JP4703411B2

JP4703411B2 - はんだ材料

Info

Publication number: JP4703411B2
Application number: JP2006008550A
Authority: JP
Inventors: 憲一郎末次; 彰男古澤
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-01-17
Filing date: 2006-01-17
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2026-01-17
Also published as: JP2007190562A

Description

本発明は、人体に対して有害な鉛を含まないはんだ（鉛フリーはんだ）材料に関し、特に高い液相温度を有する鉛フリーはんだ材料に関する。

基板や電極フレームに電子部品を実装する際のダイボンド材には、一般にはんだ材料が用いられている。例えばＩＧＢＴ（絶縁型バイポーラトランジスタ、Inerted Gate Bipolar Transister）のような電源機能を発揮する半導体パワー部品は、図１に示されるように、電極フレーム１と、電子部品（例えばＩＣチップ）２、電極フレームに電子部品を接合するはんだ材料３とを具備する。このような半導体パワー部品４は、マザーボードに実装された状態で用いられる。

半導体パワー部品を稼動させると、その際に流れる電流によって、電極フレームとＩＣチップに熱が発生し、ダイボンド材であるはんだ材料も加熱される。このときはんだ材料の温度は１５０℃以上に達する。はんだ材料の温度が上昇し、溶融によりはんだ材料の形状が変化すると、パワー部品の特性が変化し、製品に不良を生じる可能性がある。そこで、はんだ材料の温度上昇が懸念される場合には、３００〜４００℃の高い溶融温度を有するはんだ材料（例えば約４０質量％のＳｎを含むＰｂ−Ｓｎ合金等）が用いられている。

しかし、近年、地球環境保護への関心が高まる中、はんだ材料を用いた廃棄物から鉛（Ｐｂ）が土壌に溶出することが懸念されている。そこで、環境問題への対策として、鉛を含まないはんだ（鉛フリーはんだ）材料の開発が進められている。例えば、溶融温度２００〜２５０℃のＳｎ−Ｐｂ系のはんだ材料は、Ｓｎ−Ａｇ系もしくはＳｎ−Ｃｕ系のはんだ材料に置き換えられつつある。また、溶融温度２５０〜３００℃の高耐熱性のはんだ材料（高温はんだ材料）としては、ビスマスを主体とするものが提案されている（特許文献１参照）。
特開２００１−３５３５９０号公報

はんだ材料を設計する際に留意すべき項目の１つとして、使用する金属の価格が挙げられる。家庭用の電気機器や電子機器は、安価に生産することが求められる。よって、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、例えば共晶点が３００〜４００℃となる合金組成を見出すことも可能である。しかし、そのような合金の多くは、Ａｕ−Ｓｎ合金のように高価な金属を含んでいる。安価ではんだ材料に適した現実的な合金としては、Ｚｎ−Ａｌ合金（３８５℃）、Ｎｉ−Ｇｅ合金（７７５℃）などの２元合金に絞られる。

これらの２元共晶合金に、Ｃｕ、Ａｇ、Ｇｅ、Ｂｉ等の第３金属成分を添加すると、液相線温度を上昇させることが可能である。しかし、このような方法では、第３金属成分の添加量のばらつきにより、液相線温度が大きく変化する。一例として２．５質量％のＡｇを含み、残部がＢｉからなる合金（Ｂｉ−２．５Ａｇ）にＣｕを添加した場合の液相線温度の変化を図２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℃も変化することがわかる。よって、所望の液相線温度を有するはんだ材料を得るためには、第３金属成分の添加率を厳密に管理することが必要となる。

しかし、実際の合金の製造工程では、数百ｋｇという大きなスケールで原料が仕込まれるため、厳密な管理は困難である。また、Ｃｕ、Ｎｉ等の金属原料は、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｆｅ等の不純物元素を最大で０．０６質量％程度も含んでいる。よって、合成された合金にも、それらの不純物元素が含まれることになり、合金組成が設計値から外れてしまうことがある。本発明者らが複数の異なる組成で合金を合成し、得られた合金の組成分析を行ったところ、最大で０．２％の組成のばらつきが確認されている。

特許文献１が提案する高温はんだ材料は、Ｂｉを９０質量％以上含む２元系のはんだ材料に、０．１〜３質量％の第３金属成分を添加して、融点を制御したものである。よって、第３金属成分の添加量のばらつきにより、融点が大きく変化する。

