JP2015208777A - ボール状Ａｕ−Ａｇ−Ｇｅ系はんだ合金並びにこのボール状Ａｕ−Ａｇ−Ｇｅ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−Ａｇ−Ｇｅ系はんだ合金を提供する。
【解決手段】ボール状のＡｕ−Ａｇ−Ｇｅ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Ａｇを５．０質量％以上１８．０質量％以下含有し、Ｇｅを７．０質量％以上２０．０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。
【選択図】 図１

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を含む共晶合金に２元共晶合金を加え、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。

例えば、特許文献５として示す特許第２８２１７８７号公報には、Ａｕ−Ｇｅ、Ａｕ−Ｓｂ又はＡｕ−Ｓｉの板状低融点Ａｕ合金ろうを予加熱し、次に加熱保温部を設けたプレス金型にその材料を順次送って１００℃〜３５０℃の温度範囲でプレス加工を行うことを特徴とする板状低融点Ａｕ合金ろうのプレス加工方法について記載されている。

また、特許文献６として示す特許第２７３１４３５号公報には、電子部品のパッケージングにおいて外部リードのろう付けに用いられるろう材であって、Ａｇが１０〜３５ｗｔ％、Ｉｎ、Ｇｅ及びＧａのうち少なくとも１種類を合計で３〜１５ｗｔ％、及び残部がＡｕのＡｕ合金であり、かつエレクトロマイグレーションテストにおいて短絡するまでの時間が１．５時間以上であることを特徴とするエレクトロマイグレーション防止性ろう材について記載されている。

一方、特許文献７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８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 特許第２８２１７８７号公報 特許第２７３１４３５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。

以上のような問題を含め、さまざまなＡｕ系はんだの問題に対処すべく、上記した特許文献５や特許文献６に記載の技術が提案されている。しかしながら、特許文献５に記載のＡｕ−Ｇｅ、Ａｕ−Ｓｂ、Ａｕ−Ｓｉ等の板状（シート状）低融点Ａｕ合金ろうの素材特性は、室温においてガラス板のような脆性を示し、また方向性があるため、一般に長手方向に平行な面においては僅かな曲げに対しても破断し易く、亀裂の伝播が進み易いという欠点がある。

そこで、従来から所謂コンパウンド金型を用いてプレス加工を行ってきているが、このコンパウンド金型技術においても金型精度の問題や金型寿命の問題があるため、加熱保温部を設けたプレス金型に材料を順次送って１００℃〜３５０℃の温度範囲でプレス加工する技術が行われている。しかし、所謂温間でのプレス加工でも課題は山積していると言わざるを得ない。

つまり、温間プレスでは、はんだ合金の酸化が進行してしまう。Ａｕを多く含有するはんだであっても、その他の金属、例えば、ＧｅやＳｎなどを含んでいるＡｕ系はんだは、これらの元素の酸化進行を防ぐことが出来ず、常温より高い温度でプレスしたとき、表面が酸化して濡れ性が大きく低下してしまう。さらに、温度が高い状態であるから常温に比べてはんだが膨張し、工夫をしても常温でのプレスに比較して形状の精度が出せない。加えて、柔らかくなったはんだは金型に張り付き易くなり、はんだが撓んだり歪んだりした状態でプレスすることになるため、バリや欠けが発生しやすくなる。温間プレスは通常のプレスよりも設備費が高価になることも課題である。

また、上記特許文献６には、既に述べたようにＡｇを１０〜３５ｗｔ％、Ｉｎ、Ｇｅ及びＧａのうち少なくとも１種類を合計で３〜１５ｗｔ％含有し、残部がＡｕのＡｕ合金からなるエレクトロマイグレーション防止性ろう材が記載されている。そして、これらの元素の効果として、Ａｕを主成分とすることでエレクトロマイグレーションを防止でき、Ａｇを１０〜３５ｗｔ％加えるのはろう付け強度を得るためであり、またＩｎ、Ｇｅ及びＧａのうち少なくとも１種類を合計で３〜１５ｗｔ％加えるのは、融点を下げるためであると記載されている。

