(57)【要約】      （修正有）【課題】はんだフィレットの経時劣化を防止しはんだ接合構造の信頼性を向上させる。【解決手段】はんだ材付きリード部材１０は、リード線１１の表面に、Ｃｕめっき下地層１２を施し、この上にさらに所定濃度以上のＳｎを含有するＳｎ系はんだ層１３を積層した複層構造を有する。Ｓｎ系はんだ層１３を用いてリード線１１に半導体や圧電振動子などの電子素子２０を接合し、はんだ付け後のはんだフィレットに所定の熱処理を施すことで拡散反応を平衡状態にして経時変化を抑制するとともに、はんだフィレットの金属組成をより耐熱性の高温はんだに変化させることを特徴とする。このときリード線１１に施したＣｕめっき下地層１２は、予め充分な厚みを設けてＣｕとＳｎとの相互拡散を平衡状態まで進行させてもＣｕめっき下地層１２が消失しないようにしている。【選択図】図１
2013035046.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
リード線にＣｕめっき下地層を施し、その上に所定濃度のＳｎを含むＳｎ系はんだ層を積層したリード部材と、電子素子を有する絶縁基板上の電極用金属膜とのはんだ接合構体であって、前記Ｓｎ系はんだ層は所定の温度で溶融されて前記リード部材と電極用金属膜とをはんだフィレットを介して接合し、このはんだフィレットを熱処理によりＣｕ−Ｓｎの固相拡散を進行させ高温はんだフィレットの平衡状態金属間化合物とすることを特徴とする金属膜とリードのはんだ接合構体。
【請求項２】
前記Ｃｕめっき下地層は、そのＣｕ相が前記Ｓｎ系はんだ材のＳｎ相と相互拡散し平衡状態に達した後、前記Ｓｎ系はんだ層が含む全Ｓｎ量に対し、前記Ｃｕめっき下地層のＣｕ相が消失しない程度に、予め過剰量のＣｕを施すことを特徴とする請求項１に記載の金属膜とリードのはんだ接合構体。
【請求項３】
前記Ｓｎ系はんだ層は、その組成においてＳｎが１０〜３０質量％の範囲内で含むＳｎ−Ｐｂ合金であることを特徴とする請求項１に記載の金属膜とリードのはんだ接合構体。
【請求項４】
前記Ｓｎ系はんだ層は、その組成においてＳｎが８５〜１００質量％の範囲内で含むＳｎまたはＳｎ−Ｃｕ合金であることを特徴とする請求項１に記載の金属膜とリードのはんだ接合構体。
【請求項５】
前記高温はんだフィレットは、金属間化合物を除いた純金属Ｓｎ成分の含有量が１質量％以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項４に記載の金属膜とリードのはんだ接合構体。
【請求項６】
リード線にＣｕめっき下地層を施し、その上に所定濃度以上のＳｎを含むＳｎ系はんだ材を積層するリード部材を調達する工程と、電子素子を有する絶縁基板上の電極用金属膜を形成する工程と、前記Ｓｎ系はんだ層を溶融して前記リード部材と前記電極用金属膜とをはんだフィレットを介して接合する工程と、前記はんだフィレットを熱処理によりＣｕ−Ｓｎの固相拡散を進行させて平衡状態の金属間化合物にする熱処理工程とを含む金属膜とリードのはんだ接合構体の熱処理方法。
【請求項７】
前記Ｓｎ系はんだ層は、その組成においてＳｎが１０〜３０質量％の範囲内で含むＳｎ−Ｐｂ合金であり、前記Ｃｕめっき下地層は、その膜厚を、前記Ｓｎ−Ｐｂ合金の膜厚比１に対して前記Ｃｕめっき下地層の厚みを少なくとも膜厚比０．５以上施したことを特徴とする請求項６に記載の金属膜とリードのはんだ接合構体の熱処理方法。
【請求項８】
前記熱処理工程は、固相となった前記はんだフィレットを１５０℃以上１８３℃未満の温度条件下で前記はんだフィレット中に残存する純金属Ｓｎ相を平衡状態となるまで固相拡散させたことを特徴とする請求項７に記載の金属膜とリードのはんだ接合構体の熱処理方法。
【請求項９】
前記Ｓｎ系はんだ層は、その組成においてＳｎを８５〜１００質量％の範囲内で含むＳｎまたはＳｎ−Ｃｕ合金であり、前記Ｃｕめっき下地層は、その膜厚を、前記ＳｎまたはＳｎ−Ｃｕ合金の膜厚比１に対して前記Ｃｕめっき下地層の厚みを少なくとも膜厚比    １．３以上施したことを特徴とする請求項６に記載の金属膜とリードのはんだ接合構体の熱処理方法。
【請求項１０】
