WO2007136009A1 - 接合材料、電子部品、接合構造体および電子機器 - Google Patents

接合材料、電子部品、接合構造体および電子機器 Download PDF

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WO2007136009A1
WO2007136009A1 PCT/JP2007/060267 JP2007060267W WO2007136009A1 WO 2007136009 A1 WO2007136009 A1 WO 2007136009A1 JP 2007060267 W JP2007060267 W JP 2007060267W WO 2007136009 A1 WO2007136009 A1 WO 2007136009A1
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bonding material
electronic
electronic component
weight
electronic device
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PCT/JP2007/060267
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Akio Furusawa
Kenichiro Suetsugu
Shigeki Sakaguchi
Kimiaki Nakaya
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Panasonic Corporation
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    • H05K3/32—Assembling printed circuits with electric components, e.g. with resistor electrically connecting electric components or wires to printed circuits
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    • H05K3/3463—Solder compositions in relation to features of the printed circuit board or the mounting process
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
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    • Y10T428/31678—Of metal

Definitions

  • Bonding materials, electronic components, bonding structures and electronic devices are Bonding materials, electronic components, bonding structures and electronic devices
  • the present invention relates to a bonding material, an electronic component, a bonding structure, and an electronic device.
  • an electronic component includes an electronic element, an electrode, and an electronic element bonding material for bonding them
  • a solder material is generally used as the electronic element bonding material.
  • An electronic component is manufactured by joining an electronic element to an electrode with a solder material.
  • electronic components are mounted on a substrate such as a mother board by using a bonding material different from the bonding material for electronic elements.
  • a solder material having a melting point of 200 to 230 ° C. is generally used as a material for joining an electronic component such as a chip inductor and a mother board.
  • the electronic component When mounting an electronic component on a mother board, the electronic component is heated together with the mother board mainly by a hot-air reflow device to melt a solder material having a melting point of 200 to 230 ° C. At this time, the temperature of the electronic component reaches 230-260 ° C. If the electronic device bonding material melts inside the electronic component, the final product may be defective. Therefore, the electronic device bonding material is required to have a melting temperature higher than the maximum temperature reached by the electronic component in the reflow apparatus. Therefore, for example, a solder material that is a Pb—Sn alloy having a melting temperature of 288 ° C.
  • solder material melting temperature consist of Pb- Sn alloy of 200 to 250 ° C is, Sn- Ag alloy, 311- Ji 11 alloy or 311- eight 8 - Ji 11 being replaced by the alloy or Ranaru solder material is there.
  • a solder material having a Sn-3% Ag-0. 5% Cu alloying force with a melting temperature of 220 to 230 ° C is generally used.
  • the electronic components are more than the melting temperature of these solder materials. May be heated to high temperatures. In such a case, in an electronic component using such a solder material as an electronic element bonding material, the solder material may be melted to cause a defect in the bonding between the electronic element and the electrode.
  • Patent Document 1 proposes a solder material having a relatively high melting point such as an alloy containing Bi as a main component and a small amount of Ag.
  • a eutectic alloy of Bi and Ag for example, a eutectic alloy containing 97.5 wt% Bi and 2.5 wt% Ag (Bi—2.5% Ag)
  • the melting temperature of this eutectic alloy is 262 ° C.
  • the upper limit of the heating temperature of the reflow device that mounts electronic components on the mother board is about 260 ° C.
  • the electronic components and electrodes are joined using this solder material, the electronic components It is considered that there is no problem with mounting on the mother board.
  • the temperature of hot air used for heating is 270 to 300 ° C
  • electronic components with a small heat capacity such as chip inductors have a heat resistance that is about 10 ° C higher than the upper limit of the heating temperature by the reflow device.
  • the eutectic alloy with 96 wt% Bi and 4 wt% Zn strength eutectic alloy (Bi-4% Zn) has a melting temperature of 255 ° C, 58 wt% Bi and 42 wt% Sn strength.
  • the melting temperature of the alloy (Bi-42% Sn) is 138 ° C
  • the melting temperature of the eutectic alloy (Bi-65% In) consisting of 35 wt% Bi and 65 wt% In is 72 ° C
  • 270 No bismuth alloy with a melting temperature above ° C has been obtained.
  • these eutectic alloys have a small amount of additive elements. Care must be taken because it is generated locally.
  • Patent Document 1 JP 2001-353590 A
  • An object of the present invention is to provide a bonding material that has a melting temperature of, for example, 270 ° C or higher, does not contain lead, and can be suitably used for bonding an electronic element and an electrode in an electronic component and is inexpensive. It is to be.
  • Another object of the present invention is to provide an electronic component in which an electronic element and an electrode are bonded by the bonding material, a bonded structure including the electronic component, and an electronic device including a circuit board including the bonded structure as a control unit. It is to be.
  • the present invention relates to a bonding material including a bismuth alloy having a Cu content of 0.2 to 0.8 wt%, a Ge content of 0.02 to 0.2 wt%, and the balance Bi.
  • the bismuth alloy further contains Ni, and the Ni content is preferably 0.02 to 0.08% by weight.
  • the bismuth alloy further contains at least one filler selected from the group consisting of spherical fillers, needle fillers and plate fillers, and the filler content is 0.05. -5.0% by weight is preferred.
  • the filler preferably contains at least one material selected from the group consisting of a resin material, an inorganic material, and a metal material.
  • the surface of the filler is plated, and this adhesion includes at least one metal selected from the group force consisting of Ag, Pd, Au, and Sn.
  • the present invention includes an electronic element, an electrode connected to the electronic element, an electronic element and an electronic element bonding material for bonding the electrode, and
  • the electronic device bonding material relates to an electronic component that is one of the above bonding materials including a bismuth alloy.
  • a tin containing Sn formed on the surface of the electronic element a tin containing Sn formed on the electrode surface, an electronic element containing Sn, and Sn
  • the present invention comprises (a) an electronic component, (b) a substrate on which the electronic component is mounted, and (c) an electronic component and an electronic component bonding material for bonding the substrate,
  • the electronic component (a) is one of the electronic components of the present invention.
  • the electronic component bonding material of (c) relates to a bonded structure which is a bonding material having a melting temperature lower than that of the bismuth alloy contained in the electronic element bonding material included in the electronic component of (a).
  • the present invention also relates to an electronic device including a circuit board including the bonded structure as a control unit.
  • the present invention it is possible to provide a bonding material that has a melting temperature of, for example, 270 ° C or higher, does not contain lead, and has low strength.
  • a bonding material of the present invention for bonding an electronic element and an electrode in an electronic component having a small heat capacity, defects occurring when the electronic component is mounted on a mother board can be remarkably suppressed.
  • an electronic circuit equipped with a circuit board including a bonded structure obtained by mounting an electronic component in which an electronic element and an electrode are bonded using the bonding material of the present invention on a mother board is used as a control means.
  • Equipment is provided.
  • the electronic device of the present invention is highly reliable because it is controlled by a circuit board including a bonded structure in which defects are hardly generated when electronic components are mounted on a mother board.
  • the circuit board is lead-free, and even if discarded in the natural environment, lead is not eluted into the natural environment.
  • the electronic device includes various electrical appliances and electrical devices that are not limited to the electronic device.
  • FIG. 1 is a table showing eutectic point temperatures of binary alloys.
  • FIG. 2 is a graph showing the relationship between the Cu content in the binary alloy of Bi and Cu and the melting point of the Bi—Cu alloy.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between Ge content and oxide production in a ternary alloy of Bi, Cu and Ge.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the Ni content and the crystal periphery in a quaternary alloy of Bi, Cu, Ge and Ni.
  • FIG. 7 Draft showing the relationship between filler content and melting point in a ternary alloy of Bi, Cu and Ge.
  • FIG. 8 Draft showing the relationship between filler content and melting point in a ternary alloy of Bi, Cu and Ge.
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between the filler content (% by weight) and the melting point in a ternary alloy of Bi, Cu and Ge.
  • FIG. 12 Draft showing the relationship between filler content and melting point in a ternary alloy of Bi, Cu and Ge.
  • FIG. 13 A longitudinal sectional view schematically showing a configuration of a chip inductor according to a first embodiment of the electronic component of the invention.
  • FIG. 14 is an enlarged longitudinal sectional view showing a configuration of a main part of the chip inductor shown in FIG.
  • FIG. 15 is a perspective view schematically showing a configuration of a PA module according to a second embodiment of the electronic component of the present invention.
  • FIG. 16 is a longitudinal sectional view schematically showing the internal structure of the PA module shown in FIG.
  • FIG. 17 is a drawing showing a configuration of an electronic component which is a third embodiment of the electronic component according to the present invention.
  • FIG. 18 is a drawing schematically showing the metal structure of the bonding material of the present invention in which Sn is dissolved.
  • ⁇ 19] A graph showing the relationship between the amount of Sn mixed in the bonding material for electronic devices and the bonding strength
  • FIG. 20 is a graph showing the relationship between the amount of Ag mixed in the electronic device bonding material and the bonding strength.
  • FIG. 21 is a perspective view showing a configuration of a flat-screen television which is a first embodiment of the present invention relating to an electronic device.
  • FIG. 22 is a longitudinal sectional view schematically showing a configuration of a circuit board provided in the thin television shown in FIG.
  • FIG. 23 is a perspective view schematically showing a configuration of a main part of an electronic component mounted on the circuit board shown in FIG.
  • the bonding material (1) of the present invention is characterized in that it contains Cu and Ge, the balance is Bi, and further contains a bismuth alloy (1) containing unavoidable impurities and does not contain lead.
  • the Cu content is 0.2 to 0.8% by weight, preferably 0.4 to 0.6% by weight of the total amount of the bismuth alloy (1).
  • the Ge content is 0.02 to 0.2% by weight, preferably 0.02-0.05% by weight of the total amount of the bismuth alloy (1).
  • the bonding material (2) of the present invention contains a bismuth alloy (2) containing Cu, Ge and Ni, the balance being Bi, and further containing inevitable impurities, and no lead! It is characterized by that.
  • the Cu content is 0.2 to 0.8% by weight, preferably 0.4 to 0.6% by weight, based on the total amount of the bismuth alloy (2).
  • Ge content 0 bismuth alloy (2) the total amount. 02 to 0.2 wt 0/0, preferably from 0.02 to 0.05 wt%.
  • the Ni content is 0.02-0.08 wt% of the total amount of bismuth alloy (2), preferably 0.002-0.05 wt%.
  • the bonding materials (1) and (2) have a very high melting temperature of 270 ° C or higher. Therefore, it is suitable for use as an electronic element bonding material for bonding an electronic element and an electrode in an electronic component having a small heat capacity such as a chip inductor. Inside electronic components By using the bonding materials (1) and (2) with a high melting temperature, it is possible to remarkably suppress the occurrence of defects in the electronic components when the electronic components are mounted on the mother board with the reflow device. . Further, since the bonding materials (1) and (2) do not contain an expensive element (for example, Ag), they can be manufactured at a low cost. Furthermore, since the joining materials (1) and (2) do not contain lead, a lead-free electronic device can be provided.
  • an expensive element for example, Ag
  • FIG. 1 is a table showing eutectic point temperatures of binary alloys.
  • the numerical value shown in the column where the elements on the vertical axis and the elements on the horizontal axis overlap is the eutectic point temperature of these two kinds of elemental power alloys. From Fig. 1, for example, the eutectic point temperature of Sn-Ag alloy is 221 ° C, and there is no eutectic point in Ni-Cu alloy. It can also be seen that the combination of Bi and Cu, or the combination of Bi and Ge gives an alloy with a eutectic point temperature of 270-300 ° C.
  • the eutectic alloy of Bi and Cu contains a and Bi of 99.5 weight 0/0 and Cu of 0.5 wt 0/0 (Bi 0.5% Cu).
  • Eutectic alloy of Bi and Ge contains a Ge of Bi and 1 wt 0/0 to 99 weight 0/0 (Bi - l% Ge).
  • Ge is about 420 times more expensive than Cu. Therefore, the combination of Bi and Cu is advantageous from the viewpoint of providing inexpensive materials.
  • Figure 2 shows the relationship between the Cu content (% by weight) in a binary alloy of Bi and Cu (Bi-Cu alloy) and the melting point (liquid phase temperature or solid phase temperature) of the Bi-Cu alloy. It is a graph to show.
  • the liquidus temperature when the Cu content is 0.8 wt% or less, the liquidus temperature is 270 to 272 ° C, and the temperature difference from the solidus temperature is small.
