(57)【要約】【課題】Ａｇを主成分とする端子部を具備する電子部品における端子部の食われを抑制し、接合強度の改善を行なう。【解決手段】Ａｇを主成分とする端子部を具備する電子部品であって、端子部はＡｇ−Ｚｎ化合物層を介してＳｎとＺｎを主成分とするはんだが接合されている電子部品である。ＳｎとＺｎを主成分とするはんだは質量％でＺｎを５〜１２％含み、残部実質的にＳｎからなることが好ましい。または、ＳｎとＺｎを主成分とするはんだは質量％でＺｎを５〜１２％含み、且つＢｉを１〜１０％またはＩｎを１〜５％含み、残部実質的にＳｎからなることが好ましい。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ａｇを主成分とする端子部を具備する電子部品であって、端子部はＡｇ−Ｚｎ化合物層を介してＳｎとＺｎを主成分とするはんだが接合されていることを特徴とする電子部品。
【請求項２】
ＳｎとＺｎを主成分とするはんだは質量％でＺｎを５〜１２％含み、残部実質的にＳｎからなることを特徴とする請求項１に記載の電子部品。
【請求項３】
ＳｎとＺｎを主成分とするはんだは質量％でＺｎを５〜１２％含み、且つＢｉを１〜１０％またはＩｎを１〜５％含み、残部実質的にＳｎからなることを特徴とする請求項１に記載の電子部品。
【請求項４】
ＳｎとＺｎを主成分とするはんだによりＡｇを主成分とする端子部をはんだ付けし、はんだと端子部との接合界面にＡｇ−Ｚｎ化合物層を形成することを特徴とする電子部品の製造方法。
【請求項５】
ＳｎとＺｎを主成分とするはんだは質量％でＺｎを５〜１２％含み、残部実質的にＳｎからなることを特徴とする請求項４に記載の電子部品の製造方法。
【請求項６】
ＳｎとＺｎを主成分とするはんだは質量％でＺｎを５〜１２％含み、且つＢｉを１〜１０％またはＩｎを１〜５％含み、残部実質的にＳｎからなることを特徴とする請求項４に記載の電子部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ａｇを主成分とする端子部を具備する電子部品および電子部品の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
エレクトロニクス分野では、電子部品と回路を構成するための配線板を電気的に接続する手法としてはんだ接合が用いられている。このはんだ接合用のはんだとしてはＳｎとＰｂを主とするＳｎ−Ｐｂ系はんだが長年に渡り用いられてきた。しかし今日、Ｓｎ−Ｐｂ系はんだに含まれるＰｂによる自然環境への影響が問題とされており、Ｓｎ−Ｐｂ系はんだの代わりにＰｂを含まないＰｂフリーはんだの使用が検討されている。その最も有力な候補としてＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだが考えられている（例えば、特許文献１参照。）。
特許文献１で提案されているＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだは、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだの融点と比較して約４０℃上昇するが、耐熱疲労特性、高温特性に優れるといった特徴を有する。
【０００３】
また別の候補としてＳｎ−Ｚｎ系はんだが検討されている。Ｓｎ−Ｚｎ系はんだは、Ｓｎ−Ｐｂ共晶はんだの融点と比較して約１５℃上昇する程度で、Ｐｂフリーはんだとしては比較的低温での接合が可能であり、またＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだと比べて低コストという特徴を有する。これらの利点を有する一方でＳｎ−Ｚｎ系はんだは、はんだ表面で酸化皮膜を形成しやすい為に、被接合体の端子部に用いられているＣｕとの濡れ性が低いことが指摘されている。また、Ｓｎ−Ｚｎ系はんだでは接合界面にＣｕ−Ｚｎ化合物を形成し、これが接合強度を低下させることが指摘されている。
これらの欠点に対して、接合界面に亜鉛の平均含有量が８８〜９９．５ｗｔ％のＺｎを主とする層を形成することが提案されている（特許文献２参照。）。Ｚｎを主とする層の具体的な形成方法は不明であるが、特許文献２にはこの層が形成できれば上述の欠点を解消できることが提案されている。
【０００４】
一方、はんだにより接合される電子機器を構成する電子部品や回路基板には、エポキシ樹脂やポリイミドといった樹脂材料が多く用いられているが、基板の耐熱性や平坦度、剛性が要求されるような場合にはセラミック基板が用いられている。一般にセラミック基板における端子部および導体層の形成は、セラミックのグリーンシート上に導電粒子と有機成分を混錬してペースト状にしたものを印刷した後、高温まで加熱してセラミックスおよび導電粒子の焼成を行う。導電粒子としては融点がセラミックスの焼成温度に近いＡｇやＣｕを主とする粉末が用いられる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平５−５０２８６号公報
【特許文献２】
