(57)【要約】【課題】水晶デバイス、ＳＡＷフィルター、ＭＥＭＳなど非常に高い接合信頼性が要求される電子部品や電子部品搭載装置を、低コストで、加工性に優れた鉛フリー高温用Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金を用いて提供すること。【解決手段】ＡｕまたはＡｇの接合面がＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金を用いて接合または封止された電子部品であって、接合または封止に用いた前記Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金の組成はＳｎを２９．０質量％以上３７．０質量％以下含有し、Ａｇを４．０質量％以上１５．０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からなり、かつ接合または封止後のはんだ組成はＳｎを２８．８質量％以上３２．８質量％以下含有し、Ａｇを１０．０質量％以上１４．０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。【選択図】 図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡｕまたはＡｇの接合面がＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金を用いて接合または封止された電子部品であって、接合または封止に用いた前記Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金の組成はＳｎを２９．０質量％以上３７．０質量％以下含有し、Ａｇを４．０質量％以上１５．０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からなり、かつ接合または封止後のはんだ組成はＳｎを２８．８質量％以上３２．８質量％以下含有し、Ａｇを１０．０質量％以上１４．０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−Ａｇ系はんだ合金を用いて接合または封止された電子部品。
【請求項２】
接合または封止に用いた前記Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金の組成はＳｎを３０．０質量％以上３７．０質量％以下含有し、Ａｇを４．０質量％以上１３．０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からなり、かつ接合または封止後のはんだ組成はＳｎを２９．８質量％以上３１．８質量％以下含有し、Ａｇを１１．０質量％以上１３．０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請求項１に記載のＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金を用いて接合または封止された電子部品。
【請求項３】
接合または封止後のはんだの金属組織の少なくとも一部がラメラ組織であることを特徴とする請求項１または２に記載のＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金を用いて接合または封止された電子部品。
【請求項４】
接合または封止後のはんだの金属組織がラメラ組織であり、その割合が９０体積％以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金を用いて接合または封止された電子部品。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金を用いて接合または封止された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、Ａｕを主成分とした高温用の鉛フリーはんだ合金を用いてＡｕまたはＡｇの接合面が接合または封止された電子部品及び電子部品搭載装置に関するものである。
【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を含む共晶合金に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、融点の調整やボイド発生の抑制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Ａｕ−Ｓｎ合金を用いる。そして、比較的高い温度の場合にはＡｕ−Ｇｅ合金を用いる。しかし、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、シート形状などに加工することが非常に難しい。従って、生産性や収率が悪く、コストアップの原因になっている。
【０００８】
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プリフォーム材などへの加工時の生産性や収率は悪い。つまり、Ａｕ−２０質量％Ｓｎは共晶点であるとはいえ、金属間化合物から構成されている。したがって、Ａｕ−Ｓｎ合金は転位が移動しづらく、よって、変形しづらく、薄く圧延したり、プレスで打抜いたりするとクラックやバリが発生しやすい。しかし高温用鉛フリーはんだ材料として、融点や濡れ性等が優れているため、特に高信頼性が要求される水晶デバイス封止用として多用されている。
