JP2016052662A - Au-Sn SOLDER ALLOY HAVING CONTROLLED METALLOGRAPHIC STRUCTURE - Google Patents

Au-Sn SOLDER ALLOY HAVING CONTROLLED METALLOGRAPHIC STRUCTURE Download PDF

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昌彦 小室
Masahiko Komuro
昌彦 小室
井関 隆士
Takashi Izeki
隆士 井関
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an Au-Sn-based solder alloy which has excellent wettability and where a solder volume substantially contributing to solder joint at solder jointing can be almost maintained.SOLUTION: An Au-Sn-based solder alloy includes 18.5 mass% or more and 23.5 mass% or less of Sn, preferably 19.0 mass% or more and 22.8 mass% or less and the balance Au except elements inevitably included in production and 25% or less of the cross sectional area of the solder alloy is occupied by a metallographic structure consisting of a striped lamellar structure and/or a circular or elliptical lamellar structure.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、Auを主成分とし、制御された金属組織を有する高温用のAu−Snはんだ合金および該はんだ合金を用いて封止またはロウ付けされた電子装置に関する。   The present invention relates to a high-temperature Au—Sn solder alloy mainly composed of Au and having a controlled metal structure, and an electronic device sealed or brazed using the solder alloy.

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指令などで鉛は規制対象物質になっている。そこで、Pbフリー(無鉛)はんだ材料の開発が各種機関で進められており、高温用のPbフリーはんだ材料では高価なAu−Sn合金やAu−Ge合金などが水晶デバイス、SAWフィルター、MEMS等ですでに実用化されている。   In recent years, regulations on chemical substances harmful to the environment have become stricter, and this regulation is no exception for solder materials used for the purpose of joining electronic components and the like to substrates. Although lead has been used as a main component for solder materials for a long time, lead has already been a regulated substance under the RoHS Directive. Therefore, development of Pb-free (lead-free) solder materials is being promoted by various organizations, and for high-temperature Pb-free solder materials, expensive Au-Sn alloys and Au-Ge alloys are crystal devices, SAW filters, MEMS, etc. In practical use.

Au−Sn合金はAu−20質量%Sn(80質量%のAuと20質量%のSnから構成されることを意味しており、以降においても同様)の組成で共晶点となり、その融点は280℃である。一方、Au−Ge合金はAu−12.5質量%Geの組成で共晶点となり、その融点は356℃である。これらAu系はんだ合金は硬くて脆い特性を有しており、特にAu−Sn合金は粘りが無いためきれいに破断させることができ、薄くて小さく加工することができるので枠形状として使用されることが多い。一方、Au−Ge合金は比較的加工し易いボール形状で使用されることが多い。   The Au-Sn alloy has a composition of Au-20% by mass Sn (meaning that it is composed of 80% by mass Au and 20% by mass Sn, and so on), and has a eutectic point. 280 ° C. On the other hand, the Au—Ge alloy has an eutectic point with a composition of Au-12.5 mass% Ge, and its melting point is 356 ° C. These Au-based solder alloys have hard and brittle characteristics. In particular, Au-Sn alloys have no stickiness and can be ruptured cleanly, and can be processed thin and small, so that they can be used as frame shapes. Many. On the other hand, Au—Ge alloys are often used in a ball shape that is relatively easy to process.

このようなAu系はんだに関しては、例えば特許文献1に、Au−Snロウ材の表面粗さによる濡れ性の改善に関する技術が開示されており、具体的にはJISB0601で規定される表面粗さRaで0.01〜5μmの範囲内にすることで濡れ性に優れた金錫合金ロウ材を提供する技術が示されている。また、特許文献2にはAu−Snはんだペースト内の酸素濃度の管理および粒径を小さくする事による濡れ性の制御に関する技術が開示されている。   With regard to such an Au-based solder, for example, Patent Document 1 discloses a technique related to improvement of wettability by the surface roughness of an Au—Sn brazing material, and specifically, a surface roughness Ra specified by JISB0601. A technology for providing a gold-tin alloy brazing material excellent in wettability by being in the range of 0.01 to 5 μm is shown. Patent Document 2 discloses a technique relating to control of oxygen concentration in the Au—Sn solder paste and control of wettability by reducing the particle size.

特開2001−150182号公報JP 2001-150182 A 特開2003−260588号公報JP 2003-260588 A

近年、電子機器の小型化、薄型化に伴い、水晶デバイスやSAWフィルターなどの電子装置においては外形が小さくて薄型のものが求められている。そのため、これら電子装置に使用するはんだ合金は、はんだ融解時に高い精度で形状を制御可能であることが望ましい。たとえば、水晶振動子の封止用などに多用されるAu−Sn合金は、封止用蓋部の周縁部でシールするため枠形状で使用される事が多いが、その融解時に接合面がAu−Sn合金によって均一に濡れなければリーク不良などの不具合が発生するおそれがある。   In recent years, electronic devices such as crystal devices and SAW filters have been required to be small and thin as electronic devices have become smaller and thinner. Therefore, it is desirable that the shape of the solder alloy used in these electronic devices can be controlled with high accuracy when the solder is melted. For example, an Au-Sn alloy that is frequently used for sealing a quartz crystal resonator is often used in a frame shape for sealing at the peripheral edge of the sealing lid, but the bonding surface is Au at the time of melting. -If the Sn alloy is not evenly wetted, there is a risk that problems such as leakage failure may occur.

また、Au−Sn合金を半導体素子の接合に使用する場合は、接合面が均一に濡れなければ十分な接合強度が得られなかったり、被接合体である半導体素子が傾いて接合信頼性が著しく低下したりするおそれがある。さらに濡れが不均一になって部分的な濡れ広がりや流れ出しが生じると、はんだ接合に実質的に寄与するはんだの体積が小さくなり、熱応力等による歪みを十分に緩和できなくなってクラック等が発生しやすくなったり、接合信頼性が低下したりなどの問題が生じることもある。このように、Au−Sn合金においては濡れ性が特に重要な特性と言える。   In addition, when an Au—Sn alloy is used for bonding of semiconductor elements, sufficient bonding strength cannot be obtained unless the bonding surface is uniformly wetted, or the reliability of bonding is remarkably increased because the semiconductor element that is the object to be bonded is inclined. It may decrease. Furthermore, when wetting becomes uneven and partial wetting spreads or flows out, the volume of solder that substantially contributes to solder bonding is reduced, distortion due to thermal stress, etc. cannot be relieved sufficiently, and cracks occur. This may cause problems such as ease of bonding and reduced bonding reliability. Thus, it can be said that wettability is a particularly important characteristic in an Au—Sn alloy.

