JP4391299B2 - はんだ材料およびはんだ付け物品 - Google Patents

Description

本発明は、人体に対して有害である鉛（Ｐｂ）を含まない高温はんだ材料、およびそのはんだ材料を用いたはんだ付け物品に関するものである。

電子部品の実装等に用いられる従来のはんだは、錫（Ｓｎ）とＰｂとによる共晶はんだで、その共晶点が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、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだは、部品のプリント基板等への接合に用いられた時に、プリント基板等を熱によって損傷しないという特徴を有している。したがって、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだは、電子機器の製造における部品の接合、組立てにおいて重要な材料である。

一方で携帯電話で用いられるパワーアンプモジュール等の高周波を扱う実装部品では、図４に示すように、モジュール部品の内部において、モジュール基板１０の導体と電子部品１２の端子部との接合にはんだ材料１３が用いられている。このようにして作製されたモジュール部品は、図５のように、マザー基板１４に実装される。このモジュール部品をマザー基板１４に実装する際に、モジュール部品の内部のはんだ材料１３が溶融して形状が変化すると、高周波特性が変化する。このため、モジュール部品をマザー基板へ実装する時に溶融しないように、モジュール部品では、溶融温度２５０〜３００℃の高温はんだ材料、例えばＰｂ−４０ｗｔ％Ｓｎ等、が使用されている。

また、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実装部品では、図６および図７に示すような部品の内部において、シリコンチップ２２を放熱板２０およびフラットリード２１に接合するのに、溶融温度３００〜３５０℃の高温はんだ２３、例えばＰｂ−５ｗｔ％Ｓｎ等、が使用されている。これによって、接合の耐熱性が確保されている。

近年、地球環境保護の観点から廃棄物による環境問題への関心が高まり、はんだ材料においても、廃棄された電子機器等からＰｂが土壌に溶出することが懸念されている。これを解決するために、Ｐｂを含まないはんだ材料が必要とされている。そのなかで、溶融温度２００〜２５０℃のＳｎ−Ｐｂはんだ材料に代わる材料としては、Ｓｎ−Ａｇ系、およびＳｎ−Ｃｕ系のはんだなど、Ｐｂを含まないはんだ材料の実用化が進んでいる。

一方で、高い耐熱性が求められる高温はんだ材料については、代替材料が見当たらず、実用化には程遠いのが現状である。溶融温度２５０〜３００℃を実現する高温はんだ材料としては、ビスマス（Ｂｉ）を９０ｗｔ％以上含有するものが提案されている。例えば、Ｂｉからなる９０ｗｔ％以上の第１の金属元素と、９０重量部以上の第１金属元素と９．９重量部以下で二元共晶し得る第２金属元素と、さらに合計０．１〜３．０ｗｔ％の第３金属元素とを含有するはんだである（特許文献１参照）。
特開２００１−３５３５９０号公報

しかし、従来の高温はんだ材料は、ガラスのような脆い基板上に形成された導体にはんだ付けするためのものであり、凝固時の応力緩和を目的として、多量のＢｉを含有している。Ｂｉは耐衝撃性に劣るため、これを多量に含有していると接合の信頼性が十分ではない。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、２５０〜４００℃の高温域でのはんだ付けが可能で、しかも信頼性に優れた接合部を与える、無鉛の高温はんだ材料を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の高温はんだ材料は、図１のＡｇ、ＣｕおよびＭの三元組成図において、点Ａ（２２ｗｔ％Ａｇ、０ｗｔ％Ｃｕ、７８ｗｔ％Ｍ）、点Ｂ（７．６ｗｔ％Ａｇ、０ｗｔ％Ｃｕ、９２．４ｗｔ％Ｍ）、点Ｃ（８．６ｗｔ％Ａｇ、１．０ｗｔ％Ｃｕ、９０．４ｗｔ％Ｍ）、および点Ｄ（２３ｗｔ％Ａｇ、１．２ｗｔ％Ｃｕ、７５．８ｗｔ％Ｍ）の４点を結ぶ直線で囲まれた領域にあり、Ｃｕを含み、Ｍのｗｔ％中０〜９ｗｔ％がＳｎで、残部がＢｉである組成の合金からなることを特徴とする。

