JP2016093821A - Au−Sn合金はんだペースト、Au−Sn合金はんだ層の製造方法、及びAu−Sn合金はんだ層 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】Snを61質量%以上70質量%以下の範囲で含み、残部がAu及び不可避不純物よりなるAu−Sn合金粉末と、フラックスと、を含み、前記Au−Sn合金粉末における酸素濃度が、50質量ppm以上1800質量ppm以下の範囲内とされていることを特徴とする。
【選択図】なし
Description
上述の半導体装置等に用いられるはんだペーストとして、例えば、特許文献1には、Snを90質量%含有するAu−90質量%Sn合金はんだが開示されている。また、特許文献2には、Snを20質量%含有するAu−20質量%Sn合金はんだが開示されている。
また、特許文献2に記載されたAu−20質量%Sn合金はんだにおいては、図1に示すAu−Sn二元状態図によれば、融点(共晶温度)が278℃とされていることからAu−90質量%Sn合金はんだよりも耐熱性に優れているものの、高価なAuの含有量が多いため、製造コストが大幅に上昇してしまうといった問題があった。
このAu−Sn合金はんだペーストにおいては、はんだ接合時において、まず共晶温度が低いAu−90質量%Snはんだ合金粉末が溶融して被接合体である半導体素子や回路基板を濡らし、その後、溶融したAu−90質量%Snはんだ合金とAu―20質量%Snはんだ合金とが拡散することにより、これらが混合した組成のAu−Snはんだ合金層が形成される。
また、2種の合金組成の粉末を製造する工程、つまり、アトマイズ工程及び分級工程が必要で、その後、粉末同士を混合する工程も必要であるため、スループットも悪いという課題も有していた。
ここで、特許文献3に記載された組成のAu−Sn合金粉末を用いて、Au−Sn合金はんだペーストを製造することが考えられる。
さらに、本発明においては、前記Au−Sn合金粉末における酸素濃度を、1800質量ppm以下に制限していることから、フラックスと混合した場合に溶融性に悪影響はない。
この場合、Au−Sn合金粉末の平均粒径が1μm以上25μm以下の範囲内とされているので、Au−Sn合金はんだペーストを、印刷機を用いて微小な領域に印刷不良を生じることなく印刷でき、また、溶融処理する際には、Au−Sn合金粉末を確実に溶融させることができるため、溶融不良の発生を抑制することができる。
この場合、前記フラックスの含有量が、ペースト全体の5質量%以上40質量%以下の範囲内とされているので、Au−Sn合金はんだペーストの印刷性が良好になるとともに、溶融処理時におけるAu−Sn合金粉末の凝集不足を抑制することが可能となる。
この構成のAu−Sn合金はんだ層の製造方法によれば、上述のAu−Sn合金はんだペーストを加熱して溶融しているので、液相線温度が300℃程度となり、耐熱性に優れたAu−Sn合金はんだ層を得ることができる。
また、濡れ広がったSn−Au相(薄膜相)は基材の表面に形成されたAu膜と反応することで固相線温度及び液相線温度が上昇し、加熱温度で保持した状態で凝固する。よって、凝固後に形成されるAu−Sn合金はんだ層は、固相線温度及び液相線温度が上昇しており、耐熱性に特に優れることになる。
これに対して、本発明においては、Au−Sn合金粉末の固相線温度が252℃とされ、液相線温度は300℃程度となる。特許文献1、2、3では全て共晶合金粉末ペーストを用いているが、本発明では共晶合金ではなく、固相線温度と液相線温度が50℃ほど差異がある合金を用いており、また、種々評価の結果、通常の実装リフロー温度のMAX温度として設定する溶融終了温度(液相線温度)+30〜50℃を用いずとも溶融開始温度である固相線温度+30〜50℃、つまり、固相線温度252℃+30℃である282℃から+50℃である302℃で十分溶融し、接合できることが明確になった。つまり、特許文献2のAu―20質量%Snはんだ合金を用いる場合と比較して、被搭載物の熱的ダメージを低減することができる。
