JP4412320B2 - 半田、半田付け構造ならびに貫通型セラミックコンデンサ - Google Patents

Description

本発明は、構造体の孔内に半田が充填されてなる半田付け構造に関するもので、特に貫通型セラミックコンデンサに関するものである。

従来より構造体の孔内壁に内面電極を有する半田付け構造としては、例えば図４に示すような半田付け構造２１があり、孔２ａを備える構造体２と、孔２ａの内壁に形成された内面電極３と、孔２ａ内に挿入されたリード線４と、内面電極３とリード線４とを電気的かつ機械的に接合させるために孔２ａ内に充填された半田１５とからなる。このような半田１５としては、ＳｎとＰｂを主成分とする半田や、環境への影響を考慮して、ＳｎとＡｇ、ＳｎとＣｕ、ＳｎとＳｂを主成分とする半田が一般的に用いられている。
特開昭５６−１３３８１０号公報

しかしながら、従来の半田付け構造２１において内面電極３とリード線４を半田５で接合する場合に、半田５が凝固時に体積収縮して内面電極３と孔２ａ内壁との界面に収縮応力が集中し、図４に示すように、内面電極３が構造体２の孔２ａ内壁から剥離した剥離部分１５ａが生じたり、あるいは構造体２が脆い場合には構造体２自体にクラックが生じるという問題があった。

本発明の目的は、上述の問題点を解消すべくなされたもので、構造体の孔内壁に内面電極を有する半田付け構造において、内面電極と構造体の孔内壁との界面や構造体の内部にクラックが生ぜず、十分な内面電極強度を備え、なおかつ鉛を含まないため環境に優しい半田付け構造、ならびにこのような半田付け構造を備える貫通型セラミックコンデンサを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の半田付け構造は、孔を備える構造体と、孔の内壁に形成された内面電極と、孔に挿入されたリード線と、孔に充填されて内面電極とリード線とを固着させた鉛を含有しない半田とからなり、半田は、凝固時において体積収縮しない合金からなることを特徴とする。

また、本発明の半田付け構造における孔は構造体の一方面から他方面に貫通する貫通孔であり、リード線は貫通孔内に挿入され、リード線の両端は貫通孔の両端より外部に導出されていることを特徴とする。

また、本発明の貫通型セラミックコンデンサは、本発明の半田付け構造を備え、構造体はコンデンサとして機能する誘電体組成物からなるセラミック焼結体であることを特徴とする。

以上のように、本発明の半田付け構造によれば、孔を備える構造体と、孔の内壁に形成された内面電極と、孔に挿入されたリード線と、孔に充填されて内面電極とリード線とを固着させた鉛を含有しない半田とからなり、半田は、凝固時において体積収縮しない合金からなることを特徴とすることにより、内面電極と構造体の孔内壁との界面や構造体の内部にクラックが生ぜず、十分な内面電極強度を備え、なおかつ鉛を含まないため環境に優しい半田付け構造、ならびに貫通型セラミックコンデンサを提供することができる。

本発明による一つの実施形態について、図１に基づいて詳細に説明する。但し、前述の従来例と同一部分については、同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。半田付け構造１は、孔２ａを備える構造体２と、孔２ａの内壁に形成された内面電極３と、孔２ａ内に挿入されたリード線４と、内面電極３とリード線４とを電気的かつ機械的に接合させるために孔２ａ内に充填された鉛を含有しない半田５とからなる。半田５は、半田の凝固時において体積収縮しない合金からなる。

まず、凝固時において体積収縮しない合金としては、凝固時に体積膨張する金属と体積収縮が小さい金属とを組み合わせることが考えられる、凝固時に体積膨張する金属としては、Ｂｉ、Ｇａが挙げられるが、Ｇａは希少金属であり安定供給の面で不安があり高価であることから半田材料の主成分元素としては不適切である。したがって、半田５の主成分元素はＢｉが好ましい。

