JP4811663B2

JP4811663B2 - ボイド発生の少ないＳｎ−Ａｕ合金はんだペースト

Info

Publication number: JP4811663B2
Application number: JP2006354116A
Authority: JP
Inventors: 石川　　雅之; 正好小日向; 昭史三島
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2006-12-28
Filing date: 2006-12-28
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2026-12-28
Also published as: JP2008161913A

Description

この発明は、ボイド発生の少ない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Ｓｎ−Ａｕ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のＳｎ−Ａｕ共晶合金粉末からなるＳｎ−Ａｕ合金はんだ粉末とフラックスとの混合体からなるＳｎ−Ａｕ合金はんだペーストは、これをリフロー処理して得られた接合部にボイドが残留し、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ることから信頼性のあるＳｎ−Ａｕ合金はんだ接合部が得られないという欠点があった。したがって、なお一層ボイド発生の少ないＳｎ−Ａｕ合金はんだペーストが求められていた。

そこで、本発明者らは、ボイド発生の一層少ないＳｎ−Ａｕ合金はんだペーストを得るべく研究を行った。その結果、
（イ）Ａｕ含有量が５〜１５質量％を含有し、さらにＢｉ：０．１〜１０質量％、Ｉｎ：０．１〜１０質量％およびＳｂ：０．１〜１０質量％の内のいずれか一種を含有し、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合金はんだ粉末と一般のフラックスとを配合し混合して得られた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一層少なくなる、
（ロ）前記（イ）記載のＳｎ−Ａｕ合金はんだ粉末に配合するフラックスは、一般のフラックスであってよいが、ノンハロゲンフラックスまたは低残渣フラックスであることが一層好ましく、その配合量は５〜２５質量％の範囲内である、などの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：５〜１５質量％、Ｂｉ：０．１〜１０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り、該混合体は、フラックス：５〜２５質量％含有し、残部が前記Ｓｎ−Ａｕ合金はんだ粉末からなる配合組成を有するＳｎ−Ａｕ合金はんだペースト、
（２）Ａｕ：５〜１５質量％、Ｉｎ：０．１〜１０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り、該混合体は、フラックス：５〜２５質量％含有し、残部が前記Ｓｎ−Ａｕ合金はんだ粉末からなる配合組成を有するＳｎ−Ａｕ合金はんだペースト、
（３）Ａｕ：５〜１５質量％、Ｓｂ：０．１〜１０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り、該混合体は、フラックス：５〜２５質量％含有し、残部が前記Ｓｎ−Ａｕ合金はんだ粉末からなる配合組成を有するＳｎ−Ａｕ合金はんだペースト、
（４）前記（１）、（２）または（３）記載のフラックスは、ノンハロゲンフラックスまたは低残渣フラックスであるＳｎ−Ａｕ合金はんだペースト、に特徴を有するものである。

この発明のボイド発生の少ないＳｎ−Ａｕ合金はんだは下記の方法で作製する。まず、Ａｕ：５〜１５質量％、Ｂｉ：０．１〜１０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、Ａｕ：５〜１５質量％、Ｉｎ：０．１〜１０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、Ａｕ：５〜１５質量％、Ｓｂ：０．１〜１０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合金をそれぞれ溶解し、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一般のロジン、活性剤、溶剤および増粘剤からなるフラックス、ノンハロゲンフラックスまたは低残渣フラックスと混合してＳｎ−Ａｕ合金はんだペーストを作製する。このときＳｎ−Ａｕ合金はんだ粉末に配合するフラックスの量は、５〜２５質量％の範囲内である。

次に、この発明のボイド発生の少ないＳｎ−Ａｕ合金はんだペーストに含まれるＳｎ−Ａｕ合金はんだ粉末の成分組成の限定理由を説明する。

Ｓｎ：
Ｓｎは、５質量％未満含有してもまた１５質量％を越えて含有しても合金の液相線温度が著しく上昇し、搭載する素子をリフロー処理して接合する際の溶融温度が素子の耐熱限界温度を越え、さらに溶融合金の表面張力が上昇することから濡れ性が悪くなるので好ましくない。したがって、この発明のＳｎ−Ａｕ合金はんだペーストに含まれるＳｎ−Ａｕ合金はんだ粉末に含まれるＳｎは５〜１５質量％に定めた。

