Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト、およびこれにより形成されるＡｕ−Ｓｎ合金はんだ
【課題】 ２８０℃以下の低温で接合が可能なＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストであって、かつこのペーストにより形成されたＡｕ−Ｓｎ合金はんだは、Ｓｎ−Ａｇ系鉛フリーはんだによるセカンドリフロー時にも溶融しない。ＬＥＤ素子にやさしい接合が可能でかつ、セカンドリフロー時にも溶融することがなく、低Ａｕ化による材料コスト低減を可能とするＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを提供する。
【解決手段】 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混合粉末と、（Ｂ）フラックスとを含み、成分（Ａ）が、（Ａ１）ＡｕとＳｎとの合計１００質量部に対して、Ｓｎを１８〜２３．５質量部含むＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末、および（Ａ２）ＡｕとＳｎとの合計１００質量部に対して、Ｓｎを８８〜９２質量部含むＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末を含む。
【解決手段】 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混合粉末と、（Ｂ）フラックスとを含み、成分（Ａ）が、（Ａ１）ＡｕとＳｎとの合計１００質量部に対して、Ｓｎを１８〜２３．５質量部含むＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末、および（Ａ２）ＡｕとＳｎとの合計１００質量部に対して、Ｓｎを８８〜９２質量部含むＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト、およびこれにより形成されるＡｕ−Ｓｎ合金はんだに関する。より詳しくは、高融点のＡｕ−Ｓｎ合金はんだの作業温度を低下でき、かつ低Ａｕ化によるコストダウンを可能とするＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＥＤの輝度を高くするために、ＬＥＤに求められる出力が高くなっている。このＬＥＤの高出力化に伴う熱発生の対策として、一般に、ＬＥＤ素子と基板との接合には、金属拡散接合でかつ融点が約２８０℃と高いＳｎ：２０質量％を含有するＡｕ−Ｓｎ共晶合金（以下、「Ａｕ２０Ｓｎ」という）はんだペーストが用いられている（特許文献１）。また、サーミスタ、または熱電素子もしくはペルチェ素子用半導体と基板との接合、ＳＡＷデバイスや水晶振動子などのパッケージの蓋封止等に、Ａｕ２０Ｓｎ合金はんだペーストが用いられている。
【０００３】
このＡｕ２０Ｓｎ合金はんだペーストを用いる場合には、リフロー炉等で加熱する場合に、融点の２８０℃に対して３００〜３１０℃まで温度を上げることが求められる。ここで、ＬＥＤ素子には耐熱温度が３３０℃前後のものがあり、ＬＥＤ素子の接合のために、３００〜３１０℃まで温度を上げることは、ＬＥＤ素子への熱的ダメージの観点から好ましいとはいえず、リペア工程（一旦基板に接続された素子を不具合があれば、素子を再利用するために再加熱して取り外す工程）を行う場合には、ＬＥＤ素子への熱的ダメージがより大きくなる。さらにＬＥＤ素子、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ、基板間の熱膨張係数の差による応力が大きくなってしまう、フラックス残渣が増加し、より注意深い洗浄工程が必要になるという課題がある。また、サーミスタ、または熱電素子もしくはペルチェ素子と基板との接合、ＳＡＷデバイスや水晶振動子などのパッケージの蓋封止等に、Ａｕ２０Ｓｎ合金はんだペーストを用いる場合にも、熱膨張係数の差による応力が大きくなってしまう、フラックス残渣が増加し、より注意深い洗浄工程が必要になるという課題が共通する。なお、サーミスタの基板への接合にＡｕ２０Ｓｎ合金はんだペーストを用いる場合には、サーミスタの抵抗値が変化してしまうという課題もある。したがって、Ａｕ２０Ｓｎ合金はんだペーストより融点または液相線温度が低温のはんだペーストが求められている。
【０００４】
一方、融点が低いＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストとして、融点が２１７℃と低いＳｎ：９０質量％を含有するＡｕ−Ｓｎ共晶合金（以下、「Ａｕ９０Ｓｎ」という）はんだペーストが知られている（特許文献２）。しかしながら、ＬＥＤ搭載パッケージ等をヒートシンクなどに接合するために、Ｓｎ−Ａｇ系鉛フリーはんだによるセカンドリフローを実施するとき、Ａｕ９０Ｓｎ合金はんだでは再溶融してしまう。したがって、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだが再溶融しないように、１ｓｔリフロー後のＡｕ−Ｓｎ合金はんだの固相線温度としては、セカンドリフローにおけるＭａｘ温度より高い２５０〜２７０℃以上を有することが求められている。しかし、実用的な鉛フリーはんだは未だ見出されておらず、当然ながら、融点が２５０〜２７０℃の鉛フリーはんだペーストも見出されていない（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−７２８８号公報
【特許文献２】特開２００８−１３７０１７号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】菅沼克昭編著、「鉛フリーはんだ技術・材料ハンドブック」、株式会社工業調査会、２００７年７月１０日、ｐ．１９２〜１９９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、２８０℃以下の低温で接合が可能なＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストであって、かつこのペーストにより形成されたＡｕ−Ｓｎ合金はんだは、Ｓｎ−Ａｇ系鉛フリーはんだによるセカンドリフローでも再溶融しない低Ａｕ含有量のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、以下の構成を有することによって上記問題を解決したＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストまたはＡｕ−Ｓｎ合金はんだに関する。
（１）（Ａ）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混合粉末と、（Ｂ）フラックスとを含み、成分（Ａ）が、（Ａ１）ＡｕとＳｎとの合計１００質量部に対して、Ｓｎを１８〜２３．５質量部含むＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末、および（Ａ２）ＡｕとＳｎとの合計１００質量部に対して、Ｓｎを８８〜９２質量部含むＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末を含むことを特徴とする、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト。
（２） 成分（Ａ１）と成分（Ａ２）の合計１００質量部に対して、成分（Ａ１）を３０〜５０質量部含むことを特徴とする、上記（１）記載のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト。
（３） 成分（Ａ１）の粒径が０．１μｍ以上２０μｍ以下であり、成分（Ａ２）の粒径が１０μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする、上記（１）または（２）記載のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト。
