(57)【要約】【課題】酸化しやすいＺｎ−Ｓｎ系またはＺｎ−Ｉｎ系はんだ合金の酸化膜生成を抑制しつつ機械的特性を劣化させないはんだ合金を得るとともに、接合欠陥の少ないはんだ付方法を得る。【解決手段】ＳｎあるいはＩｎの１種以上を最大５０重量％含み、かつ０．０００５重量％以上、０．００１重量％未満のＰを含み、残部がＺｎおよび不可避不純物ではんだ合金を構成すると共に、このはんだ合金を用いて不活性雰囲気または還元性雰囲気中ではんだ付を行う。【選択図】図１
2007275921.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｎあるいはＩｎの１種以上を最大５０重量％含み、かつ０．０００５重量％以上、０．０５重量％以下のＰを含み、残部がＺｎおよび不可避不純物からなることを特徴とするはんだ合金。
【請求項２】
ＳｎあるいはＩｎの１種以上を最大５０重量％含み、かつ０．０５％以上、０．５％以下のＡｌまたはＭｇを含み、残部がＺｎおよび不可避不純物からなることを特徴とするはんだ合金。
【請求項３】
ＳｎあるいはＩｎの１種以上を最大５０重量％含み、かつ０．０００５重量％以上、０．０５重量％以下のＰを含み、残部がＺｎおよび不可避不純物からなるはんだ合金を用い、
不活性雰囲気または還元性雰囲気中ではんだ付を行うことを特徴とするＺｎ合金によるはんだ付方法。
【請求項４】
ＳｎあるいはＩｎの１種以上を最大５０重量％含み、かつ０．０５％以上、０．５％以下のＡｌまたはＭｇを含み、残部がＺｎおよび不可避不純物からなるはんだ合金を用い、
不活性雰囲気または還元性雰囲気中ではんだ付を行うことを特徴とするＺｎ合金によるはんだ付方法。
【請求項５】
上記不活性雰囲気または還元性雰囲気中での酸素濃度が１０００ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項３または４記載のはんだ付方法。
【請求項６】
接合材である上記はんだ合金をあらかじめ溶融させた後、被接合部に供給することを特徴とする請求項３または５記載のはんだ付方法。
【請求項７】
液体金属を保持する空間の圧力を外部の圧力より低下させることで上記液体金属を補給し、該空間の圧力を上昇させることで上記液体金属を吐出する液体金属吐出装置によって上記はんだ合金を供給することを特徴とする請求項６記載のはんだ付方法。
【請求項８】
上記液体金属吐出装置は、上記はんだ合金を保持する空間の圧力をピストンとシリンダの組合せあるいはダイアフラムによって変化させることを特徴とする請求項７記載のはんだ付方法。
【請求項９】
上記液体金属吐出装置は、上記はんだ合金と接触する面が、上記はんだ合金と化学反応を生じない材質で構成されていることを特徴とする請求項７または８記載のはんだ付方法。
【請求項１０】
上記液体金属吐出装置は、上記はんだ合金と接触する面が、酸化膜または窒化膜を持つ金属あるいはセラミクスまたはガラスで形成されていることを特徴とする請求項７ないし９のいずれか一つに記載のはんだ付方法。
【請求項１１】
上記液体金属吐出装置は、上記はんだ合金の融点以上の温度を維持する加熱機構を有することを特徴とする請求項７ないし１０のいずれか一つに記載のはんだ付方法。
【請求項１２】
上記液体金属吐出装置は、上記加熱機構が上記はんだ合金を保持する空間を構成する構造体に直接取り付けられていることを特徴とする請求項１１記載のはんだ付方法。
【請求項１３】
上記液体金属吐出装置は、上記加熱機構が上記はんだ合金を保持する空間を構成する構造体とは別に構成され、放射または対流熱伝達によって上記はんだ合金を保持する空間を構成する構造体を加熱することを特徴とする請求項１１記載のはんだ付方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電子機器などを構成する配線基板の部品実装あるいは半導体素子と基材との接合に用いられるはんだ合金および該はんだ合金によるはんだ付方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地下水の汚染などによってＰｂの毒性が問題となり、電気電子製品への使用を制限する動きが世界的に強まる中、これまで電子機器の配線版への部品実装用として広く用いられていたＳｎ−Ｐｂ系はんだが、Ｓｎ―Ａｇ系，Ｓｎ−Ｚｎ系などのＳｎ基Ｐｂ非含有合金に置き換えられている。