(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
融点が３００℃前後である、ボール状のＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金であって、その形状は縦横比（「長径÷短径、または、長辺÷短辺」のことをいう。以下同じ）が１．００以上１．２０以下であり、Ｓｎを４２．０質量％以上５０．０質量％以下含有し、Ａｇを５．１質量％以上９．０質量％以下含有し、Ａｕを４３．６質量％以上４７．６質量％以下含有し、残部が製造上、不可避に含まれる元素からなることを特徴とするＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金。
【請求項２】
縦横比が１．００以上１．２０以下であり、かつＳｎを４４．０質量％以上４８．０質量％以下含有し、Ａｇを５．１質量％以上７．０質量％以下含有し、Ａｕを４３．６質量％以上４７．６質量％以下含有し、残部が製造上、不可避に含まれる元素からなることを特徴とする請求項１に記載のボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金。
【請求項３】
さらにＡｌ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｓｂ、Ｚｎ及びＰのいずれか１種以上を含有し、Ａｌを含有する場合は０．０１質量％以上０．８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、Ｇｅを含有する場合は０．０１質量％以上１．０質量％以下、Ｉｎ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０．５質量％以下、Ｎｉを含有する場合は０．０１質量％以上０．７質量％以下、Ｓｂを含有する場合は０．０１質量％以上０．５質量％以下、Ｚｎを含有する場合は０．０１質量％以上５．０質量％以下、Ｐを含有する場合は０．５００質量％以下含有することを特徴とする請求項１または２に記載のボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金が一方向から潰され、縦横比が１．００を超え１．５０以下であることを特徴とするボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ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電子部品。
【請求項６】
請求項５に記載の電子部品が搭載されていることを特徴とする電子部品搭載装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボール状の高温用鉛フリーはんだ合金に関するものであり、ＡｕとＳｎを主成分としたボール状はんだ合金、および該はんだ合金を用いて封止した電子部品などに関する。
【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指令などで規制対象物質になっている。このため、鉛（Ｐｂ）を含まないはんだ（以降、鉛フリーはんだまたは無鉛はんだと称する。）の開発が盛んに行われている。
【０００３】
電子部品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℃）に大別され、それらのうち、中低温用はんだに関しては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。
【０００４】
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として示す特開平１１−７７３６６号公報にはＳｎを主成分とし、Ａｇを１.０〜４.０重量％、Ｃｕを２.０重量％以下、Ｎｉを１．０重量％以下、Ｐを０.２重量％以下含有する無鉛はんだ合金組成が記載されている。また、特許文献２として示す特開平８−２１５８８０号公報にはＡｇを０.５〜３.５重量％、Ｃｕを０.５〜２.０重量％含有し、残部がＳｎからなる合金組成の無鉛はんだが記載されている。
【０００５】
一方、高温用の鉛フリーはんだ材料に関しても、さまざまな機関で開発が行われている。例えば、特許文献３として示す特開２００２−１６００８９号公報には、Ｂｉを３０〜８０ａｔ％含んだ溶融温度が３５０℃〜５００℃のＢｉ／Ａｇろう材が記載されている。また、特許文献４として示す特開２００８−１６１９１３号公報には、Ｂｉを含む共昌合金に２元共晶合金を加え、さらに添加元素を加えたはんだ合金が記載されており、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になるとしている。
【０００６】
また、高価な高温用の鉛フリーはんだ材料としてはすでにＡｕ−Ｓｎ合金やＡｕ−Ｇｅ合金などが水晶デバイス、ＳＡＷフィルター、そして、ＭＥＭＳ等の電子部品搭載装置で使用されている。Ａｕ−２０質量％Ｓｎ合金（８０質量％のＡｕと２０質量％のＳｎから構成されることを意味する。以下同様。）は共晶点の組成であり、その融点は２８０℃である。一方、Ａｕ−１２．５質量％Ｇｅ合金も共晶点の組成であり、その融点は３５６℃である。
【０００７】
Ａｕ−Ｓｎ合金とＡｕ−Ｇｅ合金の使い分けは、まずはこの融点の違いによる。すなわち、高温用といっても比較的温度の低い箇所の接合に用いる場合は共晶温度が２８０℃であるＡｕ−Ｓｎ合金を用いる。そして、比較的高い温度の場合には共晶温度が３５６℃  であるＡｕ−Ｇｅ合金を用いる。
【０００８】
また、環境面に配慮してＰｂ系はんだを使用せずにＡｕ系合金を使用するとしても、Ａｕ系合金はＰｂ系はんだやＳｎ系はんだに比較し非常に硬い。特にＡｕ−Ｇｅ合金はＧｅが半金属であることから加工することが非常に難しい。また、Ａｕ−Ｓｎ合金もＡｕ−Ｇｅ合金ほどではないにしても加工しづらく、加工時の生産性や収率は悪い。したがって、Ａｕ系合金はＰｂ系はんだやＳｎ系はんだに比較して非常に硬く、ボール状はんだ合金とするのは難しい。
【０００９】
しかも、当然、Ａｕ−２０質量％Ｓｎ合金やＡｕ−１２．５質量％Ｇｅ合金の場合、材料コストが他のはんだ材料と比較し、桁違いに高い。
そこで、Ａｕ−Ｓｎ合金を安価でさらに使いやすくすることを目的として、例えば特許文献５に示すＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金が開発されている。
【００１０】
