(57)【要約】【課題】  優れた濡れ性を有し、はんだ接合時に実質的にはんだ接合に寄与するはんだ体積をほぼ維持できるＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金を提供する。【解決手段】  Ｓｎを１８.５質量％以上２３.５質量％以下、好ましくは１９．０質量％以上２２.８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Ａｕ−Ｓｎ系はんだ合金であって、その断面の面積の８０％以上が、縞状のラメラ組織および／または円状もしくは楕円状のラメラ組織からなる金属組織で占められている。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｎを１８.５質量％以上２３.５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Ａｕ−Ｓｎ系はんだ合金であって、その断面の面積の８０％以上が、縞状のラメラ組織および／または円状もしくは楕円状のラメラ組織からなる金属組織で占められていることを特徴とするＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金。
【請求項２】
前記縞状のラメラ組織を構成する各帯状部の幅が０.０１μｍ以上０.７５μｍ以下であり、前記円状もしくは楕円状のラメラ組織は円状の場合は直径の長さが、楕円状の場合は短径の長さが０.０１μｍ以上０.７５μｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載のＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金。
【請求項３】
前記Ｓｎが１９.０質量％以上２２.８質量％以下含まれることを特徴とする、請求項１または２に記載のＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金。
【請求項４】
はんだ合金の形状が枠状、シート状、リボン状、またはボール状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系はんだ合金。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれかに記載の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装置。
【請求項６】
請求項５の電子装置を搭載していることを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ａｕを主成分とし、制御された金属組織を有する高温用のＡｕ−Ｓｎはんだ合金および該はんだ合金を用いて封止またはロウ付けされた電子装置に関する。
【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。そこで、Ｐｂフリー（無鉛）はんだ材料の開発が各種機関で進められており、高温用のＰｂフリーはんだ材料では高価な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等ですでに実用化されている。
【０００３】
Ａｕ−Ｓｎ合金はＡｕ−２０質量％Ｓｎ（８０質量％のＡｕと２０質量％のＳｎから構成されることを意味しており、以降においても同様）の組成で共晶点となり、その融点は２８０℃である。一方、Ａｕ−Ｇｅ合金はＡｕ−１２.５質量％Ｇｅの組成で共晶点となり、その融点は３５６℃である。これらＡｕ系はんだ合金は硬くて脆い特性を有しており、特にＡｕ−Ｓｎ合金は粘りが無いためきれいに破断させることができ、薄くて小さく加工することができるので枠形状として使用されることが多い。一方、Ａｕ−Ｇｅ合金は比較的加工し易いボール形状で使用されることが多い。
【０００４】
このようなＡｕ系はんだに関しては、例えば特許文献１に、Ａｕ−Ｓｎロウ材の表面粗さによる濡れ性の改善に関する技術が開示されており、具体的にはＪＩＳＢ０６０１で規定される表面粗さＲａで０.０１〜５μｍの範囲内にすることで濡れ性に優れた金錫合金ロウ材を提供する技術が示されている。また、特許文献２にはＡｕ−Ｓｎはんだペースト内の酸素濃度の管理および粒径を小さくする事による濡れ性の制御に関する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１５０１８２号公報
【特許文献２】特開２００３−２６０５８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、電子機器の小型化、薄型化に伴い、水晶デバイスやＳＡＷフィルターなどの電子装置においては外形が小さくて薄型のものが求められている。そのため、これら電子装置に使用するはんだ合金は、はんだ融解時に高い精度で形状を制御可能であることが望ましい。たとえば、水晶振動子の封止用などに多用されるＡｕ−Ｓｎ合金は、封止用蓋部の周縁部でシールするため枠形状で使用される事が多いが、その融解時に接合面がＡｕ−Ｓｎ合金によって均一に濡れなければリーク不良などの不具合が発生するおそれがある。
