WO2019117041A1 - ソルダペースト、接合構造体及び接合構造体の製造方法 - Google Patents

Abstract

ソルダペーストは、第１金属粒子及び第２金属粒子からなる混合フィラーと、フラックスとを含み、前記第１金属粒子が、Ｃｕ：５０～８０質量％と、Ａｇ：５～１５質量％と、Ｂｉ：２～１０質量％と、Ｉｎ：２～１０質量％と、残部：Ｓｎ及び不純物とを含む合金からなり、前記第２金属粒子が、Ｓｎを必須成分とする融点２６０℃以下の鉛フリーはんだ合金からなり、前記混合フィラー中の前記第１金属粒子の含有量が、５．０質量％以上、１４．５質量％以下である。

Description

ソルダペースト、接合構造体及び接合構造体の製造方法 関連出願の相互参照

　本願は、日本国特願２０１７－２３６９６４号の優先権を主張し、引用によって本願明細書の記載に組み込まれる。

　本発明は、ソルダペースト、接合構造体及び接合構造体の製造方法に関する。

　電子部品等の接合部品が基板に接合された接合構造体を製造する方法としては、例えば、はんだ合金とフラックスとを含むソルダペーストを基板表面の電極部に塗布し、その後、接合部品の電極部を前記基板表面の電極部に接触させて加熱する方法が知られている。当該方法により、ソルダペーストを用いて形成された接合部を介して、基板と接合部品とが接合される。

　近年、ソルダペーストに含まれるはんだ合金としては、環境への配慮から、鉛を含まない鉛フリーはんだ合金を用いることが要望されている。例えば、特許文献１では、鉛フリーはんだ合金として、Ｓｎ又はＳｎ合金からなるＳｎ系の金属粒子と、Ｃｕ又はＣｕ合金からなるＣｕ系の金属粒子とが混合された金属フィラーを用いることが記載されている。

　特許文献１に記載の金属フィラーが加熱されると、まず、Ｃｕよりも融点の低いＳｎが溶融し、該溶融したＳｎがＣｕ系の金属粒子表面のＣｕと反応する。これにより、Ｃｕ系金属粒子の表面にＣｕ－Ｓｎ合金の層が形成され、前記Ｃｕ－Ｓｎ合金の層がＣｕ系金属粒子同士を連結する。このようにして、はんだ接合部が形成される。

　さらに、Ｃｕ－Ｓｎ合金は、Ｓｎよりも融点が高い金属であるため、前記はんだ接合部を再度加熱した場合でも、該はんだ接合部が溶融しにくくなる。例えば、部品内蔵基板のように、内部にはんだ接合部を有する電子部品をコア基板に実装する場合、内部のはんだ接合部は再度加熱されることになる。このような場合でも、Ｃｕ－Ｓｎ合金は再溶融しにくい。よって、前記金属フィラーをはんだ合金として用いることで、接合部品のズレが小さくなり、その結果、電気的な接合信頼性を損なうことが少ない接合構造体が得られる。

日本国特開２０１０－１４９１８５号公報

　しかしながら、融点が異なる金属粒子が混合された金属フィラーを用いたはんだ合金は、ボイドが発生しやすいという問題がある。より具体的には、このような金属フィラーを用いたはんだ合金では、加熱時、該はんだ合金に含まれるフラックス等の揮発成分によってガスが発生する。そして、このガスは、溶融したＳｎ系金属中で気泡として存在する。一方、前記はんだ合金において、Ｃｕ系の金属粒子は溶融しにくく、粒子として存在する。そのため、前記ガスは、Ｃｕ系の金属粒子周囲に付着して溜まりやすくなり、溶融したＳｎ系金属中から抜けにくくなる。よって、はんだ合金が冷却されて接合部が形成されると、前記ガスが存在する部分がボイドとして前記接合部に残存する。ボイドが前記接合部中に多く存在すると、基板と接合部品との接触面積が減少することにより電気抵抗が増加し、発熱の原因等になるため、好ましくない。

　本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、ボイドの発生が少なく、かつ、再加熱しても接合部品のズレが発生しにくい接合部を形成することができるソルダペースト、接合構造体及び接合構造体の製造方法を提供することを課題とする。

