JP4667455B2 - 導電性フィラー、及びはんだ材料 - Google Patents

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Description

本発明は、電気・電子機器の接合材料に用いられる導電性フィラーに関するもので、特に鉛フリーのはんだ材料、および導電性接着剤に関する。
はんだは、一般的に金属材料の接合に用いられ、溶融温度域(固相線温度から液相線温度の範囲)が450℃以下の合金材料とされている。従来、リフロー熱処理で使用するはんだ材料としては、一般的に融点183℃のSn−37Pb共晶はんだが用いられてきた。また、高耐熱性が要求される電子部品の内部等で使用される高温はんだとしては、固相線温度270℃、液相線温度305℃のSn−90Pb高温はんだが広く用いられてきた。
しかしながら、近年、EUの環境規制(WEEE、RoHS指令)にあるように、鉛の有害性が問題となり、環境汚染を防止する観点から、はんだの鉛フリー化が急速に進んでいる。このような状況の中で、現在、Sn−37Pb共晶はんだの代替としては、融点220℃程度のSn−3.0Ag−0.5Cuからなる鉛フリーはんだ(特許文献1,及び特許文献2参照)が提案され、リフロー熱処理として240℃から260℃程度の温度範囲のものが一般的になりつつある。尚、一般に、リフロー熱処理条件は、はんだ合金の融点に10〜50℃を加えた温度範囲で設定される。
これに対し、高温はんだ材料としては、Au−20Sn共晶合金(融点280℃)、及びSb−Sn系合金(特許文献3参照)等が提案されている。しかしながら、Au−Sn系合金は、機械的に硬く脆い材料で応力緩和性に乏しく極めて高価な材料なので用途が限られる。また、Sb−Sn系合金は、アンチモンの有害性が指摘されている。このように、高温はんだ材料には現在有力な代替材料が無く、2006年7月から施行される上記RoHS指令においても、85%以上鉛を含有する高温はんだは、代替材料が確立されるまでは、適用除外とされている。
本発明者らは、耐熱信頼性(実装済みの部品を位置ずれを起こすことなく複数回実装できること)、接続安定性(接続時にスタンドオフを保つことができること)、及び約250℃以下の加熱処理での接続性を同時に満足する鉛フリー接続材料を以前に提案している(特許文献4参照)。該接続材料は表面と内部とで組成が異なる2層構造を有する合金粒子であって、接続時には表面のみが溶融し内部は溶融しないことで接続安定性を発現し、接続後は最低融点が上昇することで耐熱信頼性を発現するという特徴を有するものであった。具体的な好ましい態様としては、銅、スズ、銀、ビスマス、及びインジウムからなる準安定相を有する合金の表面にスズを置換メッキした合金粒子を提案している。
また、本発明者らは、同様の目的を有する鉛フリー接続材料として、上述の準安定合金相を有する合金の表面にスズを置換メッキした第1の合金粒子と、スズとインジウムとを含み50〜150℃の最低融点を有する第2の合金粒子との組成物からなる鉛フリー接続材料を提案している(特許文献5、6、7参照)。
上述の合金粒子を用いたはんだ材料は、鉛フリーはんだ材料として使用できるとともに、一度溶融させて硬化させた後は最低融点が上昇するため、高温はんだ材料としての要求もある程度は満たすものである。しかしながら、該合金粒子を製造するためには表面に低融点層、例えばスズによる置換メッキ層、を形成するプロセスが必要であり、生産性が悪いという課題があった。また、置換メッキプロセスは表面の銅とスズを置換することによって進行するので、接続強度のさらなる向上のために置換メッキ層の厚みを増やすことは、技術的に困難であった。
また、前述の第2の合金粒子のように最低融点が50〜150℃と低いものを含む組成物からなる接続材料は、実装時に240〜260℃の熱をかけると、合金組織の結晶粒の成長が進行して、その内部応力により接合強度が低下する場合がある。従って、最低融点と実装温度の乖離が大きいことは好ましいことではない。
特開平5−050286号公報 特開平5−228685号公報 特開平11−151591号公報 国際公開第2002/028574号パンフレット 特開2004−223559号公報 特開2004−363052号公報 特開2005−5054号公報
本発明は、鉛フリーはんだのリフロー熱処理条件、たとえばピーク温度246℃、で溶融接合でき、接合後は同じ熱処理条件では溶融しない高耐熱性の導電性フィラーを提供することを目的とする。また、鉛フリーはんだ材料として利用できると共に、従来の高温はんだよりも低温で使用できるはんだペーストを提供することも本発明の目的である。
本発明者らは、上記課題を解決すべく検討を行った結果、本発明をなすにいたった。
