TW201629237A - Ａｕ－Ｓｎ合金焊膏、Ａｕ－Ｓｎ合金焊料層之製造方法及Ａｕ－Ｓｎ合金焊料層 - Google Patents
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Abstract
本發明之Au-Sn合金焊膏，其係由包含Sn：38質量%以上且54質量%以下，殘餘為Au及不可避免雜質而成之Au-Sn霧化粉末、與和Au-Sn霧化粉末混合之助焊劑，將Au-Sn霧化粉末所包含之氧濃度定為50ppm以上且1500ppm以下。
Description
本發明係關於Au-Sn合金焊膏、Au-Sn合金焊料層之製造方法、及Au-Sn合金焊料層。
本案係根據2014年11月19日，日本所申請之日本特願2014-234795號來主張優先權，並將其內容援用於此。
專利文獻1之先前技術中，揭示有作為Au-Sn合金焊接，包含熔點成為278℃之Au-20質量%Sn之Au-20質量%Sn合金焊膏、或包含熔點成為217℃之Au-90質量%Sn之Au-90質量%Sn合金焊膏。
上述焊膏當中，熔點高之Au-20質量%Sn合金焊膏，例如被使用在高溫環境下。
[專利文獻1]日本特開2011-167761號公報
然而，近年來，作為於高溫環境下使用之電子零件所使用之Au-Sn合金焊接，期望可於300℃以上高之溫度環境下使用者。例如，在用在電動車等之電力調控用功率半導體中，因為施加大電流故發熱量多，進而由於在機房等之高溫環境下使用，期望可於如上述般高之溫度環境下使用之焊接。
然而，以往之高熔點焊接之Au-20質量%Sn合金焊接的熔點由於為278℃，故於300℃以上高之溫度環境下使用有困難。
又，形成Au-20質量%Sn合金焊接時所使用之Au-20質量%Sn合金焊膏，由於Au之比率高至80質量%，故有導致增加成本的問題。
因此，本發明係以提供一種可於300℃以上高之溫度環境下使用，且可減低成本之Au-Sn合金焊膏、Au-Sn合金焊膏之製造方法、Au-Sn合金焊料層之製造方法、及Au-Sn合金焊料層作為目的。
為了解決上述課題，根據本發明之一觀點，
提供一種Au-Sn合金焊膏，其特徵為由包含Sn：38質量%以上且54質量%以下，殘餘為Au及不可避免雜質而成之Au-Sn霧化粉末、與和前述Au-Sn霧化粉末混合之助焊劑，前述Au-Sn霧化粉末所包含之氧濃度為50ppm以上且1500ppm以下。
根據前述Au-Sn合金焊膏，由於包含由Sn：38質量%以上且54質量%以下，殘餘為Au及不可避免雜質而成之Au-Sn霧化粉末，故可將Au-Sn合金焊接的熔點成為較300℃更高之高溫。
藉此，可將使用上述Au-Sn合金焊膏所形成之Au-Sn合金焊料層，於300℃以上高之溫度環境下使用。
又，與以往之高熔點焊接即Au-20質量%Sn合金焊接之Au比率相比較，使得將高價Au之比率減低至46質量%以上且62質量%以下為止變為可能。藉此，與Au-20質量%Sn合金焊膏相比較，可減低Au-Sn合金焊膏之成本。
然而，製作Au-Sn霧化粉末時，提高Au-Sn霧化粉末中之Sn濃度時，粉末彼此易凝聚，有分級後之Au-Sn霧化粉末的良率降低之虞。
於金屬表面未氧化之狀態，由於表面之活性非常高，且變不穩定，藉由粉末彼此凝聚，欲成為穩定之狀態。
因此，如上述，由於藉由將Au-Sn霧化粉末所包含之氧濃度成為50ppm以上，抑制Au-Sn霧化粉末之凝聚，可使分級後之Au-Sn霧化粉末的良率提昇。又，由於為
1500ppm以下，與助焊劑混合時，對熔融性沒有不良影響。
在上述Au-Sn合金焊膏中，前述Au-Sn霧化粉末之平均粒徑可為1~30μm的範圍內。
Au-Sn霧化粉末之平均粒徑較1μm更小時，將Au-Sn合金焊膏於印刷後進行回焊處理時，有Au-Sn霧化粉末難以熔融之虞。
