(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被接合部材の接合面に金めっきを施した後に、前記被接合部材をＳｎ含有量が２３質量％以上のＡｕ−Ｓｎ系ろう材により接合する方法において、
接合後の接合部のＳｎ濃度が２０．６５〜２３．５質量％となるように前記Ａｕ−Ｓｎ系ろう材の組成及び厚さ又は体積を調整して接合する接合方法。
【請求項２】
Ａｕ−Ｓｎ系ろう材は、板状、箔状、又は、被接合部材表面に形成された層状のものであり、
前記Ａｕ−Ｓｎ系ろう材の組成が下記の場合において、ろう材の厚さと、金めっきの厚さとの間に下記関係が成立するように、ろう材の組成、厚さを調整して接合する請求項１記載の接合方法。
Ｓｎ２３質量％の場合                  ｙ≦０．０８２５ｘ
Ｓｎ２４質量％の場合  ０．０１５２ｘ≦ｙ≦０．１１６３ｘ
Ｓｎ２５質量％の場合  ０．０４５２ｘ≦ｙ≦０．１４９２ｘ
（ここで、ｘは、ろう材厚さ（単位μｍ）を示し、ｙは金めっき厚さ（単位μｍ）を示す。）
【請求項３】
Ａｕ−Ｓｎ系ろう材は、小片状のものであり、
前記Ａｕ−Ｓｎ系ろう材が下記の場合において、ろう材の体積を被接合部材の接合面積で割ることで得られる厚さ想定値と、前記金めっきの厚さとの間に下記関係が成立するように、ろう材の組成、体積を調整して接合する請求項１記載の接合方法。
Ｓｎ２３質量％の場合                  ｙ≦０．０８２５ｚ
Ｓｎ２４質量％の場合  ０．０１５２ｚ≦ｙ≦０．１１６３ｚ
Ｓｎ２５質量％の場合  ０．０４５２ｚ≦ｙ≦０．１４９２ｚ
（ここで、ｚは、ろう材の厚さ想定値（単位μｍ）を示し、ｙは金めっき厚さ（単位μｍ）を示す。）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、回路端子へのリードピンの接合や半導体パッケージの封止の際にＡｕ−Ｓｎ系ろう材を用いて接合する際の方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ａｕ−Ｓｎ系ろう材は、Ａｕ−Ｓｎ系合金の共晶組成を利用したろう材であり、融点が比較的低い（約２８０℃）ことに加え、耐食性に優れており、更に、これまで使用されているはんだ（Ｓｎ−３７重量％Ｐｂ）と異なりＰｂのような有害物質が含まれていないという利点を有する。Ａｕ−Ｓｎ系ろう材は、電気・電子機器の分野で広く用いられており、例えば、電子部品パッケージの気密封止のためのシール材や、回路端子へのリードピンの接合材料としての使用実績がある。
【０００３】
Ａｕ−Ｓｎ系ろう材により形成される接合部は、基本的にＡｕ−Ｓｎ共晶組織であるが、Ａｕ濃度の高いＡｕ−Ｓｎ合金相（以下、Ａｕリッチ相という）が部分的に生じることがある。このＡｕリッチ相は金属間化合物の１種であり硬く、周囲のＡｕ−Ｓｎ共晶相よりも融点が高いことから、ろう材の融点では溶解せずに固相として残留する。そして、Ａｕリッチ相の大きさは様々あるため、接合部の厚みにばらつきが生じることがある。特に、Ａｕ−Ｓｎ系ろう材を用いた接合方法では、濡れ性改善のため被接合部に金めっきを施して接合を行うことが多いが、この金めっきからの金の拡散により、接合部中の金濃度が上昇しＡｕリッチ相が生じやすくなる。また、このＡｕリッチ相の発生する組成領域では、結晶組織が粗大化しろう流れが悪化するという問題もある。
【０００４】
本願出願人は、これまで、上記の用途のために効果的な封止方法、接合方法を開示している（特許文献１、２）。これらの方法では、従来から一般的に使用されているＡｕ−Ｓｎ系ろう材がＡｕ−２０重量％Ｓｎであるのに対し、組成を共晶点からわずかにずらし、金濃度を減少させてＳｎ濃度を２０．５〜２１．５％に増加させたろう材を適用するものである。この方法では、金濃度の低いろう材を適用することで、接合時の外部からの金の拡散によるろう材中の金濃度の上昇があってもろう材の組成が共晶点から金側に外れることを防止し、金リッチ相の発生を抑制するものである。この方法により形成される接合部は、完全な共晶組織又は少量のＳｎリッチ相を含む共晶組織となる。Ｓｎリッチ相は、Ａｕリッチ相に比べ融点が低く影響が小さく、また、Ａｕリッチ相の発生を抑制することで、組織の粗大化を抑制することができるので、このような組織を有する接合部を形成させることで安定的な接合が可能となる。
