JP7162240B2 - はんだ材料、実装基板、及び、はんだ部の形成方法 - Google Patents

Description

本開示は、はんだ材料、実装基板、及び、はんだ部の形成方法に関する。

従来、基板に実装される各種電子部品を接合するために、はんだ材料が用いられている。はんだ材料としては、基板に加わる熱などによる応力を小さくするめに、低融点のものが望まれることがある。特許文献１には、ビスマス（Ｂｉ）とインジウム（Ｉｎ）とを含む低融点のはんだ材料が開示されている。

特開２０１６－２０７８４２号公報

特許文献１のはんだ材料は、低温で電子部品をはんだ接合することはできるが、接合後のはんだ材料に当該はんだ材料の融点以上の温度が加わると溶融してしまう。つまり、特許文献１のはんだ材料は、接合後に耐熱性が低いという課題がある。

そこで、本開示は、低温ではんだ接合することができ、かつ接合後の耐熱性が向上されたはんだ材料などを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本開示の一態様に係るはんだ材料は、ビスマスと、インジウムと、前記ビスマス及び前記インジウムの少なくとも一方と金属間化合物を形成する金属材料とを含む。

また、上記目的を達成するために、本開示の一態様に係る実装基板は、基板と、前記基板に配置されたはんだ部であって、上記のはんだ材料を溶融した後に固化させて形成されたはんだ部とを備える。

また、上記目的を達成するために、本開示の一態様に係るはんだ部の形成方法は、ビスマスと、インジウムと、前記ビスマス及び前記インジウムの少なくとも一方と金属間化合物を形成する金属材料とを含むはんだ材料を準備する工程と、前記はんだ材料を溶融した後に固化させることで、前記ビスマス及び前記インジウムの少なくとも一方と前記金属材料とを金属間化合物に変化させる工程とを含む。

本開示によれば、低温で接合することができ、かつ接合後の耐熱性が向上されたはんだ材料を提供することを提供する。

図１は、実施の形態に係る太陽電池モジュールの外観を示す模式図である。 図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線における、実施の形態に係る太陽電池モジュールの断面模式図である。 図３Ａは、ビスマス及びインジウムの二元系状態図である。 図３Ｂは、銅及びインジウムの二元系状態図である。 図３Ｃは、本実施の形態に係るはんだ材料に含まれる銅の原子分率を示す図である。 図４は、実施の形態に係るはんだ部を形成する流れを示すフローチャートである。 図５は、実施の形態に係るはんだ部を形成する様子を模式的に示す図である。 図６は、実施の形態に係るはんだ部の接合強度試験の様子を示す図である。 図７は、実施の形態に係るはんだ部のＤＳＣ分析の結果を示す図である。

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、発明者は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するものであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。

また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、実質的に同一の構成に対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化される場合がある。

また、以下の実施の形態で説明に用いられる図面においては座標軸が示される場合がある。Ｚ軸のマイナス側が太陽電池モジュールの設置面側、Ｚ軸のプラス側が太陽光の光入射面側を表している。また、Ｘ軸及びＹ軸は、Ｚ軸に垂直な平面上において、互いに直交する軸である。例えば、以下の実施の形態において、「平面視」とは、光入射面側から見る（Ｚ軸プラス方向から見る）ことを意味する。

また、本明細書において、「略」及び「約」とは、製造誤差や寸法公差を含むという意味である。

（実施の形態）
以下、本実施の形態に係るはんだ材料について、図１～図７を参照しながら説明する。なお、以下では、本実施の形態に係るはんだ材料が太陽電池モジュール１０に用いられる例について説明する。

［１．太陽電池モジュールの全体構成］
まずは、本実施の形態に係る太陽電池モジュール１０の構成について、図１及び図２を参照しながら説明する。

図１は、本実施の形態に係る太陽電池モジュール１０の外観を示す模式図である。太陽電池モジュール１０は、太陽光をレンズ（光学系）により集光する集光型の太陽電池モジュールである。図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線における、本実施の形態に係る太陽電池モジュール１０の断面模式図である。

図１及び図２に示すように、太陽電池モジュール１０は、第一のレンズアレイ２０と、第二のレンズアレイ３０と、発電モジュール４０とを備える。なお、図１中のＩＩ－ＩＩ線は、Ｙ軸方向に平行であり、かつ太陽電池モジュール１０のＸ軸方向における中央を切断する切断線である。

［１－１．第一のレンズアレイ］
まず、第一のレンズアレイ２０について、図１及び図２を参照しながら説明する。

図１に示すように、第一のレンズアレイ２０は、正の屈折率を有する複数の第一のレンズ２１がアレイ状（二次元状）に配置されて構成された一次集光レンズアレイである。第一のレンズ２１は、太陽光を後述する第二のレンズ３１に集光する。

本実施の形態では、第一のレンズアレイ２０は、２５個の第一のレンズ２１がアレイ状に配置されて構成されるが、第一のレンズアレイ２０を構成する第一のレンズ２１の数は特に限定されない。また、第一のレンズ２１の平面視における形状は、特に限定されない。図１では、第一のレンズ２１の形状は正方形状である例について示しているが、第一のレンズ２１は長方形状、又は、六角形状であってもよい。

