JP5187465B1 - 高温鉛フリーはんだ合金 - Google Patents

Abstract

緩冷却で凝固しても低融点相が生成されず、優れた接続信頼性を有するＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ系高温鉛フリーはんだ合金を提供する。
質量％で、Ｓｂ：３５〜４０％、Ａｇ：１３〜１８％、Ｃｕ：６〜８％、および残部Ｓｎから成る合金組成を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ系高温鉛フリーはんだ合金に関する。

近年、半導体はその要求特性が高度化するとともに、使用環境もますます過酷なものとなってきている。そのため、従来、半導体素子材料としてＳｉが使用されてきたが（Ｓｉ半導体素子という。）、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＧａＮなどが使用されるようになっている。以下、それぞれ、ＳｉＣ半導体素子、ＧａＡｓ半導体素子、ＧａＮ半導体素子という。ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＧａＮの各半導体素子は、耐圧性にすぐれ、動作温度の上昇を図ることができ、バンドギャップが拡大するなど優れた特性を備えており、パワートランジスタやＬＥＤなどの光学デバイスへ適用されている。これらの半導体素子は、次世代半導体と呼ばれており、高温動作が可能であるため、それに用いられるはんだ接合部が２５０〜２８０℃程度に達することがある。したがって、そのような次世代半導体に用いられる高温はんだが求められる。

また、一般に、半導体素子は、放熱のため、メタルコアやセラミック板などの放熱板と接続されることがあり、そのような用途にも高温はんだが用いられる。

従来より、高温はんだはいくつかすでに知られており、そのような従来の高温鉛フリーはんだ合金としては、Ａｕ−Ｓｎ共晶組成合金であるＡｕ−２０Ｓｎはんだ合金が知られている。Ａｕ−２０Ｓｎはんだ合金は、共晶温度が２８０℃であるため２５０℃以上２８０℃未満で使用できるが、非常に高価な材料である。

より低コストな高温鉛フリーはんだ合金の例として、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだ合金、Ｂｉ系はんだ合金、Ｚｎ系はんだ合金、Ａｇ含有焼結体合金が挙げられる。中でも、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだ合金は、熱伝導率、耐食性、接合強度の点で、Ｂｉ系、Ｚｎ系の各はんだ合金やＡｇ含有焼結体粉焼結体のはんだよりも優れている。

ここに、特許文献１〜３では、２５０〜２８０℃の温度範囲でも使用可能な高温はんだ合金として、Ｓｎ−Ｓｂはんだ合金にＡｇおよびＣｕを添加したＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕはんだ合金が開示されている。

すなわち、特許文献１では、ＳｎとＳｂとの含有比に着目することにより、固相線温度が３００℃を超えるＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕはんだ合金が開示されている。

特許文献２にも、特許文献１と同様に固相線温度が３００℃を超えるＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕはんだ合金が開示されている。

特開２００５―３４０２６７号公報 特表２００７−１５２３８５号公報 特開２００５−３４０２６８号公報

しかし、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだ合金は、はんだ付け後の冷却時に、凝固偏析により２３０〜２４０℃で溶融開始する低融点相がはんだ付け部（「はんだ継手」ともいう）に生成されることが分かった。

すなわち、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだ合金ではんだ付けしたはんだ継手は、そのような低融点相が存在すると、半導体素子の動作温度である２５０〜２８０℃では、その低融点相が溶融することにより、はんだ継手に固液共存した低強度部分が生じる。この低強度部分にさらに負荷が加わることで、クラックが進展し、はんだ継手の破断のおそれがある。

上述の低融点相は凝固の際の冷却速度が遅い場合に発生しやすくなるが、最近のはんだ付けの技術動向からは、通常のリフローはんだ付けでは、例えば１℃／ｓｅｃというかなりゆっくりとした冷却速度が採用されることがある。本明細書ではこれを「緩冷却」と便宜上総称する。なお、一般にはんだ付けの際の冷却速度は、おおよそ０．８〜５０℃／ｓｅｃが想定される。

