(57)【要約】【課題】  従来に比べてＡｕ含有量を減らした場合であっても接合信頼性の高いＡｕ系はんだ合金を提供する。【解決手段】  セラミック製電子部品の封止用又は接合用として使用される、２１.１〜４３.０質量％のＳｎ、０.１〜１５質量％のＡｇ、及び残部が不可避不純物とＡｕからなるＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ合金、９．５〜１５質量％のＧｅ、２〜１０質量％のＳｎ、及び残部が不可避不純物とＡｕからなるＡｕ−Ｇｅ−Ｓｎ合金、又は５〜１８質量％のＡｇ、７〜２０質量％のＧｅ、及び残部が不可避不純物とＡｕからなるＡｕ−Ａｇ−Ｇｅ合金で形成されるＡｕ系はんだボールであって、該はんだボールを一方向から押し潰してクラックが生じるまでの最大応力が２.０×１０２Ｎ／ｍｍ２以上であって、且つ該クラックが生じるまでのひずみの平方根が０.４０以上である。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック製電子部品の封止用又は接合用として使用されるＡｕ系はんだボールであって、該はんだボールを一方向から押し潰してクラックが生じるまでの最大応力が２.０×１０２Ｎ／ｍｍ２以上であって、且つ該クラックが生じるまでのひずみの平方根が０.４０以上であることを特徴とするＡｕ系はんだボール。
【請求項２】
Ｓｎを２１.１質量％以上４３.０質量％以下含有し、Ａｇを０.１質量％以上１５質量％以下含有し、残部が不可避的に含まれる不純物を除いてＡｕからなることを特徴とする、請求項１に記載のＡｕ系はんだボール。
【請求項３】
Ｇｅを９．５質量％以上１５質量％以下含有し、Ｓｎを２質量％以上１０質量％以下含有し、残部が不可避的に含まれる不純物を除いてＡｕからなることを特徴とする、請求項１に記載のＡｕ系はんだボール。
【請求項４】
Ａｇを５質量％以上１８質量％以下含有し、Ｇｅを７質量％以上２０質量％以下含有し、残部が不可避的に含まれる不純物を除いてＡｕからなることを特徴とする、請求項１に記載のＡｕ系はんだボール。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のＡｕ系はんだボールを用いて封止することを特徴とするセラミック製電子部品。
【請求項６】
Ａｕ系はんだボールを一方向から押し潰してクラックが生じた時の応力が２.０×１０２Ｎ／ｍｍ２以上であって、且つ該クラックが生じるまでのひずみの平方根が０.４０以上であるか否かを測定することにより、セラミック製電子部品の封止用又は接合用として使用するＡｕ系はんだボールの接合信頼性を評価することを特徴とするＡｕ系はんだボールの評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水晶振動子などの気密性を要するセラミック製電子部品の封止や接合に用いられるＡｕ系はんだボール、及び該はんだボールを用いて封止又は接合されたセラミック製電子部品、並びに該Ａｕ系はんだボールの接合信頼性の評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
情報通信機器やＯＡ機器などの電子機器には、水晶振動子、水晶発振器、ＳＡＷフィルターなどの電子部品が使用されている。これらの電子部品は、その構造上高信頼性と高気密性が求められており、例えば、電子部品の接合及び封止後に該電子部品内部又は接合や封止に用いたはんだ材料内部に酸素や水分が入り込まない様に、接合時や封止時の十分な接合信頼性（以下、はんだ付け性とも称する）が求められている。このような十分なはんだ付け性を得るため、電子部品の接合や封止に用いるはんだボールの材質には、はんだボール表面に形成される酸化被膜を極力薄くして濡れ性を向上させるべく高価なＡｕ系合金が用いられている。
【０００３】
例えば特許文献１には、Ａｕ−Ｇｅ合金はんだボールにおいて、表面層のＧｅ含有率を減らすことで表面酸化によるはんだ付け性の低下を抑える技術が開示されている。また、特許文献２には、溶融はんだが均一に濡れ広がるように、流れ性及び濡れ性に優れたはんだ付け用のＡｕ−Ｇｅ合金球が開示されている。また、Ａｕ−Ｇｅ合金は比較的融点が高いため、封止時にパッケージ内部の素子が熱的ダメージを受ける場合がある。そこで、例えば特許文献３には、はんだ材料にＡｕ−Ｇｅ合金よりも融点の低いＡｕ−Ｇｅ−Ｉｎ合金を用いる技術が開示されている。なお、Ａｕはんだ合金の信頼性を評価するため、Ａｕ系はんだ合金で接合されたデバイスに対して加熱と冷却を繰り返すことにより膨張と収縮のストレスを交互に与えるヒートサイクル試験や、該デバイスを高温又は低温環境下にさらして膨張又は収縮のストレスを与える長期保管試験などが行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−０３００９３号公報
