JP2014200794A - Au-Sn BASED SOLDER ALLOY - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、Ｐｂを含まないはんだ合金に関するものであり、特に高温用のＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金及びそのはんだを用いて接合された電子部品に関する。 The present invention relates to a solder alloy containing no Pb, and more particularly to an Au—Sn solder alloy for high temperature and an electronic component joined using the solder.
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、既に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（鉛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。 In recent years, regulations on chemical substances harmful to the environment have become stricter, and this regulation is no exception for solder materials used for the purpose of joining electronic components and the like to substrates. Lead (Pb) has been used as a main component for solder materials for a long time, but lead has already been a regulated substance under the Rohs Directive. For this reason, development of solder containing no lead (also referred to as lead-free solder or lead-free solder) has been actively conducted.
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、そのうち中低温用はんだに関しては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、特許文献１には、Ｓｎを主成分とし、Ａｇを１.０〜４.０重量％、Ｃｕを２.０重量％以下、Ｎｉを１.０重量％以下、Ｐを０.２重量％以下含有する無鉛はんだ合金が記載されている。また、特許文献２には、Ａｇを０.５〜３.５重量％、Ｃｕを０.５〜２.０重量％含有し、残部がＳｎからなる合金組成の無鉛はんだが記載されている。 Solders used when bonding electronic components to a substrate are broadly classified into high temperature (about 260 ° C. to 400 ° C.) and medium / low temperature (about 140 ° C. to 230 ° C.) depending on the limit temperature of use. Regarding solder for solder, lead-free solder has been put into practical use with Sn as a main component. For example, in Patent Document 1, Sn is the main component, Ag is 1.0 to 4.0% by weight, Cu is 2.0% by weight or less, Ni is 1.0% by weight or less, and P is 0.2% by weight. % Lead-free solder alloy is described. Patent Document 2 describes a lead-free solder having an alloy composition containing 0.5 to 3.5% by weight of Ag, 0.5 to 2.0% by weight of Cu, and the balance being Sn.
一方、高温用のＰｂフリーはんだに関しても、さまざまな機関で研究開発が行われている。例えば、特許文献３には、Ｂｉを３０〜８０質量％含み、溶融温度が３５０〜５００℃のＢｉ／Ａｇろう材が開示されている。 On the other hand, research and development has been conducted on various high-temperature Pb-free solders. For example, Patent Document 3 discloses a Bi / Ag brazing material containing 30 to 80% by mass of Bi and having a melting temperature of 350 to 500 ° C.
高価な高温用のＰｂフリーはんだ材料としては、既にＡｕ−Ｓｎ合金やＡｕ−Ｇｅ合金などがＭＥＭＳ（微小電子機械システム）等で使用されている。例えば特許文献４には、Ａｕ：５〜１５質量％を含有し、更にＢｉ：０.１〜１０質量％、Ｉｎ：０.１〜１０質量％及びＳｂ：０.１〜１０質量％のいずれかを含有し、残りがＳｎ及び不可避不純物からなる成分組成を有するＳｎ−Ａｕ合金はんだ粉末とフラックスとの混合体に関して記載されている。 As an expensive high-temperature Pb-free solder material, an Au—Sn alloy, an Au—Ge alloy, or the like has already been used in MEMS (microelectromechanical system) or the like. For example, Patent Document 4 contains Au: 5 to 15% by mass, Bi: 0.1 to 10% by mass, In: 0.1 to 10% by mass, and Sb: 0.1 to 10% by mass. It describes about the mixture of the Sn-Au alloy solder powder and flux which have a component composition which contains these and the remainder consists of Sn and an unavoidable impurity.
また、特許文献５には、Ｓｎ：１５〜２５質量％、酸素：１００超〜５００ｐｐｍを含有し、残りがＡｕ及び不可避不純物からなる組成、並びに粒径１０〜３５μｍの粉末を全体の３０％以上含み且つ粒径４０μｍ以下の粉末が全体の９０％以上を占め、レーザー散乱・解析法により測定した平均粒径が１０〜３５μｍの範囲内の粒度を有する濡れ広がりの少ないはんだペースト用Ａｕ−Ｓｎ合金粉末について記載されている。 Further, Patent Document 5 contains Sn: 15 to 25% by mass, oxygen: more than 100 to 500 ppm, the remainder is composed of Au and inevitable impurities, and the powder having a particle size of 10 to 35 μm is 30% or more of the whole. Au-Sn alloy for solder paste with low wettability and having an average particle size in the range of 10 to 35 μm as measured by laser scattering / analysis method. The powder is described.