【０００９】
ただし当然のことではあるが、Ａｕ−２０質量％Ｓｎ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５〜７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】
また、特許文献６として示す特許第４３０５５１１号公報には、Ａｕの添加量が従来のＡｕ−Ｓｎ共晶合金よりも少なくて済むばかりでなく、固相線温度が２７０℃以上である鉛フリー高温はんだを提供することを目的として、また、容器本体と蓋部材間の接合部が耐ヒートサイクルや機械的強度に優れた半導体素子収納用パッケージを提供することを目的として、Ａｇ２〜１２質量％、Ａｕ４０〜５５質量％、残部Ｓｎからなる溶融封止用高温鉛フリーはんだ合金が記載されている。
【００１２】
また、特許文献７として示す特許第２６７００９８号公報には、融点が低く、Ｆｅ−Ｎｉ合金のリードフレームを脆化せず、適度のろう流れで接合強度が安定し、しかもリードフレームの耐蝕性を低下させることのないろう材を備えたろう付きリードフレームを提供することを目的として、リードフレームのピンの先端に、ＡｇにＡｕ２０〜５０重量％とＧｅ１０〜２０重量％又はＳｎ２０〜４０重量％とが添加されてなるろう材が取付けられているろう付きリードフレームが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【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】特許第４３０５５１１号公報
【特許文献７】特許第２６７００９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
高温用の鉛フリーはんだ材料に関しては、上記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。
【００１５】
そして、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。加えて、Ａｕ系はんだは非常に硬く、加工しづらいため、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、ロールに疵のつきづらい特殊な材質のものを用いたりしなければならず、コストがかかり、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、他のはんだに比較して収率が格段に低い。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、押出速度が遅くＰｂ系はんだの数１００分の１程度の生産性しかない。
【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５〜７に示すＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金にもそれぞれ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、Ａｇを添加することによってＡｕ−Ｓｎ合金の強度や接着性が向上する理由が記載されていないだけではなく、封止材として同等の特性（Ａｕ−Ｇｅ合金と同等の特性と解釈できる）が得られる理由も記載されていない。
【００１９】
すなわち、Ａｕ−Ｇｅ共晶合金と同等の特性、例えば同等の信頼性が得られる理由について記載が全くなく、発明の技術的根拠が不明である。そして以下に述べる理由により信頼性等を含め、Ａｕ−Ｇｅ共晶合金、Ａｕ−Ｓｎ共晶合金より優れるどころか、同等の特性を得ることすら可能であるとは到底考えられない。よって、特許文献５の技術は実施不可能であると考える。
【００２０】
以下、特許文献５の技術が実施不可能であると考える理由について説明する。特許文献５は 、組成比（Ａｕ（ｗｔ％），Ａｇ（ｗｔ％），Ｓｎ（ｗｔ％））を
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組成としているが、この領域はあまりも高範囲過ぎていて、このような広い組成範囲の全ての領域において目的とする特性を同じように得ることは理論的に不可能である。
【００２１】
例えば、点Ａ３と点Ａ５とではＡｕ含有量が４５．４質量％も異なる。このようにＡｕ含有量に大きな差があるのに、点Ａ３と点Ａ５で似たような特性が得られるとは到底考えられない。Ａｕ、Ｓｎ、Ａｇの組成比が異なれば生成される金属間化合物が異なり、液相線温度や固相線温度も大きく異なる。最も酸化しづらいＡｕ含有量が４５．４質量％も違えば濡れ性も当然大きく変わることとなる。Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ三元系状態図を示した図１を参照すれば明らかなように、Ａｕ、Ｓｎ、Ａｇの各組成の組み合わせによりＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ金属間化合物の特性は大きく異なる。したがって接合時に生成される金属間化合物の種類やその量も大きく異なり、特許文献５に示されるような広い組成範囲において加工性と応力緩和性について同じような優れた特性を実現できるものではない。
