TW201522667A - Ａｕ－Ｓｎ－Ａｇ系焊接合金、以及使用此Ａｕ－Ｓｎ－Ａｇ系焊接合金密封之電子零件及電子零件搭載裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明的課題係提供一種無鉛高溫用Au-Sn-Ag系焊接合金，其亦可充分使用在液晶裝置、SAW過濾器或MEMS等要求非常高度信賴性之電子零件或電子零件搭載裝置的接合，除此之外尤其是為低成本，且加工性與應力緩和性優異，而且信賴性亦優異。 本發明所用之解決手段為一種Au-Sn-Ag系焊接合金，其特徵為含有27.5質量%以上且未達33.0質量%之Sn，含有8.0質量%以上且14.5質量%以下之Ag，剩餘部分係由Au所構成，更佳為含有29.0質量%以上且32.0質量%以下之Sn，含有10.0質量%以上且14.0質量%以下之Ag，剩餘部分除了製造上不可避免所包含之元素以外，係由Au所構成。

Description

Au-Sn-Ag系焊接合金、以及使用此Au-Sn-Ag系焊接 合金密封之電子零件及電子零件搭載裝置
本發明係關於高溫用之無鉛焊接合金，尤其是關於將Au作為主成分之焊接合金、及使用該焊接合金密封之電子零件等。
近年來，對於對環境有害之化學物質的管制越來越嚴格，此管制對於以將電子零件等接合於基板為目的所使用之焊接材料亦不例外。焊接材料中雖自以往將鉛作為主成分使用至今，但現已成為Rohs指令等管制對象物質。因此，正盛行不包含鉛(Pb)之焊接(以下稱為無鉛焊接或lead-free solder)的開發。
將電子零件接合於基板時所使用之焊接係藉由其使用限界溫度大致上區分為高溫用(約260℃~400℃)與中低溫用(約140℃~230℃)，該等當中，關於中低溫用焊接已實用化將Sn作為主成分之無鉛焊接。
例如作為中低溫用之無鉛焊接材料，於作為專利文獻1表示之日本國特開平11-77366號公報，記載 有將Sn作為主成分，含有1.0~4.0重量%之Ag、2.0重量%以下之Cu、1.0重量%以下之Ni、0.2重量%以下之P的無鉛焊接合金組成。又，於作為專利文獻2表示之日本國特開平8-215880號公報，記載有含有0.5~3.5重量%之Ag、0.5~2.0重量%之Cu，剩餘部分係由Sn所構成之合金組成的無鉛焊接。
另外，關於高溫用之無鉛焊接材料，亦正於各種機關進行開發。例如作為專利文獻3表示之日本國特開2002-160089號公報中，記載有包含30~80at%之Bi，熔融溫度為350~500℃之Bi/Ag硬焊材料金屬。又，作為專利文獻4表示之日本國特開2008-161913號公報中，記載有於包含Bi之共晶合金加入2元共晶合金，進而加入添加元素之焊接合金，此焊接合金雖有4元系以上之多元系焊接，但變成可調整液相線溫度與減少變異。
又，作為高價之高溫用之無鉛焊接材料，已使用Au-Sn合金或Au-Ge合金等作為液晶裝置、SAW過濾器、而且作為MEMS等之電子零件搭載裝置。Au-20質量%Sn合金(係意指由80質量%之Au與20質量%之Sn構成。以下相同)為共晶點之組成，其熔點為280℃。另外，Au-12.5質量%Ge合金亦為共晶點之組成，其熔點為356℃。
Au-Sn合金與Au-Ge合金的區分，第1係由於熔點的差異。亦即，即使為高溫用，用在比較低溫度的點之接合時係使用Au-Sn合金。而且比較高的溫度時係使用 Au-Ge合金。惟，Au系合金與Pb系焊接或Sn系焊接相比較，係非常硬。尤其是Au-Ge合金由於Ge為類金屬，加工成薄片形狀等係非常困難。據此，成為生產性或產量不良、成本提昇的原因。
Au-Sn合金雖然沒有Au-Ge合金的程度，難以加工對預形體材料等的加工時之生產性或產量不良。即，Au-20質量%Sn可說為共晶點之組成，由金屬間化合物所構成。據此，Au-Sn合金係錯位難以移動，因此雖然有難以變形，在變薄輥軋、或以沖壓打孔時，易產生裂縫或毛邊之類的缺點，但作為無鉛焊接材料由於熔點或加工性優異，尤其是多作為要求高信賴性之液晶裝置密封用來使用。
惟，當然Au-20質量%Sn合金的情況，材料成本與其他焊接材料相比較，異常的高。因此，將Au-Sn合金以便宜更容易使用作為目的，例如正開發專利文獻5~7所示之Au-Sn-Ag系焊接合金。
作為專利文獻5表示之日本國特開2008-155221號公報中，記載有一種硬焊材料金屬，其係提供一種以比較低熔點易於操作、強度、接著性優異、且便宜之硬焊材料金屬、及壓電元件作為目的，其中， 組成比(Au(重量%)、Ag(重量%)、Sn(重量%))係在Au、Ag、Sn之三元組成圖中，係被包圍在點A1(41.8,7.6,50.5)、點A2(62.6,3.4,34.0)、 點A3(75.7,3.2,21.1)、點A4(53.6,22.1,24.3)、點A5(30.3,33.2,36.6)的區域。