高温用のＰｂフリーはんだ材料に関しては、上記特許文献以外にも様々の報告ないし提案がなされているが、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。即ち、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、接合時の作業温度を４００℃未満に、望ましくは３７０℃以下にするという要望がある。しかしながら、例えば特許文献３に開示されているＢｉ／Ａｇろう材では、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。 Regarding Pb-free solder materials for high temperatures, various reports and proposals have been made in addition to the above patent documents, but no low-cost and versatile solder materials have yet been found. That is, since materials having relatively low heat resistance such as thermoplastic resin and thermosetting resin are generally used for electronic parts and substrates, the working temperature at the time of bonding is less than 400 ° C., preferably 370 ° C. There is a demand to make it below. However, for example, in the Bi / Ag brazing material disclosed in Patent Document 3, since the liquidus temperature is as high as 400 to 700 ° C., it is estimated that the working temperature at the time of joining is also 400 to 700 ° C. or more and is joined. It will exceed the heat resistance temperature of electronic parts and substrates.
そして、高価なＡｕ−Ｓｎ系はんだの場合、実用化されているものの、ＭＥＭＳや水晶デバイスなどの特に信頼性を必要とする箇所のはんだ付けに使用されるため、非常に高い信頼性が要求されている。例えば特許文献４では、表面張力を低下させる観点からＢｉ、Ｉｎ、Ｓｂを添加して濡れ性を向上させているが、はんだの形態はペーストであり、フラックスによる還元効果が期待できるため、はんだ表面張力を低下させて濡れ性を向上させていると考えられる。 In the case of an expensive Au—Sn solder, it is used for soldering a portion requiring particularly reliability, such as a MEMS or a quartz device, and therefore, very high reliability is required. ing. For example, in Patent Document 4, Bi, In, and Sb are added to improve the wettability from the viewpoint of reducing the surface tension, but the solder form is a paste, and a reduction effect by flux can be expected. It is thought that the wettability is improved by reducing the tension.
しかし、はんだシートやワイヤ等はんだ合金単体のみの場合、即ちフラックスなどの還元剤がない場合においては、ＩｎはＡｕ、Ｓｎより酸化しやすく、Ｂｉ、ＳｂはＡｕよりも酸化しやすい。従って、これらの元素の添加量が１質量％以下などの微量である場合はともかく、熱力学的にははんだ表面が酸化して濡れ性を低下させてしまうことになる。尚、特許文献５のように故意にはんだの酸素量を増加させた場合、還元剤がなく、はんだ合金単体で用いると、濡れ性が極端に低下して、場合によっては接合ができないことも容易に想像できる。 However, when only a solder alloy such as a solder sheet or wire is used, that is, when there is no reducing agent such as flux, In is more likely to be oxidized than Au and Sn, and Bi and Sb are more likely to be oxidized than Au. Therefore, regardless of the addition amount of these elements, such as 1% by mass or less, the solder surface is oxidized thermodynamically and wettability is reduced. In addition, when the amount of oxygen in the solder is intentionally increased as in Patent Document 5, when there is no reducing agent and the solder alloy is used alone, the wettability is extremely lowered, and in some cases, it is easy to be unable to join. I can imagine.
本発明は、このような従来の事情に鑑みてなされたものであり、水晶デバイスやＭＥＭＳ等の非常に高い信頼性を要求される接合においても十分に使用することができ、濡れ性に優れた高温用ＰｂフリーのＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such conventional circumstances, and can be sufficiently used in bonding that requires extremely high reliability such as a crystal device or MEMS, and has excellent wettability. An object is to provide a high-temperature Pb-free Au—Sn solder alloy.
上記目的を達成するため、本発明が提供するＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金は、Ｐｂを含まず、Ｓｎを１８.５質量％以上２３.５質量％以下含有し、Ａｌを０.０１質量％以上０.８質量％以下含有し、残部がＡｕ及び不可避不純物からなることを特徴とする。このＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金は、更にＰを０.００１質量％以上０.５００質量％以下含有することができる。 In order to achieve the above object, the Au—Sn solder alloy provided by the present invention does not contain Pb, contains 18.5% by mass to 23.5% by mass of Sn, and 0.01% by mass or more of Al. It is characterized by containing 0.8% by mass or less and the balance being made of Au and inevitable impurities. This Au—Sn solder alloy can further contain 0.001% by mass to 0.500% by mass of P.
