(57)【要約】  低温はんだ付けに用いるマイクロ／ナノ粒子強化型複合はんだ及びその調製方法であって、無鉛低温はんだ付けはんだの製造分野に属する。マイクロ／ナノレベルのＣｕ、Ａｇ、Ｓｂ粒子と溶融錫金属が分散、混合、霧化されて形成されたマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末が、ＳｎＢｉ系低融点合金はんだ粉末及び通常のフラックスと調合されて製造されるマイクロ／ナノ粒子強化型複合はんだは、２００℃以下の低温溶接を行なう際、溶融しているマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金内の錫原子が、ＳｎＢｉ系低融点合金より先にパッドで金属間化合物を形成し、且つマイクロ／ナノ粒子がはんだ接合点で分散して「セパレータ効果」を発揮し、ＳｎＢｉ系における原子が析出してパッドと結合するのを遮断することにより、Ｂｉリッチ層の成長を抑制して、無鉛低温はんだ付けにおける、はんだ接合点が脆く、信頼性が低いという問題を解決する。狭ピッチや微小なはんだ接合点の低温無鉛はんだ付けに非常に適する。
2021504139.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温はんだ付けに用いるマイクロ／ナノ粒子強化型複合はんだであって、
該マイクロ／ナノ粒子強化型複合はんだの成分は、質量パーセントで、
５０〜８０％のＳｎＢｉ系低融点合金はんだ粉末と、
１０〜４０％の、マイクロ／ナノレベル粒子のＣｕ、Ａｇ、Ｓｂのうちの１種又は２種と溶融金属Ｓｎとが分散、混合、霧化されて形成された合金粉末である、マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末と、
残りの部分のフラックスと、を含む
ことを特徴とする、マイクロ／ナノ粒子強化型複合はんだ。
【請求項２】
前記マイクロ／ナノ粒子強化型複合はんだの成分は、質量パーセントで、６０〜７０％のＳｎＢｉ系低融点合金はんだ粉末と、１０〜３０％のマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末と、残りの部分のフラックスとを含み、
前記ＳｎＢｉ系低融点合金はんだ粉末は、ＳｎＢｉ又はＳｎＢｉＡｇ低融点合金はんだ粉末であり、
前記マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末は、ＳｎＣｕ、ＳｎＡｇ、ＳｎＡｇＣｕ及びＳｎＳｂ合金はんだ粉末のうちのいずれか１種又は複数種である
ことを特徴とする、請求項１に記載のマイクロ／ナノ粒子強化型複合はんだ。
【請求項３】
前記マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末は、ＳｎＣｕ、ＳｎＡｇ、ＳｎＡｇＣｕ及びＳｎＳｂ合金はんだ粉末のうちのいずれか１種又は複数種を含み、その成分は、
質量パーセントで、銅Ｃｕ０〜３％、銀Ａｇ０〜４％、アンチモンＳｂ０〜１０％のうちのいずれか１種又は２種と、
残りの部分の錫Ｓｎと、を含む
ことを特徴とする、請求項１に記載のマイクロ／ナノ粒子強化型複合はんだ。
【請求項４】
前記マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末におけるＳｎＣｕ合金は、ＳｎＣｕ０．７、ＳｎＣｕ１及びＳｎＣｕ３合金のうちのいずれか１種であり、
前記マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末におけるＳｎＡｇ合金は、ＳｎＡｇ３、ＳｎＡｇ３．５及びＳｎＡｇ４のうちのいずれか１種であり、
前記マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末におけるＳｎＡｇＣｕ合金は、ＳｎＡｇ０．３Ｃｕ０．７、ＳｎＡｇ１Ｃｕ０．５及びＳｎＡｇ３Ｃｕ０．５のうちのいずれか１種であり、
前記マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末におけるＳｎＳｂ合金は、ＳｎＳｂ１０、ＳｎＳｂ５のうちのいずれか１種である
ことを特徴とする、請求項３に記載のマイクロ／ナノ粒子強化型複合はんだ。
【請求項５】
前記マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末の成分は、質量パーセントで、ニッケルＮｉ０．０１〜０．１％、セリウムＣｅ０．００１〜０．０５％、コバルトＣｏ０．００１〜０．１％、ナノ状グラファイト０．１〜０．９％及びカーボンナノチューブ０．０１〜０．０５％の粉末粒子のうちのいずれか１種又は複数種をさらに含む
ことを特徴とする、請求項３に記載のマイクロ／ナノ粒子強化型複合はんだ。
【請求項６】
前記ＳｎＢｉ系低融点合金はんだ粉末は、ＳｎＢｉ、ＳｎＢｉＡｇ及びＳｎＢｉＳｂはんだ粉末のうちの１種又は複数種であり、
前記ＳｎＢｉ系低融点合金はんだ粉末におけるＳｎＢｉ合金はんだ粉末はＳｎ４２Ｂｉ５８であり、
前記ＳｎＢｉ系低融点合金はんだ粉末におけるＳｎＢｉＡｇ合金はんだ粉末は、Ｓｎ４２Ｂｉ５７Ａｇ１、Ｓｎ４２Ｂｉ５７．６Ａｇ０．４、Ｓｎ６４Ｂｉ３５Ａｇ１及びＳｎ６４．７Ｂｉ３５Ａｇ０．３のうちのいずれか１種であり、
前記ＳｎＢｉ、ＳｎＢｉＡｇ及びＳｎＢｉＳｂはんだ粉末うちのいずれか１種又は複数種を混合して形成された前記ＳｎＢｉ系低融点合金はんだ粉末は、ＳｎＢｉ系低融点合金はんだ粉末における各金属の含有量比率が、質量パーセントで、銀Ａｇ０〜１％、アンチモンＳｂ０〜３％、ビスマスＢｉ３５〜５８％であり、残りの部分は錫Ｓｎである
ことを特徴とする、請求項１に記載のマイクロ／ナノ粒子強化型複合はんだ。
【請求項７】
低温はんだ付けの複合はんだの製造に用いるマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末の調製方法であって、
金属錫Ｓｎを３４５〜３５５℃に加熱し溶融させて、液体金属錫ＳｎにするステップＡ１と、
ステップＡ１を実施して得た液体金属錫Ｓｎに、銅Ｃｕ、銀Ａｇ、アンチモンＳｂのうちのいずれか１種または２種を含むマイクロ／ナノレベル金属粒子を添加するステップＡ２と、
ステップＡ２を実施して得た液体混合金属に酸化防止剤を添加し、且つ該液体混合金属を置いた空間内が負圧状態になるまで余分な空気を吸い出すステップＡ３と、
ステップＡ３を実施して得た液体混合金属を、温度が３４５〜３５５℃の負圧密封状態で保温し、ハイパワー超音波又は機械方式で３０〜９０分間分散処理を行って、前記マイクロ／ナノレベル金属粒子を十分に分散させて、マイクロ／ナノ金属粒子が高度に分散したマイクロ／ナノ粒子強化型液体錫ベース金属にするステップＡ４と、
ステップＡ４を実施し、分散処理を完了して温度が３４５〜３５５℃の範囲にある液体錫ベース金属を霧化チャンバへ搬送して、霧化、分散、成形処理を行い、該霧化チャンバの作業条件は温度が０〜５０℃の範囲に制御され、且つ霧化チャンバ内の環境は酸素含有量が４００〜２０００ｐｐｍに制御され、前記霧化チャンバが採用する霧化方式は、超音波霧化、遠心霧化又はエア霧化の方式を含み、霧化、分散、成形処理された液体錫ベース金属が急速に冷却されて微細な金属粒子、即ちマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末となるステップＡ５と、を含む
ことを特徴とする、マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末の調製方法。
【請求項８】
ステップＡ２を実施する際に添加する前記マイクロ／ナノレベル金属粒子の直径寸法の範囲は、３０ｎｍ〜８μｍ又は１００ｎｍ〜１μｍ又は１〜５μｍであり、
ステップＡ３を実施する際に、酸化防止剤を添加して液体混合金属を置いた空間が−０．１Ｍｐａになるまで余分な空気を吸い出し、且つこの負圧状態をステップＡ４の全プロセスにおいて維持する
ことを特徴とする、請求項７に記載のマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末の調製方法。
【請求項９】
ステップＡ２を実施する際に添加するマイクロ／ナノレベル金属粒子は、銅Ｃｕ、銀Ａｇ、アンチモンＳｂのうちのいずれか１種又は２種であり、その成分は、質量パーセントで、銅Ｃｕ０〜３％、銀Ａｇ０〜４％、アンチモンＳｂ０〜１０％であり、これらを混合して液体のマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース金属を形成し、溶融している該錫ベース金属は、液体のＳｎＣｕ、ＳｎＳｂ、ＳｎＡｇ及びＳｎＡｇＣｕ合金を含む
ことを特徴とする、請求項７に記載のマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末の調製方法。
【請求項１０】
ステップＡ２を実施する際に添加するマイクロ／ナノレベル粒子は、質量パーセントで、ニッケルＮｉ０．０１〜０．１％、セリウムＣｅ０．００１〜０．０５％、コバルトＣｏ０．００１〜０．１％、ナノ状グラファイト０．１〜０．９％及びカーボンナノチューブ０．０１〜０．０５％の粒子のうちのいずれか１種又は複数種をさらに含む