しかし、特許文献６に記載のＡｕ合金は、Ａｇ−２８ｗｔ％ＣｕやＡｇ−１５ｗｔ％ＣｕのＡｇ系ろう材との比較において、エレクトロマイグレーションの発生を防止でき、強固で安定したろう付け強度が得られるろう材として開発されている。そのため、１％ＮａＣｌ溶液中に放置した後のろう付け強度の評価は行っているものの、濡れ広がりなどを含めた接合状態の確認は行われていない。信頼性評価には、前記接合状態を含めた応力緩和性を確認するための温度サイクル試験などを実施する必要があるが、特許文献６の技術ではその確認がなされておらず、高い信頼性が得られるかどうかは不明である。

一方、Ａｕ−Ａｇ−Ｇｅ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７や特許文献８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−Ａｇ−Ｇｅ系はんだ合金は非Ａｕ系はんだ合金と比べると融点が高いＡｕを使用しているため、温度分布があると偏析し易くアトマイズの製法ではノズルが一部詰まるなどして、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−Ａｇ−Ｇｅ系はんだ合金を提供することである。さらに、鉛を含有せず、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−Ａｇ−Ｇｅ系はんだ合金は、ボール状のＡｕ−Ａｇ−Ｇｅ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Ａｇを５．０質量％以上１８．０質量％以下含有し、Ｇｅを７．０質量％以上２０．０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している。

また、本発明においては、縦横比が１．００以上１．２０以下であり、かつＡｇを５．０質量％以上１０．０質量％以下含有し、Ｇｅを７．０質量％以上２０．０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、本発明においては、前記Ａｇ及びＧｅと共に、Ｎｉ、Ｓｂ、Ｃｕ、Ｐの少なくとも１種を含有し、Ｎｉを含有する場合その含有量は０．０１質量％以上１．５０質量％以下、Ｓｂを含有する場合その含有量は０．０１質量％以上２１．００質量％以下、Ｃｕを含有する場合その含有量は０．０１質量％以上１８．００質量％以下、Ｐを含有する場合その含有量は０．００１質量％以上０．５００質量％以下であって、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−Ａｇ−Ｇｅ系はんだ合金は、上記のボール状Ａｕ−Ａｇ−Ｇｅ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。

一方、本発明による電子部品は、上記のボール状Ａｕ−Ａｇ−Ｇｅ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−Ａｇ−Ｇｅ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、鉛を含有せず、加工性などの各種特性、特に接合時の濡れ広がり性及び接合性に優れ、水晶デバイス、ＳＡＷフィルター、ＭＥＭＳなどの非常に高い信頼性を要求される箇所に使用することが可能な、従来のＡｕ系はんだよりもとくに濡れ広がり性、接合性に優れた高温用Ａｕ−Ａｇ−Ｇｅ系はんだ合金ボールを提供することができる。さらに、本発明のボール状はんだ合金は濡れ広がり性が特に優れるため、不良が発生せず、製造上の各種収率等が高く、ボール状はんだ合金を効率よく製造でき、低コスト化を実現できる。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。

ボール形状がフットボール型であるボール状Ａｕ−Ａｇ−Ｇｅ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−Ａｇ−Ｇｅ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。 ボール状のＡｕ−Ａｇ−Ｇｅ系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−Ａｇ−Ｇｅ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−Ａｇ−Ｇｅ系はんだ合金は、ボール状のＡｕ−Ａｇ−Ｇｅ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Ａｇを５．０質量％以上１８．０質量％未満含有し、Ｇｅを７．０質量％以上２０．０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している。

また、上記Ａｇ及びＧｅと共に、Ｎｉ、Ｓｂ、Ｃｕ、Ｐの少なくとも１種を含有することができ、Ｎｉを含有する場合の含有量は０．０１質量％以上１．５０質量％以下、Ｓｂを含有する場合の含有量は０．０１質量％以上２１．００質量％以下、Ｃｕを含有する場合の含有量は０．０１質量％以上１８．００質量％以下、Ｐを含有する場合の含有量は０．００１質量％以上０．５００質量％以下であって、残部がＡｕ及び不可避不純物からなる。

