(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｎ：１５〜２５質量％を含有し、残り：Ａｕおよび不可避不純物からなる成分組成並びに平均粒径：５μｍ以下でかつ最大粒径：１０μｍ以下の粒度分布を有するＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末とＲＡフラックスとからなるＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストであって、前記Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストの粘度が５０超え〜１２０Ｐａ・ｓの範囲内にあることを特徴とするディスペンス塗布用Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ディスペンス工法により塗布するためのＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストに関するものであり、特に、内径：１００μｍ以下のニードルからのディスペンスが可能なＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ＬＤ（レーザーダイオード）素子、ＧａＡｓ光素子、ＧａＡｓ高周波素子、ＬＥＤ（発光ダイオード）素子などの半導体素子と基板との接合、微細かつ高気密性が要求されるＳＡＷフィルター、水晶発振子などのパッケージ封止などにＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストが使用されており、特に熱がこもると破損したり特性が著しく低下するＬＥＤ（発光ダイオード）素子と基板との接合には電気伝導性および熱伝導性に優れているＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストが多く使用されている。
このＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを用いて半導体素子を基板に接合するには印刷法、ディスペンス塗布法を使用してＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを基板に付着させ、基板に付着したＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストの上に半導体素子を載せ、この状態でリフロー処理することにより接合している。
【０００３】
前記Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストはＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末にフラックスを添加し撹拌混合して作製する。そして、通常使用されているＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末はＳｎ：１５〜２５質量％を含有し、残部がＡｕおよび不可避不純物からなる成分組成を有することが知られており、このＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末はガスアトマイズにより製造されることおよびその平均粒径は５〜１６μｍの範囲内にあることが知られている（非特許文献１参照）。
また、前記フラックスにはロジンがベースとなっているロジン系フラックスが使用され、このロジン系フラックスには、Ｒ（溶媒と純粋なロジンだけのロジンフラックス）、ＲＭＡ（温和な活性があるロジン系フラックス）、ＲＡ（活性化ロジンフラックス）の三つに分類されて表示されて市販されており、この分類はアメリカ連邦規格に由来するとされている（非特許文献２、３参照）。
そして、前記非特許文献１にはＲＭＡフラックスまたはノンハロゲンフラックス：５〜１０質量％、残部：Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末となるように配合したＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストは粘度：５０〜２５０Ｐａ・ｓを有することが記載されている。
【非特許文献１】第１０回エレクトロニクスにおけるマイクロ接合・実装技術シンポジウム論文集、Ｖｏｌ．１０．２００４、Ｐ９５〜１００（財団法人  溶接学会、２００４年２月５日発行）
【非特許文献２】竹本正、佐藤良著「高信頼度マイクロソルダリング技術」（１９９１年１月１１日（株）工業調査会発行、Ｐ１３２〜１３３）
【非特許文献３】竹本正、内藤伸一監訳「ソルダリング  イン  エレコトロニクス」（昭和６１年８月３０日  日刊工業新聞社発行、Ｐ１５０〜１５１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、ＧａＡｓ光素子、ＧａＡｓ高周波素子、ＬＥＤ素子などがますます小型化し、この小型化した半導体素子の接合には一般にＡｇエポキシ樹脂ペーストが使用されており、このＡｇエポキシ樹脂ペーストの塗布にはディスペンス塗布法やピン転写法が主に採用されている。前記ディスペンス塗布法は、一端に注射針のようなパイプ状ニードルを設けた筒状のシリンジ容器にＡｇエポキシ樹脂ペーストを充填しておき、筒状のシリンジ容器の他端からＡｇエポキシ樹脂ペーストを押圧して前記パイプ状ニードルからＡｇエポキシ樹脂ペーストを押出してＡｇエポキシ樹脂ペーストを基板に塗布する方法である。この基板にディスペンス塗布されたＡｇエポキシ樹脂ペーストの上にＧａＡｓ光素子、ＧａＡｓ高周波素子、ＬＥＤ素子などの小型の半導体素子を載せてリフロー処理することにより基板と前記ＧａＡｓ光素子、ＧａＡｓ高周波素子、ＬＥＤ素子などの小型の半導体素子を接合する。
