JP2015020189A - Pb-FREE Au-Ge-Sn-BASED SOLDER ALLOY MAINLY CONTAINING Au - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、Pbを含まず、Auを主成分とするAu−Ge−Sn系はんだ合金に関する。 The present invention relates to an Au—Ge—Sn based solder alloy that does not contain Pb and contains Au as a main component.
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、すでに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(以降、鉛フリーはんだ又は無鉛はんだと称する)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 become a regulated substance under the RoHS directive and the like. For this reason, development of solder containing no lead (hereinafter 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、それらのうち、中低温用のはんだに関しては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質量%、Cuを2.0質量%以下、Niを0.5質量%以下、Pを0.2質量%以下含有する無鉛はんだ合金組成が記載されており、特許文献2にはAgを0.5〜3.5質量%、Cuを0.5〜2.0質量%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 joining electronic components to a substrate are roughly classified into high temperature (about 260 ° C. to 400 ° C.) and medium to low temperature (about 140 ° C. to 230 ° C.) depending on the use limit temperature. As for the solder for medium and low temperature, lead-free solder is put into practical use, which contains Sn as a main component. For example, in
一方、高温用の無鉛はんだに関しても、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%含有し、溶融温度が350〜500℃のBi/Agろう材が開示されている。また、特許文献4には、Biを含む共晶合金に2元共晶合金を加え、更に添加元素を加えたはんだ合金が開示されており、このはんだ合金は4元系以上の多元系はんだではあるものの、液相線温度の調整とばらつきの減少が可能となることが示されている。
On the other hand, research and development is being conducted in various organizations for lead-free solder for high temperatures. For example,
高価な高温用の鉛フリーはんだ材料としては、既にAu−Sn合金やAu−Ge合金などが水晶デバイス、SAW(表面弾性波)フィルター、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5にはAu−Ge、Au−Sb又はAu−Siの板状低融点Au合金ろうを予加熱し、次に加熱保温部を設けたプレス金型にその材料を順次送って100℃〜350℃の温度範囲でプレス加工を行うことを特徴とする板状低融点Au合金ろうのプレス加工方法について記載されている。 As an expensive high temperature lead-free solder material, an Au—Sn alloy, an Au—Ge alloy, or the like has already been used in a quartz device, a SAW (surface acoustic wave) filter, a MEMS (microelectromechanical system), or the like. For example, in Patent Document 5, Au—Ge, Au—Sb, or Au—Si plate-like low melting point Au alloy brazing is preheated, and then the material is sequentially sent to a press die provided with a heat insulation section. It describes a pressing method for a plate-shaped low melting point Au alloy brazing, characterized in that pressing is performed in a temperature range of from 0C to 350C.
また、特許文献6には、半導体パッケージなどの電子部品の外部リードのろう付けに用いられるろう材であって、Agを10〜35wt%含み、In、Ge及びGaのうち少なくとも1種類を合計で3〜15wt%含み、残部がAuからなるAu合金が記載されている。そして、このAu合金はエレクトロマイグレーションテストにおいて短絡するまでの時間が1.5時間以上であり、優れたエレクトロマイグレーション防止性を有するろう材であることが示されている。 Patent Document 6 describes a brazing material used for brazing external leads of electronic components such as semiconductor packages, which contains 10 to 35 wt% of Ag, and includes at least one of In, Ge, and Ga in total. An Au alloy containing 3 to 15 wt% with the balance being Au is described. This Au alloy has a time to short-circuit in the electromigration test of 1.5 hours or more, and is shown to be a brazing material having excellent electromigration prevention properties.
更に特許文献7には、Au/Ge/Snを含む3元合金のろう材であり、液相が発生し始める温度をTs、完全に液相になる温度をTlとした場合に、Tl−Ts<50℃であることを特徴とするろう材について記載されている。そして、この特許文献7によれば、鉛フリーを実現しつつ、リフロー温度で溶融せず、接合のための温度が高すぎて接着剤や部品自体に損傷を与えることがない、電気・電子部品の接合に好適なロウ材を提供できるとされている。 Further, Patent Document 7 describes a brazing material of a ternary alloy containing Au / Ge / Sn, where Ts is a temperature at which a liquid phase starts to be generated and Tl is a temperature at which the liquid phase becomes completely liquid. It describes a brazing material characterized by being <50 ° C. And according to this patent document 7, while realizing lead-free, it does not melt at the reflow temperature, and the temperature for joining is too high so that the adhesive and the component itself are not damaged. It is said that a brazing material suitable for joining of the above can be provided.
高温用の鉛フリーはんだ材料に関しては、上記した特許文献以外にも様々な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のが実状である。すなわち、一般的に半導体デバイスなどの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℃以下にすることが望まれる。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。
Although various reports and proposals have been made on the high-temperature lead-free solder material in addition to the above-described patent documents, a low-cost and versatile solder material has not yet been found. That is, since electronic materials such as semiconductor devices and substrates are generally made of materials with relatively low heat resistance such as thermoplastic resins and thermosetting resins, the working temperature during bonding is less than 400 ° C., Desirably, the temperature is 370 ° C. or lower. However, for example, in the Bi / Ag brazing material disclosed in
また、Au系はんだではAu−Sn系はんだやAu−Ge系はんだが実用化されているが、これらAu系はんだは極めて高価なAuを多量に使用するため、汎用のPb系はんだやSn系はんだなどに比較して非常に高価である。そのため、主に水晶デバイス、SAWフィルター、MEMSなどの特に高い信頼性を必要とする箇所のはんだ付けに使用されているにすぎない。 In addition, Au—Sn solder and Au—Ge solder have been put to practical use as Au solder, but since these Au solders use a large amount of extremely expensive Au, general-purpose Pb solder or Sn solder. It is very expensive compared to such as. Therefore, it is mainly used only for soldering a portion requiring particularly high reliability, such as a crystal device, a SAW filter, and a MEMS.
加えて、Au系はんだは非常に硬くて加工し難いため、例えばシート形状に圧延加工する際に時間がかかるうえ、ロールに疵のつき難い特殊な材質のものを用いなければならないため、余分なコストがかかる。また、Au系はんだの硬くて脆い性質のため、プレス成形時にはクラックやバリが発生し易く、他のはんだと比較して収率が格段に低い。ワイヤ形状に加工する場合にも似たような深刻な問題があり、非常に圧力の高い押出機を使用しても硬いため押出速度を速くできず、Pb系はんだの数100分の1程度の生産性しかない。 In addition, since Au-based solder is very hard and difficult to process, for example, it takes time when rolling into a sheet shape, and a special material that does not easily wrinkle the roll must be used. There will be a cost. In addition, since the Au-based solder is hard and brittle, cracks and burrs are likely to occur during press molding, and the yield is significantly lower than other solders. When processing into a wire shape, there is a similar serious problem, and even if an extruder with a very high pressure is used, the extrusion speed cannot be increased because it is hard, and it is about 1 / 100th of Pb solder. There is only productivity.
以上のような問題を含め、Au系はんだのさまざまな問題に対処すべく、上記した特許文献5〜特許文献7に記載の技術が提案されている。しかしながら、上記特許文献5の技術には次のような問題がある。すなわち、Au−Ge、Au−Sb、Au−Si等の板状(シート状)低融点Au合金ろうの素材特性は、室温においてガラス板のような脆性を示し、また方向性があるため、一般に長手方向に平行な面においては僅かな曲げに対しても破断し易く、亀裂の伝播が進み易いという欠点がある。 In order to deal with various problems of Au solder including the above problems, the techniques described in Patent Documents 5 to 7 have been proposed. However, the technique of Patent Document 5 has the following problems. That is, the material characteristics of a plate-like (sheet-like) low melting point Au alloy brazing material such as Au—Ge, Au—Sb, and Au—Si are brittle like a glass plate at room temperature and generally have a directionality. The plane parallel to the longitudinal direction is liable to break even with a slight bending, and has a drawback that the propagation of cracks easily proceeds.