【０００７】
また、Ａｕ−Ｓｎ合金を半導体素子の接合に使用する場合は、接合面が均一に濡れなければ十分な接合強度が得られなかったり、被接合体である半導体素子が傾いて接合信頼性が著しく低下したりするおそれがある。さらに濡れが不均一になって部分的な濡れ広がりや流れ出しが生じると、はんだ接合に実質的に寄与するはんだの体積が小さくなり、熱応力等による歪みを十分に緩和できなくなってクラック等が発生しやすくなったり、接合信頼性が低下したりなどの問題が生じることもある。このように、Ａｕ−Ｓｎ合金においては濡れ性が特に重要な特性と言える。
【０００８】
上記した種々の問題は、前述した電子機器の小型化、薄型化によって顕在化する傾向にある。すなわち、電子機器の小型化、薄型化に伴ってはんだ合金と水晶振動子等の電子部品との間隔がより狭くなり、上記したはんだの不均一な濡れ広がりや流れ出しにより、はんだ合金と水晶振動子とが接触するリスクが高まっている。また、電子機器の小型化、薄型化に伴い、はんだ合金自体のサイズや厚さも制限されるため、上記した不均一な濡れ広がりや接合面以外への流れ出しが生ずるとはんだ接合部のはんだの体積減少割合がより著しくなり、はんだ接合の信頼性が損なわれる問題がより一層顕著になってきている。なお、一般に、部分的な濡れ広がりの割合は、接合前のはんだの断面の全面積の２５％以下に抑えるのが好ましい。
【０００９】
このような状況の下、特許文献１の技術は表面粗さが粗ければ表面積は大きくなって成分中のＳｎの酸化が起こる割合も大きくなるため、表面粗さを細かく、すなわち表面積を小さくして成分中のＳｎの酸化する割合を抑え、これにより濡れ性を向上させるものであると考えられる。しかしながら、特許文献１に示すような表面粗さ０.０１〜５μｍという広い範囲に亘ってロウ材が同じように優れた濡れ性を示すとは考えにくい。例えば表面粗さが５００倍粗くなるとロウ材表面に存在する酸化物の割合が桁違いに多くなるため、濡れ性が大きく悪化することが容易に推測できる。
【００１０】
しかも、表面粗さが大きくなるとＡｕ−Ｓｎロウ材とロウ付けする基板との間には空間が生じやすくなるため、表面粗さが５００倍粗い方が当然大きな空間が形成され、溶融時にこの空間にボイドが生じてロウ付け後の製品の信頼性が大きく損なわれるおそれがある。逆に、表面粗さが細かくなると上記したように濡れ性が良くなる傾向にあるが、ロウ材としてはそれだけでは不十分である。すなわち、表面粗さよりも基板金属およびロウ材の組成や組織の均一性が重要であり、組成や組織が均一でなければ接合時に生成される合金は部分部分で異なってしまい、濡れ広がりや接合性にばらつきが生じてしまう。
【００１１】
また、特許文献２に示すように、Ａｕ−Ｓｎはんだペースト自体の酸素濃度を上げるとはんだ溶融時に表面酸化膜の生成が顕著になり、濡れ性に影響を及ぼす。この場合、過度の濡れ広がりを抑制することができるものの、酸化膜によりボイドが発生したり気密性が維持できなかったりするおそれがある。また、クラック等を誘発するなどの品質上の問題を招くおそれもある。
【００１２】
さらに、平均粒径を５０〜１００μｍから１０〜３５μｍに小さくすると、Ｓｎ微粒子の単位質量当たりの表面酸化膜の量が増えることによる問題が生じるおそれがある。すなわち、一般的に表面酸化膜が破れないと溶けた内部の溶融金属が流れ出さないため、一旦表面が酸化した微粒子は融点に達しても溶体が流れ出にくくなる。さらには実質的な溶融温度のばらつきや組成ばらつきが大きくなって、微粒子が均一に溶けにくくなるため、封止不良や接合不良の原因になって製品としての信頼性が低下するおそれがある。従って、特許文献２の技術は高気密性が要求されるＳＡＷフィルターや水晶デバイスなどの封止、あるいは半導体素子などの基板への接合の用途には適さない。
【００１３】
上記したように、特に高い信頼性が要求される水晶デバイス、ＳＡＷフィルター、またはＭＥＭＳ等で使用する高温用のＰｂフリーはんだ材料にはボイドの発生や封止不良などがあると安定して使用できなくなるため、これらに使用するＡｕ系はんだ材料には良好な濡れ性を有することが求められている。特に高い気密性や接合信頼性を必要とする用途では、良好な濡れ性を有することに加えてはんだ接合の際にはんだ体積（ボリューム）が維持されること、すなわち使用したはんだ合金が有効にはんだ接合に寄与することを要求される場合が多い。