(57)【要約】【課題】  Ｐｂを含まない高温用のＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金であり、水晶デバイスやＭＥＭＳ（微小電子機械システム）等の非常に高い信頼性を要求される接合においても十分に使用することができる、濡れ性に優れたＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金を提供する。【解決手段】  Ｐｂを含まず、Ｓｎを１８.５質量％以上２３.５質量％以下含有し、Ａｌを０.０１質量％以上０.８質量％以下含有し、残部がＡｕ及び不可避不純物からなるＰｂフリーのＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金である。このＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金は、更にＰを０.００１質量％以上０.５００質量％以下含有することができる。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｎを１８.５質量％以上２３.５質量％以下含有し、Ａｌを０.０１質量％以上０.８質量％以下含有し、残部がＡｕ及び不可避不純物からなることを特徴とするＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金。
【請求項２】
Ｓｎを１８.５質量％以上２３.５質量％以下含有し、Ａｌを０.０１質量％以上０.８質量％以下含有し、更にＰを０.００１質量％以上０.５００質量％以下含有し、残部がＡｕ及び不可避不純物からなることを特徴とするＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金。
【請求項３】
請求項１又は２に記載したＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金を用いた電子部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｐｂを含まないはんだ合金に関するものであり、特に高温用のＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金及びそのはんだを用いて接合された電子部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境に有害な化学物質に対する規制がますます厳しくなってきており、この規制は電子部品などを基板に接合する目的で使用されるはんだ材料に対しても例外ではない。はんだ材料には古くから鉛（Ｐｂ）が主成分として使われ続けてきたが、既にＲｏｈｓ指令などで鉛は規制対象物質になっている。このため、鉛を含まないはんだ（鉛フリーはんだ又は無鉛はんだとも称する）の開発が盛んに行われている。
【０００３】
電子部品を基板に接合する際に使用するはんだは、その使用限界温度によって高温用（約２６０℃〜４００℃）と中低温用（約１４０℃〜２３０℃）とに大別され、そのうち中低温用はんだに関してはＳｎを主成分とするもので鉛フリーはんだが実用化されている。例えば、特許文献１には、Ｓｎを主成分とし、Ａｇを１.０〜４.０重量％、Ｃｕを２.０重量％以下、Ｎｉを１.０重量％以下、Ｐを０.２重量％以下含有する無鉛はんだ合金が記載されている。また、特許文献２には、Ａｇを０.５〜３.５重量％、Ｃｕを０.５〜２.０重量％含有し、残部がＳｎからなる合金組成の無鉛はんだが記載されている。
【０００４】
一方、高温用のＰｂフリーはんだに関しても、さまざまな機関で研究開発が行われている。例えば、特許文献３には、Ｂｉを３０〜８０質量％含み、溶融温度が３５０〜５００℃のＢｉ／Ａｇろう材が開示されている。
【０００５】
高価な高温用のＰｂフリーはんだ材料としては、既にＡｕ−Ｓｎ合金やＡｕ−Ｇｅ合金などがＭＥＭＳ（微小電子機械システム）等で使用されている。例えば特許文献４には、Ａｕ：５〜１５質量％を含有し、更にＢｉ：０.１〜１０質量％、Ｉｎ：０.１〜１０質量％及びＳｂ：０.１〜１０質量％のいずれかを含有し、残りがＳｎ及び不可避不純物からなる成分組成を有するＳｎ−Ａｕ合金はんだ粉末とフラックスとの混合体に関して記載されている。
【０００６】
また、特許文献５には、Ｓｎ：１５〜２５質量％、酸素：１００超〜５００ｐｐｍを含有し、残りがＡｕ及び不可避不純物からなる組成、並びに粒径１０〜３５μｍの粉末を全体の３０％以上含み且つ粒径４０μｍ以下の粉末が全体の９０％以上を占め、レーザー散乱・解析法により測定した平均粒径が１０〜３５μｍの範囲内の粒度を有する濡れ広がりの少ないはんだペースト用Ａｕ−Ｓｎ合金粉末について記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−０７７３６６号公報
