(57)【要約】【課題】溶融性に優れ、かつ、比較的低温条件での接合でも十分な耐熱性を有するはんだ層を形成可能なＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト、このＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いたＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層の製造方法、及びＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層を提供する。【解決手段】Ｓｎを６１質量％以上７０質量％以下の範囲で含み、残部がＡｕ及び不可避不純物よりなるＡｕ−Ｓｎ合金粉末と、フラックスと、を含み、前記Ａｕ−Ｓｎ合金粉末における酸素濃度が、５０質量ｐｐｍ以上１８００質量ｐｐｍ以下の範囲内とされていることを特徴とする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｎを６１質量％以上７０質量％以下の範囲で含み、残部がＡｕ及び不可避不純物よりなるＡｕ−Ｓｎ合金粉末と、フラックスと、を含み、
前記Ａｕ−Ｓｎ合金粉末における酸素濃度が、５０質量ｐｐｍ以上１８００質量ｐｐｍ以下の範囲内とされていることを特徴とするＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト。
【請求項２】
前記Ａｕ−Ｓｎ合金粉末の平均粒径が１μｍ以上２５μｍ以下の範囲内とされていることを特徴とする請求項１に記載のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト。
【請求項３】
前記フラックスの含有量が、ペースト全体の５質量％以上４０質量％以下の範囲内であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト。
【請求項４】
基材の表面に、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載されたＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを配設し、このＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層を加熱して溶融することを特徴とするＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層の製造方法。
【請求項５】
表面にＡｕ膜が形成された前記基材を準備し、このＡｕ膜の上に、前記Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを配設し、前記Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを構成するＡｕ−Ｓｎ合金の固相線温度＋３０℃以上液相線温度以下の温度に加熱して溶融することを特徴とする請求項４に記載のＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層の製造方法。
【請求項６】
請求項４又は請求項５に記載のＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層の製造方法により得られたことを特徴とするＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば基材と被接合体とを接合する際に用いられるＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト、このＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いたＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層の製造方法、及び、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層に関するものである
【背景技術】
【０００２】
一般に、ＬＥＤ装置等の半導体装置においては、回路基板（基材）と半導体素子（被接合体）とを接合する際に各種はんだペーストが用いられている。
上述の半導体装置等に用いられるはんだペーストとして、例えば、特許文献１には、Ｓｎを９０質量％含有するＡｕ−９０質量％Ｓｎ合金はんだが開示されている。また、特許文献２には、Ｓｎを２０質量％含有するＡｕ−２０質量％Ｓｎ合金はんだが開示されている。
【０００３】
特許文献１に記載されたＡｕ−９０質量％Ｓｎ合金はんだにおいては、図１に示すＡｕ−Ｓｎ二元状態図によれば、融点（共晶温度）が２１７℃と低いため、使用時の発熱や使用環境の温度上昇等によって、形成されたはんだ層が溶融してしまうおそれがあった。すなわち、十分な耐熱性を有するはんだ層を得ることができなかった。
また、特許文献２に記載されたＡｕ−２０質量％Ｓｎ合金はんだにおいては、図１に示すＡｕ−Ｓｎ二元状態図によれば、融点（共晶温度）が２７８℃とされていることからＡｕ−９０質量％Ｓｎ合金はんだよりも耐熱性に優れているものの、高価なＡｕの含有量が多いため、製造コストが大幅に上昇してしまうといった問題があった。
【０００４】
そこで、特許文献３においては、Ａｕ−２０質量％Ｓｎ合金はんだ粉末とＡｕ−９０質量％Ｓｎはんだ合金粉末とを混合し、ＡｕとＳｎとの合計１００質量部に対して、Ｓｎを５５〜７０質量部含むＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストが開示されている。
このＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストにおいては、はんだ接合時において、まず共晶温度が低いＡｕ−９０質量％Ｓｎはんだ合金粉末が溶融して被接合体である半導体素子や回路基板を濡らし、その後、溶融したＡｕ−９０質量％Ｓｎはんだ合金とＡｕ―２０質量％Ｓｎはんだ合金とが拡散することにより、これらが混合した組成のＡｕ−Ｓｎはんだ合金層が形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１３７０１７号公報
【特許文献２】特開２００６−００７２８８号公報
【特許文献３】特開２０１１−１６７７６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献３に記載されたＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストにおいては、Ａｕ−２０質量％Ｓｎ合金はんだ粉末とＡｕ−９０質量％Ｓｎはんだ合金粉末を混合し、溶融したＡｕ−９０質量％Ｓｎはんだ合金とＡｕ―２０質量％Ｓｎはんだ合金とを拡散させているため、溶融後に形成されるＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層の組成にばらつきが生じる可能性が高いことがわかった。
また、２種の合金組成の粉末を製造する工程、つまり、アトマイズ工程及び分級工程が必要で、その後、粉末同士を混合する工程も必要であるため、スループットも悪いという課題も有していた。
ここで、特許文献３に記載された組成のＡｕ−Ｓｎ合金粉末を用いて、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを製造することが考えられる。
【０００７】
しかしながら、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末においては、Ｓｎ含有量が多くなると、粉末同士が凝集しやくすくなり、分級後のＡｕ−Ｓｎ合金粉末の歩留りが低下してしまうといった問題が生じることが明確になった。また、凝集したＡｕ−Ｓｎ合金粉末が存在する状態でペースト化した場合には、凝集したＡｕ−Ｓｎ合金粉末がフラックスと十分に接触することができず、溶融不良や印刷不良が発生するおそれがあった。これは、Ｓｎ含有量が多いＡｕ−Ｓｎ合金粉末においては、金属表面が酸化されていないと、表面の活性が非常に高く不安定な状態となり、粉末同士が凝集することで安定な状態になろうとするためであると推測される。
【０００８】
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、溶融性に優れ、かつ、比較的低温条件での接合でも十分な耐熱性を有するはんだ層を形成可能なＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト、このＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いたＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層の製造方法、及びＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストは、Ｓｎを６１質量％以上７０質量％以下の範囲で含み、残部がＡｕ及び不可避不純物よりなるＡｕ−Ｓｎ合金粉末と、フラックスとを含み、前記Ａｕ−Ｓｎ合金粉末における酸素濃度が、５０質量ｐｐｍ以上１８００質量ｐｐｍ以下の範囲内とされていることを特徴としている。
【００１０】
本発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストによれば、Ｓｎを６１質量％以上７０質量％以下の範囲で含み、残部がＡｕ及び不可避不純物よりなる組成のＡｕ−Ｓｎ合金粉末を有しているので、図１に示すＡｕ−Ｓｎ二元状態図によれば、このＡｕ−Ｓｎ合金粉末の固相線温度が２５２℃となる。このため、比較的低温度条件でも接合を行うことが可能となる。また、液相線温度が３００℃程度となることから、形成されたはんだ合金層の耐熱性を確保することができる。
【００１１】
さらに、本発明においては、前記Ａｕ−Ｓｎ合金粉末における酸素濃度が５０質量ｐｐｍ以上とされているので、前記Ａｕ−Ｓｎ合金粉末の表面に酸化膜が形成され、前記Ａｕ−Ｓｎ合金粉末の凝集を抑制することが可能となる。これにより、分級後のＡｕ−Ｓｎ合金粉末の歩留りを向上させることができる。また、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストの溶融不良や印刷不良の発生を抑制することが可能となる。
さらに、本発明においては、前記Ａｕ−Ｓｎ合金粉末における酸素濃度を、１８００質量ｐｐｍ以下に制限していることから、フラックスと混合した場合に溶融性に悪影響はない。
【００１２】
ここで、本発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストにおいては、前記Ａｕ−Ｓｎ合金粉末の平均粒径が１μｍ以上２５μｍ以下の範囲内とされていることが好ましい。
この場合、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末の平均粒径が１μｍ以上２５μｍ以下の範囲内とされているので、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを、印刷機を用いて微小な領域に印刷不良を生じることなく印刷でき、また、溶融処理する際には、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末を確実に溶融させることができるため、溶融不良の発生を抑制することができる。
