(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛半田により第１部材を第２部材に接合してなる鉛半田接合構造であって、
前記第１部材を含芯する第１半田層と、
前記第１半田層と前記第２部材との間に介在して、これらを接合させる第２半田層と、
前記第２半田層と前記第２部材との間に介在する第３半田層を有し、
前記第１半田層は前記第１部材と前記第２半田層の鉛以外の構成成分との間で形成された第１の金属間化合物を主成分とし、
前記第３半田層は前記第２部材と前記第２半田層の鉛以外の前記構成成分との間で形成された第２の金属間化合物を主成分とし、
前記第１、第２の金属間化合物の形成によって、前記第２半田層は鉛以外の前記構成成分が消費し尽くされていることを特徴とする鉛半田接合構造。
【請求項２】
請求項１に記載の鉛半田接合構造であって、
前記第２半田層のヤング率は、前記第１半田層、および前記第３半田層のヤング率より小さいことを特徴とする鉛半田接合構造。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の鉛半田接合構造であって、
前記第１半田層は、錫−銅系の金属間化合物が主成分、前記第３半田層は、錫−銀系の金属間化合物が主成分であり、
前記第２半田層は、鉛が主成分の層である、
ことを特徴とする鉛半田接合構造。
【請求項４】
鉛半田により第１部材を第２部材に接合してなる鉛半田接合構造の製造方法であって、
前記第１部材と第２部材を前記鉛半田で接合して単純接合層を形成する単純接合層形成工程と、
前記単純接合層からなる接合部に対して所定条件の熱処理工程を行い、
前記熱処理工程は、前記第１部材を含芯し、前記第１部材と前記鉛半田の鉛以外の構成成分との間で第１の金属間化合物を主成分とする第１半田層と、前記第１半田層と前記第２部材とに間に介在して、これらを接合させ前記単純接合層と比較して鉛リッチである第２半田層と、前記第２部材と前記第２半田層との間で前記第２部材と前記鉛半田の鉛以外の前記構成成分との間で第２の金属間化合物を主成分とする第３半田層を形成するものであり、
前記単純接合層内の鉛以外の前記構成成分が前記第１、第２の金属間化合物の生成に消費し尽くされるまで前記熱処理工程を行うことを特徴とする鉛半田接合構造の製造方法。
【請求項５】
前記鉛半田の鉛以外の前記構成成分は錫である請求項４に記載の鉛半田接合構造の製造方法。
【請求項６】
請求項４または５に記載の鉛半田接合構造の製造方法であって、
前記熱処理工程における熱処理条件は、前記鉛半田がＳｎ１０の場合には、熱処理温度が２００℃〜２５０℃、熱処理時間が１５００時間から２０００時間である、
ことを特徴とする鉛半田接合構造の製造方法。
【請求項７】
前記第１半田層は、錫−銅系の金属間化合物が主成分、前記第３半田層は、錫−銀系の金属間化合物が主成分であり、
前記第２半田層は、鉛が主成分の層である、
請求項４から６のいずれか一項に記載の鉛半田接合構造の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、使用時おける半田が相変化を起こさないようにした鉛半田接合構造及び製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半田は、種々の装置で利用されているが、近年鉛判断利用は規制を受けることがある。一方で、航空宇宙分野においては、鉛半田の利用が規制されていない。かかる鉛半田による半田接合部における接合強度は、その装置の信頼性を左右することになるため、高強度であることが望まれる。
【０００３】
このような半田により接続された半田付け部分が高温環境下に晒されていると、接合部における鉛半田内でアレニウス則に基づく金属間化合物が成長すると共に、半田自体の金属結晶粒が粗大化して接合強度の劣化が進行する問題がある。
【０００４】
例えば、特開平０５−２５９６３２号公報においては、図４に示すようなプリント配線板が開示されている。
【０００５】
この技術は、以下に説明するように、接合工程における接合の信頼性を向上させるための技術である。
【０００６】
即ち、当該プリント配線板は、基板１００の両面（Ａ面、Ｂ面）に装着部品を半田付けするための銅箔パターンの導体１０２を設け、Ａ面（一面）の導体１０２の上に錫の金属間化合物と鉛の半田層（第１の半田層）１０５を設けている。また、Ｂ面（他面）の導体１０２の上に錫−鉛系（錫−鉛  ６３／３７）の半田層（第２の半田層）１０４を設け、Ａ面の半田層１０５の融点（２２７℃）をＢ面の半田層１０４の融点（１８３℃）よりも高くしている。
【０００７】
このように、基板１０２の両面に形成した導体上に同一組成の錫と鉛の合金からなる半田層を形成し、加熱処理により一面に形成した半田層を錫の金属間化合物と鉛との合金に変化させる。これにより一面に形成した半田層の融点が他面に形成した半田層の融点よりも高くなるので、半田層１０４を溶融させた際に、下にしたＡ面の装着部品の接合部分が溶融するのを防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平０５−２５９６３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記特開平０５−２５９６３２号公報にかかる構成は、一般に鉛半田が相変化して形成される錫系の金属間化合物の溶融温度が合金のときと異なることで接合強度を高くしている。
