JP2012125791A - 金属フィラー及びこれを含む鉛フリーはんだ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】Cu系合金粒子(Cu系合金粒子は、Cu、In及びSnを含み、かつCu、In及びSnの中でCuを最高の質量割合で含み、そして該Cu系合金粒子の含有量は30〜45質量%である);並びに複合合金粒子(該複合合金粒子は、Bi系合金粒子とSn粒子又はBi不含有Sn系合金粒子との混合物であり、該Sn粒子又はBi不含有Sn系合金粒子の含有量は25〜250質量部であり、該Bi系合金粒子は、40〜70質量%のBi並びに30〜60質量%のAg、Cu、In及び/又はSnを含み、そして該Bi不含有Sn系合金粒子は、該Bi系合金粒子の固相線温度以上の固相線温度を有する)を含む金属フィラー。
【選択図】なし
Description
[1] 以下の:
(1)銅(Cu)系合金粒子
ここで、該Cu系合金粒子は、Cu、インジウム(In)及びスズ(Sn)を含み、かつCu、In及びSnの中でCuを最高の質量割合で含み、そして該Cu系合金粒子の含有量は、該金属フィラーの全質量を基準として30〜45質量%である;並びに
(2)複合合金粒子
ここで、該複合合金粒子は、ビスマス(Bi)系合金粒子とSn粒子又はBi不含有Sn系合金粒子との混合物であり、該Sn粒子又はBi不含有Sn系合金粒子の含有量は、該Bi系合金粒子100質量部に対して25〜250質量部であり、該Bi系合金粒子は、該Bi系合金粒子の全質量を基準として、40〜70質量%のBi並びに30〜60質量%の銀(Ag)、Cu、In及びSnから選ばれる少なくとも1種の金属を含み、そして該Bi不含有Sn系合金粒子は、該Bi系合金粒子の固相線温度以上の固相線温度を有する;
を含む金属フィラー。
一般に、金属フィラーとは、金属を含む充填剤をいう。本発明の金属フィラーは、銅(Cu)系合金粒子(1)及び複合合金粒子(2)を含む。また、本発明の金属フィラーは、Cu系合金粒子(1)と複合合金粒子(2)との混合物でもよい。本発明の金属フィラーは、特定のCu系合金粒子(1)及び複合合金粒子(2)を含むことを特徴とする。
前述の通り、本発明の金属フィラーは、Cu系合金粒子(1)と複合合金粒子(2)との混合物でよい。該混合物である金属フィラー中のCu系合金粒子(1)の含有量は、金属フィラーの全質量を基準として、30〜45質量%の範囲である。Cu系合金粒子(1)の含有量が45質量%以下である場合、金属フィラー中の、リフロー熱処理時に溶融拡散する金属成分の存在割合が多いため、低温での溶融接合が良好に実施されることができるとともに、例えば、はんだとして接合された後に、溶融接合部に良好な物理的強度が付与される。Cu系合金粒子(1)の含有量が40質量%以下である場合、さらに良好な物理的強度が得られるため好ましく、37質量%以下が最も好ましい。Cu系合金粒子(1)の含有量が30質量%以上である場合、溶融したBi合金成分がCu系合金粒子(1)と反応することで形成される、高融点を有する安定合金相の存在割合が多くなるため、耐熱性が得られるようになる。Cu系合金粒子(1)の含有量は、31質量%以上が好ましく、33質量%以上が最も好ましい。また、はんだ接合部の物理的強度及び耐熱性の観点から、該混合物である金属フィラー中のCu系合金粒子(1)の含有量は、30〜45質量%の範囲である。
Cu系合金粒子(1)とは、Cu、In及びSnを含み、かつCu、In及びSnの中でCuを最高の質量割合で含む粒子をいう。さらに、Cu系合金粒子(1)は、Ag又はBiの金属を含むことが好ましい。これにより、Cu系合金粒子(1)は準安定合金相を形成できる。該準安定合金相の形成は、主に熱処理時のCu系合金粒子(1)とBi系合金粒子との合金化の促進に寄与し、従って、低温での溶融接合時の良好な接合強度の付与に寄与する。
