JP5279714B2 - 接合用組成物 - Google Patents
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Description
本発明は、接合強度および接合に係る信頼性に優れた接合用組成物に関する。
接合用組成物は、例えば、電力制御計算機の基板、家電製品、パーソナルコンピュータなどの、熱サイクル、機械的衝撃、機械的振動などを伴う厳しい環境下で使用される複数の要素部品を機械的かつ電気的に接続する重要な役割を担っている。このような接合用組成物を用いて接合した要素部材において、接合強度や熱疲労強度などの機械的強度の向上、さらに、ぬれ性などの物理的性質の向上が要求されている。
接合用組成物であるはんだは、主として溶融して使用されるため、空気中または溶融はんだ中に含まれる酸素と反応して多量の酸化物が生成されることがある。そのため、機械的強度が低下するなどの問題が生じる。この問題を解決するために、例えば、特開平１１−２２６７７６号公報や特開２０００−３４３２７３公報には、ゲルマニウム（Ｇｅ）を添加して酸化防止を図る技術が開示されている（例えば、特許文献１、２参照）。
また、文献（例えば、「各種鉛フリーはんだの銅およびステンレス鋼に対する溶食性比較：末永 将一 他、マイクロ接合研究委員会、ＭＡＴＥ２００４ Ｐｒｏｇｒａｍ４−５」、「Dissolution of electroless Ni-metallization by lead free solder alloys： Ahmed Sharif 他，Journal of alloys and compounds，３８８（２００５）」）によれば、従来のＳｎ合金系の接合用組成物を用いて、鉄系材料、Ｎｉ系材料、Ｆｅ−Ｎｉ系材料、若しくはＮｉめっきしたその他の金属材料、例えば、Ｃｕ系材料、Ａｌ系材料、Ｍｇ系材料などを接合する場合、Ｓｎと鉄およびＮｉの反応速度が速いために、初期段階で接合界面に、それぞれ粗大な金属間化合物であるＳｎ（Ｆｅ）、Ｓｎ（Ｎｉ）、Ｓｎ（Ｆｅ，Ｎｉ）などが形成されることがある。
上記したように、従来のＳｎ合金系の接合用組成物を用いて接合する場合、接合界面に粗大な金属間化合物が形成されるため、脆化による接合強度の低下や冷却時におけるクラックの発生などが問題となっていた。また、この接合用組成物を用いた各種の生産設備において、溶融したＳｎ系の合金組成物と鉄系の機器の接触反応によって鉄が溶出し、機器の寿命が低下したり、合金組成物の組成が変化するなどの問題もあった。
特開平１１−２２６７７６号公報
特開２０００−３４３２７３公報
「各種鉛フリーはんだの銅およびステンレス鋼に対する溶食性比較」末永 将一 他、マイクロ接合研究委員会、ＭＡＴＥ２００４ Ｐｒｏｇｒａｍ４−５
「Dissolution of electroless Ni-metallization by lead free solder alloys」 Ahmed Sharif 他，Journal of alloys and compounds，３８８（２００５）
そこで、本発明の目的は、接合強度に優れ、高い信頼性を有する接合用組成物を提供することである。
本発明の一態様によれば、Ｇｅを０．０１〜１重量％およびＳｉを０．０１〜１重量％含有し、残部がＳｎまたはＳｎ合金からなることを特徴とする接合用組成物が提供される。
また、本発明の一態様によれば、上記した接合用組成物において、Ｃｏを０．０１〜１重量％さらに含有することを特徴とする接合用組成物が提供される。
また、本発明の一態様によれば、上記した接合用組成物において、Ｔｉを０．０１〜１重量％さらに含有することを特徴とする接合用組成物が提供される。
１０、１１…被接合部材、１２…接合用組成物、２０…第１反応層、２１…第２反応層。
以下、本発明に係る一実施の形態の接合用組成物について説明する。
本発明に係る一実施の形態の接合用組成物は、Ｇｅ（ゲルマニウム）を０．０１〜１重量％およびＳｉ（ケイ素）を０．０１〜１重量％含有し、残部がＳｎ（スズ）またはＳｎ合金で構成されている。
ＧｅとＳｉは全率固溶するため、ＧｅとＳｉとを含有することで、ＧｅとＳｉは接合される被接合部材が、鉄系材料、Ｎｉ系材料、Ｆｅ−Ｎｉ系材料、若しくはＮｉめっきした金属材料で形成されている場合、被接合部材と接合用組成物との接合界面に、Ｓｎ（Ｆｅ，Ｇｅ，Ｓｉ）、Ｓｎ（Ｎｉ，Ｇｅ，Ｓｉ）、Ｓｎ（Ｆｅ，Ｎｉ，Ｇｅ，Ｓｉ）などの金属間化合物を形成する。これらの金属間化合物の形成によって、脆化による接合強度の低下や冷却時におけるクラックの発生などの原因となる、Ｓｎ（Ｆｅ）、Ｓｎ（Ｎｉ）、Ｓｎ（Ｆｅ，Ｎｉ）などの金属間化合物の成長が抑制される。
なお、Ｇｅを含有せずに、Ｓｉのみを含有する場合には、ＳｉがＳｎ、Ｆｅ、Ｎｉと金属間化合物を形成し難いため、Ｓｎ（Ｆｅ）、Ｓｎ（Ｎｉ）、Ｓｎ（Ｆｅ，Ｎｉ）などの金属間化合物の成長を抑制する効果は得られない。
ここで、Ｇｅの含有率を０．０１〜１重量％とするのは、Ｇｅの含有率が０．０１重量％よりも小さい場合には、Ｓｎ（Ｆｅ）、Ｓｎ（Ｎｉ）、Ｓｎ（Ｆｅ，Ｎｉ）などの金属間化合物の成長を抑制する効果が低くなるからである。一方、Ｇｅの含有率が１重量％よりも大きい場合には、接合用組成物に含有する金属元素と結合して、粗大な金属間化合物を形成し、接合用組成物の強度を低下させる場合があるからである。
また、Ｓｉの含有率を０．０１〜１重量％とするのは、Ｓｉの含有率が０．０１重量％よりも小さい場合には、Ｓｎ（Ｆｅ）、Ｓｎ（Ｎｉ）、Ｓｎ（Ｆｅ，Ｎｉ）などの金属間化合物の成長を抑制する効果が低くなるからである。一方、Ｓｉの含有率が１重量％よりも大きい場合には、接合用組成物に含有する金属元素と結合して、粗大な金属間化合物を形成し、接合用組成物の強度を低下させる場合があるからである。
Ｓｎ合金は、Ｓｎを含有する公知な合金からなり、接合用組成物によって部材を接合する際の温度条件などによって、適宜に選択される。使用するＳｎ合金としては、例えば、Ｓｎ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎ系、Ｓｎ−Ｚｎ系、Ｓｎ−Ｂｉ系、Ｓｎ−Ｓｂ系、Ｓｎ−Ｉｎ系、Ｓｎ−Ｐｂ系などのＳｎ合金が挙げられる。ここで、Ｓｎに、Ｃｕ（銅）やＡｇ（銀）を含有することにより、この接合用組成物を用いて接合した被接合部材において、接合強度や熱疲労強度などの機械的強度が向上される。また、Ｓｎ合金に、Ｂｉ（ビスマス）、Ｉｎ（インジウム）、Ｓｂ（アンチモン）を含有することにより、接合用組成物の融点を調整するとともに、この接合用組成物を用いて接合した被接合部材において、接合強度や熱疲労強度などの機械的強度、およびぬれ性などの物理的性質が向上される。以下に、これらのＳｎ合金について説明する。なお、以下に示すＳｎ合金は、代表的なものの例示であり、これらに限定されるものではない。また、以下に示す組成における含有率は、特に明記する場合を除いて重量％で示している。
（１）Ｓｎ−Ｃｕ系
Ｓｎ−Ｃｕ系では、例えばＳｎ−０．７５Ｃｕ等のＳｎ合金が使用される。この０．７５ＣｕでＳｎとＳｎ−Ｃｕ金属間化合物の共晶（共晶温度２２７℃）となる。このＳｎ合金は、例えば、高融点の接合用組成物を構成する際に用いられる。
Ｓｎ−Ｃｕ系では、例えばＳｎ−０．７５Ｃｕ等のＳｎ合金が使用される。この０．７５ＣｕでＳｎとＳｎ−Ｃｕ金属間化合物の共晶（共晶温度２２７℃）となる。このＳｎ合金は、例えば、高融点の接合用組成物を構成する際に用いられる。
（２）Ｓｎ−Ａｇ系
Ｓｎ−Ａｇ系では、例えばＳｎ−３．５Ａｇ等のＳｎ合金が使用される。この３．５ＡｇでＳｎとＳｎ（Ａｇ）金属間化合物の共晶（共晶温度２２１℃）となる。このＳｎ合金は、例えば、高融点の接合用組成物を構成する際に用いられ、機械的強度も優れている。
Ｓｎ−Ａｇ系では、例えばＳｎ−３．５Ａｇ等のＳｎ合金が使用される。この３．５ＡｇでＳｎとＳｎ（Ａｇ）金属間化合物の共晶（共晶温度２２１℃）となる。このＳｎ合金は、例えば、高融点の接合用組成物を構成する際に用いられ、機械的強度も優れている。
