(57)【要約】【課題】向上された信頼性を有する、鉛フリーのはんだペーストを提供する。【解決手段】鉛フリーのはんだペーストにおいて、はんだペーストは、融点または融点範囲が相互に少なくとも５ケルビン、特に少なくとも１０ケルビン離れている、少なくとも２種類の金属粉末を含有する【効果】はんだペーストの品質が一段と改善され、特にボイド形成の傾向が低減する【選択図】図２ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛フリーのはんだペーストにおいて、はんだペーストは、融点または融点範囲が相互に少なくとも５ケルビン、特に少なくとも１０ケルビン離れている、少なくとも２種類の金属粉末を含有することを特徴とする、鉛フリーのはんだペースト。
【請求項２】
金属粉末の合計が少なくとも三成分の金属系である、請求項１記載の鉛フリーのはんだペースト。
【請求項３】
はんだペーストがスズ−銀−銅はんだペーストである、請求項２記載の鉛フリーのはんだペースト。
【請求項４】
粉末混合物が合計して銀を２〜５％および銅を０．１〜１％含有している、請求項３記載のスズ−銀−銅はんだペースト。
【請求項５】
融点または融点範囲が相互に３０ケルビン未満、特に最大で２５ケルビン離れている、請求項１から５までのいずれか１項記載の鉛フリーのはんだペースト。
【請求項６】
安定したはんだ接合部の製造方法において、最終的な合金がはんだ工程において初めて生じ、かつ合金化のために意図されている成分が、最終的なはんだ接合部に相応する合金組成よりも少ない金属間相を有することにより、はんだ接合部への金属間相の侵入を低減することを特徴とする、安定したはんだ接合部の製造方法。
【請求項７】
金属粉末を溶融してはんだ接合部にする、はんだ接合部における金属間相を低減する方法において、金属粉末は、少なくとも５Ｋ異なった融点または融点範囲を有する少なくとも２種類の粉末からなる混合物であることを特徴とする、はんだ接合部における金属間相を低減する方法。
【請求項８】
はんだペーストの製造方法において、少なくとも５Ｋ異なった融点または融点範囲を有する少なくとも２種類の金属粉末をフラックスを用いてペーストとすることを特徴とする、はんだペーストの製造方法。
【請求項９】
ウェハバンピングまたは配線板実装のための、少なくとも２種類の異なった金属粉末を含有する、鉛フリーのはんだペーストの使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、はんだペースト、特にＳＡＣをベースとする鉛フリーのはんだペーストに関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえばＳｎＡｇ４Ｃｕ０．５のようなはんだペーストは、ボイドを形成する傾向があり、従って鉛を含有するはんだに比べて安定性が低く、ひいてははんだ箇所の信頼性が低下する。
【０００３】
ＵＳ５，５２７，６２８によれば、合金中で共晶組成Ｓｎ９３．６Ａｇ４．７Ｃｕ１．７以外に、この三成分系スズ−銀−銅（ＳＡＣ）のその他の非共晶組成または二成分系スズ−銀とスズ−銅とからなる組成が、軟ろうのための融点範囲を生じるために導入される。このような技術的なはんだ組成、特にＳＡＣはんだは金属間相（ＩＭＰ）を有する。化学量論的な組成（たとえばＣｕ３Ｓｎ、Ｃｕ６Ｓｎ５）を有するＩＭＰは一般に低い結晶対称を有し、かつ多くの場合、極めて脆性である。比較的広い範囲で安定している化合物（たとえばＡｇ３Ｓｎ）は、たしかに一般に高い対称性を有し、かつ多くの場合、延性でもあるが、しかしそれにもかかわらずはんだ接合部の安定性は低減されうる。従って軟ろう中に複数の組成を有する不所望のＩＭＰが生じる。つまりこれらのいわゆる臨界的な金属間相は望ましくない。というのは、該相ははんだ工程の際に維持され、その際に成長し、従って最終的なはんだ接合部に脆性を与え、かつ破壊が予想される箇所(Sollbruchstellen)が生じ、これにより機械的安定性は損なわれるからである。金属間相はたしかにはんだの際にも接触面において形成されるが、しかしいずれにしてもはんだ中に存在しているその他の金属間相がはんだにより導入され、該相ははんだ工程の際にふたたび拡大し、かつ時間の経過においてさらに拡大し、従って粒界破壊もしくは粒子の崩壊を生じる。
