JP3721073B2 - ハンダ材及びこれを用いたデバイス又は装置並びにその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気、電子又は機械部品を接合するための鉛を含有しないハンダ材及びこれを用いて接合したデバイス及びデバイスの製造方法に関する。詳細には、昇温状態での使用耐性を必要とする製品の製造において接合材として用いられる高温ハンダに適した、鉛を含有しない錫系のハンダ材及びこれを用いて接合したデバイス及びデバイスの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現代の産業において、ハンダ付けは電子機器等の各種装置における接合、組立に幅広く使用されている。例えば、実装基板においては、半導体、マイクロプロセッサー、メモリー、抵抗などの電子部品を基板に実装するための接合等に用いられている。
【０００３】
一般的に用いられる従来のハンダは、錫と鉛とによる共晶ハンダで、その理論共晶点が１８３℃であり、多くの熱硬化性樹脂がガス化を始める温度よりも低い。このため、錫／鉛共晶ハンダは、基板等の接合に用いられた時にプリント基板などを熱によって損傷しなくて済むという特長を有している。従って、錫／鉛共晶ハンダは、電子機器の製造における部品の接合、組立において重要な材料である。一方、パワートランジスタ等の高電圧、高電流が負荷され大きな発熱を伴う半導体装置では、接合の耐熱性を確保するために、Ｐｂ−５Ｓｎ等の高温ハンダ材が使用される。
【０００４】
近年、廃棄物によって環境問題が生じることが危ぶまれており、ハンダ接合の分野においても、廃棄された電子機器等から鉛イオンが土壌中へ溶出することが懸念されている。これを解決するために、鉛を含まないハンダを用いた接合技術が必要とされている。
【０００５】
しかし、鉛を他の金属に代えたハンダや別の金属の組合せによるハンダは、濡れ性、ハンダ付け温度、材料強度、経済性等のハンダに必要とされる性質に関して研究が不十分であるため、未だ汎用製品として多量に用いられる程の普及に至っておらず、特定の用途に限定した使用が期待される程度である。
【０００６】
このような中、本願発明者らは、廃棄物中の鉛による環境問題を解決し、鉛を含有しない汎用性の高い金属によるハンダ材による接合を可能とするために、接合条件等を適切に調整することによる錫−亜鉛ハンダの使用を提案している（特開平８−２４３７８２号公報）。錫−亜鉛共晶組成物は、融点が低いので、錫−亜鉛ハンダが本来有する濡れ性を引出しさえすれば、従来の錫−鉛ハンダと同様に低温ハンダとして広く使用することが可能である。これにより、低融点ハンダの領域での無鉛化は実現可能と考えられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、高温域でハンダ付けされる高温ハンダの実用化の問題が残されている。
【０００８】
従来の高温ハンダであるＰｂ−５Ｓｎハンダの代用となる無鉛の高温ハンダとして、特開平１−１７２３５２号公報ではＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系ハンダが提案されている。しかし、この材料は加工性に難があり、酸化し易い元素系で構成されているために濡れ性が悪い。従って、実用には適していない。
【０００９】
又、Ｓｎ−Ｃｕ系ハンダの実用化も試みられているが、このハンダにおいては錫と銅との金属間化合物からなるη相が生じるため、銅製の部品との接合が脆くなり強度が劣化するという問題がある。
【００１０】
本発明は、汎用性の高い原料を用い安価で高温域でのハンダ付けに容易に使用可能な無鉛の高温ハンダを提供することである。
【００１１】
又、本発明は、汎用性の高い原料を用いた無鉛高温ハンダを用いて接合形成及び／又は組立が行なわれる耐熱性を有するデバイス、組立体又は装置を提供することである。
【００１２】
又、汎用性の高い原料を用いた無鉛高温ハンダを用いて接合形成及び／又は組立を行なうデバイス、組立体又は装置の製造方法を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者らは、錫−亜鉛ハンダを基礎として、鉛を含有しない汎用性の高い金属を用いたハンダ付けについて鋭意研究を重ねた結果、錫をベースとして、亜鉛及び銀を含有する組成物、又は、ゲルマニウムあるいはアルミニウムを含有する組成物が、高温ハンダとして好適に使用可能であることを見出し、本発明のハンダ材及び装置を完成するに至った。
【００１４】
本発明の一態様によれば、ハンダ材は、錫、亜鉛及び銀からなるハンダ材であって、錫と亜鉛との重量比が９７：３〜７９：２１であり、錫及び亜鉛の合計と銀との重量比が８８：１２〜１００：４２．９であることを要旨とする。
【００１５】
本発明の他の態様によれば、ハンダ材は、錫、亜鉛及び銀からなるハンダ材であって、錫と亜鉛との重量比が９７：３〜９１：９であり、錫及び亜鉛の合計と銀との重量比が８８：１２〜５０：５０であることを要旨とする。
【００１７】
本発明の更に他の態様によれば、ハンダ材は、ゲルマニウム及びアルミニウムの双方を合計で０．０１〜２重量％と残部錫（但し、不可避量の不純物を含み得る）とからなることを要旨とする。
【００１８】
又、本発明の一態様によれば、デバイス又は装置は、上記のいずれかのハンダ材を用いて接合される部品を有することを要旨とする。
【００１９】
上記デバイスは、電子管、外部接続用電極、トランジスタ、サイリスタ、ＧＴＯ、整流器及びバリアブルコンデンサからなる群より選択されるパワーエレクトロニクスデバイスを含む。
【００２０】
更に、本発明の一態様によれば、デバイス又は装置の製造方法は、第１のハンダ接合工程と、該第１のハンダ接合工程より後に行われる第２のハンダ接合工程とを有し、該第１のハンダ接合工程のハンダ付け温度は該第２のハンダ接合工程のハンダ付け温度より高く、該第１のハンダ接合工程を上記のいずれかに記載のハンダ材を用いて行うことを要旨とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
パワートランジスタ等のようなパワー半導体素子は、高電圧、高電流の負荷により大きな発熱を生じる。このため、パワー半導体素子を含んだデバイス・装置の作動・停止によって昇温・降温が繰り返され、材料の線膨張率の違いによって熱応力が発生してデバイス・装置中の部品接合部に歪を生じる。昇温が激しい場合には接合部を構成するハンダ材が溶融する。歪や溶融によりクラック、破断等の物理的損傷ができるとデバイスの性能が変化する。従って、熱疲労の影響は重大である。このため、このような種類のデバイスの接合部には、温度変化を伴う使用に対する耐性を有する高温ハンダ材を用いる必要がある。又、温度上昇を伴う電気機器においても同様に高温ハンダ材が用いられる。
【００２２】
種々の金属材料について研究を重ねた結果、本願発明者らは、Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｇ系ハンダ材、Ｓｎ−Ｚｎ［２０〜３０wt％Ｚｎ］系ハンダ材及びＳｎ−（Ｇｅ及び／又はＡｌ）系ハンダ材が高温ハンダとして有用であることを見出した。以下、これらのハンダ材について説明する。
【００２３】
（１）Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｇ系ハンダ材
錫−亜鉛共晶組成物は、融点が錫及び亜鉛よりかなり低く、更に溶融状態での表面張力も錫及び亜鉛より小さい。従って、ハンダ材として使用したときに低い温度でのハンダ付けが可能であって且つ濡れ性も本質的には高い。亜鉛を含有するハンダ材の濡れ性の低下は酸素の存在によって起こるものであって、酸素がなければきわめて良好な濡れ性を有するハンダ材であり、接合後の強度も優れている。また、従来のハンダ材である錫−鉛合金に比べて、錫−亜鉛合金は、導電性がよく通電による発熱が少ないため、導電接合のエネルギー消費や熱対策の点でも有利である。従って、このような利点を活かして錫−亜鉛合金をハンダ付け温度が約２５０〜４００℃の高温ハンダに適用することは非常に好ましい。これは、錫−亜鉛組成に銀を添加することによって実現される。
【００２４】
錫−亜鉛組成物に銀を添加して得られる高温ハンダに適した組成物には、２つのタイプがある。
【００２５】
第１のタイプは、錫−亜鉛共晶組成物又は共晶組成に近い組成物に所定量の銀を添加するものである。具体的には、錫と亜鉛との重量比が９７：３〜７９：２１で、錫及び亜鉛の合計と銀との重量比が８８：１２〜５０：５０となるように配合される。この錫−亜鉛−銀ハンダ材は、溶融時の表面張力が小さく、良好な濡れ性を示し、銀の添加による液相線温度の上昇によって高温ハンダとしての使用に適応する。つまり、錫−亜鉛ハンダが本来有する濡れ性を活かしたものである。しかも、溶融亜鉛の表面張力は高温になるに従って溶融銀より小さくなり、錫−亜鉛−銀系組成は、錫−銀系組成に比べて高温における濡れ性が良い。亜鉛の割合が上記範囲外であると、溶融ハンダ材の表面張力が増加し、濡れ性が低下する。従って、亜鉛の割合は、共晶組成付近、つまり、錫と亜鉛との割合が重量比で９７：３〜７９：２１、好ましくは９３：７〜８７：１３とする。又、錫及び亜鉛の合計重量と銀とが８８：１２の割合より銀が少なくなると、固相線温度が低下し高温ハンダとしての使用が難しくなり、５０：５０より銀の割合が多くなると、液相線温度が上昇してハンダ付け温度で十分に溶融し難くなる。
【００２６】
第２のタイプは、錫−亜鉛共晶組成より亜鉛を多く含む組成物に所定量の銀を添加するものである。具体的には、錫と亜鉛との重量比が７０：３０〜５：９５であり、錫及び亜鉛の合計と銀との重量比が１００：０〜８５：１５であるように配合される。この錫−亜鉛−銀ハンダ材は、銀−亜鉛化合物によってハンダ材の組織が緻密化し、亜鉛の割合が多いことによる固相線温度の上昇によって高温ハンダとしての使用に適応する。錫と亜鉛との割合が７０：３０より亜鉛が少なくなると、固相線温度が低下し高温ハンダとしての使用が難しくなる。又、錫と亜鉛との割合が５：９５より亜鉛が多くなると、液相線温度が上昇してハンダ付け温度で十分に溶融し難くなる。この錫−亜鉛−銀ハンダ材においては、銀の添加により銀−亜鉛化合物が生成してハンダの組織が緻密化されて機械強度が向上するが、銀の割合が増加するに従って高温ハンダのハンダ付け温度領域における濡れ性が低下し、得られるハンダ接合の接合強度が低くなる。従って、錫及び亜鉛の合計と銀との割合は８５：１５より銀が多くならないように、好ましくは９０：１０より銀が多くならないように設定される。
