KR20150088811A - Au-Sn-Bi 합금 분말 페이스트, Au-Sn-Bi 합금 박막 및 그 성막 방법 - Google Patents

Au-Sn-Bi 합금 분말 페이스트, Au-Sn-Bi 합금 박막 및 그 성막 방법 Download PDF

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마사유키 이시카와
요시후미 야마모토
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미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, LED 소자 또는 기판의 메탈라이즈층 상에 Au-Sn-Bi 합금에 의한 접합층으로서, 양호한 접합성을 확보하면서, 균일성이 있으며, 또한, 얇은 Au-Sn-Bi 합금 박막을 제공한다.
본 발명에서는, Sn：20 ∼ 25 wt％ 및 Bi：0.1 ∼ 5.0 wt％ 를 함유하고, 잔부가 Au 로 이루어지는 조성을 가지며, 입경：10 ㎛ 이하의 Au-Sn-Bi 합금 분말과, 15 ∼ 30 wt％ 의 RA 플럭스를 혼합한 Au-Sn-Bi 합금 분말 페이스트를 사용하여, Au 의 메탈라이즈층 상에 소정 영역에 스크린 인쇄하고, 이어서, Au-Sn-Bi 합금 분말을 가열 용융시킨 후에 고화시킴으로써, 5 ㎛ 이하의 두께를 가지며, 또한, 적어도 공정 조직을 구비한 Au-Sn-Bi 합금 박막이 형성된다.

Description

Au-Sn-Bi 합금 분말 페이스트, Au-Sn-Bi 합금 박막 및 그 성막 방법 {AU-SN-BI ALLOY POWDER PASTE, AU-SN-BI ALLOY THIN FILM, AND METHOD FOR FORMING AU-SN-BI ALLOY THIN FILM}
본 발명은, Au-Sn-Bi 합금 박막, 그 성막 방법 및 Au-Sn-Bi 합금 분말 페이스트에 관한 것이다. 특히, Au-Sn-Bi 합금 분말 페이스트에 의한 인쇄법에 대한 적용이 가능하고, 양호한 접합성을 확보하면서, 균일성이 있으며, 또한, 얇은 Au-Sn-Bi 합금 박막을 성막할 수 있고, 저 Au 화에 의한 비용 절감을 가능하게 하는 Au-Sn-Bi 합금 박막의 성막 방법에 관한 것이다.
본원은, 2012년 12월 4일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2012-265009호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
일반적으로, GaAs 광 소자, GaAs 고주파 소자, 열전 소자 등의 반도체 소자와 기판의 접합이나, 미세하며 또한 고기밀성이 요구되는 SAW 필터, 수정 발진자 등의 패키지 봉지 등에는 Au-Sn 합금 땜납이 사용되고 있다. 이 Au-Sn 합금 땜납은, Sn：15 ∼ 25 질량％ 를 함유하고, 잔부가 Au 및 불가피 불순물로 이루어지는 성분 조성을 갖는 것이 알려져 있고, 실제로 사용되는 Au-Sn 합금 땜납은, 주로 Sn：20 질량％ 를 함유하고, 나머지가 Au 및 불가피 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 Au-Sn 공정 (共晶) 합금으로 이루어지는 것이 알려져 있다.
이 Au-Sn 합금 땜납은, 예를 들어, 칩상 또는 입상으로 가공된 것이고, 예를 들어, 소자와 기판의 접합시에는, 이 칩상 또는 입상으로 가공된 Au-Sn 합금 땜납을 접합체 사이에 끼워 리플로 처리함으로써 접합하는 것이 알려져 있다. 한편, Au-Sn 합금 재료를 분말상으로 가공하고, 이 Au-Sn 합금 분말을 시판되는 플럭스에 배합하고 혼련하여 페이스트상으로 하여, Au-Sn 합금 땜납 페이스트로서 사용하는 것도 알려져 있다. 여기서, 상기 Au-Sn 합금 분말은, 예를 들어, 가스 아토마이즈법에 의해 제조되는 것도 알려져 있다. 이 Au-Sn 합금 땜납 페이스트를 사용하여 접합하는 방법으로서, Au-Sn 합금 땜납 페이스트를 도포한 후 리플로 처리함으로써 접합하는 것도 알려져 있다 (예를 들어, 특허문헌 1 ∼ 3 을 참조).
그런데, 광 통신 장치에는, 예를 들어, 광 증폭이나 합분파 등에 사용되는 등 용도에 따라 다양한 형태가 있는데, 일반적으로는, 광 신호 발생원으로서의 광 발광 다이오드 (LED) 등의 광원을 구비하여 형성되는 경우가 많다. 예를 들어, LED 의 광학 벤치에 대한 탑재는, 내열성 및 접속의 신뢰성 관점에서 일반적으로 Au-Sn 합금을 사용한 접합이 실시된다. 이 Au-Sn 합금으로 이루어지는 접속용 패드의 형성은, 종래, 증착 또는 스퍼터 등의 퇴적에 의해 실시되고 있다.
일본 공개특허공보 2004-141937호 일본 공개특허공보 2005-302776호 일본 공개특허공보 2008-137018호
그러나, 이러한 접속용 패드의 생성에서는, 수 ㎛ 의 후막을 형성할 필요가 있어 공정에 매우 시간이 걸림과 함께, 패드 패턴을 형성하기 위해서 포토리소그래피 프로세스가 필요해져 제조 가격 및 시간의 증대를 초래하고 있었다. 또, 원하는 지점 이외에도 스퍼터, 증착됨으로써, 재료로서의 로스도 많이 발생하고 있었다. 증착 등에 의해 Au-Sn 막을 형성하는 경우에는, 통상, Au 및 Sn 의 원료 펠릿 등을 별도로 준비하고, 2 원 박막 형성에 의해 성막하는 것이 필요시되는 점에서, 조성이 완전하게는 균일하게 되기 어렵고, 그 때문에 미묘한 용융 온도의 편차나 용융 금속의 유동 불균일을 초래하고 있었다. LED 등의 광학 소자의 실장에 지장을 초래하는 경우가 있었다. 또, Au-Sn 합금 타깃 등을 사용하여 1 개의 공급원에 의한 성막을 실시하는 경우에도, 합금 타깃의 사용이 진행됨에 따라, 수율 차이 등으로 인한 조성의 편차가 발생하고, 결과적으로 균일한 조성을 유지하는 것이 곤란하였다.
