(57)【要約】  Ｓｎ、Ｂｉ、及びＺｎを含有するはんだ合金であって、Ｂｉが４２〜６２質量％であり、Ｚｎが０．２〜３．６質量％であり、残部がＳｎ及び不可避不純物である、はんだ合金によって、低温域において使用可能な、新規のはんだ合金を提供する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｎ、Ｂｉ、及びＺｎを含有するはんだ合金であって、
Ｂｉが４２〜６２質量％であり、Ｚｎが０．２〜３．６質量％であり、残部がＳｎ及び不可避不純物である、はんだ合金。
【請求項２】
Ｓｎが３６〜５６質量％である、請求項１に記載のはんだ合金。
【請求項３】
Ｂｉが４７〜５７質量％である、請求項１〜２のいずれかに記載のはんだ合金。
【請求項４】
Ｚｎが０．６〜２．０質量％である、請求項１〜３のいずれかに記載のはんだ合金。
【請求項５】
固相線温度が１３５℃以下である、請求項１〜４のいずれかに記載のはんだ合金。
【請求項６】
液相線温度が１６０℃以下である、請求項１〜５のいずれかに記載のはんだ合金。
【請求項７】
次の式：  ［液相線温度］−［固相線温度］
の値が、２５℃以下にある、請求項１〜６のいずれかに記載のはんだ合金。
【請求項８】
弾性率が４５０ＭＰａ以上である、請求項１〜７のいずれかに記載のはんだ合金。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載のはんだ合金ではんだ付けされた電子部品の内部接合はんだ継手。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれかに記載のはんだ合金ではんだ付けされたパワートランジスタのはんだ継手。
【請求項１１】
請求項１〜８のいずれかに記載のはんだ合金を有するプリント回路板。
【請求項１２】
請求項１〜８のいずれかに記載のはんだ合金を有する電子部品。
【請求項１３】
請求項１〜８のいずれかに記載のはんだ合金を有するパワートランジスタ。
【請求項１４】
請求項９または１０に記載のはんだ継手又は請求項１１に記載のプリント回路板または請求項１２に記載の電子部品または請求項１３に記載のパワートランジスタを有する電子機器。
【請求項１５】
請求項９または１０に記載のはんだ継手を有するパワーデバイス。
【請求項１６】
請求項１〜８のいずれかに記載のはんだ合金を材料とした部材。
【請求項１７】
接合強度が１０ＭＰａ以上である、請求項１〜８のいずれかに記載のはんだ合金。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、はんだ合金に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境面の配慮から、鉛を含有しないはんだ合金の使用が推奨されている。はんだ合金は、その組成に応じてはんだとしての使用に適した温度域が変わってくる。【０００３】
従来の有鉛はんだＳｎ−３７Ｐｂは融点が１８３℃ではんだ特性および作業性等が良好であったものの鉛を含むため環境問題の点から鉛フリー化が進められ、鉛フリーはんだとしてＳｎ−３．０Ａｇ−０．５Ｃｕが開発、実用化されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３０２７４４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のＳｎ−Ａｇ−Ｃｕの融点は２１７℃と高い。そこで、さらなる低融点鉛フリーはんだとして、融点温度が２００℃とＳｎ−Ａｇ−Ｃｕよりも低いＳｎ−Ａｇ−Ｂｉ−Ｉｎが開発されたものの、Ｓｎ−Ｐｂの融点温度よりも依然高く更なる低融点はんだが求められている。また公知の２元はんだ合金としてＢｉ−４２Ｓｎ（融点１３５℃）も知られている。しかしながら、このはんだは弾性率が低く、疲労特性に劣る。なお、はんだの組成は、特に断りがなければ質量％表示であり、上記Ｂｉ−４２Ｓｎは、Ｓｎ：４２質量％、残部Ｂｉの組成のことである。【０００６】
したがって、本発明の目的は、鉛が添加されて含まれることなく、低温域において使用可能な、新規のはんだ合金を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、鋭意研究の結果、後述するＢｉ−Ｓｎ−Ｚｎベースのはんだ合金によって、上記目的を達成できることを見いだして、本発明に到達した。【０００８】