複合合金粒子(2)とは、Bi系合金粒子とSn粒子又はBi不含有Sn系合金粒子との混合物をいう。Sn粒子又はBi不含有Sn系合金粒子の固相線温度は、Bi系合金粒子の固相線温度以上である。低温溶融接合性を考慮すると、複合合金粒子(2)中のSn粒子又はBi不含有Sn系合金粒子の含有量は、Bi系合金粒子100質量部に対して25〜250質量部の範囲である。Bi系合金粒子100質量部に対して、前記Sn粒子又はBi不含有Sn系合金粒子の含有量が25質量部以上である場合には、複合合金粒子(2)中のBi含有量が相対的に少なくなるため接続信頼性の観点で有利である。Sn粒子又はBi不含有Sn系合金粒子の含有量は、Bi系合金粒子100質量部に対して、30質量部以上であることが好ましく、50質量部以上であることがより好ましい。また、Bi系合金粒子100質量部に対して、前記Sn粒子又はBi不含有Sn系合金粒子の含有量が250質量部以下である場合には、Bi系合金粒子による低温接合性が確保できる。Sn粒子又はBi不含有Sn系合金粒子の含有量は、Bi系合金粒子100質量部に対して、230質量%以下であることが好ましく、210質量%以下であることがより好ましい。
一般に、Bi系合金粒子とは、Biを含む合金粒子をいう。本発明で使用されるBi系合金粒子は、Bi系合金粒子の全質量を基準として、40〜70質量%のBi並びに30〜60質量%のAg、Cu、In及びSnから選ばれる1種以上の金属から選択される少なくとも1種の金属を含む。なお、不可避的不純物がBi系合金粒子に含まれていてもよい。Bi系合金粒子は、上記組成を有することにより、リフロー熱処理において溶融し、そして溶融したBi系合金粒子成分とCu系合金粒子(1)、又は溶融したBi系合金粒子成分とSn粒子若しくはBi不含有Sn系合金粒子の間で、熱拡散による合金化が良好に実現される。
一般に、Sn粒子とは、Snから成る粒子をいう。一般に、Sn粒子の固相線温度は、約232℃である。また、一般に、Bi不含有Sn系合金粒子とは、Biを含まず、かつSnを含む合金粒子をいうが、不可避的不純物としてのBiの混入を除外するものではない。Bi不含有Sn系合金粒子は、前記Bi系合金粒子の固相線温度以上の固相線温度を有する。前述の通り、Bi系合金粒子の固相線温度は、80〜160℃の範囲であり、Sn粒子及びBiを含まないSn系合金粒子の固相線温度は、耐熱性の観点からBi系合金粒子の固相線温度よりも、20℃以上高いことが好ましく、50℃以上高いことがより好ましい。
Cu系合金粒子(1)、Bi系合金粒子、Sn粒子又はBi不含有Sn系合金粒子を製造する方法としては、微粉末の製造方法として既知の方法を採用できるが、急冷凝固法が好ましい。急冷凝固法による微粉末の製造方法としては、水噴霧法、ガス噴霧法、遠心噴霧法等が挙げられる。これらの中でも、粒子の酸素含有量を抑えることができる点から、ガス噴霧法及び遠心噴霧法がより好ましい。
本発明は、上述した本発明の金属フィラーを含む鉛フリーはんだをも提供する。本明細書において、「鉛フリー」とは、EUの環境規制に準じ、鉛の含有量が0.1質量%以下であることを意味する。本発明の鉛フリーはんだは、金属フィラー成分及びフラックス成分を含むはんだペーストであることが好ましい。典型的には、本発明の鉛フリーはんだは、金属フィラー成分及びフラックス成分から成る。金属フィラー成分は、上述した本発明の金属フィラーであるが、本発明の効果を損なわない範囲で、他の金属フィラーを少量含んでもよい。
本発明は、上述した本発明の金属フィラーを含む導電性接着剤も提供する。一般に、導電性接着剤とは、銀、銅、カーボンファイバー等の導電性の良い材料を含む接着剤をいう。一般に、導電性接着剤は、鉛フリー、揮発性有機化合物(VOC)フリー、フラックスレス、容易な低温実装等の特徴を有するので、本発明の導電性接着剤は、電気接続したいがはんだ付けできない部品(例えば、半導体チップ、液晶、有機EL、LED等に関連するデバイス)に適する。また、本発明の導電性接着剤は、上記鉛フリーはんだと同じ組成を有することができる。ただし、本発明の導電性接着剤は、フラックス成分を含んでもよいし、含まなくてもよい。
本発明は、第1の電子部品、第2の電子部品、並びに該第1の電子部品及び該第2の電子部品を接合しているはんだ接合部又は該第1の電子部品及び該第2の電子部品を接着している接着部を含む接続構造体も提供する。また、本発明の接続構造体では、前記はんだ接合部は、本発明の鉛フリーはんだを、前記Bi系合金粒子の固相線温度以上であり、かつ前記Sn粒子又はSn系合金粒子の固相線温度以下である温度でリフロー熱処理することにより形成されている。また、本発明の接続構造体では、前記接着部は、本発明の導電性接着剤を、前記Bi系合金粒子の固相線温度以上であり、かつ前記Sn粒子又はSn系合金粒子の固相線温度以下である温度でリフロー熱処理することにより形成されている。
