专利名称：高温无铅焊锡及半导体元件储存用封装件的制作方法
技术领域：
本发明涉及无铅高温焊锡及采用该高温焊锡的半导体元件储存用封装件。
背景技术：
通常使用高温焊锡的情形为储存半导体元件的封装件的安装或电子仪器使用时曝露在高温下的电子部件的焊接等。
半导体元件储存用封装件(以下仅称封装件)，如图1所示，在形成凹状的容器本体1的内部底面上储存半导体元件2，该半导体元件的电极与容器本体1，通过焊丝4进行电连接。盖构件3在容器本体1的上部通过高温焊锡5以气密状态进行接合。作为如上述采用封装件的电子部件，有移动电话使用的SAW过滤器或水晶振子等。封装件的容器本体为氧化铝陶瓷制成，将接合部加以钨金属化，再在其上电镀金。盖构件使用科瓦铁镍钴合金、42合金、不锈钢等材料。该容器本体与盖构件用高温焊接以气密状态进行接合，是因为，用于防止半导体元件因空气中的湿气或氧而腐蚀或氧化，而且，由封装件制作的电子部件用一般的焊锡在印刷基板上安装时，密封的焊锡不会再溶融。
电子仪器使用时，曝露在高温下的电子部件，如功率晶体管或线圈部件那样，通电时自行发热。当这种电子部件，用熔点低的焊锡焊接时，当发热而曝露在高温下时，焊接部熔融，即使未熔融其接合强度也变差，通过小的外部冲击或振动，焊接部容易脱落，因此采用熔点高的高温焊锡。所谓高温焊锡，没有确定的定义，但是，在这里，意指固相线温度为Sn的熔点232℃以上的合金。
以往，把电子部件焊接在印刷基板上的安装用的焊锡合金，在Sn-Pb合金中，采用熔点最低的63Sn-Pb共晶组成的焊锡合金或接近该共晶组成的Sn-Pb焊锡合金，此时使用的高温焊锡合金为Pb-5Sn、Pb-10Sn等的以Pb作为主成分的焊锡合金。
然而，AV仪器或计算机等电子仪器，当发生故障或功能降低时，不能进行修理或功能升级等而进行废弃处理。被废弃处理的电子仪器类，从省资源考虑，回收可以再使用的材料，但由印刷基板或封装件构成的电子部件不能回收而进行废弃处理。这是由于印刷基板或封装件的接合部与焊锡进行金属接合，导致封装件不能完全分离。因此，不能回收印刷基板或封装件而进行填埋处理。该填埋处理的印刷基板或封装件，当与酸度高的酸雨接触时，从印刷基板或封装件上附着的焊锡析出Pb而混入地下水中。当含Pb成分的地下水被人或家畜饮用时，长年累月，Pb成分于体内蓄积而引起铅中毒。因此，电子仪器业界要求采用不含Pb的所谓“无铅焊锡”。
现有的无铅焊锡，为以Sn作为主成分，往其中添加Ag、Cu、Bi、In、Zn、Sb、Co、Cr、Ni、Mo、Fe、Ge、Ga、P等的金属元素的焊锡，通常电子仪器多数使用的无铅焊锡，为Sn-0.7Cu(熔点227℃)、Sn-3.5Ag(熔点221℃)、Sn-3Ag-0.5Cu(熔点217℃)等。
因为高温焊锡也必需是无铅焊锡，因此，为得到以Sn作为主成分的高温焊锡，考虑把熔点高的金属，例如Ag、Cu、Sb、Ni、Cr、Mo等大量添加至Sn中。然而，当往Sn中大量添加高熔点金属时，液相线温度上升，而固相线温度不能上升至232℃以上。因此，在目前情况下，不存在以Sn作主成分的无铅高温焊锡。因此，作为此前封装件用的无铅高温焊锡，采用Au-Sn合金。Au与Sn以Au80质量％、Sn20质量％的组成形成共晶，其熔点为278℃。该Au-Sn共晶合金，在如采用以Sn作为主成分的无铅焊锡进行电子元件安装时，最适于封装件的组装时的温度，而且，由于容器本体与镀金匹配性也较好，故现在广泛用于封装件(专利文献1～3)。
作为电子部件中使用的高温焊锡，固相线温度必须比安装用的无铅焊锡的液相线温度至少高50℃以上。这是由于在焊接电子部件时，因为焊接温度定为焊锡的液相线温度+20～50℃，封装件中使用的高温焊锡，在焊接温度下不会再溶融。即，以Sn作为主成分的无铅焊锡，由于液相线温度在220℃左右，故在电子部件安装时使用该无铅焊锡的高温焊锡，固相线温度至少必需在270℃以上。原来的封装件安装时使用的Au-Sn共晶合金，由于固相线温度为278℃，故适于使用于安装时使用的以Sn作为主成分的无铅焊锡时的情形。
