JP2012020331A

JP2012020331A - 接合構造

Info

Publication number: JP2012020331A
Application number: JP2010162267A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Nishimura; 哲郎西村
Original assignee: Nihon Superior Sha Co Ltd
Current assignee: Nihon Superior Sha Co Ltd
Priority date: 2010-07-16
Filing date: 2010-07-16
Publication date: 2012-02-02

Abstract

【課題】Ｓｎ-Ｚｎ系鉛フリーはんだ合金を用い、被接合物が銅材質である場合にも優れた耐久性と高い信頼性を長期間維持可能なはんだ接合構造を提供する。
【解決手段】Ｓｎ−Ｚｎ系鉛フリーはんだ合金３を用いた接合構造において、銅材質からなる被接合物２と当該はんだ合金が直接接触しない構造を有すること、又は、銅材質以外の被接合物１と当該はんだ合金からなる構造を有することの何れかの構造を有することにより、はんだ接合界面に金属間化合物が形成されて接合特性が向上する。また、Ｓｎ-Ｚｎ系鉛フリーはんだ合金３及び被接合物２の構成金属間に発生する異種金属接触腐食が防止され、はんだ接合部に高い信頼性の維持が可能となる。また、Ｓｎ-Ｚｎ系はんだ合金にＭｎ等の抗酸化効果を有する元素を添加することにより、はんだ表面の酸化が抑制され、より耐久性に優れた接合構造を有することが可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、Ｓｎ-Ｚｎ系鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ接合構造に関し、詳しくは、Ｓｎ-Ｚｎ系鉛フリーはんだ合金と接合する被接合物が銅材質の場合の接合構造、及び被接合物が銅材質以外の場合でのはんだ接合構造に関する。

電子部品や電気製品の接合には、はんだ合金を用いたはんだ接合が多く用いられており、近年は、地球環境保護の観点より、鉛を含有しないはんだ合金が主流となっており、Ｓｎを主成分とするＳｎ-Ｃｕ系、Ｓｎ-Ａｇ系、Ｓｎ-Ａｇ-Ｃｕ系、Ｓｎ-Ｚｎ系、Ｓｎ-Ｓｂ系、Ｓｎ-Ｂｉ系、Ｓｎ-Ｉｎ系等のはんだ合金が特性と用途に応じて適宜使用されている。中でも、Ｓｎ-Ｚｎ系鉛フリーはんだ合金は低温での接合が可能であることや安価なこともあり、着目されている材質である。
しかし、Ｓｎ-Ｚｎ系鉛フリーはんだ合金は、被接合物との組合せが限定され、例えば、被接合物が銅材質の場合は、経時的に接合界面の劣化が進み、剥離が生じるという問題点が知られている。

また、太陽電池は、クリーンなエネルギーとして、地球環境保護の観点より、また、次世代のエネルギー源として期待されている。
一般に、太陽電池を構成する電極にはガラスやシリコーン素材が用いられており、ガラス素材やシリコーン素材からなる基板上に銀組成等からなる電極が設けられたセルと呼ばれるものを基本構成としている。
そして、各セル間を銅組成等のリード線により導通させて、各セルで発電した電力を集約させて外部に出力する構造となっている。そのセルとリード線を接合するためにはんだ接合が用いられている。

ところで、太陽電池は、その使用環境より厳しい自然環境下において高い信頼性を要求されるため、上記のはんだ合金の中でも使用可能な組成がＳｎ-Ａｇ系等はんだや鉛を配合したＳｎ-Ｓｂはんだに限定されている。
しかしながら、Ｓｎ-Ａｇ系等はんだはＡｇを含有するためコストが高く、Ｓｎ-Ｓｂはんだは地球環境保護の観点より問題を有している。

そこで、発明者は特許文献1において、Ｓｎ-Ｚｎ系鉛フリーはんだ合金を開示した。
しかし、特許文献１は、被接合物が銅素材以外を対象としたはんだ合金組成の開示であり、低温接合が可能で安価なＳｎ-Ｚｎ系鉛フリーはんだ合金を用い、リード線等の導電体材質に多く用いられている銅材質に対応したはんだ接合の提供が求められている。