したがって、本発明は以下の（１）以下を含む。
（１）
Ｓｎ、Ｂｉ、及びＺｎを含有するはんだ合金であって、
Ｂｉが４２〜６２質量％であり、Ｚｎが０．２〜３．６質量％であり、残部がＳｎ及び不可避不純物である、はんだ合金。
（２）
Ｓｎが３６〜５６質量％である、（１）に記載のはんだ合金。
（３）
Ｂｉが４７〜５７質量％である、（１）〜（２）のいずれかに記載のはんだ合金。
（４）
Ｚｎが０．６〜２．０質量％である、（１）〜（３）のいずれかに記載のはんだ合金。
（５）
固相線温度が１３５℃以下である、（１）〜（４）のいずれかに記載のはんだ合金。
（６）
液相線温度が１６０℃以下である、（１）〜（５）のいずれかに記載のはんだ合金。
（７）
次の式：  ［液相線温度］−［固相線温度］
の値が、２５℃以下にある、（１）〜（６）のいずれかに記載のはんだ合金。
（８）
弾性率が４５０ＭＰａ以上である、（１）〜（７）のいずれかに記載のはんだ合金。
（９）
（１）〜（８）のいずれかに記載のはんだ合金ではんだ付けされた電子部品の内部接合はんだ継手。
（１０）
（１）〜（８）のいずれかに記載のはんだ合金ではんだ付けされたパワートランジスタのはんだ継手。
（１１）
（１）〜（８）のいずれかに記載のはんだ合金を有するプリント回路板。
（１２）
（１）〜（８）のいずれかに記載のはんだ合金を有する電子部品。
（１３）
（１）〜（８）のいずれかに記載のはんだ合金を有するパワートランジスタ。
（１４）
（９）〜（１０）のいずれかに記載のはんだ継手又は（１１）に記載のプリント回路板または（１２）に記載の電子部品または（１３）に記載のパワートランジスタを有する電子機器。
（１５）
（９）〜（１０）のいずれかに記載のはんだ継手を有するパワーデバイス。
（１６）
（１）〜（８）のいずれかに記載のはんだ合金を材料とした部材。
（１７）
接合強度が１０ＭＰａ以上である、（１）〜（８）のいずれかに記載のはんだ合金。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、鉛が添加されて含まれることなく、１６０℃以下の低温の温度域において、優れた特性を有するはんだ合金を得ることができる。本発明のはんだ合金は、鉛が添加されて含まれることのないために将来の環境規制の観点からも有利であり、高価なＡｇ等を使用しないために材料価格の点からも有利である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に本発明を実施の態様をあげて詳細に説明する。本発明は以下にあげる具体的な実施の態様に限定されるものではない。
【００１１】
［はんだ合金］
本発明のはんだ合金は、Ｓｎ、Ｂｉ、及びＺｎを含有するはんだ合金であって、Ｂｉが４２〜６２質量％であり、Ｚｎが０．２〜３．６質量％であり、残部がＳｎ及び不可避不純物である。
【００１２】
本発明のはんだ合金は、いわゆる無鉛はんだ合金である。無鉛はんだ合金は、Ｐｂフリーとも呼ばれるが、環境負荷が十分に低い程度の含有量で、不可避不純物として鉛が含有されていてもよい。本発明のはんだ合金は、従来のＰｂフリーはんだが使用される温域、例えば１６０℃以下の温度域においても、優れた特性を有する。すなわち、固相線温度及び液相線温度が低い温度にあり、濡れ性、強度等といったはんだに求められる特性に優れている。
【００１３】
［Ｓｎ］
Ｓｎ（錫）が、本発明のはんだ合金の主要な構成元素として、含有される。好適な実施の態様において、はんだ合金に対するＳｎの含有量は、例えば３６〜５８質量％、３６〜５６質量％、４１〜５１質量％、４３〜４９質量％とすることができる。
【００１４】
［Ｂｉ］
はんだ合金に対するＢｉの含有量は、例えば４２〜６２質量％、４２〜６１質量％、４７〜５７質量％、４９〜５５質量％とすることができる。
【００１５】
［Ｚｎ］
はんだ合金に対するＺｎの含有量は、例えば０．２〜３．６質量％、０．６〜２．０質量％、０．６〜１．８質量％とすることができる。
【００１６】
［固相線温度］
