CN101454114B - 接合材料、电子部件、接合结构体以及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明廉价地提供一种具有270℃以上的熔化温度、且不含铅的接合材料。该接合材料含有以Bi为主成分的合金，所述合金含有0.2～0.8重量％Cu和0.02～0.2重量％Ge，所述接合材料用于接合电子部件的电子元件和电极。

Description

接合材料、电子部件、接合结构体以及电子设备

技术领域

本发明涉及接合材料、电子部件、接合结构体以及电子设备。

背景技术

在电子部件具有电子元件、电极以及将它们接合的电子元件接合材料的情况下，电子元件接合材料通常使用焊锡材料。电子部件通过将电子元件用焊锡材料接合在电极上而得以制作。电子部件进而使用与电子元件接合材料不同的接合材料，搭载在母板(motherboard)等的基板上。例如，接合片式电感(chip induct)之类的电子部件和母板的材料通常使用熔点为200～230℃的焊锡材料。

在电子部件搭载于母板上时，主要采用热风方式的回流(reflow)装置，使电子部件与母板一起受热，以熔化熔点为200～230℃的焊锡材料。这时，电子部件的温度达到230～260℃，但当电子元件接合材料在电子部件内部熔化时，则存在最终产品产生品质不良的可能性。因此，电子元件接合材料要求具有比电子部件在回流装置内所到达的最高温度更高的熔化温度。于是，电子元件接合材料例如可以使用含有铅作为主成分、含有大约15重量％Sn、从而熔化温度为288℃的Pb-Sn合金的焊锡材料。但是，在使用Pb-Sn合金作为焊锡材料的情况下，如果具有搭载了电子部件的基板作为控制手段的电子设备被废弃而置于自然环境中，则会担心铅从焊锡材料中溶出到土壤里。

近年来，对地球环境保护的关心不断增强，正在进行不含铅的焊锡(无铅焊锡)的开发。例如，由熔化温度为200～250℃的Pb-Sn合金组成的焊锡材料正在被由Sn-Ag合金、Sn-Cu合金或Sn-Ag-Cu合金组成的焊锡材料所替代。特别地，通常使用由熔化温度为220～230℃的Sn-3％Ag-0.5％Cu合金组成的焊锡材料。但是，在将电子部件搭载在基板上时，电子部件往往被加热到比这些焊锡材料的熔化温度更高的温度。在此情况下，在将这些焊锡材料用于电子元件接合材料的电子 部件中，焊锡材料往往熔化，从而在电子元件和电极的接合上产生品质不良。

另外，还提出了一种熔点较高的焊锡材料(例如参照专利文献1)。特别是在专利文献1的第7页所记载的表1中，提出了一种由含有作为主成分的Bi和少量的Ag的合金组成的无铅焊锡材料。当在Bi中添加少量Ag时，则生成Bi和Ag的共晶合金(例如含有97.5重量％Bi和2.5重量％Ag的共晶合金(Bi-2.5％Ag))。该共晶合金的熔化温度为262℃。一般认为进行电子部件往母板上的搭载的回流装置的加热温度的上限大约为260℃，因此，若为使用该焊锡材料而接合电子元件和电极的电子部件，则不会妨碍电子部件往母板上进行的搭载。但是，由于用于加热的热风的温度为270～300℃，所以片式电感之类的较小热容量的电子部件与基于回流装置的加热温度的上限相比，必须具有再高10℃左右的耐热温度(至少为270℃左右)。因此，上述专利公报所记载的焊锡材料也不能用于较小热容量的电子部件中电子元件和电极的接合。

再者，在无铅焊锡材料的开发中，减少Ag的含量也是很重要的。家庭用电气设备和电子设备要求廉价地进行生产。Ag每1g的价格大约为40日元，由于价格昂贵，因而优选的是较少的使用量。因此，在Sn-Ag合金、Sn-Ag-Cu合金、Bi-Ag合金等中，为了使材料价格廉价，也进行了将Ag的含量减少到0.3重量％左右或其以下、或者使用其它元素以替代Ag的研究开发。

例如，进行了在以Bi为主成分的铋合金中，添加Zn、Sn、In等元素的研究。但是，由96重量％的Bi和4重量％的Zn构成的共晶合金(Bi-4％Zn)的熔化温度为255℃，由58重量％的Bi和42重量％的Sn构成的共晶合金(Bi-42％Sn)的熔化温度为138℃，由35重量％的Bi和65重量％的In构成的共晶合金(Bi-65％In)的熔化温度为72℃，均不能得到具有270℃以上熔化温度的铋合金。另外，即使添加元素的量为微量，也会局部地生成这些共晶合金，必须引起注意。

专利文献1：特开2001-353590号公报

发明内容

本发明的目的在于：提供一种例如具有270℃以上的熔化温度，不含铅而可以优选应用于电子部件的电子元件和电极的接合，且价格低廉的接合材料。

本发明的其它目的在于：提供通过上述接合材料而接合电子元件和电极的电子部件、含有该电子部件的接合结构体、以及具有包含该接合结构体的电路基板作为控制手段的电子设备。

本发明涉及一种接合材料，其包含铋合金，在所述铋合金中，Cu含量为0.2～0.8重量％，Ge含量为0.02～0.2重量％，剩余部分为Bi。

在本发明的接合材料中，优选的是铋合金进一步含有Ni，且Ni含量为0.02～0.08重量％。

在本发明的接合材料中，优选的是铋合金进一步含有选自球状填充剂、针状填充剂以及板状填充剂之中的至少1种填充剂，且填充剂含量为0.05～5.0重量％。

在本发明的接合材料中，填充剂优选含有选自树脂材料、无机材料以及金属材料之中的至少1种材料。

在本发明的接合材料中，优选的是在填充剂的表面实施镀覆，且该镀层含有选自Ag、Pd、Au以及Sn之中的至少1种金属。

另外，本发明涉及一种电子部件，其具有电子元件、与电子元件连接的电极、接合电子元件和电极的电子元件接合材料，而且电子元件接合材料为含有铋合金的所述接合材料的任1种。

