(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｇｅを７.０質量％以上１７.０質量％以下含有し、残部がＡｕ及び不可避不純物からなるレーザーはんだ付け用で且つボール状のＡｕ−Ｇｅ系はんだ合金であって、その表面の色はＪＩＳ  Ｚ８７８１−４に準拠したＬ＊ａ＊ｂ＊表示系におけるＬ＊が５０.０以上６４.０以下、ａ＊が−１.０以上４.０以下、ｂ＊が１０.０以上２３.０以下であり、前記ボール状のＡｕ−Ｇｅ系はんだ合金の中心を通るあらゆる断面のうちで最大の長径を最小の短径で割った長短比が１.００以上１.２０以下であることを特徴とするレーザーはんだ付け用で且つボール状のＡｕ−Ｇｅ系はんだ合金。
【請求項２】
Ｇｅを７.０質量％以上１７.０質量％以下含有し、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｓｂ、Ｓｎ、Ｚｎ及びＰのうちの１種以上を含有し、残部がＡｕ及び不可避不純物からなるレーザーはんだ付け用で且つボール状のＡｕ−Ｇｅ系はんだ合金であって、Ａｇを含有する場合は０.０１質量％以上３０.０質量％以下、Ａｌを含有する場合は０.０１質量％以上１.５質量％以下、Ｃｕを含有する場合は０.０１質量％以上１.０質量％以下、Ｍｇを含有する場合は０.０１質量％以上０.８質量％以下、Ｎｉを含有する場合は０.０１質量％以上１.０質量％以下、Ｓｂを含有する場合は０.０１質量％以上０.８質量％以下、Ｓｎを含有する場合は０.０１質量％以上１５.０質量％以下、Ｚｎを含有する場合は０.０１質量％以上３.０質量％以下、Ｐを含有する場合は０.５００質量％以下それぞれ含有し、はんだ合金の表面の色がＪＩＳ  Ｚ８７８１−４に準拠したＬ＊ａ＊ｂ＊表示系におけるＬ＊で５０.０以上６４.０以下、ａ＊で−１.０以上４.０以下、ｂ＊で１０.０以上２３.０以下であり、前記ボール状のＡｕ−Ｇｅ系はんだ合金の中心を通るあらゆる断面のうちで最大の長径を最小の短径で割った長短比が１.００以上１.２０以下であることを特徴とするレーザーはんだ付け用で且つボール状のＡｕ−Ｇｅ系はんだ合金。
【請求項３】
Ｇｅを７.０質量％以上１７.０質量％以下含有し、残部がＡｕ及び不可避不純物からなるレーザーはんだ付け用Ａｕ−Ｇｅ系はんだ合金であって、その表面の色はＪＩＳ  Ｚ８７８１−４に準拠したＬ＊ａ＊ｂ＊表示系におけるＬ＊が５０.０以上６４.０以下、ａ＊が−１.０以上４.０以下、ｂ＊が１０.０以上２３.０以下であり、ボール状の前記Ａｕ−Ｇｅ系はんだ合金を一方向から潰して表裏面に互いに平行な平面部を有する円板状体にした形状を有し、該平面部の一方を下にして水平面に置いて真上から該円板状体を投影した図の最小外接円の直径を、該円板状体の該平面部における押し潰した方向の厚さで割った長短比が１.００を超え１.５０以下であることを特徴とするレーザーはんだ付け用Ａｕ−Ｇｅ系はんだ合金。
【請求項４】
Ｇｅを７.０質量％以上１７.０質量％以下含有し、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｓｂ、Ｓｎ、Ｚｎ及びＰのうちの１種以上を含有し、残部がＡｕ及び不可避不純物からなるレーザーはんだ付け用Ａｕ−Ｇｅ系はんだ合金であって、Ａｇを含有する場合は０.０１質量％以上３０.０質量％以下、Ａｌを含有する場合は０.０１質量％以上１.５質量％以下、Ｃｕを含有する場合は０.０１質量％以上１.０質量％以下、Ｍｇを含有する場合は０.０１質量％以上０.８質量％以下、Ｎｉを含有する場合は０.０１質量％以上１.０質量％以下、Ｓｂを含有する場合は０.０１質量％以上０.８質量％以下、Ｓｎを含有する場合は０.０１質量％以上１５.０質量％以下、Ｚｎを含有する場合は０.０１質量％以上３.０質量％以下、Ｐを含有する場合は０.５００質量％以下それぞれ含有し、はんだ合金の表面の色がＪＩＳ  Ｚ８７８１−４に準拠したＬ＊ａ＊ｂ＊表示系におけるＬ＊で５０.０以上６４.０以下、ａ＊で−１.０以上４.０以下、ｂ＊で１０.０以上２３.０以下であり、ボール状の前記Ａｕ−Ｇｅ系はんだ合金を一方向から潰して表裏面に互いに平行な平面部を有する円板状体にした形状を有し、該平面部の一方を下にして水平面に置いて真上から該円板状体を投影した図の最小外接円の直径を、該円板状体の該平面部における押し潰した方向の厚さで割った長短比が１.００を超え１.５０以下であることを特徴とするレーザーはんだ付け用Ａｕ−Ｇｅ系はんだ合金。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のレーザーはんだ付け用Ａｕ−Ｇｅ系はんだ合金を用いて封止されていることを特徴とする水晶デバイス。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれかに記載のレーザーはんだ付け用Ａｕ−Ｇｅ系はんだ合金を用いて封止されていることを特徴とするＳＡＷフィルター。
【請求項７】
請求項１〜４のいずれかに記載のレーザーはんだ付け用Ａｕ−Ｇｅ系はんだ合金を用いて接合された電子部品を含むことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ａｕを主成分とするＰｂフリーはんだ合金に関し、特にエネルギー吸収量が制御されたＰｂフリーのＡｕ−Ｇｅ系はんだ合金及びこれを用いて封止若しくは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、すでに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（以降、Ｐｂ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】
半導体素子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、それらのうち、中低温用のはんだに関しては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。例えば中低温用の鉛フリーはんだ材料としては、特許文献１にＳｎを主成分とし、Ａｇを１.０〜４.０質量％、Ｃｕを２.０質量％以下、Ｎｉを１.０質量％以下、Ｐを０.２質量％以下含有する無鉛はんだ合金組成が開示されており、特許文献２にはＡｇを０.５〜３.５質量％、Ｃｕを０.５〜２.０質量％含有し、残部がＳｎからなる合金組成の無鉛はんだが開示されている。
【０００４】