（４） 成分（Ａ１）の平均粒径が１〜７μｍであり、成分（Ａ２）の平均粒径が１５〜４５μｍであることを特徴とする、上記（３）記載のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト。
（５） ２６０〜２８０℃でリフロー可能であることを特徴とする、上記（１）〜（４）のいずれかに記載のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト。
（６）成分（Ｂ）を、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト１００質量部に対して、６〜２０質量部含む、上記（１）〜（５）のいずれかに記載のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト。
（７） 上記記載のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを、２６０〜２８０℃で加熱することにより形成される、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ。
（８） 上記（７）で形成された、固相線温度が２５０℃以上２８０℃以下である、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ。
【発明の効果】
【０００９】
本発明（１）によれば、２８０℃以下の低温での接合が可能であり、かつ接合後のＡｕ−Ｓｎ合金はんだの固相線温度が２５０℃以上である、リフロー時の熱ダメージが少ないためＬＥＤ素子等にやさしく、ＬＥＤ素子等、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ、基板間の熱膨張係数の差による応力を抑制し、フラックス残渣の増加に伴う注意深い洗浄工程は生じず、セカンドリフロー時に再溶融しないＡｕ−Ｓｎ合金はんだを形成することができ、かつ、合金はんだにおけるＡｕ量の低減によるコスト削減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストにＬＥＤ素子を搭載後のリフロープロファイルの一例である。窒素雰囲気下、２８０℃で１分間保持している。
【図２】図１のプロファイルでリフローし形成されたＡｕ−Ｓｎ合金はんだの断面組織写真である。
【図３】本発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを、図１のプロファイルにてリフロー後、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだのセカンドリフローを想定した再加熱時の熱的挙動を分析した示差熱曲線の２００〜３５０℃のデータの一例である。昇温速度１０℃／分で室温〜３５０℃まで昇温した。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を実施形態に基づいて具体的に説明する。なお、％は特に示さない限り、また数値固有の場合を除いて質量％である。
【００１２】
〔Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト〕
本発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストは、（Ａ）ＡｕとＳｎの合計１００質量部に対して、Ｓｎを５５〜７０質量部含むＡｕ−Ｓｎ混合粉末と、（Ｂ）フラックスとを含むことを特徴とする。
【００１３】
成分（Ａ）は、ＡｕとＳｎの合計１００質量部に対して、Ｓｎを５５〜７０質量部、好ましくは６１〜７０質量部含む。５５質量部未満では、固相線温度が３０９℃、液相線温度がそれ以上になってしまい、ＬＥＤ素子等をリペアする際の温度が３５０℃付近となり、ＬＥＤ素子等が破損する等の不都合が生じてしまう。６１質量部以上であると、高融点(約３０９℃)であるδ相が生成しにくいので、好ましい。一方、７０質量部を超えると、低融点相が生じ、固相線温度が約２１７℃になり、セカンドリフロー時に、形成されたＡｕ−Ｓｎ合金はんだが再溶融してしまい、ＬＥＤ素子等がずれてしまう。ここで、ＡｕとＳｎの定量分析は、ＦＥ−ＥＰＭＡ装置（日本電子社製ＪＸＡ−８５００Ｆ）により行う。
【００１４】
なお、本発明において、「融点」とはＡｕ−Ｓｎ合金が共晶組成の場合に、固相から液相になる温度をいい、その他特記がない限り、溶融開始温度は「固相線温度」、完全に溶融する温度は「液相線温度」とする。
【００１５】
成分（Ａ）の粒径は、リフロー熱処理後のＡｕ−Ｓｎ合金の組織均一化のために、０．１μｍ以上２０μｍ以下であると好ましい。本発明において、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末は、風力分級機により分級される。
【００１６】
成分（Ａ）の平均粒径は、好ましくは１〜７μｍ、より好ましくは３μｍ以上６μｍである。本発明において、平均粒径は、日機装社製マイクロトラック粒度分析計（型番：ＭＴ３３００ＥＸ）により測定する。
【００１７】
成分（Ａ）は、不可避不純物以外に、本発明の目的を損なわない範囲内で、上記以外の元素を添加してもよい。また、成分（Ａ）は、１種または２種以上を混合してもよい。なお、成分（Ａ）が１種であると、リフロー時にＡｕ−Ｓｎ合金はんだの融液の粘性が高く、濡れ性が良好でない場合があり、２種以上を混合することが好ましい。
【００１８】
成分（Ａ）が、（Ａ１）ＡｕとＳｎの合計１００質量部に対して、Ｓｎを１８〜２３．５質量部含むＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末、および（Ａ２）ＡｕとＳｎの合計１００質量部に対して、Ｓｎを８８〜９２質量部含むＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末を含むと、リフロー時のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストの溶融し易さおよび濡れ易さ観点から好ましい。成分（Ａ１）および成分（Ａ２）のＳｎ量が上記範囲であると、Ａｕ２０ＳｎまたはＡｕ９０Ｓｎの共晶組成近傍となるので、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末を、ガスアトマイズ法等で容易に作製することが可能となり、さらに、成分（Ａ２）の場合には、Ｓｎ量を上記範囲とし、固相線温度（共晶組成の場合には融点）を２１７℃近傍とすることが、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを２６５〜２８０℃でリフロー可能とするために特に有効となる。詳しくは、後述する。なお、（Ａ１）成分は、２１〜２２．５質量部であるとより好ましく、（Ａ２）成分は、９０〜９１質量部であるとより好ましい。ここで、成分（Ａ１）および成分（Ａ２）の、ＡｕとＳｎの定量分析は、ＦＥ−ＥＰＭＡ装置（日本電子社製ＪＸＡ−８５００Ｆ）を用いる。
【００１９】
成分（Ａ１）の粒径は、リフロー熱処理後のＡｕ−Ｓｎ合金の組織均一化のためにも、より低固相線温度を有する成分（Ａ２）よりも小さな粒径にすることが好ましく、かつ粉末表面の酸化を抑制するため、０．１μｍ以上２０μｍ以下であると好ましい。また、成分（Ａ１）の平均粒径は、好ましくは１〜７μｍ、より好ましくは３〜６μｍである。
【００２０】
成分（Ａ１）は、不可避不純物以外に、本発明の目的を損なわない範囲内で、上記以外の元素を添加してもよい。また、成分（Ａ１）は、１種または２種以上を混合してもよい。
【００２１】
成分（Ａ２）の粒径は、リフロー時のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストの溶融し易さを得るために成分（Ａ１）よりも大きな粒径にすることが好ましく、かつ良好な粉末凝集性を得るために粉末表面の酸化を抑制する必要があり、１０μｍ以上５０μｍ以下であると好ましい。また、成分（Ａ２）の平均粒径は、良好な粉末凝集性を得るためにも粉末表面の酸化を抑制する必要があり、かつ成分（Ａ１）よりも大きな平均粒径にすることが好ましく、好ましくは１５〜４５μｍ、より好ましくは１５〜３０μｍである。