【００１３】
また、本発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストにおいては、前記フラックスの含有量が、ペースト全体の５質量％以上４０質量％以下の範囲内であることが好ましい。
この場合、前記フラックスの含有量が、ペースト全体の５質量％以上４０質量％以下の範囲内とされているので、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストの印刷性が良好になるとともに、溶融処理時におけるＡｕ−Ｓｎ合金粉末の凝集不足を抑制することが可能となる。
【００１４】
本発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層の製造方法は、基材の表面に、上述のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを配設し、このＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを加熱して溶融することを特徴としている。
この構成のＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層の製造方法によれば、上述のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを加熱して溶融しているので、液相線温度が３００℃程度となり、耐熱性に優れたＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層を得ることができる。
【００１５】
ここで、本発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層の製造方法においては、表面にＡｕ膜が形成された前記基材を準備し、このＡｕ膜の上に、前記Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを配設し、前記Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを構成するＡｕ−Ｓｎ合金の固相線温度＋３０℃以上液相線温度以下の温度に加熱して溶融するが好ましい。
【００１６】
上述のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを、前記Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを構成するＡｕ−Ｓｎ合金の固相線温度＋３０℃以上液相線温度以下の温度に加熱すると、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストの一部が溶融してシャーベット状となって液相のＡｕ−Ｓｎが濡れ広がって薄膜相が形成されるとともに、この薄膜相の中央部には、液相として濡れ広がった残りの組成域の厚膜相が形成されていることが判明した。この濡れ広がった薄膜相はＳｎを主成分としたＳｎ−Ａｕ相であることが分かった。また、中央部の厚膜相は、液相のＳｎ−Ａｕ相よりも相対的にＡｕの含有量が高くなった高Ａｕ含有相が形成されていることが判明した。つまり、形成されたＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層の中央部は、更なる高温化していることがわかる。
また、濡れ広がったＳｎ−Ａｕ相（薄膜相）は基材の表面に形成されたＡｕ膜と反応することで固相線温度及び液相線温度が上昇し、加熱温度で保持した状態で凝固する。よって、凝固後に形成されるＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層は、固相線温度及び液相線温度が上昇しており、耐熱性に特に優れることになる。
【００１７】
ここで、接合時の実使用温度では、通常、はんだの溶融終了温度（液相線温度、共晶合金においては共晶温度）に対しプラス３０度から５０度の温度でリフローされるため、特許文献２に記載されたＡｕ−２０質量％Ｓｎ合金はんだにおいては、融点（共晶温度）が２７８℃とされていることから、実温度として３０８℃から３２８℃でリフローされ、被搭載物、例えばＬＥＤ素子の種類によっては耐熱限界温度に近い温度でリフローされることになり、被搭載物に熱的に損傷を与えるリスクがあった。
これに対して、本発明においては、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末の固相線温度が２５２℃とされ、液相線温度は３００℃程度となる。特許文献１、２、３では全て共晶合金粉末ペーストを用いているが、本発明では共晶合金ではなく、固相線温度と液相線温度が５０℃ほど差異がある合金を用いており、また、種々評価の結果、通常の実装リフロー温度のＭＡＸ温度として設定する溶融終了温度（液相線温度）＋３０〜５０℃を用いずとも溶融開始温度である固相線温度＋３０〜５０℃、つまり、固相線温度２５２℃＋３０℃である２８２℃から＋５０℃である３０２℃で十分溶融し、接合できることが明確になった。つまり、特許文献２のＡｕ―２０質量％Ｓｎはんだ合金を用いる場合と比較して、被搭載物の熱的ダメージを低減することができる。
【００１８】
本発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層は、上述のＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層の製造方法により得られたことを特徴としている。
