(57)【要約】【課題】従来のＡｕ系合金に比べてＡｕの含有量が抑えられているにもかかわらず同等以上の諸特性を有し、且つ高い機械加工性を有する高温用のはんだ合金を提供する。【解決手段】  ＰｂフリーのＡｕ−Ａｇ−Ｓｎ系はんだ合金であって、Ａｇを１０.１質量％以上２１.０質量％未満含有し、Ｓｎを３.０質量％以上２１.０質量％以下含有し、Ａｕを６８.０質量％以上含有し、残部が製造上不可避に含まれる元素からなる。このＡｕ−Ａｇ−Ｓｎ系はんだ合金は、Ｇｅ、Ｓｂ、及びＰのうちの１種以上を含有してもよく、Ｇｅを含有する場合は含有量が０.０１質量％以上１.０質量％以下、Ｓｂを含有する場合は含有量が０.０１質量％以上０.５質量％以下、Ｐを含有する場合は含有量が０.５００質量％以下である。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｇを１０.１質量％以上２１.０質量％未満含有し、Ｓｎを３.０質量％以上２１.０質量％以下含有し、Ａｕを６８.０質量％以上含有し、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−Ａｇ−Ｓｎ系はんだ合金。
【請求項２】
Ａｇを１０.１質量％以上２１.０質量％未満含有し、Ｓｎを３.０質量％以上２１.０質量％以下含有し、Ａｕを６８.０質量％以上含有し、更にＧｅ、Ｓｂ、及びＰのうちの１種以上を含有し、Ｇｅを含有する場合は含有量が０.０１質量％以上１.０質量％以下、Ｓｂを含有する場合は含有量が０.０１質量％以上０.５質量％以下、Ｐを含有する場合は含有量が０.５００質量％以下であり、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−Ａｇ−Ｓｎ系はんだ合金。
【請求項３】
Ａｇを１１.０質量％以上含有し、Ｓｎを１１.０質量％以上含有することを特徴とする、請求項１又は２記載のＡｕ−Ａｇ−Ｓｎ系はんだ合金。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のＡｕ−Ａｇ−Ｓｎ系はんだ合金からなるはんだ材料であって、枠状、シート状、又はリボン状に加工されていることを特徴とするはんだ材料。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のＡｕ−Ａｇ−Ｓｎ系はんだ合金を用いて封止された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装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高温用のＰｂフリーはんだ合金に関し、特にＡｕを主成分とするＡｕ−Ａｇ−Ｓｎ系はんだ合金およびこれを用いて封止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鉛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、Ｐを０.２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、更に添加元素を加えたはんだ合金が開示されており、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となることが示されている。
【０００５】
また、Ａｕ−Ｓｎ合金やＡｕ−Ｇｅ合金などのＡｕを主成分とする高価な高温用のＰｂフリーはんだ材料が、水晶デバイス、ＳＡＷフィルター、ＭＥＭＳ（微小電子機械システム）等の電子部品を有する電子機器で使用されている。Ａｕ−Ｓｎ合金の共晶点はＡｕ−２０質量％Ｓｎ（Ａｕが８０質量％及びＳｎが２０質量％からなる組成を意味しており、以下においても同様である）であり、その融点は２８０℃である。一方、Ａｕ−Ｇｅ合金の共晶点は、Ａｕ−１２.５質量％Ｇｅであり、その融点は３５６℃である。
【０００６】
これらＡｕ−Ｓｎ合金とＡｕ−Ｇｅ合金との使い分けは、まずはこの融点の違いによる。すなわち、高温用の温度範囲の中でも比較的温度の低い箇所の接合にはＡｕ−Ｓｎ合金を用い、比較的温度の高い箇所の接合にはＡｕ−Ｇｅ合金を用いる。しかし、これら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い性質を有している。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。そのため、生産性や収率を上げることが難しく、これがコストアップの原因になっていた。
【０００７】
Ａｕ−Ｓｎ合金においてもＡｕ−Ｇｅ合金ほどではないものの加工しづらく、特にプリフォーム材などへの加工時における生産性や収率が低くなる傾向にある。これは、Ａｕ−２０質量％Ｓｎは共晶点であるとはいえ、金属間化合物のみから構成されているため転位が移動しづらく、よって変形させるのが困難なため、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からである。しかも、Ａｕ−２０質量％Ｓｎ合金は材料コストが他のはんだ材料と比較して桁違いに高い。そのため、特に高い信頼性が要求される水晶デバイス等の封止用としてもっぱら使用されているのが実状である。
【０００８】
そこで、Ａｕ−Ｓｎ合金のコストをできるだけ抑えると共に使いやすくすることを目的として、Ａｕ−Ａｇ−Ｓｎ系はんだ合金が開発されている。例えば特許文献５には、比較的低融点で扱いやすく、強度及び接着性に優れ、かつ安価なロウ材及び圧電デバイスを提供することを目的として、Ａｕ、Ａｇ及びＳｎの三元組成図において質量％基準の組成比を（Ａｕ、Ａｇ、Ｓｎ）として表したとき、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）で囲まれる領域内にあるロウ材を用いる技術が開示されている。
