JP2005288544A - 無鉛はんだ、はんだ付け方法および電子部品 - Google Patents

無鉛はんだ、はんだ付け方法および電子部品 Download PDF

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Abstract

【課題】熱伝導性、ぬれ性、機械的強度などに優れた無鉛はんだおよびはんだ付け方法を提供するとともに、この無鉛はんだによって接合された信頼性の高い電子部品を提供すること目的とする。
【解決手段】Ｃｏを０．０２〜２．０重量％含有するＳｎまたはＰｂを含まないＳｎ基合金からなる無鉛はんだによって、ＳｎまたはＳｎ基合金の表面張力を低下させ、ぬれ性を向上させることができる。さらに、被はんだ部材と、ＳｎまたはＳｎ基合金との反応を抑制し、接合界面における金属間化合物の成長を抑制することによって、溶融はんだの凝集を抑制し、ぬれ性を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸化物の生成、ボイド欠陥の発生を抑制することができ、熱伝導性、機械的強度に優れた無鉛はんだ、はんだ付け方法および電子部品に関する。
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。
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。）。
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。
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、ぬれ性不足によりボイド欠陥が多数発生し、十分なはんだ強度を備えることができず、接合部の十分なはんだ強度や熱伝導性が得られないことがあった。このような接合部を有する状態では、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。
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）デンドライトの凝固前方にＣｕが濃縮し、（βＳｎ）とη（Ｓｎ５Ｃｕ６：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。これらの共晶組織は、機械的強度が低く、冷却するとクラックを生じることがあった（例えば、非特許文献２参照。）。
Proposal for a Directive of the European Parliament and of the Council on Waste Electrical and Electronic Equipment, Commission of the European Communities, Brussels,13.6.2000) 「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）
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、ぬれ性不足により、はんだ接合部において、ボイド欠陥などを生じて、十分なはんだ強度や熱伝導特性を得ることができないという問題があった。
また、従来のＳｎ−Ｃｕ合金では、（βＳｎ）とη（Ｓｎ５Ｃｕ６：Ｓｎ４３．５〜４５．５原子％）の共晶組織、または、初晶η、（βＳｎ）およびηの共晶組織が広範囲に形成され、機械的強度の低下、冷却時におけるクラックの発生などが生じるという問題があった。
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、熱伝導性、ぬれ性、機械的強度などに優れた無鉛はんだおよびはんだ付け方法を提供するとともに、この無鉛はんだによって接合された信頼性の高い電子部品を提供すること目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の無鉛はんだは、Ｃｏを０．０２〜２．０重量％含有するＳｎまたはＰｂを含まないＳｎ基合金からなることを特徴とする。
Ｓｎ基合金は、Ｃｕ、添加物を含有し、残部がＳｎおよび不可避不純物からなり、添加される添加物は、Ｃｏ以外にも、Ｓｂ、Ｂ、Ｉｎ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｎが挙げられ、これらの添加物は、Ｃｕに容易に固溶する。また、添加物は、Ｓｂ、Ｂ、Ｃｏ、Ｉｎ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｎのうちの少なくとも１種を含有すればよい。また、添加物の含有率は、０．０２〜２．０重量％である。ここで、添加物の含有率を０．０２〜２．０重量％としたのは、添加物の含有率が０．０２重量％より小さい場合には、ＳｎおよびＣｕと形成される３元金属間化合物の量が少なくなり、目的とする効果が小さく、２．０重量％より大きい場合には、それ以上添加すると、３元金属間化合物の量が多くなり過ぎ、はんだのぬれ性が低下するからである。さらに、添加物は、上記した物質から選択することが好ましいが、添加物として、Ｃｒ、Ｇｅ、Ａｕ、Ｍｇ、Ｐ、Ｐｔ、Ｒｄ、Ｚｒのうちの少なくとも１種を含有してもよい。上記した添加物は、ＣｕおよびＳｎと３元金属間化合物を形成する。また、Ｓｎ基合金におけるＣｕの含有率は、０．０２〜７．５重量％である。ここで、Ｃｕの含有率を０．０２〜７．５重量％としたのは、Ｃｕの含有率が０．０２重量％より小さい場合には、はんだの機械的強度の低下や３元金属間化合物の量の低下を招くため、７．５重量％より大きい場合には、はんだの溶融温度が上昇するからである。上記した添加物を含有したＳｎ基合金は、融点が１１７〜３５０℃の範囲である低融点のＳｎ合金となる。
例えば、このような低融点のＳｎ基合金として、Ｃｕ：０．７重量％、Ｓｂ：０．３重量％、残部：Ｓｎおよび不可避不純物からなるＳｎ基合金（液相線温度：２２９℃、固相線温度：２２７℃）、Ｃｕ：３．０重量％、Ｔｉ：０．１重量％、残部：Ｓｎおよび不可避不純物からなるＳｎ基合金（液相線温度：２２８℃、固相線温度：３２０℃）などが挙げられる。
この無鉛はんだによれば、ＳｎまたはＳｎ基合金に、Ｃｏを０．０２〜２．０重量％含有することで、ＳｎまたはＳｎ基合金の表面張力を低下させ、ぬれ性を向上させることができる。さらに、被はんだ部材と、ＳｎまたはＳｎ基合金との反応を抑制し、接合界面における金属間化合物の成長を抑制することができる。また、Ｃｏ以外の添加物を含有した場合においても、Ｃｏを含有する場合と同様に、ぬれ性を向上し、接合界面における金属間化合物の成長を抑制するという効果が得られる。また、この無鉛はんだの形状は、例えば、フィルム状、ペースト状、ワイヤー状またはロッド状などに形成することができる。
この無鉛はんだは、使用用途を限定されるものではないが、例えば、熱伝導性、ぬれ性、機械的強度などが要求される電子部品と基板の接合、電子部品同士の接合などに用いることが好ましい。
