Au-Sn-Bi合金粉末漿料、Au-Sn-Bi合金薄膜及其成膜方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種Au-Sn-Bi合金薄膜、其成膜方法及Au-Sn-Bi合金粉末衆(zhòng)料。尤其 涉及一種能夠適用于基于Au-Sn-Bi合金粉末衆(zhòng)料的印刷法，確保良好的接合性的同時(shí)，能 夠成膜具有均勾性且薄的Au-Sn-Bi合金薄膜，且通過(guò)低Au化可實(shí)現(xiàn)降低成本的Au-Sn-Bi 合金薄膜的成膜方法。
[0002] 本申請(qǐng)基于2012年12月4日在日本申請(qǐng)的專利申請(qǐng)2012-265009號(hào)主張優(yōu)先權(quán)， 將其內(nèi)容援用于此。
【背景技術(shù)】
[0003] 通常，在GaAs光元件、GaAs高頻元件、熱電元件等半導(dǎo)體元件與基板的接合，或要 求微細(xì)且高氣密性的SAW濾波器，以及水晶振蕩器等的封裝密封等中使用Au-Sn合金焊料。 已知該Au-Sn合金焊料具有含有Sn : 15~25質(zhì)量％且剩余部分由Au及不可避免雜質(zhì)所構(gòu) 成的成分組成，且實(shí)際上所使用的Au-Sn合金焊料主要由具有含有Sn :20質(zhì)量％且剩余部 分由Au及不可避免雜質(zhì)所構(gòu)成的組成的Au-Sn共晶合金構(gòu)成。
[0004] 已知該Au-Sn合金焊料為例如加工成片狀或粒狀的合金焊料，例如在元件與基板 接合時(shí)，將該加工成片狀或粒狀的Au-Sn合金焊料夾在接合體之間，并通過(guò)回焊處理來(lái)接 合。另一方面，也已知將Au-Sn合金材料加工成粉末狀，再將該Au-Sn合金粉末與市售的助 焊劑調(diào)和混練成漿料狀，并作為Au-Sn合金焊料漿料使用。在此，也已知所述Au-Sn合金粉 末為例如以氣體霧化法制造的合金粉末。作為該使用Au-Sn合金焊料衆(zhòng)料接合的方法，也 已知在涂布Au-Sn合金焊料漿料之后，通過(guò)回焊處理來(lái)接合（例如，參考專利文獻(xiàn)1~3)。
[0005] 然而，在光通信裝置中，例如在光放大及合分波等中使用等，根據(jù)用途有各式各樣 的方式，通常，具備作為光信號(hào)產(chǎn)生源的發(fā)光二極管（LED)等的光源而形成的情況較多。例 如搭載LED光具座，從耐熱性及連接的可靠性的觀點(diǎn)來(lái)看，通常，使用Au-Sn合金來(lái)進(jìn)行接 合。該由Au-Sn合金所構(gòu)成的連接用焊墊的形成，一直以來(lái)都是通過(guò)蒸鍍或?yàn)R鍍等的堆積 來(lái)進(jìn)行。
[0006] 專利文獻(xiàn)1 :日本專利公開2004-141937號(hào)公報(bào)
[0007] 專利文獻(xiàn)2 :日本專利公開2005-302776號(hào)公報(bào)
[0008] 專利文獻(xiàn)3 :日本專利公開2008-137018號(hào)公報(bào)
