JP6780994B2 - はんだ材料及び電子部品 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1には、錫−銅−銀を主成分とするはんだ材料として、アンチモン−銀−銅−、並びにアルミニウム、鉄及びチタンから選ばれる少なくとも一種、及び残部が錫から成るはんだ材料が開示されている。
しかしながら、発明者の研究において、このはんだ材料の場合、詳細は後述するが、その組成を適正化しないと、以下のような課題があることが判明した。
すなわち、このはんだ材料を用いて、例えば水晶振動片を収納する容器と蓋部材との気密封止を行った場合、はんだ付け後の冷却条件次第では固化したはんだ中に、無視できない低融点相が生じることが判明した。この低融点相は例えば以下に説明するような不具合を発生させる原因になる。例えば水晶振動子は、ほとんどの場合、配線基板にはんだ材料(組成は問わない)により実装されて使用される。さらには、配線基板に実装された状態でモジュール化される場合もある。従って、例えば気密封止材料としてはんだ材料を用いた水晶振動子の場合では、これを配線基板にはんだ付けする際の熱やモジュール化する際の熱によって上記低融点相が影響を受け、気密封止部が再溶融して水晶振動子の気密封止状態を破壊する場合が起きる。さらには、水晶振動子と配線基板とのはんだ接合部に上記の低融点相が生じている場合、この接合部でも再溶融が生じるので、水晶振動子と配線基板との接合品質の低下を招く場合がある。
この出願はこのような点に鑑みなされたものであり、従って、この発明の目的は、Sn、Sb、Cu、Ag及びInを含むはんだ材料であって、それが固化した後の低融点相の影響を軽減できるはんだ材料及びこれを用いた電子部品を提供することにある。
なお、この発明を実施するに当たり、Agの含有量を、15〜25質量%とするのが好ましい。また、Inの含有量を、好ましくは1.3〜5質量%、より好ましくは1.5〜4質量%とするのが良い。
また、この発明のはんだ材料を加熱溶融させた後の冷却条件は、好ましくは3.5℃/秒の冷却速度以上の早い冷却速度、より好ましくは5°/秒の冷却速度以上の早い冷却速度とするのが好ましい。このような冷却速度であると固化物に低融点相が生じるおそれを軽減できるからである。
Sn、Sb、Cu、Ag及びInを含むはんだ材料では、はんだ材料を溶融させた後の固化のための冷却速度の違いによって、固化後のはんだ中に無視できない低融点相が生じることが、発明者の実験により判明した。
具体的には、はんだ材料を溶融させた後に直ぐに熱容量の大きい金属に接触させて急激に冷却した場合(50℃/秒以上の冷却速度と推定)、また、リフロー炉のプロファイルを種々に変えて、冷却速度でいって20℃/秒、10℃/秒、5℃/秒、3.5℃/秒、1℃°/秒と違えて冷却した場合それぞれの冷却条件で得た各々の試料の示差走査熱量(DSC)特性を測定をしたところ、冷却速度が遅くなるほど、無視できない低融点相が生じることが判明した。
このようなとき、この発明のはんだ材料の組成において、特にInの含有率を適正化すると、はんだ材料を溶融した後の冷却速度を5℃/秒さらには3.5℃/秒まで遅くしても、固化物に無視できない低融点相は実質的に生じないことが判明した。
上記のような知見から、この発明のはんだ材料は、Snを25〜45質量%、Sbを30〜40質量%、Cuを3〜8質量%、Agを15〜25重量%、Inを1.3〜6質量%(好ましくは1.3〜5%、より好ましくは1.5〜4質量%)含むものである。以下、具体的に説明する。
このはんだ材料においてSnは、はんだ材料が融け始まる温度である固相線温度を支配する役目を持つことから、その含有量は、25〜45質量%(25質量%以上、45質量%以下)の範囲から、使用目的に応じ決定する。
またSbは、このはんだ材料の共晶点を制御する役目を持つ。具体的には、例えばAg、Cuを含むこのはんだ材料では、共晶点が高くなり易いが、Sbを加えると共晶点を低くすることができる。しかし、Sbの含有量を多くしすぎると、溶融したはんだの中にSbが再結晶化して散在し、はんだ材料の品質が低下する。従って、Sbの含有量は、これらを考慮して、30〜40質量%(30質量%以上、40質量%以下)の範囲から、決定する。
