JP4095495B2

JP4095495B2 - Solder material, solder material manufacturing method and soldering method

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Publication number: JP4095495B2
Application number: JP2003167964A
Authority: JP
Inventors: トロンロンタン; 淳志梶原; 隆之那波
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-06-12
Filing date: 2003-06-12
Publication date: 2008-06-04
Anticipated expiration: 2023-06-12
Also published as: JP2005000956A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱膨張係数が大きい要素部品、凹部や孔部を有する要素部品などのはんだ付けに有益なはんだ材料、はんだ材料の製造方法およびはんだ付け方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球環境保護の観点から環境問題に対する関心が高まりつつある中、産業廃棄物の廃棄量の増大が深刻な問題となっている。産業廃棄物に含まれる、例えば、電力制御計算機の基板、家電製品、パソコンなどには、はんだが使用されており、このはんだから鉛などの有害な重金属が流出することがある。例えば、鉛が流出すると、酸性雨などに作用して鉛を含んだ水溶液を生成し、その水溶液が地下水に侵入することがある。
【０００３】
国内では、１９９８年に家電リサイクル法が成立し、２００１年には家電製品について使用済み製品の回収が義務づけられている。欧州では、電気・電子製品廃棄物ＥＵ指令により、２００４年から鉛を含む特定物質の使用禁止が義務づけられている。このように、鉛の使用に関する法的規制が強化され、鉛フリーはんだの開発が急がれている。
【０００４】
はんだは、エレクトロニクス製品において複数の要素部品を機械的かつ電気的に接続する重要な役割を担っている。エレクトロニクス製品は、熱サイクル、機械的衝撃、機械的振動などを伴う厳しい環境下で使用されるため、材料物性が異なる複数の要素部品をはんだ接合するに際して種々の課題を有している。
【０００５】
例えば、熱膨張係数の差が大きなセラミックス基板とＣｕベースとをはんだ接合する場合、はんだ接合部において十分な放熱特性を確保することができないため、歪みの差による残留応力が生じ、Ｃｕベースが変形し、周辺の要素部品との整合が取れないことがあった。また、残留応力を生じるＣｕベースでは、材料疲労が進み、最終的に製品寿命に至ることがあった。さらに、凹部や孔部を有する要素部品をはんだ接合する場合、凹部や孔部に含浸した溶融はんだ材料が冷却過程で凝固収縮するため、凝固部にいわゆる引け巣と呼ばれる空隙部を生じることがあった。
【０００６】
また、従来の鉛フリーはんだは、溶融はんだ材料が冷却過程で凝固収縮するのを抑制するために、凝固時に体積膨張する、例えば、Ｂｉなどの金属とＳｎなどの共晶合金で構成されることがあった（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平９−２７７０８２号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、従来の鉛フリーはんだでは、はんだ接合部において十分な放熱特性を確保することができないため、歪みの差による残留応力が生じ、周辺の要素部品との整合が取れないという問題があった。また、従来の鉛フリーはんだでは、冷却過程における鉛フリーはんだの凝固収縮により、凝固部に引け巣などの不可避なボイド欠陥を生じることがあった。このボイド欠陥により、はんだ接合部の機械的性質、電気伝導率、熱伝導率などが低下し、接続した要素部品の要求性能や信頼性を十分に確保することができないという問題があった。さらに、溶融はんだ材料が冷却過程で凝固収縮するのを抑制するために、ＳｎにＢｉを含有させた、例えば、共晶合金では、Ｂｉの凝固膨張効果を得るために、Ｂｉを５０重量％以上含有しなければならず、はんだの機械的特性、濡れ性などが低下するという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、凹部や孔部などの複雑なはんだ接合部を有する要素部材などのはんだ付けにおいて、凝固収縮によるボイド欠陥の発生を防止することができ、機械的特性、濡れ性などにも優れたはんだ材料、はんだ材料の製造方法およびはんだ付け方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のはんだ材料は、凝固する際に収縮するＳｎ合金からなる第１はんだ粉末と、前記第１はんだ粉末よりも融点が低く、かつＢｉを５０質量％以上含有するＳｎ−Ｂｉ合金またはＳｂを６質量％以上含有するＳｎ−Ｓｂ合金のいずれか少なくとも一種からなり、凝固する際に膨張する第２はんだ粉末と、前記第２はんだ粉末の表面に形成された、少なくとも前記第２はんだ粉末よりも融点の高い材料で構成された反応抑制境界膜とを具備することを特徴とする。
【００１１】
本発明のはんだ材料の製造方法は、Ｂｉを５０質量％以上含有するＳｎ−Ｂｉ合金またはＳｂを６質量％以上含有するＳｎ−Ｓｂ合金のいずれか少なくとも一種からなり、凝固する際に膨張する第２はんだ粉末の表面に反応抑制境界膜を形成する境界膜形成工程と、前記第２はんだ粉末と、凝固する際に収縮するＳｎ合金からなる第１はんだ粉末とを所定の比率で混合した混合物を作製する混合物作製工程と、前記混合物に、フラックスおよびバインダを所定の比率で混合し攪拌して、ぺースト状の混合物を作製するぺースト状混合物作製工程とを具備することを特徴とする。
【００１３】
本発明のはんだ付け方法は、上記したはんだ材料を用いたはんだ付け方法であって、表面に凹部を有する第１部材の表面に、前記はんだ材料を塗布する塗布工程と、前記第１部材の表面に塗布された前記はんだ材料の上に第２部材を積層配置する第２部材配置工程と、前記第２部材配置工程を経て積層された積層部材を大気中または不活性ガス雰囲気中で加熱して、第１はんだ粉末および第２はんだ粉末を融解する加熱工程とを具備することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明のはんだ付け方法は、上記したはんだ付け方法であって、表面に凹部を有する第１部材の該凹部に、前記はんだ材料を注入する注入工程と、前記はんだ材料が注入された前記凹部に、前記凹部の溝の深さ方向に第２部材を挿入する第２部材挿入工程と、前記第２部材挿入工程を経て構成された接合部材を大気中または不活性ガス雰囲気中で加熱して、第１はんだ粉末および第２はんだ粉末を融解する加熱工程とを具備することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態について説明する。
【００１６】
図１には、本発明のはんだ材料の一例を示す。
本発明のはんだ材料１０は、母相を構成するＳｎまたはＳｎ合金からなる第１はんだ粉末１１、第２相を構成するＢｉ合金またはＳｂ合金からなる第２はんだ粉末１２を含有している。この第２はんだ粉末１２の表面は、反応制御境界膜１３で覆われている。また、図１に示したはんだ材料１０は、第１はんだ粉末１１と第２はんだ粉末１２とを均一に混合した混合物に、フラックスおよびバインダが混在されたペースト状のはんだ材料である。
【００１７】
このはんだ材料を用いたはんだ付け後の断面は、図２に示すように、第１はんだ粉末１１が融解し、凝固して形成された母相１４と、第２はんだ粉末１２が融解し、凝固して形成された第２相１５とにより構成される。