[0009] 然而，在該連接用焊墊的生成中，需要形成數(shù)ym的厚膜，工序需花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間， 并且為了形成焊墊圖案需要進(jìn)行光刻工藝，導(dǎo)致制造價(jià)格及時(shí)間的增加。并且，由于希望的 部分以外也被濺鍍、蒸鍍，使得材料產(chǎn)生了很多損耗。在通過(guò)蒸鍍等形成Au-Sn膜時(shí)，由于 通常需要分別準(zhǔn)備Au及Sn的原料顆粒等，通過(guò)二元薄膜形成來(lái)成膜，使得組成難以完全均 勻，因此導(dǎo)致微妙的熔融溫度的偏差和熔融金屬流動(dòng)的不均勻。有時(shí)會(huì)對(duì)LED等光學(xué)元件 的安裝帶來(lái)障礙。并且，使用Au-Sn合金靶材等由一個(gè)供給源進(jìn)行成膜時(shí)，也隨著合金靶材 的使用的進(jìn)行，因收率的不同等而產(chǎn)生組成的偏差，結(jié)果使得確保均勻組成相當(dāng)困難。
[0010]因此，在高頻電路部件等中，使用粒子狀的Au-Sn合金材料來(lái)制作漿料，并通過(guò)使 用該漿料的印刷法來(lái)形成圖案的方法也已經(jīng)被實(shí)行。雖然根據(jù)該印刷法，工序費(fèi)用及時(shí)間 顯著減少，并且，因能夠只對(duì)希望的部分提供材料且損耗較少，是一種非常有用的接合材形 成方法，但要適用于如上述的光學(xué)元件時(shí)有困難。即，在LED等的安裝中，由于需要與鏡片、 光纖及其它元件以低損失進(jìn)行光結(jié)合，因此需要在光軸方向、寬度方向及高度方向上進(jìn)行 極高精度的對(duì)準(zhǔn)。然而，在利用現(xiàn)有方法的Au-Sn合金漿料的印刷中，顯示在熔融后，難以 形成所謂的"薄膜"，要在焊墊區(qū)中形成具有平滑高度的Au-Sn合金比較困難。這是因?yàn)楹?墊區(qū)上形成了凸型的Au-Sn合金，使得在搭載光學(xué)元件時(shí)難以高精度的對(duì)準(zhǔn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 因此，本發(fā)明的目的在于提供一種含有Au-Sn-Bi合金粉末的漿料、Au-Sn-Bi合金 薄膜及其成膜的方法，該漿料為了提高Au-Sn合金的濕潤(rùn)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合金粉末的漿料，使其容易適用于印刷法，將 涂布過(guò)的含有Au-Sn-Bi合金粉末的漿料，通過(guò)回焊處理進(jìn)行熔融后使其固化，確保良好的 接合性同時(shí)，能夠成膜具有均勻性且薄的Au-Sn合金薄膜，通過(guò)低Au化可實(shí)現(xiàn)降低成本。
[0012] 上述的Au-Sn合金焊料衆(zhòng)料中所使用的Au-Sn合金粉末，通常是以恪解Au-Sn 合金而制作熔融金屬，溫度保持：300~400°C，使保持在該溫度下的熔融金屬進(jìn)行自由落 體，通過(guò)從該自由落體的熔融金屬周圍噴射惰性氣體而使惰性氣體沖撞落下的熔融金屬的 氣體霧化法來(lái)制造。通過(guò)該氣體霧化法得到的Au-Sn合金粉末雖然具有平均粒徑：10~ 100 μ m，但在此得到的Au-Sn合金粉末表面容易氧化，且該表面一般會(huì)形成氧化膜。為了去 除該氧化膜，會(huì)使用松香系的楽·料化劑，因此該Au-Sn合金焊料衆(zhòng)料會(huì)在Au-Sn合金粉末中 與松香系漿料化劑混合制造。
[0013] 但是，Au-Sn合金粉末在制造之后立即作為Au-Sn合金焊料漿料的原料使用的情 況極少，通常在制造之后暫時(shí)儲(chǔ)藏，再根據(jù)需要取出使用。因此，Au-Sn合金粉末的粒徑越 小，使用不含松香的楽·料化劑而制作的Au-Sn合金焊料衆(zhòng)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漿料 化劑而制作的Au-Sn合金焊料漿料，無(wú)法確保充分的濕潤(rùn)擴(kuò)展性。使用了無(wú)鹵素助焊劑的 Au-Sn合金焊料衆(zhòng)料也相同。