本発明によれば、Ａｕ−Ｓｎ共晶組成付近にＡｌを所定の含有率となるように添加することによって、はんだ合金単体で濡れ性に優れ、高い接合強度と高い信頼性を有するＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金を提供することができる。このＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金は、高温用の鉛フリーはんだ合金として、水晶デバイスやＭＥＭＳ等の非常に高い信頼性を要求される接合にも十分に使用することができる。 According to the present invention, by adding Al in the vicinity of the Au-Sn eutectic composition so as to have a predetermined content, Au-Sn having excellent wettability, high joint strength and high reliability with a solder alloy alone. Based solder alloys can be provided. This Au—Sn solder alloy can be sufficiently used as a high-temperature lead-free solder alloy for bonding that requires extremely high reliability such as a crystal device or MEMS.
本発明のＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金では、Ａｕ−Ｓｎ共晶組成付近を基本組成とし、これにＡｌを所定量含有させることによって、ＡｕやＳｎよりも酸化しやすいＡｌによりはんだ母材を還元し、濡れ性を向上させているため、接合強度及び信頼性を改善向上させることができる。更には、非常に柔らかい金属であるＡｌが添加されることにより、接合時の残留応力や使用環境時に加わる熱応力などを緩和でき、この効果によっても信頼性を一層高めることができる。 In the Au—Sn solder alloy of the present invention, the basic composition is in the vicinity of the Au—Sn eutectic composition, and by adding a predetermined amount of Al to this, the solder base material is reduced by Al that is easier to oxidize than Au or Sn. Since the wettability is improved, the bonding strength and reliability can be improved and improved. Furthermore, the addition of Al, which is a very soft metal, can relieve the residual stress at the time of joining and the thermal stress applied during the use environment, and this effect can further enhance the reliability.
加えて、本発明のＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金では、更にＰを添加することによって、濡れ性等の諸特性をより一層向上させることができる。つまり、水晶デバイス等の高信頼性の接合が要求される箇所はメーカーにより様々な工夫がなされているため、その接合条件については、はんだ材料は勿論のこと、半導体チップや基板のメタライズ層、接合時雰囲気や温度プロファイルなど様々である。このような様々な条件に対して１組成のはんだ材料で接合させることは難しいが、この接合条件のバリエーションに対応するためには、更にＰを添加して濡れ性等を調整することが有効である。 In addition, in the Au—Sn solder alloy of the present invention, various properties such as wettability can be further improved by further adding P. In other words, since the manufacturer has devised various places where high-reliability bonding is required, such as crystal devices, the bonding conditions include not only the solder material but also the metallized layer of the semiconductor chip or substrate, bonding Various atmospheres and temperature profiles. Although it is difficult to join with a solder material of one composition for such various conditions, it is effective to adjust the wettability etc. by adding P in order to cope with variations in this joining condition. is there.
ＰはＡｌ以上に還元性を有するが、Ａｌと大きく異なる特徴を有している。即ち、一般的にＰは酸化すると酸化Ｐとなり、この酸化Ｐは気体であるためはんだ材料中に残らないという特徴がある。このように、Ｐはその強い還元力により、はんだの濡れ性を格段に向上させたり、還元後気化してはんだ中からなくなるなど優れた利点を持つ一方、酸化Ｐの気体がある量以上発生するとボイドの原因になったり、接合時にチップの位置ずれなどを起こす原因ともなる。 P is more reducible than Al, but has characteristics that are significantly different from Al. That is, in general, when P is oxidized, it becomes oxidized P, and since this oxidized P is a gas, it does not remain in the solder material. Thus, P has excellent advantages such as remarkably improving the wettability of the solder due to its strong reducing power or evaporating after reduction and disappearing from the solder. This may cause voids and cause chip position displacement during bonding.
以上に述べたように、Ａｕ−Ｓｎ系はんだ合金にＡｌを添加し、更には必要に応じてＰを添加することによって、濡れ性、接合強度、信頼性等に優れた本発明のＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金が得られる。以下に、本発明のＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金において非常に重要な役割を果たすＡｌ及びＰの効果について、更に詳しく説明する。 As described above, by adding Al to the Au—Sn solder alloy and further adding P as necessary, the Au—Sn of the present invention excellent in wettability, bonding strength, reliability, etc. Based solder alloy is obtained. Hereinafter, the effects of Al and P that play a very important role in the Au—Sn solder alloy of the present invention will be described in more detail.