図２に示すように、第一のレンズアレイ２０は、太陽光が入射する光入射面２１ａ（Ｚ軸プラス側の面）と、光入射面２１ａと反対側の面であり、当該太陽光が出射する光出射面２１ｂ（Ｚ軸マイナス側の面）とを有する。また、本実施の形態では、第一のレンズ２１のそれぞれは、例えば、光出射面２１ｂ側に第二のレンズ３１に向けて突出した凸部が形成されている凸レンズが用いられる。

第一のレンズアレイ２０の材質は、透明な樹脂であるとよい。太陽電池モジュール１０の軽量化に寄与するためである。具体的に、第一のレンズアレイ２０は、アクリル樹脂（ＰＭＭＡ）を射出成型することなどにより作製される。

［１－２．第二のレンズアレイ］
次に、第二のレンズアレイ３０について、図２を参照しながら説明する。

第二のレンズアレイ３０は、第一のレンズ２１側（Ｚ軸マイナス側からＺ軸プラス側）に突出した凸形状を有する複数の第二のレンズ３１がアレイ状に配置されて構成された二次集光レンズアレイであり、第一のレンズアレイ２０の光出射方向側に配置される。また、第二のレンズアレイ３０は、図２中のＸ－Ｙ平面に広がる支持基板としてのベース部３２と、当該ベース部３２の光入射面側（Ｚ軸プラス側）に形成された第二のレンズ３１とを有する。第二のレンズ３１の光軸は、第一のレンズ２１の光軸と略一致する。

ベース部３２は、板状であり、第一のレンズアレイ２０の第一のレンズ２１に一対一に対応して第二のレンズ３１がベース部３２の表面にアレイ状に配置されている。また、第二のレンズ３１とベース部３２とは、一体に成型される。

第二のレンズアレイ３０の材質は、透明な樹脂であるとよい。樹脂を用いることで、太陽電池モジュール１０の軽量化に寄与するためである。具体的に、第二のレンズアレイ３０は、アクリル樹脂を押し出し成型、又は、射出成型することにより作製される。なお、第一のレンズアレイ２０と第二のレンズアレイ３０とは、同一の材料で形成されてもよい。

［１－３．発電モジュール］
次に、発電モジュール４０について、図２を参照しながら説明する。

図２に示すように、発電モジュール４０は、照射された太陽光の光エネルギーを電気エネルギーに変換する発電部であり、樹脂板４１と、発電素子４２と、はんだ部４４とを有する。

樹脂板４１は、発電素子４２を保持する保持部材の一例であり、シリコーン系樹脂の接着剤などで第二のレンズアレイ３０の第二のレンズ３１が形成されていない側の面に固定されている。発電素子４２は、樹脂板４１が第二のレンズアレイ３０のベース部３２に配置されたときに、第二のレンズ３１の焦点に位置が合うように樹脂板４１上に実装されるとよい。

樹脂板４１は、透明な樹脂材料で形成される。樹脂板４１は、例えば、約１００℃以下で軟化する樹脂材料で形成されている。本実施の形態では、樹脂板４１は、透明なアクリル樹脂で形成される。これにより、発電素子４２が樹脂板４１の第二のレンズアレイ３０とは逆側の面（Ｚ軸マイナス側の面）に固定される場合であっても、発電素子４２は集光された太陽光を受光できる。なお、第一のレンズアレイ２０と発電素子４２との距離は、第一のレンズアレイ２０及び第二のレンズアレイ３０の集光特性により決定されるが、一例として、３１ｍｍ程度である。なお、樹脂板４１は、透明であることに限定されず、１００℃以下で軟化する樹脂材料で形成されてもよい。樹脂板４１は、ＡＢＳ樹脂（アクリロニトリル－ブタジエン－スチレン共重合樹脂）、又は、ＰＥＴ樹脂（ポリエチレンテレフタレート）などで形成されていてもよいし、その他の樹脂で形成されていてもよい。また、樹脂板４１は、可撓性を有する樹脂材料で形成されていてもよい。

樹脂板４１には、導電層である配線４３が形成されている。配線４３は、導電性ペーストにより形成される。配線４３は、例えば、銀又は銅を含んで形成される。

発電素子４２は、照射された太陽光の光エネルギーを電気エネルギーに変換する機能を有する。すなわち、発電素子４２は、光電変換を行う。発電素子４２は、ＧａＡｓ系材料、ＧａＮ系材料、Ｓｉ系材料の薄膜から構成されている。これらの薄膜に光を照射すると光電流が発生するので、外部回路に電気エネルギーを供給することが可能となる。発電素子４２には、エネルギー変換効率が４０％以上のＧａＡｓ系材料からなる薄膜を用いることが好ましい。なお、発電素子４２の受光面積は、例えば、略１ｍｍ^２である。また、発電素子４２は、例えば、Ｙ軸方向に沿って等間隔に配置される。

はんだ部４４は、樹脂板４１上（具体的には、樹脂板４１の配線４３上）に配置され、樹脂板４１と発電素子４２とを金属接合する接合部である。具体的には、はんだ部４４は、配線４３と発電素子４２とを金属接合することで、配線４３と発電素子４２とを機械的及び電気的に接続する。本実施の形態では、はんだ部４４を形成するはんだ材料に特徴を有する。はんだ材料は、ビスマス（Ｂｉ）と、インジウム（Ｉｎ）と、ビスマス及びインジウムの少なくとも一方と金属間化合物を形成するための金属材料とを含む。はんだ部４４は、当該はんだ材料を溶融した後に固化させて形成される。

