(57)【要約】      （修正有）【課題】ＬＥＤ素子又は基板のメタライズ層上にＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金による接合層として、良好な接合性を確保しつつ、均一性があり、かつ、薄いＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜を提供する。【解決手段】Ｓｎ：２０〜２５ｗｔ％及びＢｉ：０．１〜５．０ｗｔ％を含有し、残部がＡｕからなる組成を有し、粒径：１０μｍ以下のＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末と、１５〜３０ｗｔ％のＲＡフラックスとを混合したＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末ペーストを用いて、Ａｕのメタライズ層上に所定領域にスクリーン印刷し、次いで、Ａｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末を加熱溶融した後に固化させることにより、５μｍ以下の厚さを有し、且つ、少なくとも共晶組織を備えたＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜が形成される。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｎ：２０〜２５ｗｔ％及びＢｉ：０．１〜５．０ｗｔ％を含有し、残部がＡｕからなる組成を有し、粒径：１０μｍ以下のＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末と、少なくとも活性剤を含む１５〜３０ｗｔ％のフラックスとを混合したことを特徴とするＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末ペースト。
【請求項２】
Ｓｎ：２０〜２５ｗｔ％及びＢｉ：０．１〜５．０ｗｔ％を含有し、残部がＡｕからなる組成を有し、厚さ：５μｍ以下である薄膜であって、
前記薄膜は、少なくとも共晶組織を備えていることを特徴とするＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜。
【請求項３】
Ｓｎ：２０〜２５ｗｔ％及びＢｉ：０．１〜５．０ｗｔ％を含有し、残部がＡｕからなる組成を有し、粒径：１０μｍ以下のＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末と、少なくとも活性剤を含む１５〜３０ｗｔ％のフラックスとを混合したＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末ペーストを、メタライズ層上の所定領域にスクリーン印刷し、次いで、Ａｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末を加熱溶融した後に固化させて、少なくとも共晶組織を備えたＡｕ−Ｓｎ合金薄膜を形成することを特徴とするＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜の成膜方法。
【請求項４】
前記スクリーン印刷は、前記所定領域に対応してメッシュが設けられたスクリーンマスクを用いたギャップ印刷により行われることを特徴とする請求項３に記載のＡｕ−Ｓｎ合金薄膜の成膜方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ａｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜、その成膜方法及びＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末ペーストに関する。特に、Ａｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末ペーストによる印刷法への適用が可能で、良好な接合性を確保しつつ、均一性があり、かつ、薄いＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜を成膜でき、低Ａｕ化によるコストダウンを可能とするＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜の成膜方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ＧａＡｓ光素子、ＧａＡｓ高周波素子、熱電素子などの半導体素子と基板との接合や、微細かつ高気密性が要求されるＳＡＷフィルター、水晶発振子などのパッケージ封止などには、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだが使用されている。このＡｕ−Ｓｎ合金はんだは、Ｓｎ：１５〜２５質量％を含有し、残部がＡｕおよび不可避不純物からなる成分組成を有することが知られており、実際に使用されるＡｕ−Ｓｎ合金はんだは、主にＳｎ：２０質量％を含有し、残りがＡｕおよび不可避不純物からなる組成を有するＡｕ−Ｓｎ共晶合金からなることが知られている。
【０００３】
このＡｕ−Ｓｎ合金はんだは、例えば、チップ状または粒状に加工されたものであり、例えば、素子と基板との接合に際しては、このチップ状または粒状に加工されたＡｕ−Ｓｎ合金はんだを接合体の間に挟んでリフロー処理することにより接合することが知られている。一方、Ａｕ−Ｓｎ合金材料を粉末状に加工し、このＡｕ−Ｓｎ合金粉末を市販のフラックスに配合し混練してペースト状にし、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストとして使用することも知られている。ここで、前記Ａｕ−Ｓｎ合金粉末は、例えば、ガスアトマイズ法によって製造されることも知られている。このＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを使用して接合する方法として、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを塗布した後リフロー処理することにより接合することも知られている（例えば、特許文献１〜３を参照）。
