JP5062710B2

JP5062710B2 - Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いた基板と素子の接合方法

Info

Publication number: JP5062710B2
Application number: JP2005250799A
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: 2005-08-31
Filing date: 2005-08-31
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2025-08-31
Also published as: JP2007067145A

Description

この発明は、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いた基板と素子の接合方法に関するものであり、特にＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いて長時間加熱が好ましくない素子、例えば、ＬＥＤ（発光ダイオード）素子を基板に接合する方法に関するものであり、また接合後洗浄できない素子を基板に接合する方法に関するものである。

一般に、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、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、Ａｇペースト、Ａｕ−Ｓｎ箔材、Ａｕバンプ、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストなどが使用されていた。

Ａｇペーストは、Ａｇ材料自身の熱伝導性が悪いだけでなく、基板と素子の間に発生するボイドが多かった。つまり、接合領域がボイドにより減少してしまい、熱抵抗を低下させると共に、接合部の信頼性にも問題があった。そのために、特に熱がこもると破損に繋がるようなＬＥＤ（発光ダイオード）素子は基板との接合部の熱伝導性が非常に重要であるところから、ＬＥＤ（発光ダイオード）素子と基板との接合には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合金はんだ箔材(リボンなど)、Ａｕバンプ、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストが用いられている。

しかし、Ａｕ−Ｓｎはんだ合金箔材(リボンなど)は、材料自身の熱伝導性は高いが接合時の濡れ性が悪いため接合領域を十分に広く取ることができず、また箔材表面には酸化膜が多いため溶融したＡｕ−Ｓｎはんだ合金の流動性が悪い。そのため加熱溶融しながら荷重をかけて接合する工法もあるが、加熱時間が長くまた長時間荷重をかけて接合しなければならないことから、熱を長時間かけることが好ましくないＬＥＤ（発光ダイオード）素子に適用することができない。さらに、Ａｕ−Ｓｎはんだ合金箔材の場合、素子に荷重をかけて接合することから素子側面部にＡｕ−Ｓｎはんだ合金が這い上がりショートを起こすこともあった。

また、Ａｕバンプ法による素子の接合は、素子全体にＡｕ−Ｓｎはんだ合金接合層が接合していないため、Ａｕ−Ｓｎはんだ合金接合層と接合していない部分の熱伝導が悪く、また、このＡｕバンプ法では３００℃以上の温度で荷重をかけながら接合を行なうが、３００℃以上高温を長時間保持する必要があり、熱影響を受けて劣化しやすいＬＥＤ（発光ダイオード）素子に適用することができなかった。
そのため、近年、熱影響を受けて劣化しやすいＬＥＤ（発光ダイオード）素子の接合には接合信頼性の一層優れたＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストが多く用いられるようになってきた。この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Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを使用して素子と基板を接合すると接合部がＡｕ−Ｓｎはんだ合金であるので熱伝導性が良く接合信頼性も高いこと、ペーストであるので複数の接合部に一括供給できさらに一括熱処理できること、リフロー時にフラックスがＡｕ−Ｓｎはんだ合金表面を覆っているために酸化膜が少なく、そのため、接合時の溶融Ａｕ−Ｓｎはんだ合金の流動性が大きく、濡れが良くなって接合面積を拡大することができるところから素子全面を接合すること、さらに接合時に過剰な荷重をかける必要がないことなどのメリットがある。
このＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いて基板と素子を接合するには、まず、図３（ａ）に示されるように、基板１にＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２を搭載または塗布する。次に、このＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２の上に図３（ｂ）に示されるように素子３を搭載し、この状態で加熱してリフロー処理を施したのち冷却すると、図３（ｃ）に示されるように、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層４０を介してと基板１と素子３が接合し、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層４０の周囲にフラックス残渣層５が形成される。この形成されたフラックス残渣層５は洗浄し除去して、図３（ｄ）に示されるように、接合が完了する（特許文献１または２など参照）。
特開２００３−１０５４６２特開２００３−２６０５８８

