JP2007266404A

JP2007266404A - 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: JP2007266404A
Application number: JP2006090901A
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: 2006-03-29
Filing date: 2006-03-29
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2026-03-29
Also published as: JP4747280B2

Abstract

【課題】特にＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いてＬＥＤ（発光ダイオード）素子などの素子を基板に接合する方法を提供する。
【解決手段】素子３を基板１に載置し、さらにＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２を前記素子３から離してまたは隣接して基板１に搭載または塗布し、前記素子３を載置しかつＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２を搭載または塗布した基板１を非酸化性雰囲気中でリフロー処理する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
【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て基板と素子との間の接合部にボイドを発生させることなく接合する方法に関するものであり、特に使用中に発生した熱を放出する必要のある素子、例えば、ＬＥＤ（発光ダイオード）素子を基板に接合する方法に関するものである。

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、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）素子と基板との接合には、接合部の熱伝導性が非常に重要であるところから、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た。

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ものの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、加熱時間が長くまた長時間荷重をかけて接合しなければならないことから、熱を長時間かけることが好ましくない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、素子に荷重をかけて接合することから素子側面部にＡｕ−Ｓｎはんだ合金が這い上がりショートを起こすこともあった。

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、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℃以上高温を長時間保持する必要があり、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合金はんだ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ところから素子全面を接合できること、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方法を図３の側面図に基づいて説明する。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の真上に図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４を介してと基板１と素子３が接合する（特許文献１または２など参照）。
特開２００３−１０５４６２特開２００３−２６０５８８

前述のように、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストは最も使いやすい接合材であるが、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストには前述のように有機物からなるフラックスを含んでおり、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が溶融する際にフラックスからガスが発生し、この時Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２の真上に素子３が被さっているために、溶融中に発生したガスが逃げ場を失って閉じ込められ、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層４の中にボイド５が生成することがある。Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層４の中にボイド５が生成すると素子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ので好ましくない。

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、
（イ）Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを基板に搭載または塗布し、さらにＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストから離して素子を基板の上に載置し、このＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストおよび素子を乗せた基板を非酸化性雰囲気中でリフロー処理すると、リフロー処理中に、まず、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストが溶融してＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストに含まれるフラックスの分解ガスが放出され、さらにリフロー処理を続けるとＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストに含まれるＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末が溶融してＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末の表面の酸化膜とフラックスとが反応して生成したガスが放出されてガスが十分に抜けた溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだが生成し、このガスが十分に抜けた溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだは基板の表面を伝って濡れ広がり、濡れ広がった溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだが素子に達すると、溶融したＡｕ−Ｓｎ合金はんだが素子の下に潜り込み、溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだが素子の下に潜り込むと、溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだのセルフアライメント効果により素子が溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだの中央に向かって引き戻され、ガスが十分に抜けた溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだのほぼ中央に素子が乗った状態となり、かかる状態で冷却すると、基板と素子との間のＡｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層の中にボイドが発生することなく接合することができる、
（ロ）基板の上に素子をＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストに隣接するまで近づけて載置しても同様の効果が得られる、などの知見が得られたのである。

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、
素子を基板に載置し、さらにＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを前記素子から離してまたは隣接して基板に搭載または塗布し、前記素子を載置しかつＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを搭載または塗布した基板を非酸化性雰囲気中でリフロー処理する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側面説明図である。

図１（ａ）に示されるように、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、さらに素子３を基板１の上にＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２から離して載置する。この基板１の表面には最表面層としてＡｕめっき層を形成しておくことが好ましい。
このＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２および素子３を乗せた基板１を非酸化性雰囲気中でリフロー処理すると、リフロー処理中に図１（ｂ）に示されるように、まず、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２が溶融してＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストに含まれるフラックスの分解ガス６が放出され、さらにリフロー処理を続けるとＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２に含まれるＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末（図示せず）が溶融してＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末の表面の酸化膜とフラックスとが反応して生成したガス６が放出されて、図１（ｃ）に示されるように、ガス６が十分に抜けた溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ４´が生成する。このガス６が十分に抜けた溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ４´は基板１の表面を伝って濡れ広がり、濡れ広がった溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ４´が素子３に達すると、図１（ｃ）に示されるように、溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ４´が素子３の下に潜り込み、溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ４´が素子３の下に潜り込むと同時に溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ４´のセルフアライメント効果により素子３が溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ４´の中央に向かって引き戻され（すなわち、図１（ｃ）のＡ方向に引き戻され）、ガスが十分に抜けた溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ４´のほぼ中央に素子３が乗った状態となり、かかる状態で冷却すると、図１（ｄ）に示されるように、基板１と素子３との間のＡｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層４の中にボイドが発生することなく接合することができる。