前記熱処理工程は、固相となった前記はんだフィレットを１５０℃以上２２７℃未満の温度条件下で前記はんだフィレット中に残存する純金属Ｓｎ相を平衡状態となるまで固相拡散させたことを特徴とする請求項９に記載の金属膜とリードのはんだ接合構体の熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品の端子リードを絶縁基板上の金属膜にはんだ付けする接合構造、特にＣｕめっきリード線にＳｎ合金はんだ材を形成した端子リードを絶縁基板に形成した電極用金属膜に接続する金属膜とリードのはんだ接合構体およびその熱処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体や水晶振動子などの電子素子をパッケージ配置する電子部品の組み立て構造では、通常、パッケージ端子用のリードを絶縁基板に設けた電子素子用電極に接合することが行われる。たとえば、絶縁基板上の電極金属膜に設けた電子素子を導出用のＣｕめっきリードにＳｎ系高温はんだ材を使用してリフロー対応する場合がある。その際、高温はんだ材により、ＣｕとＳｎ合金の接触による相互拡散が生じ、Ｃｕ層とＳｎ系はんだ層との層間に金属間化合物のＣｕ３Ｓｎ層（Ｃｕ側）とＣｕ６Ｓｎ５層（Ｓｎ合金側）とが生成され、Ｃｕ層とＣｕ３Ｓｎ層との界面に層間剥離が生じることが知られている。この現象はカーケンダルボイドの蓄積によるものとされ、はんだ接合界面の上層から順に、はんだ材のＳｎとリード上のめっきＣｕとの相互拡散で生成された金属間化合物（Ｃｕ６Ｓｎ５およびＣｕ３Ｓｎ）に依存して剥離の起因となる。特にリフロー時にＣｕ６Ｓｎ５層（η相）がほとんど成長せずＣｕ３Ｓｎ層（ε相）が生成、成長する場合にＳｎに比べＣｕが速く大量に拡散するためＣｕ３Ｓｎ層とＣｕ層との界面に両原子の拡散速度の差異によってカーケンダルボイドが成長し、クラックに発展してはんだ接合が破壊され故障の原因となる。ここで、カーケンダルボイドの生成に関し、ＣｕとＳｎの相互拡散では、Ｃｕ原子はＳｎ原子に比べて拡散速度が速く、生成された金属間化合物のＣｕ３Ｓｎ層中ではＣｕ原子とＳｎ原子の拡散速度の差が大きく、Ｃｕ原子が優先して拡散するのでＣｕ３Ｓｎ層と下地Ｃｕ層との界面にカーケンダルボイドが生成する一方で、金属間化合物のＣｕ６Ｓｎ５層中の拡散過程ではＣｕ原子とＳｎ原子の拡散速度に大差がないので界面にカーケンダルボイドの生成は見られない。
【０００３】
このため、下地Ｃｕ材とＳｎ系はんだ層の接合信頼性を確保する目的で様々な対策が提案され、下地Ｃｕ材とＳｎ系はんだ層の中間にＣｕに比べＳｎとの反応が緩慢なＮｉ材からなる拡散バリア層を設けるなどの対策がとられている。例えば、特許文献１は導電部材に関し、Ｎｉ系下地層に対するＣｕ３Ｓｎ層の面積被覆率を６０％以上とし、Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物層の凹部に対する凸部の比率を１．２〜５として、さらにＣｕ３Ｓｎ層の平均厚みを０．０１〜０．５μｍとすることでカーケンダルボイドを防止し、かつＳｎ系めっき層の上にＡｇ３Ｓｎ層を設けてめっき材の耐熱性を向上させている。また、特許文献２の水晶振動子では、下地金属との密着性とＳｎとの金属間化合物形成のためのＣｕめっき層と、圧入時の塑性変形により気密封止を主として担うＳｎめっき層と、Ｓｎとの金属間化合物形成及びＳｎとＡｕの反応抑制及びワイヤボンディングのための金属めっき層を設け、さらにＳｎめっき層を熱処理により金属間化合物化することにより高融点化を実施している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−０２６６７７号公報
【特許文献２】特開２０１０−０１０９４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように下地Ｃｕ材にＳｎ系はんだ層を直に施した場合には、はんだ接合の信頼性を確保するため様々な対策がとられている。しかし、ＣｕとＳｎの相互拡散は、常温程度の温度環境でも容易に進行するため、最終消費者に供給された後ではんだ接合が経時劣化し問題となっていた。また、これまでにＣｕ下地めっき層の上にＳｎ−Ｐｂ合金はんだ層を施し、可及的に相互拡散を生じない熱処理条件によりリード端子と搭載素子の電極を接合させた後、７０℃の環境に曝した場合、３μｍの純Ｃｕめっき層では３２０日程度で完全に消失し、その時点で接合強度が著しく低下してしまうことも経験した。従って、下地Ｃｕ材の上にＳｎ系はんだ層を直に施した場合には、製造工程で拡散反応を進行させないように熱処理を行ったとしても早晩接合強度の劣化を来たし信頼性の低下が避けられなかった。本発明が解決しようとする課題は、相互拡散の不均衡によって発生する原子の空孔が金属層の界面に蓄積し合体成長して生じた層間成長ボイドとして知られるカーケンダルボイドの生成を防ぎ、めっき層の剥離を防止し、製品完成後の経時変化が少なく、かつ作業温度の低いＳｎ濃度の高いはんだ材を高温はんだ材として使用可能にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