【００２２】
特許文献６は、Ａｇが２〜１２質量％、Ａｕ４０〜５５質量％であることから、残部のＳｎは３３質量〜５８質量％であることになるが、このようにＳｎの含有量が多いと酸化が進行して濡れ性等が十分に得られない可能性がある。Ａｕ−２０質量％Ｓｎ合金が実用上問題なく使用されていることからＳｎが３０数質量％であれば、濡れ性は確保できる可能性があるが、４０質量％を越えてしまうと濡れ性の確保は困難であると推測される。また、特にこの組成範囲では共晶合金でないため、結晶粒が粗大であったり、液相線温度と固相線温度の差が大きく接合時に溶け別れ現象が生じたりして、十分な接合信頼性を得ることは困難である。
【００２３】
特許文献７は、Ａｕの含有量が最大でも５０質量％であり、Ａｕ原料の削減効果は非常に大きい。Ｓｎの含有量も４０質量％以下（または４０質量％未満）であることから、ある程度の濡れ性を確保できる可能性はある。しかし、この発明はＦｅ−Ｎｉ合金のリードフレームが脆化しないようにしたり、適度なろう流れで接合強度が安定したりするようにし、しかもリードフレームの耐蝕性を低下させないようにすることが目的である。
【００２４】
このような観点から特許文献７に示されるろう材では、例えば熱による膨張収縮時の応力緩和など、半導体素子の接合用として求められる特性を満たしているとは考えがたい。そして特にこの組成範囲では共晶合金でないため、結晶粒が粗大であったり、液相線温度と固相線温度の差が大きく、接合時に溶け別れ現象が生じたりして、十分な接合信頼性を得ることは困難だと言える。さらにＦｅ−Ｎｉ合金を対象としたろう材であるため、半導体素子のメタライズ層やＣｕなどの接合用基板に適した合金を生成するとは考えにくい。このような観点から考えてもこのろう材は水晶デバイス等との接合用としては適していないことは明らかである。
【００２５】
したがって、特許文献５〜７に示されるＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金はそれぞれ上記のような課題があるため、低コストと加工性と応力緩和性と信頼性の全てにおいて優れた特性を有した鉛フリー高温用Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金には成り得ていない。
【００２６】
また、上記特許文献１〜７のはんだ合金やろう材はいずれもそれ自体の組成を問題としており、特許文献７を除き特定の材質からなる接合面を対象としたものではない。しかし、接合後のはんだ合金の組成は接合面の材質により接合前の組成と変化するため、優れた応力緩和性や信頼性を長期にわたり確保するためには、接合後のはんだ合金の組成も重要な問題である。例えば、水晶デバイス、ＳＡＷフィルター、ＭＥＭＳなどのいわゆる電子部品や電子部品搭載装置のように非常に高い信頼性が長期にわたり要求されるものの接合や封止の場合は特に重要である。
【００２７】
そこで、接合面がＡｕめっきやＡｇめっきの場合、Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金を用いて接合すると、接合後のＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金のＡｕやＡｇの含有量が変わり組成が変化するため、そのはんだ合金の特性が接合前のはんだ合金と変化することがある。そのため、ＡｕめっきやＡｇめっきの接合面を対象としてＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金を使用する場合には、望ましい応力緩和性や信頼性を確保するためには接合後のＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金のＡｕやＡｇの含有量までをも考慮する必要がある。
【００２８】
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、ＭＥＭＳなど非常に高い接合信頼性が要求される電子部品や電子部品搭載装置を、低コストで、加工性に優れた鉛フリー高温用Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金を用いて提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
そこで、上記目的を達成するために本発明によるＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金を用いて接合または封止された電子部品は、ＡｕまたはＡｇの接合面がＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金を用いて接合または封止された電子部品であって、接合または封止に用いた前記Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金の組成はＳｎを２９．０質量％以上３７．０質量％以下含有し、Ａｇを４．０質量％以上１５．０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からなり、かつ接合または封止後のはんだ組成はＳｎを２８．８質量％以上３２．８質量％以下含有し、Ａｇを１０．０質量％以上１４．０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。
