(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃｕ１２〜３０重量％、Ｓｂ２０〜４０重量％、Ｓｎ３０〜６５重量％からなる合金組成を有することを特徴とするはんだ合金。
【請求項２】
Ｃｕ−Ｓｂ−Ｓｎ３元状態図上で、Ｃｕがｘ重量％、Ｓｂがｙ重量％、Ｓｎがｚ重量％である点を（ｘ，ｙ，ｚ）とするときに、（３０，４０，３０）、（１５，２０，６５）、（１２，３０，５８）の各点を頂点とする三角形で囲まれる領域内の合金組成を有することを特徴とする請求項１記載のはんだ合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属の接合剤として用いられるはんだ合金に関し、さらに詳しくは鉛を含まないはんだ合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属の接合剤として用いられるはんだ合金として、Ｐｂ−Ｓｎ合金またはＰｂ−Ｓｎ合金にさらにＳｂ、Ｂｉ、Ｃｄ等の成分を加えた合金が用いられている。ところが、前記従来のはんだ合金はＰｂを必須成分として含んでいるので、該はんだ合金を用いた電子機器等が廃棄されると、Ｐｂが溶出して環境を汚染するという問題がある。
【０００３】
そこで、Ｐｂを含まない各種はんだ合金が提案されている。このようなはんだ合金として、例えば、Ｓｂ１０〜４０質量％、Ｃｕ０．５〜１０質量％、残部Ｓｎからなるはんだ合金、少なくとも約９０重量％のＳｎを含み、さらにＳｂ、Ｂｉ、Ｃｕを含むはんだ合金、Ｂｉ２０〜５７重量％、Ｓｂ０．２〜５重量％、Ｇａ０．０１〜１重量％、残部Ｓｎからなるはんだ合金等が知られている（特許文献１〜３参照）。
【０００４】
前記はんだ合金は、例えば、シリコンチップと純銅からなる基板との接合に用いられる。前記シリコンチップは表面にＡｇが蒸着されており、前記基板は表面に電解Ｎｉメッキが施こされている。
【０００５】
前記シリコンチップと前記基板とは、例えば、室温から１８０℃まで加熱し、再び室温まで冷却するというような熱サイクルを繰り返すと、加熱時には膨張、冷却時には収縮する。ところが、前記シリコンチップと前記基板とでは熱膨張係数が異なっているので、前記熱サイクルを繰り返すと、両者を接合するはんだ合金に負荷がかかる。そこで、前記はんだ合金は前記熱サイクルに対して優れた耐久性を備えることが望まれる。
【０００６】
しかしながら、Ｐｂを含まない前記はんだ合金は、熱サイクルに対する耐久性が低く、脆化しやすいという不都合がある。
【特許文献１】特開２００４−２９８９３１号公報
【特許文献２】特開平７−８８６７９号公報
【特許文献３】特開平７−４００７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、かかる不都合を解消して、Ｐｂを含まず、熱サイクルに対して優れた耐久性を備えるはんだ合金を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる目的を達成するために、本発明のはんだ合金は、Ｃｕ１２〜３０重量％、Ｓｂ２０〜４０重量％、Ｓｎ３０〜６５重量％からなる合金組成を有することを特徴とする。本発明のはんだ合金は、前記合金組成を備えることにより、Ｐｂを含まないにも関わらず、熱サイクルに対して優れた耐久性を得ることができる。
【０００９】
また、本発明のはんだ合金は、Ｃｕ−Ｓｂ−Ｓｎ３元状態図上で、Ｃｕがｘ重量％、Ｓｂがｙ重量％、Ｓｎがｚ重量％である点を（ｘ，ｙ，ｚ）とするときに、（３０，４０，３０）、（１５，２０，６５）、（１２，３０，５８）の各点を頂点とする三角形で囲まれる領域内の合金組成を有することにより、熱サイクルに対してさらに優れた耐久性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本発明の実施形態のはんだ合金の合金組成を示すＣｕ−Ｓｂ−Ｓｎ３元状態図である。