ことを特徴とする、請求項９に記載のマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末の調製方法。
【請求項１１】
ステップＡ３を実施する際に添加する酸化防止剤は、松脂又はＬｉＣｌ−ＫＣｌ溶融塩を含み、
ステップＡ４を実施する際にハイパワー超音波で前記マイクロ／ナノ粒子を分散させ、パワー超音波による分散で錫ベース合金はんだ粉末を強化する条件は、超音波周波数が１０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚ、パワーが１ｋＷ〜１０ｋＷであり、
ステップＡ４を実施する際に機械で前記マイクロ／ナノ粒子を分散させ、機械による分散で錫ベース合金はんだ粉末を強化する条件は、高速回転分散パドルの線速度が１０ｍ／ｓ〜１００ｍ／ｓであり、
前記強化型錫ベース合金はんだ粉末の調製方法は、
ステップＡ５を実施して得たマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末を、機械又は気流で篩い分け、粒径規格の異なる粒子粉末を得て、規格寸法がＴ３〜Ｔ８型のマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末を製造して使用に備えるステップＡ６をさらに含む
ことを特徴とする、請求項７に記載のマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末の調製方法。
【請求項１２】
低温はんだ付けに用いるマイクロ／ナノ粒子強化型複合はんだの調製方法であって、
請求項７〜１１のいずれか１項に記載のマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末の調製方法により得たマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末を、質量パーセントで１０〜４０％計量し、さらに、質量パーセントで、５０〜８０％のＳｎＢｉ系低融点合金はんだ粉末と、８〜１５％のフラックスをそれぞれ計量するステップＢと、
室温条件で、ステップＢを実施して計量した各成分を機械で均一に攪拌して、低温はんだ付けに用いるマイクロ／ナノ粒子強化型複合はんだを得るステップＣと、を含む
ことを特徴とする、マイクロ／ナノ粒子強化型複合はんだの調製方法。
【請求項１３】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のマイクロ／ナノ粒子強化型複合はんだを用いてはんだ付けを行い成形された、はんだ接合点又ははんだ継目であって、
前記はんだ接合点又ははんだ継目は、電子部品とそれが取り付けられる基板との間で、導電性、熱伝導性及び機械的強度を兼ね備える接続物質であり、
前記はんだ接合点又ははんだ継目は、リフロー又は熱溶融によるはんだ付けで形成されたものであり、
前記リフロー又は熱溶融によるはんだ付けが採用するはんだの形式は、マイクロ／ナノ粒子強化型複合はんだのペースト、あらかじめ成形されたはんだ片、はんだテープ及びはんだワイヤーを含み、
前記リフロー又は熱溶融の加熱温度は、はんだ付けのピーク温度を２００℃以下、１４０℃以上の時間を４分以上、１８０℃以上の時間を２分以上とし、
はんだ付けにより形成されるはんだ接合点又ははんだ継目の金属結晶は、等方性構造であり、且つ網状又はデンプル状を呈し、樹枝状ＳｎＢｉ共晶体は存在せず、
前記はんだ接合点又ははんだ継目の合金は、質量パーセントで、ビスマスＢｉ１９．４〜５１．２％、銅Ｃｕ０．０１〜１．３％、銀Ａｇ０．０１〜１．８％、アンチモンＳｂ０．０１〜０．６％、ニッケルＮｉ０〜０．０５％、セリウムＣｅ０〜０．０２％、コバルトＣｏ０〜０．０４％、ナノ状グラファイト０〜０．３６％及びカーボンナノチューブ０〜０．０２％であり、残りの部分は錫Ｓｎ及びやむを得ず含まれる少量の基板合金元素である
ことを特徴とする、はんだ接合点又ははんだ継目。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は低温はんだ付けに用いるはんだに関し、特に、材料の成分と性質を特徴とする無鉛錫ベース低温はんだ及びその製造方法に関し、とりわけ、はんだ付け温度が２００℃以下の無鉛錫ベース低温はんだ付けに用いるはんだに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エレクトロニクス技術が急速に発展している現代社会において、エレクトロニクス製品に対する環境保護やエネルギー消費についての要求が高まる中、エレクトロニクス製品の無鉛化、軽量・薄型化及び高機能化はすでに趨勢となっている。軽くて薄く、微小な新たなチップは、通常は溶接の高温に耐えられず、特にＢＧＡ部品のはんだ付けの際に、高温によってはんだ接合点に欠陥が生じるという問題もより顕著になっているため、低温はんだ付けがよく用いられるようになっている。従来技術の無鉛はんだ付けで常用されるはんだは、主にＳｎＡｇＣｕ系（特にＳＡＣ３０５）はんだであるが、ＳｎＡｇＣｕ系はんだは融点が高い（２１７℃〜２３０℃）ことから、リフローによるはんだ付け温度が２４０℃以上になり、低温はんだ付けには適さない。
【０００３】
低温はんだ付け（はんだ付け温度が２００℃以下）の分野で用いられる従来技術の無鉛低温はんだには、主にＳｎＢｉ系合金、ＳｎＺｎ系合金、ＳｎＩｎ系合金などのはんだが含まれる。ＳｎＩｎ系合金はんだの目下の問題は、インジウムＩｎ元素の希少性により、合金はんだの価格が高くなることであり、ＳｎＺｎ系合金はんだには亜鉛Ｚｎが酸化し易いという問題がある。これらの欠点により、ＳｎＺｎ系合金及びＳｎＩｎ系合金のはんだは、低温はんだ付けにおいて使用しづらいものとなっている。ＳｎＢｉ系合金はんだのうち、広く使用されているのはＳｎＢｉ５８共晶合金のはんだである。このはんだの目下の問題は、ＳｎはＣｕ基板と結合反応するが、ＢｉはＣｕと反応しないため、共晶組織におけるＳｎがＣｕ基板に絶えず拡散して、はんだ接合点領域のＳｎの相対量が減ると同時に、Ｂｉの相対量が増え、Ｂｉリッチ層が形成されることである。はんだ接合点のＢｉリッチ層は、はんだ接合点全体において最も脆弱な領域となり、はんだ接合点の信頼性に大きく影響する。
【０００４】
ＳｎＢｉ系合金はんだのはんだ付けにより形成されるはんだ接合点のＢｉリッチ層を解消又は減少させるため、従来技術の多くは、合金の微細化という方法で改善を図っている。即ち、ＳｎＢｉ合金に微量のＮｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｓｂ及び希土類元素等の金属を添加することによって、はんだにおいて、金属Ｓｎと反応して「セパレータ効果」を発揮する金属間化合物を形成し、結晶粒子を微細化して、Ｂｉリッチ層の形成速度を低減する。このようなＳｎＢｉ合金の微細化後でも、依然として結晶中に樹枝状ＳｎＢｉ共晶体が存在するため、微細化されたＳｎＢｉ合金はんだは、一部のはんだ付け性能を高めるだけで、総合的な性能を大幅に向上させることはできない。さらに、時効の進展に伴い、ＳｎＢｉ共晶組織におけるＳｎが銅基板に拡散しつづけて、ＳｎＢｉ共晶組織におけるＳｎの含有量が減少し、Ｂｉリッチ層の成長が避けられないため、はんだ接合点の信頼性の改善も制限される。現在のマイクロエレクトロニクス技術の発展には、価格が高くなく、抗酸化性が良好で、Ｂｉリッチ層が形成されない低温無鉛はんだが必須である。
【０００５】
関連名詞の解説：
１．低温はんだ付け又は低温溶接とは、はんだ付け温度２００℃以下で電子部品をはんだ付けを行うことを指す。
【０００６】
２．ＳｎＢｉ系低融点合金はんだ粉末のうち、低融点とは、合金はんだ粉末の融点が１００℃〜１８０℃の間であることを指す。
【０００７】
３．マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末の融点は、２００〜３００℃の間である。
【０００８】
４．ＳＥＭ図において、ＳＥＭの英語の正式名称は「ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ」であり、中国語の名称は「掃描電子顕微鏡」である。
【０００９】
５．本発明の出願文書において、Ｔ３〜Ｔ８の符号で粒子の直径の範囲を示す。Ｔ３の粒子の直径の範囲は２５〜４５μｍ、Ｔ４の粒子の直径の範囲は２０〜３８μｍ、Ｔ５の粒子の直径範囲は１５〜２５μｍ、Ｔ６の粒子の直径の範囲は５〜１５μｍ、Ｔ７の粒子の直径の範囲は２〜１１μｍ、Ｔ８の粒子の直径の範囲は２〜８μｍである。
【００１０】
６．本発明の出願で用いる「合金」という用語は、１種類の金属が別の１種類もしくは複数種類の金属又は非金属と混合溶融し、冷却、凝固して出来た、金属性質を備える固体生成物のことである。
【００１１】