本発明は、また、図２のＡｇ、ＣｕおよびＭの三元組成図において、点Ｅ（７．６ｗｔ％Ａｇ、０ｗｔ％Ｃｕ、９２．４ｗｔ％Ｍ）、点Ｆ（５．２ｗｔ％Ａｇ、０ｗｔ％Ｃｕ、９４．８ｗｔ％Ｍ）、点Ｇ（５．５ｗｔ％Ａｇ、０．５ｗｔ％Ｃｕ、９４ｗｔ％Ｍ）、および点Ｈ（８．３ｗｔ％Ａｇ、０．５ｗｔ％Ｃｕ、９１．２ｗｔ％Ｍ）の４点を結ぶ直線で囲まれた領域にあり、Ｃｕを含み、Ｍのｗｔ％中０〜９ｗｔ％がＳｎで、残部がＢｉである組成の合金からなるはんだ材料を提供する。

さらに、本発明は、図３のＡｇ、ＣｕおよびＭの三元組成図において、点Ｉ（５．２ｗｔ％Ａｇ、０ｗｔ％Ｃｕ、９４．８ｗｔ％Ｍ）、点Ｊ（３．５ｗｔ％Ａｇ、０ｗｔ％Ｃｕ、９６．５ｗｔ％Ｍ）、点Ｋ（３．５ｗｔ％Ａｇ、０．２ｗｔ％Ｃｕ、９６．３ｗｔ％Ｍ）、および点Ｌ（５．４ｗｔ％Ａｇ、０．２ｗｔ％Ｃｕ、９４．４ｗｔ％Ｍ）の４点を結ぶ直線で囲まれた領域にあり、Ｃｕを含み、Ｍのｗｔ％中０〜９ｗｔ％がＳｎで、残部がＢｉである組成の合金からなるはんだ材料を提供する。

本発明は、表面に導体を有する基板、および端子部が前記のはんだ材料により前記基板の導体に接合された電子部品を具備するはんだ付け物品を提供する。

本発明によれば、Ｂｉ、Ａｇ、ＣｕおよびＳｎを基本組成とし、融点２５０〜４００℃の高温はんだ材料を提供することが可能となる。本発明のはんだ材料を電気・電子機器に適用すると、従来のマザー基板上のみならず、モジュール部品、さらには電子部品の内部まで無鉛化することが可能となるので、電気・電子機器の完全な無鉛化を実現することができる。

以下、本発明のはんだ材料について説明する。
はんだ材料の合金を設計する際に留意しなければならない項目の１つに、使用する金属の価格の問題がある。家庭用の電気・電子機器は安価に生産することが求められるため、はんだ材料についても価格を考慮する必要がある。二元系状態図を調べることにより、溶融温度２５０〜４００℃を実現する合金組成を見つけることはできる。しかし、その多くは高価な金属を構成元素としている。安価な金属による合金組成としては、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｂｉ−Ａｇ等を挙げることができる。

一方で、はんだ材料は、被接合材を接合するという本来の目的から、被接合材との間で金属間化合物を形成し、さらに十分な接合信頼性を保つ必要がある。回路基板における被接合材は主にＣｕであり、はんだ材料にＳｎを含有していれば、Ｓｎ／Ｃｕの金属間化合物を形成させることが可能である。また、はんだ付けする際の被接合材に対する、ぬれ拡がり性を向上させて十分な接合信頼性を得るために、Ａｇ、Ｂｉ、Ｉｎ等の元素を含有させることも効果的である。

このような観点から、本発明のはんだ材料はＢｉ−Ａｇ−Ｃｕの三元系はんだにＳｎを添加した四元系としている。本発明は、まずＢｉ−Ａｇ−Ｃｕの三元系はんだについて、主として融点および接合性の信頼性に関する評価に基づいて組成範囲を規定した。そして、Ｂｉの一部をＳｎで置換し、そのはんだ材料の融点が前記三元系はんだの融点の範囲にほぼ収まる置換量を以下のようにして規定した。

