(57)【要約】【課題】従来品より耐酸化性に優れ、かつ、濡れ性が良好なＡｕ／Ｇｅ合金半田ボールを提供する。【解決手段】表面層を除く全体が、ＡｕとＧｅの共晶もしくは共晶近傍の合金からなり、表面層は、ＡｕがＧｅを固溶しているＡｕ固溶体からなる。表面粗さの最大高さＲｙが０．５μｍ以下である。製造は、ＡｕとＧｅの共晶もしくは共晶近傍の合金からなる球状体に対して、前記球状体を界面活性剤を添加した純水と共に容器に入れ、振動を加えることにより、表面層からＧｅの含有量を減じて表面層を改質した後、洗浄することにより、表面から前記界面活性剤を除去する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面層を除く全体が、ＡｕとＧｅの共晶もしくは共晶近傍の合金からなり、前記表面層は、ＡｕがＧｅを固溶しているＡｕ固溶体からなることを特徴とするＡｕ／Ｇｅ合金半田ボール。
【請求項２】
ＡｕとＧｅの共晶もしくは共晶近傍の合金からなる球状体の表面層から、Ｇｅを除去することにより、前記球状体に改質表面層を形成していることを特徴とするＡｕ／Ｇｅ合金半田ボール。
【請求項３】
前記表面層におけるＡｕの含有量が、ＡｕとＧｅの共晶もしくは共晶近傍の合金におけるＡｕ含有量を超え、かつ、ＡｕがＧｅを固溶しているＡｕ固溶体のＧｅの最大固溶限で定まるＡｕ含有量以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のＡｕ／Ｇｅ合金半田ボール。
【請求項４】
表面粗さの最大高さＲｙが０．５μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のＡｕ／Ｇｅ合金半田ボール。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のＡｕ／Ｇｅ合金半田ボールを製造する方法であって、ＡｕとＧｅの共晶もしくは共晶近傍の合金からなる球状体に対して、表面層からＧｅの含有量を減じることにより、表面層を改質することを特徴とするＡｕ／Ｇｅ合金半田ボールの製造方法。
【請求項６】
前記表面層の改質を、前記球状体を容器に入れ、振動を加えることにより、行うことを特徴とする請求項５に記載のＡｕ／Ｇｅ合金半田ボールの製造方法。
【請求項７】
前記表面層の改質を、前記球状体を液体と共に容器に入れ、振動を加えることにより、行うことを特徴とする請求項５に記載のＡｕ／Ｇｅ合金半田ボールの製造方法。
【請求項８】
前記液体が、純水であることを特徴とする請求項７に記載のＡｕ／Ｇｅ合金半田ボールの製造方法。
【請求項９】
請求項１〜４のいずれかに記載のＡｕ／Ｇｅ合金半田ボールを製造する方法であって、ＡｕとＧｅの共晶もしくは共晶近傍の合金からなる球状体に対して、前記球状体を界面活性剤を添加した純水と共に容器に入れ、振動を加えることにより、表面層からＧｅの含有量を減じて該表面層を改質した後、洗浄することにより、前記球状体の表面から前記界面活性剤を除去することを特徴とするＡｕ／Ｇｅ合金半田ボールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品の接合および封止に使用されるＡｕ／Ｇｅ合金半田ボールに関する。
【背景技術】
【０００２】
ハードソルダーと呼ばれるＡｕ系合金は、ＡｕをＳｎ、ＧｅまたはＳｉ等の金属と合金化することにより得られる。このようなＡｕ系合金は、電気伝導および熱伝導が良好であり、化学的にも安定していることから、半田材料として高い信頼性を得ることができる。Ａｕ系合金のうち、Ａｕ／Ｇｅ共晶合金は、溶融温度が３５６℃と比較的高いため、ハードソルダーとして常用されるＡｕ／Ｓｎ共晶合金より、耐熱性に優れており、電子部品の接合および封止に使用される半田ボールの材料として着目されている。