また、本発明の無鉛はんだは、Ｃｏを０．０２〜２．０重量％、Ｃｕを０．０２〜７．５重量％を含有し、残部がＳｎと不可避不純物からなることを特徴とする。
この無鉛はんだによれば、Ｃｕを０．０２〜７．５重量％含有することで、上記したぬれ性の向上および接合界面における金属間化合物の成長の抑制という効果に加えて、はんだ強度を向上させることができる。また、この無鉛はんだの形状は、例えば、フィルム状、ペースト状、ワイヤー状またはロッド状などに形成することができる。なお、添加される添加物は、Ｃｏ以外にも、Ｓｂ、Ｂ、Ｉｎ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｎが挙げられる。また、添加物は、Ｓｂ、Ｂ、Ｃｏ、Ｉｎ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｎのうちの少なくとも１種を含有すればよい。また、添加物の含有率は、０．０２〜２．０重量％である。さらに、添加物は、上記した物質から選択することが好ましいが、添加物として、Ｃｒ、Ｇｅ、Ａｕ、Ｍｇ、Ｐ、Ｐｔ、Ｒｄ、Ｚｒのうちの少なくとも１種を含有してもよい。また、Ｓｎ基合金におけるＣｕの含有率は、０．０２〜７．５重量％である。
さらに、本発明の無鉛はんだは、Ｃｏを０．０２〜２．０重量％含有するＳｎまたはＰｂを含まないＳｎ基合金、またはＣｏを０．０２〜２．０重量％、Ｃｕを０．０２〜７．５重量％を含有し、残部がＳｎと不可避不純物からなる第１はんだと、ＳｎまたはＰｂを含まないＳｎ基合金からなる第２はんだとを具備することを特徴とする。
この無鉛はんだによれば、Ｃｏを０．０２〜２．０重量％含有するＳｎまたはＰｂを含まないＳｎ基合金、またはＣｏを０．０２〜２．０重量％、Ｃｕを０．０２〜７．５重量％を含有し、残部がＳｎと不可避不純物からなる第１はんだと、ＳｎまたはＰｂを含まないＳｎ基合金からなる第２はんだとで無鉛はんだを構成することで、ＳｎまたはＳｎ基合金の表面張力を低下させ、ぬれ性を向上させることができる。さらに、被はんだ部材と、ＳｎまたはＳｎ基合金との反応を抑制し、接合界面における金属間化合物の成長を抑制することができる。ここで、Ｓｎ基合金の組成は、上記したＳｎ基合金の組成と同様であり、Ｃｏ以外にも、Ｓｂ、Ｂ、Ｉｎ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｎのうちの少なくとも１種を添加物として含有してもよい。
また、第１はんだおよび第２はんだは、例えば、球状または不定形状の粉体、フィルム状などに形成することができる。また、粉体形状を有する第１はんだおよび第２はんだのそれぞれを、例えば、フラックスやバインダと混合したペースト状して使用することもできる。
本発明のはんだ付け方法は、Ｃｏを０．０２〜２．０重量％含有するＳｎまたはＰｂを含まないＳｎ基合金、またはＣｏを０．０２〜２．０重量％、Ｃｕを０．０２〜７．５重量％を含有し、残部がＳｎと不可避不純物からなる無鉛はんだを用いて第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部材の表面上に前記無鉛はんだを設置する設置工程と、前記第１部材の表面上に設置された無鉛はんだ上に前記第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、前記無鉛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。
また、本発明のはんだ付け方法は、Ｃｏを０．０２〜２．０重量％含有するＳｎまたはＰｂを含まないＳｎ基合金、またはＣｏを０．０２〜２．０重量％、Ｃｕを０．０２〜７．５重量％を含有し、残部がＳｎと不可避不純物からなる第１はんだと、ＳｎまたはＰｂを含まないＳｎ基合金からなる第２はんだとを備えた無鉛はんだを用いて第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部材の表面上に前記第１はんだおよび前記第２はんだのいずれか一方を設置し、前記第１部材の表面上に設置されたはんだ上に、該設置されたはんだとは異なる前記第１はんだおよび前記第２はんだのいずれか一方を設置する設置工程と、前記第１部材の表面上に設置されたはんだ上に前記第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、前記無鉛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。
上記したはんだ付け方法において、Ｓｎ基合金の組成は、上記したＳｎ基合金の組成と同様である。また、上記したはんだ付け方法によれば、部材の接合に、Ｃｏを０．０２〜２．０重量％含有した無鉛はんだを用いることで、ＳｎまたはＳｎ基合金の表面張力を低下させ、ぬれ性を向上させることができる。さらに、部材と、ＳｎまたはＳｎ基合金との反応を抑制し、接合界面における金属間化合物の成長を抑制することができる。これによって、ボイド欠陥の発生が抑制され、熱伝導性、機械的強度などに優れたはんだ接合部を得ることができる。ここで、Ｓｎ基合金の組成は、上記したＳｎ基合金の組成と同様であり、Ｃｏ以外にも、Ｓｂ、Ｂ、Ｉｎ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｎのうちの少なくとも１種を添加物として含有してもよい。
本発明の電子部品は、Ｃｏを０．０２〜２．０重量％含有するＳｎまたはＰｂを含まないＳｎ基合金、またはＣｏを０．０２〜２．０重量％、Ｃｕを０．０２〜７．５重量％を含有し、残部がＳｎと不可避不純物からなる無鉛はんだを用いて、部品を基板に接合したことを特徴とする。
上記した電子部品において、Ｓｎ基合金の組成は、上記したＳｎ基合金の組成と同様である。また、この電子部品によれば、Ｃｏを０．０２〜２．０重量％含有した無鉛はんだを用いて部品が基板に接合されているので、ＳｎまたはＳｎ基合金の表面張力を低下させ、ぬれ性を向上させることができる。さらに、部品および基板と、ＳｎまたはＳｎ基合金との反応を抑制し、接合界面における金属間化合物の成長を抑制することができる。これによって、ボイド欠陥の発生が抑制され、熱伝導性、機械的強度などに優れたはんだ接合部を得ることができる。ここで、Ｓｎ基合金の組成は、上記したＳｎ基合金の組成と同様であり、Ｃｏ以外にも、Ｓｂ、Ｂ、Ｉｎ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｎのうちの少なくとも１種を添加物として含有してもよい。
本発明の無鉛はんだ、はんだ付け方法および電子部品によれば、熱伝導性、ぬれ性、機械的強度などに優れた無鉛はんだおよびはんだ付け方法を提供することができ、さらに、この無鉛はんだによって接合された信頼性の高い電子部品を提供することができる。
以下、本発明の一実施の形態について、無鉛はんだの組成、無鉛はんだの形状、無鉛はんだのはんだ付け方法の順に説明する。なお、ここでは、添加物として、Ｃｏが添加された一例について説明するが、上記した他の添加物を含有する場合においても、Ｃｏを添加した場合と同様の作用効果を得ることができる。