专利文献1特开平15-224223号公报专利文献2特开2000-68396号公报专利文献3特开2001-345394号公报发明内容发明要解决的课题以往的Au-Sn共晶合金，由于还添加80质量％的昂贵的Au，故材料本身非常昂贵，成为采用封装件的电子部件的成本上升的原因。因此，电子部件业界强烈希望比Au-Sn共晶合金廉价的无铅高温焊锡的出现。
电子仪器，使用如功率晶体管或线圈元件那样通电时发热的部件，电子仪器内部曝露在使用·不使用时的温度的上下波动而发生热循环的情形下。但是，封装件的如上述的盖构件，采用科瓦铁镍钴合金、42合金、不锈钢等金属，而容器本体采用铝陶瓷，这些材料的热膨胀率差别非常大。因此，当电子仪器内部安装的封装件曝露在热循环时，接合盖构件与本体容器的高温焊锡发生金属疲劳，进而产生裂缝，或接合部发生剥离。因此，封装件中使用的高温焊锡必需具有优良的耐热循环性。以往的Au-Sn共晶高温焊锡，耐热循环性优良，但存在价格昂贵的问题，另外，以往的以Sn作为主成分的称作高温无铅焊锡的Sn-20Ag或Sn-22Sb，存在耐热循环不充分的问题。
另外，移动电话或笔记本型电脑等所谓移动型电子仪器，在使用中或运送中经常发生落下的情况，此时封装件的盖构件与容器本体的接合部有时发生剥离。即，当移动型电子仪器落下时，通过该冲击，封装件的接合部发生剥离，故该接合部使用的高温焊锡必需具有优良的机械强度。然而，以往的无铅高温焊锡，机械强度不充分。
如上所述，现在，通常在电子部件的安装时使用的无铅焊锡是Sn-3.5Ag(液相线温度220℃)、Sn-0.7Cu(液相线温度217℃)、Sn-3Ag-0.5Cu(液相线温度217℃)，因此采用这些无铅焊锡的焊接温度达到240～270℃。因此，为了耐这些无铅焊锡的焊接温度，高温焊锡的固相线温度至少达到270℃以上。本发明提供一种Au的添加量比原来的Au-Sn共晶合金的添加量少即可达到目的的，并且固相线温度为270℃以上的无铅高温焊锡，另外，本发明还提供一种容器本体与盖构件间的接合部的耐热循环或机械强度优良的封装件。
解决课题的方法本发明人等，考虑到价格方面，对与Au-Sn共晶合金相比Au的添加量比原来的Au-Sn共晶合金添加的少即可达到目的的、固相线温度为270℃以上、液相线温度为420℃以下的组成进行了悉心研究，其结果可以得出，Ag-Au-Sn合金可满足要求，通过适当选择Ag、Au、Sn的配合量，可以得到适于高温焊锡的固相线温度，并且，该合金的耐热循环性或机械强度优良，从而完成了本发明。
权利要求1的发明是一种高温无铅焊锡，其特征在于，其由2～12质量％的Ag、40～55质量％的Au、余量的Sn构成。
权利要求2的发明是一种高温无铅焊锡，其特征在于，其具有以11质量％的Ag、40质量％的Au、余量的Sn；11质量％的Ag、55质量％的Au、余量的Sn；以及2质量％的Ag、50质量％的Au、余量为Sn的3点的组成区域所包括的范围的合金组成。
权利要求3的发明是一种高温无铅焊锡，其中，在权利要求1～2中所述的高温无铅焊锡中还含有总量为5质量％以下的选自Cu、In、Bi、Sb、Ge中的1种以上的元素。
权利要求4的发明是一种高温无铅焊锡，其中，在权利要求1～3中所述的高温无铅焊锡中还含有0.5质量％以下的镧石。
权利要求5的发明是一种半导体元件储存用封装件，其特征在于，采用权利要求1～4中所述的高温无铅焊锡接合容器本体与盖构件，并且该接合部可耐热循环1000次以上。
发明的效果本发明的高温焊锡，由于昂贵的Au的添加量比以往的Au-Sn共晶合金中添加的少即可达到目的，有助于电子部件的成本降低，另外，本发明的封装件，由于容器本体与盖构件的接合部具有耐热循环性或强的机械强度，是在长年累月使用后仍可以发挥稳定的性能的所谓的可靠性优良的封装件。
图1为封装件的剖面图。
其中，附图标记说明如下1 容器本体2 半导体元件3 盖构件4 焊丝5 高温焊锡具体实施方式
本发明的高温焊锡，当Ag的添加量少于2质量％时，固相温度降至耐热温度目标值的270℃以下，当添加量大于12质量％时，液相温度升高，作业温度也升高，超过部件的耐热温度。另外，当Au的添加量少于40质量％时，与上述同样，固相温度降低及耐热温度降低，达不到目标特性，然而，即使添加比55质量％多时，价格升高，对温度或强度特性的提高用处很小。而且，Sn具有提高润湿性以及调整固相线温度的功能，为发挥这种功能，至少必需达到30质量％以上。
