JP2017213581A - はんだ材料 - Google Patents

Abstract

【課題】 はんだ付け後のはんだ内部に、はんだ金属以外の材料が残存することなく、高信頼性のはんだ付けを可能とするはんだ材料を提供する。【解決手段】 はんだペーストの重量に対して、０．５〜１．５重量％のコイル状カーボン１１を混合するはんだ材料を用いて、電磁波によってコイル状カーボンを発熱させることで、はんだ材料自体を加熱してはんだ付けを行う。【選択図】図１

Description

本発明は、電子部品と半導体装置と金属接合材料とをはんだ付けする場合のはんだ材料に関するものである。

近年、パワーデバイスの進化に伴い、大電流又は高温動作に対応したパワーモジュールが必要とされている。大電流に対応した厚銅基板、又は高放熱を目的とした高熱容量基板には、金属板を主材としたメタルベース基板又はバスバー基板が用いられる。

従来、前記メタルベース基板又はバスバー基板と、電子部品のリードとのはんだ付けには、はんだゴテ又はディップ槽によるフローはんだ付けが用いられているが、メタルベース基板又はバスバー基板は熱容量が大きく、はんだ付けのために与えた熱が、直ちに基板に拡散してしまうため、熱の拡散を考慮したはんだ付け方法が必要となる。

はんだゴテによるはんだ付けの場合には、はんだ融点以上に十分加熱したはんだゴテをメタルベース基板又はバスバー基板と電子部品のリードとに接触させて加熱し、糸はんだを溶融させてはんだ付けを行う。しかし、はんだゴテによるはんだ付けの場合には、はんだゴテをはんだ溶融温度よりも十分に加熱する必要があり、加熱されたはんだゴテがメタルベース基板又はバスバー基板のレジストなど基板部分に接触すると、基板が焼け、外観不良となってしまう。

また、フローはんだ付けの場合には、ディップ槽の溶融はんだがバスバーと電子部品のリードとの接続部分に行き渡るにように基板に丸穴を設け、フローはんだ付けを行っている。しかしながら、例えば電解コンデンサのような弱耐熱部品を実装する場合において、バスバーに熱が伝わる際に弱耐熱部品にも熱が伝わることで、弱耐熱部品の破壊又は短寿命化につながる場合がある。さらに、３次元に配線形成された立体構造のバスバー基板に対しては、同一基板内ではんだ付け高さが異なるため、ディップ槽によるフローはんだ付けができない。

図８に特許文献１による金属接合材料の模式図を示す。特許文献１においては、金属部品とセラミック部材とを接合する場合、又は基板と電子部品とを接合する場合に、高周波誘導加熱による接合が提案されている。図８の金属接合材料８１は、接合金属８３と位置決め金属８２とで構成されており、位置決め金属８２は、はんだ付け温度で溶融不能かつ誘導加熱可能な金属を含んでいる。高周波誘導加熱では、発生させた電磁波が、位置決め金属８２内を貫通した際に、誘導電流が位置決め金属８２に発生する。誘導電流によってジュール熱が発生し、位置決め金属８２が加熱されることで、接合金属８３が加熱及び溶融して、はんだ付けが行われる。これにより、高温のはんだゴテを接触させる必要がなく、基板焼けによる外観不良を発生させることがない。また、弱耐熱部品に対するはんだ付けにおいても、誘導加熱による短時間のはんだ付けプロセスが可能となるため、ディップ槽によるフローはんだ付けのように、バスバー基板又はリードを長時間高温に浸けたことによる部品の破壊又は短寿命化を発生させずに、はんだ付けが可能となる。

特開２００８−１１２９５５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、位置決め金属８２は、はんだ付け温度で溶融不能な金属であるため、溶融後のはんだ内部に残存する。一般的に、接合金属８３で使用するはんだ材料と、位置決め金属８２との線膨張率に差が存在する。例えば、はんだ材料の主成分として一般的に用いられるＳｎの線膨張率は約２３ｐｐｍ／℃であるが、位置決め金属８２に使用される強磁性材であるＮｉの線膨張率は約１３ｐｐｍ／℃、Ｆｅの線膨張率は約１４ｐｐｍ／℃、Ｃｏの線膨張率は約１３ｐｐｍ／℃である。強磁性材であるＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏがはんだ材料中に残存した場合、使用環境における低温と高温との繰り返しによって、位置決め金属８２と接合金属８３との線膨張率の差により金属接合材料８１の内部に応力が発生し、結果的に、はんだ付け部分にクラックが発生するなど、信頼性に課題を有する。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、はんだ材料に電磁波を照射することで、電子部品と半導体装置と金属接合材料とをはんだ付けする場合に、はんだ付け後のはんだ内部に、はんだ金属以外の材料が残存することなく、高信頼性のはんだ付けを可能とするはんだ材料を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の１つの態様にかかるはんだ材料は、はんだペーストの重量に対して、０．５〜１．５重量％のコイル状カーボンを混合する。

