JP4780466B2 - Ａｕメッキ処理基板用Ｓｎ−Ａｕ合金はんだペースト - Google Patents

Description

この発明は、濡れ性に優れかつボイド発生の少ない、Ａｕメッキ処理基板用Ｓｎ−Ａｕ合金はんだペーストに関するものである。

一般に、ＧａＡｓ光素子、ＧａＡｓ高周波素子、熱伝素子などの半導体素子と基板との接合、微細かつ高気密性が要求されるＳＡＷフィルター、水晶発振子などのパッケージ封止などにはＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストが使用されている。このＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストに含まれるＡｕ−Ｓｎ合金粉末は、Ｓｎ：２０質量％を含有し、残りがＡｕおよび不可避不純物からなる組成を有するＡｕ−Ｓｎ共晶合金粉末であることが知られており、このＡｕ−Ｓｎ共晶合金粉末は、通常、ガスアトマイズして得られることも知られている。このＳｎ：２０質量％を含有し、残りがＡｕおよび不可避不純物からなる組成を有するＡｕ−Ｓｎ共晶合金は、共晶点が２８０℃であって、高融点用途としてよく用いられている。

一方で、より低融点のはんだを必要とする用途もあり、近年、Ａｕ：１０質量％を含有し、残部がＳｎおよび不可避不純物からなる組成を有するＳｎ−Ａｕ共晶合金が注目され始めている。このＡｕ：１０質量％を含有し、残部がＳｎおよび不可避不純物からなる組成を有するＳｎ−Ａｕ共晶合金からなるはんだは、Ａｕ含有量が少ないために価格が安く、さらにその共晶点が２１０℃であって、Ｓｎ：２０質量％を含有し、残りがＡｕおよび不可避不純物からなる組成を有するＡｕ−Ｓｎ共晶合金よりも融点が７０℃も低く、高分子樹脂などの有機系材料からなるパッケージを用いた素子の接合や封止にはその耐熱性を考慮してこの低温のＡｕ：１０質量％を含有し、残部がＳｎおよび不可避不純物からなる組成を有するＳｎ−Ａｕ共晶合金からなるはんだを用いることが最適であるとされている。そしてこのＡｕ：１０質量％を含有し、残部がＳｎおよび不可避不純物からなる組成を有するＳｎ−Ａｕ共晶合金からなるはんだを使用して接合する方法として、
（イ）Ａｕめっき層とＳｎめっき層を接合してリフロー処理することにより接合する方法、
（ロ）Ａｕ粉末、Ｓｎ粉末およびフラックスの混合体からなるペーストを塗布した後リフロー処理することにより接合する方法、
（ハ）Ａｕ：１０〜４０質量％を含有し、残部がＳｎおよび不可避不純物からなる組成を有するＳｎ−Ａｕ共晶合金粉末とおよびフラックスの混合体からなるペーストを塗布した後リフロー処理することにより接合する方法、などがあることが知られている（特許文献１参照）。
特開平６−２６０５７９号公報

しかし、前記Ａｕ：１０質量％を含有し、残りがＳｎおよび不可避不純物からなる組成を有するＳｎ−Ａｕ合金粉末を含むＳｎ−Ａｕ合金はんだペーストは濡れ性が十分でなく、さらにこのＳｎ−Ａｕ合金はんだペーストを用いて半導体素子と基板などとを接合すると、接合部に多くのボイドが残留し、この接合部に残留した多くのボイドがクラックの起点となって信頼性のあるＳｎ−Ａｕ合金はんだの接合部が得られないという欠点があった。

そこで、本発明者らは、濡れ性に優れかつボイド発生の少ないＳｎ−Ａｕ合金はんだを得るべく研究を行った。
その結果、Ａｕ含有量が１０質量％よりも少ないＡｕ：６．５〜９．８質量％を含有し、残りがＳｎおよび不可避不純物からなる成分組成を有するＳｎ−Ａｕ合金粉末をフラックスに混合せしめて得られたＳｎ−Ａｕ合金はんだペーストは濡れ性に優れ、さらにこのＳｎ−Ａｕ合金はんだペーストを使用してリフロー処理することにより得られた接合部にはボイドの発生が少なくなり、また、下地がＡｕメッキ処理を施した基板では、リフロー時にその下地のＡｕをＳｎ−Ａｕ合金はんだが食ってしまうため、Ａｕ含有量が１０質量％より多い場合には、更に濡れが悪くなることがわかり、１０質量％以下のＡｕ：６．５〜９．８質量％で顕著な効果が現れるという研究結果が得られたのである。