７．溶融塩は塩類を溶融させて形成した熱伝導媒体であり、熱伝導溶融塩、熱媒体とも呼ばれる。比熱容量や熱伝導係数が大きく、低粘度で、安定性が高く、分解電圧が大きく、水蒸気圧が低く、価格が安いなどのメリットがあり、合金精錬に用いられ、液体金属の表面を覆って酸化を防止する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明が解決しようとする技術的課題は、低温はんだ付けによって形成されたはんだ接合点においてＢｉリッチ層が出現し易く、そのためはんだ接合点が信頼性に欠けるという従来技術のＳｎＢｉ系合金はんだの欠点を回避し、Ｂｉリッチ層の成長を効果的に抑制できる、低温はんだ付けに用いるマイクロ／ナノ粒子強化型複合はんだ及びその調製方法、並びにその複合はんだを調製するマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末の調製方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために本発明が採用する技術構想は、低温はんだ付けに用いるマイクロ／ナノ粒子強化型複合はんだであって、該マイクロ／ナノ粒子強化型複合はんだの成分は、質量パーセントで、５０〜８０％のＳｎＢｉ系低融点合金はんだ粉末と、１０〜４０％の、マイクロ／ナノレベル粒子のＣｕ、Ａｇ、Ｓｂのうちの１種又は２種と溶融金属Ｓｎとが分散、混合、霧化されて形成された合金粉末である、マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末と、残りの部分のフラックスと、を含む。
【００１４】
前記マイクロ／ナノ粒子強化型複合はんだの成分は、質量パーセントで、６０〜７０％のＳｎＢｉ系低融点合金はんだ粉末と、１０〜３０％のマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末と、残りの部分のフラックスとを含み、前記ＳｎＢｉ系低融点合金はんだ粉末は、ＳｎＢｉ又はＳｎＢｉＡｇ低融点合金はんだ粉末であり、前記マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末は、ＳｎＣｕ、ＳｎＡｇ、ＳｎＡｇＣｕ及びＳｎＳｂ合金はんだ粉末のうちのいずれか１種又は複数種である。
【００１５】
前記マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末は、ＳｎＣｕ、ＳｎＡｇ、ＳｎＡｇＣｕ及びＳｎＳｂ合金はんだ粉末のうちのいずれか１種又は複数種を含み、その成分は、質量パーセントで、銅Ｃｕ０〜３％、銀Ａｇ０〜４％、アンチモンＳｂ０〜１０％のうちのいずれか１種又は２種と、残りの部分の錫Ｓｎと、を含む。
【００１６】
前記マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末におけるＳｎＣｕ合金は、ＳｎＣｕ０．７、ＳｎＣｕ１及びＳｎＣｕ３合金のうちのいずれか１種であり、前記マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末におけるＳｎＡｇ合金は、ＳｎＡｇ３、ＳｎＡｇ３．５及びＳｎＡｇ４のうちのいずれか１種であり、前記マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末におけるＳｎＡｇＣｕ合金は、ＳｎＡｇ０．３Ｃｕ０．７、ＳｎＡｇ１Ｃｕ０．５及びＳｎＡｇ３Ｃｕ０．５のうちのいずれか１種であり、前記マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末におけるＳｎＳｂ合金は、ＳｎＳｂ１０、ＳｎＳｂ５のうちのいずれか１種である。
【００１７】
前記マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末の成分は、質量パーセントで、ニッケルＮｉ０．０１〜０．１％、セリウムＣｅ０．００１〜０．０５％、コバルトＣｏ０．００１〜０．１％、ナノ状グラファイト０．１〜０．９％及びカーボンナノチューブ０．０１〜０．０５％の粉末粒子のうちのいずれか１種又は複数種をさらに含む。
【００１８】
前記ＳｎＢｉ系低融点合金はんだ粉末は、ＳｎＢｉ、ＳｎＢｉＡｇ及びＳｎＢｉＳｂはんだ粉末のうちの１種又は複数種であり、前記ＳｎＢｉ系低融点合金はんだ粉末におけるＳｎＢｉ合金はんだ粉末はＳｎ４２Ｂｉ５８であり、前記ＳｎＢｉ系低融点合金はんだ粉末におけるＳｎＢｉＡｇ合金はんだ粉末は、Ｓｎ４２Ｂｉ５７Ａｇ１、Ｓｎ４２Ｂｉ５７．６Ａｇ０．４、Ｓｎ６４Ｂｉ３５Ａｇ１及びＳｎ６４．７Ｂｉ３５Ａｇ０．３のうちのいずれか１種であり、前記ＳｎＢｉ、ＳｎＢｉＡｇ及びＳｎＢｉＳｂはんだ粉末うちのいずれか１種又は複数種を混合して形成された前記ＳｎＢｉ系低融点合金はんだ粉末は、ＳｎＢｉ系低融点合金はんだ粉末における各金属の含有量比率が、質量パーセントで、銀Ａｇ０〜１％、アンチモンＳｂ０〜３％、ビスマスＢｉ３５〜５８％であり、残りの部分は錫Ｓｎである。
【００１９】
上記課題を解決するために本発明が採用する技術構想は、低温はんだ付けの複合はんだの製造に用いるマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末の調製方法をさらに含み、金属錫Ｓｎを３４５〜３５５℃に加熱し溶融させて、液体金属錫ＳｎにするステップＡ１と、ステップＡ１を実施して得た液体金属錫Ｓｎに、銅Ｃｕ、銀Ａｇ、アンチモンＳｂのうちのいずれか１種または２種を含むマイクロ／ナノレベル金属粒子を添加するステップＡ２と、ステップＡ２を実施して得た液体混合金属に酸化防止剤を添加し、且つ該液体混合金属を置いた空間内が負圧状態になるまで余分な空気を吸い出すステップＡ３と、ステップＡ３を実施して得た液体混合金属を、温度が３４５〜３５５℃の負圧密封状態で保温し、ハイパワー超音波又は機械方式で３０〜９０分間分散処理を行って、前記マイクロ／ナノレベル金属粒子を十分に分散させて、マイクロ／ナノ金属粒子が高度に分散したマイクロ／ナノ粒子強化型液体錫ベース金属にするステップＡ４と、ステップＡ４を実施し、分散処理を完了して温度が３４５〜３５５℃の範囲にある液体錫ベース金属を霧化チャンバへ搬送して、霧化、分散、成形処理を行い、該霧化チャンバの作業条件は温度が０〜５０℃の範囲に制御され、且つ霧化チャンバ内の環境は酸素含有量が４００〜２０００ｐｐｍに制御され、前記霧化チャンバが採用する霧化方式は、超音波霧化、遠心霧化又はエア霧化の方式を含み、霧化、分散、成形処理された液体錫ベース金属が急速に冷却されて微細な金属粒子、即ちマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末となるステップＡ５と、を含む。
【００２０】
前記マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末の調製方法において、ステップＡ２を実施する際に添加する前記マイクロ／ナノレベル金属粒子の直径寸法の範囲は、３０ｎｍ〜８μｍ又は１００ｎｍ〜１μｍ又は１〜５μｍであり、ステップＡ３を実施する際に、酸化防止剤を添加して液体混合金属を置いた空間が−０．１Ｍｐａになるまで余分な空気を吸い出し、且つこの負圧状態をステップＡ４の全プロセスにおいて維持する。
【００２１】
前記マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末の調製方法において、ステップＡ２を実施する際に添加するマイクロ／ナノレベル金属粒子は、銅Ｃｕ、銀Ａｇ、アンチモンＳｂのうちのいずれか１種又は２種であり、その成分は、質量パーセントで、銅Ｃｕ０〜３％、銀Ａｇ０〜４％、アンチモンＳｂ０〜１０％であり、これらを混合して液体のマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース金属を形成し、溶融している該錫ベース金属は、液体のＳｎＣｕ、ＳｎＳｂ、ＳｎＡｇ及びＳｎＡｇＣｕ合金を含む。
【００２２】
前記マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末の調製方法において、ステップＡ２を実施する際に添加するマイクロ／ナノレベル粒子は、質量パーセントで、ニッケルＮｉ０．０１〜０．１％、セリウムＣｅ０．００１〜０．０５％、コバルトＣｏ０．００１〜０．１％、ナノ状グラファイト０．１〜０．９％及びカーボンナノチューブ０．０１〜０．０５％の粒子のうちのいずれか１種又は複数種をさらに含む。
【００２３】
前記マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末の調製方法において、ステップＡ３を実施する際に添加する酸化防止剤は、松脂又はＬｉＣｌ−ＫＣｌ溶融塩を含み、ステップＡ４を実施する際にハイパワー超音波で前記マイクロ／ナノ粒子 を分散させ、パワー超音波による分散で錫ベース合金はんだ粉末を強化する条件は、超音波周波数が１０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚ、パワーが１ｋＷ〜１０ｋＷであり、ステップＡ４を実施する際に機械で前記マイクロ／ナノ粒子 を分散させ、機械による分散で錫ベース合金はんだ粉末を強化する条件は、高速回転分散パドルの線速度が１０ｍ／ｓ〜１００ｍ／ｓであり、ステップＡ５を実施して得たマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末を、機械又は気流で篩い分け、粒径規格の異なる粒子粉末を得て、規格寸法がＴ３〜Ｔ８型のマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末を製造して使用に備えるステップＡ６をさらに含む。
