JP2023086355A

JP2023086355A - はんだペースト

Info

Publication number: JP2023086355A
Application number: JP2021200809A
Authority: JP
Inventors: 舒杰費; Shu Jie Fei
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2021-12-10
Filing date: 2021-12-10
Publication date: 2023-06-22

Abstract

【課題】ディスペンス方式で塗布する場合であっても、安定して供給することが可能なはんだペーストを提供する。【解決手段】金属粉と樹脂と溶剤とチキソ剤を含むはんだペーストであって、ひずみが０．０１％のときの損失正接が０．１以上０．５以下の範囲内とされている。ひずみが０．０１％のときの損失正接をＮ０としたとき、損失正接がＮ０から１．１×Ｎ０までのひずみ領域に対応するせん断応力の幅で定義される線形粘弾性領域の長さが１２Ｐａ未満であることが好ましい。また、温度２５℃、せん断速度６／ｓの条件で測定した粘度が、５０Ｐａ・ｓ以上１００Ｐａ・ｓ以下の範囲内であることが好ましい。【選択図】なし

Description

本発明は、第１部材と第２部材とをはんだ接合する際に用いられるはんだペーストに関するものである。

例えば、ＬＥＤやパワーモジュールといった半導体装置は、金属部材からなる回路層の上に半導体素子が接合された構造とされている。
半導体素子等の電子部品を回路層上に接合する際には、例えば特許文献１－３に示すように、はんだペーストを用いた方法が広く使用されている。
ここで、接合面にはんだペーストを供給する方式としては、印刷、ディスペンス、ピン転写等の方法がある。

特開２０００－２７１７８２号公報特許第６４５９６５６号公報特許第６４２８３３９号公報

ところで、ディスペンス方式においては、シリンダによってはんだペーストを押し出すことから、多様な形状の接合面であってもはんだペーストを塗布することが可能となるといった利点を有している。
しかしながら、ディスペンス方式においては、はんだペーストの吐出量が不安定となりやすく、はんだペーストを十分に吐出できずに、いわゆる空打ちが発生するおそれがあった。

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、ディスペンス方式で塗布する場合であっても、安定して供給することが可能なはんだペーストを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明者らが鋭意検討した結果、はんだペーストの流動特性は、はんだペーストの弾性（動的粘弾性測定における貯蔵弾性率Ｇ”）と粘性（動的粘弾性測定における損失弾性率Ｇ’）の比である損失正接ｔａｎδ＝Ｇ”／Ｇ’に大きく影響を受けることから、この損失正接を適切に制御することにより、ディスペンス方式であっても、シリンダから安定して吐出することが可能であるとの知見を得た。

本発明は、上述の知見に基づいてなされたものであって、本発明のはんだペーストは、金属粉と樹脂と溶剤とチキソ剤を含むはんだペーストであって、ひずみが０．０１％のときの損失正接が０．１以上０．５以下の範囲内とされていることを特徴としている。

この構成のはんだペーストによれば、ひずみが０．０１％のときの損失正接が０．１以上とされているので、ディスペンス開始時に必要な応力が低くなり、安定して吐出することができる。一方、ひずみが０．０１％のときの損失正接が０．５以下とされているので、塗布したはんだペーストの形状を維持することができ、はんだペーストを安定して塗布することができる。

ここで、本発明のはんだペーストにおいては、ひずみが０．０１％のときの損失正接をＮ_０としたとき、損失正接がＮ_０から１．１×Ｎ_０までのひずみ領域に対応するせん断応力の幅で定義される線形粘弾性領域の長さが１２Ｐａ未満であることが好ましい。
この場合、線形粘弾性領域の長さが１２Ｐａ未満に抑制されているので、ディスペンス開始時に必要な応力がさらに低くなり、さらに安定して吐出することができる。

また、本発明のはんだペーストにおいては、温度２５℃、せん断速度６／ｓの条件で測定した粘度が、５０Ｐａ・ｓ以上１００Ｐａ・ｓ以下の範囲内であることが好ましい。
この場合、温度２５℃、せん断速度６／ｓの条件で測定した粘度が、５０Ｐａ・ｓ以上１００Ｐａ・ｓ以下の範囲内とされているので、ディスペンス方式によってさらに安定して吐出することが可能となる。

