JP3886144B1 - 接合材料、電子部品および接合構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】２７０℃以上の溶融温度を有し、鉛を含まない接合材料を、安価で提供する。
【解決手段】Ｂｉを主成分とする合金を含み、前記合金は、０．２〜０．８重量％のＣｕと、０．０２〜０．２重量％のＧｅとを含む接合材料を用い、電子部品の素子と電極とを接合する。
【選択図】図６

Description

本発明は、鉛を含まない接合材料およびこれを含む電子部品等に関し、例えば２７０℃以上の溶融温度を有する鉛フリーはんだに関する。

基板上に実装される電子部品が、素子と電極とこれらを接合する接合材料とを具備する場合、接合材料には、はんだ材料が一般に用いられている。

電子部品は、更に、別の接合材料を用いて、マザーボードに実装される。例えばチップインダクタのような電子部品とマザーボードとを接合する接合材料には、一般に融点が２００〜２３０℃のはんだ材料が用いられている。

電子部品をマザーボードに実装する際には、主に熱風方式のリフロー装置により、電子部品をマザーボードとともに加熱し、融点が２００〜２３０℃のはんだ材料を溶融させる。このとき、電子部品の温度は２３０〜２６０℃に達するが、電子部品の内部で素子と電極とを接合しているはんだ材料が溶融すると、最終製品に不良を生じる可能性がある。よって、電子部品の内部に用いる接合材料は、リフロー装置内で到達する電子部品の最高温度よりも高い溶融温度を有することが要求される。そこで、電子部品の内部で素子と電極とを接合するはんだ材料には、例えば、鉛を主成分として含み、約１５重量％のＳｎを含む、溶融温度２８８℃のＰｂ−Ｓｎ合金が用いられている。

しかし、Ｐｂ−Ｓｎ合金を用いる場合、廃棄物中のはんだ材料から、鉛が土壌に溶出することが懸念される。近年、地球環境保護への関心が高まってきており、鉛を含まないはんだ（鉛フリーはんだ）の開発が進められている。例えば、溶融温度が２００〜２５０℃のＰｂ−Ｓｎ合金からなるはんだ材料は、Ｓｎ−Ａｇ合金もしくはＳｎ−Ｃｕ合金からなるはんだ材料に置き換えられつつある。溶融温度が２６０℃以上のはんだ材料としては、主成分であるＢｉと少量のＡｇとを含むはんだ材料が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００１−３５３５９０号公報（第７頁、表１）

上述のように、溶融温度の高いはんだ材料を得るために、Ｂｉに少量のＡｇを添加することが提案されている。しかし、Ｂｉに少量のＡｇを添加すると、ＢｉとＡｇとの共晶合金（例えば９７．５重量％のＢｉと２．５重量％のＡｇとを含む共晶合金（Ｂｉ−２．５％Ａｇ））が生成する。このような共晶合金の溶融温度は比較的低く、Ｂｉ−２．５％Ａｇの溶融温度は２６２℃である。

一方、電子部品とマザーボードとをはんだ材料で接合する場合、電子部品は約２６０℃まで加熱されることがある。チップインダクタのような熱容量の小さな電子部品は、リフロー装置による加熱温度の上限よりも、１０℃程度高い耐熱温度（少なくとも２７０℃程度）を有する必要がある。よって、Ｂｉと少量のＡｇとを含むはんだ材料は、熱容量の小さな電子部品には用いることができない。

ＢｉにＡｇ以外の元素を添加すると、更に溶融温度が低下する場合もある。例えば９６重量％のＢｉと４重量％のＺｎからなる共晶合金（Ｂｉ−４％Ｚｎ）の溶融温度は２５５℃、５８重量％のＢｉと４２重量％のＳｎからなる共晶合金（Ｂｉ−４２％Ｓｎ）の溶融温度は１３８℃、３５重量％のＢｉと６５重量％のＩｎからなる共晶合金（Ｂｉ−６５％Ｉｎ）の溶融温度は７２℃である。これらの共晶合金は、添加元素の量が微量であっても局所的に生成するため、注意が必要である。