本发明的高温焊锡中的最佳组成为以11质量％的Ag、40质量％的Au、余量的Sn；11质量％的Ag、55质量％的Au、余量的Sn；以及2质量％的Ag、50质量％的Au、余量为Sn所包括的范围的合金组成。该包括的范围的组成，使耐热循环性与机械强度变得更好。
本发明中，为了提高机械强度，在Ag-Au-Sn系高温焊锡中，可以含有选自Cu、In、Bi、Sb、Ge的1种以上、总量为5质量％的元素。这些机械强度提高用元素，与Ag、Au、Sn等生成金属间化合物，该金属间化合物在基体中分散，使机械强度得到提高。然而，当添加这些机械强度提高用元素超过5质量％时，固相线温度降至270℃以下。
另外，本发明，在Ag-Au-Sn系合金中、或该合金中添加上述机械强度提高用元素的合金中，也可进一步添加0.5质量％以下的镧石。然而，当镧石的添加量超过0.5质量％时，会妨碍焊接性能。由于使基体本身精细化，因而，镧石是提高高温焊锡的机械强度的元素。本发明中使用的镧石，是原子序数为57～71的稀土类元素La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu。
本发明的实施例与比较例示于表1。
在表1中，耐热循环性，按照JIS C 0025进行测定。其中，低温为-55℃、高温为+150℃、低温及高温的保持时间为30分钟。耐热循环性的评价基准为，将盖构件与容器本体的接合部产生裂纹或发生剥离作为终点，测定达到终点前的次数。如果热循环为1000次以上，则用于封装件焊接时完全没有问题。另外，机械强度的测定方法，按照JIS Z 3198-2进行。本发明的焊锡合金的机械强度如果在50MPa以上，则即使用于如移动电话或笔记本型电脑等移动电子仪器的焊接，对常见的冲击仍有充分的抵抗性。
表1
从表1可知，本发明的高温焊锡，由于液相线温度为270℃以上，采用以Sn作为主成分的无铅焊锡安装电子部件时，是适宜于封装件的安装或使用时曝露在高温下的电子部件的焊接的焊锡。另外，本发明的封装件，即使封装件曝露在1000次以上的热循环中接合部也不发生龟裂或剥离，并且由于机械强度优良，可长期间发挥可靠的功能。
产业上的利用可能性本发明中虽然说明了在封装件的安装或高温环境下的优良效果，但是本发明的高温焊锡，只要是以往的高温焊锡能够使用的场合，不管什么场合都能使用。
权利要求
1.一种高温无铅焊锡，其特征在于，其由2～12质量％的Ag、40～55质量％的Au、余量的Sn构成。
2.一种高温无铅焊锡，其特征在于，其具有以11质量％的Ag、40质量％的Au、余量的Sn；11质量％的Ag、55质量％的Au、余量的Sn；以及2质量％的Ag、50质量％的Au、余量为Sn的3点的组成区域所包括的范围的合金组成。
3.一种高温无铅焊锡，其中，在权利要求1及2中所述的高温无铅焊锡中还含有总量为5质量％以下的选自Cu、In、Bi、Sb、Ge中的1种以上的元素。
4.一种高温无铅焊锡，其中，在权利要求1～3中所述的高温无铅焊锡中还含有0.5质量％以下的镧石。
5.一种半导体元件储存用封装件，其特征在于，其采用权利要求1～4中所述的高温无铅焊锡接合容器本体与盖构件，并且该接合部可耐热循环1000次以上。
全文摘要
近几年来，由于控制Pb的使用，多采用以Sn作主成分的无铅焊锡。该无铅焊锡，液相线温度达到220℃附近，该无铅焊锡用于安装时，高温焊锡的固相线温度必需达到270℃以上。作为固相线温度达到270℃以上的高温焊锡，有Au－Sn共晶合金，但因Au的添加量多而昂贵。本发明的高温焊锡是由Ag2～12质量％、Au40～55质量％、其余为Sn构成的高温焊锡，另外，采用该高温焊锡，把容器本体与盖构件进行接合的半导体储存用封装件。
文档编号H01L23/10GK101048521SQ20058003646
公开日2007年10月3日 申请日期2005年10月24日 优先权日2004年11月1日
发明者加藤力弥, 东刚宪 申请人:千住金属工业株式会社