그래서, 고주파 회로 부품 등에 있어서 입자상의 Au-Sn 합금 재료를 사용하여 페이스트를 제조하고, 이 페이스트를 사용한 인쇄법에 의해 패턴 형성하는 방법도 실시되고 있다. 이 인쇄법에 의하면, 공정 비용 및 시간이 현저하게 경감되고, 또, 원하는 지점에만 재료를 공급할 수 있어 로스도 적음으로써, 매우 유용한 접합재 형성 방법이 되지만, 상기 서술한 바와 같은 광학 소자에 적용하는 경우에는 난점이 있었다. 즉, LED 등의 실장에 있어서는, 렌즈, 파이버 그 밖의 것과 저손실로 광 결합할 필요가 있기 때문에, 광축 방향, 폭 방향 및 높이 방향에 대해 매우 고정밀도한 얼라이먼트가 필요해진다. 그러나, 종래 수법에 의한 Au-Sn 합금 페이스트의 인쇄에서는, 용융 후, 이른바 "박막" 의 형성이 어렵고, 패드 에어리어에 평활한 높이의 Au-Sn 합금을 형성시키는 것이 곤란하였다. 이것은, 패드 에어리어 상에 볼록한 Au-Sn 합금이 형성되고, 광학 소자 탑재시의 고정밀도한 얼라이먼트가 어려운 것을 나타내고 있다.
그래서, 본 발명은, Au-Sn 합금의 젖음성을 향상시키기 위해, Bi 를 첨가한 Au-Sn-Bi 3 원계 합금의 분말 재료를 사용하여, Au-Sn-Bi 합금 분말 함유 페이스트를 제조하고, 인쇄법에 대한 적용을 용이하게 하고, 도포된 Au-Sn-Bi 합금 분말 함유 페이스트를 리플로 처리에 의해 용융시키고 고화시켜, 양호한 접합성을 확보하면서, 균일성이 있으며, 또한, 얇은 Au-Sn 합금 박막을 성막할 수 있고, 저 Au 화에 의한 비용 절감을 가능하게 하기 위해, Au-Sn-Bi 합금 분말 함유 페이스트, Au-Sn-Bi 합금 박막 및 그 성막 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 서술한 Au-Sn 합금 땜납 페이스트에 사용되는 Au-Sn 합금 분말은, 통상, Au-Sn 합금을 용해시켜 용탕을 제조하고, 온도：300 ∼ 400 ℃ 로 유지하고, 이 온도로 유지된 용탕을 자연 낙하시키고, 이 자연 낙하되는 용탕에 주위로부터 불활성 가스를 분사하여 낙하되는 용탕에 고압 불활성 가스를 충돌시키는 가스 아토마이즈법에 의해 제조된다. 이 가스 아토마이즈법에 의해 얻어진 Au-Sn 합금 분말은 평균 입경：10 ∼ 100 ㎛ 를 갖고 있지만, 여기서 얻어진 Au-Sn 합금 분말은, 표면이 산화되기 쉬워, 이 표면에는 일반적으로 산화막이 형성되어 있다. 이 산화막을 제거하기 위해서 로진계의 페이스트화제가 사용되므로, 이 Au-Sn 합금 땜납 페이스트는, Au-Sn 합금 분말에 로진계 페이스트화제와 혼합하여 제조된다.
그러나, Au-Sn 합금 분말은, 제조한 후 즉시 Au-Sn 합금 땜납 페이스트의 원료로서 사용되는 경우는 드물고, 통상, 제조한 후 일단 저장되고 필요에 따라 꺼내어 사용된다. 그 때문에, Au-Sn 합금 분말의 입경이 작을수록, 로진을 함유하지 않는 페이스트화제를 사용하여 제조한 Au-Sn 합금 땜납 페이스트는 Au-Sn 합금 분말의 표면에 형성된 표면 산화막의 제거가 충분하지 않기 때문에, 상기 로진을 함유하지 않는 Au-Sn 합금 땜납은 로진을 함유하는 페이스트화제를 사용하여 제조한 Au-Sn 합금 땜납 페이스트에 비해 충분한 젖음 확산성을 확보할 수 없었다. 논할로겐 플럭스를 사용한 Au-Sn 합금 땜납 페이스트도 마찬가지였다.
그래서, 발명자들은, 상기 과제를 감안하여, LED 소자 또는 기판의 메탈라이즈층 상에 형성되는 접합층으로서, 상기 서술한 Au-Sn 합금에 Bi 를 첨가하여, 접합시의 젖음성을 향상시킴과 함께, 양호한 접합성을 확보하면서, 균일성이 있으며, 또한, 얇은 Au-Sn-Bi 합금 박막을 형성하는 것을 검토하였다.