另一方面，Au-Sn霧化粉末之平均粒徑較30μm更大時，有Au-Sn合金焊膏之印刷適性惡化，同時分離助焊劑與Au-Sn霧化粉末之虞。
據此，藉由將Au-Sn霧化粉末之平均粒徑定為1~30μm的範圍內，可抑制助焊劑與Au-Sn霧化粉末的分離，同時可抑制Au-Sn合金焊膏之印刷適性的降低，進而，可於回焊處理時使Au-Sn霧化粉末更易熔融。
在上述Au-Sn合金焊膏中，前述助焊劑的含量可為前述膏全體之5質量%以上且40質量%以下。
助焊劑的含量(將Au-Sn合金焊膏的總量定為100質量%時之助焊劑的含量)較5質量%更少時，由於過度提高Au-Sn合金焊膏的黏度，使用印刷法印刷Au-Sn合金焊膏有變困難之虞。
另一方面，助焊劑的含量超過40質量%時，有於Au-Sn合金焊膏之印刷時易發生印刷下陷，同時於回焊處理時發生Au-Sn霧化粉末之凝聚不足之虞。
據此，藉由將混合粉末及助焊劑的含量定為
上述數值範圍內，除了抑制印刷下陷之發生、以及Au-Sn霧化粉末之凝聚不足的發生之外，可輕易印刷Au-Sn合金焊膏。
為了解決上述課題，根據本發明之其他觀點，提供一種Au-Sn合金焊料層之製造方法，其特徵為使前述Au-Sn合金焊膏，於構成該Au-Sn合金焊膏之Au-Sn合金的固相線與液相線之間的溫度熔融。
根據前述Au-Sn合金焊料層之製造方法，藉由使Au-Sn合金焊膏於構成該Au-Sn合金焊膏之Au-Sn合金固相線與液相線之間的溫度熔融，由於Au-Sn合金焊料層以309℃以上之溫度熔融，故可於300℃以上高之溫度環境下使用。
又，與以往之高熔點焊接即Au-20質量%Sn合金焊接之Au比率相比較，使得將高價Au之比率減低至46質量%以上且62質量%以下為止變為可能。藉此，與Au-20質量%Sn合金焊膏相比較，可減低Au-Sn合金焊膏之成本。
為了解決上述課題，根據本發明之另一觀點，提供一種Au-Sn合金焊料層，其特徵為藉由前述Au-Sn合金焊料層之製造方法所獲得。
根據本發明，由於Au-Sn合金焊料層以309℃以上之溫度熔融，故可將Au-Sn合金焊料層於300℃以上高之溫度環境下使用。
根據本發明，可得到可於300℃以上高之溫度環境下使用之Au-Sn合金焊料層，且可減低Au-Sn合金焊料層之成本。
[圖1]係Au-Sn合金之狀態圖。
以下，參照圖面，針對適用本發明之實施形態進行詳細說明。
本實施形態之Au-Sn合金焊膏係包含由Sn：38質量%以上且54質量%以下，殘餘為Au及不可避免雜質而成之Au-Sn霧化粉末、與和Au-Sn霧化粉末混合之助焊劑，Au-Sn霧化粉末所包含之氧濃度成為50ppm以上且1500ppm以下。前述Sn的含量，較佳為45質量%以上且53質量%以下，前述Au-Sn霧化粉末所包含之氧濃度，較佳為100ppm以上且500ppm以下，但並非被限定於此。
上述Au-Sn霧化粉末之平均粒徑，例如可設定在1~30μm的範圍內。
又，上述助焊劑的含量，例如可成為膏全體之5質量%以上且45質量%以下。
作為助焊劑，例如可使用一般之助焊劑(例如包含松香、活性劑、溶劑、增黏劑等之助焊劑)。作為助焊劑，從Au-Sn合金焊膏之潤濕性觀點來看，例如使用弱活性(RMA)型之助焊劑或活性(RA)型之助焊劑等即可。前述Au-Sn霧化粉末之平均粒徑較佳為5~20μm，前述助焊劑的含量，較佳為膏全體之7質量%以上且25質量%以下，但並非被限定於此。
其次，簡單說明Au-Sn合金焊膏之製造方法。
首先，準備由Sn：38質量%以上且54質量%以下，殘餘為Au及不可避免雜質而成之Au-Sn合金，藉由溶解該Au-Sn合金製作熔液。
其次，將該熔液之溫度保持在特定溫度(例如600~1000℃)，同時機械攪拌該熔液。