鉛フリーはんだの開発においては、Ａｇの含有量を減少させることも重要である。家庭用の電気機器や電子機器は、安価に生産することが求められる。Ａｇは１ｇ当たりの価格が約４０円と高価であるため、その使用量は少ない方が望ましい。鉛フリーはんだには、溶融温度が２２０〜２３０℃のＳｎ−３％Ａｇ−０．５％Ｃｕ合金が一般的に用いられている。このような合金においても、材料価格を安価にするために、Ａｇの量を０．３重量％程度に減少させる取り組みが進められている。

本発明は、上記を鑑み、例えば２７０℃以上の溶融温度を有し、鉛を含まない接合材料を、安価で提供することを目的の１つとする。

本発明は、Ｂｉを主成分とする合金を含み、前記合金は、０．２〜０．８重量％のＣｕと、０．０２〜０．２重量％のＧｅとを含む接合材料に関する。

本発明は、また、Ｂｉを主成分とする合金を含み、前記合金は、０．２〜０．８重量％のＣｕと、０．０２〜０．２重量％のＧｅと、０．０２〜０．０８重量％のＮｉとを含む接合材料に関する。

本発明は、また、電子素子と、電子素子と接続される電極と、電子素子と電極とを接合する接合材料とを具備し、接合材料は、Ｂｉを主成分とする合金を含み、前記合金は、０．２〜０．８重量％のＣｕと、０．０２〜０．２重量％のＧｅとを含む電子部品に関する。

本発明は、また、電子素子と、電子素子と接続される電極と、電子素子と電極とを接合する接合材料とを具備し、接合材料は、Ｂｉを主成分とする合金を含み、前記合金は、０．２〜０．８重量％のＣｕと、０．０２〜０．２重量％のＧｅと、０．０２〜０．０８重量％のＮｉとを含む電子部品に関する。

本発明は、また、電子部品と、電子部品を搭載する基板と、電子部品と基板とを接合する第１の接合材料とを具備し、第１の接合材料は、第１の合金を含み、電子部品は、電子素子と、電子素子と接続される電極と、電子素子と電極とを接合する第２の接合材料とを具備し、第２の接合材料は、Ｂｉを主成分とする第２の合金を含み、第２の合金は、０．２〜０．８重量％のＣｕと、０．０２〜０．２重量％のＧｅとを含み、第２の合金は、第１の合金よりも高い溶融温度を有する接合構造体に関する。

本発明は、また、電子部品と、電子部品を搭載する基板と、電子部品と基板とを接合する第１の接合材料とを具備し、第１の接合材料は、第１の合金を含み、電子部品は、電子素子と、電子素子と接続される電極と、電子素子と電極とを接合する第２の接合材料とを具備し、第２の接合材料は、Ｂｉを主成分とする第２の合金を含み、第２の合金は、０．２〜０．８重量％のＣｕと、０．０２〜０．２重量％のＧｅと、０．０２〜０．０８重量％のＮｉとを含み、第２の合金は、第１の合金よりも高い溶融温度を有する接合構造体に関する。

本発明によれば、例えば２７０℃以上の溶融温度を有し、鉛を含まない接合材料を、安価で提供することができる。本発明の接合材料を熱容量の小さな電子部品に用いることにより、電子部品をマザーボードへ実装する際に発生する不良を抑制することができる。

実施の形態１
本実施形態の接合材料は、Ｂｉを主成分とする合金を含み、前記合金は、０．２〜０．８重量％のＣｕと、０．０２〜０．２重量％のＧｅとを含む。Ｃｕの含有量は０．４〜０．６重量％が好ましく、Ｇｅの含有量は０．０２〜０．０５重量％が好ましい。Ｂｉを主成分とする合金が３元合金（３種の元素からなる合金）である場合、ＣｕとＧｅ以外の残部はＢｉのみからなる。

このような接合材料は、２７０℃以上の溶融温度を有するため、例えばチップインダクタのような小型の電子部品に用いるのに適している。電子部品の内部で用いられている接合材料の溶融温度が高いため、リフロー装置を用いて電子部品をマザーボードに実装する際に電子部品の不良が抑制される。また、本実施形態の接合材料は、高価な元素（例えばＡｇ）を含まないため、安価で製造することができ、更に、鉛を含まないため、鉛フリーの電気機器や電子機器を提供することができる。