このような場合、所謂コンパウンド金型を用いてプレス加工を行うことがあるが、このコンパウンド金型技術においても金型精度の問題や金型寿命の問題がある。そこで特許文献5では、加熱保温部を設けたプレス金型に材料を順次送って100〜350℃の温度範囲でプレス加工する技術を提案している。しかし、このような温間でのプレス加工でも課題は山積しているのである。 In such a case, press working may be performed using a so-called compound mold, but this compound mold technique also has a problem of mold accuracy and a problem of mold life. Therefore, Patent Document 5 proposes a technique in which materials are sequentially sent to a press die provided with a heating and heat retaining unit and pressed in a temperature range of 100 to 350 ° C. However, there are many problems even in such warm press working.
すなわち、温間プレスでは、はんだ合金の酸化が進行してしまう。そのため、Auを多く含有するAu系はんだであっても、それに含まれる他の金属、例えばGe、Sb、又はSnなどの元素の酸化の進行を防ぐことができず、常温より高い温度でプレスしたときに表面が酸化して濡れ性が大きく低下してしまう。更に、温度が高い状態であるから常温に比較してはんだが膨張し、工夫をしても常温でのプレスに比較して形状の精度が出せない。加えて、柔らかくなったはんだは金型に張り付き易くなり、はんだが撓んだり歪んだりした状態でプレスすることになるため、バリや欠けが発生しやすくなる。 That is, in the warm press, the oxidation of the solder alloy proceeds. Therefore, even Au-based solder containing a large amount of Au cannot prevent the progress of oxidation of other metals contained therein, such as Ge, Sb, or Sn, and is pressed at a temperature higher than room temperature. Sometimes the surface is oxidized and the wettability is greatly reduced. Furthermore, since the temperature is high, the solder expands compared to the normal temperature, and even if it is devised, the accuracy of the shape cannot be obtained compared to the press at the normal temperature. In addition, the softened solder tends to stick to the mold and is pressed in a state where the solder is bent or distorted, so that burrs and chips are likely to occur.
また、上記特許文献6には、既に述べたようにAgを10〜35wt%含み、In、Ge及びGaの少なくとも1種類を合計で3〜15wt%含み、残部がAuからなるAu合金のエレクトロマイグレーション防止性ろう材が記載されている。そして、Auを主成分とすることでエレクトロマイグレーションを防止でき、添加元素としてAgを10〜35wt%加えることによりろう付け強度が得られ、またIn、Ge及びGaのうち少なくとも1種類を合計で3〜15wt%加えることにより融点を下げることができると記載されている。 In addition, as described above, Patent Document 6 discloses an electromigration of an Au alloy containing 10 to 35 wt% of Ag, including 3 to 15 wt% in total of at least one of In, Ge and Ga, and the balance being Au. A preventive brazing material is described. Electromigration can be prevented by using Au as a main component, brazing strength can be obtained by adding 10 to 35 wt% of Ag as an additive element, and at least one of In, Ge, and Ga is 3 in total. It is described that the melting point can be lowered by adding ˜15 wt%.
しかし、上記特許文献6に記載のAu合金は、Ag−28wt%CuやAg−15wt%CuのAg系ろう材との比較において、エレクトロマイグレーションの発生を防止でき、強固で安定したろう付け強度が得られるろう材として開発されたものである。そのため、Agの含有量が比較的多く、融点が下がって使い難いはんだ材料となり易いうえ、従来のAu−Ge合金などのAu系合金と比べて強度やエレクトロマイグレーション防止効果が十分であるとはいえない。 However, the Au alloy described in Patent Document 6 can prevent the occurrence of electromigration and has a strong and stable brazing strength in comparison with an Ag-based brazing material of Ag-28 wt% Cu or Ag-15 wt% Cu. It was developed as a brazing material to be obtained. For this reason, the Ag content is relatively high, the melting point is lowered, and the solder material is easy to use, and the strength and the electromigration preventing effect are sufficient as compared with conventional Au-based alloys such as Au-Ge alloys. Absent.
更に、上記特許文献7には、Au/Ge/Snを含む3元合金のろう材であり、液相が発生し始める温度をTs、完全に液相になる温度をTlとした場合に、Tl−Ts<50度であることを特徴とするろう材について記載されており、これによって、鉛フリーを実現しつつ、リフロー温度で溶融せず、接合のための温度が高すぎて、例えば接着剤や部品自体に損傷を与えることがない電気・電子部品の接合に好適なロウ材を提供できることが示されている。 Further, in Patent Document 7, a brazing material of a ternary alloy containing Au / Ge / Sn, where Ts is a temperature at which the liquid phase starts to be generated and Tl is a temperature at which the liquid phase is completely formed is Tl. -Ts <50 degrees, which describes a brazing material, which achieves lead-free, does not melt at the reflow temperature and is too hot for bonding, for example adhesives In addition, it has been shown that a brazing material suitable for joining electrical / electronic components that does not damage the components themselves can be provided.
しかし、上記特許文献7に記載のAu/Ge/Snを含む3元合金のろう材では、液相線温度と固相線温度との差が50℃未満という極めて広い組成範囲が規定されており、このような広い組成範囲において同じ効果や特性を有するろう材のみが得られることはない。最も分かり易い例として、上記組成範囲に属するAu−12.5質量%Ge合金(共晶点の組成)とAu−20質量%Sn合金(共晶点の組成)を比較した場合、その特性は明らかに異なる。 However, the ternary alloy brazing material containing Au / Ge / Sn described in Patent Document 7 has a very wide composition range in which the difference between the liquidus temperature and the solidus temperature is less than 50 ° C. In such a wide composition range, only a brazing material having the same effects and characteristics cannot be obtained. As an easy-to-understand example, when comparing an Au-12.5 mass% Ge alloy (eutectic point composition) and an Au-20 mass% Sn alloy (eutectic point composition) belonging to the above composition range, the characteristics are as follows: Obviously different.
すなわち、Geが半金属であるために、Au−12.5質量%Ge合金はAu−20質量%Sn合金に比較して明らかに加工性に劣る。例えば、圧延加工する際に、クラック等の発生により収率はAu−12.5質量%Geの方が低くなる。当然、これらに少量の第三元素を添加した場合、第三元素が固溶して特性が大きく変わらない組成範囲が存在するため、例えばAu−12.5質量%Ge−Sn合金とAu−20質量%Sn−Ge合金の特性は大きく異なる。 That is, since Ge is a metalloid, the Au-12.5 mass% Ge alloy is clearly inferior in workability compared to the Au-20 mass% Sn alloy. For example, when rolling, the yield of Au-12.5 mass% Ge is lower due to the occurrence of cracks and the like. Naturally, when a small amount of the third element is added to these, there is a composition range in which the third element is dissolved and the characteristics do not greatly change. For example, Au-12.5 mass% Ge-Sn alloy and Au-20 The characteristics of the mass% Sn—Ge alloy are greatly different.