前記三元系はんだのＢｉの一部をＳｎで置換すると、１ｗｔ％当たり０．４℃融点が低下する。一方、はんだ材料を実際に使用する実装現場では、熱電対を用いて温度測定をするのが一般的である。この熱電対の温度測定誤差は±４℃である。Ｂｉの一部をＳｎで置換した場合の融点降下はほぼ比例配分で計算することができ、９ｗｔ％で最大３．６℃の融点降下となる。これらから、Ｓｎの含量は最大９ｗｔ％とした。Ｓｎは、電子部品を実装する基板の銅電極と界面化合物を形成するのに働き、極少量で有効である。好ましい範囲は１〜４ｗｔ％である。

Ｂｉの含量は、多すぎると、接合強度が低くなり、実用に供するには不適当となる。また、Ｂｉの含量が少なすぎると、ぬれ拡がり性が悪化して接合作業に支障を来す。従って、Ｂｉの含量は、上記の範囲でなるべく少なくして、替わりにＡｇおよび／またはＣｕを増量するのがよい。
以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。

実施の形態１
図１は、本実施の形態における、はんだの組成範囲を示すもので、図１中点Ａ（２２ｗｔ％Ａｇ、０ｗｔ％Ｃｕ、７８ｗｔ％Ｍ）、点Ｂ（７．６ｗｔ％Ａｇ、０ｗｔ％Ｃｕ、９２．４ｗｔ％Ｍ）、点Ｃ（８．６ｗｔ％Ａｇ、１．０ｗｔ％Ｃｕ、９０．４ｗｔ％Ｍ）、および点Ｄ（２３ｗｔ％Ａｇ、１．２ｗｔ％Ｃｕ、７５．８ｗｔ％Ｍ）の４点を結ぶ直線で囲まれた領域にあり、Ｍのｗｔ％中０〜９ｗｔ％がＳｎで、残部がＢｉである組成の合金からなり、不可避不純物を除いてＰｂを含有しない。

上記のはんだの組成範囲は、基本的には、Ｂｉ−Ａｇ−Ｃｕの三元状態図に基づいて決定している。図１には、Ｍ＝Ｂｉとしたときの液相線温度が記載されている。図１において、点Ａと点Ｄを結ぶ線および点Ｄと点Ｃを結ぶ線は、ほぼ液相線温度４００℃の上に載るように設定されている。また、点Ｃと点Ｂを結ぶ線は、ほぼ液相線温度３５０℃に載るように設定されている。

次に、実施例および比較例のはんだについて、各種の特性を測定した結果を説明する。ここに用いたはんだの組成を表１に示す。図１の組成図に実施例のはんだの位置を白丸および番号で示している。比較例のはんだは黒丸および番号にて示している。特性については表２に示す。

これらのはんだについて、示差走査熱量計によって液相線温度を測定した。その結果、実施例１〜３のはんだは、融点３５０〜４００℃の範囲に入っていることが確認された。比較例１、２、および３のはんだは、いずれも融点３５０〜４００℃の範囲に入っていない。

次に、はんだによる接合の信頼性の評価を実施した結果について述べる。ここでは、代表的な信頼性試験方法として、熱衝撃試験と高温保存試験を実施した。熱衝撃試験は、被試験物を高温と低温の試験環境に交互にさらして、膨張と収縮の熱ストレスを加えることにより、信頼性を評価するものである。高温保存試験は、被試験物を高温にさらして、金属組織の変化を加速することにより、信頼性を評価するものである。両試験とも接合強度が４Ｎ以上であることが試験の合格基準である。

熱衝撃試験は、液相式で低温（−４０℃）で５分間保持し、次に高温（１２０℃）で５分間保持する操作を１サイクルとして、計３００サイクル繰り返した後に接合強度を測定するものである。被試験物には、厚さ１．２ｍｍのセラミック製基板に、それぞれのはんだにより１００５サイズのチップコンデンサを接合したものを用いた。はんだ材料による接合に際しては、基板にあらかじめクリームはんだを１２０μｍの厚さに印刷し、そこにチップコンデンサを搭載し、それぞれリフローピーク温度をはんだ材料の融点より約１０℃高い温度に設定されたリフロー装置によって加熱し、はんだ付けした。前記のヒートサイクルを繰り返した後のチップコンデンサの側面に、幅１ｍｍのプローブを５０ｍｍ／分の速度で押し付け、チップコンデンサが剥離する際の最大応力を測定した。