【００１０】
先にも述べたように、金属間化合物は一般に脆性であるため、接合時における接合強度も大切であるが、半田接合を含む電子装置を使用している最中に接合強度が低下してしまうことも避けなければならない。電子装置の使用時には、種々の使用条件で接合部は熱サイクル等を受けて金属間化合物化、および半田自体の金属結晶粒の粗大化が促進される。
【００１１】
特に、宇宙のような温度変化の激しい環境では高温、および大きな熱サイクルが加わって、接合強度の低下をもたらすことがある。その上、宇宙環境での利用においては、たとえ接合強度が低下しても修理することはできない（困難である）。
【００１２】
そこで、本発明の主目的は、高温または熱サイクルが加わっても接合強度の低下が抑制できる鉛半田接合構造及び製造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、鉛半田により第１部材を第２部材に接合している鉛半田接合構造にかかる発明は、第１部材を含芯する第１半田層と、第１半田層と第２部材との間に介在する第２半田層と、前記第２半田層と前記第２部材の間に介在する第３半田層を有することを特徴とする。
【００１４】
また、鉛半田により第１部材を第２部材に接合してなる鉛半田接合構造の製造方法にかかる発明は、第１部材と第２部材を、鉛半田で接合して単純接合層を形成する単純接合層形成工程と、単純接合層からなる接合部に対して所定条件の熱処理を行い、第１部材を含芯する第１半田層と、第１半田層と第２部材とに間に介在して、これらを接合させる第２半田層と、前記第２部材と前記第２半田層との間に第３半田層を形成する熱処理工程と、を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、高温または熱サイクルが加わっても接合強度の低下が抑制できる鉛半田接合構造及び製造方法が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施形態にかかる鉛半田接合構造を説明する接合部の上面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ断面図である。
【図３】鉛半田接合構造の製造方法を説明する図で、（ａ）は接合前の状態を示す図、（ｂ）は単純接合層形成工程の図、（ｃ）は熱処理工程後の図である。
【図４】関連技術の説明に適用される鉛半田接合構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の実施形態を説明する。図１は本実施形態にかかる鉛半田接合構造を説明する接合部の上面図であり、図２は図１におけるＡ−Ａ断面図である。
【００１８】
なお、以下においては、Ｓｎ１０（Ｓｎ：１０％、Ａｇ：２％、Ｐｂ：８８％；固相線：２６７．８℃、液相線：２９８．９℃）を鉛半田の一例として説明する。
【００１９】
図１，２においては、ワイヤ（第１部材）１０を導体（第２部材）１１にＳｎ１０半田を用いて接合する場合の鉛半田接合構造２０を例示している。
【００２０】
導体１１としては、銀シート、又はコバールに銀めっきを施したシートを用いて製造されたバスバーを例にする。またワイヤ１０としては、銅線に銀めっきを施した配線材を例にする。
【００２１】
この鉛半田接合構造２０は、ワイヤ１０を含芯するように形成された第１半田層２１と、この第１半田層２１を覆いながら第３半田層２４を介して導体１１に密着した第２半田層２２、および第２半田層２２と第２部材１１のはんだ接合面側の間に介在する第３半田層２４とを有している。
【００２２】
この第１半田層２１は、錫−銅系の金属間化合物を主成分とする層である。また、第２半田層２２は、鉛系の合金が主成分（錫、および錫系の金属間化合物が非常に少ない）の半田層である。第３半田層２４は、錫−銀系の金属間化合物を主成分とする層である。
【００２３】
金属間化合物は、一般に硬く、かつ、脆性であり、錫−銅系、および錫−銀系の金属間化合物も同様の性質を持っている。従って、熱サイクルに伴う線膨張率の違いから発生する応力等がワイヤ１０、または導体１１に加わると接合部が脆性破壊等を起こすことがあり、接合の信頼性が低下する恐れがある。
【００２４】
そして、接合材料が上述した鉛半田の場合は、たとえ接合時には金属間化合物の存在が少なくても、利用中に断続的にでも高温状態での曝し時間が増加していくと、徐々に金属間化合物が生成され、かつ、半田自体の結晶粒が粗大化する。
【００２５】
特に、温度差の大きい熱サイクルが加わる宇宙環境では、鉛半田による接合部には金属間化合物が徐々に生成され、その生成過程において、半田自体の結晶粒が粗大化も進行するので、接合の信頼性が低下する。
【００２６】
そこで、本実施形態では、金属間化合物が生成されつくされることで、半田自体の結晶粒粗大化を抑制する点に注目して、接合後であって実用に供する前（製品出荷する前）に、可能な限り金属間化合物を生成させて錫を消費し尽くす。それによってそのあと熱サイクルを受けても金属間化合物が生成しにくくなる。そのため錫と鉛の合金生成に由来する半田自体の結晶粒の粗大化を抑制できる。金属間化合物が生成される際には、錫が消費されるため、錫リッチな層と錫プアな層とが発生する。錫リッチな層は金属間化合物を含有する層に対応した第１半田層２１、および第３半田層２４となる。また、錫プアな層は、鉛リッチな第２半田層２２となる。なお、鉛リッチな第２半田層２２は、鉛が主成分となり、金属間化合物に比べ柔らかい（ヤング率が低い）。
