JP2022140161A - 鉛フリーはんだ合金 - Google Patents
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Abstract
【課題】通信機器やパワーモジュール等の接合に用いられる高い接合信頼性を有した鉛フリーはんだ合金並びにはんだ接合部の提供。【解決手段】本発明は、Sn-Cuを基本とする鉛フリーはんだ合金組成にPd及び/又はSiを含有させることにより、はんだ接合部於いて、はんだ接合部に存在するSnの結晶が微細化することにより、接合強度が向上し、高い接合信頼性と接合特性を有する鉛フリーはんだ合金と当該鉛フリーはんだを用いたはんだ接合部である。【選択図】なし
Description
本発明は、鉛フリーはんだに関し、詳しくは、信頼性の高いはんだ接合を可能にする鉛フリーはんだ合金及びそのはんだ合金を用いたはんだ接合に関する。
近年、地球環境保護の観点より、環境に有害な鉛を含まないはんだ合金が広く用いられるようになってきている。例えば、Sn-Cu系、Sn-Ag系、Sn-Ag-Cu系、Sn-Cu-Ni系、Sn-Zn系、Sn-Ag-Bi系、Sn-Sb系、Sn-Bi系、Sn-In系、Al-Si系、Bi-Zn系の鉛フリーはんだ合金等の実用化が進んでいる。
また、電子機器は近年、高集積化、大容量化、高速化、及び微細化が求められ、これら電子機器に用いられるはんだ材も耐熱性や耐衝撃性、及び信頼性が求められている。
取り分け、近年注目を浴びている通信機器やパワーモジュール等に用いられる電子部品の接合には機械的特性や耐熱性等のはんだ付け特性に加え、新たに高周波特性や耐衝撃特性を有した接合特性も求められており、これらの接合特性を満足する鉛フリーはんだ合金が求められ、従来のSn-Cu系、Sn-Ag-Cu系、Sn-Cu-Ni系等の鉛フリーはんだ合金にNi、Co、Ge、Ga、Cr、P、Si、Ti、V、Mn、Fe、Zr、Nb、Mo、Pd、Te、Pt、Au等を適宜添加した鉛フリーはんだ合金が提案されている。
取り分け、近年注目を浴びている通信機器やパワーモジュール等に用いられる電子部品の接合には機械的特性や耐熱性等のはんだ付け特性に加え、新たに高周波特性や耐衝撃特性を有した接合特性も求められており、これらの接合特性を満足する鉛フリーはんだ合金が求められ、従来のSn-Cu系、Sn-Ag-Cu系、Sn-Cu-Ni系等の鉛フリーはんだ合金にNi、Co、Ge、Ga、Cr、P、Si、Ti、V、Mn、Fe、Zr、Nb、Mo、Pd、Te、Pt、Au等を適宜添加した鉛フリーはんだ合金が提案されている。
しかし、提案されている鉛フリーはんだ合金では高周波特性や耐衝撃特性を有したはんだ接合を可能にすることには至っていないのが現状である。
上記の問題点を解決するために、例えば、特許文献1には、Agが1~4質量%、Cuが0.1~1.0質量%、Niが0.005~0.3質量%、Geが0.001~0.015質量%、及び残部がSnからなる合金、且つ「0.003<(Ni/Co)×(1/Ag)×Ge<0.05」の式を満たすことを特徴とする高い引張強度とNi食われ及び接合界面のボイドの発生を抑制する効果を有する鉛フリーはんだ合金が開示されている。
また、特許文献2には、Sn、Cu,Sb及びInと20質量%以下のAgを含む5元合金からなり、固相線温度が290℃よりも高く、液相線温度が379℃以下であり、且つ液相線温度と固相線温度の温度差が70度以内であることを特徴とするはんだ材料を用いることにより電子部品を基板に実装する際にはんだ材料溶融に伴う故障の発生を抑制する技術の開示がなされている。
更に、特許文献3には、第1金属と前記第1金属よりも融点の高い第2金属からなり、第1金属がSn又はSnを含む合金、第2金属が第1金属と310℃以上の融点を示す金属間化合物を生成するCu-Cr合金である導電性材料が耐熱強度に優れ、接続信頼性の高い接続構造の提供が可能であるという技術が開示されている。
上記の問題点を解決するために、例えば、特許文献1には、Agが1~4質量%、Cuが0.1~1.0質量%、Niが0.005~0.3質量%、Geが0.001~0.015質量%、及び残部がSnからなる合金、且つ「0.003<(Ni/Co)×(1/Ag)×Ge<0.05」の式を満たすことを特徴とする高い引張強度とNi食われ及び接合界面のボイドの発生を抑制する効果を有する鉛フリーはんだ合金が開示されている。