【特許文献２】特開平０８−２１５８８０号公報
【特許文献３】特開２００２−１６００８９号公報
【特許文献４】特開２００８−１６１９１３号公報
【特許文献５】特開２００３−２６０５８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
高温用のＰｂフリーはんだ材料に関しては、上記特許文献以外にも様々の報告ないし提案がなされているが、未だ低コストで汎用性のあるはんだ材料は見つかっていない。即ち、一般的に電子部品や基板には熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂などの比較的耐熱温度の低い材料が多用されているため、接合時の作業温度を４００℃未満に、望ましくは３７０℃以下にするという要望がある。しかしながら、例えば特許文献３に開示されているＢｉ／Ａｇろう材では、液相線温度が４００〜７００℃と高いため、接合時の作業温度も４００〜７００℃以上になると推測され、接合される電子部品や基板の耐熱温度を超えてしまうことになる。
【０００９】
そして、高価なＡｕ−Ｓｎ系はんだの場合、実用化されているものの、ＭＥＭＳや水晶デバイスなどの特に信頼性を必要とする箇所のはんだ付けに使用されるため、非常に高い信頼性が要求されている。例えば特許文献４では、表面張力を低下させる観点からＢｉ、Ｉｎ、Ｓｂを添加して濡れ性を向上させているが、はんだの形態はペーストであり、フラックスによる還元効果が期待できるため、はんだ表面張力を低下させて濡れ性を向上させていると考えられる。
【００１０】
しかし、はんだシートやワイヤ等はんだ合金単体のみの場合、即ちフラックスなどの還元剤がない場合においては、ＩｎはＡｕ、Ｓｎより酸化しやすく、Ｂｉ、ＳｂはＡｕよりも酸化しやすい。従って、これらの元素の添加量が１質量％以下などの微量である場合はともかく、熱力学的にははんだ表面が酸化して濡れ性を低下させてしまうことになる。尚、特許文献５のように故意にはんだの酸素量を増加させた場合、還元剤がなく、はんだ合金単体で用いると、濡れ性が極端に低下して、場合によっては接合ができないことも容易に想像できる。
【００１１】
本発明は、このような従来の事情に鑑みてなされたものであり、水晶デバイスやＭＥＭＳ等の非常に高い信頼性を要求される接合においても十分に使用することができ、濡れ性に優れた高温用ＰｂフリーのＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金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】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明が提供するＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金は、Ｐｂを含まず、Ｓｎを１８.５質量％以上２３.５質量％以下含有し、Ａｌを０.０１質量％以上０.８質量％以下含有し、残部がＡｕ及び不可避不純物からなることを特徴とする。このＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金は、更にＰを０.００１質量％以上０.５００質量％以下含有することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、Ａｕ−Ｓｎ共晶組成付近にＡｌを所定の含有率となるように添加することによって、はんだ合金単体で濡れ性に優れ、高い接合強度と高い信頼性を有するＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金を提供することができる。このＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金は、高温用の鉛フリーはんだ合金として、水晶デバイスやＭＥＭＳ等の非常に高い信頼性を要求される接合にも十分に使用することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明のＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金では、Ａｕ−Ｓｎ共晶組成付近を基本組成とし、これにＡｌを所定量含有させることによって、ＡｕやＳｎよりも酸化しやすいＡｌによりはんだ母材を還元し、濡れ性を向上させているため、接合強度及び信頼性を改善向上させることができる。更には、非常に柔らかい金属であるＡｌが添加されることにより、接合時の残留応力や使用環境時に加わる熱応力などを緩和でき、この効果によっても信頼性を一層高めることができる。
【００１５】