すなわち、本発明の一は、第1の金属粒子と第2の金属粒子との混合体からなる導電性フィラーであって、該混合体は示差走査熱量測定で発熱ピークとして観測される準安定合金相を少なくとも1つと、吸熱ピークから観測される融点を210〜240℃と300〜450℃の2箇所に少なくとも1つずつ有するとともに、50〜209℃には吸熱ピークから観測される融点を有さないものであって、該混合体を246℃で熱処理することにより第2の金属粒子を溶融させ第1の金属粒子と接合させた接合体は示差走査熱量測定で吸熱ピークから観測される融点を210〜240℃に有さないか、または210〜240℃の吸熱ピーク面積から観測される溶融時の吸熱量が該混合体の210〜240℃の吸熱ピーク面積から観測される溶融時の吸熱量の90%以下になることを特徴とする導電性フィ
ラーであって、該混合体が第1の金属粒子100質量部と第2の金属粒子55〜186質量部からなり、該第1の金属粒子は、Cu65質量%、Ag10質量%、Bi5質量%、In5質量%、及びSn15質量%からなる合金であり、該第2の金属粒子は、Sn100質量%である導電性フィラーである。
本発明の二は、上記の導電性フィラーを含むはんだペーストである。
本発明の導電性フィラーは、鉛フリーはんだのリフロー熱処理条件、たとえばピーク温度246℃で溶融接合でき、接合後は同じ熱処理条件では溶融しない高耐熱性を示す。本発明のはんだペーストは、鉛フリーはんだ材料として利用できると共に、従来の高温はんだよりも低温で使用できる。
実施例1で作製した第1の金属粒子と第2の金属粒子を重量比100:83で混合した導電性フィラーを試料とした示差走査熱量測定により得られたDSCチャートである。 実施例1で作製したはんだペーストを窒素雰囲気下にて、ピーク温度246℃でリフロー熱処理したものを試料とした示差走査熱量測定により得られたDSCチャートである。 実施例3で作製した第1の金属粒子と第2の金属粒子を重量比100:55で混合した導電性フィラーを試料とした示差走査熱量測定により得られたDSCチャートである。 実施例3で作製したはんだペーストを窒素雰囲気下にて、ピーク温度246℃でリフロー熱処理したものを試料とした示差走査熱量測定により得られたDSCチャートである。 実施例5で作製した第1の金属粒子と第2の金属粒子を重量比100:186で混合した導電性フィラーを試料とした示差走査熱量測定により得られたDSCチャートである。 実施例5で作製したはんだペーストを窒素雰囲気下にて、ピーク温度246℃でリフロー熱処理したものを試料とした示差走査熱量測定により得られたDSCチャートである。 比較例1で作製した第1の金属粒子と第2の金属粒子を重量比100:567で混合した導電性フィラーを試料とした示差走査熱量測定により得られたDSCチャートである。 比較例1で作製したはんだペーストを窒素雰囲気下にて、ピーク温度246℃でリフロー熱処理したものを試料とした示差走査熱量測定により得られたDSCチャートである。 比較例3のSn−3.0Ag−0.5Cu鉛フリーはんだ粒子を試料とした示差走査熱量測定により得られたDSCチャートである。 比較例3で作製したはんだペーストを窒素雰囲気下にて、ピーク温度246℃でリフロー熱処理したものを試料とした示差走査熱量測定により得られたDSCチャートである。
本発明の導電性フィラーは、第1の金属粒子と第2の金属粒子との混合体からなり、該混合体は示差走査熱量測定(以下、「DSC」ともいう。)で発熱ピークとして観測される準安定合金相を少なくとも1つと、吸熱ピークとして観測される融点を210〜240℃と300〜450℃の2箇所に少なくとも1つずつ有するとともに、50〜209℃には吸熱ピークとして観測される融点を有さないものであって、該混合体を246℃で熱処理することにより第2の金属粒子を溶融させ第1の金属粒子と接合させた接合体は示差走査熱量測定で吸熱ピークとして観測される融点を210〜240℃に有さないか、または210〜240℃の吸熱ピーク面積から観測される溶融時の吸熱量が該混合体の210〜240℃の吸熱ピーク面積から観測される溶融時の吸熱量の90%以下になることを特徴とするものである。
なお、本発明におけるDSCの温度範囲は30〜600℃とし、発熱量または吸熱量が±1.5J/g以上あるものを測定対象物由来のピークとして定量し、それ未満のピークは分析精度の観点から除外するものとする。
なお、本発明でいう「融点」とは融解開始温度のことであり、DSCにおいて固相線温度を指す。
本発明の導電性フィラーとして好ましい第1の金属粒子と第2の金属粒子の混合体を例示すると、DSCで発熱ピークとして観測される準安定合金相を少なくとも1つと吸熱ピークとして観測される融点を300〜600℃に少なくとも1つ有する第1の金属粒子と、発熱ピークとして観測される準安定合金相を有さず吸熱ピークとして観測される融点を210〜240℃に少なくとも1つ有する第2の金属粒子との混合体があげられる。この混合体は、第1の金属粒子由来のDSCで発熱ピークとして観測される準安定合金相を少なくとも1つと、第2の金属粒子由来の吸熱ピークとして観測される融点を210〜240℃に少なくとも1つ有すると共に、第1の金属粒子と第2の金属粒子の反応物である新たな安定合金相由来の吸熱ピークとして観測される融点を300〜450℃に少なくとも1つ有するものである。
