JP4639791B2

JP4639791B2 - はんだ材料の生産方法

Info

Publication number: JP4639791B2
Application number: JP2004367154A
Authority: JP
Inventors: 彰男古澤; 憲一郎末次; 正人田中; 秀樹竹原
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-12-20
Filing date: 2004-12-20
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2024-12-20
Also published as: JP2006167790A

Description

本発明は、鉛を含まない高温はんだ材料の生産方法に関するものである。

電子回路基板に実装さ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１０に示すように、電子部品１の電極２とモジュール基板３の導体との接合に、はんだ材料４を用いてモジュール部品５を作製している。このモジュール部品５は、図１０に示すようにマザー基板６に実装される。このモジュール部品５をマザー基板６に実装する際に、モジュール部品５の内部のはんだ材料４が溶融して形状が変化すると、例えば浮遊容量やインダクタンスが変化して、高周波特性が変化する。そのためモジュール部品５をマザー基板６へ実装する時に溶融しないように、モジュール部品５では、溶融温度２５０〜３００℃の高温はんだ材料（例えばＰｂ−４０％Ｓｎ等）が使用されている。

しかしながら近年、地球環境保護の関心が高まる中、廃棄物によって環境問題が生じることが危ぶまれており、はんだ材料においても、廃棄された電子機器等から鉛（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鉛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系のはんだ材料など、鉛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）を主体とするものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−３５３５９０号公報

しかし前記特許文献１に記載された従来の高温はんだ材料は、Ｂｉからなる９０重量％以上の第１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２元共晶し得る第２金属元素とからなる２元はんだ材料に、第３金属元素を合計０．１〜３．０重量％となるように加えるものであり、第３元素の添加率のばらつきにより融点が大きく変化するという問題を有している。

上述したように、高温はんだ材料はモジュール部品内部の接合に用いられており、モジュール部品をマザー基板に実装する際には２３０〜２５０℃まで加熱されるため、再溶融による電気特性の変化を防止するためには高温はんだ材料の溶融温度が２５０℃以下であってはいけない。

また、モジュール部品の内部に実装される電子部品の耐熱温度によって上限温度が制限されるため、高温はんだ材料の溶融温度も上限値が規制される。もし、溶融温度が下限値を超えた場合には、マザー基板への実装時にモジュール部品内部の高温はんだ材料が溶融して、電気特性が損なわれる。また、溶融温度が上限値を超えた場合には、モジュール部品内部の部品実装時に加熱が不十分となり、はんだ付け不良が発生する可能性がある。

高温はんだ材料の溶融温度が３００℃の場合、はんだ付けではプラス１０℃の３１０℃以上に加熱しなければ、良好な接合状態を得ることはできない。そのため、電子部品の耐熱温度として３１０℃以上が必要となる。

しかし、高温でのはんだ付けは消費エネルギーが大きく、生産コストおよび環境保護の点で良くない。また、耐熱温度の高い電子部品は製造コストが高くなるため、材料コストの点で良くない。このようなことから、高温はんだの溶融温度を２５０℃に近いところとして、耐熱温度の低い安価な部品を使用して、できるだけ低温ではんだ付けすることが望ましい。現在、一般的には２０〜３０℃の安全領域を持たせて、溶融温度２７０〜２８０℃の高温はんだ材料が使用されているが、溶融温度が大きく変化するという課題が解決されれば、安全領域を狭くして２５０℃に近いところでのはんだ付けが可能となる。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、添加率のばらつきで融点が大きく変化するという問題がない、２５０〜３００℃の高温域でのはんだ付けに使用可能な無鉛の高温はんだ材料の生産方法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、本発明のはんだ材料の生産方法は、Ｂｉを含み２元共晶合金からなる溶融状態の第１金属成分に、前記第１金属成分とは共晶点温度が異なりＢｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｚｎのうちから選ばれた１種類の金属と前記第１金属成分に含有される１種類の金属による２元共晶合金である第２金属成分を加え、Ｐｄ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｓｉから選ばれた少なくとも１種類の金属からなる第３金属成分を更に加えることを特徴とする。

