JP4363915B2 - はんだ構造体、はんだ材料およびはんだ付け方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱膨張係数などが異なる異種特性部材間のはんだ付けに有益なはんだ構造体、はんだ材料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（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００４】
はんだは、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。しかし、従来のはんだを用いたエレクトロニクス製品の接合では、例えば、電子部品、基板、ベースなどのそれぞれ異なる熱膨張係数により、はんだ接合部に大きな歪みが生じ、これらの要素部品の変形や応力集中による疲労破壊などを生じて、最終的に製品寿命に至ることがあった。また、ベースなどの変形により、それらと接続される放熱フィンなどと全面接触することができなくなり、放熱効率が著しく低下することがあった。
【０００５】
【非特許文献１】
Proposal for a Directive of the European Parliament and of the Council on Waste Electrical and Electronic Equipment, Commission of the European Communities, Brussels,13.6.2000)
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
鉛フリーはんだは、従来用いられてきたＳｎ−Ｐｂはんだと同等の機械的性質や物理的性質が要求されている。しかしながら、上述したように、従来の鉛フリーはんだには、電子部品、基板、ベースなどのそれぞれ異なる熱膨張係数により、はんだ接合部に大きな歪みが生じ、これらの要素部品の変形や応力集中による疲労破壊などを生じるという問題があった。例えば、セラミックス基板とセラミックス基板を支持するＣｕベースのはんだ付けにおいて、Ｓｎ−Ｃｕ系の鉛フリーはんだを使用した場合、セラミックスと金属の熱膨張係数の差によりはんだ付け後、Ｃｕベースが大きく変形し、熱伝導特性や疲労強度などの機械的性質が著しく低下し、要求特性が確保できないという問題があった。
【０００７】
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、熱膨張係数などが異なる異種特性部材間のはんだ付けにおいて、熱膨張係数の差などによる熱伝導特性や機械的性質などの低下を抑制し、はんだ強度と信頼性の向上を図ることができるはんだ構造体、はんだ材料およびはんだ付け方法を提供すること目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のはんだ構造体は、第１部材とこの第１部材とは異種特性材料からなる第２部材とを接合する、鉛を含有しないはんだで構成されるはんだ構造体であって、前記第１部材と前記第２部材との間に存在する第１はんだ相と、前記第１はんだ相中の前記第１部材側に偏在し、前記第１はんだ相より低い融点を有し、かつ凝固膨張の性質を有する第２はんだ相と、前記第１はんだ相と前記第２はんだ相の境界に存在する前記第１はんだ相よりも高い融点を有する境界層とを具備することを特徴とする。
【０００９】
このはんだ構造体によれば、凝固時に膨張する性質を有する第２はんだ相を第１はんだ相中に存在させることで、第１部材と第２部材の熱膨張係数の差によるはんだ部材内の内部応力の発生が抑制され、その結果、第１部材および第２部材の変形を減少させることができる。また、第１はんだ相と第２はんだ相の境界に境界層が存在しているため、第１はんだ相と第２はんだ相との間において拡散または合金反応を伴わないので、第１はんだ材料の機械的性質や第２はんだ材料の凝固膨張性質などの固有な機械的性質や物理的性質を維持することができる。ここで、境界層は、第１はんだ相と第２はんだ相との間を区分するものであり、例えば、第２はんだ相の表面に被膜を形成して構成される。また、異種特性材料とは、組成の同一または非同一を問わず、機械的性質や物理的性質などの特性の異なる材料のことをいう。
【００１０】
本発明のはんだ材料は、第１部材とこの第１部材とは異種特性材料からなる第２部材とを接合する鉛を含有しないはんだ材料であって、シート状の第１はんだ材料と、前記第１はんだ材料よりも高い融点を有する境界被膜が表面に形成され、前記第１のはんだ材料より低い融点を有し、かつ凝固膨張の性質を有し、貫通孔が形成されシート状の第２はんだ材料とを具備することを特徴とする。また、本発明のはんだ材料は、第１部材とこの第１部材とは異種特性材料からなる第２部材とを接合する鉛を含有しないはんだ材料であって、シート状の第１はんだ材料と、前記第１はんだ材料よりも高い融点を有する境界被膜が表面に形成され、前記第１のはんだ材料より低い融点を有し、かつ凝固膨張の性質を有し、球状または不定形状の粒子からなる第２はんだ材料とを具備することを特徴とする。
【００１１】
このはんだ材料によれば、第１はんだ材料に、凝固時に膨張する性質を有する第２はんだ材料を含有させることで、第１部材と第２部材の熱膨張係数の差によるはんだ部材内の内部応力を緩和することができる。このはんだ材料を、第１部材と、この第１部材とは異種特性材料からなる第２部材との接合に用いることで、はんだ部材内の内部応力の発生が抑制され、その結果、第１部材と第２部材の変形を減少させることができる。また、第２はんだ材料が境界被膜で覆われているため、第１はんだ材料と第２はんだ材料との間において拡散または合金反応を伴わないので、第１はんだ材料の機械的性質や第２はんだ材料の凝固膨張性質などの固有な機械的性質や物理的性質を維持することができる。また、異種特性材料とは、組成の同一または非同一を問わず、機械的性質や物理的性質などの特性の異なる材料のことをいう。
【００１２】
