(57)【要約】【課題】凹部や孔部などの複雑なはんだ接合部を有する要素部材などのはんだ付けにおいて、凝固収縮によるボイド欠陥の発生を防止することができ、機械的特性、濡れ性などにも優れたはんだ材料、はんだ材料の製造方法およびはんだ付け方法を提供すること目的とする。【解決手段】はんだ材料は、ＳｎまたはＳｎ合金からなる第１はんだ粉末１１と、第１はんだ粉末１１の中に、融点が第１はんだ粉末１１を形成する金属の融点以下で、かつＢｉを５０重量％以上含有するＢｉ合金またはＳｂを６重量％以上含有するＳｂ合金のいずれか少なくとも一種からなり、表面が第２はんだ粉末１２よりも融点の高い反応抑制境界膜１３で覆われた第２はんだ粉末１２とを具備する。これによって、はんだ部材内の内部応力の発生が抑制され、ボイド欠損の発生などを防止することができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｎまたはＳｎ合金からなる第１はんだ相と、
前記第１はんだ相の中に、融点が前記第１はんだ相を形成する金属の融点以下で、かつＢｉを５０重量％以上含有するＢｉ合金またはＳｂを６重量％以上含有するＳｂ合金のいずれか少なくとも一種からなる第２はんだ相と、
前記第１はんだ相と前記第２はんだ相の境界に存在する少なくとも前記第２はんだ相よりも融点の高い反応抑制境界膜と
を具備することを特徴とするはんだ材料。
【請求項２】
前記第２はんだ相が、前記第１はんだ相の中に５〜５０体積％含有されることを特徴とする請求項１記載のはんだ材料。
【請求項３】
前記第２はんだ相が、粉末からなり、前記第２はんだ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または２記載のはんだ材料。
【請求項４】
前記第１はんだ相が、粉末からなり、前記第１はんだ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乃至３のいずれか１項記載のはんだ材料。
【請求項５】
前記反応抑制境界膜が、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｚｎ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ合金、Ｎｉ合金、Ｃｒ合金、Ａｌ合金、Ｚｎ合金、Ａｕ合金およびＡｇ合金のいずれか少なくとも一種からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のはんだ材料。
【請求項６】
前記反応抑制境界膜が、前記第２はんだ相の表面に形成されたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載のはんだ材料。
【請求項７】
前記反応抑制境界膜の厚さが、１０ｎｍ〜１０μｍであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載のはんだ材料。
【請求項８】
Ｂｉを５０重量％以上含有するＢｉ合金またはＳｂを６重量％以上含有するＳｂ合金のいずれか少なくとも一種からなる第２はんだ相の粉末の表面に反応抑制境界膜を形成する境界膜形成工程と、
前記第２はんだ相の粉末と平均直径が１〜１００μｍでＳｎまたはＳｎ合金からなる第１はんだ相の粉末とを所定の比率で均一に混合された混合物を作製する混合物作製工程と、
前記混合物に、フラックスおよびバインダ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はんだ材料の製造方法。
【請求項９】
前記ぺースト状の混合物において、前記フラックスの含有率が５〜１０重量％、前記バインダの含有率が５〜２０重量％であることをを特徴とする請求項８記載のはんだ材料の製造方法。
【請求項１０】
Ｂｉを５０重量％以上含有するＢｉ合金またはＳｂを６重量％以上含有するＳｂ合金のいずれか少なくとも一種からなる第２はんだ相の粉末の表面に反応抑制境界膜を形成する境界膜形成工程と、
前記第２はんだ相の粉末と平均直径が１〜１００μｍでＳｎまたはＳｎ合金からなる第１はんだ相とを所定の比率で均一に混合された混合物を作製する混合物作製工程と、
前記混合物を加圧および加熱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成形工程と
を具備することを特徴とするはんだ材料の製造方法。
【請求項１１】
請求項８記載のはんだ材料の製造方法によって製造された第１はんだ相および第２はんだ相を有するはんだ材料を用いたはんだ付け方法であって、
表面に凹部を有する第１部材の表面に、前記はんだ材料を塗布する塗布工程と、
前記第１部材の表面に塗布された前記はんだ材料の上に第２部材を積層配置する第２部材配置工程と、