  • the Cu content exceeds 1.0% by weight, the liquidus temperature becomes 275 ° C or higher, and the temperature difference from the solid phase temperature increases to 5 ° C or higher.
  • the solid phase and the liquid phase coexist.
  • the Cu content is desirably 0.8% by weight or less.
  • the Cu content is desirably 0.2% by weight or more. Further, by setting the Cu content to 0.4 to 0.6% by weight, it is possible to obtain a bonding material having further excellent physical property balance.
  • Bi-Cu alloys containing 0.2 to 0.8 wt% Cu are excellent bonding materials in that they do not melt at temperatures below 270 ° C.
  • Bi—Cu alloy contains a large amount of 99.5% by weight of Bi.
  • the amount of oxides generated in the alloy is increasing, which is considered to affect the wettability.
  • Bi oxides can be suppressed by adding trace amounts of elements that preferentially oxidize BU to Bi-Cu alloys. Examples of elements that preferentially oxidize BU include Ge, Al, Li, and P.
  • Fig. 3 shows an eutectic alloy (Bi—0.5% Cu) composed of 99.5% by weight of Bi and 0.5% by weight of Cu, and 0.05% by weight of Ge, Al, U. Or, when P is added and stirred at 300 ° C for 4 hours, it is a graph showing the amount of oxides produced in the sample. However, the total weight of the sample is 8 kg. It can be seen that the formation of oxide is suppressed in the sample added with Ge, compared with the sample not added with these elements. This is presumably because Ge is preferentially oxidized on the surface of Bi—0.5% Cu to form an oxide film. From the above, it can be seen that the additive of Ge is suitable for suppressing the oxidation of the Bi—Cu alloy.
  • FIG. 4 Ge content definitive in ternary alloys (Bi- Cu- Ge alloy) of Bi and Cu and Ge containing Cu of 0.5 wt 0/0 (% by weight), the oxide formation It is a graph which shows the relationship with quantity. However, the total weight of the alloy is 8kg. From Fig. 4, it can be seen that when Ge is added in an amount of 0.02 wt% or more, the formation of oxides is suppressed, but when the Ge content is 0.3 wt% or more, the amount of oxide produced increases. Recognize. FIG. 4 shows that a Ge content of 0.02-0.2% by weight is preferred and 0.02-0.05% is more preferred.
  • the reason for limiting the Ni content to the above range is as follows.
  • the impact resistance can be evaluated by a test in which a weight of 60g collides with the side of a chip capacitor of 1.6mm ⁇ 0.8mm size from a height of 180mm. Bonded with a ternary alloy (Bi-0. 5% Cu-0.04% Ge) containing 99.46 wt% Bi, 0.5 wt% Cu and 0.04 wt% Ge.
  • the above-described impact resistance test was performed using a chip capacitor having a bonded portion, the chip capacitor was broken at the bonded portion.
  • the fracture occurred at the interface between the ⁇ phase with a high Bi content and the
  • the uniformity between the ⁇ phase and the j8 phase can be evaluated by the crystal perimeter value.
  • the crystal perimeter value is defined as the sum of the perimeter lengths of the polyphase existing in the range of lO ⁇ mX 10 m.
  • the crystal perimeter value is large, mixing of the a phase and the
  • the crystal circumference value was measured on the cross section of the joint fractured in the above test, the crystal circumference value was 87 m.
  • Figure 5 shows Ni in a quaternary alloy (Bi-Cu-Ge-Ni alloy) of Bi, Cu, Ge and Ni containing 0.5 wt% Cu and 0.04 wt% Ge.
  • the relationship (graph A) between the content (% by weight) and the crystal periphery value is shown.
  • Figure 5 also shows the relationship between the Ni content (wt%) and the crystal perimeter value in a Bi—Cu—Ge—Ni alloy containing 0.5 wt% Cu and 0.2 wt% Ge (graph).
  • B From Fig. 5, it can be seen that when the Ni content is 0.02-0.08 wt%, the crystal circumference increases and the a phase and j8 phase are uniformly mixed.
  • the Ni content is 0.11% by weight or more, the perimeter value of the crystal decreases and it can be seen that the a phase and the
  • the Ni content is preferably 0.02 to 0.08% by weight, more preferably 0.02 to 0.05% by weight.
  • the bismuth alloys (1) and (2) may further contain at least one filler selected from the group consisting of spherical fillers, needle-like fillers and plate-like fillers. At this time, the filler content is 0.05 to 5.0% by weight of the total amount of the bismuth alloy (1) or (2).
  • the joining material (1) of the present invention including the mass alloy (1) does not melt up to 270 ° C during soldering.
  • the bonding material (2) of the present invention containing a predetermined amount of Cu, Ge, Ni and a specific shape filler and the balance being Bi is a bismuth alloy (2) includes a specific shape filler. It is a bonding material that has further improved impact resistance while maintaining the desirable properties of the material (1).
  • the spherical filler, the needle-like filler, and the plate-like filler are composed of a resin material, an inorganic material, a metal material, and the like.
  • the resin material is not particularly limited.
  • PEEK polyether ether ketone
  • PES polyether sulfone
  • PAI polyamideimide
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PBT polybutylene terephthalate
  • Thermoplastic resins such as polyethylene terephthalate (PET), polyphenylene ether (PPE), and polymer alloy materials containing two or more of these resin materials can be preferably used.
  • thermoplastic resins are known as engineering plastics with high heat resistance.
  • an inorganic material For example, glass, a silicic acid silicate moritonite, a silica, an alumina, a silicon etc. can be used preferably.
  • the metal material is not particularly limited, but for example, nickel, aluminum, titanium and the like can be preferably used.
  • the shape of the spherical filler is not particularly limited as long as at least a part of the surface is a surface having a radius of curvature, that is, a particle composed of a curved surface, but it is a true sphere or an average close to a true sphere.
  • a shape having a circularity such as a spherical shape or an elliptical shape can be preferably used.
  • the average circularity was measured by using a flow type particle image analyzer (trade name: FPIA-2000, manufactured by Sysmetas Co., Ltd.).
  • the average circularity is defined as (peripheral length of a circle having the same projected area as the particle image) / (peripheral length of the projected particle image) in the particle image detected by the measuring apparatus, and is 1 or less. Takes the value of The closer the average circularity is to 1, the closer the particle shape is to a true sphere.
  • the acicular filler includes a filler called whisker.
  • the plate-like filler includes a scale-like filler in addition to the filler having a plate-like shape.
  • the average particle diameter of the spherical, acicular and plate-like fillers is not particularly limited, but is preferably 10 to 60 ⁇ m, more preferably 20 to 40 ⁇ m. If the average particle size is less than 10 ⁇ m, the viscosity becomes high when the bismuth alloy is made into a paste, which may make it difficult to print on the circuit board. On the other hand, if the average particle size exceeds 60 m, the effect of improving the mechanical strength may be insufficient. Spherical fillers, needle fillers and plate fillers can be used alone or in combination of two or more.
  • the average particle size was measured using a Microtrac particle size distribution measuring device (trade name: MT3000, manufactured by Nikkiso Co., Ltd.).
  • the average particle size is a particle size that is 50% cumulative in the particle size distribution detected by the Microtrac particle size distribution analyzer.
  • the surface of the spherical, needle-like and plate-like fillers may be plated.
  • the plating layer formed on the surface of the filler preferably contains at least one metal selected from Ag, Pd, Au and Sn.
  • the thickness of the plating layer is not particularly limited, but is preferably about 1 to 3 / ⁇ ⁇ .
  • Figs. 6 to 10 show the relationship between the filler content and the melting point of the bismuth alloy (1) when the bismuth alloy (1) contains a filler.
  • Figure 6 is Bi, the content of fillers in the ternary alloy of Cu and Ge (Bi- Cu-Ge alloy) (weight 0/0), Bi-Cu- Ge alloy having a melting point (liquidus temperature or solid phase temperature ). Spherical, needle-like and plate-like PEEK are used as the filler.
  • the content of each filler is 0.05% by weight or less, the liquidus temperature is 270 to 272 ° C, and the temperature difference from the solid phase temperature is small.
  • the filler content exceeds 5.0% by weight, the liquidus temperature becomes 275 ° C or higher, and the temperature difference from the solid phase temperature increases to 5 ° C or higher. At a temperature between the liquid phase temperature and the solid phase temperature, the solid phase and the liquid phase coexist. Therefore, when the temperature difference between the liquid phase temperature and the solid phase temperature increases to 5 ° C or more, the workability of the bonding material decreases, and the productivity at the manufacturing site decreases. From the above, the filler content is desirably 5% by weight or less. On the other hand, Cu content is less than 0.05% by weight As a result, the wettability between the molten bonding material and the electrode decreases. Therefore, the filler content is desirably 0.05% by weight or more. In this embodiment, a filler having an average particle diameter of 30 m was used. The same applies to the following embodiments.
  • Figure 7 shows the filler content in a ternary alloy (Bi-Cu-Ge alloy) of Bi, Cu and Ge.
  • the filler acicular PBT and acicular PES are used.
  • the content of each filler is 0.05% by weight or less, the liquidus temperature is 270 to 272 ° C, and the temperature difference from the solid phase temperature is getting smaller.
  • the filler content exceeds 5.0% by weight, the liquidus temperature becomes 275 ° C or higher, and the temperature difference from the solid phase temperature increases to 5 ° C or higher.
  • the solid phase and the liquid phase coexist.
  • the filler content is desirably 5% by weight or less.
  • the filler content is preferably 0.05% by weight or more.
  • Fig. 8 shows the filler content in a ternary alloy of Bi, Cu and Ge (Bi-Cu-Ge alloy)
  • the filler (% By weight) and the melting point (liquid phase temperature or solid phase temperature) of the Bi—Cu—Ge alloy. Spherical, needle-like and plate-like glass are used as the filler.
  • the content of each filler is 0.05% by weight or less, the liquidus temperature is 270 to 272 ° C, and the temperature difference from the solid phase temperature is short.
  • the filler content exceeds 5.0% by weight, the liquidus temperature becomes 275 ° C or higher, and the temperature difference from the solid phase temperature increases to 5 ° C or higher.
  • the solid phase and the liquid phase coexist.
  • the filler content is desirably 5% by weight or less.
  • the filler content is preferably 0.05% by weight or more.
  • Figure 9 shows the filler content in a ternary alloy of Bi, Cu and Ge (Bi-Cu-Ge alloy). (% By weight) and the melting point (liquid phase temperature or solid phase temperature) of the Bi—Cu—Ge alloy.
  • Silica earth montmorillonite which is a spherical filler, is used as the filler.
  • the filler content is 0.05% by weight or less, the liquidus temperature is 270 to 272 ° C, and the temperature difference from the solid phase temperature is getting smaller.
  • the filler content exceeds 5.0% by weight, the liquidus temperature becomes 275 ° C or higher, and the temperature difference from the solid phase temperature increases to 5 ° C or higher.
  • the filler content is preferably 5% by weight or less.
  • the filler content is desirably 0.05% by weight or more.
  • Figure 10 shows the filler content (% by weight) in the ternary alloy of Bi, Cu and Ge (Bi—Cu—Ge alloy) and the melting point (liquid phase temperature or solid phase) of the Bi—Cu—Ge alloy. Temperature).
  • a crushed filler in which Ag, Au plating, or Pd plating is applied to silica, which is a spherical filler is used.
  • the filler content is 0.05% by weight or less, the liquidus temperature is 270 to 272 ° C, and the temperature difference from the solid phase temperature is getting smaller.
  • the filler content exceeds 5.0% by weight, the liquidus temperature becomes 275 ° C or higher, and the temperature difference from the solid phase temperature increases to 5 ° C or higher. At a temperature between the liquid phase temperature and the solid phase temperature, the solid phase and the liquid phase coexist. Therefore, when the temperature difference between the liquid phase temperature and the solid phase temperature becomes larger than 5 ° C, the workability of the bonding material decreases, and the productivity at the manufacturing site decreases. Therefore, the filler content is desirably 5% by weight or less. On the other hand, when the Cu content is less than 0.05% by weight, the wettability between the molten bonding material and the electrode decreases. Therefore, the filler content is desirably 0.05% by weight or more.
  • FIGS. 11 to 12 a covering filler in the case of containing a filler (hereinafter, referred to as a “covering filler”) that has been attached to the bismuth alloy (1).
  • a covering filler in the case of containing a filler (hereinafter, referred to as a “covering filler”) that has been attached to the bismuth alloy (1).