【００２７】
亜鉛を含有するハンダ材が酸化すると、溶融温度が急激に上昇し濡れ性や強度等も極端に低下するので、ハンダ材の調製、特に溶融・混合工程は、得られるハンダ材の含有酸素量が１００ppm （重量比）以下となるように窒素やアルゴンなどの非酸化雰囲気を用いて酸化を防止しながら行うことが好ましい。又、原料として用いる錫、亜鉛又は銀に含まれる酸素を減少させるには、これらの溶融原料に、融点が低く酸素と反応し易いリンやマグネシウム等を脱酸素剤として添加する方法がある。これにより、脱酸素剤と溶融原料中の酸素が化合してスラグとして溶融原料表面に浮遊し、容易に除去することができる。脱酸素剤の使用量は原料の０．０１〜０．１重量％程度が好ましい。このような方法で脱酸素した原料を用いると、含有酸素量が３０ppm 以下に減少した固形ハンダを調製することができる。
【００２８】
調製したハンダ材は、必要に応じ、通常の処方に従って線ハンダやハンダ粉末に加工して使用することができる。ハンダ粉末をフラックスと混合することによりソルダーペーストが調製される。フラックスは、化学的作用及び物理的作用を効率よく発現させるべく必要に応じて種々の物質を配合して調製する。
【００２９】
上述に従って調製したハンダ材、特に第２のタイプのハンダ材を用いると、ハンダ付けする部材をフラックスを使用することなく良好にハンダ付けすることも可能である。これは特に、母材表面の酸化膜形成などによる酸素量が少ないときに特に容易であり、又、銀の添加量が少ない第２のタイプのハンダ材を用いた場合に最も有効である。この理由は、ハンダ材中の亜鉛がハンダ材の溶融時、特に高温において、接合界面で部材表面の酸素と反応して部材表面を活性化することによると考えられる。ハンダ付け方法としては、例えば、ハンダ材を部材表面上で加熱溶融する方法や、ディップ方式に従って加熱溶融したハンダ材に部材を浸漬する方法等を用いることができる。母材表面が例えば金のような酸化し難い材料である時は、そのまま錫−亜鉛−銀ハンダ材をハンダ付けでき、母材表面が例えば銅等の酸化膜が生じ易い材料による場合は、水素；メタノール蒸気、エタノール蒸気、プロパノール蒸気等のアルコール蒸気、蟻酸、酢酸等の酸蒸気、アンモニアや水素等の還元性ガスなどを用いた還元処理によって部材表面の酸素量を低下させれば、容易にハンダ付けできる。又、超音波などの振動エネルギーを用いて部材の表面状態を改善してもよい。ハンダ付けは、窒素ガス、アルゴンガス等の非酸化雰囲気中または酸素濃度が１０００ppm 以下の低酸素雰囲気中で行う。
【００３０】
上述ハンダ材を用いて調製したソルダーペーストを用いてハンダ付けを行う場合は、常法に従って、ハンダ付けする部材上にスクリーン印刷方式等の技術を用いて塗布した後に、接合する部分を対向接触させてリフローを行えばよい。リフローは大気雰囲気中で行うことも可能であるが、非酸化性雰囲気で行うのが望ましい。
【００３２】
（２）Ｓｎ−Ｚｎハンダ材
錫と亜鉛との重量比が８０：２０〜７０：３０の錫−亜鉛ハンダ材は、その線膨張係数が、錫単体、亜鉛単体及び現行の鉛含有ハンダ材（９５Ｐｂ−３．５Ｓｎ−１．５Ａｇ）よりも小さく、銅の線膨張係数（１．６２×１０−５［／Ｋ］）に近い。従って、ハンダ付けする部分が銅製のデバイスや装置にこのタイプのＳｎ−Ｚｎハンダ材を用いると、昇温・降温の繰り返しによって発生する熱応力が軽減され、クラックの発生も抑制できる。銅は、半導体デバイスの基板電極や部品のリードに用いられるので、この錫−亜鉛ハンダ材はパワー半導体素子を含んだデバイス及び装置の接合材料として特に有用である。又、銅以外の線膨張係数が小さい金属、例えば、鉄、ニッケル等で形成された部材の接合に用いた場合にも同様に有用である。
【００３３】
近年特に微細化が進められている電子部品の組立・実装においては、熱応力による歪を少なくすることが重要であり、線膨張係数が適正な範囲にあるハンダ材の選択は、製造する電子製品に耐熱性を付与する上で有効である。銅製の接合部材のハンダ付けでは、線膨張係数が銅の値の約１．４倍（２．２５×１０−５［／Ｋ］以内であることが好ましく、亜鉛と錫との重量比が８０：２０〜７０：３０の錫−亜鉛ハンダ材はこれを満足する。亜鉛と錫との重量比が７５：２５のハンダ材の線膨張係数が最も銅に近い。
【００３４】
Ｓｎ−Ｚｎ系ハンダ材は、構成金属成分の単味金属を加熱し溶融混合することによって調製でき、溶融方法は特に限定されないが、雰囲気の制御が可能な電気炉やアーク溶融法等を用いるのが好ましい。溶融金属の酸化を防止するために、非酸化性雰囲気、例えば、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気を用いるのが望ましく、その純度は９９．９％以上であると好ましい。雰囲気を非酸化性雰囲気に置換する際には、予め、５×１０−３Ｐａ以下、より好ましくは１×１０−５Ｐａ以下の真空度に減圧して大気を除去するとよい。また、必要に応じて、前述のＳｎ−Ｚｎ−Ａｇ系ハンダ材の調製で述べた脱酸素剤を用いて原料金属又は調製したハンダ材の脱酸素を行っても良い。
【００３５】
調製したハンダ材は、必要に応じて、通常の処方に従って線ハンダやハンダ粉末に加工して使用することができる。ハンダ粉末をフラックスと混合することによりソルダーペーストが調製される。フラックスは、化学的作用及び機械的作用を効率よく発現させるべく必要に応じて種々の物質を配合して調製する。
【００３７】
ハンダ付け方法は、例えば、ハンダ材を部材表面上で加熱溶融する方法や方法ディップ方式等を用いることができ、酸化膜が生じ易い材料による母材の場合は、還元性ガスなどを用いて部材表面の酸素量を低下させる。超音波などを用いてもよい。ハンダ付けを行う雰囲気は、大気でも良いが、窒素ガス、アルゴンガス等の非酸化雰囲気中または酸素濃度が１０００ppm 以下の低酸素雰囲気であれば更に好ましい。
【００３８】
ソルダーペーストの形態でハンダ付けを行う場合は、常法に従って、スクリーン印刷方式等の技術を用いてペーストを塗布した後にリフロー等によって接合する。リフローは大気雰囲気中で行うことも可能であるが、非酸化性雰囲気で行うのが望ましい。
【００３９】
（３）Ｓｎ−（Ｇｅ及び／又はＡｌ）系ハンダ材
このハンダ材は、ゲルマニウム及びアルミニウムのうち少なくとも１種を錫に配合した錫ベース合金であり、その組成割合は、重量百分率で（Ｇｅ，Ａｌ）：Ｓｎ＝Ｘ：（１００−Ｘ）となり、Ｘは０．０１重量％以上、２重量％以下である。ゲルマニウム及び／又はアルミニウムと錫とを上記の成分比で非酸化性雰囲気中で溶解混合することによりハンダ材が得られ、精製原料に伴う不可避不純物の存在は許容される。
【００４０】
錫にゲルマニウム又はアルミニウムを添加することによる効果は、含有量がゲルマニウム、アルミニウム及び錫の合計量の約０．０１重量％以上において認識でき、０．０１〜２重量％配合すると固相線温度が２３０℃前後（ゲルマニウムの場合は２３１℃、アルミニウムの場合は２２８℃）のハンダ材が得られる。ゲルマニウム及びアルミニウムを両方用いても良く、この場合は、含有量の合計が０．０１〜２重量％、好ましくは０．０５〜２重量％となるように調整する。但し、固相線温度が必要以上に下がるのを防止するためにはゲルマニウム又はアルミニウムの単独での使用が望ましい。ゲルマニウム及び／又はアルミニウムの含有量が２重量％を超えると、固相線温度が２２５℃より低くなり高温ハンダとして使用できず、また、ハンダ材が酸化し易くなる。アルミニウムを含有する錫合金は、アルミニウム製の部材に対して良好の濡れ性を示し、強固な接合を形成する。
【００４１】
Ｓｎ−（Ｇｅ及び／又はＡｌ）系ハンダ材は、構成金属成分の単味金属を加熱し溶融混合することによって調製でき、溶融方法は特に限定されないが、雰囲気の制御が可能な電気炉やアーク溶融法等を用いるのが好ましい。溶融金属の酸化を防止するために、非酸化性雰囲気、例えば、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気を用いるのが望ましく、その純度は９９．９％以上であると好ましい。雰囲気を非酸化性雰囲気に置換する際には、予め、５×１０−３Ｐａ以下、より好ましくは１×１０−５Ｐａ以下の真空度に減圧して大気を除去するとよい。また、必要に応じて、前述のＳｎ−Ｚｎ−Ａｇ系ハンダ材の調製で述べた脱酸素剤を用いて原料金属又は調製したハンダ材の脱酸素を行っても良い。
【００４２】
調製したハンダ材は、必要に応じて、通常の処方に従って線ハンダやハンダ粉末に加工して使用することができる。ハンダ粉末をフラックスと混合することによりソルダーペーストが調製される。フラックスは、化学的作用及び機械的作用を効率よく発現させるべく必要に応じて種々の物質を配合して調製する。
【００４３】
ハンダ付け方法は、例えば、ハンダ材を部材表面上で加熱溶融する方法や方法ディップ方式等を用いることができ、酸化膜が生じ易い材料による母材の場合は、還元性ガスなどを用いて部材表面の酸素量を低下させる。超音波などを用いてもよい。ハンダ付けを行う雰囲気は、大気でも良いが、窒素ガス、アルゴンガス等の非酸化雰囲気中または酸素濃度が１０００ppm 以下の低酸素雰囲気であれば更に好ましい。
【００４４】
ソルダーペーストの形態でハンダ付けを行う場合は、常法に従って、スクリーン印刷方式等の技術を用いてペーストを塗布した後にリフロー等によって接合する。リフローは大気雰囲気中で行うことも可能であるが、非酸化性雰囲気で行うのが望ましい。
【００４５】
（４）ハンダ材の使用
本発明のハンダ材は、鉛を含有しない汎用性の高い材料であり、現状の製品の組立製造工程において用いられている高温ハンダ用の装置及び設備を利用して部品の接合が行える。従って、本発明のハンダ材は、従来の高温ハンダの代替物として使用することができ、温度上昇を伴う電気機器や、パワー半導体デバイス及びこれを用いた装置において、接合形成、皮膜形成に適した材料である。例えば、電気機器では、各種ランプ、電子管及びその外部接続用電極、整流器、バリアブルコンデンサ等の接合部に用いられる。パワー半導体デバイスは、パワー素子として、トランジスタ、サイリスタ、ＧＴＯサイリスタ、ダイオード、ＭＯＳＦＥＴなどを用いており、パワートランジスタモジュール等のパワーモジュールやパワーＩＣ等の形態に構成される。このようなデバイス中の接合及びデバイスが組み込まれた装置における接合形成に用いることができる。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製の部材だけでなく、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。又、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。接合する部材の材質に応じて、部材に予め金属プリコートをメッキや圧着法等によって施してもよく、プリコートの組成やプリコート方法は適宜選択することができる。