【００３０】
また、本発明においては接合または封止に用いた前記Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金の組成はＳｎを３０．０質量％以上３７．０質量％以下含有し、Ａｇを４．０質量％以上１３．０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からなり、かつ接合または封止後のはんだ組成はＳｎを２９．８質量％以上３１．８質量％以下含有し、Ａｇを１１．０質量％以上１３．０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からなることが好ましい。
【００３１】
また、本発明においては接合または封止後のはんだの金属組織の少なくとも一部がラメラ組織であることが好ましい。
【００３２】
また、本発明においては接合または封止後のはんだの金属組織がラメラ組織であり、その割合が９０体積％以上であることが好ましい。
【００３３】
あるいは、本発明の電子部品搭載装置は上記に記載し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】
【００３４】
本発明によれば、低コストで、加工性に優れた鉛フリー高温用Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金を用いて接合または封止され、かつ接合後においても応力緩和性と接合信頼性に優れた水晶デバイス、ＳＡＷフィルター、ＭＥＭＳなどの電子部品や電子部品搭載装置を提供することができる。すなわち、本発明で接合に用いるはんだ合金は共晶金属を基本としており、よって結晶が微細化し且つ結晶構造がラメラ組織となっていて加工性に優れ、またＡｕ含有量を最大６７質量％としたことにより一層の低コスト化が実現できる。かつ接合または封止後の電子部品におけるはんだ合金は共晶点の組成付近に制御されており、より一層優れた応力緩和性や接合信頼性を有する。したがって、工業的な貢献度は極めて高い。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ三元系状態図である。
【図２】Ａｕ系はんだ合金の金属組織の図面代用写真（顕微鏡写真）である。
【図３】本発明の電子部品の接合性、信頼性の評価のために作製した接合体の模式図であり、Ｃｕ基板にまずＮｉめっきを行い、その上にＡｕまたはＡｇめっきを施したＣｕ基板とＳｉチップをはんだ試料で接合した接合体の断面概略図である。
【図４】本発明の電子部品の接合性、信頼性の評価のために作製した接合体の模式図であり、Ｃｕ基板にまずＮｉめっきを行い、その上にＡｕまたはＡｇめっきを施したＣｕ基板とはんだ試料を接合した接合体の断面概略図である。
【図５】本発明の電子部品の信頼性の評価のために作製した封止体の模式図であり、接合面がＮｉめっき、さらにその上にＡｕまたはＡｇめっきを施した封止用容器をはんだ試料で封止した封止体の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、本発明のＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金を用いて接合または封止された電子部品に関する技術について詳しく説明する。本発明は、ＡｕまたはＡｇの接合面がＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金を用いて接合または封止された電子部品であって、接合または封止に用いた前記Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金の組成はＳｎを２９．０質量％以上３７．０質量％以下含有し、Ａｇを４．０質量％以上１５．０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からなり、かつ接合または封止後のはんだ組成はＳｎを２８．８質量％以上３２．８質量％以下含有し、Ａｇを１０．０質量％以上１４．０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。
【００３７】
本発明者は鋭意研究を重ねた結果、本発明で用いるはんだ合金はＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金としている。すなわち、ＡｕとＳｎとＡｇの三元共晶点（図１のＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ三元系状態図の「ｅ１点」）の組成付近を基本としているＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ系はんだ合金が、鉛フリーのＡｕ系はんだとして特に諸特性に優れたものであることを見出した。ＡｕとＳｎとＡｇの三元共晶点付近の組成範囲を満たすと、必ずＡｕ−Ｓｎ合金に比べて柔らかく、よって加工性や応力緩和性に優れ、さらに、濡れ性を実用上十分に有するはんだ合金となる。その上、高価なＡｕの一部をＳｎとＡｇで代替することによってＡｕ含有量を大幅に下げてはんだ合金のコストを下げることが可能となる。