【００２７】
従って、本実施形態にかかる鉛半田接合構造２０は、ワイヤ１０を覆う金属間化合物が主成分の第１半田層２１と、この第１半田層２１を覆う鉛を主成分とする第２半田層２２と、第２半田層２２と第２部材１１の間に存在する金属間化合物が主成分の第３半田層２４により形成されている。
【００２８】
次に、このような鉛半田接合構造２０の製造方法を、図３を参照して説明する。
【００２９】
先ず、図３（ａ）に示すように、ワイヤ１０を導体１１上に配置する。次に、図３（ｂ）に示すように、Ｓｎ１０によりワイヤ１０を導体１１に半田付けする。図３（ａ）では、半田付けした直後の半田層を符号２３で示し、以下この層を単純接合層１２と記載し、その工程を単純接合層形成工程と記載する。
【００３０】
単純接合層１２では、錫や鉛の元素は、概ね接合部全体に均一に分布して存在し、金属間化合物の量も少ない。
【００３１】
単純接合層１２に対して、熱処理（熱処理工程）を行う。この熱処理条件として、熱処理温度が２００℃〜２５０℃、熱処理時間が１５００時間から２０００時間の条件が例示できる。これにより、単純接合層１２に含まれる錫により錫系の金属間化合物が生成される。
【００３２】
図３（ｃ）は、かかる熱処理後の状態を例示した図で、金属間化合物がリッチな第１半田層２１と第３半田層２４、およびこの第１半田層２１、第３半田層２４の形成に錫が供給された錫プア（鉛リッチ）な第２半田層２２とが示されている。第１半田層２１は半田層２３とワイヤ１０が熱処理で反応して生成された錫−銅系の金属間化合物である。また第３半田層２４は半田層２３と導体１１が熱処理で反応して生成された錫−銀系の金属間化合物である。この熱処理により、脆性材である金属間化合物を予め生成してしまう。この熱処理においては、電子装置の使用時にはんだ自体の強度劣化を誘発するほど粗大化した各種結晶粒（金属間化合物、および鉛の含有量が多いα固溶体）が生成しない。
これ加えて、その金属間化合物生成時に発生してしまうカーケンダルボイド(kirkendallvoid)に関しても、長時間にわたる熱処理により減少させることができる。カーケンダルボイドは半田接合に亀裂が入る原因の一つであるが、本実施形態の熱処理を行うことで、電子装置の使用時に新たなカーケンダルボイドが生成されにくくなる。
【００３３】
さらに、半田層２３中の錫は熱処理によって多くは金属間化合物生成に消費されるため、半田層２３は錫プア（鉛リッチ）な第２半田層２２になる。鉛リッチな第２半田層２２は、柔らかいため、ワイヤ１０に熱応力が作用しても、この熱応力を第２半田層２２が吸収する。従って、接合の信頼性低下が抑制できる。
【００３４】
このような鉛半田接合構造は、ワイヤの接合ばかりでなく、例えばＫａ帯以上の周波数帯域のＲＦ信号を伝送させる導波管に適用すると好適である。即ち、このような導波管では、伝送ロスを最小化するために銀めっきを施すが、その導波管と導波管フランジとの接合に、鉛半田接合構造を適用する。これにより、
これまで利用されているアルミニューム材接合に用いられているディップブレイジングに比べてコスト削減及び信頼性向上が可能になる。通常の導波管の生産においては、導波管の素管とフランジをディップブレイジングによりろう接し、その後、銀めっきを施している。
【００３５】
ディップブレイジング炉は高価であり、接合温度も高温であるため、高度な技術を持つ専門業者を必要とする。しかし、本実施形態にかかる接合方法であれば、高価なディップブレイジング炉を必要とすることなく、比較的容易に行うことが可能になる。従って、信頼性の高い接合構造が安価に提供できるようになる。
【００３６】
また、人工衛星搭載用の太陽電池パネルにおいては、太陽電池セル間を直列、および並列に接続する際に用いて好適である。この太陽電池パネルでは、銀又はコバールに銀めっきを施したインタコネクタをセル電極間に溶接により接合している。なお、インタコネクタにて接続された一連のセル群をストリングスと呼ぶ。このストリングス間を接続する配線材の半田付けには、通常、Ｓｎ６２（Ｓｎ：６２％、Ｐｂ：３６％、Ａｇ：２％；融点：１８３℃）が用いられている。そして、このような接続では、約９５℃の温度で、−１６０℃〜９５℃の熱サイクルでの実績はあるものの、約２３０℃の高温で、−１６０℃〜＋２３０℃での熱サイクルが加わる環境下では信頼性がまったく確保できない。そこで、このような接合箇所を上述した接合構造とすることで、接合の信頼性が担保できるようになる。
【符号の説明】
【００３７】
１０    ワイヤ
１１    導体
１２    単純接合層
２０    鉛半田接合構造
２１    第１半田層
２２    第２半田層
２３    半田層
２４    第３半田層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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