JP2008036691A - 鉛フリーはんだ材料及びその製造方法、接合構造、並びに電子部品実装構造 - Google Patents

Abstract

【課題】靭性が低く亀裂が発生しやすい高融点鉛フリーはんだにおいて発生した亀裂の進展が抑制でき、接合構造の耐久性の向上が可能になる鉛フリーはんだ材料を提供する。
【解決手段】はんだ合金中に、少なくとも金属ファイバー及び／又はセラミックファイバーが分散していることを特徴とする鉛フリーはんだ材料。
【選択図】図１

Description

本発明は、接合時の亀裂進展が抑制され耐久性に優れた鉛フリーはんだ材料及びその製造方法に関する。更に、本発明は、該鉛フリーはんだ材料で接合された接合構造、特に電子部品の実装構造に関する。

現在、環境への影響の観点から、配線基板などの実装に使用されるはんだは、従来の錫と鉛からなるはんだから鉛を含まない鉛フリーはんだへ移行している。鉛フリーはんだは、鉛を含まないはんだであって、さまざまな元素の組み合わせの鉛フリーはんだが研究されている。

鉛を含有しない鉛フリーはんだとして、ＪＩＳ Ｚ ３２８２にＳｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ｓｂ系およびＳｎ−Ｂｉ系はんだが規定されており、Ｓｎ−Ａｇ系およびＳｎ−Ｓｂ系が高温用はんだ、Ｓｎ−Ｂｉ系が低融点はんだとして用いられている。しかし、これら鉛フリーはんだ材料は、従来もっとも広く用いられている６３％Ｓｎ−３７％Ｐｂ合金（重量％）と比べると、Ｓｎ−Ａｇ系合金およびＳｎ−Ｓｂ系合金は融点が高く、Ｓｎ−Ｂｉ系合金は融点が低いという問題があり、また、被はんだ付材へのはんだ濡れ性も劣る。このため、Ｐｂ−Ｓｎ系はんだを代替する、鉛フリーはんだ材料として実用するにはさらなる改良が必要である。

鉛フリーはんだ合金とは、Ｓｎを主成分とし、これにＡｇ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｚｎ等を添加したものであり、Ｓｎとこれらの金属から成る二元系の鉛フリーはんだ合金としては次のようなものがある。（）内は溶融温度である。
Ｓｎ−３．５Ａｇ（２２１℃）、Ｓｎ−４Ｓｂ（２３５〜２４０℃）、Ｓｎ−５Ｃｕ（２２７〜３７５℃）、Ｓｎ−２Ｉｎ（２２８〜２２９℃）、Ｓｎ−４０Ｂｉ（１３８〜１７０℃）

これらの二元系合金は、種々の用途のうち、或る条件には対応できるが、一つの合金が全ての条件を満足できるものではなかった。そこで、従来より、上記二元系の鉛フリーはんだ合金の特性を改良した鉛フリーはんだ合金が多数提案されていた。三元系の鉛フリーはんだ合金としては、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系等が挙げられる。更に四元系以上のものも含めると、部品・部位・使用環境・接合条件等に応じて様々な材料が研究・開発され、一部実用化されている。

しかし、鉛フリーはんだにおいては、元来Ｐｂが有する応力吸収・応力緩和効果が得られないため、耐久性においてＳｎ−Ｐｂに劣る材料が多いというのが現状である。

そこで、下記特許文献１には、熱膨張係数差を有する電子部品とマザーボードとを面実装用接合部材を介して接合された電子装置に加わる熱サイクルの繰り返し応力で生じる面実装用接合部材の塑性変形、延性破壊及び脆性破壊を防止することを目的として、フラックス、半田合金粉末、及び合金粉末の溶融温度よりも高い耐熱性樹脂ファイバーを含む混合物を主体とし、接合状態では耐熱性樹脂ファイバーが溶融・硬化した半田合金内に均一に分散している面実装用接合部材を用いて、半導体チップ、半導体パッケージ等の電子部品をマザーボードに実装する発明が開示されている。

しかしながら、特許文献１に例示された半田合金粉末の主体は、Ｓｎ−Ｐｂ、Ｓｎ−Ｂｉ−Ｐｂ、Ｓｎ−Ｂｉ−Ａｇのいずれかであり、鉛はんだか鉛フリーはんだであっても低融点はんだ材料である上に、例示された耐熱性樹脂ファイバーは、弾性を有するエラストマ系樹脂、ポリイミド系樹脂、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂、ウレタン系樹脂、ポリマー系樹脂、アクリル系樹脂から選択された一つである。