したがって、高温はんだが用いられる半導体装置においては、例えば、半導体素子の自己発熱による基板と半導体部品の熱ひずみにより、はんだ接合部に熱応力が負荷されているため、そのような低融点相が存在すると、上述のような自己発熱のため溶融した低融点相を起点として接合界面が破断するという重大な問題が発生するおそれがある。これは、低融点相がどの程度生成したかという問題ではなく、低融点相が少しでも存在することにより、この問題が発生する可能性が格段に高まるということを意味する。すなわち、緩冷却で凝固しても低融点相が生成されず、優れた接続信頼性を有する高温鉛フリーはんだ合金が求められている。

なお、一般に、はんだ付け装置においては、溶融はんだの冷却速度は装置仕様上ある範囲に決められてしまい、はんだ付けの都度、制御するという操業因子ではない。さらに過度の急速冷却は、はんだ付けを行う電子機器に不必要な熱応力を与えることがある。

特許文献１は高温はんだを開示するが、その実施例では、Ａｇが１１質量％含有するはんだ合金が開示されている。しかし、特許文献１で開示されたはんだ合金は、Ａｇの含有量が１１質量％と少ないため、上述のような緩冷却条件下のはんだ付けでは、低融点相の生成は免れない。このため、同文献に記載のはんだ合金で接合したはんだ継手は、２４０℃以上で使用するとはんだ合金の一部が溶融するために、半溶融部分が低強度化して破断する可能性があり、接続信頼性に問題がある。

また、特許文献２の実施例には、Ａｇの含有量が１５重量％であるが、Ｃｕが４重量％しか含有されていないはんだ合金が記載されている。このため、同文献に記載のはんだ合金は、はんだ付けに適用すると、Ｃｕ含有量が少ないため、特許文献１に記載のはんだ合金と同様に、はんだ接合部が破断する可能性がある。

このように、特許文献１、２に記載のはんだ合金は、はんだ継手を形成する場合、生成した低融点相がはんだ継手を構成するはんだ合金組織中に偏析することがある。

ここに、はんだ継手の「接続信頼性」とは、半導体装置の動作中にはんだ接合部の破断が起こらないことを言い、本明細書では、上記「低融点相」の存在の有無で評価する特性である。

本発明の課題は、はんだ付けに際して、低融点相が生成されず、優れた接続信頼性を有するＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ系高温鉛フリーはんだ合金を提供することである。

具体的には、本発明の課題は、溶融開始温度が２８０℃以上であるはんだ継手を形成できるＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ系高温鉛フリーはんだ合金を提供することである。

本発明者らは、検討を重ねたところ、Ｓｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ系高温鉛フリーはんだ合金において、ＡｇおよびＣｕの含有量を精密に調整することにより、はんだ付けに際して低融点相が全く生成しないことを見出し、本発明を完成した。

ここに、本発明は次の通りである。
（１）質量％で、Ｓｂ：３５〜４０％、Ａｇ：１３〜１８％、Ｃｕ：６〜８％、および残部Ｓｎから成る合金組成を有する高温鉛フリーはんだ合金。

（２）更に、質量％で、Ｎｉ：０．０１〜０．１％を含有する、上記（１）に記載の高温鉛フリーはんだ合金。

（３）前記合金組成の含有比が下記式（I）〜（III）を満たす、上記（１）または上記（２）に記載の高温鉛フリーはんだ合金。

２．２０≦Ｓｂ／Ａｇ≦２．７５ （I）
４．９０≦Ｓｂ／Ｃｕ≦６．２０ （II）
２．０５≦Ａｇ／Ｃｕ≦２．５５ （III）
（４） ２８０℃で固相率が１００％である、上記（１）〜上記（３）のいずれかに記載の高温鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ継手。

（５）上記（１）〜上記（３）のいずれかに記載の高温鉛フリーはんだ合金からなるプリフォーム材。

（６）上記（１）〜上記（４）のいずれかに記載の高温鉛フリーはんだ合金からなるはんだ粉末とフラックスとを含有するはんだペースト。

特許文献３には、２６０℃でも溶融しない合金組成が記載されているが、２８０℃での固相率は一切開示されていない。また、同文献には、Ａｇの含有量が１２重量％であるが、Ｃｕが１０重量％も含有されているはんだ合金が記載されている。このはんだ合金は、特許文献１および２に記載のはんだ合金と同様に、固相線温度２３０〜２４０℃の低融点相が生成してしまうおそれがある。