上述のように、高温はんだ材料は、半導体パワー部品のＩＣチップと金属フレームとの接合などに用いられており、高耐熱性が要求される。もし、第３金属成分のばらつきにより、はんだ材料の溶融温度が予定した温度よりも低くなると、半導体パワー部品の使用時にはんだ材料が溶融して、電気特性が損なわれる可能性がある。よって、はんだ材料の再溶融による電気特性の変化を防止する観点から、例えば３５０℃〜４５０℃ではんだ付けが可能である鉛フリーはんだ材料を安定供給することが望まれている。

高温はんだ材料の実用化のためには、液相線温度の安定化が重要な課題となる。本発明者らは、実験を積み重ねた結果、基本組成に第３金属成分を単独で添加するのではなく、２元共晶合金として添加することが、液相線温度の安定化に効果的であることを見出し、本発明を完成するに至った。本発明によれば、例えば３５０〜４５０℃の高温域ではんだ付けが可能となる鉛フリーはんだ材料を安定供給することが可能となるだけでなく、１３０℃以下の低温域ではんだ付けが可能となる鉛フリーはんだ材料を安定供給することも可能となる。

本発明は、第１共晶合金と、第２共晶合金からなり、第１共晶合金は、Ｚｎ−Ａｌ合金からなり、第２共晶合金は、Ｇｅ−Ｎｉ合金またはＡｇ−Ｇｅ合金であるはんだ材料に関する。前記第１共晶合金と前記第２共晶合金との合計に占める前記第２共晶合金の含有量は、０．１〜１．５質量％であり、残部は前記Ｚｎ−Ａｌ合金である。本発明によれば、例えば３５０℃〜４５０℃の液相線温度を有するはんだ材料を安定供給することが可能である。

本発明によれば、従来は安定供給することが困難であった、高温域ではんだ付けが可能となる鉛フリーはんだ材料を安定供給することが可能となる。また、本発明は、例えば１３０℃以下の低温域または２６０℃以上の高温域ではんだ付けが可能となる鉛フリーはんだ材料を安定供給する場合にも適用可能である。

本発明のはんだ材料は、第１共晶合金と、第２共晶合金からなる。第１共晶合金と第２共晶合金とを溶融状態で混合し、その後凝固させると、均一な合金が得られる。しかし、合金を微視的に見ると、第１共晶合金と第２共晶合金とを区別することができる。例えば、はんだ材料の断面を電子顕微鏡などで観察することにより、第１共晶合金と第２共晶合金の存在を観察することができる。

第１共晶合金には、Ｚｎ−Ａｌ合金が好適であり、第２共晶合金には、Ｇｅ−Ｎｉ合金またはＡｇ−Ｇｅ合金が好適である。これらを用いれば、３５０℃以上の液相線温度を有する高温はんだ材料を安定して供給することができる。

ここで、Ｚｎ−Ａｌ合金とは、約５質量％のＡｌを含み、残部がＺｎからなる２元共晶合金を示す。Ｚｎ−Ａｌ合金は、約３８５℃の共晶点を有する。

また、Ｇｅ−Ｎｉ合金は、約２８質量％のＮｉを含み、残部がＧｅからなる２元共晶合金を示す。Ｇｅ−Ｎｉ合金は、約７７５℃の共晶点を有する。

Ａｇ−Ｇｅ合金は、約１８質量％のＧｅを含み、残部がＡｇからなる２元共晶合金を示す。Ａｇ−Ｇｅ合金は、約６５１℃の共晶点を有する。

第１共晶合金と第２共晶合金との質量比は、目標とするはんだ材料の液相線温度Ｔ_L、第１共晶合金の共晶点Ｔ₁、第２共晶合金の共晶点Ｔ₂から求めることが望ましい。はんだ材料の液相線温度Ｔ_Lは、Ｔ₁＜Ｔ_L＜Ｔ₂を満たすように、はんだ材料の使用目的に応じて自由に設定することができる。

第１共晶合金と第２共晶合金との質量比をＷ₁：（１−Ｗ₁）と仮定する場合、目標とする液相線温度Ｔ_Lを有するはんだ材料を安定供給するためには、Ｗ₁は１−Ｗ₁＝（Ｔ₁−Ｔ_L）／（Ｔ₁−Ｔ₂）の関係式から求めることが望ましい。