【０００９】
また、特許文献６には、同様のＡｕ、Ａｇ及びＳｎの三元組成図において、点１（５３.０、２３.５、２３.５）、点２（６５.９、１２.３、２１.８）、点３（６６.１、１５.０、１８.９）、点４（６７.３、１９.１、１３.６）、点５（４５.５、３９.０、１５.５）、点６（４９.６、２８.７、２１.７）に囲まれる領域内の組成に限定することにより、Ａｕの質量比を少なくしながら融点を高くでき、ロウ付け性を良好に確保可能なＡｕ−Ａｇ−Ｓｎ系合金からなるロウ材、及びこれを用いた電子デバイス及び電子デバイスの封止方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【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２００８−１６１９１３号公報
【特許文献５】特開２００８−１５５２２１号公報
【特許文献６】特開２００９−１９００５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
高温用の鉛フリーはんだ材料に関しては、上記した引用文献以外にもさまざまな機関で開発がなされてはいるが、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のが実状である。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、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ロウ材では、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。
【００１２】
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、及び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用途に限られている。加えて、Ａｕ系はんだは非常に硬くて加工しづらいため、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、ロールに疵のつきにくい特殊な材質のものを用いたりしなければならず、コストがかかる要因になっている。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系はんだの数百分の１程度の生産性しかない。
【００１３】
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、この場合は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すおそれがある。特許文献５〜６に示すＡｕ−Ａｇ−Ｓｎ系はんだ合金は、上記した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ものであるが、圧電デバイスパッケージにおいて気密封止を行う際に使用するボールまたはペースト用に開発されたものである。すなわち、所定の組成を有するＡｕ−Ａｇ−Ｓｎ系はんだ合金からなるロウ材を使用したはんだボール又は該ロウ材を用いてペーストにした金属ボールを封止孔に配置し、これにレーザー光を照射して溶融させて封止孔を閉塞するものであるため、上記したような圧延加工やプレス加工等機械加工性についての言及はない。
【００１４】
特に特許文献５はＡｕ−２０質量％Ｓｎに比べてＳｎを多く含有するため、硬く脆い傾向が顕著になり、機械加工性の向上は期待できない。よって、シート形状や枠形状等に加工することは難しい。更にＳｎはＡｕやＡｇに比べて非常に酸化され易いため、Ｓｎの含有量が多くなれば濡れ性が低下し、強度や接着性が低下することは明確である。よって、素子やキャップ（蓋）等の接合強度を必要とする用途に使用されるシート形状や枠形状等のはんだ合金には不向きである。
【００１５】
本発明は上記した課題に鑑みてなされたものであり、水晶デバイス、ＳＡＷフィルター、ＭＥＭＳ等の極めて高い信頼性を要求される電子部品の接合においても十分に使用できる各種特性に優れた高温用Ａｕ−Ａｇ−Ｓｎ系はんだ合金を提供することを目的としている。とくに、従来のＡｕ系合金に比べてＡｕの含有量が抑えられているにもかかわらず同等以上の諸特性を有し、且つ高い機械加工性を有することで歩留まりが向上するのでコストを更に下げることが可能な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】
【００１６】
