(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを基板に搭載または塗布し、前記基板に搭載または塗布したＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストの表面の端部に素子の一部が接しかつ素子の一端が基板に接するように素子をＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト上に載置し、かかる状態でＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを搭載または塗布しかつ素子を載置した基板を非酸化性雰囲気中でリフロー処理し、溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだが前記素子の下に濡れ広がって潜り込み、該素子が溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだの中央に向かって引き戻された後、前記素子の全体が溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだに乗った状態で冷却することを特徴とするＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いた基板と素子の接合方法。
【請求項２】
前記素子は発光ダイオード素子であることを特徴とする請求項１記載のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いた基板と素子の接合方法。
【請求項３】
前記Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストは、Ｓｎ：１５〜２５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合金粉末とフラックスとを混合して得られたＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストであることを特徴とする請求項１記載のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いた基板と素子の接合方法。
【請求項４】
前記基板は表面に金メッキされた基板であることを特徴とする請求項１記載のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いた基板と素子の接合方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いて基板と素子との間の接合部にボイドを発生させることなく接合する方法に関するものであり、特に使用中に発生した熱を放出する必要のある素子、例えば、ＬＥＤ（発光ダイオード）素子を基板に接合する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＬＥＤ（発光ダイオード）素子、ＧａＡｓ光素子、ＧａＡｓ高周波素子、熱伝素子などの半導体素子と基板との接合、特に熱がこもると破損に繋がるようなＬＥＤ（発光ダイオード）素子と基板との接合には、接合部の熱伝導性が非常に重要であるところから、熱伝導性が良くかつ信頼性が高い接合部を形成するＡｕ−Ｓｎ合金はんだ箔材(リボンなど)、Ａｕバンプ、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストなどが用いられていた。
【０００３】
しかし、Ａｕ−Ｓｎはんだ合金箔材(リボンなど)は、材料自身の熱伝導性は高いものの接合時の濡れ性が悪いため接合領域を十分に広く取ることができず、また箔材表面には酸化膜が多いため溶融したＡｕ−Ｓｎはんだ合金の流動性が悪い。そのため加熱溶融しながら荷重をかけて接合する工法もあるが、加熱時間が長くまた長時間荷重をかけて接合しなければならないことから、熱を長時間かけることが好ましくないＬＥＤ（発光ダイオード）素子に適用することができない。さらに、Ａｕ−Ｓｎはんだ合金箔材の場合、素子に荷重をかけて接合することから素子側面部にＡｕ−Ｓｎはんだ合金が這い上がりショートを起こすこともあった。
【０００４】
また、Ａｕバンプ法による素子の接合は、素子全体にＡｕ−Ｓｎはんだ合金接合層が接合していないため、Ａｕ−Ｓｎはんだ合金接合層と接合していない部分の熱伝導が悪く、また、このＡｕバンプ法では３００℃以上の温度で荷重をかけながら接合を行なうが、３００℃以上高温を長時間保持する必要があり、熱影響を受けて劣化しやすいＬＥＤ（発光ダイオード）素子に適用することができなかった。
そのため、近年、熱影響を受けて劣化しやすいＬＥＤ（発光ダイオード）素子の接合には接合信頼性の一層優れたＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストが多く用いられるようになってきた。このＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストは、Ｓｎ：１５〜２５質量％（好ましくは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共晶合金ガスアトマイズ粉末とロジン、活性剤、溶剤および増粘剤からなる市販のフラックスとを混合して作られる。
【０００５】
このＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを使用して素子と基板を接合すると、接合部がＡｕ−Ｓｎ合金はんだで構成されているところから熱伝導性が良く接合信頼性も高いこと、ペーストであるので複数の接合部に一括供給できさらに一括熱処理できること、リフロー時にフラックスがＡｕ−Ｓｎはんだ合金表面を覆っているために酸化膜が少なく、そのため、接合時の溶融Ａｕ−Ｓｎはんだ合金の流動性が大きく、濡れが良くなって接合面積を拡大することができるところから素子全面を接合できること、さらに接合時に過剰な荷重をかける必要がないことなどのメリットがある。
この従来のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いて基板と素子を接合する方法を図２の側面説明図に基づいて具体的に説明する。Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いて基板と素子を接合するには図２（ａ）に示されるように、基板１にＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２を搭載または塗布する。次に、このＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２の真上に図２（ｂ）に示されるように素子３を搭載し、この状態で加熱してリフロー処理を施したのち冷却すると、図２（ｃ）に示されるように、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層４を介して基板１と素子３が接合する（特許文献１または２など参照）。
【特許文献１】特開２００３−１０５４６２
【特許文献２】特開２００３−２６０５８８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述のように、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストは最も使いやすい接合材であるが、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストには前述のように有機物からなるフラックスを含んでおり、図２（ｂ）に示されるようにＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２の真上に素子３を搭載し、この状態で加熱してリフロー処理を施すと、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２は溶融する際にフラックスからガスが発生し、この時Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２の真上に素子３が被さっているために、溶融中に発生したガスが逃げ場を失って閉じ込められ、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層４の中にボイド５が生成することがある。Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層４の中にボイド５が生成すると素子３と基板１との接合面積が少なくなり、接合面積が少なくなると素子３に発生した熱の放熱性が悪くなるので好ましくない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、これら課題を解決すべく研究を行った。その結果、
Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを基板に搭載または塗布し、前記基板に搭載または塗布したＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストに素子の一部が接しかつ素子の一端が基板に接するように素子をＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト上に載置し、かかる状態でＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを搭載または塗布しかつ素子を載置した基板を非酸化性雰囲気中でリフロー処理すると、基板に搭載または塗布したＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストの表面が一部被さることなく不完全に素子が載置されているところから、リフロー処理中に、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストが溶融してＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストに含まれるフラックスの分解ガスおよびＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストに含まれるＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末が溶融してＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末の表面の酸化膜とフラックスとが反応して生成したガスなどが放出されやすくなり、ガスが抜けた溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだが生成し、このガスが抜けた溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだが基板の表面を伝って素子の下に濡れ広がると、溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだのセルフアライメント効果により素子が溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだの中央に向かって引き戻され、ガスが十分に抜けた溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだのほぼ中央に素子が乗った状態となり、かかる状態で冷却すると、基板と素子との間のＡｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層の中にボイドが発生することなく接合することができる、という知見が得られたのである。
【０００８】
この発明は、かかる知見に基づいて成されたものであって、  Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを基板に搭載または塗布し、前記基板に搭載または塗布したＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストの表面に素子の一部が接しかつ素子の一端が基板に接するように素子をＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト上に載置し、かかる状態でＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを搭載または塗布しかつ素子を載置した基板を非酸化性雰囲気中でリフロー処理し、溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだが前記素子の下に濡れ広がって潜り込み、該素子が溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだの中央に向かって引き戻された後、前記素子の全体が溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだに乗った状態で冷却するＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いた基板と素子の接合方法、に特徴を有するものである。
【０００９】
この発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いた基板と素子の接合方法を図面に基づいて具体的に説明する。図１はこの発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いた基板と素子の接合方法を説明するための側面説明図である。
【００１０】
図１（ａ）に示されるように、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２を基板１に搭載または塗布し、さらに素子３を基板１に搭載または塗布したＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２の表面の端部に素子３の一部が接しかつ素子３の一端が基板１に接するように素子３をＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト上に載置する。この基板１の表面には最表面層としてＡｕめっき層（図示せず）を形成しておくことが好ましい。  この状態でＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２および素子３を乗せた基板１を非酸化性雰囲気中でリフロー処理すると、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２の上に素子３が被さらない部分あるためにリフロー処理中に図１（ｂ）に示されるように、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２が溶融してＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２に含まれるフラックスの分解ガス６が放出され、さらにＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストに含まれるＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末が溶融してＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末の表面の酸化膜とフラックスとが反応して生成したガス６が放出されやすくなり、図１（ｃ）に示されるように、ガスが抜けた溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ４’が生成し、このガスが抜けた溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ４’が基板１の表面を伝って素子３の下に濡れ広がり、このガスが抜けた溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ４’が基板１の表面を伝って素子３の下に濡れ広がると、図１（ｃ）に示されるように、溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ４’が素子３の下に潜り込み、溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ４’が素子３の下に潜り込むと同時に溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ４’のセルフアライメント効果により素子３が溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ４’の中央に向かって引き戻され（すなわち、図１（ｃ）のＡ方向に引き戻され）てガスが十分に抜けた溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ４’のほぼ中央に素子３が乗った状態（素子３の全体が溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ４’に乗った状態）となり、かかる状態で冷却すると、図１（ｄ）に示されるように、基板１と素子３との間のＡｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層４の中にボイドが発生することなく接合することができる。
