JP2019209361A

JP2019209361A - 鉛フリーはんだ接合材及びその接合部

Info

Publication number: JP2019209361A
Application number: JP2018108166A
Authority: JP
Inventors: 西村　哲郎; Tetsuro Nishimura; 哲郎西村
Original assignee: Nihon Superior Sha Co Ltd
Current assignee: Nihon Superior Sha Co Ltd
Priority date: 2018-06-05
Filing date: 2018-06-05
Publication date: 2019-12-12

Abstract

【課題】本発明は、はんだ付けにおける生産性に優れ、３００℃という高温においても機械的特性等に優れ、高い信頼性を有する鉛フリーはんだ接合材及びはんだ接合部の提供を目的とする。【解決手段】金属粉末とフラックスを混和したはんだ接合材に於いて、金属粉末がＣｕとＮｉ及び／又はＳｎとＣｕとＮｉからなる合金粉末及び／又は金属間化合物の粉末であって、当該金属粉末はＳｎを予め混和又は被覆させることにより、はんだ付け時に速やかに金属粉末を溶融し、溶融後はＮｉを含有した（Ｃｕ，Ｎｉ）６Ｓｎ５を接合層全体に拡散することを可能とした接合部を有することにより、生産性に優れ、３００℃を超える高温域に於いても優れた機械的特性並びに高信頼性を有するはんだ接合を可能とした。【選択図】なし

Description

本発明は、高温状態において高い信頼性を有する鉛フリーはんだ接合材に関する。

近年、地球環境負荷軽減のため、電子部品の接合材料としてＳｎ-Ａｇ-Ｃｕ系鉛フリーはんだ合金やＳｎ-Ｃｕ-Ｎｉ系鉛フリーはんだ合金が広く普及している。
しかし、それらの鉛フリーはんだ合金は融点が２３０℃以下のものが多く、３００℃近い高温で使用できるはんだ合金はＰｂ−５Ｓｎはんだ合金のようにＰｂを含有したものが多く使用されているのが現状である。

高温での信頼性を有する鉛フリー接合材の検討は試みられており、例えば、特許文献１では、Ｓｎの金属間化合物粉を３０〜９０質量％と残分がＳｎ粉又はＳｎ主成分のＰｂフリーはんだ粉からなる混合粉とペースト状フラックスを混和したステップ・ソルダリング方法に用いるソルダーペーストが開示されている。
また、特許文献２では、はんだ粉末とＮｉ含有高融点粉末を含有した複合はんだ材料が開示されている。

しかし、特許文献１は高融点のＳｎの金属間化合物粉を高濃度に配合して接合部の液相線を上昇させて耐高温特性を保持しているため、同時に配合するＳｎを主成分とするＰｂフリーはんだ合金の液相線温度で軟化が始まり、接合部の機械的特性が低下するという問題点を有している。
また、特許文献２は、当該はんだ接合材を用いた接合部は高温状態において、液相拡散が進み、含有しているＮｉが安定化（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５相を形成するため信頼性の低下はみられないが、実装に於いて、リフローを４回程度も必要とするため、生産性に問題を有している。

特開２００３−３１１４６９号公報米国公開特許２０１７／００９５８９１Ａ１公報

本発明は、はんだ付けにおける生産性に優れ、３００℃という高温においても機械的特性等に優れ、高い信頼性を有する鉛フリーはんだ接合材及びはんだ接合部の提供を目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成すべく、金属粉末の溶解速度に着目して鋭意検討を重ねた結果、金属粉末としてＣｕとＮｉ及び／又はＳｎとＣｕとＮｉからなる合金粉末又は／及び金属間化合物粉末を含み、当該金属粉末にＳｎを混和することにより、はんだ付け時に当該合金又は／及び金属間化合物の固相線及び液相線の温度を下げ、溶解速度が速まることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち本発明は、金属粉末としてＣｕとＮｉ及び／又はＳｎとＣｕとＮｉからなる合金粉末又は／及び金属間化合物粉末にＳｎを予め混和又は当該金属粉末に被覆することにより、はんだ付け時に当該金属粉末の固相線及び液相線温度を下げ、当該金属粉末を速やかに溶融させ、溶融後はＮｉを含有する（Ｃｕ，Ｎｉ）_６Ｓｎ_５等の金属間化合物が接合層全体に急速に拡散することを可能とし、当該金属間化合物によるマトリックス相が均一に存在する接合部を有することにより、３００℃を超える高温域に於いても高い機械的特性と高信頼性を有するはんだ接合を可能とした。

本発明は、鉛フリーでありながら、３００℃を超える高温に於いても優れた機械的特性を有し、熱衝撃試験に於いてもはんだ接合部にクラック等の不具合発生が抑制された高い信頼性を有することに加え、高い生産性を有するため、特に耐高温特性を有する接合に於いて広く応用が可能となる。