예를 들어, LED 소자를 기판 상에 탑재할 때에는, LED 소자의 메탈라이즈층에 대한 접착성, 접합층의 균일성이 요구되고, 그 접합층의 두께가 얇은 것도 요망되고 있다. 그 얇은 Au-Sn 합금 접합층의 형성에는, 상기 서술한 바와 같이, 스퍼터링, 증착 등에 의해서도 실현할 수 있다. 여기서, Au 금속 타깃과 Sn 금속 타깃을 사용하여 교대로 스퍼터링함으로써 Au-Sn 박막을 성막한 박막예에 대해, 주사형 전자 현미경 (SEM) 으로 촬영한 표면 화상 (2 차 전자 이미지, SEI) 의 사진을 도 1 에, 그리고, Au-Sn 합금 스퍼터링 타깃에 의해 스퍼터링 성막된 Au-Sn 합금 박막에 관련된 전자선 마이크로 애널라이저 (EPMA) 에 의한 조성 화상 (COMP 이미지), 각 원소 매핑 화상의 사진을 도 2 에 나타냈다. 또한, 상기 EPMA 의 화상은, 모두 원 (元) 화상이 컬러 이미지이지만, 그레이 스케일에 의한 흑백 화상으로 변환하여 기재하고 있고, 명도가 높을수록 함유량이 많은 경향이 있다.
이들 화상으로부터, 이 대표예의 Au-Sn 박막에 있어서의 표면은, Au-Sn 박막이 균일성을 갖는 것이 나타내어져 있다. 그러나, 이 스퍼터링 성막에 의한 Au-Sn 박막 접합층에서는, 그 Au-Sn 박막 접합층이, LED 소자의 메탈라이즈층 상에 균일하게 또한 얇게 형성되어 있었다고 해도, 이 LED 소자를 기판 상에 탑재함에 있어서 가열되었을 때, Sn 의 융점이 232 ℃ 이고, Au 의 융점이 1000 ℃ 이상이기 때문에, 먼저 Sn 이 용융되고, 그 용융된 Sn 에 Au 가 삽입되어 Au-Sn 의 고용이 이루어지므로, 가열 시간이 길어지고, 그 용융성이 양호하지 않다. 그 때문에, 접합 신뢰성이 낮고, 리워크에 따른 비용 증가을 억제할 수 없다.
그래서, 본 발명자들은, LED 소자와 기판의 접합에, 메탈라이즈층 상에 Au-Sn-Bi 합금 박막을 형성함에 있어서, Au-Sn-Bi 합금 분말을 함유한 페이스트의 인쇄법으로 도포하고, 리플로 처리에 의한 가열에 의해, Au-Sn-Bi 합금 분말을 용융시킨 후, 고화시키는 것으로 하였다. 그리고, Au 사용량의 억제를 위해서, Au-Sn-Bi 합금 분말의 미세화와 페이스트의 유동성 향상을 도모함으로써, 막두께가 5 ㎛ 이하이고, 양호한 접착성 (젖음성) 을 확보하면서, 균일성이 있으며, 또한, 얇은 Au-Sn-Bi 합금에 의한 접합층이 얻어지는 것이 판명되었다.
Au-Sn-Bi 합금 분말을 함유한 페이스트에 관해서는, Au-Sn-Bi 합금 분말의 입경을 10 ㎛ 이하로 하여 미세한 것을 사용하고, 혼합하는 플럭스의 양을 늘림으로써 Au-Sn-Bi 합금 분말 페이스트의 유동성을 향상시킬 수 있음과 함께, 그 플럭스에는, 적어도 활성제를 함유하는 것을 사용함으로써, 미세한 분말의 산화 피막의 제거를 강화할 수 있고, 또, 젖음성을 개선할 수 있다는 지견이 얻어졌다. 또, 인쇄법에 의한 도포에 관해서도, 메탈라이즈층 상에 대한 페이스트의 도포량을 용이하게 조정할 수 있고, 게다가, 균일하게 도포할 수 있는 것, 또한, 도포된 Au-Sn-Bi 합금 분말 페이스트를 리플로 처리하여 용융 Au-Sn-Bi 합금을 생성시키고 고화시킴으로써, Au-Sn-Bi 합금 박막이 적어도 공정 조직 (예를 들어, 라멜라 조직) 을 갖게 되어, 접합시의 용융성을 양호하게 할 수 있다는 지견이 얻어졌다.
나아가서는, Au-Sn-Bi 합금을 분말 재료로서 사용하면, Bi 의 첨가에 의해 Au-Sn 합금보다 용융시 (동일 온도에서 비교) 의 표면 장력이 작아져, Au-Sn-Bi 합금은 젖음성이 우수하고, 소자의 접합시에는 보다 접합 신뢰성의 향상에도 기여한다는 지견도 얻어졌다.
따라서, 본 발명은, 상기 지견으로부터 얻어진 것이며, 상기 과제를 해결하기 위해서 이하의 구성을 채용하였다.
(1) 본 발명의 Au-Sn-Bi 합금 분말 페이스트는, Sn：20 ∼ 25 wt％ 및 Bi：0.1 ∼ 5.0 wt％ 를 함유하고, 잔부가 Au 로 이루어지는 조성을 가지며, 입경：10 ㎛ 이하의 Au-Sn-Bi 합금 분말과, 적어도 활성제를 함유하는 15 ∼ 30 wt％ 의 플럭스를 혼합한 것을 특징으로 한다.
(2) 본 발명의 Au-Sn-Bi 합금 박막은, Sn：20 ∼ 25 wt％ 및 Bi：0.1 ∼ 5.0 wt％ 를 함유하고, 잔부가 Au 로 이루어지는 조성을 가지며, 두께：5 ㎛ 이하인 박막으로서, 그 박막은, 적어도 공정 조직을 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
(3) 본 발명의 Au-Sn-Bi 합금 박막의 성막 방법에서는, Sn：20 ∼ 25 wt％ 및 Bi：0.1 ∼ 5.0 wt％ 를 함유하고, 잔부가 Au 로 이루어지는 조성을 가지며, 입경：10 ㎛ 이하의 Au-Sn-Bi 합금 분말과, 적어도 활성제를 함유하는 15 ∼ 30 wt％ 의 플럭스를 혼합한 Au-Sn-Bi 합금 분말 페이스트를, 메탈라이즈층 상의 소정 영역에 스크린 인쇄하고, 이어서, Au-Sn-Bi 합금 분말을 가열 용융시킨 후에 고화시켜, 적어도 공정 조직을 구비한 Au-Sn-Bi 합금 박막을 형성하는 것을 특징으로 한다.