在本发明的电子部件中，从选自形成于电子元件表面的含Sn镀层、形成于电极表面的含Sn镀层、含有Sn的电子元件以及含有Sn的电极之中的至少1种中混入到电子元件接合材料中的Sn量、或在电子元件接合材料中作为不可避免的杂质而含有的Sn量，优选为电子元件接合材料和Sn的合计总量的40重量％以下。

另外，本发明还涉及一种接合结构体，其具有：(a)电子部件、(b)搭载电子部件的基板、(c)接合电子部件和基板的电子部件接合材料，其中，

(a)电子部件为本发明的电子部件之中的任1个，

(c)电子部件接合材料是熔化温度比(a)电子部件所具有的电子元件接合材料中含有的铋合金的熔化温度低的接合材料。

另外，本发明还涉及一种电子设备，其具有包含所述接合结构体的电路基板作为控制手段。

根据本发明，可以提供一种例如具有270℃以上的熔化温度，不含铅且价格低廉的接合材料。通过将本发明的接合材料用于较小热容量的电子部件中电子元件和电极的接合，可以显著地抑制将电子部件安装于母板上时产生的品质不良。

另外，根据本发明，可以提供一种具有包含接合结构体的电路基板作为控制手段的电子设备，其中所述接合结构体是将使用本发明的接合材料接合电子元件和电极的电子部件搭载于母板上而得到的。本发明的电子设备由于是借助于含有将电子部件搭载于母板上时、极少发生品质不良的接合结构体的电路基板进行控制，因而具有较高的可靠性。再者，本发明的电子设备的电路基板是无铅的，即使废弃在自然环境中，也不会使铅溶出到自然环境中。此外，在本发明的说明书中，电子设备不单指电子设备，也包含各种电气化产品和电器设备。

附图说明

图1是表示2元合金的共晶点温度的表。

图2是表示Bi和Cu的二元合金中Cu含量与Bi-Cu合金熔点之间的关系的曲线图。

图3是在由Bi和Cu组成的共晶合金中添加Ge、Al、Li或P时，表示氧化物生成量的曲线图。

图4是表示Bi、Cu和Ge的三元合金中Ge含量与氧化物生成量之间的关系的曲线图。

图5是表示Bi、Cu、Ge和Ni的四元合金中Ni含量与结晶外周长值之间的关系的曲线图。

图6是表示Bi、Cu和Ge的三元合金中填充剂的含量与熔点之间的关系的曲线图。

图7是表示Bi、Cu和Ge的三元合金中填充剂的含量与熔点之 间的关系的曲线图。

图8是表示Bi、Cu和Ge的三元合金中填充剂的含量与熔点之间的关系的曲线图。

图9是表示Bi、Cu和Ge的三元合金中填充剂的含量与熔点之间的关系的曲线图。

图10是表示Bi、Cu和Ge的三元合金中填充剂的含量(重量％)和熔点之间的关系的曲线图。

图11是表示Bi、Cu和Ge的三元合金中填充剂的含量与熔点之间的关系的曲线图。

图12是表示Bi、Cu和Ge的三元合金中填充剂的含量与熔点之间的关系的曲线图。

图13是示意表示本发明电子部件的作为第1实施方式的片式电感的构成的纵向剖视图。

图14是放大表示图13所示的片式电感的主要部分的构成的纵向剖视图。

图15是示意表示本发明电子部件的作为第2实施方式的PA模块的构成的立体图。

图16是示意表示图15所示的PA模块的内部构造的纵向剖视图。

图17是表示本发明电子部件的作为第3实施方式的电子部件的构成的图。

图18是示意表示溶入有Sn的本发明接合材料的金属组织的图。

图19是表示电子元件接合材料中Sn混入量与接合强度之间的关系的曲线图。

图20是表示电子元件接合材料中Ag混入量与接合强度之间的关系的曲线图。

图21是表示涉及电子设备的作为本发明第1实施方式的薄型电视的构成的立体图。

图22是示意表示图21所示的薄型电视所具有的电路基板的构成的纵向剖视图。

图23是示意表示搭载在图22所示的电路基板上的电子部件主要部分的构成的立体图。

具体实施方式

[接合材料]

本发明的接合材料(1)的特征在于：含有包含Cu和Ge、剩余部分为Bi和不可避免的杂质的铋合金(1)，且不含铅。在Bi合金(1)中，Cu含量为铋合金(1)总量的0.2～0.8重量％，优选为0.4～0.6重量％。Ge含量为铋合金(1)总量的0.02～0.2重量％，优选为0.02～0.05重量％。

本发明的接合材料(2)的特征在于：含有包含Cu、Ge和Ni、剩余部分为Bi和不可避免的杂质的铋合金(2)，且不含铅。

在该铋合金(2)中，Cu含量为铋合金(2)总量的0.2～0.8重量％，优选为0.4～0.6重量％。Ge含量为铋合金(2)总量的0.02～0.2重量％，优选为0.02～0.05重量％。Ni含量为铋合金(2)总量的0.02～0.08重量％，优选为0.02～0.05重量％。接合材料(2)通过含有特定量的Ni，在保持接合材料(1)优选的特性的同时，还具有较高的耐冲击性。

接合材料(1)和(2)具有270℃以上的非常高的熔化温度。因此，例如在片式电感之类的较小热容量的电子部件中，适于用作接合电子元件和电极的电子元件接合材料。通过在电子部件的内部使用高熔化温度的接合材料(1)和(2)，当采用回流装置将电子部件安装于母板上时，可以显著地抑制在电子部件上发生品质不良。另外，接合材料(1)和(2)由于不含有昂贵的元素(例如Ag)，因而可以廉价地进行制造。再者，接合材料(1)和(2)由于不含铅，所以能够提供无铅的电子设备。

在铋合金(1)和(2)中，将Cu和Ge的含量限定为上述范围的理由如下：

在欲得到具有270℃以上的熔化温度的接合材料的情况下，使用共晶点温度为270℃以上的2元合金(由2种元素构成的合金)作为基材(母材)是有效的。在从诸多元素之中选择共晶点温度达到270℃以上的元素的组合时，应该重视元素毒性的有无和价格。Pb、Hg、Sb、Se等元素从毒性的角度考虑被排除在外。