また、特許文献2には、Sn、Cu,Sb及びInと20質量%以下のAgを含む5元合金からなり、固相線温度が290℃よりも高く、液相線温度が379℃以下であり、且つ液相線温度と固相線温度の温度差が70度以内であることを特徴とするはんだ材料を用いることにより電子部品を基板に実装する際にはんだ材料溶融に伴う故障の発生を抑制する技術の開示がなされている。
更に、特許文献3には、第1金属と前記第1金属よりも融点の高い第2金属からなり、第1金属がSn又はSnを含む合金、第2金属が第1金属と310℃以上の融点を示す金属間化合物を生成するCu-Cr合金である導電性材料が耐熱強度に優れ、接続信頼性の高い接続構造の提供が可能であるという技術が開示されている。
そして、特許文献1には上記基本組成にMn、Pd、Au、Pt、Cr、V、Mo、及びNbからなる群から選択される1種以上を、各々0.01質量%を上限として含有し、機械的特性を改善すること、特許文献2では上記基本組成にZn又はPdの少なくとも一方を含み、各々の含有量が0.1質量%以下とすることにより高温耐久性の向上がなされること、特許文献3では、上記第1金属のSnにCu、Ni、Ag、Au、Sb、Zn、Bi、In、Ge、Al、Co、Mn、Fe、Cr、Mg、Mn、Pd、Si、Sr、Te、Pからなる群より選ばれる少なくとも1種を含む合金とすることにより第2金属との金属間化合物の形成をしやすくすることの開示が夫々なされている。
一方、近年の通信機器やパワーモジュールには高周波特性や耐衝撃落下特性といった従来の接合特性には無かった接合特性も必要となっており、これらの高い接合特性を有した鉛フリーはんだ合金が求められている。
本発明の目的は、前記事情に鑑み、通信機器やパワーモジュール等の接合に用いられる高い接合信頼性を有した鉛フリーはんだ合金並びにはんだ接合部を提供することである。
本発明の課題を解決すべく発明者は、鉛フリーはんだ組成に着目して鋭意検討した結果、Sn-Cuを基本とする鉛フリーはんだ合金を用いるはんだ接合に於いてPdやSiがはんだ接合部のSnの結晶を微細化することを見出し、本発明の完成に至った。
すなわち、本発明は、Sn-Cuを基本とする鉛フリーはんだ合金組成にPd乃至Siを含有させることにより、はんだ接合部に於いて、はんだ接合部に存在するSnの結晶が微細化することにより、接合強度が向上し、高い接合信頼性と接合特性を有する鉛フリーはんだ合金と当該鉛フリーはんだを用いたはんだ接合部である。
すなわち、本発明は、Sn-Cuを基本とする鉛フリーはんだ合金組成にPd乃至Siを含有させることにより、はんだ接合部に於いて、はんだ接合部に存在するSnの結晶が微細化することにより、接合強度が向上し、高い接合信頼性と接合特性を有する鉛フリーはんだ合金と当該鉛フリーはんだを用いたはんだ接合部である。
本発明のはんだ合金は、鉛フリーはんだ合金であるため、環境に配慮したはんだ接合の提供を可能とすることは勿論のこと、PdやSiによりはんだ接合部のSnの結晶並びに金属間化合物粒子を微細化するため、機械的特性に加え、通信機器やパワーモジュール等の接合に用いられる高い接合信頼性を有することを可能とした。
以下に本発明の鉛フリーはんだ合金について詳細に説明する。
本発明は、Sn-Cuを基本とする鉛フリーはんだ合金にPd及び/又はSiを含有させることにより、はんだ接合部のSnの結晶を微細化させ、はんだ接合部の機械的特性を向上させる効果を有する鉛フリーはんだ並びに当該鉛フリーはんだを用いたはんだ接合部である。
また、Pdは、はんだ接合部に形成する金属間化合物に何らかの影響も与えると考えられ、PdをSn-Cuを基本組成とする鉛フリーはんだ合金に含有させた場合、当該はんだ合金を用いたはんだ接合部に生成する金属間化合物についてエージングによる経時変化の防止に寄与し、高い接続信頼性を有することを裏付けている。
本発明は、Sn-Cuを基本とする鉛フリーはんだ合金にPd及び/又はSiを含有させることにより、はんだ接合部のSnの結晶を微細化させ、はんだ接合部の機械的特性を向上させる効果を有する鉛フリーはんだ並びに当該鉛フリーはんだを用いたはんだ接合部である。