（無鉛はんだの組成）
本発明の無鉛はんだは、Ｃｏを０．０２〜２．０重量％含有するＳｎまたはＰｂを含まないＳｎ基合金から構成されている。
ＳｎまたはＳｎ基合金に含有されるＣｏの含有率は、求められた機械的性質や融点等によって、０．０２〜２．０重量％の範囲で適宜に設定される。ここで、Ｃｏの含有率が０．０２重量％よりも小さい場合には、十分な機械的性質が確保できないことがあり、２．０重量％よりも大きい場合には、融点が高くなり要素部品の許容される温度限界を越えることがある。また、ＳｎまたはＳｎ基合金に含有されるＣｏの含有率のより好ましい範囲は、０．０５〜１．０重量％である。また、ＳｎにＣｏを０．０２〜２．０重量％の範囲で含有した無鉛はんだの固相線が２２９℃、液相線が２２９℃〜５００℃になる。
このように、ＳｎまたはＳｎ基合金に、Ｃｏを０．０２〜２．０重量％含有することで、ＳｎまたはＳｎ基合金の表面張力を低下させ、ぬれ性を向上させることができる。さらに、被はんだ部材と、ＳｎまたはＳｎ基合金との反応を抑制し、接合界面における金属間化合物の成長を抑制することによって、溶融はんだの凝集を抑制し、ぬれ性を向上させることができる。
また、本発明の無鉛はんだは、Ｃｏを０．０２〜２．０重量％およびＣｕを０．０２〜７．５重量％を含有し、残部がＳｎと不可避不純物で構成されてもよい。
無鉛はんだに含有されるＣｏおよびＣｕは、上記範囲内で求められた機械的性質や融点等によって適宜に設定される。ここで、Ｃｏの含有率が０．０２重量％よりも小さい場合には、十分な機械的性質が確保できないことがあり、２．０重量％よりも大きい場合には、融点が高くなり要素部品の許容される温度限界を越えることがある。また、Ｃｕの含有率が０．０２重量％よりも小さい場合には、十分な機械的性質が確保できないことがあり、７．５重量％よりも大きい場合には、融点が高くなり要素部品の許容される温度限界を越えることがある。また、Ｓｎに含有されるＣｏの含有率のより好ましい範囲は、０．１〜０．５重量％であり、Ｃｕの含有率のより好ましい範囲は、０．５〜１．０重量％である。また、Ｓｎに、Ｃｏを０．０２〜２．０重量％およびＣｕを０．０２〜７．５重量％の範囲で含有した無鉛はんだの液相線が２２７〜５００℃になるので、合金組成の組合わせによって適正な液相線を得ることができる。
このように、Ｃｏを０．０２〜２．０重量％含有するＳｎに、Ｃｕを０．０２〜７．５重量％含有することによって、上記したＣｕを含まない無鉛はんだの効果に加えて、さらにはんだ強度を向上させることができる。
さらに、本発明の無鉛はんだは、Ｃｏを０．０２〜２．０重量％含有するＳｎまたはＰｂを含まないＳｎ基合金、またはＣｏを０．０２〜２．０重量％、Ｃｕを０．０２〜７．５重量％を含有し、残部がＳｎと不可避不純物からなる第１はんだと、ＳｎまたはＰｂを含まないＳｎ基合金からなる第２はんだとから構成されてもい。
ここで、第１はんだは、上記したＣｏを０．０２〜２．０重量％含有するＳｎまたはＰｂを含まないＳｎ基合金からなる無鉛はんだ、またはＣｏを０．０２〜２．０重量％、Ｃｕを０．０２〜７．５重量％を含有し、残部がＳｎと不可避不純物からなる無鉛はんだと同一である。第２はんだは、ＳｎまたはＰｂを含まないＳｎ基合金からなり、不可避不純物を含んだものでもよい。
ここで、第１はんだおよび第２はんだは、例えば、球状または不定形状の粉体、フィルム状などに形成することができる。また、粉体形状を有する第１はんだおよび第２はんだのそれぞれを、例えば、フラックスやバインダと混合したペースト状にして使用することもできる。
また、第１はんだと第２はんだとを予め混合して、使用する場合には、その混合比は、求められた機械的性質や融点等によって適宜に設定することができる。例えば、第１はんだに含有されるＣｏの含有率を０．０２〜２．０重量％の範囲で調整し、Ｃｏを含有することによるぬれ性の向上、接合界面における金属間化合物の成長の抑制を維持するように、第１はんだと第２はんだとの混合比を設定する。また、第１はんだと第２はんだとを予め混合せずに、それぞれを積層して使用することもできる。
このように、ＳｎまたはＳｎ基合金に、Ｃｏを０．０２〜２．０重量％含有する第１はんだと、ＳｎまたはＳｎ基合金からなる第２はんだとで無鉛はんだを構成することで、ＳｎまたはＳｎ基合金の表面張力を低下させ、ぬれ性を向上させることができる。さらに、被はんだ部材と、ＳｎまたはＳｎ基合金との反応を抑制し、接合界面における金属間化合物の成長を抑制することができる。また、Ｃｏを０．０２〜２．０重量％含有するＳｎに、Ｃｕを０．０２〜７．５重量％含有することによって、上記したＣｕを含まない無鉛はんだの効果に加えて、さらにはんだ強度を向上させることができる。
（無鉛はんだの形状）
上記した組成を有する無鉛はんだの形状について図１〜４を参照して説明する。
図１には、フィルム状に形成された無鉛はんだの斜視図が示され、図２には、ペースト状に形成された無鉛はんだの断面図が示されている。また、図３には、ワイヤー状に形成された無鉛はんだの斜視図が示され、図４には、ロッド状に形成された無鉛はんだの斜視図が示されている。
まず、図１に示されたフィルム状に形成されたフィルム状無鉛はんだ２０について説明する。
このフィルム状無鉛はんだ２０は、板状の無鉛はんだを、例えば、圧延加工などによりフィルム状に圧延して形成される。このフィルム状無鉛はんだ２０の厚さは、２０〜２００μｍの範囲が好ましい。厚さが、２０μｍより小さい場合には十分な接合強度を得ることな難しく、２００μｍより大きい場合には熱伝導性や電気伝導度等が低下するからである。なお、板状の無鉛はんだは、粉体形状を有する無鉛はんだを所定の形状の金型に詰めて、加圧および加熱して形成することもできる。また、粉末から直接圧延形成することもできる。
また、上記したＣｏを０．０２〜２．０重量％含有するＳｎまたはＰｂを含まないＳｎ基合金から構成される第１はんだと、ＳｎまたはＳｎ基合金から構成される第２はんだとをそれぞれを積層して、例えば、圧延加工などによりフィルム状に圧延して形成することで、一方の面側を第１はんだで、他方の面側を第２はんだで構成するフィルム状無鉛はんだ２０を形成することもできる。なお、第１はんだには、上記したＣｏを０．０２〜２．０重量％およびＣｕを０．０２〜７．５重量％を含有し、残部がＳｎと不可避不純物で構成された無鉛はんだを用いてもよい。
このように第１はんだと第２はんだを積層してフィルム状無鉛はんだ２０を形成する場合には、積層される第１はんだおよび第２はんだは、フィルム状、粉体などの形状を採ることができる。ここで、第１はんだおよび第２はんだが、球状または不定形状の粉体で形成される場合、その粉体の平均粒径は、２５〜５０μｍの範囲が好ましい。平均粒径が、２５μｍより小さい場合には歩留が悪く、不経済的であり、５０μｍより大きい場合にははんだ厚さをコントロルすることが難しいからである。
続いて、図２に示されたペースト状に形成されたペースト状無鉛はんだ３０について説明する。
