JP2014028380A - 金属フィラー、はんだペースト、及び接続構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】鉛フリーはんだのリフロー熱処理条件で溶融接合でき、接合後は、後工程で複数回の熱処理を受けても再溶融しない耐熱性を有し、はんだ接合後の熱的疲労に対する接続信頼性にも優れた金属フィラー及びそれを含むはんだペースト又は導電性接着剤を提供する。
【解決手段】Ｃｕ合金粒子とはんだ粒子との混合体からなる金属フィラーであって、該Ｃｕ合金粒子が、Ｎｉ、Ｆｅ及びＣｏからなる群より選ばれる１種以上の元素を０．０１〜１質量％含有することを特徴とする金属フィラー。
【選択図】なし

Description

本発明は、例えば電子部品及び電子デバイスのはんだ接合に使用される金属フィラーに関するものであり、特にはんだペースト、導電性接着剤、及び接続構造体に関する。

近年の情報化社会の発達に伴い、携帯電話を中心とした電子機器では、高機能化、軽薄短小化が求められ、それに伴い高密度実装技術も急速な進歩を遂げている。

部品を基板に内蔵したり、複数のＬＳＩを１パッケージ化したりして、限られた容積を有効利用するため、多様な実装技術が開発されているが、一方で、高密度化が進めば進むほど、基板内部やパッケージ内部に組込まれた部品のはんだ接続部は、後工程で熱処理を受ける回数が多くなり、部品と封止樹脂の隙間で起こる、はんだ再溶融によるショート問題が顕在化してきている。また近年では環境問題に対応して鉛フリーはんだが求められている。

その為、基板内部やパッケージ内部に組込まれた部品の接続において、後工程で複数回の熱処理を受けても、再溶融しない耐熱性を有する鉛フリーはんだ材料の開発が望まれている。

本発明者等は、鉛フリーはんだのリフロー熱処理条件で溶融接合でき、接合後は、同じ熱処理条件では再溶融しない鉛フリーはんだ材料を提案した（特許文献１参照）。

鉛フリーはんだのリフロー熱処理条件とは、代表的なＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ（融点２１７℃）で、はんだ接続する場合の一般的なリフロー熱処理条件であり、ピーク温度２４０〜２６０℃の範囲のことである。

該はんだ材料の金属フィラーは、Ｃｕ主成分の第１の金属粒子とリフロー熱処理において溶融する第２の金属粒子との混合体からなり、リフロー熱処理において、新たな安定合金相を形成することで、再度のリフロー熱処理においても、再溶融しない特徴を有するものであった。

一方で、Ｃｕ粒子とＳｎ粒子との混合体を金属フィラーとするはんだ材料が提案されている（特許文献２参照）。

該はんだ材料は、熱処理により、Ｃｕ６Ｓｎ５を含む化合物を形成し、Ｃｕ粒子同士は、Ｃｕ６Ｓｎ５を含む化合物で結合される状態となることを特徴としている。

また、更には、Ｃｕ粒子の表面をＮｉめっきした粒子とＳｎ粒子との混合体を金属フィラーとするはんだ材料が提案されている（特許文献３参照）。

該はんだ材料は、Ｃｕ粒子の表面にＳｎへの拡散を阻害する金属の被膜を設けることによって、ＣｕＳｎ化合物の形成を阻害し、Ｓｎが電極や部品端子に濡れる時間を確保することで濡れ性を改善することを特徴としている。

国際公開第２００６／１０９５７３号パンフレット 特開２００２−２５４１９４号公報 国際公開第２００７／１２５８６１号パンフレット

しかしながら、特許文献１及び２に記載される技術においては、該はんだ材料は、再度のリフロー熱処理において、再溶融しない優れた特徴を有しているが、はんだ接合後の熱的疲労に対する接続信頼性についてはさらなる改善の余地があった。また、特許文献３に記載のはんだ材料においては、Ｃｕ粒子へのＮｉ被膜を電解又は無電解めっきにより形成しなければならないため、湿式のめっき処理プロセスを伴い、生産性、コスト面、及び環境負荷の観点において改善の余地があった。

本発明は、上記問題を鑑みて成されたものであり、鉛フリーはんだのリフロー熱処理条件で溶融接合でき、接合後は、後工程で複数回の熱処理を受けても再溶融しない耐熱性を持ち、熱的疲労に対する接続信頼性に優れた鉛フリーはんだ材料又は導電性接着剤を提供することを目的とする。

本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意検討し、実験を重ねた結果、本発明を成すに至った。
即ち、本発明は、以下の通りである。