【０００３】
電子部品の接合および封止に使用される半田ボールは、１個あたりの容積および質量が小さいため、表面酸化等の問題が生じた場合、接合および封止に対する影響が顕著である。このような問題に対して、酸化膜の除去や、酸化防止といった対策が、日々、研究されている。
【０００４】
たとえば、特開２００５−１３１７０３号公報には、Ｓｎ／Ｚｎ系、Ｓｎ／Ａｇ／Ｃｕ系のソフトソルダー系材料からなるリードフリータイプの半田ボールを、脂肪酸の溶液に浸漬し、振動および流動のうち少なくとも一方を与えることにより、表面品質の優れた半田ボールを作製する方法が記載されている。この方法では、半田ボールの表面に形成されたテンドライト状の結晶や酸化膜を除去するとともに、半田ボールの表面に界面活性物質である脂肪酸によるコーティング（有機膜）を形成することにより、表面性状を改善している。
【０００５】
ところで、Ａｕは一般に酸化することはないが、ＡｕをＧｅと合金化したＡｕ／Ｇｅ合金の場合、表面から酸化が進行し、その結果、Ａｕ／Ｇｅ合金を用いた半田材料において、濡れ不良といった問題が生ずる場合がある。特に、半田ボールでは、製造方法に起因して、表面酸化が起こりやすく、さらに、前述した半田ボールの性質から、濡れ不良が顕著となりやすいという問題がある。
【０００６】
これに対して、特開２００５−１３１７０３号公報に記載された方法を用いて対処することが考えられるが、接合および封止において高い信頼性が要求されるＡｕ／Ｇｅ合金半田ボールの場合には、有機膜が不純物として作用する可能性があり、その適用は困難である。
【０００７】
以上のことから、表面に有機膜を有さず、耐酸化性に優れ、かつ、濡れ不良が起こらないＡｕ／Ｇｅ合金半田ボールが求められている。
【特許文献１】特開２００５−１３１７０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、従来品より耐酸化性に優れ、かつ、濡れ性が良好なＡｕ／Ｇｅ合金半田ボール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】
本発明のＡｕ／Ｇｅ合金半田ボールは、表面層を除く全体が、ＡｕとＧｅの共晶もしくは共晶近傍の合金からなり、前記表面層は、ＡｕがＧｅを固溶しているＡｕ固溶体である。あるいは、ＡｕとＧｅの共晶もしくは共晶近傍の合金からなる球状体の表面層から、Ｇｅを除去することにより、前記球状体に改質表面層を形成している。
【００１０】
さらに、前記表面層におけるＡｕの含有量が、ＡｕとＧｅの共晶もしくは共晶近傍の合金におけるＡｕ含有量を超え、かつ、ＡｕがＧｅを固溶しているＡｕ固溶体のＧｅの最大固溶限で定まるＡｕ含有量以下であることが望ましい。
【００１１】
さらに、表面粗さの最大高さＲｙが０．５μｍ以下であることが望ましい。
【００１２】
本発明のＡｕ／Ｇｅ合金半田ボールの製造方法は、ＡｕとＧｅの共晶もしくは共晶近傍の合金からなる球状体に対して、表面層からＧｅの含有量を減じることにより、表面層を改質する。
【００１３】
さらに、前記表面層の改質を、前記球状体を容器に入れ、振動を加えることにより、行うことが望ましい。あるいは、前記表面層の改質を、前記球状体を液体と共に容器に入れ、振動を加えることにより、行うことが望ましい。さらに、前記液体が、純水であることが望ましい。
【００１４】
