(57)【要約】【課題】電子部品などの接合、封止用半田付け用ＡｕＧｅ合金球の半田付け特性向上。【解決手段】ＡｕＧｅ合金中のＡｕ含有率が８４．５〜８９．０質量％の範囲において、Ａｕ、Ｇｅ以外の金属元素含有量総量を１２０ｐｐｍ未満とすることによってＧｅ微粒子が均一微細に分散した組織とする。  これらＧｅの共晶組成付近において、不純物含有量を上記範囲に抑制することによって、合金球の真球度が向上し、Ａｕ初晶及びデンドライトの発達が抑制され、均一一様で微細な共晶組織からなるＡｕＧｅ合金球が得られる。  この組織を有するＡｕＧｅ合金球は、流れ性が著しく向上し、電子部品の接合、封止の半田付けにおける半田付け不良を改善する。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡｕＧｅ合金中に含まれるＡｕ，Ｇｅ以外の金属元素の総量が１２０質量ｐｐｍ未満とすることにより、Ｇｅ微粒子を球の表面及び断面に均一微細に分散せしめたことを特徴とする半田付け用ＡｕＧｅ合金球。
【請求項２】
Ａｕ含有率が８４．５質量％以上、８９．０質量％以下であり、ＡｕＧｅ合金中に含まれるＡｕ，Ｇｅ以外の金属元素の総量を１２０質量ｐｐｍ未満とすることにより、Ｇｅ微粒子を球の表面及び断面に均一微細に分散せしめたことを特徴とする半田付け用ＡｕＧｅ合金球。
【請求項３】
断面共晶組織のＧｅの平均粒子径が５μｍ以下で均一微細に分散していることを特徴とする請求項1又は２記載の半田付け用ＡｕＧｅ合金球。
【請求項４】
ＡｕＧｅ合金中のＡｕ含有率が８７．０質量％以上、８８．０質量％以下であることを特徴とする請求項2記載の半田付け用ＡｕＧｅ合金球。
【請求項５】
ＡｕＧｅ合金中に含まれるＡｕ，Ｇｅ以外の金属元素の総量が１００質量ｐｐｍ未満であることを特徴とする請求項1、２又は３記載の半田付け用ＡｕＧｅ合金球。
【請求項６】
ＡｕＧｅ合金中に含まれるＡｕ，Ｇｅ以外の金属元素の総量が５０質量ｐｐｍ未満であることを特徴とする請求項1、２又は３記載の半田付け用ＡｕＧｅ合金球。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品の封止及び接合に使用される半田付け用ＡｕＧｅ合金球に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＡｕＧｅ共晶合金球は、共晶点で３６０℃程度の適度の融点を持ち、電気伝導性や熱伝導性に優れ、化学的にも安定していることから、ＳＡＷフィルター、弾性波フィルター、水晶振動子等の高信頼性を求められる電子部品のパッケージ接合や封止のための半田材として用いられている。
電子部品のパッケージの信頼性を維持するために、ＡｕＧｅ合金球には多くの特性が求められており、例えば、球径を高精度で管理して半田材のボリュームを一定にすることや、真球度の高い材料を採用することが行われている。接合や封止の際の半田付け不良は電子部品のパッケージの信頼性を低下させる重要な要因であり、更なる信頼性向上のために日々研究が進められている。たとえば、特開２００８−３００９３号公報には表面層のＧｅの含有率を減じて表面層を改質することで表面酸化による半田付け性の低下を改善する方法が記載されている。しかしながら、ＡｕＧｅ合金球内部組織の不具合に起因する半田付け性の低下に対してこれらの表面の改質だけでは必ずしも十分な半田付け性が得られるとはいえず、表面、内部組織共に最適なＡｕＧｅ合金球が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−３００９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、従来品より半田付け性、特に濡れ性や付廻りに影響する流れ性が良好な半田付け用ＡｕＧｅ合金球を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、以下に示す半田付け用ＡｕＧｅ合金球が得られる。
（１）  ＡｕＧｅ合金中に含まれるＡｕ，Ｇｅ以外の金属元素の総量が１２０質量ｐｐｍ未満であり、かつ、Ｇｅ微粒子が球の表面及び断面に均一微細に分散していることを特徴とする半田付け用ＡｕＧｅ合金球。