リフロー後、一旦形成されたこの構成のＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層は、固相線温度及び液相線温度が比較的高く、耐熱性に優れている。よって、高温となる使用状況下においても良好に使用することが可能となる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、溶融性に優れ、かつ、比較的低温条件での接合でも十分な耐熱性を有するはんだ層を形成可能なＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト、このＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いたＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層の製造方法、及びＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】Ａｕ−Ｓｎ二元状態図である。
【図２】本実施形態であるＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層の製造方法の説明図である。
【図３】本発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層の観察写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、本発明の一実施形態であるＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２０、および、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層３０の製造方法、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層３０について説明する。
本実施形態であるＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２０は、例えばＬＥＤ素子（被接合材）と回路基板（基材）と接合する際に用いられるものである。
【００２２】
本実施形態であるＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２０は、Ｓｎを６１質量％以上７０質量％以下の範囲で含み、残部がＡｕ及び不可避不純物よりなるＡｕ−Ｓｎ合金粉末と、フラックスと、を含み、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末における酸素濃度が、５０質量ｐｐｍ以上１８００質量ｐｐｍ以下の範囲内とされている。
【００２３】
また、本実施形態では、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末の平均粒径が１μｍ以上２５μｍ以下の範囲内とされている。
さらに、本実施形態においては、フラックスの含有量が、ペースト全体の５質量％以上４０質量％以下の範囲内とされている。
以下に、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末の組成、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末における酸素濃度、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末の平均粒径、フラックスの含有量を、上述のように規定した理由について説明する。
【００２４】
（Ａｕ−Ｓｎ合金粉末の組成）
Ａｕ−Ｓｎ合金粉末におけるＳｎ含有量が６１質量％未満の場合には、図１のＡｕ−Ｓｎ二元状態図によれば固相線温度が３０９℃のδ相が生じることになり、低温での溶融が困難となり、被搭載物の熱的損傷が懸念される。一方、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末におけるＳｎ含有量が７０質量％を超えると、固相線温度が２１７℃まで低下してしまい、形成されたＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層３０の耐熱性を確保できなくなるおそれがある。
以上のことから、本実施形態では、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末におけるＳｎ含有量を、６１質量％以上７０質量％以下の範囲内に設定している。
【００２５】
（Ａｕ−Ｓｎ合金粉末の酸素濃度）
Ａｕ−Ｓｎ合金粉末においては、Ｓｎ含有量が高くなると、粉末同士が凝集しやくなる。これは、金属表面が酸化されていない状態では、表面の活性が非常に高く不安定な状態となるため、粉末同士が凝集することで安定な状態になろうとすることに起因するものと推測される。
ここで、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末における酸素濃度が５０質量ｐｐｍ未満の場合には、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末の表面に酸化膜を形成することができず、粉末の凝集を抑制することができないおそれがある。一方、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末における酸素濃度が１８００質量ｐｐｍを超えた場合には、溶融性が阻害されるおそれがある。
以上のことから、本実施形態では、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末における酸素濃度を、５０質量ｐｐｍ以上１８００質量ｐｐｍ以下の範囲内に設定している。
【００２６】
（Ａｕ−Ｓｎ合金粉末の平均粒径）
