JP2008137018A

JP2008137018A - ボイド発生の少ないＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト

Info

Publication number: JP2008137018A
Application number: JP2006323244A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Ishikawa; 石川　　雅之; Masayoshi Obinata; 正好小日向; Terushi Mishima; 昭史三島; Takayuki Jinno; 貴行神野; Mitsuru Matsuoka; 満松岡
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2006-11-30
Filing date: 2006-11-30
Publication date: 2008-06-19
Anticipated expiration: 2026-11-30
Also published as: JP4811661B2

Abstract

【課題】ボイド発生の少ないＳｎ−Ａｕ合金はんだペーストを提供する。
【解決手段】Ｓｎ：１４〜３０質量％を含有し、さらにＢｉ：０．５〜５質量％、Ｉｎ：０．１〜５質量％およびＳｂ：０．０１〜１質量％の内のいずれかを含有し、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Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末とフラックスとの混合体からなり、前記混合体は、フラックス：５〜２５質量％含有する。
【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に関するものである。

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合金はんだが使用されている。このＡｕ−Ｓｎ合金はんだは、Ｓｎ：１５〜２５質量％を含有し、残部がＡｕおよび不可避不純物からなる成分組成を有することが知られており、実際に使用されるＡｕ−Ｓｎ合金はんだは、主にＡｕ：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共晶合金からなることが知られている。このＡｕ−Ｓｎ合金はんだは一般にチップ状または粒状に加工し、このチップ状または粒状に加工されたＡｕ−Ｓｎ合金はんだを接合体の間に挟んでリフロー処理することにより接合することが知られているが、近年、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだを粉末状に加工し、このＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末を市販のフラックスに配合し混練してペースト状にし、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストとして使用されている。そして、前記Ａｕ−Ｓｎ合金粉末は、通常、ガスアトマイズして得られることも知られている。このＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを使用して接合する方法として、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを塗布した後リフロー処理することにより接合することも知られている（特許文献１参照）。
特開２００４−１４１９３７号公報

しかし、前記従来のＳｎ：１５〜２５質量％を含有し、残部がＡｕおよび不可避不純物からなる成分組成を有するＡｕ−Ｓｎ合金はんだの粉末とフラックスを混合して得られたＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストは、リフロー処理すると、基板と被接合物で挟まれた構造をしているため、ペーストから発生したガスが抜け出せず、ボイドが多く発生することがあり、信頼性のある接合部が得られないという課題があった。

そこで、本発明者らは、ボイド発生の一層少ないＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを得るべく研究を行った結果、
Ａｕ含有量が１４〜３０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Ａｕ−Ｓｎ合金に、Ｂｉ：０．５〜５質量％、Ｉｎ：０．１〜５質量％およびＳｂ：０．０１〜１質量％の内のいずれかを添加して得られた、
（Ｉ）Ｓｎ：１４〜３０質量％、Ｂｉ：０．５〜５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Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末、
Ｓｎ：１４〜３０質量％、Ｉｎ：０．１〜５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Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末、
または、Ｓｎ：１４〜３０質量％、Ｓｂ：０．０１〜１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濡れ性に優れたＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末、をそれぞれ一般のフラックスと配合し混練して作製したＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストは、接合部のボイド発生率が従来のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストのボイド発生率に比べて一層少なくなること、
（II）前記フラックスは一般に市販されているフラックスであってよいが、ノンハロゲンフラックスまたは低残渣フラックスであることが好ましく、そのフラックスの配合量は５〜２５質量％の範囲内にあれば良く、この範囲は通常知られている範囲であること、などの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：１４〜３０質量％、Ｂｉ：０．５〜５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Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末とフラックスとの混合体からなるボイド発生の少ないＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト、
（２）前記（１）記載の混合体は、フラックス：５〜２５質量％含有し、残部が前記（１）記載のＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末からなる配合組成を有する混合体であるボイド発生の少ないＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト、
（３）Ｓｎ：１４〜３０質量％、Ｉｎ：０．１〜５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Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末とフラックスとの混合体からなるボイド発生の少ないＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト、
（４）前記（３）記載の混合体は、フラックス：５〜２５質量％含有し、残部が前記（３）記載のＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末からなる配合組成を有する混合体であるボイド発生の少ないＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト、
（５）Ｓｎ：１４〜３０質量％、Ｓｂ：０．０１〜１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Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末とフラックスとの混合体からなるボイド発生の少ないＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト、
（６）前記（５）記載の混合体は、フラックス：５〜２５質量％含有し、残部が前記（５）記載のＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末からなる配合組成を有する混合体であるボイド発生の少ないＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト、
（７）前記（１）、（２）、（３）、（４）、（５）または（６）記載のフラックスは、ノンハロゲンフラックスまたは低残渣フラックスであるボイド発生の少ないＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト、に特徴を有するものである。

