JP4924920B2

JP4924920B2 - Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いて素子の接合面全面を基板に接合する方法

Info

Publication number: JP4924920B2
Application number: JP2006177913A
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: 2006-06-28
Filing date: 2006-06-28
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2026-06-28
Also published as: JP2008010545A

Description

この発明は、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いて素子の接合面全面を基板に接合する方法に関するものであり、特に使用中に発生した熱を放出する必要のある素子、例えば、ＬＥＤ（発光ダイオード）素子の接合面全面を基板に接合する方法に関するものである。

ＬＥＤ（発光ダイオード）素子、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、特に熱がこもると破損や特性の著しい低下に繋がるようなＬＥＤ（発光ダイオード）素子と基板との接合には、接合部の熱伝導性が非常に重要であるところから、熱伝導性が良くかつ信頼性が高い接合部を形成するＡｕ−Ｓｎ合金はんだが用いられていた。このＡｕ−Ｓｎ合金はんだは、通常、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだバンプを基板の上に載せ、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだバンプの上に素子を載せてリフロー処理することにより素子と基板を接合するので、素子と基板とは部分的に接合していた。前記Ａｕ−Ｓｎ合金はんだはＳｎ：１５〜２５質量％（好ましくは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共晶合金からなることが知られている（特許文献１参照）

Ａｕ−Ｓｎ合金はんだによる素子と基板の接合は、素子の接合面全面にＡｕ−Ｓｎはんだ合金層が形成されている方が素子の熱が放熱されやすいので好ましい。そのために、図３（ａ）に示されるように、予め素子１の接合面全体に薄いＡｕ−Ｓｎはんだ合金膜３をスパッタまたはメッキにより形成した素子がすでに市販されており、この市販されている素子を図３（ｃ）に示されるように基板上に載置し、この状態でリフロー処理することにより素子を基板に接合するとされている。

特開平５−９０３２９号公報

しかし、一般に、基板はセラミックの積層や樹脂層で構成されているのでその接合面は平坦ではなく、図３（ｂ）に示されるように、基板４の接合面に凹凸２がある。一方、市販の素子の表面に形成されているＡｕ−Ｓｎはんだ合金膜は厚さが１〜３μｍの極めて薄い層であるので、極めて薄いＡｕ−Ｓｎはんだ合金膜３を有する市販の素子を前記凹凸２がある基板の上に図３（ｃ）に示されるように載置し、この状態でリフロー処理すると、図３（ｄ）に示されるように、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ接合部９に濡れ不足による未接合部（以下、ボイドという）５が生成し、素子１と基板４との接合面積が少なくなって素子１に発生した熱の放熱性が悪くなるので好ましくない。また、素子の表面に形成されているＡｕ−Ｓｎはんだ合金膜をスパッタ又はメッキにより厚くしようとすると、コストがかかりすぎる。