次に、他方Ｂｉのみでは脆化の恐れがあることから、靭性を付与するために合金化する必要がある。

添加する元素としては、さまざまな元素の添加が可能であるが、毒性、供給能力、融点や半田付き性といった半田として具備すべき特性等を考慮すれば、添加元素はＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｚｎ等が好ましい。それぞれの元素の添加量は作業温度や必要強度に応じて調整可能であるが、半田５の合金組成は、好ましくはＢｉ−０．０１〜５質量％Ａｇ、Ｂｉ−０．０１〜２５質量％Ａｕ、Ｂｉ−０．０１〜０．５質量％Ｃｕ、Ｂｉ−０．０１〜５質量％Ｓｂ、Ｂｉ−０．０１〜５質量％Ｚｎである。

Ｂｉ−Ａｇ合金において、Ｂｉ−Ａｇ合金の共晶組成、すなわち４０質量％Ａｇ以下であればＢｉ−Ａｇ合金は凝固時に膨張することから、作業温度に制約がなければ４０質量％までＡｇを添加してもよいが、より好ましくはＢｉ−０．０１〜５質量％Ａｇである。Ａｇの添加量が５質量％以内であれば、半田５の液相線温度が３００℃以下となり作業性が保たれる。他方、Ａｇの添加量が０．０１質量％以上であれば、半田５の脆性を抑制する効果が得られ、半田５の接合強度が保たれる。

Ｂｉ−Ａｕ合金において、Ｂｉ−Ａｕ合金の共晶組成、すなわち３９質量％Ａｕ以下であればＢｉ−Ａｕ合金は凝固時に膨張することから、作業温度に制約がなければ３９質量％までＡｕを添加してもよいが、より好ましくはＢｉ−０．０１〜２５質量％Ａｕである。Ａｕの添加量が２５質量％以内であれば、半田５の液相線温度が３００℃以下となり作業性が保たれる。
他方、Ａｕの添加量が０．０１質量％以上であれば、半田５の脆性を抑制する効果が得られ、半田５の接合強度が保たれる。

Ｂｉ−Ｃｕ合金において、Ｂｉ−Ｃｕ合金の共晶組成、すなわち４４質量％Ｃｕ以下であればＢｉ−Ｃｕ合金は凝固時に膨張することから、作業温度に制約がなければ４４質量％までＣｕを添加してもよいが、より好ましくはＢｉ−０．０１〜０．５質量％Ｃｕである。Ｃｕの添加量が０．５質量％以内であれば、半田５の液相線温度が３００℃以下となり作業性が保たれる。他方、Ｃｕの添加量が０．０１質量％以上であれば、半田５の脆性を抑制する効果が得られ、半田５の接合強度が保たれる。

Ｂｉ−Ｓｂ合金において、Ｂｉ−Ｓｂ合金の共晶組成、すなわち７８質量％Ｓｂ以下であればＢｉ−Ｓｂ合金は凝固時に膨張することから、作業温度に制約がなければ７８質量％までＳｂを添加してもよいが、好ましくはＢｉ−０．０１〜５質量％Ｓｂである。Ｓｂの添加量が５質量％以内であれば、半田５の液相線温度が３００℃以下となり作業性が保たれる。他方、Ｓｂの添加量が０．０１質量％以上であれば、半田５の脆性を抑制する効果が得られ、半田５の接合強度が保たれる。

Ｂｉ−Ｚｎ合金において、Ｂｉ−Ｚｎ合金の共晶組成、すなわち３２質量％Ｚｎ以下であればＢｉ−Ｚｎ合金は凝固時に膨張することから、作業温度に制約がなければ３２質量％までＺｎを添加してもよいが、好ましくはＢｉ−０．０１〜５質量％Ｚｎである。Ｚｎの添加量が５質量％以内であれば、半田５の液相線温度が３００℃以下となり作業性が保たれる。他方、Ｚｎの添加量が０．０１質量％以上であれば、半田５の脆性を抑制する効果が得られ、半田５の接合強度が保たれる。

