JP3640908B2 - 高温ハンダ及びこれを用いた電子部品 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉛を含まない高温ハンダに関し、特に、耐熱性の付与を目的として高温での接合に使用される鉛フリーの高温ハンダ、及び、高温ハンダを用いた電子部品、並びに、この電子部品を搭載した電気又は電子機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球環境問題に対する意識の高揚から、環境や人体に影響を与える材料の使用制限に対する関心が高まっている。特に、広範な用途に用いられている従来の鉛系ハンダについては、使用した製品の製造および輸出入が制限される見通しであり、鉛を含まないハンダの実用化について研究が進められている。
【０００３】
このような状況下、電子機器に用いる低融点の鉛フリーハンダ材料としては、融点が２２０℃近傍のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系ハンダ、１９０℃近傍のＳｎ−Ｚｎ−Ｂｉ系ハンダが検討されており、共に実用化段階に来ている。
【０００４】
一方、３００℃近傍の融点を必要とする高温ハンダ材料では、これまで、特開平１１−１７２３５４号公報や特開平１１−２０７４８７号公報に見られるように、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ合金にＩｎ又はＳｎを添加した材料について検討がなされて来た。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の高温ハンダ材料では、いずれの組成系においても液相が出現する（Ｉｎ系：２００℃近傍、Ｓｎ系：１４５℃近傍）ため、一旦半導体チップに設けたワイヤボンディングが２５０℃の高温に再加熱する工程で外れるという不具合が生じていた。また、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ系の合金は脆性が高いため、熱衝撃試験で剥離が生じるという不具合がある。従って、いずれも実用に適さない。
【０００６】
このように、従来においては、実用に適した鉛フリーの高温ハンダ材料の報告は見られなかった。
【０００７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、環境性に優れた金属材料を用いた鉛フリーのハンダであって、濡れ性が良く、且つ、脆性に問題のない、融点が３００℃近傍の高温ハンダの提供を目的とする。
【０００８】
また、本発明は、パワー半導体素子のような耐熱性を要する接合に鉛フリーの高温ハンダを用いた電子部品及び該電子部品を用いた電気又は電子機器の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の高温ハンダは、組成式：ｘＭ−ｙ［ｐＢａ−ｑＹｂ］で示される合金（但し、不可避量の不純物を許容する）からなる高温ハンダであって、該組成式において、Ｍは、Ａｕ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃｕ及びＺｎから成る群より選ばれる少なくとも１種類の元素を表し、ｘ，ｙ，ｐ及びｑは、ｘ＋ｙ＝１００、及び、ｐ＋ｑ＝１００を満たす百分率による重量比率［wt％］を示し、該合金は、５≦ｘ≦２５、及び、４０≦ｐ≦７０を満たすことを要旨とする。
【００１０】
また、本発明の電子部品は、上記高温ハンダによる導電接合を有することを要旨とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
ＢａとＹｂとはある程度低融点の合金を形成するが、３００℃近傍の融点は得られない。そこで、環境や人体への影響が少ない環境性に優れた金属元素の中で、Ｂａ−Ｙｂ合金に添加することによって３００℃近傍の融点を有する合金を形成する金属を調査した結果、Ａｕ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃｕ及びＺｎが適正な合金系を形成することが判明した。調査の範囲においてこれらの元素以外では３００℃近傍の融点は得られていない。