【特許文献２】特開２０１０−２１４３９６号公報
【特許文献３】国際公開第２０１０／０１０８３３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記したように、Ａｕ系はんだ合金は従来から水晶振動子、水晶発振器、ＳＡＷフィルター、ジャイロセンサーなどの高い信頼性や気密性が求められる電子部品の封止用若しくは接合用として用いられてきたが、近年の携帯電話等の電子端末機器の普及に伴い、上記した比較的高価な情報通信機器などに搭載される電子部品から一般的な民生品用の電子部品への適用が広がっている。そのため、電子部品に使用するはんだ合金には高価なＡｕの含有量を減らすなどのコストダウンが強く求められている。
【０００６】
しかしながら、単純にＡｕの含有量を減らしただけでは、例えば気密封止用のはんだ合金の場合は、固化した時にパッケージ材料との熱膨張差による応力がはんだ合金に加わり、マイクロクラックが生じて気密性が失われることが有った。この様な熱膨張差は特にパッケージ材料がセラミックスの場合に顕著に発生する。そこで、クラックの発生しにくい材料の開発などが行われており、その際のはんだ材料の機械的特性の評価には、例えばＪＩＳＺ３１９８−２（２００３）に示されている様な引張試験が用いられている。
【０００７】
しかしながら、近年の電子部品の小型化や高性能化に伴い、封止や接合に使用される材料のサイズもますます小さくなっており、上記した引張試験で用いる比較的大きなサイズの試験片では、実際に上記電子部品に使用するサイズのはんだの特性を正しく示さないことがあった。また、実際に使用するはんだ合金に合わせて試験片を小さくした場合は、試験片を加工する際の残留応力が試験結果に大きく影響し、この場合も実際に使用するはんだ合金のクラックの生じやすさなどの特性を正しく示さないことがあった。
【０００８】
本発明は上記した事情に鑑みてなされたものであり、従来のＡｕ系はんだ合金に比べてＡｕ含有量を減らしたＡｕ系はんだ合金にクラックが発生しやすいか否かを簡易且つ再現性よく評価できるＡｕ系はんだ合金の評価方法、及びかかる評価方法に基づいて識別された接合信頼性の高いＡｕ系はんだ合金、並びに該Ａｕ系はんだ合金で接合又は封止された電子部品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】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明が提供するＡｕ系はんだボールは、セラミック製電子部品の封止用又は接合用として使用されるＡｕ系はんだボールであって、該はんだボールを一方向から押し潰してクラックが生じるまでの最大応力が２.０×１０２Ｎ／ｍｍ２以上であって、且つ該クラックが生じるまでのひずみの平方根が０.４０以上であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、従来のＡｕ系はんだ合金に比べてＡｕ含有量が少なく、且つマイクロクラックが生じにくいＡｕ系はんだ合金を提供することができる。このＡｕ系はんだ合金を水晶振動子、水晶発振器、ＳＡＷフィルター、ジャイロセンサーなどに代表される電子部品の封止や接合に使用することにより、気密封止性や接合性に優れた信頼性の高い電子部品を低コストで提供することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】はんだボールの変位量の評価試験法を模式的に示した正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明のＡｕ系はんだボールについて詳しく説明する。本発明者は、Ａｕ系はんだ合金を用いて封止又は接合された電子部品において、該電子部品の信頼性に影響を及ぼすＡｕ系はんだ合金のマイクロクラックの発生状況について多数の電子部品を調査したところ、マイクロクラックは電子部品との接合界面近くにおいて接合界面に沿って発生していることを見出した。これは、溶融したはんだ合金で封止した後、該はんだ合金が固化により収縮する際に、収縮によるひずみがはんだ合金の破壊強度を超えることにより生じたためと考えられる。
