JP6459472B2 - Pb-free Au-Ge solder alloy with controlled energy absorption and electronic component sealed or bonded using the same - Google Patents

Pb-free Au-Ge solder alloy with controlled energy absorption and electronic component sealed or bonded using the same Download PDF

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本発明は、Auを主成分とするPbフリーはんだ合金に関し、特にエネルギー吸収量が制御されたPbフリーのAu−Ge系はんだ合金及びこれを用いて封止若しくは接合された電子部品に関する。   The present invention relates to a Pb-free solder alloy containing Au as a main component, and more particularly to a Pb-free Au—Ge solder alloy whose energy absorption is controlled and an electronic component sealed or bonded using the same.

近年、環境に有害な化学物質に対する規制がますます厳しくなってきており、この規制は電子部品などを基板に接合する目的で使用されるはんだ材料に対しても例外ではない。はんだ材料には古くから鉛(Pb)が主成分として使われ続けてきたが、すでにRoHS指令などで鉛は規制対象物質になっている。このため、鉛を含まないはんだ(以降、Pbフリーはんだ又は無鉛はんだとも称する)の開発が盛んに行われている。   In recent years, regulations on chemical substances harmful to the environment have become stricter, and this regulation is no exception for solder materials used for the purpose of joining electronic components and the like to substrates. Lead (Pb) has been used as a main component for solder materials for a long time, but lead has already become a regulated substance under the RoHS directive and the like. For this reason, development of solder containing no lead (hereinafter also referred to as Pb-free solder or lead-free solder) has been actively conducted.

半導体素子を基板に接合する際に使用するはんだは、その使用限界温度によって高温用(約260℃〜400℃)と中低温用(約140℃〜230℃)とに大別され、それらのうち、中低温用のはんだに関してはSnを主成分とするもので鉛フリーはんだが実用化されている。例えば中低温用の鉛フリーはんだ材料としては、特許文献1にSnを主成分とし、Agを1.0〜4.0質量%、Cuを2.0質量%以下、Niを1.0質量%以下、Pを0.2質量%以下含有する無鉛はんだ合金組成が開示されており、特許文献2にはAgを0.5〜3.5質量%、Cuを0.5〜2.0質量%含有し、残部がSnからなる合金組成の無鉛はんだが開示されている。   Solder used when bonding a semiconductor element to a substrate is roughly classified into high temperature (about 260 ° C. to 400 ° C.) and medium to low temperature (about 140 ° C. to 230 ° C.) depending on the use limit temperature. As for the solder for medium and low temperature, lead-free solder is put into practical use, which contains Sn as a main component. For example, as a lead-free solder material for medium and low temperatures, Patent Document 1 has Sn as a main component, Ag is 1.0 to 4.0 mass%, Cu is 2.0 mass% or less, and Ni is 1.0 mass%. Hereinafter, a lead-free solder alloy composition containing 0.2 mass% or less of P is disclosed, and Patent Document 2 discloses 0.5 to 3.5 mass% of Ag and 0.5 to 2.0 mass% of Cu. There is disclosed a lead-free solder having an alloy composition containing Sn and the balance being Sn.

一方、高温用のPbフリーはんだに関しても様々な機関で研究開発が進められており、例えば特許文献3には、Biを30〜80at%含み、溶融温度が350〜500℃のBi/Agロウ材が開示されている。また、特許文献4には、Biを含む共昌合金に2元共昌合金を加え、更に添加元素を加えたはんだ合金が開示されており、このはんだ合金は4元系以上の多元系はんだではあるものの、液相線温度の調整とばらつきの減少が可能となることが示されている。   On the other hand, research and development is also underway at various institutions for high-temperature Pb-free solder. For example, Patent Document 3 discloses Bi / Ag brazing material containing 30 to 80 at% Bi and having a melting temperature of 350 to 500 ° C. Is disclosed. Patent Document 4 discloses a solder alloy in which a binary Kyochang alloy is added to a Bi-containing alloy containing Bi and an additional element is further added. This solder alloy is a multi-component solder of a quaternary system or higher. However, it has been shown that the liquidus temperature can be adjusted and variations can be reduced.

また、Auを主成分とする高価な高温用のPbフリーはんだ材料としては、Au−Sn合金やAu−Ge合金などが水晶デバイス、SAWフィルター、MEMS(微小電子機械システム)等の電子部品を有する電子機器で使用されている。例えば、特許文献5にはAu−Ge、Au−Sb又はAu−Siの板状低融点Au合金ロウを予加熱し、次に加熱保温部を設けたプレス金型にその材料を順次送って100℃〜350℃の温度範囲でプレス加工を行うことを特徴とする板状低融点Au合金ロウのプレス加工方法について記載されている。   Further, as an expensive high-temperature Pb-free solder material mainly composed of Au, an Au—Sn alloy, an Au—Ge alloy, or the like has electronic components such as a crystal device, a SAW filter, and a MEMS (microelectromechanical system). Used in electronic equipment. For example, in Patent Document 5, Au—Ge, Au—Sb, or Au—Si plate-like low melting point Au alloy solder is preheated, and then the material is sequentially sent to a press die provided with a heat insulation section. It describes a press working method for a plate-like low melting point Au alloy solder, characterized in that the press working is carried out in a temperature range of from 0 to 350 ° C.

また、特許文献6には、半導体パッケージの外部リードのロウ付けに用いられるロウ材として、Agを10〜35wt%、In、Ge及びGaのうち少なくとも1種類を合計で3〜15wt%、及び残部のAuからなるAu合金であって、エレクトロマイグレーションテストにおいて短絡するまでの時間が1.5時間以上であることを特徴とするエレクトロマイグレーション防止性ロウ材について記載されている。このロウ材はAuを主成分とすることでエレクトロマイグレーションを防止でき、添加元素の効果としてはAgを10〜35wt%加えることでロウ付けの強度が得られ、In、Ge及びGaのうち少なくとも1種類を合計で3〜15wt%加えることで融点を下げることができると記載されている。   In Patent Document 6, as a brazing material used for brazing external leads of a semiconductor package, Ag is 10 to 35 wt%, at least one of In, Ge, and Ga is 3 to 15 wt% in total, and the balance An electromigration-preventing brazing material characterized in that the time until short-circuiting in an electromigration test is 1.5 hours or more. This brazing material can prevent electromigration by containing Au as a main component. As an effect of the additive element, the brazing strength can be obtained by adding 10 to 35 wt% of Ag. At least one of In, Ge, and Ga can be obtained. It is described that the melting point can be lowered by adding 3 to 15 wt% of the total types.

更に特許文献7には、Au−Geを含む3元合金のロウ材において、液相が発生し始める温度をTs、完全に液相になる温度をTlとした場合に、Tl−Ts<50度であることを特徴とするロウ材について記載されている。そして、この特許文献7によれば、Pbフリーを実現しつつ、リフロー温度で溶融せず、接合のための温度を抑えることで接着剤や部品自体に損傷を与えることがない、電気・電子部品の接合に好適なロウ材を提供できるとされている。   Further, in Patent Document 7, in a brazing material of a ternary alloy containing Au—Ge, Tl−Ts <50 degrees when Ts is a temperature at which a liquid phase starts to be generated and Tl is a temperature at which a liquid phase is completely formed. It describes a brazing material characterized by the following. And according to this patent document 7, while realizing Pb-free, it does not melt at the reflow temperature, and does not damage the adhesive or the component itself by suppressing the temperature for bonding. It is said that a brazing material suitable for joining of the above can be provided.

特開平11−077366号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-077366 特開平8−215880号公報JP-A-8-215880 特開2002−160089号公報JP 2002-160089 A 特開2008−161913号公報JP 2008-161913 特開平03−204191号公報Japanese Patent Laid-Open No. 03-204191 特開平03−138096号公報Japanese Patent Laid-Open No. 03-138096 特開2007−160340号公報JP 2007-160340 A

高温用の鉛フリーはんだ材料に関しては、上記した引用文献以外にも様々な報告や提案がなされているが、未だ低コストで汎用性のあるはんだ材料は見つかっていないのが実情である。すなわち、一般的に電子部品や基板には熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂などの比較的耐熱温度の低い材料が多用されているため、接合時の作業温度を400℃未満、望ましくは370℃以下にすることが求められている。しかしながら、例えば特許文献3に開示されているBi/Agロウ材では、液相線温度が400〜700℃と高いため、接合時の作業温度も400〜700℃以上になると推測され、接合される電子部品や基板の耐熱温度を超えてしまうことになる。   Regarding lead-free solder materials for high temperatures, various reports and proposals have been made in addition to the cited references described above, but no low-cost and versatile solder materials have been found yet. That is, since materials having relatively low heat resistance such as thermoplastic resins and thermosetting resins are generally used for electronic parts and substrates, the working temperature during bonding is less than 400 ° C., preferably 370 ° C. or less. It is requested to be. However, for example, in the Bi / Ag brazing material disclosed in Patent Document 3, since the liquidus temperature is as high as 400 to 700 ° C., it is estimated that the working temperature at the time of joining is 400 to 700 ° C. or more, and joining is performed. It will exceed the heat resistance temperature of electronic parts and substrates.

また、Au−Sn系はんだやAu−Ge系はんだの場合は非常に高価なAuを多量に使用するため、汎用のPb系はんだやSn系はんだなどに比べて非常に高価であり、実用化されてはいるものの、その用途は水晶デバイス、SAWフィルター、及びMEMSなどのとくに高い信頼性が必要とされる箇所のはんだ付けに限られている。加えて、Au系はんだは非常に硬くて加工しにくいため、例えば、シート形状に圧延加工する際に時間がかかったり、疵のつきにくい特殊な材質のロールを用いたりしなければならず、余分にコストがかかる。また、プレス成形時にもAu系はんだの硬くて脆い性質のため、クラックやバリが発生し易く、他のはんだに比べて歩留まりが格段に低い。ワイヤ形状に加工する場合にも似たような深刻な問題があり、非常に圧力の高い押出機を使用しても硬いため押出速度が遅く、Pb系はんだの数百分の1程度の生産性しかない。   In addition, in the case of Au-Sn solder or Au-Ge solder, a very large amount of Au is used, so it is very expensive compared to general-purpose Pb solder or Sn solder, and has been put to practical use. However, its application is limited to soldering where particularly high reliability is required, such as quartz devices, SAW filters, and MEMS. In addition, since Au-based solder is very hard and difficult to process, for example, it takes time when rolling into a sheet shape, or a roll of a special material that is difficult to wrinkle must be used. Cost. In addition, since the Au-based solder is hard and brittle at the time of press molding, cracks and burrs are likely to occur, and the yield is significantly lower than other solders. There is a similar serious problem when processing into a wire shape, and even if a very high pressure extruder is used, the extrusion speed is slow because it is hard, and the productivity is about one hundredth of that of Pb solder. There is only.

以上のような問題を含め、Au系はんだが抱える様々な問題に対処すべく、上記した特許文献5〜特許文献7に記載の技術が提案されている。しかしながら、特許文献5の技術には次のような問題がある。即ち、Au−Ge、Au−Sb、Au−Si等の板状(シート状)低融点Au合金ロウの素材特性は、室温においてガラス板のような脆性を示し、また方向性があるため、一般に長手方向に平行な面においては僅かな曲げに対しても破断し易く、亀裂の伝播が進み易いという問題を抱えている。この対策として、コンパウンド金型を用いたプレス加工を行うことが従来から行われているが、このコンパウンド金型技術においても金型精度の問題や金型寿命の問題がある。   In order to deal with various problems of the Au-based solder including the above problems, the techniques described in Patent Documents 5 to 7 have been proposed. However, the technique of Patent Document 5 has the following problems. In other words, the material characteristics of Au-Ge, Au-Sb, Au-Si and other plate-like (sheet-like) low-melting point Au alloy solders are brittle like glass plates at room temperature and generally have a directionality. The surface parallel to the longitudinal direction has a problem that it is easy to break even with a slight bending, and the propagation of cracks easily proceeds. As a countermeasure against this, press working using a compound mold has been conventionally performed. However, even in this compound mold technology, there are problems of mold accuracy and mold life.