【００３８】
特に接合後のはんだ組成が、Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ三元共晶点の組成であるＡｕ＝５７．２質量％、Ｓｎ＝３０．８質量％、Ａｇ＝１２．０質量％（ａｔ％表示では、Ａｕ＝４３．９ａｔ％、Ｓｎ＝３９．３ａｔ％、Ａｇ＝１６．８ａｔ％）を基本的な組成となるようにすることによって、結晶が微細化し且つ結晶構造がラメラ組織となり、加工性、応力緩和性等が格段に向上し、且つ、Ｓｎ、Ａｇを多く含有させることができ、よってＡｕ含有量が低減でき、大きなコスト削減効果を得ることができる。反応性が高く、酸化し難いＡｇを多く含有することによって良好な濡れ性、接合性を得ることができる。
以下、本発明で用いるはんだ合金に必須の元素について、さらに詳しく説明する。
【００３９】
＜Ａｕ＞
Ａｕは本発明で用いる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。
【００４０】
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、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、濡れ性や接合性といった特性面ではＡｕ−２０質量％ＳｎはんだやＡｕ−１２．５質量％Ｇｅはんだと同等以上であり、かつ、柔軟性、加工性を向上させ、加えてＡｕ含有量を減らしてコストを下げるべく、Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ系の三元共晶点の組成付近の合金としている。
【００４１】
＜Ｓｎ＞
Ｓｎは本発明で用いるはんだにおいて必須の元素であり、基本を成す元素である。Ａｕ−Ｓｎはんだ合金は、通常、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、結晶が微細化し、比較的柔軟性が得られるのである。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のである。
【００４２】
本発明で用いるはんだ合金はＡｕ１Ｓｎ１金属間化合物とζ相から構成され、かつ共晶点付近の組成を基本とする。なお、ζ相はＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ金属間化合物であり、その組成の比率はａｔ％でＡｕ：Ｓｎ：Ａｇ＝３０．１：１６．１：５３．８である（参考文献：Ternary Alloys, A Comprehensive Compendium of Evaluated Constitutional Data and Phase Diagrams, Edited by G. Petzow and Effenberg, VCH）。このζ相が比較的柔軟性を有すること、そして共晶点付近を基本組成としておりラメラ組織を形成することから、本発明で用いるはんだ合金は加工性、応力緩和性等に優れることになるのである。そして融点も下げることでＡｕ−Ｇｅ合金の共晶温度と大差ない３７０℃の共晶温度を有するのである。このような高温用はんだ合金として適切な融点を持つことも本発明で用いるはんだ合金の優れる点の一つである。
【００４３】
接合または封止前のはんだ合金におけるＳｎの含有量は２９．０質量％以上３７．０質量％以下である。はんだ合金は当然、接合や封止時に接合面と反応して界面に合金相を生成し、はんだ中にもメタライズ層が拡散してくる。接合面にＡｇを用いた場合は当然、接合後のはんだ合金のＡｇ含有量は増加するわけであるが、Ａｇ層の厚さや接合時間等を考慮し、はんだ合金の組成を選定すればよい。またははんだ合金の組成や接合時間等を考慮しＡｇ層の厚さを調整すればよい。接合面のＡｕにおいても同様に考えて調整すればよい。
このような現象を考慮し、接合または封止後のはんだが共晶点の組成付近である２８．８質量％以上３２．８質量％以下とするためにはこの範囲のＳｎ含有量が好ましいのである。なお、Ｓｎの含有量が３３．０質量％以上であっても、後述する実施例に示すようにＡｕやＡｇの接合面で接合後にＳｎの含有量が３２．８質量％以下となればよい。
【００４４】
接合または封止前に２９．０質量％未満であるとＡｕ面等との接合や封止後に結晶粒が大きくなってしまい柔軟性、加工性向上等の効果が十分に発揮されない上、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３７．０質量％以上になると共晶点の組成から大きく外れてしまい、結晶粒の粗大化、液相線温度と固相線温度の差が大きくなってしまう問題が生じる。加えて、Ｓｎ含有量が多くなりすぎ、酸化しやすくなってしまう可能性が高くなり、Ａｕ系はんだの特徴である良好な濡れ性を失い、よって、高い接合信頼性を得ることが難しくなってしまう。
【００４５】