又，作為專利文獻6表示之日本國專利第4305511號公報中，記載有提供一種Au的添加量不僅較以往的Au-Sn共晶合金更少即可，且固相線溫度為270℃以上之無鉛高溫焊接作為目的，又，提供一種容器本體與蓋構件間之接合部為耐熱循環或機械性強度優異之包裝作為目的，其係由Ag2~12質量%、Au40~55質量%、剩餘部分Sn所構成之熔融密封用高溫無鉛焊接合金。
又，作為專利文獻7表示之日本國專利第2670098號公報中，記載有提供一種硬焊接合引線框架，其係熔點低、不脆化Fe-Ni合金引線框架(Lead frame)，以適度之硬焊熔燒穩定接合強度，而且不會降低引線框架的耐蝕性，具備硬焊材料金屬之硬焊接合引線框架作為目的，於引線框架之針的前端，安裝添加Au20~50重量%與Ge10~20重量%或Sn20~40重量%於Ag而成之硬焊材料金屬。
〔先前技術文獻〕 〔專利文獻〕
[專利文獻1]日本國特開平11-77366號公報
[專利文獻2]日本國特開平8-215880號公報
[專利文獻3]日本國特開2002-160089號公報
[專利文獻4]日本國特開2008-161913號公報
[專利文獻5]日本國特開2008-155221號公報
[專利文獻6]日本國專利第4305511號公報
[專利文獻7]日本國專利第2670098號公報
關於高溫用之無鉛焊接材料，除了上述引用文獻以外，雖各式各樣的機關正進行開發，但尚未發現低成本且具通用性之焊接材料。亦即，一般於電子零件或基板中，由於多數使用熱可塑性樹脂或熱硬化性樹脂等之耐熱溫度比較低的材料，故有必要作業溫度未達400℃，期望為370℃以下。然而，於例如專利文獻3所揭示之Bi/Ag硬焊材料金屬，由於液相線溫度高至400~700℃，故推測接合時的作業溫度亦成為400~700℃以上，超過接合之電子零件或基板的耐熱溫度。
而且由於Au-Sn系焊接或Au-Ge系焊接的情況下大量使用非常高價之Au，與通用之Pb系焊接或Sn系焊接等相比較係非常高價，雖被實用化，其使用範圍被限制在液晶裝置、SAW過濾器、且MEMS等特別需要高度信賴性之部位的硬焊接合的使用。
此外，Au系焊接由於非常硬、且難以加工，例如輥軋加工成薄片形狀時非常耗費時間、或必須使用不 易對輥上產生損傷之特殊材質者，耗費成本，沖壓成形時由於Au系焊接之硬且脆的性質，容易產生裂縫或毛邊，與其他焊接相比較產量特別低。加工成線材形狀時亦有類似深刻的問題，由於即使使用壓力非常高的擠出機還是硬，只有擠出速度慢之Pb系焊接的數100分之1左右的生產性。
進而為了解決如此之加工性的不良，雖也努力將Au系焊接進行焊接膏化等，但終而引起產生孔隙或更加導致成本提昇等新的問題。
另外，包含如以上之熔點或加工性或成本等，將解決Au系焊接各式各樣的課題作為目的所開發之專利文獻5~7所示之Au-Sn-Ag系焊接合金中，依然有分別如下述般的課題。
專利文獻5中，係描述提供一種於比較低的熔點易於操作、強度、接著性優異、且便宜之硬焊材料金屬、及壓電元件。進而，如上述，亦描述藉由限定Au、Sn、Ag個別的組成範圍，將Au含量與以往相比較不僅減少，同時得到作為密封材同等之特性。惟，不僅未記載藉由添加Ag，提昇Au-Sn合金的強度或接著性的理由，且亦未記載得到作為密封材同等之特性(可解釋成與Au-Ge合金或Au-Sn合金同等之特性)的理由。
亦即，對於得到與Au-Ge共晶合金或Au-Sn共晶合金同等之特性，例如同等之信賴性之理由完全未記載，發明技術的根據不明。而且藉由以下所述之理由，認 為包含信賴性等，非但未較Au-Ge共晶合金或Au-Sn共晶合金更為優秀，連在專利文獻5所示廣泛組成範圍之全部區域，亦無法得到與Au-Ge共晶合金或Au-Sn共晶合金同等之特性。因此，被認為專利文獻5之技術係無法實施。
以下，針對認為專利文獻5之技術係無法實施的理由進行說明。專利文獻5雖將組成比(Au(重量%)、Ag(重量%)、Sn(重量%))在Au、Ag、Sn之三元組成圖中，藉由點A1(41.8,7.6,50.5)、點A2(62.6,3.4,34.0)、點A3(75.7,3.2,21.1)、點A4(53.6,22.1,24.3)、點A5(30.3,33.2,36.6)所包圍之區域之組成，此區域由於範圍過高，理論上在如此廣大組成範圍的全部區域同樣得到作為目的之特性是不可能的。
例如，點A3與點A5係Au含量相差45.4質量%。如此由於Au含量有巨大差異，於點A3與點A5得到相似的特性是難以想像。若Au、Sn、Ag之組成比不同，則所生成之金屬間化合物不相同，液相線溫度或固相線溫度亦大不相同。最難以氧化之Au含量若相差為45.4質量%則潤濕性當然亦大為改變。若參照顯示Au-Sn-Ag三元系狀態圖之圖1即可清楚，藉由Au、Sn、Ag之各組 成的組合，使Au-Sn-Ag金屬間化合物大為不同。據此，接合時所生成之金屬間化合物的種類或其量亦大為不同，在如專利文獻5所示之廣大組成範圍中，針對加工性與應力緩和性並非可實現相同般優異特性者。