（３）Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系
Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のうちの低Ａｇ系では、高価なＡｇの含有量が少なく構成され、例えば、Ａｇを１重量％前後含有する。この低Ａｇ系のＳｎ合金として、例えば、Ｓｎ−０．７Ａｇ−０．３Ｃｕ（融点２１７〜２２７℃）、Ｓｎ−１．２Ａｇ−０．８Ｃｕ（融点２１８〜２２２℃）等が挙げられる。
Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のうちの低Ａｇ系では、高価なＡｇの含有量が少なく構成され、例えば、Ａｇを１重量％前後含有する。この低Ａｇ系のＳｎ合金として、例えば、Ｓｎ−０．７Ａｇ−０．３Ｃｕ（融点２１７〜２２７℃）、Ｓｎ−１．２Ａｇ−０．８Ｃｕ（融点２１８〜２２２℃）等が挙げられる。
Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のうちの高Ａｇ系は、低Ａｇ系よりも接合強度が高く、この高Ａｇ系として、例えば、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系３元系共晶であるＳｎ−４．７Ａｇ−１．７Ｃｕ（共晶温度２１７℃）、Ｓｎ−３．５Ａｇ−０．９Ｃｕ（共晶温度２１７℃）、Ｓｎ−３．２Ａｇ−０．６Ｃｕ（共晶温度２１７℃）等が挙げられる。この共晶組成以外にも、高Ａｇ系のＳｎ合金として、例えば、Ｓｎ−３．８Ａｇ−０．７Ｃｕ（融点２１７〜２２０℃）、Ｓｎ−４Ａｇ−０．５Ｃｕ（融点２１７〜２２５℃）等が挙げられる。
（４）Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ系
このＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ系では、ぬれ性を向上させるためやリフロー温度を低下させるために、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系にＢｉを３重量％以下の範囲で添加している。このＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ系のＳｎ合金として、例えば、Ｓｎ−２．５Ａｇ−０．５Ｃｕ−１Ｂｉ（融点２１４〜２２１℃）、Ｓｎ−２Ａｇ−０．５Ｃｕ−２Ｂｉ（融点２１１〜２２１℃）等が挙げられる。
このＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ系では、ぬれ性を向上させるためやリフロー温度を低下させるために、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系にＢｉを３重量％以下の範囲で添加している。このＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｂｉ系のＳｎ合金として、例えば、Ｓｎ−２．５Ａｇ−０．５Ｃｕ−１Ｂｉ（融点２１４〜２２１℃）、Ｓｎ−２Ａｇ−０．５Ｃｕ−２Ｂｉ（融点２１１〜２２１℃）等が挙げられる。
（５）Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎ系
Ｉｎ添加は、融点を下げ、ぬれ性を向上させるため、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎ系のＳｎ合金では、Ｂｉ添加量よりも比較的多量のＩｎが添加され、脆いＢｉ偏析相の形成を少なくしている。このＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎ系のＳｎ合金として、例えば、Ｓｎ−３．５Ａｇ−２．５Ｂｉ−２．５Ｉｎ（融点１９０〜２１０℃）、Ｓｎ−３．５Ａｇ−３Ｂｉ−６Ｉｎ（融点１６５〜２０６℃）、Ｓｎ−３．５Ａｇ−０．５Ｂｉ−８Ｉｎ（融点１７０〜２０６℃）等が挙げられる。
Ｉｎ添加は、融点を下げ、ぬれ性を向上させるため、Ｓｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎ系のＳｎ合金では、Ｂｉ添加量よりも比較的多量のＩｎが添加され、脆いＢｉ偏析相の形成を少なくしている。このＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎ系のＳｎ合金として、例えば、Ｓｎ−３．５Ａｇ−２．５Ｂｉ−２．５Ｉｎ（融点１９０〜２１０℃）、Ｓｎ−３．５Ａｇ−３Ｂｉ−６Ｉｎ（融点１６５〜２０６℃）、Ｓｎ−３．５Ａｇ−０．５Ｂｉ−８Ｉｎ（融点１７０〜２０６℃）等が挙げられる。
（６）Ｓｎ−Ｚｎ系
Ｓｎ−Ｚｎ系として、Ｓｎ−９Ｚｎ共晶（共晶温度１９９℃）が挙げられる。このＳｎ−Ｚｎ系の合金は、融点が低く、機械的性質も良好で、経済的である。Ｚｎの含有率は、１〜１０重量％であることが好ましい。この範囲の含有率が好ましいのは、共晶組成を超え、Ｚｎの含有率が１０重量％よりも大きい場合には、粗大なＺｎの初晶が晶出して接合強度が低下するからである。また、Ｚｎは活性であるため酸化し易く、含有量が多くなるとぬれ性が低下する。一方、Ｚｎの含有率が１重量％よりも小さい場合には、十分な接合強度が得られないからである。
Ｓｎ−Ｚｎ系として、Ｓｎ−９Ｚｎ共晶（共晶温度１９９℃）が挙げられる。このＳｎ−Ｚｎ系の合金は、融点が低く、機械的性質も良好で、経済的である。Ｚｎの含有率は、１〜１０重量％であることが好ましい。この範囲の含有率が好ましいのは、共晶組成を超え、Ｚｎの含有率が１０重量％よりも大きい場合には、粗大なＺｎの初晶が晶出して接合強度が低下するからである。また、Ｚｎは活性であるため酸化し易く、含有量が多くなるとぬれ性が低下する。一方、Ｚｎの含有率が１重量％よりも小さい場合には、十分な接合強度が得られないからである。
また、溶融開始温度を低下させ、ぬれ性を向上させるために、Ｂｉを含有してもよい。Ｚｎと共に含有した場合、Ｂｉの含有率は、１〜１０重量％であることが好ましい。この範囲の含有率が好ましいのは、Ｂｉの含有率が１重量％よりも小さい場合には、十分な強度、ぬれ性の向上効果が得られず、１０重量％よりも大きい場合には、脆いＢｉ偏析相の形成により脆化することがあるからである。このＢｉを含有するＳｎ−Ｚｎ系のＳｎ合金として、例えば、Ｓｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉ（融点１８７〜１９９℃）等が挙げられる。
（７）Ｓｎ−Ｂｉ系
Ｓｎ−Ｂｉ系のＳｎ合金は融点が低く、Ｓｎ−Ｂｉ系のＳｎ合金として、共晶組成Ｓｎ−５８Ｂｉ（共晶温度１３９℃）が良好な機械的性質を呈している。Ｂｉの含有率は、１〜６０重量％であることが好ましい。この範囲の含有率が好ましいのは、共晶組成を超え、Ｂｉの含有率が６０重量％よりも大きい場合には、粗大で脆いＢｉの初晶が晶出し、脆化するからである。一方、Ｂｉの含有率が１重量％よりも小さい場合には、十分な接合強度が得られないからである。
Ｓｎ−Ｂｉ系のＳｎ合金は融点が低く、Ｓｎ−Ｂｉ系のＳｎ合金として、共晶組成Ｓｎ−５８Ｂｉ（共晶温度１３９℃）が良好な機械的性質を呈している。Ｂｉの含有率は、１〜６０重量％であることが好ましい。この範囲の含有率が好ましいのは、共晶組成を超え、Ｂｉの含有率が６０重量％よりも大きい場合には、粗大で脆いＢｉの初晶が晶出し、脆化するからである。一方、Ｂｉの含有率が１重量％よりも小さい場合には、十分な接合強度が得られないからである。
また、Ｓｎ−Ｂｉ系のＳｎ合金に、接合強度を向上させるために、Ｚｎを１〜１０重量％含有してもよい。この場合、Ｂｉの含有率が１〜１０重量％の範囲で十分な効果が得られる。また、接合強度を向上させるために、Ｓｎ−Ｂｉ系のＳｎ合金に、Ａｇを０．５〜３．５重量％含有してもよい。