［１］ Ｃｕ合金粒子とはんだ粒子との混合体からなる金属フィラーであって、該Ｃｕ合金粒子が、Ｎｉ、Ｆｅ及びＣｏからなる群より選ばれる１種以上の元素を０．０１〜１質量％含有することを特徴とする金属フィラー。
［２］ 該混合体が、Ｃｕ合金粒子１００質量部に対して、はんだ粒子を５４〜５６７質量部含む、上記［１］に記載の金属フィラー。
［３］ 該Ｃｕ合金粒子が、Ｓｎ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｉｎ及びＧｅからなる群より選ばれる１種以上の元素１〜５０質量％、Ｎｉ、Ｆｅ及びＣｏからなる群より選ばれる１種以上の元素０．０１〜１質量％、並びに残部ＣｕからなるＣｕ合金粒子である、上記［１］又は［２］に記載の金属フィラー。
［４］ 該Ｃｕ合金粒子が、Ｓｎ１３．５〜１６．５質量％、Ａｇ０．１〜１０質量％、Ｂｉ４．５〜５．５質量％、Ｉｎ０．１〜５質量％、Ｆｅ０．０１〜１質量％、及び残部ＣｕからなるＣｕ合金粒子、又はＳｎ１３．５〜１６．５質量％、Ａｇ９〜１１質量％、Ｂｉ４．５〜５．５質量％、Ｇｅ０．１〜５質量％、Ｆｅ０．０１〜１質量％、及び残部ＣｕからなるＣｕ合金粒子、又はＳｎ１〜２５質量％、Ｆｅ０．０１〜１質量％、及び残部ＣｕからなるＣｕ合金粒子である、上記［１］〜［３］のいずれかに記載の金属フィラー。
［５］ 該はんだ粒子が、Ｓｎ粒子、又はＳｎ９０質量％以上を含有するＳｎ合金粒子である、上記［１］〜［４］のいずれかに記載の金属フィラー。
［６］ 上記［１］〜［５］のいずれかに記載の金属フィラーを含む、はんだペースト。
［７］ 上記［１］〜［５］のいずれかに記載の金属フィラーを含む、導電性接着剤。
［８］ 第１の電子部品、第２の電子部品、及び、該第１の電子部品と該第２の電子部品とを接合しているはんだ接合部を有する接続構造体であって、該はんだ接合部が、上記［６］に記載のはんだペースト又は上記［７］に記載の導電性接着剤をリフロー熱処理することによって形成されたものである、接続構造体。
［９］ 基板と、該基板の上に搭載された上記［８］に記載の接続構造体とを有する、部品搭載基板。
［１０］ 基板と、該基板の上に搭載された上記［８］に記載の接続構造体とを有する、部品内蔵モジュール。

本発明の金属フィラー、及びそれを含むはんだ材料又は導電性接着剤は、鉛フリーはんだのリフロー熱処理条件で溶融接合でき、接合後は、後工程で複数回の熱処理を受けても再溶融しない耐熱性を有する。また、はんだ接合後の熱的疲労に対する接続信頼性にも優れている。

以下、本発明を実施するための形態（以下、実施の形態と略記する）を詳細に説明する。尚、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で変形して実施することができる。

＜金属フィラー＞
本実施の形態の金属フィラーは、Ｃｕ合金粒子とはんだ粒子との混合体からなる金属フィラーであって、該Ｃｕ合金粒子が、Ｎｉ、Ｆｅ及びＣｏからなる群より選ばれる１種以上の元素を０．０１〜１質量％含有することを特徴とする。なおこの含有量は存在するＮｉ、Ｆｅ及びＣｏの合計量である。本開示において、構成要素に関し「からなる」というときは、本発明の効果を損なわない範囲で他の要素（例えば不可避的不純物）が含まれうる可能性を排除しないことを意図する。本実施の形態の金属フィラーは、以下に詳述するような特性により、特に、はんだ接合に有利に適用される。

（Ｃｕ合金粒子）
本開示で、Ｃｕ合金粒子とは、Ｃｕ含有合金を含む粒子を意味し、典型的にはＣｕ含有合金からなる粒子である。より典型的な態様においては、Ｃｕ合金粒子の構成元素のうちＣｕの含有率が最も高い。本実施の形態においてＣｕ合金粒子に含まれる、Ｎｉ、Ｆｅ及びＣｏからなる群より選ばれる１種以上の元素は、熱処理時に、溶融したはんだ粒子との接合界面に濃化することで、接合界面に生成する金属間化合物の結晶粒を微細化し、該金属間化合物の成長を抑制する。従って、本実施の形態の金属フィラーによれば、該金属フィラーを含むはんだペースト又は導電性接着剤を用いて形成されるはんだ接合部における内部応力の増加を防ぎ、接続信頼性を向上させることができる。

本実施の形態では、鉄族元素であるＮｉ、Ｆｅ及びＣｏからなる群より選ばれる１種以上の元素のＣｕ合金粒子中の含有量が０．０１質量％以上であることで、接合界面における金属間化合物の成長を抑制する効果を好適に得られ、１質量％以下であることで、例えば、はんだペースト又は導電性接着剤のはんだ接合部におけるボイドの発生を抑制し、高い機械強度を得ることができる。Ｎｉ、Ｆｅ及びＣｏからなる群より選ばれる１種以上の元素のＣｕ合金粒子中の含有量は、好ましくは、０．０２質量％以上、より好ましくは、０．０３質量％以上であり、好ましくは、０．９質量％以下、より好ましくは、０．８質量％以下である。