更に、Ge−Sn合金について考えた場合、固相線温度が231℃であり、高温用はんだとしては融点が低すぎる。当然、Ge−Sn合金に少量のAuが固溶した場合でも、上記特許文献7の請求範囲に規定された液相線温度と固相線温度の差が50℃未満の領域は存在するが、高温用はんだとしては融点が低すぎることに変わりはない。 Furthermore, when considering the Ge—Sn alloy, the solidus temperature is 231 ° C., and the melting point is too low as a high-temperature solder. Naturally, even when a small amount of Au is dissolved in the Ge—Sn alloy, there is a region where the difference between the liquidus temperature and the solidus temperature defined in the claims of the above Patent Document 7 is less than 50 ° C., As a high-temperature solder, the melting point is still too low.
本発明は、上記した従来の事情に鑑みてなされたものであり、濡れ性、加工性、応力緩和性、及び接合性等の各種特性に優れ、水晶デバイス、SAWフィルター、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、しかもAuを主成分としながら安価な鉛フリーの高温用Au−Ge−Sn系はんだ合金はんだを提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above-described conventional circumstances, and is excellent in various characteristics such as wettability, workability, stress relaxation, and bonding properties, and extremely high in crystal devices, SAW filters, MEMS, and the like. An object of the present invention is to provide a lead-free high-temperature Au—Ge—Sn based solder alloy solder that can be used sufficiently even in a joint that requires reliability and that is inexpensive and contains Au as a main component.
上記目的を達成するため、本発明が提供するAu−Ge−Sn系はんだ合金は、Geを0.01質量%以上10.0質量%以下含有し、Snを32.0質量%以上40.0質量%以下含有し、Al、Cu、Mg、Ni、Sb、及びZnの内の少なくとも1種を含有し、残部がAu及び不可避不純物からなるAu−Ge−Sn系はんだ合金であって、Alを含有する場合はその含有量を0.01質量%以上1.5質量%以下、Cuを含有する場合はその含有量を0.01質量%以上1.0質量%以下、Mgを含有する場合はその含有量を0.01質量%以上0.8質量%以下、Niを含有する場合はその含有量を0.01質量%以上1.0質量%以下、Sbを含有する場合はその含有量を0.01質量%以上0.8質量%以下、Znを含有する場合はその含有量を0.01質量%以上3.0質量%以下とすることを特徴としている。 In order to achieve the above object, the Au—Ge—Sn solder alloy provided by the present invention contains Ge in an amount of 0.01 mass% to 10.0 mass% and Sn in an amount of 32.0 mass% to 40.0 mass%. An Au-Ge-Sn based solder alloy containing not more than mass%, containing at least one of Al, Cu, Mg, Ni, Sb, and Zn, the balance being Au and inevitable impurities, When it contains, the content is 0.01 mass% or more and 1.5 mass% or less, When it contains Cu, the content is 0.01 mass% or more and 1.0 mass% or less, When it contains Mg The content is 0.01 mass% or more and 0.8 mass% or less. When Ni is contained, the content is 0.01 mass% or more and 1.0 mass% or less. When Sb is contained, the content is 0.01 mass% or more and 0.8 mass% or less, and when containing Zn, the content is It is characterized in that a 0.01 wt% to 3.0 wt% or less.
上記本発明のAu−Ge−Sn系はんだ合金は、さらにPを0.500質量%以下含有してもよい。また、本発明は、上記した本発明のAu−Ge−Sn系はんだ合金を用いて封止した水晶デバイス又はSAWフィルターを提供する。 The Au—Ge—Sn solder alloy of the present invention may further contain P in an amount of 0.500% by mass or less. Moreover, this invention provides the quartz crystal device or SAW filter sealed using the above-mentioned Au-Ge-Sn type solder alloy of this invention.
本発明によれば、鉛を含有しておらず、従来のAu系はんだと同等の濡れ生を有し、加工性、応力緩和性、及び接合性等の各種特性に優れ、Auを主成分としながら安価であって、水晶デバイス、SAWフィルター、MEMSなどの非常に高い信頼性を要求される箇所に使用することが可能な、高温用のAu−Ge−Sn系はんだ合金を提供することができる。本発明のAu−Ge−Sn系はんだ合金は、加工性に特に優れるため、生産性の向上を図ることができ、より一層の低コスト化を実現することができる。 According to the present invention, it does not contain lead, has wettability equivalent to that of conventional Au-based solder, is excellent in various properties such as workability, stress relaxation property, and bondability, and has Au as a main component. However, it is possible to provide a high-temperature Au—Ge—Sn solder alloy that is inexpensive and can be used in places where extremely high reliability is required, such as crystal devices, SAW filters, and MEMS. . Since the Au—Ge—Sn based solder alloy of the present invention is particularly excellent in workability, productivity can be improved, and further cost reduction can be realized.
本発明のAu−Ge−Sn系はんだ合金の組成は、Geを0.01質量%以上10.0質量%以下含有し、Snを32.0質量%以上40.0質量%以下含有し、Al、Cu、Mg、Ni、Sb、及びZnの内の少なくとも1種を含有し、残部が不可避不純物を除いてAu及び必要に応じて添加されるPからなるAu−Ge−Sn系はんだ合金であって、Alを含有する場合はその含有量を0.01質量%以上1.5質量%以下、Cuを含有する場合はその含有量を0.01質量%以上1.0質量%以下、Mgを含有する場合はその含有量を0.01質量%以上0.8質量%以下、Niを含有する場合はその含有量を0.01質量%以上1.0質量%以下、Sbを含有する場合はその含有量を0.01質量%以上0.8質量%以下、Znを含有する場合はその含有量を0.01質量%以上3.0質量%以下とし、Pを含有する場合はその含有量を0.500質量%以下とする。 The composition of the Au—Ge—Sn solder alloy of the present invention contains Ge in an amount of 0.01% to 10.0% by mass, Sn in an amount of 32.0% to 40.0% by mass, Al An Au—Ge—Sn solder alloy containing at least one of Cu, Mg, Ni, Sb, and Zn, the balance being Au except for inevitable impurities and P added as necessary. In the case where Al is contained, the content is 0.01 mass% or more and 1.5 mass% or less, and in the case where Cu is contained, the content is 0.01 mass% or more and 1.0 mass% or less, and Mg is contained. When it contains, the content is 0.01 mass% or more and 0.8 mass% or less, When it contains Ni, the content is 0.01 mass% or more and 1.0 mass% or less, and when it contains Sb The content is 0.01 mass% or more and 0.8 mass% or less, and when Zn is contained, the content is The amount was 0.01 mass% or more 3.0 wt% or less, if containing P is the content of 0.500 mass% or less.
本発明のAu−Ge−Sn系はんだ合金は、非常に高コストであるAu−Ge系はんだやAu−Sn系はんだのコストを下げると共に、優れた加工性を持たせるために、主成分であるAuにSnとGeとを添加している。すなわち、Au、Sn、Geの3元系合金において、共晶点付近の組成を基本とすることによって、優れた加工性と応力緩和性、引いては高い接合信頼性を実現し、且つ、SnとGeの含有量が多いためAu含有量を下げることが可能になって低コストとなる。 The Au—Ge—Sn solder alloy of the present invention is a main component in order to reduce the cost of Au—Ge solder and Au—Sn solder, which are very expensive, and to have excellent workability. Sn and Ge are added to Au. In other words, in a ternary alloy of Au, Sn, and Ge, the composition near the eutectic point is basically used to achieve excellent workability and stress relaxation, and thus high bonding reliability, and Sn. Since the contents of Ge and Ge are large, the Au content can be lowered and the cost is reduced.
