JP2009226472A - ピン転写用Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト - Google Patents

Abstract

【課題】ピン転写量にバラツキが少ないピン転写用Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを提供する。
【解決手段】ＲＡフラックス：１０越え〜２５質量％と、残部が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成分組成を有するＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末とからなるピン転写用Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストにおいて、前記ピン転写用Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストに含まれるＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末は平均粒径：５μｍ未満でかつ最大粒径：１０μｍ以下の粒度分布を有し、前記ピン転写用Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストの粘度は１０〜５０Ｐａ・ｓ未満の範囲内にあることを特徴とする。
【選択図】なし

Description

この発明は、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストをピン転写するに際してＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストのピン転写量にバラツキが少ないピン転写用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、ＬＥＤ（発光ダイオード）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Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストが使用されており、特に熱がこもると破損したり特性が著しく低下するＬＥＤ（発光ダイオード）素子と基板との接合には電気伝導性および熱伝導性に優れているＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストが多く使用されている。
このＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いて半導体素子を基板に接合するには印刷法、ディスペンス塗布法を使用してＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを基板に付着させ、基板に付着したＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストの上に半導体素子を載せ、この状態でリフロー処理することにより接合していた。

前記Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストはＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末にフラックスを添加し撹拌混合して作製する。そして、通常使用されているＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末は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、このＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末はガスアトマイズにより製造されることおよびその平均粒径は５〜１６μｍの範囲内にあることが知られている（非特許文献１参照）。
また、前記フラックスにはロジンがベースとなっているロジン系フラックスが使用され、このロジン系フラックスには、Ｒ（溶媒と純粋なロジンだけのロジンフラックス）、ＲＭＡ（温和な活性があるロジン系フラックス）、ＲＡ（活性化ロジンフラックス）の三つに分類されて表示されて市販されており、この分類はアメリカ連邦規格に由来するとされている（非特許文献２、３参照）。
そして、前記非特許文献１にはＲＭＡフラックスまたはノンハロゲンフラックス：５〜１０質量％、残部：Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末となるように配合したＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストは粘度：５０〜２５０Ｐａ・ｓを有することが記載されている。
第１０回エレクトロニクスにおけるマイクロ接合・実装技術シンポジウム論文集、Ｖｏｌ．１０．２００４、Ｐ９５〜１００（財団法人 溶接学会、２００４年２月５日発行） 竹本正、佐藤良著「高信頼度マイクロソルダリング技術」（１９９１年１月１１日（株）工業調査会発行、Ｐ１３２〜１３３） 竹本正、内藤伸一監訳「ソルダリング イン エレコトロニクス」（昭和６１年８月３０日 日刊工業新聞社発行、Ｐ１５０〜１５１）

近年、ＧａＡｓ光素子、ＧａＡｓ高周波素子、ＬＥＤ素子などがますます小型化し、この小型化した半導体素子の接合にピン転写法が採用されており、このピン転写法には一般的にはＡｇエポキシ樹脂ペーストが使用されている。このピン転写法は、ピンを平面状態に保持されたＡｇエポキシ樹脂ペーストにピンを一定深さ差し込んでピンの先端にＡｇエポキシ樹脂ペーストを付着させ、ピン先端に付着したＡｇエポキシ樹脂ペーストを基板に接触させてＡｇエポキシ樹脂ペーストを基板に付着させ、このピン転写されたＡｇエポキシ樹脂ペーストの上に前記ＧａＡｓ光素子、ＧａＡｓ高周波素子、ＬＥＤ素子などの小型の半導体素子を載せてリフロー処理することにより接合する方法である。そのため、一定の大きさを有する半導体素子を基板に接合するには常に一定量のＡｇエポキシ樹脂ペーストを基板にピン転写する必要がある。その理由は基板に付着するＡｇエポキシ樹脂ペーストの量が少なすぎると半導体素子の基板に対する接合強度が不足し、一方、基板に付着するＡｇエポキシ樹脂ペーストの量が多すぎるコスト上昇の原因となるので好ましくないからである。
ＧａＡｓ光素子、ＧａＡｓ高周波素子、ＬＥＤ素子などがますます小型化するにつれて従来のＡｇエポキシ樹脂ペーストにより形成されたＡｇ接合部では熱伝導性が十分でない。そこで、一層熱伝導性に優れた前記従来のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストをピン転写しようと試みた。しかし、従来のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを基板に目標とする一定量のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストをピン転写することは難しく、従来のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストをピン転写しようとすると、ピン転写量に大きなバラツキが生じるのが現状であり、ピン転写量のバラツキが一層少ないＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストが求められていた。