より典型的な態様において、Ｃｕ合金粒子は、金属原料の入手性と製品安全性の観点から、Ｆｅを上記範囲の量で含む。

なお本開示において記載する各元素の含有量は、それぞれ、ＩＣＰ発光分析法で確認できる。通常、Ｃｕ合金粒子中の各元素の含有比率は、該粒子の製造時に用いる材料金属の配合比率に対応する。

Ｃｕ合金粒子とはんだ粒子との熱拡散による良好な合金化によって良好な電気的、機械的接合を得るという観点から、Ｃｕ合金粒子は、Ｓｎ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｉｎ及びＧｅからなる群より選ばれる１種以上の元素１〜５０質量％、Ｎｉ、Ｆｅ及びＣｏからなる群より選ばれる１種以上の元素０．０１〜１質量％、並びに残部Ｃｕからなることが好ましい。

特に、上記の理由で好ましい一つの態様としては、Ｓｎ１３．５〜１６．５質量％、Ａｇ０．１〜１０質量％、Ｂｉ４．５〜５．５質量％、Ｉｎ０．１〜５質量％、Ｆｅ０．０１〜１質量％、及び残部ＣｕからなるＣｕ合金粒子が挙げられ、別の好ましい態様としては、Ｓｎ１３．５〜１６．５質量％、Ａｇ９〜１１質量％、Ｂｉ４．５〜５．５質量％、Ｇｅ０．１〜５質量％、Ｆｅ０．０１〜１質量％、及び残部ＣｕからなるＣｕ合金粒子が挙げられ、更に別の好ましい態様としては、Ｓｎ１〜２５質量％、Ｆｅ０．０１〜１質量％、及び残部ＣｕからなるＣｕ合金粒子が挙げられる。

尚、Ｃｕ合金粒子は、内部に準安定合金相を有することが好ましい。準安定合金相は、反応性が高いので、熱処理において溶融したはんだ粒子との合金化を迅速に行うことができる。尚、準安定合金相は、示差走査熱量測定（ＤＳＣ）において発熱ピークとして確認することができる。示差走査熱量測定における発熱は、新たな合金相が形成される際に発生する潜熱の検出であり、Ｃｕ合金粒子に準安定合金相が存在することを示す。準安定合金相は、例えば、急冷凝固法により形成できる。

典型的な態様において、Ｃｕ合金粒子の融点（但し、複数の融点が存在する場合には、最低融点）は、３００℃以上である。融点は、好ましくは、３５０℃以上、より好ましくは、４００℃以上、更に好ましくは、４５０℃以上である。該融点が、３００℃以上である場合、はんだ接合後に耐熱性を発現する。

（はんだ粒子）
本開示で、はんだ粒子とは、１種又は２種以上の金属元素からなる融点３００℃未満の粒子を意味する。はんだ粒子は典型的にはＳｎを含む。好ましい態様において、はんだ粒子は鉛を実質的に含まない。はんだ粒子の融点は、好ましくは、１００℃以上２６０℃以下であり、より好ましくは、１５０℃以上２５０℃以下であり、更に好ましくは、１８０℃以上２４０℃以下である。該融点が１００℃以上であれば、良好なはんだ接合が可能であり、２６０℃以下であれば、一般的なリフロー熱処理条件においてはんだ接合が可能である。はんだ粒子中の、Ｎｉ、Ｆｅ及びＣｏからなる群より選ばれる１種以上の元素の合計含有量は、０．０１質量％未満であることが、はんだ溶融時の濡れ性が良好となる点で好ましい。

はんだ粒子としては、はんだ粒子とＣｕ合金粒子及び基板電極表面との濡れ性、並びにはんだ粒子とＣｕ合金粒子との熱拡散による合金化促進の観点から、Ｓｎ粒子（すなわちＳｎからなる粒子）又はＳｎ合金粒子が好ましい。Ｓｎ合金粒子としては、上記の観点から、Ｓｎを９０質量％以上含有するＳｎ合金粒子が好ましく、Ｓｎを９０〜９９．５質量％含むＳｎ合金粒子が特に好ましい。Ｓｎ合金粒子は、一般にＳｎ粒子よりも融点が低いため、熱処理におけるＣｕ合金粒子との合金化反応が速くなる傾向がある。具体的には、Ｓｎ−Ｃｕ共晶系はんだ、Ｓｎ−Ａｇ共晶系はんだ、及びＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ共晶系はんだの粒子が好ましく、又はこれらにＩｎ、Ｚｎ、Ｂｉ等の金属を１種以上添加したはんだ粒子を用いることもできる。Ｉｎは、その添加により合金の金属特性をあまり低下させないで融点を低下させる事ができる。Ｚｎ及びＢｉも、Ｉｎ同様にその添加により融点を低下させる効果がある。