一定の大きさを有する半導体素子を基板に接合するには常に一定量のＡｇエポキシ樹脂ペーストを基板にディスペンス塗布する必要がある。その理由は基板に付着するＡｇエポキシ樹脂ペーストの量が少なすぎると半導体素子の基板に対する接合強度が不足し、一方、基板に付着するＡｇエポキシ樹脂ペーストの量が多すぎるとコスト上昇の原因となるので好ましくないからである。
ＧａＡｓ光素子、ＧａＡｓ高周波素子、ＬＥＤ素子などがますます小型化するにつれて従来のＡｇエポキシ樹脂ペーストにより形成されたＡｇ接合部では熱伝導性が十分でない。そこで、一層熱伝導性に優れた前記従来のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストをディスペンス塗布しようと試みた。
しかし、基板の接合部や素子のサイズが益々微小化し、ディスペンス時に用いるニードルの内径も１００μｍ以下のものが用いられるようなり、従来のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを基板に目標とする一定量のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストをディスペンス塗布しようとすると、使用するＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末の粒径が大きすぎるためディスペンス塗布量に大きなバラツキが生じたり、空打ちが生じたりすることがあった。
さらに、粒径が５μｍアンダーの微細粉末をＲＭＡやノンハロゲンフラックスを用いてペースト化したＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストも知られているが、これらペーストはリフロー時にディスペンス塗布されたペーストに含まれるＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末が溶融・凝集しないものもあった。
また、従来のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストをシリンジに充填して予め冷蔵庫などに保管しておき、使用時に冷蔵庫から取り出してディスペンス塗布する作業が行われるが、従来のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを長期間保管すると、保管中にＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末がフラックスと分離してペースト内部のＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末の濃度分布に差が生じ、この分離したペーストをディスペンス塗布すると、ペーストのディスペンス塗布量にバラツキが生じるという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、ディスペンス塗布法、特に内径：１００μｍ以下のニードルからのディスペンスが可能でかつディスペンス塗布量のバラツキが少ないＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを得るべく研究を行った。その結果、
（イ）フラックスとしてＲＭＡフラックス、Ｒフラックス、ノンハロゲンフラックスを使用したペーストは、リフロー加熱するとＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末は溶融するが、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末の表面に形成されている酸化膜が除去されていないので凝集しないことがあるが、ＲＡフラックスを使用すると、ディスペンス塗布されたペーストに含まれるＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末は溶融・凝集しないことは無い。
（ロ）ＲＡフラックスとＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末からなるＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストに含まれる前記Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末の粒径が微細になるほど保存中にＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末がフラックスと分離することが無くなり、前記Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末は平均粒径Ｄ５０：５μｍ以下、最大粒径：１０μｍ以下の微細なＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末であることが好ましい、
（ハ）前記Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストをディスペンス塗布する際に生じる空打ちはＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストの粘度が大きく影響を及ぼし、粘度が１２０Ｐａ・ｓを超えると空打ちが極端に多くなるが、一方、粘度が小さいとＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストに含まれるＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末が分離しやすくなるので好ましくなく、その下限は５０Ｐａ・ｓ越えとすることが好ましい、
などの研究結果が得られたのである。
【０００６】
この発明は、かかる研究結果に基づいてなされたものであって、