【特許文献１】ＵＳ５，５２７，６２８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って本発明の課題は、はんだペーストの品質をさらに改善し、特にボイド形成の傾向を低減することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するためには不所望の金属間相（ＩＭＰ）の侵入を低減する。このために、少なくとも５ケルビンおよび有利には３０ケルビン未満離れた融点範囲を生じる金属粉末混合物を含有するはんだペーストを提供する。このために、金属粉末成分の融点が相互に５ケルビン以上、特に１０ケルビン以上、好ましくは１５ケルビン以上離れており、かつ場合により３０ケルビン未満、特に２５ケルビンまでである金属粉末混合物が適切である。あるいはまた、高融点の成分がその融点より低い温度で溶融物中で溶解し、その結果、融点範囲を３０ケルビン未満に維持することができる場合には、融点が１００ケルビン以上であってもよい金属粉末も可能である。本発明によるはんだペーストにより不所望の金属間相はほぼ任意で低く維持することができる。さらにボイド試験によればボイドの形成を著しく低減することができる。特にスズ−、銀−、銅−（ＳＡＣ）−合金のボイド形成をワンオーダーまで低下させることができる。従ってこれらのペーストにより、一層安定しており、従って、エレクトロニクスモンタージュのために極めて重要である、さらに信頼性のあるはんだ接合部が可能である。特に重要な適用は、配線板の作製およびウェハバンピングである。はんだ接合部の最終的な合金は少なくとも部分的にはんだ付けを行う際に初めて生じる。従って該粉末混合物によりはんだ接合部へ導入される臨界金属間相（ＩＭＰ）は低減される。最終的な合金（目標合金）によりＩＭＰが１００％、はんだ接合部に供給される場合、粉末混合物によりＩＭＰは、はんだの際に最終的な合金として形成される割合に相応して減少する。
【０００６】
有利な実施態様では、
●粉末混合物は、この系の共晶の温度を３０ケルビン未満下回る温度範囲で溶融可能であり、
●金属粉末の合計は、三成分、四成分またはそれ以上の成分からなる金属系に相応し、
●金属粉末はその粒径分布に関して異なっており、その際、特に有利には最も微細な粉末は最も高い融点を有するか、または最も少ない質量割合を有し、
●鉛フリーのはんだペーストは種々の金属組成の粉末を含有し、その際、少なくとも２種類の金属粉末が、合金成分に関して主成分以外に、その粉末が高められた含有率を有し、かつ他方の金属粉末がより少ないか、もしくは含有されていないように構成されており、
●はんだペーストはスズ−銀−銅−はんだペーストであり、
●主成分がＳＡＣ合金、特に銀２〜５％および銅０．２〜１％、有利には銀３〜４％および銅０．３〜０．８％を含有するＳＡＣ合金であり、
●ＳＡＣ粉末混合物が合計して銀２〜５質量％および銅０．２〜１質量％、有利には銀３〜４質量％および銅０．４〜０．８質量％を含有する。
【０００７】
このようなペーストを製造するために、融点が異なる少なくとも２種類の金属粉末をフラックスと混合する。このために、たとえばペーストの生地を練る、撹拌する、混練するおよび均質化するための公知の製造方法が適切である。
【０００８】
