Au-Sn-Bi合金粉末浆料、Au-Sn-Bi合金薄膜及其成膜方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种Au-Sn-Bi合金薄膜、其成膜方法及Au-Sn-Bi合金粉末衆料。尤其 涉及一种能够适用于基于Au-Sn-Bi合金粉末衆料的印刷法，确保良好的接合性的同时，能 够成膜具有均勾性且薄的Au-Sn-Bi合金薄膜，且通过低Au化可实现降低成本的Au-Sn-Bi 合金薄膜的成膜方法。
[0002] 本申请基于2012年12月4日在日本申请的专利申请2012-265009号主张优先权， 将其内容援用于此。
【背景技术】
[0003] 通常，在GaAs光元件、GaAs高频元件、热电元件等半导体元件与基板的接合，或要 求微细且高气密性的SAW滤波器，以及水晶振荡器等的封装密封等中使用Au-Sn合金焊料。 已知该Au-Sn合金焊料具有含有Sn : 15~25质量％且剩余部分由Au及不可避免杂质所构 成的成分组成，且实际上所使用的Au-Sn合金焊料主要由具有含有Sn :20质量％且剩余部 分由Au及不可避免杂质所构成的组成的Au-Sn共晶合金构成。
[0004] 已知该Au-Sn合金焊料为例如加工成片状或粒状的合金焊料，例如在元件与基板 接合时，将该加工成片状或粒状的Au-Sn合金焊料夹在接合体之间，并通过回焊处理来接 合。另一方面，也已知将Au-Sn合金材料加工成粉末状，再将该Au-Sn合金粉末与市售的助 焊剂调和混练成浆料状，并作为Au-Sn合金焊料浆料使用。在此，也已知所述Au-Sn合金粉 末为例如以气体雾化法制造的合金粉末。作为该使用Au-Sn合金焊料衆料接合的方法，也 已知在涂布Au-Sn合金焊料浆料之后，通过回焊处理来接合（例如，参考专利文献1~3)。
[0005] 然而，在光通信装置中，例如在光放大及合分波等中使用等，根据用途有各式各样 的方式，通常，具备作为光信号产生源的发光二极管（LED)等的光源而形成的情况较多。例 如搭载LED光具座，从耐热性及连接的可靠性的观点来看，通常，使用Au-Sn合金来进行接 合。该由Au-Sn合金所构成的连接用焊垫的形成，一直以来都是通过蒸镀或溅镀等的堆积 来进行。
[0006] 专利文献1 :日本专利公开2004-141937号公报
[0007] 专利文献2 :日本专利公开2005-302776号公报
[0008] 专利文献3 :日本专利公开2008-137018号公报
[0009] 然而，在该连接用焊垫的生成中，需要形成数ym的厚膜，工序需花费很长时间， 并且为了形成焊垫图案需要进行光刻工艺，导致制造价格及时间的增加。并且，由于希望的 部分以外也被溅镀、蒸镀，使得材料产生了很多损耗。在通过蒸镀等形成Au-Sn膜时，由于 通常需要分别准备Au及Sn的原料颗粒等，通过二元薄膜形成来成膜，使得组成难以完全均 匀，因此导致微妙的熔融温度的偏差和熔融金属流动的不均匀。有时会对LED等光学元件 的安装带来障碍。并且，使用Au-Sn合金靶材等由一个供给源进行成膜时，也随着合金靶材 的使用的进行，因收率的不同等而产生组成的偏差，结果使得确保均匀组成相当困难。
[0010]因此，在高频电路部件等中，使用粒子状的Au-Sn合金材料来制作浆料，并通过使 用该浆料的印刷法来形成图案的方法也已经被实行。虽然根据该印刷法，工序费用及时间 显著减少，并且，因能够只对希望的部分提供材料且损耗较少，是一种非常有用的接合材形 成方法，但要适用于如上述的光学元件时有困难。即，在LED等的安装中，由于需要与镜片、 光纤及其它元件以低损失进行光结合，因此需要在光轴方向、宽度方向及高度方向上进行 极高精度的对准。然而，在利用现有方法的Au-Sn合金浆料的印刷中，显示在熔融后，难以 形成所谓的"薄膜"，要在焊垫区中形成具有平滑高度的Au-Sn合金比较困难。这是因为焊 垫区上形成了凸型的Au-Sn合金，使得在搭载光学元件时难以高精度的对准。
【发明内容】
