(57)【要約】【課題】高温時に接合強度を維持することができる無鉛はんだ、無鉛はんだの製造方法を提供し、さらに、この無鉛はんだを用いて高温階層接続された電子部品を提供することを目的とする。【解決手段】Ｓｎ基合金からなる第１合金相中に、この第１合金相の融点よりも高い融点を有するＳｂ合金からなる第２合金相を含有してなる無鉛はんだを使用することで、高温時に接合強度を維持することができ、高温階層接続が可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｎ基合金からなる第１合金相中に、該第１合金相の融点よりも高い融点を有するＳｂ合金からなる第２合金相を含有してなることを特徴とする無鉛はんだ。
【請求項２】
前記第１合金相が、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｂｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｓｉ、Ｓｒ、Ｔｅ、Ｚｎのいずれか少なくとも１種を含有し、残部がＳｎおよび不可避不純物からなること特徴とする請求項１記載の無鉛はんだ。
【請求項３】
前記第２合金相が、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｂｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｓｉ、Ｓｒ、Ｔｅ、Ｚｎのいずれか少なくとも１種を含有し、残部がＳｂおよび不可避不純物からなることを特徴とする請求項１記載の無鉛はんだ。
【請求項４】
前記第２合金相が、前記第１合金相の中に１〜５０体積％含有されること特徴とする請求項１または３記載の無鉛はんだ。
【請求項５】
前記第２合金相が、粉末からなり、前記第２合金相の粉末の平均粒径が０．１〜２５μｍであることを特徴とする請求項１、３および４のいずれか１項記載の無鉛はんだ。
【請求項６】
前記第１合金相が、粉末からなり、前記第１合金相の粉末の平均粒径が１〜１００μｍであることを特徴とする請求項１、２および４のいずれか１項記載の無鉛はんだ。
【請求項７】
Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｂｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｓｉ、Ｓｒ、Ｔｅ、Ｚｎのいずれか少なくとも１種を含有し、残部がＳｎおよび不可避不純物からなる第１合金の粉末と、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｂｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｓｉ、Ｓｒ、Ｔｅ、Ｚｎのいずれか少なくとも１種を含有し、残部がＳｂおよび不可避不純物からなる第２合金の粉末とを所定の比率で均一に混合し、混合物を作製する混合物作製工程と、
前記混合物に、フラックスを所定の比率で混合し攪拌して、ぺースト状の混合物を作製するぺースト状混合物作製工程と
を具備することを特徴とする無鉛はんだの製造方法。
【請求項８】
Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｂｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｓｉ、Ｓｒ、Ｔｅ、Ｚｎのいずれか少なくとも１種を含有し、残部がＳｎおよび不可避不純物からなる第１合金の粉末と、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｂｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｓｉ、Ｓｒ、Ｔｅ、Ｚｎのいずれか少なくとも１種を含有し、残部がＳｂおよび不可避不純物からなる第２合金の粉末とを所定の比率で均一に混合し、混合物を作製する混合物作製工程と、
前記混合物を冷間または熱間で加圧成形して複合化する複合化工程と、
前記複合化された混合物をフィルム状またはワイヤ状に成形する形成工程と
を具備することを特徴とする無鉛はんだの製造方法。
【請求項９】
Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｂｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｓｉ、Ｓｒ、Ｔｅ、Ｚｎのいずれか少なくとも１種を含有し、残部がＳｎおよび不可避不純物からなる第１合金をフィルム状またはワイヤ状に成形する形成工程と、
Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｂｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｓｉ、Ｓｒ、Ｔｅ、Ｚｎのいずれか少なくとも１種を含有し、残部がＳｂおよび不可避不純物からなる第２合金の粉末を、前記フィルム状またはワイヤ状に成形された第１合金の表面に積層する積層工程と、
前記第２合金の粉末が積層された第１合金を、冷間または熱間で加圧成形または圧延して複合化する複合化工程と