【００２２】
成分（Ａ２）は、不可避不純物以外に、本発明の目的を損なわない範囲内で、上記以外の元素を添加してもよい。また、成分（Ａ２）は、１種または２種以上を混合してもよい。
【００２３】
成分（Ａ１）は、成分（Ａ１）と成分（Ａ２）の合計１００質量部に対して、３０〜５０質量部含むことが好ましく、３５〜４５質量部がより好ましい。理由は、後述する。また、成分（Ａ１）と成分（Ａ２）を混合したペーストの混合粉の定量分析は、ペーストをエタノールなどの溶媒中で攪拌し、フラックスを除去後に混合粉を分析するか、ペーストをグリセリン中に入れ、２８０℃で加熱処理により得られた合金を分析すれば良い。分析には日本ジャーレル・アッシュ社製高周波誘導結合プラズマ発光分析装置（型番：ＩＣＡＰ−５７７）で定量分析を行う。
【００２４】
成分（Ｂ）は、一般的なフラックスを用いることができ、フラックスには、通常、ロジン、活性剤、溶剤および増粘剤等が含まれる。フラックスとしては、ペーストの濡れ性の観点からＲＡやＲＭＡフラックス等が好ましい。成分（Ｂ）は、１種または２種以上を混合してもよい。このフラックスの含有量は、５〜２５ｗｔ％の範囲内に設定される。
【００２５】
成分（Ｂ）は、印刷・ディスペンス・ピン転写工法に適したペースト粘度にするために、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト１００質量部に対して、６〜２０質量部含むことが好ましく、８〜１５質量部含むことがより好ましい。
【００２６】
本発明の成分（Ａ１）と成分（Ａ２）を含むＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストが、ＬＥＤ等の半導体素子と基板を接合するメカニズムは明確ではないが、２６０〜２８０℃での加熱により、まず、成分（Ａ２）が溶融し、ＬＥＤ等の半導体素子、基板等の被着物を濡らす。この後、溶融した成分（Ａ２）と成分（Ａ１）との間の拡散により、成分（Ａ２）と成分（Ａ１）が混合したＡｕ−Ｓｎ合金はんだが形成されると考えられる。このメカニズムにより、ＬＥＤ素子にやさしい２８０℃以下での加熱による接合が可能であり、かつ接合後に固相線温度が２５０℃以上であるＡｕ−Ｓｎ合金はんだを形成することが可能なＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを実現することができる。
【００２７】
このため、成分（Ａ２）には、２６０〜２８０℃の加熱により液相となることが求められ、さらに成分（Ａ１）に拡散しやすい組成であることが求められる。成分（Ａ１）と成分（Ａ２）の質量比は、この溶解した成分（Ａ２）と成分（Ａ１）との間の拡散を、適度に行う観点から選択される。成分（Ａ２）に対して、成分（Ａ１）が少なすぎると、成分（Ａ２）が最初の加熱後も残留してしまうため、鉛フリーはんだによるセカンドリフロー時に再溶融してしまう。逆に成分（Ａ１）が多すぎると、最初の加熱後に成分（Ａ１）が多く残り、溶融せず、形成される合金は表面凸凹が激しく、金属光沢のないものになってしまう。上記２６０〜２８０℃での加熱時間、保持時間を長くすると、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだの均質性は高くなる。本発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストにおいては、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだの均質性が高くなるまで加熱することが、成分（Ａ１）と成分（Ａ２）が単独で残らず好ましい。そうすることで、ＬＥＤ素子の搭載時は２６０〜２８０℃と従来より低温で接合でき、鉛フリーはんだによるセカンドリフロー時には、２５０℃以上の固相線温度を有するために形成されたＡｕ−Ｓｎ合金部は再溶融しない。このときのＡｕ−Ｓｎ合金はんだは、ε相（Ａｕ１Ｓｎ２）とη相（Ａｕ１Ｓｎ４）とβ-Ｓｎから構成されている。
【００２８】
本発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストの加熱は、一般的には、窒素ガスまたはアルゴンガス中などの不活性雰囲気中、昇温速度：３℃／秒以上、Ｍａｘ温度：２６０〜２８０℃、３０〜６０秒間保持の条件で行われる。
【００２９】
図１に、本発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストの均質合金化のためのリフロープロファイルの一例を示す。窒素雰囲気下、Ｍａｘ温度２８０℃にて１分間保持している。図２には、図１にてリフローされたＡｕ−Ｓｎ合金の表面及び断面組織写真を示す。また、図３に、均質合金化後のＡｕ−Ｓｎ合金に対して、昇温速度１０℃／分で２００〜３５０℃まで昇温したときの示差熱分析曲線の一例を示す。図２から明らかなように、最初のリフロー後は、成分（Ａ１）成分（Ａ２）ともに粉末の未凝集はなく、３相（ε、η、β―Ｓｎ)の合金になっていることが分かる。図２の断面写真において、最も白い部分は成分（Ａ１）に由来するε相であり、最も濃い色の部分は成分（Ａ２）に由来するβ―Ｓｎであり、中間の色は成分（Ａ１）および／または成分Ａ（２）に由来するη相であると考えられる。ε相の粒子の周囲をη相が取り囲み、η相の中にβ―Ｓｎが存在する組織となっている。また、図３より２５０．２℃にて溶融開始温度を示しており、成分（Ａ２）起因の吸熱ピークはなく、２５０℃以上の固相線温度有する合金に変化したことがわかる。なお、２５０℃未満での固相線温度を有する新たな相は、生成していないことも確認することができる。
【００３０】
さらに、本発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストには、その目的を損なわない範囲内で、上記以外の慣用の各種添加剤を配合してもよい。このような添加剤として、分散剤、分散助剤、酸化防止剤、レベリング剤等を挙げることができる。
【００３１】
本発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストは、２６０〜２８０℃でリフロー可能である。ここで、固相線温度が２５２℃以下、好ましくは２４０℃以下であれば、一般的に２６０℃以上でリフロー可能となる。
【００３２】
本発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストは、ＬＥＤ素子等の半導体素子と基板の接合等の高信頼性を要求される用途で、好適に用いられる。
【００３３】
〔製造方法〕
成分（Ａ）は、ガスアトマイズ法等の当業者に公知の方法で作製することができる。また、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだが溶融時に融液の粘性が高くなり、ガスアトマイズを行うことが難しい場合には、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだインゴットを不活性雰囲気中で、ハンマーミル、ジェットミル、ボールミル等で粉砕することにより、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末を得ることができる。
【００３４】
成分（Ａ）に含有され得る成分（Ａ１）および成分（Ａ２）のＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末は、同様に作製することができ、一例としては、ガスアトマイズ法が挙げられる。ガスアトマイズ法での作製例としては、所定量のＡｕとＳｎを含むＡｕ−Ｓｎ合金を溶解して得られた溶湯を、温度：４５０〜１０００℃に保持し、撹拌しながら、または撹拌した後に、溶湯を圧力：３００〜８００ｋＰａで加圧しながら、噴霧圧力：５０００〜８０００ｋＰａで、直径：１〜２ｍｍの小径ノズルからノズルギャップ：０．３ｍｍ以下で不活性ガスを噴霧する方法が挙げられる。
【００３５】