前記第２部材配置工程を経て積層された積層部材を大気中または不活性ガス雰囲気中において、前記第１はんだ相の融点以上の温度に加熱する加熱工程と
を具備することを特徴とするはんだ付け方法。
【請求項１２】
請求項８記載のはんだ材料の製造方法によって製造された第１はんだ相および第２はんだ相を有するはんだ材料を用いたはんだ付け方法であって、
表面に凹部を有する第１部材の該凹部に、前記はんだ材料を注入する注入工程と、
前記はんだ材料が注入された前記凹部に、前記凹部の溝の深さ方向に第２部材を挿入する第２部材挿入工程と、
前記第２部材挿入工程を経て構成された接合部材を大気中または不活性ガス雰囲気中において、前記第１はんだ相の融点以上の温度に加熱する加熱工程と
を具備することを特徴とするはんだ付け方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱膨張係数が大きい要素部品、凹部や孔部を有する要素部品などのはんだ付けに有益なはんだ材料、はんだ材料の製造方法およびはんだ付け方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００４】
はんだは、エレクトロニクス製品において複数の要素部品を機械的かつ電気的に接続する重要な役割を担っている。エレクトロニクス製品は、熱サイクル、機械的衝撃、機械的振動などを伴う厳しい環境下で使用されるため、材料物性が異なる複数の要素部品をはんだ接合するに際して種々の課題を有している。
【０００５】
例えば、熱膨張係数の差が大きなセラミックス基板とＣｕベースとをはんだ接合する場合、はんだ接合部において十分な放熱特性を確保することができないため、歪みの差による残留応力が生じ、Ｃｕベースが変形し、周辺の要素部品との整合が取れないことがあった。また、残留応力を生じるＣｕベースでは、材料疲労が進み、最終的に製品寿命に至ることがあった。さらに、凹部や孔部を有する要素部品をはんだ接合する場合、凹部や孔部に含浸した溶融はんだ材料が冷却過程で凝固収縮するため、凝固部にいわゆる引け巣と呼ばれる空隙部を生じることがあった。
【０００６】
また、従来の鉛フリーはんだは、溶融はんだ材料が冷却過程で凝固収縮するのを抑制するために、凝固時に体積膨張する、例えば、Ｂｉなどの金属とＳｎなどの共晶合金で構成されることがあった（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平９−２７７０８２号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、従来の鉛フリーはんだでは、はんだ接合部において十分な放熱特性を確保することができないため、歪みの差による残留応力が生じ、周辺の要素部品との整合が取れないという問題があった。また、従来の鉛フリーはんだでは、冷却過程における鉛フリーはんだの凝固収縮により、凝固部に引け巣などの不可避なボイド欠陥を生じることがあった。このボイド欠陥により、はんだ接合部の機械的性質、電気伝導率、熱伝導率などが低下し、接続した要素部品の要求性能や信頼性を十分に確保することができないという問題があった。さらに、溶融はんだ材料が冷却過程で凝固収縮するのを抑制するために、ＳｎにＢｉを含有させた、例えば、共晶合金では、Ｂｉの凝固膨張効果を得るために、Ｂｉを５０重量％以上含有しなければならず、はんだの機械的特性、濡れ性などが低下するという問題があった。
【０００９】
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、凹部や孔部などの複雑なはんだ接合部を有する要素部材などのはんだ付けにおいて、凝固収縮によるボイド欠陥の発生を防止することができ、機械的特性、濡れ性などにも優れたはんだ材料、はんだ材料の製造方法およびはんだ付け方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のはんだ材料は、ＳｎまたはＳｎ合金からなる第１はんだ相と、前記第１はんだ相の中に、融点が前記第１はんだ相を形成する金属の融点以下で、かつＢｉを５０重量％以上含有するＢｉ合金またはＳｂを６重量％以上含有するＳｂ合金のいずれか少なくとも一種からなる第２はんだ相と、前記第１はんだ相と前記第２はんだ相の境界に存在する少なくとも前記第２はんだ相よりも融点の高い反応抑制境界膜とを具備することを特徴とする。
【００１１】
本発明のはんだ材料の製造方法は、Ｂｉを５０重量％以上含有するＢｉ合金またはＳｂを６重量％以上含有するＳｂ合金のいずれか少なくとも一種からなる第２はんだ相の粉末の表面に反応抑制境界膜を形成する境界膜形成工程と、前記第２はんだ相の粉末と平均直径が１〜１００μｍでＳｎまたはＳｎ合金からなる第１はんだ相の粉末とを所定の比率で均一に混合された混合物を作製する混合物作製工程と、前記混合物に、フラックスおよびバインダ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。