また、Pdは、はんだ接合部に形成する金属間化合物に何らかの影響も与えると考えられ、PdをSn-Cuを基本組成とする鉛フリーはんだ合金に含有させた場合、当該はんだ合金を用いたはんだ接合部に生成する金属間化合物についてエージングによる経時変化の防止に寄与し、高い接続信頼性を有することを裏付けている。
一方、特許文献1では、Pdが機械的特性を向上するという効果についての記載はなされているが、本発明の効果であるはんだ接合部のSnの結晶を微細化する技術に関する記載は無く、ましてや生成する金属間化合物粒子の微細化や金属間化合物層のフラット化やエージングによる金属間化合物の成長抑制に関する示唆すらない。
また、特許文献2ではPdの配合に関する効果として、高温耐久性の向上が記載されているが、本発明の効果であるはんだ接合部のSnの結晶を微細化する技術等の記載について特許文献1同様にない。
そして、特許文献3ではPd及びSiに関して、第2金属との金属間化合物の形成をしやすくするとの記載はあるが、本発明の効果であるはんだ接合部のSnの結晶を微細化する技術等の記載について特許文献1や2同様にない。
また、特許文献2ではPdの配合に関する効果として、高温耐久性の向上が記載されているが、本発明の効果であるはんだ接合部のSnの結晶を微細化する技術等の記載について特許文献1同様にない。
そして、特許文献3ではPd及びSiに関して、第2金属との金属間化合物の形成をしやすくするとの記載はあるが、本発明の効果であるはんだ接合部のSnの結晶を微細化する技術等の記載について特許文献1や2同様にない。
本発明のSn-Cuを基本とする鉛フリーはんだ合金組成としては、本発明の効果を有する限りに於いて特に制限はなく、Sn-Cu系合金、Sn-Ag-Cu系合金、Sn-Cu-Ni系合金等が例示でき、前記例示基本合金に、Pd及びSiの他、Sb、Bi、In、Ni、Ge、Ga、P、Fe、Co、Mn、Zn、V、Ti、Mn、Mo、Au、Cr、Pt、Al及び希土類元素を適量は含有させても構わない。
本発明の鉛フリーはんだ合金の構成成分の含有量は、本発明の効果を有する限り特に制限はされない。
Cuの含有量は0.1~3.0質量%が例示でき、0.3~1.0質量%が好ましい。
Pdの含有量は0.0001~1.0質量%が例示でき、0.001~0.1質量%が好ましい。
Siの含有量は0.0001~1.0質量%が例示でき、0.001~0.1質量%が好ましい。
Agの含有量は0.1~5.0質量%が例示でき、1.0~4.0質量%が好ましい。
Sbの含有量は0.1~5.0質量%が例示でき、0.5~3.0質量%が好ましい。
Biの含有量は0.1~5.0質量%が例示でき、0.5~3.0質量%が好ましい。
Inの含有量は0.1~10.0質量%が例示でき、0.5~5.0質量%が好ましい。
Niの含有量は0.001~1.0質量%が例示でき、0.01~0.05質量%が好ましい。
Ge及びGa及びPの含有量は0.001~1.0質量%が例示でき、0.005~0.01質量%が好ましい。
Fe及びCoの含有量は0.001~0.1質量%が例示でき、0.005~0.05質量%が好ましい。
Mn、Zn、V、Ti、Mn、Mo、Au、Cr、Pt、Al及び希土類元素の含有量は0.001~0.1質量%が例示できる。
Cuの含有量は0.1~3.0質量%が例示でき、0.3~1.0質量%が好ましい。
Pdの含有量は0.0001~1.0質量%が例示でき、0.001~0.1質量%が好ましい。
Siの含有量は0.0001~1.0質量%が例示でき、0.001~0.1質量%が好ましい。
Agの含有量は0.1~5.0質量%が例示でき、1.0~4.0質量%が好ましい。
Sbの含有量は0.1~5.0質量%が例示でき、0.5~3.0質量%が好ましい。
Biの含有量は0.1~5.0質量%が例示でき、0.5~3.0質量%が好ましい。
Inの含有量は0.1~10.0質量%が例示でき、0.5~5.0質量%が好ましい。
Niの含有量は0.001~1.0質量%が例示でき、0.01~0.05質量%が好ましい。
Ge及びGa及びPの含有量は0.001~1.0質量%が例示でき、0.005~0.01質量%が好ましい。
Fe及びCoの含有量は0.001~0.1質量%が例示でき、0.005~0.05質量%が好ましい。