上記の混合体に、246℃の熱処理により第2の金属粒子の融点以上の熱履歴が与えられると、該第2の金属粒子が溶融し第1の金属粒子と接合する。これにより、第1の金属粒子と第2の金属粒子の間の熱拡散反応が加速的に進み、準安定合金相が消失して新たな安定合金相が形成される。すなわち、DSCで発熱ピークとして観測される準安定合金相の存在が、該熱拡散反応の進行を助長する効果がある。ここで、上記熱処理の温度は、一般的な鉛フリーはんだのリフロー熱処理条件であるピーク温度240〜260℃の範囲で適宜設定することができるが、本発明ではピーク温度246℃で設定するものとする。
上記の熱拡散反応の進行とともに、第2の金属粒子の210〜240℃の融点を有する金属成分は、新たに形成される300〜450℃の融点を有する安定合金相へ移動して減少する。つまり、上記の熱処理後の210〜240℃の吸熱ピーク面積から観測される第2の金属粒子由来の溶融時の吸熱量は該熱処理前に比べて減少するか、または消失する。その一方で、第1の金属粒子と第2の金属粒子の反応により300℃未満では溶融しない新たな安定合金相が形成される。
上記の混合体を246℃で熱処理した後の、210〜240℃におけるDSCの吸熱ピーク面積は、熱処理前の0〜90%であることが好ましく、0〜70%であることがより好ましい。該吸熱ピーク面積が90%以下であれば、300℃未満では溶融しない新たな安定合金相による高耐熱性を示す。なお、0%とは、該熱処理後は210〜240℃におけるDSCの吸熱ピークが消失することを意味する。
従って、本発明の導電性フィラーは、プリント基板と電子部品とをはんだ付けする際のリフロー熱処理温度が300℃未満であれば、熱履歴を繰返し与えても該安定合金相が全溶融することはないので、高温はんだの代替材料として使用することができる。
本発明の導電性フィラーを構成する第1の金属粒子は、前述のようにDSCで発熱ピークとして観測される準安定合金相を少なくとも1つと吸熱ピークとして観測される融点を300〜600℃に少なくとも1つ有する金属粒子が例示される。
このような熱特性を示す金属粒子としては、Cu50〜80質量%とAg、Bi、In、及びSnからなる群より選ばれる少なくとも1つ以上の元素20〜50質量%の組成を有する合金からなる金属粒子が好ましい。第2の金属粒子の主成分がSnである場合は、熱処理による接合強度を高くするために、第1の金属粒子におけるCuを50質量%以上とすることが好ましい。また、準安定合金相を少なくとも1つと300〜600℃に融点を少なくとも1つ発現させるために、第1の金属粒子においてはAg、Bi、In、及びSnからなる群より選ばれる少なくとも1つ以上の元素を20質量%以上とすることが好ましい。
また、第1の金属粒子は、Cu50〜80質量%、Sn5〜25質量%、Ag5〜25質量%、Bi1〜20質量%、及びIn1〜10質量%の組成を有する合金からなる金属粒子がより好ましい。Ag及びBiは、準安定合金相の発現を容易にするために、それぞれ5質量%以上及び1質量%以上とすることがより好ましい。SnおよびInは、熱処理時に第2の合金粒子との合金化を促進するために、それぞれ5質量%以上及び1質量%以上とすることがより好ましい。また、Cuを50質量%以上とするために、Sn、Ag、Bi及びInは、それぞれ25質量%以下、25質量%以下、20質量%以下、及び10質量%以下とすることがより好ましい。
第2の金属粒子は、前述のようにDSCで発熱ピークとして観測される準安定合金相を有さず吸熱ピークとして観測される融点を210〜240℃に少なくとも1つ有する金属粒子が例示される。
このような熱特性を示す金属粒子としては、Snを70〜100質量%含む金属粒子が好ましい。第1の金属粒子の主成分がCuである場合は、熱処理による接合強度を高くするために、第2の金属粒子におけるSnを70質量%以上とすることが好ましい。また、Snは融点が232℃であるので、第2の金属粒子において210〜240℃に融点を発現させるためにも好ましい。Sn以外の成分としては、鉛フリーはんだで使用される金属元素、例えばAg、Al、Bi、Cu、Ge、In、Ni、Zn、を30質量%以下とすることが好ましい。
また、第2の金属粒子は、Sn100質量%、またはSn70〜99質量%とAg、Bi、Cu、及びInからなる群より選ばれる少なくとも1つ以上の元素1〜30質量%の組成を有する合金からなる金属粒子がより好ましい。