発明者は、種々のリード部材の相互拡散による界面反応に着目し鋭意検討を進めた結果、Ｃｕ製リード部材またはリード部材に施したＣｕめっき層の上に所定濃度のＳｎを含有するＳｎ系はんだ層を予めコーティングしておき、より低温側の第１の溶融温度で前記Ｓｎ系はんだ層を溶融させてはんだ付けを行った後、はんだ付け工程で形成したはんだフィレットを固相状態のままさらに熱処理を加えて、該はんだフィレットの合金組成をより高温側の第２の溶融温度を有する高温はんだフィレットに変化させることができ、これを半導体や水晶振動子など電子素子パッケージ内部の高温はんだ接合に応用できることを見出した。すなわち、下地Ｃｕ材上に所定濃度のＳｎを含有するＳｎ系はんだ層を用いて溶融はんだ付けを実施する際、はんだ付け作業温度で液相となったＳｎ系はんだ層と下地Ｃｕ材との固−液拡散では、溶融Ｓｎ系はんだと固体の下地Ｃｕ材との固−液界面に、金属間化合物のＣｕ３Ｓｎ層（ε相）とＣｕ６Ｓｎ５層（η相）が生成されるが、Ｃｕ３Ｓｎ層（ε相）の生成は少なく、優先的にＣｕ６Ｓｎ５層（η相）が生成され固−液界面に生成するＣｕ−Ｓｎ金属間化合物層と下地Ｃｕ材の界面に有害なカーケンダルボイドの発生が無いはんだフィレットとなることを見出した。このはんだフィレットは、コーティング膜のみから形成され含有するＳｎ化学量が限られているので、はんだフィレットに熱処理を加えて平衡状態に達するまで固相拡散させると、はんだに含有されるＳｎは急速に拡散消費されて下地Ｃｕ側へのＳｎの拡散供給が減少し、Ｃｕ６Ｓｎ５層が全てＣｕ３Ｓｎ層に相変化するが、この時点で熱平衡に達しているため、見かけ上、それ以上下地Ｃｕ材からのＣｕ拡散が無くなりカーケンダルボイドの発生は抑制される。また、Ｃｕ材をめっき等の皮膜層で構成した場合は、はんだ付け工程およびはんだ付け後の熱処理においてＣｕ下地層が食われ現象で消失してしまわないよう、Ｃｕめっき下地層とＳｎ系はんだ層の量を予め調整しておくことで、Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物層の機械的強度の劣化も防止できる。
【０００７】
本発明によると、前述のＣｕ材はリード線材にＣｕめっき下地層を施したＣｕめっき下地層であっても良く、このＣｕめっき下地層の上に所定濃度範囲のＳｎを含むＳｎ系はんだ層を積層したリード部材と、電子素子を有する絶縁基板上の電極用金属膜とのはんだ接合構体であって、Ｓｎ系はんだ層は所定の温度で溶融されてリード部材と電極用金属膜とをはんだフィレットを介して接合し、このはんだフィレットを熱処理によりＣｕ−Ｓｎの固相拡散を進行させ、純金属Ｓｎ成分を所定濃度以下にした平衡状態の金属間化合物としたことを特徴とする金属膜とリードのはんだ接合構体が提供される。Ｓｎ系はんだ層がＳｎ−Ｐｂ合金はんだ材の場合は、その組成においてＳｎが１０〜３０質量％の範囲内で含むことが望ましく、また、ＳｎまたはＳｎ−Ｃｕ合金はんだ材の場合は、その組成においてＳｎが８５〜１００質量％の範囲内で含むことが望ましい。すなわち、所定の熱処理を施すことで、拡散反応を平衡状態にして経時変化を抑制するとともに、初期のはんだフィレットの金属組成をより高温の溶融温度を有する高温はんだフィレットに変化させることを特徴とする新規かつ改良されたはんだ接合構体およびその熱処理方法が提供される。
【０００８】