一方、高温用のＰｂフリーはんだに関しても様々な機関で研究開発が進められており、例えば特許文献３には、Ｂｉを３０〜８０ａｔ％含み、溶融温度が３５０〜５００℃のＢｉ／Ａｇロウ材が開示されている。また、特許文献４には、Ｂｉを含む共昌合金に２元共昌合金を加え、更に添加元素を加えたはんだ合金が開示されており、このはんだ合金は４元系以上の多元系はんだではあるものの、液相線温度の調整とばらつきの減少が可能となることが示されている。
【０００５】
また、Ａｕを主成分とする高価な高温用のＰｂフリーはんだ材料としては、Ａｕ−Ｓｎ合金やＡｕ−Ｇｅ合金などが水晶デバイス、ＳＡＷフィルター、ＭＥＭＳ（微小電子機械システム）等の電子部品を有する電子機器で使用されている。例えば、特許文献５にはＡｕ−Ｇｅ、Ａｕ−Ｓｂ又はＡｕ−Ｓｉの板状低融点Ａｕ合金ロウを予加熱し、次に加熱保温部を設けたプレス金型にその材料を順次送って１００℃〜３５０℃の温度範囲でプレス加工を行うことを特徴とする板状低融点Ａｕ合金ロウのプレス加工方法について記載されている。
【０００６】
また、特許文献６には、半導体パッケージの外部リードのロウ付けに用いられるロウ材として、Ａｇを１０〜３５ｗｔ％、Ｉｎ、Ｇｅ及びＧａのうち少なくとも１種類を合計で３〜１５ｗｔ％、及び残部のＡｕからなるＡｕ合金であって、エレクトロマイグレーションテストにおいて短絡するまでの時間が１.５時間以上であることを特徴とするエレクトロマイグレーション防止性ロウ材について記載されている。このロウ材はＡｕを主成分とすることでエレクトロマイグレーションを防止でき、添加元素の効果としてはＡｇを１０〜３５ｗｔ％加えることでロウ付けの強度が得られ、Ｉｎ、Ｇｅ及びＧａのうち少なくとも１種類を合計で３〜１５ｗｔ％加えることで融点を下げることができると記載されている。
【０００７】
更に特許文献７には、Ａｕ−Ｇｅを含む３元合金のロウ材において、液相が発生し始める温度をＴｓ、完全に液相になる温度をＴｌとした場合に、Ｔｌ−Ｔｓ＜５０度であることを特徴とするロウ材について記載されている。そして、この特許文献７によれば、Ｐｂフリーを実現しつつ、リフロー温度で溶融せず、接合のための温度を抑えることで接着剤や部品自体に損傷を与えることがない、電気・電子部品の接合に好適なロウ材を提供できるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−０７７３６６号公報
【特許文献２】特開平８−２１５８８０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】特開平０３−２０４１９１号公報
【特許文献６】特開平０３−１３８０９６号公報
【特許文献７】特開２００７−１６０３４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
高温用の鉛フリーはんだ材料に関しては、上記した引用文献以外にも様々な報告や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のが実情である。すなわち、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、望ましくは３７０℃以下にすることが求められている。しかしながら、例えば特許文献３に開示されているＢｉ／Ａｇロウ材では、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。
【００１０】
また、Ａｕ−Ｓｎ系はんだやＡｕ−Ｇｅ系はんだの場合は非常に高価なＡｕを多量に使用するため、汎用のＰｂ系はんだやＳｎ系はんだなどに比べて非常に高価であり、実用化されてはいるものの、その用途は水晶デバイス、ＳＡＷフィルター、及びＭＥＭＳなどのとくに高い信頼性が必要とされる箇所のはんだ付けに限られている。加えて、Ａｕ系はんだは非常に硬くて加工しにくいため、例えば、シート形状に圧延加工する際に時間がかかったり、疵のつきにくい特殊な材質のロールを用いたりしなければならず、余分にコストがかかる。また、プレス成形時にもＡｕ系はんだの硬くて脆い性質のため、クラックやバリが発生し易く、他のはんだに比べて歩留まりが格段に低い。ワイヤ形状に加工する場合にも似たような深刻な問題があり、非常に圧力の高い押出機を使用しても硬いため押出速度が遅く、Ｐｂ系はんだの数百分の１程度の生産性しかない。
【００１１】
以上のような問題を含め、Ａｕ系はんだが抱える様々な問題に対処すべく、上記した特許文献５〜特許文献７に記載の技術が提案されている。しかしながら、特許文献５の技術には次のような問題がある。即ち、Ａｕ−Ｇｅ、Ａｕ−Ｓｂ、Ａｕ−Ｓｉ等の板状（シート状）低融点Ａｕ合金ロウの素材特性は、室温においてガラス板のような脆性を示し、また方向性があるため、一般に長手方向に平行な面においては僅かな曲げに対しても破断し易く、亀裂の伝播が進み易いという問題を抱えている。この対策として、コンパウンド金型を用いたプレス加工を行うことが従来から行われているが、このコンパウンド金型技術においても金型精度の問題や金型寿命の問題がある。
【００１２】
特許文献５では加熱保温部を設けたプレス金型に材料を順次送って１００〜３５０℃の温度範囲でプレス加工する技術で対処することが示されている。しかし、このような温間でのプレス加工でも課題は山積している。即ち、温間プレスでは、はんだ合金の酸化が進行してしまう。そのため、Ａｕを多く含有するはんだであっても、その他の金属、例えばＧｅ、Ｓｂ、又はＳｎなどを含んでいるＡｕ系はんだは、これらの元素の酸化進行を防ぐことができず、常温より高い温度でプレスした時に表面が酸化して濡れ性が大きく低下してしまう。更に、温度が高い状態で処理されるので常温に比べてはんだが膨張し、工夫をしても常温でのプレスに比べて形状の精度が出せない。加えて、比較的柔らかくなったはんだは金型に張り付き易くなり、はんだが撓んだり歪んだりした状態でプレスすることになるため、バリや欠けが発生しやすくなる。また温間プレスは通常のプレスよりも設備費が高価になることも課題である。
【００１３】
特許文献６に記載のＡｕ合金は、Ａｇ−２８ｗｔ％ＣｕやＡｇ−１５ｗｔ％ＣｕのＡｇ系ロウ材との比較において、エレクトロマイグレーションの発生を防止でき、強固で安定したロウ付け強度が得られるロウ材として開発されたものである。そのため、１％ＮａＣｌ溶液中に放置した後のろう付け強度の評価は行っているものの、濡れ広がりなどを含めた接合状態の確認は行われていない。信頼性評価には、前記接合状態を含めた応力緩和性を確認するための温度サイクル試験などを実施する必要があるが、特許文献６の技術では未実施で、高い信頼性が得られるかどうかが確認できていない。