従来、最も多く用いられていたＳｎ−Ｐｂ系合金は、該合金系において最も融点が低くなる６３重量％Ｓｎ−３７重量％Ｐｂの組成比あるいはその近傍の組成比の合金であり、その融点は約１８３℃であったが、Ｐｂ非含有はんだとして一般に用いられるはんだ合金はＳｎ−Ａｇ系の場合で２２０℃前後、Ｓｎ−Ｚｎ系の場合で２００℃前後と、従来のＰｂ含有はんだ合金に比較して高い融点を持っている。
一方、電子回路基板への実装時に電子部品内部のはんだ接続部が溶融することのないよう、電子部品内部の接続は、基板への実装用はんだ合金よりも高い融点を持つはんだ合金によって行われていなければならない。電子回路基板への電子部品実装時には２５０℃程度の温度に加熱されるため、電子部品の内部接続に用いるはんだ合金は２５０℃を超える融点を持つ必要がある。前記Ｓｎ−Ｐｂ系合金は、ＳｎとＰｂとの含有比率を調整することで比較的大きく融点を変化させることが可能でＰｂの含有比率を高めることで高い融点を得ることができ、例えば５重量％Ｓｎ−９５重量％Ｐｂ合金の場合、その融点は３００℃を超える。従来の電子部品内部接続には、例えば５重量％Ｓｎ−９５重量％Ｐｂ合金が用いられていたが、Ｐｂによる環境汚染を防止するため、電子部品の内部接続にもＰｂ非含有合金を用いることが社会的に求められている。
前記５重量％Ｓｎ−９５重量％Ｐｂ合金のように２５０℃を越え、３００℃程度の融点を有するＰｂ非含有合金の候補としてはＡｕ−Ｓｎ系，Ｚｎ−Ｓｎ−Ａｌ−Ｍｇ系，Ｓｎ−Ｓｂ系，Ｂｉ−Ｓｎ系，Ｂｉ−Ａｇ系などの合金が考えられるが、従来のＳｎ−Ｐｂ系合金に比較していずれも硬く脆い機械的特性を持つうえ、Ａｕ−Ｓｎ系は極めて高価であり、Ｓｎ−Ｓｂ系に含まれるＳｂは毒性が高いことが問題である。
これに対し、比較的柔軟な機械特性を持ち、３００℃以上の液相線温度を持つ合金としてＺｎ−Ｓｎ系合金が考えられる。しかしながら、Ｚｎは酸化しやすく、かつ一旦酸化したＺｎ酸化膜は破壊され難いため、はんだ付性を阻害する要因となりやすい。この問題を解決するために、特許文献1に示すように、Ｚｎ−Ｓｎ系合金に０．００１重量％〜１重量％のＰを添加した合金が提案されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−５２８６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のＺｎ−Ｓｎ系はんだ合金は、０．００１重量％〜１重量％のＰを添加することで、Ｐが優先的に酸化して表面をＰ酸化膜が覆うため、ＺｎやＳｎの酸化を抑制することができ、はんだ付性を改善できるが、ＰはＳｎと金属間化合物を形成し、はんだ合金組織中に鋭利な形状の結晶として晶出するため、そのＳｎ−Ｐ金属間化合物の量が多くなると、はんだ合金の機械特性、特に破断伸びを劣化させる問題がある。
さらに、Ｚｎ−Ｓｎ系合金に０．００１重量％〜１重量％のＰを添加してＺｎやＳｎの酸化膜の生成を抑制できても、この合金を用いてはんだ付を行うためにフラックスを用いた場合、そのフラックスとの反応によって多量の水素ガスが発生して溶融したはんだ合金中に取り込まれて空孔を形成し、はんだ付欠陥となる場合が多い。
【０００５】
この発明は以上のような問題を解決するためになされたもので、機械的特性を劣化させることなく酸化膜の生成を抑制できるはんだ合金を得るとともに、空孔などの接合欠陥のない接合部を形成できるはんだ付方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係るはんだ合金は、ＳｎあるいはＩｎの１種以上を最大５０重量％含み、かつ０．０００５重量％以上、０．００１重量％未満のＰを含み、残部がＺｎおよび不可避不純物からなるものである。
【０００７】