特許文献5では加熱保温部を設けたプレス金型に材料を順次送って100〜350℃の温度範囲でプレス加工する技術で対処することが示されている。しかし、このような温間でのプレス加工でも課題は山積している。即ち、温間プレスでは、はんだ合金の酸化が進行してしまう。そのため、Auを多く含有するはんだであっても、その他の金属、例えばGe、Sb、又はSnなどを含んでいるAu系はんだは、これらの元素の酸化進行を防ぐことができず、常温より高い温度でプレスした時に表面が酸化して濡れ性が大きく低下してしまう。更に、温度が高い状態で処理されるので常温に比べてはんだが膨張し、工夫をしても常温でのプレスに比べて形状の精度が出せない。加えて、比較的柔らかくなったはんだは金型に張り付き易くなり、はんだが撓んだり歪んだりした状態でプレスすることになるため、バリや欠けが発生しやすくなる。また温間プレスは通常のプレスよりも設備費が高価になることも課題である。   In Patent Document 5, it is shown that a technique is adopted in which a material is sequentially sent to a press die provided with a heating and heat retaining unit and pressed in a temperature range of 100 to 350 ° C. However, there are many problems in such warm press working. That is, in the warm press, the oxidation of the solder alloy proceeds. Therefore, even if the solder contains a large amount of Au, Au-based solder containing other metals such as Ge, Sb, or Sn cannot prevent the progress of oxidation of these elements and is higher than room temperature. When pressed at a temperature, the surface is oxidized and the wettability is greatly reduced. Furthermore, since the processing is performed at a high temperature, the solder expands as compared with the normal temperature, and even if it is devised, the accuracy of the shape cannot be obtained as compared with the press at the normal temperature. In addition, since the solder that has become relatively soft is likely to stick to the mold and is pressed in a state where the solder is bent or distorted, burrs and chips are likely to occur. In addition, the warm press has a problem that the equipment cost is higher than that of a normal press.

特許文献6に記載のAu合金は、Ag−28wt%CuやAg−15wt%CuのAg系ロウ材との比較において、エレクトロマイグレーションの発生を防止でき、強固で安定したロウ付け強度が得られるロウ材として開発されたものである。そのため、1%NaCl溶液中に放置した後のろう付け強度の評価は行っているものの、濡れ広がりなどを含めた接合状態の確認は行われていない。信頼性評価には、前記接合状態を含めた応力緩和性を確認するための温度サイクル試験などを実施する必要があるが、特許文献6の技術では未実施で、高い信頼性が得られるかどうかが確認できていない。   The Au alloy described in Patent Document 6 can prevent the occurrence of electromigration in comparison with an Ag-based brazing material of Ag-28 wt% Cu or Ag-15 wt% Cu, and can provide a strong and stable brazing strength. It was developed as a material. For this reason, although the brazing strength after being left in a 1% NaCl solution has been evaluated, the bonding state including wetting and spreading has not been confirmed. In the reliability evaluation, it is necessary to perform a temperature cycle test for confirming stress relaxation including the bonded state, etc., but the technique of Patent Document 6 has not been carried out, and whether high reliability can be obtained. Is not confirmed.

特許文献7に記載のAu−Geを含む3元合金のロウ材は、液相線温度と固相線温度の差が50℃未満という極めて広い組成範囲を包含するものであるため、このような広い組成範囲において同様の効果や特性を示すロウ材のみが得られることはない。上記組成範囲に属するAu−12.5質量%Ge合金(共晶点の組成)とAu−20質量%Sn合金(共晶点の組成)とを比較した場合、それらの特性は明らかに異なっている。   Since the ternary alloy brazing material containing Au—Ge described in Patent Document 7 includes a very wide composition range in which the difference between the liquidus temperature and the solidus temperature is less than 50 ° C., It is not possible to obtain only a brazing material exhibiting similar effects and characteristics over a wide composition range. When comparing Au-12.5 mass% Ge alloy (eutectic point composition) and Au-20 mass% Sn alloy (eutectic point composition) belonging to the above composition range, their characteristics are clearly different. Yes.

即ち、Geは半金属であるために、Au−12.5質量%Ge合金はAu−20質量%Sn合金に比べて明らかに加工性に劣る。例えば、圧延加工する際に、クラック等の発生により収率はAu−12.5質量%Geの方が低くなる。これらにそれぞれ少量の第三元素を含有させた場合であっても、当該第三元素が固溶することで特性が大きく変わらない組成範囲が存在するため、例えばSnを少量添加したAu−12.5質量%Ge−Sn合金とGeを少量添加したAu−20質量%Sn−Ge合金は上記特許文献7の組成範囲に属するが、この2種類の3元合金ロウ材の特性は大きく異なる。   That is, since Ge is a metalloid, the Au-12.5 mass% Ge alloy is clearly inferior in workability compared to the Au-20 mass% Sn alloy. For example, when rolling, the yield of Au-12.5 mass% Ge is lower due to the occurrence of cracks and the like. Even when a small amount of a third element is contained in each of these, there is a composition range in which the characteristics do not change greatly by dissolving the third element, so that, for example, Au-12 with a small amount of Sn added. The 5 mass% Ge—Sn alloy and the Au-20 mass% Sn—Ge alloy added with a small amount of Ge belong to the composition range of Patent Document 7, but the characteristics of the two types of ternary alloy brazing materials are greatly different.

更に、Ge−Sn合金について考えた場合、固相線温度が231℃であり、高温用はんだとしては融点が低すぎる。当然、このGe−Sn合金に少量のAuが固溶した場合でも、特許文献7の特許請求の範囲に規定された液相線温度と固相線温度の差が50℃未満の領域は存在するが、高温用はんだとしては融点が低すぎることに変わりはない。   Furthermore, when considering the Ge—Sn alloy, the solidus temperature is 231 ° C., and the melting point is too low as a high-temperature solder. Naturally, even when a small amount of Au is dissolved in this Ge—Sn alloy, there is a region where the difference between the liquidus temperature and the solidus temperature defined in the claims of Patent Document 7 is less than 50 ° C. However, the melting point is still too low for high-temperature solder.

本発明は、上記した従来の事情に鑑みてなされたものであり、濡れ広がり性、接合性、及び接合強度に優れ、水晶デバイス、SAWフィルター等の非常に高い信頼性を要求される電子機器の接合用又は封止用はんだとして好適に使用することが可能な高温用のPbフリーAu−Ge系はんだ合金を提供することを目的としている。   The present invention has been made in view of the above-described conventional circumstances, and is excellent in wet spreadability, bondability, and bond strength, and is an electronic device that requires extremely high reliability such as a crystal device and a SAW filter. An object of the present invention is to provide a high-temperature Pb-free Au—Ge solder alloy that can be suitably used as a joining or sealing solder.

上記目的を達成するため、本発明が提供するAu−Ge系はんだ合金は、Geを7.0質量%以上17.0質量%以下含有し、残部がAu及び不可避不純物からなるレーザーはんだ付け用で且つボール状のAu−Ge系はんだ合金であって、その表面の色はJIS Z8781−4に準拠したL*a*b*表示系におけるL*が50.0以上64.0以下、a*が−1.0以上4.0以下、b*が10.0以上23.0以下であり、前記ボール状のAu−Ge系はんだ合金の中心を通るあらゆる断面のうちで最大の長径を最小の短径で割った長短比が1.00以上1.20以下であることを特徴としている。 In order to achieve the above object, the Au—Ge based solder alloy provided by the present invention contains Ge in an amount of 7.0% by mass or more and 17.0% by mass or less, and the balance is for laser soldering composed of Au and inevitable impurities. and a ball-shaped Au-Ge-based solder alloy, L * is 50.0 or more 64.0 or less in the L * a * b * display system color conforming to JIS Z8781-4 of its surface, a * is -1.0 to 4.0, b * is Ri der 10.0 or 23.0 or less, the maximum major axis smallest among all cross-section through the center of the ball-shaped Au-Ge-based solder alloy length ratio divided by the short diameter is characterized by der Rukoto 1.00 to 1.20.

本発明によれば、鉛を含有せず、従来のAu系はんだよりも濡れ広がり性、接合性、及び接合強度に優れたAu−Ge系はんだ合金を提供することができる。水晶デバイス、SAWフィルター、MEMSなどの高い信頼性を要求される電子機器の接合用又は封止用としてこのAu−Ge系はんだ合金を用いることで生産性を高めることができ、結果的にそれら電子機器のコストを下げることができる。   According to the present invention, it is possible to provide an Au—Ge solder alloy which does not contain lead and has better wettability, bondability, and bonding strength than conventional Au solder. Productivity can be increased by using this Au-Ge solder alloy for bonding or sealing of electronic devices that require high reliability such as quartz devices, SAW filters, and MEMS. Equipment costs can be reduced.

NiめっきされたCu基板にはんだ合金が接合された接合体を示す模式的な縦断面図である。It is a typical longitudinal cross-sectional view which shows the joined body by which the solder alloy was joined to Cu board | substrate plated with Ni. Cu基板上に濡れ広がったはんだ合金試料の長径(X1)及び短径(X2)を示す模式的な平面図である。It is a typical top view which shows the major axis (X1) and minor axis (X2) of the solder alloy sample which spreads on the Cu substrate. 封止用容器がボール状のはんだ合金で封止された状態を示す模式的な縦断面図である。It is a typical longitudinal cross-sectional view which shows the state by which the container for sealing was sealed with the ball-shaped solder alloy. ボール状のはんだ合金又はこれを潰して円板状体にしたはんだ合金の長短比を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the length ratio of the ball-shaped solder alloy or the solder alloy which crushed this into the disk-shaped body.

先ず、本発明の第1の実施形態のAu−Ge系はんだ合金について説明する。この本発明の第1の実施形態のAu−Ge系はんだ合金は、Au及びGeの二成分で構成されるものであり、Geの含有量が7.0質量%以上17.0質量%以下であり、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している。そして、はんだ合金の表面はJIS Z8781−4に準拠したL*a*b*表示系におけるL*が47.0以上67.0以下、a*が−2.0以上5.0以下、b*が7.0以上27.0以下である。   First, the Au—Ge solder alloy according to the first embodiment of the present invention will be described. The Au—Ge solder alloy according to the first embodiment of the present invention is composed of two components of Au and Ge, and the Ge content is 7.0 mass% or more and 17.0 mass% or less. The remainder is made of Au except for elements inevitably included in production. The surface of the solder alloy has an L * of 47.0 or more and 67.0 or less, an a * of −2.0 or more and 5.0 or less, b * in the L * a * b * display system according to JIS Z8781-4. Is 7.0 or more and 27.0 or less.

はんだ合金の接合信頼性を高めるには、はんだ合金と接合面とが均質な金属間化合物を生成した状態で接合されることが望ましい。そのため、まずはんだが接合面に均一に濡れ広がり、均一な金属間化合物を生成することが望ましい条件となる。均一な濡れ広がりは、ボール状のはんだ合金を溶解した時に、上から見たはんだの縦横比を所定の値以下に抑えることで規定することができる。これを満たすべく本発明のはんだ合金は上述したようにはんだ表面の色を限定している。また、金属間化合物を均一に生成すべく、はんだ合金の組成をGeを7.0質量%以上17.0質量%含有し、残部を不可避不純物を除いてAuにしている。   In order to increase the bonding reliability of the solder alloy, it is desirable that the solder alloy and the bonding surface be bonded in a state where a homogeneous intermetallic compound is generated. For this reason, first, it is desirable that the solder uniformly spreads on the joint surface to generate a uniform intermetallic compound. Uniform wetting and spreading can be defined by suppressing the aspect ratio of the solder seen from above to a predetermined value or less when the ball-shaped solder alloy is melted. In order to satisfy this, the solder alloy of the present invention limits the color of the solder surface as described above. Further, in order to produce an intermetallic compound uniformly, the composition of the solder alloy contains 7.0 mass% or more and 17.0 mass% of Ge, and the balance is Au except for inevitable impurities.