【特許文献１】特許第３０８６０８６号公報
【特許文献２】特開２００１−１７６９９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本出願人が開示した接合方法は、適用するろう材の組成をわずかに変更するという簡易なものでありながら、良好な接合部を効率的に形成可能である。しかしながら、本発明者の検討によると、この組成が調整されたろう材を適用することで、殆どの場合には良好な接合部が得られるが、場合によっては、Ａｕリッチ相が生じ、満足の行く接合部が形成されないときがある。そして、この際の不良率自体は高いものではないが、製品の歩留まりの確保、資源の有効活用の観点からすれば、これを限りなくゼロにすることができれば好ましいことである。
【０００６】
本発明は、以上のような背景の下になされたものであり、Ａｕ−Ｓｎ系ろう材を適用する接合方法において、Ａｕリッチ相の発生を完全に抑制し、より高い確率で均質な接合部を形成することができる方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、従来の共晶組成からわずかにＳｎ量を増加したろう材においても接合不良が生じる理由を検討し、次の２点の考察を得た。まず第１は、これまで共晶組成としてみなされていた組成（Ａｕ−２０重量％Ｓｎ）は、Ａｕリッチ相のない完全な共晶組織を呈するものではなく、これより多少ずれた組成が真に共晶組織を示す点である。この見解は、後述する本発明者による実証試験の繰り返しの結果から明らかにされたものであり、Ａｕ−Ｓｎ系合金は冷却速度、鋳造時の大きさによらず、２０．６５重量％において完全な共晶組織を呈する。従って、これまで共晶点とされていた組成を考慮してろう材組成を調整しても、接合部が共晶点を外れ、Ａｕリッチ相が生じることがあるのである。
【０００８】
そして、第２に、接合部の組成は、被接合部材の金めっきからの金の拡散により、接合前のろう材組成よりも金濃度が増加するが、この金濃度の変化量は金めっきの厚さにより異なる点である。つまり、金めっきの厚さに応じて金の拡散量は増大し、接合部の金濃度が予定とする金濃度を超え金リッチ相を生じさせやすくなる。即ち、従来法において、接合部の不良が生じる場合があるのは、その際の金めっきの厚さが厚過ぎためであると考えられる。
【０００９】
本発明者は、以上の考察から、Ａｕリッチ相の発生を完全に抑制する接合方法として、接合部の組成が、真の共晶点から共晶点よりわずかＳｎ側までの一定範囲となるようにするのが好ましいとして本発明に想到した。
【００１０】
即ち、本発明は、被接合部材をＡｕ−Ｓｎ系ろう材により接合する方法において、接合後の接合部のＳｎ濃度が２０．６５〜２３．５重量％となるようにろう材の組成、厚さ又は体積を調整して接合する接合方法である。
【００１１】
本発明において、接合部の組成をかかる範囲とするのは、本発明者の検討結果から、この合金系の真の共晶点がＳｎ２０．６５重量％であることによる。そして、Ｓｎ濃度の上限については、２３．５重量％とする。これは、Ｓｎ濃度が２３．５重量％を超えると、ろう材の液相線温度が３２０℃以上と高温となり、接合不良の要因となることによる。この接合部の組成を調整する手段としては、被接合部材に金めっきを施すことなく接合を行う際には、ろう材の組成を上記範囲のものとする。
【００１２】
ここで、使用するろう材の形態については特に制限はない。即ち、板状又は箔状のろう材であっても良いし、小片状（粉末状、球状、ワイヤをカットして得られる粒状のもの）であっても良い。また、予め被接合部材にめっき等により層状に形成されたものでも良い。
【００１３】
ところで、Ａｕ−Ｓｎ系ろう材によるろう付けにおいては、被接合部材に金めっきを施した後に接合することが一般的となっている。この場合においては、金めっき層から金の拡散により厚さに応じて接合部の組成も変化するので、接合部の組成調整の手段としては、金めっき層の厚さに応じてろう材の組成及び厚さを適宜に変更することが必要となる。
【００１４】