图1是表示2元合金的共晶点温度的表。纵轴的元素和横轴的元素重叠的一栏所表示的数值是这些由2种元素构成的合金的共晶点温度。从图1可知，例如Sn-Ag合金的共晶点温度为221℃，Ni-Cu合金不存在共晶点。而且还可知，Bi和Cu的组合、或者Bi和Ge的组合可以给出共晶点温度为270～300℃的合金。

在此，Bi和Cu的共晶合金含有99.5重量％的Bi和0.5重量％的Cu(Bi-0.5％Cu)。Bi和Ge的共晶合金含有99重量％的Bi和1重量％的Ge(Bi-1％Ge)。但是，Ge的价格昂贵，约为Cu的420倍。因此，从提供廉价材料的角度考虑，Bi和Cu的组合是有利的。

图2是表示Bi和Cu的二元合金(Bi-Cu合金)中Cu含量(重量％)与Bi-Cu合金的熔点(液相温度或固相温度)之间的关系的曲线图。在图2中，当Cu的含量为0.8重量％以下时，液相温度为270～272℃，与固相温度的温度差变小。另一方面，当Cu的含量超过1.0重量％时，则液相温度为275℃以上，与固相温度的温度差扩大到5℃以上。在液相温度和固相温度之间的温度下，固相和液相共存。因此，当液相温度和固相温度的温度差大到5℃以上时，则作为接合材料的操作效率降低，从而制造现场的生产效率下降。由上所述，Cu的含量优选为0.8重量％以下。另一方面，当Cu的含量不足0.2重量％时，则熔化的接合材料与电极等的润湿性降低。因此，Cu的含量优选为0.2重量％以上。另外，通过将Cu的含量设定为0.4～0.6重量％，可以得到物性平衡更为优良的接合材料。

含有0.2～0.8重量％Cu的Bi-Cu合金从低于270℃的温度不会熔化的角度上说，是优良的接合材料。但是，在采用弯液面法进行的试验中，得知润湿性较低。Bi-Cu合金含有99.5重量％这样大量的Bi。因此，可以认为合金内的氧化物的生成量增多，这种情况影响到润湿性。一般认为Bi的氧化可以通过将比Bi优先氧化的元素微量地添加到Bi-Cu合金中而得到抑制。作为比Bi优先氧化的元素，可以列举出Ge、Al、Li、P等。

图3是表示在由99.5重量％的Bi和0.5重量％的Cu组成的共晶合金(Bi-0.5％Cu)中，添加0.05重量％的Ge、Al、Li或P，在300℃搅拌4小时时，在试样中生成的氧化物的生成量的曲线图。其中，整个试样的重量为8kg。可知与没有添加这些元素的试样相比较，添加了Ge的试样使氧化物的生成受到抑制。可以认为其原因在于：Ge在Bi-0.5％Cu的表面优先氧化而形成氧化膜。由上可知，为抑制Bi-Cu合金的氧化，Ge的添加是合适的。

图4是表示含有0.5重量％Cu的Bi、Cu和Ge的三元合金(Bi-Cu-Ge合金)中Ge含量(重量％)与氧化物生成量之间的关系的曲线图。其中，整个合金的重量为8kg。从图4可知，如果添加0.02重量％以上的Ge，则可以抑制氧化物的生成，但如果Ge的含量达到0.3重量％以上，则氧化物生成量增多。图4表示Ge的含量优选为0.02～0.2重量％，更优选为0.02～0.05重量％。

另外，在铋合金(2)中，将Ni含量限定为上述范围的理由如下：耐冲击性可以根据在尺寸为1.6mm×0.8mm的片式电容的侧面，使60g的测锤从180mm的高度冲撞的试验来进行评价。

使用具有以含有99.46重量％的Bi、0.5重量％的Cu和0.04重量％的Ge的3元合金(Bi-0.5％Cu-0.04％Ge)接合的接合部的片式电容，进行了上述的耐冲击试验，结果片式电容在接合部发生断裂。观察断裂后接合部的断面，结果表明在Bi含量较多的α相和Cu含量较多的β相的界面发生了断裂。

在此，α相和β相的均匀性可以根据结晶外周长值进行评价。所谓结晶外周长值，被定义为在10μm×10μm的范围存在的α相的总计外周长度。在结晶外周长值较大的情况下，α相和β相的混合充分；而在结晶外周长值较小的情况下，α相和β相的混合并不充分。在上述试验中断裂的接合部的断面测量了结晶外周长值，结果，结晶外周数值为87μm。

图5表示含有0.5重量％Cu和0.04重量％Ge的Bi、Cu、Ge和Ni的四元合金(Bi-Cu-Ge-Ni合金)中Ni含量(重量％)与结晶外周长值之间的关系(曲线A)。图5还表示含有0.5重量％Cu和0.2重量％Ge的 Bi-Cu-Ge-Ni合金中Ni含量(重量％)与结晶外周长值之间的关系(曲线B)。从图5可知，在Ni含量为0.02～0.08重量％的情况下，结晶外周长值增大，α相和β相均匀地混合。另一方面还知道，当Ni含量达到0.11重量％以上时，则结晶外周长值减小，α相和β相不能均匀地混合。从图5可知，Ni的含量优选为0.02～0.08重量％，更优选为0.02～0.05重量％。

铋合金(1)和(2)也可以进一步含有选自球状填充剂、针状填充剂以及板状填充剂之中的至少1种填充剂。这时，填充剂含量为铋合金(1)或(2)总量的0.05～5.0重量％。正如本发明使用的铋合金(1)以及(2)那样，大量含有Bi的合金与Pb-Sn合金相比较，机械强度降低。但是，通过在这样的铋合金中含有特定的填充剂，不会损害铋合金所具有的优选的特性，而能够提高其机械强度。当添加上述以外的通常的填充剂时，铋合金的熔点极大地变化，从而使操作效率降低。