Mn、Zn、V、Ti、Mn、Mo、Au、Cr、Pt、Al及び希土類元素の含有量は0.001~0.1質量%が例示できる。
本発明の鉛フリーはんだ合金並びに当該はんだ合金を用いたはんだ接合部に関して、用いることが出来るはんだ材の形状やはんだ付け方法に於いて、本発明の効果を有する範囲に於いて特に制限はなく、形状では、インゴット、ボール、線、やに入りはんだ、ペースト、プリフォーム等が、はんだ付け工法としては、フローはんだ付けやリフローはんだ付け、ロボットはんだ付け、レーザーはんだ付け等が例示できる。
また、本発明の鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ材として、はんだペーストを例示し以下に説明する。本発明の鉛フリーはんだ合金を用いたはんだペーストには、本発明の鉛フリーはんだ合金とフラックスが用いられる。
はんだ合金は前述のSn-Cuを基本とする鉛フリーはんだ合金、Pd及びSiの他にSb、Bi、In、Ni、Ge、Ga、P、Fe、Co、Mn、Zn、V、Ti、Mn、Mo、Au、Cr、Pt、Al及び希土類元素を適量含有させた粉末状であれば特に問題は無く、粉末の粒径も特に本発明の効果を有する範囲に於いて制限はなく、平均粒径10~80μm程度のものが例示できる。
また、本発明の鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ材として、はんだペーストを例示し以下に説明する。本発明の鉛フリーはんだ合金を用いたはんだペーストには、本発明の鉛フリーはんだ合金とフラックスが用いられる。
はんだ合金は前述のSn-Cuを基本とする鉛フリーはんだ合金、Pd及びSiの他にSb、Bi、In、Ni、Ge、Ga、P、Fe、Co、Mn、Zn、V、Ti、Mn、Mo、Au、Cr、Pt、Al及び希土類元素を適量含有させた粉末状であれば特に問題は無く、粉末の粒径も特に本発明の効果を有する範囲に於いて制限はなく、平均粒径10~80μm程度のものが例示できる。
そして、はんだペーストのフラックスとしては、ベース樹脂、活性剤、溶剤、チクソ剤、酸化防止剤等を適宜配合し本発明のはんだペースト用フラックスとすることができる。
ベース樹脂として、例えばアクリル樹脂、ロジン系樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、フェノキシ樹脂、テルペン樹脂、ポリアルキレンカーボネート及びカルボキシル基を有するロジン系樹脂とダイマー酸誘導体柔軟性アルコール化合物とを脱水縮合してなる誘導体化合物等が例示でき、前記ロジン系樹脂として、例えばトール油ロジン、ガムロジン、ウッドロジン等のロジンやロジンを重合化、水添化、不均一化、アクリル化、エステル化、フェノール付加反応等を行ったロジン誘導体やロジン誘導体と不飽和カルボン酸とを反応させて得られる変性ロジン樹脂等が例示でき、それらは1種単独で又は複数種を混合して用いてもよく、配合量としてはフラックス量全体を100として10~60質量%が例示できる。
活性剤としては、カルボン酸類や解離型活性剤、有機酸が例示でき、カルボン酸の一例として、プロピオン酸、酪酸、吉草酸、カプロン酸、エナント酸、カプリン酸、ラウリル酸、ミリスチン酸、ペンタデシル酸、パルミチン酸、マルガリン酸、ステアリン酸、ツベルクロステアリン酸、アラキジン酸、ベヘン酸、リグノセリン酸、グリコール酸等が例示できる。更に ジカルボン酸の一例として、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸、アゼライン酸、セバシン酸、フマル酸、マレイン酸、酒石酸、ジグリコール酸等が例示できる。 また、有機酸としては、ダイマー酸、レブリン酸、乳酸、アクリル酸、安息香酸、サリチル酸、アニス酸、クエン酸、ピコリン酸等が例示でき、それらは1種単独で又は複数種を混合して用いてもよく、配合量としてはフラックス量全体を100として0.1~50質量%が例示できる。
溶剤としては、イソプロピルアルコール、エタノール、アセトン、トルエン、キシレン、酢酸エチル、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、ヘキシルジグリコール、、フェニルグリコール、ブチルカルビトール、オクタンジオール、αテルピネオール、βテルピネオール、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、セバシン酸ビスイソプロピル等を使用することができる。これらは1種単独でまたは複数種を混合して用いても構わない。