本発明者らは、ピン転写法にも適用できるピン転写量のバラツキが少ないＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを得るべく研究を行った。その結果、
（イ）ＲＡフラックス：１０越え〜２５質量％を含有し、残部が一般に知られている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成分組成を有するＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末となるように配合したＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストにおいて、前記Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末の粒径が微細になるほどピン転写量のバラツキが少なくなり、前記Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末は平均粒径Ｄ_５０：５μｍ以下、最大粒径：１０μｍ以下の微細なＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末であることが好ましい、
（ロ）前記（イ）記載のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストは１０〜５０Ｐａ・ｓ未満の粘度を有することが一層好ましい、
（ハ）前記平均粒径Ｄ_５０：５μｍ以下、最大粒径：１０μｍ以下の微細なＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末をＲＭＡフラックス、Ｒフラックス、ノンハロゲンフラックスに配合し混合して得られたフラックスは、加熱するとＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末は溶融するが、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末の表面に形成されている酸化膜が除去されていないので凝集しないことから好ましくない、
などの研究結果が得られたのである。

この発明は、かかる研究結果に基づいてなされたものであって、
（１）ＲＡフラックス：１０越え〜２５質量％を含有し、残部がＳｎ：１５〜２５質量％を含有し、残り：Ａｕおよび不可避不純物からなる成分組成を有するＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末からなるピン転写用Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストであって、前記ピン転写用Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストに含まれるＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末は平均粒径：５μｍ未満でかつ最大粒径：１０μｍ以下の粒度分布を有するＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末であるピン転写用Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト、
（２）前記Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストの粘度は１０〜５０Ｐａ・ｓ未満の範囲内にある前記（１）記載のピン転写用Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト、に特徴を有するものである。

この発明のピン転写用Ａｕ−Ｓｎ合金はんだは下記の方法で作製する。まず、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成分組成を有するＡｕ−Ｓｎ合金を溶解し、得られた溶湯を不活性ガスを噴射してガスアトマイズすることによりＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末を製造し、このようにして製造したＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末を分級して粒度調整し、平均粒径Ｄ_５０：５μｍ未満、最大粒径：１０μｍ以下の微細なＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末を製造する。

このようにして得られたＡｕ−Ｓｎ合金粉末をＲＡフラックスと混合して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ＲＡフラックスの量は１０越え〜２５質量％の範囲内にあるように配合し混合してＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストの粘度を１０〜５０Ｐａ・ｓ未満の範囲内にあるようにすることが一層好ましい。

次に、この発明のピン転写用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は一般にＡｕ−Ｓｎ合金はんだとして知られている範囲であるのでその成分組成の限定理由の説明は省略する。
この発明のピン転写用Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストに含まれるＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末の粒度を平均粒径Ｄ_５０：５μｍ以下、最大粒径：１０μｍ以下に限定したのは、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末の平均粒径Ｄ_５０が５μｍを越え、最大粒径が１０μｍを越えると、ピン転写されるＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト量のバラツキが大きくなるので好ましくないからである。
また、平均粒径Ｄ_５０：５μｍ以下でかつ最大粒径：１０μｍ以下の微細なＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末に市販のＲＡフラックスを１０〜２５質量％混合して得られたＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストであっても粘度が１０〜５０Ｐａ・ｓ未満の範囲を外れることがある。ピン転写されるＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト量のバラツキはＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストの粘度が大きく影響を及ぼし、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストの粘度が１０Ｐａ・ｓ未満ではＲＡフラックスが多く含まれ、ピンにＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを付着させるときにＲＡフラックスとＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末とが分離してＲＡフラックスが多く付着してしまい、転写されたＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストに含まれるＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末の量が少なくなるので好ましくなく、一方、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストの粘度が５０Ｐａ・ｓ以上になるとＲＡフラックスが少ないので乾燥しやすくなり、ピンへの付着性が悪くなって、転写量のバラツキが大きくなるので好ましくない。よって、この発明のピン転写用Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストの粘度は１０〜５０Ｐａ・ｓ未満の範囲内にあることが一層好ましい。
この発明のピン転写用Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストに含まれるフラックスをＲＭＡ、Ｒ、ノンハロゲンフラックスではなく、ＲＡフラックスに限定しているのは、５μｍアンダーのＡｕ−Ｓｎ合金粉末はＲＭＡ、Ｒ、ノンハロゲンフラックスでは粉末表面の酸化膜を除去して溶融・凝集しないためである。