本発明に関係する鉛フリーはんだに関して言えば、特許文献１に開示されたＳｎ−Ｂｉ−Ａｇは、Ｂｉを含有する代表的な低融点はんだ（融点１４０℃程度）であり、このような低融点はんだであるからこそ、耐熱性が低い樹脂ファイバー添加が実現できている。

ところで、はんだ材料を使用する際に重要な特性は、融点および溶融範囲である。はんだ材料は、固相化温度と呼ばれる温度で溶融し始める（融点）が、液相化温度と呼ばれるより高い温度に達するまでは、完全には液体にならない。固相化温度と液相化温度の間の範囲（溶融範囲）はペースト状領域と呼ばれる。

通常使用される電子用はんだ材料においては、溶融点が低く、溶融範囲が狭いことが望まれる。これは、はんだ付過程での加熱によって電子部品の性能の劣化や、破損を防止するためである。また、機械的特性も重要な特性である。しかし、近年、電子部品の小型化・高集積化の進展および宇宙用（通信衛星等）や自動車等への適用範囲の拡大により、従来よりも厳しい条件下ではんだ材料が使用されるようになっている。電子部品の発熱や使用環境の温度変化により電子部品やプリント基板が熱膨張や熱収縮するため、はんだ接合部には応力や歪みが発生する。こうした熱疲労によって、はんだ接合強度が十分でない場合には、はんだ自体にクラックが発生してはんだ付部の破断が生じる。一カ所でも破断が生じると、電気的な導通が無くなるため電子機器の機能が果たせなくなる。したがって、はんだ付け部の信頼性確保のために機械的特性に優れたはんだ材料が必要である。特に、実際の車載用の電子回路は高温・高湿という厳しい環境で使用されるため上記問題は重要である。

特開平１１−２２００６０号公報

特許文献１に開示された発明では、耐久性向上を目的に樹脂ファイバーを添加しているが、これはＳｎ−Ｂｉ−Ａｇのような低融点はんだ（融点１４０℃程度）でのみ実現できる技術であり、高温に曝される自動車部品への適用や通常の半導体素子の実装への適用は困難である。

そこで、本発明は、融点１７０℃以上の鉛フリーはんだを用いる場合であっても、靭性が低く亀裂が発生しやすい高融点鉛フリーはんだにおいて発生した亀裂の進展が抑制でき、接合構造の耐久性の向上が可能になる鉛フリーはんだ材料を提供することを目的とする。

本発明者は、鉛フリーはんだ材料に特定の金属ファイバーやセラミックファイバーを添加・分散させることによって上記課題が解決されることを見出し本発明に到達した。

即ち、第１に、本発明は鉛フリーはんだ材料の発明であり、はんだ合金中に、少なくとも金属ファイバー及び／又はセラミックファイバーが分散していることを特徴とする。本発明の鉛フリーはんだ材料に接合された被接合部品は、熱膨張と熱収縮の繰り返し等により、はんだ接合部に応力や歪みが発生して、亀裂が発生した場合でも、はんだ合金中に分散している金属ファイバー及び／又はセラミックファイバーによって、亀裂の進展が抑制され、接合構造の耐久性が著しく向上する。

本発明の鉛フリーはんだ材料の主成分であるはんだ合金としては、公知の各種鉛フリーはんだ合金を広く用いることが出来る。その中でも、特に高融点鉛フリーはんだ、例えば、融点が１７０℃以上のはんだ合金が好ましい。更に具体的には、Ｓｎ−Ｃｕ系の合金が好ましく例示される。

本発明の鉛フリーはんだ材料に分散される金属ファイバーやセラミックファイバーとしては、公知の金属ファイバーやセラミックファイバーを広く用いることが出来るが、材料選定の際には、はんだ母材よりも融点が高い必要がある。更に、はんだ母材と熱膨張係数が著しく異ならないこと、反応により界面に脆弱な化合物を生成しないような組合せにすること、電気伝導度・熱伝導度が使用する部品における規格値を満足するように留意する必要がある。

具体的には、金属ファイバーとして、Ａｌ、Ｂｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｓｉ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｚｎから選択される１種又は２種以上を組み合わせた金属又は合金材料からなる金属ファイバーが好ましく例示される。また、セラミックファイバーとして、アルミナ、シリカ、酸化チタン、窒化アルミ、窒化チタン、窒化珪素、炭化珪素、炭化チタンから選択される１種又は２種以上を組み合わせたセラミック材料からなるセラミックファイバーが好ましく例示される。