この発明のボイド発生の少ないＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを作製するには、まず、Ｓｎ：１４〜３０質量％、Ｂｉ：０．５〜５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Ａｕ−Ｓｎ合金、Ｓｎ：１４〜３０質量％、Ｉｎ：０．１〜５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Ａｕ−Ｓｎ合金、またはＳｎ：１４〜３０質量％、Ｓｂ：０．０１〜１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Ａｕ−Ｓｎ合金を溶解し、得られた溶湯をそれぞれ温度：６００℃〜１０００℃に保持し、この温度で溶湯を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できる。前記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。

このようにして得られたＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末と市販のロジン、活性剤、溶剤および増粘剤からなる一般のフラックス、ノンハロゲンフラックスまたは低残渣フラックスとを混合してＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを作製する。このときＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末に配合するフラックスの量は、５〜２５質量％の範囲内にあり、この配合量は一般に知られている量である。

次に、この発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストに含まれるＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末の成分組成を上記のごとく限定した理由を説明する。

Ｓｎ：
Ｓｎは、１４質量％未満含有してもまた３０質量％を越えて含有しても合金の液相線温度が著しく上昇し、搭載する素子をリフロー処理して接合する際の溶融温度が半導体素子などの耐熱限界温度を越え、さらに溶融合金の表面張力が著しく上昇し、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｓｂなどの添加元素の効果がなくなるので好ましくない。したがって、この発明の濡れ性に優れたＡｕ−Ｓｎ合金はんだおよびこの発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストに含まれるＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末に含まれるＳｎは１４〜３０質量％に定めた。

Ｂｉ：
Ｂｉは、Ａｕ−Ｓｎ合金の溶融時の表面張力を一層低めるために添加するが、その含有量が０．５質量％未満では所望の効果が得られず、一方、５質量％を越えて含有すると、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストをリフロー処理したときに発生するボイドの数が増加するようになるので好ましくない。したがって、Ｂｉの含有量を０．５〜５質量％に定めた。一層好ましい範囲は１．０〜４質量％である。

Ｉｎ：
Ｉｎは、Ａｕ−Ｓｎ合金の溶融時の表面張力を一層低めるために添加するが、その含有量が０．１質量％未満では所望の効果が得られず、一方、５質量％を越えて含有すると、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストをリフロー処理したときに発生するボイドの数が増加するようになるので好ましくない。したがって、Ｉｎの含有量を０．１〜５質量％に定めた。一層好ましい範囲は１．０〜４質量％である。

Ｓｂ：
Ｓｂは、Ａｕ−Ｓｎ合金の溶融時の表面張力を一層低めるために添加するが、その含有量が０．０１質量％未満では所望の効果が得られず、一方、１質量％を越えて含有すると、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストをリフロー処理したときに発生するボイドの数が増加するようになるので好ましくない。したがって、Ｓｂの含有量を０．０１〜１質量％に定めた。一層好ましい範囲は０．５〜１質量％である。

この発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストは、従来のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストに比べてボイドの発生が一層少ないことから、従来のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストに比べて信頼性が優れた接合部が得られ、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。