【００２４】
上記課題を解決するために本発明が採用する技術構想は、低温はんだ付けに用いるマイクロ／ナノ粒子強化型複合はんだの調製方法をさらに含み、上記のマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末の調製方法により得たマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末を、質量パーセントで１０〜４０％計量し、さらに、質量パーセントで、５０〜８０％のＳｎＢｉ系低融点合金はんだ粉末と、８〜１５％のフラックスをそれぞれ計量するステップＢと、室温条件で、ステップＢを実施して計量した各成分を機械で均一に攪拌して、低温はんだ付けに用いるマイクロ／ナノ粒子強化型複合はんだを得るステップＣと、を含む。
【００２５】
上記課題を解決するために本発明が採用する技術構想は、上記のマイクロ／ナノ粒子強化型複合はんだを用いてはんだ付けを行い成形された、はんだ接合点又ははんだ継目をさらに含み、前記はんだ接合点又ははんだ継目は、電子部品とそれが取り付けられる基板との間で、導電性、熱伝導性及び機械的強度を兼ね備える接続物質であり、前記はんだ接合点又ははんだ継目は、リフロー又は熱溶融によるはんだ付けで形成されたものであり、前記リフロー又は熱溶融によるはんだ付けが採用するはんだの形式は、マイクロ／ナノ粒子強化型複合はんだのペースト、あらかじめ成形されたはんだ片、はんだテープ及びはんだワイヤーを含み、前記リフロー又は熱溶融の加熱温度は、はんだ付けのピーク温度を２００℃以下、１４０℃以上の時間を４分以上、１８０℃以上の時間を２分以上とし、はんだ付けにより形成されるはんだ接合点又ははんだ継目の金属結晶は、等方性構造であり、且つ網状又はデンプル状を呈し、樹枝状ＳｎＢｉ共晶体は存在せず、前記はんだ接合点又ははんだ継目の合金は、質量パーセントで、ビスマスＢｉ１９．４〜５１．２％、銅Ｃｕ０．０１〜１．３％、銀Ａｇ０．０１〜１．８％、アンチモンＳｂ０．０１〜０．６％、ニッケルＮｉ０〜０．０５％、セリウムＣｅ０〜０．０２％、コバルトＣｏ０〜０．０４％、ナノ状グラファイト０〜０．３６％及びカーボンナノチューブ０〜０．０２％であり、残りの部分は錫Ｓｎ及びやむを得ず含まれる少量の基板合金元素である。
【発明の効果】
【００２６】
従来技術と比べて、本発明の有益な効果は以下のとおりである。
【００２７】
１．本発明の調製方法と成分を採用して得られるマイクロ／ナノ粒子強化型複合はんだは、溶融とはんだ付けの過程で低融点の合金が先に溶融し、さらに熱伝達によってマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金粉末の溶解とぬれを実現させ、マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金からβ−Ｓｎ相を析出させる。錫ベース合金のＳｎ含有量が８５％以上であり、低融点合金のＳｎ含有量が７０％以下であるため、錫ベース高融点合金におけるβ−Ｓｎ相は比較的十分となり、低温はんだ付けの途中で銅Ｃｕパッドと非常に結合しやすくなり、このマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末を低温はんだ付け用複合はんだの製造に用いることができるようになる。
【００２８】
２．本発明の調製方法と配合を採用して得られる低温はんだ付け用複合はんだは、その中に含まれるマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末により、はんだ付けする際に、低温はんだ付け用複合はんだのマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金から析出するβ−Ｓｎ相が銅Ｃｕパッドと非常に容易に結合して、複合はんだのＳｎＢｉ共晶組織のＳｎが銅Ｃｕ基板に拡散する確率を大きく低減させ、ＳｎＢｉ共晶組織のＳｎとＢｉ原子が良好な結合を維持できるようにし、Ｂｉ元素が析出してＢｉリッチ層が凝集する確率を低減させることができる。さらに、マイクロ／ナノ粒子が複合はんだ内で分散し、結晶粒子を微細化する核生成質点となって、一定の時効期間内に「セパレータ効果」を発揮し、複合はんだにおける低融点ＳｎＢｉ共晶合金のＢｉ元素の凝集と成長を抑制し、金属間化合物の成長を遅らせ、はんだ接合点の信頼性を高める。
【００２９】
３．本発明の調製方法と成分を採用して得られる低温はんだ付け用複合はんだは、低温はんだ付けによって形成されたはんだ接合点又ははんだ継目において、複合はんだに存在するβ〜Ｓｎ相が銅Ｃｕパッドと良好に結合し、且つマイクロ／ナノ粒子が複合はんだ内で分散し、結晶粒子を微細化する核生成質点となって、一定の時効期内に「セパレータ効果」を発揮し、複合はんだの低融点ＳｎＢｉ共晶組織から析出したＢｉ元素が凝集してＢｉリッチ層となる確率をさらに低減させる。はんだ接合点又ははんだ継目の金属結晶は等方性構造であり、且つ網状又はデンプル状を呈し、樹枝状ＳｎＢｉ共晶組織は存在しない。そのため、はんだ付けにより形成されたはんだ接合点とはんだ継目の信頼性が大幅に向上し、狭ピッチや、微小なはんだ接合点に非常に適しており、電子パッケージ部品の微小化や、軽量化・薄型化・ソフト化、多機能で高度な集積といった発展の方向に沿うものであり、応用価値が高く、成長が見込まれる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は、本発明のマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末の調製方法の好ましい実施例の一つを示すフロー概要図である。
【図２】図２は、実施例１のマイクロ／ナノ粒子強化型複合はんだを採用したはんだ付けにより形成されたはんだ接合点の薄片ＳＥＭ図（５５００倍拡大）である。
【図３】図３は、比較例２のＳｎＢｉＡｇはんだを採用したはんだ付けにより形成されたはんだ接合点の薄片ＳＥＭ図（５５００倍拡大）である。
【図４】図４は、実施例９の複合はんだを採用したはんだ付けにより形成されたはんだ接合点の破断面ＳＥＭ図（１００００倍拡大）である。
【図５】図５は、比較例１のＳｎＢｉ５８共晶はんだを採用したはんだ付けにより形成されたはんだ接合点の破断面ＳＥＭ図（１００００倍拡大）である。
【図６】図６は、比較例３のＳｎＢｉＳｂはんだを採用したはんだ付けにより形成されたはんだ接合点の破断面ＳＥＭ図（１００００倍拡大）である。
【図７】図７は、実施例９で調製されたはんだを採用したはんだ付けにより形成されたはんだ接合点の薄片ＳＥＭ図（５０００倍拡大）である。
【図８】図８は、比較例１のＳｎＢｉ５８共晶はんだを採用したはんだ付けにより形成されたはんだ接合点の薄片ＳＥＭ図（５０００倍拡大）である。
【図９】図９は、実施例３の複合はんだを採用してはんだ付けを行った後、はんだ接合点を１２５℃で４００ｈエイジングさせた後の薄片ＳＥＭ図（１０００倍拡大）である。
【図１０】図１０は、比較例１のＳｎＢｉ５８共晶はんだを採用してはんだ付けを行った後、はんだ接合点を１２５℃で４００ｈエイジングさせた後の薄片のＳＥＭ図（１０００倍拡大）である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下実施例と合わせて本発明についてさらに説明する。これらの実施例は本発明の好ましい実施形態の一部であるが、本発明の特許請求の範囲はこれら実施例によって限定されるものではない。
【００３２】
低温はんだ付けに用いるマイクロ／ナノ粒子強化型複合はんだの一部の実施例は、その成分として、質量パーセントで、５０〜８０％のＳｎＢｉ系低融点合金はんだ粉末（ここでの低融点合金はんだ粉末の低融点とは、融点温度が１００〜１８０℃であることを指す）と、１０〜４０％のマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末（ここでの錫ベース合金はんだ粉末の融点温度は２００〜３００℃の範囲である）と、残りの部分のフラックス（フラックスの比率は８〜１５％）と、を含む。また、低温はんだ付けに用いるマイクロ／ナノ粒子強化型複合はんだは、その成分として、質量パーセントで、６０〜７０％のＳｎＢｉ系低融点合金はんだ粉末（該ＳｎＢｉ系低融点合金はんだ粉末は、ＳｎＢｉ又はＳｎＢｉＡｇ低融点合金はんだ粉末）と、１０〜３０％のマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末（該マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末は、ＳｎＣｕ、ＳｎＡｇ、ＳｎＳｂ又はＳｎＡｇＣｕ合金粉末を含む）と、残りの部分のフラックスと、を含んでいてもよい。
【００３３】