【００４６】
図１（ａ），（ｂ）は、本発明に係るハンダ材を用いてリードフレームに接合される電子部品の接合の一例を示す断面図である。図中、符号１は銅製のリードフレームを示し、図２はこの平面図である。符号２はリードフレーム１の接合部に供給されたハンダ材であり、符号３は、ハンダ材２の濡れ性を得るために、集積回路を施された半導体素子４の裏面に施されたメッキ層である。メッキ層３を形成するメッキの種類、メッキ方法、層の厚さは必要に応じて一般的に用いられるものから適宜選択することができ、メッキの種類としては、例えば、金メッキ、銀メッキなどが挙げられる。リードフレーム１の接合部分に予めメッキを施してもよい。
【００４７】
リードフレーム１と半導体素子４との接合は、例えば、以下のような操作によって行われる。この例では、ハンダ材２として１３．６Ａｇ−３Ｚｎ−Ｓｎハンダを用い、メッキ層３は金を用いて１μｍの厚さに設けられる。
【００４８】
まず、非酸化性雰囲気として窒素ガスが供給されたハンダ付け装置中に、リードフレーム１を搬送して３５０℃に６０秒間程度加熱し、リードフレーム１の接合部５の中央部分にハンダ材２を数秒間接触させる。溶融したハンダ材２がリードフレーム１上に施与され、ハンダ材２をリードフレーム１から引き離して図１（ａ）のような状態となるとすぐに、図１（ｂ）のように半導体素子４の接合部分をハンダ材２と接触させてリードフレーム１上に半導体素子４を載置し、３６０℃に加熱した後冷却する。固化したハンダ材２により半導体素子４はリードフレーム１に接合され、この例においては、メッキ層３の金の殆どがハンダ材２中に拡散する。この後、ワイヤボンディングやモールド加工が半導体素子４に対して行われ、得られるデバイスは、低融点ハンダを用いてプリント基板などに実装することができる。
【００４９】
図３は、上述と同様の工程を用いて組み立てられるパワー半導体デバイスの一例としてＯＡ機器等のステッピングモータ駆動用のワンチップインバータＩＣを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は断面図である。このＩＣ１０は、リードフレーム１１上に上述の高温ハンダ材１３を用いて接合したＳＯＩ構造の半導体素子１２を有し、半導体素子１２は、金線１４を用いたワイヤボンディングによりリードフレーム１１と電気接続され、熱硬化性樹脂１５を用いて、ワイヤ１４及び半導体素子１２の封止、及び、半導体素子１２と反対側のヒートシンク１６の取り付けが行われる。半導体素子１２の動作による発熱は、熱硬化性樹脂１５を介してヒートシンク１６によって外部に放出されるが、ハンダ材１３の接合は、このような熱的環境において温度変化による歪や変形に比較的強く、ワイヤ１４の破断を生じるような変化を生じにくい。
【００５０】
図４（ａ）〜（ｃ）は、ＢＧＡ型半導体パッケージのプリント基板への実装の一例を示す図であり、（ａ）はハンダボールが供給される前の半導体パッケージ２０である。この半導体パッケージ２０は、基板２１上に搭載されたＬＳＩチップと、ＬＳＩチップを基板に電気接続するワイヤと、ＬＳＩチップ及びワイヤを封止する樹脂２２とを有しており、半導体パッケージの基板２１は、（ａ）のように、チップと反対側に銅製の電極２３を有する。電極２３表面にフラックスを塗布し、上述の高温ハンダ材、好ましくは錫−亜鉛−銀ハンダ材で形成したハンダボール２４を載せてボール表面を加熱溶融した後冷却することにより、（ｂ）のように電極２３とボール２４とが接合され、ＢＧＡ型半導体パッケージとなる。この半導体パッケージ２０をプリント基板２３に実装するために、プリント基板の接合する電極に低温ハンダ、例えば錫−亜鉛共晶ハンダのペーストをスクリーン印刷等の方法により塗布する。半導体パッケージ２０をプリント基板上に位置決めしてボールを低温ハンダペーストと接触させ、低温ハンダの溶融温度でハンダ付けすることにより、（ｃ）のようにパッケージがプリント基板に実装された半導体装置が得られる。半導体パッケージ２０のＬＳＩチップとして、例えばＳＯＩを用いると、この半導体装置は、冷蔵庫に用いられるワンチップインバータになる。
【００５１】
上記のようなパワーエレクトロニクスデバイスにおける使用では、基板等の他の材料の耐熱性の観点から、ハンダ付け温度を２０５〜２２５℃程度に設定可能な高温ハンダ材を選択するのが好ましい。
【００５２】
本発明に係る高温ハンダ材は、発熱または加熱を伴う電気機器、例えば電灯等の接合部分にも適用される。図５は、その一例として低圧水銀ランプ３０を示し、水銀原子及び希ガスが封入された石英管３１と、この両端が嵌着される口金３２とを有する。石英管３１の両端のフィラメント３３は、石英管３１内部から外部に貫通し、口金３２の端子３３と高温ハンダ材３５により接続されており、安定器を介して外部から端子３３に供給される電力によりフィラメント間で放電し発光する。このような使用においては、一般的に、ハンダ付け温度を２２０〜３８０℃程度、より好ましくは２３０〜３００℃程度に設定可能な高温ハンダが用いられる。白熱電球や回転灯の口金部分におけるフィラメントの接合も図５と同様である。
【００５３】
上述のような半導体素子等の部品の接合・組立を行った装置・デバイスにおけるハンダ付けの信頼性を評価する方法の一つに、サーマルサイクル試験（ＴＣＴ）と呼ばれる評価方法がある。これは、外部からの加熱・冷却による昇温・降温を一定時間繰り返し、電流、電圧等の物性値に表れる素子特性の変化や、熱疲労により生じるクラック等の機械的変化がハンダ接合に発生するまでの時間等を測定するもので、このような測定結果に基づいて温度変化を伴う使用に対する装置の耐性を評価することができる。従って、ハンダ材で接合した装置は、上述のようなＴＣＴを応用して、検出される特性の変化により評価することができる。
【００５４】
電子機器の高機能化に伴って、１つの装置を構成する電子デバイス等の部品は多数且つ多種類になり、多数のハンダ接合が形成される。しかし、装置構成や組立作業上の都合などによっては、装置の組立におけるハンダ付けを複数段階に分けて行わなければならない場合が生じる。この場合、組立中の部品は、ハンダ付けのための加熱に繰り返し曝される。従って、ハンダ付けの全てを単一のハンダ材を用いて行うと、一度接合を形成したハンダが次のハンダ付け工程において再度溶融して接合の変形や解離が生じる。従って、このような組立を行うためには、ハンダ付け工程数と等しい数だけ溶融温度の異なるハンダ材が必要となり得る。このような場合、最初のハンダ付け工程において最も溶融温度の高いハンダ材を用いて接合し、工程が進むにつれてハンダ付け温度が低下するように使用するハンダ材を変えることにより、一旦接合した部品の脱離や接合部の変形は防止される。つまり、高温ハンダは、耐熱性を要する装置の接合形成だけでなく、多段階の接合工程を必要とする装置の組立・製造にとっても有用である。このような多段階接合を行う場合の前段に使用するハンダ材の溶融温度（厳密には固相線温度であるが、液相線温度が高ければ実質的に溶融が起こる温度））と後段におけるハンダ付け温度との差は、５℃以上、好ましくは１５℃以上となるように各ハンダ付け工程で使用するハンダ材及びハンダ付け温度を設定する。例えば、２段階のハンダ付け工程が必要な場合、第１のハンダ材の組成（重量比）をＳｎ／Ａｌ＝９９．４／０．６、第２のハンダ材をＳｎ／Ｚｎ＝９１／９とすると、ハンダ付け温度を１５℃程度低下させることができる。
【００５５】
亜鉛を含有するハンダ材は、溶融した際に表面に亜鉛が濃縮した層が形成されるので、一旦固化した錫−亜鉛−銀ハンダ材は、外側を高融点層が被覆した構造となる。従って、固相線温度以上に加熱されたときのハンダ材の溶融挙動は、熱供給の状況により、均一な状態に比べると溶融変形の始まりが遅れ易い。換言すれば、短時間加熱には比較的耐性がある。又、錫及び亜鉛を含有するハンダ材は、繊維状亜鉛が分散した組織を有し、特に共晶組成より亜鉛が多いハンダ材は、半溶融状態でも形状を維持し易い。
【００５６】
【実施例】
以下、実施例により本発明を詳細に説明する。
【００５７】
（実施例１）
［試料の調製］
酸素濃度１００ppm 以下の窒素雰囲気中で、純度９９．９８％の錫、純度９９．９９％の亜鉛及び純度９９．９７％の銀を表１の配合割合に従って溶融槽に投入し、加熱溶融した後室温まで冷却して試料１〜１４の均一なハンダ材を得た。得られたハンダ材の液相線温度を示差走差熱量計（ＤＳＣ）を用いて１０℃／分の昇温速度において測定し、表１に示す。（温度の測定値は最大±２０℃の誤差を含み得る）。
【００５８】
【表１】
［試料の評価］
上記試料１〜１４のハンダ材各々を窒素雰囲気中の溶融槽に投入し５２０℃に加熱して溶融し、５mm×５０mmの銅板（予め表面を酸で洗浄したもの）を溶融ハンダに浸漬して銅板のハンダ付けを行った。銅板の表面がハンダで濡れているか否かについて目視により判断することによってハンダ材の濡れ性を確認し、浸漬した銅板表面の９８％以上が濡れたものをＡ、９５〜９８％をＢ、９５％以下をＣとした。結果は表２の通りである。
【００５９】
【表２】
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
試料 １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ 10 11 12 13 14
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
評価 Ａ Ａ Ａ Ｃ Ｂ Ａ Ａ Ｂ Ａ Ａ Ｂ Ａ Ａ Ｃ
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
窒素雰囲気が供給されたハンダ付け装置内に、図２に示すようなリードフレーム１を搬送して加熱板上で５１０℃に６０秒間加熱し、リードフレーム１上の半導体素子を搭載する位置に上記試料１〜１４の各々を０．５mmφの線状に加工したハンダ材を２秒間接触させた後、ハンダ材をリードフレーム１から引き上げると同時に、リードフレーム１上のハンダ材２に半導体素子４を搭載して、加熱板を５２０℃に２秒間加熱した。この後、リードフレーム１及び半導体素子４を室温まで冷却することにより、リードフレーム１と半導体素子４とは接合した。