本発明のＡｕ／Ｇｅ合金半田ボールの製造方法の異なる態様では、ＡｕとＧｅの共晶もしくは共晶近傍の合金からなる球状体に対して、前記球状体を界面活性剤を添加した純水と共に容器に入れ、振動を加えることにより、表面層からＧｅの含有量を減じて該表面層を改質した後、洗浄することにより、前記球状体の表面から前記界面活性剤を除去する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のＡｕ／Ｇｅ合金半田ボールは、従来品より耐酸化性に優れ、かつ、濡れ性が良好であり、高い信頼性が要求される接合および封止用の半田材料として好適に用いられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
従来の問題点を解消するために、試験および検討を重ねた結果、本発明者は、酸化しがたい、主としてＡｕ固溶体（ＡｕにＧｅが固溶しているもの）からなる表面層を球状体の表面に形成することにより、従来品より耐酸化性に優れたＡｕ／Ｇｅ合金半田ボールが得られるとの知見を得て、本発明を完成させるに至った。
【００１７】
なお、Ａｕ固溶体には、ＡｕがＧｅをその固溶限度である１．１３質量％以内の濃度で固溶している。
【００１８】
通常、Ａｕ／Ｇｅ合金の金属組織は、単純な２元共晶であるから、共晶組成であるＡｕ／１２Ｇｅ（Ｇｅが１２．０質量％）の場合、ＡｕにＧｅが固溶されたＡｕ固溶体とＧｅとがラメラ状となった共晶組織相のみとなる。Ｇｅの含有割合が１２．０質量％未満の場合、亜共晶となり、初晶としてデンドライト（樹枝）状に晶出したＡｕ固溶体相とラメラ状の共晶組織相との２相組織となる。また、Ｇｅの含有割合が１２．０質量％を超える場合、過共晶となり、初晶として塊状に晶出したＧｅ初晶相とラメラ状の共晶組織相の２相組織となる。なお、厳密に共晶点でなくても、工業的に利用可能な特性を有する２元合金の組成範囲が存在する。例えば融点にしても、共晶点より僅かに高いが工業的には同様に利用できる組成範囲が定められる。共晶点のみでなく、共晶点を含むこのような範囲を定めることにより、合金組成の管理範囲を広く取ることができ、製造コストを削減することができる。本発明においては、この工業的に共晶点と同等に扱える範囲を共晶近傍と呼ぶ。
【００１９】
Ａｕ／Ｇｅ合金の組織をミクロ的に見ると、共晶、亜共晶および過共晶のいずれの場合でも、基本的には、Ａｕ固溶体とＧｅで構成されている。このうち、Ａｕ固溶体は、Ａｕと同様に、ほとんど酸化することはないため、Ａｕ／Ｇｅ合金の酸化は、ラメラ組織中またはＧｅ初晶中に存在するＧｅを介して進行することとなる。従って、Ａｕ／Ｇｅ合金半田ボールの表面に主としてＡｕ固溶体からなる表面層で形成することにより、従来品より高い耐酸化性を得ることができる。
【００２０】
表面層の厚さは少なくとも１０ｎｍ以上必要である。表面層の厚さが１０ｎｍ未満であれば、酸化を防ぐ効果が不十分となる。なお、当該表面層は、主としてＡｕ固溶体により構成されるが、Ｇｅがわずかに残存しているほか、Ｓ、ＣおよびＯなどの不回避的に含まれる元素が存在する。耐酸化効果を十分に得るためには、当該表面層におけるＡｕ含有量は、ＡｕとＧｅの共晶もしくは共晶近傍の合金におけるＡｕの含有量を超え、かつ、ＡｕがＧｅを固溶しているＡｕ固溶体のＧｅの最大固溶限で定まるＡｕ含有量以下であることが必要である。当該表面層におけるＡｕ含有量が、ＡｕとＧｅの共晶もしくは共晶近傍の合金におけるＡｕの含有量以下である場合、表面改質の効果は得られない。一方、当該表面層におけるＡｕ含有量が、ＡｕがＧｅを固溶しているＡｕ固溶体のＧｅの最大固溶限で定まるＡｕ含有量以上である場合、固相線の温度が上昇し、濡れ性に悪影響を生じる。
【００２１】