またAgは、はんだ材料の接合の安定性を保つ役目を持つ。ここで接合の安定性が良いとは、当該はんだ材料を用いてはんだ付けを行った後の固化物が、高い機械的強度を持つことをいう。さらに具体的には、水晶振動子等の電子部品おいて容器と蓋部材とを当該はんだ材料を用いて気密封止したときに、容器と蓋部材との接合強度が強いことをいう。ただし、Agの含有量が多すぎると固化物内部でAgの結晶化が起こり易くなり、そのため、はんだの濡れ性が悪くなる。しかも、Agの含有量が多くなるほど、コスト高になる。また、Agの含有量が多すぎると、はんだ材料が融け始まる温度である固相線温度がSnの融点の温度の影響を受け易くなる性質がある。換言すれば、Agの量を少なくすると当該はんだ材料の固相線温度の低下を制御することができる。従って、Agの含有量は、これらを考慮して、25質量%以下が良く、好ましくは、15〜25質量%(15質量%以上、25質量%以下)の範囲から、決定する。
先ず好適な形態として、Si(シリコン)及びTi(チタン)を含ませることが出来る。Si及びTiを含ませることで、示差走査熱量曲線の傾きが急峻になる。その理由は、Si及びTiを加えることで半田を構成する結晶が細かくなるため、はんだを構成する粒子が細かくなり、固体から液体への変化が明瞭になるためと考えられる。Si及びTiの含有量は、これが少なすぎては上記の粒子の微細化が得られず、多すぎてはSi及びTi自体が結晶として残り易くなる。従って、Si及びTiの量はこれらを考慮し決定する。発明者の実験によれば、Si及びTiの含有量は各々0.1質量%以下が良く、好ましくは0.05質量%以下が良い。なお、Tiは硬いためドロスになり易い性質を持つので、その量が多くなるとはんだ材料の粘性が高くなるおそれがある。従って、Tiの含有量については上記のように0.1質量%以下、好ましくは0.05質量%以下で良いが、より好ましくは0.03質量%以下が良い。
上記の様にSi及びTiを含むこの発明のはんだ材料では、固体から液体への変化が明瞭になるため、はんだ材料の溶融が不十分となるおそれや、十分に固化せずにはんだ材料で固定したはずの部分が剥離するおそれが、より一層少なくなる。
次に、この発明のはんだ材料の製造方法の一例について説明する。まず、Sn、Sb、Cu、Ag及びIn各々を、個別に、例えばターボミル、ローラミル、遠心力粉砕機、パルベライザー等の公知の粉砕機を用いて粉砕し、各金属材料の粉末を得る。
次に、この混合物を例えば加熱したるつぼ内で溶融して溶融金属を形成し、次に、例えば公知の遠心噴霧アトマイス法により造粒する。遠心噴霧アトマイス法は、高速で回転する回転盤上に、上記るつぼの溶融金属を連続供給し、回転盤の遠心力により溶融金属を周囲に噴霧する。この噴霧された溶融金属を所定の雰囲気中で冷却して固化することにより、微粒子化されたはんだ材料が得られる。なお、この微粒子の径が大きすぎると、生成するはんだペーストの基板への印刷性が悪くなり、小さすぎると、はんだペーストが加熱された際にはんだペーストの被塗布物へのぬれ性が悪くなる。そのため、例えば粒子画像計測やゼータ電位測定などの公知に粒度分布測定法を用い、球相当径で平均粒子径5μm〜50μmの範囲の粒径となるよう、上記加工物の出来映えを管理し、各微粒子を製造するのが良い。
このように微粒子化されたはんだ材料とフラックスとを混合することで、この発明のはんだ材料であってペースト状のはんだ材料が得られる。はんだペーストを構成する場合に用いるフラックスとしては、例えば、ロジン等の粘着付与材樹脂、チキソ剤、活性剤、溶剤等を含んだものが使用できる。また、フラックスの活性度の違いにかかわらず、各種フラックスを用いることができる。
次に、上述のように調製したペースト状のはんだ材料を用いて製造する電子部品の例を説明する。
図1は、電子部品としての水晶振動子の第1の例を説明するための、水晶振動子の分解斜視図である。この第1の例の水晶振動子1は、例えばセラミック製の平面形状が長方形状の基体11と、この基体11に接続された蓋部材12と、これら基体11および蓋部材12を接合している本発明のはんだ材料2と、水晶振動片3とを備える。蓋部材12は凹部を持ち周囲が縁部13となっているキャップ状のものである。基体11と蓋部材12とで水晶振動片3を収納する容器10を構成している。水晶振動片3は、表裏に励振用電極30を有し、水晶振動片3の一端で基体11に導電性接着剤4により固定されている。基体11の、導電性接着剤4の位置には、図示しないビヤ配線が設けてある。そして、このビヤ配線は基体11の裏面に設けてある図示しない実装端子に接続してある。