特許文献５として示す特開２００８−１５５２２１号公報には、比較的低融点で扱いやすく、強度、接着性に優れ、かつ安価であるろう材、及び圧電デバイスを提供することを目的として、
組成比（Ａｕ（重量％），Ａｇ（重量％），Ｓｎ（重量％））が、
Ａｕ、Ａｇ、Ｓｎの三元組成図において、
点Ａ１（４１．８，  ７．６，５０．５）、
点Ａ２（６２．６，  ３．４，３４．０）、
点Ａ３（７５．７，  ３．２，２１．１）、
点Ａ４（５３．６，２２．１，２４．３）、
点Ａ５（３０．３，３３．２，３６．６）
に囲まれる領域にあるろう材が記載されている。
【００１１】
一方、特許文献６として示す特開２０１１−１９８７７７号公報には、ボール状のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ合金などの非Ａｕ系鉛フリーはんだ合金が記載され、また特許文献７として示す特開２０１１−２３５３４２号公報には、シート状やワイヤ状やボール状の非Ａｕ系鉛フリーＺｎ系はんだ合金が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平１１−７７３６６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２００８−１５５２２１号公報
【特許文献６】特開２０１１−１９８７７７号公報
【特許文献７】特開２０１１−２３５３４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
高温用の鉛フリーはんだ材料に関しては、上記、引用文献以外にもさまざまな機関で開発されてはいるが、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。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、作業温度を４００℃未満、望ましくは３７０℃以下にする必要がある。しかしながら、例えば特許文献３に開示されているＢｉ／Ａｇろう材では、液相線温度が４００〜７００℃と高いため、接合時の作業温度も４００〜７００℃以上となり、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。
【００１４】
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系はんだなどに比較して非常に高価であり、実用化されてはいるものの、その使用範囲は水晶デバイス、ＳＡＷフィルター、そして、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の使用に限られている。その上、Ａｕ−Ｓｎ合金の共晶温度は２８０℃でありＡｕ−Ｇｅ合金の共晶温度は３５６℃あってこの間の融点を持つはんだはＰｂ系はんだしかなかった。
【００１５】
加えて、Ａｕ系はんだは非常に硬く、加工しづらい。具体的には圧延工程を必要とするリボン材への加工、プレス加工を必要とする打ち抜き材への加工、そして高い真球度や表面酸化抑制が要求されるボール形状への加工は難しく、特に良好な濡れ広がり性と接着性を得られるようなボール状はんだ合金に成形することは非常に困難である。
【００１６】
さらに、このような加工性の悪さを解決するため、Ａｕ系はんだをはんだペースト化するなどの工夫もされているが、ボイド発生やさらなるコストアップなどの新たな問題を引き起こしてしまう。
【００１７】
一方、以上のような融点や加工性やコストなどを含め、Ａｕ系はんだのさまざまな課題を解決することを目的として開発された特許文献５に示すＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金にも次のような課題がある。
【００１８】
特許文献５は、比較的低融点で扱いやすく、強度、接着性に優れ、かつ安価であるろう材、及び圧電デバイスを提供する、と述べられている。さらに上記のようにＡｕ、Ｓｎ、Ａｇそれぞれの組成範囲を限定したことで、Ａｕ含有量を従来に比して減少させつつ、封止材として同等の特性が得られるようにしている、とも述べられている。しかし、特許文献５には強度や接着性が向上する理由について述べられていない。強度に関しては、「Ａｕ又はＡｇと固溶体を形成し、バルクの融点が４００℃以上である金属元素を、０．１ｗｔ％以上３％ｗｔ以下含有する構成としてもよい。このような構成とすれば、ろう材の融点と硬さを上昇させ、耐熱性及び機械強度に優れるろう材が得られる。」との記載があるがどのようなメカニズムで強度が向上するかの説明が一切なく、発明が不明瞭である。また接着性（接合性や濡れ性のことと解釈できる）の向上する理由については一切記載がなく、このことから特許文献５のはんだ合金が有する接着性は一般的に使用されているはんだ合金と同じ程度であると思われる。
【００１９】
一方、Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金は良好な濡れ広がり性と接合性を確保するためにはボール状とするのが最適である。特許文献６や特許文献７に示された鉛フリーはんだ合金は非Ａｕ系はんだ合金であるため加工が容易で真球に近いボール状に形成し易い。しかし、Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金は非Ａｕ系はんだ合金と比べると若干加工しがたいため、ボールが歪んだ形状となることがある。歪んだ形状では濡れ広がり性が安定せず接合不良の原因となる。また、搬送時安定しない。さらにレーザエネルギー吸収量が安定せず溶融状態が安定しない。さらにまた、はんだ飛び散りの原因にもなる。
【００２０】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、水晶デバイス、ＳＡＷフィルターやＭＥＭＳ等の非常に高い信頼性を要求される電子部品や電子部品搭載装置の接合においても十分に使用でき、融点が３００℃前後であって、その上特に濡れ広がり性と接合性に優れ、さらに低コストであり、加工性、応力緩和性、そして信頼性に優れた高温用ボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
そこで、上記目的を達成するために本発明によるボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金は、融点が３００℃前後である、ボール状のＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金であって、その形状は縦横比（「長径÷短径、または、長辺÷短辺」のことをいう。以下同じ）が１．００以上１．２０以下であり、かつＳｎを４２．０質量％以上５０．０質量％以下含有し、Ａｇを５．１質量％以上９．０質量％以下含有し、Ａｕを４３．６質量％以上４７．６質量％以下含有し、残部が製造上、不可避に含まれる元素からなることを特徴としている。