【００６０】
半導体素子４とリードフレーム１とを金ワイヤで接続し、エポキシ樹脂でモールドした。
【００６１】
上記のハンダ接合の機能を評価するために、下記の条件で加熱及び冷却を繰り返す温度サイクル試験を行った。尚、初めに、半導体素子４に一定電圧を印加して流れる電流を測定した。
【００６２】
温度範囲：−６５℃〜１５０℃
保持時間：−６５℃及び１５０℃の各々で３０分
繰り返しサイクル：５００サイクル及び１０００サイクル
上記温度サイクル試験において５００サイクル後及び１０００サイクル後に半導体素子４に流れる順方向電流を測定し、電流初期値に対する電流増加が５００サイクル後において５％以内であり、１０００サイクル後において１５％以内の場合をＡ、５００サイクル後において５％以内であり、１０００サイクル後において２０％以内の場合をＢ、いずれでもない場合をＣとした。結果は表３の通りである。
【００６３】
【表３】
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
試料 １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ 10 11 12 13 14
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
評価 Ａ Ｂ Ａ Ｃ Ｂ Ａ Ａ Ｂ Ａ Ｂ Ｂ Ａ Ａ Ｃ
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
（実施例２）
［試料の調製］
重量組成比がＧｅ：Ｓｎ＝０．１５：９９．８５となるように、純度９９．９９wt％の錫及びゲルマニウムのショット材を電子天秤で秤量して、高純度アルミナ（ＳＳＡ−Ｓ）製坩堝に投入し、電気炉内に装填した。電気炉内を２×１０−３Ｐａの真空度まで減圧した後、純度９９．９９％の高純度アルゴンを１Ｌ／分の流量で供給してアルゴン雰囲気に置換した。電気炉を昇温して坩堝を３５０℃で１０分間加熱して内容物を溶解し、溶解物を室温まで冷却して固化させ、試料１５のハンダ材としてＧｅ−Ｓｎ合金を得た。同様に、ゲルマニウム、錫、アルミニウムを表４に示す配合割合に従って坩堝に投入し、加熱溶融した後室温まで冷却して試料１６〜２０の均一なハンダ材を得た。
【００６４】
試料１４のハンダ材の一部を粉砕してＸ線回折法で調べたところ、主としてβ−Ｓｎ３の相が観察された。更に、合金の断面組織をＳＥＭによって調べたところ、ゲルマニウムの多い相が微細な針状に析出しているのが確認された。また、合金の組成をＩＣＰ発光分光法で分析し、配合時の組成比と一致しているのを確認した。
【００６５】
［試料の評価］
・固相線温度
試料１５のＧｅ−Ｓｎ合金ハンダ材の固相線温度を示差走差熱量計（ＤＳＣ）を用いて１０℃／分の昇温速度において測定したところ、２３１℃であった。同様に試料１６〜２０のハンダ材についても測定した。結果を表４に示す。
【００６６】
・濡れ性
試料１５のＧｅ−Ｓｎ合金ハンダ材を大気中で２５０℃に加熱して溶融し、溶融合金上にＪＩＳ Ｃ００５０付属書Ｃ規定のフラックス（ロジン２５％、イソプロピルアルコール７５％）を供給した。この中に縦８mm×横４mm×幅０．２５mmの銅製薄板試験片を２mm／秒の速度で５mmの深さまで浸漬して３秒間保持した後引き上げて、試験片の浸漬表面積に対する合金で被覆された面積の比率を求めることにより濡れ性の評価を行ったところ、比率は８０％であった。同様に、試料１６〜２０のハンダ材についても、合金で被覆された面積の比率を求めた。結果を表４に示す。
【００６７】
・耐熱性
窒素雰囲気が供給されたハンダ付け装置内に、図２に示すようなリードフレーム１を搬送して加熱板上で２９０℃に６０秒間加熱し、リードフレーム１上の半導体素子を搭載する位置に上記試料１５〜２０の各々を０．５mmφの線状に加工したハンダ材を２秒間接触させた後、ハンダ材をリードフレーム１から引き上げると同時に、リードフレーム１上のハンダ材２に半導体素子４を搭載して、加熱板を３００℃に２秒間加熱した。この後、リードフレーム１及び半導体素子４を室温まで冷却することにより、リードフレーム１と半導体素子４とを接合した。
【００６８】
上記のハンダ接合の機能を評価するために、下記の条件で温度サイクル試験を行う前後の接合体各々におけるハンダ接合の強度をシェア強度の測定に従って調べた。
【００６９】
温度範囲：−４０℃〜１５０℃
保持時間：−４０℃及び１５０℃の各々で３０分
繰り返しサイクル：１０００サイクル
上記温度サイクル試験前後のハンダ接合の強度を比較して強度低下の有無を調べたところ、試料１５の強度の低下は認められなかった。同様に、試料１６〜２０のハンダ材についても、温度サイクル試験前後のハンダ接合の強度低下の有無を調べた。結果を表４に示す。
【００７０】
【表４】
（実施例３）
［試料の調製］
酸素濃度１００ppm 以下の窒素雰囲気中で、純度９９．９８％の錫及び純度９９．９９％の亜鉛を表５の配合割合に従って溶融槽に投入し、加熱溶融した後室温まで冷却して試料２１〜２５の均一なハンダ材を得た。得られたハンダ材の液相線温度を示差走差熱量計（ＤＳＣ）を用いて１０℃／分の昇温速度において測定し、表１に示す。（温度の測定値は最大±２０℃の誤差を含み得る）。
【００７１】
【表５】
［試料の評価］
上記試料２１〜２５のハンダ材各々を窒素雰囲気中の溶融槽に投入し４５０℃に加熱して溶融し、５mm×５０mmの銅板（予め表面を酸で洗浄したもの）を溶融ハンダに浸漬して銅板のハンダ付けを行った。銅板の表面がハンダで濡れているか否かについて目視により判断することによってハンダ材の濡れ性を確認し、浸漬した銅板表面の９８％以上が濡れたものをＡ、９５〜９８％をＢ、９５％以下をＣとした。結果は表６の通りである。
【００７２】
【表６】
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
試料 ２１ ２２ ２３ ２４ ２５
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
評価 Ａ Ａ Ａ Ａ Ｃ
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
窒素雰囲気が供給されたハンダ付け装置内に、図２に示すようなリードフレーム１を搬送して加熱板上で３５０℃に６０秒間加熱し、リードフレーム１上の半導体素子を搭載する位置に上記試料２１〜２５の各々を０．５mmφの線状に加工したハンダ材を２秒間接触させた後、ハンダ材をリードフレーム１から引き上げると同時に、リードフレーム１上のハンダ材２に半導体素子４を搭載して、加熱板を３６０℃に２秒間加熱した。この後、リードフレーム１及び半導体素子４を室温まで冷却することにより、リードフレーム１と半導体素子４とは接合した。
【００７３】
半導体素子４とリードフレーム１とを金ワイヤで接続し、エポキシ樹脂でモールドした。
【００７４】
上記のハンダ接合の機能を評価するために、下記の条件で加熱及び冷却を繰り返す温度サイクル試験を行った。尚、初めに、半導体素子４に一定電圧を印加して流れる電流を測定した。
【００７５】
温度範囲：−６５℃〜１５０℃
保持時間：−６５℃及び１５０℃の各々で３０分
繰り返しサイクル：５００サイクル及び１０００サイクル
上記温度サイクル試験において５００サイクル後及び１０００サイクル後に半導体素子４に流れる順方向電流を測定し、電流初期値に対する電流増加が５００サイクル後において５％以内であり、１０００サイクル後において１５％以内の場合をＡ、５００サイクル後において５％以内であり、１０００サイクル後において２０％以内の場合をＢ、いずれでもない場合をＣとした。結果は表７の通りである。
【００７６】
【表７】
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
試料 ２１ ２２ ２３ ２４ ２５
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
評価 Ｃ Ｂ Ａ Ｂ Ｃ
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本発明の高温ハンダ材は、電気抵抗が小さい接合材料で、電気接続を形成した場合、デバイスの作動中に接続上での発熱を減少させることができるので、デバイスを構成する他の材料に対しても、耐熱性の要求を軽減することができる。
【００７７】
【発明の効果】
本発明によれば、汎用性が高い原料を用いて安価且つ容易に調製でき、高温域でのハンダ付けに使用可能な無鉛高温ハンダを提供することができる。従って、鉛を含まないハンダの実用化にとって極めて有効で、ハンダ付けを通して組立・製造されるデバイス・装置の廃棄物に含まれる鉛の問題を解決することができる。故に、本発明は産業上及び環境対策上極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のハンダ材を用いた接合形成の一例を示す断面図。
【図２】図２の接合形成によって接合が形成される部品を示す平面図。
【図３】本発明のハンダ材を用いたパワー半導体デバイスの一例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は断面図。
【図４】本発明のハンダ材を用いたパワー半導体装置の組立工程の一例を示す側面図（ａ）〜（ｃ）。
【図５】本発明のハンダ材を用いた電気機器の一例を示す概略構成図。
【符号の説明】
１ リードフレーム、 ２ ハンダ材、 ３ メッキ層、 ４ 半導体素子、
１０ ワンチップインバータＩＣ、１３ 高温ハンダ材、
２０ 半導体パッケージ、 ２４ ハンダボール、
３０ 低圧水銀ランプ、 ３５ 高温ハンダ材、
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気、電子又は機械部品を接合するための鉛を含有しないハンダ材及びこれを用いて接合したデバイス及びデバイスの製造方法に関する。詳細には、昇温状態での使用耐性を必要とする製品の製造において接合材として用いられる高温ハンダに適した、鉛を含有しない錫系のハンダ材及びこれを用いて接合したデバイス及びデバイスの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現代の産業において、ハンダ付けは電子機器等の各種装置における接合、組立に幅広く使用されている。例えば、実装基板においては、半導体、マイクロプロセッサー、メモリー、抵抗などの電子部品を基板に実装するための接合等に用いられている。