第1の金属粒子と第2の金属粒子の混合比は、第1の金属粒子100質量部に対して、第2の金属粒子50〜200質量部が好ましく、55〜186質量部がより好ましく、80〜186質量部が最も好ましい。第1の金属粒子100質量部に対して、第2の金属粒子が50質量部以上であれば室温での接続強度が高く、第2の金属粒子が200質量部以下であれば260℃での接続強度が高い。
上記金属粒子の粒子サイズは、用途に応じて定めることができる。例えば、はんだペースト用途では、印刷性を重視して、平均粒径で2〜40μmの比較的真球度の高い粒子を使うことが好ましい。また、導電性接着剤用途では、粒子の接触面積を増やすため、異形粒子を使うことが好ましい。
また、通常、微細な金属粒子は表面が酸化されていることが多い。従って、上述の用途における熱処理による溶融、熱拡散を促進するためには、酸化膜を除去する活性剤を配合すること、または加圧することの少なくとも片方を行うことが好ましい。
本発明の導電性フィラーを構成する第1の金属粒子及び第2の金属粒子の製造方法としては、該金属粒子内に準安定合金相や安定合金相を形成させるために、急冷凝固法である不活性ガスアトマイズ法を採用することが望ましい。ガスアトマイズ法では、通常、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガスが使用されるが、本発明に関しては、ヘリウムガスを用いることが好ましく、冷却速度は、500〜5000℃/秒が好ましい。
本発明のはんだペーストは、本発明の導電性フィラー、並びにロジン、溶剤、活性剤、及び増粘剤等の成分からなるフラックスで構成される。はんだペーストにおける導電性フィラーの含有率としては、85〜95質量%が好ましい。フラックスは、金属粒子からなる導電性フィラーの表面処理に最適で、該金属粒子の溶融、及び熱拡散を促進するものである。フラックスとしては、公知の材料、例えば特許文献5に記載されたフラックス、が使用できるが、更に有機アミンを酸化膜除去剤として加えるとより効果的である。また、必要に応じて、公知のフラックスに溶剤を加えて粘度を調整したものを使用してもよい。
以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
なお、示差走査熱量測定は、島津製作所(株)製「DSC−50」を用い、窒素雰囲気下、昇温速度10℃/分の条件で、30〜600℃の範囲において行った。
[実施例1]
(1)第1の金属粒子の製造
Cu粒子6.5kg(純度99質量%以上)、Sn粒子1.5kg(純度99質量%以上)、Ag粒子1.0kg(純度99質量%以上)、Bi粒子0.5kg(純度99質量%以上)、及びIn粒子0.5kg(純度99質量%以上)を黒鉛坩堝に入れ、99体積%以上のヘリウム雰囲気で、高周波誘導加熱装置により1400℃まで加熱、融解した。次に、この溶融金属を坩堝の先端より、ヘリウムガス雰囲気の噴霧槽内に導入した後、坩堝先端付近に設けられたガスノズルから、ヘリウムガス(純度99体積%以上、酸素濃度0.1体積%未満、圧力2.5MPa)を噴出してガスアトマイズを行い、第1の金属粒子を作製した。この時の冷却速度は2600℃/秒とした。
得られた第1の金属粒子を走査型電子顕微鏡(日立製作所(株)製:S−2700)で観察したところ球状であった。この金属粒子を気流式分級機(日清エンジニアリング(株)製:TC−15N)を用いて、10μmの設定で分級した後に、そのアンダーカット粉を回収した。この回収された第1の金属粒子の体積平均粒径は2.7μmであった。このようにして得られた第1の金属粒子を試料とし、示差走査熱量測定を行った。その結果、得られた第1の金属粒子には、497℃、及び517℃に吸熱ピークが存在し、複数の融点を有することが確認できた。また、159℃、及び250℃の発熱ピークが存在し、準安定合金相を複数有することが確認できた。
(2)第2の金属粒子の製造
Sn粒子10.0kg(純度99質量%以上)を黒鉛坩堝に入れ、99体積%以上のヘリウム雰囲気で、高周波誘導加熱装置により1400℃まで加熱、融解した。次に、この溶融金属を坩堝の先端より、ヘリウムガス雰囲気の噴霧槽内に導入した後、坩堝先端付近に設けられたガスノズルから、ヘリウムガス(純度99体積%以上、酸素濃度0.1体積%未満、圧力2.5MPa)を噴出してガスアトマイズを行うことにより、第2の金属粒子を作製した。この時の冷却速度は2600℃/秒とした。
得られた第2の金属粒子を走査型電子顕微鏡(日立製作所(株)製:S−2700)で観察したところ球状であった。この金属粒子を気流式分級機(日清エンジニアリング(株)製:TC−15N)を用いて、10μmの設定で分級した後に、そのアンダーカット粉を回収した。この回収された第2の金属粒子の体積平均粒径は2.4μmであった。このようにして得られた第2の金属粒子を試料とし、示差走査熱量測定を行った。その結果、得られた第2の金属粒子は、示差走査熱量測定による242℃の吸熱ピークが存在し、融点232℃を有することが確認できた。また、特徴的な発熱ピークは存在しなかった。
(3)熱処理による融点変化の確認
