(57)【要約】【課題】現行の鉛含有半田と同等以上の性能と信頼性を確保できる鉛フリー（鉛レス）半田対応のセラミック電子部品を提供する。【解決手段】セラミック素体である圧電素子１の両面に銀を主体とした電極２を備え、電極２の上に錫を主体とした半田層５を設けて出力端子４を半田付け固定する構成であって、電極２は白金（Ｐｔ）材を０．３〜５．０重量％含有し、電極２の厚さを８〜２０μｍとし、かつ、半田層５として錫（Ｓｎ）を主体とし、銀（Ａｇ）２．５〜５．０重量％含有する錫・銀系半田により、出力端子４を電極２に半田付け固定を行なう。【選択図】図１ 
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック素体と、前記セラミック素体の少なくとも１つの面に、白金を含有し厚さが８〜２０μｍの銀を主体とした電極と、前記電極に、鉛を含有せず銀を含有する錫を主体とした半田層と、を有するセラミック電子部品。
【請求項２】
セラミック素体と、前記セラミック素体の第１の面に、白金を含有し厚さが８〜２０μｍの銀を主体とした電極と、前記電極に、鉛を含有せず銀を含有する錫を主体とした半田層と、前記セラミック素体の第２の面に接着固定した振動板と、を有するセラミック電子部品。
【請求項３】
前記半田層は、さらに銅を含有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載のセラミック電子部品。
【請求項４】
前記電極における前記白金の含有率は、０．３〜５．０重量％であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のセラミック電子部品。
【請求項５】
前記半田層における前記銀の含有率は、２．５〜５．０重量％であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のセラミック電子部品。
【請求項６】
前記半田層における前記銅の含有率は、０．３〜１．０重量％であることを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれかに記載のセラミック電子部品。
【請求項７】
セラミック素体の少なくとも１つの面に、白金を含有し厚さが８〜２０μｍの銀を主体とする電極を生成するステップと、前記電極に、鉛を含有せず銀を含有する錫を主体とする半田層を生成するステップと、を有することを特徴とするセラミック電子部品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子機器などに使用されるセラミック電子部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
セラミック電子部品としては、例えばセラミック素体と、セラミック素体の上に形成される電極と、リード線等の出力端子を電気的に導通固定する半田層と、を有し、コンデンサ、サーミスタ、バリスタ、発音器等の電気的特性を備えるものである。セラミック素体としては、誘電体、絶縁体、半導体、圧電体、磁性体等が用いられている。
【０００３】
従来のセラミック電子部品の半田層としては、錫（Ｓｎ）を主体とし、鉛（Ｐｂ）を含む半田により電気半田付けを行うことで半田層を形成することは公知の事実である。
【０００４】
例えば、信頼性と適度な溶融温度から、その比率を共晶点であるＳｎ６３％、Ｐｂ３７％前後に含有したものが標準的に使用されている。また、含有率の配合比により、低温用半田（融点が低い）、高温用半田（融点が高い）と使い分けられている。
【０００５】
一般的なセラミック電子部品として圧電振動体の場合で説明する。圧電振動体は、円形状平面を有するセラミック素体である圧電素子と、圧電素子の両平面に位置した銀を主成分とした電極（銀電極）と、圧電素子の片面に接着材等により張り合わされた黄銅（Ｂｓ）、パーマロイ（ＰＢ）等の金属板からなる振動板と、銀電極の表面に一方の出力端子を固定し、電気的に接続された半田層とを有する。
【０００６】
出力端子の一方としての振動板と半田層で銀電極に固定された先の出力端子との間で、圧電素子への電気入力または、圧電素子から発生した電圧を取り出す。
【０００７】
銀電極を有するセラミック電子部品の半田層に使用する半田としては、前述の一般的な共晶半田では半田付け時に、半田付け時間が長いと電極の銀分子が半田層に溶融拡散してしまう現象である銀喰われが発生し、導通固定の不具合が生じてしまうので、この課題解決のために銀（Ａｇ）を数％程度含有した錫（Ｓｎ）・鉛（Ｐｂ）・ビスマス（Ｂｉ）・銀（Ａｇ）系半田、あるいは、これらに銅（Ｃｕ）を加えた半田がセラミック電子部品の半田層として使用される（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開昭６２−７２４９６号公報（第３−４頁、第１表）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来のセラミック電子部品は、錫と鉛を主成分としたものであり、地球環境を懸念する鉛を含有する半田層を有しているという問題が生じている。