固相線温度は、例えば１３５℃以下、１３４℃以下、１３３℃以下とすることができ、例えば１２０℃以上、１３１℃以上、１３３℃以上とすることができる。
【００１７】
［液相線温度］
液相線温度は、例えば１５９℃以下、１３６℃以下とすることができ、例えば１２０℃以上、１３１℃以上、１３６℃以上、１３８℃以上とすることができる。
【００１８】
［液相線温度と固相線温度］
好適な実施の態様において、次の式：  ［液相線温度］−［固相線温度］
の値（固相液相温度差：ＰＲ）を、２５℃以下、２０℃以下、１０℃以下とすることができる。ＰＲは、例えば３℃以上とすることができる。本発明のはんだ合金はＰＲが小さいために、はんだ付けに使用した際に、優れた寸法精度を実現することができる。
【００１９】
はんだ付けにおいて、ＰＲが大きいとはんだが固まりにくく、寸法精度が悪くなる。特に、ある程度の大きさを持ち、形状によってはんだ接合不良が起こりやすいはんだボール等にはＰＲの大小による影響が大きい。例えば、ＰＲが大きいはんだ合金によるはんだボールの場合、固まったとしても外側だけで、内側に液状のものが混ざった状態となり、接着時等の圧力で形が崩れることになる。複数のはんだボールで１つのチップを接合する場合、形状（高さ）が異なるはんだボールを使用することによりチップがうまく接合できず、はんだ接合不良（例えばツームストーン、リフトオフ）が起こりやすい。ＰＲが小さければ、すぐに固化するためボイドが少なく、はんだ接合時に液相固相が混在した時間が短いためはんだ接合不良が起こりにくいものとなる。
【００２０】
［好適な組成］
好適な実施の態様において、はんだ合金の組成は、例えば以下とすることができる。
Ｓｎ：Ｂｉ：Ｚｎ＝４５．４〜４７．４質量％：５１．４〜５２．４質量％：１．０〜１．４質量％
Ｓｎ：Ｂｉ：Ｚｎ＝４６．３７質量％：５２．４０質量％：１．２３質量％
【００２１】
［接合強度］
はんだ合金の接合強度は、実施例に記載の手段によって、測定することができる。好適な実施の態様において、接合強度は、例えば１０ＭＰａ以上、あるいは１５ＭＰａ以上とすることができる。
【００２２】
［弾性率］
はんだ合金の弾性率は、従来から知られている合金であるＢｉ−４２Ｓｎよりも高く、疲労特性において優れる。好適な実施の態様において、はんだ合金の弾性率は、４５０ＭＰａ以上とすることができる。はんだ合金の弾性率の上限に特に制限は無いが、例えば６００ＭＰａ以下、５５０ＭＰａ以下とすることができる。
【００２３】
弾性率とは別名バネ常数とも呼ばれ、塑性変形の発生しない応力領域（弾性領域とも言う）の特性値である。弾性領域内の応力であれば、金属は一見変形（たとえば伸びている）しているようにも見えるが、応力を開放すると元の形（元の長さ）に戻る。一般に疲労試験は低応力で実施されるので、弾性率が重要な特性因子になる。弾性率が一定になる応力範囲内のいわゆる低疲労領域においては弾性率の大きな材料が破断に至るまでの寿命が長く、寿命と弾性率の関係は、バスキン則の式によって表される。
【００２４】
Ｂｉ−Ｓｎはんだは共晶組織の合金である。この合金組成にＺｎを加えると、ＺｎはＢｉおよびＳｎとは金属間化合物を作らず、Ｚｎは単独でまずＢｉＳｎ液相中に析出する。冷却速度が速いと球形になり、遅いとデンドライト（樹枝状）結晶になる。このようなメカニズムによって、本発明において、硬くなり、弾性率が上がると本発明者は考えている。
【００２５】
［はんだ合金の形状］
本発明のはんだ合金の形状は、はんだとして使用するために必要に応じた形状を、適宜採用することができる。実施例に記載のようにシート形状の部材とすることができ、さらに、例えばワイヤー、粉、ボール、板、棒などの形状の部材とすることができる。はんだ合金の形状は、粉体の形状、はんだボールの形状（ボール状）、又はシート状とすることが特に好ましい。はんだボールは、例えば直径５０μｍ〜５００μｍのボールをいう。はんだ粉は、例えば粒径５０μｍ未満の粉をいう。はんだ粉は、はんだペースト用に使用することができる。
【実施例】
【００２６】
以下に実施例をあげて、本発明を詳細に説明する。本発明は、以下に例示する実施例に限定されるものではない。【００２７】
［例１］
［実施例１］