そこで、本発明者らは、かかる課題を解決すべく研究を行った。その結果、
（イ）図１（ａ）に示されるように、素子１の接合面を上向きにしてその上にＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト６を搭載または塗布し、この状態のまま非酸化性雰囲気中でリフロー処理すると、図１（ｂ）に示されるように、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト６は溶融して素子１の接合面全面に拡がって溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層を形成し、この素子１の接合面全面に形成された表面滑らかな溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層は冷却すると凝固して少なくとも５μｍ程度の比較的厚い凝固Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層７を簡単に形成することができる、
（ロ）この凝固したＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層７を有する素子１を反転させて、図１（ｃ）に示されるように凝固Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層７を有する素子１を凝固Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層７が基板４に接するように素子１を基板４の上に載置し、この状態で非酸化性雰囲気中でリフロー処理すると、図１（ｄ）に示されるように、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ接合部９が形成され、凝固Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層７は厚さが厚いので、このＡｕ−Ｓｎ合金はんだ接合部９にはボイドが発生することなく素子１を基板４に接合することが出来る、
（ハ）図１（ａ）に示されるように素子１の接合面を上向きにしてその上に搭載または塗布するＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト６の量が多いと、図２（ａ）に示されるように溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層が素子の接合面の上に盛り上がって凸状に形成され、この盛り上がって凸状に形成された溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層が凝固して盛り上がった凸状の凝固Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層８が形成され、この盛り上がった凸状の凝固Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層８を有する素子１を基板４の上に図２（ｂ）に示されるように載置し、この状態で非酸化性雰囲気中でリフロー処理すると、盛り上がって形成された凝固Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層８の中央が最も厚みがあるので、リフロー処理中に溶融したＡｕ−Ｓｎ合金はんだが素子の自重とはんだの濡れ力によって外方向（図２（ｂ）におけるＡ方向）に流れ出し、凝固Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層８と基板４の間に隙間があっても、溶融したＡｕ−Ｓｎ合金はんだの外方向流出によって隙間にあった空気を外方向におしだして隙間をＡｕ−Ｓｎ合金はんだが埋め、冷却して形成されたＡｕ−Ｓｎ合金はんだ接合部９にはボイドの発生が一層少なくなるように素子１を基板４に接合することができるので一層好ましい、などの研究結果が得られたのである。

この発明は、かかる研究結果に基づいてなされたものであって、

（１）素子の接合面上にＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを搭載または塗布した状態のまま非酸化性雰囲気中でリフロー処理することにより素子の接合面全面にＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層を形成し、ついで、この素子の接合面全面に形成されたＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層を下向きにしてＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層が基板に接するように素子を基板の上に載置し、この状態を保持したまま非酸化性雰囲気中でリフロー処理する素子を基板に接合する方法、

（２）素子の接合面上にＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを搭載または塗布した状態のまま非酸化性雰囲気中でリフロー処理することにより素子の接合面全面にＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層をＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層表面が凸状になるように形成し、ついで、この素子の接合面全面に表面が凸状になるよう形成されたＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層を下向きにしてＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層が基板に接するように素子を基板の上に載置し、この状態を保持したまま非酸化性雰囲気中でリフロー処理する素子を基板に接合する方法、に特徴を有するものである。

素子の接合面全面に形成されたＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層または素子の接合面全面に表面が凸状になるように形成されたＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層は洗浄してフラックスを除去したのち、素子の接合面全面に形成されたＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層を下向きにしてＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層が基板に接するように素子を基板の上に載置し、この状態を保持したまま非酸化性雰囲気中でリフロー処理することが一層好ましい。

この発明の素子を基板に接合する方法で使用するＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストは、Ｓｎ：１５〜２５質量％（好ましくは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共晶合金ガスアトマイズ粉末とロジン、活性剤、溶剤および増粘剤からなる市販のフラックスとを混合して作られる。

この発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いた接合方法によると、基板と素子の間のＡｕ−Ｓｎ合金はんだ接合部にボイドの発生が少なくなって接合部の熱伝導性が劣化せず、したがって、使用中に素子に発生した熱が放熱し易くなり、産業上優れた効果をもたらすものである。

Ｓｎ：２０質量％を含有し、残部がＡｕからなる成分組成を有する粉末が８０％以上含まれるＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末を用意し、このＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末を市販のＲＭＡタイプのロジン系フラックスに、ロジン系フラックス：７質量％を含有し残部がＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末の配合組成となるように配合し混練してＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを作製した。このＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストは三菱マテリアル株式会社製金錫合金ペーストとして市販されているものである。

さらに、基板として厚さ：１ｍｍのアルミナ板に厚さ：５μｍのＮｉめっきを施し、さらにその上に厚さ：１μｍのＡｕめっきを施した基板を用意した。さらに通常のＬＥＤ素子の接合面に２μｍのＡｕ−Ｓｎ合金はんだスパッタ膜が形成されているＬＥＤ素子を購入し用意した。