を具備することを特徴とする無鉛はんだの製造方法。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の無鉛はんだを使用して部品を基材に接合したことを特徴とする電子部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器のモジュール実装の際に行われる温度階層によるはんだ接合に有効な無鉛はんだ、無鉛はんだの製造方法および電子部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境保護の観点から環境問題に対する関心が高まりつつある中、産業廃棄物の廃棄量の増大が深刻な問題となっている。産業廃棄物に含まれる、例えば、電力制御計算機の基板、家電製品、パソコンなどには、はんだが使用されており、このはんだから鉛などの有害な重金属が流出することがある。例えば、鉛が流出すると、酸性雨などに作用して鉛を含んだ水溶液を生成し、その水溶液が地下水に侵入することがある。
【０００３】
国内では、１９９８年に家電リサイクル法が成立し、２００１年には家電製品について使用済み製品の回収が義務づけられている。欧州では、電気・電子製品廃棄物ＥＵ指令により、２００４年から鉛を含む特定物質の使用禁止が義務づけられている。このように、鉛の使用に関する法的規制が強化され、鉛フリーはんだの開発が急がれている（例えば、非特許文献１参照。）。また、融点が３００℃前後の高融点はんだも規制対象となっており、高融点無鉛はんだの開発が急がれている（例えば、非特許文献２参照。）。
【０００４】
従来のＳｎ−Ｐｂ系はんだにおいては、高融点はんだとしてＳｎ−９５重量％Ｐｂ（融点；３１０〜３１４℃)、Ｓｎ−９０重量％Ｐｂ（融点；２７５〜３０２℃)などの融点が３００℃程度の材料が使用されているが、これに替わる無鉛はんだは開発されていない。また、従来のＳｎ−Ｐｂ系はんだにおいては、例えば、高融点はんだであるＳｎ−９５重量％Ｐｂ、Ｓｎ−９０重量％Ｐｂなどを３３０〜３５０℃の温度ではんだ付けし、その後、このはんだ付け部を溶融しない温度で接合可能な低融点はんだのＳｎ−３７重量％Ｐｂ（共晶温度１８３℃）を用いて温度階層接続が行われてきた。
【０００５】
このような温度階層接続は、チップをダイボンドするタイプの半導体装置や、フリップチップ接続などの半導体装置などで適用されている。さらに、従来のモジュール実装においては、部品を高融点はんだで１次リフロー後、さらにそのモジュールの端子をプリント基板に低融点はんだで２次リフローすることが行なわれている。
【非特許文献１】Proposal for a Directive of the European Parliament and of the Council on Waste Electrical and Electronic Equipment, Commission of the European Communities, Brussels,13.6.2000)
【非特許文献２】無会厭はんだ実装技術の動向、シャープ技法、第７９号、２００１年４月、ｐ３３〜３６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記したモジュール実装において、例えば、従来の無鉛はんだを用いて、温度階層接続をする場合、部品の耐熱性を越えない温度（例えば２９０℃以下の温度）で、１次リフローし、チップ部品を高融点はんだでモジュール基板に接続して、キャップ封止、または樹脂封止する。その後、Ｓｎ−０．７重量％Ｃｕ（融点；２２７℃）の無鉛はんだで２次リフローすることが要求されているが、この無鉛はんだで２次リフローする場合、はんだ接合温度は２４０〜２５０℃に達する。したがって、既存の無鉛はんだの中で最も高融点はんだであるＳｎ−５重量％Ｓｂ（融点；２３２℃）を１次リフローに用いても、モジュール内のチップ部品のはんだ接合部が２次リフローで再溶融することが避けられないという問題があった。
【０００７】
さらに、モジュール内のチップ部品のはんだ接合部が２次リフローで再溶融すると、チップ部品の位置がずれるなどの問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、高温時に接合強度を維持することができる無鉛はんだ、無鉛はんだの製造方法を提供し、さらに、この無鉛はんだを用いて高温階層接続された電子部品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】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の無鉛はんだは、Ｓｎ基合金からなる第１合金相中に、該第１合金相の融点よりも高い融点を有するＳｂ合金からなる第２合金相を含有してなることを特徴とする。
【００１０】
ここで、第１合金相には、例えば、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｂｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｓｉ、Ｓｒ、Ｔｅ、Ｚｎのいずれか少なくとも１種を含有し、残部がＳｎおよび不可避不純物からなり、融点が１１７〜３５０℃の範囲であるＳｎ基合金が用いられる。
【００１１】
例えば、Ｓｎ基合金として、Ｉｎ：５２重量％、残部：Ｓｎおよび不可避不純物からなるＳｎ合金（融点１１７℃）、Ｂｉ：５７重量％、残部：Ｓｎおよび不可避不純物からなるＳｎ合金（融点１３９℃）、Ｚｎ：９重量％、残部：Ｓｎおよび不可避不純物からなるＳｎ合金（融点１９８℃）、Ｃｕ：４．５重量％、残部：Ｓｎおよび不可避不純物からなるＳｎ合金（固相線２２７℃、液相線３５０℃）などが挙げられる。
【００１２】