本構成によって、本発明のはんだ材料の生産方法は、２７５〜２９０℃の溶融温度を保ちつつ、無鉛化を実現するはんだ材料を生産することができる。

以上のように、本発明のはんだ材料の生産方法によれば、鉛を含むことなく、添加率のばらつきで融点が大きく変化するという問題がない、融点２７５〜２９０℃の高温はんだ材料の合成が可能となる。

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
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。一般に市販されている２元合金の状態図を調べることにより、共晶点温度２５０〜３００℃を実現する合金組成を見つけることができるが、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、Ｂｉ−Ｇｅ（共晶点温度２７１℃）、Ｂｉ−Ｃｕ（共晶点温度２７０℃）、Ｂｉ−Ａｇ（共晶点温度２６２℃）、Ｂｉ−Ｚｎ（共晶点温度２５５℃）等のＢｉを含む２元合金に絞られる。

これらのＢｉ系２元共晶合金に、Ｃｕ、Ａｇ、Ｇｅ、Ｂｉ等の第３の金属元素を添加すると液相線温度を上げて高温化することが可能である。しかし、この方法で高温化する場合は第３の金属元素の添加率のばらつきによって液相線温度が大きく変化する。一例としてＢｉ−２．５％ＡｇにＣｕを添加した場合の液相線温度の変化を図１に示す。この場合、Ｃｕの添加率が０．１％変化すると液相線温度が０．８２℃と大きく変化することがわかる。そのため、所望の液相線温度を持つ材料を作る際に、第３の金属元素の添加率を厳密に管理することが必要となる。しかし実際の金属合金の製造工程では、数百ｋｇという大きな単位で製造しているため厳密な管理は困難である。また、Ｃｕ、Ｂｉ等の金属原料はＳｎ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｆｅ等の不純物元素を最大で０．０６％程度含んでいるため、合金にした後にも、それらの不純物元素が含まれることになり、金属合金の組成が設計値からずれてしまうことがある。いくつかの異なる組成の金属合金で、完成した金属合金の組成分析を行ったところ最大で０．２％までのばらつきが確認された。

このようなことから、高温はんだ実用化のためには、液相線温度の安定化が重要である。われわれは、実験を積み重ねることにより、第３の金属元素を単独で添加するのではなく、２元共晶組成にして添加することが液相線の安定化に効果的であることを見出した。Ｂｉ−２．５％ＡｇにＡｇ−３９％Ｃｕ共晶を添加した場合の液相線温度の変化を図２に示す。Ａｇ−３９％Ｃｕ共晶の添加率が０．１％変化した場合の液相線温度の変化量は０．５２℃となり、上記の単独添加の場合と比較して、２／３に抑えること可能となる。また、金属元素を単独で添加する必要がある場合には、Ａｌ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｏ、Ｓｉ、Ａｕ等の不純物含有率の低い金属元素を用いることとした。この方法によれば、所望の液相線温度に近い合金組成の材料が製造可能となる。

ここで、目標とする液相線温度が２７５℃とした場合の設計手順を示す。第１の金属成分としてＢｉ−２．５％Ａｇ（共晶点温度２６２℃）を用いるとすると、第２の金属成分としてＡｇ−３９％Ｃｕ（共晶点温度７７９℃）、Ａｇ−１８％Ｇｅ（共晶点温度６５１℃）、Ｃｕ−３９％Ｇｅ（共晶点温度６４０℃）等を添加することが可能であるが、ここではＡｇ−３９％Ｃｕ（共晶点温度７７９℃）を用いることとした。表１に、Ｂｉ−２．５％ＡｇにＡｇ−３９％Ｃｕを添加した場合の液相線温度と各元素の含有比率の変化を示す。

