(57)【要約】      （修正有）【課題】低耐熱性電子部品等の実装に適した、高い接合信頼性を有する鉛フリーはんだ及びはんだ接合を低コストで提供する。【解決手段】Ｓｎ-Ｂｉ-Ｎｉ及びＳｎ-Ｂｉ-Ｃｕ-Ｎｉを基本組成とし、Ｓｎ-Ｂｉの共晶組成に一定量のＮｉ及び／又はＣｕを添加させることで、はんだ接合部及び／又ははんだ接合界面にＮｉＢｉ、Ｎｉ3Ｓｎ2及びＣｕ6Ｓｎ5のようなＮｉＡｓ型結晶構造に代表される六方最密充填構造を有する金属間化合物を形成させることにより、強固で高い信頼性を有するはんだ接合を可能とした。更に、Ｇｅ、Ｇａ、及びＰから選択される１種又は２種以上を０．００１〜１．０重量％添加することにより、はんだ接合部及び／又ははんだ接合界面にＮｉＡｓ型結晶構造を有する金属間化合物の形成を阻害することなく、はんだ合金溶融中やはんだ接合部の酸化を抑制して、高い信頼性を有するはんだ接合が可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｎ-Ｂｉ-Ｎｉを基本組成とする鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ接合において、はんだ接合部中及び／又ははんだ接合界面に六方最密充填構造を有する金属間化合物を形成することを特徴とする鉛フリーはんだ合金及び当該鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ接合部。
【請求項２】
請求項１記載の鉛フリーはんだ合金にＣｕを添加したことを特徴とする鉛フリーはんだ合金及び当該鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ接合部。
【請求項３】
六方最密充填構造がＮｉＡｓ型結晶構造であることを特徴とする請求項１及び請求項２記載の鉛フリーはんだ合金及び当該鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ接合部。
【請求項４】
Ｓｎ及びＢｉの配合が共晶付近であることを特徴とする請求項１乃至請求項３記載の鉛フリーはんだ合金及び当該鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ接合部。
【請求項５】
Ｎｉの含有量が０．００１〜１．０重量％、残部がＳｎ及びＢｉよりなることを特徴とする請求項１乃至請求項４記載の鉛フリーはんだ合金及び当該鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ接合部。
【請求項６】
Ｃｕの含有量が０．０１〜２．０重量％、残部がＳｎ、Ｂｉ及びＮｉよりなることを特徴とする請求項２乃至請求項５記載の鉛フリーはんだ合金及び当該鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ接合部。
【請求項７】
請求項１〜請求項６記載の鉛フリーはんだ合金に、Ｇｅ、Ｇａ、及びＰから選択される１種又は２種以上を０．００１〜１．０重量％添加したことを特徴とする鉛フリーはんだ合金及び当該鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ接合部。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｓｎ、Ｂｉ、及びＮｉを基本組成とする鉛フリーはんだ合金に関し、はんだ接合部及び／又ははんだ接合界面においてＮｉＡｓ型結晶構造を有する金属間化合物を形成することを特徴とする鉛フリーはんだ合金及び当該鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ接合に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、Ｓｎ-Ｐｂ共晶はんだが電子部品の接合材料として広く用いられてきた。しかし、近年、鉛の人体及び環境への影響が問題視されるようになり、鉛を配合しない鉛フリーはんだ接合材料の開発が進み、広く実用化されている。
