JP2005014076A

JP2005014076A - 耐酸化性はんだ、耐酸化性はんだの製造方法およびはんだ付け方法

Info

Publication number: JP2005014076A
Application number: JP2003185845A
Authority: JP
Inventors: Toronron Tan; トロンロンタン; Takayuki Naba; 隆之那波
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-06-27
Filing date: 2003-06-27
Publication date: 2005-01-20

Abstract

【課題】酸化生成物の発生、ボイド欠陥の発生を抑制することができ、熱伝導性、ぬれ性、機械的強度などに優れた耐酸化性はんだ、耐酸化性はんだの製造方法およびはんだ付け方法を提供すること目的とする。
【解決手段】本発明の耐酸化性はんだは、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、ＣｏおよびＮｉから選ばれた少なくとも一種の金属からなる第１従成分を０．０２〜１２重量％含有し、かつＭｎ、ＰｄおよびＰｔから選ばれた少なくとも一種の金属からなる第２従成分を０．０２〜１．２重量％含有し、残部がＳｎと不可避不純物からなることを特徴とする。この耐酸化性はんだによれば、第２従成分と固溶体を形成することによって、金属間化合物における酸化物の生成を抑制することができるため、熱伝導特性、ぬれ性はんだ強度、熱疲労強度などを向上させることができる。
【選択図】なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸化物の生成、ボイド欠陥の発生を抑制し、熱伝導性、機械的強度に優れた耐酸化性はんだ、耐酸化性はんだの製造方法およびはんだ付け方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球環境保護の観点から環境問題に対する関心が高まりつつある中、産業廃棄物の廃棄量の増大が深刻な問題となっている。産業廃棄物に含まれる、例えば、電力制御計算機の基板、家電製品、パソコンなどには、はんだが使用されており、このはんだから鉛などの有害な重金属が流出することがある。例えば、鉛が流出すると、酸性雨などに作用して鉛を含んだ水溶液を生成し、その水溶液が地下水に侵入することがある。
【０００３】
国内では、１９９８年に家電リサイクル法が成立し、２００１年には家電製品について使用済み製品の回収が義務づけられている。欧州では、電気・電子製品廃棄物ＥＵ指令により、２００４年から鉛を含む特定物質の使用禁止が義務づけられている。このように、鉛の使用に関する法的規制が強化され、鉛フリーはんだの開発が急がれている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００４】
はんだは、熱サイクル、機械的衝撃、機械的振動などを伴う厳しい環境下で使用される複数の要素部品を機械的かつ電気的に接続する重要な役割を担っており、鉛フリーはんだにおいても、従来用いられてきたＳｎ−Ｐｂはんだと同等の機械的性質や物理的性質が要求されている。
【０００５】
しかし、従来の鉛フリーはんだを用いたエレクトロニクス製品の接合では、溶融したはんだが酸化することによりぬれ性が低下することがあった。また、電子部品、基板、ベースなどのはんだ接合部において、酸化物の存在により熱伝導特性が低下し、十分なはんだ強度を備えることができず、熱疲労破壊などを生じて、最終的に製品寿命に至ることがあった。
【０００６】
例えば、Ｓｎ−Ｃｕ合金において、はんだ強度、熱疲労強度などの機械的性質を確保するため、共晶組成Ｓｎ−０．７重量％Ｃｕ、または、Ｃｕの含有率が０．７近傍の合金が用いられている。このようなＳｎ−Ｃｕ合金では、Ｓｎ中のＣｕ固溶量が０．００６重量％程度の（βＳｎ）のデンドライトの凝固前方にＣｕが濃縮し、（βＳｎ）とη（Ｓｎ_５Ｃｕ_６：Ｓｎ４３．５〜４５．５原子％）の共晶組織、または、初晶η、（βＳｎ）およびηの共晶組織が形成される。このように形成したＳｎ−Ｃｕ金属間化合物は、Ｓｎ酸化物およびＣｕ酸化物に比べて、電気化学的に低い還元電位を示すことから、酸化物として安定であり、フラックスでより除去しにくい状態にあることが知られている（例えば、非特許文献２参照。）。
【０００７】