【００２２】
また、本発明においては、縦横比が１．００以上１．２０以下であり、かつＳｎを４４．０質量％以上４８．０質量％以下含有し、Ａｇを５．１質量％以上７．０質量％以下含有し、Ａｕを４３．６質量％以上４７．６質量％以下含有し、残部が製造上、不可避に含まれる元素からなることが好ましい。
【００２３】
また、本発明においては、さらにＡｌ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｓｂ、Ｚｎ及びＰのいずれか１種以上を含有し、Ａｌを含有する場合は０．０１質量％以上０．８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、Ｇｅを含有する場合は０．０１質量％以上１．０質量％以下、Ｉｎ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０．５質量％以下、Ｎｉを含有する場合は０．０１質量％以上０．７質量％以下、Ｓｂを含有する場合は０．０１質量％以上０．５質量％以下、Ｚｎを含有する場合は０．０１質量％以上５．０質量％以下、Ｐを含有する場合は０．５００質量％以下含有することが好ましい。
【００２４】
また、本発明によるボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金は、上記のボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金が一方向から潰され、縦横比が１．００を超え１．５０以下であることを特徴としている。
【００２５】
一方、本発明による電子部品は、上記のボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金を用いて封止されていることを特徴としている。
【００２６】
また、本発明による電子部品搭載装置は、上記のボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金を用いて封止された電子部品が搭載されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、水晶デバイス、ＳＡＷフィルター、そして、ＭＥＭＳなどの非常に高い信頼性を要求される箇所に使用可能な融点が３００℃前後である高温用Ａｕ系はんだ合金を、従来のＡｕ系はんだよりも格段に安価に提供できる。さらには本発明のはんだ合金はＡｇ３Ｓｎ金属間化合物とＡｕＳｎ２金属間化合物を基本とし、Ａｕ−２０質量％Ｓｎ合金よりも柔軟な性質を持つため、ボール状の高温鉛フリーのはんだ合金を生産性よく製造でき、より一層の低コスト化が実現できる。その上適切な縦横比のボール状としたことにより、優れた濡れ広がり性を有していて高い接合信頼性が得られる。したがって、各種特性に優れたボール状Ａｕ系はんだを提供でき、工業的な貢献度は極めて高い。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系状態図である。なお、図においてＡｕＳｎはＡｕ１Ｓｎ１金属間化合物のことである。
【図２】ボール形状がフットボール型であるボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金の縦横比の定義について説明した模式図である。
【図３】ボール形状が長楕円型であるボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金の縦横比の定義について説明した模式図である。
【図４】Ｎｉ層（めっき）を有するＣｕ基板上に各試料のはんだ合金をはんだ付けした状態を示す濡れ性試験評価用試料の模式図である。
【図５】ボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金、Ａｕ−Ｓｎはんだ合金またはＡｕ−Ｇｅはんだ合金の濡れ広がり性に関する縦横比の定義について説明した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明のボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金について詳しく説明する。
本発明のボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金は、融点が３００℃前後である、ボール状のＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金であって、その形状は縦横比が１．００以上１．２０以下であり、かつＳｎを４２．０質量％以上５０．０質量％以下含有し、Ａｇを５．１質量％以上９．０質量％以下含有し、Ａｕを４３．６質量％以上４７．６質量％以下含有し、残部が製造上不可避に含まれる元素からなることを特徴としている。
【００３０】
すなわち、本発明のボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金は、縦横比を１．００以上１．２０以下とすることにより、はんだ合金が接合時に溶融して基板などに濡れ広がるときにはんだが円状に均一に広がっていることができるのである。これによって、接合面にはんだが均一に存在し、はんだと基板などとの反応も均一になり、よって優れた接合性が得られるのである。
【００３１】
さらに本発明のはんだ合金はなお一層の特性改善を図るために第四番目以上の元素としてＡｌ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｓｂ、Ｚｎ及びＰのいずれか１種以上を含有してよく、Ａｌを含有する場合は０．０１質量％以上０．８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、Ｇｅを含有する場合は０．０１質量％以上１．０質量％以下、Ｉｎ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０．５質量％以下、Ｎｉを含有する場合は０．０１質量％以上０．７質量％以下、Ｓｂを含有する場合は０．０１質量％以上０．５質量％以下、Ｚｎを含有する場合は０．０１質量％以上５．０質量％以下、Ｐを含有する場合は０．５００質量％以下含有する。
【００３２】