そこで、本発明者は、被接合部に金めっきを施す場合において、使用するろう材の組成毎に、めっき厚さと、ろう材厚さ（体積）との関係を検討し、接合後の接合部の組成が上記範囲となる条件を以下のように検討した。尚、以下の場合において、ろう材の形態が板状、箔状、又は、層状の場合にはその厚さ（ｘ）を基準し、金めっき厚さ（ｙ）との関係を画定するが、球状又は粉末状のろう材については、その体積を被接合部材の接合面積で割ることで得られる値を厚さ想定値（ｚ）として条件式の基準とする。
【００１５】
適用するろう材がＳｎ２１重量％〜２３重量％の場合は、下記式を満足する範囲内で金めっきの厚さを調製するのが好ましい。この際のろう材の厚さ（厚さ想定値）を金めっきの厚さとの関係を図示すると、図１〜図３のようになる。
【００１６】
Ｓｎ２１重量％の場合        ｙ≦０．０１２６ｘ（ｚ）
Ｓｎ２２重量％の場合        ｙ≦０．０４８０ｘ（ｚ）
Ｓｎ２３重量％の場合        ｙ≦０．０８２５ｘ（ｚ）
【００１７】
適用するろう材がＳｎ２４重量％を超える場合は、下記のような２つの数式で囲まれる領域内で金めっきの厚さを調製するのが好ましい。このように２つの数式による規定が必要となるのは、これらのろう材ではＳｎ濃度が高くなるため、金めっきを厚く施してもＳｎリッチ相が多量に発生するため、Ｓｎリッチ相の影響を考慮した式も必要となるからである。そして、この際のろう材の厚さ（厚さ想定値）を金めっきの厚さとの関係を図示すると、図４、図５のようになる。
【００１８】
Ｓｎ２４重量％の場合  ０．０１５２ｘ（ｚ）≦ｙ≦０．１１６３ｘ（ｚ）
Ｓｎ２５重量％の場合  ０．０４５２ｘ（ｚ）≦ｙ≦０．１４９２ｘ（ｚ）
【００１９】
尚、これらの検討で適用するろう材の組成範囲をＳｎ２１〜２５重量％に限定しているのは、Ｓｎ２１％未満のろう材を用いた場合、金リッチ相の発生を抑制することが出来ないからである。また、Ｓｎ２５％を超えるろう材を用いた場合、Ｓｎリッチ相が多量に生じるおそれがあることに加え、Ｓｎ濃度の高いろう材は加工性が悪く、精密形状を有するろう材を製造することができなくなるからである。
【００２０】
金めっきの厚さは、被接合部材の種類によって異なり、また、同種の被接合部材であっても、要求される濡れ性等により異なる。ここで、リードピンの固定や半導体パッケージの封止においては０．０５〜３．０μｍの金めっきが施されているが、半導体パッケージの封止における金めっき厚さでは、薄いものから比較的厚いものがある。従って、本発明においては、まず被接合部材への金めっき厚さを決定した後に、ろう材の組成及び厚さを適宜に選択して接合を行うこととなる。尚、本発明において金めっきの厚さとは、例えば、リードピンの接合においては、リードピン及び回路基板の双方に金めっきを施してから接合することから、被接合部材それぞれに施されためっきの厚さの合計を示す。
【００２１】
一方、ろう材の組成は、その製造時において溶解鋳造する際の組成を制御することにより調整可能である。また、その厚さも製造工程において圧延加工により適宜に変更することができる。
【００２２】
尚、本発明の接合方法において、接合時の条件、工程については従来からの一般的な内容によって差し支えない。接合温度については、３００〜３２０℃とし、接合雰囲気については、窒素、水素、真空中での不活性雰囲気下での接合が一般的である。
【発明の効果】
【００２３】
以上説明したように、本発明によれば、Ａｕ−Ｓｎ系ろう材を用いた接合工程において、接合部に金リッチ相を生じさせることなく接合を完了させることができる。これにより、接合部の厚さの不均一による接合不良を抑制することができる。本発明によれば、従来法では２％程度の不良率を１０分の１にまで低減することができ、製品歩留まりの向上、製造効率の確保が可能となる。
【００２４】
また、本発明では、金めっきの有無及びその厚さ、ろう材の組成及び厚さと変更可能な因子が複数あることから、精密形状のろう材を使用する場合やろう材の加工性が要求される際等には、Ｓｎ含有量が低いろう材を採用することができ、柔軟な対応が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。ここでは、まず、Ａｕ−Ｓｎ系合金の共晶点を求めるために行なった２例の実証試験について述べると共に、各組成のＡｕ−Ｓｎ系ろう材について、実際にパッケージ封止を行い、接合部の組織を観察した際の結果を述べる。