【００１２】
従って、本発明の高温ハンダは、組成式：ｘＭ−ｙ［ｐＢａ−ｑＹｂ］で示されるＭ−Ｂａ−Ｙｂ合金によるものである。この組成式において、Ｍは、Ａｕ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃｕ及びＺｎから成る群より選ばれる少なくとも１種類の金属元素を表し、ｘ，ｙ，ｐ及びｑは百分率による重量比率［wt％］を示し、ｘ＋ｙ＝１００及びｐ＋ｑ＝１００を満たす。但し、この合金は不可避量の不純物を許容し、通常、Ｓ、Ｐ、Ｏ、Ｃｄ、Ｃ等の元素が極微量（合金全量の０．５wt％程度以下）含まれ得る。上記の金属元素Ｍの中でもＣｕは合金の脆性の観点からより好ましい。金属元素Ｍは、上記群の複数元素の組合せであってもよい。
【００１３】
この合金組成における重量比率ｘ及びｐは、各々、５≦ｘ≦２５、４０≦ｐ≦７０を満たす範囲の値である。
【００１４】
金属元素Ｍの重量比率ｘの値が上記の範囲を外れると、３００℃近傍の融点が得られなくなる。あるいは、固相線温度が３００℃近傍であっても、液相線温度が３５０℃を超え、実装上の困難を生じる。更に好ましくは、６≦ｘ≦２２の範囲とする。
【００１５】
Ｂａ−Ｙｂ系におけるＢａの重量比率ｐは、０．４≦ｐ≦０．７の範囲の値が好ましく、更には０．５近傍が望ましい。前記範囲を外れると、３００℃近傍の融点が得られなくなる。あるいは、固相線温度が３００℃近傍であっても液相線温度が３５０℃を超えるため、実装上で困難を生じる。
【００１６】
本発明のＭ−Ｂａ−Ｙｂ合金で構成される高温ハンダは、組成式に示される組成に従って所定割合で用意した単味金属原料を溶解し混合することにより調製される。ハンダの酸化を防ぐためには、金属原料の溶解を非酸化性雰囲気中で行うのが望ましく、例えば、純度９９．９％以上の高純度のＡｒ，Ｎ₂ 等の不活性ガス雰囲気の使用が挙げられるが、これ以下の純度であっても使用可能であり、ハンダの特性に顕著な影響は現れない。好ましい溶解形態としては、雰囲気の制御が可能な電気炉による溶解やアーク溶解が挙げられるが、特に限定するものではない。また、溶解時の雰囲気を上記のような非酸化性雰囲気に置換する場合、溶解に先立って真空引きを行うと有効であり、この際の真空度が５×１０^-3Ｐａ以下の高真空であると極めて有効であるが、１０^-5Ｐａ以上の気圧でも充分に有効である。
【００１７】
本発明の高温ハンダは、従来の高温ハンダの代替物として使用するに適した材料であり、従来と同様の方法によってハンダ接合できる。しかも、精細なハンダ接合にも十分対応でき、狭い間隔を有する細線状の金属部材のハンダ接合に対応できる。従って、パワー半導体素子等のような電子部品の耐熱性を要する導電接合の形成に有用であり、このような電子部品が組み込まれるエアコンディショナー、冷蔵庫、洗濯機などの家電製品を含む各種電気又は電子機器製品を鉛フリー製品として提供することが本発明によって可能である。また、電子管及びその外部接続用電極、トランジスタ、サイリスタ、ＧＴＯ、整流器、バリアブルコンデンサなどの接合形成に用いることができ、銅、銀、金、ニッケル、アルミニウム、ＳＵＳステンレス鋼等の単種の金属部材だけでなく、合金材及び複合金属材等の部材の接合についても適用可能である。接合する部材の材質に応じて、部材に予めプリコートを施してもよく、プリコートの組成やプリコート方法を適宜選択することができる。
【００１８】
【実施例】
本発明の高温ハンダについて、実施例を用いて以下に詳細に説明する。
【００１９】
（実施例１）
