JP2016068091A - BALL-SHAPED Au-Sn-Ag SOLDER ALLOY, ELECTRONIC COMPONENT SEALED BY USING THE BALL-SHAPED Au-Sn-Ag SOLDER ALLOY, AND ELECTRONIC COMPONENT MOUNTED DEVICE - Google Patents

BALL-SHAPED Au-Sn-Ag SOLDER ALLOY, ELECTRONIC COMPONENT SEALED BY USING THE BALL-SHAPED Au-Sn-Ag SOLDER ALLOY, AND ELECTRONIC COMPONENT MOUNTED DEVICE Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a high-temperature Pb-freed ball-shaped Au-Sn-Ag solder alloy excellent in wet extending property and bondability, excellent in workability and stress relaxation, having a melting point of about 300°C, and far less inexpensive than that of the existing Au-group solder.SOLUTION: A ball-shaped Au-Sn-Ag solder alloy is characterized: in that the shape has an aspect ratio ("the longer diameter divided by the shorter diameter, or the longer side divided by the shorter side", ibid.) of 1.00 to 1.20; in that Sn is contained 42.0 mass % or more and 50.0 mass % or less; in that Ag is contained 2.0 mass % or more and 9.0 mass % or less, and in that the remainder is made of Au excepting an inevitably contained element.SELECTED DRAWING: Figure 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とSn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。   The present invention relates to a ball-shaped lead-free solder alloy for high temperature, and relates to a ball-shaped solder alloy mainly composed of Au and Sn, an electronic component sealed using the solder alloy, and the like.

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。   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. Lead has been used as a main component in solder materials for a long time, but it has already been a regulated substance under the Rohs Directive. For this reason, the development of solder not containing lead (Pb) (hereinafter referred to as lead-free solder or lead-free solder) has been actively conducted.

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。   Solders used when bonding electronic components to a substrate are roughly classified into high temperature (about 260 ° C. to 400 ° C.) and medium / low temperature (about 140 ° C. to 230 ° C.) depending on the limit temperature of use. As for the solder for medium and low temperature, lead-free solder has been put into practical use, which contains Sn as a main component.

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。   For example, as a lead-free solder material for medium and low temperatures, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-77366 shown in Patent Document 1 includes Sn as a main component, Ag of 1.0 to 4.0% by weight, and Cu of 2.0. A lead-free solder alloy composition containing no more than wt%, Ni no more than 1.0 wt% and P no more than 0.2 wt% is described. Japanese Patent Laid-Open No. 8-215880 shown as Patent Document 2 has an alloy composition containing 0.5 to 3.5% by weight of Ag, 0.5 to 2.0% by weight of Cu, and the balance being Sn. Lead-free solder is described.

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。   On the other hand, various organizations have also developed lead-free solder materials for high temperatures. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 2002-160089 shown as Patent Document 3 describes a Bi / Ag brazing material having a melting temperature of 350 ° C. to 500 ° C. containing 30 to 80 at% Bi. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-161913 shown as Patent Document 4 describes a solder alloy in which a binary eutectic alloy is added to a Bi-chang alloy containing Bi and an additional element is further added. Although it is a quaternary or higher multi-component solder, the liquidus temperature can be adjusted and variations can be reduced.

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。   Further, as an expensive high temperature lead-free solder material, an Au—Sn alloy, an Au—Ge alloy, or the like has already been used in an electronic component mounting apparatus such as a crystal device, a SAW filter, and a MEMS. An Au-20 mass% Sn alloy (meaning composed of 80 mass% Au and 20 mass% Sn, the same applies hereinafter) has a eutectic point composition and a melting point of 280 ° C. On the other hand, Au-12.5 mass% Ge alloy also has a eutectic point composition, and its melting point is 356 ° C.

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共晶温度が280℃であるAu−Sn合金を用いる。そして、比較的高い温度の場合には共晶温度が356℃ であるAu−Ge合金を用いる。   The use of the Au—Sn alloy and the Au—Ge alloy depends on the difference in melting point. That is, an Au—Sn alloy having a eutectic temperature of 280 ° C. is used when it is used for bonding at a relatively low temperature even for high temperatures. When the temperature is relatively high, an Au—Ge alloy having a eutectic temperature of 356 ° C. is used.

また、環境面に配慮してPb系はんだを使用せずにAu系合金を使用するとしても、Au系合金はPb系はんだやSn系はんだに比較し非常に硬い。特にAu−Ge合金はGeが半金属であることから加工することが非常に難しい。また、Au−Sn合金もAu−Ge合金ほどではないにしても加工しづらく、加工時の生産性や収率は悪い。したがって、Au系合金はPb系はんだやSn系はんだに比較して非常に硬く、ボール状はんだ合金とするのは難しい。   Even if an Au alloy is used instead of a Pb solder in consideration of the environment, the Au alloy is much harder than the Pb solder or the Sn solder. In particular, an Au—Ge alloy is very difficult to process because Ge is a metalloid. Moreover, even if the Au—Sn alloy is not as good as the Au—Ge alloy, it is difficult to process, and the productivity and yield at the time of processing are poor. Therefore, Au-based alloys are very hard compared to Pb-based solders and Sn-based solders, and it is difficult to make ball-shaped solder alloys.

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に示すAu−Sn−Ag系はんだ合金が開発されている。
Moreover, of course, in the case of Au-20 mass% Sn alloy or Au-12.5 mass% Ge alloy, the material cost is much higher than that of other solder materials.
Therefore, for example, an Au—Sn—Ag solder alloy disclosed in Patent Document 5 has been developed for the purpose of making the Au—Sn alloy inexpensive and easier to use.

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。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-155221 shown as Patent Document 5 aims to provide a brazing material and a piezoelectric device that are relatively easy to handle with a low melting point, excellent in strength and adhesion, and inexpensive.
The composition ratio (Au (wt%), Ag (wt%), Sn (wt%))
In the ternary composition diagram of Au, Ag, and Sn,
Point A1 (41.8, 7.6, 50.5),
Point A2 (62.6, 3.4, 34.0),
Point A3 (75.7, 3.2, 21.1),
Point A4 (53.6, 22.1, 24.3),
Point A5 (30.3, 33.2, 36.6)
The brazing material in the area surrounded by is described.

一方、特許文献6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7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。   On the other hand, Japanese Patent Laid-Open No. 2011-198777 shown as Patent Document 6 describes a non-Au-based lead-free solder alloy such as a ball-shaped Sn—Ag—Cu alloy, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-235342 shown as Patent Document 7. The publication describes a sheet-like, wire-like, or ball-like non-Au-based lead-free Zn-based solder alloy.

特開平11−77366号公報JP-A-11-77366 特開平8−215880号公報JP-A-8-215880 特開2002−160089号公報JP 2002-160089 A 特開2008−161913号公報JP 2008-161913 特開2008−155221号公報JP 2008-155221 A 特開2011−198777号公報JP 2011-198777 A 特開2011−235342号公報JP 2011-235342 A

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。   Although high-temperature lead-free solder materials have been developed by various organizations other than the above cited references, a low-cost and versatile solder material has not yet been found. In other words, since materials having relatively low heat resistance such as thermoplastic resins and thermosetting resins are generally used for electronic parts and substrates, the working temperature must be less than 400 ° C., preferably 370 ° C. or less. There is. However, for example, in the Bi / Ag brazing material disclosed in Patent Document 3, since the liquidus temperature is as high as 400 to 700 ° C., the working temperature at the time of joining is 400 to 700 ° C. or higher, It will exceed the heat resistance temperature of the substrate.

また、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。その上、Au−Sn合金の共晶温度は280℃でありAu−Ge合金の共晶温度は356℃あってこの間の融点を持つはんだはPb系はんだしかなかった。   In addition, in the case of Au-Sn solder and Au-Ge solder, a large amount of very expensive Au is used, so it is very expensive compared to general-purpose Pb solder and Sn solder, etc. Although being used, the range of use is limited to the use of crystal devices, SAW filters, and soldering where particularly high reliability is required, such as MEMS. In addition, the eutectic temperature of the Au—Sn alloy was 280 ° C., the eutectic temperature of the Au—Ge alloy was 356 ° C., and the only solder having a melting point during this period was Pb-based solder.

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ち抜き材への加工、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。   In addition, Au-based solder is very hard and difficult to process. Specifically, it is difficult to process ribbon materials that require a rolling process, punch materials that require pressing, and ball shapes that require high sphericity and surface oxidation suppression. It is very difficult to form a ball-shaped solder alloy that can obtain good wet spreading and adhesion.

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。   Furthermore, in order to solve such poor workability, a contrivance such as solder paste of Au-based solder has been devised, but it causes new problems such as generation of voids and further cost increase.