また、第２合金相には、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｂｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｓｉ、Ｓｒ、Ｔｅ、Ｚｎのいずれか少なくとも１種を含有し、残部がＳｂおよび不可避不純物からなり、融点が１５５〜６２５℃の範囲であるＳｂ合金が用いられる。
【００１３】
例えば、Ｓｂ合金として、Ｉｎ：９９．３重量％、残部：Ｓｂおよび不可避不純物からなるＳｂ合金（融点１５５℃）、Ｔｅ：８９．５重量％、残部：Ｓｂおよび不可避不純物からなるＳｂ合金（融点４２４℃）、Ｂｉ：５５重量％、残部：Ｓｂおよび不可避不純物からなるＳｂ合金（固相線３５０℃、液相線５００℃）、Ｃｕ：２３．５重量％、残部：Ｓｂおよび不可避不純物からなるＳｂ合金（融点５２６℃）、Ｇｅ：１１重量％、残部：Ｓｂおよび不可避不純物からなるＳｂ合金（融点５９０℃）、Ｃｏ：１．５重量％、残部：Ｓｂおよび不可避不純物からなるＳｂ合金（融点６１８℃）などが挙げられる。
【００１４】
この無鉛はんだによれば、Ｓｎ基合金からなる第１合金相中に、この第１合金相の融点よりも高い融点を有するＳｂ合金からなる第２合金相を含有して無鉛はんだが構成され、第１合金相が溶融状態となる温度において、第２合金粉末を固相に維持してはんだ付けを行うことができる。これによって、はんだ接合部は、第１合金相のぬれ性などの特性を維持したまま、第１合金相に第２合金粉末を均一に分散して含有することができる。
【００１５】
さらに、第１合金相の融点よりも高い融点を有する第２合金粉末を含有することで、例えば、２次リフローを行う際、第１合金相が溶融状態となっても、第２合金粉末は、固相を維持し、第２合金粉末における表面張力により、溶融した第１合金相が外部に流出するのを防止することができる。また、２次リフローを行う際、第２合金粉末は、中心部は固相を維持し、表面は溶融状態となっていてもよい。
【００１６】
この無鉛はんだは、使用される用途を限定されるものではないが、例えば、高温階層接続される電子部品と基板の接合、電子部品同士の接合などの１次リフロー時の高融点はんだとして用いることが好ましい。
【００１７】
本発明の無鉛はんだの製造方法は、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｂｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｓｉ、Ｓｒ、Ｔｅ、Ｚｎのいずれか少なくとも１種を含有し、残部がＳｎおよび不可避不純物からなり、融点が１１７〜３５０℃の範囲である第１合金の粉末と、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｂｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｓｉ、Ｓｒ、Ｔｅ、Ｚｎのいずれか少なくとも１種を含有し、残部がＳｂおよび不可避不純物からなり、融点が１５５〜６２５℃の範囲であるである第２合金の粉末とを所定の比率で均一に混合し、混合物を作製する混合物作製工程と、前記混合物に、フラックスを所定の比率で混合し攪拌して、ぺースト状の混合物を作製するぺースト状混合物作製工程とを具備することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の無鉛はんだの製造方法は、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｂｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｓｉ、Ｓｒ、Ｔｅ、Ｚｎのいずれか少なくとも１種を含有し、残部がＳｎおよび不可避不純物からなり、融点が１１７〜３５０℃の範囲である第１合金の粉末と、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｂｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｓｉ、Ｓｒ、Ｔｅ、Ｚｎのいずれか少なくとも１種を含有し、残部がＳｂおよび不可避不純物からなり、融点が１５５〜６２５℃の範囲であるである第２合金の粉末とを所定の比率で均一に混合し、混合物を作製する混合物作製工程と、前記混合物を冷間または熱間で加圧成形して複合化する複合化工程と、前記複合化された混合物をフィルム状またはワイヤ状に成形する形成工程とを具備することを特徴とする。
【００１９】
さらに、本発明の無鉛はんだの製造方法は、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｂｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｓｉ、Ｓｒ、Ｔｅ、Ｚｎのいずれか少なくとも１種を含有し、残部がＳｎおよび不可避不純物からなり、融点が１１７〜３５０℃の範囲である第１合金をフィルム状またはワイヤ状に成形する形成工程と、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｂｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｓｉ、Ｓｒ、Ｔｅ、Ｚｎのいずれか少なくとも１種を含有し、残部がＳｂおよび不可避不純物からなり、融点が１５５〜６２５℃の範囲であるである第２合金の粉末を、前記フィルム状または