  • FIGS. 11 to 12 The relationship between the content of Cu and the melting point of bismuth alloy (1) is shown.
  • Figure 11 shows the content (wt%) of the filler in the ternary alloy of Bi, Cu and Ge (Bi—Cu—Ge alloy) and the melting point (liquidus temperature) of the Bi—Cu—Ge alloy. Or the solid phase temperature).
  • As the filler spherical filler made of PBT and Ag Covered filler with plating, Au plating or Pd plating is used.
  • the liquidus temperature is 270 to 272 ° C, and the temperature difference from the solid phase temperature becomes small.
  • the filler content exceeds 5.0% by weight, the liquidus temperature becomes 275 ° C or higher, and the temperature difference from the solid phase temperature increases to 5 ° C or higher.
  • the filler content is preferably 5% by weight or less.
  • the filler content is desirably 0.05% by weight or more.
  • Fig. 12 shows the content (wt%) of the filler in the ternary alloy of Bi, Cu and Ge (Bi—Cu—Ge alloy) and the melting point (liquid phase) of the Bi—Cu—Ge alloy. Temperature or solid phase temperature).
  • a spherical filler that also has PES force is coated with Ag plating, Au plating or Pd plating.
  • the content of each filler is 0.05% by weight or less, the liquidus temperature is 270 to 272 ° C, and the temperature difference from the solid phase temperature is becoming smaller.
  • the filler content exceeds 5.0% by weight, the liquidus temperature becomes 275 ° C or higher, and the temperature difference from the solid phase temperature increases to 5 ° C or higher. At a temperature between the liquid phase temperature and the solid phase temperature, the solid phase and the liquid phase coexist. Therefore, when the temperature difference between the liquid phase temperature and the solid phase temperature increases to 5 ° C or more, the workability of the bonding material decreases, and the productivity at the manufacturing site decreases. From the above, the filler content is desirably 5% by weight or less. On the other hand, when the Cu content is less than 0.05% by weight, the wettability between the molten bonding material and the electrode decreases. Therefore, the filler content is desirably 0.05% by weight or more.
  • the electronic component of the present invention includes an electronic element, an electrode connected to the electronic element, an electronic element and an electronic element bonding material for bonding the electrode, and the electronic element bonding material is the bonding material of the present invention. It is (1) or a bonding material (2).
  • an electronic element commonly used in this field can be used.
  • the electronic component of the present invention can be used in the same manner as a conventional electronic component. Specifically, for example, it can be suitably used as a surface mount component, a module component, an insertion component, a BGA (Ball Grid Array), or the like.
  • the surface mount component include chip components such as a chip inductor and a chip capacitor.
  • module parts include a PA (Power Amp) module and a VCO (Voltage Controlled Oscillator) module.
  • the insertion part include an axial part and a radial part.
  • the configuration of the electronic component of the present invention is particularly suitable for obtaining an electronic component having a heat capacity of preferably 8 mm ⁇ 5 mm or less, more preferably 4.5 mm ⁇ 3.2 mm or less.
  • the configuration of the electronic component of the present invention is suitable for obtaining an electronic component in which an electronic element is bonded to an electrode with a bonding material such as solder.
  • FIG. 13 is a longitudinal sectional view schematically showing a configuration of the chip inductor 10 which is the first embodiment according to the electronic component of the present invention.
  • FIG. 14 is an enlarged longitudinal sectional view showing a configuration of a main part of the chip inductor 10 shown in FIG. Specifically, FIG. 14 is an enlarged longitudinal sectional view showing a region surrounded by the broken line X in FIG.
  • the chip conductor 10 has the same configuration as a commercially available chip inductor (3225 FA type: 3.2 mm X 2.5 mm X 2.2 mm, manufactured by Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.).
  • the chip inductor 10 includes a ferrite core 11, a coil copper wire 13, an electrode terminal 14, an electronic element bonding material 15, and an electrode frame 16.
  • a mother board (not shown) Used for mounting.
  • the ferrite core 11 also has a magnetic material force and is attached to the electrode frame 16 by an adhesive.
  • the coil copper wire 13 is an end of the electronic element and is attached to the ferrite core 11, and a part of the coil copper wire 13 is hooked on the electrode terminal 14 that is continuous with the electrode frame 16.
  • the electronic element bonding material 15 bonds the coil copper wire 13 and the electrode terminal 14 which are the end portions of the electronic element, and fixes both the coil copper wire 13 and the electrode terminal 14 so that the connection can be maintained. It is an electronic element bonding material.
  • the bonding material (1) or (2) is used.
  • FIG. 15 shows the configuration of the PA module 20 according to the second embodiment of the electronic component of the present invention.
  • FIG. FIG. 16 is a longitudinal sectional view schematically showing the internal structure of the PA module 20 shown in FIG.
  • the PA module 20 is a commercially available PA module (PAM type, 5mm X 5mm X 1.5mm, Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.) except that an electronic element bonding material containing the bonding material (1) or (2) is used as the bonding material 26. (Made by Co., Ltd.).
  • the PA module 20 includes a substrate 21, a sealing material 22, internal electrodes 23 and 24, a chip capacitor 25, an electronic element bonding material 26, a semiconductor component 27, and a wire material 28.
  • a glass epoxy substrate is used as the base plate.
  • the sealing material 22 protects various electronic components provided on the surface of the substrate 21 in an electrically insulated state.
  • epoxy resin is used for the sealing material 22, for example, epoxy resin is used.
  • the internal electrodes 23 and 24 are provided on one surface of the substrate 21.
  • the chip capacitor 25 is an electronic element and is bonded to the internal electrode 23 by an electronic element bonding material 26.
  • the bonding material (1) or (2) is used.
  • the semiconductor component 27 is joined to the internal electrode 24 by a wire 28.
  • the PA module 20 is bonded to an external electrode 29 provided on the surface of the mother substrate (not shown) and mounted on the mother substrate, whereby the bonded structure of the present invention is obtained.
  • Various bonding materials can be used for bonding the PA module 20 to the external electrode 29.
  • Sn may be mixed in the electronic element bonding material.
  • the amount of Sn mixed into the electronic device bonding material is preferably 40% by weight or less of the total amount of the electronic device bonding material and Sn, more preferably 20% by weight or less of the total amount of the electronic device bonding material and Sn. It is desirable that By reducing the Sn content to 40% by weight or less, the bonding strength between the electronic device and the electrode is maintained at a high level, and the reliability of the electronic component of the present invention, particularly when the electronic component is bonded to the mother substrate. Reliability and long-term use at high temperatures.
  • the following (i) to (v) can be cited as factors that cause Sn to be mixed into the electronic device bonding material. Note that two or more factors (i) to (v) may overlap.
  • the electronic device bonding material contains Sn as an inevitable impurity.
  • the surface of the electrode is plated, and the plating contains Sn.
  • the electronic device itself contains Sn.
  • Sn or an electronic element during plating is heated by heating at the time of joining an electronic element to an electrode or an electronic component to a mother substrate.
  • Sn in the electrode elutes and is easily mixed into the electronic device bonding material.
  • the total Sn content in plating is reduced to 40% by weight or less of the total amount of electronic device bonding material. Adjust it.
  • the Sn content in each plating is adjusted so that the total amount of Sn in both platings is 40% by weight or less of the total amount of the electronic device bonding material. Adjust it.
  • the amount of Sn mixed into the electronic element bonding material can be reduced to 40% by weight or less by adjusting the thickness of the plating layer as appropriate. Can be.
  • FIG. 17 is a drawing showing a configuration of an electronic component 30 according to a third embodiment of the electronic component of the present invention.
  • FIG. 17A is a longitudinal sectional view schematically showing the configuration of the electronic component 30.
  • FIG. FIG. 17 (b) is a perspective view showing the configuration of the chip capacitor 33 included in the electronic component 30 shown in FIG. 17 (a).
  • the internal structure of the chip capacitor 33 is shown as a partial longitudinal sectional view.
  • FIG. 17 (c) is an enlarged longitudinal sectional view showing the configuration of the region surrounded by the one-dot broken line in FIG. 17 (b).
  • the electronic component 30 includes a substrate 31, an internal electrode 32, a chip capacitor 33, an electronic element bonding material 34, and a sealing material 35.
  • a glass epoxy substrate is used for the substrate 31, for example.
  • the internal electrode 32 is provided on the surface of the substrate 31.
  • the chip capacitor 33 is an electronic element and is bonded to the internal electrode 32 by an electronic element bonding material 34.
  • the chip capacitor 33 includes a dielectric ceramic 40 and an electrode part 41.
  • the dielectric ceramics 40 is formed in a substantially rectangular parallelepiped shape.
  • the electrode portion 41 includes a base electrode 42 mainly composed of Ag, an intermediate electrode 43 mainly composed of Ni, and an external electrode 44 mainly composed of Sn, and is laminated in the order of these forces.
  • the chip capacitor 33 has a dimension of 1. Omm X 0.5 mm X O. 5 mm.
  • the external power supply of the electrode unit 41 is also used.
  • the electrode 44 is provided as a Sn plating layer.
  • the bonding material (1) or (2) is used as the electronic element bonding material 34.
  • the sealing material 35 seals the chip capacitor 33 on the substrate 31 and performs knocking.
  • epoxy resin is used for the sealing material 35.
  • the electronic component 30 is bonded to an external electrode 36 provided on a mother substrate (not shown) by a bonding material and mounted on the mother substrate, whereby the bonded structure of the present invention is obtained.
  • the chip capacitor 33 is bonded to the internal electrode 32 provided on the substrate 31 with the electronic element bonding material 34 under heating of 270 ° C or higher which is the melting temperature of the bonding material 34 in a reflow furnace.
  • the external electrode 44 of the chip capacitor 33 is mainly composed of Sn having a melting temperature of 230 ° C., the Sn is melted by heating in the reflow furnace, and the melted Sn is dissolved in the electronic element bonding material 34.
  • a low melting point composition Sn—58% Bi, melting temperature 138 ° C.
  • FIG. 18 is a drawing schematically showing the metal structure of the electronic device bonding material 34 in which Sn is dissolved.
  • the amount of Sn penetration (mixed amount) is small, as shown in FIG. 18 (a)
  • low-melting point compositions 34a of Sn and Bi are scattered in islands inside the electronic device bonding material 34.
  • the electronic device bonding material 34 having this metal structure is reheated to 150 ° C.
  • the low melting point composition 34a is melted, but the electronic device bonding material 34 itself is not melted, so that it is provided on the chip capacitor 33 and the substrate 31.
  • the bonding with the internal electrode 32 is kept in a good state.
  • the Sn penetration amount is large, as shown in FIG.
  • the low melting point composition 34a of Sn and Bi exists in the electronic device bonding material 34 as a continuous mass.
  • the massive low melting point composition 34a melts, so that the chip capacitor 33 and the internal electrode 32 provided on the substrate 31 are not bonded.
  • the low melting point composition 34a is eluted on the substrate 31 to cause a short circuit between adjacent internal electrodes.
  • FIG. 19 is a graph showing the relationship between the amount of Sn (content) and the bonding strength in the electronic device bonding material. It can be seen that when the Sn content exceeds 40% by weight, the bonding strength rapidly decreases. This indicates that when the Sn content exceeds 40% by weight, the low-melting-point composition 34a scattered in islands becomes a continuous lump. Therefore, plating on the surface of the electronic element, plating on the surface of the electrode connected to the electronic element, and Sn contained in the electronic element bonding material Is preferably 40% by weight or less of the bonding material, and more preferably 20% by weight or less. 1. OmmX O. 5mm X O.
  • the thickness of the external electrode is 2 m or less, the amount of Sn with respect to the electronic device bonding material will be 40% by weight or less. If the thickness is 1 ⁇ m or less, the amount of Sn relative to the electronic device bonding material is 20% by weight or less. Therefore, in the present embodiment, the thickness of the Sn plating on the electronic element and the electrode surface is preferably 2 ⁇ m or less, and more preferably 1 ⁇ m or less.
  • the above result can be considered as an upper limit value when Sn is contained in advance in the electronic device bonding material.
  • Electronic components that do not cause a decrease in bonding strength if the amount of Sn contained in the electronic device bonding material is 40% by weight or less (for example, Bi—0.6% Cu-0.04% Ge 40% Sn) It is more desirable if the amount of Sn is 20% by weight or less (for example, Bi—0.6% Cu-0.04% Ge 20% sn)! /, Indicating that it is an electronic component. .
  • FIG. 20 is a graph showing the relationship between the Ag content (% by weight) with respect to the electronic device bonding material and the bonding strength when Ag is mixed into the electronic device bonding material.