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に示すAu−Sn−Ag系はんだ合金にも次のような課題がある。   On the other hand, the Au—Sn—Ag solder alloy shown in Patent Document 5 developed for the purpose of solving various problems of Au solder including the above melting point, workability, cost, etc. There is a problem like this.

特許文献5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、特許文献5には強度や接着性が向上する理由について述べられていない。強度に関しては、「Au又はAgと固溶体を形成し、バルクの融点が400℃以上である金属元素を、0.1wt%以上3%wt以下含有する構成としてもよい。このような構成とすれば、ろう材の融点と硬さを上昇させ、耐熱性及び機械強度に優れるろう材が得られる。」との記載があるがどのようなメカニズムで強度が向上するかの説明が一切なく、発明が不明瞭である。また接着性(接合性や濡れ性のことと解釈できる)の向上する理由については一切記載がなく、このことから特許文献5のはんだ合金が有する接着性は一般的に使用されているはんだ合金と同じ程度であると思われる。   Patent Document 5 describes that a brazing material and a piezoelectric device that are relatively easy to handle with a low melting point, excellent in strength and adhesion, and inexpensive are provided. Furthermore, as described above, by limiting the composition range of Au, Sn, and Ag, it is possible to obtain the same characteristics as a sealing material while reducing the Au content as compared with the conventional one. It has been. However, Patent Document 5 does not describe the reason why the strength and adhesiveness are improved. Regarding strength, “a solid solution with Au or Ag may be formed, and a metal element having a bulk melting point of 400 ° C. or higher may be contained in an amount of 0.1 wt% or more and 3% wt or less. , The melting point and the hardness of the brazing material are increased, and a brazing material having excellent heat resistance and mechanical strength is obtained. " It is unclear. Moreover, there is no description about the reason for improving the adhesiveness (which can be interpreted as bonding and wettability), and from this, the adhesiveness of the solder alloy of Patent Document 5 is generally different from that of a solder alloy used. It seems to be the same degree.

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6や特許文献7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。   On the other hand, the Au—Sn—Ag solder alloy is optimally formed into a ball shape in order to ensure good wetting and joining properties. Since the lead-free solder alloys shown in Patent Document 6 and Patent Document 7 are non-Au solder alloys, they can be easily processed and easily formed into a ball shape close to a true sphere. However, since the Au—Sn—Ag solder alloy is slightly harder to process than the non-Au solder alloy, the ball may be distorted. In a distorted shape, wetting and spreading properties are not stable, which causes poor bonding. Also, it is not stable during transportation. Furthermore, the amount of laser energy absorption is not stable and the molten state is not stable. Furthermore, it also causes solder scattering.

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、融点が300℃前後であって、その上特に濡れ広がり性と接合性に優れ、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。   The present invention has been made in view of such circumstances, and its object is to join electronic components and electronic component mounting apparatuses that require extremely high reliability, such as crystal devices, SAW filters, and MEMS. Can be used sufficiently, has a melting point of around 300 ° C., and also has excellent wettability and bondability, low cost, high workability, stress relaxation, and high temperature ball shape. It is to provide an Au—Sn—Ag based solder alloy.

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42.0質量%以上50.0質量%以下含有し、Agを2.0質量%以上9.0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。   Therefore, in order to achieve the above object, the ball-like Au—Sn—Ag solder alloy according to the present invention is a ball-like Au—Sn—Ag solder alloy having an aspect ratio (“major axis ÷ minor axis”). Or “long side / short side”. The same applies hereinafter) is 1.00 or more and 1.20 or less, Sn is contained in an amount of 42.0% by mass or more and 50.0% by mass or less, and Ag is 2 It is characterized by containing 0.0 mass% or more and 9.0 mass% or less, and the balance is made of Au except for elements inevitably included in production.

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Snを44.0質量%以上48.0質量%以下含有し、Agを3.0質量%以上7.0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。   In the present invention, the aspect ratio is 1.00 or more and 1.20 or less, Sn is contained 44.0% by mass or more and 48.0% by mass or less, and Ag is 3.0% by mass or more and 7.0% or less. It is preferable that it is made of Au except for elements which are contained by mass% or less and the remainder is inevitably included in production.

また、本発明においては、さらにAl、Cu、Ge、In、Mg、Ni、Sb、Zn及びPのいずれか1種以上を含有し、Alを含有する場合は0.01質量%以上0.8質量%以下、Cuを含有する場合は0.01質量%以上1.0質量%以下、Geを含有する場合は0.01質量%以上1.0質量%以下、Inを含有する場合は0.01質量%以上1.0質量%以下、Mgを含有する場合は0.01質量%以上0.5質量%以下、Niを含有する場合は0.01質量%以上0.7質量%以下、Sbを含有する場合は0.01質量%以上0.5質量%以下、Znを含有する場合は0.01質量%以上5.0質量%以下、Pを含有する場合は0.500質量%以下含有することが好ましい。   In the present invention, it further contains at least one of Al, Cu, Ge, In, Mg, Ni, Sb, Zn, and P. When Al is contained, 0.01 mass% or more and 0.8 % By mass or less, 0.01% by mass or more and 1.0% by mass or less when Cu is contained, 0.01% by mass or more and 1.0% by mass or less when Ge is contained, and 0. 01% by mass or more and 1.0% by mass or less, 0.01% by mass or more and 0.5% by mass or less when Mg is contained, 0.01% by mass or more and 0.7% by mass or less when Ni is contained, Sb 0.01 mass% or more and 0.5 mass% or less when containing Zn, 0.01 mass% or more and 5.0 mass% or less when containing Zn, and 0.500 mass% or less when containing P It is preferable to do.

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。   Moreover, the ball-shaped Au—Sn—Ag solder alloy according to the present invention has the above-mentioned ball-shaped Au—Sn—Ag solder alloy crushed from one direction, and the aspect ratio is more than 1.00 and not more than 1.50. It is characterized by that.

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。   On the other hand, an electronic component according to the present invention is characterized by being sealed using the above-mentioned ball-shaped Au—Sn—Ag solder alloy.

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。   An electronic component mounting apparatus according to the present invention is characterized in that an electronic component sealed using the above-described ball-shaped Au—Sn—Ag solder alloy is mounted.

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箇所に使用可能な融点が300℃前後である高温用Au系はんだ合金を、従来のAu系はんだよりも格段に安価に提供できる。さらには本発明のはんだ合金はAgSn金属間化合物とAuSn金属間化合物を基本とし、Au−20質量%Sn合金よりも柔軟な性質を持つため、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。 According to the present invention, a high-temperature Au-based solder alloy having a melting point of about 300 ° C. that can be used in places requiring extremely high reliability, such as quartz devices, SAW filters, and MEMS, It can be provided at a much lower price than solder. Furthermore, since the solder alloy of the present invention is based on Ag 3 Sn intermetallic compound and AuSn 2 intermetallic compound and has more flexible properties than Au-20 mass% Sn alloy, a ball-like high temperature lead-free solder alloy is used. It can be manufactured with high productivity and further cost reduction can be realized. In addition, by using a ball shape with an appropriate aspect ratio, it has excellent wet spreading properties and high bonding reliability. Accordingly, it is possible to provide a ball-shaped Au-based solder excellent in various characteristics, and the industrial contribution is extremely high.

Au−Sn−Ag系状態図である。なお、図においてAuSnはAuSn金属間化合物のことである。It is an Au-Sn-Ag system phase diagram. In the figure, AuSn is an Au 1 Sn 1 intermetallic compound. 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。It is the schematic diagram explaining the definition of the aspect ratio of the ball-shaped Au-Sn-Ag solder alloy whose ball shape is a football type. ボール形状が長楕円型であるボール状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。It is the schematic diagram explaining the definition of the aspect ratio of the ball-shaped Au-Sn-Ag solder alloy whose ball shape is an ellipse type. Ni層(めっき)を有するCu基板上に各試料のはんだ合金をはんだ付けした状態を示す濡れ性試験評価用試料の模式図である。It is a schematic diagram of the sample for wettability test evaluation which shows the state which soldered the solder alloy of each sample on Cu board | substrate which has Ni layer (plating). ボール状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。It is the schematic diagram explaining the definition of the aspect ratio regarding the wet spreading property of a ball-shaped Au-Sn-Ag solder alloy, Au-Sn solder alloy, or Au-Ge solder alloy.

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42.0質量%以上50.0質量%以下含有し、Agを2.0質量%以上9.0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。
Hereinafter, the ball-shaped Au—Sn—Ag solder alloy of the present invention will be described in detail.
The ball-like Au—Sn—Ag solder alloy of the present invention is a ball-like Au—Sn—Ag solder alloy having an aspect ratio of 1.00 to 1.20, and Sn. 42.0% by mass or more and 50.0% by mass or less, Ag is contained by 2.0% by mass or more and 9.0% by mass or less, and the balance is made of Au except for elements inevitably included in production. Yes.