【０００９】
本発明は、従来の問題を解決するものであり、鉛フリー（鉛レス）半田層に於いて、現行の鉛含有半田層と比較し、同等以上の優れた性能と信頼性を確保できるセラミック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】
【００１０】
本発明のセラミック電子部品は、セラミック素体と、セラミック素体の少なくとも１つの面に、白金を含有し厚さが８〜２０μｍの銀を主体とした電極と、この電極に、鉛を含有せず銀を含有する錫を主体とした半田層とを含む構成を有している。この構成により、電極と半田層との間に界面ボイドが発生せず、電極の銀喰われが無い、現行の鉛含有半田
層と比較し、同等以上の優れた半田付け性能と信頼性を確保できるセラミック電子部品を提供することができるという作用を有する。
【００１１】
また、本発明のセラミック電子部品は、セラミック素体と、セラミック素体の第１の面に、白金を含有し厚さが８〜２０μｍの銀を主体とした電極と、電極に、鉛を含有せず銀を含有する錫を主体とした半田層と、セラミック素体の第２の面に接着固定した振動板とを含む構成を有している。
【００１２】
この構成により、電極と半田層との間に界面ボイドが発生せず、電極の銀喰われが無い、現行の鉛含有半田層と比較し、同等以上の優れた半田付け性能と信頼性を確保できる振動板付きのセラミック電子部品を提供することができるという作用を有する。
【００１３】
また、本発明のセラミック電子部品は、半田層が、さらに銅を含有する構成を有している。この構成により、実使用溶融温度を低くすることができ、現行の鉛含有半田層と比較し、更に、同等以上の優れた性能と信頼性を確保できるセラミック電子部品を提供することができるという作用を有する。
【００１４】
また、本発明のセラミック電子部品は、電極における白金の含有率が、０．３〜５．０重量％である構成を有している。この構成により、実使用溶融温度を低くすることができ、現行の鉛含有半田層と比較し、更に、同等以上の優れた性能と信頼性を確保できるセラミック電子部品を提供することができるという作用を有する。
【００１５】
また、本発明のセラミック電子部品は、半田層における銀の含有率が、２．５〜５．０重量％である構成を有している。この構成により、電極と半田層との間に界面ボイドが発生せず、電極の銀喰われが無い、現行の鉛含有半田層と比較し、同等以上の優れた半田付け性能と信頼性を確保できるセラミック電子部品を提供することができるという作用を有する。
【００１６】
さらに、本発明のセラミック電子部品は、半田層における銅の含有率が、０．３〜１．０重量％である構成を有している。この構成により、電極と半田層との間に界面ボイドが発生せず、電極の銀喰われが無い、現行の鉛含有半田層と比較し、同等以上の優れた半田付け性能と信頼性を確保できるセラミック電子部品を提供することができるという作用を有する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明はセラミック素体と、セラミック素体の少なくとも１つの面に、白金を含有し厚さが８〜２０μｍの銀を主体とした電極と、電極に、鉛を含有せず銀を含有する錫を主体とした半田層とを有することにより、現行の鉛含有半田層と比較し、同等以上の優れた性能と信頼性を確保できる半田層を有するセラミック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】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態のセラミック電子部品について、図面を用いて説明する。
【００１９】
本発明の一実施の形態におけるセラミック電子部品の構造を図１に示す。ａ図は斜視図、ｂ図は側面図である。本実施の形態のセラミック電子部品が圧電振動体の場合で説明する。
【００２０】
図１において、セラミック電子部品は、円形状平面を有し素材がＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等のセラミック素体である圧電素子１と、圧電素子１の両平面に銀を主体とした電極２と、圧電素子１の片面に接着材等により張り合わせ固定された振動板３と、圧電
素子１の電極２の表面に錫を主体とした半田材による半田層５と、半田層５により電極２に電気的に接続される出力端子４とで構成されている。
