(57)【要約】【課題】  従来のＡｕ系はんだ合金と同程度の加工性や応力緩和性を有する安価な高温用Ａｕ−Ｓｎ系はんだ合金を提供する。【解決手段】  第１のＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金は、Ｓｎを５０.０質量％以上６５.０質量％以下含有し、残部が製造上不可避に含まれる元素を除きＡｕから構成されるものであり、第２のＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金は、Ｓｎを５０.０質量％以上６５.０質量％以下含有し、Ｇｅを０.０１質量％以上３.０質量％以下含有し、残部が製造上不可避に含まれる元素を除きＡｕから構成されるものであり、これら第１および第２のＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金は、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｓｂ、ＺｎおよびＰからなる群のうちの１種以上をさらに含有してもよい。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｎを５０.０質量％以上６５.０質量％以下含有し、残部が製造上、不可避に含まれる元素を除きＡｕからなることを特徴とするＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金。
【請求項２】
Ｓｎを５０.０質量％以上６５.０質量％以下含有し、Ｇｅを０.０１質量％以上３.０質量％以下含有し、残部が製造上、不可避に含まれる元素を除きＡｕからなることを特徴とするＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金。
【請求項３】
Ｇｅを０.０１質量％以上２.０質量％以下含有することを特徴とする、請求項
２に記載のＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金。
【請求項４】
Ｓｎを５２.０質量％以上６２.０質量％以下含有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金。
【請求項５】
はんだ形状がボール状の場合は、その中心を通るあらゆる断面のうちで最大の長さを最小の長さで割った長短比が１.００以上１.２０以下であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金。
【請求項６】
前記長短比が１.００以上１.１０以下であることを特徴とする、請求項５に記載のＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金。
【請求項７】
はんだ形状がボール状の場合は、一方向から略円板状に押し潰した時に、押し潰した方向に垂直な断面のうちの最大の長さを押し潰した方向の厚さで割った長短比が１.００以上１.５０以下であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載のＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金に更にＡｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｓｂ、ＺｎおよびＰからなる群のうちの１種以上を含有したＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金であって、Ａｇを含有する場合は０.０１質量％以上２.０質量％以下、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、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％以下それぞれ含有することを特徴とするＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金。
【請求項９】
金属組織の８０体積％以上がＡｕ１Ｓｎ２金属間化合物から構成されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載のＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載のＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金を用いて封止したことを特徴とする電子部品。
【請求項１１】
請求項１０に記載の電子部品を搭載していることを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ａｕを主成分とする高温用のＰｂフリーはんだ合金、および該はんだ合金を用いて封止若しくは接合された電子部品に関する。
【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（Ｐｂ）が主成分として使われ続けてきたが、すでにＲｏＨＳ指令などで鉛は規制対象物質になっている。このため、鉛を含まないはんだ（以降、Ｐｂフリーはんだ又は無鉛はんだとも称する）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℃）とに大別され、それらのうち、中低温用のはんだに関してはＳｎを主成分とするものでＰｂフリーはんだが実用化されている。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にＳｎを主成分とし、Ａｇを１.０〜４.０質量％、Ｃｕを２.０質量％以下、Ｎｉを１.０質量％以下含有する無鉛はんだ合金組成が開示されており、特許文献２にはＡｇを０.５〜３.５質量％、Ｃｕを０.５〜２.０質量％含有し、残部がＳｎからなる合金組成の無鉛はんだが開示されている。
【０００４】
一方、高温用のＰｂフリーはんだ材料に関しても様々な機関で研究開発が進められており、例えば特許文献３には、Ｂｉを３０〜８０ａｔ％含み、溶融温度が３５０〜５００℃のＢｉ／Ａｇロウ材が開示されている。また、特許文献４には、Ｂｉを含む共昌合金に２元共昌合金を加え、更に金属成分を加えて融点が２５０〜３００℃となるはんだ合金が開示されている。
【０００５】
高温用のＰｂフリーはんだ材料のうち、高価なＡｕ系はんだ合金では既にＡｕ−Ｓｎ合金やＡｕ−Ｇｅ合金などが水晶デバイス、ＳＡＷフィルター、ＭＥＭＳ（微小電子機械システム）等で使用されている。例えば、特許文献５にはＡｕ−Ｇｅ、Ａｕ−Ｓｂ、またはＡｕ−Ｓｉの板状低融点Ａｕ合金ロウを予加熱し、次に加熱保温部を設けたプレス金型にその材料を順次送って１００℃〜３５０℃の温度範囲でプレス加工を行うことを特徴とする板状低融点Ａｕ合金ロウのプレス加工方法について記載されている。