本発明者はＰｂ系はんだに代替可能な比較的安価な高温用のはんだ合金について鋭意研究を重ねた結果、Ａｕ−Ｓｎ合金の共晶点の組成付近を基本としてＡｇを含有させることにより、Ａｕ−Ｓｎ合金に比べて柔らかくでき、よって加工性や応力緩和性に優れると共に、高価なＡｕの一部を主にＡｇで代替することによってＡｕ含有量を下げてはんだ合金のコストを下げることができ、さらには実用的な濡れ性を十分に有するはんだ合金が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。すなわち、本発明のＡｕ−Ａｇ−Ｓｎ系はんだ合金は、Ａｇを１０.１質量％以上２１.０質量％未満含有し、Ｓｎを３.０質量％以上２１.０質量％以下含有し、Ａｕを６８.０質量％以上含有し、残部が製造上不可避に含まれる元素から構成される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、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用途にも使用可能な良好な濡れ性及び信頼性を有するＡｕ系はんだを、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。とくに、本発明のはんだ合金は加工性に優れているため、高温鉛フリーのはんだ合金を高い歩留まりで製造することが可能になり、より一層コストを下げることが可能になる。よって、工業的な貢献度は極めて高い。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】ＮｉめっきしたＣｕ基板とＳｉチップをはんだ合金で接合した接合体の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明のはんだ合金は、極めて高コストであるＡｕ−Ｓｎはんだ合金のコストを下げると共に優れた加工性を持たせるため、該Ａｕ−Ｓｎ合金に柔らかい金属であるＡｇを含有させている。すなわち、Ａｕ−２０質量％Ｓｎ付近の組成を基本として、高価なＡｕの一部を主にＡｇで置換することによって低コスト化が可能になると共に、極めて高い信頼性が求められる用途に対しても十分に適用可能な優れた接合性及び濡れ性を有するはんだ合金が得られる。
【００２０】
また、本発明のはんだ合金は、上記したＡｕ−Ａｇ−Ｓｎ系はんだが有する諸特性の改善や調整を行うべく、Ｐｂ系はんだやＳｎ系はんだの特性を改善する際に一般的に添加されるＰ、Ｇｅ、Ｓｂなどの元素を適宜含有させている。以下、かかる本発明のはんだ合金に含まれる必須の元素及び必要に応じて含有させる元素について詳しく説明する。
【００２１】
＜Ａｕ＞
Ａｕは本発明のはんだ合金の主成分を構成する必須の元素である。Ａｕは非常に酸化されにくい元素であるため、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いる。本発明のはんだ合金においてもＡｕを基本とすることで、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ことができる。
【００２２】
ただし、Ａｕは極めて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合金にＡｇを含有させている。
【００２３】
本発明のはんだ合金はＡｕを６８.０質量％以上含有している。Ａｕ含有量が６８.０質量％未満になると問題が生じる可能性が高くなるからである。すなわち、Ａｕは最も酸化されにくい金属であり、あまり極端に含有量を下げてしまうとはんだ接合時の雰囲気条件等を調整してもはんだ合金の酸化が進行して、ボイドが多発したり合金層の生成が不十分になったりして良好な接合が困難になることがしばしば生じる。
【００２４】
＜Ｓｎ＞
Ｓｎは本発明のはんだを構成する必須の元素である。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、比較的柔軟な特性が得られる。しかし、共晶合金と言ってもＡｕ−２０質量％Ｓｎ合金はＡｕＳｎ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ないため生産性が悪く、無理に加工速度を上げると圧延時に多数のクラックが入って収率が悪化するおそれがある。このように、硬くて脆い金属間化合物の性質は一般的には変えることができないが、一方で酸化されにくく濡れ性や信頼性に優れるため、高い信頼性が求められる用途に好適に使用することができる。
【００２５】
本発明のはんだ合金は、Ｓｎの含有量が３.０質量％以上２１.０質量％以下である。３.０質量％未満であると結晶粒が大きくなって柔軟性や加工性向上等の効果が十分に発揮されないうえ、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含有量が多くなってコスト削減効果が限定されてしまう。一方、Ｓｎの含有量が２１.０質量％を超えると共晶点の組成から外れすぎて、結晶粒が粗大化したり、液相線温度と固相線温度の差が大きくなったりする問題が生じる。
【００２６】
加えて、Ｓｎ含有量が多くなりすぎるので、加工が困難になる可能性が高くなる上、酸化されやすくなって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。Ｓｎ含有量が１１.０質量％以上２１.０質量％以下であれば、コスト低減効果が大きいうえ、接合面と合金化しやすいＳｎ含有量が多いため、より良好な接合が可能になるので好ましい。
【００２７】
＜Ａｇ＞
Ａｇは本発明のはんだにおいて必須の元素である。Ａｇの添加によりコストを下げることができ、また、Ａｕ−Ｓｎ系はんだの柔軟性や加工性を向上させて、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。具体的に説明すると、Ａｇを含有させることにより得られる第１の効果は、Ａｕの一部をＡｇで置換することにより低コスト化が可能となることである。第２の効果は、Ａｇを含有させることにより硬いＡｕ−Ｓｎ合金を柔らかくすることである。さらに、ＡｇはＡｕの次に酸化されにくい金属であることから、Ａｇの含有量が２１.０質量％未満であればＡｕ−２０質量％Ｓｎと同等以上の濡れ性を得ることができる。
【００２８】