【００２１】
振動板３は、通常、黄銅（Ｂｓ）、パーマロイ（ＰＢ）等の金属板が用いられる。出力端子４は、図１に示すリード線タイプ以外に、薄い金属端子等も使用される。振動板３が金属であることを利用し、振動板３と出力端子４との間で、圧電素子１への電気入力および、圧電素子１から発生した電圧の取り出しを行う。
【００２２】
以上のように構成されたセラミック電子部品について、図２〜図６を用いてその特性を説明する。
【００２３】
公知的資料から鉛フリー（鉛レス）半田を考えた場合、長期信頼性確保に適した半田材は、錫（Ｓｎ）−銀（Ａｇ）系が良いと言われている。また、銀を主体とした電極（銀電極）を有するセラミック素体の半田付けでは、銀喰われ対策のために銀入り半田の使用は必須的なものと言える。一方、Ｓｎ−Ａｇ系半田の欠点は融点温度が高いと言うことである。他の物質Ｂｉ（ビスマス）等を少量含有して、融点を低下した半田材もあるが、長期信頼性確保は難しい。
【００２４】
本発明の一実施の形態におけるセラミック電子部品における半田付けの実験データを図２および図３に示す。これらは、従来の鉛入り半田と各種鉛フリー（鉛レス）半田の代表的な実験データ例である。
【００２５】
電極２として、従来の銀電極材（電極厚約７μｍ）と０．５重量％プラチナ（Ｐｔ）入り銀電極材（電極厚約１１μｍ）に関して検討した結果例である。図２は、半田ゴテのパワーが２５Ｗクラスの比較的小さいパワーの場合であり、図３は８０Ｗクラスの大きいパワーの場合である。図中、溶融開始時間はコテを当ててから半田が溶け始めるまでの時間であり、銀喰われ時間はコテを当て続けて、電極２の銀喰われが発生し、電極としての機能を失う手前までの時間である。
【００２６】
従来のＳｎ−Ｐｂ−Ａｇ系半田（Ｓｎ−３．０Ａｇ−３７Ｐｂ）は固相線温度が摂氏（以下省略する）約１８０度前後、液相線温度が約２２０度前後であり、図２および図３に示すように、これを実現する為に、コテ先温度の設定を２９０度程度にする必要があった。
【００２７】
一方、Ｓｎ−Ａｇ系半田は、一般的には高温用半田に属し、固相線温度及び液相線温度が２２０度前後となってしまう為に、コテ先温度の設定を４０度程度高温に設定する必要がある。すなわち、従来のＳｎ−Ｐｂ−Ａｇ系半田の半田付けでのコテ先温度の設定が２９０℃程度で使用可能であったのに対し、Ｓｎ−Ａｇ系半田の場合には、コテ先温度を４０度程度上昇させ、３３０度程度にする必要がある。
【００２８】
図２および図３に示すデータから、銀喰われ対策は、コテ先温度、銀の含有量、電極の厚さ、電極の材質と関係することが判る。半田付け温度範囲は、下限が半田の溶融温度で決まり、上限が限界の銀喰われ温度で決まる。
【００２９】
本発明の一実施の形態におけるセラミック電子部品における半田内部のボイド発生状況を図４に示す。
【００３０】
図４に示すデータから、ボイド（空隙：ｖｏｉｄ）の発生（圧電素子の電極と半田材の界面に多数の小ボイドが発生する）を防止するのに、電極材にプラチナ（Ｐｔ）を含有させると効果がることがわかる。ボイドによる信頼性劣化は、熱衝撃試験等でボイド部分か
らクラックが発生し断線に至ることによることが知られている。
【００３１】
次に、実験データから、前述の課題と改善策に関して次に説明をする。
【００３２】
銀喰われ時間は温度の上昇と共に短くなる傾向にあるため、極力低いコテ温度での使用が望ましい。従って、実質的な半田付け温度範囲は前記溶融開始時間と銀喰われ時間の間で行うことになる。溶融開始時間は、作業性等から、素早く溶けることが望ましく、図中の値では２秒以下が適すると言える。
【００３３】
銀喰われ時間は、溶融開始時間から、使用可能なコテ先温度設定範囲が決定されるので、この温度範囲で極力長い方が信頼性上安心でき有利であると言える。
【００３４】
図２および図３から判るように、錫主体で、銀３．０重量％、銅０．５重量％の半田（Ｓｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ）は、他の銀入り半田に比較し、実質的溶融温度が約２０度程度低下しており、かつ銀喰われ防止範囲も錫主体で、銀３．９重量％の半田（Ｓｎ−３．９Ａｇ）と同等レベルであることから、鉛フリー半田として最適であると考えられる。
【００３５】
また、図３に示すように、錫主体で、銀２．０重量％の半田（Ｓｎ−２．０Ａｇ）では、作業性ならびに銀喰われ防止範囲が０．５Ｐｔ入り銀電極、電極厚約１１μｍで、コテ先温度２９０度でしか使用できず、コテ先温度の変動を考えると実用的に値せず、使用には適さないと判断できる。従って、ハンダ材の銀含有量は２．５％以上必要である。
【００３６】