Ｓｎ：１５〜２５質量％を含有し、残り：Ａｕおよび不可避不純物からなる成分組成並びに平均粒径：５μｍ以下でかつ最大粒径：１０μｍ以下の粒度分布を有するＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末とＲＡフラックスとからなるＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストであって、前記Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストの粘度が５０越え〜１２０Ｐａ・ｓの範囲内にあるディスペンス塗布用Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト、に特徴を有するものである。
【０００７】
この発明のディスペンス塗布用Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストは、まず、Ｓｎ：１５〜２５質量％を含有し、残りがＡｕおよび不可避不純物からなる成分組成を有するＡｕ−Ｓｎ合金を溶解し、得られた溶湯を不活性ガスを噴射してガスアトマイズすることによりＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末を製造し、このＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末を分級して粒度調整し、平均粒径Ｄ５０：５μｍ以下、最大粒径：１０μｍ以下の微細なＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末を製造し、このようにして得られたＡｕ−Ｓｎ合金粉末を粘度：５０〜１２０Ｐａ・ｓの範囲内にあるようにＲＡフラックスと混合して作製する。
【０００８】
次に、この発明のディスペンス塗布用Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストに含まれるＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末の成分組成は一般にＡｕ−Ｓｎ合金はんだとして知られている範囲であるのでその成分組成の限定理由の説明は省略する。
この発明のディスペンス塗布用Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストに含まれるＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末の粒度を平均粒径Ｄ５０：５μｍ以下、最大粒径：１０μｍ以下に限定したのは、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末の平均粒径Ｄ５０が５μｍを越え、最大粒径が１０μｍを越えると、内径：１００μｍ以下のニードルからの吐出性が悪くなると共にディスペンス塗布されるＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト量のバラツキが大きくなるので好ましくないからである。
【０００９】
また、平均粒径Ｄ５０：５μｍ以下でかつ最大粒径：１０μｍ以下の微細なＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末に市販のＲＡフラックスを混合して得られたＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストであっても、ペーストの粘度が５０Ｐａ・ｓ以下ではＲＡフラックスが多く含まれてシリンジからのペーストの吐出量にバラツキが生じて安定した塗布が困難になり、また吐出後、ペーストがだれていまい、塗布設定場所以外にまで流れてしまうので好ましくなく、さらにＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストに含まれるＲＡフラックスとＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末との分離が激しくなるので好ましくなく、一方、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストの粘度が１２０Ｐａ・ｓを超えるとディスペンス塗布用ペーストとしての流動性が悪くなり、吐出性が悪化してディスペンス塗布量のバラツキや塗布されない空打ちが多発するようになるので好ましくない。よって、この発明のディスペンス塗布用Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストの粘度は５０越え〜１２０Ｐａ・ｓの範囲内に定めた。
なお、この発明のディスペンス塗布用Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストに含まれるフラックスをＲＭＡ、Ｒ、ノンハロゲンフラックスではなく、ＲＡフラックスに限定しているのは、５μｍアンダーのＡｕ−Ｓｎ合金粉末はＲＭＡ、Ｒ、ノンハロゲンフラックスでは粉末表面の酸化膜を除去して溶融・凝集しないためである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストはディスペンス塗布に際して塗布されない空打ちが極めて少なくなり、さらにディスペンス塗布量のバラツキが少ないことから、従来のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストに比べて接合部の信頼性が優れており、製品の最終段階での不良品発生率も減少してコストを低減することができ、産業上優れた効果をもたらすものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施例１