【０００４】
ところで、光通信装置には、例えば、光増幅や合分波等に使用される等、用途に応じて種々の形態があるが、一般には、光信号発生源としての光発光ダイオード(ＬＥＤ)などの光源を備えて形成されることが多い。例えば、ＬＥＤの光学ベンチへの搭載は、耐熱性および接続の信頼性の観点から、一般的に、Ａｕ-Ｓｎ合金を用いた接合が行われる。このＡｕ-Ｓｎ合金からなる接続用パッドの形成は、従来、蒸着又はスパッタなどの堆積によって行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１４１９３７号公報
【特許文献２】特開２００５−３０２７７６号公報
【特許文献３】特開２００８−１３７０１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、かかる接続用パッドの生成では、数μｍの厚膜を形成する必要があり、工程に極めて時間がかかると共に、パッドパターンを形成するためにフォトリソグラフィのプロセスが必要となり、製造価格および時間の増大を招いていた。また、所望の箇所以外にもスパッタ、蒸着されることで、材料としてのロスも多く生じていた。蒸着等によりＡｕ−Ｓｎ膜を形成する場合には、通常、Ａｕ及びＳｎの原料ペレット等を別々に用意し、二元薄膜形成により成膜することが必要となることから、組成が完全には均一になり難く、そのために微妙な溶融温度のばらつきや溶融金属の流動の不均一を招いていた。ＬＥＤ等の光学素子の実装に支障を来たすことがあった。また、Ａｕ−Ｓｎ合金ターゲット等を用いて、１つの供給源による成膜を行う場合でも、合金ターゲットの使用が進むにつれて、収率の違い等による組成のズレが生じ、結果的に、均一な組成を保つことが困難であった。
【０００７】
そこで、高周波回路部品等において粒子状のＡｕ−Ｓｎ合金材料を用いてペーストを作製し、このペーストを用いた印刷法によってパターン形成する方法も行われている。この印刷法によれば、工程費用及び時間が著しく軽減され、また、所望の箇所のみに材料を供給できロスも少ないことより、非常に有用な接合材形成方法となるが、上述のような光学素子に適用する場合には難点があった。即ち、ＬＥＤ等の実装においては、レンズ、ファイバその他と低損失で光結合する必要があるため、光軸方向、幅方向及び高さ方向について極めて高精度のアライメントが必要になる。しかしながら、従来手法によるＡｕ−Ｓｎ合金ペーストの印刷では、溶融後、いわゆる“薄膜”の形成が難しく、パッドエリアに平滑な高さのＡｕ−Ｓｎ合金を形成させることが困難であった。これは、パッドエリアに上に凸のＡｕ−Ｓｎ合金が形成され、光学素子搭載時の高精度のアライメントが難しいことを示している。
【０００８】
そこで、本発明は、Ａｕ−Ｓｎ合金の濡れ性を向上させるため、Ｂｉを添加したＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ三元系合金の粉末材料を用いて、Ａｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末含有ペーストを作製し、印刷法への適用を容易にし、塗布されたＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末含有ペーストをリフロー処理により溶融し固化して、良好な接合性を確保しつつ、均一性があり、かつ、薄いＡｕ−Ｓｎ合金薄膜を成膜でき、低Ａｕ化によるコストダウンを可能とするために、Ａｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末含有ペースト、Ａｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜及びその成膜方法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】
【０００９】
上述のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストに使用されるＡｕ−Ｓｎ合金粉末は、通常、Ａｕ−Ｓｎ合金を溶解して溶湯を作製し、温度：３００〜４００℃に保持し、この温度に保持された溶湯を自然落下させ、この自然落下する溶湯に周囲から不活性ガスを噴射して落下する溶湯に高圧不活性ガスを衝突させるガスアトマイズ法により製造される。このガスアトマイズ法により得られたＡｕ−Ｓｎ合金粉末は平均粒径：１０〜１００μｍを有しているが、ここで得られたＡｕ−Ｓｎ合金粉末は、表面が酸化されやすく、この表面には、一般に酸化膜が形成されている。この酸化膜を除去するために、ロジン系のペースト化剤が使用されるので、このＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストは、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末にロジン系ペースト化剤と混合して製造される。
【００１０】