【００１２】
また、本発明のはんだ材料の製造方法は、Ｂｉを５０重量％以上含有するＢｉ合金またはＳｂを６重量％以上含有するＳｂ合金のいずれか少なくとも一種からなる第２はんだ相の粉末の表面に反応抑制境界膜を形成する境界膜形成工程と、前記第２はんだ相の粉末と平均直径が１〜１００μｍでＳｎまたはＳｎ合金からなる第１はんだ相とを所定の比率で均一に混合された混合物を作製する混合物作製工程と、前記混合物を加圧および加熱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成形工程とを具備することを特徴とする。
【００１３】
本発明のはんだ付け方法は、上記したペースト状のはんだ材料を製造する方法によって製造された第１はんだ相および第２はんだ相を有するはんだ材料を用いたはんだ付け方法であって、表面に凹部を有する第１部材の表面に、前記はんだ材料を塗布する塗布工程と、前記第１部材の表面に塗布された前記はんだ材料の上に第２部材を積層配置する第２部材配置工程と、前記第２部材配置工程を経て積層された積層部材を大気中または不活性ガス雰囲気中において、前記第１はんだ相の融点以上の温度に加熱する加熱工程とを具備することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明のはんだ付け方法は、上記したペースト状のはんだ材料を製造する方法によって製造された第１はんだ相および第２はんだ相を有するはんだ材料を用いたはんだ付け方法であって、表面に凹部を有する第１部材の該凹部に、前記はんだ材料を注入する注入工程と、前記はんだ材料が注入された前記凹部に、前記凹部の溝の深さ方向に第２部材を挿入する第２部材挿入工程と、前記第２部材挿入工程を経て構成された接合部材を大気中または不活性ガス雰囲気中において、前記第１はんだ相の融点以上の温度に加熱する加熱工程とを具備することを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態について説明する。
【００１６】
図１には、本発明のはんだ材料の一例を示す。
本発明のはんだ材料１０は、母相を構成するＳｎまたはＳｎ合金からなる第１はんだ粉末１１、第２相を構成するＢｉ合金またはＳｂ合金からなる第２はんだ粉末１２を含有している。この第２はんだ粉末１２の表面は、反応制御境界膜１３で覆われている。また、図１に示したはんだ材料１０は、第１はんだ粉末１１と第２はんだ粉末１２とを均一に混合した混合物に、フラックスおよびバインダが混在されたペースト状のはんだ材料である。
【００１７】
このはんだ材料を用いたはんだ付け後の断面は、図２に示すように、第１はんだ粉末１１が融解し、凝固して形成された母相１４と、第２はんだ粉末１２が融解し、凝固して形成された第２相１５とにより構成される。
【００１８】
第１はんだ粉末１１は、ＳｎまたはＳｎ合金で構成され、Ｓｎ合金の場合、合金中のＳｎの含有率は、合金に求められる機械的特性、融点などによって、適宜に設定される。また、第１はんだ粉末１１の平均粒径は、１〜１００μｍの範囲が好ましい。第１はんだ粉末１１の平均粒径が１μｍ未満では、取扱いが難しくさらにコストが高くなり、１００μｍを越えると、第２はんだ粉末１２を均一に分散させることが難しく母相１４の熱収縮を緩和する効果を十分に発揮できないことがある。また、第１はんだを粉末にすることによって、第２はんだ粉末１２との混合比などを容易に調製することができる。
【００１９】
第２はんだ粉末１２は、凝固時に膨張する性質を有するＢｉ合金またはＳｂ合金などで構成される。第２はんだ粉末１２の平均粒径は、１〜１００μｍの範囲が好ましい。第２はんだ粉末１２の平均粒径が１μｍ未満では、取扱いが難しくさらにコストが高くなり、１００μｍを越えると、母相１４内に均一に分散させることが難しく母相１４の熱収縮を緩和する効果を十分に発揮できないことがある。
【００２０】
第２はんだ粉末１２にＢｉ合金を用いる場合、Ｂｉ合金中のＢｉの含有率は、５０重量％以上であれば良く、５８重量％以上がより好ましい。Ｂｉの含有率が５０重量％未満では、Ｂｉ合金の凝固膨張が小さいため母相１４の熱収縮を緩和する効果が小さく、４８重量％未満では、その効果がほとんど得られない。
【００２１】
また、第２はんだ粉末１２にＳｂ合金を用いる場合、Ｂｉ合金を用いる場合と同様に、Ｓｂ合金中のＳｂの含有率は、６重量％以上であれば良く、２２重量％以上がより好ましい。Ｓｂの含有率が６重量％未満では、Ｓｂ合金の凝固膨張が小さいため母相１４の熱収縮を緩和する効果が小さい。