上記撹拌は、機械撹拌が好ましく、プロペラ撹拌がより好ましい。また、機械撹拌に電磁誘導による撹拌のような電気的撹拌を併用してもよい。機械撹拌の回転速度は、特に限定されないが、６０〜１００ｒｐｍで３〜１０分間撹拌することが好ましい。
【００３６】
このようにして得られた成分（Ａ１）、および成分（Ａ２）を分級して、所定の平均粒径とした後、市販のフラックスと混合して、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを製造することができる。上記分級は、常法により行うことができるが、風力分級により行うことが好ましい。また、上記混合は、常法により、ペイントシェーカー、ボールミル、サンドミル、セントリミル、三本ロール等によって行うことができる。
【００３７】
〔Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ〕
本発明の加熱処理後のＡｕ−Ｓｎ合金はんだは、本発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを、２６０〜２８０℃で加熱することにより、形成される。
【００３８】
このときの加熱は、一般的には、窒素雰囲気中、昇温速度：３℃／秒、３０〜６０秒保持で行われる。
【００３９】
本発明の加熱処理後のＡｕ−Ｓｎ合金はんだは、鉛フリーはんだによるセカンドリフローへの対応の観点から、固相線温度が２５０〜３１０℃であると好ましい。固相線が３１０℃より高いと、リワーク時にＬＥＤ素子の耐熱温度に近づき、破損のリスクが高くなるからである。この固相線温度を測定する一例は、窒素雰囲気中、室温から３５０℃まで昇温速度：１０℃／分で昇温し、溶融開始温度（固相線温度）は、上述の示差熱分析により測定する。上述のように、この固相線温度は、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストの最初の加熱温度、保持時間等により変化する。
【００４０】
本発明の加熱処理後のＡｕ−Ｓｎ合金はんだは、ＬＥＤ素子等の半導体素子と基板の接合等の高信頼性を要求される用途で、好適に用いられる。本発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだを含む電子機器としては、ＬＥＤ等の光素子、高周波素子、熱電素子、サーミスタに加えて、ＳＡＷフィルター、水晶発振子等が挙げられる。
【実施例】
【００４１】
以下、実施例により、本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００４２】
〔実施例１〕
成分（Ａ１）としてＡｕ２０Ｓｎ粉末（呼び径：＜５μｍ、Ｄ５０：３．２μｍ）、成分（Ａ２）としてＡｕ９０Ｓｎ粉末（呼び径：１５〜３０μｍ、Ｄ５０：２５μｍ）の粉末を用い、成分（Ａ１）と成分（Ａ２）粉末が５０：５０質量部の割合で混合した。ここで、Ａｕ２０Ｓｎ粉末と、Ａｕ９０Ｓｎ粉末の分級は、日清エンジニアリング製ターボクラシファイアＴＣ−２５を用いて行った。ここで、「Ａｕ（ｘ）Ｓｎ」は、粉末１００質量部に対して、Ｓｎを（ｘ）質量部、残部にＡｕを含む。
【００４３】
この混合粉を市販のＲＭＡフラックスを用いて、ペースト１００質量部に対して、フラックス比率を１０．０質量部として、ペースト化した。ペースト粘度は８５Ｐａ・ｓであった。このペーストをシリンジに詰め、武蔵エンジニアリング製ディスペンサー装置（型番：ＭＬ−６０６ＧＸ、ニードル：武蔵エンジニアリング製、針部の材質：ＳＵＳ３０４、針元部の材質：真鍮（Ｎｉメッキ）、内径：７００μｍ（１９Ｇ））にてディスペンス塗布した。ペースト塗布量は１．０ｍｇとなるように調整した。
【００４４】
ここでＬＥＤ素子を搭載するものと、搭載しないものに分けてサンプルを作製した。前者は、塗布したペースト上に、１０００μｍ角のＬＥＤ素子を、マウンターを用いて搭載し、リフローを行った。後者はペーストを塗布した状態のままで、ＬＥＤ素子は搭載していない。ペーストを塗布した基板はＣｕ板／Ｎｉ（３μｍ）／Ａｕ（０．０３μｍ）より構成されている。リフロープロファイルは、プレヒートとして１５０℃で２分保持し、その後、ＭＡＸ温度として２８０℃で１分間保持した。窒素雰囲気下にて実施した。
【００４５】
ＬＥＤ素子を搭載したサンプルについては、基板とＬＥＤ素子間の接合部について表面の日本電子製走査型電子顕微鏡（型番：ＪＳＭ−６４６０ＬＶ）により合金表面状態を確認し、また、断面研磨後の粉末凝集性（溶け残りの有無）を確認した。表１に、結果を示す。
【００４６】
ＬＥＤ素子を搭載していないサンプルについては、Ｂｒｕｋｅｒ ＡＸＳ製示差熱・熱重量測定装置（品名：ＴＧ−ＤＴＡ ２０００ＳＡ）を用いて、再溶融開始温度を測定した。窒素雰囲気下、室温から３５０℃まで昇温速度１０℃／分で測定した。表１に、結果を示す。なお、Ｂｒｕｋｅｒ ＡＸＳ製示差熱・熱重量測定装置（品名：ＴＧ−ＤＴＡ ２０００ＳＡ）を用いて、２種の合金が混在していることも確認可能である。
【００４７】
また、表１には、判定の結果を示す。評価した項目の全てが良好であった場合は「ＯＫ」、評価した項目の一つでも良好でない場合には「ＮＧ」とした。
【００４８】
〔実施例２〜１５、比較例１〜３、参考例１〜５〕
表１に示す配合量で、実施例１と同様にペーストを作成し、評価を行った。表１に、結果を示す。
【００４９】
【表１】
【００５０】
表１からわかるように、実施例１〜１５の全てで、判定がＯＫであった。特に、実施例３は、リフロー温度が２６０℃でも良好な結果であった。これに対して、成分（Ａ）の組成で、Ｓｎが少ない比較例１、２は、３項目全てがＮＧ、Ｓｎが多い比較例３は、ＤＴＡによる再溶融開始温度が低く、ＮＧであった。また、成分（Ａ１）のＳｎが好ましい範囲ではない参考例１、２、および成分（Ａ２）のＳｎが好ましい範囲ではない参考例３、４では、リフロー後に粉末溶け残りがあった。また、リフロー温度が２５０℃の参考例５でも、リフロー後に粉末溶け残りがあった。
【００５１】
以上のように、本発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストは、２８０℃以下の低温で接合が可能で、かつ２５０℃で再溶融しないという非常に顕著な効果を有し、さらに低Ａｕ化によるコストダウンも可能であることがわかった。
【００５２】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態及び上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト、およびこれにより形成されるＡｕ−Ｓｎ合金はんだに関する。より詳しくは、高融点のＡｕ−Ｓｎ合金はんだの作業温度を低下でき、かつ低Ａｕ化によるコストダウンを可能とするＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＥＤの輝度を高くするために、ＬＥＤに求められる出力が高くなっている。このＬＥＤの高出力化に伴う熱発生の対策として、一般に、ＬＥＤ素子と基板との接合には、金属拡散接合でかつ融点が約２８０℃と高いＳｎ：２０質量％を含有するＡｕ−Ｓｎ共晶合金（以下、「Ａｕ２０Ｓｎ」という）はんだペーストが用いられている（特許文献１）。また、サーミスタ、または熱電素子もしくはペルチェ素子用半導体と基板との接合、ＳＡＷデバイスや水晶振動子などのパッケージの蓋封止等に、Ａｕ２０Ｓｎ合金はんだペーストが用いられている。
【０００３】
このＡｕ２０Ｓｎ合金はんだペーストを用いる場合には、リフロー炉等で加熱する場合に、融点の２８０℃に対して３００〜３１０℃まで温度を上げることが求められる。ここで、ＬＥＤ素子には耐熱温度が３３０℃前後のものがあり、ＬＥＤ素子の接合のために、３００〜３１０℃まで温度を上げることは、ＬＥＤ素子への熱的ダメージの観点から好ましいとはいえず、リペア工程（一旦基板に接続された素子を不具合があれば、素子を再利用するために再加熱して取り外す工程）を行う場合には、ＬＥＤ素子への熱的ダメージがより大きくなる。さらにＬＥＤ素子、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ、基板間の熱膨張係数の差による応力が大きくなってしまう、フラックス残渣が増加し、より注意深い洗浄工程が必要になるという課題がある。また、サーミスタ、または熱電素子もしくはペルチェ素子と基板との接合、ＳＡＷデバイスや水晶振動子などのパッケージの蓋封止等に、Ａｕ２０Ｓｎ合金はんだペーストを用いる場合にも、熱膨張係数の差による応力が大きくなってしまう、フラックス残渣が増加し、より注意深い洗浄工程が必要になるという課題が共通する。なお、サーミスタの基板への接合にＡｕ２０Ｓｎ合金はんだペーストを用いる場合には、サーミスタの抵抗値が変化してしまうという課題もある。したがって、Ａｕ２０Ｓｎ合金はんだペーストより融点または液相線温度が低温のはんだペーストが求められている。
