(57)【要約】【課題】表面実装部品の容器を封止するはんだ材料において、液相線温度が低く、固相線温度が高いはんだ材料を提供すること。【解決手段】はんだ材料を３２質量％以下のＳｎと、１０質量％以上、１７質量％以下のＳｂと、１質量％以上、４質量％以下のＣｕと、１質量％以上、９質量％以下のＩｎを含み、残部をＡｇとした５元合金からなるはんだ粉と、フラックスとを混合して成るはんだペーストとして構成する。そのため固相線温度が２６０℃、好ましくは２８０℃以上、液相線温度が３５０℃以下となり、例えば固相線温度と液相線温度との差が６０℃以内のはんだ材料を実現でき、実装部品を封止するのに好適である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｎ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ及びＩｎを含む少なくとも５元合金からなり、
固相線温度が２６０℃よりも高く、液相線温度が３５０℃以下であって、固相線温度よりも液相線温度の方が高いことを特徴とするはんだ材料。
【請求項２】
Ｓｎが３２質量％以下、Ｓｂが１０〜１７質量％、Ｃｕが１〜４質量％、Ｉｎが１〜９．５質量％未満、残部がＡｇ及び不可避の不純物を含むことを特徴とする請求項１記載のはんだ材料。
【請求項３】
液相線温度と固相線温度との温度差が６０℃以内であることを特徴とする請求項１または２記載のはんだ材料。
【請求項４】
固相線温度が２８０℃以上であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のはんだ材料。
【請求項５】
フラックスが混合されたペースト状であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載のはんだ材料。
【請求項６】
前記はんだ材料は、金属箔状に加工された後、打ち抜かれたプリフォームであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載のはんだ材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、はんだ材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば弾性表面波デバイスや水晶振動子などの小型の電子部品は、小型の容器内に収納されて表面実装部品として構成され、配線基板等の基板に実装される。
この時表面実装部材の容器を気密に封止する封止材として、はんだ材料が用いられる。
【０００３】
このような表面実装部品を配線基板の表面に実装する工程においては、例えば表面実装部品の電極パッドと、配線基板に形成された電極との間に表面実装用のはんだ材料を塗布し、リフロー炉において例えば２６０℃付近の温度に加熱するリフロー工程が行われる。このリフロー工程により表面実装用のはんだが溶解して、表面実装部品の電極パッドと配線基板の電極端子とが、電気的に接続される。
しかしながら容器を封止しているはんだ材料が固化する温度である固相線温度が低い場合には、リフロー工程において、はんだ材料が再溶融し、減圧気密が必要な表面実装部品においては気密でなくなって内部の圧力が上昇したり、容器の蓋部が離脱するおそれがある。
【０００４】
そのため表面実装部品の容器の封止に用いられるはんだ材料としては、はんだ材料が固化する固相線温度が２６０℃よりも高いことが求められる。更に表面実装部品の容器を封止する工程においては、表面実装部品に収納される小型部品を固定する接着剤の溶融を防ぐ必要がある。そのため封止材として、用いられるはんだ材料は、できる限り低い温度にて溶融することが求められるため、液相線温度が低いことが求められる。
また容器内を真空にして封止する製品については、真空雰囲気にて、加熱してはんだ材料を溶融させ、その後冷却して固化させて封止されるが、真空中においては、熱の伝導が小さいため、冷却に長い時間がかかる。このため固相線温度と液相線温度との差が大きい場合には、容器を封止作業に長い時間がかかる問題がある。
【０００５】
このような容器の封止材としては、従来２８０℃程度に共晶点を有する金及び錫を混合したはんだ材料が用いられていた。しかしながら金が高価であるため、近年では、金を用いないはんだ材料が求められていた。更に好適なはんだ材料の他の例として、鉛を用いたはんだ材料が知られているが、環境への配慮から鉛を使用しないはんだ材料が求められている。