なお、本発明の半田組成は、上述の２元系半田に特に限定されることなく、半田の凝固時において体積収縮しない半田組成、例えば、上述の２元合金をベース組成とする多元系半田であっても構わない。

また、本発明における半田５の半田付け方法は、例えば浸漬半田付け、リフロ−加熱による方法があるが、本発明の半田付け構造ならびに貫通型セラミックコンデンサは、内面電極３とリード線４と半田５とを電気的かつ機械的に接合し得る方法であれば、何れの方法によっても構わない。

また本発明における構造体２は、例えばＡｌ₂Ｏ₃やＢａＴｉＯ₃等のセラミック材料からなるセラミック焼結体が挙げられるが、特にこれに限定されることなく、金属や樹脂等の半田付け可能な材料からなる構造体であれば構わない。

また、本発明における内面電極３を構成する導電成分としては、例えばＡｇ、Ａｇ／Ｐｄ、Ａｇ／Ｐｔ、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ等が挙げられ、その形成方法としては、スパッタ、蒸着、ペースト印刷の方法が挙げられるが、特に限定されることなく、何れの材料ならびに形成方法によっても構わない。

また、本発明におけるリード線４は、例えばＣｕ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ａｕなど金属線を芯材とし、必要あればその表面にＳｎ、Ｐｂ、Ｓｎ−Ｐｂ、Ｐｄ、Ａｕ、Ｓｎ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ａｇ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ、Ｓｎ−Ｂｉメッキ等を施したものが挙げられるが、半田５と電気的かつ機械的に接合可能な組成であれば、何れの材料によっても構わない。

本発明による他の実施形態について、図２に基づいて詳細に説明する。貫通型セラミックコンデンサ１１は、ＢａＴｉＯ₃を主成分とする誘電体材料からなり一方面から他方面に貫通する貫通孔１２ａを備える円筒形のセラミック焼結体１２と、貫通孔１２ａの内壁に形成された内面電極１３と、貫通孔１２ａ内に挿入されたリード線１４と、内面電極１３とリード線１４とを電気的かつ機械的に接合させるために貫通孔１２ａ内に充填された鉛を含有しない半田１５と、セラミック焼結体１２の表面に形成された表面電極１６とからなる。

なお、内面電極１３、リード線１４、半田１５の材料は、何れも前掲の実施形態における内面電極３、リード線４、半田５と同じものを適宜選択して用いることができる。また、表面電極１６の材質、形状は何ら限定されるものではない。

まず、表１に示すような組成からなる半田を準備し、これらをそれぞれ実施例１〜２０ならびに比較例１〜１１の半田とした。

次に、ＢａＴｉＯ₃を主成分とする誘電体材料からなり、両端面を貫通する３ｍｍφの貫通孔を備える円筒形のセラミック焼結体を準備する。次に、貫通孔の内壁にＮｉからなる内面電極を無電解めっきによって形成した後、Ｃｕを心材としてＳｎを溶融メッキしたリード線をセラミック焼結体の貫通孔内に挿入し、これを保持した状態で、図３（ａ）に示すように実施例１〜２０ならびに比較例１〜１１の半田を３２５℃でフロー半田付けして、実施例１〜２０ならびに比較例１〜１１の評価サンプルをそれぞれ１００個ずつ得た。

そこで、実施例１〜２０ならびに比較例１〜１１の評価サンプルについて、内面電極とセラミック焼結体の界面近傍におけるクラックの発生状況と接合強度を測定し、これらを表１にまとめた。

なお、クラック発生率は、評価サンプルの断面をエメリ−紙で面出し、バフで鏡面研磨した後、金属顕微鏡を用いて観察し判定し、クラックが認められた評価サンプルの割合を求めた。

また、接合強度は、図３（ｂ）のようにセラミック焼結体をフロー半田付けした側から３ｍｍの位置Ｌ１−Ｌ２で評価サンプルを切断し、図３（ｃ）のようにセラミック焼結体を穴空きホールド治具に引っ掛け、リード線をくさび型チャッキング治具で保持し、半田フィレットが残存する側方向へリード線を引張ることで引張り強度を求めた。
なお引張り速度は２５ｍｍ／分とした。