特開平１０−３０３５１８号公報（実施例１等）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだは、耐熱疲労特性、高温特性の点では有利である。しかし、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだを用いてＡｇを主成分とする端子部を接合する場合、接合後にＡｇを主成分とする端子部の厚さの減少が見られる。これは一般に食われと称される現象であるが、本来、食われを生じていない端子部の剥離強度は、はんだ及びはんだ接合部の機械的強度より高い。しかし食われを生じた端子部の剥離強度は厚さの減少に伴い著しく低下し、外部からの負荷に対して剥離を発生しやすくなる。この剥離強度の低下は、これらの端子部により接合されている電子部品の断線不良の原因となるため問題である。
【０００７】
Ａｇを主成分とする端子部の食われは、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ中のＡｇ含有量を増やすことにより抑制できることが知られている。しかしながら、元来Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだはＳｎ−Ｐｂ共晶はんだと比較すると、融点が約４０℃高いことが欠点であり、Ａｇ含有量を増量するとＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだの融点はさらに上昇するため、はんだ付け温度をより高温にする必要がある。この結果、Ａｇ含有量を増量することによる端子部の食われ対策では、はんだ接合時に電子部品に熱損傷を生じやすくなることが新たに問題となる。加えて、はんだ自体が高価なものになり製品コストを増加するという問題も生じる。
【０００８】
本発明の目的は、Ａｇを主成分とする端子部を具備する電子部品における端子部の食われを抑制し、接合強度の改善を行なうことである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、Ａｇを主成分とする端子部を具備する電子部品における食われは、はんだ接合時に溶融したＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだへ端子部からＡｇが溶出することで生じることに着目した。そしてＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだに替えてＳｎとＺｎを主成分とするはんだを用い、Ａｇ−Ｚｎ化合物層を介して接合することにより、Ａｇの溶出を防ぎ、接合強度を大きく改善できることを見いだし、本発明に到達した。
【００１０】
すなわち本発明は、Ａｇを主成分とする端子部を具備する電子部品であって、端子部はＡｇ−Ｚｎ化合物層を介してＳｎとＺｎを主成分とするはんだが接合されていることを特徴とする電子部品である。
【００１１】
好ましくはＳｎとＺｎを主成分とするはんだは質量％でＺｎを５〜１２％含み、残部実質的にＳｎからなる。
また、好ましくはＳｎとＺｎを主成分とするはんだは質量％でＺｎを５〜１２％含み、且つＢｉを１〜１０％またはＩｎを１〜５％含み、残部実質的にＳｎからなる。
【００１２】
別の本発明は、ＳｎとＺｎを主成分とするはんだによりＡｇを主成分とする端子部をはんだ付けし、はんだと端子部との接合界面にＡｇ−Ｚｎ化合物層を形成することを特徴とする電子部品の製造方法である。
上記の製造方法においてＳｎとＺｎを主成分とするはんだは質量％でＺｎを５〜１２％含み、残部実質的にＳｎからなるはんだによりＡｇを主成分とすることが好ましい。さらに、ＳｎとＺｎを主成分とするはんだは質量％でＺｎを５〜１２％含み、且つＢｉを１〜１０％またはＩｎを１〜５％含み、残部実質的にＳｎからなることが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の重要な特徴は、Ａｇを主とする端子部を、Ａｇ−Ｚｎ化合物層を介してＳｎとＺｎを主成分とするはんだにより接合することである。
本発明でＡｇを主とする端子部の接合にＳｎとＺｎを主成分とするはんだを用い、Ａｇ−Ｚｎ化合物層を介して接合するのは、端子部側において、接合後に端子部の食われは殆ど観察されず、接合後の端子部における剥離強度の低下を生じ難いからである。
【００１４】
また、ＳｎとＺｎを主成分とするはんだ側においては、Ａｇ−Ｚｎ化合物を形成する為、従来ＳｎとＺｎを主成分とするはんだをＣｕの端子部に適用した際に問題であった、Ｃｕ−Ｚｎ化合物の形成による接合強度の低下を生じないからである。このＡｇ−Ｚｎ化合物層は、はんだの溶融時間が長くなっても層の厚さ変化が小さく、端子部の食われを増加させる原因とならない。ここで、Ａｇ−Ｚｎ化合物層とは組成比はＡｇ：Ｚｎ＝１：２（Ｚｎを約５５質量％含有）またはＡｇ：Ｚｎ＝１：１（Ｚｎを約３８質量％含有）の金属間化合物相からなる層である。主には組成比がＡｇ：Ｚｎ＝１：２である金属間化合物相である。このＡｇ−Ｚｎ化合物層は、ＳｎとＺｎを主成分とするはんだを、Ａｇを主成分とする端子部上で融点〜融点＋３０℃に加熱して溶融、接合することで形成することができる。
この際、ＳｎとＺｎを主成分とするはんだはＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系のはんだと比べて融点が約２０℃低いので、接合時の電子部品における熱損傷の問題も生じ難い。
【００１５】