本発明のはんだ付け方法は、第１部材とこの第１部材とは異種特性材料からなる第２部材とを接合する、鉛を含有しないはんだを用いたはんだ付け方法であって、表面に境界被膜が形成されるとともに、この境界被膜を形成する材料の第１の融点よりも低い第２の融点を有し、凝固膨張の性質を有する第２はんだ材料を前記第１部材の表面に配置する第２はんだ材料配置工程と、前記第２はんだ材料の上に、前記第１の融点よりも低くかつ前記第２の融点よりも高い第３の融点を有する第１はんだ材料を配置する第１はんだ材料配置工程と、前記第１はんだ材料の上に、前記第２部材を設置する第２部材設置工程と、前記第２部材設置工程を経て、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において、前記第２の融点よりも高くかつ前記第１の融点よりも低い温度で加熱する加熱工程とを具備することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明のはんだ付け方法は、第１部材とこの第１部材とは異種特性材料からなる第２部材とを接合する、鉛を含有しないはんだを用いたはんだ付け方法であって、表面に境界被膜が形成されるとともに、この境界被膜を形成する材料の第１の融点よりも低い第２の融点を有し、凝固膨張の性質を有する第２はんだ材料と前記第１の融点よりも低くかつ前記第２の融点よりも高い第３の融点を有する第１はんだ材料とを一体的に複合化して形成されたはんだ材料を前記第１部材の表面に配置するはんだ材料配置工程と、前記はんだ材料の上に、前記第２部材を設置する第２部材設置工程と、前記第２部材設置工程を経て、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において、前記第２の融点よりも高くかつ前記第１の融点よりも低い温度で加熱する加熱工程とを具備することを特徴とする。
【００１４】
これらのはんだ付け方法によれば、第１はんだ材料に、凝固時に膨張する性質を有する第２はんだ材料を含有させることで、第１部材と第２部材の熱膨張係数の差によるはんだ部材内の内部応力を緩和することができる。このはんだ材料を、第１部材と、この第１部材とは異種特性材料からなる第２部材とを接合に用いることで、はんだ部材内の内部応力の発生が抑制され、その結果、第１部材と第２部材の変形を減少させることができる。また、第２はんだ材料が境界被膜で覆われているため、第１はんだ材料と第２はんだ材料との間において拡散または合金反応を伴わないので、第１はんだ材料の機械的性質や第２はんだ材料の凝固膨張性質などの固有な機械的性質や物理的性質を維持することができる。また、異種特性材料とは、組成の同一または非同一を問わず、機械的性質や物理的性質などの特性の異なる材料のことをいう。
【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、本発明のはんだ付け構造の一例を示す。
図１（ｂ）に示されたはんだ付け構造では、第１部材１０とこの第１部材１０とは異種特性材料からなる第２部材１１とが、低融点金属元素または低融点合金からなる第１はんだ１２および凝固膨張の性質を有する金属元素または合金からなる第２はんだ１３からなるはんだ部材１４によって接合されている。また、第２はんだ１３の表面は、境界層または境界被膜として機能する反応防止膜１５で覆われている。
【００１７】
本発明の第１はんだ１２に用いられる金属は、低融点金属元素または低融点合金であり、例えば、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｓｒ、Ｉｎ、Ａｇ、Ｚｎなどの元素金属、または、Ｓｎ合金、Ｓｂ合金、Ｓｒ合金、Ｉｎ合金、Ａｇ合金、Ｚｎ合金などで構成される。Ｓｎ合金において、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。その他のＳｂ合金、Ｓｒ合金、Ｉｎ合金、Ａｇ合金、Ｚｎ合金を用いた場合もＳｎ合金に場合と同様である。
【００１８】
第２はんだ１３に用いられる金属は、凝固時に膨張する性質を有するＢｉ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｇｅなどの元素金属、または、Ｂｉ合金、Ｓｂ合金、Ｇａ合金、Ｇｅ合金などで構成される。第２はんだ１３にＢｉ合金を用いる場合、Ｂｉ合金中のＢｉの含有率が５０重量％以上であれば良いが、５８重量％以上がより好ましい。Ｂｉの含有率が５０重量％未満では、Ｂｉ合金が膨張することによる第１はんだ１２の熱収縮を緩和する効果が小さく、４８重量％未満では、その効果がほとんど得られない。Ｂｉ合金の場合と同様に、Ｓｂ合金、Ｇａ合金、Ｇｅ合金において、Ｓｂ、Ｇａ、Ｇｅの含有率が５０％以上であれば十分な効果を発揮することができる。
【００１９】
また、第１はんだ１２中の第２はんだ１３の含有率は、第１部材１０と第２部材１１の熱膨張係数の差により算出したはんだ相内の歪み量によって、５〜５０体積％の範囲で適宜に設定される。第２はんだ１３の含有率が、５体積％未満では、十分な凝固膨張の効果が得られず、５０体積％を越えると、複合はんだ相の延性が低下し、十分な機械的性質を確保することができない場合があるためである。
【００２０】
また、第２はんだ１３には、第１はんだ１２の融点よりも低い融点の金属または合金が用いられ、その条件に適合するように、第１はんだ１２および第２はんだ１３に用いる金属元素、合金の種類、合金の組成などの選定や組み合わせが適宜行われる。これによって、第１部材１０と第２部材１１の熱膨張係数の差によるはんだ部材内の内部応力の緩和効果を最大限に発揮することができる。
【００２１】
第２はんだ１３の表面に形成される反応防止膜１５は、第１はんだ１２を構成する材料の融点より高い融点を有する金属、セラミックス、または樹脂から形成される。
【００２２】
金属によって反応防止膜１５が形成される場合、金属として、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。金属による反応防止膜１５は、第２はんだ１３の表面に、電解メッキ法、無電解メッキ法などによって形成される。
【００２３】
セラミックスによって反応防止膜１５が形成される場合、セラミックスとして、例えば、これらに限るものではないが、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＡｌＮ、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＴｉＣ、ＴｉＯ２などのいずれか少なくとも一種から適宜に選定される。セラミックスによる反応防止膜１５は、例えば、ゾル・ゲル法などで形成され、この形成方法は極めて容易で経済的である。
【００２４】
樹脂によって反応防止膜１５が形成される場合、樹脂として、例えば、熱可塑性樹脂などが用いられ、反応防止膜１５は、溶融樹脂のコーティング法やバインダを介して微粒子を付着させる方法などによって形成される。
【００２５】
反応防止膜１５の厚さは、１０ｎｍ〜１０μｍの範囲ではんだ部材の要求特性に応じて適宜に設定されるものである。反応防止膜１５の厚さは、１０ｎｍ以上であれば第１はんだ１２と第２はんだ１３との反応防止効果を発揮し、１０μｍを越えると反応防止膜１５の形成時間が長くなり不経済的である。反応防止膜１５の厚さのより好ましい範囲は、０．１μｍ〜５μｍである。
【００２６】