【０００４】
一方、融点が低いＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストとして、融点が２１７℃と低いＳｎ：９０質量％を含有するＡｕ−Ｓｎ共晶合金（以下、「Ａｕ９０Ｓｎ」という）はんだペーストが知られている（特許文献２）。しかしながら、ＬＥＤ搭載パッケージ等をヒートシンクなどに接合するために、Ｓｎ−Ａｇ系鉛フリーはんだによるセカンドリフローを実施するとき、Ａｕ９０Ｓｎ合金はんだでは再溶融してしまう。したがって、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだが再溶融しないように、１ｓｔリフロー後のＡｕ−Ｓｎ合金はんだの固相線温度としては、セカンドリフローにおけるＭａｘ温度より高い２５０〜２７０℃以上を有することが求められている。しかし、実用的な鉛フリーはんだは未だ見出されておらず、当然ながら、融点が２５０〜２７０℃の鉛フリーはんだペーストも見出されていない（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−７２８８号公報
【特許文献２】特開２００８−１３７０１７号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】菅沼克昭編著、「鉛フリーはんだ技術・材料ハンドブック」、株式会社工業調査会、２００７年７月１０日、ｐ．１９２〜１９９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、２８０℃以下の低温で接合が可能なＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストであって、かつこのペーストにより形成されたＡｕ−Ｓｎ合金はんだは、Ｓｎ−Ａｇ系鉛フリーはんだによるセカンドリフローでも再溶融しない低Ａｕ含有量のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、以下の構成を有することによって上記問題を解決したＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストまたはＡｕ−Ｓｎ合金はんだに関する。
（１）（Ａ）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混合粉末と、（Ｂ）フラックスとを含み、成分（Ａ）が、（Ａ１）ＡｕとＳｎとの合計１００質量部に対して、Ｓｎを１８〜２３．５質量部含むＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末、および（Ａ２）ＡｕとＳｎとの合計１００質量部に対して、Ｓｎを８８〜９２質量部含むＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末を含むことを特徴とする、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト。
（２） 成分（Ａ１）と成分（Ａ２）の合計１００質量部に対して、成分（Ａ１）を３０〜５０質量部含むことを特徴とする、上記（１）記載のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト。
（３） 成分（Ａ１）の粒径が０．１μｍ以上２０μｍ以下であり、成分（Ａ２）の粒径が１０μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする、上記（１）または（２）記載のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト。
（４） 成分（Ａ１）の平均粒径が１〜７μｍであり、成分（Ａ２）の平均粒径が１５〜４５μｍであることを特徴とする、上記（３）記載のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト。
（５） ２６０〜２８０℃でリフロー可能であることを特徴とする、上記（１）〜（４）のいずれかに記載のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト。
（６）成分（Ｂ）を、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト１００質量部に対して、６〜２０質量部含む、上記（１）〜（５）のいずれかに記載のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト。
（７） 上記記載のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを、２６０〜２８０℃で加熱することにより形成される、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ。
（８） 上記（７）で形成された、固相線温度が２５０℃以上２８０℃以下である、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ。
【発明の効果】
【０００９】
本発明（１）によれば、２８０℃以下の低温での接合が可能であり、かつ接合後のＡｕ−Ｓｎ合金はんだの固相線温度が２５０℃以上である、リフロー時の熱ダメージが少ないためＬＥＤ素子等にやさしく、ＬＥＤ素子等、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ、基板間の熱膨張係数の差による応力を抑制し、フラックス残渣の増加に伴う注意深い洗浄工程は生じず、セカンドリフロー時に再溶融しないＡｕ−Ｓｎ合金はんだを形成することができ、かつ、合金はんだにおけるＡｕ量の低減によるコスト削減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストにＬＥＤ素子を搭載後のリフロープロファイルの一例である。窒素雰囲気下、２８０℃で１分間保持している。
【図２】図１のプロファイルでリフローし形成されたＡｕ−Ｓｎ合金はんだの断面組織写真である。
【図３】本発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを、図１のプロファイルにてリフロー後、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだのセカンドリフローを想定した再加熱時の熱的挙動を分析した示差熱曲線の２００〜３５０℃のデータの一例である。昇温速度１０℃／分で室温〜３５０℃まで昇温した。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を実施形態に基づいて具体的に説明する。なお、％は特に示さない限り、また数値固有の場合を除いて質量％である。
【００１２】
〔Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト〕
本発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストは、（Ａ）ＡｕとＳｎの合計１００質量部に対して、Ｓｎを５５〜７０質量部含むＡｕ−Ｓｎ混合粉末と、（Ｂ）フラックスとを含むことを特徴とする。
【００１３】
