JP2005125360A - 高温はんだ材料，高温はんだ材料評価方法および電気／電子機器ならびにはんだ接合構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来のはんだに比べて、接合強度および信頼性を向上させた鉛フリーの高温はんだを提供する。
【解決手段】 Ｓｎに、Ｃｕの含有量が０〜１０重量％、Ａｌ含有量が０〜１０重量％、Ａｇの含有量が０〜１０重量％であり、ＳｎにＣｕ，Ａｌ，Ａｇを０．１重量％以上、２種類以上含有させた合金を基本組成とする高温はんだを構成し、従来のＰｂ−Ｓｎはんだより比重が小さく、接合強度および信頼性に優れた鉛フリーはんだとする。
【選択図】 なし

Description

本発明は、高温はんだ材料、その材料の評価方法、およびはんだ付けされる電気／電子機器ならびに接合構造体に関するものである。

一般的に電子部品実装などで用いられる従来のはんだは、錫（Ｓｎ）と鉛（Ｐｂ）とによる共晶はんだであって、その共晶点が１８３℃であり、多くの熱硬化性樹脂がガス化を始める温度よりも低い。このため、錫／鉛共晶はんだは、プリント基板などの接合に用いられたときに、プリント基板などを熱によって損傷しないという点で有利である。したがって、錫／鉛共晶はんだは、電気／電子機器の製造における部品の接合，組立において重要な材料となっている。

一方、パワートランジスタなどの高電圧，高電流が負荷され、大きな発熱を伴う半導体実装部品では、図３に示すような部品の内部において、基板１と集積回路素子（ＩＣ）２との接合に高温はんだ３が用いられ、これらの内部接合において接合の耐熱性を確保するため、主にＰｂ−５Ｓｎなどの組成からなる高温はんだ材料が使用されている。

近年、地球環境保護の関心が高まる中、廃棄物によって環境問題が生じることが危ぶまれており、はんだ材料においても、廃棄された電気／電子機器などから鉛が土壌中に溶出することが懸念されている。これを解決するために鉛を含まないはんだ材料が必要とされている。

そのため従来、錫／銀（Ａｇ）系，錫／銅（Ｃｕ）系などの鉛を含まないはんだ材料（鉛フリーはんだ）の実用化が進んできており、また多くの提案がなされている（特許文献１参照）。

さらに、鉛フリーはんだ材料の組成，品質評価方法などについても各種提案がなされている（特許文献２参照）。
特開平９−２３２３４０号公報 特開２００２−６２２７３号公報

しかし、現状、高耐熱が求められる高温はんだ材料については代替材料が見当たらず、実用化には程遠い。また、従来の錫／鉛共晶はんだの融点は１８３℃であったが、錫／銀系，錫／銅系のはんだを使用した場合、融点は３０〜５０℃程上昇した２１０〜２３０℃となり、高温はんだで接合された内部接合に対して、大きな負荷がかかることとなる。

そして、高温はんだの組成を評価するにあたり問題となるのは、評価実験数が多いことである。組み合わせる元素の種類を増やすことにより、配合する量の組み合わせが非常に多くなってしまうため、評価実験に大きな労力がかかるのが現状である。

また、鉛フリーはんだによるはんだ付けの際、電気／電子部品における電極に鉛が含まれると、はんだ付け部に脆弱な合金が形成され、接合強度あるいは信頼性が低下するという問題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決し、汎用性の高い原料を用い安価で、かつ容易に高温域でのはんだ付けを可能にする無鉛の高温はんだ材料，その高温はんだ材料評価方法、および、その高温はんだ材料を用いて接合した電気／電子機器ならびにはんだ接合構造体を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明の高温はんだ材料は、Ｓｎ，Ｃｕ，Ａｌ（アルミニウム）を基本組成とし、Ｃｕの含有量が０〜１０重量％、Ａｌの含有量が０〜１０．０重量％、Ａｇの含有量が０〜１０重量％であり、ＳｎにＣｕ，Ａｌ，Ａｇを０．１重量％以上、２種類以上含有させたものを基本組成とする合金である。

また、異なる組成として、Ｓｎ−Ｃｕの共晶はんだに、Ａｌ−Ａｇの共晶合金を４０〜６０重量％、もしくは、Ｓｎ−Ｃｕの共晶はんだに、Ａｌ−Ａｇの共晶合金を７０〜８０重量％及びＢｉ（ビスマス）−Ｉｎ（インジウム）の共晶合金を１０〜２０重量％混合してなる高温はんだ材料である。