ワイヤ状に成形された第１合金の表面に積層する積層工程と、前記第２合金の粉末が積層された第１合金を、冷間または熱間で加圧成形または圧延して複合化する複合化工程とを具備することを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の電子部品では、上記した本発明の無鉛はんだのいずれかを使用して部品を基材に接合したことを特徴とする。
【００２１】
この発明によれば、上記した本発明の無鉛はんだのいずれかを使用して、例えば、１次リフローなどの高温条件で部品を基材に接合することによって、２次リフローなどの高温階層接続を可能にすることができる。ここで、部品として、例えば、モーターの可変速駆動用インテリジェントパワーモジュールパワー集積モジュール、コンバータ用モジュールなどが挙げられる。これらのパワーモジュールのセラミックス基板は、はんだでＣｕベースに実装され、パワーデバイスチップは、セラッミクス基板に集積される。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の無鉛はんだ、無鉛はんだの製造方法および電子部品によれば、高温時に接合強度を維持することができ、無鉛はんだを用いて高温階層接続された電子部品を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の一実施の形態について説明する。
【００２４】
本発明の無鉛はんだは、母相を構成するＳｎ基合金からなる第１合金相中に、この第１合金相の融点よりも高い融点を有するＳｂ合金からなる第２合金相を含有して構成されている。
【００２５】
第１合金相を形成するＳｎ基合金は、例えば、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｂｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｓｉ、Ｓｒ、Ｔｅ、Ｚｎのいずれか少なくとも１種を含有し、残部がＳｎおよび不可避不純物から構成されている。このＳｎ基合金の融点は、１１７〜３５０℃となるようにＳｎに含有される物質の種類や含有量が設定されている。
【００２６】
ここで、Ｓｎ基合金の融点を１１７〜３５０℃としたのは、汎用合金の中ではＳｎ−Ｉｎ合金が最も融点が低く、Ｓｎ−５２重量％Ｉｎの共晶温度は１１７℃である。
また、Ｓｎ−４．５重量％Ｃｕの固相線２２７℃、液相線３５０℃であり、３５０℃より高い場合には、被はんだ部品の耐熱温度を越え、部品破損のおそれがあるからである。Ｓｎ基合金の融点のさらに好ましい範囲は、１８０〜２６０℃である。
【００２７】
第１合金相は、例えば、粉末で構成されてもよい。この場合、第１合金粉末の平均粒径は、１〜１００μｍの範囲が好ましい。第１合金粉末の平均粒径が１μｍ未満では、表面積が大きいため酸化し易く、微細な粉末は高価である、１００μｍを越えるとはんだ厚さをコントロルすることが困難となるからである。なお、第１合金粉末の粒径は、特に限定されるものではないが、取扱いの容易さや経済的な観点から、さらに好ましい平均粒径は、１０〜５０μｍである。
【００２８】
第２合金相を形成するＳｂ合金は、例えば、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｂｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｓｉ、Ｓｒ、Ｔｅ、Ｚｎのいずれか少なくとも１種を含有し、残部がＳｂおよび不可避不純物から構成されている。このＳｂ合金の融点は、１５５〜６２５℃となるようにＳｂに含有される物質の種類や含有量が設定されている。
【００２９】
ここで、Ｓｂ合金の融点を１５５〜６２５℃としたのは、汎用合金の中ではＳｂ−Ｉｎ合金が最も融点が低く、Ｓｂ−９９．３重量％Ｉｎの共晶温度は１５５℃である。液相線温度６２５℃より高い場合には、第１合金相と表層部の溶融反応のために要する時間が長く、また、合金元素の含有量が多くなるため、材料特性が低下するおそれがあり、材料が高価になるからである。Ｓｂ合金の融点のさらに好ましい範囲は、２５０℃〜５５０℃である。
【００３０】
また、第２合金相は、例えば、粉末で構成されてもよい。この場合、第２合金粉末の平均粒径は、０．１〜２５μｍの範囲が好ましい。第２合金粉末の平均粒径が０．１μｍ未満では、取扱いが難しくさらにコストが高くなり、２５μｍを越えると、第１合金相内に均一に分散させることが難しく、低い含有率で最大の効果を得るのが困難となる。
【００３１】
この第２合金相は、第１合金相中に１〜５０体積％の含有率で含有される。ここで、第１合金相中における第２合金相の含有率を１〜５０体積％としたのは、第２合金相の含有率が１体積％未満では、効果が小さく、５０体積％を超えると融点が高くなり温度の制御が難しくなるからである。
【００３２】
本発明の無鉛はんだは、第１合金粉末、第２合金粉末およびフラックスなどを混合したペースト状の形状を採ることができる。また、無鉛はんだは、第１合金粉末と第２合金粉末とを混合し、冷間または熱間で加圧形成して複合化し、フィルム状やワイヤ状などの所定の形状に形成されたものであってもよい。また、フィルム状やワイヤ状などの所定の形状に形成された無鉛はんだにおいて、第２合金粉末が、例えば表面などに偏倚して複合化されてもよい。
【００３３】
次に、ペースト状、フィルム状およびワイヤ状を有する無鉛はんだについて、図１〜３を参照して説明する。
【００３４】
図１には、ペースト状に形成された無鉛はんだの断面図が示されている。図２には、フィルム状に形成された無鉛はんだの斜視図が示され、また、図３には、ワイヤ状に形成された無鉛はんだの斜視図が示されている。