成分（Ａ）は、ＡｕとＳｎの合計１００質量部に対して、Ｓｎを５５〜７０質量部、好ましくは６１〜７０質量部含む。５５質量部未満では、固相線温度が３０９℃、液相線温度がそれ以上になってしまい、ＬＥＤ素子等をリペアする際の温度が３５０℃付近となり、ＬＥＤ素子等が破損する等の不都合が生じてしまう。６１質量部以上であると、高融点(約３０９℃)であるδ相が生成しにくいので、好ましい。一方、７０質量部を超えると、低融点相が生じ、固相線温度が約２１７℃になり、セカンドリフロー時に、形成されたＡｕ−Ｓｎ合金はんだが再溶融してしまい、ＬＥＤ素子等がずれてしまう。ここで、ＡｕとＳｎの定量分析は、ＦＥ−ＥＰＭＡ装置（日本電子社製ＪＸＡ−８５００Ｆ）により行う。
【００１４】
なお、本発明において、「融点」とはＡｕ−Ｓｎ合金が共晶組成の場合に、固相から液相になる温度をいい、その他特記がない限り、溶融開始温度は「固相線温度」、完全に溶融する温度は「液相線温度」とする。
【００１５】
成分（Ａ）の粒径は、リフロー熱処理後のＡｕ−Ｓｎ合金の組織均一化のために、０．１μｍ以上２０μｍ以下であると好ましい。本発明において、Ａｕ−Ｓｎ合金粉末は、風力分級機により分級される。
【００１６】
成分（Ａ）の平均粒径は、好ましくは１〜７μｍ、より好ましくは３μｍ以上６μｍである。本発明において、平均粒径は、日機装社製マイクロトラック粒度分析計（型番：ＭＴ３３００ＥＸ）により測定する。
【００１７】
成分（Ａ）は、不可避不純物以外に、本発明の目的を損なわない範囲内で、上記以外の元素を添加してもよい。また、成分（Ａ）は、１種または２種以上を混合してもよい。なお、成分（Ａ）が１種であると、リフロー時にＡｕ−Ｓｎ合金はんだの融液の粘性が高く、濡れ性が良好でない場合があり、２種以上を混合することが好ましい。
【００１８】
成分（Ａ）が、（Ａ１）ＡｕとＳｎの合計１００質量部に対して、Ｓｎを１８〜２３．５質量部含むＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末、および（Ａ２）ＡｕとＳｎの合計１００質量部に対して、Ｓｎを８８〜９２質量部含むＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末を含むと、リフロー時のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストの溶融し易さおよび濡れ易さ観点から好ましい。成分（Ａ１）および成分（Ａ２）のＳｎ量が上記範囲であると、Ａｕ２０ＳｎまたはＡｕ９０Ｓｎの共晶組成近傍となるので、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末を、ガスアトマイズ法等で容易に作製することが可能となり、さらに、成分（Ａ２）の場合には、Ｓｎ量を上記範囲とし、固相線温度（共晶組成の場合には融点）を２１７℃近傍とすることが、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを２６５〜２８０℃でリフロー可能とするために特に有効となる。詳しくは、後述する。なお、（Ａ１）成分は、２１〜２２．５質量部であるとより好ましく、（Ａ２）成分は、９０〜９１質量部であるとより好ましい。ここで、成分（Ａ１）および成分（Ａ２）の、ＡｕとＳｎの定量分析は、ＦＥ−ＥＰＭＡ装置（日本電子社製ＪＸＡ−８５００Ｆ）を用いる。
【００１９】
成分（Ａ１）の粒径は、リフロー熱処理後のＡｕ−Ｓｎ合金の組織均一化のためにも、より低固相線温度を有する成分（Ａ２）よりも小さな粒径にすることが好ましく、かつ粉末表面の酸化を抑制するため、０．１μｍ以上２０μｍ以下であると好ましい。また、成分（Ａ１）の平均粒径は、好ましくは１〜７μｍ、より好ましくは３〜６μｍである。
【００２０】
成分（Ａ１）は、不可避不純物以外に、本発明の目的を損なわない範囲内で、上記以外の元素を添加してもよい。また、成分（Ａ１）は、１種または２種以上を混合してもよい。
【００２１】
成分（Ａ２）の粒径は、リフロー時のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストの溶融し易さを得るために成分（Ａ１）よりも大きな粒径にすることが好ましく、かつ良好な粉末凝集性を得るために粉末表面の酸化を抑制する必要があり、１０μｍ以上５０μｍ以下であると好ましい。また、成分（Ａ２）の平均粒径は、良好な粉末凝集性を得るためにも粉末表面の酸化を抑制する必要があり、かつ成分（Ａ１）よりも大きな平均粒径にすることが好ましく、好ましくは１５〜４５μｍ、より好ましくは１５〜３０μｍである。
【００２２】
成分（Ａ２）は、不可避不純物以外に、本発明の目的を損なわない範囲内で、上記以外の元素を添加してもよい。また、成分（Ａ２）は、１種または２種以上を混合してもよい。
【００２３】
成分（Ａ１）は、成分（Ａ１）と成分（Ａ２）の合計１００質量部に対して、３０〜５０質量部含むことが好ましく、３５〜４５質量部がより好ましい。理由は、後述する。また、成分（Ａ１）と成分（Ａ２）を混合したペーストの混合粉の定量分析は、ペーストをエタノールなどの溶媒中で攪拌し、フラックスを除去後に混合粉を分析するか、ペーストをグリセリン中に入れ、２８０℃で加熱処理により得られた合金を分析すれば良い。分析には日本ジャーレル・アッシュ社製高周波誘導結合プラズマ発光分析装置（型番：ＩＣＡＰ−５７７）で定量分析を行う。
【００２４】
成分（Ｂ）は、一般的なフラックスを用いることができ、フラックスには、通常、ロジン、活性剤、溶剤および増粘剤等が含まれる。フラックスとしては、ペーストの濡れ性の観点からＲＡやＲＭＡフラックス等が好ましい。成分（Ｂ）は、１種または２種以上を混合してもよい。このフラックスの含有量は、５〜２５ｗｔ％の範囲内に設定される。
【００２５】
成分（Ｂ）は、印刷・ディスペンス・ピン転写工法に適したペースト粘度にするために、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト１００質量部に対して、６〜２０質量部含むことが好ましく、８〜１５質量部含むことがより好ましい。
【００２６】
本発明の成分（Ａ１）と成分（Ａ２）を含むＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストが、ＬＥＤ等の半導体素子と基板を接合するメカニズムは明確ではないが、２６０〜２８０℃での加熱により、まず、成分（Ａ２）が溶融し、ＬＥＤ等の半導体素子、基板等の被着物を濡らす。この後、溶融した成分（Ａ２）と成分（Ａ１）との間の拡散により、成分（Ａ２）と成分（Ａ１）が混合したＡｕ−Ｓｎ合金はんだが形成されると考えられる。このメカニズムにより、ＬＥＤ素子にやさしい２８０℃以下での加熱による接合が可能であり、かつ接合後に固相線温度が２５０℃以上であるＡｕ−Ｓｎ合金はんだを形成することが可能なＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを実現することができる。
【００２７】
このため、成分（Ａ２）には、２６０〜２８０℃の加熱により液相となることが求められ、さらに成分（Ａ１）に拡散しやすい組成であることが求められる。成分（Ａ１）と成分（Ａ２）の質量比は、この溶解した成分（Ａ２）と成分（Ａ１）との間の拡散を、適度に行う観点から選択される。成分（Ａ２）に対して、成分（Ａ１）が少なすぎると、成分（Ａ２）が最初の加熱後も残留してしまうため、鉛フリーはんだによるセカンドリフロー時に再溶融してしまう。逆に成分（Ａ１）が多すぎると、最初の加熱後に成分（Ａ１）が多く残り、溶融せず、形成される合金は表面凸凹が激しく、金属光沢のないものになってしまう。上記２６０〜２８０℃での加熱時間、保持時間を長くすると、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだの均質性は高くなる。本発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストにおいては、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだの均質性が高くなるまで加熱することが、成分（Ａ１）と成分（Ａ２）が単独で残らず好ましい。そうすることで、ＬＥＤ素子の搭載時は２６０〜２８０℃と従来より低温で接合でき、鉛フリーはんだによるセカンドリフロー時には、２５０℃以上の固相線温度を有するために形成されたＡｕ−Ｓｎ合金部は再溶融しない。このときのＡｕ−Ｓｎ合金はんだは、ε相（Ａｕ１Ｓｎ２）とη相（Ａｕ１Ｓｎ４）とβ-Ｓｎから構成されている。
