JP5861526B2 - Ｐｂを含まないＧｅ−Ａｌ系はんだ合金 - Google Patents

Description

本発明は、Ｐｂを含まない、いわゆるＰｂフリーのはんだ合金に関し、特に高温用として好適なＰｂフリーＧｅ−Ａｌ系はんだ合金に関する。

パワートランジスタ用素子のダイボンディングを始めとする各種電子部品の組立工程において、はんだ付けは高温はんだ付が行われており、３００〜４００℃程度の比較的高温の融点を有するはんだ合金（以下、「高温用はんだ合金」とも称する）が用いられている。このような高温用はんだ合金としては、Ｐｂ−５質量％Ｓｎ合金に代表されるＰｂ系はんだ合金が従来から主に用いられている。

しかし、近年では環境汚染に対する配慮からＰｂの使用を制限する動きが強くなってきており、例えばＲｏｈｓ指令などでＰｂは規制対象物質になっている。こうした動きに対応して、電子部品などの組立の分野においても、Ｐｂを含まない（無鉛）はんだ合金、即ちＰｂフリーはんだ合金の提供が求められている。

かかる要望に対して、中低温用（約１４０〜２３０℃）のはんだ合金では、Ｓｎを主成分とするＰｂフリーのはんだ合金が既に実用化されている。例えば、特許文献１には、Ｓｎを主成分とし、Ａｇを１.０〜４.０質量％、Ｃｕを２.０質量％以下、Ｎｉを０.５質量％以下、Ｐを０.２質量％以下含有するＰｂフリーのはんだ合金が記載されている。また、特許文献２には、Ａｇを０.５〜３.５質量％、Ｃｕを０.５〜２.０質量％含有し、残部がＳｎからなるＰｂフリーのはんだ合金が記載されている。

また、高温用のＰｂフリーはんだ合金としては、Ａｕ−Ｓｎ系はんだ合金やＡｕ−Ｇｅ系はんだ合金がある。しかし、これらはＡｕを主成分とするため非常に高価であり、高い信頼性が求められる光デバイス関係の素子など非常に限られた用途以外には用いられておらず、一般的な電子部品等に用いられることはほとんどない。

一方、一般的な電子部品等に用いられる比較的安価な高温用のはんだ合金に関しても、Ｐｂフリーを実現するため、Ｂｉ系はんだ合金やＺｎ系はんだ合金などが研究開発されている。例えば、Ｂｉ系はんだ合金については、特許文献３に、Ｂｉを３０〜８０質量％含有し、溶融温度が３５０〜５００℃であるＢｉ／Ａｇ系のろう材が開示されている。また、特許文献４には、Ｂｉを含む共晶合金に２元共晶合金を加え、更に添加元素を加えることによって、液相線温度の調整とばらつきの減少が可能なはんだ合金の生産方法が開示されている。

また、Ｚｎ系はんだ合金については、例えば特許文献５に、Ｚｎに融点を下げるべくＡｌが添加されたＺｎ−Ａｌ合金を基本とし、これにＧｅ又はＭｇを添加した高温用Ｚｎ系はんだ合金が記載されている。この特許文献５には、更にＳｎ又はＩｎを添加することによって、より一層融点を下げる効果があることも記載されている。

具体的には、特許文献５には、Ａｌを１〜９質量％、Ｇｅを０.０５〜１質量％含み、残部がＺｎ及び不可避不純物からなるＺｎ合金；Ａｌを５〜９質量％、Ｍｇを０.０１〜０.５質量％含み、残部がＺｎ及び不可避不純物からなるＺｎ合金；Ａｌを１〜９質量％、Ｇｅを０.０５〜１質量％、Ｍｇを０.０１〜０.５質量％含み、残部がＺｎ及び不可避不純物からなるＺｎ合金；Ａｌを１〜９質量％、Ｇｅを０.０５〜１質量％、Ｓｎ及び／又はＩｎを０.１〜２５質量％含み、残部がＺｎ及び不可避不純物からなるＺｎ合金；Ａｌを１〜９質量％、Ｍｇを０.０１〜０.５質量％、Ｉｎ及び／又はｎを０.１〜２５質量％含み、残部がＺｎ及び不可避不純物からなるＺｎ合金；Ａｌを１〜９質量％、Ｇｅを０.０５〜１質量％、Ｍｇを０.０１〜０.５質量％、Ｓｎ及び／又はＩｎを０.１〜２５質量％含み、残部がＺｎ及び不可避不純物からなるＺｎ合金が記載されている。