すなわち、本発明の第1の実施形態のAu−Ge系はんだ合金は、AuとGeの共晶点の組成を基本とし、この共晶点付近の組成を有するはんだ合金のはんだ表面の色をL*a*b*表示系で規定している。これにより、レーザーなどで溶融接合する際、エネルギー吸収量や溶融状態等のバラつきが抑えられて濡れ広がり性や接合性等の諸特性に優れた接合が可能になる。このことによって接合不良の発生率が低下して歩留まりが向上するので、高価な水晶デバイス、SAWフィルター、MEMSなどの非常に高い信頼性を要求される電子機器の接合や封止に用いた場合、高い生産性を維持できることにより、結果的に電子機器を安価に作製することが可能になる。   That is, the Au—Ge solder alloy of the first embodiment of the present invention is based on the composition of the eutectic point of Au and Ge, and the color of the solder surface of the solder alloy having the composition near the eutectic point is L * A * b * Display system. As a result, when performing melt bonding with a laser or the like, variations in energy absorption amount, molten state, and the like are suppressed, and bonding excellent in various characteristics such as wet spreadability and bondability becomes possible. This reduces the incidence of bonding failure and improves yield, so when used for bonding and sealing of electronic devices that require very high reliability, such as expensive quartz devices, SAW filters, MEMS, Since high productivity can be maintained, an electronic device can be manufactured at low cost as a result.

次に、本発明の第2の実施形態のAu−Ge系はんだ合金について説明する。この本発明の第2の実施形態のAu−Ge系はんだ合金はGeを7.0質量%以上17.0質量%以下含有し、Ag、Al、Cu、Mg、Ni、Sb、Sn、Zn及びPのうちの1種以上を含有し、Agを含有する場合は0.01質量%以上30.0質量%以下、Alを含有する場合は0.01質量%以上1.5質量%以下、Cuを含有する場合は0.01質量%以上1.0質量%以下、Mgを含有する場合は0.01質量%以上0.8質量%以下、Niを含有する場合は0.01質量%以上1.0質量%以下、Sbを含有する場合は0.01質量%以上0.8質量%以下、Snを含有する場合は0.01質量%以上15.0質量%以下、Znを含有する場合は0.01質量%以上3.0質量%以下、Pを含有する場合は0.500質量%以下それぞれ含有している。そして、はんだ合金の表面は上記した本発明の第1の実施形態と同様にJIS Z8781−4に準拠したL*a*b*表示系におけるL*が47.0以上67.0以下、a*が−2.0以上5.0以下、b*が7.0以上27.0以下である。   Next, the Au—Ge solder alloy of the second embodiment of the present invention will be described. The Au—Ge solder alloy according to the second embodiment of the present invention contains 7.0 mass% or more and 17.0 mass% or less of Ge, and contains Ag, Al, Cu, Mg, Ni, Sb, Sn, Zn, and In the case of containing one or more of P and containing Ag, 0.01 mass% to 30.0 mass%, and in the case of containing Al, 0.01 mass% to 1.5 mass%, Cu 0.01 mass% or more and 1.0 mass% or less when Mg is contained, 0.01 mass% or more and 0.8 mass% or less when Mg is contained, 0.01 mass% or more and 1 mass% when Ni is contained 0.0 mass% or less, when containing Sb, 0.01 mass% or more and 0.8 mass% or less, when containing Sn, 0.01 mass% or more and 15.0 mass% or less, when containing Zn When it contains 0.01 mass% or more and 3.0 mass% or less and P is contained, it contains 0.5500 mass% or less, respectively. The surface of the solder alloy has an L * of 47.0 or more and 67.0 or less in the L * a * b * display system based on JIS Z8781-4, as in the first embodiment of the present invention. Is −2.0 to 5.0 and b * is 7.0 to 27.0.

この本発明の第2の実施形態のAu−Ge系はんだ合金は、上記した第1の実施形態のAu−Ge系はんだ合金によって得られる効果に加えて上記した各種の添加元素による効果が加わることでより優れたはんだ合金を提供することが可能になる。以下、かかる本発明の第1及び第2の実施形態のAu−Ge系はんだ合金に含まれる必須の元素及び必要に応じて添加される元素、並びにL*a*b*表示系について説明する。   The Au—Ge solder alloy according to the second embodiment of the present invention has the effects of the various additive elements described above in addition to the effects obtained by the Au—Ge solder alloy according to the first embodiment. This makes it possible to provide a better solder alloy. The essential elements contained in the Au—Ge solder alloys of the first and second embodiments of the present invention, the elements added as necessary, and the L * a * b * display system will be described below.

<Au>
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は非常に酸化し難いため、高い信頼性が要求される電子部品類の接合用や封止用のはんだとして特性面では最も適している。そのため、水晶デバイスやSAWフィルターの接合用や封止用としてAu系はんだが多用されており、本発明のはんだ合金もAuを基本とすることで上記した技術分野での使用に好適なはんだを提供することができる。
<Au>
Au is a main component of the solder alloy of the present invention and is an essential element. Since Au is very difficult to oxidize, it is most suitable in terms of characteristics as a solder for joining and sealing of electronic parts that require high reliability. Therefore, Au-based solder is frequently used for joining and sealing of quartz devices and SAW filters, and the solder alloy of the present invention is based on Au, thereby providing a solder suitable for use in the above technical fields. can do.

ただし、Auは非常に高価な金属であるため、できるだけコストを低くおさえることが求められている。したがって、製造面から考えた場合、電子部品類の製造歩留まりを向上させることが最も重要な事項の一つである。そこで、本発明でははんだ合金の表面状態を色で管理、制御することにより接合時に均一で良好な接合を実現し、よって信頼性を向上させている。さらに組成面から考えた場合、Au−Ge系合金に必要に応じてAg、Al、Cu、Mg、Ni、Sb、Sn、Zn及びPのうちの1種以上を添加することでこれら元素の添加による効果を発現させると共に、高価なAuの含有率を下げることが可能性になる。   However, since Au is a very expensive metal, it is required to keep the cost as low as possible. Therefore, from the viewpoint of manufacturing, improving the manufacturing yield of electronic components is one of the most important matters. Therefore, in the present invention, the surface state of the solder alloy is managed and controlled by color, thereby realizing uniform and good bonding at the time of bonding, thereby improving the reliability. Furthermore, when considered from the composition aspect, the addition of these elements by adding one or more of Ag, Al, Cu, Mg, Ni, Sb, Sn, Zn, and P to the Au—Ge based alloy as necessary. It is possible to reduce the content of expensive Au.

<Ge>
Geは本発明のはんだ合金における必須の元素である。GeはAuと共晶合金を作り、固相線温度を361℃と低くできる。本発明のAu−Ge系合金を、濡れ性や接合信頼性等に極めて優れたはんだ合金にするためGeの含有量は7.0質量%以上17.0質量%以下である。Ge含有量がこの範囲から外れてしまうと液相線温度が高くなりすぎて溶け別れ現象が起こることにより、基板やチップとはんだが均一に合金化せず、接合不良を起こしてしまう場合がある。Ge含有量が10.0質量%以上14.0質量%以下であれば、共晶点の組成により近くなるので、より一層優れた接合が可能になり好ましい。
<Ge>
Ge is an essential element in the solder alloy of the present invention. Ge forms a eutectic alloy with Au, and the solidus temperature can be lowered to 361 ° C. The Ge content is 7.0% by mass or more and 17.0% by mass or less in order to make the Au—Ge-based alloy of the present invention a solder alloy having extremely excellent wettability and bonding reliability. If the Ge content deviates from this range, the liquidus temperature becomes too high and the separation phenomenon occurs, so that the substrate or chip and the solder may not be alloyed uniformly, resulting in poor bonding. . If the Ge content is 10.0% by mass or more and 14.0% by mass or less, the composition becomes closer to the composition of the eutectic point, so that it is possible to achieve further excellent bonding, which is preferable.

<Ag>
Agは本発明のはんだ合金において必要に応じて含有させる元素であり、Agを含有させることによって得られる主な効果は濡れ性や接合性の向上にある。Agは基板等の最上面に使用されるCuやNiなどと反応性がよく、濡れ性を向上させることができる。当然、半導体素子の接合面によく使用されるAgやAuメタライズ層との反応性に優れることは言うまでもない。このような効果を有するAgの含有量は0.01質量%以上30.0質量%以下である。0.01質量%未満では含有量が少なすぎてAgを含有させた効果が実質的に現れず、30.0質量%を超えてしまうと共晶点の組成から大きくはずれてしまい、結晶の粗大化や液相線温度と固相線温度の差が大きくなり過ぎて溶け別れ現象などを生じてしまい好ましくない。
<Ag>
Ag is an element to be contained as necessary in the solder alloy of the present invention, and the main effect obtained by containing Ag is to improve wettability and bondability. Ag has good reactivity with Cu and Ni used on the uppermost surface of the substrate and the like, and can improve wettability. Of course, it is needless to say that it is excellent in reactivity with Ag or Au metallized layer often used for the bonding surface of the semiconductor element. The content of Ag having such an effect is 0.01% by mass or more and 30.0% by mass or less. If the amount is less than 0.01% by mass, the content is too small and the effect of adding Ag does not appear substantially. If the amount exceeds 30.0% by mass, the composition of the eutectic point is greatly deviated, resulting in coarse crystals. And the difference between the liquidus temperature and the solidus temperature becomes too large, causing a phenomenon of melting and separating, which is not preferable.

<Sn>
Snは本発明のはんだ合金において必要に応じて添加される元素である。SnはAuと共晶合金を生成し、代表的なAu系はんだであるAu−20質量%Snはんだとして信頼性が求められる用途に従来から使われている。このように信頼性が求められる用途に使用されている理由の一つとして、Snが基板の主成分であるCuと反応性が高いことが挙げられる。すなわち、Snは基板等と強固に接合できるので、高い接合信頼性を得ることができる。本発明のAu−Ge系はんだ合金にSnを含有させる理由はこのようなSnの反応性の高さにある。つまりSnを含有させることによって強固な接合が可能となり、高い接合信頼性が得られるのである。さらにSnの含有量を適宜調整することにより所望の融点に調整できる。
<Sn>
Sn is an element added as necessary in the solder alloy of the present invention. Sn forms a eutectic alloy with Au and has been conventionally used for applications requiring reliability as Au-20 mass% Sn solder, which is a typical Au-based solder. One of the reasons why it is used for applications requiring reliability in this way is that Sn is highly reactive with Cu, which is the main component of the substrate. That is, since Sn can be firmly bonded to a substrate or the like, high bonding reliability can be obtained. The reason why Sn is contained in the Au—Ge solder alloy of the present invention is such a high reactivity of Sn. That is, by containing Sn, strong bonding is possible, and high bonding reliability is obtained. Furthermore, it can adjust to desired melting | fusing point by adjusting content of Sn suitably.

このように接合性の向上や融点の調整の目的に合わせてSn含有量を調整して含有させればよい。このようなSnの優れた効果を良好に発揮させるSnの含有量は0.01質量%以上15.0質量%以下である。Sn含有量が0.01質量%未満では含有量が少なすぎて含有させた効果が現れない。一方、Sn含有量が15.0質量%を超えてしまうと含有量が多くなり過ぎ、金属間化合物の割合が許容範囲を超えて硬くなりすぎたり脆くなりすぎたりしてしまう。   In this way, the Sn content may be adjusted and contained in accordance with the purpose of improving the bondability and adjusting the melting point. The content of Sn that exhibits the excellent effect of Sn as described above is 0.01% by mass or more and 15.0% by mass or less. If the Sn content is less than 0.01% by mass, the content is too small and the effect of inclusion is not exhibited. On the other hand, if the Sn content exceeds 15.0% by mass, the content will increase too much, and the proportion of intermetallic compounds will exceed the allowable range and become too hard or too brittle.

<Al、Mg>
Al、Mgは本発明において各種特性を改善または調整するために必要に応じて添加される元素であり、これらの元素を含有させることによって得られる主な効果はほぼ同じである。すなわち、Al、MgはAuやGeに比べて酸化され易いため、これらの少なくとも一方をAu−Ge系はんだ合金に含有させることにより優先的に酸化されてはんだ表面に析出し、薄い酸化物層を生成するのである。これにより母相を成す元素の酸化が抑制されることではんだ内部に酸素原子が侵入していきにくくなり、結果として濡れ性が向上するのである。
<Al, Mg>
Al and Mg are elements added as necessary to improve or adjust various properties in the present invention, and the main effects obtained by containing these elements are almost the same. That is, since Al and Mg are more easily oxidized than Au and Ge, by including at least one of them in the Au—Ge solder alloy, it is preferentially oxidized and deposited on the solder surface, and a thin oxide layer is formed. It generates. As a result, the oxidation of the elements constituting the parent phase is suppressed, making it difficult for oxygen atoms to penetrate into the solder, resulting in improved wettability.