【００１１】
図１（ａ）に示されるように、基板１の上に搭載または塗布されたＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２の上に、素子３の一部がかかるようにかつ素子３の一端が基板に接するように素子３を載置すればよい。このときＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２の表面が可能な限り素子３によって被覆されないように素子３をＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２の上に載置する。
【発明の効果】
【００１２】
この発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いた接合方法によると、基板１と素子３の間の接合部にボイドの発生が少なくなって接合部の熱伝導性が劣化せず、したがって、使用中に素子に発生した熱が放熱し易くなり、産業上優れた効果をもたらすものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
Ｓｎ：２２質量％を含有し、残部がＡｕからなる成分組成を有しかつ５〜１６μｍの粒径を有する粉末が８０％以上含まれるＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末を用意し、このＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末を市販のＲＭＡタイプのロジン系フラックスに、ロジン系フラックス：７質量％を含有し残部がＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末の配合組成となるように配合し混練してＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを作製した。このＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストは三菱マテリアル株式会社製金錫合金ペーストとして市販されているものである。
さらに、基板として厚さ：１００μｍのＣｕ板に厚さ：５μｍのＮｉめっきを施し、さらにその上に厚さ：１μｍのＡｕめっきを施した基板を用意した。
さらにＬＥＤ素子の代替として、縦：５００μｍ、横：５００μｍ、厚さ：３００μｍの角銅板を用意し、この角銅板に厚さ：５μｍのＮｉめっきを施し、さらにその上に厚さ：０．５μｍのＡｕめっきを施した代替ＬＥＤ素子を用意した。
【００１４】
実施例１
先に用意した基板の上に、先に用意したＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストをピン転写法により０．５ｍｇ塗布し、さらに塗布したＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストの上に、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストが上から見て半分が代替ＬＥＤ素子によって被さるようにかつ代替ＬＥＤ素子の一端が基板に接するように代替ＬＥＤ素子を載置した。
かかる状態でＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを塗布しさらに代替ＬＥＤ素子を載置した基板を窒素雰囲気中の熱対流型炉に装入して２００℃に６０秒間保持したのち、さらに３１０℃、３０秒間保持することによりリフロー処理を施し、ついで冷却することにより基板と代替ＬＥＤ素子の間にＡｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層を有するはんだ接合試験片を作製した。
このはんだ接合試験片を透過Ｘ線装置（ＴｏｓｈｉｂａＩＴ＆ＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍ‘ｓＴＯＳＭＩＣＲＯＮ−６０９０ＦＰ）を用いてＸ線写真を撮り、画像処理(２値化)処理して接合面積％を求め、その結果を表１に示した。
【００１５】
従来例１
先に用意した基板の上に、先に用意したＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストをピン転写法により０．５ｍｇ塗布し、この塗布したＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストの真上に代替ＬＥＤ素子がくるように代替ＬＥＤ素子を載置し、かかるＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストの真上に代替ＬＥＤ素子を載置した基板を窒素雰囲気中の熱対流型炉に装入して２００℃に６０秒間保持したのち、さらに３１０℃、３０秒間保持することによりリフロー処理を施し、ついで冷却することにより基板と代替ＬＥＤ素子の間にＡｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層を有するはんだ接合試験片を作製した。
このはんだ接合試験片を透過Ｘ線装置（ＴｏｓｈｉｂａＩＴ＆ＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍ‘ｓＴＯＳＭＩＣＲＯＮ−６０９０ＦＰ）を用いてＸ線写真を撮り、画像処理(２値化)処理して接合面積％を求め、その結果を表１に示した。
【００１６】
【表１】
0004747281.tif 000002
【００１７】
表１に示される結果から、実施例１による接合面積は従来例１による接合面積に比べて格段に大きいことから、実施例１の本発明方法によると、基板と素子との間に形成されているＡｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層に発生するボイドは従来例１に比べて格段に少ないことが分かり、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層に発生するボイドが少ないこの発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いた基板と素子の接合方法は特に熱がこもることが好ましくないＬＥＤ素子などの接合に優れた効果を有することが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】この発明の方法により基板と素子を接合する工程を説明するための側面説明図である。
【図２】従来の方法により基板と素子を接合する工程を説明するための側面説明図である。
【符号の説明】
【００１９】
１：基板、２：Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト、３：素子、４：Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ接合層、４´：溶融Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ、５：ボイド、６：ガス。
【図１】
0004747281.tif 000003
【図２】
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