以下に３５０℃以上の液相線温度を有するはんだ材料の組成を例示する。
（ａ）第１共晶合金と第２共晶合金との合計に占める第２共晶合金の含有量が、０．１〜１．５質量％であり、第２共晶合金が、Ｇｅ−Ｎｉ合金またはＡｇ−Ｇｅ合金であるはんだ材料。

（ｂ）第１共晶合金と第２共晶合金との合計に占める第２共晶合金の含有量が、０．１〜２質量％であり、第２共晶合金が、Ｃｕ-Ｇｅ合金であるはんだ材料。

（ｃ）第１共晶合金と第２共晶合金との合計に占める第２共晶合金の含有量が、０．１〜２．５質量％であり、第２共晶合金が、Ａｇ−Ｃｕ合金であるはんだ材料。

はんだ材料の製造法は、第１共晶合金と第２共晶合金とを予め調製する点以外は、特に限定されない。予め調製された２種以上の共晶合金を混合することにより、液相線温度の制御が容易になり、所望の物性を有するはんだ材料を安定供給することが可能となる。ただし、目標となる液相線温度Ｔ_LをＴ₁＜Ｔ_L＜Ｔ₂を満たすように設定した後、第１共晶合金と第２共晶合金とを、Ｗ₁：（１−Ｗ₁）の質量比で、１−Ｗ₁＝（Ｔ₁−Ｔ_L）／（Ｔ₁−Ｔ₂ ）を満たすように配合することが望ましい。第１共晶合金と第２共晶合金との配合は、どのような状態で行ってもよいが、例えば第１共晶合金の溶湯に、第２共晶合金を添加し、両者を溶融状態で混合し、その後、溶湯を所定形状に凝固させることで、所望のはんだ材料を得ることができる。

なお、上記の製造法は、あらゆる組成の鉛フリーはんだ材料に適用することができる。すなわち、第１共晶合金と第２共晶合金の組成を特に限定しない場合でも、共晶点Ｔ₁を有する鉛を含まない第１共晶合金と、Ｔ₁＜Ｔ₂を満たす共晶点Ｔ₂を有する鉛を含まない第２共晶合金とを用いることで、目標となる液相線温度Ｔ_Lを有するはんだ材料を安定供給することが可能である。

例えば、上記方法によれば、液相線温度が１３０℃以下または２６０℃以上である３元系以上の鉛フリーはんだ材料を安定供給することが可能である。既に述べたはんだ材料を除き、２６０℃以上の液相線温度を有する３元系以上の鉛フリーはんだ材料や、１３０℃以下の液相線温度を有する３元系以上の鉛フリーはんだ材料は、通常は安定な製造が困難なものである。

なお、液相線温度Ｔ_Lが１３０℃以下の鉛フリーはんだ材料を得る場合、コストを考慮して各共晶合金の組成を選択する必要がある。鉛を含まない第１共晶合金もしくは第２共晶合金には、例えば約５８質量％のＢｉを含むＳｎ−Ｂｉ合金や、約５０質量％のＢｉを含むＢｉ−Ｉｎ合金などを用いることができる。例えばＳｎ−Ｂｉ合金（Ｂｉ：５８質量％）とＢｉ−Ｉｎ合金（Ｂｉ：５０質量％）とを９：１１の質量比で配合することにより、液相線温度Ｔ_Lが１００℃程度のはんだ材料を得ることができる。

次に、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、以下の実施例は本発明を限定するものではない。

《実施例１》
（i）はんだ材料の合成
基本組成となる第１共晶合金には、共晶点が３８５℃であるＺｎ−Ａｌ合金（Ａｌ含有量：５質量％）を用いた。
第２共晶合金には、共晶点が７７５℃のＧｅ−Ｎｉ合金（Ｎｉ含有量：２８質量％）、共晶点が６４０℃のＣｕ−Ｇｅ合金（Ｇｅ含有量：３９質量％、参考例）、共晶点が７７９℃のＡｇ−Ｃｕ合金（Ｃｕ含有量：３９質量％、参考例）および共晶点が６５１℃のＡｇ−Ｇｅ合金（Ｇｅ含有量：１８質量％）を単独で、もしくは組み合わせて用いた。