特願２０１０−１９８１９号

本発明は、Ｓｎ-Ｚｎ系鉛フリーはんだ合金を用い、被接合物が銅材質である場合にも優れた耐久性と高い信頼性を長期間維持可能なはんだ接合構造の提供を課題とする。

本発明の課題を解決すべく発明者は鋭意検討の結果、Ｓｎ−Ｚｎ系鉛フリーはんだ合金を用いた接合構造において、銅材質からなる被接合物と当該はんだ合金が直接接触しない構造を有すること、又は、銅材質以外の被接合物と当該はんだ合金からなる構造を有することの何れかの構造を有することにより、はんだ接合界面に金属間化合物が形成されて接合特性が向上する。また、Ｓｎ-Ｚｎ系鉛フリーはんだ合金及び被接合物の構成金属間に発生する異種金属接触腐食が防止され、はんだ接合部に高い信頼性の維持が可能となる。
更に、Ｓｎ-Ｚｎ系はんだ合金にＭｎ等の抗酸化効果を有する元素を添加することにより、はんだ表面の酸化が抑制され、より耐久性に優れた接合構造を有することが可能となる。

本発明は、Ｓｎ-Ｚｎ系鉛フリーはんだ合金を用い、被接合物が銅素材である場合にも高い接合信頼性と耐電食特性に優れた接合構造であるため、過酷な自然環境下で、長期間に亘り高い信頼性が求められる太陽電池電極や車載リヤガラスの電極接合構造等に広く応用が可能となる。

図１は、従来の太陽電池の電極構造を示す概念図。図２は、本発明の接合構造を示す概念図。図３は、本発明の接合構造の評価試料の概念図。図４は、銅板上でのはんだ付け試料のエージング処理前断面顕微鏡写真。図５は、銅板上でのエージング処理後のはんだ付け試料の断面顕微鏡写真。図６は、真鍮板上でのはんだ付け試料のエージング処理前断面顕微鏡写真。図７は、真鍮板上でのエージング処理後のはんだ付け試料の断面顕微鏡写真。断面顕微鏡写真。図８は、セバスチャン法の概略図。

以下、本発明について詳細に説明する。
図１は、一般的な太陽電池の電極構造を示した図であり、銀電極等の被接合物１の上にリード線等の被接合物２をはんだ合金３で接合した構造となっている。其々の材質に関しては、導電性、耐久性及び接合信頼性等を考慮して、銀電極、銅線、Ｓｎ-Ａｇ-Ｃｕ鉛フリーはんだ合金が多く用いられている。
そして、上記接合構造からなるため、電極材質、リード線材質、及び鉛フリーはんだ合金の各組成である錫、銀、銅、亜鉛が接触することになり、過酷な自然環境下に曝された場合に異種金属接触腐食が発生して劣化すると考えられ、はんだ接合部に関しても、家電製品とは異なり、過酷な自然環境下に曝されるため、接合部表面の酸化や接合に発生するクラックのため信頼性の低下が懸念される。

一方、本発明の接合構造は、図２に示すように、銀電極等の被接合物１上に銅組成からなるリード線等の被接合物２をはんだ接合させる際、予め被接合物２であるリード線にＮｉメッキ等のコート処理を行い、その後、Ｓｎ-Ｚｎ系鉛フリーはんだを用いてはんだ接合させることを特徴する。
従って、被接合物２であるリード線に対してＳｎ-Ｚｎ系鉛フリーはんだ合金３が直接接触しない接合構造となるため、従来の銅素材に直接Ｓｎ-Ｚｎ系鉛フリーはんだ合金を用いて接合した場合のように、接合界面の接合強度が低下して接合が剥れる不具合が防止でき、異種金属接触腐食も防止可能となる。
また、本発明の構造構造に用いるはんだ材質にＳｎ-Ｚｎ系鉛フリーはんだ合金を用いるため、Ｓｎ-Ａｇ-Ｃｕ系鉛フリーはんだ合金に比べ、低温にてはんだ付けが可能となり作業性の向上やコストダウンが可能となる。

本発明の接合構造に用いる被接合物の材質は、本発明の効果を有する範囲において特に制限はないが、銀や真鍮が好ましい。
そして、本発明の接合構造において、被接合物が銅素材の場合に被接合物とＳｎ-Ｚｎ系鉛フリーはんだ合金とを直接接触させない方法に関し、被接合物をコート処理する方法が例示できるが、本発明の効果を有する範囲において当該方法に制限はない。
なお、コート処理方法に関して、コートする組成やコート方法に、特に制限はないが、組成はニッケルが好ましく、コート方法はニッケルメッキが好ましく、ニッケル箔による方法も例示できる。
また、被接合物が銅材質以外の場合は、被接合物へのコート処理等は不要である。