Ｓｎ合金粒子の好ましい組成を例示すれば、Ｓｎ−０．３Ａｇ−０．７Ｃｕ、Ｓｎ−０．７Ｃｕ、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ、Ｓｎ−３．５Ａｇ、Ｓｎ−４．０Ａｇ−０．５Ｃｕ、Ｓｎ−２．５Ａｇ−０．５Ｃｕ−１Ｂｉ等が挙げられる。また、これらは１種を単独で、又は２種以上を混合して用いても良い。Ｓｎ単体が価格面で優れるが、例えばＳｎ−Ａｇ系合金、及びＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金は、Ｓｎ単体より融点が１０℃以上低いので、熱処理温度を低く設定することができる。

本実施の形態の金属フィラーのＣｕ合金粒子及びはんだ粒子の粒子サイズとしては、それぞれ、平均粒径で５〜３０μｍの範囲が好ましい。平均粒径が５μｍ以上であると、粒子の比表面積が小さくなるので、例えば後述するフラックスを用いてはんだペーストを形成した場合、粒子とフラックスとの接触面積が少ないのではんだペーストの寿命が長くなる。更に、平均粒径が５μｍ以上である場合、リフロー熱処理においては、フラックスによる還元反応（粒子酸化膜除去）で発生するアウトガスも少なくなるので、接続内部に発生するボイドを低減させることができる。また、平均粒径は、ペースト特性の観点から３０μｍ以下が好ましい。平均粒径が３０μｍ以下であることで、粒子間の隙間が適切となり、粘着力が損なわれにくくなり、はんだ接続される部品の搭載からリフロー熱処理が終わるまでの工程で、部品の外れを防止できる。
また、粒度分布は、ペースト用途に応じて定めることができる。例えば、スクリーン印刷用途では、版抜け性を重視して、粒度分布はブロードにするのが好ましく、ディスペンス用途及びビア充填用途では、吐出流動性及び穴埋め性を重視して、粒度分布はシャープにするのが好ましい。

本実施の形態の金属フィラーのＣｕ合金粒子とはんだ粒子との混合比は、耐熱性の観点から、Ｃｕ合金粒子１００質量部に対し、はんだ粒子が好ましくは５６７質量部以下であり、より好ましくは４００質量部以下であり、更に好ましくは３００質量部以下である。一方、本実施の形態の金属フィラーを含むはんだペースト又は導電性接着剤等による初期の接合状態が向上するという観点から、Ｃｕ合金粒子１００質量部に対し、はんだ粒子が好ましくは５４質量部以上であり、より好ましくは８２質量部以上である。

Ｃｕ合金粒子及びはんだ粒子の製造法としては、微粉末の製造方法として公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、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。ガス噴霧法では、通常、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガスを使用することができるが、より粒径が小さい微粒子を製造する場合には、ガス噴霧時の線速を高くし、冷却速度を速くするため、比重の軽いヘリウムガスを用いることが好ましい。冷却速度は、５００〜５０００℃／秒の範囲であることが好ましい。遠心噴霧法では、回転ディスク上面に均一な溶融膜を形成する観点から、ディスクの材質は、サイアロンであることが好ましく、ディスク回転速度は、６万〜１２万ｒｐｍの範囲であることが好ましい。

＜はんだペースト＞
本実施の形態は、上述した本実施の形態の金属フィラーを含むはんだペーストも提供する。当該はんだペーストは、鉛フリーとすることができる。本実施の形態において、鉛フリーとは、ＥＵの環境規制（ＲｏＨＳ）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。前記はんだペーストは、金属フィラー成分及びフラックス成分を含むことが好ましく、典型的には、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。

前記はんだペースト中の金属フィラー成分の含有量は、ペースト特性の観点から、はんだペーストの全質量（即ち、１００質量％）を基準として、８４〜９４質量％の範囲であることが好ましい。はんだペースト中の金属フィラー成分の含有量のより好ましい範囲はペーストの用途に応じて定めることができる。例えば、スクリーン印刷用途では、版抜け性が重視されるので、はんだペースト中の金属フィラー成分の含有量は、はんだペーストの全質量を基準として、好ましくは、８７〜９２質量％の範囲であり、より好ましくは、８８〜９１質量％の範囲である。また、ディスペンス用途では、吐出流動性が重視されるので、はんだペースト中の金属フィラー成分の含有量は、はんだペーストの全質量を基準として、好ましくは、８５〜８９質量％の範囲であり、より好ましくは、８６〜８８質量％の範囲である。

一般に、フラックスとは、はんだより速く溶融して、金属表面を洗浄する材料をいう。本実施の形態で使用されるフラックス成分は、ロジン、溶剤、活性剤及びチクソ剤を含むことが好ましい。そのようなフラックス成分は、金属フィラーの表面処理に好適である。即ち、フラックス成分は、リフロー熱処理時にはんだペースト中の金属フィラー成分の酸化膜を除去し、再酸化を抑制することで、金属の溶融及び熱拡散による合金化を促進する。フラックス成分としては、既知の材料を使用することができる。