なお、発電素子４２は、樹脂板４１に実装される電子部品の一例である。

配線４３は、発電素子４２が生成した電気エネルギーを外部回路に供給するための配線パターンである。Ｙ軸方向における両端に配置された配線４３は、Ｙ軸方向において、一端が発電素子４２と接続され、他端が取り出し電極（図示しない）と接続されている。これにより、配線４３を介して、発電素子４２と取り出し電極とが電気的に接続されるので、発電素子４２のそれぞれで発生した光電流を、外部回路に取り出すことができる。

なお、はんだ部４４が配置された樹脂板４１は、実装基板５０の一例である。すなわち、実装基板５０は、配線４３を有する樹脂板４１と、当該配線４３上に配置されたはんだ部４４とを有する。

［１－４．外枠など］
図２を再び参照して、次に、外枠６０などの部材について、説明する。

第一のレンズアレイ２０と第二のレンズアレイ３０との間には、外枠６０と、支承部材６１とが配置されている。支承部材６１は、第二のレンズアレイ３０に対し第一のレンズアレイ２０を支え持ち、第一のレンズアレイ２０と第二のレンズアレイ３０との間隔を維持する部材である。本実施の形態の場合、外枠６０と支承部材６１とはそれぞれ、第二のレンズアレイ３０と一体で形成されている。支承部材６１は、支持部６１ａと先端部６１ｂとを有する。外枠６０と支承部材６１の先端部６１ｂとはそれぞれ、第一のレンズアレイ２０の光出射面２１ｂに接触して第一のレンズアレイ２０を支持している。先端部６１ｂにおける第一のレンズアレイ２０と接触する部分は、例えば略球状である。支持部６１ａの幅（Ｙ軸方向の長さ）に対して第一のレンズアレイ２０側にある先端部６１ｂの幅（Ｙ軸方向の長さ）は小さい。これにより、第一のレンズ２１から出射する太陽光に支承部材６１が干渉することを抑制することができる。

なお、先端部６１ｂは、外枠６０のみで第一のレンズアレイ２０を支えることができる、つまり外枠６０のみで第一のレンズアレイ２０と第二のレンズアレイ３０との間隔を維持することができる場合、第一のレンズアレイ２０と接触していなくてもよい。また、外枠６０と先端部６１ｂとで第一のレンズアレイ２０を支えている場合も、先端部６１ｂの全てが第一のレンズアレイ２０と接触していなくてもよい。

上記のように構成された太陽電池モジュール１０は、第一のレンズアレイ２０、第二のレンズアレイ３０、及び、樹脂板４１がアクリル樹脂により構成されるので、軽量である。太陽電池モジュール１０は、例えば、時刻によらず太陽電池モジュール１０の光入射面２１ａを太陽光側に向ける（言い換えると、光入射面２１ａに太陽光を略垂直に入射させる）ために、太陽光を追尾する装置（図示せず）に搭載されて使用される場合がある。具体的には、太陽電池モジュール１０は、太陽光を追尾する装置に複数搭載されて使用される場合がある。これにより、光入射面２１ａに対し垂直に太陽光を受光することが日中の多くの時間で可能となる。

この場合において、本実施の形態に係る太陽電池モジュール１０は軽量であるので、太陽光を追尾する装置に必要とされる強度を下げることができる。つまり、本実施の形態に係る太陽電池モジュール１０であれば、太陽光を追尾する装置などの付帯設備のコストを低減することができる。さらに、太陽光を追尾する装置は、第一のレンズアレイ、第二のレンズアレイ、及び、保持部材がガラスなどのアクリル樹脂より重い材料で形成されている場合に比べ、より少ないエネルギーで太陽電池モジュール１０の光入射面２１ａを太陽光に向けて動かすことができる。つまり、より少ないエネルギーで、太陽電池モジュール１０の発電効率を向上させることができる。

［２．はんだ材料］
続いて、はんだ部４４を形成するはんだ材料について、図３Ａ～３Ｃを参照しながら説明する。

本実施の形態では、アクリル樹脂からなる樹脂板４１を用いている。アクリル樹脂の耐熱温度は１００℃以下（例えば、約９５℃）であるので、はんだ材料を用いて１００℃以下で配線４３と発電素子４２との接合を行う必要がある。そのため、はんだ材料は、樹脂板４１の耐熱温度（例えば、軟化温度）より低い温度で溶融することが望ましい。また、配線４３と発電素子４２とを接合した後は、はんだ材料で形成されたはんだ部４４は、高い耐熱性を有することが望ましい。

そこで、本実施の形態では、はんだ材料は、ビスマス及びインジウムと、ビスマス及びインジウムの少なくとも一方と金属間化合物を形成するための金属材料とを含む。本願において、はんだ材料がビスマス及びインジウムの少なくとも一方と金属間化合物を形成するための金属材料を含むことに特徴を有する。金属材料は、ビスマス及びインジウムの少なくとも一方と金属間化合物を形成可能である。