本発明のはんだ合金は、コストが高いＡｕ系はんだのコストを下げるとともに、濡れ性と接合性を十分に保持し、しかも良好な加工性を得るために、Ａｕ−Ｇｅ共晶合金を基本として、Ａｕと全率固溶するＡｇを含有させたＡｕ−Ａｇ−Ｇｅ系合金を基本とする。このような組成を有する合金を選定することにより、Ａｕ系はんだの加工性の悪さを改善すると同時にＡｕ含有量を下げて低コスト化を図り、さらにＡｇを選定したことによりＡｕ系はんだと同等の濡れ性を確保することができる。

以下、本発明のＡｕ−Ａｇ−Ｇｅ系はんだ合金の形状や必須の元素、及び、必要に応じて含有することができる任意の元素について、更に詳しく説明する。

＜縦横比＞
本発明において、ボール状のＡｕ−Ａｇ−Ｇｅ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−Ａｇ−Ｇｅ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１と図２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１はフットボール型の例を、図２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１と図２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−Ａｇ−Ｇｅ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−Ａｇ−Ｇｅ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−Ａｇ−Ｇｅ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−Ａｇ−Ｇｅ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ことから、コスト面からするとできるだけ使いたくない金属であるため、汎用品には使用されていない。本発明においては、接合性や信頼性は維持しながら、Ａｕの含有量を減らすため、以下に述べるようにＡｕにＡｇとＧｅを含有させる。

＜Ａｇ＞
Ａｇは本発明のはんだ合金において必須の元素である。Ａｇを含有させることにより、Ａｕの含有量を下げ、さらに融点も下げることができる。しかも、ＡｇはＡｕには及ばないものの非常に酸化しづらい元素であるため、後述する含有量であれば、Ａｕ−１２．５質量％ＧｅはんだやＡｕ−２０質量％Ｓｎはんだと同等の濡れ性、並びに信頼性等を得ることができる。また、ＡｇはＡｕよりも酸化し易いものの、例えばＡｕ−Ｇｅ合金におけるＧｅやＡｕ−Ｓｎ合金におけるＳｎなどよりも格段に酸化し難いため、十分な濡れ性を確保でき、よって高い信頼性を得ることができる。

本発明のはんだ合金におけるＡｇの含有量は５．０質量％以上１８．０質量％以下である。Ａｇ含有量が５．０重量％未満では、液相線温度が高くなりすぎるため、接合温度が高くなりすぎたり、液相線温度と固相線温度の差が開きすぎて溶け別れ現象を起こしてしまったりする。そのため、良好な接合ができず、要求される信頼性を得ることができない。逆にＡｇ含有量が１８．０質量％を超えると、Ｇｅを７.０質量％以上２０.０質量％以下共存させる本発明のはんだ合金では、結晶粒が粗大化したり、Ａｇリッチ相の割合が多くなりすぎたりするため、加工性や応力緩和性の低下を招いてしまう。なお、加工性や応力緩和性を向上させるためにはＡｇ含有量を１０．０質量％未満程度にすることがより好ましい。

＜Ｇｅ＞
Ｇｅは上記Ａｇと同様に本発明のはんだ合金において必須の元素である。Ｇｅは、Ａｕ−１２.５質量％Ｇｅはんだが実用的に使われていることからも分かるようにＡｕと共晶合金を作り、加工性が良好なため、この利点を活かすべく含有するものである。融点もＡｕの１０６４℃を３６０℃という高温用はんだとして適した温度まで下げることができる。当然、本発明ではＧｅとＡｕの共晶合金を作る組成を基本とすることによって、加工性に優れ、よって高い信頼性を有するＡｕ−Ａｇ−Ｇｅ系合金を提供することができる。