【００１４】
特許文献７に記載のＡｕ−Ｇｅを含む３元合金のロウ材は、液相線温度と固相線温度の差が５０℃未満という極めて広い組成範囲を包含するものであるため、このような広い組成範囲において同様の効果や特性を示すロウ材のみが得られることはない。上記組成範囲に属するＡｕ−１２.５質量％Ｇｅ合金（共晶点の組成）とＡｕ−２０質量％Ｓｎ合金（共晶点の組成）とを比較した場合、それらの特性は明らかに異なっている。
【００１５】
即ち、Ｇｅは半金属であるために、Ａｕ−１２.５質量％Ｇｅ合金はＡｕ−２０質量％Ｓｎ合金に比べて明らかに加工性に劣る。例えば、圧延加工する際に、クラック等の発生により収率はＡｕ−１２.５質量％Ｇｅの方が低くなる。これらにそれぞれ少量の第三元素を含有させた場合であっても、当該第三元素が固溶することで特性が大きく変わらない組成範囲が存在するため、例えばＳｎを少量添加したＡｕ−１２.５質量％Ｇｅ−Ｓｎ合金とＧｅを少量添加したＡｕ−２０質量％Ｓｎ−Ｇｅ合金は上記特許文献７の組成範囲に属するが、この２種類の３元合金ロウ材の特性は大きく異なる。
【００１６】
更に、Ｇｅ−Ｓｎ合金について考えた場合、固相線温度が２３１℃であり、高温用はんだとしては融点が低すぎる。当然、このＧｅ−Ｓｎ合金に少量のＡｕが固溶した場合でも、特許文献７の特許請求の範囲に規定された液相線温度と固相線温度の差が５０℃未満の領域は存在するが、高温用はんだとしては融点が低すぎることに変わりはない。
【００１７】
本発明は、上記した従来の事情に鑑みてなされたものであり、濡れ広がり性、接合性、及び接合強度に優れ、水晶デバイス、ＳＡＷフィルター等の非常に高い信頼性を要求される電子機器の接合用又は封止用はんだとして好適に使用することが可能な高温用のＰｂフリーＡｕ−Ｇｅ系はんだ合金を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するため、本発明が提供するＡｕ−Ｇｅ系はんだ合金は、Ｇｅを７.０質量％以上１７.０質量％以下含有し、残部がＡｕ及び不可避不純物からなるレーザーはんだ付け用で且つボール状のＡｕ−Ｇｅ系はんだ合金であって、その表面の色はＪＩＳ  Ｚ８７８１−４に準拠したＬ＊ａ＊ｂ＊表示系におけるＬ＊が５０.０以上６４.０以下、ａ＊が−１.０以上４.０以下、ｂ＊が１０.０以上２３.０以下であり、前記ボール状のＡｕ−Ｇｅ系はんだ合金の中心を通るあらゆる断面のうちで最大の長径を最小の短径で割った長短比が１.００以上１.２０以下であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、鉛を含有せず、従来のＡｕ系はんだよりも濡れ広がり性、接合性、及び接合強度に優れたＡｕ−Ｇｅ系はんだ合金を提供することができる。水晶デバイス、ＳＡＷフィルター、ＭＥＭＳなどの高い信頼性を要求される電子機器の接合用又は封止用としてこのＡｕ−Ｇｅ系はんだ合金を用いることで生産性を高めることができ、結果的にそれら電子機器のコストを下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】ＮｉめっきされたＣｕ基板にはんだ合金が接合された接合体を示す模式的な縦断面図である。
【図２】Ｃｕ基板上に濡れ広がったはんだ合金試料の長径（Ｘ１）及び短径（Ｘ２）を示す模式的な平面図である。
【図３】封止用容器がボール状のはんだ合金で封止された状態を示す模式的な縦断面図である。
【図４】ボール状のはんだ合金又はこれを潰して円板状体にしたはんだ合金の長短比を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
先ず、本発明の第１の実施形態のＡｕ−Ｇｅ系はんだ合金について説明する。この本発明の第１の実施形態のＡｕ−Ｇｅ系はんだ合金は、Ａｕ及びＧｅの二成分で構成されるものであり、Ｇｅの含有量が７.０質量％以上１７.０質量％以下であり、残部が製造上不可避に含まれる元素を除きＡｕからなることを特徴としている。そして、はんだ合金の表面はＪＩＳ  Ｚ８７８１−４に準拠したＬ＊ａ＊ｂ＊表示系におけるＬ＊が４７.０以上６７.０以下、ａ＊が−２.０以上５.０以下、ｂ＊が７.０以上２７.０以下である。
【００２２】
はんだ合金の接合信頼性を高めるには、はんだ合金と接合面とが均質な金属間化合物を生成した状態で接合されることが望ましい。そのため、まずはんだが接合面に均一に濡れ広がり、均一な金属間化合物を生成することが望ましい条件となる。均一な濡れ広がりは、ボール状のはんだ合金を溶解した時に、上から見たはんだの縦横比を所定の値以下に抑えることで規定することができる。これを満たすべく本発明のはんだ合金は上述したようにはんだ表面の色を限定している。また、金属間化合物を均一に生成すべく、はんだ合金の組成をＧｅを７.０質量％以上１７.０質量％含有し、残部を不可避不純物を除いてＡｕにしている。
【００２３】
すなわち、本発明の第１の実施形態のＡｕ−Ｇｅ系はんだ合金は、ＡｕとＧｅの共晶点の組成を基本とし、この共晶点付近の組成を有するはんだ合金のはんだ表面の色をＬ＊ａ＊ｂ＊表示系で規定している。これにより、レーザーなどで溶融接合する際、エネルギー吸収量や溶融状態等のバラつきが抑えられて濡れ広がり性や接合性等の諸特性に優れた接合が可能になる。このことによって接合不良の発生率が低下して歩留まりが向上するので、高価な水晶デバイス、ＳＡＷフィルター、ＭＥＭＳなどの非常に高い信頼性を要求される電子機器の接合や封止に用いた場合、高い生産性を維持できることにより、結果的に電子機器を安価に作製することが可能になる。
【００２４】
次に、本発明の第２の実施形態のＡｕ−Ｇｅ系はんだ合金について説明する。この本発明の第２の実施形態のＡｕ−Ｇｅ系はんだ合金はＧｅを７.０質量％以上１７.０質量％以下含有し、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｓｂ、Ｓｎ、Ｚｎ及びＰのうちの１種以上を含有し、Ａｇを含有する場合は０.０１質量％以上３０.０質量％以下、Ａｌを含有する場合は０.０１質量％以上１.５質量％以下、Ｃｕを含有する場合は０.０１質量％以上１.０質量％以下、Ｍｇを含有する場合は０.０１質量％以上０.８質量％以下、Ｎｉを含有する場合は０.０１質量％以上１.０質量％以下、Ｓｂを含有する場合は０.０１質量％以上０.８質量％以下、Ｓｎを含有する場合は０.０１質量％以上１５.０質量％以下、Ｚｎを含有する場合は０.０１質量％以上３.０質量％以下、Ｐを含有する場合は０.５００質量％以下それぞれ含有している。そして、はんだ合金の表面は上記した本発明の第１の実施形態と同様にＪＩＳ  Ｚ８７８１−４に準拠したＬ＊ａ＊ｂ＊表示系におけるＬ＊が４７.０以上６７.０以下、ａ＊が−２.０以上５.０以下、ｂ＊が７.０以上２７.０以下である。