（８）Ｓｎ−Ｓｂ系
Ｓｎ−Ｓｂ系のＳｎ合金は機械的強度に優れ、Ｓｎ−Ｓｂ系のＳｎ合金として、例えば、Ｓｎ−５Ｓｂ（融点２３６〜２４０℃）、Ｓｎ−９Ｓｂ（融点２４６℃）等が挙げられる。このＳｎ−Ｓｂ系のＳｎ合金において、Ｓｂの含有率を１〜１０重量％の範囲で組成することが好ましい。この範囲の含有率が好ましいのは、Ｓｂの含有率が１重量％よりも小さい場合には、十分な接合強度が得られず、１０重量％よりも大きい場合には、粗大なＺｎの初晶が晶出し、接合強度が低下するからである。
Ｓｎ−Ｓｂ系のＳｎ合金は機械的強度に優れ、Ｓｎ−Ｓｂ系のＳｎ合金として、例えば、Ｓｎ−５Ｓｂ（融点２３６〜２４０℃）、Ｓｎ−９Ｓｂ（融点２４６℃）等が挙げられる。このＳｎ−Ｓｂ系のＳｎ合金において、Ｓｂの含有率を１〜１０重量％の範囲で組成することが好ましい。この範囲の含有率が好ましいのは、Ｓｂの含有率が１重量％よりも小さい場合には、十分な接合強度が得られず、１０重量％よりも大きい場合には、粗大なＺｎの初晶が晶出し、接合強度が低下するからである。
（９）Ｓｎ−Ｉｎ系
Ｓｎ−Ｉｎ系のＳｎ合金は融点が低く、Ｓｎ−Ｉｎ系のＳｎ合金として、低融点で、良好な機械的性質を呈する共晶組成Ｓｎ−５２Ｉｎ（融点１１７℃）が挙げられる。Ｉｎは、活性であるため酸化し易く、含有量が多くなると大気中での接合、実装が困難となる。Ｉｎの含有率が、共晶組成５２重量％よりも大きい場合には、粗大な晶出相が出現し、接合強度が低下する。一方、経済的な観点から、Ｉｎの含有量は少なく抑えれている。また、例えば、Ｉｎの含有率１〜１０重量％のＳｎ−Ｉｎ系のＳｎ合金に、接合強度を向上させるために、Ｚｎを１〜１０重量％含有してもよい。また、接合強度を向上させるために、Ｓｎ−Ｉｎ系のＳｎ合金に、Ａｇを０．５〜３．５重量％、Ｃｕを０．５〜０．７５重量％を含有してもよい。
Ｓｎ−Ｉｎ系のＳｎ合金は融点が低く、Ｓｎ−Ｉｎ系のＳｎ合金として、低融点で、良好な機械的性質を呈する共晶組成Ｓｎ−５２Ｉｎ（融点１１７℃）が挙げられる。Ｉｎは、活性であるため酸化し易く、含有量が多くなると大気中での接合、実装が困難となる。Ｉｎの含有率が、共晶組成５２重量％よりも大きい場合には、粗大な晶出相が出現し、接合強度が低下する。一方、経済的な観点から、Ｉｎの含有量は少なく抑えれている。また、例えば、Ｉｎの含有率１〜１０重量％のＳｎ−Ｉｎ系のＳｎ合金に、接合強度を向上させるために、Ｚｎを１〜１０重量％含有してもよい。また、接合強度を向上させるために、Ｓｎ−Ｉｎ系のＳｎ合金に、Ａｇを０．５〜３．５重量％、Ｃｕを０．５〜０．７５重量％を含有してもよい。
（１０）Ｓｎ−Ｐｂ系
Ｓｎ−Ｐｂ系のＳｎ合金として、良好な機械的性質とぬれ性を呈する共晶組成Ｓｎ−３７Ｐｂ（共晶温度１８３℃）が一般に用いられている。高融点はんだとして、Ｓｎ−９８Ｐｂ（３１６〜３２２℃）、Ｓｎ−９０Ｐｂ（２６８〜３０１℃）などが挙げられる。このＳｎ−Ｐｂ系のＳｎ合金において、Ｐｂの含有率を５〜９８重量％の範囲で組成することが好ましい。この範囲の含有率が好ましいのは、Ｐｂの含有率が５重量％よりも小さい場合には、十分な接合強度およびぬれ性が得られず、９８重量％よりも大きい場合には、硬度が低下するとともに、十分なぬれ性が得られないからである。
Ｓｎ−Ｐｂ系のＳｎ合金として、良好な機械的性質とぬれ性を呈する共晶組成Ｓｎ−３７Ｐｂ（共晶温度１８３℃）が一般に用いられている。高融点はんだとして、Ｓｎ−９８Ｐｂ（３１６〜３２２℃）、Ｓｎ−９０Ｐｂ（２６８〜３０１℃）などが挙げられる。このＳｎ−Ｐｂ系のＳｎ合金において、Ｐｂの含有率を５〜９８重量％の範囲で組成することが好ましい。この範囲の含有率が好ましいのは、Ｐｂの含有率が５重量％よりも小さい場合には、十分な接合強度およびぬれ性が得られず、９８重量％よりも大きい場合には、硬度が低下するとともに、十分なぬれ性が得られないからである。
上記したように、本発明に係る接合用組成物に含まれるＳｎ合金は、広い範囲で選択可能であり、様々な用途に適応した接合用組成物を構成することができる。
また、本発明に係る接合用組成物によれば、ＧｅとＳｉとを含有することで、例えば、被接合部材が、鉄系材料、Ｎｉ系材料、Ｆｅ−Ｎｉ系材料、若しくはＮｉめっきした金属材料で形成されている場合、被接合部材と接合用組成物との接合界面に、Ｓｎ（Ｆｅ，Ｇｅ，Ｓｉ）、Ｓｎ（Ｎｉ，Ｇｅ，Ｓｉ）、Ｓｎ（Ｆｅ，Ｎｉ，Ｇｅ，Ｓｉ）などの金属間化合物を形成し、機械的強度の低下に繋がる、Ｓｎ（Ｆｅ）、Ｓｎ（Ｎｉ）、Ｓｎ（Ｆｅ，Ｎｉ）などの金属間化合物の成長を抑制することができる。すなわち、被接合部材と、ＳｎまたはＳｎ合金との反応を抑制し、接合界面における、Ｓｎ（Ｆｅ）、Ｓｎ（Ｎｉ）、Ｓｎ（Ｆｅ，Ｎｉ）などの金属間化合物の成長を抑制することができる。
ここで、上記した、Ｇｅを０．０１〜１重量％およびＳｉを０．０１〜１重量％含有し、残部がＳｎ（スズ）またはＳｎ合金で構成る接合用組成物に、さらに、Ｃｏ（コバルト）を０．０１〜１重量％含有してもよい。この範囲のＣｏの含有率が好ましいのは、Ｃｏの含有率が０．０１重量％よりも小さい場合には、Ｓｎ（Ｆｅ）、Ｓｎ（Ｎｉ）、Ｓｎ（Ｆｅ，Ｎｉ）などの金属間化合物の成長を抑制する効果が低いからである。また、Ｃｏの含有率が１重量％よりも大きい場合には、他の金属元素と結合して粗大な金属間化合物を形成し、強度低下に繋がることがあるからである。
このように、Ｃｏを含有することによって、例えば、被接合部材が、鉄系材料、Ｎｉ系材料、Ｆｅ−Ｎｉ系材料、若しくはＮｉめっきした金属材料で形成されている場合、被接合部材と接合用組成物との接合界面に、それぞれＳｎ（Ｆｅ，Ｇｅ，Ｓｉ，Ｃｏ）、Ｓｎ（Ｎｉ，Ｇｅ，Ｓｉ，Ｃｏ）、Ｓｎ（Ｆｅ，Ｎｉ，Ｇｅ，Ｓｉ，Ｃｏ）などの金属間化合物を形成し、機械的強度の低下に繋がる、Ｓｎ（Ｆｅ）、Ｓｎ（Ｎｉ）、Ｓｎ（Ｆｅ，Ｎｉ）などの金属間化合物の成長を抑制することができる。
また、上記した、Ｇｅを０．０１〜１重量％およびＳｉを０．０１〜１重量％含有し、残部がＳｎ（スズ）またはＳｎ合金で構成る接合用組成物に、さらに、Ｔｉ（チタン）を０．０１〜１重量％含有してもよい。この範囲のＴｉの含有率が好ましいのは、Ｔｉの含有率が０．０１重量％よりも小さい場合には、Ｓｎ（Ｆｅ）、Ｓｎ（Ｎｉ）、Ｓｎ（Ｆｅ，Ｎｉ）の金属間化合物の成長を抑制する効果が小さいからである。また、Ｔｉの含有率が１重量％よりも大きい場合には、他の金属元素と結合して粗大な金属間化合物を形成し、強度低下させる場合がある。なお、上記したＣｏを添加した接合用組成物に、上記した範囲でＴｉを添加してもよい。
このように、Ｔｉを含有することによって、例えば、被接合部材が、鉄系材料、Ｎｉ系材料、Ｆｅ−Ｎｉ系材料、若しくはＮｉめっきした金属材料で形成されている場合、被接合部材と接合用組成物との接合界面に、それぞれＳｎ（Ｆｅ，Ｇｅ，Ｓｉ，Ｔｉ）、Ｓｎ（Ｎｉ，Ｇｅ，Ｓｉ，Ｔｉ）、Ｓｎ（Ｆｅ，Ｎｉ，Ｇｅ，Ｓｉ，Ｔｉ）などの金属間化合物を形成し、機械的強度の低下に繋がる、Ｓｎ（Ｆｅ）、Ｓｎ（Ｎｉ）、Ｓｎ（Ｆｅ，Ｎｉ）などの金属間化合物の成長を抑制することができる。
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
次に、本発明に係る接合用組成物を用いて被接合部材を接合した場合に、優れた接合強度を有すことを、以下の実施例および比較例によって説明する。図１は、本発明に係る接合用組成物を用いて被接合部材を接合した状態を示す斜視図である。
（実施例１）
日本工業規格「ＪＩＳ Ｚ ３１９８−５」の鉛フリーはんだ試験方法に基づき、図１に示すように、鉄系材料（ＳＳ４００）からなる２枚の被接合部材１０、１１の継手部に厚さが１００μｍのＳｎ−０．１重量％Ｇｅ−０．１重量％Ｓｉからなる接合用組成物１２を挿入し、フラックスを滴下した後、温度が２５０℃の窒素雰囲気中で９０秒間加熱し、被接合部材１０、１１を接合した。この接合用組成物１２によって接合された被接合部材１０、１１を用いて、「ＪＩＳ Ｚ ３１９８−５」の１号せん断試験片を作製した。