特許文献１には、固相線温度が２５５℃以上であるビスマス（Ｂｉ）を主材料としたはんだ材料が記載されている。しかしながらＢｉは、常温にて体積が膨張する性質があり、容器の隙間を気密に封じる封止材としては不向きである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】ＷＯ２００７／０５５３０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、液相線温度が低く、固相線温度が高いはんだ材料を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のはんだ材料は、Ｓｎ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ及びＩｎを含む少なくとも５元合金からなり、
固相線温度が２６０℃よりも高く、例えば２８０℃以上であり、液相線温度が３５０℃以下であって、固相線温度よりも液相線温度の方が高いことを特徴とする。またはんだ材料は、液相線温度と固相線温度との温度差が６０℃以内であることが好ましい。
【０００９】
より具体的には、はんだ材料は、Ｓｎが３２質量％以下、Ｓｂが１０〜１７質量％、Ｃｕが１〜４質量％、Ｉｎが１〜９質量％、残部がＡｇ及び不可避の不純物を含んでもよい。さらに前記はんだ材料は、フラックスが混合されたペースト状でもよく、金属箔状に加工された後、打ち抜かれたプリフォームであることを特徴としてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のはんだ材料は、Ｓｎ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｂ及びＩｎを含む少なくとも５元合金からなり、各成分量を調整することにより、固相線温度が２６０℃よりも高く、例えば２８０℃以上であり、液相線温度が３５０℃以下であって、固相線温度よりも液相線温度の方が高いものとすることができる。このため例えば表面実装部品を封止する際のはんだ材料として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例１４に係るはんだ材料の示差走査熱量曲線である。
【図２】実施例９に係るはんだ材料の示差走査熱量曲線である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
先ず好ましい実施の形態を挙げて本発明に係るはんだを説明する。本実施形態に係るはんだ材料は、３２質量％以下のＳｎ（錫）と、１０質量％以上、１７質量％以下のＳｂ（アンチモン）と、１質量％以上、４質量％以下のＣｕ（銅）と、１質量％以上、９．５質量未満例えば９質量％以下のＩｎ（インジウム）と、残部を構成するＡｇ（銀）とする５元合金からなるはんだ粉を含んでおり、例えばフラックスと混合されて成るペースト状のはんだペーストとして構成される。
【００１３】
Ｓｎは、はんだ材料の固相線温度を決定する支配的因子であり、はんだ粉におけるＳｎの組成比が大きい程、固相線温度が低くなる。本発明のはんだ材料は固相線温度を２６０℃を越えた温度、例えば２８０℃以上に設定しようとしていることから、はんだ粉におけるＳｎの組成は、３２質量％以下であることが好ましい。
Ｉｎは、液相線温度を決定する支配的因子であり、Ｉｎの組成比が大きい程、液相線温度が下がる傾向にある。本発明のはんだ材料は液相線温度を３５０℃以下に設定しようとしていることから、はんだ粉におけるＩｎの組成は１質量％以上であることが好ましいが、Ｉｎの組成比が大きくなるにつれて、固相線温度も下がり固液状態となる温度幅が広くなって液相線温度が不安定になる傾向があることから９．５質量％未満であることが好ましく、９質量％以下であることがより一層好ましい。
【００１４】
Ａｇは、はんだ材料の接合の安定性を保つ効果を有する。接合の安定性が良いとは、当該はんだペーストを用いてはんだ付けを行い、その後はんだペーストが溶融固化したときに高い機械的強度を持つことをいう。更に具体的には表面実装部品において、基体と蓋部とを当該はんだペーストにより接合したときに基体と蓋部との接合強度が強いことをいう。
【００１５】