本発明のはんだ合金はＡｕ−Ｓｎ共晶合金を基本とする。即ち、ＡｕとＳｎはＡｕ＝８０質量％、Ｓｎ＝２０質量％の組成比において共晶点の組成となり、よって結晶が微細なラメラ組織となって、はんだ材として使用できる条件の一つを満たすことができる。加えて、融点も下がって２８０℃となり、このため高温用のＰｂフリーはんだとして使用できるようになる。Ａｕは酸化し難く、特に濡れ性が優れることが知られているが、一方でＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金であっても濡れ性が不足することがあり、その主な理由はＳｎの酸化による。このような濡れ性不足の対策として、Ａｕ−Ｓｎ系はんだにＡｕメッキを行ったりするが、もともと高価なＡｕ−Ｓｎ系はんだの更なるコストアップに繋がってしまうなどの問題がある。本発明はこのようなコストアップに繋がらないようにＡｌ等を含有させ、濡れ性の向上を図っている。 The solder alloy of the present invention is based on an Au—Sn eutectic alloy. That is, Au and Sn have a composition of eutectic points at a composition ratio of Au = 80 mass% and Sn = 20 mass%, so that the crystal has a fine lamellar structure and satisfies one of the conditions that can be used as a solder material. be able to. In addition, the melting point is lowered to 280 ° C., so that it can be used as a high-temperature Pb-free solder. Au is difficult to oxidize, and it is known that wettability is particularly excellent. On the other hand, even an Au—Sn solder alloy may have insufficient wettability, mainly due to oxidation of Sn. As a countermeasure against such a lack of wettability, Au-Sn solder is plated with Au, but there is a problem that the cost of the originally expensive Au-Sn solder is further increased. In the present invention, Al or the like is included so as not to increase the cost, and wettability is improved.
Ａｌは、本発明のＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金において必須の元素である。濡れ性を向上させるためには２つの考え方があり、一つは非常に酸化し難い元素を添加して、はんだ母材自身を酸化し難くすることであり、もう一つは酸化しやすい元素を添加して、生成した酸化物をはんだ母材中に取り込み、はんだ表面の酸化を防ぐことによって濡れ性を向上させることである。本発明においてＡｌを含有させることは後者の立場、即ち自らが酸化することにより濡れ性を向上させる効果を意図したものである。 Al is an essential element in the Au—Sn solder alloy of the present invention. There are two ways to improve wettability. One is to add an element that is not very oxidizable to make the solder base material difficult to oxidize. The other is to add an element that is easy to oxidize. It is to improve the wettability by adding the generated oxide into the solder base material and preventing oxidation of the solder surface. In the present invention, the inclusion of Al is intended for the latter situation, that is, the effect of improving wettability by oxidizing itself.
更に、Ａｌに期待できる効果として応力緩和性がある。Ａｌは非常に柔らかい金属であるため、はんだ接合時の残留応力や使用時に常時加わる熱応力等を緩和する効果を有している。加えて、ＡｌはＳｎと共晶合金を生成することによって結晶を微細化させるため、これによって更に高い応力緩和性を発揮するものと考えられる。 Furthermore, stress relaxation is an effect that can be expected from Al. Since Al is a very soft metal, it has an effect of relieving residual stress at the time of soldering, thermal stress that is constantly applied during use, and the like. In addition, since Al refines crystals by forming a eutectic alloy with Sn, it is considered that this provides even higher stress relaxation properties.
以上に説明したように、Ａｌは還元性や柔軟性等を有するため、Ａｕ−Ｓｎ系はんだ合金の濡れ性及び信頼性等を向上させることができ、ＰｂフリーのＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金をより優れた高温用はんだ材料とするために最適な添加元素である。 As described above, since Al has reducibility and flexibility, the wettability and reliability of the Au—Sn solder alloy can be improved, and the Pb-free Au—Sn solder alloy can be further improved. It is an optimal additive element to make an excellent high-temperature solder material.
上記したＡｌの含有量は０.０１質量％以上０.８質量％以下とする。Ａｌ含有量が０.０１質量％未満では、濡れ性や応力緩和性などに、その添加効果を発揮することができない。逆にＡｌ含有量が０.８質量％を超えると、Ａｌ−Ｓｎ合金の低融点相が多く生成されるため、例えばリフロー時にチップの位置ずれを起こすなどの問題が生じやすい。更には、ＡｌがＡｕと脆い金属間化合物を許容量以上に生成してしまい、クラック発生の原因になる恐れがある。従って、Ａｌ含有量を０.０１質量％以上０.８質量％以下の範囲とすることにより、非常に高い信頼性を要求される場合でも良好な接合が可能となる。 The Al content is set to be 0.01% by mass or more and 0.8% by mass or less. If the Al content is less than 0.01% by mass, the additive effect cannot be exhibited in terms of wettability and stress relaxation. On the other hand, if the Al content exceeds 0.8% by mass, a large amount of the low melting point Al—Sn alloy is generated, so that problems such as chip misalignment during reflow are likely to occur. Furthermore, Al generates a brittle intermetallic compound with Au in an allowable amount or more, which may cause cracks. Therefore, when the Al content is in the range of 0.01% by mass or more and 0.8% by mass or less, good bonding is possible even when extremely high reliability is required.