【０００６】
また、特許文献６には、Ａｕ／Ｇｅ／Ｓｎを含む３元合金のロウ材であり、液相が発生し始める温度をＴｓ、完全に液相になる温度をＴｌとした場合に、Ｔｌ−Ｔｓ＜５０℃であることを特徴とするロウ材について記載されている。そして、この特許文献６によれば、Ｐｂフリーを実現しつつ、リフロー温度に溶融せず、接着剤や部品自体に損傷を与えることのないように接合温度が抑えられた、電気・電子部品の接合に好適なロウ材を提供できると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−０７７３６６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２００６−１６７７９０号公報
【特許文献５】特開平０３−２０４１９１号公報
【特許文献６】特開２００７−１６０３４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
高温用のＰｂフリーはんだ材料に関しては、上記特許文献以外にも様々な報告ないし提案がなされているが、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のが実情である。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、接合時の温度を４００℃未満、望ましくは３７０℃以下にすることが望まれている。しかしながら、例えば特許文献３に開示されているＢｉ／Ａｇロウ材では、液相線温度が４００〜７００℃と高いため、接合時の温度も４００〜７００℃以上になると推測され、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。
【０００９】
また、Ａｕ系はんだではＡｕ−Ｓｎ系はんだやＡｕ−Ｇｅ系はんだが実用化されているものの、Ａｕ系はんだは極めて高価なＡｕを多量に使用するため、汎用のＰｂ系はんだやＳｎ系はんだ等に比べて非常に高価である。加えて、Ａｕ系はんだは非常に硬くて加工し難いため、例えばシート形状に圧延加工する際に時間がかかったり、ロールに疵のつき難い特殊な材質を用いることが必要になったりして、余分なコストがかかる。また、プレス成形時にも、Ａｕ系はんだの硬くて脆い性質のため、クラックやバリが発生し易く、他のはんだに比べて収率が格段に低い。
【００１０】
ワイヤ形状に加工する場合にも似たような深刻な問題があり、非常に圧力の高い押出機を使用しても、硬いため押出速度を速くできず、Ｐｂ系はんだの数百分の１程度の生産性しかない。このようにＡｕ系はんだは材料費だけでなく加工費も従来のはんだ材よりも高いため、水晶デバイス、ＳＡＷフィルター、ＭＥＭＳなどの特に高い信頼性を必要とする電子部品のはんだ接合や封止以外ではあまり使用されていない。
【００１１】
特許文献５に示されているように、Ａｕ−Ｇｅ等の板状（シート状）低融点Ａｕ合金ロウ材を加熱保温部を設けたプレス金型で温間プレスすれば加工性は若干向上するものの、はんだ合金の酸化が進行してしまうという課題がある。すなわち、Ａｕを多く含有するはんだであっても、例えばＧｅ、Ｓｂ、またはＳｎなどを含んでいるＡｕ系はんだは、これらの元素の酸化進行を防ぐことができず、常温より高い温度でプレスしたときに表面が酸化して濡れ性が大きく低下してしまう。
【００１２】
更に、温間プレスでは高温状態ではんだの加工処理を行うため、常温状態からはんだが熱膨張し、工夫をしても常温でのプレスに比べて形状の精度を出しにくいという課題もある。加えて、柔らかくなったはんだは金型に張り付き易くなり、この場合ははんだが撓んだり歪んだりした状態でプレスすることになるため、バリや欠けが発生しやすくなるという課題もある。このように、温間プレスは加工性が向上しても収率が低下してしまい、最終的なコスト削減の効果は十分に得られなかった。
【００１３】
また、特許文献６に記載のＡｕ／Ｇｅ／Ｓｎを含む３元合金のロウ材は、実施例に示されている最小のＡｕ量が７９.３重量％であり、従来のＡｕ−２０重量％Ｓｎと比べて大差がない上、加工性改善の効果も明記されておらず、よってコストダウン効果が十分得られているとは言い難い。Ａｕ量をより一層減らして液相線温度と固相線温度の差が５０℃未満の要件を満たす組成にすることも考えられるが、この場合はＧｅ−Ｓｎ合金の固相線温度が２３１℃であることから、高温用はんだとしては融点が低すぎる合金になってしまう。
【００１４】
本発明は、上記したような従来の事情に鑑みてなされたものであり、従来のＡｕ系はんだ合金と同程度の加工性、応力緩和性等の各種の特性を有する安価なＰｂフリーの高温用Ａｕ−Ｓｎ系はんだ合金を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明者は上記した目的を達成するため鋭意研究を重ねた結果、Ａｕ−Ｓｎ系はんだ合金においてε相（Ａｕ１Ｓｎ２金属間化合物）を主な構成要素とすることにより、従来のＡｕ系はんだ合金と同程度の効果を奏しながらコストダウンが可能なＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金を提供し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明に係る第１のＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金は、Ｓｎを５０.０質量％以上６５.０質量％以下含有し、残部が製造上不可避に含まれる元素を除きＡｕからなることを特徴としている。また、本発明に係る第２のＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金は、Ｓｎを５０.０質量％以上６５.０質量％以下含有し、Ｇｅを０.０１質量％以上３.０質量％以下含有し、残部が製造上不可避に含まれる元素を除きＡｕからなることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、従来のＡｕ−Ｓｎ合金やＡｕ−Ｇｅ合金と同程度の加工性や応力緩和性が得られる上、実用上の接合性を十分に有するはんだ合金を提供することができる。さらに、従来のＡｕ系はんだ合金に比べて多くのＳｎおよびＧｅで高価なＡｕの一部を代替することができるので、Ａｕ含有量を大幅に下げてはんだ合金コストを下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】Ａｕ−Ｓｎ二元系状態図である。