本発明のはんだ合金におけるＧｅの含有量は７．０質量％以上２０．０質量％以下である。Ｇｅの含有量が７．０質量％未満であるか、又は２０．０質量％を超えると、いずれの場合も液相線温度が高くなりすぎるため、接合温度が高くなりすぎたり、液相線温度と固相線温度の差が開きすぎて溶け別れ現象を起こしたりする。その結果、良好な接合ができず、要求される信頼性を得ることはできなくなる。また、Ｇｅの含有量が２０．０質量％を超えると、はんだ合金が酸化し易くなるため、良好な接合ができなくなってしまう。

＜Ｎｉ＞
Ｎｉは本発明のはんだ合金において必要に応じて含有してよい任意の元素である。Ｎｉを含有させる目的は結晶の微細化による加工性の向上である。つまり、ＮｉはＡｕやＡｇにほとんど固溶しないため、溶融後の冷却時に初晶として析出し、その初晶が核となって結晶が微細化する。そのため、はんだ合金の柔らかさが増し、加工性、応力緩和性が向上する。

本発明のはんだ合金におけるＮｉの含有量は、０．０１質量％以上１．５０質量％以下である。Ｎｉの含有量が０．０１質量％未満では、少なすぎて含有させた効果が得られない。逆に１．５０質量％を超えてしまうと、他の元素含有量がどのような量であっても結晶が粗大化してしまうため、加工性や応力緩和性が低下してしまう。

＜Ｓｂ＞
Ｓｂは本発明のはんだ合金において必要に応じて含有してよい任意の元素である。Ｓｂを含有させる目的は共晶合金による加工性の向上にある。すなわち、ＳｂはＡｕと、そしてＡｇとも共晶合金を作る元素であり、添加することではんだ合金を柔らかくすることが可能である。その結果、応力緩和性に優れ、高い信頼性を得ることができる。

本発明のはんだ合金におけるＳｂの含有量は、０．０１質量％以上２１．００質量％以下である。Ｓｂの含有量が０．０１質量％未満では、少なすぎるため含有による効果が得られない。逆に２１．００質量％を超えると、結晶の微細化効果が得られにくくなると共に、液相線温度が高くなりすぎるため良好な接合ができなくなる。

＜Ｃｕ＞
Ｃｕは本発明のはんだ合金において必要に応じて含有してよい任意の元素である。Ｃｕを含有させる目的は固溶強化と低コスト化にある。すなわち、ＣｕはＡｕに固溶して転位をとめる働きをするため、合金の強度を上げることができる。ただし、Ｃｕは柔らかい金属であるため、はんだ合金の柔軟性を下げる心配はない。Ｃｕのさらに好ましい効果として、はんだ合金の低コスト化がある。ＣｕはＡｇやＧｅよりも安価な金属であるため、コストを下げる効果が大きい。

本発明のはんだ合金におけるＣｕの含有量は、要求されるはんだの特性とコストを考慮して決定すればよいが、０．０１質量％以上１８．０質量％以下とする。Ｃｕの含有量が０．０１質量％未満では、量が少なすぎて含有させた効果が得られない。逆に１８．００質量％を超えると、金属間化合物が生成し、急激に加工性を低下させてしまう。

＜Ｐ＞
Ｐは本発明のはんだ合金において必要に応じて含有してよい任意の元素である。Ｐを含有させる目的は濡れ性の向上にある。Ｐが濡れ性を向上させるメカニズムは、還元性が強く、自ら酸化することにより、はんだ合金表面の酸化を抑制すると共に基板面を還元し、濡れ性を向上させることにある。

また、Ｐの含有により、接合時にボイドの発生を低減させる効果も得られる。即ち、上記のごとくＰは自らが酸化しやすいため、優先的に酸化が進む。その結果、はんだ母相の酸化を防ぎ、電子部品等の接合面を還元して濡れ性を確保することができる。そして、この接合の際に、はんだや接合面表面の酸化物がなくなるため、酸化膜によって形成される隙間（ボイド）が発生しにくくなり、接合性や信頼性等を向上させる。