しかし、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末は、製造した後、直ちにＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストの原料として使用されることは稀であり、通常、製造した後、一旦貯蔵され、必要に応じて取り出して使用される。そのために、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末の粒径が小さいほど、ロジンを含まないペースト化剤を使用して作製したＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストは、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末の表面に形成された表面酸化膜の除去が十分でないために、前記ロジンを含まないＡｕ−Ｓｎ合金はんだはロジンを含むペースト化剤を使用して作製したＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストに比べて十分な濡れ広がり性を確保することができなかった。ノンハロゲンフラックスを使用したＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストも、同様であった。
【００１１】
そこで、発明者らは、上記課題に鑑みて、ＬＥＤ素子又は基板のメタライズ層上に形成される接合層として、上述のＡｕ−Ｓｎ合金にＢｉを添加し、接合時の濡れ性を向上するとともに、良好な接合性を確保しつつ、均一性があり、かつ、薄いＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜を形成することを検討した。
【００１２】
例えば、ＬＥＤ素子を基板上に搭載する際には、ＬＥＤ素子のメタライズ層への接着性、接合層の均一性が求められ、その接合層の厚さが薄いことも要望されている。その薄いＡｕ−Ｓｎ合金接合層の形成には、上述したように、スパッタリング、蒸着等でも実現できる。ここで、Ａｕ金属ターゲットとＳｎ金属ターゲットとを用いて交互にスパッタリングすることによってＡｕ−Ｓｎ薄膜を成膜した薄膜例について、走査型電子顕微鏡（ＳＥＩ）で撮影した表面画像の写真を図１に、そして、Ａｕ−Ｓｎ合金スパッタリングターゲットでスパッタリング成膜されたＡｕ−Ｓｎ合金薄膜に係る電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）による組成画像（ＣＯＭＰ像）、各元素マッピング画像の写真を示した。なお、上記ＥＰＭＡの画像は、いずれも元画像がカラー像であるが、グレースケールによる白黒画像に変換して記載しており、明度が高い程、含有量が高い傾向にある。
【００１３】
これらの画像から、この代表例のＡｕ−Ｓｎ薄膜における表面は、Ａｕ−Ｓｎ薄膜が均一性を有することが示されている。しかしながら、このスパッタリング成膜によるＡｕ−Ｓｎ薄膜接合層によったのでは、そのＡｕ−Ｓｎ薄膜接合層が、ＬＥＤ素子のメタライズ層上に均一に、かつ、薄く形成されていたとしても、このＬＥＤ素子を基板上に搭載するにあたって加熱されたとき、Ｓｎの融点が、２３２℃であり、Ａｕの融点が１０００℃以上であるため、先にＳｎが溶融し、その溶融したＳｎにＡｕが取り込まれて、Ａｕ−Ｓｎの固熔が行われるので、加熱時間が長くなり、その溶融性が良くない。そのため、接合信頼性が低く、リワークによるコスト増を抑制することができない。
【００１４】
そこで、本発明者らは、ＬＥＤ素子と基板との接合に、メタライズ層上にＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜を形成するのに、Ａｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末を含有したペーストの印刷法で塗布し、リフロー処理による加熱で、Ａｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末を溶融した後、固化させることとした。そして、Ａｕ使用量の抑制のために、Ａｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末の微細化と、ペーストの流動性の向上とを図ることで、膜厚が５μｍ以下であり、良好な接着性（濡れ性）を確保しつつ、均一性があり、かつ、薄いＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金による接合層が得られることが判明した。
【００１５】
Ａｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末を含有したペーストに関しては、Ａｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末の粒径を１０μｍ以下として微細なものを使用し、混合するフラックスの量を増すことでＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末ペーストの流動性を向上できるとともに、そのフラックスには、少なくとも活性剤を含むものを使用することで、微細な粉末の酸化被膜の除去を強化でき、また、濡れ性を改善できるという知見が得られた。また、印刷法による塗布に関しても、メタライズ層上へのペーストの塗布量を容易に調整でき、しかも、均一に塗布できること、さらに、塗布されたＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末ペーストをリフロー処理して溶融Ａｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金を生成し固化することにより、Ａｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜が、少なくとも共晶組織（例えば、ラメラ組織）を有するようになり、接合時の溶融性を良好にすることができる、という知見が得られた。
【００１６】
更には、Ａｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金を粉末材料として用いると、Ｂｉの添加によって、Ａｕ−Ｓｎ合金よりも、溶融時（同じ温度で比較）の表面張力が小さくなり、Ａｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金は、濡れ性に優れ、素子の接合時には、より接合信頼性の向上にも寄与する、という知見も得られた。