すなわち、本発明のボール状Au−Sn−Ag系はんだ合金は、縦横比を1.00以上1.20以下とすることにより、はんだ合金が接合時に溶融して基板などに濡れ広がるときにはんだが円状に均一に広がっていることができるのである。これによって、接合面にはんだが均一に存在し、はんだと基板などとの反応も均一になり、よって優れた接合性が得られるのである。   That is, the ball-shaped Au—Sn—Ag solder alloy of the present invention has an aspect ratio of 1.00 or more and 1.20 or less, so that when the solder alloy melts at the time of joining and spreads wet on the substrate or the like, the solder becomes circular. It can spread evenly. As a result, the solder is uniformly present on the joint surface, and the reaction between the solder and the substrate becomes uniform, thereby obtaining excellent jointability.

さらに本発明のはんだ合金はなお一層の特性改善を図るために第四番目以上の元素としてAl、Cu、Ge、In、Mg、Ni、Sb、Zn及びPのいずれか1種以上を含有してよく、Alを含有する場合は0.01質量%以上0.8質量%以下、Cuを含有する場合は0.01質量%以上1.0質量%以下、Geを含有する場合は0.01質量%以上1.0質量%以下、Inを含有する場合は0.01質量%以上1.0質量%以下、Mgを含有する場合は0.01質量%以上0.5質量%以下、Niを含有する場合は0.01質量%以上0.7質量%以下、Sbを含有する場合は0.01質量%以上0.5質量%以下、Znを含有する場合は0.01質量%以上5.0質量%以下、Pを含有する場合は0.500質量%以下含有する。   Further, the solder alloy of the present invention contains at least one of Al, Cu, Ge, In, Mg, Ni, Sb, Zn and P as the fourth or more element in order to further improve the characteristics. Well, when Al is contained, 0.01 mass% or more and 0.8 mass% or less, when Cu is contained, 0.01 mass% or more and 1.0 mass% or less, and when Ge is contained, 0.01 mass% % To 1.0% by mass, 0.01% to 1.0% by mass in the case of containing In, 0.01% to 0.5% by mass in the case of containing Mg, Ni When it contains 0.01 mass% or more and 0.7 mass% or less, when it contains Sb, it is 0.01 mass% or more and 0.5 mass% or less, and when it contains Zn, it is 0.01 mass% or more and 5.0 mass% or less. When containing P, it contains 0.500% by mass or less.

本発明のはんだ合金は、非常に高コストであるAu−20質量%Sn合金はんだなどのAu系はんだのコストを大幅に下げるとともに、優れた加工性を持たせるために比較的柔らかいSnをAu−20質量%Sn合金の共晶点の組成割合よりも過剰に含有させ、またAgを含有させている。また、さらにAl、Cu、Ge、In、Mg、Ni、Sb、Zn及びPのいずれか1種以上を含有していてもよい。まずAu−Sn−Agの3元型合金とすることにより融点を300℃前後まで下げることが可能となり、はんだ合金に求められる各種特性を満たすことができる。さらに第4元素以降を含有させることによって使用目的に合わせた特性により一層調整できる。本発明のAu−Sn−Ag系はんだ合金は主にAgSnやAuSnの金属間化合物から構成されるため、加工性に優れ、非常に高い信頼性の要求に対しても十分な接合性、濡れ性を有する。 The solder alloy of the present invention significantly reduces the cost of Au-based solder such as Au-20 mass% Sn alloy solder, which is very expensive, and uses relatively soft Sn in order to provide excellent workability. It is contained in excess of the composition ratio of the eutectic point of the 20 mass% Sn alloy, and Ag is contained. Furthermore, it may contain any one or more of Al, Cu, Ge, In, Mg, Ni, Sb, Zn and P. First, by using an Au—Sn—Ag ternary alloy, the melting point can be lowered to around 300 ° C., and various characteristics required for a solder alloy can be satisfied. Further, by adding the fourth element and subsequent elements, the characteristics can be further adjusted according to the purpose of use. Since the Au—Sn—Ag solder alloy of the present invention is mainly composed of an intermetallic compound of Ag 3 Sn or AuSn 2 , it has excellent workability and sufficient bondability even for extremely high reliability requirements. , Has wettability.

本発明のはんだ合金はSnを46.6質量%を中心としてこの前後の量、すなわち42質量%〜50質量%のSnを含有している。そして、例えばAu−46.6質量%Sn−5.0質量%Ag合金(95質量%(Au38.5Sn61.5)5質量%Ag合金)であれば、図1の状態図に示すようにSn=61.5at.%のライン上(AgSnとAuSnだけから成る)の組成を基本とするものとなる。なお、図1はAg=5wt.%(質量%)に固定し、AuとSnを原子比(at.%)を変えて状態図として示してものであり、図1に示すSn=61.5at.%は換算するとSn=46.6重量%になる。また、図1でSn=42質量%は換算するとSn=56.8at.%、Sn=50質量%は換算するとSn=64.8at.%である。 The solder alloy of the present invention contains Sn in an amount of about 46.6% by mass around this, that is, 42% by mass to 50% by mass of Sn. For example, if it is Au-46.6 mass% Sn-5.0 mass% Ag alloy (95 mass% (Au 38.5 Sn 61.5 ) 5 mass% Ag alloy), it shows in the state diagram of FIG. Sn = 61.5 at. % Composition (consisting only of Ag 3 Sn and AuSn 2 ). 1 shows that Ag = 5 wt. % (Mass%), Au and Sn are shown as a phase diagram with the atomic ratio (at.%) Changed, and Sn = 61.5 at. % Is converted to Sn = 46.6% by weight. Moreover, Sn = 42 mass% is converted into Sn = 56.8 at. %, Sn = 50 mass% is converted into Sn = 64.8 at. %.

さらにボール形状の縦横比を上記の通り特定の範囲内とするとともに、反応性が高く酸化し難いAgを含有させることによって、特に優れた濡れ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。
Furthermore, by setting the aspect ratio of the ball shape within a specific range as described above and containing Ag that is highly reactive and difficult to oxidize, particularly excellent wettability and bondability can be obtained.
Hereinafter, the shape and essential elements of the solder alloy of the present invention will be described in more detail.

<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。
<Aspect ratio>
In the present invention, it is an essential condition that the aspect ratio of the ball-shaped Au—Sn—Ag solder alloy is 1.00 or more and 1.20 or less. In the present invention, the ball shape is not limited to a true sphere shape, but also includes a football shape and a long oval shape having a linear portion in plan view. In either case, the aspect ratio may be in the above range.
The aspect ratio of the ball-shaped shape of the Au—Sn—Ag solder alloy of the present invention is as defined in the calculation formula 1, FIG. 2 and FIG. The measured value is the major axis or long side, and the measured value at the shortest diameter is the minor axis or short side.
[Calculation Formula 1] Aspect ratio = major axis / minor axis or long side / short side However, FIG. 2 shows an example of a football type, and FIG. 3 shows an example of a long ellipse. In addition, the major axis and the longer side, and the minor axis and the shorter side are not strictly distinguished. 2 and 3 show the aspect ratios outside the range of the aspect ratio of the present invention for easy understanding of the distinction between the long diameter and the long side and the short diameter and the short side.

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。   By controlling the shape of the ball-shaped Au—Sn—Ag solder alloy in this way, when the solder alloy is melted, it wets and spreads in a state close to a perfect circle in plan view. Even if the solder alloy is in a ball shape to some extent, as the sphericity decreases, the solder does not spread circularly on the joint surface when the solder melts, and the part to be joined partially protrudes or becomes insufficient A portion that cannot be formed occurs, and a portion that is not sufficiently alloyed is formed. Furthermore, the thickness of the solder becomes non-uniform, leading to chip tilt and the like, and sufficient sealing cannot be performed.

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。   In order to prevent such a problem from occurring, the aspect ratio of the ball-shaped Au—Sn—Ag solder alloy of the present invention is set to 1.00 or more and 1.20 or less. If the aspect ratio is 1.20 or less, the solder spreads in a hemispherical shape due to surface tension when the solder is melted, and the joint surface spreads uniformly in a circular shape. When the aspect ratio exceeds 1.20, in the case of the ball-shaped Au—Sn—Ag solder alloy of the present invention, it becomes difficult to spread evenly on the joint surface even by the surface tension during solder melting. .

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。   Further, if the aspect ratio is 1.00 or more and 1.10 or less, it is more preferable that the solder spreads in a hemispherical shape due to surface tension when the solder is melted, and the joint surface spreads uniformly in a circular shape.