[0014] 因此，發(fā)明人們鑒于上述課題，研宄了作為L(zhǎng)ED元件或基板的金屬化層上形成的 接合層，在上述的Au-Sn合金中添加 Bi，提高接合時(shí)的濕潤(rùn)性的同時(shí)，確保良好的接合性， 同時(shí)形成具有均勻性且薄的Au-Sn-Bi合金薄膜。
[0015] 例如，在基板上搭載LED元件時(shí)，要求對(duì)LED元件的金屬化層的接合性及接合層的 均勾性，也要求該接合層的厚度較薄。在該薄的Au-Sn合金接合層的形成中，如上所述，也 能夠以濺鍍、蒸鍍等來(lái)可實(shí)現(xiàn)。在此，有關(guān)于使用Au金屬靶材及Sn金屬靶材交互濺鍍來(lái)成 膜Au-Sn薄膜的薄膜例，以掃描型電子顯微鏡（SEM)拍攝的表面圖像（二次電子像、SEI)的 照片示于圖1，并且，與利用Au-Sn合金濺鍍靶材濺鍍成膜的Au-Sn合金薄膜相關(guān)的通過(guò)電 子微探儀（EPM)拍攝所得的組成圖像（COMP圖像）、各元素分布圖像的照片示于圖2。另 外，上述EPM的圖像，每一種原圖像均為彩色圖像，但以灰階轉(zhuǎn)換成黑白圖像記載，具有明 亮度越高，則含量越高的傾向。
[0016] 從這些圖像來(lái)看，該代表例的Au-Sn薄膜的表面顯示了 Au-Sn薄膜具有均勻性。然 而在該派鍍成膜而成的Au-Sn薄膜接合層，即使該Au-Sn薄膜接合層在LED元件的金屬化 層上均勻且較薄地形成，將該LED元件搭載在基板上加熱時(shí)，由于Sn的熔點(diǎn)為232°C，而Au 的熔點(diǎn)為l〇〇〇°C以上，因此Sn先熔融，該熔融的Sn被Au混入，進(jìn)行Au-Sn的固熔，使得加 熱時(shí)間變長(zhǎng)，其熔融性較差。因此接合可靠性較低，無(wú)法抑制因返工導(dǎo)致的成本的增加。
[0017] 因此，本發(fā)明人們?yōu)榱嗽贚ED元件與基板的接合中，在金屬化層上形成Au-Sn-Bi 合金薄膜，以含有Au-Sn-Bi合金粉末的漿料的印刷法涂布，通過(guò)回焊處理加熱，將 Au-Sn-Bi合金粉末熔融之后使其固化。并且，證明了為了抑制Au使用量，通過(guò)實(shí)現(xiàn) Au-Sn-Bi合金粉末的微細(xì)化及漿料流動(dòng)性的提高，能夠獲得膜厚5 ym以下，并確保良好的 接合性（濕潤(rùn)性）的同時(shí)，具有均勻性且薄的Au-Sn-Bi合金的接合層。
[0018] 關(guān)于含有Au-Sn-Bi合金粉末的漿料，得到了如下見(jiàn)解。使用Au-Sn-Bi合金粉末 粒徑為10 μ m以下的微細(xì)的合金粉末，并通過(guò)增加所混合助焊劑的量來(lái)提高Au-Sn-Bi合金 粉末漿料的流動(dòng)性的同時(shí)，對(duì)于該助焊劑，使用至少含有活性劑的助焊劑，由此能夠強(qiáng)化微 細(xì)粉末的氧化被膜的去除，并且能夠改善濕潤(rùn)性。并且，關(guān)于通過(guò)印刷法涂布，也得到了如 下見(jiàn)解。能夠輕松地調(diào)整金屬化層上的漿料涂布量，且能夠均勻地涂布，而且，通過(guò)對(duì)涂布 過(guò)的Au-Sn-Bi合金粉末漿料進(jìn)行回焊處理后生成熔融Au-Sn-Bi合金并固化，