【００２５】
この本発明の第２の実施形態のＡｕ−Ｇｅ系はんだ合金は、上記した第１の実施形態のＡｕ−Ｇｅ系はんだ合金によって得られる効果に加えて上記した各種の添加元素による効果が加わることでより優れたはんだ合金を提供することが可能になる。以下、かかる本発明の第１及び第２の実施形態のＡｕ−Ｇｅ系はんだ合金に含まれる必須の元素及び必要に応じて添加される元素、並びにＬ＊ａ＊ｂ＊表示系について説明する。
【００２６】
＜Ａｕ＞
Ａｕは本発明のはんだ合金の主成分であり、必須の元素である。Ａｕは非常に酸化し難いため、高い信頼性が要求される電子部品類の接合用や封止用のはんだとして特性面では最も適している。そのため、水晶デバイスやＳＡＷフィルターの接合用や封止用としてＡｕ系はんだが多用されており、本発明のはんだ合金もＡｕを基本とすることで上記した技術分野での使用に好適なはんだを提供することができる。
【００２７】
ただし、Ａｕは非常に高価な金属であるため、できるだけコストを低くおさえることが求められている。したがって、製造面から考えた場合、電子部品類の製造歩留まりを向上させることが最も重要な事項の一つである。そこで、本発明でははんだ合金の表面状態を色で管理、制御することにより接合時に均一で良好な接合を実現し、よって信頼性を向上させている。さらに組成面から考えた場合、Ａｕ−Ｇｅ系合金に必要に応じてＡｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｓｂ、Ｓｎ、Ｚｎ及びＰのうちの１種以上を添加することでこれら元素の添加による効果を発現させると共に、高価なＡｕの含有率を下げることが可能性になる。
【００２８】
＜Ｇｅ＞
Ｇｅは本発明のはんだ合金における必須の元素である。ＧｅはＡｕと共晶合金を作り、固相線温度を３６１℃と低くできる。本発明のＡｕ−Ｇｅ系合金を、濡れ性や接合信頼性等に極めて優れたはんだ合金にするためＧｅの含有量は７.０質量％以上１７.０質量％以下である。Ｇｅ含有量がこの範囲から外れてしまうと液相線温度が高くなりすぎて溶け別れ現象が起こることにより、基板やチップとはんだが均一に合金化せず、接合不良を起こしてしまう場合がある。Ｇｅ含有量が１０.０質量％以上１４.０質量％以下であれば、共晶点の組成により近くなるので、より一層優れた接合が可能になり好ましい。
【００２９】
＜Ａｇ＞
Ａｇは本発明のはんだ合金において必要に応じて含有させる元素であり、Ａｇを含有させることによって得られる主な効果は濡れ性や接合性の向上にある。Ａｇは基板等の最上面に使用されるＣｕやＮｉなどと反応性がよく、濡れ性を向上させることができる。当然、半導体素子の接合面によく使用されるＡｇやＡｕメタライズ層との反応性に優れることは言うまでもない。このような効果を有するＡｇの含有量は０.０１質量％以上３０.０質量％以下である。０.０１質量％未満では含有量が少なすぎてＡｇを含有させた効果が実質的に現れず、３０.０質量％を超えてしまうと共晶点の組成から大きくはずれてしまい、結晶の粗大化や液相線温度と固相線温度の差が大きくなり過ぎて溶け別れ現象などを生じてしまい好ましくない。
【００３０】
＜Ｓｎ＞
Ｓｎは本発明のはんだ合金において必要に応じて添加される元素である。ＳｎはＡｕと共晶合金を生成し、代表的なＡｕ系はんだであるＡｕ−２０質量％Ｓｎはんだとして信頼性が求められる用途に従来から使われている。このように信頼性が求められる用途に使用されている理由の一つとして、Ｓｎが基板の主成分であるＣｕと反応性が高いことが挙げられる。すなわち、Ｓｎは基板等と強固に接合できるので、高い接合信頼性を得ることができる。本発明のＡｕ−Ｇｅ系はんだ合金にＳｎを含有させる理由はこのようなＳｎの反応性の高さにある。つまりＳｎを含有させることによって強固な接合が可能となり、高い接合信頼性が得られるのである。さらにＳｎの含有量を適宜調整することにより所望の融点に調整できる。
【００３１】
このように接合性の向上や融点の調整の目的に合わせてＳｎ含有量を調整して含有させればよい。このようなＳｎの優れた効果を良好に発揮させるＳｎの含有量は０.０１質量％以上１５.０質量％以下である。Ｓｎ含有量が０.０１質量％未満では含有量が少なすぎて含有させた効果が現れない。一方、Ｓｎ含有量が１５.０質量％を超えてしまうと含有量が多くなり過ぎ、金属間化合物の割合が許容範囲を超えて硬くなりすぎたり脆くなりすぎたりしてしまう。
【００３２】
＜Ａｌ、Ｍｇ＞
Ａｌ、Ｍｇは本発明において各種特性を改善または調整するために必要に応じて添加される元素であり、これらの元素を含有させることによって得られる主な効果はほぼ同じである。すなわち、Ａｌ、ＭｇはＡｕやＧｅに比べて酸化され易いため、これらの少なくとも一方をＡｕ−Ｇｅ系はんだ合金に含有させることにより優先的に酸化されてはんだ表面に析出し、薄い酸化物層を生成するのである。これにより母相を成す元素の酸化が抑制されることではんだ内部に酸素原子が侵入していきにくくなり、結果として濡れ性が向上するのである。
【００３３】
すなわち、ＡｌはＡｕに数質量％固溶する。このように固溶したＡｌは、はんだ合金を加熱して接合する際にＡｕやＧｅよりも酸素と圧倒的に結合し易いため、はんだ表面に析出してきて緻密な酸化物層を形成する。このようにＡｌが自ら酸化することによりＧｅなどの酸化が抑制され、緻密な酸化物層によりＧｅなどが酸化せず酸化物層が薄いまま維持されるのである。そしてこの酸化物層が薄いため、接合時には容易に酸化物層が破壊され基板や半導体素子と溶融はんだ合金とが金属同士直接接触し易くなり濡れ性や接合性を向上させるのである。
【００３４】
ただし、Ａｌを多く含有させすぎると、Ａｌによる酸化物層の厚さが厚くなりすぎて濡れ性を低下させるおそれがある。このため、Ａｌの最適な含有量の上限値は１.５質量％である。１.５質量％以下であれば、良好な濡れ性や接合性が得られ、０.７質量％以下であればより一層Ａｌを含有させる効果が現れて好ましい。一方、Ａｌ含有量の下限値は０.０１質量％である。０.０１質量％未満では含有量が少なすぎて上記した効果が実質的に得られない。
【００３５】