高温保存試験では、前記と同様の被試験物を１５０℃で５００時間保持した後に、熱衝撃試験と同様にしてチップコンデンサの接合強度を測定した。

表２から明らかなように、本実施の形態によれば、Ｂｉ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｓｎを基本組成とするはんだ材料により、有害なＰｂを含むことなく、融点３５０〜４００℃の高温はんだ材料を提供することが可能となる。本実施の形態においては、Ｂｉの含量は９２．４ｗｔ％以下であるが、信頼性を向上させるには、Ｂｉの含量はなるべく少なくした方がよい。

図４は、本実施の形態によるはんだを用いた接合構造体の例として、モジュール部品を示す。電子部品１２は、その端子部が、本発明の高温はんだ材料１３によってモジュール基板１０の導体部分に電気的および機械的に接合されている。このようにして作製されたモジュール部品は、図５に示すように、別工程で端子部１１がマザー基板１４の導体部分に接続することにより実装され、電気・電子機器となる。その際に、モジュール部品内部のはんだ材料１３が溶融して形状が変化すると高周波特性が変化する。本実施の形態による高温はんだは、融点３５０〜４００℃であるから、前記のモジュール基板をマザー基板へ実装する際の温度で溶融しない。

実施の形態２
図２は、本実施の形態における、はんだの組成範囲を示すもので、図２中点Ｅ（７．６ｗｔ％Ａｇ、０ｗｔ％Ｃｕ、９２．４ｗｔ％Ｍ）、点Ｆ（５．２ｗｔ％Ａｇ、０ｗｔ％Ｃｕ、９４．８ｗｔ％Ｍ）、点Ｇ（５．５ｗｔ％Ａｇ、０．５ｗｔ％Ｃｕ、９４ｗｔ％Ｍ）、および点Ｈ（８．３ｗｔ％Ａｇ、０．５ｗｔ％Ｃｕ、９１．２ｗｔ％Ｍ）の４点を結ぶ直線で囲まれた領域にあり、Ｍのｗｔ％中０〜９ｗｔ％がＳｎで、残部がＢｉである組成の合金からなり、不可避不純物を除いてＰｂを含有しない。

上記のはんだの組成範囲は、基本的には、Ｂｉ−Ａｇ−Ｃｕの三元状態図に基づいて決定している。図２には、Ｍ＝Ｂｉとしたときの液相線温度が記載されている。図２において、点Ｅと点Ｈを結ぶ線および点Ｈと点Ｇを結ぶ線は、ほぼ液相線温度３５０℃の上に載るように設定されている。また、点Ｇと点Ｆを結ぶ線は、ほぼ液相線温度３００℃に載るように設定されている。

実施例および比較例のはんだについて、各種の特性を測定した結果を説明する。ここに用いたはんだの組成を表３に示す。また、図２の組成図に実施例のはんだの位置を白丸および番号にて示している。比較例のはんだは黒丸および番号にて示している。特性については、表４に示す。

これらのはんだについて、示差走査熱量計によって液相線温度を測定した。その結果、実施例４〜６のはんだは、融点が３００〜３５０℃の範囲に入っていることが確認された。比較例４〜６のはんだは、いずれも融点が３００〜３５０℃の範囲に入っていない。

次に、実施の形態１と同様に、熱衝撃試験と高温保存試験を実施した。その結果、実施例４〜６のはんだ材料は、いずれも十分な信頼性を有する接合強度を与えることが分かった。

本実施の形態により、Ｂｉ、Ａｇ、Ｃｕ、およびＳｎを基本組成とするはんだ材料により、有害なＰｂを含むことなく、融点３００〜３５０℃の高温はんだ材料を提供することが可能となる。なお、本実施の形態において、Ｂｉの含有率は９４．８ｗｔ％以下としたが、接合の信頼性をさらに向上させるためには、Ｂｉの含量をなるべく少なくしたほうがよい。