(4) 상기 (3) 의 성막 방법에서는, 상기 스크린 인쇄는, 상기 소정 영역에 대응하여 메시가 형성된 스크린 마스크를 사용하여, 갭 인쇄에 의해 실시되는 것을 특징으로 한다.
이하에 있어서, 본 발명에 있어서 상기 과제를 해결하기 위해서 채용된 구성에 대해 설명한다.
일반적으로, Au-Sn 의 2 원계 합금이 공정형인 경우, 온도와 원소 농도비의 관계에 따라 고상과 액상으로 변화되는 상태도로 그릴 수 있는 것은 알려져 있다. 이 경우의 상태도에서는 공정점이 존재한다. 이 공정점에서의 농도비가 Sn 이 20 ％, Au 가 80 ％ 일 때 (Au-20Sn 으로 표기한다), 공정 온도는 280 ℃ 이다. Au-Sn 합금은, 이 공정 온도 이상이면 액상이 되고, 이 온도 이하이면 고상이 되는 것을 나타내고 있다. 여기서, 용융된 Au-Sn 합금을 냉각시켜 가면, 공정 온도를 경계로 하여 액상으로부터 고상으로 변화된다. 여기서, 고상으로 변화되어 형성된 공정 합금은, Au 리치 부분과 Sn 리치 부분이 교대로 존재하는 공정 조직 (예를 들어, 라멜라 조직) 을 갖고 있고, 그 공정 조직에는 층상 공정 등의 다양한 형태가 알려져 있다.
한편, Sn 의 농도가 20 ％ 를 초과하여 높게 함유되어 있는 경우에는, 용융된 Au-Sn 합금이 냉각되어 가는 과정에서 액상선에 도달하면 초정 (初晶) 이 정출 (晶出) 되는데, 공정 온도 이하가 되면 공정 조직 중에 초정 입자가 분산되어 존재하는 경우가 있지만, 이 공정 합금이 적어도 공정 조직을 갖고 있음으로써, 고화된 Au-Sn 합금막을 재용융하기 쉽게 하고 있다. 이에 대하여, 상기 서술한, Au 금속 타깃과 Sn 금속 타깃을 사용하여 교대로 스퍼터링함으로써 Au-Sn 박막을 성막한 박막예에서는, 얇으며 또한 균일하게 막을 형성할 수 있어도, 그 막은 Au 및 Sn 의 원자가 배열된 것뿐이므로, 재용융이 용이하지 않다. 즉, 이 박막예의 경우에는, 공정 조직을 갖지 않기 때문인 것으로 생각된다.
본 발명에 의한 Au-Sn-Bi 합금 분말 페이스트에는, Sn：20 ∼ 25 wt％ 및 Bi：0.1 ∼ 5.0 wt％ 를 함유하고, 잔부가 Au 로 이루어지는 조성을 갖는 Au-Sn-Bi 합금 분말이 사용되고 있다. 이 Au-Sn-Bi 합금 분말의 경우에도, 고화된 Au-Sn-Bi 합금 박막은, Au-Sn 합금의 경우와 마찬가지로, Au 리치 부분과 Sn 리치 부분이 교대로 존재하는 공정 조직을 구비하고 있다. 또한, 본 발명에서는, Au-Sn 합금에 Bi 가 첨가된 것이지만, 전자선 마이크로 애널라이저 (EPMA) 에 의한 조성 이미지 (COMP 이미지) 및 각 원소 매핑 이미지의 관찰에 의하면, 첨가된 Bi 는, Sn 과 동일한 지점에 존재하는 것도 확인되고, 나아가서는 시차 주사 열량 측정 (DSC 측정) 에 의해, 승온 과정, 강온 과정에 있어서 1 개의 흡열, 발열 피크를 갖고 있고, 임의의 온도에서 고체로부터 액체로, 액체로부터 고체로 상변화가 발생하는 공정 조성인 것을 뒷받침하는 데이터가 얻어져 있는 점에서, 본 발명에 의한 Au-Sn-Bi 합금 박막도 공정 조직을 구비하고 있다고 할 수 있다.
그런데, 종래부터 알려져 있는, Au-Sn 합금 분말과 플럭스를 혼합한 땜납 페이스트를 사용하여, 이 페이스트를 기판에 형성된 메탈라이즈층 상에 도포하고, 리플로 처리에 의해 Au-Sn 합금막을 형성하는 경우, 이 Au-Sn 합금막을 얇게 하기 위해서 이 페이스트를 메탈라이즈층 상에 얇게 도포해 버리면, 리플로 처리의 가열에 의해 Au-Sn 합금 분말이 용융되는데, 디웨팅 (수축) 현상이 발생하여 도상 (島狀) 으로 응집되어 버리므로, 하지층 표면이 비쳐 보이는 것과 같은 상태가 되고, 게다가, 막의 두께는 불균일한 것이 된다. 그 때문에, 종래의 페이스트는 박막 형성에는 적합하지 않았다.
그래서, 본 발명에서는, Au-Sn-Bi 합금 분말 페이스트를 연구하여, 5 ㎛ 이하의 두께로 균일한 Au-Sn-Bi 합금 박막이 얻어지는 것을 목적으로 하고, 게다가, 형성된 Au-Sn-Bi 합금 박막이 적어도 공정 조직을 구비하도록 하여, 용융성을 개선하도록 하였다.
