JP2015136735A - ボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金並びにこのボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金を用いて封止された電子部品及び電子部品搭載装置 - Google Patents

Abstract

【課題】特に濡れ広がり性、接合性に優れ、加工性や応力緩和性等にも優れるとともに、適した融点を有し、かつＡｕ含有量が少なく低コストである高温用鉛フリーのボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金を提供する。【解決手段】ボール状のＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金であって、その形状は縦横比が１．００以上１．２０以下であり、かつＳｎを２７．５質量％以上３３．０質量％未満含有し、Ａｇを８．０質量％以上１４．５質量％以下含有し、残部が製造上、不可避に含まれる元素を除き、Ａｕからなることを特徴とする。【選択図】 図２

Description

本発明はボール状の高温用鉛フリーはんだ合金に関するものであり、Ａｕを主成分としたボール状はんだ合金、および該はんだ合金を用いて封止した電子部品などに関する。

近年、環境に有害な化学物質に対する規制がますます厳しくなってきており、この規制は電子部品などを基板に接合する目的で使用されるはんだ材料に対しても例外ではない。はんだ材料には古くから鉛が主成分として使われ続けてきたが、すでにＲｏｈｓ指令などで規制対象物質になっている。このため、鉛（Ｐｂ）を含まないはんだ（以降、鉛フリーはんだまたは無鉛はんだと称する。）の開発が盛んに行われている。

電子部品を基板に接合する際に使用するはんだは、その使用限界温度によって高温用（約２６０℃〜４００℃）と中低温用（約１４０℃〜２３０℃）に大別され、それらのうち、中低温用はんだに関してはＳｎを主成分とするもので鉛フリーはんだが実用化されている。

例えば、中低温用の鉛フリーはんだ材料としては、特許文献１として示す特開平１１−７７３６６号公報にはＳｎを主成分とし、Ａｇを１.０〜４.０重量％、Ｃｕを２.０重量％以下、Ｎｉを１．０重量％以下、Ｐを０.２重量％以下含有する無鉛はんだ合金組成が記載されている。また、特許文献２として示す特開平８−２１５８８０号公報にはＡｇを０.５〜３.５重量％、Ｃｕを０.５〜２.０重量％含有し、残部がＳｎからなる合金組成の無鉛はんだが記載されている。

一方、高温用の鉛フリーはんだ材料に関しても、さまざまな機関で開発が行われている。例えば、特許文献３として示す特開２００２−１６００８９号公報には、Ｂｉを３０〜８０ａｔ％含んだ溶融温度が３５０〜５００℃のＢｉ／Ａｇろう材が記載されている。また、特許文献４として示す特開２００８−１６１９１３号公報には、Ｂｉを含む共昌合金に２元共昌合金を加え、さらに添加元素を加えたはんだ合金が記載されており、このはんだ合金は、４元系以上の多元系はんだではあるものの、液相線温度の調整とばらつきの減少が可能になるとしている。

また、高価な高温用の鉛フリーはんだ材料としてはすでにＡｕ−Ｓｎ合金やＡｕ−Ｇｅ合金などが水晶デバイス、ＳＡＷフィルター、そして、ＭＥＭＳ等の電子部品搭載装置で使用されている。Ａｕ−２０質量％Ｓｎ合金（８０質量％のＡｕと２０質量％のＳｎから構成されることを意味する。以下同様。）は共晶点の組成であり、その融点は２８０℃である。一方、Ａｕ−１２．５質量％Ｇｅ合金も共晶点の組成であり、その融点は３５６℃である。

Ａｕ−Ｓｎ合金とＡｕ−Ｇｅ合金の使い分けは、まずはこの融点の違いによる。すなわち、高温用といっても比較的温度の低い箇所の接合に用いる場合はＡｕ−Ｓｎ合金を用いる。そして、比較的高い温度の場合にはＡｕ−Ｇｅ合金を用いる。しかし、このようなＡｕ系合金はＰｂ系はんだやＳｎ系はんだに比較し非常に硬く、ボール状はんだ合金とするのは難しい。しかも、当然、Ａｕ−２０質量％Ｓｎ合金やＡｕ−１２．５質量％Ｇｅ合金の場合、材料コストが他のはんだ材料と比較し、桁違いに高い。

そこで、Ａｕ−Ｓｎ合金を安価でさらに使いやすくすることを目的として、例えば特許文献５〜７に示すＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金が開発されている。

特許文献５として示す特開２００８−１５５２２１号公報には、比較的低融点で扱いやすく、強度、接着性に優れ、かつ安価であるろう材、及び圧電デバイスを提供することを目的として、
組成比（Ａｕ（重量％），Ａｇ（重量％），Ｓｎ（重量％））が、
Ａｕ、Ａｇ、Ｓｎの三元組成図において、
点Ａ１（４１．８， ７．６，５０．５）、
点Ａ２（６２．６， ３．４，３４．０）、
点Ａ３（７５．７， ３．２，２１．１）、
点Ａ４（５３．６，２２．１，２４．３）、
点Ａ５（３０．３，３３．２，３６．６）
に囲まれる領域にあるろう材が記載されている。