Au-Sn霧化粉末，例如可藉由氣體霧化法形成。具體而言，例如熔融成為特定組成(Sn：38質量%以上且54質量%以下，殘餘為Au及不可避免雜質的範圍內之特定組成)之Au-Sn合金而得之熔液保持在特定溫度(例如550~1000℃)。其次，攪拌(例如機械攪拌)該熔液、或是於攪拌後，藉由加壓(例如壓力為300~800kPa)該熔液，並且從小徑噴嘴(直徑1~2mm)使用惰性氣體進行噴霧來形成。
作為上述噴霧之條件，例如可將噴霧壓力定為5000
~8000kPa，噴嘴間隙定為0.3以下。
其次，藉由分級該Au-Sn霧化粉末，而成為上述之平均粒徑，製作由Sn：38質量%以上且54質量%以下，殘餘為Au及不可避免雜質而成之Au-Sn霧化粉末。
作為上述機械攪拌，例如較佳為螺旋槳攪拌。又，可併用機械攪拌、與如電磁攪拌之電氣性攪拌。
作為機械攪拌使用螺旋槳攪拌時，螺旋槳之旋轉速度，例如可成為60~100rpm。此情況之攪拌時間，例如可於3分鐘~10分鐘的範圍內適當選擇。
於製作上述Au-Sn霧化粉末之步驟，例如使用添加氧於上述惰性氣體之氣體，製作成為上述之組成及平均粒徑之Au-Sn霧化粉末即可。
針對氣體霧化時之惰性氣體及氧的混合比，所得粉末之氧濃度以未超過1500ppm的方式進行調節。由惰性氣體及氧而成之氣體所包含之氧的濃度，例如可成為10~100ppm。在氣體中之氧的濃度較10ppm更少時，由於充分得到使構成Au-Sn霧化粉末之Sn氧化的效果變困難，Au-Sn霧化粉末中之氧變成未滿50ppm，充分得到抑制Au-Sn霧化粉末之凝聚的效果變得困難。
另一方面，氣體所包含之氧的濃度較100ppm更多時，粉末中之氧超過1500ppm，有熔融性降低之虞。
尚，使用相同氧濃度之氣體的情況下，製作粒徑大之粉末時，由於粉末之比表面積小，必然降低粉末中之氧濃
度。另一方面，製作粒徑小之粉末的情況下，由於比表面積增大，故氧濃度提高。因此，因應作為目標之粉末的粒徑與氧濃度，有必要調整氣體中之氧濃度。
其次，藉由混合成為上述之平均粒徑及組成之Au-Sn霧化粉末、與助焊劑，製造Au-Sn合金焊膏。作為此時之混合方法，例如可使用遊星攪拌法。
圖1係Au-Sn合金之狀態圖。
Au-Sn合金焊料層係藉由印刷法，印刷上述之Au-Sn合金焊膏後，藉由以構成該Au-Sn合金焊膏之Au-Sn合金的固相線與液相線之間的溫度進行回焊所得之由Sn：38質量%以上且54質量%以下，殘餘為Au及不可避免雜質而成之Au-Sn合金焊料層。前述Au-Sn合金之回焊(熔融)溫度較佳雖為310~440℃，但並非被限定於此。
參照圖1，Au-Sn合金所包含之Sn較20質量%更多，且較38質量%更少時，固相線之溫度成為278℃。又，Au-Sn合金所包含之Sn較54質量%更多，且較70質量%更少時，固相線之溫度成為252℃。而且Au-Sn合金所包含之Sn成為38質量%以上且54質量%以下時，固相線之溫度成為較278℃更高之309℃。
亦即藉由將Au-Sn合金焊料層之組成定為Sn：38質量%以上且54質量%以下，殘餘為Au及不可避免雜質，可將熔融Au-Sn合金焊料層之固相線的溫度定為300℃以
上。
在上述Au-Sn合金焊膏中，助焊劑的含量(將Au-Sn合金焊膏的總量定為100質量%時之助焊劑的比率)較5質量%更少時，由於Au-Sn合金焊膏的黏度過高，使用印刷法印刷Au-Sn合金焊膏有變困難之虞。
另一方面，助焊劑的含量超過40質量%時，有於Au-Sn合金焊膏之印刷時易發生印刷下陷，同時發生Au-Sn霧化粉末之凝聚不足之虞。
據此，藉由將Au-Sn霧化粉末及助焊劑的含量定為上述數值範圍內，除了抑制印刷下陷之發生、以及Au-Sn霧化粉末之凝聚不足的發生之外，可輕易印刷Au-Sn合金焊膏。
在上述Au-Sn合金焊膏中，Au-Sn霧化粉末之平均粒徑較0.1μm更小時，有將Au-Sn合金焊膏於印刷後進行回焊(熔融)處理時，變成難以熔融Au-Sn霧化粉末之虞。