【００３５】
まず、図１に示されたペースト状に形成されたペースト状無鉛はんだ２０について説明する。
ペースト状無鉛はんだ２０は、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｂｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｓｉ、Ｓｒ、Ｔｅ、Ｚｎのいずれか少なくとも１種を含有し、残部がＳｎおよび不可避不純物からなり、融点が１１７〜３５０℃の範囲であるＳｎ基合金の粉末で形成される第１合金粉末２１と、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｂｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｓｉ、Ｓｒ、Ｔｅ、Ｚｎのいずれか少なくとも１種を含有し、残部がＳｂおよび不可避不純物からなり、融点が１５５〜６２５℃の範囲であるＳｂ合金の粉末で形成される第２合金粉末２２と、固形分を含有するフラックス２３とから構成されている。
【００３６】
第１合金粉末２１と第２合金粉末２２との混合物に混入されるフラックス２３は、はんだと、はんだで接合される部材との間の酸化皮膜を除去し、加熱中に再び酸化するのを防止するものである。このフラックス２３として、一般的に用いられているアミンハロゲン塩または有機酸などの活性化剤が用いられる。また、フラックス２３に含有されるバインダは、高分子材料とアルコールなどから構成される。
【００３７】
このペースト状無鉛はんだ２０におけるフラックス２３の含有率は、１０〜１５重量％の範囲で適宜に設定することができる。フラックス２３の含有率が１０重量％未満では、無鉛はんだと、無鉛はんだで接合される部材との間の酸化皮膜を除去し、加熱中に再び酸化するのを防止する効果が小さく、１５重量％を超える範囲では、その効果の向上を望めない。
【００３８】
また、フラックス２３中における固形分の含有率は、３０〜６０重量％の範囲で適宜に設定することができる。固形分の含有率が３０重量％より小さい場合には、要素部品の表面に塗布または印刷されたはんだの付着状態が不十分となり、６０重量％より大きい場合には、残渣が多くなり、はんだ接合部にボイド欠陥が生じ易いからである。
【００３９】
このペースト状無鉛はんだ２０は、次のように製造される。
まず、第２合金粉末２２を、第１合金粉末２１に対して１〜５０体積％の混合割合で第１合金粉末２１に均一に混合し、混合物を構成する。この混合比は、設定条件などによって、この範囲内で適宜に設定される。続いて、この混合物にバインダを含有したフラックス２３を所定量混入し、均一に攪拌して、ペースト状無鉛はんだ２０が得られる。
【００４０】
このように、無鉛はんだをペースト状にしたことで、固体の無鉛はんだを配置し難い接合部の接合や複雑な形状の部材同士の接合などを、このペースト状無鉛はんだ２０を用いて容易に行うことができる。また、複雑な形状の接合部に、ペースト状無鉛はんだ２０を的確に注入することができるので、はんだ付けの信頼性を向上させることができる。
【００４１】
次に、図２に示されたフィルム状に形成されたフィルム状無鉛はんだ３０について説明する。
フィルム状無鉛はんだ３０は、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｂｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｓｉ、Ｓｒ、Ｔｅ、Ｚｎのいずれか少なくとも１種を含有し、残部がＳｎおよび不可避不純物からなり、融点が１１７〜３５０℃の範囲であるＳｎ基合金で形成される第１合金相３１と、この第１合金相３１に均一に分散して含有され、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｂｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｓｉ、Ｓｒ、Ｔｅ、Ｚｎのいずれか少なくとも１種を含有し、残部がＳｂおよび不可避不純物からなり、融点が１５５〜６２５℃の範囲であるＳｂ合金の粉末で形成される第２合金粉末３２とから構成されている。
【００４２】
このフィルム状無鉛はんだ３０の厚さは、２０〜２００μｍの範囲が好ましい。厚さが、２０μｍより小さい場合には十分な接合強度を得ることが難しく、２００μｍより大きい場合には２００μｍ熱伝導性や電気伝導度が低下するからである。
【００４３】
このフィルム状無鉛はんだ３０は、次のように製造される。
まず、第２合金粉末３２を、第１合金相３１を形成する第１合金粉末に対して１〜５０体積％の混合割合で第１合金粉末に均一に混合し、混合物を構成する。この混合比は、設定条件などによって、この範囲内で適宜に設定される。続いて、この混合物を金型に充填し、加圧および加熱して第１合金粉末と第２合金粉末３２とを一体に融着させて複合材料を得る。続いて、この複合材料を、例えば、圧延加工して、フィルム状無鉛はんだ３０が得られる。
【００４４】
ここで、フィルム状無鉛はんだ３０の他の一例として、第２合金粉末が表面に偏倚して複合化されたフィルム状無鉛の製造方法について説明する。
【００４５】
第１合金相３１を形成する第１合金粉末を金型に充填し、加圧および加熱して第１合金粉末を融着させて複合材料を得る。続いて、複合化した第１合金の表面に、第２合金粉末３２を積層し、圧延加工して、表面に第２合金粉末が偏倚して複合化されたフィルム状無鉛はんだを得ることができる。
【００４６】