次に、Ｐは、本発明のＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金において、必要に応じて含有させることが望ましい任意の添加元素である。Ｐは、上記したＡｌと同様に、その強い還元性によってはんだの濡れ性を向上させ、信頼性等の諸特性を向上させる効果がある。Ａｌと同様の効果を有するＰを敢えて含有させる理由は次のとおりである。 Next, P is an optional additive element that is desirably contained as necessary in the Au—Sn solder alloy of the present invention. P, like Al described above, has the effect of improving the wettability of the solder by its strong reducibility and improving various characteristics such as reliability. The reason for intentionally containing P having the same effect as Al is as follows.
即ち、水晶デバイス等の高信頼性の接合が要求される箇所ではメーカーにより様々な工夫がなされおり、その接合条件は、はんだ材料は勿論、チップや基板のメタライズ層、接合時の雰囲気や温度プロファイルなど様々である。このような種々の接合条件に対して、ＡｕとＳｎにＡｌを添加した単一組成のはんだ材料で接合させることは困難であるが、この接合条件のバリエーションに対応する手段として更にＰを添加し、濡れ性等を調整することが有効である。 In other words, manufacturers have devised various devices where high-reliability bonding is required, such as quartz devices. The bonding conditions include not only the solder material, but also the metallized layer of the chip and substrate, the atmosphere and temperature profile during bonding, and so on. And so on. For such various joining conditions, it is difficult to join with a solder material having a single composition in which Al is added to Au and Sn, but P is further added as a means to cope with variations in this joining condition. It is effective to adjust wettability.
また、Ｐは還元剤という意味ではＡｌと同様であるが、はんだ還元時に起きる現象はＡｌと異なり非常に特徴的である。即ち、一般的にＰは酸化すると酸化Ｐとなり、この酸化Ｐは気体であるためはんだ材料中に残らない。つまり、Ｐはその強い還元力により、はんだの濡れ性を格段に向上させる一方、還元時に気化してはんだ中から無くなるなど、非常に優れた利点を有する。そのため、Ｐの添加が有効である場合が多いのである。 P is the same as Al in terms of a reducing agent, but the phenomenon that occurs during solder reduction is very characteristic unlike Al. That is, generally, when P is oxidized, it becomes oxidized P. Since this oxidized P is a gas, it does not remain in the solder material. In other words, P has a very excellent advantage that, due to its strong reducing power, the wettability of the solder is remarkably improved, while it vaporizes during the reduction and disappears from the solder. Therefore, the addition of P is often effective.
上記したＰの含有量は、０.００１質量％以上０.５００質量％以下とする。Ｐの含有量が０.００１質量％未満では、上記した添加効果を発揮することができない。逆にＰの含有量が０.５００質量％を超えると、接合時に酸化Ｐの気体発生量が増えるためボイド率が高くなったり、脆い酸化物が偏析したりして、濡れ性や信頼性等を低下させる恐れがある。 The P content is 0.001% by mass or more and 0.500% by mass or less. When the content of P is less than 0.001% by mass, the above-described addition effect cannot be exhibited. On the other hand, if the P content exceeds 0.500% by mass, the gas generation amount of oxidized P increases at the time of bonding, so that the void ratio increases or brittle oxides segregate, resulting in wettability, reliability, etc. May decrease.
尚、上記脆い相の生成は、はんだを加工する際にも大きな問題となる。本発明者らは、例えばシートやワイヤなどを加工する場合に、脆い相の生成がクラックや断線、あるいは欠陥の原因になりやすいことを確認している。このように、高信頼性の接合を目的とする本発明のＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金にＰを含有させる際には細心の注意を払わなければならず、接合条件を十分に検討したうえで、Ｐ含有量を決定する必要がある。 The generation of the brittle phase becomes a big problem when processing solder. The present inventors have confirmed that, for example, when a sheet, a wire, or the like is processed, generation of a brittle phase tends to cause cracks, disconnections, or defects. As described above, when P is contained in the Au—Sn solder alloy of the present invention for the purpose of highly reliable joining, careful attention must be paid. It is necessary to determine the P content.
上記した本発明のＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金は、Ｐｂフリーの高温用はんだ合金として、電子部品の接合に好適に使用することができ、特に水晶デバイスやＭＥＭＳ（微小電子機械システム）等の非常に高い信頼性を要求される接合にも使用することができる。よって、本発明は、上記Ａｕ−Ｓｎ系はんだ合金を用いた電子部品を提供するができる。 The above-described Au—Sn solder alloy of the present invention can be suitably used for joining electronic components as a Pb-free high-temperature solder alloy, and is particularly suitable for crystal devices and MEMS (microelectromechanical systems). It can also be used for bonding where high reliability is required. Therefore, this invention can provide the electronic component using the said Au-Sn type solder alloy.