ここで、Ｃｕめっき下地層は、そのＣｕ相がＳｎ系はんだ層のＳｎ相と相互拡散し平衡状態に達した後においても、前記Ｃｕめっき下地層のＣｕ相が消失しない程度に、前記Ｓｎ系はんだ層が含む全Ｓｎ量に対して、予め過剰量のＣｕを下地層として施したことを特徴とする。すなわち、電子部品のリード線などのリード部材に施したＣｕめっき下地層と、このＣｕめっき下地層上に所定濃度範囲のＳｎを含むＳｎ系はんだ層を積層したリード部材において、予め充分な厚みを有するＣｕめっき下地層を設けてＣｕとＳｎとの相互拡散を平衡状態まで進行させ、純金属Ｓｎ成分を所定濃度以下にしてもＣｕめっき下地層が消失しないようにしたことを特徴とする新規かつ改良されたはんだ接合構体が提供される。具体的に、高温はんだフィレットは、金属間化合物のＳｎ合金を除いた純金属としてのＳｎ含有量が１質量％以下である金属膜とリードのはんだ接合構体が開示される。
【０００９】
本発明の別の観点によれば、リード線にＣｕめっき下地層を施し、その上に所定濃度範囲のＳｎを含むＳｎ系はんだ層を積層するリード部材を調達する工程と、電子素子を有する絶縁基板上の電極用金属膜を形成する工程と、Ｓｎ系はんだ層を溶融してリード部材と電極用金属膜とをはんだフィレットを介して接合するはんだ付け工程と、はんだフィレットを熱処理によりＣｕ−Ｓｎの固相拡散を進行させて平衡状態の金属間化合物にする熱処理工程とを含む金属膜とリードのはんだ接合構体の熱処理方法が提案される。すなわち、はんだ材付きリード部材に半導体や圧電素子などの電子素子の電極用金属膜を接合する工程において、リード部材の下地Ｃｕ材上に、より低い温度で溶融できるようにＳｎを所定量含有させたＳｎ系はんだ層を予めコーティングしておき、より低温側の第１の溶融温度でＳｎ系はんだ層を溶融させてはんだ付けを行った後、初期はんだフィレットを固相状態で熱処理し、該はんだフィレットの金属組成を、より高温側の第２の溶融温度を有する高温はんだフィレットに変化させることを特徴とするはんだ材付きリード部材のはんだ付け熱処理方法である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のはんだ材付きリード部材を適用した電子部品は、はんだ付け後の熱処理においてＳｎとＣｕの相互拡散が平衡状態になるので、製品完成後の高温はんだフィレットが経時劣化する心配が無く接合部の信頼性が向上する。しかも、作業温度の低いより高Ｓｎ濃度のＳｎ系はんだ層で電子素子の接合を行った後、このリード部材と電子素子とを接合した初期はんだフィレットに所定の熱処理を施し、はんだフィレット中の純金属Ｓｎ成分を所定濃度以下の低い平衡濃度とすることによって、はんだフィレットの溶融温度を高温側にシフトさせ耐熱性の高温はんだフィレットとして利用できる。さらに、本発明のはんだ材付きリード部材は、従来Ｓｎ−Ｃｕ合金はんだ材のように固相線、液相線に開きがありはんだフィレットの耐熱性を両立させることが困難とされていた非共晶のＳｎ合金も、はんだ付け後に所定の熱処理を施しはんだフィレットを相変化させることで耐熱性の高温はんだとして利用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係るはんだ接合構体のはんだ処理におけるリード部材１０と電子素子２０の配置状態を示す部分断面図である。
【図２】図１のはんだ処理における各工程別の部分断面図である。
【図３】本発明に係る実施例である円筒型水晶振動子用気密端子の分解斜図である。
【図４】本発明に係るはんだ接合構体の製造工程におけるＣｕめっき下地層とＳｎ−Ｐｂはんだ層を有するリード部材の接合部分断面図である。
【図５】本発明に係るはんだ接合構体に関し、はんだ付時および拡散処理時におけるＳｎ−Ｐｂ合金の状態変化を説明する平衡状態図である。
【図６】本発明に係るはんだ接合構体の製造工程におけるＣｕめっき下地層とＳｎはんだ層を有するリード部材の接合部の部分拡大断面図である。
【図７】Ｓｎはんだ材に関するＣｕ−Ｓｎ合金の平衡状態図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明に係るはんだ接合構体は、図１に示すように、リード部材１０と電子素子２０とを配置し、両者をそれぞれはんだ接合して構成される。リード部材１０は基材となるリード線１１の表面に、Ｃｕめっき下地層１２を施し、このＣｕめっき下地層１２の上に所定濃度範囲のＳｎを含むＳｎ系はんだ層１３を積層した複層構造を有する。このはんだ材付きリード部材１０は、絶縁基板等に実装される半導体や圧電振動子などの電子素子２０を接続するために金属膜の平面電極２５とはんだ接合されるが、図２に示すように、３工程を経て接合・熱処理される。