本発明において端子部の食われを抑制できる理由を以下に詳述する。
既に述べたようにＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだにおけるＡｇを主成分とする端子部の食われは、はんだ接合時における溶融したＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだへの端子部からのＡｇの溶出により生じる現象である。本発明者の検討では、溶融したＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだをＡｇを主成分とする端子部に接触させた場合、Ａｇは溶存可能な限界量まで溶融はんだ中へ溶出する。Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだにおいてＡｇを主成分とする端子部の食われが大きいのは、溶融したＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ中に溶存可能なＡｇ濃度が高い為である。これに対し本発明で用いるＳｎとＺｎを主成分とするはんだは、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだと比べて溶融状態で溶存可能なＡｇ濃度が非常に低い。一例を挙げると、Ｓｎ−９Ｚｎ（融点：１９９℃）とＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ（融点：２２１℃）とを比較すると、各はんだのはんだ付け温度において溶存可能なＡｇ濃度は、それぞれ約０．２％（はんだ付け温度：２２０〜２３０℃）、４．５％（はんだ付け温度：２４０〜２５０℃）である。
このようにＳｎとＺｎを主成分とするはんだでは溶存可能なＡｇ濃度が低い為、はんだ接合時に生じる端子部の食われを抑制することができるのである。
【００１６】
なお、本発明においてＳｎとＺｎを主成分とするはんだとは、ＳｎとＺｎとを合計で９０質量％以上含有するはんだあり、溶融状態で溶存可能なＡｇの濃度を著しく増加することがない程度にＢｉ、Ｉｎ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｓｂ、Ｐ、Ｃｕ、Ａｇ等を含有するものも本発明のはんだに含まれる。
また本発明においてＡｇを主成分とする端子部とは、Ａｇの含有量が５０質量％以上の端子部であり、具体的には例えばＡｇ−Ｐｄ端子部や、Ａｇ−Ｐｔ端子部、Ａｇ端子部等である。
【００１７】
本発明のＳｎとＺｎを主成分とするはんだは質量％でＺｎを５〜１２％含み、残部実質的にＳｎからなることが好ましい。
Ｚｎを５〜１２質量％とする理由は、この範囲でははんだの液相線温度と固相線温度との差が小さいからである。この差が小さいことにより、凝固過程での偏析や、固液共存時間が長くなることにより生じる接続欠陥等を抑制できる。加えて、Ｚｎが１２質量％以下では、溶融はんだに溶存可能なＡｇ濃度が特に低く、より端子部における食われを抑制できるからである。また、１２質量％以下とすることで、はんだ表面の酸化や、表面の酸化により生じる濡れ性の劣化を抑制することができる。
【００１８】
また、本発明のＳｎとＺｎを主成分とするはんだは質量％でＺｎを５〜１２％含み、且つＢｉを１〜１０％またはＩｎを１〜５％含み、残部実質的にＳｎからなることが好ましい。Ｚｎ含有量を５〜１２質量％とする理由は上記と同様である。
Ｂｉを含有させる理由は、Ａｇの食われを抑制する効果を損なうことなく融点を低下させることにある。Ｂｉによる融点の低下は、その含有量が１．０質量％以上で明確となる。一方、Ｂｉの含有量が１０質量％以上では、Ｓｎ−Ｂｉ低温共晶が生成し、製品使用時の熱負荷により再溶融する。それゆえ、Ｂｉの含有量は１〜１０質量％の範囲が好ましい。
【００１９】
Ｉｎを含有させる理由は、Ａｇの食われを抑制する効果を損なうことなく融点を低下させることと、濡れ性を改善することにある。Ｉｎによる融点低下、濡れ性改善の効果は、その含有量が１．０質量％で明確となる。一方、Ｉｎの含有量が５質量％以上では、常温においてβ−Ｓｎ相がα−Ｓｎ相に相転移しやすくなり、接合部の熱疲労特性が低下する。それゆえ、Ｉｎの含有量は１〜５質量％の範囲とすることが好ましい。
【００２０】
別の本発明は、上述のＳｎとＺｎを主成分とするはんだによりＡｇを主成分とする端子部をはんだ付けし、はんだと該端子部との接合界面にＡｇ−Ｚｎ化合物層を形成する電子部品の製造方法である。この製造方法によれば、上述と同様の理由により端子部における食われを抑制することができる。本発明の製造方法により端子部の食われを抑制できる理由、及び好ましい組成等は、上述の本発明の電子部品における説明と同様である。
【００２１】
はんだ付けの方法としては、フローはんだ付けによる端子部のはんだ付け、はんだ粉末を含むはんだペーストによる端子部のはんだ付け、個々のボールを凝固単位として凝固されてなるはんだボールによる端子部のはんだ付け等が挙げられる。前記のはんだ付けのうち第２、第３の方法は、はんだを端子部に載せた後、はんだが溶融する温度以上に加熱して、溶融はんだと端子部を反応させること（以下リフローと称する）によりはんだバンプを形成して、はんだ付けを行なうことができる。
