２５μｍを越える大きなボイドの発生は見られなくなるのである。
従来から、Ｓｎ：２０．５〜２３．５質量％を含有し、残りがＡｕおよび不可避不純物からなる組成を有するＡｕ−Ｓｎ合金を溶解して得られた溶湯を不活性ガスアトマイズしてＡｕ−Ｓｎ合金粉末を製造する方法は知られているが、Ｓｎ：２０．５〜２３．５質量％を含有し、残りがＡｕおよび不可避不純物からなる組成のＡｕ−Ｓｎ合金溶湯を機械撹拌せずにそのままガスアトマイズして得られたＡｕ−Ｓｎ合金粉末は、粒径が３μｍ以下の微細なＳｎリッチ初晶相が晶出することがあってもその量は０．４面積％を越えることがなく、大部分は粒径が３μｍを越える粗大なＳｎリッチ初晶相が晶出し、粒径が３μｍを越えるＳｎリッチ初晶相が晶出するとボイド発生数が多くなりかつ２５μｍを越える大きなボイドが発生するようになる。
前記粒径：３μｍ以下の微細なＳｎリッチ初晶相が０．５〜３０面積％晶出しておりかつＡｕリッチ初晶相の無い組織を有するこの発明のはんだペースト用Ａｕ−Ｓｎ合金粉末は、Ｓｎ：２０．５〜２３．５質量％を含有し、残りがＡｕおよび不可避不純物からなる組成のＡｕ−Ｓｎ合金溶湯を撹拌し、この撹拌したＡｕ−Ｓｎ合金溶湯をアトマイズすることにより製造できる。

この発明のはんだペースト用Ａｕ−Ｓｎ合金粉末に含まれるＳｎの含有量を２０．５〜２３．５質量％に限定したのは、この種のはんだペーストはＡｕメッキコーティングされた基板上にはんだ付けするのが通常の使用方法であり、このような使用方法がなされた場合、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末に含まれるＳｎの含有量が２０．５質量％未満ではＡｕメッキコーティングのＡｕがろう付け金属のＡｕ−Ｓｎ合金を溶食してＡｕ濃度が増加し、溶融したＡｕ−Ｓｎ合金の接合界面にＡｕリッチ初晶相が晶出し、融点が高くなって融液粘性が高くなり、ペースト溶融中に発生したガスが基板近傍にトラップされるので好ましくなく、一方、Ｓｎの含有量が２３．５質量％を越えると、溶湯を機械撹拌しても粒径が３μｍを越える粗大なＳｎリッチ初晶相が晶出するようになり、またＳｎリッチ初晶相が全体で３０面積％を越えて晶出するようになるので好ましくないからである。
また、この発明のはんだペースト用Ａｕ−Ｓｎ合金粉末の断面に晶出するＳｎリッチ初晶相は、Ｓｎ：３７〜３９質量％を含有し、残りがＡｕおよび不可避不純物からなる成分組成を有する。これはＳｎ：２０．５〜２３．５質量％を含有し、残りがＡｕおよび不可避不純物からなる組成を有する溶湯から晶出するＳｎリッチ初晶相はＳｎを３７〜３９質量％含む組成を有するからである。

この発明のＡｕ−Ｓｎ合金粉末に晶出する粒径：３μｍ以下の微細なＳｎリッチ初晶相を０．５〜３０面積％晶出するように限定したのは、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末の断面に晶出する粒径：３μｍ以下の微細なＳｎリッチ初晶相の量が０．５面積％未満ではペーストを使用する際に、通常Ａｕメッキコーティングされている基板のＡｕがＡｕ−Ｓｎ合金を溶食してしまうため、基板とＡｕ−Ｓｎ合金界面にＡｕリッチ初晶相が生成してしまい、このＡｕリッチ相は、他の共晶組織部とは融点が高くなるため、同じ温度では融液粘性が高く、ペースト溶融中に発生したガスが基板近傍にトラップされることになるので好ましくなく、一方、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末の断面に粒径：３μｍ以下の微細なＳｎリッチ初晶相が３０面積％越えて晶出すると、明らかに粉末の融点が高温へシフトして行き、Ｓｎリッチ初晶相の比率が高くなり、共晶点よりシフトすることで融点が高くなり、融液の粘度が高くなって流動性が低下し、ペースト溶融時に発生するガスをトラップし易くなるので好ましくないからである。この発明のＡｕ−Ｓｎ合金粉末の断面に晶出するＳｎリッチ初晶相の晶出量の一層好ましい範囲は１０〜２０面積％である。

この発明のＡｕ−Ｓｎ合金粉末を含むはんだペーストは直径が２５μｍを越える大きなボイドが発生することがないところから、従来のＡｕ−Ｓｎ合金粉末を含むはんだペーストに比べて一層信頼性の優れたはんだペーストを提供することができ、半導体装置の不良品発生率も減少してコストを低減することができ、産業上優れた効果をもたらすものである。