ＭｇはＡｌと同様に本発明において各種特性を改善または調整するために必要に応じて含有させる元素であり、期待される主な効果も濡れ性向上にある。ＭｇはＡｌよりも還元性が強いので酸化され易く、濡れ性向上効果を発揮する際、Ａｌよりも効果が大きい。よって少量で効果を発揮する。ただし、Ｍｇは多く含有させることはできない。すなわち、ＭｇはＡｌよりも酸素と結合しやすいため、強固な酸化物層を形成し、比較的薄い酸化膜であっても接合時に酸化物層が十分に破壊されず濡れ性を低下させる要因になってしまう場合があるのである。よって、Ｍｇの含有量の上限値は０.８質量％である。０.８質量％以下であれば良好な濡れ性が得られ、０.３質量％以下であれば、上記した効果がより一層顕著に現れるので好ましい。一方、Ｍｇ含有量の下限値は０.０１質量％である。０.０１質量％未満では少なすぎて実質的にその効果が現れない。
【００３６】
Ａｌ、Ｍｇの融点は、Ａｌが６６０℃、Ｍｇが６５０℃である。従って、はんだ合金の液相線温度等の融点調整を行う際にはこれらＡｌやＭｇの融点をも参考にして含有させればよい。以上、述べたようにＡｌ、Ｍｇを添加することによって、ほぼ共通する効果が得られるが、これらの元素を含有させた際に生成される固溶体や金属間化合物の性質及び融点等を考慮して、目的とする特性に調整するように適宜含有量を定めればよい。
【００３７】
＜Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｂ＞
Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｂは本発明において各種特性を改善または調整するために必要に応じて添加される元素であり、これらの元素を含有させることによって得られる主な効果はほぼ同じであり、加工性や応力緩和性の向上にある。すなわち、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｂははんだ合金が溶融した後に固化する際に最初に析出し、それを核として微細な結晶が成長していく。そのため組織が微細結晶構造となり、その結果、クラックの進行が粒界で止められ易くなる。これによってはんだ合金に熱応力などの様々な応力が加わってもクラックが進展しにくくなり、シート形状などに加工する際のクラック等の不良の発生が抑えられることにより破壊することなく加工することが出来、また接合信頼性も飛躍的に向上する。
【００３８】
上記したメカニズムにより加工性向上の効果が発揮されるため、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｂの含有量をあまり多くすることは好ましくない。すなわち、これらの元素の含有量が多すぎると、核の密度が多くなり、結晶粒が微細化せずに逆に粗大化してしまい、添加効果が半減してしまうからである。従って、Ｃｕを含有させる場合の上限値は１.０質量％である。また、下限値は０.０１質量％であり、この値に満たないと核の析出が少なすぎて実質的に加工性向上の効果が得られない。同様の理由でＮｉの含有量は０.０１質量％以上１．０質量％以下であり、Ｓｂの含有量は０.０１質量％以上０.８０質量％以下である。これらの組成範囲とすることにより良好な特性を有するはんだ合金となり得る。
【００３９】
＜Ｚｎ＞
Ｚｎは本発明において各種特性を改善または調整するために必要に応じて添加される元素であり、この元素を含有させることによって得られる主な効果は加工性や応力緩和性の向上にある。しかし、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｓｂとは加工性等を向上させるメカニズムが異なる。すなわち、ＺｎはＡｕに固溶し、かつ、Ｇｅと共晶合金を生成する。この共晶合金化によって加工性を向上させるのである。しかし、Ｚｎは酸化され易い元素であり、従って、はんだ合金製造時の条件によっては酸化が進行し過ぎてしまう。このためＺｎの含有量には製造方法を含めて考慮する必要があり、実質的にその上限値は３.０質量％である。この値を超えてしまうと酸化を極力抑えた製造条件であっても酸化物層の厚さが厚くなりすぎ、良好な接合が得られなくなる。一方、Ｚｎ含有量の下限値は０.０１質量％である。０.０１質量％未満であると含有量が少なすぎてその効果は実質的に得られない。
【００４０】
＜Ｐ＞
Ｐは本発明のはんだ合金において必要に応じて含有される元素であり、その効果は濡れ性の向上にある。Ｐが濡れ性を向上させるメカニズムは、Ｐは還元性が強いので自らが酸化することによって、はんだ合金表面の酸化を抑制すると共に基板面を還元し、濡れ性を向上させることにある。一般にＡｕ系はんだは酸化されにくく、濡れ性に優れていると言っても、接合面の酸化物を除去することはできない。ところが、Ｐは、はんだ表面の酸化膜の除去だけではなく、基板などの接合面の酸化膜も除去することが可能である。このはんだ表面及び接合面の酸化膜除去の効果により、酸化膜によって形成される隙間（ボイド）も低減することができる。このＰの効果によって、接合性や信頼性等が更に向上する。
【００４１】
尚、Ｐは、はんだ合金や基板を還元して酸化物になると同時に気化し、雰囲気ガスに流されるため、はんだや基板等に残らない。このため、Ｐの残渣が信頼性等に悪影響を及ぼす可能性はなく、この点からもＰは優れた元素と言える。本発明のはんだ合金がＰを含有する場合、Ｐの含有量は０.５００質量％以下が好ましい。Ｐは非常に還元性が強いため、微量を含有させれば濡れ性向上の効果が得られるが、０.５００質量％を超えて含有しても濡れ性向上の効果はあまり変わらず、過剰な含有によってＰやＰ酸化物の気体が多量に発生し、ボイド率を上げてしまったり、Ｐが脆弱な相を形成して偏析し、はんだ接合部を脆化して信頼性を低下させたりする恐れがある。
【００４２】
＜Ｌ＊、ａ＊、ｂ＊＞
本発明のＡｕ−Ｇｅ系はんだ合金においては、ＪＩＳ  Ｚ８７８１−４に準拠したＬ＊ａ＊ｂ＊表示系におけるはんだ表面の明度のＬ＊が４７.０以上６７.０以下、色相と彩度のａ＊が−２.０以上５.０以下、ｂ＊が７.０以上２７.０以下である。一般的にはんだ合金をレーザー等で溶融する際、はんだ合金の表面状態によってエネルギーの吸収量が異なる。
【００４３】