本実施の形態では、はんだ材料は、少なくともインジウムと金属間化合物を形成する金属材料を含む。インジウムと金属間化合物を形成する金属材料とは、例えば、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、コバルト（Ｃｏ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、及び、ニッケル（Ｎｉ）である。すなわち、はんだ材料は、当該はんだ材料を構成する金属材料として、ビスマス及びインジウムと、金、銀、コバルト、白金、銅、及び、ニッケルの少なくとも１つとを含む。本実施の形態では、はんだ材料は、金属材料として、銅を含む。具体的には、はんだ材料は、金属間化合物を形成する金属材料として銅粒子（金属粒子）を含む。以下の説明では、金属間化合物を形成する金属材料が銅粒子である例について説明する。すなわち、はんだ部４４において、インジウムと銅粒子とで金属間化合物が形成される例について説明する。

まず、ビスマス及びとインジウムの重量比について、図３Ａを参照しながら説明する。

図３Ａは、ビスマス及びインジウムの二元系状態図である。

図３Ａに示すように、ビスマス及びインジウムにおけるインジウムの重量比は、約５０ｗｔ％以上７０ｗｔ％以下の範囲であれば、融点が約１００℃以下となる。よって、ビスマス及びインジウムにおけるインジウムの重量比は、約５０ｗｔ％以上７０ｗｔ％以下の範囲であるとよい。また、ビスマス及びインジウムにおけるインジウムの重量比が６６．３ｗｔ％であるときに、融点が約７８．５℃と最も低くなっている。よって、ビスマス及びインジウムにおけるインジウムの重量比は、約６６．３ｗｔ％であるとよい。これにより、低温で配線４３と発電素子４２とを接合することができる。なお、本実施の形態における低温とは、１００℃以下の温度である。また、低温で配線４３と発電素子４２とを接合することができるとは、１００℃以下の温度で配線４３と発電素子４２とを接合することができることを意味する。

次に、インジウムと銅とで形成される金属間化合物の耐熱性について、図３Ｂを参照しながら説明する。

図３Ｂは、銅及びインジウムの二元系状態図である。

図３Ｂに示すように、インジウムと銅との金属間化合物として、例えば、Ｃｕ_７Ｉｎ_３、及び、Ｃｕ_７Ｉｎ_４の少なくとも一方が形成される。Ｃｕ_７Ｉｎ_３の融点は、約６００℃程度であり、Ｃｕ_７Ｉｎ_４の融点は、約３８０℃程度である。インジウムを含む金属間化合物の融点は、例えば、ビスマスの融点より高い。なお、インジウムと銅との金属間化合物は、上記に限定されない。インジウムと銅との金属間化合物は、Ｃｕ_１１Ｉｎ_９又はＣｕ_６Ｉｎ_５を含んでいてもよい。Ｃｕ_６Ｉｎ_５の融点は、約３００℃である。インジウムと銅との金属間化合物は、Ｃｕ_７Ｉｎ_３、Ｃｕ_７Ｉｎ_４、Ｃｕ_１１Ｉｎ_９、及び、Ｃｕ_６Ｉｎ_５の少なくとも１つを含む。すなわち、はんだ部４４は、Ｃｕ_７Ｉｎ_３、Ｃｕ_７Ｉｎ_４、Ｃｕ_１１Ｉｎ_９、及び、Ｃｕ_６Ｉｎ_５の少なくとも１つを含む。

次に、はんだ材料に含まれる銅の原子分率について、図３Ｃを参照しながら説明する。

図３Ｃは、本実施の形態に係るはんだ材料に含まれる銅（例えば銅粒子）の原子分率を示す図である。図３Ｃは、ビスマス及びインジウムにおけるインジウムの重量比が６６．３ｗｔ％である場合について示している。また、図３Ｃは、はんだ材料に含まれる各種材料のうちビスマス、インジウム、及び、銅の重量比を示しており、はんだ材料に含まれるそれ以外の金属材料又はフラックスなどは含まれていない。

図３Ｃに示す値は、ビスマス、インジウム、及び、銅における当該銅の重量比が１０ｗｔ％～６０ｗｔ％までを１０ｗｔ％刻みで計算した計算値である。また、「Ｒｅｍａｉｎ Ｃｕ」は、はんだ材料を用いて接合を行った後に、はんだ部４４に残存している銅単体の量（すなわち、インジウムと金属間化合物を形成しない銅の量）を示している。銅が残存しているとは、はんだ材料に含まれるインジウムの全てが銅と金属間化合物を形成したことを示す。また、「Ｒｅｍａｉｎ Ｃｕ」の欄の「－」は、銅が残存しないことを示す。

図３Ｃに示すように、銅の重量比が５０ｗｔ％以上である場合、接合後のはんだ部４４に銅が残存する。よって、ビスマス、インジウム、及び、銅における当該銅の重量比は、５０％であるとよい。なお、銅の融点は１０００℃以上であり、はんだ部４４に銅が残存していてもはんだ部４４の耐熱性が低下することはないので、銅の重量比は、６０％でもよい。例えば、ビスマス、インジウム、及び、銅における当該銅の重量比は、６０％以下であってもよい。