実施例１

先に用意したＬＥＤ素子の接合面を上向きにし、このＬＥＤ素子の接合面上に先に用意したＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストをピン転写法により０．４ｍｇ塗布し、このＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを塗布したＬＥＤ素子の接合面を上向きにした状態で窒素雰囲気中の熱対流型炉に装入して２００℃に６０秒間保持したのち、さらに３１０℃、３０秒間保持することによりリフロー処理を施し、ついで冷却することによりＬＥＤ素子の接合面にＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層を形成した。この接合面にＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層を形成したＬＥＤ素子を先に用意した基板の上にＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層が基板に接するように載置し、このＬＥＤ素子を載せた基板を窒素雰囲気中の熱対流型炉に装入して２００℃に６０秒間保持したのち、さらに３１０℃、３０秒間保持することによりリフロー処理を施し、ＬＥＤ素子と基板を接合した。

このＬＥＤ素子を接合した基板を透過Ｘ線装置（ＴｏｓｈｉｂａＩＴ＆ＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍ‘ｓＴＯＳＭＩＣＲＯＮ−６０９０ＦＰ）を用いてＸ線写真を撮り、画像処理(２値化)処理して接合面積％を求め、その結果を表１に示した。

従来例１
接合面にＡｕ−２０Ｓｎスパッタ膜が形成されている市販のＬＥＤ素子を先に用意した基板の上に載置し、かかる状態で窒素雰囲気中の熱対流型炉に装入して２００℃に６０秒間保持したのち、さらに３１０℃、３０秒間保持することによりリフロー処理を施し、ついで冷却することにより基板とＬＥＤ素子をＡｕ−Ｓｎ合金はんだ接合部を介して接合した。

表１に示される結果から、実施例１による接合面積は従来例１による接合面積に比べて格段に大きいことから、実施例１の本発明方法によると、基板と素子との間に形成されているＡｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層に発生するボイドは従来例１に比べて格段に少ないことが分かり、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層に発生するボイドが少ないこの発明の素子と基板の接合方法は特に熱がこもることが好ましくないＬＥＤ素子などの接合に優れた効果を有することが分かる。

この発明の方法により基板と素子を接合する工程を説明するための側面説明図である。この発明の方法により基板と素子を接合する工程を説明するための側面説明図である。従来の方法により基板と素子を接合する工程を説明するための側面説明図である。

符号の説明

１：素子、２：凹凸、３：Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層、４：基板、５：ボイド、６：Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト、７：凝固Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層、８：凸状の凝固Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層、９：Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ接合部

Claims

素子の接合面上にＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを搭載または塗布した状態のまま非酸化性雰囲気中でリフロー処理することにより素子の接合面全面にＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層を形成し、ついで、この素子の接合面全面に形成されたＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層を下向きにしてＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層が基板に接するように素子を基板の上に載置し、この状態を保持したまま非酸化性雰囲気中でリフロー処理することを特徴とする素子を基板に接合する方法。
素子の接合面上にＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを搭載または塗布した状態のまま非酸化性雰囲気中でリフロー処理することにより素子の接合面全面にＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層をＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層表面が凸状になるように形成し、ついで、この素子の接合面全面に表面が凸状になるよう形成されたＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層を下向きにしてＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層が基板に接するように素子を基板の上に載置し、この状態を保持したまま非酸化性雰囲気中でリフロー処理することを特徴とする素子を基板に接合する方法。
請求項１の素子の接合面全面に形成されたＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層または請求項２の素子の接合面全面に表面が凸状になるように形成されたＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層を洗浄したのちこの素子の接合面全面に形成されたＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層を下向きにしてＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層が基板に接するように素子を基板の上に載置し、この状態を保持したまま非酸化性雰囲気中でリフロー処理することを特徴とする素子を基板に接合する方法。
前記素子は発光ダイオード素子であることを特徴とする請求項１、２または３記載のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いた素子を基板に接合する方法。
前記Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストは、Ｓｎ：１５〜２５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合金粉末とフラックスとを混合して得られたＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストであことを特徴とする請求項１、２または３記載のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いた素子を基板に接合する方法。