也就是说，含有包含预定量的Cu、Ge以及特定形状的填充剂、剩余部分为Bi的铋合金(1)的本发明接合材料(1)，是锡焊时直到270℃不会熔化、耐冲击性优良、且机械强度进一步得以提高的接合材料。例如，若将该接合材料用于片式电感之类的电子部件的内部接合，则在将电子部件安装于母板上时的加热中，内部接合的部分不会熔化，而且即使受到来自外部的冲击，也不会产生品质不良。另外，含有具包含预定量的Cu、Ge、Ni以及特定形状的填充剂、剩余部分为Bi的铋合金(2)的本发明接合材料(2)，是在保持了含有特定形状的填充剂的接合材料(1)的优选特性的同时，耐冲击性进一步得以提高的接合材料。

球状填充剂、针状填充剂以及板状填充剂由树脂材料、无机材料、金属材料等构成。作为树脂材料并没有特别的限制，例如可以优选使用聚醚醚酮(FEEK)、聚醚砜(PES)、聚酰胺酰亚胺(PAI)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚苯醚(PPE)、含有这些树脂材料的2种以上的聚合物合金材料等热塑性树脂。这些热塑性树脂作为高耐热性的工程 塑料是为人所知的。作为无机材料也没有特别的限制，例如可以优选使用玻璃、硅藻土蒙脱石、硅石、矾土、硅等。另外，作为金属材料也没有特别的限制，例如可以优选使用镍、铝、钛等。

此外，作为球状填充剂的形状，只要是用表面的至少一部分具有曲率半径的面即曲面构成的粒子，就并没有特别的限制，可以优选使用真球状、具有接近于真球的平均圆形度的球状、椭圆球状等形状的粒子。在此，所谓平均圆形度，是使用流动式粒子图像分析装置(商品名：FPIA-2000，Sysmex(株)生产)进行测量的。平均圆形度在该测量装置检测得到的粒子图像中，用(具有与粒子图像相同的投影面积的圆的周长)/(粒子投影图像的周长)来定义，取1以下的数值。这意味着平均圆形度越接近1，粒子形状越接近于真球。另外，在针状填充材料中，除具有棱柱状形状的填充剂以外，也包含被称为晶须的填充剂。另外，在板状填充材料中，除具有板状形状的填充剂以外，也包含鳞片状填充剂。

球状、针状以及板状填充剂的平均粒径并没有特别的限制，但优选为10～60μm，更优选为20～40μm。当平均粒径不足10μm时，在铋合金成为浆料状的情况下，粘度有可能提高，从而往电路基板上的印刷变得困难。另外，如果平均粒径超过60μm，则机械强度的提高效果有可能并不充分。球状填充剂、针状填充剂和板状填充剂可以单独使用1种，或者也可以组合2种以上使用。在此，平均粒径使用Microtrac粒度分布测量装置(商品名：MT3000，日机妆(株)生产)来测量。平均粒径是在通过上述Microtrac粒度分布测量装置检测出的粒度分布中，累计达到50％时的粒径。

再者，对于球状、针状以及板状填充剂，也可以在其表面实施镀覆。在填充剂的表面所形成的镀覆层优选含有选自Ag、Pd、Au以及Sn之中的至少1种金属。镀覆层的厚度并没有特别的限制，但优选为1～3μm左右。此外，在填充剂上实施Ag镀覆的情况下，只要填充剂在铋合金中的含量不是很多，而且镀层所要求的Ag量也较少就可以，所以不会导致Ag使用量的增大。通过使用实施了镀覆的填充剂，在保持本发明接合材料(1)以及(2)优选的特性那样的同时，特别是可 以进一步提高机械强度。

图6～图10表示在铋合金(1)中含有填充剂的情况下，填充剂的含量与铋合金(1)的熔点之间的关系。图6表示Bi、Cu以及Ge的三元合金(Bi-Cu-Ge合金)中填充剂的含量(重量％)与Bi-Cu-Ge合金的熔点(液相温度或固相温度)之间的关系。作为填充剂，使用球状、针状和板状的PEEK。各填充剂的含量在0.05重量％以下时，液相温度为270～272℃，与固相温度的温度差变小。另一方面，如果填充剂的含量超过5.0重量％，则液相温度达到275℃以上，与固相温度的温度差扩大到5℃以上。在液相温度和固相温度之间的温度下，固相和液相共存。因此，如果液相温度和固相温度的温度差增大到5℃以上，则接合材料的操作效率降低，从而制造现场的生产效率下降。由上所述，填充剂的含量优选为5重量％以下。另一方面，如果填充剂的含量不足0.05重量％，则熔化的接合材料和电极等的润湿性降低。因此，填充剂的含量优选为0.05重量％以上。在本实施方式中，使用平均粒径为30μm的填充剂。在以下的实施方式中也是同样的。

图7表示Bi、Cu和Ge的三元合金(Bi-Cu-Ge合金)中填充剂的含量(重量％)和Bi-Cu-Ge合金的熔点(液相温度或固相温度)之间的关系。作为填充剂，使用针状的PBT以及针状的PES。各填充剂的含量为0.05重量％以下时，液相温度为270～272℃，与固相温度的温度差变小。另一方面，如果填充剂的含量超过5.0重量％，则液相温度达到275℃以上，与固相温度的温度差扩大到5℃以上。在液相温度和固相温度之间的温度下，固相和液相共存。因此，如果液相温度和固相温度的温度差增大到5℃以上，则接合材料的操作效率降低，从而制造现场的生产效率下降。由上所述，填充剂的含量优选为5重量％以下。另一方面，如果填充剂的含量不足0.05重量％，则熔化的接合材料和电极等的润湿性降低。因此，填充剂的含量优选为0.05重量％以上。

图8表示Bi、Cu以及Ge的三元合金(Bi-Cu-Ge合金)中填充剂的含量(重量％)和Bi-Cu-Ge合金的熔点(液相温度或固相温度)之间的关系。作为填充剂，使用球状、针状以及板状的玻璃。在各填充剂的含量为0.05重量％以下时，液相温度为270～272℃，与固相温度的温度差变小。另一方面，如果填充剂的含量超过5.0重量％，则液相温度达到275℃以上，与固相温度的温度差扩大到5℃以上。在液相温度和固相温度之间的温度下，固相和液相共存。因此，如果液相温度和固相温度的温度差增大到5℃以上，则接合材料的操作效率降低，从而制造现场的生产效率下降。由上所述，填充剂的含量优选为5重量％以下。另一方面，如果填充剂的含量不足0.05重量％，则熔化的接合材料和电极等的润湿性降低。因此，填充剂的含量优选为0.05重量％以上。