このように、水晶デバイス等の特に高い信頼性が要求される電子装置に用いるはんだには適切な濡れ性とはんだ接合時のはんだ体積の維持という一見相反する機能が求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記した状況の下、本発明者らは特に高い信頼性が要求される水晶デバイス等の電子装置用のＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金について鋭意研究を重ねた結果、はんだ接合性の良否は、はんだを溶融接合する際の接合温度、時間、雰囲気などの各種条件の影響を受けるが、これらと同等またはそれ以上に熱処理等による金属組織の制御の影響を大きく受けること、具体的にはＡｕ−Ｓｎ合金の共晶点もしくはその付近の組成からなるはんだ合金に対して熱処理等を施して金属組織を制御することにより、良好な濡れ性と共にはんだ接合に実質的に寄与するはんだ体積をほぼ完全に維持できるという効果が得られ、その結果、高い接合信頼性を有する電子装置を作製できることを見出し、本発明に至った。
【００１５】
すなわち、本発明に係るＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金は、Ｓｎを１８.５質量％以上２３.５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Ａｕ−Ｓｎ系はんだ合金であって、その断面の面積の８０％以上が、縞状のラメラ組織および／または円状もしくは楕円状のラメラ組織からなる金属組織で占められてい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系はんだよりも優れた濡れ性が得られるうえ、実質的にはんだ接合に寄与するはんだ体積をほぼ維持できるので、水晶デバイス、ＳＡＷフィルター、ＭＥＭＳなどの極めて高い信頼性を要求される電子装置等の用途に適した高い接合信頼性を有するＡｕ系はんだ合金を提供できる。そして、このＡｕ系はんだ合金を用いた電子装置は気密性が高いので、この電子装置を搭載した電子機器は極めて信頼性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】ラメラ組織とまだら模様の金属組織が混在しているはんだ合金を示す金属組織写真である。
【図２】ラメラ組織の金属組織写真である。
【図３】ラメラ組織が断面の８０％以上を占めるはんだ合金を示す金属組織写真である。
【図４】はんだ合金の試料が接合されたＣｕ基板をはんだ試料側から見た模式的な平面図であり、（ａ）は濡れ広がり性が良好な接合体（評価「○」）を、（ｂ）は濡れ広がり性が悪い接合体（評価「×」）を示している。
【図５】封止用容器と封止用蓋とをはんだ合金の試料で封止した状態を示す模式的な縦断面図である。
【図６】はんだ合金の試料が接合されたＣｕ基板をはんだ試料側から見た模式的な平面図であり、はんだ合金の試料の濡れ広がり性を示す縦横比を算出するための長径Ｘ１および短径Ｘ２が示されている。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、制御された金属組織を有する本発明のＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金の実施形態について詳しく説明する。一般に二元系はんだ合金の共晶点では、鋳造時にα相およびβ相の２つの層が交互に積層したラメラ構造を含んだ金属組織になる。このようなラメラ構造になることにより、合金の機械的特性等が向上する。本発明者らは、この金属組織に占めるラメラ組織の割合について鋭意研究を重ねた結果、合金原料溶解後の鋳造時や温間圧延時、またはアトマイズ時における熱処理条件や加工速度等を調整することにより金属組織に占めるラメラ組織の割合を制御でき、これによりはんだ濡れ性が大きく影響を受けることを見出した。
【００１９】
はんだ合金は一般に鋳造した後、圧延加工、押出し加工、アトマイズ加工、プレス加工等を行って所定の形状の製品を得ている。これらの中で特に鋳造や温間圧延等は熱処理条件や加工条件が金属組織に影響するが、従来機能性や生産性等を考慮してこれら条件を定めていた。このため、図１に示すように、ラメラ組織を示す複数の帯状部が略均一に並んだ縞状の部分と、複数のランダムな形状の島状部からなる粗いまだら模様の部分とが混在した組織構造となっていた。このような組織のはんだ合金は、接合時に再溶解した際、略均一なラメラ組織が先に溶け出し、その後、粗いまだら模様の金属組織が溶けることになる。そして、先に溶け出したラメラ組織が基板等に広がっていき、粗いまだら模様の金属組織は相対的に溶け出さないため、全体として不均一な濡れ広がりになることがあった。
【００２０】
これに対して本発明の実施形態のはんだ合金は、Ｓｎを１８.５質量％以上２３.５質量％以下、好ましくは１９.０質量％以上２２.８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Ａｕ−Ｓｎ系はんだ合金であって、その断面の面積の８０％以上が、縞状のラメラ組織および／または円状もしくは楕円状のラメラ組織からなる金属組織で占められていることを特徴としている。
【００２１】