【０００３】
一般的に用いられる従来のハンダは、錫と鉛とによる共晶ハンダで、その理論共晶点が１８３℃であり、多くの熱硬化性樹脂がガス化を始める温度よりも低い。このため、錫／鉛共晶ハンダは、基板等の接合に用いられた時にプリント基板などを熱によって損傷しなくて済むという特長を有している。従って、錫／鉛共晶ハンダは、電子機器の製造における部品の接合、組立において重要な材料である。一方、パワートランジスタ等の高電圧、高電流が負荷され大きな発熱を伴う半導体装置では、接合の耐熱性を確保するために、Ｐｂ−５Ｓｎ等の高温ハンダ材が使用される。
【０００４】
近年、廃棄物によって環境問題が生じることが危ぶまれており、ハンダ接合の分野においても、廃棄された電子機器等から鉛イオンが土壌中へ溶出することが懸念されている。これを解決するために、鉛を含まないハンダを用いた接合技術が必要とされている。
【０００５】
しかし、鉛を他の金属に代えたハンダや別の金属の組合せによるハンダは、濡れ性、ハンダ付け温度、材料強度、経済性等のハンダに必要とされる性質に関して研究が不十分であるため、未だ汎用製品として多量に用いられる程の普及に至っておらず、特定の用途に限定した使用が期待される程度である。
【０００６】
このような中、本願発明者らは、廃棄物中の鉛による環境問題を解決し、鉛を含有しない汎用性の高い金属によるハンダ材による接合を可能とするために、接合条件等を適切に調整することによる錫−亜鉛ハンダの使用を提案している（特開平８−２４３７８２号公報）。錫−亜鉛共晶組成物は、融点が低いので、錫−亜鉛ハンダが本来有する濡れ性を引出しさえすれば、従来の錫−鉛ハンダと同様に低温ハンダとして広く使用することが可能である。これにより、低融点ハンダの領域での無鉛化は実現可能と考えられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、高温域でハンダ付けされる高温ハンダの実用化の問題が残されている。
【０００８】
従来の高温ハンダであるＰｂ−５Ｓｎハンダの代用となる無鉛の高温ハンダとして、特開平１−１７２３５２号公報ではＺｎ−Ａｌ−Ｍｇ系ハンダが提案されている。しかし、この材料は加工性に難があり、酸化し易い元素系で構成されているために濡れ性が悪い。従って、実用には適していない。
【０００９】
又、Ｓｎ−Ｃｕ系ハンダの実用化も試みられているが、このハンダにおいては錫と銅との金属間化合物からなるη相が生じるため、銅製の部品との接合が脆くなり強度が劣化するという問題がある。
【００１０】
本発明は、汎用性の高い原料を用い安価で高温域でのハンダ付けに容易に使用可能な無鉛の高温ハンダを提供することである。
【００１１】
又、本発明は、汎用性の高い原料を用いた無鉛高温ハンダを用いて接合形成及び／又は組立が行なわれる耐熱性を有するデバイス、組立体又は装置を提供することである。
【００１２】
又、汎用性の高い原料を用いた無鉛高温ハンダを用いて接合形成及び／又は組立を行なうデバイス、組立体又は装置の製造方法を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明者らは、錫−亜鉛ハンダを基礎として、鉛を含有しない汎用性の高い金属を用いたハンダ付けについて鋭意研究を重ねた結果、錫をベースとして、亜鉛及び銀を含有する組成物、又は、ゲルマニウムあるいはアルミニウムを含有する組成物が、高温ハンダとして好適に使用可能であることを見出し、本発明のハンダ材及び装置を完成するに至った。
【００１４】
本発明の一態様によれば、ハンダ材は、錫、亜鉛及び銀からなるハンダ材であって、錫と亜鉛との重量比が９７：３〜７９：２１であり、錫及び亜鉛の合計と銀との重量比が８８：１２〜１００：４２．９であることを要旨とする。
【００１５】
本発明の他の態様によれば、ハンダ材は、錫、亜鉛及び銀からなるハンダ材であって、錫と亜鉛との重量比が９７：３〜９１：９であり、錫及び亜鉛の合計と銀との重量比が８８：１２〜５０：５０であることを要旨とする。
【００１７】
本発明の更に他の態様によれば、ハンダ材は、ゲルマニウム及びアルミニウムの双方を合計で０．０１〜２重量％と残部錫（但し、不可避量の不純物を含み得る）とからなることを要旨とする。
【００１８】
又、本発明の一態様によれば、デバイス又は装置は、上記のいずれかのハンダ材を用いて接合される部品を有することを要旨とする。
【００１９】
上記デバイスは、電子管、外部接続用電極、トランジスタ、サイリスタ、ＧＴＯ、整流器及びバリアブルコンデンサからなる群より選択されるパワーエレクトロニクスデバイスを含む。
【００２０】
更に、本発明の一態様によれば、デバイス又は装置の製造方法は、第１のハンダ接合工程と、該第１のハンダ接合工程より後に行われる第２のハンダ接合工程とを有し、該第１のハンダ接合工程のハンダ付け温度は該第２のハンダ接合工程のハンダ付け温度より高く、該第１のハンダ接合工程を上記のいずれかに記載のハンダ材を用いて行うことを要旨とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
パワートランジスタ等のようなパワー半導体素子は、高電圧、高電流の負荷により大きな発熱を生じる。このため、パワー半導体素子を含んだデバイス・装置の作動・停止によって昇温・降温が繰り返され、材料の線膨張率の違いによって熱応力が発生してデバイス・装置中の部品接合部に歪を生じる。昇温が激しい場合には接合部を構成するハンダ材が溶融する。歪や溶融によりクラック、破断等の物理的損傷ができるとデバイスの性能が変化する。従って、熱疲労の影響は重大である。このため、このような種類のデバイスの接合部には、温度変化を伴う使用に対する耐性を有する高温ハンダ材を用いる必要がある。又、温度上昇を伴う電気機器においても同様に高温ハンダ材が用いられる。
【００２２】
種々の金属材料について研究を重ねた結果、本願発明者らは、Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｇ系ハンダ材、Ｓｎ−Ｚｎ［２０〜３０wt％Ｚｎ］系ハンダ材及びＳｎ−（Ｇｅ及び／又はＡｌ）系ハンダ材が高温ハンダとして有用であることを見出した。以下、これらのハンダ材について説明する。
【００２３】
（１）Ｓｎ−Ｚｎ−Ａｇ系ハンダ材
錫−亜鉛共晶組成物は、融点が錫及び亜鉛よりかなり低く、更に溶融状態での表面張力も錫及び亜鉛より小さい。従って、ハンダ材として使用したときに低い温度でのハンダ付けが可能であって且つ濡れ性も本質的には高い。亜鉛を含有するハンダ材の濡れ性の低下は酸素の存在によって起こるものであって、酸素がなければきわめて良好な濡れ性を有するハンダ材であり、接合後の強度も優れている。また、従来のハンダ材である錫−鉛合金に比べて、錫−亜鉛合金は、導電性がよく通電による発熱が少ないため、導電接合のエネルギー消費や熱対策の点でも有利である。従って、このような利点を活かして錫−亜鉛合金をハンダ付け温度が約２５０〜４００℃の高温ハンダに適用することは非常に好ましい。これは、錫−亜鉛組成に銀を添加することによって実現される。
【００２４】
錫−亜鉛組成物に銀を添加して得られる高温ハンダに適した組成物には、２つのタイプがある。
【００２５】
第１のタイプは、錫−亜鉛共晶組成物又は共晶組成に近い組成物に所定量の銀を添加するものである。具体的には、錫と亜鉛との重量比が９７：３〜７９：２１で、錫及び亜鉛の合計と銀との重量比が８８：１２〜５０：５０となるように配合される。この錫−亜鉛−銀ハンダ材は、溶融時の表面張力が小さく、良好な濡れ性を示し、銀の添加による液相線温度の上昇によって高温ハンダとしての使用に適応する。つまり、錫−亜鉛ハンダが本来有する濡れ性を活かしたものである。しかも、溶融亜鉛の表面張力は高温になるに従って溶融銀より小さくなり、錫−亜鉛−銀系組成は、錫−銀系組成に比べて高温における濡れ性が良い。亜鉛の割合が上記範囲外であると、溶融ハンダ材の表面張力が増加し、濡れ性が低下する。従って、亜鉛の割合は、共晶組成付近、つまり、錫と亜鉛との割合が重量比で９７：３〜７９：２１、好ましくは９３：７〜８７：１３とする。又、錫及び亜鉛の合計重量と銀とが８８：１２の割合より銀が少なくなると、固相線温度が低下し高温ハンダとしての使用が難しくなり、５０：５０より銀の割合が多くなると、液相線温度が上昇してハンダ付け温度で十分に溶融し難くなる。
【００２６】
第２のタイプは、錫−亜鉛共晶組成より亜鉛を多く含む組成物に所定量の銀を添加するものである。具体的には、錫と亜鉛との重量比が７０：３０〜５：９５であり、錫及び亜鉛の合計と銀との重量比が１００：０〜８５：１５であるように配合される。この錫−亜鉛−銀ハンダ材は、銀−亜鉛化合物によってハンダ材の組織が緻密化し、亜鉛の割合が多いことによる固相線温度の上昇によって高温ハンダとしての使用に適応する。錫と亜鉛との割合が７０：３０より亜鉛が少なくなると、固相線温度が低下し高温ハンダとしての使用が難しくなる。又、錫と亜鉛との割合が５：９５より亜鉛が多くなると、液相線温度が上昇してハンダ付け温度で十分に溶融し難くなる。この錫−亜鉛−銀ハンダ材においては、銀の添加により銀−亜鉛化合物が生成してハンダの組織が緻密化されて機械強度が向上するが、銀の割合が増加するに従って高温ハンダのハンダ付け温度領域における濡れ性が低下し、得られるハンダ接合の接合強度が低くなる。従って、錫及び亜鉛の合計と銀との割合は８５：１５より銀が多くならないように、好ましくは９０：１０より銀が多くならないように設定される。
【００２７】
亜鉛を含有するハンダ材が酸化すると、溶融温度が急激に上昇し濡れ性や強度等も極端に低下するので、ハンダ材の調製、特に溶融・混合工程は、得られるハンダ材の含有酸素量が１００ppm （重量比）以下となるように窒素やアルゴンなどの非酸化雰囲気を用いて酸化を防止しながら行うことが好ましい。又、原料として用いる錫、亜鉛又は銀に含まれる酸素を減少させるには、これらの溶融原料に、融点が低く酸素と反応し易いリンやマグネシウム等を脱酸素剤として添加する方法がある。これにより、脱酸素剤と溶融原料中の酸素が化合してスラグとして溶融原料表面に浮遊し、容易に除去することができる。脱酸素剤の使用量は原料の０．０１〜０．１重量％程度が好ましい。このような方法で脱酸素した原料を用いると、含有酸素量が３０ppm 以下に減少した固形ハンダを調製することができる。