ここで、図１（ｂ）、図３（ｂ）および図４（ｂ）に示すように、第１部材１０が第２部材１１の熱膨張係数より大きい場合、第２はんだ１３を第１はんだ１２中の第１部材１０側に偏在させることにより、凝固時における第１部材１０の歪みを最大限に緩和する効果を得ることができる。
【００２７】
図１（ｂ）、図３（ｂ）および図４（ｂ）に示された、はんだ部材、例えば、次のようにして製造される。
まず、第２はんだ１３の反応防止膜１５を形成する材料が選択され、選択された材料が金属の場合には電解メッキ法、無電解メッキ法などにより、また選択された材料がセラミックスの場合にはゾル・ゲル法などにより、さらに選択された材料が樹脂の場合にはコーティング法などにより、それぞれ第２はんだ１３の表面に反応防止膜１５が形成される。
【００２８】
このようにして得られた反応防止膜１５が被覆された第２はんだ１３を所定量第１部材１０の表面に均一に配置する。続いて、第２はんだ１３の上に、所定量の第１はんだ１２を均一に配置する。そして、第１はんだ１２の上に第２部材１１を設置し、図１（ａ）、図３（ａ）および図４（ａ）に示すような積層部材を得る。続いて、その積層部材を大気中または不活性ガス雰囲気中において、第１はんだ１２の液相線温度以上の温度に加熱する。加熱されることによって溶融した第１はんだ１２は、第２はんだ１３間の空隙部に含侵される。冷却工程において、第１はんだ１２の融点を通過する際、第１はんだ１２は、第１はんだ１２より融点が低く、まだ溶融している状態の第２はんだ１３を取り囲みながら凝固する。さらに冷却すると、第２はんだ１３の融点を通過する際、第２はんだ１３が凝固する。第２はんだ１３が凝固する際、体積膨張して、第１部材１０と第２部材１１の熱膨張係数の差によるはんだ相内の歪み緩和効果を発揮し、図１（ｂ）、図３（ｂ）および図４（ｂ）に示すような熱膨張係数の差による変形が生じないはんだ部材を得る。
【００２９】
ここで、図１（ａ）に示すように、第１はんだ１２は板形状に、第２はんだ１３は、球状または不定形状の粒子形状に形成される。また、図３（ａ）に示すように、第１はんだ１２は、第２はんだ１３と同様に、球状または不定形状の粒子形状に形成されてもよい。さらに、図４（ａ）に示すように、第１はんだ１２は板形状に、第２はんだ１３は、貫通孔を有する板形状に形成されてもよい。なお、第１はんだ１２および第２はんだ１３の形状は、図１（ａ）、図３（ａ）および図４（ａ）示された形状および組み合わせに限るものではなく、溶融した第１はんだ１２が第２はんだ１３間の空隙部に含侵する構成ならばよい。
【００３０】
本願発明のはんだ部材、はんだ材料およびはんだ付け方法において、図２に示すように、第１部材１０と第２部材１１の熱膨張係数の差によるはんだ部材１４内の内部応力の発生が抑制され、その結果、第１部材１０と第２部材１１の変形を減少させることができる。特に、熱膨張係数の大きな部材側に第２部材１１を偏在させることで、第１部材１０と第２部材１１の熱膨張係数の差によるはんだ部材１４内の内部応力の発生を効果的に抑制することができる。
【００３１】
また、第２はんだ１３が反応防止膜１５で覆われているため、第１はんだ１２と第２はんだ１３との間において拡散または合金反応を伴わないので、第１はんだ１２と第２はんだ１３が合金化して、第１はんだ１２の機械的性質や第２はんだ１３の凝固膨張性質などの固有な特性を失うことがなく、第１はんだ１２と第２はんだ１３のそれぞれの固有な特性を維持し、はんだ部材１４の性能を最大限に発揮することができる。
【００３２】
【実施例】
次に、本発明の具体的な実施例について説明する。
【００３３】
（実施例１）
平均粒径が約２０μｍのＳｎ−５７重量％Ｂｉ粉末の表面に、ゾル・ゲル法によって、厚さ約５０ｎｍ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重量％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。なお、複合はんだには、接合材の表面の酸化皮膜の除去およびスクリーン印刷、塗布などを容易するため、適量のフラックスと樹脂バインダーを添加し、クリーム状の複合はんだを調製した。
【００３４】
続いて、厚さ３ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ２００ｍｍの無酸素Ｃｕベースの第１部材の表面に、複合はんだを厚さ約１００μｍでスクリーン印刷した。そして、スクリーン印刷された複合はんだの上に、両面が厚さ１００μｍの純Ｃｕでラインニングされた厚さ０．３ｍｍ、幅８０ｍｍ、長さ１８０ｍｍのＳｉＮ基板の第２部材を設置し、積層接合部材を構成した。続いて、この積層接合部材を、Ｎ２ガス雰囲気中において、２５０℃の温度で３分間加熱し、はんだ付けを行った。
【００３５】
はんだ付けした第１部材と第２部材のはんだ付け部におけるはんだ相のせん断強度を測定評価した結果、せん断強度は３０ＭＰａであった。また、第１部材のＣｕベースの変形量は７５μｍであった。
【００３６】
ここで、Ｃｕベースの変形量について、図６を参照して説明する。
図６は、第１部材１０を構成する厚さ３ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ２００ｍｍのＣｕベースの幅の中心で長手方向における断面を示したものである。図６の（ａ）は、変形前の第１部材１０の断面を示し、図６の（ｂ）は、変形後の第１部材１０の断面を示している。
【００３７】
Ｃｕベースの変形量は、第１部材１０の長手方向に垂直な方向における基準面２０と基準面２０に接していた第１部材１０の接触面２１との最大変形距離Ｌを示すものである。
【００３８】
（実施例２）
平均粒径が約２０μｍのＳｎ−５７重量％Ｂｉ粉末の表面に、ゾル・ゲル法によって、厚さ約５０ｎｍのＡｌ２Ｏ３皮膜を形成し、第２はんだを製作した。続いて、厚さ１００μｍ、幅８０ｍｍ、長さ１８０ｍｍのＳｎ−０．７重量％Ｃｕシートからなる第１はんだの一方の面に、第２はんだを、第２はんだの含有量が１５体積％となるように設置し、プレス成形して複合はんだシートを製作した。
【００３９】
続いて、厚さ３ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ２００ｍｍの無酸素Ｃｕベースの第１部材の表面に適量のフラックスを滴下し、複合はんだシートの第２はんだの層の面が第１部材と接するように、第１部材の表面に複合はんだシートを設置した。そして、複合はんだシートの上に、両面が厚さ１００μｍの純Ｃｕでラインニングされた厚さ０．３ｍｍ、幅８０ｍｍ、長さ１８０ｍｍのＳｉＮ基板の第２部材を設置し、積層接合部材を構成した。続いて、この積層接合部材を、Ｎ２ガス雰囲気中において、２５０℃の温度で３分間加熱し、はんだ付けを行った。
【００４０】