Ａｕ−Ｓｎ合金粉末の平均粒径が１μｍ未満の場合には、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２０を加熱した際に溶融不良が発生するおそれがある。一方、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末の平均粒径が２５μｍを超える場合には、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２０の印刷性が低下するとともに、フラックスとＡｕ−Ｓｎ合金粉末とが分離して溶融不良が発生するおそれがある。
以上のことから、本実施形態では、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末の平均粒径を、１μｍ以上２５μｍ以下の範囲内に設定している。
【００２７】
（フラックスの含有量）
Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２０において、フラックスの含有量がペースト全体の５質量％未満の場合には、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２０の粘度が高くなりすぎて、印刷性が大きく低下するおそれがある。一方、フラックスの含有量がペースト全体の４０質量％を超える場合には、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２０を印刷する際に印刷ダレが発生しやすくなるとともに、溶融時にＡｕ−Ｓｎ合金粉末の凝集不足が発生するおそれがある。
以上のことから、本実施形態では、フラックスの含有量を、ペースト全体の５質量％以上４０質量％以下の範囲内に設定している。
ここで、フラックスとしては、例えば、一般的なフラックス（例えば、ロジン、活性剤、溶剤、増粘剤等を含むフラックス）を用いることができる。また、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２０の濡れ性の観点から、例えば、弱活性（ＲＭＡ）タイプのフラックスや活性（ＲＡ）タイプのフラックス等を用いることが好ましい。
【００２８】
次に、本実施形態であるＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２０の製造方法について簡単に説明する。
始めに、Ｓｎを６１質量％以上７０質量％以下の範囲で含み、残部がＡｕ及び不可避不純物よりなるＡｕ−Ｓｎ合金粉末を準備する。
【００２９】
上述の組成となるように溶融原料を秤量して溶解することにより、Ａｕ−Ｓｎ合金溶湯を得る。このＡｕ−Ｓｎ合金溶湯を所定温度（例えば、７００〜８００℃）に保持して機械撹拌する。
機械撹拌としては、例えば、プロペラ撹拌が好ましい。また、機械撹拌と電磁撹拌のような電気的撹拌を併用してもよい。機械撹拌としてプロペラ撹拌を用いる場合、プロペラの回転速度は、例えば、６０〜１００ｒｐｍとすることができる。この場合の撹拌時間は、例えば、３〜１０分の範囲内とすることができる。
【００３０】
次に、Ａｕ−Ｓｎ合金溶湯を用いてガスアトマイズ法により、上述のＡｕ−Ｓｎ合金粉末を製造する。具体的には、上述のＡｕ−Ｓｎ合金溶湯を加圧（例えば、３００〜８００ｋＰａ）しながら、小径ノズル（口径１〜２ｍｍ）から導出し、このＡｕ−Ｓｎ合金溶湯にアトマイズガスを噴霧することで形成される。
噴霧の条件としては、例えば、噴霧圧力を５０００〜８０００ｋＰａ、ノズルギャップを０．３ｍｍ以下とすることができる。
【００３１】
また、本実施形態においては、上述のアトマイズガスとして不活性ガスと酸素とを含有した混合ガスを用いることにより、製造されるＡｕ−Ｓｎ合金粉末中の酸素濃度を制御している。すなわち、本実施形態では、製造されるＡｕ−Ｓｎ合金粉末の酸素濃度が５０質量ｐｐｍ以上１８００質量ｐｐｍ以下の範囲内となるように、アトマイズガス中の酸素濃度を調整しているのである。
なお、同じ酸素濃度のガスを用いた場合、粒径の大きい粉末を作製すると、粉末の比表面積が小さいため、必然的に粉末中の酸素濃度は低くなる。一方で、粒径の小さい粉末を作製した場合は、比表面積が大きくなるため、酸素濃度は高くなる。このため、目標とする粉末の粒径と酸素濃度に応じて、ガス中の酸素濃度を調整する必要がある。
【００３２】
そして、上述のガスアトマイズ法によって得られたＡｕ−Ｓｎ合金粉末を分級することにより、平均粒径が１μｍ以上２５μｍ以下の範囲内とされたＡｕ−Ｓｎ合金粉末が製造される。
【００３３】
次に、このＡｕ−Ｓｎ合金粉末と、フラックスと、を所定の混合比で混合することにより、本実施形態であるＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２０が製造される。なお、このときの混合方法としては、遊星撹拌法や機械撹拌法を適用することができる。
【００３４】
次に、本実施形態に係るＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層３０の製造方法、及び、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層３０について説明する。
本実施形態であるＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層３０は、図２に示すように、Ａｕ膜１２を形成した基材１１の上に、本実施形態であるＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２０を印刷し、このＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２０を構成するＡｕ−Ｓｎ合金の固相線温度＋３０℃以上液相線温度以下の温度に加熱して溶融することによって製造される。