Ｓｎ含有量が３０．０質量％以上３７．０質量％以下であれば、接合または封止後のはんだ組成が一層、共晶点の組成に近く、例えば２９．８質量％以上３１．８質量％以下となり、結晶粒微細化効果が得られ、かつ溶け別れ現象などが生じづらく好ましい。
【００４６】
＜Ａｇ＞
Ａｇは本発明で用いるはんだにおいて必須の元素であり、三元共晶の合金とするために欠かすことのできない元素である。Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇの三元共晶点付近の組成とすることにより、はじめて優れた柔軟性や加工性、応力緩和性、適した融点等を得ることができ、かつ大幅にＡｕ含有量を下げることが可能となり、よって大きなコスト削減を実現できる。Ａｇは濡れ性向上の効果も有する。すなわちＡｇは基板等の最上面に使用されるＣｕ、Ｎｉなどと反応性がよく、濡れ性を向上させることができる。当然、半導体素子の接合面によく使用されるＡｇやＡｕメタライズ層との反応性に優れることは言うまでもない。
【００４７】
このように優れた効果を有するＡｇの含有量は４．０質量％以上１５．０質量％以下である。はんだ合金が接合や封止時の接合面と反応やはんだ中へのメタライズ層の拡散を考慮し、接合または封止後のはんだが共晶点の組成付近である１０．０質量％以上１４．０質量％以下とするためにはこの範囲のＡｇ含有量が好ましいのである。なお、Ａｇの含有量が１０．０質量％以下であっても、後述する実施例に示すように接合面がＡｇの場合は接合後にはＡｇの含有量は１０．０質量％以上となる。
【００４８】
４．０質量％未満では共晶点の組成を大きく外れてしまい、液相線温度が非常に高くなったり、結晶粒が粗大化してしまい、良好な接合を得ることが難しくなる。一方、１５．０質量％を越えてしまった場合も液相線温度が高くなり、溶け分かれ現象を生じたり、結晶粒の粗大化が問題になったりしてしまう。
【００４９】
４．０質量％以上１３．０質量％以下であれば接合または封止後のはんだ組成が共晶点の組成にさらに近く、例えば１１．０質量％以上１３．０質量％以下となり、Ａｇを含有させた効果がより一層現れて好ましい。
【００５０】
＜金属組成＞
本発明において、接合または封止後のはんだの金属組織がラメラ組織であり、その割合が９０体積％以上であることが好ましい。ラメラ組織は縞状の組織の縞の間隔が０．１μｍ以上２．０μｍ以下である金属組織を言う。例えば、図２における四角で囲んだ部分のＡｕ系はんだ合金の金属組織が本発明が定義するラメラ組織である。このように接合後のはんだ合金組織が細かいラメラ組織になることによって、一層、クラックが発生しづらく、かつ進展しづらくなり、よってより高い接合信頼性を得ることができる。
【実施例】
【００５１】
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。なお、本実施例では本発明の電子部品について各種の評価を行うために実際の電子部品に代え、試験はＣｕ基板とＳｉチップをはんだ試料で接合した接合体や、封止用容器をはんだ試料で封止した封止体により行った。
【００５２】
まず、原料としてそれぞれ純度９９.９質量％以上のＡｕ、Ｓｎ、Ａｇおよび比較例用のＧｅ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１〜４４の各試料に相当する所定量をそれぞれ秤量して入れた。なお、試料２９、３１、４１、４３はＡｕ−２０質量％合金であり、試料３０、３２、４２、４４はＡｕ−１２．５質量％Ｇｅ合金である。
【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。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の円柱形状のものと、リボン、打抜き品を製造するための圧延用に厚さ４ｍｍ×幅４５ｍｍ×長さ２５０ｍｍの板状の合金が得られるものを必要に応じて使い分けた。
【００５４】
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１〜４４のはんだ母合金を作製した。これらの試料１〜４４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。得られた分析結果と母合金の形状を下記表１に示した。
【００５５】
次に、上記試料１〜１０、２１〜３２の板状の各はんだ母合金について、温間圧延機を用いてリボン状に加工した。そして、このリボン状の試料を用い、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）に加工した。その後、「接合性の評価１」としてＣｕ基板とＳｉチップとの接合体を作りボイド率の測定を行い、さらに「信頼性の評価１」として上記同様にＣｕ基板とＳｉチップとの接合体を作りヒートサイクル試験を行った。
【００５６】
さらには、上記試料１１〜２０、３３〜４４の円柱形状の各はんだ母合金について、アトマイズ装置を用いてボール状に加工した。その後、「接合性の評価２」としてＣｕ基板にはんだ試料をはんだ付けした接合体を作りボイド率の測定を行い、さらに「信頼性の評価２」として封止用容器をはんだ試料で封止した封止体を作りリーク状態の確認を行った。
