JP2007061857A

JP2007061857A - Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いた基板と素子の接合方法

Info

Publication number: JP2007061857A
Application number: JP2005250798A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Ishikawa; 石川　　雅之; Masayoshi Obinata; 正好小日向; Terushi Mishima; 昭史三島
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2005-08-31
Filing date: 2005-08-31
Publication date: 2007-03-15
Anticipated expiration: 2025-08-31
Also published as: JP4600672B2

Abstract

【課題】特にＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いて長時間加熱が好ましくない素子、例えば、ＬＥＤ（発光ダイオード）素子を基板に接合する方法を提供する。
【解決手段】Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２を基板１に搭載または塗布したのち非酸化性雰囲気中でリフロー処理して基板１の表面に溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層４およびその周囲にフラックス残渣部分５を形成し、前記溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層４の上に素子３を搭載し加熱保持したのち冷却することにより素子３を基板１に接合し、次いでフラックス残渣部分を洗浄して除去するるＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いた基板と素子の接合方法。
【選択図】図１

Description

この発明は、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いた基板と素子の接合方法に関するものであり、特に高温で長時間の加熱すると特性が劣化したりまたは破損に繋がる素子、例えば、ＬＥＤ（発光ダイオード）素子をＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いて基板に接合する方法に関するものである。

一般に、ＬＥＤ（発光ダイオード）素子、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、Ａｇペースト、Ａｕ−Ｓｎ箔材、Ａｕバンプ、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストなどが使用されている。

Ａｇペーストは、Ａｇ材料自身の熱伝導性が悪いだけでなく、基板と素子の間に発生するボイドが多い。つまり、ボイドにより接合領域が減少してしまい、熱抵抗を低下させると共に、接合部の信頼性にも問題があった。そのために、特に熱がこもると破損に繋がるようなＬＥＤ（発光ダイオード）素子は基板との接合部の熱伝導性が非常に重要であることから、ＬＥＤ（発光ダイオード）素子と基板との接合には熱伝導性が良くかつ信頼性が高い接合部を形成するＡｕ−Ｓｎ合金はんだ箔材(リボンなど)、Ａｕバンプ、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストが用いられている。

しかし、Ａｕ−Ｓｎはんだ合金箔材(リボンなど)は、材料自身の熱伝導性は高いが接合時の濡れ性が悪いため接合領域を十分に広く取ることができず、また箔材表面には酸化膜が多いため溶融したＡｕ−Ｓｎはんだ合金の流動性が悪い。そのため加熱溶融しながら荷重をかけて接合する工法もあるが、加熱時間を長く取らなければならないところから、熱を長時間かけることのできないＬＥＤ（発光ダイオード）素子に適用することができない。さらに、Ａｕ−Ｓｎはんだ合金箔材の場合、濡れ性が悪いことにより接合面積が小さいという欠点があった。

また、Ａｕバンプ法による素子の接合は、素子全体にＡｕ−Ｓｎはんだ合金接合層が接合していないため、Ａｕ−Ｓｎはんだ合金接合層と接合していない部分の熱伝導が悪くなり、また、このＡｕバンプ法では３００℃以上の温度で荷重をかけながら接合を行なうが、３００℃以上高温を長時間かける必要があり、熱影響を受けて劣化しやすいＬＥＤ（発光ダイオード）素子に適用することができなかった。
そのため、近年、熱影響を受けて劣化しやすいＬＥＤ（発光ダイオード）素子の接合には接合信頼性の一層優れたＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストが多く用いられるようになってきた。このＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストは、Ｓｎ：１５〜２５質量％（好ましくは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共晶合金ガスアトマイズ粉末とロジン、活性剤、溶剤および増粘剤からなる市販のフラックスとを混合して作られる。
このＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを使用して素子と基板を接合すると接合部がＡｕ−Ｓｎはんだ合金であるので熱伝導性が良く接合信頼性も高いこと、ペーストであるので複数の接合部に一括供給でき、さらに一括熱処理できること、リフロー時にフラックスがＡｕ−Ｓｎはんだ合金表面を覆っているために酸化膜が少なく、そのため、接合時の溶融Ａｕ−Ｓｎはんだ合金の流動性が大きく、濡れが良くなって接合面積を拡大することができることから素子全面を接合することができること、さらに接合時に過剰な荷重をかける必要がないことなどのメリットがある。
このＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いて基板と素子を接合するには、まず、図３（ａ）に示されるように、基板１にＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２を搭載または塗布する。次に、このＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２の上に図３（ｂ）に示されるように素子３を搭載し、この状態で加熱してリフロー処理を施したのち冷却すると、図３（ｃ）に示されるように、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層４０を介してと基板１と素子３が接合し、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層４０の周囲にフラックス残渣層５が形成される。この形成されたフラックス残渣層５は洗浄し除去して、図３（ｄ）に示されるように、接合が完了する（特許文献１または２など参照）。
特開２００３−１０５４６２特開２００３−２６０５８８