上記した種々の問題は、前述した電子機器の小型化、薄型化によって顕在化する傾向にある。すなわち、電子機器の小型化、薄型化に伴ってはんだ合金と水晶振動子等の電子部品との間隔がより狭くなり、上記したはんだの不均一な濡れ広がりや流れ出しにより、はんだ合金と水晶振動子とが接触するリスクが高まっている。また、電子機器の小型化、薄型化に伴い、はんだ合金自体のサイズや厚さも制限されるため、上記した不均一な濡れ広がりや接合面以外への流れ出しが生ずるとはんだ接合部のはんだの体積減少割合がより著しくなり、はんだ接合の信頼性が損なわれる問題がより一層顕著になってきている。なお、一般に、部分的な濡れ広がりの割合は、接合前のはんだの断面の全面積の25%以下に抑えるのが好ましい。   The various problems described above tend to become apparent as the above-described electronic devices are reduced in size and thickness. In other words, as the electronic equipment becomes smaller and thinner, the distance between the solder alloy and the electronic component such as the crystal resonator becomes narrower. The risk of contact with is increasing. In addition, as electronic devices become smaller and thinner, the size and thickness of the solder alloy itself are also limited. Therefore, if the above-mentioned uneven wetting spreads or flows out of the joint surface, the solder volume of the solder joint is reduced. The reduction rate becomes more remarkable, and the problem of impairing the reliability of solder joints is becoming more prominent. In general, the ratio of partial wetting and spreading is preferably suppressed to 25% or less of the total area of the cross section of the solder before joining.

このような状況の下、特許文献1の技術は表面粗さが粗ければ表面積は大きくなって成分中のSnの酸化が起こる割合も大きくなるため、表面粗さを細かく、すなわち表面積を小さくして成分中のSnの酸化する割合を抑え、これにより濡れ性を向上させるものであると考えられる。しかしながら、特許文献1に示すような表面粗さ0.01〜5μmという広い範囲に亘ってロウ材が同じように優れた濡れ性を示すとは考えにくい。例えば表面粗さが500倍粗くなるとロウ材表面に存在する酸化物の割合が桁違いに多くなるため、濡れ性が大きく悪化することが容易に推測できる。   Under such circumstances, the technique of Patent Document 1 increases the surface area if the surface roughness is rough, and also increases the rate of oxidation of Sn in the component. Therefore, the surface roughness is reduced, that is, the surface area is reduced. Therefore, it is considered that the ratio of oxidation of Sn in the component is suppressed, thereby improving the wettability. However, it is unlikely that the brazing material exhibits the same excellent wettability over a wide range of surface roughness of 0.01 to 5 μm as shown in Patent Document 1. For example, when the surface roughness becomes 500 times rough, the ratio of oxides existing on the surface of the brazing material increases by an order of magnitude, so it can be easily estimated that the wettability is greatly deteriorated.

しかも、表面粗さが大きくなるとAu−Snロウ材とロウ付けする基板との間には空間が生じやすくなるため、表面粗さが500倍粗い方が当然大きな空間が形成され、溶融時にこの空間にボイドが生じてロウ付け後の製品の信頼性が大きく損なわれるおそれがある。逆に、表面粗さが細かくなると上記したように濡れ性が良くなる傾向にあるが、ロウ材としてはそれだけでは不十分である。すなわち、表面粗さよりも基板金属およびロウ材の組成や組織の均一性が重要であり、組成や組織が均一でなければ接合時に生成される合金は局所的に異なってしまい、濡れ広がりや接合性にばらつきが生じてしまう。   In addition, when the surface roughness increases, a space is likely to be generated between the Au—Sn brazing material and the substrate to be brazed. There is a risk that voids will occur in the product and the reliability of the product after brazing will be greatly impaired. On the contrary, when the surface roughness becomes finer, the wettability tends to be improved as described above, but that is not sufficient as a brazing material. That is, the uniformity of the composition and structure of the substrate metal and brazing material is more important than the surface roughness. If the composition and structure are not uniform, the alloys produced during bonding will be locally different, resulting in wetting spread and bondability. Variation will occur.

また、特許文献2に示すように、Au−Snはんだペースト自体の酸素濃度を上げるとはんだ溶融時に表面酸化膜の生成が顕著になり、濡れ性に影響を及ぼす。この場合、過度の濡れ広がりを抑制することができるものの、酸化膜によりボイドが発生したり気密性が維持できなかったりするおそれがある。また、クラック等を誘発するなどの品質上の問題を招くおそれもある。   Further, as shown in Patent Document 2, when the oxygen concentration of the Au—Sn solder paste itself is increased, the generation of a surface oxide film becomes remarkable at the time of melting of the solder, which affects the wettability. In this case, although excessive wetting and spreading can be suppressed, voids may be generated by the oxide film or airtightness may not be maintained. In addition, there is a risk of incurring quality problems such as inducing cracks.

さらに、平均粒径を50〜100μmから10〜35μmに小さくすると、Sn微粒子の単位質量当たりの表面酸化膜の量が増えることによる問題が生じるおそれがある。すなわち、一般的に表面酸化膜が破れないと溶けた内部の溶融金属が流れ出さないため、一旦表面が酸化した微粒子は融点に達しても溶体が流れ出にくくなる。さらには実質的な溶融温度のばらつきや組成ばらつきが大きくなって、微粒子が均一に溶けにくくなるため、封止不良や接合不良の原因になって製品としての信頼性が低下するおそれがある。従って、特許文献2の技術は高気密性が要求されるSAWフィルターや水晶デバイスなどの封止、あるいは半導体素子などの基板への接合の用途には適さない。   Furthermore, if the average particle size is reduced from 50 to 100 μm to 10 to 35 μm, there may be a problem that the amount of the surface oxide film per unit mass of the Sn fine particles increases. That is, generally, if the surface oxide film is not broken, the melted internal molten metal does not flow out. Therefore, even if the fine particles whose surface is once oxidized reach the melting point, the solution does not easily flow out. Further, substantial melting temperature variation and composition variation become large, and the fine particles are difficult to be dissolved uniformly. This may cause sealing failure and bonding failure, thereby reducing the reliability of the product. Therefore, the technique of Patent Document 2 is not suitable for use in sealing a SAW filter or a crystal device that requires high airtightness or bonding to a substrate such as a semiconductor element.

上記したように、特に高い信頼性が要求される水晶デバイス、SAWフィルター、またはMEMS等で使用する高温用のPbフリーはんだ材料にはボイドの発生や封止不良などがあると安定して使用できなくなるため、これらに使用するAu系はんだ材料には良好な濡れ性を有することが求められている。特に高い気密性や接合信頼性を必要とする用途では、良好な濡れ性を有することに加えてはんだ接合の際にはんだ体積(ボリューム)が維持されること、すなわち使用したはんだ合金が有効にはんだ接合に寄与することを要求される場合が多い。このように、水晶デバイス等の特に高い信頼性が要求される電子装置に用いるはんだには適切な濡れ性とはんだ接合時のはんだ体積の維持という一見相反する機能が求められている。   As described above, high-temperature Pb-free solder materials used in quartz devices, SAW filters, MEMS, etc. that require particularly high reliability can be used stably if there are voids or poor sealing. Therefore, Au-based solder materials used for these are required to have good wettability. Especially in applications that require high airtightness and joint reliability, in addition to having good wettability, the solder volume is maintained during solder joining, that is, the solder alloy used is effectively soldered. In many cases, it is required to contribute to bonding. As described above, a solder used for an electronic apparatus such as a quartz device that requires particularly high reliability is required to have a seemingly contradictory function of appropriate wettability and maintenance of a solder volume during solder joining.