例えば、Ｓｎ-Ａｇ-Ｃｕ系はんだ合金やＳｎ-Ｃｕ-Ｎｉ系はんだ合金が広く用いられている。
しかし、Ｓｎ-Ａｇ-Ｃｕ系はんだ合金及びＳｎ-Ｃｕ-Ｎｉ系はんだ合金の融点は、それぞれ２１７℃〜２２１℃と２２７℃になっており、Ｓｎ-Ｐｂ共晶はんだ合金の融点１８３℃に比べ高温である。そのため、低耐熱性電子部品等の実装には使用することが困難であった。
【０００３】
そこで、比較的融点の低いＳｎ-Ｚｎ系はんだ合金やＳｎ-Ｐｂ共晶はんだ合金の融点よりも低温のＳｎ-Ｂｉ系はんだ合金、そして、Ｓｎ-Ａｇ-Ｃｕ系はんだ合金にＩｎやＢｉを添加して融点を下げた鉛フリーはんだ合金の提案がなされ、実用化も進んでいる。
しかし、Ｓｎ-Ｚｎ系はんだ合金は腐食等の信頼性に、Ｓｎ-Ｂｉ系はんだ合金は接合強度に、そして、Ｓｎ-Ａｇ-Ｃｕ系はんだ合金にＩｎやＢｉを添加して融点を下げた鉛フリーはんだ合金の場合は、高価なＩｎの添加によるコスト面での問題点、更にＢｉ添加の場合は機械的特性の劣化等の問題がそれぞれ存在している。
【０００４】
上記の問題を解決すべく、本発明者は特許文献１においてＩｎを必須成分とし、それにＣｕ及びＮｉ、又はＣｕ、Ｎｉ及びＳｎを添加した鉛フリーはんだ合金を用い、且つ、はんだ接合部及び／又ははんだ接合界面にＮｉＡｓ型結晶構造を有する金属間化合物を形成させることにより、信頼性等の高い鉛フリーはんだ合金とそれを用いたはんだ接合を提案している。
【０００５】
しかし、上記提案はＩｎを含有するため、コスト面での課題を残していることも事実であり、より低コストで高信頼性を有し、しかも、Ｓｎ-Ｐｂ共晶はんだ合金よりも融点の低い鉛フリーはんだ合金が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−５５４２号公報
【特許文献２】国際公開２００９／５１２５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、低耐熱性電子部品等の実装に適した、高い接合信頼性を有する鉛フリーはんだ及びはんだ接合を低コストで提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、上記目的を達成すべく、鉛フリーはんだ合金組成及び金属間化合物に着目して鋭意検討を重ねた結果、Ｓｎ-Ｂｉ-Ｎｉを基本組成とする鉛フリーはんだ合金を用いることにより、はんだ接合部及び／又ははんだ接合界面において、Ｂｉ-Ｎｉ及びＮｉ-Ｓｎ金属間においてＮｉＡｓ型結晶構造に代表される六方最密充填構造（稠密六方格子）を有する金属間化合物を形成すること、そして、Ｓｎ-Ｂｉ-Ｎｉを基本組成とする鉛フリーはんだ合金にＣｕを添加したＳｎ-Ｂｉ-Ｃｕ-Ｎｉを基本組成とする鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ接合部及び／又ははんだ接合界面においてもＮｉＡｓ型結晶構造を有する金属間化合物を形成させることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
すなわち本発明は、Ｓｎ-Ｂｉ-Ｎｉを基本組成とし、Ｓｎ-Ｂｉの共晶組成に一定量のＮｉ及び／又はＣｕを添加させることによって、はんだ接合部及び／又ははんだ接合界面にＮｉＢｉ、Ｎｉ3Ｓｎ2、及びＣｕ6Ｓｎ5のようなＮｉＡｓ型結晶構造に代表される六方最密充填構造を有する金属間化合物を生成させ、それらの金属間化合物をはんだ接合部及び／又ははんだ接合界面に形成させることによって、接合強度及び信頼性の高いはんだ接合を可能とした。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、融点の低い鉛フリーはんだ合金であるため、低耐熱性電子部品のはんだ接合や高密度はんだ実装が可能となるばかりでなく、はんだ接合部の強度が高く、信頼性にも優れているため、また、従来のＩｎ配合鉛フリーはんだ合金に比べコストも安価であることから、広く電子部品のはんだ接合に応用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】ＮｉＡｓ型結晶構造のモデル図