【００１７】
したがって、本発明は、上記知見から得られたものであり、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。
（１）本発明のＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末ペーストは、Ｓｎ：２０〜２５ｗｔ％及びＢｉ：０．１〜５．０ｗｔ％を含有し、残部がＡｕからなる組成を有し、粒径：１０μｍ以下のＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末と、少なくとも活性剤を含む１５〜３０ｗｔ％のフラックスとを混合したことを特徴とする。
（２）本発明のＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜は、Ｓｎ：２０〜２５ｗｔ％及びＢｉ：０．１〜５．０ｗｔ％を含有し、残部がＡｕからなる組成を有し、厚さ：５μｍ以下である薄膜であって、該薄膜は、少なくとも共晶組織を備えていることを特徴とする。
（３）本発明のＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜の成膜方法では、Ｓｎ：２０〜２５ｗｔ％及びＢｉ：０．１〜５．０ｗｔ％を含有し、残部がＡｕからなる組成を有し、粒径：１０μｍ以下のＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末と、少なくとも活性剤を含む１５〜３０ｗｔ％のフラックスとを混合したＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末ペーストを、メタライズ層上の所定領域にスクリーン印刷し、次いで、Ａｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末を加熱溶融した後に固化させて、少なくとも共晶組織を備えたＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜を形成することを特徴とする。
（４）前記（３）の成膜方法では、前記スクリーン印刷は、前記所定領域に対応してメッシュが設けられたスクリーンマスクを用い、ギャップ印刷により行われるであることを特徴とする。
【００１８】
以下において、本発明において前記課題を解決するために採用された構成について説明する。
【００１９】
一般に、Ａｕ−Ｓｎの二元系合金が共晶型である場合、温度と元素濃度比との関係によって、固相と液相とに変化する状態図で描けることは知られている。この場合の状態図では、共晶点が存在する。この共晶点での濃度比が、Ｓｎが２０％、Ａｕが８０％であるとき（Ａｕ−２０Ｓｎと表記する）、共晶温度は、２８０℃である。Ａｕ−Ｓｎ合金は、この共晶温度以上であれば、液相となり、この温度以下であれば、固相となることを表している。ここで、溶融されたＡｕ−Ｓｎ合金を冷却していくと、共晶温度を境界として、液相から固相へと変化する。ここで、固相に変化して形成された共晶合金は、Ａｕリッチ部分とＳｎリッチ部分とが交互に存在する共晶組織（例えば、ラメラ組織）を有しており、その共晶組織には、層状共晶などの種々の形態が知られている。
【００２０】
一方、Ｓｎの濃度が、２０％を超えて高く含有している場合には、溶融されたＡｕ−Ｓｎ合金が冷却されていく過程で、液相線に達すると初晶が晶出されるが、共晶温度以下になると、共晶組織中に初晶粒子が分散して存在することがあるが、この共晶合金が少なくとも共晶組織を有していることにより、固化したＡｕ−Ｓｎ合金膜を再溶融し易くしている。これに対して、上述した、Ａｕ金属ターゲットとＳｎ金属ターゲットとを用いて交互にスパッタリングすることによってＡｕ−Ｓｎ薄膜を成膜した薄膜例では、薄く、且つ、均一に膜を形成できても、その膜は、Ａｕ及びＳｎの原子が配列されただけであるので、再溶融が容易でない。即ち、この薄膜例の場合には、共晶組織を有していないためと考えられる。
【００２１】
本発明によるＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末ペーストには、Ｓｎ：２０〜２５ｗｔ％及びＢｉ：０．１〜５．０ｗｔ％を含有し、残部がＡｕからなる組成を有するＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末が用いられている。このＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末の場合でも、固化したＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜は、Ａｕ−Ｓｎ合金の場合と同様に、Ａｕリッチ部分とＳｎリッチ部分とが交互に存在する共晶組織を備えている。なお、本発明では、Ａｕ−Ｓｎ合金にＢｉが添加されたものであるが、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）による組成像（ＣＯＭＰ像）及び各元素マッピング像の観察によれば、添加されたＢｉは、Ｓｎと同じ箇所に存在することも確認され、更には、示差走査熱量測定（ＤＳＣ測定）により、昇温過程、降温過程において一つの吸熱、発熱ピークを有しており、ある温度で固体から液体へ、液体から固体へと相変化が生じる共晶組成であることを裏付けるデータが得られていることから、本発明によるＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜も共晶組織を備えているといえる。
【００２２】