上記第1の金属粒子と上記第2の金属粒子とを重量比100:83で混合した導電性フィラー(平均粒径2.5μm)を試料とし、示差走査熱量測定を行った。この測定により得られたDSCチャートを図1に示す。この図に示すように、235℃、350℃、及び374℃に吸熱ピークが存在することが確認された。235℃の吸熱ピークは、融点225℃である。また、特徴的に253℃に発熱ピークが存在していた。
次に、該導電性フィラー91.5質量%、ロジン系フラックス4.25質量%、トリエタノールアミン(酸化膜除去剤)1.7質量%、及びヘキシレングリコール(溶剤)2.55質量%を混合し、脱泡混練機(松尾産業社(株)製:SNB−350)、三本ロール、脱泡混練機に順次かけてはんだペーストを作製した。
得られたはんだペーストをアルミナ基板に載せ、窒素雰囲気下にて、ピーク温度246℃でリフロー熱処理した。熱処理装置は、光洋サーモシステム(株)製のメッシュベルト式連続熱処理装置を使用した。温度プロファイルは、全工程が15分で、熱処理開始から4分で163℃まで昇温し、その後は徐々に昇温して9.5分でピーク温度246℃に到達後、徐々に温度を降下させて熱処理終了時は106℃になる条件を採用した。
この熱処理後のはんだペーストを試料とし、示差走査熱量測定を行った。この測定により得られたDSCチャートを図2に示す。この図に示すように、350℃、370℃に吸熱ピークが存在し、235℃の吸熱ピークは消失していることが確認された。350℃の吸熱ピークは、融点320℃である。すなわち、ピーク温度246℃のリフロー熱処理により、導電性フィラーの最低融点が225℃から320℃に上昇したことが確認された。
(4)接合強度、及び耐熱性の確認
上記はんだペーストをCu基板に2mm×3.5mmで印刷し、2mm×2mmのチップを搭載後、窒素雰囲気下にて、前記の熱処理方法で、ピーク温度246℃でリフロー熱処理してサンプルを作製した。印刷パターン形成は、印刷機としてマイクロテック(株)製の「MT−320TV」を用い、版は、スクリーンマスクを用いた。スクリーンマスクの開孔は、2mm×3.5mmであり、厚みは、50μmである。印刷条件は、印刷速度:20mm/秒、印圧:0.1MPa、スキージ圧:0.2MPa、背圧:0.1MPa、アタック角度:20°、クリアランス:1mm、印刷回数1回とした。また、チップは、厚みが0.6mmで、接合面にAu/Ni/Cr(3000/2000/500Å)層をスパッタリングしてあるSiチップを用いた。
次に、常温(25℃)で、チップの剪断方向の接合強度をプッシュ・プルゲージにより、押し速度10mm/minで測定し、単位面積に換算したところ14MPaであった。更に、前記と同じ方法で作製したサンプルをホットプレート上で260℃まで加熱し、260℃で1分間保持した状態で、前記と同じ方法で、剪断方向の接合強度を測定したところ、3MPaであった。
[実施例2]
実施例1でガスアトマイズにより作製された分級前の第1の金属粒子と第2の金属粒子を、今度は、気流式分級機(日清エンジニアリング(株)製:TC−15N)を用いて、40μmの設定で分級した後に、そのアンダーカット粉を回収した。得られた第1の金属粒子と第2の金属粒子とを重量比100:83で混合した導電性フィラー(平均粒径4.7μm)を試料とした。
次に、該導電性フィラー91.5質量%、ロジン系フラックス5.95質量%、トリエタノールアミン(酸化膜除去剤)1.7質量%、及びヘキシレングリコール(溶剤)0.85質量%を混合し、脱泡混練機、三本ロール、脱泡混練機に順次かけてはんだペーストを作製した。
実施例1と同様の条件で、該はんだペーストをCu基板に2mm×3.5mmで印刷し、2mm×2mmチップを搭載後、窒素雰囲気下にて、ピーク温度246℃でリフロー熱処理してサンプルを作製した。熱処理装置は、実施例1と同様で、温度プロファイルは、全工程が5分で、熱処理開始から1分30秒で145℃に達し、その後は徐々に昇温、3分15秒でピーク温度246℃に到達後、徐々に温度が降下、熱処理終了時は、187℃になる条件を採用した。
次に、常温で、実施例1と同じ方法でチップの剪断方向の接合強度を測定し、単位面積に換算したところ19MPaであった。更に、実施例1と同じ方法で、作製したサンプルをホットプレート上で260℃まで加熱し、260℃で1分間保持した状態で剪断方向の接合強度を測定したところ、3MPaであった。
(5)耐イオンマイグレーション性及び絶縁信頼性の確認
次に上記はんだペーストを用いて、ガラスエポキシ基板上に「JIS Z 3197」に準拠した「櫛形電極」のパターンを印刷した。このパターンを窒素雰囲気下にて、前記同様の熱処理方法で、ピーク温度246℃でリフロー熱処理することにより、パターンを硬化させて「櫛形電極」を有するサンプルを作製した。