專利文獻6所記載之硬焊材料金屬由於Ag為2~12質量%、Au為40~55質量%，剩餘部分之Sn雖成為33質量~58質量%，如此一來若Sn之含量多，則有進行氧化無法得到充分潤濕性等的可能性。Au-20質量%Sn合金由於實用上沒有問題使用，故Sn若為30數質量%，雖認為可確保良好的潤濕性，但一超過40質量%時，推測良好的潤濕性確保會因情況而困難。又，尤其是於此組成範圍由於不是共晶合金，故結晶粒粗大、或液相線溫度與固相線溫度的差異大，產生接合時溶解分開現象，難以得到充分之接合信賴性。
專利文獻7所記載之硬焊材料金屬，Au的含量即使最大僅為50質量%，Au原料的削減效果非常大。由於Sn的含量亦為40質量%以下(或未達40質量%)，有可確保某種程度潤濕性的可能性。惟，此發明係以使Fe-Ni合金之引線框架不脆化般來進行、或是以適度之硬焊熔燒穩定接合強度般來進行，而且不使引線框架之耐蝕性降低般來進行為目的。
從如此的觀點來看，無法想像專利文獻7所示之硬焊材料金屬，滿足例如藉由熱導致之膨脹收縮之應力緩和等，作為半導體元件之接合用所要求之特性。且尤 其是於此組成範圍由於不是共晶合金，結晶粒粗大、或是液相線溫度與固相線溫度的差異大，產生接合時溶解分開現象，可說難以得到充分之接合信賴性。而且由於是將Fe-Ni合金作為對象之硬焊材料金屬，難以想像生成適合半導體元件之金屬化層或Cu等之接合用基板的合金。即使從如此之觀點來考量，此硬焊材料金屬非常清楚不適合作為與液晶裝置等的接合用。
據此，專利文獻5~7所示之Au-Sn-Ag系焊接合金由於分別有如上述之課題，故不可能成為具有在低成本、加工性、應力緩和性與信賴性的全部特性優異之無鉛高溫用Au-Sn-Ag系焊接合金。
本發明係鑑於該事情而完成者，作為其目的，係提供可充分使用在液晶裝置、SAW過濾器、甚至MEMS等要求非常高信賴性的電子零件或電子零件搭載裝置之接合，除此之外，係低成本，加工性與應力緩和性優異，而且信賴性優異之無鉛高溫用Au-Sn-Ag系焊接合金。
因此，為了達成上述目的，本發明之Au-Sn-Ag系焊接合金，其特徵為含有27.5質量%以上且未達33.0質量%之Sn，含有8.0質量%以上且14.5質量%以下之Ag，剩餘部分除了製造上不可避免所包含之元素以外，係由Au所構成。
又，本發明中，進一步含有Al、Cu、Ge、In、Mg、Ni、Sb、Zn及P之任一種以上，較佳為含有Al時，係含有0.01質量%以上且0.8質量%以下，含有Cu時，係含有0.01質量%以上且1.0質量%以下，含有Ge時，係含有0.01質量%以上且1.0質量%以下，含有In時，係含有0.01質量%以上且1.0質量%以下，含有Mg時，係含有0.01質量%以上且0.5質量%以下，含有Ni時，係含有0.01質量%以上且0.7質量%以下，含有Sb時，係含有0.01質量%以上且0.5質量%以下，含有Zn時，係含有0.01質量%以上且5.0質量%以下，含有P時，係含有0.500質量%以下。
又，本發明中，較佳為含有29.0質量%以上且32.0質量%以下之Sn，含有10.0質量%以上且14.0質量%以下之Ag，剩餘部分除了製造上不可避免所包含之元素以外，係由Au所構成。
又，本發明中，較佳為金屬組織的至少一部分為層狀結構。
又，本發明中，較佳係金屬組織為層狀結構，其比例為90體積%以上。
另外，本發明之電子零件，其特徵為使用上述之Au-Sn-Ag焊接合金來密封。
又，本發明之電子零件搭載裝置，其特徵為搭載有使用上述之Au-Sn-Ag焊接合金來密封之電子零件。
根據本發明，可提供較以往之Au系焊接更便宜之被用在液晶裝置、SAW過濾器、而且MEMS等要求非常高度信賴性之電子零件或電子零件搭載裝置之焊接合金。亦即，本發明的焊接合金可提供，將共晶金屬作為基本，藉此結晶微細化且結晶構造成為層狀結構，加工性優異、而且藉由將Au含量成為最大61質量%，可實現更一層之低成本化，且具有充分之潤濕性、信賴性之Au系焊接。進而藉由使其含有第四元素以上之元素可因應各式各樣的要求。據此，工業上的貢獻度非常高。
1‧‧‧Cu基板
2‧‧‧Ni鍍敷層
3‧‧‧焊接合金
4‧‧‧Si晶片
5‧‧‧密封用容器
[圖1]係在370℃之Au-Sn-Ag三元系狀態圖。
[圖2]係於具有Ni層(鍍敷)之Cu基板上顯示使用各試料之焊接合金來硬焊接合Si晶片之狀態之剪切強度試驗評價用試料的示意圖。
[圖3]係顯示於具有Ni層(鍍敷)之Cu基板上硬焊接合各試料之焊接合金之狀態之潤濕性試驗評價用試料的示意圖。
[圖4]係以各試料之焊接合金密封之密封用容器之剖面示意圖。
以下，對於本發明之Au-Sn-Ag系焊接合金進行詳細說明。本發明的Au-Sn-Ag系焊接合金之組成，其特徵為將含有27.5質量%以上且未達33.0質量%之Sn，含有8.0質量%以上且14.5質量%以下之Ag，剩餘部分除了製造上不可避免所包含之元素以外，係由Au所構成，作為基本組成。