また、従来のはんだ付け方法では、はんだ合金粉末とフラックスを混練したペースト状のはんだが接合部材間に配設された積層部材を、大気中または不活性ガス雰囲気中において、はんだ合金の融点以上の温度に加熱して、はんだ付けが行なわれている。
【０００８】
フラックス中には、接合部材の表面の酸化膜を取り除くために、有機酸、ハロゲン化水素酸、界面活性化剤などが含まれ、その他に、塗布、スクリーン印刷などを容易に行うために、ティニング油、ゼラチン、乳化剤、ポリビニル化合物などの増粘剤が添加されている。このような樹脂成分を含む増粘剤は、残渣としてはんだ層内に残存し、熱伝達特性、はんだ強度、熱疲労強度などを低下させる原因となっていた。
【０００９】
【非特許文献１】
ＰｒｏｐｏｓａｌｆｏｒａＤｉｒｅｃｔｉｖｅｏｆｔｈｅＥｕｒｏｐｅａｎＰａｒｌｉａｍｅｎｔａｎｄｏｆｔｈｅＣｏｕｎｃｉｌｏｎＷａｓｔｅＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｑｕｉｐｍｅｎｔ，ＣｏｍｍｉｓｓｉｏｎｏｆｔｈｅＥｕｒｏｐｅａｎＣｏｍｍｕｎｉｔｉｅｓ，Ｂｒｕｓｓｅｌｓ，１３．６．２０００）
【非特許文献２】
「ＣｕおよびＣｕ−Ｓｎ系化合物のＳｎ−Ｐｂはんだぬれ性解析」、豊田中央研究所Ｒ＆Ｄレビュー、Ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．４（１９９６年１２月）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、従来の鉛フリーはんだを用いた場合には、はんだ接合部において、酸化物の存在により熱伝導特性が低下し、十分なはんだ強度を備えることができず、熱疲労破壊などを生じて、最終的に製品寿命に至るという問題があった。
【００１１】
また、ペースト状のはんだを構成するフラックスに含まれる増粘剤は、残渣としてはんだ層内に残存し、熱伝達特性、はんだ強度、熱疲労強度などを低下させるという問題があった。
【００１２】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、酸化生成物の発生、ボイド欠陥の発生を抑制することができ、熱伝導性、ぬれ性、機械的強度などに優れた耐酸化性はんだ、耐酸化性はんだの製造方法およびはんだ付け方法を提供すること目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の耐酸化性はんだは、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、ＣｏおよびＮｉから選ばれた少なくとも一種の金属からなる第１従成分を０．０２〜１２重量％含有し、かつＭｎ、ＰｄおよびＰｔから選ばれた少なくとも一種の金属からなる第２従成分を０．０２〜１．２重量％含有し、残部がＳｎと不可避不純物からなることを特徴とする。
【００１４】
この耐酸化性はんだによれば、第２従成分と固溶体を形成することによって、第２従成分に第１従成分の金属がトラップされ、主成分のＳｎと結合するフリーな第１従成分の金属が減少する。これによって、電気化学的により低い還元電位を有し、金属間化合物における酸化物の生成を抑制することができるため、熱伝導特性を向上させ、さらに、はんだ強度、特に熱疲労強度を著しく向上させることができる。また、この耐酸化性はんだでは、金属間化合物における酸化物の生成を抑制することができるため、ぬれ性を向上させることができる。
【００１５】
本発明の耐酸化性はんだの製造方法は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、ＣｏおよびＮｉから選ばれた少なくとも一種の金属からなる第１従成分を０．０２〜１２重量％含有し、かつＭｎ、ＰｄおよびＰｔから選ばれた少なくとも一種の金属からなる第２従成分を０．０２〜１．２重量％含有し、残部がＳｎと不可避不純物からなる耐酸化性はんだの製造方法であって、所定の割合で混合された前記Ｓｎ、前記第１従成分および前記第２従成分からなる混合物を加熱し溶解する溶解工程と、前記溶解した液相状態の混合物を１０℃／秒以上の冷却速度で急冷凝固する凝固工程とを具備したことを特徴とする。
【００１６】
この耐酸化性はんだの製造方法によれば、溶解した液相状態の混合物を１０℃／秒以上の冷却速度で急冷凝固するため、凝固偏析を生じることなく均一な組成の耐酸化性はんだを得ることができる。
【００１７】