特開１９９９−０７７３６６号公報 特開平０８−２１５８８０号公報 特開２００２−１６００８９号公報 特開２００６−１６７７９０号公報 特許第３８５０１３５号公報

一般的な電子部品や基板の材料には熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂などが多用されているため、はんだ接合時の作業温度は４００℃未満であることが望ましく、ＳｉＣなどの小型で高耐熱のデバイスが使用される場合でも４７０℃以下が望ましい。しかしながら、上記特許文献３のＢｉ／Ａｇ系ろう材は液相線温度が４００〜７００℃と高いため、接合時の作業温度も４００〜７００℃以上になると推測され、接合される電子部品や基板が耐えうる温度を超えていると考えられる。また、上記特許文献４の方法は、液相線の温度調整のみで４元系以上の多元系はんだ合金になるうえ、Ｂｉの脆弱な機械的特性については効果的な改善がされていない。

更に、上記特許文献５に開示されているＺｎ系はんだ合金は、その組成の範囲内では合金の濡れ性が不十分である場合が多い。即ち、主成分であるＺｎは還元性が強いため自らは酸化されやすく、その結果、濡れ性が極めて悪くなることが問題となっている。また、ＡｌはＺｎよりも更に還元性が強いため、例えば１質量％以上添加した場合でも濡れ性を大きく低下させてしまう。そして、これら酸化したＺｎやＡｌに対しては、ＧｅやＳｎを添加しても還元することができず、濡れ性を向上させることはできない。

このように、Ｚｎ−Ａｌ系合金は融点については３００〜４００℃程度（Ｚｎ−Ａｌ共晶温度：３８１℃）と好ましい範囲にあるものの、濡れ性の観点からは好ましくない合金である。更に、Ｚｎ−Ａｌ系合金にＭｇなどが添加されると金属間化合物を生成して極めて硬くなり、良好な加工性が得られない場合が生じるという問題がある。例えば、Ｍｇを５質量％以上含有したＺｎ−Ａｌ系合金は、加工の困難なワイヤ状やシート状などに加工することが実質的にできなくなる。

以上述べたように、高温用のＰｂフリーはんだ合金、特にＺｎを主成分とするＰｂフリーはんだ合金については、加工性等の諸特性とのバランスを図りながら濡れ性を改善することが大きな課題となっているが、未だこの課題は解決されていない。このように、従来のＰｂ−５質量％Ｓｎ合金、Ａｕ−Ｓｎ系合金、Ａｕ−Ｇｅ系合金などに代表される高温用はんだ合金を代替でき、Ｐｂフリーであって且つ安価な高温用はんだ合金は、未だ実用化されていないのが実状である。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、電子部品の組立などで用いるのに好適な約４２０℃以下の固相線温度を有し、特に濡れ性に優れると共に、接合性、加工性、信頼性に優れ、Ｐｂを含まず且つ安価なＧｅ−Ａｌ系合金からなる高温用はんだ合金を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明はＰｂフリーのＧｅ−Ａｌ系はんだ合金を提供するものであって、第１のＰｂフリーＧｅ−Ａｌ系はんだ合金は、Ａｌの含有量が４３.６質量％以上５４.１質量％以下であり、Ａｇの含有量が０.１質量％以上１４.０質量％以下（５質量％以上を除く）であり、残部がＧｅ及び不可避不純物であることを特徴とする。

