(57)【要約】      （修正有）【課題】実装用、特にボイド抑制に効果的な、ダイボンディング等に好適な線はんだを提供すると共に、その効率的な製造方法を提供する。【解決手段】金属細管に、成分の異なる２種以上の金属粉末及び／又は金属箔を充填した後、線引き加工にて成型された線はんだ。本線はんだは、原料となる素材を適切に加工することにより得られたバルク成形体であり、ボイドの発生源を極力減らすことによりその発生を抑制でき、ハンドリングが容易であり、基本的に金属成分以外の成分を含ませずに済み、かつ金属粒子間の空隙がほとんどない糸はんだ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属細管に、成分の異なる２種以上の金属粉末及び／又は金属箔を充填した後、線引き加工にて成型された線はんだ。
【請求項２】
前記２種以上の金属粉末及び／又は金属箔が、少なくとも１種が錫、ビスマス、インジウムのうち、１種又は２種以上の金属元素（以下、低融点材という）を含有しており、別の少なくとも１種が銅、ニッケル、銀のうち、１種又は２種以上の金属元素（以下、高融点材という）を含有している請求項１記載の線はんだ。
【請求項３】
前記低融点材と高融点材の割合が、拡散により融点３２５℃以上となる合金を形成しうる割合で構成された請求項１又は請求項２いずれかに記載の線はんだ。
【請求項４】
前記金属細管が銅、銀、ニッケル、錫、ビスマス、インジウムいずれか単独、又はそれらのうち、いずれかを主成分とする合金である請求項１〜３いずれかに記載の線はんだ。
【請求項５】
線引き加工前、あるいは加工後の金属細管の内面あるいは外面に低融点材をコートした請求項１〜４いずれかに記載の線はんだ。
【請求項６】
平均線径が０．３ｍｍ〜４ｍｍである請求項１〜５いずれかに記載の線はんだ。
【請求項７】
密度測定により求められる相対密度が９５％〜１００％である請求項１〜６いずれかに記載の線はんだ。
【請求項８】
金属細管に、成分の異なる２種以上の金属粉末及び／又は金属箔を充填した後、線引き加工にて成型することを特徴とする線はんだの製造方法。
【請求項９】
前記高融点材として用いる金属粉末の平均一次粒子径が０．１μｍ〜１００μｍである請求項８に記載の線はんだの製造方法。
【請求項１０】
前記高融点材として用いる金属箔の平均厚みが１μｍ〜１００μｍである請求項８に記載の線はんだの製造方法。
【請求項１１】
充填材充填後、線引き加工前に真空脱気を行うことを特徴とする請求項８〜１０いずれかに記載の線はんだの製造方法。
【請求項１２】
充填材充填後、線引き加工前に鍛造加工、又は押出し加工を行うことを特徴とする請求項８〜１１いずれかに記載の線はんだの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接合部に発生しやすいボイドを抑制し、電子部品の接合、特に半導体素子のダイボンディングや積層セラミックコンデンサのろう付け等に好適な線はんだ、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高周波素子やトランジスタ素子のダイボンディングやパッケージの気密封止等においては、一般にＰｂ／５質量％Ｓｎに代表されるＰｂ系合金等が使用されている。この合金は高温はんだと称され、３００〜３６０℃でろう付けが可能であり、かつ、ろう材の溶融温度が２６０℃以上であるため、実装時などの熱履歴に接合部が耐えうるからである。
【０００３】
しかし、Ｐｂ系合金については、環境汚染に対する配慮からＰｂの使用が敬遠され、高温はんだにおいても、Ｐｂフリー化が求められている。具体的な例を挙げると、特許文献１等に代表される、異種金属混合粉を含むはんだ付け用組成物の開示がある。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２５４１９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、高融点の金属成分を含む高温はんだペーストは、接合部形成の際にボイドを生じ易く、用途上の大きな問題点を抱えている。パワートランジスタ素子のダイボンディング等の用途では、微小な接合部における接合強度を有し、かつ信頼性も要求されることから、ボイドの発生は致命的欠陥となる。従って、高温線はんだを用い、局部的に十分な加熱を加えられるダイボンディング法を採用すれば、ボイド抑制に効果的と考えられるものの、高融点材を有す鉛フリーはんだを線はんだ化することは困難であった。
本発明の目的は、実装用、特にボイド抑制に効果的な、ダイボンディング等に好適な線はんだを提供すると共に、その効率的な製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、検討の結果、高温はんだとして適切な素材を用い、かつ特定の加工を施すことにより、実装用、特にダイボンディング等に好適な高温線はんだとすることができ、上記課題が解決できることを知見し、本発明を完成した。