前記低温はんだのマイクロ／ナノ粒子強化型複合はんだの実施例において、ＳｎＢｉ系低融点合金はんだ粉末の比率がいずれも５０％を超えている。ＳｎＢｉ系低融点合金はんだ粉末の質量パーセントが５０％未満である場合、マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末の溶融とぬれが実現できず、ボイドやコールドジョイントのリスクが増大する、又はマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末の溶融速度が遅過ぎ、マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金のβ−Ｓｎ相と銅Ｃｕ基板との反応に影響する。ＳｎＢｉ系低融点合金はんだ粉末の質量パーセントが８０％を超える場合、添加するマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末の量が少なくなり過ぎ、その結果、はんだ接合点の強度に顕著な改善が見られない。本発明の配合は、複数回の実験と分析、及び階段的な研究開発を経て、最適な実施範囲を見いだしたものである。特に、６０〜７０％のＳｎＢｉ系低融点合金はんだ粉末（該ＳｎＢｉ系低融点合金はんだ粉末はＳｎＢｉ又はＳｎＢｉＡｇ低融点合金はんだ粉末）と、１０〜３０％のマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末と、残りの部分のフラックスとを含む配合は、低温はんだ付けに特に適し、はんだ付け後のはんだ接合点とはんだ継目の信頼性が高い。
【００３４】
前記複合はんだを採用したはんだ付けによって形成されたはんだ接合点又ははんだ継目は、電子部品と基板との間で、導電性、熱伝導性及び機械的強度を兼ね備える接続物質である。前記はんだ接合点又ははんだ継目は、リフローや熱溶融によるはんだ付けで形成される。前記リフロー又は熱溶融によるはんだ付けが採用するはんだの形式は、マイクロ／ナノ粒子強化型複合はんだのペースト、あらかじめ成形されたはんだ片、はんだテープ及びはんだワイヤーを含む。前記リフロー又は熱溶融の加熱温度は、はんだ付けのピーク温度を２００℃以下１４０℃以上の時間を４分以上、１８０℃以上の時間を２分以上としている。はんだ付けにより形成されるはんだ接合点又ははんだ継目の金属結晶は等方性構造であり、且つ網状又はデンプル状を呈し、樹枝状ＳｎＢｉ共晶組織構造は存在しない。また、前記はんだ接合点又ははんだ継目の合金は、質量パーセントで、ビスマスＢｉ１９．４〜５１．２％、銅Ｃｕ０．０１〜１．３％、銀Ａｇ０．０１〜１．８％、アンチモンＳｂ０．０１〜０．６％、ニッケルＮｉ０〜０．０５％、セリウムＣｅ０〜０．０２％、コバルトＣｏ０〜０．０４％、ナノ状グラファイト０〜０．３６％及びカーボンナノチューブ０〜０．０２％であり、残りの部分は錫Ｓｎ及びやむを得ず含まれる少量の基板合金元素である。前記はんだ接合点又ははんだ継目は、低温はんだ付け後の信頼性が良好であり、はんだ接合点の脆化現象が大幅に減少し、信頼性が高い。
【００３５】
上記複合はんだの実施例において、前記ＳｎＢｉ系低融点合金はんだ粉末は、ＳｎＢｉ、ＳｎＢｉＡｇ及びＳｎＢｉＳｂはんだ粉末のうちの１種又は複数種であり、前記ＳｎＢｉ系低融点合金はんだ粉末におけるＳｎＢｉ合金はんだ粉末はＳｎ４２Ｂｉ５８を含み、前記ＳｎＢｉ系低融点合金はんだ粉末におけるＳｎＢｉＡｇ合金はんだ粉末は、Ｓｎ４２Ｂｉ５７Ａｇ１、Ｓｎ４２Ｂｉ５７．６Ａｇ０．４、Ｓｎ６４Ｂｉ３５Ａｇ１及びＳｎ６４．７Ｂｉ３５Ａｇ０．３のうちのいずれか１種を含み、前記ＳｎＢｉ、ＳｎＢｉＡｇ及びＳｎＢｉＳｂはんだ粉末のうちの１種又は複数種を混合して形成された前記ＳｎＢｉ系低融点合金はんだ粉末は、ＳｎＢｉ系低融点合金はんだ粉末における各金属の含有量比率が、質量パーセントで、銀Ａｇ０〜１％、アンチモンＳｂ０〜３％、ビスマスＢｉ３５〜５８％であり、残りの部分は錫Ｓｎである。
【００３６】
前記マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末は、ＳｎＣｕ、ＳｎＡｇ、ＳｎＳｂ及びＳｎＡｇＣｕはんだ粉末を含み、その成分は、質量パーセントで、銅Ｃｕ０〜３％、銀Ａｇ０〜４％、アンチモンＳｂ０〜１０％を含み、残りの部分は錫Ｓｎである。
【００３７】
前記マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末におけるＳｎＣｕ合金は、ＳｎＣｕ０．７、ＳｎＣｕ１及びＳｎＣｕ３合金のうちのいずれか１種を含み、前記マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末におけるＳｎＡｇ合金は、ＳｎＡｇ３、ＳｎＡｇ３．５及びＳｎＡｇ４のうちのいずれか１種を含み、前記マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末におけるＳｎＡｇＣｕ合金は、ＳｎＡｇ０．３Ｃｕ０．７、ＳｎＡｇ１Ｃｕ０．５及びＳｎＡｇ３Ｃｕ０．５のうちのいずれか１種を含み、前記マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末におけるＳｎＳｂ合金は、ＳｎＳｂ１０、ＳｎＳｂ５のうちのいずれか１種を含む。
【００３８】
前記マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベースはんだ粉末において、その成分は、質量パーセントで、ニッケルＮｉ０．０１〜０．１％、セリウムＣｅ０．００１〜０．０５％、コバルトＣｏ０．００１〜０．１％、ナノ状グラファイト０．１〜０．９％及びカーボンナノチューブ０．０１〜０．０５％の粉末粒子のうちのいずれか１種又は複数種をさらに含む。部分的な酸化の条件が制御されていれば、成分に亜鉛Ｚｎ０．００１〜２．５％を追加してもよい。
【００３９】
低温はんだ付けの複合はんだの製造に用いるマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末の調製方法であって、金属錫Ｓｎを３４５〜３５５℃に加熱し溶融させて、液体金属錫ＳｎにするステップＡ１と、ステップＡ１を実施して得た液体金属錫Ｓｎに、銅Ｃｕ、銀Ａｇ、アンチモンＳｂのうちのいずれか１種または２種を含むマイクロ／ナノレベル金属粒子を添加するステップＡ２と、ステップＡ２を実施して得た液体混合金属に酸化防止剤を添加し、且つ該液体混合金属を置いた空間内が負圧状態になるまで余分な空気を吸い出すステップＡ３と、ステップＡ３を実施して得た液体混合金属を、温度が３４５〜３５５℃の負圧密封状態で保温し、ハイパワー超音波又は機械方式で３０〜９０分間分散処理を行って、前記マイクロ／ナノレベル金属粒子を十分に分散させて、マイクロ／ナノ金属粒子が高度に分散したマイクロ／ナノ粒子強化型液体錫ベース金属にするステップＡ４と、ステップＡ４を実施し、分散処理を完了して温度が３４５〜３５５℃の範囲にある液体錫ベース金属を霧化チャンバへ搬送して、霧化、分散、成形処理を行い、該霧化チャンバの作業条件は温度が０〜５０℃の範囲に制御され、且つ霧化チャンバ内の環境は酸素含有量が４００〜２０００ｐｐｍに制御され、前記霧化チャンバが採用する霧化方式は、超音波霧化、遠心霧化又はエア霧化の方式を含み、霧化、分散、成形処理された液体錫ベース金属が急速に冷却されて微細な金属粒子、即ちマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末となるステップＡ５と、を含む。
【００４０】
ステップＡ２を実施する際に添加する前記マイクロ／ナノレベル金属粒子の直径寸法の範囲は、３０ｎｍ〜８μｍ又は１００ｎｍ〜１μｍ又は１〜５μｍであり、ステップＡ３を実施する際に、酸化防止剤を添加して液体混合金属を置いた空間が−０．１Ｍｐａになるまで余分な空気を吸い出し、且つこの負圧状態をステップＡ４の全プロセスにおいて維持する。
【００４１】
ステップＡ２を実施する際に添加するマイクロ／ナノレベル金属粒子は、銅Ｃｕ、銀Ａｇ、アンチモンＳｂのうちのいずれか１種又は２種であり、その成分は、質量パーセントで、銅Ｃｕ０〜３％、銀Ａｇ０〜４％、アンチモンＳｂ０〜１０％であり、これらを混合して液体のマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース金属を形成し、溶融している該錫ベース金属は、液体のＳｎＣｕ、ＳｎＳｂ、ＳｎＡｇ及びＳｎＡｇＣｕ合金を含む。
【００４２】
ステップＡ２を実施する際に添加するマイクロ／ナノレベル粒子は、質量パーセントで、ニッケルＮｉ０．０１〜０．１％、セリウムＣｅ０．００１〜０．０５％、コバルトＣｏ０．００１〜０．１％、ナノ状グラファイト０．１〜０．９％及びカーボンナノチューブ０．０１〜０．０５％の粒子のうちのいずれか１種又は複数種をさらに含む。
【００４３】