リフロー後、一旦形成されたこの構成のAu−Sn合金はんだ層は、固相線温度及び液相線温度が比較的高く、耐熱性に優れている。よって、高温となる使用状況下においても良好に使用することが可能となる。
本実施形態であるAu−Sn合金はんだペースト20は、例えばLED素子(被接合材)と回路基板(基材)と接合する際に用いられるものである。
さらに、本実施形態においては、フラックスの含有量が、ペースト全体の5質量%以上40質量%以下の範囲内とされている。
以下に、Au−Sn合金粉末の組成、Au−Sn合金粉末における酸素濃度、Au−Sn合金粉末の平均粒径、フラックスの含有量を、上述のように規定した理由について説明する。
Au−Sn合金粉末におけるSn含有量が61質量%未満の場合には、図1のAu−Sn二元状態図によれば固相線温度が309℃のδ相が生じることになり、低温での溶融が困難となり、被搭載物の熱的損傷が懸念される。一方、Au−Sn合金粉末におけるSn含有量が70質量%を超えると、固相線温度が217℃まで低下してしまい、形成されたAu−Sn合金はんだ層30の耐熱性を確保できなくなるおそれがある。
以上のことから、本実施形態では、Au−Sn合金粉末におけるSn含有量を、61質量%以上70質量%以下の範囲内に設定している。
Au−Sn合金粉末においては、Sn含有量が高くなると、粉末同士が凝集しやくなる。これは、金属表面が酸化されていない状態では、表面の活性が非常に高く不安定な状態となるため、粉末同士が凝集することで安定な状態になろうとすることに起因するものと推測される。
ここで、Au−Sn合金粉末における酸素濃度が50質量ppm未満の場合には、Au−Sn合金粉末の表面に酸化膜を形成することができず、粉末の凝集を抑制することができないおそれがある。一方、Au−Sn合金粉末における酸素濃度が1800質量ppmを超えた場合には、溶融性が阻害されるおそれがある。
以上のことから、本実施形態では、Au−Sn合金粉末における酸素濃度を、50質量ppm以上1800質量ppm以下の範囲内に設定している。
Au−Sn合金粉末の平均粒径が1μm未満の場合には、Au−Sn合金はんだペースト20を加熱した際に溶融不良が発生するおそれがある。一方、Au−Sn合金粉末の平均粒径が25μmを超える場合には、Au−Sn合金はんだペースト20の印刷性が低下するとともに、フラックスとAu−Sn合金粉末とが分離して溶融不良が発生するおそれがある。
以上のことから、本実施形態では、Au−Sn合金粉末の平均粒径を、1μm以上25μm以下の範囲内に設定している。
Au−Sn合金はんだペースト20において、フラックスの含有量がペースト全体の5質量%未満の場合には、Au−Sn合金はんだペースト20の粘度が高くなりすぎて、印刷性が大きく低下するおそれがある。一方、フラックスの含有量がペースト全体の40質量%を超える場合には、Au−Sn合金はんだペースト20を印刷する際に印刷ダレが発生しやすくなるとともに、溶融時にAu−Sn合金粉末の凝集不足が発生するおそれがある。
以上のことから、本実施形態では、フラックスの含有量を、ペースト全体の5質量%以上40質量%以下の範囲内に設定している。
ここで、フラックスとしては、例えば、一般的なフラックス(例えば、ロジン、活性剤、溶剤、増粘剤等を含むフラックス)を用いることができる。また、Au−Sn合金はんだペースト20の濡れ性の観点から、例えば、弱活性(RMA)タイプのフラックスや活性(RA)タイプのフラックス等を用いることが好ましい。
始めに、Snを61質量%以上70質量%以下の範囲で含み、残部がAu及び不可避不純物よりなるAu−Sn合金粉末を準備する。