【００１３】
本発明者は、かかる考察の下、鋭意研究を重ねた結果、Ａｕ系はんだ合金の収縮による引張応力により生ずるひずみは、ボール状のはんだ合金を一方向から圧縮した際に生じるひずみと非常に強い正の相関があることを見出した。具体的には、互に組成の異なる複数のＡｕ系はんだボールを用意し、それらの各々を平坦な床面に置いてその真上から該床面に平行な押圧面を有する押圧部材で徐々に押圧していった時、各はんだボールはいずれも床面に沿って円板状に拡がるように潰れていき、ある程度潰れた時に該円板の外縁部に周方向に沿ってクラックが発生することが分かった。
【００１４】
そして、上記の試験で用いたＡｕ系はんだボールと同様のＡｕ系はんだボールを用いて各々はんだ接合した時の接合部を調べてところ、クラックの生成のしやすさは上記はんだボールを潰した時にクラックが発生して破壊するまでの応力及びひずみをパラメータにすることで簡易に推定できることが分かった。すなわち、はんだボールを一方向から押し潰してクラックが生じるまでの最大応力が２.０×１０２Ｎ／ｍｍ２以上であって、且つ該クラックが生じるまでのひずみの平方根が０.４０以上であれば、一般的なはんだ接合や封止の際に生ずる熱収縮に耐えることができ、よってＡｕを従来よりも減らした場合であっても、予めサンプリングしたＡｕ系はんだ合金に対して上記の基準で識別することで、マイクロクラックが発生しにくいＡｕ系はんだボールを提供することができる。
【００１５】
このように、パラメータ化できる理由としては、例えば円柱状のはんだ合金をその中心軸方向に押圧して高さを１／ａに潰した時、はんだ合金自体の体積は変わらないので、該中心軸に垂直な断面の面積はａ倍に拡がり、該断面の直径は潰す前の√ａ倍になる。はんだボールを一方向から押圧して潰した時も同様であると考えることができ、更に前述したようにはんだボールを円板状に潰した時は該円板の外縁部からクラックが生じるため、はんだボールを一方向から潰した時のクラックのできやすさは√ａに比例して影響を受けると考えることができる。
【００１６】
そして、直径Ｄのはんだボールを一方向から押圧して潰した時のはんだ合金の押圧方向の変位量をｄＤとすると上記したａはａ＝Ｄ／（Ｄ−ｄＤ）と表すことができ、更にｄＤ／Ｄはひずみεと考えることができるので、ａ＝１／（１−ε）と表すことができる。上記の点を考慮すると、はんだボールを一方向から押し潰した時のクラックのできやすさは、ひずみεの平方根を用いてパラメータ化できると考え、種々のＡｕ系はんだボールを用いて実験を行ったところ、上記したようにクラックが生じるまでの最大応力及びひずみの平方根に基づいて評価することにより、はんだ接合や封止の際の熱収縮に十分に耐え得るＡｕ系はんだ合金を識別し得ることが分かった。これにより、Ａｕの含有量を削減した場合であっても、上記パラメータを用いて予め試験を行っておくことでクラックが生じにくい接合信頼性の高いＡｕ系はんだボールを提供することが可能になる。
【００１７】
ここで、クラックが生じるまでの最大応力が２.０×１０２Ｎ／ｍｍ２未満のはんだボールの場合、はんだ接合や封止に用いた時、熱収縮以外の物理的な衝撃等の外的要因により容易に破損してしまうおそれがあるため好ましくない。また、クラックが生じるまでのひずみの平方根が０.４０未満のはんだボールの場合、はんだ接合や封止の際に熱収縮によりたちどころに破損するか、内在するひずみのため、加熱と冷却が交互に繰り返されたり一定温度環境下であっても長期間に亘って熱応力がかかったりすると破損するおそれがあり、信頼性を損なう可能性が高いので好ましくない。
【００１８】
上記したクラックのできやすさのパラメータ化は、種々の組成を有するＡｕ系はんだボールを用いて行った実験結果に基づくものであり、基本的にはＡｕ系はんだボールにのみ適用可能である。以下、上記したクラックのできやすさの評価方法を適用できるＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ合金、Ａｕ−Ｇｅ−Ｓｎ合金、及びＡｕ−Ａｇ−Ｇｅ合金について具体的に説明する。
【００１９】
＜Ａｕ−Ｓｎ−Ａｇ合金＞