なお、Ａｕ膜１２としては、膜厚を０．０１μｍ以上０．１μｍ以下の範囲内とすることが好ましい。また、Ａｕ膜１２は、めっき等によって成膜することができる。
【００３５】
ここで、Ａｕ膜１２上に印刷されたＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２０においては、Ｓｎを６１質量％以上７０質量％以下の範囲で含み、残部がＡｕ及び不可避不純物よりなるＡｕ−Ｓｎ合金粉末を含有していることから、図１に示すＡｕ−Ｓｎ二元状態図によれば、固相線温度が２５２℃となり、液相線温度が３００℃程度となる。本実施形態では、接合時のリフローにおけるＭＡＸ温度が、この固相線温度以上液相線温度以下、好ましくは固相線温度＋３０℃以上液相線温度以下の範囲内とされる。
【００３６】
上述の温度に加熱されると、印刷されたＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２０の一部が溶融し、シャーベット状となって液相のＡｕ−Ｓｎが濡れ広がる。これにより、図２に示すように、Ｓｎを主成分とする薄膜相３１と、液相のＡｕ−Ｓｎ成分が抜けることによってＡｕの含有量が高くなった厚膜相３２と、が形成される。
そして、濡れ広がって形成されたＳｎを主成分とする薄膜相３１においては、基材１１の表面に形成されたＡｕ膜１２と反応することで固相線温度及び液相線温度が上昇し、加熱温度で保持した状態で凝固する。また、液相のＡｕ−Ｓｎ成分が抜けることによって相対的にＡｕの含有量が高くなった厚膜相３２も固相線温度及び液相線温度が上昇することになる。
なお、Ａｕ膜１２は、印刷されたＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２０の面積よりも大きくされており、液相のＡｕ−Ｓｎが濡れ広がって形成された薄膜相３１がＡｕ膜１２と十分に反応するように構成されている。
【００３７】
上述のようにして、中心部にＡｕの含有量が高くなった厚膜相３２が形成され、その周囲にＳｎを主成分とする薄膜相３１が形成された構造のＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層３０が形成される。
ここで、図２に示すＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層３０においては、厚膜相３２及び薄膜相３１の固相線温度及び液相線温度が上昇していることから、耐熱性が大きく向上することになる。
【００３８】
以上のような構成とされた本実施形態であるＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストによれば、Ｓｎを６１質量％以上７０質量％以下の範囲で含み、残部がＡｕ及び不可避不純物よりなる組成のＡｕ−Ｓｎ合金粉末を有しているので、図１のＡｕ−Ｓｎ二元状態図によれば、固相線温度が２５２℃となり、比較的低温度条件でも接合を行うことが可能となる。また、図１のＡｕ−Ｓｎ二元状態図によれば、液相線温度が約３００℃程度となることから、形成されたはんだ合金層の耐熱性を確保することができる。
【００３９】
また、本実施形態においては、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末における酸素濃度が５０質量ｐｐｍ以上とされているので、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末の表面に酸化膜が形成され、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末の凝集を抑制することが可能となる。これにより、分級後のＡｕ−Ｓｎ合金粉末の歩留りを向上させることができる。また、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストの溶融不良や印刷不良の発生を抑制することができる。
さらに、本実施形態においては、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末における酸素濃度を、１８００質量ｐｐｍ以下に制限していることから、フラックスと混合した場合に溶融性に悪影響はない。
【００４０】
また、本実施形態では、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末の平均粒径が１μｍ以上２５μｍ以下の範囲内とされているので、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを印刷後に溶融処理する際に、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末を確実に溶融することができるとともに、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストの印刷不良や溶融不良の発生を抑制することができる。
さらに、本実施形態では、フラックスの含有量が、ペースト全体の５質量％以上４０質量％以下の範囲内とされているので、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストの印刷性が良好になるとともに、溶融処理時におけるＡｕ−Ｓｎ合金粉末の凝集不足を抑制することが可能となる。
【００４１】