チクソ剤としては、硬化ひまし油、飽和脂肪酸ビスアマイド、不飽和脂肪酸ビスアマイド、芳香族ビスアマイド等のビスアマイド系チクソ剤や12ヒドロキシステアリン酸等が例示でき、これらを1種単独でまたは複数種を混合して用いても構わない。
酸化防止剤としては、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、ビスフェノール系酸化防止剤、ポリマー型酸化防止剤等が例示でき、これらは1種単独でまたは複数種を混合して用いても構わない。
また、本発明の効果を有する範囲に於いて、上記以外の成分を適宜配合しても構わない。
ベース樹脂として、例えばアクリル樹脂、ロジン系樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ポリエステル樹脂、フェノキシ樹脂、テルペン樹脂、ポリアルキレンカーボネート及びカルボキシル基を有するロジン系樹脂とダイマー酸誘導体柔軟性アルコール化合物とを脱水縮合してなる誘導体化合物等が例示でき、前記ロジン系樹脂として、例えばトール油ロジン、ガムロジン、ウッドロジン等のロジンやロジンを重合化、水添化、不均一化、アクリル化、エステル化、フェノール付加反応等を行ったロジン誘導体やロジン誘導体と不飽和カルボン酸とを反応させて得られる変性ロジン樹脂等が例示でき、それらは1種単独で又は複数種を混合して用いてもよく、配合量としてはフラックス量全体を100として10~60質量%が例示できる。
活性剤としては、カルボン酸類や解離型活性剤、有機酸が例示でき、カルボン酸の一例として、プロピオン酸、酪酸、吉草酸、カプロン酸、エナント酸、カプリン酸、ラウリル酸、ミリスチン酸、ペンタデシル酸、パルミチン酸、マルガリン酸、ステアリン酸、ツベルクロステアリン酸、アラキジン酸、ベヘン酸、リグノセリン酸、グリコール酸等が例示できる。更に ジカルボン酸の一例として、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸、アゼライン酸、セバシン酸、フマル酸、マレイン酸、酒石酸、ジグリコール酸等が例示できる。 また、有機酸としては、ダイマー酸、レブリン酸、乳酸、アクリル酸、安息香酸、サリチル酸、アニス酸、クエン酸、ピコリン酸等が例示でき、それらは1種単独で又は複数種を混合して用いてもよく、配合量としてはフラックス量全体を100として0.1~50質量%が例示できる。
溶剤としては、イソプロピルアルコール、エタノール、アセトン、トルエン、キシレン、酢酸エチル、エチルセロソルブ、ブチルセロソルブ、ヘキシルジグリコール、、フェニルグリコール、ブチルカルビトール、オクタンジオール、αテルピネオール、βテルピネオール、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、セバシン酸ビスイソプロピル等を使用することができる。これらは1種単独でまたは複数種を混合して用いても構わない。
チクソ剤としては、硬化ひまし油、飽和脂肪酸ビスアマイド、不飽和脂肪酸ビスアマイド、芳香族ビスアマイド等のビスアマイド系チクソ剤や12ヒドロキシステアリン酸等が例示でき、これらを1種単独でまたは複数種を混合して用いても構わない。
酸化防止剤としては、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、ビスフェノール系酸化防止剤、ポリマー型酸化防止剤等が例示でき、これらは1種単独でまたは複数種を混合して用いても構わない。
また、本発明の効果を有する範囲に於いて、上記以外の成分を適宜配合しても構わない。
本発明のはんだペーストに用いられる鉛フリーはんだ粉末並びにフラックスの量は、本発明の効果を有する範囲に於いて特に制限はなく、はんだ粉末の量としてはんだペーストを100とした場合70~99質量%が、フラックス量としてははんだペーストを100とした場合5~40質量%が例示でき、製法も従来のはんだペーストの製造方法等、特に制限はない。
以下に実施例を示し、本発明を説明する。