はんだ付けした第１部材と第２部材のはんだ付け部におけるはんだ相のせん断強度を測定評価した結果、せん断強度は３２ＭＰａであった。また、第１部材のＣｕベースの変形量は８０μｍであった。
【００４１】
（実施例３）
平均粒径が約２０μｍのＳｎ−１０重量％Ｓｂ粉末の表面に、ゾル・ゲル法によって、厚さ約５０ｎｍ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重量％Ｃｕ−０．２重量％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。なお、複合はんだには、接合材の表面の酸化皮膜の除去およびスクリーン印刷、塗布などを容易するため、適量のフラックスと樹脂バインダーを添加し、クリーム状の複合はんだを調製した。
【００４２】
続いて、厚さ３ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ２００ｍｍの無酸素Ｃｕベースの第１部材の表面に、複合はんだを厚さ約１００μｍでスクリーン印刷した。そして、スクリーン印刷された複合はんだの上に、両面が厚さ１００μｍの純Ｃｕでラインニングされた厚さ０．３ｍｍ、幅８０ｍｍ、長さ１８０ｍｍのＳｉＮ基板の第２部材を設置し、積層接合部材を構成した。続いて、この積層接合部材を、Ｎ２ガス雰囲気中において、３００℃の温度で３分間加熱し、はんだ付けを行った。
【００４３】
はんだ付けした第１部材と第２部材のはんだ付け部におけるはんだ相のせん断強度を測定評価した結果、せん断強度は５０ＭＰａであった。また、第１部材のＣｕベースの変形量は１２５μｍであった。
【００４４】
（比較例１）
実施例２で用いたＳｎ−０．７重量％Ｃｕの複合はんだシートを用い、実施例２と全く同一の条件で、第１部材と第２部材とのはんだ付けを行った。
【００４５】
はんだ付けした第１部材と第２部材のはんだ付け部におけるはんだ相のせん断強度を測定評価した結果、せん断強度は３５ＭＰａであり、実施例２のせん断強度とほぼ同じ値を示した。一方、第１部材のＣｕベースの変形量は５００μｍであり、実施例２の変形量と比較して６倍以上である。
【００４６】
この結果と実施例２の結果から、Ｓｎ−５７重量％Ｂｉからなる第２はんだを含有することで、第２はんだの凝固膨張効果を得ることができ、第１部材のＣｕベースの変形を抑制できることがわかる。
【００４７】
（比較例２）
厚さ１００μｍ、幅８０ｍｍ、長さ１８０ｍｍのＳｎ−０．７重量％Ｃｕシートからなる第１はんだの一方の面に、Ａｌ２Ｏ３皮膜を形成しないＳｎ−５７重量％Ｂｉ粉末からなる第２はんだを、第２はんだの含有量が１５体積％となるように設置し、プレス成形して複合はんだシートを製作した。続いて、実施例２と全く同一の条件で第１部材と第２部材とのはんだ付けを行った。
【００４８】
はんだ付けした第１部材と第２部材のはんだ付け部におけるはんだ相のせん断強度を測定評価した結果、せん断強度は２５ＭＰａであり、実施例２のせん断強度と比較して低くかった。また、第１部材のＣｕベースの変形量は３５０μｍであり、実施例２の変形量と比較して４倍以上である。
【００４９】
この結果と実施例２の結果から、第２はんだのＳｎ−５７重量％Ｂｉ粉末の表面に境界層を形成し、第１はんだと第２はんだとの合金化を防止することで、第１はんだの機械的性質および第２はんだの凝固膨張性質を維持できることがわかる。
【００５０】
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】
【００５１】
【発明の効果】
本発明のはんだ構造体、はんだ材料およびはんだ付け方法によれば、熱膨張係数などが異なる異種特性部材間のはんだ付けにおいて、熱膨張係数の差などによる熱伝導特性や機械的性質などの低下を抑制し、はんだ強度と信頼性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態のはんだ部材およびはんだ材料を模式的に示す断面図。
【図２】第１のはんだおよび第２のはんだの凝固時の特性を示す図。
【図３】本発明の一実施の形態のはんだ部材およびはんだ材料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部材およびはんだ材料を模式的に示す断面図。
【図５】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６】Ｃｕベースの変形量を示すＣｕベースの断面図。
【符号の説明】
１０…第１部材
１１…第２部材
１２…第１はんだ
１３…第２はんだ
１４…はんだ部材
１５…反応防止膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱膨張係数などが異なる異種特性部材間のはんだ付けに有益なはんだ構造体、はんだ材料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（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００４】
はんだは、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。しかし、従来のはんだを用いたエレクトロニクス製品の接合では、例えば、電子部品、基板、ベースなどのそれぞれ異なる熱膨張係数により、はんだ接合部に大きな歪みが生じ、これらの要素部品の変形や応力集中による疲労破壊などを生じて、最終的に製品寿命に至ることがあった。また、ベースなどの変形により、それらと接続される放熱フィンなどと全面接触することができなくなり、放熱効率が著しく低下することがあった。
【０００５】
【非特許文献１】
Proposal for a Directive of the European Parliament and of the Council on Waste Electrical and Electronic Equipment, Commission of the European Communities, Brussels,13.6.2000)
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
鉛フリーはんだは、従来用いられてきたＳｎ−Ｐｂはんだと同等の機械的性質や物理的性質が要求されている。しかしながら、上述したように、従来の鉛フリーはんだには、電子部品、基板、ベースなどのそれぞれ異なる熱膨張係数により、はんだ接合部に大きな歪みが生じ、これらの要素部品の変形や応力集中による疲労破壊などを生じるという問題があった。例えば、セラミックス基板とセラミックス基板を支持するＣｕベースのはんだ付けにおいて、Ｓｎ−Ｃｕ系の鉛フリーはんだを使用した場合、セラミックスと金属の熱膨張係数の差によりはんだ付け後、Ｃｕベースが大きく変形し、熱伝導特性や疲労強度などの機械的性質が著しく低下し、要求特性が確保できないという問題があった。