本発明によれば、ディスペンス方式で塗布する場合であっても、安定して供給することが可能なはんだペーストを提供することができる。

本発明の一実施形態に係るはんだペーストの動粘弾性測定を示すグラフである。実施例における本発明例３のはんだペーストの損失正接とひずみとの関係を示すグラフである。実施例における比較例のはんだペーストの損失正接とひずみとの関係を示すグラフである。

以下に、本発明の実施形態であるはんだペーストについて説明する。
本実施形態であるはんだペーストは、第１部材と第２部材とをはんだ接合する際に使用されるものである。例えば、絶縁回路基板の回路層（第１部材）に、電子部品として半導体素子（第２部材）をはんだ接合する際に用いられるものである。

本実施形態であるはんだペーストは、金属粉と樹脂と溶剤とチキソ剤を含んでいる。なお、必要に応じて活性剤を含んでいてもよい。

そして、本実施形態であるはんだペーストにおいては、動粘弾性測定において、ひずみが０．０１％のときの損失正接が０．１以上０．５以下の範囲内とされている。本実施形態であるはんだペーストの動粘弾性測定した結果を図１に示す。
損失正接は、ペーストの弾性（動的粘弾性測定における貯蔵弾性率Ｇ”）と粘性（動的粘弾性測定における損失弾性率Ｇ’）の比となる。
損失正接ｔａｎδ＝Ｇ”／Ｇ’

ここで、ひずみが０．０１％のときの損失正接が０．１未満の場合には、ディスペンスを開始する際に必要な応力が大きくなり、はんだペーストを安定して吐出することができなくなるおそれがある。一方、ひずみが０．０１％のときの損失正接が０．５を超える場合には、塗布したはんだペーストの形状を維持することができず、塗布したはんだペーストのばらつきが大きくなるおそれがある。
このことから、本実施形態では、ひずみが０．０１％のときの損失正接を０．１以上０．５以下の範囲内に設定している。
ここで、ひずみが０．０１％のときの損失正接は、０．２以上であることがさらに好ましい。また、ひずみが０．０１％のときの損失正接は、０．３以下であることがさらに好ましい。
なお、はんだペーストを吐出するシリンダの吐出口の円相当径が１．０ｍｍ以下の場合には、ひずみが０．０１％のときの損失正接を０．３以下とすることが好ましい。

ここで、本実施形態のはんだペーストにおいては、ひずみが０．０１％のときの損失正接をＮ_０としたとき、損失正接がＮ_０から１．１×Ｎ_０までのひずみ領域に対応するせん断応力の幅で定義される線形粘弾性領域の長さが１２Ｐａ未満であることが好ましい。
本実施形態のはんだペーストにおいて、上述の線形粘弾性領域の長さを１２Ｐａ未満とすることにより、ディスペンスを開始する際に必要な応力をさらに低くすることができ、はんだペーストを安定して吐出することが可能となる。
なお、上述の線形粘弾性領域の長さは１０Ｐａ以下とすることがさらに好ましい。

また、本実施形態のはんだペーストにおいては、温度２５℃、せん断速度６／ｓの条件で測定した粘度が、５０Ｐａ・ｓ以上１００Ｐａ・ｓ以下の範囲内であることが好ましい。
本実施形態のはんだペーストにおいて、上述の粘度を５０Ｐａ・ｓ以上１００Ｐａ・ｓ以下の範囲内とすることにより、ディスペンス方式によってさらに安定して吐出することが可能となる。

本実施形態のはんだペーストに含まれる金属粉としては、Ｓｎ－Ａｇ－Ｃｕ，Ａｕ－Ｓｎ，Ｓｎ－Ｃｕが挙げられる。これらの金属粉は、合金粉末であってもよいし、混合粉末であってもよい。本実施形態においては、金属粉は、Ａｕ粉末とＳｎ粉末の混合粉末とされている。

本実施形態のはんだペーストに含まれる樹脂としては、例えば、重合ロジン、天然ロジン、精製ロジン、イソボルニルシクロヘキサノール、ロジンエステル等が用いられる。

本実施形態のはんだペーストに含まれる溶剤としては、例えば、アルコール、ケトン、エステル、エーテル、芳香族系、炭化水素類、テルペン系及びテルペノイド系等の溶剤が用いられる。具体的には、ベンジルアルコール、エタノール、エチルアルコール、イソプロピルアルコール、ブタノール、ジエチレングリコール、エチレングリコール、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、ブチルカルビトール、イソプロピルアルコール、酢酸エチル、酢酸ブチル、安息香酸ブチル、アジピン酸ジエチル、ドデカン、テトラデセン、α－テルピネオール、２－メチル２，４－ペンタンジオール、２－エチル－１，３－ヘキサンジオール、トルエン、キシレン、プロピレングリコールモノフェニルエーテル、ジエチレングリコールモノヘキシルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、ジエチレングリコールモノブチルエーテル、ジイソブチルアジペート、へキシレングリコール、シクロヘキサンジメタノール、２－ターピニルオキシエタノール、２－ジヒドロターピニルオキシエタノール、シトラール、リナロール、リモネン、カルバクロール、ピネン、ファルネセン、ミリスチン酸エチルなどが単独又はこれらを混合して用いられる。