本發明者經重複努力研究的結果，發現將Au與Sn與Ag之三元共晶點(圖1之Ag-Sn-Ag三元系狀態圖的「e1點」)的組成附近作為基本之Au-Sn-Ag系焊接合金，係作為無鉛之Au系焊接尤其是諸特性優異者。亦即，滿足Au與Sn與Ag之三元共晶點附近的組成範圍時，必定與Au-Sn合金相比較為柔軟，故加工性或應力緩和性優異，進而，成為實用上充分具有潤濕性之焊接合金。此外，藉由將高價之Au的一部分以Sn與Ag代替，大幅降低Au含量，能夠顯著降低焊接合金的成本。
進而本發明的焊接合金為了企圖改善更進一層之特性，作為第四個以上之元素，可含有Al、Cu、Ge、In、Mg、Ni、Sb、Zn及P之任1種以上，較佳為含有Al時，係含有0.01質量%以上且0.8質量%以下，含有Cu時，係含有0.01質量%以上且1.0質量%以下，含有Ge時，係含有0.01質量%以上且1.0質量%以下，含有In時，係含有0.01質量%以上且1.0質量%以下，含有Mg時，係含有0.01質量%以上且0.5質量%以下，含有Ni 時，係含有0.01質量%以上且0.7質量%以下，含有Sb時，係含有0.01質量%以上且0.5質量%以下，含有Zn時，係含有0.01質量%以上且5.0質量%以下，含有P時，係含有0.500質量%以下。
本發明的焊接合金藉由將Au-Sn-Ag三元共晶點的組成之Au=57.2質量%、Sn=30.8質量%、Ag=12.0質量%(以at%表示為Au=43.9at%、Sn=39.3at%、Ag=16.8at%)成為基本的組成，固體化在三元共晶點之熔融合金時，成為結晶微細化且結晶構造為層狀結構，加工性、應力緩和性等顯著提昇。又於本發明，由於液相線溫度與固相線溫度的差異基本上並無差異或更小，故亦難以引起溶解分開現象。進而，使其可大量含有Sn、Ag，藉此可減低Au含量，可得到大幅成本削減效果。
進而，藉由使其大量含有反應性高、氧化困難之Ag，可得到良好之潤濕性、接合性。以下，對於本發明的焊接合金所必須之元素進一步詳細說明。
<Au>
Au係本發明之焊接合金的主成分，當然為必須元素。Au由於非常難以氧化，作為要求高度信賴性之電子零件類之接合或密封用之焊接，在特性面最為適合。因此，作為液晶裝置或SAW過濾器之密封用已大量使用Au系焊接，本發明的焊接合金亦將Au作為基本，提供屬於要求如此高信賴性之技術領域的焊接。
惟，Au由於是非常高價的金屬，從成本面來看要儘可能不使用較佳，因此，要求一般水準之信賴性的電子零件幾乎未使用。本發明的焊接合金於所謂潤濕性或接合性的特性面，與Au-20質量%Sn焊接或Au-12.5質量%Ge焊接為同等以上，且提昇柔軟性、加工性，此外減少Au含量以降低成本，成為Au-Sn-Ag系之三元共晶點之組成附近的合金。
<Sn>
Sn係在本發明的焊接必須之元素，成為基本之元素。Au-Sn焊接合金通常以共晶點附近之組成、即Au-20質量%Sn附近之組成使用。藉此，固相線溫度成為280℃，且可得到結晶微細化、相對柔軟性。惟，即使稱為共晶合金，Au-20質量%Sn合金由於係由Au1Sn1金屬間化合物與Au5Sn1金屬間化合物所構成，硬且脆。因此，難以加工，例如藉由輥軋加工成薄片狀時，雖只能一點點地變薄，生產性不佳、或輥軋時破裂而使產量惡化，但金屬間化合物之硬且脆的性質一般而言無法改變。雖屬如此硬且脆之材料，但由於難以氧化且潤濕性、信賴性優異，是被用在高信賴用途。
本發明的焊接合金係由Au1Sn1金屬間化合物與ζ相所構成，且將共晶點附近之組成成為基本。尚，ζ相係Au-Sn-Ag金屬間化合物，其組成的比率以at%為Au：Sn：Ag=30.1：16.1：53.8(參考文獻：Ternary Alloys, A Comprehensive Compendium of Evaluated Constitutional Data and Phase Diagrams, Edited by G. Petzow and Effenberg, VCH)。此ζ相由於係具有相對的柔軟性，且已將共晶點附近作為基本組成來形成層狀結構，故本發明的焊接合金為加工性、應力緩和性等優異。且亦藉由降低熔點，係具有與Au-Ge合金之共晶溫度無大差異之370℃之共晶溫度。作為如此之高溫用焊接合金，具有適當熔點亦為本發明的焊接合金之優點之一。
Sn的含量係27.5質量%以上未達33.0質量%。未達27.0質量%時，除了導致結晶粒變大，無法充分發揮提昇柔軟性、加工性等之效果外，液相線溫度與固相線溫度的差異變過大而導致產生溶解分開現象等。進而，由於Au含量亦容易增多，故成本削減效果亦變得有限。另外，Sn的含量成為33.0質量%以上時，導致從共晶點之組成過度偏離，產生結晶粒的粗大化、液相線溫度與固相線溫度的差異增大的問題。此外，Sn含量變過多，導致易於氧的可能性提高，失去作為Au系焊接特徵之良好的潤濕性，因此，導致難以得到高度接合信賴性。
Sn含量若為29.0質量%以上且32.0質量%以下，將更一層接近共晶點之組成，得到結晶粒微細化效果，且難以產生溶解分開現象等而較佳。
<Ag>