高周波溶解炉により溶解して得られたＡｕ−Ｓｎ合金はんだ溶湯をガスアトマイズすることによりＳｎ：２０質量％を含有し残部がＡｕおよび不可避不純物からなる成分組成を有するＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末を作製し、このガスアトマイズして得られたＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末を分級装置を用いて分級し、分級して得られたＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末の粒度分布をマイクロトラック（日機装製ＭＴ３３００）を用いて測定し、表１に示される平均粒径Ｄ５０および最大粒径を有するＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末Ａ〜Ｉを作製した。
【００１２】
【表１】
0005003560.tif 000002
【００１３】
さらに、市販のＲＡフラックスを用意し、このＲＡフラックスに表１の平均粒径および最大粒径が異なるＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末Ａ〜ＩをＲＡフラックスと混練し、表２〜３に示される粘度を有する本発明Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト（以下、本発明ペーストという）１〜６、比較Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト（以下、比較ペーストという）１〜７および従来Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト（以下、従来ペーストという）１〜５を作製した。
【００１４】
これら本発明ペースト１〜６、比較ペースト１〜７および従来ペースト１〜５を用いて下記の試験を行い、その結果を表２〜３に示した。
塗布量バラツキ試験：
ディスペンサー装置（武蔵エンジニアリング製、型番：ＭＬ−６０６ＧＸ）および内径：１００μｍ、外径：２３０μｍを有するニードル（ＳＵＳ３０４の針および表面がＮｉメッキされた針元からなる武蔵エンジニアリング製のニードル）を用意し、このディスペンサー装置にニードルをセットし、表２に示される本発明ペースト１〜６、比較ペースト１〜７および従来ペースト１〜５をディスペンサー装置に充填した。
さらに、基板（縦：１５ｍｍ、横：１５ｍｍのＣｕ板に厚さ：３μｍのＮｉメッキしたのち厚さ：０．０５μｍのＡｕメッキをしたもの）を用意した。
先に用意したディスペンサー装置においてから本発明ペースト１〜６、比較ペースト１〜７および従来ペースト１〜５をそれぞれ１回の突き出し量が５ｎＬ（ナノリットル）となるようにセットし、１万個連続的に突き出して連続１万点連続塗布を行い、平均塗布量およびその標準偏差を測定し、標準偏差が±３ｎＬ以上を不合格とし、その結果を表２〜４に示した。なお、塗布量は、突き出されたペーストが円錐状のため、底面の面積および高さを三次元測定機（ニコン製、ＮＥＸＩＶ  ＶＭＲ−３０２０）を用いて測定し、その体積を算出して求めた。
さらに、連続１万点連続塗布の際に、ペーストが塗布されない空打ち点の測定を行い、空打ち点の数が２０点以上あるものを不合格とし、その結果を表２〜３に示した。
【００１５】
リフロー試験：
さらに、ホットプレートを２つ用意し、本発明ペースト１〜６、比較ペースト１〜７および従来ペースト１〜５を窒素雰囲気中、温度：１８０℃に加熱されたホットプレートの上に１２０秒間置いてペーストのフラックスを加熱することにより予備加熱し、その後、この予備加熱されたペーストを窒素雰囲気中、温度：３００℃に加熱された別のホットプレートの上に３０秒間置いて、ペーストに含まれるＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末の溶融・凝集の有無を観察し、溶融・凝集しないものも不合格としてその結果を表２〜３に示した。
【００１６】
保管による分離試験：
本発明ペースト１〜６、比較ペースト１〜７および従来ペースト１〜５をシリンジに充填した後、これを０〜１０℃に保持された冷蔵庫にて6ヶ月間保管し、フラックスと粉末の分離の有無を確認し、フラックスが１mm以上分離したものを分離ありとみなして不合格とし、その結果を表２~３に示した。
【００１７】
【表２】
0005003560.tif 000003
【００１８】
【表３】
0005003560.tif 000004
【００１９】
表１〜３に示される結果から、平均粒径：５μｍ以下、最大粒径：１０μｍ以下を有するＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末Ａ〜Ｄを含み、粘度が５０越え〜１２０Ｐａ・ｓの範囲内にある本発明Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト１〜６は、連続１万点連続塗布を行った平均塗布量の標準偏差が±３ｎＬ未満であり、空打ちの数も少ないことから総合評価が合格であるが、平均粒径が５μｍを越え、最大粒径：１０μｍを越えたＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末Ｅ〜Ｉを含む比較Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ１〜５、粘度が５０以下および１２０Ｐａ・ｓを越えた比較Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ６〜７並びにフラックスがＲＭＡ、ノンハロゲンである従来Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ１〜５は、吐出できなかったり、標準偏差が±３ｎＬ以上となったり、空打ち点が２０点以上あったり、６ヶ月冷蔵庫保管後のフラックスと粉末の分離があったり、さらに溶融・凝集しなかったりして総合評価が不合格となることがわかる。