【０００７】
すなわち、本発明の線はんだは、金属細管に、成分の異なる２種以上の金属粉末及び／又は金属箔を充填した後、線引き加工にて成型されたものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る線はんだは、原料となる素材を適切に加工することにより得られたバルク成形体であり、ボイドの発生源となる空隙を極力減らすことにより、その発生を抑制できるものである。従って、実装用、特にダイボンディング等に好適なはんだ材料である。また、本発明の製造方法は、複雑な工程を経ることなく、効率的に本発明の線はんだを製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明を実施するための最良形態について説明する。
本発明の線はんだは、金属細管に、成分の異なる２種以上の金属粉末及び／又は金属箔を充填した後、線引き加工にて成型されたものである。
【００１０】
従来、線はんだは、「電子材料のはんだ付け技術」（工業調査会  大澤直著）に記載があるように、線引き加工、冷間あるいは熱間押出法によって製造されている。具体的には、はんだ材料を円柱状に鋳込み、その鋳塊を油圧押出機を用いて、線はんだの原型となる形状に押出加工を行い、その後、さらにダイスを用いた引き抜き等による細線化加工を行うのが一般的である。
【００１１】
しかし、合金系にもよるが、上記のような溶融物から鋳造、加工する方法では、鉛フリーはんだ合金中に、高融点の金属成分を多く取り込ませることが困難であり、異種金属粉の混合物をペースト化するしかない（特許文献１参照）。
【００１２】
本発明の線はんだは、成分の異なる２種以上の金属粉末及び／又は金属箔を金属細管に充填し、機械加工が可能な状態としてから、線引き加工、成型されたものである。
【００１３】
このような線はんだは、加工、成型により、バルク成形体を呈しており、ハンドリングが容易であり、基本的に金属成分以外の添加物を含ませずに済み、かつ金属粉粒子間の空隙が殆どないものである。
【００１４】
従って、はんだ接合に用いた場合、かつ前記異種金属粉の混合物によるペーストを使用した際に生じるフラックスの残留がなく、接合時に合金化し切れない高融点金属粉粒子近傍に生じるようなボイドも抑制される。
【００１５】
また、本発明の線はんだは、成分の異なる２種以上の金属粉末及び／又は金属箔を充填する場合、用いる２種以上の金属粉末及び／又は金属箔が、少なくとも１種が錫、ビスマス、インジウムのうち、１種又は２種以上の金属元素を含有し、別の少なくとも１種が銅、ニッケル、銀のうち、１種又は２種以上の金属元素を含有していることが好ましい。
【００１６】
上記充填材の選択については後述するが、低融点材が高融点材と接合時の拡散反応によって合金化するため、再リフローにより所定接合部が剥離することはない。
【００１７】
上記の錫、ビスマス、インジウムは低融点材として用いられるもので、このうち、錫が低融点であるのみならず、加工性、物理的強度、コスト面でも優れており、より好ましい。
また、上記の銅、ニッケル、銀は高融点材として用いられるもので、このうち、銅が合金化に有利であるのみならず、加工性、コスト面でも優れており、より好ましい。
【００１８】
また、上記低融点材や高融点材は、前述のとおり、金属細管に充填材として充填されるが、その際の形態は、金属粉末や金属箔、あるいは両者の併用、いずれでもかまわないが、加工前の予混合による成分ムラの抑制や、加工時の流動性向上効果を考慮すると、金属粉末を用いるのがより好ましい。
【００１９】
また、本発明の線はんだは、前記低融点材と高融点材の割合が、拡散により融点３２５℃以上となる合金を形成しうる割合で構成されるのが好ましい。この低融点材の総含有率は、はんだに求める特性（低融点性、はんだ付け後の機械的強度、伸び等）に応じて適宜調整すれば良いが、少なくとも高温はんだの特徴を共通的に満たす上記範囲が好適である。
【００２０】
また、本発明の線はんだは、上記金属細管がはんだ成分である銅、銀、ニッケル、錫、ビスマス、インジウムいずれか単独、又はそれらのうち、いずれかを主成分とする合金であることが好ましい。
この金属細管は、バルク成形体形成に好都合な、展延性や機械的強度に富んでいるものであれば制限されないが、加工性や入手の容易さ、加工後そのまま使用することも可能であり、コスト面でも優れている銅又は銅合金がより好適である。
【００２１】
なお、この金属細管は加工後そのまま線はんだの一部としてそのまま用いても良いし、適切な方法で内部のバルク成形体から剥離除去しても良い。はんだ組成は、除去するしないに応じて、充填材配合内容を調整すれば良い。