実施例１
高周波溶解炉により溶解して得られたＡｕ−Ｓｎ合金を溶湯を温度：８００℃に保持しながら、回転数：８００回転で３時間プロペラを回転させて溶湯を機械撹拌したのち、溶湯に圧力：５００ｋＰａ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直径：１．５ｍｍのガスノズルから落下する溶湯に向かってＡｒガスを噴射圧力：６０００ｋＰａで噴射させることにより表１に示される成分組成を有する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風力分級装置を用いて分級することにより平均粒径：１０μｍを有するＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末Ａ〜Ｋを作製した。

これらＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末Ａ〜Ｋに一般のフラックスであるＲＭＡフラックス（三菱マテリアル株式会社製）を表２に示されるフラックス比率となるように混合して本発明Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト１〜９、比較Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト１〜２および従来Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト１を作製した。

一方、無酸素銅板の表面に厚さ：５μｍのＮｉめっきを施したのち、厚さ：１．０μｍのＡｕめっきを施し、めっきＣｕ基板を作製し用意した。このめっきＣｕ基板上に、ニードル内径：２５０μｍを有するディスペンス装置を用いて本発明Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト１〜９、比較Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト１〜２および従来Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト１を塗布し、この塗布したペーストの上に、９００μｍ角の搭載素子に見たてたダミーチップ（Ｓｉ基板にＮｉメッキ／Auメッキ処理を施したもの)をマウンタを用いて搭載し、窒素ガス吹き付けのホットプレートにて１８０℃に６０秒間保持し、引き続いて３００℃に３０秒間保持するリフロー処理した。
このとき発生した種々のサイズのボイドの総面積を透過Ｘ線装置および画像処理ソフトを用いて算出し、ダミーチップの接合面の面積に対するボイドの総面積をボイド率として求め、それらの測定結果を表２に示した。

表１〜２に示される結果から、本発明Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ１〜９は従来Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ１に比べてボイド率が少ないことから、本発明Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ１〜９は従来Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ１に比べてボイドの発生が少ないことが分かる。しかし、この発明の範囲から外れた比較Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ１〜２はボイドの発生がやや多くなることがわかる。

実施例２
高周波溶解炉により溶解して得られたＡｕ−Ｓｎ合金を溶湯を温度：８００℃に保持しながら、回転数：８００回転で３時間プロペラを回転させて溶湯を機械撹拌したのち、溶湯に圧力：５００ｋＰａ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直径：１．５ｍｍのガスノズルから落下する溶湯に向かってＡｒガスを噴射圧力：６０００ｋＰａで噴射させることにより表３に示される成分組成を有する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風力分級装置を用いて分級することにより平均粒径：１０μｍを有するＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末ａ〜ｋを作製した。

これらＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末ａ〜ｋに一般のフラックスであるＲＭＡフラックス（三菱マテリアル株式会社製）を表４に示されるフラックス比率となるように混合して本発明Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト１０〜１８および比較Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト３〜４を作製した。

実施例１で用意しためっきＣｕ基板上に、ニードル内径：２５０μｍを有するディスペンス装置を用いて本発明Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト１０〜１８および比較Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト３〜４を塗布し、この塗布したペーストの上に、９００μｍ角の搭載素子に見たてたダミーチップ（Ｓｉ基板にＮｉメッキ／Auメッキ処理を施したもの)をマウンタを用いて搭載し、窒素ガス吹き付けのホットプレートにて１８０℃に６０秒間保持し、引き続いて３００℃に３０秒間保持するリフロー処理した。
このとき発生した種々のサイズのボイドの総面積を透過Ｘ線装置および画像処理ソフトを用いて算出し、ダミーチップの接合面の面積に対するボイドの総面積をボイド率として求め、それらの測定結果を表４に示した。

表３〜４に示される結果から、本発明Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ１０〜１８は、実施例１で作製した従来Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ１に比べてボイド率が少ないことから、本発明Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ１０〜１８は従来Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ１に比べてボイドの発生が少ないことが分かる。しかし、この発明の範囲から外れた比較Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ３〜４はボイドの発生が多くなり、比較Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ３は従来Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ１よりも多くなることがわかる。