２７０℃以上の溶融温度を有する接合材料を得る場合、共晶点温度が２７０℃以上である２元合金（２種の元素からなる合金）をベース（母材）に用いることが有効である。多くの元素の中から共晶点温度が２７０℃以上となる元素の組み合わせを選ぶ際、重視すべき点は、元素の毒性の有無と価格である。Ｐｂ、Ｈｇ、Ｓｂ、Ｓｅ等の元素は、毒性の点から除外される。

図１は、２元合金の共晶点温度を示している。縦軸の元素と横軸の元素との交点に示した数値は、それら２種の元素からなる合金の共晶点温度である。図１から、例えばＳｎ−Ａｇ合金の共晶点温度は２２１℃であり、Ｎｉ−Ｃｕ合金には共晶点が存在しないことがわかる。また、ＢｉとＣｕとの組み合わせ、または、ＢｉとＧｅとの組み合わせが、共晶点温度が２７０〜３００℃の合金を与えることがわかる。

ここで、ＢｉとＣｕとの共晶合金は、９９．５重量％のＢｉと０．５重量％のＣｕとを含む（Ｂｉ−０．５％Ｃｕ）。ＢｉとＧｅとの共晶合金は、９９重量％のＢｉと１重量％のＧｅとを含む（Ｂｉ−１％Ｇｅ）。しかし、Ｇｅの価格はＣｕの約４２０倍と高価である。よって、安価な材料を提供する観点からは、ＢｉとＣｕとの組み合わせが有利である。

図２は、ＢｉとＣｕとの二元合金（Ｂｉ−Ｃｕ合金）におけるＣｕ含有量（重量％）と、Ｂｉ−Ｃｕ合金の融点（液相温度または固相温度）との関係を示している。図２において、Ｃｕの含有量が０．８重量％以下では、液相温度が２７０〜２７２℃であり、固相温度との温度差が小さくなっている。一方、Ｃｕの含有量が１．０重量％を超えると、液相温度は２７５℃以上となり、固相温度との温度差が５℃以上に拡大している。液相温度と固相温度との間の温度では、固相と液相とが共存する。よって、液相温度と固相温度との温度差が５℃以上に大きくなると、接合材料の作業性が低下し、製造現場における生産性が低下する。以上より、Ｃｕの含有量は０．８重量％以下であることが望ましい。一方、Ｃｕの含有量が０．２重量％未満になると、溶融した接合材料と電極等との濡れ性が低下する。よって、Ｃｕの含有量は０．２重量％以上であることが望ましい。また、Ｃｕの含有量を０．４〜０．６重量％とすることにより、更に物性バランスに優れた接合材料を得ることができる。

０．２〜０．８重量％のＣｕを含むＢｉ−Ｃｕ合金は、２７０℃未満の温度で溶融しない点では優れた接合材料である。しかし、メニスカス法による試験では、濡れ性が低いという知見が得られている。Ｂｉ−Ｃｕ合金は、９９．５重量％という多量のＢｉを含む。そのため、合金内における酸化物の生成量が多くなっており、このことが濡れ性に影響していると考えられる。Ｂｉの酸化は、Ｂｉよりも優先的に酸化する元素を、Ｂｉ−Ｃｕ合金に微量添加することにより、抑制できると考えられる。Ｂｉよりも優先的に酸化する元素としては、Ｇｅ、Ａｌ、Ｌｉ、Ｐ等が挙げられる。

図３は、９９．５重量％のＢｉと０．５重量％のＣｕとからなる共晶合金（Ｂｉ−０．５％Ｃｕ）に、０．０５重量％のＧｅ、Ａｌ、ＬｉまたはＰを添加し、３００℃で４時間攪拌したときに、試料中に生成する酸化物の生成量を示している。ただし、試料全体の重量は８ｋｇである。これらの元素を添加していない試料と比較して、Ｇｅを添加した試料では、酸化物の生成が抑制されていることがわかる。これは、ＧｅがＢｉ−０．５％Ｃｕの表面で優先的に酸化し、酸化膜を形成するためと考えられる。以上より、Ｂｉ−Ｃｕ合金の酸化を抑制するためには、Ｇｅの添加が適していることがわかる。