（２）  Ａｕ含有率が８４．５質量％以上、８９．０質量％以下であるＡｕＧｅ合金中に含まれるＡｕ，Ｇｅ以外の金属元素の総量が１２０質量ｐｐｍ未満であり、かつＧｅ微粒子が球の表面及び断面に均一微細に分散していることを特徴とする半田付け用ＡｕＧｅ合金球。
（３）  断面共晶組織のＧｅの平均粒子径が５μｍ以下で均一微細に分散していることを特徴とする上記の半田付け用ＡｕＧｅ合金球。
（４）  さらに、ＡｕＧｅ合金中のＡｕ含有率が８７．０質量％以上、８８．０質量％以下であることを特徴とする上記の半田付け用ＡｕＧｅ合金球。
（５）  さらに、ＡｕＧｅ合金中に含まれるＡｕ、Ｇｅ以外の金属元素の総量が１００質量ｐｐｍ未満であることを特徴とする上記の半田付け用ＡｕＧｅ合金球。
（６）  さらに、ＡｕＧｅ合金中に含まれるＡｕ，Ｇｅ以外の金属元素の総量が５０質量ｐｐｍ未満であることを特徴とする上記の半田付け用ＡｕＧｅ合金球。
なお、ここでいう金属元素とは、いわゆる一般的な金属元素とほかに半金属元素、常温で固体である非金属元素も含めたものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明のＡｕＧｅ合金球は、従来品より流れ性が良好であり、高い信頼性が要求される電子部品の接合及び封止用の半田材として適している。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、比較例に於けるＡｕＧｅ合金球の断面組織を示す図。
【図２】図２は、比較例に於けるＡｕＧｅ合金球の表面状態を示す図。
【図３】図３は、本発明実施例のＡｕＧｅ合金球の断面組織を示す図。
【図４】図４は、本発明実施例のＡｕＧｅ合金球の表面組織を示す図。
【図５】図５は、表２のデータによる、Ａｕ含有率と合金球の真球度との関係を示すグラフ。
【図６】図６は、表２のデータによる、Ａｕ、Ｇｅ以外の金属元素の含有率と合金球の真球度との関係を示すグラフ。
【図７】図７は、表３のデータによる、Ａｕ含有率と半田付け試験良品率との関係を示すグラフ。
【図８】図８は、表３のデータによる、Ａｕ、Ｇｅ以外の金属元素の含有率と半田付け試験良品率との関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
高信頼性を要求される電子部品の接合及び封止において、半田付け不良は重大な問題点として取り上げられている。高度の集積化、高機能化が進むこれらの機器においては多くの接合部分、封止部分を一括して半田付けする必要があるため、特にこれらの半田付け不良による損失が深刻である。
これらの半田付け不良の原因を突き止めるべく種々条件を変えて、半田付け試験を繰り返した結果、ＡｕＧｅ合金球の半田付け時の流れ性が損なわれることで、半田付け不良が発生することを突き止めた。
そこでこれら流れ性の悪いＡｕＧｅ合金球の表面の観察を行ったところ、Ａｕ初晶やデンドライト組織の発生が見られ、不均一な組織になっていることが判明した。更に、このＡｕＧｅ合金球の断面を観察したところ、表面と同じようにＡｕ初晶やデンドライト組織の発生が見られ、不均一な組織になっていることが判明した（図１〜２参照）。
このような不均一な組織では、ＡｕＧｅ合金球のＡｕ初晶にレーザー光やホットプレートなどの加熱源からの熱が当たったときと他の部分にこれらの熱が当たったときとでは、ＡｕＧｅ合金球が溶け出す温度が異なってしまう。このように従来の組織が不均一なＡｕＧｅ合金球では部分的に融点が異なり、半田付け時に全体として同時に溶融を開始しないために流れ性が損なわれる。
【０００９】
ＡｕＧｅ合金は、共晶組織を持ち、共晶点であるＧｅ含有率１２．５質量％で全ての組織が共晶組織となるとされているが、溶融状態から表面張力により球状化するＡｕＧｅ合金球では、その溶融・冷却過程の僅かな状態の違いによりＡｕの初晶やデンドライト相が不均一に分布した不均一組織になるものと思われる。
【００１０】
そこで、流れ性を改善すべく、更にこれらの流れ性に影響する要因について探索し、試験を繰り返した結果、これらの合金中の不純物の存在がＡｕ初晶やデンドライト相の形成・発達をもたらし、その結果流れ性に悪影響を与えていたことが判明した。