このペースト状無鉛はんだ３０は、球状または不定形状の粉体形状を有する無鉛はんだ１０を、フラックス３１やバインダ３２と混合して形成される。
フラックス３１は、はんだと、このはんだで接合される部材との間の酸化皮膜を除去し、加熱中に再び酸化するのを防止するものである。このフラックス３１として、一般的に用いられているアミンハロゲン塩または有機酸などの活性化剤が用いられるが、これらに限られるものではなく、一般的に使用されているものならば用いることができる。ペースト状無鉛はんだ２０中のフラックス３１の含有率は、１０〜１５重量％の範囲で適宜に設定することができる。フラックス３１の含有率が１０重量％より小さい場合には、はんだとこのはんだ材料で接合される部材との間の酸化皮膜を除去し、加熱中に再び酸化するのを防止する効果が小さく、１５重量％より大きい場合には、その効果の向上を望めず、残渣が多くなるからである。
また、フラックス３１中の固形分の含有率は、３０〜６０重量％の範囲で適宜に設定することができる。固形分含有率が３０重量％より小さい場合には、要素部品の表面に塗布または印刷されたはんだ材料の付着状態が不十分となり、６０重量％より大きい場合には、残渣が多くなり、はんだ接合部にボイド欠陥が生じ易いからである。
球状または不定形状の粉体形状を有する無鉛はんだ１０の平均粒径は、２５〜５０μｍの範囲が好ましい。平均粒径が、２５μｍより小さい場合には歩留が悪く、不経済的であり、５０μｍμｍより大きい場合にははんだ厚さをコントロルすることが難しいからである。さらに好ましい無鉛はんだ１０の平均粒径は、２５〜５０μｍである。
続いて、図３に示されたワイヤー状に形成されたワイヤー状無鉛はんだ４０について説明する。
このワイヤー状無鉛はんだ４０は、無鉛はんだからなる部材を、例えば、引抜き加工して形成される。また、ワイヤー状無鉛はんだ４０は、粉体形状を有する無鉛はんだを所定の形状の金型に詰めて、加圧および加熱して形成することもできる。さらに、ワイヤー状無鉛はんだ４０は、溶融した無鉛はんだを所定の形状の金型に流し込み、その後冷却して形成することもできる。
続いて、図４に示されたロッド状に形成されたロッド状無鉛はんだ５０について説明する。
また、図４に示されたロッド状に形成されたロッド状無鉛はんだ５０は、粉体形状を有する無鉛はんだを所定の形状の金型に詰めて、加圧および加熱して形成される。また、さらに、ロッド状無鉛はんだ５０は、溶融した無鉛はんだを所定の形状の金型に流し込み、その後冷却して形成することもできる。
このように、無鉛はんだは、フィルム状、ペースト状、ワイヤー状、ロッド状などの形状を採ることができ、無鉛はんだを使用する用途に応じて最適な形態の無鉛はんだを用いることができる。なお、無鉛はんだの形状は、上記した形状に限られるものではなく、適宜に用途に応じて形状を変えて形成することができる。
ここで、無鉛はんだを球状または不定形状の粉体に形成する方法の一例を説明する。
まず、無鉛はんだを加熱し溶融し、この溶融した混合物を、例えば、Ｎ２ガス、Ｈｅガス、Ａｒガス、Ｎ２／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し、固化する。このアトマイズ法は、溶融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融した混合物を微粒化するものである。そして、微粒化された無鉛はんだの粉体から、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体が選別される。
微粒化され固化された無鉛はんだの粉体は、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、粉体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、粉体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、粉体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体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。
（無鉛はんだのはんだ付け方法）
次に、無鉛はんだのはんだ付け方法について、図５および６を参照して説明する。
図５には、無鉛はんだ１０によって接合された第１要素部材６０および第２要素部材６１の断面図が示されている。また、図６には、２種類の無鉛はんだ６２、６３によって接合された第１要素部材６０および第２要素部材６１の断面図が示されている。
図５に示すはんだ付け方法では、無鉛はんだ１０を第１要素部材６０と第２要素部材６１との間に配置する。そして、これを、例えば、大気中または不活性ガス雰囲気中において、無鉛はんだ１０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無鉛はんだ１０は、冷却工程を経て、図５に示すような断面形状のはんだ接合部を得る。ここで使用される無鉛はんだ１０は、上述したフィルム状、ペースト状、ワイヤー状、粉体状などの形状を有する無鉛はんだ１０を使用することができる。
また、図６に示すはんだ付け方法では、上述したＣｏを０．０２〜２．０重量％含有するＳｎまたはＰｂを含まないＳｎ基合金から構成される第１はんだ６２、およびＳｎまたはＳｎ基合金から構成される第２はんだ６３を積層し、この積層したはんだを、第１要素部材６０と第２要素部材６１との間に配置する。そして、これを、例えば、大気中または不活性ガス雰囲気中において、無鉛はんだ１０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第１はんだ６２および第２はんだ６３は、冷却工程を経て、図６に示すような断面形状のはんだ接合部を得る。なお、第１はんだには、上記したＣｏを０．０２〜２．０重量％およびＣｕを０．０２〜７．５重量％を含有し、残部がＳｎと不可避不純物で構成された無鉛はんだを用いてもよい。
この結合部では、第１要素部材６０には、第１はんだ６２が接合し、第２要素部材６１には、第２はんだ６３が接合した構成が示されているが、第１はんだ６３および第２はんだ６２が積層される順は、適宜に設定される。
ここで、第１要素部材６０は、例えば、電子部品の基板などで構成することができ、第２要素部材６１は、例えば、チップ部品などの電子部材などで構成することができる。そして、これらの基板や電子部材を、第１はんだ６２および第２はんだ６３や無鉛はんだ１０などで接合することができる。また、第１はんだ６２および第２はんだ６３や無鉛はんだ１０は、このようなダイボンド以外にも、ワイヤボンドなどにも使用することができる。
このように、第１要素部材６０と第２要素部材６１との接合に、Ｃｏを０．０２〜２．０重量％含有した第１はんだ６２および第２はんだ６３や無鉛はんだ１０を用いることで、ＳｎまたはＳｎ基合金の表面張力を低下させ、ぬれ性を向上させることができる。さらに、第１要素部材６０および第２要素部材６１と、ＳｎまたはＳｎ基合金との反応を抑制し、接合界面における金属間化合物の成長を抑制することができる。これによって、ボイド欠陥の発生が抑制され、熱伝導性、機械的強度などに優れたはんだ接合部を得ることができる。