上記した状況の下、本発明者らは特に高い信頼性が要求される水晶デバイス等の電子装置用のAu−Sn系はんだ合金について鋭意研究を重ねた結果、はんだ接合性の良否は、はんだを溶融接合する際の接合温度、時間、雰囲気などの各種条件の影響を受けるが、これらと同等またはそれ以上に熱処理等による金属組織の制御の影響を大きく受けること、具体的にはAu−Sn合金の共晶点もしくはその付近の組成からなるはんだ合金に対して熱処理等を施して金属組織を制御することにより、良好な濡れ性と共にはんだ接合に実質的に寄与するはんだ体積をほぼ完全に維持できるという効果が得られ、その結果、高い接合信頼性を有する電子装置を作製できることを見出し、本発明に至った。   Under the circumstances described above, the present inventors conducted extensive research on Au-Sn solder alloys for electronic devices such as quartz devices that require particularly high reliability. Although it is affected by various conditions such as bonding temperature, time, atmosphere, etc. at the time of melt bonding, it is greatly affected by the control of the metal structure by heat treatment or the like, more specifically, Au—Sn alloy By controlling the metallographic structure by heat-treating a solder alloy having a composition at or near the eutectic point, the solder volume that contributes substantially to solder joints with good wettability can be maintained almost completely. As a result, it was found that an electronic device having high bonding reliability can be produced, and the present invention has been achieved.

すなわち、本発明に係るAu−Sn系はんだ合金は、Snを18.5質量%以上23.5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から構成されるAu−Sn系はんだ合金であって、その断面の面積の25%以下が、縞状のラメラ組織および/または円状もしくは楕円状のラメラ組織からなる金属組織で占められていることを特徴としている。   That is, the Au-Sn solder alloy according to the present invention contains 18.5 mass% or more and 23.5 mass% or less of Sn, and the Au-Sn is composed of Au except for elements that are inevitably included in the production. The solder alloy is characterized in that 25% or less of the cross-sectional area is occupied by a striped lamellar structure and / or a metal structure composed of a circular or elliptical lamellar structure.

本発明によれば、従来のAu系はんだよりも優れた濡れ性が得られるうえ、実質的にはんだ接合に寄与するはんだ体積をほぼ維持できるので、水晶デバイス、SAWフィルター、MEMSなどの極めて高い信頼性を要求される電子装置等の用途に適した高い接合信頼性を有するAu系はんだ合金を提供できる。そして、このAu系はんだ合金を用いた電子装置は気密性が高いので、この電子装置を搭載した電子機器は極めて信頼性が高い。   According to the present invention, wettability superior to that of conventional Au-based solder can be obtained, and a solder volume that substantially contributes to solder bonding can be substantially maintained, so that extremely high reliability of crystal devices, SAW filters, MEMS, etc. It is possible to provide an Au-based solder alloy having high bonding reliability suitable for applications such as electronic devices that require high performance. And since the electronic device using this Au system solder alloy has high airtightness, the electronic device carrying this electronic device is very reliable.

ラメラ組織とまだら模様の金属組織が混在しているはんだ合金を示す金属組織写真である。It is a metal structure photograph which shows the solder alloy in which the lamella structure and the metal structure of a mottled pattern are mixed. ラメラ組織の金属組織写真である。It is a metal structure photograph of a lamella structure. ラメラ組織が断面の25%以下を占めるはんだ合金を示す金属組織写真である。It is a metal structure photograph which shows the solder alloy which a lamella structure occupies 25% or less of a cross section. はんだ合金の試料が接合されたCu基板をはんだ試料側から見た模式的な平面図であり、(a)は濡れ広がり性が良好な接合体(評価「○」)を、(b)は濡れ広がり性が悪い接合体(評価「×」)を示している。It is the typical top view which looked at Cu substrate to which the sample of solder alloy was joined from the solder sample side, (a) is a joined body (evaluation "○") with good wetting spread nature, (b) is wet. The joined body (evaluation "x") with bad expansibility is shown. 封止用容器と封止用蓋とをはんだ合金の試料で封止した状態を示す模式的な縦断面図である。It is a typical longitudinal cross-sectional view which shows the state which sealed the container for sealing and the lid | cover for sealing with the sample of the solder alloy. はんだ合金の試料が接合されたCu基板をはんだ試料側から見た模式的な平面図であり、はんだ合金の試料の濡れ広がり性を示す縦横比を算出するための長径X1および短径X2が示されている。FIG. 3 is a schematic plan view of a Cu substrate to which a solder alloy sample is bonded as viewed from the solder sample side, and shows a major axis X1 and a minor axis X2 for calculating an aspect ratio indicating wettability of the solder alloy sample. Has been.

以下、制御された金属組織を有する本発明のAu−Sn系はんだ合金の実施形態について詳しく説明する。一般に二元系はんだ合金の共晶点では、鋳造時にα相およびβ相の2つの層が交互に積層したラメラ構造を含んだ金属組織になる。このようなラメラ構造になることにより、合金の機械的特性等が向上する。本発明者らは、この金属組織に占めるラメラ組織の割合について鋭意研究を重ねた結果、合金原料溶解後の鋳造時や温間圧延時、またはアトマイズ時における熱処理条件や加工速度等を調整することにより金属組織に占めるラメラ組織の割合を制御でき、これによりはんだ濡れ性が大きく影響を受けることを見出した。   Hereinafter, embodiments of the Au—Sn solder alloy of the present invention having a controlled metal structure will be described in detail. In general, at the eutectic point of a binary solder alloy, a metal structure including a lamellar structure in which two layers of α phase and β phase are alternately laminated at the time of casting is obtained. Such a lamellar structure improves the mechanical properties of the alloy. As a result of earnest research on the ratio of the lamellar structure in the metal structure, the present inventors adjust heat treatment conditions, processing speed, etc. during casting after alloy raw material melting, during warm rolling, or during atomization. It was found that the ratio of the lamellar structure in the metal structure can be controlled by this, and that the solder wettability is greatly affected.