本発明のはんだ合金は、非常に高コストであるＡｕ−２０質量％Ｓｎ合金はんだなどのＡｕ系はんだのコストを大幅に下げるとともに、優れた加工性を持たせるために比較的柔らかいＳｎをＡｕ−２０質量％Ｓｎ合金の共晶点の組成割合よりも過剰に含有させ、またＡｇを含有させている。また、さらにＡｌ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｓｂ、Ｚｎ及びＰのいずれか１種以上を含有していてもよい。まずＡｕ−Ｓｎ−Ａｇの３元型合金とすることにより融点を３００℃前後まで下げることが可能となり、はんだ合金に求められる各種特性を満たすことができる。さらに第４元素以降を含有させることによって使用目的に合わせた特性により一層調整できる。本発明のＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金は主にＡｇ３ＳｎやＡｕＳｎ２の金属間化合物から構成されるため、加工性に優れ、非常に高い信頼性の要求に対しても十分な接合性、濡れ性を有する。
【００３３】
本発明のはんだ合金はＳｎを４６．６質量％を中心としてこの前後の量、すなわち４２質量％〜５０質量％のＳｎを含有している。例えばＡｕ−４６．６質量％Ｓｎ−５．０質量％Ａｇ合金（９５質量％（Ａｕ３８．５Ｓｎ６１．５）５質量％Ａｇ合金）であれば、図１の状態図に示すようにＳｎ＝６１．５ａｔ．％のライン上（Ａｇ３ＳｎとＡｕＳｎ２だけから成る）の組成を基本とするものとなる。しかるに、本発明では、Ｓｎを４２．０質量％以上５０．０質量％以下含有し、Ａｕを４３．６質量％以上４７．６質量％以下含有し、Ａｇを５．１質量％以上９．０質量％以下含有している。なお、図１はＡｇ＝５ｗｔ．％（質量％）に固定し、ＡｕとＳｎを原子比（ａｔ．％）を変えて状態図として示したものであり、図１に示すＳｎ＝６１．５ａｔ．％は換算するとＳｎ＝４６．６重量％になる。また、図１でＳｎ＝４２質量％は換算するとＳｎ＝５６．８ａｔ．％、Ｓｎ＝５０質量％は換算するとＳｎ＝６４．８ａｔ．％である。
【００３４】
さらにボール形状の縦横比を上記の通り特定の範囲内とするとともに、反応性が高く酸化し難いＡｇを含有させることによって、特に優れた濡れ性と接合性を得ることができる。
以下、本発明のはんだ合金の形状や必須の元素について、さらに詳しく説明する。
【００３５】
＜縦横比＞
本発明において、ボール状のＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金の縦横比を１．００以上１．２０以下とすることは必須条件である。本発明においてボール状とは、真球型に限るものではなくフットボール型や部分的に平面視直線部分を有する長楕円型も含む。いずれの場合も縦横比が上記範囲内であればよい。
なお、本発明のＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金のボール状の形状の縦横比とは、計算式１及び図２と図３に定義した通りであり、球型の直径が一番長い箇所の測定値を長径又は長辺とし、直径が一番短い箇所の測定値を短径又は短辺とする。
［計算式１］  縦横比＝長径÷短径  または  長辺÷短辺
ただし、図２はフットボール型の例を、図３は長楕円型の例を示すが、これらは一例であり、形状は図示したものに限定されず、また長径と長辺、短径と短辺の区別も厳密なものではない。なお、図２と図３は長径と長辺、短径と短辺の区別をわかりやすくするため、図示した縦横比は本発明の上記縦横比の範囲外のものを示している。
【００３６】
このようにボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金の形状を制御することによって、はんだ合金は溶融した場合、平面視真円に近い状態に濡れ広がるのである。はんだ合金がある程度ボール状であっても、真球度が低下するに従い、はんだ溶融時にはんだが接合面に円状に広がらず、接合したい部分を部分的にはみ出したり、あるいは不足したりして接合できない部分が発生し、十分な合金化ができていない部分ができてしまうこととなる。さらにはんだの厚さが不均一になりチップの傾き等の原因になったり、十分な封止ができなかったりする。
【００３７】
このような不具合が発生しないようにするために、本発明のボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金の縦横比は１．００以上１．２０以下とする。縦横比が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半球状に広がり、接合面は円形に均一に濡れ広がるのである。縦横比が１．２０を超えてしまうと、本発明のボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金の場合は、はんだ溶融時の表面張力によっても接合面に均一に濡れ広がることは難しくなってしまう。
【００３８】
また、縦横比が１．００以上１．１０以下であれば、より一層、はんだ溶融時に表面張力によってはんだが半球状に広がり、接合面は円形に均一に濡れ広がることとなりより好ましい。
【００３９】
また、本発明のボール状Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金を一方向から潰し、縦横比が１．００を超え１．５０以下となるようにする。基本的には短径（短辺）がより短くなる方向に潰すが、長径（長辺）側を潰してもよい。結果として縦横比が上記範囲内になればよい。一方向から潰したはんだ合金を接合面に置いたとき、潰された平らな平面が接合面に接することになる。このため、はんだの置かれた接合面をはんだ側から垂直に見た場合、はんだは略円状になっている。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、Ａｕ−Ｓｎ系はんだ合金やＡｕ−Ｇｅ系はんだ合金を一方向から潰して縦横比を１．５０近くにすると、硬いため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てしまったりする。
なお、ボールを潰す利点としては、はんだでの接合や封止時に、球状であると転がりやすく位置安定性が悪く、潰したことによって狙いの位置に安定してボールを置けるので好ましいのである。
【００４０】
＜Ａｕ＞
Ａｕは本発明のはんだ合金の主成分であり、当然、必須の元素である。Ａｕは非常に酸化しづらいため、高い信頼性が要求される電子部品類の接合や封止用のはんだとして、特性面においては最も適している。このため、水晶デバイスやＳＡＷフィルターの封止用としてＡｕ系はんだが多用されており、本発明のはんだ合金もＡｕを基本とし、このような高信頼性を要求される技術分野に属するはんだを提供する。