本発明の鉛フリーはんだ材料に分散される金属ファイバー及び／又はセラミックファイバーの寸法は、接合する部品・接合条件・使用環境に応じて適宜選択することができるが、平均直径０．０１μｍ〜５μｍが好ましく、アスペクト比１．０〜１０であることが好ましい。平均直径０．０１μｍ未満ではファイバー分散の効果が得られ難く、又効果を発現させるためには多量のファイバーを添加する必要があるため現実的でない。５μｍ以上ではファイバーが接合の妨げとなり接合強度が低下すると考えられる。また、アスペクト比１．０未満ではファイバー分散による亀裂進展効果が得られ難く、アスペクト比１０以上ではファイバー同士の絡み合いによりボイド（空孔）欠陥が生じ易くなると考えられる。

金属ファイバー及び／又はセラミックファイバーの配合割合は、接合する部品・接合条件・使用環境に応じて適宜選択することができるが、全量に対して１．０体積％〜５０体積％であることが好ましい。１．０体積％未満では、ファイバー分散の効果が得られ難く、５０体積％以上では、はんだ母材のバインダー効果が減少するため、ファイバー間の結合が低下して材料強度が低下すると考えられる。

第２に、本発明は、上記鉛フリーはんだ材料の製造方法の発明であり、所望の組成になるように調合したはんだ合金原料中に、少なくとも金属ファイバー及び／又はセラミックファイバーを添加・混合し、その後該はんだ合金の融点（液相線温度）以上該金属ファイバー及び／又はセラミックファイバーの融点以下の温度で溶融し、その後冷却することを特徴とする。

本発明の鉛フリーはんだ材料の製造方法において、はんだ合金としては、特に高融点鉛フリーはんだ、例えば、融点が１７０℃以上のはんだ合金、更に具体的には、Ｓｎ−Ｃｕ系のハンダ合金が好ましいこと、金属ファイバーやセラミックファイバーの好ましい例、金属ファイバー及び／又はセラミックファイバーの平均直径やアスペクト比の好ましい範囲、及び金属ファイバー及び／又はセラミックファイバーの配合割合の好ましい範囲は、上述の通りである。

第３に、本発明は、上記鉛フリーはんだ材料を介して接合された接合構造の発明であり、２個以上の部材が、はんだ合金中に、少なくとも金属ファイバー及び又はセラミックファイバーが分散している鉛フリーはんだ材料を介して接合されたことを特徴とする。

第４に、本発明は、上記鉛フリーはんだ材料を介して接合された電子部品の実装構造の発明であり、１個以上の電子部品が、基板の片面又は両面上に、はんだ合金中に、少なくとも金属ファイバー及び／又はセラミックファイバーが分散している鉛フリーはんだ材料を介して接合されたことを特徴とする。

鉛フリーはんだを母材とし、金属ファイバーやセラミックスのファイバーを分散させることによって、一般的に靭性が低く亀裂が発生しやすい高融点鉛フリーはんだによる接合部において発生した亀裂の進展が抑制でき、接合構造の耐久性が向上する。

金属ファイバーとしては、銅繊維、ニッケル繊維、黄銅繊維、アルミニウム繊維、ステンレス繊維等が例示されるが、銅繊維やニッケル繊維は、導電率が高く、延性に優れ屈曲を繰返しても断線し難く、しかもはんだとの馴染み性にも優れているので本発明に特に好適している。

セラミックファイバーは耐熱性に優れているので高信頼性であり、また熱伝導率が高いため配線基板のはんだ材料に分散して用いた場合に、配線基板の熱伝導性が良好になる。セラミックファイバーとしては、例えばアルミナファイバーやシリカファイバー、窒化珪素ファイバーが使用できる。

図１に、本発明の鉛フリーはんだ材料を介して接合された接合構造を模式的に示す。図１（ａ）は、被接合部品１と被接合部品２が、はんだ合金３中に、金属ファイバー及び／又はセラミックファイバー４が分散している鉛フリーはんだ材料５を介して接合した状態の断面図である。

図１（ｂ）は、図１（ａ）の、被接合部品１と被接合部品２が、はんだ合金３中に、金属ファイバー及び／又はセラミックファイバー４が分散している鉛フリーはんだ材料５を介して接合した状態が、熱サイクルの繰り返し応力で生じる面接合部材である鉛フリーはんだ材料の塑性変形、延性破壊及び脆性破壊等によって、亀裂６が生じた場合の断面図である。亀裂６が生じたにもかかわらず、はんだ合金３中に分散された、金属ファイバー及び／又はセラミックファイバー４が亀裂６の進展を抑制する。