【０００７】
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、熱膨張係数などが異なる異種特性部材間のはんだ付けにおいて、熱膨張係数の差などによる熱伝導特性や機械的性質などの低下を抑制し、はんだ強度と信頼性の向上を図ることができるはんだ構造体、はんだ材料およびはんだ付け方法を提供すること目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のはんだ構造体は、第１部材とこの第１部材とは異種特性材料からなる第２部材とを接合する、鉛を含有しないはんだで構成されるはんだ構造体であって、前記第１部材と前記第２部材との間に存在する第１はんだ相と、前記第１はんだ相中の前記第１部材側に偏在し、前記第１はんだ相より低い融点を有し、かつ凝固膨張の性質を有する第２はんだ相と、前記第１はんだ相と前記第２はんだ相の境界に存在する前記第１はんだ相よりも高い融点を有する境界層とを具備することを特徴とする。
【０００９】
このはんだ構造体によれば、凝固時に膨張する性質を有する第２はんだ相を第１はんだ相中に存在させることで、第１部材と第２部材の熱膨張係数の差によるはんだ部材内の内部応力の発生が抑制され、その結果、第１部材および第２部材の変形を減少させることができる。また、第１はんだ相と第２はんだ相の境界に境界層が存在しているため、第１はんだ相と第２はんだ相との間において拡散または合金反応を伴わないので、第１はんだ材料の機械的性質や第２はんだ材料の凝固膨張性質などの固有な機械的性質や物理的性質を維持することができる。ここで、境界層は、第１はんだ相と第２はんだ相との間を区分するものであり、例えば、第２はんだ相の表面に被膜を形成して構成される。また、異種特性材料とは、組成の同一または非同一を問わず、機械的性質や物理的性質などの特性の異なる材料のことをいう。
【００１０】
本発明のはんだ材料は、第１部材とこの第１部材とは異種特性材料からなる第２部材とを接合する鉛を含有しないはんだ材料であって、シート状の第１はんだ材料と、前記第１はんだ材料よりも高い融点を有する境界被膜が表面に形成され、前記第１のはんだ材料より低い融点を有し、かつ凝固膨張の性質を有し、貫通孔が形成されシート状の第２はんだ材料とを具備することを特徴とする。また、本発明のはんだ材料は、第１部材とこの第１部材とは異種特性材料からなる第２部材とを接合する鉛を含有しないはんだ材料であって、シート状の第１はんだ材料と、前記第１はんだ材料よりも高い融点を有する境界被膜が表面に形成され、前記第１のはんだ材料より低い融点を有し、かつ凝固膨張の性質を有し、球状または不定形状の粒子からなる第２はんだ材料とを具備することを特徴とする。
【００１１】
このはんだ材料によれば、第１はんだ材料に、凝固時に膨張する性質を有する第２はんだ材料を含有させることで、第１部材と第２部材の熱膨張係数の差によるはんだ部材内の内部応力を緩和することができる。このはんだ材料を、第１部材と、この第１部材とは異種特性材料からなる第２部材との接合に用いることで、はんだ部材内の内部応力の発生が抑制され、その結果、第１部材と第２部材の変形を減少させることができる。また、第２はんだ材料が境界被膜で覆われているため、第１はんだ材料と第２はんだ材料との間において拡散または合金反応を伴わないので、第１はんだ材料の機械的性質や第２はんだ材料の凝固膨張性質などの固有な機械的性質や物理的性質を維持することができる。また、異種特性材料とは、組成の同一または非同一を問わず、機械的性質や物理的性質などの特性の異なる材料のことをいう。
【００１２】
本発明のはんだ付け方法は、第１部材とこの第１部材とは異種特性材料からなる第２部材とを接合する、鉛を含有しないはんだを用いたはんだ付け方法であって、表面に境界被膜が形成されるとともに、この境界被膜を形成する材料の第１の融点よりも低い第２の融点を有し、凝固膨張の性質を有する第２はんだ材料を前記第１部材の表面に配置する第２はんだ材料配置工程と、前記第２はんだ材料の上に、前記第１の融点よりも低くかつ前記第２の融点よりも高い第３の融点を有する第１はんだ材料を配置する第１はんだ材料配置工程と、前記第１はんだ材料の上に、前記第２部材を設置する第２部材設置工程と、前記第２部材設置工程を経て、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において、前記第２の融点よりも高くかつ前記第１の融点よりも低い温度で加熱する加熱工程とを具備することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明のはんだ付け方法は、第１部材とこの第１部材とは異種特性材料からなる第２部材とを接合する、鉛を含有しないはんだを用いたはんだ付け方法であって、表面に境界被膜が形成されるとともに、この境界被膜を形成する材料の第１の融点よりも低い第２の融点を有し、凝固膨張の性質を有する第２はんだ材料と前記第１の融点よりも低くかつ前記第２の融点よりも高い第３の融点を有する第１はんだ材料とを一体的に複合化して形成されたはんだ材料を前記第１部材の表面に配置するはんだ材料配置工程と、前記はんだ材料の上に、前記第２部材を設置する第２部材設置工程と、前記第２部材設置工程を経て、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において、前記第２の融点よりも高くかつ前記第１の融点よりも低い温度で加熱する加熱工程とを具備することを特徴とする。
【００１４】
これらのはんだ付け方法によれば、第１はんだ材料に、凝固時に膨張する性質を有する第２はんだ材料を含有させることで、第１部材と第２部材の熱膨張係数の差によるはんだ部材内の内部応力を緩和することができる。このはんだ材料を、第１部材と、この第１部材とは異種特性材料からなる第２部材とを接合に用いることで、はんだ部材内の内部応力の発生が抑制され、その結果、第１部材と第２部材の変形を減少させることができる。また、第２はんだ材料が境界被膜で覆われているため、第１はんだ材料と第２はんだ材料との間において拡散または合金反応を伴わないので、第１はんだ材料の機械的性質や第２はんだ材料の凝固膨張性質などの固有な機械的性質や物理的性質を維持することができる。また、異種特性材料とは、組成の同一または非同一を問わず、機械的性質や物理的性質などの特性の異なる材料のことをいう。
【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、本発明のはんだ付け構造の一例を示す。