また、特許文献６として示す特許第４３０５５１１号公報には、Ａｕの添加量が従来のＡｕ−Ｓｎ共晶合金よりも少なくて済むばかりでなく、固相線温度が２７０℃以上である鉛フリー高温はんだを提供することを目的として、また、容器本体と蓋部材間の接合部が耐ヒートサイクルや機械的強度に優れたパッケージを提供することを目的として、Ａｇ２〜１２質量％、Ａｕ４０〜５５質量％、残部Ｓｎからなる溶融封止用高温鉛フリーはんだ合金が記載されている。

また、特許文献７として示す特許第２６７００９８号公報には、融点が低く、Ｆｅ−Ｎｉ合金のリードフレームを脆化せず、適度のろう流れで接合強度が安定し、しかもリードフレームの耐蝕性を低下させることのないろう材を備えたろう付きリードフレームを提供することを目的として、リードフレームのピンの先端に、ＡｇにＡｕ２０〜５０重量％とＧｅ１０〜２０重量％又はＳｎ２０〜４０重量％とが添加されてなるろう材が取付けられているろう付きリードフレームが記載されている。

一方、特許文献８として示す特開２０１１−１９８７７７号公報には、ボール状のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金などの非Ａｕ系鉛フリーはんだ合金が記載され、また特許文献９として示す特開２０１１−２３５３４２号公報には、シート状やワイヤ状やボール状の非Ａｕ系鉛フリーＺｎ系はんだ合金が記載されている。

特開平１１−７７３６６号公報 特開平８−２１５８８０号公報 特開２００２−１６００８９号公報 特開２００８−１６１９１３号公報 特開２００８−１５５２２１号公報 特許第４３０５５１１号公報 特許第２６７００９８号公報 特開２０１１−１９８７７７号公報 特開２０１１−２３５３４２号公報

高温用の鉛フリーはんだ材料に関しては、上記、引用文献以外にもさまざまな機関で開発されてはいるが、未だ低コストで汎用性のあるはんだ材料は見つかっていない。すなわち、一般的に電子部品や基板には熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂などの比較的耐熱温度の低い材料が多用されているため、作業温度を４００℃未満、望ましくは３７０℃以下にする必要がある。しかしながら、例えば特許文献３に開示されているＢｉ／Ａｇろう材では、液相線温度が４００〜７００℃と高いため、接合時の作業温度も４００〜７００℃以上となり、接合される電子部品や基板の耐熱温度を超えてしまうことになる。

そして、Ａｕ−Ｓｎ系はんだやＡｕ−Ｇｅ系はんだの場合は非常に高価なＡｕを多量に使用するため、汎用のＰｂ系はんだやＳｎ系はんだなどに比較して非常に高価であり、実用化されてはいるものの、その使用範囲は水晶デバイス、ＳＡＷフィルター、そして、ＭＥＭＳなどのとくに高い信頼性が必要とされる箇所のはんだ付けの使用に限られている。加えて、Ａｕ系はんだは非常に硬く加工しづらい。具体的には圧延工程を必要とするリボン材への加工、プレス加工を必要とする打抜き材への加工、そして高い真球度や表面酸化抑制が要求されるボール形状への加工は難しく、特に良好な濡れ広がり性と接着性を得られるようなボール状はんだ合金に成形することは非常に困難である。

さらに、このような加工性の悪さを解決するため、Ａｕ系はんだをはんだペースト化するなどの工夫もされているが、ボイド発生やさらなるコストアップなどの新たな問題を引き起こしてしまう。

一方、以上のような融点や加工性やコストなどを含め、Ａｕ系はんだのさまざまな課題を解決することを目的として開発された特許文献５〜７に示すＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金にもそれぞれ次のような課題がある。

特許文献５には、比較的低融点で扱いやすく、強度、接着性に優れ、かつ安価であるろう材、及び圧電デバイスを提供する、と述べられている。さらに上記のようにＡｕ、Ｓｎ、Ａｇそれぞれの組成範囲を限定したことで、Ａｕ含有量を従来に比して減少させつつ、封止材として同等の特性が得られるようにしている、とも述べられている。しかし、Ａｇを添加することによってＡｕ−Ｓｎ合金の強度や接着性が向上する理由が記載されていないだけではなく、封止材として同等の特性（Ａｕ−Ｇｅ合金やＡｕ−Ｓｎ合金と同等の特性と解釈できる）が得られる理由も記載されていない。