前記Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２の上に図３（ｂ）に示されるように素子３を搭載し、この状態で加熱してリフロー処理を施すと、図３（ｃ）に示されるように、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層４０を介してと基板１と素子３が接合するまでには高温で長時間加熱しなければならず、高温長時間の加熱に弱いＬＥＤ素子などの素子にはこの接合方法は好ましくない。さらに図３（ｂ）に示されるようにＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２の上に素子３を搭載し、この状態で加熱してリフロー処理を施すと、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２の上に素子３が被さっているために、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２が溶融するに際してペーストから発生したガスが逃げ場を失ってボイドが発生しやすく、ボイドが発生すると素子３と基板１との接合面積が少なくなり、接合面積が少なくなると素子３に発生した熱の放熱性が悪くなるなどの欠点があった。
また、前記図３に記載の従来の方法では、接合終了後にフラックス残渣を洗浄して除去しなければならず、特にLED素子をＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いて洗浄しにくい部分に接合した場合などは特別な洗浄方法を使用しなければならずコストがかかった。

本発明者らは、これら課題を解決すべく研究を行った。その結果、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを基板に搭載または塗布したのち非酸化性雰囲気中でリフロー処理し、リフロー処理したＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストのフラックス残渣部分を洗浄により除去して基板表面に凝固Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層を形成し、基板表面の凝固Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層を非酸化性雰囲気中でリフロー処理して再溶融することにより基板の表面に溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層を形成し、この溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層の上に素子を搭載して素子を基板に接合すると、素子を基板の上に形成された溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層の上に直接搭載してはんだ付けすることから、フラックスから発生するガスの影響を受けることなくはんだ付けすることができ、したがって、接合部にボイドの発生が少なくなって接合部の熱放出性の低下が少なくなること、素子を短い加熱時間（リフロー処理時間）で基板に接合することができ、特に熱に弱いＬＥＤ素子の接合に有効であること、さらに素子の接合終了後にフラックス残渣を洗浄する必要がないこと、などの知見を得られたのである。

この発明は、かかる知見に基づいて成されたものであって、
（１）Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを基板に搭載または塗布したのち非酸化性雰囲気中でリフロー処理し、その後に冷却し、形成されたＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストのフラックス残渣部分を洗浄して除去して基板表面に凝固Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層を形成し、基板表面の凝固Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層を非酸化性雰囲気中でリフロー処理して再溶融し、基板表面に溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層を形成し、この溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層の上にＬＥＤ素子を搭載したのちに冷却して該ＬＥＤ素子を基板に接合するＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いた基板とＬＥＤ素子の接合方法、に特徴を有するものである。

この発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いた基板と素子の接合方法を図面に基づいて具体的に説明する。図１はこの発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いた基板と素子の接合方法を説明するための斜視説明図である。

図１（ａ）に示されるように、基板１にＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２を搭載または塗布し、この状態で非酸化性雰囲気中でリフロー処理を施したのち冷却すると、図１（ｂ）に示されるように、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２が溶融して凝固Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層４とその周囲にフラックス残渣層５が形成され、その後、フラックス残渣層５を洗浄して、図１（ｃ）に示されるように、基板１の上に凝固Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層４を形成する。この凝固Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層４を形成した基板１をリフロー処理して凝固Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層４を溶融し、図１（ｄ）に示されるように、基板１の上に溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層４´を形成する。この基板１の上の溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層４´の上に、図１（ｅ）に示されるように、素子３を搭載し、この状態に短時間保持して、図１（ｆ）に示されるように、素子３を基板１にＡｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層４０を介して接合し終了する。
さらに、この発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いた基板と素子の接合方法では、基板１の上の溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層４´の上に素子３を搭載し、図２（ｅ´）に示されるように、素子３に圧力Ｆをかけながら、短時間その状態に保持して、図１（ｆ）に示されるように、素子３を基板１にＡｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層４を介して接合し終了することが一層好ましい。したがって、この発明は、
（２）Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを基板に搭載または塗布したのち非酸化性雰囲気中でリフロー処理し、その後に冷却し、形成されたＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストのフラックス残渣部分を洗浄して除去して基板表面に凝固Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層を形成し、基板表面の凝固Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層を非酸化性雰囲気中リフロー処理して再溶融し、基板表面に溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層を形成し、この溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層の上にＬＥＤ素子を搭載し、該ＬＥＤ素子を加圧しながら冷却して基板に接合するＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いた基板とＬＥＤ素子の接合方法、に特徴を有するものである。

図２は前記（２）記載のこの発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いた基板と素子の接合方法を説明するための斜視説明図である。図２に示される基板と素子の接合方法は、図２（ｅ´）に示されるように、素子３を溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層４´の上に搭載し、素子３に荷重Ｆを加えながらその状態に保持することが一層好ましい。図１と図２とでは、素子３にかける圧力の有無が相違するのみであるから、図２の詳細な説明は省略する。