【図２】Ａｕ−Ｓｎ−Ｇｅ三元系状態図である。
【図３】ボール状のはんだ合金またはこれを潰して円板状体にしたはんだ合金の長短比を示す模式図である。
【図４】Ｎｉ層（めっき）を有するＣｕ基板とＳｉチップとをはんだで接合した接合体の模式的な縦断面図である。
【図５】はんだ合金により封止された封止用容器の模式的な縦断面図である。
【図６】はんだ合金の濡れ広がり性の指標となる縦横比を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明のＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金について詳しく説明する。本発明の第１のＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金は、Ｓｎを５０.０質量％以上６５.０質量％以下含有し、残部が製造上不可避に含まれる元素を除きＡｕから構成されるものであり、本発明の第２のＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金は、Ｓｎを５０.０質量％以上６５.０質量％以下含有し、Ｇｅを０.０１質量％以上３.０質量％以下含有し、残部が製造上不可避に含まれる元素を除きＡｕから構成されるものである。
【００１９】
本発明のはんだ合金は、濡れ性に優れるものの極めて高いコストがかかるＡｕ系はんだ合金のコストを下げるとともに、はんだ合金に十分な加工性や応力緩和性を持たせるために上記した組成とするものであり、比較的柔軟性があり低コストのＡｕ１Ｓｎ２を基本としてはんだ合金を構成する。すなわち、図１のＡｕ−Ｓｎ二元系状態図に示すように、Ａｕ：Ｓｎ＝１：２（原子％比）の割合で構成されるε相は固相線温度が３０９℃であり、かつζ’相（Ａｕ５Ｓｎ１）やδ相（Ａｕ１Ｓｎ１）よりも柔らかいＳｎの割合が多くなるため、好適にははんだ合金の組織の８０体積％以上をε相にすることで柔軟性の高い高温用のはんだ合金を低コストで提供することが可能になる。
【００２０】
また、このＡｕ−Ｓｎ合金にＧｅを含有させることにより、ε相とＧｅ固溶体とからはんだ合金を構成することができ、これにより、より一層高い柔軟性を有し且つ大きなコスト削減効果を有する高温用のはんだ合金を提供することができる。更に、必要に応じてＡｇ等の元素を含有させることにより、Ａｕ−Ｓｎ合金の濡れ性等の各種特性を適宜改善または調整することができる。このように、本発明のはんだ合金は比較的柔軟な特性を有するＡｕ１Ｓｎ２金属間化合物を基本とすることで、従来のＡｕ系はんだと同程度の加工性や信頼性等を確保しながら十分な濡れ性を有するはんだ合金を低コストで提供することができる。以下、かかる本発明のはんだ合金に含まれる必須の元素および必要に応じて含有させる任意の元素について詳しく説明する。
【００２１】
＜Ａｕ＞
Ａｕは本発明の第１および第２のＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金の主成分であり、当然、必須の元素である。Ａｕは非常に酸化されにくいため、高い信頼性が要求される電子部品類の接合用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を基本とすることで、このような高い信頼性が要求される用途に用いるはんだを提供することができる。
【００２２】
ただし、Ａｕは非常に高価な金属であるため、コスト面から考えるとできるだけ使わない方がよく、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、Ａｕ１Ｓｎ２を基本とした合金組成とすることで濡れ性や接合性といった特性面においてＡｕ−２０質量％ＳｎはんだやＡｕ−１２.５質量％Ｇｅはんだと同程度の効果を確保しながら実用上の柔軟性および加工性を十分に得ることが可能になり、加えてＡｕ含有量を減すことでコストを下げることも可能になる。
【００２３】
＜Ｓｎ＞
Ｓｎは本発明の第１および第２のはんだ合金において含有される必須の元素であり、基本を成す元素である。Ａｕ−Ｓｎはんだ合金は、通常は共晶点付近の組成、つまりＡｕ−２０質量％Ｓｎ付近のＡｕ１Ｓｎ１金属間化合物とＡｕ５Ｓｎ１金属間化合物とから構成される組成で使用される。これによって、固相線温度が２８０℃になり、かつ、結晶が微細化するので比較的柔軟なはんだ合金を得ることができる。これに対して本発明のはんだ合金は、ε相（Ａｕ１Ｓｎ２金属間化合物）を基本とする組成で構成されている。このε相はＡｕ１Ｓｎ１金属間化合物やＡｕ５Ｓｎ１金属間化合物よりも柔らかいＳｎの割合が多いことにより比較的柔軟性に富むため、はんだ合金として従来のＡｕはんだ合金並みの加工性を得ることができる。
【００２４】
上記特性を発揮させるため、本発明のはんだ合金ではＳｎの含有量が５０.０質量％以上６５.０質量％以下であることを特徴とする。この量が５０.０質量％未満であると結晶粒が大きくなってしまい、十分な柔軟性や加工性が得られないうえ、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含有量が多くなり、十分なコスト削減効果が得られにくくなるので好ましくない。
【００２５】
一方、Ｓｎの含有量が６５.０質量％を超えると固相線温度が下がりすぎてしまい、高温用はんだとしては使用できなくなるので好ましくない。加えて、Ｓｎ含有量が多くなりすぎると酸化される可能性が高くなり、Ａｕ系はんだの特徴である良好な濡れ性が失われるので高い接合信頼性を得ることが難しくなるおそれがある。なお、Ｓｎ含有量が５２.０質量％以上６２.０質量％以下であれば、ε相（Ａｕ１Ｓｎ２金属間化合物）の組成により一層近くなり、溶け別れ現象などが生じにくくなるので好ましい。
【００２６】
＜Ｇｅ＞
Ｇｅは本発明の第２のはんだ合金において含有される必須の元素であり、基本をなす元素である。本発明の第２のはんだ合金はＡｕ−Ｓｎ合金にＧｅを含有させることにより、ε相とＧｅ固溶体とからはんだ合金を構成させることができる。つまり、図２のＡｕ−Ｓｎ−Ｇｅ三元系状態図のＵ３点におけるＡｕ：Ｓｎ＝１：２（原子％比）の割合付近の合金にＧｅを例えば１質量％程度の少量含有させた合金を溶融状態から冷却していくと、まずＡｕ１Ｓｎ１が析出して液相とＡｕ１Ｓｎ１（固体）の混合状態になる（参考文献：Ternary Alloys, A Comprehensive Compendium of Evaluated Constitutional Data and Phase Diagrams, Edited by G. Petzow and Effenberg, VCH）。さらに温度を下げていくと液相＋Ａｕ１Ｓｎ１（固体）からε相とＧｅ固溶体が生成される。液相線温度は固相線温度と大きな差はないため、ε相とＧｅ固溶体の比較的細かい結晶粒の混合状態となり、このためε相単体よりもさらに柔軟性が向上する。