次に、該サンプルを用いて、「JIS Z 3197」の方法でマイグレーション試験を実施した。すなわち、各サンプルを温度85℃、相対湿度85%の恒温恒湿槽内に入れ、50Vの電圧を付与した状態で1000時間保持した。その後、拡大鏡で「櫛形電極」の状態を観察したところ、いずれのサンプルの「櫛形電極」についても、デンドライト(樹枝状金属)の生成は認められなかった。
また、該サンプルを用いて、「JIS Z 3197」の方法で絶縁抵抗試験を実施した。すなわち、まず、各サンプルの抵抗値を測定した。次に、各サンプルを、温度85℃、相対湿度85%の恒温恒湿槽内に入れて、50Vの電圧を付与した状態で1000時間保持した後、その抵抗値を測定した。その結果、試験前の抵抗値が2.5×1010Ωであり、試験後の抵抗値が6.6×1010Ωであった。いずれの抵抗値も、1.0×108Ω以上であり、絶縁抵抗値の低下は見られなかった。
(6)導電性の確認
次に、一対のAg/Pd電極を形成したセラミック基板上に、該電極間を接続するように上記はんだペーストを印刷後、窒素雰囲気下にて、前記同様の熱処理方法で、ピーク温度246℃でリフロー熱処理した。印刷パターン形成は、印刷機としてマイクロテック(株)製の「MT−320TV」を用い、版は、スクリーンマスクを用いた。スクリーンマスクの開孔は、2mm×2mmであり、膜厚は50μmである。印刷条件は、印刷速度:20mm/秒、印圧:0.1MPa、スキージ圧:0.2MPa、背圧:0.1MPa、アタック角度:20°、クリアランス:1mm、印刷回数1回とした。これにより得られた印刷パターンの抵抗値を2端子法により測定した。また、配線の長さ、幅、厚みから体積を算出した。この測定値と算出値から印刷パターンの体積抵抗値を計算したところ、2.1×10-4Ω・cmであった。
[実施例3]
実施例2で分級された第1の金属粒子と第2の金属粒子を重量比100:55で混合した導電性フィラー(平均粒径4.7μm)を試料とし、示差走査熱量測定を行った。この測定により得られたDSCチャートを図3に示す。この図に示すように、230℃、351℃に吸熱ピークが存在することが確認された。230℃の吸熱ピークは、融点224℃で、吸熱量は、10.6J/gである。また、特徴的に253℃と300℃に発熱ピークが存在していた。
次に、該導電性フィラー91.5質量%、ロジン系フラックス4.25質量%、トリエタノールアミン(酸化膜除去剤)1.7質量%、及びヘキシレングリコール(溶剤)2.55質量%を混合し、脱泡混練機、三本ロール、脱泡混練機に順次かけてはんだペーストを作製した。
得られたはんだペーストをアルミナ基板に載せ、窒素雰囲気下にて、実施例2と同様の熱処理方法で、ピーク温度246℃でリフロー熱処理した。この熱処理後のはんだペーストを試料とし、示差走査熱量測定を行った。この測定により得られたDSCチャートを図4に示す。この図に示すように、351℃、382℃に吸熱ピークが存在し、230℃の吸熱ピークは消失していることが確認された。351℃の吸熱ピークは、融点326℃である。すなわち、ピーク温度246℃のリフロー熱処理により、導電性フィラーの最低融点が224℃から326℃に上昇したことが確認された。
該はんだペーストを、実施例1と同様の条件でCu基板に2mm×3.5mmで印刷し、2mm×2mmチップを搭載後、窒素雰囲気下にて、実施例2と同様の方法で、リフロー熱処理してサンプルを作製した。
次に、常温で、実施例1と同じ方法でチップの剪断方向の接合強度を測定し、単位面積に換算したところ7MPaであった。更に、実施例1と同じ方法で作製したサンプルをホットプレート上で260℃まで加熱し、260℃で1分間保持した状態で、前記と同じ方法で、剪断方向の接合強度を測定したところ、2MPaであり、260℃でも接合強度を保持できる耐熱性を確認できた。
[実施例4]
実施例1でガスアトマイズにより作製された分級前の第1の金属粒子を、気流式分級機(日清エンジニアリング(株)製:TC−15N)を用いて、1.6μmの設定で分級した後に、そのオ−バーカット粉を10μmの設定でもう一度分級して得られたアンダーカット粉を回収した。次に実施例1でガスアトマイズにより作製された分級前の第2の金属粒子を、気流式分級機(日清エンジニアリング(株)製:TC−15N)を用いて、5μmの設定で分級した後に、そのオ−バーカット粉を40μmの設定でもう一度分級して得られたアンダーカット粉を回収した。得られた第1の金属粒子と第2の金属粒子とを重量比100:83で混合した導電性フィラー(平均粒径4.3μm)を試料とした。
次に、該導電性フィラー90.3質量%、ロジン系フラックス9.7質量%を混合し、ペースト混練機((株)マルコム製:SPS−1)、脱泡混練機に順次かけてはんだペーストを作製した。
該はんだペーストを、実施例1と同様の条件でCu基板に2mm×3.5mmで印刷し、2mm×2mmチップを搭載後、窒素雰囲気下にて、実施例2と同様の方法でリフロー熱処理してサンプルを作製した。