  • the Ag content in the electronic device bonding material exceeds 2% by weight, the bonding strength decreases rapidly. This indicates that when the Ag content exceeds 2% by weight, the low melting point composition becomes a continuous lump scattered in islands. Therefore, the plating on the surface of the electronic element and the Ag contained in the electronic element bonding material are preferably 2% by weight or less, and more preferably 1.5% by weight or less of the electronic element bonding material. Talking.
  • the bonded structure of the present invention includes (a) an electronic component of the present invention, (b) a substrate on which the electronic component of the present invention is mounted, (c) an electronic component of the present invention and an electronic component bonding material for bonding the substrate. It is characterized by having. [0055]
  • the electronic component of the present invention of (a) is an electronic component having the same configuration as described above. Specifically, it is an electronic component in which an electronic element is bonded to an electrode using an electronic element bonding material.
  • the electronic element bonding material is the bonding material (1) or (2).
  • the electronic component bonding material (c) is a bonding material having a melting temperature lower than that of the bismuth alloy (1) or (2) contained in the bonding material (1) or (2).
  • the electronic component bonding material has a melting temperature of, for example, 200 to 230 ° C., which is preferably melted by heating with a reflow apparatus. Many joining materials having such a melting temperature have been proposed in the past and can be easily obtained by those skilled in the art.
  • the electronic element bonding material has a higher melting temperature than the electronic component bonding material. Therefore, even when a reflow device is used when mounting electronic components on the mother board, melting of the electronic device bonding material in the electronic components does not occur. Therefore, a highly reliable bonded structure can be obtained.
  • the electronic device of the present invention is characterized in that the control means includes a circuit board having the bonded structure of the present invention.
  • the operation of the electronic device of the present invention is controlled by a control means including a circuit board having the joint structure of the present invention.
  • the electronic device of the present invention has the same configuration as that of a conventional electronic device except that the circuit board having the bonded structure of the present invention is provided as at least a part of the control means.
  • the circuit board including the bonding structure is very high in the bonding reliability between the electronic element and the electrode and the bonding reliability between the electronic component and the board. Failure due to short circuit is extremely unlikely. Therefore, the electronic device of the present invention can be suitably applied to applications where a long durability is set, applications where high reliability is required over a long period of time, and the like.
  • Applications that require a long service life include, for example, electronic devices such as HDD recorders (node disk recorders), digital cameras, and notebook personal computers, flat-screen TVs, refrigerators, washing machines, and air conditioners.
  • FIG. 21 is a perspective view showing a configuration of a flat-screen TV 50 according to the first embodiment of the present invention relating to an electronic device.
  • FIG. 22 is a longitudinal sectional view schematically showing the configuration of the circuit board 62 provided in the thin television 50 shown in FIG.
  • FIG. 23 is a perspective view schematically showing a configuration of a main part of the electronic component 66 mounted on the circuit board 62 shown in FIG.
  • the flat-screen TV 50 includes a plasma display panel 60, a casing 61, and a circuit board 62.
  • the circuit board 62 is accommodated in the housing 61 and includes a glass epoxy board 65, a first electronic component 66, a second electronic component 67, and an electronic component bonding material 68.
  • the glass epoxy board 65 is provided with electrical wiring.
  • the first electronic component 66 is an electronic component that is bonded by the electronic element bonding material 73 therein.
  • the first electronic component 66 includes a chip capacitor 71 that is an electronic element, a first internal electrode 72, an electronic element bonding material 73, and a semiconductor component 75.
  • the chip capacitor 71 is bonded to the first internal electrode 72 by an electronic element bonding material 73.
  • the first internal electrode 72 is provided on the surface of the module substrate 70.
  • the bonding material (1) or (2) can be used.
  • the semiconductor component 75 is joined to a second internal electrode 74 provided on the surface of the module substrate 70 by a wire rod 76.
  • the first electronic component 66 is sealed on the surface of the module substrate 70 by a sealing material 77.
  • sealing material 7 for example, epoxy resin can be used.
  • the module substrate 70 on which the first electronic component 66 is mounted is provided on the surface of the glass epoxy substrate 65 and the external electrode 78 provided on the surface opposite to the mounting surface of the first electronic component 66.
  • the electrode 80 a is bonded to the glass epoxy substrate 65 by bonding with the electronic component bonding material 68.
  • the electronic component bonding material 68 a general solder material commonly used in this field can be used. For example, Sn—3 to 0.5 wt% Cu, Sn—3.5 wt% Ag—0.5 wt % Bi—8 wt% In and the like.
  • the second electronic component 67 is an electronic component that is not bonded by the electronic element bonding material 73 therein.
  • the second electronic component 67 includes an electronic element 79, an electrode 80b, and an electronic component bonding material 68.
  • the electronic element 79 is bonded to an electrode 80 b provided on the surface of the glass epoxy substrate 65 by an electronic component bonding material 68. This makes the second electron
  • the component 67 is mounted on the glass epoxy board 65.
  • the first electronic component 67 is mounted on the glass epoxy substrate 65, the first electronic component 67 is heated to a temperature equal to or higher than the melting temperature of the electronic component bonding material 68 in a reflow furnace.
  • the electronic component bonding material 68 is Sn—3 to 0.5 wt% Cu