その結果、Ｌ＊ａ＊ｂ＊表示系における数値が異なると、はんだにエネルギーが与えられてから溶融が開始するまでの時間や溶融完了時間、溶融後の濡れ広がり、基板等と反応して生成する合金相、金属組織などに非常に大きな違いが生じ得る。このようなはんだ合金の溶融時及び接合後の状態を安定して同じようにするために表面状態を制御することが必要になるのである。そこで、本発明のＡｕ−Ｇｅ系はんだ合金は、その表面の色をＬ＊ａ＊ｂ＊表示系において上記した範囲内とすることにより、レーザーなどではんだ合金を溶融する際のエネルギーの吸収量のバラつきを抑え、よって安定した溶融性及び濡れ広がり性を得ることができる。その結果、優れた接合性を得ることができ、高い接合信頼性を有する電子機器を提供することが可能になる。
【００４４】
はんだ表面の色の明度を示すＬ＊が４７.０以上６７.０以下、色相と彩度を示すａ＊が−２.０以上５.０以下でｂ＊が７.０以上２７.０以下とする理由は実験結果によるものである。実験結果ではＬ＊、ａ＊、ｂ＊がこの範囲から外れてしまうとレーザーのエネルギーや焦点などを調整しても十分に溶融せずに部分的にしか溶融しなかったり、逆に急速に溶けて濡れ広がりが不均一になったりした。なお、実験でははんだ形状がボール状の場合はＬ＊が５０.０以上６４.０以下、ａ＊が−１.０以上４.０以下、ｂ＊が１０.０以上２３.０以下であればより一層均一に溶融し、濡れ広がりも均一になって、より優れた接合が得られた。
【００４５】
本発明のＡｕ−Ｇｅ系はんだ合金は形状に特に制約はないが、はんだ合金がボール状の場合は形状特性として真球度が求められる場合がある。その理由は、真球度が悪いと搬送時に移動方向が定まらない他、溶融した際に真円状に広がらず、近接する電極や配線などと短絡したり、チップを接合する場合は接合面全体にはんだが接触したりするおそれがあるからである。そこで、ボール状のＡｕ−Ｇｅ系はんだ合金の場合は、図４（ａ）の平面図に示すように、その中心を通るあらゆる断面のうちで最小の短径Ｌ１で最大の長径Ｌ２を割った下記計算式１に示す長短比（Ｌ２／Ｌ１）が１.００以上１.２０以下であるのが好ましい。この長短比が１.２０以下であれば、はんだ溶融時に表面張力によってはんだがより真球に近づきやすく、接合面に均一に濡れ広げることができる。この長短比が１.２０を超えてしまうとはんだ溶融時に表面張力が働いても、接合面に均一に濡れ広がることが難しくなる。
【００４６】
［計算式１］
長短比＝長径Ｌ２／短径Ｌ１
【００４７】
あるいは、図４（ｂ）の斜視図に示すように、該ボール状のはんだ合金を一方向から潰して表裏面に互いに平行な平面部１０ａ、１０ｂを有する円板状体１０にし、平面部１０ａ、１０ｂの一方を下にして水平面１１に置いた時、円板状体１０の平面部１０ａ、１０ｂにおける押し潰した方向（上下方向）の厚さをＺ１、円板状体１０を真上から水平面１１に投影した時の投影図に外接する外接円のうち最も小さい円の直径をＺ２とすると、下記計算式２に示す長短比（Ｚ２／Ｚ１）が１.００を超え１.５０以下であるのが好ましい。
【００４８】
［計算式２］
長短比＝最小外接円の直径Ｚ２／上下方向の厚さＺ１
【００４９】
このように一方向から潰したはんだ合金は、接合面に置いた時、潰された平らな平面が接合面に面で接することになる。このため、接合面に置かれたはんだを真上から見た時、はんだは円形になっている。この状態ではんだを溶融させるとはんだは円状に濡れ広がるのである。しかし、一方向から潰したＡｕ−Ｇｅ系はんだ合金の上記した長短比が１.５０を超えてしまうと比較的硬いＡｕ−Ｇｅ系合金にクラックが入って円状に濡れ広がらなかったり、場合によってははんだが割れるおそれがある。
【００５０】
このようにＡｕ−Ｇｅ系はんだ合金の形状を制御することによって、はんだ合金が接合面上に溶融した時に、該接合面に垂直な方向から見て真円に近い状態にはんだ合金を濡れ広げることができる。その結果、より良好な接合や封止が可能になって、接合や封止された電子機器の不良発生率を下げることができ、極めて高価なＡｕ系はんだ合金を用いて接合又は封止した電子機器や該電子機器を搭載する半導体装置のコストを大幅に下げることが可能になる。また、接合性に優れることから接合信頼性も当然に向上する。
【００５１】
これに対して、例えばはんだ合金が球状から大きく外れて例えば上記のボールを潰した時の長短比が１.５を超えるような場合は、はんだ溶融時にはんだが接合面に円状に濡れ広がらず、接合したい部分から部分的にはみ出したり、良好なはんだ接合のためのはんだ量が不足して接合できない部分が発生したりして、十分な合金化ができていない部分が生じるおそれがある。さらにはんだの厚さが不均一になりチップの傾き等の問題が生じる原因にもなる。
【実施例】
【００５２】
［実施例１］
まず原料として、それぞれ純度９９.９９質量％以上のＡｕ、Ｇｅ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｓｂ、Ｓｎ、Ｚｎ、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、切断及び粉砕などにより３ｍｍ以下の大きさに細かくした。次に、これら原料から所定量を秤量して、高周波溶解炉用のグラファイト製坩堝に入れた。
【００５３】
上記原料の入った坩堝を高周波溶解炉に入れ、酸化を抑制するために窒素を原料１ｋｇ当たり０.７Ｌ／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。十分溶融したことを確認した後、高周波電源を切り、速やかに坩堝を取り出し、坩堝内の溶湯をはんだ母合金の鋳型に流し込んだ。
【００５４】
鋳型には、圧延用として幅３０ｍｍ×厚み５ｍｍのものと液中アトマイズ用として直径２４ｍｍの円柱形状のものを目的に合わせて使用した。このようにして原料の混合比率を変えることにより試料１〜８９のはんだ母合金を作製した。これらの試料１〜８９の各はんだ母合金について、ＩＣＰ発光分光分析器（ＳＨＩＭＡＺＵ  Ｓ−８１００）を用いて組成分析を行った。得られた分析結果を下記表１〜表４に示す。
【００５５】
【表１】
0006459472.tif 000002
【００５６】
【表２】
0006459472.tif 000003
【００５７】
【表３】
0006459472.tif 000004
【００５８】
【表４】
0006459472.tif 000005
【００５９】
次に、試料１〜３４、５９〜７８のはんだ母合金については、各々温間圧延機を用いて圧延を行いシート状に加工した後、プレスを用いて円板状の打抜き品に加工した。一方、試料３５〜５８、７９〜８９のはんだ母合金については、各々液中アトマイズ装置を用いてボール状に加工した。以下、これらの製造方法について述べる。
【００６０】
＜打抜き品の製造方法＞