【００２２】
また、フラックス、バインダを含むはんだ材料中の第２はんだ粉末１２の含有率は、熱膨張係数に基づいて算出したはんだ接合する要素部品の熱収縮量、はんだを供給する要素部品の凹部や孔部の大きさやはんだ母材の合金の性質から算出したはんだ材料の凝固収縮量によって適宜に設定される。本発明のはんだ材料においては、第２はんだ粉末１２の含有率は、５〜５０体積％の範囲が好ましい。第２はんだ粉末１２の含有率が、５体積％未満では母相１４の熱収縮を緩和する効果が小さく、５０体積％越えても適用できるが、さらなる効果の向上を望めない。
【００２３】
また、第２はんだ粉末１２は、第１はんだ粉末１１の融点よりも低い融点の金属または合金で構成されている。また、第２はんだ粉末１２の金属の種類、組成などは、第１はんだ粉末１１に対応して、第１はんだ粉末１１よりも低い融点になるように適宜に選定される。これによって、母相１４の凝固収縮に対する緩和効果を最大限に発揮させることができる。
【００２４】
第２はんだ粉末１２の表面に形成される反応制御境界膜１３は、第２はんだ粉末１２を構成する材料の融点より高い融点を有する金属で形成される。反応制御境界膜１３を形成する金属は、例えば、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｚｎ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ合金、Ｎｉ合金、Ｃｒ合金、Ａｌ合金、Ｚｎ合金、Ａｕ合金およびＡｇ合金のいずれか少なくとも一種から適宜に選定される。また、反応制御境界膜１３は、第１はんだ粉末１１を構成する材料の融点より高い融点を有する金属が好ましいが、第１はんだ粉末１１および第２はんだ粉末１２の融解時に、融解した第１はんだ粉末１１と融解した第２はんだ粉末１２とが、拡散または合金反応を生じさせないものであればよい。この条件を満たせば、反応制御境界膜１３は、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＴｉＣ、ＴｉＯ２などのセラミックスや、熱可塑性樹脂などの樹脂によって形成されてもよい。
【００２５】
反応制御境界膜１３は、第２はんだ粉末１２の表面に、無電解メッキ法などによって形成される。また、反応制御境界膜１３は、ゾル・ゲル法によって形成されてもよい。ゾル・ゲル法では、例えば、金属アルコキシドを原料としたアルミナゾルに第２はんだ粉末１２を浸漬させ、続いて乾燥させることで金属皮膜を第２はんだ粉末１２の表面に形成することができる。反応制御境界膜１３の形成方法はこれらに限られるものではないが、これらの無電解メッキ法やゾル・ゲル法を用いることによって、経済的に反応制御境界膜１３を形成することができる。
【００２６】
反応制御境界膜１３の厚さは、１０ｎｍ〜１０μｍの範囲ではんだ材料の要求特性に応じて適宜に設定されるものである。反応制御境界膜１３の厚さは、１０ｎｍ以上であれば母相１４と第２相１５との拡散または合金反応を防止することができ、１０μｍを越えると反応制御境界膜１３の形成時間が長くなり不経済的である。反応制御境界膜１３の厚さのより好ましい範囲は、５０ｎｍ〜５μｍである。
【００２７】
第１はんだ粉末１１と第２はんだ粉末１２との混合物に混入されるフラックスは、はんだ材料とはんだ材料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。フラックス、バインダを含むはんだ材料中のフラックスの含有率は、５〜１０重量％の範囲で適宜に設定することができる。フラックスの含有率が５重量％未満では、はんだ材料とはんだ材料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、１０重量％を超える範囲では、その効果の向上を望めない。
【００２８】
第１はんだ粉末１１と第２はんだ粉末１２と混合されるバインダは、高分子材料とアルコールとから構成される。フラックス、バインダを含むはんだ材料中のバインダの含有率は、５〜２０重量％の範囲で適宜に設定することができる。バインダの含有率が５重量％未満では、要素部品の表面に塗布または印刷されたはんだ材料の付着状態が不十分となり、２０重量％を超える範囲では、バインダがはんだ部材から流出し、作業効率が低下することなどがある。
【００２９】
このはんだ材料によれば、凝固時に膨張する性質を有する第２はんだ粉末１２を第１はんだ粉末１１に含有させることで、第１はんだ粉末１１が融解した母相１４の凝固時における熱収縮を、第２はんだ粉末１２が融解した第２相１５の凝固時における膨張によって緩和することができる。これによって、はんだ部材内の内部応力の発生が抑制され、ボイド欠損の発生を防止することができる。また、第２相１５が反応制御境界膜で覆われているため、母相１４と第２相１５との間において拡散または合金反応を伴わないので、母相１４と第２相１５それぞれの濡れ性などの物理的特性を維持することができる。