【００１８】
第１はんだ粉末１１は、ＳｎまたはＳｎ合金で構成され、Ｓｎ合金の場合、合金中のＳｎの含有率は、合金に求められる機械的特性、融点などによって、適宜に設定される。また、第１はんだ粉末１１の平均粒径は、１〜１００μｍの範囲が好ましい。第１はんだ粉末１１の平均粒径が１μｍ未満では、取扱いが難しくさらにコストが高くなり、１００μｍを越えると、第２はんだ粉末１２を均一に分散させることが難しく母相１４の熱収縮を緩和する効果を十分に発揮できないことがある。また、第１はんだを粉末にすることによって、第２はんだ粉末１２との混合比などを容易に調製することができる。
【００１９】
第２はんだ粉末１２は、凝固時に膨張する性質を有するＢｉ合金またはＳｂ合金などで構成される。第２はんだ粉末１２の平均粒径は、１〜１００μｍの範囲が好ましい。第２はんだ粉末１２の平均粒径が１μｍ未満では、取扱いが難しくさらにコストが高くなり、１００μｍを越えると、母相１４内に均一に分散させることが難しく母相１４の熱収縮を緩和する効果を十分に発揮できないことがある。
【００２０】
第２はんだ粉末１２にＢｉ合金を用いる場合、Ｂｉ合金中のＢｉの含有率は、５０質量％以上であれば良く、５８質量％以上がより好ましい。Ｂｉの含有率が５０質量％未満では、Ｂｉ合金の凝固膨張が小さいため母相１４の熱収縮を緩和する効果が小さく、４８質量％未満では、その効果がほとんど得られない。
【００２１】
また、第２はんだ粉末１２にＳｂ合金を用いる場合、Ｂｉ合金を用いる場合と同様に、Ｓｂ合金中のＳｂの含有率は、６質量％以上であれば良く、２２質量％以上がより好ましい。Ｓｂの含有率が６質量％未満では、Ｓｂ合金の凝固膨張が小さいため母相１４の熱収縮を緩和する効果が小さい。
【００２２】
また、フラックス、バインダを含むはんだ材料中の第２はんだ粉末１２の含有率は、熱膨張係数に基づいて算出したはんだ接合する要素部品の熱収縮量、はんだを供給する要素部品の凹部や孔部の大きさやはんだ母材の合金の性質から算出したはんだ材料の凝固収縮量によって適宜に設定される。本発明のはんだ材料においては、第２はんだ粉末１２の含有率は、５〜５０体積％の範囲が好ましい。第２はんだ粉末１２の含有率が、５体積％未満では母相１４の熱収縮を緩和する効果が小さく、５０体積％越えても適用できるが、さらなる効果の向上を望めない。
【００２３】
また、第２はんだ粉末１２は、第１はんだ粉末１１の融点よりも低い融点の金属または合金で構成されている。また、第２はんだ粉末１２の金属の種類、組成などは、第１はんだ粉末１１に対応して、第１はんだ粉末１１よりも低い融点になるように適宜に選定される。これによって、母相１４の凝固収縮に対する緩和効果を最大限に発揮させることができる。
【００２４】
第２はんだ粉末１２の表面に形成される反応制御境界膜１３は、第２はんだ粉末１２を構成する材料の融点より高い融点を有する金属で形成される。反応制御境界膜１３を形成する金属は、例えば、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｚｎ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ合金、Ｎｉ合金、Ｃｒ合金、Ａｌ合金、Ｚｎ合金、Ａｕ合金およびＡｇ合金のいずれか少なくとも一種から適宜に選定される。また、反応制御境界膜１３は、第１はんだ粉末１１を構成する材料の融点より高い融点を有する金属が好ましいが、第１はんだ粉末１１および第２はんだ粉末１２の融解時に、融解した第１はんだ粉末１１と融解した第２はんだ粉末１２とが、拡散または合金反応を生じさせないものであればよい。この条件を満たせば、反応制御境界膜１３は、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＴｉＣ、ＴｉＯ_２などのセラミックスや、熱可塑性樹脂などの樹脂によって形成されてもよい。
【００２５】
反応制御境界膜１３は、第２はんだ粉末１２の表面に、無電解メッキ法などによって形成される。また、反応制御境界膜１３は、ゾル・ゲル法によって形成されてもよい。ゾル・ゲル法では、例えば、金属アルコキシドを原料としたアルミナゾルに第２はんだ粉末１２を浸漬させ、続いて乾燥させることで金属皮膜を第２はんだ粉末１２の表面に形成することができる。反応制御境界膜１３の形成方法はこれらに限られるものではないが、これらの無電解メッキ法やゾル・ゲル法を用いることによって、経済的に反応制御境界膜１３を形成することができる。
【００２６】
反応制御境界膜１３の厚さは、１０ｎｍ〜１０μｍの範囲ではんだ材料の要求特性に応じて適宜に設定されるものである。反応制御境界膜１３の厚さは、１０ｎｍ以上であれば母相１４と第２相１５との拡散または合金反応を防止することができ、１０μｍを越えると反応制御境界膜１３の形成時間が長くなり不経済的である。反応制御境界膜１３の厚さのより好ましい範囲は、５０ｎｍ〜５μｍである。
【００２７】
第１はんだ粉末１１と第２はんだ粉末１２との混合物に混入されるフラックスは、はんだ材料とはんだ材料で接合される部材との間の酸化皮膜を除去し、加熱中に再び酸化するのを防止するものである。このフラックスとして、一般的に用いられているアミンハロゲン塩または有機酸などの活性化剤が用いられる。フラックス、バインダを含むはんだ材料中のフラックスの含有率は、５〜１０質量％の範囲で適宜に設定することができる。フラックスの含有率が５質量％未満では、はんだ材料とはんだ材料で接合される部材との間の酸化皮膜を除去し、加熱中に再び酸化するのを防止する効果が小さく、１０質量％を超える範囲では、その効果の向上を望めない。
【００２８】
第１はんだ粉末１１と第２はんだ粉末１２と混合されるバインダは、高分子材料とアルコールとから構成される。フラックス、バインダを含むはんだ材料中のバインダの含有率は、５〜２０質量％の範囲で適宜に設定することができる。バインダの含有率が５質量％未満では、要素部品の表面に塗布または印刷されたはんだ材料の付着状態が不十分となり、２０質量％を超える範囲では、バインダがはんだ部材から流出し、作業効率が低下することなどがある。
【００２９】
このはんだ材料によれば、凝固時に膨張する性質を有する第２はんだ粉末１２を第１はんだ粉末１１に含有させることで、第１はんだ粉末１１が融解した母相１４の凝固時における熱収縮を、第２はんだ粉末１２が融解した第２相１５の凝固時における膨張によって緩和することができる。これによって、はんだ部材内の内部応力の発生が抑制され、ボイド欠損の発生を防止することができる。また、第２相１５が反応制御境界膜で覆われているため、母相１４と第２相１５との間において拡散または合金反応を伴わないので、母相１４と第２相１５それぞれの濡れ性などの物理的特性を維持することができる。
【００３０】
このはんだ材料の製造方法によれば、ペースト状のはんだ材料を製造することができ、製造されたはんだ材料は、固体のはんだ材料を配置し難い接合部の接合や複雑な形状の部材同士の接合などに用いるのに適している。また、このはんだ材料を、複雑な形状の接合部でも的確に注入することができるので、はんだ付けの信頼性を向上させることができる。
【００３１】
次に、はんだ材料１０の製造方法の一例を示す。
まず、第２はんだ粉末１２の反応制御境界膜１３を形成する材料を選択し、第２はんだ粉末１２の表面に、無電解メッキ法などによって、反応制御境界膜１３を形成する。
【００３２】
反応制御境界膜１３が被覆された所定量の第２はんだ粉末１２と所定量の第１はんだ粉末１１とを均一に混合し、混合物を構成する。続いて、その混合物に所定量のフラックスおよびバインダを混入し、均一に攪拌して、はんだ材料１０を得る。
【００３３】
このはんだ材料の製造方法によれば、フィルム状またはワイヤ状のはんだ材料を製造することができる。この製造方法を用いることで、用途に応じて最適な形態のはんだ材料を提供することができる。