次に、常温で、実施例1と同じ方法でチップの剪断方向の接合強度を測定し、単位面積に換算したところ12MPaであった。更に、実施例1と同じ方法で作製したサンプルをホットプレート上で260℃まで加熱し、260℃で1分間保持した状態で、前記と同じ方法で、剪断方向の接合強度を測定したところ、4MPaであり、260℃でも接合強度を保持できる耐熱性を確認できた。
[実施例5]
実施例4で分級された第1の金属粒子と第2の金属粒子を重量比100:186で混合した導電性フィラー(平均粒径5.1μm)を試料とし、示差走査熱量測定を行った。この測定により得られたDSCチャートを図5に示す。この図に示すように、235℃、406℃に吸熱ピークが存在することが確認された。235℃の吸熱ピークは、融点228℃で、吸熱量は、22.3J/gである。また、特徴的に256℃に発熱ピークが存在していた。
次に、該導電性フィラー90.3質量%、ロジン系フラックス9.7質量%を混合し、ペースト混練機、脱泡混練機に順次かけてはんだペーストを作製した。
得られたはんだペーストをアルミナ基板に載せ、窒素雰囲気下にて、実施例2と同様の方法でリフロー熱処理した。この熱処理後のはんだペーストを試料とし、示差走査熱量測定を行った。この測定により得られたDSCチャートを図6に示す。この図に示すように、216℃、399℃に吸熱ピークが存在することが確認された。216℃の吸熱ピークは、融点206℃で、吸熱量は、14.7J/gである。216℃の吸熱ピークは、熱処理前の最低融点である235℃の吸熱ピークに由来するもので、ピーク温度246℃のリフロー熱処理により、導電性フィラーの最低融点の吸熱量が、22.3J/gから14.7J/gへと約66%に減少したことが確認された。
該はんだペーストを、実施例1と同様の条件でCu基板に2mm×3.5mmで印刷し、2mm×2mmチップを搭載後、窒素雰囲気下にて、実施例2と同様の方法でリフロー熱処理してサンプルを作製した。
次に、常温で、実施例1と同じ方法でチップの剪断方向の接合強度を測定し、単位面積に換算したところ19MPaであった。更に、実施例1と同じ方法で作製したサンプルをホットプレート上で260℃まで加熱し、260℃で1分間保持した状態で、前記と同じ方法で、剪断方向の接合強度を測定したところ、0.3MPaであり、260℃でも接合強度を保持できる耐熱性を確認できた。
即ち、該はんだペーストをリフロー熱処理したサンプルは、260℃以下に融点が残っている場合でも、260℃に加熱した時に接合強度を保持できる耐熱性があることが判明した。この理由は、ピーク温度246℃のリフロー熱処理により、最低融点の吸熱ピーク面積から観測される溶融時の吸熱量が減少すれば、260℃においても溶融しない部分が生成するためである。
[比較例1]
実施例4で分級された第1の金属粒子と第2の金属粒子を重量比100:567で混合した導電性フィラー(平均粒径6.6μm)を試料とし、示差走査熱量測定を行った。この測定により得られたDSCチャートを図7に示す。
この図に示すように、235℃に吸熱ピークが存在することが確認された。235℃の吸熱ピークは、融点228℃で、吸熱量は、31.1J/gである。また、特徴的に257℃に発熱ピークが存在していた。
次に、該導電性フィラー90.3質量%、ロジン系フラックス9.7質量%を混合し、ペースト混練機、脱泡混練機に順次かけてはんだペーストを作製した。
得られたはんだペーストをアルミナ基板に載せ、窒素雰囲気下にて、実施例2と同様の方法でリフロー熱処理した。この熱処理後のはんだペーストを試料とし、示差走査熱量測定を行った。この測定により得られたDSCチャートを図8に示す。この図に示すように、227℃、421℃に吸熱ピークが存在することが確認された。227℃の吸熱ピークは、融点217℃で、吸熱量は、31.2J/gである。227℃の吸熱ピークは、熱処理前の最低融点である235℃の吸熱ピークに由来するものであるが、対比すると、最低融点の吸熱ピーク面積から観測される溶融時の吸熱量は、約100%であり、DSC測定精度±1.5J/gを考慮しても変化していないと考えられる。
該はんだペーストを、実施例1と同様の条件でCu基板に2mm×3.5mmで印刷し、2mm×2mmチップを搭載後、窒素雰囲気下にて、実施例2と同様の方法でリフロー熱処理してサンプルを作製した。
次に、常温で、実施例1と同じ方法でチップの剪断方向の接合強度を測定し、単位面積に換算したところ12MPaであった。更に、実施例1と同じ方法で作製したサンプルをホットプレート上で260℃まで加熱し、260℃で1分間保持した状態で、前記と同じ方法で、剪断方向の接合強度を測定したところ、はんだペーストが再溶融して、チップが浮いてしまい接合強度は測定できなかった。
[比較例2]