この発明は、かかる研究結果にもとづいてなされたものであって、
（１）Ａｕ：６．５〜９．８質量％を含有し、残りがＳｎおよび不可避不純物からなる成分組成を有するＳｎ−Ａｕ合金はんだ粉末とフラックスとの混合体からなるＡｕメッキ処理基板用Ｓｎ−Ａｕ合金はんだペースト、
（２）前記混合体は、フラックス：５〜２５質量％含有し、残部がＡｕ：６．５〜９．８質量％を含有し、残りがＳｎおよび不可避不純物からなる成分組成を有するＳｎ−Ａｕ合金はんだ粉末からなる混合体である前記（１）記載のＡｕメッキ処理基板用Ｓｎ−Ａｕ合金はんだペースト、に特徴を有するものである。

この発明の濡れ性に優れかつボイド発生の少ないＳｎ−Ａｕ合金はんだペーストは下記の方法で作製する。まず、Ａｕ：６．５〜９．８質量％を含有し、残りがＳｎおよび不可避不純物からなる組成を有するＳｎ−Ａｕ合金を溶解して得られた溶湯を温度：６００℃〜１０００℃に保持し、機械撹拌しながらまたは機械撹拌したのちこの撹拌された溶湯を圧力：３００〜８００ｋＰａで加圧しながら噴射圧力：５０００〜８０００ｋＰａの圧力で直径：１〜２ｍｍを有する小径ノズルからノズルギャップ：０．３ｍｍ以下で不活性ガスを噴射して製造する。

前記撹拌は機械撹拌であることが好ましく、機械撹拌の内でもプロペラ撹拌が一層好ましい。前記機械撹拌に電磁撹拌のような電気的撹拌を併用してもよく、機械撹拌に電磁撹拌を併用することもできる。前記機械撹拌の回転速度は特に限定されるものではないが、６０〜１００ｒ．ｐ．ｍで３〜１０分間プロペラ撹拌することが好ましい。このようにして得られたＳｎ−Ａｕ合金粉末を分級して粒度調整したのち市販のロジン、活性剤、溶剤および増粘剤からなるフラックスとを混合してＳｎ−Ａｕ合金はんだペーストを作製する。

この発明のＳｎ−Ａｕ合金はんだペーストに含まれるＳｎ−Ａｕ合金はんだ粉末のＡｕの含有量を６．５〜９．８質量％に限定したのは、Ａｕの含有量が６．５質量％未満では、共晶点から大きく外れて融点が高くなり、ペースト溶融中に発生したガスが基板近傍にトラップされてバンプ内部にボイドが残留するので好ましくなく、一方、Ａｕの含有量が９．８質量％を越えると、下地がＡｕメッキ処理を施した基板ではＳｎ−Ａｕ合金が下地のＡｕを食って、共晶点からずれてしまうため濡れ性が悪くなるので好ましくないからである。

この発明のＳｎ−Ａｕ合金はんだペーストは濡れ性に優れかつボイドの発生が少ないことから、従来のＳｎ−Ａｕ合金はんだペーストに比べて接合部の信頼性が優れており、半導体装置の不良品発生率も減少してコストを低減することができ、産業上優れた効果をもたらすものである。

Ｓｎ−Ａｕ合金を高周波溶解炉により溶解し、得られた溶湯を温度：８００℃に保持しながら、回転数：８００回転で３時間プロペラを回転させて溶湯を機械撹拌したのち、溶湯に表１に示される圧力：５００ｋＰａをかけ、高周波溶解炉の底部に設けられたノズルから溶湯を落下させ、同時にノズルの周囲にノズルギャップ：０．２ｍｍとなるように設けられた直径：１．５ｍｍのガスノズルから落下する溶湯に向かってＡｒガスを噴射圧力：６０００ｋＰａで噴射させることによりガスアトマイズ粉末を作製し、このガスアトマイズ粉末を篩でふるうことにより平均粒径：１０μｍを有し、表１に示される成分組成を有するＳｎ−Ａｕ合金はんだ粉末Ａ〜Ｌを作製した。さらに一般のＲＭＡフラックス（三菱マテリアル株式会社製）を用意した。

これら表１に示される成分組成のＳｎ−Ａｕ合金はんだ粉末Ａ〜Ｌにそれぞれ前記三菱マテリアル株式会社製ＲＭＡフラックスを表２に示される割合となるように配合し混練して本発明Ｓｎ−Ａｕ合金はんだペースト１〜１０、比較Ｓｎ−Ａｕ合金はんだペースト１および従来Ｓｎ−Ａｕ合金はんだペースト１を作製した。