すなわち、AlはAuに数質量%固溶する。このように固溶したAlは、はんだ合金を加熱して接合する際にAuやGeよりも酸素と圧倒的に結合し易いため、はんだ表面に析出してきて緻密な酸化物層を形成する。このようにAlが自ら酸化することによりGeなどの酸化が抑制され、緻密な酸化物層によりGeなどが酸化せず酸化物層が薄いまま維持されるのである。そしてこの酸化物層が薄いため、接合時には容易に酸化物層が破壊され基板や半導体素子と溶融はんだ合金とが金属同士直接接触し易くなり濡れ性や接合性を向上させるのである。   That is, Al is dissolved in Au by several mass%. Since Al dissolved in this manner is overwhelmingly bonded to oxygen more than Au or Ge when the solder alloy is heated and joined, it precipitates on the solder surface and forms a dense oxide layer. In this way, when Al oxidizes itself, oxidation of Ge or the like is suppressed, and Ge or the like is not oxidized by the dense oxide layer, and the oxide layer is kept thin. And since this oxide layer is thin, an oxide layer is easily destroyed at the time of joining, and it becomes easy for a board | substrate or a semiconductor element and a molten solder alloy to contact metal directly, and wettability and joining property are improved.

ただし、Alを多く含有させすぎると、Alによる酸化物層の厚さが厚くなりすぎて濡れ性を低下させるおそれがある。このため、Alの最適な含有量の上限値は1.5質量%である。1.5質量%以下であれば、良好な濡れ性や接合性が得られ、0.7質量%以下であればより一層Alを含有させる効果が現れて好ましい。一方、Al含有量の下限値は0.01質量%である。0.01質量%未満では含有量が少なすぎて上記した効果が実質的に得られない。   However, if too much Al is contained, the thickness of the oxide layer of Al becomes too thick, which may reduce wettability. For this reason, the upper limit of the optimal content of Al is 1.5 mass%. If it is 1.5 mass% or less, favorable wettability and bondability will be obtained, and if it is 0.7 mass% or less, the effect of containing Al further appears and it is preferable. On the other hand, the lower limit of the Al content is 0.01% by mass. If the amount is less than 0.01% by mass, the content is too small to substantially obtain the above-described effects.

MgはAlと同様に本発明において各種特性を改善または調整するために必要に応じて含有させる元素であり、期待される主な効果も濡れ性向上にある。MgはAlよりも還元性が強いので酸化され易く、濡れ性向上効果を発揮する際、Alよりも効果が大きい。よって少量で効果を発揮する。ただし、Mgは多く含有させることはできない。すなわち、MgはAlよりも酸素と結合しやすいため、強固な酸化物層を形成し、比較的薄い酸化膜であっても接合時に酸化物層が十分に破壊されず濡れ性を低下させる要因になってしまう場合があるのである。よって、Mgの含有量の上限値は0.8質量%である。0.8質量%以下であれば良好な濡れ性が得られ、0.3質量%以下であれば、上記した効果がより一層顕著に現れるので好ましい。一方、Mg含有量の下限値は0.01質量%である。0.01質量%未満では少なすぎて実質的にその効果が現れない。   Similar to Al, Mg is an element that is included as necessary in order to improve or adjust various properties in the present invention, and the main expected effect is to improve wettability. Since Mg is more reducible than Al, it is easily oxidized and is more effective than Al when it exhibits the effect of improving wettability. Therefore, it is effective in a small amount. However, a large amount of Mg cannot be contained. In other words, Mg is easier to bond with oxygen than Al, so it forms a strong oxide layer, and even if it is a relatively thin oxide film, the oxide layer is not sufficiently destroyed at the time of bonding, which causes a decrease in wettability. It may become. Therefore, the upper limit of the Mg content is 0.8% by mass. When the content is 0.8% by mass or less, good wettability is obtained, and when the content is 0.3% by mass or less, the above-described effect is more remarkable, which is preferable. On the other hand, the lower limit of the Mg content is 0.01% by mass. If it is less than 0.01% by mass, the effect is not substantially exhibited because the amount is too small.

Al、Mgの融点は、Alが660℃、Mgが650℃である。従って、はんだ合金の液相線温度等の融点調整を行う際にはこれらAlやMgの融点をも参考にして含有させればよい。以上、述べたようにAl、Mgを添加することによって、ほぼ共通する効果が得られるが、これらの元素を含有させた際に生成される固溶体や金属間化合物の性質及び融点等を考慮して、目的とする特性に調整するように適宜含有量を定めればよい。   The melting points of Al and Mg are 660 ° C. for Al and 650 ° C. for Mg. Accordingly, when adjusting the melting point such as the liquidus temperature of the solder alloy, the melting point of these Al and Mg may be included with reference to the melting point. As described above, almost the same effect can be obtained by adding Al and Mg, but considering the properties and melting points of solid solutions and intermetallic compounds produced when these elements are added. The content may be determined as appropriate so as to adjust to the intended characteristics.

<Cu、Ni、Sb>
Cu、Ni、Sbは本発明において各種特性を改善または調整するために必要に応じて添加される元素であり、これらの元素を含有させることによって得られる主な効果はほぼ同じであり、加工性や応力緩和性の向上にある。すなわち、Cu、Ni、Sbははんだ合金が溶融した後に固化する際に最初に析出し、それを核として微細な結晶が成長していく。そのため組織が微細結晶構造となり、その結果、クラックの進行が粒界で止められ易くなる。これによってはんだ合金に熱応力などの様々な応力が加わってもクラックが進展しにくくなり、シート形状などに加工する際のクラック等の不良の発生が抑えられることにより破壊することなく加工することが出来、また接合信頼性も飛躍的に向上する。
<Cu, Ni, Sb>
Cu, Ni and Sb are elements added as necessary to improve or adjust various properties in the present invention, and the main effects obtained by containing these elements are almost the same, and workability And to improve stress relaxation. That is, Cu, Ni, and Sb are first precipitated when the solder alloy is solidified after being melted, and fine crystals grow using it as a nucleus. Therefore, the structure becomes a fine crystal structure, and as a result, the progress of cracks is easily stopped at the grain boundary. This makes it difficult for cracks to progress even when various stresses such as thermal stress are applied to the solder alloy, and it is possible to process without breaking by suppressing the occurrence of defects such as cracks when processing into sheet shape etc. And the joint reliability is greatly improved.

上記したメカニズムにより加工性向上の効果が発揮されるため、Cu、Ni、Sbの含有量をあまり多くすることは好ましくない。すなわち、これらの元素の含有量が多すぎると、核の密度が多くなり、結晶粒が微細化せずに逆に粗大化してしまい、添加効果が半減してしまうからである。従って、Cuを含有させる場合の上限値は1.0質量%である。また、下限値は0.01質量%であり、この値に満たないと核の析出が少なすぎて実質的に加工性向上の効果が得られない。同様の理由でNiの含有量は0.01質量%以上1.0質量%以下であり、Sbの含有量は0.01質量%以上0.80質量%以下である。これらの組成範囲とすることにより良好な特性を有するはんだ合金となり得る。   Since the effect of improving workability is exhibited by the above-described mechanism, it is not preferable to increase the contents of Cu, Ni, and Sb. That is, if the content of these elements is too large, the density of the nuclei increases, and the crystal grains are coarsened instead of being refined, and the effect of addition is halved. Therefore, the upper limit when Cu is contained is 1.0% by mass. Further, the lower limit is 0.01% by mass, and if this value is not reached, the precipitation of nuclei is too small and the effect of improving workability cannot be obtained substantially. For the same reason, the Ni content is 0.01% by mass or more and 1.0% by mass or less, and the Sb content is 0.01% by mass or more and 0.80% by mass or less. By setting it as these composition ranges, it can be set as the solder alloy which has a favorable characteristic.

<Zn>
Znは本発明において各種特性を改善または調整するために必要に応じて添加される元素であり、この元素を含有させることによって得られる主な効果は加工性や応力緩和性の向上にある。しかし、Cu、Ni、Sbとは加工性等を向上させるメカニズムが異なる。すなわち、ZnはAuに固溶し、かつ、Geと共晶合金を生成する。この共晶合金化によって加工性を向上させるのである。しかし、Znは酸化され易い元素であり、従って、はんだ合金製造時の条件によっては酸化が進行し過ぎてしまう。このためZnの含有量には製造方法を含めて考慮する必要があり、実質的にその上限値は3.0質量%である。この値を超えてしまうと酸化を極力抑えた製造条件であっても酸化物層の厚さが厚くなりすぎ、良好な接合が得られなくなる。一方、Zn含有量の下限値は0.01質量%である。0.01質量%未満であると含有量が少なすぎてその効果は実質的に得られない。
<Zn>
Zn is an element added as necessary to improve or adjust various properties in the present invention, and the main effect obtained by containing this element is to improve workability and stress relaxation. However, it is different from Cu, Ni and Sb in the mechanism for improving workability and the like. That is, Zn forms a solid solution in Au and forms a eutectic alloy with Ge. This eutectic alloying improves workability. However, Zn is an element that is easily oxidized, and therefore, oxidation proceeds excessively depending on conditions at the time of manufacturing the solder alloy. For this reason, it is necessary to consider the content of Zn including the production method, and the upper limit is substantially 3.0% by mass. If this value is exceeded, the thickness of the oxide layer becomes too thick even under manufacturing conditions in which oxidation is suppressed as much as possible, and good bonding cannot be obtained. On the other hand, the lower limit of the Zn content is 0.01% by mass. If the content is less than 0.01% by mass, the content is too small to obtain substantially the effect.

<P>
Pは本発明のはんだ合金において必要に応じて含有される元素であり、その効果は濡れ性の向上にある。Pが濡れ性を向上させるメカニズムは、Pは還元性が強いので自らが酸化することによって、はんだ合金表面の酸化を抑制すると共に基板面を還元し、濡れ性を向上させることにある。一般にAu系はんだは酸化されにくく、濡れ性に優れていると言っても、接合面の酸化物を除去することはできない。ところが、Pは、はんだ表面の酸化膜の除去だけではなく、基板などの接合面の酸化膜も除去することが可能である。このはんだ表面及び接合面の酸化膜除去の効果により、酸化膜によって形成される隙間(ボイド)も低減することができる。このPの効果によって、接合性や信頼性等が更に向上する。
<P>
P is an element contained as necessary in the solder alloy of the present invention, and its effect is in improving wettability. The mechanism by which P improves wettability is that P is highly reducible, so that it oxidizes itself, thereby suppressing oxidation of the solder alloy surface and reducing the substrate surface to improve wettability. In general, Au-based solder is difficult to be oxidized and is excellent in wettability, but the oxide on the joint surface cannot be removed. However, P can remove not only the oxide film on the solder surface but also the oxide film on the bonding surface such as the substrate. Due to the effect of removing the oxide film on the solder surface and the joint surface, gaps (voids) formed by the oxide film can also be reduced. This effect of P further improves the bondability and reliability.

尚、Pは、はんだ合金や基板を還元して酸化物になると同時に気化し、雰囲気ガスに流されるため、はんだや基板等に残らない。このため、Pの残渣が信頼性等に悪影響を及ぼす可能性はなく、この点からもPは優れた元素と言える。本発明のはんだ合金がPを含有する場合、Pの含有量は0.500質量%以下が好ましい。Pは非常に還元性が強いため、微量を含有させれば濡れ性向上の効果が得られるが、0.500質量%を超えて含有しても濡れ性向上の効果はあまり変わらず、過剰な含有によってPやP酸化物の気体が多量に発生し、ボイド率を上げてしまったり、Pが脆弱な相を形成して偏析し、はんだ接合部を脆化して信頼性を低下させたりする恐れがある。   Note that P does not remain on the solder, the substrate, or the like because the solder alloy or the substrate is reduced to become an oxide and is vaporized at the same time and flows into the atmosphere gas. For this reason, there is no possibility that the residue of P adversely affects reliability and the like, and P can be said to be an excellent element from this point. When the solder alloy of the present invention contains P, the content of P is preferably 0.500% by mass or less. Since P is very reducible, the effect of improving the wettability can be obtained if a trace amount is contained, but the effect of improving the wettability does not change so much even if contained in excess of 0.5% by mass. Containment may cause a large amount of P or P oxide gas to increase the void ratio, or P may segregate by forming a fragile phase, embrittle the solder joint and reduce reliability. There is.