日本工業規格「ＪＩＳ Ｚ ３１９８−５」の鉛フリーはんだ試験方法に基づき、図１に示すように、鉄系材料（ＳＳ４００）からなる２枚の被接合部材１０、１１の継手部に厚さが１００μｍのＳｎ−０．１重量％Ｇｅ−０．１重量％Ｓｉからなる接合用組成物１２を挿入し、フラックスを滴下した後、温度が２５０℃の窒素雰囲気中で９０秒間加熱し、被接合部材１０、１１を接合した。この接合用組成物１２によって接合された被接合部材１０、１１を用いて、「ＪＩＳ Ｚ ３１９８−５」の１号せん断試験片を作製した。
このせん断試験片における被接合部材１０、１１と接合用組成物１２の接合界面を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ；Scanning Electron Microscope）およびＸ線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ；Electron Probe Micro-Analysis）を用いて観察および分析した。ここで、Ｘ線マイクロアナライザは、非常に細く絞った電子線を試料の表面に照射し、その部分から発生する特性Ｘ線の波長や強度、二次電子や反射電子の量等を測定することによって、試料の形状の他、試料表面に含まれる元素の種類や量およびその分布状態等を調べることができる装置である。また、上記したせん断試験片を用いて、引張速度が１ｍｍ/ｍｉｎの条件でせん断試験を行なった。
図２は、せん断試験片における被接合部材１０、１１と接合用組成物１２の接合界面を観察および分析した結果を模式的に示す図である。なお、図２には、被接合部材１０側の接合界面について示しているが、被接合部材１１側の接合界面においても、被接合部材１０側の接合界面と同様の結果が得られた。
図２に示すように、被接合部材１０から順に、厚さが約１μｍのＳｎ（Ｆｅ，Ｇｅ，Ｓｉ）の金属間化合物からなる第１反応層２０と、厚さが５〜７μｍのＳｎ（Ｆｅ）の金属間化合物からなる第２反応層２１とが積層された状態で観察された。また、第１反応層２０は、被接合部材１０の表面全体に亘って形成されていた。
せん断試験の結果、接合部のせん断強度は、２３ＭＰａであった。また、せん断破壊は、接合用組成物１２内で発生していた。
（比較例１）
比較例１で使用したせん断試験片は、接合用組成物１２として、Ｓｎ−０．２重量％Ｇｅを用いた以外は、実施例１で使用したせん断試験片の構成と同じである。
比較例１で使用したせん断試験片は、接合用組成物１２として、Ｓｎ−０．２重量％Ｇｅを用いた以外は、実施例１で使用したせん断試験片の構成と同じである。
また、実施例１と同様に、このせん断試験片における被接合部材１０、１１と接合用組成物１２の接合界面を、走査型電子顕微鏡およびＸ線マイクロアナライザを用いて観察および分析した。また、実施例１と同じ実験条件の下、このせん断試験片を用いてせん断試験を行なった。
図３は、せん断試験片における被接合部材１０、１１と接合用組成物１２の接合界面を観察および分析した結果を模式的に示す図である。なお、図３には、被接合部材１０側の接合界面について示しているが、被接合部材１１側の接合界面においても、被接合部材１０側の接合界面と同様の結果が得られた。
図３に示すように、被接合部材１０から順に、厚さが約１μｍのＳｎ（Ｆｅ，Ｇｅ）の金属間化合物が被接合部材１０の表面に散在する第１反応層２０と、厚さが７〜１０μｍのＳｎ（Ｆｅ）の金属間化合物が、第１反応層２０または被接合部材１０に積層して形成された第２反応層２１とが観察された。
せん断試験の結果、接合部のせん断強度は、２０ＭＰａであった。また、接合用組成物１２と第２反応層２１の界面に沿ってせん断破壊が発生していた。さらに、第２反応層２１内部の破壊も局所的に観察された。
（実施例１および比較例１における結果の検討）
実施例１と比較例１における結果から、実施例１のように、ＧｅとＳｉを含有した接合用組成物を使用した場合、ＧｅとＳｉがともに、被接合部材１０、１１と接合用組成物１２の接合界面へ拡散し、被接合部材１０の表面全体に亘って、Ｓｎ（Ｆｅ，Ｇｅ，Ｓｉ）の金属間化合物からなる第１反応層２０が形成された。これによって、被接合部材１０、１１を構成するＦｅの接合用組成物１２側への拡散が阻止され、第１反応層２０上に積層して形成される第２反応層２１の成長が抑制されることがわかった。
実施例１と比較例１における結果から、実施例１のように、ＧｅとＳｉを含有した接合用組成物を使用した場合、ＧｅとＳｉがともに、被接合部材１０、１１と接合用組成物１２の接合界面へ拡散し、被接合部材１０の表面全体に亘って、Ｓｎ（Ｆｅ，Ｇｅ，Ｓｉ）の金属間化合物からなる第１反応層２０が形成された。これによって、被接合部材１０、１１を構成するＦｅの接合用組成物１２側への拡散が阻止され、第１反応層２０上に積層して形成される第２反応層２１の成長が抑制されることがわかった。
また、せん断試験の結果から、第２反応層２１の成長を抑制することによって、粗大なＳｎ（Ｆｅ）の金属間化合物と接合用組成物１２の界面の形成や、第２反応層２１内部の脆性破壊が回避され、せん断破壊が接合用組成物１２内で発生することがわかった。これによって、優れた接合強度を有することが明らかになった。
また、比較例１のように、Ｇｅを単独で含有する、Ｓｎ−ＧｅからなるＳｎ合金で接合用組成物１２を構成した場合、Ｓｎ（Ｆｅ，Ｇｅ）の金属間化合物が被接合部材１０の表面に散在するため、第２反応層２１であるＳｎ（Ｆｅ）の金属間化合物の成長を抑制する十分な効果が得られないことがわかった。
（実施例２）
実施例２で使用したせん断試験片は、接合用組成物１２として、Ｓｎ−０．７重量％Ｃｕ−０．０５重量％Ｇｅ−０．０５重量％Ｓｉを用いた以外は、実施例１で使用したせん断試験片の構成と同じである。
実施例２で使用したせん断試験片は、接合用組成物１２として、Ｓｎ−０．７重量％Ｃｕ−０．０５重量％Ｇｅ−０．０５重量％Ｓｉを用いた以外は、実施例１で使用したせん断試験片の構成と同じである。
また、実施例１と同様に、このせん断試験片における被接合部材１０、１１と接合用組成物１２の接合界面を、走査型電子顕微鏡およびＸ線マイクロアナライザを用いて観察および分析した。また、実施例１と同じ実験条件の下、このせん断試験片を用いてせん断試験を行なった。
図４は、せん断試験片における被接合部材１０、１１と接合用組成物１２の接合界面を観察および分析した結果を模式的に示す図である。なお、図４には、被接合部材１０側の接合界面について示しているが、被接合部材１１側の接合界面においても、被接合部材１０側の接合界面と同様の結果が得られた。
図４に示すように、被接合部材１０から順に、厚さが約１μｍのＳｎ（Ｆｅ，Ｇｅ，Ｓｉ）の金属間化合物からなる第１反応層２０と、厚さが５〜７μｍのＳｎ（Ｆｅ）の金属間化合物からなる第２反応層２１とが積層された状態で観察された。また、第１反応層２０は、被接合部材１０の表面全体に亘って形成されていた。また、接合界面の反応層２０、２１には、Ｃｕの存在が認められず、接合用組成物１２内部にはＳｎとη相（Ｃｕ６Ｓｎ５）の共晶組織と局所的η相（Ｃｕ６Ｓｎ５）の晶出（図４の符号３０）が観察された。
せん断試験の結果、接合部のせん断強度は、３０ＭＰａであった。また、せん断破壊は、接合用組成物１２内で発生していた。
（実施例３）
実施例３で使用したせん断試験片は、接合用組成物１２として、Ｓｎ−３．５量％Ａｇ−０．０５重量％Ｇｅ−０．０５重量％Ｓｉを用いた以外は、実施例１で使用したせん断試験片の構成と同じである。
実施例３で使用したせん断試験片は、接合用組成物１２として、Ｓｎ−３．５量％Ａｇ−０．０５重量％Ｇｅ−０．０５重量％Ｓｉを用いた以外は、実施例１で使用したせん断試験片の構成と同じである。