すなわち、Ａｕ−Ｇｅ共晶合金やＡｕ−Ｓｎ共晶合金と同等の特性、例えば同等の信頼性が得られる理由について記載が全くなく、発明の技術的根拠が不明である。そして以下に述べる理由により信頼性等を含め、Ａｕ−Ｇｅ共晶合金やＡｕ−Ｓｎ共晶合金より優れるどころか、特許文献５が示す広い組成範囲の全ての領域においては、Ａｕ−Ｇｅ共晶合金やＡｕ−Ｓｎ共晶合金と同等の特性を得ることもできないと思われる。よって、特許文献５の技術は実施不可能であると考えられる。

以下、特許文献５の技術が実施不可能であると考える理由について説明する。特許文献５は 、組成比（Ａｕ（ｗｔ％），Ａｇ（ｗｔ％），Ｓｎ（ｗｔ％））を
Ａｕ、Ａｇ、Ｓｎの三元組成図において、
点Ａ１（４１．８， ７．６，５０．５）、
点Ａ２（６２．６， ３．４，３４．０）、
点Ａ３（７５．７， ３．２，２１．１）、
点Ａ４（５３．６，２２．１，２４．３）、
点Ａ５（３０．３，３３．２，３６．６）
に囲まれる領域にある組成としているが、この領域はあまりにも高範囲過ぎていて、このような広い組成範囲の全ての領域において目的とする特性を同じように得ることは理論的に不可能である。

例えば、点Ａ３と点Ａ５はＡｕ含有量が４５．４質量％も異なる。このようにＡｕ含有量に大きな差があるのに、点Ａ３と点Ａ５で似たような特性が得られるとは到底考えられない。Ａｕ、Ｓｎ、Ａｇの組成比が異なれば生成される金属間化合物が異なり、液相線温度や固相線温度も大きく異なる。最も酸化しづらいＡｕ含有量が４５．４質量％も違えば濡れ性も当然大きく変わることとなる。Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ三元系状態図を示した図１を参照すれば明らかなように、Ａｕ、Ｓｎ、Ａｇの各組成の組み合わせによりＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ金属間化合物は大きく異なる。したがって接合時に生成される金属間化合物の種類やその量も大きく異なり、特許文献５に示されるような広い組成範囲において濡れ性や接合性と加工性や応力緩和性について同じような優れた特性を実現できるものではない。

特許文献６に記載のろう材は、Ａｇが２〜１２質量％、Ａｕが４０〜５５質量％であることから、残部のＳｎは３３〜５８質量％であることになるわけであるが、このようにＳｎの含有量が多いと酸化が進行して濡れ性等が十分に得られない可能性がある。Ａｕ−２０質量％Ｓｎ合金が実用上問題なく使用されていることからＳｎが３０数質量％程度であれば、良好な濡れ性を確保できると思われるが、４０質量％を越えてしまうと良好な濡れ性の確保が場合によっては困難であると推測される。また、特にこの組成範囲では共晶合金でないため、結晶粒が粗大であったり、液相線温度と固相線温度の差が大きく接合時に溶け分かれ現象が生じたりして、十分な接合信頼性を得ることは困難である。

特許文献７に記載のろう材は、Ａｕの含有量が最大でも５０質量％であり、Ａｕ原料の削減効果は非常に大きい。Ｓｎの含有量も４０質量％以下（または４０質量％未満）であることから、ある程度の濡れ性を確保できる可能性はある。しかし、この発明はＦｅ−Ｎｉ合金のリードフレームが脆化しないようにしたり、適度なろう流れで接合強度が安定したりするようにし、しかもリードフレームの耐蝕性を低下させないようにすることが目的である。

このような観点から特許文献７に示されたろう材では、例えば熱により膨張収縮による応力緩和など、半導体素子の接合用として求められる特性を満たしているとは考えがたい。そして特にこの組成範囲では共晶合金でないため、結晶粒が粗大であったり、液相線温度と固相線温度の差が大きく、接合時に溶け分かれ現象が生じたりして、十分な接合信頼性を得ることは困難だと言える。さらにＦｅ−Ｎｉ合金を対象としたたろう材であるため、半導体素子のメタライズ層やＣｕなどの接合用基板に適した合金を生成するとは考えにくい。このような観点から考えてもこのろう材は水晶デバイス等との接合用としては適していないことは明らかである。

したがって、特許文献５〜７に示されたＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金はそれぞれ上記のような課題があるため、濡れ広がり性と接合性並びに低コストと加工性と応力緩和性と信頼性の全てにおいて優れた特性を有した鉛フリー高温用Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金には成り得ていない。

一方、Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金は良好な濡れ広がり性と接合性を確保するためにはボール状とするのが最適である。特許文献８や特許文献９に示された鉛フリーはんだ合金は非Ａｕ系はんだ合金であるため加工が容易で真球に近いボール状に形成し易い。しかし、Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金は非Ａｕ系はんだ合金と比べると若干加工しがたいため、ボールが歪んだ形状となることがある。歪んだ形状では濡れ広がり性が安定せず接合不良の原因となる。また、搬送時安定しない。さらにレーザエネルギー吸収量が安定せず溶融状態が安定しない。さらにまた、はんだ飛び散りの原因にもなる。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、水晶デバイス、ＳＡＷフィルターやＭＥＭＳ等の非常に高い信頼性を要求される電子部品や電子部品搭載装置の接合においても十分に使用できる各種特性に優れ、特に濡れ広がり性と接合性に優れる高温用ボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金を提供することである。さらに、低コストであり、加工性、応力緩和性、そして信頼性に優れたはんだ合金を提供することである。