図２に示されるように、基板１の上に素子３とＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２が隣接するまで近づけて載置しても同様の効果が得られる。

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なり、産業上優れた効果をもたらすものである。

Ｓｎ：２２質量％を含有し、残部がＡｕからなる成分組成を有しかつ５〜１６μｍの粒径を有する粉末が８０％以上含まれるＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末を用意し、このＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末を市販のＲＭＡタイプのロジン系フラックスに、ロジン系フラックス：７質量％を含有し残部がＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末の配合組成となるように配合し混練してＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを作製した。このＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストは三菱マテリアル株式会社製金錫合金ペーストとして市販されているものである。

さらに、基板として厚さ：１００μｍのＣｕ板に厚さ：５μｍのＮｉめっきを施し、さらにその上に厚さ：１μｍのＡｕめっきを施した基板を用意した。
さらにＬＥＤ素子の代替として、縦：５００μｍ、横：５００μｍ、厚さ：３００μｍの角銅板を用意し、この角銅板に厚さ：５μｍのＮｉめっきを施し、さらにその上に厚さ：０．５μｍのＡｕめっきを施した代替ＬＥＤ素子を用意した。

実施例１〜３
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法により０．５ｍｇ塗布し、さらに塗布したＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストから表１に示される距離となるように離して代替ＬＥＤ素子を基板の上に載置した。

かかるＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを塗布しさらに代替ＬＥＤ素子を載置した基板を窒素雰囲気中の熱対流型炉に装入して２００℃に６０秒間保持したのち、さらに３１０℃、３０秒間保持することによりリフロー処理を施し、ついで冷却することにより基板と代替ＬＥＤ素子の間にＡｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層を有するはんだ接合試験片を作製した。

このはんだ接合試験片を透過Ｘ線装置（ＴｏｓｈｉｂａＩＴ＆ＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍ‘ｓＴＯＳＭＩＣＲＯＮ−６０９０ＦＰ）を用いてＸ線写真を撮り、画像処理(２値化)処理して接合面積％を求め、その結果を表１に示した。

従来例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法により０．５ｍｇ塗布し、この塗布したＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストの真上に代替ＬＥＤ素子を前記Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストが覆われるようにして載置し、かかるＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストの上に代替ＬＥＤ素子を被せるように載置した基板を窒素雰囲気中の熱対流型炉に装入して２００℃に６０秒間保持したのち、さらに３１０℃、３０秒間保持することによりリフロー処理を施し、ついで冷却することにより基板と代替ＬＥＤ素子の間にＡｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層を有するはんだ接合試験片を作製した。

実施例１〜３および従来例１に示される結果から、実施例１〜３による接合面積は従来例１に比べて格段に大きいことから、実施例１〜３の本発明方法によると、基板と素子との間に形成されているＡｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層に発生するボイドは従来例１に比べて格段に少ないことが分かり、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層に発生するボイドが少ないこの発明の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は特に熱がこもることが好ましくないＬＥＤ素子などの接合に優れた効果を有することが分かる。

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側面説明図である。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側面説明図である。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側面説明図である。

符号の説明

１：基板、２：Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト、３：素子、４：Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層、４´：溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ、５：ボイド、６：ガス。

Claims

素子を基板に載置し、さらにＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを前記素子に離してまたは隣接して基板に搭載または塗布し、前記素子を載置しかつＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを搭載または塗布した基板を非酸化性雰囲気中でリフロー処理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。
前記素子は発光ダイオード素子であることを特徴とする請求項１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。
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ことを特徴とする請求項１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。
前記基板は表面に金メッキされた基板であることを特徴とする請求項１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。