また、本発明が提供する第２のＰｂフリーＧｅ−Ａｌ系はんだ合金は、上記第１のＰｂフリーＧｅ−Ａｌ系はんだ合金が更にＰを０.５質量％以下含有することを特徴とする。

本発明によれば、特に濡れ性に優れ、接合性、加工性及び信頼性等にも優れると同時に、約４２０℃以下の固相線温度を有していて、３００℃程度のリフロー温度に十分耐えることができ、パワートランジスタ用素子のダイボンディングなど各種電子部品の組立工程でのはんだ付に好適であり、Ａｕ系はんだに比較して格段に安価な、高温用のＰｂフリーＧｅ−Ａｌ系はんだ合金を提供することができる。このＧｅ−Ａｌ系はんだ合金は、高温用の中でも特に動作温度が高いＳｉＣ半導体などの接合用として好適に使用することができる。

本発明による第１のＰｂフリーＧｅ−Ａｌ系はんだ合金は、Ｐｂを含まず、必須成分としてＡｌを含有し、残部が製造上不可避的に含まれる元素（不可避不純物）及びＧｅからなる。主成分であるＧｅは、融点が９３８.３℃と電子部品等の接合温度に対して高すぎるうえ、脆いという欠点がある。このようなＧｅの欠点に対して、本発明ではＡｌを含有させることにより、融点をはんだとして使い易い温度付近まで下げると共に、Ｇｅ−Ａｌの共晶合金化により柔らかい合金とすることによって、実用的な使い易いはんだ合金としている。

また、本発明による第２のＰｂフリーＧｅ−Ａｌ系はんだ合金は、上記第１のＰｂフリーＧｅ−Ａｌ系はんだ合金に対して、更にＡｇとＰの片方若しくは両方を含有させたものであり、ＰやＡｇの添加によって濡れ性を格段に向上させることができる。

尚、ＰはＧｅよりも還元性が強く、接合時に気体の酸化燐として接合面やはんだ中から酸素を持ち去ってくれるため、濡れ性を向上させるには最も適した元素である。当然、ＰはＣｕ基板やＮｉメッキＣｕ基板の表面酸化膜も還元除去できるため、接合時にフォーミングガス（基板の酸化膜を還元するために水素を含有させたガス）を使用しなくても濡れ性を向上させることが可能である。また、Ａｇは基板や電子部品の接合面に形成することからも分かるように、はんだ表面の酸化を抑制することによって濡れ性を向上させる効果が大きい。

更に、本発明による第３のＰｂフリーＧｅ−Ａｌ系はんだ合金は、上記第１又は第２のＰｂフリーＧｅ−Ａｌ系はんだ合金に対して、更にＺｎ、Ｍｇ及びＮｉの少なくとも１種を含有させたものであり、優れた濡れ性と共に、融点、接合強度、加工性、信頼性等の諸特性を目的に合わせて適宜調整することが可能となる。

次に、上記した本発明による第１〜第３のＰｂフリーＧｅ−Ａｌ系はんだ合金に添加される各元素について、以下に詳細に説明する。

＜Ｇｅ、Ａｌ＞
ＧｅとＡｌは本発明の第１〜第３のＰｂフリーＧｅ−Ａｌ系はんだ合金において、必須の成分をなす元素である。Ｇｅの融点は９３８.３℃及びＡｌの融点は６６０℃であり、共に電子部品等のはんだ材料としてはかなり高い融点を有することになるが、ＧｅとＡｌを合金化することにより融点を大きく下げることができる。即ち、ＧｅとＡｌは共晶合金を作り、共晶点の組成（Ａｌ＝４８.４質量％、Ｇｅ＝５１.６質量％）において液相線温度が共晶温度の４２０℃まで下がる。この共晶合金化によって融点を電子部品の接合温度まで下げることが可能となり、特に高温動作可能であることが特徴であるＳｉＣ素子などの高温用デバイスには最適な温度領域とすることができる。