本発明に係る高温鉛フリーはんだ合金を用いた実装例を示す模式図である。 比較例１４のはんだ合金のＤＳＣ曲線を示すグラフである。 実施例２のはんだ合金のＤＳＣ曲線を示すグラフである。 比較例７のはんだ合金のＤＳＣ曲線を示すグラフである。

本発明を以下により詳しく説明する。本明細書において、はんだ合金組成に関する「％」は、特に指定しない限り「質量％」である。

本発明に係るＳｎ−Ｓｂ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ合金は、ＡｇおよびＣｕを、それぞれ、１３〜１８％、６〜８％含有するため、はんだ付け後に低融点相が生成することなく、半導体素子が２５０〜２８０℃程度の高温で動作している場合であっても、優れた接続信頼性を示す。

ここで、低融点相は、はんだ合金のはんだ付け後の冷却に際して凝固偏析により発生する、融点が２１０〜２５０℃である凝固相である。一般に、凝固偏析は、溶融相が凝固する際、初めに凝固した部分と最後に凝固した部分とで組成が異なって特定成分が偏る現象である。凝固偏析は、冷却速度が遅いほど発生しやすい。特に、Ｓｎを多量に含有する鉛フリーはんだ合金では、低融点であるＳｎ単体相が偏析しやすい。このような観点から言えば、本発明は、はんだ継手において、このＳｎ単体相が主成分と考えられる低融点相の生成を抑制することを特徴とする。

低融点相がＳｎ単体相を主成分とする理由は、低融点相の融点である溶融開始温度がＳｎの融点である２３２℃と同程度であるためである。低融点相の残部は、融点が２４０℃程度であるＳｂ２Ｓｎ３、融点が２２０〜２３０℃程度であるＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ共晶組成に近い組成を有する残存相などで構成されると考えられる。このため、低融点相の融点である溶融開始温度は２１０〜２５０℃の範囲である。低融点相は、少なくとも、Ｓｎの含有量がＳｂ、Ａｇ、およびＣｕの合計含有量を超えるような合金組成である場合に生成される。すなわち、少なくとも、Ｓｂ＋Ａｇ＋Ｃｕ＜Ｓｎの場合である。そして、特許文献１，２のように、Ａｇ：１１％、Ｃｕ４％のときには低融点相が生成し、本発明のように、Ａｇ１３〜１８％およびＣｕ６〜８％含有するときに低融点相の生成が抑制されるのは、後述するように、凝固に際して、Ｓｂ，Ａｇ，Ｃｕが優先的にＳｎと金属間化合物を形成し、これが高融点相を形成するためと考えているが、その正確な機構は不明である。

なお、高融点相とは、例えば、Ｃｕ６Ｓｎ５、Ｃｕ３Ｓｎ、Ａｇ３Ｓｎ、ＳｎＳｂ、Ｎｉ３Ｓｎ４等の、融点が２９０℃以上を示す金属間化合物からなる凝固相である。

本発明に係るはんだ合金からなるはんだ継手は、高融点相を構成するこれらの金属間化合物を有するが、融点が２９０℃以上を示す相であれば、ここで例示していない金属間化合物を含んでもよい。すなわち、本発明に係るはんだ合金継手は、融点が２９０℃以上を示す凝固相のみからなる。本発明に係るはんだ合金から形成されるはんだ継手は、高融点相のみからなるため、優れた接続信頼性を示すことになる。

ここに、溶融開始温度とは、ＤＳＣ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｓｃａｎｉｎｇ Ｃａｌｏｒｙｍｅｔｅｒ）曲線で検出される、最初の吸熱ピークの吸熱開始温度であり、固相線温度である。また、最初の吸熱ピークは、ＤＳＣ曲線で測定された全吸熱ピークの面積に対する面積比が０．１％以上の吸熱ピークである。面積比が０．１％未満のピークについては、測定時のノイズ等、合金組成に起因しないピークである可能性があるため、本発明では吸熱ピークと認定しない。