  • the first electronic component 67 is heated to 260 ° C.
  • the internal temperature of the first electronic component 67 also rises to around 260 ° C.
  • the electronic device bonding material 73 has a high melting temperature around 270 ° C. or higher.
  • the electronic element bonding material 73 does not melt. As a result, it is possible to reliably prevent the occurrence of defects such as the chip capacitor 71 and the first internal electrode 72 being disconnected or the molten bonding material eluting and short-circuiting between adjacent internal electrodes. High-quality electronic devices can be provided.
  • the electronic device of the present invention a circuit structure is used to control a bonded structure in which the electronic element, the electrode, the electronic component, and the substrate are securely bonded. Furthermore, the bonding between the electronic element and the electrode and the bonding between the electronic component and the substrate are maintained even when subjected to a slight impact from the outside. Therefore, the electronic device according to the present invention is a highly reliable electronic device that is unlikely to fail even in a long-term use in which the defective product rate is extremely low during product manufacture. Further, even if the electronic device of the present invention is accidentally discarded in the natural environment, Pb and the like are not eluted in the natural environment.
  • the present invention provides a bonding material having a melting temperature of 270 ° C or higher, excellent impact resistance, and meeting environmental standards at low cost.
  • the bonding material of the present invention can be suitably used for an electronic component having a small heat capacity such as a chip inductor, and can be widely applied to electronic components mounted on a mother board using a reflow apparatus. Furthermore, if a joining structure formed by joining this electronic component to a mother board is incorporated in an electronic device as a circuit board, an electronic device having excellent durability and high reliability can be obtained.

Abstract

　２７０°C以上の溶融温度を有し、鉛を含まない接合材料を、安価で提供する。 　Ｂｉを主成分とする合金を含み、前記合金は、０．２～０．８重量％のＣｕと、０．０２～０．２重量％のＧｅとを含む接合材料を用い、電子部品の電子素子と電極とを接合する。

Description

明 細 書
接合材料、電子部品、接合構造体および電子機器
技術分野
[0001] 本発明は、接合材料、電子部品、接合構造体および電子機器に関する。
背景技術
[0002] 電子部品が、電子素子、電極およびこれらを接合する電子素子接合材料を具備す る場合、電子素子接合材料には、はんだ材料が一般に用いられている。電子部品は 、電子素子をはんだ材料で電極に接合することによって作製される。電子部品は、更 に、電子素子接合材料とは別の接合材料を用いて、マザ一ボードなどの基板に搭載 される。例えば、チップインダクタのような電子部品とマザ一ボードとを接合する材料 には、一般に融点が 200〜230°Cのはんだ材料が用いられている。
[0003] 電子部品をマザ一ボードに搭載する際には、主に熱風方式のリフロー装置により、 電子部品をマザ一ボードとともに加熱し、融点が 200〜230°Cのはんだ材料を溶融 させる。このとき、電子部品の温度は 230〜260°Cに達する力 電子部品の内部で電 子素子接合材料が溶融すると、最終製品に不良を生じる可能性がある。よって、電 子素子接合材料は、リフロー装置内で電子部品の到達する最高温度よりも高い溶融 温度を有することが要求される。そこで、電子素子接合材料には、例えば、鉛を主成 分として含み、約 15重量％の Snを含む、溶融温度 288°Cの Pb— Sn合金であるはん だ材料が用いられている。しかし、はんだ材料として Pb— Sn合金を用いる場合、電 子部品の搭載された基板を制御手段として備える電子機器が廃棄され、自然環境中 に放置されると、鉛がはんだ材料中から土壌に溶出することが懸念されている。
[0004] 近年、地球環境保護への関心が高まってきており、鉛を含まないはんだ (鉛フリー はんだ）の開発が進められている。例えば、溶融温度が 200〜250°Cの Pb— Sn合 金からなるはんだ材料は、 Sn— Ag合金、 311—じ11合金または311—八8—じ11合金か らなるはんだ材料に置き換えられつつある。特に、溶融温度が 220〜230°Cの Sn— 3%Ag-0. 5%Cu合金力もなるはんだ材料が一般的に用いられている。しかし、電 子部品を基板に搭載する際には、電子部品はこれらのはんだ材料の溶融温度よりも 高い温度に加熱されることがある。その場合、これらのはんだ材料を電子素子接合材 料に用いる電子部品においては、はんだ材料が溶融して電子素子と電極との接合に 不良を生じることがある。
[0005] また、比較的融点の高いはんだ材料が提案されている (たとえば、特許文献 1参照） 。特に特許文献 1の第 7頁に記載の表 1には、主成分である Biと少量の Agとを含有 する合金カゝらなる鉛フリーはんだ材料が提案されて ヽる。 Biに少量の Agを添加する と、 Biと Agとの共晶合金（例えば 97. 5重量％の Biと 2. 5重量％の Agとを含む共晶 合金 (Bi—2. 5%Ag) )が生成する。この共晶合金の溶融温度は 262°Cである。電子 部品のマザ一ボードへの搭載を行うリフロー装置の加熱温度の上限は約 260°Cなの で、このはんだ材料を用いて電子素子と電極とが接合された電子部品であれば、電 子部品のマザ一ボードへの搭載にも支障がないと考えられる。しかし、加熱に用いら れる熱風の温度が 270〜300°Cであるため、チップインダクタのような熱容量の小さ い電子部品は、リフロー装置による加熱温度の上限よりも、さらに 10°C程度高い耐熱 温度 (少なくとも 270°C程度)を有する必要がある。したがって、前記特許公報に記載 のはんだ材料も、熱容量の小さい電子部品における電子素子と電極との接合には使 用できない。
[0006] さらに、鉛フリーはんだ材料の開発においては、 Agの含有量を減少させることも重 要である。家庭用の電気機器や電子機器は、安価に生産することが求められている 。 Agは lg当たりの価格が約 40円と高価であるため、その使用量は少ない方が望まし い。したがって、 Sn— Ag合金、 Sn— Ag— Cu合金、 Bi— Ag合金などにおいても、 材料価格を安価にするために、 Agの含有量を 0. 3重量％程度またはそれ以下に減 少させる力または Agに代えて他の元素を用いる取り組みが進められている。
[0007] たとえば、 Biを主成分とするビスマス合金に、 Zn、 Sn、 Inなどの元素を添加すること が検討されている。し力し、 96重量％の Biと 4重量％の Zn力 なる共晶合金（Bi— 4 %Zn)の溶融温度は 255°C、 58重量％の Biと 42重量％の Sn力 なる共晶合金（Bi -42%Sn)の溶融温度は 138°C、 35重量％の Biと 65重量％の Inからなる共晶合金 (Bi-65%In)の溶融温度は 72°Cであり、 270°C以上の溶融温度を有するビスマス 合金は得られていない。また、これらの共晶合金は、添加元素の量が微量であっても 局所的に生成するため、注意が必要である。
特許文献 1：特開 2001— 353590号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0008] 本発明の目的は、例えば 270°C以上の溶融温度を有し、鉛を含有せず、電子部品 における電子素子と電極との接合に好適に利用でき、しかも安価な接合材料を提供 することである。
本発明の他の目的は、前記接合材料によって電子素子と電極とが接合された電子 部品、該電子部品を含む接合構造体および該接合構造体を含む回路基板を制御 手段として備える電子機器を提供することである。
課題を解決するための手段
[0009] 本発明は、 Cu含有量 0. 2〜0. 8重量％、 Ge含有量 0. 02〜0. 2重量％、および 残部 Biであるビスマス合金を含む接合材料に係る。
本発明の接合材料において、ビスマス合金はさらに Niを含有し、 Ni含有量が 0. 0 2〜0. 08重量％であることが好ましい。
本発明の接合材料において、ビスマス合金はさらに球状充填剤、針状充填剤およ び板状充填剤よりなる群から選ばれる少なくとも 1種の充填剤を含有し、充填剤含有 量が 0. 05-5. 0重量％であることが好ましい。
本発明の接合材料において、充填剤は榭脂材料、無機材料および金属材料よりな る群力も選ばれる少なくとも 1種の材料を含むことが好ましい。
本発明の接合材料において、充填剤の表面にめっきが施され、このめつきが Ag、 P d、 Auおよび Snよりなる群力 選ばれる少なくとも 1種の金属を含むことが好ましい。
[0010] また本発明は、電子素子と、電子素子と接続される電極と、電子素子および電極を 接合する電子素子接合材料とを具備し、かつ
電子素子接合材料が、ビスマス合金を含む前記接合材料の!、ずれか 1つである電 子部品に係る。
本発明の電子部品において、電子素子の表面に形成される Snを含有するめつき、 電極表面に形成される Snを含有するめつき、 Snを含有する電子素子および Snを含 有する電極よりなる群カゝら選ばれる少なくとも 1種カゝら電子素子接合材料中に混入す る Sn量または電子素子接合材料に不可避的不純物として含まれる Sn量力 電子素 子接合材料と Snとの合計量全量の 40重量％以下であることが好ましい。
[0011] また本発明は、（a)電子部品と、（b)電子部品を搭載する基板と、（c)電子部品およ び基板を接合する電子部品接合材料とを具備し、
(a)の電子部品が本発明の電子部品の 、ずれか 1つであり、
(c)の電子部品接合材料が、 (a)の電子部品に具備される電子素子接合材料に含 まれるビスマス合金よりも溶融温度が低い接合材料である接合構造体に係る。
また本発明は、前記接合構造体を含む回路基板を制御手段として備える電子機器 に係る。
発明の効果
[0012] 本発明によれば、例えば 270°C以上の溶融温度を有し、鉛を含有せず、し力も安 価な接合材料を提供することができる。本発明の接合材料を熱容量の小さな電子部 品における電子素子と電極との接合に用いることにより、電子部品をマザ一ボードへ 実装する際に発生する不良を著しく抑制することができる。
また、本発明によれば、本発明の接合材料を用いて電子素子と電極とが接合され た電子部品をマザ一ボードに搭載して得られる接合構造体を含む回路基板を制御 手段として備える電子機器が提供される。本発明の電子機器は、電子部品をマザ一 ボードに搭載する際に不良が発生することが極めて少ない接合構造体を含む回路 基板によって制御されるため、高い信頼性を有する。さらに本発明の電子機器は、回 路基板が鉛フリーであり、自然環境中に廃棄されても、自然環境に鉛を溶出させるこ とがない。なお、本明細書において、電子機器は、電子機器だけでなぐ各種電化製 品、電気機器をも包含する。
図面の簡単な説明
[0013] [図 1]2元合金の共晶点温度を示す表である。
[図 2]Biと Cuとの二元合金における Cu含有量と Bi—Cu合金の融点との関係を示す グラフである。
[図 3]Biと Cuとからなる共晶合金に Ge、 Al、 Uまたは Pを添加したときの、酸化物生 成量を示すグラフである。
[図 4]Biと Cuと Geとの三元合金における Ge含有量と、酸化物生成量との関係を示す グラフである。
[図 5]Biと Cuと Geと Niとの四元合金における Ni含有量と結晶外周値との関係を示す グラフである。
[図 6]Biと Cuと Geとの三元合金における充填剤の含有量と融点との関係を示すダラ フである。
[図 7]Biと Cuと Geとの三元合金における充填剤の含有量と融点との関係を示すダラ フである。
[図 8]Biと Cuと Geとの三元合金における充填剤の含有量と融点との関係を示すダラ フである。
[図 9]Biと Cuと Geとの三元合金における充填剤の含有量と融点との関係を示すダラ フである。
[図 10]Biと Cuと Geとの三元合金における充填剤の含有量 (重量％)と融点との関係 を示すグラフである。
[図 ll]Biと Cuと Geとの三元合金における充填剤の含有量と融点との関係を示すダラ フである。