また、実施例１と同様に、このせん断試験片における被接合部材１０、１１と接合用組成物１２の接合界面を、走査型電子顕微鏡およびＸ線マイクロアナライザを用いて観察および分析した。また、実施例１と同じ実験条件の下、このせん断試験片を用いてせん断試験を行なった。なお、実施例３における分析結果から、図４に示した実施例２の反応層の形成構造と同様の反応層の形成構造を有することがわかったので、ここでは図４を参照して説明する。ここで、実施例２の反応層の形成構造と同様の反応層の形成構造とは、第１反応層２０上に第２反応層２１が積層し、それぞれの層の厚さも図４に示されたものとほぼ同じであることをいう。なお、第２反応層２１の凹凸形状を構成する山谷の位置や、図中に３０で示される晶出の分布などは異なる。
分析した結果、図４に示すように、被接合部材１０から順に、厚さが約１μｍのＳｎ（Ｆｅ，Ｇｅ，Ｓｉ）の金属間化合物からなる第１反応層２０と、厚さが５〜７μｍのＳｎ（Ｆｅ）の金属間化合物からなる第２反応層２１とが積層された状態で観察された。第１反応層２０は、被接合部材１０の表面全体に亘って形成されていた。また、接合界面の反応層２０、２１には、Ａｇの存在が認められず、接合用組成物１２内部にはＳｎとη相（Ａｇ３Ｓｎ）の共晶組織と局所的η相（Ａｇ３Ｓｎ）の晶出（図４の符号３０）が観察された。
せん断試験の結果、接合部のせん断強度は、３２ＭＰａであった。また、せん断破壊は、接合用組成物１２内で発生していた。
このように、ＧｅおよびＳｉがともに、被接合部材１０、１１と接合用組成物１２の接合界面へ拡散し、被接合部材１０の表面全体に亘って、Ｓｎ（Ｆｅ，Ｇｅ，Ｓｉ）の金属間化合物からなる第１反応層２０が形成されることがわかった。これによって、被接合部材１０、１１を構成するＦｅの接合用組成物１２側への拡散が阻止され、第１反応層２０上に積層して形成される第２反応層２１の成長が抑制されることがわかった。
（実施例４）
実施例４で使用したせん断試験片は、接合用組成物１２として、Ｓｎ−３重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕ−０．０５重量％Ｇｅ−０．０５重量％Ｓｉを用い、被接合部材１０、１１をＦｅ−４２重量％Ｎｉで形成した以外は、実施例１で使用したせん断試験片の構成と同じである。
実施例４で使用したせん断試験片は、接合用組成物１２として、Ｓｎ−３重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕ−０．０５重量％Ｇｅ−０．０５重量％Ｓｉを用い、被接合部材１０、１１をＦｅ−４２重量％Ｎｉで形成した以外は、実施例１で使用したせん断試験片の構成と同じである。
また、実施例１と同様に、このせん断試験片における被接合部材１０、１１と接合用組成物１２の接合界面を、走査型電子顕微鏡およびＸ線マイクロアナライザを用いて観察および分析した。また、実施例１と同じ実験条件の下、このせん断試験片を用いてせん断試験を行なった。なお、実施例４における分析結果から、図４に示した実施例２の反応層の形成構造と同様の反応層の形成構造を有することがわかったので、ここでは図４を参照して説明する。ここで、実施例２の反応層の形成構造と同様の反応層の形成構造とは、第１反応層２０上に第２反応層２１が積層し、それぞれの層の厚さも図４に示されたものとほぼ同じであることをいう。なお、第２反応層２１の凹凸形状を構成する山谷の位置や、図中に３０で示される晶出の分布などは異なる。
分析した結果、図４に示すように、被接合部材１０から順に、厚さが約１μｍのＳｎ（Ｆｅ，Ｎｉ，Ｇｅ，Ｓｉ）の金属間化合物からなる第１反応層２０と、厚さが５〜７μｍのＳｎ（Ｆｅ，Ｎｉ）の金属間化合物からなる第２反応層２１とが積層された状態で観察された。また、第１反応層２０は、被接合部材１０の表面全体に亘って形成されていた。接合界面の反応層２０、２１には、Ａｇ、Ｃｕの存在が認められず、接合用組成物１２内部には、Ｓｎとη相（Ａｇ３Ｓｎ）の共晶組織、Ｓｎとη相（Ｃｕ６Ｓｎ５）の共晶組織、局所的η相（Ａｇ３Ｓｎ）および局所的η相（Ｃｕ６Ｓｎ５）の晶出（図４の符号３０）が観察された。
せん断試験の結果、接合部のせん断強度は、３８ＭＰａであった。また、せん断破壊は、接合用組成物１２内で発生していた。
（実施例５）
実施例５で使用したせん断試験片は、接合用組成物１２として、Ｓｎ−３重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕ−１．０重量％Ｂｉ−０．０５重量％Ｇｅ−０．０５重量％Ｓｉを用い、被接合部材１０、１１を日本工業規格（ＪＩＳ）Ｓ４５Ｃ鋼材で形成した以外は、実施例１で使用したせん断試験片の構成と同じである。
実施例５で使用したせん断試験片は、接合用組成物１２として、Ｓｎ−３重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕ−１．０重量％Ｂｉ−０．０５重量％Ｇｅ−０．０５重量％Ｓｉを用い、被接合部材１０、１１を日本工業規格（ＪＩＳ）Ｓ４５Ｃ鋼材で形成した以外は、実施例１で使用したせん断試験片の構成と同じである。
また、実施例１と同様に、このせん断試験片における被接合部材１０、１１と接合用組成物１２の接合界面を、走査型電子顕微鏡およびＸ線マイクロアナライザを用いて観察および分析した。また、実施例１と同じ実験条件の下、このせん断試験片を用いてせん断試験を行なった。なお、実施例４における分析結果から、図４に示した実施例２の反応層の形成構造と同様の反応層の形成構造を有することがわかったので、ここでは図４を参照して説明する。ここで、実施例２の反応層の形成構造と同様の反応層の形成構造とは、第１反応層２０上に第２反応層２１が積層し、それぞれの層の厚さも図４に示されたものとほぼ同じであることをいう。なお、第２反応層２１の凹凸形状を構成する山谷の位置や、図中に３０で示される晶出の分布などは異なる。
分析した結果、図４に示すように、被接合部材１０から順に、厚さが約１μｍのＳｎ（Ｆｅ，Ｇｅ，Ｓｉ）の金属間化合物からなる第１反応層２０と、厚さが５〜７μｍのＳｎ（Ｆｅ）の金属間化合物からなる第２反応層２１とが積層された状態で観察された。また、第１反応層２０は、被接合部材１０の表面全体に亘って形成されていた。接合界面の反応層２０、２１には、Ａｇ、Ｃｕ、Ｂｉの存在が認められず、接合用組成物１２内部には、Ｓｎとη相（Ａｇ３Ｓｎ）の共晶組織、Ｓｎとη相（Ｃｕ６Ｓｎ５）の共晶組織、局所的η相（Ａｇ３Ｓｎ）、局所的η相（Ｃｕ６Ｓｎ５）およびＢｉ晶出相の晶出（図４の符号３０）が観察された。
せん断試験の結果、接合部のせん断強度は、３５ＭＰａであった。また、せん断破壊は、接合用組成物１２内で発生していた。
（実施例６）
実施例６で使用したせん断試験片は、接合用組成物１２として、Ｓｎ−３重量％Ａｇ−２．０重量％Ｂｉ−４．０重量％Ｉｎ−０．０５重量％Ｇｅ−０．０５重量％Ｓｉを用い、被接合部材１０、１１を日本工業規格（ＪＩＳ）Ｓ４５Ｃ鋼材で形成した以外は、実施例１で使用したせん断試験片の構成と同じである。
実施例６で使用したせん断試験片は、接合用組成物１２として、Ｓｎ−３重量％Ａｇ−２．０重量％Ｂｉ−４．０重量％Ｉｎ−０．０５重量％Ｇｅ−０．０５重量％Ｓｉを用い、被接合部材１０、１１を日本工業規格（ＪＩＳ）Ｓ４５Ｃ鋼材で形成した以外は、実施例１で使用したせん断試験片の構成と同じである。
また、実施例１と同様に、このせん断試験片における被接合部材１０、１１と接合用組成物１２の接合界面を、走査型電子顕微鏡およびＸ線マイクロアナライザを用いて観察および分析した。また、実施例１と同じ実験条件の下、このせん断試験片を用いてせん断試験を行なった。なお、実施例４における分析結果から、図４に示した実施例２の反応層の形成構造と同様の反応層の形成構造を有することがわかったので、ここでは図４を参照して説明する。ここで、実施例２の反応層の形成構造と同様の反応層の形成構造とは、第１反応層２０上に第２反応層２１が積層し、それぞれの層の厚さも図４に示されたものとほぼ同じであることをいう。なお、第２反応層２１の凹凸形状を構成する山谷の位置や、図中に３０で示される晶出の分布などは異なる。