なお、以下において、はんだ材料は、ビスマス、インジウム、及び、銅における当該銅の重量比は、３０％である例について説明する。

また、はんだ材料には、フラックスが含まれる。はんだ材料に含まれるビスマス、インジウム、及び、銅などの金属材料と、フラックスとにおけるフラックスの重量比は、金属材料の重量比などにより適宜決定されればよいが、ビスマス、インジウム、及び、銅における当該銅の重量比が３０ｗｔ％である場合、例えば、約１０ｗｔ％である。

フラックスは、例えば、松脂、溶媒、チクソ剤、及び、活性剤などが所定の割合で含まれる。フラックスにおける松脂の含有率は、例えば、約５０％である。フラックスにおける溶媒の含有率は、例えば、約４０％である。溶媒は、例えば、グリコールエーテルなどである。フラックスにおけるチクソ剤の含有率は、例えば、５～７％である。チクソ剤は、例えば、ワックスなどである。チクソ剤は、はんだ粉末（例えば、ビスマス、インジウム、及び、銅の粉末）とフラックスとが分離することを抑制する分離抑制剤、及び、はんだペーストの増粘剤として用いられる。フラックスにおける活性剤の含有率は、３～５％である。活性剤は、例えば、カルボン酸などの有機酸系の活性剤、及び、ハロゲン系（アミン及びＨＢｒ誘導体）の活性剤の少なくとも一方を含む。

［３．はんだ部の形成方法］
続いて、はんだ部４４の形成について、図４及び図５を参照しながら説明する。

図４は、本実施の形態に係るはんだ部４４を形成する流れを示すフローチャートである。図５は、本実施の形態に係るはんだ部４４を形成する様子を模式的に示す図である。

図４に示すように、まず上記で示したはんだ材料を準備する工程（Ｓ１０）が行われる。本実施の形態では、ビスマス、インジウム、及び、銅（銅粒子）における当該銅の重量比が３０ｗｔ％であるはんだ材料が準備される。なお、はんだ材料は、例えば、ペースト状である。

次に、はんだ材料を溶融した後に固化させることで、インジウムと銅とを金属間化合物に変化させる工程が行われる（Ｓ２０）。以下に、ステップＳ２０について説明する。

まず、ステップＳ２０では、ステップＳ１０で準備されたはんだ材料を、樹脂板４１の所定の位置に配置する。はんだ材料は、例えば、スクリーン印刷などにより配線４３上に配置される。

図５の（ａ）は、樹脂板４１の配線４３上にはんだ材料１００ａが配置され、その上に発電素子４２の電極４２ａが配置された状態を示す図である。図５の（ａ）に示す状態では、まだ熱は加えられていないので、インジウム、ビスマス、及び、銅粒子が存在する。この状態で熱を加えた場合、インジウムとビスマスとにより、１００℃以下の温度ではんだ材料は溶融する。なお、電極４２ａと配線４３とは、例えば、銀を含む金属材料で形成されている。

さらに、電極４２ａの表面には、はんだの濡れ性確保酸化防止のために、１００ｎｍ～１μｍ程度のＡｕメッキが施されていてもよい。

また、インジウムと金属間化合物を生成する金属材料が粒子状であることで、インジウムとビスマスとの合金中に当該金属材料を分散させやすい。なお。銅粒子の粒子径は特に限定されないが、平均直径が３μｍ以上５μｍ以下であってもよい。銅粒子の粒径分布は、直径の平均値が３μｍ以上５μｍ以下となるような分布であればよい。銅粒子は、直径が３μｍより小さい粒子、及び、直径が５μｍより大きい粒子を含んでいてもよい。

また、銅粒子は、銅粒子の表面を覆い、かつ、はんだ材料の融点以下の温度で溶融するコーティング層を有していてもよい。コーティング層を有する場合、図５の（ａ）に示す状態では、銅粒子は、インジウム及びビスマスとは接触していない。なお、コーティング層は、例えば、有機酸及び樹脂（例えば、ポリ塩化ビニルなどのポリマー（合成樹脂））の少なくとも一方を含んで形成される。コーティング層は、例えば、７０℃以上８０℃以下の温度で溶解する（崩壊する）有機酸又は樹脂で形成されるとよい。

なお、銅粒子と同様、インジウムもコーティング層を有していてもよい。インジウムが有するコーティング層も、はんだ材料の融点以下の温度で溶融するとよい。なお、はんだ材料の融点とは、主にインジウム及びビスマスの重量比により決まる温度である。

図５の（ｂ）は、１００℃以下のリフロー加熱が行われている途中の状態を示す図である。

図５の（ｂ）では、融点以上の温度が加えられ、インジウムとビスマスとが溶融しているはんだ材料１００ｂを示している。これにより、銅粒子と、溶融したインジウムとが接触し、インジウムと銅粒子とが金属間化合物（図中に示す「Ｉｎ－Ｃｕ ＩＭＣ（Ｉｎｔｅｒ Ｍｅｔａｌｌｉｃ Ｃｏｍｐｏｕｎｄ）」）を形成し始める。金属間化合物は、例えば、それぞれの銅粒子を中心として形成される。