以上のように、本発明の前記態様にかかるはんだ材料によれば、はんだ材料に電磁波を照射することで、電子部品と半導体装置と金属接合材料とをはんだ付けする場合に、はんだ付け後のはんだ内部にはんだ金属以外の材料が残存することなく、高信頼性のはんだ付けを可能とする。

本発明の実施の形態におけるはんだ材料の概略図 本発明の実施の形態における電磁波照射状態の概略図 本発明の実施の形態におけるコイル状カーボンの概略図 本発明の実施の形態におけるコイルのピッチと加熱効率の関係を示す図 本発明の実施の形態における電磁波加熱装置によるはんだ付けの概略図 本発明の実施の形態における電磁波加熱によるはんだ材料の温度測定値を示す図 本発明の実施の形態におけるコイル状カーボンの割合による溶融実験結果を示す図 特許文献１による金属接合材料の模式図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態におけるはんだ材料１０の概略図である。

図１において、はんだ材料１０は、コイル状カーボン１１と、金属粒子１２と、フラックス１３とで構成される。従来のはんだペーストが、金属粒子１２とフラックス１３とで構成されているのに対し、本実施の形態のはんだ材料１０は、コイル状カーボン１１を混合させ、ペースト化している。コイル状カーボン１１のサイズについては後述する。

次に、図２は本発明の実施の形態におけるはんだ材料１０への電磁波照射状態の概略図である。

図２を用いて、電磁波照射によるはんだ材料１０の加熱原理及びはんだ付けプロセスを説明する。図２において、電磁波２１がはんだ材料１０に照射された場合、照射された電磁波２１の一部が、コイル状カーボン１１内を貫通する。電磁波２１が貫通したコイル状カーボン１１には、誘導加熱の原理により誘導電流２２が発生し、誘導電流２２によるジュール熱によってコイル状カーボン１１が発熱する。コイル状カーボン１１に発生した熱は、はんだ材料１０内の金属粒子１２に伝わり、金属粒子１２の融点以上となった時に、金属粒子１２が溶融する。この際に溶融した金属粒子１２が、はんだ付けを行う基板電極と電子部品端子とに濡れるとともに、表面張力により凝集し始める。この際に、比重の小さいコイル状カーボン１１は、溶融している金属粒子１２から排出され、はんだ材料１０の表面に浮き上がり、内部には残存しない。その後、電磁波２１が停止されると、コイル状カーボン１１に発生する誘導電流２２が消滅し、はんだ材料１０は冷却され始め、金属粒子１２は凝固点を超えて冷却され、はんだ付けが完了する。

これにより、凝固後のはんだ材料１０内には、コイル状カーボン１１が残存せず、高信頼性のはんだ付けを実現できる。

なお、はんだ材料１０に対する電磁波照射は、コイル状カーボン１１が一方向ではなく複数の方向に向いていることから、はんだ材料１０に対して複数の方向から電磁波照射すれば、コイル状カーボン１１をより効率良く発熱させることができる。そのためには、例えば、電磁波照射源を複数個配置するか、又は、１個の電磁波照射源からの電磁波照射を散乱又は反射させることにより、はんだ材料１０に対して複数の方向から電磁波照射できるようにすればよい。

以上のような、はんだ付け方法を実現するために、はんだペーストにコイル状カーボン１１を混合しているが、その理由について、以下に記す。カーボン１１の形状がコイル形状である理由については、前記加熱原理に記述したとおり、誘導加熱の原理により、はんだ材料１０を発熱させるためである。照射された電磁波２１により誘導電流２２をカーボン１１に発生させるため、カーボン１１はコイル形状である必要がある。また、材料がカーボンである理由の一つは、電気抵抗率である。特許文献１の位置決め金属８２に使用される強磁性材であるＮｉの電気抵抗率は約７．０×１０^−８Ωｍであることに対して、カーボンの電気抵抗率は約１．６×１０^−５Ωｍであり、Ｎｉに対して約２００倍である。前記加熱原理に記載したとおり、電磁波２１がコイル状カーボン１１を貫通したときに発生するジュール熱によって発熱するため、加熱体の電気抵抗率は大きい方が望ましい。また、材料がカーボンであるもう一つの理由は、密度である。はんだ材料の主成分であるＳｎの密度が約９．０ｇ／ｃｍ^３であるのに対して、カーボンの密度は約１．５ｇ／ｃｍ^３であり、Ｓｎに対して約６倍である。この密度の差が、前記はんだ付けプロセスにおいて、金属粒子１２が溶融した際に、溶融している金属粒子１２からコイル状カーボン１１が排出されることを可能としている。