溶融終了温度は、ＤＳＣ曲線の、２８０℃以上の温度で検出される吸熱ピークの吸熱終了温度であり、液相線温度である。

本発明に係るはんだ合金の合金組成を上述のように限定する理由は以下の通りである。
Ｓｂの含有量は３５〜４０％である。Ｓｂは、高融点相であるＳｎＳｂの生成を促す。したがって、Ｓｂは、低融点相の生成を抑制し、溶融開始温度を上昇させる。また、Ｓｂは、はんだ合金の表面張力を低下させる傾向にあるために濡れ性を向上させる。Ｓｂの含有量が３５％未満であると、低融点相の生成抑制効果を発揮することができず、また、濡れ性が悪化する。Ｓｂの含有量が４０％より多いと、溶融終了温度が著しく高くなりはんだ付け性が劣化する。Ｓｂの含有量は、好ましくは３６〜４０％であり、より好ましくは３７〜４０％である。

Ａｇの含有量は１３〜１８％である。Ａｇは、溶融終了温度を３８０℃以下に抑える効果がある。Ａｇは、Ｓｎと金属間化合物（Ａｇ３Ｓｎ）を生成することにより、低融点相の生成を抑制し、はんだ合金の強度を向上させる。また、Ａｇは、４００℃までの温度幅で表面張力を下げるために濡れ性を向上させ、はんだ合金の強度を高める。

Ａｇの含有量が１３％未満であると、Ａｇを添加する効果を発揮することができない。また、Ａｇの含有量が１８％より多いと、ＳｂとＡｇが優先的にＡｇ３Ｓｂ相を作るため、凝固の初期段階でＡｇ３Ｓｂ相が現れる。このため、はんだ合金中に低融点相が生成しやすい。

凝固の初期段階でＳｂとＡｇとが析出相を形成すると、相対的に、はんだ合金の凝固の過程で残存する液相中のＳｂ、Ａｇ濃度は低くなる。残存液相中のＳｂおよびＡｇの濃度が低下すると、Ｓｂ、Ａｇの低融点相生成の抑制効果が低減し、２５０℃以下の低融点相が生成する。このため、はんだ合金の耐熱性が劣化する。Ａｇの含有量は、好ましくは１４〜１８％であり、より好ましくは１５〜１８％である。

Ｃｕの含有量は６〜８％である。Ｃｕは、溶融終了温度を３４０〜３８０℃に抑える効果を有する。Ｃｕは、主にＣｕ３ＳｎとＣｕ６Ｓｎ５を生成して低融点相の生成を抑制し、はんだ合金の強度を向上させる。

Ｃｕの含有量が６％未満であると、Ｃｕを添加する効果を発揮することができない。また、Ｃｕの含有量が８％より多いと、ＳｂとＣｕとが優先的に析出相を作るため、はんだ合金の凝固の初期段階でＣｕ２Ｓｂ相が現れる。このため、はんだ合金中に低融点相が生成しやすい。

はんだ合金の凝固の初期段階でＳｂとＣｕとが析出相を形成すると、相対的に、はんだ合金の凝固の過程で残存する液相中のＳｂ、Ｃｕ濃度は低くなる。残存液相中のＳｂおよびＣｕの濃度が低下すると、Ｓｂ，Ｃｕの低融点相生成の抑制効果が低減し、２５０℃以下の低融点相が生成する。このため、はんだ合金の耐熱性が劣化する。また、Ｃｕが８％を越えた場合、はんだ合金の液相線温度が上昇し、ぬれ性が低下することによりはんだ付け性が低下する。Ｃｕの含有量は、好ましくは６〜７．５％であり、より好ましくは６〜７％である。

また、凝固偏析による低融点相の生成をより確実に抑制する観点から、はんだ合金の合金組成の比率は、式（I）〜（III）の関係を同時に満たすことが好ましい。

２．２０≦Ｓｂ／Ａｇ≦２．７５ （I）
４．９０≦Ｓｂ／Ｃｕ≦６．２０ （II）
２．０５≦Ａｇ／Ｃｕ≦２．５５ （III）
Ｓｂ、Ａｇ、およびＣｕは、各々Ｓｂ、Ａｇ、およびＣｕの含有量（％）である。

この条件を満たすことによりＳｎ単体相を生成しない理由は定かではないが、式（I）〜（III）の関係を満たす場合、凝固プロセスである各相の核生成、核成長、粗大化の順序とバランスが崩れずにはんだ合金の凝固が完了するためであると考えられる。