図６は、本実施の形態によるはんだを用いた接合構造体の例として、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実装部品を示す。ただし、図６では、樹脂パッケージを省略して示している。この半導体実装部品は、その内部において、シリコンチップ２２が本発明の高温はんだ材料２３によって、フラットリード２１および放熱板２０にそれぞれ接合された構造体となっている。これに樹脂パッケージ２４が施された半導体実装部品は、図７に示すように、別工程でフラットリード２１がマザー基板２５の導体部分に接合されて実装され、電気・電子機器となる。本実施の形態による高温はんだを用いると、このパワートランジスタをマザー基板に実装する際の温度では、内部のはんだ材料２３は溶融しない。従って、パワートランジスタの実装に際して内部のはんだの溶融による電気的接合の破断を生じることがない。

実施の形態３
図３は、本実施の形態における、はんだの組成範囲を示すもので、図３中点Ｉ（５．２ｗｔ％Ａｇ、０ｗｔ％Ｃｕ、９４．８ｗｔ％Ｍ）、点Ｊ（３．５ｗｔ％Ａｇ、０ｗｔ％Ｃｕ、９６．５ｗｔ％Ｍ）、点Ｋ（３．５ｗｔ％Ａｇ、０．２ｗｔ％Ｃｕ、９６．３ｗｔ％Ｍ）、および点Ｌ（５．４ｗｔ％Ａｇ、０．２ｗｔ％Ｃｕ、９４．４ｗｔ％Ｍ）の４点を結ぶ直線で囲まれた領域にあり、Ｍのｗｔ％中０〜９ｗｔ％がＳｎで、残部がＢｉである組成の合金からなり、不可避不純物を除いてＰｂを含有しない。

上記のはんだの組成範囲は、基本的には、Ｂｉ−Ａｇ−Ｃｕの三元状態図に基づいて決定している。図３には、Ｍ＝Ｂｉとしたときの液相線温度が記載されている。図３において、点Ｉと点Ｌを結ぶ線および点Ｌと点Ｋを結ぶ線は、ほぼ液相線温度３００℃の上に載るように設定されている。また、点Ｋと点Ｊを結ぶ線は、ほぼ液相線温度２５０℃に載るように設定されている。

実施例および比較例のはんだについて、各種の特性を測定した結果を説明する。ここに用いたはんだの組成を表５に示す。また、図３の組成図に実施例のはんだの位置を白丸および番号にて示している。比較例のはんだは黒丸および番号にて示している。特性については、表６に示す。

これらのはんだについて、示差走査熱量計によって液相線温度を測定した。その結果、実施例７〜９のはんだは、融点が２５０〜３００℃の範囲に入っていることが確認された。比較例７〜９のはんだは、いずれも融点が２５０〜３００℃の範囲に入っていない。

次に、実施の形態１と同様に、熱衝撃試験と高温保存試験を実施した。その結果、実施例７〜９のはんだ材料は、いずれも十分な信頼性を有する接合強度を与えることが分かった。

本実施の形態により、Ｂｉ、Ａｇ、Ｃｕ、およびＳｎを基本組成とするはんだ材料により、有害なＰｂを含むことなく、融点２５０〜３００℃の高温はんだ材料を提供することが可能となる。なお、本実施の形態において、Ｂｉの含有率は９６．５重量％以下であるが、信頼性を向上させるには、Ｂｉの含有率はなるべく少なくした方が良い。
本実施の形態によるはんだ材料は、例えば、実施の形態２で説明したパワートランジスタを用いた接合構造体に適用することができる。

本発明は、Ｂｉ、Ａｇ、Ｓｎ、およびＣｕを基本組成とし、不可避不純物を除いて有害なＰｂを含むことなく、融点２５０〜４００℃の高温はんだ材料を提供する。このはんだ材料を各種電気・電子機器に適用すると、従来のマザー基板上のみならず、モジュール部品、さらには電子部品の内部まで無鉛化することになり、電気・電子機器の完全な無鉛化を実現することができる。そのため、世界的な広がりを見せているＰｂを対象とした法規制の制約を受けることなく、地球環境に対する負荷の小さい電気・電子機器を生産することが可能となる。