【００４１】
ただし、Ａｕは非常に高価な金属であるため、コスト面からするとできるだけ使わない方がよく、Ａｕ含有量を１質量％でも下げることが望まれている。このため、一般的なレベルの信頼性を要求される電子部品にはほとんど使用されていない。本発明のはんだ合金は、Ａｕ−２０質量％Ｓｎはんだ合金に比較して、Ｓｎ含有量を多くしてＡｇを含有させることにより、Ａｕ含有量を格段に低く抑え低コスト化を実現するとともに、濡れ性や接合性といった特性面ではＡｕ−２０質量％Ｓｎはんだと同等以上であり、かつ、柔軟性、加工性に優れる。
【００４２】
＜Ｓｎ＞
Ｓｎは本発明のはんだにおいて主成分であり、当然、必須の元素である。Ａｕ−Ｓｎはんだ合金は、通常、共晶点付近の組成、つまりＡｕ−２０質量％Ｓｎ付近の組成で使用され、これによって、固相線温度が２８０℃になり、かつ、結晶が微細化し、比較的柔軟性が得られるわけである。しかし、共晶合金と言ってもＡｕ−２０質量％Ｓｎ合金はＡｕ１Ｓｎ１金属間化合物とＡｕ５Ｓｎ１金属間化合物から構成されているため、硬くて脆い。このため、加工しづらく、例えば、圧延によってシート状に加工する際には少しずつしか薄くしていくことができず生産性が悪かったり、圧延時に多数のクラックが入って収率が悪かったりするわけだが、金属間化合物の硬くて脆い性質は一般的には変えることができない。このように硬くて脆い材料ではあるが、酸化しにくく濡れ性、信頼性に優れるため、高信頼用途に使用されているわけである。
【００４３】
しかし、Ａｕは非常に高価な金属であるためＡｕ系はんだの低コスト化は解決すべき重要な課題である。この課題を解決すべく、本発明のはんだ合金はＳｎを４６．６質量％、Ａｇを５．０質量％、残部が不可避的に含まれる元素を除きＡｕからなる組成付近を基本とし、Ｓｎを４２．０質量％以上５０．０質量％以下含有し、Ａｕを４３．６質量％以上４７．６質量％以下含有し、Ａｇを５．１質量％以上９．０質量％以下含有していることを特徴する。このような合金組成にする理由ははんだ合金の低コスト化はもちろん、図１のＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ系３元系状態に示すようにＡｕ−４６．６質量％Ｓｎ−５．０質量％Ａｇ合金（９５質量％（Ａｕ３８．５Ｓｎ６１．５）５質量％Ａｇ合金）がＡｇ３Ｓｎ金属間化合物とＡｕＳｎ２金属間化合物から構成され、Ａｕ−２０質量％Ｓｎ合金よりも柔軟な性質を持つためである。
【００４４】
つまりＡｇ３Ｓｎ、ＡｕＳｎ２は金属間化合物ではあるが、Ａｕ−２０質量％を構成するＡｕ１Ｓｎ１金属間化合物、Ａｕ５Ｓｎ１金属間化合物よりは柔軟性を有するのである。さらにＡｕ−４６．６質量％Ｓｎ−５．０質量％Ａｇ合金を液相線温度を超える、例えば３３０℃以上の溶融状態から冷却していくとまずＡｕ１Ｓｎ１金属間化合物が生成され、さらに温度を下げるとＡｇ３ＳｎとＡｕＳｎ２が同時に生成される。このように結晶生成過程は（１）液相→（２）Ａｕ１Ｓｎ１＋液相→（３）ＡｕＳｎ２＋Ａｇ３Ｓｎといった過程を辿るため、ＡｕＳｎ２やＡｇ３Ｓｎが微細な結晶構造となり、このため柔軟性を有し、さらにクラック等も進展しづらく接合信頼性が高いはんだ合金となるのである。
【００４５】
なお、このＡｕ−４６．６質量％Ｓｎ−５．０質量％Ａｇ合金の液相線温度は３２５℃、固相線温度は２９５℃程度である。この融点は従来からＡｕ系はんだとして使用されているＡｕ−２０質量％Ｓｎ（共晶温度：２８０℃）、Ａｕ−１２．５質量％Ｇｅ（共晶温度：３５６℃）の融点の間にあり、これらのＡｕ系はんだの代替が可能であるだけでなく、２８０℃〜３５６℃の間で接合したいという従来からある強い要望にも応え得るものである。
【００４６】
このように優れた特性を有するＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金におけるＳｎの含有量は４２．０質量％以上５０．０質量％以下である。４２．０質量％（例えば、Ａｇ＝５ｗｔ．％とすると図１において５６．８ａｔ．％）未満であると液相線温度が高くなりすぎて良好な接合ができなくなってしまう。また液相線温度と固相線温度の差が大きくなりすぎて溶け別れ現象などが生じてしまう。さらにＡｕ含有量も多くなりやすくなるためコスト削減効果も限定されたものとなってしまう。一方、Ｓｎの含有量が５０．０質量％（例えば、Ａｇ＝５ｗｔ．％とすると図１において６４．８ａｔ．％）を越えてしまうとＡｕＳｎ４金属間化合物の割合が多くなった状態で３種類の金属間化合物が混在することになり柔軟性が低下してしまい、加工性や応力緩和性が低下してしまう。
【００４７】
Ｓｎ含有量が４４．０質量％以上４８．０質量％以下であれば、液相線温度と固相線温度の差が比較的小さく、酸化の影響が少ないため、とくに良好な接合が得られて好ましい。
【００４８】
＜Ａｇ＞
Ａｇは本発明のはんだにおいて必須の元素であり、Ａｇを含有させることによってＡｕ含有量を低減させ、はんだ合金の低コスト化に寄与するだけでなく、Ａｕ−Ｓｎはんだの融点を調整したり、また柔軟性や加工性を向上させ、よって、応力緩和性、信頼性、生産性、収率等を向上させることができる重要な元素である。
【００４９】
Ａｇを含有させる主な効果は以下のとおりである。Ａｇを含有させることによって、Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系合金の液相線温度と固相線温度を３００℃程度に調整できる。これによってＡｕ−２０質量％Ｓｎの融点（２８０℃）やＡｕ−１２．５質量％Ｇｅの融点（３５６℃）の間付近とすることが可能となるのである。そして、はんだ合金を主にＡｇ３Ｓｎ、ＡｕＳｎ２金属間化合物から構成させることが可能となり、この金属間化合物がＡｕ−２０質量％ＳｎのＡｕ１Ｓｎ１やＡｕ５Ｓｎ１金属間化合物より柔軟であるため、本発明のＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ系合金はＡｕ−２０質量％よりも柔軟であり、よって加工性、応力緩和性、信頼性等に優れるのである。
【００５０】
また、Ａｇを含有させることによりＡｕ含有量を低減でき、はんだ合金のさらなる低コスト化が可能となることである。さらにはＡｇはＡｕの次に酸化しづらい金属であることからはんだ表面が酸化しづらくなり、かつ各種金属との反応性に優れるため濡れ性を向上させる効果が期待できる。
【００５１】
このような優れた特性をはんだ合金に付与することができるＡｇの含有量は５．１質量％以上９．０質量％以下である。Ａｇの含有量がこの範囲であれば、液相線温度や固相線温度がはんだ接合において許容範囲内にあり、良好な接合が可能である。さらに高融点の金属間化合物などを生成することもなく、十分な濡れ性や接合強度、接合信頼性を得ることができる。