ＡｇはＡｕと全率固溶するため、Ａｕと置換することが可能である。そして、ＳｎとはＡｇ３Ｓｎ金属間化合物を作るものの、Ａｕ−２０質量％Ｓｎはもともと金属間化合物から生成されているため、Ａｇの含有によって硬くなることはなく、逆にＡｇ固溶体が生成されるために柔らかくなる。つまり、Ａｕの一部がＡｇに置換されることによりＡｕ−Ｓｎ金属間化合物の割合が減少し、Ａｇ３Ｓｎが生成するものの、金属間化合物の合計量を減らすことができ、結果的に柔らかくなる。
【００２９】
このように優れた効果が得られるＡｇの含有量は１０.１質量％以上２１.０質量％未満である。１０.１質量％未満では性能向上効果がほとんどみられず、コスト低減効果も小さい。一方、２１.０質量％以上では逆に金属間化合物の割合が多くなって硬くなったり、液相線温度が高くなりすぎてしまう。１１.０質量％以上２１.０質量％未満であれば、コスト低減効果が大きいＡｕ含有量の低下を実現しつつはんだ合金の酸化の進行を抑制することができ、よって良好な接合性が得られるので好ましい。
【００３０】
＜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必要に応じて含有させる元素であり、Ｐを含有させることにより得られる効果は濡れ性の向上である。Ｐ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。Ｐは還元性が強く、自らが酸化することによりはんだ合金表面の酸化を抑制するとともに基板面を還元し、濡れ性を向上させるのである。Ａｕ系はんだがいかに酸化されにくく、濡れ性に優れたはんだであると言っても、はんだ接合される接合面の酸化物を除去することはできない。
【００３１】
これに対して、Ｐははんだ表面の酸化膜の除去だけではなく、上記した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効果により、酸化膜によって形成される隙間（ボイド）を低減することができ、接合性や信頼性等がより一層向上する。なお、Ｐははんだ合金や基板を還元して酸化物になると気化して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、この点からも優れた元素と言える。
【００３２】
本発明のはんだ合金にＰを含有させる場合は、Ｐの含有量は０.００１質量％以上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恐れがある。なお、Ｐの含有量が０.００１質量％未満では少なすぎて上記したＰの添加効果が実質的に得られなくなる。
【００３３】
＜Ｇｅ＞
Ｇｅ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必要に応じて含有させる元素であり、Ｇｅを含有させることによって得られる主な効果は、濡れ性の向上にある。ＧｅはＡｕと固溶体から成る共晶合金を生成する。ＧｅはＳｎにはほとんど固溶しないので、Ｓｎと金属間化合物を生成させない程度に含有させ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。
【００３４】
Ｇｅは比重が比較的小さいため、溶融はんだ中においてある程度はんだ表面に浮いた状態で酸化され、薄い酸化膜を生成する。そのため、母相の酸化進行を抑制することができ、これによりはんだ合金の濡れ性を向上させる。このような効果が得られる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。
【００３５】
＜Ｓｂ＞
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必要に応じて含有させる元素である。ＳｂはＡｕとはＡｕ固溶体とＡｕＳｂ２の共晶合金を生成し、Ｓｎには僅かに固溶する。Ｓｂを含有させることによって得られる主な効果は、はんだ中のクラック進展の抑制であり、そのメカニズムは以下のとおりである。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。このため、打抜き時にクラックやバリが発生しにくくなって歩留まりが向上し、かつ接合信頼性も向上させることができる。このような効果が得られる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るおそれがある。
【実施例】
【００３６】
原料として、それぞれ純度９９.９質量％以上のＡｕ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｇｅ、Ｓｂ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、切断及び粉砕などにより３ｍｍ以下の大きさに細かくした。次に、これら原料から所定量を秤量して、高周波溶解炉用のグラファイト製坩堝に入れた。
【００３７】
上記原料の入った坩堝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０.７リットル／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。原料が溶融しはじめたら混合棒でよく撹拌し、局所的な組成のばらつきが起きないように均一に混合した。十分溶融したことを確認した後、高周波電源を切り、速やかに坩堝を取り出し、坩堝内の溶湯をはんだ母合金の鋳型に流し込んだ。鋳型には、圧延用として厚さ３ｍｍ×幅４０ｍｍ×長さ１５０ｍｍの板状の合金が得られるものを使用した。
【００３８】
このようにして、上記各原料の混合比率を変えることにより、試料１〜３４のはんだ母合金を作製した。得られた試料１〜３４の各はんだ母合金の組成を、ＩＣＰ発光分光分析器（ＳＨＩＭＡＺＵ  Ｓ−８１００）を用いて組成分析した。その組成分析結果を下記表１に示す。