ここで縞状のラメラ組織とは前述したα相とβ相との積層面に垂直な方向から見た時にこれらα相の帯状部とβ相の帯状部とが交互に縞状に並ぶように形成している組織であり、この場合の各帯状部の幅は０.０１μｍ以上０.７５μｍ以下である金属組織をいうものとする。一方、円状もしくは楕円状のラメラ組織とは、同様にα相とβ相との積層面に垂直な方向から見た時にα相またはβ相が円形もしくは楕円形の島状部を形成している組織であり、円形の場合はその直径の長さが０.０１μｍ以上０.７５μｍ以下、楕円形の場合はその短径の長さが０.０１μｍ以上０.７５μｍ以下である金属組織をいうものとする。
【００２２】
例えば図２（ａ）は、Ａｕ−２０質量％Ｓｎはんだ合金が縞状のラメラ組織を形成している場合を示す金属組織写真であり、図２（ｂ）は、同はんだ合金が円状のラメラ組織を形成している場合を示す金属組織写真である。これらラメラ組織が占める割合の測定が行われる断面の方向は、はんだの加工法を考慮して定められる。例えば、はんだ形状が後述する板状や枠状の場合はその厚み方向に平行な断面に対して測定が行われる。一方、ボール形状の場合はその中心部を通る断面であれば任意の断面に対して測定を行ってもよい。
【００２３】
はんだ合金の断面において上記したラメラ組織が占める面積の測定は、金属顕微鏡に付属している面積算出機能より算出することができる。例えば、顕微鏡写真で撮られた０.２０ｍｍ×０.２０ｍｍの矩形枠内のうち、２０μｍ×２０μｍの測定範囲を任意に５か所選択して、それらの各々においてラメラ組織が占める面積の割合を測定し、それらを算術平均することで求めることができる。なお、図３（ａ）、（ｂ）はいずれもＡｕ−２０質量％Ｓｎ合金において縞状のラメラ組織が断面の８０％以上を占める場合を示している。
【００２４】
このように、はんだ合金の断面のうちラメラ構造が占める割合を８０％以上にすることにより、良好な濡れ性が得られ、かつ実質的にはんだ接合に寄与するはんだ体積をほぼ完全に維持できるので、高い接合信頼性を有するはんだ合金を提供することができる。はんだ合金の断面においてラメラ構造の占める割合を８０％以上にする方法としては、熱処理条件や加工速度等で制御することにより行うことができる。
【００２５】
具体的には、鋳造時に急冷したり、圧延加工時に急冷されるような加工条件にしたりすることによって結晶の成長が進まなくなって微細化したままの状態になるので、ほぼ均一にそろった細かなラメラ組織の割合を多くし、粗いまだら模様が少ない金属組織を得ることができる。なお、この好ましいはんだ合金の組織の範囲は実際の生産ラインにおいて、経験的、実験的に得られた数値である。次に、本発明の実施形態のはんだ合金の組成について説明する。
【００２６】
＜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は非常に酸化しづらい性質を有しているため、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。本発明の実施形態のはんだ合金においてはＡｕを主成分とすることで、水晶デバイスやＳＡＷフィルターの封止用などの高信頼性を要求される用途に特に適したはんだを提供することができる。このＡｕを主成分とするはんだ合金により優れた濡れ性および接合時のはんだ体積の維持の機能を付加するため、前述したように熱処理等による金属組織の制御を行っている。
【００２７】
＜Ｓｎ＞
Ｓｎは本発明のはんだにおいてＡｕと共に基本をなす必須の元素である。Ａｕ−Ｓｎはんだ合金は、共晶点であるＡｕ−２０質量％Ｓｎ付近の組成で通常使用され、これにより固相線温度が２８０℃で安定し、均一な濡れ性が得られる。本発明の実施形態のはんだ合金も、Ａｕ−２０質量％Ｓｎを基本にすべく、Ｓｎの含有量を１８.５質量％以上２３.５％以下、好ましくは１９.０質量％以上２２.８％以下とし、残部を製造上、不可避的に含まれる元素を除きＡｕとしている。上記範囲内の組成において適切な製造条件を選択すれば、好ましい金属組織が得られる。
【００２８】
Ｓｎ１８.５質量％未満の場合またはＳｎ２３.５質量％を超えた場合は、亜共晶や過共晶となるため、初晶が発生してラメラ組織と混在し、製造条件を調整しても良好な濡れ性等を有するはんだ合金は得られない。当然、再溶解後の凝固時、生成される各合金でそれぞれの融点の違いから部分的に溶けが早い部分や遅い部分が出来てしまう。このため、濡れ性にばらつきが出たり、個々に濡れ広がる部分や濡れ難くなる部分が存在することになる。例えば、リング状のＡｕ−Ｓｎはんだ合金を溶融すると波状にＡｕ−Ｓｎはんだが広がることがあり一定の体積確保がしづらくなることがありはんだとしての信頼性が確保出来ないことがある。このために上記組成範囲が必要となるのである。
【００２９】
上記で説明したはんだ合金は、真空溶解および鋳造後、温間圧延、アトマイズ、またはプレス等の加工法により、はんだ形状を枠状、シート状、リボン状、またはボール状等に成形することができる。各種の形状に成形されたはんだ合金は、気密性が要求される水晶デバイス、ＳＡＷフィルター、またはＭＥＭＳ等の電子装置の接合に用いられる。