実施例３
高周波溶解炉により溶解して得られたＡｕ−Ｓｎ合金を溶湯を温度：８００℃に保持しながら、回転数：８００回転で３時間プロペラを回転させて溶湯を機械撹拌したのち、溶湯に圧力：５００ｋＰａ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直径：１．５ｍｍのガスノズルから落下する溶湯に向かってＡｒガスを噴射圧力：６０００ｋＰａで噴射させることにより表５に示される成分組成を有する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風力分級装置を用いて分級することにより平均粒径：１０μｍを有するＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末ア〜ルを作製した。

これらＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末ア〜ルに一般のフラックスであるＲＭＡフラックス（三菱マテリアル株式会社製）を表６に示されるフラックス比率となるように混合して本発明Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト１９〜２７および比較Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト５〜６を作製した。

実施例１で用意しためっきＣｕ基板上に、ニードル内径：２５０μｍを有するディスペンス装置を用いて本発明Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト１９〜２７および比較Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト５〜６を塗布し、この塗布したペーストの上に、９００μｍ角の搭載素子に見たてたダミーチップ（Ｓｉ基板にＮｉメッキ／Auメッキ処理を施したもの)をマウンタを用いて搭載し、窒素ガス吹き付けのホットプレートにて１８０℃に６０秒間保持し、引き続いて３００℃に３０秒間保持するリフロー処理した。
このとき発生した種々のサイズのボイドの総面積を透過Ｘ線装置および画像処理ソフトを用いて算出し、ダミーチップの接合面の面積に対するボイドの総面積をボイド率として求め、それらの測定結果を表６に示した。

表５〜６に示される結果から、本発明Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ１９〜２７は、実施例１で作製した従来Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ１に比べてボイド率が少ないことから、本発明Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ１９〜２７は従来Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ１に比べてボイドの発生が少ないことが分かる。しかし、この発明の範囲から外れた比較Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ５〜６はボイドの発生が従来Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ１よりも多くなることがわかる。

Claims

Ｓｎ：１４〜３０質量％、Ｂｉ：０．５〜５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Ａｕ−Ｓｕ合金はんだ粉末とフラックスとの混合体からなることを特徴とするボイド発生の少ないＡｕ−Ｓｕ合金はんだペースト。
請求項１記載の混合体は、フラックス：５〜２５質量％含有し、残部が請求項１記載のＡｕ−Ｓｕ合金はんだ粉末からなる配合組成を有する混合体であることを特徴とするボイド発生の少ないＡｕ−Ｓｕ合金はんだペースト。
Ｓｎ：１４〜３０質量％、Ｉｎ：０．１〜５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Ａｕ−Ｓｕ合金はんだ粉末とフラックスとの混合体からなることを特徴とするボイド発生の少ないＡｕ−Ｓｕ合金はんだペースト。
請求項３記載の混合体は、フラックス：５〜２５質量％含有し、残部が請求項３記載のＡｕ−Ｓｕ合金はんだ粉末からなる配合組成を有する混合体であることを特徴とするボイド発生の少ないＡｕ−Ｓｕ合金はんだペースト。
Ｓｎ：１４〜３０質量％、Ｓｂ：０．０１〜１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Ａｕ−Ｓｕ合金はんだ粉末とフラックスとの混合体からなることを特徴とするボイド発生の少ないＡｕ−Ｓｕ合金はんだペースト。
請求項５記載の混合体は、フラックス：５〜２５質量％含有し、残部が請求項５記載のＡｕ−Ｓｕ合金はんだ粉末からなる配合組成を有する混合体であることを特徴とするボイド発生の少ないＡｕ−Ｓｕ合金はんだペースト。
請求項１、２、３、４、５または６記載のフラックスは、ノンハロゲンフラックスまたは低残渣フラックスであることを特徴とするボイド発生の少ないＡｕ−Ｓｕ合金はんだペースト。