본 발명에 의한 Au-Sn-Bi 합금 분말 페이스트에서 사용되는 Au-Sn-Bi 합금 분말은, Sn：20 ∼ 25 wt％ 및 Bi：0.1 ∼ 5.0 wt％ 를 함유하고, 잔부가 Au 로 이루어지는 조성을 갖는 것으로 하였는데, Sn 의 함유량이 20 wt％ 미만이면, 용융되었을 때의 표면 장력이 강해져 불균일한 막이 되고, 또, Sn 의 함유량이 25 wt％ 를 초과하면, Au-Sn 합금이 공정 합금으로부터 떨어져나가 버려, 즉, Au-Sn 합금막 중의 공정 조직이 적어지므로, 젖음성이 저하되기 때문에, Au-Sn-Bi 합금 분말 중의 Sn 함유량을 20 ∼ 25 wt％ 로 하는 것이 바람직하다.
또, 이 Au-Sn-Bi 합금 분말에 있어서의 Bi 의 함유량이 0.1 wt％ 미만이면, 용융시의 표면 장력을 저하시킨다는 효과가 얻어지지 않는다. 5.0 wt％ 를 초과하면, Au-Sn-Bi 합금의 융점이 저하되어 버려, 고온 땜납으로서의 이점이 저감된다.
또한, 통상, 전극이 되는 하지층 (예를 들어, Ni 등) 이 형성되어 있고, 이 하지층의 표면에는, Au-Sn 합금 땜납을 사용하는 경우, 하지층과의 젖음성을 고려하여 Au 의 메탈라이즈층이 형성되어 있다. 이 메탈라이즈층 상에 Au-Sn 합금 함유 페이스트를 도포하여, Au-Sn 합금 분말을 가열 용융시키는 과정에 있어서, 메탈라이즈층의 Au 가 용융된 Au-Sn 합금에 도입되어, 합금 중의 Au 농도가 증가한다. 그 때문에, Au-Sn 합금에 있어서의 농도 밸런스가 무너지는 분을 예상하여, Au-Sn 합금 분말 중의 Sn 함유량을 결정하고 있다. 또, 그 영향은 박막일수록 크다.
또한, Au-Sn-Bi 합금 분말의 입경을 평균 입경으로 10 ㎛ 이하로 하였는데, 이 입경이 10 ㎛ 를 초과하여 커지면, Au-Sn-Bi 합금 분말 페이스트를, 예를 들어, 스크린 인쇄법에 의해 메탈라이즈층 상의 소정 영역에 도포할 때, 충전 불량이 발생하고, 막두께가 불균일해질 가능성이 있고, 입경이 크면, 용융시에 디웨팅 (수축) 현상이 발생하므로 바람직하지 않다. 그 때문에, Au-Sn-Bi 합금 분말의 입경을 평균 입경으로 10 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.
일반적으로, 솔더 페이스트에 사용되는 플럭스에는, 일본 공업 규격 (JIS, 예를 들어 JIS Z 3284：2006 (솔더 페이스트에 관한 규격으로, 플럭스의 분류 등을 규정한다)) 에도 규정되어 있는 바와 같이, 화학 작용에 의해 금속 표면의 산화물을 제거하는 세정 작용을 갖는 활성제를 함유시키는 것이 알려져 있다. 이 플럭스의 활성 정도에 따라 제거할 수 있는 산화막의 조성이 정해지고, 산화막이 안정적인 금속일수록 강력한 활성이 필요하다. 이 세정을 필요로 하지 않는 경우에는, 활성제를 함유하지 않는 논할로겐 플럭스가 사용되고, 또, 활성인 플럭스로서 RA (Rosin Activated) 플럭스 등이 있는 것도 알려져 있다. RA 플럭스란, 활성제로서 염기성 유기 화합물을 첨가한 것으로, 구 MIL 규격 (United States Military Standard) 에 있어서 가장 활성이 강한 플럭스이다. 예를 들어, JIS Z 3197 (납땜용 플럭스 시험 방법) 의 활성제 함유량 시험 (전위차 적정법) 에 있어서, 그 값이 0.15 ％ 이상인 것이 바람직하다.
여기서, 본 발명에 의한 Au-Sn-Bi 합금 분말 페이스트에서는, 적어도 활성제를 함유하는 플럭스를 Au-Sn-Bi 합금 분말에 혼합하는 것으로 하였다. 플럭스를 Au-Sn-Bi 합금 분말에 혼합하는 양은, Au-Sn-Bi 합금 분말 페이스트의 15 ∼ 30 wt％ 로 하였다. 여기서, 막두께가 5 ㎛ 이하의 얇은 Au-Sn-Bi 합금 박막을 형성하기 위해서는, Au-Sn-Bi 합금 분말에는 10 ㎛ 이하의 미세한 것을 사용하게 되는데, Au-Sn-Bi 합금 분말 자체가 10 ㎛ 이하의 미세한 분말이 되면, 분말 표면에 형성되는 자연 산화막 (SnO) 의 제거에는, 활성제를 함유하는 활성 타입 플럭스가 필요해진다. 활성제를 함유하지 않는 논할로겐 플럭스에서는 이 환원 작용이 약하기 때문에, 자연 산화막을 다 제거할 수 없다. 또한, 그 RA 플럭스를 15 ∼ 30 wt％ 혼합하는 것으로 하였는데, 15 wt％ 미만의 혼합률 (플럭스 비율) 에서는, 페이스트를 얇게 도포하는 것을 곤란하게 하기 때문에 박막 형성을 달성할 수 없고, 한편, 30 wt％ 를 초과하는 혼합률이면 막이 불균일해져 버린다. 그 때문에, RA 플럭스의 혼합률을, 스크린 인쇄시에 있어서의 페이스트의 유동성과 자연 산화막의 제거성을 고려하여 15 ∼ 30 wt％ 로 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 Au-Sn 합금 박막의 성막 방법에서는, 상기 서술한 Au-Sn-Bi 합금 분말 페이스트를 메탈라이즈층 상의 소정 영역에 스크린 인쇄하고, 이어서, 리플로 처리에 의한 용융 후에 고화시켜, 적어도 공정 조직을 구비한 Au-Sn-Bi 합금 박막을 형성하는 것으로 하였다. 여기서, 스크린 인쇄법을 채용한 것은, 메탈라이즈층 상의 소정 영역에 도포되는 페이스트양을 조정하기 쉽기 때문이다. 그 양을 적게 한다는 것은, 얇은 Au-Sn―Bi 합금막을 제조하는 데에 있어서 바람직하다. 특히, 소정 영역에 메시를 배치한 스크린 마스크를 사용함으로써, 메시의 선 직경, 개구율, 유재 두께를 선정하여, 페이스트 투과 체적을 용이하게 조정할 수 있다. 또, 갭 인쇄법에 의해 균일한 페이스트 인쇄를 실현할 수 있다. Au-Sn-Bi 합금 분말 페이스트가 메탈라이즈층 상에 도포되면, 소정 영역 내에서는, 그 페이스트가 도트상으로 분포하고, 이로써 더욱 페이스트양을 저감시킬 수 있어, 5 ㎛ 이하의 막두께를 갖는 Au-Sn-Bi 합금 박막을 얻는 것에 기여하고 있다. 또한, Au-Sn-Bi 합금 분말과 플럭스의 혼합에는 교반이 사용되기 때문에 기포가 혼입되어 있을 가능성이 있고, 이 기포의 존재가 막의 균일성에 영향을 주므로 진공탈포를 실시한면 좋다.
