JP5421915B2 - Ａｕ−Ｇａ−Ｉｎ系ろう材 - Google Patents

Description

本発明は、ろう材及びろう材を用いた封止方法に関する。詳しくは、各種電子部品パッケージの気密封止で使用されるろう材に関し、封止時にパッケージ内部の素子にダメージを与えることなく、且つ、基板への実装時等において再溶融することのない、適切な特性を有するろう材を提供する。

携帯電話等の各種電子機器で使用されるＳＡＷフィルタ、水晶振動子のような電子部品は、内部の素子を保護する観点から、セラミックなどのパッケージ内に気密封止されている。パッケージの封止用のろう材としては、近年の環境保護の観点から鉛フリー化が進められており、係る観点からＡｕ−Ｓｎろう材（特に、共晶組成であるＡｕ−２０ｗｔ％Ｓｎろう材）の使用が一般的となっている（特許文献１）。Ａｕ−Ｓｎろう材の融点は、２８０℃前後と比較的低いことから、パッケージ封止時において効率的な封止作業を可能とするという利点がある。
特開２００１−１５０１８２号公報

Ａｕ−Ｓｎろう材は、パッケージ封止作業の際には好ましい特性を有するが問題もある。これは、封止後のパッケージを基板へ実装する際に生じる問題であり、実装時の温度がＡｕ−Ｓｎろう材の融点に近いことから、その熱によりろう材が再溶融し、パッケージの封止部分の剥離やリークが生じるものである。また、パッケージの基板への実装時以外にも、電子機器の補修のために基板を加熱して故障した部品を回収する際、その熱により故障していない他の部品の封止を破るおそれがあるという問題も懸念されている。

以上のようなろう材の再溶融は、ろう材の融点が低いことから生じる問題である。そこで、上記問題を考慮したろう材として、いくつかの組成のろう材が提案されている。例えば、特許文献２においては、Ａｕ−Ｇｅろう材、特に、Ａｕ−１２．５％Ｇｅろう材の適用が提案されている。このＡｕ−Ｇｅろう材の融点は、３６０℃を超えるものである。また、特許文献３においては、Ａｕ、Ｇｅ、Ｓｎの三元系合金からなるろう材も提案されている。
特開平７−１５１９４３号公報 特開２００７−１６０３４０

上記のＡｕ−Ｇｅろう材、Ａｕ−Ｇｅ−Ｓｎろう材は、いずれもＡｕ−Ｓｎろう材よりも融点が高く、かかる比較的高融点のろう材であれば、封止後の再溶融のおそれは少なくなる。

しかしながら、Ａｕ−Ｇｅろう材は融点が高すぎる傾向があり、その融点を考慮すれば、封止温度を４００℃以上としなければならない。かかる高温雰囲気で封止を行うと、パッケージ内部の素子の熱的ダメージが大きくなり、場合により破損するおそれがある。

一方、Ａｕ−Ｇｅ−Ｓｎろう材は、Ａｕ−Ｇeろう材よりも融点が低く抑えられており、封止時の組成へのダメージの問題は少ないともいえる。しかし、Ａｕ−Ｇｅ−Ｓｎろう材のような３元系合金は、液相線と固相線との間の温度差の問題が生じ得る。この液相線と固相線との温度差の広狭は、パッケージ封止の際の作業性に影響を与える。そして、特許文献３においては、この温度差を５０度未満と設定しているが、より低いことが好ましい。

本発明は、このような背景の下にされたものであり、封止時にパッケージ内部の素子にダメージを与えることなく、その半面、基板への実装時等に再溶融することがない適度な温度で溶融可能であり、更に、液相線と固相線との温度差の低いものを提供する。具体的には、その液相線及び／又は固相線が２８０℃超で３６０℃以下にあり（好ましくは、液相線と固相線が共に３００〜３４０℃の範囲内にあり）、かつ、液相線と固相線との差を４５℃未満（好ましくは４０℃未満）となるろう材を提供する。

本発明者等は、上記課題を解決すべく、その構成元素として、Ａｕ、Ｇａ、Ｉｎよりなり、これらが合金化した三元系合金からなるろう材の適用について検討を行った。そして、所定の組成範囲を有するものを見出し本発明に想到した。