本発明によれば、金属粉末を溶融してはんだ接合部とするはんだ法は、不所望のＩＭＰの低減下に行うことができる。このために重要であるのは、異なった合金組成を有する粉末が場合によりふたたび一般に異なった融点範囲または融点を有する純粋な金属も含有するペーストにより施与することである。その際、はんだ接合部の組成は金属粉末の混合比により予め決定されるが、しかしはんだ工程、つまり該ペーストの溶融の際に初めて実現される。その際、ＩＭＰは質および量に関して広い範囲で調節することができる。
【０００９】
さらに、複数の工業用標準合金を金属粉末混合物として、はんだペーストの組成が個々の目標合金に相応するように組み合わせることも可能である。
【００１０】
有利には本発明のはんだペーストは主成分として、元素のスズ、銅、銀、金または白金の１つを含有する。その他の成分は、粉末組成が共晶に近い融点範囲を生じるように選択する。はんだペースト中に混合された金属粉末は種々の組成以外に、有利には異なった粒径を有する。その際、最も低い融点の組成、たとえば共晶の組成を有する粉末が金属粉末の主成分であり、かつ有利には平均して最も大きい粉末粒子を有する場合に有利であることが判明した。粒径は少なくとも０．７倍異なっているとよく、有利にはワンオーダーまで異なり、しかしその際、特に融点が比較的高い合金である場合、および特に高融点の合金を溶融物により溶解しなくてはならない場合には、２オーダーが有利でありうる。従って融点範囲は必ずしも状態図の融点範囲と一致している必要はない。融点範囲に関して重要なことは、この範囲の金属粉末は溶融液を形成し、かつ全ての粉末は少なくとも本質的な成分に対して３０ケルビン未満、特に２５ケルビンまでの融点範囲内で溶融するか、または溶融液中で溶解することである。融点範囲に関して融点範囲の下限および上限の値は、他方の合金のそのつどの下限値または上限値から、または純粋な金属の融点から区別することができる。個々の金属粉末は純粋な金属であるか、または合金であってもよいが、しかし粉末混合物として、３０ケルビン未満、特に最大で２５ケルビンの融点範囲内で、合金、有利には三成分もしくはそれ以上の成分からなる合金を形成することができなくてはならない。従って粉末は、少なくとも２種類、有利には少なくとも３種類の元素を含有する溶融液を形成することができなくてはならない。
【００１１】
鉛フリーのペーストにより、多くの国々で新たな法律情勢が考慮されるべきである。鉛含有率に関する限界値は１％であると考えられている（Elektronik Praxis Marktreport Bleifrei、２００４年６月、第６頁）。
【００１２】
粉末組成により臨界金属間相（ＩＭＰ）をワンオーダー以上低減することができる。このことは、はんだ接合部の著しく高められた安定性と結びついている。
【００１３】
以下において実施例に基づいて図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。
【実施例】
【００１４】
目標合金ＳｎＡｇ４Ｃｕ０．５およびＳｎ９６．５Ａｇ３Ｃｕ０．５を有するはんだペーストを、ここでは種々の合金を混合して粉末混合物とする点を変更して、はんだペーストのための通常の製造方法により製造した。粉末はＥＮ６１１９０−１−２：２００２による粉末粒径３に相応する。明らかに認識可能なＩＭＰは、ＳｎＡｇ４Ｃｕ０．５粉末およびＳｎ９６．５Ａｇ３Ｃｕ０．５比較粉末において確認することができるにすぎない。
【００１５】
ＳｎＡｇ４Ｃｕ０．５（融点２１７℃）、
Ｓｎ９６Ａｇ４（融点２２２℃）、
Ｓｎ９９Ｃｕ１（融点約２２７℃）、
Ｓｎ９５Ａｇ５（融点範囲２２１〜２４０℃）、
Ｓｎ９９．１５Ｃｕ０．８５（融点約２２９℃）。
【００１６】
目標合金ＳｎＡｇ４Ｃｕ０．５
例１
ＳｎＡｇ４Ｃｕ０．５  ８０％およびＳｎ９５Ａｇ５  １６％およびＳｎ９７Ｃｕ３  ３％およびＳｎ９９Ｃｕ１  １％。