なお、Ｐは、はんだ合金や基板を還元して酸化物になると気化し、雰囲気ガスに流されるため、はんだや基板等に残らない。このため、Ｐの残渣が信頼性等に悪影響を及ぼす可能性はなく、この点からもＰは優れた元素と言える。

本発明のはんだ合金におけるＰの含有量は、０．００１質量％以上０.５００質量％以下とする。Ｐは非常に還元性が強いため、微量を含有させれば濡れ性向上の効果が得られるが、０.００１質量％未満では濡れ性向上の効果やボイドを低減させる効果が得られない。逆に０.５００質量％を超えて含有しても、濡れ性向上の効果はあまり変わらず、過剰な含有によってＰやＰ酸化物の気体が多量に発生し、気体によるボイド率を上げてしまったり、Ｐが脆弱な相を形成して偏析し、はんだ接合部を脆化して信頼性を低下させたりする恐れがある。

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９９.９質量％以上のＡｕ、Ａｇ、Ｇｅ、Ｎｉ、Ｓｂ、Ｃｕ及びＰ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。これら原料から所定量を秤量して、高周波溶解炉用グラファイトるつぼに入れた。

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１〜６９のはんだ母合金を作製した。これらの試料１〜６９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１〜６９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１〜６９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２５０℃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５４０℃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３６〜４０、６５〜６９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１〜３５、４１〜６４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３６〜４０、６５〜６９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３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３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３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いる状態を示している。この状態では、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場合も発生する。このような状態を発生させないためには、接合体の縦横比は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３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３００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。３００サイクルのヒートサイクル試験にてクラックの観察されなかった接合体に関しては５００サイクルまで繰り返した。
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１〜４０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１．２５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率は８．５％以下であって良好な接合ができていることがわかる。さらに、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るからである。

一方、比較例である試料４１〜６９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、縦横比が１．３以上で不均一に広がる試料が多数発生した。また、接合性の評価ではボイド率が１０％以上となる試料が多く発生した。そして信頼性の評価であるヒートサイクル試験では一部の試料が３００サイクルまではもったものの、全ての試料に関して５００サイクルまでには不良が発生した。
尚、本発明のはんだ合金は、上記した各特性の評価において良好な結果が得られている上、必須三元素の構成の場合においては、Ａｕの含有量を最低で６２質量％まで減らすことが可能である。このＡｕ含有量は、Ａｕ−Ｇｅ系はんだ合金において最も一般的な共晶組成であるＡｕ−１２.５質量％Ｇｅよりも少なく、本発明のはんだ合金は低コストであることが分かる。

Claims (6)

1. ボール状のＡｕ−Ａｇ−Ｇｅ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Ａｇを５．０質量％以上１８．０質量％以下含有し、Ｇｅを７．０質量％以上２０．０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ボール状Ａｕ−Ａｇ−Ｇｅ系はんだ合金。
2. 縦横比が１．００以上１．２０以下であり、かつＡｇを５．０質量％以上１０．０質量％未満含有し、Ｇｅを７．０質量％以上２０．０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−Ａｇ−Ｇｅ系はんだ合金。
3. 前記Ａｇ及びＧｅと共に、Ｎｉ、Ｓｂ、Ｃｕ、Ｐの少なくとも１種を含有し、Ｎｉを含有する場合その含有量は０．０１質量％以上１．５０質量％以下、Ｓｂを含有する場合その含有量は０．０１質量％以上２１．００質量％以下、Ｃｕを含有する場合その含有量は０．０１質量％以上１８．００質量％以下、Ｐを含有する場合その含有量は０．００１質量％以上０．５００質量％以下であって、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または２に記載のボール状Ａｕ−Ａｇ−Ｇｅ系はんだ合金。
4. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載のボール状Ａｕ−Ａｇ−Ｇｅ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−Ａｇ−Ｇｅ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−Ａｇ−Ｇｅ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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