JP6413668B2 - Au−Sn−Ag系はんだ合金とはんだ材料並びにこのはんだ合金又ははんだ材料を用いて封止された電子部品及び電子部品搭載装置 - Google Patents
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Description
組成比(Au(wt%),Ag(wt%),Sn(wt%))が、
Au、Ag、Snの三元組成図において、
点A1(41.8, 7.6,50.5)、
点A2(62.6, 3.4,34.0)、
点A3(75.7, 3.2,21.1)、
点A4(53.6,22.1,24.3)、
点A5(30.3,33.2,36.6)
に囲まれる領域にあることを特徴とするろう材、が示されている。
Au、Ag、Snの三元組成図において、
点A1(41.8, 7.6,50.5)、
点A2(62.6, 3.4,34.0)、
点A3(75.7, 3.2,21.1)、
点A4(53.6,22.1,24.3)、
点A5(30.3,33.2,36.6)
に囲まれる領域にある組成とすることにより、比較的低融点で扱いやすく、強度、接着性に優れ、かつ安価であるろう材、及び圧電デバイスを提供することを目的としている。
以下、本発明のはんだ合金に必須の元素等について、さらに詳しく説明する。
Auは本発明のはんだ合金の主成分であり、必須の元素である。Auはほぼ酸化しないため、封止用はんだや高い信頼性が要求される電子部品等の接合はんだとして、特性面においては最も適している。このため、水晶デバイスやSAWフィルターの封止用としてAu系はんだが多用されており、本発明のはんだ合金もAuを基本とし、このような高信頼性を要求される技術分野に属するはんだを提供する。ただし、Auは非常に高価な金属であるため、コスト面から敬遠されることが多く、一般的なレベルの信頼性を要求される電子部品にはほとんど使用されていない。本発明のはんだ合金は、Au−Sn−Ag合金とすることにより、リフロー濡れ性とはんだプリフォーム加工性をAu−20質量%Snはんだと同等以上とし、かつAu含有量を減らしてコストを下げたものである。
Snは本発明のはんだにおいて必須の元素である。Snの含有量は21.1質量%以上31.0質量%未満である。その理由としては、Agを添加した組成において、Snが21.0質量%以下であると、初晶のAu5Sn1金属間化合物(以下ζ相)が急激に増え、液相線が急激に上昇することにより、液相線と固相線の差が大きくなりすぎて溶け分かれを生じるため、リフロー濡れ性が悪くなってしまう。更に、ζ相の初晶粒が大きくなるため加工性も大幅に低下してしまう。加えて、Au含有量を減らすことができず、コストダウンの効果も得られない。一方、Snの含有量が31.0質量%以上になると、Au1Sn2金属間化合物(以下ε相)が発生し斜方晶であるために脆くなり、加工性が極端に悪くなるため圧延加工が困難となる。さらに、初晶としてAg3Sn1金属間化合物等も発生し、液相線と固相線の差も大きくなり、リフロー濡れ性が悪くなってしまう。これらの特性悪化により、Au系はんだの特徴である良好な濡れ性が得られず、高い接合信頼性を得ることが難しくなってしまうため好ましくない。
Agは本発明のはんだにおいて必須の元素である。合金の融点としては、高温はんだを用いる実装部品に求められる耐熱性から260℃以上が必須条件であり、装置作業性も考慮したリフロー温度上限が400℃である事から、融点を280〜400℃以内にすることが求められている。また固相線と液相線を40℃以内とすることで、リフロー時の溶け分かれが起こらずリフロー濡れ性が保たれることから、融点が280〜400℃以内かつ固相線と液相線が40℃以内の組成とする必要がある。
Ag含有量が3%以下は、省Au率が少なく当初の目的である省コスト化に十分な効果が得られないため、3%以上の含有がより好ましい。
本発明のはんだ合金は、Auを主成分とし、かつSn及びAgを必須添加元素とする。はんだ合金中には、Cu、Niなどの不可避不純物を、本発明のはんだ合金の性質に影響を及ぼすことのない範囲で含むことができる。
不可避不純物を含む場合、固相線や濡れ性、接合信頼性への影響を考慮して、総計が100ppm未満であることが望ましい。
本発明のAu基はんだ合金の製造方法は、特に限定されず、上記した各成分を用いて、従来公知の方法により製造することができる。