これらの関係が崩れてＳｎの濃度が増加すると、Ｓｎを主成分とする融点２５０℃以下の低融点相が生成されやすい。特に、式（III）に示すＡｇ／Ｃｕの関係を満たさないと、前述のように、ＳｎＳｂよりも高融点相であるＡｇ３Ｓｂ相やＣｕ２Ｓｂ相が優先的に生成され、低融点相が生成しやすくなると考えられる。

本願発明は、前述の必須元素の他、任意元素としてＮｉを添加してもよい。
Ｎｉの含有量は０．０１〜０．１％であることが好ましい。Ｎｉは、電極からはんだ合金中へ拡散を防いで電極の食われを抑制する。Ｎｉの含有量は、より好ましくは０．０１〜０．０７％であり、特に好ましくは０．０３〜０．０７％である。

本発明に係るはんだ合金は、２８０℃での固相率が１００％であり、２１０〜２５０℃の低融点相を生成しない。より好ましい範囲としては、２．２０≦Ｓｂ／Ａｇ≦２．７０であり、５．００≦Ｓｂ／Ｃｕ≦６．２０であり、２．１０≦Ａｇ／Ｃｕ≦２．５０である。

ここで、「固相率」とは、ＤＳＣ曲線で測定された吸熱ピークの総面積に対する、２８０℃以上で検出される吸熱ピークの面積の割合（％）である。

このように、本発明に係る高温鉛フリーはんだ合金は、溶融終了温度以上の温度から冷却し、凝固させても、２９０℃以上の溶融開始温度を示す金属間化合物からなる高融点相のみからなり、低融点相が生成されることはない。

溶融開始温度を２８０℃以上、好ましくは２９０℃以上と規定したのは、以下の理由による。本発明に係る高温鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ継手は、２５０℃以上の高温動作をするＳｉＣ半導体素子、ＧａＮ半導体素子、ＧａＡｓ半導体素子の発熱に耐え得る充分な耐熱性を有し、固相率が１００％であり、良好な信頼性を確保するためである。また、溶融開始温度を２８０℃以上、好ましくは２９０℃以上と規定したもう一つの理由は、半導体素子を実装基板に接合した後、次工程で他の電子部品を実装基板に接合する際のリフロー温度が２６０℃を示すためである。この温度で再溶融せず十分に対応できる温度として、２８０℃以上、好ましくは２９０℃以上の溶融開始温度を示すことがはんだ合金継手に求められるためである。

本発明に係るはんだ合金は、溶融終了温度が４００℃以下であることが好ましい。はんだ付け温度は、溶融終了温度より高くする必要がある。そのため、溶融終了温度が４００℃より高いと、はんだ付け温度をそれ以上とする必要があるが、そのような高温では生産時のランニングコストが高く、作業性が悪化する。また、溶融終了温度は、半導体部品自体の耐熱性や、半導体部品内部の回路・配線を保護する観点から、より好ましくは３８０℃以下である。

本発明に係る高温鉛フリーはんだ合金は、半導体素子のダイボンディング、すなわち半導体素子との放熱板との接合用に使用できる。また、本発明に係る高温鉛フリーはんだ合金は、その他、コネクタ端子やマザーボードのはんだ付け、ディップ型ＩＣ等のプリント基板への実装、コンデンサ等の電子部品の組立及び実装、セラミックパケージのシーリング、ダイオード等のリード付け、半導体のプリフォーム材などにも適用することができる。

本発明に係る高温鉛フリーはんだ合金は、プリフォーム材やはんだペーストとして好適に用いることができる。プリフォーム材の形状としては、ワッシャ、リング、ペレット、ディスク、リボン、ワイヤー等が挙げられる。

はんだプリフォーム材は、フラックスを用いない還元雰囲気接合で用いられてもよい。還元雰囲気接合は、接合後に接合部の汚染がないため、接合後の工程での接合部の洗浄が不必要になるだけでなく、はんだ継手のボイドを強く低減できる特徴を有する。