本実施形態のはんだペーストに含まれるチキソ剤としては、例えば、硬化ヒマシ油、水素添加ひまし油、カルナバワックス、アミド類、ヒドロキシ脂肪酸類、ジベンジリデンソルビトール、ビス（ｐ－メチルベンジリデン）ソルビトール類、蜜蝋、ステアリン酸アミド、ヒドロキシステアリン酸エチレンビスアミド等が単独又はこれらを混合して用いられる。

本実施形態のはんだペーストが活性剤を含む場合には、活性剤として、例えば、アジピン酸、カプリル酸、ラウリン酸、ミリスチン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、ベヘニン酸のような脂肪酸、１，２－ヒドロキシステアリン酸のようなヒドロキシ脂肪酸、酸化防止剤、界面活性剤、アミン類等を添加して用いることができる。

ここで、金属粉の含有量は、７５ｍａｓｓ％以上９５ｍａｓｓ％以下の範囲内とすることが好ましい。
樹脂の含有量は、１．０ｍａｓｓ％以上１０．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とすることが好ましい。
溶剤の含有量は、１．０ｍａｓｓ％以上１０．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とすることが好ましい。
チキソ剤の含有量は、０．１ｍａｓｓ％以上２．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とすることが好ましい。
活性剤の含有量は、０ｍａｓｓ％以上３．０ｍａｓｓ％以下の範囲内とすることが好ましい。
なお、各含有量は、はんだペーストを１００ｍａｓｓ％としたときの値である。

次に、本実施形態のはんだペーストの製造方法について説明する。
まず、チキソ剤の一部を溶剤に添加して攪拌し、チキソ剤の溶解温度よりも高い温度まで加熱する。その後、樹脂および活性剤を添加し、攪拌混合して混合物を得る。そして、得られた混合物を冷却する過程で、残りのチキソ剤を添加する。
加熱前に添加したチキソ剤においては、加熱過程で結晶核が成長し、チキソ剤の結晶粒が粗大化する。一方、冷却時に添加したチキソ剤の結晶粒は粗大化しない。このように、はんだペーストに含まれるチキソ剤の結晶粒の状態を制御することにより、はんだペーストの粘弾性特性（損失正接）を調整することが可能となる。
なお、加熱前に添加するチキソ剤の割合は、使用する全チキソ剤量を１００％としたときに、４０％以上９５％以下の範囲内とすることが好ましく、冷却時に添加するチキソ剤の割合は、５％以上６０％以下の範囲内とすることが好ましい。

以上のような構成とされた本実施形態であるはんだペーストによれば、ひずみが０．０１％のときの損失正接が０．１以上とされているので、ディスペンス開始時に必要な応力が低くなり、安定して吐出することができる。一方、ひずみが０．０１％のときの損失正接が０．５以下とされているので、塗布したはんだペーストの形状を維持することができ、はんだペーストを安定して塗布することができる。

本実施形態であるのはんだペーストにおいては、ひずみが０．０１％のときの損失正接をＮ_０としたとき、損失正接がＮ_０から１．１×Ｎ_０までのひずみ領域に対応するせん断応力の幅で定義される線形粘弾性領域の長さが１２Ｐａ未満であることが好ましい。
この場合、線形粘弾性領域の長さが１２Ｐａ未満に抑制されているので、ディスペンス開始時に必要な応力がさらに低くなり、さらに安定して吐出することができる。

また、本実施形態であるのはんだペーストにおいてはは、温度２５℃、せん断速度６／ｓの条件で測定した粘度が、５０Ｐａ・ｓ以上１００Ｐａ・ｓ以下の範囲内であることが好ましい。
この場合、温度２５℃、せん断速度６／ｓの条件で測定した粘度が、５０Ｐａ・ｓ以上１００Ｐａ・ｓ以下の範囲内とされているので、ディスペンス方式によってさらに安定して吐出することが可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施形態では、絶縁回路基板の回路層（第１部材）に、電子部品として半導体素子（第２部材）を接合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、第１部材および第２部材に特に限定はない。