分析した結果、図４に示すように、被接合部材１０から順に、厚さが約１μｍのＳｎ（Ｆｅ，Ｇｅ，Ｓｉ）の金属間化合物からなる第１反応層２０と、厚さが５〜７μｍのＳｎ（Ｆｅ）の金属間化合物からなる第２反応層２１とが積層された状態で観察された。また、第１反応層２０は、被接合部材１０の表面全体に亘って形成されていた。接合界面の反応層２０、２１には、Ａｇ、Ｂｉ、Ｉｎの存在が認められず、接合用組成物１２内部には、Ｓｎとη相（Ａｇ３Ｓｎ）の共晶組織、局所的η相（Ａｇ３Ｓｎ）、ＢｉおよびＩｎ晶出相の晶出（図４の符号３０）が観察された。
せん断試験の結果、接合部のせん断強度は、３２ＭＰａであった。また、せん断破壊は、接合用組成物１２内で発生していた。
（実施例７）
実施例７で使用したせん断試験片は、接合用組成物１２として、Ｓｎ−８重量％Ｚｎ−０．０５重量％Ｇｅ−０．０５重量％Ｓｉを用い、被接合部材１０、１１をＦｅ−４２重量%Ｎｉで形成した以外は、実施例１で使用したせん断試験片の構成と同じである。
実施例７で使用したせん断試験片は、接合用組成物１２として、Ｓｎ−８重量％Ｚｎ−０．０５重量％Ｇｅ−０．０５重量％Ｓｉを用い、被接合部材１０、１１をＦｅ−４２重量%Ｎｉで形成した以外は、実施例１で使用したせん断試験片の構成と同じである。
また、実施例１と同様に、このせん断試験片における被接合部材１０、１１と接合用組成物１２の接合界面を、走査型電子顕微鏡およびＸ線マイクロアナライザを用いて観察および分析した。また、実施例１と同じ実験条件の下、このせん断試験片を用いてせん断試験を行なった。なお、実施例４における分析結果から、図４に示した実施例２の反応層の形成構造と同様の反応層の形成構造を有することがわかったので、ここでは図４を参照して説明する。ここで、実施例２の反応層の形成構造と同様の反応層の形成構造とは、第１反応層２０上に第２反応層２１が積層し、それぞれの層の厚さも図４に示されたものとほぼ同じであることをいう。なお、第２反応層２１の凹凸形状を構成する山谷の位置や、図中に３０で示される共晶組織の分布などは異なる。
分析した結果、図４に示すように、被接合部材１０から順に、厚さが約１μｍのＳｎ（Ｆｅ，Ｇｅ，Ｓｉ）の金属間化合物からなる第１反応層２０と、厚さが５〜７μｍのＳｎ（Ｆｅ）の金属間化合物からなる第２反応層２１とが積層された状態で観察された。また、第１反応層２０は、被接合部材１０の表面全体に亘って形成されていた。接合界面の反応層２０、２１には、Ｚｎの存在が認められず、接合用組成物１２内部には、ＳｎとＺｎの共晶組織３０が観察された。
せん断試験の結果、接合部のせん断強度は、２４ＭＰａであった。また、せん断破壊は、接合用組成物１２内で発生していた。
また、融点が１９９℃のＳｎ−８重量％Ｚｎからなる接合用組成物に、微量のＧｅ、Ｓｉを含有することによって、融点が２０２℃と僅かに上昇するが、優れた接合強度と低融点を兼備した接合用組成物が得られることがわかった。
（実施例８）
実施例８で使用したせん断試験片は、接合用組成物１２として、Ｓｎ−５７重量％Ｂｉ−０．０５重量％Ｇｅ−０．０５重量％Ｓｉを用い、被接合部材１０、１１を鉄系材料（ＳＳ４００）で形成した以外は、実施例１で使用したせん断試験片の構成と同じである。
実施例８で使用したせん断試験片は、接合用組成物１２として、Ｓｎ−５７重量％Ｂｉ−０．０５重量％Ｇｅ−０．０５重量％Ｓｉを用い、被接合部材１０、１１を鉄系材料（ＳＳ４００）で形成した以外は、実施例１で使用したせん断試験片の構成と同じである。
また、実施例１と同様に、このせん断試験片における被接合部材１０、１１と接合用組成物１２の接合界面を、走査型電子顕微鏡およびＸ線マイクロアナライザを用いて観察および分析した。また、実施例１と同じ実験条件の下、このせん断試験片を用いてせん断試験を行なった。なお、実施例４における分析結果から、図４に示した実施例２の反応層の形成構造と同様の反応層の形成構造を有することがわかったので、ここでは図４を参照して説明する。ここで、実施例２の反応層の形成構造と同様の反応層の形成構造とは、第１反応層２０上に第２反応層２１が積層し、それぞれの層の厚さも図４に示されたものとほぼ同じであることをいう。なお、第２反応層２１の凹凸形状を構成する山谷の位置や、図中に３０で示される共晶組織の分布などは異なる。
分析した結果、図４に示すように、被接合部材１０から順に、厚さが約１μｍのＳｎ（Ｆｅ，Ｇｅ，Ｓｉ）の金属間化合物からなる第１反応層２０と、厚さが５〜７μｍのＳｎ（Ｆｅ）の金属間化合物からなる第２反応層２１とが積層された状態で観察された。また、第１反応層２０は、被接合部材１０の表面全体に亘って形成されていた。接合界面の反応層２０、２１には、Ｂｉの存在が認められず、接合用組成物１２内部には、ＳｎとＢｉの共晶組織３０が観察された。
せん断試験の結果、接合部のせん断強度は、３３ＭＰａであった。また、せん断破壊は、接合用組成物１２内で発生していた。
（実施例９）
実施例９で使用したせん断試験片は、接合用組成物１２として、Ｓｎ−５重量％Ｓｂ−０．０５重量％Ｇｅ−０．０５重量％Ｓｉを用い、被接合部材１０、１１を鉄系材料（ＳＳ４００）で形成した以外は、実施例１で使用したせん断試験片の構成と同じである。
実施例９で使用したせん断試験片は、接合用組成物１２として、Ｓｎ−５重量％Ｓｂ−０．０５重量％Ｇｅ−０．０５重量％Ｓｉを用い、被接合部材１０、１１を鉄系材料（ＳＳ４００）で形成した以外は、実施例１で使用したせん断試験片の構成と同じである。
また、実施例１と同様に、このせん断試験片における被接合部材１０、１１と接合用組成物１２の接合界面を、走査型電子顕微鏡およびＸ線マイクロアナライザを用いて観察および分析した。また、実施例１と同じ実験条件の下、このせん断試験片を用いてせん断試験を行なった。なお、実施例４における分析結果から、図４に示した実施例２の反応層の形成構造と同様の反応層の形成構造を有することがわかったので、ここでは図４を参照して説明する。ここで、実施例２の反応層の形成構造と同様の反応層の形成構造とは、第１反応層２０上に第２反応層２１が積層し、それぞれの層の厚さも図４に示されたものとほぼ同じであることをいう。なお、第２反応層２１の凹凸形状を構成する山谷の位置や、図中に３０で示される晶出の分布などは異なる。
分析した結果、図４に示すように、被接合部材１０から順に、厚さが約１μｍのＳｎ（Ｆｅ，Ｇｅ，Ｓｉ）の金属間化合物からなる第１反応層２０と、厚さが５〜７μｍのＳｎ（Ｆｅ）の金属間化合物からなる第２反応層２１とが積層された状態で観察された。また、第１反応層２０は、被接合部材１０の表面全体に亘って形成されていた。接合界面の反応層２０、２１には、Ｓｂの存在が認められず、接合用組成物１２内部には、局所的ＳｎＳｂ金属間化合物３０の晶出が観察された。
せん断試験の結果、接合部のせん断強度は、２７ＭＰａであった。また、せん断破壊は、接合用組成物１２内で発生していた。
（実施例１０）
実施例１０で使用したせん断試験片は、接合用組成物１２として、Ｓｎ−６重量％Ｉｎ−０．０５重量％Ｇｅ−０．０５重量％Ｓｉを用い、被接合部材１０、１１を鉄系材料（ＳＳ４００）で形成した以外は、実施例１で使用したせん断試験片の構成と同じである。
実施例１０で使用したせん断試験片は、接合用組成物１２として、Ｓｎ−６重量％Ｉｎ−０．０５重量％Ｇｅ−０．０５重量％Ｓｉを用い、被接合部材１０、１１を鉄系材料（ＳＳ４００）で形成した以外は、実施例１で使用したせん断試験片の構成と同じである。
また、実施例１と同様に、このせん断試験片における被接合部材１０、１１と接合用組
成物１２の接合界面を、走査型電子顕微鏡およびＸ線マイクロアナライザを用いて観察お
よび分析した。また、実施例１と同じ実験条件の下、このせん断試験片を用いてせん断試