【００３４】
図３には、上述した方法により得られたはんだ材料１０を、平板で構成された第１要素部材２０と接合面に凹部を有する平板で構成された第２要素部材２１との間に配置した状態の接合部材２２が示されている。この接合部材２２を、例えば、大気中または不活性ガス雰囲気中において、第１はんだ粉末１１の融点以上の温度に加熱する。加熱されることによって融解した第１はんだ粉末１１および第２はんだ粉末１２は、冷却工程を経て、図４に示すような断面形状のはんだ接合部３０を得る。なお、図４に示したはんだ接合部３０の断面形状は、図４のＡで示す領域を詳細に示したものである。
【００３５】
図４に示すように、第２はんだ粉末１２が融解し凝固した第２相１５は、第１はんだ粉末１１が融解し凝固した母相１４中にほぼ均一に分散している。また、第２相の表面は、反応制御境界膜１３によって覆われている。本発明のはんだ材料１０を用いた接合では、母相１４が凝固およびその後の冷却過程において熱収縮する際に、第２相１５が凝固膨張し、はんだ接合部３０における内部応力の発生が抑制される。これによって、図５に示すような従来のはんだ接合部３１に発生していた引け巣３２の発生を防止することができる。また、母相１４では、母相１４を構成する第１はんだ粉末１１の濡れ性などの物理的特性が維持されるので、第１要素部材２０および第２要素部材２１の接合面と母相１４との接合を最適に行うことができる。さらに、はんだ接合部においては、母相１４を構成する第１はんだ粉末１１の機械的特性をほぼ維持することができる。
【００３６】
このはんだ付け方法によれば、凝固時に膨張する性質を有する第２はんだ粉末１２を第１はんだ粉末１１に含有させることで、第１はんだ粉末１１が融解した母相１４の凝固時における熱収縮を、第２はんだ粉末１２が融解した第２相１５の凝固時における膨張によって緩和することができる。これによって、はんだ部材内の内部応力の発生が抑制され、ボイド欠損の発生を防止することができる。また、第２相１５が反応制御境界膜で覆われているため、母相１４と第２相１５との間において拡散または合金反応を伴わないので、母相１４と第２相１５それぞれの濡れ性などの物理的特性を維持することができ、第１要素部材２０および第２要素部材２１の接合面とはんだ材料との接合を最適に行うことができる。
【００３７】
次に、はんだ材料１０を用いて２つの部材を接合する他の例を図６に示す。
図６には、上述した方法により得られたはんだ材料１０を、凹部を有する平板で構成された第１要素部材４０の凹部に注入し、その凹部の溝の深さ方向に棒状の第２要素部材４１を挿入した状態の接合部材４２を示したものである。この接合部材４２を、例えば、大気中または不活性ガス雰囲気中において、第１はんだ粉末１１の融点以上の温度に加熱する。加熱されることによって融解した第１はんだ粉末１１および第２はんだ粉末１２は、冷却工程を経て、図７に示すような断面形状のはんだ接合部５０を得る。
【００３８】
図７に示すように、第２はんだ粉末１２が融解し凝固した第２相１５は、第１はんだ粉末１１が融解し凝固した母相１４中にほぼ均一に分散している。また、第２相の表面は、反応制御境界膜１３によって覆われている。本発明のはんだ部材１０を用いた接合では、母相１４が凝固およびその後の冷却過程において熱収縮する際に、第２相１５が凝固膨張し、はんだ接合部３０における内部応力の発生が抑制される。また、はんだ接合部５０を構成する母相１４は、母相１４を構成する第１はんだ粉末１１の濡れ性などの物理的特性を維持しているため、第１要素部材４０の凹部の表面と母相１４との接合が最適に行われる。これによって、図８に示すような従来のはんだ接合部５１に発生していた第１要素部材４０の凹部の表面との剥離部５２などの発生を防止することができる。
【００３９】
本願発明のはんだ材料、はんだ材料の製造方法およびはんだ付け方法において、母相１４に、凝固時に膨張する性質を有する第２相１５を含有させることによって、母相１４が凝固およびその後の冷却過程において熱収縮する際、第２相１５が凝固温度まで冷却されると凝固膨張するので、母相１４の凝固収縮を緩和することができる。これによって、はんだ部材内の内部応力の発生が抑制され、その結果、引け巣３２や剥離部５２などのボイド欠損の発生を防止することができる。
【００４０】
また、第２相１５が反応制御境界膜１３で覆われているため、母相１４と第２相１５との間において拡散または合金反応を伴わないので、母相１４と第２相１５とが溶解して、例えば共晶合金化することはない。そのため、母相１４では母相１４を構成する第１はんだ粉末１１の物理的特性が維持され、第２相１５では第２相１５を構成する第２はんだ粉末１２の物理的特性が維持される。さらに、はんだ接合部においては、母相１４を構成する第１はんだ粉末１１の機械的特性をほぼ維持することができる。また、第１要素部材２０および第２要素部材２１の接合面とはんだ材料との接合を最適に行うことができる。
【００４１】
また、はんだ材料をペースト状にしたことで、固体のはんだ材料を配置し難い接合部の接合や複雑な形状の部材同士の接合などにもこのはんだ材料を容易に用いることができる。また、このはんだ材料を、複雑な形状の接合部でも的確に注入することができるので、はんだ付けの信頼性を向上させることができる。
【００４２】
上述したはんだ材料１０では、第１はんだ粉末１１、第２はんだ粉末１２、フラックスおよびバインダを混合したペースト状の構成を示したが、この構成に限るものではなく、はんだ材料は、例えば、図９に示すようなフィルム状の構成および図１０示すようなワイヤ状の構成にしてもよい。
【００４３】
図９または図１０に示すはんだ材料６０、６５は、例えば、次のようにして製造される。
【００４４】
まず、第２はんだ粉末１２の反応制御境界膜１３を形成する材料を選択し、第２はんだ粉末１２の表面に、無電解メッキ法などによって、反応制御境界膜１３を形成する。
【００４５】
反応制御境界膜１３が被覆された所定量の第２はんだ粉末１２と所定量の第１はんだ粉末１１とを、例えば、攪拌などによって均一に混合し、混合物を構成する。続いて、その混合物を金型に充填し、加圧および加熱して第１はんだ粉末１１と第２はんだ粉末１２とを一体に融着させて、図１０に示すような複合材料を得る。
【００４６】
次に、図９に示すようなフィルム状のはんだ材料６０を形成する場合には、第１はんだ粉末１１と第２はんだ粉末１２とが一体化された複合材料を、例えば、圧延加工してフィルム状のはんだ材料を形成する。
【００４７】
また、図１０に示すようなワイヤ状のはんだ材料６５を形成する場合には、第１はんだ粉末１１と第２はんだ粉末１２とが一体化された複合材料を、例えば、引抜き加工してワイヤ状のはんだ材料を形成する。また、図１０に示すように、ワイヤ状のはんだ材料６５の中心軸に沿ってフラックス６６を混入させることもできる。
【００４８】
このように、はんだ材料は、ペースト状の構成に限らず、フィルム状やワイヤ状などの固体の構成も採ることができ、はんだ材料を使用する用途に応じて最適な形態のはんだ材料を用いることができる。
【００４９】
【実施例】
次に、本発明の具体的な実施例について説明する。なお、以下に示す具体的な実施例では、図６に示すような、凹部を有する平板で構成された第１要素部材４０とその凹部の溝の深さ方向に棒状の第２要素部材４１を挿入した状態で接合される場合について示す。
【００５０】
（実施例１）
平均粒径が約２０μｍのＳｎ−５７質量％Ｂｉ粉末の表面に、厚さ約３μｍの無電解Ｎｉめっき皮膜を形成し、第２はんだを製作した。続いて、この第２はんだと平均粒径が約２０μｍのＳｎ−０．７質量％Ｃｕ粉末からなる第１はんだとを、第２はんだの含有量が１５体積％となるように混合し、複合はんだ材料を製作した。そして、第１部材と第２部材の表面の酸化皮膜の除去と塗布、スクリーン印刷などのはんだ層の形成を容易にするため、複合はんだに適量のフラックスと増粘剤を添加し、クリーム状の複合はんだを調製した。