即ち、本発明は、Ａｕ−Ｇａ−Ｉｎ三元系合金からなり、これらの元素の重量濃度が、Ａｕ−Ｇａ−Ｉｎ三元系状態図におけるＡ点（Ａｕ：９０％、Ｇａ：１０％、Ｉｎ：０％）、Ｂ点（Ａｕ：７０％、Ｇａ：３０％、Ｉｎ：０％）、Ｃ点（Ａｕ：６０％、Ｇａ：０％、Ｉｎ：４０％）、Ｄ点（Ａｕ：８０％、Ｇａ：０％、Ｉｎ：２０％）を頂点とする多角形の領域内（但し、Ｉｎ、Ｇａが０％となる線上を除く）にあるろう材である。

本発明に係る材料の組成を示す三元系状態図を図１に示す。本発明で三元系合金を適用するのは、Ｇａ、Ｉｎの２つの元素をＡｕに同時添加することで、２元系のＡｕ合金（Ａｕ−Ｉｎ、Ａｕ−Ｇａ）よりも効果的に融点を調整することができるからである。そして、Ｇａ、Ｉｎの添加量を上記領域内の範囲にすることでその融点（液相線、固相線）を好適な範囲内に収めることができる。また、このような組成調整により、液相線と固相線との温度差も適度に低くすることができる。また、上記組成範囲おけるろう材は、加工性、硬度においても好適なものとすることができる。

上記したようなろう材の融点や、液相線と固相線との温度差、加工性に加え、硬度を更に好適なものとするには、Ａｕ−Ｇａ−Ｉｎ三元系合金からなるろう材の元素の重量濃度が、Ａｕ−Ｇａ−Ｉｎ三元系状態図におけるＥ点（Ａｕ：８６％、Ｇａ：１３％、Ｉｎ：１％）、Ｆ点（Ａｕ：８１％、Ｇａ：１７％、Ｉｎ：２％）、Ｇ点（Ａｕ：７９％、Ｇａ：１０％、Ｉｎ：１１％）、Ｈ点（Ａｕ：８４％、Ｇａ：６％、Ｉｎ：１０％）を頂点とする多角形の領域内にあることが好ましく、Ａｕ−Ｇａ−Ｉｎ三元系状態図におけるＩ点（Ａｕ：８５％、Ｇａ：１０％、Ｉｎ：５％）、Ｊ点（Ａｕ：８０％、Ｇａ：１４％、Ｉｎ：６％）、Ｇ点（Ａｕ：７９％、Ｇａ：１０％、Ｉｎ：１１％）、Ｈ点（Ａｕ：８４％、Ｇａ：６％、Ｉｎ：１０％）を頂点とする多角形の領域内にあることがより好ましい。具体的には、図２の三元系状態図に示す範囲内のろう材である。

また、本発明に係る三元系ろう材は、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｂｉ、Ａｌの少なくとも１の添加元素を含んでもよい。これらの添加元素は、ろう材の融点の微調整や濡れ性の改善に添加される。この添加元素の含有量は、０．００１〜３．０重量％とするのが好ましく、より好ましくは０．０１〜３．０重量％、更に好ましくは０．１〜３．０重量％である。

そして、本発明に係るろう材は、その材料組織が、溶融状態からの急冷凝固組織からなるものが好ましい。急冷凝固による微細な結晶粒からなる材料組織とすることで、ぬれ性が改善されるからである。この急冷凝固組織とぬれ性の改善との関係は明らかではないが、このようにすることで、液相線、固相線等の溶融特性は変化しないものの、溶融したときのぬれ広がりが改善される傾向がある。この急冷凝固組織を得るための冷却速度は、２０００〜５０００℃／ｍｉｎとするのが好ましい。

本発明に係るろう材は、板状、箔状、粒状、ボール状、粉末状、ペースト状のいずれの形態でも使用可能である。例えば、ボール状形態とするには、一般的なろう材と同様の方法を用いることができる。また、封止するパッケージ部材の形状を考慮した窓枠形状とすることもできる。そして、本発明に係るろう材の製造においては、特段の困難性はなく、通常のＡｕ合金と同様に溶解鋳造法により製造可能である。また、その加工についても、板状、箔状のものについては、圧延加工や必要に応じて打ち抜き加工等を経て加工することができ、得られた圧延材は特段の困難無くプレス抜き打ち加工及びスリット加工が可能であり、リング状およびリボン状等所定の形状を得ることができる。