本発明に係る高温鉛フリーはんだ合金は、はんだペーストとして使用することができる。はんだペーストは、はんだ合金粉末を少量のフラックスと混合してペースト状にしたものである。本発明に係る高温鉛フリーはんだ合金は、リフローはんだ付け法によるプリント基板への電子部品の実装に、はんだペーストとして利用してもよい。はんだペーストに用いるフラックスは、水溶性フラックスと非水溶性フラックスのいずれでもよい。典型的にはロジンベースの非水溶性フラックスであるロジン系フラックスが用いられる。

図１は、本発明に係る高温鉛フリーはんだ合金を用いた実装例を示す模式図である。本発明に係る高温鉛フリーはんだ合金は、半導体素子と放熱板との接合（ダイボンディング）用高温はんだ合金として用いてもよい。図１に示すように、半導体素子１と放熱板２には各々Ｃｕ、Ｎｉ、Ｎｉ／Ａｕ、Ａｇなどのめっき層３が設けられている。本発明に係る高温鉛フリーはんだ合金４は、めっき層３同士を接続してはんだ継手を形成する。

本発明に係る高温鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ継手の製造条件として、凝固の際の冷却速度は、０．８〜５０℃／ｓｅｃであることが好ましい。この範囲の冷却速度は、現在使用されている実装を行うほとんどのはんだ付け装置の冷却速度をカバーするため、本発明にかかるはんだ合金を使用する場合、特にはんだ付け後の冷却速度を特に変更するなどの必要はない。本発明のこのような優れた作用効果から、本発明にかかる高温はんだで、半導体素子を、熱容量が大きい大型基板や放熱板などに接合する場合にあっても、冷却速度を変更する必要はなく、これまでの冷却条件ではんだ付けを行うことができる。本発明に係るはんだ合金は、緩冷却である０．８℃／ｓｅｃであっても、低融点相を生成せずに優れた接続信頼性を発揮できるためである。冷却速度は、より好ましくは１〜１０℃／ｓｅｃである。

本発明に係る高温鉛フリーはんだ合金は、特に、前述のような２５０〜２８０℃程度の高温動作をする半導体素子と放熱板にリフローで接合する場合にその効果を発揮する。当然のことながら、本発明に係る高温鉛フリーはんだ合金は、必要とされる耐熱温度が２５０℃以下のはんだ継手に使用した場合にも低融点相が生成されず、充分に高い接続信頼性を発揮することができる。

表１に記載した各合金組成を有するはんだ合金を４３０℃で溶融させた後、１℃／ｓｅｃの冷却速度で各はんだ合金を冷却した。この温度はＤＳＣで管理した。具体的には、１℃／ｓｅｃの冷却速度は、はんだ合金を５℃／ｓｅｃの昇温速度で昇温し、４３０℃で完全に溶融させた後、１℃／ｓｅｃの降温速度で１８０℃まで冷却して測定した値である。

冷却後のはんだ合金のＤＳＣ曲線を、ティー・エイ・インスツルメント・ジャパン株式会社製のＤＳＣ（型番：Ｑ２０００）を用い、大気中で昇温速度を５℃／ｍｉｎで得た。得られたＤＳＣ曲線から、溶融開始温度、溶融終了温度、液相率、および固相率を求めた。結果を表１にまとめて示す。

図２は比較例１４のはんだ合金のＤＳＣ曲線を示すグラフである。図３は実施例２のはんだ合金のＤＳＣ曲線を示すグラフである。

図２に示すＤＳＣ曲線で、最初の吸熱ピークの吸熱開始温度が溶融開始温度であり、最後の吸熱ピークの吸熱終了温度が溶融終了温度である。ただし、図３に示すように吸熱ピークが一つのみの場合には、吸熱ピークの吸熱開始温度が溶融開始温度であり、吸熱ピークの吸熱終了温度が溶融終了温度である。

図２から明らかなように、本発明の範囲外の合金組成である比較例１４のはんだ合金では、二つの吸熱ピークが観測され、溶融開始温度が２２８℃を示した。一方、図３から明らかなように、本発明の範囲内の合金組成である実施例２のはんだ合金では、吸熱ピークが一つだけ観測され、溶融開始温度が３２５℃を示した。

