(57)【要約】  ２〜１０．５重量％のＣｕと、０．０２〜０．２重量％のＧｅと、８９．３〜９７．９８重量％のＢｉとを含む接合材料は、２７５℃までの耐熱性と優れた濡れ性を有し、２〜１０．５重量％のＣｕと、０．０２〜０．２重量％のＧｅと、０．０２〜０．１１重量％のＮｉと、８９．１９〜９７．９６重量％のＢｉとを含む接合材料は、更に優れた耐熱性を有する。
2009084155.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２〜１０．５重量％のＣｕと、０．０２〜０．２重量％のＧｅと、８９．３〜９７．９８重量％のＢｉとを含む、接合材料。
【請求項２】
２〜１０．５重量％のＣｕと、０．０２〜０．２重量％のＧｅと、０．０２〜０．１１重量％のＮｉと、８９．１９〜９７．９６重量％のＢｉとを含む、接合材料。
【請求項３】
電子素子と、前記電子素子と接続される電極と、前記電子素子と前記電極とを接合する請求項１または２記載の接合材料とを具備する、電子部品。
【請求項４】
電子部品と、前記電子部品を搭載する基板と、前記電子部品と前記基板とを接合する第１の接合材料とを具備し、前記第１の接合材料は、２３０℃以下の融点を有し、
前記電子部品は、電子素子と、前記電子素子と接続される電極と、前記電子素子と前記電極とを接合する第２の接合材料とを具備し、前記第２の接合材料は、請求項１または２記載の接合材料である、接合構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉛を含まない接合材料（はんだ材料）と、この接合材料が使われた電子部品および接合構造体に関し、詳しくは、電子部品を構成する電子素子と電極とを接続する接合材料に関し、更に詳しくは、電子部品と基板とを接合する際の加熱により溶融しない接合材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境保護への関心が高まる中、はんだ材料を用いた廃棄物から鉛が土壌に溶出することが懸念されている。そこで、環境問題への対策として、鉛を含まない鉛フリーはんだ材料の開発が進められており、特に高耐熱性の鉛フリーはんだ材料が注目されている。【０００３】
高耐熱性の鉛フリーはんだ材料が使われる用途として、パワートランジスタのような電子部品の内部接合が代表的である。図１０に示すように、電子部品１は、電子素子４と、電極５と、これらを接合する接合材料６とを具備する。電子部品１は、別の接合材料３により、基板２と接合される。別の接合材料３には、一般に融点が２２０〜２３０℃のはんだ材料が用いられる。例えば、９６．５重量％Ｓｎ−３重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕ（融点約２２０℃）や、９９．３重量％Ｓｎ−０．７重量％Ｃｕ（融点約２２７℃）が用いられている。【０００４】
電子部品１と基板２とのはんだ付けは、噴流式はんだ付け装置により行われる。接合部分には、２５０℃以上に加熱されて溶融したはんだ材料が供給される。このとき、電子部品１の温度は２５０〜２６５℃に達する。その際、電子部品１の内部で電子素子４と電極５とを接合している接合材料６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、電子部品１の内部に用いる接合材料６は、電子部品１を基板２にはんだ付けする際に到達する電子部品１の最高温度よりも、高い溶融温度を有することが要求される。【０００５】
そこで、溶融温度２７０〜２７２℃の高耐熱性はんだ材料として、Ｂｉを主成分とし、０．２〜０．８重量％のＣｕと、０．０２〜０．２重量％のＧｅとを含むはんだ材料が提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特許第３８８６１４４号公報（図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１のはんだ材料は、ＢｉとＣｕとの共晶組成に近い組成を有する。ＢｉとＣｕとの共晶合金である９９．５重量％Ｂｉ−０．５重量％Ｃｕが生成すると、はんだ材料が２７０℃で溶融する場合がある。このはんだ材料は、リフローはんだ付けで電子部品を基板に接合する場合には適しているが、噴流式はんだ付け装置を用いる場合には、電子部品が２６５℃程度まで加熱されることがあり、電子部品の内部接合が破断されるおそれがある。よって、特許文献１のはんだ材料は、電子部品の内部接合に用いる接合材料としては使用が困難である。【０００７】
また、パワートランジスタのように大電流が流れる電子部品は、安全性確保の点から、加熱時の上限温度よりも１０℃程度高い耐熱温度を有することが求められる。電子部品が２６５℃程度まで加熱される場合がある点を考慮すると、電子部品の内部接合に用いる接合材料には、２７５℃以上の耐熱性が求められる。そのため、溶融温度２７０〜２７２℃の高耐熱性を有するはんだ材料であっても、電子部品の内部接合には使用できない場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記に鑑み、２７５℃以上の耐熱性を有する接合材料を提供し、品質の優れた電子部品および接合構造体を提供することを目的とする。
すなわち、本発明は、２〜１０．５重量％のＣｕと、０．０２〜０．２重量％のＧｅと、８９．３〜９７．９８重量％のＢｉとを含む接合材料（接合材料Ａ）に関する。なお、接合材料Ａは、不可避的不純物を含んでもよい。【０００９】
本発明は、また、２〜１０．５重量％のＣｕと、０．０２〜０．２重量％のＧｅと、０．０２〜０．１１重量％のＮｉと、８９．１９〜９７．９６重量％のＢｉとを含む接合材料（接合材料Ｂ）に関する。なお、接合材料Ｂは、不可避的不純物を含んでもよい。【００１０】
本発明は、また、電子素子と、電子素子と接続される電極と、電子素子と電極とを接合する上記の接合材料Ａまたは接合材料Ｂとを具備する電子部品に関する。【００１１】
本発明は、更に、電子部品と、電子部品を搭載する基板と、電子部品と基板とを接合する第１の接合材料とを具備し、第１の接合材料は、２３０℃以下の融点（固相温度）を有するはんだ材料であり、電子部品は、電子素子と、電子素子と接続される電極と、電子素子と電極とを接合する第２の接合材料とを具備し、第２の接合材料が、上記の接合材料Ａまたは接合材料Ｂである接合構造体に関する。【００１２】
なお、ｘ重量％Ｂｉ−ｙ重量％Ｃｕ−ｚ重量％Ｇｅ−ｗ重量％Ｎｉは、ｘ重量％のＢｉと、ｙ重量％のＣｕと、ｚ重量％のＧｅと、ｗ重量％のＮｉとを含む合金を意味する。また、Ｂｉ−ｙ重量％Ｃｕは、ｙ重量％のＣｕを含み、残部がＢｉおよびＧｅ（またはＡｌ、ＬｉもしくはＰ）である合金を意味する。更に、Ｂｉ−ｙ重量％Ｃｕ−ｚ重量％Ｇｅは、ｙ重量％のＣｕと、ｚ重量％のＧｅとを含み、残部がＢｉおよびＮｉである合金を意味する。他の合金についても上記に準じて表記する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、２７５℃以上の溶融温度を有し、鉛を含まない接合材料を提供することができる。本発明の接合材料をパワートランジスタのような電子部品の内部接合に用いる場合、電子部品を基板へ接合する際の加熱では、内部接合に用いた接合材料が溶融しない。よって、電子部品やこれを含む接合構造体の不良を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】２元合金の共晶点温度を示す図である。
【図２】９８重量％Ｂｉ−２．０重量％ＣｕのＤＳＣ曲線を示す図である。
【図３】９８重量％Ｂｉ−２．０重量％Ｃｕの吸熱率と、接合強度との関係を示す図である。
【図４】接合材料におけるＣｕ含有量と、吸熱率が２０％となる温度との関係を示す図である。
【図５】接合材料に微量含まれる元素と、酸化物生成量との関係を示す図である。
【図６】Ｂｉ−２．０重量％ＣｕにおけるＧｅ含有量と、酸化物生成量との関係を示す図である。
【図７】Ｂｉ−７．４重量％Ｃｕ−０．０４重量％ＧｅにおけるＮｉ含有量と、結晶外周値との関係を示す図である。
【図８】電子部品の一例の構造を示す概略断面図である。
【図９】接合構造体の一例の構造を示す概略断面図である。
【図１０】従来のパワートランジスタの一例の構造を示す概略断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
実施の形態１
本実施形態の接合材料は、２〜１０．５重量％のＣｕと、０．０２〜０．２重量％のＧｅと、８９．３〜９７．９８重量％のＢｉとを含む。Ｃｕの含有量は、２〜６重量％が好ましく、Ｇｅの含有量は０．０５〜０．１重量％が好ましい。【００１６】
本実施形態の接合材料は、２７５℃までの耐熱性を有するため、例えばパワートランジスタのような電子部品において、電子素子と電極とを接合する接合材料として適している。電子部品の内部で用いられている接合材料の耐熱性が高いため、噴流式はんだ付け装置を用いて電子部品を基板に接合する際、電子部品の不良が抑制される。また、本実施形態の接合材料は、鉛を含まないため、鉛フリーの電気機器や電子機器を提供することができる。【００１７】
２７５℃までの耐熱性を確保するためには、２７５℃に近い共晶点温度を有する２元合金（２種の元素からなる合金）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２７５℃に近くなる元素の組み合わせを選ぶ際、重視すべき点は、元素の毒性の有無である。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図である。縦軸の元素と横軸の元素との交点の数値は、それら２種類の元素による共晶点温度を示している。図１から、例えば、Ｓｎ−Ａｇ合金の共晶点温度は２２１℃であり、Ｎｉ−Ｃｕ合金には共晶点が存在しないことがわかる。図１より、共晶点温度が２７５℃に近くなる元素の組み合わせは、ＢｉとＣｕとの組み合わせ、または、ＢｉとＧｅとの組み合わせの２種類に絞られる。【００１９】
ここで、ＢｉとＣｕとの共晶合金は、９９．５重量％のＢｉと、０．５重量％のＣｕとを含む（９９．５重量％Ｂｉ−０．５重量％Ｃｕ）。また、ＢｉとＧｅとの共晶合金は、９９重量％のＢｉと、１重量％のＧｅとを含む（９９重量％Ｂｉ−１重量％Ｇｅ）。ただし、Ｇｅの価格はＣｕの約４２０倍である。よって、安価な材料を提供する観点からは、Ｇｅを１重量％含有する合金よりも、Ｃｕを０．５重量％含有する９９．５重量％Ｂｉ−０．５重量％Ｃｕをベースとして選択することが有利である。【００２０】
まず、Ｃｕを０．５重量％、２．０重量％、５．０重量％、７．４重量％または１０．５重量％の割合で含有する、ＢｉとＣｕとの２元合金を合成し、加熱時の挙動を調べた。【００２１】
一例として、図２に、９８重量％Ｂｉ−２重量％Ｃｕの加熱時の挙動を熱分析装置で測定した結果を示す。図２のＤＳＣ曲線（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｙ）において、固相温度（ＴS）は２７０℃、液相温度（ＴL）は約２８８℃を示している。９８重量％Ｂｉ−２．０重量％Ｃｕは、２７０℃で部分的に溶融を開始し、２８８℃付近に達した時点で全てが溶融した液体状態となる。接合材料を全て溶融させるために必要な熱量（以下、総熱量Ｑという）は、吸熱面積（Ｓ）から知ることができる。９８重量％Ｂｉ−２．０重量％Ｃｕの場合、総熱量Ｑは４１．８Ｊ／ｇである。【００２２】
次に接合材料には接合強度も必要であるため、９８重量％Ｂｉ−２．０重量％Ｃｕの吸熱率と接合強度との関係を調べた。結果を図３に示す。吸熱率は、その温度までの吸熱量の積算値の、総熱量Ｑに対する割合（％）である。【００２３】
接合強度は、ボンディングテスタを用いて測定した。具体的には、接合材料により１００５コンデンサを銅電極に接合し、その後、接合部を所定温度まで加熱した。その温度でコンデンサをその一端面から水平方向に１．０×１０-4ｍ／ｓの移動速度で押して、接合部を破断させた。同様の操作を１０回繰り返し、接合部が破断したときの強度を１０点測定し、平均値を求めた。【００２４】
一般的に、接合材料は、固体状態の方が、液体状態よりも接合強度が強くなる。また、接合材料の状態変化は、吸熱挙動と密接な関係を有する。よって、吸熱率と接合強度との関係を調べることにより、接合材料の状態変化に関する知見が得られる。【００２５】
図３からわかるように、○印で示した吸熱率は、固相温度の２７０℃から増加し始め、液相温度の２８８℃で１００％に達している。これに対して、△印で示した接合強度は、固相温度を超えた２７５℃までは６．７〜７．１Ｎの範囲であるが、２７５℃を超えて２８０℃に達するまでの間に急激に低下し、接合強度が劣ってくることがわかる。２７５℃における吸熱率は２０％であることから、吸熱率が２０％以下となる温度範囲であれば、接合強度が安定していることがわかる。なお、ここでは６．７Ｎ以上の接合強度があれば強度が十分と判定した。２７５℃は固相温度と液相温度との間の固液共存の領域にある。接合材料は２７０℃で溶融し始めるが、接合強度は２７５℃まで急激に低下しない。これは、固相温度と液相温度との間では固体の部分が残っており、温度上昇とともに徐々に液体の比率が高くなるためである。【００２６】
そこで、必要な接合強度を確保できる吸熱率が２０％となる温度と、接合材料の組成との関係について調べた。図４は、ＢｉとＣｕとを含む２元合金において、吸熱率が２０％となる温度と、Ｃｕ含有量との関係を示している。図４からわかるように、吸熱率が２０％となる温度が２７５℃以上である耐熱性の高い接合材料は、２重量％以上のＣｕ含有量を有する。なお、Ｃｕ含有量が２重量％のとき、吸熱率が２０％となる温度は２７５．２℃である。Ｃｕの含有量が増加するとともに、吸熱率が２０％となる温度は上昇することがわかる。Ｃｕの含有量が１０．５重量％を超えると、吸熱率が２０％となる温度は２８２℃となる。【００２７】
ただし、パワートランジスタなどの電子部品の生産時には、接合材料を３８０℃に加熱して溶融させて使用する。Ｃｕの含有量が１０．５重量％の接合材料の３８０℃における吸熱率は９７％である。これよりもＣｕの含有量が高くなると、３８０℃での溶融が不十分となり、電子部品の生産性が低下する。したがって、Ｃｕの含有量は１０．５重量％以下とすることが望ましい。【００２８】
以上より、９８重量％Ｂｉ−２．０重量％Ｃｕは、２７５℃までの耐熱性を確保することのできる、優れた材料であることがわかる。しかし、９８重量％Ｂｉ−２．０重量％Ｃｕに対してメニスカス法による試験を行ったところ、濡れ性が不十分であることが判明した。この原因について実験を繰り返した結果、Ｂｉ量が９８．０重量％と多いため、酸化物の生成量が多くなることが、濡れ性が低下する原因であることが判明した。【００２９】
Ｂｉの酸化は、Ｂｉよりも優先的に酸化する元素を接合材料に添加することにより、抑制することができる。Ｂｉよ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。【００３０】
図５は、接合材料に微量含まれる元素と、酸化物生成量との関係を示している。酸化物生成量は、Ｂｉ−２．０重量％Ｃｕに、Ｇｅ、Ａｌ、ＬｉまたはＰを０．０５重量％含ませ、３００℃で４時間攪拌した後に測定した。試料全体の重量が１０ｋｇである場合、酸化物生成量は、添加元素を含まない接合材料では８８ｇであるが、Ｇｅを含む接合材料では４２ｇである。これは、ＧｅがＢｉ−２．０重量％Ｃｕの表面で優先的に酸化して酸化膜を形成し、Ｂｉ−２．０重量％Ｃｕの酸化が抑制されるためと考えられる。この結果から、Ｂｉ−２．０重量％Ｃｕの酸化を抑制するためには、Ｇｅの添加が適していることがわかる。【００３１】
図６は、Ｂｉ−２．０重量％ＣｕにおけるＧｅ含有量と、酸化物生成量との関係を示している。Ｇｅ量の増加または減少に伴って、Ｂｉ量が減少または増加することとなる。Ｂｉ−２．０重量％ＣｕにＬｉを０．０５重量％含ませた場合、酸化物生成量は５８ｇである。酸化物生成量がこれより少ない場合は、酸化物生成を抑制する十分な効果があると考えられる。Ｇｅ含有量が０．０２重量％になると、酸化物生成量は５２ｇとなり、効果が現れ始める。Ｇｅ含有量が０．０５重量％、０．１重量％および０．２重量％の場合、酸化物生成はそれぞれ４２ｇ、４０ｇおよび４５ｇであり、効果が認められる。一方、Ｇｅ含有量が０．３重量％になると、酸化物生成量は６０ｇとなり、基準値とした５８ｇよりも多くなる。【００３２】
以上より、酸化物生成量を減少させて、濡れ性を向上させるためには、Ｇｅ含有量を０．０２重量％以上、０．２重量％以下とすればよいことがわかる。ただし、Ｇｅの価格はＣｕの約４２０倍と高価であるため、Ｇｅ使用量は少量であることが望ましい。さらに、Ｇｅ含有量が０．０５重量％の場合と、０．２重量％の場合とで、酸化物生成量の差は小さくなっている。よって、高価なＧｅの使用量を減らす観点から、Ｇｅ含有量を０．０２〜０．０５重量％とすることも有効である。【００３３】
表１に、本実施形態の接合材料の組成を例示する。また、接合材料の吸熱率が２０％になるときの温度（耐熱温度）と濡れ性を示す。【００３４】
【表１】
2009084155.tif 000003
【００３５】
６種類の実施例１〜６のうち、実施例６の８９．３重量％Ｂｉ−１０．５重量％Ｃｕ−０．２重量％Ｇｅは、最も耐熱性が高くなっている。ただし、耐熱性とはんだ付け工程での作業性とのバランスを考慮すると、実施例３の９６．４４重量％Ｂｉ−３．５重量％Ｃｕ−０．０６重量％Ｇｅが優れた組成である。【００３６】
比較例として、Ｇｅを含まない接合材料（比較例１）と、８９．１重量％Ｂｉ−１０．５重量％Ｃｕ−０．４重量％Ｇｅ（比較例２）とを示す。これらは、いずれも濡れ性が十分であるとは言い難く、接合材料として適していないことがわかる。【００３７】
実施例１〜６の接合材料を用いて、電子素子と電極とを接合し、電子部品を完成させた。具体的には、実施例１の接合材料１００ｇをＳＵＳ製容器（直径４０ｍｍ、深さ９０ｍｍ）に入れ、３８０℃に加熱して溶融させた。ＳＵＳ製容器の底部には、直径０．２ｍｍの吐出孔が設けられている。ＳＵＳ製容器の上部には、容器内に圧力を加える圧力制御機構を設けた。圧力制御機構の作動により、容器底部の吐出孔から所定量の溶融材料を吐出させることができる。このＳＵＳ製容器と圧力制御機構からなるユニットを用いて、Ｃｕ製リードフレーム上に０．３ｇの溶融材料を供給し、引き続き、溶融材料の上にＳｉ製チップ（３ｍｍ×４ｍｍ）を搭載した。その後、室温まで冷却して接合材料によりリードフレームとＳｉ製チップとを接合した。【００３８】
リードフレームの電極端子と、接合されたＳｉ製チップ上の電極端子とを、Ａｕ製のワイヤーで接続して電気的に導通させた。その後、エポキシ製樹脂で全体をモールドすることにより、電子部品（ＴＯ−２２０Ｆ）として完成させた。【００３９】
このようにして完成させた電子部品（ＴＯ−２２０Ｆ）のリード端子を、紙フェノール製の回路基板に挿入し、溶融させた９６．５重量％Ｓｎ−３重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕ、または、９９．３重量％Ｓｎ−０．７重量％Ｃｕを接合材料に用いてはんだ付けを行った。実施例２〜６の接合材料についても、同様の手順で試作を行った。その後、検査工程にて、電子部品が接合された基板に不良がなく、通常の鉛含有はんだで完成させた電子部品が接合された基板と同等の性能を有していることが確認できた。【００４０】
以上より、接合材料が、２〜１０．５重量％のＣｕと、０．０２〜０．２重量％のＧｅと、８９．３〜９７．９８重量％のＢｉとを含む場合、２７５℃までの耐熱性を確保できるようになり、パワートランジスタのような電子部品の内部接合に適していることが理解できる。よって、電子素子と電極との内部接合に本実施形態の接合材料を用いる場合、基板へ電子部品を接合する際の加熱で内部接合部分が溶融せず、不良が生じることがない。【００４１】
実施の形態２
本実施形態の接合材料は、２〜１０．５重量％のＣｕと、０．０２〜０．２重量％のＧｅと、０．０２〜０．１１重量％のＮｉと、８９．１９〜９７．９６重量％のＢｉとを含む。Ｃｕの含有量は、２〜６重量％が好ましく、Ｇｅの含有量は０．０５〜０．１重量％が好ましく、Ｎｉの含有量は、０．０５〜０．０８重量％が好ましい。
本実施形態の接合材料は、実施の形態１の接合材料よりも、耐衝撃性が高くなる。【００４２】
耐衝撃性は、１．６ｍｍ×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。【００４３】
９２．５６重量％Ｂｉ−７．４重量％Ｃｕ−０．０４重量％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β相との界面で破断していた。【００４４】
ここで、α相とβ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、１０μｍ×１０μｍの範囲に存在するα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、α相とβ相との混合は十分であり、結晶外周値が小さい場合、α相とβ相との混合は不十分である。
上記試験で破断した接合の断面で、結晶外周値を測定したところ、結晶外周値は１２６μｍであった。【００４５】
結晶外周値を大きくするためには、接合材料の凝固時に、相形成の核となる元素を添加することが効果的である。このような元素としては、接合材料の溶融温度で溶融することがなく、毒性がなく、コストの点でも優れているＮｉが適している。【００４６】
図７は、Ｂｉ−７．４重量％Ｃｕ−０．０４重量％ＧｅにおけるＮｉ含有量と、結晶外周値との関係を示している。Ｎｉ量の増加および減少に伴い、Ｂｉ量が減少または増加することとなる。Ｎｉを０．０２重量％含有する接合材料の結晶外周値は１６５μｍであり、Ｎｉを含有しない場合よりも増加している。Ｎｉ含有量が、０．０５重量％、０．０８重量％および０．１１重量％である場合も、Ｎｉを含有しない場合と比較して、結晶外周値が増加しており、α相とβ相との混合が促進されている。一方、Ｎｉ含有量が０．１４重量％になると、結晶外周値は１１８μｍとなり、Ｎｉを含有しない場合と同等程度まで低下する。【００４７】
以上より、Ｎｉを含有しないものよりも耐衝撃性を向上させるためには、Ｎｉ含有量を０．０２重量％から０．１１重量％の範囲とする必要がある。また、Ｎｉ含有量が０．０８重量％を超えると、結晶外周値が低下し始めるため、Ｎｉ含有量は０．０２重量％から０．０８重量％の範囲とすることが望ましい。【００４８】
表２に、本実施形態の接合材料の組成を例示する。また、接合材料の吸熱率２０％になるときの温度（耐熱温度）と耐衝撃性を示す。【００４９】
【表２】
2009084155.tif 000004
【００５０】
６種類の実施例７〜１２のうち、実施例１２の８９．１９重量％Ｂｉ−１０．５重量％Ｃｕ−０．２０重量％Ｇｅ−０．１１重量％Ｎｉは、最も耐熱性が高くなっている。ただし、耐熱性とはんだ付け工程での作業性とのバランスを考慮すると、実施例９の９６．４重量％Ｂｉ−３．５重量％Ｃｕ−０．０６重量％Ｇｅ−０．０４重量％Ｎｉが優れた組成である。また、実施例７〜１２の接合材料は、いずれも実施例１〜６よりも、耐衝撃性に優れた組成となった。【００５１】
表２には、同時に、Ｎｉを含まない接合材料（実施例１３）と、過剰のＮｉを含む８９．１３重量％Ｂｉ―１０．５重量％Ｃｕ−０．２重量％Ｇｅ―０．１７重量％Ｎｉ（実施例１４）とを示す。これらは、いずれも耐熱性および濡れ性に優れているが、耐衝撃性を向上させる効果が得られていないことがわかる。【００５２】
実施例７〜１２の接合材料を用いて、実施の形態１の場合と同様に、電子素子と電極とを接合し、電子部品を完成させた。その後、実施の形態１の場合と同様に、電子部品を基板に搭載させ、噴流式はんだ付け装置に投入し、溶融させた９６．５重量％Ｓｎ−３重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕ、または、９９．３重量％Ｓｎ−０．７重量％Ｃｕを接合材料に用いてはんだ付けを行った。その後、検査工程にて、電子部品が接合された基板に不良がなく、通常の鉛含有はんだで完成させた電子部品が接合された基板と同等の性能を有していることが確認できた。【００５３】
以上より、接合材料が、２〜１０．５重量％のＣｕと、０．０２〜０．２重量％のＧｅと、０．０２〜０．１１重量％のＮｉと、８９．１９〜９７．９６重量％のＢｉとを含む場合、２７５℃までの耐熱性を確保できるようになり、かつ耐衝撃性も向上することから、パワートランジスタのような電子部品の内部接合に適していることが理解できる。よって、電子素子と電極との内部接合に本実施形態の接合材料を用いる場合、基板へ電子部品を接合する際の加熱で内部接合部分が溶融せず、衝撃による不良が生じることもない。【００５４】
実施の形態３
本実施形態の電子部品は、電子素子と、電子素子と接続される電極と、電子素子と電極とを接合する接合材料とを具備する。ここで、接合材料には、実施の形態１または実施の形態２の接合材料を用いることができる。【００５５】
電子素子は、特に限定されないが、例えばＳｉチップ、ＳｉＣチップ、コイルなどで構成される。電子部品は、パワートランジスタに限らず、チップ部品、ＱＦＰ（Ｑｕａｄ  Ｆｌａｔ  Ｐａｃｋａｇｅ）、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）等の表面実装部品や、アキシャル部品、ラジアル部品等の挿入部品が挙げられる。【００５６】
図８は、本実施形態の電子部品の一例であるパワートランジスタの構造を示す概略断面図である。パワートランジスタ１０は、高電圧や高電流が負荷され、大きな発熱を伴う半導体実装部品である。電子素子１１は、接合材料１２により、電極１３と接合されている。パワートランジスタ１０は、別工程で、噴流式はんだ付け装置を用いて、所定の基板に実装され、電気機器や電子機器を構成する。基板に実装する際、パワートランジスタの温度が２６５℃に達しても、実施の形態１または実施の形態２の接合材料は溶融しない。よって、電子素子１１と電極１３との接合が破断することはない。【００５７】
実施の形態４
本実施形態の接合構造体は、電子部品と、電子部品を搭載する基板と、電子部品と基板とを接合する第１の接合材料とを具備し、第１の接合材料は、２３０℃以下の融点（固相温度）を有し、電子部品は、電子素子と、電子素子と接続される電極と、電子素子と電極とを接合する第２の接合材料とを具備し、第２の接合材料は、実施の形態１または２に記載の接合材料からなる。【００５８】
図９は、本実施形態の接合構造体の一例の概略断面図であり、実施の形態３のパワートランジスタ１０と、これを搭載した基板１４とを具備する。パワートランジスタ１０と基板１４との接合には、２３０℃以下の融点を有する第１の接合材料１５が用いられる。第１の接合材料としては、例えば９６．５重量％Ｓｎ−３重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕ、９９．３重量％Ｓｎ−０．７重量％Ｃｕなどが用いられる。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明の接合材料は、例えば噴流式はんだ付け装置により、基板に実装される電子部品およびこれを含む接合構造体に好適に用いることができる。本発明の接合材料は、特に、２７５℃までの耐熱性が要求される電子部品に適しており、高度な耐衝撃性が要求される電子部品にも適用できる。
【図１】
2009084155.tif 000005
【図２】
2009084155.tif 000006
【図３】
2009084155.tif 000007
【図４】
2009084155.tif 000008
【図５】
2009084155.tif 000009
【図６】
2009084155.tif 000010
【図７】
2009084155.tif 000011
【図８】
2009084155.tif 000012
【図９】
2009084155.tif 000013
【図１０】
2009084155.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成22年6月18日(2010.6.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉛を含まない接合材料（はんだ材料）と、この接合材料が使われた電子部品および接合構造体に関し、詳しくは、電子部品を構成する電子素子と電極とを接続する接合材料に関し、更に詳しくは、電子部品と基板とを接合する際の加熱により溶融しない接合材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境保護への関心が高まる中、はんだ材料を用いた廃棄物から鉛が土壌に溶出することが懸念されている。そこで、環境問題への対策として、鉛を含まない鉛フリーはんだ材料の開発が進められており、特に高耐熱性の鉛フリーはんだ材料が注目されている。
【０００３】
高耐熱性の鉛フリーはんだ材料が使われる用途として、パワートランジスタのような電子部品の内部接合が代表的である。図１０に示すように、電子部品１は、電子素子４と、電極５と、これらを接合する接合材料６とを具備する。電子部品１は、別の接合材料３により、基板２と接合される。別の接合材料３には、一般に融点が２２０〜２３０℃のはんだ材料が用いられる。例えば、９６．５重量％Ｓｎ−３重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕ（融点約２２０℃）や、９９．３重量％Ｓｎ−０．７重量％Ｃｕ（融点約２２７℃）が用いられている。
【０００４】
電子部品１と基板２とのはんだ付けは、噴流式はんだ付け装置により行われる。接合部分には、２５０℃以上に加熱されて溶融したはんだ材料が供給される。このとき、電子部品１の温度は２５０〜２６５℃に達する。その際、電子部品１の内部で電子素子４と電極５とを接合している接合材料６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、電子部品１の内部に用いる接合材料６は、電子部品１を基板２にはんだ付けする際に到達する電子部品１の最高温度よりも、高い溶融温度を有することが要求される。
【０００５】
そこで、溶融温度２７０〜２７２℃の高耐熱性はんだ材料として、Ｂｉを主成分とし、０．２〜０．８重量％のＣｕと、０．０２〜０．２重量％のＧｅとを含むはんだ材料が提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３８８６１４４号公報（図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１のはんだ材料は、ＢｉとＣｕとの共晶組成に近い組成を有する。ＢｉとＣｕとの共晶合金である９９．５重量％Ｂｉ−０．５重量％Ｃｕが生成すると、はんだ材料が２７０℃で溶融する場合がある。このはんだ材料は、リフローはんだ付けで電子部品を基板に接合する場合には適しているが、噴流式はんだ付け装置を用いる場合には、電子部品が２６５℃程度まで加熱されることがあり、電子部品の内部接合が破断されるおそれがある。よって、特許文献１のはんだ材料は、電子部品の内部接合に用いる接合材料としては使用が困難である。
【０００８】
また、パワートランジスタのように大電流が流れる電子部品は、安全性確保の点から、加熱時の上限温度よりも１０℃程度高い耐熱温度を有することが求められる。電子部品が２６５℃程度まで加熱される場合がある点を考慮すると、電子部品の内部接合に用いる接合材料には、２７５℃以上の耐熱性が求められる。そのため、溶融温度２７０〜２７２℃の高耐熱性を有するはんだ材料であっても、電子部品の内部接合には使用できない場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記に鑑み、２７５℃以上の耐熱性を有する接合材料を提供し、品質の優れた電子部品および接合構造体を提供することを目的とする。
すなわち、本発明は、２〜１０．５重量％のＣｕと、０．０２〜０．２重量％のＧｅと、８９．３〜９７．９８重量％のＢｉとを含む接合材料（接合材料Ａ）に関する。なお、接合材料Ａは、不可避的不純物を含んでもよい。
【００１０】
本発明は、また、２〜１０．５重量％のＣｕと、０．０２〜０．２重量％のＧｅと、０．０２〜０．１１重量％のＮｉと、８９．１９〜９７．９６重量％のＢｉとを含む接合材料（接合材料Ｂ）に関する。なお、接合材料Ｂは、不可避的不純物を含んでもよい。
【００１１】
本発明は、また、電子素子と、電子素子と接続される電極と、電子素子と電極とを接合する上記の接合材料Ａまたは接合材料Ｂとを具備する電子部品に関する。
【００１２】
本発明は、更に、電子部品と、電子部品を搭載する基板と、電子部品と基板とを接合する第１の接合材料とを具備し、第１の接合材料は、２３０℃以下の融点（固相温度）を有するはんだ材料であり、電子部品は、電子素子と、電子素子と接続される電極と、電子素子と電極とを接合する第２の接合材料とを具備し、第２の接合材料が、上記の接合材料Ａまたは接合材料Ｂである接合構造体に関する。
【００１３】
なお、ｘ重量％Ｂｉ−ｙ重量％Ｃｕ−ｚ重量％Ｇｅ−ｗ重量％Ｎｉは、ｘ重量％のＢｉと、ｙ重量％のＣｕと、ｚ重量％のＧｅと、ｗ重量％のＮｉとを含む合金を意味する。また、Ｂｉ−ｙ重量％Ｃｕは、ｙ重量％のＣｕを含み、残部がＢｉおよびＧｅ（またはＡｌ、ＬｉもしくはＰ）である合金を意味する。更に、Ｂｉ−ｙ重量％Ｃｕ−ｚ重量％Ｇｅは、ｙ重量％のＣｕと、ｚ重量％のＧｅとを含み、残部がＢｉおよびＮｉである合金を意味する。他の合金についても上記に準じて表記する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、２７５℃以上の溶融温度を有し、鉛を含まない接合材料を提供することができる。本発明の接合材料をパワートランジスタのような電子部品の内部接合に用いる場合、電子部品を基板へ接合する際の加熱では、内部接合に用いた接合材料が溶融しない。よって、電子部品やこれを含む接合構造体の不良を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】２元合金の共晶点温度を示す図である。
【図２】９８重量％Ｂｉ−２．０重量％ＣｕのＤＳＣ曲線を示す図である。
【図３】９８重量％Ｂｉ−２．０重量％Ｃｕの吸熱率と、接合強度との関係を示す図である。
【図４】接合材料におけるＣｕ含有量と、吸熱率が２０％となる温度との関係を示す図である。
【図５】接合材料に微量含まれる元素と、酸化物生成量との関係を示す図である。
【図６】Ｂｉ−２．０重量％ＣｕにおけるＧｅ含有量と、酸化物生成量との関係を示す図である。
【図７】Ｂｉ−７．４重量％Ｃｕ−０．０４重量％ＧｅにおけるＮｉ含有量と、結晶外周値との関係を示す図である。
【図８】電子部品の一例の構造を示す概略断面図である。
【図９】接合構造体の一例の構造を示す概略断面図である。
【図１０】従来のパワートランジスタの一例の構造を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
実施の形態１
本実施形態の接合材料は、２〜１０．５重量％のＣｕと、０．０２〜０．２重量％のＧｅと、８９．３〜９７．９８重量％のＢｉとを含む。Ｃｕの含有量は、２〜６重量％が好ましく、Ｇｅの含有量は０．０５〜０．１重量％が好ましい。
【００１７】
本実施形態の接合材料は、２７５℃までの耐熱性を有するため、例えばパワートランジスタのような電子部品において、電子素子と電極とを接合する接合材料として適している。電子部品の内部で用いられている接合材料の耐熱性が高いため、噴流式はんだ付け装置を用いて電子部品を基板に接合する際、電子部品の不良が抑制される。また、本実施形態の接合材料は、鉛を含まないため、鉛フリーの電気機器や電子機器を提供することができる。
【００１８】
２７５℃までの耐熱性を確保するためには、２７５℃に近い共晶点温度を有する２元合金（２種の元素からなる合金）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２７５℃に近くなる元素の組み合わせを選ぶ際、重視すべき点は、元素の毒性の有無である。Ｈｇ、Ｓｂ、Ｓｅ等の元素は、毒性の点から除外される。
【００１９】
図１は、２元合金の共晶点温度を示す図である。縦軸の元素と横軸の元素との交点の数値は、それら２種類の元素による共晶点温度を示している。図１から、例えば、Ｓｎ−Ａｇ合金の共晶点温度は２２１℃であり、Ｎｉ−Ｃｕ合金には共晶点が存在しないことがわかる。図１より、共晶点温度が２７５℃に近くなる元素の組み合わせは、ＢｉとＣｕとの組み合わせ、または、ＢｉとＧｅとの組み合わせの２種類に絞られる。
【００２０】
ここで、ＢｉとＣｕとの共晶合金は、９９．５重量％のＢｉと、０．５重量％のＣｕとを含む（９９．５重量％Ｂｉ−０．５重量％Ｃｕ）。また、ＢｉとＧｅとの共晶合金は、９９重量％のＢｉと、１重量％のＧｅとを含む（９９重量％Ｂｉ−１重量％Ｇｅ）。ただし、Ｇｅの価格はＣｕの約４２０倍である。よって、安価な材料を提供する観点からは、Ｇｅを１重量％含有する合金よりも、Ｃｕを０．５重量％含有する９９．５重量％Ｂｉ−０．５重量％Ｃｕをベースとして選択することが有利である。
【００２１】
まず、Ｃｕを０．５重量％、２．０重量％、５．０重量％、７．４重量％または１０．５重量％の割合で含有する、ＢｉとＣｕとの２元合金を合成し、加熱時の挙動を調べた。
【００２２】
一例として、図２に、９８重量％Ｂｉ−２重量％Ｃｕの加熱時の挙動を熱分析装置で測定した結果を示す。図２のＤＳＣ曲線（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｙ）において、固相温度（ＴS）は２７０℃、液相温度（ＴL）は約２８８℃を示している。９８重量％Ｂｉ−２．０重量％Ｃｕは、２７０℃で部分的に溶融を開始し、２８８℃付近に達した時点で全てが溶融した液体状態となる。接合材料を全て溶融させるために必要な熱量（以下、総熱量Ｑという）は、吸熱面積（Ｓ）から知ることができる。９８重量％Ｂｉ−２．０重量％Ｃｕの場合、総熱量Ｑは４１．８Ｊ／ｇである。
【００２３】
次に接合材料には接合強度も必要であるため、９８重量％Ｂｉ−２．０重量％Ｃｕの吸熱率と接合強度との関係を調べた。結果を図３に示す。吸熱率は、その温度までの吸熱量の積算値の、総熱量Ｑに対する割合（％）である。
【００２４】
接合強度は、ボンディングテスタを用いて測定した。具体的には、接合材料により１００５コンデンサを銅電極に接合し、その後、接合部を所定温度まで加熱した。その温度でコンデンサをその一端面から水平方向に１．０×１０-4ｍ／ｓの移動速度で押して、接合部を破断させた。同様の操作を１０回繰り返し、接合部が破断したときの強度を１０点測定し、平均値を求めた。
【００２５】
一般的に、接合材料は、固体状態の方が、液体状態よりも接合強度が強くなる。また、接合材料の状態変化は、吸熱挙動と密接な関係を有する。よって、吸熱率と接合強度との関係を調べることにより、接合材料の状態変化に関する知見が得られる。
【００２６】
図３からわかるように、○印で示した吸熱率は、固相温度の２７０℃から増加し始め、液相温度の２８８℃で１００％に達している。これに対して、△印で示した接合強度は、固相温度を超えた２７５℃までは６．７〜７．１Ｎの範囲であるが、２７５℃を超えて２８０℃に達するまでの間に急激に低下し、接合強度が劣ってくることがわかる。２７５℃における吸熱率は２０％であることから、吸熱率が２０％以下となる温度範囲であれば、接合強度が安定していることがわかる。なお、ここでは６．７Ｎ以上の接合強度があれば強度が十分と判定した。２７５℃は固相温度と液相温度との間の固液共存の領域にある。接合材料は２７０℃で溶融し始めるが、接合強度は２７５℃まで急激に低下しない。これは、固相温度と液相温度との間では固体の部分が残っており、温度上昇とともに徐々に液体の比率が高くなるためである。
【００２７】
そこで、必要な接合強度を確保できる吸熱率が２０％となる温度と、接合材料の組成との関係について調べた。図４は、ＢｉとＣｕとを含む２元合金において、吸熱率が２０％となる温度と、Ｃｕ含有量との関係を示している。図４からわかるように、吸熱率が２０％となる温度が２７５℃以上である耐熱性の高い接合材料は、２重量％以上のＣｕ含有量を有する。なお、Ｃｕ含有量が２重量％のとき、吸熱率が２０％となる温度は２７５．２℃である。Ｃｕの含有量が増加するとともに、吸熱率が２０％となる温度は上昇することがわかる。Ｃｕの含有量が１０．５重量％を超えると、吸熱率が２０％となる温度は２８２℃となる。
【００２８】
ただし、パワートランジスタなどの電子部品の生産時には、接合材料を３８０℃に加熱して溶融させて使用する。Ｃｕの含有量が１０．５重量％の接合材料の３８０℃における吸熱率は９７％である。これよりもＣｕの含有量が高くなると、３８０℃での溶融が不十分となり、電子部品の生産性が低下する。したがって、Ｃｕの含有量は１０．５重量％以下とすることが望ましい。
【００２９】
以上より、９８重量％Ｂｉ−２．０重量％Ｃｕは、２７５℃までの耐熱性を確保することのできる、優れた材料であることがわかる。しかし、９８重量％Ｂｉ−２．０重量％Ｃｕに対してメニスカス法による試験を行ったところ、濡れ性が不十分であることが判明した。この原因について実験を繰り返した結果、Ｂｉ量が９８．０重量％と多いため、酸化物の生成量が多くなることが、濡れ性が低下する原因であることが判明した。
【００３０】
Ｂｉの酸化は、Ｂｉよりも優先的に酸化する元素を接合材料に添加することにより、抑制することができる。Ｂｉよ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。
【００３１】
図５は、接合材料に微量含まれる元素と、酸化物生成量との関係を示している。酸化物生成量は、Ｂｉ−２．０重量％Ｃｕに、Ｇｅ、Ａｌ、ＬｉまたはＰを０．０５重量％含ませ、３００℃で４時間攪拌した後に測定した。試料全体の重量が１０ｋｇである場合、酸化物生成量は、添加元素を含まない接合材料では８８ｇであるが、Ｇｅを含む接合材料では４２ｇである。これは、ＧｅがＢｉ−２．０重量％Ｃｕの表面で優先的に酸化して酸化膜を形成し、Ｂｉ−２．０重量％Ｃｕの酸化が抑制されるためと考えられる。この結果から、Ｂｉ−２．０重量％Ｃｕの酸化を抑制するためには、Ｇｅの添加が適していることがわかる。
【００３２】
図６は、Ｂｉ−２．０重量％ＣｕにおけるＧｅ含有量と、酸化物生成量との関係を示している。Ｇｅ量の増加または減少に伴って、Ｂｉ量が減少または増加することとなる。Ｂｉ−２．０重量％ＣｕにＬｉを０．０５重量％含ませた場合、酸化物生成量は５８ｇである。酸化物生成量がこれより少ない場合は、酸化物生成を抑制する十分な効果があると考えられる。Ｇｅ含有量が０．０２重量％になると、酸化物生成量は５２ｇとなり、効果が現れ始める。Ｇｅ含有量が０．０５重量％、０．１重量％および０．２重量％の場合、酸化物生成はそれぞれ４２ｇ、４０ｇおよび４５ｇであり、効果が認められる。一方、Ｇｅ含有量が０．３重量％になると、酸化物生成量は６０ｇとなり、基準値とした５８ｇよりも多くなる。
【００３３】
以上より、酸化物生成量を減少させて、濡れ性を向上させるためには、Ｇｅ含有量を０．０２重量％以上、０．２重量％以下とすればよいことがわかる。ただし、Ｇｅの価格はＣｕの約４２０倍と高価であるため、Ｇｅ使用量は少量であることが望ましい。さらに、Ｇｅ含有量が０．０５重量％の場合と、０．２重量％の場合とで、酸化物生成量の差は小さくなっている。よって、高価なＧｅの使用量を減らす観点から、Ｇｅ含有量を０．０２〜０．０５重量％とすることも有効である。
【００３４】
表１に、本実施形態の接合材料の組成を例示する。また、接合材料の吸熱率が２０％になるときの温度（耐熱温度）と濡れ性を示す。
【００３５】
【表１】
2009084155.tif 000015
【００３６】
６種類の実施例１〜６のうち、実施例６の８９．３重量％Ｂｉ−１０．５重量％Ｃｕ−０．２重量％Ｇｅは、最も耐熱性が高くなっている。ただし、耐熱性とはんだ付け工程での作業性とのバランスを考慮すると、実施例３の９６．４４重量％Ｂｉ−３．５重量％Ｃｕ−０．０６重量％Ｇｅが優れた組成である。
【００３７】
比較例として、Ｇｅを含まない接合材料（比較例１）と、８９．１重量％Ｂｉ−１０．５重量％Ｃｕ−０．４重量％Ｇｅ（比較例２）とを示す。これらは、いずれも濡れ性が十分であるとは言い難く、接合材料として適していないことがわかる。
【００３８】
実施例１〜６の接合材料を用いて、電子素子と電極とを接合し、電子部品を完成させた。具体的には、実施例１の接合材料１００ｇをＳＵＳ製容器（直径４０ｍｍ、深さ９０ｍｍ）に入れ、３８０℃に加熱して溶融させた。ＳＵＳ製容器の底部には、直径０．２ｍｍの吐出孔が設けられている。ＳＵＳ製容器の上部には、容器内に圧力を加える圧力制御機構を設けた。圧力制御機構の作動により、容器底部の吐出孔から所定量の溶融材料を吐出させることができる。このＳＵＳ製容器と圧力制御機構からなるユニットを用いて、Ｃｕ製リードフレーム上に０．３ｇの溶融材料を供給し、引き続き、溶融材料の上にＳｉ製チップ（３ｍｍ×４ｍｍ）を搭載した。その後、室温まで冷却して接合材料によりリードフレームとＳｉ製チップとを接合した。
【００３９】
リードフレームの電極端子と、接合されたＳｉ製チップ上の電極端子とを、Ａｕ製のワイヤーで接続して電気的に導通させた。その後、エポキシ製樹脂で全体をモールドすることにより、電子部品（ＴＯ−２２０Ｆ）として完成させた。
【００４０】
このようにして完成させた電子部品（ＴＯ−２２０Ｆ）のリード端子を、紙フェノール製の回路基板に挿入し、溶融させた９６．５重量％Ｓｎ−３重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕ、または、９９．３重量％Ｓｎ−０．７重量％Ｃｕを接合材料に用いてはんだ付けを行った。実施例２〜６の接合材料についても、同様の手順で試作を行った。その後、検査工程にて、電子部品が接合された基板に不良がなく、通常の鉛含有はんだで完成させた電子部品が接合された基板と同等の性能を有していることが確認できた。
【００４１】
以上より、接合材料が、２〜１０．５重量％のＣｕと、０．０２〜０．２重量％のＧｅと、８９．３〜９７．９８重量％のＢｉとを含む場合、２７５℃までの耐熱性を確保できるようになり、パワートランジスタのような電子部品の内部接合に適していることが理解できる。よって、電子素子と電極との内部接合に本実施形態の接合材料を用いる場合、基板へ電子部品を接合する際の加熱で内部接合部分が溶融せず、不良が生じることがない。
【００４２】
実施の形態２
本実施形態の接合材料は、２〜１０．５重量％のＣｕと、０．０２〜０．２重量％のＧｅと、０．０２〜０．１１重量％のＮｉと、８９．１９〜９７．９６重量％のＢｉとを含む。Ｃｕの含有量は、２〜６重量％が好ましく、Ｇｅの含有量は０．０５〜０．１重量％が好ましく、Ｎｉの含有量は、０．０５〜０．０８重量％が好ましい。
本実施形態の接合材料は、実施の形態１の接合材料よりも、耐衝撃性が高くなる。
【００４３】
耐衝撃性は、１．６ｍｍ×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。
【００４４】
９２．５６重量％Ｂｉ−７．４重量％Ｃｕ−０．０４重量％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β相との界面で破断していた。
【００４５】
ここで、α相とβ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、１０μｍ×１０μｍの範囲に存在するα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、α相とβ相との混合は十分であり、結晶外周値が小さい場合、α相とβ相との混合は不十分である。
上記試験で破断した接合の断面で、結晶外周値を測定したところ、結晶外周値は１２６μｍであった。
【００４６】
結晶外周値を大きくするためには、接合材料の凝固時に、相形成の核となる元素を添加することが効果的である。このような元素としては、接合材料の溶融温度で溶融することがなく、毒性がなく、コストの点でも優れているＮｉが適している。
【００４７】
図７は、Ｂｉ−７．４重量％Ｃｕ−０．０４重量％ＧｅにおけるＮｉ含有量と、結晶外周値との関係を示している。Ｎｉ量の増加および減少に伴い、Ｂｉ量が減少または増加することとなる。Ｎｉを０．０２重量％含有する接合材料の結晶外周値は１６５μｍであり、Ｎｉを含有しない場合よりも増加している。Ｎｉ含有量が、０．０５重量％、０．０８重量％および０．１１重量％である場合も、Ｎｉを含有しない場合と比較して、結晶外周値が増加しており、α相とβ相との混合が促進されている。一方、Ｎｉ含有量が０．１４重量％になると、結晶外周値は１１８μｍとなり、Ｎｉを含有しない場合と同等程度まで低下する。
【００４８】
以上より、Ｎｉを含有しないものよりも耐衝撃性を向上させるためには、Ｎｉ含有量を０．０２重量％から０．１１重量％の範囲とする必要がある。また、Ｎｉ含有量が０．０８重量％を超えると、結晶外周値が低下し始めるため、Ｎｉ含有量は０．０２重量％から０．０８重量％の範囲とすることが望ましい。
【００４９】
表２に、本実施形態の接合材料の組成を例示する。また、接合材料の吸熱率２０％になるときの温度（耐熱温度）と耐衝撃性を示す。
【００５０】
【表２】
2009084155.tif 000016
【００５１】
６種類の実施例７〜１２のうち、実施例１２の８９．１９重量％Ｂｉ−１０．５重量％Ｃｕ−０．２０重量％Ｇｅ−０．１１重量％Ｎｉは、最も耐熱性が高くなっている。ただし、耐熱性とはんだ付け工程での作業性とのバランスを考慮すると、実施例９の９６．４重量％Ｂｉ−３．５重量％Ｃｕ−０．０６重量％Ｇｅ−０．０４重量％Ｎｉが優れた組成である。また、実施例７〜１２の接合材料は、いずれも実施例１〜６よりも、耐衝撃性に優れた組成となった。
【００５２】
表２には、同時に、Ｎｉを含まない接合材料（実施例１３）と、過剰のＮｉを含む８９．１３重量％Ｂｉ―１０．５重量％Ｃｕ−０．２重量％Ｇｅ―０．１７重量％Ｎｉ（実施例１４）とを示す。これらは、いずれも耐熱性および濡れ性に優れているが、耐衝撃性を向上させる効果が得られていないことがわかる。
【００５３】
実施例７〜１２の接合材料を用いて、実施の形態１の場合と同様に、電子素子と電極とを接合し、電子部品を完成させた。その後、実施の形態１の場合と同様に、電子部品を基板に搭載させ、噴流式はんだ付け装置に投入し、溶融させた９６．５重量％Ｓｎ−３重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕ、または、９９．３重量％Ｓｎ−０．７重量％Ｃｕを接合材料に用いてはんだ付けを行った。その後、検査工程にて、電子部品が接合された基板に不良がなく、通常の鉛含有はんだで完成させた電子部品が接合された基板と同等の性能を有していることが確認できた。
【００５４】
以上より、接合材料が、２〜１０．５重量％のＣｕと、０．０２〜０．２重量％のＧｅと、０．０２〜０．１１重量％のＮｉと、８９．１９〜９７．９６重量％のＢｉとを含む場合、２７５℃までの耐熱性を確保できるようになり、かつ耐衝撃性も向上することから、パワートランジスタのような電子部品の内部接合に適していることが理解できる。よって、電子素子と電極との内部接合に本実施形態の接合材料を用いる場合、基板へ電子部品を接合する際の加熱で内部接合部分が溶融せず、衝撃による不良が生じることもない。
【００５５】
実施の形態３
本実施形態の電子部品は、電子素子と、電子素子と接続される電極と、電子素子と電極とを接合する接合材料とを具備する。ここで、接合材料には、実施の形態１または実施の形態２の接合材料を用いることができる。
【００５６】
電子素子は、特に限定されないが、例えばＳｉチップ、ＳｉＣチップ、コイルなどで構成される。電子部品は、パワートランジスタに限らず、チップ部品、ＱＦＰ（Ｑｕａｄ  Ｆｌａｔ  Ｐａｃｋａｇｅ）、ＢＧＡ（Ｂａｌｌ  Ｇｒｉｄ  Ａｒｒａｙ）等の表面実装部品や、アキシャル部品、ラジアル部品等の挿入部品が挙げられる。
【００５７】
図８は、本実施形態の電子部品の一例であるパワートランジスタの構造を示す概略断面図である。パワートランジスタ１０は、高電圧や高電流が負荷され、大きな発熱を伴う半導体実装部品である。電子素子１１は、接合材料１２により、電極１３と接合されている。パワートランジスタ１０は、別工程で、噴流式はんだ付け装置を用いて、所定の基板に実装され、電気機器や電子機器を構成する。基板に実装する際、パワートランジスタの温度が２６５℃に達しても、実施の形態１または実施の形態２の接合材料は溶融しない。よって、電子素子１１と電極１３との接合が破断することはない。
【００５８】
実施の形態４
本実施形態の接合構造体は、電子部品と、電子部品を搭載する基板と、電子部品と基板とを接合する第１の接合材料とを具備し、第１の接合材料は、２３０℃以下の融点（固相温度）を有し、電子部品は、電子素子と、電子素子と接続される電極と、電子素子と電極とを接合する第２の接合材料とを具備し、第２の接合材料は、実施の形態１または２に記載の接合材料からなる。
【００５９】
図９は、本実施形態の接合構造体の一例の概略断面図であり、実施の形態３のパワートランジスタ１０と、これを搭載した基板１４とを具備する。パワートランジスタ１０と基板１４との接合には、２３０℃以下の融点を有する第１の接合材料１５が用いられる。第１の接合材料としては、例えば９６．５重量％Ｓｎ−３重量％Ａｇ−０．５重量％Ｃｕ、９９．３重量％Ｓｎ−０．７重量％Ｃｕなどが用いられる。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明の接合材料は、例えば噴流式はんだ付け装置により、基板に実装される電子部品およびこれを含む接合構造体に好適に用いることができる。本発明の接合材料は、特に、２７５℃までの耐熱性が要求される電子部品に適しており、高度な耐衝撃性が要求される電子部品にも適用できる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２〜１０．５重量％のＣｕと、０．０２〜０．２重量％のＧｅと、８９．３〜９７．９８重量％のＢｉとを含む、接合材料。
【請求項２】
２〜１０．５重量％のＣｕと、０．０２〜０．２重量％のＧｅと、０．０２〜０．１１重量％のＮｉと、８９．１９〜９７．９６重量％のＢｉとを含む、接合材料。
【請求項３】
電子素子と、前記電子素子と接続される電極と、前記電子素子と前記電極とを接合する請求項１または２記載の接合材料とを具備する、電子部品。
【請求項４】
電子部品と、前記電子部品を搭載する基板と、前記電子部品と前記基板とを接合する第１の接合材料とを具備し、前記第１の接合材料は、２３０℃以下の融点を有し、
前記電子部品は、電子素子と、前記電子素子と接続される電極と、前記電子素子と前記電極とを接合する第２の接合材料とを具備し、前記第２の接合材料は、請求項１または２記載の接合材料である、接合構造体。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2009084155.tif 000017
【図２】
2009084155.tif 000018
【図３】
2009084155.tif 000019
【図４】
2009084155.tif 000020
【図５】
2009084155.tif 000021
【図６】
2009084155.tif 000022
【図７】
2009084155.tif 000023
【図８】
2009084155.tif 000024
【図９】
2009084155.tif 000025
【図１０】
2009084155.tif 000026
【国際調査報告】
2009084155.tif 000027
2009084155.tif 000028
2009084155.tif 000029
2009084155.tif 000030