【００５１】
続いて、無酸素Ｃｕベースからなる第１部材の表面に形成された直径５ｍｍ、深さ１０ｍｍの凹部に、複合はんだを充填した。複合はんだが充填された凹部に、無酸素Ｃｕベースからなる外径３ｍｍの棒状の第２部材を約７ｍｍの深さまで挿入した。そして、第１部材の凹部に第２部材が挿入された状態で、Ｎ_２ガス雰囲気中において、２６０℃の温度で３分間加熱し、はんだ付けを行った。
【００５２】
はんだ付けされた第１部材と第２部材とをそれぞれインストロン引張試験機のチャックに固定し、０．１ｍｍ/sの引張速度ではんだ強度を測定評価した結果、はんだ強度は４５ＭＰａであった。また、はんだ層の内部ボイド欠陥を超音波探傷試験装置を用いて検査した結果、不純物やその他に起因する偶発的なボイド欠陥が体積率換算で１％以下であり、凝固収縮によるボイド欠陥が全く検出されなかった。
【００５３】
（実施例２）
平均粒径が約２０μｍのＳｎ−５７質量％Ｂｉ粉末の表面に、ゾル・ゲル法によって、厚さ約０．１μｍのＡｌ２Ｏ３皮膜を形成し、第２はんだを製作した。続いて、この第２はんだと平均粒径が約２０μｍのＳｎ−０．７質量％Ｃｕ粉末からなる第１はんだとを、第２はんだの含有量が１５体積％となるように混合し、複合はんだ材料を製作した。そして、第１部材と第２部材の表面の酸化皮膜の除去と塗布、スクリーン印刷などのはんだ層の形成を容易にするため、複合はんだに適量のフラックスと増粘剤を添加し、クリーム状の複合はんだを調製した。
【００５４】
続いて、無酸素Ｃｕベースからなる第１部材の表面に形成された直径５ｍｍ、深さ１０ｍｍの凹部に、複合はんだを充填した。複合はんだが充填された凹部に、無酸素Ｃｕベースからなる外径３ｍｍの棒状の第２部材を約７ｍｍの深さまで挿入した。そして、第１部材の凹部に第２部材が挿入された状態で、Ｎ_２ガス雰囲気中において、２６０℃の温度で３分間加熱し、はんだ付けを行った。
【００５５】
はんだ付けされた第１部材と第２部材とをそれぞれインストロン引張試験機のチャックに固定し、０．１ｍｍ/sの引張速度ではんだ強度を測定評価した結果、はんだ強度は２８ＭＰａであった。また、はんだ層の内部ボイド欠陥を超音波探傷試験装置を用いて検査した結果、不純物やその他に起因する偶発的なボイド欠陥が体積率換算で１％以下であり、凝固収縮によるボイド欠陥が全く検出されなかった。
【００５６】
（実施例３）
平均粒径が約２０μｍのＳｎ−２２質量％Ｓｂ粉末の表面に、ゾル・ゲル法によって、厚さ約０．１μｍのＳｉＯ２皮膜を形成し、第２はんだを製作した。続いて、この第２はんだと平均粒径が約２０μｍのＳｎ−２質量％Ｃｕ−０．２質量％Ａｇ粉末からなる第１はんだとを、第２はんだの含有量が２５体積％となるように混合し、複合はんだ材料を製作した。そして、第１部材と第２部材の表面の酸化皮膜の除去と塗布、スクリーン印刷などのはんだ層の形成を容易にするため、複合はんだに適量のフラックスと増粘剤を添加し、クリーム状の複合はんだを調製した。
【００５７】
続いて、無酸素Ｃｕベースからなる第１部材の表面に形成された直径５ｍｍ、深さ１０ｍｍの凹部に、複合はんだを充填した。複合はんだが充填された凹部に、無酸素Ｃｕベースからなる外径３ｍｍの棒状の第２部材を約７ｍｍの深さまで挿入した。そして、第１部材の凹部に第２部材が挿入された状態で、Ｎ_２ガス雰囲気中において、３５０℃の温度で３分間加熱し、はんだ付けを行った。
【００５８】
はんだ付けされた第１部材と第２部材とをそれぞれインストロン引張試験機のチャックに固定し、０．１ｍｍ/sの引張速度ではんだ強度を測定評価した結果、はんだ強度は４０ＭＰａであった。また、はんだ層の内部ボイド欠陥を超音波探傷試験装置を用いて検査した結果、不純物やその他に起因する偶発的なボイド欠陥が体積率換算で２％以下であり、凝固収縮によるボイド欠陥が全く検出されなかった。
【００５９】
（比較例１）
平均粒径が約２０μｍのＳｎ−３．５質量％Ａｇ粉末、適量のフラックスおよび増粘剤を混合し、クリーム状の複合はんだを調製した。
【００６０】
続いて、無酸素Ｃｕベースからなる第１部材の表面に形成された直径５ｍｍ、深さ１０ｍｍの凹部に、複合はんだを充填した。複合はんだが充填された凹部に、無酸素Ｃｕベースからなる外径３ｍｍの棒状の第２部材を約７ｍｍの深さまで挿入した。そして、第１部材の凹部に第２部材が挿入された状態で、Ｎ_２ガス雰囲気中において、３５０℃の温度で３分間加熱し、はんだ付けを行った。
【００６１】
はんだ付けされた第１部材と第２部材とをそれぞれインストロン引張試験機のチャックに固定し、０．１ｍｍ/sの引張速度ではんだ強度を測定評価した結果、はんだ強度は２０ＭＰａであった。また、はんだ層の内部ボイド欠陥を超音波探傷試験装置を用いて検査した結果、最終凝固部となる第１部材と第２部材の中間の位置に引け巣が発生し、複数の粗大なボイド欠陥が検出された。検出されたボイド欠陥は、体積率換算で１２％に達していた。
【００６２】
この比較例におけるはんだ強度（２０ＭＰａ）は、実施例１におけるはんだ強度（４５ＭＰａ）の１／２以下であることが明らかになった。また、この比較例におけるボイド欠陥（体積率換算１２％）は、実施例１におけるボイド欠陥（体積率換算１％）の１２倍程度であることも明らかになった。
【００６３】
これらの結果から、表面に皮膜を有するＳｎ−５７質量％Ｂｉからなる第２はんだを第１はんだに含有することで、はんだ強度が高く、ボイド欠陥の発生する割合が非常に少ないはんだ材料が得らえることがわかった。また、ボイド欠陥は、第１部材と第２部材のはんだ強度を低下させる原因であることが明かになった。
【００６４】
（比較例２）
平均粒径が約２０μｍのＳｎ−５７質量％Ｂｉ粉末からなる第２はんだと、平均粒径２０μｍのＳｎ−０．７質量％Ｃｕ粉末からなる第１はんだとを、第２はんだの含有量が１５体積％となるように混合し、複合はんだ材料を製作した。そして、この複合はんだに適量のフラックスと増粘剤を添加し、クリーム状の複合はんだを調製した。
【００６５】
続いて、無酸素Ｃｕベースからなる第１部材の表面に形成された直径５ｍｍ、深さ１０ｍｍの凹部に、複合はんだを充填した。複合はんだが充填された凹部に、無酸素Ｃｕベースからなる外径３ｍｍの棒状の第２部材を約７ｍｍの深さまで挿入した。そして、第１部材の凹部に第２部材が挿入された状態で、Ｎ_２ガス雰囲気中において、２６０℃の温度で３分間加熱し、はんだ付けを行った。
【００６６】
はんだ付けされた第１部材と第２部材とをそれぞれインストロン引張試験機のチャックに固定し、０．１ｍｍ/sの引張速度ではんだ強度を測定評価した結果、はんだ強度は２０ＭＰａであった。また、はんだ層の内部ボイド欠陥を超音波探傷試験装置を用いて検査した結果、最終凝固部となる第１部材と第２部材の中間の位置に引け巣が発生し、複数の粗大なボイド欠陥が検出された。検出されたボイド欠陥は、体積率換算で１０％に達していた。
【００６７】
この比較例におけるはんだ強度（２０ＭＰａ）は、実施例２におけるはんだ強度（２８ＭＰａ）よりも３０％程度低いことが明らかになった。また、この比較例におけるボイド欠陥（体積率換算１０％）は、実施例１におけるボイド欠陥（体積率換算１％）の１０倍程度であることも明らかになった。
【００６８】
これらの結果から、実施例２に示すように、第２はんだの表面に皮膜を有することで、はんだ強度が高く、ボイド欠陥の発生する割合が非常に少ないはんだ材料が得らえることがわかった。また、第２はんだの表面に皮膜を有することで、第１はんだと第２はんだの合金化反応が阻止され、第２はんだの特徴である凝固膨張の性質が維持されて、その凝固膨張による効果を十分に発揮できることがわかった。さらに、ボイド欠陥は、第１部材と第２部材のはんだ強度を低下させる原因であることが明かになった。
【００６９】
ここで、上記した実施例および比較例の測定結果を表１にまとめて示す。
【表１】