重量％表示の組成式：１１Ｃｕ−８９［５５Ｂａ−４５Ｙｂ］で示される組成割合に従って、各構成元素の純度９９．９％のチャンク材を電子天秤にて秤量し調合した。調合物を高純度アルミナ（ＳＳＡ−Ｓ）製坩堝に投入し、電気炉内の均熱部に装填して、２×１０^-3Ｐａの真空度まで真空引きした後、純度９９．９９％の高純度Ａｒを１１／min.の流量で流し込みＡｒ雰囲気に置換した。電気炉の坩堝近傍の温度を３７０℃まで昇温してこの温度を１０分間保持し、坩堝の調合物を溶解した後、冷却して合金を調製した。
【００２０】
得られた合金の一部を粉砕しＸ線回析法にて調べたところ、主として（γＹｂ，Ｂａ）相が観察された。更に、この合金の断面組織をＳＥＭにて観察した所、Ｃｕの多い相が微細に析出しているのが確認された。尚、この合金の組成をＩＣＰ発光分光法で分析し、組成式に規定する組成にほぼ合致することを確認した。
【００２１】
次に、示差走査熱量計（ＤＳＣ）を使用し、昇温速度を１０℃／分として、前記合金の固相線温度及び液相線温度を測定したところ、各々、２９８℃及び３００℃であった。
【００２２】
上記合金のハンダとしての濡れ性を濡れ面積観察により評価した。具体的には、３％Ｈ₂−Ｎ₂のフォーミングガス中で上記合金を３３０℃に加熱して溶融合金浴を準備し、長さ８mm×幅４mm×厚さ０．２５mmの銅製薄板試験片を２mm／秒の速度で５mmの深さまで溶融合金に浸漬して３秒間保持した後に引き上げ、合金で被服された面積の溶融合金に浸漬した面積に対する比率を求めた。この際、ＪＩＳ Ｃ００５０付属書Ｃ規定によるフラックス（ロジン２５％、イソプロピルアルコール７５％）を使用して、浸漬前の試験片の表面洗浄を行った。試験片の合金で被服された面積の比率は約９２％であり、優れた濡れ性が示された。
【００２３】
更に、上記合金のハンダとしての脆性を、１５０℃（５分間）と−６５℃（５分間）との繰り返し加熱−冷却による熱衝撃サイクル試験によって調べた。脆性の評価は、１０００サイクルの加熱−冷却後におけるハンダ接合部の剥離の有無により行った。この結果、剥離は認められず、脆性に問題がないことが示された。
【００２４】
（実施例２）
実施例１と同様の操作によって、重量％表示の組成式：１２Ｚｎ−８９［５５Ｂａ−４５Ｙｂ］の合金を各構成元素の純度９９．９％のチャンク材を原料として用いて調製した。
【００２５】
得られた合金の固相線温度及び液相線温度、ハンダとしての濡れ性及び脆性を実施例１と同様に調べた。
【００２６】
（実施例３）
実施例１と同様の操作によって、重量％表示の組成式：１３［８０Ｃｕ−２０Ａｕ］−８７［５３Ｂａ−４７Ｙｂ］の合金を各構成元素の純度９９．９％のチャンク材を原料として用いて調製した。
【００２７】
得られた合金の固相線温度及び液相線温度、ハンダとしての濡れ性及び脆性を実施例１と同様に調べた。
【００２８】
（実施例４）
実施例１と同様の操作によって、重量％表示の組成式：２０Ａｕ−８０［７０Ｂａ−３０Ｙｂ］の合金を各構成元素の純度９９．９％のチャンク材を原料として用いて調製した。
【００２９】
得られた合金の固相線温度及び液相線温度、ハンダとしての濡れ性及び脆性を実施例１と同様に調べた。
【００３０】
（実施例５）
実施例１と同様の操作によって、重量％表示の組成式：１１Ａｇ−８９［４０Ｂａ−６０Ｙｂ］の合金を各構成元素の純度９９．９％のチャンク材を原料として用いて調製した。
【００３１】
得られた合金の固相線温度及び液相線温度、ハンダとしての濡れ性及び脆性を実施例１と同様に調べた。
【００３２】
（実施例６）
実施例１と同様の操作によって、重量％表示の組成式：８Ｍｇ−９２［５４Ｂａ−４６Ｙｂ］の合金を各構成元素の純度９９．９％のチャンク材を原料として用いて調製した。
【００３３】
得られた合金の固相線温度及び液相線温度、ハンダとしての濡れ性及び脆性を実施例１と同様に調べた。
【００３４】
（実施例７）
実施例１と同様の操作によって、重量％表示の組成式：５Ｃｕ−９５［５４Ｂａ−４６Ｙｂ］の合金を各構成元素の純度９９．９％のチャンク材を原料として用いて調製した。
【００３５】
得られた合金の固相線温度及び液相線温度、ハンダとしての濡れ性及び脆性を実施例１と同様に調べた。