<L*、a*、b*>
本発明のAu−Ge系はんだ合金においては、JIS Z8781−4に準拠したL*a*b*表示系におけるはんだ表面の明度のL*が47.0以上67.0以下、色相と彩度のa*が−2.0以上5.0以下、b*が7.0以上27.0以下である。一般的にはんだ合金をレーザー等で溶融する際、はんだ合金の表面状態によってエネルギーの吸収量が異なる。
<L *, a *, b *>
In the Au-Ge series solder alloy of the present invention, the L * of the brightness of the solder surface in the L * a * b * display system conforming to JIS Z8781-4 is 47.0 or more and 67.0 or less, and the hue and saturation are a * is from -2.0 to 5.0, and b * is from 7.0 to 27.0. Generally, when a solder alloy is melted with a laser or the like, the amount of energy absorbed varies depending on the surface state of the solder alloy.

その結果、L*a*b*表示系における数値が異なると、はんだにエネルギーが与えられてから溶融が開始するまでの時間や溶融完了時間、溶融後の濡れ広がり、基板等と反応して生成する合金相、金属組織などに非常に大きな違いが生じ得る。このようなはんだ合金の溶融時及び接合後の状態を安定して同じようにするために表面状態を制御することが必要になるのである。そこで、本発明のAu−Ge系はんだ合金は、その表面の色をL*a*b*表示系において上記した範囲内とすることにより、レーザーなどではんだ合金を溶融する際のエネルギーの吸収量のバラつきを抑え、よって安定した溶融性及び濡れ広がり性を得ることができる。その結果、優れた接合性を得ることができ、高い接合信頼性を有する電子機器を提供することが可能になる。   As a result, if the numerical value in the L * a * b * display system is different, the time from when energy is applied to the solder until the start of melting, the completion time of melting, wetting and spreading after melting, generated by reacting with the substrate, etc. Very large differences can occur in the alloy phases, metal structures, etc. It is necessary to control the surface state in order to stably maintain the same state when the solder alloy is melted and after joining. Therefore, the Au—Ge solder alloy of the present invention has a surface color within the above-mentioned range in the L * a * b * display system, so that the amount of energy absorbed when the solder alloy is melted with a laser or the like. Variation, and thus stable meltability and wettability can be obtained. As a result, excellent bondability can be obtained, and an electronic device having high bonding reliability can be provided.

はんだ表面の色の明度を示すL*が47.0以上67.0以下、色相と彩度を示すa*が−2.0以上5.0以下でb*が7.0以上27.0以下とする理由は実験結果によるものである。実験結果ではL*、a*、b*がこの範囲から外れてしまうとレーザーのエネルギーや焦点などを調整しても十分に溶融せずに部分的にしか溶融しなかったり、逆に急速に溶けて濡れ広がりが不均一になったりした。なお、実験でははんだ形状がボール状の場合はL*が50.0以上64.0以下、a*が−1.0以上4.0以下、b*が10.0以上23.0以下であればより一層均一に溶融し、濡れ広がりも均一になって、より優れた接合が得られた。   L * indicating the brightness of the solder surface color is 47.0 or more and 67.0 or less, a * indicating the hue and saturation is -2.0 or more and 5.0 or less, and b * is 7.0 or more and 27.0 or less. The reason is because of the experimental results. In the experimental results, if L *, a *, and b * deviate from this range, even if the laser energy or focus is adjusted, it does not melt sufficiently, but only partially melts or conversely melts rapidly. The wet spread was uneven. In the experiment, when the solder shape is a ball shape, L * should be 50.0 or more and 64.0 or less, a * should be -1.0 or more and 4.0 or less, and b * should be 10.0 or more and 23.0 or less. As a result, the material melted more uniformly and the wetting spread became uniform, and a better joint was obtained.

本発明のAu−Ge系はんだ合金は形状に特に制約はないが、はんだ合金がボール状の場合は形状特性として真球度が求められる場合がある。その理由は、真球度が悪いと搬送時に移動方向が定まらない他、溶融した際に真円状に広がらず、近接する電極や配線などと短絡したり、チップを接合する場合は接合面全体にはんだが接触したりするおそれがあるからである。そこで、ボール状のAu−Ge系はんだ合金の場合は、図4(a)の平面図に示すように、その中心を通るあらゆる断面のうちで最小の短径L1で最大の長径L2を割った下記計算式1に示す長短比(L2/L1)が1.00以上1.20以下であるのが好ましい。この長短比が1.20以下であれば、はんだ溶融時に表面張力によってはんだがより真球に近づきやすく、接合面に均一に濡れ広げることができる。この長短比が1.20を超えてしまうとはんだ溶融時に表面張力が働いても、接合面に均一に濡れ広がることが難しくなる。   The shape of the Au—Ge solder alloy of the present invention is not particularly limited, but when the solder alloy is ball-shaped, sphericity may be required as a shape characteristic. The reason for this is that if the sphericity is poor, the direction of movement will not be determined during transport, it will not spread in a perfect circle when melted, and it will short-circuit with adjacent electrodes or wiring, or if the chip is bonded, the entire bonded surface This is because there is a risk of contact with the solder. Therefore, in the case of a ball-shaped Au—Ge solder alloy, as shown in the plan view of FIG. 4A, the smallest major axis L2 is divided by the smallest minor axis L1 in every cross section passing through the center. It is preferable that the long / short ratio (L2 / L1) shown in the following calculation formula 1 is 1.00 or more and 1.20 or less. When the length / short ratio is 1.20 or less, the solder can easily approach the true sphere due to surface tension when the solder is melted, and can be spread uniformly on the joint surface. If this length ratio exceeds 1.20, it will be difficult to spread evenly on the joint surface even if surface tension is applied during melting of the solder.

[計算式1]
長短比=長径L2/短径L1
[Calculation Formula 1]
Long / Short Ratio = Long Diameter L2 / Long Diameter L1

あるいは、図4(b)の斜視図に示すように、該ボール状のはんだ合金を一方向から潰して表裏面に互いに平行な平面部10a、10bを有する円板状体10にし、平面部10a、10bの一方を下にして水平面11に置いた時、円板状体10の平面部10a、10bにおける押し潰した方向(上下方向)の厚さをZ1、円板状体10を真上から水平面11に投影した時の投影図に外接する外接円のうち最も小さい円の直径をZ2とすると、下記計算式2に示す長短比(Z2/Z1)が1.00を超え1.50以下であるのが好ましい。   Alternatively, as shown in the perspective view of FIG. 4B, the ball-shaped solder alloy is crushed from one direction to form a disc-like body 10 having flat portions 10a and 10b parallel to each other on the front and back surfaces, and the flat portion 10a. 10b, when placed on the horizontal plane 11, the thickness of the flat portion 10a, 10b of the disc-like body 10 in the crushed direction (vertical direction) is Z1, and the disc-like body 10 is from above. When the diameter of the circumscribed circle circumscribing the projection when projected onto the horizontal plane 11 is Z2, the length-to-short ratio (Z2 / Z1) shown in the following calculation formula 2 is more than 1.00 and less than 1.50. Preferably there is.

[計算式2]
長短比=最小外接円の直径Z2/上下方向の厚さZ1
[Calculation Formula 2]
Long / Short Ratio = Minimum circumscribed circle diameter Z2 / vertical thickness Z1

このように一方向から潰したはんだ合金は、接合面に置いた時、潰された平らな平面が接合面に面で接することになる。このため、接合面に置かれたはんだを真上から見た時、はんだは円形になっている。この状態ではんだを溶融させるとはんだは円状に濡れ広がるのである。しかし、一方向から潰したAu−Ge系はんだ合金の上記した長短比が1.50を超えてしまうと比較的硬いAu−Ge系合金にクラックが入って円状に濡れ広がらなかったり、場合によってははんだが割れるおそれがある。   When the solder alloy crushed from one direction is placed on the joint surface, the crushed flat plane comes into contact with the joint surface. For this reason, when the solder placed on the joint surface is viewed from directly above, the solder is circular. When the solder is melted in this state, the solder spreads in a circular shape. However, if the above-mentioned length-to-short ratio of the Au—Ge solder alloy crushed from one direction exceeds 1.50, the relatively hard Au—Ge alloy may crack and may not spread in a circular shape. May break the solder.

このようにAu−Ge系はんだ合金の形状を制御することによって、はんだ合金が接合面上に溶融した時に、該接合面に垂直な方向から見て真円に近い状態にはんだ合金を濡れ広げることができる。その結果、より良好な接合や封止が可能になって、接合や封止された電子機器の不良発生率を下げることができ、極めて高価なAu系はんだ合金を用いて接合又は封止した電子機器や該電子機器を搭載する半導体装置のコストを大幅に下げることが可能になる。また、接合性に優れることから接合信頼性も当然に向上する。   By controlling the shape of the Au—Ge solder alloy in this way, when the solder alloy is melted on the joint surface, the solder alloy is wet-spread in a state close to a perfect circle when viewed from the direction perpendicular to the joint surface. Can do. As a result, better bonding and sealing are possible, the defect occurrence rate of bonded and sealed electronic devices can be reduced, and electrons bonded or sealed using an extremely expensive Au-based solder alloy It becomes possible to significantly reduce the cost of a device and a semiconductor device on which the electronic device is mounted. In addition, since the bonding property is excellent, the bonding reliability is naturally improved.

これに対して、例えばはんだ合金が球状から大きく外れて例えば上記のボールを潰した時の長短比が1.5を超えるような場合は、はんだ溶融時にはんだが接合面に円状に濡れ広がらず、接合したい部分から部分的にはみ出したり、良好なはんだ接合のためのはんだ量が不足して接合できない部分が発生したりして、十分な合金化ができていない部分が生じるおそれがある。さらにはんだの厚さが不均一になりチップの傾き等の問題が生じる原因にもなる。   On the other hand, for example, when the solder alloy is greatly deviated from the spherical shape and the length-to-short ratio exceeds 1.5, for example, when the above balls are crushed, the solder does not spread circularly on the joint surface when the solder melts. There is a possibility that a portion that is not sufficiently alloyed may be generated due to partial protrusion from the portion to be joined or a portion that cannot be joined due to insufficient solder amount for good solder joining. Furthermore, the thickness of the solder becomes non-uniform, causing problems such as chip tilt.

[実施例1]
まず原料として、それぞれ純度99.99質量%以上のAu、Ge、Ag、Al、Cu、Mg、Ni、Sb、Sn、Zn、及びPを準備した。大きな薄片やバルク状の原料については、溶解後の合金においてサンプリング場所による組成のバラツキがなく、均一になるように留意しながら、切断及び粉砕などにより3mm以下の大きさに細かくした。次に、これら原料から所定量を秤量して、高周波溶解炉用のグラファイト製坩堝に入れた。
[Example 1]
First, Au, Ge, Ag, Al, Cu, Mg, Ni, Sb, Sn, Zn, and P each having a purity of 99.99% by mass or more were prepared as raw materials. Large flakes and bulk-shaped raw materials were reduced to a size of 3 mm or less by cutting and crushing while paying attention to ensure that the alloy after melting did not vary in composition depending on the sampling location. Next, a predetermined amount of these raw materials was weighed and put into a graphite crucible for a high-frequency melting furnace.

上記原料の入った坩堝を高周波溶解炉に入れ、酸化を抑制するために窒素を原料1kg当たり0.7L/分以上の流量で流した。この状態で溶解炉の電源を入れ、原料を加熱溶融させた。原料が溶融しはじめたら混合棒でよく撹拌し、局所的な組成のばらつきが起きないように均一に混合した。十分溶融したことを確認した後、高周波電源を切り、速やかに坩堝を取り出し、坩堝内の溶湯をはんだ母合金の鋳型に流し込んだ。   The crucible containing the raw material was placed in a high-frequency melting furnace, and nitrogen was flowed at a flow rate of 0.7 L / min or more per kg of the raw material in order to suppress oxidation. In this state, the melting furnace was turned on to heat and melt the raw material. When the raw material began to melt, it was thoroughly stirred with a mixing rod and mixed uniformly so as not to cause local compositional variations. After confirming sufficient melting, the high frequency power supply was turned off, the crucible was quickly taken out, and the molten metal in the crucible was poured into the mold of the solder mother alloy.