図２および図３の説明では各種条件に於ける溶融開始時間と銀喰われ時間の関係しか説明していないが、図４に示す如く、鉛フリー半田（Ｓｎ−３．９Ａｇ）と従来の銀電極との組み合わせではセラミック電子部品の銀電極と半田層との界面に多数の小ボイドが発生しており、熱衝撃試験による信頼性確認によって、５００サイクル程度以下でも、小ボイド間にクラックが発生し、銀電極と半田層との間は接続断となることが判った。
【００３７】
図４に示すように、ボイド発生の改善を行う条件は、（ａ）電極材の厚さは厚い方が有利であり、また、（ｂ）半田付けコテ温度は高く、時間が長い方が有利であり、（ｃ）半田材として、銀含有量が多い方が有利である。しかし、（ｂ）については銀喰われ時間と同程度の時間が必要であり、また、（ａ）、（ｃ）についても物理的・コスト的な限界がある。図４に示すように、従来の銀電極では鉛フリー半田への対応は困難である。
【００３８】
これに対して、０．５重量％プラチナ（Ｐｔ）入り電極は小ボイドの発生が殆ど見られない。また、鉛フリー半田の融点は高いので、銀喰われ防止のために、高い熱容量と安定なコテ温度で、短時間に素早く半田付けした方が有利と考えられるので、半田コテとしては高Ｗクラスの選択が適する。この対応により、ボイド発生も更に抑えることが可能であると考えられる。
【００３９】
プラチナ（Ｐｔ）の含有率については、少なければその効果が薄れ、多ければコスト的にも非常に不利となり、含有率は０．５〜５．０重量％が好ましく、後述する電極厚との関係により所望とする条件を設定することが賢明である。
【００４０】
なお、Ｐｔ入り銀電極は何故ボイドが発生しにくいのかについて説明をすると、セラミック電子部品の電極面２を拡大して観察すると、従来の銀電極は粒子が大きく、凹凸が大きく見られ、かつ比較的大きな深いホールが多いことが判る。厚さが増すと多少滑らかに見えるが、ホールは増加傾向を示している。
【００４１】
これに対して、Ｐｔ入り銀電極は粒子が小さく、凹凸も小さく滑らかで、ホールも小さく少ないことが判る。また、このホールの発生率は銀電極の厚さと共に少なくなっている。
【００４２】
Ｐｔ入り銀電極がボイド発生上有利な理由は、前述の如く、表面状態の滑らかさにより半田乗りが非常に良く、電極面と半田との界面の微小ホールからの空気、フラックスガス等の発生が少ないためと考えられる。
【００４３】
銀電極以外に、パラジュウム（Ｐｄ）入り銀電極材に関しても確認したが、Ｐｔ入り電極に匹敵する表面状態でもなく、半田付け試験でも劣ることが判った。また、Ｐｄ入り銀電極の場合、コスト的にも非常に不利となる。従って、Ｐｔ入り銀電極が最適ではないかと考えられる。
【００４４】
次に、Ｐｔ入り銀電極材の厚さについて説明をする。
【００４５】
本発明の一実施の形態におけるセラミック電子部品における半田付けの実験データを図５に示し、具体的にはＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕ半田について、電極厚によるコテ先設定温度と銀喰われ時間との関係を示す。
【００４６】
図５に示すように、銀電極厚５．１μｍと薄くしたタイプは銀喰われが激しく、コテ先設定温度が、３３０度では、ハンダ材の溶融開始（２秒）と共に銀喰われが始まり、３１０度でもハンダ材の溶融開始（２秒）から銀喰われ開始（４秒）までに２秒しか余裕が無く、コテ先温度のばらつきを考慮すると、実用困難なことが判る。
【００４７】
さらに、同図より、銀電極厚と銀喰われ時間の関係を見ると、下記の関係がほぼ成り立つことが判る。
【００４８】
［  銀喰われまでの時間≒銀電極厚の二乗に比例  ］・・・（式１）
本発明の一実施の形態におけるセラミック電子部品における電極厚と銀喰われ時間の関係を図６に示す。
【００４９】
上記式１の関係から、例えば、銀電極厚６μｍと８μｍの場合の銀喰われ時間を計算により求めることが可能であり、それらをコテ先設定温度ごとにグラフにすると図６の如くの結果となる。
【００５０】
この結果から、コテの実使用温度範囲をセンター値３３０度として、変動幅を実用的に管理可能な±２０度以内となるように管理すれば、銀喰われに対して条件の厳しい３５０度で、半田溶融開始（２秒）後１秒以上の銀喰われ防止余裕、すなわち銀喰われ時間３秒を保証するためには、Ｐｔ入り電極厚は最低８μｍ以上必要であることが判る。
【００５１】
Ｓｎ−３．９Ａｇ半田も銀喰われ特性が同程度のため、同様の最低銀電極厚が必要である。また、Ｓｎ−３．５Ａｇ半田の場合は多少厚目の電極が好ましいと考えられるが、銀電極厚の最大値としては、加工精度、コスト、特性変動等から決定される。
【００５２】
特性変動に関して、共振型加速度センサーを例にとり実験的に確認した結果を次に示す。加速度センサーとしては、共振点ｆｏ、感度Ｖｏ、共振点のＱが特性上重要であるが、各々の変化率は下記の如くとなった。
【００５３】