[0011] 因此，本发明的目的在于提供一种含有Au-Sn-Bi合金粉末的浆料、Au-Sn-Bi合金 薄膜及其成膜的方法，该浆料为了提高Au-Sn合金的湿润性，使用了添加 Bi的Au-Sn-Bi三 元系合金的粉末材料，并制作含有Au-Sn-Bi合金粉末的浆料，使其容易适用于印刷法，将 涂布过的含有Au-Sn-Bi合金粉末的浆料，通过回焊处理进行熔融后使其固化，确保良好的 接合性同时，能够成膜具有均匀性且薄的Au-Sn合金薄膜，通过低Au化可实现降低成本。
[0012] 上述的Au-Sn合金焊料衆料中所使用的Au-Sn合金粉末，通常是以恪解Au-Sn 合金而制作熔融金属，温度保持：300~400°C，使保持在该温度下的熔融金属进行自由落 体，通过从该自由落体的熔融金属周围喷射惰性气体而使惰性气体冲撞落下的熔融金属的 气体雾化法来制造。通过该气体雾化法得到的Au-Sn合金粉末虽然具有平均粒径：10~ 100 μ m，但在此得到的Au-Sn合金粉末表面容易氧化，且该表面一般会形成氧化膜。为了去 除该氧化膜，会使用松香系的楽·料化剂，因此该Au-Sn合金焊料衆料会在Au-Sn合金粉末中 与松香系浆料化剂混合制造。
[0013] 但是，Au-Sn合金粉末在制造之后立即作为Au-Sn合金焊料浆料的原料使用的情 况极少，通常在制造之后暂时储藏，再根据需要取出使用。因此，Au-Sn合金粉末的粒径越 小，使用不含松香的楽·料化剂而制作的Au-Sn合金焊料衆料，在Au-Sn合金粉末表面形成 的表面氧化膜的去除越不充分，不含所述松香的Au-Sn合金焊料相比使用含有松香的浆料 化剂而制作的Au-Sn合金焊料浆料，无法确保充分的湿润扩展性。使用了无卤素助焊剂的 Au-Sn合金焊料衆料也相同。
[0014] 因此，发明人们鉴于上述课题，研宄了作为LED元件或基板的金属化层上形成的 接合层，在上述的Au-Sn合金中添加 Bi，提高接合时的湿润性的同时，确保良好的接合性， 同时形成具有均匀性且薄的Au-Sn-Bi合金薄膜。
[0015] 例如，在基板上搭载LED元件时，要求对LED元件的金属化层的接合性及接合层的 均勾性，也要求该接合层的厚度较薄。在该薄的Au-Sn合金接合层的形成中，如上所述，也 能够以溅镀、蒸镀等来可实现。在此，有关于使用Au金属靶材及Sn金属靶材交互溅镀来成 膜Au-Sn薄膜的薄膜例，以扫描型电子显微镜（SEM)拍摄的表面图像（二次电子像、SEI)的 照片示于图1，并且，与利用Au-Sn合金溅镀靶材溅镀成膜的Au-Sn合金薄膜相关的通过电 子微探仪（EPM)拍摄所得的组成图像（COMP图像）、各元素分布图像的照片示于图2。另 外，上述EPM的图像，每一种原图像均为彩色图像，但以灰阶转换成黑白图像记载，具有明 亮度越高，则含量越高的倾向。
[0016] 从这些图像来看，该代表例的Au-Sn薄膜的表面显示了 Au-Sn薄膜具有均匀性。然 而在该派镀成膜而成的Au-Sn薄膜接合层，即使该Au-Sn薄膜接合层在LED元件的金属化 层上均匀且较薄地形成，将该LED元件搭载在基板上加热时，由于Sn的熔点为232°C，而Au 的熔点为l〇〇〇°C以上，因此Sn先熔融，该熔融的Sn被Au混入，进行Au-Sn的固熔，使得加 热时间变长，其熔融性较差。因此接合可靠性较低，无法抑制因返工导致的成本的增加。
[0017] 因此，本发明人们为了在LED元件与基板的接合中，在金属化层上形成Au-Sn-Bi 合金薄膜，以含有Au-Sn-Bi合金粉末的浆料的印刷法涂布，通过回焊处理加热，将 Au-Sn-Bi合金粉末熔融之后使其固化。并且，证明了为了抑制Au使用量，通过实现 Au-Sn-Bi合金粉末的微细化及浆料流动性的提高，能够获得膜厚5 ym以下，并确保良好的 接合性（湿润性）的同时，具有均匀性且薄的Au-Sn-Bi合金的接合层。
[0018] 关于含有Au-Sn-Bi合金粉末的浆料，得到了如下见解。使用Au-Sn-Bi合金粉末 粒径为10 μ m以下的微细的合金粉末，并通过增加所混合助焊剂的量来提高Au-Sn-Bi合金 粉末浆料的流动性的同时，对于该助焊剂，使用至少含有活性剂的助焊剂，由此能够强化微 细粉末的氧化被膜的去除，并且能够改善湿润性。并且，关于通过印刷法涂布，也得到了如 下见解。能够轻松地调整金属化层上的浆料涂布量，且能够均匀地涂布，而且，通过对涂布 过的Au-Sn-Bi合金粉末浆料进行回焊处理后生成熔融Au-Sn-Bi合金并固化，