또, 본 발명의 Au-Sn-Bi 합금 박막의 성막 방법에서는, Au-Sn-Bi 합금 분말 페이스트를 메탈라이즈층 상의 소정 영역에 스크린 인쇄하고, 이어서, 리플로 처리에 의해, Au-Sn-Bi 합금 분말을 가열 용융시킨 후에 고화시켜 Au-Sn-Bi 합금 박막을 형성하고 있다. Au-Sn-Bi 합금 분말이 일단 가열 용융됨으로써, 용융된 Au-Sn-Bi 합금이 냉각되는 과정에서 그 박막이 적어도 공정 조직을 구비하게 되어, 접합시의 용융성을 양호한 것으로 하고 있다.
이상에 설명한 본 발명의 Au-Sn-Bi 합금 함유 페이스트를 사용하여 Ni 하지층 상에 형성된 Au-Sn-Bi 합금 박막의 대표예에 대해, 도 3 에, 주사형 전자 현미경 (SEM) 으로 촬영한 표면 화상 (SEI) 의 사진을 나타냈다. 또, 그 Au-Sn-Bi 합금 박막의 대표예에 대해, 도 4 에, 전자선 마이크로 애널라이저 (EPMA) 에 의한 조성 이미지 (COMP 이미지), 각 원소 매핑 이미지를 나타낸 사진을 나타냈다. 이들 화상에 의하면, 본 발명의 Au-Sn-Bi 합금 박막이 Au 리치 부분과 Sn 리치 부분이 교대로 존재하는 공정 조직을 가지며, 첨가된 Bi 가 Sn 과 동일한 지점에 존재하는 것이 나타내어져 있다. 나아가서는, 도 5 에는, 본 발명의 Au-Sn-Bi 합금 박막의 대표예에 관련된 시차 주사 열량 측정 (DSC 측정) 의 결과를 나타내는 그래프가 나타내어져 있고, 이 그래프는, 승온 과정, 강온 과정에 있어서, 1 개의 흡열·발열 피크를 갖고 있고, 이것은 임의의 온도에서 고체로부터 액체로, 액체로부터 고체로 상변화가 발생하는 공정 조성인 것을 뒷받침하고 있다고 할 수 있다. 이들을 종합하면, 본 발명에 의한 Au-Sn-Bi 합금 박막도, 공정점을 갖는 공정 조직을 구비하고 있다고 할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 의하면, Au-Sn-Bi 합금 분말 페이스트의 인쇄법에 의해 도포가 용이하고, 게다가 Au-Sn 합금 분말 페이스트를 가열 용융시킨 후에 고화시킴으로써 공정 조직이 구비되므로, 그 접합층으로서, 양호한 접합성 (젖음성) 을 확보하면서, 균일성이 있으며, 또한, 얇은 Au-Sn-Bi 합금 박막을 성막할 수 있다. 그 때문에, LED 소자 등의 기판에 대한 탑재에 있어서, 저 Au 화에 의한 비용 저감을 도모할 수 있음과 함께, 균일성이 있으며, 또한, 얇은 Au-Sn-Bi 합금 접착층으로 할 수 있고, LED 소자를 탑재하는 장치의 생산성 향상에 기여한다.
도 1 은, Au 금속 타깃과 Sn 금속 타깃을 사용하여 교대로 스퍼터링함으로써 성막한 Au-Sn 박막예에 대해, 주사형 전자 현미경 (SEM) 으로 촬영한 표면 화상 (SEI) 의 사진이다.
도 2 는, Au 금속 타깃과 Sn 금속 타깃에 의해 스퍼터링 성막된 Au-Sn 박막에 관련된 전자선 마이크로 애널라이저 (EPMA) 에 의한 조성 이미지 (COMP 이미지), 각 원소 매핑 이미지를 나타낸 사진이다.
도 3 은, 본 발명의 Au-Sn-Bi 합금 함유 페이스트를 사용하여 형성된 Au-Sn 합금 박막의 대표예에 대해, 주사형 전자 현미경 (SEM) 으로 촬영한 표면 화상 (SEI) 의 사진이다.
도 4 는, 본 발명의 Au-Sn-Bi 합금 박막의 대표예에 관련된 전자선 마이크로 애널라이저 (EPMA) 에 의한 조성 이미지 (COMP 이미지), 각 원소 매핑 이미지를 나타낸 사진이다.