原料として、それぞれ純度９９.９質量％以上のＡｕ、Ｓｎ、Ａｌ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、粉砕等を行い、３ｍｍ以下の大きさに細かくした。次に、これらの原料からそれぞれ所定量を秤量し、高周波溶解炉用のグラファイト製のるつぼに入れた。 As raw materials, Au, Sn, Al and P each having a purity of 99.9% by mass or more were prepared. Large flakes and bulk-shaped raw materials were cut and pulverized, etc. so as to be uniform with no variation in composition depending on the sampling location in the alloy after melting, and were reduced to a size of 3 mm or less. Next, a predetermined amount of each of these raw materials was weighed and placed in a graphite crucible for a high-frequency melting furnace.
原料を入れたるつぼを高周波溶解炉内に配置し、原料の酸化を抑制するために窒素ガスを原料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。原料の金属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。原料の金属が十分溶融したことを確認した後、溶解炉の電源を切り、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用の鋳型に流し込んだ。鋳型には、はんだ母合金の製造の際に一般的に使用している形状のものを使用した。 The crucible containing the raw material was placed in a high-frequency melting furnace, and nitrogen gas was flowed at a flow rate of 0.7 liter / min or more per kg of the raw material in order to suppress oxidation of the raw material. In this state, the melting furnace was turned on to heat and melt the raw material. When the starting metal began to melt, it was thoroughly stirred with a mixing rod and mixed uniformly so as not to cause local compositional variations. After confirming that the raw metal was sufficiently melted, the melting furnace was turned off, the crucible was quickly removed, and the molten metal in the crucible was poured into a mold for the solder mother alloy. A mold having a shape generally used in the production of a solder mother alloy was used.
このようにして試料１のはんだ母合金（厚さ５ｍｍの板状）を作製した。また、原料の混合比率を変えた以外は上記試料１と同様にして、試料２〜１２の各はんだ母合金を作製した。これら試料１〜１２の各はんだ母合金の組成をＩＣＰ発光分光分析器（ＳＨＩＭＡＺＵ Ｓ−８１００）を用いて分析した。その分析結果を下記表１に示す。 In this way, the solder mother alloy (plate shape with a thickness of 5 mm) of Sample 1 was produced. Moreover, each solder mother alloy of Samples 2 to 12 was produced in the same manner as Sample 1 except that the mixing ratio of the raw materials was changed. The composition of each solder mother alloy of Samples 1 to 12 was analyzed using an ICP emission spectroscopic analyzer (SHIMAZU S-8100). The analysis results are shown in Table 1 below.
次に、上記試料１〜１２の各はんだ母合金（厚さ５ｍｍの板状インゴット）を、圧延機を用いてインゴットの送り速度を調整しながら圧延していき、厚さ０.１０ｍｍまで圧延した。その後、スリッター加工により２５ｍｍの幅に裁断し、シート形状のはんだ合金とした。 Next, each solder mother alloy (plate-shaped ingot having a thickness of 5 mm) of Samples 1 to 12 was rolled while adjusting the feed speed of the ingot using a rolling mill, and rolled to a thickness of 0.10 mm. . Thereafter, the sheet was cut into a width of 25 mm by slitting to obtain a sheet-shaped solder alloy.
得られたシート形状の各はんだ合金を、金型プレス機を用いて矩形状（幅２５ｍｍ×長さ ｍｍ×厚さ０.１０ｍｍ）に打ち抜き、下記する各評価用の試料として用いた。尚、一般的にＡｕ−Ｓｎ系はんだの場合、はんだ厚みは０.０２０〜０.０５０ｍｍ程度で使用されることが多いが、本実施例では濡れ広がりの評価を行う際に、濡れ性が濡れ広がり面積に反映され易いようにはんだ厚みを故意に厚くした。 Each of the obtained sheet-shaped solder alloys was punched into a rectangular shape (width 25 mm × length mm × thickness 0.10 mm) using a die press machine, and used as a sample for each evaluation described below. In general, in the case of Au-Sn solder, the thickness of the solder is often about 0.020 to 0.050 mm. However, in this embodiment, the wettability is wet when evaluating wet spread. The solder thickness was intentionally increased so that it could be easily reflected in the spread area.