图9表示Bi、Cu以及Ge的三元合金(Bi-Cu-Ge合金)中填充剂的含量(重量％)和Bi-Cu-Ge合金的熔点(液相温度或固相温度)之间的关系。作为填充剂，使用硅藻土蒙脱石的球状填充剂。在填充剂的含量为0.05重量％以下时，液相温度为270～272℃，与固相温度的温度差变小。另一方面，如果填充剂的含量超过5.0重量％，则液相温度达到275℃以上，与固相温度的温度差扩大到5℃以上。在液相温度和固相温度之间的温度下，固相和液相共存。因此，如果液相温度和固相温度的温度差增大到5℃以上，则接合材料的操作效率降低，从而制造现场的生产效率下降。由上所述，填充剂的含量优选为5重量％以下。另一方面，如果填充剂的含量不足0.05重量％，则熔化的接合材料和电极等的润湿性降低。因此，填充剂的含量优选为0.05重量％以上。

图10表示Bi、Cu以及Ge的三元合金(Bi-Cu-Ge合金)中填充剂的含量(重量％)和Bi-Cu-Ge合金的熔点(液相温度或固相温度)之间的关系。作为填充剂，使用在作为球状填充剂的硅石上实施了Ag镀层、Au镀层或Pd镀层的镀覆填充剂。在填充剂的含量为0.05重量％以下时，液相温度为270～272℃，与固相温度的温度差变小。另一方面，如果填充剂的含量超过5.0重量％，则液相温度达到275℃以上，与固相温度的温度差扩大到5℃以上。在液相温度和固相温度之间的温度下，固相和液相共存。因此，如果液相温度和固相温度的温度差增大到5℃以上，则接合材料的操作效率降低，从而制造现场的生产效率下降。由上所述，填充剂的含量优选为5重量％以下。另一方面，如果填充剂的含量不足0.05重量％，则熔化的接合材料和电极等的润湿性降低。因 此，填充剂的含量优选为0.05重量％以上。

另外，图11～图12表示在含有于铋合金(1)上实施了镀层的填充剂(以下称为“镀覆填充剂”)的情况下，镀覆填充剂的含量与铋合金(1)的熔点的关系。图11表示Bi、Cu以及Ge的三元合金(Bi-Cu-Ge合金)中镀覆填充剂的含量(重量％)与Bi-Cu-Ge合金的熔点(液相温度或固相温度)之间的关系。作为填充剂，使用在由PBT组成的球状填充剂上实施了Ag镀层、Au镀层或Pd镀层的镀覆填充剂。在各填充剂的含量为0.05重量％以下时，液相温度为270～272℃，与固相温度的温度差变小。另一方面，如果填充剂的含量超过5.0重量％，则液相温度达到275℃以上，与固相温度的温度差扩大到5℃以上。在液相温度和固相温度之间的温度下，固相和液相共存。因此，如果液相温度和固相温度的温度差增大到5℃以上，则接合材料的操作效率降低，从而制造现场的生产效率下降。由上所述，填充剂的含量优选为5重量％以下。另一方面，如果填充剂的含量不足0.05重量％，则熔化的接合材料和电极等的润湿性降低。因此，填充剂的含量优选为0.05重量％以上。

图12表示Bi、Cu以及Ge的三元合金(Bi-Cu-Ge合金)中镀覆填充剂的含量(重量％)和Bi-Cu-Ge合金的熔点(液相温度或固相温度)之间的关系。作为填充剂，使用在由PES组成的球状填充剂上实施了Ag镀层、Au镀层或Pd镀层的镀覆填充剂。在各填充剂的含量为0.05重量％以下时，液相温度为270～272℃，与固相温度的温度差变小。另一方面，如果填充剂的含量超过5.0重量％，则液相温度达到275℃以上，与固相温度的温度差扩大到5℃以上。在液相温度和固相温度之间的温度下，固相和液相共存。因此，如果液相温度和固相温度的温度差增大到5℃以上，则接合材料的操作效率降低，从而制造现场的生产效率下降。由上所述，填充剂的含量优选为5重量％以下。另一方面，如果填充剂的含量不足0.05重量％，则熔化的接合材料和电极等的润湿性降低。因此，填充剂的含量优选为0.05重量％以上。

[电子部件]

本发明的电子部件的特征在于：其构成是含有电子元件、与电子元件连接的电极、以及接合电子元件与电极的电子元件接合材料，且电子元件接合材料为本发明的接合材料(1)或接合材料(2)。

在本发明的电子部件中，作为电子元件可以使用在该领域常用的元件，例如可以列举出由电容器、电阻、晶体管、SOP(Side Outer-leadPackage)、QFP(Quad Flat Fackage)、线圈、裸芯片、线材、板材等构成的电子元件。

另外，本发明的电子部件可以与以前的电子部件同样地使用。具体地说，例如可以优选用作表面安装部件、模块部件、插入部件、BGA(Ball Grid Array)等。作为表面安装部件，例如可以列举出片式电感、片式电容等芯片部件。作为模块部件，例如可以列举出PA(PowerAmp)模块、VCO(Voltage Controlled Oscillator)模块等。作为插入部件，例如可以列举出轴向部件、径向部件等。本发明电子部件的构成特别适于得到具有优选为8mm×5mm以下尺寸、更优选为4.5mm×3.2mm以下尺寸的热容量的电子部件。另外，本发明电子部件的构成适于得到在其内部通过焊锡等接合材料而将电子元件接合在电极上的电子部件。

图13是示意表示本发明电子部件的作为第1实施方式的片式电感10的构成的纵向剖视图。图14是放大表示图13所示的片式电感10的主要部分的构成的纵向剖视图。图14具体地说，是放大表示图13中用虚线X包围的区域的纵向剖视图。片式电感10具有与市售片式电感(3225FA型：3.2mm×2.5mm×2.2mm，松下电器产业(株)生产)同样的构成。

