(57)【要約】【課題】周囲雰囲気の影響により所定の特性に実質的な変化をきたすことがなく、特にはんだ濡れ広がり性の優れた、無鉛はんだ粉末と無鉛はんだペーストを提供すること。【解決手段】はんだ合金粉末粒子１の表面に当該はんだ合金の構成成分のうちの１種以上によるコーティング３を１層以上設け、且つ、当該はんだ合金粉末粒子全体の平均組成が当該はんだ合金の所定の合金組成に等しい無鉛はんだ粉末とする。この無鉛はんだ粉末をフラックスと一緒にすることで、無鉛はんだペーストが得られる。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
はんだ合金粉末粒子の表面に当該はんだ合金の構成成分のうちの１種以上によるコーティングを１層以上設け、且つ、当該はんだ合金粉末粒子全体の平均組成が当該はんだ合金の所定の合金組成に等しいことを特徴とする無鉛はんだ合金粉末。
【請求項２】
前記コーティングが、蒸着法、スパッタリング法、無電解めっき法又はゾルゲル法により形成されている、請求項１記載の無鉛はんだ粉末。
【請求項３】
前記はんだ合金の構成成分がスズと亜鉛であり、前記コーティングがスズで形成されている、請求項１又は２記載の無鉛はんだ粉末。
【請求項４】
前記はんだ合金の構成成分がスズと亜鉛とビスマスであり、前記コーティングがビスマスで形成されている、請求項１又は２記載の無鉛はんだ粉末。
【請求項５】
前記はんだ合金の構成成分がスズと亜鉛とビスマスであり、スズによるコーティングとビスマスによるコーティングが形成されている、請求項１又は２記載の無鉛はんだ粉末。
【請求項６】
請求項１から５までのいずれか一つに記載の無鉛はんだ粉末とフラックスとを含むことを特徴とする無鉛はんだペースト。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無鉛はんだ粉末及び無鉛はんだペーストに関し、より詳しくは、耐酸化性に代表されるような周囲雰囲気の影響による変性に対する耐性に優れ、且つはんだ濡れ広がり性に優れ、現行の鉛はんだに近い融点を有する、無鉛はんだ粉末及び無鉛はんだペーストに関する。
【０００２】
【従来の技術】
はんだは、主として金属材料の接合（ろう付け）に用いられる合金材料であって、接合しようとする金属材料よりも低い融点を持ち、溶融し流動してから固化することにより金属材料どうしを接合するように設計されている。従来のはんだ合金には一般に鉛（Ｐｂ）が含まれているが、人体や環境への鉛の悪影響の観点から、近年では無鉛はんだの需要が高まっている。
【０００３】
現在、スズ（Ｓｎ）を主要成分とした何種類かの無鉛はんだ合金が開発されており、それらは鉛に代わる成分として、亜鉛（Ｚｎ）、ビスマス（Ｂｉ）、インジウム（Ｉｎ）、銀（Ａｇ）などを使用している。とは言え、これらの無鉛はんだはいずれも濡れ広がり性や融点に問題があり、実用化が困難な実状にある。
【０００４】
例えば、無鉛はんだ合金のうち、スズ−亜鉛（Ｓｎ−Ｚｎ）系はんだは、融点が現行の有鉛はんだに近いという長所を持つ。ところが、亜鉛には酸化し易い性質があり、そのためＳｎ−Ｚｎ系はんだでは、特に体積に比べ表面積が大きくなる粉末状の場合に、貯蔵中に周囲雰囲気の酸素により酸化された亜鉛がはんだ合金の特性を変化させて融点を上昇させるとともに、はんだ濡れ広がり性を悪化させる（酸化された亜鉛がはんだ溶融温度で溶融せず、はんだの流動性を低下させることに起因する）というやっかいな問題の原因になっている。また、銀を含む無鉛はんだにおいては、周囲雰囲気にさらされることにより銀が硫化して、同様にはんだ合金の特性を変化させる原因になっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、周囲雰囲気の影響により所定の特性に実質的な変化をきたすことがなく、特にはんだ濡れ広がり性の優れた、無鉛はんだ粉末を提供することを目的とする。また、そのような無鉛はんだ粉末を含んだはんだペーストを提供することも、本発明の目的とするところである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の無鉛はんだ粉末は、はんだ合金粉末粒子の表面に当該はんだ合金の構成成分のうちの１種以上によるコーティングを１層以上設け、且つ、当該はんだ合金粉末粒子全体の平均組成が当該はんだ合金の所定の合金組成に等しいことを特徴とする。