【００３９】
【表１】
2016097406.tif 000002
【００４０】
次に、上記試料１〜３４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、その際のクラック等の発生率で第１の加工性を評価した。そして、このシート状の試料に対してプレス機で打ち抜いて１.０ｍｍ×１.０ｍｍの四角形状のプリフォーム材（打抜き品）を複数作り、それらのうちの良品の割合（合格率）で第２の加工性を評価した。そして、この打抜き品を基板に接合して接合体を得た後、この接合体のボイド率を測定して濡れ性を評価した。さらに、同様の接合体を用いてヒートサイクル試験を行って信頼性を評価した。以下、シート状に加工する方法及び各評価について具体的に説明する。
【００４１】
＜シート状加工及びクラック等の発生の有無（第１の加工性の評価）＞
上記にて準備した厚さ３ｍｍ×幅４０ｍｍ×長さ１５０ｍｍの板状の各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±１.５μｍ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個以上発生した場合を「×」として、第１の加工性の評価とした。
【００４２】
＜打抜き品の合格率（第２の加工性の評価）＞
シート状に加工した各試料に対して、プレス機で打抜いて１.０ｍｍ×１.０ｍｍの四角形状の打抜き品を製造した。各試料に対して抜打ち品を１０００個ずつ製造し、それら１０００個の打抜き品のうち、ワレ、カケ、バリなどの欠陥があったものを不良品とし、そのような欠陥が無くきれいな四角形に打抜けたものを良品として判別し、良品数の個数を打抜き数の個数（１０００）で割って１００をかけて合格率（％）を算出した。
【００４３】
＜ボイド率（濡れ性の評価）＞
濡れ性の評価は上記の打抜き品のうちの良品を用いて行った。まず、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箇所から窒素を流した（窒素流量：各１２Ｌ／分）。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した後、Ｎｉメッキ（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秒加熱した。次に、各はんだ合金の打抜き品をＣｕ基板の上に載せて２５秒加熱した。２５秒が経過した後、Ｃｕ基板をヒーター部から取り上げて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た。
【００４４】
十分に冷却した後、大気中に取り出してはんだ合金がＣｕ基板に接合された接合体のボイド率を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、はんだ合金試料とＣｕ基板との接合面に対してはんだ合金の上部から垂直にＸ線を透過し、下記の計算式１を用いてボイド率（％）を算出した。
【００４５】
［計算式１］
ボイド率＝ボイド面積÷（ボイド面積＋はんだ合金とＣｕ基板との接合面積）×１００
【００４６】
＜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、上記濡れ性の評価と同様にはんだ合金をＣｕ基板に接合させた接合体を用いて行った。まず、接合体に対して、−４０℃の冷却と２８０℃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、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。この信頼性の評価結果を、上記した第１及び第２の加工性の評価並びに濡れ性の評価と共に下記表２に示す。
【００４７】
【表２】
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【００４８】
上記表２から分かるように、本発明の要件を満たしている試料１〜２６のはんだ母合金は、各評価項目において良好な特性を示している。具体的には、シート状に加工した時にクラック等の発生はなく、打抜き品の合格率は全て９８％以上であり、加工性に優れていることが分かる。ボイド率については全て０.２％以下であってボイドの発生がほとんど無く、良好な濡れ性と接合性を示した。そして、信頼性に関する評価であるヒートサイクル試験においては、５００サイクル経過後も不良が現れなかった。
【００４９】
一方、本発明の要件を満たしていない比較例の試料２７〜３４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、加工性においては、シート加工時に全てにクラック等が発生し、打抜き品合格率は４９.５〜７０.０％と試料１〜２６に比べて著しく低かった。濡れ性については、ボイド率が１０.５〜２１.３％と試料１〜２６に比べて著しく高く、ヒートサイクル試験では５００回までに全てに不良が発生した。なお、試料１〜２６のはんだは上記の通り各特性において良好な結果が得られるだけに留まらず、Ａｕ−Ｓｎ系はんだにおいて最も一般的な共晶点の組成であるＡｕ−２０質量％ＳｎよりもＡｕ含有量が少ないので、低コスト化が実現していることが分かる。
【符号の説明】
【００５０】
１      Ｃｕ基板
２      Ｎｉめっき層
３      はんだ合金
【図１】
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