【００２２】
また、金属細管に高融点材を用いた場合には、線はんだの溶融性を改善するために、線引き加工前、あるいは加工後の金属細管の内面あるいは外面を低融点材でコートすることが好ましい。このような線はんだは、接合時に接合材表面が低融点溶融物で覆われるため、密着性が向上し、また接合材表面の拡散反応が促進され、短時間での合金化が可能となる。
【００２３】
また、本発明の線はんだは、平均線径が０．３ｍｍ〜４ｍｍであることが好ましく、０．３ｍｍ〜１．２ｍｍであることがより好ましい。この平均線径を０．３ｍｍ未満とするのは、線引き加工上困難であり、４ｍｍを超えるものでは、ダイボンディング等微小接合部形成上、不適である。なお、この平均線径は、マイクロメーターにて線はんだ１ｍあたり１０点の直径を測定し、算術平均したものである。
【００２４】
また、本発明の線はんだは、アルキメデス法による密度測定により求められる相対密度が  ９５％〜１００％であることが好ましく、９９％〜１００％であることがより好ましい。この相対密度が９５％未満であるものでは、線としての取り扱いが困難であり、また、はんだ付けした際のボイド抑制効果が得られない。
【００２５】
なお、本発明の線はんだは、金属細管に、金属細管とは異なる成分の金属粉末及び／又は金属箔を充填し、機械加工が可能な状態としてから、線引き加工、成型したものであっても良く、その際、用いる金属粉末及び／又は金属箔が、錫、ビスマス、インジウム、銅、ニッケル、銀のうち、１種又は２種以上の金属元素を含有していることが好ましい。
【００２６】
次に、本発明の線はんだの製造方法について述べる。
本発明の線はんだは、金属細管に、成分の異なる２種以上の金属粉末及び／又は金属箔を充填した後、線引き加工にて成型することにより製造される。
【００２７】
まず、用いられる充填材として、成分の異なる２種以上の金属粉末及び／又は金属箔が必要であるが、形態が金属粉末の場合、高融点材は平均一次粒子径が０．１μｍ〜１００μｍであることが好ましく、０．５μｍ〜５０μｍであることがより好ましい。この平均一次粒子径が０．１μｍ未満の金属粉末は製造が可能であるものの、粒子が微粒であればあるほどその凝集性は高く、結局凝集粒子の程度が一次粒子径大なるものと大差なくなり、コスト面でも不経済で実用的でない。また、平均一次粒子径が１００μｍを超える場合、粒子径が大きすぎ、接合時の低融点材との合金化に支障をきたし、粒子間の空隙が残留するおそれがある。
【００２８】
また、形態が金属箔の場合も粉末の場合と同様に、高融点材の平均厚みが１μｍ〜１００μｍであることが好ましく、１μｍ〜５０μｍであることがより好ましい。この平均厚みが１μｍ未満の場合、製造が困難、あるいは使用する際のハンドリングに難渋するため、実用的でない。また、平均厚みが１００μｍを超える場合、線引き後の厚みが大きく、接合時の低融点材との合金化に支障をきたし、粒子間の空隙が残留するおそれがある。
【００２９】
なお、上記金属粉末の平均一次粒子径は、走査型電子顕微鏡を用い、１００００倍の倍率で観察される１００個の粒子のフェレ径を求め、算術平均したものであり、金属箔の平均厚みは、マイクロメーターにて１０点の箔断面厚みを測定し、算術平均したものである。
【００３０】
一方、低融点材は、接合時に溶融するため、充填前の予混合において支障をきたさないものであれば良く、粒度や厚み等特段限定されないが、酸化や凝集による溶融不良を抑制できる０．５μｍ〜１００μｍ程度が好ましい。
【００３１】
以上、用いられる充填材の特徴について述べたが、金属粉末については、その形状については種々のものを用いることが可能である。具体的には、粒状、板状、フレーク状等いずれをも利用できるが、粒状の一種である球状粉が、充填性や加工時の流動性に優れるため、好ましい。製造方法についても、湿式中和還元法、アトマイズ法、気相還元法、プラズマ法等いかなる方法で作られたものでも良いが、乾式法で製造されたものの方が結晶子が大きく、熱的特性に優れるため、好ましい。
【００３２】
また、金属粉末の場合、充填性が良い方が有利であるので、タップ密度が高い、あるいはかさ密度が高いものが好ましい。具体的には、タップ密度は２．５ｇ／ｃｍ３〜８．０ｇ／ｃｍ３、かさ密度は１．７ｇ／ｃｍ３〜６．５ｇ／ｃｍ３程度が好ましい。
【００３３】
また、充填材に用いられる金属箔としては、箔面の広さが５〜５０ｍｍ２程度が充填の際にかさばらずに使用でき、好適である。製造方法についても、電解法、圧延等による物理処理法等いかなる方法で作られたものでも良いが、一般的利用度が高く、コスト的にも優れた電解法で製造されたものが好ましい。
【００３４】