そこで、上記目的を達成するために本発明によるボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金は、ボール状のＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金であって、その形状は縦横比（「長径÷短径、または、長辺÷短辺」のことをいう。以下同じ）が１．００以上１．２０以下であり、かつＳｎを２７．５質量％以上３３．０質量％未満含有し、Ａｇを８．０質量％以上１４．５質量％以下含有し、残部が製造上、不可避に含まれる元素を除き、Ａｕからなることを特徴としている。

また、本発明においては、縦横比が１．００以上１．１０以下であり、かつＳｎを２９．０質量％以上３２．０質量％以下含有し、Ａｇを１０．０質量％以上１４．０質量％以下含有し、残部が製造上、不可避に含まれる元素を除き、Ａｕからなることが好ましい。

また、本発明によるボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金は、上記のボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金が一方向から潰され、縦横比が１．００を超え１．５０以下であることを特徴としている。

また、本発明においては、金属組織の少なくとも一部がラメラ組織であることが好ましい。

一方、本発明による電子部品は、上記のボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金を用いて封止されていることを特徴としている。

また、本発明による電子部品搭載装置は、上記のボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金を用いて封止された電子部品が搭載されていることを特徴としている。

本発明によれば、水晶デバイス、ＳＡＷフィルター、そして、ＭＥＭＳなどの非常に高い信頼性を要求される電子部品や電子部品搭載装置に使われるはんだ合金を従来のＡｕ系はんだよりも安価に提供できる。さらに、本発明のはんだ合金は共晶金属を基本としており、よって結晶が微細化し且つ結晶構造がラメラ組織となっていて加工性に優れ、ボール状の高温鉛フリーのはんだ合金を生産性よく製造でき、より一層の低コスト化が実現できる。その上適切な縦横比のボール状としたことにより、優れた濡れ広がり性を有していて高い接合信頼性が得られる。したがって、各種特性に優れたボール状Ａｕ系はんだを提供でき、工業的な貢献度は極めて高い。

３７０℃におけるＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ三元系状態図である。 ボール形状がフットボール型であるボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金の縦横比の定義について説明した模式図である。 ボール形状が長楕円型であるボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇはんだ合金の縦横比の定義について説明した模式図である。 ボール状のＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金、Ａｕ−Ｓｎはんだ合金またはＡｕ−Ｇｅはんだ合金の濡れ広がり性に関する縦横比の定義について説明した模式図である。

以下、本発明のボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金について詳しく説明する。
本発明のボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金は、ボール状のＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金であって、その形状は縦横比が１．００以上１．２０以下であり、かつＳｎを２７．５質量％以上３３．０質量％未満含有し、Ａｇを８．０質量％以上１４．５質量％以下含有し、残部が製造上、不可避に含まれる元素を除き、Ａｕからなることを特徴としている。

本発明者は鋭意研究を重ねた結果、ＡｕとＳｎとＡｇの三元共晶点（図１のＡｇ−Ｓｎ−Ａｇ三元系状態図の「ｅ₁点」）の組成付近を基本としているＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金が、鉛フリーのＡｕ系はんだとして特に諸特性に優れ、またボール形状の縦横比を一定範囲内とすると濡れ広がり性が優れたものとなることを見出した。すなわち、ＡｕとＳｎとＡｇの三元共晶点付近の組成範囲を満たすと、必ずＡｕ−Ｓｎ合金に比べて柔らかく、よって加工性や応力緩和性に優れたはんだ合金となる。さらに、ボール形状の縦横比が上記要件を満たすと、濡れ広がり性と接合性に特に優れたはんだ合金となる。その上、高価なＡｕの一部をＳｎとＡｇで代替することによってＡｕ含有量を大幅に下げてはんだ合金のコストを格段に下げることが可能となる。

つまりＡｕ−Ｓｎ―Ａｇ三元共晶点の組成であるＡｕ＝５７．２質量％、Ｓｎ＝３０．８質量％、Ａｇ＝１２．０質量％（ａｔ％表示では、Ａｕ＝４３．９ａｔ％、Ｓｎ＝３９．３ａｔ％、Ａｇ＝１６．８ａｔ％）を基本的な組成とすることによって、三元共晶点にて溶融合金が固体化する際に、結晶が微細化し且つ結晶構造がラメラ組織となり、加工性、応力緩和性等が格段に向上する。また本発明では、液相線温度と固相線温度の差が基本的には無いかまたは小さいため溶け分かれ現象も起こりにくい。さらに、Ｓｎ、Ａｇを多く含有させることができ、よってＡｕ含有量が低減でき、大きなコスト削減効果を得ることができる。そして、ボール形状の縦横比を特定の範囲内とするとともに、反応性が高くて酸化し難いＡｇを多く含有することによって、特に優れた濡れ広がり性と接合性を得ることができる。以下、本発明のはんだ合金の形状や必須の元素について、さらに詳しく説明する。