【００１１】
本発明の実施形態のはんだ合金は、Ｃｕ１２〜３０重量％、Ｓｂ２０〜４０重量％、Ｓｎ３０〜６５重量％からなる合金組成を有する。前記合金組成は、図１に示すＣｕ−Ｓｂ−Ｓｎ３元状態図上で、Ｃｕ１２重量％、Ｃｕ３０重量％、Ｓｂ２０重量％、Ｓｂ４０重量％、Ｓｎ６５重量％の直線で囲まれた五角形１の領域内（五角形１を形成する直線を含む）にある。
【００１２】
また、本実施形態のはんだ合金は、図１に示すＣｕ−Ｓｂ−Ｓｎ３元状態図上で、Ｃｕがｘ重量％、Ｓｂがｙ重量％、Ｓｎがｚ重量％である点を（ｘ，ｙ，ｚ）とするときに、（３０，４０，３０）、（１５，２０，６５）、（１２，３０，５８）の各点を頂点とする三角形２で囲まれる領域内（三角形２を形成する直線を含む）の合金組成を有することが好ましい。
【００１３】
前記はんだ合金は、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｓｎの純金属をそれぞれ前記範囲となるように秤量して、真空中で、高周波溶解炉にて溶解し、所定の鋳型を用いて鋳造することにより母合金を得ることができる。前記母合金は、前記合金組成の範囲のＣｕ、Ｓｂ、Ｓｎを含むと共に、前記Ｃｕ、Ｓｂ、Ｓｎの純金属の製造過程で不可避的に混入する不純物を含んでいてもよい。
【００１４】
本実施形態のはんだ合金は、前記母合金を黒鉛坩堝中等で加熱溶解したのち、回転している銅製ロール上に吹き付けて凝固させることにより、例えば約１００μｍの厚さの箔状のはんだ材料とすることができる。前記箔状のはんだ材料は、例えば、表面にＡｇが蒸着されたシリコンチップと、表面に電解Ｎｉメッキが施こされた純銅基板とのような金属の接合に用いられる。前記箔状のはんだ材料は、例えば、該はんだ材料により接合された前記シリコンチップと前記純銅基板とを、室温から１８０℃まで加熱し、再び室温まで冷却する熱サイクルに付したときに、該熱サイクルに対して優れた耐久性を得ることができる。
【００１５】
次に、本発明の実施例と比較例とを示す。
【実施例１】
【００１６】
本実施例では、まず、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｓｎの純金属を、Ｃｕ３０重量％、Ｓｂ４０重量％、Ｓｎ３０重量％となるように秤量して、真空中で、高周波溶解炉にて溶解し、所定の鋳型を用いて鋳造することにより母合金を得た。前記母合金の合金組成を図１に○で示す。また、前記母合金の固相線温度と、液相線温度とを表１に示す。
【００１７】
次に、前記母合金を黒鉛坩堝中等で加熱溶解したのち、回転している銅製ロール上に吹き付けて凝固させることにより、厚さ約１００μｍ、幅３０ｍｍの箔状はんだ材料を得た。次に、５ｍｍ×５ｍｍの大きさに裁断した前記箔状はんだ材料を、水素雰囲気下、前記はんだ合金の液相線温度より２０℃高い温度に加熱して溶融させ、表面にＡｇが蒸着されたシリコンチップと、表面に電解Ｎｉメッキが施こされた純銅基板とのはんだ付けを行った。前記シリコンチップと、前記純銅基板とは、いずれも５ｍｍ×５ｍｍの大きさを備えている。
【００１８】
次に、前記はんだ合金によりはんだ付けされた前記シリコンチップと前記純銅基板とを、室温から１８０℃まで加熱し、再び室温まで冷却することを１サイクルとする熱サイクル試験に供し、前記はんだ材料にクラックが生じるまでのサイクル数を測定した。結果を表１に示す。
【００１９】
尚、前記シリコンチップの熱膨張係数は室温〜３００℃の範囲で２．８ｐｐｍ／Ｋであり、前記純銅基板の熱膨張係数は室温〜３００℃の範囲で１６．５ｐｐｍ／Ｋである。
【実施例２】
【００２０】
本実施例では、Ｃｕ１５重量％、Ｓｂ２０重量％、Ｓｎ６５重量％となるようにした以外は実施例１と全く同一にして母合金を得た。前記母合金の合金組成を図１に○で示す。また、前記母合金の固相線温度と、液相線温度とを表１に示す。
【００２１】