また、共晶組成付近では結晶が微細化するため非常に柔らかい合金となり、はんだ材料として加工性等の点で更に好ましいものとなる。即ち、高温用のＰｂフリーはんだであるＡｕ−Ｓｎ系はんだ合金などは単に高コストであるだけでなく、金属間化合物から構成されているため非常に硬くなってしまうが、Ｇｅ−Ａｌ系合金は共晶合金であり、金属間化合物を生成しないため、Ａｕ−Ｓｎ系はんだ合金と比べて非常に柔らかい合金となる。そして、Ｇｅ−Ａｌ系はんだ合金は濡れ性にも優れており、例えば、酸化し易いＺｎとＡｌからなるＺｎ−Ａｌ系はんだ合金に比べるとＡｌ含有量は多いもののＧｅを約半分含むため、濡れ広がりがよい。即ち、ＧｅはＺｎ、Ａｌに比べれば非常に酸化し難いために、接合時のはんだ表面の酸化を抑制するのである。

上記のごとく本発明の第１〜第３のＰｂフリーＧｅ−Ａｌ系はんだ合金は、Ｇｅ−Ａｌ共晶組成付近の組成を基本とすることによって、融点や加工性、応力緩和性などの諸特性に優れたはんだ材料となっている。ただし、Ｇｅ−Ａｌの共晶組成から大きく外れると、液相温度が高くなり過ぎ、良好な接合を確保することが難しくなる。そのため、Ａｌの含有量は４３.６質量％以上５４.１質量％以下とする。Ａｌの含有量が上記範囲から外れると、液相温度が４７０℃を超えてしまい、接合時に固相が残って接合強度を著しく落としてしまうなど、良好な接合が難しくなるからである。

＜Ａｇ＞
Ａｇは、本発明の第１のＰｂフリーＧｅ−Ａｌ系はんだ合金において更に向上させたい特性がある場合に、必要に応じて添加して第２〜第３のＰｂフリーＧｅ−Ａｌ系はんだ合金とする元素であり、その添加による主な効果は濡れ性の向上にある。

Ａｇは、電子部品等の最上面のメタライズ層に使用されることからも分かるように、濡れ性の向上効果が非常に大きい。つまり、電子部品等に酸化し難いＡｇ層を形成させることによって酸化を防ぎ、濡れ性を向上させることができる。このような特性を有するＡｇを含有させることにより、はんだ表面の酸化を抑制したり、電子部品や基板とはんだの反応を促進したりする効果が得られる。

濡れ性の向上効果を有するＡｇには、もう一つ重要な役割がある。即ち、Ｇｅ−Ａｌ系はんだ合金の融点を下げることである。ＡｇとＧｅ又はＡｌとの２元系状態図を見れば分かるように、Ａｇを少量含有することによって液相線温度が下がるので、所望の液相線温度に調整することができる。しかし、Ａｇの含有量が多すぎると金属間化合物を生成し、その量によっては硬くなったり脆化したりする恐れがある。

従って、Ａｇを含有させる場合の含有量は、０.１質量％以上１４.０質量％以下とする。Ａｇの含有量が０.１質量％未満では、含有量が少なすぎてＡｇによる濡れ性の向上効果を期待できない。一方、１４.０質量％を超えると、金属間化合物の割合が多くなるため、はんだが硬くなったりＡｇが偏析したりして、良好な接合が困難となる。

＜Ｐ＞
Ｐは、上記したＡｌと同様に、本発明の第１のＰｂフリーＧｅ−Ａｌ系はんだ合金において更に向上させたい特性がある場合に、必要に応じて添加して第２〜第３のＰｂフリーＧｅ−Ａｌ系はんだ合金とする元素であり、その添加による主な効果は濡れ性の向上である。

Ｐが濡れ性を向上させるメカニズムは以下のとおりである。即ち、Ｐは還元性が強く、自ら酸化することによって、はんだ合金表面の酸化を抑制する。Ａｌなどは酸化し易いため、十分な濡れ性が確保できなかった場合には、Ｐを含有させることによる濡れ性向上の役割は大きい。

また、Ｐの含有により、接合時にボイドの発生を低減させる効果も得られる。即ち、既に述べているようにＰは自らが酸化しやすいため、接合時にはんだ合金の主成分であるＧｅやＡｌよりも優先的に酸化が進む。その結果、はんだ母相の酸化を防ぎ、電子部品等の接合面を還元して濡れ性を確保することができる。そして、この接合の際に、はんだや接合面表面の酸化物がなくなるため、酸化膜によって形成される隙間（ボイド）が発生し難くなり、接合性や信頼性等を向上させることができる。