そして試料１〜２０に関しては接合体におけるはんだ部のラメラ組織の割合を測定した。
以下、試料の加工方法、各評価について説明する。
【００５７】
＜打抜き品の製造方法＞
準備した試料１〜１０、２１〜３２の厚さ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であり、圧延回数は５回、圧延速度は２０〜３０ｃｍ／秒、ロール温度は２５０℃とし、５回の圧延で２５．０±１．２μｍまで圧延した。圧延時は圧延用オイルを供給しながら試料表面が焼き付きなどを起こさないように注意して作業を行った。その後、圧延用オイルを洗浄するため、自動洗浄機を用いて有機溶剤によって洗浄し、乾燥した。
このようにしてリボン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（以下、□０．６ｍｍ品、と略す）とした。
【００５８】
＜ボールの製造方法＞
準備した試料１１〜２０、３３〜４４の各母合金（直径２４ｍｍの円柱状）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。ノズル中の母合金を高周波により５５０℃まで加熱し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。なお、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。得られた各試料ボール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。
その後、ボール試料を篩器を使って篩い、０．３０±０．００８ｍｍの直径のボール（以下、φ０．３ｍｍボール、と略す）を準備して、各種評価に用いた。
【００５９】
＜めっきを施したＣｕ基板および封止容器＞
実際の電子部品に代え各種評価用にＣｕ基板および封止用容器を用いているが、これらにははんだ試料接合面にめっきを施している。Ｃｕ基板、封止用容器ともにまずＮｉめっきを約４．０μｍめっきした。その後、Ｎｉめっきの上にＡｕまたはＡｇめっきを行った。各めっきの厚さは表１に示すとおりである。このようにしてＡｕまたはＡｇめっきの厚さを調整したＣｕ基板および封止用容器を用いて各はんだ試料を接合して各種評価を行った。
【００６０】
＜接合後のはんだ組成の分析＞
各評価において製造した接合体について、はんだ接合後のはんだ組成について分析を行った。分析した箇所ははんだ試料の中心付近とし、ＥＰＭＡを用いて分析した。その結果を表１に示す。
【００６１】
＜接合後のはんだのラメラ組織の割合の算出＞
試料１〜２０の接合体を用いて、ラメラ組織の割合を評価した。ラメラ組織の割合は、接合体断面のはんだ中心部付近を、３０μｍ×３０μｍの範囲で任意に選択し、その範囲内におけるラメラ組織の断面積の割合を測定し、その値を３／２乗することによって算出した値を体積％として用いた。その結果を表１に示す。
【００６２】
【表１】
2016159358.tif 000003
（注）表中の※を付した試料は比較例である。
【００６３】
＜接合性の評価１（ボイド率の測定）＞
「接合性の評価１」を行うため、試料１〜１０、２１〜３２の□０．６ｍｍ品を用いた。すなわち、図３の模式図に示すようなＮｉ層２（めっき）の上にさらにＡｕまたはＡｇ層３（めっき）を有するＣｕ基板１上に、各試料のはんだ合金４をはんだ付けし、さらにはんだ合金の上にＳｉチップ５を接合した接合体を以下のようにして作製し、ボイド率の測定を行った。
【００６４】
簡易ダイボンダー（ウェストボンド社製、ＭＯＤＥＬ：７３２７Ｃ）を起動し、窒素を流しながら（８Ｌ／分）、はんだ試料の融点より５０℃高い温度に加熱した。ヒーター部が設定温度に達したことを確認した後、ヒーター部にＣｕ基板を置いて３０秒放置後、Ｃｕ基板の上にはんだ試料を置いて２０秒〜２分間放置した。さらにその後にＳｉチップ５（０．６ｍｍ×０．６ｍｍの四角形状）をはんだの上に載せ、２秒間スクラブを行い、２０秒〜２分間放置した。その後、接合体を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。
【００６５】
このようにして作製されたはんだ合金でＳｉチップとＣｕ基板が接合された接合体について、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（またはＳｉチップ）の接合面を上部から垂直にＸ線を透過し、下記計算式１で得られる値を接合性の評価１のボイド率として算出した。算出した接合体のボイド率の結果を表２に示す。
［計算式１］
ボイド率（％）＝ボイド面積÷（０．６×０．６）×１００
但し、ボイド面積の単位はｍｍ２である。
【００６６】
＜接合性の評価２（ボイド率の測定）＞
「接合性の評価２」を行うため、試料１１〜２０、３３〜４４のφ０．３ｍｍボールを用いた。すなわち、図４の模式図に示すようなＮｉ層２（めっき）の上にさらにＡｕまたはＡｇ層３（めっき）を有するＣｕ基板１上に、各試料のはんだ合金４をはんだ付けした接合体を以下のようにして作製し、ボイド率の測定を行った。
【００６７】