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。しかし、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。
なお、ボールを潰す利点としては、はんだでの接合や封止時に、球状であると転がりやすく位置安定性が悪く、潰したことによって狙いの位置に安定してボールを置けるので好ましいのである。
Further, the ball-shaped Au—Sn—Ag solder alloy of the present invention is crushed from one direction so that the aspect ratio exceeds 1.00 and is equal to or less than 1.50. Basically, it crushes in the direction in which the short diameter (short side) becomes shorter, but the long diameter (long side) side may be crushed. As a result, the aspect ratio should be within the above range. When the solder alloy crushed from one direction is placed on the joint surface, the crushed flat plane comes into contact with the joint surface. For this reason, when the joining surface on which the solder is placed is viewed vertically from the solder side, the solder is substantially circular. When the solder is melted in this state, the solder spreads in a circular shape. However, if the Au—Sn solder alloy or Au—Ge solder alloy is crushed from one direction and the aspect ratio is close to 1.50, it will be hard and will not crack and spread in a circle. May break.
As an advantage of crushing the ball, it is preferable that the ball is spherical when it is joined or sealed with solder, because the ball is easy to roll and the positional stability is poor, and the ball can be stably placed at the target position by crushing.

<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。
<Au>
Au is a main component of the solder alloy of the present invention, and is naturally an essential element. Since Au 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. For this reason, Au-based solder is often used for sealing quartz devices and SAW filters. The solder alloy of the present invention is also based on Au, and provides solder belonging to a technical field that requires such high reliability. To do.

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、Au含有量を1質量%でも下げることが望まれている。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、Au−20質量%Snはんだ合金に比較して、Sn含有量を多くしてAgを含有させることにより、Au含有量を格段に低く抑え低コスト化を実現するとともに、濡れ性や接合性といった特性面ではAu−20質量%Snはんだと同等以上であり、かつ、柔軟性、加工性に優れる。   However, since Au is a very expensive metal, it is better not to use it as much as possible from the viewpoint of cost, and it is desired to reduce the Au content even by 1% by mass. For this reason, it is rarely used for electronic components that require a general level of reliability. The solder alloy of the present invention realizes a reduction in cost by significantly reducing the Au content by containing Ag by increasing the Sn content as compared to the Au-20 mass% Sn solder alloy, In terms of characteristics such as wettability and bondability, it is equivalent to or better than Au-20% by mass Sn solder, and is excellent in flexibility and workability.

<Sn>
Snは本発明のはんだにおいて主成分であり、当然、必須の元素である。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、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わけである。しかし、共晶合金と言ってもAu−20質量%Sn合金はAuSn金属間化合物とAuSn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わけだが、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わけである。
<Sn>
Sn is a main component in the solder of the present invention, and is naturally an essential element. The Au—Sn solder alloy is usually used in a composition near the eutectic point, that is, a composition near Au-20% by mass Sn, whereby the solidus temperature becomes 280 ° C. and the crystal becomes finer, It is relatively flexible. However, even if it is called a eutectic alloy, an Au-20 mass% Sn alloy is composed of an Au 1 Sn 1 intermetallic compound and an Au 5 Sn 1 intermetallic compound, and is hard and brittle. For this reason, it is difficult to process, for example, when it is processed into a sheet shape by rolling, it can only be made thin little by little, the productivity is bad, or many cracks enter during rolling, and the yield is bad. However, the hard and brittle nature of intermetallic compounds cannot generally be changed. Although it is such a hard and brittle material, it is difficult to oxidize and has excellent wettability and reliability, so it is used for highly reliable applications.

しかし、Auは非常に高価な金属であるためAu系はんだの低コスト化は解決すべき重要な課題である。この課題を解決すべく、本発明のはんだ合金はSnを46.6質量%、Agを5.0質量%、残部が不可避的に含まれる元素を除きAuからなる組成付近を基本としていることを特徴する。このような合金組成にする理由ははんだ合金の低コスト化はもちろん、図1のAu−Sn−Ag系3元系状態に示すようにAu−46.6質量%Sn−5.0質量%Ag合金(95質量%(Au38.5Sn61.5)5質量%Ag合金)がAgSn金属間化合物とAuSn金属間化合物から構成され、Au−20質量%Sn合金よりも柔軟な性質を持つためである。 However, since Au is a very expensive metal, reducing the cost of Au solder is an important issue to be solved. In order to solve this problem, the solder alloy of the present invention is basically based on the vicinity of the composition composed of Au except for 46.6% by mass of Sn, 5.0% by mass of Ag, and the elements inevitably contained in the balance. Characterize. The reason why such an alloy composition is used is not only the cost reduction of the solder alloy, but also Au-46.6 mass% Sn-5.0 mass% Ag as shown in the Au-Sn-Ag ternary system state of FIG. is composed of an alloy (95 wt% (Au 38.5 Sn 61.5) 5 wt% Ag alloy) is Ag 3 Sn intermetallic compound and the AuSn 2 intermetallic compound, the flexible nature than the Au-20 wt% Sn alloy It is for having.

つまりAgSn、AuSnは金属間化合物ではあるが、Au−20質量%を構成するAuSn金属間化合物、AuSn金属間化合物よりは柔軟性を有するのである。さらにAu−46.6質量%Sn−5.0質量%Ag合金を液相線温度を超える、例えば330℃以上の溶融状態から冷却していくとまずAuSn金属間化合物が生成され、さらに温度を下げるとAgSnとAuSnが同時に生成される。このように結晶生成過程は(1)液相→(2)AuSn+液相→(3)AuSn+AgSnといった過程を辿るため、AuSnやAgSnが微細な結晶構造となり、このため柔軟性を有し、さらにクラック等も進展しづらく接合信頼性が高いはんだ合金となるのである。 That is, Ag 3 Sn and AuSn 2 are intermetallic compounds, but they are more flexible than Au 1 Sn 1 intermetallic compounds and Au 5 Sn 1 intermetallic compounds constituting Au-20% by mass. Further, when Au-46.6% by mass Sn-5.0% by mass Ag alloy is cooled from a molten state exceeding the liquidus temperature, for example, 330 ° C. or higher, Au 1 Sn 1 intermetallic compound is generated first . When the temperature is further lowered, Ag 3 Sn and AuSn 2 are generated simultaneously. As described above, since the crystal formation process follows the process of (1) liquid phase → (2) Au 1 Sn 1 + liquid phase → (3) AuSn 2 + Ag 3 Sn, AuSn 2 and Ag 3 Sn have a fine crystal structure. For this reason, the solder alloy is flexible and has a high bonding reliability in which cracks and the like do not easily develop.

なお、このAu−46.6質量%Sn−5.0質量%Ag合金の液相線温度は325℃、固相線温度は295℃程度である。この融点は従来からAu系はんだとして使用されているAu−20質量%Sn(共晶温度:280℃)、Au−12.5質量%Ge(共晶温度:356℃)の融点の間にあり、これらのAu系はんだの代替が可能であるだけでなく、280℃〜356℃の間で接合したいという従来からある強い要望にも応え得るものである。   In addition, the liquidus temperature of this Au-46.6 mass% Sn-5.0 mass% Ag alloy is about 325 degreeC, and a solidus line temperature is about 295 degreeC. This melting point is between the melting points of Au-20 mass% Sn (eutectic temperature: 280 ° C.) and Au-12.5 mass% Ge (eutectic temperature: 356 ° C.) conventionally used as Au-based solder. In addition to being able to replace these Au-based solders, it is possible to meet the conventional strong demand for joining between 280 ° C. and 356 ° C.

このように優れた特性を有するAu−Sn−Ag系はんだ合金におけるSnの含有量は42.0質量%以上50.0質量%以下である。42.0質量%(例えば、Ag=5wt.%とすると図1において56.8at.%)未満であると液相線温度が高くなりすぎて良好な接合ができなくなってしまう。また液相線温度と固相線温度の差が大きくなりすぎて溶け別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50.0質量%(例えば、Ag=5wt.%とすると図1において64.8at.%)を越えてしまうとAuSn金属間化合物の割合が多くなった状態で3種類の金属間化合物が混在することになり柔軟性が低下してしまい、加工性や応力緩和性が低下してしまう。 The content of Sn in the Au—Sn—Ag solder alloy having such excellent characteristics is 42.0 mass% or more and 50.0 mass% or less. If it is less than 42.0 mass% (for example, Ag = 5 wt.%, 56.8 at.% In FIG. 1), the liquidus temperature becomes too high and good bonding cannot be performed. In addition, the difference between the liquidus temperature and the solidus temperature becomes too large, and a melting phenomenon occurs. Furthermore, since the Au content tends to increase, the cost reduction effect is limited. On the other hand, if the Sn content exceeds 50.0 mass% (for example, Ag = 5 wt.%, 64.8 at.% In FIG. 1), the ratio of AuSn 4 intermetallic compound is increased to 3 Since various types of intermetallic compounds are mixed, flexibility is lowered, and workability and stress relaxation properties are lowered.