＜縦横比＞
本発明において、ボール状のＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金の縦横比を１．００以上１．２０以下とすることは必須条件である。本発明においてボール状とは、真球型に限るものではなくフットボール型や部分的に平面視直線部分を有する長楕円型も含む。いずれの場合も縦横比が上記範囲内であればよい。
なお、本発明のＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金のボール状の形状の縦横比とは、計算式１及び図２と図３に定義した通りであり、球型の直径が一番長い箇所の測定値を長径又は長辺とし、直径が一番短い箇所の測定値を短径又は短辺とする。
［計算式１］ 縦横比＝長径÷短径 または 長辺÷短辺
ただし、図２はフットボール型の例を、図３は長楕円型の例を示すが、これらは一例であり、形状は図示したものに限定されず、また長径と長辺、短径と短辺の区別も厳密なものではない。なお、図２と図３は長径と長辺、短径と短辺の区別をわかりやすくするため、図示した縦横比は本発明の上記縦横比の範囲外のものを示している。

このようにボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金の形状を制御することによって、はんだ合金は溶融した場合、平面視真円に近い状態に濡れ広がるのである。はんだ合金がある程度ボール状であっても、真球度が低下するに従い、はんだ溶融時にはんだが接合面に円状に広がらず、接合したい部分を部分的にはみ出したり、あるいは不足したりして接合できない部分が発生し、十分な合金化ができていない部分ができてしまうこととなる。さらにはんだの厚さが不均一になりチップの傾き等の原因になったり、十分な封止ができなかったりする。

このような不具合が発生しないようにするために、本発明のボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金の縦横比は１．００以上１．２０以下とする。縦横比が１．２０以下であれば、はんだ溶融時に表面張力によってはんだが半球状に広がり、接合面は円形に均一に濡れ広がるのである。縦横比が１．２０を超えてしまうと、本発明のボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金の場合は、はんだ溶融時の表面張力によっても接合面に均一に濡れ広がることは難しくなってしまう。

また、縦横比が１．００以上１．１０以下であれば、より一層、はんだ溶融時に表面張力によってはんだが半球状に広がり、接合面は円形に均一に濡れ広がることとなりより好ましい。

また、本発明のボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金を一方向から潰し、縦横比が１．００を超え１．５０以下となるようにする。基本的には短径（短辺）がより短くなる方向に潰すが、長径（長辺）側を潰してもよい。結果として縦横比が上記範囲内になればよい。一方向から潰したはんだ合金を接合面に置いたとき、潰された平らな平面が接合面に接することになる。このため、はんだの置かれた接合面をはんだ側から垂直に見た場合、はんだは略円状になっている。この状態ではんだを溶融させるとはんだは円状に濡れ広がるのである。
なお、Ａｕ−Ｓｎ系はんだ合金やＡｕ−Ｇｅ系はんだ合金を一方向から潰して縦横比を１．５０近くにすると、硬いためにクラックが入って円状に潰れず、よって円状に濡れ広がらなかったり、場合によってははんだが割れてしまったりする。

＜Ａｕ＞
Ａｕは本発明のはんだ合金の主成分であり、当然、必須の元素である。Ａｕは非常に酸化しづらいため、高い信頼性が要求される電子部品類の接合や封止用のはんだとして、特性面においては最も適している。このため、水晶デバイスやＳＡＷフィルターの封止用としてＡｕ系はんだが多用されており、本発明のはんだ合金もＡｕを基本とし、このような高信頼性を要求される技術分野に属するはんだを提供する。

ただし、Ａｕは非常に高価な金属であるため、コスト面からするとできるだけ使わない方がよく、このため、一般的なレベルの信頼性を要求される電子部品にはほとんど使用されていない。本発明のはんだ合金は、濡れ性や接合性といった特性面ではＡｕ−２０質量％ＳｎはんだやＡｕ−１２．５質量％Ｇｅはんだと同等以上であり、かつ、柔軟性、加工性を向上させ、加えてＡｕ含有量を減らしてコストを下げるべく、Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系の三元共晶点の組成付近の合金としている。