さらに、本発明のAu−Ge−Sn系はんだ合金は、Al、Cu、Mg、Ni、Sb、及びZnの内の少なくとも1種を含有することを必須要件とすることで、はんだ合金に求められる様々な特性を調整することが可能となって広範な用途に使用できるようになる。しかも、Au含有量をさらに下げることができるので、より低コストのはんだ材料を実現している。以下、かかる本発明のAu−Ge−Sn系はんだ合金に含まれる必須の元素、及び必要に応じて含まれる元素について更に詳しく説明する。 Furthermore, the Au—Ge—Sn solder alloy of the present invention is required for a solder alloy by making it an essential requirement to contain at least one of Al, Cu, Mg, Ni, Sb and Zn. Various characteristics can be adjusted, and it can be used for a wide range of applications. In addition, since the Au content can be further reduced, a lower-cost solder material is realized. Hereinafter, the essential elements contained in the Au—Ge—Sn solder alloy of the present invention and the elements contained as necessary will be described in more detail.
<Au>
Auは本発明のはんだ合金の主成分であり、必須の元素である。Auは非常に酸化し難いため、高い信頼性が要求される電子部品類の接合や封止用のはんだとして最も適した特性を有している。そのため、水晶デバイスやSAWフィルターの封止用としてAu系はんだが多用されている。本発明のはんだ合金においても、Auを基本の成分とし、上記のような技術分野での使用に好適なはんだを提供する。
<Au>
Au is a main component of the solder alloy of the present invention and is an essential element. Since Au is very difficult to oxidize, it has the most suitable characteristics as a solder for joining and sealing of electronic parts that require high reliability. Therefore, Au-based solder is frequently used for sealing quartz devices and SAW filters. Also in the solder alloy of the present invention, Au is a basic component, and a solder suitable for use in the technical field as described above is provided.
ただし、Auは非常に高価な金属であるため、コストの点からはできる限り使用しないことが望ましく、従って汎用品にはほとんど使用されていない。これに対して本発明のはんだ合金においては、後述するようにAuにSnとGeとを両方とも含有させることで、接合性や信頼性などの特性面ではAu−20質量%SnやAu−12.5質量%Geはんだ合金と同程度を確保しながら、Auの含有量を減らして低コストを可能にしている。 However, since Au is a very expensive metal, it is desirable not to use it as much as possible from the viewpoint of cost. Therefore, it is rarely used for general-purpose products. On the other hand, in the solder alloy of the present invention, as will be described later, by adding both Sn and Ge to Au, Au-20 mass% Sn and Au-12 are obtained in terms of characteristics such as bondability and reliability. While securing the same level as that of a 0.5 mass% Ge solder alloy, the content of Au is reduced to enable low cost.
さらに、Al、Cu、Mg、Ni、Sb、及びZnの内の1種以上を含有することを必須要件としている。このような合金組成とすることによって、はんだ合金に求められる様々な特性を調整することが可能となって広範な用途に使用できるようになるうえ、Au含有量をさらに下げることができるので、極めて低コストのはんだ材料を実現している。 Furthermore, it is an essential requirement to contain at least one of Al, Cu, Mg, Ni, Sb, and Zn. By adopting such an alloy composition, it is possible to adjust various properties required for solder alloys and to be used in a wide range of applications, and further, the Au content can be further reduced. Realizes low-cost solder materials.
<Ge>
Geは本発明のはんだ合金において必須の元素である。GeはAuと共晶合金を作り、固相線温度を361℃と低くできるため、従来からAu−12.5質量%Geはんだとして実用的に使われている。しかし、Au−12.5質量%Geはんだは、Auを90質量%近く含有するため非常に高価である。このAu含有量を下げるべく、Au−Ge−Sn系合金の3元系において共晶点付近の組成としたものが本発明のはんだ合金である。
<Ge>
Ge is an essential element in the solder alloy of the present invention. Since Ge makes a eutectic alloy with Au and the solidus temperature can be lowered to 361 ° C., it has been practically used as Au-12.5 mass% Ge solder. However, Au-12.5 mass% Ge solder is very expensive because it contains nearly 90 mass% of Au. In order to reduce the Au content, the solder alloy of the present invention has a composition in the vicinity of the eutectic point in the ternary Au—Ge—Sn alloy.
Au−Ge−Snの3元系において、共晶点の組成は、Au=47原子%、Ge=6原子%、Sn=47原子%付近である。すなわち、単位を質量%で示すとAu=60.6質量%、Ge=2.8質量%、Sn=36.5質量%付近となる。図1にAu−Ge−Sn系状態図を示す。この共晶点付近の組成とすることにより、加工性や応力緩和性などの諸特性に優れたはんだ合金となり得る。加えて各元素の融点からはんだ合金の融点を410℃程度まで下げることが可能となり、はんだとして非常に使い易くすることが可能になるのである。 In the Au—Ge—Sn ternary system, the composition of eutectic points is around Au = 47 atomic%, Ge = 6 atomic%, and Sn = 47 atomic%. That is, when the unit is represented by mass%, Au = 60.6 mass%, Ge = 2.8 mass%, and Sn = 36.5 mass%. FIG. 1 shows an Au—Ge—Sn phase diagram. By setting the composition in the vicinity of the eutectic point, a solder alloy having excellent properties such as workability and stress relaxation can be obtained. In addition, the melting point of the solder alloy can be lowered to about 410 ° C. from the melting point of each element, which makes it very easy to use as a solder.
具体的なGeの含有量は0.01質量%以上10.0質量%以下である。Geの含有量が0.01質量%未満では少なすぎてGeを含有させた効果が実質的に現れない。一方、10.0質量%を超えると、液相線温度が高くなりすぎてしまい、溶融させることが困難になってしまう。また、Geの含有量が10.0質量%を超えると、はんだ合金が酸化し易くなってしまい、Au系はんだの特徴である高い信頼性を有する良好な接合ができなくなる。特に好ましいGe含有量は2.0質量%以上3.5質量%以下であり、この範囲であると共晶点の組成に近くなるため、加工性に優れ且つ柔軟性も有することになり、より一層良好な接合が可能となる。 The specific Ge content is 0.01 mass% or more and 10.0 mass% or less. If the Ge content is less than 0.01% by mass, the effect of containing Ge is not substantially exhibited because the Ge content is too small. On the other hand, if it exceeds 10.0 mass%, the liquidus temperature becomes too high and it becomes difficult to melt. On the other hand, if the Ge content exceeds 10.0% by mass, the solder alloy is likely to be oxidized, and good bonding with high reliability, which is a characteristic of Au solder, cannot be achieved. The particularly preferable Ge content is 2.0% by mass or more and 3.5% by mass or less, and if it is in this range, it becomes close to the composition of the eutectic point, so that it has excellent workability and flexibility. Even better bonding is possible.
<Sn>
Snは本発明のはんだ合金において必須の元素であり、3元系の共晶点付近の組成するため、欠かせない元素である。Au−Ge合金やAu−Sn合金の代表的なはんだである前述したAu−12.5質量%GeはんだやAu−20質量%Snはんだは共晶点の組成であり、このため結晶が微細化し、比較的柔軟である。しかし、共晶合金と言っても、Au−12.5質量%Geの場合はGeが半金属であり、Au−20質量%Snの場合は金属間化合物から構成されるため、一般的なPb系はんだやSn系はんだに比べるとかなり硬くて且つ脆い。
<Sn>
Sn is an essential element in the solder alloy of the present invention, and is an indispensable element because it has a composition near the ternary eutectic point. The above-described Au-12.5 mass% Ge solder and Au-20 mass% Sn solder, which are representative solders of Au-Ge alloy and Au-Sn alloy, have a composition of eutectic points, and thus the crystal is refined. It is relatively flexible. However, even in the case of an eutectic alloy, Ge is a semimetal in the case of Au-12.5 mass% Ge, and is composed of an intermetallic compound in the case of Au-20 mass% Sn. Compared to Sn solder and Sn solder, it is quite hard and brittle.