ところで、従来から知られている、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末とフラックスとを混合したはんだペーストを用いて、このペーストを基板に形成されたメタライズ層上に塗布し、リフロー処理でＡｕ−Ｓｎ合金膜を形成する場合、このＡｕ−Ｓｎ合金膜を薄くするために、このペーストをメタライズ層上に薄く塗布してしまうと、リフロー処理の加熱によって、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末が溶融するが、ディウエッティング（引け）現象が発生し、島状に凝集してしまうので、下地層表面が透けて見えるような状態となり、しかも、膜の厚さは、不均一なものとなる。そのため、従来のペーストは、薄膜形成には適していない。
【００２３】
そこで、本発明では、Ａｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末ペーストを工夫して、５μｍ以下の厚さで均一なＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜が得られることを目的とし、しかも、形成されたＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜が少なくとも共晶組織を備えるようにして、溶融性を改善するようにした。
【００２４】
本発明によるＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末ペーストで使用されるＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末は、Ｓｎ：２０〜２５ｗｔ％及びＢｉ：０．１〜５．０ｗｔ％を含有し、残部がＡｕからなる組成を有するとしたが、Ｓｎの含有量が２０ｗｔ％未満であると、溶融したときの表面張力が強くなり、不均一な膜となり、また、Ｓｎの含有量が、２５ｗｔ％を超えると、Ａｕ−Ｓｎ合金が、共晶合金から外れてしまい、即ち、Ａｕ−Ｓｎ合金膜中の共晶組織が少なくなるので、濡れ性が低下するため、Ａｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末中のＳｎ含有量を２０〜２５ｗｔ％とすることが好ましい。
【００２５】
また、このＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末におけるＢｉの含有量が０．１ｗｔ％未満であると、溶融時の表面張力を低下させるという効果が得られない。５ｗｔ％を超えると、Ａｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金の融点が低下してしまい、高温はんだとしての利点が低減する。
【００２６】
なお、通常、電極となる下地層（例えば、Ｎｉなど）が設けられており、この下地層の表面には、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだを用いる場合、下地層との濡れ性を考慮して、Ａｕのメタライズ層が形成されている。このメタライズ層上にＡｕ−Ｓｎ合金含有ペーストを塗布して、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末を加熱溶融する過程において、メタライズ層のＡｕが溶融したＡｕ−Ｓｎ合金に取り込まれ、合金中のＡｕ濃度が増える。そのため、Ａｕ−Ｓｎ合金における濃度バランスが崩れる分を見込んで、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末中のＳｎ含有量を決めている。また、その影響は薄膜であるほど大きい。
【００２７】
さらに、Ａｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末の粒径を、平均粒径で１０μｍ以下としたが、この粒径が、１０μｍを超えて大きくなると、Ａｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末ペーストを、例えば、スクリーン印刷法によりメタライズ層上の所定領域に塗布するとき、充填不良が発生し、膜厚が不均一になる可能性があり、粒径が大きいと、溶融時に、ディウエッティング（引け）現象が発生するので好ましくない。そのため、Ａｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末の粒径を、平均粒径で１０μｍ以下とすることが好ましい。
【００２８】
一般に、はんだ付けの際に用いられるフラックスには、日本工業規格（ＪＩＳ）にも規定されているように、化学作用により金属表面の酸化物を除去する洗浄作用を有する活性剤を含ませることが知られている。このフラックスの活性の度合いにより除去できる酸化膜の組成が決まり、酸化膜が安定な金属であればあるほど、強力な活性が必要である。この洗浄を必要としない場合には、活性剤を含まないノンハロゲンフラックスが用いられ、また、活性なフラックスとして、ＲＡフラックスなどがあることも知られている。
【００２９】
ここで、本発明によるＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末ペーストには、少なくとも活性剤を含む１５〜３０ｗｔ％のフラックスを混合することとした。ここで、膜厚が５μｍ以下の薄いＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜を形成するためには、Ａｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末には、１０μｍ以下の微細なものを使用することになるが、Ａｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末自体が１０μｍ以下の微細な粉末になると、粉末表面に形成される自然酸化膜（ＳｎＯ）の除去には、活性剤を含む活性タイプフラックスが必要となる。活性剤を含まないノンハロゲンフラックスでは、この還元作用が弱いので、自然酸化膜を除去しきれない。さらに、そのＲＡフラックスを１５〜３０ｗｔ％混合することとしたが、１５ｗｔ％未満の混合率では、ペーストを薄く塗布することを困難にするため、薄膜形成を達成することができず、一方、３０ｗｔ％を超える混合率であると、膜が不均一になってしまう。そのため、ＲＡフラックスの混合率を、スクリーン印刷時におけるペーストの流動性と、自然酸化膜の除去性とを考慮して、１５〜３０ｗｔ％とすることが好ましい。