図３は、本発明の実施の形態におけるコイル状カーボン１１の概略図である。

図３において、コイル状カーボン１１は、内径３１、素線径３２、ピッチ３３、及び巻き数３４によって形状が決定される。

図２を用いて説明した加熱原理から、コイル状カーボン１１の形状については、巻き数３４は、コイル形状となるために、２巻以上である必要がある。また、コイル状カーボン１１の内部に金属粒子１２が入り込んだ場合に、コイル状カーボン１１内を貫通する電磁波２１が金属粒子１２によって反射するため、誘導電流２２が発生せず、結果として発熱しない。このため、コイル状カーボン１１の内径３１が、金属及び合金粉であって粒度分布を持つ金属粒子１２の１０％粒子径以下であれば、コイル状カーボン１１内に金属粒子１２が入る確率は低く、加熱効率を著しく低下させることはない。

また、コイル状カーボン１１のピッチ３３については、電磁界と熱との連成解析によって到達温度指数との関係を求めた。図４は、本発明の実施の形態におけるコイル状カーボン１１のピッチ３３と加熱効率との関係を示す図である。コイル状カーボン１１のピッチ３３は、最小ピッチ１．１ｄから大きくなるにつれて加熱効率が上がり、１．２ｄ付近で最大となる変曲点に到達する。さらにピッチ３３が大きくなった場合には、加熱効率が下がり、１．８２ｄ付近で１．１ｄと同等の加熱効率となる。この結果から、コイル状カーボン１１のピッチ３３としては、ピッチ３３をＰ、素線径３２をｄとすると、１．１ｄ≦Ｐ≦１．８２ｄが望ましい。

図５は、本発明の実施の形態における電磁波加熱装置によるはんだ付けの概略図である。

図５において、電磁波加熱装置５０は、電磁波発生手段５５と、出力電力検出装置５６と、制御手段５７と、温度検出装置５８と、シールド手段５９とを備えている。はんだ付けを行う際に、高熱容量基板５４と電子部品５２のリード５３との接合部に、はんだ材料１０をディスペンス又は印刷により供給し、電磁波加熱装置５０のシールド手段５９内に設置する。

その後、電磁波発生手段５５から所定の電磁波をシールド手段５９内に発生させ、はんだ材料１０を加熱する。電磁波加熱装置５０には、温度検出装置５８を備えており、はんだ材料１０の温度を測定し、制御手段５７及び出力電力検出装置５６によって電磁波発生手段５５の出力を制御することで、任意の温度で電磁波の出力を制御しながら、はんだ材料１０を加熱し、電子部品５２のリード５３と高熱容量基板５４とのはんだ付けを行う。

図６は、本発明の実施の形態における電磁波加熱によるはんだ材料の温度測定値を示す図である。図６において、横軸は加熱時間を示し、縦軸ははんだ材料の温度を示している。温度測定値６１は、本発明の実施の形態におけるはんだ材料の温度測定値を示し、温度測定値６２は、従来のはんだ材料の温度測定値を示している。本実施の形態においては、はんだ材料１０の金属粒子１２の組成としてはＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎを用いて実験を行っている。金属粒子１２の粒径はφ３０μｍを平均粒径とするものを使用し、電磁波の照射条件は、出力が８００Ｗで２０秒間とした。温度測定値６２の従来のはんだ材料は、電磁波を照射しても、発熱体であるコイル状カーボン１１が存在しないために、温度上昇は小さく、はんだ融点６３には到達しない。この場合、電磁波２１の一部は金属粒子１２の表面で反射し、加熱には寄与しない。電磁波２１の一部がフラックス１３に到達した場合に、電磁誘導の作用によりわずかに加熱されるが、はんだ融点６３には到達しない。一方で、本発明の実施の形態にかかるはんだ材料１０の温度測定値６１では、電磁波照射により加熱され、はんだ融点６３を超えている。このとき、照射された電磁波２１の一部は、従来のはんだ材料と同様に、金属粒子１２の表面で反射し、加熱には寄与せず、また、フラックス１３に到達した電磁波２１は、電磁誘導の作用によりわずかに加熱される。電磁波２１の一部がコイル状カーボン１１の内部を貫通した際に、コイル状カーボンに誘導電流２２が発生し、そのときのジュール熱により、コイル状カーボン１１が発熱し、その熱が金属粒子１２に伝わることで、温度測定値６１がはんだ融点６３を超え、はんだ材料１０によるはんだ付けを実現している。