Ｃｕは、各組成物間の結晶をなじませる効果がある。結晶をなじませるということは、当該はんだ材料中の各金属の結晶同士の結合を強固にすることをいう。しかし過剰にＣｕが加えられた場合、生成したはんだペーストの溶融温度が大幅に上昇する。そこではんだ粉に対して１質量％以上、４質量％以下含まれるように調整する。
【００１６】
さらに例えばＡｇ、Ｃｕを多く含むはんだペーストにおいては、共晶点が高くなり、はんだペーストの生成の際に共晶が形成されやすくなるが、Ｓｂを例えば１０％以上加えることにより共晶点を低くすることができるため好ましい。しかしながらＳｂの組成比が大きすぎると、溶融したはんだペーストの中において、Ｓｂが再結晶化して結晶が散在し、はんだの品質が低下することからはんだ粉におけるＳｂの組成は１７質量％以下とすることが好ましい。
またはんだペーストには、はんだペーストの流動性を向上させたり、はんだペーストの機械的強度を増強するために、例えばＳｉ，Ｔｉ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｍｏ，Ｃｒ，Ｍｎ、Ｇｅ，Ｇａなどの微量元素を夫々１％を超えない範囲で含んでいてもよい。
【００１７】
本発明の実施の形態に係るはんだ材料の製造方法について説明する。３２質量％以下のＳｎと、１０質量％以上、１７質量％以下のＳｂと、１質量％以上、４質量％以下のＣｕと、１質量％以上、９．５質量％未満、例えば９質量％以下のＩｎを含み、残部をＡｇとなるように混合した金属粉を溶解させた後、混練してインゴットを生成する。各金属粉は細かく砕き、粒子状にすることが好ましい。
【００１８】
粒子状の金属粉を形成する方法としては、例えばターボミル、ローラミル、遠心力粉砕機、パルベライザー等の公知の粉砕機を用いることができる。これらの金属粉の粒子径は、例えば粒子画像計測やゼータ電位測定などの公知の粒度分布測定法を用い、球相当径で平均粒子径５μｍ〜５０μｍの範囲とすることが好ましい。粒子が大き過ぎると、生成されたはんだペーストの基板への印刷性が悪くなり、粒子が小さ過ぎると、はんだペーストが加熱された際に、はんだペーストの濡れ性が悪くなる原因となる。
【００１９】
続いて真空中において、例えば加熱したるつぼ内でインゴットを溶融させて、窒素ガスなどの気流中に噴霧するガスアトマイズ法や、高速で回転する回転板状に溶融させたインゴットを連続供給し、遠心力を利用して溶融金属を回転板の周囲に噴霧する遠心噴霧アトマイズ法が用いられる。
またはんだペーストを構成するフラックスとしては、ロジン等の粘着付与材樹脂、チキソ剤、活性剤、溶剤等を含んだフラックスが使用できる。またフラックスの持つ活性度の違いにかかわらず使用することができる。このようなはんだ紛、及びフラックスを混合して、はんだペーストを生成する。
【００２０】
上述の実施の形態に係るはんだ材料は、３２質量％以下のＳｎと、１０質量％以上、１７質量％以下のＳｂと、１質量％以上、４質量％以下のＣｕと、１質量％以上、９．５質量％未満、例えば９質量％以下のＩｎと、残部を構成するＡｇとする５元合金からなるはんだ粉を用いているため、後述の実施例からわかるように固相線温度が２６０℃以上、液相線温度が３５０℃以下であって、固相線温度よりも液相線温度の方が高いはんだ粉を得ることができる。このため本発明のはんだ材料は、安価に製造することができ、表面実装部品を封止するはんだ材料として好適となる。
またはんだ材料は、はんだ粉を金属箔状に延伸した後、打ち抜いて、箔状のプリフォームとしてもよい。  
更にまたはんだ材料は、液相線温度と固相線温度との温度差が６０℃以内であることが好ましい。
【実施例】
【００２１】
本発明のはんだ材料の有効性を確認するために、はんだ材料を構成する合金の成分及び組成を種々変えて、固相線温度及び液相線温度を調べた。本発明に相当するはんだ材料を実施例１〜２８とし、比較例に相当するはんだ材料を比較例１〜４とする。
【００２２】
[実施例１]
Ｓｎを２８質量％、Ａｇを５１．０質量％、Ｓｂを１７．０質量％、Ｃｕを３．０質量％Ｉｎを１．０質量％にそれぞれ設定して、本発明の実施の形態において示した製造方法によりはんだ材料を製造した。
[実施例２〜２８]
はんだ材料の組成比を後述の表１に示すように設定した他は、実施例１と同様にしてはんだ材料を製造した。
[比較例１]
