(57)【要約】【課題】液相線温度が低く、固相線温度が高い封止材により、電子素子が気密な隙間に封止された電子部品を提供すること。【解決手段】はんだ材料を３２質量％以下のＳｎと、１０質量％以上、１８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℃以内となり、表面実装部品１を封止する際の温度を低い温度に設定することができる。また当該表面実装部品１を基板に設置する際のリフロー工程において、表面実装部品１の封止剤として用いたはんだペースト２が再溶融せず、表面実装部品１が気密でなくなったり、蓋部１２が脱落するおそれがない。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に実装される電子部品であって、
電子素子を収容した容器と、
この容器に用いられるはんだ材料と、を備え、
前記はんだ材料は、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、液相線温度が３５０℃以下であることを特徴とする電子部品。
【請求項２】
前記はんだ材料は、Ｓｎが３２質量％以下、Ｓｂが１０〜１７質量％、Ｃｕが１〜４質量％、Ｉｎが１〜９．５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記載の電子部品。
【請求項３】
前記はんだ材料は、液相線温度と固相線温度との温度差が６０℃以内であることを特徴とする請求項１または２記載の電子部品。
【請求項４】
前記はんだ材料は、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電子部品。
【請求項５】
前記はんだ材料は、前記容器を気密に封止する封止材料として用いられてい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電子部品。
【請求項６】
前記容器は、基部と蓋部とを前記はんだ材料により封止して構成され、
前記容器内の雰囲気は、減圧雰囲気及び不活性ガス雰囲気の少なくとも一方であることを特徴とする請求項５記載の電子部品。
【請求項７】
前記容器は、配線基板上に取り付けられ、
前記配線基板の表面から前記容器の全体に亘ってモールド材料により封止され、
前記はんだ材料は、前記容器の電極を配線基板に電気的に接続するために用いられていることを特徴とする請求項１記載の電子部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板に実装される電子部品に関する。
【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素子は、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用い、基板に実装される電子部品を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の電子部品は、基板に実装される電子部品であって、
電子素子を収容した容器と、
この容器に用いられるはんだ材料と、を備え、
前記はんだ材料は、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、液相線温度が３５０℃以下であることを特徴とする。
【０００９】
また本発明の電子部品は、前記はんだ材料が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んでもよく、前記はんだ材料は、液相線温度と固相線温度との温度差が６０℃以内であってもよく、あるいは前記はんだ材料は、固相線温度が２８０℃以上であることを特徴としてもよい。
さらに前記容器は、基部と蓋部とを前記はんだ材料により封止して構成され、
前記容器内の雰囲気は、減圧雰囲気及び不活性ガス雰囲気の少なくとも一方であってもよく、前記容器は、配線基板上に取り付けられ、
前記配線基板の表面から前記容器の全体に亘ってモールド材料により封止され、
前記はんだ材料は、前記容器の電極を配線基板に電気的に接続するために用いたことを特徴としてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の電子部品は、基板に実装される電子部品において、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。このためはんだ材料を溶融する際の温度を低くすることができ、さらに基板に実装しリフローを行う温度帯域においてはんだ材料が溶解しにくくなる。従ってはんだ材料の溶融不足や、当該表面実装部品を基板に実装する際のはんだ材料の溶融に伴う故障の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態に係る電子部品の分解斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態の他の例に係る表面実装部品の分解斜視図である。
【図３】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４】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】
本発明の実施の形態に係る電子部品について説明するが、まず電子素子を気密に封止する封止材となるはんだ材料について説明する。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９．０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】
続いてはんだペーストを用いた電子部品の例として、容器１０に電子素子を収納し、基板の表面に実装する表面実装部品について、表面実装部品１の封止、及び当該表面実装部品１の基板への実装について説明する。図１に示すように例えば水晶振動子３などの電子素子は、真空もしくは不活性ガス雰囲気下において気密な容器１０に収納された表面実装部品１として構成されて、配線基板に実装される。
容器１０は、例えばセラミック性の板状の基体１１と金属製の蓋部１２とを備え、容器１０内に、例えば水晶振動子が収納される。基体１１はセラミック基板により構成されるが、セラミック基板から切り出される前に、セラミック基板における各基体１１の縁部に全周に亘って例えば、スクリーン印刷により、環状のはんだペーストが印刷される。次いでセラミック基板の各基体に相当する部位には、水晶振動子の励振電極と、表面実装部品が実装される配線基板と、を電気的に接続するための配線及び電極パッドが形成され、基体の形状に切り出される。
【００２１】
その後基体１１に形成された配線と、水晶振動子３に形成された電極３０とが導電性接着剤４により電気的に接続される。