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１と素子３の間の接合部にボイドの発生が少なくなって素子に発生した熱が放熱し易く、さらに基板１と素子３を接合するに必要な加熱時間（リフロー処理時間）を短くすることができるので高温長時間の加熱に弱いＬＥＤ素子などの素子の接合に適しており、さらに接合終了後にフラックス残渣を洗浄する必要がないなど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し平均粒径：２０μｍを有する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、混合してＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを作製した。
さらに、ＬＥＤ素子およびＡｕメッキ処理を施したアルミナ製基板を用意した。
実施例１
先に用意したアルミナ製基板の上に先に用意したＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストをピン転写方により塗布し、これ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冷却したところ、中央に凝固Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層を有しその周囲にフラックス残渣が残ったＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト溶融部分が形成された。このＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト溶融部分のフラックス残渣を通常の洗浄液で洗浄し除去して凝固Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層を残したのち、基板を３１８℃に加熱して基板表面の凝固Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層を溶解するリフロー処理を施すことにより基板表面に溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層を形成した。この３１８℃に加熱に加熱された溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層の上にＬＥＤ素子を１０秒間搭載したのち冷却することによりＬＥＤ素子を基板に接合した。接合部分を調べたところ、基板とＬＥＤ素子の間の接合面積は９６％に達し、基板とＬＥＤ素子の間のＡｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層には４％のボイド面積しか見られなかった。

なお、接合面積はＴｏｓｉｂａＩＴ＆ＣｏｎｔｏｒｏｌＳｙｓｔｅｍ‘ｓＴｏｓｍｉｃｒｏｎ−６０９０ＦＤにより測定し、ボイド面積は透過Ｘ線により測定した。
実施例２
実施例１において、３１８℃に加熱に加熱された溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層の上のＬＥＤ素子に荷重をかけながら１０秒間搭載してＬＥＤ素子を基板に接合した。接合部分を実施例１と同様にして調べたところ、基板とＬＥＤ素子の間の接合面積は９７％に達し、基板とＬＥＤ素子の間のＡｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層には３％のボイド面積しか見られなかった。
従来例１
基板にＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを実施例１と同様にして塗布し、次に、このＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストの上にＬＥＤ素子を搭載し、この状態で温度：２００℃、６０秒間加熱してリフロー処理を施したのち、さらに温度：３１０℃、３０秒間加熱してリフロー処理を施し、その後、冷却し、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層を介してと基板とＬＥＤ素子を接合した。Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層の周囲にはフラックス残渣層が形成されていたので、実施例１と同様にして洗浄液で洗浄し除去し、接合部分を実施例１と同様にして調べたところ、基板とＬＥＤ素子の間の接合面積は６５％であり、基板とＬＥＤ素子の間のＡｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層には３５％のボイド面積があった。

実施例１〜２および従来例１に示される結果から、この発明の方法によると、ＬＥＤ素子を短時間加熱のリフリー処理を施すだけで基板と素子の接合部にボイド発生の少ない良好なはんだ付け接合をすることができ、特に熱に弱いＬＥＤ素子などの接合に効果を有すること、さらに基板と素子を接合したのち素子と基板を洗浄する必要がないことが分かる。

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説明図である。

符号の説明

１：基板、２：Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト、３：素子、４：凝固Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層、４´：溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層、５：フラックス残渣層５。

Claims

Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを基板に搭載または塗布したのち非酸化性雰囲気中でリフロー処理し、その後に冷却し、形成されたＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストのフラックス残渣部分を洗浄して除去して基板表面に凝固Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層を形成し、基板表面の凝固Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層を非酸化性雰囲気中でリフロー処理して再溶融し、基板表面に溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層を形成し、この溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層の上にＬＥＤ素子を搭載したのちに冷却して該ＬＥＤ素子を基板に接合することを特徴とするＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いた基板とＬＥＤ素子の接合方法。
Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを基板に搭載または塗布したのち非酸化性雰囲気中でリフロー処理し、その後に冷却し、形成されたＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストのフラックス残渣部分を洗浄して除去して基板表面に凝固Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層を形成し、基板表面の凝固Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層を非酸化性雰囲気中でリフロー処理して再溶融し、基板表面に溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層を形成し、この溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層の上にＬＥＤ素子を搭載し、該ＬＥＤ素子を加圧しながら冷却して基板に接合することを特徴とするＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いた基板とＬＥＤ素子の接合方法。
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ることを特徴とする請求項１または２記載のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いた基板とＬＥＤ素子の接合方法。