(57)【要約】 【解決課題】  十分な接合強度を有し、低融点（５００℃以下）で各種金属に対する濡れ性も良好なろう材を提供することを目的とする。【解決手段】  本発明は、重量％で、Ａｇ２５〜３７％、Ｓｎ５０〜６８％、Ｃｕ０．５〜７％、Ｎｉ０．５〜３％からなるろう材である。このろう材は、酸素含有量が５〜１００ｐｐｍであるものが好ましく、また、製造工程の脱酸剤に起因するシリコン、チタン、ジルコニウム、イットリウム含有量が５００ｐｐｍ以下となっているものがより好ましい。【選択図】 なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
重量％で、Ａｇ２５〜３７％、Ｓｎ５０〜６８％、Ｃｕ０．５〜７％、Ｎｉ０．５〜３％からなるろう材。
【請求項２】
酸素含有量が５〜１００ｐｐｍである請求項１記載のろう材。
【請求項３】
シリコン、チタン、ジルコニウム、イットリウム含有量が５００ｐｐｍ以下である請求項１又は請求項２記載のろう材。
【請求項４】
アトマイズ法により製造される請求項１〜３のいずれか１項に記載のろう材粉末と、溶媒とからなるろう材ペースト。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のろう材の製造方法であって、
重量％で、Ａｇ２５〜３７％、Ｓｎ５０〜６８％、Ｃｕ０．５〜７％、Ｎｉ０．５〜３％からなる合金インゴットを鋳造する工程と、
前記合金インゴットをインゴットの凝固方向と平行な方法に圧縮加工する工程と、
圧縮加工後のインゴットを加熱して均質化処理する工程と、を含む方法。
【請求項６】
圧縮加工工程の加工率は、３０〜８０％である請求項５記載のろう材の製造方法。
【請求項７】
均質加熱処理は、１５０〜２５０℃で１０〜４８時間加熱処理する工程である請求項５又は請求項６記載のろう材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種金属の接合に適用可能なろう材に関する。詳しくは、従来の銀ろうより低融点であり、その上で濡れ性、加工性に富む銀ろうに関する。
【背景技術】
【０００２】
銀ろうは、硬ろうの中で最も一般的に知られている貴金属ろうであり、各種の鉄鋼、非鉄金属材料の接合に適用可能であり、かつ、接合強度も高いことから広く産業分野で用いられている。銀ろうの用途は最近では、半導体パッケージの封止等、電気・電子材料部品の接合材料としての利用が多いが、この他にも各種構造材料の接合に利用されている。
【０００３】
銀ろうは、従来から各種の組成が知られているが、最も基本的な銀ろうは、銀−銅共晶組成をベースとする銀ろう（７１〜７３ｗｔ％Ａｇ−２７〜２９ｗｔ％Ｃｕ、ＪＩＳ名称：ＢＡｇ−８）である。ただ、この銀ろうは融点も比較的高く（７８０℃）、濡れ性も対象材料によっては不良となる場合があるので、これを基準に種々の添加元素を添加することで特性の改善を図っている。
【０００４】
この改良された銀ろうの一つとしてＪＩＳ  Ｚ  ３２６１で規格されているＢＡｇ−１（４４〜４６ｗｔ％Ａｇ−１４〜２６ｗｔ％Ｃｕ−１４〜１８ｗｔ％Ｚｎ−２３〜２５ｗｔ％Ｃｄ）である。この銀ろうは、ＢＡｇ−８にＺｎ、Ｃｄを添加することで融点の低下及び濡れ性の改善を図ったものである。この銀ろうは、融点６２０℃と銀ろうの中で最も融点が低く、また、濡れ性も材料を選ぶことなく良好である。
【０００５】
しかし、この銀ろうは、Ｚｎ、Ｃｄを含んでおり、これらの元素を含有するろう材は、雰囲気炉での接合に不向きである。これは、加熱中にＺｎ、Ｃｄがベーパライズすることによるものであるが、Ｚｎ、Ｃｄが炉内を汚染し炉の劣化を促進することに加え、ろう材の組成が変化することにより良好な接合部が得られないことによるものである。従って、この銀ろうを用いた接合では、大気中でフラックスを使用した上での作業が必要となるが、これは工程管理が煩雑となり、効率的な接合作業が困難となる。更に、Ｃｄは人体への影響を考慮すると好ましい添加元素ではない。
【０００６】
これに対し、例えば、特許文献１に記載された銀ろうのように、Ｚｎ、Ｃｄを含有することのないろう材も知られている。この銀ろうは、ＡｇにＩｎ及びＳｎを含有させたものであり、Ｚｎ、Ｃｄの添加なしに実用化可能なものを提供する。
【特許文献１】特開平８−５７６８２号公報
【０００７】