験を行なった。なお、実施例４における分析結果から、図４に示した実施例２の反応層の形成構造と同様の反応層の形成構造を有することがわかったので、ここでは図４を参照して説明する。ここで、実施例２の反応層の形成構造と同様の反応層の形成構造とは、第１反応層２０上に第２反応層２１が積層し、それぞれの層の厚さも図４に示されたものとほぼ同じであることをいう。なお、第２反応層２１の凹凸形状を構成する山谷の位置や、図中に３０で示される共晶組織の分布などは異なる。
成物１２の接合界面を、走査型電子顕微鏡およびＸ線マイクロアナライザを用いて観察お
よび分析した。また、実施例１と同じ実験条件の下、このせん断試験片を用いてせん断試
験を行なった。なお、実施例４における分析結果から、図４に示した実施例２の反応層の形成構造と同様の反応層の形成構造を有することがわかったので、ここでは図４を参照して説明する。ここで、実施例２の反応層の形成構造と同様の反応層の形成構造とは、第１反応層２０上に第２反応層２１が積層し、それぞれの層の厚さも図４に示されたものとほぼ同じであることをいう。なお、第２反応層２１の凹凸形状を構成する山谷の位置や、図中に３０で示される共晶組織の分布などは異なる。
分析した結果、図４に示すように、被接合部材１０から順に、厚さが約１μｍのＳｎ（Ｆｅ，Ｇｅ，Ｓｉ）の金属間化合物からなる第１反応層２０と、厚さが５〜７μｍのＳｎ（Ｆｅ）の金属間化合物からなる第２反応層２１とが積層された状態で観察された。また、第１反応層２０は、被接合部材１０の表面全体に亘って形成されていた。接合界面の反応層２０、２１には、Ｉｎの存在が認められず、接合用組成物１２内部には、ＳｎとＩｎの共晶組織３０が観察された。
せん断試験の結果、接合部のせん断強度は、２５ＭＰａであった。また、せん断破壊は、接合用組成物１２内で発生していた。
（実施例１１）
実施例１１で使用したせん断試験片は、接合用組成物１２として、Ｓｎ−３７重量％Ｐｂ−０．０５重量％Ｇｅ−０．０５重量％Ｓｉを用い、被接合部材１０、１１を鉄系材料（ＳＳ４００）で形成した以外は、実施例１で使用したせん断試験片の構成と同じである。
実施例１１で使用したせん断試験片は、接合用組成物１２として、Ｓｎ−３７重量％Ｐｂ−０．０５重量％Ｇｅ−０．０５重量％Ｓｉを用い、被接合部材１０、１１を鉄系材料（ＳＳ４００）で形成した以外は、実施例１で使用したせん断試験片の構成と同じである。
また、実施例１と同様に、このせん断試験片における被接合部材１０、１１と接合用組成物１２の接合界面を、走査型電子顕微鏡およびＸ線マイクロアナライザを用いて観察および分析した。また、実施例１と同じ実験条件の下、このせん断試験片を用いてせん断試験を行なった。なお、実施例４における分析結果から、図４に示した実施例２の反応層の形成構造と同様の反応層の形成構造を有することがわかったので、ここでは図４を参照して説明する。ここで、実施例２の反応層の形成構造と同様の反応層の形成構造とは、第１反応層２０上に第２反応層２１が積層し、それぞれの層の厚さも図４に示されたものとほぼ同じであることをいう。なお、第２反応層２１の凹凸形状を構成する山谷の位置や、図中に３０で示される共晶組織の分布などは異なる。
分析した結果、図４に示すように、被接合部材１０から順に、厚さが約１μｍのＳｎ（Ｆｅ，Ｇｅ，Ｓｉ）の金属間化合物からなる第１反応層２０と、厚さが５〜７μｍのＳｎ（Ｆｅ）の金属間化合物からなる第２反応層２１とが積層された状態で観察された。また、第１反応層２０は、被接合部材１０の表面全体に亘って形成されていた。接合界面の反応層２０、２１には、Ｐｂの存在が認められず、接合用組成物１２内部には、ＳｎとＰｂの共晶組織３０が観察された。
せん断試験の結果、接合部のせん断強度は、２５ＭＰａであった。また、せん断破壊は、接合用組成物１２内で発生していた。
（実施例１２）
実施例１２で使用したせん断試験片は、接合用組成物１２として、Ｓｎ−０．７重量％Ｃｕ−０．１重量％Ｃｏ−０．０５重量％Ｇｅ−０．０５重量％Ｓｉを用いた以外は、実施例１で使用したせん断試験片の構成と同じである。
実施例１２で使用したせん断試験片は、接合用組成物１２として、Ｓｎ−０．７重量％Ｃｕ−０．１重量％Ｃｏ−０．０５重量％Ｇｅ−０．０５重量％Ｓｉを用いた以外は、実施例１で使用したせん断試験片の構成と同じである。
また、実施例１と同様に、このせん断試験片における被接合部材１０、１１と接合用組成物１２の接合界面を、走査型電子顕微鏡およびＸ線マイクロアナライザを用いて観察および分析した。また、実施例１と同じ実験条件の下、このせん断試験片を用いてせん断試験を行なった。なお、実施例３における分析結果から、図４に示した実施例２の反応層の形成構造と同様の反応層の形成構造を有することがわかったので、ここでは図４を参照して説明する。ここで、実施例２の反応層の形成構造と同様の反応層の形成構造とは、第１反応層２０上に第２反応層２１が積層し、それぞれの層の厚さも図４に示されたものとほぼ同じであることをいう。なお、第２反応層２１の凹凸形状を構成する山谷の位置や、図中に３０で示される晶出の分布などは異なる。
分析した結果、図４に示すように、被接合部材１０から順に、厚さが約１μｍのＳｎ（Ｆｅ，Ｃｕ，Ｃｏ，Ｇｅ，Ｓｉ）の金属間化合物からなる第１反応層２０と、厚さが３〜５μｍのＳｎ（Ｆｅ，Ｃｕ，Ｃｏ）の金属間化合物からなる第２反応層２１とが積層された状態で観察された。また、第１反応層２０は、被接合部材１０の表面全体に亘って形成されていた。また、接合用組成物１２内部には、Ｓｎとη相（Ｃｕ６Ｓｎ５）とＣｏを含有したη相（（Ｃｕ，Ｃｏ）６Ｓｎ５）の共晶組織と、局所的η相（Ｃｕ６Ｓｎ５）とＣｏを含有したη相（（Ｃｕ，Ｃｏ）６Ｓｎ５）の晶出（図４の符号３０）が観察された。
せん断試験の結果、接合部のせん断強度は、３５ＭＰａであった。また、せん断破壊は、接合用組成物１２内で発生していた。
このように、所定量のＣｏを含有しても、Ｃｏ、Ｃｕ、ＧｅおよびＳｉがともに、被接合部材１０、１１と接合用組成物１２の接合界面へ拡散し、被接合部材１０の表面全体に亘って、Ｓｎ（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｇｅ，Ｓｉ）の金属間化合物からなる第１反応層２０が形成されることがわかった。これによって、被接合部材１０、１１を構成するＦｅの接合用組成物１２側への拡散が阻止され、第１反応層２０上に積層して形成される第２反応層２１の成長が抑制されることがわかった。
（実施例１３）
実施例１３で使用したせん断試験片は、接合用組成物１２として、Ｓｎ−０．７重量％Ｃｕ−０．１重量％Ｔｉ−０．０５重量％Ｇｅ−０．０５重量％Ｓｉを用いた以外は、実施例１で使用したせん断試験片の構成と同じである。
実施例１３で使用したせん断試験片は、接合用組成物１２として、Ｓｎ−０．７重量％Ｃｕ−０．１重量％Ｔｉ−０．０５重量％Ｇｅ−０．０５重量％Ｓｉを用いた以外は、実施例１で使用したせん断試験片の構成と同じである。
また、実施例１と同様に、このせん断試験片における被接合部材１０、１１と接合用組成物１２の接合界面を、走査型電子顕微鏡およびＸ線マイクロアナライザを用いて観察および分析した。また、実施例１と同じ実験条件の下、このせん断試験片を用いてせん断試験を行なった。なお、実施例３における分析結果から、図４に示した実施例２の反応層の形成構造と同様の反応層の形成構造を有することがわかったので、ここでは図４を参照して説明する。ここで、実施例２の反応層の形成構造と同様の反応層の形成構造とは、第１反応層２０上に第２反応層２１が積層し、それぞれの層の厚さも図４に示されたものとほぼ同じであることをいう。なお、第２反応層２１の凹凸形状を構成する山谷の位置や、図中に３０で示される晶出の分布などは異なる。