【図２】Ｃｕ-Ｓｎ状態図
【図３】Ｂｉ-Ｎｉ状態図
【図４】Ｎｉ-Ｓｎ状態図
【図５】Ｂｉ-Ｃｕ状態図
【図６】Ｂｉ-Ｓｎ状態図
【図７】Ｃｕ-Ｎｉ状態図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明について詳細に説明する。
従来、はんだ接合部やはんだ接合界面に金属間化合物が形成されることは知られており、その際、生成される金属間化合物の組成は、使用するはんだ合金の組成や母材等により異なる。例えば、電子部品を銅配線を施したプリント基板にＳｎを主成分とする鉛フリーはんだ合金を用いてはんだ接合を行った場合、接合母材であるプリント基板の銅配線部とはんだの接合界面にＣｕ6Ｓｎ5等の金属間化合物が生成し、金属間化合物層が形成される。
これは、プリント基板の母材組成であるＣｕに鉛フリーはんだ合金の組成であるＳｎ等が接触し、濡れが生じ、はんだ相にＣｕが拡散する際、はんだ接合界面に金属間化合物の組成である例えばＣｕの濃化現象が発生し、Ｃｕ6Ｓｎ5金属間化合物が生成し、接合界面に当該金属間化合物の層を形成すると考えられている。
また、プリント基板の母材組成にＣｕが存在しない場合であっても、本発明の鉛フリーはんだ合金を用いることによって、はんだ接合界面に母材にＣｕが存在するのと同様のＣｕ6Ｓｎ5組成等の金属間化合物層が形成すると考えられている。
【００１３】
このように、はんだ接合部及び／又ははんだ接合界面にＣｕ６Ｓｎ５金属間化合物が生成すると、接合界面に当該金属間化合物の層を形成し、接合強度が向上することが知られている。そして、このＣｕ6Ｓｎ5金属間化合物の結晶構造が金属間化合物の結晶構造がＮｉＡｓ型に代表される六方最密充填構造であり、当該結晶構造を有する金属間化合物をはんだ接合部及び／又ははんだ接合界面に有することが重要である。
また、本発明者が特許文献２にて提案した鉛フリーはんだ合金もＮｉＡｓ型に近い結晶構造を有する金属間化合物組成である（Ｃｕ，Ｎｉ）6Ｓｎ5を接合界面に形成させることによって、はんだ接合界面に発生するクラックを抑制する効果を有していることも述べられている。
【００１４】
本発明は、係る条件を満たすＮｉＡｓ型結晶構造に代表される六方最密充填構造を有する金属間化合物の生成に着目し、且つ、低コストで低融点を実現させるために、Ｓｎ-Ｂｉ共晶を基に種々の元素と配合量を検討した結果、Ｎｉを特定量添加したＳｎ-Ｂｉ-Ｎｉと、更に当該組成にＣｕを添加したＳｎ-Ｂｉ-Ｎｉ-Ｃｕを基本組成とする鉛フリーはんだ合金を選択することにより、低耐温性電子部品等の接合が可能な温度域においても、高信頼性と優れた電気特性効果を有するはんだ接合を可能としたのである。
【００１５】
本発明のＳｎ-Ｂｉ-Ｎｉ及びＳｎ-Ｂｉ-Ｎｉ-Ｃｕを基本組成とする鉛フリーはんだ合金の各組成の配合量は、本発明の効果を有する範囲において特に制限はないが、Ｓｎ-Ｂｉの比率において、Ｂｉの配合量が２３〜６３ａｔｍ％の範囲であれは融点が１８５℃以下となるため好ましく、更に、ＳｎとＢｉが共晶関係付近であればより好ましい。例えば、ＳｎとＢｉの比率では、Ｓｎが５７ａｔｍ％、Ｂｉが４３ａｔｍ％付近の共晶域が例示できる。
そして、Ｎｉ及び／又はＣｕの配合量に関して、はんだ接合において結晶構造が六方最密充填構造を有する金属間化合物を生成する配合量であれば特に制限はないが、はんだ合金の融点を考慮すると、Ｎｉの場合、０．００１〜１．０重量％が好ましく、更に０．０１〜０．１重量％がより好ましい。そして、Ｃｕの場合、０．０１〜２．０重量％が好ましく、更に０．１〜１．０重量％がより好ましい。
また、本発明のＳｎ-Ｂｉ-Ｎｉ及びＳｎ-Ｂｉ-Ｎｉ-Ｃｕを基本組成とする鉛フリーはんだ合金に本発明の効果を損なわない範囲において、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｓｂ、Ｓｉ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｐ、Ｓｉ、Ａｌ等の元素の１種又は２種以上を任意に添加しても構わない。その際の添加量も、本発明の効果を損なわない範囲において特に制限はない。