Ｓｎ、Ｂｉ、Ｚｎを所定量秤量し、真空溶解でインゴットを溶製した。インゴットの各成分を蛍光Ｘ線で求め、表１に記載した。これを厚み０．２ｍｍのシート状に加工した。なお、インゴットの各成分はＩＣＰ発光分光分析器を用いて分析することもできる。【００２８】
はんだ合金の固相線温度及び液相線温度の測定は、ＪＩＳ  Ｚ３１９８−１：２０１４に準拠し、示差走査熱量測定（ＤＳＣ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｙ）による方法で実施した。【００２９】
２ｍｍ角のＳｉＣチップを用意し、片面にスパッタリングでＮｉ層（厚み１μｍ）、Ａｕ層（厚み０．０５μｍ）の順にそれぞれ形成した。下地にＮｉ層（厚み１μｍ）、最表層にＡｕ層（厚み０．０５μｍ）をそれぞれ電気めっきで形成したリードフレーム上に、２ｍｍ角に切断した厚み０．２ｍｍのＳｎ−Ｂｉ−Ｚｎのシートを乗せ、その上にスパッタ面が上記シートと向かい合うようにＳｉＣチップを載せて、ギ酸（分圧４０ｍｍＨｇ）雰囲気中で１５０℃に加熱し、リードフレームとＳｉＣチップを接合させた。この接合強度を測定した。
接合強度は、ＭＩＬ  ＳＴＤ−８８３Ｇに準じて測定した。荷重センサに取り付けられたツールが基板面まで下降し、装置が基板面を検出し下降を停止し、検出した基板面から設定された高さまでツールが上昇し、ツールで接合部を押して破壊時の荷重を計測した。
＜測定条件＞
本体：ｄａｇｅ社製  ｄａｇｅ  ｓｅｒｉｅｓ  ４０００
方法：ダイシェアテスト
テストスピード：１００μｍ／ｓ
テスト高さ：２０．０μｍ
ツール移動量：４ｍｍ（試験片２ｍｍ）
また弾性率はナノインテンデ―ションでＩＳＯ１４５７７−１に準拠し測定した。
＜測定条件＞
装置：超微小押し込み硬さ試験機  ＥＮＴ−２１００  Ｅｌｉｏｎｉｘ社製
圧子：バーコビッチ圧子
荷重：１００ｍＮ【００３０】
［実施例２〜５］
実施例１と同様の手順によって、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｚｎを所定量秤量し、真空溶解でインゴットを溶製し、インゴットの各成分を蛍光Ｘ線で求め、厚み０．２ｍｍのシート状に加工して、ＤＳＣ測定して固相線温度、液相線温度を求め、さらに接合強度、弾性率を測定した。これらをまとめて、表１に示す。【００３１】
［例２］
［比較例１〜５］
実施例１と同様の手順によって、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｚｎを所定量秤量し、真空溶解でインゴットを溶製し、インゴットの各成分を蛍光Ｘ線で求め、厚み０．２ｍｍのシート状に加工して、ＤＳＣ測定して固相線温度、液相線温度を求め、さらに接合強度、弾性率を測定した。これらをまとめて、表１に示す。【００３２】
［例３］
［参考例１〜２］
実施例１と同様の手順によって、Ｓｎ、Ｂｉ、Ａｇ、Ｉｎを所定量秤量し、真空溶解でインゴットを溶製し、インゴットの各成分を蛍光Ｘ線で求め、厚み０．２ｍｍのシート状に加工して、ＤＳＣ測定して固相線温度、液相線温度を求め、さらに接合強度、弾性率を測定した。これらをまとめて、表１に示す。【００３３】
［結果］
上記の結果を、次の表１にまとめて示す。【００３４】
【表１】
2018012642.tif 000002
【００３５】
実施例１〜５と比較例１〜３を対比した場合には、比較例１〜３は弾性率が実施例の半分ほどの値しかなく明らかに劣る。また、比較例４、５の弾性率は実施例１〜５と同等であったが接合強度が１０ＭＰａ以下であり、接合強度で劣る結果となった。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、低温温度域において、優れた特性を有するはんだ合金を提供する。本発明は産業上有用な発明である。
【手続補正書】
【提出日】平成30年2月8日(2018.2.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｎ、Ｂｉ、及びＺｎを含有するはんだ合金であって、
Ｂｉが４２〜６２質量％であり、Ｚｎが０．２〜３．６質量％であり、残部がＳｎ及び不可避不純物であってＳｎが４１〜４９質量％である、はんだ合金。
【請求項２】
Ｓｎが４３〜４９質量％である、請求項１に記載のはんだ合金。
【請求項３】