上記した評価方法を適用できる第１のＡｕ系はんだ合金はＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ合金である。このＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ合金において、Ｓｎの含有量は２１.１質量％以上４３.０質量％以下である。この量が２１.１質量％未満では、結晶粒が大きくなりすぎて上記したひずみεの要件を満たすことができないため好ましくない。一方、この量が４３.０質量％より多くなると濡れ性が悪化し、電子部品とはんだとの界面にクラックが発生する場合があるため好ましくない。
【００２０】
このＡｕ−Ｓｎ−Ａｇ合金において、Ａｇの含有量は０.１質量％以上１５質量％以下である。この量が０.１質量％未満では、結晶粒が大きくなりすぎて上記したひずみεの要件を満たすことができないため好ましくない。また、この量が１５質量％より多くなっても結晶粒が大きくなりすぎ、ひずみεの要件を満たすことができないため好ましくない。
【００２１】
＜Ａｕ−Ｇｅ−Ｓｎ合金＞
上記した評価方法を適用できる第２のＡｕ系はんだ合金はＡｕ−Ｇｅ−Ｓｎ合金である。このＡｕ−Ｇｅ−Ｓｎ合金において、Ｇｅの含有量は９.５質量％以上１５質量％以下である。この量が９.５質量％未満では、液相線温度と固相線温度の差が開きすぎてしまい溶け別れ現象を起こすなどしてしまうため好ましくない。一方、この量が１５質量％より多くなる場合も、液相線温度と固相線温度の差が開きすぎてしまい溶け別れ現象を起こすなどしてしまうため好ましくない。
【００２２】
このＡｕ−Ｇｅ−Ｓｎ合金において、Ｓｎの含有量は２質量％以上１０質量％以下である。この量が２質量％未満であると、結晶粒が大きくなりすぎて、上記したひずみεの要件を満たすことができないため好ましくない。一方、この量が１０質量％より多くなると濡れ性が悪化し、電子部品とはんだとの界面にクラックが発生する場合があるため好ましくない。
【００２３】
＜Ａｕ−Ａｇ−Ｇｅ合金＞
上記した評価方法を適用できる第３のＡｕ系はんだ合金はＡｕ−Ａｇ−Ｇｅ合金である。このＡｕ−Ａｇ−Ｇｅ合金において、Ａｇの含有量は５質量％以上１８質量％以下である。この量が５質量％未満では、結晶粒が大きくなりすぎて、上記したひずみεの要件を満たすことができないため好ましくない。また、この量が１８質量％より多くなっても、結晶粒が大きくなりすぎて、上記したひずみεの要件を満たすことができないため好ましくない。
【００２４】
このＡｕ−Ａｇ−Ｇｅ合金において、Ｇｅの含有量は７質量％以上２０質量％以下である。この量が７質量％未満では、液相線温度と固相線温度の差が開きすぎてしまい溶け別れ現象を起こすなどしてしまうため好ましくない。また、この量が２０質量％より多くなる場合も、液相線温度と固相線温度の差が開きすぎてしまい溶け別れ現象を起こすなどしてしまうため好ましくない。
【実施例】
【００２５】
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、原料としてそれぞれ純度９９.９質量％以上のＡｕ、Ｓｎ、Ａｇおよび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、これら原料からそれぞれ所定量を秤量して高周波溶解炉用グラファイトるつぼに入れた。
【００２６】
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。鋳型には直径２４ｍｍの円柱形状のものを使用した。このようにして、試料１のはんだ合金のインゴットを作製した。
【００２７】
更に様々な組成のインゴットを作成すべく、上記グラファイトるつぼに秤量して入れる際の原料の混合比率を様々に変えた以外は上記試料１と同様にして試料２〜２８のはんだ合金のインゴットを作製した。なお、試料２６は従来から使用されているＡｕ−１２.５重量％Ｇｅ合金である。このようにして得た試料１〜２８のはんだ合金の各々に対して、ＩＣＰ発光分光分析器（ＳＨＩＭＡＺＵ  Ｓ−８１００）を用いて組成分析を行った。その分析結果を下記表１に示す。
【００２８】
【表１】
2016221546.tif 000002
【００２９】
［実施例１］
＜ボール状はんだ合金の製造＞