更に、上記の添加元素の中でも、Ｇｅ、Ｇａ、及びＰは、酸化防止効果を有するため、Ｓｎ-Ｂｉ-Ｎｉ及びＳｎ-Ｂｉ-Ｃｕ-Ｎｉを基本組成とする鉛フリーはんだ合金中に０．００１〜１．０重量％を添加することにより、はんだ接合の信頼性が著しく向上する。
【００１６】
本発明の、Ｓｎ-Ｂｉ-Ｎｉ及びＳｎ-Ｂｉ-Ｃｕ-Ｎｉを基本組成とする鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ接合部及び／又ははんだ接合界面に結晶構造が六方最密充填構造を有する金属間化合物を生成することについて状態図を用いて説明する。
図１は、六方最密充填構造の代表的な結晶構造であるＮｉＡｓ型結晶構造のモデル図であり、本発明のＳｎ-Ｂｉ-Ｎｉ及びＳｎ-Ｂｉ-Ｃｕ-Ｎｉを基本組成とする鉛フリーはんだ合金を用いたはんだ接合部及び／又ははんだ接合界面には、図１に示す結晶構造を有する金属間化合物が形成されていると考えられる。
【００１７】
図２は、Ｃｕ-Ｓｎの状態図であるが、当該状態図より、Ｓｎの配合量が４４ａｔｍ％付近において、η域が出現しＮｉＡｓ型結晶構造を示すＣｕ6Ｓｎ5化合物組成がみられる。
【００１８】
図３は、Ｂｉ-Ｎｉの状態図であるが、当該状態図より、Ｂｉの配合量が４５〜４９ａｔｍ％付近において、ＮｉＡｓ型結晶構造を示すＮｉＢｉ化合物組成がみられる。
【００１９】
図４は、Ｎｉ-Ｓｎの状態図であるが、当該状態図より、Ｓｎの配合量が３９〜４３ａｔｍ％において、ＮｉＡｓ型結晶構造を示すＮｉ3Ｓｎ2合物組成がみられる。
【００２０】
図５は、Ｂｉ-Ｃｕの状態図であるが、当該状態図より、金属間化合物の形成は見られない。
【００２１】
図６は、Ｂｉ-Ｓｎの状態図であるが、当該状態図より、金属間化合物の形成はみられない。また、Ｂｉが４３ａｔｍ％付近で共晶がみられる。
【００２２】
図７は、Ｃｕ-Ｎｉの状態図であるが、当該状態図より、ＣｕとＮｉが全固溶の関係にあることがわかる。
【００２３】
図２〜図４の状態図により、Ｓｎ-Ｂｉ-Ｎｉ及びＳｎ-Ｂｉ-Ｃｕ-Ｎｉを基本組成とする鉛フリーはんだ合金が、ＮｉＡｓ型結晶構造を有する化合物のＮｉＢｉ、Ｎｉ3Ｓｎ2及びＣｕ6Ｓｎ5を形成する配合域を有することがわかる。
また、図５〜図７の状態図より、ＢｉとＣｕは金属間化合物の生成はなく、ＳｎとＢｉは共晶関係にあり、ＣｕとＮｉは全固溶の関係にあることがわかる。
【００２４】
以上の状態図より、本発明のＳｎ-Ｂｉ-Ｎｉ及びＳｎ-Ｂｉ-Ｃｕ-Ｎｉを基本組成とする鉛フリーはんだ合金を用いてはんだ接合を行った場合、はんだ接合部及び／又ははんだ接合界面にはＮｉＢｉ、Ｎｉ3Ｓｎ2及びＣｕ6Ｓｎ5といったＮｉＡｓ型結晶構造を有する金属間化合物を形成することが予測され、本発明の効果を有すると考えられる。
【００２５】
更に、本発明のＳｎ-Ｂｉ-Ｎｉ及びＳｎ-Ｂｉ-Ｃｕ-Ｎｉを基本組成とする鉛フリーはんだ合金に、Ｇｅ、Ｇａ、及びＰから選択される１種又は２種以上を０．００１〜１．０重量％添加することにより、はんだ合金溶融中やはんだ接合部の酸化を抑制して、高い信頼性を有するはんだ接合が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明のＳｎ-Ｂｉ-Ｎｉ及びＳｎ-Ｂｉ-Ｃｕ-Ｎｉを基本組成とする鉛フリーはんだ合金は、融点がＳｎ-Ｐｂ共晶はんだ合金と比較して、低融点に調整することが可能であるため、高い信頼性を有するはんだ接合が低耐熱性電子部品に対して可能となることに加え、従来のＩｎ配合の鉛フリーはんだ合金に比較して安価であるため、高密度化、微細化を必要とする電子部品等の製造、実装に広く応用が可能である。
【図１】
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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２】
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