図１（ｂ）に示されたはんだ付け構造では、第１部材１０とこの第１部材１０とは異種特性材料からなる第２部材１１とが、低融点金属元素または低融点合金からなる第１はんだ１２および凝固膨張の性質を有する金属元素または合金からなる第２はんだ１３からなるはんだ部材１４によって接合されている。また、第２はんだ１３の表面は、境界層または境界被膜として機能する反応防止膜１５で覆われている。
【００１７】
本発明の第１はんだ１２に用いられる金属は、低融点金属元素または低融点合金であり、例えば、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｓｒ、Ｉｎ、Ａｇ、Ｚｎなどの元素金属、または、Ｓｎ合金、Ｓｂ合金、Ｓｒ合金、Ｉｎ合金、Ａｇ合金、Ｚｎ合金などで構成される。Ｓｎ合金において、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。その他のＳｂ合金、Ｓｒ合金、Ｉｎ合金、Ａｇ合金、Ｚｎ合金を用いた場合もＳｎ合金に場合と同様である。
【００１８】
第２はんだ１３に用いられる金属は、凝固時に膨張する性質を有するＢｉ、Ｓｂ、Ｇａ、Ｇｅなどの元素金属、または、Ｂｉ合金、Ｓｂ合金、Ｇａ合金、Ｇｅ合金などで構成される。第２はんだ１３にＢｉ合金を用いる場合、Ｂｉ合金中のＢｉの含有率が５０重量％以上であれば良いが、５８重量％以上がより好ましい。Ｂｉの含有率が５０重量％未満では、Ｂｉ合金が膨張することによる第１はんだ１２の熱収縮を緩和する効果が小さく、４８重量％未満では、その効果がほとんど得られない。Ｂｉ合金の場合と同様に、Ｓｂ合金、Ｇａ合金、Ｇｅ合金において、Ｓｂ、Ｇａ、Ｇｅの含有率が５０％以上であれば十分な効果を発揮することができる。
【００１９】
また、第１はんだ１２中の第２はんだ１３の含有率は、第１部材１０と第２部材１１の熱膨張係数の差により算出したはんだ相内の歪み量によって、５〜５０体積％の範囲で適宜に設定される。第２はんだ１３の含有率が、５体積％未満では、十分な凝固膨張の効果が得られず、５０体積％を越えると、複合はんだ相の延性が低下し、十分な機械的性質を確保することができない場合があるためである。
【００２０】
また、第２はんだ１３には、第１はんだ１２の融点よりも低い融点の金属または合金が用いられ、その条件に適合するように、第１はんだ１２および第２はんだ１３に用いる金属元素、合金の種類、合金の組成などの選定や組み合わせが適宜行われる。これによって、第１部材１０と第２部材１１の熱膨張係数の差によるはんだ部材内の内部応力の緩和効果を最大限に発揮することができる。
【００２１】
第２はんだ１３の表面に形成される反応防止膜１５は、第１はんだ１２を構成する材料の融点より高い融点を有する金属、セラミックス、または樹脂から形成される。
【００２２】
金属によって反応防止膜１５が形成される場合、金属として、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。金属による反応防止膜１５は、第２はんだ１３の表面に、電解メッキ法、無電解メッキ法などによって形成される。
【００２３】
セラミックスによって反応防止膜１５が形成される場合、セラミックスとして、例えば、これらに限るものではないが、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＡｌＮ、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＴｉＣ、ＴｉＯ２などのいずれか少なくとも一種から適宜に選定される。セラミックスによる反応防止膜１５は、例えば、ゾル・ゲル法などで形成され、この形成方法は極めて容易で経済的である。
【００２４】
樹脂によって反応防止膜１５が形成される場合、樹脂として、例えば、熱可塑性樹脂などが用いられ、反応防止膜１５は、溶融樹脂のコーティング法やバインダを介して微粒子を付着させる方法などによって形成される。
【００２５】
反応防止膜１５の厚さは、１０ｎｍ〜１０μｍの範囲ではんだ部材の要求特性に応じて適宜に設定されるものである。反応防止膜１５の厚さは、１０ｎｍ以上であれば第１はんだ１２と第２はんだ１３との反応防止効果を発揮し、１０μｍを越えると反応防止膜１５の形成時間が長くなり不経済的である。反応防止膜１５の厚さのより好ましい範囲は、０．１μｍ〜５μｍである。
【００２６】
ここで、図１（ｂ）、図３（ｂ）および図４（ｂ）に示すように、第１部材１０が第２部材１１の熱膨張係数より大きい場合、第２はんだ１３を第１はんだ１２中の第１部材１０側に偏在させることにより、凝固時における第１部材１０の歪みを最大限に緩和する効果を得ることができる。
【００２７】
図１（ｂ）、図３（ｂ）および図４（ｂ）に示された、はんだ部材、例えば、次のようにして製造される。
まず、第２はんだ１３の反応防止膜１５を形成する材料が選択され、選択された材料が金属の場合には電解メッキ法、無電解メッキ法などにより、また選択された材料がセラミックスの場合にはゾル・ゲル法などにより、さらに選択された材料が樹脂の場合にはコーティング法などにより、それぞれ第２はんだ１３の表面に反応防止膜１５が形成される。
【００２８】
このようにして得られた反応防止膜１５が被覆された第２はんだ１３を所定量第１部材１０の表面に均一に配置する。続いて、第２はんだ１３の上に、所定量の第１はんだ１２を均一に配置する。そして、第１はんだ１２の上に第２部材１１を設置し、図１（ａ）、図３（ａ）および図４（ａ）に示すような積層部材を得る。続いて、その積層部材を大気中または不活性ガス雰囲気中において、第１はんだ１２の液相線温度以上の温度に加熱する。加熱されることによって溶融した第１はんだ１２は、第２はんだ１３間の空隙部に含侵される。冷却工程において、第１はんだ１２の融点を通過する際、第１はんだ１２は、第１はんだ１２より融点が低く、まだ溶融している状態の第２はんだ１３を取り囲みながら凝固する。さらに冷却すると、第２はんだ１３の融点を通過する際、第２はんだ１３が凝固する。第２はんだ１３が凝固する際、体積膨張して、第１部材１０と第２部材１１の熱膨張係数の差によるはんだ相内の歪み緩和効果を発揮し、図１（ｂ）、図３（ｂ）および図４（ｂ）に示すような熱膨張係数の差による変形が生じないはんだ部材を得る。
【００２９】
ここで、図１（ａ）に示すように、第１はんだ１２は板形状に、第２はんだ１３は、球状または不定形状の粒子形状に形成される。また、図３（ａ）に示すように、第１はんだ１２は、第２はんだ１３と同様に、球状または不定形状の粒子形状に形成されてもよい。さらに、図４（ａ）に示すように、第１はんだ１２は板形状に、第２はんだ１３は、貫通孔を有する板形状に形成されてもよい。なお、第１はんだ１２および第２はんだ１３の形状は、図１（ａ）、図３（ａ）および図４（ａ）示された形状および組み合わせに限るものではなく、溶融した第１はんだ１２が第２はんだ１３間の空隙部に含侵する構成ならばよい。