前記Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２の上に図３（ｂ）に示されるように素子３を搭載し、この状態で加熱してリフロー処理を施すことにより、図３（ｃ）に示されるように、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層４０を介してと基板１と素子３を接合させるためには高温で長時間加熱のリフロー処理を施さなければならず、高温で長時間の加熱に弱いＬＥＤ素子などの素子にはこの接合方法は好ましくない。さらに図３（ｂ）に示されるようにＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２の上に素子３を搭載し、この状態で加熱してリフロー処理を施すと、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２の上に素子３が被さっているために、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２が溶融するに際してペーストから発生したガスが逃げ場を失ってボイドが発生しやすく、ボイドが発生すると素子３と基板１との接合面積が少なくなり、接合面積が少なくなると素子３に発生した熱の放熱性が悪くなるなどの欠点があった。

そこで、本発明者らは、これら課題を解決すべく研究を行った。その結果、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを基板に搭載または塗布したのち素子を搭載することなくリフロー処理して基板表面に溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層およびその周囲にフラックス残渣部分を形成し、次いで前記溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層の上に素子を搭載し加熱保持したのち冷却することにより素子を基板に接合し、次いでフラックス残渣部分を洗浄して除去すると、素子を基板の上に形成された溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層の上に直接搭載してはんだ付けすることから、フラックスから発生するガスの影響を受けることなくはんだ付けすることができ、したがって、接合部にボイドの発生が少なくなって接合部の熱放出性の低下が少なくなり、さらに素子を短時間の加熱処理で基板に接合することができるために特に熱に弱いＬＥＤ素子の接合に有効であるという知見を得られたのである。

この発明は、かかる知見に基づいて成されたものであって、
（１）Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを基板に搭載または塗布したのち非酸化性雰囲気中でリフロー処理して基板表面に溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層およびその周囲にフラックス残渣部分を形成し、前記溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層の上に素子を搭載し加熱保持したのち冷却することにより素子を基板に接合し、次いでフラックス残渣部分を洗浄して除去するＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いた基板と素子の接合方法、に特徴を有するものである。

この発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いた基板と素子の接合方法を図面に基づいて具体的に説明する。図１はこの発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いた基板と素子の接合方法を説明するための斜視説明図である。

図１（ａ）に示されるように、基板１にＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２を搭載または塗布し、この状態で非酸化性雰囲気中でリフロー処理を施すと、図１（ｂ）に示されるように、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２が溶融して溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層４とその周囲にフラックス残渣層５が形成される。その後、図１（ｃ）に示されるように、溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層４の上に素子３を搭載し、非酸化性雰囲気中でこの状態に短時間加熱保持したのち冷却することにより、図１（ｄ）に示されるように、素子３を基板１にＡｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層４０を介して接合し、フラックス残渣層５を洗浄して終了する。

この場合、図示されてはいないが、基板にＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを搭載または塗布し、この状態で非酸化性雰囲気中でリフロー処理を施したのち冷却して凝固したＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層を形成し、その後、再度リフロー処理を施して図１（ｂ）に示されるようなＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２が溶融して溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層４とその周囲にフラックス残渣層５を形成してもよい。
さらに、この発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いた基板と素子の接合方法では、基板１の上の溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層４の上に素子３を搭載し、図２（ｃ）に示されるように、素子３に荷重Ｆをかけながら、非酸化性雰囲気中で短時間その状態に加熱保持して、図２（ｄ）に示されるように、素子３を基板１にＡｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層４０を介して接合し、その後洗浄して、図２（ｅ）に示されるように、接合を終了することが一層好ましい。したがって、この発明は、
（２）Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを基板に搭載または塗布したのち非酸化性雰囲気中でリフロー処理して基板表面に溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層およびその周囲にフラックス残渣部分を形成し、前記溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層の上に素子を搭載し、素子に荷重をかけながら加熱保持したのち冷却することにより素子を基板に接合し、次いでフラックス残渣部分を洗浄して除去するＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いた基板と素子の接合方法、に特徴を有するものである。

図２は前記（２）記載のこの発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いた基板と素子の接合方法を説明するための斜視説明図である。図２に示される基板と素子の接合方法は、図２（ｃ）に示されるように、素子３を溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層４の上に搭載し、素子３に荷重Ｆをかけながらその状態に加熱保持することが一層好ましい。図１と図２とでは、素子３にかける圧力の有無が相違するのみであるから、図２の詳細な説明は省略する。