幅３０ｍｍ×厚さ５ｍｍ×長さ１５ｃｍの板状母合金からなる試料１〜３４、５９〜７８の各々を温間圧延機で圧延した。圧延条件はすべての試料において同じにした。すなわち、圧延回数は５回、圧延速度は１５〜３０ｃｍ／秒、ロール温度は２５０℃とし、５回の圧延で５０.０±１.２μｍまで圧延した。このようにしてシート状に加工した各試料をプレス機で打抜いて、打抜き品を製造した。形状は直径０.８ｍｍの円板形状とした。
【００６１】
＜ボールの製造方法＞
直径２４ｍｍの円柱状の母合金からなる試料３５〜５８、７９〜８９の各々を液中アトマイズ装置のノズルに投入し、このノズルを３００℃に加熱した油の入った石英管の上部（高周波溶解コイルの中）にセットした。ノズル中の母合金を高周波により６５０℃まで加熱して５分保持した後、不活性ガスによりノズルに圧力を加えてアトマイズを行い、ボール状のはんだ合金とした。尚、ボール直径は設定値を０.３０ｍｍとし、予めノズル先端の直径を調整した。得られた各試料ボールはそれぞれエタノール洗浄を３回行い、その後、真空乾燥機で真空中４０℃の温度条件で３時間の乾燥を行った。そして２軸分級器を用いて上記の方法により得られたボールを直径０.３０±０.０１５ｍｍの範囲で分級した。
【００６２】
＜表面状態の調整＞
次に上記した試料１〜８９を水素還元雰囲気中において、８０〜２５０℃、０.１〜５.０時間の熱処理を行い、はんだ合金表面の酸化具合及び金属組織を調整し、Ｌ＊、ａ＊、ｂ＊を調整した。このように表面状態を調整した試料１〜８９のはんだ合金の各々に対してＬ＊、ａ＊、ｂ＊を測定し、さらに各試料を基板に接合した後、接合後のはんだの縦横比を測定することで濡れ広がり性を評価すると共に、ボイド率を測定することで接合性を評価した。
【００６３】
そして封止性を評価する試験として、真空中で封止用容器を各はんだ合金試料で封止し、リーク状態を調べた。更に、上記封止性の試験で得られた封止体を用いて、ヒートサイクル試験による信頼性評価を行った。以下、Ｌ＊、ａ＊、ｂ＊の測定方法、縦横比の測定方法（濡れ広がり性評価）、ボイド率の測定方法（接合性評価）、リーク状態の確認方法（封止性評価）及びヒートサイクル試験方法（信頼性評価）について述べる。
【００６４】
＜Ｌ＊、ａ＊、ｂ＊の測定＞
上記した試料１〜８９の各々に対して、Ｌ＊、ａ＊、ｂ＊を分光色測計（コニカミノルタオプティクス株式会社製、型式：ＣＭ−５）を用いて測定した。まず、標準光源によって装置の校正を行った。その後、各試料を測定台に載せ、蓋を閉じて自動で測定を行った。
【００６５】
＜濡れ性の評価（接合体の縦横比の測定）＞
レーザーはんだ付け装置（ＹＡＧレーザー、波長１０６４ｎｍ）を起動し、窒素ガスを５０Ｌ／分の流量で流した。そしてＮｉめっき層２（膜厚：３.０μｍ）を有するＣｕ基板１（板厚：０.３ｍｍ）をレーザー照射部に自動搬送し、次に円板状またはボール状の試料を供給して上記ＮｉめっきされたＣｕ基板１上に載せてレーザーにより０.３秒間、加熱・溶融し、その後該Ｃｕ基板１をレーザー照射部から自動搬送して、窒素雰囲気が保たれている搬送部で冷却し、十分に冷却した後大気中に取り出した。
【００６６】
このようにして得た図１に示すようなＣｕ基板１のＮｉめっき層２の表面上にはんだ合金試料３が接合された接合体に対して、濡れ広がったはんだ合金の縦横比を求めた。具体的には、図２に示すように最大のはんだ濡れ広がり長さ（長径：Ｘ１）と、最小のはんだ濡れ広がり長さ（短径：Ｘ２）とを測定し、下記計算式３により縦横比を算出した。
【００６７】
［計算式３］
縦横比＝Ｘ１÷Ｘ２
【００６８】
上記計算式３の縦横比が１に近いほど基板上に円形状に濡れ広がっており、濡れ広がり性がよいと判断できる。１より大きくなるに従い、濡れ広がり形状が円形からずれていき、溶融はんだの移動距離にバラつきがでて反応が不均一になり合金層の厚みや成分バラつきが大きくなったりして均一で良好な接合ができなくなってしまう。さらにある方向に多くのはんだが流れるように広がってはんだ量が過剰な箇所とはんだが無い又は少ない箇所ができ、接合不良や場合よっては接合できなかったりしてしまう。
【００６９】
＜接合性の評価（ボイド率の測定）＞
上記濡れ性の評価の際と同様にして得た図１に示す接合体に対して、はんだ合金が接合されたＣｕ基板のボイド率を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基板の接合面を上部から垂直にＸ線を透過し、下記計算式４を用いてボイド率（％）を算出した。
【００７０】
［計算式４］
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
【００７１】
＜封止性の評価（リーク状態の確認）＞
はんだ合金による封止性を確認するため、図３に示す形状の封止用容器４を各はんだ合金試料３で封止した。封止にはレーザーはんだ付け装置（ＹＡＧレーザー、波長１０６４ｎｍ）を用い、窒素ガスを５０Ｌ／分の流量で流し、レーザーにより０.３秒間、加熱・溶融し、封止を行った。その後、封止体をレーザー照射部から自動搬送して、窒素雰囲気が保たれている搬送部で冷却し、十分に冷却した後大気中に取り出した。このようにして準備した各封止体を水中に２時間浸漬し、その後、水中から封止体を取り出し、解体してリーク状態を確認した。そして、解体した封止体内部に水が入っていた場合はリークがあったと判断し、封止性の評価として「×」とした。このようなリークが生じなかった場合を「○」と評価した。
【００７２】
＜信頼性の評価（ヒートサイクル試験）＞
上記封止性の評価でリークが生じなかった封止体に対して、−４０℃の冷却と２５０℃の加熱を１サイクルとして、所定のサイクル数だけ繰り返した。その後、該接合体を樹脂に埋め込み、断面研磨を行い、ＳＥＭ（日立製作所製  Ｓ−４８００）により接合面を観察した。そして、接合面に剥がれがある場合又ははんだ合金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「○」として評価した。この評価結果を、上記したＬ＊、ａ＊、ｂ＊の測定結果、封止性の評価結果、接合性評価、及び接合体の縦横比の測定結果と共に下記表５〜表８に示す。
【００７３】
【表５】
0006459472.tif 000006
【００７４】
【表６】
0006459472.tif 000007
【００７５】
【表７】
0006459472.tif 000008
【００７６】
【表８】
0006459472.tif 000009
【００７７】