以下に、本発明に係るはんだペーストの作用効果について評価した評価試験の結果を説明する。

まず、表１に示すように、樹脂と溶剤とチキソ剤を混合して、１５０℃まで加熱して攪拌し、その後、室温まで冷却して金属粉と混合し、各種はんだペーストを作製した。
なお、表１に示すように、チキソ剤は、加熱前と加熱後の冷却開始時との２回に分けて添加した。

得られた各種はんだペーストについて、損失正接、線形粘弾性領域の長さ、粘度、ディスペンス性を、以下のように評価した。

（損失正接および線形粘弾性領域の長さ）
得られたはんだペーストについて、粘弾性測定装置を用いて、以下の条件で粘弾性特性を測定し、ひずみ０．０１％のときの損失正接Ｎ_０、線形粘弾性領域の長さ（損失正接がＮ_０から１．１×Ｎ_０までのせん断応力値）を算出した。本発明例３の測定結果を図２に、比較例の測定結果を図３に示す。
粘弾性測定装置：Anton Paar社製レオメータ（型番：MCR 301）
粘弾性測定装置の測定部温度：２５℃
粘弾性測定装置のプレートの回転速度（周波数）：1Hz
測定治具：ＰＰ２５
ギャップ：０．３ｍｍ
試料体積：０．１５ｍＬ
測定モード：ひずみ分散

（粘度）
得られたはんだペーストについて、粘度計を用いて、以下の条件で粘度を測定した。
測定装置：マルコム社製微量スパイラル粘度計PCU－02V
測定時温度：２５℃±０．１1℃
測定速度：１０ｒｐｍ（せん断速度６／ｓ）
測定前待機時間：６００ｓ
試料体積：０．２ｍＬ

（ディスペンス性）
得られたはんだペーストついて、以下に示す装置を用いて、ディスペンス法により、Ｓｉ基板表面に対して塗布径８００μｍを目標として、１０００点塗布した。塗布したペーストの直径をワンショット３Ｄ形状測定機（VR-5000 KEYENCE社製）で測定し、１０００点の直径の標準偏差σを算出した。
ディスペンサー：ML-606GX （MUSASHI ENGINEERING, Inc. 製）
ロボット：SHOTMASTER 300ΩX
ペレート容器：MUSASHI ENGINEERING, Inc.製シリンジ5cc （PSY-5E）

１０００点の連続塗布中にペーストが吐出されなくなり、１０００点の塗布が出来なかった場合を「×」、１０００点の直径の標準偏差σが２０μｍ以上の場合を「△」、１０００点の直径の標準偏差σが１０μｍ以上２０μｍ未満の場合を「〇」、１０００点の直径の標準偏差σが１０μｍ未満の場合を「◎」とした。

比較例においては、ひずみが０．０１％のときの損失正接が０．６０とされており、空打ちが生じ、ディスペンス性が「×」となった。
これに対して、本発明例１－７においては、ひずみが０．０１％のときの損失正接が０．１以上０．５以下の範囲内とされており、空打ちは生じず、ディスペンス性が「△～◎」となった。
また、線形粘弾性領域の長さが１２Ｐａ未満、粘度を５０Ｐａ・ｓ以上１００Ｐａ・ｓ以下の範囲内とした本発明例１－４においては、塗布後のペーストの直径のばらつきが抑制されており、ディスペンス性が「〇～◎」となった。

以上のことから、本発明例によれば、ディスペンス方式で塗布する場合であっても、安定して供給することが可能なはんだペーストを提供可能であることが確認された。

Claims

金属粉と樹脂と溶剤とチキソ剤を含むはんだペーストであって、
ひずみが０．０１％のときの損失正接が０．１以上０．５以下の範囲内とされていることを特徴とするはんだペースト。
ひずみが０．０１％のときの損失正接をＮ_０としたとき、損失正接がＮ_０から１．１×Ｎ_０までのひずみ領域に対応するせん断応力の幅で定義される線形粘弾性領域の長さが１２Ｐａ未満であることを特徴とする請求項１に記載のはんだペースト。
温度２５℃、せん断速度６／ｓの条件で測定した粘度が、５０Ｐａ・ｓ以上１００Ｐａ・ｓ以下の範囲内であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のはんだペースト。