Ｂｉが４７〜５７質量％である、請求項１〜２のいずれかに記載のはんだ合金。
【請求項４】
Ｚｎが０．６〜２．０質量％である、請求項１〜３のいずれかに記載のはんだ合金。
【請求項５】
固相線温度が１３５℃以下である、請求項１〜４のいずれかに記載のはんだ合金。
【請求項６】
液相線温度が１６０℃以下である、請求項１〜５のいずれかに記載のはんだ合金。
【請求項７】
次の式：  ［液相線温度］−［固相線温度］
の値が、２０℃以下にある、請求項１〜６のいずれかに記載のはんだ合金。
【請求項８】
弾性率が４５０ＭＰａ以上である、請求項１〜７のいずれかに記載のはんだ合金。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載のはんだ合金ではんだ付けされた電子部品の内部接合はんだ継手。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれかに記載のはんだ合金ではんだ付けされたパワートランジスタのはんだ継手。
【請求項１１】
請求項１〜８のいずれかに記載のはんだ合金を有するプリント回路板。
【請求項１２】
請求項１〜８のいずれかに記載のはんだ合金を有する電子部品。
【請求項１３】
請求項１〜８のいずれかに記載のはんだ合金を有するパワートランジスタ。
【請求項１４】
請求項９または１０に記載のはんだ継手又は請求項１１に記載のプリント回路板または請求項１２に記載の電子部品または請求項１３に記載のパワートランジスタを有する電子機器。
【請求項１５】
請求項９または１０に記載のはんだ継手を有するパワーデバイス。
【請求項１６】
請求項１〜８のいずれかに記載のはんだ合金を材料とした部材。
【請求項１７】
接合強度が１０ＭＰａ以上である、請求項１〜８のいずれかに記載のはんだ合金。
【手続補正書】
【提出日】平成30年7月13日(2018.7.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｎ、Ｂｉ、及びＺｎを含有するはんだ合金であって、
Ｂｉが４２〜６２質量％であり、Ｚｎが０．２〜３．６質量％であり、残部がＳｎ及び不可避不純物であってＳｎが４３〜４９質量％である、はんだ合金。
【請求項２】
Ｓｎが４５．４〜４９質量％である、請求項１に記載のはんだ合金。
【請求項３】
Ｂｉが４７〜５７質量％である、請求項１〜２のいずれかに記載のはんだ合金。
【請求項４】
Ｚｎが０．６〜２．０質量％である、請求項１〜３のいずれかに記載のはんだ合金。
【請求項５】
固相線温度が１３５℃以下である、請求項１〜４のいずれかに記載のはんだ合金。
【請求項６】
液相線温度が１６０℃以下である、請求項１〜５のいずれかに記載のはんだ合金。
【請求項７】
次の式：  ［液相線温度］−［固相線温度］
の値が、２０℃以下にある、請求項１〜６のいずれかに記載のはんだ合金。
【請求項８】
弾性率が４５０ＭＰａ以上である、請求項１〜７のいずれかに記載のはんだ合金。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載のはんだ合金ではんだ付けされた電子部品の内部接合はんだ継手。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれかに記載のはんだ合金ではんだ付けされたパワートランジスタのはんだ継手。
【請求項１１】
請求項１〜８のいずれかに記載のはんだ合金を有するプリント回路板。
【請求項１２】
請求項１〜８のいずれかに記載のはんだ合金を有する電子部品。
【請求項１３】
請求項１〜８のいずれかに記載のはんだ合金を有するパワートランジスタ。
【請求項１４】
請求項９または１０に記載のはんだ継手又は請求項１１に記載のプリント回路板または請求項１２に記載の電子部品または請求項１３に記載のパワートランジスタを有する電子機器。
【請求項１５】
請求項９または１０に記載のはんだ継手を有するパワーデバイス。
【請求項１６】
請求項１〜８のいずれかに記載のはんだ合金を材料とした部材。
【請求項１７】
接合強度が１０ＭＰａ以上である、請求項１〜８のいずれかに記載のはんだ合金。
【国際調査報告】
2018012642.tif 000003
2018012642.tif 000004