　本発明に係るソルダペーストは、第１金属粒子及び第２金属粒子からなる混合フィラーと、フラックスとを含み、前記第１金属粒子が、Ｃｕ：５０～８０質量％と、Ａｇ：５～１５質量％と、Ｂｉ：２～１０質量％と、Ｉｎ：２～１０質量％と、残部：Ｓｎ及び不純物とを含む合金からなり、前記第２金属粒子が、Ｓｎを必須成分とする融点２６０℃以下の鉛フリーはんだ合金からなり、前記混合フィラー中の前記第１金属粒子の含有量が、５．０質量％以上、１４．５質量％以下である。

　本発明に係るソルダペーストは、前記第２金属粒子が、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｉｎ及びＢｉから選択される１種以上の金属元素を含むことが好ましい。

　本発明に係るソルダペーストは、前記第１金属粒子及び前記第２金属粒子の平均粒径が、それぞれ１μｍ以上、３５μｍ以下であることが好ましい。

　本発明に係る接合構造体は、本発明に係るソルダペーストを用いて形成された接合部を有し、前記接合部中の前記第１金属粒子の含有量が、５．０質量％以上、３０．０質量％以下である。

　本発明に係る接合構造体の製造方法は、本発明に係るソルダペーストを基板の表面に塗布した後、前記基板を加熱して前記ソルダペーストを溶融させ、さらに、前記基板を冷却することにより、接合部品を前記基板に接合する。

　斯かる構成により、ボイドの発生が少なく、かつ、再加熱しても接合部品のズレが発生しにくい接合部を有する接合構造体が得られる。

　以下、本発明の実施形態に係るソルダペースト、接合構造体及び接合構造体の製造方法について説明する。

　＜ソルダペースト＞
　本実施形態に係るソルダペーストにおいて、第１金属粒子は、Ｃｕ：５０～８０質量％と、Ａｇ：５～１５質量％と、Ｂｉ：２～１０質量％と、Ｉｎ：２～１０質量％と、残部：Ｓｎ及び不純物とを含む合金からなる。ここで、不純物とは、製造過程において不可避的に混入する成分であって、本発明の効果に影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。

　混合フィラー中の前記第１金属粒子の含有量は、５．０質量％以上、１４．５質量％以下である。また、前記第１金属粒子の含有量は、６．０質量％以上であることが好ましく、１４．０質量％以下であることが好ましく、９．０％以下であることがより好ましい。

　本実施形態に係るソルダペーストにおいて、第２金属粒子は、Ｓｎを必須成分とする融点２６０℃以下の鉛フリーはんだ合金からなる。前記第２金属粒子中のＳｎの含有量は、４０質量％以上であることが好ましく、９０質量％以上であることがより好ましい。前記第２金属粒子中のＳｎの含有量の上限値は、特に限定されるものではなく、１００質量％であってもよい。

　前記第２金属粒子は、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｉｎ及びＢｉから選択される１種以上の金属元素を含むことが好ましい。このような第２金属粒子としては、例えば、Ｓｎ／Ａｇ、Ｓｎ／Ａｇ／Ｃｕ、Ｓｎ／Ｃｕ、Ｓｎ／Ａｇ／Ｂｉ、Ｓｎ／Ｂｉ、Ｓｎ／Ａｇ／Ｃｕ／Ｂｉ、Ｓｎ／Ｓｂ、Ｓｎ／Ａｇ／Ｓｂ、Ｓｎ／Ｓｂ／Ｃｕ、Ｓｎ／Ａｇ／Ｂｉ／Ｉｎ、Ｓｎ／Ａｇ／Ｃｕ／Ｂｉ／Ｉｎ／Ｓｂ等の合金が挙げられる。

　本実施形態に係るソルダペーストにおいて、前記第１金属粒子及び前記第２金属粒子の平均粒径は、それぞれ１μｍ以上、３５μｍ以下であることが好ましい。斯かる構成により、０６０３抵抗素子（長さ０．６ｍｍ、幅０．３ｍｍ）等の微小部品の接合に対応する微小パターンであっても、印刷を実現することができる。なお、前記第１金属粒子及び前記第２金属粒子の平均粒径とは、レーザー回折式粒度分布測定装置を用いて測定されるメジアン粒径（以下、「平均粒径Ｄ５０」とも記す）をいう。