さらに、本実施形態であるＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層の製造方法においては、Ａｕ膜１２を形成した基材１１の上に、本実施形態であるＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２０を印刷し、このＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト２０を構成するＡｕ−Ｓｎ合金の固相線温度以上液相線温度以下の温度で加熱しているので、濡れ広がった薄膜相３１がＡｕ膜１２と反応して固相線温度及び液相線温度が上昇するとともに、厚膜相３２においても固相線温度及び液相線温度が上昇することから、耐熱性に優れたＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層３０を形成することが可能となる。
【００４２】
また、本実施形態では、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末を製造する際に用いられるアトマイズガスとして不活性ガスと酸素とを含有した混合ガスを用いており、このアトマイズガス中の酸素含有量を調整しているので、製造されるＡｕ−Ｓｎ合金粉末中の酸素濃度を５０質量ｐｐｍ以上１８００質量ｐｐｍ以下の範囲内となるように制御することが可能となる。
【００４３】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、本実施形態では、ＬＥＤ素子等の半導体素子と回路基板とを接合する際に用いるものとして説明したが、これに限定されることはなく、他の部材を接合する際に使用してもよい。
【００４４】
また、本実施形態では、Ａｕ膜が形成された基材上に印刷されたＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを構成するＡｕ−Ｓｎ合金の固相線温度以上液相線温度以下の温度で加熱するものとして説明したが、これに限定されることはなく、基材上に上述のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを印刷し、通常の液相線温度を超えるリフロー時のＭＡＸ温度（例えば、液相線温度＋３０〜５０℃）に加熱してＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層を形成してもよい。種々ある被搭載物の中でも耐熱性の観点で熱的損傷が懸念されるものについては、固相線温度以上液相線温度以下のリフローＭＡＸ温度を適用でき、耐熱性が高い被搭載物の接合時には、通常のリフローＭＡＸ温度である液相線温度＋３０〜５０℃を適用できる。
【００４５】
さらに、本実施形態では、基材の上にＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを印刷法によって配設するものとして説明したが、これに限定されることはなく、ディスペンス法やピン転写法等によってＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを配設してもよい。
また、本実施形態では、Ａｕ膜をめっきによって形成するものとして説明したが、これに限定されることはなく、蒸着等の他の手段によってＡｕ膜を成膜してもよい。
【実施例】
【００４６】
以下に、本発明の有効性を確認するために行った確認実験の結果について説明する。
【００４７】
表１に示す組成のＡｕ−Ｓｎ合金粉末を、上述の実施形態で記載した方法によって製造した。
具体的には、表１に示す組成となるように溶解原料を秤量し、溶解することでＡｕ−Ｓｎ合金溶湯を形成し、このＡｕ−Ｓｎ合金を７００℃に加熱してプロペラ撹拌によって撹拌した。このＡｕ−Ｓｎ合金溶湯を５００ｋＰａで加圧しながら、噴射圧力が６０００ｋＰａの条件で、口径１．５ｍｍの小径ノズルから導出するとともに、導出されたＡｕ−Ｓｎ合金溶湯に対して、アトマイズガス（Ａｒ＋Ｏ２）を噴射することで、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末を作製した。
【００４８】
このとき、アトマイズガス中の酸素含有量を調整することで、表１に示すように、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末の酸素濃度を制御した。なお、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末の酸素濃度は、不活性ガス溶融−赤外線吸収法によって測定した。
また、得られたＡｕ−Ｓｎ合金粉末を風力分級することにより、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末の平均粒径を表１に示すように調整した。なお、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末の粒径は、レーザ回折法によって測定した。
【００４９】
ここで、得られたＡｕ−Ｓｎ合金粉末の固相線温度及び液相線温度を、示差走査熱量測定（ＤＳＣ）によって測定した結果を表１に示す。
得られたＡｕ−Ｓｎ合金粉末と、フラックス（ＲＡタイプ）をフラックス比率１０重量％で、遊星撹拌法によって混合することにより、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを作製した。
【００５０】
Ｃｕからなる２ｍｍ角の基材の上に、めっき法によってＮｉ膜を形成し、さらにその上にＡｕ膜を成膜した。このとき、Ａｕ膜の厚さを０．０５μｍとした。
このＡｕ膜の上に、上述のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを厚み２０μｍ、６００μｍ径に印刷するとともに１ｍｍ角のＬＥＤ素子を積層し、表１に示す温度に加熱して溶融することで、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層を形成するとともにＬＥＤ素子を接合した。
【００５１】