[図 12]Biと Cuと Geとの三元合金における充填剤の含有量と融点との関係を示すダラ フである。
圆 13]本発明の電子部品に係る実施の第 1形態であるチップインダクタの構成を模 式的に示す縦断面図である。
[図 14]図 13に示すチップインダクタの要部の構成を拡大して示す縦断面図である。 圆 15]本発明の電子部品に係る実施の第 2形態である PAモジュールの構成を模式 的に示す斜視図である。
[図 16]図 15に示す PAモジュールの内部構造を模式的に示す縦断面図である。 圆 17]本発明の電子部品に係る実施の第 3形態である電子部品の構成を示す図面 である。
圆 18]Snが溶け込んだ本発明の接合材料の金属組織を模式的に示す図面である。 圆 19]電子素子接合材料における Sn混入量と接合強度との関係を示すグラフである
[図 20]電子素子接合材料における Ag混入量と接合強度との関係を示すグラフであ る。
[図 21]電子機器に係る本発明の実施の第 1形態である薄型テレビの構成を示す斜視 図である。
[図 22]図 21に示す薄型テレビに備えられる回路基板の構成を模式的に示す縦断面 図である。
[図 23]図 22に示す回路基板に搭載される電子部品の要部の構成を模式的に示す 斜視図である。
発明を実施するための最良の形態
[0014] [接合材料]
本発明の接合材料（1)は、 Cuおよび Geを含有し、残部が Biであり、さらに不可避 的不純物を含有するビスマス合金（1)を含み、鉛を含まないことを特徴とする。ビスマ ス合金（1)において、 Cu含有量はビスマス合金（1)全量の 0. 2〜0. 8重量％、好ま しくは 0. 4〜0. 6重量％である。 Ge含有量はビスマス合金（1)全量の 0. 02〜0. 2 重量％、好ましくは 0. 02-0. 05重量％である。
[0015] 本発明の接合材料（2)は、 Cu、 Geおよび Niを含有し、残部が Biであり、さらに不 可避的不純物を含有するビスマス合金 (2)を含み、鉛を含まな!/ヽことを特徴とする。 このビスマス合金（2)において、 Cu含有量はビスマス合金（2)全量の 0. 2〜0. 8 重量％、好ましくは 0. 4〜0. 6重量％である。 Ge含有量はビスマス合金（2)全量の 0 . 02〜0. 2重量0 /0、好ましくは 0. 02〜0. 05重量％である。 Ni含有量はビスマス合 金（2)全量の 0. 02-0. 08重量％、好ましくは 0. 02-0. 05重量％である。接合材 料 (2)は、特定量の Niを含有することによって、接合材料 (1)の好ましい特性を保持 したまま、さらに高い耐衝撃性を有する。
[0016] 接合材料（1)および（2)は、 270°C以上の非常に高い溶融温度を有する。したがつ て、例えばチップインダクタのような熱容量の小さい電子部品において、電子素子と 電極とを接合する電子素子接合材料として用いるのに適している。電子部品の内部 で溶融温度が高 、接合材料（1)および（2)を用いることによって、リフロー装置にて 電子部品をマザ一ボードに実装する際に、電子部品に不良が発生するのが著しく抑 制される。また、接合材料（1)および (2)は、高価な元素 (例えば Ag)を含まないため 、安価で製造することができる。更に、接合材料（1)および (2)は鉛を含まないため、 鉛フリーの電子機器を提供することができる。
[0017] ビスマス合金（1)および（2)において、 Cuおよび Geの含有量を上記範囲に規定す る理由は、次の通りである。
270°C以上の溶融温度を有する接合材料を得ようとする場合、共晶点温度が 270 °C以上である 2元合金（2種の元素力 なる合金）をベース (母材）に用いることが有 効である。多くの元素の中から共晶点温度が 270°C以上となる元素の組み合わせを 選ぶ際、元素の毒性の有無と価格とを重視すべきである。 Pb、 Hg、 Sb、 Se等の元 素は、毒性の点から除外される。
[0018] 図 1は、 2元合金の共晶点温度を示す表である。縦軸の元素と横軸の元素とが重な る欄に示されている数値が、それら 2種の元素力 なる合金の共晶点温度である。図 1から、例えば Sn— Ag合金の共晶点温度は 221°Cであり、 Ni— Cu合金には共晶点 が存在しないことがわかる。また、 Biと Cuとの組み合わせ、または、 Biと Geとの組み 合わせが、共晶点温度が 270〜300°Cの合金を与えることがわかる。
ここで、 Biと Cuとの共晶合金は、 99. 5重量0 /0の Biと 0. 5重量0 /0の Cuとを含む（Bi 0. 5%Cu)。 Biと Geとの共晶合金は、 99重量0 /0の Biと 1重量0 /0の Geとを含む（Bi — l%Ge)。し力し、 Geの価格は Cuの約 420倍と高価である。よって、安価な材料を 提供する観点からは、 Biと Cuとの組み合わせが有利である。
[0019] 図 2は、 Biと Cuとの二元合金（Bi— Cu合金）における Cu含有量（重量％)と、 Bi— Cu合金の融点 (液相温度または固相温度）との関係を示すグラフである。図 2にお 、 て、 Cuの含有量が 0. 8重量％以下では、液相温度が 270〜272°Cであり、固相温 度との温度差が小さくなつている。一方、 Cuの含有量が 1. 0重量％を超えると、液相 温度は 275°C以上となり、固相温度との温度差が 5°C以上に拡大している。液相温 度と固相温度との間の温度では、固相と液相とが共存する。よって、液相温度と固相 温度との温度差が 5°C以上に大きくなると、接合材料としての作業性が低下し、製造 現場における生産性が低下する。以上より、 Cuの含有量は 0. 8重量％以下であるこ とが望ましい。一方、 Cuの含有量が 0. 2重量％未満になると、溶融した接合材料と 電極等との濡れ性が低下する。よって、 Cuの含有量は 0. 2重量％以上であることが 望ましい。また、 Cuの含有量を 0. 4〜0. 6重量％とすることにより、更に物性バラン スに優れた接合材料を得ることができる。
[0020] 0. 2〜0. 8重量％の Cuを含む Bi— Cu合金は、 270°C未満の温度で溶融しない 点では優れた接合材料である。しかし、メニスカス法による試験では、濡れ性が低い という知見が得られている。 Bi—Cu合金は、 99. 5重量％という多量の Biを含む。そ のため、合金内における酸ィ匕物の生成量が多くなつており、このことが濡れ性に影響 していると考えられる。 Biの酸ィ匕は、 BUりも優先的に酸化する元素を、 Bi—Cu合金 に微量添加することにより、抑制できると考えられる。 BUりも優先的に酸化する元素 としては、 Ge、 Al、 Li、 P等が挙げられる。
[0021] 図 3は、 99. 5重量％の Biと 0. 5重量％の Cuとからなる共晶合金（Bi— 0. 5%Cu) に、 0. 05重量％の Ge、 Al、 Uまたは Pを添カ卩し、 300°Cで 4時間攪拌したときに、試 料中に生成する酸ィ匕物の生成量を示すグラフである。ただし、試料全体の重量は 8k gである。これらの元素を添カ卩していない試料と比較して、 Geを添カ卩した試料では、 酸化物の生成が抑制されていることがわかる。これは、 Geが Bi— 0. 5%Cuの表面で 優先的に酸化し、酸化膜を形成するためと考えられる。以上より、 Bi—Cu合金の酸 化を抑制するためには、 Geの添カ卩が適して 、ることがわかる。
[0022] 図 4は、 0. 5重量0 /0の Cuを含む Biと Cuと Geとの三元合金（Bi— Cu— Ge合金）に おける Ge含有量 (重量％)と、酸化物生成量との関係を示すグラフである。ただし、 合金全体の重量は 8kgである。図 4から、 Geを 0. 02重量％以上添加すると、酸ィ匕物 の生成が抑制されるが、 Geの含有量が 0. 3重量％以上になると、酸化物生成量が 多くなることがわかる。図 4は、 Geの含有量は 0. 02-0. 2重量％が好適であり、 0. 02-0. 05重量が更に好適であることを示している。
[0023] また、ビスマス合金（2)において、 Ni含有量を上記範囲に規定する理由は、次の通 りである。而衝撃性は、 1. 6mm Χ 0. 8mmサイズのチップコンデンサの側面に、 60g の錘を 180mmの高さから衝突させる試験により評価できる。 99. 46重量％の Biと、 0. 5重量％の Cuと、 0. 04重量％の Geとを含む 3元合金（B i-0. 5%Cu-0. 04%Ge)で接合された接合部を有するチップコンデンサを用い、 上記の耐衝撃試験を行ったところ、チップコンデンサは接合部で破断した。破断後の 接合部の断面を観察したところ、 Bi含有量の多い α相と、 Cu含有量の多い |8相との 界面で破断していた。
ここで、 α相と j8相との均一性は、結晶外周値により評価できる。結晶外周値とは、 lO ^ mX 10 mの範囲に存在するひ相の外周長さの合計として定義される。結晶 外周値が大きい場合、 a相と |8相との混合は十分であり、結晶外周値が小さい場合 、 a相と j8相との混合は不十分である。上記試験で破断した接合部の断面で結晶外 周値を測定したところ、結晶外周値は 87 mであった。
[0024] 図 5は、 0. 5重量％の Cuと 0. 04重量％の Geとを含む、 Biと Cuと Geと Niとの四元 合金 (Bi— Cu— Ge— Ni合金）における Ni含有量 (重量％)と、結晶外周値との関係 (グラフ A)を示している。図 5は、また、 0. 5重量％の Cuと 0. 2重量％の Geとを含む Bi— Cu— Ge— Ni合金における Ni含有量 (重量％)と、結晶外周値との関係（グラフ B)を示している。図 5から、 Ni含有量が 0. 02-0. 08重量％である場合に、結晶外 周値が大きくなり、 a相と j8相とが均一に混合されることがわかる。一方、 Ni含有量が 0. 11重量％以上になると、結晶外周値が小さくなり、 a相と |8相とが均一に混合さ れないことがわかる。図 5力 、 Niの含有量は 0. 02〜0. 08重量％が好適であり、 0 . 02-0. 05重量％が更に好適であることがわ力る。
[0025] ビスマス合金（1)および (2)は、さらに球状充填剤、針状充填剤および板状充填剤 よりなる群カゝら選ばれる少なくとも 1種の充填剤を含有していてもよい。このとき、充填 剤含有量はビスマス合金（1)または（2)全量の 0. 05〜5. 0重量％である。本発明で 使用するビスマス合金（1)および（2)のように、 Biを多量に含む合金では、 Pb— Sn 合金に比較して機械的強度が低下する。しかし、このようなビスマス合金に特定の充 填剤を含有させることによって、ビスマス合金が持つ好ましい特性を損なうことなぐそ の機械的強度を向上させることができる。上記以外の一般的な充填剤の添加では、 ビスマス合金の融点が大きく変化し、作業性が低下する。
[0026] すなわち、所定量の Cu、 Geおよび特定形状の充填剤を含み、残部が Biであるビス マス合金（1)を含む本発明の接合材料（1)は、はんだ付け時に 270°Cまで溶融せず
、耐衝撃性に優れ、さらに機械的強度が一層向上した接合材料である。たとえば、こ の接合材料をチップインダクタのような電子部品の内部接合に用いると、電子部品を マザ一ボードへ実装する際の加熱で内部接合の部分が溶融せず、かつ外部からの 衝撃を受けても不良が生じることがない。また、所定量の Cu、 Ge、 Niおよび特定形 状の充填剤を含み、残部が Biであるビスマス合金 (2)を含む本発明の接合材料 (2) は、特定形状の充填剤を含む接合材料 (1)の好ましい特性を保持したまま、耐衝撃 性がさらに向上した接合材料である。
[0027] 球状充填剤、針状充填剤および板状充填剤は、榭脂材料、無機材料、金属材料 などから構成される。榭脂材料としては特に制限されないが、たとえば、ポリエーテル エーテルケトン（PEEK)、ポリエーテルスルホン（PES)、ポリアミドイミド（PAI)、ポリ テトラフルォロエチレン（PTFE)、ポリブチレンテレフタレート（PBT)、ポリエチレンテ レフタレート（PET)、ポリフエ-レンエーテル (PPE)、これら榭脂材料の 2種以上を含 むポリマーァロイ材料などの熱可塑性榭脂を好ましく使用できる。これらの熱可塑性 榭脂は、耐熱性の高いエンジニアリングプラスチックとして知られている。無機材料と しても特に制限されないが、たとえば、ガラス、珪酸土モリトナイト、シリカ、アルミナ、 シリコンなどを好ましく使用できる。また、金属材料としても特に制限されないが、たと えば、ニッケル、アルミニウム、チタンなどを好ましく使用できる。
[0028] なお、球状充填剤の形状としては、表面の少なくとも一部が曲率半径を有する面す なわち曲面で構成される粒子であれば特に制限されないが、真球状、真球に近い平 均円形度を有する球状、楕円球状などの形状のものを好ましく使用できる。ここで、 平均円形度とは、フロー式粒子像分析装置（商品名： FPIA— 2000、シスメッタス (株 )製)を用いて測定した。平均円形度は、該測定装置において検出される粒子像に お!、て、（粒子像と同じ投影面積をもつ円の周囲長) / (粒子投影像の周囲長)で定 義され、 1以下の値をとる。平均円形度が 1に近いほど、粒子形状が真球に近いこと を意味する。また、針状充填材には、角柱状の形状を有する充填剤の他に、ウイスカ 一と呼ばれる充填剤も包含される。また、板状充填材には、板状の形状を有する充 填剤の他に、鱗片状充填剤も包含される。 [0029] 球状、針状および板状充填剤の平均粒子径は特に制限されないが、好ましくは 10 〜60 μ m、さらに好ましくは 20〜40 μ mである。平均粒子径が 10 μ m未満では、ビ スマス合金をペースト状にした場合に粘度が高くなり、回路基板への印刷が困難に なるおそれがある。また、平均粒子径が 60 mを超えると、機械的強度の向上効果 が不十分になるおそれがある。球状充填剤、針状充填剤および板状充填剤は 1種を 単独で使用できまたは 2種以上を組み合わせて使用できる。ここで、平均粒子径は、 マイクロトラック粒度分布測定装置 (商品名： MT3000、 日機装 (株)製)を用いて測 定した。平均粒子径は、前記マイクロトラック粒度分布測定装置により検出される粒度 分布において、累積 50%となる粒径である。
[0030] さらに、球状、針状および板状充填剤には、その表面にめっきを施してもよい。充填 剤の表面に形成されるめつき層は、 Ag、 Pd、 Auおよび Snから選ばれる少なくとも 1 種の金属を含むことが好ましい。めっき層の厚みは特に制限されないが、好ましくは 1 〜3 /ζ πι程度である。なお、充填剤に Agめっきを施した場合、充填剤のビスマス合金 における含有量は多量ではなぐまためつきに要する Ag量も少なくて済むので、 Ag の使用量の増大には繋がらない。めっきを施した充填剤を使用することによって、本 発明の接合材料（1)および (2)の好ましい特性を保持したまま、特に、機械的強度を 一層向上させることができる。