도 5 는, 본 발명의 Au-Sn-Bi 합금 박막의 대표예에 관련된 시차 주사 열량 측정 (DSC 측정) 의 결과를 나타내는 그래프이다.
다음으로, 본 발명의 Au-Sn-Bi 합금 함유 페이스트를 사용한 Au-Sn-Bi 합금 박막의 성막 방법에 대해 이하에 실시예 및 비교예에 의해 구체적으로 설명한다.
[실시예]
고주파 용해로에 의해 용해시켜 얻어진 Au-Sn-Bi 합금의 용탕을 온도：800 ℃ 로 유지하면서, 회전수：800 회전/분으로 3 시간 프로펠러를 회전시켜 용탕을 기계 교반한 후, 용탕에 압력：500 ㎪ 를 가하여 고주파 용해로의 바닥부에 형성된 노즐로부터 용탕을 낙하시키고, 동시에 노즐의 주위에 노즐 갭：0.2 ㎜ 가 되도록 형성된 직경：1.5 ㎜ 의 가스 노즐로부터 낙하되는 용탕을 향해 Ar 가스를 분사 압력：6000 ㎪ 로 분사시킴으로써, Au-Sn-Bi 합금의 가스 아토마이즈 분말을 제조하였다. 얻어진 아토마이즈 분말의 금속 조성 (wt％) 은 표 1 에 나타내어져 있다. 이 가스 아토마이즈 분말을 풍력 분급 장치에 의해 분급하여, 표 1 에 나타내는 바와 같은 입경：10 ㎛ 이하의 Au-Sn-Bi 합금 분말을 얻었다. 또한, Au-Sn-Bi 합금의 조성은 용해시키는 단계에서 조정되고 있다.
여기서 얻어진 Au-Sn-Bi 합금 분말을 사용하여, 일반적으로 시판되고 있는 RA 플럭스 (예를 들어, 미츠비시 머티리얼 주식회사 제조) 를, 표 1 에 나타내는 플럭스 비율 (wt％) 이 되도록 혼합하여, 실시예 1 ∼ 7 의 Au-Sn-Bi 합금 분말 페이스트를 제조하였다. 또, 실시예와 비교를 위해, 얻어진 Au-Sn-Bi 합금 분말을 사용하여, 시판되고 있는 RA 플럭스, RMA (Rosin Mildly Activated) 플럭스 또는 논할로겐 플럭스를, 표 1 에 나타내어지는 플럭스 비율 (wt％) 이 되도록 혼합하여, 비교예 1 ∼ 8 의 Au-Sn-Bi 합금 분말 페이스트를 제조하였다. 또한, Au 금속 타깃과 Sn 금속 타깃을 사용하여 교대로 스퍼터링함으로써 Au-Sn 박막을 성막하는 종래 기술의 경우를 비교예 9 로서 표 1 에 나타냈다.
Figure pct00001
다음으로, 제조한 실시예 1 ∼ 7 및 비교예 1 ∼ 8 의 Au-Sn-Bi 합금 분말 페이스트를 사용하여, 그 페이스트를 스크린 인쇄법에 의해 기판의 소정 영역에 도포하였다. 이 스크린 인쇄법에서는, 오프닝 33 ㎛, 메시 수 500, 선 직경 18 ㎛, 두께 29 ㎛ 로 한 메시 마스크를 사용하여, 갭 인쇄를 실시하였다. 기판 상에는 Ni 층이 형성되어 있고, 또한, 그 Ni 층 상에 Au 의 메탈라이즈층이 형성되어 있다. Au-Sn-Bi 합금 분말 페이스트는, 이 메탈라이즈층 상에 도포되었다. 그 후, 온도：300 ℃ 에서 리플로 처리하여 Au-Sn-Bi 합금 분말을 가열 용융시켜, Ni 층 상에 Au-Sn-Bi 합금의 용융막을 형성하였다. 그 후, 이 용융막을 실온까지 냉각시켜 고화시킴으로써, 실시예 1 ∼ 7 및 비교예 1 ∼ 8 의 Au-Sn-Bi 합금 박막을 제조하였다.
그래서, 제조한 실시예 1 ∼ 7 및 비교예 1 ∼ 9 의 Au-Sn-Bi 합금 박막에 대해, 이하에 설명하는 순서로, 막의 균일성 (수축에 의한 불균일의 유무), 막두께를 측정하고, 분말 용융성, 소자 접합성을 평가하였다.
＜막의 균일성 (수축에 의한 불균일의 유무) 의 확인＞
박막에 있어서의 디웨팅 (수축) 현상에 대해서는, 광학 현미경이나 실체 현미경으로 확인할 수 있기 때문에, 예를 들어, Ni 층이 비쳐 보이는 상태이면 수축이 발생한 것으로 판단한다. Ni 층이 보이지 않으면 「양호」로 하였다.
＜막두께의 측정＞
레이저 현미경에 의해 측정하였다. 5 ㎛ 이하의 균일한 막이 얻어진 경우를 「양호」로 하였다.
＜분말 용융성의 확인＞
Au-Sn-Bi 합금 박막에 대해, 광학 현미경을 사용하여, 미용융 혹은 응집된 Au-Sn-Bi 합금 분말 입자의 존재 상태를 확인하였다. 이 Au-Sn-Bi 합금 분말 입자의 존재를 확인할 수 없는 경우를 「양호」로 하였다.
＜소자 접합성의 측정＞
가로 세로 800 ㎛ 의 LED 소자를 기판에 탑재한 상태에서, 테스트 스피드 100 ㎛/s 로 쉐어 강도를 측정하였다. 50 N/㎟ 이상인 경우를 「양호」로 하였다.
＜종합 평가＞
하기의 기준에 의해 종합 평가를 실시하였다.
