JP2017115207A - 半田接続構造、および成膜方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半田接続構造(50)は、アルミニウム基板(30)と、アルミニウム基板上にコールドスプレー法により成膜されたNi膜(35)と、Ni粉末(41)と、Sn粉末(42)とが混合された混合粉末材料を用いて、Ni膜上にコールドスプレー法により成膜された混合金属膜(40)と、を備える。
【選択図】図3
Description
近年、コールドスプレー法と呼ばれる皮膜形成法が利用されている。コールドスプレー法は、金属皮膜の材料となる金属粉末の融点または軟化温度よりも低い温度のキャリアガスを高速流にし、そのキャリアガス流中に金属粉末を投入し加速させ、固相状態のまま基板等に高速で衝突させて皮膜を形成する方法である。
以下、図1を参照して本実施の形態に係るコールドスプレー装置100を説明する。
図1は、コールドスプレー装置100の概略図である。図1に示すように、コールドスプレー装置100は、タンク110と、ヒーター120と、ノズル130と、フィーダ140と、基材ホルダー150と、制御装置(不図示)とを備える。
次に、コールドスプレー法を用いて、アルミニウム基板30上にNi膜35を成膜し、さらに、Ni膜35上に混合金属膜40を成膜する方法等を図2、3により説明する。図2は、本実施の形態に係る成膜方法のフローチャートを示す。図3は、本実施の形態に係る半田接続構造50の概略図を示す。
以下、本実施の形態に係る実施例1を説明する。実施例1では、図3の半田接続構造は以下の条件により形成される。
次に、実施例1と比較するための、比較例1の半田接続構造について説明する。比較例1の半田接続構造は、アルミニウム基板と、コールドスプレー装置100を用いてアルミニウム基板上に成膜されたNi膜とを備える。Ni膜は、Ni粒子の集まりであって、Niの粒子間に隙間が形成される。そのため、Ni膜は、その表面に多くの凹凸を有する。
次に、実施例1の半田接続構造50、および比較例1の半田接続構造に対して行った濡れ性評価試験を説明する。
比較例1として上記の半田接続構造を採用した理由は次のとおりである。
上記のSn浴による濡れ性評価試験は、溶融半田と電子部品の濡れ性を評価するソルダーチェッカを用いた「JIS C60068-2-54・JIS Z3198-4」に準拠したものではない。これは、外観観察による半田濡れ性の評価も信頼性が高いことに依る。
次に、混合金属膜40の成膜時におけるNi粉末41とSn粉末42との混合比率が半田濡れ性に与える影響を説明する。
(ケース1)Ni:Sn=95:5
(ケース2)Ni:Sn=90:10
(ケース3)Ni:Sn=80:20
(ケース4)Ni:Sn=60:40
(ケース5)Ni:Sn=98:2
5つのケースに変更した場合のそれぞれの半田濡れ性を評価した結果、ケース1(重量比 Ni:Sn=95:5)、ケース2(重量比 Ni:Sn=90:10)、及びケース3(重量比 Ni:Sn=80:20)では、半田濡れ性は良好であることが確認された。しかしながら、ケース4(重量比 Ni:Sn=60:40)、さらには、ケース5(重量比 Ni:Sn=98:2)においては、半田濡れ性は低かった。この結果より、Ni粉末とSn粉末との混合比率が所定の範囲内であると、半田濡れ性が高くなることが見出された。その理由を以下に説明する。
上述したとおり、本実施の形態に係る半田接続構造50は半田濡れ性が高くなる。ただし、たとえ半田接続構造50の半田濡れ性が高くとも、半田接続構造50を用いたときの半田付けされる対象となる対象基材と半田接続構造50との間の引っ張り強度が低ければ、半田接続構造50は実用に適さないとも言える。そこで、以下では、半田接続構造50の引っ張り強度を検証する。
実施例1と比較するための、比較例2の半田接続構造について説明する。比較例2の半田接続構造は、アルミニウム基板と、混合金属膜とを備える。混合金属膜は、Ni粉末とSn粉末との混合粉末材料を用いて形成された混合膜であり、コールドスプレーを用いてアルミニウム基板上に直接成膜されている。
図6は、比較例2の半田接続構造に対し230℃で10秒間半田付けした場合における当該半田接続構造の断面を1000倍の倍率で撮影したSEM写真である。半田付けに用いた半田材料は、Sn−Ag−Cu系(鉛フリー半田)である。
次に、比較例2の半田接続構造(混合金属膜のみ)に対し270℃で10秒間半田付けを行った場合について図7を参照して説明する。図7は、比較例2の半田接続構造に対し270℃で10秒間半田付けした場合における当該半田接続構造の断面を1000倍の倍率で撮影したSEM写真である。
比較例2の半田接続構造(混合金属膜のみ)に対し、270℃で5秒間半田付けという条件で、当該半田接続構造に半田付けされたCu材とアルミニウム基板との間の引っ張り強度を「JIS Z3198-5 半田継手の引張りおよびせん断試験方法」に基づいて測定した。5回測定したところ、7.79N、21.74N、21.91N、28.18N、11.69Nであった。平均値は、18.3Nであった。
次に、実施例1の半田接続構造50に係る引っ張り強度を、図8、及び図9を参照して説明する。図8は、実施例1の半田接続構造50(Ni膜35+混合金属膜40)の断面を1000倍の倍率で撮影したSEM写真である。