この発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いた接合方法によると、基板１と素子３の間の接合部にボイドの発生が少なくなって素子に発生した熱が放熱し易く、さらに基板１と素子３を接合するに必要な加熱時間を短くすることができるので高温で長時間の加熱に弱いＬＥＤ素子などの素子の接合に適しているなど産業上優れた効果をもたらすものである。

Ｓｎ：２０質量％を含有し、残部がＡｕからなる成分組成を有し平均粒径：２０μｍを有するＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末を用意し、このＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末に市販のロジン系フラックスを、ロジン系フラックス：７質量％、残部がＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末の配合組成となるように配合し、混合してＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを作製した。
さらに、ＬＥＤ素子およびＡｕメッキしたアルミナ製の基板を用意した。
実施例１
先に用意した基板の上に先に用意したＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストをピン転写方により搭載し、これを窒素雰囲気中の熱対流型炉に装入して２００℃、６０秒保持したのち、さらに３１０℃に３０秒間保持することによりリフロー処理を施して中央に溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層を有しかつその周囲にフラックス残渣を有するＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト溶融部分が形成された。このＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト溶融部分における溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層の上に素子を搭載し、この状態で基板を窒素雰囲気中、３１０℃、１０秒間加熱したのち冷却することにより基板表面にＡｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層を介してＬＥＤ素子を接合した。接合部分を調べたところ、基板とＬＥＤ素子の間の接合面積は９５％に達し、基板とＬＥＤ素子の間のＡｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層には５％のボイド面積しか見られなかった。

なお、接合面積はＴｏｓｉｂａＩＴ＆ＣｏｎｔｏｒｏｌＳｙｓｔｅｍ‘ｓＴｏｓｍｉｃｒｏｎ−６０９０ＦＤにより測定し、ボイド面積は透過Ｘ線により測定した。
実施例２
実施例１において、３１０℃に加熱された溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層の上に載置したＬＥＤ素子に荷重をかけながら窒素雰囲気中、３１０℃に１０秒間保持することによりＬＥＤ素子を基板に接合した。接合部分を実施例１と同様にして調べたところ、基板とＬＥＤ素子の間の接合面積は９７％に達し、基板とＬＥＤ素子の間のＡｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層には３％のボイド面積しか見られなかった。
従来例１
基板にＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを実施例１と同様にして塗布し、次に、このＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストの上にＬＥＤ素子を搭載し、この状態で温度：２００℃、６０秒間加熱した後、さらに温度：３１０℃、３０秒間加熱してリフロー処理を施し、その後、冷却し、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層を介してと基板とＬＥＤ素子を接合した。Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層の周囲にはフラックス残渣層が形成されていたので、実施例１と同様にしてフラックス残渣層を洗浄液で洗浄し除去し、接合部分を実施例１と同様にして調べたところ、基板とＬＥＤ素子の間の接合面積は６５％であり、基板とＬＥＤ素子の間のＡｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層には３５％のボイド面積があった。

実施例１〜２および従来例１に示される結果から、従来法では３１０℃、３０秒間加熱しても満足な接合ができないが、この発明の方法によると、ＬＥＤ素子を３１０℃、１０秒間加熱保持するだけで基板と素子を良好に接合することができことが分かる。

この発明の方法により基板と素子を接合する工程を説明するための説明図である。この発明の方法により基板と素子を接合する工程を説明するための説明図である。従来の方法により基板と素子を接合する工程を説明するための説明図である。

符号の説明

１：基板、
２：Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト、
３：素子、
４：溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層、
４０：Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層、
５：フラックス残渣層５。

Claims

Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを基板に搭載または塗布したのち非酸化性雰囲気中でリフロー処理して基板表面に溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層およびその周囲にフラックス残渣部分を形成し、前記溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層の上に素子を搭載し加熱保持したのち冷却することにより素子を基板に接合し、次いでフラックス残渣部分を洗浄して除去することを特徴とするＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いた基板と素子の接合方法。
Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを基板に搭載または塗布したのち非酸化性雰囲気中でリフロー処理して基板表面に溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層およびその周囲にフラックス残渣部分を形成し、前記溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層の上に素子を搭載し素子に荷重をかけながら加熱保持したのち冷却することにより素子を基板に接合し、次いでフラックス残渣部分を洗浄して除去することを特徴とするＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いた基板と素子の接合方法。
前記Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストは、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合金粉末とフラックスとを混合して得られたＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストであることを特徴とする請求項１または２記載のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いた基板と素子の接合方法。