【００２８】
調製したハンダ材は、必要に応じ、通常の処方に従って線ハンダやハンダ粉末に加工して使用することができる。ハンダ粉末をフラックスと混合することによりソルダーペーストが調製される。フラックスは、化学的作用及び物理的作用を効率よく発現させるべく必要に応じて種々の物質を配合して調製する。
【００２９】
上述に従って調製したハンダ材、特に第２のタイプのハンダ材を用いると、ハンダ付けする部材をフラックスを使用することなく良好にハンダ付けすることも可能である。これは特に、母材表面の酸化膜形成などによる酸素量が少ないときに特に容易であり、又、銀の添加量が少ない第２のタイプのハンダ材を用いた場合に最も有効である。この理由は、ハンダ材中の亜鉛がハンダ材の溶融時、特に高温において、接合界面で部材表面の酸素と反応して部材表面を活性化することによると考えられる。ハンダ付け方法としては、例えば、ハンダ材を部材表面上で加熱溶融する方法や、ディップ方式に従って加熱溶融したハンダ材に部材を浸漬する方法等を用いることができる。母材表面が例えば金のような酸化し難い材料である時は、そのまま錫−亜鉛−銀ハンダ材をハンダ付けでき、母材表面が例えば銅等の酸化膜が生じ易い材料による場合は、水素；メタノール蒸気、エタノール蒸気、プロパノール蒸気等のアルコール蒸気、蟻酸、酢酸等の酸蒸気、アンモニアや水素等の還元性ガスなどを用いた還元処理によって部材表面の酸素量を低下させれば、容易にハンダ付けできる。又、超音波などの振動エネルギーを用いて部材の表面状態を改善してもよい。ハンダ付けは、窒素ガス、アルゴンガス等の非酸化雰囲気中または酸素濃度が１０００ppm 以下の低酸素雰囲気中で行う。
【００３０】
上述ハンダ材を用いて調製したソルダーペーストを用いてハンダ付けを行う場合は、常法に従って、ハンダ付けする部材上にスクリーン印刷方式等の技術を用いて塗布した後に、接合する部分を対向接触させてリフローを行えばよい。リフローは大気雰囲気中で行うことも可能であるが、非酸化性雰囲気で行うのが望ましい。
【００３２】
（２）Ｓｎ−Ｚｎハンダ材
錫と亜鉛との重量比が８０：２０〜７０：３０の錫−亜鉛ハンダ材は、その線膨張係数が、錫単体、亜鉛単体及び現行の鉛含有ハンダ材（９５Ｐｂ−３．５Ｓｎ−１．５Ａｇ）よりも小さく、銅の線膨張係数（１．６２×１０−５［／Ｋ］）に近い。従って、ハンダ付けする部分が銅製のデバイスや装置にこのタイプのＳｎ−Ｚｎハンダ材を用いると、昇温・降温の繰り返しによって発生する熱応力が軽減され、クラックの発生も抑制できる。銅は、半導体デバイスの基板電極や部品のリードに用いられるので、この錫−亜鉛ハンダ材はパワー半導体素子を含んだデバイス及び装置の接合材料として特に有用である。又、銅以外の線膨張係数が小さい金属、例えば、鉄、ニッケル等で形成された部材の接合に用いた場合にも同様に有用である。
【００３３】
近年特に微細化が進められている電子部品の組立・実装においては、熱応力による歪を少なくすることが重要であり、線膨張係数が適正な範囲にあるハンダ材の選択は、製造する電子製品に耐熱性を付与する上で有効である。銅製の接合部材のハンダ付けでは、線膨張係数が銅の値の約１．４倍（２．２５×１０−５［／Ｋ］以内であることが好ましく、亜鉛と錫との重量比が８０：２０〜７０：３０の錫−亜鉛ハンダ材はこれを満足する。亜鉛と錫との重量比が７５：２５のハンダ材の線膨張係数が最も銅に近い。
【００３４】
Ｓｎ−Ｚｎ系ハンダ材は、構成金属成分の単味金属を加熱し溶融混合することによって調製でき、溶融方法は特に限定されないが、雰囲気の制御が可能な電気炉やアーク溶融法等を用いるのが好ましい。溶融金属の酸化を防止するために、非酸化性雰囲気、例えば、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気を用いるのが望ましく、その純度は９９．９％以上であると好ましい。雰囲気を非酸化性雰囲気に置換する際には、予め、５×１０−３Ｐａ以下、より好ましくは１×１０−５Ｐａ以下の真空度に減圧して大気を除去するとよい。また、必要に応じて、前述のＳｎ−Ｚｎ−Ａｇ系ハンダ材の調製で述べた脱酸素剤を用いて原料金属又は調製したハンダ材の脱酸素を行っても良い。
【００３５】
調製したハンダ材は、必要に応じて、通常の処方に従って線ハンダやハンダ粉末に加工して使用することができる。ハンダ粉末をフラックスと混合することによりソルダーペーストが調製される。フラックスは、化学的作用及び機械的作用を効率よく発現させるべく必要に応じて種々の物質を配合して調製する。
【００３７】
ハンダ付け方法は、例えば、ハンダ材を部材表面上で加熱溶融する方法や方法ディップ方式等を用いることができ、酸化膜が生じ易い材料による母材の場合は、還元性ガスなどを用いて部材表面の酸素量を低下させる。超音波などを用いてもよい。ハンダ付けを行う雰囲気は、大気でも良いが、窒素ガス、アルゴンガス等の非酸化雰囲気中または酸素濃度が１０００ppm 以下の低酸素雰囲気であれば更に好ましい。
【００３８】
ソルダーペーストの形態でハンダ付けを行う場合は、常法に従って、スクリーン印刷方式等の技術を用いてペーストを塗布した後にリフロー等によって接合する。リフローは大気雰囲気中で行うことも可能であるが、非酸化性雰囲気で行うのが望ましい。
【００３９】
（３）Ｓｎ−（Ｇｅ及び／又はＡｌ）系ハンダ材
このハンダ材は、ゲルマニウム及びアルミニウムのうち少なくとも１種を錫に配合した錫ベース合金であり、その組成割合は、重量百分率で（Ｇｅ，Ａｌ）：Ｓｎ＝Ｘ：（１００−Ｘ）となり、Ｘは０．０１重量％以上、２重量％以下である。ゲルマニウム及び／又はアルミニウムと錫とを上記の成分比で非酸化性雰囲気中で溶解混合することによりハンダ材が得られ、精製原料に伴う不可避不純物の存在は許容される。
【００４０】
錫にゲルマニウム又はアルミニウムを添加することによる効果は、含有量がゲルマニウム、アルミニウム及び錫の合計量の約０．０１重量％以上において認識でき、０．０１〜２重量％配合すると固相線温度が２３０℃前後（ゲルマニウムの場合は２３１℃、アルミニウムの場合は２２８℃）のハンダ材が得られる。ゲルマニウム及びアルミニウムを両方用いても良く、この場合は、含有量の合計が０．０１〜２重量％、好ましくは０．０５〜２重量％となるように調整する。但し、固相線温度が必要以上に下がるのを防止するためにはゲルマニウム又はアルミニウムの単独での使用が望ましい。ゲルマニウム及び／又はアルミニウムの含有量が２重量％を超えると、固相線温度が２２５℃より低くなり高温ハンダとして使用できず、また、ハンダ材が酸化し易くなる。アルミニウムを含有する錫合金は、アルミニウム製の部材に対して良好の濡れ性を示し、強固な接合を形成する。
【００４１】
Ｓｎ−（Ｇｅ及び／又はＡｌ）系ハンダ材は、構成金属成分の単味金属を加熱し溶融混合することによって調製でき、溶融方法は特に限定されないが、雰囲気の制御が可能な電気炉やアーク溶融法等を用いるのが好ましい。溶融金属の酸化を防止するために、非酸化性雰囲気、例えば、窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気を用いるのが望ましく、その純度は９９．９％以上であると好ましい。雰囲気を非酸化性雰囲気に置換する際には、予め、５×１０−３Ｐａ以下、より好ましくは１×１０−５Ｐａ以下の真空度に減圧して大気を除去するとよい。また、必要に応じて、前述のＳｎ−Ｚｎ−Ａｇ系ハンダ材の調製で述べた脱酸素剤を用いて原料金属又は調製したハンダ材の脱酸素を行っても良い。
【００４２】
調製したハンダ材は、必要に応じて、通常の処方に従って線ハンダやハンダ粉末に加工して使用することができる。ハンダ粉末をフラックスと混合することによりソルダーペーストが調製される。フラックスは、化学的作用及び機械的作用を効率よく発現させるべく必要に応じて種々の物質を配合して調製する。
【００４３】
ハンダ付け方法は、例えば、ハンダ材を部材表面上で加熱溶融する方法や方法ディップ方式等を用いることができ、酸化膜が生じ易い材料による母材の場合は、還元性ガスなどを用いて部材表面の酸素量を低下させる。超音波などを用いてもよい。ハンダ付けを行う雰囲気は、大気でも良いが、窒素ガス、アルゴンガス等の非酸化雰囲気中または酸素濃度が１０００ppm 以下の低酸素雰囲気であれば更に好ましい。
【００４４】
ソルダーペーストの形態でハンダ付けを行う場合は、常法に従って、スクリーン印刷方式等の技術を用いてペーストを塗布した後にリフロー等によって接合する。リフローは大気雰囲気中で行うことも可能であるが、非酸化性雰囲気で行うのが望ましい。
【００４５】
（４）ハンダ材の使用
本発明のハンダ材は、鉛を含有しない汎用性の高い材料であり、現状の製品の組立製造工程において用いられている高温ハンダ用の装置及び設備を利用して部品の接合が行える。従って、本発明のハンダ材は、従来の高温ハンダの代替物として使用することができ、温度上昇を伴う電気機器や、パワー半導体デバイス及びこれを用いた装置において、接合形成、皮膜形成に適した材料である。例えば、電気機器では、各種ランプ、電子管及びその外部接続用電極、整流器、バリアブルコンデンサ等の接合部に用いられる。パワー半導体デバイスは、パワー素子として、トランジスタ、サイリスタ、ＧＴＯサイリスタ、ダイオード、ＭＯＳＦＥＴなどを用いており、パワートランジスタモジュール等のパワーモジュールやパワーＩＣ等の形態に構成される。このようなデバイス中の接合及びデバイスが組み込まれた装置における接合形成に用いることができる。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製の部材だけでなく、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。又、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。接合する部材の材質に応じて、部材に予め金属プリコートをメッキや圧着法等によって施してもよく、プリコートの組成やプリコート方法は適宜選択することができる。
【００４６】