そのため、加工が難しく、例えば圧延によってシート状に加工する場合には、少しずつしか薄くしていくことができないため生産性が悪く、多数のクラックが入って収率が低下しやすい。また、ボール状に加工する場合には、例えばアトマイズ法でボール状にする際にノイズ先端が詰まりやすく、ボールの粒度分布が広くなってしまい収率が低い。特に油中アトマイズの場合は油の発火や劣化を防ぐため、アトマイズ時の温度をAu−Ge合金の固相線温度(361℃)より十分高い温度に上げることができず、このためノズル先端に合金が偏析しやすくなり、ノズルの詰まりが起きやすくなって収率の低下を招きやすい。 For this reason, it is difficult to process. For example, when processing into a sheet by rolling, the thickness can only be reduced little by little, so that productivity is poor, and a large number of cracks are likely to occur, and the yield tends to decrease. In the case of processing into a ball shape, for example, when the ball is formed by the atomizing method, the noise tip is easily clogged, the particle size distribution of the ball is widened, and the yield is low. In particular, in the case of atomizing in oil, the temperature during atomization cannot be raised to a temperature sufficiently higher than the solidus temperature (361 ° C.) of the Au—Ge alloy in order to prevent oil ignition and deterioration. The alloy is easily segregated, and the nozzle is easily clogged, resulting in a decrease in yield.
そこでGeと共にSnをAuに含有させることにより、このような加工性や生産性、さらに信頼性等の問題を解決することが可能となる。すなわち、SnとGeとを共に含有させることにより、Au−Sn金属間化合物とGe固溶体の共晶組成とすることが可能となり、結晶が微細化し、加工性、生産性、応力緩和性、引いては信頼性に優れたはんだ材料となる。当然、SnとGeとを合計で約30〜50質量%含有させることにより高価なAuの含有量を減らすことができるので、Au−12.5質量%やAu−20質量%Snよりも大幅にコストを低減できる。 Therefore, by adding Sn to Au together with Ge, problems such as workability, productivity, and reliability can be solved. That is, by including both Sn and Ge, it becomes possible to obtain a eutectic composition of Au—Sn intermetallic compound and Ge solid solution, and the crystal becomes finer, and the workability, productivity, stress relaxation, Becomes a solder material with excellent reliability. Naturally, the content of expensive Au can be reduced by adding about 30 to 50% by mass of Sn and Ge, so that it is much larger than Au-12.5% by mass and Au-20% by mass Sn. Cost can be reduced.
Snの含有量は32.0質量%以上40.0質量%以下である。Snの含有量が32.0質量%未満では、柔軟性向上等の効果が十分に発揮されず、また液相線温度と固相線温度の差が大きくなり溶け別れ現象を起こしてしまう。一方、Snの含有量が40.0質量%を超えると、同様に溶け別れ現象が発生し易くなると共に、Auに比較して酸化されやすいSn含有量が多くなりすぎて濡れ性の低下を招いてしまう可能性が高い。特に好ましいSnの含有量は34.0質量%以上39.0質量%以下であり、この範囲であれば共晶点の組成に近く、上記したSnの効果が十分に発揮される。 The Sn content is 32.0 mass% or more and 40.0 mass% or less. When the Sn content is less than 32.0% by mass, effects such as improvement in flexibility are not sufficiently exhibited, and the difference between the liquidus temperature and the solidus temperature becomes large, causing a phenomenon of separation. On the other hand, if the Sn content exceeds 40.0% by mass, the melting phenomenon is likely to occur in the same manner, and the Sn content that is easily oxidized as compared with Au is excessively increased, resulting in a decrease in wettability. There is a high possibility of being. The particularly preferable Sn content is 34.0% by mass or more and 39.0% by mass or less, and if it is within this range, the composition of the eutectic point is close and the above-described effect of Sn is sufficiently exhibited.
<Al、Mg>
Al及びMgは、本発明のはんだ合金の各種特性を改善又は調整するために後述するCuやZnなどと共に構成される群の中から少なくとも1種が含有されるとの条件の下で添加される元素であり、これらAl及びMgのいずれの元素を添加しても得られる主な効果はほぼ同じである。すなわち、Al及びMgはAuやGeやSnに比較して酸化され易く、これらの元素をAu−Ge−Sn系はんだ合金に含有させることにより優先的に酸化され、はんだ表面に析出して薄い酸化物層を生成する。Al又はMgが酸化されることにより母相を構成する元素の酸化が抑制され、さらには上記薄い酸化物層が形成されることにより、はんだ内部へ酸素原子が侵入していきづらくなり、結果として濡れ性が向上するのである。
<Al, Mg>
Al and Mg are added under the condition that at least one selected from the group consisting of Cu and Zn described later is contained in order to improve or adjust various properties of the solder alloy of the present invention. The main effects obtained by adding any of Al and Mg are almost the same. That is, Al and Mg are more easily oxidized than Au, Ge, and Sn, and are preferentially oxidized by adding these elements to the Au—Ge—Sn solder alloy, and precipitate on the solder surface to form a thin oxide. Create a physical layer. Oxidation of the elements constituting the parent phase is suppressed by the oxidation of Al or Mg, and further, the formation of the thin oxide layer makes it difficult for oxygen atoms to penetrate into the solder. The wettability is improved.
より具体的に説明すると、AlはAuに数質量%固溶する。このように固溶したAlは、はんだ合金を加熱して接合する際にAuやGeやSnよりも酸素と圧倒的に結合し易いため、はんだ表面に析出してきて酸化物層を形成する。このようにAlが自ら酸化されることによりAuやGeやSnの酸化が抑制されると共に酸化物層が薄く形成されるのである。そしてこの薄い酸化物層の形成によって、接合時には基板や半導体素子と溶融はんだ合金とが金属同士として直接接触し易くなる。その結果、濡れ性や接合性が向上するのである。 More specifically, Al is a solid solution of several mass% in Au. Since Al dissolved in this manner is overwhelmingly bonded to oxygen more than Au, Ge, or Sn when the solder alloy is heated and joined, it precipitates on the solder surface and forms an oxide layer. Thus, when Al is oxidized by itself, oxidation of Au, Ge, and Sn is suppressed, and an oxide layer is formed thinly. The formation of this thin oxide layer facilitates direct contact between the substrate or semiconductor element and the molten solder alloy as a metal during bonding. As a result, wettability and bondability are improved.
ただし、Alを多く含有させすぎると、Alによる酸化物層の厚さが分厚くなってしまい、濡れ性をかえって低下させてしまうおそれがある。このため、Alの最適な含有量の上限値は1.5質量%である。1.5質量%以下であれば、良好な濡れ性や接合性が得られ、0.7質量%以下であればより一層、Alを含有させる効果が現れて好ましい。一方、Al含有量の下限値は0.01質量%である。0.01質量%未満では含有量が少なすぎてその効果は実質的に現れてこない。 However, if too much Al is contained, the thickness of the oxide layer due to Al becomes thick, and the wettability may be reduced instead. For this reason, the upper limit of the optimal content of Al is 1.5 mass%. If it is 1.5 mass% or less, favorable wettability and bondability will be acquired, and if it is 0.7 mass% or less, the effect of containing Al will appear further and it is preferable. On the other hand, the lower limit of the Al content is 0.01% by mass. If it is less than 0.01% by mass, the content is too small, and the effect does not substantially appear.