次に、本発明の具体的な実施例について説明する。
（実施例１）
Ｓｎ−０．７重量％Ｃｕ−０．２重量％Ｃｏからなる無鉛はんだを溶融し、厚さ３０ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ２００ｍｍのインゴットを鋳造した。次に、インゴットを圧延し、厚さ０．１ｍｍ、幅１００ｍｍのフィルム状はんだを作製した。次に、図７に示すように、厚さ３ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍの２枚の銅板１００、１０１の間に厚さ０．１ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ５０ｍｍのフィルム状はんだ１０２を設置した。続いて、窒素ガス雰囲気中において、３００℃の温度で５分間加熱し、はんだ付けを行った。
はんだ付けされた接合体を０．１ｍｍ/ｍｉｎの引張速度のせん断試験を行なった結果、せん断強度が３８ＭＰａであった。
また、窒素ガス雰囲気中で加熱し、溶融したＳｎ−０．７重量％Ｃｕ−０．２重量％Ｃｏからなる無鉛はんだの表面張力γＬを滴下法を用いて測定した。この敵下法は、液体を円形の管口から滴下させる場合には、液滴はその重量が表面張力に打ち勝って落下する性質を利用した表面張力の測定法である。
図８に示すように、溶融されたＳｎ−０．７重量％Ｃｕ−０．２重量％Ｃｏからなる無鉛はんだ１１０は、内径０．３ｍｍのノズル１１１に供給される。そして、ノズル１１１の先端に無鉛はんだ１１０の液滴が形成され、液滴が所定の重量になったときに落下した。ここで、ノズル１１１から落下する直前の無鉛はんだ１１０のくびれ径（Ｌ）および落下した液滴の重量（ｍｇ）を測定した。
ここで、敵下法により、１つの液滴の質量をｍとしたときに液滴を下方に引く力（液滴の重量）（ｍｇ）は、落下する直前の表面張力（γＬ）に等しいという関係から、次の関係式が成り立つ。
γＬ ＝ ｍｇ ／ ２πＬ …式（１）
この式（１）に測定した、落下する直前の無鉛はんだ１１０のくびれ径（Ｌ）および落下した液滴の重量（ｍｇ）を代入して、無鉛はんだ１１０の表面張力（γＬ）を算出した結果、表面張力（γＬ）は、０．３６Ｎ／ｍであった。
なお、表面張力（γＬ）とぬれ性との関係は、表面張力（γＬ）が小さいほどぬれ性に優れていることになる。
さらに、Ｘ線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ；Electron Probe Micro-Analysis）を用いて、フィルム状はんだ１０２で接合された銅板１００の断面について、元素分析を行った。その元素分析を行った結果を図９の（ａ）、（ｂ）に示す。なお、図９の（ａ）、（ｂ）には、１つの銅板１００上の結果が示されている。
この測定結果から、図９の（ａ）に示すように、接合面２００を介して銅板１００に接合されているはんだ層２０１は、はんだ層２０１の接合面２００に面した部分に形成された第１はんだ層２０１ａ、および第１はんだ層２０１ａの接合面２００側とは反対側に形成された第２はんだ層２０１ｂの２層から主に形成されていることがわかる。また、第１はんだ層２０１ａは、第２はんだ層２０１ｂ側に顕著な起伏を生じることなく、比較的平坦に接合面２００に沿って形成されている。
続いて、この断面において、Ｓｎの元素分析を行うと、第２はんだ層２０１ｂに含まれるＳｎの濃度に比べて、第１はんだ層２０１ａに含まれるＳｎの濃度は低かった。また、この断面において、Ｃｕの元素分析を行うと、第２はんだ層２０１ｂに含まれるＣｕの濃度に比べて、第１はんだ層２０１ａに含まれるＣｕの濃度は高かった。さらに、この断面において、Ｃｏの元素分析を行うと、図９の（ｂ）に示すように、第１はんだ層２０１ａの特に接合面２００側に、接合面２００に沿ってＣｏの濃度が高い領域２０２が存在した。
以上の結果から、第１はんだ層２０１ａは、η（Ｓｎ５Ｃｕ６：Ｓｎ４３．５〜４５．５原子％）の共晶組織にＣｏを第２はんだ層２０１ｂに比べて多く含んだＳｎ−Ｃｕ−Ｃｏからなる金属間化合物層で主に形成されていることがわかった。特に、この金属間化合物層の接合面２００側には、接合面２００に沿ってＣｏの濃度の高い領域２０２が偏在することがわかった。また、第２はんだ層２０１ｂは、使用する無鉛はんだで主に形成されていることがわかった。
（実施例２）
Ｓｎ−０．７重量％Ｃｕ−２重量％Ｃｏからなる無鉛はんだを溶融し、厚さ３０ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ２００ｍｍのインゴットを鋳造した。次に、インゴットを圧延し、厚さ０．１ｍｍ、幅１００ｍｍのフィルム状はんだを作製した。次に、図７に示すように、厚さ３ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍの２枚の銅板１００、１０１の間に厚さ０．１ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ５０ｍｍのフィルム状はんだ１０２を設置した。続いて、窒素ガス雰囲気中において、３００℃の温度で５分間加熱し、はんだ付けを行った。
はんだ付けされた接合体を０．１ｍｍ/ｍｉｎの引張速度のせん断試験を行なった結果、せん断強度が４２ＭＰａであった。
また、実施例１で示した表面張力（γＬ）の測定方法と同じ測定方法で、溶融したＳｎ−０．７重量％Ｃｕ−２重量％Ｃｏからなる無鉛はんだの表面張力（γＬ）を算出した結果、表面張力（γＬ）は、０．３５Ｎ／ｍであった。
さらに、Ｘ線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ；Electron Probe Micro-Analysis）を用いて、フィルム状はんだ１０２で接合された銅板１００の断面について、元素分析を行った。
その結果、図示はしていないが、実施例１の図９の（ａ）、（ｂ）に示した結果と同様な結果を得ることができた。つまり、図９の（ａ）、（ｂ）に示した符号を用いて説明すると、接合面２００を介して銅板１００に接合されているはんだ層２０１は、はんだ層２０１の接合面２００に面した部分に形成された第１はんだ層２０１ａ、および第１はんだ層２０１ａの接合面２００側とは反対側に形成された第２はんだ層２０１ｂの２層から主に形成されていることがわかった。また、第１はんだ層２０１ａは、第２はんだ層２０１ｂ側に顕著な起伏を生じることなく、比較的平坦に接合面２００に沿って形成されていた。
この元素分析結果をまとめると、第１はんだ層２０１ａは、η（Ｓｎ５Ｃｕ６：Ｓｎ４３．５〜４５．５原子％）の共晶組織にＣｏを第２はんだ層２０１ｂに比べて多く含んだＳｎ−Ｃｕ−Ｃｏからなる金属間化合物層で主に形成されていることがわかった。特に、この金属間化合物層の接合面２００側には、接合面２００に沿ってＣｏの濃度の高い領域２０２が偏在することがわかった。また、第２はんだ層２０１ｂは、使用する無鉛はんだで主に形成されていることがわかった。