【実施例】
【００３０】
Ｓｎの含有率やはんだ断面においてラメラ構造の占める割合が異なる複数のＡｕ−Ｓｎはんだ合金試料を作製してそれらの濡れ性や信頼性について評価を行った。具体的には、まず原料としてそれぞれ純度９９.９９９質量％以上のＡｕおよびＳｎ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。
【００３１】
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。
【００３２】
鋳型には、圧延用には厚さ３ｍｍ×幅４０ｍｍ×長さ１５０ｍｍの板状の合金が得られるものを使用し、アトマイズ用には直径１９ｍｍの円柱状の合金が得られるものを使用した。なお、圧延用の鋳型には急冷用のジャケットを取り付け、そこに供給する冷却水の水量を試料ごとに様々に変えることによってラメラ構造の占める割合が異なるようにした。このようにして組成や金属組織が互いに異なる試料１〜３９のはんだ母合金を作製した。これらの試料１〜３９の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。
【００３３】
次に、板状に加工するものについては、圧延加工時の板材の引出し速度を試料ごとに様々に変えてラメラ構造の占める割合が異なるようにした。一方、アトマイズでボール状に加工するものについては、不活性ガス中でアニールを行う際にアニール温度とアニール時間を試料ごとに様々に変えてラメラ構造の占める割合が異なるようにした。
【００３４】
具体的に説明すると、試料１〜９、１９〜３１、３６〜３９の各はんだ母合金は、温間圧延機を用いてリボン状に加工した。その際、溶解鋳造工程に加えて、温間圧延工程でも金属組織の調整を行った。具体的には、準備した厚さ３ｍｍ×幅４０ｍｍ×長さ１５０ｍｍの板状母合金試料を温間圧延機で圧延した。圧延時の温度（ロール温度）は１２０〜２６０℃、圧延速度は０.５〜４ｍ／分として、試料に加わる熱と時間を調整することによって金属組織を調整した。そしてそれぞれの試料を３０.０±１.５μｍの厚さになるように圧延した。このように、圧延時の温度、圧延速度を制御して、試料に加わる熱と時間を調整することによって金属組織を調整した。
【００３５】
一方、試料１０〜１８、３２〜３５の各母合金（直径２７ｍｍの円柱状）は、液中アトマイズ装置のノズルに投入し、このノズルを２５０℃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５２０℃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とした。尚、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４５℃−２時間の乾燥を行った。さらに各はんだ試料の金属組織を制御するため、窒素ガス中でアニール温度４０〜２５０℃、アニール時間３〜１２０分の条件でアニールを行った。
【００３６】
このようにして得たはんだ合金試料１〜３９に対してキーエンス製のデジタルマイクロスコープ（ＶＨＸ−９００）を用いて断面に占めるラメラ組織の面積を求めた。その際、縞状のラメラ組織は縞を構成する各帯状部の幅が０.０１μｍ以上０.７５μｍ以下のものに限定し、円状もしくは楕円状のラメラ組織は円状の場合は直径の長さが、楕円状の場合は短径の長さが０.０１μｍ以上０.７５μｍ以下のものに限定した。また、断面の方向は、リボン状のものについてはその厚み方向に平行な断面とし、ボール状のものについてはその中心部を通る任意の断面とした。その分析結果を前述した組成分析の結果と共に下記の表１および表２に示す。
【００３７】
【表１】
2016052663.tif 000002
【００３８】
【表２】
2016052663.tif 000003
【００３９】
次に、上記のリボン状の試料のうち試料１〜９、２８〜３１について、プレス機でプレス用オイルを供給しながら１.０ｍｍ×１.０ｍｍの四角形状に打抜いてプリフォーム材（打抜き品）を作り、その後、打ち抜いた試料をアルコールで洗浄し、４０℃真空中で２時間乾燥し、打抜き品を製造し、濡れ広がり性の評価を行った。また、リボン状の試料のうち試料１９〜２７、３６〜３９について、プレス機で外寸１.５ｍｍ×２.０ｍｍ、枠幅１５０μｍの枠形状に打抜いて、打抜き品を作り、封止性および信頼性の評価を行った。また、ボール状の試料は真円度の評価を行った。これらの評価方法について以下具体的に説明する。
【００４０】
＜濡れ広がり性評価１＞
四角形状の打抜き品に対して、基板と試料を接合した部分的に濡れ広がりが無いかなどを評価基準として濡れ広がり性の評価１とした。具体的には濡れ性試験機（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。