Sn含有量が44.0質量%以上48.0質量%以下であれば、液相線温度と固相線温度の差が比較的小さく、酸化の影響が少ないため、とくに良好な接合が得られて好ましい。   When the Sn content is 44.0% by mass or more and 48.0% by mass or less, the difference between the liquidus temperature and the solidus temperature is relatively small, and the influence of oxidation is small, so that particularly good bonding is obtained. It is preferable.

<Ag>
Agは本発明のはんだにおいて必須の元素であり、Agを含有させることによってAu含有量を低減させ、はんだ合金の低コスト化に寄与するだけでなく、Au−Snはんだの融点を調整したり、また柔軟性や加工性を向上させ、よって、応力緩和性、信頼性、生産性、収率等を向上させることができる重要な元素である。
<Ag>
Ag is an essential element in the solder of the present invention, and by containing Ag, not only does the content of Au decrease, contributing to lowering the cost of the solder alloy, but also adjusting the melting point of the Au—Sn solder, Further, it is an important element that can improve flexibility and workability, and thus can improve stress relaxation, reliability, productivity, yield, and the like.

Agを含有させる主な効果は以下のとおりである。Agを含有させることによって、Au−Sn−Ag系合金の液相線温度と固相線温度を300℃程度に調整できる。これによってAu−20質量%Snの融点(280℃)やAu−12.5質量%Geの融点(356℃)の間付近とすることが可能となるのである。そして、はんだ合金を主にAgSn、AuSn金属間化合物から構成させることが可能となり、この金属間化合物がAu−20質量%SnのAuSnやAuSn金属間化合物より柔軟であるため、本発明のAu−Sn−Ag系合金はAu−20質量%よりも柔軟であり、よって加工性、応力緩和性、信頼性等に優れるのである。 The main effects of containing Ag are as follows. By containing Ag, the liquidus temperature and the solidus temperature of the Au—Sn—Ag alloy can be adjusted to about 300 ° C. As a result, the melting point of Au-20% by mass Sn (280 ° C.) or the melting point of Au-12.5% by mass Ge (356 ° C.) can be set. And it becomes possible to make a solder alloy mainly composed of Ag 3 Sn, AuSn 2 intermetallic compound, and this intermetallic compound is more flexible than Au 1 Sn 1 or Au 5 Sn 1 intermetallic compound of Au-20 mass% Sn. Therefore, the Au—Sn—Ag-based alloy of the present invention is more flexible than Au-20% by mass, and thus is excellent in workability, stress relaxation property, reliability, and the like.

また、Agを含有させることによりAu含有量を低減でき、はんだ合金のさらなる低コスト化が可能となることである。さらにはAgはAuの次に酸化しづらい金属であることからはんだ表面が酸化しづらくなり、かつ各種金属との反応性に優れるため濡れ性を向上させる効果が期待できる。   In addition, by containing Ag, the Au content can be reduced, and the cost of the solder alloy can be further reduced. Furthermore, since Ag is a metal that is difficult to oxidize next to Au, the solder surface is difficult to oxidize, and since it has excellent reactivity with various metals, an effect of improving wettability can be expected.

このような優れた特性をはんだ合金に付与することができるAgの含有量は2.0質量%以上9.0質量%以下である。Agの含有量がこの範囲であれば、液相線温度や固相線温度がはんだ接合において許容範囲内にあり、良好な接合が可能である。さらに高融点の金属間化合物などを生成することもなく、十分な濡れ性や接合強度、接合信頼性を得ることができる。   The content of Ag capable of imparting such excellent characteristics to the solder alloy is 2.0% by mass or more and 9.0% by mass or less. If the content of Ag is within this range, the liquidus temperature and the solidus temperature are within an allowable range in solder joining, and good joining is possible. Furthermore, sufficient wettability, bonding strength, and bonding reliability can be obtained without generating a high melting point intermetallic compound.

さらに好ましいAg含有量は3.0質量%以上7.0質量%以下であり、この範囲にあればAgを含有させた効果がより一層顕著に現れるのである。   Furthermore, the preferable Ag content is 3.0 mass% or more and 7.0 mass% or less, and if it is in this range, the effect of containing Ag appears more remarkably.

<Al、Ge、Mg>
Al、Ge、Mgは本発明において各種特性を改善または調整するために含有してよい元素であり、これらの元素を含有させることによって得られる主な効果は同じであり、濡れ性の向上にある。
<Al, Ge, Mg>
Al, Ge, and Mg are elements that may be included for improving or adjusting various properties in the present invention, and the main effects obtained by including these elements are the same, which is in improving wettability. .

Alは、Auに数質量%固溶し、Snに僅かに固溶し、Agには数質量%固溶する。このようにAlは固体の状態ではAu−Sn−Ag系合金に少量固溶した状態であるが、接合時に溶融した状態ではAlがAu、Sn、Agよりも酸化し易いため、Alが優先的に酸化してはんだ表面に薄い酸化膜を生成し、母相の酸化進行を抑制することによって濡れ性を向上させる。このような濡れ性向上効果のあるAlの含有量は0.01質量%以上0.8質量%以下である。0.01質量%未満では含有量が少なすぎてAlを含有させた効果が実質的に現れず、0.8質量%を超えると酸化膜が厚くなりすぎて逆に濡れ性を低下させてしまう。Alの含有量が0.1質量%以上0.5質量%以下であれば含有させた効果がより顕著に現れて好ましい。   Al is dissolved in Au by several mass%, slightly dissolved in Sn, and is dissolved in Ag by several mass%. As described above, Al is in a state of being dissolved in a small amount in an Au—Sn—Ag alloy in a solid state, but Al is more likely to be oxidized than Au, Sn, and Ag in a molten state at the time of joining, so Al is preferential. It is oxidized to form a thin oxide film on the solder surface, and the wettability is improved by suppressing the progress of oxidation of the parent phase. The content of Al having such an effect of improving wettability is 0.01% by mass or more and 0.8% by mass or less. If it is less than 0.01% by mass, the content is too small and the effect of containing Al does not appear substantially, and if it exceeds 0.8% by mass, the oxide film becomes too thick and conversely reduces wettability. . If the content of Al is 0.1% by mass or more and 0.5% by mass or less, the effect of inclusion is more remarkable and preferable.

Geは、Auと固溶体から成る共晶合金を生成し、Snにはほとんど固溶せず、Agとは固溶体から成る共晶合金を生成する。GeはSnと金属間化合物を生成させない程度で含有することがはんだ合金の脆化等を起こさせないために好ましい。Geが濡れ性を向上させるメカニズムは以下のとおりである。Geは比重が比較的小さく溶融はんだ中において、ある程度はんだ表面に浮いて酸化し薄い酸化膜を生成し母相の酸化進行を抑制し濡れ性を向上させる。このような効果のあるGeの含有量は0.01質量%以上1.0質量%以下である。Ge含有量が0.01質量%未満では含有量が少なすぎて実質的に効果が現れず、1.0質量%を超えると含有量が多すぎてはんだ合金の脆化やGeの偏析等を起こし接合性や信頼性を低下させてしまう。   Ge forms a eutectic alloy composed of Au and a solid solution, hardly dissolves in Sn, and Ag forms a eutectic alloy composed of a solid solution. It is preferable that Ge is contained so as not to generate an intermetallic compound with Sn so as not to cause embrittlement of the solder alloy. The mechanism by which Ge improves wettability is as follows. Ge has a relatively small specific gravity, and floats on the solder surface to a certain degree in the molten solder and oxidizes to form a thin oxide film, which suppresses the progress of oxidation of the mother phase and improves the wettability. The Ge content having such an effect is 0.01% by mass or more and 1.0% by mass or less. If the Ge content is less than 0.01% by mass, the content is too small and substantially no effect is exhibited. If the Ge content exceeds 1.0% by mass, the content is too much to cause embrittlement of the solder alloy or segregation of Ge. Raises the jointability and reliability.

Mgは、AuとAuMg金属間化合物を生成し、Snにはほとんど固溶せずMgSn金属間化合物を生成し、Agには6質量%程度固溶する。Mgを含有させる主な効果は濡れ性の向上であるが、このように金属間化合物を多く生成するため、脆くなる傾向があり多くは含有させることができない。Mgの濡れ性向上のメカニズムは次のとおりである。Mgは非常に酸化しやすいため少量含有させることで自らが酸化し濡れ性を向上させる。前述のように多くは含有させることができないが還元性が非常に強いため少量含有させただけでも効果を発揮するのである。Mgの含有量は0.01質量%以上0.5質量%以下である。0.01質量%未満では含有量が少なすぎて実質的に効果が現れない。一方でMg含有量が0.5質量%を超えると上記のとおり、脆いAuMg金属間化合物やMgSn金属間化合物を生成してしまい、信頼性等が極端に低下してしまう。 Mg forms Au and AuMg 3 intermetallic compound, hardly forms a solid solution in Sn, forms a Mg 2 Sn intermetallic compound, and forms a solid solution in Ag of about 6% by mass. The main effect of containing Mg is to improve wettability. However, since many intermetallic compounds are produced in this way, there is a tendency to become brittle and many cannot be contained. The mechanism for improving the wettability of Mg is as follows. Since Mg is very easy to oxidize, Mg is oxidized by itself to improve wettability. As described above, a large amount cannot be contained, but the reducibility is very strong, so that even if it is contained in a small amount, the effect is exhibited. The Mg content is 0.01% by mass or more and 0.5% by mass or less. If it is less than 0.01% by mass, the content is too small, and substantially no effect appears. On the other hand, when the Mg content exceeds 0.5 mass%, as described above, brittle AuMg 3 intermetallic compound and Mg 2 Sn intermetallic compound are generated, and the reliability and the like are extremely lowered.