【００３０】
本発明のＡｕ−Ｓｎ合金薄膜の成膜方法では、上述したＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末ペーストを、メタライズ層上の所定領域にスクリーン印刷し、次いで、リフロー処理による溶融の後に固化させて、少なくとも共晶組織を備えたＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜を形成することとした。ここで、スクリーン印刷法を採用したのは、メタライズ層上の所定領域に塗布されるペースト量を調整し易いからである。その量を少なくするということは、薄いＡｕ−Ｓｎ―Ｂｉ合金膜を作成する上で好都合である。特に、所定領域にメッシュを配したスクリーンマスクを用いることで、メッシュの線径、開口率、乳材厚を選定し、ペースト透過体積を容易に調整できる。また、ギャップ印刷法により、均一なペースト印刷を実現できた。Ａｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末ペーストがメタライズ層上に塗布されると、所定領域内では、そのペーストがドット状に分布し、これにより、一層、ペースト量を低減することができ、５μｍ以下の膜厚を有するＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜を得ることに寄与している。さらに、Ａｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末とフラックスとの混合には、撹拌が用いられるため、気泡が混入している可能性があり、この気泡の存在が膜の均一性に影響するので、真空脱泡を施すと良い。
【００３１】
また、本発明のＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜の成膜方法では、Ａｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末ペーストを、メタライズ層上の所定領域にスクリーン印刷し、次いで、リフロー処理により、Ａｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末を加熱溶融した後に固化させて、Ａｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜を形成している。Ａｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末が一旦加熱溶融されることにより、溶融したＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金が冷却される過程で、該薄膜が、少なくとも共晶組織を備えることとなり、接合時の溶融性を良好なものとしている。
【００３２】
以上に説明した本発明のＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金含有ペーストを用いてＮｉ下地層上に形成されたＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜の代表例について、図３に、走査型電子顕微鏡（ＳＥＩ）で撮影した表面画像の写真を示した。また、そのＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜の代表例について、図４に、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）による組成像（ＣＯＭＰ像）、各元素マッピング像を示した写真を示した。これらの画像によれば、本発明のＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜が、Ａｕリッチ部分とＳｎリッチ部分とが交互に存在する共晶組織を有し、添加されたＢｉが、Ｓｎと同じ箇所に存在することが示されている。更には、図５には、本発明のＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜の代表例に係る示差走査熱量測定（ＤＳＣ測定）の結果を示すグラフが示されており、このグラフは、昇温過程、降温過程において、一つの吸熱・発熱ピークを有しており、これは、ある温度で固体から液体へ、液体から固体へと相変化が生じる共晶組成であることを裏付けているといえる。これらを総合すると、本発明によるＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜も、共晶点を有する共晶組織を備えているといえる。
【発明の効果】
【００３３】
以上の様に、本発明によれば、Ａｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末ペーストの印刷法により塗布が容易であり、しかも、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末ペーストを加熱溶融した後に固化することにより、共晶組織が備えられるので、その接合層として、良好な接合性（濡れ性）を確保しつつ、均一性があり、かつ、薄いＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜を成膜することができる。そのため、ＬＥＤ素子等の基板への搭載において、低Ａｕ化によるコスト低減を図ることができるとともに、均一性があり、かつ、薄いＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金接着層とすることができ、ＬＥＤ素子を搭載する装置の生産性向上に寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】Ａｕ金属ターゲットとＳｎ金属ターゲットとを用いて交互にスパッタリングすることによって成膜したＡｕ−Ｓｎ薄膜例について、走査型電子顕微鏡（ＳＥＩ）で撮影した表面画像の写真である。