【００２８】
本発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストの加熱は、一般的には、窒素ガスまたはアルゴンガス中などの不活性雰囲気中、昇温速度：３℃／秒以上、Ｍａｘ温度：２６０〜２８０℃、３０〜６０秒間保持の条件で行われる。
【００２９】
図１に、本発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストの均質合金化のためのリフロープロファイルの一例を示す。窒素雰囲気下、Ｍａｘ温度２８０℃にて１分間保持している。図２には、図１にてリフローされたＡｕ−Ｓｎ合金の表面及び断面組織写真を示す。また、図３に、均質合金化後のＡｕ−Ｓｎ合金に対して、昇温速度１０℃／分で２００〜３５０℃まで昇温したときの示差熱分析曲線の一例を示す。図２から明らかなように、最初のリフロー後は、成分（Ａ１）成分（Ａ２）ともに粉末の未凝集はなく、３相（ε、η、β―Ｓｎ)の合金になっていることが分かる。図２の断面写真において、最も白い部分は成分（Ａ１）に由来するε相であり、最も濃い色の部分は成分（Ａ２）に由来するβ―Ｓｎであり、中間の色は成分（Ａ１）および／または成分Ａ（２）に由来するη相であると考えられる。ε相の粒子の周囲をη相が取り囲み、η相の中にβ―Ｓｎが存在する組織となっている。また、図３より２５０．２℃にて溶融開始温度を示しており、成分（Ａ２）起因の吸熱ピークはなく、２５０℃以上の固相線温度有する合金に変化したことがわかる。なお、２５０℃未満での固相線温度を有する新たな相は、生成していないことも確認することができる。
【００３０】
さらに、本発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストには、その目的を損なわない範囲内で、上記以外の慣用の各種添加剤を配合してもよい。このような添加剤として、分散剤、分散助剤、酸化防止剤、レベリング剤等を挙げることができる。
【００３１】
本発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストは、２６０〜２８０℃でリフロー可能である。ここで、固相線温度が２５２℃以下、好ましくは２４０℃以下であれば、一般的に２６０℃以上でリフロー可能となる。
【００３２】
本発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストは、ＬＥＤ素子等の半導体素子と基板の接合等の高信頼性を要求される用途で、好適に用いられる。
【００３３】
〔製造方法〕
成分（Ａ）は、ガスアトマイズ法等の当業者に公知の方法で作製することができる。また、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだが溶融時に融液の粘性が高くなり、ガスアトマイズを行うことが難しい場合には、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだインゴットを不活性雰囲気中で、ハンマーミル、ジェットミル、ボールミル等で粉砕することにより、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末を得ることができる。
【００３４】
成分（Ａ）に含有され得る成分（Ａ１）および成分（Ａ２）のＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末は、同様に作製することができ、一例としては、ガスアトマイズ法が挙げられる。ガスアトマイズ法での作製例としては、所定量のＡｕとＳｎを含むＡｕ−Ｓｎ合金を溶解して得られた溶湯を、温度：４５０〜１０００℃に保持し、撹拌しながら、または撹拌した後に、溶湯を圧力：３００〜８００ｋＰａで加圧しながら、噴霧圧力：５０００〜８０００ｋＰａで、直径：１〜２ｍｍの小径ノズルからノズルギャップ：０．３ｍｍ以下で不活性ガスを噴霧する方法が挙げられる。
【００３５】
上記撹拌は、機械撹拌が好ましく、プロペラ撹拌がより好ましい。また、機械撹拌に電磁誘導による撹拌のような電気的撹拌を併用してもよい。機械撹拌の回転速度は、特に限定されないが、６０〜１００ｒｐｍで３〜１０分間撹拌することが好ましい。
【００３６】
このようにして得られた成分（Ａ１）、および成分（Ａ２）を分級して、所定の平均粒径とした後、市販のフラックスと混合して、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを製造することができる。上記分級は、常法により行うことができるが、風力分級により行うことが好ましい。また、上記混合は、常法により、ペイントシェーカー、ボールミル、サンドミル、セントリミル、三本ロール等によって行うことができる。
【００３７】
〔Ａｕ−Ｓｎ合金はんだ〕
本発明の加熱処理後のＡｕ−Ｓｎ合金はんだは、本発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを、２６０〜２８０℃で加熱することにより、形成される。
【００３８】
このときの加熱は、一般的には、窒素雰囲気中、昇温速度：３℃／秒、３０〜６０秒保持で行われる。
【００３９】
本発明の加熱処理後のＡｕ−Ｓｎ合金はんだは、鉛フリーはんだによるセカンドリフローへの対応の観点から、固相線温度が２５０〜３１０℃であると好ましい。固相線が３１０℃より高いと、リワーク時にＬＥＤ素子の耐熱温度に近づき、破損のリスクが高くなるからである。この固相線温度を測定する一例は、窒素雰囲気中、室温から３５０℃まで昇温速度：１０℃／分で昇温し、溶融開始温度（固相線温度）は、上述の示差熱分析により測定する。上述のように、この固相線温度は、Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペーストの最初の加熱温度、保持時間等により変化する。
【００４０】
本発明の加熱処理後のＡｕ−Ｓｎ合金はんだは、ＬＥＤ素子等の半導体素子と基板の接合等の高信頼性を要求される用途で、好適に用いられる。本発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだを含む電子機器としては、ＬＥＤ等の光素子、高周波素子、熱電素子、サーミスタに加えて、ＳＡＷフィルター、水晶発振子等が挙げられる。
【実施例】
【００４１】
以下、実施例により、本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００４２】
〔実施例１〕
成分（Ａ１）としてＡｕ２０Ｓｎ粉末（呼び径：＜５μｍ、Ｄ５０：３．２μｍ）、成分（Ａ２）としてＡｕ９０Ｓｎ粉末（呼び径：１５〜３０μｍ、Ｄ５０：２５μｍ）の粉末を用い、成分（Ａ１）と成分（Ａ２）粉末が５０：５０質量部の割合で混合した。ここで、Ａｕ２０Ｓｎ粉末と、Ａｕ９０Ｓｎ粉末の分級は、日清エンジニアリング製ターボクラシファイアＴＣ−２５を用いて行った。ここで、「Ａｕ（ｘ）Ｓｎ」は、粉末１００質量部に対して、Ｓｎを（ｘ）質量部、残部にＡｕを含む。
【００４３】
この混合粉を市販のＲＭＡフラックスを用いて、ペースト１００質量部に対して、フラックス比率を１０．０質量部として、ペースト化した。ペースト粘度は８５Ｐａ・ｓであった。このペーストをシリンジに詰め、武蔵エンジニアリング製ディスペンサー装置（型番：ＭＬ−６０６ＧＸ、ニードル：武蔵エンジニアリング製、針部の材質：ＳＵＳ３０４、針元部の材質：真鍮（Ｎｉメッキ）、内径：７００μｍ（１９Ｇ））にてディスペンス塗布した。ペースト塗布量は１．０ｍｇとなるように調整した。
【００４４】
ここでＬＥＤ素子を搭載するものと、搭載しないものに分けてサンプルを作製した。前者は、塗布したペースト上に、１０００μｍ角のＬＥＤ素子を、マウンターを用いて搭載し、リフローを行った。後者はペーストを塗布した状態のままで、ＬＥＤ素子は搭載していない。ペーストを塗布した基板はＣｕ板／Ｎｉ（３μｍ）／Ａｕ（０．０３μｍ）より構成されている。リフロープロファイルは、プレヒートとして１５０℃で２分保持し、その後、ＭＡＸ温度として２８０℃で１分間保持した。窒素雰囲気下にて実施した。