評価試料は以下の通り作製した。
(はんだ合金組成)
・比較例1:99.3Sn-0.7Cu
・実施例1:99.25Sn-0.7Cu-0.05Pd
・実施例2:99.2Sn-0.7Cu-0.1Pd
(評価試料)
・実施例1、実施例2、及び比較例1のはんだ合金組成となるよう原料を秤量し、黒鉛坩堝を用い、定法により原料全てを均一に溶解させる。この時の溶解作業時の溶湯温度は550℃とした。
・その後、原料が完全に溶融していることを確認し、溶湯温度を300℃まで下げる。
・次に、銅板(10×50×0.5mm)の先端から20mmのところまで、フラックス(株式会社日本スペリア社製RM-5)を塗り斑が無いよう薄く塗布し、はんだ合金を溶融させた溶湯へ浸漬する。
・浸漬深さが20mmに到達後、5秒間保持した後、銅板を引き上げ、評価試料を作製した。
・上記の如く作製した評価試料を150℃恒温槽に168時間投入し、エージング処理を行い、エージング処理後の評価試料とした。
・各評価試料を樹脂埋めし、接合断面が観察できるようにカットと研磨を行い、観察用試料を作製した。
(試料観察)
日本電子株式会社製走査電子顕微鏡(JSM-6360LA)を用いて、観察評価した。
(観察結果及び評価)
図1及び図2から、比較例1、実施例1及び実施例2のはんだ接合界面に生成したCu6Sn5金属間化合物がエージング処理後に成長していること、比較例1はエージング後のCu3Snが急成長していること、及び実施例1及び実施例2はエージング処理後もCu3Snが殆ど成長していないことが夫々明確に分かる。
図3~図5では、マッピング画像によりエージング処理後のSnとCuの分布より上記Cu3Sn存在が確認でき、本発明の実施例1及び実施例2ではエージング処理後もCu3Snが殆ど成長していないことが裏付けられた。
更に、図6~図8は接合界面部分の断面SEMの拡大写真を示しており、本発明の鉛フリーはんだ合金を用いた実施例1及び実施例2は、エージング前に比べエージング後はCu6Sn5金属間化合物(2)の成長は見られるものの、接合特性に悪影響を与えるCu3Sn金属間化合物(2a)の成長は殆ど見られないことを明確に示すものである。
一方、Pdを含有しない比較例1は、エージング前に比べエージング後はCu6Sn5金属間化合物(2)とCu3Sn金属間化合物(2a)はお互いに成長し、本発明の実施に見られるCu3Sn金属間化合物抑制効果は見られない。
このように、本発明の鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ接合部は、エージングによるCu3Sn金属間化合物の生成を抑制するため、通信機器やパワーモジュール等の過酷な環境下での使用が求められると共に高い信頼性も要求される接合に対応した高い信頼性を有する接合を提供することが可能である。
評価試料は以下の通り作製した。
(はんだ合金組成)
・比較例1:99.3Sn-0.7Cu
・実施例1:99.25Sn-0.7Cu-0.05Pd
・実施例2:99.2Sn-0.7Cu-0.1Pd
(評価試料)
・実施例1、実施例2、及び比較例1のはんだ合金組成となるよう原料を秤量し、黒鉛坩堝を用い、定法により原料全てを均一に溶解させる。この時の溶解作業時の溶湯温度は550℃とした。
・その後、原料が完全に溶融していることを確認し、溶湯温度を300℃まで下げる。
・次に、銅板(10×50×0.5mm)の先端から20mmのところまで、フラックス(株式会社日本スペリア社製RM-5)を塗り斑が無いよう薄く塗布し、はんだ合金を溶融させた溶湯へ浸漬する。
・浸漬深さが20mmに到達後、5秒間保持した後、銅板を引き上げ、評価試料を作製した。
・上記の如く作製した評価試料を150℃恒温槽に168時間投入し、エージング処理を行い、エージング処理後の評価試料とした。
・各評価試料を樹脂埋めし、接合断面が観察できるようにカットと研磨を行い、観察用試料を作製した。
(試料観察)
日本電子株式会社製走査電子顕微鏡(JSM-6360LA)を用いて、観察評価した。
(観察結果及び評価)
図1及び図2から、比較例1、実施例1及び実施例2のはんだ接合界面に生成したCu6Sn5金属間化合物がエージング処理後に成長していること、比較例1はエージング後のCu3Snが急成長していること、及び実施例1及び実施例2はエージング処理後もCu3Snが殆ど成長していないことが夫々明確に分かる。