尚、ＰはＧｅやＡｌ等のはんだ合金や基板を還元して酸化物になると、気化して雰囲気ガスに流されるため、はんだや基板表面等に残ることがない。このためＰの残渣が信頼性等に悪影響を及ぼす可能性はなく、この点からもＰは優れた元素と言える。

Ｐを含有させる場合の含有量は０.５質量％以下とする。Ｐは非常に還元性が強いため、微量でも含有させれば濡れ性向上の効果が得られる。ただし、０.５質量％を超えて含有しても、濡れ性向上の効果はあまり変わらず、過剰な含有によってＰやＰ酸化物の気体が多量に発生してボイド率を上げてしまったり、Ｐが脆弱な相を形成して偏析し、はんだ接合部を脆化して信頼性を低下させたりする恐れがある。特にワイヤなどの形状に加工する場合に、断線の原因になりやすいことが確認されている。

＜Ｚｎ＞
Ｚｎは、本発明の第１及び第２のＰｂフリーＧｅ−Ａｌ系はんだ合金において更に向上させたい特性がある場合に、必要に応じて添加して第３のＰｂフリーＧｅ−Ａｌ系はんだ合金とする元素であり、その添加による効果は融点の調整や応力緩和性の向上などである。

即ち、ＺｎはＧｅやＡｌとの２元系合金において共晶合金を生成するため、結晶化が微細化して応力緩和性が増し、同時に融点も低下する。このようなＺｎの特徴を活かして、はんだの諸特性を種々の要求特性に合わせる場合に必要に応じて含有させればよい。ただし、Ｚｎは蒸気圧が非常に高く、はんだ原料の溶解時に組成がずれたり、バラついたりしてしまう傾向が強いため、このような点も考慮して添加することが必要である。

Ｚｎを含有させる場合の含有量は０.１質量％以上３０.０質量％以下とする。Ｚｎの含有量が０.１質量％未満では、含有量が少なすぎるため上記した効果を発揮し得ない。一方、３０.０質量％超えると、接合時に結晶が粗粒化するなどして応力緩和性が低下したり、十分な接合強度が得られなかったりする。

＜Ｍｇ＞
Ｍｇは、上記したＺｎと同様に、本発明の第１及び第２のＰｂフリーＧｅ−Ａｌ系はんだ合金において更に向上させたい特性がある場合に、必要に応じて添加して第３のＰｂフリーＧｅ−Ａｌ系はんだ合金とする元素であり、その添加による効果は融点の調整や濡れ性の向上などである。

即ち、Ｍｇは、ＧｅやＡｌとの２元系状態図から分かるように、少量の添加で融点を下げる効果がある。更に、ＭｇはＧｅやＡｌよりも酸化し易いため、少量の含有量で濡れ性を向上させる効果も有する。ただし、Ｍｇが多量に含有されると、はんだ表面に強固な酸化膜を形成してしまうため、その含有量には注意を要する。

Ｍｇを含有させる場合、その含有量は０.０１質量％以上２.０質量％以下とする。Ｍｇの含有量が０.０１質量％未満では、含有量が少なすぎてＭｇの効果を十分発揮させることができない。一方、２.０質量％を超えると、逆に濡れ性が低下したり液相線温度が高くなりすぎたり、更には金属間化合物が多く生成されて硬くなり過ぎてしまうなどの問題が生じるため好ましくない。

＜Ｎｉ＞
Ｎｉは、本発明の第１及び第２のＰｂフリーＧｅ−Ａｌ系はんだ合金において更に加工性を向上させたい場合に、必要に応じて添加して第３のＰｂフリーＧｅ−Ａｌ系はんだ合金とする元素である。即ち、Ｎｉを含有することにより伸び率が高くなり、柔らかいはんだ合金となる。Ｎｉは融点が１４５５℃と高いので、Ｎｉを含有させたはんだは半導体チップなどの接合時に、はんだ溶融後の冷却される過程でまずＮｉが析出し、それを核として微細な結晶が成長していくため組織が微細結晶構造となり、その結果クラックの進行が粒界で止められ易くなり、加工性に優れ且つ高信頼性の材料となる。