ステップＡ３を実施する際に添加する酸化防止剤は、松脂又はＬｉＣｌ−ＫＣｌ溶融塩を含み、ステップＡ４を実施する際にハイパワー超音波で前記マイクロ／ナノ粒子 を分散させ、パワー超音波による分散で錫ベース合金はんだ粉末を強化する条件は、超音波周波数が１０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚ、パワーが１ｋＷ〜１０ｋＷであり、ステップＡ４を実施する際に機械で前記マイクロ／ナノ粒子 を分散させ、機械による分散で錫ベース合金はんだ粉末を強化する条件は、高速回転分散パドルの線速度が１０ｍ／ｓ〜１００ｍ／ｓであり、前記強化型錫ベース合金はんだ粉末 の調製方法は、ステップＡ５を実施して得たマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末を、機械又は気流で篩い分け、粒径規格の異なる粒子粉末を得て、規格寸法がＴ３〜Ｔ８型のマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末を製造して使用に備えるステップＡ６をさらに含む。
【００４４】
低温はんだ付けに用いるマイクロ／ナノ粒子強化型複合はんだの調製方法であって、上記のマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末の調製方法により得たマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末を、質量パーセントで１０〜４０％計量し、さらに、質量パーセントで、５０〜８０％のＳｎＢｉ系低融点合金はんだ粉末と、８〜１５％のフラックスをそれぞれ計量するステップＢと、室温条件で、ステップＢを実施して計量した各成分を機械で均一に攪拌して、低温はんだ付けに用いるマイクロ／ナノ粒子強化型複合はんだを得るステップＣと、を含む。
【００４５】
ステップＢの前に、ステップＡ、即ち前記マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末の調製方法を採用してマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末を得る、マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末の調製ステップが含まれてもよい。
【００４６】
本発明は、低温はんだ付けに用いるマイクロ／ナノ粒子強化型複合はんだ及びその調製方法に関するものである。このマイクロ／ナノ粒子強化型複合はんだは、低融点（融点が１００〜１８０℃）ＳｎＢｉ系合金はんだ粉末と、マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末が、通常のフラックスと調合されたものである。そのうち、錫ベース合金はんだ粉末は、マイクロ／ナノ粒子と溶融錫Ｓｎ金属が高度に分散、分布して混合、霧化されたものである。はんだ付けの過程で、マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末におけるＳｎが、ＳｎＢｉ共晶組織のＳｎより先に銅基板中のＣｕと結合して、ＳｎＢｉ低融点合金はんだ粉末におけるＳｎＢｉ共晶組織のＳｎの分散を抑制すると同時に、マイクロ／ナノ強化型金属粒子がＳｎＢｉ共晶組織のＢｉ原子の逸脱と偏析結晶の成長を阻害して、はんだ接合点の組織構造を微細化することによって、はんだ接合点の性能を高め、信頼性を顕著に改善する。
【００４７】
表１に示すように、実施例１〜１５まで、１５種類の異なる配合を挙げる。
【００４８】
複合はんだの実施例１の調製方法は以下のとおりである。先ず、マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末を調製した。質量パーセントで、９７部の錫Ｓｎを計量して錫溶解炉に入れ、３５０℃に加熱し、錫Ｓｎが十分に溶解したら絶えず攪拌して、酸化防止剤を入れ、３部のマイクロ／ナノレベルの銅粉を入れ、高速機械分散機を使用して５０ｍ／ｓのパドル線速度で３０ｍｉｎ、真空で攪拌し分散させた。そして、金属液体を周波数４８ＫＨｚで超音波霧化し、機械で篩い分け、粒径がＴ３〜Ｔ８型の各種マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末を得て、包装し使用に備えた。そして、複合はんだを以下のように調製した。前記ステップで得たＴ４型のマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末１０部、Ｔ３型のＳｎＢｉ５８低融点合金はんだ粉末８０部、通常の松脂入りフラックス１０部をそれぞれ計量して錫ペーストジャーに入れ、２００ｒ／ｍｉｎの攪拌速度で１５ｍｉｎ攪拌して取り出し、室温まで冷却して、マイクロ／ナノ粒子強化型の無鉛複合はんだを製造した。
【００４９】
複合はんだの実施例２〜５の調製過程は実施例１と同じであるが、はんだを調合する際の比率が異なる。低融点合金はんだ粉末、即ちＳｎＢｉ５８の粉末／マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末の配合比は、順に、７０／２０、６５／２５、６０／３０、５０／４０であり、残りの部分は松脂入りフラックスである。そのうち、実施例２〜５のＳｎＢｉ５８粉末の粒径と実施例１の粒径とは同じである。実施例２〜５の攪拌調製プロセスは、実施例１のプロセスと同じである。
【００５０】
複合はんだの実施例６と実施例１との違いは、使用したマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金粉末のＳｎ／Ａｇ／Ｃｕの比率が９９／０．３／０．７である点と、使用したマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金粉末の粒径が異なり、すべてＴ６粉末に変更された点である。実施例６のＳｎＢｉ５８粉末の質量パーセントは６６％、錫ベース合金はんだ粉末の質量パーセントは２０％、フラックスの質量パーセントは１４％である。複合はんだの調製プロセスは実施例１と同じである。
【００５１】
複合はんだの実施例７〜１０のマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末の調製方法と実施例１との違いは、使用したマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金粉末のＳｎ／Ａｇの比率が９６．５／３．５である点である。複合はんだの調製において、実施例７〜１０で使用したマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末と低融点合金はんだ粉末の粒径はＴ４である。実施例７〜１０におけるＳｎＡｇ３．５のマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末の質量パーセントは、それぞれ１５％、２５％、３０％、３５％である。実施例７〜１０において使用した低融点合金はんだ粉末にはいずれもＳｎＢｉ３５Ａｇ０．３が含まれ、その質量パーセントはそれぞれ７５％、５５％、３０％、１５％である。そのうち、実施例８〜１０で使用した低融点合金はんだ粉末にはＳｎＢｉ５８がさらに含まれ、その質量パーセントはそれぞれ１０％、２０％、３０％である。そのうち、実施例１０で使用した低融点合金はんだ粉末には、ＳｎＢｉ５７Ｓｂ１がさらに含まれ、その質量パーセントは１０％である。実施例７〜１０において、通常の松脂入りフラックスの質量パーセントはいずれも１０％であり、複合はんだの調製プロセスは実施例１と同じである。
【００５２】
複合はんだの実施例１１の調製方法は以下のとおりである。先ず、マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末を調製した。質量パーセントで、９０部の錫Ｓｎを計量して錫溶解炉に入れ、３５０℃に加熱し、錫Ｓｎが十分に溶解したら絶えず後攪拌して、酸化防止剤を入れ、１０部のマイクロ／ナノレベルのアンチモン粉を入れ、パワー超音波分散機を使用して超音波周波数２０ＫＨｚ、パワー１ＫＷの速度で超音波分散を１ｈ行った。そして、金属液体を遠心霧化して粉末にし、機械で篩い分け、粒径がＴ３〜Ｔ８型の各種マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末を得て、包装し使用に備えた。そして、複合はんだを以下のように調製した。２０％の粒径Ｔ３のマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末ＳｎＳｂ１０と、７０％の粒径Ｔ４の低融点合金はんだ粉末ＳｎＢｉ３５Ａｇ０．３と、１０％の松脂なしフラックスをそれぞれ計量して錫ペーストジャーに入れ、１００ｒ／ｍｉｎの攪拌速度で３０ｍｉｎ攪拌して取り出し、室温まで冷却して使用に備えた。
【００５３】