次に、図３に示されたワイヤ状に形成されたワイヤ状無鉛はんだ４０について説明する。
ワイヤ状無鉛はんだ４０は、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｂｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｓｉ、Ｓｒ、Ｔｅ、Ｚｎのいずれか少なくとも１種を含有し、残部がＳｎおよび不可避不純物からなり、融点が１１７〜３５０℃の範囲であるＳｎ基合金で形成される第１合金相４１と、この第１合金相４１に均一に分散して含有され、Ａｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｂｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｇｅ、Ｉｎ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｐｄ、Ｓｉ、Ｓｒ、Ｔｅ、Ｚｎのいずれか少なくとも１種を含有し、残部がＳｂおよび不可避不純物からなり、融点が１５５〜６２５℃の範囲であるＳｂ合金の粉末で形成される第２合金粉末４２とから構成されている。
【００４７】
このワイヤ状無鉛はんだ４０は、次のように製造される。
まず、第２合金粉末４２を、第１合金相４１を形成する第１合金粉末に対して１〜５０体積％の混合割合で第１合金粉末に均一に混合し、混合物を構成する。この混合比は、設定条件などによって、この範囲内で適宜に設定される。続いて、この混合物を金型に充填し、加圧および加熱して第１合金粉末と第２合金粉末４２とを一体に融着させて複合材料を得る。続いて、この複合材料を、例えば、引抜き加工して、ワイヤ状無鉛はんだ４０が得られる。
【００４８】
ここで、ワイヤ状無鉛はんだ４０の製造方法は、上記した方法に限られるものではなく、例えば、第１合金粉末と第２合金粉末４２との混合物を所定の形状の金型に詰めて、加圧および加熱して形成することもできる。
【００４９】
また、ワイヤ状無鉛はんだ４０は、第１合金粉末を溶融し、その中に第２合金粉末４２を混合することなどで均一に分散させ、これを所定の形状の金型に流し込み、その後冷却して形成することもできる。なお、溶融した第１合金粉末に、第２合金粉末４２を混合してワイヤ状無鉛はんだ４０を製造する場合には、溶融した第１合金粉末の温度は、第２合金粉末４２の融点よりも低い温度に設定され、第２合金粉末４２は溶融せずに、固体の状態を維持したまま分散される。
【００５０】
また、ワイヤ状無鉛はんだ４０の他の一例として、例えば、次の方法によって、第２合金粉末が表面に偏倚して複合化されたワイヤ状無鉛はんだを製造することができる。
【００５１】
第１合金相４１を形成する第１合金粉末を金型に充填し、加圧および加熱して第１合金粉末を融着させて複合材料を得る。続いて、複合化した第１合金の表面に、第２合金粉末４２を積層し、加圧成形して、表面に第２合金粉末が偏倚して複合化されたワイヤ状無鉛はんだを得ることができる。
【００５２】
上記したように、無鉛はんだは、ペースト状に限らず、フィルム状、ワイヤ状などの形状を採ることができ、無鉛はんだを使用する用途に応じて最適な形態の無鉛はんだを用いることができる。なお、無鉛はんだの形状は、上記した形状に限られるものではなく、適宜に用途に応じて形状を変えて形成することができる。
【００５３】
ここで、第１合金粉末２１、第２合金粉末２２、３２、４２のような無鉛合金を球状または不定形状の粉末に形成する方法の一例を説明する。
【００５４】
まず、無鉛合金を加熱し溶融し、この溶融した混合物を、例えば、Ｎ２ガス、Ｈｅガス、Ａｒガス、Ｎ２／Ａｒ混合ガスなどの不活性ガスを用いたアトマイズ法などによって微粒化し、固化する。このアトマイズ法は、溶融した混合物を不活性ガスとともにノズルから亜音速または超音速で噴射して、不活性ガスのジェット流によって溶融した混合物を微粒化するものである。そして、微粒化された無鉛合金の粉末から、例えば、篩などを用いて所定の範囲の平均粒径を有する粉末が選別される。
【００５５】
微粒化され固化された無鉛合金の粉末は、ノズルから噴射される不活性ガスのジェット流の速度が大きい方がより平均粒径の小さなものとなる。特に、ジェット流が、例えば、音速の２〜３倍程度の超音速状態に達すると、衝撃波による微粒化の効果が加わり、粉末の平均粒径をより小さくすることができる。また、不活性ガスをジェット流として用いるため、粉末の表面における酸化を抑制することができる。不活性ガスの代わりに空気や水を用いることもできるが、空気や水を用いた場合には、粉末の表面の酸化を抑制する効果が小さく、また、特に水を用いた場合には粉末の形状が球状になり難いので、ジェット流には不活性ガスを用いるのが好ましい。
【００５６】
次に、上述した無鉛はんだを使用して接合された接合部について、図４および５を参照して説明する。なお、ここでは、無鉛はんだに上述したペースト状無鉛はんだ２０を利用した場合について説明する。
【００５７】
図４には、ペースト状無鉛はんだ２０を第１要素部材５０と第２要素部材５１との間に設置した状態の断面図が示されている。また、図５には、図４に示した積層接合部材５２をはんだ付けした後のはんだ接合部６０の断面が示されている。
【００５８】
図４に示すように、ペースト状無鉛はんだ２０を第１要素部材５０と第２要素部材５１との間に配置する。そして、この積層接合部材５２を、例えば、大気中または不活性ガス雰囲気中において、ペースト状無鉛はんだ２０を構成する第１合金粉末２１の融点以上の温度に加熱する。そして、第１合金粉末２１を融解した後、冷却工程を経て、図５に示すような断面形状のはんだ接合部６０を得る。