更に、粒状、ボール状のろう材については、溶融状態から、アトマイズ法、回転電極法、油中造粒法、液滴噴霧方等により製造可能である。尚、上記の通り、ろう材のぬれ性改善のための急冷凝固組織を得るためには、板状、箔状のものについては、冷却鋳型を使用した凝固により製造可能であり、粒状、ボール状のろう材については、製造条件（液滴の径の調整等）により製造可能である。

本発明に係るろう材は、パッケージ部材の気密封止に好適である。封止用のパッケージ部材としては、蓋体となるキャップ（リッド）と素子を収容するベースがあるが、いずれかに本発明に係る合金からなるろう材を備えたものが好ましい。ろう材をパッケージ部材に固定する際には、ろう材を部材に載置して、加熱雰囲気でろう材を溶融・凝固させて融着する。尚、パッケージ部品の材質は、キャップについては、コバール（Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金）、４２アロイ（Ｆｅ−Ｎｉ系合金）が一般に使用されており、ベースについてはセラミック製のものが使用されている。また、ろう材を融着させる際には、ろう材の濡れ性を改善する等の目的から、融着面に予め、Ｎｉメッキ及び／又はＡｕメッキがなされる。本発明に係るろう材は、これらメッキ層を予め備えたパッケージ部材に対しても融着させることができる。

そして、本発明に係るろう材、パッケージ部材を用いたパッケージの気密封止方法としては、封止温度が３６０℃以上４００℃未満、好ましくは、３８０℃以下となるようにしてパッケージ部材を接合することが好ましい。

以上説明したように、本発明に係るろう材は、適切な溶融特性を有し、パッケージ封止のためのろう材として好適なものである。そして、液相線と固相線との温度差ついて改善がなされており、作業性にも優れる。また、本発明に係るろう材は加工性も良好であり、小型化・薄型化が要求されるパッケージ用のろう材にも加工可能である。

本発明に係る材料の組成を示すＡｕ−Ｇａ−Ｉｎ三元系状態図。 本発明に係る材料の好ましい組成、更に好ましい組成を示すＡｕ−Ｇａ−Ｉｎ三元系状態図。 Ａｕ−Ｇａ−Ｉｎ三元系ろう材（Ａｕ：８２％、Ｇａ：１０％、Ｉｎ：８％）の濡れ性評価図

以下、本発明の実施形態及び比較例について説明する。本実施形態では図１の領域内外の各種組成のＡｕ−Ｇａ−Ｉｎ合金からなるろう材、及びＡｕ−Ｇａ−Ｉｎ合金にＳｎを添加したろう材を製造して、それぞれの特性を検討した。試料の製造においては、所定の組成となるように秤量した各金属を溶解・鋳造し、圧延加工を行い、厚さ５０μｍのろう材とした。

製造した各ろう材について、まず、硬度、加工性、及び、溶融特性（液相線、固相線）を評価した。硬度については、ビッカース硬度計により、加工性の評価は、加工後のろう材について、割れ、亀裂の発生の有無を実体顕微鏡（１０倍）で観察し、割れや亀裂がなく加工可能なものを良好、割れ又は亀裂のみとめられるものを不良と評価した。また、溶融特性については示差熱分析により測定した。これらの結果を表１に示す。尚、この評価は、対比のため、Ｉｎを含まないＡｕ−Ｇａ（１５．２％）についても行った（試料Ｎｏ．１２）。

表１から、図１の領域内にある組成のＡｕ−Ｇａ−Ｉｎろう材（試料１〜６）は、固相線及び液相線が共に３００〜３４０℃の範囲内にあり、更に、固相線と液相線との差が２０℃未満ときわめて優れた溶融特性を示すことがわかる。これらのろう材は、パッケージ封止時の封止温度との差も小さくなると予測され、パッケージ封止用のろう材として最適であると考えられる。特に、試料２〜６のろう材は、優れた溶融特性に加えて硬さも十分に備える結果となっている。一方、図１の領域外の組成である試料９〜１１は、固相線、液相線が高く、また、両者の差も広くなっていることがわかる。また、Ｉｎを含まないＡｕ−Ｇａろう材（試料１２）については、共晶組成に近いために固相線と液相線との差は狭いものの、融点が高くなっており好適なものとはいえなかった。