はんだ合金は一般に鋳造した後、圧延加工、押出し加工、アトマイズ加工、プレス加工等を行って所定の形状の製品を得ている。これらの中で特に鋳造や温間圧延等は熱処理条件や加工条件が金属組織に影響するが、従来機能性や生産性等を考慮してこれら条件を定めていた。このため、図1に示すように、ラメラ組織を示す複数の帯状部が略均一に並んだ縞状の部分と、複数のランダムな形状の島状部からなる粗いまだら模様の部分とが混在した組織構造となっていた。このような組織のはんだ合金は、接合時に再溶解した際、略均一なラメラ組織が先に溶け出し、その後、粗いまだら模様の金属組織が溶けることになる。そして、先に溶け出したラメラ組織が基板等に広がっていき、粗いまだら模様の金属組織は相対的に溶け出さないため、全体として不均一な濡れ広がりになることがあった。   A solder alloy is generally cast and then rolled, extruded, atomized, pressed, etc. to obtain a product with a predetermined shape. Among these, particularly in casting and warm rolling, the heat treatment conditions and the processing conditions affect the metal structure, but these conditions have been conventionally determined in consideration of the functionality and productivity. For this reason, as shown in FIG. 1, a striped portion in which a plurality of strip-shaped portions showing a lamellar structure are arranged substantially uniformly and a rough mottled pattern portion made up of a plurality of random-shaped island portions are mixed. It was an organizational structure. When the solder alloy having such a structure is remelted at the time of joining, a substantially uniform lamellar structure is melted first, and then a rough mottled metal structure is melted. And since the lamellar structure | tissue which melt | dissolved first spreads on a board | substrate etc., the metal structure of a rough mottled pattern does not melt | dissolve relatively, and it may become the non-uniform wetting spread as a whole.

これに対して本発明の実施形態のはんだ合金は、Snを18.5質量%以上23.5質量%以下、好ましくは19.0質量%以上22.8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から構成されるAu−Sn系はんだ合金であって、その断面の面積の25%以下が、縞状のラメラ組織および/または円状もしくは楕円状のラメラ組織からなる金属組織で占められていることを特徴としている。   On the other hand, the solder alloy according to the embodiment of the present invention contains Sn in the range of 18.5% by mass to 23.5% by mass, preferably 19.0% by mass to 22.8% by mass, with the balance being in the manufacturing process. An Au—Sn solder alloy composed of Au excluding elements inevitably contained, and 25% or less of the cross-sectional area is composed of a striped lamellar structure and / or a circular or elliptical lamellar structure. It is characterized by being occupied by a metal structure.

ここで縞状のラメラ組織とは前述したα相とβ相との積層面に垂直な方向から見た時にこれらα相の帯状部とβ相の帯状部とが交互に縞状に並ぶように形成している組織であり、この場合の各帯状部の幅は0.01μm以上0.75μm以下である金属組織をいうものとする。一方、円状もしくは楕円状のラメラ組織とは、同様にα相とβ相との積層面に垂直な方向から見た時にα相またはβ相が円形もしくは楕円形の島状部を形成している組織であり、円形の場合はその直径の長さが0.01μm以上0.75μm以下、楕円形の場合はその短径の長さが0.01μm以上0.75μm以下である金属組織をいうものとする。   Here, the striped lamellar structure is such that when viewed from the direction perpendicular to the laminating surface of the α phase and the β phase, the band portions of the α phase and the band portions of the β phase are alternately arranged in a striped pattern. In this case, the width of each band-shaped portion is a metal structure of 0.01 μm or more and 0.75 μm or less. On the other hand, a lamellar structure having a circular or elliptical shape is similar to the case where the α or β phase forms a circular or elliptical island when viewed from a direction perpendicular to the laminating surface of the α and β phases. In the case of a circular shape, the length of the diameter is 0.01 μm or more and 0.75 μm or less, and in the case of an ellipse, the length of the short diameter is 0.01 μm or more and 0.75 μm or less. Shall.

例えば図2(a)は、Au−20質量%Snはんだ合金が縞状のラメラ組織を形成している場合を示す金属組織写真であり、図2(b)は、同はんだ合金が円状のラメラ組織を形成している場合を示す金属組織写真である。これらラメラ組織が占める割合の測定が行われる断面の方向は、はんだの加工法を考慮して定められる。例えば、はんだ形状が後述する板状や枠状の場合はその厚み方向に平行な断面に対して測定が行われる。一方、ボール形状の場合はその中心部を通る断面であれば任意の断面に対して測定を行ってもよい。   For example, FIG. 2 (a) is a metallographic photograph showing a case where an Au-20 mass% Sn solder alloy forms a striped lamellar structure, and FIG. 2 (b) shows that the solder alloy is circular. It is a metal structure photograph which shows the case where the lamella structure is formed. The direction of the cross section in which the ratio of the lamella structure is measured is determined in consideration of the solder processing method. For example, when the solder shape is a plate shape or a frame shape to be described later, the measurement is performed on a cross section parallel to the thickness direction. On the other hand, in the case of a ball shape, any cross section may be measured as long as the cross section passes through the central portion.

はんだ合金の断面において上記したラメラ組織が占める面積の測定は、金属顕微鏡に付属している面積算出機能より算出することができる。例えば、顕微鏡写真で撮られた0.20mm×0.20mmの矩形枠内のうち、20μm×20μmの測定範囲を任意に5か所選択して、それらの各々においてラメラ組織が占める面積の割合を測定し、それらを算術平均することで求めることができる。なお、図3(a)、(b)は共にAu−20質量%Sn合金においてラメラ組織が断面の25%以下を占める場合を示している。   The measurement of the area occupied by the lamellar structure in the cross section of the solder alloy can be calculated by the area calculation function attached to the metal microscope. For example, out of a 0.20 mm x 0.20 mm rectangular frame taken with a micrograph, arbitrarily select five measurement ranges of 20 μm x 20 μm, and the ratio of the area occupied by the lamellar tissue in each of them It can be determined by measuring and arithmetically averaging them. FIGS. 3A and 3B show a case where the lamellar structure occupies 25% or less of the cross section in the Au-20 mass% Sn alloy.

このように、はんだ合金の断面のうちラメラ構造が占める割合を25%以下に抑えることにより、良好な濡れ性が得られ、かつ実質的にはんだ接合に寄与するはんだ体積をほぼ完全に維持できるので、高い接合信頼性を有するはんだ合金を提供することができる。はんだ合金の断面においてラメラ構造の占める割合を25%以下にする方法としては、熱処理条件や加工速度等で制御することにより行うことができる。   In this way, by controlling the ratio of the lamellar structure in the cross section of the solder alloy to 25% or less, good wettability can be obtained, and the solder volume that substantially contributes to solder bonding can be maintained almost completely. A solder alloy having high joint reliability can be provided. The ratio of the lamellar structure in the cross section of the solder alloy can be 25% or less by controlling the heat treatment conditions and the processing speed.