また、本発明の耐酸化性はんだの製造方法は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、ＣｏおよびＮｉから選ばれた少なくとも一種の金属からなる第１従成分を０．０２〜１２重量％含有し、かつＭｎ、ＰｄおよびＰｔから選ばれた少なくとも一種の金属からなる第２従成分を０．０２〜１．２重量％含有し、残部がＳｎと不可避不純物からなる耐酸化性はんだの製造方法であって、所定の割合で混合された前記Ｓｎ、前記第１従成分および前記第２従成分からなる混合物を加熱し溶解する溶解工程と、前記溶解した液相状態の混合物を不活性ガスとともに亜音速または超音速でノズルから噴射して、前記混合物を微粒化し凝固させる微粒化凝固工程とを具備したことを特徴とする。
【００１８】
この耐酸化性はんだの製造方法によれば、微粒化された粉末は、１０^３〜１０^５℃／秒のオーダの冷却速度で冷却されるため、凝固偏析を生じることなく均一な組成の耐酸化性はんだを得ることができる。
【００１９】
本発明のはんだ付け方法は、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、ＣｏおよびＮｉから選ばれた少なくとも一種の金属からなる第１従成分を０．０２〜１２重量％含有し、かつＭｎ、ＰｄおよびＰｔから選ばれた少なくとも一種の金属からなる第２従成分を０．０２〜１．２重量％含有し、残部がＳｎと不可避不純物からなる耐酸化性はんだを用いて第１部材と第２部材とを接合するはんだ付け方法であって、前記第１部材と前記第２部材の少なくとも一方の表面に前記耐酸化性はんだを設置する設置工程と、前記第１部材の表面上に前記第２部材を積層する積層工程と、前記積層された積層部材を大気中または不活性ガス雰囲気中において、前記耐酸化性はんだの融点以上の温度に加熱する加熱工程とを具備することを特徴とする。
【００２０】
このはんだ付け方法によれば、電気化学的により低い還元電位を有し、金属間化合物における酸化物の生成を抑制することができる耐酸化性はんだを用いているため、はんだ接合部における熱伝導特性を向上させ、さらに、はんだ強度、特に熱疲労強度を著しく向上させることができる。また、耐酸化性はんだでは、金属間化合物における酸化物の生成を抑制することができるため、ぬれ性を向上させることができ、はんだ接合部におけるボイド欠陥の発生を抑制することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の耐酸化性はんだについて説明する。
本発明の耐酸化性はんだは、主成分のＳｎと共晶合金を形成するＩｂ銅族金属のＣｕ、Ａｇ、ＡｕまたはＶＩＩＩの１鉄族金属のＣｏ、Ｎｉから選ばれた少なくとも一種の金属からなる第１従成分を０．０２〜１２重量％含有し、かつこの第１従成分と固溶体合金を形成し、主成分であるＳｎとは固溶体合金を形成しないＭｎ、Ｐｄ、Ｐｔの金属から選ばれた少なくとも一種の金属からなる第２従成分を０．０２〜１．２重量％含有し、残部がＳｎと不可避不純物で構成されている。
【００２２】
耐酸化性はんだ全体に対する第１従成分の含有量は、主成分のＳｎと第１従成分の金属との共晶組成またはその共晶組成近傍であれば良いが、耐酸化性はんだに求められる機械的性質や融点によって適宜に設定される。例えば、第１従成分であるＣｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｏ、Ｎｉがそれぞれ単独で含有される場合には、各第１従成分は、Ｃｕ：０．０２〜１．２重量％、Ａｇ：３．０〜４．０重量％、Ａｕ：９．０〜１２．０重量％、Ｃｏ：０．０２〜１．０重量％、Ｎｉ：０．０２〜０．６重量％の範囲で含有される。また、第１従成分の複数の成分を組み合わせて含有する場合には、耐酸化性はんだ全体に対する第１従成分の含有率が０．０２〜１．２重量％の範囲で適宜に設定されことが好ましい。第１従成分の含有量が上記した所定の範囲より少ないと十分な機械的性質が確保できず、多いと融点が高く、要素部品の許容な温度限界を越えることがある。
【００２３】
耐酸化性はんだ全体に対する第２従成分の含有量は、耐酸化性はんだに求められる機械的性質や融点によって適宜に設定される。例えば、第２従成分であるＭｎ、Ｐｄ、Ｐｔがそれぞれ単独で含有される場合には、各第２従成分は、Ｍｎ：０．０２〜１．２重量％、Ｐｄ：０．０２〜０．６重量％、Ｐｔ：０．０２〜０．６重量％の範囲で含有される。また、第２従成分の複数の成分を組み合わせて含有する場合には、耐酸化性はんだ全体に対する第２従成分の含有率が０．０２〜１．２重量％の範囲で適宜に設定されことが好ましい。第２従成分の含有量が上記した所定の範囲より少ないと十分な金属間化合物における酸化物の生成を抑制する効果が得られず、多いと融点が高く、材料コストが増加する。