【００７０】
【発明の効果】
本発明のはんだ材料、はんだ材料の製造方法およびはんだ付け方法によれば、凹部や孔部などの複雑なはんだ接合部を有する要素部材などのはんだ付けにおいて、凝固収縮によるボイド欠陥の発生を防止することができ、機械的特性、濡れ性などに優れたはんだ接合を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態のはんだ材料を模式的に示す断面図。
【図２】本発明の一実施の形態のはんだ材料を用いたはんだ付け後の断面を模式的に示す断面図。
【図３】本発明の一実施の形態のはんだ材料を用いたはんだ付け構造の一例を模式的に示す断面図。
【図４】本発明の一実施の形態のはんだ材料を用いたはんだ付け後の断面を模式的に示す断面図。
【図５】従来のはんだ材料を用いたはんだ付け後の断面を模式的に示す断面図。
【図６】本発明の一実施の形態のはんだ材料を用いたはんだ付け構造の一例を模式的に示す断面図。
【図７】本発明の一実施の形態のはんだ材料を用いたはんだ付け後の断面を模式的に示す断面図。
【図８】従来のはんだ材料を用いたはんだ付け後の断面を模式的に示す断面図。
【図９】フィルム状のはんだ材料の外観を示す斜視図。
【図１０】ワイヤ状のはんだ材料の外観を示す斜視図。
【符号の説明】
１０…はんだ材料
１１…第１はんだ粉末
１２…第２はんだ粉末
１３…反応制御境界膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a solder material useful for soldering, such as an element part having a large thermal expansion coefficient, an element part having a recess or a hole, a method for manufacturing the solder material, and a soldering method.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with increasing interest in environmental issues from the viewpoint of protecting the global environment, an increase in the amount of industrial waste disposed of has become a serious problem. Solder is used in, for example, power control computer boards, home appliances, personal computers, and the like included in industrial waste, and harmful heavy metals such as lead may flow out from the solder. For example, when lead flows out, it may act on acid rain to produce an aqueous solution containing lead, and the aqueous solution may enter groundwater.
[0003]
In Japan, the Home Appliance Recycling Law was enacted in 1998, and in 2001 it was obliged to collect used products for home appliances. In Europe, the EU Directive on Electrical and Electronic Product Waste has banned the use of certain substances including lead since 2004. In this way, legal regulations concerning the use of lead have been strengthened, and the development of lead-free solder has been urgently needed.
[0004]
Solder plays an important role in mechanically and electrically connecting a plurality of component parts in an electronic product. Since electronic products are used in a severe environment involving thermal cycles, mechanical shocks, mechanical vibrations, etc., they have various problems when soldering a plurality of component parts having different material properties.
[0005]
For example, when soldering a ceramic substrate with a large difference in thermal expansion coefficient and a Cu base, sufficient heat dissipation characteristics cannot be secured at the solder joint, resulting in residual stress due to the difference in strain and deformation of the Cu base. In some cases, however, matching with surrounding component parts may not be achieved. Further, in the Cu base that generates the residual stress, material fatigue has progressed, which may eventually lead to product life. Furthermore, when soldering an element part having a recess or hole, the molten solder material impregnated in the recess or hole is solidified and contracted during the cooling process, so that a void called a shrinkage nest may be formed in the solidified part. It was.
[0006]
In addition, the conventional lead-free solder is composed of a metal such as Bi and a eutectic alloy such as Sn that expands in volume during solidification in order to prevent the molten solder material from solidifying and shrinking during the cooling process. (For example, see Patent Document 1).
[0007]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 9-277082
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, conventional lead-free solder cannot secure sufficient heat dissipation characteristics at the solder joint, resulting in a residual stress due to a difference in strain and inability to align with surrounding element parts. there were. Further, in the conventional lead-free solder, unavoidable void defects such as shrinkage cavities may occur in the solidified portion due to solidification shrinkage of the lead-free solder during the cooling process. Due to this void defect, the mechanical properties, electrical conductivity, thermal conductivity, etc. of the solder joints are lowered, and there is a problem that the required performance and reliability of the connected component parts cannot be sufficiently ensured. Further, in order to prevent the molten solder material from solidifying and shrinking during the cooling process, Bi is added to Sn. For example, in a eutectic alloy, Bi is 50% by weight or more in order to obtain the solidification expansion effect of Bi. There was a problem that the mechanical properties and wettability of the solder deteriorated.
[0009]
Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems, and prevents the occurrence of void defects due to solidification shrinkage in soldering of element members having complicated solder joints such as recesses and holes. An object of the present invention is to provide a solder material that is excellent in mechanical properties, wettability, and the like, a method for manufacturing the solder material, and a soldering method.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the solder material of the present invention comprises: Shrink when solidifying First solder made of Sn alloy Powder And the first solder Lower melting point than powder And Bi is 50 mass Contain at least% Sn-Bi Alloy or Sb 6 mass Contain at least% Sn-Sb Consisting of at least one of the alloys Swells when solidified A second solder powder; Formed on the surface of the second solder powder; At least the second solder Powder Higher melting point Composed of material And a reaction-suppressing boundary film.
[0011]
The method for producing a solder material of the present invention contains 50% by mass or more of Bi. Sn-Bi Contains 6% by mass or more of alloy or Sb Sn-Sb Consisting of at least one of the alloys Second solder that expands when solidified A boundary film forming step of forming a reaction suppression boundary film on the surface of the powder; and the second solder Shrink with powder when solidified First solder made of Sn alloy Powder And a predetermined ratio Mixed A mixture preparation step for preparing a combined mixture, and a paste-like mixture preparation step for preparing a paste-like mixture by mixing and stirring a flux and a binder at a predetermined ratio to the mixture. And
[0013]
The soldering method of the present invention is as described above. Or A soldering method using a solder material, wherein an application step of applying the solder material to the surface of a first member having a recess on the surface, and an upper surface of the solder material applied to the surface of the first member A second member arranging step of laminating and arranging the second member, and a laminated member laminated through the second member arranging step in the atmosphere or in an inert gas atmosphere To melt the first solder powder and the second solder powder. And a heating step.
[0014]
The soldering method of the present invention is the above-described method. Or In the soldering method, an injection step of injecting the solder material into the concave portion of the first member having a concave portion on the surface, and a depth direction of the groove of the concave portion into the concave portion into which the solder material has been injected. A second member inserting step of inserting the second member into the joint member, and the joining member configured through the second member inserting step in the atmosphere or in an inert gas atmosphere To melt the first solder powder and the second solder powder. And a heating step.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described.
[0016]
FIG. 1 shows an example of the solder material of the present invention.
The solder material 10 of the present invention contains a first solder powder 11 made of Sn or Sn alloy constituting the parent phase and a second solder powder 12 made of Bi alloy or Sb alloy constituting the second phase. The surface of the second solder powder 12 is covered with a reaction control boundary film 13. Moreover, the solder material 10 shown in FIG. 1 is a paste-like solder material in which a flux and a binder are mixed in a mixture in which the first solder powder 11 and the second solder powder 12 are uniformly mixed.
[0017]
As shown in FIG. 2, the cross section after soldering using this solder material is such that the first solder powder 11 is melted and solidified, and the parent phase 14 formed by solidification and the second solder powder 12 are melted and solidified. And the second phase 15 formed as described above.
[0018]
The first solder powder 11 is composed of Sn or a Sn alloy. In the case of a Sn alloy, the content of Sn in the alloy is appropriately set depending on the mechanical characteristics, melting point, and the like required for the alloy. Moreover, the average particle diameter of the 1st solder powder 11 has the preferable range of 1-100 micrometers. When the average particle size of the first solder powder 11 is less than 1 μm, handling is difficult and the cost is increased. The effect may not be fully demonstrated. Moreover, the mixing ratio etc. with the 2nd solder powder 12 can be easily prepared by making 1st solder into powder.
[0019]
The second solder powder 12 is made of a Bi alloy or Sb alloy having a property of expanding during solidification. The average particle diameter of the second solder powder 12 is preferably in the range of 1 to 100 μm. When the average particle size of the second solder powder 12 is less than 1 μm, handling is difficult and the cost is increased. May not be fully demonstrated.
[0020]
When a Bi alloy is used for the second solder powder 12, the Bi content in the Bi alloy is 50 mass % Or more, 58 mass % Or more is more preferable. Bi content is 50 mass If it is less than%, the solidification expansion of the Bi alloy is small, so the effect of relaxing the thermal shrinkage of the parent phase 14 is small. mass If it is less than%, the effect is hardly obtained.
[0021]
Further, when the Sb alloy is used for the second solder powder 12, the Sb content in the Sb alloy is 6 as in the case where the Bi alloy is used. mass % Or more, 22 mass % Or more is more preferable. Sb content is 6 mass If it is less than%, the solidification expansion of the Sb alloy is small, so the effect of relaxing the thermal shrinkage of the parent phase 14 is small.
[0022]
In addition, the content of the second solder powder 12 in the solder material including the flux and the binder is the amount of thermal contraction of the component part to be soldered calculated based on the thermal expansion coefficient, and the recess or hole of the component part for supplying the solder. It is set appropriately depending on the solidification shrinkage of the solder material calculated from the size of the solder and the properties of the alloy of the solder base material. In the solder material of the present invention, the content of the second solder powder 12 is preferably in the range of 5 to 50% by volume. When the content of the second solder powder 12 is less than 5% by volume, the effect of alleviating the thermal shrinkage of the parent phase 14 is small, and even when it exceeds 50% by volume, it is not possible to expect further improvement.
[0023]
The second solder powder 12 is made of a metal or alloy having a melting point lower than that of the first solder powder 11. Further, the metal type, composition, and the like of the second solder powder 12 are appropriately selected so as to correspond to the first solder powder 11 and have a melting point lower than that of the first solder powder 11. Thereby, the relaxation effect with respect to the solidification shrinkage of the parent phase 14 can be exhibited to the maximum.
[0024]
The reaction control boundary film 13 formed on the surface of the second solder powder 12 is formed of a metal having a melting point higher than that of the material constituting the second solder powder 12. The metal forming the reaction control boundary film 13 is, for example, any one of Cu, Ni, Cr, Al, Zn, Au, Ag, Cu alloy, Ni alloy, Cr alloy, Al alloy, Zn alloy, Au alloy, and Ag alloy. At least one kind is appropriately selected. The reaction control boundary film 13 is preferably a metal having a melting point higher than the melting point of the material constituting the first solder powder 11, but when the first solder powder 11 and the second solder powder 12 are melted, the molten first solder is melted. It is sufficient that the powder 11 and the molten second solder powder 12 do not cause diffusion or alloy reaction. If this condition is satisfied, the reaction control boundary film 13 is, for example, Al. ₂ O ₃ , AlN, SiC, TiC, TiO ₂ You may form with resin, such as ceramics, such as a thermoplastic resin.