○：모든 평가 (막의 균일성, 막두께, 분말 용융성, 소자 접합성) 가 「양호」인 경우
×：하나라도 「양호」가 아닌 평가가 있는 경우 (불량)
이상의 결과를 이하의 표 2 에 나타냈다.
Figure pct00002
표 2 에 의하면, 비교예 9 의 Au-Sn 합금 박막은, 막의 균일성, 막의 박막화에 있어서는 양호한 결과가 얻어졌지만, 소자 접합성에서는 낮은 값이 측정되어, 접합성은 양호하지 않음이 나타내어져 있다. 이에 대하여, 실시예 1 ∼ 7 의 Au-Sn-Bi 합금 박막에서는 모두, 막의 두께에 관하여 5 ㎛ 이하로 충분히 얇으며, 또한, 균일하게 형성할 수 있었다. 그리고, 실시예 1 ∼ 7 의 Au-Sn-Bi 합금 박막을 사용하여 LED 소자를 기판에 탑재하였을 때에는, 종래 기술과 비교하여 접합성을 크게 향상시킬 수 있었던 것이 확인되었다.
한편, 비교예 1, 4 의 Au-Sn-Bi 합금 박막에서는, 일부에 수축이 발생하여 불균일한 막이기 때문에, Au-Sn 합금 박막으로서는 불량으로 하였다. 또, 비교예 2 의 Au-Sn-Bi 합금 박막에서는, 플럭스량이 적기 때문에 수축이 발생하고, 불균일이 있어 균일한 막이 아니었다. 비교예 3 의 Au-Sn-Bi 합금 박막에서는, 활성제를 함유하지 않는 논할로겐 플럭스가 사용되고 있기 때문에 수축이 발생하지 않았지만, 땜납 상에 미응집 분말이 많이 존재하여 불량인 막이었다. 비교예 5 의 Au-Sn-Bi 합금 박막에서는, 플럭스의 양이 지나치게 많기 때문에 땜납이 젖음 확산되지 않아 하지가 보이는 상태이며, 소자의 접합 강도도 낮고, 불량인 막이었다. 비교예 6 의 Au-Sn-Bi 합금 박막에서는, Sn 의 함유량이 적기 때문에 미응집 분말이 존재하고, 일부 막이 형성되지 않고, 소자의 접합 강도도 낮았다. 비교예 7 의 Au-Sn-Bi 합금 박막에서는, Bi 의 함유량이 적기 때문에, 막의 두께가 5 ㎛ 이하가 되지 않았다. 비교예 8 의 Au-Sn-Bi 합금 박막에서는, Sn 의 함유량이 지나치게 많기 때문에 미응집 분말이 존재하고, 일부 막이 형성되지 않고, 소자의 접합 강도도 실시예 1 ∼ 7 과 비교하여 낮았다. 비교예 1 ∼ 8 의 Au-Sn-Bi 합금 박막은 모두 불량이었다.
이상과 같이, Sn：20 ∼ 25 wt％ 및 Bi：0.1 ∼ 5.0 wt％ 를 함유하고, 잔부가 Au 로 이루어지는 조성을 가지며, 입경：10 ㎛ 이하의 Au-Sn 합금 분말과, 15 ∼ 30 wt％ 의 RA 플럭스를 혼합한 Au-Sn-Bi 합금 분말 페이스트를 사용하여, Au 의 메탈라이즈층 상에 소정 영역에 스크린 인쇄하고, 이어서, Au-Sn-Bi 합금 분말을 가열 용융시킨 후에 고화시킴으로써, 5 ㎛ 이하의 두께를 가지며, 또한, 공정 조직을 구비한 Au-Sn-Bi 합금 박막이 형성되는 것이 확인되었다.
산업상 이용가능성
본 발명의 Au-Sn-Bi 합금 분말 페이스트, Au-Sn-Bi 합금 박막 및 그 성막 방법에 의하면, LED 소자 등의 기판에 대한 탑재에 있어서의 비용 저감 및 생산성 향상이 가능해진다.

Claims (4)

  1. Sn：20 ∼ 25 wt％ 및 Bi：0.1 ∼ 5.0 wt％ 를 함유하고, 잔부가 Au 로 이루어지는 조성을 가지며, 입경：10 ㎛ 이하의 Au-Sn-Bi 합금 분말과, 적어도 활성제를 함유하는 15 ∼ 30 wt％ 의 플럭스를 혼합한 것을 특징으로 하는 Au-Sn-Bi 합금 분말 페이스트.
  2. Sn：20 ∼ 25 wt％ 및 Bi：0.1 ∼ 5.0 wt％ 를 함유하고, 잔부가 Au 로 이루어지는 조성을 가지며, 두께：5 ㎛ 이하인 박막으로서,
    상기 박막은, 적어도 공정 조직을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 Au-Sn-Bi 합금 박막.
  3. Sn：20 ∼ 25 wt％ 및 Bi：0.1 ∼ 5.0 wt％ 를 함유하고, 잔부가 Au 로 이루어지는 조성을 가지며, 입경：10 ㎛ 이하의 Au-Sn-Bi 합금 분말과, 적어도 활성제를 함유하는 15 ∼ 30 wt％ 의 플럭스를 혼합한 Au-Sn-Bi 합금 분말 페이스트를, 메탈라이즈층 상의 소정 영역에 스크린 인쇄하고, 이어서, Au-Sn-Bi 합금 분말을 가열 용융시킨 후에 고화시켜, 적어도 공정 조직을 구비한 Au-Sn 합금 박막을 형성하는 것을 특징으로 하는 Au-Sn-Bi 합금 박막의 성막 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 스크린 인쇄는, 상기 소정 영역에 대응하여 메시가 형성된 스크린 마스크를 사용한 갭 인쇄에 의해 실시되는 것을 특징으로 하는 Au-Sn 합금 박막의 성막 방법.
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