【００５２】
さらに好ましいＡｇ含有量は５．１質量％以上７．０質量％以下であり、この範囲にあればＡｇを含有させた効果がより一層顕著に現れるのである。
【００５３】
＜Ａｌ、Ｇｅ、Ｍｇ＞
Ａｌ、Ｇｅ、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含有してよい元素であり、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同じであり、濡れ性の向上にある。
【００５４】
Ａｌは、Ａｕに数質量％固溶し、Ｓｎに僅かに固溶し、Ａｇには数質量％固溶する。このようにＡｌは固体の状態ではＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ系合金に少量固溶した状態であるが、接合時に溶融した状態ではＡｌがＡｕ、Ｓｎ、Ａｇよりも酸化し易いため、Ａｌが優先的に酸化してはんだ表面に薄い酸化膜を生成し、母相の酸化進行を抑制することによって濡れ性を向上させる。このような濡れ性向上効果のあるＡｌの含有量は０．０１質量％以上０．８質量％以下である。０．０１質量％未満では含有量が少なすぎてＡｌを含有させた効果が実質的に現れず、０．８質量％を超えると酸化膜が厚くなりすぎて逆に濡れ性を低下させてしまう。Ａｌの含有量が０．１質量％以上０．５質量％以下であれば含有させた効果がより顕著に現れて好ましい。
【００５５】
Ｇｅは、Ａｕと固溶体から成る共晶合金を生成し、Ｓｎにはほとんど固溶せず、Ａｇとは固溶体から成る共晶合金を生成する。ＧｅはＳｎと金属間化合物を生成させない程度で含有することがはんだ合金の脆化等を起こさせないために好ましい。Ｇｅが濡れ性を向上させるメカニズムは以下のとおりである。Ｇｅは比重が比較的小さく溶融はんだ中において、ある程度はんだ表面に浮いて酸化し薄い酸化膜を生成し母相の酸化進行を抑制し濡れ性を向上させる。このような効果のあるＧｅの含有量は０．０１質量％以上１．０質量％以下である。Ｇｅ含有量が０．０１質量％未満では含有量が少なすぎて実質的に効果が現れず、１．０質量％を超えると含有量が多すぎてはんだ合金の脆化やＧｅの偏析等を起こし接合性や信頼性を低下させてしまう。
【００５６】
Ｍｇは、ＡｕとＡｕＭｇ３金属間化合物を生成し、Ｓｎにはほとんど固溶せずＭｇ２Ｓｎ金属間化合物を生成し、Ａｇには６質量％程度固溶する。Ｍｇを含有させる主な効果は濡れ性の向上であるが、このように金属間化合物を多く生成するため、脆くなる傾向があり多くは含有させることができない。Ｍｇの濡れ性向上のメカニズムは次のとおりである。Ｍｇは非常に酸化しやすいため少量含有させることで自らが酸化し濡れ性を向上させる。前述のように多くは含有させることができないが還元性が非常に強いため少量含有させただけでも効果を発揮するのである。Ｍｇの含有量は０．０１質量％以上０．５質量％以下である。０．０１質量％未満では含有量が少なすぎて実質的に効果が現れない。一方でＭｇ含有量が０．５質量％を超えると上記のとおり、脆いＡｕＭｇ３金属間化合物やＭｇ２Ｓｎ金属間化合物を生成してしまい、信頼性等が極端に低下してしまう。
【００５７】
＜Ｃｕ、Ｉｎ、Ｓｂ＞
Ｃｕ、Ｉｎ、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含有してよい元素であり、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同じであり、はんだ中のクラック進展の抑制にある。
【００５８】
Ｃｕは、ＡｕとＡｕＣｕ金属間化合物を生成し、ＳｎやＡｇには固溶する。金属間化合物は許容範囲を超えて生成してしまったり粗大なものが存在したりしてしまうと脆くなり、チップ傾き等も発生するため避けなければばらない。しかし、金属間化合物が適量生成し、はんだ中に微細に分散した場合、はんだの引張強度が向上しクラック抑制効果を発揮する。つまり、熱応力等によってはんだ中にクラックが進展する際、金属間化合物が分散しているとクラックの先端が金属間化合物にぶつかり、硬い金属間化合物によってクラック進展が止められるのである。このメカニズムは例えばＰｂ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだのＡｇ３Ｓｎ金属間化合物のクラック抑制効果、すなわち信頼性向上効果と基本的に同じメカニズムである。このような優れた効果を発揮するＣｕの含有量は０．０１質量％以上１．０質量％以下である。Ｃｕ含有量が０．０１質量％未満では含有量が少なすぎて効果が発揮されず、１．０質量％を超えると金属間化合物が許容量を超えて発生し、硬くて脆くなり、信頼性等を低下させてしまう。
【００５９】
Ｉｎは、Ａｕにはほとんど固溶せず、Ｓｎには１質量％程度固溶し、Ａｇには２０数質量％固溶する。Ｉｎをはんだ合金中に含有させると固溶強化によりはんだの引張強度が適度に上がりクラックが進展しづらくなるのである。このような効果を有するＩｎの含有量は０．０１質量％以上１．０質量％以下である。Ｉｎ含有量が０．０１質量％未満では含有量が少なすぎて効果が現れず、１．０質量％を超えると強度が上がりすぎて応力緩和効果が低下し、チップ接合体に熱応力等が加わった際にはんだが応力を緩和できずチップが割れてしまったりしてしまう。
【００６０】
Ｓｂは、ＡｕとＡｕ固溶体とＡｕＳｂ２から成る共晶合金を生成し、Ｓｎには僅かに固溶し、Ａｇには７質量％程度固溶する。Ｓｂを含有させる効果ははんだ中のクラック進展の抑制であり、そのメカニズムはＩｎと同様である。すなわち、Ｓｂをはんだ合金中に含有させると固溶強化によりはんだの引張強度が適度に上がりクラックが進展しづらくなるのである。このような効果を有するＳｂの含有量は０．０１質量以上％０．５質量％以下である。Ｓｂ含有量が０．０１質量％未満では含有量が少なすぎて効果が現れず、０．５質量％を超えると強度が上がりすぎてチップ接合後の冷却時にはんだが収縮する際、はんだの硬さに負けてチップが割れてしまったりしてしまう。
【００６１】
＜Ｎｉ＞