表１に示される成分組成を有するＡｕ−Ｓｎ合金を高周波溶解炉により溶解し、得られた溶湯を表１に示される温度に保持しながら、表１に示される回転数で表１に示される時間プロペラを回転させて溶湯を機械撹拌しながらまたは機械撹拌したのち、溶湯に表１に示される圧力をかけ、高周波溶解炉の底部に設けられたノズルから溶湯を落下させ、同時にノズルの周囲にノズルギャップ：０．２ｍｍとなるように設けられた表１に示される直径のガスノズルから落下する溶湯に向かってＡｒガスを表１に示される噴射圧力で噴射させることによりガスアトマイズ粉末を作製し、このガスアトマイズ粉末を篩でふるうことにより平均粒径：２０μｍを有する本発明Ａｕ−Ｓｎ合金粉末１〜５および比較Ａｕ−Ｓｎ合金粉末１〜５および従来Ａｕ−Ｓｎ合金粉末１〜２を作製した。
を作製した。

本発明Ａｕ−Ｓｎ合金粉末１〜５、比較Ａｕ−Ｓｎ合金粉末１〜５および従来Ａｕ−Ｓｎ合金粉末１〜２を樹脂埋めして断面研磨し、断面をＥＰＭＡにて撮影し、このＥＰＭＡ画像において、粉末断面直径：１５μｍのもの１０サンプルを無作為に選定し、画像処理ソフトを用いてＳｎリッチ初晶相の粒径および粉末断面積に対するその粒径のＳｎリッチ初晶相の占める面積％を求め、その結果を表２に示した。
これら本発明Ａｕ−Ｓｎ合金粉末１〜５、比較Ａｕ−Ｓｎ合金粉末１〜５および従来Ａｕ−Ｓｎ合金粉末１〜２にそれぞれ一般的なＲＭＡフラックスをフラックス比率：７質量％混合してはんだペーストを作製した。

次に、これらはんだペーストを用いて、下記の測定を行った。
まず、縦：１０ｍｍ、横：１０ｍｍ、厚さ：１ｍｍの寸法を有するＦｅ−Ｎｉ系合金（Ｎｉ：４２％，残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる合金）からなる板を用意し、このＦｅ−Ｎｉ系合金製板の表面に厚さ：２．５μｍのＮｉメッキを施したのち厚さ：０．０３μｍのＡｕメッキし、このメッキされた板を基板として用意した。
かかる基板上に直径：６．５μｍ、厚さ：１．２ｍｍのマスクを用いて前記はんだペーストを印刷し、リフロー処理（プレヒート１５０℃／６０秒＋本ヒート３２０℃／６０秒）したのち、発生した表２に示される種々のサイズのボイドを透過Ｘ線装置および画像処理ソフトを用いてボイド数を求め、その結果を表２に示した。

表１〜２に示される結果から、本発明Ａｕ−Ｓｎ合金粉末１〜５を含むはんだペーストは、従来Ａｕ−Ｓｎ合金粉末１〜２を含むはんだペーストに比べてボイドの発生数が少なく、さらに従来Ａｕ−Ｓｎ合金粉末１〜２を含むはんだペーストは２５μｍを越える大きなボイドが発生するのに対し、本発明Ａｕ−Ｓｎ合金粉末１〜５を含むはんだペーストは２５μｍを越えるボイドが発生することはないことがわかる。
しかし、この発明の条件から外れた比較Ａｕ−Ｓｎ合金粉末１〜５はボイドの発生数が増加するので好ましくないことが分かる。

Claims (4)

1. Ｓｎ：２０．５〜２３．５質量％を含有し、残りがＡｕおよび不可避不純物からなる組成、並びに素地中に粒径：３μｍ以下の微細なＳｎリッチ初晶相が０．５〜３０面積％晶出している組織を有することを特徴とするはんだペースト用Ａｕ−Ｓｎ合金粉末。
2. 請求項１記載のＡｕ−Ｓｎ合金粉末とロジン、活性剤、溶剤および増粘剤からなるフラックスとで形成されるはんだペースト。
3. Ｓｎ：２０．５〜２３．５質量％を含有し、残りがＡｕおよび不可避不純物からなる組成を有するＡｕ−Ｓｎ合金を溶解し、得られた溶湯を機械撹拌しながらまたは機械撹拌したのちアトマイズすることを特徴とする請求項１記載のはんだペースト用Ａｕ−Ｓｎ合金粉末の製造方法。
4. 前記機械撹拌はプロペラ撹拌であることを特徴とする請求項３記載のはんだペースト用Ａｕ−Ｓｎ合金粉末の製造方法。