(57)【要約】      （修正有）【課題】簡易に接合が可能で、接合後はボイドの発生が極めて少なく、Ｃｕ６Ｓｎ５等の金属間化合物の生成が均一且つ接合部全体に分布した接合層を形成する、高温環境下でも高い接合信頼性を有する接合方法及びはんだ接合部の提供。【解決手段】予め接合対象となる基板のはんだ付け部にＳｎ又はＳｎを主成分とする鉛フリーはんだ合金でコートした後に、接合部にＣｕ６Ｓｎ５金属間化合物を生成する鉛フリーはんだ材料を用いてはんだ接合を行うはんだ接合方法であり、当該はんだ接合方法を用いたはんだ付けしたはんだ接合部は、はんだ接合部にＣｕ６Ｓｎ５金属間化合物が均一且つ多く存在しているため、３００℃の高温に長時間晒されても接合特性の低下が少ない高信頼性のはんだ接合部を提供することができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液相拡散接合を用いたはんだ接合を行う方法に於いて、第１ステップとして基板にＳｎ又はＳｎを主成分とする鉛フリーはんだ合金でコートする方法を用い、第２ステップとして、第１ステップでコートを施した基板にＣｕ６Ｓｎ５金属間化合物が生成する鉛フリーはんだ材料を塗布するステップを行う方法を用いることを特徴とするはんだ接合方法。
【請求項２】
請求項１の方法によりはんだ付けしたことを特徴とするはんだ接合部。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液相拡散接合を活用した鉛フリーはんだ材料の接合方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球環境負荷軽減のため、電子部品の接合材料としてＳｎ-Ａｇ-Ｃｕ系鉛フリーはんだ合金やＳｎ-Ｃｕ-Ｎｉ系鉛フリーはんだ合金が広く普及している。
しかし、それらの鉛フリーはんだ合金の多くは融点が２３０℃以下であり、ＲｏＨＳ指令の適応除外である鉛を高濃度で含有する高温はんだに代わる鉛フリーはんだ接合材が求められている。
このようなニーズを満たす接合材として、銀粒子を主成分とする焼結タイプの接合材や金属粉末とはんだ合金粉末等を混合した液相拡散接合材料が提案されている。
ところが、前者は高価格で普及が進んでおらず、後者もボイドの発生等種々の課題が残されている。
そこで、安価でしかも高温環境下で信頼性の高い接合特性を有するはんだ材料が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、比較的低融点のはんだ又ははんだ粉末と比較的高融点のＮｉ含有粉末との混合物を用いたはんだ材料に関する技術が開示されている。
また、特許文献２では、Ｓｎ又はＳｎ合金を主材としＣｕとＳｎとの金属間化合物を含有する多層プリフォームシートに関する技術が開示されている。
【０００４】
そして、特許文献１及び特許文献２で開示されている技術は、接合後の接合部にＣｕ６Ｓｎ５金属間化合物を形成させることにより耐高温特性を有する鉛フリーはんだ接合材である。
しかし、特許文献１及び特許文献２で開示されている技術は、接合材料の一部または全部を単層又は多層のプリフォームシートに加工する必要があるため、高コストとなるばかりでなく、微細で複雑な形状を有する接合部への表面実装が困難という課題が残されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】ＵＳ２０１７/００９５９１Ａ１公報
【特許文献２】特許第６０４２５７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、簡易に接合が可能で、はんだ接合後はボイドの発生が極めて少なく、Ｃｕ６Ｓｎ５等の金属間化合物の生成が均一且つ接合部全体に分布した接合層を形成する、高温環境下でも高い接合信頼性を有するはんだ接合方法並びに当該接合法ではんだ接合した接合部の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、上記目的を達成すべく、はんだ接合部におけるＣｕ６Ｓｎ５金属間化合物の生成条件に着目して鋭意検討を重ねた結果、予め接合対象となる基板等の接合部にＳｎ又はＳｎを主成分とする鉛フリーはんだをコートした後に、Ｃｕ６Ｓｎ５金属間化合物を生成する鉛フリーはんだ材料を用いてはんだ付けすることにより、接合層にボイドの発生がなくＣｕ６Ｓｎ５金属間化合物が均一且つ全体に生成することを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