Ｎｉ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含有してよい元素であり、その効果は結晶微細化による接合信頼性等の向上にある。ＮｉはＳｎやＡｇに僅かにではあるが固溶する。そして、このように僅かにはんだ合金に含有されたＮｉははんだが溶融状態から冷却されて固化する際、まず高融点のＮｉがはんだ中に分散して生成し、そのＮｉを核として結晶が生成する。このため、はんだの結晶が微細化した構造となる。このように微細結晶化されたはんだは引張強度が向上し、かつクラックは基本的に粒界を沿うように進展していくためクラックがより進展しづらくなり、よってヒートサイクル試験等の信頼性が向上するのである。このような効果を発揮するＮｉの含有量は０．０１質量％以上０．７質量％以下である。Ｎｉ含有量が０．０１質量％未満では含有量が少なすぎて効果が現れず、０．７質量％を超えると逆に結晶粒が粗大になってしまい信頼性等を低下させてしまう。
【００６２】
＜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含有してよい元素であり、その主な効果は濡れ性、接合性の向上にある。ＺｎはＡｕに約４質量％固溶し、Ｓｎとは固溶体同士の共晶合金を生成し、Ａｇには２０質量％以上固溶する。このようにはんだ合金に固溶したり共晶合金を生成するＺｎは硬くて脆い金属間化合物を許容範囲以上に生成することはなく、よって機械的特性等には大きな影響は及ぼさない。そしてＺｎは基板の主成分であるＣｕなどと反応性がよいため、濡れ性、接合性を向上させる。つまりはんだ中のＺｎはＣｕ等と反応し基板に濡れ広がりながら合金化して強固な合金層を生成するのである。このような効果を有するＺｎの含有量は０．０１質量％以上５．０質量％以下である。Ｚｎ含有量が０．０１質量％未満では含有量が少なすぎて実質的に効果が現れず、５．０質量％を超えると合金層が厚くなり過ぎたり酸化し易いＺｎによってはんだ表面の酸化膜が厚くなりすぎて濡れ性低下等を引き起こしてしまう。そして濡れ性が低下すると合金相が十分に生成できなかったりボイドが多くなったりして接合強度などの低下も顕著に起きてしまう。
【００６３】
＜Ｐ＞
Ｐ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含有してよい元素であり、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、還元性が強く、自ら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系はんだが酸化し難く、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。このはんだ表面と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。
【００６４】
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おそれがある。
【実施例】
【００６５】
以下、具体的な実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例によって何ら限定されるものではない。
まず、原料として純度９９.９９９質量％以上のＡｕ、純度９９.９９質量％以上のＳｎ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｓｂ、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、粉砕等を行い、３ｍｍ以下の大きさに細かくした。次に、高周波溶解炉用グラファイトるつぼに、これら原料から表１の試料１〜２８及び表２の試料３１〜９１の各試料に相当する所定量を秤量して入れた。
【００６６】
原料の入ったるつぼ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。金属が溶融しはじめたら混合棒でよく攪拌し、局所的な組成のばらつきが起きないように均一に混ぜた。十分溶融したことを確認した後、高周波電源を切り、速やかにるつぼを取り出し、るつぼ内の溶湯をはんだ母合金の鋳型に流し込んだ。鋳型には、ボールを製造するための液中アトマイズ用に直径２４ｍｍの円柱形状のものを使用した。
【００６７】
このようにして、原料の混合比率を変えた以外は全て同様の方法により、試料１〜２８及び試料３１〜９１のはんだ母合金を作製した。これらの試料１〜２８及び試料３１〜９１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と表２に示した。
【００６８】
次に、上記試料１〜２８及び試料３１〜９１を得るための各はんだ母合金からのボール状はんだ合金の製造方法と、はんだ合金試料の縦横比の測定方法について説明する。
【００６９】
＜ボール状はんだ合金の製造方法＞
準備した試料１〜２８及び試料３１〜９１の各母合金（直径２４ｍｍ）を液中アトマイズ装置のノズルに投入し、このノズルを２３０℃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５４０℃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。得られたボール状形状の各試料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℃−３時間の乾燥を行った。そして、乾燥させたボール状形状の各試料を本発明の縦横比を満たすものと満たさないものとに選別した。選別方法としては特開平１１−３１９７２８号公報に示されるような装置を用い、試料の落下方向に対して直角となる方向に直進する振動を加え試料を落下させて選別のための傾斜面に試料を落下させ、一定範囲内に落下したものを縦横比を満たすものとし、その他の区域に落下したものを縦横比を満たさないものとして第１段階の選別を行った。その後、後述する縦横比の測定により各試料を最終的に選別した。
【００７０】
さらに試料１６〜２０、２７、２８、６７〜７１、９０、９１についてはボール状の形状を潰し、平面のある形状とした。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を潰し、３０秒保持後、窒素を満たしたサイドボックスに移動し、常温まで冷却して取出した。潰しの程度は所望の縦横比となるように金型の隙間を制御して潰し量を調整した。
【００７１】
＜はんだ合金試料の縦横比の測定＞
試料１〜１５、２１〜２６、３１〜６６、７２〜８９については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、最小の長さを短径または短辺、最大の長さを長径または長辺とした。
潰した試料１６〜２０、２７、２８、６７〜７１、９０、９１については、潰した方向のうち実際に潰された部分の長さ（厚さ）を任意に１０カ所測定して最小の長さ（厚さ）を短辺とし、短辺を測定した方向と垂直方向について長さを任意に１０カ所測定して最大の長さを長辺とした。