上記したメカニズムによりＮｉの加工性向上の効果が発揮されるため、Ｎｉの含有量をあまり多くすることは好ましくない。Ｎｉ含有量が多すぎると、Ｎｉの核の密度が多くなり、結晶粒が微細化せずに大きくなりすぎて、Ｎｉ添加効果が半減してしまうからである。従って、Ｎｉを含有させる場合の上限値は０.８０質量％とする。また、下限値は０.０１質量％であり、この値に満たないと核の析出が少なすぎて実質的に加工性向上の効果が得られない。

原料として、それぞれ純度９９.９重量％以上のＧｅ、Ａｌ、Ａｇ、Ｐ、Ｚｎ、Ｍｇ及びＮｉを準備した。大きな薄片やバルク状の原料については、溶解後の合金においてサンプリング場所による組成のバラツキがなく、均一になるように留意しながら、切断及び粉砕などにより３ｍｍ以下の大きさに細かくした。次に、これらの原料からそれぞれ所定量を秤量して、高周波溶解炉用のグラファイト製坩堝に入れた。

上記各原料の入った坩堝を高周波溶解炉に入れ、酸化を抑制するために窒素ガスを原料１ｋｇ当たり０.７リットル／分以上の流量で流した。この状態で溶解炉の電源を入れ、原料を加熱溶融させた。金属が溶融しはじめたら混合棒でよく撹拌し、局所的な組成のばらつきが起きないように均一に混ぜた。十分溶融したことを確認した後、高周波電源を切り、速やかに坩堝を取り出し、坩堝内の溶湯をはんだ母合金の鋳型に流し込んだ。鋳型は、はんだ母合金の製造の際に一般的に使用している形状と同様のものを使用した。

このようにして、上記各原料の混合比率を変えることにより、試料１〜２５の各ＰｂフリーＧｅ−Ａｌ系はんだ母合金を作製した。得られた試料１〜２５の組成をＩＣＰ発光分光分析器（ＳＨＩＭＡＺＵ Ｓ−８１００）を用いて組成分析した。得られた組成分析結果を下記表１に示す。

次に、上記試料１〜２５の各はんだ母合金について、下記のごとく圧延機でシート状に加工し、下記の方法により加工性を評価した。また、シート状に加工した各はんだ合金について、下記の方法により濡れ性（接合性）の評価及びヒートサイクル試験による信頼性の評価を行った。尚、はんだの濡れ性ないし接合性等の評価は、はんだ形状に依存しないためワイヤ、ボール、ペーストなどの形状で評価してもよいが、本実施例においてはシートの形状で評価した。

＜加工性の評価＞
上記表１に示す試料１〜２５の各はんだ母合金（厚さ５ｍｍの板状インゴット）を、圧延機を用いて厚さ０.０８ｍｍまで圧延した。その際、インゴットの送り速度を調整しながら圧延していき、その後スリッター加工により２５ｍｍの幅に裁断した。

このようにしてシート状に加工した後、得られたシート状のＰｂフリーＧｅ−Ａｌ系はんだ合金を観察し、傷やクラックが全くなかった場合を「○」、シート長さ１０ｍ当たり割れやクラックが１〜３箇所ある場合を「△」、４箇所以上ある場合を「×」として、評価結果を下記表２に示した。

＜濡れ性（接合性）の評価＞
上記のごとくシート状に加工した試料１〜２５の各ＰｂフリーＧｅ−Ａｌ系はんだ合金を、濡れ性試験機（装置名：雰囲気制御式濡れ性試験機）を用いて評価した。即ち、濡れ性試験機のヒーター部に２重のカバーをして、ヒーター部の周囲４箇所から窒素を１２リットル／分の流量で流しながら、ヒーター設定温度を各試料の融点より約３０℃高い温度に設定して加熱した。設定したヒーター温度が安定した後、Ｃｕ基板（板厚：約０.７０ｍｍ）をヒーター部にセッティングして２５秒間加熱した。