この発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストはピン転写に際してピン転写量のバラツキが少ないことから、従来のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストに比べて接合部の信頼性が優れており、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合金はんだ溶湯をガスアトマイズすることによりＳｎ：２０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合金はんだ粉末を作製し、このガスアトマイズして得られたＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末を分級装置を用いて分級し、分級して得られたＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末の粒度分布をマイクロトラック（日機装製ＭＴ３３００）を用いて測定し、表１に示される平均粒径Ｄ_５０、最小粒径および最大粒径を有するＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末Ａ〜Ｍを作製した。

さらに、市販のＲＡフラックスを用意し、このＲＡフラックスに表１の平均粒径および最大粒径が異なるＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末Ａ〜Ｍを、ＲＡフラックス：１８質量％を含有し、残部が表１のＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末Ａ〜Ｍとなるように配合し混合していずれも粘度：３０Ｐａ・ｓを有する本発明Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト（以下、本発明ペーストという）１〜６および従来Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト（以下、従来ペーストという）１〜１４を作製した。

これら本発明ペースト１〜６および従来ペースト１〜１４について、下記の方法でピン転写試験を行った。
まず、ピン径：１５０μｍのタングステン製ピンを装着したＷｅｓｔ ｂｏｎｄ社製のピン転写試験機（Ｍｏｄｅｌ−７３２７）を用意した。さらに基板として縦：５ｍｍ、横：５ｍｍの寸法を有するアルミナ板の表面に厚さ：３μｍのＮｉメッキを施し、その上に厚さ：０．１μｍのＡｕメッキを施した基板を用意した。
本発明ペースト１〜６および従来ペースト１〜１４をそれぞれ２０ｇづつスキージ機能付きワークホルダー（皿）に供給し、ワークホルダーを回転させることでスキージにより本発明ペースト１〜６および従来ペースト１〜１４の高さをそれぞれ一定にレベリングし、次いでボンダーアームを動かすことでピンも連動して動かし、ピンにペーストを付着させた。この時、ピンのペーストへの侵入度は自動荷重検知システムで制御されて一定となるようにした。その後、ペーストが付着したピンを基板に転写した。この時のペーストの転写量を３次元測定器（Ｎｉｋｏｎ製、ＮＥＸＩＶ ＶＭＲ−３０２０）により付着ペーストの径およびその高さ測定して転写ペーストの体積を算出し、これを１００回繰り返し、平均付着量５ｎＬ（ナノリットル）および転写量のバラツキを求め、バラツキが±３ｎＬ以上を不合格とし、その結果を表２〜４に示した。
さらに、本発明ペースト１〜６および従来ペースト１〜１４を窒素雰囲気中、温度：１８０℃に加熱されたホットプレートの上に１２０秒間置いてペーストのフラックスを加熱することにより予備加熱し、その後、この予備加熱されたペーストを窒素雰囲気中、温度：３００℃に加熱された別のホットプレートの上に３０秒間置いて、ペーストに含まれるＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末の溶融・凝集の有無を観察し、溶融・凝集しないものも不合格としてその結果を表２〜４に示した。

表１〜４に示される結果から、平均粒径：５μｍ未満、最大粒径：１０μｍ以下を有するＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末Ａ〜Ｆを含む本発明Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ１〜６は転写量のバラツキが±３ｎＬ未満であることから合格であるが、平均粒径が５μｍを越え、さらに最大粒径：１０μｍを越えたＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末Ｇ〜Ｍを含む従来Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ１〜７およびその他この発明の条件から外れた従来Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ８〜１４に比べてペーストの転写量のバラツキが±３ｎＬ以上となったり、溶融・凝集しなかったりして不合格となることがわかる。

Claims (2)

1. ＲＡフラックス：１０越え〜２５質量％を含有し、残部がＳｎ：１５〜２５質量％を含有し、残り：Ａｕおよび不可避不純物からなる成分組成を有するＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末からなるピン転写用Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストであって、前記ピン転写用Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストに含まれるＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末は平均粒径：５μｍ未満でかつ最大粒径：１０μｍ以下の粒度分布を有するＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末であることを特徴とするピン転写用Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト。
2. 前記ピン転写用Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストは粘度：１０〜５０Ｐａ・ｓ未満の範囲内にあることを特徴とする請求項１記載のピン転写用Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト。