(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の導体と他方の導体とをはんだ接合するためのＳｎを主成分とするＰｂフリーはんだであって、前記一方の導体および前記他方の導体の少なくともいずれか一方はＡｇを主成分とする層をその表面に備えており、前記Ｓｎを主成分とするＰｂフリーはんだは、Ｓｎ−３．０ｍａｓｓ％Ａｇ−０．５ｍａｓｓ％Ｃｕ−０．２ｍａｓｓ％Ｚｎからなることを特徴とするＰｂフリーはんだ。
【請求項２】
導体とはんだ接合するためのＰｂフリーはんだ層を備えたはんだ被覆導体において、
前記導体は、Ａｇを主成分とする層を少なくともその表面に備えており、
前記Ｐｂフリーはんだ層は、Ｓｎ−３．０ｍａｓｓ％Ａｇ−０．５ｍａｓｓ％Ｃｕ−０．２ｍａｓｓ％Ｚｎからなることを特徴とするはんだ被覆導体。
【請求項３】
一方の導体と他方の導体とがＳｎを主成分とするＰｂフリーはんだにより接合されて形成される電気部品において、前記一方の導体と前記他方の導体との間には接合部が形成され、前記一方の導体および前記他方の導体の少なくともいずれか一方は、Ａｇを主成分とする層をその表面に備えており、前記接合部はＳｎ−３．０ｍａｓｓ％Ａｇ−０．５ｍａｓｓ％Ｃｕ−０．２ｍａｓｓ％ＺｎからなるＰｂフリーはんだにより接合されて形成されていることを特徴とする電気部品。
【請求項４】
前記導体のうち、Ａｇを主成分とする層を少なくともその表面に備えている導体と、前記接合部との界面に、Ａｇ−Ｓｎ−Ｚｎ系金属間化合物からなる層が形成されている請求項３に記載の電気部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一方の導体と他方の導体とをはんだ接合するためのＳｎを主成分とするＰｂフリーはんだ及びはんだ被覆導体並びにそれを用いた電気部品に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車や産業機器などには、はんだ付けのために銀めっきを施したコンデンサやリード線、銀ペーストをプリントした基板などの電気部品が用いられている。
【０００３】
このはんだ付けには従来、Ｓｎ−Ｐｂ系はんだがよく用いられていたが、Ｐｂ規制に伴い純Ｓｎ系、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｃｕ系等のＰｂフリーはんだが現在多く用いられている。
【０００４】
Ａｇを主成分とする導体と他の導体を、Ｓｎを主成分とするＰｂフリーはんだにより接続する場合、Ａｇを主成分とする導体とはんだとの接合界面に沿って金属間化合物であるＡｇ3Ｓｎが形成されることが知られている。
【０００５】
ＡｇとＰｂフリーはんだの接合部が、車載用あるいは、直射日光下などの高温環境に保持されると、保持温度がはんだの融点以下でも、はんだ中のＳｎとＡｇの相互拡散により、接合界面に金属間化合物であるＡｇ3Ｓｎが層状に形成される。このとき保持温度が高ければ高いほど相互拡散が進み、金属間化合物層は厚く成長する。
【０００６】
金属間化合物は一般的に脆いため、Ｐｂフリーはんだと導体の間の金属間化合物層が厚く成長した場合、この金属間化合物層中、もしくは、金属間化合物とはんだおよび導体界面での破断が起こりやすく、はんだ接続部の強度が著しく低下してしまうことが問題となっている。
【０００７】
このため、このようなはんだ接合の用途では、６０〜１５０℃の高温環境で長期間使用されても、銀めっきや銀ペーストとＰｂフリーはんだの接合界面において十分な接合強度を有し、耐疲労、耐衝撃性に優れた接続信頼性が高いＰｂフリーはんだが求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平６−１６９１６０号公報
【特許文献２】特開平２−１８９８９号公報
【特許文献３】特開平４−３４９０号公報
【特許文献４】特開２００８−１８２１２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１は、Ｓｎ−３．５重量％Ａｇはんだの使用により、Ａｇとの接合界面のＡｇ3Ｓｎは高温環境（１５０℃）においても、成長が抑止されると報告している。有鉛はんだに対してＳｎ−３．５重量％Ａｇはんだの場合、高温環境での接合界面でのＳｎの拡散が抑制されるので、Ａｇ3Ｓｎの成長が抑止されるとしている。しかし実際には、Ｓｎの拡散抑制は十分ではなく、高温に長時間保持する場合、このＡｇ3Ｓｎは成長し続けるので、接続信頼性が問題視される。
【００１０】
特許文献２，３及び４では、はんだとＡｇとの接合界面に他の金属による中間層やＮｉ層を形成して、Ａｇとはんだとの間の相互拡散やＡｇ3Ｓｎ化合物の成長抑制が可能であると報告されている。
【００１１】
特に特許文献４では、ＳｎとＮｉとの間ではＳｎとＡｇとの間より相互拡散が起こりにくいので、それにより、ＳｎとＡｇとの間にＮｉ層を形成して拡散のバリアとすることにより、金属間化合物の生成を抑える効果があるとしている。
【００１２】
導体表面へのＮｉ層形成に関しては、接合界面の拡散抑制効果が一般的に知られているが、Ｎｉは大気中で酸化しやすくはんだ濡れ性が低下することが懸念されている。また硬質なために割れやすく、割れによりＡｇとはんだが直接接触してしまい、拡散抑制効果が失われる虞もある。
【００１３】
そこで、本発明の目的は、従来のＰｂフリーはんだに対して高温保持におけるＡｇとはんだとの界面の金属間化合物層の成長を更に抑制することができ、はんだ接合部における良好なはんだ濡れ性を備えたＳｎを主成分とするＰｂフリーはんだ及びはんだ被覆導体並びにそれを用いた電気部品を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決すべく創案された本発明は、一方の導体と他方の導体とをはんだ接合するためのＳｎを主成分とするＰｂフリーはんだであって、前記一方の導体および前記他方の導体の少なくともいずれか一方はＡｇを主成分とする層をその表面に備えており、前記Ｓｎを主成分とするＰｂフリーはんだは、Ｓｎ−３．０ｍａｓｓ％Ａｇ−０．５ｍａｓｓ％Ｃｕ−０．２ｍａｓｓ％ＺｎからなるＰｂフリーはんだである。
【００１６】
また、本発明は、導体とはんだ接合するためのＰｂフリーはんだ層を備えたはんだ被覆導体において、前記導体は、Ａｇを主成分とする層を少なくともその表面に備えており、前記Ｐｂフリーはんだ層は、Ｓｎ−３．０ｍａｓｓ％Ａｇ−０．５ｍａｓｓ％Ｃｕ−０．２ｍａｓｓ％Ｚｎからなるはんだ被覆導体である。
【００１８】
さらに、本発明は、一方の導体と他方の導体とがＳｎを主成分とするＰｂフリーはんだにより接合されて形成される電気部品において、前記一方の導体と前記他方の導体との間には接合部が形成され、前記一方の導体および前記他方の導体の少なくともいずれか一方は、Ａｇを主成分とする層をその表面に備えており、前記接合部はＳｎ−３．０ｍａｓｓ％Ａｇ−０．５ｍａｓｓ％Ｃｕ−０．２ｍａｓｓ％ＺｎからなるＰｂフリーはんだにより接合されて形成されている電気部品である。
【００２０】
前記導体のうち、Ａｇを主成分とする層を少なくともその表面に備えている導体と、前記接合部との界面に、Ａｇ−Ｓｎ−Ｚｎ系金属間化合物からなる層が形成されているとよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、従来のＰｂフリーはんだに対して高温保持におけるＡｇとはんだとの界面の金属間化合物層の成長を更に抑制することができ、はんだ接合部における良好なはんだ濡れ性を備えたＳｎを主成分とするＰｂフリーはんだ及びはんだ被覆導体並びにそれを用いた電気部品を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】Ｚｎの添加によるＰｂフリーはんだとＡｇの接合界面の金属間化合物の成長抑制効果を示した模式図であり、（ａ）は、Ｐｂフリーはんだと銀板との接合界面の金属間化合物の成長状態を示し、（ｂ）は、Ｚｎを含まない従来のＰｂフリーはんだと銀板との接合界面の金属間化合物の成長状態を示す。
【図２】本発明の適用例を示す図である。
【図３】本発明の適用例を示す図である。
【図４】本発明の適用例を示す図である。
【図５】金属間化合物層厚さの測定方法を示す模式図である。
【図６】実施例の１５０℃で２０００ｈｒ保持後の断面観察写真である。
【図７】比較例の１５０℃で２０００ｈｒ保持後の断面観察写真である。
【図８】実施例及び比較例の１５０℃における金属間化合物層の成長挙動を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２４】
図１（ａ）に示すように、本実施の形態に係るＰｂフリーはんだ１は、一方の導体２と他方の導体（図示せず）とをはんだ接合するためのＳｎを主成分とするＰｂフリーはんだである。
【００２５】
ここで、導体の一方（例えば、導体２）はＡｇを主成分とする層を少なくともその表面に備えており、Ｓｎを主成分とするＰｂフリーはんだに、Ｚｎが含まれていることを特徴とする。本実施の形態では導体２に銀板を用いる。
【００２６】
Ｐｂフリーはんだ１におけるＺｎ含有量は、０．０５ｍａｓｓ％以上１．０ｍａｓｓ％以下であることが好ましい。この理由を以下に述べる。
【００２７】
本発明者がＰｂフリーはんだに添加するＺｎ濃度について、鋭意研究した結果、Ｚｎ濃度が高いほど界面化合物層の成長を抑制する効果が高いことを見出した。また、この研究から、Ｚｎ含有量を０．０５ｍａｓｓ％以上にすることにより、高温保持における、界面化合物層の成長の成長抑制効果が得られやすいことが分かった。
【００２８】
しかし、Ｚｎは酸化しやすいため、Ｚｎ含有量が多すぎるとＡｇに対する濡れ性が悪くなり、接合界面に多数の欠陥が形成されやすくなる。そのため、Ｚｎ含有量は１．０ｍａｓｓ％以下が好ましい。
【００２９】
このＰｂフリーはんだ１の作用を説明する。
【００３０】
Ｓｎを主成分とするＰｂフリーはんだにＺｎを微量添加することにより、Ａｇを主成分とする層との接合界面でＺｎが濃化するために界面付近にＡｇ−Ｓｎ−Ｚｎ系金属間化合物が形成される。そのため、Ｚｎを微量添加した場合は、界面の金属間化合物層３は、Ａｇ−Ｓｎ−Ｚｎ系金属間化合物となり、例えば、Ａｇ−Ｓｎ−Ｚｎ化合物もしくはＡｇ−Ｓｎ−Ｚｎ化合物およびＡｇ3Ｓｎで構成されている状態となる。このＡｇ−Ｓｎ−Ｚｎ化合物もしくはＡｇ−Ｓｎ−Ｚｎ化合物およびＡｇ3Ｓｎの形成により、高温でのそれらの化合物層の成長が妨げられる。
【００３１】
Ｚｎを含まない通常のＰｂフリーはんだでは、図１（ｂ）に示すように、Ｐｂフリーはんだ１１中のＳｎと導体２の表面のＡｇとの相互拡散により、接合界面に金属間化合物であるＡｇ3Ｓｎが形成され、保持温度が高いと、このＡｇ3Ｓｎで構成された金属間化合物層１３が厚く成長する。
【００３２】