すなわち、リード部材のはんだ層２３と電子素子の平面電極２５とを図２（ａ）に示すように配置し、はんだ付け工程で図２（ｂ）に示すように電子素子用電極とはんだ材付きリード部材とが溶融したはんだ層によって接合された初期はんだフィレット２６を形成し、その後、図２（ｃ）に示すように熱処理工程による固相拡散を経て高温はんだフィレット２７によるはんだ接合構体を得る。ここで、はんだ付け直後の初期はんだフィレット２６に所定の熱処理を施すことで拡散反応を進行させ、含有する純金属Ｓｎ成分の濃度を１質量％以下の平衡状態にして経時変化を抑制するとともに、はんだフィレットの金属組成をより耐熱性の高温はんだフィレット２７に変化させることを特徴とする。また、このときリード線１１に施したＣｕめっき下地層１２は、予め充分な厚みを設けてＣｕとＳｎとの相互拡散を前記平衡状態まで進行させてもＣｕめっき下地層１２が消失しないようにしている。Ｓｎ系はんだ層１３のトータルＳｎ量に対して過剰量のＣｕめっき下地層１２を予め設けておき、両元素の相互拡散が平衡状態まで達したとしてもＣｕめっき下地層１２が消失しないように設定される。特に前記リード線１１がコバール合金やＮｉ−Ｆｅ合金などのＦｅ基合金材からなる場合には、Ｆｅ基合金材リード線とＳｎ系はんだ材とは相互拡散し難いためＣｕめっき下地層１２が消失してしまうと接合代が無くなりめっき膜が界面剥離してしまうことがあるが、Ｃｕめっき下地層１２を保持することにより前記界面剥離を防止できる。
【００１３】
本発明に係るはんだ接合構体のはんだ処理方法は、上述するように、接合部材の所定配置後、図２（ｂ）に示すはんだ材が低い温度で溶融できるようにＳｎ含有量を調整したＳｎ系はんだ層２３をＣｕめっき下地層２２上にコーティングし、低温側の第１の溶融温度でＳｎ系はんだ層２３を溶融させる。この初期はんだフィレット２６は、さらに図２（ｃ）に示すように、固相状態で熱処理してフィレットの合金組成をより高温側の溶融温度を有する高温はんだフィレット２７に変化させる。すなわち、はんだ材付きリード部材のＳｎ系はんだ層２３と電子素子２４の平面電極２５を当接させて加熱し、最表面層のＳｎ系はんだ層２３のみ溶融して初期はんだフィレット２６を形成させる。その後、初期はんだフィレット２６に拡散反応が平衡状態になるまで固相のまま熱処理を施し、はんだフィレット２６を耐熱性の高温はんだフィレット２７に相変化させることを特徴とする。
【００１４】
本発明による実施例では、はんだ接合構体およびその熱処理方法について、円筒型水晶振動子の気密端子が適用される。円筒型水晶振動子は、図３に示すように、金属キャップ３０と、水晶振動子３２と、気密端子３３とからなり、気密端子３３のリード線３１と水晶振動子３２の平面電極３５は、はんだ接合されて金属キャップ３０を圧入し気密封止される。また、図４の部分拡大断面図に示すように、コバール合金や４２Ｎｉ−Ｆｅ合金などからなる気密端子３３の金属製リード線４１の上にＣｕめっき下地層４２を施し、さらにこの上にＳｎ含有率が１０〜３０質量％、残部ＰｂのＳｎ−Ｐｂ合金はんだ層４３を施したＳｎ−Ｐｂ合金はんだ材付きリード部材が提供される。ここで、前記Ｓｎ−Ｐｂ合金はんだ層４３の組成に関して、Ｓｎの含有量が１０質量％未満であった場合は、はんだ材中のＳｎのＣｕめっき材への総拡散量が少なすぎるため、溶融はんだ付け工程においてＣｕ３Ｓｎ層（ε相）が優先して生成してしまいＣｕとＳｎの拡散速度の大きな差に因ってカーケンダルボイドの発生が顕著となる。一方、Ｓｎの含有量が３０質量％を超えると、形成したはんだフィレットのＳｎ含有量が多すぎてはんだ付け後の初期はんだフィレットに熱処理を施しても所望する高温はんだフィレットに変化させることができない。
【００１５】