＜Ｓｎ＞
Ｓｎは本発明のはんだにおいて必須の元素であり、基本を成す元素である。Ａｕ−Ｓｎはんだ合金は、通常、共晶点付近の組成、つまりＡｕ−２０質量％Ｓｎ付近の組成で使用される。これによって、固相線温度が２８０℃になり、かつ、結晶が微細化し、比較的柔軟性が得られるのである。しかし、共晶合金と言ってもＡｕ−２０質量％Ｓｎ合金はＡｕ₁Ｓｎ₁金属間化合物とＡｕ₅Ｓｎ₁金属間化合物から構成されているため、硬くて脆い。このため、加工しづらく、例えば、圧延によってシート状に加工する際には少しずつしか薄くしていくことができず生産性が悪かったり、圧延時に多数のクラックが入って収率が悪かったりするが、金属間化合物の硬くて脆い性質は一般的には変えることができない。このように硬くて脆い材料ではあるが、酸化しにくく濡れ性、信頼性に優れるため、高信頼用途に使用されているのである。

本発明のはんだ合金はＡｕ₁Ｓｎ₁金属間化合物とζ相から構成され、かつ共晶点付近の組成を基本とする。なお、ζ相はＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ金属間化合物であり、その組成の比率はａｔ％でＡｕ：Ｓｎ：Ａｇ＝３０．１：１６．１：５３．８である（参考文献：Ternary Alloys, A Comprehensive Compendium of Evaluated Constitutional Data and Phase Diagrams, Edited by G. Petzow and Effenberg, VCH）。このζ相が比較的柔軟性を有すること、そして共晶点付近を基本組成としておりラメラ組織を形成することから、本発明のはんだ合金は加工性、応力緩和性等に優れることになるのである。そして融点も下げることでＡｕ−Ｇｅ合金の共晶点温度と大差ない３７０℃の共晶点温度を有するのである。このような高温用はんだ合金として適切な融点を持つことも本発明のはんだ合金の優れる点の一つである。

Ｓｎの含有量は２７．５質量％以上３３．０質量％未満である。２７．０質量％未満であると結晶粒が大きくなってしまい柔軟性、加工性向上等の効果が十分に発揮されないうえ、液相線温度と固相線温度の差が大きくなりすぎて溶け分かれ現象などが生じてしまう。さらにＡｕ含有量も多くなりやすくなるためコスト削減効果も限定されたものとなってしまう。一方、Ｓｎの含有量が３３．０質量％以上になると共晶点の組成から外れすぎてしまい、結晶粒の粗大化、液相線温度と固相線温度の差が大きくなってしまうという問題が生じる。加えて、Ｓｎ含有量が多くなりすぎ、酸化しやすくなってしまう可能性が高くなり、Ａｕ系はんだの特徴である良好な濡れ性を失い、よって、高い接合信頼性を得ることが難しくなってしまう。

Ｓｎ含有量が２９．０質量％以上３２．０質量％以下であれば、一層、共晶点の組成に近く、結晶粒微細化効果が得られ、かつ溶け分かれ現象などが生じづらく好ましい。

＜Ａｇ＞
Ａｇは本発明のはんだにおいて必須の元素であり、三元共晶の合金とするために欠かすことのできない元素である。Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇの三元共晶点付近の組成とすることにより、はじめて優れた柔軟性や加工性、応力緩和性、適した融点等を得ることができ、かつ大幅にＡｕ含有量を下げることが可能となり、よって大きなコスト削減を実現できる。Ａｇは濡れ性向上の効果も有する。すなわちＡｇは基板等の最上面に使用されるＣｕ、Ｎｉなどと反応性がよく、濡れ性を向上させることができる。当然、半導体素子の接合面によく使用されるＡｇやＡｕメタライズ層との反応性に優れることは言うまでもない。

このように優れた効果を有するＡｇの含有量は８．０質量％以上１４．５質量％以下である。８．０質量％未満では共晶点の組成を外れすぎてしまい、液相線温度が高くなり過ぎたり、結晶粒が粗大化してしまい、良好な接合を得ることが難しくなる。一方、１４．５質量％を越えてしまった場合も液相線温度が高くなり、溶け分かれ現象を生じたり、結晶粒の粗大化が問題になったりしてしまう。

Ａｇ含有量が１０．０質量％以上１４．０質量％以下であれば共晶点の組成にさらに近く、Ａｇを含有させた効果がより一層現れて好ましい。

以下、具体的な実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例によって何ら限定されるものではない。
まず、原料としてそれぞれ純度９９.９９質量％以上のＡｕ、Ｓｎ、Ａｇおよび比較例用のＧｅを準備した。大きな薄片やバルク状の原料については、溶解後の合金においてサンプリング場所による組成のバラツキがなく均一になるように留意しながら切断、粉砕等を行い、３ｍｍ以下の大きさに細かくした。次に、高周波溶解炉用グラファイトるつぼに、これら原料から表１の試料１〜３６の各試料に相当する所定量をそれぞれ秤量して入れた。なお、試料２９、３５はＡｕ−２０質量％Ｓｎ合金であり、試料３０、３６はＡｕ−１２．５質量％Ｇｅ合金である。