上記表５〜表８から分かるように、本発明の要件を満たす試料１〜５８のはんだ合金は、いずれも全ての評価項目において良好な特性を示している。即ち、濡れ広がり性の評価である縦横比は全て１.０１以下であり、接合性の評価であるボイド率については全て０.０％でボイドが発生しなかった。さらに封止性の評価であるリーク状態については全ての試料についてリークは見られず、信頼性の評価であるヒートサイクル試験では不良は一切現れなかった。このように良好な結果が得られた理由は、いずれのはんだ合金試料においても本発明が規定する組成及びＬ＊、ａ＊、ｂ＊の要件を満たしていたため、レーザーのエネルギーを均一且つ安定的に吸収でき、よって優れた溶融性、濡れ広がり性、接合性等が得られたと考えられる。
【００７８】
一方、本発明の要件を満たしていない試料５９〜８９のはんだ合金はいずれかの評価項目において好ましくない結果になった。つまり、縦横比はいずれも１.１以上であり基板上に均一に濡れ広がらず、ボイド率はいずれも５％以上と多く発生しており、そしてリーク状態の確認では試料６０及び７０を除いてリークが発生し、ヒートサイクル試験ではこれら試料６０及び７０において５００回までに不良が発生した。
【００７９】
［実施例２］
上記実施例１では、本発明のはんだ合金の要件である組成及び表面の色を満たすはんだ合金であれば良好な接合状態が得られることを確認した。しかし、はんだ合金をボール状で使用する場合は、特に搬送や濡れ広がりの点からその形状に制限がかかる場合がある。そこで、実施例２でははんだ合金の形状がボール状の場合に求められ得る限定的な要件に関して評価を行った。
【００８０】
先ず、上記実施例１と同様にして試料９０〜１３０のはんだ母合金を作製した。これらの試料９０〜１３０の各はんだ母合金に対して、実施例１と同様にＩＣＰ発光分光分析器（ＳＨＩＭＡＺＵ  Ｓ−８１００）を用いて組成分析を行った。その測定結果を下記表９に示す。
【００８１】
【表９】
0006459472.tif 000010
【００８２】
次に、上記試料９０〜１３０の各はんだ母合金に対して上記実施例１と同様にして液中アトマイズ装置によりボール状に加工し、更に上記実施例１と同様にして表面状態を調製してから分光色測計（コニカミノルタオプティクス株式会社製、型式：ＣＭ−５）を用いてＬ＊、ａ＊、ｂ＊を測定した。更に、これらボール状の試料のうち、試料１２０〜１２４、及び１２８〜１３０についてはボールを一方向から圧力をかけて潰し、表裏面を有するおはじき状の略円板形状にした。具体的には温間プレスを用い、酸化抑制のために窒素を５Ｌ／分の流量で流しながら２００℃に加熱した金型で試料ボールを潰し、３０秒保持した後、窒素を満たしたサイドボックスに移動し、ここで常温まで冷却してから取出した。潰しの程度は金型の隙間を制御して所定の潰し量となるように調整した。
【００８３】
一方、試料９０〜１１９、及び１２５〜１２７については各々三次元測定機によって任意の５０カ所について直径を測定し、前述した計算式１のように、それらのうちの最大の長さ（長径Ｌ２）を最小の長さ（短径Ｌ１）で割って長短比（Ｌ２／Ｌ１）を求めた。一方、ボールを潰して円板状体に成形した試料１２０〜１２４、及び１２８〜１３０については、前述した計算式２のように、各々潰した方向の幅（厚さ）を任意に１０カ所測定して最小の厚さ（図４（ｂ）のＺ１に該当する）を求めると共に、この潰した方向に垂直な方向の長さを任意に１０カ所測定してそれらの最大の長さ（図４（ｂ）の円板状体１０を真上から水平面１１に投影した時の投影図の外接円のうち最も小さい円の直径Ｚ２に該当する）を求めた。そしてこの最大の長さ（Ｚ２）を最小の厚さ（Ｚ１）で割って長短比（Ｚ２／Ｚ１）を求めた。
【００８４】
上記の様にして得たボール状体あるいは円板状体のはんだ合金の濡れ性の評価（接合体を真上から見た時の縦横比の測定）は上記実施例１と同様にして行った。また、この濡れ性の評価の際と同様にして得られた接合体に対して接合性の評価（不着率の測定）を行った。具体的には、Ｘ線透過装置（株式会社  東芝製  ＴＯＳＭＩＣＲＯＮ−６１２５）を用いて接合体の真上から接合体の接合面にＸ線を透過し、その測定結果から下記計算式５に示す不着率（％）を算出した。
【００８５】
［計算式５］
不着率＝（相当円内においてはんだ合金が存在していない面積＋相当円内のボイドの面積）÷相当円の面積×１００
【００８６】
ここで、相当円とは、溶融前のはんだ合金試料の基板上の中心部分を中心とする円であって、該はんだ合金試料が溶融して基板上に濡れ広がった時の該濡れ広がった面積に等しい面積を有する円のことである。この不着率による評価は、ボイド発生による接合不良のみならず、溶融したはんだ合金が真円状に濡れ広がらないことによって所望の被接合面にはんだ合金が行き渡らないで接合不良となる場合も含めて接合性を評価することができる。それらの評価結果を前述した潰し工程の有無、長短比、及び色の測定結果と共に下記表１０に示す。
【００８７】
【表１０】
0006459472.tif 000011
【００８８】
上記表１０から分かるように、試料９０〜１２４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、はんだ合金ボールの濡れ広がり性の評価である接合体を真上から見た時の縦横比は全て１.０２以下でありほぼ真円状に濡れ広がっており、試料１２５〜１３０の各はんだ合金に比べてより良好な濡れ性が得られることが分かる。また、試料９０〜１２４の各はんだ合金の不着率は全て０％であって試料１２５〜１３０の各はんだ合金に比べて良好な接合ができていることが分かる。
【００８９】
このように試料９０〜１２４の各はんだ合金において良好な結果が得られた理由は、適切な組成と表面の色を有していることに加えて、形状がより真球に近いボール状であるか、又は平面視においてより真円に近い円板形状に成形されたものであるため、優れた濡れ広がり性等が得られたことによるものと考えられる。すなわち、ボール状はんだの場合は、その真球度あるいはこれを一方向から潰した時はその方向から見た真円度を限定することにより、厳密な濡れ広がり性を要求される特別な用途においても良好にはんだ接合を行い得ることが分かる。
【符号の説明】
【００９０】
１      Ｃｕ基板
２      Ｎｉめっき層
３      はんだ合金試料
４      封止用容器
１０    円板状体のはんだ合金
１１    水平面
【図１】
0006459472.tif 000012
【図２】
0006459472.tif 000013
【図３】
0006459472.tif 000014
【図４】
0006459472.tif 000015