具体的には、鋳造時に徐冷したり、圧延加工時の温度を高めにしたりすることによって縞を構成する各帯状部を幅広にしたり、円形や楕円形の島状部の大きさを大きくしたりでき、これによりほぼ均一にそろった細かなラメラ組織の割合を少なく、すなわち粗いまだら模様が多い金属組織を得ることができる。これは、急冷すれば結晶が微細化してより細かいラメラ組織を得ることができるのに対して、徐冷すると結晶粒径が大きくなるからである。なお、この好ましいはんだ合金の組織の範囲は実際の生産ラインにおいて、経験的、実験的に得られた数値である。次に、本発明の実施形態のはんだ合金の組成について説明する。   Specifically, by gradually cooling at the time of casting or by increasing the temperature at the time of rolling, each strip portion constituting the stripe is widened, or the size of the circular or elliptical island portion is increased. As a result, it is possible to obtain a metal structure having a small ratio of fine lamella structures that are almost uniform, that is, a rough and mottled pattern. This is because, when cooled rapidly, the crystal becomes finer and a finer lamella structure can be obtained, whereas when cooled slowly, the crystal grain size increases. The preferable range of the structure of the solder alloy is a numerical value obtained experimentally and experimentally in an actual production line. Next, the composition of the solder alloy of the embodiment of the present invention will be described.

<Au>
Auは本発明のはんだ合金の主成分を構成する必須の元素である。Auは非常に酸化しづらい性質を有しているため、高い信頼性が要求される電子部品類の接合用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。本発明の実施形態のはんだ合金においてはAuを主成分とすることで、水晶デバイスやSAWフィルターの封止用などの高信頼性を要求される用途に特に適したはんだを提供することができる。このAuを主成分とするはんだ合金により優れた濡れ性および接合時のはんだ体積の維持の機能を付加するため、前述したように熱処理等による金属組織の制御を行っている。
<Au>
Au is an essential element constituting the main component of the solder alloy of the present invention. Since Au has a property that is very difficult to oxidize, it is most suitable in terms of characteristics as a solder for joining and sealing of electronic parts that require high reliability. In the solder alloy according to the embodiment of the present invention, by using Au as a main component, it is possible to provide a solder that is particularly suitable for applications requiring high reliability, such as for sealing crystal devices and SAW filters. In order to add excellent wettability and the function of maintaining the solder volume at the time of joining to the solder alloy containing Au as a main component, the metal structure is controlled by heat treatment or the like as described above.

<Sn>
Snは本発明のはんだにおいてAuと共に基本をなす必須の元素である。Au−Snはんだ合金は、共晶点であるAu−20質量%Sn付近の組成で通常使用され、これにより固相線温度が280℃で安定し、均一な濡れ性が得られる。本発明の実施形態のはんだ合金も、Au−20質量%Snを基本にすべく、Snの含有量を18.5質量%以上23.5%以下、好ましくは19.0質量%以上22.8%以下とし、残部を製造上、不可避的に含まれる元素を除きAuとしている。上記範囲内の組成において適切な製造条件を選択すれば、好ましい金属組織が得られる。
<Sn>
Sn is an essential element that forms the basis together with Au in the solder of the present invention. The Au—Sn solder alloy is usually used with a composition in the vicinity of Au-20 mass% Sn, which is the eutectic point, whereby the solidus temperature is stabilized at 280 ° C. and uniform wettability is obtained. The solder alloy according to the embodiment of the present invention is based on Au-20 mass% Sn, so that the Sn content is 18.5 mass% or more and 23.5 mass% or less, preferably 19.0 mass% or more and 22.8 mass%. %, And the balance is Au except for elements inevitably included in the production. If an appropriate production condition is selected in the composition within the above range, a preferable metal structure can be obtained.

Sn18.5質量%未満の場合またはSn23.5質量%を超えた場合は、亜共晶や過共晶となるため、初晶が発生してラメラ組織と混在し、製造条件を調整しても良好な濡れ性等を有するはんだ合金は得られない。当然、再溶解後の凝固時、生成される各合金でそれぞれの融点の違いから部分的に溶けが早い部分や遅い部分が出来てしまう。このため、濡れ性にばらつきが出たり、個々に濡れ広がる部分や濡れ難くなる部分が存在することになる。例えば、リング状のAu−Snはんだ合金を溶融すると波状にAu−Snはんだが広がることがあり一定の体積確保がしづらくなることがありはんだとしての信頼性が確保出来ないことがある。このために上記組成範囲が必要となるのである。   When Sn is less than 18.5% by mass or exceeds Sn23.5% by mass, it becomes hypoeutectic or hypereutectic, so that primary crystals are generated and mixed with lamellar structures, and the production conditions are adjusted. A solder alloy having good wettability cannot be obtained. Naturally, when solidifying after remelting, each alloy produced has a part that is partly fast or slow due to the difference in melting point. For this reason, there are variations in wettability, and there are portions that spread individually and are difficult to wet. For example, when a ring-shaped Au—Sn solder alloy is melted, the Au—Sn solder may spread in a wave shape, and it may be difficult to ensure a certain volume, and reliability as a solder may not be ensured. For this reason, the above composition range is required.

上記で説明したはんだ合金は、真空溶解および鋳造後、温間圧延、アトマイズ、またはプレス等の加工法により、はんだ形状を枠状、シート状、リボン状、またはボール状等に成形することができる。各種の形状に成形されたはんだ合金は、気密性が要求される水晶デバイス、SAWフィルター、またはMEMS等の電子装置の接合に用いられる。   The solder alloy described above can be formed into a frame shape, a sheet shape, a ribbon shape, a ball shape, or the like by a processing method such as warm rolling, atomizing, or pressing after vacuum melting and casting. . Solder alloys molded into various shapes are used for joining electronic devices such as quartz devices, SAW filters, or MEMS that require airtightness.

Snの含有率やはんだ断面においてラメラ構造の占める割合が異なる複数のAu−Snはんだ合金試料を作製してそれらの濡れ性や信頼性について評価を行った。具体的には、まず原料としてそれぞれ純度99.999質量%以上のAuおよびSn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、これら原料から所定量を秤量して入れた。   A plurality of Au—Sn solder alloy samples having different lamella structure ratios in the Sn content and the solder cross section were prepared, and their wettability and reliability were evaluated. Specifically, Au and Sn having a purity of 99.999% by mass or more were prepared as raw materials. Large flakes and bulk-shaped raw materials were cut and pulverized, etc. so as to be uniform with no variation in composition depending on the sampling location in the alloy after melting, and were reduced to a size of 3 mm or less. Next, a predetermined amount of these raw materials was weighed into a graphite crucible for a high-frequency melting furnace.