蓋部１２は、例えば深絞り加工により、下面側が開口した概略箱型に形成され、蓋部１２の下面には、全周に亘って外側に突出した縁部１３が形成されている。蓋部１２の縁部１３が基体１１に印刷されたはんだペースト２上に載置された後、蓋部１２及び基体１１は、例えばリフロー炉に搬入され、３８０℃の温度で加熱される。これにより、はんだペースト２が溶融し、蓋部１２の縁部１３と基体１１の表面との間にはんだペースト２が広がり、蓋部１２と基体１１との間に気密に封止された隙間が形成される。この時例えばリフロー炉内において、治具により蓋部１２を基体１１に圧接させるようにしてもよい。その後加熱を停止して温度が下がると、はんだペースト２が固化する。
【００２２】
電子部品のメーカにて製造された表面実装部品１は、例えば表面実装部品１を用いて電気機器を組み立てるユーザにて、基板上に実装される。例えば基板の表面に形成された電極パッドの表面に、表面実装部品を固定するための実装用はんだが塗布され、表面実装部品１の各電極パッドが夫々対応する実装用はんだに接触するように載置される。その後当該基板はリフロー炉内に搬入されて、例えば、Ｎ２リフロー方式により、２６０℃に加熱される。リフロー炉内において加熱されると、実装用はんだが溶融し、表面実装部品１の電極パッドと、基板側の電極とが電気的に接続される。その後基板をリフロー炉から取り出し、温度が下がり、実装用はんだが固化した後、基板及び表面実装部品の表面に付着しているフラックスが洗浄されて除去される。
【００２３】
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となり、表面実装部品１を封止する際の温度を低い温度に設定することができる。また当該表面実装部品１を基板に設置する際のリフロー工程において、表面実装部品１の封止剤として用いたはんだペースト２が再溶融せず、表面実装部品１が気密でなくなったり、蓋部１２が脱落するおそれがない。
【００２４】
また本発明の実施の形態の他の例に係る表面実装部品１として、板状の蓋部２２により、基体２１の凹部の開口部分が塞がれて、蓋部２２と基体２１との間に水晶振動子３などの電子素子が設置される隙間が形成されてもよい。
例えば図２に示すように、基体２１は、上方が開口した概略箱形に形成される。基体２１の内側底面には、基体２１の底面下面側に設けられた図示しない電極パッドにと電気的に接続された電極５が形成されている。まず当該電極５と水晶振動子３に形成された電極３０とが導電性接着剤４により電気的に接続される。
次いではんだペースト２が基体２１における側壁の上面に、スクリーン印刷により供給され、例えばスキージにより、基体２１側壁の上面の全体に押し広げられる。
【００２５】
続いて真空雰囲気あるいは不活性ガス雰囲気下において、基体２１側壁の上面に押し広げられたはんだペースト２の上方に板状の蓋部２２が載置され、例えば３８０℃に加熱される。これによりはんだペースト２が溶融し、更に蓋部２２と基体２１とを圧接させることにより、蓋部２２と基体２１の側壁の上面との間にはんだペースト２が広がる。その後冷却されると、はんだペースト２が固化し、基体２１と蓋体２２とが気密に接合される。更にその後例えば水洗により、表面実装部品１に付着したフラックスが除去される。
【００２６】
また電子素子としては、弾性表面波素子、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）、水晶片の撓みを電気的に検出して加圧速を検出するセンサーなどでも良い。さらにＭＥＭＳなどの電子素子が基板の表面に形成され、電子素子を覆うようにキャップを設けるにあたり、キャップと基板とが上述の封止材により封止された電子部品であってもよい。この場合には、電子素子の配置空間を画成する容器は、キャップと基部を兼用する基板の一部とにより構成されることになる。従って基板の表面に他の表面実装部品を設置するに当たり、加熱をした際に、封止材の再溶融が抑制されるため、同様の効果が得られる。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。
【００２７】
本発明は、既述のはんだ材料を容器に用いることを特徴部分の一つとしているが、「はんだ材料を容器に用いる」とは、容器を構成することとなる基部と蓋部とを気密に封止するための封止材として用いることに限られない。例えば弾性波素子を容器に封入し、この容器の一面側の電極を配線基板の電極にはんだ材料を介して実装し、配線基板の表面から容器全体に亘ってモールド材料により封止し（いわゆるモールドし）て構成される電子部品がある。この電子部品は、例えば、配線基板の裏面側に形成された電極を電子機器側の基板上の電極に接合するように当該基板上に実装されることになる。この場合において、容器側の電極と配線基板側の電極とを接合するためのはんだ材料として既述のはんだ材料を用いる場合においても、本願においては「はんだ材料を容器に用いる」ことになるものとする。
【実施例】
【００２８】
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。
【００２９】
[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。
【００３０】
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。
【００３１】
図３、図４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３、図４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３、図４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。
【００３２】
図３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。
【００３３】
図４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）
【００３４】
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【００３５】
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。
【００３６】
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。
【符号の説明】
【００３７】
１                表面実装部品
２                はんだペースト
３                水晶振動子
１０、２０        容器
１１、２１        基体
１２、２２        蓋部
【図１】
2016087671.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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