【００３０】
このはんだ材料の製造方法によれば、ペースト状のはんだ材料を製造することができ、製造されたはんだ材料は、固体のはんだ材料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に用いるのに適している。また、このはんだ材料を、複雑な形状の接合部でも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。
【００３１】
次に、はんだ材料１０の製造方法の一例を示す。
まず、第２はんだ粉末１２の反応制御境界膜１３を形成する材料を選択し、第２はんだ粉末１２の表面に、無電解メッキ法などによって、反応制御境界膜１３を形成する。
【００３２】
反応制御境界膜１３が被覆された所定量の第２はんだ粉末１２と所定量の第１はんだ粉末１１とを均一に混合し、混合物を構成する。続いて、その混合物に所定量のフラックスおよびバインダを混入し、均一に攪拌して、はんだ材料１０を得る。
【００３３】
このはんだ材料の製造方法によれば、フィルム状またはワイヤ状のはんだ材料を製造することができる。この製造方法を用いることで、用途に応じて最適な形態のはんだ材料を提供することができる。
【００３４】
図３には、上述した方法により得られたはんだ材料１０を、平板で構成された第１要素部材２０と接合面に凹部を有する平板で構成された第２要素部材２１との間に配置した状態の接合部材２２が示されている。この接合部材２２を、例えば、大気中または不活性ガス雰囲気中において、第１はんだ粉末１１の融点以上の温度に加熱する。加熱されることによって融解した第１はんだ粉末１１および第２はんだ粉末１２は、冷却工程を経て、図４に示すような断面形状のはんだ接合部３０を得る。なお、図４に示したはんだ接合部３０の断面形状は、図４のＡで示す領域を詳細に示したものである。
【００３５】
図４に示すように、第２はんだ粉末１２が融解し凝固した第２相１５は、第１はんだ粉末１１が融解し凝固した母相１４中にほぼ均一に分散している。また、第２相の表面は、反応制御境界膜１３によって覆われている。本発明のはんだ材料１０を用いた接合では、母相１４が凝固およびその後の冷却過程において熱収縮する際に、第２相１５が凝固膨張し、はんだ接合部３０における内部応力の発生が抑制される。これによって、図５に示すような従来のはんだ接合部３１に発生していた引け巣３２の発生を防止することができる。また、母相１４では、母相１４を構成する第１はんだ粉末１１の濡れ性などの物理的特性が維持されるので、第１要素部材２０および第２要素部材２１の接合面と母相１４との接合を最適に行うことができる。さらに、はんだ接合部においては、母相１４を構成する第１はんだ粉末１１の機械的特性をほぼ維持することができる。
【００３６】
このはんだ付け方法によれば、凝固時に膨張する性質を有する第２はんだ粉末１２を第１はんだ粉末１１に含有させることで、第１はんだ粉末１１が融解した母相１４の凝固時における熱収縮を、第２はんだ粉末１２が融解した第２相１５の凝固時における膨張によって緩和することができる。これによって、はんだ部材内の内部応力の発生が抑制され、ボイド欠損の発生を防止することができる。また、第２相１５が反応制御境界膜で覆われているため、母相１４と第２相１５との間において拡散または合金反応を伴わないので、母相１４と第２相１５それぞれの濡れ性などの物理的特性を維持することができ、第１要素部材２０および第２要素部材２１の接合面とはんだ材料との接合を最適に行うことができる。
【００３７】
次に、はんだ材料１０を用いて２つの部材を接合する他の例を図６に示す。
図６には、上述した方法により得られたはんだ材料１０を、凹部を有する平板で構成された第１要素部材４０の凹部に注入し、その凹部の溝の深さ方向に棒状の第２要素部材４１を挿入した状態の接合部材４２を示したものである。この接合部材４２を、例えば、大気中または不活性ガス雰囲気中において、第１はんだ粉末１１の融点以上の温度に加熱する。加熱されることによって融解した第１はんだ粉末１１および第２はんだ粉末１２は、冷却工程を経て、図７に示すような断面形状のはんだ接合部５０を得る。
【００３８】