上記した試料１〜２８のはんだ合金のインゴットの内、試料１〜２６のはんだ合金のインゴット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３３０℃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。そして、該ノズル内のインゴットを高周波により５００℃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を作製した。なお、このアトマイズ法で形成されるボールの直径が０.２５ｍｍとなる様に、予めノズル先端の孔径を調整しておいた。
【００３０】
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、その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。得られた各試料のはんだボールをオリンパス社製の測定顕微鏡ＳＴＭ−５にて測定し、外径が０.２５ｍｍのはんだボールを選定した。
【００３１】
＜ボール変形能評価試験＞
次に株式会社島津製作所製の微小強度評価試験機ＭＳＴ−１を用いて各試料のはんだボールを圧子で荷重を加えて円板状に潰していき、クラックが生じるまでの最大応力及び変位量を測定した。具体的には、図１に示すように、シリコンウェハー１上に各試料のはんだボール２を載置し、試験機の圧子３の中心部にはんだボール２が当接するよう位置を微調整した後、はんだボール２に大きな荷重が掛からない程度に圧子３を接触させた。そして、１ｍｍ／ｍｉｎの押圧速度で黒矢印のように一方向からはんだボール２を圧子３で押圧して円板状に押し潰しながら、該円板の外縁部にクラックＣが生じるまで最大荷重及び変位量ｄＤを測定した。
【００３２】
＜接合信頼性評価試験＞
はんだ接合の信頼性を評価するために、ＮｉめっきしたＣｕ基板上に各試料のはんだボールをはんだ付けした接合体を作製してヒートサイクル試験を行った。具体的には、Ｎｉめっき（膜厚：３.０μｍ）されたＣｕ基板（板厚：０.３ｍｍ）を２５秒加熱した後、該Ｃｕ基板上に各試料のはんだボールを載せて２５秒加熱した。この２５秒の加熱が完了した後、はんだ接合されたＣｕ基板を窒素雰囲気中で冷却し、十分に冷却してから大気中に取り出した。
【００３３】
このようにして得た接合体に対して、−４０℃の冷却と１５０℃の加熱とを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「不合格」、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「合格」とした。この接合体のヒートサイクル試験結果を、押し潰す前のはんだボールの中心を通る断面積で上記の最大荷重を除した最大応力、及び押し潰す前のはんだボールのボール径Ｄで変位量ｄＤを除したひずみε及びその平方根と共に下記表２に示す。
【００３４】
【表２】
2016221546.tif 000003
【００３５】
上記表２に示す通り、クラックが生じるまでの最大応力が２.０×１０２Ｎ／ｍｍ２以上であって、且つひずみεの平方根が０.４０以上である試料１〜３、８〜１０、及び１７〜１９のはんだボールは、いずれも接合信頼性において問題が生じなかった。これに対して上記の最大応力の要件及びひずみεの平方根の要件の内の少なくとも一方が満たされていない試料４〜７、１１〜１６、及び２０〜２５のはんだボールは、いずれも接合信頼性において問題が生じた。なお、従来のＡｕ系はんだ合金である試料２６は良好な結果が得られ、高い信頼性を有することが確認できたが、Ａｕの含有量が多いため材料コストがかかった。
【００３６】
［実施例２］
試料２７〜２８のはんだ合金のインゴットを用い、アトマイズ法で形成するボールの直径がそれぞれ０.２０ｍｍ及び０.３０ｍｍとなる様にノズル先端の孔径を調整した以外は上記の実施例１と同様にしてはんだボールを作製してそれらの特性を評価した。その結果を下記表３に示す。
【００３７】
【表３】
2016221546.tif 000004
【００３８】
上記表３に示す通り、はんだボールのボール径を変えても、上記した最大応力の要件及びひずみεの平方根の要件を両方とも満たす限り接合信頼性において問題が生じなかった。
【符号の説明】
【００３９】
１      シリコンウエハー
２      はんだボール
３      圧子
【図１】
2016221546.tif 000005