即ち本発明は、予め接合対象となる基板等のはんだ付け部にＳｎ又はＳｎを主成分とする鉛フリーはんだ合金でコートした後に、接合部にＣｕ６Ｓｎ５金属間化合物を生成する鉛フリーはんだ材料を用いてはんだ接合を行うはんだ接合方法であり、当該はんだ接合方法を用いたはんだ付けしたはんだ接合部は、はんだ接合部にＣｕ６Ｓｎ５金属間化合物が均一且つ多く存在しているため、３００℃の高温に長時間晒されても接合特性の低下が少ない高信頼性のはんだ接合部を提供することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、簡易な方法で高温特性の優れたはんだ接合並びにはんだ接合部を安価で供給することが可能なため、耐高温特性が必要な車載用パワーデバイス等への応用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】従来の方法でＣｕ基板にはんだ材料を接合した外観写真。
【図２】従来の方法でＣｕ基板にはんだ材料を接合した接合部の断面写真。
【図３】本発明のはんだ付け方法でＣｕ基板にはんだ材料を接合した接合部の断面写真。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明は、予め接合対象となる基板等のはんだ付け部にＳｎ又はＳｎを主成分とする鉛フリーはんだ合金でコートした後に、接合部にＣｕ６Ｓｎ５金属間化合物を生成する鉛フリーはんだ材料を用いてはんだ接合を行うはんだ接合方法である。
接合のステップとして、接合対象となる基板等の接合部にＳｎ又はＳｎを主成分とする鉛フリーはんだ合金で予めコートすることを第１ステップとする。
そして、第２ステップとして、第１ステップで基板等にＳｎ又はＳｎを主成分とする鉛フリーはんだ合金でコートしたはんだ接合箇所の上にＣｕ６Ｓｎ５を生成する鉛フリーはんだ接合材料を塗布し、その後、リフロー炉等で加熱しはんだ接合する接合方法である。
【００１２】
本発明のはんだ接合方法に用いるコート成分は、Ｓｎ又はＳｎを主成分とする鉛フリーはんだ合金であり、本発明の効果を有する範囲に於いて特に制限はないが、Ｓｎ単独がより好ましい。
コートの方法として、メッキによる方法が例示できるが蒸着やスパッタ等でも構わないが、コートするＳｎ又はＳｎを主成分とする鉛フリーはんだ合金の厚みは、１０μｍ以上が好ましい。
また、本発明のはんだ接合に用いる基板は、本発明の効果を有する範囲に於いて特に制限はなく、素材が窒化アルミやＳｉＣ等のセラミックでＣｕやＮｉ、Ａｕ等のメッキ等を施したものでも良く、素材がＣｕのリードフレーム等でも構わない。
【００１３】
本発明のはんだ接合方法に用いる接合部にＣｕ６Ｓｎ５金属間化合物を生成する鉛フリーはんだ材料は、本発明の効果を有する範囲に於いて特に制限はない。
例えば、Ｃｕ及びＮｉからなる合金やＳｎ−Ｃｕ−Ｎｉからなるはんだ合金が例示でき、種類の異なる組成の合金やはんだ粉末を今後しても構わない。
また、粒径も本発明の効果を有する範囲に於いて特に制限はなく、１〜３５μｍが好ましい。
更に、当該接合部にＣｕ６Ｓｎ５金属間化合物を生成する鉛フリーはんだ材料は、合金粉末やはんだ合金粉末にロジン等の樹脂成分、チキソ剤、活性剤、及び溶剤等からなるフラックスを加えたはんだペーストに加工した鉛フリーはんだ材料が好ましく、はんだ付け後に残渣が残らない活性剤及び溶剤（バインダー含む）からなるフラックスを用いたはんだペーストがより好ましい。
【００１４】
次に、本発明の実施の形態について説明する。
本発明のはんだ接合方法の第１ステップとして以下の手順で基板にＳｎをコートした。
（ａ）試料
・基板：無酸素銅板（２０×２０×０．５ｍｍ）
・コート材料：９９．９％Ｓｎ
・フラックス：ＮＳ‐３３４（日本スペリア社製）
・マスキング材料：カプトンテープ（５０μｍ）
（ｂ）装置
・ホットプレート
（ｃ）手順
（１）メッキ部分として中央部に５×５ｍｍの空間ができるようにカプトンテープで