複合はんだの実施例１１〜１５の具体的なプロセスは実施例１０と同じであるが、以下の点が異なる。すなわち、マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末を調合する際に、成分を、ＳｎＣｕ０．５Ｎｉ０．０５、ＳｎＡｇ１Ｎｉ０．０５Ｃｅ０．００６Ｃｏ０．０１、ＳｎＣｕ０．７−ナノ状グラファイト０．３、ＳｎＡｇ１Ｃｕ０．５−カーボンナノチューブ０．０２としたこと、成形後はいずれもＴ３型マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末としたこと、実施例１１〜１２の複合はんだの調製で使用した配合では、いずれも、７０％の粒径Ｔ４のＳｎＢｉ３５Ａｇ０．３と、１０％の松脂なしフラックスを用いたこと、実施例１１〜１２の複合はんだの調製で使用した配合では、２０％の粒径Ｔ３のＳｎＣｕ０．５Ｎｉ０．０５と、２０％の粒径Ｔ３のＳｎＡｇ１Ｎｉ０．０５Ｃｅ０．００６Ｃｏ０．０１を用いて、マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末としたこと、実施例１４〜１５の複合はんだの調製で使用した配合では、いずれも、７０％の粒径Ｔ４のＳｎＢｉ５７Ｓｂ１と、１０％の松脂なしフラックスを使用したこと、実施例１４〜１５の複合はんだの調製で使用した配合では、それぞれ、２０％の粒径Ｔ３のＳｎＣｕ０．７−ナノ状グラファイト０．３と、２０％の粒径Ｔ３のＳｎＡｇ１Ｃｕ０．５−カーボンナノチューブ０．０２を用いて、マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末としたことである。
【００５４】
複合はんだの比較例１の調製方法は以下のとおりである。ＳｎＢｉ系低融点合金はんだ粉末とフラックスをそのまま用いて調合した。質量パーセントで、９０部のＴ３型ＳｎＢｉ５８の合金はんだ粉末と、１０部の通常の松脂入りフラックスを、錫ペースト攪拌機を使って、２００ｒ／ｍｉｎの速度で１５ｍｉｎ攪拌して取り出し、室温まで冷却して使用に備えた。
【００５５】
複合はんだの比較例２の調製方法は以下のとおりである。ＳｎＢｉＡｇ系低融点合金はんだ粉末とフラックスをそのまま用いて調合した。質量パーセントで、９０部のＴ３型ＳｎＢｉ３５Ａｇ０．３の合金はんだ粉末と、１０部の通常の松脂入りフラックスを、錫ペースト攪拌機を使って、２００ｒ／ｍｉｎの速度で１５ｍｉｎ攪拌して取り出し、室温まで冷却して使用に備えた。
【００５６】
複合はんだの比較例３の調製方法は以下のとおりである。微細化された合金のＳｎＢｉＳｂ系低融点合金はんだ粉末とフラックスをそのまま用いて調合した。質量パーセントで、９０部のＴ３型ＳｎＢｉ５７Ｓｂ１の合金はんだ粉末と、１０部通常の松脂入りフラックスを、錫ペースト攪拌機を使って、２００ｒ／ｍｉｎの速度で１５ｍｉｎ攪拌して取り出し、室温まで冷却して使用に備えた。
【００５７】
複合はんだの比較例４の調製方法は以下のとおりである。ＳｎＢｉ系低融点合金はんだ粉末、分散処理をしていない強化相粒子及びフラックスを調合した。質量パーセントで、８５部のＴ４型ＳｎＢｉ５８合金はんだ粉末と、５部の１〜５μｍのＣｕ粉末と、通常の松脂入りフラックスを、錫ペースト攪拌機を使って、２００ｒ／ｍｉｎの速度で１５ｍｉｎ攪拌して取り出し、室温まで冷却して使用に備えた。
【００５８】
複合はんだの比較例５の調製方法は以下のとおりである。ＳｎＢｉ系低融点合金はんだ粉末、強化相粗大粒子及びフラックスとを調合した。質量パーセントで、６４部のＴ４型ＳｎＢｉ５７Ｓｂ１と、２５部のＴ３型Ｓｎ１０Ｃｕ９０錫ベース合金はんだ粉末と、１１部の通常の松脂入りフラックスを、錫ペーストジャー内で、１００ｒ／ｍｉｎの速度で３０ｍｉｎ攪拌して取り出し、室温まで冷却して使用に備えた。
【００５９】
複合はんだの比較例６の調製方法は以下の通りである。質量パーセントで、９０部のＴ３型ＳｎＡｇＣｕ３０５の合金はんだ粉末と、１０部の通常の松脂入りフラックスを、錫ペースト攪拌機を使って、２００ｒ／ｍｉｎの速度で１５ｍｉｎ攪拌して取り出し、室温まで冷却して使用に備えた。
【００６０】
複合はんだの比較例７の調製方法は以下のとおりである。ＳｎＢｉ系低融点合金はんだ粉末と、マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末と、フラックスとを調合した。質量パーセントで、４５部のＴ４型ＳｎＢｉ３５Ａｇ０．３と、４４部のＴ３型マイクロ／ナノ粒子強化型Ｓｎ９５Ｃｕ３錫ベース合金はんだ粉末と、１１部の通常の松脂入りフラックスを、錫ペーストジャー内で、２００ｒ／ｍｉｎの速度で１５ｍｉｎ攪拌して取り出し、室温まで冷却して使用に備えた。
【００６１】
上記の実施例と比較例を採用して調製したはんだを、ＬＥＤソフトストリップのパッドに塗り、ランプビーズを貼り付けた。ＬＥＤ部品の寸法は３．５＊２．７＊１．２ｍｍ、パッドの寸法は０．５＊２＊１ｍｍである。そして、リフロー炉に入れ、リフロー温度に従って部品のリフローはんだ付けを行い、さらにはんだ付け後のライトビーズのせん断力についてスラスト試験を行った。各実施例と比較例の配合パラメーターと試験性能の結果及び評価は表１に示すとおりである。表１の比較例と実施例の各項の性能を比較すると、本発明の実施例１〜１５を採用した場合、１６０〜１８５℃のリフロー温度ではんだ付けを実現でき、はんだ付けのせん断強度は７５Ｎ以上に達し、いずれも比較的低いリフロー温度でありながら、使用性能は全て強度要求を満たしていることがわかる（このＬＥＤストリップに要求されるせん断強度は≧６０Ｎ）。
【００６２】
しかし、比較例１、２、３のように、通常の低融点錫粉末を採用した場合、好ましいリフロー温度（１６０〜１８０℃）である一方、はんだ付けのせん断強度は本発明の複合はんだのほぼ半分であり、要求を満たすことができない。比較例４のように強化相純銅Ｃｕ粒子をそのまま採用した場合、又は比較例５のように銅Ｃｕの含有量が高いＳｎＣｕ９０合金をそのまま採用した場合は、加熱時に溶解するＣｕが極めて少ないため、はんだ付けのせん断強度が極めて低くなり、どちらも要求を満たすことができない。比較例６のように通常のＳｎＡｇＣｕ３０５はんだを採用した場合、高いせん断強度を有するが、はんだ付けリフロー温度が２４０℃に達する必要があり、部品及び基板の耐熱性にとってリスクとなる。比較例７は、本発明のマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末を採用しているが、マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末の複合比率が高めであるため、最終的な複合はんだは低温での溶解とぬれが実現できず、良好なはんだ付けを形成できない。
【００６３】
実施例について、はんだ付けの温度が低い一方で、はんだ付け後に高強度を有する理由を分析する。先ず、低融点ＳｎＢｉはんだを採用した比較例１のＳＥＭ図を観察する。図５と図８からわかるように、はんだが典型的な樹枝状ＳｎＢｉ共晶組織構造を呈し、その破断方式は脆性劈開破壊であり、はんだ接合点Ｃｕの界面に脆性のＢｉリッチゾーンが現われ、はんだ接合点の組織構造は粗大で、図の白い領域のように、異方性構造組織である。同様に、比較例１と３の微細化合金の低融点合金はんだ粉末を観察する。図３と図６は、同じように組織構造が粗大で、樹枝状ＳｎＢｉ共晶組織構造という特徴を持っており、これははんだ付けせん断強度が低下する直接の原因となる。図５及び図６のような樹枝状ＳｎＢｉ構造により、はんだ接合点又ははんだ継目の、ある方向の強度が非常に脆くなり、地質断裂の構造と同じく接続の信頼性に対する潜在的なリスクとなる。
【００６４】
実施例９の複合はんだのはんだ接合点の薄片ＳＥＭについては、図４と図７を観察すると、はんだ破断面が網状又はテンプル状を呈し、樹枝状ＳｎＢｉ共晶組織構造がなく、はんだ接合点においてにマイクロ／ナノレベルのＡｇ３Ｓｎ粒子が分散し、且つβ−Ｓｎ相が多いことがわかる。これは、Ａｇ粒子強化型粉末の製造においてパワー超音波や機械による分散を採用したことが効果的であったことを示しており、はんだ接合点でのＢｉリッチゾーンの出現を抑制するのに有益である。図からはさらに、はんだ接合点全体の構造組織が微細化され、異方性構造であり、Ｂｉリッチゾーンが存在しないことがわかる。これも、はんだ接合点の引っ張り及びせん断強度が高い理由を本質的に反映しており、マイクロ／ナノ強化粒子を添加することによる効果を証明し、さらに本発明の合理性を示している。先ず、ＳｎＢｉ系低融点合金はんだ粉末と、マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末を，両者がぞれぞれ利点を発揮できるようにバランスさせて適切に配合することで、複合はんだのはんだ付け温度を低温はんだ付けに適合させるのみならず、十分なマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末が十分なβ−Ｓｎ相を生み出せるようにして、Ｂｉリッチゾーンが大面積で出現することを避けることができる。次に、マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末の調製方法は、マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末を最も好ましい形態と方法で複合はんだと混合させることによって、マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末の成分が十分且つ均一に分散され、複合はんだがはんだ付けされた後のはんだ接合点強度を向上させる。
【００６５】