[0025]
The reaction control boundary film 13 is formed on the surface of the second solder powder 12 by an electroless plating method or the like. The reaction control boundary film 13 may be formed by a sol-gel method. In the sol-gel method, for example, the metal film can be formed on the surface of the second solder powder 12 by immersing the second solder powder 12 in an alumina sol made of a metal alkoxide as a raw material and then drying it. The formation method of the reaction control boundary film 13 is not limited to these, but the reaction control boundary film 13 can be formed economically by using the electroless plating method or the sol-gel method.
[0026]
The thickness of the reaction control boundary film 13 is appropriately set in the range of 10 nm to 10 μm according to the required characteristics of the solder material. If the thickness of the reaction control boundary film 13 is 10 nm or more, diffusion or alloy reaction between the parent phase 14 and the second phase 15 can be prevented, and if it exceeds 10 μm, the formation time of the reaction control boundary film 13 is long. It is uneconomical. A more preferable range of the thickness of the reaction control boundary film 13 is 50 nm to 5 μm.
[0027]
The flux mixed in the mixture of the first solder powder 11 and the second solder powder 12 removes the oxide film between the solder material and the member joined by the solder material, and prevents re-oxidation during heating. To do. As the flux, a commonly used activator such as an amine halogen salt or an organic acid is used. The flux content in the solder material including flux and binder is 5 to 10 mass % Can be appropriately set. Flux content is 5 mass If it is less than%, the effect of removing the oxide film between the solder material and the member joined by the solder material and preventing re-oxidation during heating is small. mass In the range exceeding%, the improvement of the effect cannot be expected.
[0028]
The binder mixed with the first solder powder 11 and the second solder powder 12 is composed of a polymer material and alcohol. The content of the binder in the solder material including the flux and the binder is 5 to 20 mass % Can be appropriately set. Binder content is 5 mass If it is less than%, the adhesion state of the solder material applied or printed on the surface of the element part becomes insufficient, and 20 mass In the range exceeding 50%, the binder flows out of the solder member, and the working efficiency may decrease.
[0029]
According to this solder material, the thermal contraction at the time of solidification of the mother phase 14 in which the first solder powder 11 is melted can be obtained by adding the second solder powder 12 having the property of expanding at the time of solidification to the first solder powder 11. The second phase 15 in which the second solder powder 12 is melted can be relaxed by expansion during solidification. As a result, the generation of internal stress in the solder member is suppressed, and the occurrence of void defects can be prevented. Further, since the second phase 15 is covered with the reaction control boundary film, there is no diffusion or alloy reaction between the parent phase 14 and the second phase 15, so that the wetting of the parent phase 14 and the second phase 15 respectively. Physical properties such as sex can be maintained.
[0030]
According to this method for producing a solder material, a paste-like solder material can be produced, and the produced solder material can be joined at a joint where it is difficult to place a solid solder material or between members having complicated shapes. Suitable for use in Moreover, since this solder material can be accurately injected even in a joint portion having a complicated shape, the reliability of soldering can be improved.
[0031]
Next, an example of the manufacturing method of the solder material 10 is shown.
First, a material for forming the reaction control boundary film 13 of the second solder powder 12 is selected, and the reaction control boundary film 13 is formed on the surface of the second solder powder 12 by an electroless plating method or the like.
[0032]
A predetermined amount of the second solder powder 12 coated with the reaction control boundary film 13 and a predetermined amount of the first solder powder 11 are uniformly mixed to form a mixture. Subsequently, a predetermined amount of flux and binder are mixed into the mixture and uniformly stirred to obtain the solder material 10.
[0033]
According to this method for producing a solder material, a film-like or wire-like solder material can be produced. By using this manufacturing method, it is possible to provide an optimal form of solder material according to the application.
[0034]
In FIG. 3, the solder material 10 obtained by the above-described method is disposed between the first element member 20 formed of a flat plate and the second element member 21 formed of a flat plate having a concave portion on the joint surface. The joining member 22 in the state is shown. For example, the bonding member 22 is heated to a temperature equal to or higher than the melting point of the first solder powder 11 in the air or in an inert gas atmosphere. The first solder powder 11 and the second solder powder 12 melted by being heated are subjected to a cooling process to obtain a solder joint 30 having a cross-sectional shape as shown in FIG. In addition, the cross-sectional shape of the solder joint part 30 shown in FIG. 4 shows the area | region shown by A of FIG. 4 in detail.
[0035]
As shown in FIG. 4, the second phase 15 in which the second solder powder 12 is melted and solidified is almost uniformly dispersed in the mother phase 14 in which the first solder powder 11 is melted and solidified. The surface of the second phase is covered with the reaction control boundary film 13. In the joining using the solder material 10 of the present invention, when the parent phase 14 is solidified and thermally contracted during the subsequent cooling process, the second phase 15 is solidified and expanded, and the generation of internal stress in the solder joint 30 is suppressed. The As a result, it is possible to prevent the occurrence of the shrinkage nest 32 generated in the conventional solder joint portion 31 as shown in FIG. Further, in the mother phase 14, physical characteristics such as wettability of the first solder powder 11 constituting the mother phase 14 are maintained, so that the joint surfaces of the first element member 20 and the second element member 21 and the mother phase 14 are maintained. Can be optimally joined. Furthermore, the mechanical properties of the first solder powder 11 constituting the parent phase 14 can be substantially maintained at the solder joint.
[0036]
According to this soldering method, by causing the first solder powder 11 to contain the second solder powder 12 having the property of expanding during solidification, the thermal shrinkage during solidification of the mother phase 14 in which the first solder powder 11 has melted is achieved. The second solder powder 12 can be relaxed by expansion when the second phase 15 is melted. As a result, the generation of internal stress in the solder member is suppressed, and the occurrence of void defects can be prevented. Further, since the second phase 15 is covered with the reaction control boundary film, there is no diffusion or alloy reaction between the parent phase 14 and the second phase 15, so that the wetting of the parent phase 14 and the second phase 15 respectively. The physical characteristics such as the property can be maintained, and the joining surfaces of the first element member 20 and the second element member 21 and the solder material can be optimally joined.
[0037]
Next, another example of joining two members using the solder material 10 is shown in FIG.
In FIG. 6, the solder material 10 obtained by the above-described method is injected into the concave portion of the first element member 40 formed of a flat plate having a concave portion, and the rod-shaped second element is formed in the depth direction of the groove of the concave portion. The joining member 42 in a state where the member 41 is inserted is shown. For example, the bonding member 42 is heated to a temperature equal to or higher than the melting point of the first solder powder 11 in the air or in an inert gas atmosphere. The first solder powder 11 and the second solder powder 12 melted by being heated are subjected to a cooling process to obtain a solder joint portion 50 having a cross-sectional shape as shown in FIG.
[0038]
As shown in FIG. 7, the second phase 15 in which the second solder powder 12 is melted and solidified is almost uniformly dispersed in the mother phase 14 in which the first solder powder 11 is melted and solidified. The surface of the second phase is covered with the reaction control boundary film 13. In the joining using the solder member 10 of the present invention, the second phase 15 solidifies and expands when the parent phase 14 is solidified and thermally contracted during the subsequent cooling process, and the generation of internal stress in the solder joint 30 is suppressed. The Further, since the mother phase 14 constituting the solder joint portion 50 maintains physical characteristics such as wettability of the first solder powder 11 constituting the mother phase 14, the surface of the concave portion of the first element member 40 and Bonding with the mother phase 14 is optimally performed. Accordingly, it is possible to prevent the occurrence of the peeling portion 52 and the like from the surface of the concave portion of the first element member 40 which has occurred in the conventional solder joint portion 51 as shown in FIG.
[0039]
In the solder material, the solder material manufacturing method and the soldering method according to the present invention, the parent phase 14 is solidified and then cooled in the subsequent cooling process by containing the second phase 15 having a property of expanding during solidification. When the second phase 15 is cooled to the solidification temperature, the solidification expansion of the parent phase 14 can be mitigated when the second phase 15 is cooled to the solidification temperature. As a result, the generation of internal stress in the solder member is suppressed, and as a result, the occurrence of void defects such as the shrinkage nest 32 and the peeling portion 52 can be prevented.
[0040]
In addition, since the second phase 15 is covered with the reaction control boundary film 13, no diffusion or alloy reaction occurs between the parent phase 14 and the second phase 15, so that the parent phase 14 and the second phase 15 are It does not melt and form eutectic alloys, for example. Therefore, the physical characteristics of the first solder powder 11 constituting the parent phase 14 are maintained in the parent phase 14, and the physical characteristics of the second solder powder 12 constituting the second phase 15 are maintained in the second phase 15. . Furthermore, the mechanical properties of the first solder powder 11 constituting the parent phase 14 can be substantially maintained at the solder joint. In addition, the joining surfaces of the first element member 20 and the second element member 21 and the solder material can be optimally joined.
[0041]
Further, since the solder material is made into a paste, the solder material can be easily used for joining of joint portions where it is difficult to dispose a solid solder material or joining members having complicated shapes. Moreover, since this solder material can be accurately injected even in a joint portion having a complicated shape, the reliability of soldering can be improved.
[0042]
In the solder material 10 described above, a paste-like configuration in which the first solder powder 11, the second solder powder 12, a flux, and a binder are mixed is shown. However, the configuration is not limited to this configuration, and the solder material may be, for example, FIG. A film-like configuration as shown in FIG. 10 and a wire-like configuration as shown in FIG.
[0043]
The