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。   The crucible containing the raw material was placed in a high-frequency melting furnace, and nitrogen was flowed at a flow rate of 0.7 L / min or more per 1 kg of the raw material in order to suppress oxidation. In this state, the melting furnace was turned on to heat and melt the raw material. When the metal began to melt, it was stirred well with a mixing rod and mixed uniformly so as not to cause local compositional variations. After confirming sufficient melting, the high frequency power supply was turned off, the crucible was quickly removed, and the molten metal in the crucible was poured into the solder mother alloy mold.

鋳型には、圧延用には厚さ3mm×幅40mm×長さ150mmの板状の合金が得られるものを使用し、アトマイズ用には直径19mmの円柱状の合金が得られるものを使用した。なお、圧延用の鋳型には急冷用のジャケットを取り付け、そこに供給する冷却水の水量を試料ごとに様々に変えることによってラメラ構造の占める割合が異なるようにした。このようにして組成や金属組織が互いに異なる試料1〜43のはんだ母合金を作製した。これらの試料1〜43の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。   As the mold, one that can obtain a plate-like alloy having a thickness of 3 mm, a width of 40 mm, and a length of 150 mm was used for rolling, and a mold that was used to obtain a columnar alloy having a diameter of 19 mm was used. In addition, a rapid cooling jacket was attached to the rolling mold, and the ratio of the lamella structure was varied by changing the amount of cooling water supplied to the sample in various ways. In this way, solder mother alloys of Samples 1 to 43 having different compositions and metal structures were produced. The solder mother alloys of Samples 1 to 43 were subjected to composition analysis using an ICP emission spectroscopic analyzer (SHIMAZU S-8100).

次に、板状に加工するものについては、圧延加工時の板材の引出し速度を試料ごとに様々に変えてラメラ構造の占める割合が異なるようにした。一方、アトマイズでボール状に加工するものについては、不活性ガス中でアニールを行う際にアニール温度とアニール時間を試料ごとに様々に変えてラメラ構造の占める割合が異なるようにした。   Next, with respect to what is processed into a plate shape, the ratio of the lamella structure is varied by changing the drawing speed of the plate material during the rolling process for each sample. On the other hand, in the case of processing into a ball shape by atomization, when annealing is performed in an inert gas, the annealing temperature and annealing time are changed for each sample so that the proportion of the lamella structure is different.

具体的に説明すると、試料1〜9、19〜33、40〜43の各はんだ母合金は、温間圧延機を用いてリボン状に加工した。その際、溶解鋳造工程に加えて、温間圧延工程でも金属組織の調整を行った。具体的には、準備した厚さ3mm×幅40mm×長さ150mmの板状母合金試料を温間圧延機で圧延した。圧延時の温度(ロール温度)は120〜260℃、圧延速度は0.5〜4m/分として、試料に加わる熱と時間を調整することによって金属組織を調整した。そしてそれぞれの試料を30.0±1.5μmの厚さになるように圧延した。このように、圧延時の温度、圧延速度を制御して、試料に加わる熱と時間を調整することによって金属組織を調整した。   If it demonstrates concretely, each solder mother alloy of samples 1-9, 19-33, and 40-43 was processed into the ribbon shape using the warm rolling mill. At that time, in addition to the melt casting process, the metal structure was also adjusted in the warm rolling process. Specifically, the prepared plate-shaped mother alloy sample having a thickness of 3 mm, a width of 40 mm, and a length of 150 mm was rolled with a warm rolling mill. The temperature during rolling (roll temperature) was 120 to 260 ° C., the rolling speed was 0.5 to 4 m / min, and the metal structure was adjusted by adjusting the heat and time applied to the sample. Each sample was rolled to a thickness of 30.0 ± 1.5 μm. Thus, the metal structure was adjusted by controlling the temperature and rolling speed during rolling and adjusting the heat and time applied to the sample.

一方、試料10〜18、34〜39の各母合金(直径27mmの円柱状)は、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520℃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。得られた各試料ボール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45℃−2時間の乾燥を行った。さらに各はんだ試料の金属組織を制御するため、窒素ガス中でアニール温度40〜250℃、アニール時間3〜120分の条件でアニールを行った。   On the other hand, each mother alloy (cylindrical shape with a diameter of 27 mm) of Samples 10 to 18 and 34 to 39 was put into a nozzle of a submerged atomizer, and this nozzle was heated to 250 ° C. above the quartz tube containing oil (250 ° C.). Set in the high frequency melting coil). The mother alloy in the nozzle was heated to 520 ° C. by high frequency and held for 5 minutes, and then atomized by applying pressure to the nozzle with an inert gas to obtain a ball-shaped solder alloy. The ball diameter was set to 0.30 mm, and the nozzle tip diameter was adjusted in advance. Each of the obtained sample balls was washed with ethanol three times, and then dried in a vacuum dryer at 45 ° C. for 2 hours. Furthermore, in order to control the metal structure of each solder sample, annealing was performed in nitrogen gas under conditions of an annealing temperature of 40 to 250 ° C. and an annealing time of 3 to 120 minutes.

このようにして得たはんだ合金試料1〜43に対してキーエンス製のデジタルマイクロスコープ(VHX−900)を用いて断面に占めるラメラ組織の面積を求めた。その際、縞状のラメラ組織は縞を構成する各帯状部の幅が0.01μm以上0.75μm以下のものに限定し、円状もしくは楕円状のラメラ組織は円状の場合は直径の長さが、楕円状の場合は短径の長さが0.01μm以上0.75μm以下のものに限定した。また、断面の方向は、リボン状のものについてはその厚み方向に平行な断面とし、ボール状のものについてはその中心部を通る任意の断面とした。その分析結果を前述した組成分析の結果と共に下記の表1および表2に示す。   The area of the lamellar structure occupying the cross section of the solder alloy samples 1 to 43 thus obtained was determined using a Keyence digital microscope (VHX-900). At that time, the striped lamellar structure is limited to a width of each band-shaped portion constituting the stripe of 0.01 μm or more and 0.75 μm or less, and a circular or elliptical lamellar structure has a long diameter when it is circular. However, in the case of an ellipse, the length of the minor axis was limited to 0.01 μm or more and 0.75 μm or less. Moreover, the direction of the cross section was a cross section parallel to the thickness direction of the ribbon-shaped one, and an arbitrary cross section passing through the center of the ball-shaped one. The analysis results are shown in Table 1 and Table 2 below together with the results of the composition analysis described above.