<Cu、In、Sb>
Cu、In、Sbは本発明において各種特性を改善または調整するために含有してよい元素であり、これらの元素を含有させることによって得られる主な効果は同じであり、はんだ中のクラック進展の抑制にある。
<Cu, In, Sb>
Cu, In, and Sb are elements that may be included for improving or adjusting various properties in the present invention, and the main effects obtained by including these elements are the same, and crack propagation in solder is the same. In control.

Cuは、AuとAuCu金属間化合物を生成し、SnやAgには固溶する。金属間化合物は許容範囲を超えて生成してしまったり粗大なものが存在したりしてしまうと脆くなり、チップ傾き等も発生するため避けなければばらない。しかし、金属間化合物が適量生成し、はんだ中に微細に分散した場合、はんだの引張強度が向上しクラック抑制効果を発揮する。つまり、熱応力等によってはんだ中にクラックが進展する際、金属間化合物が分散しているとクラックの先端が金属間化合物にぶつかり、硬い金属間化合物によってクラック進展が止められるのである。このメカニズムは例えばPb−Sn−Ag系はんだのAgSn金属間化合物のクラック抑制効果、すなわち信頼性向上効果と基本的に同じメカニズムである。このような優れた効果を発揮するCuの含有量は0.01質量%以上1.0質量%以下である。Cu含有量が0.01質量%未満では含有量が少なすぎて効果が発揮されず、1.0質量%を超えると金属間化合物が許容量を超えて発生し、硬くて脆くなり、信頼性等を低下させてしまう。 Cu forms an intermetallic compound of Au and AuCu and dissolves in Sn and Ag. If an intermetallic compound is generated beyond the allowable range or a coarse compound is present, it becomes brittle and tip tilt is generated, so it must be avoided. However, when an appropriate amount of intermetallic compound is generated and finely dispersed in the solder, the tensile strength of the solder is improved and a crack suppressing effect is exhibited. That is, when cracks propagate in the solder due to thermal stress or the like, if the intermetallic compound is dispersed, the tip of the crack collides with the intermetallic compound, and the crack progress is stopped by the hard intermetallic compound. This mechanism is basically the same mechanism as the crack suppression effect of the Ag 3 Sn intermetallic compound of the Pb—Sn—Ag solder, that is, the reliability improvement effect. The Cu content exhibiting such excellent effects is 0.01% by mass or more and 1.0% by mass or less. If the Cu content is less than 0.01% by mass, the content is too small to exhibit the effect. If the Cu content exceeds 1.0% by mass, an intermetallic compound is generated in excess of the allowable amount, and it becomes hard and brittle. Etc. will be reduced.

Inは、Auにはほとんど固溶せず、Snには1質量%程度固溶し、Agには20数質量%固溶する。Inをはんだ合金中に含有させると固溶強化によりはんだの引張強度が適度に上がりクラックが進展しづらくなるのである。このような効果を有するInの含有量は0.01質量%以上1.0質量%以下である。In含有量が0.01質量%未満では含有量が少なすぎて効果が現れず、1.0質量%を超えると強度が上がりすぎて応力緩和効果が低下し、チップ接合体に熱応力等が加わった際にはんだが応力を緩和できずチップが割れてしまったりしてしまう。   In hardly dissolves in Au, but about 1% by mass in Sn, and 20% by mass in Ag. When In is contained in the solder alloy, the tensile strength of the solder is moderately increased by solid solution strengthening, and cracks are difficult to progress. The content of In having such an effect is 0.01% by mass or more and 1.0% by mass or less. If the In content is less than 0.01% by mass, the content is too small to produce an effect. If the In content exceeds 1.0% by mass, the strength is excessively increased and the stress relaxation effect is reduced. When applied, the solder cannot relieve stress and the chip breaks.

Sbは、AuとAu固溶体とAuSbから成る共晶合金を生成し、Snには僅かに固溶し、Agには7質量%程度固溶する。Sbを含有させる効果ははんだ中のクラック進展の抑制であり、そのメカニズムはInと同様である。すなわち、Sbをはんだ合金中に含有させると固溶強化によりはんだの引張強度が適度に上がりクラックが進展しづらくなるのである。このような効果を有するSbの含有量は0.01質量以上%0.5質量%以下である。Sb含有量が0.01質量%未満では含有量が少なすぎて効果が現れず、0.5質量%を超えると強度が上がりすぎてチップ接合後の冷却時にはんだが収縮する際、はんだの硬さに負けてチップが割れてしまったりしてしまう。 Sb produces a eutectic alloy composed of Au, an Au solid solution, and AuSb 2 , and is slightly dissolved in Sn and is dissolved in Ag by about 7% by mass. The effect of containing Sb is the suppression of crack propagation in the solder, and the mechanism is the same as that of In. That is, when Sb is contained in the solder alloy, the tensile strength of the solder is moderately increased by solid solution strengthening, and cracks are difficult to progress. Content of Sb which has such an effect is 0.01 mass% or more and 0.5 mass% or less. If the Sb content is less than 0.01% by mass, the content is too small to produce an effect. If the Sb content exceeds 0.5% by mass, the strength increases so much that the solder shrinks during cooling after chip bonding. Otherwise, the chip will break.

<Ni>
Niは本発明において各種特性を改善または調整するために含有してよい元素であり、その効果は結晶微細化による接合信頼性等の向上にある。NiはSnやAgに僅かにではあるが固溶する。そして、このように僅かにはんだ合金に含有されたNiははんだが溶融状態から冷却されて固化する際、まず高融点のNiがはんだ中に分散して生成し、そのNiを核として結晶が生成する。このため、はんだの結晶が微細化した構造となる。このように微細結晶化されたはんだは引張強度が向上し、かつクラックは基本的に粒界を沿うように進展していくためクラックがより進展しづらくなり、よってヒートサイクル試験等の信頼性が向上するのである。このような効果を発揮するNiの含有量は0.01質量%以上0.7質量%以下である。Ni含有量が0.01質量%未満では含有量が少なすぎて効果が現れず、0.7質量%を超えると逆に結晶粒が粗大になってしまい信頼性等を低下させてしまう。
<Ni>
Ni is an element that may be contained for improving or adjusting various properties in the present invention, and its effect is in improving the bonding reliability and the like by crystal refinement. Ni dissolves slightly in Sn and Ag. And when Ni is slightly contained in the solder alloy in this way, when the solder is cooled from the molten state and solidifies, Ni of high melting point is first dispersed and formed in the solder, and crystals are formed using the Ni as a nucleus. To do. For this reason, the solder crystal becomes finer. The finely crystallized solder has improved tensile strength, and cracks basically propagate along grain boundaries, making cracks harder to progress, and thus reliability in heat cycle tests, etc. It improves. The content of Ni that exhibits such an effect is 0.01% by mass or more and 0.7% by mass or less. If the Ni content is less than 0.01% by mass, the content is too small to produce an effect. If the Ni content exceeds 0.7% by mass, the crystal grains become coarse and the reliability and the like are lowered.