也就是说，片式电感10具有铁氧体磁芯11、线圈铜线13、电极端子14、电子元件接合材料15、电极框16，例如安装在未图示的母板上而加以使用。铁氧体磁芯11由磁性材料构成，通过粘结剂安设在电极框16上。线圈铜线13是电子元件的端部，卷绕在铁氧体磁芯11上，它的一部分钩在与电极框16连续的电极端子14上。电子元件接合材料15是以接合作为电子元件端部的线圈铜线13和电极端子14、从而使线圈铜线13和电极端子14能够维持接合的方式固定双方的电子元件接合材料。电子元件接合材料15使用接合材料(1)或(2)。

图15是示意表示本发明电子部件的作为第2实施方式的PA模块20的构成的立体图。图16是示意表示图15所示的PA模块20的内部构造的纵向剖视图。PA模块20除使用含有接合材料(1)或(2)的电子元件接合材料作为接合材料26以外，具有与市售PA模块(PAM型，5mm×5mm×1.5mm，松下电器产业(株)生产)同样的构成。

也就是说，PA模块20包括：基板21，密封材料22，内部电极23、24，片式电容25，电子元件接合材料26，半导体部件27，线材28。基板21例如可以使用玻璃环氧基板。密封材料22以电绝缘状态保护在基板21表面所设立的各种电子部件。密封材料22例如可以使用环氧树脂。内部电极23、24设立在基板21的一个表面上。片式电容25是电子元件，通过电子元件接合材料26接合在内部电极23上。电子元件接合材料26使用接合材料(1)或(2)。半导体部件27通过线材28接合在内部电极24上。将PA模块20与设立于未图示的母基板表面的外部电极29接合，从而安装在母基板上，由此可以得到本发明的接合结构体。PA模块20与外部电极29的接合可以使用各种接合材料。

另外，在本发明的电子部件中，往往在电子元件接合材料中混入Sn。Sn在电子元件接合材料中的混入量优选为电子元件接合材料和Sn的合计总量的40重量％以下，更优选为电子元件接合材料和Sn的合计量总量的20重量％以下。通过使Sn混入量为40重量％以下，电子元件和电极的接合强度可以维持较高的水准，可以提高本发明的电子部件的可靠性，特别是将电子部件接合在母基板上时的可靠性，以及高温下长期使用的可靠性等。作为Sn混入电子元件接合材料中的主要原因，可以列举出以下的(i)～(v)。此外，(i)～(v)的主要原因也有2个以上重叠的情况。

(i)电子元件接合材料作为不可避免的杂质含有Sn。

(ii)在电子元件的表面实施镀覆，该镀层含有Sn。

(iii)在电极表面实施镀覆，该镀层含有Sn。

(iv)电子元件本身含有Sn。

(v)电极本身含有Sn。

在(ii)～(v)的情况下，在电子元件向电极上进行接合时、或 电子部件向母基板上进行接合时等，由于接合时的加热，镀层中的Sn、或电子元件或电极中的Sn熔析，容易混入电子元件接合材料中。例如，在(iv)的情况下，为使Sn混入量为40重量％以下，可以调整镀层中的Sn含量，以便使镀层中的整个Sn量为电子元件接合材料总量的40重量％以下。另外，在(iv)和(v)重叠的情况下，可以调整各自镀层中的Sn含量，使双方的镀层所包含的Sn的总量为电子元件接合材料总量的40重量％以下。另外，在(ii)中，当电子元件表面的镀层由Sn组成时，通过适当调整镀层的厚度，也可以使Sn在电子元件接合材料中的混入量为40重量％以下。

图17是表示本发明电子部件的作为第3实施方式的电子部件30的构成的图。图17(a)是示意表示电子部件30的构成的纵向剖视图。图17(b)是表示包含在图17(a)所示的电子部件30中的片式电容33的构成的立体图。在图17(b)中，片式电容33的内部构造是作为局部纵向剖视图而表示的。图17(c)是放大表示在图17(b)中用虚线包围的区域的构成的纵向剖视图。

电子部件30包括基板31、内部电极32、片式电容33、电子元件接合材料34、密封材料35。基板31例如可以使用玻璃环氧基板。内部电极32设立在基板31的表面。片式电容33是电子元件，通过电子元件接合材料34与内部电极32接合。片式电容33包括电介质陶瓷40和电极部41。在本实施方式中，电介质陶瓷40大致成形为长方体形状。电极部41包括以Ag为主成分的基底电极42、以Ni为主成分的中间电极43、以及以Sn为主成分的外部电极44。它们按该顺序进行层叠，基底电极42设计为与长方体形状的电介质陶瓷40的1个面连接。在本实施方式中，片式电容33具有1.0mm×0.5mm×0.5mm的尺寸。另外，在本实施方式中，电极部41的外部电极44被设定为Sn镀层。电子元件接合材料34使用接合材料(1)或者(2)。密封材料35密封基板31上的片式电容33，以进行封装。密封材料35例如可以使用环氧树脂。电子部件30通过接合材料而与设立于未图示的母基板上的外部电极36接合，安装在母基板上，从而得到本发明的接合结构体。

片式电容33是在回流炉中，在接合材料34的熔化温度即270℃以 上的加热下，采用电子元件接合材料34而与设立于基板31上的内部电极32接合。片式电容33的外部电极44由于以熔化温度为230℃的Sn为主成分，所以在回流炉内的加热下使Sn熔化，熔化的Sn溶入电子元件接合34材料中。这样，在冷却后的电子元件接合材料34中生成由Sn和Bi形成的低熔点组成(Sn-58％Bi，熔化温度138℃)。

图18是示意表示溶入Sn的电子元件接合材料34的金属组织的图。在Sn溶入量(混入量)较少的情况下，正如图18(a)所示的那样，在电子元件接合材料34的内部，由Sn和Bi形成的低熔点组成34a被散布成岛屿状。如果将具有该金属组织的电子元件接合材料34再加热到150℃，则低熔点组成34a熔化，但电子元件接合材料34本身不会熔化，所以片式电容33与设立在基板31上的内部电极32的接合保持在良好的状态下。但是，如果Sn溶入量较多，则如图18(b)所示，在电子元件接合材料34的内部，由Sn和Bi形成的低熔点组成34a以连续块状物的形态存在。如果将含有该金属组织的电子元件接合材料34再加热到138℃以上，则由于块状的低熔点组成34a熔化，所以片式电容33与设立在基板31上的内部电极32的接合掉落，或低熔点组成34a熔析到基板31上，从而在与邻接的内部电极之间发生短路。