図４は、０．５重量％のＣｕを含むＢｉとＣｕとＧｅとの三元合金（Ｂｉ−Ｃｕ−Ｇｅ合金）におけるＧｅ含有量（重量％）と、酸化物生成量との関係を示している。ただし、合金全体の重量は８ｋｇである。図４から、Ｇｅを０．０２重量％以上添加すると、酸化物の生成が抑制されるが、Ｇｅの含有量が０．３重量％以上になると、酸化物生成量が多くなることがわかる。図４は、Ｇｅの含有量は０．０２〜０．２重量％が好適であり、０．０２〜０．０５重量が更に好適であることを示している。

実施の形態２
本実施形態の接合材料は、Ｂｉを主成分とする合金を含み、前記合金は、０．２〜０．８重量％のＣｕと、０．０２〜０．２重量％のＧｅと、０．０２〜０．０８重量％のＮｉとを含む。Ｃｕの含有量は０．４〜０．６重量％が好ましく、Ｇｅの含有量は０．０２〜０．０５重量％が好ましく、Ｎｉの含有量は０．０２〜０．０５重量％が好ましい。このような接合材料は、実施の形態１の接合材料よりも、耐衝撃性が高くなる。

耐衝撃性は、１．６ｍｍ×０．８ｍｍサイズのチップコンデンサの側面に、６０ｇの錘を１８０ｍｍの高さから衝突させる試験により評価できる。
９９．４６重量％のＢｉと、０．５重量％のＣｕと、０．０４重量％のＧｅとを含む３元合金（Ｂｉ−０．５％Ｃｕ−０．０４％Ｇｅ）で接合された接合部を有するチップコンデンサを用い、上記の耐衝撃試験を行ったところ、チップコンデンサは接合部で破断した。破断後の接合部の断面を観察したところ、Ｂｉ含有量の多いα相と、Ｃｕ含有量の多いβ相との界面で破断していた。

ここで、α相とβ相との均一性は、結晶外周値により評価できる。結晶外周値とは、１０μｍ×１０μｍの範囲に存在するα相の外周長さの合計として定義される。結晶外周値が大きい場合、α相とβ相との混合は十分であり、結晶外周値が小さい場合、α相とβ相との混合は不十分である。
上記試験で破断した接合部の断面で結晶外周値を測定したところ、結晶外周値は８７μｍであった。

図５は、０．５重量％のＣｕと０．０４重量％のＧｅとを含む、ＢｉとＣｕとＧｅとＮｉとの四元合金（Ｂｉ−Ｃｕ−Ｇｅ−Ｎｉ合金）におけるＮｉ含有量（重量％）と、結晶外周値との関係（グラフＡ）を示している。
図５は、また、０．５重量％のＣｕと０．２重量％のＧｅとを含むＢｉ−Ｃｕ−Ｇｅ−Ｎｉ合金におけるＮｉ含有量（重量％）と、結晶外周値との関係（グラフＢ）を示している。
図５から、Ｎｉ含有量が０．０２〜０．０８重量％である場合に、結晶外周値が大きくなり、α相とβ相とが均一に混合されることがわかる。一方、Ｎｉ含有量が０．１１重量％以上になると、結晶外周値が小さくなり、α相とβ相とが均一に混合されないことがわかる。図５から、Ｎｉの含有量は０．０２〜０．０８重量％が好適であり、０．０２〜０．０５重量％が更に好適であることがわかる。

実施の形態３
本実施形態の電子部品は、電子素子と、電子素子と接続される電極と、電子素子と電極とを接合する接合材料とを具備する。ここで、接合材料には、実施の形態１または実施の形態２の接合材料を用いることができる。

電子素子は、特に限定されないが、例えばコイル、ベアチップ、受動部品などで構成される。電子部品は、特に限定されないが、様々な表面実装部品（例えばチップインダクタやチップコンデンサのようなチップ部品など）、モジュール部品（例えばＰＡ（Power Amp）モジュールやＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator）モジュールなど）、ＱＦＰ（Quad Flat Package）、ＢＧＡ（Ball Grid Array）や、挿入部品（例えばアキシャル部品、ラジアル部品など）が挙げられる。
本発明は、特に４．５ｍｍ×３．２ｍｍサイズ以下の熱容量を有する電子部品を得る場合に好適である。

電子部品がチップインダクタ（３２２５ ＦＡタイプ：３．２ｍｍ×２．５ｍｍ×２．２ｍｍ、松下電器産業（株）製）である場合について、図６およびその要部（破線Ｘで囲まれた領域）を拡大した図７を参照しながら説明する。