Ag係在本發明的焊接必須之元素，係為了成為三元 共晶之合金所不可缺少的元素。藉由成為Au-Sn-Ag之三元共晶點附近之組成，初次可得到優異柔軟性或加工性、應力緩和性、適合熔點等，且變成可大幅降低Au含量，藉此可實現大幅成本削減。Ag亦具有提昇潤濕性的效果。亦即，Ag可提昇與使用在基板等之最上面之Cu、Ni等反應性良好、潤濕性。當然，不用說與常被使用在半導體元件的接合面之Ag或Au金屬化層的反應性優異。
具有如此優異效果之Ag的含量係8.0質量%以上且14.5質量%以下。未達8.0質量%時導致過度偏離共晶點之組成，液相線溫度變過高、或導致結晶粒粗大化，變難以得到良好的接合。另外，超過14.5質量%時亦使液相線溫度提高、或產生溶解分開現象、結晶粒的粗大化而變成問題。
Ag的含量若為10.0質量%以上且14.0質量%以下，較佳為則進一步接近共晶點之組成，更進一層實現含有Ag之效果。
<Al、Ge、Mg>
Al、Ge、Mg係為了改善或調整在本發明之各種特性可含有之元素，藉由使其含有此等之元素所得之主要效果係相同，可改善潤濕性。
Al係固溶數質量%於Au，僅固溶些許於Sn，固溶數質量%於Ag。如此Al於固體之狀態，雖為少量固溶於Au-Sn-Ag系合金之狀態，於接合時所熔融之狀態， 由於Al較Au、Sn、Ag更易氧化，優先氧化Al而於焊接表面生成薄的氧化膜，藉由抑制母相的氧化進行，來提昇潤濕性。有提昇如此之潤濕性效果之Al的含量為0.01質量%以上且0.8質量%以下。未達0.01質量%時，含量過少，無法實質出現含有Al之效果，超過0.8質量%時，氧化膜變過厚反而導致降低潤濕性。Al的含量若為0.1質量%以上且0.5質量%以下，更顯著出現使其含有的效果故較佳。
Ge生成由Au與固溶體所構成之共晶合金，Sn中幾乎未固溶，與Ag生成由固溶體所構成之共晶合金。Ge由於以未與Sn生成金屬間化合物程度含有不引起焊接合金的脆化故較佳。Ge使潤濕性提昇的機制如以下所述。Ge在比重比較小之熔融焊接中，某種程度浮於焊接表面進行氧化而生成薄的氧化膜抑制母相的氧化進行並使潤濕性提昇。有如此效果之Ge的含量係0.01質量%以上且1.0質量%以下。Ge含量未達0.01質量%時，含量過少無法顯現實質效果，超過1.0質量%時，含量過多，引起焊接合金的脆化或Ge之偏析等，而降低接合性或信賴性。
Mg係與Au生成AuMg3金屬間化合物，Sn中幾乎未固溶生成Mg2Sn金屬間化合物，Ag中進行6質量%左右固溶。使Mg含有的主要效果雖提昇潤濕性，但如此一來由於大量生成金屬間化合物，有變脆的傾向，無法使其含有多量。Mg的提昇潤濕性機制如以下所述。Mg由 於非常容易氧化，藉由使其含有少量，本身氧化而使潤濕性提昇。如前述雖無法使其含有多量，但由於還原性非常強，即使僅使其含有少量亦可發揮效果。Mg的含量為0.01質量%以上且0.5質量%以下。未達0.01質量%時，含量過少，無法顯現實質效果。另外，Mg含量超過0.5質量%時，如上所述，導致生成脆的AuMg3金屬間化合物或Mg2Sn金屬間化合物，使信賴性等極端降低。
<Cu、In、Sb>
Cu、In、Sb係在本發明中為了改善或調整各種特性可含有之元素，藉由使其含有此等之元素所得之主要效果係相同，有抑制焊接中裂縫進展。
Cu係生成Au與AuCu金屬間化合物，Sn或Ag中進行固溶。由於金屬間化合物超過容許範圍而生成或是存在粗大者時導致變脆，亦發生搭載之晶片的傾斜等故一定要避免。惟，適量生成金屬間化合物，且於焊接中微細分散時，提昇焊接之拉伸強度且發揮裂縫抑制效果。即，藉由熱應力等而於焊接中裂縫進展時，分散金屬間化合物時，裂縫的前端撞到金屬間化合物，藉由硬的金屬間化合物停止裂縫進展。此機制例如係Pb-Sn-Ag系焊接之Ag3Sn金屬間化合物的裂縫抑制效果，亦即與提昇信賴性效果基本上為相同機制。發揮如此優異效果之Cu的含量為0.01質量%以上且1.0質量%以下。Cu含量未達0.01質量%時，含量過少，無法發揮效果，超過1.0質量% 時，金屬間化合物發生超過容許量，變硬且脆，而使信賴性等降低。
In係Au中幾乎未固溶，Sn中進行1質量%左右固溶，Ag中進行20數質量%固溶。使In含有於焊接合金中時，藉由固溶強化，適度昇高焊接之拉伸強度使裂縫難以進展。具有如此效果之In的含量為0.01質量%以上且1.0質量%以下。In含量未達0.01質量%時，含量過少，無法顯現效果。超過1.0質量%時，強度提昇過度，降低應力緩和效果，或是於晶片接合體加入熱應力等時，焊接無法緩和應力導致晶片破裂。
Sb生成由Au與Au固溶體與AuSb2所構成之共晶合金，Sn中僅進行些許固溶，Ag中進行7質量%左右固溶。含有Sb的效果係抑制焊接中之裂縫進展，其機制與In相同。亦即，將Sb使其含有由焊接合金中時，藉由固溶強化，適度昇高焊接之拉伸強度使裂縫難以進展。具有如此效果之Sb的含量為0.01質量%以上且0.5質量%以下。Sb含量未達0.01質量%時，含量過少，無法顯現效果。超過0.5質量%時，強度提昇過度，於晶片接合後之冷卻時焊接收縮時，或不敵焊接的硬度而導致晶片破裂。