【図２】Ａｕ金属ターゲットとＳｎ金属ターゲットとでスパッタリング成膜されたＡｕ−Ｓｎ薄膜に係る電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）による組成像（ＣＯＭＰ像）、各元素マッピング像を示した写真である。
【図３】本発明のＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金含有ペーストを用いて形成されたＡｕ−Ｓｎ合金薄膜の代表例について、走査型電子顕微鏡（ＳＥＩ）で撮影した表面画像の写真である。
【図４】本発明のＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜の代表例に係る電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）による組成像（ＣＯＭＰ像）、各元素マッピング像を示した写真である。
【図５】本発明のＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜の代表例に係る示差走査熱量測定（ＤＳＣ測定）の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
次に、本発明のＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金含有ペーストを用いたＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜の成膜方法について、以下に、実施例及び比較例により、具体的に説明する。
【００３６】
〔実施例〕
高周波溶解炉により溶解して得られたＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金の溶湯を温度：８００℃に保持しながら、回転数：８００回転で３時間プロペラを回転させて溶湯を機械撹拌したのち、溶湯に圧力：５００ｋＰａをかけ、高周波溶解炉の底部に設けられたノズルから溶湯を落下させ、同時にノズルの周囲にノズルギャップ：０．２ｍｍとなるように設けられた直径：１．５ｍｍのガスノズルから落下する溶湯に向かってＡｒガスを噴射圧力：６０００ｋＰａで噴射させることにより、Ａｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金のガスアトマイズ粉末を作製した。得られたアトマイズ粉末の金属組成（ｗｔ％）は、表１に示されている。このガスアトマイズ粉末を、風力分級装置により分級して、表１に示されるような粒径：１０μｍ以下のＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末を得た。なお、Ａｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金の組成は、溶解する段階で調整されている。
【００３７】
ここで得られたＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末を用いて、一般に市販されているＲＡフラックス（例えば、三菱マテリアル株式会社製）を、表１に示されるフラックス比率（ｗｔ％）となるように混合して、実施例１〜７のＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末ペーストを作製した。また、実施例と比較のために、得られたＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末を用いて、市販されているＲＡフラックス、ＲＭＡフラックス又はノンハロゲンフラックスを、表１に示されるフラックス比率（ｗｔ％）となるように混合して、比較例１〜８のＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末ペーストを作製した。なお、Ａｕ金属ターゲットとＳｎ金属ターゲットとを用いて交互にスパッタリングすることによってＡｕ−Ｓｎ薄膜を成膜する従来技術の場合を、比較例９として、表１に示した。
【００３８】
【表１】
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【００３９】
次に、作製した実施例１〜７及び比較例１〜８のＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末ペーストを用いて、そのペーストを、スクリーン印刷法により、基板の所定領域に塗布した。このスクリーン印刷法では、オープニング３３μｍ、メッシュ数５００、線径１８μｍ、厚み２９μｍとしたメッシュマスクを用いて、ギャップ印刷を行った。基板上には、Ｎｉ層が形成されており、さらに、そのＮｉ層上に、Ａｕのメタライズ層が形成されている。Ａｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末ペーストは、このメタライズ層上に塗布された。その後、温度：３００℃でリフロー処理して、Ａｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末を加熱溶融し、Ｎｉ層上に、Ａｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金の溶融膜を形成した。その後、この溶融膜を、室温まで冷却して固化させることにより、実施例１〜７及び比較例１〜８のＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜を作成した。