さらに、はんだがはんだ付けされた後の構造組織の時効安定性について比較する。時効条件は、１２５℃で４００時間のエイジングである。図９は、実施例３の複合はんをはんだ付けしてエイジングさせた後のＳＥＭ図であり、図１０は、比較例１の時効後のＳＥＭ図である。図９と図１０を比較すると、比較例１のはんだの金属間化合物（ＩＭＣ：Ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃ  ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ）は時効を経て１０．５ｕｍの厚みまで成長しているが、複合はんだの金属間化合物（ＩＭＣ）の厚みは、時効を経た最大厚みが５．７ｕｍｍであり、前者の６０％にとどかない。また、図８と図９を比較すると、低温ＳｎＢｉはんだのＩＭＣとはんだとの間には、すでにＢｉリッチ層が出現している。白い組織はＢｉリッチゾーンであり、Ｂｉと少量のＳｎで組成されたＢｉ系固溶体である。黒い組織はＳｎリッチゾーンであり、Ｓｎと少量のＢｉで組成されたＳｎ系固溶体である。本発明の複合はんだのはんだ接合点の組織構造は微細化されており、ＩＭＣとはんだとの間にＢｉリッチ層の出現がない。その理由は、マイクロ／ナノ強化型金属粒子がはんだ接合点において分散し、改めて結晶粒子の核生成質点となって、結晶粒子を微細化し、時効期間内に「セパレータ効果」を発揮し、長時間にわたる加熱条件下でのＳｎＢｉ共晶組織のＢｉの逸脱や編析、凝集、成長を抑制して、金属間化合物の成長を遅らせているからであり、部品の接続における複合はんだのはんだ接合点の安定性を保証するものである。
【００６６】
本発明の添付図の各結晶相の図において、薄片状の白い組織はＢｉリッチ凝集領域であり、この白い組織の面積が小さいと、Ｂｉの凝集が少ない。図２に示すように、はんだ接合点の界面００１点と００４点では、金属間化合物の化学成分にＢｉ元素はなく、界面の金属間化合物が必要とするＳｎ原子はマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金から析出したＳｎ原子であって、ＳｎＢｉ共晶組織のＳｎ原子ではない。他の複合はんだの研究では、高強度で融点の差が大きい単質粉末又はＣｕ合金を添加するため、強化型粒子をぬれさせることができず、良好なはんだ付けが実現できないという欠点があり、しかも、強化相は余分なβ−Ｓｎ相の析出がないため、低融点ＳｎＢｉ系共晶組織からＳｎが析出し、Ｃｕ基板と反応するしかない。Ｓｎの欠如により、必然的に合金組織においてＢｉリッチゾーンが出現することになる。図２に示すように、マイクロ／ナノ強化型粒子がはんだ接合点において分散し、改めて新たな結晶粒子の核生成質点となって、結晶粒子を微細化すると同時に、バリアを形成し、はんだ接合点の時効期間内に、はんだ接合点におけるＳｎＢｉ共晶組織のＳｎの析出と拡散を遅らせ、Ｂｉリッチ層の成長を阻害して、はんだとパッドの金属間化合物の成長速度を低減する。図４はからわかるように、複合はんだのはんだ接合点には、図５及び図６で出現していた樹枝状ＳｎＢｉ共晶組織体が見られず、緻密で等方性の金属組織が形成され、それによってはんだ継手の信頼性を高めており、これも本発明の進歩した点である。
【００６７】
図３のように、はんだ接合点の界面００１と００２の金属間化合物にはＢｉ元素が存在する。本発明は、マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末をＳｎＢｉ低融点合金と混合し、錫ベース合金の高比率のＳｎ原子を利用して基板中のＣｕと優先的に結合させ、ＳｎＢｉ低融点合金からのＳｎの析出とＢｉリッチ層の生成を効果的に抑制することが可能であり、はんだ接合点の金属組織構造におけるＢｉが脆いという問題を効果的に解決する。これは本発明の最も進歩した点である。
【００６８】
以上、本発明の複合はんだは、２００℃以下で低温はんだ付けを実現すると同時に、高い引っ張り強度とせん断強度を有し、コストが合理的で、はんだ付けの信頼性が高く、総合的な効果が良好な、質の良い低温無鉛はんだである。本発明の複合はんだを採用すれば、高温のはんだが部品と基板に及ぼす熱損傷の問題を解決できる上、低融点ＳｎＢｉ系合金はんだの使用時に発生するせん断強度の低さや、Ｂｉ凝集による信頼性の不足といった問題も解決できる。さらに、本発明を採用すれば、寸法がＴ３〜Ｔ８の範囲の複合はんだを調製して、狭ピッチや、はんだ接合点が微小な精緻なはんだ付けの分野に応用できる。これは電子パッケージ部品の微小化や、軽量化・薄型化・ソフト化、多機能で高度な集積といった発展の方向に沿うものであり、応用価値が高く、市場の成長が見込まれる。
【００６９】
マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末の効果は、ＳｎＢｉ系低融点合金粉末と複合されると、マイクロ／ナノ強化型粒子が錫ベース合金はんだ粉末内で高分散相を形成することである。この分散相は通常１ｕｍ未満の微粒子の質点であるため、はんだ付けする際に、マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末が低融点ＳｎＢｉはんだに急速に侵食、溶解される。マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はＳｎ含有量が多く、ＳｎＢｉはんだはＳｎ含有量が少ないため、錫ベース合金のβ−Ｓｎ相は、ＳｎＢｉ系合金はんだのＳｎ原子より先にパッドで金属間化合物を形成し、ＳｎＢｉ共晶組織のＳｎ原子がパッドへ拡散するのを遅らせる。これにより、低融点はんだがＳｎＢｉ共晶組織として保たれ、Ｂｉリッチ層の出現を抑制する。
【００７０】
本発明は、先ずＳｎ金属を溶解させて液体にし、マイクロ／ナノレベルの強化型粒子を加え、マイクロ／ナノ強化粒子をパワー超音波又は機械分散方式によって溶融Ｓｎ金属液体内で高度に分散する微小粒子に形成し、最後に、超音波、遠心又はエアによって霧化して、Ｓｎベースの金属に覆われた、多くの分散化したマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末を形成する。マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末の製造過程では、パワー超音波や機械分散方法により、添加したマイクロ／ナノレベルの強化型金属粒子を直接且つ十分に分散させ、マイクロ／ナノレベル粒子が凝集するという問題を解決する。さらに、加工形成されたマイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末は、後に低融点合金はんだ粉末と複合使用されると、金属間化合物が短時間内に十分に再結合反応し、最終的に、はんだ接合点において分散したマイクロ／ナノ粒子と低融点はんだが十分に反応して、Ｂｉリッチの形成を抑制する「セパレータ」効果を発揮する。また、パワー超音波や機械による分散を採用してマイクロ／ナノレベル粒子を予め高度に分散させて粉末に混入させることによって、マイクロ／ナノ強化粒子が二次溶解の過程で浮遊し凝集するという問題を解決するだけでなく、マイクロ／ナノ強化粒子と低融点錫粉末のぬれ及び溶解の速度が遅いという問題も解決する。製造方法では、マイクロ／ナノ強化型粒子に後に十分効果を発揮させ、はんだ接合点の強度と機械的信頼性を根本的に保証することができ、これも本発明の技術構想における大きく進歩した点である。
【００７１】
本発明の配合及び方法を採用して調製したマイクロ／ナノ粒子強化型複合はんだは、２００℃以下で低温はんだ付けを実現するものであり、低融点合金が先に溶解し、その後熱伝達により、マイクロ／ナノ粒子強化型錫ベース合金はんだ粉末の溶解とぬれを実現する。このような合金が析出したβ−Ｓｎ相が銅Ｃｕパッドと結合し易いという特徴は、ＳｎＢｉ系低融点合金はんだのＢｉ脆性が高くせん断強度が低いという問題を解決する。また、マイクロ／ナノ粒子が複合はんだ内で分散し、再度結晶粒子の核生成質点となって、結晶粒子を微細化し、時効期間内に「セパレータ効果」を発揮して、低融点ＳｎＢｉ合金のＢｉ元素が凝集、成長するのを抑制し、金属間化合物の成長を遅らせる。はんだ接合点又ははんだ継目の金属結晶は、等方性構造であり、且つ網状又はデンプル状を呈し、樹枝状ＳｎＢｉ共晶体は存在せず、はんだ接合の信頼性を高める。本発明によってＴ３〜Ｔ８の複合はんだが調製でき、狭ピッチや、微小なはんだ接合点の作業に応用することができ、電子部品の微小化や、軽量化・薄型化・ソフト化、多機能で高度な集積といった発展の方向に沿うものであり、応用価値が高く、成長が見込まれる。
【００７２】
【表１】
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【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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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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