液相線温度を目標値の２７５℃にする場合は、Ａｇ−３９％Ｃｕの添加率は２％または３％となるが、２７５℃を超えない範囲に抑えるためには２％とする必要がある。この場合、Ｂｉ、Ａｇ、Ｃｕの含有比率は、それぞれ９５．６％、３．９％、０．６％となるが、上述したように製造上０．１％単位での管理は困難であるので、０．５％単位で端数を調整すると９５．５％、４％、０．５％となる。このときの液相線温度は概ね２７２℃であり、目標温度の２７５℃にあわせるためには３℃上げる必要がある。そこで、液相線温度を上げるために第３の金属成分として不純物含有率の低いＡｌを微量添加する。Ａｌを添加した場合の液相線温度の変化を図３に示す。Ａｌを０．１％添加すると液相線温度が１．３℃変化するため、Ａｌを０．２％添加して、液相線温度を目標温度の２７５℃となるようにする。

このようにして設計した材料の金属組成はＢｉ−３．９％Ａｇ−０．６％Ｃｕ−０．２％Ａｌとなり、実際に材料を試作して示差走査熱量計によって液相線温度を測定したところ、液相線温度は２７５．７℃との結果が得られ、目標温度の２７５℃に対して十分に近い温度であることが確認された。

なお、第１金属成分としては、Ｂｉ−１％Ｇｅ（共晶点温度２７１℃）、Ｂｉ−０．５％Ｃｕ（共晶点温度２７０℃）、Ｂｉ−９６％Ｚｎ（共晶点温度２５５℃）等を用いることができる。また、第２の金属成分としては、Ｂｉ−０．５％Ｃｕ（共晶点温度２７０℃）、Ｚｎ−６％Ｇｅ（共晶点温度３９８℃）等を添加することが可能である。

また、第３の金属成分としては、Ａｌの他にもＰｔ、Ｐｄ、Ｃｏ、Ｓｉ、Ａｕ等の元素も不純物含有率が低いため添加に適しているが、材料価格の面から考えると、Ａｌが望ましい。さらに、これらの第３の金属成分を直径１０ミクロン以下の微粒子にして添加すると、これらの微粒子を核として結晶が析出硬化するため金属組織を緻密化でき信頼性向上に寄与させることが可能である。

表２に同様の手順で設計したいくつかの材料を示す。

目標とする液相線温度が２７５℃のものとして、Ｂｉ−１％Ｃｕ−０．５％Ｇｅ−０．０８％Ｐｄ、Ｂｉ−９６％Ｚｎ−０．５％Ｇｅ−０．２５％Ａｌ等がある。これらの材料を試作して液相線温度を測定したところ、目標温度と実測温度との差は１．２℃以内であり、目標温度に対して十分な温度であった。

同様の手順で目標とする液相線温度の異なる材料も設計して試作した。これらの材料についても目標温度と実測温度との差は全て１．０℃以内となっており実用上の問題はなかった。

かかる構成によれば、Ｂｉを含み２元共晶合金からなる第１金属成分に、第１金属成分とは共晶点温度が異なりＢｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｚｎのうちから選ばれた２種類の金属による２元共晶合金である第２金属成分を加え、Ｐｄ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｓｉから選ばれた少なくとも１種類以上の金属からなる第３金属成分を更に加えることを特徴とするはんだ材料の生産方法により、有害な鉛を含むことなく、添加率のばらつきで融点が大きく変化するという問題がない、融点２５０〜３００℃の高温はんだ材料の生産が可能となる。

図４は、本発明で生産されたはんだ材料を用いたはんだ付け物品を示す図である。

図４において、電子部品７の電極８とモジュール基板９とは、はんだ材料１０を用いて接合した構造となっている。このような構造を持つモジュール部品１１は別工程でマザー基板６に実装して組み立てることにより電気、電子機器となる。その際にモジュール部品１１内部のはんだ材料１０が溶融して形状が変化すると高周波特性が変化するため、はんだ材料１０は、Ａｇ０．１〜８．０重量％、Ｃｕ０．１〜３．０重量％、Ｇｅ０．１〜２．０重量％、Ｚｎ０．１〜６．０重量％から選ばれた少なくとも２種類以上の元素と、Ｐｄ０．０１〜０．５重量％、Ａｌ０．０１〜１．０重量％、Ｃｏ０．０１〜０．５重量％、Ｓｉ０．０１〜０．５重量％から選ばれた少なくとも１種類以上の元素と、残部がＢｉとからなる組成から、有害な鉛を含むことなく、添加率のばらつきで融点が大きく変化するという問題がない、融点２５０〜３００℃の高温はんだ材料となっている。