＜導電性接着剤＞
本実施の形態は、上述した本実施の形態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、熱硬化性樹脂組成物に銀、銅、カーボンファイバー等の導電性の良い材料を加えて形成される接着剤をいう。本実施の形態の導電性接着剤は、本実施の形態の金属フィラー、及び熱硬化性樹脂を含む。本実施の形態の導電性接着剤は、フラックス成分を含んでもよいし、含まなくてもよい。本実施の形態の導電性接着剤は、任意に、本実施の形態の金属フィラー以外の金属フィラーとして、銀、銅、ニッケル等を更に含んでもよい。一態様において、導電性接着剤は、金属フィラー、熱硬化性樹脂、及び任意にフラックス成分から成ることができる。導電性接着剤中の金属フィラー成分の含有量は、４０〜９５質量％の範囲が好ましく、６０〜９４質量％の範囲がより好ましく、更に好ましくは８０〜９３質量％の範囲である。金属フィラーの含有率が９５質量％以下であると、ペーストの粘度が最適化され、スクリーン印刷等での印刷性が良好となる。金属フィラーの含有率が４０質量％以上であると、金属フィラーの沈降を抑制できる。

熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、アミノ樹脂、シリコン樹脂、ポリウレタン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等が挙げられ、中でも金属表面との親和性に優れること、硬化時の体積収縮が少ない観点からエポキシ樹脂が好ましい。

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ことができるので、本実施の形態の導電性接着剤は、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）に適している。

＜接続構造体＞
本実施の形態は、第１の電子部品、第２の電子部品、及び、該第１の電子部品と該第２の電子部品とを接合しているはんだ接合部を有する接続構造体であって、はんだ接合部が、本実施の形態のはんだペースト又は本実施の形態の導電性接着剤をリフロー熱処理することによって形成されたものである、接続構造体も提供する。

例えば、はんだペーストを用いて、電子デバイス等の搭載部品電極と基板電極とを接続する場合、鉛フリーはんだのリフロー熱処理条件において、前述のはんだ粒子の融点以上の熱履歴が与えられると、該はんだ粒子は溶融し、前述のＣｕ合金粒子を介して搭載部品電極と基板電極とを接合する。これにより金属間の熱拡散反応が加速的に進み、該はんだ粒子の融点よりも高融点の新たな安定合金相が形成され、該Ｃｕ合金粒子を介して搭載部品電極と基板電極とを接続する接続構造体を形成する。

この新たな安定合金相の融点は、鉛フリーはんだのリフロー熱処理温度より高く、後工程で複数回の熱処理を受けても溶融しない。従って、本実施の形態のはんだペーストによれば、はんだ再溶融によるショートを抑制することができる。

第１の電子部品及び第２の電子部品の組合せとしては、基板電極と搭載部品電極との組合せ等が挙げられる。本実施の形態の接続構造体を形成するための第１の電子部品と第２の電子部品との接合方法としては、基板電極にはんだペーストを塗布した後に搭載部品電極を載せてリフロー熱処理により接合する方法、搭載部品電極又は基板電極にはんだペーストを塗布し、リフロー熱処理によるバンプ形成後、搭載部品電極と基板電極とを重ね合せて再度リフロー熱処理で接合する方法等が挙げられる。上記の場合、電極間のはんだ接合により該電極間を接続できる。

リフロー時の熱処理ピーク温度は、好ましくは、２４０〜２６０℃の範囲であり、より好ましくは２５０〜２６０℃の範囲である。この熱処理時のピーク温度は、典型的には、はんだ粒子の融点以上に設定される。

特に、本実施の形態に係る鉛フリーはんだを用いて、電子デバイス等の搭載部品電極と基板電極とを接続する場合、はんだ粒子の融点以上の熱履歴が与えられるとはんだ粒子は溶融し、Ｃｕ合金粒子とはんだ粒子との間で熱拡散による合金化反応が進み、前述したような、はんだ粒子の融点よりも高い融点を有する安定合金相が形成される。

この新たな安定合金相の融点は、Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕから成る鉛フリーはんだの一般的なリフロー熱処理温度（例えば２６０℃程度）より高く、後工程で複数回の熱処理を受けてもはんだが溶融しない。従って、本実施の形態によれば、はんだの再溶融によって部品電極間で発生するショートを防止することできる。

一方、本実施の形態の導電性接着剤においては、本実施の形態の金属フィラーを用いることで得られるはんだ接合部の耐熱性、熱的疲労に対する接続信頼性に加え、熱硬化樹脂による接着補完で、より強固な接続を得ることができる。

＜部品搭載基板＞
本実施の形態は、基板と、該基板の上に搭載された本実施の形態の接続構造体とを有する部品搭載基板も提供する。上記の部品搭載基板は、好ましくは、電子部品が搭載されている基板であり、そして従来公知の各種の電子機器の製造に従来公知の各種の方法で使用することができる。