一方、MgはAlと同様に本発明において各種特性を改善又は調整するために適宜添加される元素であり、期待される主な効果も濡れ性向上にある。MgはAlよりも酸化され易く、濡れ性向上効果を発揮する際、Alよりも効果が大きい。よって少量で効果を発揮する。しかし、Mgはあまり多く含有させることはできない。その理由は、MgはAlよりも酸素と結合しやすいため、強固な酸化物層を形成しやすく、比較的薄い酸化膜であっても濡れ性をかえって低下させる要因になり得るからである。よって、Mgの含有量の上限値は0.8質量%である。0.8質量%以下であれば良好な濡れ性が得られ、0.3質量%以下であれば、その効果はより一層顕著に現れて好ましい。一方、Mg含有量の下限値は0.01質量%である。0.01質量%未満では少なすぎて実質的にその効果が現れない。 On the other hand, Mg, like Al, is an element that is added as appropriate in order to improve or adjust various properties in the present invention, and the main expected effect is to improve wettability. Mg is more easily oxidized than Al, and is more effective than Al when exerting an effect of improving wettability. Therefore, it is effective in a small amount. However, Mg cannot be contained so much. The reason is that Mg is easier to bond with oxygen than Al, so that it is easy to form a strong oxide layer, and even a relatively thin oxide film can cause a decrease in wettability. Therefore, the upper limit of the Mg content is 0.8% by mass. When the content is 0.8% by mass or less, good wettability can be obtained, and when the content is 0.3% by mass or less, the effect is more remarkable and preferable. On the other hand, the lower limit of the Mg content is 0.01% by mass. If it is less than 0.01% by mass, the effect is not substantially exhibited because the amount is too small.
以上述べたように、Al及びMgは互いに共通する効果を有するが、各元素の特徴を加味してはんだ合金に含有させればよい。例えば、Al及びMgの融点はそれぞれAlが660℃、Mgが650℃である。従って、はんだ合金の液相線温度等の融点調整を行う際にはAl、Mgの融点を参考として含有させればよい。濡れ性については、Mg、Alの順に還元性が強く、従ってこの順に濡れ性向上効果が大きい。さらに、これらの元素を含有させた際に生成される固溶体や金属間化合物の性質を考慮して、適宜目的とする特性に調整するように元素、含有量を決めていけばよい。 As described above, Al and Mg have an effect common to each other, but may be contained in the solder alloy in consideration of the characteristics of each element. For example, the melting points of Al and Mg are 660 ° C. for Al and 650 ° C. for Mg, respectively. Therefore, when adjusting the melting point such as the liquidus temperature of the solder alloy, the melting points of Al and Mg may be included as a reference. As for the wettability, the reducing property is strong in the order of Mg and Al, and therefore the wettability improving effect is large in this order. Furthermore, in consideration of the properties of the solid solution and intermetallic compound produced when these elements are contained, the elements and the contents may be determined so as to adjust appropriately to the intended characteristics.
<Cu、Ni、Sb>
Cu、Ni、及びSbは、本発明のはんだ合金の各種特性を改善又は調整するために前述したAl、Mgや後述するZnと共に構成される群の中から少なくとも1種が含有されるとの条件の下で添加される元素であり、これらCu、Ni、及びSbのいずれの元素を添加しても得られる主な効果はほぼ同じであり、加工性及び応力緩和性の向上にある。
<Cu, Ni, Sb>
The condition that Cu, Ni, and Sb contain at least one selected from the group consisting of Al, Mg, and Zn described later in order to improve or adjust various properties of the solder alloy of the present invention. The main effects obtained by adding any of these elements of Cu, Ni, and Sb are almost the same, and the workability and stress relaxation are improved.
すなわち、Cu、Ni、Sbははんだ合金が溶融後、固化する際に最初に析出し、それを核として微細な結晶が成長していくため組織が微細結晶構造となり、その結果、クラックの進行が粒界で止められ易くなる。これによってはんだ合金に熱応力などの様々な応力が加わってもクラックが進展しづらくなり、シート材などに加工してもクラック等の不良の発生が抑えられ、接合信頼性なども飛躍的に向上する。 That is, Cu, Ni, and Sb are first precipitated when the solder alloy is melted and solidified, and fine crystals grow using it as a nucleus, so that the structure becomes a fine crystal structure. It becomes easy to stop at the grain boundary. This makes it difficult for cracks to develop even when various stresses such as thermal stress are applied to the solder alloy, and even when processed into sheet materials, cracks and other defects are suppressed, and joint reliability is dramatically improved. To do.
上記したメカニズムにより加工性向上の効果が発揮されるため、Cu、Ni、Sbの含有量をあまり多くすることは好ましくない。これらの元素の含有量が多すぎると核の密度が多くなり、結晶粒が微細化せずに逆に粗大化してしまい、添加効果が半減してしまうからである。従って、Cuを含有させる場合の上限値は1.0質量%とする。また、下限値は0.01質量%であり、この値に満たないと核の析出が少なすぎて実質的に加工性向上の効果が得られない。同様の理由でNiの含有量は0.01質量%以上1.0質量%以下であり、Sbの含有量は0.01質量%以上0.80質量%以下である。このような組成範囲とすることにより良好な特性を有するはんだ合金となり得る。 Since the effect of improving workability is exhibited by the above-described mechanism, it is not preferable to increase the contents of Cu, Ni, and Sb. This is because if the content of these elements is too large, the density of the nuclei increases, the crystal grains are coarsened instead of being refined, and the effect of addition is halved. Therefore, the upper limit when Cu is contained is 1.0 mass%. Further, the lower limit is 0.01% by mass, and if this value is not reached, the precipitation of nuclei is too small and the effect of improving workability cannot be obtained substantially. For the same reason, the Ni content is 0.01% by mass or more and 1.0% by mass or less, and the Sb content is 0.01% by mass or more and 0.80% by mass or less. By setting it as such a composition range, it can become a solder alloy which has a favorable characteristic.
<Zn>
Znは本発明のはんだ合金の各種特性を改善又は調整するために前述したAlやCuなどと共に構成される群の中から少なくとも1種が含有されるとの条件の下で添加される元素であり、この元素を含有させることによって得られる主な効果は加工性及び応力緩和性の向上にある。しかし、Cu、Ni、Sbとは加工性等を向上させるメカニズムが異なる。
<Zn>
Zn is an element added under the condition that at least one of the group consisting of Al, Cu and the like described above is contained in order to improve or adjust various properties of the solder alloy of the present invention. The main effect obtained by containing this element is to improve workability and stress relaxation. However, it is different from Cu, Ni and Sb in the mechanism for improving workability and the like.