図４は、比較例７のはんだ合金のＤＳＣ曲線を示すグラフである。図４に示すＤＳＣ曲線は、図２に示すＤＳＣ曲線とは異なり、一つ目の吸熱ピークから二つ目の吸熱ピークにかけて、吸熱反応が観測された。これは、２８０℃より低い温度に吸熱ピークが観測されるはんだ合金の中で、ＡｇおよびＣｕの含有量が比較的少ないはんだ合金では、低融点相である液相を基点としてその周りに固液共存相が生成するためであると考えられる。一方、比較例１４のようにＣｕおよびＡｇの含有量が比較的多いはんだ合金では、図２に示すように、固液共存相に起因する吸熱反応は観測されなかった。このように、比較例では、組成により、このような吸熱反応の有無の点で、ＤＳＣ曲線が若干異なる。しかし、比較例に示すすべての組成で２８０℃より低い温度に吸熱ピークが観測された。なお、図４に示すように、溶融開始温度６は最初の吸熱ピークの吸熱開始温度であり、溶融終了温度７は２８０℃以上の温度で検出される吸熱ピークの吸熱終了温度である。

図４に示すＤＳＣ曲線を例に液相線および固相線の算出方法を詳述する。
液相率を以下のように求めた。まず、図４に記載のように、ベースライン８を引き、ベースライン８とＤＳＣ曲線９で囲まれる面積Ｖｏ（Ｖｏ＝Ｖ_１＋Ｖ_２）を求めた。そして、２８０℃で分割線１０を引き、分割線１０、２８０℃以下のＤＳＣ曲線９およびベースライン８で囲まれる面積Ｖ_１を求めた。最後に、（Ｖ_１／Ｖ_０）×１００により２８０℃での液相率を算出した。一方、図３に示すように、２８０℃以下の温度で吸熱ピークが観測されなかった場合には、面積Ｖ_１が０であるため、２８０℃での液相率は０％ということになる。

固相率を以下のように求めた。図４に示すように、分割線１０、２８０℃以上のＤＳＣ曲線９およびベースライン８で囲まれる面積Ｖ_２を求めた。そして、（Ｖ_２／Ｖ_０）×１００により２８０℃での液相率を算出して固相率を得た。一方、図３に示すように、２８０℃以上でのみ吸熱ピークが観測された場合には、Ｖ_２＝Ｖ_０となり、２８０℃での固相率は１００％となる。

合金組成が本発明の範囲内にある実施例１〜４のはんだ合金では、いずれも溶融開始温度が２９９℃以上を示し、かつ、溶融終了温度が３７５℃以下を示した。また、はんだ合金の冷却速度によらず、いずれも固相率が１００％を示した。また、実施例１〜４のはんだ合金では、冷却速度が０．８℃／ｓｅｃでも固相率が１００％を示すことを確認した。特に実施例４のはんだ合金では、冷却速度が０．１℃／ｓｅｃでも固相率が１００％を示すことを確認した。

一方、ＡｇおよびＣｕが含有されていない比較例１、３および４のはんだ合金、Ｃｕが含有されていない比較例５〜７のはんだ合金、Ａｇが含有されていない比較例２、８および９のはんだ合金では、いずれも、本発明で規定する合金組成の範囲外であり、溶融開始温度が２３０℃程度と低く、冷却速度が１℃／ｓｅｃで固相率が１００％未満であった。

また、Ｓｂが本発明の範囲外である比較例１０〜１２のはんだ合金、Ａｇが本発明の範囲外である比較例１３〜１７のはんだ合金、およびＣｕが本発明の範囲外である比較例１８〜２１のはんだ合金でも、比較例１〜９のはんだ合金と同様に、溶融開始温度および固相率がいずれも満足のゆくものでなかった。また、比較例４、９、および１２のはんだ合金では、いずれも溶融終了温度が４００℃を超え、固相率が１００％未満であった。

このように、本発明に係るはんだ合金は、低融点相を形成せずに高い溶融開始温度を示すことが明らかになった。

ここで、表１に示す結果に基づいて、Ａｇの含有量およびＣｕの含有量が溶融開始温度に与える影響を説明する。まず、低融点相の主成分であるＳｎの含有量および低融点相の生成を抑制するＣｕの含有量を固定したときの、Ａｇの含有量と溶融開始温度との関係を説明する。