次に、本実施例で得られた前記母合金を用いた以外は実施例１と全く同一にして、前記シリコンチップと前記純銅基板とのはんだ付けを行い、はんだ付けされた前記シリコンチップと前記純銅基板とを前記熱サイクル試験に供して、前記はんだ材料にクラックが生じるまでのサイクル数を測定した。結果を表１に示す。
【実施例３】
【００２２】
本実施例では、Ｃｕ１２重量％、Ｓｂ３０重量％、Ｓｎ５８重量％となるようにした以外は実施例１と全く同一にして母合金を得た。前記母合金の合金組成を図１に示す。また、前記母合金の固相線温度と、液相線温度とを表１に○で示す。
【００２３】
次に、本実施例で得られた前記母合金を用いた以外は実施例１と全く同一にして、前記シリコンチップと前記純銅基板とのはんだ付けを行い、はんだ付けされた前記シリコンチップと前記純銅基板とを前記熱サイクル試験に供して、前記はんだ材料にクラックが生じるまでのサイクル数を測定した。結果を表１に示す。
【実施例４】
【００２４】
本実施例では、Ｃｕ１３重量％、Ｓｂ３１重量％、Ｓｎ５６重量％となるようにした以外は実施例１と全く同一にして母合金を得た。前記母合金の合金組成を図１に○で示す。また、前記母合金の固相線温度と、液相線温度とを表１に示す。
【００２５】
次に、本実施例で得られた前記母合金を用いた以外は実施例１と全く同一にして、前記シリコンチップと前記純銅基板とのはんだ付けを行い、はんだ付けされた前記シリコンチップと前記純銅基板とを前記熱サイクル試験に供して、前記はんだ材料にクラックが生じるまでのサイクル数を測定した。結果を表１に示す。
【実施例５】
【００２６】
本実施例では、Ｃｕ１９重量％、Ｓｂ３３重量％、Ｓｎ４８重量％となるようにした以外は実施例１と全く同一にして母合金を得た。前記母合金の合金組成を図１に○で示す。また、前記母合金の固相線温度と、液相線温度とを表１に示す。
【００２７】
次に、本実施例で得られた前記母合金を用いた以外は実施例１と全く同一にして、前記シリコンチップと前記純銅基板とのはんだ付けを行い、はんだ付けされた前記シリコンチップと前記純銅基板とを前記熱サイクル試験に供して、前記はんだ材料にクラックが生じるまでのサイクル数を測定した。結果を表１に示す。
【実施例６】
【００２８】
本実施例では、Ｃｕ２２重量％、Ｓｂ３５重量％、Ｓｎ４３重量％となるようにした以外は実施例１と全く同一にして母合金を得た。前記母合金の合金組成を図１に○で示す。また、前記母合金の固相線温度と、液相線温度とを表１に示す。
【００２９】
次に、本実施例で得られた前記母合金を用いた以外は実施例１と全く同一にして、前記シリコンチップと前記純銅基板とのはんだ付けを行い、はんだ付けされた前記シリコンチップと前記純銅基板とを前記熱サイクル試験に供して、前記はんだ材料にクラックが生じるまでのサイクル数を測定した。結果を表１に示す。
【実施例７】
【００３０】
本実施例では、Ｃｕ３０重量％、Ｓｂ３５重量％、Ｓｎ３５重量％となるようにした以外は実施例１と全く同一にして母合金を得た。前記母合金の合金組成を図１に○で示す。また、前記母合金の固相線温度と、液相線温度とを表１に示す。
【００３１】
次に、本実施例で得られた前記母合金を用いた以外は実施例１と全く同一にして、前記シリコンチップと前記純銅基板とのはんだ付けを行い、はんだ付けされた前記シリコンチップと前記純銅基板とを前記熱サイクル試験に供して、前記はんだ材料にクラックが生じるまでのサイクル数を測定した。結果を表１に示す。
【実施例８】
【００３２】
本実施例では、Ｃｕ２５重量％、Ｓｂ２５重量％、Ｓｎ５０重量％となるようにした以外は実施例１と全く同一にして母合金を得た。前記母合金の合金組成を図１に○で示す。また、前記母合金の固相線温度と、液相線温度とを表１に示す。
【００３３】