なお、銅粒子及びインジウムの少なくとも一方がコーティング層を有している場合、はんだ材料の融点以上の温度が加えられることでコーティング層が溶融するので、コーティング層を有していても、金属間化合物は形成される。

なお、本実施の形態では、電極４２ａ及び配線４３が銅を含んでいるので、はんだ材料に含まれるインジウムは、電極４２ａ及び配線４３が含む銅とも金属間化合物を形成する。

図５の（ｃ）は、図５の（ｂ）の状態を継続したときの状態を示す図である。すなわち、図５の（ｃ）は、はんだ材料に当該はんだ材料の融点以上の温度が継続して加えられた後の状態を示す。なお、図５の（ｂ）の状態から、はんだ材料１００ｂに加えられる温度が上昇されてもよい。

図５の（ｃ）に示すように、融点以上の温度が継続して加えられることで、図５の（ｂ）の状態からさらに反応が進み、ビスマス（ビスマス相）と、インジウム及び銅の金属間化合物（金属間化合物相）とを有するはんだ部４４が形成される。金属間化合物は、例えば、ビスマス単体に覆われてもよい。なお、図５の（ｃ）は、融点以上の温度が加えられた後、はんだ材料が固化した状態を示す。

ビスマス単体の融点は、約２７１．４℃であり、金属間化合物の融点は、約５６０℃（後述する図７参照）である。よって、１００℃以下の低温で接合可能なはんだ材料を用いて形成されたはんだ部４４の耐熱性を、約２７１．４℃（ビスマスの融点）まで上昇させることができる。

なお、はんだ材料に含まれるインジウムと、電極４２ａ及び配線４３に含まれる銅とが金属間化合物を形成することにより、はんだ部４４と電極４２ａとの接合部、及び、はんだ部４４と配線４３との接合部の耐熱性も向上させることができる。

［４．はんだ部の検証結果］
次に、上記のはんだ材料を用いて形成されたはんだ部４４における検証結果について、図６及び図７を参照しながら説明する。

図６は、本実施の形態に係るはんだ部２２０の接合強度試験の様子を示す図である。図６では、２つの金属（例えば、銅）２１０と、それらを接合するはんだ部２２０を示している。なお、接合強度試験とは、例えば、ＪＩＳ Ｃ ６２１３７に基づく試験である。また、はんだ部２２０は、上記で説明したはんだ材料により形成される。すなわち、ビスマス、インジウム、及び、銅（銅粒子）における当該銅の重量比が３０ｗｔ％であるはんだ材料により、はんだ部２２０は形成されている。

図６の（ａ）は、試験品におけるはんだ部２２０の周囲を示す図であり、図６の（ｂ）～（ｄ）はそれぞれ、図６の（ａ）の破線領域を拡大した図である。図６の（ａ）～図６の（ｄ）に示すように、金属２１０の表面において、はんだ部２２０が金属２１０と接合していることがわかる。なお、接合強度は、２０ＭＰａ以上であることが確認されている。

図６の（ｅ）は、図６の（ｃ）の一部を拡大した断面ＳＥＭ像である。図６の（ｅ）の破線の曲線で囲まれる領域は、主にインジウム及び銅の金属間化合物を含む領域である。また、はんだ部２２０は、ビスマス単体と銅単体とを有する。はんだ部２２０は、ビスマスと、銅と、インジウム及び銅の金属間化合物とを有していることがわかる。２つの金属２１０を接合するときに、はんだ材料に含まれるインジウムと銅とにより金属間化合物が形成されていることがわかる。また、図６の（ｅ）に示す領域においては、インジウム単体、及び、インジウムとビスマスとの合金は、ほとんど含まれていない。

上記のように、ビスマス、インジウム、及び、銅における当該銅の重量比が３０ｗｔ％であっても、接合強度に問題はなく、またインジウムと銅とで金属間化合物が形成されていることもわかる。

次に、上記のはんだ部２２０の耐熱性について、図７を参照しながら説明する。

図７は、本実施の形態に係るはんだ部２２０のＤＳＣ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｙ）分析の結果を示す図である。

図７に示すように、９１．４℃、及び、５６０．３℃の２箇所で吸熱ピークが見られる。９１．４℃における吸熱ピークは、ビスマスとインジウムとの合金（例えば、Ｂｉ_３Ｉｎ_５など）、が溶融したことを示す。上記のはんだ部２２０を形成するはんだ材料において、ビスマス、インジウム、及び、銅における当該銅の重量比は、３０ｗｔ％である。そのため、はんだ材料に含まれるインジウムの全てが銅と金属間化合物を形成しておらず、ビスマスとインジウムとの合金部分が残存していたためと考えられる。

５６０．３℃における吸熱反応は、インジウムと銅との金属間化合物（例えば、Ｃｕ_７Ｉｎ_３）が溶融したことを示す。

ビスマスとインジウムとの合金による吸熱ピークと金属間化合物の吸熱ピークとでは、金属間化合物の吸熱ピークの方が熱量の変化が大きい。金属間化合物による熱量の変化量は、ビスマスとインジウムとの合金による熱量の変化量の５倍以上である。すなわち、はんだ部２２０において、ビスマスとインジウムとの合金は残存しているものの、インジウムの多くは、銅と金属間化合物を生成していることがわかる。よって、ビスマス、インジウム、及び、銅における当該銅の重量比が３０ｗｔ％であっても、はんだ部２２０の耐熱性は向上していることがわかる。すなわち、ビスマス、インジウム、及び、銅における当該銅の重量比は、３０ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下であればよい。