分析した結果、図４に示すように、被接合部材１０から順に、厚さが約１μｍのＳｎ（Ｆｅ，Ｔｉ，Ｇｅ，Ｓｉ）の金属間化合物からなる第１反応層２０と、厚さが３〜５μｍのＳｎ（Ｆｅ）の金属間化合物からなる第２反応層２１とが積層された状態で観察された。また、第１反応層２０は、被接合部材１０の表面全体に亘って形成されていた。また、接合用組成物１２内部には、Ｓｎとη相（Ｃｕ６Ｓｎ５）とＣｏを含有したη相（（Ｃｕ，Ｃｏ）６Ｓｎ５）の共晶組織と、局所的η相（Ｃｕ６Ｓｎ５）とＣｏを含有したη相（（Ｃｕ，Ｃｏ）６Ｓｎ５）の晶出（図４の符号３０）が観察された。
せん断試験の結果、接合部のせん断強度は、３３ＭＰａであった。また、せん断破壊は、接合用組成物１２内で発生していた。
このように、所定量のＴｉを含有しても、Ｔｉ、ＧｅおよびＳｉがともに、被接合部材１０、１１と接合用組成物１２の接合界面へ拡散し、被接合部材１０の表面全体に亘って、Ｓｎ（Ｆｅ，Ｔｉ，Ｇｅ，Ｓｉ）の金属間化合物からなる第１反応層２０が形成されることがわかった。これによって、被接合部材１０、１１を構成するＦｅの接合用組成物１２側への拡散が阻止され、第１反応層２０上に積層して形成される第２反応層２１の成長が抑制されることがわかった。
（比較例２）
比較例２で使用したせん断試験片は、接合用組成物１２として、Ｓｎ−０．７重量％Ｃｕを用いた以外は、実施例１で使用したせん断試験片の構成と同じである。
比較例２で使用したせん断試験片は、接合用組成物１２として、Ｓｎ−０．７重量％Ｃｕを用いた以外は、実施例１で使用したせん断試験片の構成と同じである。
また、実施例１と同様に、このせん断試験片における被接合部材１０、１１と接合用組成物１２の接合界面を、走査型電子顕微鏡およびＸ線マイクロアナライザを用いて観察および分析した。また、実施例１と同じ実験条件の下、このせん断試験片を用いてせん断試験を行なった。
図５は、せん断試験片における被接合部材１０、１１と接合用組成物１２の接合界面を観察および分析した結果を模式的に示す図である。なお、図５には、被接合部材１０側の接合界面について示しているが、被接合部材１１側の接合界面においても、被接合部材１０側の接合界面と同様の結果が得られた。
図５に示すように、被接合部材１０と接合用組成物１２の接合界面には、厚さが１０〜１５μｍのＳｎ（Ｆｅ）の金属間化合物からなる反応層３５が観察された。この反応層３５には、Ｃｕの存在が認められず、接合用組成物１２内部には、Ｓｎとη相（Ｃｕ６Ｓｎ５）の共晶組織と局所的η相（Ｃｕ６Ｓｎ５）の晶出（図５の符号３０）が観察された。
せん断試験の結果、接合部のせん断強度は、２５ＭＰａであった。また、接合用組成物１２と反応層３５の界面に沿うせん断破壊、および局所的に反応層３５内部におけるせん断破壊が発生していた。
ここで、図６Ａは、被接合部材１０側における、脆性破壊を起こしたせん断試験片の断面を示す図であり、図６Ｂは、被接合部材１１側における、脆性破壊を起こしたせん断試験片の断面を示す図である。なお、この図６Ａおよび図６Ｂは、走査型電子顕微鏡でその断面を観察した際の画像である。
図６Ａに示すように、せん断変形の進行に伴い、被接合部材１０と接合用組成物１２の接合界面に反応層３５を形成する粗大な金属間化合物の周辺に空隙を形成し、転位の消滅サイトとして次第に成長し、金属間化合物と接合用組成物１２の界面の整合性を失い、反応層３５と接合用組成物１２の界面および反応層３５の内部にクラック４０が発生した。また、図６Ｂに示すように、反応層３５と接合用組成物１２の界面に沿うせん断破壊５０、および反応層３５の内部のせん断破壊５１が観察された。
（比較例３）
比較例３で使用したせん断試験片は、接合用組成物１２として、Ｓｎ−８重量％Ｚｎを用い、被接合部材１０、１１をＦｅ−４２重量％Ｎｉで形成した以外は、実施例１で使用したせん断試験片の構成と同じである。
比較例３で使用したせん断試験片は、接合用組成物１２として、Ｓｎ−８重量％Ｚｎを用い、被接合部材１０、１１をＦｅ−４２重量％Ｎｉで形成した以外は、実施例１で使用したせん断試験片の構成と同じである。
また、実施例１と同様に、このせん断試験片における被接合部材１０、１１と接合用組成物１２の接合界面を、走査型電子顕微鏡およびＸ線マイクロアナライザを用いて観察および分析した。また、実施例１と同じ実験条件の下、このせん断試験片を用いてせん断試験を行なった。
図７は、せん断試験片における被接合部材１０、１１と接合用組成物１２の接合界面を観察および分析した結果を模式的に示す図である。なお、図７には、被接合部材１０側の接合界面について示しているが、被接合部材１１側の接合界面においても、被接合部材１０側の接合界面と同様の結果が得られた。
図７に示すように、被接合部材１０と接合用組成物１２の接合界面には、厚さが１５〜２０μｍのＳｎ（Ｆｅ，Ｎｉ）の金属間化合物からなる反応層６０が観察された。
せん断試験の結果、接合部のせん断強度は、２２ＭＰａであった。また、接合用組成物１２と反応層６０の界面に沿うせん断破壊が発生していた。
（実施例１〜実施例１３および比較例２〜比較例３における結果の検討）
実施例１〜実施例１３のように、ＧｅとＳｉとを含有したＳｎ−Ｃｕからなる接合用組成物を使用した場合においても、ＧｅとＳｉがともに、被接合部材１０、１１と接合用組成物１２の接合界面へ拡散し、被接合部材１０の表面全体に亘って、Ｓｎ（Ｆｅ，Ｇｅ，Ｓｉ）の金属間化合物からなる第１反応層２０が形成された。これによって、被接合部材１０、１１を構成するＦｅの接合用組成物１２側への拡散が阻止され、第１反応層２０上に積層して形成される第２反応層２１の成長が抑制されることがわかった。
実施例１〜実施例１３のように、ＧｅとＳｉとを含有したＳｎ−Ｃｕからなる接合用組成物を使用した場合においても、ＧｅとＳｉがともに、被接合部材１０、１１と接合用組成物１２の接合界面へ拡散し、被接合部材１０の表面全体に亘って、Ｓｎ（Ｆｅ，Ｇｅ，Ｓｉ）の金属間化合物からなる第１反応層２０が形成された。これによって、被接合部材１０、１１を構成するＦｅの接合用組成物１２側への拡散が阻止され、第１反応層２０上に積層して形成される第２反応層２１の成長が抑制されることがわかった。
また、Ｓｎ系の接合用組成物への拡散速度が速いと知られているＮｉを含有する被接合部材１０、１１、例えば、Ｆｅ−Ｎｉ系材料、Ｎｉ系材料、もしくはＮｉめっきしたその他の金属材料、例えば、Ｃｕ系材料、Ａｌ系材料、Ｍｇ系材料などを使用した場合であっても、接合用組成物１２側へのＮｉの拡散を抑制することができることが明らかとなった。
本発明の態様に係る接合用組成物によれば、ＳｎまたはＳｎ合金に、所定量のＧｅとＳｉとを含有することで、ＧｅとＳｉがともに、被接合部材と接合用組成物の接合界面へ拡散し、被接合部材の表面全体に亘って、Ｓｎと被接合部材の構成元素、もしくはＮｉめっきした被接合部材のめっき被膜の構成元素とＧｅとＳｉの金属間化合物からなる反応層を形成することができる。これによって、被接合部材を構成する構成元素、もしくはＮｉめっきした被接合部材のめっき被膜の構成元素の接合用組成物側への拡散が阻止され、この反応層上に積層して形成される他の反応層の成長を抑制することができ、接合強度を向上させることができる。本発明の態様に係る接合用組成物は、例えば、電力制御計算機の基板、家電製品、パーソナルコンピュータなどの、熱サイクル、機械的衝撃、機械的振動などを伴う厳しい環境下で使用される複数の要素部品を機械的かつ電気的に接続する接合部材として有効に利用される。
Claims (4)
- Ｇｅを０．０１〜１重量％およびＳｉを０．０１〜１重量％含有し、残部がＳｎからなることを特徴とする接合用組成物。
- 請求項１記載の接合用組成物において、
Ｃｏを０．０１〜１重量％さらに含有することを特徴とする接合用組成物。 - 請求項１記載の接合用組成物において、
Ｔｉを０．０１〜１重量％さらに含有することを特徴とする接合用組成物。 - 請求項２記載の接合用組成物において、
Ｔｉを０．０１〜１重量％さらに含有することを特徴とする接合用組成物。
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