しかしながら、これらの銀ろうの融点は６００℃を超える高温である。従って、電子部品等の高温下に晒されることが好ましくない被接合材へ適用するには注意が必要であり、総合的にみて実用性に欠けるところがあった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は以上のような背景の下になされたものであり、十分な接合強度を有し、低融点で各種金属に対する濡れ性も良好なろう材を提供することを目的とする。具体的には、融点が５００℃以下で、各種材料への濡れ性及び加工性の良好なろう材を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は鋭意検討を行い、上記課題を解決することのできる成分系として、Ｓｎを主成分とするＳｎ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｎｉ系合金からなるろう材を見出し、更に、それらの元素の適正な含有量を検討することで本発明に想到した。
【００１０】
即ち、本発明は、重量％で、Ｓｎ５０〜６８％、Ａｇ２５〜３７％、Ｃｕ０．５〜７％、Ｎｉ０．５〜３％からなるろう材である。
【００１１】
本発明者の検討によれば、ろう材の低融点化は、その成分としてＳｎを主体とすることで可能となる。また、Ａｇはろう材の融点を高温側へ調整するのに効果的であると共に、Ａｕと異なりＳｎと合金化しても加工性を損なわないという効果がある。従って、融点のみを考慮するのであれば、Ａｇ濃度を調整したＳｎ−Ａｇ系合金でも、所望の融点のろう材とすることができる。しかし、本発明者の検討では、Ａｇ−Ｓｎ系ろう材は濡れ性が悪く、特に、電子部品パッケージで使用されているコバール（Ｆｅ−Ｎｉ系合金）に対しては濡れ性が良くないという問題が見出されている。また、Ｓｎ−Ａｇ系ろう材により形成される接合部は、硬度が比較的低いため接合強度が不十分であるという問題もある。そこで、本発明者は、Ｓｎ−Ａｇ系ろう材にＣｕ、Ｎｉを複合的に添加することで濡れ性及び接合強度等の種々の特性を改良することとした。ここで、Ｃｕは濡れ性の改善に寄与する成分であり、Ｎｉは濡れ性及び溶融時のろう材の広がりを改善すると共に、凝固後の接合部の硬度を上昇させるという効果がある。
【００１２】
そして、本発明者は、Ｓｎ−Ｃｕ−Ａｇ−Ｎｉ系のろう材において、各成分の含有量を適当な範囲とすることで、特に好ましい特性を有するろう材となるとして本発明とした。まず、Ａｇを２５〜３７％とするのは、Ａｇが２５重量％未満であると融点が低くなり過ぎるからであり、６８重量％をこえると融点が高くなりすぎることに加え、ろう材のコスト高を招くからである。一方、濡れ性確保のために添加するＣｕの含有量を０．５〜７重量％とするのは、０．５重量％未満では濡れ性改善の効果がないからであり、７重量％を超えるとＳｎＣｕ金属間化合物を生成しろう材の加工性が悪化することとなるからである。また、濡れ性改善及び接合強度確保のために添加されるＮｉは、０．５〜３重量％とする。０．５重量％未満では濡れ性改善の効果がないからであり、３重量％を超えると硬すぎて加工性が悪化するためである。
【００１３】
また、本発明に係るろう材は、酸素含有量が５〜１００ｐｐｍであることが好ましい。１００ｐｐｍを超える酸素を含有する場合、本発明に係るろう材を用いた接合において種々の不都合が生じる。例えば、接合材料がコバールのようなＦｅ、Ｎｉを含む材料である場合、接合部材が酸化しやすくなったり、ろう流れが悪化するときがある。また、接合を水素炉中で行う場合、雰囲気中の水素とろう材中の酸素とが反応しろう材のスパッタ現象が生じ、ろうが飛散して電子回路のショートの要因となる。一方、５ｐｐｍ未満の酸素含有量は制御が困難でありろう材のコストを上昇させることとなる。
【００１４】
更に、本発明に係るろう材は、シリコン、チタン、ジルコニウム、イットリウム含有量が５００ｐｐｍ以下であることが好ましい。これらの元素は、ろう材の原料となる合金インゴットの鋳造時に脱酸剤として添加されるが、ろう材のろう流れを悪化させることからその濃度をできるだけ低減することが好ましい。尚、これらの元素が混入しないようにするためには、合金インゴットの鋳造を真空溶解により行うことで対応できる。
【００１５】
本発明に係るろう材は、板状、粒状の形態で使用することができる。また、粉末としてこれを溶剤と混合しペーストとしても使用可能である。粉末はアトマイズ法により製造したものが好ましい。
【００１６】
本発明に係るろう材の製造は、上記組成（Ａｇ２５〜３７重量％、Ｓｎ５０〜６８重量％、Ｃｕ０．５〜７重量％、Ｎｉ０．５〜３重量％）の合金インゴットを鋳造後、所定形状に成型することで製造可能である。但し、この組成範囲にある合金は、液相線と固相線が比較的離れており凝固時に偏析が生じやすい。そして、偏析により鋳造後の加工において割れが生じやすくなる。この偏析の発生を抑制する方法としては、鋳造の工程において溶湯を急冷することが挙げられる。これは箔状のろう材を製造する際に有効である。