図１（ａ），（ｂ）は、本発明に係るハンダ材を用いてリードフレームに接合される電子部品の接合の一例を示す断面図である。図中、符号１は銅製のリードフレームを示し、図２はこの平面図である。符号２はリードフレーム１の接合部に供給されたハンダ材であり、符号３は、ハンダ材２の濡れ性を得るために、集積回路を施された半導体素子４の裏面に施されたメッキ層である。メッキ層３を形成するメッキの種類、メッキ方法、層の厚さは必要に応じて一般的に用いられるものから適宜選択することができ、メッキの種類としては、例えば、金メッキ、銀メッキなどが挙げられる。リードフレーム１の接合部分に予めメッキを施してもよい。
【００４７】
リードフレーム１と半導体素子４との接合は、例えば、以下のような操作によって行われる。この例では、ハンダ材２として１３．６Ａｇ−３Ｚｎ−Ｓｎハンダを用い、メッキ層３は金を用いて１μｍの厚さに設けられる。
【００４８】
まず、非酸化性雰囲気として窒素ガスが供給されたハンダ付け装置中に、リードフレーム１を搬送して３５０℃に６０秒間程度加熱し、リードフレーム１の接合部５の中央部分にハンダ材２を数秒間接触させる。溶融したハンダ材２がリードフレーム１上に施与され、ハンダ材２をリードフレーム１から引き離して図１（ａ）のような状態となるとすぐに、図１（ｂ）のように半導体素子４の接合部分をハンダ材２と接触させてリードフレーム１上に半導体素子４を載置し、３６０℃に加熱した後冷却する。固化したハンダ材２により半導体素子４はリードフレーム１に接合され、この例においては、メッキ層３の金の殆どがハンダ材２中に拡散する。この後、ワイヤボンディングやモールド加工が半導体素子４に対して行われ、得られるデバイスは、低融点ハンダを用いてプリント基板などに実装することができる。
【００４９】
図３は、上述と同様の工程を用いて組み立てられるパワー半導体デバイスの一例としてＯＡ機器等のステッピングモータ駆動用のワンチップインバータＩＣを示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は断面図である。このＩＣ１０は、リードフレーム１１上に上述の高温ハンダ材１３を用いて接合したＳＯＩ構造の半導体素子１２を有し、半導体素子１２は、金線１４を用いたワイヤボンディングによりリードフレーム１１と電気接続され、熱硬化性樹脂１５を用いて、ワイヤ１４及び半導体素子１２の封止、及び、半導体素子１２と反対側のヒートシンク１６の取り付けが行われる。半導体素子１２の動作による発熱は、熱硬化性樹脂１５を介してヒートシンク１６によって外部に放出されるが、ハンダ材１３の接合は、このような熱的環境において温度変化による歪や変形に比較的強く、ワイヤ１４の破断を生じるような変化を生じにくい。
【００５０】
図４（ａ）〜（ｃ）は、ＢＧＡ型半導体パッケージのプリント基板への実装の一例を示す図であり、（ａ）はハンダボールが供給される前の半導体パッケージ２０である。この半導体パッケージ２０は、基板２１上に搭載されたＬＳＩチップと、ＬＳＩチップを基板に電気接続するワイヤと、ＬＳＩチップ及びワイヤを封止する樹脂２２とを有しており、半導体パッケージの基板２１は、（ａ）のように、チップと反対側に銅製の電極２３を有する。電極２３表面にフラックスを塗布し、上述の高温ハンダ材、好ましくは錫−亜鉛−銀ハンダ材で形成したハンダボール２４を載せてボール表面を加熱溶融した後冷却することにより、（ｂ）のように電極２３とボール２４とが接合され、ＢＧＡ型半導体パッケージとなる。この半導体パッケージ２０をプリント基板２３に実装するために、プリント基板の接合する電極に低温ハンダ、例えば錫−亜鉛共晶ハンダのペーストをスクリーン印刷等の方法により塗布する。半導体パッケージ２０をプリント基板上に位置決めしてボールを低温ハンダペーストと接触させ、低温ハンダの溶融温度でハンダ付けすることにより、（ｃ）のようにパッケージがプリント基板に実装された半導体装置が得られる。半導体パッケージ２０のＬＳＩチップとして、例えばＳＯＩを用いると、この半導体装置は、冷蔵庫に用いられるワンチップインバータになる。
【００５１】
上記のようなパワーエレクトロニクスデバイスにおける使用では、基板等の他の材料の耐熱性の観点から、ハンダ付け温度を２０５〜２２５℃程度に設定可能な高温ハンダ材を選択するのが好ましい。
【００５２】
本発明に係る高温ハンダ材は、発熱または加熱を伴う電気機器、例えば電灯等の接合部分にも適用される。図５は、その一例として低圧水銀ランプ３０を示し、水銀原子及び希ガスが封入された石英管３１と、この両端が嵌着される口金３２とを有する。石英管３１の両端のフィラメント３３は、石英管３１内部から外部に貫通し、口金３２の端子３３と高温ハンダ材３５により接続されており、安定器を介して外部から端子３３に供給される電力によりフィラメント間で放電し発光する。このような使用においては、一般的に、ハンダ付け温度を２２０〜３８０℃程度、より好ましくは２３０〜３００℃程度に設定可能な高温ハンダが用いられる。白熱電球や回転灯の口金部分におけるフィラメントの接合も図５と同様である。
【００５３】
上述のような半導体素子等の部品の接合・組立を行った装置・デバイスにおけるハンダ付けの信頼性を評価する方法の一つに、サーマルサイクル試験（ＴＣＴ）と呼ばれる評価方法がある。これは、外部からの加熱・冷却による昇温・降温を一定時間繰り返し、電流、電圧等の物性値に表れる素子特性の変化や、熱疲労により生じるクラック等の機械的変化がハンダ接合に発生するまでの時間等を測定するもので、このような測定結果に基づいて温度変化を伴う使用に対する装置の耐性を評価することができる。従って、ハンダ材で接合した装置は、上述のようなＴＣＴを応用して、検出される特性の変化により評価することができる。
【００５４】
電子機器の高機能化に伴って、１つの装置を構成する電子デバイス等の部品は多数且つ多種類になり、多数のハンダ接合が形成される。しかし、装置構成や組立作業上の都合などによっては、装置の組立におけるハンダ付けを複数段階に分けて行わなければならない場合が生じる。この場合、組立中の部品は、ハンダ付けのための加熱に繰り返し曝される。従って、ハンダ付けの全てを単一のハンダ材を用いて行うと、一度接合を形成したハンダが次のハンダ付け工程において再度溶融して接合の変形や解離が生じる。従って、このような組立を行うためには、ハンダ付け工程数と等しい数だけ溶融温度の異なるハンダ材が必要となり得る。このような場合、最初のハンダ付け工程において最も溶融温度の高いハンダ材を用いて接合し、工程が進むにつれてハンダ付け温度が低下するように使用するハンダ材を変えることにより、一旦接合した部品の脱離や接合部の変形は防止される。つまり、高温ハンダは、耐熱性を要する装置の接合形成だけでなく、多段階の接合工程を必要とする装置の組立・製造にとっても有用である。このような多段階接合を行う場合の前段に使用するハンダ材の溶融温度（厳密には固相線温度であるが、液相線温度が高ければ実質的に溶融が起こる温度））と後段におけるハンダ付け温度との差は、５℃以上、好ましくは１５℃以上となるように各ハンダ付け工程で使用するハンダ材及びハンダ付け温度を設定する。例えば、２段階のハンダ付け工程が必要な場合、第１のハンダ材の組成（重量比）をＳｎ／Ａｌ＝９９．４／０．６、第２のハンダ材をＳｎ／Ｚｎ＝９１／９とすると、ハンダ付け温度を１５℃程度低下させることができる。
【００５５】
亜鉛を含有するハンダ材は、溶融した際に表面に亜鉛が濃縮した層が形成されるので、一旦固化した錫−亜鉛−銀ハンダ材は、外側を高融点層が被覆した構造となる。従って、固相線温度以上に加熱されたときのハンダ材の溶融挙動は、熱供給の状況により、均一な状態に比べると溶融変形の始まりが遅れ易い。換言すれば、短時間加熱には比較的耐性がある。又、錫及び亜鉛を含有するハンダ材は、繊維状亜鉛が分散した組織を有し、特に共晶組成より亜鉛が多いハンダ材は、半溶融状態でも形状を維持し易い。
【００５６】
【実施例】
以下、実施例により本発明を詳細に説明する。
【００５７】
（実施例１）
［試料の調製］
酸素濃度１００ppm 以下の窒素雰囲気中で、純度９９．９８％の錫、純度９９．９９％の亜鉛及び純度９９．９７％の銀を表１の配合割合に従って溶融槽に投入し、加熱溶融した後室温まで冷却して試料１〜１４の均一なハンダ材を得た。得られたハンダ材の液相線温度を示差走差熱量計（ＤＳＣ）を用いて１０℃／分の昇温速度において測定し、表１に示す。（温度の測定値は最大±２０℃の誤差を含み得る）。
【００５８】
【表１】
上記試料１〜１４のハンダ材各々を窒素雰囲気中の溶融槽に投入し５２０℃に加熱して溶融し、５mm×５０mmの銅板（予め表面を酸で洗浄したもの）を溶融ハンダに浸漬して銅板のハンダ付けを行った。銅板の表面がハンダで濡れているか否かについて目視により判断することによってハンダ材の濡れ性を確認し、浸漬した銅板表面の９８％以上が濡れたものをＡ、９５〜９８％をＢ、９５％以下をＣとした。結果は表２の通りである。
【００５９】
【表２】
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
試料 １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ 10 11 12 13 14
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
評価 Ａ Ａ Ａ Ｃ Ｂ Ａ Ａ Ｂ Ａ Ａ Ｂ Ａ Ａ Ｃ
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
窒素雰囲気が供給されたハンダ付け装置内に、図２に示すようなリードフレーム１を搬送して加熱板上で５１０℃に６０秒間加熱し、リードフレーム１上の半導体素子を搭載する位置に上記試料１〜１４の各々を０．５mmφの線状に加工したハンダ材を２秒間接触させた後、ハンダ材をリードフレーム１から引き上げると同時に、リードフレーム１上のハンダ材２に半導体素子４を搭載して、加熱板を５２０℃に２秒間加熱した。この後、リードフレーム１及び半導体素子４を室温まで冷却することにより、リードフレーム１と半導体素子４とは接合した。
【００６０】
半導体素子４とリードフレーム１とを金ワイヤで接続し、エポキシ樹脂でモールドした。
【００６１】
上記のハンダ接合の機能を評価するために、下記の条件で加熱及び冷却を繰り返す温度サイクル試験を行った。尚、初めに、半導体素子４に一定電圧を印加して流れる電流を測定した。
【００６２】
温度範囲：−６５℃〜１５０℃
保持時間：−６５℃及び１５０℃の各々で３０分
繰り返しサイクル：５００サイクル及び１０００サイクル