図７に示すように、第２はんだ粉末１２が融解し凝固した第２相１５は、第１はんだ粉末１１が融解し凝固した母相１４中にほぼ均一に分散している。また、第２相の表面は、反応制御境界膜１３によって覆われている。本発明のはんだ部材１０を用いた接合では、母相１４が凝固およびその後の冷却過程において熱収縮する際に、第２相１５が凝固膨張し、はんだ接合部３０における内部応力の発生が抑制される。また、はんだ接合部５０を構成する母相１４は、母相１４を構成する第１はんだ粉末１１の濡れ性などの物理的特性を維持しているため、第１要素部材４０の凹部の表面と母相１４との接合が最適に行われる。これによって、図８に示すような従来のはんだ接合部５１に発生していた第１要素部材４０の凹部の表面との剥離部５２などの発生を防止することができる。
【００３９】
本願発明のはんだ材料、はんだ材料の製造方法およびはんだ付け方法において、母相１４に、凝固時に膨張する性質を有する第２相１５を含有させることによって、母相１４が凝固およびその後の冷却過程において熱収縮する際、第２相１５が凝固温度まで冷却されると凝固膨張するので、母相１４の凝固収縮を緩和することができる。これによって、はんだ部材内の内部応力の発生が抑制され、その結果、引け巣３２や剥離部５２などのボイド欠損の発生を防止することができる。
【００４０】
また、第２相１５が反応制御境界膜１３で覆われているため、母相１４と第２相１５との間において拡散または合金反応を伴わないので、母相１４と第２相１５とが溶解して、例えば共晶合金化することはない。そのため、母相１４では母相１４を構成する第１はんだ粉末１１の物理的特性が維持され、第２相１５では第２相１５を構成する第２はんだ粉末１２の物理的特性が維持される。さらに、はんだ接合部においては、母相１４を構成する第１はんだ粉末１１の機械的特性をほぼ維持することができる。また、第１要素部材２０および第２要素部材２１の接合面とはんだ材料との接合を最適に行うことができる。
【００４１】
また、はんだ材料をペースト状にしたことで、固体のはんだ材料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にもこのはんだ材料を容易に用いることができる。また、このはんだ材料を、複雑な形状の接合部でも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。
【００４２】
上述したはんだ材料１０では、第１はんだ粉末１１、第２はんだ粉末１２、フラックスおよびバインダを混合したペースト状の構成を示したが、この構成に限るものではなく、はんだ材料は、例えば、図９に示すようなフィルム状の構成および図１０示すようなワイヤ状の構成にしてもよい。
【００４３】
図９または図１０に示すはんだ材料６０、６５は、例えば、次のようにして製造される。
【００４４】
まず、第２はんだ粉末１２の反応制御境界膜１３を形成する材料を選択し、第２はんだ粉末１２の表面に、無電解メッキ法などによって、反応制御境界膜１３を形成する。
【００４５】
反応制御境界膜１３が被覆された所定量の第２はんだ粉末１２と所定量の第１はんだ粉末１１とを、例えば、攪拌などによって均一に混合し、混合物を構成する。続いて、その混合物を金型に充填し、加圧および加熱して第１はんだ粉末１１と第２はんだ粉末１２とを一体に融着させて、図１０に示すような複合材料を得る。
【００４６】
次に、図９に示すようなフィルム状のはんだ材料６０を形成する場合には、第１はんだ粉末１１と第２はんだ粉末１２とが一体化された複合材料を、例えば、圧延加工してフィルム状のはんだ材料を形成する。
【００４７】
また、図１０に示すようなワイヤ状のはんだ材料６５を形成する場合には、第１はんだ粉末１１と第２はんだ粉末１２とが一体化された複合材料を、例えば、引抜き加工してワイヤ状のはんだ材料を形成する。また、図１０に示すように、ワイヤ状のはんだ材料６５の中心軸に沿ってフラックス６６を混入させることもできる。
【００４８】
このように、はんだ材料は、ペースト状の構成に限らず、フィルム状やワイヤ状などの固体の構成も採ることができ、はんだ材料を使用する用途に応じて最適な形態のはんだ材料を用いることができる。
【００４９】
【実施例】
次に、本発明の具体的な実施例について説明する。なお、以下に示す具体的な実施例では、図６に示すような、凹部を有する平板で構成された第１要素部材４０とその凹部の溝の深さ方向に棒状の第２要素部材４１を挿入した状態で接合される場合について示す。
【００５０】
（実施例１）
平均粒径が約２０μｍのＳｎ−５７重量％Ｂｉ粉末の表面に、厚さ約３μｍの無電解Ｎｉめっき皮膜を形成し、第２はんだを製作した。続いて、この第２はんだと平均粒径が約２０μｍのＳｎ−０．７重量％Ｃｕ粉末からなる第１はんだとを、第２はんだの含有量が１５体積％となるように混合し、複合はんだ材料を製作した。そして、第１部材と第２部材の表面の酸化皮膜の除去と塗布、スクリーン印刷などのはんだ層の形成を容易にするため、複合はんだに適量のフラックスと増粘剤を添加し、クリーム状の複合はんだを調製した。