上述のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト、及び、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層について、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末の凝集の有無、リフロー後の溶融性、ＬＥＤ素子の熱損傷性の懸念の有無、ＬＥＤ素子の接合部温度の耐熱性について評価した。
Ａｕ−Ｓｎ合金粉末の凝集については、ペースト化時のダマの有無を目視で確認した。
リフロー後の溶融性は、実体顕微鏡（２０倍）で観察し、粉末の溶け残りが生じたものは「不良」、生じなかったものは「合格」とした。
ＬＥＤ素子の熱損傷性については、実リフロー温度として３３０℃以上必要なものは熱損傷の生じる可能性が高いため「×」とし、３００℃を超え３３０℃未満のものは、「△」とし、３００℃以下のものは「○」とした。
ＬＥＤ素子の接合部温度の耐熱性については、ＬＥＤ素子を接合後、再度、ＭＡＸ温度３００℃でリフローした際の再溶融の有無をリフローシミュレーター(マルコム製ビデオ観察システム)にて観察した。
評価結果を表２に示す。
【００５２】
【表１】
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【００５３】
【表２】
2016093821.tif 000003
【００５４】
比較例１においては、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末におけるＳｎ含有量が５８質量％と本発明の範囲よりも少なくなっている。ＤＳＣを用いた固相線温度の測定で３１０℃と高くなっており、接合温度を３４０℃以上とする必要があった。ＬＥＤ素子が熱的損傷を受ける懸念がある。
比較例２においては、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末におけるＳｎ含有量が７３質量％と本発明の範囲よりも多くなっている。ＤＳＣを用いた固相線温度の測定で２１８℃と低くなっており、リフローにおけるＭＡＸ温度は固相線温度＋３０℃の２４８℃で実施したが、ＬＥＤ素子の接合部温度の耐熱性評価において、３００℃のリフローで再溶融してしまい、形成されたＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層の耐熱性が不足していると判断した。
【００５５】
比較例３、比較例４においては、加熱時のＭＡＸ温度を固相線温度＋９℃、＋２４℃で、固相線温度＋３０℃以上の本発明の範囲よりも低くなっているので、リフロー後の粉末溶け残りが発生し、溶融性不良が発生している。
【００５６】
比較例５においては、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末の酸素濃度が３０質量ｐｐｍと本発明の範囲よりも少なくなっているので、ペースト化した際にダマの発生が確認でき、粉末同士の凝集を抑制することができなかった。このため、リフロー後の粉末溶け残りが発生し、溶融性不良が発生している。
比較例６においては、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末の酸素濃度が２２００質量ｐｐｍと本発明の範囲よりも多くなっているので、リフロー後の粉末溶け残りが発生し、溶融性不良が発生している。
【００５７】
これに対して、本発明例のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト及びＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層においては、粉末同士の凝集が抑制され、リフロー後の溶融性に優れており、ＬＥＤ素子の熱損傷性の懸念もなく、ＬＥＤ素子の接合部温度の耐熱性を有しており、ＬＥＤ素子を確実に接合することができた。
また、Ａｕ膜上に印刷したＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを、固相線温度以上液相線温度以下の温度で加熱した本発明例１〜７においては、形成されたＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層において液相線温度が上昇しており、３００℃においても溶融が認められず、高い耐熱性を有していることが確認された。また、本発明例２と同じ材料、同じ手順で、ペーストの印刷径のみを変更して形成したＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層の観察写真を図３に示す。濡れ広がったＳｎを主成分とする薄膜相３１と、この中央部に形成された相対的にＡｕの含有量の高い厚膜相３２と、を有するＡｕ−Ｓｎ合金はんだ層３０が形成されていることが確認された。
【００５８】
以上の確認実験の結果から、本発明例によれば、溶融性に優れ、かつ、比較的低温条件での接合でも十分な耐熱性を有するはんだ層を形成可能なＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト、及び、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層を提供可能であることが確認された。
【符号の説明】
【００５９】
２０  Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト
３０  Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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