【００３０】
本願発明のはんだ部材、はんだ材料およびはんだ付け方法において、図２に示すように、第１部材１０と第２部材１１の熱膨張係数の差によるはんだ部材１４内の内部応力の発生が抑制され、その結果、第１部材１０と第２部材１１の変形を減少させることができる。特に、熱膨張係数の大きな部材側に第２部材１１を偏在させることで、第１部材１０と第２部材１１の熱膨張係数の差によるはんだ部材１４内の内部応力の発生を効果的に抑制することができる。
【００３１】
また、第２はんだ１３が反応防止膜１５で覆われているため、第１はんだ１２と第２はんだ１３との間において拡散または合金反応を伴わないので、第１はんだ１２と第２はんだ１３が合金化して、第１はんだ１２の機械的性質や第２はんだ１３の凝固膨張性質などの固有な特性を失うことがなく、第１はんだ１２と第２はんだ１３のそれぞれの固有な特性を維持し、はんだ部材１４の性能を最大限に発揮することができる。
【００３２】
【実施例】
次に、本発明の具体的な実施例について説明する。
【００３３】
（実施例１）
平均粒径が約２０μｍのＳｎ−５７重量％Ｂｉ粉末の表面に、ゾル・ゲル法によって、厚さ約５０ｎｍ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重量％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。なお、複合はんだには、接合材の表面の酸化皮膜の除去およびスクリーン印刷、塗布などを容易するため、適量のフラックスと樹脂バインダーを添加し、クリーム状の複合はんだを調製した。
【００３４】
続いて、厚さ３ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ２００ｍｍの無酸素Ｃｕベースの第１部材の表面に、複合はんだを厚さ約１００μｍでスクリーン印刷した。そして、スクリーン印刷された複合はんだの上に、両面が厚さ１００μｍの純Ｃｕでラインニングされた厚さ０．３ｍｍ、幅８０ｍｍ、長さ１８０ｍｍのＳｉＮ基板の第２部材を設置し、積層接合部材を構成した。続いて、この積層接合部材を、Ｎ２ガス雰囲気中において、２５０℃の温度で３分間加熱し、はんだ付けを行った。
【００３５】
はんだ付けした第１部材と第２部材のはんだ付け部におけるはんだ相のせん断強度を測定評価した結果、せん断強度は３０ＭＰａであった。また、第１部材のＣｕベースの変形量は７５μｍであった。
【００３６】
ここで、Ｃｕベースの変形量について、図６を参照して説明する。
図６は、第１部材１０を構成する厚さ３ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ２００ｍｍのＣｕベースの幅の中心で長手方向における断面を示したものである。図６の（ａ）は、変形前の第１部材１０の断面を示し、図６の（ｂ）は、変形後の第１部材１０の断面を示している。
【００３７】
Ｃｕベースの変形量は、第１部材１０の長手方向に垂直な方向における基準面２０と基準面２０に接していた第１部材１０の接触面２１との最大変形距離Ｌを示すものである。
【００３８】
（実施例２）
平均粒径が約２０μｍのＳｎ−５７重量％Ｂｉ粉末の表面に、ゾル・ゲル法によって、厚さ約５０ｎｍのＡｌ２Ｏ３皮膜を形成し、第２はんだを製作した。続いて、厚さ１００μｍ、幅８０ｍｍ、長さ１８０ｍｍのＳｎ−０．７重量％Ｃｕシートからなる第１はんだの一方の面に、第２はんだを、第２はんだの含有量が１５体積％となるように設置し、プレス成形して複合はんだシートを製作した。
【００３９】
続いて、厚さ３ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ２００ｍｍの無酸素Ｃｕベースの第１部材の表面に適量のフラックスを滴下し、複合はんだシートの第２はんだの層の面が第１部材と接するように、第１部材の表面に複合はんだシートを設置した。そして、複合はんだシートの上に、両面が厚さ１００μｍの純Ｃｕでラインニングされた厚さ０．３ｍｍ、幅８０ｍｍ、長さ１８０ｍｍのＳｉＮ基板の第２部材を設置し、積層接合部材を構成した。続いて、この積層接合部材を、Ｎ２ガス雰囲気中において、２５０℃の温度で３分間加熱し、はんだ付けを行った。
【００４０】
はんだ付けした第１部材と第２部材のはんだ付け部におけるはんだ相のせん断強度を測定評価した結果、せん断強度は３２ＭＰａであった。また、第１部材のＣｕベースの変形量は８０μｍであった。
【００４１】
（実施例３）
平均粒径が約２０μｍのＳｎ−１０重量％Ｓｂ粉末の表面に、ゾル・ゲル法によって、厚さ約５０ｎｍ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重量％Ｃｕ−０．２重量％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。なお、複合はんだには、接合材の表面の酸化皮膜の除去およびスクリーン印刷、塗布などを容易するため、適量のフラックスと樹脂バインダーを添加し、クリーム状の複合はんだを調製した。
【００４２】
続いて、厚さ３ｍｍ、幅１００ｍｍ、長さ２００ｍｍの無酸素Ｃｕベースの第１部材の表面に、複合はんだを厚さ約１００μｍでスクリーン印刷した。そして、スクリーン印刷された複合はんだの上に、両面が厚さ１００μｍの純Ｃｕでラインニングされた厚さ０．３ｍｍ、幅８０ｍｍ、長さ１８０ｍｍのＳｉＮ基板の第２部材を設置し、積層接合部材を構成した。続いて、この積層接合部材を、Ｎ２ガス雰囲気中において、３００℃の温度で３分間加熱し、はんだ付けを行った。
【００４３】
はんだ付けした第１部材と第２部材のはんだ付け部におけるはんだ相のせん断強度を測定評価した結果、せん断強度は５０ＭＰａであった。また、第１部材のＣｕベースの変形量は１２５μｍであった。
【００４４】
（比較例１）
実施例２で用いたＳｎ−０．７重量％Ｃｕの複合はんだシートを用い、実施例２と全く同一の条件で、第１部材と第２部材とのはんだ付けを行った。
【００４５】
はんだ付けした第１部材と第２部材のはんだ付け部におけるはんだ相のせん断強度を測定評価した結果、せん断強度は３５ＭＰａであり、実施例２のせん断強度とほぼ同じ値を示した。一方、第１部材のＣｕベースの変形量は５００μｍであり、実施例２の変形量と比較して６倍以上である。
【００４６】
この結果と実施例２の結果から、Ｓｎ−５７重量％Ｂｉからなる第２はんだを含有することで、第２はんだの凝固膨張効果を得ることができ、第１部材のＣｕベースの変形を抑制できることがわかる。
【００４７】
（比較例２）