すなわち、ZnはAuに固溶し、且つGeと共晶合金を生成する。この共晶合金化によって加工性を向上させるのである。しかし、Znは酸化され易い元素であり、従って、はんだ合金製造時の条件によっては酸化が進行し過ぎてしまう。このためZnの含有量は製造方法を含めて考慮する必要があり、実質的にその上限値は3.0質量%である。この値を超えて添加すると酸化を極力抑えた製造条件であっても酸化物層の厚さが分厚くなり、良好な接合が得られない。一方、Zn含有量の下限値は0.01質量%である。0.01質量%未満であると含有量が少なすぎてその効果は実質的に現れてこない。 That is, Zn dissolves in Au and forms a eutectic alloy with Ge. This eutectic alloying improves workability. However, Zn is an element that is easily oxidized, and therefore, oxidation proceeds excessively depending on conditions at the time of manufacturing the solder alloy. For this reason, it is necessary to consider Zn content including a manufacturing method, and the upper limit is 3.0 mass% substantially. If the amount exceeds this value, the oxide layer becomes thick even under the production conditions in which oxidation is suppressed as much as possible, and good bonding cannot be obtained. On the other hand, the lower limit of the Zn content is 0.01% by mass. If it is less than 0.01% by mass, the content is too small and the effect does not substantially appear.
<P>
Pは本発明のはんだ合金において必要に応じて添加される任意の元素であり、その効果は濡れ性の向上にある。Pが濡れ性を向上させるメカニズムについて説明すると、Pは還元性が強く、P自らが酸化されることによって、はんだ合金表面の酸化を抑制すると共に基板面を還元し、その結果、濡れ性を向上させる。
<P>
P is an arbitrary element added as necessary in the solder alloy of the present invention, and its effect is in improving wettability. Explaining the mechanism by which P improves wettability. P is strongly reducible, and P itself is oxidized, thereby suppressing the oxidation of the solder alloy surface and reducing the substrate surface, resulting in improved wettability. Let
一般にAu系はんだは酸化され難いため濡れ性に優れているが、接合面の酸化物を除去することはできない。これに対して、Pははんだ表面の酸化膜の除去だけではなく、基板などの接合面の酸化膜も除去することが可能である。このはんだ表面の酸化膜と接合面の酸化膜の両方を除去する効果により、酸化膜によって形成される隙間(ボイド)も低減することができる。このPの効果によって、接合性や信頼性等が更に向上する。 In general, an Au-based solder is excellent in wettability because it is difficult to oxidize, but the oxide on the joint surface cannot be removed. On the other hand, P can remove not only the oxide film on the solder surface but also the oxide film on the bonding surface such as the substrate. Due to the effect of removing both the oxide film on the solder surface and the oxide film on the bonding surface, gaps (voids) formed by the oxide film can also be reduced. This effect of P further improves the bondability and reliability.
なお、Pは、はんだ合金や基板を還元して酸化物になると同時に気化し、雰囲気ガスに流されるため、はんだや基板等に残らない。このため、Pの残渣が信頼性等に悪影響を及ぼす可能性はなく、この点からもPは優れた元素と言える。 Note that P does not remain on the solder, the substrate, or the like because the solder alloy or the substrate is reduced to become an oxide and is vaporized at the same time and flows into the atmosphere gas. For this reason, there is no possibility that the residue of P adversely affects reliability and the like, and P can be said to be an excellent element from this point.
本発明のはんだ合金にPを含有させる場合は、Pの含有量は0.500質量%以下が好ましい。Pは非常に還元性が強いため、微量を含有させれば濡れ性向上の効果が得られるが、0.500質量%を超えて含有しても濡れ性向上の効果はあまり変わらず、過剰な含有によってPやP酸化物の気体が多量に発生し、ボイド率を上げてしまったり、Pが脆弱な相を形成して偏析し、はんだ接合部を脆化して信頼性を低下させたりする恐れがあるからである。 When P is contained in the solder alloy of the present invention, the P content is preferably 0.500% by mass or less. Since P is very reducible, the effect of improving the wettability can be obtained if a trace amount is contained, but the effect of improving the wettability does not change so much even if contained in excess of 0.5% by mass. Containment may cause a large amount of P or P oxide gas to increase the void ratio, or P may segregate by forming a fragile phase, embrittle the solder joint and reduce reliability. Because there is.
以下に具体的な実施例を挙げて本発明を更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、Ge、Sn、Al、Cu、Mg、Sb、Zn、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。これらの原料から所定量を秤量して、高周波溶解炉用グラファイトるつぼに入れた。なお、Pを含有させる場合には、原料としてSn−P合金を用いて溶解した。このようにすると、気化し易いPが初めから合金化されているため、はんだに含有させやすくなる。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples, but the present invention is not limited to these examples. First, Au, Ge, Sn, Al, Cu, Mg, Sb, Zn, and P each having a purity of 99.9% by mass or more were prepared as raw materials. 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 made fine to 3 mm or less. A predetermined amount of these raw materials was weighed and placed in a graphite crucible for a high-frequency melting furnace. In addition, when making P contain, it melt | dissolved using the Sn-P alloy as a raw material. If it does in this way, since P which is easy to vaporize is alloyed from the beginning, it becomes easy to make it contain in solder.
次に、原料の入ったグラファイト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0.7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。金属が溶融し始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て、るつぼ内の溶湯をはんだ母合金の鋳型に流し込んだ。鋳型には液中アトマイズ用の直径24mmの円筒形状のものを使用した。 Next, the graphite crucible containing the raw material was put into a high-frequency melting furnace, and nitrogen was flowed at a flow rate of 0.7 liter / min or more per kg of the raw material in order to suppress oxidation. In this state, the melting furnace was turned on to heat and melt the raw material. When the metal began to melt, it was stirred well with a mixing rod and mixed uniformly so as not to cause local compositional variations. After confirming sufficient melting, the high frequency power supply was turned off, the crucible was quickly removed, and the molten metal in the crucible was poured into the solder mother alloy mold. As the mold, a cylindrical shape having a diameter of 24 mm for atomizing in liquid was used.
このようにして試料1のはんだ母合金を作製した。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2〜45のはんだ母合金を作製した。これらの試料1〜45の各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。得られた分析結果を下記表1に示す。
In this way, the solder mother alloy of
上記試料1〜45の各はんだ母合金を、下記の方法により液中アトマイズ装置を用いてボール状に加工した。その際の液体としては、はんだの酸化抑制効果が大きい油を用いた。得られた各試料のボールに対して、下記の方法により所定の粒径に分級して収率を調べ、加工性を評価した。
Each solder mother alloy of
<ボールの製造方法>
準備した試料1〜45の各母合金(直径24mm)を液中アトマイズ装置のノズルに投入し、このノズルを390℃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650℃まで加熱して5分間保持した後、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、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。
<Ball manufacturing method>
Put each master alloy (diameter 24mm) of prepared samples 1-45 into the nozzle of submerged atomizer, and set this nozzle on the top of quartz tube containing oil heated to 390 ° C (in high frequency melting coil) did. After heating the mother alloy in the nozzle to 650 ° C. by high frequency and holding it for 5 minutes, pressure was applied to the nozzle with an inert gas and atomization was performed to produce a ball-shaped solder alloy. The ball diameter was set to 0.30 mm, and the nozzle tip diameter was adjusted in advance.