加えて、本発明のＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金では、更にＰを添加することによって、濡れ性等の諸特性をより一層向上させることができる。つまり、水晶デバイス等の高信頼性の接合が要求される箇所はメーカーにより様々な工夫がなされているため、その接合条件については、はんだ材料は勿論のこと、半導体チップや基板のメタライズ層、接合時雰囲気や温度プロファイルなど様々である。このような様々な条件に対して１組成のはんだ材料で接合させることは難しいが、この接合条件のバリエーションに対応するためには、更にＰを添加して濡れ性等を調整することが有効である。
【００１６】
ＰはＡｌ以上に還元性を有するが、Ａｌと大きく異なる特徴を有している。即ち、一般的にＰは酸化すると酸化Ｐとなり、この酸化Ｐは気体であるためはんだ材料中に残らないという特徴がある。このように、Ｐはその強い還元力により、はんだの濡れ性を格段に向上させたり、還元後気化してはんだ中からなくなるなど優れた利点を持つ一方、酸化Ｐの気体がある量以上発生するとボイドの原因になったり、接合時にチップの位置ずれなどを起こす原因ともなる。
【００１７】
以上に述べたように、Ａｕ−Ｓｎ系はんだ合金にＡｌを添加し、更には必要に応じてＰを添加することによって、濡れ性、接合強度、信頼性等に優れた本発明のＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金が得られる。以下に、本発明のＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金において非常に重要な役割を果たすＡｌ及びＰの効果について、更に詳しく説明する。
【００１８】
本発明のはんだ合金はＡｕ−Ｓｎ共晶合金を基本とする。即ち、ＡｕとＳｎはＡｕ＝８０質量％、Ｓｎ＝２０質量％の組成比において共晶点の組成となり、よって結晶が微細なラメラ組織となって、はんだ材として使用できる条件の一つを満たすことができる。加えて、融点も下がって２８０℃となり、このため高温用のＰｂフリーはんだとして使用できるようになる。Ａｕは酸化し難く、特に濡れ性が優れることが知られているが、一方でＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金であっても濡れ性が不足することがあり、その主な理由はＳｎの酸化による。このような濡れ性不足の対策として、Ａｕ−Ｓｎ系はんだにＡｕメッキを行ったりするが、もともと高価なＡｕ−Ｓｎ系はんだの更なるコストアップに繋がってしまうなどの問題がある。本発明はこのようなコストアップに繋がらないようにＡｌ等を含有させ、濡れ性の向上を図っている。
【００１９】
Ａｌは、本発明のＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金において必須の元素である。濡れ性を向上させるためには２つの考え方があり、一つは非常に酸化し難い元素を添加して、はんだ母材自身を酸化し難くすることであり、もう一つは酸化しやすい元素を添加して、生成した酸化物をはんだ母材中に取り込み、はんだ表面の酸化を防ぐことによって濡れ性を向上させることである。本発明においてＡｌを含有させることは後者の立場、即ち自らが酸化することにより濡れ性を向上させる効果を意図したものである。
【００２０】
更に、Ａｌに期待できる効果として応力緩和性がある。Ａｌは非常に柔らかい金属であるため、はんだ接合時の残留応力や使用時に常時加わる熱応力等を緩和する効果を有している。加えて、ＡｌはＳｎと共晶合金を生成することによって結晶を微細化させるため、これによって更に高い応力緩和性を発揮するものと考えられる。
【００２１】
以上に説明したように、Ａｌは還元性や柔軟性等を有するため、Ａｕ−Ｓｎ系はんだ合金の濡れ性及び信頼性等を向上させることができ、ＰｂフリーのＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金をより優れた高温用はんだ材料とするために最適な添加元素である。
【００２２】
上記したＡｌの含有量は０.０１質量％以上０.８質量％以下とする。Ａｌ含有量が０.０１質量％未満では、濡れ性や応力緩和性などに、その添加効果を発揮することができない。逆にＡｌ含有量が０.８質量％を超えると、Ａｌ−Ｓｎ合金の低融点相が多く生成されるため、例えばリフロー時にチップの位置ずれを起こすなどの問題が生じやすい。更には、ＡｌがＡｕと脆い金属間化合物を許容量以上に生成してしまい、クラック発生の原因になる恐れがある。従って、Ａｌ含有量を０.０１質量％以上０.８質量％以下の範囲とすることにより、非常に高い信頼性を要求される場合でも良好な接合が可能となる。
【００２３】