【００７２】
はんだ合金試料の縦横比の測定結果と分析結果を表１と表２に示す。表１はＡｕとＳｎとＡｇとからなる例を示し、表２はさらにＡｌ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｓｎ、Ｚｎ及びＰのいずれか１種以上を含有する例を示したものである。
なお、表１中、試料１０、１４、１５は本発明の実施例、試料１〜９、１１〜１３、１６〜２０は参考例、試料２１〜２８は比較例である。また、表２中、試料４０、４４、４５、４７、５１、５３、６１、６４、６５は本発明の実施例、試料３１〜３９、４１〜４３、４６、４８〜５０、５２、５４〜５９、６０、６２、６３、６６〜７１は参考例、試料７２〜９１は比較例である。
【００７３】
【表１】
0006365183.tif 000002
（注）表中の※を付した試料は比較例である。
【００７４】
【表２】
0006365183.tif 000003
（注）表中の※を付した試料は比較例である。
【００７５】
次に、各評価について説明し、得られた各評価結果を表３と表４に示す。
【００７６】
＜濡れ広がり性の評価（接合体の縦横比の測定）＞
濡れ広がり性を評価するため、図４の模式図に示すようなＣｕ基板１のＮｉめっき層２に各試料のはんだ合金３をはんだ付けした接合体を以下のように作製して、接合体の縦横比を測定した。
【００７７】
濡れ性試験機（装置名：雰囲気制御式濡れ性試験機）を起動し、加熱するヒーター部分に２重のカバーをしてヒーター部の周囲４箇所から窒素ガスを１２Ｌ／分の流量で流した。その後、ヒーター設定温度を融点より５０℃高い温度にして加熱した。ヒーター温度が設定値で安定した後、Ｎｉめっき（膜厚：３.０μｍ）したＣｕ基板（板厚：０.３ｍｍ）をヒーター部にセッティングして２５秒加熱し、次にボール状のはんだ合金をＣｕ基板上に載せて２５秒加熱した。加熱が完了した後、Ｃｕ基板をヒーター部から取り上げ、その横の窒素雰囲気が保たれている場所に一旦設置して冷却し、十分に冷却した後大気中に取り出した。
【００７８】
得られた接合体、即ち図４に示すようにＣｕ基板１のＮｉめっき層２にはんだ合金３が接合された接合体について、濡れ広がったはんだ合金の濡れ広がり長さを測定して縦横比を求めた。具体的には、図５に示す最大のはんだ濡れ広がり長さを長径とし、最小のはんだ濡れ広がり長さを短径とし、測定値より下記計算式２によって縦横比を算出した。
［計算式２］    縦横比＝長径÷短径
接合体の縦横比の測定結果を表３と表４に示す。
【００７９】
計算式２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、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。はんだ合金の成分にもよるが、縦横比は最大でも１．３未満が好ましい。
【００８０】
＜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られた図４に示す接合体について、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３を用いてボイド率を算出した。
［計算式３］
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
接合体のボイド率の測定結果を表３と表４に示す。
【００８１】
＜ヒートサイクル試験（信頼性の評価）＞
はんだ接合の信頼性を評価するためにヒートサイクル試験を行った。なお、この試験は、上記接合性の評価と同様にして得たはんだ合金とＣｕ基板が接合された図４に示す接合体を用いて行った。まず、接合体に対して、−４０℃の冷却と２３０℃の加熱を１サイクルとして、これを所定のサイクル繰り返した。その後、はんだ合金が接合されたＣｕ基板を樹脂に埋め込み、断面研磨を行い、ＳＥＭ（日立製作所製  Ｓ−４８００）により接合面の観察を行った。接合面にはがれやはんだ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「○」とした。
接合体のヒートサイクル試験結果を表３と表４に示す。
【００８２】
【表３】
0006365183.tif 000004
（注）表中の※を付した試料は比較例である。
【００８３】
【表４】
0006365183.tif 000005
（注）表中の※を付した試料は比較例である。
【００８４】
上記表３と表４から分かるように、試料１〜２０、３１〜７１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、濡れ広がり性の評価では、全ての試料で縦横比が１．０９以下で円状に均一に広がっており、接合性の評価ではボイドがほとんど発生せず、信頼性の評価であるヒートサイクル試験では全ての試料で５００サイクルまで不良が発生しなかった。このように良好な結果が得られた理由は本発明のはんだ合金は縦横比が決められた範囲内であり、かつ合金組成が組成範囲内であるからである。
【００８５】
一方、比較例である試料２１〜２８、７２〜９１の各はんだ合金は、少なくともいずれかの特性において好ましくない結果となった。即ち、濡れ広がり性の評価では、全ての試料で縦横比が１．６７以上で不均一に広がっていた。また、接合性の評価ではボイドが１０〜２３％程度と多く発生した。そして信頼性の評価であるヒートサイクル試験では試料２１、２２、２７、２８、７２、７３、９０、９１を除いた試料に関しては３００サイクルまでに不良が発生し、また全ての試料で５００サイクルまでには不良が発生した。
【００８６】
さらに本発明のはんだ合金はＡｕ含有量が４７．６質量％以下であり、現在、実用化されている８０質量％Ａｕ−２０質量％合金や８７．５質量％Ａｕ−１２．５質量％Ｇｅ合金よりも格段にＡｕ含有量が少なく、よって非常に低コストであり、加えてボール収率が高いことからより一層低コスト化を実現している。
以上、述べたように本発明のはんだ合金は各種特性に優れ、低コストであり、Ａｕ−Ｇｅ合金などに比較して融点が低いため、非常に使い易く、安全に製造できる特徴を有している。
【符号の説明】
【００８７】
１      Ｃｕ基板
２      Ｎｉメッキ
３      はんだ合金
【図１】
0006365183.tif 000006
【図２】
0006365183.tif 000007
【図３】
0006365183.tif 000008
【図４】
0006365183.tif 000009
【図５】
0006365183.tif 000010