本発明に用いる金属粉末は、ＣｕとＮｉ及び／又はＳｎとＣｕとＮｉからなる合金粉末及び／又は金属間化合物粉末であり、ＣｕとＮｉ、ＳｎとＣｕとＮｉの混合比率は、本発明の効果を有する範囲に於いて任意に設定することができる。
また、ＣｕとＮｉからなる合金粉末又は／及び金属間化合物粉末の場合、ＣｕとＮｉの比率は質量比としてＣｕが８０〜９５に対しＮｉが５〜２０の範囲が好ましい。
更に、ＳｎとＣｕとＮｉからなる合金粉末及び／又は金属間化合物粉末の場合、ＳｎとＣｕとＮｉの比率は質量比としてＳｎが４０〜６０、Ｃｕが４０〜６０、Ｎｉが５〜１０の範囲が好ましい。

そして、上記金属粉末とＳｎの混合比率は、本発明の効果を有する範囲に於いて任意に設定することができるが、好ましい混合比率は、質量比として金属粉末が５０〜９５に対してＳｎが５〜５０である。

次に、本発明に用いることができるＳｎを主成分とする鉛フリーはんだ粉末は、本発明の効果を有する範囲に於いて、成分は任意に設定することができる。
例えば、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系鉛フリーはんだ合金、Ｓｎ−Ｃｕ系鉛フリーはんだ合金、Ｓｎ−Ｃｕ−Ｎｉ系はんだ合金等が例示でき、前記金属粉末との配合比率も本発明の効果を有する範囲に於いて任意に設定ができ、混合比率は質量比として金属粉末が５０〜９０に対しＳｎを主成分とする鉛フリーはんだ粉末が１０〜５０が好ましい。

本発明に用いることができる前記金属粉末並びにＳｎを主成分とする鉛フリーはんだ粉末の粒径は、本発明の効果を有する範囲に於いて任意に設定ができるが、タイプ４（２５〜３２μｍ）〜タイプ６（５〜１５μｍ）が好ましい。

また、本発明の鉛フリーはんだ接合材を含有したはんだペーストに於いて、用いることができるフラックスは、本発明の効果を有する範囲に於いて特に制限はなく、ロジン類、合成樹脂成分、ワックス類、活性剤、チクソ剤及び溶剤、必要に応じて酸化防止剤等を適宜配合しても構わない。

具体的には、ロジン類として天然ロジン、不均化ロジン、重合ロジン、水素添加ロジン、精製ロジンが例示でき、合成樹脂成分としてポリエステル樹脂やフェノキシ樹脂等が例示でき、ワックス類としてポリエチレン系ワックス誘導体、パラフィンワックス誘導体やカルナバロウ等が例示でき、活性剤として安息香酸、吉草酸、ピコリン酸やサリチル酸等のカルボン酸や、コハク酸、アジピン酸、グルタル酸、アゼライン酸、セバシン酸、ドデカン二酸、ダイマー酸、スベリン酸やマレイン酸等のジカルボン酸、ポリアミン類、塩素系活性剤、臭素系有機アミン等が例示でき、チクソ剤としては硬化ヒマシ油、ステアリン酸アミド等のアミド類、１２ヒドロキシステアリン酸等のヒドロキシ脂肪酸類が例示でき、溶剤としてはＩＰＡ、ベンジルアルコール、エタノール等のアルコールや、ジエチレングリコール、ブチルカルビトール、ジプロピレングリコール等のポリオール、α―ターピネオール等が例示できる。

そして、酸化防止としてヒンダードフェノール系酸化防止剤、フェノール系酸化防止剤、リン酸系酸化防止剤、硫黄系酸化防止剤やトコフェロールが例示できる。
更に、前記フラックス成分の配合量は、本発明の効果を損なわない範囲に於いて任意に設定可能であり、ソルダーペーストに対し金属粉末が７０〜９５質量％、フラックス成分が５〜３０質量％が好ましい。

本発明の鉛フリーはんだ接合材は、はんだ付けにおける生産性に優れ、３００℃という高温においても機械的特性等に優れ、高い信頼性を有する鉛フリーはんだ接合材及びはんだ接合部の提供が可能となるため、広く電子部品の接合に応用が期待される。

Claims

金属粉末とフラックスを混和したはんだ接合材に於いて、金属粉末がＣｕとＮｉ及び／又はＳｎとＣｕとＮｉからなる合金粉末及び／又は金属間化合物の粉末であって、当該金属粉末はＳｎを予め混和又は被覆させることにより、はんだ付け時に当該金属粉末の溶解を促進させることを特徴とする鉛フリーはんだ接合材。
前記金属粉末が、Ｓｎを予め混和又は被覆させたＣｕとＮｉ及び／又はＳｎとＣｕとＮｉからなる金属間化合物の粉末とＳｎを主成分とする鉛フリーはんだ合金粉末からなる混合粉末であることを特徴とする請求項１記載の鉛フリーはんだ接合材。
請求項１及び請求項２記載の鉛フリーはんだ接合材とフラックスとを混和したことを特徴とするはんだペースト。
請求項１〜請求項３記載の鉛フリーはんだ接合材並びにはんだペーストを用いてはんだ付けされたことを特徴とするはんだ接合部。
請求項１〜請求項３記載の鉛フリーはんだ接合材並びにはんだペーストを用いてはんだ付けされていることを特徴とする電子部品。