【００４５】
ＬＥＤ素子を搭載したサンプルについては、基板とＬＥＤ素子間の接合部について表面の日本電子製走査型電子顕微鏡（型番：ＪＳＭ−６４６０ＬＶ）により合金表面状態を確認し、また、断面研磨後の粉末凝集性（溶け残りの有無）を確認した。表１に、結果を示す。
【００４６】
ＬＥＤ素子を搭載していないサンプルについては、Ｂｒｕｋｅｒ ＡＸＳ製示差熱・熱重量測定装置（品名：ＴＧ−ＤＴＡ ２０００ＳＡ）を用いて、再溶融開始温度を測定した。窒素雰囲気下、室温から３５０℃まで昇温速度１０℃／分で測定した。表１に、結果を示す。なお、Ｂｒｕｋｅｒ ＡＸＳ製示差熱・熱重量測定装置（品名：ＴＧ−ＤＴＡ ２０００ＳＡ）を用いて、２種の合金が混在していることも確認可能である。
【００４７】
また、表１には、判定の結果を示す。評価した項目の全てが良好であった場合は「ＯＫ」、評価した項目の一つでも良好でない場合には「ＮＧ」とした。
【００４８】
〔実施例２〜１５、比較例１〜３、参考例１〜５〕
表１に示す配合量で、実施例１と同様にペーストを作成し、評価を行った。表１に、結果を示す。
【００４９】
【表１】
【００５０】
表１からわかるように、実施例１〜１５の全てで、判定がＯＫであった。特に、実施例３は、リフロー温度が２６０℃でも良好な結果であった。これに対して、成分（Ａ）の組成で、Ｓｎが少ない比較例１、２は、３項目全てがＮＧ、Ｓｎが多い比較例３は、ＤＴＡによる再溶融開始温度が低く、ＮＧであった。また、成分（Ａ１）のＳｎが好ましい範囲ではない参考例１、２、および成分（Ａ２）のＳｎが好ましい範囲ではない参考例３、４では、リフロー後に粉末溶け残りがあった。また、リフロー温度が２５０℃の参考例５でも、リフロー後に粉末溶け残りがあった。
【００５１】
以上のように、本発明のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストは、２８０℃以下の低温で接合が可能で、かつ２５０℃で再溶融しないという非常に顕著な効果を有し、さらに低Ａｕ化によるコストダウンも可能であることがわかった。
【００５２】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態及び上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ａ）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混合粉末と、（Ｂ）フラックスとを含み、
成分（Ａ）が、（Ａ１）ＡｕとＳｎとの合計１００質量部に対して、Ｓｎを１８〜２３．５質量部含むＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末、および（Ａ２）ＡｕとＳｎとの合計１００質量部に対して、Ｓｎを８８〜９２質量部含むＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末を含むことを特徴とするＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト。
【請求項２】
成分（Ａ１）と成分（Ａ２）の合計１００質量部に対して、成分（Ａ１）を３０〜５０質量部含むことを特徴とする、請求項１記載のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト。
【請求項３】
成分（Ａ１）の粒径が０．１μｍ以上１０μｍ未満であり、成分（Ａ２）の粒径が１０μｍ以上５０μｍ未満であることを特徴とする、請求項１または２記載のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト。
【請求項４】
成分（Ａ１）の平均粒径が１〜７μｍであり、成分（Ａ２）の平均粒径が１５〜４５μｍであることを特徴とする、請求項３記載のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト。
【請求項５】
２６０〜２８０℃でリフロー可能であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト。
【請求項６】
Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト１００質量部に対して、成分（Ｂ）を６〜２０質量部含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを、２６０〜２８０℃で加熱することにより形成されたことを特徴とするＡｕ−Ｓｎ合金はんだ。
【請求項８】
固相線温度が２５０℃以上２８０℃以下であることを特徴とする、請求項７記載のＡｕ−Ｓｎ合金はんだ。
【請求項１】
（Ａ）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混合粉末と、（Ｂ）フラックスとを含み、
成分（Ａ）が、（Ａ１）ＡｕとＳｎとの合計１００質量部に対して、Ｓｎを１８〜２３．５質量部含むＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末、および（Ａ２）ＡｕとＳｎとの合計１００質量部に対して、Ｓｎを８８〜９２質量部含むＡｕ−Ｓｎ合金はんだ粉末を含むことを特徴とするＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト。
【請求項２】
成分（Ａ１）と成分（Ａ２）の合計１００質量部に対して、成分（Ａ１）を３０〜５０質量部含むことを特徴とする、請求項１記載のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト。
【請求項３】
成分（Ａ１）の粒径が０．１μｍ以上１０μｍ未満であり、成分（Ａ２）の粒径が１０μｍ以上５０μｍ未満であることを特徴とする、請求項１または２記載のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト。
【請求項４】
成分（Ａ１）の平均粒径が１〜７μｍであり、成分（Ａ２）の平均粒径が１５〜４５μｍであることを特徴とする、請求項３記載のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト。
【請求項５】
２６０〜２８０℃でリフロー可能であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト。
【請求項６】
Ａｕ−Ｓｎ合金はんだペースト１００質量部に対して、成分（Ｂ）を６〜２０質量部含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペースト。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載のＡｕ−Ｓｎ合金はんだペーストを、２６０〜２８０℃で加熱することにより形成されたことを特徴とするＡｕ−Ｓｎ合金はんだ。
【請求項８】
固相線温度が２５０℃以上２８０℃以下であることを特徴とする、請求項７記載のＡｕ−Ｓｎ合金はんだ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−１６７７６１（Ｐ２０１１−１６７７６１Ａ）
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２３９６（Ｐ２０１１−１２３９６）
【出願日】平成２３年１月２４日（２０１１．１．２４）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月１日（２０１１．９．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２４日（２０１１．１．２４）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
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