このＳｎ−Ｐｂ合金はんだ材付きリード部材は、図４（ａ）に示すように水晶振動子に施されたＡｕなどの平面電極４５に当接してリフローはんだ付けされる。Ｃｕめっき下地層４２の膜厚は、Ｓｎ−Ｐｂ合金はんだ層４３の膜厚比１に対してＣｕ層の厚みを少なくとも膜厚比０．５以上施し、はんだ付け後の熱処理において相互拡散を平衡状態まで進行させてもＣｕめっき下地層４２が消失しないように充分なＣｕ膜厚を確保している。Ｓｎ−Ｐｂ合金はんだ材付きリード部材は、比較的低温の２３０〜２８０℃でリフローはんだ付けを行う。この作業温度で固体のＣｕめっき下地層４２と、溶融したＳｎ−Ｐｂ合金はんだ７０の固−液界面には、図４（ｂ）に示すはんだフィレットようにＣｕめっき下地層４２側にＣｕ３Ｓｎ層（ε相）４８、溶融はんだ側にＣｕ６Ｓｎ５層（η相）４９が生成される。このときＳｎ−Ｐｂ合金はんだ材中のＳｎ濃度が１０〜３０質量％の範囲内にあるとき、リフローはんだ付けでは、Ｃｕ６Ｓｎ５層（η相）４９が優先的に生成され、Ｃｕ３Ｓｎ層（ε相）４８の生成は少なくかつ厚みも極薄いので、Ｃｕ−Ｓｎ金属間化合物とＣｕめっき下地層４２の界面にカーケンダルボイドを有しない初期はんだフィレット７０が形成される。はんだ付け後、固体となった初期はんだフィレット７０は、図５（ｂ）の状態図に示すように、１５０℃以上１８３℃未満の温度で熱処理を行い、はんだフィレット７０中に残存する純金属Ｓｎ相を平衡状態まで固相拡散させＣｕ６Ｓｎ５層（η相）４９を成長させる。はんだフィレット７０のＳｎ濃度が１質量％以下になると拡散反応が平衡状態に達し、はんだフィレット７０からのＳｎの拡散が飽和しＣｕめっき下地層４２からのＣｕの拡散も無くなるので、Ｃｕ６Ｓｎ５層４９は、図４（ｃ）に示すＣｕ３Ｓｎ層４８に相変化し、カーケンダルボイドを有しない高温はんだフィレット７１となる。この高温はんだフィレット７１の断面構造は、図４（ｃ）に示すようにＣｕめっき下地層４２と、金属間化合物のＣｕ３Ｓｎ層（ε相）４８と、Ｓｎ濃度が当初の１０〜３０質量％から固相拡散により１質量％以下に変化したＳｎ−Ｐｂ合金はんだ層とからなり３２０℃以上の耐熱性を有する高温はんだとなる。
【００１６】
本発明の別の観点によると、はんだ付け前のリード部材と電子素子を当接させた状態である図６（ａ）の拡大断面図に示すように、コバール合金や４２Ｎｉ−Ｆｅ合金などからなる気密端子の金属製リード線６１の上にＣｕめっき下地層６２を施し、さらにこの上にＳｎを８５質量％以上含有するＳｎまたはＳｎ−Ｃｕ合金からなるはんだ層６３が施される。ここで、Ｓｎ−Ｃｕ合金はんだ層６３に関し、Ｓｎ組成の含有量が８５質量％未満であった場合は、溶融はんだ付け工程においてはんだ材中の固相成分が多すぎてはんだ材の溶融が不充分となり、作業温度ではんだ材に流動性が悪くなり電子素子のはんだ付けを行うことができない。
【００１７】
このＳｎまたはＳｎ−Ｃｕ合金はんだ材付きリード部材は、水晶振動子６４に施されたＡｕなどの平面電極６５に当接してリフローはんだ付けされる。Ｃｕめっき下地層６２の膜厚は、ＳｎまたはＳｎ−Ｃｕ合金はんだ層６３の膜厚比１に対してＣｕ層の厚みを少なくとも膜厚比１．３以上施し、はんだ付け後の熱処理において相互拡散を平衡状態まで進行させてもＣｕめっき下地層６２が消失しないように充分なＣｕ膜厚を確保している。Ｓｎはんだ材付きリード部材は２３２℃でリフローはんだ付けを行う。この作業温度で固体のＣｕめっき下地層６２と、溶融したＳｎはんだ７０の固液界面には、図６（ｂ）に示すようにＣｕめっき下地層６２側にＣｕ３Ｓｎ層（ε相）６８、溶融はんだ７０側にＣｕ６Ｓｎ５層（η相）６９が生成されるが、ＳｎまたはＳｎ−Ｃｕ合金はんだ材中のＳｎ濃度が８５質量％以上含有するとき、リフローはんだ付けでは、Ｃｕ６Ｓｎ５層（η相）６９が優先的に生成され、Ｃｕ３Ｓｎ層（ε相）６８の生成が少なくかつ厚みも極薄いので、Ｃｕめっき下地層６２とＣｕ３Ｓｎ層（ε相）６８の界面にカーケンダルボイドが無い初期はんだフィレット７０が形成される（図６（ｂ）参照）。はんだ付け後、固体となった初期はんだフィレット７０は、図７の状態図に示すように１５０℃以上２２７℃未満の温度で熱処理を行い、Ｓｎはんだフィレット７０とＣｕめっき下地層を平衡状態まで固相拡散させ、金属間化合物層６８および６９を成長させる。拡散反応が前記平衡状態に達した時点で、Ｓｎはんだフィレット７０中に含有する純金属Ｓｎ成分の濃度は１質量％以下となり、Ｃｕめっき下地層６２からのＣｕの拡散も無くなるので、Ｃｕ６Ｓｎ５層６９は、図６（ｃ）に示すＣｕ３Ｓｎ層６８に相変化しカーケンダルボイドの無い高温はんだフィレット６８となる。この高温はんだフィレット６８の断面構造は、図６（ｃ）に示すようにＣｕめっき下地層６２と、金属間化合物のＣｕ３Ｓｎ層（ε相）６８となり、６４０℃以上の耐熱性を有する高温はんだに変化する。
【実施例】
【００１８】