【００２７】
このように優れた効果を発揮するＧｅの含有量は０.０１質量％以上３.０質量％以下である。この範囲内であれば、ε相とＧｅ固溶体とにより比較的微細な結晶構造を得ることができる。さらにＧｅ含有量が２.０質量％以下であれば、Ｇｅを含有させた効果がより一層顕著に現れるので好ましい。Ｇｅの含有量が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ない。Ｇｅの含有量が３.０質量％を超えると、Ｇｅの脆さが現われはじめ、加工性等が低下するので好ましくない。
【００２８】
＜Ａｇ＞
Ａｇは本発明の第１および第２のはんだ合金において各種特性を改善または調整するために必要に応じて含有される任意の元素であり、Ａｇの添加はとくに濡れ性や接合信頼性の向上に効果を発揮する。Ａｇは反応性の高い金属であり、基板等への濡れ広がりを向上させ、かつ強固な結合を実現できる。このため、接合信頼性も向上する。さらにＡｇはＡｕと全率固溶するため、この合金系において脆い金属間化合物を作りにくいことなどもあって高い接合信頼性が得られる。
【００２９】
Ａｇを含有させる場合はその含有量を０.０１質量％以上２.０質量％以下にするのが好ましい。Ａｇ含有量が０.０１質量％未満では含有量が少なすぎて上記した効果が実質的に現れない。一方でＡｇ含有量が２.０質量％を超えるとＭｇ、Ｓｂ、Ｎｉ等とともに本発明のはんだ合金に含有させた際に脆い金属間化合物を生成するおそれがある。
【００３０】
＜Ａｌ、Ｍｇ＞
ＡｌおよびＭｇの各々は、本発明の第１および第２のはんだ合金において各種特性を改善または調整するために必要に応じて含有される任意の元素であり、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いずれも同じであり、濡れ性の向上にある。ＡｌはＡｕに数質量％固溶し、Ｓｎに僅かに固溶する。このようにＡｌは固体の状態ではＡｕ−Ｓｎ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よりも酸化され易いため、Ａｌが優先的に酸化されてはんだ表面に薄い酸化膜が生成され、これにより母相の酸化の進行が抑制されるので濡れ性を向上させることができる。
【００３１】
このような濡れ性向上効果のあるＡｌを含有させる場合は、その含有量を０.０１質量％以上０.８質量％以下にするのが好ましい。この量が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、一方、この量が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。なお、Ａｌの含有量が０.１質量％以上０.５質量％以下であればＡｌを添加することにより得られる効果がより顕著に現れるのでより一層好ましい。
【００３２】
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にＭｇ２Ｓｎ金属間化合物を生成する。Ｍｇを含有させることにより得られ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、脆くなる傾向があるので多くを含有させることができない。Ｍｇが濡れ性を向上させるメカニズムは、Ｍｇは非常に酸化されやすいため少量でも含有させることで自らが酸化して濡れ性を向上させるというものである。前述のように多くを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させることができる。
【００３３】
Ｍｇを含有させる場合はその含有量を０.０１質量％以上０.５質量％以下にするのが好ましい。この量が０.０１質量％未満では含有量が少なすぎて上記した効果が実質的に現れない。一方、Ｍｇ含有量が０.５質量％を超えると上記したように、脆いＡｕＭｇ３金属間化合物やＭｇ２Ｓｎ金属間化合物を多く生成してしまい、信頼性等が極端に低下するおそれがある。
【００３４】
＜Ｃｕ、Ｉｎ、Ｓｂ＞
Ｃｕ、Ｉｎ、およびＳｂの各々は、本発明の第１および第２のはんだ合金において各種特性を改善または調整するために必要に応じて含有される任意の元素であり、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ほぼ同じであり、はんだ中のクラック進展の抑制である。ＣｕはＡｕとＡｕＣｕ金属間化合物を生成し、Ｓｎには固溶する。金属間化合物は許容範囲を超えて生成されたり粗大なものが存在したりすると脆くなり、チップ傾き等も発生するため避けるのが望ましい。
【００３５】
しかし、適量の金属間化合物が生成してはんだ中に微細に分散した場合、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。
【００３６】
Ｃｕを含有させる場合は、このようなＣｕの優れた効果を発揮させるため、Ｃｕ含有量を０.０１質量％以上１.０質量％以下にするのが好ましい。Ｃｕ含有量が０.０１質量％未満では含有量が少なすぎて上記の効果が発揮されず、逆に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て硬くて脆くなり、信頼性等を低下させてしまう。
【００３７】
ＩｎはＡｕにはほとんど固溶せず、Ｓｎには１質量％程度固溶する。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、クラックが進展しにくくなる。このような効果を有するＩｎを含有させる場合は、その含有量を０.０１質量％１.０以上質量％以下にするのが好ましい。Ｉｎ含有量が０.０１質量％未満では含有量が少なすぎて上記の効果が現れず、逆に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るおそれがある。
【００３８】
ＳｂはＡｕと共に、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とほぼ同様である。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にくくなる。このような効果を有するＳｂを含有させる場合は、その含有量を０.０１質量以上％０.５質量％以下にするのが好ましい。Ｓｂ含有量が０.０１質量％未満では含有量が少なすぎて上記の効果が現れず、逆に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るおそれがある。