また、充填材充填後、線引き加工前に真空脱気を行うことが好ましい。このことにより、充填物間に存在するガスを排除することにより、線はんだ中の空隙を減らし、緻密な成形体とすることができる。また、線引き加工前に充填された金属細管をタッピングする操作を行うのも、充填性を高めるのに効果的である。
【００３５】
また、充填材充填後、線引き加工前に鍛造加工や押出し加工を行うことが好ましい。このことにより、線引き加工前に予め隙間ムラをなくすことができ、線引き加工の際の充填性をより向上させ、組織の均一性を増すことが可能である。
【００３６】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。しかしながら本発明の範囲はかかる実施例に制限されるものではない。
【実施例１】
【００３７】
平均一次粒子径が３５μｍ、タップ密度４．８ｇ／ｃｍ３、かさ密度３．７ｇ／ｃｍ３の水アトマイズ錫粉（Ｓｎ≧９９質量％）、及び平均一次粒子径が３５μｍ、タップ密度５．４ｇ／ｃｍ３、かさ密度４．５ｇ／ｃｍ３のガスアトマイズ銅粉（Ｃｕ≧９９質量％）を、Ｖ型混合機にて充分混合した後、直径２０ｍｍで肉厚が１ｍｍの純銅パイプ中に充填し、両端を圧着封止した。各元素の割合は、錫が１０質量％、純銅パイプを含めた銅が９０質量％となるように、各粉末重量と純銅パイプの長さを調整した。
【００３８】
前記の粉末が充填されたパイプを、直径２０ｍｍから１０ｍｍになるまで回転式鍛造機を用いたスウェージング加工をおこなった。その後、線引きにより線径３．５ｍｍとなるまで加工し、線はんだを得た。
【実施例２】
【００３９】
錫が６０質量％、銅が４０質量％となるように、各粉末重量と純銅パイプの長さを調整した以外は、実施例１と同様の方法で線はんだを得た。
【比較例１】
【００４０】
金属組成が実施例１と同一となる混合粉末からなる金属粉末を含むはんだペーストを作製した。すなわち、実施例１で用いた水アトマイズ錫粉１０質量％、及びガスアトマイズ銅粉９０質量％からなる金属粉末をＶ型混合機にて充分混合した後、この混合粉末が８０質量％と、ロジン５０質量％、カルビトール３５質量％、ハロゲン化水素酸アミン塩５質量％及びワックス１０重量％からなるフラックス２０質量％となるように配合し、混練を行い、はんだペーストを作成した。
【比較例２】
【００４１】
錫が６０質量％、銅が４０質量％となるように混合粉末を作成した以外は、比較例１と同様の方法ではんだペーストを作成した。
【００４２】
〔性能評価〕
実施例１〜２及び比較例１〜２で得られたはんだについて、下記の方法にてはんだ付け試料を作製し、評価した。代表的な実施例１及び比較例１について、はんだ付け試料の断面観察写真を図１、図２に示す。
【００４３】
〔はんだ付け試験方法及びその評価方法〕
長さ５ｍｍに切断した線はんだを、脱脂酸洗を行った純銅板上に置き、上からフラックスを１滴たらした。フラックスには、ステアリン酸７％、エチレンジアミン３％、ロジン２５％、イソプロピルアルコール６５％に配合したものを用いた。その後、ホットプレートを用いて、１６０℃４０秒の余熱後に４００℃、６０秒間の加熱を行った後、取り出し冷却した。一方、比較例のはんだペーストの場合は、０．３ｇを銅板上に乗せて、同様に試験を行った。試験後、はんだ付けした試料を埋め込み樹脂で埋め込み、銅板に垂直方向の断面を光学顕微鏡を用いて１００倍の倍率で観察した。図1に、実施例１のはんだ付け試験試料の断面を示す。また、図２に比較例１のはんだ付け試験試料の断面を示す。
【００４４】
図１から明らかなように、本発明の線はんだを用いたはんだ付け接合部は、ボイドがかなり抑制され、強固で緻密な状態であることが判る。これに対し、比較例のはんだペーストを用いたはんだ付け接合部は、用いたはんだ粉が同じはんだ組成でありながら、ボイドが多く発生しており、接合状態が不良であることが判る。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明に係る線はんだは、金属細管に、成分の異なる２種以上の金属粉末及び／又は金属箔を充填した後、線引き加工にて成型されたものであることにより、高温はんだ使用の際に生じやすいボイドを抑制でき、実装用、特にダイボンディング等に好適なはんだ材料である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】図１は、実施例１で得られた線はんだを用いたはんだ付け試験試料の断面写真である。
【図２】図２は、比較例１で得られたはんだペーストを用いたはんだ付け試験試料の断面写真である。
【図１】
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【図２】
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