一方、添加元素としてＳｎを添加したろう材（試料７、８）について評価した結果からは、Ｓｎを添加することにより、融点の固−液差を広げることなく融点が顕著に低下する効果がみとめられた。この融点の低下効果は、Ｓｎを添加した場合のみならず、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｂｉ、Ａｌの少なくとも１の添加元素を添加した場合にもみとめられた。

図３には、試料２の三元系ろう材（Ａｕ：８２％、Ｇａ：１０％、Ｉｎ：８％）の濡れ性を評価した結果を示す。濡れ性の評価は、Ｋｏｖ／Ｎｉメッキ／Ａｕメッキ上にろう材を乗せ、不活性雰囲気下で融点より２０℃高い温度に加熱し２分間保持することで溶融させて行い、ろう材部分全面が均質に濡れ広がっていれば良好、そうでなければ不良と判断した。結果として、ろう材はろう材部分全面が均質に濡れ広がっており、良好な濡れ性を示すことがわかる。

封止時にパッケージ内部の素子にダメージを与えることなく、その半面、基板への実装時等に再溶融することがない適度な温度で溶融可能であり、更に、液相線と固相線との温度差の少ないろう材を提供することが出来る。

Claims (8)

1. Ａｕ−Ｇａ−Ｉｎ三元系合金からなり、これらの元素の重量濃度が、Ａｕ−Ｇａ−Ｉｎ三元系状態図におけるＡ点（Ａｕ：９０％、Ｇａ：１０％、Ｉｎ：０％）、Ｂ点（Ａｕ：７０％、Ｇａ：３０％、Ｉｎ：０％）、Ｃ点（Ａｕ：６０％、Ｇａ：０％、Ｉｎ：４０％）、Ｄ点（Ａｕ：８０％、Ｇａ：０％、Ｉｎ：２０％）を頂点とする多角形の領域内（但し、Ｉｎ、Ｇａが０％となる線上を除く）にあるろう材。
2. Ａｕ−Ｇａ−Ｉｎ三元系合金の元素の重量濃度が、Ａｕ−Ｇａ−Ｉｎ三元系状態図におけるＥ点（Ａｕ：８６％、Ｇａ：１３％、Ｉｎ：１％）、Ｆ点（Ａｕ：８１％、Ｇａ：１７％、Ｉｎ：２％）、Ｇ点（Ａｕ：７９％、Ｇａ：１０％、Ｉｎ：１１％）、Ｈ点（Ａｕ：８４％、Ｇａ：６％、Ｉｎ：１０％）を頂点とする多角形の領域内にある請求項１記載のろう材。
3. Ａｕ−Ｇａ−Ｉｎ三元系合金の元素の重量濃度が、Ａｕ−Ｇａ−Ｉｎ三元系状態図におけるＩ点（Ａｕ：８５％、Ｇａ：１０％、Ｉｎ：５％）、Ｊ点（Ａｕ：８０％、Ｇａ：１４％、Ｉｎ：６％）、Ｇ点（Ａｕ：７９％、Ｇａ：１０％、Ｉｎ：１１％）、Ｈ点（Ａｕ：８４％、Ｇａ：６％、Ｉｎ：１０％）を頂点とする多角形の領域内にある請求項１または請求項２に記載のろう材。
4. 更に、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ｂｉ、Ａｌの少なくとも１の添加元素を含む請求項１〜請求項３のいずれかに記載のろう材。
5. 添加元素の添加量は、０．００１〜３．０重量％である請求項４記載のろう材。
6. その材料組織が、溶融状態からの急冷凝固組織からなる請求項１〜請求項５のいずれかに記載のろう材。
7. 請求項１〜請求項６のいずれかに記載のろう材を備える気密封止用のパッケージ部品。
8. 請求項１〜請求項６のいずれかに記載のろう材を用いた封止方法。

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