<Zn>
Znは本発明において各種特性を改善または調整するために含有してよい元素であり、その主な効果は濡れ性、接合性の向上にある。ZnはAuに約4質量%固溶し、Snとは固溶体同士の共晶合金を生成し、Agには20質量%以上固溶する。このようにはんだ合金に固溶したり共晶合金を生成するZnは硬くて脆い金属間化合物を許容範囲以上に生成することはなく、よって機械的特性等には大きな影響は及ぼさない。そしてZnは基板の主成分であるCuなどと反応性がよいため、濡れ性、接合性を向上させる。つまりはんだ中のZnはCu等と反応し基板に濡れ広がりながら合金化して強固な合金層を生成するのである。このような効果を有するZnの含有量は0.01質量%以上5.0質量%以下である。Zn含有量が0.01質量%未満では含有量が少なすぎて実質的に効果が現れず、5.0質量%を超えると合金層が厚くなり過ぎたり酸化し易いZnによってはんだ表面の酸化膜が厚くなりすぎて濡れ性低下等を引き起こしてしまう。そして濡れ性が低下すると合金相が十分に生成できなかったりボイドが多くなったりして接合強度などの低下も顕著に起きてしまう。
<Zn>
Zn is an element that may be contained to improve or adjust various properties in the present invention, and its main effect is to improve wettability and bondability. Zn forms a solid solution of about 4% by mass in Au, forms a eutectic alloy of solid solutions with Sn, and forms a solid solution of 20% by mass or more in Ag. Thus, Zn that forms a solid solution in a solder alloy or produces a eutectic alloy does not produce a hard and brittle intermetallic compound beyond the allowable range, and therefore does not significantly affect mechanical properties and the like. And since Zn has good reactivity with Cu etc. which are the main components of a board | substrate, wettability and bondability are improved. That is, Zn in the solder reacts with Cu or the like to form an alloy while being wetted and spread on the substrate to form a strong alloy layer. Content of Zn which has such an effect is 0.01 mass% or more and 5.0 mass% or less. If the Zn content is less than 0.01% by mass, the content is too small and substantially no effect appears. If the Zn content exceeds 5.0% by mass, the alloy layer becomes too thick or the oxide film on the solder surface is easily oxidized. Becomes too thick and causes a decrease in wettability. And when wettability falls, an alloy phase cannot fully produce | generate or a void will increase, and the fall of joining strength etc. will also arise notably.

<P>
Pは本発明において各種特性を改善または調整するために含有してよい元素であり、その効果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って、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。一般にAu系はんだが酸化し難く、濡れ性に優れていると言っても、接合面の酸化物を除去することはできない。ところが、Pは、はんだ表面の酸化膜の除去だけではなく、基板などの接合面の酸化膜も除去することが可能である。このはんだ表面と接合面の酸化膜除去の効果により、酸化膜によって形成される隙間(ボイド)も低減することができる。このPの効果によって、接合性や信頼性等が更に向上する。
<P>
P is an element that may be contained to improve or adjust various properties in the present invention, and its effect is in improving wettability. The mechanism by which P improves the wettability is that the reducibility is strong, and by oxidizing itself, the surface of the solder alloy is suppressed and the substrate surface is reduced to improve the wettability. In general, even if Au solder is difficult to oxidize and is excellent in wettability, the oxide on the joint surface cannot be removed. However, P can remove not only the oxide film on the solder surface but also the oxide film on the bonding surface such as the substrate. Due to the effect of removing the oxide film on the solder surface and the joint surface, gaps (voids) formed by the oxide film can also be reduced. This effect of P further improves the bondability and reliability.

尚、Pは、はんだ合金や基板を還元して酸化物になると同時に気化し、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がPを含有する場合、Pの含有量は0.500質量%以下が好ましい。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、0.500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、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おそれがある。   Note that P does not remain on the solder, the substrate, or the like because the solder alloy or the substrate is reduced to become an oxide and is vaporized at the same time and flows into the atmosphere gas. For this reason, there is no possibility that the residue of P adversely affects reliability and the like, and P can be said to be an excellent element from this point. When the solder alloy of the present invention contains P, the content of P is preferably 0.500% by mass or less. Since P is very reducible, the effect of improving the wettability can be obtained if a trace amount is contained, but the effect of improving the wettability does not change so much even if contained in excess of 0.5% by mass. Containing P and P oxide gas in large quantities may increase the void ratio, or P may segregate by forming a brittle phase, making the solder joints brittle and reducing reliability. There is.

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、原料として純度99.999質量%以上のAu、純度99.99質量%以上のSn、Ag、Al、Cu、Ge、In、Mg、Ni、Sb、Zn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。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1〜28及び表2の試料31〜91の各試料に相当する所定量を秤量して入れた。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples, but the present invention is not limited to these examples.
First, Au having a purity of 99.999% by mass or more and Sn, Ag, Al, Cu, Ge, In, Mg, Ni, Sb, Zn, and P having a purity of 99.99% 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, predetermined amounts corresponding to the samples 1 to 28 in Table 1 and Samples 31 to 91 in Table 2 were weighed out from these raw materials 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。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。   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. As the mold, a cylindrical shape having a diameter of 24 mm was used for submerged atomization for producing balls.

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1〜28及び試料31〜91のはんだ母合金を作製した。これらの試料1〜28及び試料31〜91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と表2に示した。   Thus, the solder mother alloys of Samples 1 to 28 and Samples 31 to 91 were produced in the same manner except that the mixing ratio of the raw materials was changed. About each solder mother alloy of these samples 1-28 and samples 31-91, the composition analysis was performed using the ICP emission-spectral-analysis analyzer (SHIMAZU S-8100). The obtained analysis results are shown in Tables 1 and 2 below.

次に、上記試料1〜28及び試料31〜91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。   Next, a method for manufacturing a ball-shaped solder alloy from each solder mother alloy for obtaining the samples 1 to 28 and samples 31 to 91 and a method for measuring the aspect ratio of the solder alloy sample will be described.

<ボール状はんだ合金の製造方法>
準備した試料1〜28及び試料31〜91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230℃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。
<Method for producing ball-shaped solder alloy>
Each master alloy (diameter 24 mm) of the prepared samples 1 to 28 and samples 31 to 91 was put into a nozzle of a submerged atomizer, and this nozzle was heated to 230 ° C. above the quartz tube containing oil (high frequency melting coil) Set inside). After heating the mother alloy in the nozzle to 540 ° C. by high frequency and holding it for 5 minutes, the nozzle was pressurized with an inert gas and atomized 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. The obtained ball-shaped samples were each washed with ethanol three times, and then dried in a vacuum dryer at 40 ° C. for 3 hours. And each sample of the ball-shaped shape dried was selected into what satisfy | fills the aspect ratio of this invention, and the thing which does not satisfy | fill. As a sorting method, an apparatus as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-319728 is used, and a sample is dropped on an inclined surface for sorting by applying a vibration that goes straight in a direction perpendicular to the falling direction of the sample. The first stage of selection was performed on the assumption that those falling within a certain range satisfy the aspect ratio, and those falling on other areas did not satisfy the aspect ratio. Thereafter, each sample was finally selected by measuring the aspect ratio described later.

さらに試料16〜20、27、28、67〜71、90、91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。   Further, the samples 16 to 20, 27, 28, 67 to 71, 90, and 91 were crushed into a ball shape to have a flat shape. Specifically, using a warm press, crush the sample with a mold heated to 200 ° C while flowing nitrogen at a flow rate of 5 L / min to suppress oxidation, hold it for 30 seconds, and move to a side box filled with nitrogen And cooled to room temperature and taken out. The amount of crushing was adjusted by controlling the gaps in the mold so that the degree of crushing was the desired aspect ratio.

<はんだ合金試料の縦横比の測定>
試料1〜15、21〜26、31〜66、72〜89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、27、28、67〜71、90、91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。
<Measurement of Aspect Ratio of Solder Alloy Sample>
For samples 1 to 15, 21 to 26, 31 to 66, 72 to 89, the diameter is measured at an arbitrary 50 locations with a three-dimensional measuring machine, the minimum length is the short diameter or short side, and the maximum length is the long diameter. Or the long side.
For the crushed samples 16-20, 27, 28, 67-71, 90, 91, the length (thickness) of the actually crushed portion in the crushed direction is arbitrarily measured at 10 locations to obtain the minimum length. The thickness (thickness) was defined as the short side, and the length was arbitrarily measured at 10 points in the direction perpendicular to the direction in which the short side was measured, and the maximum length was defined as the long side.

はんだ合金試料の縦横比の測定結果と分析結果を表1と表2に示す。表1はAuとSnとAgとからなる例を示し、表2はさらにAl、Cu、Ge、In、Mg、Ni、Sn、Zn及びPのいずれか1種以上を含有する例を示したものである。   Tables 1 and 2 show the measurement results and analysis results of the aspect ratio of the solder alloy samples. Table 1 shows an example composed of Au, Sn, and Ag, and Table 2 shows an example that further contains one or more of Al, Cu, Ge, In, Mg, Ni, Sn, Zn, and P. It is.

Figure 2016068091
(注)表中の※を付した試料は比較例である。
Figure 2016068091
(Note) Samples marked with * are comparative examples.

Figure 2016068091
(注)表中の※を付した試料は比較例である。
Figure 2016068091
(Note) Samples marked with * are comparative examples.

次に、各評価について説明し、得られた各評価結果を表3と表4に示す。   Next, each evaluation will be described, and each evaluation result obtained is shown in Tables 3 and 4.

<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Cu基板1のNiめっき層2に各試料のはんだ合金3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。
<Evaluation of wettability (measurement of aspect ratio of joined body)>
In order to evaluate the wetting and spreading property, a joined body in which the solder alloy 3 of each sample is soldered to the Ni plating layer 2 of the Cu substrate 1 as shown in the schematic diagram of FIG. The aspect ratio was measured.