【００３９】
＜Ｎｉ＞
Ｎｉは本発明の第１および第２のはんだ合金において各種特性を改善または調整するために必要に応じて含有される任意の元素であり、その効果は結晶の微細化による接合信頼性等の向上にある。ＮｉはＳｎ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。クラックは基本的に粒界に沿って進展していくため、このように微細結晶化されたはんだではクラックが進展しにくくなり、よってヒートサイクル試験等の信頼性を向上させることができる。
【００４０】
このような効果を発揮するＮｉを含有させる場合は、その含有量を０.０１質量％以上０.７質量％以下にするのが好ましい。Ｎｉ含有量が０.０１質量％未満では含有量が少なすぎて上記の効果が現れず、逆に０.７質量％を超えると結晶粒が粗大になってしまい、信頼性等を低下させるおそれがある。
【００４１】
＜Ｚｎ＞
Ｚｎは本発明の第１および第２のはんだ合金において各種特性を改善または調整するために必要に応じて含有される任意の元素であり、その主な効果は濡れ性や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。また、Ｚｎは基板の主成分であるＣｕなどと反応性がよいため、濡れ性や接合性を向上させることができる。つまりはんだ中のＺｎは基板を構成する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ことができる。
【００４２】
このような効果を有するＺｎを含有させる場合は、その含有量を０.０１質量％５.０以上質量％以下にするのが好ましい。Ｚｎ含有量が０.０１質量％未満では含有量が少なすぎて上記した効果が実質的に現れず、逆に５.０質量％を超えると合金層が厚くなり過ぎたり酸化され易いＺｎによってはんだ表面の酸化膜が厚くなりすぎたりして濡れ性の低下等を引き起こすおそれがある。
【００４３】
＜Ｐ＞
Ｐは本発明の第１および第２のはんだ合金において必要に応じて含有される任意の元素であり、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、Ｐは還元性が強く、自らが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というものである。
【００４４】
Ａｕ系はんだは一般に酸化され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なく、基板などの接合面の酸化膜も除去することができる。このはんだ表面と接合面と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。なお、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、はんだや基板等にほとんど残らない。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ほとんどなく、この点からもＰは優れた元素と言える。
【００４５】
本発明のはんだ合金にＰを含有させる場合はその含有量を０.５００質量％以下にするのが好ましい。Ｐは上記したように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Ｐの含有によって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恐れがある。
【００４６】
上記した組成を有する本発明の第１および第２のＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金は形状に特に制約はないが、はんだ合金をボール状に加工する場合は形状特性として高い真球度を有しているのが好ましい。その理由は、真球度が低いと搬送時に移動方向が定まらない他、溶融の際に真円状に広がりにくくなり、近接する電極や配線などと短絡したり、チップを接合する場合は接合面全体にはんだが接触したりするおそれがあるからである。
【００４７】
これに対して高い真球度を有するボール状のＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金の場合は、極めて良好な接合が可能になる。このような高い真球度を有するはんだボールは、図３（ａ）に示すように、その中心を通るあらゆる断面のうちで最小の短径Ｌ１で最大の長径Ｌ２を割った下記計算式１に示す第１長短比（Ｌ２／Ｌ１）が１.００以上１.２０以下として規定することができる。この第１長短比が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より真球に近づきやすく、接合面に均一に濡れ広げることができる。この第１長短比が１.２０を超えてしまうとはんだ溶融時に表面張力が働いても、接合面に均一に濡れ広がることが難しくなる。
［計算式１］
第１長短比＝長径Ｌ２／短径Ｌ１
【００４８】
あるいは真球度の高いはんだボールを一方向から略円板状に押し潰した時に、図３（ｂ）の斜視図に示すように、押し潰した方向に垂直な断面のうちの最大の長さを押し潰した方向の厚さで割った長短比で規定してもよい。すなわち、該ボール状のはんだ合金を一方向から潰して表裏面に互いに平行な平面部１０ａ、１０ｂを有する円板状体１０にし、これを平面部１０ａ、１０ｂの一方を下にして水平面１１に置いた時、円板状体１０の平面部１０ａ、１０ｂにおける押し潰した方向（上下方向）の厚さをＺ１、円板状体１０を真上から水平面１１に投影した時の投影図に外接する外接円のうち最も小さい円の直径をＺ２として、下記計算式２に示す長短比（Ｚ２／Ｚ１）が１.００を超え１.５０以下のものを真球度が高いはんだボールとして規定するものである。
［計算式２］
第２長短比＝最小外接円の直径Ｚ２／上下方向の厚さＺ１
【００４９】
このように一方向から潰したはんだ合金は、接合面に置いた時、潰された平らな平面が接合面に面で接することになる。このため、接合面に置かれたはんだを真上から見た時、はんだは円状になっている。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、一方向から潰したＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金の上記した長短比が１.５０を超えてしまうと比較的硬いＡｕ−Ｓｎ系合金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たりするおそれがある。