solder materials

60 and 65 shown in FIG. 9 or FIG. 10 are manufactured as follows, for example.
[0044]
First, a material for forming the reaction control boundary film 13 of the second solder powder 12 is selected, and the reaction control boundary film 13 is formed on the surface of the second solder powder 12 by an electroless plating method or the like.
[0045]
A predetermined amount of the second solder powder 12 coated with the reaction control boundary film 13 and a predetermined amount of the first solder powder 11 are uniformly mixed, for example, by stirring, to constitute a mixture. Subsequently, the mixture is filled in a mold, pressurized and heated to fuse the first solder powder 11 and the second solder powder 12 together, and a composite material as shown in FIG. 10 is obtained.
[0046]
Next, when the film-like solder material 60 as shown in FIG. 9 is formed, the composite material in which the first solder powder 11 and the second solder powder 12 are integrated is rolled, for example, to form a film. A solder material is formed.
[0047]
When forming a wire-shaped solder material 65 as shown in FIG. 10, a composite material in which the first solder powder 11 and the second solder powder 12 are integrated is, for example, drawn to form a wire. Form a solder material. Further, as shown in FIG. 10, the flux 66 can be mixed along the central axis of the wire-like solder material 65.
[0048]
In this way, the solder material is not limited to a paste-like configuration, but can also take a solid configuration such as a film shape or a wire shape, and use an optimal form of solder material depending on the application in which the solder material is used. Can do.
[0049]
【Example】
Next, specific examples of the present invention will be described. In a specific example shown below, as shown in FIG. 6, a first element member 40 composed of a flat plate having a recess and a rod-shaped second element member 41 in the depth direction of the groove of the recess are provided. The case where it joins in the inserted state is shown.
[0050]
Example 1
Sn-57 having an average particle size of about 20 μm mass An electroless Ni plating film having a thickness of about 3 μm was formed on the surface of the% Bi powder, and a second solder was manufactured. Subsequently, the second solder and Sn-0.7 having an average particle diameter of about 20 μm. mass The 1st solder which consists of% Cu powder was mixed so that content of the 2nd solder might be 15 volume%, and composite solder material was manufactured. And in order to make it easy to remove and apply the oxide film on the surface of the first member and the second member, and to form a solder layer such as screen printing, an appropriate amount of flux and thickener are added to the composite solder, A composite solder was prepared.
[0051]
Subsequently, a composite solder was filled in a recess having a diameter of 5 mm and a depth of 10 mm formed on the surface of the first member made of oxygen-free Cu base. A rod-shaped second member made of oxygen-free Cu base and having an outer diameter of 3 mm was inserted into the recess filled with the composite solder to a depth of about 7 mm. Then, in a state where the second member is inserted into the recess of the first member, N ₂ In a gas atmosphere, soldering was performed by heating at a temperature of 260 ° C. for 3 minutes.
[0052]
The soldered first member and second member were each fixed to a chuck of an Instron tensile tester, and the solder strength was measured and evaluated at a tensile speed of 0.1 mm / s. As a result, the solder strength was 45 MPa. Moreover, as a result of inspecting the internal void defect of the solder layer using an ultrasonic flaw detection test apparatus, the accidental void defect caused by impurities and others is 1% or less in terms of volume ratio, and the void defect due to solidification shrinkage is completely absent. Not detected.
[0053]
(Example 2)
Sn-57 having an average particle size of about 20 μm mass An Al 2 O 3 film having a thickness of about 0.1 μm was formed on the surface of the% Bi powder by a sol-gel method, and a second solder was manufactured. Subsequently, the second solder and Sn-0.7 having an average particle diameter of about 20 μm. mass The 1st solder which consists of% Cu powder was mixed so that content of the 2nd solder might be 15 volume%, and composite solder material was manufactured. And in order to make it easy to remove and apply the oxide film on the surface of the first member and the second member, and to form a solder layer such as screen printing, an appropriate amount of flux and thickener are added to the composite solder, A composite solder was prepared.
[0054]
Subsequently, a composite solder was filled in a recess having a diameter of 5 mm and a depth of 10 mm formed on the surface of the first member made of oxygen-free Cu base. A rod-shaped second member made of oxygen-free Cu base and having an outer diameter of 3 mm was inserted into the recess filled with the composite solder to a depth of about 7 mm. Then, in a state where the second member is inserted into the recess of the first member, N ₂ In a gas atmosphere, soldering was performed by heating at a temperature of 260 ° C. for 3 minutes.
[0055]
The soldered first member and second member were each fixed to a chuck of an Instron tensile tester, and the solder strength was measured and evaluated at a tensile speed of 0.1 mm / s. As a result, the solder strength was 28 MPa. Moreover, as a result of inspecting the internal void defect of the solder layer using an ultrasonic flaw detection test apparatus, the accidental void defect caused by impurities and others is 1% or less in terms of volume ratio, and the void defect due to solidification shrinkage is completely absent. Not detected.
[0056]
(Example 3)
Sn-22 having an average particle size of about 20 μm mass A SiO 2 film having a thickness of about 0.1 μm was formed on the surface of the% Sb powder by a sol-gel method, and a second solder was manufactured. Subsequently, this second solder and Sn-2 having an average particle diameter of about 20 μm. mass % Cu-0.2 mass The 1st solder which consists of% Ag powder was mixed so that content of the 2nd solder might be 25 volume%, and composite solder material was manufactured. And in order to make it easy to remove and apply the oxide film on the surface of the first member and the second member, and to form a solder layer such as screen printing, an appropriate amount of flux and thickener are added to the composite solder, A composite solder was prepared.
[0057]
Subsequently, a composite solder was filled in a recess having a diameter of 5 mm and a depth of 10 mm formed on the surface of the first member made of oxygen-free Cu base. A rod-shaped second member made of oxygen-free Cu base and having an outer diameter of 3 mm was inserted into the recess filled with the composite solder to a depth of about 7 mm. Then, in a state where the second member is inserted into the recess of the first member, N ₂ Soldering was performed by heating at 350 ° C. for 3 minutes in a gas atmosphere.
[0058]
The soldered first member and second member were each fixed to a chuck of an Instron tensile tester, and the solder strength was measured and evaluated at a tensile speed of 0.1 mm / s. As a result, the solder strength was 40 MPa. In addition, as a result of inspecting the internal void defect of the solder layer using an ultrasonic flaw detection test apparatus, the accidental void defect caused by impurities and others is 2% or less in terms of volume ratio, and the void defect due to solidification shrinkage is completely absent. Not detected.
[0059]
(Comparative Example 1)
Sn-3.5 having an average particle size of about 20 μm mass % Ag powder, an appropriate amount of flux and a thickener were mixed to prepare a creamy composite solder.
[0060]
Subsequently, a composite solder was filled in a recess having a diameter of 5 mm and a depth of 10 mm formed on the surface of the first member made of oxygen-free Cu base. A rod-shaped second member made of oxygen-free Cu base and having an outer diameter of 3 mm was inserted into the recess filled with the composite solder to a depth of about 7 mm. Then, in a state where the second member is inserted into the recess of the first member, N ₂ Soldering was performed by heating at 350 ° C. for 3 minutes in a gas atmosphere.
[0061]
The soldered first member and second member were each fixed to a chuck of an Instron tensile tester, and the solder strength was measured and evaluated at a tensile speed of 0.1 mm / s. As a result, the solder strength was 20 MPa. In addition, as a result of inspecting the internal void defect of the solder layer using an ultrasonic flaw detection test apparatus, a shrinkage nest is generated at a position intermediate between the first member and the second member as the final solidified portion, and a plurality of coarse void defects Was detected. The detected void defect reached 12% in terms of volume ratio.
[0062]
It was revealed that the solder strength (20 MPa) in this comparative example was 1/2 or less of the solder strength (45 MPa) in Example 1. Moreover, it became clear that the void defect (volume ratio conversion 12%) in this comparative example is about 12 times the void defect (volume ratio conversion 1%) in Example 1.
[0063]
From these results, Sn-57 having a film on the surface. mass It was found that a solder material having a high solder strength and a very small percentage of void defects can be obtained by containing the second solder composed of% Bi in the first solder. Moreover, it became clear that the void defect is a cause of lowering the solder strength of the first member and the second member.
[0064]
(Comparative Example 2)
Sn-57 having an average particle size of about 20 μm mass Second solder composed of% Bi powder and Sn-0.7 having an average particle diameter of 20 μm mass The 1st solder which consists of% Cu powder was mixed so that content of the 2nd solder might be 15 volume%, and composite solder material was manufactured. Then, an appropriate amount of flux and a thickening agent were added to the composite solder to prepare a cream-like composite solder.
[0065]
Subsequently, a composite solder was filled in a recess having a diameter of 5 mm and a depth of 10 mm formed on the surface of the first member made of oxygen-free Cu base. A rod-shaped second member made of oxygen-free Cu base and having an outer diameter of 3 mm was inserted into the recess filled with the composite solder to a depth of about 7 mm. Then, in a state where the second member is inserted into the recess of the first member, N ₂ In a gas atmosphere, soldering was performed by heating at a temperature of 260 ° C. for 3 minutes.
[0066]
The soldered first member and second member were each fixed to a chuck of an Instron tensile tester, and the solder strength was measured and evaluated at a tensile speed of 0.1 mm / s. As a result, the solder strength was 20 MPa. In addition, as a result of inspecting the internal void defect of the solder layer using an ultrasonic flaw detection test apparatus, a shrinkage nest is generated at a position intermediate between the first member and the second member as the final solidified portion, and a plurality of coarse void defects Was detected. The detected void defect reached 10% in terms of volume ratio.
[0067]
The solder strength (20 MPa) in this comparative example was found to be about 30% lower than the solder strength (28 MPa) in Example 2. Moreover, it became clear that the void defect (volume ratio conversion 10%) in this comparative example is about 10 times the void defect (volume ratio conversion 1%) in Example 1.
[0068]
From these results, as shown in Example 2, it was found that by having a film on the surface of the second solder, it is possible to obtain a solder material having high solder strength and a very low ratio of void defects. . Further, by having a film on the surface of the second solder, the alloying reaction between the first solder and the second solder is prevented, and the property of solidification expansion that is characteristic of the second solder is maintained. It was found that can be fully demonstrated. Furthermore, it became clear that the void defect is a cause of lowering the solder strength of the first member and the second member.
[0069]
Here, the measurement results of the above-described Examples and Comparative Examples are collectively shown in Table 1.
[Table 1]