そして、高温はんだの評価方法として、Ｓｎおよびその他の金属を含むはんだに対して、Ｓｎ以外の添加元素に対して、偏析・凝固させて、添加元素の濃度勾配のある合金を作成する偏析・凝固工程と、作成した合金の一端から他端にかけて任意の部位にて合金を溶解させる溶解工程と、溶解した合金を採取する採取工程と、採取した合金をＤＴＡ（示差熱分析法）によりしきい値をつけてはんだ組成と融点を判断する評価工程を有するはんだ評価方法が有効である。

このとき、偏析・凝固させる手段としてゾーンメルティング法を用い、材料の一端から他端にかけて凝固界面を移動させ、Ｓｎ以外の添加元素濃度の勾配を生じさせ、この添加元素の濃度分布を連続的に変化させた合金を作成する。

そして、採取した合金の固−液相転移状態への状態変化または、その逆の状態変化を生じさせた時に得られる温度変化曲線において、合金が状態変化を生ずる時の温度と、既知の濃度の不純物金属を含有する合金材料について、予め求めておいた基準温度として比較することにより、合金組成を判断を行う。

また、従来のＰｂ−５Ｓｎはんだより、比重の小さい前記高温はんだ材料を電気機器，電子部品に適用して適所を接合することによって、商品の軽量化が可能となる。

そして、本発明に係る接合構造体は、接合部に鉛を含有しないため、錫と鉛の化合物形成による接合信頼性の低下を引き起こすことがなく、信頼性に優れた接合構造体が得られる。

以上のように、本発明によれば、Ｓｎに、Ｃｕの含有量が０〜１０重量％、Ａｌ含有量が０〜１０重量％、Ａｇの含有量が０〜１０重量％であり、ＳｎにＣｕ，Ａｌ，Ａｇを０．１重量％以上、２種類以上含有させた合金を基本組成とすることを特徴とするはんだ材料、もしくはＳｎ−Ｃｕの共晶はんだにＡｌ−Ａｇの共晶合金を４０〜６０重量％、もしくは、Ｓｎ−Ｃｕの共晶はんだにＡｌ−Ａｇの共晶合金を７０〜８０重量％およびＢｉ−Ｉｎの共晶合金を１０〜２０重量％混合してなるはんだ材料により、有害な鉛を含まない、高温はんだの作成が可能となる。

また、Ｓｎおよびその他の金属を含むはんだに対して、Ｓｎ以外の添加元素の量を連続的に偏析・凝固させ、合金の融点と材料構成成分組成とを対応させることができる。この評価方法を用いることにより、合金を作成して物性評価するために一つ一つの合金を作成して評価を行ってきた従来の方法より、はるかに評価実験数を減らして目的とする合金組成を得ることができる。

また、本発明に係る高温はんだ材料を電気／電子機器に適用すると、従来のＰｂ−Ｓｎはんだより比重が小さいため、軽量化が可能となる。

さらに、電気／電子部品の外部電極の主要構成成分がＳｎまたはＰｄまたはＳｎ−ＢｉまたはＳｎ−ＣｕまたはＳｎ−Ａｇであるものでは、本発明に係る高温はんだ材料を用いてはんだ付けを行うことによって、接合強度あるいは信頼性に優れたはんだ接合が実現する。

以下、本発明の実施形態を表および図面を参照して説明する。

本発明の高温はんだ材料に係る実施形態１は、ＳｎにＣｕの含有量が０〜１０重量％、Ａｌ含有量が０〜１０重量％であり、ＳｎにＣｕ，Ａｌ，Ａｇを０．１重量％以上、２種類以上含有させた合金を基本組成とした。

実施形態１において、融点を約３００℃に設定するには、はんだ構成成分と液相線温度との関係を示す（表１）のように、Ｃｕの添加量を１〜４重量％、Ａｌの添加量を０．１〜２重量％にすることが望ましい。好ましくはＣｕ２．５重量％、Ａｌ１．０重量％がよい。