機械撹拌としては、例えば、プロペラ撹拌が好ましい。また、機械撹拌と電磁撹拌のような電気的撹拌を併用してもよい。機械撹拌としてプロペラ撹拌を用いる場合、プロペラの回転速度は、例えば、60〜100rpmとすることができる。この場合の撹拌時間は、例えば、3〜10分の範囲内とすることができる。
噴霧の条件としては、例えば、噴霧圧力を5000〜8000kPa、ノズルギャップを0.3mm以下とすることができる。
なお、同じ酸素濃度のガスを用いた場合、粒径の大きい粉末を作製すると、粉末の比表面積が小さいため、必然的に粉末中の酸素濃度は低くなる。一方で、粒径の小さい粉末を作製した場合は、比表面積が大きくなるため、酸素濃度は高くなる。このため、目標とする粉末の粒径と酸素濃度に応じて、ガス中の酸素濃度を調整する必要がある。
本実施形態であるAu−Sn合金はんだ層30は、図2に示すように、Au膜12を形成した基材11の上に、本実施形態であるAu−Sn合金はんだペースト20を印刷し、このAu−Sn合金はんだペースト20を構成するAu−Sn合金の固相線温度+30℃以上液相線温度以下の温度に加熱して溶融することによって製造される。
なお、Au膜12としては、膜厚を0.01μm以上0.1μm以下の範囲内とすることが好ましい。また、Au膜12は、めっき等によって成膜することができる。
そして、濡れ広がって形成されたSnを主成分とする薄膜相31においては、基材11の表面に形成されたAu膜12と反応することで固相線温度及び液相線温度が上昇し、加熱温度で保持した状態で凝固する。また、液相のAu−Sn成分が抜けることによって相対的にAuの含有量が高くなった厚膜相32も固相線温度及び液相線温度が上昇することになる。
なお、Au膜12は、印刷されたAu−Sn合金はんだペースト20の面積よりも大きくされており、液相のAu−Snが濡れ広がって形成された薄膜相31がAu膜12と十分に反応するように構成されている。
ここで、図2に示すAu−Sn合金はんだ層30においては、厚膜相32及び薄膜相31の固相線温度及び液相線温度が上昇していることから、耐熱性が大きく向上することになる。
さらに、本実施形態においては、Au−Sn合金粉末における酸素濃度を、1800質量ppm以下に制限していることから、フラックスと混合した場合に溶融性に悪影響はない。
さらに、本実施形態では、フラックスの含有量が、ペースト全体の5質量%以上40質量%以下の範囲内とされているので、Au−Sn合金はんだペーストの印刷性が良好になるとともに、溶融処理時におけるAu−Sn合金粉末の凝集不足を抑制することが可能となる。
例えば、本実施形態では、LED素子等の半導体素子と回路基板とを接合する際に用いるものとして説明したが、これに限定されることはなく、他の部材を接合する際に使用してもよい。
また、本実施形態では、Au膜をめっきによって形成するものとして説明したが、これに限定されることはなく、蒸着等の他の手段によってAu膜を成膜してもよい。
具体的には、表1に示す組成となるように溶解原料を秤量し、溶解することでAu−Sn合金溶湯を形成し、このAu−Sn合金を700℃に加熱してプロペラ撹拌によって撹拌した。このAu−Sn合金溶湯を500kPaで加圧しながら、噴射圧力が6000kPaの条件で、口径1.5mmの小径ノズルから導出するとともに、導出されたAu−Sn合金溶湯に対して、アトマイズガス(Ar+O2)を噴射することで、Au−Sn合金粉末を作製した。
また、得られたAu−Sn合金粉末を風力分級することにより、Au−Sn合金粉末の平均粒径を表1に示すように調整した。なお、Au−Sn合金粉末の粒径は、レーザ回折法によって測定した。
得られたAu−Sn合金粉末と、フラックス(RAタイプ)をフラックス比率10重量%で、遊星撹拌法によって混合することにより、Au−Sn合金はんだペーストを作製した。
このAu膜の上に、上述のAu−Sn合金はんだペーストを厚み20μm、600μm径に印刷するとともに1mm角のLED素子を積層し、表1に示す温度に加熱して溶融することで、Au−Sn合金はんだ層を形成するとともにLED素子を接合した。