これに対し、本実施の形態に係るＰｂフリーはんだ１では、Ａｇ−Ｓｎ−Ｚｎ化合物がＡｇ3Ｓｎより、はんだとの界面においてＳｎとＡｇの相互拡散速度が遅いため、金属間化合物層３の成長が抑制される。つまりＡｇ−Ｓｎ−Ｚｎ化合物が相互拡散の障壁のような役割を果たす。Ｚｎの添加により、高温状態での金属間化合物層３の成長を抑制できれば、接合強度を向上し、高温環境でも高い信頼性を得ることができる。
【００３３】
なお、導体の具体的な組み合わせとしては、銀成分とＰｂフリーはんだ１とが接触する構成であれば特に限定されるものではなく、例えば、図２に示すように、銀板２２とＣｕからなる配線材（例えばリード線）２４の組み合わせを挙げることができる。
【００３４】
Ｐｂフリーはんだ１で接合する限りにおいては、配線材２４側には錫、金、銀、はんだなどのめっきを施したものであってもよい。またＡｇを主成分とする層とＰｂフリーはんだ１との界面に使用するのでない限り、これらのめっきの下地にニッケルめっきを施すものであってもよい。
【００３５】
またこれに限定されるわけではなく、導体の具体的な組み合わせの中には、必ずしも導体単体でなくてもよく、その部材の構成要素の中に導体を含んでいればよい。例えば電極を備えた電子部品や、導電パターンを有する絶縁基板のようなものであってもよい。例えば、図３に示すように、配線パターン３４を有するセラミック基板３５の上にＰｂフリーはんだ１を介して銀めっき３２を被覆した銀電極を有する電子部品（コンデンサやＩＣチップなど）３６を実装するものでもよい。
【００３６】
またこれに限定されるわけではなく、図４に示すように、溶融めっき法によりＰｂフリーはんだ１のめっき被覆を施した配線材４４と、セラミック基板３５の上に形成した銀ペースト４２とを接合する構造であってもよい。また、セラミック基板３５に限定されるものではなくその素材は有機フィルム（例えばガラスエポキシ基板又はポリイミド基板など）であってもよい。
【００３７】
なお、本実施の形態において主成分とは、含有成分の中でもっとも多い場合であればそれを含むものである。
【００３８】
そして、Ａｇを主成分とする層とは、例えば、含有成分の中でＡｇがもっとも多い場合であればそれを含むものである。よって必ずしも銀めっきである必要はなく、有機溶剤と混合した銀ペーストであってもかまわないし、また本発明の効果を損なわない限りにおいてＡｇ以外の添加元素を含む銀合金層であってもよい。
【００３９】
また、本実施の形態においては、Ａｇを主成分とする層を少なくともその表面に備えていればよく、Ａｇを主成分とする層が表面を被覆するコアの部分は鋼材であっても、アルミニウムであっても銅材であってもよい。つまり、導体の全体がＡｇから構成されている必要はない。
【００４０】
以上説明したように、本発明によれば、従来のＰｂフリーはんだに対して高温保持におけるＡｇとはんだとの界面の金属間化合物層の成長を更に抑制することができ、はんだ接合部における良好なはんだ濡れ性を備えたＳｎを主成分とするＰｂフリーはんだ及びはんだ被覆導体並びにそれを用いた電気部品を提供することができる。
【００４１】
また、高温保持におけるＡｇを主成分とする層とＳｎを主成分とするはんだの接合界面の金属間化合物層の成長を確実に抑制することができるため、高温環境で使用される電子機器のはんだ接合部においても長期信頼性を得ることができる。
【実施例】
【００４２】
以下に、本発明の実施例及び比較例について説明する。
【００４３】
（実施例）