＜部品内蔵モジュール＞
本実施の形態は、基板と、該基板の上に搭載された本実施の形態の接続構造体とを有する部品内蔵モジュールも提供する。上記の部品内蔵モジュールは、好ましくは、樹脂封止されたモジュールであり、そして従来公知の各種の電子機器の製造に従来公知の様式で使用することができる。
尚、上述した各種パラメータについては特段の記載のない限り、後述する実施例における測定方法に準じて測定される。

次に実施例及び比較例を挙げて本実施の形態をより具体例に説明するが、本実施の形態はその要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。
各金属粒子及び金属フィラー、並びにはんだペーストの物性は、下記に示す方法で評価した。

（ａ）示差走査熱量測定（ＤＳＣ）
島津製作所株式会社製「ＤＳＣ−６０」を用い、窒素雰囲気下、昇温温度１０℃／分の条件で、温度範囲３０〜６００℃の範囲で行った。発熱量又は吸熱量が±１．５Ｊ／ｇ以上あるものを測定対象物由来のピークとして定量し、それ未満のピークは分析精度の観点から除外した。

（ｂ）平均粒径
Ｓｙｍｐａｔｅｃ社（ドイツ）製レーザー回折式粒子径分布測定装置「ＨＥＬＯＳ＆ＲＯＤＯＳ」により体積積算平均値を測定し、平均粒径値とした。

（ｃ）粒度分布
Ｓｙｍｐａｔｅｃ社（ドイツ）製レーザー回折式粒子径分布測定装置「ＨＥＬＯＳ＆ＲＯＤＯＳ」を用いて測定した。測定レンジは、累積分布を０．９μｍから１７５μｍの範囲で測定できる［Ｒ３：０．５／０．９．．．１７５μｍ］を選択し、トリガー条件を乾式標準に設定した後、分散器をＲＯＤＯＳに設定し、分散圧力を３．０ｂａｒとした。また、計算モードをＬＤとし、形状係数を１．０とした。ＨＥＬＯＳ検出器のエレメントが１０％以上であることを確認し、測定濃度５〜１０％になるようにして行った。

［実施例１］
（１）Ｃｕ合金粒子の製造
Ｃｕ６．５ｋｇ（純度９９．９質量％以上）、Ｓｎ１．５ｋｇ（純度９９．９質量％以上）、Ａｇ１．０ｋｇ（純度９９．９質量％以上）、Ｂｉ０．５ｋｇ（純度９９．９質量％以上）、Ｉｎ０．５ｋｇ（純度９９．９量％以上）、及びＦｅ０．００１ｋｇ（純度９９．９質量％以上）をアルミナ坩堝に入れ、真空下において高周波誘導加熱装置により加熱、融解した後、窒素ガスアトマイズにより、Ｃｕ合金粒子を作製した。

このＣｕ合金粒子を日清エンジニアリング株式会社製気流式分級機「ＴＣ−１５Ｎ」を用いて、５μｍ設定で分級し、大粒子側を回収後、再度３０μｍ設定で分級し、小粒子側を回収した。回収したＣｕ合金粒子の平均粒径を測定したところ、１１．２μｍであった。

次にＣｕ合金粒子の示差走査熱量測定をしたところ、４９７℃、５１７℃で吸熱ピークが検出され、複数の融点（即ち４９３℃及び５１２℃、何れも融解開始温度：固相線温度）から、複数の合金相の存在を確認することができた。また、２５１℃、２６９℃では発熱ピークが検出され、準安定合金相の存在を確認することができた。

（２）はんだ粒子
はんだ粒子として山石金属株式会社製Ｓｎ粒子「Ｙ−Ｓｎ１００−Ｑ２５１０」を用いた。このＳｎ粒子の平均粒径を測定したところ、２０．４μｍであった。
次にＳｎ粒子の示差走査熱量測定をしたところ、２４２℃で吸熱ピークが検出され、融点２３２℃（融解開始温度：固相線温度）を有することが確認できた。尚、特徴的な発熱ピークは検出されなかった。

（３）はんだペーストの製造
前記のＣｕ合金粒子とはんだ粒子とを質量比１００：１８６で混合し、金属フィラーとした。
次に金属フィラー８９．５質量％とロジン系フラックス１０．５質量％とを混合し、株式会社マルコム製ソルダーソフナー「ＳＰＳ−１」、松尾産業株式会社製脱泡混練機「ＳＮＢ−３５０」に順次かけてはんだペーストを作製した。