<Ni>
Ni係在本發明中為了改善或調整各種特性可含有之元素，其效果係藉由結晶微細化來提昇接合信賴性等。Ni 僅有些微固溶於Sn或Ag。且如此在焊接合金稍微含有之Ni，從焊接為熔融狀態經冷卻進行固化時，首先高熔點之Ni分散於焊接中而生成，將該Ni作為核生成結晶。因此，焊接之結晶成為經微細化之構造。如此經微細結晶化之焊接由於提昇拉伸強度，且裂縫以成為基本上沿著粒界的方式進展，使裂縫變得更難以進展，藉此提昇熱循環試驗等之信賴性。發揮如此效果之Ni的含量為0.01質量%以上且0.7質量%以下。Ni含量未達0.01質量%時，含量過少，無法顯現效果，超過0.7質量%時，反而導致結晶粒粗大，而降低信賴性等。
<Zn>
Zn係在本發明中為了改善或調整各種特性可含有之元素，其主要效果為提昇潤濕性、接合性。Zn係於Au固溶約4質量%，與Sn生成固溶體彼此之共晶合金，Ag中固溶20質量%以上。如此固溶於焊接合金或生成共晶合金之Zn並非將硬且脆之金屬間化合物生成於容許範圍以上，因此對機械性特性等不會造成重大影響。然後Zn由於與作為基板主成分之Cu等反應性佳，故提昇潤濕性、接合性。即焊接中之Zn係與Cu等反應，一邊濕潤漫延於基板一邊生成經合金化之強固的合金層。具有如此效果之Zn的含量為0.01質量%以上且5.0質量%以下。Zn含量未達0.01質量%時，含量過少，無法實質出現效果，超過5.0質量%時，引起合金層變過厚氧化或藉由易氧化之 Zn導致焊接表面之氧化膜變過厚而降低潤濕性等。且降低潤濕性時，或無法充分生成合金相或孔隙增多，亦顯著引起接合強度等降低。
<P>
P係在本發明中為了改善或調整各種特性可含有之元素，其效果係提昇潤濕性。使P提昇潤濕性的機制係還原性強，藉由本身進行氧化，抑制焊接合金表面的氧化同時並還原基板面，而提昇潤濕性。一般而言Au系焊接係難以氧化，即使說潤濕性優異，仍無法去除接合面之氧化物。然而，P並非僅去除焊接表面之氧化膜，亦可去除基板等之接合面之氧化膜。藉由去除此焊接表面與接合面之氧化膜的效果，亦可減低藉由氧化膜所形成之孔隙(Void)。藉由此P的效果，更進一步提昇接合性或信賴性等。
尚，P係還原焊接合金或基板成為氧化物時並同時氣化，由於流入氛圍氣體，不殘留於焊接或基板等。因此，P之殘渣不會嚴重影響信賴性等，由此點來看P亦可說是優異元素。本發明的焊接合金含有P時，P的含量較佳為0.500質量%以下。P由於還原性非常強，若含有微量雖得到提昇潤濕性的效果，但超過0.500質量%即使含有亦不怎麼改變提昇潤濕性的效果，過量含有會使P或P氧化物的氣體大量產生，恐有導致提高孔隙率，或P形成脆弱的相進行偏析，且脆化焊接接合部而降低信賴性之 虞。
〔實施例〕
以下，雖列舉具體之實施例進一步詳細說明本發明，但本發明並非藉由此等實施例而被任何限定者。
首先，作為原料分別準備純度99.9質量%以上之Au、Sn、Ag、Al、Cu、Ge、In、Mg、Ni、Sb、Zn及P。對大的薄片或大塊狀之原料，在溶解後之合金注意無藉由取樣地點所致之組成之變異且為均勻的情形下進行切斷、粉碎等，細成3mm以下的大小。其次，加入分別秤量相當於由此等原料之表1之試料1~65的各試料之特定量於高頻熔化爐用石墨坩堝。尚，試料46與試料52為Au-20質量%Sn合金，試料47與試料53為Au-12.5質量%Ge合金。
將加入原料之坩堝放入高頻熔化爐，為了抑制氧化，將氮以每原料1kg0.7L/分鐘以上之流量流動。於此狀態開啟熔化爐之電源，加熱熔融原料。當金屬開始熔融以混合棒充分攪拌，以不引起局部性組成的變異的方式來均勻混合。確認充分熔融後，切掉高頻電源，迅速取出坩堝，將坩堝內之金屬熔液流入焊接母合金之鑄模。鑄模中，係使用可製得用以製造薄片、沖壓品之輥軋用的厚度5mm×寬度42mm×長度260mm之板狀的合金者、與可製得用以製造鋼球之液中霧化用的直徑27mm之圓柱形狀的合金者。
如此進行，除了改變原料之混合比率之外，其他全部藉由相同之方法，製作試料1~65之焊接母合金。針對此等之試料1~65之各焊接母合金，使用ICP發光分光分析器(SHIMAZU S-8100)進行組成分析。將所得之分析結果與母合金之形狀示於下述表1。
其次，針對上述試料1~10、42~47之板狀 的各焊接母合金，藉由使用溫間輥軋機調查加工成薄片狀之裂縫等之發生率，作為第1個加工性之評價。且使用此薄片狀的試料，以沖壓機打孔成0.6mm×0.5mm之長方形狀來製作預形體材料(沖壓品)，藉由調查其沖壓品之合格率，作為第2個加工性之評價。以下，針對試料之加工方法、各評價進行說明，將所得之各評價結果示於表2。
<薄片的製造方法(加工性的評價1)>