原料の入ったるつぼを高周波溶解炉に入れ、酸化を抑制するために窒素を原料１ｋｇ当たり０.７Ｌ／分以上の流量で流した。この状態で溶解炉の電源を入れ、原料を加熱溶融させた。金属が溶融しはじめたら混合棒でよく攪拌し、局所的な組成のばらつきが起きないように均一に混ぜた。十分溶融したことを確認した後、高周波電源を切り、速やかにるつぼを取り出し、るつぼ内の溶湯をはんだ母合金の鋳型に流し込んだ。鋳型には、ボールを製造するための液中アトマイズ用に直径２４ｍｍの円柱形状のものを使用した。

このようにして、原料の混合比率を変えた以外は全て同様の方法により、試料１〜３６のはんだ母合金を作製した。これらの試料１〜３６の各はんだ母合金について、ＩＣＰ発光分光分析器（ＳＨＩＭＡＺＵ Ｓ−８１００）を用いて組成分析を行った。得られた分析結果を下記表１に示した。

次に、試料１〜３６を得るための各はんだ母合金からのボール状はんだ合金の製造方法と、はんだ合金試料の縦横比の測定方法について説明する。

＜ボール状はんだ合金の製造方法＞
準備した試料１〜３６の各母合金（直径２４ｍｍ）を液中アトマイズ装置のノズルに投入し、このノズルを２６０℃に加熱した油の入った石英管の上部（高周波溶解コイルの中）にセットした。ノズル中の母合金を高周波により５５０℃まで加熱して５分保持した後、不活性ガスによりノズルに圧力を加えてアトマイズを行い、ボール状のはんだ合金とした。尚、ボール直径は設定値を０.３０ｍｍとし、予めノズル先端の直径を調整した。得られたボール状形状の各試料はそれぞれエタノール洗浄を３回行い、その後、真空乾燥機で真空中４０℃−３時間の乾燥を行った。そして、乾燥させたボール状形状の各試料を本発明の縦横比を満たすものと満たさないものとに選別した。選別方法としては特開平１１−３１９７２８号公報に示されるような装置を用い、試料の落下方向に対して直角となる方向に直進する振動を加え試料を落下させて選別のための傾斜面に試料を落下させ、一定範囲内に落下したものを縦横比を満たすものとし、その他の区域に落下したものを縦横比を満たさないものとして第１段階の選別を行った。その後、後述する縦横比の測定により各試料を最終的に選別した。

さらに試料１６〜２０、３１〜３６についてはボール状の形状を潰し、平面のある形状とした。具体的には温間プレスを用い、酸化抑制のために窒素を５Ｌ／分の流量で流しながら２００℃に加熱した金型で試料を潰し、３０秒保持後、窒素を満たしたサイドボックスに移動し、常温まで冷却して取出した。潰しの程度は所望の縦横比となるように金型の隙間を制御して潰し量を調整した。

＜はんだ合金試料の縦横比の測定＞
試料１〜１５、２１〜３０については三次元測定機によって任意の５０カ所について直径を測定し、最小の長さを短径または短辺、最大の長さを長径または長辺とした。
潰した試料１６〜２０、３１〜３６については、潰した方向のうち実際に潰された部分の長さ（厚さ）を任意に１０カ所測定して最小の長さ（厚さ）を短辺とし、短辺を測定した方向と垂直方向について長さを任意に１０カ所測定して最大の長さを長辺とした。
はんだ合金試料の縦横比の測定結果を表１に示す。

（注）表中の※を付した試料は比較例である。

次に、各評価について説明し、得られた各評価結果を表２に示す。

＜濡れ広がり性の評価（接合体の縦横比の測定）＞
濡れ広がり性を評価するため、図４の模式図に示すようなＮｉめっきしたＣｕ基板上に各試料のはんだ合金をはんだ付けした接合体を以下のように作製して、接合体の縦横比を測定した。

濡れ性試験機（装置名：雰囲気制御式濡れ性試験機）を起動し、加熱するヒーター部分に２重のカバーをしてヒーター部の周囲４箇所から窒素ガスを１２Ｌ／分の流量で流した。その後、ヒーター設定温度を融点より５０℃高い温度にして加熱した。ヒーター温度が設定値で安定した後、Ｎｉめっき（膜厚：３.０μｍ）したＣｕ基板（板厚：０.３ｍｍ）をヒーター部にセッティングして２５秒加熱し、次にボール状のはんだ合金をＣｕ基板上に載せて２５秒加熱した。加熱が完了した後、Ｃｕ基板をヒーター部から取り上げ、その横の窒素雰囲気が保たれている場所に一旦設置して冷却し、十分に冷却した後大気中に取り出した。

得られた接合体、即ち図４に示すようにＣｕ基板のＮｉめっき層にはんだ合金が接合された接合体について、濡れ広がったはんだ合金の濡れ広がり長さを測定して縦横比を求めた。具体的には、図４に示す最大のはんだ濡れ広がり長さを長径とし、最小のはんだ濡れ広がり長さ短径とし、測定値より下記計算式２によって縦横比を算出した。
［計算式２］ 縦横比＝長径÷短径
接合体の縦横比の測定結果を表２に示す。