　本実施形態に係るソルダペーストは、前記第１金属粒子及び前記第２金属粒子からなる混合フィラーと、フラックスとを含む。前記フラックスとしては、特に限定されるものではなく、例えば、ロジン系、合成樹脂系、有機酸系等の公知のフラックスを用いることができる。

　前記混合フィラーと前記フラックスとの混合比率は、特に限定されるものではなく、例えば、質量比で、混合フィラー：フラックス＝７５：２５～９５：５である。前記混合フィラーと前記フラックスとの混合比率は、残留フラックスを減らし、ボイドの生成を抑制する観点から、質量比で、混合フィラー：フラックス＝９０：１０～９５：５であることが好ましい。

　前記第１金属粒子が上述の組成を有することにより、溶融する前記第２金属粒子の量が多くなるため、フラックスから発生するガスが外に排出されやすくなり、その結果、ボイドの発生が少ない接合部を形成することができる。また、加熱後には、前記第１金属粒子と前記第２金属粒子との間で金属間化合物が形成される。前記金属間化合物は融点が高いため、高温での接合強度が発現する。つまり、再加熱しても接合部品のズレが発生しにくい接合部を形成することができる。なお、再加熱とは、他の部品を次工程ではんだ接合するための処理を指し、ピーク温度が２５０℃程度に達するものをいう。

　前記第２金属粒子は、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｉｎ及びＢｉから選択される１種以上の金属元素を含むことにより、固溶強化及び析出強化が起きるため、再加熱しても接合部品のズレがより発生しにくくなる。

　＜接合構造体及びその製造方法＞
　本実施形態に係る接合構造体の製造方法では、本実施形態に係るソルダペーストを基板の表面に塗布した後、前記基板を加熱して前記ソルダペーストを溶融させ、さらに、前記基板を冷却することにより、接合部品を前記基板に接合する。

　前記ソルダペーストを基板の表面に塗布する方法としては、公知のはんだ塗布方法、例えば、はんだ印刷装置を用いた印刷等が挙げられる。塗布するソルダペーストの厚みは、特に限定されるものではなく、例えば、２０μｍ以上２００μｍ以下、好ましくは２０μｍ以上１２０μｍ以下とすることができる。

　前記基板を加熱する工程では、加熱温度を、例えば、２３０℃以上２７０℃以下、好ましくは２３０℃以上２５５℃以下とする。より具体的には、例えば、昇温速度１℃／分以上４℃／分以下で上述の加熱温度まで加熱し、ピーク温度２３０℃以上２５５℃以下で３０秒から１分間保持する。

　前記基板を加熱する工程は、金属の酸化を抑制するために、窒素ガス等を用いて不活性ガス雰囲気下で行ってもよく、また、ガスの放出を促進させるために、真空ポンプを用いて雰囲気を減圧若しくは真空にして行ってもよい。さらに、前記基板を加熱する工程は、不活性ガス雰囲気下で減圧若しくは真空にして行ってもよく、また、水素ガス若しくはギ酸ガスを用いて還元雰囲気下で行ってもよい。

　前記基板を冷却する工程では、例えば、降温速度１℃／分以上５℃／分以下で、０℃以上４０℃以下まで冷却する。

　前記基板としては、例えば、プリント配線板等のように電子部品等の接合部品を接合して電気回路を形成するための基板等が挙げられる。前記基板の表面としては、例えば、プリント配線板上の電極部等が挙げられる。該電極部には、ソルダペーストを塗布する前に、プリフラックス又はＮｉ／Ａｕめっき、Ｓｎめっき、Ａｇめっき、はんだレベラー処理等の表面処理を行ってもよい。

　前記接合部品としては、例えば、抵抗チップ、コンデンサーチップ等の受動部品、ＩＣを搭載した能動部品及びコネクター部品等が挙げられる。能動部品のパッケージ形態としては、ＱＦＰ、ＱＦＮ、ＢＧＡといった既知のものが挙げられる。

　上述の製造方法を用いて製造された接合構造体、すなわち、本実施形態に係る接合構造体は、上述のソルダペーストを用いて形成された接合部を有し、前記接合部中の前記第１金属粒子の含有量が、５．０質量％以上、３０．０質量％以下である。前記接合構造体では、接合部品に施されているめっき膜又ははんだボールと、ソルダペーストに含まれる混合フィラーとが溶融することにより混合され、均一な金属組織となる。