（１）共振点ｆｏ      約＋０．２  ％／μｍ          ＊電極厚：片厚表現の場合
（２）感度Ｖｏ        約＋０．１  ｄＢ／μｍ
（３）共振点のＱ      約＋０．３  ｄＢ／μｍ
加工精度は一般的にσ≒０．５μｍ程度であり、圧電素子１の寸法等を変更すれば、従来の鉛入り半田を使用した場合と同等の特性とできるが、寸法等の物理的限界から、電極厚としては２０μｍが上限と考えられる。
【００５４】
以上のように、本発明の実施の形態によれば、鉛フリー（鉛レス）半田対応のセラミック電子部品に於いて、圧電素子の両面に、銀を主体とした電極を備え、電極の上に錫を主体とした半田層を設けて出力端子等を半田付け固定する構成であって、電極材として白金（Ｐｔ）材を０．３〜５．０重量％程度含有する銀電極材を用い、電極２の厚さを８〜２０μｍとし、かつ、半田材として錫（Ｓｎ）を主体とし、銀（Ａｇ）２．５〜５．０重量％含有する錫・銀系半田により、半田付け固定を行うことにより、現行の鉛含有半田と比較し、同等以上の優れた性能と信頼性を確保でき、コスト的にも比較的有利に地球環境を考慮した対応が可能である。
【００５５】
また、半田材として、錫（Ｓｎ）を主体とし、銀（Ａｇ）２．５〜５．０重量％、銅（Ｃｕ）０．３〜１．０重量％を含有する錫・銀・銅系半田により、半田付け固定を行うことにより、半田の実質的溶融温度を約２０度程度低下でき、かつ銀喰われ防止範囲もＳｎ−３．９Ａｇと同等レベルとすることができる。
【００５６】
また、円形状平面を有する平状圧電素子の両平面に電極を備え、片面を金属振動板に接着固定してなる振動体を構成し、他面の電極の上に半田層を設けて出力端子を半田付け固定し、電気的導通を行い出力を取り出すよう構成することにより、鉛フリー（鉛レス）半田対応のセラミック電子部品とすることができる。
【００５７】
尚、本実施の形態では、セラミック電子部品が圧電素子応用品の場合で説明したが、本発明はこれに限定されることなく、スピーカ、レシーバ等の振動体例であるが、振動加速度センサー、角速度センサー、また、振動板を有しない圧電応用品、誘電素子応用品、絶縁素子応用品、半導体応用品、磁性体応用品等、さらには、セラミック電子部品で本発明の実施の形態以外の構成・形状であっても同様の効果が得られるものである。
【００５８】
また、本実施の形態では、銀を含有する錫半田に、さらに銅を含有した場合について説明したが、インジウム（Ｉｎ）やビスマス（Ｂｉ）をさらに含有することで信頼性をさらに向上させるようにしてもよい。
【００５９】
また、本実施の形態では、圧電素体と振動板との間に電極がある場合で説明したが、本発明はこれに限定されることなく、電極がなくても同様の効果が得られるものである。しかしながら、電極があれば、振動板を接着する前での性能試験ができ、圧電素体の表裏を気にせずセンサユニットを製造でき、浮遊容量といった電気特性などのばらつきを少なくすることができるといった利点がある。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
以上のように、本発明にかかるセラミック電子部品は、現行の鉛含有半田層と比較し、同等以上の優れた性能と信頼性を確保できるという効果を有し、電子機器等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の一実施の形態におけるセラミック電子部品の構造を示す図（ａ）セラミック電子部品の斜視図（ｂ）セラミック電子部品の側面図
【図２】本発明の一実施の形態におけるセラミック電子部品における半田付けの実験データを示す図
【図３】本発明の一実施の形態におけるセラミック電子部品における半田付けの実験データを示す図
【図４】本発明の一実施の形態におけるセラミック電子部品における半田内部のボイド発生状況を示す図
【図５】本発明の一実施の形態におけるセラミック電子部品における半田付けの実験データを示す図
【図６】本発明の一実施の形態におけるセラミック電子部品における電極厚と銀喰われ時間の関係を示す図
【符号の説明】
【００６２】
１  圧電素子
２  電極
３  振動板
４  出力端子
５  半田層
【図１】
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【図２】
2005045044.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005045044.tif 000006
【図５】
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【図６】
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