图19是表示电子元件接合材料中的Sn混入量(含量)和接合强度之间的关系的曲线图。可知当Sn含量超过40重量％时，则接合强度急剧降低。这表示当Sn含量超过40重量％时，则散布成岛屿状的低熔点组成34a成为连续的块状。因此，在电子元件表面的镀层、与电子元件连接的电极表面的镀层、以及电子元件接合材料中所包含的Sn优选设定为接合材料的40重量％以下，更优选设定为20重量％以下。在1.0mm×0.5mm×0.5mm尺寸的片式电容的情况下，如果外部电极的厚度为2μm以下，则Sn相对于电子元件接合材料的量成为40重量％以下；如果外部电极的厚度为1μm以下，则Sn相对于电子元件接合材料的量成为20重量％以下。因此，在本实施方式中，电子元件以及电极表面的Sn镀层的厚度优选为2μm以下，更优选为1μm以下。

另外，上述结果可以考虑作为电子元件接合材料预先包含Sn时的上限值。这表明如果电子元件接合材料预先包含的Sn的量为40重量％以下(例如，Bi-0.6％Cu-0.04％Ge-40％Sn)，则为不发生接合强度降低的电子部件，如果Sn的量为20重量％以下(例如，Bi-0.6％Cu-0.04％Ge-20％Sn)，则是更为优选的电子部件。

除Sn以外，关于Ag也具有同样的倾向。图20是表示在上述的电子元件接合材料中混入了Ag时、Ag相对于电子元件接合材料的含量(重量％)和接合强度之间的关系的曲线图。如果Ag相对于电子元件接合材料的含量超过2重量％，则接合强度急剧地降低。这表示如果Ag含量超过2重量％，则散布成岛屿状的低熔点组成成为连续的块状。因此，可知电子元件表面的镀层、以及电子元件接合材料所包含的Ag优选设定为电子元件接合材料的2重量％以下，更优选设定为1.5重量％以下。

这也可以考虑作为电子元件接合材料预先包含Ag时的上限值。这表示如果电子元件接合材料预先包含的Ag的量为2重量％以下(例如，Bi-0.6％Cu-0.04％Ge-2％Ag)，则为不发生接合强度降低的接合结构体，如果Ag的量为1.5重量％以下(例如，Bi-0.6％Cu-0.04％Ge-1.5％Ag)，则为更优选的接合结构体。

[接合结构体]

本发明的接合结构体的特征在于，具有(a)本发明的电子部件、(b)搭载本发明的电子部件的基板、以及(c)接合本发明的电子部件和基板的电子部件接合材料。

(a)本发明的电子部件是具有与上述相同构成的电子部件。具体地说，是使用电子元件接合材料将电子元件与电极接合的电子部件。电子元件接合材料为接合材料(1)或(2)。

(b)作为搭载本发明的电子部件的基板，可以使用以前在电子部件的搭载中所使用的各种基板。

(c)电子部件接合材料是熔化温度比包含在接合材料(1)或(2)中的铋合金(1)或(2)低的接合材料。电子部件接合材料优选在基于回流装置的加热下进行熔化，例如具有200～230℃的熔化温度。具有这样的熔化温度的接合材料以前提出了许多方案，对本领域的技术人员来说，可以很容易地获得。

此外，电子元件接合材料具有比电子部件接合材料更高的熔化温 度。因此，在将电子部件安装于母板上时，在使用回流装置的情况下，也不会发生电子部件内的电子元件接合材料的熔化。因此，可以得到高可靠性的接合结构体。

[电子设备]

本发明的电子设备的特征在于：控制手段包含具有本发明的接合结构体的电路基板。本发明的电子设备通过包含具有本发明接合结构体的电路基板的控制手段，对其动作加以控制。换句话说，本发明的电子设备除具有包含本发明接合结构体的电路基板作为控制手段的至少一部分以外，还具有与以前的电子设备同样的构成。

在本发明的电子设备中，由于具有包括电子元件和电极的接合可靠性以及电子部件和基板的接合可靠性非常高的接合结构体的电路基板，所以与电路基板的断线、短路等相伴的故障非常难以发生。因此，本发明的电子设备可以优选应用于设定较长的耐久年限的用途、要求长期具有高可靠性的用途等。在要求较长的耐久年限的用途中，例如有HDD记录装置(硬盘记录装置)、数码相机、笔记本电脑等电子设备、薄型电视、冰箱、洗衣机、空调等电气化产品等。另外，在要求长期具有高可靠性的用途中，例如有大型计算机、工业机器人、航空器搭载设备等。

图21是表示电子设备的作为本发明第1实施方式的薄型电视50的构成的立体图。图22是示意表示图21所示的薄型电视50所具有的电路基板62的构成的纵向剖视图。图23是示意表示搭载在图22所示的电路基板62上的电子部件66的主要部分构成的立体图。

薄型电视50包括等离子体显示面板60、框体61和电路基板62。电路基板62收容在框体61内，包括玻璃环氧基板65、第1电子部件66、第2电子部件67和电子部件接合材料68。在玻璃环氧基板65上进行了布线。

第1电子部件66是在其内部进行采用电子元件接合材料73的接合的电子部件。第1电子部件66包括作为电子元件的片式电容71、第1内部电极72、电子元件接合材料73和半导体部件75。片式电容71通过电子元件接合材料73而与第1内部电极72接合。第1内部电极72设立在模块基板70的表面。电子元件接合材料73可以使用接合材料(1)或(2)。半导体部件75通过线材76而与设立于模块基板70表面的第2内部电极74接合。第1电子部件66通过密封材料77密封在模块基板70表面。密封材料77例如可以使用环氧树脂。