本発明は、基板及び該基板上に搭載された本発明の接続構造体を含む部品搭載基板をも提供する。また、本発明の部品搭載基板は、好ましくは、電子部品が搭載されている基板であり、そして各種の電子機器の製造に使用されることができる。
(1)Cu系合金粒子(1)の製造
Cu6.5kg(純度99質量%以上)、Sn1.5kg(純度99質量%以上)、Ag1.0kg(純度99質量%以上)、Bi0.5kg(純度99質量%以上)、及びIn0.5kg(純度99質量%以上)(すなわち、目標元素組成が、Cu:65質量%、Sn:15質量%、Ag:10質量%、Bi:5質量%、及びIn:5質量%である。)を黒鉛坩堝に入れ、99体積%以上のヘリウム雰囲気で、高周波誘導加熱装置により1400℃まで加熱、融解した。次に、この溶融金属を、坩堝の先端より、ヘリウムガス雰囲気の噴霧槽内に導入した後、坩堝先端付近に設けられたガスノズルから、ヘリウムガス(純度99体積%以上、酸素濃度0.1体積%未満、圧力2.5MPa)を噴出してアトマイズを行い、そして2600℃/秒の冷却速度で溶融金属を冷却することにより、Cu系合金粒子(1)を作製した。
Bi系合金粒子には、山石金属(株)社製の粒度10μm〜25μmのはんだ粉末Sn−58Bi(元素組成は、Bi:58質量%、Sn:42質量%であり、固相線温度は139℃である)を用いた。示差走査熱量計(島津製作所:DSC−50)によって、前記Cu系合金粒子(1)の測定と同じ測定条件で測定される融点は、138℃であった。また、Bi系合金粒子をレーザー回折式粒子径分布測定装置(HELOS&RODOS)で測定したところ平均粒径は20.4μmであった。
Sn粒子としては、山石金属(株)社製の粒度10μm〜25μmのSn粒子を用いた。該Sn粒子をレーザー回折式粒子径分布測定装置(HELOS&RODOS)で測定したところ平均粒径は21.8μmであった。なお、Sn粒子の固相線温度は、232℃である。
上記のCu系合金粒子(1)、並びにBi系合金粒子及びSn粒子の混合粉(複合合金粒子(2))を、質量比35:65で混合し、金属フィラー成分を調製した。このとき、Bi系合金粒子100質量部に対して、Sn粒子が200質量部となるように複合合金粒子(2)を調製した。次に、90質量%の金属フィラー成分及び10質量%のロジン系フラックスを混合し、ソルダーソフナー(マルコム:SPS−1)、及び脱泡混練機(松尾産業:SNB−350)に順次に供して、はんだペーストを作製した。
上記はんだペーストを用いて1005サイズの0Ω抵抗部品(1005R)を実装し、その後、N2雰囲気で、ピーク温度170℃のリフロー条件で熱処理に供して、1005R、45個のデイジーチェーンを作製した。熱処理装置は、リフローシミュレータ(マルコム:SRS−1C)を使用した。温度プロファイルは、熱処理開始(常温)から100℃までを1.5℃/秒で昇温し、100℃から130℃までを90秒かけて徐々に昇温した後、2.0℃/秒で昇温し、ピーク温度170℃で45秒間保持する条件を採用した。印刷パターン形成には、スクリーン印刷機(マイクロテック:MT−320TV)を用いた。印刷マスクはメタル製であり、そしてスキージはウレタン製である。マスクは、開口サイズ2mm×3.5mm、厚み0.1mmである。印刷条件は、速度50mm/秒、印圧0.1MPa、スキージ圧0.2MPa、背圧0.1MPa、アタック角度20°、クリアランス0mm、及び印刷回数1回とした。その後、部品の長手方向より荷重を掛けて接合強度を測定したところ、部品接合強度の平均値は、4.2Nであった。なお、実施例1の(5)以降の評価結果を表1に示す。
上記1005R、45個のデイジーチェーンの抵抗値を測定したところ、988mΩであった。
上記はんだペーストを、アルミナ基板上にスクリーン印刷機(マイクロテック:MT−320TV)を用いて印刷し(印刷厚み:200μm、印刷開口:6mmΦ)、ピーク温度170℃のリフロー条件((5)同様)で熱処理を行った。リフロー前後での、はんだの面積変化を測定したところ、リフロー後は、リフロー前に対して92.1%の面積に変化した。該面積変化を、表1の加熱時溶融流動特性に示した。
Bi系合金粒子とSn粒子の混合質量比を表1に示した混合比に変えて、その他条件は実施例1と同様の条件で各評価を実施した。