（実施例３）
Ｓｎ−０．７重量％Ｃｕ−０.０２重量％Ｃｏからなる無鉛はんだを溶融し、厚さ３０ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ２００ｍｍのインゴットを鋳造した。次に、インゴットを圧延し、厚さ０．１ｍｍ、幅１００ｍｍのフィルム状はんだを作製した。次に、図７に示すように、厚さ３ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍの２枚の銅板１００、１０１の間に厚さ０．１ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ５０ｍｍのフィルム状はんだ１０２を設置した。続いて、窒素ガス雰囲気中において、３００℃の温度で５分間加熱し、はんだ付けを行った。
はんだ付けされた接合体を０．１ｍｍ/ｍｉｎの引張速度のせん断試験を行なった結果、せん断強度が３２ＭＰａであった。
また、実施例１で示した表面張力（γＬ）の測定方法と同じ測定方法で、溶融したＳｎ−０．７重量％Ｃｕ−０.０２重量％Ｃｏからなる無鉛はんだの表面張力（γＬ）を算出した結果、表面張力（γＬ）は、０．３８Ｎ／ｍであった。
さらに、Ｘ線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ；Electron Probe Micro-Analysis）を用いて、フィルム状はんだ１０２で接合された銅板１００の断面について、元素分析を行った。
その結果、図示はしていないが、実施例１の図９の（ａ）、（ｂ）に示した結果と同様な結果を得ることができた。つまり、図９の（ａ）、（ｂ）に示した符号を用いて説明すると、接合面２００を介して銅板１００に接合されているはんだ層２０１は、はんだ層２０１の接合面２００に面した部分に形成された第１はんだ層２０１ａ、および第１はんだ層２０１ａの接合面２００側とは反対側に形成された第２はんだ層２０１ｂの２層から主に形成されていることがわかった。また、第１はんだ層２０１ａは、第２はんだ層２０１ｂ側に顕著な起伏を生じることなく、比較的平坦に接合面２００に沿って形成されていた。
この元素分析結果をまとめると、第１はんだ層２０１ａは、η（Ｓｎ５Ｃｕ６：Ｓｎ４３．５〜４５．５原子％）の共晶組織にＣｏを第２はんだ層２０１ｂに比べて多く含んだＳｎ−Ｃｕ−Ｃｏからなる金属間化合物層で主に形成されていることがわかった。特に、この金属間化合物層の接合面２００側には、接合面２００に沿ってＣｏの濃度の高い領域２０２が偏在することがわかった。また、第２はんだ層２０１ｂは、使用する無鉛はんだで主に形成されていることがわかった。
（比較例１）
Ｓｎ−０．７重量％Ｃｕからなる無鉛はんだを溶融し、厚さ３０ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ２００ｍｍのインゴットを鋳造した。次に、インゴットを圧延し、厚さ０．１ｍｍ、幅１００ｍｍのフィルム状はんだを作製した。次に、図７に示すように、厚さ３ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍの２枚の銅板１００、１０１の間に厚さ０．１ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ５０ｍｍのフィルム状はんだ１０２を設置した。続いて、窒素ガス雰囲気中において、３００℃の温度で５分間加熱し、はんだ付けを行った。
はんだ付けされた接合体を０．１ｍｍ/ｍｉｎの引張速度のせん断試験を行なった結果、せん断強度が２８ＭＰａであった。
また、実施例１で示した表面張力（γＬ）の測定方法と同じ測定方法で、溶融したＳｎ−０．７重量％Ｃｕからなる無鉛はんだの表面張力（γＬ）を算出した結果、表面張力（γＬ）は、０．４１Ｎ／ｍであった。
さらに、Ｘ線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ；Electron Probe Micro-Analysis）を用いて、フィルム状はんだ１０２で接合された銅板１００の断面について、元素分析を行った。その元素分析を行った結果を図１０に示す。なお、図１０には、１つの銅板１００上の結果が示されている。
この測定結果から、図１０に示すように、接合面３００を介して銅板１００に接合されているはんだ層３０１は、はんだ層３０１の接合面３００に面した部分に形成された第１はんだ層３０１ａ、および第１はんだ層３０１ａの接合面３００側とは反対側に形成された第２はんだ層３０１ｂの２層から主に形成されていることがわかる。また、第１はんだ層３０１ａは、第２はんだ層３０１ｂ側に激しく起伏している。また、第１はんだ層３０１ａの第２はんだ層３０１ｂ側に突出する高さは、実施例１で示した第１はんだ層２０１ａのそれに比べて、２〜３倍程度になっている部分も多くみられる。なお、他の実施例においては図は示していないが、他の実施例においても実施例１と同様の結果を得たことから、第１はんだ層３０１ａの第２はんだ層３０１ｂ側に突出する高さは、実施例２〜３の第１はんだ層のそれに比べても、２〜３倍程度になっている部分が多いと言える。
続いて、この断面において、Ｓｎの元素分析を行うと、第２はんだ層３０１ｂに含まれるＳｎの濃度に比べて、第１はんだ層３０１ａに含まれるＳｎの濃度は低かった。また、この断面において、Ｃｕの元素分析を行うと、第２はんだ層３０１ｂに含まれるＣｕの濃度に比べて、第１はんだ層３０１ａに含まれるＣｕの濃度は高かった。
以上の結果から、第１はんだ層３０１ａは、η（Ｓｎ５Ｃｕ６：Ｓｎ４３．５〜４５．５原子％）の共晶組織からなる金属間化合物層で主に形成されていることがわかった。また、第２はんだ層３０１ｂは、使用する無鉛はんだで主に形成されていることがわかった。
上記の比較例１の測定結果と実施例１〜３の測定結果とを比較し考察すると、実施例１〜３のＣｏを所定の含有率で含有する無鉛はんだは、Ｃｏを含有しないＳｎ−０．７重量％Ｃｕからなる無鉛はんだよりも溶融状態における表面張力が小さく、ぬれ性に優れていることがわかった。
また、せん断試験を行なった結果、実施例１〜３のＣｏを所定の含有率で含有する無鉛はんだは、Ｃｏを含有しないＳｎ−０．７重量％Ｃｕからなる無鉛はんだよりもせん断強度が高いことがわかった。
また、元素分析の結果から、実施例１〜３のＣｏを所定の含有率で含有する無鉛はんだでは、接合面２００に沿って形成される金属間化合物層の起伏が少なく平坦であるのに対し、Ｃｏを含有しないＳｎ−０．７重量％Ｃｕからなる無鉛はんだでは、金属間化合物層の起伏が激しく、その起伏の高さは、実施例１〜３のＣｏを所定の含有率で含有する無鉛はんだにおける起伏の高さの２〜３倍程度になっている部分が多くみられた。
さらに、実施例１〜３のＣｏを所定の含有率で含有する無鉛はんだでは、第１はんだ層２０１ａの接合面２００側には、接合面２００に沿ってＣｏの濃度の高い領域２０２が偏在することがわかった。