つまり、純度の低いＡｕＧｅ合金と純度の高いＡｕＧｅ合金を用いて同じ条件で流れ性を比較したとき、純度の高いＡｕＧｅ合金球の方が流れ性が良く、ＡｕＧｅ合金中にＡｕ、Ｇｅ以外の元素が存在すると、流れ性に影響を与えていると云うことが解った。
Ａｕ、Ｇｅ以外の金属元素の含有量が少ないＡｕＧｅ合金球においては、不均一なＡｕ初晶やデンドライト組織がＡｕＧｅ合金球の表面から消失するだけでなく、その断面においても均一微細な組織となっていた（図３〜４参照）。
したがって、レーザー光を照射したとき照射されたスポット面がＡｕＧｅ合金球のどの面をとっても均一なものとなる。
また、ホットプレートで加熱したときは加熱面から速やかにＡｕＧe合金球の内部に均一に伝熱する結果、ＡｕＧｅ合金球のどの個所に当てても溶融条件が均一なものとなる。このような合金球表面及び内部の組織の相違によって、高純度のＡｕＧｅ合金球は半田付け時に速やかに溶融して良好な流れ性を示すものと考えられる。
【００１１】
また、上記のようにＡｕ、Ｇｅ以外の金属元素の総量を抑制して不純物含有量を一定範囲以下にすると、ＡｕＧe合金球の形成過程において球状化に好影響を与えて完全な球体に近づくということが解った。
このことから、Ａｕ，Ｇｅ以外の金属元素の総量を一定以下に少なくすることによってＡｕＧe共晶組織について最適な組織状態が存在し、微細なＧｅ微粒子が球の表面及び断面に均一微細に分散していることで、より安定した半田付け性が得られるという結論を得た。
また、ＡｕＧｅ合金球の量産における製品歩留まり向上のためにもＡｕ，Ｇｅ以外の金属元素の総量を少なくすればよいという結論を得た。
【００１２】
これらの結果をまとめると本発明の半田付け用ＡｕＧe合金球は以下のとおりとなる。
（１）本発明の半田付け用ＡｕＧｅ合金球は、ＡｕＧｅ合金中に含まれるＡｕ、Ｇｅ以外の金属元素の総量が１２０質量ｐｐｍ以下であり、かつＧｅ微粒子が球の表面及び断面に均一微細に分散している。Ａｕ、Ｇｅ以外の金属元素の総量が１２０質量ｐｐｍ以上では好ましい半田付け性が得られない。
（２）本発明の半田付け用ＡｕＧｅ合金球は、Ａｕ含有率が８４．５質量％以上〜８９．０質量％以下であり、かつＡｕＧｅ合金中に含まれるＡｕ，Ｇｅ以外の金属元素の総量が１２０質量ｐｐｍ未満であり、かつＧｅ微粒子が球の表面及び断面に均一微細に分散している。
本発明の対象とするＡｕＧｅ合金球は、Ａｕ，Ｇｅ共晶組成を基本とするが、均一微細な組織は共晶組成から上記のプラス及びマイナスの範囲で得られる。
Ａｕ含有率が８９．０質量％を超えると結晶寸法の大きなＡｕ初晶の発生やデンドライト相の発生が過多となり、良好な半田付けが阻害される。また、Ａｕ含有率が８４．５質量％未満では結晶寸法の大きなＧｅ相の発生が過多となり、良好な半田付けが阻害される。
（３）本発明の半田付け用ＡｕＧｅ合金球の断面の共晶組織のＧｅの平均粒子径は５μｍ以下で均一微細に分散している。Ｇｅの平均粒子径が５μｍを超えると組織が均一であっても微細とは云えず、流れ性が低下して半田付け性が損なわれると考えられる。
（４）また、本発明の半田付け用ＡｕＧｅ合金球は、より好適にはＡｕＧｅ合金中のＡｕ含有率が８７．０質量％以上、８８．０質量％以下である。Ａｕ含有率が８７．０質量％以上、８８．０質量％以下であればＡｕＧｅ合金球の量産における製品歩留まりを向上させることが出来るが、その範囲外では製品歩留まりが低くなる。
（５）本発明の半田付け用ＡｕＧｅ合金球は、ＡｕＧｅ合金中に含まれるＡｕ，Ｇｅ以外の金属元素の総量がより好適には100質量ｐｐｍ未満である。
ＡｕＧｅ合金におけるＡｕ，Ｇｅ以外の金属元素の含有率が１００質量ｐｐｍ未満であれば、純度９９．９９質量％の高純度材料として表示が可能となる利点があるが、100質量ｐｐｍ以上ではこの利点がなくなる。
（６）さらに、本発明の半田付け用ＡｕＧｅ合金球は、ＡｕＧｅ合金中に含まれるＡｕ，Ｇｅ以外の金属元素の総量が最適には５０質量ｐｐｍ未満である。Ａｕ、Ｇｅ以外の金属元素の総量が５０質量ｐｐｍ未満であればＡｕＧｅ合金球の量産における製品歩留まりを最も向上出来る利点が発揮できる。