本発明の実施の形態１におけるはんだの組成範囲を示す組成図である。 本発明の実施の形態２におけるはんだの組成範囲を示す組成図である。 本発明の実施の形態３におけるはんだの組成範囲を示す組成図である。 本発明のはんだ材料の適用されるモジュール部品の斜視図である。 モジュール部品を実装したマザー基板を示す斜視図である。 本発明のはんだ材料の適用される半導体実装部品の斜視図である。 半導体実装部品を実装したマザー基板を示す斜視図である。

符号の説明

１０ モジュール基板
１１ 接続端子
１２ 電子部品
１３ はんだ材料
１４、２５ マザー基板
２０ 放熱板
２１ フラットリード
２２ シリコンチップ
２３ はんだ材料
２４ 樹脂パッケージ

Claims (6)

1. 図１のＡｇ、ＣｕおよびＭの三元組成図において、点Ａ（２２ｗｔ％Ａｇ、０ｗｔ％Ｃｕ、７８ｗｔ％Ｍ）、点Ｂ（７．６ｗｔ％Ａｇ、０ｗｔ％Ｃｕ、９２．４ｗｔ％Ｍ）、点Ｃ（８．６ｗｔ％Ａｇ、１．０ｗｔ％Ｃｕ、９０．４ｗｔ％Ｍ）、および点Ｄ（２３ｗｔ％Ａｇ、１．２ｗｔ％Ｃｕ、７５．８ｗｔ％Ｍ）の４点を結ぶ直線で囲まれた領域にあり、Ｃｕを含み、Ｍのｗｔ％中０〜９ｗｔ％がＳｎで、残部がＢｉである組成の合金からなることを特徴とするはんだ材料。
2. 表面に導体を有する基板、および端子部が請求項１記載のはんだ材料により前記基板の導体に接合された電子部品を具備するはんだ付け物品。
3. 図２のＡｇ、ＣｕおよびＭの三元組成図において、点Ｅ（７．６ｗｔ％Ａｇ、０ｗｔ％Ｃｕ、９２．４ｗｔ％Ｍ）、点Ｆ（５．２ｗｔ％Ａｇ、０ｗｔ％Ｃｕ、９４．８ｗｔ％Ｍ）、点Ｇ（５．５ｗｔ％Ａｇ、０．５ｗｔ％Ｃｕ、９４ｗｔ％Ｍ）、および点Ｈ（８．３ｗｔ％Ａｇ、０．５ｗｔ％Ｃｕ、９１．２ｗｔ％Ｍ）の４点を結ぶ直線で囲まれた領域にあり、Ｃｕを含み、Ｍのｗｔ％中０〜９ｗｔ％がＳｎで、残部がＢｉである組成の合金からなることを特徴とするはんだ材料。
4. 表面に導体を有する基板、および端子部が請求項３記載のはんだ材料により前記基板の導体に接合された電子部品を具備するはんだ付け物品。
5. 図３のＡｇ、ＣｕおよびＭの三元組成図において、点Ｉ（５．２ｗｔ％Ａｇ、０ｗｔ％Ｃｕ、９４．８ｗｔ％Ｍ）、点Ｊ（３．５ｗｔ％Ａｇ、０ｗｔ％Ｃｕ、９６．５ｗｔ％Ｍ）、点Ｋ（３．５ｗｔ％Ａｇ、０．２ｗｔ％Ｃｕ、９６．３ｗｔ％Ｍ）、および点Ｌ（５．４ｗｔ％Ａｇ、０．２ｗｔ％Ｃｕ、９４．４ｗｔ％Ｍ）の４点を結ぶ直線で囲まれた領域にあり、Ｃｕを含み、Ｍのｗｔ％中０〜９ｗｔ％がＳｎで、残部がＢｉである組成の合金からなることを特徴とするはんだ材料。
6. 表面に導体を有する基板、および端子部が請求項５記載のはんだ材料により前記基板の導体に接合された電子部品を具備するはんだ付け物品。

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