[0031] 図 6〜図 10に、ビスマス合金（1)に充填剤を含有させた場合の、充填剤の含有量と ビスマス合金（1)の融点との関係を示す。図 6は Bi、 Cuおよび Geの三元合金（Bi— Cu—Ge合金）における充填剤の含有量 (重量0 /0)と、 Bi—Cu— Ge合金の融点 (液 相温度または固相温度）との関係を示している。充填剤としては球状、針状および板 状の PEEKを用いている。各充填剤の含有量が 0. 05重量％以下では、液相温度が 270〜272°Cであり、固相温度との温度差が小さくなつている。一方、充填剤の含有 量が 5. 0重量％を超えると、液相温度は 275°C以上となり、固相温度との温度差が 5 °C以上に拡大している。液相温度と固相温度との間の温度では、固相と液相とが共 存する。よって、液相温度と固相温度との温度差が 5°C以上に大きくなると、接合材 料の作業性が低下し、製造現場における生産性が低下する。以上より、充填剤の含 有量は 5重量％以下であることが望ましい。一方、 Cuの含有量が 0. 05重量％未満 になると、溶融した接合材料と電極などとの濡れ性が低下する。よって、充填剤の含 有量は 0. 05重量％以上であることが望ましい。本実施形態では、平均粒子径 30 mの充填剤を用いた。以下の実施形態にお 、ても同様である。
[0032] 図 7は Bi、 Cuおよび Geの三元合金（Bi— Cu— Ge合金）における充填剤の含有量
(重量％)と、 Bi— Cu— Ge合金の融点 (液相温度または固相温度）との関係を示して いる。充填剤としては、針状の PBTおよび針状の PESを用いている。各充填剤の含 有量が 0. 05重量％以下では、液相温度が 270〜272°Cであり、固相温度との温度 差が小さくなつている。一方、充填剤の含有量が 5. 0重量％を超えると、液相温度は 275°C以上となり、固相温度との温度差が 5°C以上に拡大している。液相温度と固相 温度との間の温度では、固相と液相とが共存する。よって、液相温度と固相温度との 温度差が 5°C以上に大きくなると、接合材料の作業性が低下し、製造現場における 生産性が低下する。以上より、充填剤の含有量は 5重量％以下であることが望ましい 。一方、 Cuの含有量が 0. 05重量％未満になると、溶融した接合材料と電極などとの 濡れ性が低下する。よって、充填剤の含有量は 0. 05重量％以上であることが望まし い。
[0033] 図 8は Bi、 Cuおよび Geの三元合金（Bi— Cu— Ge合金）における充填剤の含有量
(重量％)と、 Bi— Cu— Ge合金の融点 (液相温度または固相温度）との関係を示して いる。充填剤としては球状、針状および板状のガラスを用いている。各充填剤の含有 量が 0. 05重量％以下では、液相温度が 270〜272°Cであり、固相温度との温度差 力 、さくなつている。一方、充填剤の含有量が 5. 0重量％を超えると、液相温度は 2 75°C以上となり、固相温度との温度差が 5°C以上に拡大している。液相温度と固相 温度との間の温度では、固相と液相とが共存する。よって、液相温度と固相温度との 温度差が 5°C以上に大きくなると、接合材料の作業性が低下し、製造現場における 生産性が低下する。以上より、充填剤の含有量は 5重量％以下であることが望ましい 。一方、 Cuの含有量が 0. 05重量％未満になると、溶融した接合材料と電極などとの 濡れ性が低下する。よって、充填剤の含有量は 0. 05重量％以上であることが望まし い。
[0034] 図 9は Bi、 Cuおよび Geの三元合金（Bi— Cu— Ge合金）における充填剤の含有量 (重量％)と、 Bi— Cu— Ge合金の融点 (液相温度または固相温度）との関係を示して いる。充填剤としては球状充填剤である珪酸土モンモリトナイトを用いている。充填剤 の含有量が 0. 05重量％以下では、液相温度が 270〜272°Cであり、固相温度との 温度差が小さくなつている。一方、充填剤の含有量が 5. 0重量％を超えると、液相温 度は 275°C以上となり、固相温度との温度差が 5°C以上に拡大している。液相温度と 固相温度との間の温度では、固相と液相とが共存する。よって、液相温度と固相温度 との温度差が 5°C以上に大きくなると、接合材料の作業性が低下し、製造現場におけ る生産性が低下する。以上より、充填剤の含有量は 5重量％以下であることが望まし い。一方、 Cuの含有量が 0. 05重量％未満になると、溶融した接合材料と電極などと の濡れ性が低下する。よって、充填剤の含有量は 0. 05重量％以上であることが望ま しい。
[0035] 図 10は Bi、 Cuおよび Geの三元合金（Bi— Cu— Ge合金）における充填剤の含有 量 (重量％)と、 Bi— Cu— Ge合金の融点 (液相温度または固相温度）との関係を示 している。充填剤としては、球状充填剤であるシリカに Agめっき、 Auめっきまたは Pd めっきを施した被めつき充填剤を用いている。充填剤の含有量が 0. 05重量％以下 では、液相温度が 270〜272°Cであり、固相温度との温度差が小さくなつている。一 方、充填剤の含有量が 5. 0重量％を超えると、液相温度は 275°C以上となり、固相 温度との温度差が 5°C以上に拡大している。液相温度と固相温度との間の温度では 、固相と液相とが共存する。よって、液相温度と固相温度との温度差が 5°C以上に大 きくなると、接合材料の作業性が低下し、製造現場における生産性が低下する。以上 より、充填剤の含有量は 5重量％以下であることが望ましい。一方、 Cuの含有量が 0 . 05重量％未満になると、溶融した接合材料と電極などとの濡れ性が低下する。よつ て、充填剤の含有量は 0. 05重量％以上であることが望ましい。
[0036] また、図 11〜図 12に、ビスマス合金（1)にめつきを施した充填剤（以下「被めつき充 填剤」とする)を含有させた場合の、被めつき充填剤の含有量とビスマス合金（1)の融 点との関係を示す。図 11は、 Bi、 Cuおよび Geの三元合金（Bi— Cu— Ge合金）にお ける被めつき充填剤の含有量 (重量％)と、 Bi— Cu— Ge合金の融点 (液相温度また は固相温度）との関係を示している。充填剤としては、 PBTからなる球状充填剤に Ag めっき、 Auめっきまたは Pdめっきを施した被めつき充填剤を用いている。各充填剤 の含有量が 0. 05重量％以下では、液相温度が 270〜272°Cであり、固相温度との 温度差が小さくなつている。一方、充填剤の含有量が 5. 0重量％を超えると、液相温 度は 275°C以上になり、固相温度との温度差が 5°C以上に拡大している。液相温度と 固相温度との間の温度では、固相と液相とが共存する。よって、液相温度と固相温度 との温度差が 5°C以上に大きくなると、接合材料の作業性が低下し、製造現場におけ る生産性が低下する。以上より、充填剤の含有量は 5重量％以下であることが望まし い。一方、 Cuの含有量が 0. 05重量％未満になると、溶融した接合材料と電極などと の濡れ性が低下する。よって、充填剤の含有量は 0. 05重量％以上であることが望ま しい。
[0037] 図 12は、 Bi、 Cuおよび Geの三元合金（Bi— Cu— Ge合金）における被めつき充填 剤の含有量 (重量％)と、 Bi— Cu— Ge合金の融点 (液相温度または固相温度）との 関係を示している。充填剤としては、 PES力もなる球状充填剤に Agめっき、 Auめつ きまたは Pdめっきを施した被めつき充填剤を用いている。各充填剤の含有量が 0. 0 5重量％以下では、液相温度が 270〜272°Cであり、固相温度との温度差が小さくな つている。一方、充填剤の含有量が 5. 0重量％を超えると、液相温度は 275°C以上 になり、固相温度との温度差が 5°C以上に拡大している。液相温度と固相温度との間 の温度では、固相と液相とが共存する。よって、液相温度と固相温度との温度差が 5 °C以上に大きくなると、接合材料の作業性が低下し、製造現場における生産性が低 下する。以上より、充填剤の含有量は 5重量％以下であることが望ましい。一方、 Cu の含有量が 0. 05重量％未満になると、溶融した接合材料と電極などとの濡れ性が 低下する。よって、充填剤の含有量は 0. 05重量％以上であることが望ましい。
[0038] [電子部品]
本発明の電子部品は、電子素子と、電子素子と接続される電極と、電子素子およ び電極を接合する電子素子接合材料とを含んで構成され、電子素子接合材料が本 発明の接合材料 (1)または接合材料 (2)であることを特徴とする。
本発明の電子部品において、電子素子としてはこの分野で常用されるものを使用 でき、例えば、コンデンサ、抵抗、トランジスタ、 SOP (Side Outer -lead Packag e)、 QFP (Quad Flat Package)、コイル、ベアチップ、線材、板材などにより構成 されるものが挙げられる。
[0039] また、本発明の電子部品は従来の電子部品と同様に使用できる。具体的には、たと えば、表面実装部品、モジュール部品、挿入部品、 BGA (Ball Grid Array)などと して好適に使用できる。表面実装部品として、例えば、チップインダクタ、チップコン デンサなどのチップ部品が挙げられる。モジュール部品としては、例えば、 PA(Pow er Amp)モジュール、 VCO (Voltage Controlled Oscillator)モジュールなど が挙げられる。挿入部品としては、例えば、アキシャル部品、ラジアル部品などが挙 げられる。本発明の電子部品の構成は、好ましくは 8mm X 5mmサイズ以下、さらに 好ましくは 4. 5mm X 3. 2mmサイズ以下の熱容量を有する電子部品を得るのに特 に適している。また、本発明の電子部品の構成は、その内部ではんだなどの接合材 料により電子素子を電極に接合している電子部品を得るのに適している。
[0040] 図 13は、本発明の電子部品に係る実施の第 1形態であるチップインダクタ 10の構 成を模式的に示す縦断面図である。図 14は、図 13に示すチップインダクタ 10の要 部の構成を拡大して示す縦断面図である。図 14は、具体的には、図 13における破 線 Xで囲まれる領域を拡大して示す縦断面図である。チップコンダクタ 10は、市販の チップインダクタ（3225 FAタイプ： 3. 2mm X 2. 5mm X 2. 2mm、松下電器産業 (株)製)と同様の構成を有する。
[0041] すなわち、チップインダクタ 10は、フェライトコア 11と、コイル銅線 13と、電極端子 1 4と、電子素子接合材料 15と、電極フレーム 16とを具備し、たとえば、図示しないマ ザ一ボードに実装して用いられる。フェライトコア 11は磁性材料力もなり、接着剤によ り、電極フレーム 16に取り付けられている。コイル銅線 13は電子素子の端部であり、 フェライトコア 11に卷きつけられており、その一部は、電極フレーム 16と連続する電 極端子 14に引っ掛けられている。電子素子接合材料 15は、電子素子の端部である コイル銅線 13と電極端子 14とを接合し、コイル銅線 13と電極端子 14とが接続を維 持できるように、両者を固定している電子素子接合材料である。電子素子接合材料 1 5には、接合材料（1)または（2)が用いられて 、る。
[0042] 図 15は、本発明の電子部品に係る実施の第 2形態である PAモジュール 20の構成 を模式的に示す斜視図である。図 16は、図 15に示す P Aモジュール 20の内部構造 を模式的に示す縦断面図である。 PAモジュール 20は、接合材料 26として、接合材 料（1)または（2)を含む電子素子接合材料を用いる以外は、市販の PAモジュール（ PAMタイプ、 5mm X 5mm X 1. 5mm、松下電器産業 (株）製）と同様の構成を有す る。
[0043] すなわち、 PAモジュール 20は、基板 21と、封止材 22と、内部電極 23, 24と、チッ プコンデンサ 25と、電子素子接合材料 26と、半導体部品 27と、線材 28とを含む。基 板 21〖こは、たとえば、ガラスエポキシ基板が用いられる。封止材 22は基板 21表面に 設けられる各種電子部品を電気的な絶縁状態で保護する。封止材 22には、たとえば 、エポキシ榭脂が用いられる。内部電極 23, 24は、基板 21の一方の表面に設けられ る。チップコンデンサ 25は電子素子であり、電子素子接合材料 26によって内部電極 23に接合される。電子素子接合材料 26には、接合材料（1)または（2)が用いられて いる。半導体部品 27は、線材 28によって内部電極 24に接合されている。 PAモジュ ール 20を、図示しないマザ一基板表面に設けられた外部電極 29に接合し、マザ一 基板に実装することによって、本発明の接合構造体が得られる。 PAモジュール 20の 外部電極 29への接合には、各種接合材料を使用できる。
[0044] また、本発明の電子部品においては、電子素子接合材料中に Snが混入することが ある。電子素子接合材料中への Sn混入量は、好ましくは電子素子接合材料と Snと の合計量全量の 40重量％以下、さらに好ましくは電子素子接合材料と Snとの合計 量全量の 20重量％以下であることが望ましい。 Sn混入量を 40重量％以下にするこ とによって、電子素子と電極との接合強度が高い水準に維持され、本発明の電子部 品の信頼性、特に電子部品をマザ一基板に接合する際の信頼性、高温下での長期 使用における信頼性などを高めることができる。 Snが電子素子接合材料に混入する 要因としては、次の（i)〜(v)が挙げられる。なお、（i)〜(v)の要因は、 2つ以上が重 なる場合ちある。
(i)電子素子接合材料が、不可避的不純物として Snを含有する。
(ii)電子素子の表面にめっきが施され、該めっきが Snを含有する。
(iii)電極の表面にめっきが施され、該めっきが Snを含有する。 (iv)電子素子自体が Snを含有する。
(V)電極自体が Snを含有する。
[0045] (ii)〜 (V)の場合は、電子素子の電極への接合時、電子部品のマザ一基板への接 合時などに、接合時の加熱によって、めっき中の Snまたは電子素子もしくは電極中 の Snが溶出して電子素子接合材料中に混入し易い。たとえば、（iv)の場合に Sn混 入量を 40重量％以下にするには、めっき中の全 Sn量力 電子素子接合材料全量の 40重量％以下になるように、めっき中の Sn含有量を調整すればよい。また、（iv)お よび (V)が重なる場合は、両方のめっきに含まれる Snの合計量が電子素子接合材料 全量の 40重量％以下になるように、それぞれのめっき中の Sn含有量を調整すれば よい。また、（ii)において、電子素子表面のめっきが Snからなる場合は、めっき層の 厚みを適宜調整することによつても、 Snの電子素子接合材料中への混入量を 40重 量％以下にすることができる。
[0046] 図 17は、本発明の電子部品に係る実施の第 3形態である電子部品 30の構成を示 す図面である。図 17 (a)は、電子部品 30の構成を模式的に示す縦断面図である。図 17 (b)は、図 17 (a)に示す電子部品 30に含まれるチップコンデンサ 33の構成を示 す斜視図である。図 17 (b)においては、チップコンデンサ 33の内部構造が部分的な 縦断面図として示されている。図 17 (c)は、図 17 (b)において一点破線で囲まれる 領域の構成を拡大して示す縦断面図である。