【００２４】
また、耐酸化性はんだは、球状または不定形状の粉末であることが好ましく、その平均粒径は、１〜１００μｍの範囲が好ましい。耐酸化性はんだの平均粒径が１μｍ未満では、冷却速度が速く、均一な組織の耐酸化性はんだが得られるが、はんだ付け工程において、所定の厚さのはんだ層を形成するための所要時間が長くかかることがある。また、耐酸化性はんだの平均粒径が１００μｍを超えると、はんだ層の厚さを適宜に調整するのが困難になることがある。
【００２５】
この耐酸化性はんだによれば、第２従成分と固溶体を形成することによって、第２従成分に第１従成分の金属がトラップされ、主成分のＳｎと結合するフリーな第１従成分の金属が減少する。これによって、電気化学的により低い還元電位を有し、金属間化合物における酸化物の生成を抑制することができるため、熱伝導特性を向上させ、さらに、はんだ強度、特に熱疲労強度を著しく向上させることができる。また、この耐酸化性はんだでは、金属間化合物における酸化物の生成を抑制することができるため、ぬれ性を向上させることができる。
【００２６】
次に、耐酸化性はんだの製造方法の一例を示す。
まず、所定の割合で混合された第１従成分の金属、第２従成分の金属およびＳｎからなる混合物を加熱し溶解する。続いて、溶解した混合物は、金型に流し込まれ冷却され固化される。この冷却工程における混合物の冷却速度は、１０℃／秒程度である。なお、金型として水冷機能を有する金型を用いてもよく、この場合の混合物の冷却速度は、１００℃／秒程度であり、より均一な組成の耐酸化性はんだを得ることができる。また、耐酸化性はんだは、圧延などにより箔体として形成することもできる。
【００２７】
この耐酸化性はんだの製造方法によれば、溶解した液相状態の混合物を１０℃／秒以上の冷却速度で急冷凝固するため、凝固偏析を生じることなく均一な組成の耐酸化性はんだを得ることができる。
【００２８】
また、耐酸化性はんだは、次の製造方法でも作製することができる。
まず、所定の割合で混合された第１従成分の金属、第２従成分の金属およびＳｎからなる混合物を加熱し溶解する。続いて、溶解した混合物は、例えば、Ｎ_２ガス、Ｈｅガス、Ａｒガス、Ｎ_２／Ａｒ混合ガスなどの不活性ガスを用いたアトマイズ法などによって微粒化され固化される。このアトマイズ法は、溶解した混合物を不活性ガスとともにノズルから亜音速または超音速で噴射して、不活性ガスのジェット流によって溶解した混合物を微粒化するものである。そして、微粒化された耐酸化性はんだの粉末から、例えば、篩などを用いて所定の範囲の平均粒径を有する粉末が選別される。
【００２９】
微粒化され固化された混合物の粉末は、ノズルから噴射される不活性ガスのジェット流の速度が大きい方がより平均粒径の小さなものとなる。特に、ジェット流が、例えば、音速の２〜３倍程度の超音速状態に達すると、衝撃波による微粒化の効果が加わり、粉末の平均粒径をより小さくすることができる。また、不活性ガスをジェット流として用いるため、粉末の表面における酸化を抑制することができる。不活性ガスの代わりに空気や水を用いることもできるが、空気や水を用いた場合には、粉末の表面の酸化を抑制する効果が小さく、また、特に水を用いた場合には粉末の形状が球状になり難いので、ジェット流には不活性ガスを用いるのが好ましい。
【００３０】
さらに、この不活性ガスを用いたアトマイズ法では、微粒化された粉末は、１０^３〜１０^５℃／秒のオーダの冷却速度で冷却されるため、凝固偏析を生じることなく均一な組成の耐酸化性はんだを得ることができる。
【００３１】
次に、上述した耐酸化性はんだの製造方法により得られた耐酸化性はんだを用いたはんだ付け方法について、図１を参照して説明する。図１には、平板で構成された第１要素部材１００と第２要素部材１０１を耐酸化性はんだ１０２によってはんだ付けする工程が示されている。
【００３２】
まず、第１要素部材１００と第２要素部材１０１のはんだ付け面に形成された酸化皮膜１０３を取り除く（図１の（ａ）、（ｂ））。この酸化皮膜１０３は、例えば、ショットブラストやエアーブラストなどによって、研削材を空気または不活性ガスとともに数ｍ／秒〜数十ｍ／秒の速度で第１要素部材１００と第２要素部材１０１のはんだ付け面に衝突させることで削り取ることができる。研削材は、例えば、鋼、ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３などの球状の粒子であることが好ましい。