<加工性の評価(ボール収率)>
はんだ合金の加工性を評価するため、開口径が異なる2種類のふるいで構成される2段式の分級器を用いて上記製造方法で得たボールを直径0.30±0.015mmの範囲で分級した。具体的には、厚み0.1mmのステンレス板にレーザー加工で高精度の円形の貫通孔を穿孔することによって上段用の孔の開口直径0.315mmのふるいと、下段用の孔の開口直径0.285mmのふるいとを作製し、これらをセットして1回の分級で規格値の下限未満の不良品と規格値の上限を超える不良品とを選別除去した。このようにして得たボールの収率を下記計算式1により算出した。
<Evaluation of workability (ball yield)>
In order to evaluate the workability of the solder alloy, the balls obtained by the above manufacturing method using a two-stage classifier composed of two types of sieves having different opening diameters are within a range of 0.30 ± 0.015 mm in diameter. Classified. Specifically, a high-precision circular through hole is drilled by laser processing on a stainless steel plate having a thickness of 0.1 mm to obtain a sieve having an opening diameter of 0.315 mm for the upper stage and an opening diameter of the lower stage of 0 mm. A .285 mm sieve was prepared, and these were set, and in a single classification, defective products that were less than the lower limit of the standard value and defective products that exceeded the upper limit of the standard value were selected and removed. The yield of the balls thus obtained was calculated according to the following
[計算式1]
ボール収率(%)=直径0.30±0.015mmのボール重量÷分級投入ボール重量×100
[Calculation Formula 1]
Ball yield (%) = ball weight of diameter 0.30 ± 0.015 mm ÷ classified ball weight × 100
次に、上記した試料1〜45の母合金からそれぞれ作製したボール状のはんだ合金の各々を用いて基板との接合試験を行い、その接合部のはんだに対して下記の方法でのアスペクト比とボイド率を測定し、それぞれ濡れ性評価及び接合性評価とした。更に、上記接合試験で得られた基板とはんだの接合体に対して下記の方法でヒートサイクル試験を行って信頼性評価とした。
Next, a bonding test with the substrate was performed using each of the ball-shaped solder alloys prepared from the mother alloys of
<濡れ性の評価(アスペクト比の測定)>
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12リットル/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。
<Evaluation of wettability (measurement of aspect ratio)>
Start up a wettability tester (device name: atmosphere control type wettability tester), cover the heater part to be heated with a double cover, and let nitrogen gas flow at a flow rate of 12 liters / minute from around the heater part. did. Thereafter, the heater was set to a temperature higher than the melting point by 50 ° C. and heated.
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、次にボール状の各はんだ合金を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。 After the heater temperature is stabilized at the set value, a Cu substrate (plate thickness: 0.3 mm) plated with Ni (film thickness: 3.0 μm) is set in the heater section and heated for 25 seconds, and then each ball-shaped solder The 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, once installed in a place where the nitrogen atmosphere next to it was maintained, cooled, and after sufficiently cooled, taken out into the atmosphere.
このようにして得たCu基板とはんだ合金との接合体は、図2に示すようにCu基板1のNi層2にはんだ合金3が接合された状態となっており、そのはんだ合金3のアスペクト比を求めた。具体的には、図3に示す最大はんだ高さYと、図4に示す最大はんだ濡れ広がり長さX1及び最小はんだ濡れ広がり長さX2とを測定し、下記計算式2によりアスペクト比を算出した。アスペクト比が高いほど、接合されたはんだ厚さが薄く且つ面積が広くなっていることになり、濡れ性がよいと判断できる。
The bonded body of the Cu substrate and the solder alloy thus obtained is in a state in which the
[計算式2]
アスペクト比=[(X1+X2)÷2]÷Y
[Calculation Formula 2]
Aspect ratio = [(X1 + X2) ÷ 2] ÷ Y
<接合性の評価(ボイド率の測定)>
上記濡れ性の評価の際と同様にして得た図2に示す接合体に対して、はんだ合金が接合されたCu基板1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3とCu基板1の接合面を上部から垂直にX線を透過し、下記計算式3を用いてボイド率を算出した。
<Evaluation of bondability (measurement of void fraction)>
With respect to the joined body shown in FIG. 2 obtained in the same manner as in the evaluation of the wettability, the void ratio of the
[計算式3]
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 3]
Void ratio (%) = void area / (void area + solder alloy / Cu substrate bonding area) × 100
<信頼性の評価(ヒートサイクル試験)>
上記濡れ性の評価の際と同様にして得た図2に示す接合体に対して、−40℃の冷却と250℃の加熱とを1サイクルとして、所定のサイクル数だけ繰り返した。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)により接合面を観察した。接合面に剥がれがある場合又ははんだ合金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。このヒートサイクル試験(信頼性評価)の結果を、上記したボール収率(加工性評価)、アスペクト比(濡れ性評価)、及びボイド率(接合性評価)と共に下記表2に示す。
<Reliability evaluation (heat cycle test)>
The joined body shown in FIG. 2 obtained in the same manner as in the evaluation of the wettability was repeated for a predetermined number of cycles, with -40 ° C. cooling and 250 ° C. heating as one cycle. Thereafter, the Cu substrate to which the solder alloy was bonded was embedded in the resin, cross-section polishing was performed, and the bonding surface was observed with SEM (S-4800, manufactured by Hitachi, Ltd.). The case where the joint surface was peeled off or the solder alloy was cracked was indicated as “X”, and the case where there was no such defect and the same joint surface as in the initial state was maintained as “◯”. The results of this heat cycle test (reliability evaluation) are shown in Table 2 below together with the above-described ball yield (workability evaluation), aspect ratio (wetting evaluation), and void ratio (bondability evaluation).
上記表2から分かるように、本発明の要件を満たす試料1〜26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。すなわち、加工性の評価であるボール収率は最低でも47%と高く、比較例である試料44のAu−12.5質量%Ge(46%)、試料45のAu−20質量%Sn(46%)と比較しても遜色がないことが分かる。また、アスペクト比は全て6以上であって、はんだが薄く且つ広く濡れ広がっており、良好な濡れ性を有していた。ボイド率は最も高いものでも0.3%であり、良好な接合性を示した。そして、信頼性に関する試験であるヒートサイクル試験においては、500サイクル経過後も不良が現れず、良好な結果が得られた。
As can be seen from Table 2 above, each of the solder alloys of
一方、比較例である試料27〜45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。すなわち、ボール収率は高くても46%と本発明のいずれの試料よりも低く、ボイド率も0.7〜8.0%と本発明のいずれの試料よりも明らかに悪かった。また、アスペクト比は試料27、29、37、40、44、及び45を除いて4以下であり、ヒートサイクル試験においては試料40、44、及び45を除いて500回までに全ての試料で不良が発生した。
On the other hand, each of the solder alloys of Samples 27 to 45, which are comparative examples, resulted in an undesirable result in at least any of the characteristics. That is, even if the ball yield was high, it was 46%, which was lower than that of any sample of the present invention, and the void ratio was 0.7 to 8.0%, which was clearly worse than that of any sample of the present invention. The aspect ratio is 4 or less except for
なお、上記実施例における試料1〜26のはんだ合金は、上記各特性の評価において良好な結果であるだけに留まらず、Au含有量が最高でも64.8質量%と少ない。このAu含有量はAu−Ge系はんだ合金において最も一般的な共晶組成である試料44のAu−12.5質量%Geや試料45のAu−20質量%Snよりも少なく、このことからも本発明のAu−Ge−Sn系はんだ合金が低コストであることが分かる。
In addition, the solder alloys of
1 Cu基板
2 Ni層
3 はんだ合金
1
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JP2015229168A (en) * | 2014-06-04 | 2015-12-21 | 住友金属鉱山株式会社 | Au-Ge-Sn-based solder alloy |
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JP2007160340A (en) * | 2005-12-13 | 2007-06-28 | Epson Toyocom Corp | Brazing filler metal |
JP5979083B2 (en) * | 2013-06-03 | 2016-08-24 | 住友金属鉱山株式会社 | Pb-free Au-Ge-Sn solder alloy |
-
2013
- 2013-07-18 JP JP2013149910A patent/JP2015020189A/en active Pending
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