Ｉｎを用いないことと、添加剤としてＳｉ及びＴｉをはんだ材料に各々０．０２％添加し、Ｓｎ、Ａｇ、Ｓｂ及びＣｕの組成比を後述の表１のように設定したこととの、他は、実施例１と同様にしてはんだ材料を製造した。
[比較例２、３]
Ｉｎを用いないことと、Ｓｎ、Ａｇ、Ｓｂ及びＣｕの組成比を後述の表１のように設定したこととの他は、実施例１と同様にしてはんだ材料を製造した。
[比較例４]
Ｓｎ、Ａｇ、Ｓｂ、Ｃｕ及びＩｎの組成比を後述の表１のように設定した他は、実施例１と同様にしてはんだ材料を製造した。
【００２３】
以上のようにして製造したはんだ材料の各々について、JIS Z 3198‐1に基づいて、溶融温度範囲を計測し、液相点温度、固相線温度を特定した。溶融温度範囲は、示差走査熱量測定器Thermo plus EVO II/DSC8230（リガク製）を用いて示差走査熱量曲線を求めて測定した。
【００２４】
図１、図２は夫々実施例１４及び実施例９のはんだ材料の各温度における示差走査熱量曲線を示す。図１、図２は、室温（約２０℃）から４５０℃まで１０℃／分の速度で上昇させた場合の示差走査熱量曲線を示す。
図１、図２の例においては、溶融が急激に起こっていたため、低温側のベースラインを高温側に延長した直線と溶融のピークの低温側の曲線の勾配が最大になる点で引いた接線との交点との温度を固相線温度とした。
また０．５℃／分、１．０℃／分、２．０℃／分、５．０℃／分、１０．０℃／分の速度で温度を上昇させて、夫々示差走査熱量曲線を描き、各示差走査熱量曲線において、高温側のベースラインを低温側に延長した直線と、溶融ピークの高温側の曲線の勾配が最大になる点で引いた接線との交点の温度である外挿溶融終了温度を求め、各示差走査熱量曲線における外挿溶融終了温度と加熱速度の平方根との関係を一次関数で求め、温度軸切片を液相線温度とした。
【００２５】
図１に示すように実施例１４のはんだ材料においては、熱流の降下開始温度がおよそ３０２℃、示差走査熱量曲線に現れた３つのピークトップ（ａ）〜（ｃ）が夫々（ａ）３０６℃、（ｂ）３２５℃、（ｃ）３３１℃となる吸熱反応が見られた。この実施例１４のはんだ材料においては、固相線温度は３０３℃となった。
【００２６】
図２に示す実施例９のはんだ材料においては、熱流の降下開始温度がおよそ３０２℃、示差走査熱量曲線に現れた３つのピークトップ（ａ）〜（ｃ）が夫々（ａ）３０７℃、（ｂ）３２７℃、（ｃ）３４２℃となる吸熱反応が見られた。実施例９のはんだ材料においては、固相線温度は３０１．５℃となった。
（表１）
【００２７】
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【００２８】
この結果によれば、実施例及び比較例共に固相線温度よりも液相線温度の方が高いが、比較例１〜３においては、液相線温度が高く、４００℃を大きく超えていた。
これに対して実施例１〜２８においては、固相線温度が２８４〜３４０．６℃の範囲に含まれており、液相線温度は３０２〜３５０℃であった。
【００２９】
はんだ材料にＩｎを１．０質量％以上加えることにより液相線温度が下がるが、Ｓｂが１８．０質量％以上含まれると、液相線温度の誤差が大きくなる。またはんだ材料にＩｎが９．０質量％より多く含まれ、Ｓｎが３２．０質量％より多く含まれると、固相線温度が下がっていた。この結果によれば、本発明の実施の形態に係るはんだ材料は、液相線温度が３５０℃と低く、固相線温度が２８０℃以上と高いことがわかる。更に比較例２３に着目すると、Ｉｎを実施例２８などに比べて少し多く入れることにより（０．５質量％多く入れることにより）、固相線温度が急激に２２０℃付近まで下がっている。従って、Ｉｎの組成比を９．０％に対して少し多くなるように調整すれば、固相線温度を２６０℃を越えた温度に設定できることは、表１から理解できるところである。
なお、従来から知られているＺｎ−Ａｌ合金、Ｚｎ−Ａｌ−Ｍｇ合金、Ｂｉ−Ａｇ合金の固相線温度は、一例として３８０℃付近、３４０℃付近、２６０℃付近であるが、いずれも液相線温度と一致しており、はんだ材料としては使いにくいという問題がある。
【図１】
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【図２】
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