另一方面，Au-Sn霧化粉末之平均粒徑較30μm更大時，有Au-Sn合金焊膏之印刷適性惡化，同時分離助焊劑與Au-Sn霧化粉末之虞。
據此，藉由將Au-Sn霧化粉末之平均粒徑定為0.1~30μm的範圍內，可抑制助焊劑與Au-Sn霧化粉末的分離，同時可抑制Au-Sn合金焊膏之印刷適性的降低，進而可於回焊處理時易使Au-Sn霧化粉末熔融。
根據本實施形態之Au-Sn合金焊膏、Au-Sn
合金焊料層之製造方法、及Au-Sn合金焊料層，Au-Sn合金焊膏藉由包含由Sn：38質量%以上且54質量%以下，殘餘為Au及不可避免雜質而成之Au-Sn霧化粉末，使得將Au-Sn合金焊接的熔點成為較300℃更高之高溫變為可能。
藉此，可將使用上述Au-Sn合金焊膏所形成之Au-Sn合金焊料層於300℃以上高之溫度環境下使用。
又，與以往之高熔點焊接即Au-20質量%Sn合金焊接之Au比率相比較，使得將高價Au之比率減低至46質量%以上且62質量%以下為止變為可能。藉此，與Au-20質量%Sn合金焊膏相比較，可減低Au-Sn合金焊膏之成本。
以上，雖針對本發明之較佳實施形態進行詳述，但本發明並非被限定在該特定之實施形態者，在申請專利範圍內所記載之本發明要旨的範圍內，各種變形．變更為可能。
例如，本實施形態中，作為Au-Sn合金焊膏之塗佈方法之一例，雖將印刷工法舉例進行說明，但亦可取代印刷工法，使用配制(Dispense)工法或針轉印工法。
又，於本實施形態，作為一例，將於通常之惰性氣體環境下進行回焊處理的情況列舉例進行說明。此情況下，回焊溫度過於高溫時，在回焊處理後進行之助焊劑的洗淨步驟中，有助焊劑之洗淨性惡化之虞。
又，於通常之惰性氣體環境下進行回焊處理的情況
下，將回焊溫度成為固相線溫度以下之溫度時，使Au-Sn霧化粉末熔融變困難。
藉由此等之理由，於本實施形態，將回焊溫度成為309℃以上的情況列舉例說明。
然而，可於真空中進行回焊處理之真空回焊裝置等之裝置具有可高溫對應之爐的情況下，可用較通常之Au-Sn合金組成之液相線溫度更高20~30℃之溫度進行回焊處理。
以下，雖針對實施例及比較例進行說明，但本發明並非被限定於下述實施例。
以表1所示之條件，由上述之手法，製作實施例1~12之Au-Sn合金焊膏P1~P12、及比較例1~4之Au-Sn合金焊膏Q1~Q4。
具體而言，使用下述方法，製作Au-Sn合金焊膏P1~P12，Q1~Q4。
首先，準備表1所示之組成Au-Sn合金，藉由使該Au-Sn合金溶解，製作熔液，將該熔液之溫度保持在800℃，同時機械攪拌該熔液。
其次，將經機械攪拌狀態之熔液以500kPa進行加壓，並且以噴射壓力為6000kPa之條件，從直徑為1.5mm之小徑噴嘴導出該熔液。而且對於經導出之熔液，藉由噴射由氬及氧所成之氣體，製作Au-Sn霧化粉末。此時，噴嘴間隙成為0.2mm。
然後，藉由風力分級該Au-Sn霧化粉末，製作成為表1所示之平均粒徑及組成，且殘餘為由Au及不可避免雜質而成之Au-Sn霧化粉末。
其次，藉由將成為上述之平均粒徑及組成之Au-Sn霧化粉末、與RA型之助焊劑以成為表1所示之助焊劑比率的方式進行混合，製作Au-Sn合金焊膏P1~P12,Q1~Q4。作為此時之混合方法係使用遊星攪拌法。
藉由惰性氣體融解-紅外線吸收法，測定所得之Au-Sn霧化粉末中之氧濃度。具體而言，以5000W之電力溶解樣品，分析於該時所發生之氣體量。
分級後之良率係相對於投入之Au-Sn霧化粉末的量，以分級後所得之Au-Sn霧化粉末的量之比例算出。
藉由雷射繞射法，測定所得之Au-Sn霧化粉末之平均粒徑。
藉由DSC(示差掃描熱量測定計)，測定補外起始溫度，將此溫度定為熔融起始溫度。
首先，藉由電解鍍敷法，藉由於科伐合金製板(長度30mm×寬度20mm)的表面，依厚度5μm之鍍鎳層、與厚度0.1μm之鍍金層順序形成，製作評估用基板。