【００５９】
ここで、第１合金粉末２１を融解した状態において、第２合金粉末２２は、第１合金粉末２１よりも融点が高いため、溶融状態とはならず、固相を維持している。したかって、冷却工程を経て凝固した後には、図５に示すように、第１合金粉末２１が溶融して凝固した第１合金相６１中に、第２合金粉末２２がほぼ均一に分散された状態になっている。また、第２合金粉末２２の表面には、第２合金粉末２２を構成するＳｂ合金と第１合金相６１を構成するＳｎ基合金とが合金化反応して形成された金属間化合物相６３が形成される。
【００６０】
また、ペースト状無鉛はんだ２０を使用してはんだ付けされた第１要素部材５０と第２要素部材５１を、例えば、ワイヤボンドするために２次リフローし、第１合金相６１が溶融状態になっても、固相を維持する第２合金粉末２２との表面張力により液相の第１合金相６１が外部に流出するのを防止することができる。
【００６１】
この場合に、第１合金相６１の外部への流出を第２合金粉末２２との表面張力によって防止するためには、第２合金粉末２２が第１合金相６１に均一に分散されていることが好ましい。さらに、粒径の小さい第２合金粉末２２を用いて、第２合金粉末２２の数密度を高めた状態で含有することが好ましい。
【００６２】
なお、ここでは、無鉛はんだとしてペースト状無鉛はんだ２０を使用した一例を示したが、フィルム状無鉛はんだ３０、ワイヤ状無鉛はんだ４０を使用した場合も同様のはんだ接合部を形成する。
【００６３】
また、第１要素部材５０は、例えば、パワーモジュールのＣｕ放熱板などで構成することができ、第２要素部材５１は、例えば、セラミックス基板などの電子部材などで構成することができる。
【００６４】
上記したように、Ｓｎ基合金からなる第１合金相中に、この第１合金相の融点よりも高い融点を有するＳｂ合金からなる第２合金相を含有してなる本発明の無鉛はんだを用いることで、第１合金相が溶融状態となる温度において、第２合金粉末の固相の状態を維持してはんだ付けを行うことができる。これによって、はんだ接合部は、第１合金相のぬれ性などの特性を維持したまま、第１合金相に第２合金粉末を均一に分散して含有することができる。
【００６５】
さらに、第１合金相の融点よりも高い融点を有する第２合金粉末を含有することで、例えば、２次リフローを行う際、第１合金相が溶融状態となっても、第２合金粉末は、固相を維持し、第２合金粉末における表面張力により、溶融した第１合金相が外部に流出するのを防止することができる。
【００６６】
これによって、無鉛はんだを用いても、高温階層接続が可能となり、高温時に接合強度を維持してはんだ付けすることができ、無鉛はんだによるはんだ付けの信頼性を向上させることができる。
【実施例１】
【００６７】
次に、本発明の具体的な実施例について説明する。
【００６８】
（実施例１）
平均粒径２５〜４５μｍのＳｎ−０．７重量％Ｃｕの粉末からなる第１合金粉末と、平均粒径０．１〜１０μｍのＳｂ−２．５重量％Ｃｏの粉末からなる第２合金粉末とを、第１合金粉末と第２合金粉末との体積比が１０対１の割合で均一に混合し、混合物を作製した。続いて、この混合物にバインダを含有したフラックスを混合し、ペースト状無鉛はんだを作製した。なお、ペースト状無鉛はんだにおけるフラックスの含有率は、１２重量％とした。
【００６９】
次に、作製したペースト状無鉛はんだを坩堝に注入し、窒素ガス雰囲気中で昇温速度８０℃／分で溶融試験を行ない、ペースト状無鉛はんだ中に挿入した熱電対により第１合金粉末および第２合金粉末の温度を測定した。また、所定の温度段階におけるペースト状無鉛はんだを冷却後、その断面の観察を行い、第１合金粉末および第２合金粉末の状態の確認を行った。
【００７０】
加熱温度が上昇し２２７℃に達すると、第１合金粉末は、溶融し、融点が６２３℃の第２合金粉末は、固相を維持していた。さらに、加熱温度を上昇させ３００℃に達すると、第１合金粉末の液相が第２合金粉末の表面部と合金化反応し融合したものの、第２合金粉末の中心部は、固相を維持していた。
【００７１】
このように、３００℃の高温において、第１合金粉末は、溶融して液相となり、第２合金粉末は、固相を維持する、液相と固相とが共存した状態が維持されることがわかった。
【００７２】
さらに、本実施例のＳｎ−０．７重量％Ｃｕの粉末からなる第１合金粉末と、Ｓｂ−２．５重量％Ｃｏの粉末からなる第２合金粉末と、フラックスとを均一に混合したペースト状無鉛はんだを使用して、チップと基板を１次リフロー接続した後、Ｓｎ−０．７重量％Ｃｕはんだを用いてチップをダイボンドした。
【００７３】
ダイボンド温度が３００℃に達したものの、１次リフローに用いたペースト状無鉛はんだが、上記したように液相と固相とが共存した状態を維持し、溶融した第１合金粉末が流出することなく、チップと基板の接続を維持することができた。
【００７４】
（実施例２）
平均粒径２５μｍ以下のＳｎ−０．７重量％Ｃｕの粉末からなる第１合金粉末と、平均粒径３μｍ以下のＳｂ−２．５重量％Ｃｏの粉末からなる第２合金粉末とを、第１合金粉末と第２合金粉末との体積比が５対１の割合で均一に混合し、混合物を作製した。続いて、この混合物にフラックスを混合し、ペースト状無鉛はんだを作製した。なお、ペースト状無鉛はんだにおけるフラックスの含有率は、１２重量％とした。
【００７５】