【００２２】
【実施例】
質量％でＳｎ−９Ｚｎ、Ｓｎ−９Ｚｎ−１Ｉｎ　、Ｓｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉ、Ｓｎ−３Ａｇ−０．５ＣｕそしてＳｎ−４Ａｇ−０．５Ｃｕの組成を有する、直径７６０ｕｍのはんだボールを用意した。これらのはんだボールを、Ａｇ−Ｐｄ端子部に載せた後、リフローを施すことによりはんだバンプを形成した。リフロー温度は２４０℃とした。
【００２３】
次に上述した各条件におけるはんだバンプと該端子部との接合強度を評価するため、はんだバンプの引き剥がし試験を実施した。この手法では、端子部を形成した基板を固定した状態で、はんだバンプをツイーザで掴み、はんだバンプを引き剥がすことにより接合強度を測定する。引き剥がし速度は１００μｍ／ｓとし、２０個のはんだバンプに関して測定した。また引き剥がし試験後に破面観察を行い端子部の剥離確率を求めた。
また、各条件につき５個のはんだバンプについて、端子部の食われ量を測定した。測定は、端子部を樹脂埋めした後、断面研磨を行い、光学顕微鏡像をもとに該端子部の厚さ変化を測定した。端子部の厚さ変化は、はんだ接合前の端子部の厚みから、接合後の端子部の厚さを引いた値として求めた。
また、リフローを行った後、さらにリフローを２回、つまり合計リフロー３回行ったものについても同様の評価を行った。
【００２４】
はんだ接合後の接合界面断面の一例としてＳｎ−９ＺｎおよびＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕはんだにより形成したバンプにおける、リフロー３回後の接合界面の光学顕微鏡像を、それぞれ図１（ａ）、図１（ｂ）に示す。
図１（ｂ）より、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだ（Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕはんだ）バンプについては該端子部において食われを生じていることがわかる。これに対し、図１（ａ）に示すＳｎとＺｎを主成分とするはんだ（Ｓｎ−９Ｚｎはんだ）バンプについては、食われは見られない。なお、図１（ａ）において接合界面に形成している化合物層は組成比がＡｇ：Ｚｎ＝１：２の金属間化合物相である。
表１に各はんだバンプにおける端子部の食われ量の平均値を示す。Ｓｎ−Ｚｎ系はんだバンプでは食われが見られないのに対して、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだバンプでは食われを生じており、特にはんだ中のＡｇ含有量の低いＳｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕはんだバンプでは食われが著しい。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
これらについて引き剥がし試験を行った結果、食われが見られないＳｎ−Ｚｎ系のはんだバンプでは、全てのはんだバンプにおいてはんだ部分で破断したのに対し、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだバンプでは高い割合で端子部の剥離により破断を生じた。
端子部剥離確率、及び接合強度の平均値を表１に併せて示す。また表１に示す結果をもとに、リフロー回数と強度、食われ量と端子部剥離確率の関係をまとめた結果をそれぞれ図２、図３に示す。
【００２７】
図２に示すように、端子部の剥離により破断を生じたＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだバンプでは、はんだで破断を生じた場合よりも強度が低くなっている。また、図３から端子部での剥離による破断は、端子部の食われ量が大きいほど高い頻度で生じている。
これに対して、端子部の食われを生じないＳｎ−Ｚｎ系のはんだでは、端子部の剥離を生じることが無く、リフローを３回行った場合にも接合強度の低下は見られない。
以上より、Ａｇを主成分とする端子部を、ＳｎとＺｎを主成分とするはんだによりＡｇ−Ｚｎ化合物層を介して接合することで接合強度を改善できることがわかる。加えて、本発明の電子部品では断線を生じ難いことがわかる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によればＡｇを主成分とする端子部を有する電子部品における端子部の食われの問題を改善することができ、Ａｇを主成分とする端子部を具備する電子部品のＰｂフリー化にとって欠くことのできない技術となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ、Ｓｎ−９Ｚｎはんだバンプにおけるリフロー３回後の接合界面の光学顕微鏡像を示す。
【図２】各条件におけるＡｇを主成分とする端子部と各々のはんだバンプとの接合強度を示す。
【図３】端子部の食われ量と端子部剥離確率との関係を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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