【００５０】
上記したようにＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金の形状を第１長短比または第２長短比によって制御することによって、はんだ合金が接合面上に溶融した時に、該接合面に垂直な方向から見てより真円に近い状態にはんだ合金を濡れ広げることができる。その結果、より良好な接合や封止が可能になって、接合や封止された電子機器の不良発生率を下げることができ、極めて高価なＡｕ系はんだ合金を用いて接合または封止した電子機器や該電子機器を搭載する半導体装置のコストを大幅に下げることが可能になる。また、接合性に優れることから接合信頼性も当然向上するため、水晶デバイス、ＳＡＷフィルター、ＭＥＭＳなどの非常に高い信頼性を要求される箇所に使われるはんだ合金を従来のＡｕ系はんだよりも安価に提供することが可能になる。
【００５１】
これに対して、はんだ合金が球状から大きく外れたり上記のボールを潰した時の第２長短比が１.５を超えたりするような場合は、はんだ溶融時にはんだが接合面に円状に濡れ広がらず、接合したい部分から部分的にはみ出したり、良好なはんだ接合のためのはんだ量が不足して接合できない部分が発生したりして、十分な合金化ができていない部分が生じるおそれがある。さらにはんだの厚さが不均一になりチップの傾き等の問題が生じる原因にもなる。
【実施例】
【００５２】
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。
［実施例１］
まず、原料としてそれぞれ純度９９.９９質量％以上のＡｕ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ａｇ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｓｂ、Ｚｎおよび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、これら原料から所定量を秤量して入れた。
【００５３】
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。はんだ母合金は、液中アトマイズでボールを製造するため、直径２４ｍｍ×長さ１５０ｍｍの鋳型を用いて円柱形状に製造した。
【００５４】
このようにして原料の混合比率がそれぞれ異なる試料１〜４６のはんだ母合金を作製した。これらの試料１〜４６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に示す。
【００５５】
【表１】
2016215212.tif 000002
【００５６】
次に上記試料１〜４６のはんだ母合金の各々を、下記に示す液中アトマイズ装置を用いてボール状に加工した。その際の液体としては、はんだの酸化抑制効果が大きい油を用いた。そして得られたはんだボールを用いて、基板とＳｉチップとを接合して接合体を作り、そのボイド率を測定して接合性の評価とした。さらに同様にして作製した接合体に対してヒートサイクル試験を行って信頼性の評価とした。さらにははんだ合金の封止性を評価するため、はんだボールで封止した封止体を作り、そのリーク状態の確認を行った。また、各試料のはんだボールに占めるε相（Ａｕ１Ｓｎ２金属間化合物）の割合を測定した。以下、かかるはんだボールの製造方法および各種評価・測定方法について具体的に説明する。
【００５７】
＜はんだボールの製造方法＞
上記した試料１〜４６のはんだ母合金（直径２４ｍｍの円柱状）の各々を液中アトマイズ装置のノズルに投入し、このノズルを３００℃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。ノズル内のはんだ母合金の試料を高周波により５５０℃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（はんだボール）を作製した。なお、はんだボールのボール径が０.３０ｍｍとなるように、予めノズル先端の直径を調整しておいた。得られた各試料のはんだボールをエタノールで３回洗浄した後、真空乾燥機を用いて４０℃の真空中で３時間の乾燥を行った。このようにして得たボール状の各試料に対して、下記に示す接合性の評価（ボイド率の測定）、ヒートサイクル試験（信頼性の評価）、封止性の評価（リーク状態の確認）、およびε相の体積率の測定を行った。
【００５８】
＜接合性の評価（ボイド率の測定）＞
はんだ合金の接合性を評価するため、以下に説明するように簡易ダイボンダー（ウェストボンド社製、ＭＯＤＥＬ：７３２７Ｃ）を用いて接合体を作製し、そのボイド率を測定した。すなわち、先ず簡易ダイボンダーを起動し、８Ｌ／分の窒素フロー雰囲気で、ヒーターを融点より５０℃高い温度に設定した。ヒーターの温度が設定値で安定したのを確認した後、Ｎｉめっき（膜厚：３.０μｍ）されたＣｕ基板（板厚：０.３ｍｍ）をヒーター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。次に、Ｓｉチップをはんだの上に載せて２秒間スクラブした後、１０秒間静置してから窒素フローされたサイドボックスに移して室温まで十分に冷却させた。その後、接合体を大気中に取り出した。
【００５９】
このようにして、図４に示すようなＣｕ基板１のＮｉめっき層２側にはんだ合金３を介してＳｉチップ４が接合された接合体を作製した。この接合体に対して、はんだ合金のＣｕ基板１とＳｉチップ４との接合面におけるボイド率を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、接合体の真上からＣｕ基板１のはんだ接合面に対して垂直に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。
【００６０】
［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
【００６１】
＜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、上記接合性の評価と同様にして作製した接合体を用いてヒートサイクル試験を行った。具体的には、各試料に対して２つずつ接合体を作製し、これらを−４０℃の冷却と２５０℃の加熱を１サイクルとして、３００サイクル繰り返した。その後、２つの接合体の内の１つを樹脂に埋め込んで断面研磨を行い、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「○」と評価した。そして、「○」と評価した試料について、残りの１つの接合体を５００サイクルまで繰り返し、同様に「○」または「×」で評価した。