表１から明らかであるように、実施例２，３，６，７，１０，１１，１４，１５，１８，１９評価サンプルは、クラックの発生率が何れも０％であり、接合強度も１２１〜１４５Ｎと高く優れ、本発明の最も好ましい範囲内であった。

また、実施例１，５，９，１３，１７の評価サンプルは、それぞれＡｇ，Ａｕ，Ｃｕ，Ｓｂ，Ｚｎの添加量が少ないため、前述の実施例２，３，６，７，１０，１１，１４，１５，１８，１９の評価サンプルと比べて僅かに接合強度が劣ったが実用可能な範囲内であり、かつクラックの発生が無いことから、本発明の範囲内となった。

これに対して、実施例４，８，１２，１６，２０の評価サンプルは、それぞれＡｇ，Ａｕ，Ｃｕ，Ｓｂ，Ｚｎの添加量が過剰であるため液相線温度が高くなり、またガラス化せず評価不可能であり、本発明の範囲外となった。

また、比較例１〜５の評価サンプルは、全てについてクラックが生じ、また接合強度も４１〜９８Ｎであり、前述した本発明の範囲内の実施例と比べて低く劣った。

また、実施例４，８，１２，１６，２０については、半田の液相線温度が高いために半田が十分に溶融せず、セラミック焼結体の貫通孔内に半田が浸透せず、クラック発生率ならびに接合強度を測定することができず、本発明の範囲外となった。

本発明に係る一つの実施の形態の半田付け構造の断面図である。 本発明に係る他の実施の形態の半田付け構造である貫通型セラミックコンデンサに関するもので、（ａ）は縦断面図であり、（ｂ）は横断面図である。 本発明の実施例における接合強度測定用の評価サンプルの作製方法を示す説明図であり、（ａ）はフロー半田の縦断面図であり、（ｂ）は評価サンプルのカット方向を示す縦断面図であり、（ｃ）は評価方法を示す縦断面図である。 従来の半田付け構造の斜視図である。

符号の説明

１ 半田付け構造
２，１２ 構造体
２ａ 孔
３，１３ 内面電極
４，１４ リード線
５，１５ 半田
１１ 貫通型セラミックコンデンサ
１２ セラミック焼結体
１２ａ 貫通孔

Claims (8)

1. ＢｉとＡｇとの合金である半田であって、Ａｇが０．０１〜５質量％、残部がＢｉであることを特徴とする半田。
2. ＢｉとＡｕとの合金である半田であって、Ａｕが０．０１〜２５質量％、残部がＢｉであることを特徴とする半田。
3. ＢｉとＣｕとの合金である半田であって、Ｃｕが０．０１〜０．５質量％、残部がＢｉであることを特徴とする半田。
4. ＢｉとＳｂとの合金である半田であって、Ｓｂが０．０１〜５質量％、残部がＢｉであることを特徴とする半田。
5. ＢｉとＺｎとの合金である半田であって、Ｚｎが０．０１〜５質量％、残部がＢｉであることを特徴とする半田。
6. 孔を備える構造体と、前記孔の内壁に形成された内面電極と、前記孔に挿入されたリード線と、前記孔に充填されて前記内面電極と前記リード線とを固着させた鉛を含有しない半田とからなり、前記半田は、請求項１ないし請求項５のいずれかの半田からなることを特徴とする、半田付け構造。
7. 前記孔は前記構造体の一方面から他方面に貫通する貫通孔であり、前記リード線は前記貫通孔内に挿入され、前記リード線の両端は前記貫通孔の両端より外部に導出されていることを特徴とする、請求項６に記載の半田付け構造。
8. 請求項６または請求項７のいずれかに記載の半田付け構造を備え、前記構造体はコンデンサとして機能する誘電体組成物からなるセラミック焼結体であることを特徴とする、貫通型セラミックコンデンサ。