【００４１】
ヒーター温度が設定値で安定した後、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、次に四角形状のはんだ試料を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。
【００４２】
このようにして接合した接合体について、図４（ａ）に示すようにはんだ試料３とＣｕ基板１とがきちんと接合して、かつ四角形状を保っていた場合を「○」、図４（ｂ）に示すように接合前の四角形状を留めずＣｕ基板１上で部分的に濡れ広がってはみ出し部３ａが生じた場合、基板がはんだをはじいて部分的に接合できなかった場合、または接合できなかった場合を「×」と評価した。
【００４３】
＜打抜き品（枠形状）の接合信頼性評価１（封止性）＞
枠状の打抜き品に対して、はんだ合金による封止性を確認するため、図５に示す形状の封止用容器４と封止用蓋５とを各はんだ合金試料で封止した。封止には簡易ダイボンダー（ウ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。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、封止性の評価として「×」とした。このようなリークが無かった場合を「○」と評価した。
【００４４】
＜打抜き品（枠形状）の接合信頼性評価２（ヒートサイクル試験）＞
枠状の打抜き品に対して、はんだ接合の信頼性を評価するため、ヒートサイクル試験を行った。なお、この試験は、上記接合信頼性評価１と同様にして得たはんだ合金で封止した封止体を用いて行った。まず、各封止体に対して、−４０℃の冷却と２５０℃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、ヒートサイクル試験を行っ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「×」とした。このようなリークが無かった場合を「○」と評価した。
【００４５】
＜ボールの濡れ性の評価２（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。
【００４６】
得られた接合体は、図６に示すようにＣｕ基板のＮｉ層２の表面にはんだ合金試料３が濡れ広がった形態になっており、その縦横比を求めた。具体的には、図６に示す最大のはんだ濡れ広がり長さの長径をＸ１と、最小のはんだ濡れ広がり長さ短径Ｘ２とを測定し、Ｘ１をＸ２で除して縦横比を算出した。この縦横比が１に近いほど基板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き、接合不良や場合によっては接合できなかったりしてしまう。接合体の縦横比の測定結果を上記した濡れ広がり性評価１、接合信頼性評価１および接合信頼性評価２と共に下記の表３および表４に示す。
【００４７】
【表３】
2016052663.tif 000004
【００４８】
【表４】
2016052663.tif 000005
【００４９】
上記表３および表４から分かるように、本発明の要件を満たしている試料１〜２７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。つまり、濡れ広がり性評価１（はんだのはみ出しやはじき）、濡れ広がり性２（縦横比）、接合信頼性評価１（封止性）、接合信頼性評価２（ヒートサイクル試験）において全て良好な結果となった。このように良好な結果が得られた理由としては、はんだ合金試料が本発明の組成範囲内であり、かつ所定の断面に占めるラメラ組織の割合が８０％以上であったっためであると考えられる。
【００５０】
一方、本発明の要件を満たしていない比較例の試料２８〜３９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。従来から一般的に使用されているＡｕ−２０Ｓｎ質量％である試料３０、３１、３８、３９においては、金属組織が好ましい範囲に制御された本発明の要件を満たしている試料に比べて濡れ広がり性等が劣る結果となった。なお、Ａｕ−２０Ｓｎ質量％である試料３０、３１、３８、３９は従来のＡｕ−Ｓｎはんだ合金と同程度の性能を示している。これらは、市場における要求が高まるにつれてさらに優れた特性が求められている。
【符号の説明】
【００５１】
１      Ｃｕ基板
２      Ｎｉ層
３      はんだ合金試料
３ａ    はみ出し部
４      封止用容器
５      封止用蓋
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図１】
2016052663.tif 000009
【図２】
2016052663.tif 000010
【図３】
2016052663.tif 000011