この発明に係るはんだ合金は、ＳｎあるいはＩｎの１種以上を最大５０重量％含み、かつ０．０５％以上、０．５％以下のＡｌまたはＭｇを含み、残部がＺｎおよび不可避不純物からなるものである。
【０００８】
この発明に係るはんだ付方法は、ＳｎあるいはＩｎの１種以上を最大５０重量％含み、かつ０．０００５重量％以上、０．００１重量％未満のＰを含み、残部がＺｎおよび不可避不純物からなるはんだ合金を用い、不活性雰囲気または還元性雰囲気中ではんだ付を行うものである。
【０００９】
この発明に係るはんだ付方法は、ＳｎあるいはＩｎの１種以上を最大５０重量％含み、かつ０．０５％以上、０．５％以下のＡｌまたはＭｇを含み、残部がＺｎおよび不可避不純物からなるはんだ合金を用い、不活性雰囲気または還元性雰囲気中ではんだ付を行うものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、機械的特性を劣化させることなく酸化膜の生成を抑制できる高温はんだ合金を得られる効果がある。
また、この発明によれば、空孔などの接合欠陥のないはんだ接合部を形成できるはんだ付方法を得られる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１．
この発明の実施の形態1は、はんだ合金として、ＳｎあるいはＩｎの１種以上を最大５０重量％含み、かつ０．０００５重量％以上、０．０５重量％以下のＰを含み、残部がＺｎおよび不可避不純物からなるものを提供するもので、このはんだ合金によれば、機械的特性を劣化させることなく酸化膜の生成を抑制できる高温はんだ合金を得られる。
図１は、実施の形態１によるはんだ合金におけるＰ濃度と静的引張試験における破断伸びとの関係およびＰ濃度と噴流はんだ付装置における通称ドロスと呼ばれる酸化物の発生量との関係を表した相関図である。
はんだ合金の基本組成は例えばＳｎが３０％で残部がＺｎで構成されている。Ｐ濃度が０．０００５％を越えるとドロス発生量が激減し、Ｐによる酸化抑制効果が得られるが、その一方でＰ濃度が０．０５％を越えると破断伸びが減少し始め、材料の延性が損なわれる。従って、はんだ材料としてはＰ濃度が０．０００５％以上かつ０．０５％以下の範囲が適当である。
ここでは、Ｓｎが３０％で０．０００５％以上０．０５％以下のＰを含み残部がＺｎで構成される合金について述べたが、それ以外の組成比のＺｎ−Ｓｎ系合金でもＳｎが５０％以下の場合であれば同様の効果が得られ、Ｚｎ−Ｉｎ系合金においても５０％以下のＩｎを含む場合は同様の効果が得られる。
【００１２】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２は、はんだ合金として、ＳｎあるいはＩｎの１種以上を最大５０重量％含み、かつ０．０５％以上、０．５％以下のＡｌまたはＭｇを含み、残部がＺｎおよび不可避不純物からなるものを提供するもので、実施の形態1と同様に、機械的特性を劣化させることなく酸化膜の生成を抑制できる高温はんだ合金を得られる。
図２は、実施の形態２によるはんだ合金におけるＡｌ濃度と静的引張試験における破断伸びとの関係およびＡｌ濃度と噴流はんだ付装置における通称ドロスと呼ばれる酸化物の発生量との関係を表した相関図である。
はんだ合金の基本組成は例えばＳｎが３０％で残部がＺｎで構成されている。Ａｌ濃度が０．０５％を越えるとドロス発生量が激減し、Ａｌによる酸化抑制効果が得られるが、その一方でＡｌ濃度が０．５％を越えると破断伸びが減少し始め、材料の延性が損なわれる。従って、はんだ材料としてはＡｌ濃度が０．０５％以上かつ０．５％以下の範囲が適当である。
【００１３】
ここでは、Ｓｎが３０％で０．０５％以上０．５％以下のＡｌを含み残部がＺｎで構成される合金について述べたが、それ以外の組成比のＺｎ−Ｓｎ系合金でもＳｎが５０％以下の場合であれば同様の効果が得られ、Ｚｎ−Ｉｎ系合金においても５０％以下のＩｎを含む場合は同様の効果が得られる。
また、Ａｌに代わってＭｇを添加してもその濃度とドロス低減効果との相関はＡｌを添加した場合と同様であり、破断伸びなど静的機械的特性に対する影響もＡｌを添加した場合と同様である。