次に、Ｐは、本発明のＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金において、必要に応じて含有させることが望ましい任意の添加元素である。Ｐは、上記したＡｌと同様に、その強い還元性によってはんだの濡れ性を向上させ、信頼性等の諸特性を向上させる効果がある。Ａｌと同様の効果を有するＰを敢えて含有させる理由は次のとおりである。
【００２４】
即ち、水晶デバイス等の高信頼性の接合が要求される箇所ではメーカーにより様々な工夫がなされおり、その接合条件は、はんだ材料は勿論、チップや基板のメタライズ層、接合時の雰囲気や温度プロファイルなど様々である。このような種々の接合条件に対して、ＡｕとＳｎにＡｌを添加した単一組成のはんだ材料で接合させることは困難であるが、この接合条件のバリエーションに対応する手段として更にＰを添加し、濡れ性等を調整することが有効である。
【００２５】
また、Ｐは還元剤という意味ではＡｌと同様であるが、はんだ還元時に起きる現象はＡｌと異なり非常に特徴的である。即ち、一般的にＰは酸化すると酸化Ｐとなり、この酸化Ｐは気体であるためはんだ材料中に残らない。つまり、Ｐはその強い還元力により、はんだの濡れ性を格段に向上させる一方、還元時に気化してはんだ中から無くなるなど、非常に優れた利点を有する。そのため、Ｐの添加が有効である場合が多いのである。
【００２６】
上記したＰの含有量は、０.００１質量％以上０.５００質量％以下とする。Ｐの含有量が０.００１質量％未満では、上記した添加効果を発揮することができない。逆にＰの含有量が０.５００質量％を超えると、接合時に酸化Ｐの気体発生量が増えるためボイド率が高くなったり、脆い酸化物が偏析したりして、濡れ性や信頼性等を低下させる恐れがある。
【００２７】
尚、上記脆い相の生成は、はんだを加工する際にも大きな問題となる。本発明者らは、例えばシートやワイヤなどを加工する場合に、脆い相の生成がクラックや断線、あるいは欠陥の原因になりやすいことを確認している。このように、高信頼性の接合を目的とする本発明のＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金にＰを含有させる際には細心の注意を払わなければならず、接合条件を十分に検討したうえで、Ｐ含有量を決定する必要がある。
【００２８】
上記した本発明のＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金は、Ｐｂフリーの高温用はんだ合金として、電子部品の接合に好適に使用することができ、特に水晶デバイスやＭＥＭＳ（微小電子機械システム）等の非常に高い信頼性を要求される接合にも使用することができる。よって、本発明は、上記Ａｕ−Ｓｎ系はんだ合金を用いた電子部品を提供するができる。
【実施例】
【００２９】
原料として、それぞれ純度９９.９質量％以上のＡｕ、Ｓｎ、Ａｌ及びＰを準備した。大きな薄片やバルク状の原料については、溶解後の合金においてサンプリング場所による組成のバラツキがなく均一になるように留意しながら切断、粉砕等を行い、３ｍｍ以下の大きさに細かくした。次に、これらの原料からそれぞれ所定量を秤量し、高周波溶解炉用のグラファイト製のるつぼに入れた。
【００３０】
原料を入れたるつぼを高周波溶解炉内に配置し、原料の酸化を抑制するために窒素ガスを原料１ｋｇ当たり０.７リットル／分以上の流量で流した。この状態で溶解炉の電源を入れ、原料を加熱溶融させた。原料の金属が溶融しはじめたら混合棒でよく撹拌し、局所的な組成のばらつきが起きないように均一に混合した。原料の金属が十分溶融したことを確認した後、溶解炉の電源を切り、速やかにるつぼを取り出し、るつぼ内の溶湯をはんだ母合金用の鋳型に流し込んだ。鋳型には、はんだ母合金の製造の際に一般的に使用している形状のものを使用した。
【００３１】
このようにして試料１のはんだ母合金（厚さ５ｍｍの板状）を作製した。また、原料の混合比率を変えた以外は上記試料１と同様にして、試料２〜１２の各はんだ母合金を作製した。これら試料１〜１２の各はんだ母合金の組成をＩＣＰ発光分光分析器（ＳＨＩＭＡＺＵ  Ｓ−８１００）を用いて分析した。その分析結果を下記表１に示す。
【００３２】
【表１】
2014200794.tif 000002
【００３３】
次に、上記試料１〜１２の各はんだ母合金（厚さ５ｍｍの板状インゴット）を、圧延機を用いてインゴットの送り速度を調整しながら圧延していき、厚さ０.１０ｍｍまで圧延した。その後、スリッター加工により２５ｍｍの幅に裁断し、シート形状のはんだ合金とした。
【００３４】
得られたシート形状の各はんだ合金を、金型プレス機を用いて矩形状（幅２５ｍｍ×長さ    ｍｍ×厚さ０.１０ｍｍ）に打ち抜き、下記する各評価用の試料として用いた。尚、一般的にＡｕ−Ｓｎ系はんだの場合、はんだ厚みは０.０２０〜０.０５０ｍｍ程度で使用されることが多いが、本実施例では濡れ広がりの評価を行う際に、濡れ性が濡れ広がり面積に反映され易いようにはんだ厚みを故意に厚くした。