また、Ａｕ／Ｇｅ合金半田ボールの表面を、鏡面化し、表面エネルギを低くすることにより、さらなる改善が図れる。球状化工程後の表面粗さの最大高さＲｙは、０．６〜０．８μｍ程度であるが、表面粗さの最大高さＲｙを０．５μｍ以下とすることで、「表面積／体積」値を小さく、つまり、表面エネルギを低くして、Ａｕ／Ｇｅ合金半田ボールにおける耐酸化性をより向上させることができる。
【００２２】
半田による接合および封止においては、最も重要となる特性として濡れ性があり、濡れ性は、半田表面の酸化の影響を強く受ける。本発明のＡｕ／Ｇｅ合金半田ボールでは、主としてＡｕ固溶体からなる表面層を形成することにより、表面が酸化されにくい状態となるため、従来品より優れた濡れ性を得ることができる。なお、ボールの表面のみがこのように改質されていればよく、内部については、共晶組成を有していれば、上記の共晶、亜共晶、過共晶のいずれの組織の状態であっても、問題はない。
【００２３】
本発明に係るＡｕ／Ｇｅ合金半田ボールは、次の工程を経ることにより、得ることができる。
【００２４】
すなわち、本発明のＡｕ／Ｇｅ合金半田ボールの製造方法においては、まず、球状化工程により、共晶組成ないしは共晶組成の近傍にある組成からなるＡｕ／Ｇｅ合金からＡｕ／Ｇｅ合金球状体を得る。なお、共晶組成の近傍にあるとは、Ａｕの含有量が８〜１６質量％の範囲にあることを意味する。
【００２５】
得られるＡｕ／Ｇｅ合金球状体は、前述の通り、共晶（Ｇｅの含有割合が、１２．０質量％に等しい）の場合は、Ａｕ固溶体とＧｅのラメラ共晶組織相、亜共晶（Ｇｅの含有割合が、１２．０質量％未満）の場合は、初晶Ａｕ固溶体相とＡｕ固溶体とＧｅのラメラ共晶組織相の２相、ないしは、過共晶（Ｇｅの含有割合が、１２．０質量％を超える）の場合は、初晶Ｇｅ単相とＡｕ固溶体とＧｅのラメラ共晶組織相の２相のいずれかの構造を有している。得られるＡｕ／Ｇｅ合金球状体の最表面では、共晶組成にあるＡｕ／Ｇｅ合金を原料として用いても、Ｇｅの酸化や、製造工程で使用する機械油等の有機物によりＯ、ＳおよびＣなどの不可避的に含まれる元素が球状体の表面に存在する。
【００２６】
かかるＡｕ／Ｇｅ合金球状体を、純水と共に容器に入れ、遠心バレル研磨機、回転バレル研磨機、渦流バレル研磨機などにより、振動を加える。このように、Ａｕ／Ｇｅ合金球状体を密閉された空間に入れ、振動を付与することにより、球状体が相互に擦り合い、表面が研磨される。これを共擦りという。このようにして表面改質が行われる。
【００２７】
表面改質前のＡｕ／Ｇｅ合金球状体の表面は、主として、Ａｕ固溶体とＧｅで構成されているが、Ａｕ固溶体は純Ａｕ同様に軟質であり、一方、Ｇｅは硬質である。従って、共擦りによって、球状体表面にある軟質のＡｕ固溶体は塑性変形し、球状体の表面全体を覆うことになる。一方、球状体表面にある硬質のＧｅも、共擦りにより多少削られ、削りカスとなって、球状体から分離される。
【００２８】
この削りカスは、球状体の表面へ付着する可能性があるので、付着防止のため、共擦りは液中で行うことが好ましい。かかる共擦り工程において使用する液は、純水でも良いが、界面活性剤を２０体積％未満添加した水溶液にすると、その活性化効果により、本発明の効果が顕著に得られるので、好ましい。界面活性剤の混合割合が２０体積％以上の場合、共擦り工程後にこれを除去することが困難となる。なお、界面活性剤としては、任意のものを採用できるが、アルキルサルフェート、脂肪酸アミド、無機酸のアルカリ金属塩、ポリオキシアルキル化高級アルコール、アルキルフェノールのようなアルコール系界面活性剤を用いることが好ましい。
【実施例】
【００２９】
（実施例１）
共晶組成であるＡｕ／Ｇｅ合金（Ｇｅが１２．０質量％）に対して、球状化処理を施して、直径０．４ｍｍのＡｕ／Ｇｅ合金半田球状体を得た。これは、従来品におけるＡｕ／Ｇｅ合金半田ボール製品に該当する。その表面粗さの最大高さＲｙを、キーエンス社製レーザー顕微鏡によって測定したところ、約０．６μｍであった。