【００６２】
＜封止性の評価（リーク状態の確認）＞
はんだボールによる封止性を確認するため、図５に示すような上側に開口部を有する容器５を各試料のはんだ合金３で封止した。封止には簡易ダイボンダー（ウェストボンド社製、ＭＯＤＥＬ：７３２７Ｃ）を用い、上記開口部に各試料のはんだボールを載置した容器５を８Ｌ／分の窒素フロー雰囲気で融点より５０℃高い温度で３０秒保持し、その後、窒素フローされたサイドボックスで室温まで十分に冷却し、その後、封止体を大気中に取り出した。
【００６３】
このようにして得た各封止体を水中に２時間浸漬し、その後、水中から封止体を取り出し、解体してリーク状態を確認した。解体した封止体内部に水が入っていた場合はリークがあったと判断し、封止性の評価として「×」と評価した。このようなリークが無かった場合を「○」と評価した。
【００６４】
＜ε相の割合の測定＞
各試料のはんだボールを構成するε相の割合の測定するため、各試料のはんだボールを樹脂に埋め込み、はんだボールの中心を通る任意の面で切断して研磨した。この研磨された断面の組織をＥＰＭＡによって分析し、当該断面に占めるε相（Ａｕ１Ｓｎ２金属間化合物）の面積の割合を測定した。得られた面積の割合を２分の３乗してはんだボールに占めるε相（Ａｕ１Ｓｎ２金属間化合物）の体積率を求めた。このε相の体積率の結果を、上記した接合体のボイド率の測定結果、封止性の評価結果、およびヒートサイクル試験の結果と共に下記表２に示す。
【００６５】
【表２】
2016215212.tif 000003
【００６６】
上記表２から分かるように、本発明の実施例である試料１〜２９の各はんだ合金は、各評価項目において従来から使用されている組成の試料４５，４６と同等の良好な特性を示している。すなわち、接合性の評価であるボイド率についてはほとんどボイドが発生しなかった。さらに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に関して５００サイクルまで不良は発生しなかった。封止性の評価においてもリークは無く、良好な封止性が確認できた。このように良好な結果が得られた理由は、試料１〜２９のはんだ合金は全て本発明の要件を満たす組成であったため、Ａｕ１Ｓｎ２金属間化合物の優れた特性を発揮させることができたためと考えられる。
【００６７】
一方、比較例である試料３０〜４４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。すなわち、ボイド率については８〜１１％程度であってボイドがかなりの割合で発生した。そして信頼性の評価であるヒートサイクル試験では全ての試料に関して５００サイクルまで不良は発生した。封止性の評価においても全ての試料に関してリーク不良が発生した。
【００６８】
［実施例２］
上記実施例１にて、本発明の実施例のはんだ合金の接合性、封止性、および信頼性について評価を行い、本発明の要件を満たすはんだ合金であれば良好な接合状態が得られることを確認した。この実施例２では、はんだ合金の形状がボール状の場合にその真球度が濡れ広がり性（接合体における縦横比）に及ぼす影響、更にはそれによる接合性および信頼性の影響について評価した。先ず、はんだ合金を構成する元素としてＡｕ、ＳｎおよびＧｅの３種類を選定した以外は、上記実施例１と同様にしてそれぞれ組成の異なる試料４７〜８９のはんだ母合金を作製した。そして、これらの各はんだ母合金に対してＩＣＰ発光分光分析器（ＳＨＩＭＡＺＵ  Ｓ−８１００）を用いて組成分析を行った。
【００６９】
＜ボールの製造方法＞
次に、試料４７〜８９のはんだ母合金の各々に対して、実施例１と同様にして液中アトマイズ装置を用いてボール状のはんだ合金を作製した。その際、油の加熱温度、不活性ガス圧力を変えることにより、サイズや形状の異なるはんだボール試料を作製した。さらに試料６６〜７５、８４〜８９については、図３（ｂ）に示すように一方向からボールを潰し、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ボールを一方向から潰した状態で３０秒保持し、その後、窒素を満たしたサイドボックスに移し、常温まで冷却してから取出した。潰しの程度は金型の隙間を制御して所定の潰し量となるように調整した。
【００７０】
＜はんだ合金試料の縦横比の測定＞
試料４７〜６５、７６〜８３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、図３（ａ）に示すように最小の長さを短径Ｌ１、最大の長さを長径Ｌ２とした。そして、Ｌ２をＬ１で除して長短比（Ｌ２／Ｌ１）を求めた。潰したボールである試料６６〜７５、８４〜８９については、潰した方向の幅（厚さ）を任意に１０カ所測定してそれらのうち最小のものを厚さＺ１とし、上記厚さ方向の中央部において該厚さ方向に垂直な面でのボールの直径を任意に１０カ所測定してそれらのうち最大のもの直径Ｚ２とした。そして、Ｚ２をＺ１で除して長短比（Ｚ２／Ｚ１）を求めた。更に、実施例１と同様にして各試料のはんだボールを構成するε相（Ａｕ１Ｓｎ２金属間化合物）の体積率を求めた。このようにして求めたはんだ合金の長短比およびε相の体積率を、上記したＩＣＰ発光分光分析器の測定結果と共に下記表３に示す。
【００７１】
【表３】
2016215212.tif 000004
【００７２】
≪各試料の評価≫
次に、ボール状の各試料の各々を用いて接合体を作製し、縦横比の測定を行って濡れ広がり性の評価とした。更に、同様にして作製した接合体を用いて接合性の評価（ボイド率）および信頼性の評価（ヒートサイクル試験）を行った。ボイド率およびヒートサイクル試験については実施例１と同様に行ったので、以下、濡れ広がり性の評価方法について詳しく説明する。
【００７３】
＜濡れ広がり性の評価（接合体の縦横比の測定）＞
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のを確認後、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。
【００７４】
このようにして得た接合体を用いてはんだ合金の濡れ広がり性を評価した。具体的には、図６に示すように、Ｃｕ基板を真上から見た時にはんだ合金３がＣｕ基板のＮｉめっき層２に沿って最も長く濡れ広がっている部分の長さを長径（Ｘ１）、最も短く濡れ広がっている部分の長さを短径（Ｘ２）をそれぞれ測定し、下記計算式４により縦横比を算出した。
［計算式４］
縦横比＝長径÷短径
【００７５】