【００１４】
実施の形態３．
実施の形態３は、ＳｎあるいはＩｎの１種以上を最大５０重量％含み、かつ０．０００５重量％以上、０．０５重量％以下のＰを含み、残部がＺｎおよび不可避不純物からなるはんだ合金を用い、不活性雰囲気または還元性雰囲気中ではんだ付を行うはんだ付方法を提供するもので、空孔などの接合欠陥のないはんだ接合部を形成できるはんだ付方法が得られる。
図３は、この発明の実施の形態３によるＺｎ−ＳｎーＰ系はんだ合金による接合部の断面を示す模式図である。
図において１は接合に用いたはんだ材で例えばＺｎ−３０Ｓｎ−０．０００５Ｐ（数値は％を表し、残部はＺｎであることを示す）、２は被接合材で例えば表面にＮｉメタライズを施したＳｉチップ、３は基材で例えば表面にＮｉめっきを施したＣｕ板である。この接合部は、例えば酸素濃度が１００ｐｐｍ、水素濃度が３％で残りが窒素で構成された雰囲気ガス中でＣｕ板３上に板状に加工したＺｎ−Ｓｎ−Ｐはんだ合金１を重ね、さらにその上にＳｉチップ２を重ね合わせた後、Ｚｎ−Ｓｎ−Ｐ合金１の融点以上で例えば４００℃に加熱後、冷却することで得られたものである。被接合材とはんだ材との界面で十分な濡れが得られると共に、空孔などの接合欠陥もない良好な接合部が形成されている。
【００１５】
一方、図４は同じはんだ合金，Ｓｉチップ，Ｃｕ板を用い、フラックスを用いて大気中で加熱した場合の接合部の断面を示す模式図である。
図において１〜３はこの発明の実施の形態３で示したものと同様であり、４ははんだ中に発生した空孔である。このように大気中においてフラックスを用いた場合、フラックスとはんだ材表面の酸化膜との反応によって発生したガスが溶融したはんだ中に捕らえられるため、ボイドの発生を防止することが極めて困難である。
以上のように、例えば酸素濃度が１００ｐｐｍ、水素濃度が３％で残りが窒素で構成された雰囲気ガス中でフラックスを用いずに加熱してはんだ付を行うことによって空孔などの接合欠陥のないはんだ接合部を得ることができる。
【００１６】
この実施の形態でははんだ合金としてＺｎ−３０Ｓｎ−０．０００５Ｐを用いた場合について述べたが、それ以外の組成比のＺｎ−Ｓｎ系合金でもＳｎが５０％以下でＰ濃度が０．０００５％以上、０．０５％以下の範囲であれば同様であり、Ｚｎ−Ｉｎ系合金においても５０％以下のＩｎを含み、Ｐ濃度が０．０００５％以上０．０５％以下の範囲であれば同様である。また、Ｐの代わりにＡｌやＭｇをはんだ合金に添加している場合も０．５％以下の添加範囲であれば同様である。さらに、この実施の形態では還元性雰囲気として酸素濃度が１００ｐｐｍ、水素濃度が３％で残りが窒素で構成された雰囲気ガスの場合について述べたが、酸素濃度が十分低ければこれに限るものではなく、被接合材表面の酸化膜の影響が少ない場合は水素を含んでいなくても良い。また不活性ガスは窒素に限るものではなく、酸化性がなければアルゴンなどでも全く問題ない。酸素濃度は低いほど接合性が良くなるが、１０００ｐｐｍ以下であれば十分なボイド抑制効果が得られる。
【００１７】
実施の形態４．
図５は、この発明の実施の形態４によるはんだ付方法を示す構成図である。図において５は例えば不活性または還元性雰囲気中に置かれたるつぼであり、６はそのるつぼ中で加熱されて溶融したはんだ合金であり、例えばＺｎ−３０Ｓｎ−０．０００５Ｐ、７はそのるつぼ５から溶融したはんだ６をすくい取り、基材３の上に供給するための器具で例えばはんだと反応し難い表面処理を持つステンレス鋼製のさじ、８はさじ７によって基材３上に供給されたはんだである。
【００１８】
Ｚｎ−Ｓｎ系合金は大気中では極めて酸化しやすいため、如何に清浄な表面を持つ板材を作製したとしても、そのまま大気中に保管されると極めて短時間の内に主にＺｎの酸化物である酸化膜がはんだ材の表面を覆ってしまう。一旦形成された酸化膜ははんだ材が溶融してもその表面に存在し続け、揺動などの外力を与えない限り、破壊されにくい。この酸化膜がはんだ付を阻害し、空孔や濡れ不良の原因となる。