[0047] 電子部品 30は、基板 31と、内部電極 32と、チップコンデンサ 33と、電子素子接合 材料 34と、封止材 35とを含む。基板 31には、たとえば、ガラスエポキシ基板が用いら れる。内部電極 32は基板 31表面に設けられる。チップコンデンサ 33は電子素子で あり、電子素子接合材料 34によって内部電極 32に接合される。チップコンデンサ 33 は、誘電体セラミックス 40と電極部 41とを含む。本実施の形態では、誘電体セラミック ス 40はほぼ直方体状に成形される。電極部 41は、 Agを主成分とする下地電極 42と 、 Niを主成分とする中間電極 43と、 Snを主成分とする外部電極 44とを含み、これら 力 の順番で積層され、下地電極 42が直方体状の誘電体セラミックス 40の 1つの面 に接するように設けられる。本実施の形態では、チップコンデンサ 33は、 1. Omm X 0. 5mm X O. 5mmの寸法を有する。また、本実施の形態では、電極部 41の外部電 極 44は Snめっき層として設けられている。電子素子接合材料 34には、接合材料（1) または（2)が用いられる。封止材 35は、基板 31上のチップコンデンサ 33を封止し、 ノ ッケージングを行う。封止材 35には、たとえば、エポキシ榭脂が用いられる。電子 部品 30は、接合材料によって、図示しないマザ一基板上に設けられる外部電極 36 に接合され、マザ一基板上に実装され、本発明の接合構造体が得られる。
[0048] チップコンデンサ 33は、リフロー炉において接合材料 34の溶融温度である 270°C 以上の加熱下に、電子素子接合材料 34で、基板 31上に設けられた内部電極 32〖こ 接合される。チップコンデンサ 33の外部電極 44は、溶融温度が 230°Cの Snを主成 分としているため、リフロー炉内の加熱で Snが溶融し、溶融した Snは電子素子接合 材料 34中に溶け込む。これによつて、冷却後の電子素子接合材料 34中に Snと Biに よる低融点組成（Sn—58%Bi、溶融温度 138°C)が生成する。
[0049] 図 18は、 Snが溶け込んだ電子素子接合材料 34の金属組織を模式的に示す図面 である。 Snの溶け込み量 (混入量）が少ない場合には、図 18 (a)に示すように、電子 素子接合材料 34の内部に、 Snと Biによる低融点組成 34aが島状に点在する。この 金属組織を有する電子素子接合材料 34を 150°Cに再加熱すると、低融点組成 34a は溶融するが、電子素子接合材料 34自体は溶融しないため、チップコンデンサ 33と 基板 31上に設けられた内部電極 32との接合は良好な状態に保たれる。しかし、 Sn の溶け込み量が多いと、図 18 (b)に示すように、電子素子接合材料 34の内部に、 S nと Biによる低融点組成 34aが連続した塊状物として存在する。この金属組織を含む 電子素子接合材料 34を 138°C以上に再加熱すると、塊状の低融点組成 34aが溶融 するため、チップコンデンサ 33と基板 31上に設けられた内部電極 32との接合が外 れたり、低融点組成 34aが基板 31上に溶出して隣接する内部電極との間で短絡を 発生させる。
[0050] 図 19は、電子素子接合材料における Sn混入量 (含有量)と接合強度との関係を示 すグラフである。 Sn含有量が 40重量％を超えると、接合強度が急激に低下すること がわかる。これは、 Sn含有量が 40重量％を超えると、島状に点在していた低融点組 成 34aが、連続した塊状になることを示している。したがって、電子素子表面のめっき 、電子素子と接続される電極表面のめっき、および電子素子接合材料に含まれる Sn は、接合材料の 40重量％以下とすることが好適であり、 20重量％以下がさらに好適 である。 1. OmmX O. 5mm X O. 5mmサイズのチップコンデンサの場合は、外部電 極の厚みを 2 m以下にすると、電子素子接合材料に対する Snの量が 40重量％以 下となり、外部電極の厚みを 1 μ m以下にすると、電子素子接合材料に対する Snの 量が 20重量％以下となる。したがって、本実施の形態では、電子素子および電極表 面の Snめっきの厚みは 2 μ m以下が好適であり、 1 μ m以下が更に好適である。
[0051] また上記の結果は、電子素子接合材料に予め Snが含まれる場合の上限値として 考えることができる。電子素子接合材料に予め含まれる Snの量が 40重量％以下 (例 えば、 Bi— 0. 6%Cu-0. 04%Ge 40%Sn)であれば接合強度の低下が起こらな い電子部品であり、 Snの量が 20重量％以下（例えば、 Bi— 0. 6%Cu-0. 04%Ge 20%sn)であれば更に望まし!/、電子部品であることを示して 、る。
[0052] Sn以外に Agについても同様の傾向がある。図 20は、上記の電子素子接合材料に Agが混入した場合の、電子素子接合材料に対する Ag含有量 (重量％)と、接合強 度との関係を示すグラフである。電子素子接合材料に対する Ag含有量が 2重量％を 超えると、接合強度が急激に低下する。これは、 Ag含有量が 2重量％を超えると、島 状に点在して 、た低融点組成が連続した塊状になることを示して 、る。したがって、 電子素子表面のめっき、および電子素子接合材料に含まれる Agは、電子素子接合 材料の 2重量％以下にすることが好適であり、 1. 5重量％以下が更に好適であること がわカゝる。
[0053] これは、電子素子接合材料に予め Agが含まれる場合の上限値として考えることも できる。電子素子接合材料に予め含まれる Agの量が 2重量％以下 (例えば、 Bi—O. 6%Cu-0. 04%Ge 2%Ag)であれば、接合強度の低下が起こらない接合構造 体であり、 Agの量が 1. 5重量％以下（例えば、 Bi—O. 6%Cu-0. 04%Ge- l. 5 %Ag)であれば更に望ま ヽ接合構造体であることを示して!/ヽる。
[0054] [接合構造体]
本発明の接合構造体は、（a)本発明の電子部品と、（b)本発明の電子部品を搭載 する基板と、（c)本発明の電子部品および基板を接合する電子部品接合材料とを具 備することを特徴とする。 [0055] (a)の本発明の電子部品は、前記したものと同じ構成を有する電子部品である。具 体的には、電子素子接合材料を用いて電子素子を電極に接合した電子部品である 。電子素子接合材料は、接合材料 (1)または (2)である。
(b)の本発明の電子部品を搭載する基板としては、従来から電子部品の搭載に用 V、られる各種基板を使用できる。
[0056] (c)の電子部品接合材料は、接合材料（1)または（2)に含まれるビスマス合金（1) または (2)よりも溶融温度の低い接合材料である。電子部品接合材料は、リフロー装 置による加熱で溶融することが好ましぐ例えば 200〜230°Cの溶融温度を有する。 このような溶融温度を有する接合材料は、従来から数多く提案されており、当業者で あれば容易に入手可能である。
なお、電子素子接合材料は、電子部品接合材料よりも高い溶融温度を有する。よつ て、電子部品をマザ一ボードに実装する際に、リフロー装置を用いた場合でも、電子 部品内の電子素子接合材料の溶融は起こらない。よって、信頼性の高い接合構造 体を得ることができる。
[0057] [電子機器]
本発明の電子機器は、制御手段が本発明の接合構造体を有する回路基板を含む ことを特徴としている。本発明の電子機器は、本発明の接合構造体を有する回路基 板を含む制御手段によって、その動作を制御される。換言すれば、本発明の電子機 器は、本発明の接合構造体を有する回路基板を制御手段の少なくとも一部として備 える以外は、従来の電子機器と同様の構成を有している。
本発明の電子機器においては、電子素子と電極との接合信頼性および電子部品と 基板との接合信頼性が非常に高 ヽ接合構造体を含む回路基板を備えて ヽるため、 回路基板の断線、短絡などに伴う故障が極めて起こり難い。したがって、本発明の電 子機器は、長い耐久年数が設定される用途、長期間に亘つて高い信頼性が求めら れる用途などに好適に適用できる。長い耐久年数が要求される用途には、たとえば、 HDDレコーダ（ノヽードディスクレコーダ）、デジタルカメラ、ノート型パーソナルコンビ ユータなどの電子機器、薄型テレビ、冷蔵庫、洗濯機、エアコンなどの電ィ匕製品など がある。また、長期間に亘つて高い信頼性が求められる用途には、たとえば、大型コ ンピュータ、産業用ロボット、航空機搭載機器などがある。
[0058] 図 21は、電子機器に係る本発明の実施の第 1形態である薄型テレビ 50の構成を 示す斜視図である。図 22は、図 21に示す薄型テレビ 50に備えられる回路基板 62の 構成を模式的に示す縦断面図である。図 23は、図 22に示す回路基板 62に搭載さ れる電子部品 66の要部の構成を模式的に示す斜視図である。
薄型テレビ 50は、プラズマディスプレイパネル 60と、筐体 61と、回路基板 62とを含 む。回路基板 62は筐体 61内に収容され、ガラスエポキシ基板 65と、第 1の電子部品 66と、第 2の電子部品 67と、電子部品接合材料 68とを含む。ガラスエポキシ基板 65 には電気配線が施されて 、る。
[0059] 第 1の電子部品 66は、その内部で、電子素子接合材料 73による接合がなされてい る電子部品である。第 1の電子部品 66は、電子素子であるチップコンデンサ 71と、第 1の内部電極 72と、電子素子接合材料 73と、半導体部品 75とを含む。チップコンデ ンサ 71は、電子素子接合材料 73によって第 1の内部電極 72に接合されている。第 1 の内部電極 72は、モジュール基板 70表面に設けられている。電子素子接合材料 73 には、接合材料（1)または（2)を使用できる。半導体部品 75は、線材 76によって、モ ジュール基板 70表面に設けられた第 2の内部電極 74に接合されている。第 1の電子 部品 66は、封止材 77によって、モジュール基板 70表面に封止されている。封止材 7 7には、たとえば、エポキシ榭脂を使用できる。
[0060] 第 1の電子部品 66が搭載されたモジュール基板 70は、第 1の電子部品 66の搭載 面とは反対側の面に設けられた外部電極 78と、ガラスエポキシ基板 65表面に設けら れている電極 80aとを、電子部品接合材料 68にて接合することにより、ガラスェポキ シ基板 65上に実装される。電子部品接合材料 68には、この分野で常用される一般 的なはんだ材料を使用でき、例えば、 Sn— 3〜0. 5重量％Cu、 Sn- 3. 5重量％A g— 0. 5重量％Bi— 8重量％Inなどが挙げられる。
第 2の電子部品 67は、その内部で、電子素子接合材料 73による接合がなされてい ない電子部品である。第 2の電子部品 67は、電子素子 79と、電極 80bと、電子部品 接合材料 68とを含む。電子素子 79は、電子部品接合材料 68にて、ガラスエポキシ 基板 65表面に設けられている電極 80bに接合されている。これによつて、第 2の電子 部品 67はガラスエポキシ基板 65上に搭載される。
[0061] 第 1の電子部品 67をガラスエポキシ基板 65に実装する際、リフロー炉で、電子部 品接合材料 68の溶融温度以上に加熱して接合を行う。電子部品接合材料 68が Sn — 3〜0. 5重量％Cuの場合、第 1の電子部品 67は 260°Cまで加熱される。このとき 、第 1の電子部品 67の内部温度も 260°C前後まで上昇する。しかし、電子素子接合 材料 73は 270°C前後またはそれ以上の高い溶融温度を有する。したがって、第 1の 電子部品 67をガラスエポキシ基板 65に実装するためにリフロー装置にて加熱を行つ ても、電子素子接合材料 73が溶融することがない。その結果、チップコンデンサ 71と 第 1の内部電極 72との接合が外れたり、溶融した接合材料が溶出して隣接する内部 電極との間で短絡したりする不良の発生が確実に防止され、信頼性の高い電子機器 を提供することができる。
[0062] 本発明の電子機器においては、電子素子と電極および電子部品と基板とが確実に 接合された接合構造体を回路基板によって制御される。さらに、電子素子と電極との 接合および電子部品と基板と接合は外部から多少の衝撃を受けても保持される。し たがって、本発明の電子機器は、製品製造時の不良品率が極めて低ぐ長期的な使 用においても故障が発生し難ぐ非常に信頼性の高い電子機器となる。また、本発明 の電子機器が誤って自然環境中に廃棄されても、自然環境中に Pbなどを溶出させ ることがない。
産業上の利用可能性
[0063] 本発明は、 270°C以上の溶融温度と、優れた耐衝撃性とを有し、かつ環境基準に も適合する接合材料を安価で提供するものである。本発明の接合材料は、チップィ ンダクタのような熱容量の小さな電子部品に好適に用いることができ、リフロー装置を 用いてマザ一ボードに実装される電子部品に広く適用することができる。さらに、この 電子部品をマザ一ボードに接合してなる接合構造体を回路基板として電子機器に組 み込めば、耐久性に優れ、信頼性の高い電子機器が得られる。

Claims

請求の範囲
[1] Cu含有量 0. 2〜0. 8重量％、 Ge含有量 0. 02〜0. 2重量％、および残部 Biであ るビスマス合金を含む接合材料。
[2] ビスマス合金がさらに Niを含有し、 Ni含有量が 0. 02-0. 08重量％である請求項
1記載の接合材料。
[3] ビスマス合金がさらに球状充填剤、針状充填剤および板状充填剤よりなる群から選 ばれる少なくとも 1種の充填剤を含有し、充填剤含有量が 0. 05〜5. 0重量％である 請求項 1記載の接合材料。
[4] 充填剤が榭脂材料、無機材料および金属材料よりなる群カゝら選ばれる少なくとも 1 種の材料を含む請求項 3記載の接合材料。
[5] 充填剤の表面にめっきが施され、このめつきが Ag、 Pd、 Auおよび Snよりなる群力 ら選ばれる少なくとも 1種の金属を含む請求項 3記載の接合材料。
[6] 電子素子と、電子素子と接続される電極と、電子素子および電極を接合する電子 素子接合材料とを具備し、かつ
電子素子接合材料が、請求項 1〜5に記載のいずれか 1つのビスマス合金を含む 接合材料である電子部品。
[7] 電子素子の表面に形成される Snを含有するめつき、電極表面に形成される Snを含 有するめっき、 Snを含有する電子素子および Snを含有する電極よりなる群から選ば れる少なくとも 1種から電子素子接合材料中に混入する Sn量または電子素子接合材 料に不可避的不純物として含まれる Sn量力 電子素子接合材料と Snとの合計量全 量の 40重量％以下である請求項 6記載の電子部品。
[8] (a)電子部品と、（b)電子部品を搭載する基板と、（c)電子部品および基板を接合 する電子部品接合材料とを具備し、
(a)の電子部品が請求項 6または 7に記載の電子部品であり、
(c)の電子部品接合材料が、 (a)の電子部品に具備される電子素子接合材料に含 まれるビスマス合金よりも溶融温度が低い接合材料である接合構造体。
[9] 請求項 8に記載の接合構造体を含む回路基板を制御手段として備える電子機器。
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