【０００７】
本発明の無鉛はんだペーストは、本発明の無鉛はんだ粉末とフラックスとを含むことを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１に模式的に示したように、本発明の無鉛はんだ粉末１は、核となる部分２とその周囲に設けられたコーティングの部分３から構成された、被覆された粒子の形態をしている。このはんだ粉末粒子のコーティングの部分３は、無鉛はんだ粉末１の所定の合金組成を与える構成成分のうちの１種以上の成分により形成することができる。例えばＳｎ−Ｚｎ系無鉛はんだ粉末の場合、コーティング部分３は、Ｚｎに比べ周囲雰囲気にさらされることで酸化されにくい方の成分であるＳｎにより形成するのが好ましく、これにより、はんだ粉末１に含まれるＺｎ成分の貯蔵中における自然酸化を防ぎ、はんだ濡れ広がり性等のはんだ粉末１の所定の特性を維持することが可能になる。はんだの構成成分が３種以上の場合などには、核部分２の周囲に、はんだ合金の構成成分のうちの１種以上によるコーティングを２層以上設けてもよく、この場合の一つのコーティング層を形成する成分はほかの層を形成する成分と同じものでも異なるものでもよい。例えば、Ｂｉを添加したＳｎ−Ｚｎ系はんだ合金の場合、核部分２の周囲にＢｉ層とＳｎ層を形成してもよい。２層以上のコーティングを設けることには、周囲雰囲気の影響を受けやすい成分の保護効果をより大きくすることができるという利点のほかに、場合によっては、はんだ合金組成の設計や変更が容易になるといった利点もある。
【０００９】
本発明の無鉛はんだ粉末１の粒子の核となる部分２は、コーティング部分３を含めたはんだ粉末粒子の全体の平均組成が、はんだ粉末１の所定の合金組成と一致するよう、その合金組成からコーティング層の形成に用いた分を差し引いた組成を持つように形成される。例えば、Ｓｎ−９Ｚｎの共晶組成のはんだ粉末の場合、はんだ粉末粒子の核部分２は、その周囲のコーティング部分３の形成に用いようとする分のＳｎ量を差し引いた組成となるように作られる。
【００１０】
本発明の無鉛はんだ粉末は、粉末粒子の核となる部分を作り、この核部分の周囲にコーティング層を形成することによって製造することができる。核部分の作製には、通常のはんだ粉末の製造の場合に用いられるのと同様の方法である、アトマイズ法などを使用することができる。核部分の周囲のコーティング層の形成には、蒸着法、スパッタリング法、無電解めっき法、あるいはゾルゲル法などを利用することができる。コーティング層は、核部分の全体を覆うように形成するのが好ましく、そのため、例えば蒸着法やスパッタリング法を用いるような場合には、核部分を揺動させることなどを併せて行うのが好ましい。
【００１１】
Ｓｎ−Ｚｎ系はんだを例に説明すれば、コーティング層は、核部分に含まれ、空気による自然酸化をより受けやすいＺｎ成分の酸化を防ぐのに有効な厚さを持つことが必要である。この要件を満たす限り、コーティング層の厚さは任意に設定することができる。
【００１２】
一方、はんだ粉末は、その用途に応じて様々な直径を持つ。例えば、ペーストで用いられるはんだ粉末の直径は２０〜５０μｍ程度が一般的であり、半導体装置のＢＧＡパッケージで用いられるはんだボール用のはんだ粉末粒子の直径は１５０〜２００μｍほどである。後者のように比較的大きな径のはんだ粉末粒子の場合、周囲を覆うコーティング層の厚さも相対的に大きくすることができ、例えば５０μｍの厚さのコーティング層を用いることも可能である。
【００１３】
本発明の無鉛はんだペーストは、上述の本発明の無鉛はんだを主成分として含み、更に、ロジン、溶剤、活性剤、増粘剤等を主成分とするはんだフラックスを含む。フラックスは、主として、使用する無鉛はんだ粉末の種類とペーストの用途に応じて選ばれる。同様に、ペーストを構成する各成分の組成も、主として使用する無鉛はんだ粉末の種類とペーストの用途に応じて選ばれる。本発明においては、はんだ粉末とフラックスを固形分が例えば６０ｗｔ％以上となるように適量混合し、はんだペーストを得る。更に、本発明の無鉛はんだペーストは、上記の必須成分に加えて、必要に応じ任意の添加剤を含むことができる。