図５は、電子部品の電極８とモジュール基板９の電極１２とをはんだ材料１０によって接合している部分の拡大図である。はんだ付け物品においては、電子部品の電極８はＮｉ下地にＡｕフラッシュ処理を施しており、Ｓｎ含有率が不可避の不純物を除いて０．５重量％以下である。また、モジュール基板の電極１２はＣｕであり、電子部品の電極と同様にＳｎ含有率が不可避の不純物を除いて０．５重量％以下である。そのため、はんだ材料１０と電極１２との接合部の構成元素は、Ｂｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、ＮｉおよびＳｎの７種類からなり、Ｓｎ含有率は不可避の不純物を除いて０．５重量％以下となる。１５０℃で５００時間の高温保存試験を実施したところ、試験後の接合強度測定値は初期値の８４％であり、基準値の８０％以上を保っていたことから、はんだ材料と電極との接合部に１３８℃に共晶点温度を持つＳｎ-５８％Ｂｉ低融点化合物が生成されても信頼性に与える影響は小さいと考えられる。また、被接合体のＳｎ含有率を不可避の不純物を除いて１．０重量％、１．５重量％にした場合には、試験後の接合強度測定値は、７６％、７１％となり、基準値の８０％を下回ってしまったため、信頼性に与える影響が大きくて、使用できないと考えられる。

図６は、電子部品の電極１３に一般的に用いられているＳｎめっき処理を施している場合の拡大図である。この場合は、接合後の高温はんだ材料の構成元素は、Ｂｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｓｎの５種類となり、１３８℃に共晶点温度を持つＳｎ−５８％Ｂｉ化合物１４が生成されることとなり接合信頼性が低下してしまう。

図７は、本発明で生産されたはんだ材料を用いたはんだ付け物品を示す図である。

図７において、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の内部において、フラットリード１５は、はんだ材料１６によって金属箔１７と接合された構造体となっている。このようにして生産されたパワートランジスタ１８は別工程でマザー基板１９に実装して使用することにより、電気、電子機器となる。その際にパワートランジスタ内部のはんだ材料１６が溶融して電気的接合が破断しないように、はんだ材料１６は、Ｂｉを含み共Ａｇ０．１〜８．０重量％、Ｃｕ０．１〜３．０重量％、Ｇｅ０．１〜２．０重量％、Ｚｎ０．１〜６．０重量％から選ばれた少なくとも２種類以上の元素と、Ｐｄ０．０１〜０．５重量％、Ａｌ０．０１〜１．０重量％、Ｃｏ０．０１〜０．５重量％、Ｓｉ０．０１〜０．５重量％から選ばれた少なくとも１種類以上の元素と、残部がＢｉとからなる組成とすることにより、有害な鉛を含むことなく、添加率のばらつきで融点が大きく変化するという問題がない、融点２５０〜３００℃の高温はんだ材料となっている。

図８は、電子部品のフラットリード１５とマザー基板１９の電極２０とをはんだ材料２１によって接合している部分の拡大図である。はんだ付け物品においては、電子部品のフラットリード１５はＮｉ下地にＡｕフラッシュ処理を施しており、Ｓｎ含有率が不可避の不純物を除いて０．５重量％以下である。また、マザー基板の電極２０はＣｕであり、電子部品の電極と同様にＳｎ含有率が不可避の不純物を除いて０．５重量％以下である。そのため、接合後の高温はんだ材料の構成元素は、Ｂｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、ＮｉおよびＳｎの７種類からなり、Ｓｎ含有率は不可避の不純物を除いて０．５重量％以下となる。１５０℃で５００時間の高温保存試験を実施したところ、試験後の接合強度測定値は初期値の８２％であり、基準値の８０％以上を保っていたことから、はんだ材料２１と電極２０との接合部に１３８℃に共晶点温度を持つＳｎ−５８％Ｂｉ低融点化合物が生成されても信頼性に与える影響は小さいと考えられる。また、被接合体のＳｎ含有率を不可避の不純物を除いて１．０重量％、１．５重量％にした場合には、試験後の接合強度測定値は、７３％、６９％となり、基準値の８０％を下回ってしまったため、信頼性に与える影響が大きくて、使用できないと考えられる。