実施例１は、Ｓｎ−Ｐｂ合金はんだ材付きリード部材を円筒型水晶振動子に適用したものであり、図４（ａ）の拡大断面図に示すように、直径０．１５ｍｍのコバール製リード線４１に電気めっきによりＣｕめっき下地層４２を施し、さらにこの上に電気めっきによりＳｎ含有率が２０質量％、残部ＰｂからなるＳｎ−Ｐｂ合金はんだ層４３を施した水晶振動子用気密端子である。Ｃｕめっき下地層４２は、相互拡散を平衡状態になるまで進行させても下地層が消失しないよう予め充分な膜厚とする。すなわち、Ｓｎ−Ｐｂ合金はんだ層４３の場合は、Ｓｎ−Ｐｂ合金はんだ層４３の膜厚比１に対してＣｕ層は少なくとも膜厚比０．５以上施す。従って、Ｃｕめっき下地層４２のめっき厚を５μｍとし、さらにこの上にめっき厚１０μｍのＳｎ−Ｐｂ合金はんだ層４３を施す。実施例１のＳｎ−Ｐｂ合金はんだ材付き電極端子は、水晶振動子４４の上に施されたＡｕ電極４５に当接してリフローはんだ付けされる。
【００１９】
次に、実施例１のＳｎ−Ｐｂ合金はんだ材付きリード部材のリフローはんだ付けおよび熱処理について、図４を参照しながら説明する。先ず図４（ａ）に示すように、はんだ材付き電極端子は水晶振動子４４のＡｕ電極４５と互いに当接した状態で加熱され、Ｓｎ−Ｐｂ合金はんだ層４３のみを溶融させてリフローはんだ付けを行う。実施例１のＳｎ−Ｐｂ合金はんだ材付き電極端子は、Ｃｕめっき下地層４２の上にＳｎ含有率が２０質量％、残部ＰｂのＳｎ−Ｐｂ合金めっき層４３からなるはんだ材を有し、比較的低温の２３０〜２８０℃でリフローはんだ付けが可能である。リフローはんだ付け工程では、図４（ｂ）に示すように、溶融したＳｎ−Ｐｂ合金はんだ７０と固体のＣｕめっき下地層の固−液界面に金属間化合物のＣｕ６Ｓｎ５層（η相）４９が優先的に生成され、Ｃｕ３Ｓｎ層（ε相）４８の生成が少なくかつ厚みも極薄いので、Ｃｕ３Ｓｎ層（ε相）４８とＣｕめっき下地層４２の界面にカーケンダルボイドが無い初期はんだフィレット７０が形成される。次いで、固相となった初期はんだフィレット７０を、１５０℃以上１８３℃未満の温度条件下で、初期はんだフィレット７０中に残存する純金属Ｓｎ成分を、図４（ｃ）の平衡状態の高温はんだフィレット７１となるまで固相拡散させると、先行してＣｕ６Ｓｎ５層（η相）４９が成長し、次いで高温はんだフィレット７１中のＳｎ濃度が１質量％以下の熱平衡となると、高温はんだフィレット７１からのＳｎの拡散が飽和しＣｕ６Ｓｎ５層４９はＣｕ３Ｓｎ層４８に相変化する。初期はんだフィレット７０は、膜厚が薄いめっき材のＳｎ−Ｐｂ合金はんだ層４３からなり総量的に限られるため極短時間で固相拡散は平衡状態に達するが、この時点で熱平衡に達しているので、見かけ上、Ｃｕめっき下地層４２からのＣｕの拡散も無くなりカーケンダルボイドの発生は抑制されボイド蓄積の無い高温はんだフィレット７１が形成される。熱処理後形成された高温はんだフィレット７１の断面構造は、図４（ｃ）の拡大断面図に示すように、１．０μｍの下地Ｃｕめっき層４２と、５．１μｍの金属間化合物のＣｕ３Ｓｎ層（ε相）４８と、Ｓｎ濃度が当初の１０〜２０質量％から固相拡散により１質量％以下に減少したＳｎ−Ｐｂ合金層とからなり、図５のＳｎ−Ｐｂ合金状態図に示すように３２０℃以上の耐熱性を有する高温はんだフィレット７１となり気密封止される。
【００２０】
実施例２は、Ｓｎはんだ材付きリード部材を円筒型水晶振動子に適用したものであり、図６を参照しながら説明する。実施例２は、図６（ａ）の拡大断面図に示すように、直径０．１５ｍｍのコバール製リード線６１に電気めっきによりＣｕめっき下地層６２を施し、さらにこの上に電気めっきによりＳｎはんだ層６３を施した水晶振動子用気密端子である。Ｃｕめっき下地層６２は、相互拡散を平衡状態になるまで進行させても下地層が消失しないよう予め充分な膜厚とする。すなわち、Ｓｎはんだ層６３の場合は、Ｓｎはんだ層６３の膜厚比１に対してＣｕ層は少なくとも膜厚比１．３以上施す。従って、Ｃｕめっき下地層４２のめっき厚を１６μｍとし、さらにこの上にめっき厚１０μｍのＳｎはんだ層６３を施す。
【００２１】