【００１４】
本発明の無鉛はんだ粉末及び無鉛はんだペーストは、主として金属材料どうしをろう付け接合する用途に広く用いることができる。そのような用途の一例は、半導体装置の製造であり、特にＳｎ−Ｚｎ系の無鉛はんだは融点が通常の有鉛はんだに近く、比較的低温での接合が可能であることから、高い処理温度に敏感な部品を接合することの多い半導体装置の製造において有利に用いることができる。
【００１５】
【実施例】
次に、実施例により本発明をより具体的に説明するが、これらの例は本発明をいささかも限定するものではない。
【００１６】
（実施例１）
アトマイズ法により急冷凝固して作製した直径４８μｍのＳｎ−１０．２Ｚｎ粉末粒子に、約１μｍの厚さにＳｎをコーティングして、直径約５０μｍの無鉛はんだ粉末粒子を調製した。Ｓｎのコーティングは、粉末粒子を揺動させながら蒸着することにより行った。この無鉛はんだ粉末は、溶融後の全体のはんだ組成がＳｎ−９Ｚｎとなる。
【００１７】
（実施例２）
アトマイズ法を用いて急冷凝固して作製した直径２４．８μｍのＳｎ−８．２５Ｚｎ粉末粒子に、約０．２μｍの厚さにＢｉをコーティングして、直径約５０μｍの無鉛はんだ粉末粒子を調製した。Ｂｉのコーティングは、粉末粒子を揺動させながらの蒸着により行った。この無鉛はんだ粉末は、溶融後の全体のはんだ組成がＳｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉとなる。
【００１８】
（実施例３）
実施例３で得たＳｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉ無鉛はんだ粉末から調製したペーストを使って、半導体チップのリードを基板に接合することによりチップを基板に搭載したサンプルを作製した。比較のために、ＢｉコーティングなしのＳｎ−８Ｚｎ−３Ｂｉ無鉛はんだ粉末によるペーストを使って、同様に半導体チップを基板に搭載したサンプルを作製した。
【００１９】
基板に接合したリードの部分を残し半導体チップを除去したサンプルを電子顕微鏡で観察した。Ｂｉコーティングなしの無鉛はんだ粉末のペーストを使った図２（ａ）に示したサンプルでは、一部分のはんだ粉末粒子が未溶融で残り、そのためはんだ濡れ広がり性が不十分であったことが分かる。このサンプルでは、接合部のフィレット形状も満足なものでないことも分かる。Ｂｉコーティングを施した無鉛はんだ粉末のペーストを使った図２（ｂ）に示したサンプルでは、未溶融のはんだ粉末粒子は認められず、はんだ濡れ広がり性がよく、きれいなフィレット形状が得られたことが分かる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、はんだ成分のうちの周囲雰囲気にさらされることで酸化等の変性作用を受けやすいものを周囲雰囲気から保護することができ、それにより融点を初めとする所定の特性に実質的な変化を生じさせることなく、特にはんだ濡れ広がり性に優れた無鉛はんだ粉末及び無鉛はんだペーストの利用が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の無鉛はんだ粉末を説明する図である。
【図２】本発明による無鉛はんだペーストを使用したサンプルを通常の無鉛はんだペーストを使用したサンプルと比較する図であって、（ａ）は通常の無鉛はんだペーストを使用したサンプル、（ｂ）は本発明の無鉛はんだペーストを使用したサンプルの、電子顕微鏡写真である。
【符号の説明】
１…無鉛はんだ粉末
２…核部分
３…コーティング部分
【図１】
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【図２】
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