計算式２の縦横比が１に近いほど基板上に円形状に濡れ広がっており、濡れ広がり性がよいと判断できる。１より大きくなるに従い、濡れ広がり形状が円形からずれていき、溶融はんだの移動距離にバラつきがでて反応が不均一になり、合金層の厚みや成分バラつきが大きくなったりし、均一で良好な接合ができなくなってしまう。さらに、ある方向に多くのはんだが流れるように広がって、はんだ量が過剰な箇所とはんだが無い箇所ができ、接合不良や場合よっては接合できなかったりしてしまう。はんだ合金の成分にもよるが、縦横比は最大でも１．３未満が好ましい。

＜接合性の評価（ボイド率の測定）＞
上記濡れ性の評価の際と同様にして得られた図４に示す接合体について、はんだ合金が接合されたＣｕ基板のボイド率をＸ線透過装置（株式会社東芝製、ＴＯＳＭＩＣＲＯＮ−６１２５）を用いて測定した。具体的には、はんだ合金とＣｕ基板の接合面を上部から垂直にＸ線を透過し、下記計算式３を用いてボイド率を算出した。
［計算式３］
ボイド率（％）＝ボイド面積÷（ボイド面積＋はんだ合金とＣｕ基板の接合面積）×１００
接合体のボイド率の測定結果を表２に示す。

＜ヒートサイクル試験（信頼性の評価）＞
はんだ接合の信頼性を評価するためにヒートサイクル試験を行った。なお、この試験は、上記接合性の評価と同様にして得たはんだ合金とＣｕ基板が接合された接合体を用いて行った。まず、接合体に対して、−４０℃の冷却と２５０℃の加熱を１サイクルとして、これを所定のサイクル繰り返した。その後、はんだ合金が接合されたＣｕ基板を樹脂に埋め込み、断面研磨を行い、ＳＥＭ（日立製作所製 Ｓ−４８００）により接合面の観察を行った。接合面にはがれやはんだにクラックが入っていた場合を「×」、そのような不良がなく、初期状態と同様の接合面を保っていた場合を「○」とした。
接合体のヒートサイクル試験結果を表２に示す。

（注）表中の※を付した試料は比較例である。

上記表２から分かるように、本発明の試料１〜２０の各はんだ合金は、各評価項目において良好な特性を示している。即ち、濡れ広がり性の評価では、全ての試料で縦横比が１．０２以下で円状に均一に広がっており、接合性の評価ではボイドがほとんど発生せず、信頼性の評価であるヒートサイクル試験では全ての試料で５００サイクルまで不良が発生しなかった。このように良好な結果が得られた理由は本発明のはんだ合金は縦横比が決められた範囲内であり、かつ合金組成が組成範囲内であるからである。また、本発明の試料１〜２０について樹脂埋めして断面研磨を実施して、ＳＥＭによる断面観察を行った結果、ラメラ組織であることを確認した。

一方、比較例である試料２１〜３６の各はんだ合金は、少なくともいずれかの特性において好ましくない結果となった。即ち、濡れ広がり性の評価では、全ての試料で縦横比が１．３以上で不均一に広がっていた。また、接合性の評価ではボイドが０．７〜１０％程度と多く発生した。そして信頼性の評価であるヒートサイクル試験では試料３５、３６を除いた全ての試料に関して３００サイクルまでに不良が発生した。
さらに本発明の試料１〜２０はＡｕ含有量が最大でも６１質量％であり、実用化されている８０質量％Ａｕ−２０質量％はんだ合金や８７．５質量％Ａｕ−１２．５質量％Ｇｅはんだ合金よりも格段に低コストであることが分かる。

Claims (6)

1. ボール状のＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金であって、その形状は縦横比（「長径÷短径、または、長辺÷短辺」のことをいう。以下同じ）が１．００以上１．２０以下であり、かつＳｎを２７．５質量％以上３３．０質量％未満含有し、Ａｇを８．０質量％以上１４．５質量％以下含有し、残部が製造上、不可避に含まれる元素を除き、Ａｕからなることを特徴とするボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金。
2. 縦横比が１．００以上１．１０以下であり、かつＳｎを２９．０質量％以上３２．０質量％以下含有し、Ａｇを１０．０質量％以上１４．０質量％以下含有し、残部が製造上、不可避に含まれる元素を除き、Ａｕからなることを特徴とする請求項１に記載のボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金。
3. 請求項１または２に記載のボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金が一方向から潰され、縦横比が１．００を超え１．５０以下であることを特徴とするボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金。
4. 金属組織の少なくとも一部がラメラ組織であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金を用いて封止されていることを特徴とする電子部品。
6. 請求項５に記載の電子部品が搭載されていることを特徴とする電子部品搭載装置。

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