次に、上記のリボン状の試料のうち試料1〜9、28〜33について、プレス機でプレス用オイルを供給しながら1.0mm×1.0mmの四角形状に打抜いてプリフォーム材(打抜き品)を作り、その後、打ち抜いた試料をアルコールで洗浄し、40℃真空中で2時間乾燥し、打抜き品を製造し、濡れ広がり性の評価を行った。また、リボン状の試料のうち試料19〜27、40〜43について、プレス機で外寸1.5mm×2.0mm、枠幅150μmの枠形状に打抜いて、打抜き品を作り、封止性および信頼性の評価を行った。また、ボール状の試料は真円度の評価を行った。これらの評価方法について以下具体的に説明する。   Next, among the ribbon-shaped samples, samples 1 to 9, 28 to 33 were punched into a 1.0 mm × 1.0 mm square shape while supplying pressing oil with a press machine, and the preform material (punched) After that, the punched sample was washed with alcohol, dried in a vacuum at 40 ° C. for 2 hours, a punched product was manufactured, and wet spreadability was evaluated. In addition, samples 19 to 27 and 40 to 43 among the ribbon-shaped samples are punched into a frame shape having an outer size of 1.5 mm × 2.0 mm and a frame width of 150 μm with a press machine, thereby producing punched products and sealing properties. And the reliability was evaluated. Further, the roundness of the ball-like sample was evaluated. These evaluation methods will be specifically described below.

<濡れ広がり性評価1>
四角形状の打抜き品に対して、基板と試料を接合した部分的に濡れ広がりが無いかなどを評価基準として濡れ広がり性の評価1とした。具体的には濡れ性試験機(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。
<Wet spreadability evaluation 1>
With respect to the rectangular punched product, the wet spreadability evaluation 1 was made based on the evaluation criteria such as whether the substrate and the sample were not partially wet spread. Specifically, a wettability tester (device name: atmosphere control type wettability tester) is started, a double cover is applied to the heater part to be heated, and nitrogen gas is supplied from four locations around the heater part to 12 L / min. Flowed at a flow rate. Thereafter, the heater was set to a temperature higher than the melting point by 50 ° C. and heated.

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、次に四角形状のはんだ試料を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。   After the heater temperature is stabilized at the set value, a Cu substrate (plate thickness: 0.3 mm) plated with Ni (film thickness: 3.0 μm) is set in the heater section and heated for 25 seconds, and then a rectangular solder sample Was placed on a Cu substrate and heated for 25 seconds. After the heating was completed, the Cu substrate was picked up from the heater part, once installed in a place where the nitrogen atmosphere next to it was maintained, cooled, and after sufficiently cooled, taken out into the atmosphere.

このようにして接合した接合体について、図4(a)に示すようにはんだ試料3とCu基板1とがきちんと接合して、かつ四角形状を保っていた場合を「○」、図4(b)に示すように接合前の四角形状を留めずCu基板1上で部分的に濡れ広がってはみ出し部3aが生じた場合、基板がはんだをはじいて部分的に接合できなかった場合、または接合できなかった場合を「×」と評価した。   As for the joined body joined in this way, as shown in FIG. 4A, the case where the solder sample 3 and the Cu substrate 1 are properly joined and the square shape is maintained is “◯”, and FIG. ) When the protruding portion 3a is generated by partially spreading out on the Cu substrate 1 without retaining the rectangular shape before bonding, or when the substrate cannot be partially bonded by repelling the solder or can be bonded. The case where there was not was evaluated as "x".

<打抜き品(枠形状)の接合信頼性評価1(封止性)>
枠状の打抜き品に対して、はんだ合金による封止性を確認するため、図5に示す形状の封止用容器4と封止用蓋5とを各はんだ合金試料で封止した。封止には簡易ダイボンダー(ウウェストボンド社製、MODEL:7327C)を用い、窒素フロー中(8L/分)、融点より50℃高い温度で30秒保持し、その後、窒素フローされたサイドボックスで室温まで十分に冷却し、その後、封止体を大気中に取り出した。このようにして準備した各封止体を水中に2時間浸漬し、その後、水中から封止体を取り出し、解体してリーク状態を確認した。解体した封止体内部に水が入っていた場合はリークがあったと判断し、封止性の評価として「×」とした。このようなリークが無かった場合を「○」と評価した。
<Joint reliability evaluation 1 (sealing property) of punched product (frame shape)>
In order to confirm the sealing performance by the solder alloy with respect to the frame-shaped punched product, the sealing container 4 and the sealing lid 5 having the shape shown in FIG. 5 were sealed with each solder alloy sample. A simple die bonder (Model: 7327C, manufactured by Westwest Bond) is used for sealing, and is kept in a nitrogen flow (8 L / min) for 30 seconds at a temperature 50 ° C. higher than the melting point. After sufficiently cooling to room temperature, the sealing body was taken out into the atmosphere. Each sealing body prepared in this way was immersed in water for 2 hours, and then the sealing body was taken out from the water and disassembled to confirm a leak state. When water was contained in the disassembled sealing body, it was determined that there was a leak, and “×” was evaluated as the sealing performance evaluation. The case where there was no such leak was evaluated as “◯”.

<打抜き品(枠形状)の接合信頼性評価2(ヒートサイクル試験)>
枠状の打抜き品に対して、はんだ接合の信頼性を評価するため、ヒートサイクル試験を行った。なお、この試験は、上記接合信頼性評価1と同様にして得たはんだ合金で封止した封止体を用いて行った。まず、各封止体に対して、−40℃の冷却と250℃の加熱とを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、ヒートサイクル試験を行った各封止体を水中に2時間浸漬し、その後、水中から封止体を取り出し、解体してリーク状態を確認した。解体した封止体内部に水が入っていた場合はリークがあったと判断し、封止性の評価として「×」とした。このようなリークが無かった場合を「○」と評価した。
<Joint Reliability Evaluation 2 (Heat Cycle Test) for Stamped Products (Frame Shape)>
A heat cycle test was performed on the frame-shaped punched product in order to evaluate the reliability of solder bonding. In addition, this test was done using the sealing body sealed with the solder alloy obtained similarly to the said joint reliability evaluation 1. FIG. First, for each sealing body, cooling at −40 ° C. and heating at 250 ° C. were taken as one cycle, and this was repeated for a predetermined cycle. Then, each sealing body which performed the heat cycle test was immersed in water for 2 hours, then, the sealing body was taken out from the water, disassembled, and the leak state was confirmed. When water was contained in the disassembled sealing body, it was determined that there was a leak, and “×” was evaluated as the sealing performance evaluation. The case where there was no such leak was evaluated as “◯”.

<ボールの濡れ性の評価2(接合体の縦横比の測定)>
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。
<Evaluation of ball wettability 2 (measurement of aspect ratio of joined body)>
A wettability tester (device name: atmosphere control type wettability tester) was started, a double cover was applied to the heater part to be heated, and nitrogen gas was allowed to flow from four locations around the heater part at a flow rate of 12 L / min. . Thereafter, the heater was set to a temperature higher than the melting point by 50 ° C. and heated. After the heater temperature has stabilized at the set value, a Cu substrate (plate thickness: 0.3 mm) plated with Ni (film thickness: 3.0 μm) is set in the heater and heated for 25 seconds, and then a ball-shaped solder alloy Was placed on a Cu substrate and heated for 25 seconds. After the heating was completed, the Cu substrate was picked up from the heater part, once installed in a place where the nitrogen atmosphere next to it was maintained, cooled, and after sufficiently cooled, taken out into the atmosphere.