鋳型には、圧延用として幅30mm×厚み5mmのものと液中アトマイズ用として直径24mmの円柱形状のものを目的に合わせて使用した。このようにして原料の混合比率を変えることにより試料1〜89のはんだ母合金を作製した。これらの試料1〜89の各はんだ母合金について、ICP発光分光分析器(SHIMAZU S−8100)を用いて組成分析を行った。得られた分析結果を下記表1〜表4に示す。   As the mold, one having a width of 30 mm × thickness of 5 mm for rolling and a cylinder having a diameter of 24 mm for submerged atomization were used in accordance with the purpose. Thus, the solder mother alloys of Samples 1 to 89 were produced by changing the mixing ratio of the raw materials. About each solder mother alloy of these samples 1-89, the composition analysis was performed using the ICP emission-spectral-analyzer (SHIMAZU S-8100). The obtained analysis results are shown in Tables 1 to 4 below.

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次に、試料1〜34、59〜78のはんだ母合金については、各々温間圧延機を用いて圧延を行いシート状に加工した後、プレスを用いて円板状の打抜き品に加工した。一方、試料35〜58、79〜89のはんだ母合金については、各々液中アトマイズ装置を用いてボール状に加工した。以下、これらの製造方法について述べる。   Next, the solder mother alloys of Samples 1 to 34 and 59 to 78 were each rolled using a warm rolling mill and processed into a sheet shape, and then processed into a disk-shaped punched product using a press. On the other hand, the solder mother alloys of Samples 35 to 58 and 79 to 89 were each processed into a ball shape using a submerged atomizer. Hereinafter, these manufacturing methods will be described.

<打抜き品の製造方法>
幅30mm×厚さ5mm×長さ15cmの板状母合金からなる試料1〜34、59〜78の各々を温間圧延機で圧延した。圧延条件はすべての試料において同じにした。すなわち、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±1.2μmまで圧延した。このようにしてシート状に加工した各試料をプレス機で打抜いて、打抜き品を製造した。形状は直径0.8mmの円板形状とした。
<Punched product manufacturing method>
Each of samples 1 to 34 and 59 to 78 made of a plate-like mother alloy having a width of 30 mm, a thickness of 5 mm and a length of 15 cm was rolled with a warm rolling mill. The rolling conditions were the same for all samples. That is, the number of rolling was 5 times, the rolling speed was 15 to 30 cm / second, the roll temperature was 250 ° C., and rolling was performed to 50.0 ± 1.2 μm by 5 times rolling. Each sample processed into a sheet in this way was punched with a press to produce a punched product. The shape was a disk shape with a diameter of 0.8 mm.

<ボールの製造方法>
直径24mmの円柱状の母合金からなる試料35〜58、79〜89の各々を液中アトマイズ装置のノズルに投入し、このノズルを300℃に加熱した油の入った石英管の上部(高周波溶解コイルの中)にセットした。ノズル中の母合金を高周波により650℃まで加熱して5分保持した後、不活性ガスによりノズルに圧力を加えてアトマイズを行い、ボール状のはんだ合金とした。尚、ボール直径は設定値を0.30mmとし、予めノズル先端の直径を調整した。得られた各試料ボールはそれぞれエタノール洗浄を3回行い、その後、真空乾燥機で真空中40℃の温度条件で3時間の乾燥を行った。そして2軸分級器を用いて上記の方法により得られたボールを直径0.30±0.015mmの範囲で分級した。
<Ball manufacturing method>
Samples 35 to 58 and 79 to 89 made of a cylindrical mother alloy having a diameter of 24 mm are placed in a nozzle of a submerged atomizer, and the nozzle is heated at 300 ° C. above the quartz tube containing oil (high-frequency dissolution). Set in the coil). The mother alloy in the nozzle was heated to 650 ° C. by high frequency and held for 5 minutes, and then the nozzle was pressurized with an inert gas and atomized to obtain a ball-shaped solder alloy. The ball diameter was set to 0.30 mm, and the nozzle tip diameter was adjusted in advance. Each of the obtained sample balls was washed with ethanol three times and then dried for 3 hours in a vacuum at 40 ° C. in a vacuum dryer. Then, using the biaxial classifier, the balls obtained by the above method were classified in a range of 0.30 ± 0.015 mm in diameter.

<表面状態の調整>
次に上記した試料1〜89を水素還元雰囲気中において、80〜250℃、0.1〜5.0時間の熱処理を行い、はんだ合金表面の酸化具合及び金属組織を調整し、L*、a*、b*を調整した。このように表面状態を調整した試料1〜89のはんだ合金の各々に対してL*、a*、b*を測定し、さらに各試料を基板に接合した後、接合後のはんだの縦横比を測定することで濡れ広がり性を評価すると共に、ボイド率を測定することで接合性を評価した。
<Surface condition adjustment>
Next, samples 1 to 89 described above were heat-treated at 80 to 250 ° C. for 0.1 to 5.0 hours in a hydrogen reducing atmosphere to adjust the degree of oxidation and the metal structure of the solder alloy surface. * And b * were adjusted. L *, a *, and b * are measured for each of the solder alloys of Samples 1 to 89 whose surface conditions are adjusted in this way, and after each sample is bonded to the substrate, the aspect ratio of the solder after bonding is determined. The wettability was evaluated by measuring, and the bondability was evaluated by measuring the void ratio.

そして封止性を評価する試験として、真空中で封止用容器を各はんだ合金試料で封止し、リーク状態を調べた。更に、上記封止性の試験で得られた封止体を用いて、ヒートサイクル試験による信頼性評価を行った。以下、L*、a*、b*の測定方法、縦横比の測定方法(濡れ広がり性評価)、ボイド率の測定方法(接合性評価)、リーク状態の確認方法(封止性評価)及びヒートサイクル試験方法(信頼性評価)について述べる。   As a test for evaluating the sealing performance, the sealing container was sealed with each solder alloy sample in a vacuum, and the leakage state was examined. Furthermore, the reliability evaluation by a heat cycle test was performed using the sealing body obtained by the said sealing test. Hereinafter, L *, a *, b * measurement method, aspect ratio measurement method (wetting spreadability evaluation), void ratio measurement method (bondability evaluation), leak state confirmation method (sealing property evaluation), and heat The cycle test method (reliability evaluation) is described.

<L*、a*、b*の測定>
上記した試料1〜89の各々に対して、L*、a*、b*を分光色測計(コニカミノルタオプティクス株式会社製、型式:CM−5)を用いて測定した。まず、標準光源によって装置の校正を行った。その後、各試料を測定台に載せ、蓋を閉じて自動で測定を行った。
<Measurement of L *, a *, b *>
L *, a *, and b * were measured for each of the above samples 1 to 89 using a spectrocolorimeter (manufactured by Konica Minolta Optics, model: CM-5). First, the apparatus was calibrated with a standard light source. Thereafter, each sample was placed on a measurement table, the lid was closed, and measurement was automatically performed.

<濡れ性の評価(接合体の縦横比の測定)>
レーザーはんだ付け装置(YAGレーザー、波長1064nm)を起動し、窒素ガスを50L/分の流量で流した。そしてNiめっき層2(膜厚:3.0μm)を有するCu基板1(板厚:0.3mm)をレーザー照射部に自動搬送し、次に円板状またはボール状の試料を供給して上記NiめっきされたCu基板1上に載せてレーザーにより0.3秒間、加熱・溶融し、その後該Cu基板1をレーザー照射部から自動搬送して、窒素雰囲気が保たれている搬送部で冷却し、十分に冷却した後大気中に取り出した。
<Evaluation of wettability (measurement of aspect ratio of joined body)>
A laser soldering apparatus (YAG laser, wavelength 1064 nm) was started, and nitrogen gas was allowed to flow at a flow rate of 50 L / min. Then, the Cu substrate 1 (plate thickness: 0.3 mm) having the Ni plating layer 2 (film thickness: 3.0 μm) is automatically conveyed to the laser irradiation unit, and then a disk-shaped or ball-shaped sample is supplied to It is placed on a Ni-plated Cu substrate 1 and heated and melted by a laser for 0.3 seconds, and then the Cu substrate 1 is automatically conveyed from the laser irradiation unit and cooled by a conveyance unit in which a nitrogen atmosphere is maintained. After sufficiently cooling, it was taken out into the atmosphere.

このようにして得た図1に示すようなCu基板1のNiめっき層2の表面上にはんだ合金試料3が接合された接合体に対して、濡れ広がったはんだ合金の縦横比を求めた。具体的には、図2に示すように最大のはんだ濡れ広がり長さ(長径:X1)と、最小のはんだ濡れ広がり長さ(短径:X2)とを測定し、下記計算式3により縦横比を算出した。   The aspect ratio of the solder alloy spread by wetting was obtained for the joined body in which the solder alloy sample 3 was joined on the surface of the Ni plating layer 2 of the Cu substrate 1 as shown in FIG. Specifically, as shown in FIG. 2, the maximum solder wetting spread length (major axis: X1) and the minimum solder wetting spread length (minor axis: X2) are measured, and the aspect ratio is calculated by the following calculation formula 3. Was calculated.

[計算式3]
縦横比=X1÷X2
[Calculation Formula 3]
Aspect ratio = X1 ÷ X2

上記計算式3の縦横比が1に近いほど基板上に円形状に濡れ広がっており、濡れ広がり性がよいと判断できる。1より大きくなるに従い、濡れ広がり形状が円形からずれていき、溶融はんだの移動距離にバラつきがでて反応が不均一になり合金層の厚みや成分バラつきが大きくなったりして均一で良好な接合ができなくなってしまう。さらにある方向に多くのはんだが流れるように広がってはんだ量が過剰な箇所とはんだが無い又は少ない箇所ができ、接合不良や場合よっては接合できなかったりしてしまう。   It can be judged that the closer the aspect ratio of the calculation formula 3 is to 1, the more wetting and spreading in a circular shape on the substrate, the better the wetting and spreading property. As it becomes larger than 1, the wetting and spreading shape deviates from the circle, the movement distance of the molten solder varies, the reaction becomes non-uniform, and the thickness of the alloy layer and the component variation increase, resulting in uniform and good bonding Will not be able to. Furthermore, it spreads so that a lot of solder flows in a certain direction, and there are places where the amount of solder is excessive and where there is no or little solder.

<接合性の評価(ボイド率の測定)>
上記濡れ性の評価の際と同様にして得た図1に示す接合体に対して、はんだ合金が接合されたCu基板のボイド率をX線透過装置(株式会社東芝製、TOSMICRON−6125)を用いて測定した。具体的には、はんだ合金とCu基板の接合面を上部から垂直にX線を透過し、下記計算式4を用いてボイド率(%)を算出した。
<Evaluation of bondability (measurement of void fraction)>
With respect to the joined body shown in FIG. 1 obtained in the same manner as the evaluation of the wettability, the void ratio of the Cu substrate to which the solder alloy is joined is measured with an X-ray transmission device (TOSMICRON-6125, manufactured by Toshiba Corporation). And measured. Specifically, X-rays were transmitted vertically through the joint surface between the solder alloy and the Cu substrate from above, and the void ratio (%) was calculated using the following calculation formula 4.

[計算式4]
ボイド率=ボイド面積÷(ボイド面積+はんだ合金とCu基板の接合面積)×100
[Calculation Formula 4]
Void ratio = void area / (void area + solder alloy / Cu substrate bonding area) × 100

<封止性の評価(リーク状態の確認)>
はんだ合金による封止性を確認するため、図3に示す形状の封止用容器4を各はんだ合金試料3で封止した。封止にはレーザーはんだ付け装置(YAGレーザー、波長1064nm)を用い、窒素ガスを50L/分の流量で流し、レーザーにより0.3秒間、加熱・溶融し、封止を行った。その後、封止体をレーザー照射部から自動搬送して、窒素雰囲気が保たれている搬送部で冷却し、十分に冷却した後大気中に取り出した。このようにして準備した各封止体を水中に2時間浸漬し、その後、水中から封止体を取り出し、解体してリーク状態を確認した。そして、解体した封止体内部に水が入っていた場合はリークがあったと判断し、封止性の評価として「×」とした。このようなリークが生じなかった場合を「○」と評価した。
<Evaluation of sealing performance (confirmation of leak condition)>
In order to confirm the sealing performance by the solder alloy, the sealing container 4 having the shape shown in FIG. 3 was sealed with each solder alloy sample 3. For sealing, a laser soldering apparatus (YAG laser, wavelength 1064 nm) was used, nitrogen gas was flowed at a flow rate of 50 L / min, and the laser was heated and melted for 0.3 seconds to perform sealing. Then, the sealing body was automatically conveyed from the laser irradiation part, cooled by the conveyance part by which nitrogen atmosphere was maintained, and after taking out enough, it took out in air | atmosphere. Each sealing body prepared in this way was immersed in water for 2 hours, and then the sealing body was taken out from the water and disassembled to confirm a leak state. And when water was contained in the disassembled sealing body, it was judged that there was a leak, and “×” was evaluated as the sealing performance. The case where such a leak did not occur was evaluated as “◯”.

<信頼性の評価(ヒートサイクル試験)>
上記封止性の評価でリークが生じなかった封止体に対して、−40℃の冷却と250℃の加熱を1サイクルとして、所定のサイクル数だけ繰り返した。その後、該接合体を樹脂に埋め込み、断面研磨を行い、SEM(日立製作所製 S−4800)により接合面を観察した。そして、接合面に剥がれがある場合又ははんだ合金にクラックが入っていた場合を「×」、そのような不良がなく、初期状態と同様の接合面を保っていた場合を「○」として評価した。この評価結果を、上記したL*、a*、b*の測定結果、封止性の評価結果、接合性評価、及び接合体の縦横比の測定結果と共に下記表5〜表8に示す。
<Reliability evaluation (heat cycle test)>
The sealing body in which leakage did not occur in the evaluation of the sealing performance described above was repeated for a predetermined number of cycles, with -40 ° C. cooling and 250 ° C. heating as one cycle. Thereafter, the joined body was embedded in a resin, subjected to cross-sectional polishing, and the joined surface was observed with SEM (S-4800, manufactured by Hitachi, Ltd.). The case where the joint surface was peeled off or the solder alloy was cracked was evaluated as “X”, and the case where there was no such defect and the same joint surface as in the initial state was evaluated as “◯”. . The evaluation results are shown in Tables 5 to 8 below together with the measurement results of L *, a *, and b *, the evaluation results of sealing properties, the evaluation of bondability, and the measurement results of the aspect ratio of the joined body.

Figure 0006459472
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上記表5〜表8から分かるように、本発明の要件を満たす試料1〜58のはんだ合金は、いずれも全ての評価項目において良好な特性を示している。即ち、濡れ広がり性の評価である縦横比は全て1.01以下であり、接合性の評価であるボイド率については全て0.0%でボイドが発生しなかった。さらに封止性の評価であるリーク状態については全ての試料についてリークは見られず、信頼性の評価であるヒートサイクル試験では不良は一切現れなかった。このように良好な結果が得られた理由は、いずれのはんだ合金試料においても本発明が規定する組成及びL*、a*、b*の要件を満たしていたため、レーザーのエネルギーを均一且つ安定的に吸収でき、よって優れた溶融性、濡れ広がり性、接合性等が得られたと考えられる。   As can be seen from Tables 5 to 8, all of the solder alloys of Samples 1 to 58 that satisfy the requirements of the present invention exhibit good characteristics in all the evaluation items. That is, the aspect ratio, which is an evaluation of wettability, is 1.01 or less, and the void ratio, which is an evaluation of bondability, is 0.0%, and no voids are generated. Furthermore, no leakage was observed for all samples in the leak state, which is an evaluation of sealing performance, and no defects appeared in the heat cycle test, which is an evaluation of reliability. The reason why such a good result was obtained was that the composition of the present invention and the requirements of L *, a *, b * were satisfied in any solder alloy sample, so that the laser energy was made uniform and stable. Thus, it is considered that excellent meltability, wettability, bondability and the like were obtained.

一方、本発明の要件を満たしていない試料59〜89のはんだ合金はいずれかの評価項目において好ましくない結果になった。つまり、縦横比はいずれも1.1以上であり基板上に均一に濡れ広がらず、ボイド率はいずれも5%以上と多く発生しており、そしてリーク状態の確認では試料60及び70を除いてリークが発生し、ヒートサイクル試験ではこれら試料60及び70において500回までに不良が発生した。   On the other hand, the solder alloys of Samples 59 to 89 that did not satisfy the requirements of the present invention resulted in undesirable results in any of the evaluation items. In other words, the aspect ratio is 1.1 or more, the substrate does not spread evenly on the substrate, the void ratio is 5% or more, and the leak condition is confirmed except for the samples 60 and 70. A leak occurred, and in the heat cycle test, defects occurred in these samples 60 and 70 up to 500 times.

[実施例2]
上記実施例1では、本発明のはんだ合金の要件である組成及び表面の色を満たすはんだ合金であれば良好な接合状態が得られることを確認した。しかし、はんだ合金をボール状で使用する場合は、特に搬送や濡れ広がりの点からその形状に制限がかかる場合がある。そこで、実施例2でははんだ合金の形状がボール状の場合に求められ得る限定的な要件に関して評価を行った。
[Example 2]
In Example 1 above, it was confirmed that a good bonded state could be obtained if the solder alloy satisfies the composition and surface color, which are requirements of the solder alloy of the present invention. However, when the solder alloy is used in the form of a ball, its shape may be limited particularly from the viewpoint of conveyance and wetting and spreading. Therefore, in Example 2, evaluation was performed with respect to limited requirements that can be obtained when the solder alloy has a ball shape.

先ず、上記実施例1と同様にして試料90〜130のはんだ母合金を作製した。これらの試料90〜130の各はんだ母合金に対して、実施例1と同様にICP発光分光分析器(SHIMAZU S−8100)を用いて組成分析を行った。その測定結果を下記表9に示す。   First, in the same manner as in Example 1, solder mother alloys of Samples 90 to 130 were produced. The composition analysis was performed on each solder mother alloy of these samples 90 to 130 using an ICP emission spectroscopic analyzer (SHIMAZU S-8100) in the same manner as in Example 1. The measurement results are shown in Table 9 below.

Figure 0006459472
Figure 0006459472

次に、上記試料90〜130の各はんだ母合金に対して上記実施例1と同様にして液中アトマイズ装置によりボール状に加工し、更に上記実施例1と同様にして表面状態を調製してから分光色測計(コニカミノルタオプティクス株式会社製、型式:CM−5)を用いてL*、a*、b*を測定した。更に、これらボール状の試料のうち、試料120〜124、及び128〜130についてはボールを一方向から圧力をかけて潰し、表裏面を有するおはじき状の略円板形状にした。具体的には温間プレスを用い、酸化抑制のために窒素を5L/分の流量で流しながら200℃に加熱した金型で試料ボールを潰し、30秒保持した後、窒素を満たしたサイドボックスに移動し、ここで常温まで冷却してから取出した。潰しの程度は金型の隙間を制御して所定の潰し量となるように調整した。   Next, each solder mother alloy of the samples 90 to 130 is processed into a ball shape by a submerged atomizing apparatus in the same manner as in the first embodiment, and the surface state is prepared in the same manner as in the first embodiment. And L *, a *, and b * were measured using a spectrocolorimeter (manufactured by Konica Minolta Optics, Inc., model: CM-5). Further, among these ball-shaped samples, samples 120 to 124 and 128 to 130 were crushed by applying pressure from one direction to form a substantially disc-like shape having front and back surfaces. Specifically, using a warm press, crush the sample ball with a mold heated to 200 ° C. while flowing nitrogen at a flow rate of 5 L / min to suppress oxidation, hold it for 30 seconds, and then fill the nitrogen-filled side box The product was taken out after being cooled to room temperature. The degree of crushing was adjusted so as to obtain a predetermined crushing amount by controlling the gap between the molds.

一方、試料90〜119、及び125〜127については各々三次元測定機によって任意の50カ所について直径を測定し、前述した計算式1のように、それらのうちの最大の長さ(長径L2)を最小の長さ(短径L1)で割って長短比(L2/L1)を求めた。一方、ボールを潰して円板状体に成形した試料120〜124、及び128〜130については、前述した計算式2のように、各々潰した方向の幅(厚さ)を任意に10カ所測定して最小の厚さ(図4(b)のZ1に該当する)を求めると共に、この潰した方向に垂直な方向の長さを任意に10カ所測定してそれらの最大の長さ(図4(b)の円板状体10を真上から水平面11に投影した時の投影図の外接円のうち最も小さい円の直径Z2に該当する)を求めた。そしてこの最大の長さ(Z2)を最小の厚さ(Z1)で割って長短比(Z2/Z1)を求めた。   On the other hand, with respect to the samples 90 to 119 and 125 to 127, the diameters are measured at arbitrary 50 locations with a three-dimensional measuring machine, and the maximum length (major axis L2) among them is calculated as in the above-described calculation formula 1. Was divided by the minimum length (minor axis L1) to obtain the long / short ratio (L2 / L1). On the other hand, for samples 120 to 124 and 128 to 130 formed by crushing the ball into a disk-shaped body, the width (thickness) in the direction of crushing is arbitrarily measured at 10 points as in the above-described calculation formula 2. Then, the minimum thickness (corresponding to Z1 in FIG. 4B) is obtained, and the length in the direction perpendicular to the crushed direction is arbitrarily measured at 10 points to determine the maximum thickness (FIG. 4). (B) corresponds to the diameter Z2 of the smallest circle among the circumscribed circles in the projection when the disk-like body 10 is projected onto the horizontal plane 11 from directly above. The maximum length (Z2) was divided by the minimum thickness (Z1) to obtain a length / short ratio (Z2 / Z1).

上記の様にして得たボール状体あるいは円板状体のはんだ合金の濡れ性の評価(接合体を真上から見た時の縦横比の測定)は上記実施例1と同様にして行った。また、この濡れ性の評価の際と同様にして得られた接合体に対して接合性の評価(不着率の測定)を行った。具体的には、X線透過装置(株式会社 東芝製 TOSMICRON−6125)を用いて接合体の真上から接合体の接合面にX線を透過し、その測定結果から下記計算式5に示す不着率(%)を算出した。   The evaluation of the wettability of the solder alloy of the ball-shaped body or disk-shaped body obtained as described above (measurement of the aspect ratio when the joined body is viewed from directly above) was performed in the same manner as in Example 1 above. . In addition, evaluation of bondability (measurement of non-bonding rate) was performed on a bonded body obtained in the same manner as in the evaluation of wettability. Specifically, the X-ray transmission device (TOSMICRON-6125 manufactured by Toshiba Corporation) is used to transmit X-rays from directly above the joined body to the joint surface of the joined body, and the non-attachment shown in the following calculation formula 5 from the measurement result. The rate (%) was calculated.

[計算式5]
不着率=(相当円内においてはんだ合金が存在していない面積+相当円内のボイドの面積)÷相当円の面積×100
[Calculation Formula 5]
Non-bonding rate = (area where solder alloy does not exist in equivalent circle + area of void in equivalent circle) / area of equivalent circle × 100

ここで、相当円とは、溶融前のはんだ合金試料の基板上の中心部分を中心とする円であって、該はんだ合金試料が溶融して基板上に濡れ広がった時の該濡れ広がった面積に等しい面積を有する円のことである。この不着率による評価は、ボイド発生による接合不良のみならず、溶融したはんだ合金が真円状に濡れ広がらないことによって所望の被接合面にはんだ合金が行き渡らないで接合不良となる場合も含めて接合性を評価することができる。それらの評価結果を前述した潰し工程の有無、長短比、及び色の測定結果と共に下記表10に示す。   Here, the equivalent circle is a circle centered on the central portion on the substrate of the solder alloy sample before melting, and the wet spread area when the solder alloy sample melts and spreads on the substrate. Is a circle having an area equal to. This evaluation based on the non-bonding rate includes not only defective bonding due to void generation but also the case where the molten solder alloy does not spread out in a perfect circle and the solder alloy does not reach the desired surface to be bonded, resulting in poor bonding. Bondability can be evaluated. The evaluation results are shown in Table 10 below together with the above-described crushing step presence / absence, length / short ratio, and color measurement results.

Figure 0006459472
Figure 0006459472

上記表10から分かるように、試料90〜124の各はんだ合金は、各評価項目において良好な特性を示している。即ち、はんだ合金ボールの濡れ広がり性の評価である接合体を真上から見た時の縦横比は全て1.02以下でありほぼ真円状に濡れ広がっており、試料125〜130の各はんだ合金に比べてより良好な濡れ性が得られることが分かる。また、試料90〜124の各はんだ合金の不着率は全て0%であって試料125〜130の各はんだ合金に比べて良好な接合ができていることが分かる。   As can be seen from Table 10 above, each of the solder alloys of Samples 90 to 124 shows good characteristics in each evaluation item. That is, the aspect ratio when the joined body, which is an evaluation of the wetting and spreading property of the solder alloy balls, is viewed from directly above is 1.02 or less, and the wetting and spreading is almost circular. It can be seen that better wettability is obtained compared to the alloy. In addition, it can be seen that the non-bonding rates of the solder alloys of the samples 90 to 124 are all 0%, which is better than the solder alloys of the samples 125 to 130.

このように試料90〜124の各はんだ合金において良好な結果が得られた理由は、適切な組成と表面の色を有していることに加えて、形状がより真球に近いボール状であるか、又は平面視においてより真円に近い円板形状に成形されたものであるため、優れた濡れ広がり性等が得られたことによるものと考えられる。すなわち、ボール状はんだの場合は、その真球度あるいはこれを一方向から潰した時はその方向から見た真円度を限定することにより、厳密な濡れ広がり性を要求される特別な用途においても良好にはんだ接合を行い得ることが分かる。   The reason why good results were obtained in each of the solder alloys of Samples 90 to 124 in this way is that it has a suitable composition and surface color, and has a ball shape that is closer to a true sphere. In addition, it is considered that this is because it has been formed into a disk shape that is closer to a perfect circle in a plan view, and therefore, excellent wet spreadability and the like have been obtained. In other words, in the case of ball-shaped solder, by limiting its roundness or roundness viewed from one direction when it is crushed from one direction, it can be used in special applications that require strict wetting and spreading properties. It can be seen that soldering can be performed well.

1 Cu基板
2 Niめっき層
3 はんだ合金試料
4 封止用容器
10 円板状体のはんだ合金
11 水平面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cu board | substrate 2 Ni plating layer 3 Solder alloy sample 4 Container for sealing 10 Solder alloy of a disk-shaped body 11 Horizontal surface

Claims (7)

Geを7.0質量%以上17.0質量%以下含有し、残部がAu及び不可避不純物からなるレーザーはんだ付け用で且つボール状のAu−Ge系はんだ合金であって、その表面の色はJIS Z8781−4に準拠したL*a*b*表示系におけるL*が50.0以上64.0以下、a*が−1.0以上4.0以下、b*が10.0以上23.0以下であり、前記ボール状のAu−Ge系はんだ合金の中心を通るあらゆる断面のうちで最大の長径を最小の短径で割った長短比が1.00以上1.20以下であることを特徴とするレーザーはんだ付け用で且つボール状のAu−Ge系はんだ合金。   This is a ball-like Au—Ge solder alloy for laser soldering containing 7.0 mass% or more and 17.0 mass% or less of Ge, the balance being Au and inevitable impurities, and the surface color is JIS In the L * a * b * display system compliant with Z8771-4, L * is 50.0 or more and 64.0 or less, a * is -1.0 or more and 4.0 or less, and b * is 10.0 or more and 23.0. The long / short ratio obtained by dividing the largest major axis by the smallest minor axis among all cross sections passing through the center of the ball-shaped Au—Ge solder alloy is 1.00 or more and 1.20 or less. A ball-shaped Au—Ge solder alloy for laser soldering. Geを7.0質量%以上17.0質量%以下含有し、Ag、Al、Cu、Mg、Ni、Sb、Sn、Zn及びPのうちの1種以上を含有し、残部がAu及び不可避不純物からなるレーザーはんだ付け用で且つボール状のAu−Ge系はんだ合金であって、Agを含有する場合は0.01質量%以上30.0質量%以下、Alを含有する場合は0.01質量%以上1.5質量%以下、Cuを含有する場合は0.01質量%以上1.0質量%以下、Mgを含有する場合は0.01質量%以上0.8質量%以下、Niを含有する場合は0.01質量%以上1.0質量%以下、Sbを含有する場合は0.01質量%以上0.8質量%以下、Snを含有する場合は0.01質量%以上15.0質量%以下、Znを含有する場合は0.01質量%以上3.0質量%以下、Pを含有する場合は0.500質量%以下それぞれ含有し、はんだ合金の表面の色がJIS Z8781−4に準拠したL*a*b*表示系におけるL*で50.0以上64.0以下、a*で−1.0以上4.0以下、b*で10.0以上23.0以下であり、前記ボール状のAu−Ge系はんだ合金の中心を通るあらゆる断面のうちで最大の長径を最小の短径で割った長短比が1.00以上1.20以下であることを特徴するレーザーはんだ付け用で且つボール状のAu−Ge系はんだ合金。 It contains 7.0 mass% or more and 17.0 mass% or less of Ge, contains one or more of Ag, Al, Cu, Mg, Ni, Sb, Sn, Zn and P, and the balance is Au and inevitable impurities A ball-shaped Au—Ge solder alloy consisting of the following: 0.01% by mass to 30.0% by mass when Ag is contained, and 0.01% by mass when Al is contained % To 1.5% by mass, Cu containing 0.01% to 1.0% by mass, Mg containing 0.01% to 0.8% by mass, Ni In the case of containing Sb, 0.01% to 0.8% by weight, and in the case of containing Sn, 0.01% to 15.0% by weight. % By mass or less, and when Zn is contained, 0.01% by mass to 3.0% by mass and P is contained. In the case of 0.5% by mass or less, the surface color of the solder alloy is L * a * b * in the L * a * b * display system according to JIS Z8781-4, 50.0 or more and 64.0 or less, and a * -1.0 or more and 4.0 or less, b * is 10.0 or more and 23.0 or less, and the largest major axis is the smallest minor in all cross sections passing through the center of the ball-shaped Au-Ge solder alloy. divided by long and short ratio is 1.00 to 1.20 in Au-Ge-based solder alloy and shaped ball in laser soldering, characterized in that the radial. Geを7.0質量%以上17.0質量%以下含有し、残部がAu及び不可避不純物からなるレーザーはんだ付け用Au−Ge系はんだ合金であって、その表面の色はJIS Z8781−4に準拠したL*a*b*表示系におけるL*が50.0以上64.0以下、a*が−1.0以上4.0以下、b*が10.0以上23.0以下であり、ボール状の前記Au−Ge系はんだ合金を一方向から潰して表裏面に互いに平行な平面部を有する円板状体にした形状を有し、該平面部の一方を下にして水平面に置いて真上から該円板状体を投影した図の最小外接円の直径を、該円板状体の該平面部における押し潰した方向の厚さで割った長短比が1.00を超え1.50以下であることを特徴するレーザーはんだ付け用Au−Ge系はんだ合金。 It is an Au-Ge series solder alloy for laser soldering containing 7.0 mass% or more and 17.0 mass% or less of Ge and the balance being Au and inevitable impurities, and the surface color is JIS Z8781-4 L * in the compliant L * a * b * display system is 50.0 or more and 64.0 or less, a * is -1.0 or more and 4.0 or less, b * is 10.0 or more and 23.0 or less , It has a shape the ball Lumpur shape of the Au-Ge-based solder alloy discoid member having parallel flat portions to each other on the front and back surfaces crushing from one direction, one of the flat portion in a horizontal plane facing downward The length-to-short ratio obtained by dividing the diameter of the minimum circumscribed circle in the figure in which the disk-shaped body is projected from directly above and divided by the thickness of the flat surface portion of the disk-shaped body in the crushed direction exceeds 1.00 a u-Ge-based solder alloys for laser soldering, characterized in that it is 1.50 or less. Geを7.0質量%以上17.0質量%以下含有し、Ag、Al、Cu、Mg、Ni、Sb、Sn、Zn及びPのうちの1種以上を含有し、残部がAu及び不可避不純物からなるレーザーはんだ付け用Au−Ge系はんだ合金であって、Agを含有する場合は0.01質量%以上30.0質量%以下、Alを含有する場合は0.01質量%以上1.5質量%以下、Cuを含有する場合は0.01質量%以上1.0質量%以下、Mgを含有する場合は0.01質量%以上0.8質量%以下、Niを含有する場合は0.01質量%以上1.0質量%以下、Sbを含有する場合は0.01質量%以上0.8質量%以下、Snを含有する場合は0.01質量%以上15.0質量%以下、Znを含有する場合は0.01質量%以上3.0質量%以下、Pを含有する場合は0.500質量%以下それぞれ含有し、はんだ合金の表面の色がJIS Z8781−4に準拠したL*a*b*表示系におけるL*で50.0以上64.0以下、a*で−1.0以上4.0以下、b*で10.0以上23.0以下であり、ボール状の前記Au−Ge系はんだ合金を一方向から潰して表裏面に互いに平行な平面部を有する円板状体にした形状を有し、該平面部の一方を下にして水平面に置いて真上から該円板状体を投影した図の最小外接円の直径を、該円板状体の該平面部における押し潰した方向の厚さで割った長短比が1.00を超え1.50以下であることを特徴するレーザーはんだ付け用Au−Ge系はんだ合金。 It contains 7.0 mass% or more and 17.0 mass% or less of Ge, contains one or more of Ag, Al, Cu, Mg, Ni, Sb, Sn, Zn and P, and the balance is Au and inevitable impurities An Au-Ge-based solder alloy for laser soldering comprising 0.01 mass% or more and 30.0 mass% or less when Ag is contained, and 0.01 mass% or more and 1.1 mass% when containing Al. 5 mass% or less, 0.01 mass% or more and 1.0 mass% or less when Cu is contained, 0.01 mass% or more and 0.8 mass% or less when Mg is contained, 0 when Ni is contained 0.01% by mass or more and 1.0% by mass or less, 0.01% by mass or more and 0.8% by mass or less when containing Sb, 0.01% by mass or more and 15.0% by mass or less when containing Sn, When Zn is contained, 0.01 mass% or more and 3.0 mass% or less, and when P is contained, 0.50% Less than 5% by mass, and the color of the surface of the solder alloy is 5 * or more and 64.0 or less in L * a * b * display system in accordance with JIS Z8781-4, and is -1.0 or more in a * 4.0 or less, b * in Ri der 10.0 or 23.0 or less, the disc having parallel plane portion with each other on the front and back surfaces smashed ball Lumpur shape of the Au-Ge-based solder alloy from one direction has a shape in Jo body, the diameter of the smallest circumscribed circle of a diagram obtained by projecting the circular plate-shaped body from directly above one of the flat portion placed on a horizontal surface facing downward, the plane of the circular plate-like body laser soldering a u-Ge-based solder alloy, characterized in that short and long ratio divided by thickness direction crushed in section is 1.50 or less than 1.00. 請求項1〜4のいずれかに記載のレーザーはんだ付け用Au−Ge系はんだ合金を用いて封止されていることを特徴とする水晶デバイス。 A quartz crystal device sealed by using the Au-Ge solder alloy for laser soldering according to any one of claims 1 to 4. 請求項1〜4のいずれかに記載のレーザーはんだ付け用Au−Ge系はんだ合金を用いて封止されていることを特徴とするSAWフィルター。 A SAW filter, which is sealed using the Au-Ge solder alloy for laser soldering according to any one of claims 1 to 4. 請求項1〜4のいずれかに記載のレーザーはんだ付け用Au−Ge系はんだ合金を用いて接合された電子部品を含むことを特徴とする電子機器。 An electronic device comprising an electronic component joined using the Au-Ge solder alloy for laser soldering according to any one of claims 1 to 4.
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