以下に本発明の実施例及び比較例を示す。
［実施例］
はんだ合金としてＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕを用い、これにＮｉファイバー（直径：１．０μｍ、アスペクト比：３）を１０ｖｏｌ％添加して分散させた。被接合部材として無電解Ｎｉメッキしたアルミニウム板と銅板とを用い、上記はんだ材料により接合した。

上記接合サンプルに対し、試験条件（−４０〜１２０℃、２０００サイクル）の冷熱サイクル試験を実施し、冷熱サイクル試験後のクラック面積率を求めたところ、５％であった。

［比較例１］
はんだ合金としてＳｎ−Ｐｂ共晶はんだ（Ｓｎ６３Ｐｂ３７）を用い、金属ファイバーもセラミックファイバーも用いない他は、実施例と同様に接合と冷熱サイクル試験を行なった。冷熱サイクル試験後のクラック面積率を求めたところ、５％であった。

［比較例２］
はんだ合金としてＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕを用い、金属ファイバーもセラミックファイバーも用いない他は、実施例と同様に接合と冷熱サイクル試験を行なった。冷熱サイクル試験後のクラック面積率を求めたところ、４０％であった。

実施例と比較例２の結果を比較することにより、高融点鉛フリーはんだを用いた接合構造でも、本発明では、発生した亀裂の進展が抑制でき、接合構造の耐久性を向上させることが出来ることが分かる。

鉛フリーはんだを母材とし、金属ファイバーやセラミックスのファイバーを分散させることによって、一般的に靭性が低く亀裂が発生しやすい高融点鉛フリーはんだによる接合部において発生した亀裂の進展が抑制でき、接合構造の耐久性が向上する。鉛フリーはんだの実用化と普及により、環境問題に貢献する。

本発明の鉛フリーはんだ材料を介して接合された接合構造を模式的に示す。図１（ａ）は、接合構造に亀裂が生じる前の接合状態の断面図である。図１（ｂ）は、接合構造に亀裂が生じた場合の接合状態の断面図である。

符号の説明

１：被接合部品、２：被接合部品、３：はんだ合金、４：金属ファイバー及び／又はセラミックファイバー、５：鉛フリーはんだ材料、６：亀裂。

Claims (10)

1. はんだ合金中に、少なくとも金属ファイバー及び／又はセラミックファイバーが分散していることを特徴とする鉛フリーはんだ材料。
2. 前記はんだ合金は、融点が１７０℃以上であることを特徴とする請求項１に記載の鉛フリーはんだ材料。
3. 前記はんだ合金は、Ｓｎ−Ｃｕ系であることを特徴とする請求項１又は２に記載の鉛フリーはんだ材料。
4. 前記金属ファイバーは、Ａｌ、Ｂｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｓｉ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｚｎから選択される１種又は２種以上を組み合わせた金属又は合金材料からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の鉛フリーはんだ材料。
5. 前記セラミックファイバーは、アルミナ、シリカ、酸化チタン、窒化アルミ、窒化チタン、窒化珪素、炭化珪素、炭化チタンから選択される１種又は２種以上を組み合わせたセラミック材料からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の鉛フリーはんだ材料。
6. 前記金属ファイバー及び／又はセラミックファイバーは、平均直径０．０１μｍ〜５μｍであり、アスペクト比１．０〜１０であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の鉛フリーはんだ材料。
7. 前記金属ファイバー及び／又はセラミックファイバーの配合割合は、全量に対して１．０体積％〜５０体積％であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の鉛フリーはんだ材料。
8. 所望の組成になるように調合したはんだ合金原料中に、少なくとも金属ファイバー及び／又はセラミックファイバーを添加・混合し、その後該はんだ合金の融点（液相線温度）以上該金属ファイバー及び／又はセラミックファイバーの融点以下の温度で溶融し、その後冷却することを特徴とする鉛フリーはんだ材料の製造方法。
9. ２個以上の部材が、はんだ合金中に、少なくとも金属ファイバー及び又はセラミックファイバーが分散している鉛フリーはんだ材料を介して接合されたことを特徴とする接合構造。
10. １個以上の電子部品が、基板の片面又は両面上に、はんだ合金中に、少なくとも金属ファイバー及び／又はセラミックファイバーが分散している鉛フリーはんだ材料を介して接合されたことを特徴とする電子部品実装構造。

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