【００３６】
（実施例８）
実施例１と同様の操作によって、重量％表示の組成式：２５Ｃｕ−７５［５４Ｂａ−４６Ｙｂ］の合金を各構成元素の純度９９．９％のチャンク材を原料として用いて調製した。
【００３７】
得られた合金の固相線温度及び液相線温度、ハンダとしての濡れ性及び脆性を実施例１と同様に調べた。
【００３８】
（比較例１）
実施例１と同様の操作によって、重量％表示の組成式：３Ｍｇ−９７［５３Ｂａ−４７Ｙｂ］の合金を各構成元素の純度９９．９％のチャンク材を原料として用いて調製した。この際、坩堝内の原料が完全に溶融するように電気炉の加熱温度を調整した。
【００３９】
得られた合金の固相線温度及び液相線温度、ハンダとしての濡れ性及び脆性を実施例１と同様に調べた。
【００４０】
（比較例２）
実施例１と同様の操作によって、重量％表示の組成式：９Ｍｇ−９１［２０Ｂａ−８０Ｙｂ］の合金を各構成元素の純度９９．９％のチャンク材を原料として用いて調製した。この際、坩堝内の原料が完全に溶融するように電気炉の加熱温度を調整した。
【００４１】
得られた合金の固相線温度及び液相線温度、ハンダとしての濡れ性及び脆性を実施例１と同様に調べた。
【００４２】
（比較例３）
実施例１と同様の操作によって、重量％表示の組成式：３０Ｍｇ−７０［５３Ｂａ−４７Ｙｂ］の合金を各構成元素の純度９９．９％のチャンク材を原料として用いて調製した。この際、坩堝内の原料が完全に溶融するように電気炉の加熱温度を調整した。
【００４３】
得られた合金の固相線温度及び液相線温度、ハンダとしての濡れ性及び脆性を実施例１と同様に調べた。
【００４４】
（比較例４）
実施例１と同様の操作によって、重量％表示の組成式：８Ｍｇ−９２［８０Ｂａ−２０Ｙｂ］の合金を各構成元素の純度９９．９％のチャンク材を原料として用いて調製した。この際、坩堝内の原料が完全に溶融するように電気炉の加熱温度を調整した。
【００４５】
得られた合金の固相線温度及び液相線温度、ハンダとしての濡れ性及び脆性を実施例１と同様に調べた。
【００４６】
上記実施例１〜８及び比較例１〜４で得られた各合金の固相線温度、液相線温度、濡れ性および脆性を調べた結果を表１に記載する。
【表１】

ハンダとしての濡れ性を調べる際、比較例１においては、合金は３３０℃の加熱によって完全に溶融せず半溶融状態であった。又、比較例２〜４においては、合金は溶融しなかったため、濡れ性及び脆性の評価は行えなかった。
【００４７】
上記の実施例および比較例から、本発明の鉛フリー高温ハンダ材料は、ハンダ材料としての諸特性が優れていることが分かる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、Ａｕ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃｕ，Ｚｎから成る元素群から選ばれた少なくとも１種類の元素をＢａ及びＹｂに添加して得られる合金は、ハンダ材として良好な濡れ性を発揮し脆性にも問題がなく、鉛フリーの高温ハンダとして実用に適している。従って、環境や人体に対する影響への懸念が不要なエコマテリアルとして優れた高温ハンダを提供することができる。
【００４９】
更に、上記の高温ハンダを接合材として用いて、耐熱性に優れた鉛フリーの電子部品及びこれが組み込まれた電気電子機器を提供することができる。

Claims (2)

1. 組成式：ｘＭ−ｙ［ｐＢａ−ｑＹｂ］で示される合金（但し、不可避量の不純物を許容する）からなる高温ハンダであって、該組成式において、Ｍは、Ａｕ，Ａｇ，Ｍｇ，Ｃｕ及びＺｎから成る群より選ばれる少なくとも１種類の元素を表し、ｘ，ｙ，ｐ及びｑは、ｘ＋ｙ＝１００、及び、ｐ＋ｑ＝１００を満たす百分率による重量比率［wt％］を示し、該合金は、５≦ｘ≦２５、及び、４０≦ｐ≦７０を満たすことを特徴とする高温ハンダ。
2. 請求項１記載の高温ハンダによる導電接合を有する電子部品。