本発明の接合構造に用いるＳｎ-Ｚｎ系鉛フリーはんだ合金は、本発明の効果を有する範囲において特に制限はないが、ＭｎやＡｇ，Ｎｉ，Ｓｂ，Ｂｉ，Ｇｅ，Ｇａ，Ａｌ，Ｓｉ等の元素を任意に選択して添加してもよく、添加する元素の中では抗酸化効果に優れたＭｎが好ましい。

以下に、本発明について実施例を基に説明する。
本発明の効果を確認する実験を下記の通り実施した。
実験方法は、図３に示すように、被接合物に本発明の構成要素であるＳｎ-Ｚｎ系鉛フリーはんだ合金を用いてはんだ接合した試料を作製し、１５０℃にて１０００時間エージング処理を行い、はんだ接合界面５の断面観察を行い判断した。なお、本実験のはんだ付けに用いたはんだ組成を表１に示す。

図４に銅板上にＳｎ-Ｚｎ系はんだ組成１〜組成３を用いて作製したサンプル１〜サンプル３のエージング処理前の断面２箇所（Ａ及びＢ）の電子顕微鏡写真を示した。何れのサンプル写真もはんだ接合界面に金属間化合物の形成は見られない。また、図５にエージング処理した後のサンプル１〜サンプル３の断面２箇所（Ａ及びＢ）の電子顕微鏡写真を示した。図５に示すように何れのサンプルも接合界面にクラックや空洞が見られ、著しく接合信頼性が低下していることが確認できる。このように、被接合物が銅材質の場合、はんだ接合の信頼性が低下する。

図６に、真鍮板上に組成１〜組成６はんだ合金を其々用いて作製したサンプル１〜サンプル６のエージング処理前の断面の電子顕微鏡写真を示した。図７には、エージング処理した後のサンプル１〜サンプル６の断面の電子顕微鏡写真を示した。図７に示すように何れのサンプルも図５に示した銅材質のように接合界面にクラックや空洞が見られず、接合界面が安定していることがわかる。

上記の実験に加え、図示は行なっていないが、被接合物に銅素材を選択してニッケルメッキを施し、その上に組成１〜組成６はんだ合金を其々用いて作製した各試料を段落００１５に記載の条件でエージング処理し、その断面を観察したが、接合界面に異常は見られず安定な状態が確認できた。
また、被接合物に銀素材を選択し、その上に組成１〜組成６はんだ合金を其々用いて作製した各試料を段落００１５に記載の条件でエージング処理し、その断面を観察したが、接合界面に異常は見られず安定な状態が確認できた。

図４〜図７より、本発明の接合構造を有する場合は、従来のＳｎ-Ｚｎ系はんだ合金と銅材質からなる接合物のはんだ接合構造では見られる接合界面の異常は見られない。

次に、本発明の接合構造に関して、被接合物１とはんだ合金３の接合強度を測定し、接合構造の耐久性を評価した。評価方法には、図８に示すセバスチャン法にて被接合物とはんだの接合強度を測定し、２．５Ｎ/mm²以上であれば合格とした。なお、セバスチャン法とは薄膜の付着力を測定する方法の一つで、図８に示すように、被接合物１にはんだ合金３を用いてはんだ付けした後、はんだ上部表面に引っ張り治具７を接着剤６で固定し、引っ張り治具を一定の荷重速度にて引っ張り、被接合物１からはんだ合金３が剥離したときの荷重を測定する方法である。
その結果を、表２に示すが、何れの結果も良好な結果であった。

１被接合物１
２被接合物２
３はんだ合金
４コート成分
５はんだ接合界面
６接着剤
７引っ張り治具

Claims

Ｓｎ−Ｚｎ系鉛フリーはんだ合金を用いた接合構造において、銅材質からなる被接合物と当該はんだ合金が直接接触しない構造を有すること、又は、銅材質以外の被接合物と当該はんだ合金からなる構造を有することの何れかの構造を有することを特徴とする接合構造。
被接合物が銅材質からなる場合に、Ｓｎ−Ｚｎ系鉛フリーはんだ合金と直接接触しない構造として、被接合物をコートする方法を用いたことを特徴とする請求項１記載の接合構造。
被接合物のコート方法が、メッキ、箔及びシート状物の接着であることを特徴とする請求項２記載の接合構造。
被接合物にコートする材質がニッケル、又はニッケルを含有する鉛フリーはんだ合金であることを特徴とする請求項２乃至請求項３記載の接合構造。
被接合物の材質が、銀又は真鍮であることを特徴とする請求項１記載の接合構造。
Ｓｎ−Ｚｎ系鉛フリーはんだ合金にＭｎを添加したはんだ合金を用いることを特徴とする請求項１乃至請求項５記載の接合構造。