厚さ１００μｍ、幅８０ｍｍ、長さ１８０ｍｍのＳｎ−０．７重量％Ｃｕシートからなる第１はんだの一方の面に、Ａｌ２Ｏ３皮膜を形成しないＳｎ−５７重量％Ｂｉ粉末からなる第２はんだを、第２はんだの含有量が１５体積％となるように設置し、プレス成形して複合はんだシートを製作した。続いて、実施例２と全く同一の条件で第１部材と第２部材とのはんだ付けを行った。
【００４８】
はんだ付けした第１部材と第２部材のはんだ付け部におけるはんだ相のせん断強度を測定評価した結果、せん断強度は２５ＭＰａであり、実施例２のせん断強度と比較して低くかった。また、第１部材のＣｕベースの変形量は３５０μｍであり、実施例２の変形量と比較して４倍以上である。
【００４９】
この結果と実施例２の結果から、第２はんだのＳｎ−５７重量％Ｂｉ粉末の表面に境界層を形成し、第１はんだと第２はんだとの合金化を防止することで、第１はんだの機械的性質および第２はんだの凝固膨張性質を維持できることがわかる。
【００５０】
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】
【発明の効果】
本発明のはんだ構造体、はんだ材料およびはんだ付け方法によれば、熱膨張係数などが異なる異種特性部材間のはんだ付けにおいて、熱膨張係数の差などによる熱伝導特性や機械的性質などの低下を抑制し、はんだ強度と信頼性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態のはんだ部材およびはんだ材料を模式的に示す断面図。
【図２】第１のはんだおよび第２のはんだの凝固時の特性を示す図。
【図３】本発明の一実施の形態のはんだ部材およびはんだ材料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部材およびはんだ材料を模式的に示す断面図。
【図５】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６】Ｃｕベースの変形量を示すＣｕベースの断面図。
【符号の説明】
１０…第１部材
１１…第２部材
１２…第１はんだ
１３…第２はんだ
１４…はんだ部材
１５…反応防止膜
Claims (11)
- 第１部材とこの第１部材とは異種特性材料からなる第２部材とを接合する、鉛を含有しないはんだで構成されるはんだ構造体であって、
前記第１部材と前記第２部材との間に存在する第１はんだ相と、
前記第１はんだ相中の前記第１部材側に偏在し、前記第１はんだ相より低い融点を有し、かつ凝固膨張の性質を有する第２はんだ相と、
前記第１はんだ相と前記第２はんだ相の境界に存在する前記第１はんだ相よりも高い融点を有する境界層と
を具備することを特徴とするはんだ構造体。 - 前記第１はんだ相と、前記第１はんだ相中に存在する前記第２はんだ相との間において拡散または合金反応を伴わず、前記第１はんだ相と前記第２はんだ相のそれぞれの固有な物理的性質および機械的性質を維持して構成されたことを特徴とする請求項１記載のはんだ構造体。
- 前記第１はんだ相が、低融点金属からなる群から選ばれた１種の材料で構成され、前記第２はんだ相が、凝固膨張の性質を有する金属からなる群から選ばれた１種の材料で構成されたこと特徴とする請求項１または２記載のはんだ構造体。
- 前記低融点金属が、Ｓｎ合金であり、前記凝固膨張の性質を有する金属が、Ｂｉ合金またはＳｂ合金であること特徴とする請求項３記載のはんだ構造体。
- 前記境界層が、セラミックスで形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のはんだ構造体。
- 前記境界層の厚さが、１０ｎｍ〜１０μｍであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載のはんだ構造体。
- 前記第２はんだ相が偏在する側の前記第１部材における熱膨張係数が、前記第２部材における熱膨張係数よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載のはんだ構造体。
- 第１部材とこの第１部材とは異種特性材料からなる第２部材とを接合する鉛を含有しないはんだ材料であって、
シート状の第１はんだ材料と、
前記第１はんだ材料よりも高い融点を有する境界被膜が表面に形成され、前記第１のはんだ材料より低い融点を有し、かつ凝固膨張の性質を有し、貫通孔が形成されシート状の第２はんだ材料と
を具備することを特徴とするはんだ材料。 - 第１部材とこの第１部材とは異種特性材料からなる第２部材とを接合する鉛を含有しないはんだ材料であって、
シート状の第１はんだ材料と、
前記第１はんだ材料よりも高い融点を有する境界被膜が表面に形成され、前記第１のはんだ材料より低い融点を有し、かつ凝固膨張の性質を有し、球状または不定形状の粒子からなる第２はんだ材料と
を具備することを特徴とするはんだ材料。 - 第１部材とこの第１部材とは異種特性材料からなる第２部材とを接合する、鉛を含有しないはんだを用いたはんだ付け方法であって、
表面に境界被膜が形成されるとともに、この境界被膜を形成する材料の第１の融点よりも低い第２の融点を有し、凝固膨張の性質を有する第２はんだ材料を前記第１部材の表面に配置する第２はんだ材料配置工程と、
前記第２はんだ材料の上に、前記第１の融点よりも低くかつ前記第２の融点よりも高い第３の融点を有する第１はんだ材料を配置する第１はんだ材料配置工程と、
前記第１はんだ材料の上に、前記第２部材を設置する第２部材設置工程と、
前記第２部材設置工程を経て、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において、前記第２の融点よりも高くかつ前記第１の融点よりも低い温度で加熱する加熱工程と
を具備することを特徴とするはんだ付け方法。 - 第１部材とこの第１部材とは異種特性材料からなる第２部材とを接合する、鉛を含有しないはんだを用いたはんだ付け方法であって、
表面に境界被膜が形成されるとともに、この境界被膜を形成する材料の第１の融点よりも低い第２の融点を有し、凝固膨張の性質を有する第２はんだ材料と該第１の融点よりも低くかつ該第２の融点よりも高い第３の融点を有する第１はんだ材料とを一体的に複合化して形成されたはんだ材料を前記第１部材の表面に配置するはんだ材料配置工程と、
前記はんだ材料の上に、前記第２部材を設置する第２部材設置工程と、
前記第２部材設置工程を経て、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において、前記第２の融点よりも高くかつ前記第１の融点よりも低い温度で加熱する加熱工程と
を具備することを特徴とするはんだ付け方法。
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