実施例1で作製された第2の金属粒子を91.5質量%、ロジン系フラックス4.25質量%、トリエタノールアミン(酸化膜除去剤)1.7質量%、及びヘキシレングリコール(溶剤)2.55質量%で混合し、脱泡混練機、3本ロール、脱泡混練機に順次かけてはんだペーストを作製した
該はんだペーストを、実施例1と同様の条件で、Cu基板に2mm×3.5mmで印刷し、2mm×2mmチップを搭載後、窒素雰囲気下にて、ピーク温度301℃でリフロー熱処理してサンプルを作製した。熱処理装置は、実施例1と同様で、温度プロファイルは、全工程が15分で、熱処理開始から、一定速度で昇温し、9.5分でピーク温度301℃に到達後、徐々に温度が降下、熱処理終了時は、126℃になる条件を採用した。
次に、常温で、実施例1と同じ方法で、チップの剪断方向の接合強度を測定し、単位面積に換算したところ9MPaであった。また、更に、実施例1と同じ方法で作製したサンプルをホットプレート上で260℃まで加熱し、260℃で1分間保持した状態で、実施例1と同じ方法で、剪断方向の接合強度を測定しようとしたところ、はんだペーストが再溶融して、チップが浮いてしまい接合強度は測定できなかった。
[比較例3]
Sn−3.0Ag−0.5Cu鉛フリーはんだ粒子(平均粒径17.4μm)を試料とし、示差走査熱量測定を行った。この測定により得られたDSCチャートを図9に示す。
この図に示すように、229℃に吸熱ピークが存在することが確認された。229℃の吸熱ピークは、融点220℃で、吸熱量は、41.8J/gであった。
次に、該導電性フィラー91.5質量%、ロジン系フラックス5.95質量%、トリエタノールアミン(酸化膜除去剤)1.7質量%、及びヘキシレングリコール(溶剤)0.85質量%で混合し、脱泡混練機、3本ロール、脱泡混練機に順次かけてはんだペーストを作製した。
得られたはんだペーストをアルミナ基板に載せ、窒素雰囲気下にて、実施例2と同様の方法でリフロー熱処理した。この熱処理後のはんだペーストを試料とし、示差走査熱量測定を行った。この測定により得られたDSCチャートを図10に示す。この図に示すように、229℃に吸熱ピークが存在することが確認された。229℃の吸熱ピークは、融点220℃で、吸熱量は、41.4J/gであった。熱処理後の229℃の吸熱ピークは、熱処理前の229℃の吸熱ピークに由来するものであるが、対比すると、最低融点の吸熱ピーク面積から観測される溶融時の吸熱量は、約99%であり、DSCの測定精度である±1.5J/gを考慮しても変化していないと考えられる。
該はんだペーストを、実施例1と同様の条件でCu基板に2mm×3.5mmで印刷し、2mm×2mmチップを搭載後、窒素雰囲気下にて、実施例2と同様の方法でリフロー熱処理してサンプルを作製した。
次に、常温で、実施例1と同じ方法で、チップの剪断方向の接合強度を測定し、単位面積に換算したところ23MPaであった。また、更に、実施例1と同じ方法で作製したサンプルをホットプレート上で260℃まで加熱し、260℃で1分間保持した状態で、実施例1と同じ方法で、剪断方向の接合強度を測定しようとしたところ、はんだペーストが再溶融して、チップが浮いてしまい接合強度は測定できなかった。
以上、説明したように本発明の導電性フィラーを用いれば、従来の鉛フリーはんだのリフロー熱処理条件(ピーク温度240〜260℃)で溶融接合できる高耐熱性のはんだ材料が製造できる。また、はんだペーストとしても、耐イオンマイグレーション性、絶縁信頼性、導電性に優れた材料であることが確認できた。
本発明の導電性フィラーは、鉛フリー材料であり、従来の鉛フリーはんだのリフロー熱処理条件で溶融接合可能な、高耐熱性のはんだ材料としての利用が期待できる。

Claims (2)

  1. 第1の金属粒子と第2の金属粒子との混合体からなる導電性フィラーであって、該混合体は示差走査熱量測定で発熱ピークとして観測される準安定合金相を少なくとも1つと、吸熱ピークから観測される融点を210〜240℃と300〜450℃の2箇所に少なくとも1つずつ有するとともに、50〜209℃には吸熱ピークから観測される融点を有さないものであって、該混合体を246℃で熱処理することにより第2の金属粒子を溶融させ第1の金属粒子と接合させた接合体は示差走査熱量測定で吸熱ピークから観測される融点を210〜240℃に有さないか、または210〜240℃の吸熱ピーク面積から観測される溶融時の吸熱量が該混合体の210〜240℃の吸熱ピーク面積から観測される溶融時の吸熱量の90%以下になることを特徴とする導電性フィラーであって、該混合体が第1の金属粒子100質量部と第2の金属粒子55〜186質量部からなり、該第1の金属粒子は、Cu65質量%、Ag10質量%、Bi5質量%、In5質量%、及びSn15質量%からなる合金であり、該第2の金属粒子は、Sn100質量%である導電性フィラー
  2. 請求項1に記載の導電性フィラーを含むはんだペースト。
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