表1の実施例1〜3及び比較例1より、Bi系合金粒子100質量部に対して、Sn粒子が0〜200質量部の複合合金粒子(2)を用いた場合には、1005Rで4N以上の部品接合強度が得られている。一方、Bi系合金粒子100質量部に対して、Sn粒子が600質量部である場合には、1005Rの部品接合強度が0 Nであった(比較例2)。これは複合合金粒子(2)中のBi系合金粒子の混合比が少なくなりすぎると、170℃のリフローにて溶融する粒子が少なくなるため(Sn粒子の融点:232℃)良好な金属接合が得られないことを意味する。逆に、実施例1ではBi系合金粒子100質量部に対して、Sn粒子が200質量部であるにもかかわらず、ピーク温度170℃のリフローによって、Sn粒子を含有しない比較例1と同等の部品接合強度がえられた。
表1の実施例1〜3及び比較例1より、複合合金粒子(2)中のBi系合金粒子の混合比を減らすことによって、部品接続抵抗値を下げることが可能であり、部品接続特性を改善できることがわかる。
比較例1では、印刷したはんだを170℃で熱処理を行うことで、該はんだの面積が63%に変化する。これは、リフロー時に、溶融した金属成分に表面張力が働いて、溶融流動していることを意味する。一方、実施例1〜3では、所定量のSn粒子が複合合金粒子(2)中に加わったことによって、上記熱処理後のはんだ面積は、いずれも70%以上であった。すなわち、実施例1〜3の金属フィラー組成では、加熱時の溶融流動が少ないため、比較例1の金属フィラー組成に比べてより耐熱性に優れているといえる。
実施例1のSn粒子の代わりに、Sn系合金粒子である、粒度10〜25μmのSn−3.0Ag−0.5Cu粒子(実施例4)、粒度10〜25μmのSn−3.5Ag粒子(実施例5)、及び粒度25〜38μmのSn−0.3Ag−0.7Cu粒子(実施例6)を用いて、実施例1と同様の評価を行った結果を表2に示す。部品接合強度、部品接続抵抗値、加熱時溶融流動特性はいずれも、実施例1に近い値が得られた。
Claims (9)
- 以下の:
(1)銅(Cu)系合金粒子
ここで、該Cu系合金粒子は、Cu、インジウム(In)及びスズ(Sn)を含み、かつCu、In及びSnの中でCuを最高の質量割合で含み、そして該Cu系合金粒子の含有量は、該金属フィラーの全質量を基準として30〜45質量%である;並びに
(2)複合合金粒子
ここで、該複合合金粒子は、ビスマス(Bi)系合金粒子とSn粒子又はBi不含有Sn系合金粒子との混合物であり、該Sn粒子又はBi不含有Sn系合金粒子の含有量は、該Bi系合金粒子100質量部に対して25〜250質量部であり、該Bi系合金粒子は、該Bi系合金粒子の全質量を基準として、40〜70質量%のBi並びに30〜60質量%の銀(Ag)、Cu、In及びSnから選ばれる少なくとも1種の金属を含み、そして該Bi不含有Sn系合金粒子は、該Bi系合金粒子の固相線温度以上の固相線温度を有する;
を含む金属フィラー。 - 前記Cu系合金粒子はAg又はBiをさらに含む、請求項1に記載の金属フィラー。
- 前記Bi系合金粒子はSnを含む、請求項1又は2に記載の金属フィラー。
- 前記Bi不含有Sn系合金粒子は、Sn100質量部に対して、4.0質量部以下のAg及び/又はCuを含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載の金属フィラー。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の金属フィラーを含む鉛フリーはんだ。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の金属フィラーを含む導電性接着剤。
- 第1の電子部品、第2の電子部品、並びに該第1の電子部品及び該第2の電子部品を接合しているはんだ接合部を含む接続構造体であって、該はんだ接合部は、請求項5に記載の鉛フリーはんだを、前記Bi系合金粒子の固相線温度以上であり、かつ前記Sn粒子又はBi不含有Sn系合金粒子の固相線温度以下である温度でリフロー熱処理することにより形成されている接続構造体。
- 第1の電子部品、第2の電子部品、並びに該第1の電子部品及び該第2の電子部品を接着している接着部を含む接続構造体であって、該接着部は、請求項6に記載の導電性接着剤を、前記Bi系合金粒子の固相線温度以上であり、かつ前記Sn粒子又はBi不含有Sn系合金粒子の固相線温度以下である温度でリフロー熱処理することにより形成されている接続構造体。
- 基板及び該基板上に搭載された請求項7又は8に記載の接続構造体を含む部品搭載基板。
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