其次，為了形成包裝尺寸1610(長度1.6mm×寬度1.0mm)之Au-Sn合金焊接框，成為寬度60μm之框狀貫通溝槽設置100個，且準備厚度成為15μm之印刷用模板遮罩(Stencil mask)。
其次，於評估用基板上，使用印刷用模板遮罩印刷Au-Sn合金膏。其次，從評估用基板去除印刷用模板遮罩。
然後，使用光學顯微鏡，觀察成為評估用基板所形成之100個框狀之Au-Sn合金焊膏(以下稱為「框狀焊
膏」)。將成為與印刷用模板遮罩之框狀貫通溝槽相同形狀之框狀焊膏的數量為90個以上的情況判定為A，80個以上且未滿90個的情況判定為B。
尚，所謂成為與框狀貫通溝槽相同形狀之框狀焊膏，係指框狀焊膏的框不被打斷，且框狀焊膏的框無缺陷之框狀焊膏。
使用印刷適性之評估試驗所使用之評估用基板(具體而言，去除印刷用模板遮罩，且形成100個框狀焊膏之評估用基板)，由下述手法進行。
首先，在氮環境下，藉由加熱形成100個框狀焊膏之評估用基板，回焊處理框狀焊膏，以製作焊料層。
此時，將峰值溫度定為320℃，將回焊處理時間定為3分鐘。
然後，使用上述之光學顯微鏡，觀察經回焊處理之100個框狀焊膏，有熔化殘留之框狀焊膏的數量為2個以下的情況判定為A，有熔化殘留之框狀焊膏的數量為3個以上且5個以下的情況判定為B，有熔化殘留之框狀焊膏的數量較5個更多的情況判定為C。此時，有未凝聚粉的情況判定為有熔化殘留。
參照表1，可確認出為了將框狀焊膏之熔融溫度成為
300℃以上，必須是霧化粉末所包含之Sn較37%更多，且較55%更少。
又，於實施例1~13，可確認出印刷適性及熔融性雙方之評估結果成為B或A。
霧化粉末中之氧濃度為50~1500ppm的範圍內，可確認出熔融性之結果成為B或A，超過1500ppm時，熔融性惡化(成為C之評估)(比較例4)。
霧化粉末中之氧濃度成為47ppm時，可確認出分級後之霧化粉末的良率變成較80%更低(比較例3)。尚，實施例1~12中，成為分級後之霧化粉末的良率為80%的良好結果。
霧化粉末之平均粒徑較1μm更小時，與平均粒徑為1μm以上的情況相比較，可確認出熔融性稍微降低(實施例4)。又，平均粒徑超過30μm時，降低印刷適性(實施例7)。助焊劑之比率較5wt%更少時，可確認出印刷適性及熔融性之評估結果成為B(實施例8)。又，即使在助焊劑之比率較40wt%更多的情況下，可確認出印刷適性及熔融性之評估結果成為B(實施例11、12)。
根據本發明之Au-Sn合金焊膏，可得到可於300℃以上高之溫度環境下使用之Au-Sn合金焊料層，且可減低Au-Sn合金焊料層之成本。因此，前述Au-Sn合金
焊膏可於電動車等所用之電力調控用之功率半導體、或機房等之高溫度環境下使用。
Claims (5)
- 一種Au-Sn合金焊膏，其係包含由Sn：38質量%以上且54質量%以下，殘餘為Au及不可避免雜質而成之Au-Sn霧化粉末、與和前述Au-Sn霧化粉末混合之助焊劑，前述Au-Sn霧化粉末所包含之氧濃度為50ppm以上且1500ppm以下。
- 如請求項1之Au-Sn合金焊膏，其中，前述Au-Sn霧化粉末之平均粒徑為1~30μm的範圍內。
- 如請求項1或請求項2之Au-Sn合金焊膏，其中，前述助焊劑的含量為前述膏全體之5質量%以上且40質量%以下。
- 一種Au-Sn合金焊料層之製造方法，其係將如請求項1~請求項3中任一項之Au-Sn合金焊膏，以構成該Au-Sn合金焊膏之Au-Sn合金的固相線與液相線之間的溫度使其熔融。
- 一種Au-Sn合金焊料層，其係藉由如請求項4之Au-Sn合金焊料層之製造方法所獲得。
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