図７は、本発明の実施の形態におけるはんだ材料内のコイル状カーボンの割合による溶融実験結果を示す図である。実験で用いるサンプルは、コイル状カーボン１１をＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎのはんだペーストに混合させることでペースト材料として生成し、はんだペーストに対するコイル状カーボン１１の量を変化させ、合計９水準のサンプルＡ〜Ｉを作成した。サンプルＩのように、コイル状カーボン１１の割合が少ない場合には、発熱体であるコイル状カーボン１１の数が少ないために、はんだ融点まで到達せず、未溶融という結果となった。また、コイル状カーボン１１の割合が多いサンプルＡ、Ｂ、Ｃの場合では、複数の金属粒子１２の間に存在するコイル状カーボン１１の数が多くなり、溶融した金属粒子１２の凝集を妨げるため、結果として、はんだ付けの品質が悪くなった。さらにコイル状カーボン１１の割合を多くすると、ペーストとしての使用ができなくなった。サンプルＤ、Ｅでは、はんだの凝集が確認されるとともに、表面に排出されるコイル状カーボン１１にはんだ粒子が見られる混合状態であり、サンプルＦ、Ｇ、Ｈでは、ほとんどのはんだが凝集し、コイル状カーボン１１がはんだから排出されている状態となった。排出されたコイル状カーボン１１は、後工程にて、洗浄もしくは樹脂等によるコーティングされる必要があるが、はんだ付けの品質は良好な状態である。この結果から、コイル状カーボン１１の割合は、はんだペーストの重量に対して０．５重量％〜１．５重量％が望ましい。

なお、本実施の形態では、金属粒子１２に組成がＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎのものを用いたが、公知のはんだ材料を用いても同様の効果を得ることができる。

なお、コイル状カーボン１１は、はんだ付けプロセス中に溶融した金属粒子１２から排出されるが、稀にはんだ付け後のボイド中に残存する場合があるが、従来はんだ材料で発生するボイドと同じ現象であり、ボイド中に残存したコイル状カーボン１１がはんだ品質に悪影響を及ぼすことはなく、はんだ付け品質は保たれる。

以上のように、本発明の実施の形態によれば、コイル状カーボン１１とはんだ金属粒子１２とを混合したはんだペーストに電磁波２１を照射することにより、コイル状カーボンが発熱することで、はんだ金属粒子が加熱され、溶融する。これにより、大電流対応の厚銅基板又は高放熱基板に対して電子部品などをはんだ付けする際に、はんだ付けのために与えた熱が拡散する前にはんだを溶融させ、はんだ接合を実現することができる。よって、はんだ付けのために与えた熱が基板に拡散してしまい、溶融温度に達しないような事態及び高温印加によって基板又は部品に損傷を与えるような事態の発生を防止することができる。

なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。また、実施形態同士の組み合わせ又は実施例同士の組み合わせ又は実施形態と実施例との組み合わせが可能であると共に、異なる実施形態又は実施例の中の特徴同士の組み合わせも可能である。

本発明に係るはんだ材料及びはんだ付け方法は、電磁波を用いた局所加熱によるはんだ付けを行うことが可能であり、大電流対応の厚銅基板又は高熱容量基板だけでなく、はんだゴテ又はフローはんだ付けが困難な３次元基板へのはんだ付け又は、弱耐熱部品へのはんだ付けに対して、特に有用である。

１０：はんだ材料
１１：コイル状カーボン
１２：金属粒子
１３：フラックス
２１：電磁波
２２：誘導電流
３１：内径
３２：素線径
３３：ピッチ
３４：巻き数
５０：電磁波加熱装置
５２：電子部品
５３：リード
５４：高熱容量基板
５５：電磁波発生手段
５６：出力電力検出装置
５７：制御手段
５８：温度検出装置
５９：シールド手段
６１：温度測定値
６２：温度測定値
６３：はんだ融点
８１：金属接合材料
８２：位置決め金属
８３：接合金属

Claims (4)

1. はんだペーストの重量に対して、０．５〜１．５重量％のコイル状カーボンを混合する、はんだ材料。
2. 前記コイル状カーボンの内径は、金属及び合金粉の１０％粒子径以下である、請求項１に記載のはんだ材料。
3. 前記コイル状カーボンの巻き数は、２巻以上である、請求項１又は２に記載のはんだ材料。
4. 前記コイル状カーボンのピッチは、前記コイル状カーボンの素線径の１．１〜１．８２倍である、請求項１〜３のいずれか１つに記載のはんだ材料。

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