なお、この発明を適用できる電子部品は、水晶振動子に限られず、弾性表面波フィルタ、センサー等、ハンダ封止を行いたい種々のものとできる。
また、この発明で言う電子部品とは、この発明のはんだ材料を封止材料として用いた上記の水晶振動子等に限られない。水晶振動子等の電子部品を配線基板に本発明のはんだ材料ではんだ付けして構成される、電子部品を実装した基板も含む。たとえば、図1や図1の水晶振動子の図示しない実装端子と図示しない配線基板上の接続端子とを本発明のはんだ材料で接続した電子部品実装基板もこの発明の電子部品に含まれる。さらには、このような電子部品を実装した基板を樹脂モールドして構成されるモジュールも、この発明の電子部品に含まれる。
5−1.DSC測定による実験
この発明のはんだ材料が有する再溶融の危険が軽減できるという効果を確認するため、以下の実施例及び比較例による実験を行った。
表1に示した組成の実施例及び比較例のはんだ材料を、上述した製造方法により準備した。
次に、これら実施例及び比較例のはんだ材料各々を、475℃の温度で溶融した後、5℃/秒の冷却速度で冷却して固化させた。なお、ここで475℃の温度で溶融させた理由は、実施例及び比較例の各はんだ材料を確実に溶融させることができるようにするためである。従って、この温度は一例に過ぎない。
次に固化させた各試料に対し、示差走査熱量測定を実施した。そして、各試料ごとの固相線温度、液相線温度、280℃における液相率及び固相率を求めた。これらの結果を、表1に示してある。なお、測定に用いたDSC装置はThermo Plus EVOII/DSC8230(リガク製)である。また、測定はJISZ3198−1に規格化された方法で行った。また、液相率、固相率は、DSC測定結果における全体のピ−ク面積を100%として、280℃未満のピーク面積比を液相率、280℃以上のピーク面積比を固相率とした。なお、液相率、固相率の算出で280℃という温度を設定した理由は、現在汎用されている金/錫合金の融点が280℃であることから、金/錫合金の耐熱性と同等以上の耐熱性がこの発明のはんだ材料で保障できるか否かを判断し易くするためである。
比較例のDSC測定の結果の一例として比較例1の試料でのDSC特性図を図3に示し、実施例のDSC測定の結果の一例として実施例1の試料でのDSC特性図を図4に示した。なお、図3、図4において、横軸は温度(℃)、縦軸は熱流(mW)である。
従って、実施例の試料では、溶融・固化後に再び熱を加えられても再溶融は生じ難いことが分かる。すなわち、1度目の溶融・固化時の冷却速度を5℃/秒と実現可能な比較的早い速度とした場合でも、再加熱時の再溶融を防止できることが分かる。また、DSCの特性図は省略するが、各実施例のはんだ材料であって、はんだ材料の溶融後の冷却速度を3.5℃/秒とした場合でも、冷却速度が5℃/秒の場合と同様、低融点相は実質的に生じないことが発明者の実験で確認できた。
次に、図2を参照して説明した第2の例の水晶振動子により本発明の効果を確認した結果を説明する。
先ず、図2に示した第2の例の水晶振動子であって、はんだ材料として実施例13、1、3、のはんだ材料、比較例6、4、5、1、2、3のはんだ材料を用いて気密封止した水晶振動子を、各々20個ずつ製造した。すなわち、Inの含有量(質量%)に着目すると、0.5、1、1.3、1.5、2、4、6、7、8に当たるはんだ材料を用いて各試料を製造した。次に、封止直後の封止良品率、及び、封止後に良品と判定された試料を所定のリフロー炉に複数回通した後の良品率を、それぞれ調査した。なお、封止直後の封止良否判定は、基体21と蓋部材22との接合具合の顕微鏡観察と、公知のHeリークテストとで行った。また、リフロー炉を通した後の都度の良否判定は、公知のHeリークテスト及びバブルリークテストにより行った。また、リフロ−は、210℃以上の温度を80秒±20秒維持し、かつ、ピーク温度として255℃の温度を30秒維持する温度プロファイルを持つリフロー炉を用いて行った。