なお、ビスマス、インジウム、及び、インジウムと金属間化合物を形成する金属材料における当該金属材料の重量比は、当該金属材料ごとに適宜決定されればよい。

なお、上記では、ビスマス及びインジウムのうちインジウムが金属間化合物を形成する例について説明したが、これに限定されない。はんだ材料は、ビスマスと、当該ビスマスと金属間化合物を形成する金属材料と、インジウムとを含んでいてもよい。そして、はんだ部は、例えば、ビスマス及び当該ビスマスと金属間化合物を形成する金属材料とで形成された金属化合物と、インジウムとを有していてもよい。インジウムは延性の高い金属材料であり、はんだ部に延性を持たせる場合には、ビスマスが金属間化合物を形成するとよい。なお、インジウムの融点は約１５６℃であり、ビスマス及びインジウムの合金の融点よりは、はんだ部の耐熱性は向上する。なお、ビスマスと金属間化合物を形成する金属材料として、金、白金、ニッケル、及びパラジウム（Ｐｄ）の少なくとも１つが含まれていればよい。

［５．効果など］
以上のように、本実施の形態に係るはんだ材料は、ビスマスと、インジウムと、ビスマス及びインジウムの少なくとも一方と金属間化合物を形成する金属材料とを含む。

これにより、はんだ材料は、ビスマスとインジウムとを含んでいるので、低温で溶融することができる。また、ビスマス及びインジウムの少なくとも一方と金属間化合物を形成する金属材料（例えば、銅粒子）を有しているので、接合後にインジウム及びビスマスの少なくとも一方と金属材料との金属間化合物が形成される。つまり、接合後に、ビスマスとインジウムとの合金部分が減少する。また、形成される金属間化合物の融点は、はんだ材料の融点より高い。よって、本実施の形態に係るはんだ材料は、２つの金属を低温で接合することでき、かつ接合後の耐熱性が向上される。

また、ビスマス及びインジウムにおけるインジウムの重量比は、５０ｗｔ％以上７０ｗｔ％以下である。

これにより、１００℃以下の温度で溶融するはんだ材料を実現することができる。よって、さらに低温で接合を行うことができる。

また、インジウムの重量比は、６６．３ｗｔ％である。

これにより、約８０℃程度の低温で接合を行うことできる。

また、ビスマス及びインジウムの少なくとも一方と金属間化合物を形成する金属材料は、金、銀、白金、コバルト、銅、ニッケル、及び、パラジウムの少なくとも１つを含む。

これにより、金、銀、白金、コバルト、銅、ニッケル、及び、パラジウムの少なくとも１つを用いて、金属間化合物を形成することができる。

また、金属材料は銅であり、ビスマス、インジウム、及び、銅における銅の重量比は、３０ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下である。

これにより、接合後に所定の接合強度を有しつつ、かつ耐熱性が向上するはんだ材料を実現することができる。

また、ビスマス、インジウム、及び、銅における銅の重量比は、５０ｗｔ％である。

これにより、はんだ材料に含まれるインジウムの略全てを接合後に金属間化合物に変化させることができる。よって、はんだ材料を溶融した後に固化させて形成されるはんだ部４４の耐熱性がより向上する。

また、ビスマス及びインジウムの少なくとも一方と金属間化合物を形成する金属材料は、平均直径が３μｍ以上５μｍ以下の銅粒子である。

これにより、ナノ粒子などの高価な材料を用いずに、接合後に金属間化合物を形成することができる。また、金属材料が粒子状であることで、はんだ材料内において、均等に分散させやすい。

また、銅粒子は、銅粒子の表面を覆い、はんだ材料の融点で溶融するコーティング層を有する。

これにより、はんだ材料内における銅粒子が凝集することを抑制することができるので、銅粒子をより均等に分散させることができる。また、コーティング層は、はんだ材料の融点（例えば、１００℃以下）で溶融するので、接合時（加熱時）には、銅粒子とインジウムとが接触して金属間化合物を形成することができる。

また、以上のように、本実施の形態に係る実装基板５０は、樹脂板４１と、樹脂板４１に配置されたはんだ部４４であって、上記のはんだ材料を溶融した後に固化させて形成されたはんだ部４４とを備える。

これにより、耐熱性が向上された実装基板５０を実現することができる。

また、はんだ材料は、金属材料として銅を含み、はんだ部４４は、インジウム及び銅で形成された金属間化合物と、ビスマスとを有する。金属間化合物は、Ｃｕ_７Ｉｎ_３、Ｃｕ_７Ｉｎ_４、及び、Ｃｕ_１１Ｉｎ_９の少なくとも１つを含む。

これにより、金属間化合物として、はんだ部４４は、ビスマスが金属材料と金属間化合物を形成した場合に比べ、はんだ部４４の耐熱性を向上させることができる。金属間化合物は、Ｃｕ_７Ｉｎ_３、Ｃｕ_７Ｉｎ_４、及び、Ｃｕ_１１Ｉｎ_９の少なくとも１つを含むことで、高い耐熱性を有する。