【００３５】
上記試料１〜１２の各はんだ合金の評価用試料を用い、下記の方法により、濡れ性の評価、ボイド率の評価、及びヒートサイクル試験による信頼性の評価を行った。尚、はんだの濡れ性ないし接合性等の評価は、はんだ形状に依存しないためワイヤ、ボール、ペーストなどの形状で評価してもよいが、本実施例においてはシートの形状で評価した。
【００３６】
＜濡れ性の評価（濡れ広がり性）＞
濡れ性試験機（装置名：雰囲気制御式濡れ性試験機）を起動し、加熱するヒーター部分に２重のカバーをして、ヒーター部の周囲４箇所から窒素ガスを１２リットル／分の流量で流した。その後、ヒーターの設定温度を３３０℃にして加熱した。ヒーター温度が３３０℃で安定した後、Ｎｉめっき層（膜厚：２.０μｍ）の上に最上層としてＡｕめっき層（膜厚：１.０μｍ）を設けたＣｕ基板（板厚：０.３ｍｍ）をヒーター部にセッティングして、２５秒間加熱した。
【００３７】
次に、試料のはんだ合金をＣｕ基板の上に載せ、２５秒間加熱した。加熱が完了した後、Ｃｕ基板をヒーター部から取り上げて、その横の窒素ガス雰囲気が保たれている場所に一旦設置して冷却した。十分に冷却した後、Ｃｕ基板を大気中に取り出して接合部分を確認し、Ｃｕ基板に接合されたはんだ合金の面積から濡れ性を評価した。
【００３８】
即ち、Ｃｕ基板のＡｕめっき層上に溶融して接合されたはんだ合金について、その面積を光学顕微鏡（株式会社  キーエンス製  ＶＨＸ−９００）の面積測定機能を用いて測定し、溶融前の面積を１００％として求めたはんだ面積率（％）により濡れ性を評価した。得られた結果を下記表２に示した。
【００３９】
＜ボイド率の評価＞
接合性を確認するため、上記濡れ性の評価と同様にして得たＣｕ基板に接合されたはんだ合金のボイド率を、Ｘ線透過装置（株式会社東芝製、ＴＯＳＭＩＣＲＯＮ−６１２５）を用いて測定した。具体的には、はんだ合金とＣｕ基板の接合面に上部から垂直にＸ線を透過し、下記計算式１を用いてボイド率を算出した。得られた結果を下記表２に示した。
【００４０】
［計算式１］
ボイド率（％）＝ボイド面積÷（ボイド面積＋はんだ合金とＣｕ基板の接合面積）×１００
【００４１】
＜ヒートサイクル試験＞
はんだ接合の信頼性を評価するために、上記濡れ性の評価と同様にして得られたＣｕ基板に接合されたはんだ合金を用いて、ヒートサイクル試験を行った。まず、はんだ合金が接合されたＣｕ基板に対し、−４０℃の冷却と１５０℃の加熱を１サイクルとして、これを所定のサイクル繰り返した。
【００４２】
その後、はんだ合金が接合されたＣｕ基板を樹脂に埋め込み、断面研磨を行い、ＳＥＭ（日立製作所製、Ｓ−４８００）により接合面の観察を行った。接合面に剥がれがある場合やはんだにクラックが入っていた場合を「×」、そのような不良がなく、初期状態と同様の接合面を保っていた場合を「○」とした。得られた結果を下記表２に示した。
【００４３】
【表２】
2014200794.tif 000003
【００４４】
上記表２から分かるように、本発明の実施例である試料１〜７の各はんだ合金は、各評価項目において良好な特性を示している。即ち、Ａｕめっきを施したＣｕ基板への濡れ性は十分であり、接合面での反応が進みすぎることもなく、適度な濡れ広がりであった。また、ボイド率は最も高いもので１.５％であり、良好な接合性を示した。更に、信頼性に関するヒートサイクル試験においても良好な結果が得られており、５００サイクル経過後も不良が現れなかった。
【００４５】
一方、比較例である試料８〜１２の各はんだ合金は、少なくともいずれかの特性において好ましくない結果となった。例えば、濡れ性の評価に関しては、試料８と１１は、はんだ面積率が１０５％以下であり濡れ広がりが非常に悪かった。この理由は、ＡｕやＡｌの含有量が多く、液相温度が高いため十分溶融せず、接合時の加熱状態における粘性も高かったためと推測される。逆に試料１２は、はんだ面積率が１７８％であり非常に濡れ広がっているが、この理由はＰが過剰に含有され、濡れ広がりが進行しすぎためと考えられる。このように濡れ広がりが悪かったり、逆に濡れ広がりすぎたりすると、十分な接合強度が得られず、不良の原因となってしまうため好ましくない。
【００４６】
ボイド率に関しては、比較例の試料８、９、１１、１２において１０％以上と非常に高い値を示した。この原因は、液相温度が高すぎたり（試料８、１１）、ＡｌやＰの含有量が多すぎたり（試料１１、１２）するため、ＡｕめっきされたＣｕ板とはんだ合金の接合面に偏析が発生して、均一な合金層ができないためと考えられる。ヒートサイクル試験においては、試料８〜１２の全てで５００回までに不良が発生している。この原因は、はんだが濡れ広がり過ぎたり、ボイド率が高かったり、はんだの応力緩和性が不十分であるなど、複数の要因が重なりあっているものと考えられる。