本発明の高温はんだ材料に係る実施形態２は、Ｓｎ−Ｃｕの共晶はんだにＡｌ−Ａｇの共晶合金を４０〜６０重量％とした。

本発明の高温はんだ材料に係る実施形態３は、Ｓｎ−Ｃｕの共晶はんだにＡｌ−Ａｇの共晶合金を７０〜８０重量％、およびＢｉ−Ｉｎの共晶合金を１０〜２０重量％混合してなるものである。

実施形態２においては、融点を約４００℃に設定するには、はんだ構成成分と液相線温度との関係を示す（表２）のように、Ｓｎ−Ｃｕ共晶はんだ５０重量％と、Ａｌ−Ａｇ共晶合金５０重量％である組成が望ましい。

第３の発明の形態については、融点を４５０℃あたりに設定するには、（表２）に示すように、Ｓｎ−Ｃｕ共晶はんだ２０重量％、Ａｌ−Ａｇ共晶合金７０重量％、Ｂｉ−Ｉｎ共晶合金１０重量％である組成が望ましい。

次に、本発明の高温はんだ材料の合金評価方法に係る実施形態について説明する。

図１は高温はんだ材料の合金評価方法に係る実施形態を説明するための工程説明図、図２は本実施形態における評価工程の説明図である。

本実施形態の高温はんだ材料評価方法は、Ｓｎおよびその他の金属を含むはんだに対して、Ｓｎ以外の添加元素に対して、偏析・凝固させて、添加元素の濃度勾配のある合金を作成する偏析・凝固工程（図１（ａ），（ｂ））と、作成した合金の一端から他端にかけて任意の部位にて合金を溶解させる溶解工程（図１（ｃ））と、溶解した合金を採取する採取工程（図１（ｃ））と、採取した合金をＤＳＣの原理によりしきい値をつけてはんだ組成と融点を判断する評価工程（図２）から構成される。

前記偏析・凝固工程において、Ｓｎおよびその他の金属を含むはんだに対して、Ｓｎ以外の添加元素に対して、偏析・凝固させて、添加元素の濃度勾配のある合金を作成する方法としては、例えばゾーンメルティング法を適用することができ、材料の一端から他端にかけて凝固界面を移動させ、Ｓｎ以外の添加元素濃度の勾配を生じさせ、この添加元素の濃度分布を連続的に変化させた合金を作成する。具体的には、図１（ａ）に示すように、数種類の元素を入れた多元合金の溶融金属を入れた炉４の端面から、時間をかけて溶融金属を凝固させると、溶融金属に含まれる微量成分５は、凝固するときに凝固部６から溶融部７に押し出される傾向になる（図１（ａ））。

したがって、炉４の端面から時間をかけて凝固させると、融点の高い合金を多く含む領域から融点の低い領域まで、連続的に組成を変化させた合金を作成することが可能となる（図１（ｂ））。

次に、図１（ｃ）に示すように、溶解工程にて、連続的に添加元素の濃度分布が異なる作成した合金の任意の部位にて溶融８させ、その後、採取工程にて溶融部位の採取９を行う。

前記評価工程において採取した合金の組成と融点を評価する方法として、特許文献２に記載されている示差熱分析法の原理を利用したセンサ１０にて融点および組成を計測するのが有効である。すなわち、採取した合金の固−液相転移状態への状態変化、または、その逆の状態変化を生じさせた時に得られる温度変化曲線において、合金が状態変化を生ずるときの温度と、既知の濃度の不純物金属を含有する合金材料について、予め求めておいた基準温度として比較することにより、合金組成の評価判断を行う。

本実施形態では、図２に示すように、連続的に添加元素の濃度分布が異なる（本例ではＳｎ＋Ｃｕ，Ｓｎ＋Ａｌ，Ｓｎ＋Ｃｕ＋Ａｌ）ように作成した合金を、前記偏析・凝固工程および溶解工程にて、炉４中の任意の部位にて溶融８させ、採取工程として溶融させた部位の材料をポンプ１１で取り出し、前記センサ１０にて評価を行う。

前記実施形態の高熱はんだを電気／電子機器における接合部位、例えばコイルの端子，半導体のダイボンド材，電球の口金材などに用いてはんだ固定することにより、本実施形態の高熱はんだが従来のＰｂ−Ｓｎはんだより比重が小さいため、電気／電子機器の軽量化が可能となる。