また、以上のように、本実施の形態に係るはんだ部４４の形成方法は、ビスマスと、インジウムと、ビスマス及びインジウムの少なくとも一方と金属間化合物を形成する金属材料とを含むはんだ材料を準備する工程（Ｓ１０）と、はんだ材料を溶融した後に固化させることで、ビスマス及びインジウムの少なくとも一方と金属材料とを金属間化合物に変化させる工程（Ｓ２０）とを含む。

これにより、上記のはんだ材料と同様の効果を奏する。

（その他の実施の形態）
以上、実施の態様に係るはんだ材料、実装基板、及び、はんだ部の形成方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、この実施の形態に限定されるものではない。

したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。

その他、実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態、または、本開示の主旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本開示に含まれる。

また、上記実施の形態では、ビスマス、インジウム、及び、銅における銅の重量比は、３０ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下としたが、これに限定されない。銅の重量比は、例えば、３０ｗｔ％より低くてもよい。例えば、実装基板に要求される信頼性のレベル（耐熱性を含む）が低い場合などにおいては、銅の重量比は３０ｗｔ％より低い範囲で適宜決定されてもよい。

また。上記実施の形態では、電子部品は、発電素子である例について説明したが、これに限定されない。本願発明は、はんだ材料を用いて基板に接合される電子部品に適用可能である。例えば、ＬＥＤ、又は、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）などの半導体素子などを基板に実装する場合にも適用可能である。

また、上記実施の形態で説明したはんだ部の形成方法における複数の工程の順序は一例である。複数の工程の順序は、変更されてもよいし、一部の工程は行われなくてもよい。

また、上記実施の形態で説明したはんだ部の形成方法における各工程は、１つの工程で実施されてもよいし、別々の工程で実施されてもよい。なお、１つの工程で実施されるとは、各工程が１つの装置を用いて実施される、各工程が連続して実施される、又は、各工程が同じ場所で実施されることを含む意図である。また、別々の工程とは、各工程が別々の装置を用いて実施される、各工程が異なる時間（例えば、異なる日）に実施される、又は、各工程が異なる場所で実施されることを含む意図である。

本開示のはんだ材料などは、実装基板を備える各種機器に適用可能である。特に、軽量化及び低コスト化が求められる太陽電池モジュール、ウェアラブルデバイス、又は、車載用のカメラモジュールなどに備えられるはんだ材料などに有用である。

１０ 太陽電池モジュール
２０ 第一のレンズアレイ
２１ 第一のレンズ
２１ａ 光入射面
２１ｂ 光出射面
３０ 第二のレンズアレイ
３１ 第二のレンズ
３２ ベース部
４０ 発電モジュール
４１ 樹脂板
４２ 発電素子（電子部品）
４２ａ 電極
４３ 配線
４４、２２０ はんだ部
５０ 実装基板
６０ 外枠
６１ 支承部材
６１ａ 支持部
６１ｂ 先端部
１００ａ、１００ｂ はんだ材料
２１０ 金属

Claims (8)

1. ビスマスと、
   インジウムと、
   銅とからなり、
   前記ビスマス及び前記インジウムは、主成分であり、
   前記ビスマス及び前記インジウムにおける前記インジウムの重量比は、５０ｗｔ％以上７０ｗｔ％以下であり、
   前記ビスマス、前記インジウム、及び、前記銅における前記銅の重量比は、３０ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下である
   はんだ材料。
2. 前記インジウムの前記重量比は、６６．３ｗｔ％である
   請求項１に記載のはんだ材料。
3. 前記ビスマス、前記インジウム、及び、前記銅における前記銅の重量比は、５０ｗｔ％である
   請求項１に記載のはんだ材料。
4. 前記銅は、平均直径が３μｍ以上５μｍ以下の銅粒子である
   請求項１に記載のはんだ材料。
5. 前記銅粒子は、前記銅粒子の表面を覆い、前記はんだ材料の融点以下で溶融するコーティング層を有する
   請求項４に記載のはんだ材料。
6. 基板と、
   前記基板に配置されたはんだ部であって、請求項１～５のいずれか１項に記載のはんだ材料を溶融した後に固化させて形成されたはんだ部とを備える
   実装基板。
7. 前記はんだ部は、インジウム及び銅で形成された金属間化合物と、ビスマスとを有し、
   前記金属間化合物は、Ｃｕ７Ｉｎ３、Ｃｕ７Ｉｎ４、及び、Ｃｕ１１Ｉｎ９の少なくとも１つを含む
   請求項６に記載の実装基板。
8. ビスマスと、インジウムと、銅とからなり、前記ビスマス及び前記インジウムは、主成分であり、前記ビスマス及び前記インジウムにおける前記インジウムの重量比は、５０ｗｔ％以上７０ｗｔ％以下であり、前記ビスマス、前記インジウム、及び、前記銅における前記銅の重量比は、３０ｗｔ％以上６０ｗｔ％以下であるはんだ材料を準備する工程と、
   前記はんだ材料を溶融した後に固化させることで、前記ビスマス及び前記インジウムの少なくとも一方と前記銅とを金属間化合物に変化させる工程とを含む
   はんだ部の形成方法。

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