また、研削材の平均粒径は、要求される表面粗度によって適宜に選定するが、一般に１０μｍ〜５０μｍの範囲が好ましい。また、酸化皮膜１０３は、第１要素部材１００と第２要素部材１０１のはんだ付け面をエッチング液に浸けることによって、化学的に除去することもできる。
【００３３】
続いて、酸化皮膜１０３が取り除かれた第１要素部材１００のはんだ付け面に、耐酸化性はんだ１０２の粉末を均一に設置する（図１の（ｃ））。そして、耐酸化性はんだ１０２の粉末が設置された第１要素部材１００の上に、第２要素部材１０１のはんだ付け面を下にして第２要素部材１０１を積層する（図１の（ｄ））。この積層された積層部材を、例えば、大気中または不活性ガス雰囲気中において、耐酸化性はんだ１０２の融点以上の温度に加熱する。加熱されることによって融解した耐酸化性はんだ１０２の粉末は、冷却工程を経て、図１の（ｅ）に示すような断面形状のはんだ接合部１０４を得る。
【００３４】
このはんだ付け方法では、電気化学的により低い還元電位を有し、金属間化合物における酸化物の生成を抑制することができる耐酸化性はんだ１０２を用いているため、はんだ接合部１０４における熱伝導特性を向上させ、さらに、はんだ強度、特に熱疲労強度を著しく向上させることができる。また、耐酸化性はんだ１０２では、金属間化合物における酸化物の生成を抑制することができるため、ぬれ性を向上させることができ、はんだ接合部１０４におけるボイド欠陥の発生を抑制することができる。
【００３５】
また、酸化皮膜１０３が取り除かれた第１要素部材１００のはんだ付け面に、耐酸化性はんだ１０２を均一に設置する他の方法について、図２を参照して説明する。
【００３６】
この設置方法は、耐酸化性はんだ１０２の粉末を、室温の大気中または不活性ガス雰囲気中において、空気または不活性ガスとともに第１要素部材１００のはんだ付け面に高速で衝突させ、耐酸化性はんだを第１要素部材１００のはんだ付け面に積層するものである。なお、同様な方法で、耐酸化性はんだ１０２の粉末を第２要素部材１０１のはんだ付け面に積層させてもよい。
【００３７】
ここで、空気または不活性ガスとともに、第１要素部材１００や第２要素部材１０１のはんだ付け面に衝突する耐酸化性はんだ１０２の粉末の衝突速度は、１００ｍ／秒以上であることが好ましい。この衝突速度以上であれば、図２に示すように、耐酸化性はんだ１０２の粉末が十分に塑性変形し、第１要素部材１００や第２要素部材１０１のはんだ付け面に積層することができる。
【００３８】
また、この耐酸化性はんだ１０２の設置は、大気中で、かつ耐酸化性はんだ１０２の搬送媒体に空気を用いて行われてもよいが、耐酸化性はんだ１０２が第１要素部材１００や第２要素部材１０１のはんだ付け面に衝突した際に生じる熱による酸化を防止するため、不活性ガス雰囲気中で、かつ耐酸化性はんだ１０２の搬送媒体に不活性ガスを用いて行われることが好ましい。なお、耐酸化性はんだ１０２の第１要素部材１００や第２要素部材１０１のはんだ付け面への積層は、ショットブラストやエアーブラストによって行うことができる。
【００３９】
このはんだ付け方法では、電気化学的により低い還元電位を有し、金属間化合物における酸化物の生成を抑制することができる耐酸化性はんだ１０２を用いているため、はんだ接合部１０４における熱伝導特性を向上させ、さらに、はんだ強度、特に熱疲労強度を著しく向上させることができる。また、耐酸化性はんだ１０２では、金属間化合物における酸化物の生成を抑制することができるため、ぬれ性を向上させることができ、はんだ接合部１０４におけるボイド欠陥の発生を抑制することができる。
【００４０】
また、このはんだ付け方法では、酸化皮膜１０３が取り除かれた第１要素部材１００と第２要素部材１０１のはんだ付け面に、耐酸化性はんだ１０２が積層されるため、はんだ付けの際に、酸化皮膜１０３を取り除くためおよび耐酸化性はんだ１０２を塗布するために用いられるフラックスを用いる必要がない。したがって、フラックス中に含有される増粘剤が、はんだ接合部１０４に残渣として残存することがないため、熱伝達特性、はんだ強度、熱疲労強度などを向上させることができる。
【００４１】
【実施例】
次に、本発明の具体的な実施例について説明する。