実施例２のＳｎはんだ材付き電極端子は、図６（ａ）に示すように水晶振動子６４の上に施されたＡｕ電極６５に当接してリフローはんだ付けされる。Ｓｎはんだ層６３は２３２℃の溶融温度を有するので比較的低温でリフローはんだ付けができる。Ｓｎはんだ層６３をはんだ材としてリフローはんだ付けを行った場合も、前記の実施例１の電子部品用電極端子と同様に、溶融過程では、図６（ｂ）に示すように溶融したＳｎはんだ７０と固体のＣｕめっき下地層６２の固液界面に金属間化合物のＣｕ６Ｓｎ５層（η相）６９が優先的に生成され、Ｃｕ３Ｓｎ層（ε相）６８の生成は少なくかつ厚みも極薄い。従って、カーケンダルボイドの発生が無い初期はんだフィレット７０となる。図６（ｃ）に示す熱処理過程では、初期はんだフィレット７０を、１５０℃以上２２７℃未満の温度でＳｎ層が完全に消失するまで熱処理を施しＣｕ６Ｓｎ５層（η相）６９を成長させる。初期はんだフィレット７０は、膜厚が薄いめっき材のＳｎはんだ層６３からなり総量が限られるため極短時間で固相拡散は平衡状態に達する。この熱処理によって、初期はんだフィレット７０が完全にＣｕ６Ｓｎ５層（η相）６９に変化してしまうと、該はんだフィレットから拡散するＳｎの供給がなくなるので、Ｃｕ６Ｓｎ５層（η相）６９はＣｕ３Ｓｎ層（ε相）６８に相変化するが、この時点で熱平衡に達しているので、新たなカーケンダルボイド生成が抑制され、ボイドの無い高温はんだフィレット７１を形成することができる。図６（ｃ）に示すように高温はんだフィレット７１は、０．８μｍのＣｕめっき下地層６２と、はんだフィレット７０が完全に金属間化合物に変化した１８．９μｍのＣｕ３Ｓｎ層（ε相）のみからなり、図７のＣｕ−Ｓｎ合金状態図に示すように６４０℃以上の耐熱性を有する高温はんだフィレット７１に変化して気密封止される。
【００２２】
実施例３は、実施例２の変形例でＳｎはんだ層をＳｎ−Ｃｕ合金はんだ層に変えたＳｎ−Ｃｕ合金はんだ材付リード部材であり、これを円筒型水晶振動子に適用したものである。実施例３について実施例２と同様に図６の拡大断面図を用いて説明する。直径０．１５ｍｍのコバール製リード線６１に電気めっきによりＣｕめっき下地層６２を１３μｍ施し、さらにこの上に電気めっきによりＳｎ８５質量％、残部ＣｕのＳｎ−Ｃｕ合金はんだ層６３を１０μｍ施して水晶振動子用気密端子とする。
【００２３】
実施例３のＳｎ−Ｃｕ合金はんだ材付き電極端子は、図６（ａ）に示すように水晶振動子６４の上に施されたＡｕ電極６５に当接してリフローはんだ付けされる。Ｓｎ８５質量％、残部ＣｕのＳｎ−Ｃｕ合金はんだ層６３は２２７℃以上でＳｎ−Ｃｕ共晶相による溶融が開始するため比較的低温でリフローはんだ付けができる。Ｓｎ−Ｃｕ合金はんだ層６３をはんだ材としてリフローはんだ付けを行った場合も、図６（ｂ）に示す溶融過程では、Ｓｎ−Ｃｕ合金はんだ７０と固体のＣｕめっき下地層６２の固液界面に金属間化合物のＣｕ６Ｓｎ５層（η相）６９が優先的に生成され、Ｃｕ３Ｓｎ層（ε相）６８の生成は少なくかつ厚みも極薄いので、カーケンダルボイドの発生が無い初期はんだフィレット７０となる。次いで、１５０℃以上２２７℃未満の温度でＳｎ−Ｃｕ合金はんだ７０中のＳｎ相が完全に拡散するまで熱処理を施し、図６（ｂ）のＣｕ６Ｓｎ５層（η相）６９と初期はんだフィレット７０をＣｕ３Ｓｎ層（ε相）６８に相変化させて、図６（ｃ）に示す高温はんだフィレット７１に変異させる。高温はんだフィレット７１は、１．２μｍのＣｕめっき下地層６２と、金属間化合物に変化した１６．５μｍのＣｕ３Ｓｎ層（ε相）７１のみからなり、６４０℃以上の耐熱性を有する高温はんだフィレット７１となって気密封止される。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明は、電子部品パッケージのリード部材に用いられ、特にパッケージ内部に用いられる耐熱高温はんだ継ぎ手用部材に有効である。
【符号の説明】
【００２５】
１０・・・はんだ材付きリード部材、  ２０，２４，３４・・・電子素子、
３０・・・金属キャップ、  ３２，４４，６４・・・水晶振動子、
３３・・・気密端子、  １１，３１，４１，６１・・・リード線、
１２，２２，４２，６２・・・Ｃｕめっき下地層、
１３，２３，４３，６３・・・はんだ層、  ２５，３５，４５，６５・・・平面電極、
４８，６８・・・Ｃｕ３Ｓｎ層（ε相）、  ４９，６９・・・Ｃｕ６Ｓｎ５層（η相）、
２６，７０・・・初期はんだフィレット、  ２７，７１・・・高温はんだフィレット。
【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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