図3~図5では、マッピング画像によりエージング処理後のSnとCuの分布より上記Cu3Sn存在が確認でき、本発明の実施例1及び実施例2ではエージング処理後もCu3Snが殆ど成長していないことが裏付けられた。
更に、図6~図8は接合界面部分の断面SEMの拡大写真を示しており、本発明の鉛フリーはんだ合金を用いた実施例1及び実施例2は、エージング前に比べエージング後はCu6Sn5金属間化合物(2)の成長は見られるものの、接合特性に悪影響を与えるCu3Sn金属間化合物(2a)の成長は殆ど見られないことを明確に示すものである。
一方、Pdを含有しない比較例1は、エージング前に比べエージング後はCu6Sn5金属間化合物(2)とCu3Sn金属間化合物(2a)はお互いに成長し、本発明の実施に見られるCu3Sn金属間化合物抑制効果は見られない。
このように、本発明の鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ接合部は、エージングによるCu3Sn金属間化合物の生成を抑制するため、通信機器やパワーモジュール等の過酷な環境下での使用が求められると共に高い信頼性も要求される接合に対応した高い信頼性を有する接合を提供することが可能である。
1 はんだ合金
2 Cu6Sn5金属間化合物
2a Cu3Sn金属間化合物
3 Cu基板
2 Cu6Sn5金属間化合物
2a Cu3Sn金属間化合物
3 Cu基板
Claims (4)
- Sn-Cuを基本とする鉛フリーはんだ合金組成において、はんだ接合部に形成する金属間化合物がPd及び/又はSiを含むことを特徴とする鉛フリーはんだ合金。
- Sn-Cuを基本とする鉛フリーはんだ合金組成が、0.1~3.0質量%のCu、0.0001~1.0質量%のPd及び/又はSi、残部がSn及び不可避不純物を含有することを特徴とする請求項1記載の鉛フリーはんだ合金。
- Sn-Cuを基本とする鉛フリーはんだ合金組成の組成に0.0001~1.0質量%のPd及び/又はSiと、0.1~5.0質量%のAg及び/又は0.001~0.5質量%のNi添加することを特徴とする請求項1及び請求項2記載の鉛フリーはんだ合金。
- 請求項1乃至3記載の鉛フリーはんだ合金を用いたことを特徴とするはんだ接合部。
Priority Applications (1)
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JP2021040859A JP2022140161A (ja) | 2021-03-12 | 2021-03-12 | 鉛フリーはんだ合金 |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2021040859A JP2022140161A (ja) | 2021-03-12 | 2021-03-12 | 鉛フリーはんだ合金 |
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Publication Number | Publication Date |
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JP2022140161A true JP2022140161A (ja) | 2022-09-26 |
Family
ID=83398979
Family Applications (1)
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JP2021040859A Pending JP2022140161A (ja) | 2021-03-12 | 2021-03-12 | 鉛フリーはんだ合金 |
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-
2021
- 2021-03-12 JP JP2021040859A patent/JP2022140161A/ja active Pending
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