Ｂｉ：
Ｂｉは、Ｓｎ−Ａｕ合金の表面張力を一層低めるために添加するが、その含有量が０．１質量％未満では所望の効果が得られず、一方、１０質量％を越えて含有すると、Ｓｎ−Ａｕ合金の融点を上昇させてしまうので好ましくない。したがって、Ｂｉの含有量を０．１〜１０質量％に定めた。一層好ましい範囲は１．０〜５．０質量％である。

Ｉｎ：
Ｉｎは、Ｓｎ−Ａｕ合金の表面張力を一層低めるために添加するが、その含有量が０．１質量％未満では所望の効果が得られず、一方、１０質量％を越えて含有すると、Ｓｎ−Ａｕ合金の融点を上昇させてしまうので好ましくない。したがって、Ｉｎの含有量を０．１〜１０質量％に定めた。一層好ましい範囲は０．５〜３質量％である。

Ｓｂ：
Ｓｂは、Ｓｎ−Ａｕ合金の表面張力を一層低めるために添加するが、その含有量が０．１質量％未満では所望の効果が得られず、一方、１０質量％を越えて含有すると、Ｓｎ−Ａｕ合金の融点を上昇させてしまうので好ましくない。したがって、Ｂｉの含有量を０．１〜１０質量％に定めた。一層好ましい範囲は０．１〜１．０質量％である。

この発明のＳｎ−Ａｕ合金はんだペーストはボイドの発生が一層少ないことから、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。

実施例１
高周波溶解炉により溶解して得られたＳｎ−Ａｕ合金を溶湯を温度：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風力分級装置を用いて分級する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〜Ｋを作製した。

これら表１のＳｎ−Ａｕ合金はんだ粉末Ａ〜Ｋに一般のフラックスであるＲＭＡフラックス（三菱マテリアル株式会社製）を表２に示されるフラックス比率となるように混合して本発明Ｓｎ−Ａｕ合金はんだペースト１〜９、比較Ｓｎ−Ａｕ合金はんだペースト１〜２および従来Ｓｎ−Ａｕ合金はんだペースト１を作製した。

一方、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Ｃｕ基板を作製し用意した。このめっきＣｕ基板上に、ニードル内径：２５０μｍを有するディスペンス装置を用いて本発明Ｓｎ−Ａｕ合金はんだペースト１〜９、比較Ｓｎ−Ａｕ合金はんだペースト１〜２および従来Ｓｎ−Ａｕ合金はんだペースト１を塗布し、この塗布したペーストの上に、９００μｍ角の搭載素子に見たてたダミーチップ（Ｓｉ基板にＮｉメッキ／Auメッキ処理を施したもの)をマウンタを用いて搭載し、窒素ガス吹き付けのホットプレートにて１５０℃に６０秒間保持し、引き続いて２６５℃に３０秒間保持するリフロー処理した。
このとき発生した種々のサイズのボイドの総面積を透過Ｘ線装置および画像処理ソフトを用いて算出し、ダミーチップの接合面の面積に対するボイドの総面積をボイド率として求め、それらの測定結果を表２に示した。

表１〜２に示される結果から、本発明Ｓｎ−Ａｕ合金はんだ１〜９は従来Ｓｎ−Ａｕ合金はんだ１に比べてボイド率が少ないことから、本発明Ｓｎ−Ａｕ合金はんだ１〜９は従来Ｓｎ−Ａｕ合金はんだ１に比べてボイドの発生が少ないことが分かる。しかし、この発明の範囲から外れた比較Ｓｎ−Ａｕ合金はんだ１〜２はボイドの発生がやや多くなることがわかる。

実施例２
高周波溶解炉により溶解して得られたＳｎ−Ａｕ合金を溶湯を温度：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風力分級装置を用いて分級することにより平均粒径：１０μｍを有し表３に示される成分組成のＳｎ−Ａｕ合金はんだ粉末ａ〜ｋを作製した。

これら表３のＳｎ−Ａｕ合金はんだ粉末ａ〜ｋに一般のフラックスであるＲＭＡフラックス（三菱マテリアル株式会社製）を表４に示されるフラックス比率となるように混合して本発明Ｓｎ−Ａｕ合金はんだペースト１０〜１８および比較Ｓｎ−Ａｕ合金はんだペースト３〜４を作製した。