上記温度サイクル試験において５００サイクル後及び１０００サイクル後に半導体素子４に流れる順方向電流を測定し、電流初期値に対する電流増加が５００サイクル後において５％以内であり、１０００サイクル後において１５％以内の場合をＡ、５００サイクル後において５％以内であり、１０００サイクル後において２０％以内の場合をＢ、いずれでもない場合をＣとした。結果は表３の通りである。
【００６３】
【表３】
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
試料 １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ 10 11 12 13 14
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
評価 Ａ Ｂ Ａ Ｃ Ｂ Ａ Ａ Ｂ Ａ Ｂ Ｂ Ａ Ａ Ｃ
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
（実施例２）
［試料の調製］
重量組成比がＧｅ：Ｓｎ＝０．１５：９９．８５となるように、純度９９．９９wt％の錫及びゲルマニウムのショット材を電子天秤で秤量して、高純度アルミナ（ＳＳＡ−Ｓ）製坩堝に投入し、電気炉内に装填した。電気炉内を２×１０−３Ｐａの真空度まで減圧した後、純度９９．９９％の高純度アルゴンを１Ｌ／分の流量で供給してアルゴン雰囲気に置換した。電気炉を昇温して坩堝を３５０℃で１０分間加熱して内容物を溶解し、溶解物を室温まで冷却して固化させ、試料１５のハンダ材としてＧｅ−Ｓｎ合金を得た。同様に、ゲルマニウム、錫、アルミニウムを表４に示す配合割合に従って坩堝に投入し、加熱溶融した後室温まで冷却して試料１６〜２０の均一なハンダ材を得た。
【００６４】
試料１４のハンダ材の一部を粉砕してＸ線回折法で調べたところ、主としてβ−Ｓｎ３の相が観察された。更に、合金の断面組織をＳＥＭによって調べたところ、ゲルマニウムの多い相が微細な針状に析出しているのが確認された。また、合金の組成をＩＣＰ発光分光法で分析し、配合時の組成比と一致しているのを確認した。
【００６５】
［試料の評価］
・固相線温度
試料１５のＧｅ−Ｓｎ合金ハンダ材の固相線温度を示差走差熱量計（ＤＳＣ）を用いて１０℃／分の昇温速度において測定したところ、２３１℃であった。同様に試料１６〜２０のハンダ材についても測定した。結果を表４に示す。
【００６６】
・濡れ性
試料１５のＧｅ−Ｓｎ合金ハンダ材を大気中で２５０℃に加熱して溶融し、溶融合金上にＪＩＳ Ｃ００５０付属書Ｃ規定のフラックス（ロジン２５％、イソプロピルアルコール７５％）を供給した。この中に縦８mm×横４mm×幅０．２５mmの銅製薄板試験片を２mm／秒の速度で５mmの深さまで浸漬して３秒間保持した後引き上げて、試験片の浸漬表面積に対する合金で被覆された面積の比率を求めることにより濡れ性の評価を行ったところ、比率は８０％であった。同様に、試料１６〜２０のハンダ材についても、合金で被覆された面積の比率を求めた。結果を表４に示す。
【００６７】
・耐熱性
窒素雰囲気が供給されたハンダ付け装置内に、図２に示すようなリードフレーム１を搬送して加熱板上で２９０℃に６０秒間加熱し、リードフレーム１上の半導体素子を搭載する位置に上記試料１５〜２０の各々を０．５mmφの線状に加工したハンダ材を２秒間接触させた後、ハンダ材をリードフレーム１から引き上げると同時に、リードフレーム１上のハンダ材２に半導体素子４を搭載して、加熱板を３００℃に２秒間加熱した。この後、リードフレーム１及び半導体素子４を室温まで冷却することにより、リードフレーム１と半導体素子４とを接合した。
【００６８】
上記のハンダ接合の機能を評価するために、下記の条件で温度サイクル試験を行う前後の接合体各々におけるハンダ接合の強度をシェア強度の測定に従って調べた。
【００６９】
温度範囲：−４０℃〜１５０℃
保持時間：−４０℃及び１５０℃の各々で３０分
繰り返しサイクル：１０００サイクル
上記温度サイクル試験前後のハンダ接合の強度を比較して強度低下の有無を調べたところ、試料１５の強度の低下は認められなかった。同様に、試料１６〜２０のハンダ材についても、温度サイクル試験前後のハンダ接合の強度低下の有無を調べた。結果を表４に示す。
【００７０】
【表４】
［試料の調製］
酸素濃度１００ppm 以下の窒素雰囲気中で、純度９９．９８％の錫及び純度９９．９９％の亜鉛を表５の配合割合に従って溶融槽に投入し、加熱溶融した後室温まで冷却して試料２１〜２５の均一なハンダ材を得た。得られたハンダ材の液相線温度を示差走差熱量計（ＤＳＣ）を用いて１０℃／分の昇温速度において測定し、表１に示す。（温度の測定値は最大±２０℃の誤差を含み得る）。
【００７１】
【表５】
上記試料２１〜２５のハンダ材各々を窒素雰囲気中の溶融槽に投入し４５０℃に加熱して溶融し、５mm×５０mmの銅板（予め表面を酸で洗浄したもの）を溶融ハンダに浸漬して銅板のハンダ付けを行った。銅板の表面がハンダで濡れているか否かについて目視により判断することによってハンダ材の濡れ性を確認し、浸漬した銅板表面の９８％以上が濡れたものをＡ、９５〜９８％をＢ、９５％以下をＣとした。結果は表６の通りである。
【００７２】
【表６】
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
試料 ２１ ２２ ２３ ２４ ２５
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
評価 Ａ Ａ Ａ Ａ Ｃ
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
窒素雰囲気が供給されたハンダ付け装置内に、図２に示すようなリードフレーム１を搬送して加熱板上で３５０℃に６０秒間加熱し、リードフレーム１上の半導体素子を搭載する位置に上記試料２１〜２５の各々を０．５mmφの線状に加工したハンダ材を２秒間接触させた後、ハンダ材をリードフレーム１から引き上げると同時に、リードフレーム１上のハンダ材２に半導体素子４を搭載して、加熱板を３６０℃に２秒間加熱した。この後、リードフレーム１及び半導体素子４を室温まで冷却することにより、リードフレーム１と半導体素子４とは接合した。
【００７３】
半導体素子４とリードフレーム１とを金ワイヤで接続し、エポキシ樹脂でモールドした。
【００７４】
上記のハンダ接合の機能を評価するために、下記の条件で加熱及び冷却を繰り返す温度サイクル試験を行った。尚、初めに、半導体素子４に一定電圧を印加して流れる電流を測定した。
【００７５】
温度範囲：−６５℃〜１５０℃
保持時間：−６５℃及び１５０℃の各々で３０分
繰り返しサイクル：５００サイクル及び１０００サイクル
上記温度サイクル試験において５００サイクル後及び１０００サイクル後に半導体素子４に流れる順方向電流を測定し、電流初期値に対する電流増加が５００サイクル後において５％以内であり、１０００サイクル後において１５％以内の場合をＡ、５００サイクル後において５％以内であり、１０００サイクル後において２０％以内の場合をＢ、いずれでもない場合をＣとした。結果は表７の通りである。
【００７６】
【表７】
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
試料 ２１ ２２ ２３ ２４ ２５
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
評価 Ｃ Ｂ Ａ Ｂ Ｃ
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−
本発明の高温ハンダ材は、電気抵抗が小さい接合材料で、電気接続を形成した場合、デバイスの作動中に接続上での発熱を減少させることができるので、デバイスを構成する他の材料に対しても、耐熱性の要求を軽減することができる。
【００７７】
【発明の効果】
本発明によれば、汎用性が高い原料を用いて安価且つ容易に調製でき、高温域でのハンダ付けに使用可能な無鉛高温ハンダを提供することができる。従って、鉛を含まないハンダの実用化にとって極めて有効で、ハンダ付けを通して組立・製造されるデバイス・装置の廃棄物に含まれる鉛の問題を解決することができる。故に、本発明は産業上及び環境対策上極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のハンダ材を用いた接合形成の一例を示す断面図。
【図２】図２の接合形成によって接合が形成される部品を示す平面図。
【図３】本発明のハンダ材を用いたパワー半導体デバイスの一例を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は断面図。
【図４】本発明のハンダ材を用いたパワー半導体装置の組立工程の一例を示す側面図（ａ）〜（ｃ）。
【図５】本発明のハンダ材を用いた電気機器の一例を示す概略構成図。
【符号の説明】
１ リードフレーム、 ２ ハンダ材、 ３ メッキ層、 ４ 半導体素子、
１０ ワンチップインバータＩＣ、１３ 高温ハンダ材、
２０ 半導体パッケージ、 ２４ ハンダボール、
３０ 低圧水銀ランプ、 ３５ 高温ハンダ材、
Claims (6)
- 錫、亜鉛及び銀からなるハンダ材であって、錫と亜鉛との重量比が９７：３〜７９：２１であり、錫及び亜鉛の合計と銀との重量比が８８：１２〜１００：４２．９であることを特徴とするハンダ材。
- 錫、亜鉛及び銀からなるハンダ材であって、錫と亜鉛との重量比が９７：３〜９１：９であり、錫及び亜鉛の合計と銀との重量比が８８：１２〜５０：５０であることを特徴とするハンダ材。
- ゲルマニウム及びアルミニウムの双方を合計で０．０１〜２重量％と残部錫（但し、不可避量の不純物を含み得る）とからなることを特徴とするハンダ材。
- 請求項１〜２のいずれかに記載のハンダ材を用いて接合される部品を有することを特徴とするデバイス又は装置。
- トランジスタ、サイリスタ、ＧＴＯサイリスタ、ダイオード及びＭＯＳＦＥＴからなる群より選択されるパワー半導体素子を有することを特徴とする請求項４記載のデバイス又は装置。
- 第１のハンダ接合工程と、該第１のハンダ接合工程より後に行われる第２のハンダ接合工程とを有するデバイス又は装置の製造方法であって、該第１のハンダ接合工程のハンダ付け温度は該第２のハンダ接合工程のハンダ付け温度より高く、該第１のハンダ接合工程を請求項１〜２のいずれかに記載のハンダ材を用いて行うことを特徴とするデバイス又は装置の製造方法。
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