【００４２】
（実施例１）
Ｓｎ−０．７重量％Ｃｕ−０．１重量％Ｐｄを溶解し、圧力が２０ｋｇｆ／ｃｍ^２のＡｒガスを用いたアトマイズ法により、耐酸化性はんだの粉末を製造した。得られた耐酸化性はんだの粉末を篩いにかけ、平均粒径が５μｍ〜３５μｍの範囲の耐酸化性はんだの粉末を採取した。
【００４３】
次に、この採取された耐酸化性はんだの粉末を、Ｎ_２ガスとともに、衝突速度約１５０ｍ／秒でＮｉメッキしたＣｕ板のはんだ付け面に衝突させ積層し、厚さ約１００μｍのはんだ層を成形した。
【００４４】
続いて、Ｃｕ板のはんだ付け面に積層されたはんだ層の上にＳｉＮ基板を設置し、Ｎ_２ガス雰囲気中において、２６０℃の温度で３分間加熱し、はんだ付けを行った。
【００４５】
はんだ付けされた積層部材を超音波探傷試験法によりボイド欠陥を測定評価した結果、ボイド欠陥の占有率は６体積％であった。また、はんだ付けされた積層部材のはんだ接合部の断面におけるせん断強度を測定評価した結果、せん断強度は３２ＭＰａであった。さらに、負荷せん断応力が１５ＭＰａで、温度が−４０℃〜１００℃の条件で熱疲労試験を行った結果、１０００サイクル経過してもクラックの発生が認められなかった。
【００４６】
（実施例２）
Ｓｎ−３．５Ａｇ重量％Ｃｕ−０．１重量％Ｐｄを溶解し、圧力が２０ｋｇｆ／ｃｍ^２のＡｒガスを用いたアトマイズ法により、耐酸化性はんだの粉末を製造した。得られた耐酸化性はんだの粉末を篩いにかけ、平均粒径が５μｍ〜３５μｍの範囲の耐酸化性はんだの粉末を採取した。
【００４７】
次に、この採取された耐酸化性はんだの粉末を、Ｎ_２ガスとともに、衝突速度約１５０ｍ／秒でＮｉメッキしたＣｕ板のはんだ付け面に衝突させ積層し、厚さ約１００μｍのはんだ層を成形した。
【００４８】
続いて、Ｃｕ板のはんだ付け面に積層されたはんだ層の上にＳｉＮ基板を設置し、Ｎ_２ガス雰囲気中において、２６０℃の温度で３分間加熱し、はんだ付けを行った。
【００４９】
はんだ付けされた積層部材を超音波探傷試験法によりボイド欠陥を測定評価した結果、ボイド欠陥の占有率は７．５体積％であった。また、はんだ付けされた積層部材のはんだ接合部の断面におけるせん断強度を測定評価した結果、せん断強度は４６ＭＰａであった。さらに、負荷せん断応力が１５ＭＰａで、温度が−４０℃〜１００℃の条件で熱疲労試験を行った結果、１０００サイクル経過してもクラックの発生が認められなかった。
【００５０】
（実施例３）
Ｓｎ−０．７重量％Ｃｕ−０．２重量％Ｍｎを溶解し、圧力が２０ｋｇｆ／ｃｍ^２のＡｒガスを用いたアトマイズ法により、耐酸化性はんだの粉末を製造した。得られた耐酸化性はんだの粉末を篩いにかけ、平均粒径が５μｍ〜３５μｍの範囲の耐酸化性はんだの粉末を採取した。
【００５１】
次に、この採取された耐酸化性はんだの粉末に、フラックスを１０重量％添加し、ペースト状のはんだを調合した。続いて、このペースト状のはんだをＣｕ板のはんだ付け面にスクリーン印刷し、厚さ約１００μｍの印刷皮膜を形成した。
【００５２】
続いて、Ｃｕ板のはんだ付け面に積層されたはんだ層の上にＳｉＮ基板を設置し、Ｎ_２ガス雰囲気中において、２６０℃の温度で３分間加熱し、はんだ付けを行った。
【００５３】
はんだ付けされた積層部材を超音波探傷試験法によりボイド欠陥を測定評価した結果、ボイド欠陥の占有率は７体積％であった。また、はんだ付けされた積層部材のはんだ接合部の断面におけるせん断強度を測定評価した結果、せん断強度は３５ＭＰａであった。さらに、負荷せん断応力が１５ＭＰａで、温度が−４０℃〜１００℃の条件で熱疲労試験を行った結果、１０００サイクル経過してもクラックの発生が認められなかった。
【００５４】
（実施例４）
Ｓｎ−０．５重量％Ｃｕ−０．２重量％Ｎｉ−０．２重量％Ｍｎを溶解し、圧力が２０ｋｇｆ／ｃｍ^２のＡｒガスを用いたアトマイズ法により、耐酸化性はんだの粉末を製造した。得られた耐酸化性はんだの粉末を篩いにかけ、平均粒径が５μｍ〜３５μｍの範囲の耐酸化性はんだの粉末を採取した。
【００５５】
次に、この採取された耐酸化性はんだの粉末に、フラックスを１０重量％添加し、ペースト状のはんだを調合した。続いて、このペースト状のはんだをＣｕ板のはんだ付け面にスクリーン印刷し、厚さ約１００μｍの印刷皮膜を形成した。
【００５６】
続いて、Ｃｕ板のはんだ付け面に積層されたはんだ層の上にＳｉＮ基板を設置し、Ｎ_２ガス雰囲気中において、２６０℃の温度で３分間加熱し、はんだ付けを行った。