溶融めっき法により厚さ０．２ｍｍの銀板にＳｎ−３．０ｍａｓｓ％Ａｇ−０．５ｍａｓｓ％Ｃｕ−０．２ｍａｓｓ％ＺｎからなるＰｂフリーはんだめっきを厚さ約５０μｍ形成した。このときのめっき浴温は２６０℃で、５秒間浸漬してめっきを施した。めっき直後の金属間化合物層の厚さは１．７μｍであった。これを高温保持試験に供し、Ｚｎを添加したはんだの金属間化合物層の成長厚さを調査した。１５０℃に設定した恒温槽にて２０００ｈｒまで種々の時間保持し、ＰｂフリーはんだめっきとＡｇの界面に形成されるＡｇ−Ｓｎ−Ｚｎ系金属間化合物層を光学顕微鏡により断面観察を行った。このとき図５に示すように、画像処理ソフトを用いて金属間化合物層の面積を測定し、それを銀板とＰｂフリーはんだの界面に対して平行な面積測定部の幅で除し、金属間化合物層の厚さを計測した。
【００４４】
（比較例）
比較例として、同様に厚さ０．２ｍｍの銀板にＺｎを含まないＳｎ−３．０ｍａｓｓ％Ａｇ−０．５ｍａｓｓ％Ｃｕからなる従来のＰｂフリーはんだめっきを実施例と同様の方法で厚さ約５０μｍ行った。めっき直後の金属間化合物層の厚さは１．３μｍであった。比較例についても実施例と同様の高温保持試験を実施し、同様の方法を用いて金属間化合物層の厚さを計測した。
【００４５】
図６，７に、本実験で得られた、１５０℃で２０００ｈｒ保持後の実施例および比較例の断面観察写真を示す。実施例の金属間化合物層の成分を分析したところＡｇ−Ｓｎ−Ｚｎ系金属間化合物層であり、比較例の金属間化合物層の成分を同様に分析したところＡｇ3Ｓｎの金属間化合物層が形成されていた。
【００４６】
そして、上記と同様の方法により金属間化合物層の厚さを測定したところ、実施例の金属間化合物層の厚さは７．０μｍであったのに対し、比較例の金属間化合物層の厚さは８．３μｍの厚さであった。
【００４７】
また、図８に１５０℃環境における金属間化合物層の成長挙動の比較を示す。このように、比較例では１５０℃で２０００ｈｒ保持後は金属間化合物層厚さが７．０μｍ成長するのに対し、実施例では５．３μｍと大幅に成長が抑制されていることが確認された。尚、図８のグラフ中、実施例、比較例の金属組成の数値単位はｍａｓｓ％である。
【００４８】
したがって、ここでは、Ｐｂフリーはんだの接合界面における接続信頼性の指標として、界面における金属間化合物層の厚さを評価したが、上記実験の結果から、比較例に比して実施例は大幅に金属間化合物の成長を抑制することができており、実施例は比較例に比して大幅にＰｂフリーはんだの接合界面における接続信頼性を有するものであるといえる。
【００４９】
また、本発明のＰｂフリーはんだは、銀板との界面において中間層を介在させるようなことをしないため、従来のＳｎを主成分とするＰｂフリーはんだに比してはんだ濡れ性を低下させることもなく良好なはんだ濡れ性を備えていた。
【００５０】
さらに、本発明のＰｂフリーはんだは、上記各成分の他、本発明の目的を損しない範囲で必要に応じて、例えば、Ｂｉ、Ｉｎ、Ｐ、Ｓｂ、Ｍｇ、Ａｕなどの他の元素を含有させることもできる。これにより、はんだ付け時およびはんだ付け後におけるはんだ合金の融点をさらに低下させることができる。
【００５１】
なお、本発明のＰｂフリーはんだとしては、Ｓｎを主成分とすると共にＺｎを含有し、Ｐｂを添加していないものであれば特に限定されるものではなく、純Ｓｎ系、Ｓｎ−Ａｇ系、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系、Ｓｎ−Ｃｕ系のいずれであってもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１  Ｐｂフリーはんだ
２  導体
３  金属間化合物層
１１  従来のＰｂフリーはんだ
１３  Ａｇ3Ｓｎで構成された金属間化合物層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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