上記計算式４の縦横比が１に近いほどＣｕ基板のＮｉめっき層２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て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てき、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。この縦横比の測定結果を、ボイド率およびヒートサイクル試験の結果と共に下記表４に示す。
【００７６】
【表４】
2016215212.tif 000005
【００７７】
上記表４から分かるように、本発明の実施例である試料４７〜７５のはんだ合金は、いずれも各評価項目において従来から使用されている組成の試料８８、８９と同等の良好な特性を示している。すなわち、濡れ広がり性の評価では、全ての試料で縦横比が１.０２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、試料４７〜７５のはんだ合金は全て本発明の要件を満たす組成であったため、Ａｕ１Ｓｎ２金属間化合物の優れた特性が発揮されたことに加えて、ボール形状の長短比が所定の範囲内であったため良好に濡れ広がることで高い接合性と信頼性が得られたと考えられる。
【００７８】
一方、本発明の実施例である試料７６〜７９、８４〜８７は、ボイド発生率では良好な結果が得られたものの、ボール形状での真球度が低いため、濡れ広がり性の評価では縦横比が１.２５〜２.２８と劣った結果となり、その結果、ヒートサイクル試験において５００サイクルまでに不良が発生した。比較例である試料８０〜８３の各はんだ合金は、いずれの特性においても好ましくない結果となった。すなわち、濡れ広がり性の評価では、全ての試料で縦横比が１.３以上で不均一に広がっており、接合性の評価ではボイドが７〜９％程度と多く発生しており、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３００サイクルまでに不良が発生した。
【００７９】
［実施例３］
実施例３では、はんだ合金の加工性に関する評価を行った。先ず、はんだ合金を構成する元素としてＡｕ、ＳｎおよびＧｅの３種類を選定し、後述するように平板状のはんだ母合金を作製した以外は、上記実施例１と同様にしてそれぞれ組成の異なる試料９０〜１１２のはんだ母合金を作製した。各はんだ母合金は、鋳造後に圧延プレスを行いシートおよび打抜き品を製造するため、厚さ４ｍｍ×幅４５ｍｍ×長さ２５０ｍｍの鋳型を用いて平板状に製造した。
【００８０】
そして、これら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５に示す。なお、はんだ合金の接合性、信頼性、および封止性に関しては、実施例１においてボール状のはんだ合金試料を用いて評価済みであり、これらの特性ははんだ形状には特に依存しないので本実施例３では改めてこれらの特性の評価は行わなかった。
【００８１】
【表５】
2016215212.tif 000006
【００８２】
≪各試料の評価≫
上記にて得た試料９０〜１１２のはんだ母合金の各々に対して、温間圧延機を用いてシート状に加工してクラック等の発生率を調べることで１番目の加工性の評価とした。そして、このシート状の試料を用い、プレス機で０.６ｍｍ×０.６ｍｍの四角形状に打抜いてプリフォーム材（打抜き品）を作り、その打抜き品の合格率を調べることで２番目の加工性の評価とした。以下、試料の加工方法、各評価について説明する。
【００８３】
＜シートの製造方法（加工性の評価１）＞
準備した厚さ４ｍｍ×幅４５ｍｍ×長さ２５０ｍｍの板状母合金試料を温間圧延機で圧延した。圧延条件はすべての試料において同じにした。すなわち、圧延回数は５回、圧延速度は１５〜３０ｃｍ／秒、ロール温度は２５０℃とし、５回の圧延で３０.０±１.２μｍまで圧延した。圧延後の各試料において、シート１０ｍあたり、クラックやバリが発生しなかった場合を「○」、クラックやバリが１〜３個以上発生した場合を「△」、クラックやバリが４個以上発生した場合を「×」として、１番目の加工性の評価とした。
【００８４】
＜打抜き（加工性の評価２）＞
シート状に加工した各試料をプレス機で打抜いて、打抜き品を製造した。形状は０.６ｍｍ×０.６ｍｍの四角形状として、各試料１０００個ずつ打抜いて製造した。打抜き品にワレ、カケ、バリなどがあった場合を不良品とし、そのようなものが無くきれいな四角に打抜けた場合を良品とし、良品数を打抜き数（１０００）で割り１００をかけて合格率（％）を算出した。この加工性の評価２の結果を上記の加工性の評価１と共に下記表６に示す。
【００８５】
【表６】
2016215212.tif 000007
【００８６】
上記表６から分かるように、本発明の実施例である試料９０〜１０４の各はんだ合金は、各評価項目において従来から使用されている組成の試料１１１、１１２と同等以上の良好な特性を示している。すなわち、シートへの加工性の評価ではクラック等の不良は発生せず、打抜き品の合格率は９９％以上であり非常に高い合格率を示した。このように良好な結果が得られた理由は、試料９０〜１０４のはんだ合金は全て本発明の要件を満たす組成であったため、Ａｕ１Ｓｎ２金属間化合物の優れた特性を発揮させることができたためと考えられる。
【００８７】
一方、比較例である試料１０５〜１１０のはんだ合金は、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。すなわち、シート加工性の評価ではクラック等が発生する試料が多く、加工性の評価である打抜き品の合格率は高くても８８％であった。
【００８８】
上記実施例１〜３において、本発明の試料が従来のＡｕ系はんだ合金と同等レベルの特性を有し、Ｐｂフリー高温はんだ材として技術的に利用可能であることが確認されたが、さらに本発明のはんだ合金はＡｕ含有量が多くても５０質量％程度であり、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、よって低コストであることが分かる。
【符号の説明】
【００８９】
１      Ｃｕ基板
２      Ｎｉめっき層
３      はんだ合金
４      Ｓｉチップ
５      封止用容器
【図１】
2016215212.tif 000008
【図２】
2016215212.tif 000009
【図３】
2016215212.tif 000010
【図４】
2016215212.tif 000011
【図５】
2016215212.tif 000012
【図６】
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