　本実施形態に係る接合構造体は、前記第１金属粒子が前記組成を有することにより、溶融する前記第２金属粒子の量が多くなるため、フラックスから発生するガスが外に排出されやすくなり、その結果、接合部に発生するボイドを少なくすることができる。前記接合構造体は、後述する方法により測定されるボイド率が１５％以下、好ましくは１３％以下の接合部を有する。

　また、本実施形態に係る接合構造体は、加熱後には、前記第１金属粒子と前記第２金属粒子との間で金属間化合物が形成される。前記金属間化合物は融点が高いため、高温での接合強度が発現する。つまり、再加熱しても接合部品のズレを発生しにくくすることができる。

　以下、本発明の実施例について説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

　＜使用材料＞
　１．第１金属粒子
　第１金属粒子としては、以下に示す［Ｃｕ－１］又は［Ｃｕ－２］を用いた。なお、金属粒子の平均粒径及び粒度分布は、マイクロトラックＭＴ３１００（日機装株式会社製）及びＬＳ１３　３２０（ベックマンコールター社製）を用いて測定した。以下の金属粒子についても同様である。
　［Ｃｕ－１］Ｃｕ：６５質量％と、Ａｇ：１０質量％と、Ｂｉ：５質量％と、Ｉｎ：５質量％と、Ｓｎ：１５質量％とからなる合金の粒子（平均粒径Ｄ５０＝１１μｍ）
　［Ｃｕ－２］Ｃｕ：６５質量％と、Ａｇ：１０質量％と、Ｂｉ：５質量％と、Ｉｎ：５質量％と、Ｓｎ：１５質量％とからなる合金の粒子（平均粒径Ｄ５０＝７μｍ）

　２．第２金属粒子
　第２金属粒子としては、以下に示す［Ｓｎ－１］～［Ｓｎ－４］を用いた。
　［Ｓｎ－１］Ｓｎ：１００質量％からなる粒子（融点：２３２℃、平均粒径Ｄ５０：２１μｍ）
　［Ｓｎ－２］Ｓｎ：１００質量％からなる粒子（融点：２３２℃、平均粒径Ｄ５０：１０μｍ）
　［Ｓｎ－３］Ｓｎ：９６．５質量％と、Ａｇ：３．０質量％と、Ｃｕ：０．５質量％とからなる合金の粒子（融点：２１７～２１９℃、平均粒径Ｄ５０：１０μｍ）
　［Ｓｎ－４］Ｓｎ：４２質量％と、Ｂｉ：５８質量％とからなる合金の粒子（融点：１３８℃、平均粒径Ｄ５０：２８μｍ）

　３．フラックス
　フラックスとしては、ペーストフラックス（弘輝社製、ペーストフラックス（ＲＭＡタイプ））を用いた。

　＜ソルダペーストの作製＞
　各金属粒子を表１に示す割合で混合した混合フィラーを９０質量％、前記フラックスを１０質量％となるように混合して、実施例１～１２及び比較例１，２のソルダペーストを得た。

　＜接合構造体のボイド評価＞
　（接合構造体の作製）
　厚さ１．６ｍｍのガラスエポキシ基板（ＦＲ－４，Ｃｕ－ＯＳＰ）上に、実施例１～１２及び比較例１，２のソルダペーストを、厚さ６０μｍのメタルマスクを用いて、開口率１００％となるように塗布した。塗布したソルダペーストの厚みは、６０μｍであった。その後、前記基板にチップ抵抗３２１６（縦３．２ｍｍ×横１．６ｍｍ）を搭載し、前記基板を以下の温度条件で加熱することにより、実施例１～１２及び比較例１，２の接合構造体をそれぞれ４つずつ作製した。また、チップ抵抗３２１６の代わりにＳｎめっきが施されたチップ抵抗２０１２（縦２．０ｍｍ×横１．２ｍｍ）を用いたこと以外は、上述と同様の方法で、実施例１～１２及び比較例１，２の接合構造体をそれぞれ６つずつ作製した。

　≪温度条件≫
　２５℃（常温）から１５０℃までを２．１℃／秒で昇温し、１５０℃から１８０℃までを０．２５℃／秒で昇温し、１８０℃から２５０℃までを２℃／秒で昇温した。その後、２５０℃を６０秒間維持した。最後に、２５０℃から常温までを３．８℃／秒で冷却した。加熱処理は、窒素雰囲気下で、残留酸素濃度を５００ｐｐｍ以下に設定して行った。