所定の第１共晶合金と第２共晶合金とを、窒素雰囲気中で、約５００℃で溶融し、溶湯を良く撹拌した後に凝固させ、表１〜６記載の組成を有する４元系または５元系合金のはんだ材料を合成した。

（ii）はんだ材料の液相線温度
得られた合金の液相線温度を示差走査熱量計（ＤＳＣ）で調べた。結果を表１〜６に示す。表の結果より、全てのはんだ材料が３８５〜４２０℃の範囲で完全に液相になることが示された。

（iii）はんだ組成物の調製
得られたはんだ材料を、窒素雰囲気中で、５００℃以上で溶融して合金を得た。この合金から、アトマイズ法により、平均粒径２０μｍの粒状粉を得た。得られた粒状粉（はんだ材料）１００質量部あたり、１０質量部のフラックス（ロジン、活性剤および溶剤の混合物）を添加して混練を行い、クリームはんだを得た。

（iv）半導体パワー部品の作製
図１に示されるような半導体パワー部品４（ＩＧＢＴ）を作製した。ここで、電極フレーム１とＩＣチップ２とを接合するはんだ材料３には、上記のクリームはんだを用いた。はんだ付けは、はんだ材料の液相線温度＋２０℃の温度で行った。得られた半導体パワー部品４は、図３に示すように、電極フレーム１のリード部を露出させた状態で、エポキシ樹脂からなる封止剤５で封止した。その後、所定のマザーボード６に半導体パワー部品４を実装した。

（v）評価
試験的に半導体パワー部品４を稼働させたところ、半導体パワー部品４の稼働時の温度は約３５０℃以上まで上昇し、接合部の温度は約３９０℃程度まで上昇した。よって、はんだ材料の再溶融による電気特性の変化を防止するためには、少なくとも３８５℃を超える溶融温度（液相線温度）を有するはんだ材料を用いる必要があると考えられる。

はんだ材料の液相線温度が安定せず、目標温度よりも低くなった場合には、半導体パワー部品４の稼働時に部品内部のはんだ材料が溶融し、電気特性が損なわれる。一方、はんだ材料の液相線温度が目標温度よりも高くなった場合には、はんだ付け不良が発生する可能性がある。

そこで、半導体パワー部品４の主要特性を評価した。結果を表７〜１０に示す。
（１）静特性：○はＩＧＢＴの製品基準を満たすことを示し、×は満たさないことを示す。
（２）ＩＣチップの裏面電極抵抗：○はＩＧＢＴの製品基準を満たすことを示し、×は満たさないことを示す。
（３）ＩＣチップの裏面電極放熱性：○はＩＧＢＴの製品基準を満たすことを示し、×は満たさないことを示す。

表７〜１０より、有用なＳＴ特性を有する半導体パワー部品を得るためには、第２共晶合金として０．１〜１．５質量％のＧｅ−Ｎｉ合金もしくはＡｇ−Ｇｅ合金を含むはんだ材料を用いることが好適であることがわかる。また、表７〜１０の結果は、関係式：１−Ｗ₁＝（Ｔ₁−Ｔ_L）／（Ｔ₁−Ｔ₂）と良く対応している。

本発明は、様々な溶融温度を有する鉛フリーはんだに適用可能であるが、特に液相線温度が３００〜４２０℃であるはんだ材料において有用である。本発明のはんだ材料を用いることにより、マザーボード上だけでなく、モジュール部品、更には電子部品の内部まで無鉛化することが可能となり、電気機器や電子機器の完全な無鉛化を達成することができる。よって、世界的な広がりを見せている鉛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な電気機器や電子機器を生産することが可能となる。

高温はんだ材料を用いる半導体パワー部品の一例を示す概略図である。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である。半導体パワー部品をマザーボードに実装した状態を示す概略図である。

１電極フレーム
２ＩＣチップ
３はんだ材料
４半導体パワー部品
５封止剤
６マザーボード

Claims

第１共晶合金と、第２共晶合金からなり、
前記第１共晶合金は、Ｚｎ−Ａｌ合金からなり、
前記第２共晶合金は、Ｇｅ−Ｎｉ合金またはＡｇ−Ｇｅ合金からなり、
前記第１共晶合金と前記第２共晶合金との合計に占める前記第２共晶合金の含有量が、０．１〜１．５質量％であり、残部が前記Ｚｎ−Ａｌ合金である、はんだ材料。