チップインダクタ１０は、電極フレーム１６と、フェライトコア１１と、コイル銅線１３と、電極端子１４と、コイル銅線１３と電極端子１４とを接合する接合材料１５とを具備する。フェライトコア１１は磁性材料からなり、接着剤により、電極フレーム１６に取り付けられている。コイル銅線１３は、フェライトコア１１に巻きつけられており、その一部は、電極フレーム１６と連続する電極端子１４に引っ掛けられている。接合材料１５は、コイル銅線１３と電極端子１４とが、接続を維持できるように、両者を固定している。チップインダクタ１０は、マザーボード（図示せず）に実装して用いられる。

実施の形態４
本実施形態の接合構造体は、電子部品と、電子部品を搭載する基板と、電子部品と基板とを接合する第１の接合材料とを具備し、第１の接合材料は、第１の合金を含む。
電子部品は、電子素子と、電子素子と接続される電極と、電子素子と電極とを接合する第２の接合材料とを具備し、第２の接合材料は、実施の形態１または実施の形態２の接合材料からなる。

第１の接合材料は、リフロー装置による加熱で溶融することが好ましく、例えば２００〜２３０℃の溶融温度を有する。このような溶融温度を有する接合材料は、従来から数多く提案されており、当業者であれば容易に入手可能である。

第２の接合材料は、第１の接合材料よりも高い溶融温度を有する。よって、電子部品をマザーボードに実装する際に、リフロー装置を用いた場合でも、電子部品内の第２の接合材料の溶融は起こらない。よって、信頼性の高い接合構造体を得ることができる。

本発明は、２７０℃以上の溶融温度と、優れた耐衝撃性とを有し、かつ環境基準にも適合する接合材料を安価で提供するものである。本発明の接合材料は、チップインダクタのような熱容量の小さな電子部品に好適に用いることができ、リフロー装置を用いてマザーボードに実装される電子部品に広く適用することができる。

２元合金の共晶点温度を示す表である。 Ｂｉ−Ｃｕ合金におけるＣｕ含有量と、Ｂｉ−Ｃｕ合金の融点との関係を示す図である。 Ｂｉ−０．５％Ｃｕに０．０５重量％のＧｅ、Ａｌ、ＬｉまたはＰを添加した場合の酸化物生成量を示す図である。 Ｂｉ−Ｃｕ−Ｇｅ合金におけるＧｅ含有量と、酸化物生成量との関係を示す図である。 Ｂｉ−Ｃｕ−Ｇｅ−Ｎｉ合金におけるＮｉ含有量と、結晶外周値との関係を示す図である。 本発明の電子部品の一例の構造を示す図である。 図７の要部拡大図である。

符号の説明

１０ チップインダクタ
１１ フェライトコア
１３ コイル銅線
１４ 電極端子
１５ 接合材料
１６ 電極フレーム

Claims (5)

1. Ｂｉを主成分とする合金を含み、前記合金は、０．２〜０．８重量％のＣｕと、０．０２〜０．２重量％のＧｅとを含み、残部Ｂｉおよび不可避的不純物からなる、接合材料。
2. 前記合金は、更に、０．０２〜０．０８重量％のＮｉを含む、請求項１記載の接合材料。
3. 電子素子と、前記電子素子と接続される電極と、前記電子素子と前記電極とを接合する請求項１または２記載の接合材料とを具備する、電子部品。
4. 電子部品と、前記電子部品を搭載する基板と、前記電子部品と前記基板とを接合する第１の接合材料とを具備し、前記第１の接合材料は、第１の合金を含み、
   前記電子部品は、電子素子と、前記電子素子と接続される電極と、前記電子素子と前記電極とを接合する第２の接合材料とを具備し、前記第２の接合材料は、Ｂｉを主成分とする第２の合金を含み、
   前記第２の合金は、０．２〜０．８重量％のＣｕと、０．０２〜０．２重量％のＧｅとを含み、残部Ｂｉおよび不可避的不純物からなり、前記第２の合金は、前記第１の合金よりも高い溶融温度を有する、接合構造体。
5. 前記第２の合金が、更に、０．０２〜０．０８重量％のＮｉを含む、請求項４記載の接合構造体。
   

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