次に、作製したペースト状無鉛はんだを坩堝に注入し、窒素ガス雰囲気中で昇温速度８０℃／分で溶融試験を行ない、ペースト状無鉛はんだ中に挿入した熱電対により第１合金粉末および第２合金粉末の温度を測定した。また、所定の温度段階におけるペースト状無鉛はんだを冷却後、その断面の観察を行い、第１合金粉末および第２合金粉末の状態の確認を行った。
【００７６】
加熱温度が上昇し２２７℃に達すると、第１合金粉末は、溶融し、融点が６２３℃の第２合金粉末は、固相を維持していた。さらに、加熱温度を上昇させ３５０℃に達すると、第１合金粉末の液相が第２合金粉末の表面部と合金化反応し融合したものの、第２合金粉末の中心部は、固相を維持していた。
【００７７】
このように、３５０℃の高温において、第１合金粉末は、溶融して液相となり、第２合金粉末は、固相を維持する、液相と固相とが共存した状態が維持されることがわかった。
【００７８】
さらに、本実施例のＳｎ−０．７重量％Ｃｕの粉末からなる第１合金粉末と、Ｓｂ−２．５重量％Ｃｏの粉末からなる第２合金粉末と、フラックスとを均一に混合したペースト状無鉛はんだを使用して、チップと基板を１次リフロー接続した後、Ｓｎ−０．７重量％Ｃｕはんだを用いてチップをダイボンドした。
【００７９】
ダイボンド温度が３５０℃に達したものの、１次リフローに用いたペースト状無鉛はんだが、上記したように液相と固相とが共存した状態を維持し、溶融した第１合金粉末が流出することなく、チップと基板の接続を維持することができた。
【００８０】
（実施例３）
平均粒径５μｍ以下のＳｎ−０．７重量％Ｃｕの粉末からなる第１合金粉末と、平均粒径１μｍ以下のＳｂ−２．５重量％Ｃｏの粉末からなる第２合金粉末とを、第１合金粉末と第２合金粉末との体積比が１０対１の割合で均一に混合し、混合物を作製した。続いて、この混合物にバインダを含有したフラックスを混合し、ペースト状無鉛はんだを作製した。なお、ペースト状無鉛はんだにおけるフラックスの含有率は、１２重量％とした。
【００８１】
次に、作製したペースト状無鉛はんだを坩堝に注入し、窒素ガス雰囲気中で昇温速度８０℃／分で溶融試験を行ない、ペースト状無鉛はんだ中に挿入した熱電対により第１合金粉末および第２合金粉末の温度を測定した。また、所定の温度段階におけるペースト状無鉛はんだを冷却後、その断面の観察を行い、第１合金粉末および第２合金粉末の状態の確認を行った。
【００８２】
加熱温度が上昇し２２７℃に達すると、第１合金粉末は、溶融し、融点が６２３℃の第２合金粉末は、固相を維持していた。さらに、加熱温度を上昇させ２７５℃に達すると、第１合金粉末の液相が第２合金粉末の表面部と合金化反応し融合したものの、第２合金粉末の中心部は、固相を維持していた。
【００８３】
このように、２７５℃の高温において、第１合金粉末は、溶融して液相となり、第２合金粉末は、固相を維持する、液相と固相とが共存した状態が維持されることがわかった。
【００８４】
さらに、本実施例のＳｎ−０．７重量％Ｃｕの粉末からなる第１合金粉末と、Ｓｂ−２．５重量％Ｃｏの粉末からなる第２合金粉末と、フラックスとを均一に混合したペースト状無鉛はんだを使用して、チップと基板を１次リフロー接続した後、Ｓｎ−０．７重量％Ｃｕはんだを用いてチップをダイボンドした。
【００８５】
ダイボンド温度が３００℃に達したものの、１次リフローに用いたペースト状無鉛はんだが、上記したように液相と固相とが共存した状態を維持し、溶融した第１合金粉末が流出することなく、チップと基板の接続を維持することができた。
【００８６】
（比較例１）
平均粒径２５〜４５μｍのＳｎ−５重量％Ｓｂ（融点:２３２℃）の合金粉末にフラックスを混合し、ペースト状無鉛はんだを作製した。なお、ペースト状無鉛はんだにおけるフラックスの含有率は、１２重量％とした。次に、このペースト状無鉛はんだを使用し、チップと基板を１次リフロー接続した後、Ｓｎ−０．７重量％Ｃｕはんだを用いてチップをダイボンドした。
【００８７】
ダイボンド温度が３００℃まで上昇するに伴ない、溶融したＳｎ−５重量％Ｓｂはんだが外部に流出し、チップと基板の接続状態を維持することができなかった。
【００８８】
この結果と実施例１〜３における結果を比較すると、母相を形成する第１合金粉末に、この第１合金粉末よりも融点の高い第２合金粉末を含有することで、第１合金粉末の融点に達しても、溶融した第１合金粉末が外部に流出するのを防止することができることが明らかになった。これによって、本発明の無鉛はんだを使用したはんだ付けにおいて、高温階層接続が可能となり、高温時に接合強度を維持してはんだ付けすることができることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】ペースト状に形成された無鉛はんだの断面図。
【図２】フィルム状に形成された無鉛はんだの斜視図。
【図３】ワイヤー状に形成された無鉛はんだの斜視図。
【図４】ペースト状無鉛はんだを第１要素部材と第２要素部材との間に設置した状態の断面図。
【図５】図４に示した積層接合部材をはんだ付けした後のはんだ接合部の断面図。
【符号の説明】
【００９０】
２０…ペースト状無鉛はんだ、２１…第１合金粉末、２２…第２合金粉末、２３…フラックス。
【図１】
2005254254.tif 000003
【図２】
2005254254.tif 000004
【図３】
2005254254.tif 000005
【図４】
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【図５】
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