図９は、フラットリード２２に一般的に用いられているＳｎめっき処理を施している場合の拡大図である。この場合は、接合後の高温はんだ材料の構成元素は、Ｂｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｓｎの５種類となり、１３８℃に共晶点温度を持つＳｎ−５８％Ｂｉ化合物２３が生成されることとなり接合信頼性が低下してしまう。

したがって、本発明で生産されたはんだ材料を用いたはんだ付け物品においては、被接合体のＳｎ含有率を不可避の不純物を除いて０．５重量％以下とすることにより、接合後の高温はんだ材料内部にＳｎ−５８％Ｂｉ化合物が生成されても接合信頼性を保つことが可能となる。

本発明のはんだ材料の生産方法は、鉛を含まない融点２５０〜３００℃の高温はんだ材料の合成が可能であり、このはんだ材料を電気、電子機器のマザー基板、モジュール部品のはんだ付け材料として適用することができる。

Ｂｉ−２．５％ＡｇにＣｕを添加した場合の液相線温度の変化を示す図本発明の実施の形態１におけるＢｉ−２．５％ＡｇにＡｇ−３９％Ｃｕ共晶を添加した場合の液相線温度の変化を示す図Ａｌを添加した場合の液相線温度の変化を示す図本発明で生産されたはんだ材料を用いたはんだ付け物品を示す図はんだ付け物品の接合部分の拡大図電極にＳｎめっき処理を施している場合の接合部分の拡大図本発明で生産されたはんだ材料を用いたはんだ付け物品を示す図はんだ付け物品の接合部分の拡大図電極にＳｎめっき処理を施している場合の接合部分の拡大図従来技術の高温はんだを用いた実装部品を示す図

符号の説明

１電子部品
２電子部品の電極
３モジュール基板
４はんだ材料
５モジュール部品
６マザー基板
７電子部品
８電子部品の電極
９モジュール基板
１０はんだ材料
１１モジュール部品
１２モジュール基板の電極
１３Ｓｎめっきを施した電子部品の電極
１４Ｓｎ−５８％Ｂｉの化合物
１５フラットリード
１６はんだ材料
１７金属箔
１８ワートパランジスタ
１９マザー基板
２０マザー基板の電極
２１はんだ材料
２２Ｓｎめっきを施したフラットリード
２３Ｓｎ−５８％Ｂｉの化合物

Claims

Ｂｉを含み２元共晶合金からなる溶融状態の第１金属成分に、
前記第１金属成分とは共晶点温度が異なりＢｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｚｎのうちから選ばれた１種類の金属と前記第１金属成分に含有される１種類の金属による２元共晶合金である第２金属成分を加え、
Ｐｄ、Ａｌ、Ｃｏ、Ｓｉから選ばれた少なくとも１種類の金属からなる第３金属成分を更に加え、融点が２７５〜２９０℃となるはんだ材料を生産することを特徴とするはんだ材料の生産方法。
前記第１金属成分をＢｉ−Ａｇとし、
前記第２金属成分をＡｇ―Ｃｕ、Ａｇ−Ｇｅのいずれか１つを選択し、
前記第３金属成分をＡｌとすることを特徴とする請求項１に記載のはんだ材料の生産方法。
前記第１金属成分をＢｉ−Ｇｅ、前記第２金属成分をＢｉ−Ｃｕ、前記第３金属成分をＰｄとする、
または前記第１金属成分をＢｉ−Ｚｎ、前記第２金属成分をＺｎ−Ｇｅ、前記第３金属成分をＡｌとすることを特徴とする請求項１に記載のはんだ材料の生産方法。