【００５１】
続いて、無酸素Ｃｕベースからなる第１部材の表面に形成された直径５ｍｍ、深さ１０ｍｍの凹部に、複合はんだを充填した。複合はんだが充填された凹部に、無酸素Ｃｕベースからなる外径３ｍｍの棒状の第２部材を約７ｍｍの深さまで挿入した。そして、第１部材の凹部に第２部材が挿入された状態で、Ｎ２ガス雰囲気中において、２６０℃の温度で３分間加熱し、はんだ付けを行った。
【００５２】
はんだ付けされた第１部材と第２部材とをそれぞれインストロン引張試験機のチャックに固定し、０．１ｍｍ／ｓの引張速度ではんだ強度を測定評価した結果、はんだ強度は４５ＭＰａであった。また、はんだ層の内部ボイド欠陥を超音波探傷試験装置を用いて検査した結果、不純物やその他に起因する偶発的なボイド欠陥が体積率換算で１％以下であり、凝固収縮によるボイド欠陥が全く検出されなかった。
【００５３】
（実施例２）
平均粒径が約２０μｍのＳｎ−５７重量％Ｂｉ粉末の表面に、ゾル・ゲル法によって、厚さ約０．１μｍのＡｌ２Ｏ３皮膜を形成し、第２はんだを製作した。続いて、この第２はんだと平均粒径が約２０μｍのＳｎ−０．７重量％Ｃｕ粉末からなる第１はんだとを、第２はんだの含有量が１５体積％となるように混合し、複合はんだ材料を製作した。そして、第１部材と第２部材の表面の酸化皮膜の除去と塗布、スクリーン印刷などのはんだ層の形成を容易にするため、複合はんだに適量のフラックスと増粘剤を添加し、クリーム状の複合はんだを調製した。
【００５４】
続いて、無酸素Ｃｕベースからなる第１部材の表面に形成された直径５ｍｍ、深さ１０ｍｍの凹部に、複合はんだを充填した。複合はんだが充填された凹部に、無酸素Ｃｕベースからなる外径３ｍｍの棒状の第２部材を約７ｍｍの深さまで挿入した。そして、第１部材の凹部に第２部材が挿入された状態で、Ｎ２ガス雰囲気中において、２６０℃の温度で３分間加熱し、はんだ付けを行った。
【００５５】
はんだ付けされた第１部材と第２部材とをそれぞれインストロン引張試験機のチャックに固定し、０．１ｍｍ／ｓの引張速度ではんだ強度を測定評価した結果、はんだ強度は２８ＭＰａであった。また、はんだ層の内部ボイド欠陥を超音波探傷試験装置を用いて検査した結果、不純物やその他に起因する偶発的なボイド欠陥が体積率換算で１％以下であり、凝固収縮によるボイド欠陥が全く検出されなかった。
【００５６】
（実施例３）
平均粒径が約２０μｍのＳｎ−２２重量％Ｓｂ粉末の表面に、ゾル・ゲル法によって、厚さ約０．１μｍのＳｉＯ２皮膜を形成し、第２はんだを製作した。続いて、この第２はんだと平均粒径が約２０μｍのＳｎ−２重量％Ｃｕ−０．２重量％Ａｇ粉末からなる第１はんだとを、第２はんだの含有量が２５体積％となるように混合し、複合はんだ材料を製作した。そして、第１部材と第２部材の表面の酸化皮膜の除去と塗布、スクリーン印刷などのはんだ層の形成を容易にするため、複合はんだに適量のフラックスと増粘剤を添加し、クリーム状の複合はんだを調製した。
【００５７】
続いて、無酸素Ｃｕベースからなる第１部材の表面に形成された直径５ｍｍ、深さ１０ｍｍの凹部に、複合はんだを充填した。複合はんだが充填された凹部に、無酸素Ｃｕベースからなる外径３ｍｍの棒状の第２部材を約７ｍｍの深さまで挿入した。そして、第１部材の凹部に第２部材が挿入された状態で、Ｎ２ガス雰囲気中において、３５０℃の温度で３分間加熱し、はんだ付けを行った。
【００５８】
はんだ付けされた第１部材と第２部材とをそれぞれインストロン引張試験機のチャックに固定し、０．１ｍｍ／ｓの引張速度ではんだ強度を測定評価した結果、はんだ強度は４０ＭＰａであった。また、はんだ層の内部ボイド欠陥を超音波探傷試験装置を用いて検査した結果、不純物やその他に起因する偶発的なボイド欠陥が体積率換算で２％以下であり、凝固収縮によるボイド欠陥が全く検出されなかった。
【００５９】
（比較例１）
平均粒径が約２０μｍのＳｎ−３．５重量％Ａｇ粉末、適量のフラックスおよび増粘剤を混合し、クリーム状の複合はんだを調製した。
【００６０】
続いて、無酸素Ｃｕベースからなる第１部材の表面に形成された直径５ｍｍ、深さ１０ｍｍの凹部に、複合はんだを充填した。複合はんだが充填された凹部に、無酸素Ｃｕベースからなる外径３ｍｍの棒状の第２部材を約７ｍｍの深さまで挿入した。そして、第１部材の凹部に第２部材が挿入された状態で、Ｎ２ガス雰囲気中において、３５０℃の温度で３分間加熱し、はんだ付けを行った。
【００６１】
はんだ付けされた第１部材と第２部材とをそれぞれインストロン引張試験機のチャックに固定し、０．１ｍｍ／ｓの引張速度ではんだ強度を測定評価した結果、はんだ強度は２０ＭＰａであった。また、はんだ層の内部ボイド欠陥を超音波探傷試験装置を用いて検査した結果、最終凝固部となる第１部材と第２部材の中間の位置に引け巣が発生し、複数の粗大なボイド欠陥が検出された。検出されたボイド欠陥は、体積率換算で１２％に達していた。