將準備的厚度5mm×寬度42mm×長度260mm之板狀母合金試料以溫間輥軋機進行輥軋。輥軋條件在全部的試料都相同。輥軋次數定為5次，輥軋速度定為15~30cm/秒，輥溫度定為260℃，以5次之輥軋輥軋至30.0±1.2μm為止。在輥軋後之各試料，薄片每10m，將未產生裂縫或毛邊的情況記為「○」，將裂縫或毛邊產生1~3個以上的情況記為「△」，將裂縫或毛邊產生4個以上的情況記為「×」，定為第1個加工性的評價。
<沖孔(加工性的評價2)>
將加工成薄片狀之各試料以沖壓機進行打孔，製造沖壓品。形狀定為0.6mm×0.5mm之長方形狀，各試料打孔每1000個來製造。將沖壓品有開裂、剝落、毛邊等的情況記為不良品，成無如此情況之物沖孔成漂亮四角的情況記為良品，將良品數除以沖孔數(1000)乘以100來算出合格率(%)。
其次將上述試料11~41、48~65之圓柱狀的各焊接母合金，藉由下述之方法使用液中霧化裝置加工成鋼球狀。作為此時之液體，使用焊接之氧化抑制效果大的油。且使用所得之鋼球，製作Si晶片與基板的接合體，測定接合體之剪切強度，作為第1個接合性的評價。進而，使用所得之鋼球，製作基板與焊接鋼球之接合體，測定其接合體之孔隙率，作為第2個接合性的評價。進而針對相同進行所製造之接合體，算出濕潤漫延之焊接的長寬比，進行潤濕性的評價。又，針對相同進行所製造之接合體，進行熱循環試驗，觀察熱循環試驗後之接合面，來作為信賴性的評價。進而為了評價焊接合金之密封性，來製作以焊接合金密封之試料，進行洩漏狀態的確認。以下，針對鋼球的製造方法或各種評價進行說明。
<鋼球的製造方法>
將準備之試料11~41、48~65之各母合金(直徑27mm之圓柱狀)投入液中霧化裝置之噴嘴，將此噴嘴設定在加熱至310℃加入油之石英管的上部(高頻熔化線圈之中)。將噴嘴中之母合金藉由高頻加熱至560℃並保持5分鐘後，藉由惰性氣體施加壓力於噴嘴進行霧化，作為鋼球狀之焊接合金。尚，鋼球直徑將設定值定為0.28mm，調整預先噴嘴先端的直徑。所得之各試料鋼球分別進行3次乙醇洗淨，然後，藉由真空乾燥機於真空中45℃下進行2小時的乾燥。
<剪切強度(接合性的評價1)>
為了確認焊接之接合性，關於試料11~41、48~65如圖2所示，使用各焊接試料之焊接合金3，製作Si晶片4與Ni鍍敷2(膜厚：3.0μm)之Cu基板1(板厚：0.3mm)的接合體，將剪切強度藉由「XYZTEC公司製、裝置名：Condor Sigma」測定。接合體係使用固晶機(Die Bonder)(West Bond公司製、MODEL：7327C)進行。首先於裝置之加熱器部分一邊流動氮氣體一邊以成為較各焊接試料之熔點更高40℃之溫度的方式之後，於加熱器部分放置基板加熱15秒，於其上放置焊接試料加熱20秒，進而於經熔融之焊接之上載放晶片磨砂3秒。磨砂終止後，將接合體迅速移動至氮氣體流動之冷卻部分，冷卻至室溫後，取出至大氣中。
<孔隙率的測定(接合性的評價2)>
為了評價接合性，關於試料11~41、48~65，藉由以下之順序，如圖3之示意圖所示之具有Ni鍍敷層2之Cu基板1上製作硬焊接合各試料之焊接合金3之接合體，進行孔隙率的測定。
起動潤濕性試驗機(裝置名：氛圍調控式潤濕性試驗機)，於加熱之加熱器部分進行2層之覆蓋從加熱器部分周圍4點，將氮氣體以12L/分鐘之流量流動。然後，將加熱器設定溫度設定在較熔點更高50℃之溫度進 行加熱。加熱器溫度以設定值穩定之後，將Ni鍍敷(膜厚：3.0μm)之Cu基板(板厚：0.3mm)設定在加熱器部分加熱25秒，其次將鋼球狀之焊接合金3載放在Cu基板上加熱25秒，製作如圖3所示之接合體。結束加熱之後，將Cu基板從加熱器部分取出，於保持其旁邊之氮氛圍的地點暫時進行設置並冷卻，充分冷卻後取出至大氣中。
針對所製作之接合體，將接合焊接合金之Cu基板的孔隙率使用X光透過裝置(東芝股份有限公司製、TOSMICRON-6125)測定。具體而言，將焊接合金與Cu基板之接合面從上部垂直透過X光，使用下述計算式1算出孔隙率。將接合體之孔隙率的測定結果示於表2。
[計算式1]孔隙率(%)=孔隙面積÷(孔隙面積+焊接合金與Cu基板之接合面積)×100
<長寬比的測定(潤濕性的評價)>
為了評價焊接試料的潤濕性，關於試料11~41、48~65，製作與上述之孔隙率的測定時所製作之試料相同的接合體，使用下述計算式2算出長寬比。
[計算式2]長寬比=濕潤漫延焊接的直徑÷焊接的厚度
計算式2中，所謂「濕潤漫延焊接的直徑」係指濕潤漫延焊接之面積假定為圓從焊接面積所算出之 值。所謂「焊接的厚度」係指焊接與基板之接合體從與焊接之濕潤漫延面成為直角之方向來看時，焊接之最大高度(厚度)。亦即，此長寬比越大，焊接則越薄越大地濕潤漫延於基板，而使濕潤漫延變良好。
<熱循環試驗(信賴性的評價)>
為了評價焊接接合之信賴性，關於試料11~41、48~65，進行熱循環試驗。尚，此試驗係使用之接合體來進行，該接合體係以與上述接合性的評價1相同進行所製作之焊接合金將Cu基板與Si晶片接合。首先，對於接合體，將-55℃之冷卻與260℃之加熱作為1循環，將此重複進行特定的循環。然後，將接合焊接合金之Cu基板嵌入樹脂，進行剖面研磨，藉由SEM(日立製作所製S-4800)進行接合面的觀察。於接合面，將剝離或焊接有裂縫的情況記為「×」，將無如此不良的情況，保持初期狀態與相同之接合面的情況記為「○」。