【実施例】
【００１３】
〔半田付け合金球の調整〕
実施例１．  純度９９．９９９質量％  のＡｕと純度９９．９９９９質量％のＧｅを所定の組成となるように秤量して、カーボン坩堝に入れ、高周波溶解炉を用いて真空中で溶解・鋳造を行い、インゴットを得た。そのインゴットを圧延、プレスしてφ０．４２ｍｍ、ｔ０．１０ｍｍのＡｕＧｅ合金片を得た。このＡｕＧｅ合金片をカーボン治具に載せてコンベアー炉を用いて窒素・水素混合雰囲気中５００℃で溶解・固化した後、形状の整った球のみを選別してＡｕＧｅ合金球を得た。
実施例２．  また、同様にして秤量した純度９９．９９９質量％のＡｕと純度９９．９９９９質量％のＧｅを溶解槽に入れ、いわゆるアトマイズ法を用いてＡｕＧｅ合金球を得た。
さらに、比較例として、純度９９．９質量％のＡｕと純度９９．９質量％のＧｅを用いて上記と同様な方法で調整し、アトマイズ法によってＡｕＧｅ合金球を得た。
【００１４】
このようにして得られた本発明の実施例１及び２のＡｕＧｅ合金球について、ＳＥＭにより観察した断面組織を図３に、また同じく表面性状について図４に示す。
本発明のＡｕＧｅ合金球は、表面及び断面共に粗大なＡｕ初晶及びデンドライト組織は観察されず、全体にわたってＧｅ微粒子が均一微細に分散した共晶組織となっていることがわかる。
実施例の断面組織を示す図３、及び表面性状を示す図４は、表１中の＊印を付したＡｕ含有量：８７．５質量％、Ａｕ、Ｇｅ以外の金属元素含有量：３０質量ppmの例であり、また、比較例の断面組織及び表面性状を示す図１及び図２は、同じく表１中の＊＊印を付した、Ａｕ含有量：８７．５質量％、Ａｕ、Ｇｅ以外の金属元素含有量：１５０質量ppmの例である。
【００１５】
以上のようにして調整した、ＡｕＧｅ合金球の組成分析はＩＣＰを用いて行った。その結果を表１に示す。
これら実施例１、２及び比較例が含有する不純物は、いずれも原料由来の元素であって、Ａｇ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｎｉ、Ｐｂ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｓｎ、Ｃｒであった。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
表１によると、結晶組織は本発明範囲のＡｕ含有量とＡｕ，Ｇｅ以外の金属元素含有量の範囲においてＧｅ粒の微細、均一に分散した組織となり、Ａｕ含有量、及びＡｕ、Ｇｅ以外の金属元素含有量のいずれについても本発明範囲を外れると粗大なＡｕ初晶が発生し、また図１に観察されるとおりデンドライト組織が顕著に発達して均一微細な組織とならない（粒径測定不能）。
【００１８】
このようにして得られたＡｕＧｅ合金球の真球度を測定、評価した結果を表２に示す。
ＡｕＧｅ合金球の縦方向の直径と横方向の直径を工具顕微鏡で測定し、大きい方をＡ，小さい方をＢとして、真球度＝Ａ／Ｂを求めた。真球度１．００〜１．０２を良、それより大きい方を不良として判定した。
【００１９】
【表２】
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【００２０】
表２のデータによる、Ａｕ含有率と合金球の真球度歩留りとの関係、及びＡｕ、Ｇｅ以外の金属元素の含有率と合金球の真球度歩留りとの関係を図５、及び図６のグラフに示す。
図５、及び図６によれば、真球度歩留りに関して、Ａｕ含有率とＡｕ、Ｇｅ以外の金属元素含有率とは相関関係があり、両者が共にそれぞれ一定の条件を満たすことによって真球度歩留りが著しく向上することがわかる。
図５によれば、Ａｕ含有率８４．５〜８９．０％の範囲で真球度歩留りは良（better）であり、特に、Ａｕ含有率８７．０〜８８．０％の範囲であると真球度歩留りが優（best）である。これらの効果が達成されるのはＡｕ、Ｇｅ以外の金属元素含有率が一定以下の低い領域であって、これらの値が３０質量ppm以下の場合は上記のＡｕ含有率のほぼ全範囲で上記の真球度が達成できるが、含有率１１０質量ppmでは狭い範囲に限られることがわかる。