【００６２】
この比較例におけるはんだ強度（２０ＭＰａ）は、実施例１におけるはんだ強度（４５ＭＰａ）の１／２以下であることが明らかになった。また、この比較例におけるボイド欠陥（体積率換算１２％）は、実施例１におけるボイド欠陥（体積率換算１％）の１２倍程度であることも明らかになった。
【００６３】
これらの結果から、表面に皮膜を有するＳｎ−５７重量％Ｂｉからなる第２はんだを第１はんだに含有することで、はんだ強度が高く、ボイド欠陥の発生する割合が非常に少ないはんだ材料が得らえることがわかった。また、ボイド欠陥は、第１部材と第２部材のはんだ強度を低下させる原因であることが明かになった。
【００６４】
（比較例２）
平均粒径が約２０μｍのＳｎ−５７重量％Ｂｉ粉末からなる第２はんだと、平均粒径２０μｍのＳｎ−０．７重量％Ｃｕ粉末からなる第１はんだとを、第２はんだの含有量が１５体積％となるように混合し、複合はんだ材料を製作した。そして、この複合はんだに適量のフラックスと増粘剤を添加し、クリーム状の複合はんだを調製した。
【００６５】
続いて、無酸素Ｃｕベースからなる第１部材の表面に形成された直径５ｍｍ、深さ１０ｍｍの凹部に、複合はんだを充填した。複合はんだが充填された凹部に、無酸素Ｃｕベースからなる外径３ｍｍの棒状の第２部材を約７ｍｍの深さまで挿入した。そして、第１部材の凹部に第２部材が挿入された状態で、Ｎ２ガス雰囲気中において、２６０℃の温度で３分間加熱し、はんだ付けを行った。
【００６６】
はんだ付けされた第１部材と第２部材とをそれぞれインストロン引張試験機のチャックに固定し、０．１ｍｍ／ｓの引張速度ではんだ強度を測定評価した結果、はんだ強度は２０ＭＰａであった。また、はんだ層の内部ボイド欠陥を超音波探傷試験装置を用いて検査した結果、最終凝固部となる第１部材と第２部材の中間の位置に引け巣が発生し、複数の粗大なボイド欠陥が検出された。検出されたボイド欠陥は、体積率換算で１０％に達していた。
【００６７】
この比較例におけるはんだ強度（２０ＭＰａ）は、実施例２におけるはんだ強度（２８ＭＰａ）よりも３０％程度低いことが明らかになった。また、この比較例におけるボイド欠陥（体積率換算１０％）は、実施例１におけるボイド欠陥（体積率換算１％）の１０倍程度であることも明らかになった。
【００６８】
これらの結果から、実施例２に示すように、第２はんだの表面に皮膜を有することで、はんだ強度が高く、ボイド欠陥の発生する割合が非常に少ないはんだ材料が得らえることがわかった。また、第２はんだの表面に皮膜を有することで、第１はんだと第２はんだの合金化反応が阻止され、第２はんだの特徴である凝固膨張の性質が維持されて、その凝固膨張による効果を十分に発揮できることがわかった。さらに、ボイド欠陥は、第１部材と第２部材のはんだ強度を低下させる原因であることが明かになった。
【００６９】
ここで、上記した実施例および比較例の測定結果を表１にまとめて示す。
【表１】
2005000956.tif 000003
【００７０】
【発明の効果】
本発明のはんだ材料、はんだ材料の製造方法およびはんだ付け方法によれば、凹部や孔部などの複雑なはんだ接合部を有する要素部材などのはんだ付けにおいて、凝固収縮によるボイド欠陥の発生を防止することができ、機械的特性、濡れ性などに優れたはんだ接合を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態のはんだ材料を模式的に示す断面図。
【図２】本発明の一実施の形態のはんだ材料を用いたはんだ付け後の断面を模式的に示す断面図。
【図３】本発明の一実施の形態のはんだ材料を用いたはんだ付け構造の一例を模式的に示す断面図。
【図４】本発明の一実施の形態のはんだ材料を用いたはんだ付け後の断面を模式的に示す断面図。
【図５】従来のはんだ材料を用いたはんだ付け後の断面を模式的に示す断面図。
【図６】本発明の一実施の形態のはんだ材料を用いたはんだ付け構造の一例を模式的に示す断面図。
【図７】本発明の一実施の形態のはんだ材料を用いたはんだ付け後の断面を模式的に示す断面図。
【図８】従来のはんだ材料を用いたはんだ付け後の断面を模式的に示す断面図。
【図９】フィルム状のはんだ材料の外観を示す斜視図。
【図１０】ワイヤ状のはんだ材料の外観を示す斜視図。
【符号の説明】
１０…はんだ材料
１１…第１はんだ粉末
１２…第２はんだ粉末
１３…反応制御境界膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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