以上の比較から、実施例１〜３のＣｏを所定の含有率で含有する無鉛はんだにおいて、Ｃｏを含有することで、表面張力が抑えられ、ぬれ性を向上させることができ、さらに、η（Ｓｎ５Ｃｕ６：Ｓｎ４３．５〜４５．５原子％）の共晶組織からなる金属間化合物層の生成および成長を抑制することができることがわかった。これによって、はんだ接合強度が向上されることがわかった。
次に、本発明において、ぬれ性が向上する理由について、実施例４〜実施例６および比較例２に基づいて説明する。
（実施例４）
図７に示すように実施例１においてはんだ付けされた接合体における接合部の断面を走査電子顕微鏡を用いて観察した。図１１には、その観察結果を示している。
図１１に示すように、銅板１００と第２はんだ層２０１ｂの接合界面に連続した反応層である第１はんだ層２０１ａが形成されていることがわかった。また、第２はんだ層２０１ｂ中に金属間化合物４００が分散し、この金属間化合物４００が存在しないＳｎリッチな母相４１０と混在した組織が観察された。
さらに、第２はんだ層２０１ｂを透過電子顕微鏡を用いて観察した。図１２には、その観察結果を示している。
図１２に示すように、角状の金属間化合物４００がＳｎリッチな母相４１０中に分散して存在していることがわかった。
続いて、透過電子顕微鏡のエネルギ分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ）を用いて、図１２中に示したナノ領域に制限した領域Ｐ１および領域Ｐ２を分析し、金属間化合物４００とＳｎリッチな母相４１０の成分の分析を行った。この分析は、実施例１のはんだ付けを、はんだ付け温度２４０℃で行った場合における５分後、１５分後、３０分後、６０分後の断面、およびはんだ付け温度３００℃で行った場合における５分後、１５分後、３０分後、６０分後の断面について行った。表１には、これらの分析結果を示している。
表１に示された分析結果から、はんだ付け温度およびはんだ付け時間の影響がほとんどなく、領域Ｐ１の金属間化合物４００の成分は、Ｓｎ：４０〜４２ａｔ％、Ｃｕ：５５〜５７ａｔ％、Ｃｏ：２．５〜２．６ａｔ％であり、金属間化合物４００は、Ｓｎ５Ｃｕ６．５〜７Ｃｏ０．３の３元金属間化合物であることがわかった。また、領域Ｐ２の金属間化合物４００を含まないＳｎリッチな母相４１０では、ＣｕおよびＣｏが検出されず、ほぼＳｎ１００ａｔ％であった。
（実施例５）
Ｓｎ−０．５重量％Ｃｕ−０．１重量％Ｐｄからなる無鉛はんだを溶融し、厚さ３０ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ２００ｍｍのインゴットを鋳造した。次に、インゴットを圧延し、厚さ０．１ｍｍ、幅１００ｍｍのフィルム状はんだを作製した。次に、図７に示すように、厚さ３ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍの２枚の銅板１００、１０１の間に厚さ０．１ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ５０ｍｍのフィルム状はんだ１０２を設置した。続いて、窒素ガス雰囲気中で、３００℃の温度で５分間加熱し、はんだ付けを行なった。
はんだ付けされた接合体を０．１ｍｍ/ｍｉｎの引張速度でのせん断試験を行なった結果、せん断強度が３８ＭＰａであった。
また、実施例１で示した表面張力（γＬ）の測定方法と同じ測定方法で、溶融したＳｎ−０．５重量％Ｃｕ−０．１重量％Ｐｄからなる無鉛はんだの表面張力（γＬ）を算出した結果、表面張力（γＬ）は、０．３６〜０．３８Ｎ／ｍであった。
さらに、実施例４の場合と同様に、透過電子顕微鏡のエネルギ分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ）を用いて、金属間化合物４００とＳｎリッチな母相４１０の成分の元素分析を行った。
その分析の結果、図示はしていないが、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｐｄの３元金属間化合物がＳｎリッチな母相中に分散していることがわかった。
（実施例６）
Ｓｎ−０．７重量％Ｃｕ−０．２重量％Ｔｉからなる無鉛はんだを溶融し、厚さ３０ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ２００ｍｍのインゴットを鋳造した。次に、インゴットを圧延し、厚さ０．１ｍｍ、幅１００ｍｍのフィルム状はんだを作製した。次に、図７に示すように、厚さ３ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ１００ｍｍの２枚の銅板１００、１０１の間に厚さ０．１ｍｍ、幅５０ｍｍ、長さ５０ｍｍのフィルム状はんだ１０２を設置した。続いて、窒素ガス雰囲気中で、３００℃の温度で５分間加熱し、はんだ付けを行なった。
はんだ付けされた接合体を０．１ｍｍ/ｍｉｎの引張速度でのせん断試験を行なった結果、せん断強度が３８ＭＰａであった。
また、実施例１で示した表面張力（γＬ）の測定方法と同じ測定方法で、溶融したＳｎ−０．７重量％Ｃｕ−０．２重量％Ｔｉからなる無鉛はんだの表面張力（γＬ）を算出した結果、表面張力（γＬ）は、０．３５〜０．３８Ｎ／ｍであった。
さらに、実施例４の場合と同様に、透過電子顕微鏡のエネルギ分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ）を用いて、金属間化合物４００とＳｎリッチな母相４１０の成分の元素分析を行った。
その分析の結果、図示はしていないが、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｔｉの３元金属間化合物がＳｎリッチな母相中に分散していることがわかった。
（比較例２）
図７に示すように比較例１においてはんだ付けされた接合体における接合部の断面を走査電子顕微鏡を用いて観察した。図１３には、その観察結果を示している。
図１３に示すように、銅板１００と第２はんだ層３０１ｂの接合界面に連続した反応層である第１はんだ層３０１ａが形成されていることがわかった。比較例１でも説明したように、この第１はんだ層３０１ａは、第２はんだ層３０１ｂ側に激しく起伏している。また、第２はんだ層３０１ｂ中に金属間化合物５００が分散し、この金属間化合物５００が存在しないＳｎリッチな母相５１０と混在した組織が観察された。
さらに、第２はんだ層３０１ｂを透過電子顕微鏡を用いて観察した。図１４には、その観察結果を示している。
図１４に示すように、角状の金属間化合物５００がＳｎリッチな母相５１０中に分散して存在していることがわかった。
続いて、透過電子顕微鏡のエネルギ分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ）を用いて、図１４中に示したナノ領域に制限した領域Ｐ３および領域Ｐ４を分析し、金属間化合物５００とＳｎリッチな母相５１０の成分の分析を行った。この分析は、比較例１のはんだ付けを、はんだ付け温度２４０℃で行った場合における５分後、１５分後、３０分後、６０分後の断面、およびはんだ付け温度３００℃で行った場合における５分後、１５分後、３０分後、６０分後の断面について行った。表２には、これらの分析結果を示している。
表２に示された分析結果から、はんだ付け温度およびはんだ付け時間の影響がほとんどなく、領域Ｐ３の金属間化合物５００の成分は、Ｓｎ：４４〜４７ａｔ％、Ｃｕ：５５〜５８ａｔ％であり、金属間化合物５００は、一般によく知られるη相、つまりＳｎ５Ｃｕ６の２元金属間化合物であることがわかった。また、領域Ｐ４の金属間化合物５００を含まないＳｎリッチな母相５１０では、Ｃｕが検出されず、ほぼＳｎ１００ａｔ％であった。
（実施例４〜実施例６および比較例２の結果の検討）
上記した実施例４および比較例２における走査電子顕微鏡を用いた観察結果から、実施例１における金属間化合物４００は、比較例２における金属間化合物５００よりも大きく、金属間化合物４００間の距離が大きいことがわかった。一方、比較例２における金属間化合物５００は、金属間化合物４００の場合よりも密に母相に混在していることがわかった。
また、透過電子顕微鏡のエネルギ分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＳ）を用いた分析結果から、Ｃｏを添加することによって、Ｓｎリッチな母相とη相（Ｃｕ６Ｓｎ５）の共晶組織が改良され（隣接した金属間化合物は合体し、オストワルド成長によって、サイズ、密度、分散状態が変化する）、Ｃｕと容易に固溶するＣｏがη相（Ｃｕ６Ｓｎ５）のＳｎと置換して、Ｃｕリッチな３元金属間化合物Ｓｎ５Ｃｕ６．５〜７Ｃｏ０．３を形成することがわかった。これによって、はんだ層中のＣｕが、上記した置換によって消費されるため、Ｓｎリッチな母相の領域を拡大、つまり、金属間化合物４００間の距離が大きくなることがわかった。これによって、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｃｏ無鉛はんだの組織が、純Ｓｎの組織（金属間化合物が存在しない組織）に近づき、表面張力が純Ｓｎ（Ｓｎ：９９．９重量％）の表面張力（０．３４〜０．３８Ｎ／ｍ）に近づくために、本発明における無鉛はんだにおいては、表面張力が小さいことがわかった。
また、実施例５および実施例６に示した、添加物としてＰｄまたはＴｉを含む無鉛はんだにおいても、上記した添加物としてＣｏを含む場合と同様に、Ｃｕリッチな３元金属間化合物を形成することによって、無鉛はんだの組織が、純Ｓｎの組織（金属間化合物が存在しない組織）に近づき、表面張力が純Ｓｎ（Ｓｎ：９９．９重量％）の表面張力（０．３４〜０．３８Ｎ／ｍ）に近づくために、表面張力が小さいことがわかった。
フィルム状に形成された無鉛はんだの斜視図。 ペースト状に形成された無鉛はんだの断面図。 ワイヤー状に形成された無鉛はんだの斜視図。 ロッド状に形成された無鉛はんだの斜視図。 無鉛はんだによって接合された第１要素部材および第２要素部材の断面図。 ２種類の無鉛はんだによって接合された第１要素部材および第２要素部材の断面図。 はんだ接合部の断面図。 滴下法による表面張力の測定の概要を示す図。 元素分析の結果を示す図。 元素分析の結果を示す図。 走査電子顕微鏡を用いた観察結果を示す図。 透過電子顕微鏡を用いた観察結果を示す図。 走査電子顕微鏡を用いた観察結果を示す図。 透過電子顕微鏡を用いた観察結果を示す図。
符号の説明
１０…無鉛はんだ、２０…フィルム状無鉛はんだ、３０…ペースト状無鉛はんだ、４０…ワイヤー状無鉛はんだ、５０…ロッド状無鉛はんだ。

Claims (8)

  1. Ｃｏを０．０２〜２．０重量％含有するＳｎまたはＰｂを含まないＳｎ基合金からなることを特徴とする無鉛はんだ。
  2. Ｃｏを０．０２〜２．０重量％、Ｃｕを０．０２〜７．５重量％を含有し、残部がＳｎと不可避不純物からなることを特徴とする無鉛はんだ。
  3. Ｃｏを０．０２〜２．０重量％含有するＳｎまたはＰｂを含まないＳｎ基合金、またはＣｏを０．０２〜２．０重量％、Ｃｕを０．０２〜７．５重量％を含有し、残部がＳｎと不可避不純物からなる第１はんだと、
    ＳｎまたはＰｂを含まないＳｎ基合金からなる第２はんだと
    を具備することを特徴とする無鉛はんだ。
  4. 前記無鉛はんだが、フィルム状、ペースト状、ワイヤー状またはロッド状の形状を有していることを特徴とする請求項１または２記載の無鉛はんだ。
  5. Ｃｏを０．０２〜２．０重量％含有するＳｎまたはＰｂを含まないＳｎ基合金、またはＣｏを０．０２〜２．０重量％、Ｃｕを０．０２〜７．５重量％を含有し、残部がＳｎと不可避不純物からなる無鉛はんだを用いて第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部材の表面上に前記無鉛はんだを設置する設置工程と、
    前記第１部材の表面上に設置された無鉛はんだ上に前記第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、前記無鉛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。
  6. Ｃｏを０．０２〜２．０重量％含有するＳｎまたはＰｂを含まないＳｎ基合金、またはＣｏを０．０２〜２．０重量％、Ｃｕを０．０２〜７．５重量％を含有し、残部がＳｎと不可避不純物からなる第１はんだと、
    ＳｎまたはＰｂを含まないＳｎ基合金からなる第２はんだと
    を備えた無鉛はんだを用いて第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部材の表面上に前記第１はんだおよび前記第２はんだのいずれか一方を設置し、前記第１部材の表面上に設置されたはんだ上に、該設置されたはんだとは異なる前記第１はんだおよび前記第２はんだのいずれか一方を設置する設置工程と、
    前記第１部材の表面上に設置されたはんだ上に前記第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、前記無鉛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。
  7. Ｃｏを０．０２〜２．０重量％含有するＳｎまたはＰｂを含まないＳｎ基合金、またはＣｏを０．０２〜２．０重量％、Ｃｕを０．０２〜７．５重量％を含有し、残部がＳｎと不可避不純物からなる無鉛はんだを用いて、部品を基板に接合したことを特徴とする電子部品。
  8. Ｓｎ基合金からなる無鉛はんだであって、
    Ｃｕを０．０２〜７．５重量％、ＣｕとＳｎと３元金属間化合物を形成する、Ｓｂ、Ｂ、Ｃｏ、Ｉｎ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｎのうちの少なくとも１種を０．０２〜２．０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無鉛はんだ。


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