【００１７】
製造効率を考慮すれば、大型のインゴットを適宜加工することであるが、これでは急冷は困難である。そこで、より工業的な方法として、合金インゴットをその凝固方向と平行な方法に圧縮加工し、圧縮加工後のインゴットを加熱して均質化処理することで、偏析が生じても均一な組織として加工が容易となる。
【００１８】
この圧縮加工の加工率は、３０％〜８０％の強加工とするのが好ましい。その後の均質化処理の効果を高めるためである。また、この圧縮加工としては、プレス加工、スェージング等があり、あらかじめ１５０〜２５０℃に加熱した温間加工によるものが好ましい。
【００１９】
また、均質化処理は、窒素、アルゴン等の不活性ガス、水素雰囲気下で、１５０〜２５０℃の温度で１０〜４８時間加熱するのが好ましい。２５０℃超又は４８時間超の熱処理は高温、長時間に見合った効果がみられず作業性が低下するからであり、１５０℃未満、１０時間未満では均質化の効果が生じないからである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係るろう材は、融点が５００℃以下であり、従来の銀ろうよりも低くなっており、接合強度も十分なものが得られる。また、溶融時に揮発するおそれのあるＺｎ等の元素を含有していないので雰囲気炉中での接合が可能となっている。更に、本発明に係るろう材は、濡れ性、溶融時の濡れ広がり性も良好である。そして、本発明係るろう材は加工性に優れており、接合部材の形状、用途に合わせて加工することが可能となる。以上の効果は、Ｓｎ−Ａｇ合金にＣｕ及びＮｉを複合的に添加することにより達成するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。本実施形態では、種々の組成のＳｎ−Ｃｕ−Ａｇ−Ｎｉ系ろう材を製造し、その融点、加工性、濡れ性を比較検討した。
【００２２】
ろう材の製造は、各成分が所定の組成となるように溶解鋳造して合金インゴットを製造した後、インゴットを温間スェージングにて圧縮加工した。この加工は温度２１０℃で加工率７０％で行なった。圧縮加工後、窒素雰囲気下で２５０℃で２４時間加熱して均質化処理を行なった。以上のようにして製造した合金インゴットを複数回圧延加工して薄板状（１ｍｍ未満を目標とした）のろう材とした。
【００２３】
製造した各組成のろう材は、加工限界率（加工性）、融点（固相線、液相線）を評価、測定し、更に、濡れ性を評価した。加工性の評価は、上記圧延工程において、割れが発生した際に、圧延前後の板厚の減少率を求めこれを評価した。具体的には加工限界率４５％以上を合格とした。また、濡れ性の評価は、表面清浄したコバール、ニッケル、銅の３種の母材に、０．１ｇのろう材を静置し、これを治具にて水平に固定して石英管に挿入しこれらを水素雰囲気下で融点＋３０℃で加熱し、ろう材が溶融したら徐冷してろう材の広がり具合を目視にて観察して評価した。以上の特性の評価結果を表１に示す。
【００２４】
【表１】
2005138152.tif 000002
【００２５】
表１から、Ｓｎを主成分とすることで融点の低下の効果は、いずれの試料でもみられる。しかし、加工性、濡れ性を考慮すると、各成分の濃度を本発明の範囲内にすることが好ましい。また、Ｃｕ、Ｎｉの添加効果は濡れ性の改善に寄与することが確認できる。
【００２６】
次に、製造したろう材（試料１〜１０）について、接合強度を評価した。接合強度は、銅、ニッケルを接合部材とし、２枚の接合部材をろう材（長さ１０ｍｍ、幅２ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍ）で継手接合して、これを引張り、破断時のせん断強度を測定し、これを接合強度として評価した。この結果を表２に示す。
【００２７】
【表２】
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【００２８】
表２から、本発明の範囲内のろう材は、接合強度が４５ｋＮ／ｍｍ２以上となっている。これに対し、一般的なろう材であるはんだ（Ｐｂ−Ｓｎ合金）の接合強度は、接合材がＣｕ、Ｎｉの場合共に約４０ｋＮ／ｍｍ２である。本発明に係るろう材は、はんだと同等又はそれ以上の接合強度を有し、強度面からの実用性も有することが確認できた。