【００５７】
はんだ付けされた積層部材を超音波探傷試験法によりボイド欠陥を測定評価した結果、ボイド欠陥の占有率は５体積％であった。また、はんだ付けされた積層部材のはんだ接合部の断面におけるせん断強度を測定評価した結果、せん断強度は４０ＭＰａであった。さらに、負荷せん断応力が１５ＭＰａで、温度が−４０℃〜１００℃の条件で熱疲労試験を行った結果、１０００サイクル経過してもクラックの発生が認められなかった。
【００５８】
（比較例１）
Ｓｎ−０．７５重量％Ｃｕはんだを溶解し、圧力が２０ｋｇｆ／ｃｍ^２のＡｒガスを用いたアトマイズ法により、耐酸化性はんだの粉末を製造した。得られた耐酸化性はんだの粉末を篩いにかけ、平均粒径が５μｍ〜３５μｍの範囲の耐酸化性はんだの粉末を採取した。
【００５９】
次に、この採取された耐酸化性はんだの粉末に、フラックスを１０重量％添加し、ペースト状のはんだを調合した。続いて、このペースト状のはんだをＣｕ板のはんだ付け面にスクリーン印刷し、厚さ約１００μｍの印刷皮膜を形成した。
【００６０】
続いて、Ｃｕ板のはんだ付け面に積層されたはんだ層の上にＳｉＮ基板を設置し、Ｎ_２ガス雰囲気中において、２６０℃の温度で３分間加熱し、はんだ付けを行った。
【００６１】
はんだ付けされた積層部材を超音波探傷試験法によりボイド欠陥を測定評価した結果、ボイド欠陥の占有率は１５体積％であり、この占有率は、実施例１におけるボイド欠陥の占有率の２．５倍である。また、はんだ付けされた積層部材のはんだ接合部の断面におけるせん断強度を測定評価した結果、せん断強度は１３ＭＰａであり、このせん断強度は、実施例１におけるせん断強度の約２／５倍である。さらに、負荷せん断応力が１５ＭＰａで、温度が−４０℃〜１００℃の条件で熱疲労試験を行った結果、１０００サイクル経過してもクラックの発生が認められた。
【００６２】
この結果と実施例１の結果から、第２従成分を含有することで、ボイド欠陥の占有率を低減することができ、はんだ接合部の断面におけるせん断強度を向上できることがわかる。さらに、第２従成分を含有することで、熱疲労にも優れた特性を示すことがわかる。
【００６３】
（比較例２）
Ｓｎ−３．５重量％Ａｇはんだを溶解し、圧力が２０ｋｇｆ／ｃｍ^２のＡｒガスを用いたアトマイズ法により、耐酸化性はんだの粉末を製造した。得られた耐酸化性はんだの粉末を篩いにかけ、平均粒径が５μｍ〜３５μｍの範囲の耐酸化性はんだの粉末を採取した。
【００６４】
次に、この採取された耐酸化性はんだの粉末に、フラックスを１０重量％添加し、ペースト状のはんだを調合した。続いて、このペースト状のはんだをＣｕ板のはんだ付け面にスクリーン印刷し、厚さ約１００μｍの印刷皮膜を形成した。
【００６５】
続いて、Ｃｕ板のはんだ付け面に積層されたはんだ層の上にＳｉＮ基板を設置し、Ｎ_２ガス雰囲気中において、２６０℃の温度で３分間加熱し、はんだ付けを行った。
【００６６】
はんだ付けされた積層部材を超音波探傷試験法によりボイド欠陥を測定評価した結果、ボイド欠陥の占有率は１７体積％であり、この占有率は、実施例２におけるボイド欠陥の占有率の２倍以上である。また、はんだ付けされた積層部材のはんだ接合部の断面におけるせん断強度を測定評価した結果、せん断強度は１８ＭＰａであり、このせん断強度は、実施例２におけるせん断強度の約２／５倍である。さらに、負荷せん断応力が１５ＭＰａで、温度が−４０℃〜１００℃の条件で熱疲労試験を行った結果、１０００サイクル経過してもクラックの発生が認められた。
【００６７】
この結果と実施例２の結果から、第２従成分を含有することで、ボイド欠陥の占有率を低減することができ、はんだ接合部の断面におけるせん断強度を向上できることがわかる。さらに、第２従成分を含有することで、熱疲労にも優れた特性を示すことがわかる。
【００６８】
ここで、上記した実施例および比較例のはんだの組成および測定結果を表１にまとめて示す。
【表１】

【００６９】
【発明の効果】
本発明の耐酸化性はんだ、耐酸化性はんだの製造方法およびはんだ付け方法によれば、酸化生成物の発生、ボイド欠陥の発生を抑制することができ、熱伝導性、ぬれ性、機械的強度などを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のはんだ付け工程を示す図。
【図２】耐酸化性はんだが設置された第１要素部材の断面図。
【符号の説明】
１００…第１要素部材
１０１…第２要素部材
１０２…耐酸化性はんだ
１０３…酸化皮膜