銅板周囲を覆う。
（２）周囲をカプトンテープで覆った銅板にフラックスを少量添加し、２５０℃に加
熱したホットプレート上に置く。
（３）フラックスが蒸発したら直ぐに９９．９％Ｓｎ０．０１９ｇをマスキングして
いない銅板上に置き、Ｓｎが溶融し、銅板がＳｎメッキされたことを確認する。
（Ｓｎ０．０１９ｇはメッキエリア５×５ｍｍに均一にメッキした場合に厚みが１００μｍとなるように設定した重量である。）
（４）メッキが確認できたら、銅板をホットプレートからとり、冷却後、カプトンテ
ープを剥がし、第１ステップであるＳｎコートをした試料とする。
約１００μｍ厚みのＳｎメッキが銅板上にコートされたことを確認した。
【００１５】
本発明のはんだ接合方法の第２ステップとして、接合部にＣｕ６Ｓｎ５金属間化合物を生成する鉛フリーはんだ材料は表１組成のはんだペーストを用いて、はんだ接合を行った。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
表１に示すはんだペーストは下記の手順で作製した。
（１）１及び２の粉末を配合量の比率で均一に混合する。
（２）予め３〜５を混合し均一に溶解した状態で（１）と混合し、均一に混合し、
はんだペーストとする。
【００１８】
本発明のはんだ接合方法の第２ステップは以下の手順で行った。
（１）実施例１として、ステップ１で作製したＳｎメッキした銅板のＳｎメッキ上に表
１のはんだペーストを少量塗布する。
比較例１として、Ｓｎメッキをしない銅板上に表１のはんだペーストを少量塗布
する。
（２）２５０℃に加熱したホットプレート上に（１）を置き、銅板が約２３０℃になる
ことを確認し３分間加熱し、はんだ接合する。
（３）（２）をホットプレート上から取り出し、室温にて冷却し、実施例１及び比較例
１の接合試料とする。
【００１９】
図１に比較例１のはんだペースト接合後の外観写真を示す。
図１では、銅板１上にはんだ２が接合されているように見えるが、実際には接合されておらず、基板を立てるとはんだが銅板から剥がれ落ちた。
次に、比較例１について、はんだが銅板から外れていない状態のものを用意し、その断面を観察した結果を図２に示す。
銅板１１上に金属間化合物３と思える付着物が接合されているが、その上は空隙４が発生しており接合できていないことが判明した。
また、空隙の上にははんだ層２１が存在するが、はんだ粉末や金属粉末と思える粒子状のものがみられ、接合層全体に金属間化合物見られない。
【００２０】
対して、本発明のはんだ接合方法を用いた実施例１の接合断面を示す図３では、銅板１１の上に金属間化合物３が接合界面に隙間なく均一に生成し、接合部のはんだ層２１には金属間化合物が均一にしかも接合層全体に多く見られる。
また、図３の３に示す金属間化合物及びはんだ層２１に広く分布する金属間化合物を調べたところ、Ｃｕ６Ｓｎ５金属間化合物であることが判明した。  
【００２１】
このことより、本発明のはんだ接合方法によりＣｕ６Ｓｎ５金属間化合物を生成する鉛フリーはんだ材料を用いたはんだ接合は高融点のＣｕ６Ｓｎ５金属間化合物がボイドの発生もなく接合界面に生成するばかりでなく、接合層に均一且つ一面に生成することから、高い耐熱性と、高い接合信頼性を有するはんだ接合が可能であることが判明した。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明のはんだ接合方法は、上述の通り、銀粒子と比較して極めて安価な鉛フリーはんだ材料や金属粒子を用いることができ、しかも、簡易な方法で高温特性の優れたはんだ接合並びにはんだ接合部を供給することが可能なため、耐高温特性が必要な車載用パワーデバイス等への応用が期待できる。
【符号の説明】
【００２３】
１    銅板
１１  銅板
２    はんだ
２１  はんだ層
３    金属間化合物
４    空隙
【図１】
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【図２】
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【図３】
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