（４）１００５Ｒ部品接合強度の測定
次に高耐熱エポキシ樹脂ガラス布からなるプリント基板のＣｕ電極上に前記のはんだペーストを印刷塗布し、１００５サイズの０Ω抵抗部品（以下、１００５Ｒと表記）を搭載後、窒素雰囲気にて、ピーク温度２５０℃でリフロー熱処理してサンプルを作製した。印刷パターン形成は、マイクロテック（株）製スクリーン印刷機（ＭＴ−３２０ＴＶ）を使用した。印刷マスクはメタル製で、スキージはウレタン製を用いた。マスク開口サイズは、１００５Ｒ電極部分に合わせて４００μｍ×５００μｍと設定し、マスク厚みは、０．０８ｍｍとした。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、印刷回数１回とした。

次に前記のように作製したサンプルの剪断方向の部品接合強度をプッシュ・プルゲージにより、押し速度１０ｍｍ／分で測定したところ、３０点の平均値は８．５Ｎであった。１００５Ｒ部品の接合強度は、５Ｎ以上あれば十分に実用レベルである。

（５）熱疲労特性の確認
次に熱疲労特性を熱衝撃試験により評価した。
前記のように作製したサンプル（すなわち１００５Ｒ部品実装サンプル）をエスペック社製「ＨＣ−１２０」に投入し、−４０℃、１２５℃各３０分を１サイクルと設定し、３０００サイクル終了後に取出して、上記（４）と同様に部品接合強度を測定したところ、３０点の平均値は６．９Ｎであり、接合強度の減少率は１８．８％であった。

（６）２６０℃強度（耐熱性）の確認
前記のはんだペーストをサイズ２５ｍｍ×２５ｍｍ、厚み０．２５ｍｍのＣｕ基板上に印刷塗布し、サイズ２ｍｍ×２ｍｍ、厚み０．５ｍｍのＣｕチップを搭載後、窒素雰囲気にて、ピーク温度２５０℃でリフロー熱処理してサンプルを作製した。

熱処理装置は、株式会社マルコム製リフローシミュレータ「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１４０℃までを１．５℃／秒で昇温し、１４０℃から１７０℃までを１１０秒かけて徐々に昇温後、１７０℃から２５０℃までを２．０℃／秒で昇温し、ピーク温度２５０℃で１５秒間保持する条件を採用した。

印刷パターン形成は、マイクロテック株式会社製スクリーン印刷機「ＭＴ−３２０ＴＶ」を用いた。印刷マスクはメタル製で、スキージはウレタン製を用いた。印刷マスク開口サイズは２ｍｍ×３．５ｍｍとし、厚みは０．１ｍｍとした。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。

次に常温（２５℃）で、前記のように作製したサンプルをホットプレート上で２６０℃に加熱し、１分間保持した後、剪断方向のチップ接合強度をプッシュ・プルゲージにより、押し速度１０ｍｍ／分で測定し、単位面積換算した。３０個の平均値は１．７ＭＰａであり、２６０℃でも接合強度を保持できる耐熱性を確認した。

［実施例２〜３、比較例１、２］
実施例１記載のＣｕ合金粒子の組成を変えた混合体を金属フィラーとして、実施例１と同様にペースト化、及びサンプル作製を行い、各評価を実施した。結果を表１に実施例２〜３、並びに比較例１及び２として示す。

尚、比較例１におけるＣｕ合金粒子のＦｅ含有率（５ｐｐｍ）は、窒素ガスアトマイズにおいて原料金属として配合したものではなく、Ｓｎ及びＢｉ原料由来の不純物である。尚、金属組成は、ＩＣＰ発光分析法により測定した。

表１から判るように、Ｆｅを本発明所定の量含有する場合（実施例１〜３）では、熱衝撃試験における接合強度低下（すなわち表中の減少率）が、比較例１に比べ約２５〜３０％改善されている。また、２６０℃に加熱した状態において、０．２ＭＰａ以上の接合強度があり、接続状態を保持する十分な耐熱性が確認された。

［実施例４］
実施例２におけるはんだ粒子の代わりに山石金属株式会社製Ｓｎ−３．５Ａｇ粒子「Ｙ−ＳｎＡｇ３．５−Ｑ２５１０」を用いた。この粒子の平均粒径を測定したところ、２０．１μｍであった。次にこの粒子の示差走査熱量測定をしたところ、融点２２１℃（融解開始温度：固相線温度）を有することが確認できた。尚、特徴的な発熱ピークは検出されなかった。この粒子を用いて実施例１と同様にペースト化及びサンプル作製を行い、各評価を実施した。結果を表２に示す。

［実施例５］
実施例２におけるはんだ粒子の代わりに山石金属株式会社製Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ粒子「Ｙ−ＳｎＡｇ３Ｃｕ０．５−Ｑ２５１０」を用いた。この粒子の平均粒径を測定したところ、２０．２μｍであった。次にこの粒子の示差走査熱量測定をしたところ、融点２１７℃（融解開始温度：固相線温度）を有することが確認できた。尚、特徴的な発熱ピークは検出されなかった。この粒子を用いて実施例１と同様にペースト化及びサンプル作製を行い、各評価を実施した。結果を表２に示す。