図9は、半田接続構造50(Ni膜35+混合金属膜40)に対し270℃で15秒間半田付けした場合における当該半田接続構造の断面を、1000倍の倍率で撮影したSEM写真である。半田接続構造50は、半田材65を介して、Cu材70に接続されている。
以上のように、比較例2の半田接続構造(混合金属膜のみ)では、半田接続構造に半田付けされたCu材とアルミニウム基板との間の引っ張り強度は低くなる。一方、本実施の形態に係る半田接続構造50(Ni膜35+混合金属膜40)は、半田濡れ性が高く、さらに、半田接続構造に半田付けされたCu材とアルミニウム基板との間の引っ張り強度も高くなり、より実用に適した半田接続構造であると言える。
次に、半田接続構造50とCu材70とを半田付けした後の構造を図10により説明する。図10は、半田接続構造50とCu材70とを半田付けした後の構造の概略図である。
本実施の形態に係る半田接続構造50(Ni膜35+混合金属膜40)における、混合金属膜40の膜厚と引っ張り強度との関係を図12〜図14により説明する。以下では、Ni膜35の厚さと混合金属膜40の厚さとの和を「総膜厚」と称する。また、Ni膜35は、いずれも約10μmで成膜されている。また、図12〜図14に示すSEM写真は、その順に、500倍、1000倍、3000倍の倍率で撮影されたSEM写真である(見易さを考慮して、倍率を変化させた写真を複数準備したものである)。
・総膜厚15μm:図12の(b)、図13の(b)、図14の(b)
・総膜厚20μm:図12の(c)、図13の(c)、図14の(c)
・総膜厚40μm:図12の(d)、図13の(d)、図14の(d)
・総膜厚80μm:図12の(e)、図13の(e)、図14の(e)
それぞれの半田接続構造に対して270℃で15秒間半田付けを行い、半田接続構造に半田付けされたCu材とアルミニウム基板との間の引っ張り強度を5回測定した平均値は以下のとおりである。
・総膜厚15μm:81.68N
・総膜厚20μm:73.44N
・総膜厚40μm:29.90N
・総膜厚80μm:32.66N
この結果によると、総膜厚が20μm以下である場合には、半田接続構造50(Ni膜35+混合金属膜40)の引っ張り強度は、比較例1の半田接続構造(Ni膜のみ、総膜厚10μm)の引っ張り強度より高くなる。
本実施の形態に係る半田接続構造において、第一粉末材料は、Ni粉末ではなく、金(Au)、亜鉛(Zn)、銀(Ag)、銅(Cu)のいずれか、又は、Ni、Au、Zn、Ag、Cuのうち2種以上を含む合金を粉末材料とすることもできる。また、本実施の形態に係る半田接続構造において、第二粉末材料は、Sn粉末ではなく、Snを含む合金を成分とする粉末材料を用いてもよい。
上述したように、コールドスプレー法では、固相状態のまま基板等に高速で金属粉末を衝突させて皮膜を形成するため、金属膜中に金属粒子が残ることが多い。したがって、当該金属粒子が上記金属膜中に存在するのであれば、当該金属膜はコールドスプレー法により成膜された、と判断することができる。一方、フレーム溶射、アーク溶射、あるいはプラズマ溶射等では、金属粉末を溶かして基板に吹き付けるため、金属膜中に金属粒子が残ることは殆どない。
コールドスプレー法によって成膜された金属膜をその構造又は特性により直接特定することは、不可能または非実際的である。
30 アルミニウム基板(アルミニウム基材)
35 Ni膜
40 混合金属膜
41 Ni粉末(第一粉末材料)
42 Sn粉末(第二粉末材料)
50 半田接続構造
65 半田材
70 Cu材
Claims (4)
- 半田材料を介して他の部材と接続する半田接続構造であって、
アルミニウム基材と、
上記アルミニウム基材上にコールドスプレー法により成膜されたニッケル(Ni)膜と、
ニッケル(Ni)、金(Au)、亜鉛(Zn)、銀(Ag)、銅(Cu)のいずれか、又はこれらの2種以上を含む合金を成分とする第一粉末材料と、錫(Sn)又はSnを含む合金を成分とする第二粉末材料とが混合された混合粉末材料を用いて、上記ニッケル(Ni)膜上にコールドスプレー法により成膜された混合金属膜と、を備えることを特徴とする半田接続構造。 - 上記ニッケル(Ni)膜および上記混合金属膜は、総膜厚が、10μmよりも大きく30μm以下であることを特徴とする請求項1に記載の半田接続構造。
- 上記混合粉末材料は、重量比で、上記第一粉末材料を80%以上95%以下含むことを特徴とする請求項1または2に記載の半田接続構造。
- アルミニウム基材上に金属膜を成膜する成膜方法であって、
上記アルミニウム基材上にコールドスプレー法によりニッケル(Ni)膜を成膜する第一成膜工程と、
ニッケル(Ni)、金(Au)、亜鉛(Zn)、銀(Ag)、銅(Cu)のいずれか、又はこれらの2種以上を含む合金を成分とする第一粉末材料と、錫(Sn)又はSnを含む合金を成分とする第二粉末材料とが混合された混合粉末材料を用いて、上記ニッケル(Ni)膜上にコールドスプレー法により混合金属膜を成膜する第二成膜工程と、を含むことを特徴とする成膜方法。
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