すなわち、これらの金属元素の含有率が低いほど優れた効果を発揮するのであって、ほぼ１２０質量ppm以上ではほとんどその効果を発揮できず、比較例のように１５０質量ppmでは著しく劣り、実用に耐えないものとなる。
この関係を真球度歩留りとＡｕ、Ｇｅ以外の金属元素含有率との関係を表す図６のグラフで見るとより明確であって、Ａｕ、Ｇｅ以外の金属元素の含有率が１２０質量ppm未満の領域で真球度歩留り率が良（better：８５〜９３％）、５０質量ppm以下であれば真球度歩留り率は優(best：９３％以上)の効果が得られた。
これに対してＡｕ含有率が上記範囲を外れる、Ａｕ含有率８２．０質量％及び９１．０質量％の比較例は、Ａｕ、Ｇｅ以外の金属元素含有率が上記範囲の条件を満たしても真球度歩留りが著しく劣り、実用に耐えないことがわかる。
〔レーザー光による半田付け試験〕
【００２１】
直径φ０．５ｍｍ、深さ０．３ｍｍの凹部を１００個設けた試験用金めっき基板上に振込み治具を乗せてＡｕＧｅ合金球１００個を振込み、振込治具を取り外して後、レーザー光（出力０．５Ｊ）を用いて半田付けを行った。得られた試験用基材について適正な半田付けがされているかを実体顕微鏡で判定して、半田付けの良品率を求めた。
これらの結果を表３に示す。なお、基板ごとに直径φ０．５ｍｍの凹部全面にＡｕＧｅ半田材が流れていれば良、流れていない部分が少しでも残っていれば不良と判定した。
【００２２】
【表３】
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【００２３】
表３のデータによる、Ａｕ含有率と半田付け試験良品率との関係、及びＡｕ、Ｇｅ以外の金属元素の含有率と半田付け試験良品率との関係を図７及び８のグラフに示す。
図７によれば、Ａｕ、Ｇｅ以外の金属元素含有率が本発明範囲内のものは、Ａｕ含有率が８４．５〜８９．０質量％の範囲において、半田付け試験良品率％良（better）の評価が、ほぼ９０％以上を達成し、さらにＡｕ含有率が８７．０〜８８．０質量％の範囲では良品率優(best)の評価が９９％近傍に達する。
一方これに対して、比較例のようにＡｕ、Ｇｅ以外の金属元素含有率が本発明範囲を外れるものは、Ａｕ含有率が本発明範囲であってもこれらの良品率を達成できない。
【００２４】
また、Ａｕ、Ｇｅ以外の金属元素の含有率との関係で半田付け試験良品率を表す図８によれば、Ａｕ、Ｇｅ以外の金属元素の含有率が１２０質量ｐｐｍ未満の領域で半田付け良品率が可（good：８５％以上）、１００質量ｐｐｍ以下であれば半田付け良品率は良(better：９０〜９９％)、さらに、Ａｕ含有率の最適条件との組み合わせで５０質量ｐｐｍ以下において優(best：９９％以上)の効果が得られた。
他方、Ａｕ、Ｇｅ以外の金属元素の含有率が本発明範囲内であっても、Ａｕの含有率が本発明範囲を外れると半田付け試験良品率は著しく低下してしまうことが解る。
以上から、本発明は、半田付け用ＡｕＧｅ合金球に適用する合金組成として、Ａｕ含有量８４．５〜８９．０質量％、より好適には８７．０〜８８．０質量％、Ａｕ、Ｇｅ以外の金属元素含有量を総量で１２０質量ppm未満、より好適には１００質量ｐｐｍ未満、最適範囲５０質量ｐｐｍ未満において、所定の作用効果を発揮する。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明の半田付け用ＡｕＧｅ合金球は、真球度が高く、かつ均一微細なＡｕ，Ｇｅ共晶組織であるため、雰囲気加熱やレーザー光によるスポット加熱を問わず、均一な条件で溶融して、良好な流れ性を発揮して確実に接合・封止することが可能であり、高精細化が進む電子部品の接合・封止用半田材として優れた特性を発揮し、今後のより高度の高精細化、高信頼性が求められる電子部品の接合、封止材料としての要求に応えるものである。
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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