表２から判るように、本実施の形態において、はんだ粒子を変えた場合でも、同様の効果が奏されることが確認された。

［実施例６〜１０、比較例３］
実施例２におけるＣｕ合金粒子とはんだ粒子との混合比を変えた混合体を金属フィラーとして、実施例１と同様にペースト化及びサンプル作製を行い、各評価を実施した。結果を表３に実施例６〜１０、及び比較例３として示す。

表１〜３から判るように、２６０℃に加熱した状態において、比較例３では、はんだ接合部が溶融して強度が得られないのに対し、実施例１〜１０では、０．２ＭＰａ以上の接合強度があり、接続状態を保持する十分な耐熱性が確認された。

［実施例１１］
Ｃｕ９．９９ｋｇ（純度９９．９質量％以上）、及びＦｅ０．０１ｋｇ（純度９９．９質量％以上）をアルミナ坩堝に入れ、真空下において高周波誘導加熱装置により加熱、融解した後、窒素ガスアトマイズにより、Ｃｕ合金粒子を作製した。

このＣｕ合金粒子を日清エンジニアリング株式会社製気流式分級機「ＴＣ−１５Ｎ」を用いて、２０μｍ設定で分級し、大粒子側を回収後、再度３０μｍ設定で分級し、小粒子側を回収した。回収したＣｕ合金粒子の平均粒径を測定したところ、１５．４μｍであった。なお、この粒子はほぼＣｕ１００質量％であるため、示差走査熱量測定の温度範囲（３０〜６００℃）では吸熱ピーク及び発熱ピークを有さない。

このＣｕ合金粒子を実施例１におけるＣｕ合金粒子の代りに用いて、実施例１と同様にペースト化及びサンプル作製を行い、各評価を実施した。結果を表４に示す。

［実施例１２〜１７］
実施例１１におけるＣｕ合金粒子の組成を変えた混合体を金属フィラーとして用い、実施例１１と同様にペースト化及びサンプル作製を行い、各評価を実施した。結果を表４に示す。
表４から判るように、本実施の形態において、Ｃｕ合金粒子として、異なる種類のＣｕ主成分の合金粒子を用いた場合でも、Ｎｉを含有した場合でも同様の効果が奏されることが確認された。

本発明は、電子部品、電子デバイス等のはんだ接合に使用される金属フィラー及びそれを含むはんだペースト又は導電性接着剤を提供する。本発明は、後工程で複数回の熱処理を受ける用途（例えば、部品内蔵モジュール等の電子デバイスに用いられる接続材料）に好適に適用される。

Claims (10)

1. Ｃｕ合金粒子とはんだ粒子との混合体からなる金属フィラーであって、前記Ｃｕ合金粒子が、Ｎｉ、Ｆｅ及びＣｏからなる群より選ばれる１種以上の元素を０．０１〜１質量％含有することを特徴とする金属フィラー。
2. 前記混合体が、Ｃｕ合金粒子１００質量部に対して、はんだ粒子を５４〜５６７質量部含む、請求項１に記載の金属フィラー。
3. 前記Ｃｕ合金粒子が、Ｓｎ、Ａｇ、Ｂｉ、Ｉｎ及びＧｅからなる群より選ばれる１種以上の元素１〜５０質量％、Ｎｉ、Ｆｅ及びＣｏからなる群より選ばれる１種以上の元素０．０１〜１質量％、並びに残部ＣｕからなるＣｕ合金粒子である、請求項１又は２に記載の金属フィラー。
4. 前記Ｃｕ合金粒子が、Ｓｎ１３．５〜１６．５質量％、Ａｇ０．１〜１０質量％、Ｂｉ４．５〜５．５質量％、Ｉｎ０．１〜５質量％、Ｆｅ０．０１〜１質量％、及び残部ＣｕからなるＣｕ合金粒子、又はＳｎ１３．５〜１６．５質量％、Ａｇ９〜１１質量％、Ｂｉ４．５〜５．５質量％、Ｇｅ０．１〜５質量％、Ｆｅ０．０１〜１質量％、及び残部ＣｕからなるＣｕ合金粒子、又はＳｎ１〜２５質量％、Ｆｅ０．０１〜１質量％、及び残部ＣｕからなるＣｕ合金粒子である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属フィラー。
5. 前記はんだ粒子が、Ｓｎ粒子、又はＳｎ９０質量％以上を含有するＳｎ合金粒子である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の金属フィラー。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の金属フィラーを含む、はんだペースト。
7. 請求項１〜５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。
8. 第１の電子部品、第２の電子部品、及び、前記第１の電子部品と前記第２の電子部品とを接合しているはんだ接合部を有する接続構造体であって、前記はんだ接合部が、請求項６に記載のはんだペースト又は請求項７に記載の導電性接着剤をリフロー熱処理することによって形成されたものである、接続構造体。
9. 基板と、前記基板の上に搭載された請求項８に記載の接続構造体とを有する、部品搭載基板。
10. 基板と、前記基板の上に搭載された請求項８に記載の接続構造体とを有する、部品内蔵モジュール。