Au−Sn合金粉末の凝集については、ペースト化時のダマの有無を目視で確認した。
リフロー後の溶融性は、実体顕微鏡(20倍)で観察し、粉末の溶け残りが生じたものは「不良」、生じなかったものは「合格」とした。
LED素子の熱損傷性については、実リフロー温度として330℃以上必要なものは熱損傷の生じる可能性が高いため「×」とし、300℃を超え330℃未満のものは、「△」とし、300℃以下のものは「○」とした。
LED素子の接合部温度の耐熱性については、LED素子を接合後、再度、MAX温度300℃でリフローした際の再溶融の有無をリフローシミュレーター(マルコム製ビデオ観察システム)にて観察した。
評価結果を表2に示す。
比較例2においては、Au−Sn合金粉末におけるSn含有量が73質量%と本発明の範囲よりも多くなっている。DSCを用いた固相線温度の測定で218℃と低くなっており、リフローにおけるMAX温度は固相線温度+30℃の248℃で実施したが、LED素子の接合部温度の耐熱性評価において、300℃のリフローで再溶融してしまい、形成されたAu−Sn合金はんだ層の耐熱性が不足していると判断した。
比較例6においては、Au−Sn合金粉末の酸素濃度が2200質量ppmと本発明の範囲よりも多くなっているので、リフロー後の粉末溶け残りが発生し、溶融性不良が発生している。
また、Au膜上に印刷したAu−Sn合金はんだペーストを、固相線温度以上液相線温度以下の温度で加熱した本発明例1〜7においては、形成されたAu−Sn合金はんだ層において液相線温度が上昇しており、300℃においても溶融が認められず、高い耐熱性を有していることが確認された。また、本発明例2と同じ材料、同じ手順で、ペーストの印刷径のみを変更して形成したAu−Sn合金はんだ層の観察写真を図3に示す。濡れ広がったSnを主成分とする薄膜相31と、この中央部に形成された相対的にAuの含有量の高い厚膜相32と、を有するAu−Sn合金はんだ層30が形成されていることが確認された。
30 Au−Sn合金はんだ層
Claims (6)
- Snを61質量%以上70質量%以下の範囲で含み、残部がAu及び不可避不純物よりなるAu−Sn合金粉末と、フラックスと、を含み、
前記Au−Sn合金粉末における酸素濃度が、50質量ppm以上1800質量ppm以下の範囲内とされていることを特徴とするAu−Sn合金はんだペースト。 - 前記Au−Sn合金粉末の平均粒径が1μm以上25μm以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項1に記載のAu−Sn合金はんだペースト。
- 前記フラックスの含有量が、ペースト全体の5質量%以上40質量%以下の範囲内であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のAu−Sn合金はんだペースト。
- 基材の表面に、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載されたAu−Sn合金はんだペーストを配設し、このAu−Sn合金はんだ層を加熱して溶融することを特徴とするAu−Sn合金はんだ層の製造方法。
- 表面にAu膜が形成された前記基材を準備し、このAu膜の上に、前記Au−Sn合金はんだペーストを配設し、前記Au−Sn合金はんだペーストを構成するAu−Sn合金の固相線温度+30℃以上液相線温度以下の温度に加熱して溶融することを特徴とする請求項4に記載のAu−Sn合金はんだ層の製造方法。
- 請求項4又は請求項5に記載のAu−Sn合金はんだ層の製造方法により得られたことを特徴とするAu−Sn合金はんだ層。
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