１０４…はんだ接合部

Claims

Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、ＣｏおよびＮｉから選ばれた少なくとも一種の金属からなる第１従成分を０．０２〜１２重量％含有し、かつＭｎ、ＰｄおよびＰｔから選ばれた少なくとも一種の金属からなる第２従成分を０．０２〜１．２重量％含有し、残部がＳｎと不可避不純物からなることを特徴とする耐酸化性はんだ。
前記耐酸化性はんだが、前記第１従成分、前記第２従成分、前記Ｓｎおよび前記不可避不純物からなる溶解した液相状態の混合物を１０℃／秒以上の冷却速度で急冷凝固して形成されたことを特徴とする請求項１記載の耐酸化性はんだ。
前記耐酸化性はんだが、平均粒径１〜１００μｍの球状または不定形状の粉末であることを特徴とする請求項１または２記載の耐酸化性はんだ。
前記耐酸化性はんだが、箔体であることを特徴とする請求項１または２記載の耐酸化性はんだ。
Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、ＣｏおよびＮｉから選ばれた少なくとも一種の金属からなる第１従成分を０．０２〜１２重量％含有し、かつＭｎ、ＰｄおよびＰｔから選ばれた少なくとも一種の金属からなる第２従成分を０．０２〜１．２重量％含有し、残部がＳｎと不可避不純物からなる耐酸化性はんだの製造方法であって、
所定の割合で混合された前記Ｓｎ、前記第１従成分および前記第２従成分からなる混合物を加熱し溶解する溶解工程と、
前記溶解した液相状態の混合物を１０℃／秒以上の冷却速度で急冷凝固する凝固工程とを具備したことを特徴とする耐酸化性はんだの製造方法。
Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、ＣｏおよびＮｉから選ばれた少なくとも一種の金属からなる第１従成分を０．０２〜１２重量％含有し、かつＭｎ、ＰｄおよびＰｔから選ばれた少なくとも一種の金属からなる第２従成分を０．０２〜１．２重量％含有し、残部がＳｎと不可避不純物からなる耐酸化性はんだの製造方法であって、
所定の割合で混合された前記Ｓｎ、前記第１従成分および前記第２従成分からなる混合物を加熱し溶解する溶解工程と、
前記溶解した液相状態の混合物を不活性ガスとともに亜音速または超音速でノズルから噴射して、前記混合物を微粒化し凝固させる微粒化凝固工程とを具備したことを特徴とする耐酸化性はんだの製造方法。
前記微粒化凝固工程において粉末状に微粒化された耐酸化性はんだから所定の範囲の粒径の耐酸化性はんだを選び取る選別工程をさらに具備したことを特徴とする請求項６記載の耐酸化性はんだの製造方法。
Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、ＣｏおよびＮｉから選ばれた少なくとも一種の金属からなる第１従成分を０．０２〜１２重量％含有し、かつＭｎ、ＰｄおよびＰｔから選ばれた少なくとも一種の金属からなる第２従成分を０．０２〜１．２重量％含有し、残部がＳｎと不可避不純物からなる耐酸化性はんだを用いて第１部材と第２部材とを接合するはんだ付け方法であって、
前記第１部材と前記第２部材の少なくとも一方の表面に前記耐酸化性はんだを設置する設置工程と、
前記第１部材の表面上に前記第２部材を積層する積層工程と、
前記積層された積層部材を大気中または不活性ガス雰囲気中において、前記耐酸化性はんだの融点以上の温度に加熱する加熱工程とを具備することを特徴とするはんだ付け方法。
前記耐酸化性はんだを設置する設置工程において、
前記耐酸化性はんだの粉末を、室温の大気中または不活性ガス雰囲気中において、空気または不活性ガスとともに前記第１部材または前記第２部材の表面に衝突させ、前記耐酸化性はんだを前記第１部材または前記第２部材の表面に積層し設置することを特徴とする請求項８記載のはんだ付け方法。
前記耐酸化性はんだを設置する設置工程の前に、前記第１部材と前記第２部材の表面に形成された酸化皮膜を取り除く酸化皮膜除去工程をさらに具備することを特徴とする請求項８または９記載のはんだ付け方法。
前記酸化皮膜除去工程において、
前記第１部材と前記第２部材の表面に形成された酸化皮膜に研削材を気体とともに衝突させ、前記酸化皮膜を取り除くことを特徴とする請求項１０記載のはんだ付け方法。
前記酸化皮膜除去工程において、
前記第１部材と前記第２部材の表面に形成された酸化皮膜を化学的に取り除くことを特徴とする請求項１０記載のはんだ付け方法。