実施例１で用意しためっきＣｕ基板上に、ニードル内径：２５０μｍを有するディスペンス装置を用いて本発明Ｓｎ−Ａｕ合金はんだペースト１０〜１８および比較Ｓｎ−Ａｕ合金はんだペースト３〜４を塗布し、この塗布したペーストの上に、９００μｍ角の搭載素子に見たてたダミーチップ（Ｓｉ基板にＮｉメッキ／Auメッキ処理を施したもの)をマウンタを用いて搭載し、窒素ガス吹き付けのホットプレートにて１５０℃に６０秒間保持し、引き続いて２６５℃に３０秒間保持するリフロー処理した。
このとき発生した種々のサイズのボイドの総面積を透過Ｘ線装置および画像処理ソフトを用いて算出し、ダミーチップの接合面の面積に対するボイドの総面積をボイド率として求め、それらの測定結果を表４に示した。

表３〜４に示される結果から、本発明Ｓｎ−Ａｕ合金はんだ１０〜１８は、実施例１で作製した従来Ｓｎ−Ａｕ合金はんだ１に比べてボイド率が少ないことから、本発明Ｓｎ−Ａｕ合金はんだ１０〜１８は従来Ｓｎ−Ａｕ合金はんだ１に比べてボイドの発生が少ないことが分かる。しかし、この発明の範囲から外れた比較Ｓｎ−Ａｕ合金はんだ３〜４はボイドの発生が多くなり、好ましくないことがわかる。

実施例３
高周波溶解炉により溶解して得られたＳｎ−Ａｕ合金を溶湯を温度：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風力分級装置を用いて分級することにより平均粒径：１０μｍを有し表５に示される成分組成を有するＳｎ−Ａｕ合金はんだ粉末イ〜ルを作製した。

これらＳｎ−Ａｕ合金はんだ粉末イ〜ルに一般のフラックスであるＲＭＡフラックス（三菱マテリアル株式会社製）を表６に示されるフラックス比率となるように混合して本発明Ｓｎ−Ａｕ合金はんだペースト１９〜２７および比較Ｓｎ−Ａｕ合金はんだペースト５〜６を作製した。

実施例１で用意しためっきＣｕ基板上に、ニードル内径：２５０μｍを有するディスペンス装置を用いて本発明Ｓｎ−Ａｕ合金はんだペースト１９〜２７および比較Ｓｎ−Ａｕ合金はんだペースト５〜６を塗布し、この塗布したペーストの上に、９００μｍ角の搭載素子に見たてたダミーチップ（Ｓｉ基板にＮｉメッキ／Auメッキ処理を施したもの)をマウンタを用いて搭載し、窒素ガス吹き付けのホットプレートにて１５０℃に６０秒間保持し、引き続いて２６５℃に３０秒間保持するリフロー処理した。
このとき発生した種々のサイズのボイドの総面積を透過Ｘ線装置および画像処理ソフトを用いて算出し、ダミーチップの接合面の面積に対するボイドの総面積をボイド率として求め、それらの測定結果を表６に示した。

表５〜６に示される結果から、本発明Ｓｎ−Ａｕ合金はんだ１９〜２７は、実施例１で作製した従来Ｓｎ−Ａｕ合金はんだ１に比べてボイド率が少ないことから、本発明Ｓｎ−Ａｕ合金はんだ１９〜２７は従来Ｓｎ−Ａｕ合金はんだ１に比べてボイドの発生が少ないことが分かる。しかし、この発明の範囲から外れた比較Ｓｎ−Ａｕ合金はんだ５〜６はボイドの発生がやや多くなることがわかる。

Claims

Ａｕ：５〜１５質量％、Ｂｉ：０．１〜１０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り、
前記混合体は、フラックス：５〜２５質量％含有し、残部が前記Ｓｎ−Ａｕ合金はんだ粉末からなる配合組成を有することを特徴とするＳｎ−Ａｕ合金はんだペースト。
Ａｕ：５〜１５質量％、Ｉｎ：０．１〜１０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り、
前記混合体は、フラックス：５〜２５質量％含有し、残部が前記Ｓｎ−Ａｕ合金はんだ粉末からなる配合組成を有することを特徴とするＳｎ−Ａｕ合金はんだペースト。
Ａｕ：５〜１５質量％、Ｓｂ：０．１〜１０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り、
前記混合体は、フラックス：５〜２５質量％含有し、残部が前記Ｓｎ−Ａｕ合金はんだ粉末からなる配合組成を有することを特徴とするＳｎ−Ａｕ合金はんだペースト。
請求項１、２または３記載のフラックスは、ノンハロゲンフラックスまたは低残渣フラックスであることを特徴とするＳｎ−Ａｕ合金はんだペースト。