次に、各試料のはんだ合金をＣｕ基板の上に載せ、２５秒加熱した。加熱が完了した後、Ｃｕ基板をヒーター部から取り上げ、その横の窒素雰囲気が保たれている場所に一旦設置して冷却した。十分に冷却した後、大気中に取り出して接合部分を確認した。各試料のはんだ合金とＣｕ基板との接合部分を目視で確認し、接合できなかった場合を「×」、接合できたが濡れ広がりが悪い場合（はんだが広がらなかった場合）を「△」、接合でき且つ濡れ広がりが良い場合（はんだが薄く濡れ広がった状態）を「○」と評価して、評価結果を下記表２に示した。

＜ヒートサイクル試験＞
はんだ接合の信頼性を評価するためにヒートサイクル試験を行った。尚、この試験は、上記した濡れ性の評価においてはんだ合金がＣｕ基板に接合できた試料（濡れ性の評価が○又は△の試料）を各々２個ずつ用いて行った。即ち、各試料のはんだ合金が接合されたＣｕ基板２個のうちの１個に対しては、−４０℃の冷却と＋２００℃の加熱を１サイクルとするヒートサイクル試験を途中確認のため３００サイクルまで繰り返し、残る１個に対しては同様のヒートサイクル試験を５００サイクルまで繰り返した。

その後、３００サイクル及び５００サイクルのヒートサイクル試験を実施した各試料について、はんだ合金が接合されたＣｕ基板を樹脂に埋め込み、断面研磨を行い、ＳＥＭ（装置名：ＨＩＴＡＣＨＩ Ｓ−４８００）により接合面の観察を行った。この観察の結果、接合面に剥がれが生じるか又ははんだにクラックが入った場合を「×」、そのような不良がなく、初期状態と同様の接合面を保っていた場合を「○」として、得られた評価結果を下記の表２に示した。

上記表２から分かるように、本発明の実施例である試料１〜１７の各ＰｂフリーＧｅ−Ａｌ系はんだ合金は全ての評価項目において良好な特性を示している。即ち、シート状に加工しても傷やクラックの発生が無く、濡れ性及び信頼性も良好であった。

濡れ性において特に良好な結果は、Ｇｅ−Ａｌ系合金にＰが添加された試料４〜６で得られた。この結果は、濡れ性を阻害する酸化膜の形成が抑制され、はんだ合金がＣｕ基板に接触した瞬間に基板上に濡れ広がるためと考えられる。更に、ヒートサイクル試験においても、温度差が２４０℃という大変厳しい条件にも関わらず５００サイクルまで割れなどが発生せず、良好な接合性と信頼性を示した。このような厳しい条件でも十分に機能する本発明のＰｂフリーＧｅ−Ａｌ系はんだ合金は、ＳｉＣなどの高い動作温度の使用環境化でも十分に耐え得るものである。

一方、比較例である試料１８〜２５の各はんだ合金は、Ａｌ、Ａｇ、Ｐの含有量が適切でないか、若しくはＺｎ、Ｍｇ、Ｎｉの含有量が適切でなかったため、いずれか１つ以上の評価で好ましくない結果となった。具体的には、加工性の評価において全ての試料で傷やクラックが発生し、濡れ性についても試料２０を除いて好ましくない結果となり、特にヒートサイクル試験では試料２２を除いた全ての試料（接合できなかった試料１８、１９、２３、２５を除く）で３００サイクルまでに不良が発生した。そして、試料２２においても５００サイクルまでに不良が発生した。

Claims (2)

1. Ｐｂを含まないＧｅ−Ａｌ系のはんだ合金であって、Ａｌの含有量が４３.６質量％以上５４.１質量％以下であり、Ａｇの含有量が０.１質量％以上１４.０質量％以下（５質量％以上を除く）であり、残部がＧｅ及び不可避不純物であることを特徴とするＰｂフリーＧｅ−Ａｌ系はんだ合金。
2. 更にＰを０.５質量％以下含有することを特徴とする、請求項１に記載のＰｂフリーＧｅ−Ａｌ系はんだ合金。