簡易ダイボンダー（ウェストボンド社製、ＭＯＤＥＬ：７３２７Ｃ）を起動し、窒素を流しながら（８Ｌ／分）、はんだ試料の融点より５０℃高い温度に加熱した。ヒーター部が設定温度に達したことを確認した後、ヒーター部にＣｕ基板を置いて３０秒放置後、Ｃｕ基板の上にはんだ試料を置いて２０秒〜２分間放置した。その後、接合体を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、接合体を大気中に取り出した。
【００６８】
このようにしてはんだ合金とＣｕ基板が接合された接合体について、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２で得られる値を接合性の評価２のボイド率として算出した。算出した接合体のボイド率の結果を下記表２に示す。
［計算式２］
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
但し、ボイド面積の単位はｍｍ２である。
【００６９】
＜信頼性の評価１（ヒートサイクル試験）＞
「信頼性１の評価」としてはんだ接合状態の評価の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１」と同様に、はんだ合金の打ち抜き材を用いて図３に示すＳｉチップ５とＣｕ基板１をはんだ合金４で接合した接合体を用いて行った。
得られた接合体に対して、−４０℃に冷却した後２５０℃に加熱し、その後再度−４０℃に冷却する処理を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、接合体を樹脂に埋め込み、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。
【００７０】
なお、ボール状のはんだ合金を用いても、打ち抜き材と同等の接合状態が得られるのは確認済みであり、接合体用には打ち抜き材が多く用いられるため、ボール状のはんだ合金を用いた「信頼性の評価１」は省略した。
【００７１】
＜信頼性の評価２（リーク状態の確認）＞
「信頼性の評価２」としてはんだ合金による封止性を確認するため、封止用容器６を試料１１〜２０、３３〜４４のφ０．３ｍｍボールのはんだ合金４で図５に示す状態になる様に封止した。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、窒素フロー中（８Ｌ／分）、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。
【００７２】
このようにして準備し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、封止性の評価を「×」とした。解体した封止体内部に水が確認されなかった場合はリークが無かったと判断し、封止性の評価を「○」とした。封止性の評価結果を表２に示した。
【００７３】
なお、打ち抜き材を用いても同様に封止することは可能であるが、封止用のサイズに打ち抜くのは困難であり、封止用にはボール材が多く用いられているため、はんだ合金の打ち抜き材を用いた「信頼性の評価２」は省略した。
【００７４】
【表２】
2016159358.tif 000004
（注）表中の※を付した試料は比較例である。
【００７５】
上記表２から分かるように、本発明の試料１〜２０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、「接合性の評価１」である□０．６ｍｍ品を用いた接合体のボイド率は全て０．６％以下であり、「接合性の評価２」であるφ０．３ｍｍボールを用いた接合体のボイド率も全て０．６％以下であった。さらに「信頼性の評価１」であるヒートサイクル試験は１０００サイクルまで不良は確認されず、「信頼性の評価２」である封止体のリーク試験でリークは確認されず、高い信頼性を示した。このように良好な結果が得られた理由は、試料１〜２０の各接合体のはんだ接合部がＡｕとＳｎとＡｇの三元共晶点付近であって接合後のはんだ組成が本発明の組成範囲を満たしているからである。なお、ラメラ組織の割合が９０％以上であった本発明の試料３、４、８、１３、１４はとくに良好な評価結果がえられたが、この理由はラメラ組織の割合がより好ましい９０％以上存在していたためクラックが発生しづらかったためだと言える。
【００７６】
一方、比較例である試料２１〜４４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。即ち、「接合性の評価１」である□０．６ｍｍ品を用いた接合体のボイド率は１０％以上であり、「接合性の評価２」であるφ０．３ｍｍボールを用いた接合体のボイド率も１０％以上であった。さらに「信頼性の評価１」であるヒートサイクル試験、「信頼性の評価２」である封止体のリーク試験ともに不良またはリークが確認された。
【符号の説明】
【００７７】
１      Ｃｕ基板
２      Ｎｉ層（めっき）
３      ＡｕまたはＡｇ層（めっき）
４      はんだ合金
５      Ｓｉチップ
６      封止用容器
【図１】
2016159358.tif 000005
【図３】
2016159358.tif 000006
【図４】
2016159358.tif 000007
【図５】
2016159358.tif 000008
【図２】
2016159358.tif 000009