また、表2に、封止後の良品をリフロー炉に複数回通した都度の良品率を示した。表2から分かるように、Inの含有率が1.5質量%以上で4質量%以下では、リフロー回数を増やしても良品率は100%を維持している。また、Inの含有率が1.3質量%以上で6質量%以下であっても、良品率はある程度確保できており製造条件の適正化等により製品に適用できるともいえる。これに対し、In含有量が7質量%を越える試料では、リフロ回数1回目後でも不良が発生し、リフロー回数が増えるに従い不良が発生し、In含有量が6%ではリフロー5回後で不良が発生することが分かる。
これら図5、表2の結果を考察すると、Inの含有量が1.3質量%以上で6質量%以下であると本発明の効果が得られる。好ましくは、Inの含有量は1.3質量%以上で5質量%以下が良く、より好ましくは、Inの含有量は1.5質量%以上で4質量%以下が良いことが分かる。
上記の封止実験で用いた比較例及び実施例のはんだ材料を用い、JISZ3284−4:204に規格化された方法に従い、はんだ濡れ性の評価を行った。
図6はその結果を示した図である。横軸にInの含有量(質量%)をとり、縦軸に上記JIS規格に規定されている濡れ速さ(μm/sec)をとってある。
この図6の結果から、濡れ性はInの含有量が0.5質量%では−2.1と悪く、1質量%では0.5質量%に対し3倍以上度改善され、1.5質量%以上ではさらに改善され実用上問題ないレベルでほぼ維持される。
従って、濡れ性の観点からみても、Inの含有量の下限は1.3質量%が良く、より好ましくは1.5質量%が良いことが分かる。濡れ性が悪いと、例えば水晶振動子の気密封止の際のはんだの溶融・接合が良好に行われないので、封止後の良品率も悪くなると言えるから、図5や表2の結果と照らしても、Inの含有量の下限は1.3質量%が良く、より好ましくは1.5質量%が良いことが分かる。
次に、微量添加元素としてSi及びTiを添加した実験結果を説明する。実施例1のはんだ材料において、Agの含有量を0.01質量%減らし、その代わりに、0.05質量%のSiと、0.05質量%のTiとを含ませで実施例15のはんだ材料を調整した。
次に、この材料を、上述の実施例と同様に、475℃の温度で溶融した後、5℃/秒の冷却速度で冷却して固化させた。次に固化させた試料に対し、示差走査熱量測定を実施した。
Si及びTiを含有したものの方が、それらを含有しないものより、熱流のピークが大きくなり、しかも、示差走査熱量曲線の傾きが急峻になっていることが分かった。このことは、固体から液体への変化が明瞭になることを意味するから、はんだ材料の溶融・固化がより良好に行えるといえる。
4:導電性接着剤、 5:パッド
10、20:容器、 11、21:基体、 12、22:蓋部材
13:縁部、 30:励振用電極
Claims (8)
- Snを25〜45質量%、Sbを30〜40質量%、Cuを3〜8質量%、Agを25質量%以下、Inを1.5〜3質量%含むことを特徴とするはんだ材料。
- Si及びTiを各々0.1質量%以下含むことを特徴とする請求項1に記載のはんだ材料。
- フラックスが混合されたペースト状であることを特徴とする請求項1又は2に記載のはんだ材料。
- 箔状に加工された後、打ち抜かれたプリフォームであることを特徴とする請求項1又は2に記載のはんだ材料。
- 気密封止構造を持つ電子部品であって、気密封止材料として請求項1又は2に記載のはんだ材料が用いられていることを特徴とする電子部品。
- 容器を構成する基体および蓋部材を有し、これら基体及び蓋部材が請求項1又は2に記載のはんだ材料によって接合されていることを特徴とする電子部品。
- 電子素子を内包する容器とこれを実装している配線基板とを具え、容器及び配線基板の接続材料として請求項1又は2に記載のはんだ材料が用いられていることを特徴とする電子部品。
- 請求項5〜7のいずれか1項に記載の電子部品を樹脂でモールドしたモジュール構造を有することを特徴とする電子部品。
以上
1
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