【００４０】
そこで、作成した実施例１〜７及び比較例１〜９のＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜について、以下に説明する手順で、膜の均一性（引けによるムラの有無）、膜厚みを測定し、粉末溶融性、素子接合性を評価した。
【００４１】
＜膜の均一性（引けによるムラの有無）の確認＞
薄膜におけるディウエッティング（引け）現象については、光学顕微鏡や、実体顕微鏡で確認することができるので、例えば、Ｎｉ層が透けて見える状態であれば、引けが生じていると判断する。Ｎｉ層が見えていなければ、「良好」とした。
＜膜厚みの測定＞
レーザー顕微鏡により測定した。５μｍ以下の均一な膜が得られた場合を、「良好」とした。
＜粉末溶融性の確認＞
Ａｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜について、光学顕微鏡を用いて、未溶融或いは凝集したＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末粒子の存在状態を確認した。このＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末粒子の存在が確認できない場合を、「良好」とした。
＜素子接合性の測定＞
８００μｍ角のＬＥＤ素子を基板に搭載した状態で、テストスピード１００μｍ／ｓにて、シェア強度を測定した。５０Ｎ／ｍｍ２以上の場合を、「良好」とした。
＜総合評価＞
下記の基準により、総合評価を行った。
○：全ての評価（膜の均一性、膜厚み、粉末溶融性、素子接合性）が「良好」の場合
×：一つでも「良好」でない評価がある場合（不良）
以上の結果を、以下の表２に示した。
【００４２】
【表２】
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【００４３】
表２によれば、比較例９のＡｕ−Ｓｎ合金薄膜は、膜の均一性、膜の薄膜化においては、良好な結果が得られているが、素子接合性では、低い値が測定され、接合性はよくないことが示されている。これに対して、実施例１〜７のＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜では、いずれも、膜の厚さに関して、５μｍ以下と、十分薄く、且つ、均一に形成することができた。そして、実施例１〜７のＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜を用いて、ＬＥＤ素子を基板に搭載したときには、従来技術に比較して、接合性を大きく向上できたことが確認された。
【００４４】
一方、比較例１、４のＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜では、一部に引けが発生して不均一な膜であるため、Ａｕ−Ｓｎ合金薄膜としては不良とした。また、比較例２のＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜では、フラックス量が少ないため、引けが発生し、ムラがあり、均一な膜でなかった。比較例３のＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜では、活性剤を含まないノンハロゲンフラックスが用いられているため、引けが発生していないが、はんだ上に未凝集粉が多く存在し、不良な膜であった。比較例５のＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜では、フラックスの量が多すぎるため、はんだが濡れ広がらず、下地が見える状態であり、素子の接合強度も低く、不良な膜であった。比較例６のＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜では、Ｓｎの含有量が少ないため、未凝集粉が存在し、一部、膜が形成されず、素子の接合強度も低かった。比較例７のＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜では、Ｂｉの含有量が少ないため、膜の厚さが５μｍ以下にならなかった。比較例８のＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜では、Ｓｎの含有量が多すぎるため、未凝集粉が存在し、一部、膜が形成されず、素子の接合強度も低かった。比較例１〜８のＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜は、いずれも不良であった。
【００４５】
以上の様に、Ｓｎ：２０〜２５ｗｔ％及びＢｉ：０．１〜５．０ｗｔ％を含有し、残部がＡｕからなる組成を有し、粒径：１０μｍ以下のＡｕ−Ｓｎ合金粉末と、１５〜３０ｗｔ％のＲＡフラックスとを混合したＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末ペーストを用いて、Ａｕのメタライズ層上に所定領域にスクリーン印刷し、次いで、Ａｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金粉末を加熱溶融した後に固化させることにより、５μｍ以下の厚さを有し、且つ、共晶組織を備えたＡｕ−Ｓｎ−Ｂｉ合金薄膜が形成されることが確認された。
【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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