【００３０】
かかる球状体を、濃度５％の界面活性剤の水溶液中に浸漬した後、容器を密閉して、遠心バレル研磨機（ピーエムジー株式会社製、ＰＣＦ−３０ＳＢ）により、５分間の振動および回転を与えた。その後、表面処理後の球状体の表面に残る界面活性剤を、アセトン溶液で洗浄して除去することにより、直径０．４ｍｍのＡｕ／Ｇｅ合金半田ボールを得た。その表面粗さの最大高さＲｙを、キーエンス社製レーザー顕微鏡によって測定したところ、約０．３μｍであった。
【００３１】
図１に、本発明のＡｕ／Ｇｅ合金半田ボールを写真で示す。また、図３に、従来品のＡｕ／Ｇｅ合金半田ボールを写真で示す。本発明のＡｕ／Ｇｅ合金半田ボールは、従来品であるＡｕ／Ｇｅ合金球状体と比較して、散乱による反射率が高く、ボール同士の共擦り効果および界面活性剤による活性化効果によって、その表面が改質されていることが理解される。
【００３２】
本発明のＡｕ／Ｇｅ合金半田ボールと、従来品であるＡｕ／Ｇｅ合金球状体について、オージェ電子分光分析装置（ＵＬＶＡＣ−ＰＨＩ社製、ＳＡＭ−４３００）により、それぞれの表面分析を行った。本発明のＡｕ／Ｇｅ合金半田ボールの分析結果を図２に示し、従来品であるＡｕ／Ｇｅ合金球状体の分析結果を、図４に示す。また、それぞれの表面層の組成を分析した結果を、表１に示す。
【００３３】
【表１】
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【００３４】
従来品であるＡｕ／Ｇｅ合金球状体の表面は、主として、Ａｕ固溶体とＧｅで構成されたＡｕ／Ｇｅ共晶組織であることが理解される。従って、その表面に存在するＧｅから酸化が進行してしまう可能性が高い。これに対して、本発明のＡｕ／Ｇｅ合金半田ボールの表面は、ほぼＡｕのみで構成されているＡｕ固溶体のみからなり、表面におけるＧｅ量が共晶組成より著しく低くなっていることが理解される。よって、ボールの表面に存在するＧｅを介して酸化が進行することはないといえる。
【００３５】
また、濡れ性については、加熱温度：３７０℃、雰囲気：Ｎ2で、一般的な濡れ性試験を実施した。その結果、本発明のＡｕ／Ｇｅ合金半田ボールは、従来品である球状のＡｕ／Ｇｅ合金と比較して、良好な濡れ性を示した。
【００３６】
また、Ｇｅが１２質量％未満の亜共晶組成であるＡｕ／Ｇｅ合金を原料とした場合、および、Ｇｅが１２質量％を超えた過共晶組成であるＡｕ／Ｇｅ合金を原料とした場合においても、従来品に該当するＡｕ／Ｇｅ合金球状体では、その表面がＡｕ固溶体とＧｅにより構成されていることが確認された。一方、本発明に係る製造工程を経たＡｕ／Ｇｅ合金半田ボールでは、その表面がＡｕ固溶体のみから構成されていることが確認された。
【００３７】
さらに、液体を使用しないで共摺りを行う場合は、共摺り中に合金ハンダボールに清浄な乾燥空気を吹付けることで、液体に代わって削りカスを排除することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明のＡｕ／Ｇｅ合金半田ボールの一実施例を示す写真である。
【図２】本発明のＡｕ／Ｇｅ合金半田ボールの一実施例の分析結果を示すグラフである。
【図３】従来品である球状のＡｕ／Ｇｅ合金を示す写真である。
【図４】従来品である球状のＡｕ／Ｇｅ合金の分析結果を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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