固相線が280℃未満のものは、十分な耐熱性が得られないため、好ましくない。固相線が400℃を超える組成では、リフロー温度も400℃を超える温度にする必要があり、残留酸素による酸化等の影響が顕著になることにより濡れ性が極端に悪くなるため、好ましくない。更にリフロー温度が高くなると、作業性も他と比べ悪化してしまうため、好ましくない。固相線が350℃以下だと、残留酸素による酸化の影響がほとんど見られないのでより好ましい。
固相線と液相線の差が40℃を超えると、溶融が開始してもしばらくの間固化している部分が存在する場合があり、濡れ性が均一でなくなり溶融形状が歪な形状で溶けるようになり、接合面や接合範囲に異常が出るような状態となってくるので好ましくない。固相線と液相線の差が20℃以内だと、溶融開始の時間をほぼ同時にすることが出来るため、より均一で良好な溶融形状にすることが出来るのでより好ましい。
なお本発明のAu基はんだ合金は、電子部品のボンディングや封止方法に使用され、電子部品実装基板を容易に製造することができる。
各測定方法を下記に記載し、結果を下記の表1に示す。
(1)組成分析
ICP発光分光分析器(SHIMAZU S−8100)を用いて組成分析を行った。
(2)固相線と液相線
示差走査熱量測定装置(DSC)および溶融試験を用いて測定した。
(3)表面粗さ測定
シート状に加工した各試料の表面粗さを表面粗さ計付きレーザー顕微鏡(LEXT OLS4000)にて測定し、平均粗さRaを算出した。
各評価方法を下記に記載し、結果を下記の表2に示す。
(1)はんだ加工性
試料1〜34の各はんだ母合金について、温間圧延機を用いてシート状に加工してクラック等の発生率で加工性の評価とした。
圧延条件はすべての試料において同じであり、圧延回数は5回、圧延速度は15〜30cm/秒、ロール温度は250℃とし、5回の圧延で50.0±2.5μmまで圧延した。圧延後の各試料において、シート10mあたり、クラックや割れが発生しなかった場合を「良」、クラックや割れが1個以上発生した場合を「不良」として、加工性の評価とした。
3mm角で厚さ50μmの打抜き品を用いて基板との接合試験を下記記載のリフロー炉で行って濡れ性の評価をした。
リフロー濡れ性試験機(装置名:雰囲気制御式濡れ性試験機)で、まずヒーター部の周囲4箇所から窒素を流し(窒素流量:各12L/分)、ヒーター設定温度を380℃にして加熱した。
なおフィレットとは、接合したはんだ合金がチップ側面やCu基板上に濡れ広がることにより形成される、裾広がりの形状の事をいう。
本接合体を用いて、まず260℃で10秒のはんだ耐熱試験を3回行った後、−55℃/125℃の温度サイクル試験を300サイクル実施した。その後に断面研磨により接合部の観察を行った。
信頼性評価として、チップおよび接合部に割れの発生がない場合を「良」とし、割れが発生した場合を「不良」と評価した。
2 はんだ
3 SQチップ
Claims (8)
- Sn,Ag,Au及び製造上不可避に含まれる元素から構成され、固相線が280〜400℃以内で且つ固相線と液相線が40℃以内となるように調整された組成であり、
Snを21.1質量%以上31.0質量%未満含有し、Agを0.1質量%以上12.5質量%以下含有し、残部が製造上不可避に含まれる元素を除きAuからなることを特徴とするAu−Sn−Ag系はんだ合金。 - Snを21.1質量%以上31.0質量%未満含有し、Agを0.1質量%以上8.0質量%以下含有し、残部が製造上不可避に含まれる元素を除きAuからなることを特徴とする請求項1に記載のAu−Sn−Ag系はんだ合金。
- Snを21.1質量%以上27.5質量%未満含有し、Agを3.0質量%以上8.0質量%以下含有し、残部が製造上不可避に含まれる元素を除きAuからなることを特徴とする請求項1に記載のAu−Sn−Ag系はんだ合金。
- 圧延加工後の表面粗さが1μm以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のAu−Sn−Ag系はんだ合金。
- ラメラ組織が5μm以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のAu−Sn−Ag系はんだ合金。
- 請求項1〜5のいずれかに記載のAu−Sn−Ag系はんだ合金を用いて枠状,シート状又はリボン状に加工したことを特徴とするはんだ材料。
- 請求項1〜5のいずれかに記載のAu−Sn−Ag系はんだ合金又は請求項6に記載のはんだ材料を用いて封止されていることを特徴とする電子部品。
- 請求項7に記載の電子部品が搭載されていることを特徴とする電子部品搭載装置。
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