Ａｇの下限については、実施例１のはんだ合金と比較例１５のはんだ合金とを比較する。はんだ合金の合金組成は、いずれも、Ｓｎの含有量が４６％であり、Ｃｕの含有量が６％である。Ａｇの含有量が１３％である実施例１のはんだ合金では、溶融開始温度が２９９℃であるのに対し、Ａｇの含有量が１２％である比較例１５のはんだ合金では溶融開始温度が２２７℃であった。

Ａｇの上限については、実施例４のはんだ合金と比較例１７のはんだ合金とを比較する。はんだ合金の合金組成は、いずれも、Ｓｎの含有量が３４％であり、Ｃｕの含有量が８％である。Ａｇの含有量が１８％である実施例４のはんだ合金では溶融開始温度が３３７℃であるのに対し、Ａｇの含有量が１９％である比較例１７のはんだ合金では溶融開始温度が２２６℃であった。

このように、ＳｎおよびＣｕの含有量が一定である場合、Ａｇの含有量が１３〜１８％であると高い溶融開始温度を示すことが明らかになった。

次に、Ｓｎの含有量およびＡｇの含有量を固定したときの、Ｃｕの含有量と溶融開始温度との関係を説明する。

Ｃｕの下限については、実施例１のはんだ合金と比較例１９のはんだ合金とを比較する。はんだ合金の合金組成は、いずれも、Ｓｎの含有量が４６％であり、Ａｇの含有量が１３％である。Ｃｕの含有量が６％である実施例１のはんだ合金では、溶融開始温度が２９９℃であるのに対し、Ｃｕの含有量が５％である比較例１９のはんだ合金では溶融開始温度が２２８℃であった。

Ｃｕの上限については、実施例４のはんだ合金と比較例２０のはんだ合金とを比較する。はんだ合金の合金組成は、いずれも、Ｓｎの含有量が３４％であり、Ａｇの含有量が１８％である。Ｃｕの含有量が８％である実施例４のはんだ合金では溶融開始温度が３３７℃であるのに対し、Ｃｕの含有量が９％である比較例２０のはんだ合金では溶融開始温度が２２７℃であった。

このように、ＳｎおよびＡｇの含有量が一定である場合、Ｃｕの含有量が６〜８％であると高い溶融開始温度を示すことが明らかになった。

また、表１に示すように、実施例１〜４のはんだ合金は、前述の式（I）〜（III）を満たし、１℃／ｓｅｃで冷却しても低融点相が生成されなかった。一方、比較例１〜２１のはんだ合金では、Ｓｂ／Ａｇ、Ｓｂ／Ｃｕ、Ａｇ／Ｃｕの少なくとも一つが前述の範囲に入らず、１℃／ｓｅｃで冷却すると低融点相が生成された。

以上より、本発明に係るはんだ合金は、Ｓｎ−Ｓｂはんだ合金にＡｇおよびＣｕを所定量含有するため溶融開始温度が高く、実装時の冷却速度が低い場合であっても、低融点相の生成を抑制することができる。このように、本発明に係るはんだ合金は、はんだ付けに必要な冷却速度の設定範囲が広いため、実装条件のコントロールが容易であり、熱容量が異なる様々な種類の基板、部品に適用することができる。

Claims (6)

1. 質量％で、Ｓｂ：３５〜４０％、Ａｇ：１３〜１８％、Ｃｕ：６〜８％、および残部Ｓｎから成る合金組成を有する高温鉛フリーはんだ合金。
2. 更に、質量％で、Ｎｉ：０．０１〜０．１％を含有する、請求項１に記載の高温鉛フリーはんだ合金。
3. 前記合金組成の含有比が式（I）〜（III）を満たす、請求項１または２に記載の高温鉛フリーはんだ合金。
   ２．２０≦Ｓｂ／Ａｇ≦２．７５ （I）
   ４．９０≦Ｓｂ／Ｃｕ≦６．２０ （II）
   ２．０５≦Ａｇ／Ｃｕ≦２．５５ （III）
4. ２８０℃での固相率が１００％である、請求項１〜３のいずれかに記載の高温鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ継手。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の高温鉛フリーはんだ合金からなるプリフォーム材。
6. 請求項１〜４のいずれかに記載の高温鉛フリーはんだ合金を含有するはんだペースト。

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