上記試料１〜１２の各はんだ合金の評価用試料を用い、下記の方法により、濡れ性の評価、ボイド率の評価、及びヒートサイクル試験による信頼性の評価を行った。尚、はんだの濡れ性ないし接合性等の評価は、はんだ形状に依存しないためワイヤ、ボール、ペーストなどの形状で評価してもよいが、本実施例においてはシートの形状で評価した。 Using the samples for evaluation of the solder alloys of Samples 1 to 12, the following methods were used to evaluate wettability, void ratio, and reliability by a heat cycle test. The evaluation of solder wettability or bondability does not depend on the solder shape, and may be evaluated by the shape of a wire, a ball, a paste, or the like.
＜濡れ性の評価（濡れ広がり性）＞
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１２リットル／分の流量で流した。その後、ヒーターの設定温度を３３０℃にして加熱した。ヒーター温度が３３０℃で安定した後、Ｎｉめっき層（膜厚：２.０μｍ）の上に最上層としてＡｕめっき層（膜厚：１.０μｍ）を設けたＣｕ基板（板厚：０.３ｍｍ）をヒーター部にセッティングして、２５秒間加熱した。
<Evaluation of wettability (wet spreadability)>
Start up the wettability tester (device name: atmosphere control type wettability tester), cover the heater part to be heated with a double cover, and flow nitrogen gas from four locations around the heater part at a flow rate of 12 liters / minute. Washed away. Thereafter, the heater was heated to a preset temperature of 330 ° C. After the heater temperature was stabilized at 330 ° C., a Cu substrate (plate thickness: 0.3 mm) provided with an Au plating layer (film thickness: 1.0 μm) as the uppermost layer on the Ni plating layer (film thickness: 2.0 μm) ) Was set in the heater section and heated for 25 seconds.
次に、試料のはんだ合金をＣｕ基板の上に載せ、２５秒間加熱した。加熱が完了した後、Ｃｕ基板をヒーター部から取り上げて、その横の窒素ガス雰囲気が保たれている場所に一旦設置して冷却した。十分に冷却した後、Ｃｕ基板を大気中に取り出して接合部分を確認し、Ｃｕ基板に接合されたはんだ合金の面積から濡れ性を評価した。 Next, the sample solder alloy was placed on a Cu substrate and heated for 25 seconds. After the heating was completed, the Cu substrate was picked up from the heater part, and once installed in a place where the nitrogen gas atmosphere next to the Cu substrate was maintained, it was cooled. After sufficiently cooling, the Cu substrate was taken out into the atmosphere, the joint portion was confirmed, and the wettability was evaluated from the area of the solder alloy joined to the Cu substrate.
即ち、Ｃｕ基板のＡｕめっき層上に溶融して接合されたはんだ合金について、その面積を光学顕微鏡（株式会社 キーエンス製 ＶＨＸ−９００）の面積測定機能を用いて測定し、溶融前の面積を１００％として求めたはんだ面積率（％）により濡れ性を評価した。得られた結果を下記表２に示した。 That is, the area of the solder alloy melted and bonded onto the Au plating layer of the Cu substrate was measured using the area measuring function of an optical microscope (VHX-900, manufactured by Keyence Corporation), and the area before melting was determined to be 100. The wettability was evaluated by the solder area ratio (%) obtained as%. The obtained results are shown in Table 2 below.
＜ボイド率の評価＞
接合性を確認するため、上記濡れ性の評価と同様にして得たＣｕ基板に接合されたはんだ合金のボイド率を、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、はんだ合金とＣｕ基板の接合面に上部から垂直にＸ線を透過し、下記計算式１を用いてボイド率を算出した。得られた結果を下記表２に示した。
<Evaluation of void fraction>
In order to confirm the bondability, the void ratio of the solder alloy bonded to the Cu substrate obtained in the same manner as the evaluation of the wettability was measured using an X-ray transmission device (TOSMICRON-6125 manufactured by Toshiba Corporation). . Specifically, X-rays were transmitted vertically from above to the joint surface between the solder alloy and the Cu substrate, and the void ratio was calculated using the following calculation formula 1. The obtained results are shown in Table 2 below.
［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基板の接合面積）×１００
[Calculation Formula 1]
Void ratio (%) = void area / (void area + solder alloy / Cu substrate bonding area) × 100
＜ヒートサイクル試験＞
はんだ接合の信頼性を評価するために、上記濡れ性の評価と同様にして得られたＣｕ基板に接合されたはんだ合金を用いて、ヒートサイクル試験を行った。まず、はんだ合金が接合されたＣｕ基板に対し、−４０℃の冷却と１５０℃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。
<Heat cycle test>
In order to evaluate the reliability of solder bonding, a heat cycle test was performed using a solder alloy bonded to a Cu substrate obtained in the same manner as the evaluation of wettability. First, with respect to the Cu board | substrate with which the solder alloy was joined, -40 degreeC cooling and 150 degreeC heating were made into 1 cycle, and this was repeated predetermined cycle.