次に、縦：１０ｍｍ、横：１０ｍｍ、厚さ：１ｍｍの寸法を有する無酸素銅板を用意し、前記本発明Ｓｎ−Ａｕ合金はんだペースト１〜１０、比較Ｓｎ−Ａｕ合金はんだペースト１および従来Ｓｎ−Ａｕ合金はんだペースト１を用いて、下記の評価を行い、その結果を表２に示した。

ボイド評価：
先に用意した無酸素銅板の表面に厚さ：５μｍのＮｉめっきを施したのち、厚さ：１．０μｍのＡｕめっきを施し、めっき板を作製し用意した。このめっき板を基板とし、この基板上に直径：６．５μｍ、厚さ：１．２ｍｍのマスクを用いて本発明Ｓｎ−Ａｕ合金はんだペースト１〜１０、比較Ｓｎ−Ａｕ合金はんだペースト１および従来Ｓｎ−Ａｕ合金はんだペースト１を印刷し、次いで、リフロー処理（プレヒート１５０℃／６０秒＋本ヒート２６０℃／６０秒）し、このとき発生した種々のサイズのボイドを透過Ｘ線装置および画像処理ソフトを用いて直径：１０μｍ以上の大きさのボイドの数を計測し、それらの結果を表２に示した。

濡れ性評価：
先に用意した縦：１０ｍｍ、横：１０ｍｍ、厚さ：１ｍｍの寸法を有する無酸素銅板の片面をアルコールを滴下しながら研磨紙で研磨し、その後アルコールで汚れを洗い流し、室温で乾燥した。その後、この板を１５０℃の乾燥機で時間酸化処理した。
この酸化処理した無酸素銅板質量を秤量し、その値をＷ１とし、次に、０．３ｇの本発明Ｓｎ−Ａｕ合金はんだペースト１〜１０、比較Ｓｎ−Ａｕ合金はんだペースト１および従来Ｓｎ−Ａｕ合金はんだペースト１を前記無酸素銅板の上に置いて、無酸素銅板の質量を秤量しその値をＷ２とし、この０．３ｇの本発明Ｓｎ−Ａｕ合金はんだペースト１〜１０、比較Ｓｎ−Ａｕ合金はんだペースト１および従来Ｓｎ−Ａｕ合金はんだペースト１を載せた無酸素銅板を１５０℃で６０秒保持したのち２６０℃で６０秒保持するリフロー処理を行い、フラックス残渣を洗浄し、洗浄後、再度質量測定を行い、その値をＷ３とすると、無酸素銅板の上に広がったはんだの質量Ｗは、Ｗ＝Ｗ２−Ｗ１−Ｗ３で求められるから、この式によりＷを求めた。

次に、フラックス残渣洗浄済みの無酸素銅板の上に広がったはんだの高さＨ（ｍｍ）を求め、さらに、試験で用いたはんだを球と見なしたときの直径をＤ（ｍｍ）、球の体積をＶとすると、ＶはＶ＝４／３π（Ｄ／２×１０^−１）^３で求められ、一方、Ｖは先に求めたＷの値およびはんだの真密度ρの値からＶ＝Ｗ／ρで求められ、この二つの式からＤ求め、このＤの値および広がったはんだの高さＨの値を用いて、広がり率ＳＲ＝（Ｄ−Ｈ）／Ｄ×１００の式により、広がり率ＳＲを算出し、その結果を表２に示すことにより濡れ性を評価した。

表１〜２に示される結果から、Ａｕ：６．５〜９．８質量％を含有する本発明Ｓｎ−Ａｕ合金はんだペースト１〜１０は従来Ｓｎ−Ａｕ合金はんだペースト１に比べてボイドの発生数が少なく、さらに広がり率が大きいことから濡れ性に優れていることが分かる。しかし、この発明の範囲から外れたＡｕ含有量のＳｎ−Ａｕ合金粉末を含む比較Ｓｎ−Ａｕ合金はんだペースト１はボイドの発生数が十分に少なく、さらに広がり率が不十分であることから濡れ性がやや劣ることが分かる。

Claims (2)

1. Ａｕ：６．５〜９．８質量％を含有し、残りがＳｎおよび不可避不純物からなる成分組成を有するＳｎ−Ａｕ合金はんだ粉末とフラックスとの混合体からなることを特徴とするＡｕメッキ処理基板用Ｓｎ−Ａｕ合金はんだペースト。
2. 前記混合体は、フラックス：５〜２５質量％含有し、残部が前記Ａｕ：６．５〜９．８質量％を含有し、残りがＳｎおよび不可避不純物からなる成分組成を有するＳｎ−Ａｕ合金はんだ粉末からなる混合体であることを特徴とする請求項１記載のＡｕメッキ処理基板用Ｓｎ−Ａｕ合金はんだペースト。