これに対し、この実施の形態４に示す方法では、不活性雰囲気または還元性雰囲気中において、るつぼ５ではんだ合金６を溶融させるため、はんだ合金６の表面に浮遊する酸化膜さえ除去すれば、新たなはんだ材の酸化を抑制でき、酸化していないはんだ合金をさじ７ですくって供給することによって酸化膜を含まないはんだを用いてはんだ付することが可能になる。
【００１９】
この実施の形態４でははんだ合金としてＺｎ−３０Ｓｎ−０．０００５Ｐを用いた場合について述べたが、これに限るものでないことは実施の形態３の場合と同様であり、溶融したはんだを被接合部に供給することができればさじ以外の手段によっても同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００２０】
実施の形態５．
図６は、この発明の実施の形態５によるはんだ付方法を示す構成図である。図において９は空間の圧力を外部の圧力より低下させることで液体金属を補給し、該空間の圧力を上昇させることで液体金属を吐出する液体金属吐出装置で、例えば、ガラスシリンダとガラスピストンで構成されたシリンジ、１０は内部にヒータ等の加熱機構を備え、シリンダを加熱しながら把持する治具であり、その他は実施の形態４と同じものである。
この実施の形態５では、被接合部である基材３にはんだ合金６を供給するための器具としてシリンジを用いたため、るつぼ５内で溶融しているはんだ合金６の内部から酸化膜を含まない部分を吸引することが容易になり、被接合部に酸化膜のない清浄なはんだ供給を繰り返し連続的に行うことができる。
【００２１】
この実施の形態５では液体金属吐出装置９としてガラス製にシリンジの場合について述べたが、これに限るものでなく、液体金属を保持する空間の圧力を外部の圧力より低下させることができる器具であれば良く、溶融はんだ合金の温度に耐える耐熱材料で構成されたダイアフラムでも同様の効果を得られる。
また、シリンジはガラス製に限るものでなく、金属やセラミクスで構成されていても良く、またそのシリンジにおいて溶融はんだと接触する面にはんだ合金と反応を起こさない酸化膜や窒化膜処理を施しておけば耐久性が向上する。
更に、シリンジを把持する治具にヒータ等の加熱機構を備えることでシリンジ内に吸引した溶融はんだ合金が凝固するのを防止することができ、かつシリンジの交換作業が容易にできるが、シリンジ自体に加熱機構を備える構造とするとはんだ合金への熱伝達効率が良くなるため加熱機構の温度を低く設定することが可能になる。
また、はんだ合金を保持する空間を構成するシリンジ等の構造体とは別に加熱機構を構成し、放射または対流熱伝達によってはんだ合金を保持する空間を構成する構造体を加熱するようにしてもよい。
なお、この実施の形態でははんだ合金としてＺｎ−３０Ｓｎ−０．０００５Ｐの場合について述べたが、これに限るものでないことは実施の形態３，４の場合と同様である。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】この発明の実施の形態１によるはんだ合金の性質を示す相関図である。
【図２】この発明の実施の形態２によるはんだ合金の性質を示す相関図である。
【図３】この発明の実施の形態３によるはんだ接合部の断面を示す模式図である。
【図４】この発明の実施の形態３による従来のはんだ付方法によるはんだ接合部の断面を示す模式図である。
【図５】この発明の実施の形態４による溶融はんだ合金の供給方法を示す構成図である。
【図６】この発明の実施の形態５による溶融はんだ合金の供給方法を示す構成図である。
【符号の説明】
【００２３】
１  はんだ合金、２  Ｓｉチップ、３  Ｃｕ基材、５  るつぼ、６  はんだ合金、７  さじ、８  はんだ、９  液体金属吐出装置、１０  治具
【図１】
2007275921.tif 000003
【図２】
2007275921.tif 000004
【図３】
2007275921.tif 000005
【図４】
2007275921.tif 000006
【図５】
2007275921.tif 000007
【図６】
2007275921.tif 000008