次に、本実施例で得られた前記母合金を用いた以外は実施例１と全く同一にして、前記シリコンチップと前記純銅基板とのはんだ付けを行い、はんだ付けされた前記シリコンチップと前記純銅基板とを前記熱サイクル試験に供して、前記はんだ材料にクラックが生じるまでのサイクル数を測定した。結果を表１に示す。
〔比較例１〕
本比較例では、Ｃｕ３５重量％、Ｓｂ４０重量％、Ｓｎ２５重量％となるようにした以外は実施例１と全く同一にして母合金を得た。前記母合金の合金組成を図１に●で示す。また、前記母合金の固相線温度と、液相線温度とを表１に示す。
【００３４】
次に、本比較例で得られた前記母合金を用いた以外は実施例１と全く同一にして、前記シリコンチップと前記純銅基板とのはんだ付けを行い、はんだ付けされた前記シリコンチップと前記純銅基板とを前記熱サイクル試験に供して、前記はんだ材料にクラックが生じるまでのサイクル数を測定した。結果を表１に示す。
〔比較例２〕
本比較例では、Ｃｕを全く含まず、Ｓｂ４０重量％、Ｓｎ６０重量％となるようにした以外は実施例１と全く同一にして母合金を得た。前記母合金の合金組成を図１に●で示す。また、前記母合金の固相線温度と、液相線温度とを表１に示す。
【００３５】
次に、本比較例で得られた前記母合金を用いた以外は実施例１と全く同一にして、前記シリコンチップと前記純銅基板とのはんだ付けを行い、はんだ付けされた前記シリコンチップと前記純銅基板とを前記熱サイクル試験に供して、前記はんだ材料にクラックが生じるまでのサイクル数を測定した。結果を表１に示す。
〔比較例３〕
本比較例では、Ｃｕ１０重量％、Ｓｂ４５重量％、Ｓｎ４５重量％となるようにした以外は実施例１と全く同一にして母合金を得た。前記母合金の合金組成を図１に●で示す。また、前記母合金の固相線温度と、液相線温度とを表１に示す。
【００３６】
次に、本比較例で得られた前記母合金を用いた以外は実施例１と全く同一にして、前記シリコンチップと前記純銅基板とのはんだ付けを行い、はんだ付けされた前記シリコンチップと前記純銅基板とを前記熱サイクル試験に供して、前記はんだ材料にクラックが生じるまでのサイクル数を測定した。結果を表１に示す。
〔比較例４〕
本比較例では、Ｃｕ１０重量％、Ｓｂ２０重量％、Ｓｎ７０重量％となるようにした以外は実施例１と全く同一にして母合金を得た。前記母合金の合金組成を図１に●で示す。また、前記母合金の固相線温度と、液相線温度とを表１に示す。
【００３７】
次に、本比較例で得られた前記母合金を用いた以外は実施例１と全く同一にして、前記シリコンチップと前記純銅基板とのはんだ付けを行い、はんだ付けされた前記シリコンチップと前記純銅基板とを前記熱サイクル試験に供して、前記はんだ材料にクラックが生じるまでのサイクル数を測定した。結果を表１に示す。
【００３８】
【表１】
0004718369.tif 000002
【００３９】
表１から、実施例１〜８のはんだ合金は、いずれも固相線温度が２４３℃以上、液相線温度が３８２℃以下であり、はんだ材料に適した物性を備えていることが明らかである。
【００４０】
次に、表１から、図１に示す五角形１の領域内の合金組成を備える実施例１〜８のはんだ合金によれば、クラックが発生したサイクル数はいずれも２０００サイクル以上であり、図１に示す五角形１の領域外の合金組成を備える比較例１〜４のはんだ合金がいずれも３００サイクル未満であることと比較して、熱サイクルに対して優れた耐久性を備えていることが明らかである。
【００４１】
また、表１から、図１に示す三角形２の領域内の合金組成を備える実施例１〜６のはんだ合金によれば、クラックが発生したサイクル数はいずれも３０００サイクル以上であり、熱サイクルに対してさらに優れた耐久性を備えていることが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１の実施形態のはんだ合金の合金組成を示すＣｕ−Ｓｂ−Ｓｎ３元状態図。
【符号の説明】
【００４３】
１，２…第１の実施形態のはんだ合金の合金組成。
【図１】
0004718369.tif 000003