搭载第1电子部件66的模块基板70采用电子部件接合材料68而将设立在与第1电子部件66的搭载面相反侧的面上的外部电极78、和设立在玻璃环氧基板65表面的电极80a进行接合，由此安装在玻璃环氧基板65上。电子部件接合材料68可以使用在该领域常用的一般焊锡材料，例如可以列举出Sn-3～0.5重量％Cu、Sn-3.5重量％Ag-0.5重量％Bi-8重量％In等。

第2电子部件67是在其内部不进行采用电子元件接合材料73的接合的电子部件。第2电子部件67包括电子元件79、电极80b、电子部件接合材料68。电子元件79采用电子部件接合材料68而与设立于玻璃环氧基板65表面的电极80b进行接合。这样，第2电子部件67就搭载在玻璃环氧基板65上。

在将第1电子部件66安装在玻璃环氧基板65上时，在回流炉内加热到电子部件接合材料68的熔化温度以上而进行接合。在电子部件接合材料68为Sn-3～0.5重量％Cu的情况下，第1电子部件66加热到260℃。这时，第1电子部件67的内部温度也上升到260℃左右。但是，电子元件接合材料73具有270℃左右或以上的高熔化温度。因此，为将第1电子部件66安装在玻璃环氧基板65上，即使采用回流装置进行加热，电子元件接合材料73也不会熔化。结果，可以切实地防止片式电容71和第1内部电极72的接合发生掉落、或者熔化的接合材料熔析而在与邻接的内部电极之间发生短路这样的品质不良，从而可以提供高可靠性的电子设备。

在本发明的电子设备中，通过电路基板来控制切实地接合有电子元件和电极、以及电子部件和基板的接合结构体。再者，电子元件和电极的接合以及电子部件和基板的接合即使从外部受到稍为的冲击，也能够使接合保持下来。因此，本发明的电子设备成为产品制造时次品率非常低、在长期的使用中也难以发生故障、可靠性非常高的电子设备。另外，本发明的电子设备即使不慎而被废弃到自然环境中，也不会使Pb等熔析到自然环境中。

本发明廉价地提供一种具有270℃以上的熔化温度和优良的耐冲击性、且符合环境标准的接合材料。本发明的接合材料可以优选应用于片式电感之类的小热容量的电子部件，可以广泛地应用于使用回流装置安装在母板上的电子部件。再者，如果将该电子部件接合在母板上而构成的接合结构体作为电路基板，组装到电子设备中，则可以得到耐久性优良、可靠性高的电子设备。

Claims (18)

1.一种接合材料，其包含铋合金，在所述铋合金中，Cu含量为0.2～0.8重量％，Ge含量为0.02～0.2重量％，剩余部分为Bi。

2.一种接合材料，其包含铋合金，在所述铋合金中，Cu含量为0.2～0.8重量％，Ge含量为0.02～0.2重量％，Ni含量为0.02～0.08重量％，剩余部分为Bi。

3.根据权利要求1所述的接合材料，其中，铋合金进一步含有选自球状填充剂、针状填充剂以及板状填充剂之中的至少1种填充剂，且填充剂相对于所述铋合金的含量为0.05～5.0重量％。

4.根据权利要求3所述的接合材料，其中，填充剂含有选自树脂材料、无机材料以及金属材料之中的至少1种材料。

5.根据权利要求3所述的接合材料，其中，在填充剂的表面实施镀覆，该镀层含有选自Ag、Pd、Au以及Sn之中的至少1种金属。

6.根据权利要求2所述的接合材料，其中，铋合金进一步含有选自球状填充剂、针状填充剂以及板状填充剂之中的至少1种填充剂，且填充剂相对于所述铋合金的含量为0.05～5.0重量％。

7.根据权利要求6所述的接合材料，其中，填充剂含有选自树脂材料、无机材料以及金属材料之中的至少1种材料。

8.根据权利要求6所述的接合材料，其中，在填充剂的表面实施镀覆，该镀层含有选自Ag、Pd、Au以及Sn之中的至少1种金属。

9.一种电子部件，其具有电子元件、与电子元件连接的电极、以及接合电子元件和电极的电子元件接合材料；而且

电子元件接合材料是权利要求1～8的任一项所述的含有铋合金的接合材料。

10.根据权利要求9所述的电子部件，其中，从选自形成于电子元件表面的含Sn镀层、形成于电极表面的含Sn镀层、含有Sn的电子元件以及含有Sn的电极之中的至少1种中混入到电子元件接合材料中的Sn量、或在电子元件接合材料中作为不可避免的杂质而含有的Sn量，为电子元件接合材料和Sn的合计总量的40重量％以下。

11.一种接合结构体，其具有：(a)电子部件、(b)搭载电子部件的基板、(c)对电子部件和基板进行接合的电子部件接合材料，其中，

(a)电子部件为权利要求9或10所述的电子部件，

(c)电子部件接合材料是熔化温度比(a)电子部件所具有的电子元件接合材料中含有的铋合金的熔化温度低的接合材料。

12.一种电子设备，其具有包含权利要求11所述的接合结构体的电路基板作为控制手段。

13.根据权利要求1所述的接合材料，其中，所述铋合金的Cu含量为0.4～0.6重量％，Ge含量为0.02～0.05重量％，以及剩余部分为Bi。

14.根据权利要求2所述的接合材料，其中，所述铋合金的Cu含量为0.4～0.6重量％，Ge含量为0.02～0.05重量％，所述Ni含量为0.02～0.05重量％，以及剩余部分为Bi。

15.根据权利要求4或7所述的接合材料，其中，所述填充剂的平均粒径为10～60μm。

16.根据权利要求5或8所述的接合材料，其中，所述镀层的厚度为1～3μm。

17.根据权利要求9所述的电子部件，其中，在所述电子元件的表面实施镀覆，所述镀层和所述电子元件接合材料含有Ag，其合计量为所述电子元件接合材料的2重量％以下。

18.根据权利要求10所述的电子部件，其中，从选自形成于所述电子元件表面的含Sn镀层、形成于所述电极表面的含Sn镀层、含有Sn的所述电子元件以及含有Sn的所述电极之中的至少1种中混入到所述电子元件接合材料中的所述Sn量、或在所述电子元件接合材料中作为不可避免的杂质而含有的所述Sn量，为所述电子元件接合材料和所述Sn的合计总量的20重量％以下。

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