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。   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、即ち図4に示すようにCu基板1のNiめっき層2にはんだ合金3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5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を短径とし、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3と表4に示す。
For the obtained joined body, that is, a joined body in which the solder alloy 3 is joined to the Ni plating layer 2 of the Cu substrate 1 as shown in FIG. 4, the wet spread length of the wet spread solder alloy is measured to determine the aspect ratio. Asked. Specifically, the maximum solder wetting and spreading length shown in FIG. 5 was taken as the major axis, the minimum solder wetting and spreading length was taken as the minor axis, and the aspect ratio was calculated from the measured values by the following formula 2.
[Calculation Formula 2] Table 3 and Table 4 show the measurement results of the aspect ratio of the aspect ratio = long diameter / short diameter joined body.

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。   It can be judged that the closer the aspect ratio of the calculation formula 2 is to 1, the more wetting and spreading in a circular shape on the substrate, 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 uneven, the thickness of the alloy layer and the component variation increase, and the like is uniform and good It becomes impossible to join. 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. Although depending on the components of the solder alloy, the aspect ratio is preferably less than 1.3 at the maximum.

<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3と表4に示す。
<Evaluation of bondability (measurement of void fraction)>
For the joined body shown in FIG. 4 obtained in the same manner as the evaluation of the wettability, the void ratio of the Cu substrate to which the solder alloy was joined was measured using an X-ray transmission device (TOSMICRON-6125 manufactured by Toshiba Corporation). Measured. Specifically, X-rays were transmitted vertically through the joint surface of the solder alloy and the Cu substrate from above, and the void ratio was calculated using the following calculation formula 3.
[Calculation Formula 3]
Void ratio (%) = void area / (void area + solder alloy / Cu substrate bonding area) × 100
Tables 3 and 4 show the measurement results of the void ratio of the joined body.

<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基板が接合された図4に示す接合体を用いて行った。まず、接合体に対して、−40℃の冷却と230℃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3と表4に示す。
<Heat cycle test (reliability evaluation)>
A heat cycle test was conducted to evaluate the reliability of solder joints. This test was performed using the joined body shown in FIG. 4 in which the solder alloy and the Cu substrate obtained in the same manner as the evaluation of the joining property were joined. First, the bonded body was cooled at −40 ° C. and heated at 230 ° C. as one cycle, and this was repeated for a predetermined cycle. Thereafter, the Cu substrate to which the solder alloy was bonded was embedded in the resin, the cross section was polished, and the bonded surface was observed with SEM (S-4800, manufactured by Hitachi, Ltd.). The case where the joint surface was peeled or cracked in the solder was indicated as “×”, and the case where there was no such defect and the same joint surface as in the initial state was maintained as “◯”.
Tables 3 and 4 show the heat cycle test results of the joined bodies.

Figure 2016068091
(注)表中の※を付した試料は比較例である。
Figure 2016068091
(Note) Samples marked with * are comparative examples.

Figure 2016068091
(注)表中の※を付した試料は比較例である。
Figure 2016068091
(Note) Samples marked with * are comparative examples.

上記表3と表4から分かるように、本発明の試料1〜20、31〜71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1.09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。   As can be seen from Tables 3 and 4 above, each of the solder alloys of Samples 1 to 20 and 31 to 71 of the present invention shows good characteristics in each evaluation item. That is, in the wetting and spreading property evaluation, all samples are uniformly spread in a circular shape with an aspect ratio of 1.09 or less, and in the joining property evaluation, there is almost no void, and the heat cycle is a reliability evaluation. In the test, no defects occurred in all samples up to 500 cycles. The reason why such a good result was obtained is that the aspect ratio of the solder alloy of the present invention is within the determined range and the alloy composition is within the composition range.

一方、比較例である試料21〜28、72〜91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1.67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10〜23%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21、22、27、28、72、73、90、91を除いた試料に関しては300サイクルまでに不良が発生し、また全ての試料で500サイクルまでには不良が発生した。   On the other hand, each of the solder alloys of Samples 21 to 28 and 72 to 91, which are comparative examples, resulted in an undesirable result in at least one of the characteristics. That is, in the evaluation of the wet spreading property, the aspect ratio of all samples was 1.67 or more and spread unevenly. Moreover, in evaluation of joining property, many voids generate | occur | produced with about 10-23%. In the heat cycle test, which is an evaluation of reliability, defects occurred up to 300 cycles for samples other than samples 21, 22, 27, 28, 72, 73, 90, 91, and up to 500 cycles for all samples. There was a defect.

さらに本発明のはんだ合金はAu含有量が49.5質量%以下であり、現在、実用化されている80質量%Au−20質量%合金や87.5質量%Au−12.5質量%Ge合金よりも格段にAu含有量が少なく、よって非常に低コストであり、加えてボール収率が高いことからより一層低コスト化を実現している。
以上、述べたように本発明のはんだ合金は各種特性に優れ、低コストであり、Au−Ge合金などに比較して融点が低いため、非常に使い易く、安全に製造できる特徴を有している。
Furthermore, the solder alloy of the present invention has an Au content of 49.5% by mass or less, and currently 80% by mass Au-20% by mass alloy and 87.5% by mass Au-12.5% by mass Ge. The Au content is much lower than that of the alloy, and thus the cost is very low. In addition, since the ball yield is high, the cost is further reduced.
As described above, the solder alloy of the present invention is excellent in various characteristics, low in cost, and has a low melting point as compared with Au-Ge alloy, etc., so that it has the characteristics that it is very easy to use and can be manufactured safely. Yes.

1 Cu基板
2 Niメッキ
3 はんだ合金
1 Cu substrate 2 Ni plating 3 Solder alloy

Claims (6)

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、Snを42.0質量%以上50.0質量%以下含有し、Agを2.0質量%以上9.0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Au−Sn−Ag系はんだ合金。   It is a ball-shaped Au—Sn—Ag solder alloy, and its shape has an aspect ratio (“major axis ÷ minor axis, or long side ÷ short side”, the same applies hereinafter) of 1.00 or more. 20 or less, Sn is contained in an amount of 42.0 mass% or more and 50.0 mass% or less, Ag is contained in an amount of 2.0 mass% or more and 9.0 mass% or less, and the remainder is an element inevitably included in production. An Au—Sn—Ag solder alloy characterized by being made of Au. 縦横比が1.00以上1.20以下であり、かつSnを44.0質量%以上48.0質量%以下含有し、Agを3.0質量%以上7.0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。   The aspect ratio is 1.00 or more and 1.20 or less, Sn is contained in 44.0% by mass or more and 48.0% by mass or less, Ag is contained in 3.0% by mass or more and 7.0% by mass or less, and the balance The ball-shaped Au—Sn—Ag solder alloy according to claim 1, wherein the ball-shaped Au—Sn—Ag solder alloy is made of Au, excluding elements inevitably contained in production. さらにAl、Cu、Ge、In、Mg、Ni、Sb、Zn及びPのいずれか1種以上を含有し、Alを含有する場合は0.01質量%以上0.8質量%以下、Cuを含有する場合は0.01質量%以上1.0質量%以下、Geを含有する場合は0.01質量%以上1.0質量%以下、Inを含有する場合は0.01質量%以上1.0質量%以下、Mgを含有する場合は0.01質量%以上0.5質量%以下、Niを含有する場合は0.01質量%以上0.7質量%以下、Sbを含有する場合は0.01質量%以上0.5質量%以下、Znを含有する場合は0.01質量%以上5.0質量%以下、Pを含有する場合は0.500質量%以下含有す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−Sn−Ag系はんだ合金。   Furthermore, it contains any one or more of Al, Cu, Ge, In, Mg, Ni, Sb, Zn and P. When Al is contained, 0.01% by mass to 0.8% by mass and Cu is contained. In the case of containing Ge, 0.01% to 1.0% by weight in the case of containing Ge, and 0.01% to 1.0% in the case of containing In. % By mass or less, 0.01% by mass or more and 0.5% by mass or less when Mg is contained, 0.01% by mass or more and 0.7% by mass or less when Ni is contained, and 0. The present invention is characterized by containing from 0.01% by mass to 0.5% by mass, 0.01% by mass to 5.0% by mass in the case of containing Zn, and 0.500% by mass or less in the case of containing P. Item 3. The ball-shaped Au—Sn—Ag solder alloy according to item 1 or 2. 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。   The ball-shaped Au-Sn-Ag solder alloy according to any one of claims 1 to 3 is crushed from one direction and has an aspect ratio of more than 1.00 and not more than 1.50. -Sn-Ag solder alloy. 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。   An electronic component, which is sealed using the ball-shaped Au—Sn—Ag solder alloy according to claim 1. 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。   6. An electronic component mounting apparatus, wherein the electronic component according to claim 5 is mounted.
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