【００１７】
例２
ＳｎＡｇ４Ｃｕ０．５  ６０％およびＳｎ９５Ａｇ５  ３２％およびＳｎ９７Ｃｕ３  ６％およびＳｎ９９Ｃｕ１  ２％。
【００１８】
例３
ＳｎＡｇ４Ｃｕ０．５  ５０％およびＳｎ１００  １５％およびＳｎ８０Ｃｕ２０  １０％およびＳｎ９９Ｃｕ１  ２５％。
【００１９】
目標合金Ｓｎ９６．５Ａｇ３Ｃｕ０．５
例４
ＳｎＡｇ４Ｃｕ０．５  ５０質量％、Ｓｎ９６Ａｇ４  ２５質量％およびＳｎ９９Ｃｕ１  ２５質量％。
【００２０】
例５
ＳｎＡｇ４Ｃｕ０．５  ５０質量％、Ｓｎ９５Ａｇ５  ２０質量％およびＳｎ９９．１５Ｃｕ０．８５  ３０質量％。
【００２１】
例６
Ｓｎ９５．５Ａｇ４Ｃｕ０．５  ５０質量％およびＳｎ９５Ａｇ５  ２０質量％およびＳｎ９９．１５Ｃｕ０．８５  ３０質量％。
【００２２】
はんだペーストはそのつどボードの銅点上ではんだ付けし、かつはんだ箇所を評価する。
【００２３】
本発明による粉末から製造されるはんだ箇所は、合金ＳｎＡｇ４Ｃｕ０．５（比較例１）およびＳｎ９６．５Ａｇ３Ｃｕ０．５（比較例２）から製造されるよりも明らかにより少ないＩＭＰを有する。ＳｎＡｇ４Ｃｕ０．５を有する混合物は比較例とその他の本発明による例とのほぼ中間に存在し、これらはなお、比較例の約半分のＩＭＰを有する。
【００２４】
耐衝撃性(Schlagempfindlichkeit)および振動に関する機械的な負荷容量は、本発明により製造されるはんだ箇所の場合には改善されており、温度変化安定性も同様である。
【００２５】
例１の融点範囲は図１により示差熱分析（ＤＴＡ）により測定した。以下のＤＴＡはシャープな融点に基づいて、粉末混合物から得られた合金がほぼ共晶合金であることを示している。
【００２６】
Richard Lathropによる論文"Avoiding the Solder Void"、Heraeus Circuit Materials Division、Philadelphia、Pennsylvaniaに相応するボイド試験によれば、本発明によるペーストは合金に対して改善されている。図７ａには測定されたボイドが記載されている。本発明により大きなボイドを低減することができた。ここから、図７ｂにより、６８点および６４点を有する本発明による例１および２に記載の組成物は、従来技術（比較例１）に対して明らかな品質の向上が達成されたという品質評価が結論づけられる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１ａ】ＳｎＡｇ４Ｃｕ０．５の研磨面におけるＩＭＰを示す図
【図１ｂ】ＳｎＡｇ４Ｃｕ０．５の研磨面におけるＩＭＰを示す図
【図２ａ】ＩＭＰはほとんど認識することができない、研磨面におけるＳｎ９９Ａｇ１を示す図
【図２ｂ】ＩＭＰはほとんど認識することができない、研磨面におけるＳｎ９９Ｃｕ１を示す図
【図３】研磨面におけるＳｎ９７Ｃｕ３のわずかなＩＭＰを示す図
【図４】ＩＭＰはほとんど認識することができない、研磨面におけるＳｎ９５Ａｇ５を示す図
【図５】例１の粉末混合物の融点範囲を示すグラフの図
【図６】例１の粉末混合物から得られる合金の融点を示すグラフの図
【図７ａ】左側に小さいボイドの割合を示し、右側に大きいボイドの割合を示す図
【図７ｂ】品質評価を示す図
【図５】
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【図６】
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【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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