【００２６】
共晶点の実証試験：ここでは、複数のＡｕ−Ｓｎ系合金を溶解鋳造し、インゴットの組成分布及び組織を検討することでＡｕ−Ｓｎ系合金の真の共晶点を調査した。この試験では直径３０ｍｍ、高さ３０ｍｍの円盤状インゴットを製造し、その断面の組成分布、組織を調査した。
【００２７】
図６（ａ）は、従来、共晶組成とされているＡｕ−２０重量％Ｓｎ合金を鋳造したときのインゴットの断面組織を模式的に示すものである。この組成のインゴットでは、図のように組成に均一性がなく組成の異なる合金層が形成されていた。そして、その中心にＡｕ−２０．６５重量％Ｓｎ合金からなる層が形成されていた。そこで、Ａｕ−２０．６５重量％Ｓｎ合金を鋳造したところ、図６（ｂ）のように組成が一様な合金インゴットを得ることができた。
【００２８】
接合試験：次に、種々の組成、厚さのＡｕ−Ｓｎろう材を用いて半導体パッケージの封止を行い、接合部の組織観察を行った。この試験で使用したろう材の製造は、溶解鋳造法にて製造した、所定組成のＡｕ−Ｓｎ合金インゴットを、所定の厚さまで圧延加工してシート形状とした後、打ち抜き加工することにより角リング形状のろう材とした。また、接合対象となるパッケージは、ベース、キャップ共にコバール製であり、接合前にキャップのみに金めっきを施している。そして、ベースとキャップとの接合（封止）の際には、ベースと、金メッキがなされたキャップとの間に加工後のろう材を挟み、これらをコンベア炉により３１０℃に加熱することで接合を行った。
【００２９】
本実施形態で検討した、Ａｕ−Ｓｎろう材の組成、厚さ及びキャップへの金めっき厚さによる接合組織の観察結果をまとめると、表１のようになる。また、図７〜図８は、この試験で観察される接合部の断面組織写真であり、ほぼ完全な共晶組織（図７、表１の○で示す組織）、共晶組織にＡｕリッチ相が混合した組織（図８、表１の×で示す組織）、共晶組織にＳｎリッチ相が混合した組織（図９、表１の△で示す組織）である。
【００３０】
【表１】
0004769469.tif 000002
【００３１】
本実施形態で検討したろう材の組成等は、本願において示した適正範囲内のものと範囲外のものがあるが、検討結果から、各組成のろう材において、その厚さ及び金めっき厚さを本発明で示す適正範囲とすることで、Ａｕリッチ相の生じない良好な共晶組織を有する接合部を得られることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】Ｓｎ濃度２１重量％のＡｕ−Ｓｎろう材を用いる場合における、ろう材厚さ（厚さ想定値）と金めっき厚さとの適正領域を示す図。
【図２】Ｓｎ濃度２２重量％のＡｕ−Ｓｎろう材を用いる場合における、ろう材厚さ（厚さ想定値）と金めっき厚さとの適正領域を示す図。
【図３】Ｓｎ濃度２３重量％のＡｕ−Ｓｎろう材を用いる場合における、ろう材厚さ（厚さ想定値）と金めっき厚さとの適正領域を示す図。
【図４】Ｓｎ濃度２４重量％のＡｕ−Ｓｎろう材を用いる場合における、ろう材厚さ（厚さ想定値）と金めっき厚さとの適正領域を示す図。
【図５】Ｓｎ濃度２５重量％のＡｕ−Ｓｎろう材を用いる場合における、ろう材厚さ（厚さ想定値）と金めっき厚さとの適正領域を示す図。
【図６】（ａ）Ａｕ−２０重量％Ｓｎ合金、（ｂ）Ａｕ−２０．６５重量％Ｓｎ合金、のインゴットの断面組織を模式図。
【図７】接合試験後の接合部の断面組織（共晶組織）を示す写真。
【図８】接合試験後の接合部の断面組織（共晶組織＋Ａｕリッチ相）を示す写真。
【図９】接合試験後の接合部の断面組織（共晶組織＋Ｓｎリッチ相）を示す写真。
【図１】
0004769469.tif 000003
【図２】
0004769469.tif 000004
【図３】
0004769469.tif 000005
【図４】
0004769469.tif 000006
【図５】
0004769469.tif 000007
【図６】
0004769469.tif 000008
【図７】
0004769469.tif 000009
【図８】
0004769469.tif 000010
【図９】
0004769469.tif 000011