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。接合面に剥がれがある場合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。得られた結果を下記表２に示した。 Thereafter, the Cu substrate to which the solder alloy was bonded was embedded in the resin, cross-section polishing was performed, and the bonded surface was observed by SEM (manufactured by Hitachi, Ltd., S-4800). A case where there was peeling on the joint surface or a crack in the solder was indicated as “X”, and a case where there was no such defect and the same joint surface as in the initial state was maintained as “◯”. The obtained results are shown in Table 2 below.
上記表２から分かるように、本発明の実施例である試料１〜７の各はんだ合金は、各評価項目において良好な特性を示している。即ち、Ａｕめっきを施したＣｕ基板への濡れ性は十分であり、接合面での反応が進みすぎることもなく、適度な濡れ広がりであった。また、ボイド率は最も高いもので１.５％であり、良好な接合性を示した。更に、信頼性に関するヒートサイクル試験においても良好な結果が得られており、５００サイクル経過後も不良が現れなかった。 As can be seen from Table 2 above, each of the solder alloys of Samples 1 to 7 which are examples of the present invention shows good characteristics in each evaluation item. That is, the wettability to the Cu substrate subjected to Au plating was sufficient, and the reaction at the joint surface did not proceed too much, and the spread was moderate. Moreover, the void ratio was the highest at 1.5%, indicating good bondability. Furthermore, good results were obtained in a heat cycle test relating to reliability, and no defect appeared even after 500 cycles.
一方、比較例である試料８〜１２の各はんだ合金は、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。例えば、濡れ性の評価に関しては、試料８と１１は、はんだ面積率が１０５％以下であり濡れ広がりが非常に悪かった。この理由は、ＡｕやＡｌの含有量が多く、液相温度が高いため十分溶融せず、接合時の加熱状態における粘性も高かったためと推測される。逆に試料１２は、はんだ面積率が１７８％であり非常に濡れ広がっているが、この理由はＰが過剰に含有され、濡れ広がりが進行しすぎためと考えられる。このように濡れ広がりが悪かったり、逆に濡れ広がりすぎたりすると、十分な接合強度が得られず、不良の原因となってしまうため好ましくない。 On the other hand, each of the solder alloys of Samples 8 to 12, which are comparative examples, was not preferable in at least any of the characteristics. For example, with respect to the evaluation of wettability, Samples 8 and 11 had a solder area ratio of 105% or less and very poor wet spreading. This is presumably because the content of Au and Al is large, the liquidus temperature is high, and therefore it does not melt sufficiently and the viscosity in the heated state at the time of bonding is also high. On the contrary, the sample 12 has a solder area ratio of 178% and is very wet and spread. This is probably because P is excessively contained and the wet spread spreads too much. Thus, if the wet spread is bad or, on the contrary, the wet spread is excessive, it is not preferable because sufficient bonding strength cannot be obtained and a defect is caused.
ボイド率に関しては、比較例の試料８、９、１１、１２において１０％以上と非常に高い値を示した。この原因は、液相温度が高すぎたり（試料８、１１）、ＡｌやＰの含有量が多すぎたり（試料１１、１２）するため、ＡｕめっきされたＣｕ板とはんだ合金の接合面に偏析が発生して、均一な合金層ができないためと考えられる。ヒートサイクル試験においては、試料８〜１２の全てで５００回までに不良が発生している。この原因は、はんだが濡れ広がり過ぎたり、ボイド率が高かったり、はんだの応力緩和性が不十分であるなど、複数の要因が重なりあっているものと考えられる。 Regarding the void ratio, Samples 8, 9, 11, and 12 of Comparative Examples showed a very high value of 10% or more. This is because the liquidus temperature is too high (samples 8 and 11) or the content of Al or P is too high (samples 11 and 12). It is considered that segregation occurs and a uniform alloy layer cannot be formed. In the heat cycle test, all the samples 8 to 12 had defects up to 500 times. This is thought to be due to multiple overlapping factors such as excessive solder spreading, high void fraction, and insufficient solder stress relaxation.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP2016112588A (en) * | 2014-12-15 | 2016-06-23 | 住友金属鉱山株式会社 | Au-Sn-BASED SOLDER ALLOY WHERE SURFACE CONDITION IS CONTROLLED AND SEALED OR BONDED ELECTRONIC COMPONENT USING THE SAME |
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- 2013-04-01 JP JP2013075986A patent/JP2014200794A/en active Pending
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