　（ボイド率の算出）
　実施例１～７及び比較例１，２の接合構造体のボイドをＸ－ｒａｙ観察装置（マーストーケンソリューション社製、ＴＵＸ３１００）を用いて撮影し、画像処理ソフト（ＪａｓｃＳｏｆｔｗａｒｅ：Ｐａｉｎｔ　Ｓｈｏｐ　Ｐｒｏ９）を用いてはんだ接合部に含まれるボイドの割合を算出した。表２には、実施例１～１２及び比較例１，２の各接合構造体におけるボイド率の平均値を示す。

　＜接合構造体のズレ評価＞
　（接合構造体の作製）
　縦３０ｍｍ×横３０ｍｍ×厚さ０．３ｍｍのＣｕ基板上に、実施例１～１２及び比較例１，２のソルダペーストを、厚さ６０μｍのメタルマスクを用いて、開口率１００％となるように塗布した。塗布したソルダペーストの厚みは、６０μｍであった。その後、前記基板の中央部にＳｎめっきを施したＰｗｔｒ（部品サイズ９．３５ｍｍ×６．４ｍｍ、電極サイズ５．１ｍｍ×４．７ｍｍ）を搭載し、前記基板を上述のボイド評価と同様の温度条件で加熱することにより、実施例１～１２及び比較例１，２の接合構造体を作製した。

　（ズレ評価）
　まず、実施例１～１２及び比較例１，２の接合構造体を、高温観察装置（山陽精工社製、ＳＫ－５０００）内のステージ上に配置した。より具体的には、各接合構造体において、Ｐｗｔｒが接合されていないＣｕ基板の端部を直角に曲げ、該端部と前記ステージの底面とを接合することにより配置した。次に、４００℃まで３℃／秒で昇温した後、４００℃で６０秒間保持することにより、再加熱処理を行った。再加熱処理により、ＰｗｔｒがＣｕ基板から剥がれ落ちた場合は不合格、剥がれ落ちなかった場合は合格とした。評価結果を表２に示す。

　表２の結果から分かるように、本発明で規定する構成要件をすべて満たす実施例１～１２の接合構造体は、ボイドの発生が少なく、かつ、再加熱しても接合部品のズレが発生しなかった。

　一方、比較例１の接合構造体は、ソルダペーストに含まれる混合フィラーの第１金属粒子の含有量が５．０質量％未満であるため、再加熱した際に接合部品のズレが発生した。また、比較例２の接合構造体は、ソルダペーストに含まれる混合フィラーの第１金属粒子の含有量が１４．５質量％を超えるため、ボイドが多く発生した。

Claims (5)

1. 　第１金属粒子及び第２金属粒子からなる混合フィラーと、フラックスとを含み、
   　前記第１金属粒子が、Ｃｕ：５０～８０質量％と、Ａｇ：５～１５質量％と、Ｂｉ：２～１０質量％と、Ｉｎ：２～１０質量％と、残部：Ｓｎ及び不純物とを含む合金からなり、
   　前記第２金属粒子が、Ｓｎを必須成分とする融点２６０℃以下の鉛フリーはんだ合金からなり、
   　前記混合フィラー中の前記第１金属粒子の含有量が、５．０質量％以上、１４．５質量％以下である、ソルダペースト。
2. 　前記第２金属粒子が、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｉｎ及びＢｉから選択される１種以上の金属元素を含む、請求項１に記載のソルダペースト。
3. 　前記第１金属粒子及び前記第２金属粒子の平均粒径が、それぞれ１μｍ以上、３５μｍ以下である、請求項１又は２に記載のソルダペースト。
4. 　請求項１～３のいずれか一つに記載のソルダペーストを用いて形成された接合部を有し、
   　前記接合部中の前記第１金属粒子の含有量が、５．０質量％以上、３０．０質量％以下である、接合構造体。
5. 　請求項１～３のいずれか一つに記載のソルダペーストを基板の表面に塗布した後、前記基板を加熱して前記ソルダペーストを溶融させ、さらに、前記基板を冷却することにより、接合部品を前記基板に接合する、接合構造体の製造方法。