（表３）は、本実施形態の構成のものを３種類、すなわち実施例１〜３を作成し、従来のＰｂ−Ｓｎはんだとその比重を比較した結果を示しており、従来のＰｂ−Ｓｎはんだに比べて実施例１〜３の方が比重が小さく、軽量化に寄与することが分かる。

前記実施形態の高熱はんだと、主要構成成分がＳｎまたはＰｄまたはＳｎ−ＢｉまたはＳｎ−ＣｕまたはＳｎ−Ａｇである電気／電子部品の外部電極との組み合わせではんだ接合した接合構造体では、はんだ部位における接合強度および信頼性が向上する。

（表４）は、本実施形態の構成のＳｎ−Ｃｕ−Ａｌはんだを用いた場合の異なる材料（Ｐｂ，Ｓｎ，Ｓｎ−Ｂｉ，Ｓｎ−Ａｇ）からなる電極におけるはんだ付け特性（接合強度）の評価した実験結果を示しており、本実施例の方が電極材料がＳｎ−Ｐｂのものより、接合強度が向上するという結果がでた。

以上のように、本発明に係る高温はんだ材料，高温はんだ材料評価方法および電気／電子機器ならびにはんだ接合構造体は、鉛フリーはんだなどの有害物質を含まない高温はんだ材料に有用であり、また当該高温はんだ材料を用いて接合される各種電気／電子機器，各種接合構造体などに適用される。

本発明の高温はんだ材料の合金評価方法に係る実施形態を説明するための工程説明図 本実施形態における評価工程の説明図 従来一般的な基板とＩＣとのはんだ接合部を示す断面図

符号の説明

１ 基板
２ ＩＣ
３ 高温はんだ
４ 炉
５ 微量成分
６ 凝固部
７ 溶融部
８ 任意の溶融部位
９ 採取部
１０ センサ
１１ ポンプ

Claims (8)

1. Ｓｎに、Ｃｕの含有量が０〜１０重量％、Ａｌ含有量が０〜１０重量％、Ａｇの含有量が０〜１０重量％であり、ＳｎにＣｕ，Ａｌ，Ａｇを０．１重量％以上、２種類以上含有させた合金を基本組成とすることを特徴とする高温はんだ材料。
2. Ｓｎ−Ｃｕの共晶はんだに、Ａｌ−Ａｇの共晶合金を４０〜６０重量％混合させた合金を基本組成とすることを特徴とする高温はんだ材料。
3. Ｓｎ−Ｃｕの共晶はんだに、Ａｌ−Ａｇの共晶合金を７０〜８０重量％、およびＢｉ−Ｉｎの共晶合金を１０〜２０重量％混合した合金を基本組成とすることを特徴とする高温はんだ材料。
4. 請求項１〜３いずれか１項記載の高温はんだ材料におけるはんだ組成と融点を判断する高温はんだ評価方法であって、Ｓｎ以外の添加元素に対して、偏析・凝固させて添加元素の濃度勾配のある合金を作成する偏析・凝固工程と、作成した合金の一端から他端にかけて任意の部位にて合金を溶解させる溶解工程と、溶解した合金を採取する採取工程と、採取した合金を示差熱分析法により、しきい値をつけてはんだ組成と融点を判断する評価工程とを含むことを特徴とする高温はんだ評価方法。
5. 前記偏析・凝固工程として、ゾーンメルティング法を用い、材料の一端から他端にかけて凝固界面を移動させ、Ｓｎ以外の添加元素濃度の勾配を生じさせ、この添加元素の濃度分布を連続的に変化させた合金を作成することを特徴とする請求項４記載の評価方法。
6. 採取した合金の固−液相転移状態への状態変化、または、その逆の状態変化を生じさせたときに得られる温度変化曲線において、合金が状態変化を生ずるときの温度と、既知の濃度の不純物金属を含有する合金材料について、予め求めておいた基準温度として比較することにより合金組成を判断することを特徴とする請求項４記載のはんだ評価方法。
7. 請求項１〜３いずれか１項記載の高温はんだ材料を用いて、電気／電子構成部材の各部を接合してなることを特徴とする電気／電子機器。
8. 請求項１〜３いずれか１項記載の高温はんだ材料と、主要構成成分がＳｎまたはＰｄまたはＳｎ−ＢｉまたはＳｎ−ＣｕまたはＳｎ−Ａｇからなる外部電極との組み合わせではんだ付けされたことを特徴とする接合構造体。

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