得られた接合体は、図6に示すようにCu基板のNi層2の表面にはんだ合金試料3が濡れ広がった形態になっており、その縦横比を求めた。具体的には、図6に示す最大のはんだ濡れ広がり長さの長径をX1と、最小のはんだ濡れ広がり長さ短径X2とを測定し、X1をX2で除して縦横比を算出した。この縦横比が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て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、接合不良や場合によっては接合できなかったりしてしまう。接合体の縦横比の測定結果を上記した濡れ広がり性評価1、接合信頼性評価1および接合信頼性評価2と共に下記の表3および表4に示す。   As shown in FIG. 6, the obtained joined body had a form in which the solder alloy sample 3 was wet spread on the surface of the Ni layer 2 of the Cu substrate, and the aspect ratio was obtained. Specifically, the major axis of the maximum solder wetting spread length shown in FIG. 6 was measured as X1 and the minimum solder wetting spread length minor axis X2, and the aspect ratio was calculated by dividing X1 by X2. It can be judged that the closer the aspect ratio is to 1, the more wetting and spreading in a circular shape on the substrate, and the better the wetting and spreading property. As it becomes larger than 1, the wetting and spreading shape deviates from the circle, the movement distance of the molten solder varies, the reaction becomes non-uniform, and the thickness of the alloy layer and the component variation increase, resulting in uniform and good bonding Will not be able to. Furthermore, it spreads so that a lot of solder flows in a certain direction, and a portion where the amount of solder is excessive and a portion where there is no solder are formed. The measurement results of the aspect ratio of the joined body are shown in the following Tables 3 and 4 together with the above-described wettability evaluation 1, joint reliability evaluation 1, and joint reliability evaluation 2.

上記表3および表4から分かるように、本発明の要件を満たしている試料1〜27のはんだ母合金は、各評価項目において良好な特性を示している。つまり、濡れ広がり性評価1(はんだのはみ出しやはじき)、濡れ広がり性2(縦横比)、接合信頼性評価1(封止性)、接合信頼性評価2(ヒートサイクル試験)において全て良好な結果となった。このように良好な結果が得られた理由としては、はんだ合金試料が本発明の組成範囲内であり、かつ所定の断面に占めるラメラ組織の割合が25%以下であったっためであると考えられる。   As can be seen from Tables 3 and 4 above, the solder mother alloys of Samples 1 to 27 that satisfy the requirements of the present invention show good characteristics in each evaluation item. In other words, all results were satisfactory in Wetting Spreadability Evaluation 1 (extruding and repelling of solder), Wetting Spreadability 2 (aspect ratio), Bonding Reliability Evaluation 1 (sealing property), and Bonding Reliability Evaluation 2 (heat cycle test). It became. The reason why such a good result was obtained is considered to be that the solder alloy sample is within the composition range of the present invention and the ratio of the lamellar structure occupying the predetermined cross section is 25% or less.

一方、本発明の要件を満たしていない比較例の試料28〜43のはんだ合金は、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。従来から一般的に使用されているAu−20Sn質量%である試料32、33、42、43においては、金属組織が好ましい範囲に制御された本発明の要件を満たしている試料に比べて濡れ広がり性等が劣る結果となった。なお、Au−20Sn質量%である試料32、33、42、43は従来のAu−Snはんだ合金と同程度の性能を示している。これらは、市場における要求が高まるにつれてさらに優れた特性が求められている。   On the other hand, the solder alloys of Samples 28 to 43 of Comparative Examples not satisfying the requirements of the present invention resulted in undesirable results in at least any of the characteristics. In the samples 32, 33, 42, and 43, which are Au-20Sn mass% generally used from the past, the wetting spread compared to the sample satisfying the requirements of the present invention in which the metal structure is controlled within a preferable range. The result was inferior. In addition, the samples 32, 33, 42, and 43 that are Au-20Sn% by mass show the same performance as the conventional Au-Sn solder alloy. These are required to have better properties as the market demand increases.

1 Cu基板
2 Ni層
3 はんだ合金試料
3a はみ出し部
4 封止用容器
5 封止用蓋
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cu board | substrate 2 Ni layer 3 Solder alloy sample 3a Overhang | projection part 4 Sealing container 5 Sealing lid

Claims (6)

Snを18.5質量%以上23.5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から構成されるAu−Sn系はんだ合金であって、その断面の面積の25%以下が、縞状のラメラ組織および/または円状もしくは楕円状のラメラ組織からなる金属組織で占められていることを特徴とするAu−Sn系はんだ合金。   It is an Au-Sn solder alloy containing 18.5 mass% or more and 23.5 mass% or less of Sn, and the balance is composed of Au except for elements inevitably included in production, and 25% of the cross-sectional area thereof An Au—Sn based solder alloy characterized in that the following is occupied by a striped lamellar structure and / or a metal structure composed of a circular or elliptical lamellar structure. 前記縞状のラメラ組織を構成する各帯状部の幅が0.01μm以上0.75μm以下であり、前記円状もしくは楕円状のラメラ組織は円状の場合は直径の長さが、楕円状の場合は短径の長さが0.01μm以上0.75μm以下であることを特徴とする、請求項1に記載のAu−Sn系はんだ合金。   The width of each band-shaped portion constituting the striped lamellar structure is 0.01 μm or more and 0.75 μm or less. When the circular or elliptical lamellar structure is circular, the length of the diameter is elliptical. 2. The Au—Sn solder alloy according to claim 1, wherein the length of the minor axis is 0.01 μm or more and 0.75 μm or less. 前記Snが19.0質量%以上22.8質量%以下含まれることを特徴とする、請求項1または2に記載のAu−Sn系はんだ合金。   The Au-Sn solder alloy according to claim 1 or 2, wherein the Sn is contained in an amount of 19.0 mass% or more and 22.8 mass% or less. はんだ合金の形状が枠状、シート状、リボン状、またはボール状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Au−Sn系はんだ合金。   The Au—Sn solder alloy according to claim 1, wherein the solder alloy has a frame shape, a sheet shape, a ribbon shape, or a ball shape. 請求項1〜3のいずれかに記載のAu−Sn系はんだ合金を用いて封止したことを特徴とする電子装置。   An electronic device sealed with the Au—Sn solder alloy according to claim 1. 請求項5の電子装置を搭載していることを特徴とする電子機器。   An electronic apparatus comprising the electronic device according to claim 5.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2016074011A (en) * 2014-10-08 2016-05-12 住友金属鉱山株式会社 Au-Ge SOLDER ALLOY HAVING CONTROLLED METALLOGRAPHIC STRUCTURE

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