[0070]
【The invention's effect】
According to the solder material, the solder material manufacturing method, and the soldering method of the present invention, void defects due to solidification shrinkage are prevented in soldering of an element member having a complicated solder joint such as a recess or a hole. And solder joints excellent in mechanical properties and wettability can be performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a solder material according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a cross section after soldering using a solder material according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing an example of a soldering structure using a solder material according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a cross section after soldering using the solder material according to one embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a cross-section after soldering using a conventional solder material.
FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing an example of a soldering structure using a solder material according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing a cross-section after soldering using the solder material according to one embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a cross-section after soldering using a conventional solder material.
FIG. 9 is a perspective view showing an appearance of a film-like solder material.
FIG. 10 is a perspective view showing an appearance of a wire-shaped solder material.
[Explanation of symbols]
10 ... Solder material
11 ... 1st solder powder
12 ... Second solder powder
13 ... Reaction control boundary membrane

Claims

A first solder powder made of an Sn alloy that shrinks when solidified ;
It has a melting point lower than that of the first solder powder and is composed of at least one of an Sn—Bi alloy containing 50 mass % or more of Bi or an Sn—Sb alloy containing 6 mass % or more of Sb, and expands when solidified. A second solder powder,
And a reaction suppression boundary film made of a material having a melting point higher than that of the second solder powder , which is formed on the surface of the second solder powder .

The solder material according to claim 1, wherein the second solder powder is contained in an amount of 5 to 50% by volume.

The solder material according to claim 1 or 2, wherein the first solder powder has an average particle diameter of 1 to 100 µm.

4. The solder material according to claim 1, wherein the second solder powder has an average particle size of 1 to 100 μm.

The solder material according to claim 1, wherein a thickness of the reaction suppression boundary film is 10 nm to 10 μm .

A reaction-suppressing boundary film on the surface of the second solder powder which is made of at least one of an Sn—Bi alloy containing 50 mass% or more of Bi or an Sn—Sb alloy containing 6 mass% or more of Sb and expands when solidified. Forming a boundary film;
A mixture producing step of producing a mixture in which the second solder powder and the first solder powder made of an Sn alloy that shrinks when solidified are mixed in a predetermined ratio;
A paste-like mixture preparation step of preparing a paste-like mixture by mixing and stirring the mixture with a flux and a binder at a predetermined ratio; and
A method for producing a solder material, comprising:

The solder material manufacturing method according to claim 6, wherein the paste-like mixture has a content of the flux of 5 to 10% by mass and a content of the binder of 5 to 20% by mass .

A soldering method using the solder material according to claim 1,
An application step of applying the solder material to the surface of the first member having a recess on the surface;
A second member arranging step of laminating and arranging a second member on the solder material applied to the surface of the first member;
A heating step in which the laminated member laminated through the second member arranging step is heated in the air or in an inert gas atmosphere to melt the first solder powder and the second solder powder;
A soldering method comprising the steps of:

A soldering method using the solder material according to claim 1,
An injection step of injecting the solder material into the concave portion of the first member having a concave portion on the surface;
A second member inserting step of inserting a second member into the recess into which the solder material is injected in the depth direction of the groove of the recess;
A heating step of melting the first solder powder and the second solder powder by heating the joining member configured through the second member insertion step in the air or in an inert gas atmosphere;
A soldering method comprising the steps of: