JPWO2005120765A1 - 高融点金属粒分散フォームソルダの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のフォームソルダ製造方法は、所定量の高融点金属粒を直接溶融はんだ中に投入してから高融点金属粒を分散させるため、攪拌に長い時間を要するものであった。そのため従来のフォームソルダ製造方法では、高融点金属粒が溶融はんだ中に溶け込んで粒径が小さくなっていた。このように粒径が小さくなったフォームソルダで半導体素子と基板のはんだ付けを行うと、はんだ付け部間が狭くなって、充分な接合強度が得られない。【解決手段】本発明では、先ず高融点金属粒の配合量を多くした混合母合金を作製しておき、該混合母合金を溶融はんだ中に投入して高融点金属粒を分散させるため、短時間ではんだ中に高融点金属粒を均一に分散させることができる。従って、本発明のフォームソルダ製造方法で得られたフォームソルダは、はんだ付け部間を所定のクリアランスにすることができることから、充分な接合強度となる。【選択図】なし

Description

本発明は、高融点金属粒が均一に分散されたフォームソルダを製造する方法に関する。

一般に、電子機器に使用するプリント基板や電子部品等のワークのはんだ付けとしては、鏝付け法、フロー法、リフロー法がある。鏝付け法は、ワークのはんだ付け部にヤニ入り線はんだをあてがい、その上からはんだ鏝で加熱してヤニ入り線はんだを溶融させることによりはんだ付けを行う。この鏝付け法は、はんだ付け部一箇所毎にはんだ付けするため、大量生産には向かないが、他のはんだ付け方法ではんだ付けした後に耐熱性のない電子部品をはんだ付けしたり、他のはんだ付け方法で発生したはんだ付け不良を修正したりするのに適している。

フロー法は、電子部品が搭載されたプリント基板を溶融はんだに接触させるため、一度に多数箇所のはんだ付けができるという生産性に優れたはんだ付け方法である。しかしながら、このフロー法は、プリント基板全体を溶融はんだに接触させるため、不要箇所にはんだが付着したり、電子部品に高温となった溶融はんだが直接接触するため、電子部品を熱損傷させたりするという問題がある。

リフロー法は、ワークの必要箇所だけにはんだを置いてから、リフロー炉や赤外線照射装置、レーザー照射装置のような加熱装置で加熱することによりはんだ付けを行うため、生産性に優れているばかりでなく、不要箇所にはんだが付着しないという信頼性にも優れたはんだ付けが行える。従って、リフロー法は、今日の高信頼性が要求されるワークのはんだ付けに多く採用されている。

このリフロー法に用いるはんだとしては、ソルダペーストとフォームソルダがある。ソルダペーストは、粘調性のあるフラックスと粉末はんだを混練したものであり、ワークのはんだ付け部に印刷や吐出により塗布する。このソルダペーストに用いるフラックスは、松脂、活性剤、チキソ剤等のフラックス材料を溶剤で溶解したものであるため、ソルダペーストではんだ付けした後には必ずフラックス残渣が付着している。ソルダペーストを用いたはんだ付けでは、はんだ付け時に活性剤、チキソ剤、溶剤等はほとんど熱で揮散してしまうが、完全に揮散せず、フラックス残渣中に少し残った状態となっている。フラックス材料は吸湿しやすいため、フラックス残渣中のフラックス材料が大気中の水分を吸湿すると、はんだ付け部に腐食生成物を発生させたり絶縁抵抗を低下させたりすることがある。そのためソルダペーストは、高信頼性が要求されるワークのはんだ付けには適していない。

そこで高信頼性が要求されるワークのはんだ付けとしては、フラックスを用いないではんだ付けが行えるフォームソルダが適している。フォームソルダとは、はんだ付け部に適合した形状のペレットやワッシャーである。このフォームソルダを用いるリフロー法は、ワークにフォームソルダを載置した後、水素ガスのような還元性のある雰囲気中で加熱してはんだ付けする。フォームソルダが載置されたワークを水素雰囲気中で加熱すると、水素がワークやフォームソルダの表面に付着していた酸化物を還元除去して溶融したはんだを濡れさせるようにする。

高信頼性が要求されるダイボンドのようなワークでは、フラックス残渣が残ってしまうソルダペーストは使用できないため、フォームソルダを使用している。ダイボンドとは、基板と半導体素子がはんだで接合されたものであり、はんだ付けは基板と半導体素子間にフォームソルダを置いて還元雰囲気中で加熱することにより行われる。

ところで基板上にフォームソルダと半導体素子を置いて加熱すると、フォームソルダが溶融したときに半導体素子の重量で溶融したはんだがはんだ付け部間から押し出され、はんだ付け部間のはんだの量が少なくなってしまうことがある。はんだによる接合は、はんだ付け部間に適量のはんだが存在してこそ充分な接合強度が発揮できるものであるが、ダイボンドのように上に置いた半導体素子の重量ではんだ付け部間のはんだが押し出されると、接合強度が弱くなってしまう。

そこで従来よりはんだ付け部間を適当なクリアランスにして、はんだ付け部間に適量のはんだを保つようにするため、はんだ付け部間にNi、Cu、Ag、Fe、Mo、W等、はんだよりも融点の高い高融点金属粒（以下、単に金属粒という）を複数個挟み込むことがなされていた。はんだ付け時、金属粒を別途はんだ付け部間に置いていたのでは非常に手間がかかって効率が悪いため、予めフォームソルダ中に金属粒を分散させたものが使用されていた。

金属粒を分散させたフォームソルダを製造する方法としては、圧着法と溶融法がある。圧着法とは、一枚の板状はんだの上に多数の金属粒を置き、それを一対のローラー間に通して金属粒を板状はんだに埋め込んでからプレスで打ち抜いたり（特許文献１）、二枚の板状はんだの中に金属粒をおいてサンドウィッチ状にしてからプレスで打ち抜いたり（特許文献２）する方法である。

溶融法とは、溶融はんだ中に金属粒を分散させた後、溶融はんだを鋳型に鋳込んでビレットにし、該ビレットを押し出し加工で板状はんだにしてからプレスで打ち抜く方法である（特許文献３）。特許文献３に記載された溶融法は、先ず金属粒の表面に電解メッキ、または無電解メッキを施しておく。次に該金属粒とフラックスとを混合したものを溶融はんだ中に投入して攪拌し、その後、鋳型に鋳込んでビレットにする。そしてビレットを圧延して板状にし、プレスで所定形状のフォームソルダに成形するものである。
特開平3-281080号公報 特開平6-285686号公報 特開平6-31486号公報

ところで圧着法で得られたフォームソルダは、金属粒を機械的に板状はんだに埋め込んだり板状はんだ間に挟んだりしたものであるため、金属粒がはんだと濡れていない。つまり金属粒とはんだが金属的な接合となっていないことから、該フォームソルダをはんだ付け部間に挟んでフォームソルダを溶融させると、金属粒とはんだ付け部が接触している部分は金属的な接合となっていない。この状態は、金属粒とはんだ付け部が接合されていないことになる。そのため、はんだ付け部とはんだとの接合面積が小さくなり、接合強度が充分に強いものとはなっていなかった。一方、従来の溶融法で得られるフォームソルダは、金属粒とはんだが金属的な接合となっているため、はんだ付け部間全体が接合した状態となっている。しかしながら従来の溶融法で得られたフォームソルダでは、はんだ付け部間に存在する金属粒の粒径が小さくなったり、金属粒が全くなくなったりして所定のクリアランスを得ることができなかった。その結果、やはり基板と半導体素子間のはんだの量が少なくなって接合強度が弱くなるという問題があった。

本発明者らが従来の溶融法で得られるフォームソルダにおいて、金属粒の粒径が小さくなったり、なくなったりしてしまう原因について鋭意検討を加えた結果、金属粒が溶融はんだ中に溶け込んでしまうためであることが分かった。つまり従来の溶融法では、金属粒を溶融はんだに濡らすとともにフォームソルダに混合させる最終の配分量となる少量の金属粒を直接大容量の溶融はんだ中に投入するため、該溶融はんだ中に金属粒を均一に分散させるのに長い時間がかかる。従来の溶融法において、均一分散に長い時間がかかっていた結果、金属粒が溶融はんだ中に溶け込んで粒径が小さくなったり、金属粒が完全になくなったりしてしまうのである。金属粒は、はんだよりも融点が高く、はんだの溶融温度では溶融しないはずであるが、金属粒が溶融はんだ中に溶け込むのは次のような理由による。つまり金属粒の表面がはんだに濡れると、濡れた部分ではんだと金属粒間に原子の拡散が起こって合金化する。高融点金属とはんだが合金化すると、その部分の融点が下がるため、金属粒の合金化した部分が溶融はんだに溶け込む。このようにして金属粒が少しずつ溶融はんだ中に溶け込んでいくことから、金属粒の粒径が小さくなったり、さらには完全になくなってしまったりするのである。そこで本発明者らは、金属粒を溶融はんだに投入したときに金属粒が溶融はんだ中に短時間で分散すれば、金属粒が減少しないことに着目して本発明を完成させた。

本発明は、はんだ量に対して高融点金属粒の混合量が５〜３０質量％となるように金属粒が分散した混合母合金を作る工程；溶融はんだに対して高融点金属粒の混合量が０．１〜３質量％となるように混合母合金を溶融はんだ中に投入して攪拌する工程；所定の金属粒が混合された溶融はんだを鋳型に鋳込んでビレットを作る工程；ビレットを板状はんだに加工した後、所定形状のフォームソルダに成形する工程；からなることを特徴とする高融点金属粒分散フォームソルダの製造方法である。

ところで本発明でいう混合母合金と一般に金属を合金化するときに用いる母合金とは、使用方法は似ているが、構成が相違する。一般の合金で用いる母合金とは、添加する金属元素を高濃度で溶融金属に添加して完全に溶解させたものであり、実際に所定の組成に配合するときに母合金を薄めて使う。一方、本発明でいう混合母合金とは、高融点金属粒を溶融させずに金属粒の形ではんだ中に混合分散させたものであり、実際の配合量にするときに混合母合金を計量して溶融はんだ中に投入するものである。

本発明によれば、予め金属粒を高配合で混合した混合母合金を作っておき、該混合母合金を金属粒の配合が所定の量となるように計量して溶融はんだ中に投入するため、混合母合金を溶融はんだに投入してから短時間攪拌するだけで金属粒が溶融はんだ中に均一に分散する。そして金属粒が均一に分散した溶融はんだを直ぐに鋳型に鋳込んでビレットにする。本発明では、混合母合金の作製時、混合母合金を溶融はんだ中に投入しての攪拌時、鋳型への鋳込み時のそれぞれの工程が短時間で行えるため、金属粒が溶融はんだと接触する時間が非常に短くて済むものである。そのため本発明で得られたフォームソルダは、金属粒が溶融はんだ中に溶け込むことが少なく、略原形のままフォームソルダ中に分散している。従って、本発明で得られたフォームソルダは、金属粒が溶融はんだに濡れており、しかもはんだ付け部間を所定のクリアランスに保つことができるため、はんだ本来の接合強度が発揮できる。

溶融はんだ中に金属粒を均一に分散させるとともに、はんだ付け時にワークのはんだ付け部と金属粒とを完全にはんだ付けするためには、金属粒が溶融はんだに完全に濡れていなければならない。AgやCuのように溶融はんだに濡れやすい金属であれば、フラックスを用いるだけで溶融はんだと容易に濡れるが、Ni、Mo、Cr、Wのような金属粒は溶融はんだに濡れにくいためフラックスだけでは濡らすことはできない。このように溶融はんだに濡れにくい金属粒は、予め表面処理を行っておく必要がある。金属粒の表面処理としては、水素清浄化処理やメッキ処理がある。この水素清浄化処理とは、水素が充満した雰囲気中で金属粒を加熱することにより、金属粒表面に付着していた酸化物を還元除去するものである。またメッキ処理とは、溶融はんだ中に溶解しても、はんだの成分や特性を大きく変えない金属元素をメッキするものである。該金属元素としては、はんだに使用している成分と同一成分、例えばSn-Ag-Cuはんだであれば、Sn、Ag、Cu等の金属元素であり、溶融はんだ中に溶け込んでも大きく特性を変えない元素としてはメッキ量が極めて少ないAuがある。

本発明では、金属粒が所定の量となるように直接溶融金属中に投入するのではなく、一度金属粒が高配合で混在した混合母合金を作製し、該混合母合金を溶融はんだ中に投入する。本発明で混合母合金を作製する方法としては、フラックスと金属粒を混合した混合物を直接母合金となる溶融はんだ中に投入する方法と、フラックス、金属粒、粉末はんだが混合されたものを耐熱性の容器の中に入れて加熱し、粉末はんだを溶融させた後、冷却固化する方法がある。

本発明では、先ずフォームソルダ中に分散させる金属粒よりも多い量の金属粒を分散させて、しかも溶融金属に濡れた状態で混合した混合母合金を作ておく。該混合母合金中の金属粒の混合割合は５〜３０質量％が適当である。はんだ付け部間の金属粒の分散状態は、理論的には最低４個あればはんだ付け部間を平行状態にして一定のクリアランスにすることができるが、この４個の金属粒が直線上に並んでいたり、一箇所に固まっていたりするとはんだ付け部間が平行とならず一定のクリアランスを保てない。つまり金属粒は、はんだ付け部全域に分散されていることが望ましいものである。例えばダイボンドで非常に多く使用される10×10(mm)のペレットで半導体素子と基板をはんだ付けする場合、これらのワークのはんだ付け部間には少なくとも１０個以上の金属粒が分散していなければならない。混合母合金中の金属粒の割合が５質量％よりも少ないとフォームソルダ中に適量の金属粒を分散させることができず、３０質量％を越えて混合されると、母合金を作製したときに金属粒が固まってしまい、溶融はんだ中に均一に分散しなくなる。

次に本発明の実施例と比較例について説明する。
（実施例）
（１）80μｍのNi粒を水素雰囲気中で加熱して表面を清浄化する。
（２）表面が清浄となったNi粒10ｇと、ペースト状フラックス90ｇと、Sn-3Ag-0.5Cuの粉末はんだ90ｇを混練してペースト状の混合物にする。該混合物を鋳鉄製の柄杓の中に入れ、柄杓をガスコンロで加熱して粉末はんだを250℃で溶融させると同時に溶融したものを金属製ヘラで約30秒間攪拌してから、5×10×50(mm)の鋳型に鋳込んで棒状の混合母合金を作製する。この母合金のNi粒の含有量は10質量％である。
（３）Sn-3Ag-0.5Cuの鉛フリーはんだ約80Kgを溶解釜で溶解しておき、該溶解釜から溶融はんだ10Kgを溶融金属注湯装置に入れるとともに、前記混合母合金30ｇを溶融金属柱等装置に入れて攪拌装置で約10秒間攪拌する。その後、Ni粒が分散された溶融はんだをビレット用の円筒型鋳型に鋳込み、鋳型を急冷してビレットを作製する。
（４）ビレットを押し出し装置で厚さ5mm、巾20mmの棒状はんだに加工し、該棒状はんだを圧延機で厚さ0.1mm、巾15mmに圧延して板状はんだに加工する。そして該板状はんだをプレスで打ち抜いて10×10（mm）のペレットに成形する。

（比較例）
（１）80μｍのNi粒の表面にCuの電解メッキを行う。
（２）表面にCuメッキされたNi粒10ｇと、ペースト状フラックス10ｇを混練してペースト状の混合物にする。
（３）Sn-3Ag-0.5Cuの鉛フリーはんだ約80Kgを溶解釜で溶解しておき、該溶解釜の中の溶融はんだ中に前記ペースト状混合物160ｇを投入する。ペースト状混合物を投入後、金属製ヘラで溶融はんだを約60秒間攪拌して溶融はんだ中にNi粒を分散させる。その後、Ni粒が分散された溶融はんだをビレット用の円筒型鋳型に鋳込み、鋳型を急冷してビレットを作製する。
（４）ビレットを押し出し装置で厚さ5mm、巾20mmの棒状はんだに加工し、該棒状はんだを圧延機で厚さ0.1mm、巾15mmに圧延して板状はんだに加工する。そして該板状はんだをプレスで打ち抜いて10×10（mm）のペレットに成形する。

上記実施例と比較例で得られたペレットの四隅を切断して顕微鏡で観察したところ、実施例で得られたペレットは、四隅に多数のNi粒が存在しており、その直径は70〜80μｍであった。一方、比較例で得られたペレットは、四隅にNi粒は存在していたが、その直径は10〜70μｍのようにバラツキが大きくなっていた。

本発明で得られるフォームソルダは、ダイボンドだけでなく半導体素子を容器内に収納して蓋をするコートリッドのようなはんだ付けに用いることもできる。

Claims (4)

1. はんだ量に対して高融点金属粒の混合量が５〜３０質量％となるように金属粒が分散した混合母合金を作る工程；
   溶融はんだに対して高融点金属粒の混合量が０．１〜３質量％となるように混合母合金を溶融はんだ中に投入して攪拌する工程；
   所定の金属粒が混合された溶融はんだを鋳型に鋳込んでビレットを作る工程；
   ビレットを板状はんだに加工した後、所定形状のフォームソルダに成形する工程；
   からなることを特徴とする高融点金属粒分散フォームソルダの製造方法。
2. 混合母合金を作る前に、高融点金属粒が溶融はんだに濡れやすくするための表面処理を高融点金属表面に施すこと特徴とする請求項１記載の高融点金属粒分散フォームソルダの製造方法。
3. 混合母合金は、フラックスと高融点金属粒が混合された混合物を溶融はんだ中に投入して作ることを特徴とする請求項１記載の高融点金属粒分散フォームソルダの製造方法。
4. 混合母合金は、フラックスと高融点金属粒と粉末はんだが混合された混合物を加熱して粉末はんだを溶融させることにより作ることを特徴とする請求項１記載の高融点金属粒分散フォームソルダの製造方法。