<洩漏狀態的確認(密封性的評價)>
為了確認藉由焊接合金之密封性，關於試料11~41、48~65，將圖4所示形狀之容器4(以陶瓷製於接合面蒸鍍0.1μm之Au)以各試料之焊接合金3密封。密封中使用簡易固晶機(Die Bonder)(West Bond公司製、MODEL：7327C)，於氮流中(8L/分)、較熔點更高50℃之溫度保持30秒，然後，以經氮流之方箱充分冷卻 至室溫，然後，將密封體取出至大氣中。如此進行將準備之各密封體浸漬2小時於水中，然後，從水中取出密封體，進行解體確認洩漏狀態。將經解體之密封體內部滲入水的情況判斷為有洩漏，將密封性的評價評價為「×」。如無此洩漏的評價評價為「○」。將密封性的評價結果示於表2。
由上述表2可清楚明白，本發明的試料1~41之各焊接合金在各評價項目顯示良好的特性。亦即，於對薄片之加工性的評價未產生裂縫等之不良，沖壓品的合格率為99%以上顯示非常高的合格率。進而於剪切強度的測定，可確認經測定之全部試料為晶片破斷且強固接合。進而，作為潤濕性的評價之長寬比的測定，於經測定之全部試料為5.4以上，顯示高的值。進而，於作為接合性的評價之孔隙率的測定，幾乎未產生孔隙。進而，於密封性的評價完全未產生洩漏。進而，於作為信賴性的評價之熱循環試驗，關於全部的試料，至500循環為止未產生不良。如此得到良好結果的理由，係因為試料1~41之各焊接合金可滿足作為Au與Sn與Ag之三元共晶點附之本發明的組成範圍。尚，針對本發明之試料1~41，填補樹脂實施剖面研磨，藉由SEM進行剖面觀察的結果，確認金屬組織為90體積%以上層狀結構。
此外，於剪切試驗，可確認在進行試驗的全部試料變成晶片破斷，可非常強固接合。又，含有Al之試料21、22、含有Ge之試料25、26、含有Mg之試料29、30、含有P之試料37、38顯示長寬比為6.0以上良好之濕潤漫延性。如顯示如此良好的結果，可確認本發明的焊接合金係擁有到目前為止之無Pb焊接所未能實現之熔點的同時諸特性優異。
另外，比較例之試料42~65之各焊接合金成為在至少任一種之特性不佳的結果。亦即，於薄片加工性 的評價，產生裂縫等之試料多，作為加工性的評價之沖壓品的合格率即使高僅有89%。進而，於剪切強度的測定，幾乎全部的試料為50MPa左右。進而，於作為潤濕性的評價之長寬比的測定，係4.0以下較低的值。進而，針對孔隙率，有0.7~11%左右產生相當比例的孔隙。且於作為信賴性的評價之熱循環試驗，關於除了試料52、53以外之全部試料至300循環為止皆產生不良。即使在密封性的評價，關於除了試料52、53以外之全部試料皆產生洩漏不良。
進而，本發明的焊接合金係Au含量為64.5質量%以下，現在，較已實用化之80質量%Au-20質量%合金或87.5質量%Au-12.5質量%Ge合金，Au含量亦相當少，實現低成本化。
如以上所述，本發明的焊接合金由於各種特性優異、低成本，與Au-Ge合金等相比較熔點低，故具有非常易於使用，且可安全製造之特徵。

Claims (7)

  1. 一種Au-Sn-Ag系焊接合金，其特徵為含有27.5質量%以上且未達33.0質量%之Sn，含有8.0質量%以上且14.5質量%以下之Ag，剩餘部分除了製造上不可避免所包含之元素以外，係由Au所構成。
  2. 如請求項1之Au-Sn-Ag系焊接合金，其係進一步含有Al、Cu、Ge、In、Mg、Ni、Sb、Zn及P之任一種以上，含有Al時，係含有0.01質量%以上且0.8質量%以下，含有Cu時，係含有0.01質量%以上且1.0質量%以下，含有Ge時，係含有0.01質量%以上且1.0質量%以下，含有In時，係含有0.01質量%以上且1.0質量%以下，含有Mg時，係含有0.01質量%以上且0.5質量%以下，含有Ni時，係含有0.01質量%以上且0.7質量%以下，含有Sb時，係含有0.01質量%以上且0.5質量%以下，含有Zn時，係含有0.01質量%以上且5.0質量%以下，含有P時，係含有0.500質量%以下。
  3. 如請求項1或2之Au-Sn-Ag系焊接合金，其中，含有29.0質量%以上且32.0質量%以下之Sn，含有10.0質量%以上且14.0質量%以下之Ag。
  4. 如請求項1~3中任一項之Au-Sn-Ag系焊接合金，其中，金屬組織的至少一部分為層狀結構。
  5. 如請求項1~4中任一項之Au-Sn-Ag系焊接合金，其中，金屬組織為層狀結構，其比例為90體積%以上。
  6. 一種電子零件，其特徵為使用如請求項1~5中任一項之Au-Sn-Ag系焊接合金而密封。
  7. 一種電子零件搭載裝置，其特徵為搭載有如請求項6之電子零件。
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